KR100773437B1 - 실린더 유닛 내의 고압 피스톤 - Google Patents

실린더 유닛 내의 고압 피스톤 Download PDF

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Abstract

실린더 보어(3a)를 구비한 실린더(3) 및 이 실린더 내부에서 변위 방향(V)으로 이동 가능하게 안내되는 피스톤(2)을 구비하고, 실린더(3)는 실린더 보어(3a) 쪽으로 개구되는 연료 공급 오리피스(3b)를 가지며, 실린더 보어(3a)는 연료 공급 오리피스(3b)와 저압 단부(3d) 사이에서 보어의 길이(F)를 가지며, 피스톤(2) 또는 실린더 보어(3a)는 적어도 변위 방향(V)으로 이격되어 배열되는 제1 및 제2 횡방향 그루브(2c, 2d)를 갖는 내연기관용 고압 이송 펌프인 실린더 유닛(1) 내의 고압 피스톤 장치는, 제1 횡방향 그루브(2c)는 연결 통로(2b)를 거쳐 연료 공급 오리피스(3b)에 유통되게 연결되고 제2 횡방향 그루브(2d)는 연결 통로(2c)를 거쳐 저압 단부(3d)에 유통되게 연결된다.
고압 피스톤, 실린더 유닛, 고압 이송 펌프, 내연기관, 실린더 보어, 연료 공급 오리피스, 저압 단부, 횡방향 그루브, 연결 통로

Description

실린더 유닛 내의 고압 피스톤 {A HIGH PRESSURE PISTON IN CYLINDER UNIT}
도 1은 실린더 유닛 내의 고압 피스톤의 종단면도.
도 2는 피스톤의 사시도.
도 3은 도 1의 선 A-A에 따른 단면도.
도 4는 내연기관의 고압 이송 펌프의 종단면도.
도 5는 실린더 유닛 내의 또 다른 고압 피스톤의 종단면도.
도 6은 또 다른 피스톤의 사시도.
도 7은 또 다른 피스톤의 사시도.
도 8은 실린더 유닛 내의 또 다른 고압 피스톤의 종단면도.
도 9는 도 8의 선 B-B에 따른 단면도.
도 10은 또 다른 피스톤의 사시도.
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 실린더 유닛 내의 고압 피스톤에 관한 것이다.
국제특허 WO89/10479호에는 디젤 엔진의 고압 이송 펌프와 같은 고압 펌프로 사용되기에 적합한 실린더 유닛 내의 고압 펌프가 기재되어 있다. 이러한 고압 이송 펌프는 대략 1,000 bar 이상의 분사 압력을 갖도록 설계된다. 이러한 고압 이송 펌프는 작동할 때 소재의 높은 응력으로 인해 실린더의 가이드에서 눌어붙음(seizing)이 발생될 위험이 있다.
공지된 고압 이송 펌프의 단점인 눌어붙음은 고압 및/또는 고속에서 나타난다.
본 발명의 과제는 상당한 고압 및/또는 고속에서도 실린더의 가이드에서 피스톤의 눌어붙는 경향이 발생하지 않는 실린더 유닛 내의 고압 피스톤을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제1항의 특징을 갖는 실린더 유닛 내의 고압 피스톤에 의해 해결된다. 또 다른 유리한 구체적인 특징들은 종속항인 제2항 내지 제11항에 기재되어 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 실린더 유닛 내의 고압 피스톤은 특히 실린더 보어(cylinder bore)를 구비한 실린더 및 실린더 내부에서 변위 방향으로 이동가능하게 안내되는 피스톤을 포함한다. 실린더는 실린더 보어 쪽으로 개구되는 연료 공급 오리피스를 가지며, 실린더 보어는 연료 공급 오리피스와 저압 단부(low pressure end) 사이에서 길이를 갖는다. 피스톤 또는 실린더 보어는 적어도 변위 방향으로 이격되어 배열된 적어도 제1 및 제2 횡방향 그루브(groove)를 가지며, 제1 횡방향 그루브는 연결 통로를 거쳐 연료 공급 오리피스에 유통되게 연결되고 제2 횡방향 그루브는 연결 통로를 거쳐 저압 단부에 유통되게 연결된다.
제1 및 제2 횡방향 그루브는 밀봉 길이만큼 이격되는 것이 바람직하며 이것은 보어의 길이보다 짧다. 이러한 배열은 피스톤을 안내하기 위한 보어의 길이가 비교적 기다란 형태로 설계되어 피스톤을 확실하게 안내하도록 하고 밀봉 길이가 비교적 짧게 되어서 연료 공급 오리피스와 저압 단부 사이에서 충분히 많은 양의 누출이 발생하도록 하는 장점을 갖는다. 이러한 누출로 인하여 피스톤 및 실린더가 냉각 및/또는 윤활되어 고온 가동이나 피스톤의 눌어붙음조차도 방지될 수 있다. 본 발명에 따른 실린더 유닛 내의 고압 피스톤은 고속이나 고부하에서 지나친 마모가 발생하지 않고 작동될 수 있는 장점을 추가로 갖는다.
바람직한 실시예에서, 예를 들어 밀봉 길이는 대략 5mm인데 반하여 보어의 길이는 100mm이어서, 밀봉 길이는 보어의 길이보다 훨씬 짧게 설계된다. 이러한 배열은 한편으로 피스톤이 실린더 내에서 확실하게 안내되고 다른 한편으로 충분하게 냉각되는 장점을 갖는다.
횡방향 그루브는 환형으로 설계되는 것이 바람직하며, 이로 인해 연료 및 연료에 의해 형성되는 압력이 횡방향 그루브의 둘레에 고루 분포되어 피스톤이 실린더의 중심에 위치되는 장점을 갖는다. 또한 횡방향 그루브는 그 내부에 찌꺼기를 모아서 이들 찌꺼기가 실질적으로 실린더 내부로 이동하지 못하도록 한다.
이하에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 실린더 유닛(1) 내의 고압 피스톤을 도시하며, 실린더 보어(3a)를 구 비한 실린더(3) 및 실린더(3) 내에서 변위 방향(V)으로 안내되어 변위되는 피스톤(2)을 포함한다. 2개의 연료 공급 오리피스(3b)는 실린더 보어(3a) 내로 개구되어 있다. 피스톤(2)은 연료 공급 오리피스(3b)를 거쳐 유입되는 연료를 실린더(3)의 고압 측(3c)으로 압축한다. 실린더의 반대쪽 저압 단부(3c)에는 바람직하게 대기압이 가해진다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 실린더(3)의 외표면은 제1 횡방향 그루브(2c) 및 제2 횡방향 그루브(2d)를 가지며, 이들은 밀봉 길이(D)만큼 상호 이격되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이들 횡방향 그루브(2c, 2d)는 실린더 보어(3a) 내에서 상승 및 하강하는 피스톤(2)의 모든 위치에서 연료 공급 오리피스(3b)와 저압 단부(3d) 사이에 놓이도록 배열된다. 제1 횡방향 그루브(2c)는 그루브 모양의 제1 연결 통로(2b)를 통해 연료 공급 오리피스(3b)에 유통되게 연결된다. 제2 횡방향 그루브(2d)는 그루브 모양의 제2 연결 통로(2f)를 통해 저압 단부(3d)에 유통되게 연결된다. 그루브 모양의 제1 연결 통로(2b)는 연료 공급 오리피스(3b)로의 유체 연결이 적어도 피스톤(2)의 최상 스트로크 위치에서 존재하여 피스톤(2)의 전체 스트로크 동안에 제1 연결 통로(2b)에서의 압력이 연료 공급 오리피스(3b)의 압력에 해당하도록 배열되어, 제1 횡방향 그루브(2c)에서의 압력 또한 대략 연료 공급 오리피스(3b)에서의 유체 압력에 해당하도록 된다. 제2 연결 통로(2f)는 저압 단부(3d)에 일정하게 연결되어 제2 연결 통로(2f) 및 제2 횡방향 그루브(2d)에 대략 대기압이 나타나도록 배열된다. 연료 공급 오리피스(3b) 내의 연료 압력은 예를 들어 최고 5 bar이어서, 제1 횡방향 그루브(2c)와 제2 횡방향 그 루브(2d) 사이에는 대략 5 bar의 압력 차가 발생한다. 밀봉 길이(D)는 바람직하게 예를 들어 5 mm의 매우 짧은 형태로 설계되어 제1 및 제2 횡방향 그루브(2c, 2d) 사이에서 충분히 많은 양의 누출로 인해 냉각과 고온 가동 또는 피스톤(2)의 눌어붙음의 방지에 있어서 충분한 효과가 보장된다.
본 실시예에서, 실린더(3)는 연료 공급 오리피스(3b)와 제1 횡방향 그루브(2c) 사이에서 서로 이격된 복수의 환형 횡방향 그루브(2a)를 가지며, 이들은 모두 연결 통로(2b)에 유통되게 연결된다. 이러한 배열은 하나의 횡방향 그루브(2a) 둘레 전체에 걸쳐 압력의 평형이 이루어져서 각각이 피스톤 둘레에서 피스톤(2)에 균일하게 작용하고 이 피스톤을 실린더 보어(3a)의 중심에 위치시키는 장점을 갖는다.
피스톤(2)은 도 1에 도시한 바와 같이 연료 공급 오리피스(3b)와 피스톤(2)의 자유 단부(2h) 사이의 위치에 균일하게 이격된 복수의 횡방향 그루브(2a)를 갖는다. 이들 횡방향 그루브(2a)는 피스톤(2)의 전체 스트로크 경로에서 상기 횡방향 그루브(2a) 모두가 연료 공급 오리피스(3b)와 유체 연결되어 이들 횡방향 그루브(2a)에 비교적 저압이 가해지는 반면에 피스톤(2) 자유 단부(2h)의 전면에는 예를 들어 1,000 bar의 압력이 가해지도록 배열되는 것이 바람직하다. 그러므로 연료 공급 오리피스(3b) 내의 연료 압력은 자유 단부(2h)의 전면에서의 고압에 의해 거의 영향을 받지 않거나 전혀 영향을 받지 않아 결과적으로 연료 공급 오리피스(3b)와 저압 단부(3d) 사이의 압력 차가 대략 일정한 값을 갖도록 보장된다. 이러한 방식에서, 연료 공급 오리피스(3b)와 저압 단부(3d) 사이의 누출은 자 유 단부(2h)의 전면에서의 압력과 무관하게 된다.
바람직한 실시예에서, 횡방향 그루브(2a)는 변위의 방향(V)에서 연료 공급 오리피스(3b)의 직경보다 작은 상호 간격을 갖는다.
도 3은 선 A-A에 따른 실린더(3) 및 피스톤(2)의 단면을 도시하며, 환형의 횡방향 그루브(2a) 및 연결 통로(2b)가 더욱 잘 보인다.
도 4는 내연기관, 특히 대형 디젤 엔진용 고압 이송 펌프(4)를 종단면으로 도시한다. 실린더 유닛(1) 내의 고압 펌프는 고압 이송 펌프(4) 내부에 배열된다. 피스톤(2)은 상하로 슬라이딩하여 변위 방향(V)으로 펌핑 운동을 함으로써 연료 공급 오리피스(3b)를 개폐하여 압축 행정을 수행하도록 한다. 이로 인해 연료는 고압 공간(4f) 내부로 이송되어 임계 고압에 도달하면 개방되는 고압 밸브(4b)를 거쳐 고압 챔버(4a)로 들어간다. 태핏(tappet)(4e)에 의해 피스톤의 클램프된 단부(2e)로 행정 운동이 개시되며, 태핏(4e)은 예를 들어 캠(도시하지 않음)에 의해 구동된다. 복귀 스프링(4d)에 의해 피스톤(2)의 복귀 운동이 개시된다.
고압 이송 펌프(4)의 장점은 실린더 유닛(1) 내의 고압 피스톤이 고온 가동이나 눌어붙음이 발생하지 않으면서 단위 시간당 고속으로 작동할 수 있다는 사실에서 찾을 수 있다. 그러므로 고압 이송 펌프(4)는 고압 챔버(4a)를 채우는 동안 최대 속도로 작동할 수 있다.
연료는 연료 공급 오리피스(3b)의 입구 개구(4c)를 거쳐 이송된다.
피스톤(2)은 공지된 방식으로 배열되며, 종축 둘레에 회전가능하게 지지된다. 피스톤(2)은 바람직하게 피스톤(2)의 언더컷 재킷(undercut jacket) 및 전면 과 함께 체적을 조정할 수 있는 경사진 컨트롤 에지를 갖는다. 연료 공급 오리피스(3b)의 단면은 피스톤(2)의 회전 위치에 따라 변화하며, 예를 들어 흡입 스로틀 조정에 의한다.
도 1 및 도 2에 도시한 실시예와는 달리, 도 5 및 도 6에 도시한 실시예는 그루브가 없는 피스톤(2)을 가지며, 횡방향 그루브(2a), 제1 및 제2 횡방향 그루브(2c, 2d) 및 제1 및 제2 연결 통로(2b, 2f)가 실린더 보어(3a)의 리세스로서 설계된다. 실린더 보어(3a)의 연료 공급 오리피스(3b)와 횡방향 그루브(2c) 사이 부분 또한 전체 부분을 따르는 피스톤(2)보다 큰 직경을 가져서 이 부분이 연료 공급 오리피스(3b)와 횡방향 그루브(2c) 사이에서 중공의 실린더형 연결 통로(2b)를 형성할 수 있도록 한다. 실린더 보어(3a)는 마찬가지로 횡방향 그루브(2d)와 저압 단부(3d) 사이 부분의 피스톤(2)보다 큰 직경을 가져서 중공의 실린더형 연결 통로(2f)가 형성되도록 한다.
도 7은 자신의 표면을 따라 나선으로 연장하여 연결 통로를 형성하고 횡방향 그루브(2c)를 서로 유통되게 횡방향 그루브(2a)에 연결하는 그루브(2b)를 갖는 피스톤(2)을 도시한다. 피스톤(2)의 배부로 연장하는 나선형 그루브 부분은 도 7에는 나타나지 않는다. 그러나 전체 그루브(2b)는 피스톤의 전체 표면을 따라 횡방향 그루브(2a)에서 시작하여 횡방향 그루브(2c)에서 끝나도록 나선형으로 연장한다.
도 8은 피스톤(2) 및 실린더(3)의 종단면을 도시하며, 피스톤(2)은 자신의 중심에 배열되고 변위 방향(V)으로 직선으로 연장하는 연결 통로(2b)를 갖는다. 피스톤(2)에는 횡방향 통로(2i)가 배열되어 연결 통로(2b; 2f)와 횡방향 그루브(2a, 2c; 2d) 사이에서 유체 연결을 형성한다. 피스톤의 중심에서 연장하고 횡방향 통로(2i)를 거쳐 횡방향 그루브(2a)에 유통되게 연결되는 연결 통로(2b)는 도 8의 선 B-B에 따른 단면을 나타내는 도 9의 단면도에서 볼 수 있다. 연결 통로(2b; 2f)는 또한 예를 들어 도 5에 도시한 횡방향 그루브(2a, 2c, 2d)에 의해 실린더(3) 내에서 연장하여 배열될 수 있으며 실린더(3) 내부에서 연장하는 연결 통로(2b; 2f)에 의해 연료 공급 오리피스(3b) 및/또는 저압 단부(3d)에 유통되게 연결되는 실린더 보어(3a) 내부로 연장하여 배열될 수 있다.
도 10은 하부 단면 영역 또는 횡방향 그루브(2a)와 제1 횡방향 그루브(2c) 사이의 축소된 직경을 갖는 실린더형 피스톤(2)의 다른 실시예를 도시한다. 도 1에 도시한 실린더(3) 내부에 피스톤(2)이 투입되면 상기 축소된 직경을 따라 연결 통로(2b)가 연료 공급 오리피스(3b)를 제1 횡방향 그루브(2c)에 유통시킨다. 따라서 중공의 실린더형 연결 통로(2b)가 형성된다. 피스톤(2)은 마찬가지로 제2 횡방향 그루브(2d)와 저압 단부(3d) 사이에서 축소된 직경을 가져서 연결 통로(2f)를 형성한다.
연결 통로(2b; 2f)는 적어도 일부분이 피스톤(2) 및/또는 실린더 보어(3a)의 표면을 따라 연장하는 리세스로서 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해 상당한 고압 및/또는 고속에서도 실린더의 가이드에서 피스톤의 눌어붙는 경향이 발생하지 않는 실린더 유닛 내의 고압 피스톤이 제공된다.

Claims (12)

  1. 실린더 보어(3a)를 구비한 실린더(3) 및 상기 실린더 내부에서 변위 방향(V)으로 이동 가능하게 안내되는 피스톤(2)을 포함하는, 실린더 유닛(1) 내의 고압 피스톤으로서,
    상기 실린더(3)는 상기 실린더 보어(3a) 쪽으로 개구되는 연료 공급 오리피스(3b)를 가지고, 상기 실린더 보어(3a)는 상기 연료 공급 오리피스(3b)와 저압 단부(3d) 사이의 보어 길이(F)를 가지고, 상기 피스톤(2) 또는 상기 실린더 보어(3a)는 변위 방향(V)으로 이격되어 배열되는 하나 이상의 제1 및 제2 횡방향 그루브(2c, 2d)를 가지고,
    상기 제1 횡방향 그루브(2c)는 연결 통로(2b)를 통해 상기 연료 공급 오리피스(3b)에 유통되게 연결되고, 상기 제2 횡방향 그루브(2d)는 연결 통로(2c)를 통해상기 저압 단부(3d)에 유통되게 연결되는 고압 피스톤.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 횡방향 그루브(2c, 2d)는 밀봉 길이(D)만큼 이격되어 배열되고, 상기 밀봉 길이(D)는 상기 보어 길이(F)보다 짧은, 고압 피스톤.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 밀봉 길이(D)는 상기 보어 길이(F)의 5분의 1 이하인, 고압 피스톤.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 길이(D)는 5mm 인, 고압 피스톤.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 횡방향 그루브(2c)와 상기 연료 공급 오리피스(3b) 사이에 하나 이상의 횡방향 그루브(2a)가 배치되고, 상기 횡방향 그루브(2a)는 상기 연결 통로(2b)에 유통되게 연결되는, 고압 피스톤.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 피스톤(2)은 자유 단부(2h) 쪽으로 2개 이상의 횡방향 그루브(2a)를 가지고, 상기 횡방향 그루브(2a)가 변위 방향(V)으로 이격된 간격은 연료 공급 오리피스(3b)의 직경보다 작은, 고압 피스톤.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연결 통로(2b; 2f)는 상기 피스톤(2) 또는 실린더(3)에 배열되어 상기 제1 또는 제2 횡방향 그루브(2c, 2d)에 유통되게 연결되는 통로에 의해 형성되는, 고압 피스톤.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연결 통로(2b; 2f)는 변위 방향(V)으로 연장되도록 형성되는, 고압 피스톤.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연결 통로(2b; 2f)는 나선으로 연장되도록 형성되는, 고압 피스톤.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연결 통로(2b; 2f)는 중공의 실린더형인, 고압 피스톤.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연결 통로(2b; 2f)는 적어도 일부분이 상기 피스톤(2) 및 상기 실린더 보어(3a) 중 하나 이상의 표면을 따라 연장되어 있는 리세스로서 형성되는, 고압 피스톤.
  12. 실린더 유닛(1) 내의 고압 피스톤을 포함하는 내연기관용 고압 이송 펌프로서,
    상기 고압 피스톤은, 실린더 보어(3a)를 구비한 실린더(3) 및 상기 실린더 내부에서 변위 방향(V)으로 이동 가능하게 안내되는 피스톤(2)을 포함하고,
    상기 실린더(3)는 상기 실린더 보어(3a) 쪽으로 개구되는 연료 공급 오리피스(3b)를 가지고, 상기 실린더 보어(3a)는 상기 연료 공급 오리피스(3b)와 저압 단부(3d) 사이의 보어 길이(F)를 가지고, 상기 피스톤(2) 또는 상기 실린더 보어(3a)는 변위 방향(V)으로 이격되어 배열되는 하나 이상의 제1 및 제2 횡방향 그루브(2c, 2d)를 가지고,
    상기 제1 횡방향 그루브(2c)는 연결 통로(2b)를 통해 상기 연료 공급 오리피스(3b)에 유통되게 연결되고, 상기 제2 횡방향 그루브(2d)는 연결 통로(2c)를 통해상기 저압 단부(3d)에 유통되게 연결되는, 고압 이송 펌프.
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