KR101157273B1 - 액체 연료 첨가제용 정량 펌프 및 이를 포함하는 연료 시스템 - Google Patents

Abstract

피스톤(3), 실린더(1) 및 실린더(1) 내에서 피스톤(3)을 축방향으로 이동시키는 액츄에이터(7)를 포함하는, 중질 연료 엔진에서의 액체 첨가제용 정량 펌프이며, 이 액츄에이터(7)는 고분해능 선형 액츄에이터이다.

고분해능 선형 액츄에이터, 정량 펌프, 체크 밸브, 시린지 펌프, 매니폴드

Description

액체 연료 첨가제용 정량 펌프 및 이를 포함하는 연료 시스템 {DOSING PUMP FOR A LIQUID FUEL ADDITIVE AND FUEL SYSTEM COMPRISING THE SAME}

본 발명은 차량의 엔진, 엔진의 배기 가스, 또는 중질 연료(즉, 9 탄소 원자 이상을 갖는 연료; 전형적으로는 디젤)를 사용하는 엔진의 경우에는 이 연료, 그리고 양호하게는 연료 탱크 내에 직접 첨가되는 액체 첨가제(고농축)용 정량 펌프에 관한 것이다.

요소, 액체 암모니아 및 카바메이트(carbamate)와 같은 첨가제의 목적은 엔진에 의한 NOx 및 CO와 같은 오염 물질의 배출을 낮추는 것이고, 금속성 염[탄화 수소 용제 내의 용액의 철(Fe) 또는 세륨(Ce)의 염 등]이 중질 연료 엔진의 배기 시스템의 필터에 보유된 입자의 연소 온도를 낮추는데 대체로 사용된다.

현재의 시스템은 [대개 엔진 내에서 배기 가스, 연료 탱크, 연료 공급 파이프 또는 엔진의 연료 복귀 파이프에서; 이는 현 응용분야에서 대개 "엔진 회로"라고 불려진다) 분사되어야 하는 첨가제 액체를 정량하는데 종래의 피스톤 펌프를 이용한다. 이러한 피스톤 펌프는 고정 체적 펌프이고, 이 펌프는 행정마다 (대개 피스톤이 이동하는 실린더의 체적에 따라) 일정한 사전-설정 체적을 정량한다.

미국 출원번호 제2003-0136355호는 연료 인출 모듈 내에 합체되는 계량 펌프 를 통하여 연료 내에 연료 첨가제를 공급하는 시스템을 개시한다. 이러한 계량 펌프는 각각의 펌프 사이클의 일정 체적을 이송하는 정변위 펌프(피스톤 펌프)이다. 필요한 총 정량은 펌프를 요구되는 사이클 수만큼 작동시킴으로써 이송된다. 단점은 다음과 같다.

- 정확한 정량이 최적의 결과를 위하여 요구되지만, 피스톤 체적과 관련된 임의의 오차가 행정의 수에 걸쳐서 누적된다.

- 과다 주입의 가능성이 있으며, 이는 첨가제의 단가를 고려하면 경제적이지 못하다.

- 작동에 사용되는 솔레노이드 밸브가 일반적으로 소음이 발생한다.

새로운 본 발명은 적어도 이러한 단점의 몇몇을 해결하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 주로 상기 설명된 고정 체적 펌프를 가변 체적 펌프, 즉 항상 미리 설정된 체적이 아닌 체적을 이송할 수 있는 펌프로 대체하여 구성된다.

이에 따라, 본 발명은 차량의 엔진 회로의 액체 첨가제용 정량 펌프에 관한 것이고, 이 펌프는 피스톤, 실린더 및 실린더 내에서 축방향으로 피스톤을 이동시키는 액츄에이터를 포함하고, 이 액츄에이터는 고분해능 선형 액츄에이터이다.

이러한 액츄에이터를 사용함으로 인해, 본 발명에 따른 펌프는 임의의 요구되는 체적을 이송할 수 있고 자체 프라이밍이 가능한 가변 체적 펌프이다.

본 발명에 따른 펌프는 피스톤, 실린더(하우징) 및 액츄에이터 외에, 첨가제를 흡입 및 배출하는 적어도 하나의 입구 및 출구 체크 밸브를 포함하는 매니폴드를 포함한다. 이러한 밸브는 임의의 타입일 수 있다. 이는 양호하게는 수동(즉, 이들을 통하는 액체의 유동 이외에는 다른 수단에 의해 작동되지 않는, 자동으로 작동되는 밸브) 일방향 밸브(즉, 이를 통하는 액체의 일방향 유동만을 허용함)이다.

본 발명의 가변 체적 펌프는 양호하게는, 피스톤이 시린지 펌프, 즉 각각의 정량 사이클의 끝에서 (매니폴드의 내부면 또는 펌프 실린더 보어의 단부일 수도 있는) 솔리드 면과 접촉하는 펌프이다. "정량 사이클(dose cycle)"이라는 것은 펌프의 2번의 연속적인 흡입 사이에서의 완전한 작동 시퀀스를 의미한다. 따라서, 각각의 사이클의 끝에서, 시린지는 말단 멈춤부로 복귀하여, 높은 반복성을 보장한다. 또한, 각각의 사이클된 후 펌프 몸체 내에 남겨진 첨가제의 체적은 최소화되고, 이는 온도 변화시 발생할 수 있는 첨가제로부터의 가스 또는 증기의 누출 가능성을 최소화시킨다.

본 발명에 따른 "고분해능 선형 액츄에이터"는, 사실상 선형 위치가 고분해능으로 제어될 수 있는 액츄에이터를 의미한다. "고분해능"이라는 것은 정밀도가 1 mm이하, 양호하게는 0.1 mm 이하, 더 양호하게는 50 ㎛이하가 되는 것을 의미한다. 본 발명에 사용되는 선형 액츄에이터는 양호하게는, 단일의 스텝에 대하여 높은 정밀도를 달성하고 제어기에 의해 제어되도록 피스톤이 매우 작은 증분만큼 이동하는 전기 스텝 모터(stepper motor)를 포함한다. 이러한 액츄에이터의 장점은 예를 들어 솔레노이드 펌프와 비교할 때 소형(컴팩트성)이고 낮은 전력 소비를 들 수 있다.

더 양호하게는, 선형 액츄에이터는 기어 감속부를 통해 회전 전기 모터에 의해 구동된다. 장점은 다음과 같다.

- 기어 감속부는 첨가제의 체적 정량시 높은 정밀도에 대응하는 선형 위치에 있어서의 높은 정밀도를 제공하며, 소음이 없다.

- 기어 감속부는 회전 전기 모터에 전력이 공급되지 않을 때 피스톤 이동에 대한 높은 저항성을 제공하여서 피스톤이 입구 및 출구 개구에 대하여 밀봉을 유지한다.

고분해능으로 액츄에이터의 선형 위치를 제어하는 다른 가능성은 다음과 같다.

(A) 크랭크 단부(피스톤)의 선형 위치가 높은 정도의 정밀도로 제어될 수 있도록(그리고 사이클에서 임의의 점에서 역전될 수 있도록) 기어 감속부를 통해 구동되는 크랭크,

(B) 압전 모터와 같은 선형 전기 모터에 의해 구동되는 선형 액츄에이터.

크랭크의 경우에(실시예 A), 대체로 피스톤의 선형 운동을 제공하기 위해 긴 크랭크가 사용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 펌프는 필요한 최대 정량과 동일한 용량(관련 연료의 체적을 고려)을 갖고, 최대 정량까지 체적을 분배한다. 이는 요구되는 첨가제 체적이, 매우 조용한 해결책이지만 약간은 큰 크기인 펌프의 일 사이클을 통해서만 이송된다는 것을 의미한다.

다른 양호한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 펌프는 차량의 더 많은 위치에 끼워지도록 줄어든 용량(즉, 최대 정량 이하)을 갖는다. 이 펌프는 하나 이상의 분사(즉, 하나 이상의 펌프 사이클)에 의해 요구되는 첨가제 체적을 분배한다.

이 실시예에서, 피스톤은 매니폴드에 정확히 끼워져서 모든 첨가제가 반복적으로 압축되어 배출된다. 이는 펌프가 흡입시에만 정확할 필요가 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 펌프는 대개 피스톤과 실린더 사이의 밀봉을 보장하도록 시일을 이용한다. 이러한 시일은 피스톤 헤드 상에 반경 방향으로 배치되고 실린더 내부에서 피스톤과 함께 활주하는 활주 시일일 수도 있다. 하지만, 바람직하게는 이러한 시일은 실린더에 부착된 적어도 하나의 부분을 구비하고 이와 함께 움직이는 저마찰 디쉬 시일(dish seal)(다이어프램)이다. 이러한 시일의 장점은 다음과 같다.

- 피스톤이 중요한 비사용 기간 후에 처음 가동될 때 훨씬 적은 힘이 모터에 가해져서, 모터의 슬립이 방지되고 펌프 정밀도가 보장된다.

- 첨가제의 층이 시린지 상의 내부면 상에 남아 건조되고 벗겨지는 일이 없어서, 전기 단락 또는 기구의 잼 현상(jamming)의 가능성이 방지된다.

- 누출이 불가능하고, 이에 따라 정밀도가 보존된다.

다이어프램 시일의 다른 장점은 축방향 운동을 수용할 수 있어서 고정 크랭크 선형 액츄에이터와 높은 양립성을 갖는다는 것이다(상기 설명된 실시예 A).

이와 관련하여, 본 발명의 주 목적이 고분해능 선형 액츄에이터에 의해 구동되는 펌프일지라도 상기 설명된 다이어프램 시일의 모든 장점들은 이러한 액츄에이터가 없는 펌프의 경우에 또한 존재한다는 것은 주목할만하다. 이러한 펌프는 미국 특허 제4,874,299호에 공지되지만, 본문에 개시된 펌프는 왕복 펌프, 즉 가변 체적 펌프가 아닌 고정 체적 펌프이다. 따라서, 선형 액츄에이터의 존재를 제외하고는 상기 설명된 바와 같은 다이어프램을 갖춘 가변 체적 펌프는 디젤 첨가제 정량일지라도 선형 액츄에이터의 선택이 바람직한 본 발명의 다른 태양이다.

본 발명에 따른 펌프를 제조하는 재료는 정량될 첨가제에 대하여 저항성을 갖도록 선택된다. 대체로, 피스톤과 실린더는 [PBT(폴리부틸렌)과 같은] 플라스틱이고, 시일(들)은 탄성 중합체, 가장 양호하게는 불소가 첨가된 실리콘 탄성 중합체이다. 디쉬 시일의 경우에, 그 형상 및 재료는 펌프가 "흡입"할 때 시일의 신장을 방지하는데 중요하다. 시일의 프로파일은 힘(이에 따라, 시일의 신장)이 흡입 시 최소화되도록 양호하게는 설계된다. 다른 수단은 시일의 재료 보강재 또는 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌, 대개는 "테플론"이라 불림)와 같은 재료로 시일의 코팅을 포함하여서 신장을 방지(하고 재료의 양립성이 증가)된다.

디쉬 시일을 사용하는 정량 펌프에서는, 주입되는 체적이 피스톤의 운동과 선형이 되지 않는다. 하지만, 시일의 형상은 잔류하는 비선형성이 전기적으로 (모터를 구동시키는 제어기에 의해) 제거되는 현상이 종료되는 것을 최소화하도록 구성된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 정량 펌프는 중질 연료 엔진의 연료 시스템의 일부이다. 따라서, 다른 태양에 따르면, 본 발명은 상기 설명된 바와 같이 정량 펌프가 구비된 연료 시스템에 관한 것이다. 연료 시스템은 연료 조작(디젤의 경우에, 저장, 공급 및 복귀)에 사용되는 모든 요소(장치)를 의미한다. 이러한 시스템은 본 발명의 프레임에서의 첨가제 저장조 뿐만 아니라 적어도 연료 탱크, 필러 파이프, 주입 파이프, 통기 라인 및 연료 공급/복귀 라인을 포함한다.

이러한 실시예에 따르면, 펌프는 양호하게는 연료 시스템 내의 다음의 위치들 중 하나에 위치된다.

a. 주입 파이프 구역 내, 특히 첨가제 저장조가 프랑스 특허 출원 제FR03.13073호에 개시된 곳에 위치된다.

b. 첨가제 저장조와 연료 탱크 사이

c. 연료 탱크의 표면, 위 또는 아래(특히, 첨가제 저장조가 프랑스 특허 출원 제FR04.00856호에 개시된 바와 같이 연료 탱크에 내장되는 경우); 이러한 경우에, 이는 탱크 상에 고정된 연료 인출 모듈에 근접한 것이 바람직하다.

d. 상기 언급된 미국 특허에 개시된 바와 같이 연료 인출 모듈 내부

e. 연료 공급 라인에 근접 또는 연료 공급 라인 상(엔진의 분사 레일로부터 연료 탱크로 고온의 연료를 복귀시킴)

다시 말해, 상기 설명된 바와 같은 맞춤 유체 매니폴드를 사용하여 공통의 펌프 본체 설계가 다양한 시스템 구성에 합체될 수 있다.

이 실시예에 따른 정량 펌프의 제어기는 주입될 첨가제의 양, 또는 바람직하게는 추가되어야할 연료의 양을 파악할 수 있다(이에 따라, 프로세서가 요구되는 정량을 계산할 수 있고-제어기만이 사용시의 첨가제의 농도 및 타입을 알 필요가 있다).

본 발명은 실질적으로는 본 발명의 2개의 양호한 실시예를 도시하는 도1 내지 도4에 의해 제한적이 아닌 방식으로 설명된다. 이러한 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한/유사한 요소를 지칭한다.

도1 및 도2는 활주 시일을 갖춘 시린지 펌프를 도시하는 도면이다.

도3 및 도4는 시린지-멤브레인 펌프를 도시하는 도면이다.

도1 및 도2의 설명 : 실시예 1

이러한 도면들은 대략 8 ml의 용량을 갖는 활주 시일을 갖춘 시린지 펌프를 나타낸다.

시린지는 매니폴드(6) 내의 유입 구멍(I), 시일(5) 및 일방향 밸브(2)를 통하여, 계산된 정량으로 단일의 비율로만 행하는 피스톤(3)에 의해 첨가제 액체를 흡입한다.

피스톤(3)은 액츄에이터(7)의 일부인 기어 감속부 및 스텝 모터에 의하여 움직인다. 피스톤(3)과 실린더(1) 사이에 활주 시일(4)이 위치한다.

액체 흡입 후, 시린지는 지지부(6) 내의 배출 구멍(O), 시일(5') 및 일 방향 밸브(2')를 통하여 피스톤(3)에 의해 첨가제 액체를 디젤 연료 탱크로 밀어낸다.

도3 및 도4의 설명: 실시예 2

이러한 도면들은 대략 0.5 ml의 용량을 갖는 디쉬 시일을 갖춘 멤브레인-시린지 펌프를 나타낸다.

그 저장 및 재설정 위치가 도3에 도시된다. 피스톤은 매니폴드(6), 즉 그 말단 멈춤부에 대항하여 시일(4)을 밀어올린다.

시일(4)은 (첨가제의 긴밀한 밀봉을 형성하면서) 그 주변이 실린더(1)와 매니폴드(6) 사이에 고정되고 그 편평 상단부(F)를 거쳐 피스톤(3)에 부착된다. 피스톤(3)이 움직일 때, 시일의 상단부(F)는 피스톤과 함께 움직이고, 매니폴드(6)와 시일(4) 사이에 빈 공간이 생성된다.

시린지는 매니폴드(6) 내의 유입 구멍과 일 방향 밸브(2)를 통하여, 계산된 정량에 이르기까지 다수의 행정을 수행하는 피스톤(3)에 의해 첨가제 액체를 흡입한다.

피스톤(3)은 이러한 경우에 실린더(1)와 단편으로 제조되는 액츄에이터(7)의 일부인 기어 감속부와 스텝 모터에 의하여 움직인다.

다음의 시퀀스는 펌프의 일 사이클을 한정한다.

- 모터가 제어기에 의해 구동되어 설정된 스텝의 수만큼 회전한다. 스텝의 수는 미리 정한 선형 주행에 상당한다.

- 피스톤(3)이 움직임에 따라, 입구 밸브의 균열 압력은 초과되고, 첨가제는 매니폴드(6)와 시일(4) 사이에 생성된 빈 공간 내로 유동한다.

- 제어기에 의해 지시된 스텝의 수만큼 모터가 회전하면 피스톤(3)이 정지한다. 그 후 피스톤은 방향을 변경하고, 출구 체크 밸브(도시 안됨)와 디젤 탱크 체크 밸브는 그들의 조합 균열 압력이 초과되었을 때 개방된다. 첨가제는 빈 공간으로부터 유동하여 피스톤(3)이 매니폴드(6)에 대하여 바닥에 이르기까지 디젤 탱크 내로 유입한다.

주입된 첨가제의 체적은 매니폴드(6)와 시일(4) 사이에 형성된 빈 공간의 체 적에 의존한다. 이러한 체적은 피스톤(3)이 변위될 때 시일(4)에 의해 형성된 컨볼루션(convolution)에 의해 결정된다. 주입량은 하나 이상의 사이클을 포함하고, 각각의 사이클 사이에서 모터는 그 저장/재설정 위치에 대하여 선형 액츄에이터를 구동한다.

펌프 분해능, 크기 및 단일 스텝의 정밀도는 스텝 모터 분해능의 함수이고, 이송된 체적과 독립적이다.

시린지 멤브레인 펌프는 짧은 시간동안 전체 펌프 체적을 이송한다.

실시예 1(도1 및 도2)와 실시예 2( 도3 및 도4 )의 공통의 특징들

2개의 펌프는 디젤 연료의 추가량(5 리터와 120 리터 사이)에 대하여 고농축의 첨가제 액체(예를 들어, 금속 농축율 10%)의 정량을 허용한다.

피스톤(3)의 최소 선형 스텝은 10 내지 50 ㎛의 범위로 매우 작다.

전력 소비는 매우 낮다(예를 들어, 12볼트에서 5와트).

2개의 단순한 수동 밸브가 사용되고, 시스템은 정량 레벨의 넓은 범위에 걸쳐 신축적이다.

이러한 개념은 솔레노이드 밸브가 아닌 수동 밸브를 이용하기 때문에 소음이 없다.

Claims (9)

1. 매니폴드(6), 피스톤(3), 실린더(1), 상기 실린더(1) 내에서 상기 피스톤(3)을 축방향으로 이동시키는 고분해능 선형 액츄에이터(7) 및 상기 피스톤(3)과 상기 실린더(1) 사이의 밀봉을 보장하는 시일(4)을 포함하는, 중질 연료 엔진의 연료의 액체 첨가제용 정량 펌프로서,

   상기 시일(4)은 상기 피스톤(3)에 부착되어 상기 피스톤(3)과 함께 움직이는 적어도 일 부분(F)을 갖는 저마찰 디쉬 시일이며, 상기 피스톤(3)이 각각의 사이클의 끝에서 저장/재설정 위치에 있을 때, 상기 피스톤(3)은 상기 시일(4)을 매니폴드(6)의 말단 멈춤부에 맞서 상방으로 가압하여 펌프 내의 액체 첨가제를 펌프 밖으로 배출하는 것을 특징으로 하는 정량 펌프.
2. 제1항에 있어서, 상기 매니폴드(6)는 수동식 일방향 밸브인 적어도 하나의 입구 체크 밸브(2) 및 출구 체크 밸브(2')를 포함하는 것을 특징으로 하는 정량 펌프.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌프는 상기 피스톤(3)이 각각의 정량 사이클의 끝에서 솔리드 표면과 접촉하는 시린지 펌프인 것을 특징으로 하는 정량 펌프.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선형 액츄에이터(7)는 기어 감속부를 통하여 회전 전기 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 정량 펌프.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌프는 요구되는 첨가제 체적이 항상 펌프의 하나의 사이클을 통해서만 분배되도록 요구되는 최대 정량과 동일한 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 정량 펌프.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌프는 요구되는 첨가제 체적이 하나 이상의 펌프 사이클을 통해서 분배되도록 최대 정량 미만의 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 정량 펌프.
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9. 제1항 또는 제2항에 따른 액체 첨가제용 정량 펌프를 포함하는 연료 시스템.

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