KR101522060B1 - 피스톤 기관용 연료 분사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 여러 개의 실린더 (12) 를 갖는 피스톤 기관용 커먼 레일 (common rail) 연료 분사 장치 (1) 에 관한 것이다. 연료 분사 장치 (1) 는, 가압된 연료를 위한 적어도 하나의 축압기 (7, 8, 18), 가압된 연료를 실린더 (12) 에 분사하기 위한 분사기 (6), 및 분사기 (6) 로부터 누출된 연료를 제거하기 위한 누출 채널 배치 (24) 를 포함한다. 상기 누출 채널 배치 (24) 에, 연료 누출을 검출하기 위한 누출 검출기 (28) 가 제공된다.

Description

피스톤 기관용 연료 분사 장치{FUEL INJECTION SYSTEM FOR A PISTON ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 피스톤 기관용 연료 분사 장치에 관한 것이다.
피스톤 기관의 작동을 향상시키기 위해, 이른바 커먼 레일 (common rail) 연료 분사 장치가 통상적으로 이용된다. 커먼 레일 장치에서, 압력 공급과 연료 분사는 서로 기능적으로 분리되어 있다. 연료는 고압 펌프에 의해 공통 압력 공급부 내로 공급되고, 공통 압력 공급부로부터 개별 파이프를 통해 각 실린더의 분사기 (injector) 내로 안내된다.
본 발명의 목적은 향상된 피스톤 기관용 연료 분사 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1 에 따른 연료 분사 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 연료 분사 장치는 가압된 연료를 위한 적어도 하나의 축압기 (pressure accumulator), 및 가압된 연료를 실린더 내로 분사하기 위한 분사기로서, 축압기(들)에 연결되어 있는 분사기를 포함한다. 또한, 연료 분사 장치는 분사기로부터 누출된 연료를 제거하기 위한 누출 채널 배치 (arrangement) 를 포함한다. 누출 채널 배치에는, 연료 누출을 검출하기 위한 누출 검출기가 제공된다.
이하에서, 첨부 도면을 참조한 예를 통해 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료 분사 장치의 개략도이다.
도 2 는 도 1 의 연료 분사 장치에 이용될 수 있는 연료 분사기의 단면도이다.
도 3 은 연료 분사기 및 실린더 헤드에 대한 공급 파이프의 연결을 보여주는 단면도이다.
도 4 는 도 1 의 연료 분사 장치에 이용될 수 있는 누출 연료 검출기의 단면도이다.
도 1 은 대형 피스톤 기관, 예컨대 대형 디젤 기관의 커먼 레일 연료 분사 장치 (1) 의 개략도이다. 여기서의 대형 피스톤 기관은 예컨대 선박 또는 열 및/또는 전기 생성을 위한 동력 설비의 주 및 보조 기관으로서 이용될 수 있는 기관을 가리킨다. 기관은 중질 연료유 (heavy fuel oil) 에 의해 작동될 수 있다. 연료 분사 장치 (1) 는 연료원 (fuel source), 예컨대 연료 탱크 (2) 를 포함하고, 연료는 연료원으로부터 저압 연료 펌프 (3) 에 의해 연료 파이프 (4) 를 통해 고압 펌프 (5) 로 안내되고, 이 고압 펌프는 분사기 (6) 에서 충분한 분사 압력이 획득될 수 있는 정도의 레벨까지 연료의 압력을 상승시킨다.
연료 분사 장치 (1) 는 고압 연료를 위한 적어도 하나의 축압기 (7, 8) 를 포함한다. 도 1 에 나타낸 장치는 연결 파이프 (9) 를 통해 서로 유동 연결로 배치된 2 개의 개별 축압기 (7, 8) 를 포함한다. 고압 펌프 (5) 로부터 제 1 축압기 (7) 내로 연료가 공급되고, 제 1 축압기로부터 연결 파이프 (9) 를 통해 제 2 축압기 (8) 내로 연료가 공급된다. 또한, 각 분사기 (6) 에는, 축압기 (7, 8) 로부터 연료가 공급되는 분사기 축압기 (18) 가 제공될 수 있다. 제 2 축압기 (8) 에는, 순환 밸브 (10) 가 제공되고, 순환 밸브를 통해, 기관의 시동 전 가열을 위해 분사 장치 (1) 에서 연료가 순환될 수 있다. 또한, 제 2 축압기 (8) 에는, 축압기 (7, 8) 및/또는 분사기 축압기 (18) 내 압력을 소정의 최대값 미만으로 유지하기 위한 안전 밸브 (11) 가 제공된다. 또한, 안전 밸브 (11) 는 필요시 축압기 (7, 8) 및/또는 분사기 축압기 (18) 를 감압시키는데 이용될 수 있다. 축압기 (7, 8) 의 체적은 다음 식
Figure 112010072658698-pct00001
으로 규정될 수 있으며, 여기서
Vacc = 축압기의 체적,
Vinj = 풀 (100 %) 기관 로드 (load) 에서의 1회 분사 수행 동안 분사기에 의해 분사되는 연료의 양 (체적),
Ninj = 상기 축압기에 연결된 분사기의 개수이며,
값 S 는 50 ~ 100 이다.
연료 분사 장치 (1) 는 기관의 실린더 (12) 내로 연료를 분사하기 위한 분사기 (6) 를 포함한다. 연료 분사기 (6) 의 구조를 도 2 에 더 상세히 나타내었다. 분사기 (6) 는 기관의 실린더 헤드 (13) 내에 설치된다. 각 분사기 (6) 는 공급 파이프 (14) 를 통해 축압기 (7, 8) 에 연결된다. 공급 파이프 (14) 의 단부는 실린더 헤드 (13) 의 보어 (35) 내에 배치된다. 도 1 에 나타낸 실시형태에서, 여러 분사기 (6) 가 각 축압기 (7, 8) 에 연결되지만, 필요시, 단 하나의 분사기 (6) 가 각 축압기 (7, 8) 에 연결될 수 있다. 공급 파이프 (14) 를 통해 축압기 (7, 8) 로부터 분사기 (6) 에 연료가 공급된다. 공급 파이프 (14) 에는 이중 벽이 제공된다. 공급 파이프 (14) 의 내측 유동 공간은 고압 연료를 위한 것이고, 외측 유동 공간은 가능한 누출 연료를 위한 수집 채널로서 작용한다. 공급 파이프의 외측 유동 공간은, 축압기 (7, 8) 와 연결되도록 배치될 수 있는 연료 누출 검출 시스템과 유동 연결된다. 그러한 연료 누출 검출 시스템의 예가 EP특허 1　150 006 에 기재되어 있다.
분사기 (6) 는 보디 (15) 를 포함하며, 보디 내에는, 연료 챔버 (17) 로부터 실린더 (12) 내로의 연료 분사를 제어하기 위해 밸브 니들 (16) 이 배치된다. 밸브 니들 (16) 의 위치에 따라, 연료 챔버 (17) 로부터 실린더 (12) 내로의 연료 분사가 허용되거나 또는 방지된다. 분사기 (6) 는 공급 파이프 (14) 를 통해 연료가 공급되는 분사기 축압기 (18) 를 포함한다. 분사기 축압기 (18) 의 체적은 풀 (100 %) 기관 로드에서의 1회 분사 수행 동안 분사기에 의해 분사되는 연료의 양 (체적) 의 적어도 40, 일반적으로 60 ~ 100 배이다. 연료는 분사기 축압기 (18) 로부터 연결 채널 (34) 을 통해 연료 챔버 (17) 내로 공급된다. 분사기 축압기 (18) 와 연료 챔버 (17) 사이에, 유동 퓨즈 (flow fuse) (19) 가 배치된다. 유동 퓨즈 (19) 는 분사기 (6) 의 기능고장의 경우, 예컨대 밸브 니들 (16) 이 올바르게 폐쇄되지 않은 때, 분사기 축압기 (18) 로부터 연료 챔버 (17) 로의 연료 유동을 방지한다.
분사기 (6) 는 공급 파이프 (14) 를 통해 연료가 공급되는 제어 챔버 (20) 를 포함한다. 제어 챔버 (20) 내 연료 압력이 밸브 니들 (16) 에 작용한다. 제어 챔버 (20) 내 연료의 압력에 의해, 밸브 니들 (16) 이 폐쇄 위치로 향하게 된다. 밸브 니들 (16) 의 이동 및 그에 따른 실린더 (12) 내로의 연료 분사는 제어 챔버 (20) 내 연료 압력에 의해 제어될 수 있다. 제어 챔버 (20) 로부터 연료를 제거하기 위한 리턴 파이프 (21) 가 분사기 (6) 에 연결된다. 리턴 파이프 (21) 는 실린더 헤드 (13) 의 제 2 보어 (42) 내에 배치되거나 제 2 보어에 연결된다. 리턴 파이프 (21) 를 통해 제어 챔버 (20) 로부터 제거되는 연료는 분사기 (6) 로부터의 연료 분사를 제어하는데 이용된다. 제어 챔버 (20) 로부터의 연료의 배출을 제어하기 위해, 리턴 파이프 (21) 에 제어 밸브 (22) 가 배치된다. 제어 밸브 (22) 는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 제어 챔버의 입구에는, 제어 챔버 (20) 내로의 연료 유동을 제한하는 스로틀이 제공될 수 있다. 또한, 분사기 (6) 에는, 밸브 니들 (16) 을 폐쇄 위치쪽으로 미는 스프링 (23) 이 제공된다.
연료 분사를 시작하기 위해, 제어 밸브 (22) 가 개방된다. 연료가 제어 챔버 (20) 로부터 리턴 파이프 (21) 내로 유동하고, 제어 챔버 (20) 내 연료 압력이 감소한다. 연료는 리턴 파이프 (21) 를 통해 연료 탱크 (2) 내로 유동한다. 리턴 파이프 (21) 내 연료 압력은 일반적으로 약 4 bar 이거나 4 bar 이상이다. 제어 챔버 (20) 내 압력이 충분히 낮으므로, 연료 챔버 (17) 내 연료 압력에 의해 야기되는 힘이 스프링 (23) 의 힘에 대항하여 밸브 니들 (16) 을 개방 위치쪽으로 민다. 그 결과, 밸브 니들 (16) 이 그의 시트 (seat) 로부터 들어올려지고, 연료 챔버 (17) 로부터 실린더 (12) 내로 연료가 분사된다. 제어 밸브 (22) 가 폐쇄되면, 제어 챔버 (20) 내 연료 압력이 증가한다. 따라서, 밸브 니들 (16) 이 시트에 맞닿아 폐쇄 위치로 복귀되므로, 연료 챔버 (17) 로부터 실린더 (12) 내로의 연료 분사가 정지된다.
연료 분사 장치 (1) 에는, 분사기 (6) 로부터의 이른바 더티 누출 (dirty leakage) 을 제거하기 위한 누출 채널 배치 (24) 가 제공된다. 더티 누출은 분사기 (6) 로부터의 바람직하지 않은 연료 누출, 예컨대 분사기 부품 및/또는 분사기의 연료와 밀폐용 오일의 혼합물 사이의 간극으로부터의 누출이다. 누출 채널 배치 (24) 는 분사기 (6) 에 연결되거나 또는 유동 연결된 분지 채널 (25) 을 포함한다. 또한, 누출 채널 배치 (24) 는 분지 채널 (25) 에 연결된 수집 채널 (26) 을 포함하므로, 누출 연료 유동이 분지 채널 (25) 로부터 수집 채널 (26) 로 안내된다. 분사기 보디 (15) 는 누출 출구를 갖고, 누출 출구를 통해 더티 누출이 분사기 (6) 로부터 제거되고 분지 채널 (25) 내로 도입될 수 있다. 분지 채널 (25) 은 누출 출구와 유동 소통한다. 분지 채널 (25) 은 실린더 헤드 (13) 의 보어 내에 배치된다. 또한, 공급 파이프 (14) 가 배치되어 있는 보어 (35) 는, 공급 파이프 (14) 의 외측 표면과 보어 (35) 의 내측 표면 사이의 간극 (38, 39) 이 분지 채널 (25) 로서 작용하도록, 분지 채널 (25) 을 위해 이용될 수 있다.
도 3 은 연료 분사기 (6) 및 실린더 헤드 (13) 에 대한 공급 파이프 (14) 의 연결을 더 상세히 보여준다. 공급 파이프 (14) 는, 축압기 (7, 8) 와 실린더 헤드 (13) 사이에 배치되는 제 1 부분 (14a), 및 그 제 1 부분 (14a) 과 분사기 (6) 사이에 배치되는 제 2 부분 (14b) 을 포함한다. 제 1 부분 (14a) 에는 이중 벽이 제공된다. 제 2 부분 (14b) 은 단일 벽 파이프이다. 따라서, 제 2 부분 (14b) 은 단지 고압 연료용 유동 공간을 포함한다. 제 2 부분 (14b) 은 실린더 헤드 (13) 의 보어 (35) 내에 배치된다. 보어 (35) 는 2 개의 챔버 (38, 39) 를 포함한다. 축압기 (7, 8) 로부터의 고압 연료는 공급 파이프의 제 1 부분 (14a) 을 통해 실린더 헤드 (13) 내로 전달된 후, 실린더 헤드 (13) 내에 있는 공급 파이프 (14) 의 제 2 부분 (14b) 을 통해 분사기 (6) 내로 전달된다. 제 2 부분 (14b) 의 제 1 단부 (36a) 는 제 1 부분 (14a) 에 단단히 연결된다. 제 1 부분 (14a) 과 제 2 부분 (14b) 사이의 단단한 연결을 확보하기 위해, 임의의 적절한 고정 수단 (37), 예컨대 파이프 단부 (36a) 에 나사 연결되는 슬리브가 제공될 수 있다. 제 2 부분 (14b) 의 제 2 단부 (36b) 는 각각 상호 접촉 표면 (37a, 6a) 에 의해 분사기 (6) 에 직접 연결된다. 표면 (6a) 은 원뿔 형상일 수 있고, 표면 (37a) 은 믿을 수 있는 단단한 결합을 제공하도록 볼 형상인 것이 바람직하다.
실린더 헤드 (13) 에는, 제 2 챔버 (39) 에 의해 누출 출구와 소통하는 제 1 챔버 (38) 가 제공된다. 제 2 챔버 (39) 는 제 1 챔버 (38) 보다 더 작은 직경을 갖는다. 배치는 다른 고정 수단 (40), 예컨대 슬리브 또는 유사 볼트 부재를 포함하고, 이 다른 고정 수단을 통해 제 2 부분 (24b) 이 안내되며, 다른 고정 수단은 나사산 (41) 에 의해 실린더 헤드 (13) 의 제 1 챔버 (38) 와 결합한다. 제 2 부분 (14b) 에는, 고정 수단 (40) 의 표면 (40a) 과 상호작용하도록 배치되어 있는 카운터 표면 (37b) 을 갖는 확대부 (14c) 가 제공된다. 이들 표면 (37b 및 40a) 은 원뿔형일 수 있다. 대안적으로는, 표면 (37a) 과 유사하게, 표면 (37b) 은 후술하는 것처럼 제 2 부분 (14b) 의 가능한 굽힘에 더 양호하게 응하도록 볼 형상일 수 있다. 이로써, 제 2 부분 (14b) 은 제 2 부분의 제 1 단부 (36a) 에 더 가까운 고정 수단 (40) 의 카운터 표면 (40a) 에 대해 단단히 밀폐될 수 있다. 확대부 (14c) 는 제 2 부분 (14b) 에 일체로 된 부분일 필요는 없으며, 원한다면, 예컨대 개별 나사산 연결 슬리브로 구현될 수도 있다.
도 3 에서 볼 수 있는 것처럼, 확대부 (14c) 와 분사기 (6) 사이에 있는 제 2 부분 (14b) 의 부분은 특히 직경을 고려할 때 상당한 길이이다. 제 2 챔버 (39) 내에서의 제 2 부분 (14b) 의 이러한 종류의 레이아웃의 이점은, 중질 연료유로 40 ℃ 내지 150 ℃ 이하의 연료 온도 작동 극단 (extremes) 에도 불구하고 로드의 보유 (retention) 를 가능하게 하는 긴 변형 길이이다. 필요하다면, 제 2 챔버 (39) 로 인해, 제 2 부분 (14b) 이 굽혀질 수 있으므로, 로드의 충분한 보유가 상이한 조건 하에서 유지될 수 있다. 한편, 제 2 부분 (14b) 의 이 부분에는, 이러한 종류의 굽힘에 제한을 제공하기 위하여 일부 안내가 제공될 수 있다. 도 3 에서, 이는 지지 부재 (41) 에 의해 단지 개략적으로 도시되어 있다. 본질적으로 그러한 지지 부재는 후술하는 것처럼 챔버 (38, 39) 를 통한 누출 유동을 허용하기 위해 지지 부재를 통한 누출이 가능하도록 설계되어야 한다.
제 1 챔버 (38) 는 제 2 챔버 (39) 를 통해 누출 출구와 소통한다. 따라서, 이들 챔버 (38, 39) 는 분지 채널 (25) 로서 작용하고, 분사기 (6) 로부터의 더티 누출을 제거하는데 이용된다. 분지 채널 (25) 은 덕트 (42) 를 포함하며, 이 덕트를 통해 더티 누출이 실린더 헤드 (13) 로부터 제거된다.
누출 채널 배치 (24) 에는, 연료 누출을 검출하기 위한 누출 검출기 (28) 가 제공된다. 누출 검출기 (28) 는 분지 채널 (25) 로부터 모든 연료가 유동하도록 배치되는 위치로 수집 채널 (26) 에 연결된다. 분사기 (6) 의 표준 작동 조건에서 단지 소량의 연료가 누출되므로, 단지 누출 연료의 더 많은 유동만이 검출되는 것이 바람직하다. 그러므로, 누출 검출기 (28) 는 단지 더 많은 유동, 즉 단지 소정의 값 이상의 유량을 갖는 누출 연료 유동만을 검출하도록 배치된다. 누출 검출기 (28) 는 상기 소정의 값 미만의 유량을 갖는 누출 연료 유동을 검출할 수 없다.
도 4 는 도 1 의 연료 분사 장치에 사용되기에 적합한 누출 검출기 (28) 의 단면도이다. 수집 채널 (26) 은 검출기 (28) 의 누출 입구 (30) 에 연결된다. 누출 검출기 (28) 는 제어 챔버 (29) 를 포함하며, 누출 입구 (30) 를 통해 누출 연료가 제어 챔버에 들어간다. 제어 챔버의 저부에는, 오리피스 (31) 가 제공되며, 이 오리피스를 통해 제어 챔버 (29) 로부터 연료가 배출된다. 오리피스 (31) 는 분사기 (6) 의 표준 작동 조건에서 발생하는 연료 누출이 제어 챔버 (29) 로부터 완전히 배출되도록 하는 치수를 갖는다. 누출 연료의 더 많은 유동이 제어 챔버 (29) 에 들어가면, 오리피스 (31) 를 통해 모든 연료가 배출될 수 없고, 그 결과 제어 챔버 (29) 내 연료 레벨이 상승한다. 제어 챔버 (29) 에는, 연료 레벨 검출 수단 (32), 예컨대 부유성 또는 레벨 검출기가 제공되며, 이 연료 레벨 검출 수단은 제어 챔버 (29) 내 연료 레벨이 하나 또는 여러 분사기(들) (6) 로부터의 더 많은 더티 연료 누출을 가리키는 지점까지 상승하는 때에 경고를 하거나 또는 그렇지 않으면 이를 알려준다. 따라서, 누출 검출기 (28) 는 단지 소정의 값 이상의 유량를 갖는 누출 연료 유동만을 검출하도록 배치된다. 분사기 (6) 로부터의 더 많은 더티 연료 누출 때문에, 해당 실린더 (12) 가 최적으로 작동할 수 없고, 실린더 (12) 의 작동 파라미터가 표준 한계 밖에 있게 된다. 누출되는 분사기 (6) 는 실린더의 작동 파라미터, 예컨대 실린더 압력 또는 배기가스 온도를 모니터링하는 기관 제어 시스템에 의해 밝혀질 수 있다. 제어 챔버 (29) 의 상측 부분에는, 누출 출구 (33) 가 제공되며, 이 누출 출구를 통해 과잉 연료가 배출된다. 누출 검출기 (28) 로부터, 연료가 연료 탱크 (2) 로 안내된다. 분사기 (6) 의 표준 작동 조건에서, 누출 채널 배치 (24) 의 분지 및 수집 채널 (25, 26) 및 제어 챔버 (29) 는 무압 (pressureless) (즉, 대기압) 상태이다.

Claims (12)

  1. 여러 개의 실린더 (12) 를 갖는 피스톤 기관용 커먼 레일 (common rail) 연료 분사 장치 (1) 로서,
    - 가압된 연료를 위한 적어도 하나의 축압기 (7, 8, 18),
    - 가압된 연료를 실린더 (12) 에 분사하기 위한 분사기 (6) 로서, 축압기(들) (7, 8) 에 연결되어 있고, 이중 벽이 제공된 공급 파이프 (14) 를 통해 축압기로부터 분사기 (6) 로 연료가 공급되며, 상기 공급 파이프 (14) 의 내측 유동 공간은 고압 연료를 위한 것이고, 외측 유동 공간은 가능한 누출 연료를 위한 수집 채널로서 작용하는 분사기 (6), 및
    - 분사기 (6) 로부터 누출된 연료를 제거하기 위한 누출 채널 배치 (24) 를 포함하고,
    상기 누출 채널 배치 (24) 는 분사기 (6) 에 연결된 분지 채널 (25) 및 그 분지 채널 (25) 과 유동 연결로 배치된 수집 채널 (26) 을 포함하는 연료 분사 장치 (1) 에 있어서,
    연료 누출을 검출하기 위한 누출 검출기 (28) 가 상기 수집 채널 (26) 에 연결되고,
    상기 분사기 (6) 로부터의 연료 분사가 분사기 (6) 의 제어 챔버 (20) 내 연료 압력에 의해 제어되고,
    상기 분사기 (6) 에 리턴 파이프 (21) 가 연결되고, 이 리턴 파이프 (21) 를 통해 제어 챔버 (20) 로부터 연료가 제거되고,
    상기 분사기 (6) 는 분사될 연료를 위한 분사기 축압기 (18) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 누출 검출기 (28) 는 단지 소정의 값 이상의 유량을 갖는 누출 연료 유동만을 검출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분사기 (6) 는 기관의 실린더 헤드 (13) 의 보어 (35) 내에 배치되는 공급 파이프 (14) 를 통해 축압기(들) (7, 8) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
  4. 제 3 항에 있어서, 공급 파이프 (14) 와 보어 (35) 사이의 간극 (38, 39) 이 누출 채널 배치 (24) 의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 채널 배치 (24) 의 채널 (25, 26) 은 무압 상태인 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 누출 검출기 (28) 는 누출 연료를 위한 제어 챔버 (29) 및 오리피스 (31) 를 포함하고, 오리피스를 통해 제어 챔버 (29) 로부터 연료가 제거될 수 있으며, 상기 오리피스는 분사기 (6) 의 표준 작동 조건에서 발생하는 연료 누출이 제어 챔버 (29) 로부터 제거될 수 있도록 하는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 챔버에 연료 레벨 검출 수단 (32) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치 (1).
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