KR101644813B1 - 내연기관용 고압 연료 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펌프 하우징(58), 유입측 저압 영역(12) 및 배출측 고압 영역(14)을 포함하는 직접 분사식 내연기관용 고압 연료 펌프에 관한 것이다. 고압 연료 펌프(10)는 고압 영역(14) 내에 일정한 압력을 조절하기 위한 순수 기계식 압력 조절 장치(54)를 포함한다.

Description

내연기관용 고압 연료 펌프{High-pressure fuel pump for an internal combustion engine}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 내연기관용 고압 연료 펌프에 관한 것이다.
직접 분사식 고압 연료 펌프는 일반적으로 저압 영역과 고압 영역을 포함한다. 전기식 예비 이송 펌프는 탱크로부터 저압 영역으로 연료를 이송하고, 연료는 상기 저압 영역으로부터 고압 연료 펌프를 통해 고압 영역에 연결된 연료 매니폴드("커먼 레일"이라고도 함) 내로 이송된다. 연료 매니폴드 내의 압력은 일반적으로 압력 조절 밸브 및/또는 양 제어 밸브에 의해 조절되고, 이 경우 상기 밸브들은 특히 제어 장치 및/또는 조절 장치에 의한 압력 센서 신호의 평가를 통해 제어된다. 압력 조절 밸브는 기계적으로도 작동된다.
EP 0 299 337 A2, EP 0 837 986 B1, EP 0 974 008 B1 및 DE 196 12 413 A1호에는 연료 압력의 조절을 위한 장치가 공지되어 있다.
DE 103 27 411 A1호에는 압력 제한 밸브를 포함하는 고압 연료 펌프용 압력 제한 밸브가 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 확실하게 작동하고 콤팩트하게 구성된, 전술한 방식의 내연기관용 고압 연료 펌프를 제공하거나 또는 개발하는 것이다. 또한, 고압 연료 펌프는 저렴해야 한다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징을 포함하는 내연기관용 고압 연료 펌프에 의해 해결된다. 본 발명의 주요 특징들은 하기 설명 및 도면에 제시되고, 상기 특징들은 단독으로 및 상이한 조합으로 본 발명에 중요할 수 있고, 이에 대해서는 상세히 제시되지 않는다. 바람직한 개선예들은 종속 청구범위들에 제시된다.
고압 연료 펌프의 실시예에 의해 한편으로는 차량의 엔진 영역에서 조립 공간이 절감되고, 다른 한편으로는 고압 연료 펌프 내에 압력 조절 장치가 적절히 통합됨으로써 고압 연료 펌프의 공지된 외부 치수가 유지될 수 있다. 추가의 유압 라인들은 필요하지 않다. 이로 인해 바람직하게 고압 연료 펌프의 구조가 매우 콤팩트해진다. 연료량의 제어가 생략됨으로써 고압 연료 펌프는 해당 출력단과 전기 제어 라인을 포함하는 양 조절 밸브가 필요 없다. 또한, 전기 제어에 필요한 압력 센서가 생략될 수 있다. 이것은 본 발명을 특히 저렴하게 만들고 엔진 출력을 절약한다. 저압 영역 내에 필요없는 연료량이 제한되기 때문에, 압력 제한 기능이 보장된다.
본 발명의 기본 사상은 내연기관 내에 압력에 거의 민감하지 않은 연료 시스템의 사용 시 또는 정압 시스템의 사용 시 복잡한 전자식 연료량 제어가 생략될 수 있다는 것이다. 고압 영역에서 압력 조절은 이러한 전제 조건에서 기계적 압력 조절 장치에 의해 이루어지고, 상기 압력 조절 장치는 고압 펌프 내에 통합된다. 압력 조절 장치는 저압 영역과 고압 영역 사이에 유압식으로 배치된다. 압력 조절 장치의 미리 조절 가능한 개방 압력에 도달함으로써, 필요 없는 연료량이 고압 영역으로부터 저압 영역으로 리턴된다. 이로 인해 내연기관의 작동 시 고압 측에 적어도 실질적으로 일정한 압력이 설정된다.
제 1 개선예에서, 기계적 압력 조절 장치는 기계적 압력 조절 밸브, 특히 기계적, 예컨대 스프링 작동식 체크 밸브를 포함하는 것이 제안된다. 기계적 압력 조절 밸브들은 비교적 간단하게 구성되고, 신뢰성 있고 저렴하다. 이것은 특히 체크 밸브에도 적용된다. 또한, 상기 밸브는 매우 작고 따라서 고압 연료 펌프 내에 통합될 수 있다.
압력 조절 장치의 밸브 부재들의 상류측에 기계식 스로틀이 전방 배치되는 경우, 특히 단일 실린더 연료 펌프의 사용 시 고압 펌프의 바람직하지 않은 압력 맥동으로 인한 연료-매니폴드 내의 조절 특성에 대한 부정적인 영향이 감소된다. 따라서, 압력 조절 밸브의 마모가 감소한다. 스로틀은 별도의 스로틀 부재 또는 그 밖의 횡단면 협소부로서 고압측 유입 채널, 밸브 시트 바디 또는 펌프 하우징 내의 수용 개구에 형성될 수 있다.
또한, 압력 조절 밸브는 고압 연료 펌프의 펌프 하우징 내에서 보어에 편심 배치되고, 경우에 따라 압력 조절 밸브로부터 고압 영역으로의 연결 보어에 편심으로 배치되는 것이 제안된다. 펌프 하우징 내의 중앙 영역은 공지된 바와 같이 고압 연료 펌프의 원래의 펌프 기능을 한다. 압력 조절 기능을 통합하기 위해, 편심 영역에는 충분한 공간이 제공된다. 이것은 고압 연료 펌프를 매우 효과적으로 이용가능하게 하고 콤팩트하게 구성된 장치를 만든다. 또한, 이것은 펌프 하우징의 커팅을 더 간단하게 한다.
또한, 밸브 스프링 및/또는 압력 조절 장치의 밸브 부재와 밸브 시트 사이의 밀봉 직경에 의해 고압 영역 내의 한계 압력이 결정되는 것이 제안된다. 즉, 압력 조절 장치의 디자인 시 그리고 경우에 따라서 고압 연료 펌프의 장착 시 한계 압력이 정확하게 설정될 수 있다. 따라서 완성된 또는 차량에 이미 장착된 고압 연료 펌프에서 조정이 필요 없다.
이에 대한 보완으로서, 압력 조절 장치는 카트리지 형태의 밸브 하우징을 포함하는 것이 제안된다. 이로써 압력 조절 장치는 별도의 어셈블리로 제조되어 조절된 후에 펌프 하우징에 결합될 수 있고, 예컨대 가압에 의해 슬리브와 펌프 하우징 사이에 지지될 수 있다. 압력 조절 밸브의 기능 설정은 더 간단해지는데, 그 이유는 특히 개방 압력의 유압식 조절 시 펌프 하우징이 다음 장착 단계를 위해 세척되지 않아도 되기 때문이다. 또한, 오조정 시 펌프 하우징이 불량품이 되지 않는다.
유입 밸브가 고압 연료 펌프의 펌프 피스톤에 대해 동축으로 배치되는 것이 바람직하다. 이것은 저압 영역으로부터 연료의 높은 이송율의 달성을 가능하게 하고, 이는 고압 연료 펌프의 압력 댐퍼와 유입 밸브 사이에서 해당 연결 보어의 직경이 유입 밸브의 개구에 비해 비교적 클 때 증가한다.
하기에서 본 발명의 실시예들이 도면을 참고로 예시적으로 설명된다.
도 1은 고압 연료 펌프를 구비한 연료-시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 고압 연료 펌프의 사시도.
도 3은 커팅된 유입 영역을 포함하는 도 1의 고압 연료 펌프의 부분적인 종단면도.
도 4는 커팅된 배출 영역을 포함하는 도 1의 고압 연료 펌프의 종단면도.
도 5는 커팅된 압력 조절 밸브를 포함하는 도 1의 고압 연료 펌프의 종단면도(도 6의 단면 V-V).
도 6은 도 1의 고압 연료 펌프의 횡단면도.
도 7은 도 2의 고압 연료 펌프의 변형예의 도 5와 유사한 도면.
도 1을 참고로 본 발명에 따른 고압 연료 펌프의 구성과 일반적인 기능이 기본적으로 설명된다. 도 1은 고압 연료 펌프(10)를 구비한 (도시되지 않은) 내연기관용 연료 시스템(8)의 개략도를 도시한다. 연료 시스템은 후술되는 바와 같이, 도 1 좌측에 도시된 저압 영역(12)과 우측에 도시된 고압 영역(14)으로 나뉜다. 저압 영역(12)에 배치된 예비 이송 펌프(16)는 연료를 연료 저장기(18)로부터 저압 라인(20)을 통해 예비 이송 압력으로 고압 연료 펌프(10)의 유입구(22)로 연료를 펌핑한다. 고압 연료 펌프(10)에는 저압 영역(12)에 필터(24)와 압력 댐퍼(26)가 배치된다. 압력 댐퍼(26)는 고압 연료 펌프(10)에서 발생하는 맥동을 저압측으로 댐핑하고, 속도 및 캠 개수가 높은 경우에 높은 이송율을 제공한다.
연료가 유입 밸브(28)를 통해 고압 연료 펌프(10)의 작동 챔버(30) 내로 흡입된다. 작동 챔버(30)의 체적은 펌프 실린더(34) 내에서 펌프 피스톤(32)의 위치에 의존한다. 펌프 피스톤(32)의 하향 운동 동안 작동 챔버(30)는 확장되고, 이로써 연료가 흡입된다. 펌프 피스톤(32)의 상향 운동 동안 연료는 고도로 압축되고, 배출 밸브(36)와 고압 영역(14)에 속하는 배출구(38)를 통해 고압 라인(40)을 거쳐 레일(42) 내로 이송된다. 레일(42)에는 분사 밸브들(44)이 연결되고, 상기 밸브들은 연료를 직접 내연기관의 연소실(46) 내로 분사한다.
펌프 피스톤(32)은 캠(48)에 의해 구동되고, 상기 캠은 내연기관에 의해 - 예컨대 캠- 또는 크랭크 샤프트(도시되지 않음)를 통해 - 구동된다. 캠(48)에 대한 펌프 피스톤(32)의 밀봉은 밀봉 부재(50)에 의해 이루어진다. 펌프 피스톤(32)과 펌프 실린더(34) 사이의 갭에서 발생하는 피스톤 누설은 리턴 라인(52)을 통해 저압 영역(12) 내로 리턴된다.
정상 작동 시 펌프 피스톤(32)의 이송량은 분사된 연료량보다 많기 때문에, 고압측(14)에서 필요없는 연료량은 순수하게 기계적으로 작동하는 압력 조절 밸브(54)에 의해 다시 저압 영역(12) 내로 리턴된다. 연료 매니폴드(42) 내의 압력은 실질적으로 압력 조절 밸브(54)의 개방 압력에 상응한다.
고압 영역(14) 내에도 특히 단일 실린더 펌프의 사용시 맥동이 발생한다. 이러한 맥동은 레일(42) 내의 압력 조절 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 분리를 위해 스로틀(56)은 유압식으로 압력 조절 밸브(54) 전방에 배치되므로, 압력 조절 밸브(54) 전방의 맥동과 상기 밸브의 마모가 감소된다.
후속하는 도면들은 고압 연료 펌프(10)의 구성을 사시도 또는 단면도로 상세하게 도시한다. 간단함과 명료함을 위해 모든 도면들에서 모든 부품들은 도면 부호를 갖는다.
도 2는 고압 연료 펌프(10)를 사시도로 도시한다. 펌프 하우징(58)에 유입 구(22;저압 영역(12))와 배출구(38;고압 영역(14))가 배치된다. 유입구(22)에 필터(64)가 통합된다. 또한, 고압 연료 펌프(10)는 내부로 오목해진 커버(66)와 고압 연료 펌프(10)를 예컨대 내연기관의 실린더 헤드에 고정하기 위한 박판 플랜지(68)를 포함한다. 2개의 부분들(66, 68)은 펌프 하우징(58)에 고정 연결된다. 펌프 피스톤(32)은 펌프 하우징(58)으로부터 하측으로 돌출한다. 피스톤 스프링(70)은 한편으로는 펌프 피스톤(32)에 고정 연결된 스프링 와셔(72)에 지지되고, 다른 한편으로는 (도시되지 않은) 펌프 하우징(58)에 지지된다. 피스톤 스프링(70)의 힘은 스프링 와셔(72)를 통해 펌프 피스톤(32) 내로 도입된다. 이로써, 작동 시 펌프 피스톤(32)이 항상 캠 윤곽을 따르는 것이 보장된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 필터(64)를 가진 유입구(22)는 펌프 하우징(58)의 길이방향 축선(73)에 대해 편심인 보어(74)를 통해 커버(66)의 아래에 놓인, 압력 댐퍼(26)용 수용 챔버(도면부호 없음)에 연결된다. 상기 수용 챔버는 다시 펌프 하우징(58)에 대해 동축인 2개의 보어 섹션들(78, 80) 및 유입 밸브(28)를 통해 펌프-작동 챔버(30)에 연결될 수 있다. 펌프 피스톤(32)은 실린더 부시(82) 내에서 이동 가능하게 지지된다. 펌프 피스톤(32)의 흡입 단계 동안 연료는 보어들(78, 80)과 유입 밸브(28)를 통해 펌프-작동 챔버(30) 내에 도달한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 펌프 작동 챔버(30)와 배출 밸브(36)는 펌프 하우징(58) 내의 보어(88)를 통해 유압식으로 서로 연결된다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 펌프 하우징(58) 내의 압력 조절 밸브(54)는 보어(90) 내에서 편심으로 길이방향 축선(73)에 대해 평행하게 배치된다. 도 5의 단면은 중앙이 아니라, 길이방향 축선(73)과 이격된다. 고압측으로, 압력 조절 밸브(54)는 길이방향 축선(73)과 이격된 연결 보어(92)를 통해 배출 밸브(36)에 연결된다. 배출측으로, 압력 조절 밸브(54)는 보어(90)를 통해 압력 댐퍼(26)용 수용 챔버에 연결된다. 압력 조절 밸브(54)는 유입 보어(95)를 구비한 밸브 시트 바디(94)에 있는 밸브 시트(도면부호 없음), 밸브 바디(96), 스프링 가이드(98), 밸브 스프링(100) 및 스프링 홀더(102)를 포함한다.
밸브 시트 바디(94)는 예컨대 가압을 통해 보어(90) 내에 고정된다. 밸브 스프링(100)은 스프링 가이드(98)를 통해 밸브 바디(96)를 밸브 시트 내로 가압한다. 도 5에서 밸브 바디(96)는 볼 형태이다. 밸브 바디(96)와 밸브 시트(94) 사이의 스프링력과 밀봉 직경에 따라, 규정된 개방 압력이 제공된다. 도 5의 상부에서 밸브 스프링(100)은 스프링 홀더(102)에 지지된다. 스프링 홀더(102)는 다시(예컨대 가압을 통해) 보어(90)에 고정된다. 압력 조절 밸브(54)의 장착 시 스프링 홀더(102)의 압입 거리에 의해 개방 압력이 조절된다.
고압 연료 펌프(10)는 다음과 같이 작동한다: 펌프 피스톤(32;"흡입 행정")의 하향 운동 시 연료는 유입 밸브(28)를 통해 작동 챔버(30) 내로 흡입된다. 상향 운동("이송 행정") 시, 작동 챔버(30) 내의 연료는 압축되고, 배출 밸브(36)를 통해 고압 라인(40)으로 이송된다. 고압 영역(14) 내의 압력이 압력 조절 밸브(54)의 한계 압력을 초과하면, 밸브 바디(96)가 밸브 시트로부터 분리됨으로써 상기 압력 조절 밸브가 개방되고, 따라서 연료가 압력 댐퍼(26)의 수용 챔버 내로 및 저압 영역(12) 내로 배출될 수 있다. 고압 영역(14) 내의 압력이 압력 조절 밸브(54)의 한계 압력에 미달되면, 상기 압력 조절 밸브는 다시 폐쇄된다. 이로 인해 고압 영역(14) 내의 압력은 실질적으로 일정하게, 즉 압력 조절 밸브(54)의 한계 압력 또는 개방 압력으로 유지된다.
도 7은 고압 연료 펌프(10)의 변형예를 도시한다. 전술한 부재들 및 영역들과 동일한 기능을 하는 부재들 및 영역들은 동일한 도면부호를 가지므로 다시 설명되지 않는다.
도시된 대안 변형예에서, 압력 조절 밸브(54)는 카트리지 방식으로 구현된다. 압력 조절 밸브(54)의 장착과 개방 압력의 조절은 이 경우 펌프 하우징(58) 외부에서 이루어질 수 있다. 밸브 시트 바디(94)는 밸브 하우징(104) 내로 결합되고 예컨대 가압에 의해 지지된다. 밸브 하우징(104)은 슬리브로서 기능할 수 있다. 밸브 바디(96), 스프링 가이드(98) 및 밸브 스프링(100)이 결합된 후에, 스프링 홀더(102)도 밸브 하우징(104) 내에 결합된다. 이 경우에도, 스프링 홀더(102)의 위치에 의해 스프링력 및 개방 압력이 조절된다. 스프링 홀더(102)는 도 7에 도시된 바와 같이, 밸브 하우징(104) 내로 조여질 수 있다. 나사 방식에 대한 대안으로서 가압도 가능하다. 압력 조절 밸브(54)가 장착되고 조절된 후에, 상기 압력 조절 밸브는 어셈블리로서 펌프 하우징(58)에 결합되고, 예컨대 가압에 의해 밸브 하우징(104)과 펌프 하우징(58) 사이에 지지된다.
도 7에 도시된 고압 연료 펌프의 변형예에서, 스로틀(56)은 연결 보어(92) 내에 위치설정된다. 스로틀(56)을 보어(90) 내에 배치하는 것도 고려될 수 있다. 스로틀(56)에 대한 대안으로서, 밸브 시트 바디(94) 내에서 유입 보어(95)는 부분적으로 감소된 횡단면을 가질 수 있으므로, 이로써 스로틀 기능도 달성된다.
10 고압 연료 펌프
12 저압 영역
14 고압 영역
54 압력 조절 장치

Claims (10)

  1. 직접 분사식 내연기관용 고압 연료 펌프(10)로서, 펌프 하우징(58), 유입 밸브(28), 배출 밸브(36), 압력 댐퍼(26), 유입측 저압 영역(12) 및 배출측 고압 영역(14)을 포함하는 고압 연료 펌프(10)에 있어서,
    상기 고압 연료 펌프(10)는 상기 고압 영역(14) 내의 일정한 압력 조절을 위한 순수 기계식 압력 조절 장치(54)를 포함하고,
    상기 압력 조절 장치(54)는 밸브 시트, 유입 보어(95)를 구비한 밸브 시트 바디(94), 구형 볼 밸브 바디(96), 스프링 가이드(98), 밸브 스프링(100) 및 스프링 홀더(102)를 포함하고,
    상기 압력 조절 장치(54)의 입구는 상기 고압 연료 펌프(10)의 고압 영역(14)에 연결되고,
    상기 압력 조절 장치(54)의 출구는 상기 압력 댐퍼(26)의 수용 챔버에 연결되고,
    상기 고압 연료 펌프는 펌프 하우징(58)을 포함하고,
    커버(66)가 상기 펌프 하우징(58)에 고정 연결되고,
    상기 압력 댐퍼(26)의 수용 챔버는 상기 커버(66) 아래에 놓이고,
    상기 커버(66) 아래에 놓이는 상기 압력 댐퍼(26)의 수용 챔버에 유입구(22)가 보어(74)를 통해 연결되고, 상기 보어(74)는 상기 펌프 하우징(58)의 길이방향 축선(73)에 대해 평행하며 편심이고,
    상기 수용 챔버는 상기 유입 밸브(28)를 통해 작동 챔버(30)에 연결되며, 상기 압력 조절 장치(54)는 상기 펌프 하우징(58) 내에서 수용 개구로서 기능하는 보어(90) 내에 편심으로 상기 펌프 하우징(58)의 길이방향 축선(73)에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기계식 압력 조절 장치는 기계식 압력 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압력 조절 장치(54)의 밸브 부재(54)의 상류측에 스로틀(56)이 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스로틀(56)은 상기 압력 조절 밸브(54)의 밸브 시트 바디(94), 상기 압력 조절 장치(54)용 펌프 하우징(58)의 연결 보어(92), 및 상기 압력 조절 장치(54)를 향한 유입 채널 중 적어도 하나 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압력 조절 장치(54)는 원통형인 상기 펌프 하우징(58) 내에서, 상기 펌프 하우징(58)의 길이방향 축선(73)으로부터 오프셋되어 배치된 보어(90) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 펌프 하우징(58)의 상기 길이방향 축선(73)에 대해 가로방향으로 연장하는, 상기 압력 조절 장치(54)로부터 상기 고압 영역(14)으로의 연결 보어(92)는 상기 길이방향 축선(73)에 대해 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압력 조절 장치(54)는 밸브 스프링(100)을 갖고, 밸브 바디(96)와 밸브 시트 바디(94) 사이에 밀봉 직경이 정의되며, 상기 밸브 스프링(100), 또는 상기 밀봉 직경, 또는 상기 밸브 스프링(100) 및 상기 밀봉 직경에 의해 상기 고압 영역(14) 내의 한계 압력이 결정되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압력 조절 장치(54)는 상기 펌프 하우징(58)의 보어(90) 내에 삽입되는 카트리지 형태의 밸브 하우징(104)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유입 밸브(28)가 상기 고압 연료 펌프(10)의 펌프 피스톤(32)에 대해 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압력 조절 장치(54)의 배출부는 상기 고압 연료 펌프(10)의 상기 저압 영역(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 펌프.
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