KR101858462B1 - 연료 공급 장치 및 연료 공급 방법 - Google Patents

연료 공급 장치 및 연료 공급 방법 Download PDF

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Abstract

내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 장치는, 리니어 액츄에이터, 리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 가지고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해 상기 연료의 흡입과 흡입시보다 승압된 연료의 토출을 교대로 반복하는 왕복식 펌프, 상기 리니어 액츄에이터의 구동을 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가시키는 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 작고, 또한 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어한다.

Description

연료 공급 장치 및 연료 공급 방법
본 발명은, 디젤 엔진 등의 내연 기관에 연료를 공급하는 연료 공급 장치 및 연료 공급 방법에 관한 것이다.
종래의 선박에서는, 저속에서의 출력이 가능하고, 프로펠러에 직결(直結)하여 구동할 수 있는, 2스트로크 사이클의 저속 디젤 엔진이 이용되고 있다.
최근, 저속 디젤 엔진의 연료로서, NOx, SOx 배출량이 적은 천연가스가 주목되고 있다. 저속 디젤 엔진의 연소실에 고압의 천연가스를 연료로서 분사하여 연소시키는 것에 의해 고열 효율로 출력을 얻을 수 있다.
예를 들면, 크랭크축을 이용하여 회전 운동을 왕복 운동으로 바꾸는 것에 의해, 왕복식 펌프를 구동하는 것이 행해지고 있다. 크랭크축을 이용하여 왕복식 펌프의 피스톤을 구동하는 경우, 피스톤 스트로크가 크랭크축에 의해 정해지기 때문에, 피스톤 스트로크를 자유롭게 조정할 수 없다. 또, 복수의 왕복식 펌프를 동일한 크랭크축에 의해 구동하는 경우, 왕복식 펌프의 각각을 독립하여 제어할 수 없었다.
한편, 특허 문헌 1에는, 액체의 연료를 왕복식 펌프를 이용하여 승압하고 엔진에 공급하는 장치가 기재되어 있다. 특허 문헌 1의 장치에서는, 왕복식 펌프의 피스톤을 좌우 방향으로 구동하고 있고, 피스톤을 구동하는 리니어 액츄에이터로서, "선형 유압 모터"(유압 실린더 유닛)가 이용되고 있다. 특허 문헌 1에서는, 유압 실린더 유닛으로 유압 펌프로부터 공급하는 작동유의 방향을 방향 전환 밸브로 바꾸는 것에 의해, 왕복식 펌프의 피스톤의 이동 방향을 바꾸고 있다. 유압 실린더 유닛을 이용하는 경우, 크랭크축을 이용하는 경우보다 저속으로 왕복식 펌프를 구동할 수 있다. 또, 피스톤이 일정한 속도로 이동하도록 피스톤 행정을 제어할 수 있다는 이점이 있다.
선행 기술 문헌
특허 문헌
특허 문헌 1: 일본 특표2005-504927호 공보
특허 문헌 1과 같이, 유압 실린더 유닛에 공급하는 작동유의 방향을 방향 전환 밸브로 바꾸는 것에 의해 왕복식 펌프의 피스톤의 이동 방향을 바꾸는 경우, 피스톤에 작용하는 힘이 토출시와 흡입시에 동일해진다. 한편, 왕복식 펌프로는, 연료를 고압으로 토출하는 때에 큰 힘이 필요한 한편, 저압의 연료를 흡입할 때에 부하가 작다. 따라서, 유압 실린더 유닛을 이용하여 왕복식 펌프를 구동하는 경우에는, 피스톤의 부하가 작은 흡입시에 피스톤이 보다 고속으로 이동하기 쉽고, 왕복식 펌프의 실린더 내의 압력이 연료의 증기압보다 저하하는 것에 의해 캐비테이션(cavitation)이 발생하기 쉬워진다. 캐비테이션이 발생하면, 왕복식 펌프의 피스톤과 실린더에 이로전(erosion)이 발생해 수명이 짧아진다는 문제가 있다.
또, 크랭크축을 이용하여 왕복식 펌프를 구동하는 경우에는, 토출시와 흡입시에 피스톤의 속도는 동일하고, 흡입시만의 속도는 변경할 수 없기 때문에, 고회전, 고출력시에 캐비테이션이 발생해 버린다.
그래서, 본 발명은, 왕복식 펌프에 발생하는 캐비테이션을 억제할 수 있는 연료 공급 장치 및 연료 공급 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 태양은, 내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 장치로서, 리니어 액츄에이터, 상기 리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 포함하고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해, 상기 연료의 흡입과, 흡입시보다 승압한 연료의 토출을 교호(交互)적으로 반복하는 왕복식 펌프, 상기 리니어 액츄에이터의 구동을 제어하는 컨트롤러를 구비한다.
상기 컨트롤러는,
상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우,
상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가시키는 가속도의 절대값의 최대값이, A·(2π/T)2보다 작고,
또한 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록, 상기 리니어 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 태양은, 내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 장치로서, 저압의 연료가 공급되는 저압 연료 공급관, 상기 연소실 내에 공급되는 고압의 연료가 공급되는 고압 연료 공급관, 상기 저압 연료 공급관과 상기 고압 연료 공급관 사이에 설치되어, 상기 저압 연료 공급관 내의 연료를 승압하여 각각 상기 고압 연료 공급관에 공급하는 복수의 연료 공급부, 상기 복수의 연료 공급부를 제어하는 제어부를 구비한다.
상기 연료 공급부의 각각은,
내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 장치로서, 리니어 액츄에이터, 상기 리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 가지고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해 상기 연료의 흡입과, 흡입시보다 승압한 연료의 토출을 교대로 반복하는 왕복식 펌프, 상기 리니어 액츄에이터의 구동을 제어하는 컨트롤러를 구비한다.
상기 컨트롤러는,
상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우,
상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가하게 하는 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 작고,
또한, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어하고,
상기 제어부는, 상기 복수의 연료 공급부의 어느 하나의 승압용 실린더가 연료를 토출할 때에, 다른 연료 공급부의 승압용 실린더가 연료를 흡입하도록 상기 컨트롤러의 각각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨트롤러는, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도가 최대가 되는 때가, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료의 흡입을 개시하는 때 이후이고, 또한 상기 연료의 흡입을 개시하는 때부터 상기 주기의 1/4의 시간이 경과하는 것 이전이 되도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 왕복식 펌프는, 승압용 피스톤을 연직 방향으로 이동 가능하도록 수용하는 승압용 실린더를 포함하고, 상기 승압용 피스톤이 연직 상방향으로 이동하는 것에 의해 상기 승압용 실린더의 내부이며 상기 승압용 피스톤의 하부에 상기 연료를 흡입하고, 상기 승압용 피스톤이 연직 하방향으로 이동하는 것에 의해 상기 연료를 승압하여 토출하는 것이 바람직하다.
상기 승압용 피스톤의 축 방향의 속도를 검출하는 속도 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 리니어 액츄에이터는, 유압 실린더 유닛이고, 작동유를 수용하는 작동유 수용 공간을 포함하고, 축 방향이 연직 방향이 되도록 배치된 유압 실린더, 상기 유압 실린더 내에서 축 방향에 이동 가능하도록 설치되어, 상기 작동유 수용 공간을 제1 챔버와 제2 챔버로 구획하는 유압 피스톤, 상기 유압 피스톤과 상기 승압용 피스톤을 연결하는 피스톤 로드, 상기 제1 챔버에 작동유를 공급하는 것에 의해 상기 유압 피스톤을 축 방향의 제1 방향으로 이동시키고, 상기 제2 챔버에 작동유를 공급하는 것에 의해 상기 유압 피스톤을 축 방향의 제2 방향으로 이동시키는 유압 펌프, 상기 유압 피스톤이 축 방향으로 왕복하도록 상기 유압 펌프를 구동하는 전동 모터를 구비한다.
상기 컨트롤러는, 상기 전동 모터를 제어하는 것에 의해 상기 유압 피스톤의 상기 유압 실린더 내에서 이동을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 유압 실린더 유닛은, 일단이 상기 유압 펌프와 접속되고, 타단이 상기 제1 챔버와 접속되고, 상기 유압 펌프로부터 토출되는 모든 작동유를 상기 제1 챔버에 공급하고, 상기 제1 챔버에서 배출되는 모든 작동유를 상기 유압 펌프로 되돌리는 밀폐된 제1 유압 배관, 일단이 상기 유압 펌프와 접속되고, 타단이 상기 제2 챔버와 접속되고, 상기 유압 펌프로부터 토출되는 모든 작동유를 상기 제2 챔버에 공급하고, 상기 제2 챔버에서 배출되는 모든 작동유를 상기 유압 펌프로 되돌리는 밀폐된 제2 유압 배관을 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 리니어 액츄에이터는, 전동 실린더 유닛이어도 된다. 전동 실린더 유닛은, 전동 모터, 상기 전동 모터의 동력에 의해 회전하는 볼 너트, 상기 볼 너트가 나사 결합하고, 축 방향이 상기 승압용 피스톤의 축 방향과 일치한 상태로 상기 승압용 피스톤과 연결되어 상기 볼 너트의 회전에 의해 축 방향으로 이동하는 볼 나사를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 전동 모터를 제어하는 것에 의해 상기 볼 나사의 축 방향의 이동을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 태양은, 내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 방법으로서,
리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 포함하고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해 상기 연료의 흡입과, 흡입시보다 승압한 연료의 토출을 교호적으로 반복하는 왕복식 펌프의 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우,
상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가하게 하는 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 작고,
또한 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 승압용 실린더 내의 압력이 급격하게 저하하는 것을 막아, 캐비테이션의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태의 연료 공급 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 연료 흡인시의 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)의 단면도이다.
도 3은 연료 토출시의 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)의 단면도이다.
도 4는 승압용 피스톤(52)의 속도의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 승압용 피스톤(52)의 속도의 시간 변화의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 전동 실린더 유닛을 리니어 액츄에이터(30)로서 이용한 연료 공급부를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태와 관련되는 연료 공급 장치를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 공급 장치(10)는, 액체 연료를 승압·가열하고, 내연 기관(90)의 연소실 내에 고압으로 분사하여 공급하는 장치이다. 내연 기관(90)은, 실린더 내의 연소실에서 연료를 연소시켜, 그 열에너지에 의해 일을 하는 원동기이며, 예를 들면 리시프로케이팅(reciprocating) 엔진, 가스 터빈이다. 특히, 연료를 압축 착화시키는 디젤 엔진을 내연 기관(90)으로서 이용하는 것이 바람직하다. 이하의 실시 형태에서는, 내연 기관(90)으로서 선박에 탑재되는 디젤 엔진을 이용하는 경우에 대해서 설명하지만, 본 발명은 선박 이외의 디젤 엔진의 연료 공급 장치에 적용할 수 있다.
연료 공급 장치(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 액체 연료 탱크(11), 저압 연료 공급관(12), 복수의 연료 공급부(20A, 20B, 20C), 고압 연료 공급관(13), 열교환기(14), 고온 연료 공급관(15), 조압 밸브(16), 압력계(17), 제어부(80)를 구비한다. 연료 공급 장치(10)의 이러한 구성요소는 모두 선박에 탑재된다.
액체 연료 탱크(11)는, 내연 기관(90)에 공급되는 연료를 액체 상태로 저류한다. 액체 연료 탱크(11)에 저류되는 액체 연료로서, 예를 들면, 액화 메탄, 액화 에탄, 액화 프로판 등을 이용할 수 있다. 액체 연료 탱크(11)는, 저압 연료 공급관(12)과 접속되어 있어, 저압 연료 공급관(12)을 통해 액체 연료를 연료 공급부(20A, 20B, 20C)에 공급한다.
연료 공급부(20A, 20B, 20C)와의 접속부에서의 저압 연료 공급관(12) 내의 액체 연료의 압력은, 액체 연료 탱크(11) 내의 액체 연료의 온도, 액면 높이 등에 따른 압력이다. 이 압력을 높여 유효 흡입 헤드(NPSH: Net Positive Suction Head)를 확보하고, 연료 공급부(20A, 20B, 20C)에 액체 연료를 공급하기 쉽게 하기 위해, 액체 연료 탱크(11)는 연료 공급부(20A, 20B, 20C)보다 높은 위치에 배치되어 있다.
그리고, 액체 연료 탱크(11)가 높은 위치에 배치될 수 없는 경우는, 액체 연료 탱크(11)에 액체 연료를 공급하는 부스터 펌프에 의해 액체 연료 탱크(11) 내의 액체 연료의 압력을 높이는 것에 의해, 유효 흡입 헤드를 확보해도 된다.
연료 공급부(20A, 20B, 20C)는, 저압 연료 공급관(12)과 고압 연료 공급관(13) 사이에 병렬로 설치되어 있다. 연료 공급부(20A, 20B, 20C)는, 각각, 컨트롤러(21), 리니어 액츄에이터(30), 왕복식 펌프(50)를 구비한다.
왕복식 펌프(50)는, 저압 연료 공급관(12)으로부터 공급되는 액체 연료를 승압하여, 고압 연료 공급관(13)을 통해 열교환기(14)에 공급한다. 저압 연료 공급관(12) 및 고압 연료 공급관(13)은, 연료 공급부(20A, 20B, 20C)로부터 착탈 가능하다.
리니어 액츄에이터(30)는 왕복식 펌프(50)의 피스톤을 구동한다. 리니어 액츄에이터(30)를 이용하는 것에 의해, 크랭크축을 이용하는 경우보다 왕복식 펌프(50)의 피스톤을 저속으로 구동하는 것과, 피스톤 행정에서 왕복식 펌프의 액 유입 개시, 액 승압 개시, 액 승압 종료시 외에는 피스톤이 일정한 속도로 이동하도록 구동 제어할 수 있다. 리니어 액츄에이터(30)로서, 예를 들면, 유압 실린더 유닛, 전동 실린더 유닛 등을 이용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 리니어 액츄에이터(30)로서 유압 실린더 유닛을 이용하는 경우에 대해서 설명한다.
컨트롤러(21)는, 제어부(80)에서 입력되는 제어 신호에 의해 제어되어, 리니어 액츄에이터(30)를 제어한다. 또, 컨트롤러(21)에는, 후술하는 바와 같이, 왕복식 펌프(50)의 피스톤의 위치를 나타내는 위치 신호가 입력된다. 컨트롤러(21)는, 위치 신호에 따라 왕복식 펌프(50)의 토출양이 조절되도록 리니어 액츄에이터(30)를 위치 제어한다.
그리고, 도 1에서는, 3개의 연료 공급부(20A, 20B, 20C)가 저압 연료 공급관(12)과 고압 연료 공급관(13) 사이에 병렬로 설치되어 있지만, 연료 공급부의 수는 이것에 한정되지 않고, 공급하는 연료의 양에 따라 임의로 변경할 수 있다.
열교환기(14)는, 입구 측이 고압 연료 공급관(13)과 접속되고, 출구 측이 고온 연료 공급관(15)과 접속되어 있다. 열교환기(14)는, 고압 연료 공급관(13)을 통해 공급되는 승압 후의 액체 연료를 가열한다. 액체 연료를 가열하는 열원으로서, 예를 들면, 액체 연료 탱크(11)에서 발생하는 보일 오프 가스의 연소열을 이용할 수 있다. 예를 들면, 보일 오프 가스의 연소열로 가열한 온수와의 열 교환에 의해 액체 연료를 가열해도 된다.
고온 연료 공급관(15)에는, 조압 밸브(16)가 설치되어 있고, 고온 연료 공급관(15)의 일단은 열교환기(14)와, 타단은 내연 기관(90)의 연소실과 접속되어 있다. 열교환기(14)에서 가열 후의 액체 연료는, 조압 밸브(16)에 의해 내연 기관(90)이 필요로 하는 소정의 범위의 압력으로 조압(調壓)된 후, 고온 연료 공급관(15)을 통해 내연 기관(90)의 연소실에 공급된다. 조압 밸브(16)는 제어부(80)에 의해 제어된다.
여기서, 내연 기관(90)이 필요로 하는 소정의 범위의 압력은, 내연 기관(90)의 종류와 성능에 따라 다르다. 내연 기관(90)이 선박용 2스트로크 사이클의 저속 디젤 엔진이면, 소정의 범위의 압력은, 예를 들면 5~100MPa, 바람직하게는 20~70MPa이지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
또, 고온 연료 공급관(15)에는, 압력계(17)가 설치되어 있다. 압력계(17)는 고온 연료 공급관(15) 내의 압력을 계측하고, 계측 신호를 제어부(80)에 출력한다.
제어부(80)에는, 내연 기관(90)으로부터 내연 기관(90)의 부하를 나타내는 신호가 입력된다. 내연 기관(90)의 부하를 나타내는 신호는, 예를 들면, 회전 수를 나타내는 신호이다.
제어부(80)는, 연료 공급부(20A, 20B, 20C)에 제어 신호를 출력하는 것에 의해, 왕복식 펌프(50)의 토출양을 조정한다. 왕복식 펌프(50)의 토출양은, 고온 연료 공급관(15) 내의 압력이, 필요로 하는 내연 기관(90)의 부하에 따른 압력이 되도록 조정된다.
그리고, 내연 기관(90)에 의해 구동되는 추진용 프로펠러(미도시)의 회전 수를 계측하고, 회전 수에 따라 고온 연료 공급관(15)내의 압력을 조정해도 된다.
액체 연료 탱크(11), 저압 연료 공급관(12), 리니어 액츄에이터(30), 왕복식 펌프(50), 고압 연료 공급관(13), 열교환기(14), 고온 연료 공급관(15), 조압 밸브(16), 압력계(17)는, 위험 구역에 배치된다. 한편, 컨트롤러(21) 및 제어부(80)는, 일반적으로 비방폭(非防爆) 대응품이지만, 방폭 대응이 되지 않는 경우에는, 위험 구역에서 방폭 격벽에 의해 격리된 비위험 구역에 배치하거나, 위험 구역에서 충분히 거리를 둔 비방폭 구역에 배치하지 않으면 안 된다.
다음에, 도 2, 도 3을 이용하여, 전동 모터에 서보 모터를 사용한 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)의 구체적인 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 그리고, 이하의 설명에서는, 리니어 액츄에이터(30)로서 유압 실린더 유닛을 이용하는 경우에 대해서 설명하지만, 리니어 액츄에이터(30)는 유압 실린더 유닛에 한정되는 것은 아니다.　
도 2, 도 3에서, 상하 방향은 연직 방향과 일치하고, 좌우 방향은 수평 방향과 일치한다. 이하의 설명에서는, 연직 방향의 위방향을 "상방", 상방의 부분을 "상부", 연직 방향의 아래방향을 "하방", 하방의 부분을 "하부"라고 한다. 그리고, 이하의 설명에서는 축 방향이 연직 방향이 되도록 배치된 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이것뿐만 아니라, 축 방향이 수평 방향이 되는 경우나 각도를 가지게 한 방향이 되도록 배치된 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)를 이용해도 된다.
본 실시 형태에서는, 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)가 축 방향을 연직 방향에 향해 배치된다. 그리고, 도 2, 도 3에서는, 리니어 액츄에이터(30)의 하방에 왕복식 펌프(50)가 배치되는 예에 대해서 설명하지만, 리니어 액츄에이터(30)의 상방에 왕복식 펌프(50)가 배치되어도 된다.
[유압 실린더 유닛]
도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, 유압 실린더 유닛(리니어 액츄에이터(30))는, 전동 모터(31), 유압 펌프(32), 제1 유압 배관(33), 제2 유압 배관(34), 고정부(40), 유압 실린더(41), 유압 피스톤(42) 등을 구비한다.
유압 실린더 유닛은, 가대(架臺)(100)의 천판(天板)(101)에 설치되어 있다. 천판(101)은 다리(102)에 의해 지지되어 있고, 다리(102)는 선체의 갑판이나 내저판(內底板) 등의 구조체에 고정된다.
전동 모터(31)는 천판(101)의 상부에 설치되어 있다. 전동 모터(31)는 컨트롤러(21)에 의해 제어되고, 유압 펌프(32)를 구동한다. 전동 모터(31)에는, 예를 들면 인버터 모터 또는 서보 모터가 이용된다.
유압 펌프(32)는 천판(101)의 상부에 설치되어 있다. 유압 펌프(32)는 전동 모터(31)에 의해 구동되고, 유압 실린더(41) 내에 작동유를 공급하는 것에 의해 유압 피스톤(42)을 연직 방향으로 이동시킨다. 작동유로서는, 석유계 작동유, 합성계 작동유, 수성계 작동유 등으로부터 임의의 작동유를 채용할 수 있다.
유압 펌프(32)는 제1 유압 배관(33) 및 제2 유압 배관(34)과 접속되어 있다.유압 펌프(32)는 전동 모터(31)에 의해 구동된다.
전동 모터(31)가 서보 모터인 경우, 전동 모터(31)의 정역(正逆) 회전 방향에 따라 유압 펌프(32)로부터 작동유가 토출되는 방향이 바뀐다. 예를 들면, 전동 모터(31)의 정회전시에는, 유압 펌프(32)는 제1 유압 배관(33) 내의 작동유를 흡인하고, 흡인한 작동유를 제2 유압 배관(34) 측에 토출한다. 또, 전동 모터(31)의 역회전시에는, 유압 펌프(32)는 제2 유압 배관(34) 내의 작동유를 흡인하고, 흡인한 작동유를 제1 유압 배관(33) 측에 토출한다. 이 경우, 제1 유압 배관(33) 및 제2 유압 배관(34)에 방향 전환 밸브는 불필요하다.
한편, 전동 모터(31)가 인버터 모터인 경우, 작동유가 흐르는 방향은, 제1 유압 배관(33) 및 제2 유압 배관(34)에 설치되는 방향 전환 밸브(미도시)에 의해 변경된다.
그리고, 제1 유압 배관(33) 및 제2 유압 배관(34) 내의 작동유의 유량, 압력은, 유압 펌프(32)의 토출양에 의해 결정된다. 전동 모터(31)가 서보 모터인 경우와, 전동 모터(31)가 인버터 모터인 경우의 어느 경우도, 작동유의 유량, 압력은 전동 모터(31)의 회전 수에 의해 조정할 수 있다.
고정부(40)는 천판(101)에 설치된 개구(101a) 내에 배치된 상태로 천판(101)에 고정되어 있다. 고정부(40)의 상부에는 유압 실린더(41)가 고정되고, 고정부(40)의 하부에는 왕복식 펌프(50)가 고정되어 있다. 고정부(40)는 중공(中空)의 통 형태이며, 내부에 공동부(48)가 설치되어 있다.
유압 실린더(41)는, 작동유를 수용하는 작동유 수용 공간(43)을 가지고, 축 방향이 연직 방향이 되도록 천판(101)의 상면에 놓인다. 또, 유압 실린더(41)의 측벽에는, 작동유 수용 공간(43)의 상단부로 통하는 상측 관통공(44) 및, 작동유 수용 공간(43)의 하단부로 통하는 하측 관통공(45)이 설치되어 있다. 상측 관통공(44)의 외측 개구부는 제1 유압 배관(33)과 접속되어 있고, 하측 관통공(45)의 외측 개구부는 제2 유압 배관(34)과 접속되어 있다.
유압 피스톤(42)에는, 피스톤 링(42b)이 설치되어 있다. 유압 피스톤(42)은, 피스톤 링(42b)을 유압 실린더(41)의 작동유 수용 공간(43)의 내벽면과 접촉시키면서 연직 방향으로 이동 가능하도록, 작동유 수용 공간(43) 내에 수용되어 있다. 라이더 링(51a)은 유압 피스톤(42)이 연직 방향으로 이동할 때의 수평 방향의 편차를 보정하는 역할을 한다. 피스톤 링(42b)은 유압 피스톤(42)과 작동유 수용 공간(43)의 내벽면의 틈새를 막는 역할을 한다.
유압 피스톤(42)은 작동유 수용 공간(43)을 유압 피스톤(42)보다 상측의 상측 챔버(43a)(제2 챔버)와 유압 피스톤(42)보다 하측의 하측 챔버(43b)(제1 챔버)로 구획한다.
유압 피스톤(42)은 더블 로드형이며, 유압 실린더(41)의 상부 및 하부에서 외부로 돌출되는 피스톤 로드(47)를 가지고 있다. 피스톤 로드(47)는 유압 피스톤(42)과 함께 상하로 이동한다. 유압 피스톤(42)이 더블 로드형이기 때문에, 유압 피스톤(42)이 상승했을 때의 상측 챔버(43a)의 용적의 감소량과 하측 챔버(43b)의 용적의 증가량이 동일하다. 유압 피스톤(42)은 싱글 로드형이어도 된다. 단, 이 경우에는 이동하는 작동유의 양이 변화하는 것에 의한 압력 변동이 발생하므로, 맥동 방지 탱크를 설치하는 것이 바람직하다.
유압 실린더(41)의 피스톤 로드(47)가 관통하는 부분에는, 부시(46)가 설치되어 있다. 부시(46) 내에는 오일 씰이 짜넣어져 있다. 부시(46)는 피스톤 로드(47)를 상하로 이동 가능하도록 지지함과 함께, 작동유 수용 공간(43)에서 작동유가 누출되는 것을 막고 있다.
공동부(48) 내에는, 피스톤 로드(47)의 하단부와, 왕복식 펌프(50)의 승압용 피스톤(52)의 상단부를 연결하는 연결부(49)가 설치되어 있다. 연결부(49)는 피스톤 로드(47)의 상하 이동에 따라, 공동부(48) 내에서 상하 이동한다. 그리고, 연결부(49)는, 유압 실린더의 피스톤 로드(47)와 왕복식 펌프(50)의 피스톤(52)의 축심 어긋남 조정 기능을 가지고 있다.
공동부(48)에는, 왕복식 펌프(50)로부터의 가스 누출 방지의 관점에서, 외부에서 실온의 질소 가스가 공급되고 있다. 질소 가스는 왕복식 펌프(50)의 로드 패킹부(57)에 공급해도 된다. 공동부(48)가 설치됨에 의해, 왕복식 펌프(50) 내의 저온 열원(액체 연료)에 열전도가 억제되고, 피스톤 로드(47)를 통해 작동유 수용 공간(43) 내의 고온 열원(작동유)이 냉각되는 것을 막을 수 있다. 그리고, 방폭형 히터와 흡열 핀을 설치하는 것에 의해 고온 열원이 냉각되는 것을 막아도 된다.
[왕복식 펌프]
왕복식 펌프(50)로서, 예를 들면 일본 특허 제5519857호에 기재되어 있는 것과 같은 구조를 가지는 왕복식 펌프를 이용할 수 있다.
구체적으로는, 왕복식 펌프(50)는, 승압용 실린더(51), 승압용 피스톤(52), 실린더 라이너(53), 커버(54), 밸브 상자(60) 등을 가진다.
승압용 실린더(51)의 상단부는 고정부(40)의 하단부에 고정되어 있다. 승압용 실린더(51)의 측벽은 가대(100)의 다리(102)에 고정되어 있다. 승압용 실린더(51)의 상측 부분에는 로드 패킹부(57)가 설치되어 있다.
승압용 실린더(51)는 내부에 승압용 피스톤(52), 실린더 라이너(53) 및 밸브 상자(60)를 수용하는 공간을 가지고, 승압 실린더(51)의 하단부에는 커버(54)가 고정되어 있다. 커버(54)에 의해 실린더 라이너(53) 및 밸브 상자(60)는 승압용 실린더(51) 내에서 고정되어 있다.
승압용 실린더(51)의 측벽에는, 내부에 밸브 상자(60)가 고정되는 높이의 위치에 흡입구(55)가 설치되어 있다. 흡입구(55)는 저압 연료 공급관(12)과 접속되어 있다.
커버(54)에는, 연직 방향으로 관통하는 토출구(56)가 설치되어 있다. 토출구(56)는 고압 연료 공급관(13)과 접속되어 있다.
여기서, 밸브 상자(60)가 승압용 피스톤(52)보다 하방에 설치되어 있어, 승압용 피스톤(52)을 연직 상방으로 이동하는 것에 의해 승압용 실린더(51)의 내부이며 승압용 피스톤(52)의 하방에 연료를 흡입하기 때문에, 왕복식 펌프(50)의 흡입구(55)를 보다 낮은 위치에 배치할 수 있다. 흡입구(55)와의 접속부에서의 저압 연료 공급관(12) 내의 액체 연료의 압력은, 액체 연료 탱크(11) 내의 액체 연료의 액면의 높이와 흡입구(55)의 높이와의 차이에 비례하는 압력이 된다. 따라서, 흡입구(55)를 보다 낮은 위치에 배치하는 것에 의해, 흡입구(55)와의 접속부에서의 저압 연료 공급관(12) 내의 액체 연료의 압력을 높일 수 있다. 이에 의해, 흡입구(55)로부터 승압용 실린더(51) 내에 연료의 공급을 용이하게 할 수 있다.
승압용 피스톤(52)의 상단부는, 연결부(49)에 의해 피스톤 로드(47)의 하단부와 연결되어 있고, 승압용 피스톤(52)은 피스톤 로드(47)와 연동하여 상하 이동한다.
또, 승압용 피스톤(52)의 상단부에는, 위치 센서가 설치된다. 위치 센서는, 승압용 피스톤(52)의 연직 방향의 위치를 검출하고, 위치 신호를 컨트롤러(21)에 출력한다. 그리고, 위치 신호를 이용하여, 승압용 피스톤(52)의 변위를 시간 미분하여 승압용 피스톤(52)의 속도를 구할 수 있다. 즉, 위치 센서를 속도 센서로서도 이용할 수 있다. 게다가, 승압용 피스톤(52)의 속도를 시간 미분하는 것에 의해, 승압용 펌프(52)의 가속도를 구할 수 있다. 즉, 위치 센서를 가속도 센서로서도 이용할 수 있다.
그리고, 위치 센서를 유압 실린더(41)에 장착해도 된다
위치 센서로서, 예를 들면, 자왜식(磁歪式) 위치 센서(70)와 초음파 센서를 이용할 수 있다. 여기에서는 자왜식 위치 센서를 사용한 경우에 대해서 설명한다.
구체적으로는, 자왜식 위치 센서(70)는, 센서 프로브(71)(자왜선), 환형 마그넷(72), 검출기(73)를 가진다. 센서 프로브(71)는 공동부(48) 내에 연직 방향으로 설치된다. 환형 마그넷(72)은 중앙에 센서 프로브(71)가 삽입된 상태로, 센서 프로브(71)를 따라 승압용 피스톤(52)과 함께 상하 이동하도록 승압용 피스톤(52)의 상단부에 장착된다. 센서 프로브(71)의 일단에는 센서 프로브(71)에 발생하는 변형을 검출하는 검출기(73)가 설치되어 있다. 센서 프로브(71)에 전류 펄스 신호를 주면, 센서 프로브(71)를 중심으로 하는 원주 방향의 자장(磁場)이 발생한다. 센서 프로브(71)의 마그넷(72)과 같은 높이의 위치에서는, 센서 프로브(71)의 축 방향에 자장이 부여되기 때문에, 축 방향에 대해 경사 방향의 합성 자장이 발생한다. 이에 의해, 센서 프로브(71)에 국부적인 비틀림 변형이 발생한다. 검출기(73)는 이 비틀림 변형을 검출하는 것에 의해, 마그넷(72)의 높이 방향의 위치를 검출하고, 승압용 피스톤(52)의 높이 방향의 위치를 나타내는 위치 신호를 컨트롤러(21)에 출력한다.
승압용 피스톤(52)의 하부에는 라이더 링(52a) 및 피스톤 링(52b)이 설치되어 있다. 승압용 피스톤(52)은 라이더 링(52a) 및 피스톤 링(52b)을 실린더 라이너(53)의 내벽면과 접촉시키면서 연직 방향으로 이동 가능하도록 실린더 라이너(53) 내에 수납되어 있다. 로드 패킹부(57)에도 라이더 링(51a)이 장비(裝備)되어 있다. 이러한 라이더 링(51a, 52a)은 승압용 피스톤(52)이 연직 방향으로 이동할 때의 수평 방향의 편차를 보정하는 역할을 한다. 피스톤 링(52b)은 승압용 피스톤(52)과 실린더 라이너(53)의 내벽면과의 틈새를 막고, 선단(先端)의 승압된 액체 연료의 압력을 봉지하는 역할을 한다.
밸브 상자(60)는 승압용 실린더(51) 내에서 실린더 라이너(53)의 하부에 고정되어 있다. 밸브 상자(60)에는, 토출 유로(61), 토출용 밸브체(62), 흡입 유로(64), 흡입용 밸브체(65) 등이 설치되어 있다.
토출 유로(61)는 밸브 상자(60)를 연직 방향으로 관통하도록 설치되어 있다. 토출 유로(61)의 내부에는, 토출용 밸브체(62)가 연직 방향으로 이동 가능하도록 수용되어 있다. 토출 유로(61)의 상단부 측은 내경이 토출용 밸브체(62)의 외경보다 작은 세경부(細徑部)이다. 세경부의 하측 개구(開口)는, 토출용 밸브체(62)가 배치되는 밸브 시트(63)이다. 토출용 밸브체(62) 및 밸브 시트(63)에 의해 토출 밸브가 구성된다.
토출 유로(61)의 밸브 상자(60)의 하측의 개구는 커버(54)의 토출구(56)와 대향하는 위치에 설치되어 있다.
흡입 유로(64)는 밸브 상자(60)의 외측 벽에서 밸브 상자(60)의 상면이며 승압용 피스톤(52)의 위치와 연통하는 위치에 설치되어 있다. 흡입 유로(64)의 밸브 상자(60)의 외측 벽 측의 개구는 승압용 실린더(51)의 흡입구(55)와 대향하는 위치에 설치되어 있다.
흡입 유로(64)의 밸브 상자(60)의 상면 측의 개구의 외주부는 흡입용 밸브체(65)용 밸브 시트(66)로 되어 있고, 밸브 시트(66)의 상부에 흡입용 밸브체(65)가 연직 방향으로 이동 가능하도록 설치되어 있다. 흡입용 밸브체(65) 및 밸브 시트(66)에 의해 흡입 밸브가 구성된다.
로드 패킹부(57)는, 공동부(48)에 접속되어 있고, 액체 연료가 기화한 가스를 외기에 누설시키지 않도록 씰 링(seal ring)을 장비하여 씰링(sealing)하고 있다. 피스톤 링(52b)에 의해 씰링되지 않고 누설한 액체 연료는 저압하에서 기화하여, 이 로드 패킹부(57)에서 밀봉된다. 액체 연료가 기화한 가스의 외부에의 누설을 방지하기 위해, 공동부(48)에 질소 가스를 공급하는 대신 이 로드 패킹부(57)에 공급해도 된다.
[리니어 액츄에이터 및 왕복식 펌프의 동작]
다음에, 전동 모터에 서보 모터를 사용한 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 전동 모터(31)에 의해 유압 펌프(32)를 구동하고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 상측 챔버(43a) 내의 작동유를 상측 관통공(44)에서 배출하고, 제1 유압 배관(33), 제2 유압 배관(34)을 거쳐 하측 관통공(45)에서 하측 챔버(43b)(제1 챔버)로 공급한다. 그러면, 하측 챔버(43b)의 용적이 커지고, 상측 챔버(43a)의 용적이 작아지도록 유압 피스톤(42)이 작동유 수용 공간(43) 내에서 상승한다. 그리고, 제1 유압 배관(33) 및 제2 유압 배관은 분기(分岐) 등을 가지지 않기 때문에, 상측 챔버(43a)에서 유출된 작동유는 모두 하측 챔버(43b)에 공급된다.
유압 피스톤(42)이 상승하면, 연결부(49)에서 피스톤 로드(47)의 하단부와 연결되어 있는 승압용 피스톤(52)이 실린더 라이너(53) 내에서 상승(제1 방향으로 이동)한다. 그러면, 흡입용 밸브체(65)가 밸브 시트(66)로부터 떨어져서 상승하고, 흡입구(55)로부터 공급되는 액체 연료가 흡입 유로(64)를 통해 실린더 라이너(53)의 내부이며 승압용 피스톤(52)의 하부의 공간에 유입된다. 이때, 토출용 밸브체(62)는 밸브 시트(63)를 막은 상태이다.
다음에, 컨트롤러(21)에 의해 전동 모터(31)의 회전 방향을 바꾸어, 유압 펌프(32)를 도 2와는 반대 방향으로 구동하고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 하측 챔버(43b) 내의 작동유를 하측 관통공(45)에서 배출하고, 제2 유압 배관(34), 제1 유압 배관(33)을 거쳐 상측 관통공(44)에서 상측 챔버(43a)(제2 챔버)로 공급한다. 그러면, 하측 챔버(43b)의 용적이 작아지고, 상측 챔버(43a)의 용적이 커지도록, 유압 피스톤(42)이 작동유 수용 공간(43) 내에서 하강한다. 그리고, 제1 유압 배관(33) 및 제2 유압 배관은 분기 등을 가지지 않기 때문에, 하측 챔버(43b)에서 유출된 작동유는 모두 상측 챔버(43a)에 공급된다.
유압 피스톤(42)이 하강하면, 연결부(49)에서 피스톤 로드(47)의 하단부와 연결되어 있는 승압용 피스톤(52)이 실린더 라이너(53) 내에서 하강(제2 방향으로 이동)한다. 그러면, 실린더 라이너(53)의 내부이며 승압용 피스톤(52)의 하부의 공간에 흡입된 액체 연료가 토출용 밸브체(62)를 내려 눌러 밸브 시트(63)로부터 떼어놓고, 토출구(56)에서 배출된다. 이때, 흡입용 밸브체(65)는 밸브 시트(66)를 막은 상태이다.
이와 같이, 전동 모터(31)의 회전 방향을 바꾸고, 유압 펌프(32)의 구동 방향을 바꾸는 것에 의해, 상측 챔버(43a)와 하측 챔버(43b) 사이에서 작동유를 교대로 왕래시키고, 유압 피스톤(42) 및 승압용 피스톤(52)을 연직 방향으로 왕복 이동시켜, 흡입구(55)로부터 흡입한 액체 연료를 승압하여 토출구(56)에서 토출할 수 있다.
그리고, 전동 모터에 인버터 모터를 사용한 리니어 액츄에이터(30)의 경우에는, 방향 전환 밸브에 의해 작동유의 흐름 방향을 바꾸는 것에 의해, 상측 챔버(43a)와 하측 챔버(43b) 사이에서 작동유를 교대로 왕래시키고, 유압 피스톤(42) 및 승압용 피스톤(52)을 연직 방향으로 왕복 이동시켜, 흡입구(55)로부터 흡입한 액체 연료를 승압하여 토출구(56)에서 토출할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 승압용 실린더(51) 내에서 캐비테이션을 방지하기 위해서, 승압용 실린더(51) 내의 압력이 연료의 증기압 이하가 되지 않도록 제어한다.구체적으로는, 왕복식 펌프(50)가 연료를 흡입할 때의 승압용 피스톤(52)의 최대 가속도를 내리는 것에 의해, 승압용 실린더(51) 내의 압력이 연료의 증기압 이하로 되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로는, 컨트롤러(21)는, 크랭크축을 이용하여 왕복식 펌프를 구동하는 경우보다 왕복식 펌프(50)가 연료를 흡입할 때의 승압용 피스톤(52)의 최대 가속도가 작아지도록, 리니어 액츄에이터(30)를 제어한다. 여기서, 크랭크축을 이용하여 왕복식 펌프를 구동하는 경우, 승압용 피스톤은 크랭크축의 회전 주기와 동일한 주기이고 또한 크랭크축의 회전 반경과 동일한 진폭으로 단진동하는 것으로 생각된다. 이때의 승압용 피스톤의 스트로크 길이는 크랭크축의 회전 직경(진폭의 2배)이 된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(21)는 크랭크축을 이용하여 왕복식 펌프를 구동하는 경우의 진폭과 동일한 진폭이고 또한 동일한 주기로 승압용 피스톤(52)을 단진동시킨 경우보다 왕복식 펌프(50)가 연료를 흡입할 때의 승압용 피스톤(52)의 최대 가속도가 작아지도록, 리니어 액츄에이터(30)를 제어한다.
구체적으로는, 컨트롤러(21)는, 승압용 피스톤(52)이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우, 왕복식 펌프(50)가 연료를 흡입할 때의 승압용 피스톤(52)의 속도의 절대값을 증가하게 하는 가속도의 절대값의 최대값이, A·(2π/T)2보다 작고, 또한 왕복식 펌프(50)가 연료를 토출할 때의 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값의 최대값이, A·(2π/T)2보다 커지도록, 리니어 액츄에이터(30)를 제어한다.
도 4의 실선은 본 실시 형태에서의 승압용 피스톤(52)의 속도의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이며, 횡축이 시간, 세로축이 속도이며, 토출시의 승압용 피스톤(52)의 속도를 양으로 하고 있다. 즉, 피스톤 속도가 양인 시간 t0에서 t1에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 토출하고, 피스톤 속도가 음인 시간 t1에서 t4에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 흡입한다.
또, 도 4의 일점 쇄선은 승압용 피스톤이 크랭크 구동되는 경우의 승압용 피스톤의 속도의 시간 변화이다. 승압용 피스톤이 크랭크 구동될 때, 승압용 피스톤은 단진동을 하고 있다. 즉, 승압용 피스톤의 진폭을 A, 주기를 T, 승압용 피스톤의 속도를 V, 시간을 t로 할 때, V는 이하의 식(1)로 나타낼 수 있다.
V=A(2π/T)sin(2π/T)t …(1)
또, 승압용 피스톤이 단진동을 하고 있을 때의 가속도를 a로 할 때, a는 이하의 식(2)로 나타낼 수 있다.
a=A(2π/T)2cos(2π/T)t …(2)
승압용 피스톤이 크랭크 구동되는 경우도, 피스톤 속도가 양인 시간 t0에서 t1에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 토출하고, 피스톤 속도가 음인 시간 t1에서 t4에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 흡입한다.
그리고, 대비를 위해, 본 실시 형태의 경우(실선)와 단진동시(일점 쇄선)에서 주기 T 및 스트로크(진폭 A의 2배)를 동일로 하고 있다. 즉, 시간 t0에서 t1에 걸쳐(토출시)의 속도의 적분값은, 본 실시 형태의 경우(실선)와 단진동시(일점 쇄선)에서 동일하며, 2A이다. 이와 같이, 시간 t1에서 t4에 걸쳐(흡입시)의 속도의 적분값은, 본 실시 형태의 경우(실선)와 단진동시(일점 쇄선)에서 동일하며, -2A이다.
도 4의 실선에서는, 흡입 개시시(t1)부터 t2까지 동안 승압용 피스톤(52)을 가속하고, t2에서 t3까지 동안 일정한 속도로 승압용 피스톤(52)을 이동시키고, t3에서 흡입 종료시(t4)까지 동안 승압용 피스톤(52)을 감속하고 있다. 여기서 "가속"하는 것은 승압용 피스톤(52)의 속도의 절대값을 증가시키게 하는 것을 말하고, "감속"하는 것은 승압용 피스톤(52)의 속도의 절대값을 감소시키는 것을 말한다.
도 4의 실선에서는, t1에서 t2까지 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값이 흡입시의 가속도의 절대값의 최대값이 되는 때가 있다. 이 가속도의 절대값의 최대값은 도 4의 실선의 t1에서 t2까지 기울기의 절대값의 최대값이다.
한편, 승압용 피스톤이 단진동하는 경우(일점 쇄선), t1에서 t2까지 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값이 최대로 될 때 흡입 개시시(t1)이며, 가속도의 절대값의 최대값은 도 4의 일점 쇄선의 t1에서의 기울기의 절대값이며, A(2π/T)2이다.
도 4의 실선에 나타내듯이, 본 실시 형태에서는, 흡입시의 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값의 최대값(실선의 t1에서 t2까지 기울기의 절대값의 최대값)이 단진동시의 가속도의 절대값의 최대값(일점 쇄선의 t1에서의 기울기의 절대값인 A(2π/T)2)보다 작아지도록, 리니어 액츄에이터(30)가 제어되고 있다. 따라서, 승압용 실린더(51) 내의 압력이 급격하게 저하하는 것을 방지하고, 캐비테이션의 발생을 억제할 수 있다.
여기서, 왕복식 펌프(50)가 연료를 흡입하는 t1에서 t4에 걸친 흡입 시간(t4-t1)을 T1로 할 때, 흡입시의 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값의 최대값(실선의 t1에서 t2까지 기울기의 절대값의 최대값)은, A(π/T1)2보다 작은 것이 바람직하다.
그리고, 단진동의 경우, 흡입시의 가속도의 절대값이 최대가 될 때 흡입 개시시(t1)이지만, 본 실시 형태에서는, 흡입 개시시가 최대 가속도로 되도록 승압용 피스톤(52)의 속도를 제어할 필요는 없다. 예를 들면, 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값이 최대가 되는 때가, 연료의 흡입 개시시(t1)보다 뒤이고, 또한 흡입 개시시(t1)부터 일주기의 1/4의 시간이 경과하는 것보다 앞이 되도록 제어해도 된다.
그리고, 스트로크 길이는 승압용 피스톤(52)이 상하 방향으로 왕복할 때의 최하점에서 최상점까지 높이이다. 스트로크 길이는 실린더 라이너(53) 내의 승압용 피스톤(52)의 최하부의 위치를 기준으로 하여 설정된다. 승압용 피스톤(52)의 최하부의 위치는, 실린더 라이너(53)의 내부이며 승압용 피스톤(52)의 하부의 공간의 용적이 최소인 위치이다. 이 위치를 기준으로서 스트로크 길이를 조정하는 것에 의해, 스트로크 길이를 어떻게 설정하더라도, 왕복식 펌프(50) 내의 액체 연료는 각 사이클에서 모두 토출되게 된다.
도 5의 실선은 본 실시 형태에서의 승압용 피스톤(52)의 속도의 시간 변화의 다른 일례를 나타내는 도면이며, 횡축이 시간, 세로축이 속도이며, 토출시의 승압용 피스톤의 속도를 양으로 하고 있다. 즉, 피스톤 속도가 양인 시간 t0에서 t1에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 토출하고, 피스톤 속도가 음인 시간 t1에서 t5에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 흡입한다.
또, 도 5의 일점 쇄선은 승압용 피스톤이 크랭크 구동되는 경우(단진동하는 경우)의 승압용 피스톤(52)의 속도의 시간 변화이다. 그리고, 대비를 위해, 주기 T 및 스트로크(=2A)를 동일하게 하고 있다. 승압용 피스톤(52)이 크랭크 구동되는 경우(일점 쇄선), 피스톤 속도가 양인 시간 t0에서 t2에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 토출하고, 피스톤 속도가 음인 시간 t2에서 t5에 걸쳐 왕복식 펌프(50)는 연료를 흡입한다. 승압용 피스톤(52)이 크랭크 구동될 때, 승압용 피스톤은 단진동을 하고 있다. 즉, 승압용 피스톤의 진폭을 A, 주기를 T, 승압용 피스톤의 속도를 V, 시간을 t로 할 때, V는 이하의 식(1)로 나타낼 수 있다.
V=A(2π/T)sin(2π/T)t …(1)
또, 승압용 피스톤이 단진동을 하고 있을 때의 가속도를 a로 할 때, a는 이하의 식(2)로 나타낼 수 있다.
a=A(2π/T)2cos(2π/T)t …(2)
그리고, 대비를 위해, 본 실시 형태의 경우(실선)와 단진동시(일점 쇄선)에서 주기 T 및 스트로크(진폭 A의 2배)를 동일하게 하고 있다. 즉, 본 실시 형태의 경우(실선)의 시간 t0에서 t1에 걸쳐(토출시)의 속도의 적분값은, 단진동시(일점 쇄선)의 시간 t0에서 t2에 걸쳐(토출시)의 속도의 적분값과 동일하며, 2A이다. 이와 같이, 본 실시 형태의 경우(실선)의 시간 t1에서 t5에 걸쳐(흡입시)의 속도의 적분값은, 단진동시(일점 쇄선)의 시간 t2에서 t5에 걸쳐(흡입시)의 속도의 적분값과 동일하고, -2A이다.
도 5의 실선에서는, 흡입 개시시(t1)부터 t3까지 동안 승압용 피스톤(52)을 가속하고, t3에서 t4까지 동안 일정한 속도로 승압용 피스톤(52)을 이동시키고, t4에서 흡입 종료시(t5)까지 동안 승압용 피스톤(52)을 감속하고 있다.
도 5의 실선에서는, t1에서 t3까지 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값이 흡입시의 가속도의 절대값의 최대값이 되는 때가 있다. 이 가속도의 절대값의 최대값은 도 5의 실선의 t1에서 t3까지 기울기의 절대값의 최대값이다.
한편, 승압용 피스톤이 단진동하는 경우(일점 쇄선), 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값이 최대로 될 때 흡입 개시시(t2)이며, 가속도의 절대값의 최대값은 도 5의 일점 쇄선의 t2에서의 기울기의 절대값이며, A(2π/T)2이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 승압용 피스톤(52)을 제어하는 경우라도, 흡입시의 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값의 최대값(t1에서 t3까지 실선의 기울기의 절대값의 최대값)이 단진동시의 가속도의 절대값의 최대값(일점 쇄선의 t2에서의 기울기의 절대값인 A(2π/T)2)보다 작아지도록, 리니어 액츄에이터(30)가 제어되고 있다. 따라서, 승압용 실린더(51) 내의 압력이 급격하게 저하하는 것을 방지하고, 캐비테이션의 발생을 억제할 수 있다.
여기서, 왕복식 펌프(50)가 연료를 흡입하는 t1에서 t5에 걸친 흡입 시간(t5-t1)을 T2로 할 때, 흡입시의 승압용 피스톤(52)의 가속도의 절대값의 최대값(실선의 t1에서 t3까지 기울기의 절대값의 최대값)은, A(π/T2)2보다 작은 것이 바람직하다.
덧붙여, 도 4의 경우에는, 승압용 피스톤(52)의 일주기(t0에서 t4까지 시간)에서의 연료를 토출하는 기간(t0에서 t1까지 동안)과 연료를 흡입하는 기간(t1에서 t4까지 동안)이 동일하다. 이에 대해, 도 5의 경우에는, 승압용 피스톤(52)의 일주기(t0에서 t5까지 시간)에서의 연료를 토출하는 기간(t0에서 t1까지 동안)보다 연료를 흡입하는 기간(t1에서 t5까지 동안)쪽이 길어져 있다.
따라서, 흡입시에 승압용 피스톤(52)을 가속하는 기간(t1에서 t3까지 동안)을 더 길게 할 수 있고, 흡입시에서의 가속도의 절대값의 최대값을 더 작게 할 수 있다.
또, 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료를 흡입하는 기간(t1에서 t5까지 동안)을 토출하는 기간(t0에서 t1까지 동안)보다 길게 하는 것에 의해, 흡입시의 승압용 피스톤(52)의 속도의 절대값의 최대값(실선의 t3에서 t4까지 동안의 속도의 절대값의 최대값)을 단진동시의 속도의 절대값의 최대값인 A(2π/T)보다 작게 할 수 있다. 따라서, 최대 속도까지 가속하기 위한 가속도의 절대값의 최대값을 작게 할 수 있다.
그리고, 복수의 연료 공급부를 이용하는 경우, 1개의 연료 공급부의 왕복식 펌프(50)에서 연료를 흡입하고 있는 동안에, 다른 연료 공급부의 왕복식 펌프(50)로부터 연료를 토출해도 된다. 예를 들면, 3개의 연료 공급부(20A, 20B, 20C)의 각각에서 왕복식 펌프(50)를 이용하는 것에 의해, 1개의 왕복식 펌프(50)에서 연료의 흡입하기 위해 다른 2개의 왕복식 펌프(50)에서 연료의 토출하고 있는 시간을 이용할 수 있다. 즉, 흡입 및 토출을 1사이클로 할 때, 각각의 왕복식 펌프(50)에서는 1사이클의 1/3의 시간에서 토출하고, 1사이클의 2/3의 시간에서 흡입을 하면 된다. 이와 같이, n개의 연료 공급부(n은 3이상의 자연수)를 이용하는 경우, 각각의 왕복식 펌프(50)에서는, 1사이클의 1/n의 시간에서 토출하고, 1사이클의 (n-1)/n의 시간에서 흡입을 하면 된다. 따라서, 연료를 흡입할 때의 승압용 피스톤(52)의 이동 속도를, 연료를 토출할 때의 속도보다 늦출 수 있고, 승압용 실린더(51) 내의 압력이 급격하게 저하하는 것을 막아, 캐비테이션의 발생을 억제할 수 있다. 이 경우에도, 1사이클의 시간을 조정하는 것에 의해, 연료의 토출하는 양의 합계를 조정할 수 있다.
그리고, 상기 실시 형태에서는, 연료를 흡입하는 시간과 연료를 토출하는 때가 동일한 경우(도 4), 연료를 흡입하는 시간이 연료를 토출하는 시간보다 긴 경우(도 5)에 대해서 설명하였지만, 연료를 흡입하는 시간이 연료를 토출하는 시간보다 짧아도 된다.
또, 본 실시 형태에서는, 승압용 피스톤(52)을 연직 방향으로 이동시키고, 승압용 피스톤(52)을 상승시킬 때에 왕복식 펌프(50)가 연료의 흡입을 하도록 배치하는 것에 의해, 리니어 액츄에이터(30)에 의해 승압용 피스톤(52)을 상승시킬 때에 리니어 액츄에이터(30)에 승압용 피스톤(52)의 중력이 작용한다. 따라서, 승압용 피스톤(52)을 상승시키는 속도를 작게 할 수 있고, 캐비테이션의 발생을 막을 수 있다.
또, 유압 피스톤(42) 및 승압용 피스톤(52)을 연직 방향으로 이동시키기 때문에, 반작용으로서 유압 실린더(41) 및 승압용 실린더(51)도 연직 방향의 힘을 받는다. 따라서, 유압 피스톤(42) 및 승압용 피스톤(52)을 구동해도, 유압 실린더(41) 및 승압용 실린더(51)의 설치 장소에는 수평 방향에 작용하는 힘이 작용하지 않기 때문에, 유압 실린더(41) 및 승압용 실린더(51)를 용이하게 고정할 수 있다. 또, 유압 실린더(41) 및 승압용 실린더(51)의 설치에 필요한 바닥 면적을 작게 할 수 있다.
또, 유압 피스톤(42) 및 승압용 피스톤(52)을 연직 방향으로 이동시키기 때문에, 피스톤 링(42b, 52b), 라이더 링(51a, 52a)이 국소적으로 마모되지 않는다.
또, 서보 모터를 이용하는 경우, 유압 실린더(41) 내에 공급하는 작동유의 흐름 방향을 유압 펌프(32)의 정역회전 방향에 의해 바꾸는 것에 의해, 유압 피스톤(42)의 이동 방향을 바꿀 수 있다. 이 경우에는, 작동유의 흐름 방향을 방향 전환 밸브로 바꾸지 않기 때문에, 유압 펌프(32)를 정격 회전 수로 계속 운전할 필요가 없다. 따라서, 유압 펌프(32)를 정격 회전 수로 계속 운전하는 경우와 비교하여 에너지 소비를 저감할 수 있다.
또, 복수의 연료 공급부(20A, 20B, 20C)가 저압 연료 공급관(12)과 고압 연료 공급관(13) 사이에 병렬로 설치되어 있기 때문에, 연료 공급부의 수를 용이하게 변경할 수 있다. 또, 복수의 연료 공급부 중, 어느 한 쪽에 트러블이 발생한 때와, 유지보수를 실시할 때에도, 그 중 하나의 연료 공급부를 떼어내고, 다른 연료 공급부를 계속 구동할 수 있다.
또, 복수의 연료 공급부(20A, 20B, 20C)는 독립하여 제어 가능하기 때문에, 내연 기관(90)의 연료 수요에 따라 가동하는 연료 공급부의 수를 변경할 수 있다.
또, 승압용 피스톤(52)의 위치를 검출하는 위치 센서를 설치하는 것에 의해, 확실히 승압용 피스톤(52)의 속도와 위치를 조절할 수 있다.
그리고, 상기 설명에서는, 3대의 연료 공급부(20A, 20B, 20C)를 이용하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이뿐 아니라, 임의의 수의 연료 공급부를 이용할 수 있다. 또, 왕복식 펌프(50)의 형태는 도 2, 도 3에 나타내는 형태에 한정되지 않고, 임의의 형태의 왕복식 펌프를 이용할 수 있다.
또, 상기 설명에서는, 선박에 탑재하는 연료 공급 장치에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)는 임의의 구조체 위에 설치할 수 있다. 예를 들면, 자동차의 차체 위에 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)를 탑재해도 되고, 건물 골조의 마루 위에 리니어 액츄에이터(30) 및 왕복식 펌프(50)를 설치해도 된다.
<변형예>
도 6은, 전동 실린더 유닛을 리니어 액츄에이터(30)로서 이용한 연료 공급부를 나타내는 도면이다. 그리고, 도 2, 도 3과 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 붙이고 설명을 할애한다.
전동 실린더 유닛은, 전동 모터(31), 톱니바퀴(35a, 35b), 볼 너트(37), 볼 나사(38)를 구비한다.
톱니바퀴(35a)는 전동 모터(31)의 동력으로 회전하고, 톱니바퀴(35a)의 회전은 톱니바퀴(35b)에 전달된다.
톱니바퀴(35b)는 볼 너트(37)와 일체로 설치되어 있어, 톱니바퀴(35a)의 회전을 볼 너트(37)에 전달한다.
볼 너트(37)는 볼 나사(38)과 나사 결합하고 있어, 톱니바퀴(35b)와 함께 회전한다.
볼 나사(38)의 하단은 연결부(49)에 의해 승압용 피스톤(52)의 상단과 연결되어 있다. 볼 너트(37)가 회전하는 것에 의해, 볼 나사(38)는 축 방향으로 이동한다. 볼 나사(38)가 축 방향으로 이동하는 것에 의해, 승압용 피스톤(52) 또한 축 방향으로 이동한다.
본 변형 예에서도, 리니어 액츄에이터(30)로서 유압 실린더 유닛을 이용한 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 펌프 설치 장소가 비방폭 개소, 혹은 제2종 위험 장소인 경우에는, 톱니바퀴(35a, 35b) 대신, 풀리 및 타이밍 벨트를 이용하여 전동 모터(31)의 회전을 볼 너트에 전달해도 된다.
10 연료 공급 장치
11 액체 연료 탱크
12 저압 연료 공급관
13 고압 연료 공급관
14 열교환기
15 고온 연료 공급관
16 조압 밸브
17 압력계
20A, 20B, 20C 연료 공급부
21 컨트롤러
30 리니어 액츄에이터
31 전동 모터
32 유압 펌프
33 제1 유압 배관
34 제2 유압 배관
35a, 35b 톱니바퀴
37 볼 너트
38 볼 나사
41 유압 실린더
42 유압 피스톤
42b, 52b 피스톤 링
43 작동유 수용 공간
43a 상측 챔버
43b 하측 챔버
47 피스톤 로드
48 단열 공동부
49 연결부
50 왕복식 펌프
51 승압용 실린더
51a, 52a 라이더 링
52 승압용 피스톤
53 실린더 라이너
54 커버
55 흡입구
56 토출구
57 로드 패킹부
60 밸브 상자
61 토출 유로
62 토출용 밸브체
63, 66 밸브 시트
64 흡입 유로
65 흡입용 밸브체
70 위치 센서
80 제어부
90 내연 기관

Claims (9)

  1. 내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 장치로서,
    리니어 액츄에이터,
    상기 리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 포함하고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해, 상기 연료의 흡입과, 흡입시보다 승압한 연료의 토출을 교호(交互)적으로 반복하는 왕복식 펌프,
    상기 리니어 액츄에이터의 구동을 제어하는 컨트롤러
    를 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우,
    상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가시키는 가속도의 절대값의 최대값이, A·(2π/T)2보다 작고,
    또한 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록, 상기 리니어 액츄에이터를 제어하는, 연료 공급 장치.
  2. 내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 장치로서,
    저압의 연료가 공급되는 저압 연료 공급관,
    상기 연소실 내에 공급되는 고압의 연료가 공급되는 고압 연료 공급관,
    상기 저압 연료 공급관과 상기 고압 연료 공급관 사이에 설치되어, 상기 저압 연료 공급관 내의 연료를 승압하여 각각 상기 고압 연료 공급관에 공급하는 복수의 연료 공급부,
    상기 복수의 연료 공급부를 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 연료 공급부의 각각은,
    리니어 액츄에이터,
    상기 리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 가지고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해 상기 연료의 흡입과, 흡입시보다 승압한 연료의 토출을 교대로 반복하는 왕복식 펌프,
    상기 리니어 액츄에이터의 구동을 제어하는 컨트롤러
    를 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우,
    상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가하게 하는 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 작고,
    또한, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어하고,
    상기 제어부는, 상기 복수의 연료 공급부의 어느 하나의 왕복식 펌프가 연료를 토출할 때에, 다른 연료 공급부의 왕복식 펌프가 연료를 흡입하도록 상기 컨트롤러의 각각을 제어하는, 연료 공급 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도가 최대가 되는 때가, 상기 왕복식 펌프가 상기 연료의 흡입을 개시하는 때 이후이고, 또한 상기 연료의 흡입을 개시하는 때부터 상기 주기의 1/4의 시간이 경과하는 것 이전이 되도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어하는, 연료 공급 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 왕복식 펌프는, 승압용 피스톤을 연직 방향으로 이동 가능하도록 수용하는 승압용 실린더를 포함하고,
    상기 승압용 피스톤이 연직 상방향으로 이동하는 것에 의해 상기 승압용 실린더의 내부이며 상기 승압용 피스톤의 하부에 상기 연료를 흡입하고, 상기 승압용 피스톤이 연직 하방향으로 이동하는 것에 의해 상기 연료를 승압하여 토출하는, 연료 공급 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 승압용 피스톤의 축 방향의 속도를 검출하는 속도 센서를 더 포함하는, 연료 공급 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이터는, 유압 실린더 유닛이고,
    작동유를 수용하는 작동유 수용 공간을 포함하고, 축 방향이 연직 방향이 되도록 배치된 유압 실린더,
    상기 유압 실린더 내에서 축 방향에 이동 가능하도록 설치되어, 상기 작동유 수용 공간을 제1 챔버와 제2 챔버로 구획하는 유압 피스톤,
    상기 유압 피스톤과 상기 승압용 피스톤을 연결하는 피스톤 로드,
    상기 제1 챔버에 작동유를 공급하는 것에 의해 상기 유압 피스톤을 축 방향의 제1 방향으로 이동시키고, 상기 제2 챔버에 작동유를 공급하는 것에 의해 상기 유압 피스톤을 축 방향의 제2 방향으로 이동시키는 유압 펌프,
    상기 유압 피스톤이 축 방향으로 왕복하도록 상기 유압 펌프를 구동하는 전동 모터를 구비하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 전동 모터를 제어하는 것에 의해 상기 유압 피스톤의 상기 유압 실린더 내에서 이동을 제어하는, 연료 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유압 실린더 유닛은,
    일단이 상기 유압 펌프와 접속되고, 타단이 상기 제1 챔버와 접속되고, 상기 유압 펌프로부터 토출되는 모든 작동유를 상기 제1 챔버에 공급하고, 상기 제1 챔버에서 배출되는 모든 작동유를 상기 유압 펌프로 되돌리는 밀폐된 제1 유압 배관,
    일단이 상기 유압 펌프와 접속되고, 타단이 상기 제2 챔버와 접속되고, 상기 유압 펌프로부터 토출되는 모든 작동유를 상기 제2 챔버에 공급하고, 상기 제2 챔버에서 배출되는 모든 작동유를 상기 유압 펌프로 되돌리는 밀폐된 제2 유압 배관
    을 더 구비하는, 연료 공급 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리니어 액츄에이터는, 전동 실린더 유닛이고,
    전동 모터,
    상기 전동 모터의 동력에 의해 회전하는 볼 너트,
    상기 볼 너트가 나사 결합하고, 축 방향이 상기 승압용 피스톤의 축 방향과 일치한 상태로 상기 승압용 피스톤과 연결되어 상기 볼 너트의 회전에 의해 축 방향으로 이동하는 볼 나사
    를 구비하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 전동 모터를 제어하는 것에 의해 상기 볼 나사의 축 방향의 이동을 제어하는, 연료 공급 장치.
  9. 내연기관의 연소실 내에 연료를 공급하는 연료 공급 방법으로서,
    리니어 액츄에이터에 의해 구동되어 축 방향으로 왕복하는 승압용 피스톤을 포함하고, 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 것에 의해 상기 연료의 흡입과, 흡입시보다 승압한 연료의 토출을 교호적으로 반복하는 왕복식 펌프의 상기 승압용 피스톤이 축 방향으로 왕복하는 진폭을 A(A>0), 왕복하는 주기를 T로 한 경우,
    상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 흡입할 때의 상기 승압용 피스톤의 속도의 절대값을 증가하게 하는 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 작고,
    또한 상기 왕복식 펌프가 상기 연료를 토출할 때의 상기 승압용 피스톤의 가속도의 절대값의 최대값이 A·(2π/T)2보다 커지도록 상기 리니어 액츄에이터를 제어하는, 연료 공급 방법.
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