KR102239573B1 - 공명효과타입 연료레일 및 커먼레일 시스템 - Google Patents

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이현성
박수동
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주식회사 현대케피코
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Abstract

본 발명의 커먼레일 시스템(100)은 공동체적(Cavity Volume)으로 체적 공진주파수가 발생되는 연료레일(1), 연료레일 공동체적(Cavity Volume)에 대한 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 맥동을 감쇄시키고, 헬름홀츠 공명 효과는 체적 공진주파수의 2,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz를 특정 주파수로 구분하여 각각에 대한 공진 주파수로 맥동 전체 크기를 감소시켜주는 헬름홀츠 엔드 플러그(10)를 포함함으로써 맥동에 의한 소음을 줄인 상태에서 인젝터의 연료 공급 안정화가 가능하면서 연료 입구단 반대편 연료레일의 마개 역할을 하는 엔드플러그(30)와 함께 구성됨으로써 전체 맥동 성분 감소를 위한 시스템 구조 변경이 최소화되는 특징이 구현된다.

Description

공명효과타입 연료레일 및 커먼레일 시스템{Resonance Effect Type Fuel Rail and Common Rail System Thereof}
본 발명은 연료레일에 관한 것으로, 특히 연료레일 내 전체 맥동 수준이 공명효과(Resonance Effect)로 낮춰지는 연료레일이 적용된 커먼레일 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 커먼레일(Common Rail) 시스템은 엔진 부하에 맞춘 적정 연료량을 엔진의 실린더로 연속 공급하여 준다.
이를 위해 상기 커먼레일 시스템은 연료레일(Fuel Rail)을 갖추고, 상기 연료레일은 연료펌프로부터 이송되어 축압된 액상 가솔린 연료를 일정 체적 공간에 저장한 상태에서 분산 편차 없이 각각의 인젝터로 연료 공급을 수행하여 준다.
그러므로 상기 연료레일은 인젝터에 대한 연료 분배 시 분산 편차가 최소화될 수 있는 체적 설계와 함께 연료 압력차(예, 약 250 ~120bar)로 인한 맥동 저감이 매우 중요한 설계 요소로 적용된다.
일례로 가변유로 타입 연료레일은 맥동 저감 기술을 적용한 예로서, 이는 연료레일 엔드 캡 앞쪽에 탄성 스프링을 포함한 가변 유로부가 적용된 구조이다.
이로부터 상기 가변유로 타입 연료레일은 탄성 스프링의 댐퍼 역할과 함께 전체 레일 체적 변경을 통해 연료레일 내 연료 압력차로 인한 전체 맥동수준을 줄여준다.
국내공개특허 10-2017-0127162(2017.11.21)
하지만, 상기 가변유로 타입 연료레일은 스프링 댐퍼를 통한 체적 변경으로 맥동성분을 감쇄시킴으로써 맥동력 감쇄 역할에 다수의 부품을 추가하는 별도의 장치가 요구되고 있다.
따라서 상기 가변유로 타입 연료레일은 맥동 감쇄 효과 구현에 제품 원가 상승이 요구될 뿐만 아니라 내구성 문제도 가져올 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 연료레일 체적이 갖는 체적 공진주파수 중 특정 주파수가 헬름홀츠 레조네이터(Helmholtz resonator)의 공명 효과로 크게 감쇄됨으로써 맥동에 의한 소음을 줄인 상태에서 인젝터의 연료 공급 안정화가 가능하고, 특히 연료레일의 연료 입구단 반대편의 마개 기능의 엔드플러그를 이용함으로써 전체 맥동 성분 감소에 시스템 구조변경이 최소화되는 공명효과타입 연료레일 및 커먼레일 시스템의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료레일은 연료레일 한쪽끝단에 구비되어 연료레일 공동체적(Cavity Volume)에 대한 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 맥동을 감쇄시키고, 헬름홀츠 공명 효과는 체적 공진주파수를 복수개의 특정 주파수로 구분하여 각각에 대한 공진 주파수로 맥동 전체 크기를 감소시켜주는 헬름홀츠 엔드 플러그가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 복수개의 특정 주파수는 2,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz로 구분된다.
바람직한 실시예로서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 마개 형태로 이루어져 연료레일 연료 유입부의 길이측 반대방향을 이루는 상기 연료레일 한쪽끝단에 구비된다.
바람직한 실시예로서, 상기 헬름홀츠 공명기는 헬름홀츠 공명 효과를 발생시키는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator), 상기 헬름홀츠 공명기와 결합하여 연료레일 한쪽끝단에 위치된 엔드 플러그로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 헬름홀츠 공명기는 상기 복수개의 특정 주파수를 구분하는 공명관, 상기 공명관이 연통되어 상기 공진 주파수를 헬름홀츠 공명 공간으로 발생시켜주는 공명실로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 공명관은 4개의 제1,2,3,4 공명 파이프를 서로 다른 길이로 하여 상기 복수개의 특정 주파수에 맞춰진다. 상기 제1,2,3,4 공명 파이프는 상기 공명실에 대해 중앙 집중 구조로 배열되거나 또는 상기 공명실에 대해 외곽 분산 구조로 배열된다.
바람직한 실시예로서, 상기 공명관은 상기 공명실의 한쪽면을 구성하는 공명판으로 이루어지고, 상기 공명판은 두께 차로 달리하여 상기 복수개의 특정 주파수에 대한 반사파형을 발생시켜 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 공명실은 나사 구조의 나사형 공명실, 파이프 분리 구조의 분리식 공명실, 파이프 일체 구조의 일체식 공명실 중 어느 하나로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 나사형 공명실은 상기 공명관을 갖춘 공명실 나사 바디로 상기 연료레일 한쪽끝단과 나사 체결된다. 상기 분리식 공명실은 상기 공명관을 갖춘 레일 공명실로 상기 연료레일 한쪽끝단과 체결되고, 상기 레일측 공명실을 감싼 플러그 공명실로 상기 엔드 플러그와 체결된다. 상기 일체식 공명실은 상기 공명관을 갖춘 공명실 연장 바디로 상기 연료레일 한쪽끝단에 삽입된다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 커먼레일 시스템은 공동체적(Cavity Volume)으로 체적 공진주파수가 발생되는 연료레일; 연료레일 공동체적에 대한 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 맥동을 감쇄시키고, 헬름홀츠 공명 효과는 체적 공진주파수의 2,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz를 특정 주파수로 구분하여 각각에 대한 공진 주파수로 맥동 전체 크기를 감소시켜주는 헬름홀츠 엔드 플러그가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 연료레일은 연료펌프로부터 토출된 연료가 유입되는 연료 입구부, 연료를 이송시키는 파이프 형태의 이송 바디, 엔진에 고정하기 위한 고정부, 연료를 외부로 분사시키기 위한 인젝터가 각각 결합되는 인젝터 연결부로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 헬름홀츠 공명 효과를 발생시키는 헬름홀츠 공명기, 상기 헬름홀츠 공명기와 결합하여 연료레일 한쪽끝단에 위치된 엔드 플러그로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 길이차를 갖는 4개의 제1,2,3,4 공명 파이프로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 복수개의 특정 주파수에 대한 공진 주파수를 발생시켜 주거나 또는 두께 차를 갖는 공명판으로 로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 복수개의 특정 주파수에 대한 반사파형을 다르게 발생시켜 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 나사를 갖춘 나사형 공명실로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 연료레일과 나사 체결되거나 또는 레일 공명실과 플러그 공명실이 구분된 분리형 공명실로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 연료레일과 상기 엔드 플러그에 각각 체결되거나 또는 공명실 연장 바디를 갖춘 일체형 공명실로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 연료레일에 삽입된다.
이러한 본 발명의 커먼레일 시스템에 적용된 연료레일은 공명효과타입으로 이루어짐으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 헬름홀츠 레조네이터(Helmholtz Resonator)의 공명 효과(Resonance Effect)로 연료레일 체적이 갖는 체적 공진주파수에 대한 감쇄 성능을 크게 높여줄 수 있다. 둘째, 연료 입구단 반대편 연료레일의 마개 역할을 하는 엔드플러그의 공명 효과가 구현됨으로써 최소한의 시스템 구조 변경만으로 전체 맥동 성분을 감쇄할 수 있다. 셋째, 연료레일 내의 연료 체적 캐비티(Cavity)가 가지는 체적 공진주파수 중 특정 주파수를 타겟으로 한 구조 설계가 가능하다. 넷째, 연료체적의 공진에 의한 맥동 저감이 헬름홀츠 엔드플러그의 공진을 통한 에너지소실 효과로 구현됨으로써 형태에 따른 여러 주파수의 헬름홀츠 레조네이터 효과가 나타날 수 있도록 다양한 주파수 타겟에 맞춰 설계될 수 있다. 다섯째, 투과손실 해석(Transmission Loss)으로 알 수 있는 바와 같이 연료레일 파이프 및 인젝터 길이 형상에 지배적인 맥동 소음에 대한 소음 감소 효과가 최대화 될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공명효과타입 연료레일의 모델 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공명효과타입 연료레일 모델의 헬름홀츠 엔드 플러그에 적용된 Helmholtz resonator 원리의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 공명효과타입 연료레일이 파이프 타입 헬름홀츠 엔드 플러그로 구성된 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 파이프 타입 헬름홀츠 엔드 플러그의 공명관 레이아웃 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 공명효과타입 연료레일이 플레이트 타입 헬름홀츠 엔드 플러그로 구성된 예이고, 도 6은 본 발명에 따른 파이프 타입 헬름홀츠 엔드 플러그의 변형례이며, 도 7은 본 발명에 따른 공명효과타입 연료레일이 적용된 커먼레일 시스템의 구성 예이고, 도 8은 본 발명에 따른 공명효과타입 연료레일이 적용된 커먼레일 시스템의 연료레일 맥동 저감 효과를 나타낸 투과손실 해석(Transmission Loss)의 결과이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 연료레일(1)은 연료레일 연료 유입부의 길이측 반대방향에서 마개 형태로 이루어진 헬름홀츠 엔드 플러그(10)를 포함한다. 이로부터 상기 연료레일(1)은 헬름홀츠 엔드 플러그(10)가 구현하는 헬름홀츠 레조네이터(Helmholtz Resonator)의 공명 효과(Resonance Effect)로 연료레일 체적이 갖는 체적 공진주파수에 대한 감쇄 성능을 크게 높여줌으로써 공명효과타입 연료레일(1)로 특징된다.
구체적으로 상기 연료레일(1)은 연료펌프로부터 토출된 연료가 유입되는 연료 입구부와 연료를 이송시키는 파이프 형태의 이송 바디 및 엔진에 고정하기 위한 고정부를 포함하고, 상기 이송 바디에 연료를 외부로 분사시키기 위한 인젝터가 각각 결합되는 인젝터 연결부(1-1)를 구비한다. 특히 상기 인젝터 연결부(1-1)는 인젝터 수량에 맞춰 형성되어 레일 체적 내 충진 된 연료를 인젝터로 공급되는 경로를 제공하여 준다.
구체적으로 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 연료레일(1)의 체적 공진주파수를 감쇄시켜 주는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)(20), 연료레일(1)의 한쪽끝을 밀폐시켜 주도록 헬름홀츠 공명기(20)와 결합되는 엔드 플러그(30)로 구성된다. 그러므로 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 헬름홀츠 레조네이터 구조를 갖는 이중 구조의 마개형태로 연료레일 내부 캐비티(Cavity) 공진효과를 통해 특정 주파수의 맥동을 감쇠시키며 최종적으로 여러 개의 공진주파수 감소를 통해 연료레일(1) 내의 맥동 전체 크기를 감소시켜 준다.
일례로 상기 헬름홀츠 공명기(20)는 공명관(21), 공명실(23) 및 격벽(25)을 포함한다. 상기 공명관(21)은 격벽(25)으로 지지되어 공명실(23)의 내부공간과 연통되고, 상기 공명실(23)은 내부공간 체적을 통해 공명관(21)에서 전달된 체적 공진주파수(즉, 복수개의 특정 주파수)를 헬름홀츠 공명 효과로 감쇄시켜 주며, 상기 격벽(25)은 공명실(23)을 폐공간으로 형성하면서 공명관(21)이 공명실(23)의 내부공간과 연통된 상태를 유지하도록 지지하여 준다.
특히 상기 공명관(21)은 연료레일(1)의 인젝터 수량에 맞춰 동일한 수량으로 구비됨으로써 연료레일(1)의 한쪽 끝단에 대한 인젝터 각각이 갖는 거리차이로 다른 주파수 특성을 모두 대응할 수 있다. 그러므로 상기 공명관(21)은 연료레일(1)에 4개의 인젝터가 구비된 경우 4개의 서로 다른 주파수 특성에 대응할 수 있도록 길이차이를 갖는 제1,2,3,4 공명 파이프(21-1,21-2,21-3,21-4)로 구분한 4개로 구성된다.
한편, 도 2는 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)의 헬름홀츠 공명기(20)에서 구현하는 Helmholtz resonator 원리를 예시한다. 도시된 바와 같이, 연료레일(1)은 연료레일 입구와 각 인젝터 연결부를 연료레일 내의 맥동발생 또는 충격음의 발생 위치로 하고, 헬름홀츠 공명기(20)는 공명관(21)의 레조네이터 파이프 길이(Neck length)와 공명실(23)의 헬름홀츠 체적(Helmholtz Volume)을 헬름홀츠 공명효과 인자로 산정한다.
이로부터 연료레일 형상을 최소화하는 헬름홀츠 공명기(20)의 형상 예는 아래와 같은 수식에 의해 계산될 수 있다.
맥동 주파수 산출 식 :
Figure 112019127703981-pat00001
레조네이터 파이프 길이 산출 식 :
Figure 112019127703981-pat00002
여기서 F = 주파수, ν = 음파속도, V = 헬름홀츠 체적(Helmholtz Volume), A = 파이프 넓이, l = 레조네이터 파이프 길이(Neck length)이다.
표 1은 연료레일(1)은 4개의 인젝터를 구비하고, 4개의 인젝터를 인젝터 #1, 인젝터 #2, 인젝터 #3, 인젝터 #4로 구분하여 레조네이터 파이프 길이가 산출되는 예를 나타낸다.
Figure 112019127703981-pat00003
한편, 도 3은 도 2의 Helmholtz resonator 원리에 기반 하여 설계된 헬름홀츠 공명기(20)의 실제적인 형상을 예시한다.
도시된 바와 같이, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 공명관(21)이 격벽(25)을 통해 공명실(23)과 연통되는 헬름홀츠 공명기(20)로 구성된다.
그러므로 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 공명관(21)을 구성하는 4개의 제1,2,3,4 공명 파이프(21-1,21-2,21-3,21-4)의 각각이 파이프 형상으로 이루어지면서 그 길이 차이를 이용하여 특정 주파수에 대한 Helmholtz 공명효과로 맥동 감쇄가 이루어지도록 한다.
표 2는 제1,2,3 공명 파이프(21-1,21-2,21-3)의 각각에 대한 레조네이터 파이프 길이를 예시한다. 이 경우 헬름홀츠 체적(Helmholtz Volume)(V)의 산정은 연료레일 반지름(R)2 x π x 레일방향 공명실 길이(a)를 이용하여 [7.4㎜(연료레일의 반지름)]2 x 3.14 x [9㎜ (레일방향 길이)] = 1550㎣를 적용한다.
Figure 112019127703981-pat00004
이로부터 상기 제1 공명 파이프(21-1)는 파이프의 최장 길이로 공명실(23)과 연통됨으로써 2,000Hz 주파수 대역에 대한 Helmholtz 공명효과로 맥동을 감쇄하여 준다. 상기 제2 공명 파이프(21-2)는 파이프의 중간 길이로 공명실(23)과 연통됨으로써 4,000Hz 주파수 대역에 대한 Helmholtz 공명효과로 맥동을 감쇄하여 준다. 상기 제3 공명 파이프(21-3)는 파이프의 최소 길이로 공명실(23)과 연통됨으로써 6,000Hz 주파수 대역에 대한 Helmholtz 공명효과로 맥동을 감쇄하여 준다. 상기 제4 공명 파이프(21-4)는 파이프의 최단 길이로 공명실(23)과 연통됨으로써 8,000Hz 주파수 대역에 대한 Helmholtz 공명효과로 맥동을 감쇄하여 준다.
따라서 서로 다른 파이프 길이 차를 갖는 4개의 제1,2,3,4 공명 파이프(21-1,21-2,21-3,21-4)가 적용된 헬름홀츠 공명기(20)는 약 2,000~8,000Hz 대역에 대한 Helmholtz 공명효과로 연료레일(1) 내 맥동 소음을 줄임으로써 전체 맥동 성분 감쇄 성능이 우수하면서 인젝터의 연료 공급 안정화도 가능한 특징을 가질 수 있다.
한편, 도 4는 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)의 헬름홀츠 공명기(20)에 대한 변형 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 헬름홀츠 공명기(20)의 공명실(23)에 적용된 격벽(25)이 공명관(21)을 체결 및 지지하기 위한 구조 형상 변경으로 다양하게 구현함을 예시한다.
일례로 상기 격벽(25)은 4구간 분할간격(예, 90°분할 간격)으로 내측 홀(25-1)을 원형 바디 안쪽공간에 천공함으로써 제1,2,3,4 공명 파이프(21-1,21-2,21-3,21-4)가 공명실(23)에 대해 중앙 집중 구조로 형성화할 수 있다. 반면 상기 격벽(25)은 4구간 분할간격(예, 90°분할 간격)으로 외측 홀(25-2)을 원형 바디 테두리에 천공함으로써 제1,2,3,4 공명 파이프(21-1,21-2,21-3,21-4)가 공명실(23)에 대해 외곽 분산 구조로 형성화할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)가 플레이트 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10A로 변형된 예로서, 상기 플레이트 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-2)는 격벽(25)을 공명판(27)으로 대체함으로써 공명관(21)이 없이 공명실(23)이 형성된다.
도시된 바와 같이, 상기 공명판(27)이 도 1 내지 도 4의 공명관(21)을 대체함으로써 공명실(23)의 Helmholtz 공명효과는 공명판(27)의 반사파형을 통해 이루어진다.
이를 위해 상기 공명판(27)은 두께 차로 반사파형을 달리하는 제1,2,3 공명판(27-1,27-2,27-3)로 구분된다. 이 경우 상기 제1,2,3 공명판(27-1,27-2,27-3)의 각각은 모드 해석 및 계산으로 플레이트 두께를 다르게 두어 맥동 감소에 대한 해당 주파수의 공진 효과를 통해 반사파형이 극대화되도록 설계된다.
한편, 도 6은 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)의 헬름홀츠 공명기(20)에 대한 다양한 변형 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 구조 1 내측 인서트 타입의 나사 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-2), 구조 2 분리형 타입의 분리 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-3), 구조 3 일체형 타입의 단일 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-3)로 구분된다.
일례로 상기 나사 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-1)는 연료레일(1)과 공명실(23)의 결합에 공명관(21)을 갖춘 공명실 나사 바디가 적용되어 연료레일(1)의 나사부와 나사 체결을 이용함으로써 공명실(23)이 나사형 공명실(23A)로 이루어진다. 이 경우 상기 연료레일(1)과 일체식 공명실(23C) 및 엔드 플러그(30)는 나사체결 부위와 함께 나사체결 및 용접 고정(예, 브레이싱)부위를 이용해 체결된다.
반면 상기 분리 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-2)는 연료레일(1)과 공명실(23)의 결합에 공명관(21)을 갖춘 레일 공명실과 레일측 공명실을 감싼 플러그 공명실로 구분되어 연료레일(1)과 엔드 플러그(30)에 각각 적용되는 파이프 분리 구조를 이용함으로써 공명실(23)이 분리식 공명실(23B)로 이루어진다. 이 경우 상기 연료레일(1)과 분리식 공명실(23B) 및 엔드 플러그(30)는 나사체결 부위 및 용접 고정(예, 브레이싱)부위를 이용해 체결된다.
그리고 상기 단일 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-3)는 연료레일(1)과 공명실(23)의 결합에 공명관(21)을 갖춘 공명실 연장 바디가 적용되어 연료레일(1)의 안쪽으로 깊게 삽입되는 파이프 일체 구조를 이용함으로써 공명실(23)이 일체식 공명실(23C)로 이루어진다. 이 경우 상기 연료레일(1)과 일체식 공명실(23C) 및 엔드 플러그(30)는 용접 고정(예, 브레이싱)부위를 이용해 체결된다.
한편, 도 7은 차량용 커먼레일 시스템(100)을 예시한다. 도시된 바와 같이, 상기 커먼레일 시스템(100)은 연료레일(1), 연료탱크(101), 연료펌프(102), 연료 이송관(103), 연료여과기(104), 인젝터(105) 및 ECU(Electronic Control Unit)(106)를 포함한다.
일례로 상기 연료레일(1)은 연료레일(1)의 한쪽 끝단에 헬름홀츠 엔드 플러그(10)를 구비하고, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)를 갖는 헬름홀츠 공명기(20)와 이에 결합된 엔드 플러그(30)로 구성된다. 이 경우 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 플레이트 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10A), 나사 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-1), 분리 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-2), 단일 타입 헬름홀츠 엔드 플러그(10-3) 중 어느 하나일 수 있다.
그러므로 상기 연료레일(1)은 도 1 내지 도 6을 통해 예시된 공명효과타입 연료레일(1)과 동일하다.
구체적으로 상기 커먼레일 시스템(100)은 연료펌프(102)의 작동에 따라 펌핑된 연료가 연료탱크(101)로부터 연료이송관(103)을 통해 연료레일(1)로 압송되고, 상기 연료레일(1)로 유입된 연료는 ECU(106)로 제어되는 인젝터(105)를 통해 엔진의 실린더 각각으로 분사된다. 특히 상기 ECU(106)은 인젝터(105)에 의해 분사되는 연료량이 각 실린더에 균일하게 분사되도록 인젝터(105)를 제어함으로써 실린더에서의 혼합기 농도를 좌우하는 연료량에 대한 균일성을 유지시켜 준다.
한편, 도 8은 커먼레일 시스템(100)의 작동 시 헬름홀츠 엔드 플러그(10)를 통한 연료레일(1)의 맥동 저감 효과가 투과손실(Transmission Loss)의 해석 결과로 예시됨을 나타낸다.
일례로 상기 TL(Transmission Loss)은 TL 최소 피크에서 연료레일(1)의 축방향 wave propagation 형태이고, 각각의 최저 피크값들은 연료레일 체적 모드 특성에 따라 맥동이 증폭될 가능성이 높으므로 TL 값이 낮은 주파수 영역에서 소음이 증가되는 특성을 갖는다.
그러므로 헬름홀츠 엔드 플러그(10)가 적용된 연료레일(1)은 공명관(21)의 파이프 길이 및 연료레일(1)의 인젝터 연결부 길이 형상에 지배적이며 소음 증가 특징을 갖는다.
예시된 TL 해석 결과는 연료레일(1)의 길이는 약 300 mm로 하여 산출된 레조네이터 형상을 갖는 헬름홀츠 엔드 플러그(10)에 대한 Siemens Virtual Lab의 체적 Transmission Loss 계산 결과이다.
dB - Freqency 선도로부터 TL이 클수록 소음 감소 효과가 큼을 알 수 있고, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그(10)는 파란색 개선안(본원발명)의 전체 소음레벨이 기존의 빨간색 파선의 전체 소음레벨 대비 저감되면서 2,000 Hz 및 하모닉 성분인 4,000 Hz, 6,000 Hz, 8,000 Hz에서 TL 값이 낮아지는 특성을 가짐이 증명된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 커먼레일 시스템(100)은 공동체적(Cavity Volume)으로 체적 공진주파수가 발생되는 연료레일(1), 연료레일 공동체적(Cavity Volume)에 대한 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 맥동을 감쇄시키고, 헬름홀츠 공명 효과는 체적 공진주파수의 2,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz를 특정 주파수로 구분하여 각각에 대한 공진 주파수로 맥동 전체 크기를 감소시켜주는 헬름홀츠 엔드 플러그(10)를 포함함으로써 맥동에 의한 소음을 줄인 상태에서 인젝터의 연료 공급 안정화가 가능하면서 연료 입구단 반대편 연료레일의 마개 역할을 하는 엔드플러그(30)와 함께 구성됨으로써 전체 맥동 성분 감소를 위한 시스템 구조 변경이 최소화된다.
1 : 연료레일 1-1 : 인젝터 연결부
10 : 헬름홀츠 엔드 플러그
10A : 플레이트 타입 헬름홀츠 엔드 플러그
10-1 : 나사 타입 헬름홀츠 엔드 플러그
10-2 : 분리 타입 헬름홀츠 엔드 플러그
10-3 : 단일 타입 헬름홀츠 엔드 플러그
20 : 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)
21 : 공명관
21-1,21-2,21-3,21-4 : 제1,2,3,4 공명 파이프
23 : 공명실 23A : 나사식 공명실
23B : 분리식 공명실 23C : 일체식 공명실
25 : 격벽 25-1 : 내측 홀
25-2 : 외측 홀 27 : 공명판
27-1,27-2,27-3 : 제1,2,3 공명판
30 : 엔드 플러그 100 : 커먼레일 시스템
101 : 연료탱크 102 : 연료펌프
103 : 연료 이송관 104 : 연료여과기
105 : 인젝터 106 : ECU(Electronic Control Unit)

Claims (22)

  1. 연료레일 한쪽끝단에 구비되어 연료레일 공동체적(Cavity Volume)에 대한 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 맥동을 감쇄시키고, 헬름홀츠 공명 효과는 체적 공진주파수를 복수개의 특정 주파수로 구분하여 각각에 대한 공진 주파수로 맥동 전체 크기를 감소시켜주는 헬름홀츠 엔드 플러그가 포함되며,
    상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 마개 형태로 이루어져 연료레일 연료 유입부의 길이측 반대방향을 이루는 상기 연료레일 한쪽끝단에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수개의 특정 주파수는 2,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz로 구분되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 헬름홀츠 공명 효과를 발생시키는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator), 상기 헬름홀츠 공명기와 결합하여 연료레일 한쪽끝단에 위치된 엔드 플러그로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 헬름홀츠 공명기는 상기 복수개의 특정 주파수를 구분하는 공명관, 상기 공명관이 연통되어 상기 공진 주파수를 헬름홀츠 공명 공간으로 발생시켜주는 공명실로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 공명관은 4개의 제1,2,3,4 공명 파이프를 서로 다른 길이로 하여 상기 복수개의 특정 주파수에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1,2,3,4 공명 파이프는 상기 공명실에 대해 중앙 집중 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 제1,2,3,4 공명 파이프는 상기 공명실에 대해 외곽 분산 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 공명관은 상기 공명실의 한쪽면을 구성하는 공명판으로 이루어지고, 상기 공명판은 상기 복수개의 특정 주파수에 대한 반사파형을 발생시켜주는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 공명판은 상기 반사파형을 두께 차로 달리하여 주는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  11. 청구항 5에 있어서, 상기 공명실은 나사 구조의 나사형 공명실, 파이프 분리 구조의 분리식 공명실, 파이프 일체 구조의 일체식 공명실 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 나사형 공명실은 상기 공명관을 갖춘 공명실 나사 바디로 상기 연료레일 한쪽끝단과 나사 체결되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 분리식 공명실은 상기 공명관을 갖춘 레일 공명실로 상기 연료레일 한쪽끝단과 체결되고, 상기 레일측 공명실을 감싼 플러그 공명실로 상기 엔드 플러그와 체결되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 일체식 공명실은 상기 공명관을 갖춘 공명실 연장 바디로 상기 연료레일 한쪽끝단에 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료레일.
  15. 공동체적(Cavity Volume)으로 체적 공진주파수가 발생되는 연료레일;
    연료레일 공동체적(Cavity Volume)에 대한 헬름홀츠 공명 효과(Helmholtz Resonance Effect)로 맥동을 감쇄시키고, 헬름홀츠 공명 효과는 체적 공진주파수의 2,000Hz, 4,000Hz, 6,000Hz, 8,000Hz를 특정 주파수로 구분하여 각각에 대한 공진 주파수로 맥동 전체 크기를 감소시켜주는 헬름홀츠 엔드 플러그가 포함되며,
    상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 헬름홀츠 공명 효과를 발생시키는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator), 상기 헬름홀츠 공명기와 결합하여 연료레일 한쪽끝단에 위치된 엔드 플러그로 구성되는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 연료레일은 연료펌프로부터 토출된 연료가 유입되는 연료 입구부, 연료를 이송시키는 파이프 형태의 이송 바디, 엔진에 고정하기 위한 고정부, 연료를 외부로 분사시키기 위한 인젝터가 각각 결합되는 인젝터 연결부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
  17. 삭제
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 길이차를 갖는 4개의 제1,2,3,4 공명 파이프로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 복수개의 특정 주파수에 대한 공진 주파수를 발생시켜 주는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
  19. 청구항 15에 있어서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 두께 차를 갖는 공명판으로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 복수개의 특정 주파수에 대한 반사파형을 다르게 발생시켜 주는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
  20. 청구항 15에 있어서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 나사를 갖춘 나사형 공명실로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 연료레일과 나사 체결되는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
  21. 청구항 15에 있어서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 레일 공명실과 플러그 공명실이 구분된 분리형 공명실로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 연료레일과 상기 엔드 플러그에 각각 체결되는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
  22. 청구항 15에 있어서, 상기 헬름홀츠 엔드 플러그는 공명실 연장 바디를 갖춘 일체형 공명실로 상기 헬름홀츠 공명기를 구성하여 상기 연료레일에 삽입되는 것을 특징으로 하는 커먼레일 시스템.
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