KR102615444B1 - 연료 펌프 하우징 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 제1 관점에 의하면, 차량 엔진 내의 커먼레일 연료 분사 시스템의 연료 펌프에 이용되는 연료 펌프 하우징으로서, 상기 연료 펌프 하우징은 펌핑 챔버와, 상기 펌핑 챔버를 개구에서 교차하는 드릴링을 포함하고, 상기 펌핑 챔버는 실질적으로 구형이고, 상기 드릴링은 점진적으로 증가하는 직경의 전이 영역에서 상기 펌핑 챔버 내로 전이하고, 상기 전이 영역 및 구형의 펌핑 챔버는 상기 연료 펌프 하우징이 이용될 때, 상기 연료 펌프 하우징 내의 피크 응력이 상기 개구로부터 멀어지게 이격된 위치에 있도록 구성되는, 연료 펌프 하우징이 제공된다.

Description

연료 펌프 하우징
본 발명은 연료 펌프 하우징에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량용 디젤 엔진의 커먼레일 연료 분사 시스템에 이용되는 연료 펌프 하우징에 관한 것이다.
일반적으로 연료 펌프 하우징은 통로 또는 드릴링에 의해 교차되는 펌핑 챔버를 포함한다. 연료는 이러한 드릴링을 통해 펌핑 챔버 내외로 흐른다.
도 1은 디젤 엔진의 커먼레일 연료 분사 시스템에 이용되는 공지된 펌프 조립체의 일부를 도시한다. 펌프 조립체는 구동 구성체(미도시)의 영향 하에서, 사용시에 펌핑 플런저(미도시)가 왕복운동하는 블라인드 보어(12)를 갖춘 연료 펌프 하우징(10)을 구비한다. 플런저 및 그 보어(12)는 펌프 하우징(10)을 통해 동축으로 연장된다. 블라인드 보어(12)의 상부 영역은 원통형 펌핑 챔버(14)를 형성한다. 입구 통로(16)와 출구 통로(18) 각각은 펌핑 챔버(14)와 교차한다. 출구 통로(18)는 개구(13)에서 펌핑 챔버(14)와 교차한다.
비교적 저압의 연료는 입구 논-리턴 밸브(미도시)의 제어 하에서 입구 통로(16)를 통해 원통형 펌핑 챔버(14)로 전달된다. 연료는 플런저가 보어(12) 내에서 왕복운동함에 따라 펌핑 챔버(14) 내에서 가압되고, 압력이 사전결정된 레벨에 도달하기만 하면, 연료는 보어(12)로 횡방향으로 연장되는 출구 밸브(미도시)를 통해 출구 통로(18)로 전달된다. 그 다음, 출구 통로(18)는 연료 분사 시스템의 하류 커먼레일로 가압 연료를 전달한다.
도 1의 연료 펌프의 플런저 보어(12), 출구 통로(18) 및 원통형 펌핑 챔버(14) 내의 고압 유체는, 특히 플런저 보어(12), 출구 통로(18) 및 원통형 펌핑 챔버(14) 사이의 교차 영역에서 높은 응력 집중을 형성하도록 펌프 하우징(10)의 벽 상에 작용한다. 플런저가 그 보어(12) 내에서 왕복운동하고 연료가 펌핑 챔버(14) 내에서 높은 레벨로 가압됨에 따라, 크랙을 성장시킬 수 있는 맥동형 인장 응력이 펌프 하우징(10) 내에서 발생하여, 교차 지점에서 또는 그에 근접하게 피로 파괴를 초래할 수 있다.
응력 집중은 특히 출구 통로(18) 내에 그리고 그 둘레에서 유도될 수 있다. 펌프 조립체의 출구 통로(18)는 교차 영역(20)을 통해 펌핑 챔버(14)와 교차하고, 교차 영역(20)과 펌핑 챔버(14) 사이에는 갑작스러운 전이부가 있고, 여기서 교차 영역(20)의 상부면(22a)과 하부면(22b)은 펌핑 챔버(14)의 원통면과 만난다. 이러한 전이부의 급격함은 교차점(20)에서 그리고 개구(13) 둘레에서 후프 응력의 집중을 초래한다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 출구 통로(18)와 펌핑 챔버(14)의 원통형 형상으로 인해, 2개의 원통 형상의 통로들 간의 개구(13)는 타원형이다. 특히, 출구 통로(18)의 측방향면(24)은 상부면(22a)과 하부면(22b)보다는 펌핑 챔버(14)를 만나도록 더욱 연장된다. 이는 응력 집중의 영역을 일으키는 개구(13) 둘레에서 고르지 않은 응력을 초래한다.
연료 펌프 하우징 내의 응력 집중을 완화시키려는 시도가 이루어져 있다. 예컨대, 유체 통로들 간의 교차점에서의 응력 집중은 재료의 얇은 영역 및 날카로운 특징부를 제거하도록 하나의 통로의 단부에서 그 교차점을 형상화함으로써, 예컨대 교차점을 반경화함으로써 감소될 수 있는 것으로 이전에 나타나 있다.
출원인의 등록된 유럽 특허 EP 06256052호는 원형 단면으로부터 대체로 장방형 단면으로 펌핑 챔버를 향해 출구 통로가 벌어지는 교차 영역을 제공함으로써 원통형 출구 통로와 원통형 펌핑 챔버 사이의 교차점에 대한 더욱 정교한 형상화를 기술한다. 플레어(flare)와 플런저 보어 사이의 전이부를 매끄럽게 하도록 플레어 상에 반경이 제공된다. EP 2320084호는 출구 통로와 펌핑 챔버 사이의 교차점에 대한 더욱 정교한 형상화를 기술하며, 첫째로 펌핑 챔버의 높이는 실질적으로 출구 통로의 직경으로 감소되고, 둘째로 출구 통로는 플런저 보어의 축에 수직하는 평면 내에서만 벌어짐으로써 교차점의 상하부면이 실질적으로 평탄하다.
이러한 양자의 접근법은 출구 통로와 플런저 보어 사이의 교차점에서 응력 집중을 감소시키는 수단으로서 고압 펌프 적용에 성공적으로 이용되고 있다. 그러나, 커먼레일 펌프에서 증가하는 고압이 요구되어, 훨씬 더 높은 연료 압력을 수용하도록 응력 집중을 더욱 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 목적은 고압 연료 펌프 하우징, 더욱 일반적으로 교차 통로들 간의 응력 집중이 공지된 해결책에 비해 더욱 감소되는 고압 연료 적용을 위한 하우징을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 차량 엔진 내의 커먼레일 연료 분사 시스템의 연료 펌프에 이용되는 연료 펌프 하우징으로서, 상기 연료 펌프 하우징은 가압 연료를 수용하기 위한 펌핑 챔버와, 상기 펌핑 챔버를 개구에서 교차하는 드릴링을 포함하고, 상기 펌핑 챔버는 실질적으로 구형이고, 상기 드릴링은 점진적으로 증가하는 직경의 전이 영역에서 상기 펌핑 챔버 내로 전이하고, 상기 전이 영역 및 구형의 펌핑 챔버는 상기 연료 펌프 하우징이 이용될 때, 상기 연료 펌프 하우징 내의 피크 응력이 상기 개구로부터 멀어지게 이격된 위치에 있도록 구성되는, 연료 펌프 하우징이 제공된다.
상기 펌핑 챔버의 구형 형상과 상기 전이 영역의 점진적으로 증가하는 직경 간의 협력적 관계(synergistic relationship)는 상기 드릴링 내의 응력 감소를 일으키고, 특히 상기 피크 영역이 상기 드릴링과 상기 펌핑 챔버 사이의 상기 개구로부터 멀어지게 위치되게 한다. 상기 펌핑 챔버의 구형 형상은 상기 펌핑 챔버 내의 비교적 낮은 후프 응력을 일으키고, 또한 상기 드릴링에 가해지는 응력을 고르게 분포시키도록 작용하여, 상기 드릴링 내에 실질적으로 고른 원주방향 응력 분포를 초래한다. 상기 전이 영역의 점진적으로 증가하는 직경은 상기 드릴링과 상기 펌핑 챔버 사이의 상기 개구에서 응력을 감소시킨다. 이러한 효과의 조합은 상기 개구로부터 멀어지게 위치된 상기 드릴링을 둘러싸는 상기 펌프 하우징 내의 피크 응력을 예기치 못하게 초래한다. 그 대신에, 상기 피크 응력은 더욱 용이하게 수용될 수 있는 상기 드릴링을 따르는 위치에 위치된다.
따라서, 상기 연료 펌프 하우징 내의 피크 응력은 공지된 연료 펌프 하우징 내의 피크 응력에 비해 상이한 위치에서 더 낮다. 피크 응력이 상기 개구로부터 멀어지게 이격되면, 상기 피크 응력은 상기 펌핑 챔버의 기하학적 형상에 의해 덜 영향을 받고, 또한 사용 동안에 상기 펌핑 챔버 내에 유도되는 주기적 응력에 의해 덜 영향을 받는다. 그 결과, 상기 피크 응력은 상기 펌핑 챔버 내의 주기적 응력으로 인해 덜 극심한 변동을 받아 피로에 덜 취약하다. 따라서, 상기 연료 펌프 하우징은 덜 고장나는 경향이 있어, 더 높은 연료 압력을 수용할 수 있다.
본 발명은 고압 연료를 위한 연료 펌프와 함께 이용될 때 특히 유리하다. 고압 연료는 일반적으로 적어도 2000 바아로 가압된 연료를 의미하도록 이해되며, 3000 바아를 초과하는 압력으로 가압될 수 있다. 본 발명의 구성으로부터 발생되는 응력 감소는 연료 펌프 하우징이 이와 같이 특정된 고압을 수용하게 한다.
상기 전이 영역은 트럼펫 형상의 표면을 형성하도록 상기 펌핑 챔버를 향해 벌어지는 내부면을 형성할 수 있다. 상기 전이 영역의 내부면 및 상기 펌핑 챔버의 구형으로 만곡된 내부면은 연속적인 만곡면을 함께 형성할 수 있다.
상기 연속적으로 만곡된 내부면은 상기 드릴링과 상기 펌핑 챔버 사이의 전이부에서 응력을 훨씬 더 감소시킨다.
상기 드릴링과 상기 펌핑 챔버 사이의 응력 전이부의 특히 효과적인 감소를 위해, 상기 전이 영역의 만곡된 내부면과 상기 펌핑 챔버의 구형으로 만곡된 내부면 간의 경계부는 적어도 환형체의 섹션에 의해 형성되며, 상기 환형체의 섹션 상의 각 지점은 상기 연속적인 만곡면의 굴절 지점이다. 또한, 유리하게, 상기 개구의 환형 형상은 상기 펌핑 챔버 내의 후프 응력이 상기 개구의 원주 둘레에 분포되게 하여, 상기 응력이 상기 전이 영역의 주변부 둘레의 임의의 특정 지점에 집중하는 것을 방지한다.
상기 드릴링은 보어 직경을 갖는 메인 보어와, 상기 메인 보어와 상기 펌핑 챔버 사이의 교차 영역을 포함할 수 있다. 상기 교차 영역은 상기 보어 직경보다 작은 넥 직경을 갖는 영역을 형성하는 넥을 포함할 수 있다. 상기 넥은 상기 펌핑 챔버와의 교차 영역에서 상기 드릴링의 직경을 감소시킨다. 이는 상기 펌프 챔버의 데드 용적(즉, 상기 플런저가 상기 플런저 보어 내의 최상측 위치에 있을 때 그 스트로크의 말기에 연료로 충전 유지되는 상기 펌핑 챔버의 용적)을 감소시켜서, 펌프의 효율을 증대시킨다.
상기 교차 영역과 상기 메인 보어 사이의 경계부에서 응력 집중을 감소시키기 위해, 상기 교차 영역은 점진적으로 증가하는 직경의 또 다른 전이 영역에서 상기 메인 보어 내로 전이할 수 있다.
상기 넥 직경은 상기 드릴링의 보어 직경의 대략 반일 수 있다.
상기 넥 직경은 구형의 펌핑 챔버의 직경의 대략 반일 수 있다. 유리하게, 상기 펌핑 챔버에 대한 상기 넥 직경은 상기 펌핑 챔버의 직경에 반일 수 있다. 상기 펌핑 챔버의 직경의 반인 넥 직경을 선택하는 것은 펌프 하우징 내의 응력을 최소화하는 것과 펌프의 데드 용적을 최소화하는 것 사이에 특히 효과적인 밸런스를 제공한다.
상기 연료 펌프 하우징은 또 다른 드릴링을 포함할 수 있고, 상기 제2 드릴링의 직경은 상기 제1 드릴링의 보어 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 또 다른 드릴링은 상기 드릴링에 실질적으로 수직일 수 있다. 변형적으로, 상기 드릴링들은 서로 예각 또는 둔각에 있을 수 있다.
상기 드릴링 및/또는 상기 또 다른 드릴링은 상기 펌핑 챔버로부터 반경방향으로 연장될 수 있다.
변형적으로, 상기 드릴링 중 하나 이상은 반경방향이 아님으로써, 상기 드릴링이 상기 펌핑 챔버의 중앙 지점으로부터 변위된 지점에서 상기 펌핑 챔버를 통과하는 드릴링 축을 형성할 수 있다.
상기 펌핑 챔버 내로의 상기 드릴링의 개구는 상기 펌핑 챔버의 구형으로 만곡된 내부면의 일부에 적어도 부분적으로 대향될 수 있다.
상기 드릴링은 사용시에 상기 펌핑 챔버로부터 펌프 출구로 고압 연료를 이송하기 위한 출구 통로일 수 있다.
또한, 본 발명은 차량 엔진 내의 커먼레일 연료 분사 시스템의 연료 펌프에 관한 것으로서, 상기 연료 펌프는 임의의 이전 청구항에 따른 연료 펌프 하우징을 갖는다.
또한, 본 발명은 연료 펌프 하우징을 포함하는 차량용 디젤 엔진으로서, 상기 연료 펌프 하우징은 가압 연료를 수용하기 위한 펌핑 챔버와, 상기 펌핑 챔버를 개구에서 교차하는 드릴링을 포함하고, 상기 펌핑 챔버는 실질적으로 구형이고, 상기 드릴링은 점진적으로 증가하는 직경의 전이 영역에서 상기 펌핑 챔버 내로 전이하고, 상기 전이 영역 및 구형의 펌핑 챔버는 상기 연료 펌프 하우징이 이용될 때, 상기 연료 펌프 하우징 내의 피크 응력이 상기 개구로부터 멀어지게 이격된 위치에 있도록 구성되는, 디젤 엔진에 관한 것이다.
본 발명의 제1 관점에 대한 바람직하고 그리고/또는 선택적인 특징은 본 발명의 제2 관점 내에 단독으로 또는 적절한 조합으로 포함될 수 있음이 이해될 것이다.
도 1은 전술한 바와 같이 차량 엔진을 위한 커먼레일 분사 시스템의 연료 펌프의 공지된 연료 펌프 조립체의 일부에 대한 단면을 도시하고, 도 2는 도 1에 도시한 펌프 조립체의 일부에 대한 사시도를 도시한다.
도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 예로서만 기술할 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 연료 펌프 하우징의 일부에 대한 단면도로서, 고압 연료를 위한 출구 드릴링과 구형 펌핑 챔버 사이의 교차 영역을 도시하고, 도 4는 도 3의 A-A선을 따라 펌프 조립체의 동일한 부분에 대한 단면도를 도시한다.
도 5는 도 1의 연료 펌프 하우징의 펌핑 챔버와 출구 드릴링 사이의 교차 영역에 대한 확대도로서, 펌프 조립체의 작동 동안에 교차 영역의 내부면을 가로질러 응력 분포를 도시한 응력 윤곽을 더한 도면이고, 도 6은 도 5의 B-B선을 따라 교차 영역의 동일한 부분에 대한 단면도를 도시한다.
도 7은 도 3의 연료 펌프 하우징의 펌핑 챔버와 출구 드릴링 사이의 교차 영역에 대한 확대도로서, 펌프 조립체의 작동 동안에 교차 영역의 내부면을 가로질러 응력 분포를 도시한 응력 윤곽을 더한 도면이고, 도 8은 도 7의 C-C선을 따라 교차 영역의 동일한 부분에 대한 단면도를 도시한다.
도 9는 도 3 및 4에 도시한 교차 영역의 단면에 대한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예의 연료 펌프 하우징의 일부에 대한 단면도로서, 고압 연료를 위한 출구 드릴링과 구형 펌핑 챔버 사이의 교차 영역을 도시한다.
하기의 설명에서 "상측", "하측", "측부" 및 임시된 배향을 갖는 다른 용어에 대한 참조는 제한하도록 의도되지 않으며 첨부한 도면에 도시한 부품에 대한 배향을 단지 지칭한다.
도 3 및 4를 참조하면, 차량의 디젤 엔진 내의 커먼레일 연료 분사 시스템에 이용되는 연료 펌프는 펌프 헤드의 형태인 연료 펌프 하우징(30)을 구비한다. 연료 펌프 하우징(30)은 제1, 제2 및 제3 드릴링(34, 36, 41)에 의해 교차되는 펌핑 챔버(32)를 구비한다.
제1 드릴링은 펌핑 챔버(32) 내에서 가압된 연료를 하류의 커먼레일 연료 분사 시스템(미도시)과 연통하는 펌프 출구(미도시)로 이송하기 위한 출구 드릴링(34)을 형성한다.
제2 드릴링은 펌프 조립체의 플런저(미도시)를 수용하기 위한 플런저 보어(36)를 형성한다. 플런저는 당업자에게 친숙한 바와 같이 구동 구성체(미도시)의 영향 하에서, 사용시에 플런저 보어(36) 내에서 왕복운동하도록 배치된다.
제3 드릴링은 펌핑 챔버(32)에 인접한 원추형 영역(40)을 포함하는 입구 드릴링(41)이다. 원추형 영역(40)의 내부면은 입구 밸브(미도시)를 위한 밸브 시트를 형성한다. 입구 드릴링(42)의 형태인 제4 드릴링은 펌핑 챔버(32) 위의 제3 드릴링과 교차한다.
펌프의 사용시에, 연료는 입구 드릴링(41)을 통해 펌핑 챔버(32)로 전달되어 플런저 보어(36) 내의 플런저에 의해 펌핑 챔버(32) 내에서 가압된다. 플런저는 플런저 보어(36) 내의 최하측 위치(스트로크의 하부)로부터 플런저 보어(36) 내의 최상측 위치(스트로크의 상부)까지 플런저가 이동하는 펌핑 스트로크를 받아서, 펌핑 챔버 내의 연료를 가압한다. 연료는 출구 드릴링(34)을 통해 펌핑 챔버로부터 나온다.
특히 펌핑 챔버(32)를 고려하면, 펌핑 챔버(32)는 실질적으로 구형 구성을 갖는다. 즉, 펌핑 챔버(32)는, 펌핑 챔버(32)가 드릴링(34, 36, 41)에 의해 교차되는 위치에서 절두된 구(sphere)를 형성한다. 이로써, 펌핑 챔버는 구형으로 만곡되고 구형으로 만곡된 내부면을 형성한다. 구형의 펌핑 챔버(32)는 직경(D)을 갖는다.
출구 드릴링(34)을 참조하면, 출구 드릴링(34)은 실질적으로 원형 단면을 갖는다. 이로써, 출구 드릴링(34)은 원형 개구(33)를 형성하도록 구형의 펌핑 챔버(32)를 만난다. 원형 개구(33)의 적어도 일부는 구형의 펌핑 챔버(32)의 구형으로 만곡된 내부면의 일부에 대향되게 놓인다. 출구 드릴링은 펌핑 챔버(32)에 의해 형성된 구의 중심에 대해 반경방향으로 연장된다.
출구 드릴링(34)은 보어 직경(d1a)을 갖는 메인 보어(43)와, 메인 보어(43)와 펌핑 챔버(32) 사이의 교차 영역(44)을 포함한다. 교차 영역(44)은 감소된 직경(46)의 영역을 형성하는 넥(45)을 포함한다. 감소된 직경의 영역은 보어 직경(d1a)보다 더 작은 넥 직경(d1b)을 갖는다. 특히, 넥 직경(d1b)은 펌핑 챔버(32)의 직경(D)의 대략 반이다. 넥(45)과 메인 보어(43) 사이에는 출구 밸브(미도시)가 있다.
펌핑 챔버(32)에 가장 근접한 교차 영역(44)의 단부에서, 출구 드릴링(34)은 제1 전이 영역(48)에서 펌핑 챔버(32) 내로 매끄럽게 전이한다. 제1 전이 영역(48)은 감소된 직경(46)의 영역으로부터 펌핑 챔버(32)를 향해 이동하는 점진적으로 증가하는 직경을 갖는다.
특히, 제1 전이 영역(48)은 트럼펫 형상의 표면을 형성하도록 펌핑 챔버(32)를 향해 벌어진다. 제1 전이 영역(48)으로부터 펌핑 챔버(32) 내로의 전이는 연속적이므로, 제1 전이 영역(48)과 펌핑 챔버(32)는 연속적인 내부면을 함께 형성한다. 전이 영역(48)의 트럼펫 형상의 표면 및 펌핑 챔버(32)의 구형으로 만곡된 표면은 접선방향으로 서로 만난다. 이로써, 전이 영역(48)의 트럼펫 형상의 표면과 펌핑 챔버(32)의 구형으로 만곡된 표면 사이의 경계부는 환형체에 의해 형성되고, 그 환형체 둘레의 각 지점은 내부면의 곡률에 대한 굴절 지점을 형성한다.
메인 보어(43)에 가장 근접한 교차 영역(44)의 단부에서, 교차 영역(44)은 제2 전이 영역(49)에서 메인 보어(43) 내로 전이한다. 제2 전이 영역(49)은 감소된 직경(46)의 영역으로부터 메인 보어(43)를 향해 이동하는 점진적으로 증가하는 직경을 갖는다. 특히, 제2 전이 영역(49)은 실질적으로 원추형 표면을 형성한다.
플런저 보어(36)를 참조하면, 플런저 보어(36)는 출구 드릴링(34)에 실질적으로 수직이고, 입구 드릴링(41)에 대향된다. 또한, 플런저 보어(36)는 펌핑 챔버(32)에 의해 형성되는 구의 중심에 대해 반경방향이다.
플런저 보어(36)는 직경(d2)을 갖는 실질적으로 원통형이다. 플런저 보어(36)의 직경(d2)은 출구 드릴링(34)의 메인 보어(43)의 직경(d1a)과 실질적으로 동일하다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 펌핑 챔버(32)의 구형 형상과 제1 전이 영역(48)의 곡선 간의 협력적 관계는 펌핑 챔버(32) 내에서 그리고 개구(33)에서 뿐만 아니라, 출구 드릴링(34)의 전체 교차 영역(44) 내에서 놀라운 방식으로 응력 분포를 변형하도록 작용한다.
이러한 협력적 관계는 상술한 타입의 공지된 연료 펌프 하우징에서의 응력 분포와 본 발명의 일 관점에 따른 연료 펌프 하우징에서의 응력 분포 간의 비교에 의해 가장 잘 설명된다.
따라서, 도 5 내지 8은 도 1 및 2에 도시한 종래기술의 연료 펌프 하우징(14)과, 도 3 및 4에 도시한 본 발명의 일 관점에 따른 연료 펌프 하우징(30)의 교차 영역(20, 44) 내의 응력 분포에 대한 비교예를 도시한다. 각 교차 지점(20, 44)은 펌프 조립체의 작동 동안에 각각의 출구 드릴링(18, 34)의 내부면 내의 응력 분포를 도시한 응력 윤곽과 함께 한다.
도 5는 도 1의 연료 펌프 하우징(10)의 교차 영역(20)에 대한 확대도를 도시한다. 도 6은 B-B선을 따르는 동일한 교차 영역(20)에 대한 단면도를 도시한다. 교차 영역의 내부면의 특정 환형체를 따르는 대응하는 참조 지점은 도 5 및 6 양자에서 X 및 O로 표시된다.
도 5 및 6은 교차 영역(20)의 원주방향 표면의 소정의 환형체 내에서 응력 집중이 크게 비대칭임을 나타낸다. 이는 높은 응력의 영역을 나타내는 환형체의 상하부(X로 표시함)에서 윤곽 라인의 수집과, 낮은 응력의 영역을 나타내는 환형체의 측부(O로 표시함)에서 윤곽 라인의 부재에 의해 증명된다.
교차 영역(20)의 소정의 환형체 내의 이와 같은 비대칭적인 응력 분포는 교차 영역(20)의 상이한 종축을 따라 유도되는 고르지 않은 응력에 의해 야기된다. 교차 영역(20) 내의 이러한 응력은 설명되는 바와 같이 2가지의 근원을 갖는다.
첫째로, 응력은 펌핑 챔버(14) 내의 응력에 의해 교차 영역(20) 내에 발생된다. 후프 및 축방향 응력의 고르지 않은 분포는 연료가 가압됨에 따라 원통형 펌핑 챔버(14) 내에 발생되고, 펌핑 챔버(14) 내의 이와 같은 고르지 않은 후프 및 축방향 응력은 교차 영역(20)의 상이한 부분에 가해진 고르지 않은 응력을 초래한다.
둘째로, 응력은 교차 영역(20)과 펌핑 챔버(14) 사이의 개구(13) 둘레의 표면 내의 응력의 결과로서 교차 영역(20)에 의해 형성된 표면을 따라 발생된다. 교차 영역(20)과 펌핑 챔버(14) 사이의 개구(13)의 타원형 형상은 개구(13) 둘레의 고르지 않은 응력 분포를 초래하고, 개구(13) 둘레의 이와 같은 고르지 않은 응력 분포는 교차 영역(20)의 상이한 부분에 가해진 상이한 응력을 초래한다.
고르지 않은 응력 분포는 교차 영역(20) 내의 응력이 교차 영역(20)의 상하부면에서 더 크고(도 5 및 6에서 X로 표시함), 교차 영역의 좌우측부에서 더 낮게(도 5 및 6에서 O로 표시함) 되는 경향이 있도록 한다.
교차 영역의 특정한 환형체 내의 고르지 않은 응력 분포와 더불어, 도 5는 응력이 개구(13)에서 집중되는 경향이 있음을 도시한다. 개구(13)에서의 이와 같은 응력 집중은 교차 영역(20)과 펌핑 챔버(14) 사이의 급격한 전이에 의해 야기된다.
첫째로 타원형 개구(13) 둘레의 그리고 펌핑 챔버(14) 내의 고르지 않은 응력에 의해 교차 영역(20) 내에 유도된 고르지 않은 응력과, 둘째로 급격한 전이로 인한 개구(13) 둘레의 높은 응력 집중의 조합 결과로서, 교차 영역 내에는 높은 피크 응력이 존재하고, 그 높은 피크 응력은 Y로 나타낸 지점에서 타원형 개구(13) 위아래에 위치된다. 일반적인 작동 조건 하에서, 연료 펌프 헤드 내의 압력이 2800 바아인 경우, 연료 펌프 내의 피크 응력은 522 MPa가 되는 것을 알았다.
도 7 및 8은 본 발명에 따른 연료 펌프 하우징(30)의 교차 영역(44)에서의 비교 상황을 도시한다. 도 7은 도 1의 연료 펌프 하우징(30)의 교차 영역(44)을 도시한다. 도 6은 C-C선을 따라는 동일한 교차 영역(44)의 단면을 도시한다. 교차 영역의 내부면의 특정 환형체를 따르는 대응하는 참조 지점은 도 7 및 8 양자에서 X 및 O로 표시된다.
도 7 및 8의 응력 윤곽 라인은, 본 발명에 따른 연료 펌프 하우징(30)의 교차 영역(44) 내의 응력 분포가 도 7 및 8의 공지된 연료 펌프의 연료 펌프 하우징 내의 응력 분포와는 상당하고 예기치 않게 상이함을 알게 된다.
첫째로, 그 응력은 교차 영역(44)의 임의의 소정 환형체 둘레에 실질적으로 고르게 분포된다. 즉, 응력의 작은 변화가 존재할 수 있지만, 그 분포는 도 5 및 6에 도시한 분포보다는 상당히 더 고르다. 둘째로, 피크 응력의 크가가 감소된다. 셋째로, 특히 놀랍게도, Y로 나타낸 피크 응력의 위치는 개구(33) 위아래의 표면의 영역으로부터 넥(45)을 둘러싸는 표면의 영역으로 변위되어 있다.
이와 같이 예기치 못한 응력 분포는, 설명되는 바와 같이 펌핑 챔버(32)의 구형 형상과 제1 전이 영역(48)의 형상 간의 협력적 관계의 결과로서 성취된다.
우선 펌핑 챔버(32)를 고려하면, 펌핑 챔버(32)의 구형 형상은 펌핑 챔버 내의 전체 응력을 감소시키고, 둘째로 펌핑 챔버(32) 둘레에서 후프 응력을 고르게 분포시키는 작용을 한다. 펌핑 챔버(32)가 구형 구성을 갖기 때문에 응력에 대한 축방향 구성요소가 없다. 축방향 구성요소를 제거하는 것은 응력이 펌핑 챔버(32) 내에 실질적으로 고르게 분포됨을 의미한다. 펌핑 챔버(32) 내의 응력은 출구 드릴링(34) 상에 응력을 가하고, 펌핑 챔버(32) 내의 응력이 종래기술의 펌핑 챔버 내의 응력보다 더 낮고 실질적으로 고르게 분포되기 때문에, 출구 드릴링(34) 상에 가해지는 응력이 대응하게 낮고, 실질적으로 고르게 분포된다.
출구 드릴링(34)과 펌핑 챔버(32) 사이의 개구(33)의 형상을 참조하면, 개구(33)는 펌핑 챔버(32)의 구형 형상으로 인해, 그 형상이 원형이다. 종래기술의 개구의 타원형 형상 대신에, 개구(33)의 원형 형상의 결과로서, 후프 응력이 원형 개구(33) 둘레에서 실질적으로 일정하다. 또한, 개구(33)에서의 후프 응력은 출구 드릴링(34) 내의 응력에 기여하고, 후프 응력이 개구(33) 둘레에서 고르게 분포되기 때문에, 출구 드릴링(34) 내의 결과적으로 유도된 응력도 실질적으로 고르게 분포된다.
따라서, 펌핑 챔버의 구형 형상은 출구 드릴링(34)을 둘러싸는 바디로의 응력을 실질적으로 고르게 가하게 한다. 특히, 출구 드릴링(34)의 상하부면에 가해진 응력(X로 표시함)은 출구 드릴링의 측부에서의 표면에 가해진 응력(O로 표시함)과 실질적으로 동일하다. 그 결과, 출구 드릴링을 둘러싸는 바디 내의 응력은 출구 드릴링(34)의 임의의 특정 환형체 둘레에서 실질적으로 고르게 분포되고, 그 고른 분포는 교차 영역(44)을 통해 전체적으로 다시 연장된다.
제1 전이 영역(48)의 형상을 고려하면, 제1 전이 영역(48)의 매끄러운 곡선은 출구 드릴링(34)과 펌핑 챔버(32) 사이의 개구(33) 근방에서 더 낮은 응력을 초래한다. 놀랍게도, 전이 영역(48)의 형상은 개구 근방에서 응력을 감소시킬 뿐만 아니라, 교차 영역(44)에 걸쳐 응력의 전체 크기를 감소시킨다. 이는 개구(33)에 가해진 응력이 교차 영역(44)을 둘러싸는 표면 내의 응력을 유도하기 때문이며, 개구(33)에서의 응력 감소는 교차 영역(44)에 가해진 응력을 대응하게 감소시킨다.
이에 따라, 제1 전이 영역(48)의 형상 및 펌핑 챔버(32)의 형상을 조합하면, 전체의 교차 영역(44) 내의 응력 크기를 상당히 감소시킨다.
더욱 놀랍게도, 펌핑 챔버(32)의 구형 형상에 의해 야기된 감소되고 고르게 분포된 응력과, 전이 영역(48)의 형상에 의해 야기되는 감소된 응력에 대한 조합은 응력 분포의 원주방향으로의 매끄러움과 피크 응력을 낮출 뿐만 아니라, 피크 응력을 개구(33)로부터 함께 멀어지게 변위되게 한다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, Y로 나타낸 피크 응력의 영역은 교차 영역(44)의 넥(45)에 있고, 종래 기술에서와 같이 개구(33)에 있지 않다. 실제로, 개구(33) 둘레의 영역은 전체의 교차 영역(44)의 가장 낮은 응력을 받는다. 상술한 바와 동일한 일반적인 작동 조건 하에서, 연료 펌프 헤드 내의 압력이 2800 바아인 경우, 넥(45)에서의 피크 응력은 단지 416 MPa이므로, 도 1 및 2의 공지된 연료 펌프 하우징에 비해 피크 응력이 20% 감소를 나타낸다. 개구(33)에서의 응력은 300 MPa보다 낮도록 감소되므로, 도 1 및 2의 공지된 연료 펌프 하우징에 비해 개구(33)에서의 응력이 40% 이상 감소를 나타낸다.
이에 따라, 피크 응력이 낮아, 출구 드릴링(34)의 넥(45)에 위치되고, 출구 드릴링(34)과 펌핑 챔버(32) 사이의 개구에 위치되지 않는다. 이는 넥(45)의 영역 내의 응력이 개구(33)에서의 응력보다 펌핑 챔버(32) 내의 기하학적 형상의 변경에 덜 민감하기 때문에 특히 유리하다. 넥(45)은 펌핑 챔버(32) 내의 후프 응력에 의개 덜 영향을 받으며, 이는 펌핑 챔버(32) 내의 주기적 응력으로부터 생기는 피크 응력의 주기적 변동이 덜 강하고, 펌프 하우징(30)이 피로 파괴를 덜 받음을 의미한다.
또한, 교차 영역(44)의 넥(45)은 유리한 효과를 제공한다.
응력은 펌핑 챔버(32)의 직경(D)과 동일한 메인 보어 직경(d1a)을 선택함으로써 펌핑 챔버(32)와 출구 드릴링(34) 내에서 감소될 수 있다. 그러나, 드릴링의 직경(d1a)을 증가시키면, 개구(33)의 사이즈를 증대시켜서 전체의 후프 응력을 증대시킨다. 또한, 드릴링의 직경을 증대시키면, 펌핑 챔버의 데드 용적(즉, 상기 플런저가 상기 플런저 보어 내의 최상측 위치에 있을 때 그 스트로크의 말기에 연료로 충전 유지되는 펌핑 챔버(32)의 용적)을 증대시켜서, 펌프의 효율을 감소시킨다. 이는 모순되는 요건을 초래하는데, 즉 펌핑 챔버(32)의 직경과 동일하도록 충분히 큰 보어 직경이 소정의 응력을 최소화하는 한편, 더 작은 보어 직경은 펌프의 효율을 증대시킬 것이다.
논-리턴 밸브(미도시)를 통해 펌핑 챔버(32)를 메인 보어(43)에 연결하는 넥(45)으로 인해 요구되는 밸런스가 성취될 수 있다. 넥(45)은 출구 드릴링(34)의 직경이 개구(33)의 근방에서 넥 직경(d1b)으로 감소되게 함으로써, 펌핑 챔버의 데드 용적을 감소시키고 펌프의 효율을 증대시키지만, 메인 보어(43)의 더 큰 직경(d1a)을 여전히 허용하여, 메인 보어(43)의 직경(d1a)이 펌핑 챔버(32)의 넥 직경(d1b)과 일치할 수 있다. 본 발명자는 넥 직경(d1b)이 메인 보어 직경(d1a)의 대략 반일 때, 펌프 효율과 개구(33)에서의 응력에 대한 요건의 특히 유리한 밸런스가 성취됨을 알았다.
도 9를 참조하면, 플런저 보어(36), 출구 드릴링(34) 및 입구 드릴링(41)(도 9에서 보이지 않지만, 도 3에서 보임) 각각은 구형의 펌핑 챔버(32)의 중앙 지점으로부터 반경방향으로 연장되고, 출구 드릴링(34)은 플런저 보어(36)와 입구 드릴링(41)에 수직하게 배치된다. 그러나, 그 드릴링들 간의 각도는 90°일 필요가 없고, 임의의 적절한 각도일 수 있다.
또한, 그 드릴링들은 펌핑 챔버에 의해 형성된 구에 대해 반경방향으로 연장될 필요가 없다. 예컨대, 도 10은 출구 드릴링이 펌핑 챔버에 대해 반경방향이 아닌 변형 실시예를 도시한다. 특히, 출구 드릴링(34)에 의해 형성되는 종축은 펌핑 챔버(32)의 중앙 지점으로부터 변위된 지점에서 펌핑 챔버(32)를 통과한다.
펌핑 챔버(32)의 구형 기하학적 형상으로 인해, 드릴링들 간의 각도 변경하는 것 또는 펌핑 챔버(32)의 중앙 지점에 대한 반경방향이 아닌 구성으로 드릴링들을 배치하는 것은 교차 영역(44) 내의 응력 집중에 상당한 증대를 초래하지 않는다. 따라서, 그 구성은 펌핑 챔버(32) 내의 피크 응력에 해로운 영향 없이 그리고 펌프의 수명에 해로운 영향 없이 복잡한 드릴링 기하학적 형상을 수용할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에서, 펌핑 챔버(32)의 직경(D)은 출구 드릴링(34)의 메인 보어(43)의 직경(d1a)과 실질적으로 동일하고, 또한 플런저 보어(36)의 직경(d2)과도 실질적으로 동일하다. 실제로, 본 발명자는 출구 드릴링(34)과 플런저 보어(36)가 동일한 직경을 가질 때 가장 낮은 응력이 발생됨을 알았다. 그러나, 다른 실시예(미도시)에서, 이러한 직경(d1a, d2, D)은 동일할 필요가 없다.
첨부한 청구범위로부터 벗어나지 않고서 본 발명이 다수의 변형 형태를 취하도록 변경될 수 있음이 당업자에게 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 차량 엔진 내의 커먼레일 연료 분사 시스템의 연료 펌프에 이용되는 연료 펌프 하우징(30)에 있어서,
    상기 연료 펌프 하우징은 가압 연료를 수용하기 위한 펌핑 챔버(32)와, 상기 펌핑 챔버(32)를 개구(33)에서 교차하는 드릴링(34)을 포함하고,
    상기 펌핑 챔버(32)는 실질적으로 구형이고, 상기 드릴링(34)은 점진적으로 증가하는 직경의 전이 영역(48)에서 상기 펌핑 챔버(32) 내로 전이하고,
    상기 전이 영역(48) 및 구형의 펌핑 챔버(32)는, 상기 연료 펌프 하우징(30)이 이용될 때, 상기 연료 펌프 하우징(30) 내의 피크 응력이 상기 개구(33)로부터 멀어지게 이격된 위치에 있도록 구성되고,
    상기 드릴링(34)은 상기 펌핑 챔버(32)의 중앙 지점으로부터 변위된 지점에서 상기 펌핑 챔버(32)를 통과하는 드릴링 축을 형성하는,
    연료 펌프 하우징.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전이 영역(48)은 트럼펫 형상의 표면을 형성하도록 상기 펌핑 챔버(32)를 향해 벌어지는 내부면을 형성하는,
    연료 펌프 하우징.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전이 영역(48)의 내부면 및 상기 펌핑 챔버(32)의 구형으로 만곡된 내부면은 연속적인 만곡면을 함께 형성하는,
    연료 펌프 하우징.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전이 영역(48)의 만곡된 내부면과 상기 펌핑 챔버(32)의 구형으로 만곡된 내부면 간의 경계부는 적어도 환형체의 섹션에 의해 형성되며, 상기 환형체의 섹션 상의 각 지점은 상기 연속적인 만곡면의 굴절 지점인,
    연료 펌프 하우징.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 드릴링(34)은 보어 직경을 갖는 메인 보어(43)와, 상기 메인 보어(43)와 상기 펌핑 챔버(32) 사이의 교차 영역(44)을 포함하며, 상기 교차 영역(44)은 상기 보어 직경보다 작은 넥 직경을 갖는 영역을 형성하는 넥(45)을 포함하는,
    연료 펌프 하우징.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 교차 영역(44)은 점진적으로 증가하는 직경의 또 다른 전이 영역(49)에서 상기 메인 보어(43) 내로 전이하는,
    연료 펌프 하우징.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 넥 직경은 상기 드릴링(34)의 보어 직경의 반인,
    연료 펌프 하우징.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 넥 직경은 구형의 펌핑 챔버(32)의 직경의 반인,
    연료 펌프 하우징.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료 펌프 하우징은 또 다른 드릴링(36)을 포함하고,
    상기 또 다른 드릴링(36)의 직경은 상기 드릴링(34)의 보어 직경과 실질적으로 동일한,
    연료 펌프 하우징.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 또 다른 드릴링(36)은 상기 드릴링(34)에 실질적으로 수직인,
    연료 펌프 하우징.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 드릴링(34) 및/또는 상기 또 다른 드릴링(36)은 상기 펌핑 챔버(32)로부터 반경방향으로 연장되는,
    연료 펌프 하우징.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑 챔버(32) 내로의 상기 드릴링(34)의 개구(33)는 상기 펌핑 챔버(32)의 구형으로 만곡된 내부면의 일부에 적어도 부분적으로 대향되는,
    연료 펌프 하우징.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 드릴링(34)은 사용시에 상기 펌핑 챔버(32)로부터 펌프 출구로 고압 연료를 이송하기 위한 출구 통로인,
    연료 펌프 하우징.
  14. 차량 엔진 내의 커먼레일 연료 분사 시스템의 연료 펌프에 있어서,
    상기 연료 펌프는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 연료 펌프 하우징(30)을 갖는,
    연료 펌프.
  15. 삭제
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