KR20060074116A - 캐비테이션 손상 방지구조를 갖는 연료분사펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐비테이션 손상방지구조를 갖는 내연기관용 연료분사펌프에 관한 것이며, 그 목적은 연료분사펌프에서 발생되는 캐비테이션 손상에 대한 원인을 정확하게 인식하고, 이를 기반으로 연료분사펌프의 구조를 개선하여 배럴의 스필포트 및 플런저의 손상을 동시에 방지할 수 있는 연료분사펌프를 제공함에 있다.

본 발명은 내연기관용 연료분사펌프에 있어서, 상기 연료분사펌프는 디플렉터의 형상은 끝단으로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성하고 스필포트의 형상은 출구측 끝단부를 테이퍼지게 형성하여, 스필포트가 열린 직후에 발생하는 제트형태의 캐비테이션이 상기 스필포트의 벽면에는 부딪히지 않게 하고 디플렉터에 직접 충돌하게 함으로써, 제트형태의 캐비테이션이 벽면에 부딪힐 때 발생하는 압력파가 스필포트 내부의 플런저 벽면 주변에 잔존하는 캐비티에 전달되지 않도록 구성된 연료분사펌프에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

연료분사펌프, 배럴, 플런저, 스필포트, 캐비테이션, 디플렉터

Description

캐비테이션 손상 방지구조를 갖는 연료분사펌프{Fuel injection pump to prevent cavitation erosion }

도 1 은 본 발명에 따른 연료분사펌프의 구조를 나타낸 단면도

도 2 는 본 발명에 따른 디플렉터 및 스필포트의 구조를 나타낸 세부 단면도

도 3 은 본 발명에 따른 스필포트에서의 캐비테이션 현상을 나타낸 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 배럴 (11) : 스필포트

(20) : 플런저 (21) : 유출홈

(30) : 디플렉터 (40) : 하우징

(50) : 분수형태 캐비테이션 (60) : 제트형태 캐비테이션

(70a)(70b) : 압력파

본 발명은 캐비테이션 손상방지구조를 갖는 내연기관용 연료분사펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료분사펌프의 배럴 내부에서 플런저의 상하 왕복운동을 통해 연료를 가압하여 인젝터로 공급하는 연료분사펌프에서 디플렉터 및 스필포트의 구조를 개선하여 캐비테이션에 의한 손상을 방지하거나 최소화할 수 있도록 구성된 연료분사펌프에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관 특히, 자기점화로 작동하는 왕복 피스톤 내연기관의 연료분사시스템은 연료를 고압으로 연소실로 분사시키는 장치로 크게 연료분사펌프 및 연료밸브(인젝터) 그리고 이들을 결합하는 연결관으로 구성되며, 연료분사펌프와 인젝터가 직접 결합된 형태인 유니트 인젝터(Unit injector)도 사용되고 있다.

한편, 상기 연료분사펌프는 연료를 고압으로 압축하여 인젝터로 전송하는 장치로서, 연소성능의 향상 및 배기가스 저감을 목적으로 연료분사압력은 갈수록 고압화되는 추세이므로 연료분사펌프를 구성하는 배럴의 스필포트 및 플런저에 캐비테이션 침식(Erosion) 손상이 발생하여 심각한 문제를 야기하게 되었다.

즉, 상대적으로 저압으로 분사할 때는 캐비테이션의 강도가 약하므로 손상 부품의 재질 변경 등을 통하여 비교적 쉽게 손상 방지 대책을 수립할 수 있었으나, 연료 압력이 고압화 됨에 따라 캐비테이션의 강도 역시 증가하여 배럴의 스필포트 및 플런저에 캐비테이션 손상이 복합적으로 발생하게 되고 손상의 정도 역시 상당히 심해져 기존의 경험에 의존한 설계 변경 또는 재질 변경 등의 방법으로는 효과적인 손상 방지 대책의 수립이 어렵게 되었다.

상기와 같이 연료의 분사압력이 고압화 됨에 따라 배럴의 스필포트 및 플런저 등에 복합적으로 발생되는 캐비테이션 손상 문제를 해결하기 위하여 다양한 설계 개선 방안이 제시되고 있으나, 손상 원인에 대한 명확한 규명 없이 주로 손상 형태에 따른 경험에 의존하고 있으므로 근본적은 대책을 제시하지 못하는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 연료분사펌프에서 발생되는 캐비테이션 손상에 대한 원인을 정확하게 인식하고, 이를 기반으로 연료분사펌프의 디플렉터 및 스필포트의 구조를 개선하여 배럴의 스필포트 및 플런저의 손상을 동시에 방지할 수 있는 연료분사펌프를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 내연기관용 연료분사펌프에 있어서, 상기 연료분사펌프는 디플렉터의 형상은 끝단으로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성하고 스필포트의 형상은 출구측 끝단부를 테이퍼지게 형성하여, 스필포트가 열린 직후에 발생하는 제트형태의 캐비테이션이 상기 스필포트의 벽면에는 부딪히지 않게 하고 디플렉터에 직접 충돌하게 함으로써, 제트형태의 캐비테이션이 벽면에 부딪힐 때 발생하는 압력파가 스필포트 내부의 플런저 벽면 주변에 잔존하는 캐비티에 전달되지 않도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 연료분사펌프의 구조를 나타낸 단면도를, 도 2 는 본 발명에 따른 디플렉터 및 스필포트의 구조를 상세하게 나타낸 단면도를, 도 3 은 본 발명에 따른 스필포트에서의 캐비테이션의 현상을 나타낸 단면도를 도시한 것으로, 본 발명의 연료분사펌프는 펌프의 유효행정 직후에 스필포트(11)로 유출되는 고속, 고압의 잔여연료에 의해 펌프 하우징(40)의 파손을 방지하기 위해 설치된 디플렉터(30) 및 스필포트의 형상을 개선함으로써 펌프의 유효행정 직후에 발생되는 캐비테이션에 의한 스필포트(11)와 플런저(20)의 손상을 동시에 방지할 수 있도록 구성되어 있다.

한편, 본 발명에서는 연료분사펌프의 플런저 벽면에 발생되는 캐비테이션 손상이 펌프의 유효행정 종료 직전 및 직후 즉, 스필포트가 열리기 직전 및 직후에 발생되는 캐비테이션간의 상호 작용에 의하여 발생되는 것을 인식하고, 서로 다른 상태에서 발생되는 캐비테이션간의 상호 작용을 차단함으로서 배럴의 스필포트 및 플런저에 발생되는 캐비테이션 손상을 동시에 방지할 수 있도록 구성되어 있다.

즉, 펌프의 스필포트가 열리기 직전에는 펌프의 배럴과 플런저의 벽면 틈새로 분수형태의 캐비테이션이 발생되어 플런저의 벽면을 따라 캐비티(Cavity)를 발생시키게 되고, 이후 스필포트가 열리는 순간 고속 고압의 제트형태의 캐비테이션 이 발생되어 스필포트의 벽면에 부딪히면서 스필포트 벽면의 침식 손상이 발생할 뿐만 아니라, 이때 발생되는 압력파가 스필포트 입구측의 분수형태의 캐비테이션에 의해 플런저 벽면 주변에 잔존하는 캐비티를 붕괴시킴으로서 플런저 벽면의 침식 손상이 발생되는 것으로 인식하고, 상기 제트형태의 캐비테이션이 스필포트 벽면에는 부딪히지 않고 디플렉터에 직접 충돌하도록 스필포트의 형상을 변경함과 동시에 디플렉터에 충돌 시 발생하는 압력파가 플런저 벽면 주변의 캐비티에 전달되는 것을 방지할 수 있도록 디플렉터의 형상을 개선한 것이다.

상기 디플렉터(30) 및 스필포트(11)는 도 2와 같이 디플렉터(30)의 형상은 끝단으로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성하고 스필포트(11)의 형상은 출구측 끝단부를 테이퍼지게 형성하여, 스필포트(11)가 열린 직후에 발생되는 제트형태의 캐비테이션이 디플렉터에 직접 충돌하고 스필포트 벽면에는 부딪히지 않도록 구성되며, 캐비테이션의 충돌에 의해 발생되는 압력파가 원추형의 디플렉터에 의해 스필포트의 외부로 반사되어 플런저 벽면 주변의 스필포트 내부로는 전달되지 않도록 함으로써 플런저의 캐비테이션 손상을 방지할 수 있도록 구성되어 있다.

상기와 같이 캐비테이션에 의한 손상원인에 기초하여 그 형상이 개선된 스필포트가 구비된 연료분사펌프는 도 3과 같이 스필포트(11)가 열리기 직전에는 분수형태의 캐비테이션(50)이 발생하게 되는데, 높은 연료분사압력으로 인해 플런저(20) 벽면 주변의 스필포트(11) 입구측 상단부에는 상당히 많은 양의 캐비티가 발생하게 된다.

이후, 스필포트(11)가 열린 직후에는 펌프의 연료분사압력이 최대치에 다다 르기 때문에 고속,고압의 제트형태의 캐비테이션(60)이 발생되어 원추형의 디플렉터(30) 벽면에 직접 부딪히게 된다.

상기와 같이 스필포트(11) 출구측 종단부를 테이퍼지게 형성하여 제트형태의 캐비테이션(60)이 원추형의 디플렉터(30)에 직접 부딪히게 함으로써 스필포트 벽면의 침식 손상을 방지할 수 있게 되며, 충돌 시에 발생되는 압력파(70a,70b)는 원추형의 디플렉터에 의해 스필포트 외부로 반사되므로 플런저 벽면 주변 캐비티의 붕괴에 의한 플런저의 침식 손상을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 제트형태의 캐비테이션(60)의 유동방향은 펌프의 유효행정 이후에 스필포트(11)와 연통되어 잔여연료가 유출되도록 플런저(20)의 벽면에 형성된 유출홈(21)의 단차깊이(X)와 길이(Y)에 따라 변화되므로 플런저(20)의 유출홈 단차깊이(X)와 길이(Y)에 따라 원추형 디플렉터의 설치위치(L)와 지름(D) 및 원추각도(α) 그리고 스필포트 테이퍼부의 형성위치(l) 및 테이퍼각도(β)를 결정하게 되며, 정확한 설계 치수는 실험 또는 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 결정하게 된다.

특히, 상기 원추형 디플렉터(30)의 원추각도(α)는 제트형태 캐비테이션의 충돌 시 발생되는 압력파가 스필포트(11) 내부의 플런저(20) 측으로 반사되지 않도록 90± 30°이내의 범위에서 설계되어야 플런저의 캐비테이션 침식 손상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 내연기관용 연료분사펌프에서 발생된 캐비테이션 손상에 대한 원인을 정확하게 인식하고, 이에 기초하여 연료분사펌프의 디플렉터 및 스필포트의 구조를 개선함으로써 배럴의 스필포트 및 플런저의 캐비테이션 손상을 동시에 방지할 수 있어 연료분사펌프의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 내연기관용 연료분사펌프에 있어서,

   상기 연료분사펌프는 디플렉터의 형상은 끝단으로 갈수록 직경이 감소하는 원추형으로 형성하고 스필포트의 형상은 출구측 끝단부를 테이퍼지게 형성하여, 스필포트가 열린 직후에 발생하는 제트형태의 캐비테이션이 상기 스필포트의 벽면에는 부딪히지 않게 하고 디플렉터에 직접 충돌하게 함으로써, 제트형태의 캐비테이션이 벽면에 부딪힐 때 발생하는 압력파가 스필포트 내부의 플런저 벽면 주변에 잔존하는 캐비티에 전달되지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션 손상 방지구조를 갖는 연료분사펌프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 원추형 디플렉터의 원추각도(α)는 제트형태 캐비테이션의 충돌 시 발생되는 압력파가 스필포트 내부의 플런저 측으로 반사되지 않도록 90± 30°이내로 형성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션 손상 방지구조를 갖는 연료분사펌프.

Images