KR20080065305A - 내연기관의 연료 분사 시스템 - Google Patents

Abstract

고압연료를 내연기관의 연료 분사부에 대하여 효율적으로 공급할 수 있는 동시에, 기계적 구성을 간소화함으로써 설계, 구조가 용이하고, 수리, 착탈시 등의 메인터넌스성이 뛰어난 연료 분사 시스템을 제공한다. 내연기관의 연료 분사 시스템에서, 캠을 구비한 내연기관에 착탈 가능하고, 캠의 회전에 따라서 왕복 운동하는 플런저에 의해서 연료를 고압으로 하여 압송하는 카세트식 펌프와 카세트식 펌프로부터 압송되는 고압 연료를 축적하는 동시에 복수의 연료 분사부에 대하여 고압 연료를 공급하는 코먼 레일과 코먼 레일 내의 압력을 조정하는 압력 조정부와 코먼 레일 내의 압력값을 기초로 압력 조정부를 제어하는 압력 제어수단을 구비한다.

산업용 엔진, 카세트식 펌프, 연료 분사, 코먼 레일

Description

내연기관의 연료 분사 시스템{FUEL INJECTION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 연료 분사 시스템에 관한 것으로, 주로, 농업기계나 건설기계 등의 산업용 엔진에 사용되는 내연기관의 연료 분사 시스템에 관한 것이다.

종래, 농업기계나 건설기계 등에 탑재되는 산업용 엔진으로는, 디젤 엔진의 연료 분사부로부터 연료를 분사하는 연료 분사 시스템으로서, 카세트식 펌프와 연료 분사 노즐을 구비한 연료 분사 시스템이 사용되고 있다. 이러한 연료 분사 시스템은 엔진에 장착된 카세트식 펌프에 의해서 고압화된 연료를 압송하는 동시에, 압송된 연료를 연료 분사 노즐로부터 디젤 엔진의 기통 내에 분사하는 것이다.

이러한 연료 분사 시스템에 있어서, 연료 분사 노즐은 연료의 압력이 소정값을 초과한 경우에 개방되는 한편, 소정값을 밑도는 경우에 닫히는 체크 밸브 구조의 밸브가 사용되고 있고, 연료의 분사량 및 분사 타이밍은 주로 카세트식 펌프측에서 제어되고 있다.

이와 같은 카세트식 펌프로서, 도 12에 도시하는 바와 같이, 캠을 구비한 디젤 엔진에 탈착 가능한 펌프(300)이고, 하우징(301) 내에 보유된 원통 형상의 배 럴(303)과, 배럴(303) 내를 왕복 가능하게 배치되어 캠의 회전에 응하여 연료를 가압하기 위한 플런저(305)와, 연료를 가압하는 방향과는 반대방향으로 플런저(305)를 가압하는 스프링(307)과, 플런저(305)에 의해서 가압된 연료를 토출하기 위한 토출 밸브(309)를 구비한 펌프가 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 2 참조).

이러한 카세트식 펌프는, 플런저가 하강하고 있는 상태에서, 하우징에 형성된 연료 통로를 통해 연료 가압실에 연료가 보내지는 동시에, 엔진에 구비된 캠의 회전을 따라 플런저가 상승하여, 흡입 포트가 닫혀서 연료 가압실 내의 연료를 고압화한다. 그리고, 연료가 소정 압력을 초과한 경우에, 토출 밸브를 통해서 대응하는 연료 분사 노즐로 연료가 압송된다.

이와 같은 카세트식 펌프에 있어서, 압송하는 연료의 유량 제어는 플런저에 형성되어 축방향에 대하여 경사 방향으로 형성된 홈으로 이루어지는 리드(lead)와, 이 플런저를 축을 중심으로 회전시키기 위한 래크 기구를 사용하여 행해지고 있다. 상세하게는, 플런저에 리드가 형성되어 있기 때문에, 플런저가 소정 위치까지 상승한 경우에는 연료 가압실과 연료통로가 연통하여, 연료 가압실 내의 연료가 리드를 통해서 연료통로측에 스필되어(spilled), 압송되는 연료의 유량이 규정된다. 또한, 리드가 플런저의 축방향에 대하여 경사 방향으로 형성되어 있기 때문에, 플런저의 회전 위치에 의해, 연료 가압실 내의 연료가 복귀되는 시점에서의 연료 가압실 내의 용량이 규정되어, 토출하는 연료의 유량이 원하는 값으로 제어된다. 이러한 플런저의 회전 위치는 엔진에 접속된 가버너(governor) 기구 등에 의해 래크 기구를 제어함으로써 결정된다.

또한, 이와 같은 카세트식 펌프에 있어서, 연료의 분사 타이밍의 제어는 예를 들면, 타이머를 설치하여, 캠 샤프트를 진각(進角)시켜 플런저의 상승 타이밍의 조정을 도모함으로써 행해지고 있다.

이와 같이, 종래의 산업용 엔진에서의 연료 분사 시스템은 연료의 분사량이나 분사 타이밍을 펌프가 기계적인 구성에 의해서 제어하는 것으로, 자동차나 대형차용에 사용되는 다른 연료 분사 시스템과 비교하여 소형이고 또한 기계적인 구성으로 되어 있다.

한편, 자동차나 대형차용에 사용되는 엔진의 연료 분사 시스템으로서, 축압기(코먼 레일)를 사용한 축압식 연료 분사 시스템(이하, 코먼 레일 시스템이라고 칭하는 경우가 있음)이 여러 가지 제안되어 있다. 이러한 축압식 연료 분사 시스템은, 도 13에 도시하는 바와 같이, 펌프 본체(411)와, 피드 펌프(407)와, 유량 조절 밸브(419)를 구비하는 동시에, 펌프(410) 자체에 캠(415)을 구비한 연료 공급용 펌프(410)와, 펌프(410)로부터 압송되는 고압연료를 축적하는 동시에 복수의 인젝터에 대하여 압송하는 축압기(420)와, 압송되는 연료를 내연기관의 기통에 대하여 분사하는 인젝터(도시하지 않음)를 구비하고 있다.

이러한 축압식 연료 분사 시스템(400)에 있어서, 연료의 분사량 제어는 연료 공급용 펌프(410)의 유량 조절 밸브나 인젝터의 밸브 개방 정도를 전자적(電磁的)으로 제어함으로써 행해지고 있다. 또한, 연료의 분사 타이밍의 제어는 인젝터의 분사 구멍을 개방하는 타이밍을 전자적으로 제어함으로써 행해지고 있다.

이와 같은 축압식 연료 분사 시스템은 연료의 압력을 더욱 고압화할 수 있는 동시에, 연료의 분사량이나 분사 타이밍을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에, 엔진의 운전상태의 제어나 방출되는 배기가스의 청정화를 용이하게 실현할 수 있는 것이다.

특허문헌 1 : 일본 특허공보 평7-117017호(도 6)

특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 평11-343944호(도 1)

그러나, 특허문헌1에 기재된 카세트식 펌프를 사용한 연료 분사 시스템은 카세트식 펌프의 기계적인 구성에 의해서 분사량이나 분사 타이밍의 제어를 행하는 것으로, 제어를 정밀도 좋게 행하기 위해서는 각각의 부재의 구조를 복잡화할 필요가 있는 한편, 펌프나 캠의 고정밀도의 설계가 요구되었다.

또한, 최근의 배기 가스 규제의 고도화에 대응하기 위해서 연료의 거듭된 고압화의 요구에 응하기 위해서는 플런저의 직경이나 스트로크 량을 크게 하거나, 또는 엔진측의 캠 산의 형상을 개량하거나 할 필요가 있었다. 또한, 종래의 카세트식 펌프는 고압연료가 스필되는 것에 의한 마모나 손상을 방지하는 대책을 도모할 필요가 있고, 거듭된 고압화에 대응하기 위해서는 부재의 구조를 더욱 복잡화할 필요가 있었다. 한편, 이러한 부재의 구성을 복잡화한 경우에는, 강도가 저하되어 내구성이 저하되거나, 연료의 고압화에 한계가 보이기도 하는 경우도 있었다.

한편, 도 13에 도시하는 바와 같은 축압식 연료 분사 시스템은 유량 조절 밸브(419)나 인젝터 등에 의해서 더욱 치밀한 분사 타이밍이나 분사량의 제어가 가능하지만, 사용되는 펌프가 피드 펌프(407), 펌프 본체(411), 유량 조절 밸브(419) 등을 구비한 비교적 대형의 것이다. 따라서, 산업용 엔진의 분야에서는 카세트식 펌프와 비교하여 탑재시의 레이아웃 설계가 곤란하거나, 수리나 교환 탈착 등의 유지 보수에 많은 노동력이 요구되기 때문에 채택하기 어렵다고 하는 문제가 있었다.

또한, 도 13에 도시하는 축압식 연료 분사 시스템의 경우, 펌프(410)는 독자적으로 캠(415)을 구비하고 있고, 플런저와 플런저 배럴의 슬라이딩면이나 캠과 태핏(tappet) 등과의 슬라이딩면에 채우는 윤활유로서, 엔진연료를 순환시키거나, 또는 별도 윤활오일을 투입할 필요가 있다. 따라서, 엔진연료를 사용하는 경우에는 이 엔진연료에 높은 윤활성 및 청정도가 요구되어, 연료의 윤활성이나 청정도가 원하는 기준을 만족시키지 않는 경우에는 펌프의 내구 신뢰성을 저하시킬 우려가 있었다. 한편, 별도 윤활오일을 투입하는 경우에는 엔진연료와 엔진오일 이외에도 윤활오일의 관리가 필요하게 되어, 될 수 있는 한 간단한 구성으로 고도의 내구성이 요구되는 산업용 엔진의 분야에서는 적합하다고 말하기 어렵다.

그래서, 본 발명의 발명자 등은 예의 검토한 결과, 주로 산업용 엔진에 사용되는 카세트식 펌프를 포함하는 연료 분사 시스템에 축압식 연료 분사 시스템을 채택하는 동시에, 코먼 레일 내의 압력을 조정하는 압력 조정부를 구비함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명은 카세트식 펌프의 기계적 구성을 생략할 수 있고, 설계나 제조가 용이하고 내구성이 우수한 동시에, 수리, 교환 탈착시 등의 유지 보수성이 우수하고, 소정의 고압연료를 내연기관의 연료 분사부에 대하여 안정적으로 공급할 수 있는 연료 분사 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 캠을 구비한 내연기관에 탈착 가능하고, 캠의 회전에 따라 왕복 운동하는 플런저에 의해 연료를 고압화하여 압송하는 카세트식 펌프와, 카세트식 펌프로부터 압송되는 고압연료를 축적하는 동시에 복수의 연료 분사부에 대하여 고압연료를 공급하는 코먼 레일과, 코먼 레일 내의 압력을 조정하는 압력 조정부와, 코먼 레일 내의 압력값을 바탕으로 압력 조정부를 제어하는 압력 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템이 제공되어, 상술한 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 연료 분사부가 전자 밸브이고, 상기 전자 밸브에서의 연료 분사량 또는 연료 분사 타이밍을 제어하는 분사 제어수단을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 복수의 카세트식 펌프를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 카세트식 펌프의 상류측의 연료 경로에 오리피스(orifice)를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 카세트식 펌프는 양단이 개방된 원기둥 공간을 갖는 하우징과, 상기 하우징의 원기둥 공간에 삽입된 원통 형상의 배럴과, 상기 배럴 내에 왕복 운동 가능하게 보유되어, 캠의 회전에 응하여 연료를 가압하기 위한 플런저와, 연료를 가압하는 방향과는 반대방향으로 상기 플런저를 가압하는 스프링과, 플런저에 의해서 가압된 연료를 토출하기 위한 토출 밸브를 구비하고, 배럴의 외주면에 플랜지부를 구비하는 동시에, 상기 플랜지부를 하우징과 고정용 플레이트에 의해서 협지하는 것에 의하여, 배럴을 하우징에 고정하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 하우징에서의 내연기관에 삽입되는 몸통부의, 원기둥 공간의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 절단한 절단면의 외형을 실질적으로 진원(眞圓) 형상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 플랜지부는 배럴의 외주와 동심원 형상을 이루는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 고정용 플레이트의 평면 형상을 직사각형 또는 타원형으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 카세트식 펌프는 배럴 및 플런저를 복수로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템을 구성함에 있어서, 건설기계, 농업기계, 소형선박, 발전기 중 어느 것에 사용되는 연료 분사 시스템인 것이 바람직하다.

본 발명의 연료 분사 시스템에 의하면, 내연기관의 연료 분사 시스템에 있어서, 기계적 구조를 간략화한 소정 구조의 카세트식 펌프와, 코먼 레일과, 소정의 압력 조정부를 구비한 코먼 레일 시스템을 채택하는 것에 의하여, 카세트식 펌프의 설계제조가 용이하고, 종래의 코먼 레일 시스템과 비교하여 시스템 전체를 간소화한 연료 분사 시스템으로 할 수 있다. 따라서, 산업용 엔진의 분야에서, 보다 고압의 연료를 공급하는 경우에도, 기계적 강도의 향상이나 내구성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 코먼 레일 및 압력 조정부를 구비하는 것에 의하여, 카세트식 펌프측에서 연료 유량이나 압력의 제어가 필요 없게 되어, 분사량이나 분사압의 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있다. 따라서, 냉간시 등의 시동성의 향상을 도모하거나, 내연기관의 운전시의 소음을 저감하거나 할 수 있다.

또한, 코먼 레일 시스템의 펌프로서 카세트식 펌프를 채택하는 것에 의하여, 수리, 교환 탈착시 등의 유지 보수성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 카세트식 펌프이면, 펌프의 플런저를 왕복 운동시키기 위한 캠을 내연기관에 구비하고 있기 때문에, 펌프 장착시에, 내연기관의 기어 등과 동기시키는 시간과 노동력을 생략할 수 있고, 장착 작업을 효율화할 수 있는 동시에, 펌프의 동작 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 펌프가 카세트식이기 때문에, 내연기관의 사용 용도에 따라서 펌프의 수나 플런저의 수를 자유롭게 선택할 수 있고, 코먼 레일에 공급하는 연료 유량 등의 조정이 용이해진다.

또한, 코먼 레일 시스템의 펌프로서 카세트식 펌프를 채택하는 것에 의하여, 캠과 플런저, 스프링 시트, 태핏과의 접촉면이나 태핏의 슬라이딩면에 채워지는 윤활유로서, 내연기관 내에 투입되는 엔진오일을 이용할 수 있기 때문에, 사용하는 엔진연료의 청정도에 관계없이 윤활성을 확보할 수 있다. 그리고, 각각의 부위의 윤활성이 향상되기 때문에, 종래보다도 고압의 연료를 공급하는 경우에도, 내구성이 우수한 펌프로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관계되는 연료 분사 시스템의 구성을 설명하기 위해서 제공하는 도면.

도 2는 본 실시형태의 카세트식 펌프의 단면도.

도 3은 종래의 카세트식 펌프의 하우징의 형상을 설명하기 위해서 제공하는 도면.

도 4는 카세트식 펌프에 작용하는 응력에 관해서 설명하기 위해서 제공하는 도면.

도 5는 본 실시형태의 카세트식 펌프의 하우징의 단면 형상을 설명하기 위해서 제공하는 도면.

도 6은 하우징의 일부가 잘록한 형상으로 되어 있는 카세트식 펌프의 단면도.

도 7은 본 실시형태의 카세트식 펌프의 플랜지부의 형상을 설명하기 위해서 제공하는 도면.

도 8은 플런저에서의 윤활유가 돌아 들어가기 어려운 영역을 설명하기 위한 도면.

도 9는 복수의 카세트식 펌프를 구비한 연료 분사 시스템을 도시하는 도면.

도 10은 카세트식 펌프로부터의 연료 환류 경로에 오버플로 밸브를 구비한 연료 분사 시스템의 구성예.

도 11은 압력 조정 밸브로부터의 연료 환류 경로에 카세트식 펌프로부터의 연료 환류 경로를 합류시킨 연료 분사 시스템의 구성예.

도 12는 종래의 카세트식 펌프의 구성을 설명하기 위해서 제공하는 도면.

도 13은 종래의 코먼 레일 시스템의 구성을 설명하기 위해서 제공하는 도면.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템에 관한 실시형태에 관해서 구체적으로 설명한다. 단, 이러한 실시형태는 본 발명의 하나의 형태를 나타내는 것으로, 이 발명을 한정하는 것이 아니라, 본 발명의 범위 내에서 임의로 변경하는 것이 가능하다.

본 발명의 실시형태는 캠을 구비한 내연기관에 탈착 가능하고, 캠의 회전에 따라 왕복 운동하는 플런저에 의해서 연료를 고압으로 하여 압송하는 카세트식 펌프(이하, 단순히 펌프라고 하는 경우가 있음)와, 카세트식 펌프로부터 압송되는 고압연료를 축적하는 동시에 복수의 연료 분사부에 대하여 고압연료를 공급하는 코먼 레일과, 코먼 레일 내의 압력을 조정하는 압력 조정부와, 코먼 레일 내의 압력값을 바탕으로 압력 조정부를 제어하는 압력 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템(이하, 단순히 연료 분사 시스템이라고 하는 경우가 있음)이다.

이하, 이러한 내연기관의 연료 분사 시스템을, 각각의 부위마다 나눠 구체적으로 설명한다.

1. 연료 분사 시스템의 전체 구성

먼저, 도 1을 참조하여, 본 실시형태의 연료 분사 시스템(10)의 전체 구성에 관해서 설명한다. 이러한 연료 분사 시스템(10)은 디젤 엔진 등의 내연기관에 구비된 연료 분사부(15; 인젝터라고 하는 경우가 있다)에 연료를 공급하여 분사시키기 위한 시스템이고, 기본적으로, 연료탱크(17)와, 캠(19)을 구비한 내연기관(도시하지 않음)에 탈착 가능한 카세트식 펌프(20; 이하, 단순히 펌프라고 하는 경우가 있다)와, 축압기로서의 코먼 레일(11)과, 코먼 레일(11) 내의 압력을 조정하기 위한 압력 조정부(13)와, 압력 조정부를 제어하는 제어수단(14)과, 코먼 레일(11)측으로부터 공급되는 고압연료를 내연기관의 기통 내로 분사하는 연료 분사부로서의 인젝터(15)를 포함하여 구성되어 있다.

또한, 연료탱크(17)와 카세트식 펌프(20)의 사이, 카세트식 펌프(20)와 코먼 레일(11)의 사이, 및 코먼 레일(11)과 인젝터(15)의 사이는 각각 연료 공급 경로에 의해서 접속되어 있다. 또한, 카세트식 펌프(20), 코먼 레일(11)에 구비된 압력 제어 밸브(13) 및 인젝터(15)에는 각각 잉여의 연료를 연료탱크(17)에 환류시키기 위한 연료 환류 경로가 접속되어 있다. 도 1에서는 저압측의 경로는 백색으로 표시되고, 고압측의 경로는 흑색으로 표시되어 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 분사 시스템은 주로, 건설기계나 농업기계, 소형선박, 발전기, 또는, 차량에 탑재된 냉동기용 압축기 등을 구동하기 위해 사용되는 소형 산업용 엔진에 사용되는 것이 대상으로 된다. 상술한 산업분야에서 사용되는 엔진은 고도의 내구 신뢰성이 필요하고, 연료 윤활방식으로 이와 같은 요구를 만족하기 위해서는 펌프측에 고가의 대책이 필요하기 때문이다. 즉, 본 발명과 같이, 내연기관에 장착되는 카세트식 펌프를 채택함으로써, 윤활성이 높은 엔진오일을 윤 활유로서 사용할 수 있어, 비용 상승을 수반하지 않고 펌프의 내구 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

2. 내연기관

도시하지 않는 내연기관은 크랭크 샤프트에 대하여 기어 등을 통해서 접속된 캠 샤프트(18)를 구비하고 있다. 또한, 캠 샤프트(18)에는 내연기관에 장착되는 카세트식 펌프(20)의 플런저의 총수에 대응하는 수의 캠(19)이 접속되어 있다. 또한, 도시하지 않지만, 내연기관의 하우징에는 캠(19)의 위치에 대응하여 카세트식 펌프(20)의 장착 위치가 되는 하나 또는 복수의 개구가 형성되어 있다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 카세트식 펌프의 하우징의 외형 형상이 진원 형상인 경우에는 상기 개구부도 실질적으로 진원 형상으로 되어 있다.

또한, 본 발명의 연료 분사 시스템(10)은 펌프(20)측이 아니라 내연기관측에 캠(19)을 구비하는 구성이기 때문에, 펌프측에 구비되는 종래의 캠과 비교하여 캠의 베이스 직경의 선택폭이 넓어져, 캠 설계를 용이하게 행할 수 있게 된다. 또한, 캠의 베이스 직경을 크게 할 수 있기 때문에, 펌프를 구동시킬 때에 받는 응력을 완화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 연료 분사 시스템에서는 후술하는 바와 같이, 카세트식 펌프가 단지 연료를 고압화하여 압송하는 기능만이 요구되기 때문에, 종래의 카세트식 펌프에서 채택되었던 캠 산(cam mountain)의 복잡한 설계를 생략할 수 있다. 따라서, 연료 유량을 늘리기 위해 캠을 고속회전시킨 경우에도, 캠의 내구성이 향상되어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 캠을 내연기관측에 구비하고 있기 때문 에, 펌프의 장착시에 내연기관의 기어 등과 캠을 동기시키는 시간을 생략할 수 있고, 장착 작업을 효율화할 수 있는 동시에, 펌프의 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.

3. 카세트식 펌프

(1) 기본 구성

카세트식 펌프(20)는 연료를 고압화하여 코먼 레일(11)에 압송하기 위한 부위이다. 본 실시형태의 연료 분사 시스템(10)에 사용되는 카세트식 펌프(20)의 구성예를 도 2에 도시한다.

도 2는 도 1에 도시하는 카세트식 펌프(20)의 XX 단면을 화살표 방향에서 본 단면도이고, 양단이 개방된 원기둥 공간(21a)을 갖는 하우징(21)과, 상기 하우징(21)의 원기둥 공간(21a)에 삽입된 실질적으로 원통 형상의 배럴(23)과, 상기 배럴(23)에 의해서 왕복 운동 가능하게 보유되어 내연기관에 구비된 캠(19)의 회전에 따라서 연료를 가압하기 위한 플런저(25)와, 연료를 가압하는 방향과는 반대방향으로 상기 플런저(25)를 가압하는 스프링(27)과, 플런저(25)에 의해서 가압된 연료를 토출하기 위한 토출 밸브(29)를 구비하고 있다.

이 토출 밸브(29)는 플런저(25)에 의해서 가압되는 연료 가압실(33) 내의 고압연료가 소정의 압력값을 초과한 경우에 개방되는 한편, 연료 가압실(33) 내의 압력이 소정값을 밑도는 경우에 닫히는, 소위 체크 밸브형의 밸브이고, 상방으로부터 홀더(28)에 의해서 나사 고정됨으로써 고정되어 있다.

이러한 카세트식 펌프(20)는 스프링(27)의 가압력에 의해서 플런저(25)가 밀 려 내려간 상태에서, 연료탱크로부터 압송된 연료가 하우징(21)에 형성된 연료통로(35)를 통해서 하우징(21)의 원기둥 공간(21a)과 배럴(23)의 외주면의 홈부(23a)로 형성된 압력 도입실(31)로 유입되는 동시에, 배럴(23)에 형성된 연료 가압실(33)과 압력 도입실(31)을 연결하는 연료통로(37)를 통해 연료 가압실(33) 내로 유입된다.

그리고, 내연기관에 구비된 캠(19)의 회전에 따라 플런저(25)가 밀려 올려지면, 연료 가압실(33)에 접하고 있는 배럴(23)의 연료통로(37)가 플런저(25)에 의해서 닫히는 동시에 연료 가압실(33) 내의 연료가 고압화된다. 그 후, 연료 가압실(33) 내의 연료의 압력이 소정의 임계치를 초과하면, 토출 밸브(29)가 개방되어 연료가 코먼 레일측으로 압송된다.

이와 같이 본 발명의 연료 분사 시스템에 사용되는 카세트식 펌프는 연료를 고압화하여 계속적으로 압송하는 기능만이 요구되어, 종래의 카세트식 펌프와 같이, 유량 제어나 압력 조정을 하기 위해서, 플런저에 리드를 형성하거나 플런저의 회전 위치를 제어하기 위한 래크나 가버너 기구를 형성할 필요가 없어진다. 따라서, 고압연료의 스필 대책을 실시하거나, 플런저의 스트로크 량이나 분사 타이밍을 치밀하게 제어할 필요가 없어진다. 따라서, 펌프를 구성하는 각각의 부재의 기계적 구성을 생략하여 현저하게 간소화할 수 있기 때문에, 기계적 강도가 향상되어, 더욱 고압의 연료를 공급하는 경우에도 마모나 손상을 적게 할 수 있다. 또한, 펌프의 구성을 현저하게 간소화할 수 있기 때문에, 내연기관의 종류, 사양 등에 한정됨이 없이 펌프를 구성하는 부품을 범용화할 수 있어, 경제적인 설계나 생산이 가능 해진다.

또한, 카세트식 펌프이면, 종래의 코먼 레일 시스템에 사용되고 있는 독립된 형태의 펌프와 비교하여 탑재 스페이스가 작아도 되기 때문에, 펌프의 레이아웃 설계를 비교적 용이하게 할 수 있다. 또한, 펌프를 용이하게 탈착할 수 있기 때문에, 펌프의 수리, 교환 탈착 등의 유지 보수 작업을 효율적으로 행할 수 있다.

또한, 코먼 레일 시스템의 펌프로서 카세트식 펌프를 채택하는 것에 의하여, 캠과 플런저, 스프링 시트, 태핏과의 접촉면이나 태핏의 슬라이딩면에 채워지는 윤활유로서, 내연기관 내에 투입되는 엔진오일을 이용할 수 있다. 따라서, 종래의 코먼 레일 시스템에 사용되는 독립형의 펌프와 비교하여, 윤활유의 관리, 유지 보수가 용이하게 된다. 또한, 종래는 윤활유로서 엔진연료를 사용하는 연료 윤활방식도 있지만, 엔진오일을 윤활유로서 사용함으로써, 엔진연료의 윤활성을 고려할 필요가 없어진다. 그리고, 각각의 부위의 윤활성이 향상되기 때문에, 종래보다도 고압의 연료를 공급하는 경우에도, 내구성이 우수하여, 신뢰성이 높은 펌프로 할 수 있다.

(2) 하우징

도 2에 도시하는 카세트식 펌프의 하우징(21)의 외형은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 플런저 직경 등이 다른 경우에도 하우징(21)의 외형을 소정 형상으로 통일하는 동시에, 내연기관에 설치되는 펌프(20)의 설치 위치로서의 개구의 형상을 하우징(21)의 외형에 대응시키는 것에 의하여, 다른 종류의 내연기관에서, 사양 등이 다른 펌프를 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다는 이점을 얻을 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시하는 카세트식 펌프의 하우징은 내연기관에 삽입되는 몸통 부(21c)와, 내연기관에 설치 고정되는 플랜지부(21d)를 갖는 동시에, 양단이 개방되어 배럴(23)이 삽입되는 원기둥 공간(21a)이 내부에 형성되어 있다. 상기 원기둥 공간(21a)은 형성될 때의 가공성을 용이하게 하기 위해, 내주면에 단차나 홈이 형성되지 않는 것이 바람직하다.

여기에서, 카세트식 펌프는 내연기관의 하우징에 형성된 개구에 삽입되어 사용되는 것으로, 결합되었을 때의 클리어런스(clearance) 정밀도가 요구되지만, 도 3에 도시하는 바와 같이, 직사각 형상이나 직사각형의 단면 형상의 하우징(301)인 경우에는 가공성이 나쁘고, 작업효율이 낮고, 외형의 치수 정밀도가 낮다고 하는 문제가 있다. 그 결과, 본 발명과 같은 연료 분사 시스템에 채택하여, 고압의 연료를 다량으로 압송하기 위해 캠을 고속회전시킨 경우에는 플런저로부터의 반발 응력과 아울러 하우징 외형의 일부에 응력이 집중하여, 카세트식 펌프의 하우징 또는 내연기관의 하우징에 균열이나 이상 마모가 생길 우려가 있다. 이 때문에, 카세트식 펌프의 하우징과 내연기관의 하우징의 클리어런스 정밀도를 높이면서, 응력을 분산시킬 필요가 있다.

더욱 구체적으로는 펌프를 구동시켰을 때, 캠에 의한 플런저의 밀어 올리는 힘과 가압된 연료로부터 받는 플런저의 반발력에 의하여, 플런저의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 카세트식 펌프에 대하여 응력이 가해진다. 이때, 카세트식 펌프의 하우징의 외형이 도 3에 도시하는 바와 같은 직사각형인 경우에, 도 4a에 도시하는 바와 같이, 하우징(401)의 일부에 응력이 집중하여, 펌프의 하우징(401) 또는 내연기관의 하우징(430)이 손상될 우려가 있다.

그래서, 본 실시형태의 연료 분사 시스템에 사용되는 카세트식 펌프는 도 2b에 도시하는 바와 같이, 원기둥 공간(21a)의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 하우징의 몸통부(21c)를 절단한 절단면의 외형이 실질적으로 진원 형상인 것이 바람직하다. 이것에 의해서, 하우징을 가공 성형할 때의 가공성이 용이하게 되어, 가공 정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 내연기관의 하우징에 형성된 실질적으로 진원 형상의 개구부에 삽입하였을 때의 클리어런스 정밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 그 결과, 코먼 레일 시스템에 채택되어, 고압연료를 압송하기 위해서, 캠을 고속회전시켜 플런저를 고속으로 왕복 운동시킨 경우에도, 응력을 분산시켜 하우징의 일부에 부분적으로 응력이 가해지는 것을 막을 수 있어, 펌프의 하우징이나 내연기관의 하우징이 마모되거나 균열이 생기거나 하는 경우가 적어진다. 이렇게 하여, 장기간 동안 신뢰성이 우수하고, 고압연료의 안정적인 분사가 가능한 연료 분사 시스템의 실현에 기여할 수 있다.

이러한 진원 형상의 몸통부를 갖는 하우징의 일례를, 도 5a 내지 도 5c에 도시한다. 이 도 5a 내지 도 5c는 플런저(25)를 슬라이딩 유지하는 원주 공간의 축방향에 대하여 교차하는 방향에 카세트식 펌프를 절단한 절단면(도 2b와 같은 절단면)에서의 하우징(21A, 21B, 21C) 및 플런저(25, 25A, 25B, 25C)의 상태를 도시하고 있다. 도 5a 및 5c는 한개의 플런저(25, 25C)를 수용하는 하우징(21A, 21C)이고, 도 5b는 2개의 플런저(25A, 25B)를 수용하는 하우징(21B)이다. 특히, 도 5b 및 5c는 카세트식 펌프가 장착되는 내연기관의 개구부가 공통화되어 있고, 카세트식 펌프의 실린더 수만을 바꾼 구성예로 되어 있다.

이와 같이 진원 형상으로 가공하기 위해서는 예를 들면, 앤드밀 가공이나 머시닝 가공으로 할 수 있다. 이러한 방법으로 가공함으로써, 하우징의 외형을 정밀도 좋게 또한 효율적으로 진원화할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 하우징의 몸통부를 실질적으로 진원 형상으로 하는 것에 있어서, 적어도, 몸통부에서의 엔진과의 가압 부분만이 진원 형상이면 좋다.

예를 들면, 도 6a에 도시하는 바와 같이, 몸통부(21c)의 일부(도면 중, 22)가 잘록한 형상으로 되어 있는 하우징(21')의 경우, 도 6b에 도시하는 바와 같이, 적어도, 잘록한 형상 부분(22) 이외의, 엔진의 하우징(24)과 접하는 위치의 외형을 실질적으로 진원 형상으로 하고, 도 6c에 도시하는 바와 같이, 잘록한 형상 부분(22)의 외형을 비진원 형상으로 할 수 있다.

또한, 도 6b는 도 6a 중의 YY 단면을 화살표시 방향에서 본 단면도이고, 도 6c는 도 6a의 ZZ 단면을 화살표시방향에 본 단면도이다.

또한, 내연기관에 대한 장착부가 되는 플랜지부(21d)에 관해서는 도 7a 내지 도 7c에 도시하는 바와 같은 평면 형상으로 할 수 있다. 이러한 도 7a 내지 도 7c는 각각 카세트식 펌프를 하측에서 바라 본 도면이고, 하우징, 배럴, 플런저, 플랜지부 이외의 부재는 생략되어 있다.

즉, 도 7a는 실질적으로 직사각형의 플랜지부(21d')이고, 도 7b는 전체적으로 직사각형이고, 몸통부(21c)의 형상에 대응시켜 볼록부 X가 형성된 플랜지부(21d'')이고, 도 7c는 전체 형상이 원형인 플랜지부(21d''')이다. 이 중에서도, 도 7c에 도시하는 바와 같은 원형의 플랜지부로 함으로써, 플랜지부의 크기를 작게 할 수 있기 때문에, 카세트식 펌프 및 연료 분사 시스템의 소형화를 도모할 수 있다.

한편, 도 7a에 도시하는 바와 같은 플랜지부(21d')이면, 펌프의 중심으로부터 플랜지부의 단부까지의 거리를 짧게 할 수 있기 때문에, 엔진과의 간섭을 비교적 용이하게 피할 수 있다. 또한, 펌프를 엔진에 장착할 때에 조립 방향을 용이하게 특정할 수 있는 것이나, 제너레이터나 연료필터, 에어필터 등의 다른 부품이 원형상으로 시인되는 것이 많은 것을 고려하면, 일견하여 구별할 수 있다고 하는 이점도 있다.

또, 플랜지부(21d' 내지 21d''')에 형성된 복수의 구멍은 카세트식 펌프를 내연기관에 고정하기 위한 나사구멍이다.

(3) 배럴

도 2에 도시하는 배럴(23)은 하우징(21)의 원기둥 공간(21a)에 적합한 외형을 갖는 실질적으로 원통 형상의 부재이다. 이 배럴(23)의 외주면에는 하우징(21)의 내주면과 함께 압력 도입실을 형성하는 제 1 홈부(23a)와, 하우징(21)의 내주면과의 사이로부터의 연료 누설을 막기 위한 복수의 밀봉용 홈부(23b)를 구비하고 있다. 또한, 배럴(23)의 내부에는 플런저(25)가 삽입되는 동시에 연료 가압실(33)을 형성하는 요소인 소직경 공간(23c)과, 토출 밸브(29)가 배치되는 대직경 공간(23d)을 갖고 있다. 그리고, 소직경 공간(23c)에는 하방측으로부터 플런저(25)가 삽입되어 슬라이딩 가능하게 보유되는 한편, 대직경 공간(23d)에는 상방측으로부터 토출 밸브(29)가 삽입되는 동시에 상방으로부터 홀더를 나사 고정하는 것에 의하여 고정 되어 있다.

여기에서, 도 12에 도시하는 바와 같은 종래의 카세트식 펌프에서는 플런저(305)를 내부에 슬라이딩 가능하게 유지하는 배럴(303)을, 플런저(305)가 슬라이딩하는 소직경 공간에 가까운 개소에서 홀더(306)와 하우징(301)에 의하여 상하방향으로 끼워두는 구성이기 때문에, 토출 밸브(309)를 고정할 때에 가해지는 응력을 받아 배럴(303)이 변형될 우려가 있다. 이러한 배럴(303)의 변형이 생기면, 플런저(305)가 슬라이딩하는 소직경 공간이 변형되어, 플런저(305)의 왕복 운동을 저해하게 된다.

즉, 배럴과 플런저의 사이에는 이들의 슬라이딩면에서의 마모를 억제하기 위해서 클리어런스가 형성되어 윤활유가 채워지지만, 종래의 소형 산업 엔진과 같이 압송하는 연료의 압력이 비교적 저압인 경우는 어쨌든, 종래와 비교하여 1.5배 이상의 압력값이 요구되는 본 발명의 연료 분사 시스템에 있어서는 배럴의 소직경 공간의 변형에 의해서 플런저와 배럴의 사이의 클리어런스가 좁아지면, 윤활유로서의 연료유에 의해서 형성되어 있는 유막이 결핍되어 베이킹이 생길 우려가 높아진다. 특히, 본 발명의 연료 분사 시스템에서는 펌프에 발생하는 응력이 커지거나 펌프의 구동속도가 빨라지거나 하여, 배럴 및 플런저의 손상의 가능성이 높아진다고 생각된다.

그래서, 본 실시형태의 연료 분사 시스템에 사용되는 카세트식 펌프는 도 2에 도시하는 바와 같이, 배럴(23)의 외주면에 플랜지부(30)를 구비하고, 상기 플랜지부(30)를 하우징(21)과 고정용 플레이트(40)에 의해서 끼워둠으로써, 배럴(23)이 하우징(21)에 고정되어 있다. 따라서, 플랜지부(30)에만 응력이 가해지는 것 외에 배럴(23)의 상방측 및 하방측이 개방되어 있기 때문에, 고정 플레이트(40)로부터의 응력이나 토출 밸브(29)를 고정할 때의 응력이 플런저(25)가 왕복 운동하는 소직경 공간(23c)까지 미치는 것을 막을 수 있다. 따라서, 소직경 공간(23c)이 변형되지 않고 플런저(25)의 왕복 운동이 저해되지 않기 때문에, 코먼 레일 시스템에 채택되어 캠(19)의 고속회전에 따라 고압연료를 대량으로 압송하는 경우에도 펌프의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 연료 분사 시스템에 있어서는 배럴에 가해지는 응력을 가능한 한 작게 하여 소직경 공간의 변형을 방지하고 있다.

또한, 플랜지부(30)는 상기 배럴(23)의 외주와 동심원 형상을 이루는 실질적으로 진원 형상의 플랜지부(30)인 것이 바람직하다. 이러한 형상이면, 제조 가공을 현저하게 용이하게 할 수 있다. 즉, 플랜지부가 타원형이나 다각 형상인 경우에는 제조할 때의 가공에 시간과 노동력이 많이 가지만, 플랜지부의 외주가 실질적으로 진원 형상이기 때문에 제조시의 가공성을 현저하게 향상시킬 수 있는 동시에, 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.

(4) 고정용 플레이트

도 2에 도시하는 고정용 플레이트(40)는 배럴(23)의 외주면에 형성된 플랜지부(30)를 밀어 넣도록 하여 하우징(21)에 대하여 나사 고정함으로써, 배럴(23)을 하우징(21)에 대하여 고정하기 위한 부재이다. 이 고정용 플레이트는 배럴(23)의 외주 형상에 대응하는 한편, 배럴(23)에 형성된 플랜지부(30)의 직경보다도 작은 직경의 개구부(40a) 및 나사(41)가 삽입되는 복수의 고정구멍(40b)을 갖고 있다.

또한, 고정용 플레이트의 평면 형상은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면 세로 길이의 타원 형상 또는 직사각 형상의 평면 형상이고, 중앙부에 개구부를, 양단부에 고정 구멍을 형성한 구성으로 할 수 있다. 이러한 것에 의해서, 복수의 플런저(25)가 병렬 배치되는 경우에도, 인접하는 플런저 사이의 거리를 가깝게 하여 스페이스 절감화를 도모할 수 있다.

또한, 이 고정용 플레이트는 종래의 펌프에는 없는, 새롭게 추가되는 부재이지만, 복잡한 설계는 필요하지 않고, 예를 들면 프레스재를 사용하여 프레스 성형 등을 하는 것에 의해 용이하게 제조할 수 있는 것으로, 생산비용이 상승하지 않는다.

(5) 플런저, 스프링, 및 스프링 시트

도 2에 도시하는 플런저(25)는 배럴(23)의 소직경 공간(23c)에 적합한 외형을 갖는 막대 형상 부재이다. 그리고, 연료 가압실(33)측과는 반대측의 단부에 날개부(25a)를 구비하고, 상기 날개부(25a)에 스프링 시트(43)가 결합되고, 이 스프링 시트(43)와 배럴(23)의 하방 단부에 의하여 스프링(27)을 협지함으로써 플런저(25)가 하방측(연료를 가압하는 방향과는 반대방향)으로 가압된다.

또한, 도 2에 도시하는 카세트식 펌프의 플런저(25)의 외주에는 복수의 그루브(25b; 도 2에서는 4개)가 형성되어 있고, 배럴(23)의 내주면과 플런저(25)의 외주면의 사이에 연료유를 개재하여, 윤활성을 유지할 수 있도록 되어 있다. 즉, 본 발명의 연료 분사 시스템의 카세트식 펌프(20)에서는 연료의 유량이나 압송 타이밍의 제어는 행하여지지 않고, 단지 코먼 레일측에 연료가 완전히 압송되도록 되어 있기 때문에, 종래의 카세트식 펌프와 비교하여, 플런저(25)의 길이가 상대적으로 길게 설계되어 있다. 그 결과, 도 8a 및 도 8b에 도시하는 바와 같이, 플런저(25)가 상사점(도 8a의 위치) 및 하사점(도 8b의 위치)의 사이를 왕복 운동하여도, 플런저(25)의 슬라이딩면의 일부에 연료유가 돌아 들어오는 영역(A)이 생겼다. 그래서, 이러 그루브(25b)를 구비함으로써, 그루브(25b) 내에 연료유를 저류시켜, 윤활유가 돌아 들어오게 되는 영역에 대하여 연료유가 도달하여, 윤활성을 유지할 수 있도록 되어 있다. 이러한 그루브(25b)의 수는 1개이어도 좋고, 또는 복수 개이어도 상관없다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 연료 분사 시스템은 연료의 압력은 압력 제어 밸브로 조정되는 것이기 때문에, 종래의 카세트식 펌프와는 달리 플런저에 리드는 형성되어 있지 않다. 따라서, 연료 가압실 내에서 고압화된 연료가 리드를 통해서 저압측에 되돌려지지 않기 때문에, 연료 압력에 의한 플런저나 배럴, 하우징의 마모나 손상을 없앨 수 있다. 또한, 플런저에 리드를 형성할 필요가 없기 때문에, 플런저의 회전 위치를 제어하기 위한 래크 기구를 펌프에 구비할 필요가 없고, 또한, 시스템 전체적으로도, 래크 기구를 동작시키는 가버너 기구를 구비할 필요가 없어진다. 따라서, 카세트식 펌프, 또는 시스템 전체의 기계적 구성을 간소화할 수 있는 동시에, 기계적 강도 및 내구성의 향상을 도모할 수 있다.

여기에서, 카세트식 펌프에 구비되는 플런저의 수는 하나이어도 좋고, 또는 도 1에 도시하는 바와 같이 복수(도 1에서는 2개)이어도 상관없다. 복수의 플런저를 구비함으로써, 내연기관의 크랭크 샤프트와 캠 샤프트의 기어비나 내연기관의 회전수 등에 따라서 코먼 레일에 공급하는 연료 유량을 조정할 수 있다. 또한, 기어비나 회전수 등이 같은 조건에서는 플런저의 수가 늘어날 때마다 연료 유량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 분사하는 연료를 더욱 고압화시킬 수 있다.

또한, 플런저의 수를 복수로 하는 경우에, 도 1에 도시하는 바와 같이 하나의 카세트식 펌프(20)가 복수의 플런저를 구비하는 구성이어도 좋고, 또는 도 9에 도시하는 바와 같이 카세트식 펌프(20) 자체를 복수 구비하는 구성이어도 상관없다. 즉, 코먼 레일 시스템에 카세트식 펌프를 채택하고 있기 때문에, 사용하는 플런저나 카세트식 펌프의 수는 연료 유량, 압력, 엔진 출력 등에 대응시켜 자유롭게 선택할 수 있다.

그리고, 복수의 플런저를 구비하는 경우에, 큰 유량의 고압연료를 압송 하기 위해서 캠을 고속회전시킨 경우에도, 상술과 같이, 펌프의 하우징의 외형이 진원화되어 있는 경우에는 하우징에 가해지는 응력을 분산시켜 1개소에 집중하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 큰 유량의 고압연료를 안정적으로 압송할 수 있다.

(6) 태핏

도 2에 도시하는 태핏(45)은 내연기관에 구비된 캠(19)과, 카세트식 펌프(20)에 구비된 플런저(25) 또는 스프링 시트(43)의 사이에 개재되어, 캠(19)의 상하 운동에 따라 플런저(25)를 밀어 올리기 위한 부위이다. 이 태핏(45)은 펌프(20)의 하우징(21)의 원기둥 공간(21a)의 내주면에 적합한 외주 형상을 갖고, 플런저(25)와 배럴(23)의 소직경 공간(23c)의 심출(芯出)을 행하는 기능도 함께 가지고 있다. 또한, 태핏(45)은 캠(19)과의 접촉에 의한 마모를 저감시키기 위해서 태 핏 롤러(47)를 포함하는 구성으로 할 수도 있다.

본 발명의 연료 분사 시스템에 있어서는 이 태핏을, 펌프측의 플런저 또는 스프링 시트에 접속시켜 둘 수 있고, 또한, 내연기관측에 구비하여 둘 수도 있다. 한편, 태핏을 일체 사용하지 않는 구성이어도 상관없다.

3. 코먼 레일(축압기)

도 1에 도시하는 바와 같이, 코먼 레일(11)은 카세트식 펌프(20)로부터 압송되는 고압 연료를 축적하는 동시에, 복수의 인젝터(15)에 대하여, 균등한 압력으로 공급하기 위한 부위이다. 이 코먼 레일은 공지의 것을 적절하게 사용할 수 있다.

또한, 이 코먼 레일(11)의 일부에는 압력 센서(12)가 장착되어 있고, 후술하는 압력 조정부(13)를 제어하는 제어수단(14; ECU)에 검지신호가 보내지도록 구성되어 있다.

이러한 코먼 레일에 의해서, 고압연료를 축적하여 각각의 인젝터에 대하여 항상 고압의 연료를 공급할 수 있기 때문에, 카세트식 펌프로는 단지 연료를 압송시키는 기능만을 갖게 하면 충분하여, 펌프의 구성을 현저하게 간소화시킬 수 있다. 또한, 더욱 고압의 연료를 분사시킬 수 있기 때문에, 내연기관의 운전시의 소음을 저감할 수 있다.

4. 압력 조정부 및 압력 제어수단

압력 조정부(13)는 예를 들면 공지의 전자 밸브(압력 제어 밸브) 등을 사용하여 구성되고, 상술한 코먼 레일(11)에 구비된 압력 센서(12)에 의해서 검출된 압력값에 따라서 제어수단(14; ECU)으로부터 보내지는 신호를 바탕으로 밸브의 개방 도가 설정된다. 그리고, 카세트식 펌프(20)로부터 압송된 연료의 일부가 적절하게 방출됨으로써, 코먼 레일 내의 압력이 원하는 값으로 조정된다.

즉, 본 발명의 연료 분사 시스템은 카세트식 펌프측에서는 유량, 분사 타이밍 및 압력의 제어를 행하지 않고 단지 고압연료를 계속 압송하는 한편, 압력 조정부에서 레일 내의 압력을 원하는 압력값으로 조정하여 인젝터에 공급하는 동시에 인젝터로 분사량이나 분사 타이밍을 계측하면서 내연기관의 기통 내로 연료를 공급하기 위해 분사하는 시스템이다.

이러한 압력 조정부를 구비함으로써, 카세트식 펌프측에서 압송하는 고압연료의 압력이나 연료 유량을 제어할 필요가 없어져, 펌프에서는 단지 고압화한 연료를 계속 압송하는 것만으로 충분하게 된다. 따라서, 종래의 코먼 레일 시스템과 비교하여, 펌프에서의 복잡한 전자 제어를 생략 가능한 한편, 캠과 플런저의 설계만으로 펌프로부터의 압송량의 조정이 가능해져, 펌프의 구성을 현저하게 간소화할 수 있다.

또한, 캠의 회전속도나 캠 산의 설계를 바꿈에 따라, 펌프로부터의 연료 토출량을 제어할 수 있기 때문에, 카세트식 펌프 자체에 관해서는 내연기관의 사양에 관계없이 범용화할 수 있기 때문에, 경제적인 설계, 생산이 가능해진다.

또한, 연료압을 자유롭게 조정할 수 있기 때문에, 냉간시의 시동성이나 운전상태의 안정성을 향상시킬 수 있다.

이러한 압력 조정부를 장착하는 위치에 관하여, 펌프의 토출 밸브와 연료 분사부의 사이이면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 코먼 레일의 단부 위 치에 장착할 수 있다. 코먼 레일의 본체에 장착함으로써, 코먼 레일압을 직접적으로 변화시킬 수 있다.

또한, 방출되는 잉여의 연료는 연료 순환통로를 통해서, 연료탱크에 환류된다

5. 연료 분사부(인젝터) 및 분사 제어수단

연료 분사부(15)는 코먼 레일(11)에 접속되어, 코먼 레일(11)로부터 압송되는 고압연료를 분사하여, 내연기관의 기통 내에 연료를 공급하기 위한 부위이다. 인젝터(15)의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면 니들 밸브가 안치되는 안치면(seat surface)과 이 안치면의 밸브 접촉 부위보다도 하류측에 형성되는 분사 구멍을 갖는 노즐 본체를 구비하고, 니들 밸브의 리프트시에 안치면의 상류측으로부터 공급되는 연료를 분사 구멍으로 유도하는 구성으로 할 수 있다.

또, 도시하지 않지만, 코먼 레일을 과도하게 대형화시키지 않고, 또한, 임의시기에, 코먼 레일압을 갖는 연료에 의해서 효과적으로 기계식 피스톤을 가압할 수 있도록 증압수단을 형성하여도 상관없다.

상술한 인젝터(15)는 스프링 등에 의해서 니들 밸브를 안치면을 향해서 상시 가압하여 두고, 니들 밸브를 솔레노이드의 통전, 비통전의 전환에 의해서 개폐하는 전자 밸브형으로 할 수 있다. 이 경우, 전자 밸브의 통전의 타이밍이나 통전시간을 제어하기 위한 제어수단(14; ECU)에 의해서, 분사량이나 분사 타이밍을 용이하게 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로는 내연기관의 인젝터에서의 연료 분사 타이밍은 캠 센서와 인젝터와 ECU의 제어에 의해서, 임의로 대응시킬 수 있다. 따라서, 엔진 운전시의 소음이나, 배기가스에 포함되는 입자형 물질이나 NO_x(질소산화물) 등을 저감시킬 수 있다.

6. 입구측 오리피스 및 출구측 오리피스

또한, 도 1에 도시하는 연료 분사 시스템(10)에서는 카세트식 펌프(20)의 상류측의 연료 공급 경로에 입구측 오리피스(55)가 구비되고, 카세트식 펌프(20)로부터 연료탱크(17)에 연료가 복귀되는 연료 환류 경로에 출구측 오리피스(57)가 구비되어 있다.

이 중, 입구측 오리피스(55)는 특히, 내연기관의 회전수가 커졌을 때에 펌프(20)에 유입되는 연료의 유량을 줄여, 코먼 레일(11)측에 대한 불필요한 연료의 압송을 저감하기 위해서 사용된다.

즉, 본 발명의 연료 분사 시스템(10)의 주된 대상이 되는 산업용 엔진은 저비용성이 요구되는 동시에 내연기관의 기통 내에 분사하는 연료량이 비교적 적은 것이다. 이 때문에, 큰 유량의 연료를 펌프(20)로부터 압송하면, 상술한 압력 조정 밸브(13)에 의해서 압력을 빼앗기기 때문에 연료탱크(17)로 복귀되는 연료의 양이 많아져, 연비의 저하로 이어져 버린다. 한편, 전자 제어되는 가변 스로틀과 같은 스로틀 수단을 사용하면, 비용이 상승하는 동시에 연료 유량에 의하지 않고 제어가 필요하게 되어 버린다.

그래서, 본 실시형태의 연료 분사 시스템(10)에서는 입구측 오리피스(55)를 사용함에 따라 비용 상승을 억제하면서 불필요한 연료의 압송이 저감되어 있다. 즉, 산업용 엔진에 사용되는 연료 분사 시스템과 같이 더욱 저비용성이 요구되는 분야에서는 이러한 입구측 오리피스(55)를 사용함으로써 비용면과 펌프의 기능면의 균형을 취하게 된다. 더욱 구체적으로는 펌프(20)로부터의 압송량이 소정량에 도달할 때까지는 오리피스의 스로틀 효과는 없고, 펌프(20)측에서 특히 제어를 필요로 하지 않고 단지 계속 압송할 수 있는 한편, 펌프(20)로부터의 압송량이 소정량을 초과한 경우에는 오리피스의 스로틀 효과에 의해서 펌프(20)에 유입되는 연료량이 줄어, 연비의 손실이 억제되도록 되어 있다.

또한, 출구측 오리피스(57)는 펌프(20)로부터 연료탱크(17)로 복귀되는 연료량을 줄여, 펌프(20)에 유입되는 연료의 압력을 더욱 고압으로 유지하여, 압송되는 연료압력을 더욱 고압화하기 위해서 사용된다. 즉, 본 발명의 연료 분사 시스템(10)은 펌프(20)측에서의 복잡한 제어를 요하지 않고, 펌프(20)는 단지 연료를 코먼 레일(11)에 압송하기 위해 사용되기 때문에, 펌프(20)로부터 복귀되는 연료의 양을 줄여, 펌프(20)에 유입되는 연료의 압력을 높게 유지함으로써, 연비의 효율화가 도모되고 있다.

8. 연료 분사 시스템의 동작

이상 설명한 본 실시형태의 연료 분사 시스템에서의 연료의 흐름을, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 이하와 같아진다.

우선, 연료탱크(17) 내의 연료가, 이물질을 포집하는 예비 필터(도시하지 않음)를 통해서 공급 펌프(51)에 의해서 퍼 올려지는 동시에, 또 메인필터(53)를 통해서 카세트식 펌프(20)의 압력 도입실(31)로 압송된다. 이때, 공급 펌프(51)에 의 한 압송량이 비교적 많아지면 입구측 오리피스(55)에 의해 연료 유량이 줄어, 펌프(20)로부터의 불필요한 연료의 압송이 저감되게 된다.

압력 도입실(31) 내에 압송된 연료는 펌프(20)의 배럴(23)에 형성된 연료통로(37)를 통해서 연료 가압실(33) 내로 보내진다. 그리고, 내연기관에 구비된 캠(19)의 회전에 따라 플런저(25)가 밀어 올려짐으로써, 연료 가압실(33)에 면하는 배럴(23)의 연료통로(37)가 닫히는 동시에, 연료 가압실(33) 내의 연료가 고압화되어, 토출 밸브(29)를 통해서 코먼 레일(11)로 압송된다. 압송된 고압연료는 코먼 레일(11) 내로 축적되는 동시에, 압력 조정 밸브(13)에 의해서 압력이 조정된 상태로, 각각의 인젝터(15)에 대해 균등한 압력으로 공급된다. 이 상태에서, 인젝터(15)의 분사 구멍을 개방함으로써, 고압연료를 분사할 수 있기 때문에, 원하는 타이밍으로 내연기관의 기통 내로 고압연료를 공급할 수 있다.

즉, 카세트식 펌프에서는 오로지 연료를 고압화하여 코먼 레일측으로 토출하는 작업이 반복되기 때문에, 코먼 레일 내의 압력을, 항상 고압상태로 유지할 수 있다. 또한, 고압상태가 된 코먼 레일압을, 압력 조정부에 의해서 비교적 용이하게 원하는 압력값으로 조정하여 인젝터에 공급할 수 있다. 그리고, 인젝터에서의 분사 타이밍이나 분사시간을 제어함으로써, 종래의 카세트식 펌프에서는 얻을 수 없었던 고압 및 다단분사를 실현할 수 있다.

또한, 펌프의 구성이 간략화되어 있기 때문에, 고압 연료의 압력에 대한 우수한 내구성을 발휘하여, 안정적으로 연료를 분사할 수 있다.

9. 변형예

본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템은 지금까지 설명한 형태에 한정되는 것이 아니라, 여러가지의 변형이 가능하다.

예를 들면, 도 1의 예에서는 펌프(20)로부터 연료탱크(17)로 통하는 환류 경로에 출구측 오리피스(57)가 구비되어 있지만, 이 출구측 오리피스 대신에, 도 10에 도시하는 바와 같이, 오버플로 밸브(59)를 배치할 수도 있다. 이와 같이 구성한 경우에는 비용면에서 불리하게 되지만, 펌프(20)로 유입되는 연료의 압력이 소정값을 초과할 때까지는 연료탱크(17)로 연료가 복귀되지 않는 한편, 소정값을 넘은 경우에는 일부의 연료를 빠르게 연료탱크(17)로 복귀시킴으로써 펌프(20)로의 유입량을 억제할 수 있어, 연비를 더욱 효율화시킬 수 있다.

또한, 도 11에 도시하는 바와 같이, 압력 조정 밸브(13)로부터 연료탱크(17)에 통하는 환류 경로에, 펌프(20)로부터 연료탱크(17)에 통하는 환류 경로를 합류시켜도 좋다(도면 중 원으로 둘러싸인 위치). 이와 같이 구성한 경우에는 코먼 레일(11) 내의 연료가 고온으로 되어 있는 경우에, 압력 조정 밸브(13)로부터 배출되는 연료를 냉각시킬 수 있어, 압력 조정 밸브(13)가 열에 의해서 손상을 받는 것을 막을 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 내연기관의 연료 분사 시스템에 의하면, 주로 산업용 엔진에 사용되는 연료 분사 시스템으로서, 기계적 구성을 생략한 카세트식 펌프와, 코먼 레일과, 소정의 압력 조정부와, 압력 제어수단을 구비함으로써, 카세트식 펌프의 설계제조가 용이하고, 종래의 코먼 레일 시스템과 비교하여 시스템 전체를 간소화한 연료 분사 시스템으로 할 수 있다. 따라서, 산업용 엔진의 분야에서 요구되 는 기계적 강도의 향상이나 내구성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 코먼 레일 및 압력 조정부 등을 구비함으로써, 카세트식 펌프에 있어서, 유량이나 압력의 조정이 불필요하게 되는 한편, 분사압 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있다. 따라서, 냉간시 등의 시동성의 향상을 도모하거나, 내연기관의 운전시의 소음을 저감하거나 할 수 있다.

반대의 관점에서 말하면, 종래, 주로 산업용 엔진에 사용된, 카세트식 펌프를 사용한 연료 분사 시스템에 코먼 레일을 채택함으로써, 더욱 고압의 연료를 더욱 좋은 분사 정밀도로 안정적으로 공급할 수 있다.

Claims (10)

1. 캠을 구비한 내연기관에 탈착 가능하고, 상기 캠의 회전에 따라 왕복 운동하는 플런저에 의해서 연료를 고압화하여 압송하는 카세트식 펌프와,

   상기 카세트식 펌프로부터 압송되는 고압연료를 축적하는 동시에 복수의 연료 분사부에 대하여 상기 고압연료를 공급하는 코먼 레일과,

   상기 코먼 레일 내의 압력을 조정하는 압력 조정부와,

   상기 코먼 레일 내의 압력값을 바탕으로 상기 압력 조정부를 제어하는 압력 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 분사부가 전자 밸브이고, 상기 전자 밸브에서의 연료 분사량 또는 연료 분사 타이밍을 제어하는 분사 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 카세트식 펌프를 복수개 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 카세트식 펌프의 상류측의 연료 경로에 오리피스를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 카세트식 펌프는 양단이 개방된 원기둥 공간을 갖는 하우징과, 상기 하우징의 원기둥 공간에 삽입된 원통형의 배럴과, 상기 배럴 내에 왕복 운동이 가능하게 보유되어, 상기 캠의 회전에 따라서 상기 연료를 가압하기 위한 플런저와, 연료를 가압하는 방향과는 반대방향으로 상기 플런저를 가압하는 스프링과, 상기 플런저에 의해 가압된 연료를 토출하기 위한 토출 밸브를 구비하고,

   상기 배럴의 외주면에 플랜지부를 구비하는 동시에, 상기 플랜지부를 상기 하우징과 고정용 플레이트에 의해 끼워둠으로써, 상기 배럴을 상기 하우징에 고정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 하우징에서의 상기 내연기관에 삽입되는 몸통부의, 상기 원주 공간의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 절단한 절단면의 외형을 실질적으로 진원 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 플랜지부는 상기 배럴의 외주와 동심원 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 고정용 플레이트의 평면 형상을 직사각형 또는 타원형으로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 카세트식 펌프는 상기 배럴 및 플런저를 복수개 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 건설기계, 농업기계, 소형선박, 발전기 중 어느 것에 사용되는 연료 분사 시스템인 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 시스템.

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