KR20090125841A

KR20090125841A - 피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치 및 캠

Info

Publication number: KR20090125841A
Application number: KR1020097022358A
Authority: KR
Inventors: 마틴 베른하우프트
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-12-07
Also published as: EP2126414B1; JP4971493B2; ATE475821T1; RU2009139279A; US8695480B2; AT504520A4; RU2431763C2; WO2008116241A2; EP2126414A2; CN101641535B; JP2010522302A; KR101088396B1; WO2008116241A3; DE502008001041D1; AT504520B1; CN101641535A; US20100040496A1

Abstract

본 발명은 피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치에 관한 것으로, 펌프 피스톤(3)의 왕복 운동을 발생시키도록, 상기 장치는 캠샤프트(4)에 장착되고 상기 펌프 피스톤(3)과 상호 작용하는 하나 이상의 캠(10) 또는 상기 캠(10)과 상기 펌프 피스톤(3) 사이에 배열되는 구성 요소를 포함한다. 캠(10)은 상측으로의 진행에 대한 제1 섹션과 하측으로의 진행에 대한 제2 섹션을 가진 캠 높이 곡선을 가진다. 사인파(14, 19)의 형상에 실질적으로 대응하는 형상으로부터 출발하는 상기 캠 높이 곡선(15, 18)이 상기 사인파(14, 19)의 형상에 비하여 상측으로의 스트로크의 시작시 피스톤 가속의 증가가 발생하고 상측으로의 스트로크의 종결시 피스톤 감속의 감소가 발생하는 방식으로 수정된다.

Description

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치 {DEVICE FOR DRIVING A PISTON PUMP}

본 발명은 피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치에 관한 것으로, 펌프 피스톤의 왕복 운동을 발생시키도록, 상기 장치는 캠샤프트에 장착되고 펌프 피스톤과 상호 작용하는 하나 이상의 캠 또는 상기 캠과 펌프 피스톤 사이에 배열되는 구성 요소를 포함하고, 상기 캠은 상측으로의 스트로크에 대한 제1 섹션과 하측으로의 스트로크에 대한 제2 섹션을 가진 캠 높이 곡선을 갖는다.

예를 들어, 피스톤 펌프는 내부 연소 엔진에서 고압 펌프로서 채용된다. 모터의 작동 동안, 고압 펌프는 레일(rail)에 저장되는 고압 연료들을 제공한다. 어떠한 작동 포인트에서 기능을 하는 것이 확실할 수 있도록, 고압 펌프의 최대 펌프 전달율은 모터에 의해 요구되는 연료-로드(fuel-load) 양보다 실질적으로 높아야 한다. 반면에 펌프의 오직 작은 흐름 비율은 부분-로드(partial-load) 작동 동안에 또는 미작동시에 요구된다. 그러므로, 공급 양의 전자적 제어는, 레일에서 연료 압력의 기능으로서 고압 펌프로의 흐름을 결정하는 연료 계량 유닛(FMU; fuel metering unit)을 경유하여 달성된다. 따라서, 각각의 작동 포인트에서 실질적으로 요구되는 양은 압력 제어 밸브를 통해 다시 경감되며 탱크로 되돌아가는 초과하는 양의 발생 없이, 오직 레일로 공급되어야 하고, 이는 높은 에너지 손실을 포함할 수 있으며 연료의 높은 가열을 수반할 수 있다.

고압 펌프는 롤러 태핏(roller tappet)을 경유하거나 또는 캠 샤프트에 의해 직접적으로 구동되는 하나 이상의 펌프 요소를 포함한다. 흡입 측 상에서 공급 펌프는, 예를 들어 기어 펌프는, 저압에서 탱크로부터 연료를 공급한다. 압력 측 상에서, 압축된 연료는 수집기(collector)를 경유하여 레일에 도달한다.

캠-구동, 공통-레일, 고압 펌프을 가진 특별한 도전은 높은 특정한 펌프 용량에 인가되는 높은 펌프 속도를 포함한다. 일반적으로, 이러한 펌프의 캠 높이는, 양(+) 또는 음(-)의 범위를 갖는 원형의 호 또는 접선의 높이와 같은, 다양한 부분 섹션을 포함한다. 그러므로, 선형, 사인형 또는 포물선형 과정과 같은 기설정된 가속 과정이 발생한다. 뿐만 아니라, 캠 높이는 전체 스트로크 과정에 걸쳐서 사인 (또는 코사인) 형상을 갖는다.

다른 캠 높이 곡선은, EP 244 340 B1과 JP 7133749 A 및 JP 5263727 A로부터 알 수 있다.

캠의 형상에 대한 요구는 가능한 한 높은 상한 속도(ceiling speed)에 도달하는 것이어서, 상측의 데드 센터(upper dead center; UD)의 영역에서 가능한 한 낮은 롤러 태핏의 가속을 제공하며, 이로 인해 롤러 태핏의 리프트-오프(lift-off)하는 어떠한 위험도 배재시키게 될 것이고 뿐만 아니라 펌프 요소 스프링의 운동학적인 진동 여자(kinematic oscillation excitation)가 낮게 유지될 것이다. 다른 서브섹션으로 구성되는 캠 높이는 높은 상한 속도에 도달할 수 있으나, 가속 곡선에서의 비틀림(kink)으로 인해 펌프 요소 스프링에 대한 높은 여자 주파수(excitation frequency)가 유도될 수 있으며, 이는 고차의 고조파 진동(high-order harmonic oscillation)이 공급 주파수에서 발생할 수 있기 때문이다. 반면에, 사인 캠(sinusoidal cam) 높이는 스프링의 낮은 진동 여자의 이점(오직 공급 주파수이고, 고조파 진동이 없음)을 제공하나, 상한 속도에 관하여 제한된 잠재성이 있다.

이러한 이유로, 본 발명의 목적은 상한 속도의 동시(simultaneous) 증가와 함께 펌프 요소 스프링의 낮은 운동학적인 진동 여자를 가진 캠 높이 커브를 설계하는 것에 있다.

이러한 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 사인파의 형상에 실질적으로 대응하는 형상으로부터 출발하는 캠 높이 곡선이 사인파의 형상에 비하여 상측으로의 스트로크의 시작시 피스톤 가속의 증가가 발생하고 상측으로의 스트로크의 종결시 피스톤 감속의 감소가 발생하는 방식으로 수정되며, 제1 섹션에서의 캠 높이 곡선이 제1 사인파와 제2 사인파의 반진동(semioscillation)의 중첩으로 발생되는 형상을 가지되, 상기 제2 사인파는 상기 제1 사인파보다 2배의 주파수와 더 낮은 진폭을 갖는 것을 필수 구성으로 포함한다. 특히, 상측으로의 스트로크의 종결시 감소하는 피스톤의 감속에 의해, 즉 펌프 피스톤이 상측 데드 센터에 도달하는 캠 높이 곡선의 더욱 평평한 과정에 의해, 가속 구성요소는 캠으로부터 피스톤의 리프트-오프의 의미가 감소하고, 이로 인해 상한 속도에서의 증가를 허용한다. 동시에, 스프링의 진동 여자의 크기는 낮게 유지되며, 이는 캠 높이 곡선이 사인파로부터 출발하는 형상이기 때문이다. 원하지 않는 진동 구성요소의 발생을 피하기 위하여, 장치가 설계되고, 이로 인해 제1 섹션에서 캠 높이 곡선은 제1 사인파와 제2 사인파의 반진동의 중첩으로 발생하는 형상을 가지며, 상기 제2 사인파는 상기 제1 사인파보다 2배의 주파수와 낮은 진폭을 갖는다. 이러한 중첩에 의해, 상측으로의 스트로크의 시작시 피스톤 가속의 증가하고 상측으로의 스트로크의 종결시 피스톤 감속의 감소가 발생하는 원하는 결과가 달성될 수 있는 반면, 동시에 비교적으로 낮은 속도에서 미리 펌프 피스톤의 리프트를 유도할 고조파 진동의 제어되지 않은 도입을 회피한다.

2배의 주파수의 추가적인 사인파의 진동과 함께 사인파 진동의 중첩은 캠 높이 곡선의 전체 길이를 넘어서 유리하게 발생할 것이며, 이러한 정황에서 캠 높이 곡선은 제1 사인파와 제2 사인파의 전체 진동(full oscillation)의 중첩으로부터 발생하는 형상을 갖는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 제2 사인파, 즉 중첩에 이용된 사인파의 진폭은 제1 사인파, 즉 캠 높이 곡선의 기본적인 형상을 형성하는 사인파의 진폭보다 작을 것이다. 이러한 정황에서, 제2 사인파의 진폭이 제1 사인파의 진폭의 5분의 1 내지 15분의 1, 바람직하게는 8분의 1 내지 12분의 1이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 제2 사인파의 진폭을 제1 사인파의 진폭의 6분의 1 아래로 유지함으로써, 추가적인 진동의 도입 크기를 허용 한계 내로 유지할 수 있으며, 이로 인해 스프링이 원하지 않는 방식으로 여자되는 것을 방지한다.

캠 상승 곡선이 더 높은 제한 수(limit number)에 도달하는 것에 더욱 적응하기 위해서, 고조파, 특히 짝수의 고조파의 주파수를 가진 하나 이상의 추가적인 사인파가 중첩되는 구성을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 예를 들어 2배의 주파수를 가진 사인파를 중첩할 뿐만 아니라, 기본적인 진동 주파수의 4배를 가진 추가적인 사인파와 기본적인 진동을 가진 사인파와 중첩하는 것이다. 이를 위해, 짝수의 고조파는, 캠 높이 곡선이 어떠한 국부적인 만입(local indentation) 또는 이와 유사한 것을 포함하지 않도록 하기에 특히 적합하다.

이하에서, 본 발명은 도면에 개략적으로 도시된 예시적인 실시예를 통해 더욱 상세하게 설명될 것이다. 여기에서,

도 1은 종래 기술에 따른 펌프 요소의 기본적인 구조를 도시하고;

도 2는 본 발명에 따른 캠 높이 곡선을 도시하며;

도 3은 펌프 피스톤의 스트로크와 가속의 과정을 도시한다.

도 1은 종래 기술에 따른 펌프 요소의 기본적인 구조를 도시한다. 펌프 요소(1)는, 길이 방향으로 변위 가능하도록, 실린더(2)와 상기 실린더 안에서 안내되 는 피스톤(3)을 포함한다. 연소 엔진에 의해 구동되는 캠 샤프트(4)는 실린더(2) 안에서 피스톤(3)을 왕복 운동을 시키며, 피스톤 스프링(3a)은 피스톤(3)에 연결되는 롤러 태핏(13)과 캠 샤프트(4) 사이의 접촉을 유지한다. 연료는 피스톤(3)의 하강하는 진행 동안 흡입 밸브(5)를 경유하여 펌프 흡입 볼륨(6)으로부터 흡입되고, 그 후에 상승하는 진행 동안 압력 밸브(7)를 경유하여 레일(rail, 8) 안으로 압축된다. 캠 샤프트(4)는 각각 펌프 요소(1)로 작동되는 샤프트 부분(9)과 캠(10)을 포함한다. 일반적으로, 펌프 요소(1)의 스트로크를 결정하는 캠(10)의 윤곽은 다수의 원형 캠 부분(11)과 접선형 캠 부분(12)을 포함한다. 대안적으로, 캠의 형상은 사인파의 진동을 발생할 수도 있다.

본 발명에 따른 캠 샤프트는 도 2에 도시된다. 이것으로부터, 캠 높이 곡선(18)은 제1 사인파(19)와 제2 사인파(20)의 중첩으로부터 발생한 것이며, 제2 사인파(20)는 제1 사인파(19)에 비하여 2배의 주파수 및 낮은 진폭을 갖는 것은 명백하다. 이러한 점에 있어서, 본 발명의 정황에서의 일정 구간의 사인파는 도 2에 도시된 바와 같은 파(wave)로 나타나도록 제공되며, 이는 정밀한 수학적인 의미로 -90°와 +270°사이의 범위에서의 사인 함수로부터 발생한 곡선에 대응한다. 또한, 이러한 곡선은 반대의 사인으로서 코사인 진동으로 나타내어질 수 있다.

도 3은 사인 캠에서의 스트로크(14)와 가속(16)의 과정뿐만 아니라, 본 발명에 따른 더블-사인 캠(double-sine cam)에서의 스트로크(15)와 가속(17)의 과정을 도시하며, 캠 각도는 X-축 상에 플롯(plot)되어 있으며, 스트로크/가속은 Y-축 상에 플롯되어 있다. 공급의 시작시에(0°), 사인 캠에서의 가속(16)은 더블-사인 캠 의 가속(17)보다 작다. 상측의 데드 센터시에(180°), 더블-사인 캠에서의 감속(17)은 사인 캠에서의 감속보다 작으며, 이로 인해 더 높은 상한 속도가 이루어질 수 있다. 대안적으로, 리프트-오프 속도를 더 증가시키기 위하여 추가적인 고조파들을 더욱 중첩하는 것은 선택적이다.

Claims

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치로서,

펌프 피스톤의 왕복 운동을 발생시키도록, 캠샤프트에 장착되고 상기 펌프 피스톤과 상호 작용하는 하나 이상의 캠 또는 상기 캠과 상기 펌프 피스톤 사이에 배열되는 구성 요소를 포함하고, 상기 캠은 상측으로의 스트로크에 대한 제1 섹션과 하측으로의 스트로크에 대한 제2 섹션을 가진 캠 높이 곡선을 가지며,

사인파(14, 19)의 형상에 실질적으로 대응하는 형상으로부터 출발하는 상기 캠 높이 곡선(15, 18)이 상기 사인파(14, 19)의 형상에 비하여 상측으로의 스트로크의 시작시 피스톤 가속의 증가가 발생하고 상측으로의 스트로크의 종결시 피스톤 감속의 감소가 발생하는 방식으로 수정되며, 상기 제1 섹션에서의 캠 높이 곡선(18)이 제1 사인파(19)와 제2 사인파(20)의 반진동(semioscillation)의 중첩으로 발생되는 형상을 가지되, 상기 제2 사인파(20)는 상기 제1 사인파(19)보다 2배의 주파수 및 더 낮은 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는,

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

상기 캠 높이 곡선(18)은 제1 사인파(19)와 제2 사인파(20)의 전체 진동(full oscillation)의 중첩으로부터 발생하는 형상을 가지되, 상기 제2 사인파(20)는 상기 제1 사인파(19)보다 2배의 주파수 및 더 낮은 진폭을 갖는 것을 특 징으로 하는,

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2 사인파(20)의 진폭이 상기 제1 사인파(19)의 진폭의 5분의 1 내지 15분의 1, 바람직하게는 8분의 1 내지 12분의 1인 것을 특징으로 하는,

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

고조파, 특히 짝수의 고조파의 주파수를 가진 하나 이상의 추가적인 사인파가 중첩되는 것을 특징으로 하는,

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 펌프 피스톤(3)과 상기 캠(10) 사이에 배열되는 구성요소는 롤러 태핏(13)으로 설계되는 것을 특징으로 하는,

피스톤 펌프를 구동하기 위한 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 장치에서 이용되는 캠으로서, 상측으로의 스트로크에 대한 제1 섹션과 하측으로의 스트로크에 대한 제2 섹션을 가진 캠 높이 곡선을 가지며,

사인파(14, 19)의 형상에 실질적으로 대응하는 형상으로부터 출발하는 상기 캠 높이 곡선(15, 18)이 사인파(14, 19)의 형상에 비하여 상측으로의 스트로크의 시작시 피스톤 가속의 증가가 발생하고 상측으로의 스트로크의 종결시 피스톤 감속의 감소가 발생하는 방식으로 수정되며, 상기 제1 섹션에서의 캠 높이 곡선(18)이 제1 사인파(19)와 제2 사인파(20)의 반진동(semioscillation)의 중첩으로 발생되는 형상을 가지되, 상기 제2 사인파(20)는 상기 제1 사인파(19)보다 2배의 주파수 및 더 낮은 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는,

캠.
제6항에 있어서,

상기 캠 높이 곡선(18)은 제1 사인파(19)와 제2 사인파(20)의 전체 진동(full oscillation)의 중첩으로부터 발생하는 형상을 가지되, 상기 제2 사인파(20)는 상기 제1 사인파(19)보다 2배의 주파수 및 더 낮은 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는,

캠.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 제2 사인파(20)의 진폭이 상기 제1 사인파(19)의 진폭의 5분의 1 내지 15분의 1, 바람직하게는 8분의 1 내지 12분의 1인 것을 특징으로 하는,

캠.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

고조파, 특히 짝수의 고조파의 주파수를 가진 하나 이상의 추가적인 사인파가 중첩되는 것을 특징으로 하는,

캠.