KR20120100804A - 수압식 펌프, 특히 연료 펌프 - Google Patents

수압식 펌프, 특히 연료 펌프 Download PDF

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Abstract

수압식 펌프(HP; 1), 특히 연료 펌프로서,
-흡입 포트(IP; 2),
-유저(U; CR)에서 수압식 연결을 위해 배열된 송출 포트(DP; 4),
-내부에서 대응하는 피스톤(P, P1, P2, P3)이 이동가능한 하나 이상의 실린더(CY; 20, 22, 24) - 상기 피스톤은 펌프(HP, 1)가 작동 중에 하측 데드 센터(BDC)와 상측 데드 센터(TDC) 사이에서 왕복운동을 함 - ,
-폐쇄된 위치와 개방 위치 사이에서 이동가능하고 수압식으로 연결된 각각의 실린더(CY; 20, 22, 24)용 송출 밸브(DV; 26, 28, 30) - 상기 개방 위치에서 상기 송출 밸브(DV; 26, 28, 30)는 상기 실린더(CY; 20, 22, 24)와 상기 송출 포트(DP; 4) 사이에서 유체를 유동시키기 위해 배열되고, 상기 폐쇄된 위치에서 송출 밸브(DV; 26, 28, 30)는 상기 실린더(CY; 20, 22, 24)와 상기 송출 포트(DP; 4) 사이에서 유체의 유동을 차단하기 위해 배열됨 - 를 포함한다.
펌프(HP, 1)는 상기 송출 포트(DP; 4)에 수압식으로 연결된 유저(U, CR) 내에서 입계 압력(pref)을 초과할 때, 상기 송출 포트(DP; 4)로부터 실린더(20, 22, 24)로 유체를 역류시킬 수 있으며 상기 상측 데드 센터(TDC)로부터 상기 하측 데드 센터(BDC)로 상기 피스톤의 움직임의 일부 동안에 상기 송출 밸브(DV; 26, 28, 30)를 상기 개방 위치에 유지시키도록 배열된 조절 조립체(R, 39, 40, 42, 43, 44, 46)를 포함한다.

Description

수압식 펌프, 특히 연료 펌프{HYDRAULIC PUMP, IN PARTICULAR A FUEL PUMP}
본 발명은 수압식 펌프, 특히 연료 펌프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유량을 조절하기 위한 장치를 포함하는 수압식 펌프에 관한 것이다.
수압식 펌프, 특히 연료 펌프의 기술 분야에서, 펌프 샤프트의 회전 속도와는 실질적으로 독립적인 방식으로 펌프에 의해 송출된 유체의 유량을 유저(user)에 대해 조절할 필요가 있다.
특히, 점화식 내연 기관의 분야에서(선박 용도의 대형 고정식 엔진 또는 차량용 엔진인지의 여부에 따라), 특히 모든 공지된 해결 방법은 압축식-유체 축적기(통상적으로, "커먼 레일"로 지칭됨)에 연료 펌프의 수압식 연결 및 두 가지의 상이한 방법에 따라 실질적으로 획득되는 커먼 레일에 대해 펌프에 의해 송출된 유량의 조절이 고려된다: 이러한 두 가지의 상이한 방법은,
-커먼 레일에 제공된 인젝터에 의해 소모되지 않고 펌프에 의해 송출된 과도 유량을 라미네이트하는(laminate) 조절 밸브에 의해,
-펌프 자체에 의해 흡입된 유체 내에서 조절식 캐비테이션이 야기되도록 펌프의 입구에 배치된 라미네이션 밸브(lamination valve)에 의해 구현된다.
분명하게, 후자의 모드는 펌프에 의해 흡입된 액체의 중량의 감소를 목적으로 한다.
그러나, 이의 현저한 단순함에도 불구하고, 상기 조절 전략은 현저한 단점을 나타낸다.
조절의 제1 방법은 획득된 유체의 라미네이션이 고에너지 손실을 수반하는 한, 상당히 비용이 많이 소요된다.
조절의 제2 방법은 펌프 입구에서 유체 내에서 유도된 캐비테이션과 연계된 상당한 마모 문제점을 나타낸다. 게다가, 상기 해결방법은 통상적으로 펌프에 의해 흡입되는 유체의 유량의 지속성 및 정밀성을 변화시킬 수 있는 고가의 비례 솔레노이드(proportional solenoid)를 포함한 전자 구동식 유형의 라미네이션 밸브의 사용을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 전술된 기술적 문제점을 극복하는 데 있다. 특히, 본 발명의 목적은 펌프 및 이의 부품의 수명을 저하시키지 않으며, 효과적으로 편리한 방식으로 유저에서 수압식 펌프에 의해 송출된 유량을 조절하는 데 있다.
본 발명의 목적은, 본 발명에 따라 제공된 본 명세서에 개시된 기술적 개시 내용의 일체 부분을 형성하는, 청구항의 주제를 구성하는 특징을 갖는 수압식 펌프에 의해 구현된다.
본 발명은 비-제한적인 예시에 따라 제공된, 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 수압식 펌프의 예시도.
도 2는 본 발명에 따르는 수압식 펌프의 예시도.
도 3은 본 발명의 선호되는 실시예에 따르는 수압식 펌프의 예시도.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 선호되는 실시예에 따르는 수압식 펌프의 작동의 다양한 특징을 예시하는 일련의 다이어그램.
도 1에서, 도면부호(HP)는 본 발명의 다양한 실시예에 따라는 수압식 펌프(hydraulic pump)를 지칭한다. 펌프(HP)는 흡입 포트(IP), 송출 포트(DP), 및 입력 샤프트(IS)에 의해 구동되는 기구(K)(예를 들어, 캠 또는 크랭크 기구)에 의해 왕복운동 움직임에 따라 이동되는 피스톤(P)이 내부에 배치된 하나 이상의 실린더(CY)를 포함한다. 각각의 피스톤(P)은 상측 데드 센터(top dead centre, TDC)와 하측 데드 센터(bottom dead centre, BDC) 사이에서 왕복운동 방식으로 이동한다.
흡입 포트(IP)는 흡입 환경(도시되지 않음)에 연결을 위해 배열되고, 자체로서 공지된 흡입 밸브(IV)에 의해 실린더(CY)와 유체 연통된다.
게다가, 실린더(CY)는 조절 조립체(R)에 의해 제어될 수 있는 송출 밸브(delivery valve; DV)가 상부에 배치되는 송출 라인(DL)에 의하여 송출 포트(DP)와 유체 연통된다.
송출 밸브(DV)는 실린더(CY)와 송출 포트(DP) 사이에서 유체의 유동이 가능하도록 배열되는 개방 위치와 실린더(CY)와 송출 포트(DP) 사이에서 유체의 전술된 유동을 방지하는 폐쇄된 위치 사이에 이동가능하다. 게다가, 펌프(HP)는 본 도면에서 문자(U)로 지정되고 예시적으로 도시된, 유저에게 수압식 연결을 위해 배열된다. 일 실시예에서, 유저(U)는 "커먼-레일 인젝션 시스템"으로 통상적으로 공지된 연료-축적 주입 시스템일 수 있다.
펌프(HP)의 작동은 하기에 따라 기술된다.
상측 데드 센터(TDC)와 하측 데드 센터(BDC) 사이에서 왕복운동을 하는 피스톤(P)은 일련의 5가지의 상태를 포함하는 작동 사이클을 기술하며, 즉,
-흡입 포트(IP)로부터 실린더(CY) 내에서 유체, 특히 액체의 흡입(흡입),
-실린더(CY) 내에서 액체의 압축(압축),
-송출 라인(DL)으로 액체의 송출(송출),
-송출 라인(DL)으로부터 실린더(CY)로 액체의 역류(역류),
-실린더(CY) 내에 존재하는 잔여 액체의 팽창(팽창).
하측 데드 센터(BDC)로부터 상측 데드 센터(TDC)로 피스톤이 상승하는 동안에 실질적으로 이의 압축 및 송출 단계가 수행되며, 반면, 상측 데드 센터(TDC)로부터 하측 데드 센터(BDC)로 피스톤이 하강하는 동안 역류, 팽창 및 흡입 단계가 실질적으로 수행된다. 하기 기술 내용에서, 전자는 "상승 단계"로 간략히 언급될 것이며, 후자는 "하강 단계"로 언급될 것이다.
팽창 단계 동안, 하측 데드 센터(BDC)로 피스톤(P)이 하강함에 따라 실린더(CY) 내에서 압력이 감소되어 흡입 밸브(IV)가 개방된다. 따라서, 흡입 단계가 개시되고 후속하여 유체가 실린더(CY) 내로 유입된다. 흡입 밸브(IV)는 실질적으로 피스톤(P)의 하강 단계의 종료 시에 재밀폐된다.
이는 조절 조립체(R)가 송출 밸브(DV)를 개방하는 값으로 실린더(CY) 내의 압력이 도달될 때, 종료되는 압축 단계를 수반하고, 이에 따라 송출 라인(DL)을 통하여 압축된 유체가 송출 포트(DP)로 전달될 수 있다.
이러한 목적으로, 조절 조립체는 바람직하게는 실린더(CY)의 바로 다운스트림에서 전달 압력에 대응되고 예를 들어, 기계식 액추에이터 또는 수압식 수단에 의해 생성되는 구동력과 같이 구동 신호(PS1)의 함수로서 구동 신호(AS1)를 송출 밸브(DV)에 대해 생성하는, 제1 구동 신호(PS1)를 수신하도록 배열된다. 밸브(DV) 상에서 생성된 구동력에 따라 밸브는 개방되며, 이에 따라 유체는 송출 라인(DL)을 통해 흐를 수 있으며, 유체는 송출 포트(DP)를 통하여 유저(U)에게 전달될 수 있다.
송출 단계가 종료 시에, 조절 조립체(R)는 구동 신호(AS1)의 생성을 중단시키며, 이에 따라 송출 밸브(DV)가 폐쇄될 수 있다.
펌프(HP)에 의해 유저(U)에게 보내진 유체의 유량(flowrate)이 후자의 요구를 초과할 때, 유저(U)(송출 포트(DP)에서)에서 유체의 압력은 이의 축적으로 인해 증가된다.
조절 조립체(R)는 유저(U) 내의 유체의 압력에 대응되는 제2 구동 신호(PS2)를 수신하기 위해 배열된다. 유저(U) 내에서 감지된 압력이 임계값(pref)보다 큰 경우에, 조절 조립체(R)는 송출 밸브(DV) 상에서 구동력을 유지시키고 차례로 송출 단계가 종료된 후에도 송출 밸브(DV)를 개방된 위치에 유지시키기 위하여 구동 신호(AS1)를 지속적으로 생성한다. 즉, 조절 조립체(R)는 피스톤(P)의 적어도 부분적인 하강 단계 동안에도 송출 밸브를 개방된 상태로 유지시킨다.
이 방식으로, 송출 포트(DP)로부터 송출 밸브(DV)를 통해 실린더(CY)로 유체의 역류(reflux)가 허용된다. 유체가 실린더(CY)로 역류되는 동안, 이는 피스톤(P) 상에 모티브 워크(motive work)를 생성하며, 실질적으로 유체에 의해 축적된 압축 작업을 복원시킨다. 결론적으로, 유체의 최대 유량을 전달하고 그 뒤 초과 량을 실린더(CY) 내로 역류시키는 상기 조절 기구는 펌프의 전체 에너지 효율을 저하시키지 않는다.
실제로, 시스템(무엇보다도 송출 밸브)의 관성으로 인해 최대 유량에서 작동 상태가 실질적으로 바람직하지 못한 영향을 받는, 피스톤(P)에 의해 수행된 역류 단계는 추구하는 효과를 조절하는 상태로 되며, 하측 데드 센터(BDC)(따라서, 흡입 단계의 지연 및 실질적인 단축 상태에서 역류 단계의 실질적인 확장이 야기됨)까지 한계로서 연장되는 상당히 큰 각도 범위를 생성한다(입력 샤프트(IS)의 회전 각도에 대해).
이 방식으로, 유저(U)에서 유체의 압력은 감소되어(송출 포트(DP) 상에서의 압력과 같이) 임계값(pref) 근처로 복귀된다. 조절 조립체(R)는 유저(U)에서의 유체 압력이 임계값(pref) 미만으로 떨어질 때 송출 밸브(DV) 상에서 구동 신호(AS1)의 유지를 중단시키기 위해 배열되고, 이에 따라 밸브(DV)는 재밀폐될 수 있다.
조절 상태에서, 전술된 조절 공정의 반복에 따라 유저(U)에서의 유체 압력이 기준 값에 대해 변동하도록 조절 조립체(R)의 작동이 수행된다. 이 방식으로, 유량 값은 유저(U)에 도달되는데 필요한 것과 동일하도록 지속적으로 보장될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 펌프(HP)는 송출 밸브(DV)의 구동을 위해 배열된 액추에이터(A1) 및 탄성 위치설정 요소(S)를 포함하고, 탄성 위치설정 요소는 송출 밸브(DV)를 폐쇄된 위치로 보내는 기능을 한다.
조절 조립체(R)가 송출 단계(구동 신호(PS1)의 함수로서) 동안에 송출 밸브(DV)를 개방 위치로 보내고 구동 신호(PS2), 즉 유저(U) 내에서 압력의 함수로서 역류 단계 동안 송출 밸브를 개방된 상태로 유지시키기 위해 액추에이터(A1)를 제어하도록 배열되기 때문에 이 작동은 전술된 작동과 유사하다.
도 3을 참조하면, 도면부호(1)는 본 발명의 선호되는 실시예에 따르는 수압식 펌프로서 지칭된다.
점선 및 2-점선을 포함하는 예시적인 도면은 수압식 펌프(1)의 몸체를 나타낸다. 수압식 펌프(1)는 흡입 포트(2) 및 송출 포트(4)를 포함한다.
제1 매니폴드 채널(6)은 흡입 포트(2)와 유체 연통되고, 이 실시예에서 이로부터 분기되어 제1 흡입 라인(8), 제2 흡입 라인(10) 및 매니폴드(6)와 유체 연통되는 제3 흡입 라인(12)과 연통된다.
흡입 라인(8, 10, 12) 상에는 각각 제1 흡입 밸부(14), 제2 흡입 밸부(16) 및 제 3 흡입 밸브(18)가 배치된다. 흡입 밸브(14, 16, 18)는 대응하는 흡입 라인(14, 16, 18)과 제1 실린더(20), 제2 실린더(22) 및 제3 실린더(24) 사이에서 유체 연결을 가능 또는 불가능하도록 배열된다.
제1 피스톤(P1), 제2 피스톤(P2) 및 제3 피스톤(P3)은 실린더(20, 22, 24) 내에서 각각 이동가능하다. 각각의 피스톤(P1, P2, P3)은 기구에 의해 왕복운동에 따라 구동된다.
특히 여기서 분석된 경우에, 3개의 캠(C1, C2, C3)(대응하는 태핏(tappet)을 포함)은 각 방향으로 일정하게 오프셋 설정되도록 제공된다.
대안의 실시예에서, 펌프(1)는 크랭크 기구에 의해 구동되는 피스톤이 제공될 수 있다.
게다가, 본 명세서에 기술된 펌프(1)의 실시예는 3-피스톤 유형이지만 본 발명이 펌프(1)의 피스톤의 개수를 고려하지 않고 3개와 상이한, 단지 하나의 피스톤에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
대응하는 흡입 밸브(14, 16, 18) 및 대응하는 흡입 라인(8, 10, 12)과 유체 연통하는 것과는 추가로, 각각의 실린더(20, 22, 24)는 각각 폐쇄된 위치와 개방 위치 사이에서 이동가능한 제3 송출 밸브(30), 제2 송출 밸브(28) 및 제1 송출 밸브(26)와 유체연통된다.
각각의 송출 밸브(26, 28, 30)는 각각의 송출 채널(32, 34, 36)에 의해 제2 매니폴드 채널(38)에 유체 연결되고, 차례로 제2 매니폴드 채널은 송출 포트(4)에 유체 연결된다.
각각의 송출 밸브(26, 28, 30)는 통상적으로 폐쇄된 위치에 있으며, 개방 위치에서 대응하는 송출 채널(32, 34, 36)과 이에 연계된 대응하는 실린더(20, 22, 24)의 수압식 연결을 허용하고 게다가 대응하는 실린더(20, 22, 24)로부터의 유체가 송출 포트(4)로 흐를 수 있도록 설계된다. 폐쇄 위치에서, 각각의 송출 포트는 유체의 전술된 유동을 차단한다.
각각의 송출 밸브(26, 28, 30)는 대응하는 구동력을 야기하는 다수의 구동 신호에 의해 제어된다. 본 명세서에 기술된 실시예에서, 상기 구동력은 수압식 구동 라인, 또는 더 간략하게 구동 라인에 의해 획득된다. 그 외의 다른 실시예에서, 대응하는 송출 밸브에 기계식(수압식 대신에) 작용을 인가하는 액추에이터에 의해 구동력이 획득될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예를 참조하면, 각각의 송출 밸브(26, 28, 30)가 다음에 따라 각각 제어된다:
-대응하는 실린더(20, 22, 24)와 유체 연통되는 제1 수압식 구동 라인(U1, U2, U3);
-제2 수압식 구동 라인(CV1, CV2, CV3); 및
-대응하는 실린더(32, 34, 36)와 유체 연통되는 제3 수압식 구동 라인(D1, D2, D3); 상기 구동 라인은 선택적일 수 있으며, 이에 따라 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 바와 같이 펌프(1)는 구동 라인(D1, D2, D3)을 포함하지만 그 외의 다른 실시예에서 단지 구동 라인(U1, U2, U3, CV1, CV2, CV3)만이 존재한다.
게다가, 각각의 송출 밸브(26, 28, 30)는 각각의 탄성 요소(S1, S2, S3)를 포함하고, 탄성 요소는 대응하는 송출 밸브를 폐쇄된 위치에 유지시키는 기능을 한다. 각각의 탄성 요소(S1, S2, S3)에 의해 생성된 힘은 수압식 구동 라인에 의해 생성된 힘에 대해 실질적으로 영향을 받지 않도록 선택된다.
본 명세서에서, 당업자에게 자명하듯이, 용어 "수압식 구동 라인" 또는 "구동 라인"은 구동 기능을 갖는 수압식 라인, 즉 내부의 유체의 압력이 부품 또는 회로 내에서 수압식 유형의 신호로서 이용되고 일반적으로 유체의 사소한 유량을 처리할 수 있는 수압식 라인을 지칭한다.
제1 및 제2 구동 라인(U1, U2, U3 및 D1, D2, D3)(존재 시에)은 대응하는 송출 밸브(26, 28, 30)에 영향을 받는 각각의 표면에 작용하여 이 밸브가 개방된다.
탄성 요소(S1, S2, S3)(전술된 바와 같이 보다 적게)와 유사한 수압식 구동 라인(CV1, CV2, CV3)은 대응하는 송출 밸브를 폐쇄된 위치에 유지시키는 작용을 한다.
게다가, 바람직하게는 각각의 수압식 구동 라인(CV1, CV2, CV3)은 대응하는 송출 밸브의 잔여 수압식 구동 라인, 즉 구동 라인(U1, U2, U3 및 D1, D2, D3)이 작용하는(존재 시에) 영향을 받는 영역의 합과 실질적으로 동일하도록 선택된다.
수압식 구동 라인(CV1, CV2, CV3)은 조절 체적(CV)에 수압식으로 연결되는 조절 채널(CVO)로부터 분기된다. 조절 밸브(CV)는 바람직하게는 정해진 기하학적 형상을 갖는 초크(choke, 40)가 상부에 배치되는 수압식 제어 라인(39)에 의해 제2 매니폴드 채널(38) 및 송출 포트(4)에 수압식으로 연결된다. 초크(40)는 조절 체적(CV)의 업스트림에 수압식으로 배치된다.
게다가, 조절 체적(CV)은 흡입 포트(2)에 수압식으로 연결된 리턴 채널(43) 내에서 이의 다운스트림에서 유체-동역학적으로 배치된 제어 밸브(42)에 의해 제1 매니폴드 채널(6)과 흡입 포트(2)에 수압식으로 연결된다.
기능적으로, 제어 밸브(42)는 이 실시예에서 탄성 요소(S4)에 의해 폐쇄된 위치에 유지되는 압력-조절 밸브이다. 게다가, 이 실시예에서, 제어 밸브(42)는 전자 제어 유닛(46)에 작동가능하게 연결된 솔레노이드(44)에 의해 구동될 수 있다.
그 외의 다른 실시예에서, 수압식 또는 기계식으로 구동되는 제어 밸브(42)도 채택할 수 있다.
이 실시예에서, 펌프(1)의 조절 조립체는 수압식 제어 라인(39), 초크(40), 조절 체적(CV), 제어 밸브(42)(이 실시예에서, 또한 제어 유닛(46)을 포함함)를 포함하고, 하기에서 명확해지는 바와 같이 제어 밸브는 송출 포트(4)에 연결되는 유저에 대해 펌프(1)에 의해 보내진 유량을 변화시킬 수 있다.
펌프(1)의 작동은 하기에 따른다.
하기 기술 내용은 내연 기관의 연료-주입 시스템에 대한 수압식 펌프(1), 특히 축적 주입 시스템(소위 "커먼 레일" 인젝션 시스템으로 불림)용 고압 펌프로서의 적용에 관해 전개될 것이다. 물론, 송출 포트(4)에 연결된 일반적인 유저의 경우에도 또한 본 명세서에 기술된 것을 이용할 수 있다.
흡입 포트(2)는 이의 업스트림에서 유체-동역학적으로 배치된 저압 환경(LPE)에 수압식으로 연결된다. 고려된 응용의 경우, 저압 환경(LPE)은 예를 들어, 유체가 탱크로부터 직접 연료를 흡입하는 저압-펌프에 의해 적절히 압축되는 수압식 유입 라인(hydraulic inflow line)을 포함한다.
송출 포트(4)는 하나 이상의 연료 인젝터(도시되지 않음)가 수압식으로 연결되는 통상적으로 "커먼 레일"(도면부호 CR로 지정되고 예시적으로 도시됨)로 지칭되는 연료 어큐뮬레이터에 수압식으로 연결된다. 인젝터가 커먼-레인 인젝션 시스템 내에서 작동되는 형태에 따라, 이 시스템의 작동이 당업자에게 폭 넓게 알려지는 한 특정 문헌이 참조된다.
펌프(1)가 작동되는 동안에, 입력 샤프트(IS)는 회전 구동되고, 각각의 캠(C1, C2, C3)의 덕택으로 왕복운동 방식으로 각각의 피스톤(P1, P2, P3)을 구동시킨다.
최대 유량, 즉 커먼 레일(CR)에 전달된 유동속도의 조절 없이 작동은 추가 피스톤 및 이와 작동가능하게 연계된 동종 부품의 작동이 동일함에 따른 편견 없이 피스톤(P1)에 연계된 부품에 대해 하기에서 기술될 것이다.
게다가, 도 4 내지 도 8에 도시된 다이어그램이 참조된다. 이들 각각은 (CAIS)로 지정된 입력 샤프트(IS)의 회전 각도의 함수로서 펌프(1)의 작동의 분량 특성의 전개를 기재한다. 더 구체적으로:
-도 4의 다이어그램은 총 스트로크의 백분율(SMAX로 지정됨)로서 표현된 각각의 피스톤(P1, P2, P3)의 위치(S)의 플롯을 나타내는 3개의 개개의 곡선을 포함하고, 이러한 이유로 각각의 곡선은 대응하는 피스톤의 도면부호와 동일한 도면부호로 표시되고;
-도 5의 다이어그램은 각각의 송출 밸브(26, 28, 30)의 개방(최대 개방 값(DVLMAX)의 백분율로 표현됨)을 나타내는 3개의 곡선을 포함하고, 이러한 이유로 각각의 곡선은 대응하는 송출 밸브에 대해 사용된 도면부호와 동일한 도면부호로 표시되고;
-도 6의 다이어그램은 송출 밸브(26, 28, 30)를 통한 (유량(QDV)(최대 유량 값(QDV , MAX)의 백분율로 표현됨)의 플롯을 나타내는 3개의 곡선을 포함하고, 이러한 이유로, 각각의 곡선은 대응하는 송출 밸브에 대해 사용된 도면부호와 동일한 도면부호로 표시되고;
-도 7의 다이어그램은 게다가 송출 포트(4) 상의 압력과 실질적으로 동일한 (pCR)로 지정된 커먼 레일(CR) 내의 압력의 플롯(임계압력(pREF)의 백분율로 표현됨)을 도시하고;
-도 8의 다이어그램은 송출 포트(4)를 통한 순간적인 유량(QP)(즉, 커먼 레일(CR)에 전달된 유동속도)의 플롯을 도시한다.
각각의 피스톤(P1, P2, P3)은 피스톤(P)에 대해 전술된 것과 동일한 방식으로 5가지의 단계를 포함하는 작동 사이클을 기재한다. 각각의 피스톤(P1, P2, P3)은 왕복운동을 함에 따라 대응하는 실린더(20, 22, 24)에 따라 형성된 유체 챔버의 체적을 변화시키고, 상측 데드 센터(TDC)와 하측 데드 센터(BDC) 사이에서 이동가능하다.
관찰의 각 범위는 피스톤(P1)의 상측 데드 센터(TDC)와 일치되는 원점을 가지며, 최대-유량 작동 조건으로부터 유량-조절 상황에서의 작동 조건으로의 변이를 나타내기에 충분한 개수의 작동 사이클을 포함하도록 선택된다. 도 4의 다이어그램의 축의 원점으로부터 시작하여, 피스톤(P1)은 상측 데드 센터(TDC)에 대응되는 위치에 있으며, 여기서 역류 상태가 개시되고, 이러한 상태는 상측 데드 센터(TDC)에 대해 지연된 폐쇄를 야기하는 송출 밸브의 관성으로 인함이다. 이는 팽창 단계를 수반하며, 이러한 팽창 단계 동안에 피스톤(P1)은 하측 데드 센터(BDC)로 하강되고, 이에 따라 실린더(20) 내에서 압력 강하가 야기된다. 상기 압력이 저압 환경(LPE) 내의 값보다 낮은 값에 도달될 때, 흡입 밸브(14)는 개방되고, 이에 따라 저압 환경(LPE)으로부터 제1 매니폴드 채널(6)과 제1 흡입 채널(8)을 통해 실린더(20) 내로 유체가 유입된다.
흡입 단계는 실질적으로 피스톤(P1)이 하측 데드 센터(BDC)에 도달될 대 종료된다. 흡입 밸브(14)가 폐쇄되는 지점에서, 체적(20)은 저압 라인(8)으로부터 분리되고, 그 후에 피스톤은 상측 데드 센터(TDC)로 상승되어 실린더(20) 내의 유체는 압축된다(압축 단계). 도 6을 참조하면, 송출 밸브(26)를 통한 유량은 압축 단계 동안에 0이다.
실린더(20) 내에서 유체가 압축됨에 따라 송출 밸브(26)는 개방되고 기술된 방식은 하기를 따른다(송출 단계 개시).
송출 밸브(26)는 제1 구동 라인(U1), 제2 구동 라인(CV1) 및 가능한 제3 구동 라인(D1)의 동작에 종속된다. 구동 라인(U1)은 대응하는 작용 영역에서 실린더 내의 압축에 실질적으로 대응되는 압력 신호를 전송하고((p20) 게다가, (p22) 및 (p24)이 실린더(22, 24)에 사용될 것임), 즉, 대응하는 송출 밸브(26)의 바로 업스트림 및 다운스트림에서 실린더(20)의 송출 압력에 관한 정보를 실질적으로 전송한다. 구동 라인(CV1)은 대응하는 작용 영역에서 도면부호(pCV)으로 지정된, 조절 체적(CV) 내의 압력에 대응되는 압력 신호를 전송한다.
구동 라인(D1)은 존재 시에, 송출 포트(4)에 가해지는 압력에 대응하는 압력 신호를 대응하는 작용 영역에서 전송하고, 이 경우에 이 압력은 도면부호(pCR)로 지정된, 커먼 레일(CR) 내의 압력과 실질적으로 동일하다. 커먼 레일(CR)은 제2 매니폴드 채널(38)에 의해 송출 라인(32)에 수압식으로 연결되는 송출 포트(4)에 수압식으로 연결된다.
수압식 구동 라인(D1)과 연계된 구동력은 일부 실시예에서 송출 밸브의 기하학적 형상의 결과로 이 내에 있는 유체에 대해 작용 영역에 제공되고, 이에 따라 힘이 송출 밸브 자체의 이동식 요소에 가해질 수 있다.
조절 체적(CV)은 제어 밸브(42)가 완전히 밀폐된 위치에 있기 때문에 수압식 제어 라인(39)을 통하여 유동 통로가 없는 한 이 작동 상태에서 고여 있는 환경에 있다.
이 방식으로, 커먼 레일(CR)과 조절 체적(CV) 사이에 압력의 정적 전달이 있으며, 이는 초크(40)가 임의의 압력 강하를 개시하지 않기 때문이며, 이에 따라 이를 통해 조절 체적(CV)에 대하여 상당한 유동 통로가 없다.
이는 압력(pCV)이 압력(pCR)과 동일한 것을 의미하고, 이에 따라 구동 라인(CV1)에 의해 전송된 압력 신호는 구동 라인(D1)에 의해 전송된 압력 신호와 동일하다.
사실상, 최대-유량 작동 상태에서, 송출 밸브(26)는 통상적인 논-리턴 밸브에 적응될 수 있으며, 즉, 송출 밸브(26)는 실린더(20) 내의 압력(p20)이 등가 압력으로서 공지되고 표현될 수 있는, 탄성 요소(S1)의 역 작용을 극복하기에 충분한 정도로 압력(pCV)(이 상태에서 압력(pCR)과 동일함)을 초과할 때까지 개방된 상태로 유지된다. 즉, 압력(p20)과 탄성 요소(S1)와 연계된 등가 압력 간의 차이는 압력(pCR)과 동일하거나 또는 이보다 높아야 한다.
송출 밸브(28, 30)의 작동은 동일하며, 물론 전술된 상태는 캠(C1, C2, C3)에 의해 설정된 피스톤(P1, P2, P3)의 타이밍으로 인해 송출 밸브(26)와 연계된 상태에 대해 변경된 상태이다.
도 5를 참조하면, 게다가, 송출 밸브(26, 28, 30)가 어떻게 개방되는지를 그래프적으로 예시될 수 있다.
각각의 송출 밸브의 개방은 대응하는 피스톤에 의해 수행되는 압축 단계가 종료 시에 개시되며, 역류 단계가 종료될 때 상측 데드 센터(TDC) 이후 즉시 종료된다.
본 발명에 대해 고려된 각도 범위의 제1 작업 사이클이 완료되면, 압력(pCR)은 임계압력(pREF)에 매우 근접하도록 증가된다(도 7).
기본적으로, 펌프(1)에 의해 커먼 레일(CR)에 송출된 과도한 유량은 이에 연결된 인젝터에 의해 소모되지 않고, 이에 따라 커먼 레일(CR) 내에서, 궁극적으로 송출 포트(4) 상에서 압력의 수준을 상승시키는 유체가 축적된다.
도 4 내지 도 8, 특히 도 7을 참조하면, 회전 각도(CAIS ,R)에서 임계압력(pREF)이 오버스태핑된다(overstepping). 도 4 내지 도 8의 도면에 예시된 실시예에서, 각도(CAIS ,R)는 피스톤(P3)의 송출 상태 내에서 감소된다.
커먼 레일(CR) 내에서 임계압력(pREF)의 오버스태핑은 이 실시예에서 커먼 레일(CR) 상에 설치되고 이에 작동가능하게 연결된 공지된 유형의 압력-센서 수단을 통하여 전자 제어 유닛(46)에 의해 감지된다(제어 유닛(46)과 상기 센서 수단 사이의 작동가능한 연결의 예시적이고 기능적인 예시는 도면부호(PR5)로 지정되고 커먼 레일(CR)과 제어 유닛(46)을 결합하는 파선 및 점선에 의해 표시된다). 상기 상태에서, 제어 유닛(46)은 제어 밸브(42)의 개방을 야기하는 솔레노이드(44)의 작동을 제어한다.
상기 상태에서, 유동 통로는 초크(40)를 통하여 송출 포트(4)로부터 조절 체적(CV)까지, 리턴 라인(43)을 통하여 조절 체적(CV)으로부터 매니폴드 채널(6)까지 제어 라인(39) 내에 형성된다. 초크(40)를 통한 유동 통로에 따라 압력 값(pCR) 미만으로 압력(pCV)의 값이 떨어지고, 이는 초크(40)를 통하는 유동 통로로 인해 초크의 업스트림에서 정확히 압력(pCR)을 갖는 유체에 대해 압력 강하가 유발되기 때문이다.
초크(40)가 존재함에 따라 펌프에 의해 처리된 것에 비해 상당히 작은 배출 유량에 의해 상기 조절이 구현되며, 이는 펌프 자체의 수압식 효율에 이점이 된다.
커먼 레일(CR) 내의 압력(pCR)이 임계압력(pREF)을 초과할 때, 펌프(1)의 제어 조립체는 조절 체적(CV) 내의 압력(pCV)이 압력(pREF)을 초과하는 것을 방지하기 위해 밸브(42)를 제어한다. 즉, 펌프(1)의 송출 포트(4)(이 경우에, 커먼 레일(CR))에 연결된 유저 내에서 임계압력(pREF)을 초과할 때, 조절 체적(CV) 내의 압력을 조절하고 이 압력을 임계압력(pREF)과 거의 동일한 값을 제한하기 위하여 제어 밸브(42)가 배열된다.
일반적으로, 임계값(이 경우에, pREF)을 초과하여 압력이 상승되는 것을 방지하고 조절 체적(CV) 내에서 압력을 조절하도록 설계된 임의의 공지된 수단은 본 명세서에 기술된 조절 메커니즘을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
항시, 송출 밸브(30)는 수압식 구동 라인(U3, D3)(존재 시에) 및 CV3의 영향을 받지만 구동 라인(CV3)에 의해 밸브(30)로 전송된 압력 신호는 항시 압력(pCR)과 동일한 구동 라인(U3)(및, 존재 시에 D3)에 의해 전송된 압력 신호보다 작다. 송출 밸브(3)의 균형을 위한 상태는 압력(p24)이 송출 환경(pCR) 내의 압력 미만으로 떨어질 때에도 송출 밸브가 개방된 상태로 유지되도록 변경되고 형성된다. 즉, 송출 밸브(30)는 피스톤(P3)의 하강 단계의 적어도 일부 동안에도 개방 위치에 유지된다.
이에 따라, 유체는 송출 포트(4)로부터 실린더(24)로 역류되고, 이로 인해 최종 분석 시에 유체 축적의 감소에 따라 커먼 레일(CR) 내의 압력(pCR)이 감소된다.
커먼 레일(CR) 내의 압력이 조절 체적(CV) 내에 존재하는 압력(즉, pREF)의 수준에 도달될 때, 송출 밸브(30)는 폐쇄되고, 대응하는 실린더(24) 내에서 내부에 수용된 유체의 팽창 단계가 개시되고, 그 이후에 흡입 단계가 수반된다.
따라서, 펌프(1)의 제어 조립체는 송출 밸브(30)(타이밍으로 인해, 송출 밸브(26, 28))를 개방 위치에 유지시키고, 또한, 송출 단계에서, 즉 임계압력(pREF)이 송출 포트(4)에 수압식으로 연결된 유저(이 경우에, 커먼 레일(CR)) 내에서 초과된다면 압력(pCV)의 조절에 의해(구동 라인(CV1, CV2, CV3)과 연계된) 특히 임계압력(pREF)의 값으로 압력(pCV)을 제한함으로써 피스톤(P3)의 하강 단계의 적어도 일부분 동안에 송출 밸브를 개방 위치에 유지시킨다.
요약하면, 본 명세서에서 제안된 조절 시스템은 최대-유량 작동 상태에서 각각의 송출 밸브가 기본적으로 송출 단계에 대응되는 작동 사이클의 절반 미만으로 개방되어 유지되도록 구성된다(역류 단계는 실질적으로 무시해도 좋음).
조절 상태에서, 대신에 폐쇄의 순간은 명확히 지연되며, 이에 따라 추가 각도 범위의 개방이 초래되어 재차 실린더(24) 내로 연료의 상당한 역류의 발생을 나타내는, 송출 밸브(30)를 통한 유량의 역류가 증가된다(음의 좌표에 따른 곡선의 지점).
이 단계 동안에, 전술된 바와 같이, 유체는 선행된 송출 단계에서 수행된 압축의 과도 작업에 따라 펌프로 복귀되고, 이로 인해 전체 시스템의 에너지 효율의 우수한 수준이 보장된다.
물론, 타이밍으로 인해, 이는 송출 밸브(26, 28)에 적용된다. 기본적으로, 펌프(1)에 의해 보내진 유량의 조절은 각각의 피스톤의 송출에 대하여 유체(특히, 연료)의 역류에 의해 획득된다.
도 7을 참조하면, 게다가 본 명세서에 기재된 조절 전략은 커먼 레일(CR)(또는 송출 포트(4)에 연결된 유저) 내에서의 과도 압력을 견디는 상태에 기능을 한다. 처리를 단순화함에 따라(수반된 물리적 양이 무엇인지를 이해하기 위한 예시를 목적으로), 최대 과도압력은 다음과 같다:
Figure pat00001
여기서,
△p는 커먼 레일(CR) 내의 과도 압력이고,
Vcyl은 펌프의 단위 변위이며,
Vrail은 커먼 레일(CR)의 내부 체적이고,
E는 유체의 탄성 계수이다.
따라서, 도 8을 참조하면, 본 도면에는 각(CAIS)의 함수로서 예시된 송출 포트(4)를 통하여 펌프(1)에 의해 송출된 순간 유량(QP)의 곡선이 도시된다. 유량 값(QP)은 (QP , MAX)로 지정된 최대 유량 값의 백분율로서 표현된다. 한편, 도 6에 따라 전술된 바와 같이, 유량 값이 음의 기호를 갖는, 즉 조절 시에 송출 밸브와 작동가능하게 연계된 실린더(또는 실린더들)의 유체 회수 및 유동의 역전이 발생되는 각도(각도(CAIS ,R)로 지칭됨) 범위의 현저한 증가가 야기된다.
따라서, 본 발명에 따르는 펌프(1)는 공지된 유형의 펌프에 비해 일련의 상당한 이점을 나타낸다.
제1 위치에서, 펌프(1)에 따라 유도된 유체 내의 캐비테이션(cavitation)과 연계된 문제점의 근원인, 흡입 시에 라미네이션(lamination)에 의한 위험한 조절 또는 송출 시에 라미네이션에 의한 고가의 조절 비용의 필요성이 제거된다.
게다가, 펌프(1)의 제어 조립체는 용이하게 관리되며, 게다가 제어 밸브(42)의 개방의 교정/임계값에 작용함으로써 단순한 방식으로 커먼 레일(CR) 내의 임계 압력을 조절할 수 있다.
제어 시스템에 의해 소모된 유량은 매우 작고, 실질적으로 펌프(1)에 의해 전형적으로 처리되는 것에 비해 무시해도 좋으며, 이로 인해 펌프(1) 자체의 작동 시에 제어 시스템의 작동 충격이 최소화된다.
물론, 실시예 및 구성의 세부사항은 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같이 비-제한적인 예시로서 기술 및 도시된 것에 따라 폭 넓게 변화할 수 있다.

Claims (9)

  1. 수압식 펌프(HP; 1), 특히 연료 펌프로서,
    -흡입 포트(IP; 2),
    -유저(U; CR)에서 수압식 연결을 위해 배열된 송출 포트(DP; 4),
    -내부에서 대응하는 피스톤(P, P1, P2, P3)이 이동가능한 하나 이상의 실린더(CY; 20, 22, 24) - 상기 피스톤은 펌프(HP, 1)가 작동 중에 하측 데드 센터(BDC)와 상측 데드 센터(TDC) 사이에서 왕복운동을 함 - ,
    -폐쇄된 위치와 개방 위치 사이에서 이동가능하고 수압식으로 연결된 각각의 실린더(CY; 20, 22, 24)용 송출 밸브(DV; 26, 28, 30) - 상기 개방 위치에서 상기 송출 밸브(DV; 26, 28, 30)는 상기 실린더(CY; 20, 22, 24)와 상기 송출 포트(DP; 4) 사이에서 유체를 유동시키기 위해 배열되고, 상기 폐쇄된 위치에서 송출 밸브(DV; 26, 28, 30)는 상기 실린더(CY; 20, 22, 24)와 상기 송출 포트(DP; 4) 사이에서 유체의 유동을 차단하기 위해 배열됨 - 를 포함하고,
    펌프(HP, 1)는 상기 송출 포트(DP; 4)에 수압식으로 연결된 유저(U, CR) 내에서 입계 압력(pref)을 초과할 때, 상기 송출 포트(DP; 4)로부터 실린더(20, 22, 24)로 유체를 역류시킬 수 있으며 상기 상측 데드 센터(TDC)로부터 상기 하측 데드 센터(BDC)로 상기 피스톤의 움직임의 일부 동안에 상기 송출 밸브(DV; 26, 28, 30)를 상기 개방 위치에 유지시키도록 배열된 조절 조립체(R, 39, 40, 42, 43, 44, 46)를 포함하는 것을 특징을 하는 수압식 펌프(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 송출 밸브(26, 28, 30)는 수압식 구동 라인(U1, U2, U3; D1, D2, D3; CV1, CV2, CV3)에 의해 제어되는 수압식 펌프(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 조절 조립체(R, 39, 40, 42, 43, 44, 46)는
    -상부에 초크(40)가 설치된, 수압식 제어 라인(39)에 의해 상기 송출 포트(4)와 유체 연통하는 조절 체적(CV); 및
    -상기 흡입 포트(2)와 상기 조절 체적(CV) 사이에서 유체 연통이 가능하도록 작동될 수 있으며 상기 조절 체적(CV) 내에서 압력(Pcv)을 조절하기 위해 배열된 제어 밸브(42)를 포함하고, 상기 초크(40)는 상기 조절 체적(CV)의 업스트림에 수압식으로 배치되는 수압식 펌프(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 수압식 구동 라인은
    -상기 송출 밸브(26, 28, 30) 상에서 상기 하나 이상의 실린더(20, 22, 24) 내의 압력(p20, p22, p24)에 실질적으로 대응하는 압력 신호를 전송하는 제1 수압식 구동 라인(U1, U2, U3) 및
    -상기 송출 밸브(26, 28, 30) 상에서 상기 조절 체적(CV) 내의 압력(pcv)에 실질적으로 대응하는 압력 신호를 전송하는 제2 수압식 구동 라인(CV1, CV2, CV3)을 포함하는 수압식 펌프(1).
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어 밸브(42)는 상기 송출 포트(DP; 4)에 수압식으로 연결된 유저(U; CR) 내에서 상기 임계압력(pref)의 오버스태핑 시에 상기 입계압력(pref)의 값에 대해 상기 조절 체적(CV) 내의 압력(pcv)을 제한하도록 배열되는 수압식 펌프(1).
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송출 밸브(26, 28, 30)는 상기 송출 포트(4) 상에서의 압력(pCR)에 실질적으로 대응하는 압력 신호를 상기 송출 밸브(26, 28, 30) 상에서 전송하는 제3 수압식 구동 라인(D1, D2, D3)을 포함하고, 상기 제3 수압식 구동 라인(D1, D2, D3)은 상기 송출 밸브(26, 28, 30)를 상기 개방 위치로 보내기 위해 배열되는 수압식 펌프(1).
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 수압식 구동 라인(CV1, CV2, CV3)은 상기 제1(U1, U2, U3) 및 제3(D1, D2, D3) 수압식 구동 라인이 작용하는 각각의 작용 영역의 합과 동일한 작용 영역에 작용하는 수압식 펌프(1).
  8. 제3항에 있어서, 상기 제어 밸브(42)는 상기 송출 포트(4)에 연결된 유저(U; CR) 내에서 압력을 감지하기 위한 센서 수단과 상호작용하도록 배열된 전자 제어 유닛(46)에 의해 제어되는 수압식 펌프(1).
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 송출 밸브(26), 제2 송출 밸브(28) 및 제3 송출 밸브(30)에 각각 작동가능하게 연계된 제1 피스톤(P1), 제2 피스톤(P2), 및 제3 피스톤(P3)을 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 피스톤(P1, P2, P3)은 상기 수압식 펌프(1)의 입력 샤프트를 통하여 왕복운동하는 수압식 펌프(1).
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