KR20130121280A

KR20130121280A - 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기

Info

Publication number: KR20130121280A
Application number: KR20120044326A
Authority: KR
Inventors: 황병찬
Original assignee: 황병찬
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-06
Also published as: DE112013002245T5; KR101424994B1; WO2013162195A1; CN104254683A; JP2015521246A; US20150096536A1

Abstract

본 발명은 가솔린직접분사엔진의 연료레일에서 직선왕복운동이 가능한 피스톤이 복합스프링에 의해 연료내 맥동파를 압축에너지로 변환 저장 및 방출을 반복함으로써, 연료 공급용 프란저 펌프에서 발생한 맥동파를 소멸시켜 연료압력이 일정압력상태로 유지되어 에너지손실이 없는 복합스프링을 이용한 광대역 압력범위를 수용할 수 있은 맥동감쇄기에 관한 것으로, 스프링바디(31)과 나선 결합되며 한 쌍의 실링내부오링(22a)(22b) 사이에 오링스테이서(23)가 상기 피스톤(11) 외륜에 설치되어 내부오링마개(25)에 의해 지지가능하게 내장되어 있는 몸체(21)와 위 스프링바디(31)내에 탄성계수가 낮은 저압코일스프링(51)과 탄성계수가 높은 고압디스크스프링(41)을 일렬로 설치하여 1차 저압코일스프링(51)이 작동하게 되고 위 저압코일스프링(51)의 탄성력보호를 위해 저압스프링커버(52)와 저압스프링패드(53)가 저압스프링스톱퍼(34)에 접촉되어 멈추게 하는 구조로 되어있고, 2차로 고압디스크스프링(41)이 작동하게 된다, 위 고압디스크스프링(41)의 탄성력보호를 위해 피스톤(11)과 연결된 스프링가이드축(12) 일단에 설치된 고압스프링패드(14)가 고압스프링 스톱퍼(33)에 접촉되어 멈추게 되는 구조로 구성된 복합스프링을 이용한 넓은 압력범위를 제어할 수 있은 맥동감쇄기가 제공된다.

Description

복합스프링을 이용한 맥동감쇄기{Pulsation Reducer by Combination Spring}

본 발명은 가솔린직접분사엔진에 적용되는 맥동감쇄기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가솔린직접분사엔진의 연료레일에 부착된 맥동감쇄기 몸체에 직선왕복운동 가능한 피스톤이 복합스프링에 의해 연료 내의 맥동파를 압축에너지로 변환 저장 및 방출을 반복함으로써 연료 공급용 프란저펌프(plunger pump)에서 발생한 맥동파를 소멸시켜 연료 내에 맥동 파가 없이 일정압력상태를 유지시켜서 엔진 펌프손실이 없이 사용을 이루게 하는 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진은 연료탱크에 저장되어 있는 연료를 연료펌프에 의해 고압으로 인젝터에 공급하게 되고, 상기 인젝터에서는 고압으로 압송된 연료를 실린더 내부로 분사하도록 구성된다.

자동차 가솔린 엔진에는 연료 분사방법에 따라 간접분사(MPI: Multi Port Injection)와 가솔린직접분사(GDI: Gasoline Direct Injection)의 2종류가 있다.

여기서 가솔린 직접분사엔진은 연료를 고압 및 미세입자로 만들어 엔진실린더 내에 직접분사시킨 후 점화 플러그로 점화시켜 폭발시킴으로써 연료가 완전 연소되는 효율이 높은 엔진이다. 이와 같이 완전 연소된 엔진배기가스를 대기로 방출함으로써 대기 오염을 방지할 수 있는 엔진이다.

최근에 고압(250bar이상)의 가솔린 직접분사엔진이 개발되어 있다.

상기 가솔린직접분사엔진에는 고압발생기인 프란저펌프(Plunger Pump; 별도구성품)와 연료분사기(Injector; 별도구성품), 연결관(Connect Tube; 별도구성품) 및 연료레일(Fuel Rail; 별도구성품)로 구성되어있다.

상기의 가솔린직접분사엔진은 연료절감을 위해서는 10bar의 낮은 압력에서 운전하고 고출력 운전을 위해서는 250bar이상에서 운전하게 된다, 이와 같이 압력변동 폭이 25배 되는 넓은 범위의 압력에서 운전함으로써 프란저 펌프에 의해 고압이 발생 됨과 동시에 진폭이 큰 맥동 파가 발생하게 된다.

이같이 진폭이 큰 맥동 파가 분사기에 직접 전달되면 순간적으로 연료분사 량이 변하게 되고, 연료분사 량의 변화로 인하여 엔진효율의 감소, 엔진진동 및 엔진 소음 발생 원인이 된다.

위와 같은 이유로 넓은 압력 범위의 맥동파를 감쇄시키기 위해 광대역 맥동감쇄장치가 필요하게 되었다.

종래에는 연료레일에 오리피스(Orifice)을 설치하여 고압의 맥동 파를 감쇄 시키고있다. 그러나, 기존의 오리피스를 이용한 맥동 감쇄장치는 연료 관의 단면적을 급격히 줄여 줌으로써 유량과 압력의 저항이 생기게 하여 맥동 파를 감쇄시키는 방식이다. 기존 오리피스 방식은 유량 및 압력저항을 이용함으로써 펌프 에너지(Energy) 손실이 많은 구조로 되어있다.

또한, 종래에 소개되고 있는 특허출원 제10-2007-0070249호와 같이 단일디스크 스프링을 이용한 맥동감쇄기가 있었으나, 상기 기술은 단일디스크 스프링을 사용하게 됨으로써 가솔린직접분사엔진과 같은 넓은 압력범위의 맥동을 제어하기에는 역량이 부족하게 되는 단점이 있다.

그리고 모든 스프링은 탄성 한계를 넘어가면 소성변형이 발생하여 스프링 복원력과 스프링성능을 상실하게 되는데. 상기 특허기술에서는 소성변형을 방지를 위해 탄성영역 이상 하중에서 동작을 멈추게 하는 스톱장치가 없는 구조로 되어 있기 때문에 스프링의 소성변형에 취약한 구조로 되어있다.

대한민국 공개특허 제10-2007-070247호 대한민국 공개특허 제10-2012-0015213호 대한민국 실용신안등록 제20-0448413호

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 연료내 맥동 파를 압축에너지로 변환 저장 및 방출을 반복하도록 하여, 연료공급용 프란저 펌프에서 발생한 맥동 파를 소멸시켜 연료 내에 맥동 파가 없는 일정 압력상태로 유지시키고 각 부품의 기밀과 이탈을 최소화할 수 있는 구조로 에너지 손실이 없이 유용한 사용을 이루게 하는 복합스프링을 이용한 넓은 압력범위를 제어할 수 있은 맥동감쇄기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 가솔린직접분사엔진의 엔진연료공급용 연료레일에 설치되어 유체의 맥동을 줄여주기 의한 맥동감쇄기에 있어서, 복합스프링을 게재하고 내부에서 왕복 운동 가능한 피스톤에 연결된 스프링가이드축을 설치한 스프링바디와; 상기 스프링바디와 나선 결합되며 한 쌍의 실링내부오링 사이에 오링스테이서가 상기 피스톤 외륜에 설치되어 오링마개를 지지가능하게 하는 몸체와; 상기 몸체의 일측에 삽입되고, 연료레일파이프와 접합된 연결콘넥터와 연결통로를 포함하는 복합스프링을 이용한 넓은 압력 범위에 적용 가능한 맥동감쇄기에 의해 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 연료레일파이프로 들어오는 맥동파의 크기에 비례하여 맥동파를 상쇄시킬 수 있고, 유체의 분산을 이루게 하여 토출되어 나오는 유체의 맥동현상을 최소화할 수 있으므로 유체 공급으로 작동되는 작동부의 동작을 균일화하고, 맥동에 따른 소음을 줄일 수 있어서 운전성을 증대하고, 에너지 손실이 없으므로 연료비가 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 맥동감쇄기의 종단면도,
도 2은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 맥동감쇄기의 종단면도,
도 3는 본 발명의 저 탄성계수 스프링 운동곡선,
도 4는 본 발명의 고 탄성계수 스프링 운동곡선,
도 5는 본 발명의 고, 저 탄성계수 복합 스프링 운동곡선이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 맥동감쇄기를 종단면도로 나타내고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합스프링에 의한 맥동감쇄기(10)는, 직선왕복운동이 가능한 피스톤(11)을 내장하는 몸체(21)와, 상기 몸체(21))와 나선 결합되는 스프링바디(31)와, 상기 몸체(21)와 나선 결합된 연결콘넥터(61)로 구성되어 있다.

상기 연결콘넥터(61)는 가솔린직접분사엔진의 연료공급용 프란자펌프(미도시)와 연결되는 연료레일파이프(71)와 일체로 형성되어 있고, 그 내부에는 연결통로(63)가 형성되어 있으며, 상기 연결콘넥터(61)와 나선결합되는 몸체(21)에는 스프링가이드축(12)과 일체로 형성되어 있는 피스톤(11)이 내장되어 있다.

상기 스프링가이드축(12)은 저압코일스프링(51)과 고압디스크스프링(41)이 일렬로 개재되어 왕복 운동 가능하도록 스프링바디(31)에 배치되어 있다.

상기 스프링가이드축(12)에 일렬로 설치되어 있는 저압코일스프링(51)과 고압디스크스프링(41) 사이에는 저압코일스프링(51)의 탄성력을 보호하는 저압스프링커버(52)가 설치되어 있다.

또한 스프링가이드축(12)의 일단에는 고압디스크스프링(41)의 탄성력 보호를 위한 고압스프링패드(14)가 설치되어 있다.

상기 저압스프링커버(52)는 상, 하단이 직각으로 밴딩되어 있고 수평밴딩부 끝단에는 탄성력보호를 위한 저압스프링패드(53)가 상기 스프링바디(31)의 일측벽면으로 형성되는 저압스프링스톱퍼(34)를 향해 돌출상태 설치되어 있다.

상기 스프링바디(31) 내에는 탄성계수가 낮은 저압코일스프링(51)과 탄성계수가 높은 고압디스크스프링(41)을 일렬로 설치하여 1차로 저압코일스프링(51)이 작동되게 하고, 상기 저압코일스프링(51)의 탄성력보호를 위해 저압스프링커버(52)와 저압스프링패드(53)가 저압스프링스톱퍼(34)에 접촉되어 멈출 수 있도록 되어 있다.

다음으로 2차로 고압디스크스프링(41)이 작동하게 된다.

여기서 상기 고압디스크스프링(41)의 탄성력보호를 위해 피스톤(11)과 연결된 스프링가이드축(12) 일단에 설치된 고압스프링패드(14)가 스프링바디(31) 일측에 돌출 형성된 스톱퍼(33) 내벽에 접촉되어 멈추게 되는 구조로 되어있다,

상기 스톱퍼(33)의 내부에는 피스톤운동공간부(32)가 형성되어 고압 및 저압스프링(41)(51)의 운동으로 피스톤가이드축(12)의 왕복운동이 가능하도록 되어 있다.

상기 스프링바디(31)와 나선 결합하는 몸체(21)에는 한 쌍의 실링내부오링(22a)(22b) 사이에 오링스페이서(23)가 상기 피스톤(11) 외륜에 설치되어 오링마개(25)와 스톱링(28)에 의해 지지가능하게 내장되어 있다,

상기 피스톤가이드축(12)의 선단에는 고압스프링패드(14)가 설치되어 2차 쿠션스프링 역할을 병행하게 된다.

또한 몸체(21)의 일 측면 외연과 접합되는 영역에는 외부오링(24)을 내장하고 있으며, 상기 몸체(21)의 다른 일 측에는 레일파이프내실(72)을 보유하는 연료레일파이프(71)에 접합하는 연결콘넥터(61)와 나선 결합하는 나선부(26)가 마련되어 있고, 상기 연결콘넥터(61)의 내실에는 콘넥터오링(62)이 설치되어 있다

도 2는 본 발명의 다른 실시 예를 나타내는 요부 단면도로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 저압코일스프링(51) 대신 저압디스크스프링(81)을 내장한 구조로 형성할 수 있을 것이다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 맥동감쇄기(10)는 저압코일스프링(51)과 고압디스크스프링(41)을 스프링바디(31)에 내장하고, 스프링바디(31)와 몸체(Body)(21)를 나선결합하고, 스프링바디(31) 내부에는 저압코일스프링(51)과 고압디스크스프링(41)과 같이 왕복운동하는 스프링가이드축(12)을 내장하고, 스프링가이드축(12)과 일체로 형성되는 피스톤(11)을 상기 몸체(21)에 왕복운동 가능하도록 설치하고 있다.

따라서, 가솔린직업분사엔진의 엔진연료공급용 프란자펌프가 압축 공정일 때 발생된 고압 맥동파가 레일파이프내실(72)을 통해 연료통로(63)를 통하여 피스톤(11)에 전달되는 것이다.

이렇게 피스톤(11)에 전달된 맥동파는 피스톤(11)을 동작시키고 피스톤(11)과 일체성 있는 스프링가이드축(12)을 동작시켜서 고압디스크스프링(41)과 저압코일스프링(51)에 전달되고 고압디스크스프링(41)과 저압코일스프링(51)이 수축되어 고압디스크스프링(41) 또는 저압코일스프링(51)중 어느 하나이거나 모두에 압축에너지(Energy)로 변환 저장된다.

또한 고압디스크스프링(41) 또는 저압코일스프링(51)중 어느 하나이거나 모두에 저장된 맥동파인 압축에너지는 엔진연료공급용 프란자펌프가 흡입 공정일 때 고압디스크스프링(41) 또는 저압코일스프링(51)이 팽창하면서 고압디스크스프링(41) 또는 저압코일스프링(51)에 저장되었던 압축에너지를 다시 연료에 고압으로 방출시켜준다.

이와 같이 고압디스크스프링(41) 또는 저압코일스프링(51)이 연료 내 맥동파를 압축에너지로 변환 저장 및 방출을 반복함으로써 연료 공급용 프란저 펌프에서 발생한 맥동파를 소멸시켜 연료 내에 맥동파가 없는 일정압력상태로 유지시켜주므로 에너지 손실이 없는 맥동감쇄기를 구현할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 실링용내부오링(Sealing Inner O-Ring)(22a)(22b)를 몸체(21)의 내부에 삽입하여 기밀을 유지시켜주고, 오링 간격 유지용 내부 오링스페이서(Inner O-Ring Spacer)(23)를 설치하고, 내부오링마개(Inner O-Ring Stopper) (25)를 설치하여 실링용내부오링(22a)(22b)의 이탈을 방지하였다

또한 고압디스크스프링(41)에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 2차 큐숀용 고압스프링패드(14)을 스프링가이드축(12) 일측에 설치하고, 저압코일스프링(51)에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 2차 큐션용 저압스프링패드(53)를 고압디스크스프링(41)과 저압코일스프링(51) 사이에 설치된 저압스프링카바(52)의 밴딩된 상하에 돌출되게 설치하고 있다. 또한 연료의 2차 누유를 방지하기 위해 외부오링(Outer O-Ring)(24)을 설치하였다.

그리고 본 발명은 몸체(21)와 연결콘넥터(61)는 연결나사(Joint Thread)로 체결하고, 연결콘넥터(61)를 연료레일파이프(71)에 부착시킴으로써 맥동 감쇄기(10)가 연료레일파이프(71)에 안정되고 양호한 작동 가능한 상태로 부착될 수 있는 것이다.

따라서 본 발명을 통하여 에너지 손실이 없는 맥동감쇄기(10)를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에서는 도 2에서와 같이 저압코일스프링(51)을 저압디스크스프링(81)로 대체하여 줌으로써 압축에너지(Energy)로 변환 저장 한 후 고압디스크스프링(41) 또는 저압디스크스프링(81)이 팽창하면서 고압디스크스프링(41) 또는 저압코디스크스프링(51)에 저장되었던 압축에너지를 다시 연료에 고압으로 방출시켜주게 되는 것이다.

따라서 도 1과 같이 저탄성스프링에 걸리는힘(F1)은 저단성스프링변위(K1)와 비례적으로 작용하는 저압스프링스톱위치(P1)를 확인할 수 있고, 도 2와 같이 고탄성계수스프링에 걸리는 힘(F2)은 고탄성계수스프링변위(K2)에 따라 고압스프링스톱위치(P2)를 확인할 수 있으며, 도 3에서와 같이, 복합스프링에 걸리는힘(K3)은 복합스프링변위(K3)에 따라 복합스프링스톱위치(P3)를 확인할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10; 복합스프링맥동감쇄기 11; 피스톤
12; 스프링가이드축 14: 고압 스프링 패드
21; 몸체 22a 22b; 실링내부오링
23; 오링스페이서 24; 외부 오링
25; 오링마개 26; 나선부(연결나사)
28: 스톱링 31; 스프링 바디
32; 피스톤운동공간부 33; 고압스프링스톱퍼
34; 저압스프링스톱퍼 41; 고압디스크스프링
51; 저압 코일 스프링 52; 저압스프링커버
53; 저압 스프링 패드 61; 연결콘넥터
62; 콘넥터 오링 63; 연결통로
71; 연료 레일 파이프 72; 레일파이프내실
81; 저압디스크스프링 F1; 저탄성스프링에걸리는힘
F2; 고탄성계수스프링에걸리는힘 F3; 복합스프링에걸리는힘
K1; 저단성스프링변위 K2; 고단성계수스프링변위
K3; 복합스프링 변위 P1; 저압스프링스톱위치
P2; 고압스프링스톱위치 P3; 복합 스프링 스톱위치

Claims

가솔린직접분사엔진의 연료공급용 펌프와 연결되는 연료레일파이프(71)에 연결콘넥터(61)를 형성하여 내부에 연결통로(63)를 마련하고, 상기 연결콘넥터(61)에 나선결합하는 몸체(21)가 완충수단을 내장한 스프링바디(31)와 결합되어 연료의 맥동을 줄여주기 위한 맥동감쇄기(10)에 있어서,
상기 스프링바디(31)의 내부에 왕북 운동가능하게 배치되는 스프링가이드축(12)에 함께 개재하는 저압코일스프링(51) 및 고압스프링(41)과;
상기 저압코일스프링(51)과 고압스프링(41)이 일렬로 설치되고 그 사이에 배치되어 저압코일스프링(51)의 탄성력을 보호하는 저압스프링커버(52)와;
상기 스프링가이드축(12)과 피스톤(11)이 일체로 연결되고 상기 스프링가이드축(12)의 일단에 설치되어 고압디스크스프링(41)의 탄성력 보호를 위한 고압스프링패드(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기.
제 1항에 있어서,
상기 스프링바디(31) 내에 탄성계수가 낮은 저압코일스프링(51)과 탄성계수가 높은 고압디스크스프링(41)을 일렬로 설치하여 1차로 저압코일스프링(51)이 작동하고 상기 저압코일스프링(51)의 탄성력보호를 위해 저압스프링커버(52)와 저압스프링패드(53)가 저압스프링스톱퍼(34)에 접촉되어 멈춤이 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기.
제 1항에 있어서,
상기 스프링바디(31) 내에 탄성계수가 낮은 저압코일스프링(51)과 탄성계수가 높은 고압디스크스프링(41)을 일렬로 설치하여 1차로 저압코일스프링(51)이 작동하고, 2차로 고압디스크스프링(41)이 작동하게 되고, 상기 고압디스크스프링(41)의 탄성력보호를 위해 피스톤(11)과 연결된 스프링가이드축(12) 일단에 설치된 고압스프링패드(14)가 고압스프링 스톱퍼(33)에 접촉되어 멈춤이 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기.
제 1항에 있어서,
상기 몸체(21)는 상기 스프링바디(31)와 나선 결합되고 한 쌍의 실링내부오링(22a)(22b) 사이에 오링스테이서(23)가 상기 피스톤(11) 외륜에 설치되어 내부오링마개(25)에 의해 지지가능하게 내장된 것을 특징으로 하는 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기.
제 1항에 있어서,
저압코일스프링(51) 대신 저압디스크스프링(81)을 내장한 구조로된 복합스프링을 이용한 맥동감쇄기.