KR20170014831A - 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프 - Google Patents

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이준혁
이연홍
김동섭
허재혁
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Abstract

직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프에 관한 것으로, 바디의 상부에 댐퍼부의 댐퍼커버 상부에 미리 설정된 부피 및 질량을 갖는 저감부재를 설치해서 고압연료펌프 구동 시 상기 댐퍼부 내부에서 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 구성을 마련하여, 고압연료펌프 구동시 발생하는 소음 및 진동이 분사면적이 가장 넓은 댐퍼커버의 상단부 중심축을 기준으로 미리 설정된 부피 및 질량의 특성을 갖는 저감부재를 추가해서 댐퍼커버 전체의 높이 및 폭을 변화시켜 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프{HIGH PRESURE FUEL PUMP FOR DIRECT INJECTION TYPE GASOLINE ENGINE}
본 발명은 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가솔린 엔진이 공기를 흡입하여 압축한 후 가솔린 연료를 실린더 내부에 직접 분사하도록 고압으로 압축해서 인젝터에 공급하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프에 관한 것이다.
가솔린 엔진의 연비 및 성능을 개선하기 위하여 직접분사식 엔진(Gasoline Direct Injection type engine) 기술이 개발되고 있다.
통상의 가솔린 엔진은 공기/연료 혼합기(air/fuel mixture)의 흡입/압축/점화/폭발/배기 과정에 의해 동력을 발생하는데 반해, 직접분사식 가솔린 엔진은 공기만을 흡입하여 압축한 후 연료를 분사한다.
이러한 방식은 디젤 기관의 압축 착화 방식과 유사하다.
따라서 직접분사식 가솔린 엔진은 통상적인 가솔린 엔진의 압축비(compression ratio)의 한계를 넘는 높은 압축비를 구현할 수 있어 연비를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
이러한 직접분사식 가솔린 엔진에서는 연료압력이 매우 중요한 요소가 되며, 이를 위하여 고성능의 고압연료펌프를 필요로 한다.
예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프를 개시해서 출원하여 등록받은 바 있다.
한편, 종래기술에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는 엔진 캠축에 장착되어 캠의 회전력에 의해 펌프 축이 회전하고, 그 회전력에 의해 펌프의 피스톤이 운동하여 압력을 형성해서 가솔린 연료를 인젝터로 공급하도록 구성된다.
이를 위해, 종래기술에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프에는 입구측 체크밸브의 개폐동작을 제어하여 고압연료펌프의 토출 유량을 제어하는 유량제어밸브가 마련된다.
그러나 유량제어밸브를 동작시키는 액추에이터는 고압연료펌프 구동시 입구측 체크밸브에 마련된 스토퍼와의 충돌시 충격에 의한 진동 및 소음을 발생시킨다.
특히, 액추에이터는 엔진이 상대적으로 조용한 저속 구간에서 입구측 체크밸브가 동작하면서 고주파소음을 발생시킴에 따라, 종래기술에 따른 고압연료펌프는 운전자에게 소음으로 인한 불만족감을 증대시키는 원인이 되었다.
또한, 종래기술에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는 유량제어밸브의 액추에이터에 마련되는 스프링 장착부가 개방형으로 형성되어 고압연료펌프의 바디 외측에 결합됨에 따라, 동작시 발생하는 소음을 고압연료펌프의 외측으로 방출하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 출원인은 특허문헌 3에 액추에이터 동작시 발생하는 소음 및 진동을 최소화하는 유량제어밸브 기술을 개시해서 출원하여 등록받은 바 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1171995호(2012년 8월 8일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1182130호(2012년 9월 12일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1361612호(2014년 2월 13일 공고)
그러나 고압연료펌프에서 유체의 맥동을 저감하는 댐퍼부 내부에서도 진동 및 소음이 발생한다.
즉, 특허문헌 3은 유량제어밸브 구동시 발생하는 소음 및 진동만을 저감하는 반면, 댐퍼부 내부의 연료 맥동에 의한 소음 및 진동을 제거할 수 없는 문제점 있었다.
이에 따라, 댐퍼부 내부에서 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고압연료펌프 동작시 연료의 맥동에 의해 댐퍼부 내부에서 발생하는 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동이 댐퍼 커버의 상단부에 분사되는 구조를 개선하여 소음 및 진동을 저감하고, 내구성을 증가시킬 수 있는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는 바디의 상부에 댐퍼부의 댐퍼커버 상부에 미리 설정된 부피 및 질량을 갖는 저감부재를 설치해서 고압연료펌프 구동 시 상기 댐퍼부 내부에서 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 것을 특징으로 한다.
상기 저감부재는 원판 형상으로 형성되고, 상기 댐퍼커버의 중심축 상단부에 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 저감부재는 상기 댐퍼커버의 중심축 상단부에 상기 댐퍼커버와 일체로 성형되는 것을 특징으로 한다.
상기 댐퍼커버의 상면에는 하방으로 오목하게 요입부가 형성되고, 상기 저감부재는 상기 요입부의 형상에 대응되는 형상으로 형성되며, 상기 요입부에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
상기 저감부재는 차량 및 엔진의 사양에 따라 상기 댐퍼커버에 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프에 의하면, 고압연료펌프 구동시 발생하는 소음 및 진동이 분사면적이 가장 넓은 댐퍼커버의 상단부 중심축을 기준으로 미리 설정된 부피 및 질량의 특성을 갖는 저감부재를 추가해서 댐퍼커버 전체의 높이 및 폭을 변화시켜 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 고압연료펌프 동작시 발생하는 소음 및 진동을 최소화하여 제품 내구성을 증대시키고, 고압연료펌프가 장착된 차량 주행시 소음 및 진동으로 인한 운전자의 거부감을 제거해서 제품에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 고압연료펌프의 단면도,
도 3은 저감부재의 확대 사시도,
도 4 내지 도 6은 저감부재의 변형 예를 예시한 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프의 소음 및 진동 측정 실험 결과를 예시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 예에서 설명하는 고압연료펌프는 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 하나의 펌프 피스톤을 갖는 싱글 피스톤(single-piston) 타입의 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프임에 유의하여야 한다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 고압연료펌프의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는 도 1에 도시된 바와 같이, 측면에 입구측 및 토출측 개공(11,12)이 형성되고 상부에 댐퍼부(30)가 장착되는 댐퍼결합부(13)가 형성된 바디(10), 바디(10)의 하부에 결합되고 내부에 연료의 흡입력을 발생하는 흡입수단(21)이 구비되는 브래킷(20), 바디(10)의 댐퍼결합부(13)에 결합되며 흡입된 연료의 맥동을 감소시키는 댐퍼부(30), 입구측 개공(11)에 결합되며 연료의 공급 유량 및 토출 압력을 제어하도록 입구측 체크밸브(50)를 개폐 동작시키는 유량제어밸브(40) 및 토출측 개공(12)에 결합되는 토출측 체크밸브(60)를 포함한다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는 미리 설정된 질량 및 부피로 제조되고 댐퍼부(30)의 상단에 설치되어 댐퍼부(30) 내부에서 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 저감부재(70)를 더 포함할 수 있다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프는 바디(10)와 엔진 캠축(도면 미도시)의 캠 사이에 흡입수단(21)과 일체가 되도록 결합되고 캠의 회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여 흡입수단(21)으로 전달하는 롤러태핏부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다.
댐퍼부(30)는 바디(10)의 댐퍼결합부(13)에 결합되고 일측에 형성되는 유입구(14)를 통해 공급되는 연료의 맥동을 감소시키는 기능을 한다.
이를 위해, 댐퍼부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 댐퍼결합부(13)의 상부에 결합되도록 하부가 개구된 원통 형상으로 형성되는 댐퍼커버(31), 댐퍼결합부(13)의 내측에 삽입되도록 원형의 링 형상으로 형성되는 하부가이드(32), 하부가이드(32)의 내부에 안착되는 댐퍼(33) 및 링 형상으로 형성되고 댐퍼(33)의 상부에 위치하는 상부가이드(34)를 포함할 수 있다.
댐퍼커버(31)의 일측에는 유입공(14)이 형성되고, 유입공(14)에는 연료공급라인(도면 미도시)이 연결되는 유입포트가 설치될 수 있다.
댐퍼(33)의 외면에는 다수의 골(35)이 형성되고, 댐퍼(35)의 외주연에는 하부 및 상부 가이드(32, 4)에 의해 고정되는 환형의 날개가 형성될 수 있다.
이에 따라, 고압연료펌프로 공급되는 연료는 댐퍼부(30)에서 맥동이 감소된 후, 배출통로(36)를 통해 유량제어밸브(40) 및 입구측 체크밸브(50)를 향해 이동된다.
유량제어밸브(40)는 솔레노이드(41)의 작동에 의해 입구측 체크밸브(50)의 개폐 동작을 제어해서 댐퍼부(30)를 경유하여 유량제어밸브(40)로 이송된 연료를 입구측 체크밸브(50)를 거쳐 토출측 체크밸브(60)로 이송하는 기능을 한다.
따라서, 유량제어밸브(40)는 솔레노이드의 동작에 의해 입구측 체크밸브(50)의 개폐동작을 제어함으로써, 고압연료펌프의 바디(10)로 공급되는 연료의 공급 유량 및 토출 압력을 조절할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 도 1 및 도 2에 도시된 구성을 중심으로 고압연료펌프의 구성을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고압연료펌프 내부에 마련되는 각 장치의 구성은 적용되는 차종이나 엔진의 사양 등에 따라 다양하게 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.
다음, 도 1 내지 도 3을 참조하여 저감부재의 구성을 상세하게 설명한다.
도 3은 저감부재의 확대 사시도이다.
저감부재(70)는 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 직경을 갖는 대략 원판 형상으로 형성될 수 있다.
저감부재(70)는 소음 및 진동 측정 시험 결과에 따라 미리 설정된 부피(높이 및 직경)과 질량을 갖도록 제조될 수 있다.
실제 제품에 적용한 상태에서의 소음 및 진동 측정 실험 결과, 저감부재(70)는 약 10 내지 15mm의 직경, 약 5 내지 10mm의 높이, 약 15 내지 50g의 질량을 갖도록 제조될 수 있다.
이러한 저감부재(70)는 댐퍼커버(31)의 상단에 브레이딩이나 용접 방식으로 접합될 수 있다.
물론, 저감부재(70)는 댐퍼커버(31) 제조 시 댐퍼커버(31)와 일체로 성형될 수도 있다.
한편, 도 4 내지 도 6은 저감부재의 변형 예를 예시한 도면이다.
고압연료펌프는 장착되는 차량이나 엔진의 사양에 따라, 구조 및 규격 등이 다양하게 변경됨에 따라, 저감부재(70)의 형상이나 부피, 질량은 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 댐퍼커버(31) 내부에 마련된 댐퍼(33)의 상하 진동폭을 제한해서 연료의 맥동에 의한 댐퍼(33)의 유동을 방지하기 위해, 댐퍼커버(31)의 상면 중앙부에 하방으로 오목하게 요입부(37)가 마련될 형성될 수 있다.
이에 따라, 저감부재(71)의 하부는 도 4에 도시된 바와 같이, 댐퍼커버(31)에 형성된 요입부(37)의 형상에 대응되는 형상으로 형성되도록 변경될 수 있다.
즉, 저감부재(71) 전체 또는 하부는 하단으로 갈수록 직경이 감소하도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.
그리고 저감부재(72)는 도 5에 도시된 바와 같이, 요입부(37)에 삽입되어 댐퍼커버(37)의 상면과 동일 평면상에 상면이 배치되거나, 댐퍼커버(31)의 상면보다 낮은 위치에 상면이 형성될 수 있다.
또한, 저감부재(70)는 도 6에 도시된 바와 같이, 차량이나 엔진 및 고압펌프의 사양에 따라 동일한 부피 및 질량을 갖는 복수 개가 설치될 수 있다.
다음, 도 7 및 도 8과 표 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프의 동작방법과 소음 및 진동 저감 방법을 상세하게 설명한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프의 소음 및 진동 측정 실험 결과를 예시한 도면이다.
도 7의 (a) 내지 (c)에는 댐퍼부에 저감부재를 미설치, 1개 설치, 2개 설치한 상태에서의 소음 측정 실험 결과가 예시되어 있다.
도 8의 (a) 내지 (i)에는 댐퍼부에 저감부재를 미설치, 1개 설치, 2개 설치한 상태에서 X축, Y축, Z축 방향에 대한 진동 측정 실험 결과가 예시되어 있다.
여기서, 고압연료펌프의 소음 측정 실험은 엔진이 약 750rpm으로 구동된 아이들 상태에서 연료를 약 40bar의 압력으로 연료를 가압해서 인젝터로 공급하도록 고압연료펌프를 구동시킨 상태에서 수행하였다.
그리고 고압연료펌프의 진동 측정 실험은 3방향 진동을 감지할 수 있는 진동감지센서를 고압연료펌프의 출력포트 측에 설치해서 상기한 소음 측정 실험과 동일한 환경에서 X축, Y축, Z축 방향의 진동을 측정하였다.
여기서, X축은 진동감지센서가 설치된 출력포트와 유량제어밸브를 지나는 연장선 방향이고, Y축은 상기 연장선과 동일 평면상에서 직교하는 방향이며, Z축은 상기 X축과 수직 방향으로 직교하는 방향을 말한다.
그리고 소음 및 진동 측정 실험에서는 약 12mm의 직경, 약 7mm의 높이 및 약 21g의 질량을 갖는 저감부재를 각각 1개와 2개를 설치하였다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 소음 측정 실험 결과, 저감부재를 미설치한 경우에는 약 5 내지 20㎑ 사이의 고주파 대역에서 소음 발생으로 인한 녹색 영역이 표시됨에 따라, 소음 발생을 확인할 수 있었다.
반면, 고압연료펌프의 댐퍼커버 상단에 각각 1개와 2개의 저감부재를 설치하는 경우, 도 7의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이, 동일 주파수 대역에서 녹색 영역이 점차적으로 감소함에 따라, 소음이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 도 8의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 진동 측정 실험 결과, 저감부재를 미설치한 경우에는 약 1.1 내지 7㎑의 주파수 대역에서 진동 발생으로 인한 녹색과 황색, 적색 영역이 표시됨에 따라, 진동 발생을 확인할 수 있었다.
반면, 고압연료펌프의 댐퍼커버 상단에 각각 1개, 2개의 저감부재를 설치하는 경우, 도 8의 (d) 내지 (f)와 (g) 내지 (i)에 도시된 바와 같이, 동일 주파수 대역에서 녹색과 황색 및 적색으로 도시된 부분이 감소함에 따라, 진동이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고압연료펌프 구동시 발생하는 소음 및 진동이 분사면적이 가장 넓은 댐퍼커버의 상단부 중심축을 기준으로 미리 설정된 부피 및 질량의 특성을 갖는 저감부재를 추가해서 댐퍼커버 전체의 높이 및 폭을 변화시켜 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 고압연료펌프 구동시 발생하는 소음 및 진동이 분사면적이 가장 넓은 댐퍼커버의 상단부 중심축을 기준으로 미리 설정된 부피 및 질량의 특성을 갖는 저감부재를 추가해서 댐퍼커버 전체의 높이 및 폭을 변화시켜 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프 기술에 적용된다.
10: 바디 11: 입구측 개공
12: 토출측 개공 13: 댐퍼결합부
14: 유입공 20: 브래킷
21: 흡입수단 30: 댐퍼부
31: 댐퍼커버 32: 하부가이드
33: 댐퍼 34: 상부가이드
35: 골 36: 배출통로
37: 요입부 40: 유량제어밸브
41: 솔레노이드 50: 입구측 체크밸브
60: 토출측 체크밸브 70 내지 72: 저감부재

Claims (5)

  1. 바디의 상부에 댐퍼부의 댐퍼커버 상부에 미리 설정된 부피 및 질량을 갖는 저감부재를 설치해서 고압연료펌프 구동 시 상기 댐퍼부 내부에서 연료의 맥동에 의해 발생하는 소음 및 진동을 저감하는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저감부재는 원판 형상으로 형성되고,
    상기 댐퍼커버의 중심축 상단부에 접합되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저감부재는 상기 댐퍼커버의 중심축 상단부에 상기 댐퍼커버와 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 댐퍼커버의 상면에는 하방으로 오목하게 요입부가 형성되고,
    상기 저감부재는 상기 요입부의 형상에 대응되는 형상으로 형성되며, 상기 요입부에 삽입되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저감부재는 차량 및 엔진의 사양에 따라 상기 댐퍼커버에 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린 엔진용 고압연료펌프.
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