KR20170108709A

KR20170108709A - 연료분사펌프의 플런저

Info

Publication number: KR20170108709A
Application number: KR1020160033028A
Authority: KR
Inventors: 홍성호; 주승환
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-09-27
Also published as: KR102142174B1

Abstract

본 발명은 선박 엔진에 장착되는 연료분사펌프에 관한 것으로서, 특히 연료분사펌프의 고압화와 고속화가 요구됨에 따른 고착 및 마모를 방지할 수 있는 플런저를 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료 압축하여 분사하는 연료분사펌프의 내부에서 왕복 운동하며 헬릭스 라인이 형성된 헤드부와 상기 헤드부의 아래로 연장된 스템부와 상기 스템부의 아래로 연장되어 태핏에 연결되는 연장부를 구비한 플런저로서, 스템부의 상단에는 테이퍼가 형성되고 테이퍼의 아래에는 테이퍼의 하단과 간격을 두고 스템부의 원주를 따라 그루브가 형성된 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

연료분사펌프의 플런저{Plunger of Fuel Injection Pump}

본 발명은 선박 엔진에 장착되는 연료분사펌프에 관한 것으로서, 특히 연료분사펌프의 고압화와 고속화가 요구됨에 따른 고착 및 마모를 방지할 수 있는 플런저를 구성한 것이다.

선박의 엔진에는 연료를 공급하기 위해 연료분사펌프가 장착된다.

도면에서, 도 1은 통상적인 연료분사펌프의 개념도이다.

연료분사펌프는 연료를 압축하여 압축된 연료를 인젝터로 공급하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이 연료분사펌프(10)의 내부에는 왕복운동하는 플런저(20)와 상기 플런저(20)를 감싸는 배럴(30)을 포함하고 있다.

플런저가 왕복운동하면서 연료를 압축하는 과정에 있어서 배럴의 중심축과 플런저의 중심축이 동축을 이루지 못하고 편심된 상태로 플런저가 왕복 운동할 경우 플런저 및 배럴에 마모가 발생하게 되고, 또한 플런저와 배럴 사이에 마모입자 또는 불순물이 개재될 경우 마모는 더욱 가속되고, 불순물에 의한 고착현상이 발생하게 된다.

특히, 최근 선박의 연료분사펌프는 고압화와 고속화 추세에 있으며, 이와 같은 추세에 따라 플런저 및 배럴의 마모 또는 고착현상을 더욱 큰 문제점으로 대두되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0054583호(2013년05월27일)

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 플런저의 기구적 특성을 개선하여 윤활특성을 향상시킬 수 있게 구성한 연료분사펌프의 플런저를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료 압축하여 분사하는 연료분사펌프의 내부에서 왕복 운동하며 헬릭스 라인이 형성된 헤드부와 상기 헤드부의 아래로 연장된 스템부와 상기 스템부의 아래로 연장되어 태핏에 연결되는 연장부를 구비한 플런저로서, 스템부의 상단에는 테이퍼가 형성되고 테이퍼의 아래에는 테이퍼의 하단과 간격을 두고 스템부의 원주를 따라 그루브가 형성된 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 테이퍼의 길이(T1)는 플런저의 직경(D1) 대비 35% ~ 55%이며, 테이퍼의 상단 직경(D2)은 플런저의 직경(D1) 대비 96.0% ~ 98.0%이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 테이퍼(T)의 하단에서 그루브(G)까지의 거리(L1)는 플런저(20)의 직경(D1) 대비 8~12%이며, 그루브(G)의 폭(L2)과 그루브(G)의 깊이(H2)는 플런저(20)의 직경(D1) 대비 4%~10%이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 그루브는 2개 내지 6개로서 스템부의 길이방향으로 그루브 사이에 간격을 두고 형성되며, 그루브와 그루브 사이의 간격(L3)은 그루브(G)의 폭(L2)에 대해 2배 ~ 5배이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 그루브는 4개이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료분사펌프의 플런저는 플런저의 스템부의 상단에 테이퍼를 형성함으로써, 플런저의 편심에 의해 배럴과 플런저의 사이가 더 가까워진 쪽의 압력이 커지는 쐐기효과(Wedge Effect)에 의해 플런저의 중심축과 배럴의 중심축이 동심을 이루도록 작용하여 윤활특성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료분사펌프의 플런저는 플런저의 스템 상단부에 원주방향으로 복수의 그루브를 형성하여 배럴과 플런저 사이의 압력을 균일화함과 더불어 마모입자들이 그루브 내에 위치하게 됨으로써, 플런저와 배럴의 마모 등을 방지하는 장점이 있다.

도 1은 통상적인 연료분사펌프의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플런저를 나타낸 측면도이고,
도 3은 도 2에 도시된 그루브와 테이퍼의 치수를 나타낸 상세도이며,
도 4는 플런저의 편심에 따른 스퀴즈(squeeze) 효과를 나타낸 개념도이고,
도 5는 본 발명에 따른 플런저와 종래 기술에 따른 플런저의 점도에 대한 유막계수를 수치해석한 그래프이다.

아래에서는 본 발명에 따른 연료분사펌프의 플런저의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 1은 통상적인 연료분사펌프의 개념도이다. 그리고 도 2는 본 발명에 따른 플런저를 나타낸 측면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 그루브와 테이퍼의 치수를 나타낸 상세도이며, 도 4는 플런저의 편심에 따른 스퀴즈 효과를 나타낸 개념도이고, 도 5는 본 발명에 따른 플런저와 종래 기술에 따른 플런저의 점도에 대한 유막계수를 수치해석한 그래프이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 플런저(20)는 배럴(30)에 형성된 스틸포트(31)와 대응하여 헬릭스 라인(Helix Line)이 형성된 헤드(head)부(20H)와, 헤드부(20H)의 아래에 위치하는 스템(stem)부(20S)와, 태핏(33)으로 연장된 연장부(20L)를 포함한다.

본 발명에 따른 플런저(20)는 스템부(20S)의 상단에 테이퍼(T)가 형성되고, 테이퍼(T)의 아래에 원주방향으로 형성된 복수의 그루브(G)가 스템부(20S)의 길이방향으로 간격을 두고 형성된다.

스템부(20S)의 상단에 형성된 테이퍼(T)에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 테이퍼의 길이(T1)는 플런저의 직경(D1) 대비 35% ~ 55%이며, 테이퍼의 상단 직경(D2)은 플런저의 직경(D1) 대비 96.0% ~ 98.0%이다.

여기에서 테이퍼(T)의 길이(T1)가 플런저(20)의 직경(D1) 대비 35%미만일 경우 테이퍼의 길이가 짧아 아래에서 설명하는 쐐기효과(Wedge Effect)가 현저하게 떨어지며, 55%를 초과할 경우 테이퍼의 기울기가 작아 이 또한 쐐기효과(Wedge Effect)가 현저하게 떨어지는 문제점이 있다.

또한 테이퍼(T)의 상단 직경(D2)이 플런저의 직경(D1) 대비 96.0%미만이거나 98.0%를 초과할 경우 쐐기효과가 현저하게 떨어진다. 반면에 테이퍼(T)의 상단 직경(D2)은 플런저의 직경(D1) 대비 97%일 때에 테이퍼(T)에 따른 쐐기효과가 최적의 상태가 된다.

여기에서 쐐기효과란, 플런저(20)의 테이퍼(T)에 의해 배럴(30)과의 사이 간격이 점차 좁아지면서 발생하는 유막 내 발생 압력에 의해 편심된 플런저(20)의 중심축이 배럴(30)의 중심축과 일치하도록 압력이 작용하는 현상으로서, 자기중심조정의 기능을 갖는다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 테이퍼(T)의 아래에는 그루브(G)가 형성된다. 그루브(G)는 배럴 내에서 플런저(20)가 편심되어 헤드부(20H)가 배럴(30) 쪽으로 치우쳤을 때에 플런저(20)와 배럴(30) 사이에 스퀴즈 효과(Squeeze Effect)가 발생하여 치우치는 쪽의 압력이 급상승하게 된다(도 4의 (a)). 스템부(20S)의 상단에 형성된 그루브(G)는 플런저(20)의 원주방향으로 형성됨에 따라 어느 한 쪽에 편중된 압력을 그루브(G)를 통해 압력 분포를 완화시키는 효과를 갖는다.

하지만, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 테이퍼를 형성하지 않은 플런저에 있어서, 그루브(G)를 스템부(20S)의 상단에 형성할 경우 유막 내 발생 압력이 작아지면서 오히려 윤활특성이 나빠지는 단점이 있다.

따라서 본 발명에 따른 플런저(20)는 스템부(20S)의 상단에 테이퍼(T)가 형성되고, 테이퍼(T)의 아래에 그루브(G)를 형성한 구조로서, 그루브(G)의 설계변수는 아래와 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 스템부(20S)의 상단에 형성된 테이퍼(T)의 하단에서 첫 번째 그루브(G1)까지의 거리를 'L1'이라 하고, 그루브(G)의 폭을 'L2'라 하며, 그루브(G)와 그루브(G)의 사이 간격을 'L3'이라 하며, 그루브(G)의 깊이를 'H2'라 한다. 그리고 그루브(G)의 개수를 'N'으로 나타낸다.

플런저(20)의 원주방향으로 형성되며 그루브(G)의 개수는 1개에서 6개까지 설정 가능하며, 6개 이상일 경우 그루브(G)에 의한 압력 불균형의 완화 효과 측면에서 차이가 발생하지 않는다.

또한 테이퍼(T)의 하단에서 첫 번째 그루브(G1)까지의 거리인 L1은 플런저(20)의 직경(D1) 대비 8~12%에 해당하는 거리로서, 테이퍼(T)의 하단에서 L1의 거리에 첫 번째 그루브(G1)가 형성되며, 그루브(G)의 폭(L2)과 깊이(H2)는 플런저(20)의 직경(D1) 대비 4%~10%에 해당한다.

여기에서 L1의 거리가 플런저(20)의 직경 대비 8%미만일 경우 테이퍼(T)와 그루브(G)의 간격이 좁아 그루브(G)에 의해 발생하는 압력 균일화 효과와 테이퍼(T)의 쐐기효과에 의한 자기중심조정의 효과가 떨어지며, 12%를 초과할 경우 압력 균일화와 자기중심조정의 효과가 상호 작용으로 발생하지 않게 되는 문제점이 있다.

또한 그루브(G)의 폭(L2)과 깊이(H2)는 플런저(20)의 직경(D1) 대비 4%미만일 경우 유체의 유동량이 작아 압력 균일화 효과가 떨어지며, 10%를 초과할 경우 유체의 유동량이 많아져 오히려 압력 불균형을 발생하게 된다.

그리고 복수의 그루브(G)가 형성될 경우, 그루브(G)와 그루브(G) 사이의 간격(L3)은 그루브(G)의 폭(L2)에 대해 2배 ~ 5배의 간격을 유지한다. 그루브(G) 사이의 간격(L3)이 폭에 대해 2배미만일 경우 앞서 설명한 바와 같이 유체의 유동량이 많아져 압력 불균형을 발생시키며, 5배를 초과할 경우 유체의 유동량이 작아져 균일화 효과가 떨어지는 문제점이 발생한다.

이와 같이 구성된 그루브(G)는 1개에서 6개까지 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 앞서 설명한 그루브(G)의 설계변수를 적용할 경우 가장 바람직한 그루브(G)의 개수는 4개이다.

이와 같이 플런저(20)의 스템부(20S) 상단에 테이퍼(T)를 형성하고 테이퍼(T)의 아래에 그루브(G)를 형성함으로써, 테이퍼 구조에 따른 쐐기효과에 의한 플런저(20)의 자기중심조정 기능과 그루브 구조에 의한 압력 균일화 기능을 구현함으로써, 플런저(20)의 편심을 방지하여 마모를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 그루브(G) 안에 마모입자 또는 불순물을 가두어 세물체연삭마모(three body abrasive wear)를 방지할 수 있다.

도 5는 기존 플런저(Present), 그루브만 형성된 플런저(Groove), 테이퍼만 형성된 플런저(Taper) 및 본 발명에 따른 그루브와 테이퍼가 형성된 플런저(Groove + Taper)를 통해 유체 점도에 따른 유막계수를 수치해석한 결과를 나타낸 그래프이다.

여기에서, 유막계수(film parameter)는 최소유막두께와 조도와의 관계를 나타내는 무차원 수로 그 값이 상대적으로 크면 윤활특성이 양호하다는 것을 의미한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 유체 점도에 따라 기존 플런저(Present), 그루브만 형성된 플런저(Groove), 테이퍼만 형성된 플런저(Taper) 그리고 테이퍼와 그루브가 형성된 플런저(Groove + Taper) 순으로 유막계수가 증가함을 확인할 수 있다.

이와 같이 유막계수가 증가됨에 따라 연료분사펌프(10)의 윤활특성을 향상되며, 또한 테이퍼(T)의 쐐기효과에 의한 자기중심조정 기능 그리고 그루브에 의해 압력을 균일하게 유지할 수 있으므로, 기존에 발생하였던 부적합한 간극에 따른 마모, 이물질 유입에 따른 필터의 손상, 진동을 예방할 수 있으며, 연료분사펌프의 고압화, 고속화에 적합한 설계가 가능하다.

10 : 연료분사펌프
20 : 플런저
20S : 스템부
30 : 배럴
T : 테이퍼
G1, G : 그루브

Claims

연료 압축하여 분사하는 연료분사펌프(10)의 내부에서 왕복 운동하며 헬릭스 라인이 형성된 헤드부(20H)와 상기 헤드부의 아래로 연장된 스템부(20S)와 상기 스템부의 아래로 연장되어 태핏(33)에 연결되는 연장부(20L)를 구비한 플런저로서,
스템부(20S)의 상단에는 테이퍼(T)가 형성되고 테이퍼(T)의 아래에는 테이퍼의 하단과 간격을 두고 스템부(20S)의 원주를 따라 그루브(G1, G)가 형성된 것을 특징으로 하는 연료분사펌프의 플런저.
제1항에 있어서,
테이퍼의 길이(T1)는 플런저의 직경(D1) 대비 35% ~ 55%이며, 테이퍼의 상단 직경(D2)은 플런저의 직경(D1) 대비 96.0% ~ 98.0%인 것을 특징으로 하는 연료분사펌프의 플런저.
제1항 또는 제2항에 있어서,
테이퍼(T)의 하단에서 그루브(G)까지의 거리(L1)는 플런저(20)의 직경(D1) 대비 8~12%이며, 그루브(G)의 폭(L2)과 그루브(G)의 깊이(H2)는 플런저(20)의 직경(D1) 대비 4%~10%인 것을 특징으로 하는 연료분사펌프의 플런저.
제3항에 있어서,
그루브는 2개 내지 6개로서 스템부의 길이방향으로 그루브 사이에 간격을 두고 형성되며, 그루브와 그루브 사이의 간격(L3)은 그루브(G)의 폭(L2)에 대해 2배 ~ 5배인 것을 특징으로 하는 연료분사펌프의 플런저.
제4항에 있어서,
그루브는 4개인 것을 특징으로 하는 연료분사펌프의 플런저.