KR20210145635A - 차량의 액체 연료 물 분사 시스템을 위한 연료 펌프 - Google Patents

차량의 액체 연료 물 분사 시스템을 위한 연료 펌프 Download PDF

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Abstract

차량의 액체 연료 물 분사 시스템, 특히 가솔린 물 직접 분사 시스템을 위한 연료 펌프는 차량의 물 탱크로부터의 물을 차량의 연료 탱크로부터의 액체 연료에 혼합하여 액체 연료 물 유제를 생성하고 상기 액체 연료 물 유제를 저압으로 제공하도록 된 저압 펌프; 저압 펌프와 유체적으로 연통되고, 액체 연료 물 유제를 차량의 분사 레일을 통하여 차량의 엔진에 분사하기 위하여 액체 연료 물 유제를 저압에서 고압으로 압축하도록 된 고압 펌프; 그리고 차량의 엔진의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 저압 펌프와 고압 펌프를 동시에 구동하도록 된 펌프 드라이브를 포함한다.

Description

차량의 액체 연료 물 분사 시스템을 위한 연료 펌프{FUEL PUMP FOR LIQUID FUEL WATER INJECTION SYSTEM OF MOTOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 액체 연료 물 분사 시스템을 위한 연료 펌프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량의 가솔린 물 직접 분사 시스템을 위한 연료 펌프에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 연료 펌프를 구비한 액체 연료 물 분사 시스템을 갖는 차량 및 이러한 연료 펌프를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
현대의 고효율 가솔린 연소 엔진은 차량에 대한 고객의 고도로 정교한 요구를 충족하고 미래의 이산화탄소 배출 및 배기 가스 배출 규제 목표를 충족시키기 위해 종종 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI)에 의존한다. 이 기술은 특히 고출력으로 최신 배기 가스 규제를 준수하는 엔진에 큰 이점이 있다. GDI는 일반적으로 조립된 부품의 개수와 전체 무게를 줄일 수 있는 가능성을 제공한다.
현대 GDI 엔진의 연료 공급 구조는 일반적으로 연속으로 구동되는 공급 펌프를 통해 약 3~6 bar의 저압으로 연료 탱크로부터 휘발유를 공급합니다. 그 후, 가솔린을 대략 50~500 bar의 압력으로 가압하고 분사 레일로 펌핑하며 거기서부터 연료 인젝터로 펌핑하는 고압 펌프를 가솔린은 통과된다. 가솔린 압력은 펌프를 통해 차량의 엔진 제어 장치(Engine Control Unit; ECU)에 의해 조절된다.
고압 펌프는 일반적으로 각각의 내연 기관의 어셈블리에 장착 및 고정되며(~ 3500N의 높은 힘으로 인해 매우 견고한 연결이 필요함), 엔진의 캠축에 의해 기계적으로 구동된다. 따라서, 고압 펌프의 펌프 주파수 및/또는 펌프 비율은 내연 기관의 엔진 속도에 연관된다. 또한, 전형적인 펌프 시스템은 높은 에너지 요구량을 가지며 각 엔진의 연료 요구량에 매칭될 필요가 있다. 고압 펌프의 고정 연결로 인해, 펌프의 변위는 엔진 행정 당 최대 분사량과 매칭되어야 한다. 결과적으로, 전형적인 시스템은 가능한 최대 효율에 도달 할 수 없고, 상이한 유형의 차량은 상이한 펌프 구성을 요구할 수 있으며, 이는 소비자의 요구를 충족시키기 위해 다양한 상이한 펌프가 필요할 수 있음을 암시한다.
분사 레일을 따라 압력을 안정화하고 높은 에너지 소비를 피하기 위해, 현대의 고압 펌프는 일반적으로 주어진 기간 내에 저압에서 고압으로 전달되는 가압된 연료의 양을 조절하는 소위 디지털 입구 밸브(Digital Inlet Valve; DIV)를 사용한다(예를 들어 문서 DE 10 2014 215 774 B4 참조). DIV는 대부분 전자기적으로 작동되고 대략 5~10 kHz의 고주파수의 소리를 내는 밸브를 사용한다. 이는 일반적으로 "째깍(ticking)"으로 알려진 기계 소음을 발생시키며, 이는 부드러운 주행 경험을 선호하는 최종 사용자에게 불편한 것으로 인식될 수 있다(특히 엔진 어셈블리 위의 시스템의 장착 위치로 인해). 이러한 소음을 줄이기 위해 현재 해결책은 종종 고압 펌프 주변의 상당한 차음에 의존하며, 이는 연료 가열로 인한 추가 비용, 무게 및 성능 저하를 초래할 수 있다. 또한, 펌프 시스템은 일반적으로 엔진 연료 요구량과 매칭되므로 가능한 시스템 조합에 의한 높은 다양성은 제조업체 비용을 증가시킬 수 있다.
엔진 내로 물 분사는 최대 출력을 높이고/높이거나 배출을 줄이기 위한 강력한 도구로 알려져 있다(예를 들어, DE 10 2015 224 402 A1 참조). 물을 분사함으로써, 연소 온도를 냉각시켜 높은 엔진 요구의 상황에서 터보 챠져와 후처리 시스템과 같은 차량 구성 부품을 보호할 수 있다. 연소실 내로 물의 직접 연료 분사, 소위 가솔린 물 직접 분사(Gasoline Water Direct Injection; GWDI)는 종종 가변 물-연료 비율의 유제(emulsion)의 사용을 통하여 실현될 수 있다. 특히 매우 동적인 엔진 조건에서 물과 연료가 매우 정밀하게 혼합되어야 하고, 심지어 최고 출력 및 속도 범위에서 충분한 공급을 보장하기 위해, 종래의 분사 시스템의 크기 및 복잡성이 크게 증가할 수 있다. 또한, 연료 물 유제는 특히 엔진의 비활동 기간 동안 원래의 성분들로 분해될 수 있다. 이 효과는 유제의 안정성을 해할 수 있고, 이후에 엔진 성능에 악영향을 끼칠 수 있다. 또한, 두 개의 분리된 유체가 레일과 파이프와 같은 엔진 부품 내에 머무를 수 있으며, 이는 전체 시스템의 내구성에 영향을 끼칠 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 비용이 감소되고, 효율 및 내구성이 향상되며, 소음 방출이 감소된 액체 연료 물 분사 시스템을 위한 해결책을 찾아야 할 필요가 있다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 청구항 1에 따른 연료 펌프, 청구항 13에 따른 차량 및 청구항 17에 따른 방법을 제공한다.
본 발명의 하나의 양상에 따르면, 차량의 액체 연료 물 분사 시스템, 특히 가솔린 물 직접 분사 시스템을 위한 연료 펌프는 차량의 물 탱크로부터의 물을 차량의 연료 탱크로부터의 액체 연료에 혼합하여 액체 연료 물 유제를 생성하고 상기 액체 연료 물 유제를 저압으로 제공하도록 된 저압 펌프; 저압 펌프와 유체적으로 연통되고, 액체 연료 물 유제를 차량의 분사 레일을 통하여 차량의 엔진에 분사하기 위하여 액체 연료 물 유제를 저압에서 고압으로 압축하도록 된 고압 펌프; 그리고 차량의 엔진의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 저압 펌프와 고압 펌프를 동시에 구동하도록 된 펌프 드라이브를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 차량은 엔진과, 액체 연료 물 유제를 분사 레일을 통하여 엔진에 분사하도록 된 액체 연료 물 분사 시스템을 포함하고, 액체 연료 물 분사 시스템은 본 발명에 따른 연료 펌프를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명에 따른 연료 펌프를 작동시키는 방법은 액체 연료 물 유제를 형성하기 위하여 차량의 물 탱크로부터의 물을 차량의 연료 탱크로부터의 액체 연료에 혼합하는 단계; 저압 펌프로 액체 연료 물 유제를 저압으로 펌핑하는 단계; 그리고 차량의 분사 레일을 통하여 차량의 엔진에 액체 연료 물 유제를 분사하기 위하여 고압 펌프로 저압에서 고압으로 액체 연료 물 유제를 압축하는 단계를 포함하고, 저압 펌프와 고압 펌프는 차량의 엔진의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 펌프 드라이브에 의하여 동시에 구동된다.
본 발명의 하나의 아이디어는 펌프를 엔진으로부터 분리하고, 대신 저압 및 고압 펌프를 전용 펌프 드라이브, 예를 들어 전기 머신으로 구동하는 것이다. 결과적으로, 다양한 상이한 엔진 및 차량 유형에 동일한 펌프 구성을 사용할 수 있고, 이는 총 비용을 절감하고 차량 공급 인프라를 단순화할 수 있게 한다. 또한, 펌프 시스템은 더 이상 엔진의 상부에 장착될 필요가 없고, 이에 따라 소음 방출, 특히 DIV의 소음 방출이 감소되거나 완전히 피할 수 있다. 사실, 새로운 해결책은 기본적으로 차량 내 어느 곳에나, 예를 들어 언더플로어 또는 실제 엔진과 이격된 엔진 캐비닛 내의 격리된 박스 내에 장착될 수 있다. 또한, 펌프 시스템의 DIV는 완전히 제거될 수 있다. 양 펌프 시스템에 하나의 공통 드라이브를 사용함으로써, 최적화된 작동 상태에 의하여 파워 소비가 상당히 감소될 수 있다.
본 발명에 따르면, 펌프 드라이브는 차량의 엔진의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 펌프를 구동하도록 되어 있다. 전용 펌프 드라이브 덕택에, 펌프는 더 이상 엔진의 캠 축에 의하여 기계적으로 구동될 필요가 없다. 따라서, 펌프 구성과 작동은 각 유형의 차량, 각 유형의 엔진, 그리고 구동 상태를 위하여 하나의 단일 유형의 펌프로 최적화된 방식으로 조정될 수 있다. 따라서, 결과로 나온 시스템은 엔진과 상호 연결로 인한 타협을 할 필요 없이 각 경우에 대해 가능한 최고의 효율 또는 시동 능력 및 독립적인 레일 압력과 같은 다른 기능을 제공하도록 최적화될 수 있다.
위의 개념에 의해 실현될 수 있는 본 발명의 다른 아이디어는 각각의 공급 탱크로부터 물과 연료 모두를 직접 받고, 그들을 혼합하며, 그들을, 예를 들어 3 내지 6 bar의 저압으로 가압하는 단일의 저압 펌프를 도입함으로써 물과 액체 연료의 혼합 절차를 단순화하는 것이다. 이에 따라, 저압 펌프는 물과 연료 각각을 위한 전용 공급 펌프를 제공하지 않고도 물과 연료를 받을 수 있는 소크(soak)(흡입) 펌프로 기능할 수 있다. 예를 들어, 양 혼합 성분들이 각각의 탱크로부터 1 bar 아래의 압력으로 공급될 수 있다. 결과적으로, 펌프 시스템의 비용과 전력 소비가 더욱 감소된다. 유제 성분들은 저압 펌프 내에서 직접 혼합된다. 펌프 시스템이 엔진 속도와는 독립적으로 구동되기 때문에, 혼합 유체의 총 체적 유량은 주행 상황에서의 현재의 요구에 따라 최적의 방식으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 130 l/h 이상의 스포츠 엔진에 필요한 고체적 유량조차도 제공될 수 있다. 예를 들어, 가스 매체를 적실 수 있는 사이드 채널 펌프가 저압 펌프로 사용될 수 있는데, 사이드 채널 펌프는 매체의 내부 소용돌이 움직임을 통하여 직접 혼합을 허용한다.
본 발명의 연료 펌프는 또한 물의 혼합 없이 연료 탱크로부터 액체 연료만을 엔진에 펌핑하는 모드에서 작동될 수 있음을 이해하여야 한다. 사실, 정상 엔진 작동 동안 물 분사는 종종 필요하지 않다. 물 분사는 특히 역동적인 주행 상황 및 높은 엔진 부하에서 적절하다. 따라서, 액체 연료 물 유제 내의 물의 양은 특정 주행 상황에서, 예를 들어 밸브에 의하여 물 탱크의 연결을 닫음으로써 매우 작은 값 또는 심지어 0으로 설정될 수 있다. 따라서, 본 시스템은 주행 상황 및/또는 엔진 조건에 따라 물을 액체 연료 흐름에 선택적으로 혼합할 수 있다. 이에 따라, 시스템이 액체 연료 물 유제 대신 액체 연료를 수송하고 액체 연료를 엔진에 분사할 수도 있다는 것을 이하에서 이해하여야 한다.
본 발명의 해결책은 특히 GDI 시스템에 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 액화 천연 가스(LNG), 압축 천연 가스(CNG), 액화 석유 가스(LPG), 수소 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 액체 및/또는 액화 연료에 기초한 다른 연료 분사 시스템에 적용 가능하다.
본 발명의 유리한 실시예 및 개선 사항은 종속항에서 발견된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 저압 펌프 내에서 액체 연료 물 유제를 형성하기 위하여 액체 연료에 혼합될 물 탱크로부터 제공되는 물의 양을 제어하도록 구성된 스로틀 밸브를 더 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 탱크로부터의 액체 연료의 양은 또한 스로틀 밸브를 통하여 조정될 수 있다.
따라서, 스로틀 밸브를 통한 유입 유량을 제어함으로써 혼합 수준이 사전 혼합 중에 매우 간단하면서도 정확한 방식으로 제어될 수 있다. 이는 또한 유제 혼합물이 어떠한 시점에서도 동적으로 조정될 수 있음을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 펌프 드라이브는 전기 모터로 되어 있을 수 있다.
그러나, 펌프 드라이브는 엔진의 엔진 속도와 독립적으로 구동되는 다른 동력원일 수 있다. 예를 들어, 펌프 드라이브는 공압 모터, 유체 모터 등일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 펌프 드라이브는 저압 펌프와 고압 펌프 사이에서 서로 축방향으로 결합된 적어도 두 개의 전기 서브머신을 포함할 수 있다.
예를 들어, 두 개의 브러시리스 DC 모터가, 예를 들어 500W 이상의 충분한 동력 출력을 생성하고, 매우 짧은 시간 단위로 동력 출력을 500W에서 최대 1000W로 증가시키기 위하여 높은 엔진 출력 기울기를 관리하기 위한 추가적인 부스트 기능을 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 고압 및/또는 유동 구배를 위한 유연성이 실현될 수 있다. 또한, 엔진/차량의 전체 동적 범위에서 안정적인 분사 레일 압력이 확보될 수 있다.
하나의 실시예에서, 시스템의 유연성을 더욱 증가시키기 위하여 심지어 세 개 또는 네 개 이상의 전기 서브머신이 서로 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 전기 서브머신은 저압 측에서 고압 측으로 각 전기 서브머신의 축 방향 주위의 나선형 경로를 따라 액체 연료 물 유제를 배출하도록 된 나선형 냉각 채널을 포함할 수 있다.
따라서, 액체 연료 물 유제(또는 대안적으로, 단지 연료)가 어느 정도의 열을 필연적으로 생성하는 펌프 드라이브를 냉각하기 위하여 사용될 수 있다. 전기 서브머신이 저압 펌프와 고압 펌프 사이에 장착되므로, 액체는 이러한 목적을 위하여 저압 측과 고압 측 사이에서 이동하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 액체는 전기 서브머신의 외부 선체를 통하여 안내될 수 있다.
추가적인 이점으로, 액체 연료 물 유제는 나선형 냉각 채널을 따라 이동하면서 일정한 움직임을 유지한다. 이것은 단지 냉각 채널을 통한 액체 연료 물 유제를 배출함으로써 혼합물의 균질성이 안정화될 수 있음을 의미한다.
펌프 드라이브가 두 개 이상의 서브머신으로 분할되어 있지 않은 경우에도 유사한 냉각 메커니즘이 또한 사용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 그 경우, 펌프 드라이브는 여전히 저압 펌프와 고압 펌프 사이에 장착될 수 있고, 저압 측으로부터 고압 측으로 외측 또는 선체를 따라 하나 또는 여러 개의 나선형 냉각 채널을 수반할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 나선형 냉각 채널은 각 전기 서브머신의 외부 선체에 통합될 수 있다.
그러므로, 전기 서브머신의 완전한 외측 또는 표면을 따른 냉각수 흐름이 펌프 드라이브의 최적화된 냉각을 위해 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 전기 서브머신 사이에 액체 연료 물 유제를 이송을 위하여 전기 서브머신 사이에 압력 조절된 연결을 제공하는 유체 레귤레이터를 더 포함할 수 있다.
유체 레귤레이터는 액체의 내부 흐름을 제어하고 액체 흐름의 내부 압력을 유지할 수 있다. 이러한 내부 연료 조절 시스템은 연료 펌프에 액체를 적절하게 채우고 펌프 드라이브를 냉각시키는데 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체 레귤레이터는 고압 측에서 저압 측으로의 액체의 역류를 압력적으로 조정하기 위한 오버플로우 리턴 밸브를 포함할 수 있다.
저압 펌프는 일반적으로 고압 펌프보다 10~20%의 높은 변위를 필요로 하므로, 잉여 액체는 저압 측으로 다시 배출될 수 있다. 따라서, 유체 레귤레이터는 주 공급 라인 외에 조절 라인을 제공할 수 있다. 이것은 세 가지 이유로 특정 응용에 필요할 수 있다. 첫째, 연료 펌프는 특정 상대 압력을 유지할 필요가 있다. 둘째, 시스템을 비우기 위하여 첫 번째 소킹(soaking)은 재순환을 요구할 수 있다. 셋째, 엔진이 꺼진 후 남은 액체는 가열되어 내부 압력과 함께 증기 함량을 증가시킬 수 있다. 증가된 압력은 이 밸브를 통해 방출될 수 있다.
이러한 조절은 종래 시스템에 비하여 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 통상적으로 사용되는 압력막은 더 이상 요구되지 않는다. 또한, 이러한 압력 안정화는 LNG, LPG, CNG 등과 같은 다양한 액화 연료의 사용을 허용할 수 있다.
예를 들어, 오버플로우 리턴 밸브는 5 bar와 같은 미리 정의된 압력 레벨에서 열리는 기본적으로 폐쇄된 포펫 밸브 또는 이와 유사한 것으로 구성될 수 있다. 그러나, 대안적으로 오버플로우 리턴 밸브는 예를 들어 전기적으로 작동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 오버플로우 리턴 밸브는 액체 연료 물 유제를 혼합하기 위하여 액체의 역류를 저압 펌프로 전달하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 액체 연료는 저압 펌프의 입구로 다시 배출될 수 있다. 유사하게, 잉여의 액체 연료 물 유제는 저압 펌프의 입구로 다시 배출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 액체 연료 물 유제로부터 물과 액체 연료를 분리하도록 구성된 유제 분리 장치를 더 포함할 수 있다. 오버플로우 리턴 밸브는 액체의 역류를 유제 분리 장치로 전달하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 잉여의 액체 연료 물 유제는 분리 장치로 이송되어 이후 액체 연료 성분과 물 성분으로 다시 분리될 수 있다. 이후 유제의 양 성분은 각기 각각의 공급 탱크로 다시 운송되거나 즉시 사용을 위해 저압 펌프의 입구로 직접 운송될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체 레귤레이터는 분사 레일로부터 다시 유체 레귤레이터로 액체를 받도록 구성된 분사 레일 릴리프를 포함할 수 있다. 상응하게, 분사 레일은 분사 레일로부터 연료 펌프로 액체를 제거하도록 구성된 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방법은 압력 릴리프 밸브에 의하여 분사 레일로부터 액체 연료 물 유제를 제거하는 단계를 특히 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 유제 분리 장치에 의하여 제거된 액체 연료 물 유제를 물과 액체 연료로 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 펌프 시스템은 또한 유제 또는 특정 성분, 예를 들어 연료를 제거하기 위한 퍼징(purging) 시스템으로 기능한다. 이것은 주로 저압 펌프와 고압 펌프의 전체 공급 시스템이 엔진과 독립적으로 작동할 수 있기 때문에 가능하다. 따라서, 분사 시스템 내의 액체, 특히 분사 레일과 연결 파이프 내의 잉여의 유체의 재순환이 가능하다. 그러므로, 분사 시스템 내에 남아 있는 유체가 작동 동안, 특히 엔진 시동(예를 들어, 시동/정지) 동안 재사용, 즉 재혼합될 수 있다. 또한, 연료 노화를 피하기 위하여 엔진 정지 후 분사 시스템 내에서 액체의 배출이 가능하다. 그러므로, 이러한 구성은 특히 시스템의 내구성을 더욱 증가시킨다.
따라서, 작동 중에 액체가 지속적으로 혼합되고 배출될 수 있으며, 이는 유제의 안정성이 보존될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 유제의 더 낮은 밀도의 매체 상, 예를 들어 가솔린 물 혼합물의 경우 가솔린이 분사 시스템으로부터 배출될 수 있다(유제가 각각의 성분으로 분리/용해되고, 이는 각 성분의 밀도에 따라 일어나는 경우).
예를 들어, 분사 레일 릴리프가 기본적으로 폐쇄된 포펫 밸브 또는 이와 유사한 것으로 제공될 수 있다. 그러나, 대안적으로 전기적으로 작동하는 메커니즘이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 압력 릴리프 밸브는 분사 레일 내의 압력이 예를 들어 2 bar의 미리 정의된 압력 임계치보다 높은 한 영구적으로(부분적으로) 개방되도록 엔진 제어 유닛(ECU)에 의하여 제어되고 작동될 수 있다. 대안적으로, 압력 릴리프 밸브는 특정 압력 임계치 이상에서 급히 액체를 배출하도록 완전히 개방될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고압 펌프는 저압 펌프에서 고압 펌프로 이송된 액체 연료 물 유제를 압축하기 위한 흡입 피스톤과, 펌프 드라이브에 의하여 구동되고 흡입 피스톤을 구동하도록 된 크랭크 드라이브를 포함할 수 있다.
따라서, 현재의 경우, 펌프 드라이브에 의하여 작동되는 크랭크 드라이브는 엔진에 의하여 구동되는 일반적으로 사용되던 캠 축을 대체할 수 있다. 흡입 피스톤(또는 플런져)은 편리한 리프트 범위(리프트 당 질량은 적지만 충분한 액체를 압축하고 이송하기 위해 충분히 높은 리프트 범위)를 제공하기 위하여 최적화된 방식으로 구성될 수 있다. 상기 해결책은 저압 펌프를 통해 고압 펌프로 동기식 액체 흐름을 위한 하나의 공통 축을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 0 kg/h와 100 kg/h 사이의 유량으로 0 rpm과 16,000 rpm 사이의 펌프 주파수 범위에서 작동하도록 되어 있을 수 있다.
액체가 이렇게 넓은 주파수 범위에 걸쳐 이렇게 작은 허브로 전달되는 경우, 분사 레일에서의 압력이 안정화되고 매우 정밀하게 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저압은 1 bar와 10 bar 사이의 범위에 있을 수 있고/있거나 고압은 50 bar와 500 bar 사이의 범위에 있을 수 있다.
예를 들어, 저압은 대략 3 bar와 6 bar 사이일 수 있다. 한편, 고압은, 예를 들어 250 bar와 350 bar 사이일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 펌프 드라이브는 브러시리스 DC 모터일 수 있다.
이러한 전기 모터는 본 해결책에 의하여 요구되는 충분한 동력과 토크를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 모터는 48V의 작동 전압에서 최소한 500W의 최대 동력 출력을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 내장 진단 CAN 신호에 기초한 압력 제어 명령에 기초하여 연료 펌프를 제어하도록 된 펌프 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
펌프 제어 유닛은, 예를 들어 실제 레일 압력과 레일 압력 설정 점에 기초한 자체 레일 압력 제어 로직을 가지고 있을 수 있다. 내장 진단 CAN 신호(OBD-CAN)를 이용함으로써, OBD 메시지가 단순한 제어 기능, 예를 들어 레일 압력 제어를 위해 사용될 수 있으므로 시스템이 더욱 단순화될 수 있다. 이러한 종류의 메시지는 국제 표준을 따르므로, 제조자와는 독립적으로 임의의 차량에 상기 연료 펌프를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 차량의 엔진으로부터 기계적으로 분리될 수 있다. 그러나, 연료 펌프는 액체 공급 라인을 통하여 엔진의 분사 레일에 유체적으로 연통될 수 있다.
예를 들어, 연료 펌프는 차량의 언더플로어 내에 장착될 수 있고, 이에 따라 엔진으로부터 이격될 수 있다. 호스, 튜브 또는 파이프는 엔진의 분사 레일에 필요한 유체적 연결을 제공할 수 있다.
액체 공급 라인의 공급 라인 길이는 라인의 길이를 따라 유제가 분리되는 것을 방지하기 위하여 가능한 한 짧아야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프는 차량의 차량 배터리에 의하여 동력을 받을 수 있다.
예를 들어, 표준 12V 배터리가 사용될 수 있다. 48V 전기 모터가 사용되는 경우, DC/DC 컨버터가 배터리와 전기 모터 사이에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 펌프의 펌프 제어 유닛은 차량의 엔진 제어 유닛에 통신이 가능하도록 결합될 수 있다.
따라서, 예를 들어 차량의 배터리로부터 동력을 받고 연료 펌프의 펌프 드라이브에 동력을 제공할 수 있는 전용 펌프 제어 유닛이 제공될 수 있다.
그러나, 다른 실시예에서, 펌프 제어는 엔진 제어 유닛에 통합될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 본 발명의 다른 실시예들 및 본 발명의 의도된 많은 장점들은 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있으므로 쉽게 이해될 것이다. 도면의 구성 요소들은 반드시 서로에 대해 치수가 정확한 것은 아니다. 도면에서, 달리 지시되지 않는 한, 유사한 도면 번호는 유사하거나 기능적으로 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 고압 펌프를 포함하는 연료 분사 시스템의 양상의 예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 연료 분사 시스템을 포함하는 차량을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 액체 연료 물 분사 시스템의 연료 펌프의 구성요소를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3의 연료 펌프를 구비한 액체 연료 물 분사 시스템을 포함하는 차량을 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 3의 연료 펌프의 연료 펌프 조립체의 측면도를 도시한다.
도 6은 도 5의 연료 펌프의 유압 조절기의 단면도를 도시한다.
도 7은 도 3의 연료 펌프를 작동시키는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8은 도 4의 액체 연료 물 분사 시스템의 개략도를 보여준다.
비록 여기에서는 특정 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 당업자에게는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 도시되고 설명된 특정 실시예들을 다양한 대안 및/또는 동등한 구현들이 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 일반적으로, 본 출원은 본 명세서에서 논의된 특정 실시예의 임의의 적응 또는 변형을 포함하도록 의도된다.
도 1은 특히 디지털 입구 밸브(DIV)(32)를 포함하는 가솔린 물 직접 분사(GWDI) 시스템(10')일 수 있는 연료 물 분사 시스템(10')의 양상의 예를 개략적으로 도시한다. 도 2는 도 1의 연료 분사 시스템(10')을 포함하는 차량(100)을 개략적으로 도시한다.
현대 자동차는 연비, 배기 및 성능 표준과 관련하여 가장 높은 요구를 충족시켜야 하므로, 가솔린 차량에는 대부분 직접 연료 분사 시스템이 장착되어 있다. 가솔린 직접 분사(GDI)는 연료가 인젝터에 의해 엔진(101)의 연소실(도시하지 않음) 내로 직접 분사되어 내부 가스 혼합물을 구현함을 의미한다. 이러한 GDI 시스템은 매우 효율적이고 깨끗한 연소를 야기한다. 그러나, 고 출력 엔진과 높은 엔진 속도 범위를 위해 요구되는 높은 연소 온도로 인하여, 온도 수준이 터보 챠져 또는 후처리 시스템과 같은 차량 구성 요소를 위한 허용 한계를 초과할 수 있다. 이러한 구성 요소의 오작동 또는 심지어 손상을 방지하기 위하여, 특정 운전 조건 하에서 연소 온도를 낮추기 위해 물-연료 유제의 직접 분사를 사용하는 것이 점점 더 제안되고 있다. 도 1 및 도 2는 물이 액체 연료에 선택적으로 혼합되어 연료와 물의 유제를 형성할 수 있고, 이후 온도를 허용 한계 아래로 유지하기 위하여 특정 주행 상황/조건 하에서 연소실 내로 분사될 수 있는 이러한 GWDI 시스템(10')의 예를 도시한다.
이를 위해, 시스템(10')은 두 개의 저압 (공급) 펌프(여기에서 도시되지 않음)를 포함한다. 그들 중 하나는 물을 물 탱크(108)로부터 물 라인(109)을 통하여 물 혼합기/분사기(38)(도 2 참고)까지 저압(예를 들어, 대략 3~6 bar)으로 펌핑한다. 다른 저압 펌프는 가솔린을 차량(100)의 연료 탱크(104)로부터 연료 라인(106)을 통하여 (또한 예를 들어 3 bar 이하의 저압으로) 펌핑한다. 이후 물 혼합기/분사기(38)에서, 물은 주행 상황 및/또는 엔진 조건에 따라 액체 연료의 흐름에 선택적으로 혼합 및/또는 분사될 수 있다.
예를 들어, 물 혼합기/분사기(38)는 혼합 챔버(도시하지 않음)로 기능할 수 있고, 그 내에서 물 라인(109)과 연료 라인(106) 사이의 압력 차가 양 성분의 혼합을 용이하게 할 수 있다. 이러한 목적으로, 물 라인(109) 내의 압력은 각 저압 펌프에 의하여 조절될 수 있다. 다른 예에서, 물 혼합기/분사기(38)는 분사 노즐을 포함할 수 있고, 물은 물 라인(109)으로부터 연료 라인(106) 내의 연료 흐름으로 분사 노즐을 통하여 분사될 수 있다. 후자의 경우, 물은 연료 라인(106) 내의 압력보다 높은 일정 압력으로 물 라인(109) 내에 전달된다. 후자의 접근 방식은 상대적으로 늦은 반응 시간과 공급 라인 체적에 강한 의존도를 가진 첫 번째 접근 방식과 비교할 때 향상된 정확도와 동적 범위를 제공할 수 있다. 그러나, 양 접근 방식은 두 개의 전용 저압 펌프, 즉 유제의 각 성분을 위한 펌프가 필요하고, 이에 따라 상대적으로 복잡하고 비용이 많이 들며 비효율적이다.
이후 생성된 액체 연료 물 유제는 액체 공급 라인(110)을 통하여 운송되고 저압 연료 입구(18)를 통해 GDI 시스템(10')의 저압 연료 챔버(15)로 펌핑된다. 도 1에 도시된 디지털 입구 밸브(32)는 이제 저압 연료 챔버(15)로부터 고압 연료 펌프(3')의 고압 연료 챔버(16)로의 상기 액체의 전달을 조절하는데, 상기 유체는 고압 연료 챔버(16)로부터 고압 연료 출구(19)를 통하여 분사 레일(102)로 내보내지고 엔진(101)의 연소실로 분사된다.
고압 연료 펌프(3')는 분사를 위해 요구되는 액체량을 요구되는 압력 레벨, 예를 들어 대략 50 bar에서 최대 500 bar로 압축한다. 이를 위해, 고압 연료 펌프(3')는 리턴 스프링(20)을 통해 태핏(34)에 탄성적으로 연결된 플런저 및/또는 흡입 피스톤(11)으로 구동되고, 태핏(34)은 결국 엔진(101)의 캠축(27)에 연결된다. 따라서, 고압 연료 펌프(3')의 펌프 주파수는 엔진(101)의 속도에 의해 구동된다(도 1의 흡입 피스톤(11)에서의 화살표는 흡입 피스톤(11)의 진동 운동을 나타낸다). 따라서, 주어진 시간 윈도우 내에 적절한 양의 액체(즉 액체 연료 또는 연료-물 유제)를 전달하기 위해 DIV(32)는 특정 시간에 작동되어야 한다. 이를 위해, DIV(32)는 다양한 센서 데이터에 기초하여 엔진(101)의 엔진 제어 유닛(ECU)(103)에 의해 제어된다. ECU(103)는 차량(100)의 차량 배터리(105)에 의해 구동된다.
DIV(32)는 DIV 하우징(33) 내부에 수용되며, 세 개의 개별 기능적 구성 요소: 밸브 시트(28), 밸브 피스톤(29) 및 밸브 액츄에이터(30)를 포함한다(도 1의 좌측 참조).
밸브 시트(28)는 DIV(32)의 폐쇄된 구성에서 GDI 시스템(10')의 저압 연료 챔버(15)에 대해 GDI 시스템(10')의 고압 연료 챔버(16)를 밀봉하도록 구성된다. 밸브 피스톤(29)은 DIV(32)의 폐쇄된 구성과, 고압 연료 챔버(16)가 저압 연료 챔버(15)와 유체적으로 연결되어 있는 개방된 구성 사이에서 밸브 시트(28)를 이동시키도록 되어 있다. 밸브 액츄에이터(30)는 작동 방향(A)을 따라 밸브 피스톤(29)의 이동을 작동시키기 위해 전자기 선형 액츄에이터로 구성된다.
세 개의 기능적 구성 요소, 즉 밸브 시트(28), 밸브 피스톤(29) 및 밸브 액츄에이터(30)는, 예를 들어 강철 등으로 만들어지는 하나의 단일 통합 구성 요소로 합쳐진다. 예를 들어, 기능적 구성 요소는 용접되어 합쳐질 수 있다. DIV(32)는 제조 비용을 안전하게 하고 공급 업체 체인을 단순화하기 위해 하나의 완전히 통합 된 단일 구조적 요소로 제공된다. GDI 시스템(10'), 특히 DIV(32) 및 고압 연료 펌프(3')는, 예를 들어 브라켓이나 유사한 구성을 통하여 견고하게 연결되어 엔진 (101)에 장착된다. 이 견고한 연결은 작동하는 동안 구성 요소에 작용하는 수천 뉴턴의 높은 힘으로 인해 요구된다.
일반적으로, 모든 진동하는 표면은 그들의 움직임을 공기로 전달하며, 결국 구형으로 퍼지는 파(wave)를 생성한다. 이 파는 진동체와 거의 동일한 주파수를 가진다. 결과로 생긴 소리 또는 음향 소음을 또한 고체 전달 소리라고 불린다. 단순화된 조건에서, 고체 전달 소리는 질량체의 물리적 경계, 강성 및 댐핑을 포함하는 전체 몸체의 공명 주파수에 해당한다.
차량의 소음 방출은 최종 사용자의 만족도를 충족시키기 위한 주요 과제 중 하나이다. 파워 트레인 음향은 "스포티브(Sportive)" 소리의 경우 긍정적인 연관성에 의해 영향을 미치고 귀에 거슬리는 소리의 경우에는 부정적인 인식에 영향을 준다. 연구에 따르면 일반적인 GDI 시스템은 기계 소음 방출의 주요 원천 중 하나이다. 특히 아이들 상태에서, 이 상황은 운전자와 보행자 모두를 성가시게 할 수 있다. 특히 현대 가솔린 직접 분사 엔진의 고압 연료 펌프는 "째깍(ticking)" 소음으로 인해 음향적으로 성가신 것으로 인식될 수 있는데, 이는 이러한 엔진의 매우 부드러운 작동 동안 방출됩니다. 이러한 째깍 소리는 주로 고압 연료 펌프(3')로 연료의 유입을 조절하는 디지털 입구 밸브(32)의 빠른 폐쇄 및 개방 운동에 기인한다. 이 소음은 GDI 시스템(10')이 엔진(101)의 상부에 장착되어 있기 때문에 특히 강화된다. 따라서, 고체 전달 소리는 엔진(101)을 거쳐 전체 차량(100)을 통해 전달된다.
연구에 따르면 GDI 시스템 소음은 1.6 kHz에서 16 kHz 사이의 범위를 포함합니다. 간단히 말해서, 이 범위는 펌프 기능을 위해 두 가지 주요 영역으로 나뉠 수 있습니다. 압력 발생은 대략 1.6 ~ 5 kHz의 영역에 영향을 미치며 디지털 입구 밸브는 5 ~ 10 kHz의 영역에 영향을 미칩니다. 마지막으로 언급된 범위는 위에서 언급한 "째깍" 소음을 나타낸다.
또한, 고압 연료 펌프(3')는 엔진(101)의 캠 축(27)에 의해 구동되고, 이에 따라 그 펌프 주파수(또는 펌프 속도)는 엔진(101)의 속도를 따른다. 이 배열은 펌프(3') 변위가 행정 당 엔진(101)의 최고 분사량과 일치해야 하기 때문에 펌프 및 분사 효율 측면에서 최적이 아닐 수 있다. 고압 연료 펌프 (3')의 배치는 전체 엔진 듀티 체제에서 최대 연료 전달율을 따져야 하기 때문에, 펌프(3')는 통상적으로 부분 부하 영역에서 운전될 것이다. 그러나, 당업자가 알고 있는 바와 같이, 부분 부하 영역에서 작동하는 부품은 가능한 최대 효율 수준을 만족시키지 못한다. 또한 모든 부품은 특정 효율 매핑이 있기 때문에, 고정된 작동 조건이 높은 작동 효율을 야기하지 않는다. 따라서 부품의 전력 소비가 증가한다.
상기 시스템(10')의 다른 단점은 일단 유체가 고압 펌프(3') 및/또는 분사 레일(102) 내에 있으면, 유체가 그로부터 다시 배출될 수 없다는 것이다. 이것은 연소실로 분사되지 못하고 고압 시스템 내에 남아 있는 유체는 제거될 수 없다는 것을 의미한다. 그러나, 물과 연료의 유제는 지속적으로 움직이지 않아 안정화되지 않는 경우 최초의 성분으로 다시 분리된다(유제의 분리는 대략 몇 분 정도 발생한다). 따라서, 새로 전달된 혼합물과 분리된 연료 및 물은 후속 분사 행정 동안 연소실 내로 분사될 수 있고, 이는 적절한 엔진 기능을 손상시킬 수 있다. 물만 인젝터에 도달하는 극단적인 경우, 연소는 전혀 발생하지 않으며, 결과적으로 엔진의 하부에 배치된 촉매 컨버터를 냉각시키고, 결국 더 높은 배출 수준을 초래할 수 있다. 또한, 유제가 시스템 내에 오랜 시간, 예를 들어 몇 일 또는 몇 주 동안 남아있는 경우, 연료의 노화 경향으로 인하여 시스템 내에 내부 침전물이 형성될 수 있고, 이는 전체 시스템을 손상시키고 엔진의 수명을 줄일 수 있다.
상기 단점은 도 3 내지 도 8을 참조하여 논의되는 액체 연료 분사 시스템(10)에 의해 극복된다.
도 3 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 분사 시스템(10)의 연료 펌프(1)를 개략적으로 도시한다. 도 5는 특히 연료 펌프(1) 조립체의 측면도를 도시하며, 여기서 연료 펌프(1)는 외부 선체 또는 하우징 없이 도시되어 있다. 도 4는 도 3 및 도 5의 연료 펌프(1)를 구비한 연료 물 분사 시스템(10)을 포함하는 차량(100)을 보여준다. 도 7은 도 3 및 도 5의 연료 펌프(1)를 작동시키기 위한 방법(M)의 흐름도를 도시하는 반면, 도 8은 각 분사 시스템(10)의 개략도이다.
또한, 이 시스템(10)은 차량(100)의 연료 탱크(104)로부터 가솔린을 펌핑하고 분사 레일(102)을 통해 가솔린을 엔진(101)에 분사하기 위한 GDI 시스템으로 구성될 수 있다. 그러나 다른 실시예에서, 시스템(10)은 다른 형태의 액체 연료, 예를 들어 LNG, LPG, CNG 등과 같은 액화 연료를 분사할 수 있다. 물은 특정 주행 상황 및/또는 엔진 조건 하에서 연료 물 유제를 선택적으로 제공하기 위하여 연료 탱크(104)로부터의 연료와 혼합될 수 있고, 이는 이후에서 설명되는 바와 같이 엔진(101) 내로 분사될 수 있다.
이를 위해, 시스템(10)은 차량(100)의 물 탱크(108)로부터의 물(1 bar 미만의 압력으로 제공됨)을 차량(100)의 연료 탱크(104)로부터의 액체 연료(또한 1 bar 미만의 압력으로 제공됨)에 혼합하여 액체 연료 물 유제를 형성하고, 액체 연료 물 유제를, 예를 들어 대략 3 bar에서 6 bar의 저압으로 공급하도록 구성된 저압 펌프(2)를 포함한다. 저압 펌프(2)는, 예를 들어 내부 소용돌이 움직임에 기반하여 성분들을 혼합할 수 있는 사이드 채널 펌프와 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
저압 펌프(2)로 전달되는 정확한 양의 물, 이에 따라 유제 내의 물 분율은 물 라인(109) 내의 스로틀 밸브(35)에 의하여 제어된다(도 5 참고). 따라서, 도 3 내지 도 8의 시스템(10)은 액체 연료 물 혼합물을 저압으로 제공하도록 소킹 모드(soaking mode)에서 작동하는 단일의 펌프를 사용하고, 혼합 비율은 스로틀 밸브(35)를 통하여 정확히 제어될 수 있다.
이러한 연료와 물의 혼합은 엔진의 현재 요구에 따라 선택적으로 수행될 수 있음을 이해하여야 한다. 물 분율은 연료만이 연소실로 분사되도록 특정 주행 조건 하에서 0으로 설정될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 고부하 또는 동적 모드와 달리 "정상" 작동 모드에서 연료만이 전달될 수 있다.
시스템(10)은 저압 펌프(2)와 유체가 흘러갈 수 있도록 연통되고, 유체를 차량(100)의 내연 기관(101) 내로 분사 레일(102)을 통하여 분사하기 위해 전달된 유체를 저압에서, 예를 들어 대략 250 bar 내지 350 bar의 고압으로 압축하도록 구성된 고압 펌프(3)를 더 포함한다. 고압 펌프(3)는 저압 측(L) 상의 포펫 밸브(17) 및 고압 측(H) 상의 포펫 밸브(17)를 포함하는 간단한 2-포펫 밸브 솔루션으로 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2의 시스템(10')과는 대조적으로, 도 3 내지 도 8의 시스템(10)은 저압 펌프(2)와 고압 펌프(3)를 동시에 구동하도록 구성된 펌프 드라이브(4)를 더 포함한다. 펌프 드라이브(4)는 고압 펌프(3)의 크랭크 드라이브(12)를 구동하고, 상기 크랭크 드라이브(12)는 태핏(34)에 연결되며, 이는 결국 액체를 압축하도록 구성된 고압 연료 펌프(3)의 흡입 피스톤(11)을 구동한다. 크랭크 드라이브(12)는 도 5에서 리턴 스프링(20)과 함께 도시되어 있다.
그러나, 크랭크 드라이브는 피스톤(11)과 태핏(34) 사이의 단단한 조립체에서 이러한 스프링(20) 없이 구성될 수 있음을 이해해야 한다. 스프링은 일부 응용 분야에서 시스템을 안정화하는데 도움이 된다. 사용 중인 특정 사용 사례에 따라, 흡입 피스톤(11)은, 예를 들어 2 mm ~ 5 mm의 적절한 리프트 범위로 구성될 수 있다. 리프트 범위는 리프트 당 질량이 낮지만 충분한 연료를 압축하고 전달할 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다.
따라서, 도 3 내지 도 8의 실시예에서, 고압 연료 펌프(3)는 엔진(101)의 캠축에 결합되지 않는다. 대신에, 고압 연료 펌프(3)는 엔진(101)으로부터 완전히 분리되고 이 특정 목적을 위해 제공된 펌프 드라이브(4)에 의해서만 구동된다. 실제로, 전체 연료 펌프(1)는 내연 기관(101)으로부터 기계적으로 분리되어 이격된다(도 4 참조). 예를 들어, 펌프(1)는 차량(100)의 언더플로어 내에 또는 엔진 캐비닛 내의 별도의 구획 내에 장착 될 수 있다.
결과적으로, 펌프 드라이브(4)는 차량(100)의 내연 기관(101)의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 펌프(2, 3)를 구동시키도록 구성된다. 따라서, 본 실시예의 해결책은 GDI 시스템을 엔진 메카닉(mechanics)에 고정 연결하는 일반적으로 따르는 접근법으로부터 멀어진다. 이는, 이하에 더 설명되는 바와 같이, 도 1 및 도 2의 시스템(10')의 단점을 극복한다.
이에 따라, 연료 펌프(1)를 작동시키는 방법(M)은 M1 단계 하에서 차량(100)의 물 탱크(108)로부터의 물을 차량(100)의 연료 탱크(104)로부터의 액체 연료에 혼합하여 액체 연료 물 유제를 형성하고, M2 단계 하에서 저압 펌프(2)로 액체 연료 물 유제를 저압으로 펌핑한다(도 7 참고). 상기 방법(M)은 M3 단계 하에서 액체 연료 물 유제를 차량(100)의 분사 레일(102)을 통하여 차량(100)의 엔진(101) 내로 분사하기 위하여 고압 펌프(3)로 저압에서 고압으로 액체 연료 물 유제를 압축하는 것을 더 포함한다. 여기서, 저압 펌프(2) 및 고압 펌프(3)는 차량(100)의 엔진(101)의 엔진 속도와는 독립적인 펌프 주파수로 펌프 드라이브(4)에 의해 동시에 구동된다.
이제 도 5 내지 도 6을 참조하면, 펌프 드라이브(4)는 전기 모터로서 구성되고 저압 펌프(2)와 고압 연료 펌프(3) 사이의 전기 및 기계적인 연결(22)을 통해 서로 축 방향으로 결합된 두 개의 전기 서브머신(5)을 포함한다. 각각의 전기적 서브머신(5)은 저압 측(L)으로부터(즉, 저압 펌프(2)로부터) 고압 측(H)으로(즉, 고압 펌프(3)로) 각각의 전기 서브머신(5)의 축 방향(D) 주위의 나선형 경로를 따라 액체를 배출하도록 구성된 각각의 외부 선체(7)에 통합된 나선형 냉각 채널(6)을 갖는다. 나선형 채널(6)을 통한 텀블링(tumbling) 이동으로 인하여, 유제는 계속적으로 혼합되어 안정화, 즉 유제가 분리되지 않은 채 유지된다.
전기 서브머신(5) 사이, 즉 두 개의 전기 서브머신(5)의 나선형 냉각 채널(6) 사이에서 액체가 전달되도록 전기 서브머신(5) 사이에서 압력 조절된 연결을 제공하는 유체 레귤레이터(8)를 통하여 두 개의 전기 서브머신(5)은 서로 유체가 흘러갈 수 있도록 연결된다.
유체 레귤레이터(8)는 도 6에 보다 상세히 도시되어 있다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이, 유체 레귤레이터(8)는 저압 측(L)의 전기 서브머신(5)의 나선형 냉각 채널(6)로부터 고압 측(H)의 전기 서브머신(5)으로, 즉 도 5에서 좌측에서 우측으로 액체를 이송하기 위한 메인 레귤레이터 공급 라인(23)을 포함한다. 이를 위해, 유체 레귤레이터(8)에는 일측에서 메인 레귤레이터 공급 라인(23)과 타측에서 각각의 냉각 채널(6)에 유체가 흘러가도록 연결되는 레귤레이터 입구(24) 및 레귤레이터 출구(25)가 제공된다. 레귤레이터 입구(24) 및 레귤레이터 출구(25)는, 예를 들어 단순 볼 밸브 등으로 구성될 수 있다.
또한, 유체 레귤레이터(8)는 고압 측(H)으로부터 저압 측(L)으로의 액체의 역류를 압력적으로 조정하기 위한 오버플로우 리턴 밸브(9)(도 6의 좌측)뿐만 아니라, 도 8을 참조로 아래에서 더욱 설명되는 바와 같이, 액체를 분사 레일(102)로부터 다시 유체 레귤레이터(8) 내로 받기 위한 분사 레일 릴리프(26)(도 6의 우측)을 포함한다.
연료 펌프(1)는 액체(연료 또는 유제)를 소량이지만 높은 펌프 속도로 분사 레일(102)에 전달할 수 있도록 0 kg/h 내지 100 kg/h의 유량으로 0 rpm 내지 16,000 rpm의 펌프 주파수 범위에서 작동하도록 구성된다. 이는 분사 과정을 매우 정확하게 제어할 수 있는 가능성을 제공한다. 이로 인해 서로 다른 주행 상황 사이의 빠른 전환이 매우 효과적인 방식으로 처리될 수 있다.
펌프 드라이브(4)는, 예를 들어 48V의 동작 전압(12V는 고전류가 발생할 수 있으므로 48V는 12V보다 더 적합할 수 있음)에서 최대 500W를 전달할 수 있는 각각의 전기 서브머신(5)을 가진 브러시리스 DC 모터 또는 이와 유사한 것으로 구성될 수 있다. 차량 배터리(105)는 전용 전기 라인(107)을 통해 필요한 전기 에너지를 펌프 드라이브(4)에 전달할 수 있다. DC-DC 컨버터(도시되지 않음)는 차량 배터리(105)의 12V를 펌프 드라이브(4)에 필요한 48V로 변환할 수 있다.
연료 펌프(1)는 명확성을 위해 연료 펌프(1)로부터 이격되어 도 4에 도시된 펌프 제어 유닛(14)을 포함한다. 그러나, 펌프 제어 유닛(14)은 연료 펌프(1)에 통합될 수 있음을 이해해야 한다. 이 특정 실시예에서, 펌프 제어 유닛(14)은 ECU(103)에 추가하여 제공된다. 그러나 다른 실시예에서, 펌프 제어 유닛(14)의 제어 기능은 ECU(103)에 의하여 이행될 수 있다. 별도의 펌프 제어 유닛(14)은 종래의 시스템이 장착된 차량에 본 시스템(10)을 새로 장착할 수 있도록 한다.
연료 펌프(1)는 펌프 제어 유닛(14)으로부터 동력을 공급 받고, 이는 결국 차량 배터리(105)에 의해 동력을 공급받는다. 펌프 제어 유닛(14)에는, 예를 들어 실제 값과 사전에 정의된 설정 점들을 기초로 한 자체의 레일 압력 제어 로직이 제공될 수 있다. 펌프 제어 유닛(14)은 추가적인 단순화를 위해 내장 진단 CAN 신호에 기초한 압력 제어 명령에 기초하여 연료 펌프(1)를 제어하도록 특히 구성될 수 있다. 이들 신호는 국제 표준을 따르고, 이에 따라 시스템(10)은 다른 제조업체에 걸쳐 수정 없이 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료 분사 시스템(10), 특히 연료 펌프(1)를 엔진(100)으로부터 분리함으로써 일반적인 디지털 입구 밸브의 째깍(ticking) 소음을 상당히 감소시킬 수 있다. 디지털 입구 밸브는 완전히 분리될 수 있다. 연료 펌프(1)가 전용 펌프 드라이브(4)에 의해 구동되기 때문에, 펌프(1)는 (종래의 시스템과 비교하여) 상대적으로 자유롭게 구성될 수 있고, 이에 따라 하나의 단일 펌프 유형은 다양한 운전 상황 및 엔진 상태를 위한 다양한 서로 다른 유형의 차량들의 요구사항을 달성할 수 있다. 이것은 또한 연료 시스템의 전력 소비가 감소될 수 있음을 의미한다.
결과적으로, 부품 수와 총 비용을 줄일 수 있고 전체 공급 인프라를 크게 단순화할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 본 발명은 동기식으로 구동되는 저압 및 고압 연료 펌프 및 펌프(2, 3) 및 전기 기계(5)의 "1축" 배치(하나의 공유 축을 따른 이들 구성요소들의 배치를 보여주는 도 5 참조)에 기초한 완전히 새로운 펌프 접근법을 따른다. 본 시스템은 개발자 레벨에서 ECU에 접속할 필요 없이 개선 및 백업 솔루션으로 제공될 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 임의의 원치 않는 유체가 분사 시스템(10)으로부터 제거되도록 하는 본 시스템(10)의 추가적인 양상이 설명된다. 도 8은 저압 펌프(2), 고압 펌프(3), 양 탱크(104, 108) 및 분사 레일(102)을 포함하는 분사 시스템(10)의 나머지와 함께 도 6의 유체 레귤레이터(8)를 보여준다. 앞에서 설명한 바와 같이, 저압 펌프(2)는 연료 탱크(104)로부터 연료를 받고, 상기 연료를 물 탱크(108)로부터의 물과 선택적으로 혼합한다. 실제 물의 양은 스로틀 밸브(35)를 통해 제어된다. 결과로 생성된 유제(또는 현재 주행/엔진 조건 하에서 수냉이 요구되지 않은 경우 단지 연료)는 이후 레귤레이터 입구(24)에서 저압 펌프(2)로부터 유체 레귤레이터(8) 내로, 및 유체 레귤레이터(8)로부터 레귤레이터 출구(25)를 통해 액체를 분사 레일(102)로 전달하는 고압 펌프(3)로 배출된다.
이미 앞에서 언급한 바와 같이, 유체 레귤레이터(8)는 압력 조절을 위한 오버플로우 리턴 밸브(9)를 포함한다. 보다 구체적으로, 오버플로우 리턴 밸브(9)는 액체 연료 물 유제의 혼합을 위해 액체의 역류를 저압 펌프(2)에 전달하도록 구성된다. 대안적으로, 오버플로우 리턴 밸브(9)는 액체를 포펫 밸브(17)를 통하여 유제 분리 장치(36)에 전달할 수 있다. 유제 분리 장치(36)는 액체 연료 물 유제로부터 물과 액체 연료를 분리하도록 되어 있고 분리된 성분들을 각 탱크(104, 108)로 이송하도록 되어 있다.
또한, 유체 레귤레이터(8)는 분사 레일(102)의 압력 릴리프 밸브(37)와 유체적으로 연통된 분사 레일 릴리프(26)를 포함한다. 압력 릴리프 밸브(37)는 분사 레일(102)로부터 저압 펌프(2)로 분사 레일 릴리프(26)를 통하여 액체를 배출하도록 구성된다. 이후, 배출된 액체는 원칙적으로 거기로부터 오버 플로우 리턴 밸브(9)를 통하여 추가로 보내질 수 있다. 예를 들어, 액체 연료 물 유제는 더 이상 필요하지 않으면 분사 레일(102)로부터 배출될 수 있고, 이후 유제 분리 장치(36)에 의하여 최초의 성분들로 분리될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 배출된 액체는 또한 저압 펌프(2)로부터 새로이 전달된 새로운 액체와 함께 유체 레귤레이터(8)로부터 고압 펌프(3)를 통하여 분사 레일(102) 내로 직접 재충전될 수 있다.
상기 대비책은 이제 분사 레일(102) 내에 남아 있는 임의의 유체를 재사용 및/또는 제거할 수 있도록 한다. 이에 따라 배출된 유체는 분사 레일(102) 내로 직접 다시 공급되거나 저압 펌프(2) 내에서 재혼합을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제거된 유체는 공급 탱크(104, 108) 내로 다시 채워질 수 있다.
하나의 특정 예로서, 정상 엔진 작동 하에서, 즉 낮은 엔진 부하 또는 중간 엔진 부하 하에서, 분사 레일 릴리프(26) 및/또는 압력 릴리프 밸브(37)는 닫힐 수 있다. 압력은 오버플로우 리턴 밸브(9)를 통하여 다시 저압 측(L)으로 그리고 혼합 챔버 및/또는 저압 펌프(2)의 입구로 조절될 수 있다. 가솔린 물 혼합의 경우 더 낮은 밀도의 성분, 예를 들어 가솔린은 이 경우 주효 회수 매체일 수 있으며, 이에 따라 저압 펌프(2)를 통해 펌핑된 유제를 안정화시킬 수 있다.
다른 예에서, 연료와 물의 혼합물은 분사 레일(102) 내에서 재조정될 수 있다. 이것은 레일 체적의 일부를 배출하거나, 예를 들어 분사 레일(102)의 압력 릴리프 밸브(37)를 전기적으로 작동시켜 전체 레일을 제거함으로써 달성될 수 있다. 배출되거나 제거된 유체는 이후 고압 펌프(3)에 의해 유체 레귤레이터(8)로부터 분사 레일(102) 내로 다시 채워질 수 있다. 이 절차는 영구적인 레일 순환을 위해 연속적으로 수행되거나 모터스포츠와 같은 높은 역동성을 가진 응용분야에서 전체 배출을 용이하게 하기 위하여 가끔 수행될 수 있다.
추가 예에서, 엔진 정지(시동/정지) 동안, 분사 레일(102)은 전체적으로 배출될 수 있다. 이후 액체는 혼합 챔버 및/또는 저압 펌프(2)의 입구에 다시 채워질 수 있다. 이 경우, 이 펌프 해결책이 여기에서 꺼지는 엔진(101)과는 독립적으로 작동하는 것과 특히 관련된다. 분사 레일(102)은 압력 릴리프 밸브(37)을 완전히 열거나 닫음으로써 종종 제거되거나 재충전될 수 있다. 이에 기초하여, 연료 비율은 엔진 정지 직후 및 엔진 (재)시동 전에 최고 수준으로 증가될 수 있다.
또 다른 예에서, 엔진(101)은 더 긴 기간 동안 완전히 정지될 수 있다. 이 경우, 시스템(10)은 효과적으로 역방향으로 작동할 수 있다. 즉, 분사 레일(102)은 압력 릴리프 밸브(37)를 통하여 완전히 배출될 수 있고, 유체는 거기로부터 오버플로우 리턴 밸브(9)를 통하여 유제 분리 장치(36)로 배출될 수 있다. 유제 분리 장치(36)는 이후 유제를 그 성분들로 분할할 수 있고, 이후 공급 탱크(104, 108)로 다시 채워질 수 있다. 이에 기초하여, 전체 시스템(10)은 남아있는 액체로부터 깨끗해질 수 있다. 또한 이 경우, 이 펌프 해결책은 엔진(101)과는 독립적으로 작동할 수 있는 것이 필수적이다.
따라서, 다시 도 7을 참고하면, 방법(M)은 M4 단계 하에서 압력 릴리프 밸브(37)에 의하여 분사 레일로부터 액체 연료 물 유제를 제거하고, M5 단계 하에서 유제 분리 장치(36)에 의하여 제거된 액체를 물과 액체 연료로 분리하는 것을 더 포함할 수 있다.
전술한 상세한 설명에서, 다양한 특징들이 본 개시를 간소화하기 위하여 하나 이상의 예 또는 예들로 그룹화되었다. 상기 설명은 예시적일 뿐 제한하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 상이한 특징 및 실시예들의 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함하도록 의도되었다. 많은 다른 예들은 상기 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백해질 것이다. 실시예들은 본 발명의 원리 및 실제 응용들을 설명하고, 그것에 의하여 당업자가 본 발명 및 의도된 특정 용도에 적합한 다양한 변형 예들과 함께 다양한 실시예를 활용할 수 있도록 선택되고 기재되었다.
1: 연료 펌프 2: 저압 펌프
3, 3': 고압 펌프 4: 펌프 드라이브
5: 전기 서브머신 6: 나선형 냉각 채널
7: 외부 선체 8: 유체 레귤레이터
9: 오버플로우 리턴 밸브 10, 10': 액체 연료 분사 시스템
11: 흡입 피스톤 12: 크랭크 드라이브
14: 펌프 제어 유닛 15: 저압 연료 챔버
16: 고압 연료 챔버 17: 포펫 밸브
18: 저압 연료 입구 19: 고압 연료 출구
20: 리턴 스프링 22: 전기기계적 연결
23: 메인 레귤레이터 공급 라인 24: 레귤레이터 입구
25: 레귤레이터 출구 26: 분사 레일 릴리프
27: 엔진 캠 축 28: 밸브 시트
29: 밸브 피스톤 30: 밸브 액츄에이터
32: 디지털 입구 밸브(DIV) 33: DIV 하우징
34: 태핏 35: 스로틀 밸브
36: 유제 분리 장치 37: 압력 릴리프 밸브
38: 물 혼합기/분사기 100: 차량
101: 엔진 102: 분사 레일
103: 엔진 제어 유닛(ECU) 104: 연료 탱크
105: 차량 배터리 106: 연료 라인
107: 전기 라인 108: 물 탱크
109: 물 라인 110: 액체 공급 라인
L: 저압 측 H: 고압 측
D: 축 방향 A: 작동 방향
M: 방법 M1-M5: 방법 단계들

Claims (19)

  1. 차량(100)의 액체 연료 물 분사 시스템(10)을 위한 연료 펌프(1)에 있어서,
    차량(100)의 물 탱크(108)로부터의 물을 차량(100)의 연료 탱크(104)로부터의 액체 연료에 혼합하여 액체 연료 물 유제를 생성하고 상기 액체 연료 물 유제를 저압으로 제공하도록 된 저압 펌프(2);
    저압 펌프(2)와 유체적으로 연통되고, 액체 연료 물 유제를 차량(100)의 분사 레일(102)을 통하여 차량(100)의 엔진(101)에 분사하기 위하여 액체 연료 물 유제를 저압에서 고압으로 압축하도록 된 고압 펌프(3); 그리고
    차량(100)의 엔진(101)의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 저압 펌프(2)와 고압 펌프(3)를 동시에 구동하도록 된 펌프 드라이브(4);
    를 포함하는 연료 펌프(1).
  2. 제1항에 있어서,
    저압 펌프(2) 내에서 액체 연료 물 유제로 혼합될 물 탱크(108)로부터 제공된 물 및/또는 연료 탱크(104)로부터의 액체 연료의 양을 제어하도록 된 스로틀 밸브(35)를 더 포함하는 연료 펌프(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    펌프 드라이브(4)는 전기 모터로 된 연료 펌프(1).
  4. 제3항에 있어서,
    펌프 드라이브(4)는 저압 펌프(2)와 고압 펌프(3) 사이에서 서로 축방향으로 결합된 적어도 두 개의 전기 서브머신(5)을 포함하는 연료 펌프(1).
  5. 제4항에 있어서,
    각 전기 서브머신(5)은 저압 측(L)에서 고압 측(H)으로 각 전기 서브머신(5)의 축 방향(D) 주위의 나선형 경로를 따라 액체 연료 물 유제를 배출하도록 된 나선형 냉각 채널(6)을 포함하는 연료 펌프(1).
  6. 제5항에 있어서,
    각 나선형 냉각 채널(6)은 각 전기 서브머신(5)의 외부 선체(7)에 통합된 연료 펌프(1).
  7. 제4항에 있어서,
    전기 서브머신(5) 사이에 액체 연료 물 유제를 이송하기 위하여 전기 서브머신(5) 사이에 압력 조절된 연결을 제공하는 유체 레귤레이터(8)를 더 포함하는 연료 펌프(1).
  8. 제7항에 있어서,
    유체 레귤레이터(8)는 고압 측(H)에서 저압 측(L)으로의 액체의 역류를 압력적으로 조정하기 위한 오버플로우 리턴 밸브(9)를 포함하는 연료 펌프(1).
  9. 제8항에 있어서,
    오버플로우 리턴 밸브(9)는 액체 연료 물 유제를 혼합하기 위하여 액체의 역류를 저압 펌프(2)로 전달하도록 된 연료 펌프(1).
  10. 제8항에 있어서,
    액체 연료 물 유제로부터 물과 액체 연료를 분리하도록 된 유제 분리 장치(36)를 더 포함하고,
    오버플로우 리턴 밸브(9)는 액체의 역류를 유제 분리 장치(36)로 전달하도록 된 연료 펌프(1).
  11. 제7항에 있어서,
    유체 레귤레이터(8)는 분사 레일(102)로부터 다시 유체 레귤레이터(8)로 유체를 받도록 된 분사 레일 릴리프(26)를 포함하는 연료 펌프(1).
  12. 제1항에 있어서,
    고압 펌프(3)는 저압 펌프(2)에서 고압 펌프(3)로 이송된 액체 연료 물 유제를 압축하기 위한 흡입 피스톤(11)과, 펌프 드라이브(4)에 의하여 구동되고 흡입 피스톤(11)을 구동하도록 된 크랭크 드라이브(12)를 포함하는 연료 펌프(1).
  13. 엔진(101)과, 액체 연료 물 유제를 분사 레일(102)을 통하여 엔진(101)에 분사하도록 된 액체 연료 물 분사 시스템(10)을 포함하고,
    액체 연료 물 분사 시스템(10)은 제1항에 따른 연료 펌프(1)를 포함하는 차량(100).
  14. 제13항에 있어서,
    연료 펌프(1)는 차량(100)의 엔진(101)으로부터 기계적으로 분리되고,
    연료 펌프(1)는 액체 공급 라인(110)을 통하여 엔진(101)의 분사 레일(102)에 유체적으로 연통된 차량(100).
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    연료 펌프(1)는 차량(100)의 차량 배터리(105)에 의하여 동력을 받는 차량(100).
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    분사 레일(102)은 분사 레일(102)로부터 연료 펌프(1)로 액체를 제거하도록 된 압력 릴리프 밸브(37)를 포함하는 차량(100).
  17. 제1항에 따른 연료 펌프(1)를 작동시키는 방법(M)에 있어서,
    액체 연료 물 유제를 형성하기 위하여 차량(100)의 물 탱크(108)로부터의 물을 차량(100)의 연료 탱크(104)로부터의 액체 연료에 혼합하는 단계(M1);
    저압 펌프(2)로 액체 연료 물 유제를 저압으로 펌핑하는 단계(M2); 그리고
    차량(100)의 분사 레일(102)을 통하여 차량(100)의 엔진(101)에 액체 연료 물 유제를 분사하기 위하여 고압 펌프(3)로 저압에서 고압으로 액체 연료 물 유제를 압축하는 단계(M3);
    를 포함하고,
    저압 펌프(2)와 고압 펌프(3)는 차량(100)의 엔진(101)의 엔진 속도와 독립적인 펌프 주파수로 펌프 드라이브(4)에 의하여 동시에 구동되는 방법(M).
  18. 제17항에 있어서,
    압력 릴리프 밸브(37)에 의하여 분사 레일(102)로부터 액체 연료 물 유제를 제거하는 단계(M4)를 더 포함하는 방법(M).
  19. 제18항에 있어서,
    유제 분리 장치(36)에 의하여 제거된 액체 연료 물 유제를 물과 액체 연료로 분리하는 단계(M5)를 더 포함하는 방법.
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