KR20230168299A - 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프 - Google Patents

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KR20230168299A
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김동연
백승철
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에이치디현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 선박의 대형 2행정 디젤 엔진용 연료분사펌프에 관한 것으로서, 특히 연료 분사시점과 분사량을 전자 제어하기 위한 밸브 액추에이터를 적용하여 부하에 따른 연료 분사시점의 최적화를 구현하고, 각 실린더별 성능의 편차를 조정할 수 있게 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실린더에 장착된 연료분사밸브로 연료를 공급하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프로서, 플런저를 감싸는 배럴의 내부에 형성된 가압실로 연료를 공급하는 유로에 장착된 솔레노이드 밸브를 포함하며, 솔레노이드 밸브의 개폐에 따라 가압실로 연료를 공급하거나, 공급을 차단하거나 가압실의 연료를 유로를 통해 회수하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프{Electronic Fuel Injection Pump of Diesel Engines for Ship}
본 발명은 선박의 디젤 엔진용 연료분사펌프에 관한 것으로서, 특히 연료 분사시점과 분사량을 전자 제어하기 위한 밸브 액추에이터를 적용하여 부하에 따른 연료 분사시점의 최적화를 구현하고, 각 실린더별 성능의 편차를 조정할 수 있게 구성한 것이다.
선박용 디젤 엔진은 일반적으로 실린더 하나당 1개의 연료분사펌프와 1개의 연료분사밸브를 구비하고 있다. 그리고 연료분사펌프의 내부 압력에 의해 연료분사밸브들이 개폐되며, 연료분사밸브가 개방된 상태에서 연료를 실린더 내부로 분사한다.
도면에서 도 1은 종래 기술에 따른 연료분사펌프와 디젤 엔진의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료분사펌프의 연료 랙을 나타낸 개념도이며, 도 3은 도 2에 도시된 연료 랙과 플런저의 결합관계를 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 디젤 엔진(1)의 각 실린더(10)에는 1개의 연료분사펌프(20)가 장착되며, 연료분사펌프(20)에는 분사시점을 제어하기 위해 도 2에 보이듯이 연료 랙(fuel rack)(23)이 장착된다.
도 1에 보이듯이 연료분사펌프(20)에 장착된 복수의 연료 랙(23)들은 하나의 제어 바(30)에 연결되고, 제어 바(30)의 회전 각도에 따라 각 연료분사펌프(20)에 장착된 연료 랙(23)은 동일하게 직선 왕복 운동하게 된다.
연료 랙(23)은 도 3에 도시된 바와 같이, 연료분사펌프(20)의 내부에 위치한 플런저(21)와 기어 결합한 구조로서, 연료 랙(23)이 직선 이동함에 따라 플런저(21)는 회전하면서 연료분사펌프(20)의 연료 분사시점을 제어하게 된다.
이를 위해서는 플런저(21)에 헬릭스 그루브(Helix groove)가 형성되어야 하며, 플런저(21)의 회전 각도 조정을 위해 연료 랙(23)과의 기어 결합구조 등이 필요하며, 이와 같은 구조가 복잡하게 구성됨에 따라 연료분사펌프(20)의 제작 비용이 증가하며 관리가 어렵다는 단점이 있다.
또한 도 1에 보이듯이, 하나의 제어 바(30)에 의해 각 실린더 별 연료 랙(23)이 동일하게 작동됨에 따라 각 실린더(10) 별 분사시점과 분사량을 능동적으로 제어할 수 없으며, 따라서 부하에 따른 성능 최적화 및 실린더 간 성능 편차 조정이 어렵다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0010127호(2004.01.31.) 대한민국 공개특허공보 특2001-0030766호(2001.04.16.) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0024261호(2013.03.08.) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0024262호(2013.03.08.)
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 연료 분사시점과 분사량을 전자 제어하기 위한 밸브 액추에이터를 적용하여 부하에 따른 연료 분사시점의 최적화를 구현하고, 각 실린더별 성능의 편차를 조정할 수 있게 구성한 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실린더에 장착된 연료분사밸브로 연료를 공급하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프로서, 플런저를 감싸는 배럴의 내부에 형성된 가압실로 연료를 공급하는 유로에 장착된 솔레노이드 밸브를 포함하며, 솔레노이드 밸브의 개폐에 따라 가압실로 연료를 공급하거나, 공급을 차단하거나 가압실의 연료를 유로를 통해 회수하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 솔레노이드 밸브는, 제1포트와 제2포트 및 인가된 전원에 의해 직선 왕복 이동하면서 제1포트와 제2포트를 연통 또는 차단하는 밸브를 구비하며, 제1포트에는 연료를 공급하는 제1유로가 연결되고, 제2포트에는 가압실로 연장된 제2유로가 연장되며, 밸브에 의해 제1포트와 제2포트가 연통되면 제1포트로 유입된 연료가 가압실로 공급되거나 가압실의 연료가 제1포트를 통해 배출되고, 밸브에 의해 제1포트와 제2포트가 차단되면 제1유로와 제2유로는 폐쇄된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전자식 연료분사펌프는, 캠에 의해 직선 왕복 이동하는 플런저와, 플런저를 감싸며 내부에 가압실이 형성되는 배럴과, 배럴을 감싸는 펌프 하우징을 포함하며, 펌프 하우징의 내주면과 배럴의 외주면의 사이에는 연료 리저버가 형성되고 연료 리저버에서 제1유로가 연장된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료 리저버에는 연료공급라인이 펌프 하우징을 관통해 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 펌프 하우징의 상단에는 탑 커버가 고정되며, 탑 커버의 측부에는 밸브 홀이 형성되고, 밸브 홀에 솔레노이드 밸브가 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1유로는 펌프 하우징에 형성된 유로와 탑 커버에 형성된 유로가 연결되어 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2유로는 탑 커버를 관통해 배럴 쪽으로 연장된 유로와 배럴을 관통하여 배럴 내부의 가압실로 연장된 유로가 연결되어 형성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프는 솔레노이드 밸브의 전원 인가를 제어함에 따라 솔레노이드 밸브의 개폐시점의 제어가 이루어지며, 그에 따라 연료분사밸브에서 분사되는 시점을 제어할 수 있고, 연료 분사량의 제어 또한 쉽게 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 따른 전자식 연료분사펌프는 연료 분사시점 및 분사량을 솔레노이드 밸브로 제어함에 따라 종래와 같이 복잡한 구조의 플런저의 가공이 필요치 않아 연료분사펌프의 설계 및 제작이 용이하다는 장점이 있으며, 캐비테이션(cavitation) 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전자식 연료분사펌프는 각 실린더 별로 장착됨에 따라 부하에 따른 성능 최적화 및 실린더 간 성능 편차 조정이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료분사펌프와 디젤 엔진의 구성도이고,
도 2는 도 1에 도시된 연료분사펌프의 연료 랙을 나타낸 개념도이며,
도 3은 도 2에 도시된 연료 랙과 플런저의 결합관계를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자식 연료분사펌프를 나타낸 개념도이고,
도 5a는 도 4에 도시된 전자식 솔레노이드 밸브의 폐쇄에 따른 개념도이며,
도 5b는 전자식 솔레노이드 밸브를 개방하였을 시의 개념도이고,
도 5c는 연료분사펌프의 플런저가 하향 이동할 때의 개념도이다.
도 6은 솔레노이드 밸브의 온(on)/오프(off)와 캠 회전에 따른 플런저의 업(up)/다운(down) 시점에 따른 작동 관계를 비교한 그래프이고,
도 7은 솔레노이드 밸브 동작 시기의 변경에 따른 연료 분사압력 및 분사율 변화를 나타낸 그래프이며,
도 8은 본 발명에 따른 연료분사펌프의 캠에 대한 프로파일을 나타낸 것으로 다단 분사의 예를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 본 발명에 따른 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 4는 본 발명에 따른 전자식 연료분사펌프를 나타낸 개념도이고, 도 5a는 도 4에 도시된 전자식 솔레노이드 밸브의 폐쇄에 따른 개념도이며, 도 5b는 전자식 솔레노이드 밸브를 개방하였을 시의 개념도이고, 도 5c는 연료분사펌프의 플런저가 하향 이동할 때의 개념도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전자식 연료분사펌프(100)는 펌프 하우징(110) 내부에 배럴(111)이 위치하고, 배럴(111)의 내부에서 플런저(117)가 캠에 의해 상하방향으로 직선 왕복 이동한다.
펌프 하우징(110)의 상단은 탑 커버(130)에 의해 폐쇄되며 탑 커버(130)의 측부에는 솔레노이드 밸브(140)가 장착된다.
그리고 배럴(111)과 펌프 하우징(110)의 사이에는 연료 리저버(fuel oil reservoir)(113)가 형성되며, 연료탱크에서 연장된 연료공급라인(120a)이 펌프 하우징(110)을 관통해 연료 리저버(113)에 연결된다. 또한 연료 리저버(113)에는 솔레노이드 밸브(140)로 연장된 제1유로(121)가 형성되고, 솔레노이드 밸브(140)에서 연장된 제2유로(122)는 배럴(111)의 내측에 형성되는 가압실(115)로 연장되며, 가압실(115)에서 연료분사밸브로 연장된 제3유로(123)가 형성된다.
따라서 연료탱크에서 공급되는 연료는 연료 리저버(113)에서 제1유로(121)를 따라 솔레노이드 밸브(140) 쪽으로 유입되고, 솔레노이드 밸브(140)가 개방된 상태에서 제2유로(122)를 통해 연료분사펌프(100)의 가압실(115)로 유입된다. 이때 플런저(117)가 상향으로 이동하면서 가압실(115) 내에 채워진 연료를 가압하며, 연료에 가해진 압력이 연료분사밸브의 개방 압력에 도달할 경우 연료분사밸브가 개방되면서 연료가 실린더 내부로 분사된다.
솔레노이드 밸브(140)가 폐쇄되면 제1유로(121)의 연료는 제2유로(122)로 공급되지 못하고 차단된다.
따라서 솔레노이드 밸브(140)의 개폐에 따라 연료분사밸브(미도시)에서 연료를 분사하는 분사시점 및 분사량을 제어할 수 있다.
아래에서는 이와 같이 구성된 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료분사펌프(100)는 펌프 하우징(110) 내부에는 그 상부 쪽에 배럴(111)이 위치하고, 배럴(111)의 내부에는 배럴(111)의 길이방향을 따라 상하 이동하는 플런저(117)가 위치하며, 플런저(117)가 하향으로 이동하면서 배럴(111)의 내부에는 가압실(115)이 형성된다.
그리고 플런저(117)의 하단 둘레에는 리턴스프링(119)이 위치하며, 플런저(117)의 하부에 위치한 캠의 회전에 의해 플런저(117)는 상하방향으로 이동한다.
또한 펌프 하우징(110)의 내주면에는 배럴(111)의 외주면과 대응하는 지점에 연료 리저버(113)가 형성되며, 연료 리저버(113)에는 측방향으로 펌프 하우징(110)을 관통한 연료공급라인(120a)이 형성된다.
한편, 펌프 하우징(110)의 상단에는 탑 커버(130)가 위치하며, 탑 커버(130)의 측부에는 솔레노이드 밸브(140)가 장착된다. 탑 커버(130)의 측부에는 솔레노이드 밸브(140)가 장착될 수 있는 밸브 홀(131)이 형성되며, 밸브 홀(131)에 솔레노이드 밸브(140)가 장착된다.
제1유로(121)는 펌프 하우징(110)에 형성된 유로(121a)와 탑 커버(130)에 형성된 유로(121b)가 연결되어 형성된 구조이며, 제1유로(121)는 연료 리저버(113)에서 솔레노이드 밸브(140)의 하부 포트(LP)에 연결된다. 여기에서 하부 포트(LP)는 제1유로(121)를 통해 유입된 연료가 솔레노이드 밸브(140)의 내부로 유입되는 지점에 해당한다.
그리고 제2유로(122)는 솔레노이드 밸브(140)의 상부 포트(HP)에서 연장되어 탑 커버(130)를 관통해 배럴(111) 쪽으로 연장된 유로(122a)와 배럴(111)을 관통하여 배럴(111) 내부의 가압실(115)로 연장된 유로(122b)가 연결되어 형성된다.
따라서 솔레노이드 밸브(140)의 상부 포트(HP)로 배출된 연료는 제2유로(122)를 통해 배럴(111) 내부의 가압실(115)로 공급된다.
그리고 제3유로(123)는 가압실(115)의 상면에서 배럴(111)을 관통해 상향으로 연장된 유로(123a)와 탑 커버(130)를 관통해 수직으로 연장된 유로(123b)가 연결되어 형성되며, 제3유로(123)는 탑 커버(130)의 상단에 연결된 연료공급라인(120b)을 통해 연료분사밸브로 연장된다.
한편, 솔레노이드 밸브(140)는 도 4에 보이듯이 상단에 솔레노이드 코어(141)가 장착되고 그 아래에 아마추어(143)가 위치하며 아마추어(143)의 저면에는 밸브(145)가 수직하향으로 연결된다. 밸브(145)의 둘레에는 밸브 부시(147)가 밸브(145)를 감싸 위치한다.
솔레노이드 코어(141)에 전원이 인가되면 아마추어(143)가 상향으로 이동하고 아마추어(143)에 고정된 밸브(145)가 함께 상향으로 이동하면서 상부 포트(HP)와 하부 포트(LP)를 각각 폐쇄하여 제1유로(121)로 유입된 연료가 제2유로(122)로 유동하는 것을 차단하며, 솔레노이드 코어(141)에 인가된 전원을 차단하면 솔레노이드 밸브(140)의 밸브 스프링(149)의 탄성에 의해 밸브(145)가 하향으로 이동하면서 상부 포트(HP)와 하부 포트(LP)를 연통 즉 개방시켜 제1유로(121)로 유입된 연료가 제2유로(122)를 통해 연료분사펌프(100)의 가압실(115)로 공급된다.
아래에서는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프의 작동관계에 대해 설명한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 연료분사펌프(100)로 연장된 연료공급라인(120a)을 통해 공급된 연료는 연료 리저버(113)에 채워지며, 공급 압력에 의해 연료를 제1유로(121)를 통해 솔레노이드 밸브(140)의 하부 포트(LP)로 유입된다.
이때 솔레노이드 밸브(140)에는 전원이 인가되지 않은 상태로, 밸브(145)는 하향으로 이동한 상태 즉 상부 포트(HP)와 하부 포트(LP)가 연통된 개방 상태이다.
상부 포트(HP)와 하부 포트(LP)가 개방되면 제1유로(121)를 통해 솔레노이드 밸브(140)로 유동한 연료는 하부 포트(LP)에서 상부 포트(HP)를 통해 제2유로(122) 유동하고, 제2유로(122)를 따라 연료분사펌프(100)의 가압실(115)로 유입된다.
이때 플런저(117)는 하사점에 위치한 상태이고, 가압실(115)에 연료가 유입되면 캠의 회전에 의해 플런저(117)가 상사점을 향해 이동하며 동시에 솔레노이드 밸브(140)에 전원이 인가된다. 그러면 상부 포트(HP)와 하부 포트(LP)가 밸브(145)에 의해 폐쇄되면서 제2유로(122)와 가압실(115)의 내부 및 제3유로(123)에 위치한 연료의 압력이 증가하게 된다.
제2유로(122)와 가압실(115)의 내부 및 제3유로(123)에 위치한 연료의 압력이 증가하여 실린더에 장착된 연료분사밸브의 개방압력에 도달하면, 연료분사밸브가 개방되면서 연료가 실린더 내부로 분사된다.
연료분사밸브가 개방되면, 제2유로(122)와 가압실(115)의 내부 및 제3유로(123)에 위치한 연료의 압력이 급격히 감소되며, 도 5b에 도시된 바와 같이 솔레노이드 밸브(140)의 인가된 전원이 차단되고 전원 차단에 의해 밸브(145)가 밸브 스프링(149)의 탄성력에 의해 하향으로 이동한다. 밸브가 하향으로 이동하면서 상부 포트(HP)와 하부 포트(LP)가 연통 즉 개방되고, 플런저(117)는 캠의 회전에 의해 상사점으로 이동하면서 제2유로(122)와 가압실(115) 내부의 연료는 제2유로(122)를 통해 솔레노이드 밸브(140)로 유입된 후 제1유로(121)를 통해 연료 리저버(113)로 회수된다.
이후 플런저(117)는 캠의 작동에 의해 상사점에서 하사점으로 하향 이동하면서 도 5c에 도시된 바와 같이, 가압실(115)의 압력은 낮아지게 되고, 압력 차에 의해 연료 리저버(113)에 채워진 연료는 개방된 제1유로(121)와 제2유로(122)를 통해 가압실(115)의 내부로 공급된다.
이와 같이 구성된 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프에 있어서, 솔레노이드 밸브(140)의 전원 인가를 제어함에 따라 솔레노이드 밸브(140)의 개폐시점의 제어가 이루어지며, 그에 따라 연료분사밸브에서 분사되는 시점을 제어할 수 있다. 또한 연료 분사량의 제어 또한 쉽게 조정할 수 있다.
한편, 도면에서 도 6은 솔레노이드 밸브의 온(on)/오프(off)와 캠 회전에 따른 플런저의 업(up)/다운(down) 시점에 따른 작동 관계를 비교한 그래프이고, 도 7은 솔레노이드 밸브 동작 시기의 변경에 따른 연료 분사압력 및 분사율 변화를 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명에 따른 연료분사펌프의 캠에 대한 프로파일을 나타낸 것으로 다단 분사의 예를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 밸브의 온(on)/오프(off)와 캠 회전에 따른 플런저의 업(up)/다운(down) 시점에 따른 작동 관계를 비교한 그래프이다.
또한 도 7은 솔레노이드 밸브 동작 시기의 변경에 따른 연료 분사압력 및 분사율 변화를 나타낸 그래프로서, 종래 기술에서는 분사 시점이 메인 드라이버인 캠에 의해 결정됨에 따라 연료 분사압력 및 분사율의 제어가 어려웠으나, 본 발명에서는 솔레노이드 밸브의 개폐에 분사가 제어됨에 따라 연료 분사압력 및 분사율을 필요에 따라 제어할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 도 8에 보이듯이, 솔레노이드 밸브에 의해 연료 분사시점이 제어될 수 있게 구성됨에 따라 기존의 캠 프로파일에서 본 발명에 따른 캠의 프로파일로 캠을 개선할 경우 다단 분사가 이뤄지도록 구성할 수 있다.
100 : 전자식 연료분사펌프
110 : 펌프 하우징
111 : 배럴
113 : 연료 리저버
115 : 가압실
117 : 플런저
119 : 리턴스프링
120a, 120b : 연료공급라인
121, 122, 123 : 유로
130 : 탑 커버
131 : 밸브 홀
140 : 솔레노이드 밸브
141 : 솔레노이드 코어
143 : 아마추어
145 : 밸브
147 : 밸브 부시
149 : 밸브 스프링
HP : 상부 포트
LP : 하부 포트

Claims (7)

  1. 실린더에 장착된 연료분사밸브로 연료를 공급하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프로서,
    플런저를 감싸는 배럴의 내부에 형성된 가압실로 연료를 공급하는 유로에 장착된 솔레노이드 밸브를 포함하며,
    솔레노이드 밸브의 개폐에 따라 가압실로 연료를 공급하거나, 공급을 차단하거나 가압실의 연료를 유로를 통해 회수하는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    솔레노이드 밸브는,
    제1포트와 제2포트 및 인가된 전원에 의해 직선 왕복 이동하면서 제1포트와 제2포트를 연통 또는 차단하는 밸브를 구비하며,
    제1포트에는 연료를 공급하는 제1유로가 연결되고, 제2포트에는 가압실로 연장된 제2유로가 연장되며, 밸브에 의해 제1포트와 제2포트가 연통되면 제1포트로 유입된 연료가 가압실로 공급되거나 가압실의 연료가 제1포트를 통해 배출되고, 밸브에 의해 제1포트와 제2포트가 차단되면 제1유로와 제2유로는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    전자식 연료분사펌프는,
    캠에 의해 직선 왕복 이동하는 플런저와,
    플런저를 감싸며 내부에 가압실이 형성되는 배럴과,
    배럴을 감싸는 펌프 하우징을 포함하며,
    펌프 하우징의 내주면과 배럴의 외주면의 사이에는 연료 리저버가 형성되고 연료 리저버에서 제1유로가 연장된 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    연료 리저버에는 연료공급라인이 펌프 하우징을 관통해 형성된 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
  5. 제3항에 있어서,
    펌프 하우징의 상단에는 탑 커버가 고정되며,
    탑 커버의 측부에는 밸브 홀이 형성되고, 밸브 홀에 솔레노이드 밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
  6. 제5항에 있어서,
    제1유로는 펌프 하우징에 형성된 유로와 탑 커버에 형성된 유로가 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
  7. 제5항에 있어서,
    제2유로는 탑 커버를 관통해 배럴 쪽으로 연장된 유로와 배럴을 관통하여 배럴 내부의 가압실로 연장된 유로가 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 선박용 디젤엔진의 전자식 연료분사펌프.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20010030766A (ko) 1998-07-29 2001-04-16 클라우스 포스, 게오르그 뮐러 내연기관의 연료공급장치
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KR20130024261A (ko) 2011-08-31 2013-03-08 현대중공업 주식회사 대형 2행정 디젤 엔진용 연료펌프
KR20130024262A (ko) 2011-08-31 2013-03-08 현대중공업 주식회사 대형 2행정 디젤 엔진용 연료펌프

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