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KR101400580B1 - 연료분사펌프의 분사장치 - Google Patents

연료분사펌프의 분사장치 Download PDF

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KR101400580B1
KR101400580B1 KR1020100003785A KR20100003785A KR101400580B1 KR 101400580 B1 KR101400580 B1 KR 101400580B1 KR 1020100003785 A KR1020100003785 A KR 1020100003785A KR 20100003785 A KR20100003785 A KR 20100003785A KR 101400580 B1 KR101400580 B1 KR 101400580B1
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plunger
spill port
chamber
fuel
control edge
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김주태
윤욱현
안광헌
김동훈
이용석
박현춘
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료분사펌프의 분사장치에 관한 것이다. 본 발명의 분사장치는, 배럴(200)의 플런저실(202) 내부에서 플런저(100)가 축방향으로 왕복 미끄럼 운동하여 연료를 압축하는 연료분사펌프의 분사장치로서, 상기 플런저(100)에는 플런저실(202)과 연통하는 해제 홈(102) 및 해제 홈(102)과 연통하는 컨트롤 엣지(104)가 형성되고; 상기 배럴(100)의 벽면에는 플런저실(202)과 급/배유실(204)을 연통하고 상기 컨트롤 엣지(104)에 접하는 것에 의해 플런저실(202)의 압력이 빠져나가도록 하는 스필 포트(206)가 형성되며; 상기 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)의 상부 외주면에는, 플런저(100)의 상단면 또는 해제 홈(102)과 상기 스필 포트(206)의 입출부(211)를 연통시켜서 상기 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)와 만나 본격적으로 압력이 해제되기 전에 미리 스필 포트(206)와 만나서 플런저실(202)로부터 스필 포트(206)로 연료의 미세 유동을 형성하는 복수 열의 댐핑 그루브(130)가 형성됨으로써, 연료가 스필 포트(206) 벽면에 고속으로 충돌하는 것을 방지하고 급격한 압력 강하를 방지하여 유동을 미리 안정화시킴으로써 분사장치의 침식 손상을 방지한 것이다.

Description

연료분사펌프의 분사장치{Injection Device for Fuel Injectiojn Pump}
본 발명은 디젤 연료분사 펌프의 분사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본격적인 압력 해제가 이루어지기 직전에 미리 미세한 유동을 형성하여 스필 포트 벽면을 보호함으로써 고속의 유동제트가 스필 포트 벽면에 충돌하는 것을 방지하는 한편, 캐비테이션과 이로 인해 발생한 미세 기포가 벽면 가까이에서 붕괴되는 현상을 방지함으로써 스필 포트의 손상을 최소화한 연료분사펌프의 분사장치에 관한 것이다.
디젤을 연료로 사용하는 내연기관에 있어서의 연료분사펌프는, 연료를 고압으로 압축하여 연소실에 설치된 인젝터(Injector)로 송출하는 것으로, 연료를 실질적으로 압축하여 송출하는 분사장치는 플런저와 배럴로 이루어진다. 이러한 분사장치는, 피스톤 역할을 하는 플런저(Plunger)가 실린더 역할을 하는 배럴(Barrel) 내부에서 왕복 운동하는 것에 의해 연료를 압축하여 보내게 된다.
도 1 및 도 2를 통하여 플런저와 배럴을 구비하는 분사장치의 구조를 살펴보면, 플런저(100)는 배럴(200)의 내부에 축방향(즉, 상하방향)으로 왕복 미끄럼 운동 가능하게 삽입되어 있다.
상기 플런저(100)는, 분사펌프에 설치된 도시하지 않은 캠축의 캠에 의해 왕복 구동된다. 이러한 플런저(100)에는 플런저실(202)과 연통하는 해제 홈(Relief groove)(102)이 형성되고, 해제 홈(102)과 연통하는 컨트롤 엣지(Control Edge)(104)가 형성되어 있다.
배럴(200)은 내부와 외부에 각각 플런저실(202)과 급/배유실(204)이 형성되고, 플런저실(202)과 급/배유실(204)을 연통하는 스필 포트(Spill Port)(206)가 형성되어 있다.
도 1 및 도 2에서, 플런저(100)가 하강하여 그의 상면이 스필 포트(206)의 아래쪽에 있을 때에는 스필 포트(206)를 통해 플런저실(202)로 연료가 유입되고, 플런저(100)가 상승하여 그의 외주면이 스필 포트(206)를 닫을 때부터 연료의 압축이 시작되며, 소정의 압력에 이르면 플런저실(202) 상부의 딜리버리 밸브(Delivery valve)가 열려 압축되는 연료가 인젝터로 송출된다.
이어서, 플런저(100)가 더 상승하여 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)를 만나면, 플런저실(202)의 고압의 연료가 해제 홈(102)과 컨트롤 엣지(104)를 통해 스필 포트(206)로 빠져나가 압력이 해제된다.
이와 같이 연료의 압축 및 해제에 있어서는, 연료를 약 800bar 이상으로 압축하였다가 약 3bar 정도로 해제하는 과정을 주기적으로 반복하게 된다.
여기서, 연료 압력의 해제는 상기한 스필 포트(206)에 의해 이루어짐으로써 스필 포트(206)가 개방되는 순간에는 전술한 바와 같은 큰 압력차에 의해 고속의 연료 유동이 발생하게 되고, 그에 따라 고속 유동하는 연료가 스필 포트(206)의 벽면에 충돌하여 괴식(壞食)을 유발하게 된다.
또한, 연료의 고속 유동에 의하면, 연료의 정압(Static pressure)이 감소하게 되어 증기압(Vapor Pressure) 이하로 낮아지게 되면 미세 기포가 발생하는 캐비테이션(Cavitation) 현상이 일어난다. 이러한 기포들은 압력회복과 함께 플런저(100)의 외주면, 배럴(200)의 내면 및 스필 포트(206)의 표면에서 터져버리기 때문에, 플런저(100), 플런저실(202), 스필 포트(206)의 표면에 캐비테이션 침식을 유발하여 압력 누수의 원인이 되고 분사장치의 내구성을 떨어뜨린다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 압력 해제시 플런저의 컨트롤 엣지와 스필 포트가 개방되기 직전에 댐핑 그루브에 의해 미리 스필 포트와 평행한 미세한 유동이 형성된다.
이러한 미세 유동에 의해 스필 포트 및 플런저의 벽면이 일종의 유동막으로 감싸지면서 보호되는 효과를 갖게 된다.
따라서, 유동제트가 고속으로 입출부에 충돌하는 것이 방지되고, 캐비테이션에 의해 발생한 미세 기포가 벽면 가까이에서 붕괴되는 것이 억제됨으로써 분사장치의 손상이 최소화되고 내구성이 향상된다.
상술한 본 발명의 목적은, 배럴의 플런저실 내부에서 플런저가 축방향으로 왕복 미끄럼 운동하여 연료를 압축하는 연료분사펌프의 분사장치로서, 상기 플런저에는 플런저실과 연통하는 해제 홈 및 해제 홈과 연통하는 컨트롤 엣지가 형성되고; 상기 배럴의 벽면에는 플런저실과 급/배유실을 연통하고 상기 컨트롤 엣지에 접하는 것에 의해 플런저실의 압력이 빠져나가도록 하는 스필 포트가 형성되며; 상기 플런저의 컨트롤 엣지의 상부 외주면에는, 플런저의 상단면 또는 해제 홈과 상기 스필 포트의 입출부를 연통시켜서 상기 플런저의 컨트롤 엣지가 스필 포트와 만나 본격적으로 압력이 해제되기 전에 미리 스필 포트와 만나서 플런저실로부터 스필 포트로 연료의 미세 유동을 형성하는 댐핑 그루브가 형성되는 연료펌프의 분사장치를 제공함으로써 달성된다.
상기한 본 발명의 분사장치에 있어서, 상기 댐핑 그루브는 미세 유동의 수를 늘려 플런저 외벽 손상에 대한 보호영역을 넓힘과 함께 플런저실의 압력을 단계적으로 해제하기 위해 복수 열로 형성하는 것이 바람직하며, 이때 복수 열의 댐핑 그루브는, 길이방향에 수직한 횡단면 상의 전체 폭(H)이 스필 포트의 입출부의 지름(D) 이내가 되도록 하는 것이 좋다.
본 발명에 의한 분사 펌프는, 플런저의 컨트롤 엣지와 스필 포트가 개방되어 압력이 본격적으로 해제되기 직전에, 댐핑 그루브에 의해 미리 미세한 유동이 형성된다.
이러한 미세 유동에 의해 플런저실로부터 스필 포트로 급격한 유동제트가 형성되지 않으면서 급격한 압력강하가 방지된다.
따라서, 유동제트가 고속으로 입출부에 충돌하는 것이 방지되고, 압력 강하에 의한 캐비테이션의 발생이 억제됨으로써 분사장치의 손상이 최소화되고 내구성이 향상된다.
도 1은 종래의 분사장치의 구조를 나타내는 단면 사시도이다.
도 2는 종래의 분사장치의 구조를 나타내는 정면 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 분사장치의 구조를 나타내는 단면 사시도이다.
도 4는 도 3의 플런저를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A 단면도이다.
도 6은 댐핑 그루브 의한 유동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다. 도 1 및 도 2와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하여 설명한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 분사장치를 나타내는 것으로서, 도 3에는 단면 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 플런저의 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 A-A 단면도가, 도 6에는 댐핑 그루브에 의한 유동을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
우선적으로, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분사 장치에서, 플런저(100)에는 배럴(200)의 플런저실(202)과 연통하는 해제 홈(102), 그리고 해제 홈(102)과 연통하는 컨트롤 엣지(104)가 형성되어 있고, 배럴(200)은 그의 내측에 플런저실(202)이 형성되고 외측에는 도시를 생략한 급/배유실(204)(도 2 참조)이 형성되며, 플런저실(202)과 급/배유실(204)을 연통하는 스필 포트(206)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 플런저(100)에는, 그의 컨트롤 엣지(104)의 상부 외주면에 댐핑 그루브(Damping Groove)(130)가 형성되어 있다.
상기 댐핑 그루브(130)는, 플런저(100)의 상단면 또는 해제 홈(102)과 연결되는 형태로 구성되며, 그것에 의해 댐핑 그루브(130)가 스필 포트(206)와 만날 때 플런저실(202)로부터 압력이 미세하게 빠져나가도록 한다.
이러한 댐핑 그루브(130)는, 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)와 만나서 본격적으로 압력이 해제되기 직전에 미리 스필 포트(206)와 만나서 플런저실(202)을 스필 포트(206)와 연통시킨다.
상기 댐핑 그루브(130)는 복수 열(列))로 형성할 수 있으며, 복수 열로 형성할 때, 댐핑 그루브(130)는 그것의 길이방향에 수직한 단면(도 4의 A-A 선에 따른 단면), 즉 횡단면 상의 전체 폭(H)(도 5 참조)이 스필 포트(206)의 입출부 지름(D) 이내가 되도록 한다. 댐핑 그루브(130)를 복수 열로 형성하면, 플런저실(202)의 압력이 단계적으로 해제되므로 1열인 경우보다 좀 더 안정적인 유동이 가능해지며, 다수의 미세 유동을 형성함으로써 더 넓은 영역에서 플런저(100) 둘레 면의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 도 3, 도 4 및 도 6에 보인 바와 같이, 복수 열의 댐핑 그루브(130)의 적어도 하나는 플런저(100)의 상단에서 시작되어 플런저실(202)과 직접 연통하도록 마련할 수 있다. 도 3, 도 4 및 도 6에 도시된 실시예에서는, 복수 열의 댐핑 그루브(130) 중 가장 위쪽에 형성되어 있는 댐핑 그루브(130), 즉, 플런저(100)의 축 방향을 기준으로 위에서 아래쪽으로 3개의 열(즉, 제1열, 제2열, 제3열)을 이루는 3개 열의 댐핑 그루브(130) 중 가장 위쪽에 있는 제1열의 댐핑 그루브(130)가 플런저(100)의 상단에서 시작되어 플런저실(202)과 직접 연통하고 있고, 제2열 및 제3열의 댐핑 그루브(130)는 해제 홈(102)에서 시작하여 해제 홈(102)을 통해서 플런저실(202)과 간접 연통하고 있다.
이처럼 복수 열의 댐핑 그루브(130) 중 적어도 하나가 플런저(100)의 상단에서 시작되어 플런저실(202)과 직접 연통하도록 구성됨으로써 플런저실(202)의 고압이 해당 댐핑 그루브(130)에 직접적이고 효과적으로 전달되어 캐비테이션 손상 저감 효과를 확대할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 댐핑 그루브(130)가 컨트롤 엣지(104)와 나란하게 형성되어 있으나, 반드시 예시된 형태에 한정되지 않고 각도와 방향을 다양하게 구성할 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명은, 댐핑 그루브(130)에 의해, 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)와 만나서 본격적으로 압력이 해제되기 직전에 미리 스필 포트(206)와 만나서 미세 유동을 형성함으로써, 연료가 스필 포트(206) 벽면에 고속으로 충돌하는 것을 방지하는 한편, 캐비테이션에 의한 침식의 주원인인 미세 기포의 벽면 가까이에서의 붕괴를 미리 방지함으로써 분사장치의 침식 손상을 방지한 것이다.
이를 도 6을 참조하면서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
(1) 고속의 유동제트로 인한 직접적인 충격에 의한 침식
도 6과 같이, 플런저(100)의 압축 행정 말기에 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)를 만나서 개방될 때, 플런저실(202)과 급/배유실(204) 사이의 큰 압력 차이로 인하여 500m/s 정도의 고속의 유동제트가 발생한다.
특히, 연료분사펌프에서는 이러한 유동제트가 플런저(100)의 왕복으로 인해 주기적으로 발생하는 특징이 있기 때문에, 스필 포트(206)의 길이가 길어질수록 유동제트가 직접적으로 부딪히는 스필 포트 내벽면은 피로가 누적되어 결과적으로 침식에 의한 손상을 입게 된다.
이러한 손상을 피하기 위해서는 고속의 유동제트가 스필 포트(206)의 벽면에 닿지않고 흘러나가도록 하는 것이 하나의 방법인 것으로 연구되었다.
본 발명에 의하면, 플런저(100)의 압축 행정 말기에 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)를 만나서 본격적으로 개방되기 전에 미리 댐핑 그루브(130)가 스필 포트(206)를 만나 플런저실(202)과 스필 포트(206)를 연결하게 되고, 그것에 의해 댐핑 그루브(130)를 따라 미세한 유동(소량의 가는 유동)이 스필 포트와 평행한 방향으로 먼저 형성된다.
이러한 소량의 연료의 미세한 고속 유동은 스필 포트(206) 내부 벽면을 일종의 유동막으로 보호하는 효과를 나타내게 되어, 그 이후에 컨트롤 엣지가 열리면서 발생하는 대량의 고속 유동 제트가 스필 포트 벽면에 직접적으로 충돌하는 것을 막게 되어 유동 제트가 스필 포트(206)의 벽면에 도달할 때에는 속도가 현격히 줄어들게 되고 강도는 약해지게 되며, 유동 방향이 스필 포트(206) 반경 방향 외측으로 편향되게 되어, 결과적으로 스필 포트(206)의 벽면의 침식을 막을 수 있게 된다.
(2) 캐비테이션 발생에 의한 간접적인 충격에 의한 침식
도 6과 같이, 플런저(100)의 압축 행정 말기에 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)를 만나서 개방될 때, 플런저실(202)과 급/배유실(204) 사이의 큰 압력 차이로 인하여 500m/s 이상의 고속의 유동제트가 발생하고, 이러한 고속 유동제트의 속도에 의해 압력이 강하되면서 캐비테이션이 발생한다.
본 발명에 의하면, 댐핑 그루브(130)에 의해, 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)와 만나서 본격적으로 압력이 해제되기 직전에 미리 스필 포트(206)와 만나서 미세 유동을 형성함으로써, 플런저실(202)의 높은 압력이 미리 서서히 해제될 뿐만 아니라, 미세 유동이 스필 포트와 플런저 벽면을 보호하는 일종의 유동막을 형성하게 된다.
따라서, 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)를 만나는 시점에서는 이미 플런저실(202)의 압력이 많이 해소된 상태가 되기 때문에 연료의 속도가 현저히 줄어들게 되고 급격한 압력 강하도 생기지 않게 되며, 캐비테이션에 의한 침식의 주된 원인으로 알려진 미세 기포의 발생과 미세 기포의 벽면 가까이에서의 붕괴가 유동막에 의해서 막히게 되어 결과적으로 캐비테이션 및 그에 의한 손상을 줄일 수가 있게 된다. 또한, 복수의 댐핑 그루브(130)에 의해 플런저실(202)의 압력이 단계적으로 해제되면 1열인 경우보다 좀 더 안정적인 유동이 가능해지며, 복수의 댐핑 그루브(130)에 의해 다수의 미세 유동이 형성됨으로써 더 넓은 영역에서 플런저(100) 둘레 면의 손상을 방지할 수 있다.
이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.
100 : 플런저 102 : 해제 홈
104 : 컨트롤 엣지 130 : 댐핑 그루브
200 : 배럴 202 : 플런저실
204 : 급/배유실 206 : 스필 포트

Claims (3)

  1. 배럴(200)의 플런저실(202) 내부에서 플런저(100)가 축방향으로 왕복 미끄럼 운동하여 연료를 압축하는 연료분사펌프의 분사장치로서,
    상기 플런저(100)에는 플런저실(202)과 연통하는 해제 홈(102) 및 해제 홈(102)과 연통하는 컨트롤 엣지(104)가 형성되고,
    상기 배럴(200)의 벽면에는 플런저실(202)과 급/배유실(204)을 연통하고 상기 컨트롤 엣지(104)에 접하는 것에 의해 플런저실(202)의 압력이 빠져나가도록 하는 스필 포트(206)가 형성되며,
    상기 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)의 상부 외주면에는, 플런저(100)의 상단면 또는 해제 홈(102)과 상기 스필 포트(206)의 입출부(211)를 연통시켜서 상기 플런저(100)의 컨트롤 엣지(104)가 스필 포트(206)와 만나 본격적으로 압력이 해제되기 전에 미리 스필 포트(206)와 만나서 플런저실(202)로부터 스필 포트(206)로 연료의 미세 유동을 형성하는 댐핑 그루브(130)가 형성되며,
    상기 댐핑 그루브(130)는, 미세 유동의 수를 늘려 플런저 외벽 손상에 대한 보호영역을 넓힘과 함께 플런저실(202)의 압력을 단계적으로 해제하기 위해 복수 열로 형성되고,
    복수 열의 댐핑 그루브(130)는, 길이방향에 수직한 횡단면 상의 전체 폭(H)이 스필 포트(206)의 입출부(211)의 지름(D) 이내이며,
    상기 복수 열의 댐핑 그루브(130)의 적어도 하나는 상기 플런저(100)의 상단에서 시작되어 상기 플런저실(202)과 직접 연통하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 연료펌프의 분사장치.
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