KR20240058173A

KR20240058173A - 고압 연료 펌프

Info

Publication number: KR20240058173A
Application number: KR1020247012475A
Authority: KR
Inventors: 요셉 지. 스파코우스키; 브랜든 카스워
Original assignee: 피니아 델피 룩셈부르크 에스에이알엘
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-05-03
Also published as: US20180010600A1; CN117980600A; US11713755B2; EP3482061A1; GB2625958A; KR20190010716A; CN109563798A; WO2018009390A1; EP3482061A4; US20220003233A1

Abstract

연료 펌프는 하우징의 보어 내에서 왕복 운동하는 플런저를 구비한다. 상기 플런저는 펌핑 챔버의 근위에 있는 제1 단부로부터 펌핑 챔버의 원위에 있는 제2 단부까지 연장되고, 제1 단부와 제2 단부 사이에 밀봉 링 그루브를 구비한다. 상기 밀봉 링 그루브는 제1 단부의 근위에 있는 상부 숄더로부터 제1 단부의 원위에 있는 하부 숄더까지 연장되고 제1 거리만큼 분리된다. 밀봉 링은 밀봉 링 그루브 내에 위치되고 억지 끼워맞춤으로 보어와 맞물린다. 12 미크론 초과 30 미크론 미만의 직경 간극이 플런저와 보어 사이에 제공되어 상기 직경 간극은 제1 거리의 적어도 4배인 제2 거리만큼 밀봉 링 그루브와 제1 단부 사이에서 연장된다.

Description

고압 연료 펌프

본 발명은 연료 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게 내연기관의 연소 챔버 내로 직접 분사하기 위해 고압의 연료를 제공하는 고압 연료 펌프에 관한 것이고, 특히 이러한 연료 펌프는 펌프 하우징의 플런저 보어 내에서 왕복 운동하여 펌프 하우징에 형성된 펌핑 챔버 내의 연료를 가압하기 위한 펌핑 플런저를 갖는 연료 펌프에 관한 것이고, 특히 이러한 연료 펌프는 펌핑 플런저가 환형 밀봉 링 그루브 및 플런저 보어와 억지 끼워맞춤으로 맞물리는 상기 밀봉 링 그루브 내에 밀봉 링을 구비하며, 펌핑 플런저의 계면부와 플런저 보어 사이의 연료 누설을 최소화하는 연료 펌프에 관한 것이다.

현대의 내연기관용 연료 시스템은, 전형적으로 1) 비교적 저압(전형적으로 약 500 kPa 미만)에서 내연기관의 흡기 매니폴드에 연료가 주입되고, 그 후 내연기관의 연소 챔버로 통과되는 포트 연료 분사(port fuel injection; PFI), 또는 2) 비교적 고압(전형적으로 14 MPa 이상)에서 내연기관의 연소 챔버 내로 직접 연료가 분사되는 가솔린 직접 분사(gasoline direct injection; GDi)를 채용한다. PFI 시스템에서, 연료는 전형적으로 연료 시스템의 연료 탱크와 함께 위치되는 전기 연료 펌프에 의해 연료 탱크로부터 내연 엔진으로 펌핑된다. 그러나, GDi 시스템은 전기 연료 펌프에 의해 달성될 수 있는 압력에 비해 연료의 압력을 부스팅하기 위해 추가적인 연료 펌프를 필요로 한다. 직접 분사에 필요한 크기로 연료 압력을 상승시키기 위해서는, 내연기관의 캠샤프트에 의해 구동되는 피스톤형 고압 연료 펌프를 채용하는 것이 통상적이다.

전형적인 고압 연료 펌프에서, 펌프 하우징은 입구, 출구, 펌핑 챔버, 및 펌핑 챔버 내로 개방되는 플런저 보어를 형성한다. 펌핑 플런저는 내연기관의 캠샤프트에 의해 플런저 보어 내에서 왕복 운동하여 펌핑 플런저의 각각의 사이클이 펌핑 챔버의 용적을 증가 및 감소시킨다. 펌핑 플런저가 펌핑 챔버의 용적을 증가시키는 방향, 즉 입구 스트로크로 이동할 때 입구 밸브가 선택적으로 개방되어, 저압 연료가 펌핑 챔버에 진입하도록 허용한다. 펌핑 플런저가 펌핑 챔버의 용적을 감소시키는 방향, 즉 압력 스트로크로 이동할 때, 펌핑 챔버 내의 연료는 감소된 용적의 결과로서 압력이 상승된다. 펌핑 챔버 내의 연료의 압력이 사전결정된 임계값에 도달할 때, 출구 밸브가 개방되어, 고압 연료가 출구로부터 배출되게 한다. 이러한 고압 연료 펌프의 예는 Nakayama 등의 미국특허 8,573,112호에 개시되어 있으며, 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.

전술한 바와 같은 고압 연료 펌프의 효율적인 작동을 허용하기 위해서는, 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 누설을 최소화하는 것이 필요하다. 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 누출의 최소화는 전형적으로 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이에 폐쇄 간극을 제공함으로써 처리된다. 허용가능한 수준으로 누출을 유지하기 위해, 간극은 12 미크론 미만이고, 또한 12 미크론의 이러한 간극은 전형적으로 펌핑 플런저의 직경의 적어도 2배인 길이를 위해 연장된다. 그러나, 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 간극은 너무 작아지지 않는 것이 중요한데, 그 이유는 펌핑 플런저가 작동 중에 발생되는 열로 인해 작동 중에 플런저 보어 내에서 해체되어, 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 연료에 대한 불충분한 간극의 결과로서 불량한 윤활로 인해, 그리고 펌핑 플런저에 대한 측면 부하 영향으로 인해 펌핑 플런저가 플런저 보어의 팽창보다 더 큰 정도로 반경방향 외측으로 팽창하게 하기 때문이다. 그 결과, 11 미크론±1 미크론의 간극은 펌핑 플런저 및 플런저 보어의 제조에서의 전형적인 허용가능한 공차일 수 있다. 이러한 공차는 구현하는데 비용이 많이 들고 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 매치 호닝(match honing)을 필요로 할 수 있으며, 이에 의해 제조 프로세스에 시간 및 복잡성을 부가한다. 또한, 이러한 공차는, 특히 내연기관의 저속 작동에서 경험되는 낮은 효율을 수용하기 위해 펌프가 연료 펌핑 용량에서 증가될 것을 요구할 수 있다.

전술한 바와 같은 단점들 중 하나 이상을 최소화하거나 제거하는 고압 연료 펌프에 대한 필요성이 있다.

간략하게 설명하면, 고압 연료 펌프는, 펌핑 챔버, 상기 펌핑 챔버 내로 저압 연료를 허용하는 연료 입구, 상기 펌핑 챔버 외부로 고압 연료를 허용하는 연료 출구, 및 축을 따라 연장되고 상기 펌핑 챔버 내로 개방되는 플런저 보어를 형성하는 펌프 하우징; 상기 축을 따라 상기 플런저 보어 내에서 왕복 운동하는 펌핑 플런저로서, 상기 플런저 보어 내에서의 상기 펌핑 플런저의 왕복 운동이 상기 펌핑 챔버의 용적을 증가 및 감소시키고, 상기 용적이 증가할 때 상기 연료 입구로부터 상기 펌핑 챔버로 저압 연료가 흐르고, 상기 용적이 감소할 때 상기 연료 출구를 통해 상기 펌핑 챔버로부터 고압 연료가 배출되고, 상기 펌핑 플런저는 상기 펌핑 챔버에 근위에 있는 제1 단부로부터 상기 펌핑 챔버의 원위에 있는 제2 단부까지 상기 축을 따라 연장되고, 상기 펌핑 플런저는 환형 형상이고 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 위치되는 밀봉 링 그루브를 구비하여 상기 밀봉 링 그루브는 상기 제1 단부의 근위에 있는 상부 숄더로부터 상기 제1 단부의 원위에 있는 하부 숄더까지 상기 축을 따라 연장되고, 상기 상부 숄더와 상기 하부 숄더가 상기 축에 평행한 방향으로 제1 거리만큼 분리되는, 상기 펌핑 플런저; 및 환형 형상이고 상기 밀봉 링 그루브 내에 위치되는 밀봉 링으로서, 상기 밀봉 링이 억지 끼워맞춤으로 상기 플런저 보어와 맞물리는, 상기 밀봉 링을 구비한다. 상기 펌핑 플런저와 상기 플런저 보어 사이에 12 미크론 초과 30 미크론 미만의 직경 간극(diametric clearance)이 제공되어 상기 직경 간극은 상기 밀봉 링 그루브와 상기 제1 단부 사이에서 상기 제1 거리의 적어도 4배인 제2 거리만큼 연장된다. 본원에 설명된 바와 같은 고압 연료 펌프는 밀봉 링의 서비스 수명을 증가시키고 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 직경 간극을 증가시킴으로써 제조 비용을 최소화하면서 증가된 펌핑 효율을 제공한다. 또한, 직경 간극을 증가시키는 것은 작동 중에 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 결합 가능성을 최소화한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 본 발명의 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명의 판독에 보다 명확하게 나타날 것이며, 이는 단지 비제한적인 예로서 그리고 첨부한 도면을 참조하여 주어진다.

본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고압 연료 펌프를 구비하는 연료 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 펌프 하우징의 각각의 플런저 보어 내의 펌핑 플런저의 일부를 도시하는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 펌핑 플런저의 변형예를 도시하는 도 2의 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 그리고 도 1을 참조하면, 내연기관(12)을 위한 연료 시스템(10)이 도시된다. 연료 시스템(10)은 일반적으로 그 작동을 위해 내연기관(12)에 공급될 연료의 용적을 유지하는 연료 탱크(14); 내연기관(12)의 각각의 연소 챔버(미도시)로 직접 연료를 분사하는 복수의 고압 연료 인젝터(16); 저압 연료 펌프(20); 및 고압 연료 펌프(22)를 구비하며, 저압 연료 펌프(20)가 연료 탱크(14)로부터 연료를 인출하고 고압 연료 펌프(22)가 고압 연료 인젝터(16)로 전달하기 위해 연료의 압력을 더욱 상승시키는 고압 연료 펌프(22)로 전달하기 위해 연료의 압력을 상승시킨다. 단지 비제한적인 예로서, 저압 연료 펌프(20)는 연료의 압력을 약 500 kPa 이하로 상승시킬 수 있고, 고압 연료 펌프(22)는 연료의 압력을 약 14 MPa 이상으로 상승시킬 수 있으며, 여기서 40 MPa 이상의 압력이 예상된다. 4개의 고압 연료 인젝터(16)가 도시되어 있지만, 더 적거나 더 많은 개수의 고압 연료 인젝터(16)가 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도시된 바와 같이, 저압 연료 펌프(20)는 연료 탱크(14) 내에 제공될 수 있지만, 저압 연료 펌프(20)는 대안적으로 연료 탱크(14)의 외부에 제공될 수 있다. 저압 연료 펌프(20)는 전기 연료 펌프일 수 있다. 저압 연료 공급 통로(24)는 저압 연료 펌프(20)로부터 고압 연료 펌프(22)로 유체 연통을 제공한다. 고압 연료 펌프(22)는 다음의 단락에서 더 상세히 설명될 것이다.

고압 연료 펌프(22)는 펌핑 챔버(32)를 형성하는 펌프 하우징(30)과, 펌핑 챔버(32) 내로 개방하는 플런저 보어(34)를 구비하여 플런저 보어(34)가 축(36)을 따라 연장된다. 펌프 하우징(30)은 또한 저압 연료 공급 통로(24)와 유체 연통하는 연료 입구(38)를 구비하여, 이후 상세하게 설명되는 바와 같이 연료 입구(38)가 저압 연료 펌프(20)로부터의 저압 연료가 펌핑 챔버(32)로 유입되도록 선택적으로 허용한다. 펌프 하우징(30)은 또한 이후 상세하게 설명되는 바와 같이 고압 연료가 펌핑 챔버(32)를 선택적으로 배출되게 하는 연료 출구(40)를 형성한다. 펌프 하우징(30)이 단일 피스 구성으로 개략적으로 도시되어 있지만, 펌프 하우징(30)은 본원에 설명된 특징부를 제공하도록 함께 결합되는 2개 이상의 피스를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 하며, 비제한적인 예로서, 튜브형 인서트는 펌프 하우징(30) 내에 제공될 수 있어서, 튜브형 인서트는 플런저 보어(34)를 형성하거나 연료 입구(38)는 작동 중에 발생되는 연료 내의 압력 맥동을 최소화하기 위한 맥동 댐퍼(미도시)를 수용하는 맥동 댐퍼 컵(미도시)의 특징부로서 제공될 수 있다.

고압 연료 펌프(22)는 또한 펌핑 플런저(42)가 축(36)을 따라 플런저 보어(34) 내에서 왕복 운동하도록 플런저 보어(34) 내에 위치된 펌핑 플런저(42)를 구비한다. 펌핑 플런저(42)는, 비제한적인 예로서, 내연기관(12)의 캠샤프트(44)에 의해 플런저 보어(34) 내에서 왕복 운동한다. 펌핑 플런저(42)는 캠샤프트(44)의 프로파일을 따르는 캠 종동자(46)에 부착(접촉)된다. 캠 종동자(46)는 펌프 하우징(30)의 캠 종동자 보어(48) 내에서 축방향으로 안내되어 펌프 하우징(30)과 캠 종동자(46) 사이에서 리턴 스프링(50)이 축방향으로 압축됨으로써 캠샤프트(44)가 회전할 때 캠샤프트(44)와 접촉하는 캠 종동자(46)를 유지한다. 펌프 하우징(30)의 캠 종동자 보어(48) 내에서 안내되는 것으로 캠 종동자(46)가 구현되었지만, 캠 종동자(46)는 대안적으로 펌프 하우징(30) 내에 있지 않은 내연기관(12)의 보어 내에서 안내될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 캠샤프트(44), 캠 종동자(46) 및 리턴 스프링(50)이 도면에서 볼 때 펌핑 플런저(42)를 하방으로 이동하게 할 때, 펌핑 챔버(32)의 용적이 증가되어 입구 스트로크(inlet stroke)를 초래한다.

반대로, 캠샤프트(44) 및 캠 종동자(46)가 도면에서 볼 때 펌핑 플런저(42)를 상방으로 이동하게 할 때, 펌핑 챔버(32)의 용적이 감소되어 압력 스트로크(pressure stroke)를 초래한다. 도시되지 않았지만, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 간극을 지나서 누설된 연료가 내연기관(12)을 윤활하는 오일과 혼합되는 것을 방지하기 위해 저압 시일이 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 저압 시일의 하나의 배열은 위에서 이전에 참조된 Nakayama 등에 의해 예시된다.

고압 연료 펌프(22)는 또한 연료가 저압 연료 공급 통로(24)로부터 펌핑 챔버(32)로 들어가도록 선택적으로 개방하는 입구 밸브(52)를 구비한다. 입구 밸브(52)는 비제한적인 예로서, 제어기(54)에 의해 제어되는 솔레노이드 작동식 밸브일 수 있다. 제어기(54)는 고압 연료 인젝터(16)에 공급되는 연료의 압력을 나타내는 신호를 공급하는 압력 센서(56)로부터 입력을 수신할 수 있다. 도시된 바와 같이, 압력 센서(56)는 고압 연료 공급 통로(60)를 통해 연료 출구(40)로부터 고압 연료를 수용하는 고압 연료 레일(58) 내의 연료 압력을 판독하도록 배치되어 고압 연료 레일(58)이 고압 연료 인젝터(16) 각각에 고압 연료를 분배한다. 그러나, 압력 센서(56)는 고압 연료 인젝터(16)에 공급되는 연료의 압력을 나타내는 다른 위치에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제어기(54)는 전류 및 예상된 엔진 작동 요구에 의해 결정될 수 있는 바와 같이 압력 센서(56)에서 원하는 연료 압력을 달성하기 위해 필요에 따라 입구 밸브(52)를 개방 및 폐쇄하도록 입구 밸브(52)에 신호를 전송한다. 펌핑 챔버(32)의 용적을 증가시키기 위해 펌핑 플런저(42)가 이동하는 동안 입구 밸브(52)가 개방될 때, 즉 입구 밸브(52)가 도면에서 볼 때 하방으로 이동할 때, 저압 연료 공급 통로(24)로부터의 연료는 연료 입구(38)를 통해 펌핑 챔버(32) 내로 유동하도록 허용된다.

고압 연료 펌프(22)는 또한 연료가 펌핑 챔버(32)를 고압 연료 공급 통로(60)로 배출되게 하는 것을 허용하도록 선택적으로 개방되는 출구 밸브(62)를 구비한다. 출구 밸브(62)는 펌핑 챔버(32)와 고압 연료 공급 통로(60) 사이의 압력차가 사전결정된 임계값보다 클 때 개방되는 스프링 바이어스된 밸브일 수 있다. 결과적으로, 캠샤프트(44) 및 캠 종동자(46)가 펌핑 챔버(32)의 용적을 펌핑 플런저(42)가 감소시키게 할 때, 펌핑 챔버(32) 내의 연료는 가압된다. 또한, 펌핑 챔버(32) 내의 압력이 충분히 높을 때, 출구 밸브(62)는 연료 압력에 의해 가압 개방되어, 가압된 연료가 연료 출구(40), 고압 연료 공급 통로(60) 및 고압 연료 레일(58)을 통해 고압 연료 인젝터(16)로 공급되게 한다.

이제, 도 1의 확대된 부분, 보다 상세하게 펌프 하우징(30) 및 펌핑 플런저(42)의 부분들을 도시하는 확대된 부분을 도시하는 도 2에 대한 추가적인 참조가 이루어질 것이다. 또한, 도 2의 확대된 부분을 도시하는 도 3에 대한 추가적인 참조가 이루어질 것이다. 특히 내연기관(12)의 낮은 작동 속도에 의해 야기되는 캠샤프트(44)의 낮은 회전 속도에서 효율을 향상시키기 위해 그리고 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이에 더 큰 환형 간극을 허용하기 위해, 원통형인 펌핑 플런저(42)에는 밀봉 링(66)이 위치되는 밀봉 링 그루브(64)가 제공된다. 펌핑 플런저(42)는 펌핑 챔버(32)의 근위(近位)에 있는 제1 단부(42a)로부터 펌핑 챔버(32)의 원위에 있는 제2 단부(42b)까지 축(36)을 따라 연장된다. 밀봉 링 그루브(64)는 환형 형상이고 펌핑 플런저(42) 및 플런저 보어(34)와 동심으로 형성되어 밀봉 링 그루브(64)는 펌핑 플런저(42)의 외주부로부터 반경방향 내측으로 연장되고, 밀봉 링 그루브(64)는 제1 단부(42a)와 제2 단부(42b) 사이에 위치된다. 밀봉 링 그루브(64)는 제1 단부(42a)의 근위에 있는 상부 숄더(64a)로부터 제1 단부(42a)의 원위(遠位)에 있는 하부 숄더(64b)까지 축(36)을 따라 연장되어 상부 숄더(64a)와 하부 숄더(64b)가 축(36)에 평행한 방향으로 제1 거리(68)만큼 서로 분리된다. 상부 숄더(64a)와 하부 숄더(64b)는 모두 축(36)을 가로지르며 도면에 도시된 바와 같이 축(36)에 수직일 수 있다. 모따기부 또는 반경은 상부 숄더(64a)를 펌핑 플런저(42)의 외주부와 결합할 수 있으며, 여기서 이러한 모따기부 또는 반경은 밀봉 링 그루브(64)의 일부인 것으로 간주된다. 유사하게, 모따기부 또는 반경은 하부 숄더(64b)를 펌핑 플런저(42)의 외주부와 결합할 수 있으며, 여기서 이러한 모따기부 또는 반경은 밀봉 링 그루브(64)의 일부인 것으로 간주된다.

직경 간극(69), 즉 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 플런저 보어(34)의 직경-펌핑 플런저(42)의 직경은 12 미크론 초과 및 30 미크론 미만이어서, 직경 간극(69)의 일부가 밀봉 링 그루브(64)와 제1 단부(42a) 사이에 위치되고 제2 거리(70)를 위해 연장된다. 도시된 예에서, 제2 거리(70)는 펌프 하우징(30)의 제1 또는 상부면(30a)으로부터 밀봉 링 그루브(64)가 시작하는 위치, 즉 상부 숄더(64a)까지 연장된다. 제1 표면(30a)은 펌프 하우징(30) 내에서 개방하는 플런저 보어(34)를 둘러싼다. 도시된 예에서, 제2 거리(70)는 제1 거리(68)의 적어도 4배이고, 바람직하게 제1 거리(68)의 적어도 8배이므로, 직경 간극(69)의 다른 부분은 밀봉 링 그루브(64)와 제2 단부(42b) 사이에 위치되고 제1 거리(68)의 적어도 2배이고 바람직하게 제1 거리(68)의 적어도 4배인 제3 거리(72)를 위해 연장된다. 도시된 예에서, 제3 거리(72)는 펌프 하우징(30)의 제2 또는 하부면(30b)으로부터 밀봉 링 그루브(64), 즉 밀봉 링 그루브(64)의 하부 숄더(64b)까지 연장된다. 제2 표면(30b)은 펌프 하우징(30) 내에서 개방하는 플런저 보어(34)를 둘러싼다.

도면에 도시된 바와 같이, 밀봉 링 그루브(64)와 제1 단부(42a) 사이에 위치된 직경 간극(69)의 일부는 연속적일 수 있지만, 대안적으로 불연속적일 수 있다. 용어 "연속적"에 의해, 플런저(42) 및 보어(34)의 인접한 부분들이 균일하게 원통형이어서, 그 직경들이 축방향을 따라 실질적으로 변하기 않아 직경 간극은 그 부분을 따라 실질적으로 동일하게 유지, 즉 연속적인 것으로 이해될 것이다. 또한, 플런저의 외부면은 플런저의 제1 단부(42a)와 밀봉 링 그루브(64) 사이의 평면 실린더라는 것이 주목될 것이다. 따라서, 밀봉 링 그루브(64)와 플런저 단부(42a) 사이에 압력 완화 그루브 등과 같은 다른 특징부가 없다. 또한, 플런저 단부(42a)는 원형이고 노치 또는 플루트 등과 같은 유출 특징부를 포함하지 않는 것이 주목할 만하다.

특히, 도시된 예에서, 보어(34)는 펌프 하우징(30)의 일부에 의해 형성된다. 그러나, 보어(34)는 펌프 하우징(30)에 대한 별개의 부품인 전술한 바와 같이 인서트 부재에 의해 형성될 수도 있다. 이러한 구성은 펌프 하우징의 보다 편리한 제조 및 조립을 제공할 수 있고 공차의 더 양호한 제어를 제공할 수 있다. 이러한 인서트를 위한 예시적인 위치가 도 2에 참조부호(71)로서 도시되어 있고, 인서트 부재(71)는 점선으로 도시되어 있다.

유사하게, 밀봉 링 그루브(64)와 제2 단부(42b) 사이에 위치된 직경 간극(69)의 일부는 연속적일 수 있지만, 대안적으로 불연속적일 수 있다. 제2 거리(70)가 제1 거리(68)의 적어도 4배, 바람직하게 제1 거리(68)의 8배인 것에 의해, 제2 거리(70)를 넘어 연장되는 직경 간극(69)의 일부는 밀봉 링(66)이 펌핑 챔버(32) 내에서 경험되는 전체 압력을 받지 않도록 연료에 압력 강하를 제공하여, 밀봉 링(66)의 서비스 수명을 증가시킨다. 또한, 제2 거리(70)가 제1 거리(68)의 적어도 4배, 바람직하게 제1 거리(68)의 8배이고, 제3 거리(72)가 제1 거리(68)의 적어도 2배, 바람직하게 제1 거리(68)의 적어도 4배인 것에 의해, 펌핑 플런저(42)의 경사는 최소화되어 밀봉 링(66)과 플런저 보어(34) 사이의 보다 신뢰성 있는 밀봉 접촉을 가능하게 하고, 이에 의해 밀봉 링(66)의 펌핑 효율 및 내구성을 향상시킨다. 다른 방식으로 표현하면, 제2 거리(70)는 제1 거리(68)의 4배 내지 8배, 또는 심지어 제1 거리(68)의 8배보다 클 수 있고, 제3 거리(72)는 제1 거리(68)의 2배 내지 4배, 또는 제1 거리(68)의 4배보다 클 수 있다. 밀봉 링 그루브(64)의 위치를 제외하고, 플런저(42)가 플런저 보어(34) 내에 있는 동안 직경 간극(69)이 플런저(42)의 길이를 따라 일정/연속인 것을 도면을 관찰하는 것이 이해될 것이다.

또 다른 예에서, 제2 거리(70)는 제1 거리(68)의 5배 내지 6배일 수 있다.

상기한 논의에서, 플런저(42) 내의 밀봉 링 그루브(64)의 위치는 밀봉 링 그루브(64)의 상부 숄더(64a)와 펌프 하우징의 상부면(30a) 사이에서 제2 거리(70)에 관해 표현되어 있고, 즉 제2 거리는 밀봉 링 그루브(64)의 위치로 연장되는 플런저 하우징(30) 내의 플런저 보어(34)의 길이이다.

제2 거리(70)는 플런저(34)의 "자유 길이" 또는 "자유 위치"에서 결정가능하며, 이는 펌프가 정지 상태에 있을 때, 그 위치가 캠 부재에 의해 영향을 받지 않고 있는 것으로 간주될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 즉, 플런저(34)의 "자유 위치"는 펌프가 엔진에 설치되지 않을 때 플런저가 놓이는 위치로 고려될 수 있으므로, 리턴 스프링(50)은 플런저(34)를 펌프 스트로크의 최외측 지점으로 가압한다. 밀봉 링 그루브(64)의 위치는 또한 플런저(42)의 단부(42a)로부터의 거리에 관해 표현될 수 있다. 이와 같이, 제4 거리는 도 2에서 참주부호(73)로 도시된다. 제4 거리(73)는 제1 거리(68)의 적어도 5배, 바람직하게 제1 거리의 적어도 12배일 수 있다. 다른 예에서, 제4 거리는 제1 거리(68)의 5배 내지 12배일 수 있고, 또 다른 예에서, 제4 거리(73)는 제1 거리의 6배 내지 9배일 수 있다. 일 예에서, 제4 거리는 제1 거리(68)의 6배 내지 7배일 수 있다.

특정 예에서, 제2 거리는 제1 거리(68)의 5배 내지 6배이고, 제4 거리(73)는 제1 거리의 6배 내지 7배이다.

밀봉 링(66)은 상부 숄더(64a)의 근위에 있는 상부면(66a)으로부터 상부 숄더(64a)의 원위에 있는 하부면(66b)까지 제5 거리(74)만큼 축(36)에 평행한 방향으로 연장되어 제5 거리(74)는 제1 거리(68)의 80% 내지 90%의 범위에 있다. 밀봉 링(66)이 밀봉 링 그루브(64) 내에 설치되어 펌핑 플런저(42)에 의해 반경방향 외측으로 그리고 플런저 보어(34)에 의해 반경방향 내측으로 압축되고, 그 결과 상부 숄더(64a)와 상부면(66a) 사이에 축방향 간극(76)을 제공할 때 제5 거리(74)는 80% 내지 90%의 범위에 있다는 것에 유의해야 한다. 축방향 간극(76)은 가압된 연료가 작동 중에 상부면(66a) 전체에 걸쳐 분포될 수 있게 하며, 이는 밀봉 링(66)이 반경방향 내측 및 반경방향 외측으로 팽창하려고 시도하게 하고, 이에 의해 펌핑 플런저(42)에 대한 그리고 플런저 보어(34)에 대한 접촉력을 증가시키고 이들 사이의 밀봉 효과를 증가시킨다. 밀봉 링(66)은 펌핑 플런저(42)와 맞물리는 내주면(66c)으로부터 플런저 보어(34)를 맞물리는 외주면(66d)까지 축(36)에 대해 반경방향으로 연장된다. 밀봉 링(66)은 외주면(66d)을 상부면(66a)에 연결하는 제1 모따기부(66e)를 구비하고, 또한 외주면(66d)을 하부면(66b)에 연결하는 제2 모따기부(66f)를 구비한다.

밀봉 링(66)은 중합체 재료로 제조되어, 중합체 재료가 내주면(66c)으로부터 외주면(66d)으로 연장되며, 바람직하게는 낮은 마찰 및 연료 저항성으로 인해 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)로 제조된다. PTFE가 바람직할 수 있지만, 다른 중합체 재료가 대체될 수 있다. 설치 중에, 밀봉 링(66)은 펌핑 플런저(42) 위로 탄성적으로 신장되고, 밀봉 링(66)이 밀봉 링 그루브(64)와 정렬될 때까지 펌핑 플런저(42)의 외주부 상에서 슬라이딩된다. 밀봉 링(66)이 밀봉 링 그루브(64)와 정렬된 후에, 밀봉 링(66)은 밀봉 링 그루브(64) 내로 후퇴된다. 밀봉 링(66)은 억지 끼워맞춤으로 플런저 보어(34)와 맞물리도록 크기설정된다. 제1 모따기부(66e)및 제2 모따기부(66f)는 밀봉 링(66)이 대칭적으로 유지되게 하면서 밀봉 링(66)의 플런저 보어(34) 내로의 삽입을 용이하고, 이에 의해 밀봉 링 그루브(64) 내로 조립될 때 밀봉 링(66)의 특정 배향에 대한 필요성을 제거한다. 바람직하게, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 직경 간극(69)은 13 미크론 내지 30 미크론의 범위에 있다. 밀봉 링(66)이 억지 끼워맞춤으로 플런저 보어(34)와 맞물리기 때문에, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 직경 간극(69)은 12 미크론보다 커서, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34)를 매치 혼시킬 필요성을 제거한다. 또한, 억지 끼워맞춤으로 플런저 보어(34)와 맞물리는 밀봉 링(66)은 특히 캠샤프트(44)의 낮은 회전 속도에서 고압 연료 펌프(22)의 효율을 증가시켜서, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 연료 누설을 최소화한다. 밀봉 링(66)은 또한 밀봉 링(66)을 갖는 펌핑 플런저(42)가 플런저 보어(34) 내에 설치될 때, 밀봉 링(66)은 플런저 보어(34)와 펌핑 플런저(42) 사이의 반경방향 압축으로 유지되도록 크기설정된다.

밀봉 링(66)을 구비하는 펌핑 플런저(42)의 또 다른 추가된 이점은, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 간극이 사용 시에 펌핑 플런저(42)의 열팽창이 플런저 보어(34) 내에서 펌핑 플런저(42)를 결합시키기에 충분하지 않는 정도로 증가될 수 있기 때문에 플런저 보어(34) 내에 펌핑 플런저(42)가 파지되는 위험이 최소화된다는 점이다.

본 발명의 배경기술에서 소개된 Nakayama 등은 Nakayama 등의 참조부호(21)에 의해 식별되는 밀봉 시스템을 개시하여, 가솔린과 엔진 오일 사이의 분리를 유지한다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 그러나, Nakayama 등의 밀봉 시스템은 본 발명의 밀봉 링(66)과 달리, Nakayama 등의 밀봉 시스템이 펌핑 플런저의 계면부와 플런저 보어의 저압측에 있기 때문에 연료 펌프의 효율을 개선하지 않는다. 결과적으로, Nakayama 등의 연료 펌프의 효율은 펌핑 플런저와 플런저 보어 사이의 간극에 의존한다.

작동 시에, 입구 스트로크 동안, 입구 밸브(52)는 캠샤프트(44) 및 리턴 스프링(50)의 결과로서 펌핑 플런저(42)가 펌핑 챔버(32)의 용적을 증가시킴에 따라 연료 입구(38)로부터 펌핑 챔버(32) 내로 연료가 유동하게 하도록 개방된다. 입구 밸브(52)는 제어기(54)에 의해 결정되는 일정 시간 주기 동안 입구 스크로그 중에 개방된 상태로 유지될 수 있으며, 이는 내연기관(12)의 연료 공급 요구를 만족시킬 수 있는 펌핑 챔버(32) 내로의 연료의 용적을 허용하기에 충분하다. 압력 스트로크 동안, 입구 밸브(52)가 폐쇄될 때, 펌핑 플런저(42)는 캠샤프트(44)의 결과로서 펌핑 챔버(32)의 용적을 감소시킨다. 펌핑 챔버(32)의 용적을 감소시키는 것은 펌핑 챔버(32) 내의 연료의 압력을 증가시키는 것을 초래하며, 여기서 고압 연료는 밀봉 링(66)과 플런저 보어(34)사이의 억지 끼워맞춤에 의해 펌핑 챔버(32) 내에 부분적으로 수용된다. 펌핑 챔버(32) 내의 압력이 충분히 높을 때, 출구 밸브(62)는 개방되고, 이에 의해 고압 연료가 연료 출구(40)를 통해 펌핑 챔버(32)를 빠져나와 고압 연료 레일(58)로 연통되게 한다.

도 1 내지 도 3의 변형예에서, 도 4는 펌핑 플런저(42)가 밀봉 링 그루브(64) 및 밀봉 링(66)에 부가하여 밀봉 링(80)을 포함하는 밀봉 링 그루브(78)를 구비할 수 있다는 것을 도시한다. 밀봉 링 그루브(78)는 밀봉 링 그루브(64)와 동일하며, 결과적으로 밀봉 링 그루브(64)의 이전의 설명은 밀봉 링 그루브(78)에 동일하게 적용된다. 유사하게, 밀봉 링(80)은 밀봉 링(66)과 동일하며, 결과적으로 밀봉 링(66)의 이전의 설명은 밀봉 링(80)에 동일하게 적용된다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 직경 간극(69)의 제3 거리(72)는 밀봉 링 그루브(78)를 밀봉함으로써 2개의 세그먼트로 분할된다. 그 결과, 직경 간극(69)의 제3 거리(72)는 이들 2개의 세그먼트, 즉 밀봉 링 그루브(64)와 밀봉 링 그루브(78) 사이 그리고 밀봉 링 그루브(78)와 제2 단부(42b) 사이의 합이다. 그러나, 이들 2개의 세그먼트의 합은 여전히 제1 거리(68)의 적어도 2배이고, 바람직하게 밀봉 링 그루브(64)와 밀봉 링(66)만이 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 구비될 때 전술한 바와 같이 제1 거리(68)의 적어도 4배이다. 이제 추가적인 밀봉 링 그루브 및 밀봉 링이 또한 포함될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 얼마나 많은 밀봉 링들이 제공되는지에 관계없이, 펌핑 플런저(42) 상의 그들의 배치 및 간격은, 밀봉 링들이 펌핑 플런저(42)의 운동 범위 전체에 걸쳐 플런저 보어(34)를 떠나지 않도록 제공된다.

이제 쉽게 명백한 바와 같이, 밀봉 링 그루브(64)와 밀봉 링(66), 및 선택적으로 밀봉 링 그루브(78)와 밀봉 링(80)을 포함하는 것은 고압 연료 펌프(22)의 더 큰 효율을 제공한다. 그렇지 않으면 동일한 고압 연료 펌프 상에서 수행된 하나의 시험에서, 밀봉 링 그루브(64)와 밀봉 링(66)을 포함하는 것은 고압 연료 펌프의 모든 작동 속도에서 증가된 효율을 제공하였고, 특히 더 낮은 작동 속도에서 효율을 상당히 증가시켰다. 이러한 효율의 증가는 고압 연료 펌프(22)가 연료 펌핑 용량에서 다운사이징되게 할 수 있고, 이에 의해 고압 연료 펌프(22)의 비용을 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 고압 연료 펌프(22)는 특히 내연기관(12)의 낮은 작동 속도에서 효율에서의 손실을 수용할 필요가 없기 때문이다. 예를 들어 펌핑 플런저(42)의 직경을 감소시킴으로써 고압 연료 펌프(22)의 연료 펌핑 용량을 다운사이징하는 것이 중요한데, 그 이유는 방출 규정이 지속적으로 더 엄격한 것이고 더 높은 압력에서 연료를 제공하려는 요구가 더욱 바람직하여 내부 연소의 배출물을 감소시키는데 유리한 연료를 더 양호하게 분무하게 하기 때문이다. 펌핑 플런저(42)의 직경을 감소시키는 것은 내연기관(12)의 밸브 트레인 상의 과도한 부하를 제한하는 방식이지만, 이는 고압 연료 펌프(22)의 효율이 더 높은 압력에서 개선되는 경우에만 이루어질 수 있다. 밀봉 링 그루브(64)와 밀봉 링(66)의 추가적인 이점은 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34) 사이의 간극이 증가가능하여, 펌핑 플런저(42)와 플런저 보어(34)의 매치 호닝과 같은 시간 소모적이고 비용이 많이 드는 제조 기술에 대한 필요성을 제거한다. 본원에 설명된 바와 같이, 밀봉 링 그루브(64)의 제1 거리(68), 직경 간극(69)의 제2 거리(70), 직경 간극(69)의 제3 거리(72) 및 밀봉 링(55)의 제4 거리(74) 간의 관계에서, 밀봉 링(66)의 서비스 수명을 증가시키면서 펌핑 효율이 최대화될 수 있다.

본 발명이 그의 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 그렇게 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 후속하는 청구항들에 기재된 범위로만 제한된다.

Claims

고압 연료 펌프(10)에 있어서,
펌핑 챔버(32), 상기 펌핑 챔버 내로 저압 연료를 허용하는 연료 입구(38), 상기 펌핑 챔버 외부로 고압 연료를 허용하는 연료 출구(40), 및 축(36)을 따라 연장되고 상기 펌핑 챔버 내로 개방되는 플런저 보어(34)를 형성하는 펌프 하우징(30);
상기 축을 따라 상기 플런저 보어 내에서 왕복 운동하는 펌핑 플런저(42)로서, 상기 플런저 보어 내에서의 상기 펌핑 플런저의 왕복 운동이 상기 펌핑 챔버의 용적을 증가 및 감소시키고, 상기 용적이 증가할 때 상기 연료 입구로부터 상기 펌핑 챔버로 저압 연료가 흐르고, 상기 용적이 감소할 때 상기 연료 출구를 통해 상기 펌핑 챔버로부터 고압 연료가 배출되고, 상기 펌핑 플런저는 상기 펌핑 챔버에 근위에 있는 제1 단부(42a)로부터 상기 펌핑 챔버의 원위에 있는 제2 단부(42b)까지 상기 축(36)을 따라 연장되고, 상기 펌핑 플런저는 환형 형상이고 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 위치되는 밀봉 링 그루브(64)를 구비하여 상기 밀봉 링 그루브(64)는 상기 제1 단부의 근위에 있는 상부 숄더(64a)로부터 상기 제1 단부의 원위에 있는 하부 숄더(64b)까지 상기 축을 따라 연장되고, 상기 상부 숄더와 상기 하부 숄더가 상기 축에 평행한 방향으로 제1 거리(68)만큼 분리되는, 상기 펌핑 플런저(42); 및
환형 형상이고 상기 밀봉 링 그루브 내에 위치되는 밀봉 링(66)으로서, 상기 밀봉 링이 억지 끼워맞춤(interference fit)으로 상기 플런저 보어와 맞물리는, 상기 밀봉 링(66)
을 포함하고,
상기 펌핑 플런저와 상기 플런저 보어 사이에 12 미크론 초과 30 미크론 미만의 직경 간극(diametric clearance)(69)이 제공되어 상기 직경 간극은 상기 밀봉 링 그루브와 상기 제1 단부 사이에서 상기 제1 거리의 적어도 4배인 제2 거리(70)만큼 연장되는,
고압 연료 펌프.
제1항에 있어서,
상기 직경 간극(69)은 상기 펌핑 플런저(42)와 상기 플런저 보어(34) 사이에 제공되어 상기 직경 간극이 상기 밀봉 링 그루브와 상기 플런저 보어(34) 사이에서 상기 제1 거리의 적어도 2배인 제3 거리(72)만큼 연장되는,
고압 연료 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 밀봉 링(66)은 상기 상부 숄더(64a)의 근위에 있는 상부면(66a)으로부터 상기 상부 숄더의 원위에 있는 하부면(66b)까지 상기 축에 평행한 방향으로 제5 거리(74)만큼 연장되어 상기 제5 거리는 상기 제1 거리(68)의 80% 내지 90%의 범위에 있는,
고압 연료 펌프.
제3항에 있어서,
상기 밀봉 링은 상기 펌핑 플런저와 맞물리는 내주면(66c)으로부터 상기 플런저 보어와 맞물리는 외주면(66d)까지 상기 축에 대해 반경방향으로 연장되고;
상기 밀봉 링은 상기 외주면을 상기 상부면에 연결하는 제1 모따기부(66e)를 구비하고;
상기 밀봉 링은 상기 외주면을 상기 하부면에 연결하는 제2 모따기부(66f)를 구비하는,
고압 연료 펌프.
제4항에 있어서,
상기 밀봉 링은 중합체 재료로 제조되어 상기 중합체 재료가 상기 내주면으로부터 상기 외주면까지 연장되는,
고압 연료 펌프.
제5항에 있어서,
상기 중합체 재료는 PTFE를 포함하는,
고압 연료 펌프.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 거리는 상기 제1 거리(68)의 적어도 8배인,
고압 연료 펌프.
제7항에 있어서,
상기 제3 거리(72)는 상기 제1 거리(68)의 적어도 4배인,
고압 연료 펌프.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펌핑 플런저(42)는 상기 밀봉 링 그루브(64)의 상부 숄더(64a)와 상기 제1 단부(42a) 사이에서 축(36)을 따라 제4 거리(73)만큼 연장되고, 상기 제4 거리(73)는 상기 제1 거리(68)의 6배 내지 7배이고, 상기 제2 거리(70)는 상기 제1 거리(68)의 5배 내지 6배인,
고압 연료 펌프.
제1항에 있어서,
상기 직경 간극(69)은 상기 펌핑 플런저와 상기 플런저 보어 사이에 제공되어 상기 직경 간극이 상기 밀봉 링 그루브(64)와 상기 제2 단부 사이에서 제3 거리(72)만큼 연장되고;
상기 밀봉 링(66)은 상기 상부 숄더(64a)의 근위에 있는 상부면(66a)으로부터 상기 상부 숄더의 원위에 있는 하부면(66b)까지 상기 축에 평행한 방향으로 제4 거리(74)만큼 연장되어 상기 제4 거리가 상기 제1 거리의 80% 내지 90%의 범위에 있는,
고압 연료 펌프.
제10항에 있어서,
상기 밀봉 링은 상기 펌핑 플런저와 맞물리는 내주면(66c)으로부터 상기 플런저 보어와 맞물리는 외주면(66d)까지 상기 축에 대해 반경방향으로 연장되고;
상기 밀봉 링은 상기 외주면을 상기 상부면에 연결하는 제1 모따기부(66e)를 구비하고;
상기 밀봉 링은 상기 외주면을 상기 하부면에 연결하는 제2 모따기부(66f)를 구비하는,
고압 연료 펌프.
제11항에 있어서,
상기 밀봉 링은 중합체 재료로 제조되어 상기 중합체 재료가 상기 내주면으로부터 상기 외주면으로 연장되는,
고압 연료 펌프.
제11항에 있어서,
상기 중합체 재료는 PTFE를 포함하는,
고압 연료 펌프.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직경 간극은 12 미크론 초과 20 미크론 미만인,
고압 연료 펌프.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 링은 상기 플런저 보어에 의해 반경방향 내측으로 압축되고 상기 펌핑 플런저에 의해 반경방향 외측으로 압축되는,
고압 연료 펌프.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀봉 링 그루브(64)는 제1 밀봉 링 그루브이고; 상기 밀봉 링은 제1 밀봉 링이고;
상기 펌핑 플런저는 환형 형상이고 제1 밀봉 링 그루브(64)와 제2 단부(42b) 사이에 위치된 제2 밀봉 링 그루브(78)를 구비하고;
상기 고압 연료 펌프는 환형 형상이고 상기 밀봉 링 그루브 내에 위치되어 상기 밀봉 링이 상기 플런저 보어와 억지 끼워맞춤으로 맞물리는 제2 밀봉 링(80)을 더 포함하는,
고압 연료 펌프.
제16항에 있어서,
상기 직경 간극(69)은 상기 펌핑 플런저와 상기 플런저 보어 사이에 제공되어 상기 직경 간극이 상기 제1 밀봉 링 그루브(64)와 상기 제2 단부(42b) 사이에서 상기 제1 거리(68)의 적어도 2배인 제3 거리(72)만큼 연장되어 상기 제3 거리가 상기 제2 밀봉 링 그루브(78)에 의해 분할되는,
고압 연료 펌프.