KR101103437B1 - 분기 가압 플런저 및 이를 구비한 디젤기관용 연료분사펌프 - Google Patents

분기 가압 플런저 및 이를 구비한 디젤기관용 연료분사펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료분사를 동일한 연소 사이클 내에서 3단계의 분사로 분기함으로써 연소실 압력축적을 지연시켜 실린더 안에서의 디젤노크와 착화지연을 저감하고 정점의 실린더 압력 또한 실질적으로 감소시킬 수 있도록 한다. 이를 위해 본 발명에서는 연료펌프의 배럴 안에서 왕복운동 하면서 연료분사 압력을 생성해주는 플런저에 3단 헬릭스면 구조를 제공하여 프리-파일럿분사(pre-pilot injection), 파일럿분사(pilot injection), 주분사(main injection)의 3단계 연료분사 시스템을 기계식으로 구현하는 분기 연료가압 플런저 및 이를 구비한 디젤기관용 연료분사펌프의 제공을 기술적 요지로 한다.

Description

분기 가압 플런저 및 이를 구비한 디젤기관용 연료분사펌프{Quarter Pressure Plunger and Fuel Injection Pump for Diesel Engine With The Same}
본 발명은 분기 가압 플런저 및 이를 구비한 디젤기관용 연료분사펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료분사펌프(Fuel Injection Pump)에 구비되고 동일한 사이클 내의 연료분사를 프리-파일럿분사(Pre-pilot Injection), 파일럿 분사(Pilot Injection), 주분사(Main Injection)로 3단계 나누어 분사 및 가압하여 연소실 내의 압력축적을 지연시킴으로써 디젤노크와 착화지연을 저감하고, 정점에서의 플런저실의 압력을 감소시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로, 대형, 중형 선박용 디젤엔진의 연료분사펌프는, 엔진의 크랭크축에서 연장되어 캠축에 설치된 각 실린더마다 하나의 연료 캠과 연료분사펌프의 작동으로 연료분사가 인젝터를 통해 연소실로 분사되도록 작동한다. 아울러, 연료분사펌프 내에 구비된 플런저에 의해 연료가 송출되고, 이 송출된 연료는 인젝터에 의해 엔진에 구비된 실린더의 연소실로 연료가 분사되는 구성을 이루고 있다.
또한, 일반적인 종래의 디젤엔진 기계식 연료분사펌프는 동일한 연소 사이클 내에서 연료를 분기 없이 한 번에 분사시키고 있다. 즉, 크랭크축의 회전에 따라 캠축이 회전하면서 플런저가 하강을 하게 되면, 연료가 흡입되면서 펌프 배럴과 플런저 사이의 플런저실(공간)로 연료가 위치하게 된다. 그리고 캠축이 회전하면서 캠 풀리 형상에 따라 플런저가 상승하면 플런저는 플런저실로 분사된 연료를 압축하게 되고, 가압된 연료는 딜리버리 밸브의 스프링을 압축시켜 밸브를 열고 연료분사밸브로 이송되어 실린더 내부로 분사된다.
아울러, 플런저 헬릭스면의 끝단이 스필 포트(Spill Port)와 접속되면서 출구를 생성하게 되면 가압된 연료는 스필포트를 통해 빠져 나오면서 압력이 하강되어 스프링이 딜리버리 밸브를 닫게 되고 그로 인해 연료분사가 종료되는 일련의 과정을 반복 수행하게 된다.
그런데, 배경기술에 기술된 일반적인 연료분사펌프에서는 한 번의 연소 사이클 내에서 연료가 일시에 분사됨으로써 다음과 같은 문제점들이 발생하고 있다.
일시에 연료가 분사되게 되면, 공기입자와 접촉하지 못하는 다량의 연료입자들이 나타나 불완전 연소가 발생하고 이는 진동과 소음을 일으키게 된다.
또한 분사 초기에 다량의 연료가 착화 되면서 연소실 내부의 압력을 급격하게 상승시켜 디젤노크를 발생시키며, 특히 연소실 내부의 고압은 지속적인 연료분사를 방해함으로써 연소 사이클 전체적으로는 오히려 착화지연이 일어나게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하려는 과제는 동일한 연소 사이클에서 연료분사 및 연료가압이 3단계로 나누어 수행되는 새로운 방식이 제시된다.
구체적으로, 3단계의 분사는 소량의 연료를 먼저 분사하고 착화시켜 등질의 공기/연료 혼합물을 형성하는 프리-파일럿분사, 프리-파일럿분사를 퀘칭(Quenching)하고 플런저실의 상태를 변화시켜 연소과정을 제어 가능한 비폭발성 연소과정으로 유도하는 파일럿분사, 그리고 다량의 연료를 본격적으로 분사하는 주분사로 이루어진다. 이러한 3단계 연료분사 및 연료가압 과정에 의해 디젤노크와 착화지연을 방지하여 엔진의 효율을 증가시키고 출력의 증가를 기대할 수 있는 분기 가압 플런저 및 이를 구비한 디젤기관용 연료분사펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 디젤기관에서 고압의 연료를 공급해주는 플런저로서, 상기 플런저의 외면에는 배럴의 플런저실과 연통하며 길이방향으로 형성되는 해제홈과; 상기 해제홈으로부터 연통 연결되는 컨트롤 엣지를 이루며 스필포트를 막을 수 있도록 상기 플런저의 외면에 형성되는 주분사 헬릭스면과; 상기 주분사 헬릭스면과 플런저의 상단 사이에 위치하는 상태로 스필포트를 막을 수 있도록 형성되는 프리-파일럿분사 헬릭스면과; 상기 프리 파일럿분사 헬릭스면과 주분사 헬릭스면 사이에 위치하는 상태로 스필포트를 막을 수 있도록 형성되는 파일럿분사 헬릭스면과; 상기 프리-파일럿분사 헬릭스면과 파일럿분사 헬릭스면 사이 및, 파일럿분사 헬릭스면과 주분사 헬릭스면 사이에 위치하며 해제홈과 통하는 상태로 플런저의 둘레를 따라 각각 형성되는 홈부;를 포함하여 구성되는 분기 가압 플런저가 제공된다.
한편, 본 발명에서는 상기 분기 가압 플런저를 포함하는 디젤기관용 연료분사펌프가 제공된다.
이와 같이 본 발명은 동일한 연소 사이클 내에서 프리-파일럿분사(Pre-pilot injection), 파일럿 분사(Pilot injection), 주분사(Main Injection)와 같이 3단계로 나누어 분사 및 가압하여 압력축적을 완만하게 조절함으로써 불완전 연소와 함께 착화지연을 저감시킬 수 있으며, 그로 인해 디젤노킹을 방지하고 연비와 출력을 증가시키며 유해가스(Smoke, NOx)를 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료분사펌프를 나타낸 단면 사시도이다.
도 2a는 프리-파일럿분사 연료에 대한 가압 및 분사 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2b는 프리-파일럿분사 종료 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 파일럿분사 연료에 대한 가압 및 분사 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3b는 파일럿분사 종료 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4a는 주분사 연료에 대한 가압 및 분사 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4b는 주분사 종료 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단계 패턴인 프리-파일럿분사, 파일럿분사, 주분사에 대한 크랭크각-연료분사압력 관계를 도시한 그래프이다.
이하. 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명하기에 앞서 디젤기관의 연료펌프 내부에서 연료를 가압하여 고압의 연료를 연료분사밸브에 공급하는 플런저는 프리-파일럿 분사용 헬릭스, 파일럿 분사용 헬릭스, 주분사용 헬릭스로 이루어지는 3단 구조가 제시된다.
참고로, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 공지구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있으며 공지 기능과 공지구성에 대한 상세 설명은 생략한다.
도 1에서는 본 발명에 따른 연료분사펌프를 나타낸 단면 사시도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료분사펌프(10)에서, 플런저(12)에는 배럴(14)의 플런저실(16)과 연통하는 해제홈(18)이 플런저(12)의 상단에서 하단 방향으로 형성되어 있고, 아울러 주분사 헬릭스면(26)은 해제홈(18)의 일 지점으로부터 연결되는 상태로 연통하는 컨트롤 엣지(20)를 이루며 형성되어 있다.
상기 배럴(14)은 그의 내부에 플런저실(16)과, 이 플런저실(16)과 연결되는 연료분사구(22)가 형성되어 있고, 외부엔 플런저실(16)과 연통하는 스필포트(24)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 주분사 헬릭스면(26)과 플런저(12)의 상단 사이에는 프리-파일럿분사 헬릭스면(28)과 파일럿분사 헬릭스면(30)이 상하부에 각각 배치되는 상태로 플런저(12)에 형성되어 있다. 그와 함께 상기 프리-파일럿분사 헬릭스면(28)과 파일럿분사 헬릭스면(30) 사이에는 플런저(12)의 둘레를 따라 홈부(32)가 형성되어 있고, 상기 파일럿분사 헬릭스면(30)과 주분사 헬릭스면(26) 사이에도 플런저(12)의 둘레를 따라 홈부(34)가 형성되어 있다. 이러한 상기 홈부(32, 34)는 플런저(12)의 해제홈(18)과 통하는 연결구조를 취하고 있다.
도 2a에서는 프리-파일럿분사 연료에 대한 가압 및 분사 상태를 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 2b에서는 프리-파일럿분사 종료 상태를 나타낸 단면도가 도시되어 있다. 아울러, 도 1을 참조한다.
도면에서 보듯이, 프리-파일럿분사 전, 연료분사구(22)는 미도시된 딜리버리 밸브 스프링 힘에 의해 닫혀있고 스필포트(24)는 연료유와 항상 접속되어 있다.
따라서 플런저(12)가 하강을 하게 되면, 흡입압력이 발생하여 스필포트(24)를 통해 흡입되는 연료가 배럴(14)의 플런저실(16)에 공급되게 된다.
도 2a를 참조하면, 프리-파일럿분사 헬릭스면(28)의 양측이 스필포트(24)를 막은 채로 미 도시된 캠 풀리의 회전에 의해 플런저(12)가 상승을 하게 되면, 프리-파일럿분사 전에 연료유를 가압하게 된다. 그리고 플런저(12) 행정이 충분히 길어 연료유가 충분히 가압되면 연료유는 연료분사구(22)를 통해 미도시된 딜리버리 밸브 스프링을 밀어내고 밸브를 열어 프리-파일럿분사가 이루어지게 된다.
도 2b를 참조하면, 미 도시된 캠풀리 회전에 의한 플런저(12)의 계속되는 상승에 따라 스필포트(24)를 닫아주던 프리-파일럿분사 헬릭스면(28)이 스필포트(24)를 지나면서 홈부(32)를 만나게 되면 스필포트(24)는 열리게 되고, 가압된 연료는 해제홈(18)과 홈부(32)를 따라 열린 스필포트(24)를 통해 빠져나가게 된다.
그에 따라 플런저실(16) 내의 연료유 압력이 감소하면서 딜리버리 밸브는 닫히고 프리-파일럿분사는 종료된다.
도 3a에서는 파일럿분사 연료유 가압 및 분사 상태를 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 3b에서는 파일럿분사 종료 상태를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 3a를 참조하면, 플런저(12)의 계속되는 상승에 따라 파일럿분사 헬릭스면(30)이 양측이 스필포트(24)를 막게 되며, 그에 따라 스필포트(24)가 막힌 채로 플런저(12)가 상승하면서 파일럿분사 전에 연료유를 가압하게 된다. 플런저(12) 행정이 충분히 길어 연료유가 충분히 가압되면 연료유는 연료분사구(22)를 통해 미도시된 딜리버리 밸브 스프링을 밀어내고 밸브를 열어 파일럿분사가 이루어지게 된다.
도 3b를 참조하면, 플런저(12)의 계속되는 상승에 따라 스필포트(24)를 닫아주던 파일럿분사 헬릭스면(30)이 지나가면서 홈부(34)를 만나게 되면, 스필포트(24)는 열리게 되고, 가압된 연료는 해제홈(18)과 홈부(34)를 따라 열린 스필포트(24)를 통해 빠져나가면 플런저실(16) 내의 연료유 압력이 감소하면서 딜리버리 밸브는 닫히고 파일럿분사는 종료된다.
도 4a에서는 주분사 연료유 가압 및 분사 상태를 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 4b에서는 주분사 종료 상태를 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 4a를 참조하면, 플런저(12)의 계속되는 상승에 따라 주분사 헬릭스면(26)이 양쪽 스필포트(24)을 막게 되며, 그에 따라 스필포트(24)가 막힌 채로 플런저(12)가 상승하면서 주분사 전에 연료유를 가압하게 된다. 플런저(12) 행정이 충분히 길어 연료유가 충분히 가압되면 연료유는 연료분사구(22)를 통해 미 도시된 딜리버리 밸브 스프링을 밀어내고 밸브를 열어 주분사가 이뤄지게 된다.
도 4b를 참조하면, 플런저(12)의 계속되는 상승에 따라 스필포트(24)를 닫아주던 주분사 헬릭스면(26)의 하단이 스필포트(24)를 지나가는 순간 스필포트(24)가 열리게 된다. 이와 동시에 가압된 연료는 해제홈(18)과 컨트롤 엣지(20)를 따라 열린 스필포트(24)를 통해 빠져나가면 플런저실(16) 내의 연료유 압력이 감소하면서 딜리버리 밸브는 닫히고 주분사는 종료된다.
위와 같이 프리-파일럿분사(Pre-pilot injection), 파일럿 분사(Pilot injection), 주분사로 이루어지는 3단계의 연료분사를 마치고 나면 플런저(12) 는 다시 하강하면서 연료유를 흡입하고 상기와 같은 연료분사 싸이클을 반복하게 된다.
도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단계 패턴인 프리-파일럿분사, 파일럿분사, 주분사에 대한 크랭크각-연료분사압력 관계를 도시한 그래프가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 설명의 편의상 좌측에서 첫 번째 곡선에 나타나는 연료분사압력 상승이 프리-파일럿분사를 나타낸다. 가운데 곡선에서 나타나는 분사압력 상승이 파일럿분사, 마지막은 주분사를 나타낸다.
3단계의 분사는 앞서 설명한 바와 같이 순차적으로 이루어지며, 분사압력과 분사량은 각 헬릭스면(26, 28, 30)이 가지는 플런저(12) 행정방향 길이에 의해 결정된다. (도 1참조)
상기 프리-파일럿분사와 파일럿 분사는 실린더 피스톤의 압축행정 중에 이뤄지며 주분사는 TDC(일명 TDC 센서, 통상 톱 데드 센터(Top Dead Center) 센서의 약자 실린더의 압축 상사점 위치를 감지)를 전후하여 이루어진다. 이러한 프리-파일럿분사는 기존 방식과 비교하여 실린더 내의 압력증가율을 감소시키고 주분사 이전에 실린더 내에 등질의 혼합물을 형성하는 역할을 한다.
상기 파일럿 분사는 이 혼합물을 퀘칭(Quenching)하여 국부적인 공기/ 연료혼합 및 온도와 압력 구배의 변화, 열 발생률의 감소 등 실린더 상태를 변화시켜 폭발성 연소를 방지한다. 이로써 연소과정에서 디젤노킹, 불완전 연소가 감소된다.
10 : 연료분사펌프 12 : 플런저
14 : 배럴 16 : 플런저실
18 : 해제홈 20 : 컨트롤 엣지
22 : 연료분사구 24 : 스필포트
26 : 주분사 헬릭스면 28 : 프리-파일럿분사 헬릭스면
30 : 파일럿분사 헬릭스면 32, 34 : 홈부

Claims (2)

  1. 디젤기관에서 고압의 연료를 공급해주는 플런저(12)로서,
    상기 플런저(12)의 외면에는 배럴(14)의 플런저실(16)과 연통하며 길이방향으로 형성되는 해제홈(18)과;
    상기 해제홈(18)으로부터 연통 연결되는 컨트롤 엣지(20)를 이루며 스필포트(24)를 막을 수 있도록 상기 플런저(12)의 외면에 형성되는 주분사 헬릭스면(26)과;
    상기 주분사 헬릭스면(26)과 플런저(12)의 상단 사이에 위치하는 상태로 스필포트(24)를 막을 수 있도록 형성되는 프리-파일럿분사 헬릭스면(28)과;
    상기 프리 파일럿분사 헬릭스면(28)과 주분사 헬릭스면(26) 사이에 위치하는 상태로 스필포트(24)를 막을 수 있도록 형성되는 파일럿분사 헬릭스면(30)과;
    상기 프리-파일럿분사 헬릭스면(28)과 파일럿분사 헬릭스면(30) 사이 및, 파일럿분사 헬릭스면(30)과 주분사 헬릭스면(26) 사이에 위치하며 해제홈(18)과 통하는 상태로 플런저(12)의 둘레를 따라 각각 형성되는 홈부(32, 34);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분기 가압 플런저.
  2. 제 1항에 따른 분기 가압 플런저(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤기관용 연료분사펌프.
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