KR101514464B1 - 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브를 갖는 고압 펌프를 구비한 연료 분사 장치 - Google Patents
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Abstract
연료 저장 탱크(12), 내연 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위한 고압 저장 탱크(9), 및 연료 저장 탱크로부터 고압 저장 탱크로 연료를 급송하기 위한 2개 이상의 고압 펌프들(1, 10, 11)을 구비한 펌프 장치를 포함하고, 각각의 고압 펌프가 급송 측으로 고압 저장 탱크(9)에 연결되고 흡입 측으로 연료 저장 탱크(12)에 연결되는 펌프실, 펌프실 내에서 이동 가능한 피스톤(2), 및 펌프실을 연료 저장 탱크에 대해 차단하기 위한 흡입 밸브(5)를 포함하되, 흡입 밸브의 절환 시간이 고압 펌프의 최대 흡입 지속 시간의 1/10 이하, 특히 1/20 이하인 내연 엔진용 연료 분사 장치, 특히 선박 디젤 엔진용 연료 분사 장치를 개시한다.
Description
본 발명은 연료 저장 탱크, 내연 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위한 고압 저장 탱크, 및 연료 저장 탱크로부터 고압 저장 탱크로 연료를 급송하기 위한 2개 이상의 고압 펌프들을 구비한 펌프 장치를 포함하는 내연 엔진용 연료 분사 장치, 특히 선박 디젤 엔진용 연료 분사 장치와, 그러한 연료 분사 장치용 고압 저장 탱크와, 그러한 연료 분사 장치에 의해 내연 엔진, 특히 선박 디젤 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위한 방법에 관한 것이다.
연료를 디커플링된 고압 펌프에 의해 분사 압력으로 압축하고, 연료 분사기들을 통해 개개의 연소실로 분사하는 전제된 유형의 연료 분사 장치가 선박 디젤 엔진에도 점점 더 많이 사용되고 있다. 그러한 커먼 레일 장치(common-rail system)에서는, 고압 저장 탱크를 하나의 고압 펌프에 의해 또는 다수의 고압 펌프들에 의해 조작하는 것도 공지되어 있다.
다른 한편으로, 예컨대 EP 0 244 340 B1, EP 0 481 964 B2, 또는 DE 100 52 629 A1, 또는 WO 00/61939로부터, 커먼-레일 연료 분사 장치용 고압 펌프의 흡입 밸브의 의도적인 개폐에 의해 급송량에 영향을 미치기 위해 그 흡입 밸브를 자기 밸브로서 형성하는 것이 이미 공지되어 있다. 하지만, 고압 펌프의 흡입 밸브의 단순한 제어 가능성만으로는 연료 분사 장치의 성능을 최적화하는 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 잠재 능력을 제대로 활용하지 못하게 된다.
따라서, 본 발명의 과제는 커먼-레일 연료 분사 장치를 개선하는 것이다.
그러한 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 전제부에 따른 연료 분사 장치는 그를 특징짓는 특징들에 의해 개량된다. 청구항 3은 커먼-레일 연료 분사 장치용 고압 펌프를 청구하고 있고, 청구항 7은 그러한 연료 분사 장치를 작동하는 방법을 청구하고 있다. 종속 청구항들은 바람직한 부가의 구성들에 관한 것들이다.
본 발명에 따른 내연 엔진용 연료 분사 장치, 특히 선박 디젤 엔진용 연료 분사 장치는 연료를 저압 하에, 특히 주위 압력 하에 저장하기 위한 연료 저장 탱크 및 그로부터 고압 하에 있는 연료를 예컨대 연료 분사기들에 의해 내연 엔진의 연소실에 공급할 수 있는 고압 저장 탱크를 포함한다. 연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에는 연료 저장 탱크로부터 고압 저장 탱크로 연료를 급송하기 위한 2개 이상의 고압 펌프들이 병렬로 배치되는데, 바람직한 구성에서는 연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에 하나 이상의 급송 펌프 및/또는 증압 또는 승압 펌프가 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 펌프 장치의 수개의 고압 펌프들 또는 바람직하게는 모든 고압 펌프들이 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브(내지 흡입 스로틀)를 구비하는데, 이동 가능한 피스톤이 연료에 압력을 추진하고 바람직하게는 편향된 체크 밸브에 의해 연료를 고압 저장 탱크 쪽으로 빼내는 그 펌프실이 흡입 밸브에 의해 연료 저장 탱크에 대해 차단될 수 있다.
수동 흡입 밸브를 구비하는 지금까지의 공지의 펌프 장치와는 다르게, 그 흡입 밸브가 자기적으로 작동될 수 있는 병렬 접속된 다수의 고압 펌프들로 대체함으로써 연료 분사 장치의 특성이 개선될 수 있게 된다.
예컨대, 펌프 장치의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브들은 고압 저장 탱크에서의 압력 변동을 감소시키도록 개별적으로 제어될 수 있다.
그를 위해, 예컨대 펌프 장치의 2개 이상의 고압 펌프들의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브들이 시간상으로 엇갈려 개방 및/또는 폐쇄될 수 있다. 그럼으로써, 각각의 펌프실로의 유입 또는 그로부터의 배출이 더 이상 동기적으로 이뤄지는 것이 아니라, 시간상으로 엇갈려 그 피스톤들이 동기적으로 이동하는 고압 펌프들의 압력 피크들이 시간상으로 균등화됨으로써 흡입 라인 또는 급송 라인에서의 전체 압력 피크가 감소할 수 있게 된다. 흡입 행정 중에 흡입 밸브를 여러 번 개폐하여 압력 변동을 줄이는 것도 가능하다.
부가적으로 또는 대안적으로, 펌프 장치의 하나의 고압 펌프의 고장은 다른 고압 펌프의 흡입 밸브의 개방 시간을 연장함으로써 보상될 수 있다. 그럼으로써, 하나의 펌프 고장이 더 이상 전체 연료 분사 장치의 고장으로 직결되거나 비상 작동 상태를 초래하는 일이 없게 되는데, 그것은 개방 시간의 연장에 의해 잔여 고압 펌프들의 급송 체적이 증대되어 전체적으로 고장이 적어도 부분적으로 보상될 수 있기 때문이다.
연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에 배치된 급송 펌프 또는 승압 펌프의 고장, 소위 블랙아웃(blackout)에 대해서도 역시 펌프 장치의 하나 이상의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 개방 시간을 연장함으로써 대처할 수 있다. 왜냐하면, 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브에 의해 흡입 라인에서의 공급 라인 압력이 없거나 단지 작은 정도에 불과할지라도 고압 펌프가 그 흡입 라인을 통해 연료를 고압 저장 탱크로 급송하여 내연 엔진으로의 연료 공급을 유지할 수 있기 때문이다.
부가적으로 또는 대안적으로, 작업 사이클 중에 펌프 장치의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 개방 시간이 변경될 수 있다. 그럼으로써, 개개의 고압 펌프의 급송량을 매우 신속하게 변경하여 예컨대 부하 급변에 가능한 한 신속히 반응하기 위해 급송도를 급변시킬 수 있다.
그를 위해, 본 발명의 일 양태에 따라 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 절환 시간, 즉 흡입 밸브의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 교체 시간은 고압 펌프의 최대 흡입 지속 시간, 즉 연료가 연료 저장 탱크로부터 고압 저장 탱크로 유입되는, 피스톤 이동에 의해 미리 주어지는 최대 시간의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 매우 바람직하게는 1/30 이하로 된다. 본 발명의 일 구성에 서는, 흡입 밸브의 그러한 절환 시간이 예컨대 4 밀리초(ms) 이하, 바람직하게는 1ms 이하로 될 수 있다.
서두에 언급된 EP 0 244 340 B1 및 EP 0 481 964 B2에서는 흡입 밸브가 자석의 여자 시에 폐쇄되는 통상적으로 개방된 자기 밸브인 반면에, 본 발명에 따른 고압 펌프에서는 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브가 탄성, 유압, 및/또는 공압에 의해 폐쇄 위치로 편향되고, 전자석에 의해 앵커가 끌어 당겨짐으로써 능동적으로 개방될 수 있다. 그럼으로써, 전자석으로의 에너지 공급이 끊어진 경우에 펌프실을 연료 저장 탱크에 대해 차단하는 것이 보장되게 된다. 또한, 전자석은 작업 행정에 있어 짧은 흡입 지속 시간 동안에만 전류를 공급받기만 하면 된다. 그와 관련하여, 전자석은 그에 의해 자기 밸브의 앵커에 인가되는 힘이 낮은 공급 라인 압력에서도 블랙아웃 시동이 가능케 하기 위해 흡입 측 연결 라인에서의 공급 라인 없이도 흡입 밸브를 개방할 수 있도록 설계된다.
정해진 바의 힘을 갖는 흡입 밸브를 설계하여 작동할 수 있도록 하기 위해, 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 앵커실은 흡입 연결 라인에 대해 액체 밀봉되거나 흡입 연결 라인과 연통한다.
본 발명에 따른 내연 엔진용 연료 분사 장치, 그러한 연료 분사 장치용 고압 저장 탱크, 및 그러한 연료 분사 장치에 의해 내연 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위한 방법에서는, 연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에 병렬로 배치되어 연료 저장 탱크로부터 고압 저장 탱크로 연료를 급송하는 2개 이상의 고압 펌프들 중 의 수개의 고압 펌프들 또는 바람직하게는 모든 고압 펌프들이 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브를 구비하여 그 펌프실이 흡입 밸브에 의해 연료 저장 탱크에 대해 차단될 수 있게 함으로써, 연료 분사 장치의 특성을 개선할 수 있다. 예컨대, 펌프 장치의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브들을 고압 저장 탱크에서의 압력 변동을 감소시키도록 개별적으로 제어할 수 있고, 펌프 장치의 하나의 고압 펌프의 고장을 다른 고압 펌프의 흡입 밸브의 개방 시간을 연장함으로써 보상할 수 있다. 그럼으로써, 하나의 펌프 고장이 더 이상 전체 연료 분사 장치의 고장으로 직결되거나 비상 작동 상태를 초래하는 일이 없게 된다. 또한, 연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에 배치된 급송 펌프 또는 승압 펌프의 고장, 소위 블랙아웃에 대해서도 역시 펌프 장치의 하나 이상의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 개방 시간을 연장함으로써 대처할 수 있다. 아울러, 작업 사이클 중에 펌프 장치의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 개방 시간을 변경함으로써 개개의 고압 펌프의 급송량을 매우 신속하게 변경하여 예컨대 부하 급변에 가능한 한 신속히 반응하기 위해 급송도를 급변시킬 수 있다.
종속 청구항들 및 이후에 설명되는 실시예들로부터 본 발명의 또 다른 이점들과 특징들을 명확히 알 수 있을 것이다. 그를 위해, 단일의 첨부 도면이 부분적으로 개략화되어 도시되어 있다.
도 1은 선박 디젤 엔진(도시를 생략함)용 커먼-레일 장치의 형태의 본 발명의 일 구성에 따른 연료 분사 장치를 나타낸 것이다. 그러한 연료 분사 장치는 디 젤 연료가 주위 압력 하에 저장되어 있는 연료 저장 탱크 내지 연료 탱크(12)와, 연료 분사기들에 의해 선박 디젤 엔진의 연소실로 분사하기(도시를 생략함) 위해 연료가 고압 하에 저장되는 고압 저장 탱크(9)를 포함한다.
연료를 연료 저장 탱크(12)로부터 고압 저장 탱크(9)로 급송하여 원하는 압력으로 하기 위해, 연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에 3개의 고압 펌프들(1, 10, 11)이 병렬로 배치된다. 그러한 3개의 고압 펌프들은 구조적으로 거의 동일하므로, 이하에서는 도 1에 따로 상세하게 도시된 고압 펌프(1)에 대해서만 설명하기로 한다.
그러한 고압 펌프(1)는 흡입 라인(3)을 통해 연료 저장 탱크(12)에 연결된다. 비록 도시되어 있지는 않지만, 연료 저장 탱크(12)와 고압 저장 탱크(9) 사이에는 흡입 라인(3)에 일정한 공급 라인 압력을 형성하기 위해 급송 펌프 및/또는 승압 펌프들이 배치될 수도 있다.
고압 펌프(1)는 급송 측에서 급송 연결 라인(4)의 압력이 고압 저장 탱크(9)의 압력에 도달하거나 그를 넘어서는 즉시 고압 펌프가 연료를 고압 저장 탱크(9)로 밀어내도록 급송 연결 라인(4) 및 예컨대 스프링이 걸린 편향된 체크 밸브(6)를 통해 고압 저장 탱크(9)에 연결된다.
흡입 연결 라인(3)과 예컨대 캠 윤곽(도시를 생략함)을 따라 왕복하는 피스톤(2)에 의해 주기적으로 확대 및 축소되는 고압 펌프(1)의 펌프실 사이에는, 능동 제어 가능한 흡입 밸브로서 자기 밸브(5)가 배치된다. 그러한 자기 밸브(5)는 도 1에 도시된 폐쇄 위치에서 펌프실을 연료 저장 탱크(12)에 대해 차단하는 밸브 캡(5.1)을 포함한다. 그러한 폐쇄 위치에서, 밸브 캡은 흡입 연결 라인(3)의 최대 공급 라인 압력과 펌프실 내의 최대 부압의 합보다 크거나 적어도 그와 같은 스프링력을 갖는 스프링(8)에 의해 편향된다.
전자석(7)은 고압 펌프(1)의 하우징의 앵커실 내에 수납되는데, 앵커실은 보상 라인(compensating line)을 통해 흡입 연결 라인(3)에 유압 연결된다. 앵커실 내에는, 자기 밸브(5)의 앵커(5.2)가 전자석(7)의 여자 시에 끌어 당겨져 스프링(8)의 편향력을 극복하면서 자기 밸브를 개방하고, 그에 따라 피스톤(2)의 해당 이동(도 1의 아래쪽으로의)에 의한 펌프실 체적의 확대 시에 연료가 연료 저장 탱크(12)로부터 펌프실로 흐르게 하도록 수납된다. 전자석의 여자가 끊어졌을 때에는, 스프링이 자기 밸브(5)를 흡입 연결 라인(3)의 공급 라인 압력을 거슬러 다시 폐쇄 위치로 복귀시키고, 그에 따라 흡입 밸브가 압축 단계 동안 폐쇄되게 된다.
피스톤(2)의 행정과 시간상으로 동기화되는 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브(5)는 작동 중에 피스톤(2)이 펌프실을 확대하는 흡입 단계 동안 한 번 이상 개방된다. 개방 단계들(개개의)의 길이에 의해 흡입량을 제어할 수 있다. 또한, 개방 위치와 폐쇄 위치의 시간 순번에 의해 압력 추이를 균등화하고, 특히 압력 변동을 줄일 수 있다. 예컨대, 우선 흡입 밸브(5)가 짧게 개방되어 펌프실 쪽으로 압력파를 생성한다. 중간 시간에 다시 폐쇄되는 흡입 밸브는 그러한 압력파가 연료 저장 탱크(12)에 되반사되는 것과 시간상으로 동기화되어 또 한 번 개방되고, 그에 따라 펌프실 쪽으로 또 다른 압력파가 유도된다. 그러한 압력파는 반대 방향의 반사 압력파와 간섭되어 펌프실이 균일하게 충전되게끔 한다. 물론, 흡입 밸브 는 예컨대 고압 펌프(1)의 흡입 단계 동안 거의 한 번만 개방될 수도 있다.
피스톤(2)이 펌프실을 축소하고, 편향력과 고압 저장 탱크(9)의 고압을 넘어설 때에 체크 밸브(6)를 통해 연료를 고압 하에 고압 저장 탱크(9)로 급송하는 압축 단계 동안에는 흡입 밸브(5)가 폐쇄된다. 피스톤의 행정을 그대로 유지하면서 급송량을 감소시키기 위해, 흡입 단계 동안 차단하는 것에 대해 부가적으로 또는 대안적으로 흡입 밸브(5)가 압축 단계 동안 한 번 이상 개방되어 연료를 연료 저장 탱크(12)로 되돌려 보낼 수도 있다.
작업 사이클 동안 전자석(7)의 제어 작동을 변경함으로써, 특히 개방 시점 및/또는 폐쇄 시점을 변경함으로써, 변경된 부하 조건에 매우 신속하게 반응하여 그에 상응하게 급송량을 급변시킬 수 있다.
흡입 연결 라인(3)에서의 연료의 원치 바람직하지 않은 역류 및 그곳에서 발생하는 공동화도 역시 전자석(7)의 적절한 제어 작동에 의해, 예컨대 흡입 밸브의 조기 폐쇄 및/또는 가벼운 폐쇄에 의해 감소시키거나 회피시킬 수 있다.
연료 저장 탱크(12)와 흡입 연결 라인(3) 사이에 배치된 급송 펌프 또는 승압 펌프(도시를 생략함)가 고장이 나서(소위 블랙아웃) 흡입 연결 라인(3)의 공급 라인 압력이 떨어질 경우, 그렇다 하더라도 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브(5)의 능동 개방에 의해 펌프실을 충전하여 연료를 고압 하에 고압 저장 탱크(9)로 급송할 수 있게 된다.
구조상으로 거의 동일한 3개의 고압 펌프들(1, 10, 11)의 피스톤들은 해당 캠 윤곽들을 따라 동기적으로 또는 시간상으로 엇갈려 구동될 수 있다. 특히, 피 스톤들이 시간상으로 동기적으로 연료를 흡입 및 급송할 경우, 개개의 흡입 밸브를 개별적으로 제어 작동함으로써 압력 변동을 감소시킬 수 있다. 그를 위해, 여러 번의 개폐에 의해 압력 변동을 감소시킴과 더불어, 펌프들(1, 10, 11)의 개방 시점들 및/또는 폐쇄 시점들을 시간상으로 서로 엇갈리게 하여 모든 펌프들이 동일한 시점이 아니라 순차적으로 연료를 연료 저장 탱크(12)로부터 흡입하거나 그로 되돌려 보내도록 할 수 있다.
하나의 펌프가 고장이 날 경우, 다른 펌프의 흡입 밸브를 적절히 제어 작동함으로써, 특히 흡입 단계 동안의 개방 시간을 연장함으로써 급송 손실을 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.
앵커실은 보상 라인을 통해 흡입 연결 라인(3)과 연통한다. 그럼으로써, 밸브 앵커(5.2)의 이동이 압력을 저지하지 않게 되어 흡입 밸브가 정해진 바의 힘으로 설계 및 작동될 수 있게 된다.
전자석(7) 및 스프링(7)을 부속한 자기 밸브(5)는 예컨대 밸브 지지체(valve support)에 배치될 수 있으나, 펌프 실린더에 배치될 수도 있고, 바람직한 구성에서는 클램핑 및 가이드 슬리브(도시를 생략함)와 액체 밀봉 나사 덮개에 의해 고정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구성에 따른 연료 분사 장치를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 고압 펌프 2: 피스톤
3: 흡입 연결 라인 4: 급송 연결 라인
5: 자기 밸브 5.1: 밸브 캡
5.2: 밸브 앵커 6: 체크 밸브
7: 전자석 8: 편향 스프링
9: 고압 저장 탱크 10, 11: 고압 펌프
12: 연료 저장 탱크
Claims (11)
- 연료 저장 탱크(12), 내연 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위한 고압 저장 탱크(9), 및 연료 저장 탱크로부터 고압 저장 탱크로 연료를 급송하기 위한 2개 이상의 고압 펌프들(1, 10, 11)을 구비한 펌프 장치를 포함하는 내연 엔진용 연료 분사 장치에 있어서,펌프 장치의 고압 펌프들은 펌프실을 연료 저장 탱크에 대해 차단하기 위해 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브(또는 흡입 스로틀)를 구비하고,펌프 장치의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브들을 개별적으로 제어 작동하기 위한 제어 장치를 포함하며,펌프 장치의 하나의 고압 펌프가 고장이 난 경우, 펌프 장치의 다른 하나 이상의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 개방 시간이 연장되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
- 삭제
- 급송 측으로 고압 저장 탱크(9)에 연결되고 흡입 측으로 연료 저장 탱크(12)에 연결되는 펌프실, 펌프실 내에서 이동 가능한 피스톤(2), 및 펌프실을 연료 저장 탱크에 대해 차단하기 위한 흡입 밸브(5)를 포함하는 제1항에 따른 연료 분사 장치용 고압 펌프(1, 10, 11)에 있어서,흡입 밸브의 절환 시간은 고압 펌프의 최대 흡입 지속 시간의 1/10 이하인 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
- 제3항에 있어서, 흡입 밸브의 절환 시간은 4ms 이하인 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
- 제3항에 있어서, 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브는 탄성에 의해 폐쇄 위치로 편향되고, 전자석(7)에 의해 앵커(5.2)가 끌어 당겨짐으로써 능동적으로 개방될 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
- 제3항에 있어서, 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 앵커실은 흡입 연결 라인(3)에 대해 액체 밀봉되거나, 흡입 연결 라인(3)과 연통하는 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
- 제1항에 따른 연료 분사 장치에 의해 내연 엔진의 연소실에 연료를 공급하기 위한 방법에 있어서,펌프 장치의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브들(5)을 개별적으로 제어 작동하여 고압 저장 탱크(9) 내의 압력 변동을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법.
- 제7항에 있어서, 펌프 장치의 2개의 고압 펌프들의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브들(5)을 시간상으로 엇갈려 개방 또는 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법.
- 제7항에 있어서, 펌프 장치의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브의 개방 시간을 작업 사이클 동안 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서, 연료 저장 탱크와 고압 저장 탱크 사이에 배치된 급송 펌프 또는 승압 펌프가 고장이 난 경우, 펌프 장치의 하나 이상의 고압 펌프의 자기적으로 작동될 수 있는 흡입 밸브를 능동적으로 개방하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법.
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