KR102263660B1 - 고압펌프의 피스톤 가이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압펌프의 피스톤 가이드에 관한 것으로, 상부바디와 하부바디 , 이들을 일체로 연결하는 연결부, 연결부를 감싸면서 상부바디와 하부바디 사이에 인서트 사출 성형된 씰을 포함한다. 상부바디 및 하부바디와 피스톤의 사이에는 간극이 존재하고 씰은 피스톤에 밀착된다. 따라서 피스톤의 운동 성능을 확보하면서도 연료 누설을 방지할 수 있다.

Description

고압펌프의 피스톤 가이드{Guide for piston of High pressure pump}

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진에서 연료 분사압을 형성해주는 고압펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고압펌프의 내부에서 상하 왕복 이동하면서 연료를 압축하는 피스톤의 작동 경로를 안내하는 가이드에 관한 것이다.

가솔린 직접 분사 엔진 즉, GDI(Gasoline Direct Injection) 엔진은 연료를 엔진의 연소실 내부에 직접 분사하는 엔진으로서 연비 향상 및 배기가스 저감에 유리하다.

연료는 연료탱크의 내부에 설치된 저압펌프에서 1차 압축되어 연료호스를 통해 고압펌프로 압송되고, 연료레일에 연결된 고압펌프에서 고압으로 2차 압축되며, 연료레일에 설치된 인젝터를 통해 각각의 연소실로 직접 분사된다.

일반적으로 고압펌프는 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(1)에 피스톤(2), 유량제어밸브(3), 배출체크밸브(4) 및 댐퍼(5)가 설치된 구조로 이루어진다.

피스톤(2)은 캠(피스톤의 하측에 위치되며, 도면에는 도시하지 않음)에 의해 상승하여 챔버(1a) 내부의 연료를 압축한다. 피스톤(2)은 스프링(6)에 의해 캠에 의해 상승된 위치로부터 하강하여 원위치로 복귀된다. 캠의 회전에 의해 이와 같은 과정이 반복됨으로써 챔버(1a)의 연료가 지속적으로 압축 및 토출된다.

유량제어밸브(3)는 챔버(1a)에 연결된 유로를 개폐하여 챔버(1a)로 유입되는 연료량을 제어한다.

배출체크밸브(4)는 챔버(1a)내 압력이 배출체크밸브(4) 후단의 압력 이상으로 상승했을 때 개방되어 고압 연료를 토출한다.

댐퍼(5)는 하우징(1)의 상부에 설치되고, 저압펌프 측에서 압송되는 연료는 댐퍼(5)로 유입되고 댐퍼(5)를 통과한 뒤 유량제어밸브(3)쪽으로 공급된다. 댐퍼(5)의 내부에 구비된 다이어프램 타입의 댐핑부재에 의해 연료의 맥동이 저감된다.

하우징(1)의 피스톤홀에는 피스톤(2)의 외주를 감싸는 가이드(7)가 설치되어 있다. 가이드(7)는 원통형 부재로서 피스톤(2)의 상하 이동 경로를 정확하게 유지하고 하우징(1)과 피스톤(2)을 마찰에 대해 보호한다.

한편, 도 2와 같이, 피스톤(2)이 원활하게 상하 이동할 수 있도록 피스톤(2)과 가이드(7)의 사이에는 간극(G)이 존재한다. 그런데 피스톤(2)의 압축 작동시에 상기 간극(G)으로 연료 누설이 발생되며, 이는 고압펌프의 토출 효율을 저하시킨다.

따라서 간극(G)을 축소하여 연료 누설량을 최소화하고 있으나 피스톤(2)의 작동성을 고려해야 하므로 간극(G)을 감소시키는 것에는 한계가 있으며, 연료 시스템은 지속적으로 고압화 추세에 있기 때문에 고압펌프의 토출 효율 저하 문제는 더욱 심화되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1556627호(2015.09.23.)

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 피스톤의 정상적인 운동을 가능하게 하는 충분한 간극을 확보할 수 있으면서도 간극을 통한 연료 누설을 방지하여 고압펌프의 토출 효율 저하를 방지할 수 있도록 된 고압펌프의 피스톤 가이드를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원통형의 상부바디와 하부바디, 상기 상부바디와 하부바디를 서로 연결하도록 상부바디와 하부바디에 일체로 형성된 복수의 연결부, 상기 연결부를 감싸는 구조로 상기 상부바디와 하부바디 사이의 공간에 구비된 씰을 포함한다.

상기 상부바디와 하부바디에 고압펌프의 피스톤이 삽입되는 피스톤홀이 각각 형성되고, 상기 피스톤홀들은 자신들의 내주면과 피스톤 사이에 갭이 존재하는 직경으로 형성된다.

상기 씰에 피스톤이 삽입되는 피스톤홀이 형성되고, 그 피스톤홀의 내주면은 피스톤의 외주면에 밀착된다.

상기 씰에 연결부와 동수의 연결부홀이 형성되고, 상기 연결부홀에 상기 연결부가 삽입된다.

상기 씰의 측면에 측부홈이 형성되고, 그 측부홈에 측부홈의 내측벽을 피스톤쪽으로 밀어주는 판스프링이 설치된다.

상기 판스프링은 판상의 양측 지지부와, 양측 지지부의 하단을 연결하는 벤딩부를 포함하고, 상기 양측 지지부 중 일측 지지부는 고압펌프의 하우징에 지지되고 타측 지지부는 상기 측부홈의 내측벽에 지지된다.

상기 씰의 피스톤홀 내주면에 피스톤의 외주면에 밀착되는 링 형상의 립이 상하 방향으로 다수 열 형성된다.

상기 상부바디의 피스톤홀 내경보다 상기 하부바디의 피스톤홀 내경이 크게 형성된다.

상기 하부바디의 하단부에 직경이 감소된 파지부가 형성되고, 그 파지부는 고압펌프 하우징의 가이드설치홀 외측으로 돌출된다.

상기 씰은 상부바디와 하부바디 사이의 공간에 사출 성형된다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 가이드에 피스톤 외주면에 밀착되는 씰이 구비되어 피스톤의 원활한 운동 성능을 확보할 수 있으면서도 간극을 통한 연료 누설이 방지됨으로써 고압펌프의 토출 효율이 향상되는 효과가 있다.

상기 씰에 형성된 연결부홀에 가이드의 연결부가 삽입됨으로써 씰은 가이드에서 분리가 불가능하고 영구적으로 안정적인 설치 상태를 유지할 수 있다.

상기 씰에 판스프링이 구비되어 씰의 내주면이 피스톤에 보다 강하게 밀착됨으로써 연료 누설 방지 효과가 향상된다.

상기 씰의 내주면에 피스톤에 접촉되는 다수의 립이 형성됨으로써 연료 누설 방지 효과가 더욱 향상된다.

도 1은 고압펌프의 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 요부 확대도로서, 종래 기술에 따른 가이드의 조립 상태 단면도.
도 3은 도 2의 대응도로서, 본 발명에 따른 가이드의 조립 상태 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 가이드의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 가이드의 종단면도.
도 6은 본 발명의 일 구성인 씰의 사시도.
도 7은 상기 씰의 다른 실시예.
도 8은 도 7에 도시된 씰이 적용되고, 그 씰에 판스프링이 설치된 상태를 도시한 조립 상태 단면도(도 7의 I-I선 단면 위치해 해당됨).
도 9는 상기 씰의 또 다른 실시예.
도 10은 도 9에 도시된 씰이 적용된 가이드의 조립 상태 단면도(도 9의 Ⅱ-Ⅱ선 단면 위치에 해당됨).

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

고압펌프의 구조 및 피스톤과 가이드의 기본적인 조립 구조에 관한 설명은 상기 도 1과 도 2 및 이를 참조한 종래기술의 설명으로 대신한다.

도 3과 같이, 본 발명에 따른 가이드(10)는 피스톤(2)의 외주면에 밀착되는 씰(20)을 일체로 구비하여 가이드(10)와 피스톤(2) 사이의 갭(G)을 확보하면서도 상기 씰(20)에 의해 갭(G)을 차단하여 갭(G)을 통한 연료의 누설을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 가이드(10)는 원통 형상의 상부바디(11)와 하부바디(12), 이들 상부바디(11)와 하부바디(12)를 연결하는 복수의 연결부(13) 및 연결부(13)를 감싸면서 상부바디(11)와 하부바디(12) 사이에 설치되는 씰(20)을 포함한다.

상기 상부바디(11)와 하부바디(12)는 동일한 외경을 가지는 원통으로서 하우징(1)에 형성된 가이드설치홀(1b)(도 3 참조)에 삽입된다. 삽입 상태에서 적절한 고정 강도를 갖도록 하기 위하여 상부바디(11)와 하부바디(12)의 외경은 상기 가이드설치홀(1b)의 내경과 동일하거나 미세하게 큰 정도로 형성된다.

상부바디(11)의 상하 방향 길이는 하부바디(12)의 상하 방향 길이보다 길게 형성된다. 상부바디(11)와 하부바디(12)의 상하 방향 길이의 관계는 가이드(10) 전체에서 씰(20)이 어느 부분에 위치하느냐에 따라 상대적으로 변화될 수 있다.

상부바디(11)가 상하 방향 전체에 걸쳐 동일한 외경을 유지하는데 반하여 하부바디(12)는 상부에 비해 하부가 단차를 두고 직경이 감소된 형상으로 형성된다. 이 직경 감소부는 하우징(1)의 가이드설치홀(1b)에 가이드(10)를 삽입하거나 그로부터 분리할 때 공구가 가이드(10)를 파지하는 파지부(12b)로 이용될 수 있다.

또한 가이드설치홀(1b)의 입구부를 코킹하여 파지부(12b) 상단의 단차부를 덮어줌으로써 가이드설치홀(1b)로부터 가이드(10)가 이탈되지 않도록 하는데 이용될 수 있다.

상기 파지부(12b)는 가이드(10)를 가이드설치홀(1b)에 완전히 삽입한 상태에서 가이드설치홀(1b)의 외부로 돌출되어 있어서 공구와 하우징(1)의 간섭을 회피하여 가이드(10)의 설치 및 분리 작업을 용이하게 할 수 있도록 되어 있다.

상부바디(11)와 하부바디(12)의 내부에는 상하 방향으로 중심축과 동심인 피스톤홀(11a,12a)이 형성된다. 상기 피스톤홀(11a,12a)들은 기본적으로 피스톤(2)의 외경에 간극(G)의 길이를 더한 것과 동일한 크기의 직경을 갖는다. 따라서 피스톤(2)이 상하 이동할 때 가이드(10)의 내주면과 피스톤(2)의 외주면 사이에 상기 간극(G)을 확보함으로써 원활하게 상하 이동할 수 있다.

상기 연결부(13)는 상부바디(11)와 하부바디(12)를 일체로 연결하는 것으로, 도 4에는 원기둥 형상으로 도시되어 있으나 상부바디(11)와 하부바디(12)를 연결하기만 하면 되고 그 단면 형상에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 또한 연결부(13)의 수 또한 가이드(10)의 원주 방향을 따라 등간격으로 적절하게 배치될 수 있도록 대략 3~4개 정도면 적절하며 특별한 제한은 없다.

상기와 같은 형상의 가이드(10)는 하나의 원통형 중간재를 기계가공하여 제작할 수 있다. 즉, 상부바디(11)와 하부바디(12)의 내/외경을 가공하고, 하부바디(12)에 파지부(12b)를 가공하며, 상부바디(11)와 하부바디(12) 사이에 각 연결부(13)을 남기고 나머지 부분에 해당되는 부분을 제거함으로써 제작할 수 있다.

또한, 상기 가이드(10)는 MIM(Metal power Injection Molding; 금속 분말 사출 성형) 공법에 의해 제작될 수 있다. 즉, 금속분말과 바인더를 혼합한 재료를 원하는 형상을 얻을 수 있는 금형 내에 사출하여 중간제품을 만들고, 중간제품에 탈지공정을 실시하여 바인더 성분을 제거한 후, 소결하여 제품을 완성하는 것이다. 이 경우 기계가공에 의한 제작시보다 연결부(13)의 형상을 얻기가 용이한 장점이 있다.

한편, 상기 씰(20)은 인서트 사출 공법에 의해 형성된다.

즉, 가이드(10)를 씰(20) 사출 금형에 먼저 인서트하고, 이후 금형의 캐비티에 씰(20)의 소재를 용융 사출한 후, 냉각 후 취출하면 상기와 같은 형상의 씰(20)이 가이드(10)의 상부바디(11)와 하부바디(12) 사이에 일체로 형성된 제품을 얻을 수 있게 된다.

상기 씰(20)의 형상을 개별적으로 살펴보면 도 6과 같이, 길이가 짧은 원통 형상 부재이며, 씰(20)은 일반적인 씰링(seal ling)과 같이 적절한 탄성을 가진 고무 재질로 제작된다.

씰(20)의 상면과 하면은 평평하며 내부에는 피스톤(21)이 관통되는 피스톤홀(21)이 형성된다. 단, 씰(20)의 피스톤홀(21)은 그 내주면이 피스톤(2)의 외주면에 적절한 압력을 가지는 상태로 밀착되어야만 하므로 피스톤(2)의 외경보다 미세하게 작게 형성된다. 따라서 조립 상태에서 씰(20)의 내주면은 피스톤(2)의 외주면에 밀착되어 상기 간극(G)을 차단하게 되며, 이에 따라 씰(20)에 의해 연료의 누설이 방지된다.

씰(20)에는 상하 방향으로 연결부홀(22)이 관통 형성된다. 인서트 사출에 의한 씰(20) 성형 완료 상태에서 상기 연결부홀(22)에는 가이드(10)의 연결부(13)가 삽입된 상태가 된다. 즉 다수의 연결부(13)를 둘러싸는 형태로 씰(20)이 상부바디(11)와 하부바디(12) 사이의 공간을 충진하는 구조로 형성되기 때문에 가이드(10)와 씰(20)은 분리가 불가능한 상태로 완전히 일체화된다. 따라서 피스톤(2)과의 마찰에도 불구하고 상기 씰(20)은 절대로 가이드(10)로부터 분리되지 않고 견고한 설치 상태를 유지할 수 있다.

상기 상부바디(11)의 피스톤홀(11a)과 하부바디(12)의 피스톤홀(12a)의 내주면은 호닝(honing) 가공을 통해 정밀하게 연마됨으로써 피스톤(2)과의 사이에 설계 치수대로의 정확한 갭(G)을 얻을 수 있다.

호닝 가공시 호닝헤드에 의한 씰(20)의 손상을 방지하기 위하여 상부바디(11) 피스톤홀(11a)의 내경(D1)보다 하부바디(12) 피스톤홀(12a)의 내경(D2)을 조금 더 크게 형성하는 것이 바람직하다(D1 < D2).

한편, 도 7과 같이, 상기 씰(20)의 외주면을 따라 내측으로 오목한 측부홈(23)이 일정 간격으로 복수 개 형성될 수 있다. 측부홈(23)은 상기 연결부홀(22)들의 사이에 형성되는 것으로 연결부홀(22)의 수와 동일한 개수로 형성된다. 측부홈(23)은 도 8과 같이 그 내부에 판스프링(30)을 설치하기 위한 것이다.

상기 판스프링(30)은 양측 상부에 평평한 판상의 지지부(31)가 형성되고, 양측 지지부(31)의 하단이 V형 또는 U형의 벤딩부(32)에 의해 연결된 구조로 이루어져 있으며, 씰링(20)의 상기 측부홈(23) 내부에 설치된다.

조립 상태에서 상기 판스프링(30)의 양측 지지부(31)는 각각 하우징(1)의 가이드설치홀(1b) 내주면과 상기 측부홈(23)의 내벽면 사이에 압축 상태로 끼워지게 되며, 이에 판스프링(30)에 의해 상기 측부홈(23)의 내벽면은 피스톤(2)쪽으로 가압된다. 씰링은 탄성 변형이 가능한 재질이므로 상기 판스프링(30)의 작용에 의해 씰링(20)의 내주면이 피스톤(2)의 외주면에 보다 강하게 밀착됨으로써 씰(20)에 의한 연료 누설 방지 성능이 더욱 향상된다.

한편, 도 9 및 도 10과 같이, 상기 씰(20)의 피스톤홀(21) 내주면에 립(lip)(24)이 더 형성될 수 있다.

상기 립(24)은 피스톤홀(21)의 내주면 전둘레에 걸쳐 링 형상으로 형성된다.

또한 상기 립(24)은 피스톤홀(21)의 내주면에 상하 방향으로 다수 개가 연이어 형성될 수 있다.

상기 립(24)의 단부는 도시된 바와 같이 삼각 단면 형상으로 뾰족하게 돌출 형성되거나 또는 둥근 곡면 형상 등으로 형성될 수 있다. 어느 형태의 것이든 상기 립(24)은 소정의 압력으로 압축된 상태로 피스톤(2)의 외주면에 밀착되며, 간극(G)을 따른 연료의 누설 방향으로 다수의 차단선을 형성함으로써 연료의 누설을 보다 확실하게 방지해 줄 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 고압펌프의 피스톤 가이드는, 가이드(10)에 피스톤(2)의 외주면에 밀착되는 탄성 재질의 씰(20)이 일체로 구비되어, 간극(G) 확보를 통해 피스톤(2)의 원활한 상하 운동 성능을 확보하면서 상기 간극(G)을 통한 연료 누설을 방지할 수 있게 됨으로써 고압펌프의 토출 효율 저하를 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

상기 씰(20)은 연결부홀(22)에 가이드(10)의 연결부(13)가 삽입되는 구조 즉, 씰(20)이 복수의 연결부(13)를 둘러싸는 가이드 일체형 구조로 형성됨으로써 가이드(10)로부터 분리가 불가능하고 매우 안정적인 설치 상태를 유지할 수 있다.

또한 상기 씰(20)에 측부홈(23)이 형성되고, 그 측부홈(23)에 판스프링(30)이 설치되어 씰(20)과 피스톤(2)의 접촉력이 증대됨으로써 씰(20)에 의한 연료 누설 방지 효과가 향상된다.

또한 상기 씰(20)의 내주면에 피스톤(2)에 접촉되는 다수의 립(24)이 형성됨으로써 연료 누설 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1 : 하우징 1a : 챔버
1b : 가이드설치홀 2 : 피스톤
10 : 가이드 11 : 상부바디
12 : 하부바디 13 : 연결부
11a, 12a : 피스톤홀 12b : 파지부
20 : 씰 21 : 피스톤홀
22 : 연결부홀 23 : 측부홈
24 : 립 30 : 판스프링
31 : 지지부 32 : 벤딩부

Claims (10)

1. 고압펌프의 하우징에 형성된 가이드설치홀에 삽입 설치되는 원통형의 상부바디와 하부바디;
   상기 상부바디와 하부바디의 사이를 일체로 연결하는 복수의 기둥 형상의 연결부;
   상기 연결부들을 감싸는 구조로 상기 상부바디와 하부바디 사이의 공간에 인서트 사출 성형되는 씰;을 포함하고,
   상기 씰에 연결부와 동수의 연결부홀들이 형성되고, 상기 연결부홀들에 상기 연결부들이 각각 삽입된 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부바디와 하부바디에 피스톤이 삽입되는 피스톤홀이 각각 형성되고, 상기 피스톤홀들은 자신들의 내주면과 피스톤의 외주면 사이에 갭이 존재하는 직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 씰에 피스톤이 삽입되는 피스톤홀이 형성되고, 그 피스톤홀의 내주면은 피스톤의 외주면에 밀착된 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
4. 삭제
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 씰의 측면에 측부홈이 형성되고, 그 측부홈에 측부홈의 내벽면을 피스톤쪽으로 밀어주는 판스프링이 설치된 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 판스프링은 판상의 양측 지지부와, 양측 지지부의 하단을 연결하는 벤딩부를 포함하고, 상기 양측 지지부 중 일측 지지부는 고압펌프의 하우징에 지지되고 타측 지지부는 상기 측부홈의 내벽면에 지지되는 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 씰의 피스톤홀 내주면에 피스톤의 외주면에 밀착되는 링 형상의 립이 상하 방향으로 다수 열 형성된 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
8. 청구항 2에 있어서,
   상기 상부바디의 피스톤홀 내경보다 상기 하부바디의 피스톤홀 내경이 크게 형성된 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부바디의 하단부에 직경이 감소된 파지부가 형성되고, 그 파지부는 고압펌프 하우징의 가이드설치홀 외측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 고압펌프의 피스톤 가이드.
   
   
10. 삭제

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