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KR20080093131A - 특히 내연기관의 연료 분사 장치를 위한 고압 펌프 - Google Patents

특히 내연기관의 연료 분사 장치를 위한 고압 펌프 Download PDF

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KR20080093131A
KR20080093131A KR1020087020204A KR20087020204A KR20080093131A KR 20080093131 A KR20080093131 A KR 20080093131A KR 1020087020204 A KR1020087020204 A KR 1020087020204A KR 20087020204 A KR20087020204 A KR 20087020204A KR 20080093131 A KR20080093131 A KR 20080093131A
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coating
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페터 바우어
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게르노트 레푼
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

고압 펌프는 1개 이상의 캠(16) 또는 편심기를 구비한 구동 샤프트(12)와, 상기 구동 샤프트(12)의 캠(16) 또는 편심기에 의해 왕복 운동 모드로 구동되는 펌프 피스톤(20)을 구비한 1개 이상의 펌프 부재(18)를 포함한다. 펌프 피스톤(20)과 구동 샤프트(12)의 캠(16) 또는 편심기 사이에는, 지지 부재(44) 및 상기 지지 부재 내에 회전 가능하게 장착되어 캠(16) 또는 편심기 위를 구르는 롤러(46)가 배치된다. 상기 롤러(46) 및/또는 지지부(60)는 적어도 그들 사이의 접촉 영역에서 내마모성이 높은 표면을 갖는다.
고압 펌프, 구동 샤프트, 캠, 편심기, 펌프 피스톤, 지지 부재, 롤러

Description

특히 내연기관의 연료 분사 장치를 위한 고압 펌프 {HIGH PRESSURE PUMP IN PARTICULAR FOR A FUEL INJECTION DEVICE ON AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 고압 펌프, 특히 청구의 범위 제1항의 카테고리에 따른 내연기관의 연료 분사 장치를 위한 고압 펌프에 관한 것이다.
그러한 고압 펌프가 DE 199 07 311 A1으로부터 공지되어 있다. 이 고압 펌프는 1개 이상의 캠 또는 편심기를 가진 구동 샤프트를 포함한다. 고압 펌프는 그 외에도 구동 샤프트의 캠 또는 편심기에 의해 왕복 운동 모드로 구동되는 펌프 피스톤을 포함하는 1개 이상의 펌프 부재를 포함한다. 펌프 피스톤과 구동 샤프트의 캠 또는 편심기 사이에는 지지 부재가 배치되고, 상기 지지 부재 내에는 구동 샤프트의 캠 또는 편심기 위를 구르는 롤러가 회전 가능하게 장착된다. 고압 펌프의 작동시 롤러에 상기 롤러의 회전축 방향의 힘도 작용하며, 이때 롤러가 인접 부품들로 이동할 때 롤러 및/또는 상기 부품들에서 마모가 발생할 수 있고, 이러한 마모가 롤러와 인접 부품 간의 마찰을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 이처럼 증가된 마찰은 롤러의 회전 운동을 방해하고, 그로 인해 롤러와 구동 샤프트의 캠 또는 편심기 사이에 슬립 현상이 나타날 수 있으며, 이 경우에도 마모가 발생한다.
그에 비해, 청구의 범위 제1항에 따른 특징들을 가진 본 발명에 따른 고압 펌프는 롤러 및/또는 지지부의 마모가 감소함으로써 마찰 증가가 방지되는 장점이 있다.
종속 청구항들에는 본 발명에 따른 고압 펌프의 바람직한 실시예 및 개선예가 제시된다.
본 발명의 여러 실시예들은 도면에 도시하였으며, 하기의 설명에서 더 상세히 설명한다.
도1은 내연기관의 연료 분사 장치용 고압 펌프의 종단면도이다.
도2는 도1의 라인 II-II을 따라 잘라낸, 고압 펌프의 횡단면도이다.
도3은 도1에서 "III"로 표시된 고압 펌프 섹션의, 제1 실시예에 따른 확대도이다.
도4는 고압 펌프 섹션(III)의, 제2 실시예에 따른 도면이다.
도5는 고압 펌프 섹션(III)의, 제3 실시예에 따른 도면이다.
도6은 제4 실시예에 따른 고압 펌프의 한 부분이다.
도7은 도2의 라인 VII-VII을 따라 잘라낸, 고압 펌프의 한 섹션의 단면도이다.
도1 내지 도6에는 내연기관의 연료 분사 장치용 고압 펌프가 도시되어 있다. 고압 펌프는 내연기관에 의해 회전하도록 구동되는 구동 샤프트(12)가 배치되어 있 는 멀티파트(multipart) 펌프 하우징(10)을 포함한다. 구동 샤프트(12)는 예컨대 구동 샤프트(12)의 회전축(13) 방향으로 서로 이격된 2개의 베어링 지점에 의해 회전 가능하게 지지된다. 베어링 지점들은 펌프 하우징(10)의 상이한 부분들에 배치될 수 있는데, 예를 들면 제1 베어링 지점은 펌프 하우징(10)의 베이스 바디(14) 내에 배치될 수 있고, 제2 베어링 지점은 상기 베이스 바디(14)와 연결된 플랜지부(15)에 배치될 수 있다.
두 베어링 지점 사이에 놓인 영역에서는, 구동 샤프트(12)가 1개 이상의 캠(16) 또는 상기 구동 샤프트의 회전축(13)에 대해 편심으로 형성된 섹션을 포함하는데, 이때 상기 캠(16)은 다중 캠(multiple cam)으로 설계될 수도 있다. 고압 펌프는 하우징(10) 내에 배치된 1개 이상의 펌프 부재(18)를 포함하며, 상기 펌프 부재는 구동 샤프트(12)의 캠(16)에 의해 구동 샤프트(23)의 회전축(13)에 대해 적어도 거의 반경 방향에 가까운 왕복 운동 모드로 구동되는 펌프 피스톤(20)을 포함한다. 각각의 펌프 부재(18)의 영역에는 실린더 헤드로 설계되어 베이스 바디(14)와 연결된 펌프 하우징부(22)가 제공된다. 펌프 하우징부(22)는 베이스 바디(14)의 외측에 접하는 플랜지(24) 및 베이스 바디(14)의 구동 샤프트(12)쪽 개구를 통해 돌출하는, 거의 원통형에 가까운 쇼울더(26)를 포함하며, 상기 쇼울더는 플랜지(24)에 비해 더 작은 직경을 갖는다. 펌프 피스톤(20)은 펌프 하우징부(22) 내 쇼울더(26)에 형성된 실린더 보어(28) 내에서 밀폐 상태로 이동할 수 있게 안내되고, 상기 펌프 피스톤의 구동 샤프트(12) 반대편 단부면에 의해 펌프 작동 공간(30)이 한정된다. 이 경우 펌프 작동 공간(30)이 배치되어 있는 플랜지(24) 내 부까지 실린더 보어(28)가 연장될 수 있다. 펌프 작동 공간(30)은 펌프 하우징(10) 내에 뻗어 있는 연료 유입 채널(32)을 통해 연료 공급부, 예컨대 이송 펌프와 연결된다. 연료 유입 채널(32)의 펌프 작동 공간(30)측 입구에는 펌프 작동 공간(30) 내부로 개방되는 흡기 밸브(34)가 배치된다. 펌프 작동 공간(30)은 또한 펌프 하우징(10) 내에 뻗어 있는 연료 방출 채널(36)을 통해 배기구와 연결되고, 상기 배기구는 예컨대 고압 어큐뮬레이터(110)와 연결된다. 고압 어큐뮬레이터(110)에는 내연기관의 실린더에 배치된 1개 또는 바람직하게는 다수의 인젝터(120)가 연결되고, 상기 인젝터에 의해 연료가 내연기관의 실린더 내로 분사된다. 연료 방출 채널(36)의 펌프 작동 공간(30)측 입구에는 펌프 작동 공간(30) 외부로 열리는 배기 밸브(38)가 배치된다.
펌프 피스톤(20)과 구동 샤프트(12)의 캠(16) 사이에는 태핏(40)이 배치되고, 상기 태핏을 통해 펌프 피스톤(20)이 적어도 간접적으로 구동 샤프트(12)의 캠(16)에 지지된다. 태핏(40)은 원형 외부 횡단면을 갖는 중공 실린더 형태로 설계되고, 펌프 하우징(10)의 베이스 바디(14)의 보어(42) 내에서 펌프 피스톤(20)의 종축(21)의 방향으로 움직일 수 있게 안내된다. 따라서 태핏(40)의 종축(41)은 적어도 실질적으로 펌프 피스톤(20)의 종축(21)과 동일하다. 태핏(40)에서 구동 샤프트(12)측 단부 영역에는, 구동 샤프트(12)의 캠(16) 위를 구르는 롤러(46)가 회전 가능하게 지지된 지지 부재(44)가 설치된다. 롤러(46)의 회전축(47)은 구동 샤프트(12)의 회전축(13)에 거의 평행하다. 지지 부재(44)의 구동 샤프트(12)쪽 면에는 롤러(46)가 회전 가능하게 지지되는 홈(48)이 제공된다. 지지 부재(44)와 태 핏(40)이 일체형으로 설계될 수도 있다.
태핏(40) 또는 펌프 피스톤(20)에는 펌프 하우징부(22)에 지지되는 예압된(preloaded) 리턴 스프링(52)이 맞물린다. 이 리턴 스프링(52)에 의해 펌프 피스톤(20)과 태핏(40)이 구동 샤프트(12)의 캠(16)쪽으로 밀림으로써, 펌프 피스톤(20)이 구동 샤프트(12)를 향해 흡기 행정을 하는 경우 및 구동 샤프트(12)의 회전수가 높은 경우에도 롤러(46)가 캠(16)에 확실하게 접촉된다. 펌프 피스톤(20)은 적어도 그의 종축(21) 방향으로 태핏(40)과 결합될 수 있다. 그 대안으로, 펌프 피스톤(20)이 태핏(40)과 연결되지 않을 수도 있으며, 이 경우 리턴 스프링(52)에 의해 태핏(40)에 대한 펌프 피스톤(20)의 접촉이 보장된다. 리턴 스프링(52)은 예컨대 스프링 와셔(53)를 통해 펌프 피스톤(20)의, 직경이 더 큰 피스톤 풋에 작용하며, 그로 인해 피스톤 풋은 태핏(40)의 커버로부터 안쪽으로 돌출하는 플랜지에 접하여 고정되고, 상기 플랜지는 다시 지지 부재(44)에 접하여 고정되며, 그럼으로써 펌프 피스톤(20)과, 태핏(40)과 지지 부재(44)로 이루어진 결합체 전체가 롤러(46)와 함께 구동 샤프트(12)의 캠(16) 쪽으로 가압된다.
회전축(47)의 방향으로 롤러(46)의 측면에는 롤러를 위한 지지부(60)가 배치되며, 상기 지지부에 의해 롤러(46)가 지지 부재(44)로부터 롤러의 회전축(47) 방향으로 이동하지 못하게 된다. 롤러(46)의 지지부(60)측 단부면(56)은 볼록하게 만곡되도록, 예컨대 거의 구체에 가깝게 설계될 수 있다. 롤러(46)의 단부면(56)을 면하고 있는 지지부(60)의 면은 적어도 거의 평평하게 설계되거나, 만곡되도록, 특히 도7에 원형 실린더의 궁형으로서 도시된 것처럼 오목하게 만곡되도록, 설계될 수 있다. 따라서 지지부(60)의 오목한 만곡부는 도7에 따라 절단면에서만 태핏(40)의 종축(41)에 수직으로 제공되고, 반면 지지부(60)는 도3 내지 도6에 따라 절단면에서 종축(41)에 평행하며 만곡부를 갖지 않는다. 지지부(60)는 도7에 도시된 것처럼 롤러(46)를 둘러싸는 링으로 형성될 수도 있고, 롤러(46)의 단부면(56) 측면에만 배치될 수도 있다.
롤러(46) 단부면(56)과 지지부(60)의 기하구조가 최소 표면 압력 및 최대 냉각의 관점에서 최적화됨에 따라, 롤러(46)와 지지부(60)의 마찰 하중이 최소화된다. 지지부(60)가, 도7의 좌측 반부에 도시된 것처럼, 평평하게 형성된 경우, 롤러(46) 단부면(56)의 볼록한 만곡부의 반경(R)은 약 50 내지 500mm, 바람직하게는 약 90 내지 300mm이다. 반경 "R1"을 갖는 지지부(60)가, 도7의 우측 반부에 도시된 것처럼, 오목하게 만곡되도록 형성된 경우, 롤러(46) 단부면(56)의 볼록한 만곡부의 반경(R)은 지지부(60) 반경(R1)의 약 70 내지 100%, 바람직하게는 약 85 내지 95%에 달한다.
롤러(46) 및/또는 지지부(60)는 적어도 롤러(46)와 지지부(60)의 접촉 영역에서는 내마모성이 높은 표면을 갖는다. 이 경우, 롤러(46) 전체가 높은 내마모성을 갖는 재료, 예컨대 세라믹 재료나 초경 합금으로 형성될 수 있다.
그 대안으로, 롤러(46) 자체는 내마모성이 낮은 재료로 형성되고, 도3에 도시된 실시예에 따라 상기 롤러의 지지부(60)측 측면(56)에 각각 내마모성이 높은 재료로 된 코팅부(62)가 제공될 수 있다. 그 대안으로 또는 상기 롤러(46) 측면(56) 코팅부에 추가로 지지부(60)에도 내마모성이 높은 재료로 된 코팅부(62)가 제공될 수 있다. 코팅부(62)는 세라믹 재료 또는 초경 합금 또는 탄소 화합물, 특히 다이아몬드상 탄소 화합물(diamond-like carbon compound)로 형성될 수 있다. 그 대안으로, 코팅부(62)가 금속 산화물 또는 금속 질화물, 예컨대 질화 티타늄으로 형성될 수 있다. 침질탄화(nitrocarburizing) 처리를 통해 코팅부(62)가 제조될 수도 있다.
또 다른 대안으로, 롤러(46) 자체는 내마모성이 낮은 재료로 형성되고, 도4에 도시된 실시예에 따라 상기 롤러의 지지부(60)측 측면(56)에 각각 내마모성이 높은 재료로 된 삽입물(64)이 제공될 수 있다. 이 삽입물(64)은 롤러(46) 단부면(56)의 대응 홈에 끼워지는 얇은 판으로 형성될 수 있다. 그 대안으로 또는 상기 롤러(46)에 추가로 지지부(60)의 롤러(46) 단부면(56)측 영역에도 각각 내마모성이 높은 재료로 된 삽입물(64)이 삽입될 수 있다. 이 삽입물(64)은 앞에서 코팅부(62)와 관련하여 진술한 것과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
또는 도5에 도시된 실시예에 따라, 도5의 좌측 반부에 도시된 것과 같은 태핏(40) 또는 도5의 우측 반부에 도시된 것과 같은 지지 부재(44)에 직접, 특히 롤러(46)의 회전축(47) 방향으로 롤러(46) 측면에 인접한, 태핏(40) 또는 지지 부재(44)의 내벽에 코팅부(62)가 제공될 수도 있다. 이 경우, 태핏(40) 또는 지지 부재(44)의 내벽에는 상기 코팅부(62)가 삽입될 1개 이상의 홈(66)이 배치될 수 있는데, 이때 상기 1개 이상의 홈(66) 내에서 태핏(40) 또는 지지부(44)에 대한 코팅부(62)의 우수한 접착이 보장된다. 코팅부(62)는 예컨대 사출성형을 통해 사출성형 세라믹으로서 도포될 수 있다.
지지부(60)는 태핏(40) 또는 지지 부재(44)의 일부로 형성되거나, 도6의 좌측 반부에 도시된 것처럼 태핏(40) 내에, 또는 도6의 우측 반부에 도시된 것처럼 지지 부재(44) 내에 설치된 별도의 부품으로, 특히 롤러(46)와 태핏(40) 또는 지지 부재(44) 사이에 배치되는 링형의 부품으로 형성될 수 있다. 지지부(60)는 태핏(40) 또는 지지 부재(44) 내에 예컨대 강제 끼워맞춤 방식으로 삽입될 수 있다. 이 경우, 태핏(40)에는 도6에 도시된 실시예에 따라 지지부(60)를 위한 수용부(68)가 형성될 수 있다. 이 수용부(68)는 예컨대 롤러(46)를 둘러싸는 태핏(40) 내벽의 내부 직경이 확장된 영역으로 형성될 수 있다. 이때, 수용부(68)의 영역에서 태핏(40)의 벽 두께가 태핏(40) 또는 지지부(44)의 나머지 영역보다 얇을 수 있다. 그 대안으로, 이와 유사하게 형성된 지지부(60)의 수용부(68)는, 도6의 우측 반부에 도시된 것처럼, 지지 부재(44) 내에 형성될 수도 있다. 지지부는 전술한 것처럼, 즉 지지부 자체가 내마모성이 높은 재료로 형성되거나, 지지부에 내마모성이 높은 재료로 된 코팅부 또는 삽입물이 제공되는 방식으로 형성될 수 있다.
펌프 피스톤(20)이 반경 방향 내부로 움직이는, 펌프 피스톤의 흡기 행정시, 흡기 밸브(34)가 열리면 연료 유입 채널(32)을 통해 펌프 작동 챔버(30)에 연료가 채워지고, 이때 배기 밸브(38)는 닫힌다. 펌프 피스톤(20)이 반경 방향 외부로 움직이는, 펌프 피스톤의 송출 행정시, 배기 밸브(38)가 열리면 펌프 피스톤(20)에 의해 연료가 고압 상태에서 연료 방출 채널(36)을 통해 고압 어큐뮬레이터(110)로 이송되고, 이때 흡기 밸브(34)는 닫힌다.

Claims (13)

1개 이상의 캠(16) 또는 편심기를 구비한 구동 샤프트(12)와, 상기 구동 샤프트(12)의 캠(16) 또는 편심기에 의해 왕복 운동 모드로 구동되는 펌프 피스톤(20)을 구비한 1개 이상의 펌프 부재(18)를 포함하는 고압 펌프이며,
펌프 피스톤(20)과 구동 샤프트(12)의 캠(16) 또는 편심기 사이에는, 지지 부재(44) 및 상기 지지 부재 내에 회전 가능하게 지지되어 캠(16) 또는 편심기 위를 구르는 롤러(46)가 배치된 고압 펌프, 특히 내연기관의 연료 분사 장치를 위한 고압 펌프에 있어서,
상기 롤러(46)의 회전축(47) 방향으로 상기 롤러의 옆에 상기 롤러용 지지부(40;44;60)가 배치되고, 상기 롤러(46) 및/또는 지지부(40;44;60)는 적어도 그들 사이의 접촉 영역에서 내마모성이 높은 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제1항에 있어서, 상기 롤러(46)의 지지부(40;44;60)측 단부면(56)이 볼록하게 만곡되도록 설계된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제2항에 있어서, 상기 롤러(46) 단부면(56)의 볼록한 만곡부는 적어도 거의 구체 형상을 가지며, 상기 지지부(60)는 오목하게 만곡되도록 설계되며, 상기 롤러(46) 단부면(56)의 곡률 반경(R)은 상기 지지부(60)의 곡률 반경(R1)의 약 70 내 지 100%, 바람직하게는 약 85 내지 95%임을 특징으로 하는 고압 펌프.
제2항에 있어서, 상기 롤러(46) 단부면(56)의 볼록한 만곡부는 적어도 거의 구체 형상을 가지며, 상기 지지부(60)는 거의 평평하게 설계되며, 상기 롤러(46) 단부면(56)의 곡률 반경(R)은 약 50 내지 500mm, 바람직하게는 약 90 내지 300mm임을 특징으로 하는 고압 펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러(46) 및/또는 지지부(40;44;60)의 접촉 영역에 내마모성이 높은 재료로 된 코팅부(62)가 제공되는 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러(46) 및/또는 지지부(40;44;60)의 접촉 영역에 내마모성이 높은 재료로 된 삽입물(64)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 코팅부(62) 또는 삽입물(64)이 세라믹 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 코팅부(62) 또는 삽입물(64)이 금속 산화물 또는 금속 질화물로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제8항에 있어서, 상기 코팅부(62) 또는 삽입물(64)이 질화 티타늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 코팅부(62) 또는 삽입물(64)이 탄소 화합물, 특히 다이아몬드상 탄소 화합물(diamond-like carbon compound)로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러(46) 및/또는 지지부(60)가 세라믹 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지부(60)가 롤러(46)를 둘러싼 링으로 형성된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지부(60)가 지지 부재(44) 내부 또는 상기 지지 부재(44)를 수용하는 태핏(40) 내부에 삽입된 것을 특징으로 하는 고압 펌프.
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