KR20040093064A

KR20040093064A - 내연 기관용 연료 분사 밸브

Info

Publication number: KR20040093064A
Application number: KR10-2004-7013073A
Authority: KR
Inventors: 간서마르코; 타폴렛마르쿠스; 카렐리안드레아스
Original assignee: 씨알티 커먼 레일 테크놀로지스 아게
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-11-04
Also published as: DE50300735D1; AU2003201421A1; JP2005529264A; EP1476652A1; CN1636109A; EP1476652B1; US20050072856A1; US6994273B2; WO2003071122A1

Abstract

제어 통로(25)를 구비한 제어 몸체(22)가 중공 원통형 하우징(2)에 고정된다. 분사 밸브 몸체와 협동하는 제어 피스톤(18)과 슬라이드 밸브 몸체(21)가 변위가능하도록 슬리브(19)에 배치된다. 제어 피스톤(18)은 제어 챔버(20)의 기저부를 형성하고, 이 제어 챔버는 상부에서 제어 몸체(22)에 의해 그리고 측면에서 슬리브(19)에 의해 형성된다. 스로틀 수축부(26a, 28a)를 포함하는 2개의 평행축 스로틀 통로(26, 28)가 슬라이드 밸브 몸체(21)에 형성되고, 그 중 하나의 스로틀 통로(26)는 스로틀 수축부(26a)에 의하여 제어 몸체(22)의 제어 통로(25)와 제어 챔버(20)에 유체가 소통되도록 연결된다. 상기 스로틀 통로(26)의 스로틀 수축부(26a)에 대한 제어 챔버측에서, 슬라이드 밸브 몸체(21)에 형성된 스로틀 입구(33)가 연통되고, 이 스로틀 입구는 슬리브(19)에 형성된 챔버(30), 슬리브(19)의 슬롯(31) 및 슬리브(19)와 하우징(2) 사이에 형성된 유동 간극(32)을 통해서 고압 챔버(9)에 연결된다. 상기 챔버는 고압 연료로 가압된다. 따라서, 제어 챔버(20)는 스로틀 입구(33)에 의해 고압 챔버(9)에 직접 연결된다. 제어 챔버(20)의 압력은 제어 통로(25)의 압력보다 항상 높다.

Description

내연 기관용 연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

이러한 종류의 연료 분사 밸브는 유럽 공개 특허 공보 제EP-A-0 426 205호에 개시되어 있으며, 이 문헌에 개시된 바에 따르면, 하우징에 영구적으로 연결되고 서로 대향되어 위치된 2개의 단부면을 구비하는 제어 요소가 상기 하우징에 배치된다. 밀폐 위치에서, 조절가능한 밸브 요소가 제어 요소의 시트(seat) 면에 맞대어져 있고, 상기 시트 면은 제어 요소의 단부면에 구비된다. 제어 요소에서 한 단부면으로부터 다른 한 단부면으로 연장되는 제어 통로가 밸브 요소의 스로틀(throttle) 통로와 정렬된다. 스로틀 통로는 분사 밸브 요소의 제어 피스톤과 제어 요소에 의해 구획되는 제어 챔버와 연통된다. 연료용으로 하우징에 형성된 고압 입구에 연결되는 원주 방향 환형 홈이 제어 요소에 구비된다. 제어 요소에 형성된 구멍은 환형 홈으로부터 제어 요소의 시트 면으로 연장된다. 밸브 요소는 밀폐 위치에서 이 구멍들을 밀폐시킨다. 제어 통로는 제어 요소의 스로틀 입구를 통해 환형 홈에 연결되고, 이 환형 홈에는 고압 연료가 있다. 시트 면에 대향되어 위치한 제어 요소의 단부면에 위치되는 제어 통로의 단부는 파일럿 밸브(pilot valve)의 스템(stem)에 의해서 밀폐되어 유지된다.

만일 파일럿 밸브가 작동되어 제어 통로의 대응하는 단부가 개방된다면, 제어 통로, 스로틀 통로 및 제어 챔버의 압력이 급격히 떨어지게 된다. 분사 밸브 요소는 그의 시트로부터 떨어져 이동하여 분사 개구를 개방시키게 된다.

분사 공정은 파일럿 밸브의 스템에 의해 제어 통로의 일 단부를 밀폐시킴으로써 종료된다. 고압 상태의 연료는 제어 요소의 스로틀 입구를 통하여 제어 통로로 유동되고 밸브 요소에 작용한다. 제어 요소의 환형 홈에 연결된 구멍에 있는 고압의 연료가 부가적으로 상기 밸브 요소에 작용한다. 이에 따라, 밸브 요소가 짧게 밀폐 위치로부터 떨어져 이동하여 제어 요소의 구멍을 개방시키게 된다. 이어서 고압 상태의 연료가 이 구멍들을 통해 제어 챔버 내로 유입할 수 있게 된다. 제어 챔버의 압력이 상승하여 분사 밸브 요소를 신속하게 밀폐시키게 된다.

공지된 연료 분사 밸브의 단점은 특히 제어 요소의 제조에 비용이 많이 소요된다는 점이다.

본 발명은 연료를 내연 기관의 연소실 내에 단속적으로 분사하기 위한 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 연료 분사 밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 연료 분사 밸브의 종단면도이다.

도 2는 도 1에 따른 연료 분사 밸브의 제어 장치 영역을 도 1에 비해 확대하여 도시한 종단면도이다.

도 3은 도 2에 따른 제어 장치의 서로 다른 두 지점에서 압력 프로파일을 나타낸 다이어그램이다.

도 4는 제어 장치의 제2 실시예를 도 2에 대응되게 도시한 도면이다.

도 5는 제어 장치의 제3 실시예를 도 2에 대응되게 도시한 도면이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 간단하게 제조할 수 있으면서도 신뢰성 있게 작동되고 각 경우에 지연 시간을 최소로 하면서 밀폐되며 최소량의 연료만으로도 분사 밸브 요소의 개폐 운동을 제어할 수 있는, 서두에 언급된 형태의 연료 밸브를 제공하는 것이다.

이 목적은 특허청구범위 제1항의 특징을 구비한 연료 분사 밸브에 의해 달성된다.

제어 챔버가 연료 시스템 압력이 존재하는 고압 챔버에 스로틀 입구를 통하여 직접 연결되기 때문에, 제어 챔버의 정압은 위에서 설명한 공지된 연료 분사 밸브에 비해 높다. 이에 따라, 파일럿 밸브에 의한 제어 통로 일 단부의 밀폐와 분사 밸브 요소에 의한 분사 개구의 밀폐 사이의 지연 시간이 단축되고, 밸브 요소의 제어되지 않은 조절이 방지된다. 또한, 분사 공정 중 스로틀 입구를 통해 제어 챔버 내로 유입되는 연료의 양이 적게 유지될 수 있다. 결과적으로, 제어 통로가 개방될 때마다 제어 챔버의 압력 감소로 인해 유발되는 에너지 손실이 최소화될 수 있게 된다.

통로 및 구멍의 수량이 더 적기 때문에, 위에서 설명한 공지된 연료 분사 밸브보다 제어 요소를 더 쉽게 제조할 수 있게 된다.

추가 이점들은 이하의 실시예들에 개시되어 있다.

본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 바람직한 추가 태양들은 종속항의 청구 범위를 형성한다.

이하에서는 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들을 더 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브(1)의 제1 실시예를 축방향 단면도로 도시한 것이다. 상기 연료 분사 밸브는 종축이 2a로 표기되어 있는 긴 관형 하우징(2)을 구비한다. 분사 개구(4)를 구비한 밸브 시트 요소(valve seat element)(3)가 하우징(2)의 일단에 부착되고, 상기 하우징(2)의 타단에는 전자기적으로 작동될 수 있는 파일럿 밸브(5)가 부착된다. 공지된 구성을 가진 파일럿 밸브(5)는 전자석(6)을 구비한다. 연료 분사 밸브(1)는 저압 출구 연결기(7)를 구비하고, 연료를 연료 저장소(미도시) 내에 공급하는 복귀 라인(미도시)이 상기 저압 출구 연결기에 연결된다. 고압 입구(8)로서 역할을 하며 반경 방향으로 연장된 구멍이 하우징(2)에 구비되고, 연료가 상기 구멍을 통하여 하우징(2)의 내부에 형성된 고압 챔버(9) 내에 고압(200 내지 2000바 이상)으로 유입된다. 고압 챔버(9)는 밸브 시트 요소 측의 하우징(2) 단부까지 축방향으로 연장되고, 분사 개구(4)의 영역 쪽으로 연장된다. 분사 밸브 요소(10)가 상기 고압 챔버(9) 내에 있으며, 이 분사 밸브 요소는 니들(needle) 방식으로 형성되고, 이 분사 밸브의 축은 중공 원통형 하우징(2)의 축(2a)에 일치한다. 또한 분사 밸브 요소(10)용 유압 제어 장치(11)가 상기 중공 원통형 하우징의 내부에 있으며, 이는 도 2를 참고로 하여 더 상세히 설명된다.

하우징(2)은 나사가 형성된 플랜지(13)를 구비한 연결 칼라(collar)(12)를통해 연결되고, 상기 플랜지는 반경방향으로 돌출되며, 고압 연결기 요소(14)가 상기 플랜지 내에 나사체결된다. 이 고압 연결기 요소(14)는 유체가 소통될 수 있게 하우징(2)의 고압 입구(8)에 연결된다. 연결 칼라(12)는 고압 연결기 요소(14)에 의해 하우징(2)에 부착되는데, 이 부착 방식에 대해서는 더 상세히 설명하지 않는다.

밸브 시트 요소(3)는 유니언 너트(union nut)(15)에 의해 하우징(2)에 부착되고, 정반대로 성형된 분사 밸브 요소(10)의 단부 영역과 상호작용하는 밸브 시트(16)를 구비한다. 분사 밸브 요소(10)는 압축 스프링 형태로 구성된 밀폐 스프링(17)에 의해 밀폐 방향으로 프리스트레스(prestress)가 가하여져 있다. 분사 밸브 요소(10)가 밀폐 상태일 때, 분사 개구(4)가 밀폐되고, 즉 고압 챔버(9)로부터 분리된다. 분사 위치에서는, 분사 밸브(10)가 밸브 시트(16)로부터 들어올려져 고압 챔버(9)와 분사 개구(4) 사이의 연결이 이루어진다.

이하에서는 도 2를 참고로 하여 제어 장치(11)에 대해 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분사 밸브 요소(10)는 밸브 시트 요소(3)로부터 떨어진 쪽을 향하는 단부 영역에서 이중 작용 제어 피스톤(18)을 구비하고, 이 이중 작용 제어 피스톤은 하우징(2)의 내부에 배치된 슬리브(19)에 아주 밀접하게, 즉 유극이 거의 없이 활주 끼워맞춤되어 안내된다. 고압 챔버(9)에 존재하는 고압의 연료가 일 측면에서 제어 피스톤(18)에 작용하여(도 1 참조), 슬리브(19)에 의해 원주가 구획되는 제어 챔버(20)의 경계를 대향 측면에서 형성하게 된다. 또한, 슬라이더 밸브 요소(21) 형태로 구성되는 밸브 요소가 슬리브(19)에 밀접하게 활주 끼워맞춤되어 배치되고, 하우징 축(2a)의 방향으로 자유롭게 이동가능하도록 안내된다. 분사 밸브 요소(10)의 제어 피스톤(18)을 향하는 슬라이더 밸브 요소(21)의 제1 단부면(21a)도 또한 제어 챔버(20)에 접한다. 제1 단부면(21a)으로부터 떨어진 쪽을 향하는 슬라이더 밸브 요소(21)의 제2 단부면(21b)은 밀봉면 형태로 구성되고, 슬라이더 밸브 요소(21)의 밀폐 위치에서, 슬라이더 밸브 시트 형태로 구성되는 제어 요소(22)의 하부 단부면(22a)에 밀봉을 형성하면서 지지되며, 상기 제어 요소(22)는 일례로 형상 끼워맞춤 방식에 의해 하우징(2)에 영구적으로 배치된다.

압축 스프링 형태로 구성되고 한편에서는 제어 피스톤(18)에 지지되며 다른 한편에서는 슬라이더 밸브 요소(21)에 지지되는 스프링 요소(23)가 제어 챔버(20)에 배치된다. 스프링 요소(23)는 제어 피스톤(18)의 중앙 돌출부(24) 주위에 맞물려진다. 스프링 요소(23)에 의해 발생된 힘은 밀폐 스프링(17)에 비해 상당히 작다. 하우징 축(2a)에 대해 동심으로 연장되고 슬라이더 밸브 요소(21)로부터 떨어진 쪽을 향하는 단부 영역에서 스로틀 수축부(throttle constriction)(25a)를 구비하는 제어 통로(25)가 제어 요소(22)에 형성된다.

제2 단부면(21b)을 향해 위치되고 스로틀 지점을 형성하는 스로틀 수축부(26a)를 구비한 스로틀 통로(26)가 하우징의 종축(2a)에 대해 편심되어 슬라이더 밸브 요소(21)의 제1 단부면(21a)으로부터 제2 단부면(21b)으로 연장된다. 스로틀 통로(26)의 입구로부터 하우징의 종축(2a)을 향해 반경 방향으로 연장되고 그 종축을 넘어 연장되는 오목부(depression)(27)가 슬라이더 밸브 요소(21)의 제2 단부면(21b)에 형성된다. 오목부(27)는 슬라이더 밸브 요소(21)가 제어 요소(22)에 밀봉을 형성하면서 맞대어질 때 제어 통로(25)와 스로틀 통로(26)를 연결시킨다. 슬라이더 밸브 요소(21)는 또한 스로틀 수축부(28a)를 구비한 추가 스로틀 통로(28)를 구비하는데, 이 추가 스로틀 통로는 슬라이더 밸브 요소(21)의 제1 단부면 및 제2 단부면(21a, 21b) 사이에서 연장되고, 제어 챔버(20)로부터 떨어진 쪽을 향하는 상기 추가 스로틀 통로의 단부는 슬라이더 밸브 요소(21)가 밀폐 위치에 있을 때 제어 요소(22)의 하부 단부면(22a)에 의해 밀폐된다. 슬라이더 밸브 요소(21)가 제어 요소(22)로부터 들어올려질 때, 추가 스로틀 통로(28)는 제1 스로틀 통로(26)에 평행하게 제어 챔버(20)와 고압 챔버(9)를 연결시킨다.

제어 요소(22)의 단부면(19a)에 의해 지지되는 슬리브(19)는 제어 요소(22)를 향하는 단부 영역에서 내측면에 원주 방향 홈(29)을 구비하고, 이 원주 방향 홈은 슬라이더 밸브 요소(21)가 밀폐 위치에 있을 때 그 슬라이더 밸브 요소(21)와 함께 환형 챔버(30)를 형성한다. 상기 환형 챔버(30)는, 슬리브(19)의 슬릿(31)을 통해서, 또한 축방향으로 연장되고 하우징(2)의 내벽과 슬리브(19) 외부의 평평한 부분 사이에 형성된 큰 단면적을 구비하는 적어도 하나의 유동 간극(32)을 통해서, 고압 챔버(9)에 연결된다. 슬라이더 밸브 요소(21)가 제어 요소(22)로부터 떨어져 이동될 때, 고압 챔버(9)에 연결되는 간극이 상기 슬라이더 밸브 몸체(21)와 제어 요소(22) 사이에 형성되는데, 이는 슬라이더 밸브 요소(21)의 전체 제2 단부면(21b)에 고압이 가해짐을 의미한다.

환형 챔버(30)와 스로틀 통로(26)를 연결하는 스로틀 입구(33)가 슬라이더 제어 장치(21)에 형성된다. 스로틀 통로(33)는 환형 챔버(30)를 향해 확장되고, 슬라이더 밸브 요소(21)의 제1 단부면(21a)과 스로틀 수축부(26a) 사이에서 스로틀 통로(26)와 연통된다. 따라서, 스로틀 입구(33)의 제어 챔버측 입구는 스로틀 수축부(26a)에 대해 제어 챔버(20)를 향하는 면에 위치된다. 따라서, 제어 챔버(20)는 스로틀 입구(33), 환형 챔버(30), 슬릿(31) 및 유동 간극(32)을 통해서 고압 챔버(9)에 연결된다. 구조적 수단에 의해서 유동 간극(32), 슬릿(31) 및 환형 챔버(30)의 압력이 고압 입구(8) 및 고압 챔버(9)의 압력과 동일하게 된다.

도 1에 명확하게 도시된 바와 같이, 중앙에 관통 구멍(35)을 구비하고 도 2에서는 단지 부분적으로만 도시된 유니언 너트(34)가 파일럿 밸브(5) 측으로부터 관형 하우징(2)에 나사체결된다. 관통 구멍(35)은 저압 챔버와 연결되고, 저압 출구 연결기(7)에 유체가 소통되도록 연결된다. 파일럿 밸브(5)와 결합된 파일럿 밸브 스템(stem)(36)이 이 관통 구멍(35)에 배치되어 축방향으로 변위가능하게 되며, 반경 방향으로 안내된다. 파일럿 밸브(5)의 전자석(6)이 여자(excitement)되지 않았을 때, 파일럿 밸브 스템(36)은 제어 요소(22)와 접촉하여 유지되고, 제어 통로(25)의 스로틀 수축부(25a) 입구를 밀폐시킨다. 유니언 너트(34)가 제어 요소(22)를 고압 챔버(9)의 압력에 대항하여 견고하게 유지시키고(이 때 상기 제어 요소(22)는 하우징(2) 내에 부드럽게 가압될 수 있다), 상기 제어 요소(22)를 정확하게 위치시킨다.

슬라이더 밸브 요소(21)의 제어 요소(22)를 향한 단부에 단차(step)가 있고, 즉 제어 요소(22)를 향한 상기 슬라이더 밸브 요소의 원통형 단부(21')의 외경은 슬라이더 밸브 요소(21)의 나머지 부분의 외경보다 작다. 이러한 단차는 슬라이더밸브 요소(21)의 원주를 따라 연장된 홈(37)에 의해서 형성된다. 슬라이더 밸브 요소(21)의 상부에 있는 제2 단부면(21b) 영역의 크기는 상기 홈(37)의 깊이, 즉 반경 방향으로의 크기에 의해 결정될 수 있다. 홈(37)은 단지 하나의 원통형 면만을 가공하면 되기 때문에 비교적 쉽고 정확하게 제조될 수 있다.

이하에서는 도 1 및 도 2에 도시된 연료 분사 밸브의 작동 방법에 대해 도 3을 참고로 하여 설명하며, 상기 도 3은 시간에 대한 제어 챔버(20)의 압력(P) 변화(곡선 Ⅰ)와 제어 통로(25), 즉 방출 챔버의 압력(P) 변화(곡선 Ⅱ)를 도시하고 있다.

분사 밸브(10)와 슬라이더 밸브 요소(21)가 밀폐 위치에 있고 따라서 슬라이더 밸브 요소(21)가 제어 요소(22)와 맞대어진 상태(도 1 및 도 2에 도시됨)를 시작점으로 한다. 파일럿 밸브 스템(36)은 제어 통로(25)를 밀폐시킨다. 고압 챔버(9)에서와 동일한 압력이 제어 챔버(20)에 존재한다.

분사 사이클은 파일럿 밸브(5)의 전자석(6)을 여자시킴으로써 개시된다. 파일럿 밸브 스템(36)이 밸브 요소(22)로부터 들어올려지고, 그 결과 제어 통로(25)가 관통 구멍(35)에 연결되어 저압 챔버에 연결된다(시간 t1, 도 3). 방출 챔버의 압력이 떨어진다(곡선 Ⅱ의 영역 a, 도 3). 제어 통로(25)의 스로틀 수축부(25a)의 유동 단면적이 스로틀 입구(33)에 비해 크기 때문에, 제어 챔버(20)의 압력이 떨어지기 시작한다(곡선 Ⅰ의 영역 a, 도 3). 따라서, 분사 밸브 요소(10)가 밸브 시트(16)로부터 떨어져 이동되고, 분사 개구(4)를 개방시킨다(시간 t2, 도 3). 분사 공정이 시작된다. 제어 피스톤(18)이 분사 밸브 요소(10)와 함께 상향으로 이동됨으로써, 제어 챔버(20)의 제어 체적이 감소하게 되고, 제어 챔버(20)의 압력이 증가하게 된다(곡선 Ⅰ의 영역 b, 도 3). 연료가 제어 챔버(20)로부터 방출되어 스로틀 통로(26), 오목부(27) 및 제어 통로(25)를 통해 저압 챔버로 유입된다. 분사 밸브 요소(10)의 개방 운동은 시간 t3에서 종료된다(도 3). 분사 밸브 요소(10)의 전체 개방 공정 중에, 슬라이더 밸브 요소(21)는 제어 요소(22)와 접촉하여 유지된다. 따라서, 슬라이더 밸브 요소(21)의 추가 스로틀 통로(28)는 밀폐되어 유지되고 당분간 어떠한 영향도 미치지 않는다. 분사 밸브 요소(10)의 개방 스트로크(stroke)는, 그의 돌출부(24)가 슬라이더 밸브 요소(21)에 맞대어져 스로틀 통로(26)가 개방되어 유지됨으로써 제한된다. 분사 밸브 요소(19)의 개방 스트로크는 또한 다른 방식에 의해서도 제한될 수 있는데, 이에 대해서는 더 상세히 설명하지 않는다. 스로틀 통로(26)의 스로틀 수축부(26a)의 최소 유동 단면적이 스로틀 수축부(25a)의 유동 단면적보다 작기 때문에, 분사 밸브 요소(10)의 개방 운동은 주로 제공된 시스템 압력 및 제공된 밀폐 스프링(17)에 대한 스로틀 통로(26)에 의해서 결정된다. 위에서 언급한 시간 t3에서 시작하여 제어 챔버(20)의 압력은 떨어지는데, 이 때 상기 제어 챔버(20)는 스로틀 통로(26) 및 제어 통로(25)를 통해 저압 챔버에 연결되어 있다(곡선 Ⅰ의 영역 c, 도 3).

분사 공정을 종료하기 위해서, 전자석(6)의 여자가 해제된다. 이로 인해, 파일럿 밸브 스템(36)이 변위되어 제어 요소(22)와 접촉하게 된다. 결과적으로, 제어 통로(25)의 저압단 입구가 밀폐된다(시간 t4, 도 3). 스로틀 입구(33) 및 스로틀 통로(26)를 통해 고압 챔버(9)에 연결됨으로써 제어 챔버(20) 및 제어 통로(25)의압력은 상승하기 시작하고(곡선 Ⅰ의 영역 d와 곡선 Ⅱ의 영역 b, 도 3), 슬라이더 밸브 요소(21) 양면(21a, 21b)의 압력 차이가 감소하고 대응하는 유효 면적의 차이가 감소함으로써 슬라이더 밸브 요소(21)가 제어 요소(22)와 밀봉을 형성하면서 접촉되어 있는 상태로부터 떨어져 이동하여 간극을 형성하게 된다. 동시에, 밀폐 스프링(17)은 분사 밸브 요소(10)가 밸브 시트(16)의 방향으로 이동하게 한다. 제어 통로(25) 및 제어 챔버(20)의 압력은 서로 비슷하다. 분사 공정이 종료된다.

이어서 분사 밸브 요소(21)가 스프링 요소(23)의 힘에 의해 밀폐 위치로 다시 되돌아온다. 이렇게 슬라이더 밸브 요소(21)가 밀폐 위치로 되돌아오는 운동은, 슬라이더 밸브 요소(21)가 제어 요소(22)로부터 들어올려질 때 비교적 큰 추가 스로틀 통로(28)가 개방되어 제어 챔버(20)와 고압 챔버(9) 사이에 추가로 연결이 이루어짐으로써 가속된다. 이는 슬라이더 밸브 요소(21)가 신속하게 밀폐 위치로 되돌아올 수 있게 한다. 따라서, 연료 분사 밸브(1)는 다음 분사 공정 준비를 더 신속하게 할 수 있고, 이는 일례로 사전 분사, 사후 분사 또는 다중 분사의 경우에 매우 바람직하다. 추가 스로틀 통로(28)의 크기에 따라서 슬라이더 밸브 요소(21)의 되돌아오는 운동이 요건에 맞게 설정될 수 있다.

제어 장치(11)의 제2 실시예에 대해 도 4를 참고로 하여 설명한다. 또한, 연료 분사 밸브(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 유사하게 형성되어 있다. 동일한 그리고 동일한 작용을 하는 부품들은 도 1 및 도 2와 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 4에 도시된 실시예는 제어 요소(22)가 견고하게 안착되어 배치되는 관형하우징(2)을 또한 구비한다. 분사 밸브 요소(10)의 이중 작용 제어 피스톤(18)이 축방향으로 이동될 수 있게 밀접한 끼워맞춤 방식으로 배치되어 있는 슬리브(19)의 제어 챔버(20)를 향한 단부면(19a)이 밀봉을 형성하면서 제어 요소(22)에 지지된다. 따라서, 제어 챔버(20)의 일단은 제어 피스톤(18)에 의해 구획되고, 상기 제어 챔버(20)의 원주는 슬리브(19)에 의해 구획되며, 상기 제어 챔버(20)의 타단은 제어 요소(22)에 의해 구획된다. 슬리브(19)에 형성되고 슬리브(19)와 하우징(2) 사이에 위치된 유동 간극(32)을 통해 고압 챔버(9)에 연결되는 스로틀 입구(33)가 상기 제어 챔버(20)와 연통된다. 따라서, 제어 챔버(20)는 그를 향해 테이퍼진 스로틀 입구(33)를 통해 고압 챔버(9)에 직접 연결된다.

제어 요소(22)는, 하우징 축(2a)의 방향으로 중앙에서 연장된 제어 통로(25)를 구비한다. 제어 요소(22)에는, 반경 방향으로 연장되고 제어 요소(22)의 홈(39) 및 유동 간극(32)을 통해 고압 챔버(9)에 연결되는 구멍(38)이 있다. 구멍(39)과 연통되는 추가 구멍(40)이 제어 챔버(20)를 향한 제어 요소(22)의 단부면(22a)으로부터 상기 제어 요소를 통해 연장된다.

둘 다 제어 요소(22)의 하부 단부면(22a)에 위치하는 제어 통로(25) 및 추가 구멍(40)의 제어 챔버단 입구는 모두 밸브 요소의 역할을 하는 스프링 리프형 텅(spring-leaf-like tounge)(41)에 의해 덮여진다. 하우징의 축(2a)에 대해 추가 구멍(40)에 대향되어 위치된 단부(41a)에서, 텅(41)은 제어 요소(22)에 용접되는데, 이 방식에 대해서는 더 상세히 설명하지 않는다. 텅(41)은, 하우징의 축(2a)에 대해 동심이고 스로틀 지점을 형성하며 제어 챔버(20)와 제어 통로(25)를 연결하는스로틀 통로(42)를 구비한다. 이 스로틀 통로(42)에 대하여 스로틀 입구(33)의 제어 챔버측 입구는 제어 챔버(20)를 향한 면에 위치된다. 제어 통로(25)의 스로틀 수축부(25a)의 단면적은 스로틀 통로(42) 및 스로틀 입구(33)의 단면적보다 크다.

또한, 연료 분사 밸브(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 동일하게 구성되어 있다.

이하에서 도 4에 따른 제어 장치(11)를 구비한 연료 분사 밸브(1)의 작동 방법을 설명하기 위하여, 도 1 및 도 2에 따른 실시예에서와 마찬가지로, 분사 밸브 요소(10)가 밀폐 위치에 있고 제어 챔버(20)의 압력이 고압 챔버(9)의 압력에 상응하는 위치를 시작점으로 한다. 파일럿 밸브 스템(36)은 제어 통로(25)의 스로틀 수축부(25a) 입구를 밀폐시킨다.

전자석(6)이 여자되었을 때(도 1 참조), 파일럿 밸브 스템(36)은 제어 요소(22)로부터 들어올려진다. 따라서, 저압 챔버와 연결되고 유니언 너트(34)에 형성되며 관통 구멍(35)에 연결되는 홈(43)에 제어 통로(25)가 연결된다. 제어 통로(25)의 압력이 떨어져서, 압력 차이에 의해 연료가 제어 챔버(20)로부터 스로틀 통로(42)를 통해 제어 통로(25) 내로 유입되어 저압 챔버 내로 유입된다. 제어 챔버(20)의 압력이 떨어져서 분사 밸브 요소(10)가 밸브 시트(16)로부터 떨어져 이동하게 되어, 분사 공정이 개시된다. 텅(41)은 제어 요소(22)의 하부 단부면(22a)에 접촉하여 유지되고, 분사 공정 중 추가 구멍(40)을 밀폐하여 유지시킨다.

전자석(5)의 여자가 해제될 때, 파일럿 밸브 스템(36)이 제어 요소(22)에 다시 맞대어져, 제어 통로(25)가 저압 챔버로부터 분리된다. 고압 챔버(9)에 있고 텅(41)을 굽혀서 구멍(40)을 개방시키게 하는 고압의 연료가 구멍(38, 40)을 통해 제어 챔버(20)로부터 떨어진 쪽을 향하는 텅(41)의 면에 작용한다. 구멍(40)이 개방됨에 따라 연료가 스로틀 입구(33)의 유동 단면적보다 큰 유동 단면적을 통해 제어 챔버(20) 내로 유입됨으로써, 제어 챔버(20)의 압력이 급격히 상승하게 되고, 밸브 시트(16)로 향하는 분사 밸브 요소(10)의 운동이 가속된다. 대응하는 통로의 크기와 텅(41)의 특성에 따라서 연료 분사 밸브(1)의 작동은 요건에 맞게 형성될 수 있다.

이하에서는 제어 장치(11)의 제3 실시예를 도 5를 참고하여 설명한다. 또한, 연료 분사 밸브(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 동일하게 구성되어 있다. 동일한 그리고 동일한 작용을 하는 부품들은 도 1 및 도 2와 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 5에 도시된 실시예는 제어 요소(22)가 고정되어 배치된 관형 하우징(2)을 또한 구비한다. 분사 밸브 요소(10)의 이중 작용 제어 피스톤(18)이 축방향으로 이동될 수 있게 밀접한 끼워맞춤 방식으로 배치되어 있는 슬리브(19)는, 그의 제어 요소(22)를 향한 단부에서 제어 요소(22)에 지지된다. 이를 위해서, 슬리브(18)에 환형 쇼울더(44)가 구비되고, 슬리브(19)를 안내하는 제어 요소(22)의 안내부(22')가 상기 환형 쇼울더에 맞물린다. 또한, 유동 간극(32)에 배치되고 통로가 구비되는 안내부에 의해서 슬리브(19)가 안내되는 것도 가능하다. 이 경우에, 환형 쇼울더(44)는 필요없게 된다. 분사 밸브 요소(10)용 밀폐 스프링(17)은 제어 요소(22)로부터 떨어진 쪽을 향하는 면에서 슬리브(19)에 지지된다. 따라서, 제어 챔버(22)의 일단은 피스톤(18)에 의해 구획되고, 상기 제어 챔버의 원주는 슬리브(19)에 의해 구획되며, 상기 제어 챔버의 타단은 제어 요소(22)에 의해 구획된다.

제어 요소(22)는 하우징 축(2a)의 방향으로 중앙에서 연장된 제어 통로(25)를 구비한다. 제어 요소(22)의 안내부(22')에 관통 구멍(45)이 있고, 이 관통 구멍의 축은 하우징의 축(2a)에 평행하게 연장되며, 이 관통 구멍은 환형 형상으로 슬리브(19)를 둘러싸는 유동 간극(32)을 통해서 고압 챔버(9)와 유체가 소통되도록 연결된다.

통로 구멍(45)의 제어 챔버측 입구는 원형 원통형 밸브 요소(46)에 의해 덮여지고, 이 원형 원통형 밸브 요소는 제어 요소(22)의 하부 단부면(22a)에 맞대어지고 스프링 요소(23)에 지지되며, 이 스프링 요소는 제어 피스톤(18)에 지지된다. 밸브 요소(46)는, 하우징의 축(2a)에 대하여 평행하고 스로틀 지점을 형성하며 제어 챔버(20)와 제어 통로(25)를 연결하는 스로틀 통로(47)를 구비한다. 이 스로틀 통로(47)에 대하여 스로틀 입구(33)의 제어 챔버단 입구는 제어 챔버(20)를 향한 면에 위치된다. 제어 통로(25)의 스로틀 수축부(25a)의 단면적은 스로틀 통로(47)의 단면적보다 크다. 파일럿 밸브(5)의 파일럿 밸브 스템(36)뿐만 아니라 상기 파일럿 밸브에 연결된 전자석(6)의 전기자(armature)(48)도 도시되어 있으며, 이 전기자는 유니언 너트(34)의 홈(49)에 배치된다. 이 홈(49)은 저압 챔버와 연결된다. 또한, 연료 분사 밸브(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 동일하게 구성되어 있다.

이하에서 도 5에 따른 제어 장치(11)를 구비한 연료 분사 밸브(10)의 작동 방법을 설명하기 위하여, 분사 밸브 요소(10)가 밀폐 위치에 있고 제어 챔버(20)의압력이 고압 챔버(9)의 압력에 상응하는 상태를 시작점으로 한다. 파일럿 밸브 스템(36)이 제어 요소(22)에 맞대어짐으로써, 제어 통로(25)의 스로틀 수축부(25a) 입구가 밀폐된다.

전자석(5)이 여자되었을 때, 파일럿 밸브 스템(36)이 제어 요소(22)로부터 들어올려진다. 따라서, 제어 통로(25)가 저압 챔버에 연결된다. 연료가 제어 챔버(20)로부터 스로틀 통로(42)를 통해 제어 통로(25) 내로 유입되어 저압 챔버 내로 유입된다. 제어 챔버(20)의 압력이 떨어져서 분사 밸브 요소(10)가 밸브 시트(16)로부터 떨어져 이동하게 되어, 분사 공정이 개시된다. 이 분사 공정 중에, 제어 요소(22)의 관통 구멍(45)은 밀폐 위치에 있는 밸브 요소(46)에 의해 밀폐되어 유지된다.

전자석(5)의 여자가 해제될 때, 파일럿 밸브 스템(36)이 제어 요소(22)에 다시 맞대어져, 제어 통로(25)가 밀폐되어 저압 챔버로부터 분리된다. 고압 챔버에 있고 밸브 요소(46)를 제어 요소(22)의 하부 단부면(22a)으로부터 순간적으로 들어올리는 고압의 연료가 제어 챔버(20)로부터 떨어진 쪽을 향하는 밸브 요소(46)의 면에 작용한다. 관통 구멍(45)이 개방되어 연료가 시스템 압력하에서 비교적 큰 유동 단면적을 통해 제어 챔버(20) 내로 유입됨으로써, 제어 챔버(20)의 압력이 급격히 상승하게 되고, 밸브 시트(16)로 향하는 분사 밸브 요소(10)의 운동이 가속된다. 따라서, 분사 밸브 요소(10)의 신속한 밀폐 운동이 이루어진다.

개시된 모든 실시예에서, 스로틀 지점을 형성하는 스로틀 통로(26, 42, 47)를 통해 제어 챔버(20)가 제어 요소(22)의 제어 통로(25)와 고압 챔버(9)에 직접,즉 추가 스로틀 지점의 중간 연결없이 연결됨으로써, 도 3에 곡선 Ⅰ및 곡선 Ⅱ로 도시된 바와 같이 제어 통로(20)의 압력(p)은 제어 통로(25)의 잔여 압력보다 항상 상당히 높게 된다. 이에 따라, 밸브 요소, 즉 슬라이더 밸브 요소(21), 텅(41) 또는 밸브 요소(46)가 제어 요소(22)와 접촉한 위치로부터 원하지 않을 때 제어되지 않고서 들어올려지는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 각 분사 공정 중에 제어 통로(25)를 통해 저압 챔버로 유출되는 연료의 양이 적게 유지되어 손실을 낮출 수 있게 된다. 제어 챔버(25)의 제어 압력의 상승으로 인해, 파일럿 밸브 스템(36)에 의한 제어 통로(25)의 밀폐와 분사 밸브 요소(10)에 의한 분사 개구(4)의 밀폐 사이의 지체 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

밸브 요소(22)는 비교적 쉽게 제조될 수 있어 효율적인 비용으로 제조될 수 있다.

개시된 모든 실시예에서, 하우징의 종축(2a)과 동심이고 고압 챔버(9)를 형성하는 하우징의 구멍에 고압 입구(8)가 연결되고, 상기 고압 챔버는 밸브 시트(16)에 연결된다. 하지만, 본 발명에 따른 해소책은, 일례로 유럽 특허 공보 제EP-B-0 686 763호에 개시된 바와 같이 고압 입구(8)에 연결되고 고압 챔버를 형성하며 밸브 시트 요소(3) 주위로 연장되는 하우징의 구멍이 하우징의 종축(2a)에 평행하게 연장되긴 하지만 상기 축(2a)에 대하여 하우징(2)에서 측방향으로 편위되어 연장되는 다른 구성을 가진 연료 분사 밸브에도 적용될 수 있다.

Claims

고압 챔버(9)에 연결된 연료용 고압 입구(8)를 구비한 긴 하우징(2)을 구비하고, 밸브 시트 요소(3)에 형성된 분사 개구(4)를 밀폐 또는 개방시키도록 사용되고 하우징(2)에서 종방향으로 조절가능하며 밸브 시트 요소(3)에 대향하는 방향으로 스프링 하중을 받는 분사 밸브 요소(10)를 구비하고, 분사 밸브 요소(10)에 작동가능하게 연결되고 하나의 제1 단부면이 제어 챔버(20)를 향하는 제어 피스톤(18)을 구비하고, 하나의 제1 단부면(22a)으로부터 대향된 제2 단부면(22b)으로 연장되는 제어 통로(25)를 구비한 제어 요소(22)를 구비하고, 제어 요소(22)의 제2 단부면(22b)에 위치한 제어 통로(25)를 제어하여 밀폐 및 개방시키기 위한 파일럿 밸브(5)를 구비하며, 밀폐 위치에서 제어 요소(22)의 제1 단부면(22a)에 맞대어지고, 스로틀 지점을 구비하고 제어 챔버(20)가 통과하여 제어 통로(25)에 유체가 소통되도록 연결되는 스로틀 통로(26; 42; 47)를 구비하는 조절가능한 밸브 요소(21; 41; 46)를 구비하는, 내연 기관의 연소실 내에 연료를 단속적으로 분사하기 위한 연료 분사 밸브에 있어서,

스로틀 입구(33)가 제어 챔버(20)와 고압 챔버(9)를 연결하고, 상기 스로틀 입구(33)의 제어 챔버의 단부 입구는 스로틀 통로(26; 42; 47)의 스로틀 지점에 대하여 제어 챔버(20)를 향하는 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항에 있어서,

고압 챔버(9)에 존재하는 고압의 연료는 다른 제2 단부면에서 제어 피스톤(18)에 작용할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서,

스로틀 입구(33)의 최소 단면적이 제어 통로(25)의 최소 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

제어 통로(25)는 스로틀 수축부(25a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

스로틀 통로(26)는 스로틀 지점을 형성하는 스로틀 수축부(26a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

스로틀 입구(33)는 제어 챔버(20)와 직접 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제5항에 있어서,

스로틀 입구(33)는 스로틀 수축부(26a)와 제어 챔버(20) 사이에서 밸브 요소(21)의 스로틀 통로(26)와 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제7항에 있어서,

스로틀 수축부(26a)는 제어 요소(22)의 제1 단부면(22a)을 향하는 밸브 요소(26)의 단부에 배치되고, 밸브 요소(26)에 형성된 스로틀 입구(33)는 제어 챔버(20)를 향하는 스로틀 통로(26)의 단부와 스로틀 수축부(26a) 사이에서 스로틀 통로(26)와 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

제어 피스톤(18)과 밸브 요소(21; 41; 46)는, 측면에서 제어 챔버(20)에 접하고 일단부가 제어 요소(22)의 제1 단부면(22a)에 맞대어지는 슬리브(19)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제6항 및 제9항에 있어서,

스로틀 입구(33)가 슬리브(19)에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

밸브 요소는 활주 끼워맞춤되어 안내되는 슬라이더 밸브 요소(21)이고, 상기슬라이더 밸브 요소(21)는 제어 챔버(20)를 향한 제1 단부면(21a)과 상기 제1 단부면(21a)에 대향되어 위치된 제2 단부면(21b)을 구비하며, 밀폐 위치에서 상기 슬라이더 밸브 요소(21)의 제2 단부면(21b)은 바람직하게는 하우징에 고정된 제어 요소(22)의 제1 단부면(22a)에 맞대어지고, 스로틀 통로(26)가 상기 슬라이더 밸브 요소(21)의 단부면(21a, 21b) 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제11항에 있어서,

스로틀 통로(26)는 제어 요소(22)의 제어 통로(25)에 대하여 측방향으로 편위되고, 슬라이더 밸브 요소(21)가 밀폐 위치에 있을 때 상기 스로틀 통로(26)는 제어 요소(22) 및 슬라이더 밸브 요소(21)에 접하는 통로(27)를 통하여 제어 통로(25)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제12항에 있어서,

슬라이더 밸브 요소(21)의 제2 단부면(21b)에 구비된 오목부(27)에 의해서 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

슬라이더 밸브 요소(21)는 추가 스로틀 통로(28)를 구비하고, 상기 추가 스로틀 통로(28)는 상기 슬라이더 밸브 요소(21)의 단부면(21a, 21b) 사이에서 연장되고 제어 챔버(20)와 연통되며 슬라이더 밸브 요소(21)가 밀폐 위치에 있을 때 제어 요소(22)에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

슬라이더 밸브 요소(21)의 제2 단부면(21b)은 슬라이더 밸브 요소(21)의 제1 단부면(21a)보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제15항에 있어서,

제2 단부면(21b)은 원통형 단부(21') 상에 형성되고, 슬라이더 밸브 요소(21)의 제어 요소(22)를 향한 단부에 구비되는 상기 원통형 단부(21')의 외경은 슬라이더 밸브 요소(21)의 나머지 부분의 외경보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,

고압 챔버(9)에 연결된 구멍(40; 45)이 바람직하게는 하우징에 고정된 제어 요소(22)에 형성되고, 상기 구멍(40; 45)은 밸브 요소(41; 46)의 밀폐 위치에서 상기 밸브 요소(41; 46)에 의해 밀폐되는 제어 요소(22)의 제어 챔버(20)를 향한 제1 단부면(22a)에 위치하는 입구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제17항에 있어서,

밸브 요소는 한 영역에서는 제어 요소(22)에 부착된 탄성 스프링 텅(41) 형태로 구성되고, 스로틀 지점을 형성하고 바람직하게는 제어 요소(22)의 제어 구멍(25)과 정렬되는 스로틀 통로(42)가 상기 탄성 스프링 텅(41)에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제17항에 있어서,

고압 챔버(9)와 연결된 다수의 구멍(45)이 제어 요소(22)에 형성되고, 제어 요소(22)의 제1 단부면(22a)에 위치한 상기 구멍(45)의 입구는 밸브 요소(41)의 밀폐 위치에서 상기 밸브 요소(41)에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제19항에 있어서,

밸브 요소(46)에 형성되고 스로틀 지점을 형성하는 스로틀 통로(47)가 제어 요소(22)의 제어 구멍(25)과 정렬되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

밸브 시트 요소(3)의 방향으로 분사 밸브 요소(10)에 작용하는 밀폐 스프링(17)의 힘보다 작은 힘을 작용하고 압축 스프링 형태로 구성되는 스프링 요소(23)가 제어 피스톤(18)과 밸브 요소(21; 46) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.