KR100292420B1 - 전자기작동식밸브용밸브니들및그제조방법 - Google Patents

전자기작동식밸브용밸브니들및그제조방법 Download PDF

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페테르로만
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마르틴마이어
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

전자기 작동식 밸브에서, 밸브 니들은 관형 접극자 부분, 관형 밸브 슬리브 부분 및 밸브 폐쇄 소자 부분으로 구성된다. 접극자 부분은 제 1 용접 연결에 의해 밸브 슬리브 부분의 한 단부에 연결되고, 밸브 폐쇄 소자 부분은 제 2 용접 연결에 의하여 밸브 슬리브 부분의 다른 단부에 연결된다. 이러한 제조 방법은 2 개의 용접 과정을 필요로 하므로 비교적 값비싸다.
신규한 밸브 니들(58)에서, 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성되는 관형 작동부(32)는 금속 사출성형법에 의한 사출성형 및 그 후속의 소결에 의하여 제조된다.
다음에, 작동부(32)는 용접 연결(48)에 의해 밸브 폐쇄 소자 부분(46)에 연결되므로 밸브 니들(58)이 간단하고 경제적인 방법으로 제조될 수 있다. 밸브 니들은 내연기관의 연료 분사 시스템용 분사 밸브에 특히 적합하다.

Description

[발명의 명칭]
전자기 작동식 밸브용 밸브 니들 및 그 제조 방법
[종래 기술]
본 발명은 청구범위 제 1 항에 기재된 일반형식의 전자기 작동식 밸브용 밸브 니들과 청구범위 제 8 항에 기재된 일반 형식의 밸브 니들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
독일 특허출원 제 DE-A 40 08 675 호는 접극자(armature)부분, 밸브 폐쇄 소자 부분, 및 상기 접극자 부분을 밸브 폐쇄 소자 부분에 연결하는 밸브 슬리브 부분으로 구성되어 있는 전자기 작동식 밸브용 밸브 니들을 발표하고 있다. 접극자 부분은 제 1 용접 연결에 의하여 밸브 슬리브 부분의 한 단부에 연결되고, 밸브 폐쇄 소자 부분은 제 2 용접 연결에 의하여 밸브 슬리브 부분의 다른 단부에 연결된다. 그러므로 밸브 니들을 제조하기 위해 2 가지 용접 과정이 필요하게 되고, 이는 밸브 니들의 제조 원가를 비교적 값비싸게 만든다. 또한, 밸브 폐쇄 소자 부분과 관형 밸브 슬리브 부분과의 사이에 제 2 용접 연결을 만드는 동안, 용접 스패터 형성물(weld spatter formations)이 생겨나므로 이 형성물이 관형 밸브 슬리브 부분의 내벽에 쌓여서 밸브의 기능에 손상을 입힌다.
[발명의 장점]
청구항 제 1 항의 특징적 모양을 갖는 본 발명에 의한 밸브 니들과 제 8 항의 특징적 모양을 갖는 본 발명에 의한 방법은 비교적 간단하고 경제적인 방법으로 밸브 니들을 제조 할 수 있다는 장점을 가진다. 사용된 금속 분말의 성분은 접극자 부분이 최적의 자성을 발휘하도록 여기서 간단하게 조절될 수 있다. 밸브 폐쇄소자 부분과 밸브 슬리브 부분 사이의 용접의 질에 해로운 영향을 끼치게 되는 유황 및 탄소의 출현이 용이하게 회피될 수 있다.
종속항에서 설명한 조치를 취함으로써 제 1 항의 밸브 니들과 제 8 항의 방법에서 더욱 유익한 발전 및 개량이 가능하다.
특히, 밸브 슬리브 부분의 종방향 구멍이 밸브 폐쇄 소자 부분과 대면하는 그 단부 부근에서 플로어(floor)를 가지면 유익하다. 이런 방법에 의하여, 상기 플로어와 밸브 폐쇄 소자 부분 사이에 캐버티(cavity)가 형성되고, 밸브 폐쇄 소자 부분과 밸브 슬리브 부분간에 용접 연결을 만드는 동안 생성되는 용접 스패터 형성물이 상기 캐버티 속에 들어가게 되어 밸브의 기능에 손상을 줄 수가 없다.
제조 중에 사용되는 금형에서 양호하게 제거하기 위해, 밸브 슬리브 부분이 접극자 부분에서 시작하여 밸브 폐쇄 소자 부분의 방향으로 테이퍼(taper)지는 것이 유익하다.
밸브 니들의 무게를 줄이기 위하여, 밸브의 종축선 방향으로 연장하는 홈(recess)을 밸브 슬리브 부분의 종방향 구멍의 벽에 형성시켜서 밸브 슬리브 부분의 종방향 구멍을 통과하는 유동이 손상을 받지 않도록 하는 것이 유익하다.
밸브 폐쇄 소자 부분과 대면하는 밸브 슬리브 부분의 단부에 플로어를 직접 형성함으로써 용접 스패터 형성물이 밸브 슬리브 부분의 내부로 들어가지 않게 보호하는 장점을 제공한다.
밸브 니들의 특히 유익한 디자인은, 접극자 부분과, 밸브 슬리브 부분과 밸브 폐쇄 소자 부분을 금속 사출 성형법에 따라 프리폼(preform)으로써 제작할 때 만들어진다.
플라스틱 접착제를 접착제(binding agent)로써 사용하고, 이 접착제를 프리폼을 열처리하여 프리폼에서 제거하면 유익하다. 이런 방법에 의하여, 밸브 니들 또는 작동부를 형성하며 구조적 밀봉 정도가 높은 프리폼이 특히 간단하게 제작될 수 있다.
프리폼을 소결(sintering)한 후에 열간 정수압 소결법(hot-isostatic pressing)으로 처리하여서, 접극자 부분 및 밸브 슬리브 부분으로 구성된 작동부와 밸브 니들의 특별한 밀봉 구조체를 얻는 것이 특히 유익하다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 실시예가 도면에 간략한 형태로 도시되고 아래에 상세히 설명되어 있다.
제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 밸브 니들을 갖는 연료 분사 밸브를 도시한다.
제 2 도는 제 1 실시예에 의한 밸브 니들을 도시한다.
제 3 도는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 밸브 니들을 도시한다.
제 4 도는 본 발명에 의한 밸브 니들의 제 3 실시예를 도시한다.
제 5 도는 본 발명에 의한 밸브 니들의 제 4 실시예를 도시한다.
제 6 도는 본 발명에 의한 밸브 니들의 제조 방법을 도시한다.
[실시예의 설명]
혼합물 압축식 스파크 점화 내연기관의 연료 분사 시스템을 위한 분사 밸브의 형태로 된 전자기 작동식 밸브(제 1 도에 예로서 도시됨)는 자기 코일(1)로 둘러싸여 있으며 연료 유입 연결 소자로서 작용하는 코어(2)를 가진다.
코일 포머(coil former)(3)를 갖춘 자기 코일(1)에는 플라스틱 사출 성형된 캡슐(encapsulation)(5)과, 동시에 사출 성형되는 전기 접속 플러그(6)가 제공되어 있다.
관형 금속 중간부(12)는 밸브의 종축선(11)에 관하여 동심적으로 코어(2)의 하단부(10)에 용접에 의하여 밀봉상태로 연결되고, 동시에 코어 하단부(10) 위에서 상부 원통형 부분(14)과 축선 방향으로 부분적으로 연결되어 있다. 코일 포머(3)는 중간부(12)의 상부 원통형 부분(14) 및 코어(2)와 부분적으로 결합한다. 중간부(12)는 코어(2)에서 멀리 떨어진 단부에서 하부 원통형 부분(18)을 구비하고, 이 하부 원통형 부분이 관형 젯트 캐리어(19)와 용접에 의하여 밀봉 결합된다. 원통형 밸브 시트 소자(21)는, 젯트 캐리어(19)의 하류 단부에서 밸브의 종축선(11)에 관하여 동심적으로 연장하는 스루홀(20)내에 용접에 의하여 밀봉 장착된다. 밸브시트 소자(21)는 자기 코일(1)과 대면하는 고정 밸브 시트(22)를 가지며, 이 밸브 시트(22)의 하류측에서 예를 들어 2 개의 분무 구멍(23)이 밸브 시트 몸체(21)내에 형성된다. 분무 구멍(23)의 하류측에서, 밸브 시트 소자(21)는 유동 방향으로 넓어지는 절두 원추형의 모양으로서 준비 보어(24)를 가진다.
복원 스프링(restoring spring)(26)의 탄성력을 조절하기 위하여, 관형 조정부싱(27)이 코어(2)의 계단형(stepped) 유동구(25)내에 끼워지고, 상기 유동구(25)가 밸브의 종축선(11)에 관하여 동심적으로 연장한다. 복원 스프링(26)은 그 한쪽 단부가 밸브 시트 소자(21)와 대면하는 조정 부싱(27)의 하단면(28)에 놓여 있다. 코어(2)의 유동구(25)내에서의 조정 부싱(27)의 삽입 깊이는 복원 스프링(26)의 탄성력을 결정하고, 또한 밸브의 개폐 운동 중에 발생되는 활동적인 연료 배출량에 영향을 끼친다. 복원 스프링의 한 단부가 조정 부싱(27)과 대면한 상태에서, 복원 스프링(26)은, 예를 들어 밸브의 종축선(11)에 관하여 동심적으로 배열되어 있는 관형 작동부(32)의 보유 숄더(sholder)(30)에서 지탱된다. 작동부(32)는 보유 숄더(30)내에 형성되어 코어(2)와 마주보는 종방향 구멍(34)을 가진다.
제 1 도에 도시된 제 1 실시예에 의한 밸브 니들(58)은 제 2 도에도 도시되어 있다.
관형 작동부(32)는, 코어(2)와 마주보며 코어(2) 및 자기코일(1)과 상호 작용하는 관형 구조의 접극자 부분(36)과, 길게 연장하여 밸브 시트 소자(21)와 마주보는 관형 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성된다. 접극자 부분(35)에서 멀리 떨어져 있는 단부(39) 부근에서, 플로어(40)가 작동부(32)의 종방향 구멍(34)에 형성된다. 플로어(40)는 작동부(32)의 종방향 구멍(34)을 분할하여, 코어(2)와 마주보며 동시에 유동구(25)의 연장부를 형성하는 막힌 구멍 모양의 유동부분(42)과, 상기 유동부분(42)에 비해 작은 축방향 길이를 갖는 막힌 구멍부분(44)으로 나눈다. 밸브 슬리브 부분(38)의 단부(39)에서, 작동부(32)는 용접 연결(48)에 의하여 예를 들어 구형의 밸브 폐쇄 소자부분(46)에 연결된다. 작동부(32)에 관하여 구형의 밸브 폐쇄 소자 부분(46)을 가능한 최선의 연결과 정확한 센터링을 달성하기 위하여, 작동부(32)의 밸브 슬리브 부분(38)은 고정 숄더(30)에서 멀리 떨어진 단부(39)에서 예를 들어 반구형(hemisphere) 모양으로 형성된 단부측 지지면(49)을 가진다. 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자 부분(46)은 보통 접극자 부분(36) 보다 작은 직경을 가진다. 예를 들어, 구형의 밸브 폐쇄 소자 부분(46)은 밸브 시트 소자(21)의 밸브 시트(22)의 방향으로 연료를 용이하게 흐르게 하는 4 개의 평평한 부분(50)을 그 원주면에서 가진다. 막힌 구멍 부분(44)의 플로어(40)와 밸브 폐쇄 소자부분(46)과의 사이에 형성되는 캐버티(cavity)(52)에는, 예를 들어 레이저 용접에 의하여 용접 연결(48)을 만드는 도중에 발생하는 용접 스패터 형성물이 수집된다. 이러한 용접 스패터 형성물은 캐버티(52)에서 빠져나갈 수 없어서 밸브 시트(22)로 지나갈 수 없으며 따라서 밸브의 기능이 방해받지 않는다.
접극자 부분(36)과 작동부(32)의 플로어(40) 사이에서 밸브의 종축선(11)의 방향으로 제공되어 있는 다수의 관통 구멍(56)이 밸브 슬리브 부분(38)의 벽을 통과한다. 이러한 관통 구멍(56)은 연료가 코어(2)의 유동구(25)와 작동부(32)의 종방향 구멍(34)을 통해 밸브 시트 소자(21)의 밸브 시트(22)의 방향으로 흐르게 만든다.
접극자 부분(36) 및 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성되는 작동부(32)와, 또한 적절하다면 밸브 니들(58)의 밸브 폐쇄 소자 부분(46)은 사출성형된 다음에 소결처리되어 제작된다. 제 6 도는 밸브 니들을 제조하기 위한 본 발명에 의한 방법을 간단하게 도시한다. 지정된 금속 사출성형법(MIM)은 종래 플라스틱 사출성형기에서 접착제, 예를 들어 플라스틱 접착제로서 금속 분말로부터 프리폼을 제작하고, 이어서 접착제를 제거하고, 남아 있는 금속 분말 골조(framework)를 소결하는 것으로 이루어진다. 금속 분말의 성분은 접극자 부분(36) 및 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성된 작동부(32) 또는 밸브 폐쇄 소자부분(46)의 최적 자성을 발생하도록 여기서 용이하게 조절될 수 있다. 밸브 폐쇄 소자부분(46)과 밸브 슬리브 부분(38) 사이에 있을 수 있는 용접 연결에 부정적인 효과를 미치는 유황 및/또는 탄소는 금속 분말에서 회피될 수 있다. 초기에 금속 분말(61)은 혼합 장치(63)에서 접착제(62)로써 사용되는 플라스틱과 함께 혼합되어 균질하게 된다(homogenizing). 다음에 이 혼합물은 입상 제조 장치(granulating device)에서 입상을 형성하도록 처리되고, 플라스틱 사출성형기(65)에서 공지된 방법에 따라 프리폼(66)을 형성하도록 더 처리된다. 사출 성형된 프리폼(66)에서 플라스틱 접착제(62)의 성분들은 불활성 가스의 영향하에서 열처리에 의헤 제거된다. 프리폼(66)의 남아있는 재료의 골조는 대략 금속의 60 용적% 로 구성된다. 프리폼(66)의 밀도를 증가시키기 위하여, 프리폼은 불활성 가스의 영향하에서 소결 장치(68)에서 소결된다. 그러나, 소결 공정은 수소 또는 진공 하에서 실시될 수도 있다. 필요하면, 그 다음에 프리폼(66)은 작동부(32) 또는 밸브 니들(58)의 구조에서 기공의 비율을 대략 1% 까지 줄이기 위하여 열간 정수압 소결법으로 압축될 수 있다.
끝으로, 제 1 도 내지 4 도에 의한 밸브 니들의 실시예에서, 상기 방법으로 만들어지며 접극자 부분(36) 및 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성된 작동부(32)는 예를 들어 용접 연결(48)에 의하여 밸브 폐쇄 소자부분(46)에 영구적으로 연결된다.
자기 코일(1)은 적어도 하나의 전도체(81)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있고, 이 전도체는 예를 들어 활(bow)처럼 만들어지며 강자성 소자의 역할을 하고, 그 한 단부가 코어(2)에 지탱되고 다른 단부가 젯트 캐리어(19)에 지탱되어 용접 또는 납땜에 의하여 연결된다. 밸브의 일부는, 코어(2)에서부터 축방향으로 자기코일(1) 및 적어도 하나의 전도체(81)를 지나 연장하는 플라스틱 케이싱(83)과 접속 플러그(6)에 의해 둘러싸여 있다.
제 3 도는 본 발명에 의한 밸브 니들(58)의 제 2 실시예를 도시한다. 밸브 니들(58)은 작동부(32)와, 용접 연결(48)에 의하여 상기 작동부의 단부(39)의 지지면(49)에 연결된 밸브 폐쇄 소자부분(46)으로 구성된다. 작동부(32)는 밸브 폐쇄 소자부분(46)에서 멀리 떨어져 있는 접극자 부분(36)과, 상기 접극자 부분(36)과 밸브 폐쇄 소자 부분(46) 사이를 연장하는 밸브 슬리브 부분(38)을 가진다. 작동부(32)는, 밸브 슬리브 부분(38)이 접극자 부분(36)에서 시작하여 밸브 폐쇄 소자 부분(46)의 방향으로 테이퍼지는 절두 원추형의 모양을 갖도록 구성된다. 밸브 슬리브 부분의 이러한 원추형 모양은 이를 제작하기 위해 사용되는 공구, 예를 들어 플라스틱 사출 성형기(65) 또는 소결 장치(68)의 금형에서 작동부(32)의 제거를 용이하게 만든다. 작동부(32)의 종방향 구멍(34)에서는, 밸브의 종축선(11)의 방향으로 연장하는 홈(recess)(85)이 예를 들어 4 개가 형성되고, 이 홈은 기계적 강도를 줄이지 않고 밸브 니들(58)의 무게를 감소시킬 수 있게 만든다. 이러한 방법에서, 방사상의 내부를 향해 뾰족하게 되어 있는 웨브(87)가 각 경우마다 2 개의 홈(85) 사이에서 작동부(32)의 종방향 구멍(34)의 벽에 만들어지고, 밸브 폐쇄 소자부분(46)에서 멀리 떨어져 있는 단부와 함께 이 웨브(87)는 다같이 복원 스프링(26)을 위한 고정 숄더(30)를 형성한다.
그밖에, 제 3 도에 도시된 제 2 실시예에 의한 밸브 니들(58)은 제 2 도에 도시된 제 1 실시예와는 실제로 다르지 않다.
본 발명에 의한 밸브 니들(58)의 제 3 실시예(제 4 도에 도시)는, 플로어(40)가 접극자 부분(36)의 반대측에 놓여 있는 작동부(32)의 단부(39)를 직접 형성하고 구형인 밸브 폐쇄 소자 부분(46)의 외형과 대략적으로 일치하는 원추형 구조라는 점에서 제 1 도 및 2 도에 의한 제 1 실시예와는 구별된다. 밸브 폐쇄 소자 부분(46)은 플로어(40)에서 지탱되고 용접 연결(48)에 의하여 이 플로어에 연결된다. 전술한 실시예의 캐버티(52)는 제 3 실시예에서는 존재하지 않는다.
본 발명에 의해 제 5 도에 도시된 밸브 니들(58)의 제 4 실시예에서, 접극자 부분(36), 밸브 슬리브 부분(38) 및 밸브 폐쇄 소자부분(46)은 전술한 MIM 방법에 의해 하나의 부품으로써 제작된다. 여기서 종방향 구멍(34)은 밸브 폐쇄 소자부분(46) 안으로 연장하는 것이 유익하다. 제 5 도에 의한 제 4 실시예에서는 용접 연결은 존재하지 않는다.
사출성형 및 그 후속의 소결에 의해 제조되며, 접극자 부분(36) 및 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성되는 작동부(32), 또는 이와 동시에 제조되는 밸브 폐쇄 소자부분(46)을 갖는 새로운 밸브 니들은 매우 간단하며 경제적으로 제작되는 장점을 가지며, 즉 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38) 사이에 용접과정이 없어지고 또한 적절하다면 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자 부분(46)사이에 용접 과정이 없어진다. 작동부(32)의 종방향 구멍(34)의 막힌 구멍 부분(44)과 밸브 폐쇄 소자 부분(46)에 의해 형성되는 캐버티(52)는, 제 1 도 내지 제 4 도에 의한 실시예에 따라 제공되는 디자인에 의해 밸브 폐쇄 소자 부분(46)과 작동부(32)의 단부(39)와의 사이의 용접 연결(48)에서 발생하는 용접 스패터 형성물을 내부에 간직하며 따라서 밸브의 기능에 방해를 일으키지 않는다.

Claims (7)

  1. 전자기 작동식 밸브, 특히 내연기관의 연료 분사 시스템을 위한 분사 밸브에서 사용되며, 상기 분사 밸브는 코어(2)와, 자기 코일(1)과, 고정 밸브 시트(22)를 가지며, 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자부분(46)으로 구성되어 있는 밸브 니들(58)이 상기 밸브 시트와 상호 작용하며, 상기 밸브 슬리브 부분(38)이 접극자 부분(36)을 밸브 폐쇄 소자부분(46)에 연결하고, 종방향 구멍(34)이 접극자 부분(36) 및 밸브 슬리브 부분(38)을 관통하며, 밸브 니들(58)의 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자부분(46)이 하나의 부품으로 제조되는 밸브 니들에 있어서, 상기 밸브 니들(58)의 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자부분(46)이 소결 재료(sintered material)로 구성되고, 금속 사출 성형법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 밸브 니들.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 슬리브 부분(38)은 접극자 부분(36)에서 시작하여 밸브 폐쇄 소자 부분(46)의 방향으로 원추형으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 밸브 니들.
  3. 제1항에 있어서, 밸브의 종축선(11)의 방향으로 연장하는 홈(85)은 밸브 슬리브 부분(38)의 종방향 구멍(34)의 벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 니들.
  4. 제 1항, 2 항, 3 항중 어느 한 항에 의해 설계된 밸브 니들로서, 접극자 부분(36)과, 밸브 폐쇄 소자 부분(46)과, 상기 접극자 부분(36)을 밸브 폐쇄 소자 부분(46)에 연결하는 밸브 슬리브 부분(38)으로 구성되며, 상기 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자부분(46)이 하나의 부품으로 제조되는 밸브 니들의 제조 방법에 있어서, 금속 사출 성형법에 따라 금속 분말(61) 및 접착제(62)를 서로 혼합하여 균질하게 하는 제 1 단계와, 접극자 부분(36)과 밸브 슬리브 부분(38)과 밸브 폐쇄 소자부분(46)으로 구성되는 프리폼(66)을 사출성형에 의해 제조하는 제 2 단계와, 상기 프리폼(66)에서 접착제(62)를 제거하는 제 3 단계와, 상기 프리폼(66)을 소결하는 제 4 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 니들의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 플라스틱이 접착제로써 사용되는 것을 특징으로 하는 밸브 니들의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 접착제가 프리폼(66)을 열처리시킴으로써 프리폼(66)에서 제거되는 것을 특징으로 하는 밸브 니들의 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 프리폼(66)이 상기 소결후에 열간 정수압으로 성형되는(hot-isostatically moulded) 것을 특징으로 하는 밸브 니들의 제조 방법.
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