KR100573503B1 - 내연기관의 연료분사장치용의 전자기적으로 작동되는 연료분사밸브 - Google Patents
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Abstract
기존의 연료 분사 밸브의 경우 전기자나 철심과 같이 마모가 심한 부품에는 크롬이나 몰리브덴, 니켈 등으로 된 내마모성 피막을 입힌다.
본 발명에 따른 밸브는 내마모성 피막(65')을 입힌 철심(2)을 포함한다. 이 피막(65')의 두께(x)는 최소한 직접적인 정지 영역(a, a')에서는 마주 보고 있는 전기자(27)에 입힌 피막(65)의 두께(y)보다 두껍다.
이 밸브는 특히 공기와 연료의 혼합기를 압축하는 불꽃 점화 기관의 연료 분사 장치에 사용하기에 적합하다.
Description
본 발명은 청구범위 제 1 항의 유형에 따른 전자기적으로 제어되는 밸브에 관한 것이다.
마모가 심한 부품에 내마모성 피막을 입힌, 전자기적으로 작동하는 다양한 밸브, 특히 연료 분사 밸브에 관해서는 이미 공지되어 있다.
DE-OS 29 42 928에서 전기자와 노즐 본체 등 마모가 심한 부품에 내마모성의 반자성 피막(diamagnetic layer)을 입히는 것이 소개되었다. 정확한 두께로 입히는 이같은 피막은 밸브 봉의 행정을 제한하는 역할을 함으로써, 잔류 자기(residual magnetism)가 연료 분사 밸브의 가동 부품에 미치는 영향을 최소화한다.
EP-OS 0 536 773에서도 전기자의 원통형을 한 원주면(circumferential surface)과 고리 모양을 한 정지면에 전기 도금의 방법으로 초경 금속 피막을 입힌 연료 분사 밸브가 소개되었다. 크롬이나 니켈로 된 이 피막의 두께는 가령 15 - 25 μm 정도이다. 전착(電着)한 피막 때문에 피막의 두께가 약간 쐐기형으로 분포되면서, 바깥쪽 가장자리에는 미세한 차이로 약간 더 두꺼운 피막이 입혀진다. 피막의 두께 분포는 전착한 피막에 의해 물리적으로 결정되기 때문에, 변경이 거의 불가능하다.
도 1은 연료 분사 밸브를 도시하는 도면.
도 2는 철심과 전기자 부분에 내마모성 피막을 입힌 연료 분사 밸브의 정지 영역의 확대도.
이에 비해 청구범위 제 1 항의 특징을 가지는 본 발명에 따른 전자기적으로 작동하는 밸브는 저렴한 비용으로 간단하게 정지 영역을 마련할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따라 축방향으로 운동하는 전기자보다 정지된 철심에 더 두꺼운 내마모성 피막을 입힘으로써 밸브의 전자기 회로의 자력도 상승하게 된다. 전기 도금의 방법으로 피막을 입히는 경우 피막의 두께에 대한 기준치가 작을수록 누설(leakage)이 감소하기 때문에, 철심/전기자 부분에 잔류 공기 틈(residual air gap)의 기능적인 편차가 작게 나타난다. 그 결과 분사되는 연료량(qdyn)의 편차는 줄어드는 반면, 최소 픽업 전압(minimum pick-up voltage)의 수치는 상승하는 장점이 있다.
정지해 있는 철심보다 가동 부품인 전기자의 마모가 훨씬 작기 때문에, 전기자에 입힌 내마모성 피막의 두께를 상당히 얇게 해도 품질은 저하되지 않으면서 내구성은 향상되어 피막의 원료를 적지않게 절감할 수 있다. 특히 전기자에 피막을 입히는 경우 피막을 입히는 시간도 단축되는 장점이 있다. 원료 절감 뿐만 아니라, 전해조의 폐기물 처리 비용도 줄어들기 때문에 비용 절감 효과가 배가된다.
또 한 가지 장점은 전기자 직경의 분산이 줄어들면 안내 간극(guide clearance)도 작아져 마모가 대폭 감소한다는 것이다.
하위 청구항들에 제시된 조치들을 통해 청구범위 제 1 항에 설명한 전자기적으로 작동하는 밸브, 특히 연료 분사 밸브를 유리하게 발전 및 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예를 도면에 간략하게 도시하였으며, 다음에서 이에 관해 상세히 설명하고자 한다.
도 1에 예시적으로 도시한, 전자기적으로 작동하는 밸브는 공기와 연료의 혼합기를 압축하는 불꽃 점화 기관의 연료 분사 장치에 사용하는 분사 밸브의 형태로서, 자력 코일(1)에 의해 둘러싸인 철심(2)을 포함한다. 연료 흡입관으로서의 역할을 하는 철심(2)은 일례로 관 모양으로 제작되고, 길이 전체에 걸쳐 외경이 일정하다. 반경 방향으로 계단형을 이루는 스풀(3)에는 자력 코일(1)이 감겨져 있고, 철심(2)과 결합해서 자력 코일(1) 부분에서 분사 밸브가 매우 컴팩트한 구조를 가질 수 있도록 한다.
철심(2)의 아랫쪽 코어 엔드(core end; 9)에는 밸브 세로축(10)과 동심을 이루면서 관 모양의 금속 중간 부품(12)이 용접 등의 방법으로 빈틈없이 연결되어 있는데, 이 부품(12)은 코어 엔드(9)의 일부를 축방향으로 둘러싸고 있다. 계단형의 스풀(3)은 부분적으로 철심(2)을 덮고 있으며, 계단형에서 직경이 보다 큰 단(段; 15)이 중간 부품(12)을 최소한 부분적으로 축방향으로 덮는다. 스풀(3)과 중간 부품(12)에서 유체가 흐르는 아랫 방향으로 뻗어 있는 관 모양의 밸브 시트 받침대(16)는 일례로 움직이지 않도록 중간 부품(12)과 연결되어 있다. 밸브 시트 받침대(16)에 있는 세로 구멍(17)은 밸브 세로축(10)과 동심으로 넣는다. 세로 구멍(17) 안에는 관 모양 등의 형태를 갖는 밸브 봉(19)이 배치된다. 밸브 봉(19)에서 유체가 흐르는 아랫 방향 끝(20)은 구형의 밸브체(21)와 용접 등의 방법으로 연결된다. 밸브체(21)의 주위에는 연료가 통과할 수 있도록 일례로 다섯 개의 평면(22)이 있다.
분사 밸브는 종래의 방식대로 전자기적으로 작동된다. 자력 코일(1)과 철심(2), 통 모양의 전기자(27)를 포함하는 전자기 회로가 밸브 봉(19)을 축방향으로 운동시키고, 이를 통해 재조정 스프링(readjusting spring; 25)의 탄성에 반하여 분사 밸브를 개방하거나 폐쇄할 수 있도록 한다. 전기자(27)는 제 1 용접 이음매(28)에 의해 밸브 봉(19)에서 밸브체(21)와 다른 쪽을 향한 끝과 연결되고, 코어(2)를 향해 정렬되어 있다. 밸브 시트 받침대(16)에서 유체가 흐르는 아랫 방향으로 철심(2)과 다른 쪽을 향한 끝에 세로 구멍(17) 안에 원통형의 밸브 시트 몸체(29)가 용접을 통해 빈틈없이 조립된다. 밸브 시트 몸체(29)는 고정된 밸브 시트를 포함한다.
밸브 시트 몸체(29)의 안내구(guide hole; 32)는 밸브 봉(19)이 전기자(27)와 함께 밸브 세로축(10)을 따라 축방향으로 운동하는 동안 밸브체(21)를 안내하는 역할을 한다. 구형의 밸브체(21)는 밸브 시트 몸체(29)에서 유체가 흐르는 방향으로 원추대 모양을 이루며 점차 가늘어지는 밸브 시트와 협응한다. 밸브 시트 몸체(29)에서 밸브체(21)와 다른 쪽을 향한 정면은 냄비 모양 등을 한 분사용 다공판(34)과 동심으로 움직이지 않도록 연결되어 있다. 분사용 다공판(34)의 바닥 부분에는 침식이나 프레스 가공 등의 방법으로 제작한 하나 이상의, 예로서 네 개의 분사용 구멍(39)이 있다.
밸브 시트 몸체(29)가 냄비 모양의 분사용 다공판(34)에 삽입되는 깊이에 의해 밸브 봉(19)의 행정이 결정된다. 이때 자력 코일(1)이 여자되지 않은 경우 밸브 봉(19)의 한 쪽 끝 위치는 밸브체(21)가 밸브 시트 몸체(29)의 밸브 시트에 접하게 됨으로써 결정되는 반면, 자력 코일(1)이 여자된 경우 밸브 봉(19)의 나머지 끝 위치는 전기자(27)가 코어 엔드(9)와 접함으로써, 따라서 정확하게 본 발명에 따라 형성된 영역에서 결정된다. 이 영역은 원으로 표시되어 있으며, 도 2에 확대시켜 놓았다.
밸브 세로축(10)과 동심으로 이어지는 철심(2)의 흐름 구멍(46) 안에는 조절 슬리브(48)가 삽입되어 있다. 롤 벤딩 처리된 강철 스프링 강 등으로 만들어진 조절 슬리브(48)는 재조정 스프링(25)의 스프링 응력을 조절하는 역할을 한다. 재조정 스프링(25)은 한편으로는 조절 슬리브(48)에 접하고, 다른 한편으로 조절 슬리브(48)와 맞은 편의 면은 밸브 봉(19)에 기대어 있다.
분사 밸브는 플라스틱 사출 성형부(50)로 둘러싸여 있다. 플라스틱 사출 성형부(50)는 철심(2)에서 시작해서 축방향으로 자력 코일(1)을 거쳐 밸브 시트 받침대(16)에까지 이른다. 이같은 플라스틱 사출 성형부(50)에는 함께 분사된 커넥터 플러그(52) 등이 포함된다.
연료 필터(61)는 연료가 유입되는 면의 끝(55)이 철심(2)의 흐름 구멍(46) 안으로 돌출해 있다. 연료 필터(61)는 크기가 커서 분사 밸브를 막히게 하거나 손상시킬 위험이 있는 연료 성분을 걸러낸다.
도 2는 밸브 봉(19)의 한 쪽 끝 위치에서 도 1에 원으로 표시한 영역을 확대한 것이다. 이 영역에서 전기자(27)는 철심(2)의 코어 엔드(9)에 닿아 정지한다. 이미 알려져 있듯이 크롬이나 니켈 피막 등의 금속 피막(65)을 전기 도금의 방법으로 철심(2)의 코어 엔드(9) 위에 입힌다. 이때 피막(65 및 65')은 밸브 세로축(10)과 수직으로 뻗은 정면(67 및 67')의 위 뿐만 아니라 최소한 부분적으로는 전기자(27) 내지 철심(2)의 원주면(66 및 66') 위에도 입힌다. 일반적으로 10 - 25 μm의 두께를 갖는 피막(65)이 다른 부품들(2 및 27)의 크기에 비해 실제 두께와 다른 척도로 도 2에 도시되어 있다.
분사 밸브가 작동하기 위해서는 철심(2)과 전기자(27)가 비교적 작은 영역에서만, 예를 들어 전기자(27)의 윗쪽 정면에서 밸브 세로축(10)과 다른 쪽을 향한 바깥쪽 영역에서만 정지해야 한다. 이같은 조건은 피막을 전착함으로써 충족된다. 피막을 전착하는 경우 피막을 입힐 부품들, 이 경우 철심(2)과 전기자(27)의 가장자리에 전기력선(line of electric force)의 집중 현상이 나타나고, 이로 인해 막의 두께가 약간 쐐기형으로 분포하는 등의 결과가 야기된다. 따라서 분사 밸브를 작동할 때 부품 위에 입힌 피막(65 및 65')에서 하중을 받는 부분이 좁은 영역으로 국한되게 된다.
장시간 작동한 다음에도 서로 부딪혀 정지시키는 정지 장치의 한 쌍의 상대편들이 최대한 정확한 정지면을 유지해야, 피막(65 및 65')에 약간의 마모가 발생해도 전기자(27)의 작동 시간(operating time) 및 복구 시간(releasing time)을 거의 일정하게 유지할 수 있다. 밸브의 정지 영역에서 내구성이 뛰어나면 분사할 연료량(qdyn)의 공차도 매우 작게 유지할 수 있다. 내구성 시험 결과 정지한 부품인 철심(2)에서보다 가동 부품인 전기자(27)가 마모를 덜 발생시킨다는 사실이 입증되었다. 4년 후 피막(65 및 65')에서 마모된 깊이가 철심(2)의 경우 전기자(27)에서보다 두 배 내지 세 배 더 깊을 수 있다. 따라서 내구성을 저하시키지 않으면서 철심(2)에 입히는 피막(65')의 두께보다 전기자(2)에 입히는 피막(65)의 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다. 특히 공차가 엄격한 경우 철심(2)에 전기자(27)보다 두께(x)가 두꺼운 피막(65')을 입히는 것이 권장된다.
피막(65 및 65')의 두께(x 및 y)에 대한 한 가지 실시예로서 여기서는 철심(2)의 경우 7 μm를, 그리고 전기자(27)의 경우 4 μm를 제시한다. 물론 이 치수들에는 엄격한 공차가 적용된다. 그러나 이 수치들은 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 이 수치들에 의해 본 발명이 제약되는 것은 결코 아니다. 어떠한 경우에도 정지한 철심(2)에 입힌 피막(65')의 두께(x)가 축방향으로 운동하는 전기자(27)에 입힌 피막(65)의 두께(y)보다 훨씬 두껍다. 다시 말해, 철심(2)에 입힌 피막(65')의 두께(x)가 전기자(27)에 입힌 피막(65)의 두께(y)보다 최소한 25% 더 두껍다. 이같은 비율은 철심(2)과 전기자(27)의 직접적인 정지 영역(a 내지 a')에만 적용된다. 이 정지 영역의 축방향 근접 영역이 쌍방향 화살표로 표시되어 있다.
정지 영역(a, a')은 본래 마모를 일으키는 접촉 부위(정지 장치의 두 상대편이 접촉하는 영역)를 말한다. 이 접촉 부위는 2중 원관 모양으로 제작하는 것이 이상적이지만, 보통 초승달 모양, 다시 말해 2중 원관의 부채꼴 모양으로 제작한다. 일반적으로 정지 영역(a, a')의 정지 폭은 50 - 200 μm이고, 최대 폭으로 300 μm까지 가능하다. 정지 영역(a 내지 a')의 외부에서는 피막(65 및 65')을 쐐기형으로도 제작할 수 있어서, 그때그때 맞은 편에 있는 피막의 두께가 거의 일치한다. 그러나 보통의 경우 전기자(27)에 입힌 피막(65)의 두께(y)는 처음부터 끝까지 철심(2)에 입힌 피막(65')의 두께(x)보다 얇다. 특히 정지 영역(a, a')에서는 x > y가 적용된다. 피막의 재료로는 크롬이나 몰리브덴, 니켈, 카바이드 등을 사용한다. 그러나 피막의 목적에 따라 일반적으로 사용하는 완전히 다른 재료를 사용해서도, 철심(2)과 전기자(27)에 본 발명에 따라 내마모성이 강한 피막(65, 65')을 입힐 수도 있다.
Claims (6)
- 밸브 종축, 강자성 재료로 된 코어, 자기 코일 및 전기자를 포함하고, 상기 전기자는 고정 밸브 시트와 상호 작용하는 밸브 폐쇄체를 작동시키고, 상기 자기 코일의 여자시 상기 코어의 접촉면에 흡착되고, 축방향으로 이동하는 상기 전기자의 접촉면뿐만 아니라 정지해 있는 코어의 접촉면에도 내마모성 코팅층이 구비된, 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브에 있어서,상기 전기자(27)를 향한, 상기 코어(2)의 정면(67')에 입힌 코팅층(65')의 두께(x)는 적어도 직접적인 접촉 영역(a, a')에서 상기 전기자(27)의, 상기 코어(2)측 정면(67)에 입힌 코팅층(65)의 두께(y)보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 접촉 영역(a, a')에서 상기 코어(2)에 입힌 상기 코팅층(65')의 두께(x)는 상기 전기자(27)에 입힌 상기 코팅층(65)의 두께(y)보다 적어도 25% 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코어(2)에 입힌 코팅층(65')의 두께가 상기 전기자(27)에 입힌 상기 코팅층(65)의 두께 보다 상기 코어의 접촉면과 전기 상기 전기자(27)에 입힌 상기 코팅층(65)의 두께 보다 상기 코어의 접촉면과 전기자의 접촉면의 각각의 길이부에 걸쳐서 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코어(2)와 상기 전기자(27)에 입힌 상기 코팅층(65, 65')들은 테이퍼형으로 연장되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코어(2)와 상기 전기자(27)에서 상기 상기 접촉 영역(a, a')의 최대폭은 300 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층(65, 65')들은 자성을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브 등의 전자기적으로 작동되는 밸브.
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