KR100624350B1

KR100624350B1 - 전자기 작동 밸브

Info

Publication number: KR100624350B1
Application number: KR1019997009863A
Authority: KR
Inventors: 아이헨도르프안드레아스; 제바스티안토마스; 트루첼랄프
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2006-09-18
Also published as: EP0975868B1; DE19808067A1; WO1999043948A3; JP2001525905A; ES2200400T3; WO1999043948A2; KR20010020263A; CZ292950B6; CZ378999A3; EP0975868A2; DE59808471D1; US6201461B1; JP4219417B2

Abstract

본 발명은 코어(2)와 연결부(8)를 연결하는 쓰로틀 지점(10)을 가지는 전자기작동 밸브, 특히 내연기관 연료분사 장치용 분사 밸브에 관한 것으로서, 쓰로틀 지점(10)을 방사 방향으로 지지하는 링 형상의 삽입 부품(31)이 설치되는 것을 특징으로 한다. 링 형상의 삽입 부품(31)을 사용함으로써 쓰로틀 지점(10)을 갖는 밸브관(9) 구조의 장점을 활용함과 동시에 고압 밸브에 필요한 안정성이 확보된다.

링 형상의 삽입 부품(31)을 비도전성 재료로 제조하거나 또는 하나 이상의 슬롯(36, 37)에 의해 중단되어 전기적으로 절연된 상태로 장착하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 조치를 통해 적어도 부분적으로 자기 코일(1)의 자장 영향 영역 내부에 놓이는 삽입 부품에 있어서 자장이 변하는 동안 밸브의 변환 시간에 부정적인 영향을 미치는 와류가 링 형상의 삽입 부품(31)에 생성되는 것을 방지할 수 있다.

코어, 연결부, 쓰로틀 지점, 분사 밸브, 삽입 부품, 고압 밸브, 비전도성 재료, 절연 상태, 와전류.

Description

전자기 작동 밸브{Electromagnetically controlled valve}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 전자기적으로 작동되는 밸브, 특히 내연기관 연료분사 장치용 밸브에 관한 것이다.

전자기적으로 작동하며, 적어도 하나의 자기 코일, 코어, 아마추어 및 외극을 포함하는 자기 회로를 가지는 연료분사 밸브가 공지되어 있다. 이러한 연료분사 밸브의 예는 DE 195 03 821 A1에 개시되어 있다.

DE 195 03 821 A1에 따른 밸브에서, 코어와, 밸브관의 접속부가 자기 쓰로틀 지점을 통해 상호 직접 연결된다. 이 경우 전체 밸브관을 일체형으로 구성함으로써, 밸브 전체 길이에 걸쳐 연장되도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대 두께가 0.2 mm에 불과한 쓰로틀 지점의 장점은 밸브의 기밀성을 확실하게 유지함으로써 기밀성 측정과 밸브 세척시에 문제가 되는 O 링을 생략할 수 있다는 것이다. 예컨대 약 10∼12 Mpa(100∼120 bar) 범위의 최대 압력을 갖는 고압 밸브의 경우 비교적 두께가 얇은 쓰로틀 지점(10)에서 강도 문제가 발생한다.

청구항 1의 특징을 갖는 본 발명에 따른 전자기 작동 밸브는 두께가 얇은 쓰로틀 지점을 가진 밸브관의 제조 기술상의 장점, 자기 회로 특성상의 장점 및 기밀성의 장점을 활용하는 동시에 선행 기술의 강도 문제를 회피할 수 있다는 장점을 갖는다.

종속 청구항의 조치를 통해 청구항 1의 전자기 작동 밸브의 바람직한 개선이 가능하다.

링 형상의 삽입 부품을 비도전성 재료로 제조하거나 또는 하나 이상의 슬롯에 의해 중단되도록 형성하고, 전기적으로 절연되도록 장착하면 특히 유용하다. 이러한 조치를 통해, 적어도 부분적으로 자기 코일의 자장 영향 영역 내부에 놓이는 삽입 부품에서, 자장이 변할 때에, 밸브의 스위칭 시간(활동 시간 및 폐쇄 시간)에 부정적인 영향을 미치는 와류가 생성되는 것을 방지할 수 있다.

링 형상의 삽입 부품의 특히 바람직한 실시예는 상호 전기적으로 절연되고 각각 적어도 하나의 슬롯을 가지는 두 개의 동심 링으로 구성되며, 따라서 삽입 부품에 예컨대 강도 특성 또는 형상 안정성이 좋은 오스테나이트 금속과 같은 도전성 재료가 사용될 수 있다. 이 경우 두 링의 슬롯은 구성의 기계적 안정성을 개선 또는 유지하기 위해 상호 180°오프셋되도록 배치된다.

또한 쓰로틀 지점과 링 형상의 삽입 부품 사이의 갭을 접착제로 충진하는 것이 유용하다. 이렇게 하면 개별 부품의 직경에 대한 허용 공차가 커지며 동시에 제조가 경제적이다.

도 1은 본 발명에 따른 링 형상의 삽입 부품을 갖는 연료분사 밸브의 실시예의 단면도.

도 2는 쓰로틀 지점에서 도 1의 II 부분 확대도.

도 3은 본 발명에 따라 구성된 분사 밸브의 다른 실시예의 단면도.

도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따른 분사 밸브의 단면도.

도 1에 제 1 실시예로서 도시된, 혼합기 압축 스파크 점화식 내연기관의 연료분사 장치용 연료분사 밸브 형태의 전자기적으로 작동되는 밸브는 자기 코일(1)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 자기 회로의 소위 내극 역할을 하는 관 형상의 중공 실린더 코어(2)를 가진다. 코일 바디(3)는 자기 코일(1)의 권선을 수용하고, 코어(2), 및 상기 자기 코일(1)에 의해 부분적으로 둘러싸이고 L형 단면의 링 형상 비자성의 중간 부품(4)과 함께 자기 코일(1)의 영역에서 특히 콤팩트하고 짧은 분사 밸브의 구성을 가능하게 한다. 중간 부품(4)의 한 레그는 코어(2)의 스텝내로 축방향으로 돌출하며, 다른 레그는 도면의 하부에 있는 코일 바디(3)의 단부면을 따라 방사방향으로 돌출한다.

코어(2)에 밸브 종축선(6)을 따라 연장된 연속적인 길이 방향 개구(5)가 있다. 밸브 종축선(6)에 대해 동심적으로 특히 도 1에 도시되지 않은, 추가의 관 형상의 얇은 벽의 슬리브가 뻗어 있으며, 이 슬리브는 코어(2)의 내부 길이 방향 개구(5)를 통해 돌출하며 길이 방향 개구(5)의 벽과 직접 접한다. 슬리브는 밸브 종축선(6) 방향으로 또는 하류 방향으로 코어(2)의 캡슐을 형성하며, 따라서 연료와 코어(2)의 접촉을 방지함으로써, 코어(2)에 대해 밀폐기능을 한다.

코어(2)는 코어 하단부(7)에서 끝나는 종래의 분사 밸브의 경우와는 다르게, 하류 방향으로 계속 연장하며, 따라서 코일 바디(3)의 하류에 배치된 관 형상의 연결부(8)(이하의 설명에서는 연결부(8)라 함)는 소위 외극으로서 코어(2)와 일체형으로 구성되며, 이때 전체 부품은 밸브관(9)이라 한다. 코어(2)로부터 연결부(8)로의 이행부로서 밸브관(9)은 역시 관 형상이기는 하지만 코어(2) 및 연결부(8)를 가지는 자기 쓰로틀 지점(10)의 벽 두께보다 훨씬 얇은 벽을 가진다. 자기 쓰로틀 지점(10)은 코어 하단부(7)로부터 코어(2)와 연결부(8)의 밸브 종축선(6)에 대해 동축적으로 연장한다.

밸브관(9)의 일체형 형성 대신에 쓰로틀 지점(10)은 코어 하단부(7) 또는 연결부(8)와 일체형으로 형성될 수 있다.

밸브 종축선(6)에 대해 동축적으로 형성되는 길이 방향 개구(11)가 연결부(8)내로 연장된다. 길이 방향 개구(11)에 예컨대 관 형상의 밸브 니들(12)이 설치되며, 상기 니들의 하류측 단부(13)는 구 형상의 밸브 폐쇄체(14)와 예컨대 용접에 의해 결합되고, 상기 밸브 폐쇄체의 둘레에 연료가 흘러 지나갈 수 있는 다수의 편평부(15)가 있다.

자기 코일(1), 코어(2) 및 아마추어(17)를 포함하는 전자기 회로는 밸브 니들(12)의 축 방향 운동을 위해, 그리고 그에 따른 리턴 스프링(16)의 힘에 대항해서 분사 밸브를 개방하거나 분사 밸브를 폐쇄하는 기능을 한다. 아마추어(17)는 밸브 폐쇄체(14)로부터 먼 밸브 니들(12)의 단부와 용접 시임에 의해 결합되며 코어(2)에 정렬된다. 고정 밸브 시트를 가지는 실린더 형상의 밸브 시트 바디(18)가 하류측에 배치되고 코어(2)로부터 먼 연결부(8) 단부의 길이 방향 개구(11)에 용접에 의해 밀봉 방식으로 설치된다.

밸브 시트 바디(18)의 가이드 개구(19)는 밸브 니들(12)이 아마추어(17)와 함께 밸브 종축선(6)을 따라 축 방향 운동을 하는 동안 밸브 폐쇄체(14)를 가이드하는 기능을 한다. 구 형상의 밸브 폐쇄체(14)는 유동 방향으로 원추대형으로 좁아지는, 밸브 시트 바디(18)의 밸브 시트와 협동한다. 밸브 폐쇄체(14)로부터 먼 밸브 시트 바디(18)의 단부면은 예컨대 컵 형상의 분사구 판(20)과 견고하게 연결된다. 컵 형상의 분사구 판(20)은 예컨대 전기방전 기계가공 또는 천공에 의해 만들어진 적어도 하나의 분사구(21)를 가진다. 축 방향 운동이 진행되는 동안 밸브 니들(12)과 연결된 아마추어(17)의 정확한 가이드를 위해, 공지된 다른 분사 밸브의 실시예에서는 비자성의 중간 부품이 사용되고, 이 중간 부품은 쓰로틀 지점(10) 대신에 설치되며, 코어(2)와 연결부(8)를 자기적으로 분리하는 역할을 한다. 작은 가이드 유격을 얻기 위해, 이 비자성의 중간 부품은 예컨대 정밀 선반으로 매우 정교하게 제조된다. 도 1에 도시된 분사 밸브에서는 밸브관(9)의 일체형 구조로 인해 이러한 중간 부품이 필요치 않으므로, 예컨대 선반 회전에 의해 형성되는 적어도 하나의 가이드 면(22: 도 2)을 아마추어(17)의 외주에 배치하는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 가이드 면(22)은 예컨대 연속하는 환형 가이드 링, 또는 상호 간격을 두고 둘레에 형성된 다수의 가이드 면으로 형성될 수 있다.

컵 형상의 분사구 판(20)을 갖는 밸브 시트 바디(18)의 삽입 깊이는 밸브 니들(12)의 행정 크기를 결정한다. 이 때 밸브 니들(12)의 한 단부 위치는 자기 코일(1)이 여자되지 않은 경우, 밸브 시트 바디(18)의 밸브 시트에 밸브 폐쇄체(14)가 접촉함으로써 정해지는 한편, 밸브 니들(12)의 다른 단부 위치는 자기 코일(1)이 여자되는 경우, 코어 하단부(7)에 아마추어(17)가 접촉함으로써 정해진다.

도 1에 도시된, 밸브 시트 바디(18)를 포함하는 연결부(8), 및 아마추어(17), 밸브 니들(12), 밸브 폐쇄체(14)로 구성된 가동 밸브 부분의 구성은 단지 자기 회로 하류측의 밸브 구성 부품의 가능한 실시예만을 나타낸다. 다음 도면에서는 이 밸브 영역을 나타내지 않으며, 상이한 밸브 구성 부품을 쓰로틀 지점(10)의 영역에서 본 발명에 따른 분사 밸브 구성과 조합할 수 있음을 강조한다. 상술한 구 형상의 밸브 폐쇄체(14)와 분사구 판(20)을 사용하는 것 이외에 외부로 개방되는 분사 밸브를 고려해 볼 수도 있다.

자기 코일(1)은 예컨대 브래킷으로 형성되며 강자성 소자로서의 기능을 하는 적어도 하나의 전도 소자(23)에 의해 둘러싸이며, 이 소자는 자기 코일(1) 원주방향으로 적어도 부분적으로 감싸며, 그 일 단부는 코어(2)와, 다른 단부는 연결부(8)와 접하고, 예컨대 용접, 납땜 또는 접착에 의해 상기 연결부와 결합될 수 있다.

분사 밸브는 플라스틱 사출 성형물(24)로 둘러싸이며 상기 사출 성형물은 코어(2)로부터 축 방향으로 자기 코일(1)과 적어도 하나의 전도 소자(23)를 통해 연결부(8)까지 연장되며, 상기 적어도 하나의 전도 소자(23)는 축 방향으로 및 원주 방향으로 완전히 커버된다. 또한 예컨대 함께 성형된 전기적 접속 플러그(25) 역시 플라스틱 사출 성형물(24)에 포함되며 이 플러그에 자기 코일(1)의 전기적 접촉을 위한 접촉 소자(26)가 설치된다.

도 2에는 도 1에서 II로 도시된 자기 쓰로틀 지점(10)이 확대 도시된다. 코어(2)의 하단부(7)는 하류측 단부면(27)을 가지며, 상기 단부면은 상류측 단부면(28)을 가지는 아마추어(17)에 대한 정지면 역할을 한다. 밸브의 폐쇄시, 즉 밸브 폐쇄체(14)가 밸브 시트 바디(18)의 밸브 시트에 접하게 되면 두 단부면(27, 28) 사이에 갭(29)이 생성된다. 일반적으로 갭을 우회하는 누설 자속이 작을수록 자기 회로는 더욱 개선된다.

본 실시예에서 사용하는 밸브관(9)은 상술했듯이 일체형으로 형성되며 자기 쓰로틀 지점(10)을 통해 코어(2)와 연결부(8) 사이에 직접적인 자기 전도 연결부를 갖는다. 갭(29)을 우회하는 누설자속을 가능한 작게하기 위하여, 자기 쓰로틀 지점(10)은 매우 작은 벽 두께를 갖는다. 예컨대, 축 방향으로 2 mm 길이의 자기 쓰로틀 지점(10)의 벽두께는 예컨대 약 0.2 mm에 불과하다. 따라서, 흡입관 분사용의 가솔린 분사 밸브에서 통상적인 낮은 최대 압력에서 밸브관(9)의 안전성이 충분히 보장되는 최소 한계값이 달성된다. 자기 코일이 여자되면 자기 회로의 자속은 매우 좁은 자기 쓰로틀 지점(10)을 직접 통과한다. 따라서 매우 짧은 시간 내에, 즉 밸브의 실제 스위칭 시간의 몇분의 1 내에 포화 자속 밀도가 얻어진다. 포화 상태에 있고 약 1의 투자율을 갖는 자기 쓰로틀 지점(10)은 실제로 쓰로틀 지점으로 작용한다.

아마추어(17)에 형성된 적어도 하나의 가이드 면(22)에 의해 가이드 면(22) 외부에 자기 쓰로틀 지점(10) 또는 연결부(8)와 아마추어(17) 사이에 방사방향 갭(30)이 생성되며, 가이드 면은 아마추어의 본래 외경을 지나 방사 방향 외부로 연장된다. 이 방사방향 갭(30)은 자속이 갭을 통해 방사 방향으로 아마추어(17)로 들어오므로 가능한 한 좁게 구성되어야 한다. 분사 밸브의 총 자속은 이 구성의 경우 비자성의 중간 부품을 갖는 분사 밸브에 비해 쓰로틀 지점(10)을 통과한 자속량 만큼 증가한다. 코어(2)와 전도 소자(23)의 나머지 전도성 횡단면은 상응하게 매칭되거나 최소로 확대된다.

상술한 밸브관(9)의 일체형 구조를 통해 경제적인 제조와 분사 밸브의 보다 확실한 기밀성이 달성될 수 있으며, 자기 회로의 품질은 비자성 중간 부품을 가지는 구조에 비해 저하되지 않는다. 이러한 장점을 예컨대 약 10∼12 Mpa(100∼120 bar)의 최대 압력을 갖는 고압 밸브에 활용하기 위해서는, 쓰로틀 지점(10)의 부하 능력이 그 만큼 증가되어야 한다. 벽 두께가 두꺼워지면 자기 회로에 부정적인 영향을 미치므로 두꺼운 벽두께를 가진 쓰로틀 지점의 형성은 고려 대상이 아니다.

이 문제의 해결은 도 1의 부분 II, 즉 쓰로틀 지점(10)을 확대하여 도시한 도 2를 참고로 하기에 설명한다. 본 발명에 따른 밸브 구조는, 추가 부품으로서 링 형상의 삽입 부품(31)을 포함하며, 이 부품은 방사방향 외부로 쓰로틀 지점(10)에 설치되며 전체 쓰로틀 지점(10)을 따라 축 방향으로, 부분적으로 코어 하단부(7)를 따라 연장된다.

삽입 부품(31)은 중간 부품(4)의 대응 리세스에 삽입되며, 연결층(32)을 통해 쓰로틀 지점(10)과 코어 하단부(7)에 연결된다. 연결층(32)으로서 바람직하게는 접착제 층이 사용되는데, 그 이유는 이 접착제 층이 전기적인 절연체를 형성할 뿐 아니라 삽입 부품(31)과 쓰로틀 지점(10) 또는 코어 하단부(7) 사이의 갭내의 기복을 보상할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 제 1 대안에 따르면, 링 형상의 삽입 부품(31)은, 안정성과 강도특성은 좋으나, 자장이 변하는 동안 밸브의 스위칭 시간(활동 시간 및 폐쇄 시간)에 부정적인 영향을 주는 와류를 야기할 수 있는 금속 링으로 형성되지 않는다. 왜냐하면 금속 링은 반드시 적어도 일부가 자기 코일(1)의 자장의 영향력의 범위내에 있기 때문이다. 따라서 폐쇄된 금속 링으로 삽입 부품(31)을 형성할 경우, 스위치온 시에 자력 증가가 지연되며, 스위치 오프시에 자력 감소가 지연된다. 이러한 이유로 삽입 부품(31)은 비도전성 재료로 구성되거나, 또는 하나 이상의 슬롯(36, 37)에 의해 중단되어 전기적으로 절연된 상태의 삽입 부품(31)으로 형성될 수 있다. 일체형 삽입 부품(31)용 재료로서는, 예컨대 필요한 경우, 카본섬유 또는 유사한 재료로 강화된 플라스틱 재료 또는 세라믹 재료가 적합하다.

삭제

링 형상의 삽입 부품(31)의 바람직한 실시예가 도 3과 4에 도시된다. 본 실시예에서 삽입 부품(31)은 두 개의 동심 금속 링(33, 34)으로 구성되며, 두 링은 접착제 층(35)에 의해 상호 전기적으로 절연되며, 각각 하나의 슬롯(36 또는 37)을 가진다. 이러한 방법으로, 삽입 부품(31)에 아무런 폐쇄된 도전 회로가 형성되지 않으며, 따라서 자장이 변하여도 삽입 부품(31)에 와류가 형성되지 않는다. 삽입 부품(31)의 안정성을 가능한 최대로 높이기 위해서, 도 4에서 알 수 있듯이 두 금속 링(33, 34)의 슬롯(36, 37)이 상호 180°오프셋되어 배치된다. 특히 오스테나이트 금속이 두 금속 링(33, 34)의 재료로 사용된다.

제조시, 일단 두 개의 금속 링(33, 34)을 조립 이전에 상호 접착시킨다. 그 다음 완전한 삽입 부품(31)을 쓰로틀 지점(10)과 접착시킨다. 접착 과정은 바람직하게는 두 단계로 이루어지며, 따라서 두 금속 링(33, 34) 역시 축 방향의 지지 작용을 한다.

접착제(32)를 사용하여 링 형상의 삽입 부품(31)을 쓰로틀 지점(10)에 결합함으로써 쓰로틀 지점(10)과 삽입 부품(31)의 해당 직경 허용공차와 기복을 크게 할 수 있다. 이것은 동시에 분사 밸브의 저렴한 제조를 가능하게 한다.

본 발명에 따른 구성은 두 가지의 실질적 장점을 가진다. 하나는 일체형 또는 적어도 폐쇄된 밸브관(9)을 사용함으로써 기밀성이 좋은 분사 밸브를 제작하는 것이고, 다른 하나는 장치의 안정성을 증가시키는 링 형상의 삽입 부품(31)을 사용함으로써, 특히 내연기관의 연소실로 직접 분사하는 고압 밸브에도 본 구성을 사용할 수 있다는 것이다.

시뮬레이션 계산에서 볼 수 있듯이 금속 링(33, 34) 및 접착제(32, 35)에 대한 구체적 재료 선택에는 아무런 문제가 없다. 다시 말해 많은 재료의 사용이 가능하다.

Claims

자기 코일(1)과, 상기 자기 코일(1)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고 내부 길이 방향 개구(5)를 갖는 코어(2)와, 아마추어(17)와, 상기 아마추어(17)에 의해 작동될 수 있으며 고정 밸브 시트(18)와 협동하는 밸브 폐쇄체(14)와, 상기 코어(2)의 하류측에 설치되고 상기 아마추어(17)를 적어도 부분적으로 방사방향으로 둘러싸는 관 형상 연결부(8), 및 상기 코어(2)와 연결부(8)를 상호 연결시키는 자기 쓰로틀 지점(10)을 가지는 전자기 작동 밸브, 특히 내연기관 연료분사 장치용 분사 밸브에 있어서,

상기 쓰로틀 지점(10)을 방사 방향으로 지지하는 링 형상의 삽입 부품(31)이 설치되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 링 형상의 삽입 부품(31)은 비도전성 재료, 특히 플라스틱로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 링 형상의 삽입 부품(31)은 하나 이상의 슬롯(36, 37)에 의해 중단되어 전기적으로 절연되게 장착되는 것을 특징으로 전자기 작동하는 밸브.
제 3 항에 있어서, 상기 삽입 부품(31)은 상호 전기적으로 절연되고 각각 적어도 하나의 슬롯(36, 37)을 가진 두 개의 동심 링(33, 34)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동 밸브.
제 4 항에 있어서, 상기 링(33, 34)의 슬롯(36, 37)은 약 180°상호 오프셋되어 설치되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동 밸브.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 링(33, 34)은 접착제 층(35)에 의해 상호 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동 밸브.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 링(33, 34)은 오스테나이트 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동 밸브.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쓰로틀 지점(10)과 상기 삽입 부품(31) 사이에 접착제 층(32)으로 충진되는 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기 작동밸브.