KR100730841B1 - 연료 분사 장치 - Google Patents

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봇슈 가부시키가이샤
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Abstract

연료 분사 장치가 전자 밸브(4)에 의해 제어되도록 구성된 연료 분사 장치(1)에서, 전자 밸브(4)는 전자석(43)과, 볼(42)과 전기자 볼트에 부착되어 스프링 부재(48)에 의해 밸브 폐쇄 방향으로 스프링 가압되는 플레이트 부재(41A)를 가지는 전기자 볼트(41)와, 볼(42)의 최대 스트로크를 제한하기 위해 플레이트 부재(41A)의 이동을 제한하는 스토퍼 부재(49) 및 전기자 볼트가 지나가며 전자 밸브(4)와, 플레이트 부재(41A)와 스토퍼 부재(49) 사이의 접촉 면적(S1)보다 크게 제조된 전기자 플레이트(44)와 플레이트 부재(41A) 사이의 접촉 면적(S2)과 협력하는 전기자 플레이트를 포함한다.

Description

연료 분사 장치{FUEL INJECTION DEVICE}
본 발명은 분사에 의해 내연기관(internal combustion engine)에 연료를 공급하는 데 사용되는 자기 작동식 연료 분사 장치(magnetically operated fuel injector)에 관한 것이다.
직접 분사(direct injection)에 의해 내연기관의 실린더에 연료를 공급하기 위한 커먼레일 시스템(common rail system)과 같은 시스템에서 사용되는 연료 분사 장치, 예컨대 일본 특허 출원 제 1989-36970 호에 의해 개시된 방식의 연료 분사 장치가 공지되어 있다. 이러한 연료 분사 장치는, 분사 장치 본체 내의 배압(backpressure) 챔버를 저압 구역과 연통시키기 위해 전자 밸브를 통전(energizing)시키고 개방함으로써 연료 분사를 개시하도록 구성되어 있어서, 그것에 의해 니들 밸브를 상승시킬 수 있도록 하기 위해 밸브 피스톤의 배압을 제거하며, 그 후 소정의 시간 경과 후에, 배압 챔버와 저압 구역 사이의 연결이 종결되도록 전자 밸브는 단전(deenergizing)되고, 그것에 의해 소정의 배압이 밸브 피스톤 상에 작용하게 되어서 니들 밸브가 아래쪽으로 가압되고 연료 분사가 중지된다.
이러한 방식의 연료 분사 장치에서 신속한 연료 분사와 정확한 제어를 달성하기 위해, 전자 밸브의 전기적 작동 특성을 개선시키는 것이 필요하다. 이것을 위해 언급될 수 있는 하나의 방법은 전기자 플레이트(armature plate)의 재료로서 상대적으로 낮은 경도의 재료를 선택함으로써 전자 밸브 전기자 플레이트의 자기적 특성을 개선시키는 것이다.
그러나, 낮은 경도의 재료가 전기자 플레이트의 재료로서 사용된다면, 전기자 플레이트가 스토퍼(stopper)에 부딪힐 때 전기자 플레이트의 마모는 점점 커지게 되어서, 분사 장치의 사용 기간을 단축시키는 문제점이 발생한다. 전기자 플레이트와 스토퍼 사이의 접촉 면적을 크게 하는 구조를 채택함으로써 이러한 문제점을 극복할 수 있다. 그러나 이러한 접촉 면적이 증가된다면, 2개의 부재가 접촉할 때 체결 상태가 불안정해져서, 분사 특성의 가변성이 커지는 경향이 있고, 이외에도 감소된 작동 속도의 문제점이 더 큰 감쇠 효과를 발생시킨다.
스토퍼를 볼트로부터 분리시키는 구조에 의해 이러한 문제점을 극복하기 위한 시도는 샤프트 중심에 상대적으로 런아웃(runout)의 문제점이 발생해서, 소정의 레벨에서 자기 코어와 전기자 플레이트 사이에 평행 관계를 유지하는 것이 어려워지는 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하는 것이 가능한 개선된 연료 분사 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기자 플레이트의 재료를 선택할 때 높은 유연성을 구비하는 연료 분사 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 사용 기간이 길고 전자 밸브의 전기적 작동 특성이 우수한 연료 분사 장치를 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명은 전기자 플레이트 및 전기자 볼트가 분리된 구조를 채택하고, 이것에 의해 전기자 플레이트 및 전기자 볼트 사이의 접촉 면적은 전기자 볼트의 스트로크(stroke)를 제한하는 스토퍼와 상대적으로 큰 접촉 면적을 형성할 수 있다.
본 발명의 하나의 특징은 연료 분사 장치에서 노즐 본체와 노즐 홀더에 부착된 전자 밸브로 구성되고, 노즐 본체로부터의 연료 분사가 전자 밸브에 의해 제어되도록 구성되며, 전자 밸브는 자극(magnetic pole)을 구비한 전자석과, 일 단부에 밸브 부재가 부착되고 타 단부에 헤드부를 형성하고 있는 전기자 볼트와, 전기자 볼트를 자극 쪽으로 그리고 그로부터 멀리 이동시키도록 전기자 볼트를 지지하고 안내하는 지지/안내 부재와, 밸브 폐쇄 방향으로 밸브 부재를 스프링 가압하는 스프링 부재와, 밸브 부재의 최대 스트로크를 제한하기 위해 헤드부의 반대측에 배치된 스토퍼 부재와, 헤드부와 밸브 부재 사이에 위치되도록 전기자 볼트를 통과시키고 스프링 부재의 스프링력에 대항하여 스토퍼 부재 쪽으로 전기자 볼트를 이동시키도록 전자석과 협동하는 전기자 플레이트를 포함하며, 전기자 플레이트와 헤드부 사이의 접촉 면적이 헤드부와 스토퍼 부재 사이의 접촉 면적보다 크다. 그에 따라, 전자 밸브의 작동 반응과 유연성을 개선시킬 수 있는 전기자 플레이트용의 재료를 선택할 때 높은 유연성이 제공되어서, 사용 기간이 길고 전자 밸브의 전기적 작동 특성이 뛰어난 연료 분사 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단면도,
도 2는 도 1의 전자 밸브의 중요 부분을 도시하는 상세 단면도.
상술한 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서, 첨부된 도면에 근거하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 장치의 실시예의 단면도이다. 분사에 의해 디젤 내연 기관에 연료를 공급하기 위한 커먼레일 연료 분사 장치는 참조부호 1로 명시된다. 연료 분사 장치(1)는 도시되지 않은 디젤 내연 기관의 실린더에 설치되고, 도시되지 않은 커먼레일로부터 실린더 내로 소정의 타이밍(timing)에 소정의 양의 고압 연료를 공급하는 데 사용되며, 노즐 본체(26)와 노즐 홀더(2) 내의 전자 밸브(4)를 설치함으로써 구성된다.
노즐 홀더(2)는 내측에 압력 핀(21)이 미끄러지는 안내 구멍(22)을 갖는 중공 본체(23)를 구비한다. 중공 본체(23)는 노즐 본체(26)에 연결되며, 노즐 본체의 말단은 압력 핀(21)이 연결된 노즐 니들(needle)(24)의 팁에 의해 폐쇄되는 노즐 구멍(25)이다.
중공 본체(23)는 도시되지 않은 고압 연료 공급 펌프에 연결되는 흡입 장치(27)와 연결하기 위한 포트(28)를 구비한다. 공급 연료는 내측 연료 라인을 통해 연료 저장소(reservoir)(29)에 이르게 되고, 노즐 니들(24)은 테이퍼진 부분(30) 상에 연료 저장소(29) 내의 가압된 연료가 작용하도록 형성된다. 노즐 스프링(31)은 압력 핀(21)과 노즐 니들(24)을 아래쪽으로 가압하도록 작용한다.
그러므로, 압력 핀(21)은 노즐 본체(26)의 노즐 구멍(25)을 폐쇄하는 위치에서 노즐 스프링(31)을 압축하고 노즐 니들(24)을 고정시키도록 아래쪽으로 가압되어, 연료가 연료 분사 장치(1)로부터 분사되지 않는다.
중공 본체(23)는, 안내 구멍(22)과 동심이며 중공 본체(23)의 축방향으로 연장되는 하향 배출 챔버(downward-facing drain chamber)(32)를 구비하여 형성되는 헤드(33)를 구비한다. 헤드(33)는 반경방향 공급 경로(34)와 축방향 배출 경로(35)와 이어져 있는 제어 챔버(37)를 구비하여 형성된다. 공급 경로(34)는 중공 본체(23) 내의 축방향 경로(36)를 통해 흡입 장치(27)와 이어져 있고, 제어 챔버(37)의 바닥부는 압력 핀(21)의 하부 표면에 의해 형성된다.
연료 저장소(29)에는 통로(passage)(38)를 통해 고압의 연료가 공급된다. 한편, 상기 구성은 제어 챔버(37)에 고압 연료가 공급되지만, 배출 경로(35)는 이후에 설명되는 바와 같이 전자 밸브(4)에 의해 연료 저압 구역과 연결되며, 제어 챔버(37)의 연료 압력은 연료 저장소(29)의 연료 압력보다 낮게 된다. 압력 핀(21)의 상부 표면의 영역은 테이퍼진 부분(30)의 표면보다 크도록 형성되어서, 배출 경로(35)가 전자 밸브(4)에 의해 폐쇄되고 제어 챔버(37)가 고압의 연료로 채워진다면, 노즐 니들(24)에 작용하는 최종 배압은 노즐 구멍(25)을 폐쇄하는 위치에 노즐 니들(24)을 고정시키고, 연료 분사는 수행되지 않는다.
다른 한편으로, 전자 밸브(4)가 개방되면, 제어 챔버(37)의 연료 압력은 배출 경로(35)를 통해 연료 저압 구역으로 빠져나가서, 제어 챔버(37)의 연료 압력을 연료 저장소(29)의 연료 압력보다 낮아지게 해서, 이것에 의해 노즐 니들(24)에 작용하는 배압이 해제되고 노즐 니들(24)은 노즐 구멍(25)을 개방하는 위치에 고정되도록 수축되기 때문에 연료 분사가 수행된다.
전자 밸브(4)는 제어 챔버(37)의 연료 압력을 제어하기 위해 노즐 홀더(2)를 내측에 구비해서, 그에 따라 상기 방식으로 연료 분사의 시작과 정지를 제어한다.
전자 밸브(4)는 밸브 부재로서의 기능을 하기 위한 전기자 볼트(41)의 팁에 유지되는 볼(42)을 사용하여 배출 경로(35)의 개방 단부를 개방하고 폐쇄하도록 구성된다. 여기서 전자 밸브(4)에 전류가 흐르지 않는다면, 배출 경로(35)의 개방 단부는 볼(42)에 의해 막히게 되고 제어 챔버(37)가 고압의 연료로 채워지기 때문에, 압력 핀(21)은 노즐 니들(24)이 노즐 구멍(25)을 폐쇄하도록 하는 원인이 되며 연료 분사는 수행되지 않는다.
이와 반대로, 전자 밸브(4)에 전류가 흐른다면, 볼(42)은 배출 경로(35)의 개방 단부로부터 분리되어, 제어 챔버(37) 내의 고압의 연료는 제어 챔버(37) 내의 연료 압력보다 더 낮은 압력으로 부시(bush)(도시되지 않음)와 배출 커넥터(도시되지 않음)를 통해 저압 구역으로 빠져나가서, 연료 분사가 가능해진다. 그리고 나서 전자 밸브(4)의 통전이 중단된다면, 노즐 니들(24)이 노즐 구멍(25)를 폐쇄하는 위치로 복귀되기 때문에 연료 분사는 종결된다.
전자 밸브(4)의 중요 부분은 도 2에 상세하게 도시된다. 전자 밸브(4)는 전자석(43), 전기자 플레이트(44) 및 전기자 볼트(41)를 포함하며, 도시된 바와 같이 케이싱(casing)(40) 내에 설치된다. 전자석(43)은 대체로 원통형 형상의 자극(43A) 내에 설치된 솔레노이드 코일(43B)을 갖는 종래의 구성이고, 여자 전류(exciting current)가 솔레노이드 코일(43B)에 공급될 때 전기자 플레이트(44)를 자기적으로 끌어당기도록 구성된다.
전기자 볼트(41)는 전자석과 동심으로 정렬되도록 배치되고 케이싱에 고정된 지지/안내 부재(45)에 의해 지지되고 안내되어서, 축방향으로 움직일 수 있게, 즉 자극(43A) 쪽으로 및 자극으로부터 멀어지도록 움직일 수 있게 된다. 배출 경로(35)를 폐쇄하기 위한 볼(42)은 볼 홀더(46)에 의해 전기자 볼트(41)의 일 단부에 고정된다. 볼(42)은 밸브 부재로서의 기능을 하는 부재이고 적절한 수단에 의해 전기자 볼트(41)에 부착될 수 있다.
헤드부는 전기자 볼트(41)의 타 단부에 형성된다. 이러한 헤드부는 스크루 체결, 용접, 암수형 끼워맞춤(male-female fitting) 또는 다른 적합한 수단에 의해 전기자 볼트(41)의 타 단부에 플레이트 부재(41A)를 튼튼하게 고정시킴으로써 형성된다. 또한 헤드부를 전기자 볼트(41)의 타 단부와 일체식으로 형성한 구조도 물론 가능하다는 것이 인식되어야 한다.
원통형 공간(47)은 자극(43A)의 중심부에 형성되고, 스프링 부재(48) 및 스토퍼 부재(49)는 공간(47) 내에 제공된다. 이러한 스프링 부재(48)는 밸브 폐쇄 방향으로 밸브 부재를 구성하는 볼 홀더(46)를 통전시키기 위한 수단으로서 공간(47)의 쇼울더부(shoulder portion)(47A)와 플레이트 부재(41A) 사이에 설치된 확장 코일이다.
스토퍼 부재(49)는 높은 내마모성 금속으로 제조된 공간(47) 내에 끼워진 슬리브 형상의 부재(sleeve-like member)이다. 스토퍼 부재(49)는 자극(43A)에 부착되어서 스토퍼 부재의 하단부(49A)는 자극(43A)으로부터 약간 돌출된다. 볼(42)이 도 1에 도시된 배출 경로(35)를 막는 위치 상태에 있다면 스토퍼 부재(49)가 설치되어서 스토퍼 부재(49)의 하단부(49A)와 플레이트 부재(41A)의 상부 표면(41Aa) 사이에서 소정의 길이 간격이 발생한다. 이러한 구조는 볼(42)의 스트로크, 즉 전기자 볼트(41)의 스트로크를 소정의 길이만큼 제한한다. 다시 말해서, 스토퍼 부재(49)는 볼 홀더(46)의 최대 스트로크를 제한하기 위한 플레이트 부재(41A)의 반대측에 배치되는 스토퍼 부재를 구성한다.
플레이트 부재(41A)와 볼(42) 사이에서 연장되는 전기자 볼트(41)가 지나가는 전기자 플레이트(44)는 전기자 볼트(41)를 따라 축방향으로 이동할 수 있다. 또한, 확장 코일(51)은 지지/안내 부재(45) 상에 장착된 와셔(washer)(50)와 전기자 플레이트(44) 사이에 제공된다. 확장 코일(51)은 스프링 부재(48)의 스프링력보다 작은 스프링력을 갖는데, 전기자 플레이트(44)가 플레이트 부재(41A)의 하부 표면(41Ab) 상으로 인접하기 위해 요구되는 스프링력을 갖지만 작은 스프링력은 스프링 부재(48)의 작용을 방해하지 않는다.
또한, 상기 구성은 스토퍼 부재(49)의 하단부(49A)와 플레이트 부재(41A)의 상부 표면(41Aa) 사이의 접촉 면적(S1)이 플레이트 부재(41A)의 하부 표면(41Ab)과 전기자 플레이트(44) 사이의 접촉 면적(S2)보다 작게 된다.
전자 밸브(4)의 상기 구조로 인해, 솔레노이드 코일(43B)에 여자 전류를 공급되지 않는다면, 전기자 볼트(41)는 스프링 부재(48)에 의해 가압되고 전자 밸브(4)는 배출 경로(35)의 개부에 근접하여 접촉하는 볼 홀더(46)로 인해 밸브 폐쇄 상태를 나타내게 된다. 이 때, 전기자 플레이트(44)는 확장 코일(51)의 스프링력에 의해 플레이트 부재(41A)의 하부 표면(41Ab)와 접촉하여 가압된다.
여자 전류가 솔레노이드 코일(43B)을 통해 지나간다면, 전기자 볼트(41)가 전자석(43) 쪽으로 이동될 때 전자석(43)의 자기 인력(magnetic attraction force)은 전기자 플레이트(44)를 전자석(43) 쪽으로 이동시킨다. 전기자 플레이트(44)는 플레이트 부재(41A)의 상부 표면(41Aa)이 스토퍼 부재(49)의 하단부(49A)와 접촉할 때까지 전기자 볼트(41)를 전자석(43) 쪽으로 이동시킨다. 그 결과, 전자 밸브(4)는 상술한 소정의 길이만큼 배출 경로(35)의 개부로부터 분리된 볼(42)로 인해 밸브 개방 상태를 나타내게 된다.
상술한 바와 같이, 접촉 면적(S1)은 접촉 면적(S2)보다 작게 설정된다. 그러므로, 전자 밸브(4)의 전기적 특성이 저탄소 연자기 재료(low-carbon soft magnetic material), 자기 스테인레스 스틸 등과 같은 저경도의 재료로 제조된 전기자 플레이트(44)를 사용함으로써 개선됨에도 불구하고, 플레이트 부재(41A)와 전기자 플레이트(44) 사이의 마모의 영향은 플레이트 부재(41A)와 스토퍼 부재(49) 사이의 마모의 영향과 동일하거나 더 적도록 감소될 수 있다.
결과적으로, 자기 특성이 우수한 저 경도의 재료가 전기자 플레이트(44)의 재료로서 사용될지라도, 정지부의 2개의 위치에서의 마모는 상기 언급한 바와 같이, 안정된 마모 상태로 될 수 있다. 이것으로부터 전자 밸브의 조작 상의 응답성과 안정성을 개선시킬 수 있는 전기자 플레이트(44)용 재료를 선택할 때 높은 유연성이 제공될 수 있다. 또한, 각각의 제품 사이에 보다 낮은 가변성과 연료 분사의 최소 양을 달성하는 데 용이함을 실현할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 분사 장치는 전기자 플레이트의 재료를 선택할 때 현저한 유연성을 제공하며, 연료 분사 장치의 특성의 개선을 돕는다.

Claims (8)

  1. 노즐 홀더에 노즐 본체와 전자 밸브가 부착되어 이루어지고, 상기 전자 밸브에 의해 상기 노즐 본체로부터의 연료 분사가 제어되도록 구성된 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 전자 밸브가, 자극(magnetic pole)을 구비한 전자석과, 일 단측에는 밸브 부재가 부착되고 타 단측에는 헤드부가 형성되어 있는 전기자 볼트와, 상기 전기자 볼트를 상기 자극 쪽으로 그리고 상기 자극으로부터 멀리 이동시킬 수 있도록 지지하고 안내하는 지지/안내 부재와, 상기 밸브 부재를 밸브 폐쇄 방향으로 스프링 가압시키는 스프링 부재와, 상기 밸브 부재의 최대 스트로크를 제한하기 위해 상기 헤드부에 대향하여 배치된 스토퍼(stopper) 부재와, 상기 헤드부와 상기 밸브 부재 사이에 위치하도록 상기 전기자 볼트에 상기 전기자 볼트의 축방향을 따라 운동 가능하도록 관통되어 있고 상기 전자석과 협동하여 상기 전기자 볼트를 상기 스프링 부재의 스프링력에 대항하여 상기 스토퍼 부재 쪽으로 운동시키기 위한 전기자 플레이트(armature plate)를 구비하며,
    상기 전기자 플레이트와 상기 헤드부 사이의 접촉 면적이 상기 헤드부와 상기 스토퍼 부재 사이의 접촉 면적보다 큰 것을 특징으로 하는
    연료 분사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스토퍼 부재가 상기 자극 내에 설치된 원통형 부재이며, 상기 원통형 부재의 일 단부 표면은 밸브 개방 방향으로 상기 밸브 부재의 최대 변위를 형성하도록 상기 헤드부와 접촉하는
    연료 분사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 원통형 부재가 상기 자극 내에 형성된 원통형 공간 내에 배치되는
    연료 분사 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스프링 부재가 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링은 상기 원통형 부재 내에 수용되도록 배치되는
    연료 분사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기자 플레이트를 상기 헤드부와 접촉하도록 가압하기 위해, 상기 스프링 부재보다 작은 힘의 확장 코일을 더 포함하는
    연료 분사 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 확장 코일이 상기 전기자 플레이트와 상기 지지/안내 부재 사이에 제공되는
    연료 분사 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 헤드부가 상기 전기자 볼트의 일 단부에 제공되는 플레이트 부재인
    연료 분사 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기자 플레이트부가 상기 플레이트 부재와 접촉하여 가압되는
    연료 분사 장치.
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