KR100737100B1 - 연료 분사 밸브 - Google Patents

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기요시 마츠자키
겐이치 네키
가즈오 고시즈카
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봇슈 가부시키가이샤
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Abstract

선단에 분사 구멍(35)을 갖는 노즐 본체(31) 내에 수용된 노즐 니들(32)에 의해서 분사 구멍(35)을 개폐하도록 구성된 연료 분사 밸브(1)에 있어서, 노즐 니들(32)이 노즐 본체(31) 쪽의 시트부(31A)와의 접촉면에, 노즐 본체(31)와의 마찰 저항을 감소시키기 위한 코팅층(Y)을 설치한다. 노즐 니들(32)이 시트부(31A)에 착좌하는 경우, 노즐 니들(32)이 시트부(31A)에 접촉하고부터 시트부(31A)에 압접하기까지의 동안, 작은 마찰 저항으로 노즐 니들(32)이 노즐 본체(31)의 표면을 미끄러지게 된다. 그 결과, 노즐 니들(32)이 밸브 개방을 위하여 착좌할 때의 시트부(31A)의 마모를 작게 억제할 수 있다.

Description

연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 내연기관의 기통 내에 연료를 분사 공급하기 위한 연료 분사 밸브에 관한 것이다.
내연기관에 연료를 분사 공급하기 위한 연료 분사 밸브로서, 예를 들어 일본 특허 공개 제 1995-310621 호 공보에 개시되어 있는 형식의 연료 분사 밸브가 공지되어 있다. 이 연료 분사 밸브는 내연기관의 기통 내로 연료를 직접 분사 공급하기 위한 것으로서, 전자 액추에이터에 통전시킴으로써 분사 밸브 본체 내의 제어실을 연료 저압부에 연통시키고, 이에 의하여 밸브 피스톤의 배압을 제거하여 노즐 니들을 리프트시켜 연료 분사를 개시시키고, 소정 시간 경과 후에 전자 액추에이터의 통전을 정지시켜 제어실과 연료 저압부 사이의 연통 상태를 해제하고, 밸브 피스톤에 소정의 배압을 작용시켜 노즐 니들을 밀어 내리고, 이에 의하여 연료 분사를 종료시키도록 구성되어 있다.
이와 같이 연료 분사의 개시, 종료는 밸브 피스톤의 배압을 제어하는 등에 의하여 노즐 니들로 노즐 본체의 분사 구멍을 막고 해방하는 것에 의하여 실행된다. 따라서, 노즐 니들이 노즐 본체에 충돌하는 것을 반복함으로써 노즐 니들 및 노즐 본체가 마모되어, 연료 분사 밸브의 연료 분사 특성이 시간의 경과에 따른 변화를 일으킨다는 문제를 갖고 있다.
이 문제를 해결하기 위하여, 종래에 있어서는 노즐 니들의 재료로서 경도가 높은 재료를 선택하여, 노즐 니들의 마모를 적게 하여 변형을 억제하여, 장기간에 걸쳐서 안정된 연료 분사 특성이 얻어지도록 고안되어 있다.
그러나, 노즐 니들의 경도를 높여서 노즐 니들 쪽의 마모를 적게 하더라도, 피열(被熱)에 의하여 노즐 본체 쪽의 경도가 저하되어 그 초기 경도를 유지할 수 없게 되기 때문에, 밸브 폐쇄 동작시에 노즐 니들이 노즐 본체에 충돌함에 따라 노즐 본체 쪽에 마모가 생기게 된다. 그 결과, 시간의 경과와 함께 노즐 본체 쪽의 마모가 진행되어, 노즐 니들의 착좌 위치가 서서히 변화하고, 연료 분사 특성도 이에 따라 변화하게 되므로 장기간에 걸쳐 안정된 연료 분사 특성이 얻어지지 않았다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 종래 기술에 있어서의 상술한 문제점을 해결할 수 있는 연료 분사 밸브를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 목적은 노즐 니들이 노즐 본체에 착좌함에 따라 생기는 노즐 본체 쪽의 시트부의 마모를 유효하게 억제할 수 있는 연료 분사 밸브를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 노즐 니들이 노즐 본체 쪽의 시트부에 착좌할 때의, 노즐 니들과 노즐 본체 쪽의 시트부와의 사이의 마찰 저항에 착안하여, 이 마찰 저항을 작게 억제함으로써 시트부의 마모를 유효하게 억제하도록 한 것이다.
본 발명에 의하면, 선단에 분사 구멍을 갖는 노즐 본체 내에 수용된 노즐 니들에 의해서 상기 분사 구멍을 개폐하도록 구성된 연료 분사 밸브에 있어서, 상기 노즐 니들의 상기 노즐 본체 쪽의 시트부와의 접촉면에, 상기 노즐 본체와의 마찰 저항을 감소시키기 위한 코팅층을 설치한 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브가 제안된다.
코팅층은 C2 코팅을 노즐 니들의 선단부에 실시하는 등에 의해 설치해도 되고, DLC 박막으로 설치해도 된다. 이와 같이 하여 코팅층을 설치함으로써, 노즐 니들이 노즐 본체 내의 시트부에 착좌하는 경우, 노즐 니들이 시트부에 접촉하고부터 시트부에 압접할 때까지의 동안, 작은 마찰 저항으로 노즐 니들이 노즐 본체의 표면을 미끄러지게 된다. 그 결과, 노즐 니들이 밸브 개방을 위하여 착좌할 때의 시트부의 마모를 작게 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 노즐 부분의 확대 상세도,
도 3은 도 2의 주요부의 확대 단면도,
도 4는 실시예에 대한 마모비의 측정 결과를 종래예의 연료 분사 밸브의 마모비의 측정 결과와 함께 나타낸 그래프.
본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위하여 첨부의 도면에 따라서 이를 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 연료 분사 밸브의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 도면부호(1)로 나타난 것은 디젤 내연기관에 연료를 분사 공급하기 위한 커먼레일 시스템에 이용되는 연료 분사 밸브이다. 연료 분사 밸브(1)는 도시하지 않은 디젤 내연기관의 기통에 부착되고, 도시하지 않은 커먼레일로부터 공급되는 고압 연료를 기통 내에 필요로 하는 타이밍에 필요로 하는 양만큼 직접 분사 공급하기 위한 것으로서, 노즐 홀더(2)의 선단에는 노즐(3)이 리테이닝 너트(4)에 의해서 고정되어 있고, 노즐 홀더(2)의 후단부에는 전자 액추에이터(5)가 설치되어 있다.
노즐 홀더(2)는 그 축방향으로 안내 구멍(21)이 형성되어 있는 인젝터 하우징(22)을 갖고, 안내 구멍(21) 내에는 밸브 피스톤(23)이 안내 구멍(21)에 의해서 축방향으로 운동 가능하도록 배치되어 있다. 인젝터 하우징(22)의 스프링실(29)에는 탄발 스프링(25)이 수용되어 있고, 탄발 스프링(25)에 의해서 후술하는 노즐 니들(32)이 분사 구멍(35)의 방향을 향하여 탄발 가세되어 있다. 도면부호(26)로 나타난 것은 도시하지 않은 커먼레일로부터의 고압 연료를 노즐(3)에 송급하기 위하여 인젝터 하우징(22) 내에 설치된 통로이다.
노즐(3)은 노즐 본체(31)와 노즐 니들(32)을 갖고 노즐 본체(31) 내에 동축으로 형성된 구멍(33)에 의해서, 노즐 니들(32)이 그 축방향으로 운동 가능하게 지지, 안내되도록 하여 노즐 본체(31) 내에 수용되어 있다. 노즐 니들(32)의 선단부(32A)는 구멍(33)과 정렬하여 노즐 본체(31) 내에 설치되어 있는 실린더부(34) 내에 연장되어 있고, 노즐 니들(32)의 선단은 분사 구멍(35)을 개폐하는 밸브체로서 작용하는 구성으로 되어 있다.
따라서, 노즐 니들(32)이 분사 구멍(35)을 폐쇄하는 위치에 유지되어 있는 경우에는 연료 분사 밸브(1)로부터는 연료가 분사되지 않는다. 한편, 노즐 니들(32)이 후퇴하여, 노즐 니들(32)이 분사 구멍(35)을 개방하는 위치에 유지되어 있는 경우에는 연료 분사 밸브(1)로부터 연료가 분사된다.
노즐 본체(31) 내에는 통로(26)로부터의 고압 연료가 통로(36)를 거쳐 도입되어 상기 고압 연료를 모아 두는 오일 굄부(37)가 형성되어 있다. 한편, 노즐 니들(32)에는 오일 굄부(37) 내의 고압 연료의 압력에 의해서 노즐 니들(32)을 분사 구멍(35)으로부터 이반시키는 방향으로 힘을 작용시키기 위한 테이퍼부(38)가 형성되어 있다.
인젝터 하우징(22)의 후단부에는 밸브 피스톤(23)과 짝이 되어 노즐(3)을 구동하기 위한 구동기구를 구성하는 밸브 본체(24)가 수용되어 있다. 밸브 본체(24)는 아래쪽 원통부(24A)와 위쪽 플랜지부(24B)가 일체로 형성되어 이루어지고, 인젝터 하우징(22)의 후단부에 설치된 밸브 본체(24)의 수용을 위한 구멍부(27) 내에 수용되어 있다.
구멍부(27)는 밸브 본체(24)의 외형에 거의 상응한 형상이고, 구멍부(27)의 바닥부에 있어서 안내 구멍(21)에 연통하여, 밸브 피스톤(23)의 상단부(23A)가 아래쪽 원통부(24A) 내에까지 들어가 있다. 밸브 피스톤(23)의 외주면과 아래쪽 원통부(24A)의 내주면과의 사이는 유밀(油密) 상태로 되어 있다.
밸브 본체(24)를 구멍부(27) 내의 소정의 위치에 고정하기 위하여, 구멍부(27)의 개구 쪽에는 너트(28)가 박혀 있다. 여기서는 구멍부(27)의 개구 쪽 내주면의 나사홈(27a)에 너트(28)의 외주면에 형성된 나사홈(28a)을 맞물리게 하고, 너트(28)를 밸브 본체(24)를 향하여 단단히 죔으로써, 밸브 본체(24)를 인젝터 하우징(22)에 고정하고 있다.
인젝터 하우징(22)에는 밸브 피스톤(23) 및 밸브 본체(24)가 상술한 바와 같이 부착되고, 인젝터 하우징(22)의 후단부에는 드레인실(41), 반경 방향의 공급 전도로(43) 및 축방향의 드레인 전도로(44)와 연통하고 있는 제어실(45)이 형성되어 있다. 공급 전도로(43)는 인젝터 하우징(22) 내의 반경 방향 전도로(46)를 경유하여 도입구(47)와 연통하고 있고, 제어실(45)의 바닥부는 밸브 피스톤(23)의 상부 표면으로 형성되어 있다.
전자 액추에이터(5)의 아마추어 볼트(armature bolt)(51)에는 제어실(45)과 연료 저압부 사이의 연통 상태를 제어하는 밸브 기구를 구성하는 밸브체로서 작용하는 볼(52)이 고정되어 있다. 아마추어 볼트(51)는 도시하지 않은 밸브 스프링의 힘에 의해서 드레인 전도로(44)를 향하여 탄발 가세되고 있고, 볼(52)이 드레인 전도로(44)의 개구단에 밀어붙여져 드레인 전도로(44)를 막도록 구성되어 있다.
따라서, 전자 액추에이터(5)가 통전되어 있지 않은 경우에는 볼(52)에 의해서 드레인 전도로(44)의 개구단이 막혀져 있고, 이에 의하여 제어실(45)은 고압 연료에 의하여 채워져 있으므로, 밸브 피스톤(23)에 의해서 노즐 니들(32)이 분사 구멍(35)을 폐쇄하고 있어, 연료 분사는 행해지지 않는다. 전자 액추에이터(5)가 통전되면, 볼(52)이 드레인 전도로(44)의 개구단으로부터 멀어져, 제어실(45) 내의 고압 연료가 연료 저압부로 빠져나가, 제어실(45) 내의 압력이 강하되므로 연료 분사가 행해진다. 전자 액추에이터(5)의 통전이 끊어지면, 노즐 니들(32)이 다시 분사 구멍(35)을 폐쇄하는 위치로 되돌려지기 때문에 연료 분사가 종료된다.
도 2는 도 1에 도시한 노즐(3)의 확대 상세도이다. 노즐 니들(32)은 그 대경부(32A)가 노즐 본체(31)의 구멍(33)에 의해서 지지, 안내되고 있고, 노즐 니들(32)의 선단부(32B)가, 분사 구멍(35)의 근방이고 노즐 본체(31)의 내측에 형성된 시트부(31A)에 착좌함에 따라 분사 구멍(35)이 막혀 연료 분사 밸브는 폐쇄 상태가 된다. 한편, 노즐 니들(32)이 리프트하여 선단부(32B)가 시트부(31A)로부터 멀어짐에 따라 연료 분사 밸브는 개방 상태가 된다.
따라서, 연료 분사 밸브(1)를 폐쇄 상태로 할 때에, 선단부(32B)가 시트부(31A)에 충돌하여, 이것을 장기간 반복함에 따라 시트부(31A)가 서서히 마모되어 연료 분사 밸브(1)의 연료 분사 특성을 변화시킨다. 본 발명에 의한 연료 분사 밸브(1)는 이와 같은 문제점이 발생하는 일이 없게 하기 위하여, 노즐 니들(32)과 시트부(31A)와의 접촉면에 노즐 본체(31)와의[즉, 시트부(31A)와의] 마찰 저항을 감소시키기 위한 코팅층(Y)이 설치되어 있다.
도 3에 의하여 상세하게 도시한 바와 같이, 코팅층(Y)은 도 3 내에 도면부호(L)로 나타낸 범위 내의 표면, 즉, 선단부(32B)의 돌출 단부(32Ba)부터 대경부(32A)의 종단부(32Aa)까지의 사이의 표면에 설치되어 있다. 여기서는 시트부(31A)와의 접촉면을 포함하는, 노즐 니들(32)의 선단부 전체에 코팅층(Y)이 설치되어 있으나, 노즐 니들(32)의 전체 표면에 코팅층(Y)을 설치해도 된다.
코팅층(Y)은 DLC(Diamond Like Carbon) 박막으로 대표되는 이온화 증착법에 의해서 작성된 비정질의 경질 탄소막으로 하는 것이 바람직하다. DLC 박막은 표면 평활성이 우수하기 때문에, 마찰계수는 0.1 정도가 된다. 이에 대하여, 통상 노즐 본체(31)의 재질은 니켈 크롬 몰리브덴 강(鋼) 강재(鋼材)(SNCM)를, 노즐 니들(32)의 재질은 고속도 공구 강 강재(SKH)를 사용하고 있으므로, 그들의 마찰계수는 0.35 내지 0.40 정도이다. 따라서, 노즐 니들(32)의 선단부(32B)에 코팅층(Y)을 설치함으로써, 선단부(32B)와 시트부(31A) 사이의 마찰 저항을 종래에 비하여 1/3 이하로 할 수 있다. 그 결과, 노즐 본체(31)의 시트부(31A)에 노즐 니들(32)의 선단부(32B)가 착좌할 때의 시트부(31A)의 마모를 작게 하고, 연료 분사 밸브(1)의 연료 분사 특성의 시간 경과에 따른 변화를 작게 억제할 수 있다.
코팅층(Y)의 두께는 0.1㎛ 내지 30㎛로 형성하는 것이 바람직하다. 밀착성과 내마모성의 관점에서는 1㎛ 내지 5㎛가 더욱 바람직하다. 코팅층(Y)과 노즐 본체(31) 사이의 마찰계수는 0.2 이하가 바람직하다. 내마모성의 관점에서는 0.1 이하가 더욱 바람직하다. 코팅층(Y)의 경도는 비커스 경도(Vickers hardness) 2000 이상이 바람직하다.
코팅층(Y)을 상술한 바와 같이 하여 노즐 니들(32)에 설치하면, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 폐쇄 동작시에 있어서 노즐 니들(32)의 선단부가 노즐 본체(31)의 시트부(31A)에 접촉하고부터, 노즐 니들(32)의 선단부가 노즐 본체(31)의 시트부(31A)에 압접 상태로 되기까지의 동안, 노즐 니들(32)의 선단부는 시트부(31A) 위를 낮은 마찰 저항 상태로 미끄러지게 된다. 따라서, 밸브 폐쇄 동작시에 생기는 시트부(31A)의 마모를, 코팅층(Y)을 설치하지 않은 경우에 비하여 작게 할 수 있다. 그 결과, 연료 분사 밸브(1)는 장기간에 걸쳐서 필요로 하는 연료 분사 특성으로 동작할 수 있게 된다.
도 3에 도시한 바와 같이 하여, 코팅층(Y)을 DLC 박막에 이온화 증착법에 의하여 선단부(32B)에 형성하였다. 코팅층(Y)의 두께는 4㎛이고, 노즐 본체(31)와의 사이의 마찰계수는 0.1이었다. 이와 같이 하여 형성된 연료 분사 밸브(1)의 시트부(31A)의 마모량과 분사량의 시간 경과에 따른 변화를 측정하였다.
그 측정 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4는 테스트 시간(hr)을 횡축으로 하고, 마모비를 종축으로 한 것이다. 여기서, 마모비란 종래예의 노즐 본체에 있어서의 시험후의 마모량의 최대값을 1로 한 경우의 비율이다. 고속도 공구 강재의 노즐 본체와 니켈 크롬 몰리브덴 강재의 노즐 니들을 이용한 종래의 구성의 연료 분사 밸브와 비교하면, 실시예의 경우에는 노즐 본체의 마모에 있어서 마모량의 증가가 거의 없어 안정되어 있고, 또한 마모량도 종래에 비하여 1/2 내지 1/6 이었다.
이상과 같이 본 발명에 의한 연료 분사 밸브는 연료 분사 밸브의 연료 분사 특성의 시간 경과에 따른 변화를 작게 억제할 수 있어, 연료 분사 밸브의 개선에 유용하다.

Claims (9)

  1. 선단에 분사 구멍을 갖는 노즐 본체 내에 수용된 노즐 니들에 의해서 상기 분사 구멍을 개폐하도록 구성된 연료 분사 밸브에 있어서,
    상기 노즐 니들의 상기 노즐 본체 쪽의 시트부와의 접촉면에, 상기 노즐 본체와의 마찰 저항을 감소시키기 위한 코팅층이 설치되어 있고, 상기 코팅층과 상기 노즐 본체 사이의 마찰계수가 0.2 이하인 것을 특징으로 하는
    연료 분사 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층이 상기 노즐 니들의 전체 표면에 설치되어 있는
    연료 분사 밸브.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층이 이온화 증착법에 의해서 작성된 비정질의 경질 탄소막인
    연료 분사 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층이 DLC 박막으로서 설치되어 있는
    연료 분사 밸브.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께가 0.1㎛ 내지 30㎛인
    연료 분사 밸브.
  7. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께가 1㎛ 내지 5㎛인
    연료 분사 밸브.
  8. 삭제
  9. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층과 상기 노즐 본체 사이의 마찰계수가 0.1 이하인
    연료 분사 밸브.
KR1020067014599A 2004-01-22 2005-01-14 연료 분사 밸브 KR100737100B1 (ko)

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