KR100935811B1 - 연료 분사 밸브 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브(1)는 압전식 또는 자기변형식 액추에이터(3)와, 상기 액추에이터(3)에 의해 작동할 수 있고 밸브 시트면과 협동하여 밀봉 시트를 형성하는 밸브 폐쇄 바디(11)를 포함하며, 상기 액추에이터(3)와 밸브 폐쇄 바디(11) 사이의 작동 경로 내에 보상 갭(9)이 있다. 액추에이터(3) 및/또는 작동 경로 내에 측정 소자(13)가 제공되며, 상기 측정 소자는 액추에이터(3)에 의해 밸브 폐쇄 바디(11)에 가해지는 힘을 측정하고, 액추에이터(3)는 보상 갭(9)이 폐쇄 상태로 유지되도록 조절된다.
측정 소자, 보상 갭, 초기 응력 스프링, 작동 바디

Description

연료 분사 밸브{Fuel injection valve}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 연료 분사 밸브에 관한 것이다.
DE 198 49 203 A1에는 내연 기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브가 공지되어 있다. 상기 연료 분사 밸브는 밸브 시트 바디와 협동하여 밀봉 시트를 형성하는 밸브 폐쇄 바디를 포함하며, 밸브 폐쇄 바디를 작동시키기 위한 압전식 액추에이터를 포함한다. 압전식 액추에이터는 압전층과 하나 또는 다수의 온도 보상층을 갖는다. 온도 보상층은 압전층의 온도 팽창 계수와는 반대 부호의 온도 팽창 계수를 갖는다.
또한 DE 199 18 976 A1에는 내연 기관의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브가 공지되어 있으며, 상기 분사 밸브는 제 1 압전식 또는 자기변형식(magnetostrictive) 액추에이터, 상기 제 1 액추에이터에 의해 밸브 니들을 이용해 작동할 수 있고 밸브 시트면과 협동하여 밀봉 시트를 형성하는 밸브 폐쇄 바디, 및 제 2 압전식 또는 자기변형식 액추에이터를 포함하며, 상기 제 2 액추에이터는 제 1 액추에이터와 반대로 밸브 니들에서 작용한다. 상기 액추에이터들은 연료 분사 밸브의 종방향으로 차례로 배치되며 베어링 소자에 의해서 서로 연결되고 상기 소자는 연료 분사 밸브 내에 고정 지지된다.
DE 198 49 203 A1에 공지된 연료 분사 밸브는, 액추에이터 내부의 특수 층에 의해 온도가 보상되는 것이 단점이고, 상기 온도 보상층들의 재료는 반대 방향의 온도 팽창을 갖는다. 이는 다양한 물질들이 상이한 온도 팽창 계수로 인해 다르게 반응하기 때문에, 특히 빠른 동적 동작에서 문제를 일으킨다. 또한 온도 보상층을 갖는 특수한 액추에이터가 개발되어야 한다.
DE 199 18 976 A1에 공지된 연료 분사 밸브의 경우 액추에이터가 축방향으로 오프셋되게 배치됨으로 인한 긴 구조적 길이가 단점이며, 상기의 긴 길이는 또한 베어링 플레이트의 지지에 기인한 연료 분사 밸브의 확장을 일으킨다.
이와 달리 독립항의 특징을 갖는, 본 발명에 따른 연료 분사 밸브는, 종래의 스택 액추에이터(stack actuator) 또는 보상 소자를 포함하는 다수의 분리된 영역들을 갖는 액추에이터가 측정 및 조절 장치에 의해서 제어되므로, 온도에 기인한 액추에이터의 길이 변화에 대한 유격 보상이 고가의 인바(INVAR) 재료들을 사용하지 않고서도 간단하고 저렴한 방식으로 이루어진다는 장점을 갖는다.
또한 개방 액추에이터와 보상 액추에이터가 상이한 속도로 분리되어 제어되므로 연료 분사 밸브의 동적 특성이 저하되지 않고, 온도가 천천히 보상될 수 있다.
종속항에 제시된 조치들에 의해 독립항에 기재된 연료 분사 밸브의 바람직한 실시가 가능하다.
바람직하게 측정 소자는 힘의 흐름 방향으로 볼때 보상 갭 앞에서, 액추에이터의 임의의 지점에 배치될 수 있다. 측정 소자에 대한 예비 응력은 측정 소자가 액추에이터 카트리지 내에 함께 고정됨으로써 얻어질 수 있다.
또한 측정 소자는 액추에이터 외부에, 예컨대 작동 소자 내에 통합되게, 배치될 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예는 도면에 간단하게 도시되며 하기의 설명에서 자세히 설명된다.
도 1A는 본 발명에 따라 형성된 연료 분사 밸브의 제 1 실시예의 개략적 단면도.
도 1B는 본 발명에 따라 형성된 연료 분사 밸브의 제 2 실시예의 개략적 단면도.
도 2A는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 스택 액추에이터의 개략적 도면.
도 2B는 분리된 제어 영역들을 포함한, 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 액추에이터의 개략적 도면.
도 3A는 보상 액추에이터가 없는 경우, 액추에이터에 작용하는 힘의 특성을 시간에 따라 나타낸 그래프.
도 3B는 보상 액추에이터가 있는 경우, 액추에이터에 작용하는 힘의 특성을 시간에 따라 나타낸 그래프.
도 1A에는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의(1)의 중요 구성 부품들의 개략적인 종단면도가 도시된다. 연료 분사 밸브(1)는 혼합기 압축식, 외부 점화식 내연 기관용 연료 분사 밸브(1)로서 형성된다. 이는 특히 내연 기관의 연소실 내로 연료를 직접 분사하기에 적합하다.
상기 연료 분사 밸브(1)는 압전식 액추에이터(3)가 배치된 하우징(2)을 포함한다. 압전식 액추에이터(3)는 예컨대 서로 연결된 다수의 압전층들(14)로 구성될 수 있다. 액추에이터(3)는 액추에이터 카트리지(4) 내에 캡슐화되며 액추에이터(3)와 액추에이터 카트리지(4) 사이에 고정된 예비 응력 스프링(5)에 의해 예비 응력을 받는다. 액추에이터(3)의 캡슐화는 액추에이터(3)를 연료에 의한 화학적 손상으로부터 보호하기 위해 필요하다. 다른 한편으로 액추에이터 카트리지(4) 내에 이미 예비 조립된 액추에이터(3)는 조립이 더 간단하고, 조립시 기계적 부하에 의한 손상으로부터 추가로 보호된다.
상기 액추에이터(3)의 배출측 단부(6)는 피스톤형으로 형성된 작동 바디(7)에 지지된다. 상기 작동 바디(7)의 배출측에는 밸브 니들(8)이 배치되며, 상기 밸브 니들은 보상 갭(9)에 의해 작동 바디(7)로부터 떨어져 있다. 밸브 니들(8)은 그 배출측 단부(10)에서 밸브 폐쇄 바디(11)를 포함하고, 상기 밸브 폐쇄 바디는 연료 분사 밸브(1)의 하우징(2)에 형성된 밸브 시트면(12)과 함께 밀봉 시트를 형성한다. 상기 실시예는 외부 개방형 연료 분사 밸브(1)를 나타낸다.
삭제
상기 밸브 니들(8)은 보상 갭(9)의 배출측에서 2 개의 가이드 소자(18, 20)에 의해 안내된다. 액추에이터(3)가 전류를 공급 받지 않은 경우 밸브 니들(8)을 복귀하기 위해 복귀 스프링(19)이 사용되며, 상기 스프링은 밸브 니들 가이드(20)와 디스크(21) 사이에 고정되고, 상기 디스크는 밸브 니들(8)과 넌포지티브 결합 방식으로 연결된다.
본 발명에 따른 연료 분사 밸브(1)는 측정 소자(13)를 포함하며, 상기 소자는 작동 바디(7)와 밸브 니들(8)을 포함하는 작동 경로 내의 임의의 지점에서, 액추에이터(3)와 밸브 폐쇄 바디(11) 사이에 배치된다. 제 1 실시예에서 측정 소자(13)는 액추에이터 카트리지(4)의 단부면(14)과 액추에이터(3)의 공급측 단부(15) 사이에 배치된다. 그러나 측정 소자(13)는 도 1B에 도시된 바와 같이 액추에이터(3)의 배출측 단부(6)와 작동 바디(7) 사이에 배치될 수도 있고, 이로써 예비 응력 스프링(5)은 측정 소자(13)에 지지된다.
대안으로서, 상기 측정 소자(13)는 도 1B에 도시된 바와 같이 작동 바디(7) 내로 통합될 수도 있다. 또한 액추에이터(3)가 상이한 방식으로 캡슐화되어 예비 응력을 받을 수도 있으므로, 측정 소자(13)는 힘의 흐름 방향으로 상이한 지점에 배치될 수 있다. 다만, 상기 측정 소자(13)가 보상 갭(9)의 공급측에 배치되는 것만이 보장되면 된다.
본 발명에 따른 측정 소자(13)가 제공되는 목적은, 열적 효과에 기인한 액추에이터(3)의 길이 변화에 의한 연료 분사 밸브(1)의 의도치 않은 개방 단계가 방지되고 밸브 니들(8)의 일정한 개방 행정이 달성되도록, 작동 바디(7)와 밸브 니들(8) 사이에 형성된 보상 갭(9)의 폭을 제어하기 위해서이다. 측정 소자(13)는 액추에이터(3)에 의해 가해진 힘을 측정한다. 액추에이터 전압 및 보상 액추에이터(16)의 전압은 자세히 도시되지 않은 조절 회로에 의해 액추에이터(3)의 동적 특성들이 저하되지 않으면서 확실한 유격의 보상이 실시되도록 조절될 수 있다.
도 2A 및 도 2B에는 가능한 액추에이터(3)에 대한 2 개의 실시예들이 도시된다. 도 2A에는 개별 압전층들(14)로 구성된 스택(stack) 액추에이터(3)가 도시된다. 하나 또는 다수의 상기 층들(14)이 보상층으로서 또는 전체가 보상 액추에이터(16)로서 설계될 수 있으며 스택 액추에이터(3) 내에 통합될 수 있다. 스택 액추에이터(3) 내의 임의의 지점에 측정 소자(13)가 배치된다. 측정 전압(UM)은 액추에이터(3)의 한 측면에서 탭되므로 압력이 측정될 수 있다. 측정 소자(13)의 다른 측면에는 액추에이터 전압(UA)이 인가된다.
도 2B에 도시된 바와 같이, 보상 액추에이터(16)는 예컨대 별도의 보상 액추에이터(16)의 형태로 설계될 수도 있다. 이 경우 액추에이터(3)는 개방 액추에이터(17), 보상 액추에이터(16) 및 측정 소자(13)로 구성된다. 각각의 부분은 별도로 제어될 수 있다. 동일한 전위에 있는 라인들, 예컨대 접지 라인들은 간소화를 위해서 함께 안내될 수 있다.
도 3A 및 3B에는 액추에이터(3)에 의해 가해지고 측정 소자(13)에 의해 측정되는 힘(F)이 도시된다.
도 3A에는 도 2A에 따라 개방 방향으로 작용하는 스택 액추에이터(3)의 층들(14)의 전체, 또는 도 2B에 따라 일체형인 보상 액추에이터(16)로부터 형성된 개방 액추에이터(17)의 독자적인 힘(FA)이 시간(t)의 함수로서 도시된다. 압전식 액추에이터(3)의 높은 동력학에 의해, 거의 직사각형 힘 특성이 나타날 수 있으며, 상기 특성은 개방 시간(ti)에 걸쳐서 연장된다. 이 경우 유격 보상은 가능하지 않다.
도 3B에는 개방 액추에이터(17)와 보상 액추에이터(16)의 조합된 작용이 도시된다.
2 개의 분사 사이클 사이에서 보상 액추에이터(16)에는 작은 여기 전압이 공급되며, 상기 전압에 의해 보상 액추에이터(16)는 보상 갭(9)이 폐쇄될 때까지 팽창된다. 측정 소자(13)는 측정 소자(13)에 작용하는 압력의 상승에 의해, 폐쇄된 보상 갭(9)을 검출한다. 유격의 보상은 밸브 니들(8)을 작동시키기에 압력이 아직 충분하지 않은 시점에서 종료된다. 온도에 기인한 길이 변화를 보상하기 위해 유격은 연료 분사 밸브(1)의 개방 과정보다 더 천천히 보상된다.
상기 개방 액추에이터(17)가 작동됨으로써 연료 분사 밸브(1)가 작동되면, 보상 갭(9)은 폐쇄되며 개방 액추에이터(17)의 운동은 작동 소자(7)를 통해 밸브 니들(8)에 즉시 전달된다. 보상 액추에이터(16)에 대한 여기 전압은 연료 분사 밸브(1)의 개방 단계 동안 유지될 수 있거나 또는 밸브 니들(8)을 댐핑하기 위해서 차단될 수 있다.
상기 연료 분사 밸브(1)가 폐쇄된 경우 2 개의 여기 전압들은 스위치 오프되므로, 모든 액추에이터 영역은 다음번 분사 사이클을 위해 휴지 상태로 되돌아 간다.
대안으로, 보상 액추에이터(16)는 전체 분사 사이클 동안 전압이 인가된 상태로 유지될 수 있다. 이 경우, 유격 보상은 연속적으로 이루어질 수 있다. 보상 액추에이터의 전하 손실은 재충전을 통해서 보상될 수 있다. 분사 중지시 측정 소자(13)는 연료 분사 밸브(1)가 의도치 않게 개방되는 것을 방지하기 위해, 보상 액추에이터의 허용되는 최대 힘이 초과되지 않는지의 여부를 제어한다. 보상 액추에이터(16)는 연속적으로 또는 단계적으로 방전될 수 있거나 또는 전압원으로부터 완전히 분리될 수 있다. 조절 회로의 상응하는 알고리즘이 연료 분사 밸브(1)의 온도, 온도 변화, 내연 기관의 부하 상태 및 선행된 분사 사이클로부터 학습된 값을 고려한다.
본 발명은 도시된 실시예에 제한되지 않으며 예컨대 자기변형식 액추에이터(3), 측정 소자(13)의 임의의 구성 형태 및 연료 분사 밸브(1)의 임의의 구성 방식에도 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 내연 기관의 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브(1)로서, 압전식 또는 자기변형식 액추에이터(3) 및 상기 액추에이터(3)에 의해 작동할 수 있고 밸브 시트면(12)과 협동하여 밀봉 시트를 형성하는 밸브 폐쇄 바디(11)를 포함하며, 상기 액추에이터(3)와 상기 밸브 폐쇄 바디(11) 사이의 작동 경로 내에 보상 갭(9)이 형성되는 연료 분사 밸브(1)에 있어서,
    상기 액추에이터(3) 또는 상기 작동 경로 내에 측정 소자(13)가 제공되며, 상기 측정 소자(13)는 상기 액추에이터(3)에 의해 상기 밸브 폐쇄 바디(11)에 가해지는 힘을 측정하고, 상기 액추에이터(3)는 상기 보상 갭(9)이 폐쇄 상태로 유지되도록 조절되며,
    상기 액추에이터(3)는 개방 액추에이터(17) 및 보상 액추에이터(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 경로는 상기 액추에이터(3)와 작용 연결된 작동 바디(7), 및 상기 밸브 폐쇄 바디(11)와 작용 연결된 밸브 니들(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 갭(9)은 상기 작동 바디(7)와 상기 밸브 니들(8) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액추에이터(3)는 액추에이터 카트리지(4) 내에 캡슐화되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 액추에이터(3)는 상기 액추에이터 카트리지(4) 내에서 예비 응력 스프링(5)에 의해 예비 응력을 받는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 측정 소자(13)가 상기 액추에이터 카트리지(4) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 측정 소자(13)가 힘의 흐름 내에서 상기 액추에이터 카트리지(4) 외부에 임의로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 측정 소자(13)는 상기 작동 바디(7) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 개방 액추에이터(17)와 상기 보상 액추에이터(16)는 압전식 또는 자기변형식 개별 층들(14)로 구성되어 공통의 스택 액추에이터(stack actuator)를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 측정 소자(13)는 상기 스택 액추에이터의 하나 또는 다수의 상기 층들(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 액추에이터(16)와 상기 개방 액추에이터(17)는 압전식 또는 자기변형식 액추에이터(3)의 분리된 영역들을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
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