KR101052941B1 - 압전 제어식 연료 분사 밸브용 작동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관용 연료 분사 시스템의 연료 분사 밸브를 작동시키기에 적합한 작동 장치에 관한 것이다. 상기 작동 장치는 압전 액추에이터(1)와 스프링으로서 형성된 중공 몸체(4)로 구성되어 있다. 상기 중공 몸체는 리세스부들(7)을 구비하며, 자신의 종축에 대해 평행하게 연장되는 제1 시임과, 적어도 상기 중공 몸체의 제1 단부에서 상기 제1 시임의 맞은편에 배치되는 제2 시임 혹은 제1 리세스부를 포함한다. 본 발명에 따른 상기 중공 몸체(4)의 형상에 의해 작동 장치의 수명이 증가할 수 있다.
내연기관, 연료 분사 시스템, 중공 몸체, 압전 액추에이터, 리세스.

Description

압전 제어식 연료 분사 밸브용 작동 장치 {ACTUATING UNIT FOR A PIEZO-ELECTRICALLY CONTROLLED FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 압전 액추에이터로 이루어진 작동 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 작동 장치들은 무엇보다 연료 분사 시스템에서, 특히 연료 분사 밸브에서 사용되는데, 왜냐하면 상기 작동 유닛들의 개폐 시간이 매우 짧기 때문이다. 짧은 개폐 시간은 분사된 연료량의 더욱 정확한 유량 조정을 허용하면서 분사의 시간별 패턴의 향상된 형성을 가능케 한다. "연료 분사 밸브"라는 포괄적 용어는 본 발명과 관련하여 예컨대 커먼 레일 분사 시스템용 인젝터나 혹은 통상적인 연료 분사 시스템의 분사 노즐과 같은 모든 형식의 연료 분사 밸브를 의미한다. 압전 액추에이터를 구비한 연료 분사 밸브의 작동은, 압전 액추에이터가 전기 전압을 공급받고, 그에 따라 상기 압전 액추에이터가 압전 세라믹의 공지된 물리적 효과를 바탕으로 신속하게 팽창하면서 밸브 시트로부터 밸브 폐쇄 부재를 상승시킴으로써 이루어진다. 상기 압전 액추에이터는 이와 관련하여 가속되는 소정의 질량을 보유한다. 만일 액추에이터에 인가된 전압이 감소한다면, 상기 액추에이터는 수축하는 경향을 갖는다. 그러므로 상기 액추에이터의 앞서 가속된 질량의 질량 관성으로 인해, 제어 속도에 따라서 액추에이터 내에는 인장 하중이 발생하며, 이 인장 하중은 상기 압전 액추에이터의 손상을 초래하게 되는데, 더욱 상세하게는 상기 압전 액추에이터의 각각의 층들간 납땜 이음 내 균열을 초래한다. 상기와 같은 손상을 회피하기 위해, 탄성체로서 형성된 원통형 중공 몸체를 이용하여 상기 압전 액추에이터를 축방향으로 예압하는 방법으로 전환할 수 있다. 이러한 장치는 예컨대 WO/00/08353(지멘스)로부터 공지되어 있다. 상기 중공 몸체는 평면의 박판으로부터 만곡되어 형성되며, 이때 생성되는 제1 시임에 용접된다. 이와 관련하여 상기 제1 시임은 상기 중공 몸체의 종축에 대해 평행하게 연장된다.
상기 제1 시임의 용접은 무엇보다 하기와 같은 단점을 갖는다: 용접은 대개 용접 시임 바로 근처에서 중공 몸체의 바람직하지 못한 구조적 변형을 야기한다. 두 번째 문제는 용접 시에 발생하는 용접 스패터(welding spatter)이다. 이 용접 스패터는 작동 장치의 조립을 곤란하게 만들 수 있고, 혹은 작동 중에 하나 이상의 용접 스패터가 용융된다면, 연료 분사 밸브의 기능 결함을 야기할 수 있다. 3번째 문제는 용접 시임의 시작부 및 말단부에서 용접 시임의 함몰이 발생하며, 그에 따라 노치 효과 및 전압 상승이 야기된다는 점이다.
본 발명에 따른 작동 장치로서, 중공 몸체 내에 배치된 압전 액추에이터를 구비하며, 상기 중공 몸체는 탄성체로 형성되어 상기 액추에이터를 예압하고 리세스부를 구비하고 있으며, 종축에 대해 평행하게 연장되는 제1 시임을 포함하는, 작동 장치에 있어서, 본 발명에 따라 적어도 상기 중공 몸체의 제1 단부에는 상기 제1 시임의 맞은편에 배치되는 제2 시임이 제공되어 있다.
중공 몸체의 본 발명에 따른 형성예에서는, 제1 시임의 용접이 생략될 수 있다. 그럼으로써 용접에 의해 야기되는 문제 또한 제거된다. 그 외에 제조 비용도 절감된다.
중공 몸체에 개방형 분리 시임을 구비한 작동 장치의 단점은 상기 중공 몸체의 스프링 강성이 축방향으로 원주부에 걸쳐 일정하지 못하다는 점에 있다. 대개 스프링 강성은 분리 시임의 영역에서는 중공 몸체 내의 리세스부로 인하여 감소한다. 이는 결과적으로 상부 덮개판과 하부 덮개판이 작동 장치의 작동 시에 횡력을 받게 한다. 그로부터 의도하지 않은 힘 및 휨 모멘트에 의해 압전 액추에이터에 불균일한 하중이 야기된다.
그러나 본 발명에 따라 제1 시임 맞은편에 배치되는 제2 시임을 중공 몸체에 제공함으로써, 상기 제1 시임 맞은편 측면에서도 상기 중공 몸체의 스프링율이 마찬가지로 감소한다. 그 결과로, 상부 덮개판 및 하부 덮개판으로부터 압전 액추에이터 내로 유도되는 예압력은 정확하게 상기 압전 액추에이터의 종축의 방향으로 작용하게 된다. 이와 같은 하중은 상기 압전 액추에이터에 매우 바람직한 것이며, 그럼으로써 본 발명에 따른 중공 몸체를 구비한 작동 장치의 수명이 명백히 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 장점은, 상기 중공 몸체의 제2 단부에도 상기 제1 시임의 맞은편에 배치되는 제2 시임이 제공되면 추가로 증가될 수 있다. 그 대안으로, 상기 제2 시임이 중공 몸체의 제1 단부에서부터 제2 단부에까지 연장될 수도 있다. 다시 말하면, 본 실시예에서 상기 중공 몸체는 동일한 크기의 2개의 반쪽 셸(half-shell)로 구성되며, 이들 반쪽 셸들은 압전 액추에이터를 둘러싸고 있다. 상기 중공 몸체의 반쪽 셸들은 제조 기술적 측면에서도 매우 바람직하다.
또 다른 대안으로, 상기 중공 몸체 내 단부들에 리세스를 제공할 수 있는데, 더욱 정확하게는 상기 제1 시임 맞은편에 제공할 수 있다. 그럼으로써 상기 위치에서도 중공 몸체의 스프링율이 의도하는 바대로 감소됨에 따라 상기 중공 몸체의 스프링율은 회전 대칭을 이루며, 그로 인해 원하는 축방향 힘 도입이 달성된다.
예압력을 중공 몸체로부터 압전 액추에이터로 최대한 유도할 수 있도록 하기 위해, 상기 중공 몸체의 제1 단부는 상부 덮개판과 혹은 조정 디스크와 결합되고, 제2 단부는 하부 덮개판과 혹은 커플러 하우징와 결합되는 것이 권장된다. 이러한 결합은 예컨대 용접이나 플랜지 결합을 통해 이루어질 수 있다.
만일 오로지 상기 중공 몸체의 반경방향 고정만이 요구된다면, 상기 고정은 상기 상부 덮개판 및/또는 하부 덮개판 내 혹은 상기 조정 디스크 및/또는 커플러 하우징 내의 환상홈부(annular groove) 혹은 견부에 의해 이루어질 수 있다. 이는 예컨대 상기 중공 몸체가 인장력이 아니라 압력의 하중을 받는다고 한다면 충분할 수 있다. 본 변형 실시예에서는 특히 바람직하게는 상기 환상홈부 및 상기 견부에 의해 상기 중공 몸체가 상기 압전 액추에이터에 상대적으로, 혹은 상기 유압 커플러에 상대적으로 센터링된다. 이러한 효과는, 환상홈부 및 견부의 치수 설계가 조립 시에 상기 중공 몸체를 극미하게 확장시키는 정도로만 이루어질 때 추가로 개선될 수 있다.
특히 바람직한 것으로서 확인된 점에 따라, 상기 중공 몸체 내에 위치하는 압전 액추에이터의 접촉은 상기 상부 덮개판을 통해 이루어지고, 상기 상부 덮개판은 2개의 부분으로 설계되며, 상기 상부 덮개판의 2개 부분 사이에는 분리 시임이 존재한다.
그렇게 함으로써, 작동 장치를 위해 요구되는 설계 공간과 필요한 구조 부재의 수는 감소되며, 그 외에도 상기 압전 액추에이터에 있어 적어도 부분적으로 액추에이터의 운동에 참여해야 하는 그 접촉은 상기 상부 덮개판에 의해 수행된다. 그럼으로써 요구되는 탄성력을 갖는 압전 액추에이터의 간단하면서도 확실한 전기 접촉이 제공된다. 그 외에도 위와 같은 조치를 통해 상기 압전 액추에이터의 작동 시에 발생하는 열이 매우 원활하게 소산되며, 이는 상기 압전 액추에이터의 작동 안전성 및 수명을 향상시킨다.
또한, 바람직한 것으로서 확인된 점에 따라, 중공 몸체의 제1 시임 및 제2 시임은 상부 덮개판의 분리 시임으로 이어지며, 그럼으로써 상기 상부 덮개판의 두 부분의 전기적 분리가 물론 예컨대 스프링 강으로 제조될 수 있는 상기 중공 몸체에 의해 차단되지 않게 된다.
추가되는 점에서, 상기 상부 덮개판은 절연체, 더욱 상세하게는 세라믹 소재의 절연체에 의해 전기적으로 절연될 수 있다.
두 개의 부분으로 이루어진 상부 덮개판의 기계적 결합을 보장하기 위해서, 추가적으로 2개의 부분으로 이루어진 상부 덮개판을 결합하는 고정 클램프나 고정 부재가 제공될 수 있다.
본 발명에 따라 추가로 보충되는 점에서, 중공 몸체와 압전 액추에이터 사이에 가요성 결합 수단, 더욱 상세하게는 플라스틱 복합 금속이나 연질 땜납이 존재할 수 있다.
상기 중공 몸체 내 리세스부는 공지된 뼈 모양의 형태를 가지면서 상기 중공 몸체의 종축에 대해 횡방향으로 연장될 수 있다. 추가로 바람직하게는 복수의 리세스부들이 하나의 평면에 연이어서 배치되고, 상기 평면은 상기 중공 몸체의 종축과 직각을 이룬다. 또한, 바람직한 것으로서 입증된 점에 따라 짝수의 리세스부가 하나의 평면에 존재한다.
만일 중공 몸체 내에 리세스부들을 구비한 복수의 평면이 존재한다면, 상기 평면들은 상호간에 평행하게 연장되며, 2개의 이웃한 평면들의 리세스부들은 상호간에 오프셋 되어 배치되는 것이 권장된다. 이와 관련하여 특히 바람직하게는 2개의 이웃한 평면들의 리세스부들의 오프셋은 하나의 평면에 있는 리세스부들의 절반의 반복 패턴과 동일하다. "반복 패턴"의 개념은 계속해서 도3과 결부되어 하기에 더 상세하게 설명된다.
바람직하게는 상기 중공 몸체는 원형이나 혹은 정다각형 형상의 횡단면을 갖는다.
본 발명에 따른 중공 몸체는, 압전 액추에이터가 중공 몸체 내에 배치되어 있으며, 상기 압전 액추에이터가 예압된 중공 몸체에 의해 압력 하중을 받는 작동 장치에 이용될 수 있다. 즉, 상기 중공 몸체는 자체적으로 인장력의 하중을 받는다.
본 발명에 따른 중공 몸체는, 압전 액추에이터가 중공 몸체 외부에 배치되어 있으면서, 상기 압전 액추에이터가 예압된 중공 몸체에 의해 압력 하중을 받는 작동 장치에서도 이용될 수 있다. 이러한 경우 상기 중공 몸체는 대개 압력의 하중을 받는다.
본 발명에 따라 추가로 제공되는 점에서, 상기 중공 몸체는 자신의 제1 단부에 및/또는 자신의 제2 단부에 리세스부들에 의해 천공되지 않은 영역을 포함할 수 있다. 그럼으로써 중공 몸체로부터 덮개판에 혹은 인젝터의 또 다른 구성 부재에 전달되는 탄성력이 균일화되는데, 왜냐하면 상기 중공 몸체는 자신의 단부들의 영역에서 의도한 바대로 보강되기 때문이다. 즉, 탄성력의 최대값은 상기 중공 몸체의 원주부에 걸쳐 감소되며, 상기 중공 몸체로부터 압전 액추에이터로 유도되는 횡력의 문제가 더욱 완화된다.
본 발명의 추가의 장점 및 바람직한 형성예들은 이하에 도시되는 도면, 이 도면에 결부된 실시예 명세 내용 그리고 특허 청구항들로부터 제시된다.
도1은 본 발명에 따른 작동 장치의 제1 실시예를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 작동 장치의 제2 실시예를 나타내는 개략도이다.
도3은 만곡된 중공 몸체의 소재로 사용되는 플레이트에 대한 일례를 나타내는 개략도이다.
도4는 종방향으로 짝수(본 실시예: 16개)의 리세스부 열을 구비한 중공 몸체의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다.
도5는 도4에 따른 제1 실시예를 또 다른 견망 각도에서 바라보고 나타낸 사시도이다.
도6은 본 발명에 따른 중공 몸체의 제2 실시예를 하부로부터 비스듬하게 바라보고 나타내는 사시도이다.
도7은 종방향으로 홀수(본 실시예: 17개)의 리세스부 열을 구비한 본 발명에 따른 중공 몸체의 제3 실시예를 나타내는 사시도이다.
도8은 덮개판들에 중공 몸체를 반경방향으로 고정하기 위한 실시예를 나타내는 개략도이다.
도9는 본 발명에 따른 작동 장치의 추가의 실시예를 나타내는 부분 종단면도 및 횡단면도이다.
도10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 중공 몸체의 추가의 실시예를 나타내는 사시도이다.
도11은 연료 분사 시스템을 나타내는 개략도이다.
도1은 본 발명에 따른 작동 장치의 제1 실시예를 도시하고 있다. 상기 작동 장치는 압전 액추에이터(1)로 구성되며, 이 압전 액추에이터(1)는 상하로 적층된 복수의 압전 개별 소자들(미도시)로 구성될 수 있다. 상기 압전 액추에이터(1)는 이 액추에이터(1)를 따라 배치되어 있으면서 상기 액추에이터(1)와 전기적으로 전도되는 방식으로 연결되어 있는 접촉 핀들(2)을 통해 트리거링된다. 상기 접촉 핀들(2) 사이에 전압을 인가함으로써, 상기 압전 액추에이터(1)의 길이방향 팽창이 발생하는데, 이러한 길이방향 팽창은 예컨대 내연기관 내의 분사 밸브를 제어하기 위해 이용된다. 상기 접촉 핀들(2)을 구비한 상기 압전 액추에이터(1)는 관형 스프링으로서 설계된 중공 몸체(4) 내에 배치되어 있다. 상기 압전 액추에이터(1)의 단부면들은 각각 덮개판(5, 6)에 인접하는데, 이때 상부 덮개판(6)은 통로부들(61)을 포함하며, 이 통로부들을 통해 상기 접촉 핀들(2)이 연장되어 있다. 상기 상부 및 하부 덮개판들(5, 6)은 각각 형상 결합 방식으로 및/또는 마찰 결합 방식으로, 바람직하게는 용접에 의해 상기 중공 몸체(4)와 결합된다. 상기 상부 및 하부 덮개판들(5, 6)과 상기 중공 몸체(4) 사이의 용접 시임은 도1에 도시되어 있지 않다. 그 대안으로, 상기 중공 몸체와 상기 두 덮개판들(5, 6) 사이의 결합은 예컨대 플랜지 결합을 이용하여 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 중공 몸체(4)의 플랜지 결합된 그 상부 및 하부 에지 영역들은 각각 상기 덮개판들(5, 6) 내로 맞물린다(미도시).
상기 압전 액추에이터(1)는 상기 중공 몸체(4) 및 상기 덮개판들(5, 6)에 의해 예압력으로써 압력의 하중을 받는다. 다시 말해 상기 중공 몸체(4)는 상기 상부 및 하부 덮개판(4, 6)과 용접되기 전에 예압되며, 그런 다음에 용접된다.
상기 중공 몸체(4)는 바람직하게는 스프링 강으로 제조된다. 벽 두께("s")가 사전 지정된 경우 원하는 스프링율을 설정할 수 있도록 하기 위해, 상기 중공 몸체(4) 내에는 복수의 리세스부들(7)이 제공된다. 간단한 도시를 위해, 도1의 모든 리세스부들에 도면 부호가 표시되어 있지는 않다. 복수의 리세스부들(7)은 천공에 의해 가장 용이하게 제조되기 때문에, 상기 중공 몸체(4)는 대개 박판으로부터 제조된다. 박판으로부터 우선적으로 천공된 리세스부들(7)을 구비한 플레이트가 형성된다. 이어서 상기 플레이트는 예컨대 원형의 횡단면이나 혹은 정다각형 형상의 횡단면을 가지게 될 때까지 만곡된다. 상기 만곡된 플레이트의 양 단부가 서로 만나는 지점에 제1 시임(도1에서는 미도시)이 형성된다.
도2에는 본 발명에 따른 작동 장치의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이와 관련한 상기 작동 장치는 압전 작동식 인젝터(71) 내에 통합되어 있다.
본 발명은 본질적으로 작동 장치와 이에 포함되는 중공 몸체(4)에 관한 것이기 때문에, 상기 인젝터(71)는 상세하게 설명되지 않고 본질적으로 단지 상기 인젝터(71)로의 상기 작동 장치의 결합에 대해서만 기술된다. 상기 인젝터(71)의 그 외 기능성에 대해서는 분사 기술 영역의 당업자에게 공지되어 있으므로 보다 상세한 설명은 필요하지 않다.
상기 인젝터(71)는 고압 포트(73)를 구비하고 있다. 상기 고압 포트(73)를 통해 상기 인젝터(71)는 고압 상태의 연료(미도시)를 공급받는다. 만일 분사가 내연기관의 미도시한 연소실 내에서 이루어져야 한다면, 노즐 니들(75)은 미도시한 자신의 시트로부터 상승되며, 마찬가지로 미도시한 분사홀들을 개방한다. 상기 노즐 니들(75)은 압전 액추에이터(79)를 통해 작동되는 제어 밸브(77)에 의해 제어된다. 상기 압전 액추에이터(79)와 상기 제어 밸브(77) 사이에는 유압 커플러(81)가 배치되어 있는데, 이 유압 커플러는 도2의 우측에 확대되어 도시되어 있다.
상기 유압 커플러(81)는 본질적으로 밸브 피스톤(83)과 부스터 피스톤(85)으로 구성되어 있으며, 상기 플런저들(83, 85)은 커플러 하우징(86) 내부에서 안내된다. 상기 밸브 피스톤(83)와 상기 부스터 피스톤(85) 사이에는 커플러 갭(87)이 존재하며, 이 커플러 갭은 연료(미도시)로 채워져 있다. 상기 커플러 갭(87)은 무엇보다 상기 압전 액추에이터(79)의 온도 팽창 계수와 상기 인젝터(71)의 금속성 구성 부재의 온도 팽창 계수가 현격한 차이를 나타내기 때문에 필요하다.
상기 유압 커플러(81)는 자신의 밸브 피스톤(83)를 이용하여 상기 제어 밸브(77)를 작동시키며, 그에 반해 상기 부스터 피스톤(85)는 돌출부(89)로써 상기 압전 액추에이터(79)에 인접한다. 상기 부스터 피스톤(85)는 압력 하에 예압되어 있는 본 발명에 따른 중공 몸체(4)를 통해 상기 압전 액추에이터(79)에 압착되며, 그럼으로써 상기 압전 액추에이터에 예압력이 가해진다. 이때 상기 중공 몸체는 자신의 제1 단부(15)로써 상기 커플러 하우징(86)의 견부(91)에 지지된다. 상기 중공 몸체(4)는 또한 자신의 제2 단부(17)로써 조정 디스크(93)에 지지된다. 상기 조정 디스크(93)를 통해서는 상기 중공 몸체(4)의 탄성력이 상기 부스터 피스톤(85)의 돌출부(89)로 전달되며, 그에 따라 상기 압전 액추에이터(79)로 전달된다.
상기 중공 몸체(4)가 유압 커플러(81)에 동심으로, 그에 따라 압전 액추에이터(79)에 대해 동심으로 배치될 수 있도록 하기 위해, 상기 중공 몸체(4)가 상기 견부(91) 상으로 활주될 때, 상기 중공 몸체(4)가 용이하게 확장될 수 있도록 상기 견부(91)의 직경(D1)이 상기 중공 몸체(4)의 내경에 맞게 설계된다. 본 발명에 따른 중공 몸체(4)는 중공 몸체(4)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 제1 시임(31)(미도시)을 포함하고 있기 때문에, 상기 중공 몸체(4)는 상대적으로 용이하게 상기 견부(91) 맞게 확장된다.
만일, 도2에 따른 실시예에서와 같이, 상기 중공 몸체(4)에 예압력이 가해진다면, 도2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 중공 몸체(4)의 단부들(17, 15)이 축방향으로 지지될 수 있는 것만으로도 충분하다. 상기 중공 몸체(4)의 반경방향 고정을 추가로 개선하기 위해, 상기 견부(91) 내에 및/또는 상기 조정 디스크(93) 내에 대안적으로 또는 추가로 환상홈부(미도시)가 제공될 수 있다.
도3에 도시된 플레이트(9)로부터 본 발명에 따른 중공 몸체(4)가 만곡될 수 있다. 상기 플레이트(9)에는 수많은 리세스부들(7)이 천공되어 있다. 간단명료한 도시를 위해, 도3에 도시된 실시예에서 뼈 모양의 형상을 갖는 리세스부들(7) 모두에 도면 부호가 표시되어 있지는 않다. 상기 플레이트(9)는 직사각형이되, 상기 플레이트(9)에 있어 상호 맞은편에 위치하는 두 에지부들(11, 13)은 상기 리세스부들(7)에 의해 단속되는 데 반해, 상호 맞은편에 위치하는 에지부들(15, 17)은 직선으로 연장되며 상기 리세스부들(7)에 의해 단속되지 않는다.
상기 플레이트(9)는 상기 에지부들(15, 17)이 상기 중공 몸체(4)의 제1 단부(15) 및 그 제2 단부(17)를 형성할 수 있도록(도4 참조) 원통형이나 혹은 다각형 중공 몸체로 만곡된다. 다시 말해 상기 중공 몸체(4)에 있어 도4와 도5에 도시되지 않은 그 종축(35)은 상기 에지부들(11, 13)에 대해 평행하게 연장된다.
만일 상기 플레이트(9)가 전술한 방식으로 원통형이나 다각형으로 만곡되었다면, 상기 에지부들(11, 13)은 상기 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 평행하게 연장되는 제1 시임(31)(도4 및 도5 참조)을 형성한다.
상기 플레이트(9) 내에서 복수의 리세스부들(7)은 항상 일렬로 연이어 배치된다. 상기 리세스부들(7)은 리세스부들 사이의 웨브(19)에 의해 분리된다. 이들 웨브들(19)에 있어서도, 간단명료한 도시를 위해 상기 플레이트(9)의 모든 웨브에 도면 부호가 표시되어 있지는 않다. 만일 상기 플레이트(9)가 앞서 기술한 방식으로 중공 몸체로 만곡된다고 하면, 연이어 배치되는 상기 리세스부들(7)은 하나의 평면에 위치하게 된다. 예를 들어 도3에는 연이어 배치되어 있는 일렬의 리세스부들(7)이 라인(20)으로 표시되어 있다. 플레이트(9)에 대해 도3에 도시한 실시예의 경우, 6개씩의 리세스부들(7)의 16열이 에지부(15)와 에지부(17) 사이에 배치되어 있다.
도3으로부터 알 수 있듯이, 2개의 이웃하는 열의 리세스부들(7)은 상호간에 오프셋 되어 배치되어 있다. 이와 관련하여, 상기 오프셋은 하나의 리세스부(7) 및 하나의 웨브(19)의 절반 길이에 상응하도록 방식으로 선택된다. 이와 관련한 치수는 도3에 하나의 리세스부와 2개의 반쪽 웨브(19)에 대해 양방향 화살표(21)로 표시되어 있다. 이와 같은 치수를 "반복 패턴"이라고도 한다. 2개의 이웃하는 열의 리세스부들(7) 사이의 오프셋은 도3에서 도면 부호(23)로써 표시되어 있다.
만일 상기 플레이트(9)를 말아서 중공 몸체(4)(도4 또는 도5 참조)로 만들고, 이 중공 몸체(4)의 단부면들에 상부 덮개판(5)(도1 및 도8 참조) 및 하부 덮개판(6)(도1 및 도8 참조)을 통해 압력을 가한다면, 상부 덮개판(5)과 에지부(15) 사이에 작용하는 힘(F)은 곡선(25)을 통해 정성분석으로 도시한 거동을 갖게 된다. 원주 각도(
Figure 112009059651582-pct00001
)는 0°를 갖는 에지부(13)에서 시작하여 360°를 갖는 에지부(11)에서 끝난다.
웨브(19)가 상기 에지부(15)를 "지지하는" 지점에는 항상 상기 곡선(25)의 최대값(27)으로 표시된 큰 힘(F)이 전달될 수 있음이 확인된다. 상기 에지부들(11, 13)이 서로 만나는 곳에서 유일한 예외가 존재한다. 상기 에지부들이 서로 만나는 지점에서는 자체 부분들(7', 7")로 이루어진 "절단된" 리세스부(7)가 상기 플레이트(9)의 구조를 약화시키기 때문에 이 위치에서 상부 덮개판(5)과 중공 몸체(4) 사이에서 전달되는 힘(F)은 더욱 작아진다. 이와 같은 사실은 도3에서
Figure 112009059651582-pct00002
= 0°일때와
Figure 112009059651582-pct00003
= 360°일때의 힘(F)에 대한, 최대값(27)과 비교하여 분명하게 더욱 작은 값으로써 도시되어 있다.
에지부(17)에서도 이와 유사한 거동이 나타난다. 도3으로부터 알 수 있듯이,
Figure 112009059651582-pct00004
= 0° 및 360°일때 에지부(17)의 바로 근처에 부분들(7', 7")로 구성된 절단된 리세스부가 위치하며, 그에 반해
Figure 112009059651582-pct00005
= 0° 및 360°일때 에지부(15)의 바로 근처에는 반쪽부들(19', 19")을 구비한 분리된 웨브(19)가 위치한다. 이로부터 상기 에지부(17)의 원주에 걸쳐 약간 또 다른 힘 거동이 나타난다.
도3에서 하부의 F-
Figure 112009059651582-pct00006
-다이어그램으로부터 알 수 있듯이, 각도
Figure 112009059651582-pct00007
= 30° 및 330°일때 에지부(11, 13) 근처에는 4개의 최대값(27)과, 상기 최대값(27)보다 분명하게 더욱 작은 2개의 추가의 국소 최대값(29)이 존재한다.
이와 같이 일측에서는 상부 덮개판(6)과 에지부(15) 사이에, 타측에서는 하부 덮개판(5)과 에지부(17) 사이에 원주에 걸쳐 불균일한 힘이 전달되기 때문에, 상기 중공 몸체(4)가 예압력으로써 상기 상부 및 하부 덮개판(6, 5)에 고정될 때 상기 상부 덮개판(6) 및 상기 하부 덮개판(5) 상에 작용하는 상기 중공 몸체(4)의 휨 모멘트가 발생한다. 상기 휨 모멘트는 자연적으로 압전 액추에이터(1)로도 전달되며, 이는 상기 액추에이터의 작동 안전성 및 그 수명에 바람직하지 못하게 작용한다. 그 외에도 상기 휨 모멘트는 본원의 작동 장치에 의해 작동되는 유압 밸브 부재들에도 바람직하지 못하다.
도4에는 도3에 도시한 플레이트(9)로 제조한 중공 몸체(4)의 사시도가 도시되어 있다. 도4에서 개별적으로 부호 표시되지 않은 리세스부들(7)의 열들은 16개의 평면(E1 내지 E16)을 형성하는데, 이들 평면들은 상기 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 수직으로 연장되어 있다. 상세한 도시의 방식으로 도4에는 평면(E2)이 명확하게 도시되어 있다. 마찬가지로 도4에는 상기 중공 몸체(4)의 벽 두께(s)가 표시되어 있다.
그러므로 본 발명에 따라 상기 에지부들(15, 17)에서 각도
Figure 112009059651582-pct00024
= 180°인 곳에 제2 시임(33)이 제공된다. 상기 제2 시임(33)은 하기에서 도5에 따라 계속해서 설명된다. 상기 도들에 도시한 중공 몸체(4)는 도1에 도시한 플레이트(9)를 만곡시켜서 제작된 것이다. 상기 에지부(17)는 상기 중공 몸체(4)의 제1 단부를 형성하며, 그에 반해 상기 에지부(15)는 상기 중공 몸체(4)의 제2 단부를 형성한다.
도4 및 도5에서 분명하게 알 수 있듯이, 상기 플레이트(9)의 에지부들(11, 13)(도3 참조)은 상기 중공 몸체(4)에서 상호간에 마주보고 위치해 있다. 그러나 상기 에지부들(11, 13)은 상호간에 용접되어 있지 않기 때문에 도3에 따라 기술한 상기 중공 몸체(4)의 축방향 변화(횡력, 휨 모멘트)는 상기 에지부들(11, 13)에 의해 형성된 제1 시임(31)에서 일어난다.
이제 본 발명에 따라 상기 중공 몸체(4) 내에 제1 시임(31)에 대해 180°만큼 오프셋 되어 하나 혹은 2개의 제2 시임(33)이 제공된다(도5 및 도6 참조). 이와 관련하여 상기 제2 시임들(33)은 도5 및 도6에 따른 실시예의 경우 리세스부(7)에 닿을 정도의 길이만을 갖는다. 그럼으로써 상기 중공 몸체(4)는 원주 각도
Figure 112009059651582-pct00009
= 180°인 지점에서 마찬가지로 약화되며, 상기 원주 각도
Figure 112009059651582-pct00010
= 180°인 곳의 최대값(27)은 분명하게 감소된다. 이러한 조치의 결과에 따라, 중공 몸체(4)로부터 압전 액추에이터(1, 79)에 가해지는 탄성력은 축방향으로만 진행한다. 반경방향의 휨 모멘트나 힘은 상기 압전 액추에이터(1, 79) 내로 유도되지 않는다.
도6에는 본 발명에 따른 중공 몸체의 제2 실시예가 도시되어 있다. 본질적인 차이는 리세스부들(7)의 열 수가 홀수라는 점, 즉 17개라는 점에 있다. 그러므로 상기 에지부(17)에서와 상기 에지부(15)의 상기 제1 시임(31)의 종결부가 동일하다. 그에 따라 상기 에지부(15)에서와 상기 에지부(17)에서의 힘 거동이 동일하며, 도3에서 상기 에지부(17)와 결부하여 도시한 힘 거동에 상응한다. 상기 중공 몸체(4)의 두 단부(15, 17)에서의 힘 거동이 대칭을 이루기 때문에, 본 발명에 따른 중공 몸체(4)의 스프링 특성은 추가로 향상된다. 도6에 개별적으로 도면 부호를 표시하지 않은 리세스부들(7)의 17개 열은 17개의 평면(E1 내지 E17)을 형성하며, 이 평면들은 상기 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 수직으로 연장된다.
도7에 따른 실시예의 경우, 상기 제2 시임(33)은 상기 에지부(17)로부터 상기 에지부(15)에까지 연장되어 있으며, 그럼으로써 상기 중공 몸체(4)는 2개의 원통형 반쪽 셸(4a, 4b)로 구성된다. 그럼으로써 상기 에지부들(17, 15)과 상기 상부 덮개판(6) 및 상기 하부 덮개판(5)(미도시) 사이에서 원주에 걸쳐 전달될 수 있는 힘이 더욱 균일화된다.
도8에는 도6 또는 도7에 따른 중공 몸체를 구비한 작동 장치가 아주 간략하게 부분 종단면도로 도시되어 있다. 일측의 반부(4a)만이 단면도로 도시되어 있는 중공 몸체(4)가 반경방향으로 고정될 수 있도록 하기 위해, 상부 덮개판(6)은 견부(37)를 구비하고 있다. 상기 견부(37)에 의해, 상기 중공 몸체(4)는 반경방향으로 고정된다. 하부 덮개판(5) 내에는 상기 중공 몸체(4)를 반경방향으로 고정할 수 있도록 환상홈부(39)가 제공되어 있다. 물론 상기 상부 덮개판(6) 내에 환상홈부(미도시)가 제공될 수도 있다. 도8에 도시한 작동 장치의 경우, 2개의 부분으로 이루어진 중공 몸체(4)뿐만 아니라 도3 내지 도6에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 또 다른 중공 몸체가 내장될 수도 있다.
도9에는 본 발명에 따른 작동 장치의 추가의 실시예가 부분 종단면도와 상부에서 바라본 단면도로 도시되어 있다. 이와 관련한 상기 작동 장치는 2개의 부분으로 이루어진 중공 몸체(4)를 구비하고 있다. 본 실시예의 경우, 상부 덮개판(6)도 2개의 부분으로 설계되어 있다. 상기 상부 덮개판(6)의 상기 두 부분들은 도9에서 6a와 6b로 표시되어 있다. 두 접촉 핀들(2) 각각은 상기 상부 덮개판(6)의 각각의 부분(6a, 6b)과 전기 전도되는 방식으로 연결되어 있다. 그리고 상기 상부 덮개판(6a, 6b)을 통해 액추에이터(1)가 전기적으로 연결된다. 액추에이터(1)와 상기 상부 덮개판의 부분들(6a, 6b) 사이의 전기적 연결은 도9에 상세하게 도시되어 있지 않다. 그러나 상기와 같은 접촉이 구현되는 방법은 전기 액추에이터의 설계 및 제조 분야의 당업자라면 숙지하고 있는 개념이다. 도9에 도시된 실시예에 따라 상기 중공 몸체(4)의 부분(4a)은 상기 상부 덮개판의 부분(6a)과 용접되며, 이는 단순화하여 도시된 용접 시임(41)에 의해 명시되어 있다. 마찬가지로 상기 중공 몸체의 부분(4b)은 상기 상부 덮개판(6)의 부분(6b)과 용접 시임(41)에 의해 결합되어 있다. 상기 용접 시임(41)은 상기 중공 몸체(4a, 4b)를 반경방향으로 고정하는 역할을 한다.
상기 상부 덮개판의 부분들(6a, 6b) 사이에는, 접촉 핀들(2) 및 상기 상부 덮개판(6)의 부분들(6a, 6b)을 상호간에 전기적으로 분리시킬 수 있도록, 바람직하게는 세라믹으로 제조되는 절연체(43)가 제공되어 있다. 또한, 도9에 따른 실시예의 경우, 상기 절연체(43)와 상기 상부 덮개판의 부분들(6a, 6b)을 결합하는 데 이용되는 고정 클램프(45)도 제공된다.
상기 중공 몸체(4a, 4b)와 상기 액추에이터(1) 사이에는 바람직하게는 플라스틱 복합 금속이나 연질 땜납으로 형성된 가요성 결합 수단(47)이 제공된다.
또한, 도9에는 본 발명에 따른 작동 장치를 절단선(A-A)을 따라 잘라낸 단면도가 도시되어 있다.
도10a 및 도10b에는 본 발명에 따른 중공 몸체(4)의 2개의 추가 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 본 실시예들의 경우, 앞서 기술한 실시예들과는 달리, 제1 시임(31)의 맞은편(
Figure 112009059651582-pct00011
는 거의 180°와 동일함)에서의 중공 몸체의 횡력 회피는 그곳에 리세스부(51)가 제공됨으로써 달성된다. 상기 리세스부(51)는 상기 제1 시임(31)의 맞은편에서 상기 중공 몸체(4)를 의도한 바대로 약화시키며, 그럼으로써 결과적으로 상기 중공 몸체(4)는 오로지 축방향으로만 압전 액추에이터(1, 79)를 가압하게 된다. 도10a 및 도10b에 따른 실시예들간의 유일한 차이점은 상기 리세스부(51)의 형태에 있다. 도10a에 따른 실시예의 경우 상기 리세스부(51)는 활꼴의 형태를 갖는 반면에, 도10b에 따른 실시예의 경우 상기 리세스부(51)는 직사각형으로 설계되어 있다. 상기 리세스부(51)의 형태 및 치수의 정확한 결정은 FEM 계산 영역의 전문가라면 어떤 적용예에서든 즉시 실시할 수 있다.
수많은 경우에서, 제1 시임(31)의 영역에도 리세스부(53)가 제공되는 것이 바람직한 것으로서 입증되었다.
도10a 및 도10b에 미도시한 상기 중공 몸체(4)의 제1 단부(15)는 제2 단부(17)와 동일하게 설계할 수 있다.
다음에서는 도11에 따라, 본 발명에 따른 연료 분사 밸브(116)가 내연기관의 연료 분사 시스템(102) 내에 통합되는 방법에 대해 설명된다. 상기 연료 분사 시스템(102)은 연료 탱크(104)를 포함하고 있으며, 이 연료 탱크로부터 연료(106)가 전기적 혹은 기계적 연료 펌프(108)를 통해 공급된다. 저압 연료 라인(110)을 통해서 상기 연료(106)는 고압 연료 펌프(111)로 공급된다. 그리고 상기 고압 연료 펌프(111)로부터 상기 연료(106)는 고압 연료 라인(112)을 통해 커먼 레일(114)로 공급된다. 커먼 레일에는 복수의 연료 분사 밸브들(116)이 연결되어 있으며, 이들 연료 분사 밸브들은 미도시한 내연기관의 연소실(118) 내로 연료(106)를 직접 분사한다.
자명한 사실에서, 실시예와 결부된 명세 내용, 도면들 혹은 특허 청구항들에 기술된 특징들은 개별적으로 혹은 또 다른 특징들과 조합되어 본 발명의 본질적인 내용을 구성할 수 있다.

Claims (30)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 중공 몸체(4) 내에 배치된 압전 액추에이터(1)를 포함하며, 중공 몸체(4)는 탄성체로 형성되어 액추에이터(1)를 예압하고 리세스부들을 구비하며, 종축(35)에 대해 평행하게 연장되는 제1 시임(31)을 포함하는 작동 장치에 있어서,
    적어도 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)에 제1 시임(31)의 맞은편에 배치된 제1 리세스부(51)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  5. 제4항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)에 제1 시임(31)의 맞은편에 배치되는 추가의 리세스부(51)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제1 단부(17) 또는 제2 단부(15) 또는 상기 두 단부 모두에서 제1 시임(31)의 영역에 각각 리세스부(53)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)는 상부 덮개판(6) 또는 조정 디스크(93)와 결합되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)는 반경방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  9. 제8항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제1 단부(17)에서 상부 덮개판(6) 내에, 혹은 조정 디스크(93) 내에 반경방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  10. 제8항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제1 단부(17)로써 용접(41)에 의해 상부 덮개판(6)에 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  11. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4) 내에 위치하는 압전 액추에이터(1)의 접촉은 상부 덮개판(6a, 6b)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  12. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상부 덮개판(6)은 2개의 부분으로 설계되어 있으며, 상부 덮개판(6)의 두 부분들(6a, 6b) 사이에는 분리 시임이 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  13. 제12항에 있어서, 제1 시임(31) 및 제2 시임(33)은 상부 덮개판(6a, 6b)의 분리 시임으로 이어지는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상부 덮개판(6, 6a, 6b)은 절연체(43)에 의해 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상부 덮개판(6, 6a, 6b)은 고정 클램프(45) 또는 고정 커버에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  16. 제11항에 있어서, 중공 몸체(4)와 압전 액추에이터(1) 사이에 가요성 결합 수단(47)이 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  17. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)는 반경방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  18. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제2 단부(15)에서 하부 덮개판(5) 혹은 커플러 하우징(86)과 결합되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  19. 제18항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)는 하부 덮개판(5) 혹은 커플러 하우징(86) 내에 반경방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  20. 제18항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제2 단부(15)로써 용접(41)에 의해 상기 하부 덮개판(5)에 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  21. 제4항 또는 제5항에 있어서, 리세스부들(7)은 뼈 모양으로 형성되며, 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 횡방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  22. 제4항 또는 제5항에 있어서, 복수의 리세스부들(7)은 하나의 평면(E2) 내에 연이어 배치되며, 이 평면(E2)은 중공 몸체(4)의 종축(35)과 직각을 이루는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  23. 제21항에 있어서, 짝수의 리세스부들(7)이 하나의 평면(E2) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  24. 제22항에 있어서, 리세스부들(7)을 구비한 복수의 평면들(Ei)이 제공되며, 이 평면들(Ei)은 서로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  25. 제4항 또는 제5항에 있어서, 2개의 이웃하는 평면들(E2)의 리세스부들(7)은 서로 오프셋 되어(23) 배치되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  26. 제25항에 있어서, 2개의 이웃하는 평면들의 리세스부들(7)의 오프셋(23)은 하나의 평면(E1)의 리세스부들(7)의 반쪽 반복 패턴(21)과 동일한 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  27. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)는 원형의 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  28. 제4항 또는 제5항에 있어서, 중공 몸체(4)의 횡단면은 정다각형의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  29. 제4항 또는 제5항에 있어서, 압전 액추에이터(1)는 중공 몸체(4) 내에 배치되며, 예압된 중공 몸체(4)에 의해 압력 하중을 받는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  30. 제4항 또는 제5항에 있어서, 압전 액추에이터(1)는 중공 몸체(4) 외부에 배치되며, 예압된 중공 몸체(4)에 의해 압력 하중을 받는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
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