KR101100973B1 - 연료 분사 시스템용 밸브 및 연료 분사 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 분사 시스템용 밸브(2)에 관한 것이다. 연료 분사 시스템용 밸브는 밸브 하우징(4) 내에 형성된 밸브 시트(8) 및 밸브 하우징(4) 내에서 이동 가능한 밸브 부재(6)를 갖는다. 밸브 부재(6)는 밸브(2)가 폐쇄될 때 밸브 시트(8)에 대하여 밀봉식으로 접하는 밀봉면(10)을 갖고, 밀봉면(10)은 밸브 시트(8)와 함께 밸브(2) 개방될 때 연료가 관통하여 유동하는 밸브 갭(12)의 경계를 형성한다. 캐비테이션 손상을 방지하기 위해, 밸브 부재(6)는 유동 방향으로 밀봉면(10) 바로 후방에 배열된 주연부 홈(18)을 포함하고, 밸브 부재(6)의 주연부 단면 확장부(20)는 주연부 홈(18)에 이어진다.

연료 분사 시스템, 밸브, 캐비테이션, 홈

Description

연료 분사 시스템용 밸브 및 연료 분사 펌프{VALVE FOR A FUEL INJECTION SYSTEM AND A FUEL INJECTION PUMP}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 기재된 특징을 갖는 내연기관의 연료 분사 시스템, 특히 커먼-레일-분사시스템의 분사기용 밸브와, 연료 분사 펌프에 관한 것이다.

커먼-레일-분사시스템은, 전자 엔진 제어기의 제어하에 커먼-레일로 명명된 중앙 고압 탱크로부터 고압펌프에 의해 연료를 공급받아서 밸브를 통해 내연기관 실린더의 연소실로 분사하는 복수의 분사기를 포함한다. 그러한 밸브는 특히 출원인 소유의 독일 특허 제199 40 296 A1호로부터 알려져 있고, 연료가 밸브를 통하여 실린더의 연소실로 분사되어야 하거나 또는 연료의 공급이 차단되어야 할 때, 밸브 위치에 따라 분사 시스템의 분사기의 고압 영역을 저압 영역과 연결시키거나 이와 분리시키는데 사용된다.

밸브 시트 및 밀봉면 사이에 형성되고 그 단면이 밸브 시트 후방에서 크게 확장된 환형 유로를 통하여 연료가 개방된 밸브에서 고속으로 유동할 때, 연료 내에는 캐비테이션이 발생할 수 있다. 이때, 국부 압력이 연료의 증기압 이하로 떨어질 때 연료 내에 증기 방울이 발생한다. 압력이 다시 상승될 때 연료는 증기 방울 내에 응축되고, 고속으로 환형 유로의 인접 경계면에 충돌한다. 이를 통해 밸브 시트 바로 후방에서 캐비테이션 손상 현상이 발생할 수 있고, 이를 통해 점진적인 부식이 시트 자체에도 전이된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 독일 특허 제199 40 296 A1호에는 환형 유로의 단면적을 밸브 갭의 영역 내에 최소의 단면적으로부터 시작해서 일정한 비율로 증가시키는 것이 제안되었다. 그러나 이러한 방법이 캐비테이션 손상을 확실히 방지하기 위해 항상 충분한 것은 아니었다.

청구항 제1항에 기재된 특징을 갖는 본 발명에 따른 밸브를 이용할 때, 밸브 시트 후방의 연료 유동이 축방향으로 쉽게 편향되지만은 않기 때문에 캐비테이션 손상을 방지하는데 좋은 결과를 얻을 수 있다. 그 대신에 연료 유동은 홈을 지나서 유동할 때 밸브 부재의 중심선으로부터 멀어지는 방향으로 속도 성분을 얻어, 홈으로부터 배출된 이후 밸브 하우징의 유동 보어의 내벽의 대향하는 영역에 충돌한다. 충돌시 연료 유동의 일부는 밸브 갭의 방향으로 내벽을 따라 역으로 지향되고, 이를 통해 밸브 갭 바로 후방에, 홈과 내벽의 대향하는 벽 영역 사이 확대된 환형실 내에 와류가 형성된다. 이러한 와류를 통하여, 한편으로는 부가된 연료가 밸브 갭의 후방의 환형실로 들어가므로, 그 곳에는 증가된 연료가 존재하게 되는데, 이는 밸브 갭 근방에서의 캐비테이션 발생 및 그로 인해 장기간에 걸쳐 밸브 시트에 발생된 캐비테이션 손상을 방지한다. 다른 한편으로는, 밸브 갭의 방향으로 역으로 지향되는 연료는 밸브 하우징의 내벽을 따라서 유동하고, 이로써 부가된 연료는 특히 캐비테이션 위험이 있는 영역으로 공급되고 연료 압력 강하로 인한 국부적인 증기 방울 형성이 회피될 수 있다.

본 발명의 맥락에서, 홈은, 밸브 부재의 주연 내의 오목형 환형홈으로 이해되어야 하는 반면, 단면 확장부는, 그 직경이 환형홈 영역에서의 직경보다 더 큰, 밸브 부재의 유동 방향으로 교접하는 부분으로 이해된다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 밸브 갭 후방의 확장된 환형실 내에 매우 양호한 와류 형성은, 홈과 단면 확장부 사이에 언더컷된 주연부 절결 에지가 배치되고 이 에지와 양측에서 교접하는 홈과 단면 확장부의 외주연면 부도 우각으로 상호 교차함으로써 얻어진다.

단면 확장부의 측면에서 에지와 교접하는 외주연면 부는 양호하게는 밸브 부재의 중심축에 실질적으로 평행하게 배열되나, 홈 측면에서 에지와 교접하는 주연면 부는 양호하게는 유동 방향과 반대로 밸브 부재의 중심선에 대하여 20도 내지 80도, 양호하게는 30도 내지 60도의 각도로 경사져 있어서, 양 주연면 부들은 200도 내지 260도, 양호하게는 190도 내지 240도의 각도로 상호 교차한다.

절결 에지를 매우 간단하고 비용 효율적으로 제조하는 것은 본 발명의 추가의 양호한 실시예에 따라서 가능한데, 밸브 부재의 마무리 가공시에 적어도 밸브 시트에 대향하는 밀봉면의 영역과 홈의 영역에서의 외주연면을 최종 직경까지 연마하나 단면 확장부 영역은 연마하지 않기 때문에, 그 곳에 남아 있는 재료는 자동적으로 절결 에지를 형성한다. 이러한 경우 밸브 부재의 단면은 단면 확장부 후방에서 유동 방향으로 작아지나, 반드시 그렇게 되어야 하는 것은 아니다.

대량 생산을 위한 비용 효율적인 밸브 부재의 구조를 제공하기 위해, 오목 홈은 양호하게는 적어도 0.2mm이고, 바람직하게 홈의 전체 폭에 걸쳐서 일정한 크기인 곡률반경을 갖는다.

와류 형성을 돕기 위해 본 발명의 또다른 양호한 실시예에 따라서 홈에 실질적으로 대향하는 유동 보어의 내벽 부분을 밸브 부재의 중심축 또는 유동 보어의 중심축과 각각 평행하게 배열하는 것이 아니라, 이 부분에 단차 또는 챔퍼링을 사용하는 것도 제공될 수 있는데, 이는 연료 흐름의 일부가 밸브 갭 방향으로 편향되는 것을 돕는다.

본 발명은 아래 관련 도면을 참조하여 이하 실시예에서 상세히 설명된다.

도1은 본 발명에 따른 밸브의 밸브 부재 또는 밸브 볼트의 측면도이다.

도2는 도1의 절단선(Z)에 따른 밸브 갭 영역 내 밸브의 확대 단면도이다.

도3은 도2에 대응하는 확대 단면도이나 밸브 갭 후방의 유동 방향에서 밸브 부재의 다른 구조를 도시한다.

도4는 도2에 대응하는 확대 단면도이나 밸브 갭 후방의 유동 방향에서 밸브 부재 및 밸브 하우징의 다른 구조를 도시한다.

도면에 부분적으로 도시된 밸브(2)는 내연기관의 커먼-레일-분사 시스템의 분사기의 부품이고, 이는 커먼-레일로 지칭되는 중앙 고압 탱크로부터 내연기관의 실린더의 연소실 내로 연료를 분사하기 위해 사용된다.

그러한 분사기의 완성된 조립체는 예를 들어 출원인 소유의 독일 특허 제196 19 523 A1호에 자세히 기술되어 있고, 그 밸브 조립체에 관한 추가의 세부 사항은 이미 언급된 출원인 소유의 독일 특허 제199 40 296 A1호에 개시되어 있으므로, 여기서 상세한 설명의 생략을 위해 위 공보들을 참조한다.

밸브(2)는 실제로 밸브 하우징(4)으로 구성되고, 그 내부에 회전대칭의 밸브 볼트(6)가 축방향으로 이동가능하게 삽입된다 (도1 참조). 밸브 볼트(6)는 원추형의 유동 방향으로 테이퍼진 밀봉면(8)을 포함하고, 이는 밸브(2)가 폐쇄될 때 하우징(4)의 상보적인 원추형 밸브 시트(10)에 대하여 밀봉식으로 지지된다. 도2 내지 도4에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 밸브(2)가 개방될 때 밀봉면(8)은 밸브 시트(10)와 함께 밸브 볼트(6)를 둘러싸는 밸브 갭(12)을 링형 유동 채널 형태로 형성하고, 이를 통하여 밸브(2)의 고압측(14)으로부터 분사된 연료는 저압측(16)으로 유동한다.

밸브 볼트(6)는 또한 유동 방향으로 밀봉면(8) 바로 후방에서 자신의 외주연에 배치된 주연부 홈(18), 즉 종방향 단면으로 보아 축방향 너비에 걸쳐 밸브 볼트(6)의 직경이 그 전방 및 후방보다 작은 오목형의 리세스 또는 홈을 포함하고, 밸브 볼트(6)에는 홈(18)에 인접하는 단면 확장부(20)가 제공된다.

홈(18)은 밸브 시트(10)의 후방에 실질적으로 축방향으로 발산되는 연료 유동의 적어도 일부를 편향시키는데 사용되는데, 이 때 연료 유동은 밸브 볼트(6)의 중심축(22)으로부터 멀어지는 방향으로 속도 성분을 가지고 홈(18)으로부터 배출된 이후 밸브 하우징(4)의 유동 보어(26)의 내벽(24)의 대향된 영역에 충돌한다. 도2, 도3 및 도4에 화살표로 가장 잘 도시된 바와 같이, 연료 유동은 두 개의 부분 유동으로 분리되고, 그 중에서 더 큰 것은 충돌 이후 유동 보어(26)의 내벽(24)을 따라 보어(26)의 유동 상류 부분으로 지향되고, 더 작은 것은 그 유동 방향과 반대방향으로 밸브 갭(12)으로 역으로 지향된다. 유동 방향으로 밸브 갭(12)과 연결되고 확장된 환형실(30) 내에서, 홈(18)과 대향된 내벽(24)의 벽 영역 사이에서 이 부분 유동이 밸브 갭(12)으로부터 유입된 연료 유동과 함께 와류(32)를 형성하고, 이는 밸브 시트(10)의 바로 후방 영역에서 밸브 하우징(4)을 캐비테이션을 통해 발생하는 부식으로부터 보호함으로써 밸브 시트(10)는 오랜 작동 시간 동안에도 손상받지 않는다.

이러한 보호 와류(32)를 형성하기 위해서, 홈(18)으로부터 배출되는 연료 유동의, 밸브 볼트(6)의 중심축(22)에 대한 경사각은 너무 작아서는 안되고, 이는, 그렇지 않으면 전체 연료가 직접 유동 방출 보어(26) 내로 향하기 때문이다. 따라서, 한편으로 홈(18)은 너무 평편하게 형성되어서는 안되고, 연결된 단면 확장부에 대해 소정의 최소 깊이(T)를 가져야 하고 (도1), 이는 밀봉면의 중심에서 밸브 볼트(6)의 직경이 1.35mm일 때 양호하게는 O.04mm 이상 커야 한다. 다른 한편으로, 홈(18)은 단면 확장부로의 전이부에서 라운딩되서는 안되는데, 이는 홈(18)으로부터 배출되는 연료 유동의 중심축(22)에 대한 경사각이 더 작아지게 되기 때문이다. 그 대신 홈(18)과 단면 확장부(20) 사이에는 주연부 에지(34)가 제공되고, 여기서 상호 교접하는 홈(18) 및 단면 확장부(20)의 외주연면 부들(36, 38)은 우각(β)을 형성하고 (도1), 이는 적어도 200도이고 양호하게는 220도 내지 240도이다. 전이부가 라운딩될 때와는 달리, 상기 에지(34)에서는 연료 유동이 밸브 볼트(6)의 주연면에 의해 절결되는데, 그러나 결과적으로 밸브 볼트(6)의 강화된 표면 때문에 캐비테이션 손상이 발생되지는 않는다. 에지(34)에서의 유동의 절결로 인해, 홈(18)으로부터 연료가 중심축(22)에 대한 소정의 경사각으로 배출되고, 이는 실질적으로 홈(18)의 내부에서 에지(34)와 교접하는 주연면 부(36)의 경사각(α)에 대응한다. 이러한 경사각이 얼마나 크게 채택되는지에 따라, 연료 유동이 유동 보어(26)의 대향하는 내벽(24) 영역에 충돌할 때 밸브 갭(12)의 방향으로 소정의 연료가 역으로 지향된다. 양호하게는 20도 내지 60도인 이러한 경사각들을 적절히 선택함으로써, 역류하는 연료의 비율은, 한편으로는 와류형성으로 인해 밸브 시트(10)의 바로 후방에서의 캐비테이션 손상이 방지되고 다른 한편으로는 그 와류형성은 밸브 갭(12)으로부터 배출에 따른 연료 유동을 저하하지 않는 수치로 조절될 수 있다.

도시된 모든 실시예에서, 내벽(24)을 따라 역류하는 연료는 밸브 갭(12) 바로 후방까지의 내부 벽을 캐비테이션에 따른 손상으로부터 보호하는데, 그렇지 않을 경우, 연료가 밸브 갭(12)으로부터 배출되어 환형실(30)로 유입되면 연료 내 압력 손실에 의해 이러한 손상이 발생될 수도 있다.

홈(18)의 내부에서 에지(34)와 교접하는 주연면 부(36)는 밸브 볼트(6)의 중심선(22)에 대해 약 60도의 경사각(α)으로 정렬되고, 연료는 유동 보어(26)의 내벽(24)과 매우 가파르게 충돌하고 밸브 갭(12) 방향으로 비교적 많은 연료가 역으로 지향되는 밸브 볼트(6)가 도2에 도시되는 반면, 도3 및 도4는 두 개의 밸브 볼트(6)를 도시하고 경사각(α)은 각각 약 35도 및 약 20도이고, 와류(32)의 형성 하에 이에 대응하여 더 적은 연료가 밸브 갭(12) 방향으로 역으로 지향된다.

도4에서 이미 경사각(α)은 와류(32)가 아직 형성된 한계 영역에 놓여 있으므로, 유동 보어(26)의 대향된 내벽(24)에는 작은 단차(40)가 제공된다. 이 단차(40)는 밸브 볼트(6) 및 유동 보어(26)의 중심축(22)에 대해 경사진 표면으로 인해 연료 유동의 일부가 밸브 갭(12)의 방향으로 역으로 지향하는 것을 돕는다.

홈(18)의 오목한 경계는 모든 실시예에서 환형이고, 밸브 볼트(6)의 비용 효율적인 대량생산을 가능하게 하기 위해, 그 곡률반경은 0.2mm 미만이어서는 안 된다. 모든 실시예에 도시된 바와 같이, 홈(18)의 밸브 갭(12)을 향한 측면은 양호하게는 전이부없이 밀봉면(8)으로 전이된다.

홈(18)의 타측의 날카로운 절결 에지(34)는 밸브 볼트(6)의 대량생산시 비용 효율적으로 제조되는데, 밸브 볼트(6)는 마무리 가공시 단면 확장부(20)의 양측에서 최종 직경으로 연마되지만, 단면 확장부(20)의 영역은 연마되지 않으므로, 밸브 볼트(6)의 마무리 연마 가공 이전의 직경이 유지되는데, 이는 홈(18)으로의 전이부에서 자동적으로 절결 에지(34)가 형성되도록 한다.

Claims (10)

1. 밸브 하우징 내에 형성된 밸브 시트와 밸브 하우징 내에서 이동 가능한 밸브 부재를 갖는 연료 분사 시스템용 밸브이며, 밸브 부재는 밸브가 폐쇄될 때 밸브 시트에 대하여 밀봉식으로 접하는 밀봉면을 포함하고, 밀봉면은 밸브가 개방될 때 밸브 시트와 함께, 연료가 관통하여 유동하는 밸브 갭의 경계를 형성하는 연료 분사 시스템용 밸브에 있어서,

   밸브 부재(6)는 유동 방향으로 밀봉면(8)의 바로 후방에 배열된 주연부 홈(18)을 포함하고, 밸브 부재(6)의 주연부 단면 확장부(20)는 주연부 홈(18)에 이어지고,

   홈(18) 및 단면 확장부(20) 사이에 주연부 에지(34)가 배치되고, 이와 상호 교접하는, 홈(18) 및 단면 확장부(20)의 주연면 부들(36, 38)은 각도(β)로 상호 교차하고,

   밸브 부재(6)의 주연면 부들(36, 38)은 에지(34)에서 우각(β)으로 상호 교차하고,

   홈(18)의 측면에서 에지(34)에 인접하는 주연면 부(36)는 밸브 부재(6)의 중심축(22)에 대하여 20 내지 80도의 각도로 경사지는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템용 밸브.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 단면 확장부(20)의 측면에서 에지(34)에 인접하는 외주연면 부(38)는 밸브 부재(6)의 중심축(22)에 대해 실질적으로 평행하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템용 밸브.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 홈(18)의 곡률 반경은 0.2mm 보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템용 밸브.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 홈(18)과 밀봉면(8)은 전이부 없이 상호 전이되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템용 밸브.
8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 밸브 부재(6)의 단면은 유동 방향으로 단면 확장부(20) 후방부에서 점차 감소되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템용 밸브.
9. 제1항 또는 제4항에 있어서, 밸브 부재(6)의 외주연면은 적어도 밀봉면(8) 및 홈(18)의 영역에서 연마되지만, 단면 확장부(20)의 영역에서는 연마되지 않는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템용 밸브.
10. 제1항 또는 제4항에 따른 밸브를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 펌프.

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