KR101103856B1 - 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브, 원하는 타이밍에 스텝모터를 제어밸브를 작동시켜 연료유의 방향을 바꿈으로 인해 니들 상단의 상대압을 증가시키거나 감소시키고, 이로 인해 니들의 개폐를 결정지음으로써, 연료유의 압력, 량, 분사시간 등을 엔진상태에 따라 최적화 시킬 수 있고, 이로 인해 연비증가 및 유해가스를 감소시킬 수 있도록 하는 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브를 제공함에 있다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 연료유입구 및 연료배출구가 내부에 형성되는 유로에 의해 연결되고 하부에 상기 유로에 연결되는 챔버가 형성되어 있는 분사밸브바디; 상기 분사밸브바디의 유로를 통해 공급된 연료유가 채워지는 노즐포켓이 형성되고 연료유를 분사시켜주는 노즐부; 상기 노즐부의 내부에 설치되어 상호 압력차에 따라 상하로 이동되면서 노즐부를 개방시키는 니들; 상기 분사밸브바디의 챔버에 설치되어 상기 니들을 노즐부 방향으로 가압시켜주는 니들가압부; 상기 분사밸브바디의 내부에 설치되어 연료유입구에서 챔버로 연결된 유로를 개방하면서 챔버에서 연료배출구로 연결된 유로를 차단하여 챔버에 연료유가 채워지도록 하거나, 챔버에서 연료배출구로 연결된 유로를 개방하면서 연료유입구에서 챔버로 연결된 유로를 차단하여 챔버 내부의 연료가 배출될 수 있도록 하여 니들가압부의 니들 가압력을 조절해주는 제어밸브; 상기 제어밸브가 작동될 수 있도록 동력을 제공하는 스텝모터; 를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브{Electric fuel injection valve using a step motor}

본 발명은 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브에 관한 것으로, 원하는 타이밍에 스텝모터를 동작시켜서 연료유의 방향을 전환함으로 인해 니들밸브 상단의 상대압을 증가시키거나 감소시키고, 이로 인해 니들밸브의 개폐를 결정짓도록 하는 스텝모터를 이용한 연료분사밸브에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 기계식 연료분사밸브는 개방 압력(Nozzle Opening Pressure) 이상의 연료가 들어오면 열리고 낮은 압력이 들어오면 닫히는 하나의 니들과 스프링을 가지고 있다.

연료펌프에서 형성된 고압의 연료가 연료분사밸브에 들어올 때, 연료분사밸브의 니들 하단에서 개방 압력보다 높은 압력이 형성이 되면 이 힘이 니들 상단의 스프링이 니들을 누르는 힘을 이겨내고 니들을 들어 올려 노즐 끝단에 위치한 여러 개의 노즐홀을 통해 연료가 실린더 내로 분사되게 된다.

이와 같은 방법은 정해진 하나의 개방 압력에 따라 모든 노즐홀이 개방되는 하나의 메커니즘으로 구성되어 있으며, 엔진 조립시 정해진 타이밍에 따라 항상 같은 시점(연료분사밸브 내의 압력이 개방 압력 이상이 되는 시점) 에서 분사가 이루어지게 된다.

따라서 엔진의 속도나 부하에 상관없이 개방 압력 보다 높은 압력에서는 분사가 이루어지게 되므로 압력에 따라 능동적으로 분사시기를 조절 할 수가 없다.

또한 분사가 시작되는 압력인 개방압을 증가시키기 위해서는 니들을 누르고 있는 스프링이 강화되어야 하는데 강화된 스프링은 그 크기가 증가할 뿐 아니라 니들이 노즐의 시트부위와 접촉하는 압력을 증가시킴으로써 시트부의 마모를 가속화시킨다.

이러한 기계식 연료분사밸브의 단점을 보완한 것이 기존의 커먼레일 시스템에 적용되는 전자식 연료분사밸브이다.

기존의 전자식 연료분사밸브는 분사 전/후에는 니들의 상/하단에 동일한 연료유의 압력이 가해지게 함으로써 니들의 상승을 막고, 분사 시에는 니들 상단에 걸린 연료유를 배출시켜서 니들 상/하단의 압력 균형을 깸으로써 니들이 상승하여 분사가 이루어진다.

이런 전자식 연료분사밸브의 문제점은 니들의 상단으로 연료유가 흘러들어오는 피드 오리피스(feed orifice) 와 분사 시 니들 상단에서 연료유를 배출시키는 블리드 오리피스(bleed orifice) 가 상시 연결이 되어 있어서 분사 도중 일부의 연료유가 피드 오리피스와 블리드 오리피스를 통하여 지속적으로 배출이 된다. 이는 연료분사밸브의 효율을 떨어뜨리는 결과를 가져오게 되고, 또 솔레노이드 밸브와 압전체(Piezoelectric material)의 특성 상 블리드 오리피스를 열고 닫는 밸브의 스트로크가 매우 작으므로 해당 부분의 설계가 매우 제한적이 될 수밖에 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 연료유의 상대압을 제어하는 장치로서 스텝모터를 채택하여 기존의 솔레노이드밸브 또는 피에조 일렉트릭 밸브가 가지는 짧은 스트로크의 한계점을 극복하고, 연료분사밸브로 들어오는 연료유의 압력이 상대압으로 작용하도록 하여 제어장치의 신호가 전달되기 전에는 분사가 이루어지지 않으며 사용자가 원하는 타이밍에 신호를 전달하여 분사가 이루어지도록 하며, 상대압을 이용하여 니들밸브를 열고 닫음으로써, 기존 기계식 연료분사밸브가 가지는 큰 니들스프링으로 인하여 발생하는 니들의 충격량을 감소시켜서 니들 및 노즐의 수명을 증대시키도록 하고, 기계식 연료펌프와 사용 시에는 니들 스프링의 강성 조절을 통하여 니들의 폐쇄 시점을 조절할 수 있으며, 커먼레일 시스템의 적용 시에는 니들밸브의 폐쇄 시점 역시 전자적으로 제어가 가능하도록 하는 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은, 연료유입구 및 연료배출구가 내부에 형성되는 유로에 의해 연결되고 하부에 상기 유로에 연결되는 챔버가 형성되어 있는 분사밸브바디; 상기 분사밸브바디의 유로를 통해 공급된 연료유가 채워지는 노즐포켓이 형성되고 연료유를 분사시켜주는 노즐부; 상기 노즐부의 내부에 설치되어 상호 압력차에 따라 상하로 이동되면서 노즐부를 개방시키는 니들; 상기 분사밸브바디의 챔버에 설치되어 상기 니들을 노즐부 방향으로 가압시켜주는 니들가압부; 상기 분사밸브바디의 내부에 설치되어 연료유입구에서 챔버로 연결된 유로를 개방하면서 챔버에서 연료배출구로 연결된 유로를 차단하여 챔버에 연료유가 채워지도록 하거나, 챔버에서 연료배출구로 연결된 유로를 개방하면서 연료유입구에서 챔버로 연결된 유로를 차단하여 챔버 내부의 연료가 배출될 수 있도록 하여 가압부의 니들 가압력을 조절해주는 제어밸브; 상기 제어밸브가 작동될 수 있도록 동력을 제공하는 스텝모터; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 니들가압부는, 챔버의 내부에 설치되어 니들을 가압해주는 니들스프링; 상기 니들스프링에 끼워지도록 설치되는 니들스프링 시트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 연료분사의 시작과 끝을 스텝모터를 통한 제어밸브의 회전으로 자유롭게 조절해줌으로써 분사되는 연료유의 압력, 양, 분사시간 등을 엔진 상태에 따라 최적화 시킬 수 있으며 이로 인해 연비를 증가시키고 유해가스(Smoke, NOx)를 감소시킬 수 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1 은 본 발명에 따른 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브의 실시 예를 나타낸 단면도,
도 2 는 본 발명에 따른 분사 시작 전/후, 스텝모터의 작동 전 실시 예를 보인 단면도,
도 3 은 본 발명에 따른 스텝모터의 작동으로 분사가 일어나는 실시 예를 보인 단면도.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 은 본 발명에 따른 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브의 실시 예를 나타낸 단면도, 도 2 는 본 발명에 따른 분사 시작 전/후, 스텝모터의 작동 전 실시 예를 보인 단면도, 도 3 은 본 발명에 따른 스텝모터의 작동으로 분사가 일어나는 실시 예를 보인 단면도로서,

본 발명은 도면에서와 같이 연료유입구(110) 및 연료배출구(120)가 내부에 형성되는 유로(130)에 의해 연결되도록 형성되고, 하부에는 상기 유로(130)에 연결되는 챔버(140)가 형성되어 있는 분사밸브바디(100)와, 상기 분사밸브바디(100)의 유로(130)를 통해 공급된 연료유가 채워질 수 있도록 노즐포켓(210)이 형성되고 상기 연료유를 분사시켜주는 노즐부(200)와, 상기 노즐부(200)의 내부에 설치되어 상호 압력차에 따라 상하로 이동되면서 노즐부(200)를 개방하거나 차단시키는 니들(300)과, 상기 분사밸브바디(100)의 챔버(140)에 설치되어 상기 니들(300)을 노즐(200)부 방향으로 가압시켜주는 니들가압부(400)와, 상기 분사밸브바디(100)의 내부에 설치되되, 연료유입구(110)에서 챔버(140)로 연결된 유로(130)를 개방하면서 챔버(140)에서 연료배출구(120)로 연결된 유로(130)를 차단하여 챔버(140)에 연료유가 채워지도록 하거나, 챔버(140)에서 연료배출구(120)로 연결된 유로(130)를 개방하면서 연료유입구(110)에서 챔버(140)로 연결된 유로(130)를 차단하여 챔버(140) 내부의 연료가 배출될 수 있도록 하여 니들가압부(400)의 니들 가압력을 조절해주는 제어밸브(500)와, 상기 분사밸브바디(100) 내부에 설치되어 제어밸브(500)가 작동될 수 있도록 동력을 제공하는 스텝모터(600)를 포함하여 구성된다.

상기 니들(300)은 유로(130)를 통해 노즐부(200)의 노즐포켓(210)에 개방압력 이상의 연료유가 들어오면 상부로 상승되어 노즐부(200)를 열어 연료유의 분사가 가능하도록 하고, 낮은 압력이 들어오면 니들가압부(400)에 의해 가압되어 노즐부(200)를 닫아주게 되는 것이다.

상기 니들가압부(400)는 상기 챔버(140)의 내부에 설치되어 니들(300)을 노즐부(200) 방향으로 가압시켜주는 니들스프링(410)과, 상기 니들스프링(410)에 끼워지도록 설치되어 니들스프링(410)을 밀어주는 니들스프링 시트(420)를 포함하여 구성된다.

상기 제어밸브(500)는 상기 스텝모터(600)를 통해 동력을 공급받아 180도씩 회전가능 하도록 구성되는 것으로, 최초 챔버(140)에서 연료배출구로(120)의 유로(130)를 차단한 상태에서 연료유입구(110)로 유입된 연료유가 챔버(140)와 니들포켓(210) 모두에 공급될 수 있도록 위치하고, 스텝모터(600)에 의해 180도 회전할 경우에는, 챔버(140)에 유입된 연료유가 유로(130)를 거쳐 연료배출구(120)로 배출될 수 있도록 하는 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 제어밸브 작동을 통해 노즐의 분사과정을 설명하면,

연료분사밸브의 분사 시작 전/후, 스텝모터(600)의 작동 전에는 연료유입구(110)를 통하여 연료유가 분사밸브바디(100)의 내부로 유입된다.

이때 제어밸브(500)는 연료유입구(110)와 챔버(140) 사이의 유로(130)를 개방하고 있으므로 동일한 고압의 연료유가 챔버(140)와 노즐포켓(210)에 채워지게 된다.

이 경우 니들(300)은 니들스프링(410)의 힘에 의해 닫혀 있는 상태를 유지하게 되는 것이다.

한편 분사가 이루어질 타이밍에 제어밸브(500)가 스텝모터(600)에 의해 180도 회전하여 챔버(140)로 유입되는 연료유를 차단함과 동시에 챔버(140) 내부에 채워져 있던 연료유가 유로(130)를 통해 연료배출구(120)로 빠져나가게 된다.

이렇게 챔버(140) 내부에 가득 차 있던 연료유가 연료배출구(120)로 배출되면서 챔버(140) 내부의 압력이 떨어지게 되고, 이로 인해 노즐포켓(210)과 압력차이가 발생하게 되어 노즐포켓(210) 내 고압의 연료유가 니들가압부(400)의 니들스프링(410)에 의한 가압력 보다 커지게 되어 니들(300)을 들어올려 노즐부(200)를 통해 분사가 이루어지게 된다.

한편 연료의 분사를 종료할 경우에는 다시 스텝모터(600)가 제어밸브(500)를 180도 회전시켜 챔버(140)의 내부로 연료유가 흘러들어오게 함으로써 챔버(140) 내의 압력이 노즐포켓(210) 내의 압력과 동일한 압력으로 상승하게 되어 니들(300)이 하강하고 하강된 니들(300)이 노즐부(200)을 밀폐하여 노즐브(200)을 통한 연료의 분사가 종료된다.

이와 같이 본 발명은 연료분사밸브 내부로 유입되는 연료유의 방향을 스텝모터(600)와 제어밸브(500)를 통해 조정하여 연료유의 방향을 조절함으로써 니들(300)에 발생되는 상대압을 변경시켜 분사 타이밍을 조절할 수 있어, 연료유의 압력, 량, 분사시간 등을 엔진상태에 따라 최적화 시킬 수 있고, 이로 인해 연비증가 및 유해가스를 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(100) : 분사밸브바디 (110) : 연료유입구
(120) : 연료배출구 (130) : 유로
(140) : 챔버 (200) : 노즐부
(210) : 노즐포켓 (300) : 니들
(400) : 니들가압부 (410) : 니들스프링
(420) : 니들스프링 시트 (500) : 제어밸브
(600) : 스텝모터

Claims (2)

1. 연료유입구 및 연료배출구가 내부에 형성되는 유로에 의해 연결되고 하부에 상기 유로에 연결되는 챔버가 형성되어 있는 분사밸브바디;
   상기 분사밸브바디의 유로를 통해 공급된 연료유가 채워지는 노즐포켓이 형성되고 연료유를 분사시켜주는 노즐부;
   상기 노즐부의 내부에 설치되어 상호 압력차에 따라 상하로 이동되면서 노즐부를 개방시키는 니들;
   상기 분사밸브바디의 챔버에 설치되어 상기 니들을 노즐부 방향으로 가압시켜주는 니들가압부;
   상기 분사밸브바디의 내부에 설치되어 연료유입구에서 챔버로 연결된 유로를 개방하면서 챔버에서 연료배출구로 연결된 유로를 차단하여 챔버에 연료유가 채워지도록 하거나, 챔버에서 연료배출구로 연결된 유로를 개방하면서 연료유입구에서 챔버로 연결된 유로를 차단하여 챔버 내부의 연료가 배출될 수 있도록 하여 니들가압부의 니들 가압력을 조절해주는 제어밸브;
   상기 제어밸브가 작동될 수 있도록 동력을 제공하는 스텝모터; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 니들가압부는,
   챔버의 내부에 설치되어 니들을 가압해주는 니들스프링;
   상기 니들스프링에 끼워지도록 설치되는 니들스프링 시트; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스텝모터를 이용한 전자식 연료분사밸브.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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