KR102102495B1 - 연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기 - Google Patents

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Abstract

연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기로서, 하우징(1) 내에 수용되는 그리고 하우징(1) 내에서 활주 방식으로 안내되는 전기자(3)를 구비하는 구동 유닛(2)을 포함하고, 전기자(3) 내에서 상기 전기자에 대해 축방향으로 이동가능한 그리고 전기자(3)에 결합되기 위한 구동기 요소(6)를 구비하는 그리고 적어도 하나의 분사 개구(6)의 개방 및/또는 폐쇄를 위해 이동될 수 있는 밸브 요소(4)를 포함하며, 개방 운동은 인접 표면(7)에 의해 제한되는 분사기. 본 발명에 따르면, 밸브 요소(4)에 플랜지형 인접 요소(8)가 확고하게 연결되며, 이때 플랜지형 인접 요소(8)는 적어도 하나의 분사 개구(6)의 개방 중에, 상기 인접 요소와 인접 표면(7) 사이에 제1 유압 감쇠 층(11.1)이 형성되도록, 그리고 적어도 하나의 분사 개구(6)의 폐쇄 중에, 상기 인접 요소와 전기자(3) 사이에 제2 유압 감쇠 층(11.2)이 형성되도록 설계된다.

Description

연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기{INJECTOR FOR INJECTING FUEL INTO AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기에 관한 것이다.
연료를 내연 기관의 연소실에 공급하기 위해, 바람직하게는 예를 들어 전자기 작동식 분사기와 같은 리프트-제어식(lift-controlled) 분사기가 사용된다. 보통, 그러한 분사기는 예를 들어 분사 기간, 분사량 및/또는 다중 분사를 설정할 수 있는 전자 컨트롤러를 구비한다. 오염 물질 배출에 대한 향후 예정된 한계에 관하여, 상기 유형의 컨트롤러는 연소 효율을 증가시키고 연료 소비량을 감소시켜야 한다. 종래의 분사기의 경우에, 일반적으로 분사 개구의 개방과 폐쇄를 위해 리프팅 운동(lifting movement)을 수행하는 액추에이터가 사용된다. 특히, 전자기 작동식 분사기의 경우에, 액추에이터의 그러한 리프팅 운동, 다시 말해서 자기장에 의해 밸브 니들에 결합되는 전기자(armature)의 작동이 개방 및 폐쇄 운동 중에 각각의 인접부(abutment)에 의해 제한되며, 여기에서 인접부에 대한 바운싱(bouncing)이 일어날 수 있다. 이때, 특히 밸브 니들과 전기자가 서로 견고하게 연결되지 않는 분사기의 경우에, 밸브 니들의 오버슈팅(overshooting) 또는 초과 이동(overtravel)이 일어날 수 있어, 분사 과정 중 연료의 유량이 저하된다. 이는 연료 유량의 이른바 S자형 곡선에서, 다시 말해서 분사 과정 중 분사기의 유량 특성 곡선의 비-선형성에서 분명해지며, 이에 의해 연소 효율이 감소된다.
또 다른 문제는 분사기의 폐쇄 중 전기자의 바운싱이며, 여기에서 밸브 니들이 폐쇄 과정 중에 밸브 시트에 도달할 때, 전기자는 하향 팔로우-스루(downward follow-through) 진동을 수행하고, 그것이 그 휴지 위치로 복귀할 때, 밸브 니들은 잠시 그것의 밸브 시트로부터 들어 올려지며, 이는 원하지 않는 후분사(post-injection)를 초래할 수 있다. 후반사에 의해 공급되는 추가의 연료는 불완전하게 연소될 수 있으며, 이에 의해 오염 물질 배출이 증가된다. 또한, 장기간에 걸쳐, 연료 소비량이 증가된다. 또한, 전류 신호의 바운스(bounce)로 인해, 밸브 시트 검출을 위한 명확한 신호가 식별될 수 없다.
DE 10 2007 060 396 A1은 탄성 웨브를 통해 전기자와 니들 사이의 동일한 대향 진동 운동이 가능해지도록 하기 위해 탄성 웨브를 통해 전기자에 연결되는 니들을 갖춘 분사기를 개시한다. 상기 동일한 대향 진동 운동은 폐쇄 과정 중에 전체 바운스를 감소시키도록 의도된다. 그러나, 상기 유형의 분사기의 구성은 비교적 복잡하고, 또한 탄성 구성요소의 피로의 문제를 겪으며, 이는 높은 유지 비용을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 개방 및 폐쇄 과정 중 분사기 바운스, 따라서 원하지 않는 후분사가 방지될 수 있고, 연료 분사 효율이 개선되는, 연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기를 제공하는데 있다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 전제부와 함께 특징부에 따라 해소된다.
특별한 설계 특징부가 종속항으로부터 도출될 것이다.
연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 본 발명에 따른 분사기는 하우징 내에 수용되는 그리고 하우징 내에서 활주 방식으로 안내되는 전기자를 구비하는 구동 유닛을 포함하고, 전기자 내에서 그것에 대해 축방향으로 이동가능한 그리고 전기자에 결합되기 위한 구동기 요소를 구비하는 그리고 적어도 하나의 분사 개구의 개방 및/또는 폐쇄를 위해 이동가능한 밸브 요소를 포함하며, 여기에서 개방 운동은 제1 인접 표면(abutment surface)에 의해 제한된다. 또한, 분사기는 밸브 요소에 확고하게 연결되는 플랜지형 인접 요소(abutment element)를 포함하며, 여기에서 플랜지형 인접 요소는 적어도 하나의 분사 개구의 개방 중에, 상기 인접 요소와 인접 표면 사이에 제1 유압 감쇠 층(hydraulic damping layer)이 형성되도록, 그리고 적어도 하나의 분사 개구의 폐쇄 중에, 상기 인접 요소와 전기자의 제1 표면 사이에 제2 유압 감쇠 층이 형성되도록 설계된다.
바람직하게는 밸브 요소의 구동기 요소에 연결될 수 있는 플랜지형 인접 요소는 인접 표면에 대해 밸브 요소의 인접부를 구성한다.
밸브 요소의 개방 중에, 인접 표면과 플랜지형 인접 요소 사이의 중간 공간 밖으로의 매질, 예를 들어 가솔린 또는 디젤의 변위가 구동 유닛의 구동력에 대항한다. 중간 공간 밖으로의 매질의 느린 변위로 인해, 두께가 감소하는 제1 유압 감쇠 층이 플랜지형 인접 요소와 인접 표면 사이에 형성되는 것이 가능하며, 이러한 제1 유압 감쇠 층은 인접 표면을 향해 지향되는 리프팅 운동을 감쇠시킨다. 이러한 경우에, 제1 유압 감쇠 층은 플랜지형 인접 요소와 인접 표면 사이의 접촉을 실질적으로 방지한다. 이러한 방식으로, 분사기의 개방 중에 인접부에 대한 밸브 요소의 바운싱이 방지되어, 연료의 분사량의 선형 특성 곡선 프로파일을 보장할 수 있다.
분사기의 폐쇄 중에, 다시 말해서 전기자의 그것의 휴지 위치로의 운동 중에, 밸브 요소는 밸브 시트로 이동하는 반면에, 전기자는 플랜지형 인접 요소로부터 멀어지게 이동하고 하향으로 오버슈팅하는데, 왜냐하면 그것이 밸브 니들에 견고하게 연결되지 않기 때문이다. 이러한 경우에, 플랜지형 인접 요소와 전기자 사이에 점착력이 발생할 수 있으며, 이러한 점착력은 플랜지형 인접 요소로부터 전기자의 탈착을 현저히 저해하여, 전기자의 하향 오버슈트 운동이 상당히 제동되거나 감쇠된다.
탈착 중에, 전기자의 하향 오버슈트 운동의 반전점(reversal point)에서 최대인 매질-충전된 중간 공간이 플랜지형 인접 요소와 전기자 사이에 형성된다. 이러한 경우에, 휴지 위치로의 전기자의 복귀 진동 운동의 힘은 플랜지형 인접 요소에 대항하여, 매질이 중간 공간 밖으로 변위되고, 제2 유압 감쇠 층이 형성된다.
매질의 변위로 인해, 밸브 요소가 밸브 시트로부터 들어 올려지지 않을 정도로 전기자의 바운싱이 감쇠될 수 있다. 이러한 경우에, 제2 유압 감쇠 층은 전기자와 플랜지형 인접 요소 사이의 접촉을 방지한다. 결과적으로, 바운싱에 의해 초래되는 후분사가 방지될 수 있으며, 이에 의해 오염 물질 배출이 저하되고, 연료가 절약된다. 폐쇄 과정 중 전기자의 하향 오버슈트 운동이 극도로 제동되기 때문에, 샤프 벤드(sharp bend) 형태의 명확한 전류 신호가 밸브 시트 검출을 위해 기록될 수 있다.
플랜지형 인접 요소는 바람직하게는 인접 표면 및/또는 전기자의 제1 표면을 적어도 영역들에서 덮는 표면을 구비하여야 한다. 표면의 크기가 감쇠 작용에 상당한 영향을 미치기 때문에, 플랜지형 인접 요소의 표면이 인접 표면 및/또는 전기자의 표면을 완전히 덮는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 플랜지형 인접 요소는 예를 들어 7 mm의 직경과 1.5 mm의 두께를 갖는 축방향 대칭 원형 디스크의 형태일 수 있다.
플랜지형 인접 요소, 특히 그것의 표면은 바람직하게는 인접 표면 또는 전기자의 표면에 대해 섹션들에서 또는 전체적으로 상보적인 형태를 갖는다. 이는 바람직하게는 적어도 인접 표면 및/또는 전기자의 표면을 덮는 인접 요소의 표면과 관련된다. 인접 요소의 표면은 예를 들어 평평하고, 특히 원형이다.
제1 및 제2 감쇠 층을 형성하기 위해, 플랜지형 인접 요소와 인접 표면 또는 전기자 사이의 접촉 표면이 최대한 작게 유지되어야 한다.
플랜지형 인접 요소는 바람직하게는 그것과 전기자 사이의 자력을 증가시키기 위해 자성 재료로 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 개선된 COSI(Controlled Solenoid Injection: 제어식 솔레노이드 분사) 신호가 발생될 수 있으며, 이는 연료의 분사량의 개선된 제어에 도움이 된다.
또한, 분사기는 적어도 하나의 제1 및 제2 스프링을 구비할 수 있으며, 이에 대항하여 전기자 및 밸브 요소와 그것에 연결된 플랜지형 인접 요소가 개방 및 폐쇄 운동 중에 이동가능하다. 스프링은 밸브 요소의 매끄러운 개방 및 폐쇄 운동이 보장되도록 치수지어진다.
분사기의 일 실시 형태에서, 회전 대칭 디스크 형태의 이른바 하이드로디스크(hydrodisc)가 전기자와 제2 스프링 사이에 제공된다. 분사기의 폐쇄 중에, 하이드로디스크는 그것의 표면과 상기 하이드로디스크를 향하는 전기자의 표면 사이의 또 다른 유압 감쇠 층의 형성을 통해 전기자의 과도한 하향 오버슈트를 방지한다. 하향 오버슈트의 감소로 인해, 유지 위치에 도달할 때까지의 시간, 다시 말해서 분사기가 다른 분사 준비가 될 때까지의 시간이 상당히 단축될 수 있다. 분사기의 이렇게 감소된 폐쇄 시간은 특히 다수의 분사 사이클의 경우에, 다시 말해서 작동 행정당 다수의 연료 분사의 경우에 유리하다.
밸브 요소는 바람직하게는 중공 니들의 형태인 밸브 니들일 수 있다. 이러한 경우에, 중공 니들은 반경 방향 보어를 구비할 수 있으며, 이러한 반경 방향 보어를 통해 매질 또는 연료가 분사기의 내부 공간으로 이동하여, 전기자, 밸브 요소 및 플랜지형 인접 요소와 같은 이동 요소가 매질 또는 연료에 의해 윤활된다.
본 발명이 도면에 예시되고, 하기의 설명에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
본 발명에 의하면, 개방 및 폐쇄 과정 중 분사기 바운스, 따라서 원하지 않는 후분사가 방지될 수 있고, 연료 분사 효율이 개선되는, 연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 예시적 실시 형태에 따른, 연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기의 개략적인 단면도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에 도시된 분사기를 3가지 상이한 위치에서 도시한 확대 상세도이다.
도 1은 연료를 내연 기관의 연소실 내로 분사하기 위한 본 발명에 따른 예시적인 분사기를 예시하며, 이러한 분사기는 전자기 구동 유닛(2)을 포함한다. 구동 유닛(2)은 하우징(1) 내에 수용되는 자석 코일과 하우징(1) 내에서 활주 방식으로 안내되는 전기자(3)를 구비한다. 또한, 분사기는 전기자(3) 내에서 그것에 대해 축방향으로 이동가능한 그리고 전기자(3)에 결합되기 위한 구동기(5)를 구비하는 밸브 니들(4)을 포함한다. 도면 부호 8은 위에서 인접 요소(abutment element)로 또는 플랜지형 인접 요소로 지칭되었던 그리고 구동기(5)에 확고하게 연결되는 스토퍼 플레이트(stopper plate)를 가리킨다.
본 경우에, 분사기는 휴지 위치로 도시되며, 다시 말해서 밸브 니들(4)은 분사 개구(6)가 폐쇄되도록 밸브 시트 내에 위치된다. 이러한 경우에, 밸브 시트는 밸브 니들(4)의 인접부를 구성한다.
분사기는 또한 구동기(5) 상에 지지되는 그리고 분사기 개구(6)의 개방 중에 전기자(3), 밸브 니들(4) 및 스토퍼 플레이트(8)의 왕복 운동 중의 힘에 대항하는 스프링(9)을 포함한다. 리프팅 운동 중의 힘은 이러한 경우에 자석 코일에 의해 발생되는 자기장의 자계 강도에 의존한다. 또한, 본 휴지 상태에서 전기자(3)가 그것에 맞대어져 놓이는 제2 스프링(10)이 제공된다. 그것의 대향측의 경우에, 스프링(10)은 하우징(1) 상에 지지된다.
예시된 예시적인 실시 형태에서, 스토퍼 플레이트는 폴 코어(2')의 인접 표면(7)에 대향하여 위치되는 그것의 표면과 전기자(3)를 향하는 그것의 표면이 면적에 관하여 각각 대향하여 위치되는 인접 및 전기자 표면을 완전히 덮도록 그것의 치수에 관하여 선택되었다. 예시되지 않은 실시예에서, 상기 스토퍼 플레이트는 또한 보다 작은 면적을 갖도록 설계될 수 있으며, 여기에서 그것은 이어서 전기자 표면 내의 함요부 내에 맞물려, 전기자 표면의 원주 방향 외측 부분이 인접 표면 바로 맞은편에 위치된다.
분사기의 내부 공간은 모든 이동 요소, 다시 말해서 스프링(9, 10), 밸브 니들(4), 전기자(3) 및 스토퍼 플레이트(8)와 하우징(1)에 대한 이들의 접촉 표면을 윤활하는 연료로 충전된다. 또한, 전기자(3)의 표면과 스토퍼 플레이트(8)의 표면은 연료로 완전히 습윤된다. 연료를 내부 공간에 공급하기 위해, 밸브 니들(4)은 내부에서 연료가 수송되는 중공 니들의 형태이며, 이러한 연료는 반경 방향 보어를 통해 분사기의 내부 공간으로 이동한다.
본 발명에 따른 분사기의 작동 모드가 도 2a 내지 도 2c에 기초하여 더욱 상세히 후술될 것이다.
도 2a는 휴지 위치에 있는, 다시 말해서 밸브 니들(4)이 밸브 시트 내에 위치되는 분사기의 단면도의 확대 상세도를 도시하며, 여기에서 분사 개구(6)는 폐쇄되고, 제1 스프링(9)과 제2 스프링(10)은 서로에 대해 힘 평형 상태에 있다. 인접 표면(7)과 상기 인접 표면을 향하는 스토퍼 플레이트(8)의 표면 사이에 제공되는 중간 공간이 연료로 충전된다.
분사기를 개방하기 위해, 자석 코일은 그것에 인가되는 전압을 가지며, 이에 의해 자기장이 발생된다. 자기장에 의해 끌어 당겨져, 자기 전기자(3)는 리프팅 운동을 수행하며, 그렇게 해서, 밸브 니들(4)과 스토퍼 플레이트(8)를 구동기(5)에 대한 결합으로 인해 밸브 시트 밖으로 들어올리며, 여기에서 분사 개구(6)가 개방된다. 스토퍼 플레이트(8)는 바람직하게는 또한 그것이 전기자(3)의 리프팅 운동을 보조하도록 자성 재료로 구성된다. 리프팅 운동 중에, 스토퍼 플레이트(8)는 연료를 중간 공간 밖으로 변위시킨다.
이와 관련하여, 도 2b는 개방 위치에 있는 분사기의 단면도의 확대 상세도를 도시하며, 여기에서 제1 스프링(9)은 가압되고, 제2 스프링(10)은 비교적 이완된다. 중간 공간 밖으로의 연료의 변위로 인해, 그 두께가 인접 표면(7)의 방향으로 리프팅 운동에 따라 감소하는 제1 유압 감쇠 층(11.1)이 형성된다. 이때, 제1 유압 감쇠 층(11.1)은 스토퍼 플레이트(8)와 폴 코어(2')의 인접 표면(7) 사이의 접촉을 방지하여, 분사기의 개방 중에 밸브 니들(4)의 바운싱 또는 오버슈팅을 방지한다.
분사기를 폐쇄하기 위해, 자석 코일의 작동이 종료되며, 다시 말해서 전압 공급이 차단된다. 이때, 예압된 제1 스프링(9)이 전기자(3), 구동기(5) 및 그것에 연결된 밸브 요소(4)와 스토퍼 플레이트(8)를 제2 스프링(10)에 대항하여 휴지 위치로 이동시킨다.
도 2c는 밸브 니들(4)이 그것의 밸브 시트 내에 위치되고, 분사 개구(6)가 이미 폐쇄되어 있는 위치에 있는 폐쇄 과정 중 분사기의 확대 단면도를 예시한다. 이러한 경우에, 제1 스프링(9)은 비교적 이완된다. 밸브 니들(4)이 밸브 시트 상에 놓일 때, 전기자(3)는 폐쇄 방향으로 그것의 운동을 추가로 계속하며, 즉 그것은 하향 오버슈트 운동을 수행하며, 여기에서 전기자(3)가 예를 들어 40 ㎛만큼 오버슈팅하는 것이 가능할 것이고, 제2 스프링(10)은 전기자(3)의 하향 오버슈트로 인해 추가로 가압된다. 전기자(3)의 하향 오버슈트는 스토퍼 플레이트(8)와 전기자(3)의 표면 사이에 중간 공간이 형성되도록 하며, 이러한 중간 공간은 연료로 충전된다. 이러한 경우에, 제2 스프링(10)의 복원 운동 중에 휴지 위치의 방향으로 이동하는 전기자(3)는 연료를 중간 공간 밖으로 변위시키며, 여기에서 제2 유압 감쇠 층(11.2)이 형성된다. 휴지 위치로의 전기자의 운동의 종료시에, 제2 유압 감쇠 층(11.2)은 스토퍼 플레이트(8)와 전기자(3) 사이의 접촉을 방지한다. 따라서, 제2 유압 감쇠 층(11.2)은 전기자(3)의 복원 운동을 감쇠시키며, 이에 의해 폐쇄 바운스가 방지되고, 밸브 니들(4)이 더 이상 그것의 밸브 시트 밖으로 들어 올려지지 않는다.

Claims (7)

  1. 연료를 내연 기관 내로 분사하기 위한 분사기로서,
    하우징(1) 내에 수용되는 그리고 하우징(1) 내에서 활주 방식으로 안내되는 전기자(3)를 구비하는 구동 유닛(2)을 포함하고, 전기자(3) 내에서 그것에 대해 축방향으로 이동가능한 그리고 전기자(3)에 결합되기 위한 구동기 요소(5)를 구비하는 그리고 적어도 하나의 분사 개구(6)의 개방 및/또는 폐쇄를 위해 이동가능한 밸브 요소(4)를 포함하며, 개방 운동은 인접 표면(7)에 의해 제한되는 분사기에 있어서,
    밸브 요소(4)에 플랜지형 인접 요소(8)가 확고하게 연결되고, 플랜지형 인접 요소(8)는 적어도 하나의 분사 개구(6)의 개방 중에, 상기 인접 요소와 인접 표면(7) 사이에 제1 유압 감쇠 층(11.1)이 형성되도록, 그리고 적어도 하나의 분사 개구(6)의 폐쇄 중에, 상기 인접 요소와 전기자(3) 사이에 제2 유압 감쇠 층(11.2)이 형성되도록 설계되고,
    플랜지형 인접 요소(8)는 플랜지형 인접 요소(8)와 전기자(3) 사이의 자력을 증가시키기 위해 자성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 분사기.
  2. 제1항에 있어서,
    플랜지형 인접 요소(8)는 구동기 요소(5)에 연결되는 것을 특징으로 하는 분사기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    플랜지형 인접 요소(8)는 인접 표면(7) 및/또는 전기자(3)의 제1 표면(3.1)을 적어도 영역들에서 덮는 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 분사기.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    구동 유닛(2)은 솔레노이드 구동 장치의 형태인 것을 특징으로 하는 분사기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전기자(3)와 밸브 요소(4)는 개방 운동 중에, 적어도 하나의 제1 스프링(9)의 힘에 대항하여, 그리고 폐쇄 운동 중에, 적어도 하나의 제2 스프링(10)의 힘에 대항하여 이동가능한 것을 특징으로 하는 분사기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    밸브 요소(4)는 밸브 니들인 것을 특징으로 하는 분사기.
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