KR19990067116A - 콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체 - Google Patents

콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체 Download PDF

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데이비드 피. 뷕조렉
한스 제이. 세일러
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웰스 러셀 씨
지멘스 오토모티브 코포레이션
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Publication date
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Abstract

오링(16)과 오링(18)의 거리를 감소시킬 수 있는 연료 주입기(10)를 위한 콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체. 전기자 밸브 조립체(52)는 목이 좁은 하부에 직접적으로 부착되는 볼(54)을 위한 수용단으로 작용하는 목이 좁은 하부(42)를 구비하는 원통형의 속이 빈 자성체이다. 볼의 중간지점 위에 조임 또는 화학적 본딩에 의해 목이 좁은 하부를 부착하는 것은 사용될 피봇 스타일의 가이드 구조의 강도를 보장한다.

Description

콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체
연료 주입기들과 같이 전기적으로 작동되는 어떤 밸브들의 운동은, 밸브를 통과하는 유로(flow path)를 선택적으로 개폐하기 위하여 전자기계적인 액튜에이터의 전기적인 활성화 및 비활성화에 대응하여 밸브들의 몸체 내부에서 축상으로 왕복운동하는 니들(needle)을 구비한다. 연료주입기들은, 활성화되는 경우 전기자의 축상 운동을 일으키기 위하여 작동되는 전자기적인 코일을 포함하는 솔레노이드 조립체를 전형적으로 포함한다. 정상적으로 전기자는 연료주입을 조절하기 위하여 밸브 받침(seat)에 대하여 움직이는 것이 가능한 밸브와 작동할 수 있게 연관되는데, 주입기의 하우징 내의 가이드 구멍 내에서 그 외주면에 의해 미끄러질 수 있게 수용되며 가이드된다. 전기자들은 권선코일에 의해 생성되는 전자기력에 의해 한 방향으로 이동될 수 있고, 복귀스프링에 의해 반대방향으로 이동될 수 있다.
연료 주입기들은 역사적으로 적어도 두 부분으로 된 전기자 니들 조립체로 구성되어 왔다. 전기자는 자성체로 만들어지며, 자속로(magnetic flux path)내에 위치한다. 니들은 전형적으로 경화된 자성체이며, 가이드 면을 밀봉하고 측정하고 제공하는데 사용된다. 니들이 다른 기능들을 수행하기 때문에, 전형적인 니들의 설계는 많은 기계가공된 정밀한 표면들을 구비하는데, 조립체가 복잡해지고 원가가 상승하게 된다.
최근의 하나의 니들설계는 지멘스 자동차 회사(Siemens Automotive Corporation)에 의해 제조된 타입의 데카(DEKATM) 주입기에 사용되는데, 전기자에 부착하기 위하여 일단에 그루브들을 가지고 타단에 정밀 연마한 밀봉 및 가이드면을 가지는 봉(rod)을 구비한다. 이러한 니들의 설계는 종래의 니들 설계들에 비하여 덜 정밀한 기계가공을 요하고 따라서 원가를 낮출 수 있지만, 한계를 갖는다. 베어링 면인 전기자의 외측 직경에 추가하여, 니들 상의 분리된 가이드 면과 밀봉면 양자 모두는 또한 베어링 역할을 함으로써, 삼점 가이드 구조(three point guiding scheme)의 결과를 초래한다. 임의의 다점(multipoint) 가이드 시스템에서와 마찬가지로, 가이드들의 비정렬은 불규칙한 운동과 비반복성을 초래할 수 있고, 결국 마멸현상을 초래할 수 있는데, 이는 연료 주입기의 밀봉에 있어서 부정적인 의미를 갖는다. 베어링의 길이를 짧게 하면 중심선들을 좀 더 정밀하게 정렬시킬 수 있다.
엔진 부품의 크기가 줄어드는 최근의 추세 때문에, 그리고 엔진 격실 내부의 높이가 어느 정도 감소하기 때문에, 주입기들의 오링과 오링 사이의 공간이 감소되어야 한다. 주입기 길의의 대부분은 전기자와 니들의 길이에 기인하는 것이므로, 이들 부품들의 길이를 감소시키면 오링들 사이의 전체적인 공간이 줄어들 것이다. 길이를 줄이기 위하여, 전기자에 밸브 밀봉부재나 볼(ball)을 부착하는 것이 수정되어야 한다.
따라서 종래기술의 단점을 극복하는 솔레노이드로 작동되는 연료 주입기를 위한 콤팩트한 주입기 전기자 조립체를 갖는 것이 바람직한 것으로 보여진다.
본 발명은 액체연료를 내연기관 내로 주입시키기 위한 연료 주입기들과 같이 일반적으로 전기적으로 작동되는 밸브들에 관한 것으로, 특히 솔레노이드로 작동되는 연료 주입기를 위한 경제적이고 콤팩트한 전기자(armature) 밸브 조립체에 관한 것이다.
도 1은 종래의 연료 주입기를 관통하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 수정된 전기자 디자인을 구현한 연료 주입기를 관통하는 단면도이다.
이러한 필요성은 밸브 밀봉부재 또는 볼이 전기자에 직접적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 경제적이고 콤팩트한 전기자 밸브 주입기 조립체에 의해 충족된다. 더 작은 크기에 추가하여, 조립체는 제조시 매우 경제적이며 주입기로 사용하는데 잇점을 갖는다. 간단히 말하면, 본 발명은 전기자 영역 내에서 연료 주입기 내로 어떤 구조 상의 특징들의 수행을 구비한다. 본 발명의 원리들은 본 명세서에 특별히 도시되고 설명되는 것 외의 연료 주입기들을 형성하는데 물론 잠재적으로 적용가능하다.
본 발명에 따르면, 솔레노이드로 작동되는 연료 주입기는 상기 연료 주입기를 작동시키기 위하여 전류에 의해 선택적으로 활성화되는 솔레노이드 코일을 포함하는 외피를 형성하는 하우징을 구비한다. 입구 연결 튜브는 상기 외피 내로 액체연료를 수송하기 위하여 상기 솔레노이드 코일 내로 연장된다. 연료는 축상으로 반대쪽의 노즐 출구단을 통하여 상기 외피로부터 배출된다. 밸브 기구는 입구 연결 튜브와 출구단 사이에서 외피 내에 배치되고, 입구 연결튜브와 출구 사이의 외피를 통과하는 유로를 열고 닫기 위하여 스프링에 의해 바이어스되는 전기자를 통해 작용하는 상기 솔레노이드 코일에 의해 작동된다. 전기자는 원통형의 속이 빈 자성체이며, 전기자에 직접적으로 부착되는 밸브 밀봉부재 또는 볼을 위한 수용단으로 작용하는 목이 좁은 하부를 구비한다. 볼의 중간점 위에 전기자를 부착하는 것은 사용될 피봇 스타일의 가이드 구조의 강도를 보장하고, 여전히 현재의 구성부품의 수들과 조립체의 전략들을 유지한다.
본 발명의 본성과 목적들을 완전히 이해하기 위하여, 첨부된 도면들과 청구범위와 함께 이하의 상세한 설명이 주어진다.
도면들에서, 대응하는 참조부호들은 유사한 부품을 나타낸다. 도 1은, 내연기관 내로 연료를 주입하도록 설계된 전형적인 종래의 솔레노이드로 작동되는 연료 주입기(10)의 단면도이다. 주입기(10)는, 분말금속 또는 연강과 같은 자성철로 만들어지는 튜브형 하우징(12)을 포함한다. 전자기적인 솔레노이드 코일 조립체(14)는 연료 주입기(10)를 작동시키기 위하여 한 쌍의 단자들(15)에 의해 제어 소스(미도시)로부터 유입되는 전류에 의해 활성화된다. 튜브형 하우징(12)의 내부는 다양한 다른 기능들을 위하여 다양한 어깨부들(shoulders)을 형성하기 위하여 복수의 다른 직경들을 포함한다. 밀봉수단 또는 오링들(16, 18)은, 주입기가 위치하는 엔진 매니폴드(manifold) 및 주입기가 부착되는 연료 레일(rail)의 구멍에서 주입기(10)를 밀봉하기 위하여 주입기(10)의 각 단부에 위치하는데, 엔진 매니폴드 및 연료 레일은 도시되지 않는다. 주입기(10)는 입구단(20)과 노즐 출구단(22)을 구비한다. 노즐 출구단(22)을 향하는 방향으로 연료를 수송하기 위하여 연료 입구 연결 튜브(50)와 유체 흐름에 관계되는 필터(21)가 입구단(20)에 인접하여 위치한다. 노즐 출구단(22)은 밸브받침 조립체(26)를 위치시키기 위한 어깨부(24)를 형성하기 위하여 구멍이 뚫린다. 밸브받침 조립체(26)는 밸브받침(30), 하부 니들 가이드 디스크(28) 및 오리피스 디스크(32)를 구비한다.
밸브받침 조립체(26)는 어깨부(24)에 대하여 하부 니들 가이드 디스크(28)를 위치시키기 위하여 밸브 몸체부재(39) 내에서 틀이 잡힌다. 밸브받침 조립체(26)는 밸브받침 조립체(26) 둘레로부터 연료가 새지 못하도록 오링 시일(34)과 같은 밀봉부재를 포함할 수 있다. 니들 밸브(38)가 왕복운동하는 축상으로 정렬된 구멍(36)을 구비하는 하부 니들 가이드 디스크(28)는 밸브받침 조립체(26)에 인접하여 위치한다.
니들 밸브(38)는 주입기(10)를 닫기 위하여 밸브 받침 조립체(26)의 밸브 받침(30)과 짝지워질 수 있도록 일단에 구형 반경을 갖는다. 구형 반경의 반대쪽 니들 밸브(38)의 단부에, 상부 가이드 부재(41)를 따라 축상으로, 매우 조금, 자유롭게 움직이는 전기자(40)가 니들 밸브(38)를 따라 위치한다. 전기자(40)는 닫힌 밸브를 바이어싱하기 위하여 입구 연결 튜브(50)의 구멍 내에 미끄러질 수 있게 수용되는 스프링(44)에 의해 바이어스된다.
이러한 다양한 부품들의 상대적인 구성과 배열은 현존하는 연료 주입기들에 있어서 전형적인 것이다. 차이들은 필수적으로 본 명세서의 발명의 특징들과 연관된다. 볼 베어링 타입의 하부 밀봉부재는 전기자의 속이 빈 튜브형 부분에 부착되는데, 종래에 제안되어 왔다. 볼은 밀봉과 가이드 부재 양자의 역할을 하는데, 전기자 니들이 밸브 받침(30) 위에 놓여 있을 때 피봇운동하도록 한다. 2점 베어링에 의한 가이드는 종래의 3점 가이드보다 정렬 문제들에 덜 민감하다. 이러한 2점 가이드는 이 스타일의 전기자와 니들이 종래의 전기자와 니들보다 더 짧도록 하며, 아직까지 내구성으로 인한 문제를 일으키지 않는다.
본 발명은 솔레노이드로 작동되는 연료주입기(10)를 위한 콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체(52)를 제공한다(도 2 참조). 전기자 밸브 조립체(52)는 두 개의 부재들 전기자(40)와 밸브 밀봉부재 또는 볼(54)만으로 구성되는데, 전기자(40)는 목이 좁은 하부(42)를 구비하는 원통형의 튜브형 자성체이다. 밸브 밀봉부재(54)는 조임 또는 화학적인 본딩에 의해 전기자(40)의 목이 좁은 하부(42)에 직접적으로 부착되며, 종래의 용접이 요구되지 않는다. 이것은 전기자 밸브 조립체(52)의 전체적인 길이를 더 짧게 하는 것을 가능하게 한다. 밸브 밀봉부재 또는 볼(54)의 중간점 위에 전기자(40)의 목이 좁은 하부(42)를 부착하는 것은 사용될 피봇 스타일 가이드 구성의 강도를 보장한다.
계속하여 도 2를 참조하면, 전기자(40)는 자성체로 형성되는데, 그 상단(56)에 복귀스프링(58)의 일단을 수용할 수 있는 대응구멍 또는 내경을 구비한다. 목이 좁은 하부(42)는 더 작은 내경을 구비하는데, 대응구멍의 반경보다 더 작고 대응구멍과 축 상으로 정렬되며, 밸브 밀봉부재(54)를 수용할 수 있다. 밸브 밀봉부재(54)는 금속이나 세라믹을 포함하는 임의의 적절한 물질로 이루어진 볼 베어링을 구비한다. 목이 좁은 하부(42)를 볼(54)에 부착하는 것은 조이는 억지끼움 또는 화학적인 부착에 의하여 이루어질 수 있다. 볼과 전기자(40)의 목이 좁은 하부(42)와의 조립을 좀 더 쉽게 할 수 있도록, 볼(54)은 주 직경과 볼(54)의 상단 또는 상단부 사이에 위치하는 임의의 원형 그루브(62)를 포함할 수 있다.
전기자(40)는 봉으로부터 기계가공되거나, 분말금속을 압착하는 것과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 형성될 수 있다. 더 작은 크기에 추가하여, 분말금속 전기자 하우징은 제조시 매우 경제적이고, 주입기로 사용하는데 잇점을 갖는다. 개선된 전기자 밸브 조립체(52)는 목이 좁은 하부(42)에 볼을 부착하기 위한 수단 때문에 오링과 오링 사이의 거리가 더 짧은 주입기 설계들을 특별히 적용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기자(40)의 상부 외측 직경은 가이드 면으로 사용되고, 볼(54)의 직경은 하부 가이드 부재(64)에 의해 가이드된다. 하부 가이드 부재(64)는 밸브 받침(30)과 밸브 몸체(39) 내의 어깨부(65) 사이에서 주입기 내에 단단히 잠궈진다. 하부 가이드 부재(64)는 복수의 유동통로(68)를 갖는 복수의 부재들을 구비한다.
전기자(40)는, 부착영역에서 전형적인 것은 아니지만, 목이 좁은 하부(42)의 내경을 그 외경과 연결하는 하나 이상의 유동통로(66)를 갖는다. 목이 좁은 하부(42) 내의 유동통로(66)는 제조공정 동안을 포함하는 임의의 시기에서 형성될 수 있다. 하부 가이드 부재(64)는 또한 유동통로들(68)를 가지는데, 연료가 밸브 받침을 향하여 흐르며 주입기가 열리면 노즐 단부(22)의 바깥으로 흐르도록 한다.
따라서, 오링과 오링의 거리가 줄어드는 것을 특징으로 하는, 연료 주입기들 내에서 사용하기 위한 경제적이고 콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체의 바람직한 실시예가 기술된다. 전기자 밸브 조립체는 밸브 밀봉부재에 부착되는 목이 좁은 하부를 갖는 몰딩 또는 주조된 전기자를 구비한다. 밸브 밀봉부재는 조임 또는 화학적 본딩에 의해 목이 좁은 하부에 단단하게 잠궈진 볼이다. 목이 좁은 하부 근처의 볼의 상부 내의 원형 그루브는 부착을 용이하게 하기 위하여 사용될 수 있다. 콤팩트한 주입기 전기자 밸브 조립체의 가이드는 하부 가이드 부재(64)에 대하여 볼 그리고 상부 가이드 부재 또는 작은 구멍(eyelet)(41)에 대하여 전기자에 의해서 이루어진다. 볼은 밀폐를 확실히 하기 위하여 밸브 받침 내에서 피봇운동을 하는 것이 가능하다.

Claims (10)

  1. 솔레노이드로 작동되는 연료 주입기를 위한 주입기 전기자 밸브 조립체로서, 상기 주입기는
    상기 연료 주입기를 작동시키기 위하여 전류에 의해 선택적으로 활성화되는 솔레노이드 코일을 포함하는 하우징;
    상기 하우징 내로 액체연료를 수송하기 위하여 상기 솔레노이드 코일 내로 연장되는 입구 연결 튜브;
    연료가 상기 하우징으로부터 배출되는 축상으로 반대쪽의 노즐 출구단;
    입구 연결 튜브와 출구단 사이에서 하우징을 통과하는 유로를 열고 상기 위하여 전기자 밸브 조립체를 통해 작용하는 상기 솔레노이드 코일에 의해 작동되는 상기 입구 연결 튜브와 출구단 사이에서 하우징 내에 배치되는 밸브 받침 기구를 구비하는 주입기 전기자 밸브 조립체에 있어서,
    튜브형 부재;
    상기 튜브형 부재와 축상으로 정렬되는 내경을 형성하는 상기 튜브형 부재와 일체형의 튜브형 부분;
    유체의 유동으로부터 상기 밸브 받침 기구를 밀봉하기 위한 밸브 밀봉부재; 및
    전기자 밸브 조립체를 형성하기 위하여 상기 내경에 상기 밸브 밀봉부재를 부착하기 위한 부착수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 밀봉부재는 볼인 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 밸브 밀봉부재는 금속 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 밸브 밀봉부재는 세라믹 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 볼은 주직경과 상기 내경에 인접한 상단 사이에 원형 그루브를 구비하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  6. 제 2 항에 있어서, 왕복운동을 하는 동안 상기 볼을 축상으로 가이드 하기 위한 하부 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브형 부재는 상기 튜브형 부재의 내경의 일단을 상기 튜브형 부분의 외경과 연결하기 위한 적어도 하나의 유동통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 부착수단은 상기 튜브형 부분의 상기 내경을 상기 밸브 밀봉부재에 조이는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 부착수단은 상기 튜브형 부분의 상기 내경을 상기 밸브 밀봉부재에 화학적으로 본딩시키기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 부착수단은 상기 튜브형 부분의 상기 내경을 상기 볼의 상기 원형 그루브에 조이는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 주입기 전기자 밸브 조립체.
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