KR20000029257A - 밸브 - Google Patents

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KR20000029257A
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fuel
valve member
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KR1019990046050A
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쿠크마이클피터
Original Assignee
안네트 제랄드 아서
루카스 인더스트리즈 리미티드
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따른 밸브는 제1 포트(30) 및 제2 포트(23) 사이의 연통을 제어하기 위한 제1 시팅, 그리고 제2 포트(23) 및 제3 포트(36) 사이의 연통을 제어하기 위한 제2 시팅과 맞물릴 수 있는 밸브부재(26)를 포함한다. 상기 제2 시팅은 별도의 시팅부재(31) 상에 형성된다.

Description

밸브 {VALVE}
본 발명은 밸브에 관한 것으로, 특히 연료 분사기의 동작을 제어하는 데 적합한 3방 밸브(three way valve)에 관한 것이다. 그러나 본 발명의 밸브는 다른 용도에도 적합할 수 있음을 알 것이다.
공동연료관형(common rail type) 연료시스템에 사용되는 형태의 연료 분사기에서 제어체임버 내의 연료압력을 제어함으로써 연료분사의 타이밍을 제어하기 위해 2방 제어밸브(two way control valve)를 사용하는 것은 알려져 있다. 예를 들면, 제어체임버는 제어밸브가 제어체임버와 저압(低壓) 연료저장조(fuel reservoir) 사이의 연통을 제어하는 상태로 제한된 유로(flow passage)를 통해 가압되는 연료 공급원(source of fuel)과 연통할 수 있다. 그러한 장치에서 연료를 분사하는 동안 연료가 제한된 속도로 저압 연료저장조에서 제어체임버로, 또한 제어체임버에서 저압 연료저장조로 흐를 수 있다. 그러한 연료 유동 경로(flow path)의 존재로 인해 연료시스템의 효율이 저하되는 것은 명백하다.
전술한 유동 경로의 형성은 제어체임버가 가압상태의 연료 공급원과 연통하거나 저압 저장조와 연통하도록 배열된 3방 밸브로 2방 제어밸브를 교체함으로써 피할 수 있다. 따라서 상기 밸브가 교체되는 기간 동안 가압상태의 연료 공급원과 저압 연료저장조 사이의 직접적인 연통이 방지되거나 또는 제한된다.
본 발명에 의하면, 밸브하우징에 형성된 보어 내에서 슬라이드 가능한 밸브부재―여기서 밸브부재는 제1 포트 및 체임버 사이의 연통을 제어하기 위해 상기 보어의 일부에 의해 정의되는 시팅(seating)과 맞물리는 직경 확대영역을 포함하고, 제2 포트는 상기 체임버와 연통함―를 포함하는 밸브가 제공되는 상기 밸브부재는 상기 제2 포트와 제3 포트 사이의 연통을 제어하도록 상기 체임버 내에 위치된 시팅부재에 의해 정의되는 시팅과 추가로 맞물릴 수 있다.
상기 시팅부재는 상기 체임버 내에서 측면으로 이동될 수 있고, 또는 접착성 재료(adhesive material)에 의해 상기 체임버 내에서 소정위치에 고정될 수 있다.
상기 밸브부재는 상기 시팅부재에 형성된 개구(opening)를 통해 연장되고, 상기 시팅부재에 의해 정의되는 시팅으로부터 상기 밸브부재가 이격하여 있을 때 상기 제2 포트와 제3 포트 사이의 유체 흐름에 대한 제한부(restriction)를 형성하도록 배열되는 것이 바람직하다. 유체 흐름에 대한 상기 제한부는 상기 밸브부재와 상기 시팅부재 사이에서 정의되거나 또는 상기 밸브부재에 형성된 소경(小徑) 천공부(drilling)에 의해 정의될 수 있다.
상기 밸브부재는 복귀스프링(return spring)의 작용에 반발하여 전자기식 액츄에이터(electromagnetic actuator)의 제어하에 이동될 수 있다. 대안으로서, 상기 밸브부재가 압전식 액츄에이터(piezoelectric actuator)의 제어하에 이동될 수 있다.
상기 제어밸브는, 사용중에 가압상태의 연료 공급원과 연통하도록 배열된 공급통로 즉 공급라인; 부분적으로 자신의 밸브니들과 결합되는 표면―여기서 표면은 가압하에 연료를 상기 제어체임버로 공급함으로써 상기 밸브니들에 힘을 가하여 밸브니들이 지지되는 시팅 방향으로 강압(强壓)되도록 배향됨―에 의해 정의되는 제어체임버; 및 상기 제1 포트는 상기 공급통로(18)와 연통하고 상기 제2 포트는 상기 제어체임버(21)와 연통하며 상기 제3 포트는 저압 연료저장조와 연통하도록 배열되는 상기 제어밸브를 포함하는 연료 분사기(fuel injector)의 동작을 제어하는 데 사용될 수 있다.
다음에 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밸브를 결합시킨 연료 분사기를 나타내는 단면도이고,
도 2는 상기 밸브를 보다 상세히 나타내는 도 1의 부분 확대도이고,
도 3은 도 1 및 도 2의 장치에 대한 일부 변형을 예시하는 도면이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 연료 분사기는 내부에 형성된 블라인드 보어(11)를 가지는 노즐보디(10)를 포함한다. 밸브니들(12)은 상기 보어(11) 내에서 왕복운동을 할 수 있으며, 보어(11) 내에서 슬라이드 운동을 하는 니들(12)을 안내하기 위하여 보어(11)의 인접부와 협동하도록 형성된 상대적 대경(大徑) 영역, 및 상기 보어(11)와 함께 송출체임버(delivery chamber; 13)를 형성하는 직경 축소영역을 포함한다. 니들(12)은 송출체임버(13)로부터 복수의 출구(14)―여기서 출구는 시팅의 하류에서 보어(11)의 폐쇄단 내부로 개방됨―로 송출되는 연료를 제어하기 위해 시팅과 맞물리도록 배열된다.
상기 보어(11)는 상기 송출체임버(13)와 함께 니들(12) 내에 형성된 세로홈(flute; 17)을 통해 연통하는 환형 갤러리(gallery; 16)를 규정한다. 상기 갤러리(16)는 부분적으로 노즐보디(10)에 형성된 천공부(19)에 의해 형성되는 공급통로(18) 즉 공급라인을 통해 고압으로 연료가 공급되도록 배열된다. 상기 공급통로(18)는 적절한 고압 연료펌프에 의해 적합한 고압으로 연료가 충전되는 공통 레일형(common rail type) 연료시스템의 공통 레일과 연통한다.
노즐보디(10)는 니들(12)의 단부가 연장되어 들어가는 제어체임버(21)를 정의하는 블라인드 보어가 제공되는 디스턴스 피스(distance piece; 20)와 접한다. 제어체임버(21) 내에 위치되는 스프링(22)이 니들(12)에 바이어스력(biasing force)을 가함으로써 니들(12)이 자신의 시팅과 맞물리는 위치의 방향으로 니들(12)을 강압한다. 상기 디스턴스 피스(20) 내에 제공되는 천공부(23)가 제어체임버(21)와 상기 노즐보디(10)로부터 먼 쪽의 디스턴스 피스(20) 표면과의 사이에서 연료 유동 경로를 형성한다.
상기 디스턴스 피스(20)는 밸브부재(26)가 내부에서 슬라이드할 수 있으며 자신의 축에 대하여 편심위치에 있는 관통공(through bore; 25)을 구비하는 밸브 하우징(24)에 접하고 있다. 상기 보어(25)는 디스턴스 피스(20)에 인접한 자신의 단부에 체임버(27)―여기서 체임버(27)는 천공부(23)와 연통하기에 적합한 크기와 형상을 가짐―를 형성하는 형상을 갖는다. 상기 상대적 소경(小徑)인 보어(25)의 주요부는 체임버(27) 내부로 개방되는 지점에서 상기 보어(25)가 밸브부재(26)의 직경 확대영역(28)과 맞물리는 제1 원추형 밸브시팅을 형성하는 형상을 갖는다. 상기 직경 확대영역(28)에 인접한 밸브부재(26) 부분은 축소된 직경을 가지며 상기 보어(25)와 함께 환형의 체임버(29)―여기서 환형 체임버(29)는 천공부(30)를 통해 상기 공급통로(18)와 연통함―를 형성한다. 상기 직경 확대영역(28)과 상기 제1 밸브시팅이 서로 맞물림으로써 공급통로(18)와 제어체임버(21) 사이의 연통이 제어됨을 알 수 있다.
시팅부재(31)는 상기 체임버(27) 내부에 위치하며 환형으로 되어 있다. 상기 시팅부재(31)는 밸브부재(26)의 직경 확대영역(28)이 맞물릴 수 있는 제2 밸브시팅을 형성한다. 상기 시팅부재(31)는 밸브부재(26)―여기서 밸브부재(26)는 디스턴스 피스(20)의 인접면에 형성된 리세스(recess; 33) 내부로 연장됨―가 대체로 피스턴과 같은 방식으로 통과하여 연장되는 개구(32)를 형성한다. 상기 리세스(33)는 디스턴스 피스(20) 및 밸브하우징(24)에 형성된 천공부(36)를 통하여 디스턴스 피스(20)로부터 먼 쪽의 밸브하우징(24) 단부면에 형성된 아마추어 체임버(armature chamber; 34)와 연통한다. 상기 아마추어 체임버(34)는 통로(도시되지 않음)를 통하여 저압 연료저장조와 연통한다.
시팅부재(31)는 상기 리세스(33)를 덮는 형상으로 되어 있다. 그 결과 밸브부재(26)의 직경 확대영역(28)이 제2 시팅과 맞물리면 제어체임버(21)와 저압 연료저장조 사이의 연통이 중단된다. 직경 확대영역(28)을 제2 밸브 시팅으로부터 멀어지는 방향으로 움직이도록 밸브부재(26)가 이동하면 제어체임버(21)와 저압 연료저장조 사이의 연통이 이루어진다. 그러나 연료가 저압 연료저장조 방향으로 흐를 수 있는 유속은 상기 시팅부재(31)의 개구(32) 내에 밸브부재(26)가 맞추어 끼워짐으로써 비교적 낮은 레벨로 제한된다.
연료가 저압 연료저장조 방향으로 흐르게 하기 위해 시팅부재(31)의 개구(32)를 통하여 연장되는 밸브부재(26)의 부분에 하나 이상의 그루브(groove) 또는 평탄부(flat; 41)가 형성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 소경 천공부(42)―여기서 소경 천공부(42)는 상기 직경 확대영역(28)이 제2 시팅에서 들어 올려지면 제한된 유속으로 연료가 흐르게 하는 위치에 형성됨―가 밸브부재(26)에 형성될 수 있다.
상기 아마추어 체임버(34)는 밸브부재(26)에 고정되는 아마추어(armature; 35)를 수용한다. 상기 아마추어(35)는 전자기식 액츄에이터(37)에 의해 밸브부재(26)가 제2 밸브시팅과 협동하는 휴지위치(rest position)와 밸브부재(26)가 제1 밸브시팅과 협동하는 기동위치(energised position) 사이에서 복귀스프링(40)의 작용에 반발하여 이동될 수 있다. 상기 액츄에이터(37)는 밸브하우징(24), 디스턴스 피스(20) 및 노즐보디(10)가 캡 너트(cap nut; 39)에 의해 고정되는 액츄에이터 하우징(38) 내에 배치된다.
사용중에, 상기 액츄에이터(37)가 기동해제되고(de-energized) 공급통로(18)가 고압상태의 적합한 연료공급원에 연결된 상태에서 상기 송출체임버(13) 및 제어체임버(21)가 모두 연료로 고압 충전되는 것을 알 수 있다. 송출체임버(13) 내에서 연료의 압력에 노출되는 니들(12)의 유효면적은 제어체임버(21) 내에서의 니들의 유효면적보다 적으며 그 결과 고압상태의 연료의 주입은 스프링(22)이 나들(12)을 보조하여 자신의 시팅과 맞물리도록 강압한다. 따라서 연료의 분사가 일어나지 않는다.
분사를 개시하기 위해 액츄에이터(37)가 아마추어(35)를 움직이게 하고 그에 따라 밸브부재(26)가 움직이도록 기동되어 밸브부재(26)의 직경 확대영역(28)을 제2 시팅으로부터 멀어지는 방향으로 들어 올려 제1 시팅에 체결시킨다. 그 결과 연료가 제어체임버로부터 제2 시팅을 지나 저압 연료저장조로 흐를 수 있으며, 연료의 유량(flow rate)은 전술한 바와 같이 제한되고 공급통로(18)로부터 제어체임버(21)로의 연료의 흐름이 중단된다. 제어체임버(21) 내의 연료 압력이 떨어지고 송출체임버(13) 내에서 압력을 받는 연료의 작용이 제어체임버(21) 내의 저하된 연료 압력의 작용 및 스프링(22)의 작용에 반발하여 니들(12)을 자신의 시팅으로부터 충분히 들어올릴 수 있는 상태에 도달할 것이다. 니들(12)이 자신의 시팅으로부터 멀어지는 방향으로 운동함으로써 연료가 시팅을 지나 출구(14)로 흐를 수 있게 되고 따라서 연료의 송출이 개시된다.
연료가 제2 밸브시팅을 통과할 수 있는 유량은 제한되므로 니들(12)이 자신의 시팅으로부터 멀어지는 방향으로 움직이는 운동은 상대적으로 낮은 속도로 이루어짐을 알 수 있다.
연료의 분사를 종료해야 할 때에는 액츄에이터(37)가 기동 해제되고 밸브부재(26)가 스프링(40)의 작용에 의해 자신의 본래 위치로 복귀한다. 그 결과 상기 확대영역(28)은 제2 밸브시팅에 맞물리고 연료가 저압 연료저장조로 흐르는 것이 종료되며 확대영역(28)은 제1 밸브시팅으로부터 멀어지는 방향으로 이동함으로써 연료가 공급통로(18)로부터 제어체임버(21)로 흐를 수 있게 한다. 제어체임버(21) 내부의 연료 압력이 급속히 상승하여 제어체임버의 압력이 충분히 니들(12)을 자신의 시팅에 체결되도록 복귀시킬 수 있는 상태에 도달할 것이다.
상기 제2 밸브시팅이 상기 체임버(27) 내에 위치하여 측방향으로 이동할 수 있는 별도의 시팅부재(31) 상에 형성되므로 분사기의 제조가 상대적으로 간단하며 사용중에 서로 정렬되어야 하는 분리된 하우징 구성부 내의 시팅을 가공하는 데 수반되는 어려움을 피할 수 있음을 알 수 있다. 그 대신에 시팅부재(31)는 조립되는 동안 단순히 체임버(27) 내에 위치하며 밸브부재(26)와 시팅부재(31)가 협동하여 시팅부재(31)를 정확한 위치로 이동시킨다. 사용중에 상기 체임버(27) 내부의 연료 압력과 상기 리세스(33) 내부의 낮은 압력에 의해 시팅부재(31)가 확실히 디스턴스 피스(20)에 맞물린 상태를 유지하게 된다.
대안으로서, 상기 시팅부재(31)는 접착성 또는 반접착성(semi-adhesive) 재료에 의해 상기 체임버(27) 내부에 고정될 수 있다. 이 경우에 밸브를 조립하기 전에 디스턴스 피스(20)의 위쪽 단부면의 일부에 접착성 재료를 도포한다. 밸브가 조립되면 상기 시팅부재(31)는 상기 체임버(27) 내부에 위치하게 되며 접착성 재료에 의해 체임버(27) 내의 정위치에 고정된다. 사용되는 재료는 접착제가 경화되기 전에 어셈블리 상의 체임버(27) 내부의 상기 시팅부재(31)가 측면으로 약간 움직이는 것이 가능하고 따라서 시팅부재(31)가 체임버(27) 내에서 정위치―이 정위치에서 상기 제2 밸브시팅은 상기 보어(25)에 의해 정해지는 제1 밸브시팅과 실질적으로 동심을 이룸―에 자리잡을 수 있게 할 정도의 접착성을 가지는 것이 바람직하다.
상기 아마추어(35)는 밸브부재(26)가 상기 보어(25) 내에 위치된 후 밸브부재(26)에 고정되어야 한다. 상기 아마추어(35)는 압력 끼워맞춤(press fit)이 편리하나 접착제 또는 용접에 의해 밸브부재(26)에 고정될 수 있고, 또는 밸브부재가 아마추어 내에 나사산(screw thread)을 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 확대영역(28)과 제1 및 제2 밸브시팅 사이에 형성된 시팅라인, 및 상기 시팅부재(31)에 형성된 개구는 상기 보어(25)의 주요부의 직경과 대체로 동일한 직경을 가지는 것이 편리하다. 그 결과, 밸브부재(26)는 항상 실질적으로 압력의 균형이 이루어진다. 그 결과 아마추어가 분사기의 동작을 제어하기 위해 비교적 적은 힘만이 필요하며, 밸브부재(26)의 운동이 신속히 일어날 수 있다.
도 3에 예시된 장치는 도 1 및 도 2의 장치와 유사하며 이하에서 도 1 및 도 2와 다른 점만을 상세히 설명한다.
도 3의 장치와 전술한 장치 사이의 차이는 첫째로 시팅부재(31)가 디스턴스 피스(20)의 표면과 협동하는 면이 부분구형(part spherical form)인 형상으로 되어 있고 밀봉부재(seal member; 43)에 형성된 부분구형 리세스 내에 수용된다는 점이다. 상기 밀봉부재(43)는 체임버(27) 내에서 측면으로 자유롭게 움직일 수 있다. 그러한 밀봉부재를 사용하는 것은 보어(25) 또는 제2 밸브시팅이 디스턴스 피스(20)의 단부면과 정확히 직각이 되지 않을 경우 상기 밀봉부재(43)에 상대적인 시팅부재(31)의 관절(articulation)이 그와 같은 부정확성을 보상할 수 있다는 점에서 유리하다.
또 다른 차이는 개구(32)의 직경이 제1 밸브시팅의 직경보다 크다는 점이다. 그 결과로 도시된 방위에서 하향하는 방향으로 진행되는 밸브부재(25)의 운동이 상향운동보다 더 빠르게 이루어진다. 상기 장치는 제1 및 제2 밸브시팅의 시팅라인이 보어(25) 및 개구(32)에서 적절한 직경단차(直徑段差; diameter step)(44, 45)를 결합함으로써 상이한 직경을 가지도록 변형될 수 있다. 그 결과 상향 또는 하향운동 중 어느 한 방향에서의 소정의 연료 압력에 대한 밸브부재(26) 운동의 개시 시점이 변경될 수 있다.
마지막으로 소경 천공부(46)는 공급통로(18)와 체임버(27) 사이에 연속적이며 제한된 연료 유동 경로를 제공한다. 따라서 제어체임버의 압력은 분사가 진행되는 동안 니들의 운동을 시팅 방향으로 이루어지도록 하는 데 필요한 레벨 바로 밑까지 상승하게 할 수 있다. 결과적으로 분사가 종료되려고 할 때 이것은 신속히 이루어질 수 있다.
이상과 같이 기술된 실시예 및 변형예에 따르면 밸브부재가 전자기식 액츄에이터에 의해 운동할 수 있으나, 상기 밸브가 예를 들면 압전식 액츄에이터와 같은 다른 형태의 액츄에이터를 사용하는 데에도 적합하다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따라 2방 제어밸브 대신에 제어체임버가 가압상태의 연료 공급원과 연통하거나 저압 저장조와 연통하도록 배열된 3방 밸브가 제공됨으로써 연료의 유동 경로 형성에 수반되는 문제점이 해소될 수 있다.

Claims (10)

  1. 밸브하우징(24)에 형성된 보어(bore; 25) 내에서 슬라이드 가능한 밸브부재(26)―여기서 밸브부재(26)는 제1 포트 및 체임버(27) 사이의 연통을 제어하기 위해 상기 보어(25)의 일부에 의해 정의되는 시팅(seating)과 맞물리는 직경 확대영역(28)을 포함하고, 제2 포트는 상기 체임버(27)와 연통함―를 포함하는 밸브에 있어서,
    상기 밸브부재(26)가 상기 제2 포트와 제3 포트(36) 사이의 연통을 제어하도록 상기 체임버(27) 내에 위치된 별도의 시팅부재(31)에 의해 정의되는 시팅과 추가로 맞물릴 수 있는 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시팅부재(28)가 상기 체임버(27) 내에서 측방향으로 이동가능한 밸브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시팅부재가 상기 체임버(27) 내에서 소정위치에 고정되는 밸브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시팅부재(31)가 접착제에 의해 상기 체임버(27) 내에서 소정위치에 고정되는 밸브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브부재(26)가 상기 시팅부재(31)에 형성된 개구(32)를 통해 연장되고, 상기 시팅부재(31)에 의해 정의되는 시팅으로부터 상기 밸브부재(26)가 이격하여 있을 때 상기 제2 포트와 제3 포트 사이의 유체 흐름에 대한 제한부(restriction; 41, 42)를 형성하도록 배열되는 밸브.
  6. 제5항에 있어서,
    유체 흐름에 대한 상기 제한부(41)가 상기 밸브부재(26)와 상기 시팅부재(31) 사이에 정의되는 밸브.
  7. 제5항에 있어서,
    유체 흐름에 대한 상기 제한부가 상기 밸브부재(26)에 형성된 소경(小徑) 천공부(drilling; 42)에 의해 정의되는 밸브.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브부재(26)가 스프링(40)의 작용에 반발하여 전자기식 액츄에이터(electromagnetic actuator; 37)의 제어하에 이동할 수 있는 밸브.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브부재(26)가 압전식 액츄에이터(piezoelectric actuator)의 제어하에 이동할 수 있는 밸브.
  10. 사용중에 가압상태의 연료 공급원과 연통하도록 배열된 공급통로(18) 즉 공급라인;
    부분적으로 자신의 밸브니들(12)을 지지하는 표면―여기서 표면은 가압상태의 연료를 상기 제어체임버(21)로 공급함으로써 상기 밸브니들(12)에 힘을 가하여 밸브니들(12)이 지지되는 시팅 방향으로 강압(强壓)하도록 배향됨―에 의해 정의되는 제어체임버(21); 및
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 포트는 상기 공급통로(18)와 연통하고 상기 제2 포트는 상기 제어체임버(21)와 연통하며 상기 제3 포트는 저압 연료저장조와 연통하도록 배열되는 밸브
    를 포함하는 연료 분사기(fuel injector).
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