KR20000068640A - 내연기관용 연료주입장치 - Google Patents

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보에킹프리드리히
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연기관용 연료주입장치에 관한 것이다. 여기서 연료주입밸브링크의 운동은 제어실(25) 내의 소정의 압력으로 제어된다. 제어공간 내부 압력은 한편으로는 제어밸브(31)에 의해 제어되어 그 밸브링크는 유압식공간에 의해서 피에조구동부(65)에 의해 변환방식으로 링크에 두 밸브시트들(36,40)과 연동하는 두개의 패킹면(37,39)이 구성되어 있도록 하는 방식으로 구동가능하다. 이 때 상기 밸브링크가 일측 밸브시트에서 타측으로 이동하면 상기 제어실(25) 내에서 짧은 시간 동안의 부하해제가 일어나 단시간동안 연료주입을 제어하게 된다. 연료주입량이 많을 경우에 상기 제어밸브는 개방상태나 폐쇄상태에 오게 된다.

Description

내연기관용 연료주입장치{Fuel injection device for internal combustion engines}
DE-C1-195 19 192에 공지된 이러한 종류의 연료주입장치는 제어밸브를 간단히 작동시키는 평편시트밸브로 구성되어 있으며 상기 평편시트밸브에는 패킹면이 있어서 제어실로부터 나오는 배출채널의 출구를 제어한다. 이러한 제어밸브의 밸브링크는 압축쇼울더가 형성되어 있는 피스톤으로 구동된다. 상기 피스톤은 압력스프링에 의해 제 2 피스톤에 지지된다. 상기 제 2 피스톤은 피에조구동부에 의해 제어가능하며 상기 압축쇼울더 측면에 위치한 전방면은 유압식 압축공간과 경계를 이룬다. 이러한 종래의 제어밸브는 배출채널을 개구시키거나 또는 폐쇄시키도록 작동한다. 따라서 내연기관 주입밸브의 주입밸브링크도 개구되어 있거나 폐쇄되어 있는 상태만을 수용한다.
본 발명은 청구항 1항에서 청구된 형태에 따른 내연기관용 연료주입장치에 관한 것이다.
도 1은 연료주입장치의 개략도.
도 2는 도 1에 따른 연료주입장치용 제어밸브의 구성을 도시한 도면.
도 3은 연료주입밸브의 주입밸브링크의 리프팅곡선에 대한 상기 제어밸브의 밸브링크 리프팅진행을 도시한 도면.
청구항 1항에 특징된 요지를 포함하는, 본 발명에 따른 연료주입장치는 종래기술과는 달리 두 개의 밸브시트가 배출채널의 통로 안에 형성되어 있어서 폐쇄몸체부에는 패킹면이 구성되어 있고 피에조 구동부에 의해 구동시 일측 밸브시트로부터 타측 밸브시트로 개별적인 작동순차를 따라 제어된다는 장점이 있다. 여기서 상기 배출채널이 처음에 폐쇄되고 난 후에 밸브는 그 사이에 밸브실에 의해 개구된다음 이어서 다시 폐쇄되게 된다. 이와 같이 폐쇄몸체부의 작동이 순차적으로 이루어지는 동안에 상기 제어실에서는 순간적으로 부하해제가 진행된다. 이러한 부하해제는 연료주입밸브링크들이 매우 짧은 시간에 연료주입을 수행하도록 하는 결과를 가져 온다. 이와 같은 방식에 의해 상기 폐쇄몸체부가 일측으로부터 타측 밸브시트쪽으로 이동하게 되는 배출운동에 의해 결정되는 매우 적은 량의 주입물도 효과적으로 제어가능하다. 이러한 배출이동은 사실상 상기 피에조구동부가 짧은 시간동안 여기(exciting)되는 것에 달려 있기 때문에 매우 짧은 시간대로 제한시킬 수 있다. 따라서 주입에 필요한 필수시간은 기술적으로 상기한 유형에 따른 연료주입장치를 이용하여 제어밸브가 그와 같은 예비주입 과정을 수행함에 있어서 제 1 피에조구동부 여기동작에 따라 두 번 개방된 이후에야 여기완료 동작을 통해 폐쇄될 때보다 짧게 유지된다. 이러한 전환동작은 제어밸브링크가 변환동작을 할 때마다 시간이 걸리도록 하며 또한 상기 피에조구동부의 여기상태를 변경할 때마다 필요했던 분시간(分時間) 계산을 동시에 할 수 있도록 한다. 이로써 본 발명에 따른 해결방법은 예비주입 및 본주입 과정을 제어하는데 소모되었던 시간낭비를 줄이게 된다.
여기서 본 발명에 따른 연료주입장치는 피에조구동부의 여기동작을 적절히 할당함으로써 폐쇄몸체부가 전술한 작동방식에 의해서 중간위치에 머무르게 된다. 이 중간위치에서는 조금 더 길어진 시간동안 구동실의 부하해제가 수행된다. 이를 통해 상술한 방식으로 유입시키는 예비주입량에 이어서 그리고 아울러 주입중지시간이 지나 원하는 양만큼의 본주입량을 주입할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 연료주입장치는 따라서 가장 정확한 방식으로 주입을 구현한다. 본 발명의 장치를 이용하면 매우 작은 연료예비주입량도 정확하게 주입할 수 있으며 예비주입과 본주입과의 중간시간대가 정확히 지켜지기 때문에 통상적인 방식으로 본 주입 역시 마찬가지로 정확하게 수행가능하다.
바람직한 방식으로 청구항 2항에 따라 피에조구동부에 의해서 원하는 양의 예비주입이 잘 이루어지도록 폐쇄몸체부의 리프팅동작을 조절속도에 일치시킨다.
본 발명의 바람직한 재구성들은 청구항 3항 내지 9항에 제시되어 있다. 실시예는 도면과 관련하여 이하의 설명에서 상술하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료주입장치를 도시한 것이다. 상기 연료주입장치는 보링(3)이 달린 주입밸브하우징(2)을 구비한 연료주입밸브(1)를 포함한다. 상기 보링 안에 주입밸브링크(5)가 안내되어 있다. 주입밸브링크(5)는 일측 단부에 원추형 패킹면(6)이 형성되어 있다. 상기 패킹면은 상기 보링의 말단부에 있는 원추 밸브시트(7)와 연동한다. 상기 밸브시트(7)의 흐름하류측에는 연료주입개구(8)들이 형성되어 있다. 이 개구들은 상기 패킹면(6)을 밸브시트(7)에 끼워넣을 때 압축공간(9)로부터 분리된다. 상기 압축공간(9)은 원형공간(10)에 의해서 주입밸브링크 패킹면(6)에 흐름상류측이 연결된 부분(11) 주위를 돌아 밸브시트(7) 쪽으로 갈수록 직경이 더 작아지도록 연장되어 있다. 상기 압축공간(9)은 압력라인(12)에 의해서 연료고압소스(14)와 영구적으로 연결된다. 압축공간(9) 영역내에서는 주입밸브링크에서 직경이 더 작은 부분(11)이 밸브시트(7)에 면한 압축쇼울더(16)에 의해서 직경이 더 큰 부분(18) 안에 들어가도록 천이되어 있다. 이 압축공간은 보링(3) 안으로 밀폐되도록 안내되며 연결부(19) 내부 압축쇼울더(16)로부터 떨어진 쪽 위에서 주입밸브링크의 피스톤형 단부(20)에 이르기까지 증축되어 있다. 연결부 영역에는 링크가 스프링부(22)를 지니고 있다. 이 스프링부와 연료주입밸브의 하우징(1)과의 사이에는 압력스프링(21)이 인장되어 있으며 이 압력스프링은 폐쇄상태에서 연료주입밸브링크 위로 눌려진다.
피스톤 형 단부(20)는 상기 압축쇼울더(16)의 면적보다 더 큰 면적을 지니는 전방측(24)이 연료주입밸브의 하우징(2) 내에서 제 1 스로틀(26)에 의해서 연료고압소스(14)와 항상 연결상태에 있으며 배출채널(28)내에 배치되어 있는 제 2 스로틀(27)에 의해서 부하해제실(29)과 연결상태에 있는 제어실(25)과 경계를 이룬다. 상기 배출채널(28)의 통로는 배출채널을 개방하거나 폐쇄하는 기능을 하는 제어밸브(31)에 의해서 제어된다.
본 발명에 따라 구성된 실시예에 따른 제어밸브(21)는 도 2에 도시되어 있다. 도 2에는 다시 주입밸브링크의 피스톤형 단부(20)가 도시되어 있으며, 이 단부는 연료주입밸브하우징(2) 내에서 제어실(25)과 경계를 이룬다. 제어실로는 상기 제 1 스로틀(26)을 포함하는 공급채널(33)이 통한다. 이로써 상기 제어실(25)는 언제나 연료고압소스(14)와 연결상태에 놓이게 된다. 피스톤형 말단부(20)에 동축으로 제어실(25)로부터는 제 2 스로틀(27)이 달린 배출채널(28)이 나온다. 상기 배출채널은 이때 밸브실(35)로 통하고 그 통로입구에 제 1 밸브시트(36)가 있다. 상기 제 1 밸브시트는 바람직하게는 원추형 밸브시트로 구성된다. 이 배출채널과 역시 마찬가지로 원추형으로 구성된 폐쇄몸체부(38) 제 1 패킹면(37)이 연동한다. 폐쇄몸체부는 밸브실(35) 냉 제어가능하도록 설치되어 있으며 제 1 밸브면(37)에서 떨어진 측에는 역시 원추형으로 구성된 제 2 패킹면(39)가 구비되어 있다. 제 2 패킹면은 상기 폐쇄몸체부(38)가 적절한 상태에 있을 때 마찬가지로 원추형으로 구성된 제 2 밸브시트(40)과 연동한다.
상기 폐쇄몸체부(38)는 연료주입밸브의 하우징(2) 내에 있는 안내보링(43) 안에 유입되어 있는 태핏(tappet,42)의 단부에 있다. 상기 안내보링(43)은 상기 안내보링(43)과 제 2 밸브시트(40) 내지 제 2 패킹면(39)와의 사이에 연장되어 있으며 상기 태핏(42)과 하우징(2)의 벽과의 경계를 이루는 원형공간(44) 내에서 끝난다. 상기 원형공간(44)은 부하해제공간(29)로 이어지는 배출채널의 계속 연장부(46)와 지속적인 연결상태에 있다. 타측 단부에서 안내보링(43)은 스프링실(48)로 통한다. 상기 스프링실 내부는 태핏(42)에 스프링디스크(49)가 달려있다. 스프링실과 연료주입밸브 하우징(2)와의 사이에는 태핏을 폐쇄몸체부와 함께 제 1 밸브시트(36) 방향으로 밀어주는 압축스프링(50)이 지지되어 있다. 상기 스프링실(48) 외부에는 또 하나의 안내보링 내에 있는 태핏이 이 피스톤의 가이드 역할을 하는 실린더보링(54)의 단부에 있는 제 1 피스톤(53)에 의해 폐쇄되는 유압식 압축공간(52) 안으로 안내된다. 제 1 피스톤(53)에 동축 방향으로 상기 제 1 피스톤의 포켓보링(57) 내에는 제 2 피스톤(56)이 유입되어 있다. 제 2 피스톤은 압축쇼울더로서 기능하는 제 1 전방측(58) 및 이동 벽으로서 인접한 제 1 피스톤(53)의 전방측(59)와 압축실(52)의 경계를 이룬다. 제 2 피스톤(56)의 제 2 전방측(60)은 포켓보링(57) 내에 보링(62)을 통해 제 1 피스톤(53)의 바닥을 통해 제 2 부하해제영역(62)으로 옮겨가는 제 1 부하해제영역(61)을 포함한다.
제 1 피스톤(53)의 전방측(59)에서 떨어진 쪽의 전방측(64), 즉 실린더보링 내에서 부하해제영역(62)과 경계를 이루는 전방측 위에서는 구동부로서 피에조구동부(65)가 동작한다. 상기 피에조구동부는 종래 방식대로 다수개의 부재들로 조합될 수 있으며 여기서는 따로 도시하지 않은 제어장치에 의해 여기되거나 탈여기되며 여기시에는 제 1 피스톤(53)에 전달되는 높은 동력작용으로 인해 길이 팽창이 일어난다.
상기 제 1 피스톤(53)은 유압식 압축공간(52) 내에 장착되어 있는 디스크스프링(66)에 의해 상기 피에조구동부(65)에 항상적인 장치로서 유지되어 있다. 도 2에 도시된 상태에서는 상기 피에조구동부(65)가 여기되지 않은 상태이며 태핏(42)이 압축스프링(50)에 의해서 밀어져 제 1 패킹면(37)이 제 1 밸브시트(36)에 밀폐되고 이로써 상기 제어실(25)이 폐쇄될 수 있도록 하는 방식으로 밀어낸다. 따라서 상기 고압소스와 제어실(25)이 배출채널(33)로 연결상태에 있기 때문에 연료고압소스(14) 내에서 운용되는 압력으로 조정된다. 이러한 높은 압력은 주입밸브링크에 부하를 걸어 압축쇼울더(16)에 작용하는 압력에너지에 반하여 폐쇄상태로 유지되도록하여 압축스프링(21)을 통해 지탱된다.
상기 피에조구동부가 여기되면 제 1 피스톤(53)이 이동한다. 이는 유압식 압축공간(52) 내의 압력을 증가시키게 되고, 그에 따라 태핏(42)과 연결된 제 2 피스톤(56)의 전방측(58)에 가해진 압력으로 인해 상기한 피스톤은 빠져 다시 포켓보링(57) 안으로 들어간다. 이 때 상기 피스톤은 제 1 부하해제 영역(61)으로부터 연료를 제 2 부하해제영역(62) 안으로 밀어넣는다. 이 때 부피가 증가되어 제 2 피스톤의 포켓보링(57) 안으로의 딥(dip)이동을 지탱한다. 상기 과정은 다시금 이어져 태핏(42)이 상기 압축스프링(50)의 힘에 반하고 이동하여 이 때 상기 폐쇄몸체부(38)는 제 1 밸브시트(36)에 의해 들어올려진다. 그 순간에 상기 배출채널(28)이 계속 이어지는 배출채널부(46)와 이제 열린 밸브시트(36,40)에 의해 연결되어 있기 때문에 상기 제어공간(25)에서는 부하해제가 일어난다. 상기 피에조구동부(65)의 여기가 상기 태핏(42)이 폐쇄몸체부(38)의 제 2 패킹면(39)이 제 2 밸브시트(40)에 닿을 수 있을 정도로 크게 일어나면 상기 배출채널의 재폐쇄동작이 수행된다. 그 결과로 제어실(25)에서는 중간시간 부하해제가 일어난 다음에 다시 연료고압소스에 완전한 압력이 구축된다. 전술한 과정이 제 1 밸브시트측이 열리고 제 2 밸브시트(40)측의 배출채널이 다시 닫히는 그 사이에 일어나면 상기 제어실(25)은 짧은 시간동안 부하해제를 수행한다. 그 결과로 상기 주입밸브링크(5)도 역시 부하해제를 수행하고 단시간동안 적어도 일부분은 개방된 상태로 이동하게 된다. 이로써 짧은 부하해제 시간대로 조정할 수 있게 되어 매우 적은 량의 주입연료도 주입할 수 있게 된다. 제 2 밸브시트(40)에 유입되어 상기 폐쇄몸체부는 그 결과로 배출채널(28 내지 46)을 폐쇄하게 되며 압력구축을 통해 제어실(25) 내에서는 주입밸브링크(5)가 다시 폐쇄상태에 머무르게 된다. 매우 적은 량의 연료주입, 바람직하게는 예비주입량이라고도 볼 수 있는 극소량 주입에 이어서 그 결과로 주입중지시간 이후에 상기 제어실(25)은 주입밸브링크를 구동하기 위해서 본주입을 위한 부하해제에 다시 들어간다. 이 때 상기 피에조구동부는 폐쇄몸체부(38)가 제 1 밸브시트(36)와 제 2 밸브시트(40)와의 중간위치에서 고정되도록 하는 방식으로 제어된다. 이는 피에조구동부에 있어서도 여기상태에 따른 중간지점을 받아들일 수 있다는 취해질 수 있다는 매우 탁월한 효과를 제공한다. 이러한 중간위치는 필요한 본주입량이 주입되고 그 다음에 피에조구동부의 여기동작인 예를 들면 완전히 완료될 때까지 그대로 유지된다. 이로써 폐쇄몸체부(38)가 달린 태핏도 압축스프링(50)의 작용하에 다시 제 1 밸브시트(36)에 있는 폐쇄상태에 들어오게 된다.
도 3에는 제어밸브의 이동절차가 상단 곡선으로 도시되어 있으며 연료주입밸브링크(5)의 이동절차는 하단의 곡선으로 중복도시되어 있다. 상단 곡선을 참고하면 피에조 구동부가 여기되었을 시에 태핏(42)의 시간 ha 에 대한 가로좌표(0) 지점에서 제 2 밸브시트(40)에 있는 폐쇄몸체부(38)가 높이 ho 에 이를때까지 네가티브 리프팅동작을 되수행함을 알 수 있다. 이러한 리프팅동작에 의해 그 아래 놓인 도표에서는 예비주입에 따른 주입밸브링크운동(V)이 일어난다. 소정의 캐스팅 비율로 연료주입밸브링크(5)가 다시 폐쇄상태에 들어오게 되는 중지시간 P 이 지나면 예를 들면 피에조구동부의 부분여기가 수행되는데, 이러한 부분여기동작은 태핏(42)이 중간레벨 hz 로 운동하도록 한다. 이로써 양쪽 밸브시트(36,40)들이 개방된다. 결과적인 제어실(25)의 부하해제로 인하여 주입밸브링크(5)의 본주입을 위한 니들리프팅 H 이 일어난다. 상기 피에조구동부의 반여기동작이 이루어지면 태핏(42)은 압축스프링의 작용으로 인해 다시 리프팅 ha 에 따른 배출상태에 온다. 주입밸브링크는 제어실(35)의 부하해제가 열동적으로 일어날 때 그리고 스로틀(26,27)들의 구조에 기인하는 캐스팅비율에 따라 폐쇄동작을 한다.
본 발명에 따른 방법을 통해 내연기관을 구동함에 있어 아주 적은 주입량이라 할지라도 예비주입과 본 주입으로써 구동하능하다. 여기서 이러한 배선은 피에조구동부의 여기동작이 단지 주입을 실시해야 하는 경우에만 시작된다는 효과를 제공한다. 피에조구동부는 이로써 내연기관 구동의 대부분에 걸쳐 휴지상태에 있으며 전기 에너지도 단지 주입과정을 실행하는데 필요한 만큼만 있으면 충분하다.

Claims (9)

  1. 주입개구(8)들을 제어하기 위한 주입밸브링크(5)와 주입밸브링크(5)와 적어도 간접적으로 연결가능한 이동 벽(24)으로 제한되어 있으며 스로틀(26)로 규격화된 고압소스, 연료고압소스에서 나오는 공급채널(33)과 부하해제실(29)로 연결된 배출횡단면(27)을 갖는 배출채널(28,46)이 구비되며, 상기 배출채널은 스프링(50)을 밸브시트(36) 쪽으로 눌러주고 밸브시트(36)와 연동되는 패킹면(37)이 있는 밸브링크(42,38)가 구비된 제어밸브(31)의 밸브시트(36)로 구성되며, 상기 밸브링크는 상기 패킹면(37)에서 이격된 단부에 밸브시트(36) 쪽을 향하는 압축쇼울더(58)가 형성되어 있으며, 상기 압축쇼울더는 유압식 압력공간(52)으로 제한되어 있으며, 상기 유압식 압력공간은 타측이 피에조구동부(65)에 의해 구동되는 이동벽(59)에 의해 폐쇄되며, 그 면적이 상기 압력쇼울더의 면적보다 크게 구성된 제어실(25)이 구비된 연료주입밸브(1)에 연료를 공급하는 연료고압소스 및 내연기관용 연료주입장치에 있어서,
    상기 밸브링크(42,38)는 안내보링(43) 내에서 안내되는 태핏(42)이 구비되며, 상기 안내보링(43) 외부로 돌출된 단부에는 압축쇼울더(58)가 설치되어 있으며, 상기 안내보링 외부로 돌출된 타측 단부에는 폐쇄몸체부(38)가 설치되어 있으며, 상기 폐쇄몸체부는 밸브실(35) 내에서 태핏(42)에 의해 왕복운동가능하며 폐쇄몸체부에서 제어실(25)을 향한 방향으로 제 1 밸브시트(36)와 연동되는 제 1 패킹면(37)이 형성되어 있고, 상기 제 1 패킹면(37)에서 이격된 위치에 제 2 패킹면(39)이 형성되어 있으며, 상기 제 2 패킹면은 제 1 밸브시트(36)의 대향측에 위치된 배출채널(28,43)측에 있는 제 2 밸브시트(40)와 연동되며, 상기 제 1 밸브시트(36)와 상기 제 2 밸브시트(40) 사이의 간격은 상기 폐쇄몸체부(38)가 밸브시트들 중 어느 것에도 접촉하지 않는 중간지점에 올 수 있도록 됨과 동시에 상기 밸브실(35)에 의해 상기 밸브시트들에 연결된 배출채널부(28,43)들 사이의 연결이 양호하게 이루어질 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 폐쇄몸체부(38)의 리프팅동작은 밸브시트들 중 하나에 구비된 폐쇄몸체부가 나머지 밸브시트에 접촉하도록 된 방식으로 이루어져 상기 폐쇄몸체부의 조절속도를 고려하여 일측에서 타측 밸브시트로 조절할 경우 해당되는 배출채널부들의 연결이 상기 폐쇄몸체부가 일측 밸브시트에 있을 때 상호 연결이 중단될 때까지 예비주입에 작용되는 제어실의 부하해제가 일어날 수 있도록 된 규모로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제 1 밸브시트(36)는 원추형 밸브시트로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 밸브시트(40)는 원추형시트로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 밸브시트는 원추형시트로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 밸브시트는 평면시트로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  7. 제 3항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐쇄몸체부는 구슬로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  8. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안내보링(43)은 상기 안내보링 외부로 돌출된 태핏(42)과, 제 2 밸브시트(40)와 주입밸브 하우징(1) 벽 사이에 구성되어 있으며, 배출채널(43)이 부하해제실(29)쪽으로 돌출되도록 된 원형공간(44)으로 통한 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축쇼울더(58)는 태핏(42)에 연결된 제 1 피스톤(56)에 장착되어 있으며, 상기 피스톤은 실린더보링(54) 안에 안내되어 있는 제 2 피스톤(53)의 보링(57) 내에서 이동가능하며, 상기 압축쇼울더(58) 옆에 놓인 전방면(59)이 유압식 공간(52)을 막으며 스프링(66)에 의해서 타측에 설치된 피에조구동부(65)에 구성되도록 유지된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료주입장치.
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