KR20010041144A - 고압 연료 분사용 연료 분사 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 밸브 시트(2), 밸브 볼(3) 및 밸브 볼(3)을 안내하는 안내 부재(4)를 구비한 분사 밸브(1)를 갖고 있는, 중앙의 고압관(6)으로부터 내연기관의 연소실 내로 연료를 고압 분사하기 위한 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 안내 부재(4)는 폐쇄를 위해서는 밸브 볼(3)을 밸브 시트(2)에 누르고 개방을 위해서는 밸브 볼(3)을 스프링(5)의 탄성 장력에 노출시킨다. 개방 상태에서는, 밸브 볼(3)은 중앙의 고압관(6)과 연결되어 있는 제어실(7)로부터 방출 스로틀 홀(8)을 통해 (연료) 공급을 받는 고압 제트에 의해, 밸브 시트(2)로부터 상승 분리된다. 밸브 시트(2)와 방출 스로틀 홀(8) 사이에 확산부(9)가 배치되어 있으며, 방출 스로틀 밸브(8), 확산부(9) 및 밸브 시트(2)는 근사적으로 직각 내지 예각의 원추 각도(α)를 갖는 급경사 벽 깔때기형을 나타낸다.

Description

고압 연료 분사용 연료 분사 밸브{Fuel injection valve for high-pressure fuel injection}

상기와 같은 분사 밸브는 유럽 특허 출원 제 0 661 442 A1 호로부터 알려져 있다. 그런 연료 분사 밸브는 영구적으로 고압관으로 공급-스로틀 홀을 통해 연료 고압원에 연결되어 있는 제어실을 갖고 있다. 연료 분사 밸브의 밸브 폐쇄부재는 제어실에서 지배하는 제어 압력이 높은 한 폐쇄 상태 위치로 유지된다.

제어실은, 분사 제어 밸브로부터 공급받는 방출 스로틀 홀을 통해 방출될 수 있다. 분사 제어 밸브가 방출 스로틀을 개방하는 즉시, 제어실은 방출되고 연료 분사 밸브의 밸브 폐쇄 부재는 그의 개방 위치로 이행되어 내연 기관의 연소 공간 내로 분사가 행해질 수 있다. 분사 제어 밸브가 방출 스로틀 홀을 다시 폐쇄할 때에는, 제어실에서의 압력 상승으로 인해 밸브 폐쇄 부재는 다시 폐쇄 위치에 놓여진다.

분사 제어 밸브의 개방 동작과 폐쇄 동작의 신속성, 정확성 및 재현성은 연료 분사의 질에 결정적으로 중요하다. 개방 동작과 폐쇄 동작의 재현성은, 실질적으로 밸브 시트로부터 방출 스로틀 홀의 개방과 폐쇄를 위해 밸브 볼과 협동하는 분사 제어 밸브의 구조에 의해 결정되고, 밸브 볼은 분사 제어 밸브의 폐쇄를 위해 안내 부재에 의해 밸브 시트에 눌러지고 또한 스프링의 탄성 장력에 의해 개방된다.

밸브 볼을 안내하는 안내 부재에 있는 빈 공간은 사실 밸브 볼의 직경에 따라 적합하게 형성되지만, 방출 스로틀 홀에서의 고압 제트가 밸브 볼에 반경방향으로 벗어나게 부딪히면 볼 시트에 대해 볼의 반경방향 요동이 일어날 수 있다. 또한 볼이 중심에서 밸브 시트로부터 분리될 때까지 진동 과정이 일어날 수 있고, 끝으로 완만한 원추 모양의 밸브 시트의 형상에 의해서는 폐쇄 과정의 경우 반경방향으로의 변위 없이 또한 진동 과정의 발생 없이 밸브 볼이 밸브 시트를 폐쇄하는 것이 보장되지 않는다.

도 3은 분사 제어 밸브의 본질적 구성 부재들의 전형적인 실시예를 보여준다. 연료 분사 밸브는 나사식 압착 연결부(11)를 통해 중앙 고압관(6)과 연결되어 있고 이 고압관 자체는 고압 연료원과 연결되어 있다. 공급 스로틀 홀(10)과 통하는 제어실(7)은 밸브 폐쇄 부재(12)에 작용하는 고압 하에 놓여지고, 그 밸브 폐쇄 부재는 고압 제어실에 고압이 존재하는 한 연료 분사 밸브를 폐쇄 유지한다. 방출 스로틀 홀(8)로 이행하는 방출 홀을 통해 제어실(7)은 방출될 수 있고 그래서 밸브 폐쇄 부재는 연료 분사 밸브를 개방하고 고압관(6)으로부터의 연료를 내연 기관의 연소실 내로 분사한다. 방출 스로틀 홀(8)의 개방과 폐쇄는, 밸브 볼(3)의 밸브 시트(2) 및 밸브 볼(3)을 안내하는 안내 부재(4)를 가진 분사 제어 밸브에 의해 보장된다. 여기서도 둔각 개방 각도(α)를 가진 완만한 원추형 밸브 시트를 분명히 인식할 수 있는데 이 밸브 시트는 도 2가 있는 간행물 EP 0 661 442 A1로부터도 알려져 있다.

중앙 배치된 방출 스로틀 홀의 중심에 대해 밸브 볼이 흔들리고(진동) 및/또는 반경방향으로 이동하면(변위) 반드시 분사 제어 밸브의 개방동작과 폐쇄동작의 정확도와 재현성이 저감한다.

본 발명은 청구항 1의 대개념에 의한 고압 분사용 연료 분사 밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 분사 제어 밸브의 밸브 시트의 영역에 있어 연료 분사 밸브의 단면도.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 분사 제어 밸브의 밸브 시트의 영역에 있어 연료 분사 밸브의 단면도.

도 3은 통상적인 분사 제어 밸브의 중요한 구성 부재들의 영역에 있어서의 단면도.

따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에 있어 연료 분사 밸브의 결점을 극복하고, 분사 제어 밸브에 있어 밸브 볼의 확실하고 규칙적인 폐쇄를 보장하고, 분사 제어 밸브의 폐쇄시 진동 과정에 의한 왜곡 또는 기타 밸브 볼의 손상을 방지하는 것이다.

이 목적은 청구항 1의 특징을 가진 연료 분사 밸브에 의해 해결된다.

밸브 시트와 방출 스로틀 홀 사이에 확산부를 배치함에 의해, 유리하게는 EP 0 661 442 A1에 의한 해법에 비해 더 높은 분율로 스로틀 홀로부터 분출하는 고압 제트의 동적 에너지가 정적 압력으로 변환될 수 있다. 그리하여 스로틀 홀에 비해 더 큰 확산부의 평균 직경으로 인해 밸브 개방시 밸브 볼보다 큰 표면에 압력이 작용할 수 있다. 그래서 분리될 때 밸브 볼은 균일하고 재현성 있게 중심에 위치되고 방출 스로틀 홀에 대한 밸브 볼의 반경방향 변위도 사실상 방지될 수 있다.

방출 스로틀 홀, 확산부 및 밸브 시트로부터 대략적인 급경사벽 깔때기형을 직각 내지 예각 원추각(α)을 갖게 형성함으로써 바람직하게는, 중심부 원추 정점에 배치된 방출 스로틀 홀을 구비한 완만한 원추로 된 통상적인 밸브 시트와는 반대로, 분사 제어 밸브가 폐쇄될 때 밸브 시트의 깔때기 벽은 밸브 볼의 중심 유지를 지원하고, 확산부와 방출 스로틀 홀에 대한 밸브 볼의 반경방향 변위를 방지한다. 그럼으로써 연료 분사 밸브 내에 있어서의 본 발명에 따른 분사 제어 밸브의 형상에 의해, 개방 동작과 폐쇄 동작의 향상된 정확도와 재현성이 달성될 수 있다.

청구항 1에 표시된 연료 분사 밸브의 유리한 부가적인 장점 및 개선 사항은 종속 청구항들에 표시된 특징에 의해 정의되어 있다.

확산부는 통상적으로 최소 직경으로부터 최대 직경으로 상승적으로 확대된다. 그래서 유체의 동적 에너지는 증가하며 또한 부분적으로는 점차 정적 압력으로 변환된다. 그러나 본 발명의 바람직한 실시예에서는 확산부는 "단면적이 급하게 변하는 형태"로 형성되는 것으로, 즉 확산부의 최소 직경과 최대 직경은 같다. 이것은 방출 스로틀 홀이 확산부의 직경으로 갑자기 확장되는 것을 의미하는데, 이것은 통상 카르노 개구(carnot opening)라 호칭된다. 그러한 카르노 개구는, 확산부의 직경과 방출 스로틀 홀의 직경 사이의 비의 단순 변화(비의 순간적 변화)에 의해 저항 계수(ζ)가 최적화 될 수 있다는 이점을 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어, 확산부의 평균 직경과 방출 스로틀 홀의 직경 사이의 비가 1.2 내지 2이고, 그렇기 때문에 대략 저항 계수(ζ)는 0.16 내지 9로 조절될 수 있다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 있어서, 원추각(α)은 60° 내지 90°이다. 종래 기술로부터 공지된 완만한 원추와는 반대로 이 급경사벽 원추는 보다 개선된 밸브 볼의 중심 유지를 가능하게 한다. 60°이하의 원추각의 경우에는, 원추 볼의 중심 유지는 사실 보다 양호하게 지원되지만, 분사 제어 밸브가 폐쇄될 때 방출 스로틀 홀에 대해 가급적 짧은 거리에서 부유할 수 있도록 볼이 확산부 내에 충분히 침강할 수가 없게 된다. 다른 한편 90°의 원추각의 경우에는 깔때기형의 중심 유지 작용은 점차 작아지기 때문에 종래 기술에 관해 설명한 결점이 더 강하게 나타난다.

바람직하게는 밸브 볼은 반경(r)의 1/5 내지 1/10 만큼 확산부 내로 침강한다. 따라서 한편으로는, 밸브 볼의 충분히 큰 면적이 고압 분출류에 의해 충돌되어 중심부에서 밸브 시트로부터 분리 상승될 수 있고 다른 한편으로는 밸브 볼은 확산부 내로 너무 깊이 침강하는 것이 방지될 수 있다.

본 발명의 추가의 실시예에 있어서는 확산부의 최대 직경(D)과 확산부의 길이(l)는, 분사 제어 밸브가 폐쇄되었을 때 밸브 볼이 방출 스로틀 홀 상부 0.1 mm 이하, 바람직하게는 30 내지 80 ㎛의 거리에 위치하도록, 서로 조화된다. 이 거리에 의해 바람직하게는, 방출 스로틀 홀로부터의 고압 제트가 분사 제어 밸브의 개방 시초에 스로틀 홀(좁은 구멍)의 영역에서 밸브 볼 표면에 부딪칠 뿐 아니라 압력이 확산부와 밸브 시트의 최대 직경의 영역에서 밸브 볼의 볼 헤드의 큰 표면 위에 작용하는 것도 보장된다.

스로틀링(수렴)의 정도에 관해서는 방출 스로틀 홀의 길이 대 직경 비가 결정적 역할을 한다. 스로틀 홀의 직경이 작아지고 길이가 커질수록, 스로틀링은 더 강해진다. 스로틀링이 증가함에 의해 제어실로부터 방출하는 연료의 소모양은 감소한다. 그러나 그와 동시에 제어실에서의 고압이 감쇠되는 시간은 더 길어진다. 따라서 방출 스로틀 홀의 길이 대 직경 비 1 내지 20의 범위가, 상기한 두 극단 인자간의 최적 절충치를 제공할 것이다.

또한 확산부는 바람직하게는 길이 대 최대직경 비 0.1 내지 0.5를 갖는다. 확산부의 이 길이 대 최대직경 비에 의해, 단계형 이행부에 있어 와류(소용돌이 형성)에 의한 흐름 손실은 증가하는 한편, 확산부의 재킷 형 벽에서의 흐름은 (벽면에) 접촉하게 되지 않는 이유로 확산부에서의 마찰 손실은 무시할 정도로 작아진다.

본 발명의 추가 이점, 특징 및 응용성은 도면과 관련된 실시예에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 얻어질 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서 분사 제어 밸브의 밸브 시트(2)에 있어서 연료 분사 밸브의 횡단면도를 보여준다. 압력 제어실(7)은 도 3에 표시된 공급-스로틀 홀(10)을 통해 중심의 고압관(6)과 연결되어 있고 그것으로 인해 150 내지 300 MPa의 연료압 하에 놓여 있다. 분사 제어 밸브의 밸브 볼(3)이 스프링(5)의 탄성 장력에 맞서 밸브 시트(2)로부터 화살표 A의 방향으로 분리될 때, 방출 스로틀 홀(8)로 이행하는 방출 홀(13)을 통해 제어실(7)은 방출될 수 있다.

밸브 볼(3)은, 도 3에 표시된 밸브 볼(3)을 안내하는 안내 부재(4)에 의해 개방 및 폐쇄로 유지된다. 볼(3)이 밸브 시트(2)의 중심부에 고정 위치되는 것은, 이 바람직한 실시예에서는 90°인 직각 내지 예각의 원추각도(α)를 형성하는 경사벽의 깔때기형에 의해 보장된다. 그럼으로써 유리하게는 방출 스로틀 홀(8)로부터의 고압 제트는 밸브 볼(3)의 중심에 충돌할 수 있고 그래서, 자기 밸브가 밸브 시트(2)에의 가압력으로부터 밸브 볼(3)을 해방시키는 즉시, 밸브 볼을 화살표(A)의 방향으로 상승시킬 수 있다. 밸브 시트(2)와 방출 스로틀 홀(8) 사이에는 확산부(9)가 배치되어 있는데, 이 실시예에서는 최소 직경(d)과 최대 직경(D)이 같다.

확산부(9)의 길이 대 직경 비는 이 실시예에서는 0.2이고, 방출 스로틀 홀(8)의 길이 대 직경 비는 2 이하이다. 밸브 볼(3)은 그 반경(r)의 1/8 만큼 확산부(9) 내로 잠입하고 분사 제어 밸브가 폐쇄되었을 때 스로틀 홀 위 80 ㎛의 거리에 위치한다. 방출 스로틀 홀(8)과 확산부(9) 사이의 단면 확장부는 카르노 개구(Carnot-opening)를 형성하여, 여기서는 방출 스로틀 홀(8)로부터 밸브 볼(3)의 중심으로 향하는 고압 제트의 흐름이 더 이상 층류로 확산부(9)의 벽에 접하지 않고 오히려 단면 확장부에서 (에너지) 손실적인 와류 흐름을 형성한다.

이 흐름 손실에도 불구하고 확산부(9)는 급경사 벽 밸브 시트(2)와 더불어, 통상적 기법에 있어 방출 스로틀 홀(8)로부터 밸브 시트(2)로 직접 이행하는 방식의 통상적인 편평한 원추의 밸브 시트의 경우보다도, 밸브 볼(3)에 대해 훨씬 더 높은 중심화 작용(고정적으로 중심에 집중)을 갖는다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 있어 분사 제어 밸브의 밸브 시트의 영역에 있어서의 연료 분사 밸브의 단면도를 보여준다. 여기에 있어 이 실시예의 원추각(α)은 도 1에 의한 제 1 실시예에서보다 훨씬 예각으로 되어 있는 것을 분명히 알 수 있다. 이 경우에는 원추각(α)은 60도이고 확산부의 길이 대 직경 비는 0.15이다.

밸브 볼(3)은 이 실시예에서는 훨씬 더 깊이 확산부(9) 내로 잠입되어 있고 분사 제어 밸브(30)가 폐쇄되었을 때 방출 스로틀 홀(8)의 방출 가장자리(14) 위로 30 ㎛에 위치하고 있다. 밸브 시트(2)의 이 예각 원추에 의해 밸브 볼(3)은 유압적으로 중심에 유지된다. 이것은, 폐쇄가 마찰 없이 행해질 수 있고 밸브 볼(3)이 폐쇄될 때 역류하는 양 중에 오차가 발생하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 길이 대 직경 비 0.15의 극히 짧은 확산부 홀에 의해, 방출 스로틀 홀(8)로부터 방출하는 고압 제트는 중심선(15) 외부로 크게 벗어나 볼에 충돌할 수 없다. 그 외에도 비교적 큰 확산 개구는, 경사 벽으로 된 밸브 시트(2)가 보다 양호하게 (기계) 가공될 수 있고 연마될 수 있다는 이점을 갖는다.

도 3은, 이미 앞의 종래 기술 항목에서 설명된 것과 같이, 통상적 분사 제어 밸브의 중요한 구성 부재들의 영역에 있어서의 단면도를 보여준다.

Claims (8)

1. 밸브 시트(2), 밸브 볼(3) 및, 밸브 볼(3)을 안내하는 안내 부재(4)를 구비한 분사 밸브(1)를 갖고 있으며, 안내 부재는 폐쇄를 위해서는 밸브 볼(3)을 밸브 시트(2)에 누르고 개방을 위해서는 밸브 볼(3)을 스프링(5)의 탄성 장력에 노출시키는데, 밸브 볼(3)은 개방 상태에서는, 중앙의 고압관(6)과 연결되어 있는 제어실(7)로부터 방출 스로틀 홀(8)을 통해 (연료) 공급을 받는 고압 제트에 의해, 밸브 시트(2)로부터 상승 분리되는, 중앙의 고압관(6)으로부터 내연기관의 연소실 내로 연료를 고압 분사하기 위한 연료 분사 밸브에 있어서,

   밸브 시트(2)와 방출 스로틀 홀(8) 사이에 확산부(9)가 배치되어 있으며, 방출 스로틀 밸브(8), 확산부(9) 및 밸브 시트(2)는 근사적으로 급경사 벽 깔때기형을 형성하고, 그 깔때기형은 직각 내지 예각의 원추 각도(α)를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 확산부(9)의 최소 직경(d)과 최대 직경(D)이 같은 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 확산부(9)의 평균 직경(d_m)과 방출 스로틀 홀(8)의 직경(m) 간의 비가 1.2 내지 2인 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 원추 각도(α)가 60 내지 90°인 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 밸브 볼(3)은 그의 반경(r)의 1/5 내지 1/10 만큼 확산부(9) 내로 잠입되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 확산부(9)의 최대 직경(D)과 확산부(9)의 길이는, 분사 밸브(1)가 폐쇄되었을 때 밸브 볼(3)이 방출 스로틀 홀(8) 상부 0.1 mm 이하, 바람직하게는 30 내지 80 ㎛의 거리에 위치하도록, 서로 조화되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 방출 스로틀 홀은 길이 대 직경 비가 1 내지 20을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 확산부(9)는 길이 대 최대 직경비가 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.