KR20010059035A

KR20010059035A - 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터

Info

Publication number: KR20010059035A
Application number: KR1019990066413A
Authority: KR
Inventors: 이상선
Original assignee: 이계안; 현대자동차주식회사; 류정열; 기아자동차주식회사
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2001-07-06
Also published as: KR100349836B1

Abstract

본 발명은 전자제어유닛으로부터 인가되는 전기적 신호에 대하여 보다 신속하고 정확하게 반응하여 연료를 분사할 수 있도록 하기 위하여,

하우징과, 고압의 연료를 분사하는 노즐 밸브와, 하우징 내에 장착되어 상기 노즐 밸브를 안내하는 노즐 보디와, 전자제어유닛에 의해 제어되어 상기 노즐 밸브를 작동시키는 전기적 액츄에이터와, 상기 전기적 액츄에이터와 상기 노즐 밸브의 상단부를 연결하는 리크 홀을 갖추는 어댑터 플레이트를 포함하여 이루어지는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터에 있어서,

상기 전기적 액츄에이터는 상기 어댑퍼 플레이트 상단에 설치되는 액츄에이터 보디와; 상기 액츄에이터 보디에 내장되고, 전자제어유닛에 연결되는 다층의 압전체(Piezo-electric material)와; 상기 다층의 압전체의 변형에 따라 상기 어댑터 플레이트의 리크홀을 개폐하도록 다층의 압전체의 일측단에 설치되는 플런저 디스크;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터를 제공한다.

Description

디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터{A COMMON RAIL TYPE INJECTOR OF DIESEL ENGINES}

본 발명은 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는압전체의 변형에 의하여 노즐 밸브가 전자제어유닛의 전기적 신호에 보다 신속하게 반응하여 연료를 분사할 수 있도록 함으로써 연료 분사 시기의 정밀 제어가 가능한 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터에 관한 것이다.

예컨대, 디젤 엔진의 예연소실 등으로 연료를 분사해주기 위한 인젝터에는 통상적으로 연료 분사 펌프와 분사 노즐이 분리되어 이루어져 있으나, 컴먼 레일형 인젝터(Common rail type injector)의 경우에는 연료 분사 펌프와 분사 노즐이 일체화되어 하나의 연료 분사 펌프와 컴먼 레일(common rail)에 연결되어 있는 어큐뮬레이터에 저장된 고압의 연료를 컴먼 레일을 통해 각 실린더의 분사 노즐로부터 연소실에 공급하도록 되어 있다.

이와 같은 컴먼 레일형 인젝터에 있어서는 인젝터 내에 설치된 전기적 액츄에이터가 전자제어유닛에 의해 제어되어 연료량과 분사 시기가 결정되어지는데, 이를 위하여, 종래의 컴먼 레일형 인젝터는 도 3에 도시한 바와 같이, 인젝터 하우징(112) 내로 보빈(114)과 컨트롤 밸브 하우징(116)과 어댑터 플레이트(118) 및 노즐 보디(120)가 차례대로 배치되고, 상기 노즐 보디(120) 내로는 고압의 연료를 분사하는 노즐 밸브(122)가 설치되고, 이 노즐 밸브(122)의 측면으로는 주연료홀(124)이 인젝터 하우징(112)의 길이 방향으로 길게 배치되며, 상기 보빈(114)에는 전자제어유닛에 커넥터를 통해 연결되어 전류를 공급받는 보빈 코일(126)이 내장되며, 상기 컨트롤 밸브 하우징(116)에는 상기 보빈 코일(126)의 전자기장에 의하여 작동되는 컨트롤 밸브(128)가 내장되며, 이 컨트롤 밸브(128)로부터 상기 노즐 밸브(122)의 상단까지는 리크홀(130)이 형성되어 있다.

이에 따라, 전자제어유닛에 의하여 보빈(114)에 전류를 가하면 보빈 코일(126)에 의해 형성된 자기장 힘으로 콘트롤 밸브(128)가 상승하게 되고, 이로 인하여 리크홀(130)을 통한 노즐 밸브(122) 상단의 압력에 변화가 생겨서 노즐 밸브(122)가 상승하게 되면서 주연료홀(124)을 통해 공급되는 고압의 연료가 연소실내로 분사되게 된다.

이 때, 보빈(114)에 가해지는 전류량을 조절하므로써 실린더 내의 압축, 연소, 팽창 행정에 대응하여 사전분사(pre injection), 주분사(main injection), 후분사(post injection)량을 제어할 수 있다.

그런데 상기와 같이 이루어지는 전자기 방식의 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 노즐 밸브의 작동에 의한 연료 분사는 전자제어유닛의 작동 개시 신호 및 작동 종료 신호에 대하여 상당히 긴 지연시간(t1,t2)이 있은 후에 비로소 이루어지게 되는 문제점이 있었다.

이는 전자제어유닛에 의하여 연료 분사를 위한 전기적 신호(S)가 정확하게 제어된다 하더라도, 보빈이 콘트롤 밸브를 들어올리기 위한 자기력(M)을 형성하는 데 소요되는 시간과, 전기적 신호가 사라진 후에도 남게되는 잔류 자기력에 의한 노즐 밸브의 리프트 작동(V)의 지연으로 인하여 작동 개시와 작동 종료에 있어서 지연시간이 생기게 되는 것이다.

이와 같은 전자기장에 의한 지연시간의 발생으로 인하여 연료 분사 시기의 정확한 제어에는 일정한 한계가 있었는바, 응답 시간을 보다 빠르게 향상시키기 위한 방법으로서 액츄에이터의 크기를 크게 하는 시도가 있었으나 이러한 방법은 전기 용량이 증가하고 액츄에이터의 발열에 의한 신뢰성이 저하될 수 있다는 문제점을 내포하고 있었다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자제어유닛으로부터 인가되는 전기적 신호에 대하여 보다 신속하고 정확하게 반응하여 연료를 분사할 수 있는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 인젝터의 단면도,

도 2는 본 발명의 요부 단면도,

도 3은 종래 기술에 의한 인젝터의 단면도,

도 4는 종래 기술에 의한 인젝터의 연료 분사 타이밍 선도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

12 : 하우징 14 : 노즐 밸브

16 : 노즐 보디 18 : 전기적 액츄에이터

20 : 리크홀(leak hole) 22 : 어댑퍼 플레이트

24 : 주연료홀 26 : 액츄에이터 보디

28 : 압전체 30 : 플런저 디스크

32 : 밸런스홀

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 컴먼 레일용 인젝터의 구성 단면도 및 요부 단면도로서, 인젝터를 이루는 주요부는 하우징(12)과, 고압의 연료를 분사하는 노즐 밸브(14)와, 하우징(12) 내에 장착되어 상기 노즐 밸브(14)를 안내하는 노즐 보디(16)와, 전자제어유닛에 의해 제어되어 상기 노즐 밸브(14)를 작동시키는 전기적 액츄에이터(18)와, 상기 전기적 액츄에이터(18)와 상기 노즐 밸브(14)의 상단부를 연결하는 리크홀(leak hole; 20)을 갖추는 어댑터 플레이트(22)를 포함하여 이루어진다.

상기 노즐 밸브(14)로는 상기 하우징(12)의 길이 방향을 따라 길게 형성되는 주연료홀(24)을 통하여 고압의 연료가 공급된다. 즉, 전기적 액츄에이터(18)에 의하여 리크홀(20)을 통한 노즐 밸브(14) 상단의 압력에 변화가 생기면 노즐 밸브(14)가 상승하게 되고, 이에 따라 주연료홀(24)을 통해 공급되는 고압의 연료가 연소실내로 분사되게 되는 것이다.

상기와 같이 이루어지는 인젝터에 있어서, 본 발명은 전기적 신호 인가시 그 체적이 순간적으로 변화하는 압전체(piezo-electric material)의 변형 성질을 이용한 것으로서, 상기 전기적 액츄에이터(18)를 다층의 압전체에 의하여 작동되는 플런저 디스크로 이루어지도록 하여 노즐 밸브의 작동시 지연시간이 발생되지 않도록 한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 인젝터에 있어서 상기 노즐 밸브를 작동시키는 전기적 액츄에이터(18)는 상기 어댑퍼 플레이트(22) 상단에 설치되는 액츄에이터 보디(26)와, 상기 액츄에이터 보디(26)에 내장되고, 전자제어유닛에 연결되는 다층의 압전체(Piezo-electric material; 28)와, 상기 다층의 압전체(28)의 변형에 따라 상기 어댑터 플레이트의 리크홀(20)을 개폐하도록 다층의 압전체(28)의 일측단에 설치되는 플런저 디스크(30)로 이루어지는 구성을 갖는다.

상기 액츄에이터 보디(26)는 하우징(12)의 내부에 형성되며, 그 내부에는 상기 압전체(28)와 플런저 디스크(30)가 슬라이딩할 수 있도록 실린더실이 형성되어 있다. 상기 다층의 압전체(28)는 주지하다시피, 전압을 인가하면 전기분극이 발생하여 기계적인 일그러짐이 발생되고 반대로 일그러지게 하면 전기분극을 발생하는 성질을 지니는 물질로서, 본 발명에서는 압전 세라믹 판(piezo-ceramic disc)을 다수개 적층하여 전기적 신호의 인가시 전체적으로 약 0.3㎜정도의 변위를 일으킬 수 있을 정도의 개수로 형성된다. 여기서, 상기 압전체가 변위에 의해 발생시키는 힘(F)은 다층 압전체의 총변위량(L)과 압전체의 인성(stiffness, S)에 의해 결정된다.

이를 수식으로 표현하면 F = L ×S 라고 할 수 있다.

이에 따라, 상기 다층 압전체(28)의 변위에 의해 발생되는 힘에 의해 상기 플런저 디스크(30)는 하강하여 상기 리크홀(20)을 개통시키게 되는 것이다.

한편, 상기 다층의 압전체(28)에 인가되는 전기적 신호 외에는 정상적인 작동 신호 외에도 외부의 노이즈성 신호도 인가될 수 있다. 이러한 노이즈성 신호에 대하여 상기 압전체는 미약한 변형을 보이기는 하지만 이러한 변형에 의해서도 상기 플런저 디스크는 작동되어 리크홀이 개통될 가능성이 있으므로, 상기 다층의 압전체에는 일정한 예비응력(pre-stress)를 가해두도록 하여 전기적 신호, 즉 전압값이 일정한 값 이상으로 입력이 될 때에만 압전체가 변형을 하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 노즐 밸브(14)와 플런저 디스크(30)사이에 압력 균형이 신속히 이루어질 수 있도록, 액츄에이터 보디(26)와 노즐 보디(16) 사이에 개재된 어댑터 플레이트(22)에는 노즐 보디로 연료를 공급하는 주연료홀(24)로부터 분기하여 플런저 디스크(30)의 일측면에 이르는 밸런스홀(32)을 설치해 두면 압전체(28)로 가해지는 전압이 끊어져서 플런저 디스크(30)에 의해 밸런스홀(32)도 닫혀지면서 노즐 밸브는 보다 신속히 닫혀지게 된다.

상기와 같이 이루어지는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터의 작동 내용은 다음과 같다.

초기에는 플런저 디스크(30)에 의하여 리크홀(20)은 막혀 있으며, 고압의 연료는 인젝터 내 유압 회로 전체 라인에 균형을 이루고 있어 노즐 밸브(14)를 통한 분사 작동은 이루어지지 않는다. 이 때, 전자제어유닛으로부터 상기 다층의 압전체(28)로 연료 분사를 위한 일정값 이상의 전압이 인가되면 압전체 각각의 변위가 증대되고, 각 압전체의 변위의 총합에 의한 힘이 플런저 디스크(30)로 전달되면서 이를 하강시키게 되고, 이에 따라, 리크홀(20)이 개통되면서 인젝터내 유압 회로 라인의 압력 균형이 깨지게 되며, 노즐 밸브(14)는 상승하게 되고 이를 통하여 연료가 연소실내로 분사되게 된다. 여기서, 다시 전자제어유닛으로부터 전달되는 전압의 크기에 따라 압전체(28)의 변위량도 달라지므로 리크홀(20)의 개폐 정도도 달라지게 되어 결국 연료량도 함께 조정되게 되는 것이다.

한편, 압전체(28)로 전달되는 전압이 끊어지면 플런저 디스크(30)와 압전체(28)는 다시 초기의 위치로 복귀하게 되고, 이에 따라 리크홀(20)이 막히면서 인젝터 내 유압 회로 라인에는 다시 압력 균형이 생기게 된다. 이로써, 노즐을 통한 연료 분사는 중단된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터는 전기 신호에 대하여 즉시 반응하여 변형되는 압전체에 의하여 컨트롤 밸브 및 노즐 밸브가 작동되어지므로, 전자제어유닛으로부터 인가되는 전기적 신호에 대하여 보다 신속하고 정확하게 반응하여 연료를 분사할 수 있다.

이에 따라, 인젝터에 의한 연료 분사 시기의 응답 지연 현상이 방지되며, 정밀한 연료량 제어에 의한 배기가스 내의 환경 유해 성분을 대폭 감소시킬 수 있다.

또한, 압전체를 이용하여 유압 라인을 제어하므로 구성이 보다 간단해질 수 있으며, 낮은 전압에 의해서도 작동이 이루어지므로 전력 소모를 줄일 수 있다.

Claims

하우징과, 고압의 연료를 분사하는 노즐 밸브와, 하우징 내에 장착되어 상기 노즐 밸브를 안내하는 노즐 보디와, 전자제어유닛에 의해 제어되어 상기 노즐 밸브를 작동시키는 전기적 액츄에이터와, 상기 전기적 액츄에이터와 상기 노즐 밸브의 상단부를 연결하는 리크 홀을 갖추는 어댑터 플레이트를 포함하여 이루어지는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터에 있어서,

상기 전기적 액츄에이터는

상기 어댑터 플레이트 상단에 설치되는 액츄에이터 보디와;

상기 액츄에이터 보디에 내장되고, 전자제어유닛에 연결되는 다층의 압전체(Piezo-electric material)와;

상기 다층의 압전체의 변형에 따라 상기 어댑터 플레이트의 리크홀을 개폐하도록 다층의 압전체의 일측단에 설치되는 플런저 디스크;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터.
청구항 1에 있어서, 상기 노즐 밸브와 상기 플런저 디스크의 압력 균형이 신속히 이루어질 수 있도록 하기 위하여,

상기 어댑터 플레이트에는 노즐 보디로 연료를 공급하는 주연료홀로부터 분기하여 상기 플런저 디스크의 일측면에 이르는 밸런스홀을 설치한 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터.
청구항 1에 있어서, 상기 압전체는 피에조 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터.
청구항 1에 있어서, 상기 다층의 압전체에는 일정한 예비응력(pre-stress)를 가해두도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 컴먼 레일용 인젝터.