KR20010075280A - 연료분사밸브 - Google Patents

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KR20010075280A
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KR1020017003655A
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뵈킹프리드리히
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연료분사밸브(1), 특히 내연기관의 연료분사장치용 분사밸브에 관한 것이다. 상기 밸브는 압전 또는 자성수축 액추에이터(13)를 포함한다. 상기 액추에이터(13)는 밸브니들(2)에 의해 밸브차단체(3)를 작동시키며, 상기 밸브차단체는 밸브시트면(27)과 함께 작용하여 밀폐시트를 형성한다. 연료라인(8, 10, 11, 12)은 연료유입구(7)로부터 밀폐시트로 연장된다. 액추에이터(13)는 관 형상이며 연료라인(8, 10, 11, 12)을 적어도 부분적으로 둘러싼다.

Description

연료분사밸브{Fuel injection valve}
DE 19500706 A1에는 그 특허청구범위 제1항의 특징에 따른 연료분사밸브가 공지되어 있다. 상기 연료분사밸브의 경우 밸브차단체가 밸브시트면과 함께 작용하여 하나의 밀폐시트를 구성한다. 연료분사밸브는 외부로 개방되는 연료분사밸브 또는 내부로 개방되는 연료분사밸브이다. 밸브차단체는 압전 액추에이터로 작동되는 밸브니들과 일체형으로 결합된다. 압전 액추에이터는 비교적 작은 작동행정을 갖는다. 따라서, 상기 공보에서는 압전 액추에이터와 밸브니들 사이에 유압 전동장치를 배치하여 액추에이터에 의한 작동행정을 더욱 크게 하는 것을 제안하였다.
공지된 연료분사밸브의 경우, 상대적으로 복잡하고 조밀성의 관점에서 볼 때 최적화되지 않은 구조를 가진다는 단점이 있다. 또한, 상기 유압 전동장치에는 시간에 따른 유압매체의 휘발손실을 줄이기 위해 연료분사밸브의 수명을 단축시킬 수도 있는 특수한 유압매체를 사용해야한다는 단점이 있다.
압전 액추에이터를 사용하는 또 다른 구조의 연료분사밸브가 DE 43 06 073호에 공지되어 있다. 그러나, 이 구조 역시 조밀성이 적으며 상대적으로 큰 조립공간을 필요로 한다. 상기 공보의 연료분사밸브에서도 마찬가지로 상대적으로 작은 압전 액추에이터의 행정을 밸브니들에 더 큰 행정으로 전달하기 위해 유압 전동장치가 사용된다. 전동장치 유압매체를 압축하기 위해, 그리고 누출손실을 보상하기 위해 예를 들어, 외부 압력용기 형태의 특수한 압력저장기를 사용한다. 따라서, 압력저장용 연결장치를 추가로 사용하거나 압력저장기를 실현하기 위해 별도의 조치를 취해야 한다.
압전 액추에이터를 사용하는 현재까지 공지된 연료분사밸브는 주로 자기 점화 내연기관 특히, 경유 분사 내연기관의 연료분사에 사용된다. 이때, 발생하는 가동압은 상대적으로 높으며 이러한 가동압은 조밀하고 공간을 작게 차지하는 구조의 저해요소이다.
본 발명은 특허청구범위 제1항의 특징에 따른 연료분사밸브에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료분사밸브의 제 1 실시예의 축방향 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 연료분사밸브의 제 2 실시예의 축방향 단면도.
도 3은 도 2의 Ⅲ 부분의 확대 단면도.
특허청구범위 제1항에 따른 본 발명의 연료분사밸브는 연료라인이 관 형상의 액추에이터를 관통하여 진행하므로, 매우 조밀한 구조를 가진다는 장점을 가진다. 공지된 연료분사밸브의 경우, 연료가 액추에이터의 측면으로 진행하여 폭이 넓어지거나 또는 액추에이터의 흐름 하부방향으로 진행함으로써 연료라인 연결에 불리하게 작용하는 반면, 본 발명에 따른 구성을 사용하면 연료라인이 중앙으로 진행하므로, 연료유입구를 밸브차단체 맞은편에 있는 연료분사밸브 종단에 설치할 수 있다. 연료라인이 액추에이터 측면으로 진행하는 종래의 하우징과는 달리 하우징의 벽체를 상대적으로 얇게 만들 수 있다.
또한, 구조가 조밀하므로 연료의 흡입경로가 짧아서 공동이 형성되는 것을 막을 수 있다.
종속 청구항의 특징을 사용하여 특허청구범위 제1항의 연료분사밸브를 유리하게 확장 구성할 수 있다.
유리하게도, 밸브니들은 관형상의 액추에이터를 관통하며, 이때 밸브니들의 축방향 종방향 개구는 연료라인의 일부가 된다. 이 경우 밸브니들은 밸브차단체의 작동기능 뿐 아니라 연료라인 기능을 수행한다.
특히 유리한 것은 밸브니들을 두 부분으로 구성하여 용접돌기 또는 커플링을 사용하여 연결하는 것이다. 이러한 방법을 사용하여 분사측 밸브니들 부위를 분사방향으로 연료분사밸브에 설치하며, 유입측 밸브니들 부위를 유입방향으로 연료분사밸브에 설치하고, 이때 두 개의 밸브니들 부위는 서로 매끄럽게 연결된다. 이 경우 복귀스프링을 지지하는 플랜지를 유입측 밸브니들 부위에 미리 조립할 수 있다.
유리하게도, 액추에이터는 고정부재에 의해 방사상으로 둘러싸인다. 기존의 기술분야에서 일반적으로 고정부재를 축 방향으로 배치하는 것에 비해 상기조치들을 사용하여 더욱 조밀한 구성을 취할 수 있다.
특히 유리한 것은 전동장치용 유압매체로써 연료라인에 유입된 연료를 사용하는 것이다. 예를 들어, 오일과 같은 특수한 유압매체가 전동장치에 더 이상 필요하지 않다. 혹시 발생할 수도 있는 누출손실은 자동 보충으로 보상된다. 또한, 다른 종류의 유압매체 특히, 유압유에 의한 연료의 오염을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면에 간단하게 도시되며 하기에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료분사밸브(1)의 축방향 단면도이다. 연료분사밸브(1)는 연료 특히, 휘발유를 소위 휘발유 직접분사밸브로 칭해지는 기체혼합의 외부점화 내연기관의 연소실에 직접 분사하는 기능을 한다. 본 발명에 따른 연료분사밸브(1)는 기타의 분야에 적용할 수도 있다.
연료분사밸브(1)는 밸브니들(2)에 의해 작동되는 밸브차단체(3)를 구비한다. 밸브니들(2)은 유입측 밸브니들 단면(2a)과 분사측 밸브니들 단면(2b)을 구비한다. 밸브차단체(3)는 본 실시예에서 분사측 밸브니들 단면(2b)과 일체형으로 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같은 연료분사밸브는 외부로 개방되는 연료분사밸브(1)이다. 밸브차단체(3)는 분사 방향으로 원추형으로 확장되는 단면(4)을 구비한다. 밸브차단체(3)는 제 1 하우징바디(5)에 구성되는 밸브시트면(27)과 함께 작용하여 밀폐시트를 형성한다.
연료는 제 2 하우징바디(6)에 구성된 연료유입관(7)을 통해 유입된다. 연료는 복귀스프링(9)을 수용하기 위해 제 2 하우징바디(6)에 설치된 챔버(8)를 통해서 관 형상의 유입측 밸브니들 단면(2a)으로 유동한다. 유입측 밸브니들 단면(2a)과 분사측 밸브니들 단면(2b)은 종방향 개구(10)를 가지며, 이때, 종방향 개구(10)는 유입측 밸브니들 단면(2a)의 축방향 전체로, 또한 분사측 밸브니들 단면(2b)의 축방향 일부로만 확장된다. 종방향 개구(10)에 방사상 보어(11)가 연결되며, 이것은다시 종방향 개구(10)를 제 1 하우징바디(5)의 리세스(12)와 연결시킨다. 따라서, 밸브니들(2)은 연료유입관(7)으로부터 밸브차단체(3) 및 밸브니들 시트면(27)으로 구성되는 밸브시트까지 진행하는 연료라인의 일단부를 구성한다. 리세스(12)에서 연료는 밸브니들(2)의 방사상 보어(11)에서부터 밸브차단체(3) 및 밸브시트면(27)으로 구성되는 밸브시트까지 유동하며, 연료분사밸브(1)가 작동되면 그곳에서 분사된다. 본 발명에 따른 관 형상의 액추에이터(13)가 연료분사밸브(1)를 작동시킨다. 액추에이터(13)는 유입측 밸브니들 단면(2a)을 둘러싸며, 따라서 밸브니들(2)에 유입된 연료라인 단면을 둘러싼다. 관 형상의 액추에이터(13)는 액추에이터(13)의 각 세라믹판에 전압을 가하기 위해 각각의 전극이 설치된 다수의 적층배치된 압전 세라믹으로 이루어진다. 전압이 가해지면 액추에이터(13)는 팽창한다. 이때, 액추에이터(13)는 제 1 플랜지(14)를 통해 제 2 하우징바디(6)에 충돌하며, 제 2 플랜지(15)를 통해 전동피스톤(16)을 작동시킨다. 본 실시예에서 유입측 밸브니들 단면(2a)과 분사측 밸브니들 단면(2b)은 용접돌기(17)에 의해 상호 결합된다. 조립시에, 용접공구가 용접돌기(17)에 용이하게 접근할 수 있도록 하기 위해 전동피스톤(16)은 그 둘레에 분산 배치된 방사상 보어(18)을 가진다.
액추에이터(13)는 본 실시예에서 파형의 인장 용수철밴드로 구성된 고정부재(19)에 의해 방사상으로 둘러싸인다. 고정부재(19)는 제 1 플랜지(14)와 제 2 플랜지(15) 사이에 설치되며, 액추에이터(13)에 대한 축방향 응력을 생성한다.
액추에이터(13)가 작용하면, 액추에이터(13)는 팽창하며 제 2 플랜지(15)를통해 전동피스톤(16)을 도 1의 밸브차단체(3) 방향으로 하부로 밀어준다. 전동피스톤(16)과 밸브니들(2)은 전동장치(20)를 통해 연동한다. 전동장치(20)는 유압매체로 채워진 전동실(21)로 구성되며, 본원에서 제 1 면(A1)의 전동피스톤(16)과 제 2 면(A2)의 밸브니들(2)이 접한다. 이때, 밸브니들(2)의 제 2 면(A2)은 전동피스톤(16)의 제 1 면(A1)보다 작다. 따라서, 이 경우 전동피스톤(16)이 움직일 때 밀려나는 유압매체는 밸브니들(2)을 도 1의 밸브차단체 방향으로 하부로 밀어주며, 이때 밸브니들(2)의 행정은 면(A1)과 면(A2)의 비율로 인해 전동피스톤(16)의 작동행정보다 크다. 이러한 방법으로 만족할 만한 밸브행정을 얻을 수 있다. 액추에이터(13)의 작동전압이 차단되면 액추에이터(13)는 다시 수축하거나 고정부재(19)에 의해 압착된다. 따라서, 밸브니들(2)은 개방방향 작동력을 더 이상 받지 않으며, 제 2 하우징바디(6) 및 용접돌기(22)로 밸브니들(2)과 결합된 플랜지(23) 사이에서 장력이 가해진 상태의 복귀스프링(9)은 도 1의 밸브니들(2)과 밸브차단체(3)를 상부 방향으로 연료분사밸브(1)의 폐쇄위치로 복귀시킨다.
본 발명에 따른 연료분사밸브(1)는 매우 조밀한 구조를 가진다는 특징이 있다. 연료라인은 액추에이터(13) 영역에서 종방향 개구(24)와 동심을 이루며 관 형상의 액추에이터(13)를 관통한다. 따라서, 종래에 본 기술분야에서 일반적으로 행해지듯이 연료라인을 하우징바디(5, 6)에 내장시킬 필요가 없으며, 그에 따라서 전체적으로는 가늘고 보다 조밀한 구조를 갖는다.
관 형상의 액추에이터(13) 작동력은 중앙으로 천공되지 않은 세라믹판 액추에이터의 경우보다 상대적으로 작으며, 그럼에도 불구하고 혼합기 외부점화 내연기관 연소실의 직접 연료분사용 연료밸브 특히, 휘발유 직접 분사밸브의 발생 연료압은 자기 점화 내연기관용 연료분사밸브 예를 들어, 경유 연료분사밸브의 연료압보다 작다. 또한, 그에 상응하여 거기에 필요한 가동력이 상대적으로 작아지며, 그에 따라서 관 형상의 액추에이터(13)에 의해 발생하는 가동력은 적어도 이러한 적용분야에서는 충분하다.
전동장치(20)용 유압매체로서 유리하게도, 연료분사밸브(1)에 유입된 연료를 사용한다. 따라서, 예를 들어, 유압유와 같은 특수한 매체를 사용하지 않아도 되며 연료가 오염되지 않는다는 장점이 있다. 유압매체 누출손실분은 자동으로 보충된다. 본 실시예의 경우 보충과정은 밸브니들(2)과 제 1 하우징바디(5) 사이의 유입공간(26)을 통해 정역학적으로 이루어진다. 하지만, 이 경우 유입공간(26)은 가능한 좁게 하여 연료분사밸브(1)가 작동될 때, 전동실(21) 내에 존재하는 유압매체가 유입공간(26)을 통해 빠져나가지 않도록, 또는 실 상황에서 무시할 정도의 양만 빠져나가도록 해야한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료분사밸브(1)의 제 2 실시예 종단면도이다. 도 2의 실시예가 제 1 실시예와 다른 점은 내부 개방 연료분사밸브(1)라는 것이다. 상술한 구성요소는 동일부호를 사용하여 배치를 용이하게 하였다. 반복설명은 피한다.
본 실시예의 경우에도 마찬가지로, 밸브니들(2)은 유입측 밸브니들 단면(2a)과 분사측 밸브니들 단면(2b)의 두 부분으로 구성된다. 본 실시예에서 분사측 밸브니들 단면(2b)은 밸브차단체(3)와 일체형으로 구성된다. 밸브차단체(3)는 실린더형상의 단면(40)을 가지며, 여기에 연료가 균일하게 분배되도록 적어도 하나의 강선 너트(41)가 설치된다. 실린더 형상의 단면(40)에 밸브차단체(3) 원추형 구역(42)이 유동방향으로 이어지며, 이것은 노즐바디(43)에 구성된 밸브시트면(27)과 함께 밸브시트에 작용한다. 연료분사밸브(1)가 작동하면 밸브차단체(3)는 도 2의 밸브시트면(27)으로부터 상부로 들려지며 분사구(45)가 개방된다. 니들바디(43)에는 나사부(47)에 의해 하우징바디(6)에 조여진 고정암나사(46)에 의해 중간판(48)에 대해 장력이 가해진다.
연료는 유입단면(49)에 있는 연료유입구(7)를 통해 유입된다. 연료는 밸브니들(2)용 복귀스프링(9)을 수용하는 챔버(8)로 계속 유동한다. 복귀스프링(9)은 하우징바디(6)에서 나사부(50)에 의해 조여지는 유입단면(49) 및 밸브니들(2)과 견고하게 결합된 플랜지(23) 사이에서 장력이 가해진 상태가 되며, 밸브니들(2)과 밸브차단체(3)에 밸브시트면(27)에 대해 연료분사밸브(1) 폐쇄방향으로 응력을 작용한다. 본 실시예에서도 마찬가지로, 밸브니들(2)은 종방향 개구(10)을 가지며 이 개구는 연료라인의 일부가 된다. 연료는 방사상 보어(60)을 통해 노즐바디(43)의 리세스(51)로 유동하며, 적어도 하나의 강선너트(41)를 통해 밀폐면으로 계속 유동한다.
도 2의 실시예 역시, 액추에이터(13)는 관 형상이며 고정부재(19)에 의해 제 1 플랜지(14)와 제 2 플랜지(15) 사이에 고정된다. 액추에이터(13)에 전압이 걸리면 팽창하며, 도 2의 전동피스톤(16)은 상부 연료유입구(7) 방향으로 밀어준다. 따라서, 유압전동기(20)의 전동실(21) 유압매체는 밀려나며, 플랜지(23)를 밀고, 이로써, 도 2의 밸브니들(2)은 상부로 움직이고, 따라서, 밸브차단체(3)는 밸브시트면(27)으로부터 이격되며 분사밸브(45)가 개방된다.
액추에이터(13)에 작용하는 전압이 제거되면, 액추에이터는 다시 수축되거나 액추에이터(13)를 감싸는 고정부재(19)에 의해 압착되고, 밸브니들(2)은 도 2의 복귀스프링(9)에 의해 밸브차단체(3)가 다시 밸브시트면(27)에 놓일 때까지 하부로 밀린다. 본 발명에 따른 연료분사밸브(1)는 개방 및 폐쇄에 소요되는 시간이 매우 짧다는 점에 유의해야 한다.
도 2의 연료분사밸브(1)의 조립은 우선 하우징바디(6)에 수용되는 모든 부품을 선조립하는 방식으로 수행된다. 마지막으로 분사측 밸브니들 단면(2b)을 후술하는 커플링(52)을 통해 유입측 밸브니들 단면(2a)과 결합시킨다. 그 다음 니들바디(43)를 얹고 조임 암나사(46)로 조여준다.
유입측 밸브니들단면(2a)과 분사측 밸브니들단면(2b)을 결합하는 것은 도 3에 확대 도시된다. 도 3은 도 2의 Ⅲ 부분의 단면을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 유입측 밸브니들 단면(2a)은 방사상 보어(60)를 통해 빠져나가는 축 방향 종방향 개구(10)을 가진다. 도 3에서 알 수 있듯이, 방사상 보어(60)는 너트(53)를 통과하며, 이것은 연료가 방사상으로 보다 효과적으로 분산되게 하기 위해 두 개의 밸브니들 단면(2a, 2b) 사이의 접경영역에 구성된다. 커플링(52)을 통해 방사상 보어(54)가 관통함으로써, 연료는 결국 노즐바디(43)의 리세스(51)에 도달한다.
두 개의 밸브니들 단면(2a, 2b)을 결합시키기 위해 유입측 밸드니들단면(2a)에 제 1 너트(55)가 제공되며, 분사측 밸브니들 단면(2b)에는 외부 둘레에 설치된 제 2 너트(56)가 제공된다. 커플링(52)은 내부로 돌출하는 조립돌기(57, 58)를 가지며, 이 조립돌기는 너트(55, 56)에 조립된다. 이로써 두 개의 밸브니들 단면(2a, 2b) 사이에 조립연결이 이루어지며, 따라서 연료분사밸브(1)의 조립이 용이한 구조가 가능해진다.
본 발명은 상술한 실시예에 제한되지 않는다. 관 형상의 액추에이터(13)를 관통하는 연료라인의 중앙배치개념은 구조적으로 차이가 있는 다수의 연료분사밸브의 경우에도 실현 가능하다. 압전 액추에이터(13) 대신 자성 수축의 액추에이터도 사용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 압전 또는 자성수축 (13), 밸브니들(2)을 통해 (13)로 작동되며, 밸브시트면(27)과 연동하는 밸브차단체(3), 연료유입관(7)으로부터 밀폐시트까지 이어지는 연료라인(8, 10, 11, 12, 51, 60)을 가지는 연료분사밸브(1), 특히 내연기관의 연료분사장치용 분사밸브에 있어서,
    상기 액추에이터(13)는 관형상으로 구성되며, 연료라인(8, 10, 11, 12, 51, 60)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 밸브니들(2)은 관형상의 액추에이터(13)를 관통하고, 축 방향의 종방향 개구(10)을 가지며, 연료라인(8, 10, 11, 12, 51, 60)의 한 단면을 구성하는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 밸브니들(2)이 두 부분으로 이루어지고 유입측으로는 밸브니들단면(2a), 분사측으로는 밸브차단체(3)와 연결되거나 또는 그것과 일체형으로 이루어지는 밸브니들 단면(2b)을 가지는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 유입측 밸브니들단면(2a)은 복귀 스프링(9)이 지지되는 플랜지(23)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 유입측 밸브니들 단면(2a)과 분사측 밸브니들 단면(2b)은 용접돌기(17)에 의해 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 유입측 밸브니들 단면(2a)과 분사측 밸브니들 단면(2b) 사이에 하나의 커플링(52)이 설치되며, 여기에 유입측 밸브니들 단면(2a)의 너트(55)로 맞물려 고정되는 제 1 제동돌기(57) 및 분사측 밸브니들 단면(2b)의 너트(56)로 맞물려 고정되는 제 2 제동돌기(58)가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액추에이터(13)는 고정부재(19)에 의해 방사상으로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 액추에이터(13)와 밸브니들(2) 사이에 유압전동장치(20)가 설치되며, 액추에이터(13)가 전동피스톤(16)을 통해 상기 장치에 작용하는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전동장치(20)가 유압매체를 가지며, 이 매체는 제 1면(A1)을 통해 전동피스톤(16)과 또한 제 1 면(A1)보다 작은 제 2 면(A2)을 통해 밸브니들(2)과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  10. 제 9항에 있어서, 전동장치(20)의 유압매체가 연료라인(8, 10, 11, 12, 51, 60)에 유입되는 연료인 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
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