KR20010080313A - 연료 분사 밸브 - Google Patents

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KR20010080313A KR1020017005112A KR20017005112A KR20010080313A KR 20010080313 A KR20010080313 A KR 20010080313A KR 1020017005112 A KR1020017005112 A KR 1020017005112A KR 20017005112 A KR20017005112 A KR 20017005112A KR 20010080313 A KR20010080313 A KR 20010080313A
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마테스파트리크
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
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Abstract

본 발명은 밸브 몸체(10)와, 제어 압력 챔버(22)와, 이 제어 압력 챔버(22) 내에서 압력을 제어하는 제어 밸브(28)와, 노즐 니들(12)용 작동 부품(14)을 포함하는 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 상기 작동 부품은 밸브 몸체(10) 내에 변위 가능하게 배치되며 이 작동 부품에는 제어 압력 챔버(22) 내에서 압력이 가하여진다. 본 발명의 목적은 작동 부품(14)과 노즐 니들(12)에 작용하는 압력을 감소시키고자 하는 것이다. 이를 위하여, 본 발명에서는 제어 밸브(28)가 제어 압력 챔버(22)에 안내된 유입관(24)을 제어하도록 제공된다.

Description

연료 분사 밸브{Fuel injection valve}
상기 연료 분사 밸브는, 예를 들면 독일특허 제 196 24 001 A1 호에 공지되어 있으며, 이 장치는 고압 연료를 내연기관의 실린더 내에 분사하는 과정을 제어하기 위하여 사용된다. 또한, 상기 장치는, 특히 소위 "공통 레일" 시스템에서 사용할 수 있다.
공지된 연료 분사 밸브에서 제어 밸브는 제어 압력 챔버의 배출관에 배치되며 이 배출관 내에서 연료를 차단할 수 있다. 이러한 방식으로 인하여, 제어 압력 챔버에는 작동 부품과 노즐 니들을 폐쇄 위치에 유지하는 압력이 발생한다. 제어 밸브가 개방되면, 제어 압력 챔버 내에는 압력 강하가 발생하게 되며, 그 결과 작동 부품상에 가하여진 폐쇄력은 노즐 니들에 가하여진 개방력이 노즐 니들을 개방할 수 있을 정도로 하강한다.
본 발명은 밸브 몸체와, 제어 압력 챔버와, 이 제어 압력 챔버 내에서 압력을 제어하는 제어 밸브와, 노즐 니들용 작동 부품을 포함하는 연료 분사 밸브에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시한 연료 분사 밸브의 제어 밸브에서 사용되는 밸브 부품을 도시한 측면도.
도 3은 연료 분사 밸브의 제어 밸브와 노즐 니들로 구성된 밸브 부품의 행정을 시간에 따라 도시한 다이어그램.
청구항 제 1 항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브에서는, 노즐니들을 이 니들의 폐쇄 위치에 유지하기 위하여 제어 압력 챔버 내에 압력을 가하는 것이 아니고 노즐 니들이 개방될 때 제어 밸브를 개방시킴으로써 제어 압력 챔버가 일정 압력 하에 존재하도록 구성되기 때문에 전체적으로 낮은 압력이 얻어진다. 여기서, 모든 시점에서 전체 연료압이 제어 압력 챔버 내에 작용하는 것이 아니기 때문에 전체적으로 낮은 힘이 발생한다. 압력 감소는 작동 부품과 노즐 니들 사이에서 위치와 방향 오차를 생성하는 압착력을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 낮은 압착력은, 특히 노즐 니들의 손상을 줄일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 노즐 니들로부터 이격된 작동 부품의 단부에는 이 작동 부품의 외경보다 큰 외경을 갖는 제어 피스톤이 제공되며, 제어 피스톤은 제어 압력 챔버 중 노즐 니들로부터 이격된 면에서 제어 압력 챔버와 분리된다. 이러하 방식으로 인하여, 제어 압력 챔버의 압력 상승을 통하여 노즐 니들을 개방할 수 있도록 작동 부품을 조절하기 위하여 필요한 직경 차이를 구조적으로 간단하게 얻을 수 있다.
바람직한 실시예에 따라서, 제어 피스톤에는 이 제어 피스톤 중 노즐 니들로부터 이격된 쪽에 보상 돌출부가 제공되는데, 이 보상 돌출부는 연료압으로 설정될 수 있는 보상 챔버 내로 돌출된다. 이때, 상기 보상 돌출부는, 주로 노즐 니들의 밸브 시트와 동일한 직경을 가지며, 따라서 보상 돌출부는 노즐 니들이 개방된 상태에서 밸브 시트에 해당하는 노즐 니들의 면에 작용하는 개방력을 보상한다.
바람직한 실시예에 따라서, 노즐 니들로부터 이격된 작동 부품의 단부 상에 작용하며 작동 부품을 노즐 니들이 폐쇄되는 위치에 가압하는 밀봉 스프링이 추가로 제공된다. 상기 밀봉 스프링이 더 이상 연료 분사 밸브를 구성하는 작동 부품의 영역에 배치되지 않기 때문에, 작동 부품과 노즐 니들의 영역에서 매우 좁은 구조가 가능하다. 이 구조에서 10 내지 14mm의 외경을 얻을 수 있다.
주로, 밀봉 스프링은 보상 돌출부 주위에 배치된다. 이러한 방식으로 인하여, 밀봉 스프링용 안내 부품에 소요되는 비용이 필요없을 뿐만 아니라 매우 콤팩트한 구조를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예에 따라서, 제어 밸브는 제어 챔버로부터의 배출관이 배치되는 제 1 밸브 시트와, 제어 챔버로의 유입관이 배치되는 제 2 밸브 시트가 제공된 제어 챔버를 가질 수 있으며, 상기 제어 채버 내에는 양 밸브 시트와 협동할 수 있는 밸브 부품이 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 인하여, 재생 가능한 적은 양의 전분사량을 얻을 수 있는 이중 변환 제어 밸브가 가능하다. 압전식 액츄에이터를 사용하여 밸브 부품을 작동시키고자 하는 경우에, 이 압전식 액츄에이터는 단지 한번만 작동하기 때문에 단일 변환 제어 밸브와 비교하여 에너지를 저장할 수 있다.
주로, 밸브 부품에는 제 1 및 제 2 밸브 시트의 직경과 동일한 외경을 갖는 안내 돌기가 제공된다. 따라서, 제어 밸브는 밸브 시트들 중 한쪽에서 밸브 부품이 지지되는 제어 밸브의 양 종단 위치에서 힘이 보상된다. 그 결과 압전식 액츄에이터에도 설치될 수 있는 매우 낮은 작동력만이 소요된다.
이하에서 첨부한 도면에 도시한 바람직한 실시예들과 관련하여 본 발명을 설명한다.
도 1에서는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브를 도시한다. 상기 연료 분사 밸브는 노즐 니들(12)과 이 노즐 니들용 작동 부품(14)이 내부에서 변위 가능하게 배치된 밸브 몸체(10)를 갖는다. 상기 노즐 니들(14)은 직경 Dv를 갖는 밸브 시트(16)와 협동한다. 노즐 니들(12)에는 압력 P 상태의 연료를 공급하는 유입관(18)이 안내된다. 연료 분사 밸브가 "공통 레일" 시스템에서 사용되는 경우에 상기 압력 P는 1000bar 이상에 이른다.
작동 부품(14)에는 이 작동 부품 중 노즐 니들(12)로부터 이격된 측면에서 제어 피스톤(20)이 제공된다. 제어 피스톤은 작동 부품(14)과 제어 피스톤(20) 사이의 전환부가 제어 압력 챔버(22)의 내부에 구성되도록 배치된다. 제어 압력 챔버(22)는 제어 밸브(28)의 제어 챔버(26)와 결합하는 유입구(24)를 갖는다. 또한, 제어 챔버(26)에는 연료가 공급되는 유입구(18)가 안내된다. 제어 챔버(26)에는 유입구(24)를 제어 압력 챔버(22)에 연결하는 제 1 밸브 시트(30)와, 유입구(18)에 배치된 제 2 밸브 시트(32)가 형성된다. 제어 챔버(32)의 내부에는 제 1 밸브 시트(30)에 배치된 제 1 밸브면(36)이나 제 2 밸브 시트(33)에 배치된 제 2 밸브면(38)이 제공된 밸브 부품(34: 도 2 참조)이 배치된다. 또한, 밸브 부품(34)에는 액츄에이터(42)를 작동시킬 수 있는 안내 돌기(40)가 제공된다. 상기 액츄에이터는 압전식 액츄에이터나 자기 조절 부품일 수 있다. 안내 돌기(40)의 직경은 제어 챔버의 양 밸브 시트(30, 32)의 직경과 동일하며, 따라서 밸브 부품이 밸브 시트(30, 32)들 중 한쪽에 지지될 때 밸브 부품(34)에 가하여지며 연료압 P로부터 발생되는 힘이 보상된다.
또한, 제어 압력 챔버(22)로부터 내부에 유출 스로틀(46)이 배치된 유출구(44)가 연결된다. 상기 유출구(44)는, 예를 들어 연료 저장 탱크에 안내된다.
제어 피스톤(20)에는 노즐 니들(20)로부터 이격된 쪽에서 보상 돌출부(48)가 제공된다.
상기 보상 돌출부는 집수 챔버(50)를 통과하여 유입관(18)을 거쳐서 연료압 P가 가하여지는 보상 챔버(52) 내로 연장한다. 또한, 보상 돌출부(48)는 노즐 니들(12)의 밸브 시트(16)와 동일한 직경을 갖는다.
집수 챔버-배출관(54)을 거쳐서 배출관(44)과 결합하는 집수 챔버(50) 내에는 밀봉 스프링(44)이 배치된다. 이 밀봉 스프링은 보상 돌출부(48)로부터 안내되며 집수 챔버(50)의 벽과 노즐 니들(12)로부터 이격된 제어 피스톤(20)의 단부 사이에 지지된다. 밀봉 스프링(56)은 밸브 시트(16)의 직경과 노즐 니들(12)의 직경 차이를 보상하는 역할을 한다. 노즐 니들(12)이 밸브 시트(16)보다 큰 직경을 갖기 때문에, 연료압 P는 노즐 니들의 영역에서 노즐 니들(12)을 밸브 시트로부터 들어올리려고 하는 개방력을 발생시킨다. 이 개방력은 밀봉 스프링(56)에 의해 보상된다. 밸브 시트(16)가 약 2mm의 직경을 가지며 노즐 니들(12)은 2.5 내지 3mm의 직경을 갖는 경우에, 밀봉 스프링(56)에 의해서 노즐 니들(12)에 가해진 예비 인장력은 약 100N 정도이다.
밀봉 스프링(56)은 작동 부품(14) 중 노즐 니들(12)로부터 이격된 쪽에 배치되기 때문에, 작동 부품(14)의 영역에서는 10 내지 14mm 범위의 외경 Da를 갖는 매우 좁은 형태의 구조가 가능하다.
상술한 연료 분사 밸브는 다음과 같은 방식으로 작동하는데, 즉 밸브 부품(34)이 유입구(18)에 배치된 제 2 밸브 시트(32) 상에 안착되는 출력 상태에서는, 제어 압력 챔버가 배출구(44)를 거쳐서 해제되기 때문에 제어 압력 챔버(22) 내에 압력이 나타나지 않는다. 상기 노즐 니들(12)은 작동 부품(14) 상에 가하여진 폐쇄력이 노즐 니들(12)에 가하여진 개방력보다 크기 때문에 노들 니들의 폐쇄 위치에서 밸브 시트(16)에 지지된다. 폐쇄력은 보상 챔버(52) 내에서 보상 돌출부(48) 상에 가해진 힘과 밀봉 시프링(56)에 의해서 제어 피스톤(20)에 가해진 힘으로 구성된다. 노즐 니들(12)에 가해진 개방력은 밸브 시트(16)의 외부에서 압력 P가 가해진 노즐 니들(12)의 환형면으로부터 발생한다.
전분사를 실시하기 위하여, 밸브 부품(34)은 밸브 시트(32)로부터 들어올려진다. 그후, 연료가 유입구(18)와, 제어 챔버(26)와, 유입구(24)를 거쳐서 제어 압력 챔버(22) 내에 유입될 수 있다. 배출관(44) 내의 배출 스로틀(46)이 제어 압력 챔버(22)로부터 연료를 배출시키기 때문에, 제어 압력 챔버에는 압력 상승이 발생한다. 이와 같이 상승된 압력은 도 1과 관련하여 상단에 점선으로 도시한 개방력을 제어 피스톤(20)에 작용하는데, 이 개방력은 노즐 니들(12) 상에 가해진 개방력과 함게 작동 부품(14)에 가해진 폐쇄력보다 크다. 노즐 니들(12)은 이 니들의 밸브 시트(16)로부터 들어올려질 수 있으며, 그 결과로 연료가 분사된다.
전분사를 종료하기 위하여, 밸브 부품(34)은 제 2 밸브 시트(32)상에 유지되어 역으로 운동(단일 변환 밸브; 도 3에서 점선으로 도시함)하거나 제어 챔버(26)를 통하여 제 1 밸브 시트(30)상에 유지되어 운동(이중 변환 밸브; 도 3에서 실선으로 도시함)할 수 있다. 밸브 부품(34)이 밸브 시트(30, 32)들 중 한쪽에 안착되자마자, 유입구(18)를 거쳐서 연료의 차후 유동이 중단되며, 따라서 제어 압력 챔버(22) 내의 압력은 다시 하강한다. 또한, 이와 상응하게 개방력이 하강하며, 따라서 노즐 니들(12)은 다시 밸브 시트(16)에 안착하고 전분사는 중단된다.
도 3에서 전분사 상태를 I로 표시한다. 상단 도면에서는 밸브 부품(34)의 행정을 도시하며, 하단 도면은 노즐 니들(12)의 행정을 도시한다. 밸브 부품(34)으로서 단일 변환 제어 밸브가 사용된다면, 밸브 부품은 행정이 실시되면서 밸브 시트(32)로부터 중간 위치로 안내되며, 이 위치에서 역으로 운동하여 밸브 시트(32)와 다시 접촉할 수 있을 때까지 소정의 시간 동안 유지된다. 이에 비하여, 밸브 부품(34)으로서 이중 변환 제어 밸브(28)가 사용된다면, 밸브 부품은 밸브 시트(32)로부터 출발하여 제어 챔버(26)를 통과한 후 밸브 시트(30)에 접촉할 때까지 운동한다. 밸브 부품이 밸브 시트에 안착하자마자 전분사가 종료된다.
도 3에서 밸브 부품(34)이 제어 챔버(26) 중 상응하는 밸브 시트와 접촉하여 분사 중단 상태로 머물러 있으며, 따라서 연료 분사 밸브가 폐쇄 상태로 존재하는 상태를 II로 표시한다.
이하에서, 밸브 부품(34)이 제어 챔버(26)의 해당 밸브 시트로부터 들어올려지는 메인 분사 과정을 설명한다. 여기서, 제어 챔버(22) 내에서는 다시 압력 상승이 발생하며, 이 때문에 노즐 니들(12)이 개방된다. 밸브 부품으로서 단일 또는 이중 변환 제어 밸브의 사용 여부와 상관없이, 밸브 부품은 원하는 메인 분사 시간동안 대략 제어 챔버(26)의 중간 위치에 유지되며, 그 결과 연료는 유입구(18)로부터 제어 챔버(26)를 거쳐서 제어 압력 챔버(22) 내로 유동할 수 있으며 노즐 니들(12)은 개방 위치에 유지될 수 있다. 도 3에서 III로 표시한 메인 분사를 종료하기 위하여, 밸브 부품(34)은 다시 제 2 밸브 시트(32)와 접촉하도록 운동하며, 그 결과 잔류하는 연료가 유입구(18)에 의해서 차단된다. 그 결과로 발생하는 개방력의 하강은 연료 분사 밸브를 폐쇄한다.

Claims (7)

  1. 밸브 몸체(10)와, 제어 압력 챔버(22)와, 이 제어 압력 챔버(22) 내에서 압력을 제어하는 제어 밸브(28)와, 밸브 몸체(10) 내에서 변위 가능하게 배치되며 압력 제어 챔버(22)내에서 압력이 가하여지는 노즐 니들(12)용 작동 부품(14)을 포함하는 연료 분사 밸브에 있어서,
    상기 제어 밸브(28)는 제어 압력 챔버(22)에 안내된 유입관(24)을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 부품(14)에는 노즐 니들(12)로부터 이격된 작동 부품의 일단부에서 제어 피스톤(20)이 제공되며, 이 제어 피스톤의 외경은 작동 부품(14)의 외경보다 크고,
    상기 제어 피스톤(20)은 제어 압력 챔버 중 노즐 니들(12)로부터 이격된 쪽에서 이 제어 압력 챔버로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 피스톤(20)에는 노즐 니들로부터 이격된 제어 피스톤 측에서 보상 돌출부(48)가 제공되며, 이 보상 돌출부는 연료 압력을 설정할 수 있는 보상 챔버(52) 내로 돌출하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 니들(12)로부터이격된 작동 부품(14)의 일단부에 작용하며 작동 부품을 노즐 니들이 페쇄될 수 있는 위치로 가압하는 밀봉 스프링(56)이 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 밀봉 스프링(56)은 보상 돌출부(48) 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 밸브(28)는 제어 챔버로부터 배출구에 연결되는 제 1 밸브 시트(30)와 유입구로부터 제어 챔버에 연결되는 제 2 밸브 시트가 제공된 제어 챔버(26)를 가지며,
    상기 제어 챔버에는 양 밸브 시트와 협동할 수 있는 밸브 부품(34)이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 밸브 부품(34)에는 제 1 및 제 2 밸브 시트의 직경과 동일한 외경을 갖는 안내 돌기(40)가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
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