KR20010093168A - 유압 제어 플레이트 캠을 갖는 고압연료분사기 - Google Patents

유압 제어 플레이트 캠을 갖는 고압연료분사기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관용 연료분사기에 관한 것이다. 고압저장기{커먼레일(common rail)}는 3/2-웨이밸브(3)를 통해 분사노즐(2)과 연결될 수 있으며 상기 3/2-웨이밸브(3)는 연료탱크(24)로 통하는 배출관(13) 또는 고압관(9)을 공급관(28)과 연결시키는 제어밸브멤버(5)를 갖는다. 상기 제어밸브멤버(5)의 단부구간에는, 리밋스톱(8, 18)에 대향하여 위치하고 제어밸브멤버(5)의 행정을 완충하는, 부재(7, 21; 6, 22)가 장착된다.

Description

유압 제어 플레이트 캠을 갖는 고압연료분사기{HIGH PRESSURE FUEL INJECTOR WITH A HYDRAULICALLY CONTROLLED PLATE CAM}
3/2-웨이밸브의 경우 분사노즐로 연료를 공급하거나 차단하는 플레이트 캠은 한 개의 하우징에 의해 싸여 있다. 가능한 한 정확한 양의 연료를 공급하고 누출 손실을 방지하기 위해 플레이트 캠 및 하우징 보어는 가장 작은 구경(diameter) 공차로 설계된다. 연료량의 조절은 배출측 및 유입측의 제어모서리에 의해 이루어지며 3/2-웨이밸브의 하우징 내에서의 플레이트 캠의 행정과는 무관하게 이루어진다. 상기 플레이트 캠이 거의 완충되지 않은 상태에서 운동하므로 시트면에 가해지는 기계적 부하는 매우 크다.
상기 플레이트 캠이 3/2-웨이밸브의 하우징에서 적은 행정운동만을 이행하는 경우 짧은 행정거리로 인해 분사과정에 제한된 정도로만 영향을 미칠 수 있다. 하지만 내연기관에서 연료분사 과정은 실린더 내에서의 연소 과정 및 완전 연소에 중요한 의미를 가지므로 제어밸브멤버의 제어행정에 의존하는 공정 파라미터로서 이런 형태의 분사과정은 연소과정의 최적화 및 연료 내부에너지의 완전한 활용을 위해서는 부적합함이 명백하다.
본 발명은 행정운동이 분사과정에 영향을 미치는 플레이트 캠이 포함된 3/2-웨이밸브를 갖는 고압연료분사기에 관한 것이다. 상기 플레이트 캠은 3/2-웨이밸브의 하우징에서 행정운동을 이행하는데, 이때 상기 플레이트 캠의 제어모서리(control edge)와 시트면(seat surface)은 높은 부하에 노출된다.
도 1은 고압저장기와 분사노즐 사이에 형성되고 모듈형식으로 조립된 3/2-웨이밸브의 배열상태가 도시된 도면.
도 2는 수축결합된 슬리브 내에서 움직일 수 있으며 분사과정에 영향을 미칠 수 있는 유입측 층계가 포함된 제어밸브멤버가 도시된 도면.
3/2-웨이밸브의 하우징 내에서 본 발명에 따라 제안되는 제어밸브멤버의 최종위치에서의 완충을 통해 3/2-웨이밸브 하우징 내에서 상기 제어밸브멤버 부분의 수명이 현저히 연장될 수 있도록 상기 최종 위치에서 행정운동이 완충된다. 유압력에 의해 작동되는 완충기로서 플레이트 캠의 단부 구간에는 서로 상이한 구경이 형성되고, 이런 서로 상이한 구경으로 인해 플레이트 캠의 단부구간을 감싸는 챔버에서는 플레이트 캠의 행정운동을 완충하는 압력평형이 나타난다. 따라서 플레이트 캠으로서 기능하는 실린더형 부재의 수명이 현저하게 연장된다. 상기 플레이트 캠의 단부면에 대향하여 위치한 스톱면이 편평한 원형면으로서 설계될 경우 예를 들어 원뿔형 시트(cone seat)에 비해 한편으로는 제작이 용이하고 다른 한편으로는 이렇게 설계된 스톱면의 내마모성이 현저하게 개선된다.
분사 초기에는 상단 제어실의 위에 위치한 액츄에이터가 구동되는데, 이를 통해 상단의 제어실 내의 압력이 감소되며 따라서 플레이트 캠은 자신의 상단 최종위치에까지 움직인다. 이를 통해 분사노즐로의 유입구가 개방되고 고압의 연료가 노즐로 급기된다.
상기 제어밸브멤버는 3/2-웨이밸브의 하우징에서 수축결합되고 따라서 수리 시 쉽게 교체할 수 있는 한 개의 슬리브에 의해 싸여지는 것이 바람직하다. 이런실시예의 경우 분사기의 상기 하우징은 저렴한 비용의 재질로 제작되며 슬리브만이 고급의 재질로 제작될 수 있다. 3/2-웨이밸브의 하우징에 수축결합된 슬리브와 상기 제어밸브멤버의 숄더(shoulder) 사이에 형성된 제어모서리는 작은 공차로 제작되므로 누출이 최소화될 수 있다. 제어밸브멤버의 배출측과 유입측상에서 제어밸브멤버 및 수축결합된 슬리브의 제어모서리를 중첩시킴으로써(overlap) 배출관을 통해 연료탱크로 환류될 수 있는 최소한의 누출손실을 실현시킬 수 있다.
분사과정의 제어는 행정에 따라 좌우되는 스로틀링(throttling)에 의해 이루질 경우, 예를 들어 상단 제어실 위에 위치한 액츄에이터는 압전 액츄에이터(piezo actuator)로 설계된다. 제어밸브멤버에는 층계(step)가 유입측 제어모서리의 하단에 설계되고, 상기 층계와 함께 유입측의 스로틀링은 제어밸브멤버 행정의 함수로서 실현될 수 있다.
도면을 통해 본 발명이 상세히 설명된다.
도 1에는 3/2-웨이밸브(3)가 고압저장기{커먼 레일(common rail)}(1)와 분사노즐(2) 사이에 배열된 상태가 도시되어 있다.
한 개의 공급관은 연료탱크(24)에서부터 고압펌프(26)에까지 뻗어있는데, 상기 고압펌프에는 역류관(27)이 연결되며 상기 고압펌프는 고압 연료를 고압저장기(1)로 급기한다. 공급관(28)은 고압저장기(1)로부터 각각의 3/2-웨이밸브(3)에까지 뻗어있는데, 상기 웨이밸브들 중 한 개가 여기에서 상세히 도시된다. 고압저장기(1) 뿐 아니라 제어밸브멤버(5)의 상단에 배열된 제어실(17)을 감압시킬 수 있는 액츄에이터(4)도 제어장치(14)를 통해 제어된다.
하우징(30)에 수축결합된 고급의 재질로 이루어진 슬리브(15)에 의해 둘러싸인 제어밸브멤버(5)의 상단 구간은 소정의 구경(6)으로 설계되며 선단면과 직접 연결되는 구간은 이보다 작은 구경(22)으로 설계된다. 도 1에 도시된 상태에서 각기 다른 구경(22, 6)을 갖는 상기 제어밸브멤버(5)의 상단구간은 제어실(17)에 삽입되어 있다. 상기 제어실이 전류가 공급되지 않은 액츄에이터(4)와 2/2-웨이밸브(55)에 의해 밀폐되면 상기 층계형 구경(22, 6)은 제어밸브멤버(5)를 위한 유압식 완충부재로서 작용한다.
제어밸브멤버(5)가 점점 좁아지는 중앙 구간에는 유입측의 제어모서리(19, 19')가 존재하는데, 이것은 제어실(17)의 감압으로 인해 제어밸브멤버(5)가 상승될 경우 유입측의 유입구를 고압관(9)쪽의 분사노즐(2) 방향으로 개방한다. 고압의 연료는 이 개방된 상태에서 공급관(28)을 통해 슬리브(15)로 유입되고 제어모서리(19, 19')를 통해 개방된 개구에 의해 고압관(9)으로 유입된다. 이 시점에서 배출측의 개구는 제어모서리면(19, 19' 및 20, 20')이 중첩됨으로써 차단되므로 제어밸브(5)에서 누출손실이 발생하지 않는다. 분사과정이 진행된 후에는 상기제어밸브멤버(5)가 도 1에 도시된 위치에 도달한다. 유입측 제어모서리(20, 20')는 개방되고 연료는 제어밸브멤버(5)의 하단 구간의 오버플로채널(12)과 차단구(11)를 통해 배출관(13)으로 유입되는데, 이 배출관은 다시 연료탱크(24)에 연결된다.
상기 오버플로채널(12)을 수용하는 제어밸브멤버(5) 부분은 소정의 구경(7)으로 설계되는데, 이것은 소정의 구경(7')으로 설계된 슬리브(15)에 의해 둘러 싸여있으며 이로 인해 적은 허용공차가 나타나므로 적은 누출손실을 실현할 수 있다. 상기 구경(7)으로 설계된 제어밸브멤버(5) 구간 하단에는 구경(7)에 비해 작은 구경(21)을 갖는 다른 구경구간(21)이 나타난다. 상기 제어밸브멤버(5)의 상단 단부구간에서와 마찬가지로 하단 단부구간에서도 층계형 구경(7, 21)이 나타나는데, 이것은 제어밸브멤버(5)가 하단으로 움직일 때 완충부재로서 제어밸브멤버에 직접 작용하고 슬리브(15)의 하단 리밋스톱이 조기에 마모되는 것을 방지한다. 상기 슬리브(15)로 둘러싸인 제어밸브(5)의 작동방식은 다음과 같다.
액츄에이터(4)에 전기가 공급되지 않을 경우 고압저장기(1)와 분사노즐(2) 사이의 연결은 차단된다. 공급관(28) 내의 고압 연료는 제어밸브멤버(5)에 접해 있다. 제어모서리(19, 19') 구간의 맞춤(fitting)(7, 7')으로 인해 고압관(9)의 분사노즐(2) 방향 유입구가 차단된다. 배출관(13), 오버플로채널(12), 차단구(11) 및 보어(10)를 비롯하여 노즐공간(2) 및 고압관(9)은 무압력 상태이다. 상기 제어실(17)이 액츄에이터(4) 동작 후 2/2-웨이밸브(55)의 구동 및 밸브초크(16)의 개구를 통해 감압되면 상기 제어밸브멤버(5)는 상단의 리밋스톱(18)으로 움직인다. 층계형 구경(6, 22)으로 인해 리밋스톱(18)의 상단 원형면으로 접근할 때 제어밸브멤버(5)의 행정운동이 완충된다. 구경(6)에서의 유량횡면, 즉 제어밸브멤버(5)와 안내슬리브(15) 사이의 간격은 상단 리밋스톱(18)에서의 밸브초크(16)의 횡면보다 작다. 상단으로 동작되는 경우 배출측 제어모서리(20, 20')는 배출구를 차단하며 유입측 제어모서리(19, 19')는 고압관(9)으로의 유입구를 개방한다. 제어밸브멤버(5)가 상단 방향으로 행정운동을 하는 중에 제어밸브멤버의 리밋스톱은 원형면(18)에서 층계형 구경(6, 22)에 의해 완충된다. 상기 액츄에이터(4)의 작동중단으로 일어나는 하단 방향으로의 행정운동 시에는 상기 제어밸브(5)가 하단의 리밋스톱(8)으로 움직이고 고압이 이제 제어실(17)에도 가해지므로 하단으로 움직이는 제어모서리(19, 19')에 의해 고압관(9)으로의 유입구가 차단된다. 상기 제어밸브멤버(5)가 하단으로 움직일 경우 오버플로(overflow)된 연료는 차단구(11)와 오버플로채널(12)을 통해 연료탱크(24)로 안내되는 배출관(13)으로 진행된다. 제어밸브멤버(5)의 하단 방향으로의 행정운동은, 슬리브(15)의 하단구간에 위치한 완충챔버(29)에서 제어밸브멤버(5)를 둘러싼 슬리브(15)에서의 제어밸브멤버의 행정운동을 균일하게 완충하는 작용을 하는 층계형 구경(7, 21)에 의해 완충된다.
본 발명에 따른 3/2-웨이밸브(3)는 직접 인젝터에 수용되거나 또는 고압저장기(1)와 분사노즐(2) 사이에 설치될 수 있는 조립단위로서 형성될 수 있다.
도 2에는 수축결합된 슬리브(15) 내에서 움직일 수 있고 분사과정에 영향을 미치는 유입측 층계(23)가 포함된 제어밸브멤버(5)가 도시되어 있다.
제어밸브멤버(5)의 유입측 제어모서리(19, 19') 하단 구간에는, 제어밸브멤버(5)의 행정의 함수로서의 스로틀링을 통해 분사과정에 영향을 미칠 수 있으며 예를 들어 원뿔형으로서 하단 리밋스톱(8) 방향으로 좁아지는 층계(23)가 도시되어 있다. 분사과정의 다른 형태 또는 영향은 2/2-웨이밸브(55)에서의 가변적 스로틀링, 예를 들어 압전 액츄에이터를 통해 실현된다. 유입측 제어모서리(19, 19')와 배출측 제어모서리(20, 20')를 적합하게 배열함으로써 최초 개방 단계에서의 시스템압력을 감소시킬 수 있다.
정상 작동 시 상기 제어밸브멤버(5)가 리밋스톱(18)에까지 움직이지 않고 제어밸브멤버(5)의 상단 구간과 원형면(18) 사이의 접촉이 상기 액츄에이터(4) 또는 2/2-웨이밸브(55)의 정지 시에만 이루어지게 함으로써 원치않는 비제어성 유입량의 발생이 억제된다. 상기 부품이 정상적으로 작동하지 않을 경우 차단구(11)가 11'로 표시된 위치로 움직일 수 있는데, 이렇게 함으로써 고압의 연료가 오버플로채널(12)과 배출관(13)을 통해 연료탱크(24)로 배출되어 분사노즐(2)의 감압이 이루어질 수 있다. 이렇게 함으로써 제어요소(4, 55)의 기능 이상 시 다른 부품들이 강한 기계적 부하로부터 보호된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 하우징 내에서 상기 제어밸브멤버 부분의 수명이 현저히 연장될 수 있도록 상기 최종 위치에서 행정운동이 완충되고, 유압력에 의해 작동되는 완충기로서 플레이트 캠의 단부 구간에는 서로 상이한 구경이 형성되어 플레이트 캠으로서 기능하는 실린더형 부재의 수명이 현저하게 연장되도록 이용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 3/2-웨이밸브(3)를 통해 분사노즐(2)과 연결될 수 있는 고압저장기(1)가 포함되고, 상기 3/2-웨이밸브는 연료탱크(24)로 통하는 배출관(13) 또는 고압관(9)을 공급관(28)과 연결시키는 제어밸브멤버(5)를 갖는 내연기관용 연료분사기로서,
    상기 제어밸브멤버(5)는 자신의 단부구간에서, 리밋스톱(8, 18)에 대향하여 위치하고 상기 제어밸브멤버(5)의 행정을 완충하는, 부재(7, 21;6, 22)를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 완충하는 부재들은 상기 제어밸브멤버(5)의 단부구간에서 각각 층계형 구경(7, 21;6, 22)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어밸브멤버(5)의 단부구간은 행정운동의 완충을 위해 각각 챔버(17, 29)에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  4. 제 3항에 있어서, 상단 챔버(17) 내의 압력은 밸브초크(16)를 통해 감압되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어밸브멤버(5)를 감싸는 슬리브(15)는 3/2-웨이밸브(3)의 하우징에 수축결합되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어밸브멤버(5)를 감싸는 교체형 슬리브(15)는 고급의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제어실(17) 상단의 2/2-웨이밸브(55)는 전기 구동형 액츄에이터(4)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제어밸브멤버(5)의 행정에 좌우되는 스로틀링(throttling)에 의해 행정에 의해 제어되는 압전 액츄에이터(piezo actuator)가 가능한 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  9. 제 1항에 있어서, 3/2-웨이밸브유닛(3)은 고압저장기(1)와 분사노즐(2) 사이에 모듈형식으로 장착되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 제어밸브멤버(5)에는 분사과정에 영향을 미치는 층계(23)(step)가 유입측 제어모서리(19, 19') 구간에 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  11. 제 1항에 있어서, 분사 시 누출손실이 제어밸브멤버(5)와 슬리브(15) 사이에서 제어모서리(19, 19'; 20, 20')의 중첩을 통해 최소화되는 것을 특징으로 하는, 연료분사기.
  12. 3/2-웨이밸브(3)를 통해 분사노즐(2)과 연결될 수 있는 고압저장기(1){커먼레일(common rail)}가 포함되고, 연료탱크(24)로 통하는 배출관(13) 또는 고압관(9)을 공급관(28)과 연결시키는 제어밸브멤버(5)를 갖는 연료분사기가 포함된 내연기관으로서,
    상기 제어밸브멤버(5)는 자신의 단부구간에서, 리밋스톱(8, 18)에 대향하여 위치하고 상기 제어밸브멤버(5)의 행정을 완충하는, 부재(7, 21;6, 22)를 갖는 것을 특징으로 하는, 내연기관.
KR1020017007446A 1999-10-21 2000-10-20 고압 저장기를 갖는 내연기관용 연료분사기 및 내연기관 KR100703921B1 (ko)

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