KR20010093200A - 연료분사밸브 - Google Patents

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KR20010093200A
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연료분사밸브(1), 특히 내연기관의 연료분사계통의 분사밸브에 관한 것이다. 본 연료분사밸브는 압전식 또는 자기변형식밸브 액츄에이터(4)와 작동체(15)로 밸브 액츄에이터(4) 및/또는 밸브니들(19)에 의하여 조정이 가능하고 밸브 시트면(21)과 물려서 밸브 시트를 형성하는 밸브폐쇄보디(20)를 포함한다. 작동체(15) 또는 밸브니들(19)은 적어도 하나의 코킹 액츄에이터(10; caulking actuator)에 의하여 유동적으로 고정되도록(non-positive fit) 연결 가능하다.

Description

연료분사밸브{Fuel injection valve}
일반적으로 연료분사밸브의 압전식 액츄에이터의 길이변화는 유압장치에 의한 온도 영향 또는 적당한 소재 결합 선택에 의하여 조정이 된다.
EP 0 869 278 A1에는 연료분사밸브가 공지되어 있는데 이에 의하면 액츄에이터의 길이변화는 이에 상당한 소재결합에 의하여 보정된다. 이 명세서에 기재된 연료분사밸브는 액츄에이터실에 내장되어 있는 액츄에이터를 가지고 있어서 압력 숄더(pressure shoulder)와 형상고정으로 연결되고 이에 의하여 액츄에이터는 압축스프링의 하중에 대하여 밸브니들에 작용한다. 액츄에이터는 한편에서는 압축판에 다른 한편에서는 조정부재에 지지되어 있다. 액츄에이터의 제어하에 밸브니들은 분사방향으로 작동된다.
액츄에이터의 온도의 영향에 따른 길이변화의 보정은 상기 명세서에서 다중 조정디스크에 의하여 이루어지며 이것은 압력판과 액츄에이터의 앞쪽 면 사이에 놓여 있다. 이것은 액츄에이터 요소에 대하여 반대방향부호에 상응하는 온도팽창계수를 가지고 있다. 증가하는 온도에 의하여 액츄에이터가 짧아질 경우에는 조정디스크가 팽창되어 이에 따라서 액츄에이터의 길이방향 열변형을 보정하여 준다.
이러한 구조의 단점은 우선, 예컨대 인바(Invar)와 같은 소재를 선택하는 것으로 해서 제조 비용이 높아진다는 것이다.
유압장치에 의한 길이변화의 보정은 예컨대 EP 0 477 400 A1에 공지되어 있다. 이러한 기술의 구조에 있어서 근본적인 단점은 다량의 액체를 밀어내어 이로 인하여 캐비테이션 현상이 증가한다는 점이다.
본 발명은 주청구범위의 상위개념에 의한 연료분사밸브에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료분사밸브의 한가지 실시예의 축방향 단면도.
도 2는 도 1에서 II-II로 도시한 선에 따른 단면도.
주청구범위의 특징에 의한 본 발명에 따르는 연료분사밸브는 이에 반하여 구성부품의 온도에 의하여 발생하는 길이- 또는 위치변화를 순수하게 기계적으로 보정하는 장점을 가지고 있다. 이로 인하여 연료분사밸브의 안전하고 정확한 작동이 보장되어 있다.
종속청구항에 명시되어 있는 조치에 의하여 주청구범위에 기술한 연료분사밸브의 유리한 개선이 가능하다.
그 중에서도 특히 밸브 액츄에이터와 코킹 액츄에이터(caulking actuator)의 동기제어(synchronous control)가 짧고 정확한 변환시간으로 실시되며 시간지연(time delay)없이 이루어진다. 제어기간 중에 밸브 액츄에이터는 지장을 받지 않고 온도상태에 적응 가능하다.
가이드 하우징 내에 코킹 액츄에이터가 내장되어 액츄에이터는 외부의 장력과 전단력으로부터의 보호를 받으며 안정도가 크다.
밸브 하우징에 대한 액츄에이터의 기밀유지의 장점은 액츄에이터가 화학적 부식성 연료에 의하여 침식될 수 없다는 데 있다.
코킹 액츄에이터의 제어는 밸브 액츄에이터와 코킹 액츄에이터에 대한 2단계 또는 2개의 다른 전류회로로 이루어질 수 있으며 이는 예비 코킹(precaulking)의 가능성을 열어준다.
본 발명의 실시예가 도면에 간략히 도시되어 있으며 하기에 보다 상세히 설명한다.
도 1은 축방향 단면도에서 본 발명에 따른 연료분사밸브(1)의 일 실시예를 도시하고 있다. 이 경우에 연료유입구(2)를 통해 내측으로 개방된 중앙의 연료주입구를 가진 연료분사밸브(1)가 있다.
액츄에이터 하우징(3) 내에는 중앙홈(5)을 가진 환형으로 구성되어 있는 밸브 액츄에이터(4)가 들어 있는데 이것은 디스크형 압전식 또는 자기변형식 요소(6a)로 구성되어 있으며 초기응력 스프링(7)이 들어 있다. 밸브 액츄에이터(4)는 외부전원에 의하여 플러그(8)를 경유하여 작동된다. 간단히 하기 위하여 도 1에서는 개별 접점(40)만이 도시되어 있으며 이는 전기전도성 접속부(9)에 의하여 밸브 액츄에이터(4)와 연결되어 있다. 플러그 접촉부(8)는 플라스틱 하우징(41)에 사출성형될 수 있다.
액츄에이터 하우징(3)은 부분적으로 외측슬리브(43)와 내측슬리브(44)를 포함한다. 액츄에이터(4)와 외측슬리브(43) 사이에는 1차 닫음판(36)을 포함하는 보호- 및 지지-슬리브(46)가 있으며 이에 밸브 액츄에이터(4)가 제 1 전면측(32)과 함께 지지되어 있다. 닫음판(36)의 반대편 측에는 제 2 닫음판(37)이 있고, 여기에 초기응력 스프링(7)이 지지되어 있다.
초기응력 스프링(7)과 밸브 액츄에이터(4) 사이에는 적어도 하나의 코킹 액츄에이터(10)가 설치되어 있다. 본 실시예에는 3개의 코킹 액츄에이터(10)가 도시되어 있다. 각 코킹 액츄에이터(10)는 밸브 액츄에이터(4)와 같이 디스크형 압전식 또는 전기변형식 요소(6b)로 구성되어 있으며 예컨대 밸브 액츄에이터(4)와 같이 샌드위치형이나 또는 단일체(solid)로 되어 있다. 코킹 액츄에이터(10)의 조작을 위하여 제 2의 전류회로를 둘 수 있다. 코킹 액츄에이터(10)의 디스크형 요소(6b)는 방사형의 외측 베이스 플레이트(11)에 접해 있어서 보호- 및 지지-슬리브(46)에 지지되어 있으며 각각 슬리브형 가이드 하우징(13)에 의하여 둘러싸여 있다. 코킹 액츄에이터(4)의 작동방향은 밸브 액츄에이터(4)의 작동방향에 대하여 수직이다. 초기응력 스프링(7)과 제 2 전면측(33)을 가진 밸브 액츄에이터(4)는 지지부분(14)에 지지되어 있다. 가이드 하우징(13) 사이에는 주위방향에 따라서 각각 지지부(14)가 배열되어 있어서 밸브 액츄에이터(4)와 초기응력 스프링(7)의 지지기능을 한다. 지지부(14)와 코킹 액츄에이터(10)는 액츄에이터 하우징(3)과 연결되어 있지 아니하고 초기응력 스프링(7)의 초기응력에 의하여 액츄에이터 하우징(3) 내에 정치(定置)되어 있다. 작동체(15)는 밸브 액츄에이터(4)의 중앙홈(5)과 내측슬리브(44) 내에 들어 있으며 코킹 액츄에이터(10)와 지지부(14) 영역에서는 원추형부분(16)을 갖는다. 이러한 원추형 부분(16)에 고정부(17; fixture)가 물려있어서 드라이버의 단부쪽은 각각의 코킹 액츄에이터(10)에 연결되어 있다. 제어기간 중에 고정부(17)는 작은 잔류하중으로 작동체(15)에 접해 있어서 이로 인하여 코킹 액츄에이터(10)는 계속 초기응력을 받게 된다.
작동체(15)는 연장부(18)에 의하여 밸브니들과 연결되어 있으며 여기에 밸브폐쇄몸체(20)가 형성되어 있다. 밸브폐쇄몸체(20)가 밸브 시트몸체(47)의 밸브 시트면(21)으로부터 올라가면 연료는 분사구멍(22)을 통하여 분사된다. 밸브 시트몸체(47)는 슬리브형 노즐몸체(48)에 의하여 외측슬리브(43)와 연결되어 있다. 작동체(15)는 그 밸브니들(19)로부터 반대측이 리턴스프링(23)에 지지되어 있으며 그 연장부(18)로 밸브니들(19)의 플랜지(24)를 뒤에서 잡고(holding) 있으며 작동체 (15)에는 스프링(25)이 고정되어 있다. 작동체(15)는 폐쇄운동시에 밸브니들(19)에 대하여 전후로 진동함으로 밸브니들(19)의 관성 중량만이 밸브 시트면(21)에 작용한다. 이로 인하여 반발이 방지된다. 연료는 작동체(15)의 내측홈(26), 연장부(18)벽의 구멍(27) 및 밸브 시트몸체(47) 내의 적어도 하나의 채널(28)을 거쳐서 밀폐 시트로 흐른다.
도 1에 도시되어 있는 본 발명에 따른 연료분사밸브(1)의 밸브 액츄에이터 (4)와 코킹 액츄에이터(10)에는 전기작동전원이 플러그 접촉부(8)에 의해 연결되며, 밸브 액츄에이터(4)와 코킹 액츄에이터(10)의 디스크형 요소(6a, 6b)는 팽창함과 동시에 밸브 액츄에이터(4)의 축방향 팽창으로 코킹 액츄에이터(10)는 고정부(17)fh 작동체(15)의 외벽(29)을 민다. 이로 인하여 작동체(15)는 유동적으로 고정되도록(non-positive fit) 밸브 액츄에이터(4)와 코킹된다. 밸브 액츄에이터(4)의 팽창으로 인하여 연료의 유동방향에 대하여 연료분사밸브가 열린다.
연료분사밸브(1)는 작동시에 온도변화가 심하다. 한편으로는 전체 연료분사밸브(1)가 내연기관의 연소실과 접함으로서 가열되고, 다른 한편으로는 국부적인 열 효과가 예컨대 압전식 밸브 액츄에이터(4)의 변형 시에 출력손실(power loss) 또는 전하의 이동에 의하여 일어난다. 이러한 결과, 압전세라믹은 부(負)의 열팽창계수를 가지기 때문에, 즉 가열 시에 수축되고 냉각 시에 팽창하기 때문에, 열로 인한 디스크형 요소의 길이방향수축이 일어나게 된다.
본 발명의 장치인, 밸브 액츄에이터(4)에 수직인 코킹 액츄에이터(10)의 열적인 길이변동, 특히 밸브 액츄에이터(4)의 열적인 길이변동은, 제어기간 중에 밸브 액츄에이터(4)를 고정하지 않아도 길이변동이 가능하다. 이와 동시에 작동체(15)에 작용하는 코킹 액츄에이터(10)에 의한 잔류하중은 초기응력 스프링(7) 또는 밸브 액츄에이터(4)에 의하여 극복되지만 제어기간에 작동체(15)에 작용하는 고정부(17)의 압력은 대단히 커서 작동체가 밸브 액츄에이터(4)의 팽창방향으로 움직인다.
도 2는 도 1에서 II-II로 표시된 선에 따른 연료분사밸브(1)의 개략 단면도를 도시하고 있다. 이와 동시에 이미 언급한 요소는 동일한 도면부호로 표시되어 있다.
이러한 실시예에 3개의 동일한 코킹 액츄에이터(10)가 약 120°의 일정한 각도로 초기응력(7)과 밸브 액츄에이터(4) 사이에 자리잡고 있다. 코킹액츄에이터(10)는 베이스플레이트(11)에 접해 있어서 밸브 액츄에이터(4)의 보호- 및 지지-슬리브(46)의 내벽에 지지되어 있으며 횡방향의 슬리브형 가이드 하우징(13)에 의하여 둘러싸여 있다. 코킹 액츄에이터(13)의 작동방향은 밸브 액츄에이터(4)의 작용방향에 대하여 수직이다. 초기응력 스프링(7)과 밸브 액츄에이터(4)는 지지부(7)에 지지되어 있다. 가이드 하우징(13) 사이에는 예컨대 약 120°의 동일한 각도간격으로 3개의 지지부(14)가 배열되어 있는데 이는 밸브 액츄에이터(4)와 초기응력 스프링(7)을 지지하는 기능을 한다. 지지부(14)와 코킹 액츄에이터(10)는 액츄에이터 하우징(3)과 연결되어 있지 않고 초기응력 스프링(7)의 초기응력에 의하여 액츄에이터 하우징(3)에 정치고정 지지되어 있다. 작동체(15)의 원추형 부분(16)에서 고정부(17)는 작동체(15)가 3개의 고정부(17)사이에서 밸브 액츄에이터(4)와 억지끼워맞춤으로 코킹이 되도록 잡고 있다.
코킹 액츄에이터(10)의 작동을 위하여 제 2의 전기회로가 되어 있으면 작동전원은 동시에 또는 시간적으로 다른 위상에서 공급이 가능함으로서 밸브몸체(4)의 작동 전에 코킹 액츄에이터(10)의 예비 코킹을 할 수 있다. 동일한 효과는 밸브 액츄에이터(4)와 코킹 액츄에이터(10)에 대한 상이한 압전 세라믹의 선택으로 제어시 동일한 전류회로를 이룰 수 있다. 코킹 액츄에이터(10)의 압전 세라믹은 밸브 액츄에이터(4)의 그것보다 팽창계수가 크면 코킹 액츄에이터(10)를 작동하기 위하여서는 근소한 작동전압으로 충분하며 한편 밸브 액츄에이터(4)에 의하여 밸브니들(19)로 전달되는 행정은 밸브 액츄에이터(4)의 압전식요소(6a)의 근소한 팽창으로 인하여 연료분사밸브(1)를 개방하기에는 아직 불충분하다. 전원을 이 때 더욱 올리면연료분사밸브(1)가 열린다.
본 발명은 도시되어 있는 실시예에 국한하지 않고 연료분사밸브(1)의 다수의 기타 구조형에도 적용 가능하다.

Claims (12)

  1. 압전식 또는 자기변형식 밸브 액츄에이터(4)와 작동체(15) 및/또는 밸브 시트면(21)과 함께 밀폐 시트에 작용하는 밸브니들(19)에 의하여 작동 가능한 밸브폐쇄몸체(20)를 가지는 연료분사밸브(1) 특히 내연기관의 연료분사장치에 대한 연료 분사밸브에 있어서,
    상기 작동체(15) 또는 밸브니들(19)은 적어도 코킹 액츄에이터(10)에 의하여 밸브 액츄에이터(4)와 유동적으로 고정되도록(non-positive fit) 결합 가능한 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 코킹 액츄에이터(10)의 작동방향은 일반적으로 밸브 액츄에이터(4)의 작동방향에 대하여 수직인 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 코킹 액츄에이터(10)는 가이드 하우징(13)에 의하여 둘러싸여 있으며 베이스 플레이트(11)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  4. 제 3 항에 있어서, 적어도 하나의 지지부(14)는 적어도 하나의 코킹 액츄에이터(10)와 동일한 평면에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  5. 제 4 항에 있어서, 밸브 액츄에이터(4), 적어도 하나의 코킹 액츄에이터 (10), 지지부(14) 및 하나의 초기응력 스프링(7)은 하나의 액츄에이터 하우징(3)에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  6. 제 5 항에 있어서, 밸브 액츄에이터(4)의 제 1 전면측(32)은 액츄에이터 하우징(3)의 제 1 폐쇄판(36)에 접하고, 초기응력 스프링(7)의 제 1 단부(34)는 액츄에이터 하우징(3)의 제 2 폐쇄판(37)에 접해 있으며, 코킹 액츄에이터(10)의 가이드 하우징(13) 또는 지지요소(14)는 밸브 액츄에이터(4)의 제 2 전면측(33)과 초기응력 스프링(7)의 제 2 단부(35) 사이에 있는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 작동체(15) 또는 밸브니들(19)은 코킹 액츄에이터(10)에 지지되어 있는 고정부(17)에 의하여 밸브 액츄에이터(4)와 유동적으로 고정되도록 결합 가능한 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 고정부(17)는, 코킹 액츄에이터(10)가 작아도 되는 초기응력하에서 분리된 상태로 있고 밸브 액츄에이터(4)가 고정부(17)를 통해 밸브니들(19) 또는 작동체(15)에 작용하는 마찰력을 극복하여 축방향에서 자유롭게 이동할 수 있도록, 작동체(15) 또는 밸브니들(19)에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  9. 제 8 항에 있어서, 밸브 액츄에이터(4)와 각각의 코킹 액츄에이터(10)는 동시에 작동 가능한 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항중의 어느 한 항에 있어서, 밸브 액츄에이터(4)는 제 1 전류회로에 의하여 작동가능하며, 각각의 코킹 액츄에이터(10)는 제 2 전류회로와 별도로 제 1 전류회로에 의하여 작동이 가능한 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 코킹 액츄에이터(10)의 압전요소(6b)는 밸브 액츄에이터(4)의 압전요소(6a)보다 팽창계수가 큰 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서, 밸브 액츄에이터(4)는 중앙의 홈(5)을 갖는 환형으로 구성되어 있어서 그 안에 작동체(15)가 들어 있는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브.
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