KR20010111294A - 엔진에 분사되는 연료량을 제어하기 위한 전자식 분사 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 코일 시스템을 통해 이동할 수 있는 밸브 몸체를 구비한 엔진 내로 분사되는 연료량을 제어하기 위해, 상기 밸브 몸체가 전자 코일 시스템의 접극자와 연동하는 전자식 분사 밸브에 관한 것이다.

상기 전자 코일 시스템은 동심 배열된 적어도 2개 이상의 코일(32_1, 32_2)을 포함하며, 인접한 2개의 코일(32_1, 32_2) 사이에 각각 제1 자극 몸체(42_2)가 배열되고, 내부 및 외부 코일(32_1, 32_2)은 제2 자극 몸체(42_1, 42_3)에 인접하며, 상기 제1 및 제2 자극 몸체(42_1, 42_2, 42_3)는 전자 코일 시스템의 자기 회로의 구성 요소이며, 각각 인접한 코일(32_1, 32_2)이 상반된 방향으로 공동의 여자 전류(40)를 통해 전류를 공급받을 수 있도록, 상기 코일(32_1, 32_2)이 자기 회로에 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진에 분사되는 연료량을 제어하기 위한 전자식 분사 밸브 {ELECTROMAGNETIC INJECTION VALVE FOR CONTROLLING A FUEL AMOUNT TO BE INJECTED INTO AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

전자식 분사 밸브는 현재의 가솔린 및 디젤 분사 시스템에 이미 공지되어 있다. 종전의 전자식 분사 밸브는 단일 코일 개념을 따르고 있다. 이 경우 자기장은 코일의 전류 공급을 통해 형성되어, 에워싸고 있는 자기 회로에서 자속이 만들어진다. 상기 자속이 에어갭(air gap)을 통해 상기 밸브 몸체와 연결되어 있는 가동형 접극자에 작용함으로써 밸브 몸체가 움직이게 된다. 전자식 분사 밸브의 개방 시간 및 그 결과로 인한 분사량은 코일의 전류 공급 시간에 의해 조절된다.

기본적으로 코일의 자기 회로에서 자속의 형성은 코일에 전류를 공급함으로써 즉시 이루어지는 것이 아니라 일정한 시간 지연 후에 이루어진다. 이러한 자기장 형성의 시간 지연은 자기 회로의 기하학과 같은 많은 인자, 특히 자기장 확산 및 이미 형성된 와전류에 종속적이다. 와전류는 통형 전도체에서 시간에 따라 변하는 자기장을 통해, 예를 들어 자기장이 형성되고 있는 동안 유도되는 전류이다.이 때 와전류는 빠른 자기장 형성을 방해한다.

코일에서의 전류 흐름과 자기장 형성 사이의 시간 지연은 바람직하지 않은 전자식 분사 밸브의 반응 시간의 지연을 초래한다. 현대식 분사 시스템에서 필요로 하는 100㎲ 또는 그 이하의 반응 시간은 현재는 부스터-컨덴서(booster-condencer)에 의해 구현되는 더 큰 장력을 통해서, 또는 서로 상쇄하는 작용을 가지며 고가로 제공되는 이중 코일 시스템을 통해서만 가능해진다. 종전 시스템의 단점은 비용이 많이 들며 공간을 많이 차지하는 전기 회로의 구조에 있다.

본 발명은 청구항 제1항의 특징을 갖는, 엔진에 분사되는 연료량을 제어하기 위한 전자식 분사 밸브에 관한 것이다.

본 발명은 하기의 실시예에서 해당 도면을 이용해 상세히 설명된다.

도1은 종래 기술에 따른 전자식 분사 밸브의 단면도이다.

도2는 싱글 코일 시스템에서 자기 회로이다.

도3은 본 발명에 따른 이중 코일 시스템에서 자기 회로이다.

도4는 싱글 코일과 이중 코일 자기 회로에서 자력 작용을 나타내는 선도이다.

본 발명에 따른 전자식 분사 밸브의 장점은 반응 시간이 짧으며 배치 비용이 적게 드는 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 분사 밸브는 동심 배열된 2개 이상의 코일을 가지는 전자 코일 시스템을 포함하며, 인접한 2개의 코일 사이에 제1 자극 몸체 각각이 배열되며, 내부 및 외부 코일이 제2 자극 몸체에 인접하며, 제1 및 제2 자극 몸체는 전자 코일 시스템의 자기 회로의 구성 요소이며, 각각 인접한 코일이 서로 반대 방향으로 공동의 여자 전류를 통해 전류를 공급받도록 상기 코일이 자기 회로에 설치되어 있다. 이와 같은 다중 코일 시스템에서 제1 내부 자극 몸체에서 코일의 상반된 전류 공급 때문에 이미 형성된 와전류의 자기장 방향이 상반되어 와전류를 소거하게 된다. 그 때문에 자기장 확산 및 그 결과로 인한 자기 회로의 자력 형성이 종래의 싱글 코일 시스템에서 보다 훨씬 더 빠르게 이루어진다. 더 나아가서, 2개의 코일 사이에 있는 제1 자극 몸체에 자기장이 구조적으로 강화되며, 이는 이 경우 양 자기장이 동일 방향으로 중첩되어 자속이 더 크게 만들어지기 때문이다.

분사 밸브의 양호한 구성에 따르면, 중간에 있는 제1 자극 몸체의 반경 방향 절단면이 인접하는 제2 자극 몸체의 양 절단면의 합에 일치하도록 상기 자극 몸체의 크기가 정해진다. 자기 회로의 그와 같은 선택에서, 기하학에서 인접하는 2개 코일 상호 간의 자력 상쇄는 억제된다.

또 다른 유리한 실시예에 따라서 상기 코일은 거의 동일한 특성값, 특히 동일한 인덕턴스를 갖는다.

또한 상기 코일이 병렬로 결선되는 것은 유리하다.

본 발명의 또 다른 유리한 구성은 종속항에 언급한 나머지 특징들로부터 알 수 있다.

도1에는 종래 기술에 따른 전자식 분사 밸브의 단면도가 도시되어 있다. 도면부호 10으로 표시된 전체 분사 밸브는 밸브 하우징(12), 밸브 코어(14) 및 축방향으로 운동하는 밸브 니들(16)로 이루어진다. 2개의 O-링(18, 20)을 통해 분사 밸브(10)가 도면에 도시되지 않은 연료 레일 및 도면에 도시되지 않은 흡기관에 대해 밀폐된다. 도면 상에서, 상부로부터 유입되는 연료는 먼저 분사 밸브(10)를 오물로부터 보호하는 연료 스트레이너(22, fuel strainer)를 통해 유동된다. 연료는 유동 요소(24)를 지나 밸브 니들(16)의 중공실 안으로 유입되며, 연료는 중공실로부터 밸브 니들(16)의 측면 개구를 통해 밸브 시트(26)에 도달하게 된다. 상기 분사 밸브(10)의 초기 상태에서, 스프링(28)과 연료 압력으로부터 발생하는 자력이 밸브 시트(26)를 가압하여 흡기관에 대해 연료 공급 시스템을 밀폐시킨다.

그 외에도, 전자식 분사 밸브(10)는 코일 몸체(30)에 감긴 코일(32)을 가지며, 전기 단자(34)를 통해 여자 전류가 상기 코일에 인가된다. 상기 코일(32)에 전류를 공급하는 경우 상기 코일을 에워싸고 있는 자기 회로에서 자기장이 형성되며, 이것을 통해 접극자(36)가 당겨진다. 그 때문에 접극자(36)와 마찰 결합된 밸브 니들(16)이 밸브 시트(26)로부터 상승되어, 연료가 분사구 디스크(38)를 통해 흡기관 내로 유입된다. 여자 전류의 차단 후에 밸브 니들(16)이 스프링(28)을 통해 복귀되어 밸브(10)는 폐쇄된다.

싱글 코일 시스템이 구비된 종래의 분사 밸브의 자기장 형성이 도2에 개략적으로 도시되어 있다. 일면이 단면도로 도시되어 있는 코일(32)에 여자 전류(40)가 공급되면, 상기 코일(32)을 감싸는 자극 몸체(42)에서 자기장(44)이 형성된다. 자기장이 형성되기 때문에 페러데이 법칙(faraday's law)에 따라

이 성립하고, 상기 식에서 B는 자속 밀도를 의미하며, 와전류(46, rot E)가 자극 몸체(42)에서 형성된다. 이 때 와전류(46)의 주 흐름 방향은 상기 코일(32)의 여자 전류(40)의 방향과 상반된다. 이 와전류(46)의 발생은 자기장(44)의 확산 속도 및 접극자(36)에 작용하는 자력의 형성 속도를 감소시킨다. 그 결과 전자식 분사 밸브(10)의 반응 시간이 지연된다.

종래 분사 밸브의 자기장 및 자력 형성이 지연되는 문제점을 극복하기 위해, 본 발명에 따라 2개 이상의 동심 배열된 코일이 이용된다. 도3에는 내부 코일(32_1)과 외부 코일(32_2)을 가지는 전자 코일 시스템의 자기장이 개략적으로 도시되어 있다. 도3의 하부에는 축(A-A')을 따라 절개한 이중 코일 자기 회로의 반경 방향 단면도가 도시되어 있다. 상기 양 코일(32_1, 32_2)은 서로 반대 방향으로 여자 전류(40)를 공급받는다. 각각의 코일(32_1, 32_2)은 코일 양측에서 자극 몸체(42)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 코일(32_1, 32_2)의 전류 공급 때문에 에워싸고 있는 자극 몸체(42)에서 각각의 코일 둘레에 자기장(44)가 형성된다. 상기 양 코일(32_1, 32_2)의 여자 전류(40)가 상반되기 때문에 중앙의 자극 몸체(42_2)에서 상기 코일(32_1, 32_2)의 양 자기장(44)의 방향이 동일 방향으로 중첩된다. 이 경우 자기장이 강화되고 그 결과 자속이 더 커진다. 다른 쪽에서는 자기장(44)을 통해 유도되는 와전류(46)가 내부 자극 몸체(42_2)에서 상반된 흐름방향을 갖는다. 그러므로 이 영역에서 와전류(46)와 이미 형성된 와전류 자기장이 소거된다. 그러므로 내부 자극 몸체(42_2)에서 자기장 확산이 와전류 손실없이 이루어지므로, 자기장(44)이 도2 에 도시된 싱글 코일 시스템의 경우에서보다 훨씬 더 빠르게 형성될 수 있다. 코일(32_1, 32_2)의 전류 공급으로부터 접극자(36)에 대한 자력의 작용까지 분사 밸브(10)의 반응 시간은 전반적으로 단축된다. 이중 코일 자기 회로에서 자력 형성의 가속을 위한 또 다른 이유는 이용된 코일(32)마다 4개의 직경 또는 2개의 직경에서 이루어지는 자기장 확산 때문에 제공된다.

여자 전류(40)를 차단할 때 동일한 물리적 효과가 이용된다. 또한, 소멸하는 자기장(44)을 통해 유도되는 와전류(46)의 소거가 내부 자극 몸체(42_2)에서 이루어지므로, 자기장 확산은 훨씬 더 빠르게 이루어질 수 있다.

내부 자극 몸체(42_2)의 반경 방향 극 표면이 상기 자극 몸체(42_1, 42_3)의 인접하는 양 극 표면의 합에 일치하도록 자기 회로가 설계되면, 본 발명에 따른 다코일 시스템의 유리한 효과는 최적으로 이용된다(비교, 도3 의 하부). 이는 2개 이상의 코일이 자기 회로를 형성하는 경우에도 유효하다.

도4에는 싱글 코일 자기 회로와 본 발명에 따른 이중 코일 자기 회로의 자력 형성의 속도가 도시되어 있다. 양호한 비교를 위해 이 경우 상대적인 자력(Frel)이 공동의 상대적인 시간축(trel)에 따라서 그려지고, 이 경우 trel = 0은 코일(32)에 전류를 공급하는 시점(t0)이며, trel = 1은 코일(32)의 차단 시점을 의미한다. 종래의 싱글 코일 자기 시스템에서 자력의 상승 및 하강이 비교적 완만하다(그래프에서 48). 그러므로 0.8 단위의 상대적인 자력(Frel)은 공동의시간축(trel)의 0.33 단위 이후에 비로소 도달하게 된다. 그에 반해 2개 코일 시스템의 전류 공급 후 최대의 자력은 시점(t0)에서 훨씬 더 빠르게 도달하게 되며(그래프 50), 이 경우 0.8의 자력은 대략 0.12 시간 단위 후에 이미 형성되어 있다. 시점(t1)에서 코일을 차단한 후에도 훨씬 더 빠른 자력 소멸이 2개 코일 시스템에서 관찰된다(그래프에서 50).

전체적으로 본 발명에 따른 전자식 분사 밸브는 종래 분사 밸브에 비해 아주 짧은 상승과 하강 시간을 보이는 눈에 띄는 반응 시간 단축을 갖는다. 그러므로 적은 분사량을 더 정확하게 분사할 수 있다. 하이다이내믹 자기 회로를 통해 본 발명에 따른 분사 밸브는 현대의 가솔린 및 디젤 분사 시스템에서의 이용에 적합하게 된다.

Claims (5)

1. 전자 코일 시스템을 통해 이동할 수 있는 밸브 몸체를 구비한 엔진 내로 분사되는 연료량을 제어하기 위해, 상기 밸브 몸체가 전자 코일 시스템의 접극자와 연동하는 전자식 분사 밸브에 있어서,

   상기 전자 코일 시스템은 동심 배열된 적어도 2개 이상의 코일(32_1, 32_2)을 포함하며, 인접한 2개의 코일(32_1, 32_2) 사이에 각각 제1 자극 몸체(42_2)가 배열되고, 내부 및 외부 코일(32_1, 32_2)은 제2 자극 몸체(42_1, 42_3)에 인접하며, 상기 제1 및 제2 자극 몸체(42_1, 42_2, 42_3)는 전자 코일 시스템의 자기 회로의 구성 요소이며, 각각 인접한 코일(32_1, 32_2)이 상반된 방향으로 공동의 여자 전류(40)를 통해 전류를 공급받을 수 있도록, 상기 코일(32_1, 32_2)이 자기 회로에 설치되는 것을 특징으로 하는 전자식 분사 밸브.
2. 제1항에 있어서, 중간에 있는 제1 자극 몸체(42_2)의 반경 방향 절단면이 인접하는 두 개의 제2 자극 몸체(42-1, 42_3)의 절단면의 합에 일치하도록 상기 자극 몸체(42_1, 42_2, 42_3)의 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 전자식 분사 밸브.
3. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일(32_1, 32_2)은 거의 동일한 특성값을 가지는 것을 특징으로 하는 전자식 분사 밸브.
4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일(32_1, 32_2)이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전자식 분사 밸브.
5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 몸체(16)와 접극자(36)가 마찰 결합되는 것을 특징으로 하는 전자식 분사 밸브.