KR20010113850A - 액체 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 몸체(7)의 보어(13) 내에서 밸브 부재(3)를 축방향을 따라 움직일 수 있도록 작동시키는 압전 유닛(4)이 제공된 액체 제어 밸브(1)에 관한 것이다. 상기 밸브 부재(3)는 압전 유닛(4)과 접하는 조절 피스톤(9)뿐만 아니라 밸브 폐쇄 부재(15)와 접하는 적어도 하나의 작동 피스톤(14)으로 구성된다. 이 양 피스톤(9, 14)들 사이에는 유압 변환 부품으로서 기능하는 유압 챔버(16)가 배치된다. 이때, 상기 밸브 폐쇄 부재(15)는 밸브 시트(18, 19) 중 적어도 어느 한쪽과 협동함으로써 고압 영역(21)과 저압 영역(20)을 분리한다. 또한, 본 발명에 따른 액체 제어 밸브에는 전기 제어 유닛(12)이 제공되며 이 전기 제어 유닛은 고압 영역(21)의 압력 레벨뿐만 아니라 저압 영역(20), 특히 유압 챔버(16)의 누설 손실과 유압 챔버의 재충진 정도에 따라서 압전 유닛(4)을 작동시키기 위한 제어 전압을 결정한다.

Description

액체 제어 밸브{Valve for controlling liquids}

이와 같은 종류의 밸브는 고압 시스템(공통 레일 시스템)을 구비한 내연기관용 연료 분사 장치로서 DE 197 328 02에 기재되어 있다. 이 연료 분사 장치는 압전식 구동 장치에 의한 연속 운동시 밸브 폐쇄 부재의 밀봉면과 협동하는 두 개의 밸브 시트를 포함하는데, 이때 상기 밸브 폐쇄 부재는 최초 폐쇄 위치에서 제 1 밸브 시트 상에 존재하고, 이후 바로 다시 제 2 밸브 시트와의 폐쇄 위치에 도달할 수 있도록 밸브 시트들 사이의 중간 위치로 진행한다. 이를 위해서, 압전식 액츄에이터에는 레일 압력에 따른 전압이 인가되며, 이 전압에 의해서 액츄에이터의 길이가 변화하고, 또한 이로 인하여 밸브 폐쇄 부재가 제 2 밸브 시트쪽으로 운동하게 된다. 이후 밸브 폐쇄 부재를 제 1 밸브 시트의 방향으로 다시 전환시키기 위하여 액츄에이터를 해제한다.

상술한 바와 같이 밸브 폐쇄 부재가 한쪽 밸브 시트로부터 다른쪽 밸브 시트로 진행하는 식으로 움직임으로써 고압 하에 존재하는 밸브 제어 챔버가 신속하게 해제되며, 또한 힘 보상 형태의 연료 분사 장치 내에서 밸브 제어 챔버의 압력 레벨에 따라서 밸브 니들의 개방 및 폐쇄 위치가 결정되고 이로 인하여 연료 분사가제어된다. 이때, 연료 분사는 밸브 폐쇄 부재가 양 밸브 시트들 사이의 중간 위치에 존재하는 동안 가능하다. 또한, 이러한 방식에 있어서 압전식 구동 장치의 1회 여기(exciting)를 통하여 2회 연료 분사, 예를 들어 예비 분사 및 주 분사를 실시할 수 있다.

한편, 상기 밸브 부재는 직접 제어되는 것이 아니라 유압 변환 부품을 거쳐서 제어되기 때문에, 유압식 커플러(hydraulic coupler)로서 기능하는 유압 챔버 내의 압력 상승은 밸브 부재의 행정 길이에 따라 결정된다. 그렇지만, 상기 밸브 폐쇄 부재가 밸브 시트로부터 이동할 정도로 압전식 액츄에이터에 높은 전압이 인가되면, 유압 챔버 내에 존재하는 연료의 일부가 이 유압 챔버의 누설 틈새를 통하여 누설된다. 이러한 효과는, 특히 제어 밸브가 고압 영역쪽에 해당하는 제 2 밸브 시트에 놓여 있을 때 심해지는데, 그 이유는 이 상황에서 레일 압력에 의해 특히 저항력이 증가하기 때문이다. 저압 영역 혹은 유압식 커플러는, 예를 들어 실제로 15bar 정도의 시스템 압력에 의해서, 그리고 필요한 경우에 상기 누설 틈새를 통하여 재충진되는데, 이때에도 물론 압전식 액츄에이터가 제어되지 않는 동안에만 재충진된다.

실제로 유사하게 공지되어 있는 것으로서 하나의 밸브 시트만으로 구성된 밸브에서는 동일하게 실시되는데, 다시 말하면 밸브 폐쇄 부재는 밸브 시트로부터 들려진 후 다시 되돌아오는 식으로 진행된다.

그렇지만, 상술한 바와 같은 형태의 모든 밸브에서는 짧은 시간에 걸쳐 연속해서 분사하는 동안 유압식 커플러가 일반적으로 완전히 재충진되지 않는다는 문제점을 안고 있다. 따라서, 분사시 압전식 액츄에이터의 동일한 제어 전압에서, 그리고 이로 이한 동일한 액츄에이터 행정에서 조절되는 밸브 행정이 달라진다. 상기 두 가지 형태의 분사 과정들 사이의 시차가 작을수록 분사 과정들 사이의 재충진 시간은 짧아지며, 액츄에이터가 점점 앞서서 제어될수록 유압식 커플러의 충전 시간도 더욱더 커지게 되고 이로 인하여 누설량도 커지게 되는 단점을 갖는다. 따라서, 분사가 실시될 때 여러 가지 액츄에이터 행정들은 다시 부정확하게 되며, 이때 액츄에이터 행정은 상황에 따라서 이 액츄에이터 행정이 밸브 니들에 작용하지 않는 상태에서 작아질 수도 있으며, 결과적으로 액츄에이터 행정은 밸브 니들에 영향을 미치지 않는데, 예를 들어 연료 분사 밸브로서 사용될 때 연료 분사를 실시하지 못하게 된다.

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 액체 제어 밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관용 연료 분사 밸브의 실시예를 개략적으로 도시한 종단면도.

도 2는 도 1에 따른 연료 분사 밸브의 일부품인 압전 유닛의 제어 전압을 조절하기 위한 전기 제어 유닛의 특성 그래프와 함께 신호 스트림을 도시한 블록도.

청구항 제 1 항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 액체 제어 밸브는 조절하고자 하는 밸브 행정이 압전 유닛에 상응하는 변형된 제어 전압에 의하여 모든 분사 과정 동안 동일하게 실시될 수 있는 장점을 갖는다. 이로 인하여, 고압 영역의 압력 레벨이 높아질 때에도 짧은 시간 내에 연속 분사가 가능하며, 다시 말하면 예비 분사, 주 분사 및 차후 분사시에 연료 소비와 배기량을 개선시킬 수 있도록 모든 분사 과정 동안 행정 길이를 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 저압 영역이나 유압 챔버로도 불리는 유압식 커플러의 여러 가지 충진 레벨이 제어 전압에 의해서 보상될 수 있기 때문이다.

또한, 고압 영역의 압력 레벨을 고려하여 누설 손실과 재충진에 따라 제어전압을 변형시킬 수 있는 본 발명에 따른 장점에 의해서 안정적인 분사를 보장할 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 있어서, 저압 영역으로부터의 누설 손실을 계산하기 위하여 전기 제어 유닛에는 선행하는 분사 지속 시간이 출력된다. 선행 분사의 제어 지속 시간은 유압 액체량에 대한 신뢰할만한 값을 나타내며, 이 값은 유압식 커플러의 작동 시간 동안 누설 조절을 통하여 얻어진다.

본 발명에 따른 밸브의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 저압 영역의 재충진을 위한 매우 신뢰할만한 값으로서는 선행하는 분사 과정이 종료하는 시기와 다음 분사 과정이 시작하는 시기의 시차가 전기 제어 유닛에 출력되도록 제공되는데, 그 이유는 일반적으로 상기 시차가 재충진 시간에 해당하기 때문이다. 이로 인하여 재충진 시간과 작동 시간으로부터 다음 분사 과정 전에 커플러의 재충진 정도가 결정된다.

도면과 청구항을 통하여 본 발명의 다른 장점과 바람직한 실시예를 설명하며, 본 발명에 따른 액체 제어 밸브의 일실시예를 도면에 도시하고 이하에서 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 실시예에서는 차량의 내연기관용 연료 분사 밸브(1)와 같은 본 발명에 따른 밸브의 사용예를 도시한다. 이 연료 분사 밸브(1)는 오늘날 공통 레일 분사기의 형태로 제작되며, 이때 연료 분사는 고압 과정과 관련된 밸브 제어 챔버(2)의 압력 레벨에 의해서 제어된다.

연료 분사 밸브(1)내에서 연료 거동을 이용하여 분사 개시, 분사 지속 시간 및 분사량을 조절하기 위하여 압전식 액츄에이터(4)의 형태로 구성된 압전 유닛에 의해서 조절되는 밸브 부재(3)가 제공되는데, 상기 압전 유닛은 밸브 제어 챔버와 연소실로부터 이격된 밸브 부재(3) 쪽에 배치된다.

상기 압전식 액츄에이터(4)는 공지된 방식에 따라서 복수의 층들로 형성되며 밸브 부재(3)로부터 이격된 쪽에서 혹은 밸브 부재(3)로부터 이격된 쪽에서 밸브 몸체(7)에 지지되는 액츄에이터 레그(6)를 갖는다. 액츄에이터 헤드(5)에는 지지대(8)를 거쳐서 밸브 부재(3)의 조절 피스톤(9)이 지지되며, 따라서 밸브 부재는 이 부재의 직경면에서 단계적으로 형성된다.

상기 압전식 액츄에이터(4)에 전압을 인가하기 위해서 액츄에이터 레그(6)에는 도 1에서 단지 심볼로 표기한 전기 제어 유닛(12)과 접속되는 접점(10, 11)이 제공되며, 상기 전기 제어 유닛은 압전식 액츄에이터(4)를 제어한다. 상기 압전식 액츄에이터(4)에 의해서 작동 가능한 밸브 부재(3)는 종방향 보어의 형태로 형성된 보어(13) 내에서 축방향을 따라 움직일 수 있도록 배치되며 또한 복수 부품들로 구성되는데, 이 복수 부품들로서는 조절 피스톤(9)뿐만 아니라 구형 밸브 폐쇄부재(15)를 작동시키기 위하여 제공된 작동 피스톤(14)을 들 수 있다. 상기 조절 피스톤(9)과 작동 피스톤(14)은 유압 변환 부품에 의해서 서로 연결된다.

압전식 액츄에이터(4)의 신축을 밸브 폐쇄 부재(15)로 전달하는 유압 변환 부품은 유압 챔버(15)의 형태를 갖는다. 상기 유압 챔버(16)는 이 유압 챔버와 경계를 이루는 양 피스톤(9, 14)들 사이에서 공통 보상 공간을 둘러싸며, 상기 피스톤들 중 작동 피스톤(14)은 조절 피스톤(9)보다 작은 직경을 갖는다. 여기서, 큰 직경의 조절 피스톤(9)이 압전식 액츄에이터(4)에 의해서 소정의 구간만큼 운동할 때 유압 챔버(16)는 조절 피스톤(9)과 작동 피스톤(14) 사이에서 작동 피스톤(14)이 피스톤 직경의 변환비만큼 확대된 행정을 실시할 수 있도록 고정된다.

상기 유압 챔버(16)는 연료 분사 밸브(1) 내에서 유압 전달 기능뿐만 아니라 온도 구배나 사용 재료의 상이한 온도 팽창 계수에 기초하여 발생하는 길이 오차를 보상하거나 실제 설정 효과를 위한 오차 보상 부품으로서도 기능한다. 상기 피스톤(9, 14)들은 유압 챔버(13)의 공간 내로 진입할 수 있으며, 이 때문에 제어하고자 하는 밸브 폐쇄 부재(15)의 위치를 변화시키지 않고도 복귀할 수 있다.

상기 밸브 폐쇄 부재(15)는 밸브 챔버(17)에 형성되며 밸브 부재(3) 혹은 작동 피스톤(14)의 밸브 챔버측 단부에서 밸브 몸체(7)에 형성된 두 개의 밸브 시트(18, 19)들과 협동한다. 여기서, 제 1 및 상부 밸브 시트(18)는 저압 영역(20)을 제한하며, 제 2 및 하부 밸브 시트(19)는 고압 영역(21)에 해당하는 밸브 제어 챔버(2)에 안내된다. 상기 제 2 밸브 시트(19)에는 밸브 제어 챔버가 해제될 때 밸브 폐쇄 부재(15)를 제 1 밸브 시트(18)에 유지하는 스프링(28)이 배치된다.

고압 영역(21)의 밸브 제어 챔버(2)에는 도면에서 추가로 도시하지 않은 운동 가능한 밸브 제어 피스톤이 배치된다. 상기 밸브 제어 피스톤이 밸브 제어 챔버 내에서 축방향으로 운동할 때, 연료 분사 밸브(1)의 분사 노즐은 공지된 방식으로 제어된다. 상기 밸브 제어 챔버(2)에는 보통 분사 노즐을 통하여 연료를 공급하는 분사관이 연결된다. 상기 분사관은 복수의 연료 분사 밸브를 위한 공통 고압 저장 챔버(공통 레일)와 연결된다. 이때, 고압 저장 챔버에는 공지된 방식에 따라서 연료 고압 공급 펌프에 의해 저장 탱크로부터의 고압 연료가 저장된다.

상기 보어(13)의 단부에는 밸브 시스템 압력 챔버(22)가 둘러싸여 있다. 이 밸브 시스템 압력 챔버는 한편으로 밸브 몸체(7)에 의해서, 다른 한편으로 밸브 부재(3)의 조절 피스톤(9)과 밸브 몸체(7)에 연결된 밀봉 부품(23)에 의해서 제한되며, 이 밀봉 부품은 본 발명에서 주름 상자 형태의 멤브레인으로 형성되어, 압전식 액츄에이터(4)가 밸브 시스템 압력 챔버(22)에 포함된 연료와 접촉하는 것을 방지한다.

상기 유압 챔버(16)는 압전식 액츄에이터(4)를 제어하거나 작동시키는 동안 재충진되어야 하기 때문에, 고압 영역(21)의 유압 액체를 제거함으로써 저압 영역(20)의 누설량을 보상한다. 이를 위하여, 조절 피스톤(9)을 둘러싸는 틈새(25)에 의해서 유압 챔버(16)와 결합하는 밸브 시스템 압력 챔버(22)와 통하는 충진 장치(24)를 사용함으로써, 틈새(25)에 의해서도 유압 챔버(16)를 충진할 수 있다.

물론, 다른 실시예에서 충진 장치(24)는 다른 시스템 압력 챔버, 또는 틈새(25)나 작동 피스톤(14)을 둘러싸는 틈새(26)와 연결될 수 있다.

이하에서 도 1에 따른 연료 분사 밸브(1)의 작동 방식을 설명한다.

연료 분사 밸브(1)가 폐쇄된 상태에서, 그리고 압전식 액츄에이터(4)가 작동하지 않는 상태에서, 상기 밸브 부재(3)의 밸브 폐쇄 부재(15)는 상부 밸브 시트(18)쪽에 접하는 상태로 유지되기 때문에 고압 저장 챔버와 연결된 밸브 제어 챔버(2)로부터 저압 영역(20)으로 연료가 흐를 수 없다.

온도에 따라 압전식 액츄에이터(4) 또는 다른 밸브 부품, 예를 들면 밸브 몸체(7)의 길이가 변화할 때에처럼 천천히 작동하는 경우에, 조절 피스톤(9)은 밸브 부재(3)와 연료 밸브(1)의 폐쇄 및 개방 위치에 전체적으로 영향을 미치지 않으면서 온도가 상승하면 유압 챔버(16)의 보상 공간으로 진입하고 온도가 하강하면 후퇴한다.

연료 분사 밸브(1)가 분사를 실시하기 위해서, 압전식 액츄에이터(4)가 작동하면서 이 액츄에이터는 축방향으로 급격하게 팽창한다. 조절 피스톤(9)뿐만 아니라 유압 챔버(16)에 의해서 압전식 액츄에이터(4)의 길이 변화가 작동 피스톤(14) 으로 전달되며, 이 때문에 밸브 폐쇄 부재(15)가 제 1 상부 밸브 시트(18)로부터 들려지고 인접한 레일 압력에 대항하여 제 2 하부 밸브 시트(19)에 대항하여 이동한다.

이를 위하여 압전식 액츄에이터(4)에 인가된 전압을 조절할 때, 선행하는 분사 과정(E1)과 재충진 동안 전기 제어 유닛(12)에 의해서 고압 영역(21)의 압력 레벨, 즉 레일 압력뿐만 아니라 유압 챔버(16)로부터 누설되는 저압 영역(20)의 누설 손실을 고려한다.

이와 관련하여 도 2에 도시한 바와 같이, 전기 제어 유닛(12)은 특성군(27)을 가지며, 입력 데이터로서 선행하는 분사(E1)의 제어 지속 시간(T_E1)과 선행 분사(E1)가 종료하는 시점과 다음 분사(E2)가 시작하는 시점 사이의 시차(T_E1E2)가 적용된다. 여기서, 선행하는 분사(E1)의 제어 지속 시간(T_E1) 및 시차(T_E1E2)는 저압 영역(20)으로부터의 누설 손실과 상기 선행 분사 이후 재충진 시간으로 표시한다. 이 입력 데이터에 따라서 제어 전압(ΔU)의 보정값이 출력되며, 이 보정값은, 특히 레일 압력으로 측정되는 제어 전압의 제한값에 가산된다. 이때, 제어 전압의 제어 전압(ΔU)은 저압 영역(20)의 누설 손실과 재충진의 차이를 보상하기 위하여 연속 분사 과정시 상기 제어 전압이 증가하는 형태로 설정된다. 이러한 방식에 있어서, 밸브 부재(3) 및 작동 피스톤(14)의 행정 길이는 재설정 가능하며, 한편으로 분사 과정을 실시할 수 있고 다른 한편으로 밸브 폐쇄 부재(15)는 항상 제 2 밸브 시트(19)에 지지되도록 보장한다.

압전 유닛의 제어는 전기 제어 유닛(12)이 압전식 액츄에이터(4)의 실제 온도와 관련하여 추가로 제어 전압을 보정할 때 더 정확하다.

물론, 밸브 폐쇄 부재(15)가 이 부재의 중간 위치에서 고정되도록 제공될 수도 있다. 또한 밸브(1)가 이중 회로 밸브로서 작동하는 것이 아니고 이 밸브 폐쇄 부재가 제 1 밸브 시트(18)와만 협동하도록 제공될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 밸브는 밸브 폐쇄 부재를 높은 속도와 높은 전압으로 제 2 밸브 시트(19)로진행시킴으로써 제 2 밸브 시트(19)로부터 제 1 밸브 시트(18)로 후퇴 운동시켜 분사를 실시하는 경우에도 적용할 수 있다.

물론, 도시한 바와 같이 양쪽 시트를 갖는 밸브 형태와는 달리 하나의 시트를 구비한 연료 분사 밸브를 고려할 수 있다.

Claims (8)

1. 밸브 몸체(7)의 보어(13) 내에서 밸브 부재(3)를 축방향을 따라 움직일 수 있도록 작동시키는 압전 유닛(4)을 구비하며, 상기 밸브 부재(3)는 압전 유닛(4)과 접하는 조절 피스톤(9)뿐만 아니라 밸브 폐쇄 부재(15)와 접하는 적어도 하나의 작동 피스톤(14)으로 구성되고, 양 피스톤(9, 14)들 사이에는 유압 변환 부품으로서 기능하는 유압 챔버(16)가 배치되며, 상기 밸브 폐쇄 부재(15)는 밸브 시트(18, 19) 중 적어도 어느 한쪽과 협동함으로써 고압 영역(21)과 저압 영역(20)을 분리하고, 고압 영역(21)의 압력 레벨은 압전 유닛(4)을 제어하기 위한 제어 전압을 조절하는 변수로 설정되는 액체 제어 밸브에 있어서,

   상기 압전 유닛(4)을 제어하기 위한 제어 전압을 저압 영역(20), 특히 유압 챔버(16)의 누설 손실과 저압 영역의 재충진에 따라서 결정하는 전기 제어 유닛(12)을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 저압 영역(20)으로부터의 누설 손실을 계산하기 위하여 선행하는 분사(E1)의 제어 지속 시간(T_E1)을 전기 제어 유닛(12)에 출력하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 저압 영역(20)의 재충진을 계산하기 위하여 선행하는 분사(E1)가 종료하는 시점과 다음 분사(E2)가 시작하는 시점 사이의시차(T_E1E2)를 전기 제어 유닛(12)에 출력하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전기 제어 유닛(12)은 특성군(27)을 가지며, 이 제어 유닛에는 특성군을 이용하여 제어 전압을 위한 보정값(ΔU)을 선행하는 분사(E1)의 제어 지속 시간(T_E1)과 선행하는 분사(E1)에 대한 시차(T_E1E2)에 따라서 출력되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 유닛(4)의 온도는 제어 전압을 조절하기 위한 변수인 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 전압은 연속 분사 과정시 저압 영역(20)의 누설 손실과 재충진을 보상하는 형태로 증가하며 밸브 폐쇄 부재(15)의 행정을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저압 영역(20)을 재충진하기 위하여 고압 영역(21)과 연결될 수 있는 충진 장치(24)가 제공되며, 이 충진 장치는 작동 피스톤(14)을 둘러싸는 틈새(26)나 조절 피스톤(9)을 둘러싸는 틈새(25)와 연결되는 시스템 압력 챔버(22)를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관용 연료 분사 밸브, 특히 공통 레일 분사기(1)의 구성 부품으로서 사용하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.