KR20020027575A - 내연 기관용 연료 분사 밸브 - Google Patents

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KR20020027575A
KR20020027575A KR1020027002410A KR20027002410A KR20020027575A KR 20020027575 A KR20020027575 A KR 20020027575A KR 1020027002410 A KR1020027002410 A KR 1020027002410A KR 20027002410 A KR20027002410 A KR 20027002410A KR 20020027575 A KR20020027575 A KR 20020027575A
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악셀 호켄베르거
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 피스톤형의 밸브 부재(7)가 팩 보어 형태로 구성된 보어(15) 내에서 종방향으로 이동 가능한 밸브 바디(5)를 포함하고 있는 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 보어(15)의 바닥 면에는 원추형 밸브 시트(23)가 형성되어 있고, 밸브 부재(7)의 연소실 측 부분(107)과 보어(15) 사이에 형성된 압력실(11)을 연소실과 연결시키는 적어도 하나의 분사 개구(25)도 형성되어 있다. 밸브 부재 팁(13)이 밸브 부재(7)의 연소실 측 단부에 형성되어 있고, 거기에는 밸브 부재(7)에 접경하는 제 1 원추면(30) 및 이것에 대해 연소실 측에 배치된 제 2 원추면(32)이 형성되어 있다. 제 1 원추면(30)의 원추각(α)은 밸브 시트(23)의 원추각(γ) 보다 작고, 제 2 원추면(32)의 원추각(β)은 밸브 시트(23)의 원추각(γ) 보다 크고, 그리하여 양 원추면(30,32)의 이행부에는 순환 실링 에지(40)가 형성되어 있다. 제 1 원추면(30)에는 순환하는 링 그루우브(35)가 형성되어 있는데, 이것은 실링 에지(40)와 밸브 시트(23)의 소성 변형(塑性變形)에 기인하는 유압으로 작동되는 시트 직경의 확대를 정확히 한정된 값에 한정한다.

Description

내연 기관용 연료 분사 밸브 {Fuel injection valve for internal combustion engines}
상기 연료 분사 밸브는 공보 독일 특허 출원 제 196 34 933 호에 공지되어 있다. 밸브 부재의 연소실측 단부에는 밸브 부재 팁이 배치되어 있고 여기에는 두 개의 원추면이 배치되어 있다. 제 1 원추면은 밸브 부재 축에 접경되어 있고 원추형 밸브 시트의 개방각 보다 작은 개방각을 갖고 있다. 제 1 원추면에는 밸브 시트의 개방각보다 큰 개방각을 가진 제 2 원추면이 연소실 측에서 이어져 있음으로써, 두 원추면의 이행부에는 밸브 부재의 폐쇄 상태에서 밸브 부재에 작용하는 폐쇄력에 의해 밸브 시트에 접하게 되는 실링 에지가 형성된다.
밸브 부재의 개방 행정 동작은 압력실 내에 있는 연료의 유압력에 의해 이루어지고, 그 힘은 폐쇄 상태에서는 특히 제 1 원추면에 작용하므로 합력이 축방향으로 밸브 부재에 작용한다. 그리고 실링 에지가 유압으로 작동되는 밸브 부재의 시트 직경을 한정하므로 폐쇄력이 주어진 경우 폐쇄력에 맞서 밸브 시트로부터 밸브 부재가 분리될 수 있게 하는 연료의 개방압을 한정한다.
연료 분사 밸브의 개방압은 한편으로는 밸브 부재에 작용하는 폐쇄력 및 다른 한편으로는 유압으로 작동되는 밸브 부재의 면에 따라 좌우된다. 연료 분사 밸브에서 폐쇄력은 작동이 오래 진행함에 따라 밸브 지지체 및 폐쇄력 발생 장치에 있어서의 이완 과정에 의해 약간 강하한다. 그러나 최적으로 작동하는 연료 분사 밸브에 있어서는 작동 중에 개방압이 일정하게 유지되는 것이 중요하다. 반대 작용을 위해서는 유압으로 작동되는 밸브 부재의 면은 축소되어야 한다. 이것은 밸브 시트와 제 1 원추면의 원추각의 차이가 제 2 원추면과 밸브 시트의 원추각의 차이 보다 작게함으로써 달성된다. 연료 분사 밸브의 작동 중에 실링 에지는 소성 변형에 의해 밸브 시트 내에 압입되고, 유압으로 작동되는 실링 에지는 원래의 실링 에지로부터 밸브 부재 축 쪽으로 이동된다. 이로 인해 유압으로 작동되는 시트 직경은 확대되고 그것과 함께 개방 방향으로 작용하는 면의 축소는 적어도 부분적으로는 강하하는 폐쇄력을 보정함으로써 개방압은 거의 일정하게 유지된다. 폐쇄력이 일정하게 유지될 경우에는 상응적으로 개방압이 상승한다.
그러나 공지된 밸브 부재에서는 밸브 부재의 유압으로 작동되는 시트 직경이 작동 중에 얼마나 심하게 변했고 그와 더불어 개방 방향으로 작용하는 면이 어느 정도로 확대되었는지를 미리 알 수 없다. 어느 정도 재현 가능한 결과를 얻기 위해, 원추면뿐 아니라 밸브 시트도 매우 정확하게 그리고 비용 집약적으로 제조되어야 한다.
본 발명은 청구항 제 1항의 부류에 따른 내연 기관용 연료 분사 밸브에 관한 것이다.
도 1은 연료 분사 밸브의 부분 종단면도이고,
도 2는 밸브 시트의 영역에 대한 도 1의 확대도이다.
이와는 달리 청구항 제 1항의 특징을 가진 본 발명에 의한 연료 분사 밸브는운전 중 연료 분사 밸브의 합성 개방압은 전혀 또는 조금밖에 변하지 않는다는 이점을 갖는다. 제 1 원추면에는 유압으로 작동되는 시트 직경의 확장을 한정하는 순환형 링 그루우브가 형성되어 있다. 그럼으로써 주어진 폐쇄력의 경우 연료 분사 밸브의 개방압은 유압으로 작동되는 시트 직경의 증가, 물론 단지 제조에 의해 용이하게 측정될 수 있는 값까지의 증가에 의해 상승된다. 이것은 밸브 지지체 및 폐쇄력 발생 기구의 이완 과정으로 인해 생기는 폐쇄력의 강하를 보정한다. 효과적인 유압 시트 직경의 증가가 링 그루우브에 의해 정확히 한정적으로 일어나기 때문에, 연료 분사 밸브의 나머지 부분들은 개방압 상승에 최적으로 적합화될 수 있다.
본 발명의 대상의 바람직한 실시예에서, 밸브 부재 축과 링 그루우브 사이의 원추면에는 종방향 홈들이 배치되어 있다. 이로 인해 링 그루우브에서의 공동화 작용 및 그것과 관련된 폐쇄 문제가 타파될 수 있다. 밸브 부재가 대단히 신속히 밸브 시트로부터 상승되면, 개방 동작의 개시시 연료가 밸브 부재 팁과 밸브 시트 사이에 형성된 갭을 통해 충분히 신속하지 않게 링 그루우브 내로 흐르게 된다. 종방향 홈들을 통과하는 연료 흐름은 압력실로부터 링 그루우브 내로 더 잘 흐르게 되고 공동화는 전혀 발생하지 않거나 또는 현저하게 감소된 정도로만 일어난다.
도면에는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브가 도시되어 있다.
도 1에는 내연 기관용 연료 분사 밸브가 부분 종단면도로 도시되어 있다. 밸브 바디(5)는 고정 소자(3)에 의해 밸브 지지체(1)에 죄어져 있고, 이들은 함께 노즐 홀더 조합체를 형성하고, 상기 조합체는 설치 상태에서 도면에 도시되지 않은 내연 기관의 수용 보어 내에 배치된다. 팩 보어로 구성되고 그 바닥 면이 연소실 쪽에 배치되어 있는 보어(15)가 밸브 바디(5)에는 형성된다. 보어(15)의 바닥 면에는 원추각(γ)을 가진 원추 밸브 시트(23)가 형성되어 있고, 보어(15)를 연소실과 연결시키는 적어도 하나의 분사 개구(25)가 있다. 보어(15)에는, 종축(19)을 갖고 있고 연소실 반대쪽 안내부(207)에 의해 보어(15) 내에 삽입되어 축방향으로 이동 가능한 피스톤형의 밸브 부재(7)가 배치되어 있다. 밸브 부재(7)는 압력 견부(shoulder)(9)를 형성하면서 연소실 쪽으로 가늘어지고 밸브 부재 축(107)으로 이행한다. 밸브 부재(7)의 연소실 측 단부에는 연소실 쪽으로 가늘어지는 밸브 부재 팁(13)이 배치되어 있다. 압력 견부(9)는 밸브 바디(5) 내에 형성된 압력실(11) 내에 배치되어 있고, 그 압력실은 연소실 방향으로 밸브 부재 축(107)을 둘러싸는 환상 통로로 이행되고 보어(15)의 바닥 면으로까지 뻗어 있다. 밸브 지지체(1)와 밸브 바디(5)에는, 압력실(11) 내로 합류하고 압력실(11)을 통해 고압 하의 연료가 충전 가능한 공급 통로(17)가 형성되어 있다.
밸브 부재(7)는 폐쇄력에 의해 연소실의 방향으로 힘이 가해질 수 있다. 그리고 폐쇄력을 발생하는 장치는 예컨대 인장 스프링의 형태로 밸브 지지체(1) 내에 배치되어 있다. 밸브 부재(7)의 행정에 의존해 개별적으로 또는 공동으로 폐쇄력을 발생하는 수 개의 스프링에 의해 폐쇄력을 발생시키게 할 수도 있다. 또한 스프링 실에서의 압력의 발생에 의해서도 추가적인 폐쇄력이 생길 수 있다. 이 폐쇄력에 의해 밸브 부재(7)는 밸브 부재 팁(13)에 의해 밸브 시트(23) 위로 눌러질 수 있음으로써 압력실(11)은 분사 개구(25)에 대해 폐쇄될 수 있다. 밸브 부재(7)의 개방 동작은, 압력실(11)의 연료의 유압력이 압력 견부(9) 위로 또한 압력 밸브 팁(13)의 적어도 일부 위에 작용함으로써 이루어진다. 따라서 축방향으로 작용하는 개방력이 폐쇄력에 맞서 밸브 부재(7) 위에 일어난다. 개방력이 폐쇄력보다 크면 밸브 보어(15)의 부재(7)는 연소실로부터 떨어진 쪽으로 움직여 밸브 부재 팁(13)을 밸브 시트(23)로부터 상승시킨다. 분사 개구(25)는 이제 압력실(11)과 연결되고 연료가 연소실 내로 분사된다. 개방력과 폐쇄력의 비가 상기와 반대로 될 때에는, 밸브 부재(7)의 폐쇄 동작이 일어나고 밸브 부재(7)의 연소실로의 축방향 동작에 의해 밸브 부재 팁(13)은 밸브 시트(23)에 접하게 되므로 분사 과정은 종료한다.
도 2에는 밸브 부재(7)가 폐쇄 상태에서 밸브 부재 팁(13)의 영역에 도시되어 있고 밸브 부재(7)를 둘러싸는 밸브 바디(5)가 종단면도로 표시되어 있다. 밸브 부재 팁(13)에는, 밸브 부재 축(107)에 접경해 있고 원추각(α)을 가진 제 1 원추면(30)이 형성되어 있다. 그리고 원추각(α)은, 제 1 원추면(30)과 밸브 시트(23) 사이에 제 1 차각(δ1)이 형성되도록, 밸브 시트(23)의 원추각(γ) 보다 작다. 제 1 원추면(30)에는 밸브 부재 팁(13)에서 연소실 쪽으로 제 2 원추면(32)이 이어지고 이 원추면의 원추각(β)은 밸브 시트(23)의 원추각(γ)보다 크다. 이렇게 형성된 제 2 원추면(32)과 밸브 시트(23) 사이의 제 2 차각(δ2)은 제 1 차각(δ1)보다 크다. 제 1 원추면(30)으로부터 제 2 원추면(32)으로의 이행에 의해 밸브 부재 팁(13)에서는 밸브 부재(7)의 종축(19)에 대한 방사 평면에 놓이는 순환 실링 에지(40)가 형성된다. 밸브 부재 팁(13)이 실링 에지(40)와 밸브 부재(7)의 폐쇄 상태에서 밸브 시트(23)에 제공됨으로써, 분사 개구(25)에 대한 압력 공간(11)의 실링 폐쇄가 달성되는데, 상기 분사 개구는 실링 에지(40)가 밸브 시트(23)에 접하는 위치에서 연소실 쪽으로 보어(15)의 바닥 면에 배치되어 있다.
제 1 원추면(30)에는, 밸브 부재(7)의 종축(19)에 대해 방사 평면에서 진행하는 순환 링 그루우브(35)가 배치되어 있다. 상기 링 그루우브의 단면은 원호형일 수도 있고 또는 기타 바람직한 형태를 가질 수 있다. 예컨대 단면은 다각형에 의해 형성될 수 있고 또는 타원의 부분일 수도 있다. 링 그루우브의 폭은 바람직하게는 0.15 내지 0.5 mm이다.
밸브 부재(7)가 매우 신속하게 개방되면, 링 그루우브(35)의 영역에 공동화가 일어날 수 있게 된다. 따라서 링 그루우브(35)는 하나 또는 수 개의 종방향 홈(42)에 의해 밸브 부재 축(107)과 연결되게 할 수 있다. 종방향 홈(42)은 개방 행정 동작의 개시시 연료가 압력실(11)로부터 링 그루우브(35) 내로 용이하게 공급되게 하므로 공동화는 일어나지 않거나 또는 훨씬 감소된 정도로 일어날 수 있다. 종방향 홈(42)은 바람직하게는 제 1 원추면(30)의 표면 라인에 평행하게 진행하고, 둘 이상의 종방향 홈(42)이 제공될 때에는, 바람직하게는 밸브 부재(7)의 둘레에균일하게 분포된다.
본 발명에 따라 형성된 밸브 부재 팁(13)의 작동 방식은 다음과 같다: 밸브 부재(7)의 폐쇄 상태에서는 실링 에지(40)는 밸브 시트(23)에 눌러진다. 그래서 원칙적으로 선 접촉이 얻어지고 밸브 부재(7)에도 밸브 시트(23)에도 높은 장력(응력)이 발생하고 그 장력은 밸브 부재(7) 및 밸브 시트(23)의 탄성 및 소성 변형을 야기함으로써, 작동의 경과 중에 실링 에지(40)는 밸브 시트(23) 내로 압입되어 면 접촉이 존재하게 된다. 제 1 차각(δ1)이 제 2 차각(δ2)보다 작기 때문에, 실링 에지(40)의 압입에 의해 유압으로 작동되는 실링 에지, 즉 경계선은, 압력실(11)의 연료의 압력이 밸브 부재(7)를 폐쇄 위치에 놓이게 할 때까지, 실링 에지(40)로부터 링 그루우브(35)의 방향으로 이동된다. 유압으로 작동되는 실링 에지(40)가 연소실 쪽 하부 링 그루우브 에지(38)에 도달하면, 그것은 더 이상 요동할 수 없게 되어 유압으로 작동되는 실링 에지는 그 하부 링 그루우브 에지(38)와 합동이 된다. 밸브 부재(7)와 밸브 시트(23)의 재료를 적당히 선정함으로써, 연소실 반대 쪽 상부 링 그루우브 에지(37)도 밸브 시트(23)에 접할 정도로, 밸브 부재 팁(13)이 밸브 시트(23) 내로 압입되지 않게 보장할 수 있다.
밸브 시트의 원추각은 55 내지 65 도, 바람직하게는 60 도이다. 제 1 (30) 및 제 2 원추면(32)의 원추각은 차각(δ1,δ2)이 각각 1.5 도 이하가 되도록 형성된다. 그리고 항상 제 1 차각(δ1)은 제 2 차각(δ2) 보다 작다.

Claims (8)

  1. 밸브 바디(5)를 포함하고,
    상기 밸브 바디 내에 보어(15)가 배치되고, 상기 보어의 연소실 측 단부에는 원추형 밸브 시트(23) 및 상기 보어(15)를 연소실에 연결시키는 적어도 하나의 분사 개구(25)가 배치되고,
    상기 보어(15) 내에 안내된, 종방향으로 이동 가능한 피스톤형 밸브 부재(7)를 포함하고,
    상기 밸브 부재는 밸브 시트(23)를 향한 밸브 부재 축(107)을 가지며, 상기 밸브 부재 축과 상기 보어(15)의 벽 사이에는 연료가 충전된 압력실(11)이 형성되고, 상기 밸브 부재(7)는 그의 연소실 측 단부에 밸브 부재 팁(13)을 포함하고, 상기 밸브 부재 팁에는 제 1 원추면(30) 및 연소실 측으로 제 1 원추면(30)에 이어지는 제 2 원추면(32)이 형성되고,
    상기 제 1 원추면(30)의 원추각(α)은 상기 밸브 시트(23)의 원추각(γ) 보다 작고, 상기 제 2 원추면(32)의 원추각(β)은 상기 밸브 시트(23)의 원추각(γ) 보다 크기 때문에, 상기 양 원추면(30,32)의 이행부에는 순환 실링 에지(40)가 형성되고, 상기 실링 에지는 분사 개구(25)의 상류에서 분사 개구(25)로의 연료 흐름에 관련된 밸브 부재(7)의 폐쇄 상태에서 밸브 시트(23)에 접하는, 내연 기관용 연료 분사 밸브에 있어서,
    상기 밸브 부재 팁(13)의 제 1 원추면(30)에 순환하는 링 그루우브(35)가 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 분사 밸브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 링 그루우브(35)는 밸브 부재(7)의 종축(19)의 방사 평면에서 진행하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  3. 제 2항에 있어서,
    밸브 부재 축(107)과 상기 링 그루우브(35) 사이에 형성된 원추면에 상기 밸브 부재 축(107)을 상기 링 그루우브(35)에 연결하는 적어도 하나의 종방향 홈(42)이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  4. 제 3항에 있어서,
    적어도 하나의 종방향 홈(42)은 제 1 원추면(30)의 표면 라인에 적어도 거의 평행하게 진행하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 밸브 부재(7)의 둘레에 균일하게 분포된 다수의 종방향 홈(42)이 존재하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트(23)의 원추각(γ)은 55 내지 65 도, 바람직하게는 대략 60 도인 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 원추면(30)과 상기 밸브 시트(23)의 원추각의 차이는 1.5 도 미만, 바람직하게는 0.5 내지 1.0 도인 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 원추면(32)과 상기 밸브 시트(23)의 원추각의 차이는 1 도 미만, 바람직하게는 0.5 내지 0.7 도인 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
KR1020027002410A 2000-06-27 2001-06-12 내연 기관용 연료 분사 밸브 KR20020027575A (ko)

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