KR20040067854A - 내연기관용 연료분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 연료분사장치에 관한 것이다. 상기 연료분사장치는 주흐름 밸브의 상류에 제어 밸브를 갖는다. 본 발명의 목적은 상기 제어 밸브의 밸브 부재에 의해 제어되고 제어룸을 지나가는 유입구와 배출구 간의 연결 라인이 특히 제어 누출을 감소시키는 스로틀 지점으로서 작용하도록 상기 방식의 연료분사장치를 향상시키는데 있다. 이를 위해서 상기 제어룸을 커버하는 단부벽에 대한 제어 피스톤의 스톱 제한부가 제공된다.

Description

내연기관용 연료분사장치{INJECTOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 따른, 내연기관용, 특히 분사매체로서 디젤유 또는 중유에 의해 작동되는 내연기관용 연료분사장치에 관한 것이다.

연료분사장치의 경우 주흐름 밸브의 밸브 폐쇄부재를 제어하기 위해서는 부분적으로 상당히 큰 조절력 또는 고정력이 주어져야만 한다. 이를 위해 상기 주흐름 밸브의 상류에 제어 밸브가 제공되는데, 상기 제어 밸브는 제어룸을 포함하며, 상기 제어룸의 용적이 피스톤 운동을 하는 제어 피스톤에 의해 부분적으로 제한된다. 이 경우에 예컨대 분사 노즐 또는 분사량 조절 밸브의 노즐 니들과 같은 상기 주흐름 밸브의 밸브 폐쇄부재에 상기 제어 피스톤의 조절 운동이 전달된다. 상기 제어 피스톤의 조절력은 제어룸 내부의 압력에 따라 좌우되는데, 상기 제어룸에 유동량이 조절된 고압측 유입구가 이어지고 상기 조절 챔버로부터 유동량이 조절되고 제어된 배출구가 갈라져나온다. 상기 배출구가 개방되면, 제어룸 내부의 압력이 감소하면서 제어 피스톤이 상기 제어룸의 용적 일부를 배출구 안으로 밀어낸다. 이때 배출구가 개방된 경우에 -양측에서 유동량을 제어함에도 불구하고-고압측 유입구와 저압측 배출구 사이의 바이패스(bypass)를 통해 누출되는 양은 배출구 안으로 들어간 분사 매체(제어 매체로서 사용됨)의 양 보다 훨씬 더 많다.

이와 같은 현상은 제어룸 쪽으로 개방되는 유입구 및 배출구의 입구에서 나타나는데, 이때 상기 입구가 제어 피스톤에 의해 커버되지 않는 제어룸의 벽 영역 중 어디에 배치되는가는 문제되지 않는다.

이에 관련한 배열 상태가 EP 0 907 018 A2에 공지되어 있다. 상기 문서에서 제어룸의 유입구측 개구 횡단면은 제어 피스톤의 단부면을 커버하는 상기 제어룸의 단부벽에 배치되고, 배출구측 개구 횡단면은 제어 피스톤의 단부면 둘레의 방사방향 외측에서 제어 피스톤에 의해 커버되지 않은 영역 내에 배치된다. 이 경우 연료분사장치의 구조를 간소화하기 위해서 제어 부재 및 제어 밸브의 관련 조절 장치들은 배출구측 개구 횡단면의 방사방향 위치에 상응하여 제어 피스톤에 대해 방사방향으로 배치된다.

도입부에 언급되고 청구항 1항의 전제부에 제시된 방식의 연료분사장치의 경우에는 제어룸의 유입구측 개구 횡단면은 제어 피스톤의 단부면 에지의 방사방향 외측에 놓여있고, 상기 제어 피스톤의 단부벽의 배출구측 횡단면은 상기 제어 피스톤의 단부면을 커버하는 위치에 배치된다. 이 경우 상기 제어 피스톤은 그것의 단부면에 대해 아치를 가지며, 상기 아치는 스톱 한계선의 일부로서 단부벽에 배치된 배출구측 개구 횡단면을 커버하는 위치에 제공된다. 따라서 상기 스톱 한계선은 제어 밸브가 개방되고 제어 피스톤용 제어룸의 압력이 감소될 경우에 유입구와 배출구 간의 연결 라인을 대체로 차단하는 위치를 만들어낸다. 제어 피스톤의 정면측의 평면 아치를 기초로 하는 상기 방식의 해결책에 의해, 단부측 횡단면의 대부분이 제어 밸브가 개방 위치에서 차단 위치로 전환되면서 직접적인 압력하중을 받지 않게 되기 때문에, 제어 밸브의 조절이 지연되면서 제어된 밸브 폐쇄부재, 즉노즐 니들을 폐쇄 방향으로 조절하는 것도 지연된다. 이와 같은 제어 기술적인 측면은 제어 밸브의 상응하는 제어에 의해 어려워진다. 왜냐하면 스톱 한계선 또는 상기 스톱 한계선에 의해 생성되는 작은 갭의 구조가 조금만 바뀌어도 제어 피스톤의 응답 특성이 크게 영향을 받게 됨으로써, 제어된 밸브 폐쇄부재의 폐쇄 운동이 안정적이고 정확한 시간에 맞춰 제어되는 것이 불가능해지기 때문이다.

본 발명의 목적은 제어 밸브 및 상기 제어 밸브의 제어를 시작점으로 해서 제어 피스톤의 조절 및 이에 따른 밸브 폐쇄부재의 폐쇄 운동이 적합한 작동 시간에 대해 안정적이고 정확한 시간에 맞춰서 시작될 수 있도록, 도입부에 언급한 방식의 연료분사장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따르면 도입부에 언급한 방식의 연료분사장치의 경우 상기 목적은 청구항 1항의 특징부에 의해 달성된다. 여기서 제어 피스톤의 단부측 가장자리에 배치된 스톱 한계선 및 상기 스톱 한계선에 의해 제한된 갭으로 통하는 유입구에 의해, 유입구측으로 주입되면서 조절매체로서 사용되는 고압 분사매체를 위한 충돌면이 주어진다. 그 결과 제어 밸브를 제어할 때, 그리고 스톱 한계선에 의해 제한된 공간의 단부벽에 대하여 제어 피스톤의 위치가 이동되는 동시에 스톱 제한선에 의한 유동량 조절이 점점 더 높아질 때 상기 제어 피스톤이 상기 단부벽 쪽으로 점점 가까워지면서 유입측 및 고압측에의 연결에 의해서 그 공간이 채워지는 압력 패드(pressure pad)가 형성된다. 따라서 상기 스톱 한계선은 핀치 갭(pinch gap)과 유사한 것을 형성하는데, 상기 핀치 갭에 의해 바이패스 내에서 유입구로부터 배출구로 흐르는 누출량이 크게 줄어들긴 하지만, 상기 핀치 갭은 특히 짧은 제어시간을 고려할 때는 누출 갭으로서 소정의 통과량을 허용한다. 따라서 스톱 한계선에 의해 제한된 갭으로 통하는 유입구의 입구에 대해 제어 밸브를 폐쇄할 때 제어 피스톤과 단부면의 순간적인 충돌이 일어나게 되는 출발 위치가 생성된다. 이로 인해 밸브 부재의 폐쇄운동이 정확한 시간에 맞춰 제어될 수 있는 동시에 핀치 갭 형성이 달성된다. 상기 핀치 갭 형성에 의해 밀봉 한계선으로 작용하는 스톱 한계선이 민감하지만 높은 하중을 받는 시이트 플레이트-분사 노즐의 노즐 니들의 시이트 플레이트와 유사함-에 의해 통상적으로 하중을 전혀 받지 않거나 미미하게 받게 됨으로써, 구조적으로 볼 때 장시간 유지되는 안정적인 작업 상태가 보장된다. 본 발명의 범주에서는 기본적으로 횡단면이 작은 바이패스 연결 라인이 필요하거나 순간적이고 매우 짧은 시간의 밀봉이 허용된다. 그렇지 않으면 제어 밸브의 개방시 밀봉 한계선에 의한 완전 밀봉이 달성될 수 있긴 하지만, 상기와 같은 완전 밀봉으로 인해 제어 밸브의 조절에 대한 피스톤 작용이 방해를 받을 수도 있기 때문이다.

본 발명의 실시예에서 갭은 제어 피스톤의 단부면의 홈 및/또는 단부벽의 홈에 의해 형성된다. 이 경우에 스톱 한계선에 대한 상기 갭의 한계선은 연장되거나 또는 계단 모양으로 형성될 수 있음으로써, 제조 기술적인 가능성이 아니더라도 핀치 갭 형성에 대한 흐름 상태가 영향을 받을 수 있다.

또한 스톱 한계선에 인접한 축방향 영역 내 수용 보어와 제어 피스톤 사이에 링형 자유 공간이 제공되고 개구 횡단면을 갖는 배출구가 상기 자유 공간에 할당되는 것이 바람직한 것으로 증명된다. 이 경우에 상기 자유 공간은 바람직하게는 단부벽에 배치된 축방향 단부 영역 내에 제어 피스톤을 수용하기 위한 보어의 확대로인해 형성되긴 하지만, 제어 피스톤의 단부면에 접해있는 부분의 직경이 어느정도 감소됨으로 해서 형성될 수도 있다. 상기 링형 자유 공간은 본 발명에 따라 핀치 갭 형성을 위해서 사용될 수 있는데, 이때 상기 자유 공간의 정면측 한계선이 단부벽에 대해 축방향으로 배치되고 작은 계단을 형성한다. 그래서 밀봉 한계선 영역 내에서 피스톤이 단부벽에 인접한 상한 위치에 있을 때 계단을 축방향으로 커버하기 때문에, 제어 피스톤이 상한 위치 및/또는 스톱 위치로 될 때 매우 강한 감쇠가 발생한다.

본 발명의 추가적인 세부사항 및 특징들은 청구항에 제시된다. 또한 본 발명은 하기에서 도면에 의해 설명된다. 즉

도 1은 연료분사장치의 전체 구조 및 제어 밸브의 작용을 설명하기 위한, 연료분사장치의 개략적인 전체도이고,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 제어 밸브의 개략적인 확대도이며, 이때 제어밸브가 도 2에서는 개방위치에, 도 3에서는 폐쇄위치에 있다.

도 1에 따른 연료분사장치(1)는 실질적으로 노즐부(2) 및 제어부(3)로 이루어진다. 상기 제어부(3)는 기능상으로 노즐 보어더를 형성하기도 하고 특히 디젤유 또는 중유와 같은 고압 분사 매체용 공급 연결 라인(화살표 4로 표시됨)을 갖는다. 귀환측 쪽으로는 이에 상응하는 귀환측 연결 라인(화살표 5로 표시됨)이 제공된다.

상기 제어부(3)는 제어 밸브(7)를 작동시키는 자기 조절기(6)를 포함하며, 상기 제어 밸브(7)는 상기 자기 조절기(6)에 의해 작동되는 밸브 부재(8)를 포함하며, 상기 밸브 부재(8)에 의해 제어룸(9)에 가해지는 압력이 제어된다.

상기 제어룸(9)은 도 1과 같이 연료분사장치가 모듈러 구조일 때 한편으로는 중간 플레이트(11)의 단부벽(10)에 의해 커버되고 다른 한편으로는 보어(12) 및 상기 보어(12) 내에서 가이드되고 노즐 니들(15)을 작동하게 하는 제어 피스톤(13)에 의해 제한된다. 도 1에서 상기 보어(12)는 슬리브(14) 내에 제공되고, 상기 슬리브(14)는 노즐 니들(15)과 동축방향으로 연결되는 제어 피스톤(13) 상에서 가이드된다. 상기 노즐 니들(15)은 주흐름 밸브의 밸브 부재를 형성하며, 상기 주흐름 밸브의 시이트가 노즐 바디(16)에 배치되며, 이와 동시에 상기 노즐 바디(16)는 노즐 니즐(15)용 가이드를 형성하고 압력 챔버(17)를 갖는다. 상기 압력 챔버(17) 상에서 연결 파이프(18)(일점쇄선으로 표시됨)를 통해 분사매체가 고압측에 공급된다. 상기 노즐 니들(15)은 도시된 폐쇄위치에서 노즐 시이트(19)에 꽉 끼워진다. 또한 상기 노즐 니들(15)은 압력 쇼울더(20)가 작동되면서 압력 챔버(17) 내에서 발생하는 압력에 의해 개구 방향으로 하중을 받는다. 상기 노즐 니들(15)은 스프링(21) 및 제어룸(9) 내에서 발생하는 압력에 의해 작동되는데, 이때 상기 제어룸(9)은 고압측 연결 파이프(18)로부터 유동량이 조절된 유입구(22)를 통해 전력을 공급받고 유동량이 조절된 배출구(23)는 밸브 부재(8)에 의해 파이프(24)로 표시된 귀환측 연결 라인(화살표 5)에서 차단된다. 상기 밸브 부재(8)가 자기 조절기(6)에 의해 전력을 공급받아서 개방 위치(도 1에 도시되지 않음)로 전환되면, 배출구(23)가 파이프(24)와 연결되면서 제어룸(9) 내 압력이 감소된다. 따라서 특히 압력 쇼울더(20)에 의해 개구 방향으로 작동된 노즐 니들(15)이 노즐시이트(19)로부터 떼어지면서 분사가 시작된다.

유동량이 조절된 고압측 유입구(22) 및 유동량이 조절되고 제어된 저압측 배출구(23)로 이루어진 도시된 배열 상태에 따르면, 배출구(23)의 귀환측 연결 라인(화살표 5)이 개방되면 제어룸(9) 내 압력이 감소됨과 함께 노즐 니들(15)의 개방과 함께 동일 방향으로 이루어지는 제어 피스톤(13)의 피스톤 운동에 의해 제어룸 공간이 줄어들면서 이에 상응하는 공간이 귀환측(5)으로 밀려난다. 또한 상기 밸브 부재(8)가 개방되면서 생성되는 바이패스 연결 라인은 유입구(22) 및 배출구(23)에서의 유동량을 조절함에도 불구하고 밸브 부재(8)가 전환될때까지 계속 열려져 있다. 순환 연결 라인이 개방되어 있으면 상당히 큰 누출 손실이 초래된다.

도 2 및 도 3은 도 1에 따른 A 영역의 단면을 매우 개략적으로 도시한 것인데, 이때 구조적인 편차를 제외하고는 동일 부분은 도 1과 동일한 도면 부호를 가지며 이에 관련한 기능들 및 형성들은 도 1에 따른 연료분사장치(1)의 형태, 즉 연료분사장치(1)가 모듈러 구조일 때와 다르다.

따라서 제어 밸브의 밸브 부재는 8로 표시되고 제어 피스톤은 13으로 표기된다. 상기 제어 피스톤(13)은 피스톤 운동을 하면서 보어(12) 내에서 가이드되고 상기 보어(12) 및 상기 보어(12)를 커버하는 단부벽(10)에 의해 제어룸(9)을 제한한다. 이 경우 상기 단부벽(10)에 접해있는 제어룸(9)의 직경이 상기 보어(12)의 방사방향 확대부(27)에 의해 확대되기 때문에, 상기 단부벽(10)의 맞은편에 놓인 제어 피스톤(13)의 정면 단부 둘레에 링형 자유 공간, 특히 원통형 링 챔버가 형성된다. 상기 피스톤(13)의 단부면(28)을 방사방향으로 커버하는 영역에는제어룸(9)으로 통하는 유입구(22)의 개구 횡단면(29)이 제공된다. 상기 유입구(22)에는 초크 코일(30)이 제공된다. 상기 배출구(23)는 제어룸측 개구 횡단면(31)을 갖는다. 상기 배출구(23)에는 초크 코일(32)이 배치되고, 상기 초크 코일(32)은 이 실시예에서 시이트 플레이트(33) 내부의 보어에 의해 형성되며, 상기 보어는 이 실시예에서 평평한 차단면(34)을 갖는 밸브 부재(8)가 폐쇄위치에 있을 때 상기 밸브 부재(8)에 의해 커버되고 폐쇄된다.

제어룸(9)의 압력이 감소되고 제어 피스톤(13)이 단부벽(10)에 대하여 피스톤 운동을 할 때 상기 제어 피스톤(13)과 상기 단부벽(10) 사이에 스톱 한계선(35)이 형성되며, 상기 스톱 한계선(35)은 상기 단부벽(10)과 단부면(28) 사이의 전이부에 있는 제어 피스톤(13)의 가장자리(36)에 배치된다. 이 경우 상기 스톱 한계선(35)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 가장자리(36) 내부에서 피스톤(13)의 단부면이 감소됨으로써 형성된다. 이와 유사한 방식으로 이에 상응하는 형성이 단부벽(10)에서도 달성될 수 있다. 상기 가장자리(36)에 대해 축방향으로 리턴된 제어 피스톤(13)의 단부면은 피스톤(13)의 에지에 의해 형성되고 경우에 따라서는 커팅된 스톱 한계선(35)이 그 주변을 둘러싸는 평면 갭(37)을 형성하기 위해서 밸브 부재(8)의 개구 위치에 상응하는 제어 피스톤(13)의 상한선(도 2) 내에서 가이드되며, 상기 갭(37)의 깊이는 도면에서 과장되게 도시되고 방사방향 외측으로 계단형으로 형성되거나 연장되어서 가장자리(36)까지 이어진다.

이러한 형성은 스톱 한계선(35)에 의해 둘러싸인 링형 공간으로 통하는 유입구(22)의 입구(개구 횡단면(29))와 결부되어서 다음과 같은 결과를 가져온다. 즉밸브 부재(8)에 의하여, 그리고 노즐 니들(15) 내에서 발생하는 압력 하중으로 인해 개구 방향으로 이루어지는 단부벽(10)에 대한 제어 피스톤(13)의 피스톤 운동에 의해 귀환 라인(화살표 5)에 대항하여 배출구(23)가 개방될 때 상기 제어 피스톤(13)은 여전히 개방되어 있는 유입구(22)에 의해 동력을 공급받는 보강장치와 충돌하게 된다. 따라서 노즐 니들(15)의 거의 순간적인 개방이 달성될 때에도 상기 노즐 니들(15)은 최종단계에서 감쇠되어서 차단된다. 왜냐하면 상기 스톱 한계선(35)이 핀치 갭의 기능을 갖기 때문이다. 이와 같은 기능에 따라 상기 스톱 한계선(35)은 통상적으로 절대적인 밀봉 한계선을 형성하는 것이 아니라, 오히려 유동량 조절 갭을 형성하는데, 상기 유동량 조절 갭은 우선 개방된 밸브 부재에서의 누출량을 크게 감소시킨다. 그러나 이는 밸브 부재(8)의 폐쇄시 갭이 거의 순간적으로 유입구(22)의 압력 레벨에까지 상승됨으로써 달성된다. 본 발명에 따른 형성에 의해 제어 피스톤(13)의 단부면(25)이 큰 시간 지연없이 완전 작동될 수 있다. 또한 본 발명에 의해 밸브 부재(8)의 개방 단계에서 단부벽(10)과 단부면(25) 사이에서 흐르는 -동력학적 패러독스에 따른-고압 분사 매체가 제어 피스톤(13)의 단부면(25)과 단부벽(10)과의 접촉을 초래하는 것이 방지된다. 그 결과 밸브 부재(8)를 개방위치로부터 폐쇄위치로 전환활 때 제어 피스톤(13)의 상응하는 위치 변경에 의해 노즐 니들(15)의 거의 순간적인 폐쇄가 지연될 수 있다.

따라서 본 발명에 의해 용이한 수단에 의해 누출을 감소시키고 마모 감소에 의한 작동 안정성을 증가시키는 해결책이 제공된다.

본 발명의 범주에서 전술한 "핀치 갭 형성" 및 감쇠 작용은 방사방향확대부(27)에 의해 형성된 링형 자유 공간이 단부벽(10)에까지 이르지 않음으로써 달성되고 개선될 수 있기 때문에, 링형 계단(38)이 형성된다. 여기서 상기 제어 피스톤(13)이 그것의 상부 단부 위치에서 상기 링형 계단(38) 내부로 삽입된다. 그럼으로써 축방향으로 아주 약간만 커버됨에도 불구하고 방사방향으로 좁게 형성된 관통 갭이 형성되면서, 이에 상응하는 감쇠가 이루어진다. 예컨대 도 3에 도시된 링형 계단(38)은 개관을 용이하게 하기 위해서 도 2 및 도 3에 개략적으로 도시된 실린더 보어(12)를 수용하는 바디와 다르게 빗금으로 표시되어 있긴 하지만, 바람직하게는 상기 바디와 일체로 형성된다. 예컨대 도 1에 따르면 중간 플레이트(1)와 일체로 형성된다.

Claims (10)

1. 내연기관용, 특히 분사매체로서 디젤유 또는 중유에 의해 작동되는 내연기관용 연료분사장치로서, 주흐름 밸브의 상류에 제어 밸브가 배치되고, 상기 제어 밸브는 단부벽에 대해 축방향으로 마주놓인 제어룸을 가지며, 상기 제어룸은 보어 내에서 가이드되고 상기 단부벽의 방향으로 스톱 한계선에 의해 이동되는 제어 피스톤에 의해 용적이 변하도록 제한되고, 상기 제어 피스톤은 유동량이 조절된 유입구와 유동량이 조절되고 제어된 배출구 간의 연결 라인 내에 제공되며, 상기 연결 라인의 제어룸에 대한 개구 횡단면은 한편으로는 단부벽측에서 제어 피스톤의 단부면을 커버하고 다른 한편으로는 상기 제어 피스톤의 단부측 둘레의 방사방향 외측에 놓이며, 상기 제어 피스톤용 스톱 한계선은 상기 제어룸의 단부벽에 대하여 상기 제어 피스톤에 대해 단부측에 제공되고 상기 스톱 한계선에 의해 상기 유입구와 배출구 간의 전이부에 유동량 조절 지점이 형성되는 연료분사장치에 있어서,

   상기 제어 피스톤(13)용 스톱 한계선(35)이 상기 제어룸(9)을 커버하는 단부벽(10)의 방향으로 상기 제어 피스톤(13)의 가장자리(36)에 배치되고, 상기 가장자리(36)는 상기 단부벽(10)과 상기 제어 피스톤(13) 사이에 존재하는 갭(37)을 제한하며, 상기 갭(37)으로 상기 유입구(22)가 이어지는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 갭(37)이 상기 제어 피스톤(13)의 단부면의 홈에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 갭(37)이 상기 단부벽의 홈에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 홈이 상기 스톱 한계선(35)에 할당된 스톱 에지(가장자리 36)에까지 이르는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 홈이 상기 스톱 한계선(35)에 할당된 스톱 에지(가장자리 36)에 반하여 계단 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 피스톤(13)과 상기 수용 보어(12) 사이에서 상기 스톱 한계선(35)에 인접한 축방향 영역에 링형 자유 공간(확대부 27)이 제공되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 자유 공간이 상기 제어 피스톤(13)의, 직경이 감소된 축방향 영역에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 자유 공간(확대부 27)이 상기 제어 피스톤(13)을 수용하는 보어(12)의, 직경이 확대된 축방향 영역에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유입구(23)가 상기 자유 공간(확대부 27)으로부터 시작되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
10. 제 6항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 링형 자유 공간(확대부 27)이 상기 단부벽(10)에 대해 간격을 두고 끝나며, 이때 상기 제어 피스톤(13)의 상부 단부 위치가 링형 계단(38)을 축방향으로 커버하는 위치로 이어지는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.