KR20060017599A - 압전 제어식 연료 분사 밸브용 작동 장치 - Google Patents

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KR20060017599A
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Abstract

본 발명은 내연기관용 연료 분사 시스템의 연료 분사 밸브를 작동시키기에 적합한 작동 장치에 관한 것이다. 상기 작동 장치는 압전 액추에이터(1)와 스프링으로서 형성된 중공 몸체(4)로 구성되어 있다. 상기 중공 몸체는 리세스부들(7)을 구비하고 있으면서, 자신의 종축에 대해 평행하게 연장되는 제1 조인트와 그리고 적어도 상기 중공 몸체의 제1 단부에서 상기 제1 조인트의 맞은편에 배치되는 제2 조인트 혹은 제1 공동부를 포함하고 있다. 상기 중공 몸체(4)에 대한 본 발명에 따른 구성을 통해 본원의 작동 장치의 수명이 향상될 수 있다.
내연기관, 연료 분사 시스템, 중공 몸체, 압전 액추에이터, 리세스.

Description

압전 제어식 연료 분사 밸브용 작동 장치 {ACTUATING UNIT FOR A PIEZO-ELECTRICALLY CONTROLLED FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 압전 액추에이터로 이루어진 작동 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 작동 장치들은 무엇보다 연료 분사 시스템에서, 보다 상세하게는 연료 분사 밸브에서 사용되는데, 왜냐하면 상기 작동 유닛들의 개폐 시간이 매우 짧기 때문이다. 짧은 개폐 시간은 분사된 연료량의 더욱 정확한 유량 조정을 허용하면서 분사의 시간별 패턴의 향상된 형성을 가능케 한다. "연료 분사 밸브"라는 종합적 용어는 본 발명과 관련하여 예컨대 커먼 레일 분사 시스템용 인젝터나 혹은 통상적인 연료 분사 시스템의 분사 노즐과 같이 모든 형식의 연료 분사 밸브를 의미한다. 압전 액추에이터를 구비한 연료 분사 밸브의 작동은, 압전 액추에이터가 전기 전압을 공급받고, 그에 따라 상기 압전 액추에이터가 압전 세라믹의 공지된 물리적 효과를 바탕으로 신속하게 팽창하면서 밸브 시트로부터 밸브 폐쇄 부재를 상승시킴으로써 이루어진다. 상기 압전 액추에이터는 이와 관련하여 촉진되는 어느 정도의 질량을 구비하고 있다. 만일 액추에이터에 인가된 전압이 감소한다면, 상기 액추에이터는 수축하는 경향을 갖는다. 그러므로 상기 액추에이터에 있어 앞서 촉진된 그 질량의 질량 관성을 바탕으로, 제어 속도에 따라서 액추에이 터 내에는 인장 하중이 발생하며, 이 인장 하중은 상기 압전 액추에이터의 손상을 초래하게 되는데, 더욱 상세하게는 상기 압전 액추에이터의 소수의 층들간 납땜 이음 내 균열을 초래한다. 상기와 같은 손상을 회피하기 위해, 탄성체로서 형성된 원통형 중공 몸체를 이용하여 상기 압전 액추에이터를 축방향으로 예압하는 조치가 이루어진다. 이러한 장치는 예컨대 WO/08353(지멘스)로부터 공지되어 있다. 상기 중공 몸체는 평면의 박판으로 이루어져 만곡되며, 이때 생성되는 제1 조인트에 용접된다. 이와 관련하여 상기 제1 조인트는 상기 중공 몸체의 종축에 대해 평행하게 연장된다.
상기 제1 조인트의 용접은 무엇보다 하기와 같은 단점을 갖는다: 용접은 대개 용접 시임 바로 근처에서 중공 몸체의 바람직하지 못한 구조 변화를 야기한다. 두 번째 문제는 용접 시에 발생하는 용접 스패터(welding spatter)이다. 이 용접 스패터는 작동 장치를 조립할 시에 자체적으로 어려움을 초래할 수 있거나, 혹은 작동 중에 하나 혹은 그 이상의 용접 칩이 용해된다면, 연료 분사 밸브의 기능 결함을 야기할 수 있다. 3번째 문제는 용접 시임의 개시부 및 말단부에서 용접 시임의 싱킹(시임 딥)이 발생하며, 그에 따라 노치 효과 및 전압 상승이 야기된다는 점에 있다.
본 발명에 따른 작동 장치로서, 중공 몸체 내에 배치된 압전 액추에이터를 구비하고 있되, 상기 중공 몸체는 탄성체로 형성되어 있으면서 상기 액추에이터를 예압하며, 그리고 상기 중공 몸체는 리세스부를 구비하고 있으면서 종축에 대해 평행하게 연장되는 제1 조인트를 포함하고 있는 상기 작동 장치에 있어서, 본 발명에 따라 적어도 상기 중공 몸체의 제1 단부에는 상기 제1 조인트의 맞은편에 배치되는 제2 조인트가 제공되어 있다.
상기 중공 몸체의 본 발명에 따른 형성예에서, 제1 조인트의 용접을 지양할 수 있다. 그럼으로써 용접에 의해 야기되는 문제 또한 제거된다. 그 외에 제조 비용도 절감된다.
중공 몸체에 개방된 분리 조인트를 구비한 작동 장치의 단점은 상기 중공 몸체의 스프링 강성이 축방향으로 원주부에 걸쳐 일정하지 못하다는 점에 있다. 대개 상기 스프링 강성은 중공 몸체 내의 리세스부로 인하여 상기 분리 조인트의 영역에서는 감소한다. 이는 결과적으로 상부 덮개판과 하부 덮개판이 작동 장치의 작동 시에 측면 하중을 받게 한다. 그로부터 바람직하지 못한 하중 및 휨 모멘트로써 압전 액추에이터에 불균일한 하중이 가해지게 된다.
그러나 본 발명에 따라 제1 조인트 맞은편에 배치되는 제2 조인트를 중공 몸체에 제공함으로써, 상기 제1 조인트 맞은편 측면에서도 상기 중공 몸체의 스프링율이 마찬가지로 감소한다. 그 결과로, 상부 덮개판 및 하부 덮개판으로부터 압전 액추에이터 내로 유도되는 예압력은 정확하게 상기 압전 액추에이터의 종축의 방향으로 작용하게 된다. 이와 같은 하중은 상기 압전 액추에이터에 매우 바람직한 것이며, 그럼으로써 본 발명에 따른 중공 몸체를 구비한 작동 장치의 수명은 분명하게 증가될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 장점은, 상기 중공 몸체의 제2 단부에도 상기 제1 조인트의 맞은편에 배치되는 제2 조인트가 제공되면 추가로 증가될 수 있다. 대체되는 방법에서, 상기 제2 조인트는 상기 중공 몸체의 제1 단부에서부터 제2 단부에까지 연장될 수 있다. 다시 말하면, 상기 중공 몸체는 본 실시예에서 동일한 크기의 2개의 반쪽 셸(half-shell)로 구성되어 있되, 이들 반쪽 셸들은 상기 압전 액추에이터를 둘러싸고 있다. 상기 중공 몸체의 반쪽 셸들은 또한 제조 기술상 매우 바람직한 부분이다.
대체되는 점에서 또한, 상기 중공 몸체 내의 자신의 단부에 공동부(cavity)를 제공할 수 있는데, 더욱 정확하게는 상기 제1 조인트 맞은편에 제공할 수 있다. 그럼으로써 상기 중공 몸체의 스프링율은 또한 상기 위치에서 의도하는 바대로 감소되며, 그에 따라 상기 중공 몸체의 스프링율은 회전 대칭을 이루면서, 그로 인해 원하는 축방향 하중 유도가 달성된다.
예압력을 상기 중공 몸체로부터 상기 압전 액추에이터 상에 최대한 가능하게 유도할 수 있도록 하기 위해, 권장되는 점에서, 상기 중공 몸체는 자신의 제1 단부에서 상부 덮개판과 혹은 중심맞춤 와셔(aligning washer)와 결합되어 있으며, 그리고 제2 단부에서는 하부 덮개판과 혹은 커플러 케이스와 결합되어 있다. 이러한 결합은 예컨대 용접이나 플랜지 결합을 통해 이루어질 수 있다.
만일 오로지 상기 중공 몸체의 반경방향 고정만이 요구된다면, 상기 고정은 상기 상부 덮개판 및/또는 하부 덮개판 내 혹은 상기 중심맞춤 와셔 및/또는 커플러 케이스 내의 환상홈부(annular groove) 혹은 견부에 의해 이루어질 수 있다. 이는 예컨대 상기 중공 몸체가 인장력이 아니라 압력의 하중을 받는다고 한다면 충분할 수 있다. 본 실시예에 있어 특히 바람직하게는 상기 환상홈부 및 상기 견부에 의해 상기 중공 몸체가 상기 압전 액추에이터에 상대적으로, 혹은 상기 유압 커플러에 상대적으로 중심 결정된다. 이러한 효과는 환상홈부 및 견부가 조립 시에 상기 중공 몸체를 극미하게 확장시키는 정도로만 치수화 될 때 추가로 개선될 수 있다.
특히 바람직한 것으로서 확인된 점에 따라, 상기 중공 몸체 내에 위치하는 압전 액추에이터의 접촉은 상기 상부 덮개판을 통해 이루어지고 상기 상부 덮개판은 2개의 부분으로 설계되어 있되, 상기 상부 덮개판의 2개 부분 사이에는 분리 조인트가 존재한다.
그렇게 함으로써, 작동 장치를 위해 요구되는 설계 공간과 필요한 구조 부재의 수는 감소되며, 그 외에도 상기 압전 액추에이터에 있어 적어도 부분적으로 액추에이터의 이동을 감당해야 하는 그 접촉은 상기 상부 덮개판에 의해 함께 해결된다. 그럼으로써 요구되는 탄성력을 갖는 압전 액추에이터의 간단하면서도 확실한 전기 접촉이 제공된다. 그 외에도 위와 같은 조치를 통해 상기 압전 액추에이터의 작동 시에 발생하는 열은 매우 양호하게 소산 되는데, 이는 상기 압전 액추에이터의 작동 안전성 및 그 수명을 향상시킨다.
또한, 바람직한 것으로서 확인된 점에 따라, 상기 중공 몸체의 제1 조인트 및 그 제2 조인트는 상기 상부 덮개판의 분리 조인트 내로 개방되어 있으며, 그럼으로써 상기 상부 덮개판의 두 부분의 전기적 분리는 물론 예컨대 스프링 강으로 제조될 수 있는 상기 중공 몸체에 의해 차단되지 않게 된다.
추가되는 점에서, 상기 상부 덮개판은 절연체, 더욱 상세하게는 세라믹 소재의 절연체에 의해 전기적으로 절연될 수 있다.
두 개의 부분으로 이루어진 상기 상부 덮개판의 기계적 결합을 보장하기 위해서, 추가적으로 퓨즈 클립이나 퓨즈 부재가 제공될 수 있는데, 이는 2개의 부분으로 이루어진 상기 상부 덮개판을 결합시킨다.
본 발명에 따라 추가로 보충되는 점에서, 상기 중공 몸체와 상기 압전 액추에이터 사이에 가요성 결합 수단, 더욱 상세하게는 플라스틱으로 체결된 금속이나 연질 땜납이 존재할 수 있다.
상기 중공 몸체 내 리세스부는 뼈 모양의 형태를 가지면서 상기 중공 몸체의 종축에 대해 횡방향으로 연장될 수 있다. 추가로 바람직하게는 복수의 리세스부들이 일평면에 연이어서 배치되고, 상기 평면은 상기 중공 몸체와 함께 직각을 이룬다. 또한, 바람직한 것으로서 입증된 점에 따라 짝수의 리세스부가 일평면에 존재한다.
만일 중공 몸체 내에 리세스부들을 구비한 복수의 평면이 존재한다면, 권장되는 점에 따라, 상기 평면들은 상호간에 평행하게 연장되며, 2개의 이웃한 평면들의 리세스부들은 상호간에 오프셋 되어 배치된다. 이와 관련하여 특히 바람직하게는 2개의 이웃한 평면들의 리세스부들의 오프셋은 일평면의 리세스부들의 절반의 반복 패턴과 동일하다. "반복 패턴"의 개념은 추가로 도3과 결부되어 재차 상세하게 설명된다.
바람직하게는 상기 중공 몸체는 원형이나 혹은 정다각형 형상의 횡단면을 갖는다.
본 발명에 따른 중공 몸체는 압전 액추에이터가 중공 몸체 내에 배치되어 있으며, 그리고 상기 압전 액추에이터가 예압된 중공 몸체에 의해 압력 하중을 받는 그러한 작동 장치에 이용될 수 있다. 즉, 상기 중공 몸체는 자체적으로 인장력의 하중을 받는다.
또한, 본 발명에 따른 중공 몸체는 마찬가지로 압전 액추에이터가 중공 몸체 외부에 배치되어 있으면서, 상기 압전 액추에이터가 예압된 중공 몸체에 의해 압력 하중을 받는 그러한 작동 장치에서도 이용될 수 있다. 이러한 경우 상기 중공 몸체는 대개 압력의 하중을 받는다.
본 발명에 따라 추가로 제공되는 점에서, 상기 중공 몸체는 자신의 제1 단부에서 및/또는 자신의 제2 단부에서 리세스부들에 의해 천공되지 않은 영역을 포함할 수 있다. 그럼으로써 중공 몸체로부터 덮개판에 혹은 인젝터의 또 다른 구성 부재에 전달되는 탄성력은 균일화되는데, 왜냐하면 상기 중공 몸체는 자신의 단부들의 영역에서 의도한 바대로 강성을 가지기 때문이다. 즉, 탄성력의 최대값은 상기 중공 몸체의 원주부에 걸쳐 감소되며, 그리고 상기 중공 몸체로부터 압전 액추에이터로 유도되는 횡력의 문제는 추가로 제거된다.
본 발명의 추가의 장점 및 바람직한 형성예들은 이하에 도시되는 도면, 이 도면에 결부된 실시예 명세 내용 그리고 특허 청구항들로부터 제시된다.
도1은 본 발명에 따른 작동 장치의 제1 실시예를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 작동 장치의 제2 실시예를 나타내는 개략도이다.
도3은 중공 몸체를 만곡시킬 수 있는 소재의 플레이트에 대한 실례를 나타내는 개략도이다.
도4는 종방향으로 짝수(본 실시예: 16개)의 리세스부 열을 구비한 중공 몸체의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다.
도5는 도4에 따른 제1 실시예를 또 다른 견망 각도에서 바라보고 나타낸 사시도이다.
도6은 본 발명에 따른 중공 몸체의 제2 실시예를 하부로부터 비스듬하게 바라보고 나타내는 사시도이다.
도7은 종방향으로 홀수(본 실시예: 17개)의 리세스부 열을 구비한 본 발명에 따른 중공 몸체의 제3 실시예를 나타내는 사시도이다.
도8은 덮개판들에 중공 몸체를 반경방향으로 고정하기 위한 실시예를 나타내는 개략도이다.
도9는 본 발명에 따른 작동 장치의 추가의 실시예를 나타내는 부분 종단면도 및 횡단면도이다.
도10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 중공 몸체의 추가의 실시예를 나타내는 사시도이다.
도11은 연료 분사 시스템을 나타내는 개략도이다.
도1은 본 발명에 따른 작동 장치의 제1 실시예를 도시하고 있다. 상기 작동 장치는 압전 액추에이터(1)로 구성되며, 이 압전 액추에이터(1)는 상하로 적층된 복수의 압전 개별 소자들(미도시)로 구성될 수 있다. 상기 압전 액추에이터(1)는 이 액추에이터(1)를 따라 배치되어 있으면서 상기 액추에이터(1)와 전기적으로 전도되는 방식으로 연결되어 있는 접점핀들(2)을 통해 제어된다. 상기 접점핀들(2) 사이에 전압을 인가함으로써, 상기 압전 액추에이터(1)의 길이방향 팽창이 생성되는데, 이러한 길이방향 팽창은 예컨대 내연기관 내의 분사 밸브를 제어하기 위해 이용된다. 상기 접점핀들(2)을 구비한 상기 압전 액추에이터(1)는 관형 스프링으로서 설계된 중공 몸체(4) 내에 배치되어 있다. 상기 압전 액추에이터(1)는 자신의 선단면으로써 각각 덮개판(5, 6)에 인접하여 있되, 상부 덮개판(6)은 통로부들(61)을 포함하며, 이 통로부들을 통해 상기 접점핀들(2)이 연장되어 있다. 상기 상부 및 하부 덮개판들(5, 6)은 각각 형상 고정 방식으로 및/또는 마찰 고정 방식으로, 바람직하게는 용접에 의해 상기 중공 몸체(4)와 결합되어 있다. 상기 상부 및 하부 덮개판들(5, 6) 사이의 용접 시임과 상기 중공 몸체(4)의 용접 시임은 도1에 도시되어 있지 않다. 대체되는 방법에서, 상기 중공 몸체와 상기 두 덮개판들(5, 6) 사이의 결합은 예컨대 플랜지 결합을 이용하여 이루어질 수 있되, 상기 중공 몸체(4)에 있어 플랜지 결합된 그 상부 및 하부 에지 영역들은 각각 상기 덮개판들(5, 6) 내로 삽입 고정된다(미도시).
상기 압전 액추에이터(1)는 상기 중공 몸체(4) 및 상기 덮개판들(5, 6)에 의해 예압력으로써 압력의 하중을 받는다. 다시 말해 상기 중공 몸체(4)는 상기 상부 및 하부 덮개판(4, 6)과 용접되기 전에 예압되며, 그런 다음에 용접된다.
상기 중공 몸체(4)는 바람직하게는 스프링 강으로 제조된다. 벽 두께("s")rk 사전 지정된 경우 목표되는 스프링율을 설정할 수 있도록 하기 위해, 상기 중공 몸체(4) 내에는 다수의 리세스부들(7)이 제공된다. 개관의 이유에서, 도1의 모든 리세스부들에 도면 부호가 표시되어 있지는 않다. 수많은 리세스부들(7)은 천공에 의해 최고로 제조되기 때문에, 상기 중공 몸체(4)는 대개 박판으로서 제조된다. 박판으로부터 우선적으로 상기 리세스부들(7)을 구비한 플레이트가 천공된다. 이어서 상기 플레이트는 예컨대 원형의 횡단면이나 혹은 정다각형 형상의 횡단면을 가지게 될 때까지 만곡된다. 상기 만곡된 플레이트의 두 단부들이 상호간에 만나는 지점에는 제1 조인트(도1에서는 미도시)가 생성된다.
도2에는 본 발명에 따른 작동 장치의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이와 관련한 상기 작동 장치는 압전 작동식 인젝터(71) 내에 통합되어 있다.
본 발명은 본질적으로 작동 장치와 이에 포함되는 중공 몸체(4)에 관한 것이기 때문에, 상기 인젝터(71)는 상세하게 설명되지 않는다. 그 대신에 본질적으로 상기 인젝터(71)에서 이루어지는 단지 상기 작동 장치의 결합만이 기술된다. 상기 인젝터(71)의 그 외 기능성에 대해서는 분사 기술 영역의 당업자라면 여하히 알고 있는 사항이며, 그에 따라 보다 상세한 설명은 필요하지 않다.
상기 인젝터(71)는 고압 포트(73)를 구비하고 있다. 상기 고압 포트(73)를 통해 상기 인젝터(71)는 고압 상태의 연료(미도시)를 공급받는다. 만일 분사가 내연기관의 미도시한 연소실 내에서 이루어져서는 안 된다고 한다면, 노즐 니들(75)은 미도시한 자신의 시트로부터 상승되며, 그리고 마찬가지로 미도시한 분사홀들을 개방한다. 상기 노즐 니들(75)은 압전 액추에이터(79)를 통해 작동되는 제어 밸브(77)에 의해 제어된다. 상기 압전 액추에이터(79)와 상기 제어 밸브(77) 사이에는 유압 커플러(81)가 배치되어 있는데, 이 유압 커플러는 도2의 우측에 확대되어 도시되어 있다.
상기 유압 커플러(81)는 본질적으로 밸브 플런저(83)와 병진 플런저(85)(translating plunger)로 구성되어 있으며, 상기 플런저들(83, 85)은 커플러 케이스(86) 내부에서 안내된다. 상기 밸브 플런저(83)와 상기 병진 플런저(85) 사이에는 커플러 갭(87)이 존재하며, 이 커플러 갭은 연료(미도시)로 충진되어 있다. 상기 커플러 갭(87)은 무엇보다 상기 압전 액추에이터(79)의 온도 팽창 계수와 상기 인젝터(71)의 금속성 구성 부재의 온도 팽창 계수가 현격한 차이를 나타내기 때문에 필요하다.
상기 유압 커플러(81)는 자신의 밸브 플런저(83)를 이용하여 상기 제어 밸브(77)를 작동시키며, 그에 반해 상기 병진 플런저(85)는 돌출부(89)로써 상기 압전 액추에이터(79)에 인접하여 있다. 상기 병진 플런저(85)는 압력 하에 예압되어 있는 본 발명에 따른 중공 몸체(4)를 통해 상기 압전 액추에이터(79)에 압착되며, 그럼으로써 상기 압전 액추에이터는 예압력을 인가받게 된다. 이때 상기 중공 몸체는 자신의 제1 단부(15)로써 상기 커플러 케이스(86)의 견부(91) 쪽에 지지된다. 상기 중공 몸체(4)는 또한 자신의 제2 단부(17)로써 중심맞춤 와셔(93) 쪽에 지지된다. 상기 중심맞춤 와셔(93)를 통해서는 상기 중공 몸체(4)의 탄성력이 상기 병진 플런저(85)의 돌출부(89) 상에 전달되며, 그에 따라 상기 압전 액추에이터(79) 상으로 전달된다.
상기 중공 몸체(4)는 유압 커플러(81)에 동심으로, 그에 따라 압전 액추에이터(79)에 대해 동심으로 배치될 수 있도록 하기 위해, 상기 중공 몸체(4)가 상기 견부(91) 상으로 활주된다고 할 때, 상기 중공 몸체(4)가 용이하게 확장될 수 있도록 상기 견부(91)의 직경(D1)은 상기 중공 몸체(4)의 내경에 맞게 치수화 되어 있다. 본 발명에 따른 상기 중공 몸체(4)는 중공 몸체(4)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 제1 조인트(31)(미도시)를 포함하고 있기 때문에, 상기 중공 몸체(4)는 상기 견부(91) 상에 적응될 수 있도록 상대적으로 용이하게 확장된다.
만일, 도2에 따른 실시예에서와 같이, 상기 중공 몸체(4)가 예압력을 인가받는다고 하더라도, 도2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 중공 몸체(4)가 자신의 단부들(17, 15)이 축방향으로 지지될 수 있는 것만으로도 충분히 상기 예압력을 극복할 수 있다. 상기 중공 몸체(4)의 반경방향 고정을 추가로 개선하기 위해, 상기 견부(91) 내에 및/또는 상기 중심맞춤 와셔(93) 내에는 대체되거나 추가되는 방법으로 환상홈부(미도시)가 제공될 수 있다.
도3에는 본 발명에 따른 중공 몸체(4)를 만곡시킬 수 있는 소재의 플레이트(9)가 도시되어 있다. 상기 플레이트(9) 내에는 수많은 리세스부들(7)이 천공되어 있다. 개관의 이유에서, 도3에 도시된 실시예에서 뼈 모양의 형상을 갖는 리세스부들(7) 모두에 도면 부호가 표시되어 있지는 않다. 상기 플레이트(9)는 직사각형이되, 상기 플레이트(9)에 있어 상호간에 맞은편에 위치하는 그 두 에지부들(11, 13)은 상기 리세스부들(7)에 의해 차단되어 있으며, 그에 반해 상호간에 맞은편에 위치하는 에지부들(15, 17)은 직선으로 연장되어 있으면서 상기 리세스부들(7)에 의해 차단되어 있지 않다.
상기 플레이트(9)는 상기 에지부들(15, 17)이 상기 중공 몸체(4)의 제1 단부(15) 및 그 제2 단부(17)를 형성할 수 있도록(도4 참조) 원통형이나 혹은 다각형 중공 몸체로 만곡된다. 다시 말해 상기 중공 몸체(4)에 있어 도4와 도5에 미도시한 그 종축(35)은 상기 에지부들(11, 13)에 평행하게 연장되어 있다.
만일 상기 플레이트(9)가 전술한 방식으로 원통형이나 다각형으로 만곡되었다면, 상기 에지부들(11, 13)은 상기 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 평행하게 연장되는 제1 조인트(31)(도4 및 도5 참조)를 형성한다.
상기 플레이트(9) 내에는 보다 많은 리세스부들(7)이 일렬로 연이어 배치되어 있다. 상기 리세스부들(7)은 리세스부들 사이의 웨브(19)에 의해 분리된다. 이들 웨브들(19)에 있어서도, 개관의 이유에서 상기 플레이트(9)의 모든 웨브에 도면 부호가 표시되어 있지는 않다. 만일 상기 플레이트(9)가 앞서 기술한 방식으로 중공 몸체로 만곡된다고 하면, 연이어 배치되는 상기 리세스부들(7)은 일평면에 위치하게 된다. 예를 들어 도3에는 연이어 배치되어 있는 일렬의 리세스부들(7)이 라인(20)으로 식별 표시되어 있다. 플레이트(9)에 대해 도3에 도시한 실시예의 경우, 6개의 리세스부들(7)의 16열이 상기 에지부(15)와 상기 에지부(17) 사이에 배치되어 있다.
도3으로부터 알 수 있듯이, 2개의 이웃하는 열의 리세스부들(7)은 상호간에 오프셋 되어 배치되어 있다. 이와 관련하여, 상기 오프셋은 하나의 리세스부(7) 및 하나의 웨브(19)의 반쪽 길이에 상응하는 방식으로 선택된다. 이와 관련한 치수는 도3에 하나의 리세스부와 2개의 반쪽 웨브(19)에 대해 실례에 따라 양방향 화살표(21)에 의해 표시되어 있다. 이와 같은 치수를 "반복 패턴"이라고 지시한다. 2개의 이웃하는 리세스부 열의 리세스부들(7) 사이의 오프셋은 도3에서 도면 부호(23)로써 표시되어 있다.
만일 상기 플레이트(9)를 말아서 중공 몸체(4)(도4 또는 도5 참조)로 만들고, 이 중공 몸체(4)의 선단부에 상부 덮개판(5)(도1 및 도8 참조) 및 하부 덮개판(6)(도1 및 도8 참조)을 통해 압력을 인가한다면, 상부 덮개판(5)과 에지부(15) 사이에 작용하는 하중(F)은 라인(25)을 통해 정성분석으로 도시한 곡선을 갖게 된다. 원주 각도(
Figure 112005062681383-PCT00001
)는 0°를 갖는 에지부(13)로부터 개시되어 360°를 갖는 에지부(11)에서 종결된다.
확인할 수 있는 점에서, 항시 웨브(19)가 상기 에지부(15)를 "지지하는" 지점에는 상기 라인(25)의 최대값(27)으로 도시된 큰 하중(F)이 전달될 수 있다. 유일하게 제외되는 위치는 상기 에지부들(11, 13)이 상호간에 만나는 부분이다. 상기 에지부들이 상호간에 만나는 지점에서 자체 부분들(7', 7")을 구비한 "절결된" 리세스부(7)는 상기 플레이트(9)의 구조를 약화시키며, 그럼으로써 이 위치에서 상부 덮개판(5)과 중공 몸체(4) 사이에서 전달되는 하중(F)은 더욱 작아진다. 이와 같은 사실은 도3에서
Figure 112005062681383-PCT00002
= 0°에서, 그리고
Figure 112005062681383-PCT00003
= 360°에서의 하중(F)에 대해 최 대값(27)과 비교하여 분명하게 더욱 작은 그 값에 의해 도시되어 있다.
이는 에지부(17)에서도 유사한 거동을 나타낸다. 도3으로부터 알 수 있듯이,
Figure 112005062681383-PCT00004
= 0° 및 360°인 에지부(17)의 바로 근처에 부분들(7', 7")로 구성된 절결된 리세스부가 위치하며, 그에 반해
Figure 112005062681383-PCT00005
= 0° 및 360°인 에지부(15)의 바로 근처에는 반쪽부들(19', 19")을 구비한 분리된 웨브(19)가 위치한다. 이로부터 상기 에지부(17)의 원주에 걸쳐 약간 또 다른 하중 곡선이 제공된다.
도3에서 하부의 F-
Figure 112005062681383-PCT00006
-다이어그램으로부터 알 수 있듯이, 각도
Figure 112005062681383-PCT00007
= 30° 및 330°인 에지부(11, 13) 근처에는 4개의 최대값(27)과 2개의 추가의 국소 최대값(29)이 존재한다. 상기 국소 최대값은 상기 최대값(27)보다 분명하게 더욱 작다.
이와 같이 일측에서는 상부 덮개판(6)과 에지부(15) 사이뿐만 아니라 타측에서는 하부 덮개판(5)과 에지부(17) 사이에 원주에 걸쳐 불균일한 하중이 전달되기 때문에, 상기 상부 덮개판(6) 및 상기 하부 덮개판(5) 상에 작용하는 상기 중공 몸체(4)의 휨 모멘트는 상기 중공 몸체(4)가 예압력으로써 상기 상부 및 하부 덮개판(6, 5)에 고정될 때 생성된다. 상기 휨 모멘트는 성질에 따라 상기 압전 액추에이터(1) 상에도 전달되며, 이는 상기 액추에이터의 작동 안전성 및 그 수명에 바람직하지 못하게 작용한다. 그 외에도 상기 휨 모멘트는 본원의 작동 장치에 의해 작동되는 유압 밸브 부재들에도 바람직하지 못하다.
도4에는 도3에 도시한 플레이트(9)로 제조한 중공 몸체(4)가 사시도로 도시되어 있다. 도4에서 개별적으로 부호 표시되지 않은 리세스부들(7)의 열들은 16개의 평면(E1 내지 E16)을 형성하는데, 이들 평면들은 상기 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 수직으로 연장되어 있다. 상세한 도시의 방식으로 도4에는 평면(E2)이 명확하게 도시되어 있다. 마찬가지로 도4에는 상기 중공 몸체(4)의 벽 두께(s)가 표시되어 있다.
그러므로 본 발명에 따라 각도가
Figure 112005062681383-PCT00008
= 180°인 상기 에지부들(15, 17)에는 제2 조인트(33)가 제공된다. 상기 제2 조인트(33)는 다음에서 도5에 따라 계속해서 설명된다. 상기 도들에 도시한 중공 몸체(4)는 도1에 도시한 플레이트(9)를 만곡시켜서 제작된 것이다. 상기 에지부(17)는 상기 중공 몸체(4)의 제1 단부를 형성하며, 그에 반해 상기 에지부(15)는 상기 중공 몸체(4)의 제2 단부를 형성한다.
도4 및 도5에서 분명하게 알 수 있듯이, 상기 플레이트(9)의 에지부들(11, 13)(도3 참조)은 상기 중공 몸체(4)에서 상호간에 마주보고 위치해 있다. 그러나 상기 에지부들(11, 13)은 상호간에 용접되어 있지 않으며, 그럼으로써 도3에 따라 기술한 상기 중공 몸체(4)의 축방향 변화(횡력, 휨 모멘트)는 상기 에지부들(11, 13)에 의해 형성된 제1 조인트(31)에서 조정된다.
다음에서는 본 발명에 따라 상기 중공 몸체(4) 내에는 제1 조인트(31)에 대해 180°만큼 오프셋 되어 하나 혹은 2개의 제2 조인트(33)가 제공된다(도5 및 도6 참조). 이와 관련하여 상기 제2 조인트들(33)은 도5 및 도6에 따른 실시예의 경우 오로지 리세스부(7)에 닿을 정도의 길이만을 갖는다. 그럼으로써 상기 중공 몸체(4)는 원주 각도가
Figure 112005062681383-PCT00009
= 180°의 위치에서 마찬가지로 약화되며, 상기 원주 각도
Figure 112005062681383-PCT00010
= 180°인 곳의 최대값은 분명하게 감소된다. 이러한 조치의 결과에 따라, 상기 중공 몸체(4)로부터 상기 압전 액추에이터(1, 79) 상에 인가되는 탄성력은 오로지 축방향으로만 진행한다. 반경방향의 휨 모멘트나 하중은 상기 압전 액추에이터(1, 79) 내로 유도되지 않는다.
도6에는 본 발명에 따른 중공 몸체의 제2 실시예가 도시되어 있다. 본질적인 차이는 리세스부들(7)의 열 수가 홀수라는 점, 즉 17개라는 점에 있다. 그러므로 상기 에지부(17)에서와 상기 에지부(15)에서 상기 제1 조인트(31)는 동일하게 종결된다. 그에 따라 상기 에지부(15)에서 그리고 상기 에지부(17)에서 하중 곡선은 동일하며, 도3에서 상기 에지부(17)와 결부하여 도시한 하중 곡선에 상응한다. 상기 중공 몸체(4)의 두 단부(15, 17)에서의 하중 곡선이 대칭을 이루기 때문에, 본 발명에 따른 중공 몸체(4)의 스프링 특성은 추가로 향상된다. 도6에 개별적으로 도면 부호를 표시하지 않은 리세스부들(7)의 17개 열은 17개의 평면(E1 내지 E17)을 형성하며, 이들 평면들은 상기 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 수직으로 연장되어 있다.
도7에 따른 실시예의 경우, 상기 제2 조인트(33)는 상기 에지부(17)로부터 상기 에지부(15)에까지 연장되어 있으며, 그럼으로써 상기 중공 몸체(4)는 2개의 원통형 반쪽 셸(4a, 4b)로 구성된다. 그럼으로써 상기 에지부들(17, 15)과 상기 상부 덮개판(6) 및 상기 하부 덮개판(5)(미도시) 사이에서 원주에 걸쳐 전달될 수 있는 하중은 추가로 균일화된다.
도8에는 도6 또는 도7에 따른 중공 몸체를 구비한 작동 장치가 최대한 개략화되어 부분 종단면도로 도시되어 있다. 도8에는 오로지 일측의 반쪽부(4a)만이 단면도로 도시되어 있는 상기 중공 몸체(4)가 반경방향으로 고정될 수 있도록 하기 위해, 상기 상부 덮개판(6)은 견부(37)를 구비하고 있다. 상기 견부(37)에 의해, 상기 중공 몸체(4)는 반경방향으로 고정된다. 상기 하부 덮개판(5) 내에는 상기 중공 몸체(4)를 반경방향으로 고정할 수 있도록 환상홈부(39)가 제공되어 있다. 자명한 사실에서 상기 상부 덮개판(6) 내에는 환상홈부(미도시)가 제공될 수 있다. 도8에 도시한 작동 장치의 경우, 2개의 부분으로 이루어진 중공 몸체(4)뿐만 아니라 도3 내지 도6에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 또 다른 중공 몸체가 내장될 수 있다.
도9에는 본 발명에 따른 작동 장치의 추가의 실시예가 부분 종단면도와 상부에서 바라본 단면도로 도시되어 있다. 이와 관련한 상기 작동 장치는 2개의 부분으로 이루어진 중공 몸체(4)를 구비하고 있다. 본 실시예의 경우, 상기 상부 덮개판(6) 또한 2개의 부분으로 설계되어 있다. 상기 상부 덮개판(6)의 상기 두 부분들은 도9에서 6a와 6b로 도면 표시되어 있다. 두 접점핀들(2) 각각은 상기 상부 덮개판(6)의 각각의 부분(6a, 6b)과 전기 전도되는 방식으로 연결되어 있다. 그리고 상기 상부 덮개판(6a, 6b)을 통해 상기 액추에이터(1)가 전기적으로 연결된다. 액추에이터(1)와 상기 상부 덮개판의 부분들(6a, 6b) 사이의 상세한 전기적 연결은 도9에 도시되어 있지 않다. 그러나 전기 액추에이터의 설계 및 제조 분야의 당업자라면 상기와 같은 접촉의 실행되는 방법을 숙지하고 있는 개념이다. 도9에 도시된 실시예에 따라 상기 중공 몸체(4)의 부분(4a)은 상기 상부 덮개판의 부분(6a)과 용접되어 있으며, 이는 양식에 따라 도시된 용접 시임(41)에 의해 명시되어 있다. 마찬가지로 상기 중공 몸체(41)의 부분(4b)은 상기 상부 덮개판(6)의 부분(6b)과 용접 시임(41)에 의해 결합되어 있다. 상기 용접 시임(41)은 또한 상기 중공 몸체(4a, 4b)의 반경방향 고정을 수행한다.
상기 상부 덮개판의 부분들(6a, 6b) 사이에는, 상기 접점핀들(2) 및 상기 상부 덮개판(6)의 부분들(6a, 6b)을 상호간에 전기적으로 분리시킬 수 있도록, 바람직하게는 세라믹으로 제조되는 절연체(43)가 제공되어 있다. 또한, 도9에 따른 실시예의 경우, 재차 퓨즈 링크(45)가 제공되어 있는데, 이 퓨즈 링크는 상기 절연체(43)와 상기 상부 덮개판의 부분들(6a, 6b)을 결합시킨다.
상기 중공 몸체(4a, 4b)와 상기 액추에이터(1) 사이에는 가요성 결합 수단(47)이 제공되어 있는데, 이 결합 수단은 바람직하게는 플라스틱으로 결합된 금속이나 혹은 연질 땜납으로 구성되어 있다.
또한, 도9에는 본 발명에 따른 작동 장치를 절결선(A-A)을 따라 절결하여 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도10a 및 도10b에는 본 발명에 따른 중공 몸체(4)의 추가의 2가지 실시예가 도시되어 있다. 상기 실시예들의 경우, 앞서 기술한 실시예들과는 달리, 상기 제1 조인트(31)의 맞은편 측면(
Figure 112005062681383-PCT00011
는 거의 180°와 동일함)에서의 중공 몸체의 횡력 회피는 상기 측면에 공동부(51)가 제공됨으로써 달성된다. 상기 공동부(51)는 상기 제1 조인트(31)의 맞은편 측면에서 상기 중공 몸체(4)를 의도한 바대로 약화시키며, 그럼으로써 결과적으로 상기 중공 몸체(4)는 오로지 축방향으로만 상기 압전 액추에이터(1, 79) 상에 하중을 인가하게 된다. 도10a 및 도10b에 따른 실시예들간의 유일한 차이점은 상기 공동부(51)의 형태에 있다. 도10a에 따른 실시예의 경우 상기 공동부(51)는 원형 활꼴의 형태를 갖는 반면에, 도10b에 따른 실시예의 경우 상기 공동부(51)는 직사각형으로 설계되어 있다. 상기 공동부(51)의 형태 및 치수화의 정확한 결정은 FEM 계산 영역의 전문가라면 각각의 적용예에 대해 즉시 실시할 수 있다.
수많은 경우에서 바람직한 것으로서 입증된 경우에 따르면 상기 제1 조인트(31)의 영역에도 공동부(53)가 제공될 수 있다.
도10a 및 도10b에 미도시한 상기 중공 몸체(4)의 제1 단부(15)는 제2 단부(17)와 동일하게 설계할 수 있다.
다음에서는 도11에 따라, 본 발명에 따른 연료 분사 밸브(116)가 내연기관의 연료 분사 시스템(102) 내에 통합되는 방법에 대해 설명된다. 상기 연료 분사 시스템(102)은 연료 탱크(104)를 포함하고 있으며, 이 연료 탱크로부터 연료(106)가 전기적 혹은 기계적 연료 펌프(108)를 통해 공급된다. 저압 연료 라인(110)을 통해서 상기 연료(106)는 고압 연료 펌프(111)로 공급된다. 그리고 상기 고압 연료 펌프(111)로부터 상기 연료(106)는 고압 연료 라인(112)을 통해 커먼 레일(114)로 공급된다. 커먼 레일에는 복수의 연료 분사 밸브들(116)이 연결되어 있으며, 이들 연료 분사 밸브들은 미도시한 내연기관의 연소실(118) 내에 직접 분사를 실행한다.
자명한 사실에서, 실시예와 결부된 명세 내용, 도면들 혹은 특허 청구항들에 기술된 특징들은 개별적으로 혹은 또 다른 특징들과 조합되어 본 발명의 본질적인 내용을 구성할 수 있다.

Claims (30)

  1. 중공 몸체(4) 내에 배치되는 압전 액추에이터(1)를 포함하며, 중공 몸체(4)는 탄성체로 형성되어 액추에이터(1)를 예압하며, 중공 몸체(4)는 리세스부들을 구비하며, 종축(35)에 대해 평행하게 연장되는 제1 조인트(31)를 포함하는 작동 장치에 있어서,
    적어도 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)에는 제1 조인트(31)의 맞은편에 배치되는 제2 조인트(33)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)에 제1 조인트(31)의 맞은편에 배치되는 제2 조인트(33)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  3. 제2항에 있어서, 제2 조인트(33)는 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)로부터 그 제2 단부(15)까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  4. 중공 몸체(4) 내에 배치되는 압전 액추에이터(1)를 포함하며, 중공 몸체(4)는 탄성체로 형성되어 액추에이터(1)를 예압하며, 중공 몸체(4)는 리세스부들을 구비하며, 종축(35)에 대해 평행하게 연장되는 제1 조인트(31)를 포함하는 작동 장치에 있어서,
    적어도 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)에는 제1 조인트(31)의 맞은편에 배치된 제1 공동부(51)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  5. 제4항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)에 제1 조인트(31)의 맞은편에 배치되는 추가의 공동부(51)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 제1 조인트(31)의 영역에서, 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)에, 그리고/또는 제2 단부(15)에는 각각 공동부(53)가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)는 상부 덮개판(6) 또는 중심맞춤 와셔(93)와 결합되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제1 단부(17)는 반경방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  9. 제8항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제1 단부(17)에서 상부 덮개판(6) 내에, 혹은 중심맞춤 와셔(93) 내에 반경방향으로, 특히 환상홈부(39) 혹은 견부(37)에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  10. 제8항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제1 단부(17)로써 용접부(41)에 의해 상부 덮개판(6)에 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4) 내에 위치하는 압전 액추에이터(1)의 접촉은 상부 덮개판(6a, 6b)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  12. 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 덮개판(6)은 2개의 부분으로 설계되어 있으며, 상부 덮개판(6)의 두 부분들(6a, 6b) 사이에는 분리 조인트가 제공되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  13. 제12항에 있어서, 제1 조인트(31) 및 제2 조인트(33)는 상부 덮개판(6a, 6b)의 분리 조인트 내로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 덮개판(6, 6a, 6b)은 절연체(43)에 의해, 특히 세라믹 소재의 절연체에 의해 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 덮개판(6, 6a, 6b)은 퓨즈 클립(45) 또는 퓨즈 커버에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)와 압전 액추에이터(1) 사이에 가요성 결합 수단(47), 보다 상세하게는 플라스틱으로 결합된 금속이나 혹은 연질 땜납이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)는 반경방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제2 단부(15)에서 하부 덮개판(5) 혹은 커플러 케이스(86)와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  19. 제18항에 있어서, 중공 몸체(4)의 제2 단부(15)는 하부 덮개판(5) 혹은 커플러 케이스(86) 내에 반경방향으로, 더욱 상세하게는 환상홈부(39) 혹은 견부(91)에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  20. 제18항에 있어서, 중공 몸체(4)는 자신의 제2 단부(15)로써 용접부(41)에 의해 상기 하부 덮개판(5)에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 리세스부들(7)은 뼈 모양으로 형성되어 있으면서 중공 몸체(4)의 종축(35)에 대해 횡방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 리세스부들(7)은 일평면(E2)에 연이어 배치되어 있으며, 그리고 평면(E2)은 중공 몸체(4)의 종축(35)과 직각을 이루는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  23. 제21항에 있어서, 짝수의 리세스부들(7)이 일평면(E2) 내에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 리세스부들(7)을 구비한 복수의 평면들(Ei)이 제공되며, 평면들(Ei)은 상호간에 평행하게 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 이웃하는 평면들(E2)의 리세스부들(7)은 상호간에 오프셋(23) 되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  26. 제25항에 있어서, 2개의 이웃하는 평면들의 리세스부들(7)의 오프셋은 일평면(E1)의 리세스부들(7)의 반쪽 반복 패턴(21)과 동일한 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)는 원형의 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 중공 몸체(4)의 횡단면은 정다각형의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 압전 액추에이터(1)는 중공 몸체(4) 내에 배치되어 있으며, 그리고 압전 액추에이터(1)는 예압된 중공 몸체(4)에 의해 압력 하중을 받는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 압전 액추에이터(1)는 중공 몸체(4) 외부에 배치되어 있으며, 그리고 압전 액추에이터(1)는 예압된 중공 몸체(4)에 의해 압력 하중을 받는 것을 특징으로 하는 작동 장치.
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