KR20060021303A - 연소 기관의 연료 분사 밸브 - Google Patents

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안트레아스 그륀들
베른하르트 호프만
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컴팩트 다이나믹스 게엠베하
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Abstract

연소기관의 연료 분사 시스템에 사용되는, 특히 연소기관의 연소실에 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브는 연료가 연료 분사 밸브로 들어가게 적용된 연료 주입구와 연료가 직접적 또는 간접적으로 제어된 방법으로 연료 배출구를 통하여 연소실 쪽으로 배출될 수 있게 밸브 장치와 협동하는 전기적으로 제어가능한 작동수단 구비하고, 전자기 작동 수단은 전류 공급을 받는 전자석 코일 장치, 이와 협동하는 실질적으로 연자성인 자석 요크 장치, 이와 협동하는 실질적으로 연자성인 자석 아마추어 장치로 구성되며 자석 요크 장치 및/또는 자석 아마추어 장치는 와전류를 줄이는 모양으로 구성된다.
내연 기관, 연료 분사 밸브.

Description

연소 기관의 연료 분사 밸브 {FUEL INJECTION VALVE FOR COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연소기관의 연료 분사 시스템에 사용되는 연료 분사 밸브, 특히 연소기관의 연소실로 연료를 직접 분사하는 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 본 발명은 기본적으로 직접 분사에 적용될 뿐만 아니라 흡입관 안으로 분사하는 기존의 엔진에도 적용이 가능하다.
본 발명의 연료 분사 밸브는, 연료가 연료 분사 밸브로 흘러가도록 구성된 연료주입구와 연료가 직접적 또는 간접적으로 제어된 방식으로 연료 배출구를 통하여 연소실 쪽으로 배출될 수 있게 밸브 장치와 협동하는 전기적으로 제어 가능한 작동 수단을 구비한다. 전자기 작동 수단(electromagnetic actuation means)은 전류 공급을 받는 전자석 코일 장치, 이와 협동하는 실질적으로 연자성인 자석 요크 장치 및 이와 협동하는 실질적으로 연자성인 자석 아마추어 장치를 포함한다.
계속하여 한계가 줄어드는 배기가스 규제 법률에 의해 부가되는 계속 증가하는 여건에 비추어 보면, 자동차 연소기관 산업은 연소실로 연료가 들어가는 분사 과정의 최적화를 통하여 오염 물질 발생을 그 발생 위치에서 최소화하여야 한다는 도전에 직면하고 있다. 질소 산화물과 매연 배출 문제는 특히 중대한 것이다. 냉각식 배기가스 재순환과 각종 산화 촉매의 개발과, 계속 증가하고 있는 분사 압력과 고도로 동적인 인젝터(highly dynamic injector)와 같은 분사 시스템들의 발전은 적어도 현재의 기준을 만족시킬 수 있다. 그러나 배출을 줄일 수 있는 위와 같은 대책으로는 가능성이 거의 없다. 이로 인해 다양한 분사 처리 형태가 특별히 부각되고 있는 것이다. 여기서, 연료 분사량은 다중 분사에 의해서나 또는 노즐 니들의 행정(stroke)에 대한 특유한 조정에 의해 선택적으로 변경된다.
위에서 언급한 방식의 연료 분사 밸브는 여러 제조사(로베르트 보쉬, 지멘스브디오 오토모티브)에 의해 다양한 형태로 공지되어 있다. 그러나 이러한 공지 장치들은 연소기관의 작동사이클당 행정의 수가 매우 제한적이라는 결함을 가진다. 특히 위 공지 장치들은 고속 연소 기관들에서 효율적인 엔진 제어를 위해 요구되고 있는 작동 사이클당 필요한 수의 다중 분사를 제공하지 못한다. 게다가 이러한 장치들에서는 밸브 니들의 행정의 정확한 변경도 매우 제한된 정도에서만 가능하다. 이 두 가지 측면에서 보면 종래의 전자기 작동 수단들은 효율적인 연료 분사 밸브의 진보된 발전에 있어서 제한적 요소라는 점이 입증되고 있다.
이러한 제한을 극복하기 위한 공지의 해결책은 전자기 작동 수단 대신에 피에조 선형 엑츄에이터(piezo linear actuator)를 적용하는 것이다. 피에조 선형 엑츄에이터는 비용이 높고 설치 공간이 비교적 크다는 점 이외에도 연소 기관의 연소실에 바로 인접한 부분에서의 온도에 영향을 받는 불리한 점이 있다. 게다가 현재 제조된 피에조 드라이브(drive)는 대략 100㎲의 개폐 사이클(opening/closing cycle)을 실현하면서 연소 기관의 작동 사이클당 단지 3 내지 5회의 분사 과정을 허락한다. 전반적으로 대형 차량에 이런 종류의 연료 분사 밸브를 적용하는 것은 성공하지 못하였다. 게다가 피에조 선형 엑츄에이터의 행정 거리(stroke travel)가 주어진 설치 길이로 매우 제한되는데 현재로서는 비싼 레버 장치에 의해 대략 100 내지 200㎛까지 증가 된다. 마지막으로 피에조 선형 엑츄에이터에 의한 노즐 니들의 행정의 정확한 조정은 높은 동적 특성과 연소실에서 증가하는 압력으로 인하여 여전히 어렵다. 특히 디젤 직분사에서 그러하다.
독일 공개 특허 공보 DE 100 05 182 A1는 연소 기관으로 들어가는 연료량을 제어하는 전자기 분사 밸브에 대해 개시하고 있는데, 이것은 전자석 코일 시스템에 의해 작동될 수 있는 밸브 본체(valve body)로 구성되는데 밸브 본체는 전자석 코일 시스템의 자석으로 된 아마추어(armature)와 협동한다. 이 장치의 결정적 특징은 전자석 코일 시스템이 대칭적이고도 중앙 세로축에 동심으로 배치되고 처음 폴 본체(pole body)가 두 개의 인접하는 코일로 배열되고 안쪽과 바깥쪽 코일 각각은 두 번째 폴 본체에 인접하게 배열된 적어도 두 개 이상의 동일한 특징을 가진 코일을 포함한다는 점이다. 인접하는 두 번째 폴 본체의 교차 영역의 합에 대응하는 중앙 첫 폴 본체의 반경 교차 영역의 방식으로 폴 본체들이 치수 된다는 점 또한 중요하다. 전체적으로 이 장치의 기능은 전자석 코일 시스템의 공간 형상의 대칭에 상당한 정도로 의존한다. 전기장과 자기장의 형성의 시간 지연은 자기 회로의 형상과, 특히, 필드 확산(field diffusion)의 형상과 와전류(eddy current)의 발생에 영향을 받는다.
불행히도, 예를 들어 이 장치의 폴 본체의 반경 교차 영역의 치수 또는 비율, 전자석 코일 시스템의 필요한 구조와 전기적/자기적 대칭은 상당히 제한된다. 게다가 이 공지의 장치는, 또한 밸브 스위칭 시간(valve switching times), 밸브 거리(valve travel), 밸브 폐쇄력(valve closing forces)이 부적합하다고 판단된다.
따라서 공지의 연료 분사 밸브에는 장기간의 안정성을 가지며 큰 장치들에게도 적합하고 요구되는 여닫는 힘을 가진 연소기관의 작동 사이클당 충분히 많은 수의 행정을 수행할 수 있는 콤팩트하고 경제적인 연료 분사 밸브 장치를 공급하는데 문제가 있다. 본 발명은 다음과 같은 연료 분사 밸브를 제공하는 것을 목표로 한다.
본 발명은 자석 요크 장치(magnet yoke arrangement)가 폴 부위의 반대 측면들의 각각에 역전류가 흐르도록 적용된 전자석 코일 장치들에 적어도 부분적으로 둘러싸인 몇 개의 폴 랜드(pole lands)로 구성된 자석 요크 장치로서 위에서 언급한 방식의 밸브 장치의 문제를 해결한다. 즉 밸브 드라이브로 전자기 작동 수단으로부터, 본질적인 문제점과 결함을 가지는 피에조 선형 액츄에이터로의 전환이 필요하지 않다는 것을 발견한 것은 놀라운 일이다. 게다가 전자기 작동 수단의 구성요소의 발명 모양은 연료 분사 밸브가 가솔린 엔진에 대해 개폐력을 공급할 뿐만 아니라 전자기 작동 수단으로 작동 사이클당 상당히 많은 수의 행정(적어도 현재 제조된 피에조 선형 액츄에이터의 2배)으로 연료 분사 밸브가 디젤 직분사에 필요한 개폐력을 제공하는 것을 가능하게 한다.
다시 말하면, 발명의 밸브 장치는 여닫는 사이클을 대략 40 내지 50㎲와 더 짧은 시간에 실현할 수 있도록 한다. 따라서 디젤 엔진과 가솔린 엔진 모두에 사용가능한, 효율적인 엔진 관리를 위한 다중 분사 작동이 가능하다. 게다가 현재 제조된 피에조 선형 액츄에이터의 행정 시간 보다 대략 3 내지 6배 더 걸리는 밸브 부재(valve member)의 본 발명의 밸브 장치 행정 거리로 인해 연료 분사 밸브를 통한 연료량을 늘이는 것이 가능하다. 더욱이 본 발명 장치는 시간에 따른 행정 거리의 변경을 매우 정확하게 제어하게 한다. 기존 기술은 폴 랜드의 중앙 대칭적인 형상을 요구한다. 여기에 바깥 철 링(iron rings)들은 안쪽의 링들보다 더 작은 단면을 가진다. 이것이 자석으로 된 아마추어의 설계에 영향을 준다. 이와 비교하여 본 발명은 자석 요크, 자석 코일과 아마추어 장치의 자유로운 치수를 허용하고, 이는 예를 들어 개선된 밸브 동적 특성을 갖는 상대적으로 가벼운 무게의 자석 아마추어라는 결과로 나타난다.
연료 분사 밸브 발명의 제1 실시예에서 폴 랜드는 자석 요크 장치와 자석 아마추어 장치 사이에서 형성되는 공극(air gap)보다 대략 2 내지 30배, 바람직하게는 5 내지 20배, 그리고 특히 바람직하게는 10배 큰 피치 치수를 가진다. 폴 랜드의 피치 치수, 즉 폴 부위의 자기적 효력이 미치는 영역으로 정해지는 치수, 와 공극 간의 비는 밸브의 기능성에 상당히 영향을 미치는 양이다. 발명은 그 비율이 대략 2에서 30 사이에 있어야 한다고 생각되고, 이 범위 사이의 어떠한 비율도 발명의 범위에 의해 보호되고, 제조 사실 또는 요구에 의존한다(가능한 설치 지름, 길이, 요구되는 밸브 행정, 밸브 부재 동적 특성 등).
연료 분사 밸브의 중앙 세로축에 대하여 폴 랜드가 실질적으로 비대칭의 모양을 가진다는 사실로 인해, 원하지 않는 작동 상태를 가져오는 제조시 부정확 또는 자기장 발생에서의 변화 또는 온도 변화가 예방된다. 게다가 자석 요크 또는 자석 코일 각각의 비원형 대칭적인 모양이 이러한 것에 비추어 봤을 때 상당히 영향을 덜 받는다.
발명의 실시예에서 폴 랜드는 연료 분사 밸브의 중앙 세로축에 대하여 나선형의 모양을 가진다. 다른 실시예에서는 폴 랜드는 본질적으로 다각형, 바람직하게는 4각형의 모양을 가지며 전자석 코일 장치들을 수용하기 위한 공간 형태하에서, 바람직하게는 서로 평행하게 배열된 상태에서, 서로 인접하게 배열된다.
후자의 경우 적어도 2개의 서로 인접한 폴 랜드들이 적어도 하나의 전자석 코일 장치에 의해 적어도 부분적으로 굽어진 방식으로 둘러싸일 수 있다. 그 대신에 하나의 폴 랜드가 각각 하나의 코일 장치에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 발명의 하나의 특징은 적어도 하나의 전자석 코일 장치가 비원형의 폴 랜드를 적어도 부분적으로 둘러싼다는 것이다. 매우 효율적인 제조법의 이 구성은 자석 코일 장치를 형성하는 전류 전도 밴드(current conducting band)의 장치와 연철(soft iron)을 포함하는 박판 금속 (sheet metal)의 두 층 사이에 스테이터 요크 백(stator yoke back)을 형성하는 박판 금속 밴드의 장치를 허용한다. 전류 전도 밴드와 박판 금속 밴드는 전기적으로 절연된 방법으로 하나의 세로 가장자리에서 각각 결합한다.
강한 지지력(holding force) 또는 폐쇄력(closing force)을 가지는, 특히 가늘거나 또는 연장된 구조들을 구현하기 위하여 밸브 장치의 운동 축에 따른 몇 개의 밸브 드라이브들의 계단식 장치가 자석 요크 장치, 자석 아마추어 장치의 하나 이상의 조합으로 구성된 작동 수단(actuation means)에서 효과적일 수 있다. 이러한 조합들은 같은 방향 또는 반대 방향으로 협동하여 밸브 장치에 작용한다.
발명에 의하면 밸브 부재와 협동하고 열린 상태와 닫힌 상태 간에 연료 주입구의 하류에 배열된 정지된 밸브 시트에 대하여 밸브 부재를 움직이게 하기 위하여 작동 수단은 밸브 부재에 대해 작동을 가한다. 그에 의하여 직접 변환 밸브 장치(directly switching valve arrangement)가 구현된다.
연료 분사 밸브의 다른 실시예에서 작동 장치가 구동가능한 밸브 요소(valve element)에 행동을 가하는데 이는 열린 상태와 닫힌 상태 간에 밸브 부재와 협력하는 정지된 밸브 시트에 대하여 구동가능한 밸브 요소를 움직이게 하기 위함이다. 이것은 만일 두 번째 밸브 시트와 스프링이 고정된 두 번째 밸브 요소가 연소실의 주된 압력에 의해 열려있지 않다면 리턴 파이프로 연료의 제어된 배출을 가능하게 한다. 그리고 만약 연소실의 주된 압력에 의해 두 번째 밸브 시트와 더불어 스프링이 고정된 두 번째 밸브 요소가 열려있다면 연소실로의 제어된 배출을 가능하게 한다. 따라서 직접 변환 밸브 장치가 구현될 수 있다.
발명에 따르면 자석 요크 장치와(또는) 자석 아마추어 장치는 연료 분사 밸브의 중앙축에 대하여 편심적으로 또는 비대칭적으로 배열될 수 있다.
양호한 실시예에서 연자성인 자석 요크 장치(soft magnetic magnet yoke arrangement)는 리세스(recess)들을 가지는 적어도 2개의 합쳐진 디쉬 부분(dish parts)들로 형성될 수 있으며, 디쉬 부분들의 하나의 개별 면에 인접하게 하는 방향으로 움직이게 하는 전자석 코일 장치(electromagnet coil arrangement)는 각각 하나의 리세스에 수용되며 각 면들이 공동(cavity)을 형성하는데 중앙 세로축을 따라 움직이게 하기 위해 자석 아마추어 장치(magnet armature arrangement)가 여기에 제공된다.
전자석 코일 장치는 연자성인 자석 아마추어 장치의 적어도 한 측면에서 디쉬 하프(dish halves)들 중 하나의 면들 중 하나의 면에 수평을 일치시키는 하나 또는 몇 개의 전자석 코일(electromagnet coils)들에 의해 형성될 수 있다.
개별 고리 코일들은 자석 요크 철의 대략 20%에서 80%의 두께를 가질 수 있다. 연자성인 자석 아마추어 장치의 한쪽 면의 개별 코일들은 역전류를 또한 공급받도록 적용될 수 있다.
게다가 요크 철은 연자성인 자석 아마추어 장치의 적어도 한 면 위의 개별 코일 사이에 서로에 대하여 절연된 철 플레이트(iron plates)들에 의해 형성될 수 있다.
발명은 전자석 코일 장치와 자석 아마추어 장치를 서로에 대해 정확한 각도 하에서 서로에 대해 향하게 한다는 원리에 기초한다.
발명에 따르면 자석 코일 장치와 자석 아마추어 장치는 중앙 세로축에 대하여 반경 방향으로 바람직하게는 완전히, 적어도 부분적으로는 겹쳐질 수 있다. 이에 의하여 매우 짧은 밸브 개폐 시간을 가능하게 하는 특히 효율적인 자기 회로(magnetic circuit)가 구현된다.
연료 분사 밸브 발명의 실시예에서 자석 요크 장치는 중앙 세로축에 대하여 반경 방향으로 또는 접선 방향으로 틈(gaps)들을 가지는 실린더형의 연자성인 디스크 몸체로 생길 수 있다. 이러한 틈들은 슬롯(slots)들일 수 있고, 자석 요크 장치의 안정성을 증가시키기 위하여, 연자성인 디스크 본체의 물질보다 더 큰 자기 저항을 가지는 물질로 만들어질 수 있다.
연료 분사 밸브 발명의 다른 실시예에서 자석 아마추어 장치는 2개 또는 그 이상의 공간적으로 떨어진 스트립모양(strip-shaped)의 연자성인 부분(portions)들로 형성될 수 있다. 이 경우 역시 공간적 분리가 슬롯일 수 있고, 안정성을 증가시키기 위하여, 스트립 모양의 연자성인 부분들의 물질보다 더 큰 자기 저항을 가지는 물질로 만들 수 있다.
자석 아마추어 장치는 리세스를, 바람직하게는 반경 방향이고 디스크의 가장자리까지 뻗은 슬롯들 또는 연장된 구멍 가진 연자성인 디스크 본체로서 형성될 수 있다. 이 경우 역시 디스크의 가장자리까지 뻗은 슬롯들 또는 연장된 구멍들은 리세스들 또는 안정성을 증가시키기 위하여 연자성인 디스크 본체의 물질보다 더 큰 자기 저항을 가지는 물질로 형성될 수 있다.
자석 아마추어 장치는 세라믹층이 두 개의 연철 층들 사이에 배열된 겹층(multilayer) 구조로 형성될 수 있다. 이 적층 구조(laminated structure)는 밸브 막대(valve rod)에서 고정된다. 더 향상된 안정성을 위해 두 철 층은 바깥 원주를 따라 결합할 수 있다.
게다가, 연자성인 아마추어 장치와 밸브 부재(valve member)는 서로 연결될 수 있고 스프링 장치에 의해 열린 상태 또는 닫힌 상태로 기울어질 수 있고 자석 코일 장치의 전류 공급으로 열린 상태 또는 닫힌 상태로 될 수 있다.
연료 분사 밸브 발명의 다른 실시예에 의하면 반대 방향으로 밸브 부재에 작용하고 상응하는 전류 공급하에서 각각 열린 또는 닫힌 상태로 되게 하는 위에서 언급된 작동 수단 중 두 개가 공급된다.
연료 분사 밸브의 발명은 외부 점화 장치를 가진 연소기관의 연소실에 들어가도록 또는 자체 점화(self-ignition) 연소기관의 연소실에 들어가도록 적용되고 치수될 수 있다.
다른 장점, 실시예, 또는 변형 가능성이 발명을 상세하게 설명하는 도면의 다음 기술로부터 결과를 얻을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 분사 밸브를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 2는 도 1에서 선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 연자성인 아마추어 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 도 1에서 선 Ⅲ-Ⅲ에 따른 연자성인 요크 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 자석 코일 장치를 가지는 연자성인 요크 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연자성인 요크 장치와 자석 코일 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연자성인 요크 장치와 자석 코일 장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 도면 6에서 연자성인 요크 장치와 자석 코일 장치의 측면 사시도이다.
도 8은 박스 프로파일(box profile)를 포함하는 아마추어 장치를 가진 밸브 막대의 부분 종단면도이다.
도 1은 중앙 세로축 M에 대하여 회전 대칭인 밸브 하우징(housing)(10)을 가지는 반쯤 열린 상태의 연료 분사 밸브를 나타낸다. 이런 연료 분사 밸브는 도면에 상세히 나타나 있지 않지만 연료가 연소 기관의 연소실에 직접적으로 분사되도록 한다. 연료 분사 밸브(10)는 반경 방향의 측면의 연료 주입구(12)를 가지고 연료는 펌프 또는 다른 압력발생기에 의해 압력을 받아 연료 분사 밸브를 흐르게 된다. 그러나 도 1에서 나타난 연료 분사 펌프의 중앙 위 부분(14)으로 연료를 공급하는 것 또한 가능하다. 중앙 연료 채널(16)은 연료 주입구(12)로부터 파이프(17)를 거쳐 연료 배출구(fuel outlet)(18)에 이른다. 중앙 연료 채널(16)의 끝 부분에 연료가 연료 배출구(18)를 빠져나가서 제어된 방법으로 연소 기관의 연소실 쪽으로 들어가도록 하기 위하여 밸브 장치(20)가 제공된다.
밸브 장치(20)는 중앙 연료 채널(central fuel channel)(16)에 위치하고 연료 배출구(18)로 갈수록 가늘어지는 밸브 부재(valve member)(20a)와 밸브 부재(20a)의 모양과 대응되게 생기고 협동하여 작용하는 밸브 시트(valve seat)(20b)로 구성된다.
밸브 부재(20a)는 밸브 부재(20a)를 열린 상태나 닫힌 상태로 움직이기 위하여 전기적으로 작동될 수 있는 작동 수단(actuation means)(24)과 연결되어 있다(도면 1에서 위 아래 방향). 이에 의하여 연료 주입구(12)로부터 가압된 연료가 연료 채널(16)을 거쳐 제어된 방법으로 연료 배출구(18)를 통해 연소실 쪽으로 분사된다.
작동 수단(24)은 전자석 코일 장치(electromagnet coil arrangement)(24a)와 이와 협동하는 연자성인 자석 요크 장치(24b), 연자성인 자석 아마추어(24c)로 구성된다. 연자성인 자석 요크 장치(24b)는 리세스(26a, 26b)들을 가지는 두 개의 디쉬 하프(24b′와 24b″)들을 포함하는데 이것은 대략 선Ⅱ-Ⅱ 높이에서 만난다. 도 1의 실시예에서 리세스(26a, 26b)들은 도 4, 도 5의 평면도에서 나타난 바와 같이 세로로 연장된 것을 가지며 대략 사다리꼴 또는 평행 4변형 모양의 폴 랜드(pole lands)들에 의해 정의된다. 전자 코일 장치(24a’, 24a”) 각각은 리세스(26a, 26b)들에 수용되고 디쉬 하프(24b′와 24b″)들의 대응되는 면(27a, 27b)에서 높이를 맞춘다.
디쉬 하프(24b′와 24b″)들의 면(27a, 27b)들은 중앙 축 M을 따라 움직일 수 있도록 자석 아마추어 장치(24c)가 수용되는 곳인 공동(cavity)(28)을 정의한다.
도 1에서 나타난 장치에서 전자석 코일 장치들 또는 자석 요크 장치들 각각은 도면 4에서 보이는 형상을 가지는데 여기서 폴 랜드(25a, 25b)들은 실질적으로 4변형의 모양을 가지고 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)들을 수용하도록 하는 공간 형태하에 서로 근접한 배열을 가진다. 폴 랜드(25, 25b)들은 바람직하게는 서로 평행하도록 배열된다. 여기에 자석 요크 장치는 폴 랜드들 또는 공간(spaces)들로부터 일체 연철(integral soft iron)로 구성될 수 있다. 슬롯들 또는 연장된 구멍들의 형태인 틈들은 전기적 절연 물질로 채워진 이러한 일체 연철의 형성 부품들로 만들어질 수 있다. 그러나 소결 철가루(sintered iron powder)로부터 자석 요크 장치를 만들거나 또는 만일 필요한 경우 몇 개의 서로에 대해 절연된 조각(pieces)들로부터 조립하고 결합시키는 것도 가능하다.
도 2는 연자성인 자석 아마추어 장치(24c)를 나타낸다. 연자성인 아마추어 디스크(24c)는 중앙축 M근처에 배열된다. 연료 분사 밸브가 작동하는 동안 아마추어 디스크(24c)에서 와전류(eddy currents)가 가능한 적게 유도되기 위하여 아마추어 디스크(24c)에 반경 방향의 틈(36)들이 제공된다. 이런 슬롯 모양의 틈(36)들은 아마추어 디스크(24c)의 가장자리(30)까지 연장된다. 그로 인하여 디스크(24c)의 중앙에서 만나는 반경 방향의 단편(25)(segments)들이 만들어진다.
도 3은 연자성인 자석 요크 장치(24b)의 단면을 나타낸다. 연료 분사 밸브의 작동 동안 자석 요크 장치(24b)에서의 와전류가 가능한 적게 유도되기 위하여 다수의 반경 방향의 수직 슬롯형태의 틈(36)들을 가진 자석 요크 장치(24b)가 제공된다. 연료 분사 밸브의 유체를 흐르지 않게 하기 위하여 물질 랜드(material land)(38)가 바깥 벽의 슬롯(36)들 사이에서 제공되고 이것은 밀폐된 테두리를 형성한다. 대안으로 슬롯(36)들의 반경 안쪽 끝에 밀폐된 껍질 표면이 제공될 수 있 다. 이것은 자석 요크로부터 개선된 열전달이라는 장점을 가져온다. 자석 요크 장치(24b)의 두 디쉬 하프(24b′, 24b″)들은 길쭉한 슬롯(36)들을 제공받는다.
위에서 본 바와 같이 전자석 코일 장치(24a)와 연자성인 아마추어 디스크(24c)의 단편(25)들이 실질적으로 서로 정확한 각도로 향할 수 있다는 것이 명확하다. 이것은 위에서 언급한 바와 같이 아마추어 장치의 반경 방향 단편(25)들과 나선형 전자석 코일 장치(24a)로 실현될 수 있거나, 자석 요크 장치(24b)로 실현될 수 있다고 이해된다. 그러나 아마추어 부품(parts)들과 별모양의(star-shaped) 전자석 코일 장치로도 또한 가능하다.
자석 아마추어 장치(24c)는 아래에서 기술될 모양의 철을 포함하는 둥근 디스크이다. 전자석 코일 장치(24a)와 자석 아마추어 장치(24c)는 중앙축 M에 대하여 반경 방향으로 겹쳐진다. 도 1에 나타난 바와 같이 전자석 코일 장치(24a)는 아마추어 디스크(24c)보다 작은 바깥 지름을 가지는데 이는 전자석 코일 장치(24a)에서 아마추어 디스크(24c)로 들어가는 자속(magnetic flux)이 실질적으로 미량의 스트레이(stray) 손실을 겪으면서 일어나게 하기 위함이다.
그것에 의하여 매우 강한 지지력과 함께 매우 짧은 밸브 개폐 시간을 가지는 효율적인 자기 회로가 구현된다.
만일 위에서 언급한 자석 요크 또는 자석 코일 장치의 모양이 스트레이 손실이나 와전류의 손실 각각이 충분히 작다는 것을 보장한다면 자석 요크 또는 자석 코일 장치 각각의 모양에 상관없이 아마추어 디스크(24c)는 연철로된 연속적인 둥근 디스크가 될 수 있다.
도 1에 나타난 바와 같이 아마추어 디스크(24c)는 작동 막대(22)와 강하게 연결되어 있고 자석 요크 장치(24)의 디쉬 하프(24b′,24b″)들에 의해 정의되는 아마추어 공간(34)에 수용되고 중앙축 M에 따라 있는 파이프(17)에서 세로 방향으로 작동되도록 안내된다. 작동 막대(22)를 가진 아마추어 디스크(24c)는 중앙축 M에 대해 동심을 가진 나선형 스프링(40)에 의해 한쪽으로 치우치고 따라서 작동 막대(22)의 끝에 있는 밸브 부재(20a)는 유체가 흐르지 않게 밸브 시트(20b)에 설치되는데 이것은 닫힌 상태라고 불린다. 일단 전류가 전자석 코일 장치(24a)중 하나에 공급되면(예 24a’) 낮은 와전류 자기장이 자석 요크 장치(24b)에서 유도되고, 이것은 작동 막대(22)를 가진 아마추어 디스크(24c)를 전류가 흐르는 코일의 위치에 상응하는 디쉬 하프(24b′)방향으로 끌어당긴다. 그에 의하여 밸브 부재(20a)는 밸브 시트(20b)로부터 떨어지게 되고 열린 상태(open position)가 된다. 일단 전자석 코일 장치의 반대 코일(예 24a”)에 전류가 공급되면 밸브 부재(20a)가 상응하는 반대 방향 밸브 시트(valve seat) 쪽으로 움직여서 닫힌 상태(closed position)가 된다. 작동 막대(22)의 끝에 있고 밸브 부재(20a)로부터 떨어진 나선형 스프링(40)은 동일한 작용을 하고 전류가 전자석 코일에 전류가 흐르지 않을 경우 밸브 부재(20a)를 닫힌 상태로 유지시킨다.
또 다른 발명의 실시예는 작동 막대(22)를 통하여 밸브 부재(20a)를 가지는 몇 개의(2 또는 이상) 아마추어 디스크(24c)를 한 면 또는 양면으로부터 작동하는 코일 요크 장치에 결합시킨 것이다. 게다가 연자성인 자석 아마추어 장치(24)의 양면에 있는 코일 장치(24a)는 복수 개의 구성요소(multiple part component)로서 형 성될 수 있다. 이 경우 디쉬 하프(24b′,24b″)들의 경계면(27a, 27b)들 각각에 일치시키는 것을 수행하는 2개 또는 그 이상의 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)들이 제공된다. 이 실시예는 동일한 설치 공간하에서 증가한 자기장 밀도를 가질 수 있으므로 증가한 밸브 부재 지지력과 증가한 작동 속력을 가진다. 개개의 자석 아마추어 장치(24c)의 한 면에 있는 개별 코일들을 통하여 역전류(reverse current)가 간헐적으로 흐른다. 요크 철(yoke iron)은 한 면의 개별 코일(24a)들 사이에서 서로에 대해 절연된 철 플레이트(iron plate)에 의해 형성될 수 있다.
디스크 모양의 자석 아마추어 장치(24c)에 의해 움직이는 작동 막대(22)가 있는 전기적으로 제어 가능한 작동 수단(24)을 가지는 두 실시예가 보여졌다. 자석 아마추어가 배열된 면에 중앙의 작동 막대(22) 대신에 튜브를 넣는 것도 가능하다.
도 4에 따른 자석 요크 또는 자석 코일의 실시예에서 개별 폴 랜드(pole land)는 분리된 코일로 둘러싸인다. 명확하게 하기 위하여 도 4에서 모든 폴 랜드가 전자석 코일 장치를 가진 것으로 도식하지 않았다. 모든 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)들은 반대 방향으로 감기고 같은 방향의 전류를 공급받거나, 또는 같은 방향으로 감기고 반대 방향의 전류를 공급받는데 이는 폴 랜드(25a, 25b)들의 맞은편 측면(25a’, 25a”)에서 역전류(reverse electrical current)를 유도하기 위함이다.
대안으로 자석 요크 장치의 폴 랜드(25a, 25b)들 사이에 있는 리세스(26a, 26b)들에 하나(또는 수 개의)의 코일이 구부러진 방식으로 넣어진 도 5에서와 같은 전자석 코일 장치를 형성하는 것이 가능하다. 이 경우에도 또한 폴 랜드(25a, 25b) 들의 반대 측면(25a′, 25a″)들에서 반대 방향의 전류(reverse electrical current)가 유도된다. 보이는 바와 같이 폴 랜드(25a, 25b)들은 연료 분사 밸브의 중앙축 M에 대하여 비대칭적으로 배열되어있고 적어도 하나의 전자석 코일 장치( 24a’, 24a”)는 비원형의 폴 랜드를 부분적으로 둘러싸서 그들의 측면에서 역전류(reverse electrical current)가 유도되도록 한다.
도 6과 도 7에서 도식된 전자석 코일 장치(24a)의 실시예는 그것과 협동하는 연자석 요크 장치를 가지는 일체 장치로 제조된다. 이런 목적을 위하여 연철을 포함한 연장된 요크 플레이트(50)는 요크 플레이트(50)의 세로 가장자리(50′)에서 같이 구부러짐으로써 양쪽에 전도체(conductor strip)(52)에 의해 둘러싸이며 최종상태에서 안쪽에 위치한다. 전도체(52)에 인접한 연철을 포함한 박판 금속 밴드(sheet metal band)(54)는 정확하게 전도체(52)와 같은 치수의 두께를 가지고 또한 요크 플레이트(50)의 세로 가장자리(50′)에서 굽음으로써 최종 상태에서 안쪽에 위치하게 된다. 전도체(52)에 근접하게 배열되어 있는 박판 금속 밴드(54)는 최종상태에서 평면 접촉하는 요크 플레이트(50)의 부분과 함께 자석 요크 백(back)을 형성한다. 전도체(52)는 요크 플레이트(50)의 측면 세로 가장자리(lateral longitudinal edge)(50″)를 넘어서 튀어나오고 양 끝단에서 전기적 접속을 만들기 위하여 최종상태에서 바깥쪽에 위치한다. 연철을 포함하는 연장된 요크 플레이트의 두 번째 층(56)은 두 번째 요크 플레이트(56)뿐만 아니라 박판 메탈 밴드(54), 전도체(52), 첫 번째 요크 플레이트(50)로 구성된 적층 구조를 만들기 위해서 그것에 대하여 위치한다. 이 적층구조는 코일과 요크로 구성된 전체 구조물을 얻기 위하 여, 도 6에 나타난 방식대로 나선형으로 감긴다. 나선형으로 감긴 후에 처음과 두 번째 요크 플레이트(50, 56)는 서로 가깝게 배열되고 전체 구조는 실린더형으로 감긴 몸체가 된다. 전도체(52)는 연철 부분(soft iron part)(50, 54, 56)에 대하여 전기적으로 절연되어 있다고 이해된다.
중앙 세로축 M에 대해 동심을 가지며 자석 요크 장치(24b)와 자석 아마추어 장치(24c) 사이의 있는 공극(air gap)은 폴 랜드들의 피치 치수(pitch dimension)의 대략 10배이며 작동 수단(24)의 나머지 부분에 위치한다. 이 실시예에서 피치 치수는 폴 랜드의 가로의 치수와 같다. 도 6, 도 7에 나타난 자석 요크 장치(24b)의 실시예에서 피치 치수는 요크 플레이트(40)의 두께와 같다. 폴 랜드들의 다른 형상들도 또한 가능하다. 피치 치수가 폴 랜드들의 가장 작은 구조들 이라는 것이 명확하고 그 결과로서 자석 아마추어에 작용하는 자석 요크의 가늘게 간격진 형상이 된다. 이러한 작은 피치 치수는 높은 자속 밀도를 가져오고 이는 따라서 밸브 장치의 강한 자력과 지지력을 가져오며 짧은 변환 시간을 가져오는데 이는 전기적 자기적 손실과 유도된 대항력이 매우 작기 때문이다.
도 8은 아마추어 장치의 모양에 대한 여분의 대안을 보여준다. 아마추어 디스크(24c)는 다층 구조이다. 세라믹층(24c″)은 상대적으로 얇고 따라서 낮은 와전류의 연철층(24c′)의 두 층 사이에서 밸브 막대(22)에 배열되고 고정되어 기계적 안정성을 높인다. 두 개의 연철층(24c′)들은 연속적인 아마추어 디스크가 될 수도 있고 위에서 언급한 바와 같이 리세스(recesses)들을 가진 것도 될 수 있다고 이해된다. 밸브 막대(22)를 따라 몇 개의 아마추어 장치들을 배치하는 것도 또한 가능 하다.

Claims (25)

  1. 연소 기관의 연료 분사 시스템에 사용되는 연료 분사 밸브, 특히 연소 기관의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료 분사 밸브로서,
    연료가 연료 분사 밸브로 흘러가도록 적용된 연료 주입구(12)와,
    연료를 직접적 또는 간접적으로 제어된 방식으로 연료 배출구(18)를 통하여 연소실 쪽으로 배출될 수 있게 밸브 장치(20)와 협동하는 전기적으로 제어가능한 작동 수단(24)을 포함하고,
    상기 작동 수단(24)은 전류를 공급받는 자석 코일 장치 이와 협동하는 실질적으로 연자성인 자석 요크 장치 및 이와 협동하는 실질적으로 연자성인 자석 아마추어(24c)장치를 포함하는 연료 분사 밸브에 있어서,
    상기 자석 요크 장치(24b)는 폴 랜드들의 각 반대편 측면(24a′, 24a″)들에서 역전류(reverse electrical current)가 유도되도록 적용된 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 몇 개의 폴 랜드(25a, 25b)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    작동 수단(24)의 나머지 부분에서 자석 요크 장치(24b)와 자석 아마추어 장치(24c) 사이에서 형성되는 공극(air gap)보다 2 내지 30배, 바람직하게는 5 내지 20배, 특히 바람직하게는 대략 10배 정도 큰 피치 치수를 포함하는 폴 랜드(25a, 25b)들을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연료 분사 밸브의 중앙 세로 축(M)에 대하여 실질적으로 비대칭 형상을 가지는 폴 랜드(25a, 25b)들을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 분사 밸브의 중앙 세로 축(M)에 대하여 나선 형상을 가지는 폴 랜드 (25a, 25b)들을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류 전도 밴드와 연철을 포함하는 박판 메탈 밴드가 연철을 포함하는 박판 메탈의 두 층 사이에 배열되고, 전류 전도밴드와 연철을 포함하는 박판 메탈 밴드가 세로 가장자리 각각에 결합하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    폴 랜드(25a, 25b)들은 실질적으로는 다각형의 모양 바람직하게는 4변형의 모양을 가지고 전자석 코일 장치를 수용하도록 하는 공간 형태 하에서 서로 인접하게, 바람직하게는 서로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 인접한 폴 랜드(25a, 25b)들이 적어도 부분적으로 굽은 방식으로 적어도 하나의 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 폴 랜드(25a, 25b) 각각이 적어도 하나의 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)는 비원형 폴 랜드(25a, 25b)들을 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석 코일 장치(24a), 자석 요크 장치(24b), 자석 아마추어 장치(24c)에 의해 형성되는 집합 하나 이상을 포함하는 작동 수단(24)과 이러한 집합들은 밸브 장치(20)에 대해 같은 방향이든 다른 방향이든 집합적으로 행동하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    열린 상태와 닫힌 상태 간에 연료 주입구(12)의 하류에 배열되고 밸브 부재(20a)와 협력하는 정지된 밸브 시트(20b)에 대하여 그것을 움직이게 하기 위하여 밸브 장치(20)의 움직일 수 있는 밸브 부재(20a)에 작용하는 작동 수단(24)을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  12. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연자성인 자석 요크 장치는 디쉬 부품(24b′,24b″)들의 하나의 대응되는 면(27a, 27b)과 접촉하게 하는 전자석 코일 장치를 수용하는 리세스(26a, 26b)들을 가진 적어도 두 결합한 디쉬 부품(24b′,24b″)들로 이루어지며 디쉬 부품(24b′,24b″)들의 면(27a, 27b)은 공동(cavity)(28)을 정의하는데, 중앙 M축을 따라 움직일 수 있도록 여기에 자석 아마추어 장치(24c)가 수용되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  13. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자석 코일 장치(24a′, 24a″)는 디쉬 하프(24b′, 24b″)들 중 하나에 있는 면들 중 한 면과 접촉을 수행하도록 하는 몇 개의 전자석 코일 장치(24a′, 24a″)에 의해 연자성인 자석 장치(24c)의 적어도 한 면에서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  14. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    개별 코일은 두 코일 사이에 위치하는 자석 요크 철의 두께에 20% 내지 80%에 해당하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  15. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연자성인 자석 아마추어 장치(24c)의 한 면에 있는 개별 코일들은 역전류가 공급되도록 적용되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  16. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연자성인 자석 아마추어 장치의 한 면 위의 개별 코일 사이에서 서로에 대해 절연된 철 플레이트에 의해 형성된 개별 코일을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  17. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자석 코일 장치(24a)와 자석 아마추어 장치(24c)는 서로에 대하여 실질적으로 정확한 각도 하에서 방향을 잡는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  18. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석 코일 장치와 자석 아마추어 장치는 중앙 세로축에 대해 반경 방향으로 적어도 부분적으로 겹치는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  19. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석 요크 장치는 반경 방향의 틈(36)들을 가진 실질적으로 실린더형의 연자성인 디스크 본체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  20. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석 아마추어 장치(24c)는 공간적으로 서로 떨어진 둘 또는 그 이상의 스트립 모양 부분(25)들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  21. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석 아마추어 장치(24c)는 반경 방향으로 향하고 디스크의 가장자리(30)까지 뻗은 바람직하게는 슬롯이나 연장된 구멍인 리세스(38)들을 가진 연자성인 디스크로 형상되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  22. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    세라믹층(24c″)이 두 개의 연철층(24c′)들 사이에 배치되고 밸브 막대(22)에서 고정된 다층 구조로 형성된 자석 아마추어 장치(24c)를 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  23. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석 아마추어 장치(24c)와 밸브 부재(20a)는 서로 연결되어 있고 스프링 장치(40)에 의해 열린 상태 또는 닫힌 상태로 치우치고 자석 코일 장치(24a)의 전류 공급에 의해 열린 상태나 닫힌 상태로 되게 될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  24. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 점화 장치를 가지는 연소 기관의 연소실로 들어가도록 치수 되고 적용된 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  25. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자체 점화식 연소 기관의 연소실에 들어가도록 치수 되고 적용된 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
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