KR20060028699A - 귀환 레일 내의 압력 맥동이 감소된 연료 분사 시스템 - Google Patents

귀환 레일 내의 압력 맥동이 감소된 연료 분사 시스템 Download PDF

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파트릭 마테스
볼프강 슈퇴크라인
홀거 라프
한스 브레클레
마르쿠스 에르하르트
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연 기관용 연료 분사 시스템(1)에 관한 것이며, 고압 연료를 공급하는 고압 연결부(10)를 포함하고 엔진의 연소실로 연료를 분사하기 위한 인젝터(3)와, 분사의 제어 시에 발생하는 제어량을 배출하기 위해 인젝터의 저압 연결부(12)가 마련되고 인젝터의 분사를 제어하기 위한 제어 밸브(64)와, 사전 설정된 압력이 초과될 경우 압력 유지 밸브를 연료 귀환 라인 방향으로 개방시키는 압력 유지 밸브(15)의 삽입 하에 연료 귀환 라인(17)에 연결되는 누출 라인(11)을 포함한다. 상기 시스템은 압력 유지 밸브(15) 근처에 스로틀 장치(20)가 제공되는 것을 특징으로 하며, 스로틀 장치는 압력 유지 밸브의 개방 시 인젝터로부터 생긴 압력파의 반사가 부압파로서 댐핑되도록, 형성되고 배치된다. 인젝터의 누출 연결부 쪽으로, 압력 유지 밸브로부터 생기는 부압파가 댐핑 또는 방지된다. 따라서 공동으로 인한 손상의 위험이 줄어들 수 있다.
Figure 112005074395669-PCT00001
스로틀 장치, 압력 유지 밸브, 슬라이더, 그루브, 채널

Description

귀환 레일 내의 압력 맥동이 감소된 연료 분사 시스템{FUEL-INJECTION SYSTEM WITH REDUCED PRESSURE PULSATIONS IN THE RETURN RAIL}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 분사 시스템에 관한 것이다.
압력 유지 밸브는 상대적으로 0.5바아의 압력으로 조정될 수 있으며(즉 연료 분사 시스템의 대기압에 대해서), 이 경우 상기 밸브는 적어도 하나의 인젝터를 누출-저장 라인(귀환 레일)에 연결하는 누출 라인의 공회전 및/또는 누출-저장 라인의 공회전을 방지하는 데에만 사용된다. 이와 같은 시스템에서, 인젝터에는 전기적으로 작동하는 솔레노이드 밸브가 제공될 수 있으며, 솔레노이드 밸브는 제어 챔버 내의 압력을 변경함으로써 인젝터의 분사 과정을 제어한다. 다른 연료 분사 시스템에서, 압력 유지 밸브는 예컨대 30바아의 압력으로 조정될 수 있다. 이 시스템에서, 인젝터에는 일반적으로 유압 커플러가 설치되며, 유압 커플러는 압전 액추에이터에 의해서 작동한다. 유압 커플러는 기능에 따라, 언급한, 대략 30바아의 압력 하에 있는 연료로 둘러싸이므로, 항상 기능을 할 수 있다. 언급한 2개의 연료 분사 시스템에서, 연료 귀환 라인은 내연 기관의 연료 탱크로 직접 안내될 수 있다. 마지막에 언급한 연료 분사 시스템의 하위 그룹에서, 인젝터 반대편 압력 유지 밸브의 단부에 연결된 라인은 연료 탱크로부터의 연료를 예컨대 5바아의 적절 한 압력으로 상승시키는 제1 펌프와 고압 펌프의 입력 사이에 있는 연결 라인에 연결시킨다. 본 발명은 앞서 언급한 시스템들에서 사용될 수 있다.
압력 저장기에서 하나의 밸브를 인젝터에 대한 고압 라인 내에 접속하는 것이 공지되어 있으며(유럽 특허 제0780 569호, 도13B), 상기 밸브는 스프링에 의해 예비 인장된 구형의 가동 밸브 부재를 포함한다. 이는 연료가 인젝터 쪽으로 유동할 때 개방되며 연료가 유동하지 않을 때 거의 완전히 폐쇄된다. 완전한 폐쇄는 횡단면이 원형인, 밸브 시트 후방의 개구가 종방향으로 연장된 그루브에 의해서 확장됨으로써 방지되며, 그루브는 가동 밸브 부품에 의해서 커버되지 않는다. 밸브가 폐쇄된 경우 밸브는 스로틀을 형성하며, 이는 전문 지식의 사용 하에 알려진 바와 같이, 인젝터에 의해 고압 라인 상에 발생한 압력파를 댐핑하기에 적합하므로 고압 라인 내에 추가의 압력 변동의 발생도 방지될 수 있다.
청구항 제1항에 따른, 본 발명의 연료 분사 시스템의 장점은 발명자가 인식한 단점들이 줄어들거나 방지되는 것이다. 이런 단점들은 이하의 과정들에 기인한다: 인젝터가 분사 과정을 시작할 때, 제어량은 앞서 언급한 제어 밸브가 작동하는 경우 누출 라인 내로 유입되므로, 진행중인 작동 시 배압 유지 밸브가 개방되며 실질적으로 제어량과 같은 양이 압력 유지 밸브를 통해 흐른다. 언급한 제어량의 유입은 누출 라인 내에서의 유동 충돌을 일으키며, 배압 유지 밸브에 대한 압력파를 발생시키고, 압력파는 배압 유지 밸브의 개방 시 저압파로서 반사된다(압력 인터노드(internode)에 대한, 개방된 라인 단부에서의 압력파의 반사 또는 압력 노드에서의 반사가 저압파로서 이루어진다). 이와 같은 저압파들은, 영구적으로 인젝터의 손상을 야기함으로써 수명을 단축시키는 공동을 일으킬 수 있다. 공동은 연료의 증기압이 미달될 때 발생한다. 누출-저장 라인 내의, 이로써 인젝터의 개별 누출 라인들에서의 정상 압력이 낮을수록 공동의 위험이 커진다. 공동의 위험은, 제어 밸브가 차단 상태에 도달함으로써 제어 밸브로부터의 유동이 갑작스럽게 중단됨으로 인해 제어 밸브 후방의 압력이 연료의 증기압에 미달할 경우, 제어 밸브에서 저압파가 발생할 때 더 커진다. 본 발명에 따라, 인젝터의 누출 연결부 쪽으로 압력 유지 밸브에 의해서 진행된 저압파들은 약화되거나 방지된다.
압력 유지 밸브 근처에 스로틀이 있어야 하는 경우 다음이 이해된다: 저압파에 의한 억제에 대해서 스로틀의 작용이 영향을 받도록 간격이 너무 커서는 안되며, 단 하나의 압력 유지 밸브에 연결된 복수의, 바람직하게는 모든 인젝터들의 누출량이 언급한 스로틀을 통해 흘러야 한다. 스로틀은 본 발명의 실시예들에서, 인젝터 측에서 볼 때, 압력 유지 밸브 전방 또는 후방에 배치될 수 있으며, 또는 압력 유지 밸브의 밸브 요소에 구성적으로 통합될 수 있다.
마지막에 언급한 실시예의, 본 발명에 따른 장치의 경우, 바람직하게 슬라이더가 제공되며, 이는 바람직하게 중실 실린더로서 형성되고 그에 맞게 조정된 리세스, 특히 보어 내에서, 스프링의 힘에 대항해 이동 가능하게 안내되며, 누출 저장 라인으로부터 압력 유지 밸브를 통해 연료가 배출되어야 할 때 상기 스프링력에 대항해 이동해야 한다. 제1 변형예에서 실린더의 벽에 적어도 하나의 그루브가 통합되며, 그루브의 후방 단부는 압력 유지 밸브의 정지 상태 시 보어의 벽에 의해 폐쇄되고 그 전방 단부는 개방되며, 실린더가 충분히 이동될 때 그 후방 단부가 보어의 영역으로부터 나오므로, 동시에 스로틀을 형성하는 그루브가 전체적으로 관통된다. 다른 변형예에서 중실 실린더의 벽에는 그루브가 없으며, 대신에 보어의 벽에 하나의 그루브가 통합되는데, 이는 바람직하게 밸브의 정지 상태 시 그 전방 단부가 실린더의 실린더 표면에 의해서 폐쇄되는 반면, 그 후방 단부는 항상 개방되고, 실린더가 충분히 이동될 때 마찬가지로 스로틀을 형성하는 그루브의 전방 단부가 개방된다. 추가의 통합 변형예의 경우, 실린더의 벽 및 보어의 벽 내에 앞서 언급한 그루브들 중 적어도 하나가 제공된다. 단독의 그루브 대신에, 복수의 그루브들이 제공될 수도 있다.
모든 도시된 실시예들의 경우, 일반적으로 단독의 부품이 교체됨으로써 또는, 특정 연료 분사 시스템에서 지배적이며 각각의 내연 기관에 대해서 알려진 특성에 맞게 조정된, 이와 같은 부품이 선택될 때 스로틀이 조정될 수 있는 장점이 있다. 즉 스로틀의 파형 저항은, 또는 이와 같은 스로틀의 통합 형태의 복수의 스로틀이 있을 경우, 적합하게 조정되어야 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는 상세한 설명, 도면 및 청구 범위에 제시될 수 있다.
본 발명에 따른 분사 시스템 또는 분사 장치의 실시예는 도면에 의해 도시되며 이하의 실시예에서 더 자세히 설명된다.
도1은 복수의 인젝터들 및, 그 영역에 스로틀이 제공된 하나의 압력 유지 밸 브를 구비한, 본 발명에 따른 연료 분사 시스템의 도면이다.
도2는 도1의 장치에 제공된, 압력 유지 밸브와 스로틀의 확대 종단면도이다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 제공된, 도2에 비해 변형된 압력 유지 밸브와 스로틀의 도면이다.
도4는 본 발명에 따른 다른 연료 분사 시스템의 경우, 도2, 3에 따른 밸브 장치 대신에 제공된, 중실 실린더를 슬라이딩식으로 수용하는 보어의 벽에 스로틀이 제공된 장치를 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 다른 실시예의 경우 구성되며, 언급한 중실 실린더의 벽에 스로틀이 그루브로서 통합되는, 도4에 비해 변형된 압력 유지 밸브의 실시예의 도면이다.
도6은 전자기식으로 작동된 제어 밸브를 구비한, 도1에서 사용된 인젝터의 실질적 부품들을 도시한 도면이다.
도1에서 예컨대 디젤 연료용 연료 분사 시스템(1)은 공지된 수의 인젝터(3)(예컨대 6개의 인젝터들)를 포함하며, 이들은 작동 시 연료를 분사 개구(5)(도6 참조)를 통해 디젤 엔진의 각각의 해당 연소실의 내부로 분사한다. 압력 저장기(7)는 라인(8)에 의해서 고압 연료(예컨대 1600바아)로 채워진다. 각각 하나의 고압 라인(9)에 의해서 연료는 각각의 인젝터(3)의 고압 연결부(10)에 제공된다. 인젝터의 분사 과정을 제어하는 제어 밸브의 작동 시 생기는 인젝터의 누출량과 제어량은 각각 하나의 누출 라인(11)을 통해서 누출 저장 라인(13)(누출 레일)의 저압 연 결부(12)로부터 공급된다. 상기 실시예에서 인젝터들(3)은 전기 작동되는 솔레노이드 밸브에 의해서 제어되는 인젝터들이며, 솔레노이드 밸브는 작동 시 공지된 방식으로 제어 챔버 내의 압력을 강하시키므로 분사 과정이 시작된다. 제어 밸브가 개방되면, 연료는 언급한 제어 챔버로부터 배출되어 누출 라인(11)으로 유입된다. 도시된 인젝터들의 모든 누출 라인들이 누출 저장 라인(13) 내에서 안내된다. 누출 저장 라인(13)의 하나의 단부는 폐쇄되고, 도1의 우측의 다른 단부는 압력 유지 밸브(15)에 의해서 연료용 귀환 라인(17)에 연결되며, 상기 귀환 라인(17)은 연료 탱크로 안내된다. 연료 탱크로부터 공지된 방식으로 연료가 흡인되며, 하나 또는 복수의 펌프에 의해서 고압으로 되고, 이는 연료를 압력 저장기(7)에 제공한다. 압력 유지 밸브(15)는 예컨대 누출 저장 라인(13) 내의 압력이 귀환 라인(17) 내의 압력에 비해서 대략 0.5바아 과압될 때 개방된다. 이 0.5바아의 압력은 누출 라인들이 누출되는 것을 방지하기 위해서 사용된다. 지금까지 설명했던 장치에 대해서는 공지되어 있다. 종래 기술에 비해 새로운 점은 도1에 도시된 장치이며, 이 경우 배압 유지 밸브(15) 근처에 스로틀 장치(20)가 제공되고 이는 누출 저장 라인(13) 내의 불리한 압력파 반사를 광범위하게 방지하기 위해서 사용된다.
도2는 도1에 제공된 스로틀 장치와 배압 유지 밸브의 결합 형태를 구성 유닛(25)으로서 도시한다. 스로틀 장치는 단독의 스로틀(27)로서 형성되며, 이는 조립 시 맞게 조정된 선택 가능한 블록(28) 내에 보어로서 수용된다. 블록(28)은 도1의 유동 방향, 즉 좌측에서 우측으로, 배압 유지 밸브의 유동 상류측에 배치된다. 구성 유닛(25)은 도1에 따른 장치에서 나사 연결에 의해 압력 밀봉식으로 조립된다.
도3에 도시된 배압 유지 밸브와 스로틀 장치의 결합 형태(30)는 스로틀 장치가 압력 유지 밸브의 유동 하류측에 배치되는 점만이 도2와 상이하다.
도2와 도3에 따른 장치들은 본 발명의 실시예에서, 분리 제조된 2개의 부품들, 즉 실질적으로 스로틀 보어를 포함하는 하나의 부품과 통상적인 배압 유지 밸브의 적절한 연결, 예컨대 나사 연결에 의해서 완전히 동일하게 작용하는 방식으로 실현될 수 있다.
도4에 따른 장치의 경우, 스로틀과 배압 유지 밸브는 서로 분리될 수 없는 하나의 유닛을 형성한다. 밸브 장치(40)는 도4의 우측면의 압력에 대해서 도4의 좌측면에 배압이 있을 때 개방된다. 밸브 장치는 실질적으로 슬라이딩 밸브로서 형성된다. 슬라이더(41)(중실 실린더)는 실질적으로 원형 실린더인 밸브 장치(40)의 종방향으로 가이드면에 의해 안내된다. 이를 위해 슬라이더(41)는 중심 부재(43)의 보어(42) 내에서 압축 스프링(44)의 힘에 대해 이동할 수 있다. 도4에 도시된 정지 위치에서, 슬라이더(41)는 정지 장치(45)에 접하며 상기 장치는 펀칭된 플레이트로 형성되고 전체적으로 연료의 유동을 막지 않는다. 부품(43)의 보어의 벽에 종방향 그루브(47)가 형성되며, 이는 우측으로 개방되지만 좌측으로는 슬라이더(41)의 단부 전방에서 끝나므로, 슬라이더(41)의 도시된 위치에서 연료는 동시에 스로틀을 형성하는 그루브(47) 내로 좌측에서부터 유입될 수 없다. 도4의 좌측면의 압력이 매우 커서, 슬라이더(41)가 우측으로 충분히 많이 이동할 때, 그루브(47)의 전방 단부도 개방되고 그곳으로 연료가 유입되어 그루브(47)를 통해 흐르므로, 이제 밸브 장치가 개방된다. 기능적으로 스로틀을 밸브 개구 후방에 위치하는 것을 고려할 수 있다.
도5에 도시된 스로틀과 밸브의 결합 형태(50)의 실시예는 스로틀을 형성하는 그루브(51)가 이제 슬라이더(52)의 원통형 외부면에 배치되는 반면, 부품(54)의 보어는 슬라이딩되는 점만이 도4의 실시예와 상이하다. 여기서 그루브(51)는 항상 좌측으로 개방되고 그 우측 단부는 슬라이더(54)가 충분히 우측으로 이동할 때에야 비로소 그루브의 관류를 위해서 개방된다. 기능적으로 스로틀을 밸브 개구 전방에 위치하는 것을 고려할 수 있다.
도시되지 않은 실시예의 경우 도4에 따른 그루브(47) 및 도5에 따른 그루브(51)가 제공된다. 이 경우 밸브 장치의 정지 상태 시 2개의 그루브들이 중첩해서는 안된다. 밸브 장치의 이런 구성에 의해, 밸브의 개방을 위해 실린더의 이동이 필요하지 않으며, 회전이 가능한 방식으로 또는, 다른 실시예의 경우 특징적인 회전에 비해 적은 이동만이 가능한 방식으로 계속된 작동이 이루어질 수 있다. 이는 상기 이동 운동이 스로틀의 관류를 릴리스하는 것이 아니라, 상기 이동에 연결된 회전을 의미하며, 이 회전 시 스로틀과 그루브들은 하나의 중첩된 위치로 온다. 선형 이동에 의해서 하나의 작동이 단순해진다.
도1, 도2에 의해, 상기 장치의 기능이 설명된다. 누출 저장 라인(13) 내에 하나의 압력이 형성되는 것이 제시되며, 이 압력은 압력이 약간 높을 경우 배압 유지 밸브(15)를 개방시킨다. 앞서 언급한 바와 같이 소정의 양의 연료(제어량)를 인젝터의 제어 챔버로부터 배출시킬 수 있는 제어 밸브가 개방됨으로써 이제 인젝터들 중 하나에서 분사가 일어난다. 한편으로 배출은 일반적인 인젝터들의 경우 제어 챔버가 하나의 스로틀에 의해서 항상, 고압 라인에 연결된 인젝터의 연결부에 연결되기 때문에 이루어진다. 다른 한편으로, 배출은 언급한 밸브가 개방될 때, 그 하단이 분사구를 개폐하는 밸브 피스톤 상에 작용하는 힘에 의해 추가적으로 연료가 제어 챔버로부터 배출되기 때문에도 이루어진다. 제어 밸브의 이 같은 개방은 누출 저장 라인 내의 갑작스러운 압력 상승을 일으킨다. 이 압력 상승은 도1, 2에서 우측을 향하는 그 연결부가 개방 라인 단부를 형성하는 배압 유지 밸브를 개방하며, 라인 단부는 인젝터로부터 발생한 과압파를 저압파로서 반사한다. 이 반사는 스로틀 장치에 의해서 약화되며, 스로틀의 치수가 정확히 조정될 때 억제된다. 이와 같이 반사를 최대로 억제하기 위해, 스로틀에 대해서는 이하의 치수 책정이 바람직하다:
본 발명의 경우, 반사를 방지하는 스로틀의 작용은 (연료를 유도하는) 압력 유지 밸브가 개방될 때 일어난다. 압력 유지 밸브가 차단된 경우 스로틀을 통해 연료가 흐르지 않는다.
상기 실시예에서, 누출 저장 라인은 대략 0.8바아·ms/mm3의 파형 저항을 갖는다. 스로틀의 유동 계수는 100바아의 차압일 때, 660cm3/min의 값을 갖는다.
전술한 값들은 디젤 연료의 사용 하에 3mm2의 원형 도관 단면을 기초로 한다. 따라서 도2에 제공된 단독의 스로틀은 원형 보어로서 형성되고 대략 0.4mm의 직경을 갖는다. 상기 실시예에서 1mm에 달하는 스로틀의 길이는 실제적 설계를 기초로 해서 선택되며: 그 길이 자체는 스로틀로서의 기능에 대해서는 덜 중요하다.
도6에 도시된 바와 같이, 인젝터(3)는 스트로크 제어식 밸브 피스톤(60)을 포함하며, 그 운동은 제어 챔버(62) 내의 압력에 의해서 제어된다. 상기 압력이 (상기 실시예에서 전자기식인) 제어 밸브(64)의 개방에 의해서 감소하면, 밸브 피스톤(60)이 개방되고 분사구(5)를 통해서 연료가 내연 기관의 실린더의 연소실로 분사된다.
이제까지 설명한 실시예에서, 분사를 위해 적합한 압력 하에 있는 연료는 압력 저장기로부터 인젝터에 제공된다. 그러나 본 발명은 분사의 제어 시 누출 라인 내의 제어량이 수격을 야기하는 다른 연료 분사 시스템에서도 사용될 수 있다. 따라서 각각의 실린더에 고유의 펌프-노즐-유닛(유닛 펌프 인젝터)이 할당된 시스템이 공지되어 있다. 상기 유닛의 하나의 펌프는 이미 소정의 연료압을 제공 받으며, 상기 압력은 분사를 위해서 충분하지 않고 펌프에 의해서 필요한 분사압으로 높아진다. 소정의 분사의 시작 및/또는 종료가 항상 펌프 행정의 지속과 일치하는 것은 아니므로, 누출 채널로 안내되는 제어 밸브가 인젝터 또는 펌프 내에 배치되고 제어 밸브는 소정의 분사의 지속 동안, 펌프가 분사구로 연료를 공급할 수 있도록 폐쇄된다. 제어 밸브가 개방되면, 펌프에 의해서 공급된 연료가 누출 채널로 배출된다. 제어 밸브가 개방될 때, 그러나 펌프 행정의 시작 시 제어 밸브가 이미 개방될 때에도 누출 라인 내에서 수격이 발생한다.

Claims (5)

  1. 내연 기관용 연료 분사 시스템(1)으로서,
    고압 연료를 공급하는 고압 연결부(10)를 포함하고 엔진의 연소실로 연료를 분사하기 위한 인젝터(3)와,
    분사의 제어 시에 발생하는 제어량을 배출하기 위해 인젝터의 저압 연결부(12)가 마련되고 인젝터의 분사를 제어하기 위한 제어 밸브(64)와,
    사전 설정된 압력이 초과될 경우 압력 유지 밸브를 연료 귀환 라인 방향으로 개방시키는 압력 유지 밸브(15)의 삽입 하에 연료 귀환 라인(17)에 연결되는 누출 라인(11)을 포함하는 연료 분사 시스템에 있어서,
    상기 압력 유지 밸브(15) 근처에 스로틀 장치(20, 27, 47, 51)가 제공되며, 스로틀 장치는 압력 유지 밸브의 개방 시 인젝터로부터 생긴 압력파의 반사가 저압파로서 약화되도록 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 장치는 인젝터로부터 연료 귀환 라인까지의 유동 방향으로 볼 때 압력 유지 밸브의 유동 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 장치는 인젝터로부터 연료 귀환 라인까지의 유동 방향으로 볼 때 압력 유지 밸브의 유동 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압력 유지 밸브는 유도된 과압을 통해 예비 응력에 대항해 이동할 수 있는 슬라이더(41, 52)를 갖는 슬라이딩 밸브로서 형성되며, 상기 슬라이더는 가이드 내에서 활주되고, 적어도 하나의 그루브(47, 51)가 슬라이더 및 슬라이더 가이드의 적어도 하나의 요소 내에 제공되며, 지정된 슬라이더 개방 위치에서 연료의 통과는 연료가 그루브를 통과함으로써 이루어지는 반면, 슬라이더의 폐쇄 위치에서 그루브의 단부는 그루브가 존재하지 않는 슬라이드 밸브의 부품(슬라이더 가이드, 슬라이더)에 의해서 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스로틀 장치의 하나의 부품을 형성하는 채널이, 밸브 또는 스로틀 장치의 조립 시 사용 가능한 별도의 부품 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
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