KR20060041263A - 연료 분사 장치 - Google Patents

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Abstract

분사 밸브(9)와, 작동 시에 고압 연료를 분사 밸브(9)에 공급하는 라인(5)과, 상기 라인(5)과 연결된 분사 밸브의 제어 챔버(43) 내의 압력을 제어하는 제어 밸브(41)를 포함하는 연료 분사 장치로서, 상기 제어 밸브의 운동 가능한 밸브 부분(51)은 액추에이터(31)에 의해 유압 커플러(38)를 통해 작동 가능하며, 피스톤(39, 40)은 서로에 대해 평행으로 내부적으로 배열되며, 액추에이터(31)로부터 먼 피스톤(39, 40)의 단부에는 전환 챔버(72)가 배열되며, 외측 피스톤(39)의 내부에는 충전 챔버(71-2)가 제공되며, 이 충전 챔버는 상기 라인(5)과 연결되고, 피스톤 면(f4)을 갖는 피스톤(39)은 단면(f5)을 갖는 로드(61)를 통해 액추에이터(31)와 기계적으로 연결되며, 피스톤 면(f2)을 갖는 다른 피스톤(40)은 피스톤 면(f2)에 비해 더 작은 단면(f2)을 갖는 로드(63)를 통해 제어 밸브(41)를 작동하며, 운동 가능한 밸브 부분(51)의 폐쇄 운동 방향은 제어 챔버(43)로부터 방출 유동하는 연료의 방향과 일치하며, 제어 밸브는 충전 챔버(71-2) 내의 다른 피스톤(40) 상으로 작용하는 압력으로 인해 적어도 부분적으로 힘 평형된다.
분사 장치, 피스톤, 유압 커플러, 충전 챔버, 제어 챔버, 밸브 시트

Description

연료 분사 장치{FUEL INJECTION DEVICE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 분사 장치에 관한 것이다.
압전 액추에이터(=압전 조절기)를 갖는 CR-인젝터(CR=커먼 레일) 및, 유압 커플러에 의한 전환이 공지되어 있다. 서로 동축으로 내부적으로(into each other) 배치된 피스톤들을 갖는, 일체식 커플러도 마찬가지로 공지되어 있다. 공지된 장치는 A-밸브를 제어 밸브로서 사용한다. 이 밸브는 비교적 작은 직경으로만 형성될 수 있는데, 이는 그렇지 않은 경우 밸브의 힘이 매우 높아서 압전 액추에이터에 의해서 밸브가 작동될 수 없기 때문이다.
본 발명에 따른, 청구항 제1항의 특징을 갖는 엔진용 연료 분사 장치는 압전 액추에이터를 갖는 CR-인젝터가 형성되고 이때 큰 밸브 단면이 가능하다는 장점을 갖는다. 따라서 분사 밸브의 개폐가 더 신속하게 이루어질 수 있다. 일체식 커플러에 의해 장치의 길이가 짧아질 수 있다. 상기 커플러는 CR-압력에 의해 지원된다.
본 발명에 따른 연료 분사 장치의 실시예는 도면에 도시되며 이하의 상세한 설명에서 더 자세히 설명된다.
도1은 분사 밸브, 제어 밸브 및 유압 커플러를 갖는, 본 발명에 따른 연료 분사 장치의 기본적인 부품들을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 연료 분사 장치(1)는 압력 저장기(커먼 레일)(3)로부터 고압 라인(5)을 통해 고압 연료를 공급 받으며, 고압 라인으로부터 나온 연료는 분사 라인(6)을 거쳐 분사 밸브(9)에 이른다. 엔진은 일반적으로 이와 같은 유형의 복수의 분사 밸브들을 가지지만, 명료함의 이유로 단 하나만이 도시된다. 분사 밸브(9)는 밸브 니들(밸브 피스톤, 노즐 니들)(11)을 포함하며, 밸브 니들의 원추형 밸브 밀봉면(12)은 그 폐쇄 위치에서, 엔진의 연소실의 내부로 연료를 분사시켜야 하는 분사구들을 폐쇄한다. 연료는 링형 노즐 챔버(14)를 통해서 노즐 니들의 영역 내에 이르며, 여기에서부터 연료는 압력 숄더로서 형성된 제어면(15)을 통해, 노즐니들의 개방 방향으로 압력을 가할 수 있다. 언급한 압력이 개방 방향으로 밸브 니들에, 상기 개방에 대항해서 작용하는 힘을 넘어서는 힘을 가하면, 밸브가 개방될 수 있다.
분사구들의 개폐를 제어하기 위해 액추에이터(31)가 사용된다. 상기 액추에이터는 기계적 출력의 제어에 따라, 추가 요소들을 작동시키기 위한 힘 및, 조향을 발생시킨다. 예컨대 상기 액추에이터는 전기 작동되는 액추에이터이다. 이는 압전 요소를 포함하는 액추에이터, 즉 압전 액추에이터이다. 액추에이터는 전기 제어에 따라, 도면의 수직 방향, 이로써 그 종방향으로 긴 구성을 취하거나 또는 짧 은 구성을 취한다. 예컨대 전류가 공급될 때(직류 공급부에 접속) 긴 구성을 취하고, 전류가 공급되지 않을 때 짧은 구성을 취하는, 이와 같은 구성의 액추에이터가 제공된다. 액추에이터는 용량성 부하를 형성하며, 전류 공급이 지속될 때 전력 손실을 수용하지 않는다. 액추에이터 내에 포함된 압전 요소들이 항상 압력을 받도록, 압전 액추에이터가 예컨대 스프링과 같은 인장 장치에 의해서 초기 응력을 받는 것이 바람직하거나 필요할 수 있다. 이는 당업자들에게 공지되어 있으므로, 이하에서 이에 대해 언급하지 않는다. 압전 액추에이터의 상단이, 도면에 도시되지 않은 방식으로 분사 장치 내에 고정되는 반면에, 압전 액추에이터의 하단은 그 힘과 운동이 마지막으로 분사구들을 개폐하기 위해서 사용되도록 쓰인다. 이를 위해 그 커플링을 위해서 유압 커플러(38)가 제공되며, 커플러는 압전 액추에이터에 커플링된 피스톤(39)과, 추가의 피스톤(40)을 포함한다. 본 적용예에서 일반적으로 커플러를 통해서, 피스톤(39)의 경로에 비해 추가 피스톤(40)의 경로를 확장(유압식으로 작용하는 피스톤면들의 적절한 선택에 의해)하는 것이 요구된다. 유압 커플러의 구성과 작용은 이하에서 계속 설명된다.
압전 액추에이터와 직접 연결되지 않은, 유압 커플러의 피스톤(40)이 제어 밸브(41)(또는 배출밸브)를 개방시키면, 연료로 충전된 제어 챔버(43) 내의 압력은 저하되며, 노즐 니들의 상단부가 제어 챔버에 결합된다. 제어 챔버(43)는 압력하에 공급 스로틀(47)를 통해 연료로 충전되고, 제어 밸브(41)의 개방 시에 연료가 제어챔버(43)로부터 배출 스로틀(49)를 통해 유출된다. 연료의 유출은 노즐 니들(11)이 개방 위치로 움직이도록 작용하는 힘에 의해 지지된다. 운동 가능한 밸브 부재(51) 는 제어 밸브(41)의 폐쇄 시에 밸브 시트(53)에 밀착 지지되어 있고 피스톤(40)과 함께 기계적으로 결합된다. 개방된 밸브 부재(51)에서 제어 챔버로부터 배출되는 제어량은 누설 채널(55)에 의해 배출된다. 폐쇄된 밸브 부재(51)에서 제어량은 제어 챔버로부터 레일 압력(라인(5) 내의 압력)으로 작동하고, 직경이 d3인 면에 압력이 작용한다.
피스톤(39 및 40)은 실시예에서 서로 평행하게 그리고 가공처리 기술상 유리하게 서로에 대해 내적으로 공통의 축으로 배치된다(일체식 커플러). 서로 결합되어 있는 방식은 이후 설명된다. 액추에이터가 하부로 표시된 방향으로 운동을 수행하는 경우, 피스톤(39) 내에서 피스톤의 운동을 나타내는 화살표가 표시되어 있다. 피스톤(39)이 화살표로 표시된 동작을 수행하는 경우, 이러한 피스톤의 운동을 나타내는 화살표가 피스톤(40)에 표시되어 있다. 유압 컨버터(38)에 의해 작동하게 되는 밸브의 운동 가능한 밸브 요소가 개방 또는 폐쇄를 위해 움직여야만 하는 방향으로 피스톤(40)의 화살표를 비교함으로써, 밸브들이 언급된 화살표의 도면에 표시된 방향으로 언급된 밸브의 개방과정에 또는 폐쇄과정에 해당하는지의 여부가 도면으로부터 직접 명백하게 드러난다.
운동 가능한 밸브 부재(51)는 실제로 원통형 연장부를 갖는 구 형태로 형성된다. 특히 밸브 부재는 폐쇄된 상태에서 구 형태의 부분으로 밸브 시트(53) 상에 접한다. 밸브 부재는 원통형 연장부에 의해 안내되는 압력 스프링(54)에 의해 밸브 시트(53)의 방향으로 인장된다. 밸브 부재는 차단 위치에서 "외부" 쪽으로, 즉 제어 챔버(43) 내에서 고압으로부터 저압의 영역으로(누출 압력)의 방향으로 움직인 다. 따라서 이러한 경우 배출 밸브는 A-밸브로 표시된다. 밸브 시트(53)를 향한 밸브 부재(51)의 측면은 작동 부재와 고정적으로 결합되고, 작동 부재는 유압 커플러와 연결된다. 피스톤(37)과의 결합은 특별히 빠른 폐쇄에 대해 유리하게 인장 고정적이다.
액추에이터(31)는 직경이 5d인 로드(61)를 통해 피스톤(39)과 연결된다. 피스톤(40)은 직영이 1d인 로드(63)를 통해 피스톤에 의해 움직이는 밸브와 연결된다. 외부 피스톤(39)은 면적인 f4인 원형 링 형태의 피스톤 면을 갖고, 내부 피스톤은 직경 d2를 갖는다(따라서 면의 면적은 0.25 ×π×d22). 유동 밸브 부재가 접해 있는 밸브 시트(53)의 내경은 d3이다.
피스톤의 슬라이딩 가이드에 사용되고 이를 통해 커플러 용적을 연료로 충전시키는 가이드 간극(65 및 67)은 외부 피스톤의 원통형 외부면의 영역에서(도시되지 않은 하우징의 반대편) 및 두 개의 피스톤의 반대 슬라이딩 가이드의 영역에서 형성된다.
위에서 언급한 직경 d1내지 d3 및 d5(원형의 단면)에 상응하는 면 f1 내지 f3 및 f5 또는 언급된 면 f4는 기능면에서 중요하다. 원형 단면은 제조하기에 적합하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
액추에이터의 반대편의 피스톤(39 및 40)의 단부 영역은 공동의 전환 챔버(72)에 결합된다. 피스톤의 또 다른 단부 영역은 충전 챔버(71-1)에 물리고, 충전 챔버는 라인(5)과 연결된다. 내부 피스톤(40)의 또 다른 단부 영역은 충전 챔버 (71-2) 쪽으로 나와 있고, 충전 챔버는 링 너트(71')를 통해 채널(71")을 통해 CR-압력을 갖는 피스톤(39) 내에 충전된다. 전환 챔버(72) 내에 로드(63)가 침입된다. 충전 챔버(71-1) 내에는 로드(61)가 침입된다. 피스톤(39 및 40)은 서로 반대로 작동하고 의도하는 경로-전환으로 인해 액추에이터로부터 제어 밸브까지 상이한 속도로 작동한다.
액추에이터(31, 압전 조절기)는 분사 밸브(9)의 폐쇄 상태에서 통전되고 연장된다. 제어 밸브(41)의 개방을 위해 액추에이터(31)에 대한 전류는 차단되고 액추에이터는 단축된다. 이로써, 피스톤(39)(제1 전환 피스톤)은 도면에서 상향 운동하고 스프링(75)에 의해 지원된다. 전환 챔버(72)에서 정지 상태에서 CR-압력(=압력 어큐물레이터 또는 커먼레일)은 시스템 압력이다. 전환 챔버(72)에서 피스톤(39)이 상향 이동함으로서 압력은 하강한다. 이러한 압력 하강은 (제2 전환 피스톤의) 피스톤(40)을 하향 이동시켜 밸브(51)의 동일 방향 이동을 통해 A-밸브인 제어 밸브(41)를 개방시킨다. 밸브 부분(51)의 빠른 폐쇄를 위해, 밸브는 로드(63) 및 피스톤(40)과 고정 연결된다. 밸브 부분(51)은 전환 챔버(72) 내의 압력을 통해 비례적인 힘에 대해 d22 - d12로 폐쇄된다. 충전 챔버(71-2)는 커먼레일 압력으로 충전되고, 이를 통해 밸브 부분(51)의 시트 직경(d3)은 매우 크게 선택되는데, 이는 피스톤(40)이 이 면을 충전 챔버(71-2) 내에 있는 배면부를 이용하여 전반적으로 조정하기 때문이다. 이로써, 본 발명은, 분사 밸브의 매우 빠른 개폐를 위한, 커먼레일 압력 지원식 A-밸브 서보 인젝터를 바람직하게 제공하는 것이다.
본 발명의 중요한 특징은 제어 밸브와 직접 연결된 피스톤(40)의 (전환 챔버의 면에 대해 반대인) 배면부에 레일압이 인가된다는 것이며, 이 레일압은 제어 밸브의 작동을 지원하며 밸브 부분(51) 상으로 제어 챔버(43)으로부터의 압력의 차단 상태에서 반대로 작용한다.
충전 챔버(71-2) 내의 레일압으로 인해, d3는 전반적으로 힘 평형된다. 따라서, 종래 기술에 비해 액추에이터에 의해 공급되는 힘이 상당히 과잉되고 운동하는 밸브 부분의 가속에 제공된다. 이로써, 본 발명은 (힘에 있어서 부분적으로 평형되는) 부분 평형식 제어 밸브의 변형예를 제공하며, 밸브는 A-밸브이다. 밸브의 폐쇄를 위해 액추에이터로부터 공급되는 힘은 공지된 힘에 비해 작다. 그 대신에, 일 실시예에서는 공지된 더 큰 직경(d3)을 갖는 밸브(51)가 제공되며, 이는 분사 밸브의 빠른 개폐를 가능케하는데, 이는 흐름 증가 및 감소가 공지된 작은 A-밸브에서보다 크기 때문이다.
충전 챔버(71-2) 내의 압력 스프링(75)은 피스톤을 상호 가압하고 액추에이터에 대한 커플러 양호한 지지를 지원하고 밸브 부분(51)의 폐쇄된 밸브에서 밸브 시트(53)에 대한 지지를 지원한다.
본 발명은 고압 하의 연료가 고압 어큐물레이터로부터 공급되는 것이 아니라, 분사 밸브에 배열되고 충전 챔버에 연료를 공급하는 펌프(펌프-노즐-유닛, 유닛 인젝터)에 의해 공급되는 실시예를 제공한다.

Claims (1)

  1. 분사 밸브(9)와, 작동 시에 고압 연료를 분사 밸브(9)에 공급하는 라인(5)과, 상기 라인(5)과 연결된 분사 밸브의 제어 챔버(43) 내의 압력을 제어하는 제어 밸브(41)를 포함하는 연료 분사 장치로서, 상기 제어 밸브의 운동 가능한 밸브 부분(51)은 액추에이터(31)에 의해 유압 커플러(38)를 통해 작동 가능하며, 유압 커플러는 커플러의 커플러 용적과 함께 작용하는 2개의 피스톤(39, 40)을 포함하며, 운동 가능한 밸브 부분(51)의 시트(53)는 성긴 단면(f3)을 갖고, 고압 연료를 피스톤(39, 40)의 가이드 간극(65, 67)을 통해 커플러 용적의 충전을 위한 수단을 갖는 연료 분사 장치에 있어서,
    피스톤(39, 40)은 서로에 대해 내부적으로 배열되며, 액추에이터(31)로부터 먼 피스톤(39, 40)의 단부에는 전환 챔버(72)가 배열되며, 외측 피스톤(39)의 내부에는 충전 챔버(71-2)가 제공되며, 이 충전 챔버는 상기 라인(5)과 연결되고, 피스톤 면(f4)을 갖는 피스톤(39)은 단면(f5)을 갖는 로드(61)를 통해 액추에이터(31)와 기계적으로 연결되며, 피스톤 면(f2)을 갖는 다른 피스톤(40)은 피스톤 면(f2)에 비해 더 작은 단면(f2)을 갖는 로드(63)를 통해 제어 밸브(41)를 작동하며, 운동 가능한 밸브 부분(51)의 폐쇄 운동 방향은 제어 챔버(43)로부터 방출 유동하는 연료의 방향과 일치하며, 제어 밸브는 충전 챔버(71-2) 내의 다른 피스톤(40) 상으로 작용하는 압력으로 인해 적어도 부분적으로 힘 평형되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
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