KR20060070553A - 밸브 장치 특히, 내연 기관용 연료 분사 밸브 - Google Patents

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KR20060070553A
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티모 케겔
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Abstract

밸브 장치, 특히 내연 기관용 연료 분사 밸브는 밸브 요소를 포함한다. 밸브 요소의 절환 위치는 적어도 간접적으로 압전 액추에이터의 절환 상태에 따른다. 이 압전 액추에이터는 튜브 형태, 전체적으로는 원통 형태의 응력 장치(30)에 의해 가동되며, 이 응력 장치는 디스크 형태의 기본재로 제작되며, 서로 접하는 적어도 두 개의 종 방향 에지(42, 44)를 포함하며, 이를 통해 에지 영역에 종 방향 강성이 변경된다. 응력장치는 적어도 하나의 영역(52)을 포함하며, 상기 영역의 종 방향 강성은 인접한 영역(32)의 종방향 강성과 상이하며 상기 영역은, 서로 접하는 종 방향 에지(42, 44)에 대해 상대적으로, 변경된 종 방향 강성을 통해 서로 접한 종 방향 에지(42, 44) 영역에서 생성되어 압전 액추에이터(20) 상으로 작용하는 굽힘 모멘트(M)가 감소되도록 배열되는 것이 제안된다.
연료 분사 장치, 밸브 장치, 압전 액추에이터, 응력 장치, 튜브 스프링

Description

밸브 장치 특히, 내연 기관용 연료 분사 밸브 {VALVE MECHANISM, ESPECIALLY FUEL INJECTION VALVE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 밸브 장치, 특히 내연 기관용 연료 분사 밸브에 관한 것이며, 그 절환 위치가 적어도 간접적으로 압전 액추에이터의 절환 상태에 따르는 밸브 요소를 가지며, 압전 액추에이터는 튜브 형태, 전체적으로는 원통 형태의 응력 장치에 의해 가동되며, 이 응력 장치는 디스크 형태의 기본재로 제작되며, 서로 접하는 적어도 두 개의 종 방향 에지를 포함한다.
도입부에서 언급한 유형의 밸브 장치는 시장에 알려져 있다. 이러한 밸브 장치는 연료 직접 분사식 내연 기관용 연료 분사 밸브에 적용된다. 이러한 유형의 연료 분사 밸브는 연료가 고압 상태로 제공되는 연료-복합관("Rail")에 연결된다. 연료 분사 밸브는 연료를 각각의 배열된 연소실로 직접 분사한다. 분사될 수 있도록 압전 액추에이터가 작동된다. 이 압전 액추에이터는 연료 분사 밸브에 대한 밸브 요소의 절환 위치에 직접 작동하거나, 또는 연료 분사 밸브의 유압 제어실의 압력에 작용할 수 있는 2차 밸브를 제어한다. 유압 제어실의 압력은 밸브 요소들의 절환 위치에 영향을 준다.
압전 액추에이터의 사용은 도입부에 언급한 밸브 장치의 경우 매우 짧은 전 화 시간을 통해 입증된다. 이러한 짧은 절환 시간은 연소실 내로 원하는 연료의 매우 정확한 투입을 가능케 한다. 특히 압전 액추에이터는 기계 역학적으로 매우 민감하다. 제어를 통해 발생하는 길이 변화의 경우에, 압전 액추에이터가 스스로 손상되거나 또는 완전 파손되는 것을 방지하기 위해, 압전 액추에이터는 처음부터 압력이 가해진다. 통상적으로 이러한 것들은 튜브 스프링을 통해 발생한다. 이러한 튜브 스프링은 "백금"으로도 표시되는 디스크 형태의 기본재로 제작된다. 최종 상태에 서로 접하는 종 방향 에지는 서로 용접된다. 그러나 이는 낭비적이며, 비싸며 그리고 이러한 방식의 용접 결합의 수명은 제한된다. 따라서 바람직하게는 디스크 형태의 기본재의 종 방향 에지가 서로 무디게 접하지만, 서로 힘 결합식으로 연결되지 않는 상기 튜브 스프링이 사용된다.
본 발명은 도입부에 언급된 유형의 밸브 장치가 가능한 한 긴 수명을 갖도록 개선하는데 그 목적이 있다.
도입부에 언급한 유형의 밸브 장치에서 이러한 목적은, 응력 장치는 적어도 하나의 영역을 포함하며, 상기 영역의 종 방향 강성은 인접한 영역의 종 방향 강성과 상이하며, 상기 영역은, 서로 접하는 종 방향 에지에 대해 상대적으로, 변화된 종 방향 강성을 통해 서로 접한 종 방향 에지 영역에서 생성되어 압전 액추에이터 상으로 작용하는 굽힘 모멘트가 감소되도록 배열함으로써 해결된다.
본 발명에 따르면, 디스크 형태의 기본재의 종 방향 에지들이 서로 접하는 위치에서 튜브 형태의 응력 장치의 종 방향 강성이 인접한 영역의 종 방향 강성과 상이하다는 것을 알 수 있다. 이는, 튜브 스프링이 부하가 걸린 상태로 주연부를 통해 압전 액추에이터를 상이한 힘으로 작용하도록 유도한다. 이러한 방식으로, 압전 액추에이터에 굽힘 모멘트가 작용하며, 이는 불리한 경우에 압전 전동자를 손상 또는 심지어는 파손시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 밸브 장치에서 압전 액추에이터에 대한 이러한 굽힘 모멘트의 발생은 뚜렷하게 감소 되거나 또는 완전 배제된다. 이는 먼저 응력 장치가 추가적인 영역을 포함하는 것을 통해 나타나며, 이 영역의 종 방향 강성은 인접한 영역의 종 방향 강성과 다르며, 서로 접하는 종 방향 에지의 영역내의 종 방향 강성도 바람직하게는 동일 형태인 튜브 스프링에 대한 인접한 부분의 종 방향 강성과 다르다. 이러한 추가적으로 변화된 영역은, 이 영역을 통해 발생되는 굽힘 모멘트가 서로 접한 종 방향 에지를 통해 생성되며, 적어도 부분적으로 보상되도록 배열된다.
서로 접하는 종 방향 에지 영역에 필연적으로 변화되는 튜브 스프링의 종 방향 강성에도 불구하고, 압전 액추에이터의 수명과 전체 밸브 장치의 수명을 위해 최적이 되도록 굽힘 모멘트가 없는 또는 적어도 굽힘 모멘트가 적은 응력이 압전 액추에이터에 가해진다.
본 발명의 바람직한 개선예들이 종속 청구항에 설명된다.
먼저, 서로 접하는 종 방향 에지는 힘 결합식으로 연결되지 않으며, 종 방향 에지는 서로 접하는 종 방향 에지에, 반경 방향으로 보면, 적어도 대략 대면하여 놓이며, 전체적으로 응력 장치의 종 방향으로 진행하는 리세스를 포함하는 것이 제안될 수 있다. 종 방향 에지가 힘 결합식으로 연결되지 않을 경우, 이러한 접합은 튜브 스프링의 종 방향 강성이 감소되는 "연약 부분"을 의미한다. 본 발명에 따르면, 리세스를 통해 추가적인 그리고 대면하여 놓인 연약 부분이 생성되며, 이 연약 부분은 접합 영역내에 생성되는 굽힘 모멘트를 보상한다. 이러한 튜브 스프링이 간단히 제작될 수 있기 때문에 본 장치는 저렴하다.
또한, 축 방향에서 보았을 때 서로 접하는 종 방향 에지의 길이가 응력 장치의 종 방향 연장부보다 작은 것이 제안된다. 이는 결국 서로 접하는 종 방향 에지의 영역에 리세스가 제공되며, 이는 이 영역의 응력 장치의 축 방향 강성이 반경 방향으로 대면하여 놓인 영역의 강성에 적응되도록 한다. 이를 통해 응력 장치의 축 방향 에지를 따른 힘 흐름의 대칭성이 중간축에 대하여 더 개선된다.
종 방향 에지는 응력 장치의 축 방향 에지의 영역에서만 서로 접하는 것이 가능하다. 이는 조립을 용이하게 하며, 한편으로는 압전 액추에이터에 대한 그리고 다른 한편으로는 상응하는 대응면에 대한 응력 장치의 일정한 접촉면을 제공하며, 부하 상태에서 응력 장치에 대한 에지의 바람직하지 못한 오프셋을 방지한다.
그러나 종 방향 에지가 응력 장치의 축방향 에지 영역에서만 서로 접하는 것도 가능하다. 이는 본 발명에 따른 응력 장치의 제작을 간소하게 한다.
선택적으로, 종 방향 에지가 응력 장치의 축방향의 중간 영역에서만 서로 접하는 것도 가능하다. 또한 이는 제작 기술적으로 쉽게 구현 가능하며 응력 장치가 축방향으로 대칭 형태를 취할 수 있도록 한다.
특히 바람직하게는 본 발명에 따른 연료-분사 장치의 다음과 같은 형태, 즉 분사 장치의 형태에 있어서, 응력 장치의 서로 접하는 종 방향 에지는 자신의 종 방향에 적어도 하나의 리세스를 통해 제한되며, 이 형태는 위치 및/또는 외형에 관련하여 반경 방향으로 대면하여 놓여있는 리세스와 유사하거나 동일하다. 이를 통해 중간축에 대한 응력 장치의 에지를 따른 힘 흐름의 거의 완전한 대칭이 이루어지며, 이로 인해 실제로 압전 액추에이터에 굽힘 모멘트가 유도되지 않는다.
본 발명에 따른 연료-분사 장치의 추가적인 바람직한 형태는 다음과 같이 구상된다. 즉, 응력 장치의 축방향 영역의 높이에서만, 종 방향 에지는 이 영역에서 서로 접하며, 응력 장치의 표면상에는 분포 배열된 개구가 존재하지 않는다. 이러한 유형의 개구는, 모양이 뼈 모양과 자주 일치하기 때문에, 가끔 "뼈"로 표시되며, 표면의 파상 형성됨 없이 튜브 형태의 응력 장치에 대한 축방향 변형이 가능하게 한다. 본 발명에 따른 조치를 통해, 응력 장치의 중간축에 대해 완전 대칭 형태가 가능한 개구가 마련되는 응력 장치가 제공되어, 밸브 장치의 작동시 단지 무시할 수 있거나 전혀 존재하지 않는 응력 장치의 굽힘 모멘트가 압전 액추에이터에 전달된다.
본 발명에 따른 밸브 장치의 특히 저렴한 제작은, 응력 장치의 리세스들이 디스크 형태의 기본재로 천공 절단되는 것을 통해 가능하다.
다음에서 특히 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조로 더 자세히 설명된다.
도1은 절환 밸브를 갖는, 응력 장치와 연결되는 압전 액추에이터를 갖는, 연 료 분사 밸브의 개괄도 및 매우 간략화된 도면이다.
도2는 도1의 응력 장치에 대한 제1 실시예의 사시도이다.
도3은 응력 장치인 도2의 전개도이다.
도4는 도2와 유사한 제2 실시예에 대한 도면이다.
도5는 도3과 유사한 도4의 실시예에 대한 도면이다.
도6은 도2와 유사한 제3 실시예에 대한 도면이다.
도7은 도3과 유사한 도6의 실시예에 대한 도면이다.
연료 분사 밸브는 도1에 전체적으로 도면 부호 10을 갖는다. 연료 분사 밸브를 통해 연료는 내연 기관의 연소실(도시되지 않음)내로 직접 분사된다. 연료 분사 밸브(10)는 연료 배출구(12)를 갖는다. 연료 분사 밸브(10) 내측에는 도1에서 볼 수 없는 밸브 요소가 구비되며, 이 밸브 요소를 통해 연료 배출구(12)는 고압 결합부(14)와 연결되거나 또는 고압 결합부로부터 분리될 수 있다. 연료 분사 밸브(10)의 고압 결합부(14)는 연료-복합관(도시되지 않음)과 연결되며, 이 연료-복합관은 일반적으로 "레일(Rail)"로도 표시된다.
연료 분사 밸브(10)의 밸브 요소의 절환 위치는 유압식으로 조절된다. 제어실(도시되지 않음)이 절환 밸브(16)를 통해 저압 결합부(18)와 연결될 수 있거나 또는 이 저압 밸브로부터 분리될 수 있다. 이러한 "행정 제어식" 연료 분사 밸브(10)의 작동 원리는 예를 들어, 독일 특허 공보 제101 22 256 A1 호에서 알 수 있다.
절환 밸브(16)는 전기 제어 장치(22)와 연결된 압전 액추에이터(20)를 포함한다. 제어 장치(22)를 통해 압전 액추에이터(20)에 전압이 인가될 수 있으며, 이로 인해 압전 액추에이터의 충전 상태가 변경된다. 이를 통해 압전 액추에이터(20)는 팽창하거나 또는 다시 수축하며, 이를 통해 절환 밸브(16)가 한편으로는 폐쇄된 절환 위치(24)에 또는 다른 한편으로는 개방된 절환 위치(26)에 있도록 작용한다.
압전 액추에이터(20)는 기계 역학적으로 매우 민감하다. 이로 인해 압전 액추에이터가 신속한 길이 변화의 경우 손상되지 않으며, 일정한 압력으로 연결된다. 또한 압전 액추에이터(20)와 고정된 대응면(28) 사이에는 튜브 형태, 전체적으로는 원통 형태의 응력 장치(30)가 인장된다. 이러한 응력 장치(30)의 제1 실시예는 도2 및 도3을 통해 더 상세히 설명된다.
도2에 도시된 바와같이, 응력 장치(30)는 전체적으로 원통 형태의 튜브 스프링이다. 이 응력 장치는 커버면(32), 및 도2의 상부 에지(34) 및 도2의 하부 에지(36)를 포함한다. 다음에 사용된 표기 "상" 및 "하" 는 항상 도면과 관련된다. 물론, 응력 장치(30)는 실제로 다르게 조립될 수 있다.
응력 장치(30)의 상부 에지(34)는 대응면(28)에 지지되고, 하부 에지(36)는 압전 액추에이터(20)에 지지된다. 특히 도3의 전개도에 도시된 바와같이, 응력 장치(30)는 디스크 형태의 기본재(38)로 제조된다. 우선, 전체 면(32)에 분포 배열된 개구(40)는 천공된다. 이러한 개구는 축 방향에서 보면 서로에 대해 오프셋되어 배열된다. 전체 면(32)이 이러한 개구(40)로 구성되지만, 도2 및 도3에는 몇 개의 개구(40)만 간략하게 도시된다. 개구(40)는 원형, 계란형 또는 타원 형태를 포함할 수 있으며, 도3에 도면 부호(40b)로 표시된 것처럼, 소위 "뼈" 형태로도 형성될 수 있다.
디스크 형태의 기본재(38)는 도3에서 좌측 에지(42) 및 우측 에지(44)를 포함한다. 두 에지(42, 44)에서 리세스(46a),(46b)가 천공 절단된다(점선 참조). 이 선은 하부 에지(36)로부터 작은 간격으로 시작하며, 상부 에지(34)로부터 작은 간격으로 종결된다. 이로써 상부 에지(34) 영역 내에는 측면으로 돌출된 웨브(48a),(48b)가 존재하며, 하부 에지(36) 영역 내에도 측면으로 돌출된 웨브(50a), (50b)가 존재한다. 측면의 에지(42),(44) 사이의 중간에는 슬릿 형태의 리세스(52)가 천공 절단되며, 이 리세스는 두 개의 리세스(46a),(46b)와 같은 높이를 가지며, 두 개의 리세스(46a),(46b) 보다 두 배의 폭을 갖는다. 디스크 형태의 기본재(38)는 측면에 돌출된 웨브(48a),(48b) 또는 웨브(50a),(50b)가 각각 접합 부분(53)에 접할 때까지 말리거나 또는 굽혀진다. 도2에 도시된 튜브 스프링(30)이 생성된다. 웨브(48a, 48b) 및 웨브(50a, 50b)사이에 그리고 두 개의 리세스(46a), (46b) 사이에 형성된 리세스는 리세스(52)와 같은 높이 및 폭을 갖는다. 서로 접하는 웨브(48a), (48b) 또는 웨브(50a),(50b)는 서로 용접되지 않고, 서로 힘 결합식이 아니며, 서로 에지없이 접합된다. 접합 부분(53)의 전체 길이(l)는 튜브 스프링(30)의 길이(L)보다 현저히 작다(도3 참조).
웨브(48a),(48b) 또는 웨브(50a),(50b) 사이의 접합 부분(53) 영역에서 튜브 스프링(30)의 강성은 인접한 커버면(32)과 대면하는 종 방향(54)으로 약화된다. 이에 상응하여, 이 위치에서 튜브 스프링(30)으로부터 종 방향(54)으로 압전 엑추에이터(20) 상으로 전달 가능한 압력의 뚜렷한 감소가 나타난다. 종 방향(54)으로 작용하는 압력의 흐름은 도2에 일점 쇄선을 통해 명시된다. 그러나 리세스(46)에 대해 반경 방향으로 정확히 대면하여 놓이는 동일한 리세스(52)가 존재하므로서, 이 영역에는, 인접하는 영역에 대면하는 압력(56)이 상응하게 감소한다. 이로써 압력 흐름(56)은 전체적으로 튜브 스프링(30)의 종축(54)에 대해 실제 대칭이며, 이로 인해 종축(54)에 대해 횡으로 연장되는 축(58)에 접하는 굽힘 모멘트(M)는 단지 소멸될 정도로 작다. 따라서 튜브 스프링(30)을 통해 압전 액추에이터(20) 상에는, 단지 매우 작은 굽힘 모멘트(M)가 작용하며, 이는 압전 액추에이터의 수명에 유리하다.
튜브 스프링(30)의 변형된 실시예는 도4 및 도5에 도시된다. 도2 및 도3과 관련되어 이미 설명된 요소 및 영역과 동일한 기능을 포함하는 그러한 요소 및 영역은 동일한 도면 부호를 갖는다. 이들은 더 이상 자세히 설명되지 않는다. 또한 개관성의 이유로 모든 도면 부호는 기입되지 않는다.
도4 및 도5에 도시된 튜브 스프링(30)의 근본적인 차이는 도2 및 도3과 비교하면, 상부 에지(34) 영역에는 측면으로 돌출된 웨브가 존재하지 않는다는 사실이다. 또한 리세스(52)는 상부 에지(34)까지 연장된다. 접합 부분(53) 영역의 튜브 스프링(30)의 강성 차이는 반경 방향으로 대면하여 놓인 영역에 비하여 더 감소된다. 형성되는 굽힘 모멘트(M)는 이로 인해 더 작다.
튜브 스프링(30)의 또 다른 변형예는 도6 및 도7에 도시된다. 상술된 실시 예와 관련되어 이미 설명된 요소 및 영역과 동일한 기능을 포함하고 동일한 도면 부호를 갖는, 자세하게 다시 설명되지 않는 이러한 요소 및 영역은 여기서도 또한 유효하다.
도면에 도시된 튜브 스프링(30)의 경우 측면으로 돌출된 웨브(50a) 및 웨브(50b)는 디스크 형태의 기본재(38)의 축 방향 중간에 그리고 이를 통해 튜브 스프링(30)의 축 방향 중간에 배열된다. 이 때문에 웨브(50a),(50b)의 상부에는, 상부 리세스(46ao),(46bo)가 존재하며, 이에 반해 웨브(50a),(50b)의 하부에 존재하는 리세스는 도면 부호(46au),(46bu)를 갖는다. 또한 중간 리세스(52)는 두 개로 나누어 지며 하부 에지(36)로부터 연장된 리세스(52u) 및 상부 에지(34)로부터 연장된 리세스(52o)를 포함한다.
도7에는, 축방향에서 보았을 경우 정확하게 측면으로 돌출된 웨브(50a) 및 웨브(50b)의 높이를 포함하는 절반 높이에 놓인 영역(60)은 다시 중간 리세스(52o) 및 리세스(52u) 사이의 간격과 일치하며, 해치되어 도시된다. 이 영역에는 개구(40)가 존재하지 않는다. 이것은 주연 방향으로 튜브 스프링(30) 강성의 또 다른 균일화를 초래한다.
상술된 실시예에서 튜브 스프링(30)은 반경 방향으로 대면하여 놓인 두 개의 리세스(46),(52)를 포함한다. 그러나 기본적으로, 서로 접하는 종 방향 에지(42),(44)를 통해 생성되는 굽힘 모멘트가 감소 되도록, 리세스가 튜브 스프링의 주연부 상에 분포 배열될 경우 각각 임의의 수의 리세스도 가능하다.

Claims (9)

  1. 밸브 장치 특히, 내연 기관용 연료 분사 밸브로서, 그 절환 위치가 적어도 간접적으로 압전 액추에이터(20)의 절환 상태에 따르는 밸브 요소를 가지며, 압전 액추에이터는 튜브 형태이며 전체적으로 원통 형태인 응력 장치(30)에 의해 가동되며, 응력 장치는 디스크 형태의 기본재(38)로 제작되며 적어도 두 개의 서로 접하는 종 방향 에지(42, 44)를 포함하므로, 상기 영역에서 종 방향 강성이 변경되는 밸브 장치에 있어서,
    응력 장치(30)는 적어도 하나의 영역(52)을 포함하며, 상기 영역의 종 방향 강성은 인접한 영역(32)의 종방향 강성과 상이하며, 상기 영역은, 서로 접하는 종 방향 에지(42, 44)에 대해 상대적으로, 변화된 종 방향 강성을 통해 서로 접한 종 방향 에지(42, 44) 영역에서 생성되어 압전 액추에이터(20) 상으로 작용하는 굽힘 모멘트(M)가 감소되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  2. 제1항에 있어서, 서로 접하는 종 방향 에지(42, 44)는 힘 결합식으로 연결되지 않으며, 서로 접한 종 방향 에지(42, 44)의 하나는 반경 방향에서 보았을 경우, 적어도 대략 대면하여 놓여 있으며 전체적으로 인장 장치의 종 방향(54)으로 연장되는 리세스(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  3. 제2항에 있어서, 응력 장치(30)의 서로 접하는 종 방향 에지(42, 44)의 길이 (l)는, 축방향에서 보았을 때 응력 장치(30)의 전체-길이 방향 연장부(L)보다 작은 것을 특징으로 하는 연료-분사 장치.
  4. 제3항에 있어서, 응력 장치의 종 방향 에지(42, 44)는 단지 응력 장치(30)의 축방향 에지(34, 46) 영역에서만 서로 접하는 것을 특징으로 하는 연료-분사 장치.
  5. 제3항에 있어서, 응력 장치(30)의 종 방향 에지(42, 44)는 단지 응력 장치(30)의 축방향 에지(36) 영역에서만 서로 접하는 것을 특징으로 하는 연료-분사장치.
  6. 제3항에 있어서, 응력 장치(30)의 종 방향 에지(42, 44)는 단지 응력 장치(30)의 축방향 중간 영역에서만 서로 접하는 것을 특징으로 하는 연료-분사 장치.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 응력 장치(30)의 서로 접하는 종 방향 에지(42, 44)는 종 방향으로, 위치 및/또는 기하학적으로, 반경 방향에 대해 대면하여 놓인 리세스(52)와 유사하거나 또는 동일한 적어도 하나의 리세스(46)를 통해 제한되는 것을 특징으로 하는 연료-분사 장치.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 종 방향 에지(42, 44)가 서로 접하는 단지 응력 장치(30)의 그러한 축방향 영역(60)의 높이에서만, 분포 배열된 개 구(40)가 응력 장치(30)의 표면(32) 상에는 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 연료-분사 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 응력 장치(30)의 리세스 또는 리세스들(46, 52)은 디스크 형태의 기본재(38)로 천공 절단되는 것을 특징으로 하는 연료-분사 장치.
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