KR20080095167A

KR20080095167A - 내연기관용, 평형 미터링 서보 밸브를 가진 연료 분사기

Info

Publication number: KR20080095167A
Application number: KR1020080010158A
Authority: KR
Inventors: 리코 마리오; 리코 라파엘레; 가비나 안토니오; 가르가노 마셀로; 스터치 세르지오; 드 미셀 오노프리오
Original assignee: 씨.알.에프. 쏘시에타 컨서틸 퍼 아지오니
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2008-10-28
Also published as: KR100957199B1; CN101294530A; US20080257989A1; US7954787B2; CN101294530B; JP4643663B2; JP2008267379A; ATE523683T1; EP1985840A1; EP1985840B1

Abstract

분사기(1)는 노즐의 개폐를 위한 로드(10)를 제어하는 평형 미터링 서보 밸브(5)를 포함한다. 서보 밸브(5)는 관부(8)에 의해 방사상의 경계가 정해지고 축 방향으로 이동가능한 셔터(47)에 의해 개폐되는 출구 통로(42)에 꼭 맞는 제어 챔버(26)를 가지는 밸브 몸체(7)를 가진다. 밸브 몸체(7)는 또한 출구 채널(42)과 연결되는 측면(39)이 제공된 축 스템(38)과 일체이다. 셔터(47)는 축 방향으로 미끄러지는 방법으로 스템(38)에 연결되어 있고, 셔터가 출구 채널(42)을 폐쇄할 때 축 방향의 압력이 0이 되게 한다. 출구 통로(42)는 셔터(47)에서 떨어지고 제어 챔버(26)의 바닥벽(27)에 인접한 계산된 부분(53)을 가진다. 계산된 부분(53)은 출구 통로(42)의 축부(43)에 대응하여 밸브 몸체(7)에 고정된 요소(54)에 수반된다.

Description

내연기관용, 평형 미터링 서보 밸브를 가진 연료 분사기{FUEL INJECTOR WITH BALANCED METERING SERVOVALVE, FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관용, 평형 미터링 서보 밸브(balanced metering servovalve)를 가진 연료 분사기에 관한 것으로, 서보 밸브는 분사 노즐(injection nozzle)의 개폐를 위한 제어 로드를 제어한다.

보통, 미터링 서보 밸브는 계산된(calibrated), 가압된(pressurized) 연료 입구 홀(fuel inlet hole)을 가지는 제어 챔버를 포함한다. 제어 챔버는 한쪽은 제어 로드의 말단벽에 의해, 다른 한쪽은 출구 홀 또는 배출 홀에 설치된, 챔버의 벽에 의해 축 방향의 경계가 정해진다. 이 출구 홀은 계산된 단면(calibrated section)을 가지며 미리 결정된 변화도(gradient)로 제어 챔버의 압력을 변화시키기 위해 셔터(shutter)에 의해 개폐된다. 특히, 셔터는 엑츄에이터의 작동 및 스프링의 축 방향의 추력(thrust) 하에 축 방향으로 이동할 수 있다.

셔터가 폐쇄 위치에서 실질적으로 축 방향의 압력이 0이 되도록 하고, 스프링의 선부하(preloading) 및 엑츄에이터의 힘 모두 감소시킬 수 있는, 평형형 미터링 서보 밸브(balanced-type metering servovalve)를 가지는 분사기는 이미 알려져 있다. 평형형 미터링 서보 밸브를 가지는 종래 분사기에서, 밸브의 몸체는 계산된 단면(calibrated section)을 가지는 출구 홀을 수반하는 중간 요소(intermediate element)를 통해 엑츄에이터 앵커(actuator anchor)를 위한 축 가이드(axial guide)를 포함하는 다른 몸체와 결합하며, 중간 요소는 상기 다른 몸체에 수반되는 배출 통로와 연통한다. 배출 통로는 축부(axial segment) 및 가이드의 측면에 통로를 형성한 방사부(radial segment)를 포함한다. 특히, 셔터는 앵커와 일체인 슬리브에 의해 형성되며 또한 누유가 일어나지 않도록(in a fluid-tight manner) 축 가이드와 결합하고 있어서, 개폐 이동 한계점(the end of opening and closing travel)에서 셔터가 튀는 현상 없이, 큰 연료 통로 단면을 얻을 수 있다.

셔터의 압력 밸런싱(balancing)의 측면에서 만족스럽지만, 이 서보 밸브는 제어 챔버의 경계를 정하고 앵커를 가이드하기 위해 세 가지의 다른 부품을 필요로 하는 단점이 있다. 이런 세 가지 부품의 많은 결합 및 분사기 내의 높은 연료 압력의 유체 상태 때문에 계획된 것에 대해 분사 노즐의 개폐 작동에서 변화가 일어날 수 있다.

또한 밸브 몸체가 셔터 가이드 스템을 가지는 단일 구성요소로 되어 있고 축부와 방사부를 포함하는 출구 통로를 수반하는 분사기도 이미 알려져 있다. 서보 밸브가 여전히 "평형" 형인 이 분사기는 정확하게 계산된 단면(calibrated section)을 가지며 셔터에 의해 개폐된다.

출구 통로의 축부가 제어 챔버의 부피를 증가시키기 때문에 이 분사기는 단점을 가진다. 서보 밸브로부터 만족스러운 반응성을 얻기 위해서는, 축부의 지름을 감소해야 한다. 축부는 항상 지름에 비해 매우 긴 길이를 가지기 때문에, 방사부의 홀에 도달하기 전에 파괴될 높은 가능성으로 인해, 이를 형성하는데 필요한 드릴 비트(drill bit)는 구부러지는 경향이 있고, 이는 지름을 감소시키는 것이 어려운 이유이다.

게다가, 축부의 지름을 가능한 작게 해야 하기 때문에, 밸브 몸체의 제조 동안에 예를 들면, 기계 가공 칩(machining chips) 등과 같은, 고체 파티클이 채널의 축부의 블라인드 부분 안에 남아 있을 수 있다. 방사상의 계산된 제한부(radial calibrated restriction)의 치수보다 작은 치수를 가지는 이런 고체 파티클이 그것을 막을 수 있고, 이는 분사기의 정확한 작동에 위험을 일으킨다. 예를 들면 고압의 액체로 워싱 작업(washing operation)을 한다고 해도 이런 고체 파티클을 충분하게 제거할 수 없다.

채널 또는 제한부의 계산된 단면부(calibrated section segment)가 방사상이기 때문에, 이는 원통형 표면으로 연결되어야 하며 안에서 축부와 일치해야 한다. 따라서 밸브 몸체를 제조하는 것은 어렵고 정확하지 않고 불량률이 높다. 어떤 경우에, 계산된 단면부(calibrated section segment)에 가까운 유류 방향이 변하기 때문에, 출구에서 연료 흐름에 교란이 발생하며, 이는 반응성을 감소시킨다.

마지막으로, 셔터가 열릴 때 계산된 제한부(calibrated restriction)에 대응하여 이루어진 높은 압력 변화도 때문에, 같은 계산된 제한부(calibrated restriction)의 다운스트림에 인접하여 증기가 생성된다. 이 계산된 제한부(calibrated restriction)가 밸브 몸체에서 셔터의 실링면에 가깝게 위치하기 때 문에, 실링 시트(sealing seat)를 손상시키는 캐비테이션 현상(cavitation phenomena)이 발생할 수 있다. 어떤 경우에는, 캐비테이션 영역에 액상의 연료가 없으면 어떤 형태의 습기(damping)도 없이 셔터와 그 시트 사이가 접하게 된다. 두 현상 모두 서보 밸브의 수명을 상당히 단축하는 침식(erosion)을 유발한다.

본 발명의 목적은 내용기관용 평형 서보 밸브를 가지는 연료 분사기를 구체화하는 것으로, 이는 간단하고 경제적인 방법으로 상기에서 언급한 단점을 제거하면서, 높은 서보 밸브의 반응성을 이루게 한다.

또한 본 발명의 목적은 청구항 1에서 정의하는, 내연기관용 평형 미터링 서보 밸브를 가지는 연료 분사기에 의해 성취될 것이다.

서보 밸브(5)가 분사 노즐의 개폐를 위해 축 공동부(6)를 따라 이동할 수 있는 제어 로드(10)를 제어하고,

상기 서보 밸브(5)는 상기 제어 로드(10)에 의해 축 방향의 경계가 정해지고 밸브 몸체(7)의 관부(8)에 의해 방사상의 경계가 정해지는 제어 챔버(26)를 포함하는 상기 밸브 몸체(7)를 포함하며,

상기 제어 챔버(26)는 연료를 위한 계산된 입구(29) 및 계산된 부분(53)을 포함하는 출구 통로(42)를 가지고,

상기 밸브 몸체(7)는 전자석-엑츄에이터(15)에 의해 제어되는 슬리브(18)에 수반된 셔터(47)를 위한 축 가이드 스템(38)과 일체이며,

상기 출구 통로(42)는 상기 스템(38)의 측면(39)에 통로가 형성된 방사부(44, 59, 67)를 적어도 하나 포함하고,

상기 슬리브(18)는 상기 제어 로드(10)의 축 방향의 움직임을 제어하기 위해 서 상기 방사부(44, 59, 67)의 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 축 방향으로 미끄러지도록 상기 스템(38)과 누유되지 않도록 결합하며,

상기 계산된 부분(53)은 상기 셔터(47)에서 떨어져서 상기 출구 통로(42)에 배열되는 내연기관용 평형형 미터링 서보 밸브를 가지는 연료 분사기(1)를 제공한다.

본 발명에 의하면 간단하고 경제적인 방법으로 종래 연료 분사기의 단점을 제거하면서, 높은 서보 밸브의 반응성을 이루는 내용기관용 평형 서보 밸브를 가지는 연료 분사기를 얻을 수 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 첨부된 도면을 참조하여, 제한적이지 않는 몇 가지 바람직한 실시예를 기재할 것이다.

도 1에서, 도면 부호 1은 전체로서 내연기관용, 특히 디젤 사이클을 가지는 내연기관용 연료 분사기(일부 도시)를 지시한다. 분사기(1)는 보통 "분사기 몸체(injector body)"로 알려진, 중공의 몸체 또는 케이싱(2)을 포함하며, 이는 세로 축(longitudinal axis; 3)을 따라 연장하고, 예를 들어 약 1800bar의 압력으로, 고압 연료 공급 라인에 연결되기에 적당한 측면 입구(lateral inlet; 4)를 가진다. 케이싱(2)은 채널(4a)을 통해 입구(4)와 연통하고 관련 엔진 실린더 안으로 연료를 분사할 수 있는, 분사 노즐(injection nozzle; 미도시)을 말단에 구비하고 있다.

케이싱(2)은 도면 부호 7로 지시된, 밸브 몸체를 포함하는, 미터링 서보 밸 브(5)를 수용하는 축 공동부(axial cavity; 6)를 형성한다. 밸브 몸체(7)는 분사 제어 로드(10)가 축 방향으로 미끄러질 수 있는, 축 홀(axial hole; 9)을 형성한 관부(tubular portion; 8)를 가지는 단일 구성요소이며, 이는 가압된 연료에 대항하여 봉인된다. 관부(8)는 센터링 볼록부(centring ridge; 12)가 돌출하고 몸체(2)의 내면(13)과 결합하는 원통형의 외부면(11)을 가진다. 로드(10)는 알려진 방법으로 분사 노즐을 개폐하는 셔터 니들(shutter needle; 미도시)을 제어하기 위해 홀(9)에서 축 방향으로 이동할 수 있다.

케이싱(2)은 공동부(6)와 동축 상에 있으며 엑츄에이터(15)를 수용하는 또 다른 공동부(14)를 형성한다. 상기 엑츄에이터는 축 슬리브(axial sleeve;18)와 일체인 톱니모양의 디스형 앵커(notched-disk anchor; 17)를 조정할 수 있는 전자석(electromagnet; 16)을 포함한다. 특히, 전자석(16)은 축(3)과 수직이고, 서포트(support; 21)에 의해 제자리에 고정되는 앵커(17)용 정지면(stop surface; 20)을 가지는 마그네틱 코어(magnetic core; 19)를 포함한다.

엑츄에이터(15)는 코일 압축 스프링(coil compression spring; 23)을 수용하는 축 공동부(22)를 가지며, 압축 스프링은 미리 압축되어(pre-loaded) 전자석(16)의 흡인력과 반대 방향으로 앵커(17)를 가압한다. 특히, 스프링(23)은 서포트(21)의 내부 숄더에 대항하여 위치하는 한 말단과 워셔(washer; 24)를 통해 앵커(17)에 작용하는 다른 말단을 가진다.

밸브 몸체(7)는 관부(8)의 홀(9)의 축면에 의해 방사상으로 그리고 로드(10)의 말단면(25) 및 홀(9)의 바닥면(27)에 의해 축 방향으로 경계가 정해진 부피를 가지는 미터링 제어 챔버(metering control chamber; 26)를 포함한다. 제어 챔버(26)는 가압된 연료를 받기 위해 관부(8)에 형성된 입구 채널(inlet channel; 28)을 통해 입구(4)와 항상 연통되어 있다. 채널(28)에는 바닥벽(27) 근처에서 제어 챔버(26)로 연결되는 계산된 부분(calibrated segment; 29)이 제공된다. 그리고 말단면(25)은 유용하게 원뿔대 모양(truncated-cone shape)을 가진다. 반면에, 입구 채널(28)은 외부로, 즉 공동부(6)의 내면에서 관부(8)의 표면(11)에 의해 그리고 환상 요부(annular groove; 31)에 의해 방사상의 경계가 정해지는 환상 챔버(annular chamber; 30)로 연결된다. 환상 챔버(30)는 한쪽은 돌출부(12)에 의해 다른 한쪽은 개스킷(31a)에 의해 축 방향의 경계가 정해진다. 결국, 몸체(2)에 형성되고 입구(4)와 연통된 채널(32)은 환상 챔버(30)와 연결된다.

이후로, 결합된 입구 및 결합된 출구 사이의 주어진 압력 차이로 미리 결정된 유체의 유량을 정확하게 정하기 위해, 홀, 채널, 통로, 부분 또는 제한부에 적용되는 용어 "계산된(calibrated)"은 매우 정확하게 형성된 지름 또는 단면 및 길이를 지시하는 것으로 의미된다. 특히, "계산된(calibrated)" 홀 또는 제한부로 미리 결정된 압력 차이가 업스트림 지점 및 다운스트림 지점 사이에서 적용될 때 그 지점을 통과하는 주어진 유체의 유량을 측정하는 "계산(calibrated)"을 정확하게 하게 한다.

밸브 몸체(7)는 또한 관부(8)와 일체이고 돌출부(12)에 대해 방사상으로 돌출하고 큰 지름의 공동부(6)의 부분(34)에 수용되는 외부 플랜지(external flange; 33)를 형성하는 중간 축 부분(intermediate axial portion)을 포함한다. 숄더(35) 에 대한 누유가 일어나지 않도록 실링하는 것(fluid-tight sealing)을 보장하기 위해, 플랜지(33)는 공동부(6) 안에서 나사산이 형성된 링 너트(36)가 부분(34)의 내부 나사산(37)에 조이고 나사 결합한 숄더(35)와 축 방향으로 접촉하도록 배열된다.

밸브 몸체(7)는 또한 앵커(17)를 위한 가이드 요소를 포함하며, 이는 플랜지(33)의 지름보다 훨씬 더 작은 지름을 가지는 스템(38)으로 구성된다. 스템(38)은 관부(8)와 반대 방향에서 축(3)을 따라, 즉 공동부(22)를 행해, 플랜지(33)를 넘어서 돌출한다. 스템(38)은 슬리브(18)의 축 방향으로의 미끄러짐을 가이드하는 측면 원통형 면(39)에 의해 외부의 경계가 정해진다. 특히, 슬리브(18)는 예를 들면 4 미크론(micron) 정도의 적절한 지름 유극과 연결(coupling with opportune diametral play)되거나, 또는 특정 실 요소(seal element)를 삽입하여, 실질적으로 누유가 방지되도록 스템(38)의 측면(39)에 연결된, 내부 실린더 표면(40)을 가진다.

제어 챔버(26)는 또한 연료 출구 또는 배출 통로를 가지며, 이는 전체로서 도면 부호 42로 지칭되고 밸브 몸체(7) 안에서 전체적으로 형성된다. 통로(42)는 축(3)을 따라 형성되고 일부는 플랜지(33)에 또 일부는 스템(38)에 있는 블라인드 축부(blind axial segment; 43)를 포함한다. 또한 통로(42)는 축부(43)와 연통된 적어도 하나의 방사부(radial segment; 44)를 포함한다. 도 1 및 2의 변형예에서, 스템(38)의 측면(40)에서 요부(groove)로서 형성된 환형 챔버(46)와 연결된 두 개의 방사부(44)가 제공될 수 있다.

환상 챔버(46)는 플랜지(33)에 인접한 축 위치에서 얻어지며 출구 통로(42)를 위한 셔터(47)가 형성된 슬리브(18)의 말단부에 의해 개폐된다. 셔터(47)는 플랜지(33)와 스템(38) 사이의 표면(49)에 연결된 원뿔대와 결합하는 원뿔대의 내면(48)을 말단으로 구비한다.

특히, 슬리브(18)는 전진 말단 멈춤 위치(advanced end stop position) 및 후퇴 말단 멈춤 위치(retracted end stop position) 사이에서 앵커(17)와 함께 스템(38)에서 미끄러질 수 있다. 전진 말단 멈춤 위치에서, 셔터(47)가 환상 챔버(46)를 또한 통로(42)의 방사부(44)의 출구를 폐쇄한다. 후퇴 말단 멈춤 위치에서, 방사부(44)가 제어 챔버(26), 출구 통로(42) 및 환상 챔버(46)에서 연료를 배출하도록 셔터(47)는 환상 챔버(46)를 개방한다.

슬리브(18)의 전진 말단 멈춤 위치는 중간 부분(33)과 스템(38) 사이의 원뿔대 연결 표면(truncated-cone connection surface; 49)을 치는 셔터(47)의 표면(48)에 의해 정해진다. 반면에, 슬리브(18)의 후퇴 말단 멈춤 위치는 비-자기 갭 시트(non-magnetic gap sheet; 51)를 삽입하여, 코어(19)의 표면(20)을 축 방향으로 치는 앵커(17)에 의해 결정된다. 후퇴 말단 멈춤 위치에서, 앵커(17)는 링-너트(36) 및 슬리브(18) 사이의 환상 통로, 앵커(17)의 톱니, 공동부(22), 그리고 서포트(21)의 개구부(52)를 통해, 분사기(미도시)의 배출 채널과 연통하도록 세팅되어 있는 환상 챔버(46)에 위치한다.

전자석(16)이 여기되면, 앵커(17)는 슬리브(18)와 함께 코어(19) 쪽으로 이동해서 셔터(47)가 환상 챔버(46)를 개방한다. 그러면 연료가 제어 챔버(26), 채 널(42) 및 환상 챔버(46)에서 배출된다. 이 방법으로, 제어 챔버(26)에서의 연료의 압력은 떨어지며, 이는 로드(10)가 위로 축 방향으로 이동시켜서 분사 노즐을 개방한다.

반면에, 전자석(16)이 여기되지 않음으로써, 스프링(23)은 셔터(47)와 함께 도 1의 전진 말단 멈춤 위치로 앵커(17)를 돌려보낸다. 이런 방법으로, 환상 챔버(46)가 다시 폐쇄되고, 채널(28)에서 들어온 가압된 연료는 제어 챔버(26)에서 고압으로 회복되어서 로드(10)가 다운스트림으로 되돌아오고 분사 노즐을 폐쇄한다. 전진 말단 멈춤 위치에서, 환상 챔버(46)에서의 압력이 슬리브(18)의 측면(39)에만 방사상으로 작용한다면, 연료는 슬리브(18)에서 실질적으로 축 방향의 합력이 0이 되도록 작용한다.

셔터(47)의 개방 및 폐쇄에 대해 제어 챔버(26)에서 압력의 변화 속도를 제어하기 위해서, 출구 통로(42)는 일반적으로 도면 부호 53으로 지시된, 제한부 또는 계산된 부분(calibrated segment)을 구비한다. 대개, 이 계산된 부분(53)은 150~300 미크론의 지름을 가진다. 반면에, 기술적 이유 때문에, 통로(42)의 축부(43)는 계산된 부분(53)의 지름의 적어도 5배의 지름을 가진다.

본 발명에 따르면, 미터링 서보 밸브(5)를 더 반응성이 좋게 하기 위해, 계산된 부분(53)은 환상 챔버(46) 및 셔터(47)에서 먼 출구 통로(42)에 그리고 홀(9)의 바닥벽(27)에 실질적으로 가깝게 배열된다. 이런 방법으로, 압력 변화률이 제어되어야 하는 연료의 부피가 상당히 감소할 것이며, 이는 바닥벽(27)과 로드(10)의 표면(25) 사이의 홀(9)의 부피에 의해 그리고 계산된 부분(53)의 업스트림 통 로(42)의 가능한 부분에 의해 표현된다.

반면에, 홀(9)의 상기 부피보다 훨씬 클 수 있는 계산된 부분(53)의 다운스트림 통로(42)의 연료 부피는 실질적으로 제어 챔버(26)에서 압력 변화에 영향을 미치지 않는다. 축부(43)는 계산된 부분(53)의 지름보다 적어도 8배 큰 지름을 가질 수 있다. 기술적 이유로, 계산된 부분(53)은 바람직하게 밸브 몸체(7)의 별개 요소에 배열되고 홀(9)의 바닥벽(27)에 대응하여 고정된다.

도 1 및 2의 변형예에 따르면, 계산된 부분(53)은 경질재(hard material)로 형성된 원통형의 부쉬(cylindrical bushing; 54)에 배열된다. 예를 들면, 전자 방출(electron discharge) 또는 레이져를 통해 초기 기계 가공을 행한 후 하이드로-이루전(hydro-erosion)을 통해 효과적으로 계산하는 등의 방법으로 매우 정확하게 계산된 부분(53)은 얻을 수 있다. 계산된 부분(53)은 부쉬(54)의 축 길이의 일부로 제한할 뿐이며, 반면에 부쉬(54)의 남은 길이를 따라 밸브 몸체(7)의 축부(43)의 지름보다 더 작거나 같은 지름을 가지는 부분(43a)이 형성될 수 있다.

홀(9)의 바닥면(27)과 동일면에 배열하기 위해 부쉬(54)는 통로(42)의 축부(43)의 말단의 시트(55)로 억지로 삽입되도록 또는 억지끼워맞춤(interference fitting)되도록 하는 외부 지름을 가진다. 제어 챔버(26)에 필요한 최적 부피에 따라, 계산된 부분(53)은 도 1 및 도 2와 같이 부쉬(54)의 상부 말단에 또는 도 7 및 도 8의 변형예와 같이 벽(27)과 동일면의 부쉬(54)의 말단에 배열될 수 있다. 미도시된 다른 변형예에 따르면, 부분(53)은 또한 부쉬(54)를 따라 중간 위치에 배열될 수 있다.

어떤 경우에, 통로(42)의 축부(43)와 방사부(44)가 정확하지 않게 일반 드릴 비트(drill bit)를 통해 밸브 몸체(7)에 형성될 수 있다. 반면에, 부쉬(54)의 계산된 부분(53)은 매우 정확하게 형성되고 부쉬(54)는 모든 공지된 방법으로 축부(43)의 말단에 삽입된다.

도 3의 변형예에 따르면, 도 2의 두 개의 방사부(44)의 단면의 합과 실질적으로 동일한 단면을 가지는 단지 하나의 방사부(44)가 제공된다. 게다가, 계산된 부분(53)은 부쉬(54a)의 전체 길이에 걸쳐 제공된다. 부쉬(54a)는 축부(43)의 외부 지름에 상당한 외부 지름을 가지고 이 축부(43)에 고정되어서 그 하부 표면은 홀(9)의 바닥면(27)과 동일면이 된다. 이런 방법으로, 제어 챔버(26)의 부피는 로드(10)의 말단면(25)과 홀(9)의 바닥면(27) 사이를 포함하는 영역으로 감소된다.

도 4의 변형예에 따르면, 계산된 부분(53)은 매우 정확하게 계산된 부분(53)에 드릴 작업을 하는데 적당한 물질로 만들어진 플레이트(plate; 56)에 제공된다. 분사기(1)의 노즐을 개폐하기 위해 로드(10)가 이동하는 거리는 항상 매우 짧기 때문에, 플레이트(56)는 압축 스프링(57)을 통해 바닥면(27)에 접촉될 수 있다.

도 4에서 도시된 것처럼, 로드(10)의 말단면(25)이 원뿔대 모양이기 때문에, 플레이트(56)는 또한 홀(9)의 지름보다 상당히 작은 지름을 가질 수 있고, 반면에 스프링(57)은 플레이트(56)를 중앙에 유지시키기 위해 원뿔대 모양을 가진다. 미도시된 변형예에 따르면, 홀(9)은 플레이트(56)의 외부 지름에 상당한 지름을 가지는 말단부를 포함할 수 있고, 그러면 이는 이 말단부에 억지로 삽입될 수 있다.

도 5 및 도 6의 실시예에 따르면, 제어 챔버의 부피가 축 홀(9)에 의해 둘러 싸인 부피로 제한되기 때문에, 출구 통로(42)의 축부는 각 방사부의 지름보다 상당히 더 큰 지름을 가질 것이며, 이는 제조를 용이하게 한다.

도 5의 변형예에 따르면, 출구 채널(42)은 상당한 지름을 가지는, 밸브 몸체(7)의 플랜지(33)에 제공된 축부(58)를 포함한다. 게다가, 출구 통로(42)는 두 개의 방사부(59)를 포함하며, 이는 환상 챔버(46)가 축부(58)에 직접 연통하도록 하기 위해 축(3)에 대해 특정 각도로 기울어져 있다. 이런 방법으로, 스템(38)의 지름은 상당히 감소될 수 있고 결과적으로 슬리브(18)를 가진 유체 실링 링(fluid sealing ring)의 지름 또한 감소될 것이다.

다음으로, 계산된 부분(53)은 부분(58)의 길이보다 훨씬 더 짧은 길이의 부쉬(61)에 제공된다. 계산된 부분(53)은 부쉬(61) 전체 길이에서 제공되어서, 그 제조가 더 간단해진다. 부쉬(61)를 시트(60)에 용이하게 삽입하기 위해 축부(58)의 지름에 대해 더 큰 지름을 가지는 시트(60)로 부쉬(61)를 밀거나 억지로 삽입한다. 축부(58)는 계산된 부분(53)보다 8~20 배 더 큰 지름을 가진다. 이런 방법으로, 홀을 형성할 때, 축부(58)의 말단에 같은 홀(59)을 교차시키는 것이 용이하게 된다.

또한 방사부(59)가 축(3)에 대해 30°~45°의 각도로 기울어져 있을 수 있다. 이런 방법으로, 축부(58)의 길이는 상당히 줄어들 수 있고, 그 제조 및 세척이 용이해진다. 게다가, 축부(58)의 말단이 밸브 몸체(7)의 외부 플랜지(33)에 포함됨으로써, 핀/셔터 동적 실(pin/shutter dynamic seal)에서 누출이 제한되는 명백한 장점과 함께, 스템(38)은 더 강한 구조 강도를 가지며, 그 지름은 더 감소할 수 있을 것이다.

도 6의 변형예에 따르면, 출구 통로(42)는 비교적 큰 지름의 부분(63)을 가지며 밸브 몸체(7)의 플랜지(33) 안에서 전체가 제공되는 축부(62)를 포함한다. 부쉬(64)의 전체 길이에 걸쳐 형성된 계산된 부분(53)을 수반하는, 대응하는 부쉬(64)는 억지로 부분(63)에 삽입된다. 축부(62)는 줄어든 지름의 부분(66)이 스템(38) 안으로 플랜지(33)를 넘어 형성되어서, 스템(38)의 지름 및 슬리브(18)의 실의 지름을 감소시킨다. 바람직하게 부분(66)의 지름은 계산된 부분(63)의 지름의 2~5 배일 수 있다.

도 6의 변형예의 출구 통로(42)는 축(3)에 수직이고 정반대에 있는 두 개의 방사부(67)를 포함한다. 축부(62)의 부분(66)은 스템(38) 안으로 돌출하여 두 개의 방사상의 홀(67)의 유출(outflow)을 유발한다. 따라서 이 경우, 작은 지름의 축부(66)의 감소된 길이를 가지므로, 축 홀(62)을 만들 때 드릴 비트가 굽고 파괴될 위험이 줄어든다.

도 7-9의 변형예에서, 도 5 및 6과 동일한 부분은 동일한 도면 부호로 나타내며, 반면에 동일하지 않지만 유사한 부분은 a 또는 b의 문자와 함께 도 5 및 도 6에서 사용한 도면 부호로 나타낸다. 따라서 도 7~9의 변형예의 설명은 동일하지 않지만 유사한 부분에 제한된다.

도 7 및 8의 변형예는 각각의 계산된 부분(53)이 대응하는 부쉬(61a, 64a)에 제공되지만 부쉬(61a, 64a)의 길이의 일부에만 계산된 부분이 제공되는 점에서 도 5 및 6과 다르다. 이미 언급한 것처럼, 계산된 부분(53)은 홀(9)의 벽(27) 근처에 배치되고 제어 챔버(26)의 부피가 홀(9)로 둘러싸인 부피로 줄어든다. 그러나 부 위(61a, 64a)의 나머지 부분에 더 큰 지름의 홀(68)이 제공되며, 이는 특별한 기계 가공을 요하지 않고 계산된 부분(53)의 다운스트림의 부피를 증가시킬 수 있다.

특히, 도 7의 변형예에서, 부쉬(61a) 및 결합된 시트(60a)가 축부(58a)의 전체 길이에서 그리고 플랜지(33)의 전체 두께에서 형성된다. 반면에, 도 8의 변형예에서, 부쉬(64a)는 통로(42)의 축부(62a)의 각 부분(63a) 전체 길이에서 형성된다. 양 경우, 부쉬가 축부(58a, 62a)의 좁은 부분에 대항하여 멈출 때까지 부쉬(61a, 64a)는 각각 시트(60a) 및 부분(63a)에 억지로 끼워진다.

도 9의 변형예는 계산된 부분(53)이 비교적 경질재로 형성된 얇은 플레이트(plate; 69)에 형성되는 점이 도 8과 다르다. 이 플레이트(69)는 동축부(coaxial segment; 62b)의 부분(63b)에 억지로 삽입되지 않고 그것에 대해 어느 정도의 유극(play)이 제공된다.

반면에, 플레이트(69)는 슬리브(70)에 의해 형성된 삽입물(insert)을 통해 장착되며, 이는 용이하게 압입하기 위해 비교적 연질재(soft material)로 만들어진다. 사실, 밸브 몸체(7)는 이동 요소(제어 로드(10) 및 셔터(47))와의 접촉으로 인한 마모를 줄이기에 충분한 정도로 높은 경도를 주기 위해 열 처리된다.

또한, 캐비테이션 또는 침식에 의해 유발되는 마모 현상에 저항하기 위해, 계산된 부분(53)을 수반하는 플레이트(69)는 경재질로 만들어져야 한다. 경재질의 시트로 경재질의 플레이트(70)를 압입하는 것이 매우 힘들기 때문에, 연재질로 형성된 슬리브(70)를 통해 계산된 부분(53)을 수반하는 플레이트(69)를 압박하는 것은 용이하다.

상기에서 언급한 것처럼, 종래 기술의 분사기에 대해 본 발명에 따른 분사기의 장점은 명백하다. 무엇보다도, 관부(8) 및 앵커(17)의 가이드 스템(38)을 포함하는 밸브 몸체(7)가 단일 부품으로 제공될 때, 셔터(47)에서 멀리 위치하고 홀(9)의 바닥벽(27)에 가까운 계산된 부분(53)이 제어 챔버(26)의 부피를 줄이고 서보 밸브의 반응성을 향상시킨다.

셔터(47)가 봉인하는 밸브 몸체(7)의 원뿔대 표면(49)에서 계산된 부분(53)을 멀리 이동시키기 때문에, 실링 영역에서 캐비테이션 마모 현상(cavitation wear phenomena)이 일어날 위험이 상당히 감소한다. 사실, 이 동축부의 지름이 계산된 부분(53)의 지름보다 훨씬 크기 때문에, 통로(42)의 동축부에서 계산된 부분(53)의 다운스트림의 바로 앞에 형성된 증기가 통과 단면이 증가하기 때문에 팽창 효과하에 다시 액상으로 변한다.

게다가, 보통 정확도의 드릴링을 통해 출구 통로(42)의 축부와 방사부를 얻을 수 있다. 특별하게 제공된 시트에 그 결과로서 삽입된 부쉬 또는 플레이트에 제공된 계산된 부분(53)은 최대로 정확하게 기계 가공하는데 더 적합한 상질의 물질이 사용된다. 또는 계산된 부분(53)은 예를 들면 레이저 기술과 같은 저렴한 기술을 사용하여 부쉬 또는 플레이트에 형성될 수 있다. 더구나, 이미 언급한 속도 계수(velocity coefficient)를 향상시키기 위해 연마액을 미리 정한 유속으로 이 부분(53)을 통과하도록 하는 연마 계산 작업(abrasive calibration operation)은 매우 간단하며 비용이 저렴하다.

출구 통로(42)의 축부의 지름 크기를 증가시켰기 때문에, 다양한 단계에서 칩을 제거하는 것이 훨씬 용이하다. 계산된 부분(53)을 수반한 요소의 압입이 마지막 작업에서 수행되기 때문에, 분사기의 작동을 위험하게 하는 파티클이 발생하지 않을 것이다.

마지막으로, 도 5~9의 변형예는 스템(38)의 지름 또한 슬리브(18)에서의 연료 실링 링의 지름을 감소시킨다. 이런 방법으로, 셔터(47) 및 스템(38)에 의해 정해지는 동적 실링에서 누출되는 것이 상당히 감소할 것이다.

특히, 밸브 몸체를 위해 선택된 물질, 밸브 몸체에 행한 열처리, 결과적으로 그 강도 및 마지막으로 적용된 제조 사이클에 따라서, 스템(38)의 지름을 2.5㎜~3.5㎜ 값으로 줄일 수 있다.

셔터(47)의 실 지름을 줄이는 것은 또한 슬리브(18)의 축 길이를 줄일 수 있다.

사실, 유체 누출의 유속은 슬리브(18)의 내부 원통형 표면과 스템(38)의 외부 원통형 표면(39) 사이의 연결 영역의 원주에 직접 비례하지만, 이 연결 영역의 축 길이에는 역비례한다; 연결 영역의 원주가 감소하면, 같은 누출 유체 유속에 대해 연결 영역의 축 길이, 그리고 결과적으로 슬리브(18)의 축 길이도 줄어들 수 있다.

결과적으로 셔터(47)의 실 지름 및 외부 지름의 감소 및 슬리브(18) 길이의 감소는 슬리브(18)의 질량을 감소시키는 효과가 있어서 결국 미터링 서보 밸브(5)의 반응 시간을 줄인다.

게다가, 실 지름의 감소는 스프링(23)의 부하를 감소시킬 수 있다; 사실, 스 템(38)과 셔터(47) 사이의 같은 연결 유극에 대해, 스템(38)과 셔터(47) 사이의 실 원주가 감소하고 결과적으로 또한 미터링 서보 밸브가 평형형일지라도 연료 압력 때문에 셔터(47)에 작용하는 축 힘이, 최소라 할지라도, 여전히 존재한다. 스프링(23)의 선부하와 연결 영역의 실 지름 또는 지름 사이의 비율은 8~12[N/㎜]이다.

슬리브(18)의 질량 감소 및 스프링(23) 부하의 감소는 폐쇄 단계에서 셔터(47)가 튀는 현상을 훨씬 줄이는 효과 및 미터링 서보 밸브(5)의 작업을 더 정확하게 하는 효과가 있다.

본 명세서에서 설명하고 도시한 분사기(1)는 첨부된 청구항에서 규정된 것처럼, 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 및 수정될 수 있다. 예를 들면, 출구 채널(42)의 계산된 부분(53)을 위한 지지는 도시된 것과 다른 모양을 가지며 예를 들면 나사산 요소 등과 같은 다른 방법으로 밸브 몸체(7)에 고정될 수 있다.

더구나, 제어 챔버(26)에서 환상 연료 입구 챔버(30)는 다른 모양을 가지며 관부(8)와 홀(6) 사이 및 플랜지(33)와 숄더(35) 사이의 실링은 또한 다른 수단으로 제공될 수 있다. 다음으로, 출구 통로(42)의 방사부는 둘 이상일 수 있고 등각(equidistant angle)로 배열될 수 있다.

마지막으로, 엑츄에이터(15)는 압전기(piezoelectric) 엑츄에이터로 대체될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 내연기관용 평형 서보 밸브를 가지는 연료 분사기의 부분 수직 단면을 도시한다.

도 2는 도 1을 확대한 상세도이다.

도 3은 도 1의 실시예의 제1 변형예에 따라, 도 2를 확대한 부분 상세도이다.

도 4는 도 1의 실시예의 또 다른 변형예에 따른, 도 3의 상세도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 3의 상세도를 개략적으로 도시한다.

도 6은 관련된 실시예의 변형예에 따른 도 5의 상세도이다.

도 7 및 도 8은 각각 도 5 및 도 6의 두 변형예를 도시한다.

도 9는 관련 실시예의 또 다른 변형예에 따른 도 5의 상세도이다.

Claims

서보 밸브(5)가 분사 노즐의 개폐를 위해 축 공동부(6)를 따라 이동할 수 있는 제어 로드(10)를 제어하고,

상기 서보 밸브(5)는 상기 제어 로드(10)에 의해 축 방향의 경계가 정해지고 밸브 몸체(7)의 관부(8)에 의해 방사상의 경계가 정해지는 제어 챔버(26)를 포함하는 상기 밸브 몸체(7)를 포함하며,

상기 제어 챔버(26)는 연료를 위한 계산된 입구(29) 및 계산된 부분(53)을 포함하는 출구 통로(42)를 가지고,

상기 밸브 몸체(7)는 전자석-엑츄에이터(15)에 의해 제어되는 슬리브(18)에 수반되는 셔터(47)를 위한 축 가이드 스템(38)과 일체이며,

상기 출구 통로(42)는 상기 스템(38)의 측면(39)에 통로를 형성하는 방사부(44, 59, 67)를 적어도 하나 포함하고,

상기 슬리브(18)는 상기 제어 로드(10)의 축 방향의 움직임을 제어하기 위해서 상기 방사부(44, 59, 67)의 폐쇄 위치와 개방 위치 사에서 축 방향으로 미끄러지도록 상기 스템(38)과 누유되지 않도록 연결되며,

상기 계산된 부분(53)은 상기 셔터(47)에서 떨어져서 상기 출구 통로(42)에 배열되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 평형형 미터링 서보 밸브를 가지는 연료 분사기(1).
제1항에 있어서,

상기 계산된 부분(53)은 상기 밸브 몸체(7)에 수용되는 요소(54, 54a, 56, 61, 61a, 64, 64a, 69)에 수반되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제2항에 있어서,

상기 요소는 상기 출구 통로(42)의 축부(43, 58, 58a, 62, 62a)에 대응하여 고정되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 계산된 부분(53)은 상기 관부(8)의 바닥벽(27)에 대응하여 배열되어서 상기 제어 챔버(26)가 상기 바닥벽(27)에 의해 경계가 정해지는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 축부(43, 58, 58a, 62, 62a, 62b)는 상기 바닥벽(27)에 연결되고, 상기 요소(54, 54a, 56, 61, 61a, 64, 64a, 69)는 상기 바닥벽(27)에 대응하여 고정되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제5항에 있어서,

상기 요소는 상기 밸브 몸체(7)에 수반되는 시트(55, 43, 60, 60a, 63, 63a, 63b)에 삽입된 부쉬((54, 54a, 61a, 64a)에 의해 형성되며 상기 축부(43, 58, 58a, 62, 62a, 62b)와 동축인 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제5항에 있어서,

상기 요소는 상기 밸브 몸체(7)에 수반되는 시트(55, 43, 60, 60a, 63, 63a, 63b)에 나사 결합하여 삽입된 부쉬((54, 54a, 61a, 64a)에 의해 형성되며 상기 축부(43, 58, 58a, 62, 62a, 62b)와 동축인 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제5항에 있어서,

상기 요소는 상기 바닥벽(27)에 안착한 위셔(56, 69)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제8항에 있어서,

상기 워셔(56)는 압축 스프링(23)에 의해 상기 바닥벽(27)에 대항하여 압박되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제9항에 있어서,

상기 로드(10)는 원뿔대 모양의 말단면(25)을 가지며, 상기 스프링(23)은 상기 말단면(25)에 결합하는 원뿔대 모양을 가져서 상기 워셔(56)를 중앙에 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제5항에 있어서,

상기 요소는 상기 계산된 부분(53)을 포함하고 제1 축부(63b)에 수용된 얇은 플레이트(69)를 포함하고, 상기 플레이트(69)는 상기 제1 축부(63b) 안에 삽입되는 연재질의 다른 요소(70)에 의해 제자리에서 압박되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 축부(43, 58, 58a, 62, 62a, 62b)는 등각 위치에서 상기 축부와 연결되는 적어도 두 개의 방사부(44, 59, 67)와 결합하는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제12항에 있어서,

상기 축부(58, 62)는 상기 계산된 부분(53)의 지름의 적어도 8배의 지름을 가지는 적어도 하나의 제1 부분(58, 58a, 63, 63a, 63b)을 가지며,

상기 제1 부분(58, 58a, 63, 63a, 63b)은 상기 관부(8)와 상기 스템(38) 사이에 위치한 상기 밸브 몸체(7)의 중간 부분(33)에 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제13항에 있어서,

상기 축부(58, 58a)는 상기 중간 부분 안에서 제공되며,

상기 방사부(59)는 상기 축부(58)의 위치에 기울어지면서 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제13항에 있어서,

상기 축부(62, 62a, 62b)는 상기 제1 부분의 지름보다 작은 지름을 가지는 제2 부분(66)을 가지며 상기 제1 부분(63, 63a, 63b)과 상기 방사부(67) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전자기-엑츄에이터는 압전기 엑츄에이터인 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제14항 또는 제15항에 있어서,

상기 스템(38)의 지름은 2.5~3.5㎜인 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제17항에 있어서,

상기 스템(38)의 지름은 2.5㎜인 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).
제17항 또는 제18항에 있어서,

상기 전자기-엑츄에이터는 상기 셔터(47)에 축 방향으로 작용하는 스프링(23)을 포함하며, 상기 스프링(23)의 선부하와 상기 셔터(47)와 상기 스템(38)의 실링 지름 사이의 비율은 8~12N/㎜ 인 것을 특징으로 하는 연료 분사기(1).