KR20140079510A - 분사 밸브용 밸브 조립체 및 분사 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 분사 밸브(10)용 밸브 조립체(14)로서, 유체 입구부(26)와 유체 출구부(28)를 갖는 공동(24) 및 길이방향 중심 축(L)을 포함하는 밸브 바디(20), 상기 공동(24)에서 축방향으로 이동가능하며, 폐쇄 위치에서 유체 출구부(28)를 통한 유체 유동을 방지하고 추가의 위치들에서 유체 출구부(28)를 통한 유체 유동을 방출하는 밸브 니들(22), 상기 밸브 니들(22)을 구동하기 위해 설계된 전자기 액츄에이터 유닛(16)으로서, 상기 액츄에이터 유닛(16)은 전기자(38)를 구비하며, 상기 전기자(38)는 공동(24)에서 축방향으로 이동가능하며 본체(40) 및 상기 본체(40)로부터 축방향으로 이격된 플랜지(42)를 포함하며, 상기 플랜지(42)는 본체(40)에 고정식으로 커플링되며 본체(40)에 마주하는 내부면(43)을 가지는, 전자기 액츄에이터 유닛(16), 상기 밸브 니들(22)에 고정식으로 커플링되며 전기자(38)의 플랜지(42)와 본체(40) 사이에서 축방향으로 공동(24) 내에 배열되는 정지 요소(44)를 포함한다. 전기자 스프링(46)이 상기 본체(40)와 플랜지(42) 사이에서 축방향으로 공동(24) 내에 배열되며 정지 요소(44)가 플랜지(42)의 내부면(43)과 접촉하게 하도록 정지 요소(44) 상에 작용하는 힘을 제공하게 전기자 스프링(46)이 설계될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 정지 요소(44)와 내부면(43)의 중첩 영역(A)은 내부 윤곽부(441) 및 외부 윤곽부(442)에 의해 둘러싸이며, 상기 외부 윤곽부(442)에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ao)는 내부 윤곽부(441)에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ai)보다 적어도 3배 크다.

Description

분사 밸브용 밸브 조립체 및 분사 밸브 {VALVE ASSEMBLY FOR AN INJECTION VALVE AND INJECTION VALVE}
본 개시물은 분사 밸브용 밸브 조립체 및 연소 기관의 연소실용 분사 밸브에 관한 것이다.
본 특허 출원은 유럽 특허 출원 EP 11186660.4호를 우선권으로 주장하며, 그의 개시 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
분사 밸브들은 특히 내연 기관들용으로 폭넓게 사용되며, 여기서 분사 밸브들은 내연 기관(internal combustion engine)의 흡기 매니폴드 내로 또는 내연 기관의 실린더의 연소실(combustion chamber) 내로 직접 유체를 투입하기 위해 배열될 수 있다.
분사 밸브들은 다양한 연소 기관들에 대한 다양한 요구들을 만족시키기 위해서 다양한 형태들로 제조된다. 따라서, 예컨대, 이들 분사 밸브들의 길이, 이들의 직경 그리고 또한 유체가 투입되는 방식을 담당하는 분사 밸브의 다양한 요소들은 광범위하게 변경될 수 있다. 이 이외에, 분사 밸브들은 예컨대 전자기 액츄에이터 또는 압전 액츄에이터(piezoelectric actuator)일 수 있는 분사 밸브의 니들을 구동하는 액츄에이터를 수용할 수 있다.
원치않는 배기물(emission)들의 생성의 관점에서 연소 프로세스를 향상시키기 위해서, 각각의 분사 밸브는 매우 높은 압력들 하에서 유체들을 투입하는데 적합할 수 있다. 압력들은, 예컨대, 가솔린 엔진의 경우에, 500 bar 까지의 범위에 있으며 디젤 엔진의 경우에 2,000 bar 초과의 범위에 있을 수 있다.
본 발명의 목적은 단순한 방식으로 제조될 수 있으며 그리고/또는 신뢰가능하고 정밀한 기능을 용이하게 하는 밸브 조립체를 명시하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 분사 밸브용 밸브 조립체에 의해 성취된다. 밸브 조립체 및 분사 밸브의 유리한 실시예들은 종속항들에서 명시된다.
제 1 양태에 따르면, 분사 밸브용 밸브 조립체가 명시된다. 밸브 조립체는 유체 입구부와 유체 출구부를 갖춘 공동 및 길이방향 중심 축을 갖는 밸브 바디(valve body)를 포함한다. 밸브 조립체는 공동에서 축방향으로 이동가능하며, 폐쇄 위치에서 유체 출구부를 통한 유체 유동을 방지하고 추가의 위치들에서 유체 출구부를 통한 유체 유동을 방출하는 밸브 니들을 더 포함한다.
편리한 실시예에서, 밸브 조립체는 폐쇄 위치를 향해서 밸브 니들을 편향하도록 작동가능한 메인 스프링을 포함한다. 예컨대, 메인 스프링은 밸브 니들이 폐쇄 위치에 있는 경우, 특히, 폐쇄된 구성에서 밸브 조립체를 유지하기 위해서 밸브 바디에 대항하여 밸브 니들(특히, 밸브 니들의 선단)을 가압하도록 밸브 니들에 힘을 부과한다.
밸브 조립체는 밸브 니들을 구동하기 위해 설계된 전자기 액츄에이터 유닛을 포함한다. 특히, 액츄에이터 유닛은 폐쇄 위치로부터 멀리, 특히 메인 스프링의 힘에 대항하여 밸브 니들을 이동시키도록 작동될 수 있다. 액츄에이터 유닛은 전기자를 포함한다. 전기자는 공동에서 축방향으로 이동가능하다. 전기자는 본체(main body) 및 본체로부터 축방향으로 이격된 플랜지(flange)를 포함한다. 플랜지는 본체에 고정식으로 커플링되며 본체에 마주하는 내부면을 갖는다.
밸브 조립체는 밸브 니들에 고정식으로 커플링되는 정지 요소를 포함한다. 정지 요소는 전기자의 플랜지와 본체 사이에서 축방향으로 공동 내에 배열된다.
전기자 스프링은 본체와 플랜지 사이에서 축방향으로 공동 내에 배열된다. 전기자 스프링은 정지 요소가 플랜지의 내부면과 접촉하게 하도록 정지 요소 상에 작용하는 힘을 제공하도록 설계된다.
예컨대, 전기자 스프링은 본체와 정지 요소의 베어링 표면 사이에 배열된다. 특히, 전기자 스프링의 축방향 일 단부는 본체를 압박하며(bear on), 전기자의 축방향 대향 단부는 정지 요소의 베어링 표면을 압박한다. 전기자 스프링은 바람직하게는 예압을 받게되어, 플랜지의 내부 표면에 대항하여 정지 요소를 가압하도록 작동될 수 있다.
장점으로, 밸브 니들의 이동의 동력들은 본 밸브 조립체에 대해 매우 양호할 수 있다. 특히, 전기자 스프링, 정지 요소 및 플랜지의 배열에 기인하여, 밸브 니들의 이동의 오버슛(overshoot)이 밸브 니들의 폐쇄 위치 내로 밸브 니들이 움직이는 동안 또는 밸브 니들의 폐쇄 위치 밖으로 밸브 니들이 움직이는 동안 회피될 수 있다. 따라서, 유체의 분사량은 매우 정교한 방식으로 제어될 수 있다. 게다가, 밸브 조립체는 매우 단순한 방식으로 제조될 수 있다. 특히, 압입 단계 및 용접 단계의 수는 적게 유지될 수 있다. 따라서, 밸브 조립체의 제조 비용들은 적게 유지될 수 있다.
편리한 실시예에서, 정지 요소와 플랜지의 내부면의 중첩 영역은 길이방향 중심축에 마주하는 내부 윤곽부 및 길이방향 중심축으로부터 원격의 외부 윤곽부에 의해 둘러싸인다. 중첩 영역은, 특히, 길이방향 중심축을 따라 평면도로 볼 때 정지 요소에 의해 커버되는 플랜지의 내부 표면의 그 부분이다.
플랜지는 개구를 가질 수 있으며, 이 개구를 통해, 밸브 니들이 연장한다. 예컨대, 이 경우에, 내부 윤곽부는 개구의 측면(side-face)의 에지에 대응할 수 있다. 에지는 편리하게는, 정지 요소에 마주하는 측면의 그 에지이다. 측면은 고리 형상을 가질 수 있다. 중첩 영역의 외부 윤곽부는 길이방향 중심축을 따라 평면도로 볼 때 정지 요소의 외부 윤곽부에 합동(congruent)일 수 있다.
외부 윤곽부에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트는, 바람직하게는 내부 윤곽부에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트보다 적어도 3배 큰 값을 갖는다. 하나의 개량예에서, 외부 윤곽부에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트는 내부 윤곽부에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트의 10 배 또는 미만이다. 예컨대, 외부 윤곽부에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ao) 및 내부 윤곽부에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ai)의 하기 비율: 3 ≤ Ao/Ai ≤ 7, 특히 3.24 ≤ Ao/Ai ≤ 6.25이 유효하다. 중첩 영역의 영역 콘텐트는 바람직하게는 외부 윤곽부에 의해 둘러싸인 영역 콘텐트와 내부 윤곽부에 의해 둘러싸인 영역 콘텐트의 차이이다.,
일 실시예에서, 중첩 영역은 내경(Ri) 및 외경(Ro)을 갖는 링 형상을 포함하며, 여기서, 1.5 ≤ Ro/Ri ≤ 3, 특히 1.8 ≤ Ro/Ri ≤ 2.5이다. 예컨대, 내경은 3 mm 내지 6 mm, 바람직하게는 4 mm 내지 5 mm인 값을 가지며, 여기서, 각각의 경우에 제한들이 포함된다. 외경은 8 mm 내지 12 mm, 바람직하게는 9 mm 내지 10 mm인 값을 가질 수 있으며, 여기서, 각각의 경우에 제한들이 포함된다.
유리한 실시예에서, 플랜지의 내부면은 평면이며, 정지 요소는 플랜지의 평면 내부면에 마주하는 평면 표면을 포함한다. 정지 요소의 평면 표면 및 플랜지의 평면 내부면은 서로 접촉되도록 설계된다. 정지 요소의 평면 표면 및 플랜지의 평면 내부면의 접촉 부분들은 특히, 중첩 영역을 나타낸다.
이러한 중첩 영역의 하나의 이점은, 정지 요소의 평면 표면과 플랜지의 평면 내부 표면 사이의 갭에 위치되는 유체는 정지 요소 및 플랜지가 서로를 향해 움직이는 경우에 정지 요소와 플랜지 사이에서 상대 이동의 완충을 가능케 한다는 것이다. 따라서, 전기자에 대한 밸브 니들의 이동은 밸브 니들이 그의 폐쇄 위치로 이동하는 동안 완충될 수 있다. 따라서, 밸브 니들의 이러한 이동 중, 바운싱에 기인한 밸브 니들의 원치않는 추가 이동이 회피될 수 있으며, 밸브 니들의 매우 양호한 폐쇄 특성이 얻어질 수 있다.
추가의 이점은, 정지 요소의 평면 표면과 플랜지의 평면 내부면 사이 갭에 위치된 유체에 기인하여, 정지 요소와 플랜지 사이의 고착(sticking) 효과가 정지 요소 및 플랜지가 서로로부터 멀리 이동하는 경우에 발생할 수 있다는 점이다. 예컨대, 정지 요소 및 플랜지가 서로로부터 멀리 이동할 때 중첩 영역의 구역에서 플랜지의 내부 표면과 정지 요소 사이 갭 내로 유체가 이동된다. 이러한 유체 이동은, 정지 요소와 플랜지 사이 갭을 증가시키는 것에 대항하여 인력(attractive force)(특히, 유체역학적 힘)을 유발할 수 있다. 정지 요소 및 플랜지를 서로로부터 멀리 이동시킴으로써 에너지가 소산된다. 에너지 소산은, 중첩 영역의 비교적 큰 영역 콘텐트에 기인하여 특히 효과적이다. 따라서, 전기자에 대한 밸브 니들의 상대 이동이 완충될 수 있다. 본 개시물에 따른 중첩 영역의 큰 영역 콘텐트는, 유리하게는 더 작은 중첩 영역에 의해 성취될 수 없었던 만족스러운 완충 효과에 기여할 수 있다. 따라서, 밸브 조립체의 개방 이벤트 중에, 전기자가 밸브 바디를 가격할 때 밸브 니들의 원치않는 오버슈트가 대폭 회피될 수 있으며, 밸브 니들의 매우 양호한 개방 특징이 얻어질 수 있다. 같은 방식으로, 밸브 조립체의 폐쇄 이벤트 중에, 밸브 니들이 밸브 바디를 가격할 때 전기자의 원치않는 오버슈트가 대폭 회피될 수 있어, 폐쇄 이벤트의 종료시 밸브 조립체의 원치않는 재개방을 유발할 수 있는 이른바 전기자 니들 바운스(bounce)의 우려가 특히 적다.
밸브 조립체의 다른 실시예에서, 전기자, 정지 요소 및 밸브 니들은, 전기자의 본체가 밸브 니들 또는 정지 요소와의 직접적인 기계적 상호작용에 의해 밸브 니들에 축방향 힘을 전달하는 것이 실시 불가능하게 되는 방식으로 형성된다. 예컨대, 본체의 횡방향으로 연장하는 모든 표면들은, 바람직하게는 밸브 조립체의 작동 전체에서 밸브 니들의 그리고 정지 요소의 횡방향으로 연장하는 모든 표면들로부터 멀어지게 이격된다. 환언하면, 전기자의 본체의 그리고 밸브 니들의 축방향으로 중첩하는 부분들(또는 정지 요소와 같이 밸브 니들에 대해 위치적으로 고정된 밸브 조립체의 다른 요소들)은 횡방향으로, 즉 길이방향 중심축을 따라 평면도에서 볼 때 중첩되지 않는다. 오히려, 전기자는 바람직하게는 전기자의 플랜지와 정지 요소 사이의 형상 끼워맞춤 연결에 의해서 단독으로 폐쇄 위치로부터 멀리 밸브 니들을 이동시키기 위해 밸브 니들에 힘을 전달한다.
이점으로, 전기자에 대해 밸브 니들의 위치 조절이 특히 단순할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 밸브 조립체는 전기자 및/또는 밸브 니들의 제조 허용 오차들에 대해 특히 민감하지 않을 수 있다. 게다가, 전술된 고착 효과는 특히 이러한 방식으로 정교하게 제어가능할 수 있다.
추가의 유리한 실시예에서, 원통형 가이드 요소가 정지 요소에 고정식으로 커플링되며, 원통형 가이드 요소는 축방향으로 연장하며 전기자에 대해 밸브 니들을 안내하도록 설계된다. 이는, 전기자에 대해 밸브 니들의 매우 양호한 안내가 얻어질 수 있다는 이점을 갖는다.
추가의 유리한 실시예에서, 전기자의 플랜지는 축방향으로 연장하며 전기자에 대해 밸브 니들용 가이드 요소를 형성하도록 설계되는 원통형 섹션을 포함한다. 이는, 전기자에 대해 밸브 니들의 매우 양호한 안내가 얻어질 수 있다는 이점을 갖는다. 게다가, 플랜지는 단순한 방식으로 제조될 수 있다.
추가의 유리한 실시예에서, 정지 요소는 밸브 니들과 일체형이다. 이는, 정지 요소와 밸브 니들 사이의 매우 견고한(solid) 커플링이 얻어질 수 있다는 이점을 갖는다. 게다가, 정지 요소 및 밸브 니들은 매우 단순한 방식으로 제조될 수 있다.
추가의 유리한 실시예에서, 상부 가이드 요소는 공동 내에 배열되며, 상부 가이드 요소는 공동 내부측으로 전기자를 안내하도록 설계된다. 예컨대, 전기자의 본체는 축방향 중심 개구를 가지며, 상부 가이드 요소는 축방향 중심 개구 내에 수용된다. 축방향 중심 개구는, 편리하게는, 축방향으로 본체를 통해 완전하게 연장한다. 하나의 개량예에서, 하기 부품들: 밸브 니들, 정지 요소, 메인 스프링 중 하나 이상의 부품이 축방향 중심 개구를 통해 또는 축방향 중심 개구 내로 연장한다. 이 경우에, 상부 가이드 요소는 바람직하게는 슬리브로서 형성되며, 적어도 밸브 니들 및/또는 정지 요소 및/또는 메인 스프링은 상부 가이드 요소를 통해 또는 상부 가이드 요소 내로 연장한다. 상부 가이드 요소에 의해, 특히 높은 반복 속도 및/또는 특히 작은 최소 유체 유동이 성취될 수 있다.
상부 가이드 요소는 예컨대 압입을 위해서 밸브 바디에 고정식으로 커플링될 수 있다. 밸브 바디에 고정식으로 커플링되는(즉, 위치적으로 고정됨) 상부 가이드 요소는, 유리하게는, 특히 전기자에 대한 정교한 안내를 나타낼 수 있다. 압입 커플링은, 유리하게는, 밸브 조립체의 매우 단순한 제조를 허용할 수 있다.
추가의 유리한 실시예에서, 상부 가이드 요소는 공동 내에 배열되고, 밸브 니들에 고정식으로 커플링되며, 상부 가이드 요소는 전기자에 대해 밸브 니들을 위한 가이드 요소를 형성하도록 설계된다. 이는, 상부 가이드 요소가 상이한 기능들, 예컨대 전기자에 대해 밸브 니들의 안내 및 밸브 바디에 대해 밸브 니들의 안내를 실행할 수 있다는 이점을 갖는다. 게다가, 상부 가이드 요소는 매우 간단한 방식으로, 예컨대 압입에 의해 밸브 니들에 커플링될 수 있다.
하나의 개량예에서, 밸브 니들에 고정식으로 커플링되는 상부 가이드 요소는 전기자의 본체의 축방향 중심 개구에 배열되며, 밸브 바디의 유체 입구부에 마주하는 측면 상에서 축방향 중심 개구로부터 축방향으로 돌출하는 돌출부를 갖는다.
상부 가이드 요소의 돌출부는 밸브 바디의 공동의 안내부에 수용될 수 있으며, 안내부는 축방향으로 상부 가이드 요소를 안내하도록 치수설정된다. 특히, 상부 가이드 요소의 돌출부 및 밸브 바디의 안내부는 기본적으로 동일한 형상 및 크기를 갖는다.
본 개량예 및 다른 실시예들에서 상부 가이드 요소는 전기자의 하류 밸브 니들의 일부분보다 더 큰 횡방향 단면적을 가질 수 있다. 이러한 상부 가이드 요소는, 장점으로, 하우징에 대해 밸브 니들을 안내하고 그리고 또한 전기자를 축방향으로 안내하는데 기여할 수 있도록 작동될 수 있다.
추가의 유리한 실시예에서, 정지 요소는 상부 가이드 요소에 일체형이다. 이는, 정지 요소 및 상부 가이드 요소의 조립이 매우 단순한 방식으로 제조될 수 있다는 이점을 갖는다.
추가의 유리한 실시예에서, 상부 가이드 요소는 리세스를 포함하며, 밸브 니들은 부분적으로 리세스 내에 배열되며, 밸브 니들은 상부 가이드 요소에 형상 끼워맞춤 커플링된다. 이는 밸브 조립체가 매우 단순한 방식으로 조립될 수 있다는 이점을 갖는다.
제 2 양태에 따르면, 연소 기관의 연소실용 분사 밸브가 명시된다. 분사 밸브는 전술된 실시예들 또는 개량예들 중 하나 이상에 따른 밸브 조립체를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 분사 밸브용 밸브 조립체가 명시되며, 밸브 조립체는, 유체 입구부와 유체 출구부를 갖는 공동 및 길이방향 중심 축을 포함하는 밸브 바디, 공동에서 축방향으로 이동가능하며, 폐쇄 위치에서 유체 출구부를 통한 유체 유동을 방지하고 추가의 위치들에서 유체 출구부를 통한 유체 유동을 방출하는 밸브 니들, 밸브 니들을 구동하기 위해 제공된 전자기 액츄에이터 유닛으로서, 액츄에이터 유닛은 전기자를 구비하며, 전기자는 공동에서 축방향으로 이동가능하며 본체 및 본체로부터 축방향으로 이격된 플랜지를 포함하며, 플랜지는 본체에 고정식으로 커플링되며 본체에 마주하는 내부면을 가지는, 전자기 액츄에이터 유닛, 밸브 니들에 고정식으로 커플링되며 전기자의 플랜지와 본체 사이에서 축방향으로 공동 내에 배열되는 정지 요소, 및 본체와 플랜지 사이에서 축방향으로 공동 내에 배열되며 정지 요소가 플랜지의 내부면과 접촉하게 하도록 정지 요소 상에 작용하는 힘을 제공하게 작동될 수 있는 전기자 스프링을 포함하며, 전기자, 정지 요소 및 밸브 니들은, 전기자의 본체가 밸브 니들 또는 정지 요소와의 직접적인 기계적 상호작용에 의해 밸브 니들에 축방향 힘을 전달하는 것이 실시 불가능하게 되는 방식으로 형성된다. 밸브 조립체는, 전술된 양태들, 실시예들 및 개량예들 중 하나 이상에 따른 추가의 특징들을 가질 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 분사 밸브용 밸브 조립체가 명시되며, 밸브 조립체는, 유체 입구부와 유체 출구부를 갖는 공동 및 길이방향 중심 축을 포함하는 밸브 바디, 공동에서 축방향으로 이동가능하며, 폐쇄 위치에서 유체 출구부를 통한 유체 유동을 방지하고 추가의 위치들에서 유체 출구부를 통한 유체 유동을 방출하는 밸브 니들, 밸브 니들을 구동하기 위해 제공된 전자기 액츄에이터 유닛으로서, 액츄에이터 유닛은 전기자를 구비하며, 전기자는 공동에서 축방향으로 이동가능하며 본체 및 본체로부터 축방향으로 이격된 플랜지를 포함하며, 플랜지는 본체에 고정식으로 커플링되며 본체에 마주하는 내부면을 가지는, 전자기 액츄에이터 유닛, 밸브 니들에 고정식으로 커플링되며 전기자의 플랜지와 본체 사이에서 축방향으로 공동 내에 배열되는 정지 요소, 및 본체와 플랜지 사이에서 축방향으로 공동 내에 배열되며 정지 요소가 플랜지의 내부면과 접촉하게 하도록 정지 요소 상에 작용하는 힘을 제공하게 작동될 수 있는 전기자 스프링을 포함한다. 밸브는 공동 내에 배열되는 상부 가이드 요소를 더 포함하며, 상부 가이드 요소는 공동 내측으로 전기자를 안내하도록 설계된다. 하나의 편리한 실시예에서, 전기자의 본체는 축방향 중심 개구를 가지며, 상부 가이드 요소는 축방향 중심 개구 내에 수용된다. 밸브 조립체는 전술된 양태들, 실시예들 및 개량예들 중 하나 이상에 따른 추가의 특징들을 가질 수 있다.
밸브 조립체 및 분사 밸브의 유리한 실시예들 및 개량예들이 개략적인 하기 도면들의 도움으로 아래에 설명되는 예시적 실시예들로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 제 1 실시예의 밸브 조립체를 갖는 분사 밸브의 종방향 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 밸브 조립체의 전기자의 플랜지 및 정지 요소의 평면도이다.
도 2는 추가 실시예의 밸브 조립체의 종방향 단면도이다.
도 3은 추가 실시예의 밸브 조립체의 종방향 단면도이다.
도 4는 추가 실시예의 밸브 조립체의 종방향 단면도이다.
도 5는 추가 실시예의 밸브 조립체의 종방향 단면도이다.
도 6은 추가 실시예의 밸브 조립체의 종방향 단면도이다.
도 7은 추가 실시예의 밸브 조립체의 종방향 단면도이다.
상이한 예시들에서 나타난 동일한 설계 및 기능의 요소들은 동일한 도면 부호들로 식별된다.
분사 밸브(10)(도 1)는 내연 기관의 연소실용 연료 분사 밸브로서 사용될 수있으며, 바람직하게는 전자기 액츄에이터 유닛인 액츄에이터 유닛(16)을 갖는 밸브 조립체(14)를 포함한다. 도시된 분사 밸브(10)는 내향 개방 형식(inward opening type)이다. 대안으로, 분사 밸브(10)는 외향 개방 형식일 수 있다.
밸브 조립체(14)는 하우징(18) 및 밸브 바디(20)를 포함한다. 하우징(18)은 밸브 바디(20)에 고정식으로 커플링된다. 밸브 바디(20)는 길이방향 중심축(L)을 갖는다.
밸브 조립체(14)는, 밸브 니들(22)을 더 포함한다. 바람직하게는, 밸브 니들(22)은 중공형이며, 길이방향 중심축(L)의 방향으로 연장하는 리세스(23)를 갖는다.
밸브 니들(22)은 밸브 바디(20)의 공동(cavity)(24) 내에 포함된다. 공동(24)은 밸브 바디(20)를 통해 축방향으로 안내되며, 유체 입구부(26) 및 유체 출구부(28)를 갖는다. 유체 입구부(26)는 내연 기관의 고압 연료 챔버에 유압식으로 커플링되도록 설계되며, 여기서 연료는 고압 하에 저장된다.
밸브 니들(22)은 밸브 니들(22)의 리세스(23) 및 밸브 바디(20)의 공동(24)을 유압식으로 커플링하는 채널(25)들을 갖는다. 공동(24), 리세스(23) 및 채널(25)들은 유체 입구부(26)로부터 유체 출구부(28)로의 유체 유동을 허용한다.
밸브 바디(20)의 공동(24)의 자유 단부들 중 하나의 단부 상에서, 밸브 니들(22)의 축방향 위치에 따라 개방 또는 폐쇄되는 유체 출구부(28)가 형성된다. 밸브 니들(22)의 폐쇄 위치에서, 밸브 니들(22)은 시트(29) 상에 밀봉식으로 놓여지며, 이에 의해 밸브 바디(20)에서 하나 이상의 분사 노즐(30)을 통한 유체 유동을 방지한다. 시트(29)는 밸브 바디(20)에 일체형으로(one part with) 만들어질 수 있으며, 또는 밸브 바디(20)로부터 분리될 수 있다.
메인 스프링(32)이 밸브 바디(20) 내측에 배열된다. 메인 스프링(32)은 밸브 니들(22)에 기계식으로 커플링된다. 메인 스프링(32)은 폐쇄 위치를 향해서 밸브 니들(22)을 편향시킨다(bias). 밸브 니들(22)이 폐쇄 위치에 있는 경우, 메인 스프링(32)은 밸브 니들(22) 상에 힘을 부과하여 시트(29)에 대항하여 밸브 니들(22)의 선단(tip)을 가압한다.
액츄에이터 유닛(16)은 코일(36) 및 전기자(38)를 포함한다. 코일(36)이 하우징(18) 내측에 배열된다. 전기자(38)는 공동(24)에서 축방향으로 이동가능하다. 하우징(18), 코일(36) 및 전기자(38)는 전자기 회로를 형성한다.
전기자(38)는 본체(40), 커플링 부분(41) 및 플랜지(42)를 갖는다. 커플링 부분(41)은 축방향으로 연장한다. 플랜지(42)는 본체(40)로부터 축방향으로 이격된다. 플랜지(42)는 커플링 부분(41)을 통해 본체(40)에 고정식으로 커플링된다. 바람직하게는, 커플링 부분(41)은 플랜지(42)에 일체형이며, 커플링 부분(41)은 본체(40)에 용접된다. 플랜지(42)는 본체(40)에 마주하는 내부면(43)을 갖는다. 플랜지(42)의 내부면(43)은 평면이다. 플랜지(42)는 디스크 형상 섹션(52)을 갖는다. 디스크 형상 섹션(52)은 반경 방향으로 연장한다. 플랜지(42)의 디스크 형상 섹션(52)은 평면인 내부면(43)을 포함한다.
코일(36)이 여자(energize)되는 경우, 이는 전기자(38)를 통해 밸브 니들(22)에 작용하는 전자기력을 유발한다. 전자기력은 메인 스프링(32)으로부터 얻은 기계적 힘에 대항하여 작용한다. 코일(36)을 적절하게 여자함으로써, 밸브 니들(22)이 이렇게 하여(in that way) 분사 노즐(30)을 통한 유체 유동을 유발하는 그의 폐쇄 위치로부터 멀어질 수 있다.
밸브 조립체(14)는 정지 요소(44) 및 전기자 스프링(46)을 포함한다. 도 1 내지 도 3의 실시예들에서, 정지 요소(44)는 밸브 니들(22)에 일체형이다.
전기자 스프링(46)이 전기자(38)의 플랜지(42)와 본체(40) 사이에서 축방향으로 배열된다. 자세하게는, 전기자 스프링(46)의 제 1 축방향 단부는 본체(40)를 압박하며(bear on), 전기자 스프링(46)의 제 1 축방향 단부에 대향하는 제 2 축방향 단부는 정지 요소(44)의 베어링 표면(45)을 압박한다.
전기자 스프링(46)은 정지 요소(44)에 작용하는 힘을 제공하도록 예압을 받는다(preloaded). 이러한 힘은 플랜지(42)의 내부면(43)과 정지 요소(44)와의 접촉을 가능케 한다. 정지 요소(44)는 디스크 형상 섹션(48)을 갖는다(도 1 내지 도 7). 디스크 형상 섹션(48)은 밸브 니들(22)로부터 반경방향으로 멀어지게 연장한다. 디스크 형상 섹션(48)은 플랜지(42)의 평면인 내부면(43)에 마주하는 평면 표면(49)을 갖는다. 정지 요소(44)의 평면 표면(49)은 예압을 받는 전기자 스프링(46)에 의해 발생된 힘에 의해서 플랜지(42)의 내부면(43)에 대항하여 가압된다.
도 1b는 플랜지(42) 및 정지 요소(44)의 길이방향 축(L)을 따르는 개략적인 평면도를 도시한다.
플랜지(42) 및 정지 요소(44)는 중첩 영역(overlapping area)(A)을 가지며, 이 영역은 내부 윤곽부(441) 및 외부 윤곽부(442)에 의해 감싸진다(bounded). 중첩 영역(A)은 도 1b에서 쇄선(dash-dotted line)들에 의한 해칭으로(hachure) 나타낸다. 이는 정지 요소(44)의 평면 표면(49) 및 플랜지(42)의 내부면(43)의 접촉 부분들에 해당한다.
본 실시예에서, 중첩 영역(A)은 링 형상이며, 내부 윤곽부(441)는 내경(Ri)을 가지며, 외부 윤곽부는 외경(Ro)을 갖는다. 외경(Ro)은 내경(Ri)의 2배만큼 커서(예컨대, 외경 값은 10mm이며, 내경 값은 5mm임), 비율(Ro/Ri)의 값은 2이다. 각각 내부 윤곽부(441) 및 외부 윤곽부(442)에 의해 둘러싸이는 대응하는 영역(Ai 및 Ao)들의 비율의 값은, 본 실시예에서, Ao/Ai = Ro2/Ri2, 즉, Ao/Ai = 4이다.
도 1의 실시예는, 정지 요소(44)에 고정식으로 커플링되는 원통형 가이드 요소(50)를 도시한다. 바람직하게는, 원통형 가이드 요소(50)는 밸브 니들(22) 및 정지 요소(44)에 일체형이다. 원통형 가이드 요소(50)는 축방향으로 연장한다. 원통형 가이드 요소(50)는 전기자(38)에 대해 밸브 니들(22)을 안내할 수 있다.
바람직하게는, 원통형 가이드 요소(50)는 전기자(38)의 본체(40)의 축방향 중심 개구(60) 내로 축방향으로 연장한다. 그러나, 원통형 가이드 요소(50)는 본체(40)에 횡방향으로(laterally) 중첩되지 않는다. 이렇게 함으로써, 전기자(38)는, 특히, 원통형 가이드 요소(50)와의 직접적인 기계적 상호작용에 의해서 밸브 니들(22)에 축방향 힘들을 전달하는 것을 실시할 수 없다(inoperable). 게다가, 정지 요소(44)가 본체(40)로부터 축방향으로 이격되기(spaced from) 때문에, 전기자(38)는 평면 표면(49) 및 평면 내부면(43)에 의해 형성된 플랜지(42)와 정지 요소(44)의 형상 끼워맞춤(form-fit) 연결들 통해서 단독으로(solely) 폐쇄 위치로부터 멀어지게 밸브 니들(22)을 이동시키기 위해 축방향으로 지향된 힘들을 전달한다.
도 1 내지 도 3은 공동(24)에 배열되며, 예컨대 압입(press-fit) 연결에 의해 밸브 바디(20)에 고정식으로 커플링되는 상부 가이드 요소(54)를 갖는 밸브 조립체(14)의 실시예들을 도시한다. 상부 가이드 요소(54)는 공동(24) 내측으로 전기자(38)를 안내할 수 있다.
자세하게는, 상부 가이드 요소(54)는 전기자(38)의 본체(40)의 축방향 중심 개구(60) 내에 수용된다. 상부 가이드 요소(54)는 유체 입구부(26)의 측면으로부터 축방향 중심 개구(60) 내로 연장하는 반면, 원통형 가이드 요소(50)는 유체 출구부(28)의 측면으로부터 축방향 중심 개구(60) 내로 연장한다. 본 실시예에서, 상부 가이드 요소(54)는 슬리브의 형태이며, 메인 스프링(32)은 상부 가이드 요소(54)를 통해 본체(40)의 축방향 중심 개구(60) 내로 연장한다.
도 3은, 플랜지(42)가 축방향으로 연장하는 원통형 섹션(56)을 포함하는, 밸브 조립체(14)의 일 실시예를 도시한다. 플랜지(42)의 원통형 섹션(56)은 전기자(38)에 대해 밸브 니들(22)을 위한 가이드 요소를 형성한다.
도 4 내지 도 7은 상부 가이드 요소(58)가 공동(24) 내에 배열되고 밸브 니들(22)에 고정식으로 커플링되는 밸브 조립체(14)의 실시예들을 도시한다. 특히, 전기자(38)는 축방향 중심 개구(60)의 형태인 리세스를 가지며, 여기서, 상부 가이드 요소(58)가 적어도 부분적으로 배열된다. 상부 가이드 요소(58)는 전기자(38)에 대해 밸브 니들(22)을 안내한다.
상부 가이드 요소(58)는 유체 입구부(26)를 향하는 방향으로 전기자(38)의 본체(40)로부터 돌출한다. 상부 가이드 요소(58)의 돌출부에 축방향으로 중첩하는 밸브 바디(20)의 안내부(guiding portion)는 밸브 바디(20)에 대해 상부 가이드 요소(58)를 축방향으로 안내하도록 치수 설정된다. 밸브 바디(20)의 안내부는, 특히, 기본적으로 상부 가이드 요소의 돌출부의 역전된(inverted) 형상을 갖는다. 이렇게 함으로써, 상부 가이드 요소(58)는 본체(40)의 축방향 중심 개구(60)를 통해 기계적 상호작용에 의해 전기자(38)를 축방향으로 안내하는데 기여한다. 상부 가이드 요소(58)의 돌출부의 외경이 전기자(38)의 하류 영역(region downstream)에서 밸브 니들(22)의 외경보다 더 커서, 안내가 특히 정확할 수 있을 것이다.
상부 가이드 요소(58)는 리세스(62)를 갖는다. 도 4 내지 도 7의 실시예들에서, 밸브 니들(22)은 상부 가이드 요소(58)의 리세스(62)에 부분적으로 배열되고, 밸브 니들(22)은 상부 가이드 요소(58)에 형상 끼워맞춤식으로 커플링된다. 도 5 내지 도 7은 밸브 니들(22)에 고정식으로 커플링되는 상부 가이드 요소(58)에 일체형인 정지 요소(44)를 갖는 밸브 조립체(14)의 실시예들을 도시한다.
이하, 분사 밸브(10)의 기능이 설명된다:
유체는, 유체 입구부(26)로부터 공동(24)으로 그리고 유체 출구부(28)로 더 안내된다. 밸브 니들(22)은 밸브 니들(22)의 폐쇄 위치에서 유체 출구부(28)를 통한 유체 유동을 방지한다. 밸브 니들(22)의 폐쇄 위치 외부에서, 밸브 니들(22)은 분사 노즐(30)을 통한 유체 유동을 가능케 한다.
전자기 액츄에이터 유닛(16)이 여자상태가 되는 경우에, 액츄에이터 유닛(16)은 전기자(38) 상에 전자기력을 실행할 수 있다. 전기자(38)는 코일(36)에 의해 인력을 받게되며(attracted) 유체 출구부(28)로부터 멀어지게 축방향으로 이동한다. 전기자(38)는 정지 요소(44)의 평면 표면(49)과 플랜지(42)의 내부면(43)과의 형상 끼워맞춤 연결에 의해서 정지 요소(44) 및 밸브 니들(22)을 이와 함께 취하여, 밸브 니들(22)이 폐쇄 위치 밖으로 축방향으로 이동한다. 이에 따라, 유체는 분사 노즐(30)을 통해 유동할 수 있다.
밸브 조립체(14)는, 전기자(38)의 본체(40)가 밸브 바디(20)를 가격할 때(hit) 밸브 조립체의 개방 구성에 도달하여, 유체 입구부(26)를 향한 밸브 조립체의 축방향 이동이 정지된다. 이후, 밸브 니들(22)은 전기자(38)로부터 커플링해제될 수 있으며, 유체 입구부(26)를 향해 축방향으로 더 멀리 이동할 수 있어, 정지 요소(44)의 평면 표면(49)이 플랜지(42)의 내부면(43)과의 형상 끼워맞춤 연결 밖으로 이동하여, 이들 2 개의 표면들 사이에 갭을 유발한다.
정지 요소의 평면 표면(49)이 플랜지(42)의 내부면(43)으로부터 멀리 이동할 때, 갭은 증가된다. 증가하는 갭에는 유체가 충전되며, 이 유체는 큰 중첩 영역(A)에 기인하여 비교적 높은 속도로 플랜지(42)의 평면 내부면(43)과 정지 요소(44)의 평면 표면(49) 사이에서 갭으로 흡입된다. 이렇게 함으로써, 정지 요소(44)와 플랜지(42) 사이의 고착 효과(sticking effect)가, 특히 갭으로 유입되는 유체로부터 유발되는 유체 역학적 및/또는 정역학적 힘들(hydrodynamic and/or hydrostatic forces)에 기인하여 유발될 수 있다. 이에 따라, 전기자(38)에 대한 밸브 니들(22)의 이동이 완충될 수 있고(dampen), 밸브 니들(22)의 오버슛이 대폭(largely) 회피될 수 있다. 따라서, 펄스폭이 작을지라도, 분사 밸브(10)를 구동하는 드라이버의 전기 신호의 펄스 폭과 유체 분사량 사이의 매우 양호한 선형성(linearity)이 얻어질 수 있다.
밸브 조립체(14)가 개방 구성에서 안정화되는 경우, 정지 요소(44)의 평면 표면(49)과 플랜지(42)의 내부면(43) 사이의 갭은, 유체 출구부(28)를 향하는 방향으로 밸브 니들(22)을 편향시키는 메인 스프링(32)에 의해서 다시 폐쇄된다. 액츄에이터 유닛(16)이 후속하여 여자되지 않는(de-energized) 경우, 메인 스프링(32)은 그의 폐쇄 위치에서 축방향으로 이동하게 밸브 니들(22)을 강제할 수 있다. 밸브 니들(22)은 정지 요소(44)와 플랜지(42) 사이의 기계적 커플링에 의해서 정지 요소(44) 및 전기자(38)를 이와 함께 취한다.
밸브 조립체(14)는, 밸브 니들(22)이 시트(29)를 가격할 때 밸브 조립체의 폐쇄 구성에 도달하여, 유체 출구부(28)를 향한 밸브 조립체의 축방향 이동이 정지된다. 이후, 전기자(38)는 밸브 니들(22)로부터 커플링해제될 수 있으며, 유체 출구부(28)를 향해 축방향으로 더 멀리 이동할 수 있어, 플랜지(42)의 내부면(43)이 정지 요소(44)의 평면 표면(49)과의 형상 끼워맞춤 연결로부터 이동하여, 이들 2 개의 표면들 사이에 갭을 유발한다.
개방 이벤트에 대해 상기에 설명된 바와 동일한 방식으로, 정지 요소(44)의 평면 표면(49)과 전기자(38)의 플랜지(42)의 평면 내부면(43) 사이에서 갭으로 흡입되는 유체는 정지 요소(44)와 플랜지(42) 사이의 상대 이동을 완충시킬 수 있다. 따라서, 밸브 니들(22)에 대한 전기자(38)의 이동이 완충될 수 있다. 전기자(38)의 운동 에너지(kinetic energy)는 이렇게 함으로써 효과적으로 소산된다. 따라서, 전기자(38)가 전기자 스프링(46)에 의해 정지 요소(44)와 형상 끼워맞춤 맞물림으로 다시 강제될 때, 밸브 니들(22)의 바운싱(bouncing)이 회피될 수 있다. 따라서, 밸브 니들(22)의 폐쇄 위치를 검출하기 위한 매우 양호한 능력이 얻어질 수 있다.
본 발명은 상기 예시적 실시예들에 기초하여 설명에 의해 특정 실시예들로 제한되는 것이 아니라 상이한 실시예들의 요소들의 임의의 조합을 포함한다. 게다가, 본 발명은 청구항들의 임의의 조합 및 청구항들에 의해 개시된 특징들의 임의의 조합을 포함한다.

Claims (15)

  1. 분사 밸브(10)용 밸브 조립체(14)로서,
    유체 입구부(26)와 유체 출구부(28)를 갖는 공동(24) 및 길이방향 중심 축(L)을 포함하는 밸브 바디(20),
    상기 공동(24)에서 축방향으로 이동가능하며, 폐쇄 위치에서 유체 출구부(28)를 통한 유체 유동을 방지하고 추가의 위치들에서 유체 출구부(28)를 통한 유체 유동을 방출하는 밸브 니들(22),
    상기 밸브 니들(22)을 구동하기 위해 제공된 전자기 액츄에이터 유닛(16)으로서, 상기 액츄에이터 유닛(16)은 전기자(38)를 구비하며, 상기 전기자(38)는 공동(24)에서 축방향으로 이동가능하며 본체(40) 및 상기 본체(40)로부터 축방향으로 이격된 플랜지(42)를 포함하며, 상기 플랜지(42)는 본체(40)에 고정식으로 커플링되며 본체(40)에 마주하는 내부면(43)을 가지는, 전자기 액츄에이터 유닛(16),
    상기 밸브 니들(22)에 고정식으로 커플링되며 전기자(38)의 플랜지(42)와 본체(40) 사이에서 축방향으로 공동(24) 내에 배열되는 정지 요소(44), 및
    상기 본체(40)와 플랜지(42) 사이에서 축방향으로 공동(24) 내에 배열되며 정지 요소(44)가 플랜지(42)의 내부면(43)과 접촉하게 하도록 정지 요소(44) 상에 작용하는 힘을 제공하게 작동될 수 있는 전기자 스프링(46)을 포함하며,
    상기 정지 요소(44)와 내부면(43)의 중첩 영역(A)은 내부 윤곽부(441) 및 외부 윤곽부(442)에 의해 둘러싸이며, 상기 외부 윤곽부(442)에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ao)는 내부 윤곽부(441)에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ai)보다 적어도 3배 큰,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 윤곽부(442)에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ao) 및 내부 윤곽부(441)에 의해 둘러싸이는 영역 콘텐트(Ai)의 하기 비율: 3 ≤ Ao/Ai ≤ 7이 유효한,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중첩 영역(A)은 내경(Ri) 및 외경(Ro)을 갖는 링 형상을 포함하며, 외경(Ro) 및 내경(Ri)의 하기 비율: 1.5 ≤ Ro/Ri ≤ 3이 유효한,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자(38), 정지 요소(44) 및 밸브 니들(22)은, 본체(40)가 밸브 니들(22) 또는 정지 요소(44)와의 직접적인 기계적 상호작용에 의해 밸브 니들(22)에 축방향으로 지향된 힘을 전달하는 것이 실시 불가능하게 되는 방식으로 형성되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상부 가이드 요소(54)가 상기 공동(24) 내에 배열되고, 밸브 바디(20)에 고정식으로 커플링되며, 상기 상부 가이드 요소(54)는 공동(24) 내측으로 전기자(38)를 안내하도록 설계되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 본체(40)는 중심 개구(60)를 가지며, 상부 가이드 요소(58)는 중심 개구(60) 내에 수용되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상부 가이드 요소(58)는 상기 공동(24) 내에 배열되고, 밸브 니들(22)에 고정식으로 커플링되며, 상기 상부 가이드 요소(58)는 전기자(38)에 대해 밸브 니들(22)을 위한 가이드 요소를 형성하도록 설계되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 본체(40)는 중심 개구(60)를 가지며, 상부 가이드 요소(58)는 유체 입구부(26)에 마주하는 측면 상에서 중심 개구(60)로부터 돌출하도록 중심 개구(60)에 배열되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 정지 요소(44)는 상부 가이드 요소(58)에 일체형(one piece with)인,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 가이드 요소(58)는 리세스(62)를 포함하며, 밸브 니들(22)은 부분적으로 리세스(62) 내에 배열되며, 밸브 니들(22)은 상부 가이드 요소(58)에 형상 끼워맞춤식으로 커플링되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랜지(42)의 내부면(43)은 평면이며, 정지 요소(44)는 플랜지(42)의 평면 내부면(43)에 마주하는 평면 표면(49)을 포함하며, 상기 정지 요소(44)의 평면 표면(49) 및 플랜지(42)의 내부 표면(43)은 서로 접촉되도록 설계되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원통형 가이드 요소(50)가 정지 요소(44)에 고정식으로 커플링되며, 상기 원통형 가이드 요소(50)는 축방향으로 연장하며 전기자(38)에 대해 밸브 니들(22)을 안내하도록 설계되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자(38)의 플랜지(42)는 축방향으로 연장하며 전기자(38)에 대해 밸브 니들(22)용 가이드 요소를 형성하도록 설계되는 원통형 섹션(56)을 포함하는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정지 요소(44)는 밸브 니들(22)과 일체형인,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 밸브 조립체(14)를 포함하는 연소 기관의 연소실용 분사 밸브(10).
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