KR20140099333A - 분사 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관용 분사 시스템을 설명한다. 분사 시스템은 연료를 고압 영역으로 고압에서 전달하기 위한 고압 펌프를 가지며, 고압 펌프는 입구 밸브 및 전기식으로 스위칭되고 디지털 방식으로 가동되는 출구 밸브를 포함한다. 출구 밸브는 정상 개방 출구 밸브로서 설계된다. 이런 방식으로, 고압 영역을 위한 압력 릴리프 밸브를 없애는 것이 가능하다.

Description

분사 시스템 {INJECTION SYSTEM}
고압 하의 연료를 복수의 분사기들을 공급하는 고압 영역으로 전달하기 위한 고압 펌프를 갖는 내연기관용 분사 시스템에 관한 것으로서, 고압 펌프는 입구 밸브 및 전기적으로 스위칭되고 디지털 방식으로 활성화되는 출구 밸브를 포함하며, 출구 밸브는 밸브 시트, 밸브 시트와 협동하는 폐쇄부(closing body), 폐쇄부를 위한 전자기 가동식 액츄에이터 및 폐쇄부와 협동하는 스프링을 포함한다.
독일 특허 출원 10 2010 042 350.5 호는 전술한 특징들을 가지는 분사 시스템용 고압 제어 장치를 제안한다. 이런 경우에 제어는 하나의 액츄에이터 또는 두 개의 액츄에이터들에 의해서 입구 밸브 및 출구 밸브들 디지털 방식으로 스위칭함으로써 시행된다. 디지털 방식으로 스위칭되는 입구 밸브 및 출구 밸브를 갖춘 그와 같은 펌프는 다양한 장점들을 가진다. 그러나, 이런 실시예에서 조차도 출구 밸브 하류의 고압 경로 내에 배열되는 부가의 기계식 압력 릴리프 밸브(PRV)가 필요한데, 이는 예를 들어, 결함 있는 출구 밸브의 결과로써 오류인 "펌프 최대 전달"의 경우에 고압 측에 압력 감소의 가능성이 있어야 함으로써, 이런 경우에 발생하는 압력 증가의 결과로써 시스템이 "폭발"하지 않아야 하기 때문이다.
이런 형태의 그와 같은 기계식 압력 릴리프 밸브는 예를 들어, 펌프 출구 밸브에 평행한 고압 펌프에 배열되며 선택된 컨셉에 따라서 (펌프의 펌핑 단계에서 폐쇄되기 때문에 이런 경우에 유압식으로 잠기는)실린더 챔버 내의 압력 제거를 시행하거나 또는 펌프 입구 밸브 상류의 저압 측의 점진적인 차단을 시행한다. 이런 압력 릴리프 밸브는 예를 들어, 다음 상황들, 즉 기계적 또는 전기적 오류로 인해 전기적으로 스위칭되는 출구 밸브가 더 이상 활성화될 수 없는 상황에서 활성화된다. 고압 펌프는 고압 영역으로 더 이상 연료를 전달하지 않는다. 출구 밸브는 (레일 내의)고압 측에 존재하는 압력으로 인해 차단이 강요된다. 차량이 코스팅 모드(coasting mode)(분사 없음)에 있거나 스위치 오프되면, 펌프 출구 밸브 하류의 고압 측에서 둘러싸인 체적의 압력은(고압 석유 분사 밸브들은 누설이 없음) 연료 온도에 따라 상승할 것이다. 차량이 예를 들어, 50 바의 시스템 압력에서 스위치 오프되고 (차량 정지에 의한 엔진 소모 열로 인해)엔진이 스위치 오프된 이후에 (레일 내측의)고압 영역에서 예를 들어, 연료 온도가 20 ℃로부터 40 ℃로 상승하면, 시스템 압력은 예를 들어, 50 바로부터 250 바로 상승한다. 그 후에 고압 측에서 압력 감소 가능성이 존재하지 않으면, 이는 필연적으로 그와 같은 온도 증가에 의해 시스템의 폭발을 유도할 것이며, 또는 주어진 최대 압력 위에서 분사기들이 더 이상 개방되지 않기 때문에 림프-홈 모드(limp home mode)를 방지할 것이다.
정상적으로 폐쇄된(즉, 무전류 폐쇄된) 출구 밸브가 사용되는 전술한 분사 시스템의 경우에, 기계식 압력 릴리프 밸브는 따라서 계속해서 필요로 될 것이다.
본 발명의 목적은 특히 간단하고 비용-절약적 설계에 의해 구별되는, 서두에 설명된 형태의 분사 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
이런 목적은 출구 밸브가 정상 개방 출구 밸브의 형태라는 점에서 명시된 형태의 분사 시스템에서 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명에 따라 구성되는 분사 시스템에서, 정상 개방 출구 밸브가 정상 폐쇄 출구 밸브 대신에 사용된다. 그러나, 이런 경우에 출구 밸브를 폐쇄하기 위해서는 폐쇄 공정이 촉발될 수 있도록 단지 단 펄스의 전류만이 필요하다. 그 후에, 대응 유압력들이 다시 유효하다.
본 발명에 따른 시스템에서 출구 밸브가 전류 없이, 즉 액츄에이터의 불활성 상태에서 개방되기 때문에, 손상(기계적 오류, 전기적 오류)의 경우에 출구 밸브의 폐쇄 위험이 없다. 손상의 경우에, 확실하게 출구 밸브는 예를 들어, 폐쇄부가 역류 연료에 의해 수반되며, 그에 의해 출구 밸브를 폐쇄하는 결과로써 전달 단계 이후에 자동으로 폐쇄되지 않는다. 오히려, 출구 밸브는 개방 상태를 유지한다.
이는 예를 들어, 폐쇄부와 협동하는 스프링이 액츄에이터 불활성 및 보상된 유압에 의해 폐쇄부를 개방 위치에 유지한다는 점에서 구성적으로 시행된다. 고압 영역으로의 전달 단계 중에, 고압 펌프의 압축 챔버 내의 압력이 고압 영역(레일) 내의 압력보다 더 커지자마자 출구 밸브는 압력차에 의해 개방되며 연료가 고압 영역으로 전달된다. 동시에 출구 밸브가 압력-평형화(pressure-equalized)된다. 출구 밸브를 폐쇄하기 위해서 단지 스프링력만이 극복될 필요가 있다. 이는 액츄에이터를 활성화함으로써 달성된다. 비활성화가 그 후에 이어진다.
활성화 및 유압 보상이 존재할 때, 액츄에이터는 스프링의 힘에 반대로 폐쇄부를 폐쇄 위치로 이동시킨다. 액츄에이터의 오류의 경우에, 출구 밸브는 폐쇄되지 않음으로써 이런 경우에 과압이 고압 영역에서 증강될 수 없다. 오히려, 압력은 개방 출구 밸브를 통해서 점진적으로 감소된다. 그 후 고압 펌프에 의해서 고압 영역으로 저압 하에서 계속해서 도입되는 연료는 시스템 "폭발"의 원인이 되지 않는다.
출구 밸브의 구조적 형태에 관하여, 이는 바람직하게 폐쇄부 및 전기자에 연결되는 액츄에이터를 가지며, 스프링은 전기자와 출구 밸브의 하우징 섹션 사이에 지지된다. 이런 경우에, 출구 밸브는 특별하게, 밸브 시트가 배열되는 한 단부에 하우징을 그리고 다른 단부에 고압 영역을 위한 연결부를 가지며, 액츄에이터 로드는 하나 이상의 관류(through-flow) 개구가 제공되는 하우징 섹션을 통해 연장한다. 하우징은 예를 들어, 원통형일 수 있는 반면에, 하우징 섹션은 원통형 하우징 내에 삽입되고 하나 이상의 관류 개구를 가지는 디스크 형상일 수 있으며, 그를 통해서 액츄에이터 로드가 변위 가능하게 연장된다. 보상된 유압 및 액츄에이터 불활성화에 의해서, 전기자와 하우징 섹션(디스크) 사이에 지지되는, 제공된 스프링이 폐쇄부를 밸브 시트로부터 떼어 놓아서 밸브가 개방된다. 액츄에이터가 활성화되면, 전기자는 폐쇄부가 연결되는 액츄에이터 로드를 통해서 스프링력과 반대로 폐쇄부를 그의 폐쇄 위치로 이동시킨다.
폐쇄부는 바람직하게 구형이며 원추형 밸브 시트와 협동한다.
언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 분사 시스템은 액츄에이터가 밸브를 폐쇄하기 때문에 고압 영역을 위한 압력 릴리프 밸브를 요구하지 않으며, 결함있는 액츄에이터의 경우에 출구 밸브는 (제공된 스프링으로 인해)폐쇄되지 않는다. 오히려, 출구 밸브는 액츄에이터 불활성화 및 보상된 유압에 의해 항상 개방된다.
본 발명은 도면과 연관된 전형적인 실시예를 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.
도 1은 압력 증가 모드의 흡입 단계에 있는 입구 밸브 및 출구 밸브를 갖춘 고압 펌프의 개략도이며,
도 2는 압력 증가 모드의 귀환 유동 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 3은 압력 증가 모드의 압력 증가 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 4는 압력 증가 모드의 전달 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 5는 압력 증가 모드의 흡입 단계의 시작에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 6은 압력 증가 모드의 흡입 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 7은 압력 감소 모드의 귀환 유동 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 8은 압력 감소 모드의 압력 보상 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 9는 압력 감소 모드의 압력 보상 위치에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 10은 압력 감소 모드의 압력 감소 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 11은 압력 감소 모드의 압력 감소 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이며,
도 12는 압력 감소 모드의 흡입 단계에 있는 도 1의 밸브에 대응하는 도면이다.
도 1은 전기식으로 스위칭되고 디지털 방식으로 활성화되는 입구 밸브(3)를 통해 고압 펌프의 압축 챔버(1)로 개방되는, 저압 측에서 나오는 연료 공급 라인(2)을 개략적으로 도시한다. 도 1 여기에 도시된 흡입 단계에서 하향으로 이동하는 피스톤(14)이 압축 챔버(1) 내에 위치된다. 압축 챔버(1)는 한 단부에 밸브 시트(7)를 가지고 다른 단부에 고압 영역(레일)으로의 연결부(12)를 가지는 원통형 하우징(5)을 포함하는 출구 밸브(4)에 연결된다. 밸브 시트(7)와 협동하는 구형 폐쇄부(6)가 원통형 하우징(5) 내에 위치되고 하우징 외측에 배열된 코일(16) 내측에 장착되는 전기자(11)를 갖는 액츄에이터 로드(9)에 연결된다. 복수의 관통-개구(15)들 및 액츄에이터 로드(9)가 통과하는 중앙 보어를 갖는 디스크형 하우징 섹션(16)이 또한 하우징(5) 내에 위치된다.
하우징 섹션(13)과 전기자(11) 사이에 지지되는 스프링(10)은 압력 보상 상태에서 출구 밸브(4)를 개방상태로 유지할 정도의 치수를 가진다.
도 1에 나타낸 흡입 단계에서 입구 밸브(3) 및 출구 밸브(4)는 전기적으로 불활성상태이다. 입구 밸브(3)가 정상적으로 개방상태이기 때문에 압축 챔버(1)는 피스톤(14)의 하향 운동에 의해서 연료로 충전된다. 출구 밸브(4)는 고압 영역(레일) 내에 존재하는 시스템 압력에 의해 차단상태로 유지된다. 출구 밸브의 액츄에이터는 불활성 상태이다.
도 2는 압력 증가 모드에서 공급 라인(2) 내측으로의 귀환 전달 단계를 도시한다. 입구 밸브(3) 및 출구 밸브(4)는 다시 전기적으로 불활성 상태이다. 압축 챔버(1) 내의 연료는 입구 밸브(3)가 폐쇄하기 위한 신호를 수신할 때까지 공급 라인으로 다시 펌핑된다.
도 3에 도시된 압력 증가 모드의 압력 증가 단계에서, 입구 밸브(3)는 폐쇄 충동을 촉발하도록 일시적으로 전기적으로 불활성 상태가 된다. 출구 밸브(4)는 전기적으로 불활성 상태를 유지한다. 압축이 시작되면서 압축 챔버 내의 압력이 상승되자마자, 입구 밸브(3)는 유압식으로 차단상태로 유지된다.
도 4는 압력 증가 모드에서 고압 영역으로의 전달 단계를 도시한다. 입구 밸브(3) 및 출구 밸브(4)는 전기적으로 불활성 상태이다. 입구 밸브(3)는 압축 챔버(1) 내의 보다 높은 압력에 의해 유압식으로 잠긴다. 압축 챔버(1) 내의 압력이 고압 영역(레일) 내의 압력보다 더 크게 되자마자, 출구 밸브(4)는 압력차에 의해 개방되며 연료는 고압 영역으로 전달된다. 도 4는 폐쇄부(6)에 의해 개방된 출구 밸브(4)를 도시한다. 화살표들은 하우징 섹션(13)의 관류 개구(15)들을 통한 고압 영역으로의 연료 유동을 나타낸다.
도 5는 흡입 단계의 시작을 도시한다. 동시에 출구 밸브(4)는 압력 보상된다. 그러므로 출구 밸브는 스프링(10)의 힘에 의해 개방 상태로 유지된다. 흡입 단계의 시작을 위해 밸브를 폐쇄하기 위해서, 액츄에이터는 폐쇄부(6)가 밸브 시트(7) 반대로 이동되도록 활성화된다. 이것은 스프링(10)의 힘의 반대로 발생한다. 출구 밸브(4)는 그 후에 다시 전기적으로 비활성화된다. 그러나, 출구 밸브는 고압 영역(레일) 내의 시스템 압력이 밸브를 차단 상태로 가압하기 때문에 폐쇄 상태를 유지한다.
도 6은 압력 증가 모드에서 펌프 흡입 단계를 도시한다. 입구 밸브(3) 및 출구 밸브(4)는 전기적으로 불활성 상태이다. 입구 밸브(3)가 정상적으로 개방상태에 있기 때문에, 압축 챔버(1)는 충전된다. 출구 밸브(4)는 고압 영역 내에 존재하는 시스템 압력에 의해 차단 상태로 유지된다.
도 7은 압력 감소 모드에서 펌프의 귀환 전달 단계를 도시한다. 입구 밸브(3) 및 출구 밸브(4)는 전기적으로 불활성 상태이다. 다음 단계에서 출구 밸브(4)를 개방할 수 있게 하기 위해서, 체적이 압축 챔버(1) 내에 할당되어 압력 평형을 달성하고 그 후에 단지 스프링(10) 힘의 반대로 출구 밸브(4)를 개방한다.
도 8은 압력 감소 모드에서 동등한 압력 단계를 도시한다. 입구 밸브(3)는 밸브를 폐쇄하도록 일시적으로 전기적으로 활성화된다. 그 후에 압력이 압축 챔버(1)와 고압 영역(레일) 내의 압력 사이에서 평형화될 때까지 압력 증가가 발생한다. 고압 영역 내의 압력은 출구 밸브(4)를 폐쇄상태로 유지한다.
도 9의 도면에서 압축 챔버(1)와 시스템 압력(고압 영역) 사이의 압력 평형화에 도달된다. 출구 밸브(4)는 단지 스프링(10)의 힘만으로 이제 개방상태가 된다.
도 10은 압력 감소 모드에서 방출될 체적의 프로포셔닝(proportioning)을 도시한다. 스프링(10) 힘에 의한 출구 밸브(4)의 개방을 통해서, 압축 챔버(1) 내의 압력은 고압 영역 내에서와 동일한 양만큼 감소된다. 동등한 압력 조건들이 출구 밸브(4)의 양 측들에 존재하면, 이러한 시간 전체에 걸쳐서 출구 밸브(4)는 단지 스프링(10)의 힘에 의해서 개방상태로 유지된다. 피스톤(14)이 압축 챔버(1) 내에서 하향으로 이동될 때 압축 챔버 및 고압 영역 내의 압력은 동일한 값만큼 감소된다. 그러므로, 출구 밸브(4)는 보상된 압력을 유지하며 스프링 힘에 의해 개방상태로 유지된다.
도 11은 압력 감소 모드에서 압력 감소의 종료를 도시한다. 일단 요구된 압력 감소에 도달되면, 출구 밸브(4)는 그의 액츄에이터의 일시적 전기 활성화에 의해 다시 폐쇄된다. 그에 의해서 고압 감소가 종료된다.
도 12는 압력 감소 모드에서 펌프의 흡입 단계를 도시한다. 입구 밸브(3) 및 출구 밸브(4)는 전기적으로 불활성 상태이다. 피스톤(14)의 추가의 하향 운동에 의해서 연료가 압축 챔버(1)의 내측으로 유동한다.
출구 밸브(4)가 정상 개방 출구 밸브의 형태인 경우에, 출구 밸브는 그의 기계적 또는 전기적 결함상태의 경우조차도 자동으로 폐쇄되지 않는데, 이는 그것이 제공된 스프링에 의해 방지되기 때문이다. 이런 방식으로 고압 영역 내의 과압 증강은 고압 영역을 위한 별도의 압력 릴리프 밸브를 제공할 필요 없이 회피된다.

Claims (7)

  1. 고압 하의 연료를 복수의 분사기들을 공급하는 고압 영역으로 전달하기 위한 고압 펌프를 갖는 내연기관용 분사 시스템으로서,
    고압 펌프가 입구 밸브 및 전기적으로 스위칭되고 디지털 방식으로 활성화되는 출구 밸브를 포함하며, 출구 밸브가 밸브 시트, 밸브 시트와 협동하는 폐쇄부, 폐쇄부를 위한 전자기 가동식 액츄에이터 및 폐쇄부와 협동하는 스프링을 포함하는, 내연기관용 분사 시스템에 있어서,
    상기 출구 밸브(4)는 정상 개방 출구 밸브의 형태인 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링(10)은 액츄에이터가 불활성 상태이고 유압 보상이 존재할 때 개방 위치에 폐쇄부(6)를 유지하는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    활성화시 및 유압 보상의 존재시, 상기 액츄에이터는 스프링(10) 힘의 반대로 폐쇄부(6)를 폐쇄 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 밸브(4)는 폐쇄부(6) 및 전기자(11)에 연결된 액츄에이터 로드(9)를 포함하며, 상기 스프링(10)은 전기자(11)와 출구 밸브(4)의 하우징 섹션(13) 사이에 지지되는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출구 밸브(4)는 밸브 시트(7)가 배열되는 한 단부에 하우징(5)을 그리고 다른 단부에 고압 영역을 위한 연결부를 가지며, 상기 액츄에이터 로드(9)는 하나이상의 관류 개구(15)가 제공된 하우징 섹션(13)을 통해 연장하는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐쇄부(6)는 구형이고 원추형 밸브 시트(7)와 협동하는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고압 영역을 위한 압력 릴리프 밸브를 갖지 않는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 분사 시스템.
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