KR20150119424A

KR20150119424A - 가스 분사용 밸브

Info

Publication number: KR20150119424A
Application number: KR1020157025837A
Authority: KR
Inventors: 해리 쉴러
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-10-23
Also published as: CN105008704B; WO2014154451A1; US20160053734A1; DE102013205624B4; EP2938873A1; DE102013205624A1; CN105008704A; JP2016513205A; US9777689B2; JP6038353B2; KR101719812B1

Abstract

본 발명은, 내연 엔진(10)을 위한 가스 연료를 분사하는 밸브(200)로서, 길이방향 크기(A-A)로, 상기 가스 연료를 위한 유입 부분(203)과 유출 부분(204)을 구비하고 상기 유입 부분(203)과 상기 유출 부분(204) 사이에 위치된 구동 부분(202)을 구비하는 하우징(201)을 포함하되, 상기 유입 부분(203)에 할당된 제1 제어 요소(209)가 제공되고, 해당 제1 제어 요소(209)의 스위칭 위치에 따라 가스 연료를 공급하거나 이 공급을 차단하는, 밸브에 관한 것이다. 유출 부분(204)에 할당된 제2 제어 요소(210)가 제공되되, 이 제2 제어 요소(210)의 스위칭 위치에 따라 가스 연료를 방출하거나 이 방출을 차단한다. 구동 부분(202)에 배열된 작동 구동부(206)가 제공되되, 이는 상기 제1 및 제2 제어 요소(209, 210)들이 서로 독립적으로 개방된 위치로 이동될 수 있도록 제1 및 제2 제어 요소(209, 210)에 결합된다.

Description

가스 분사용 밸브{VALVE FOR INJECTING GAS}

본 발명은 특허 청구항 1에 따른 내연 엔진의 연소 챔버에 가스를 분사하는 밸브에 관한 것이다.

알려진 액체 연료, 예를 들어, 석유 또는 디젤, 가스 연료 이외에, 특히 압축된 천연 가스(compressed natural gas: CNG)가 경제적인 및 환경적인 이유 때문에 현대 내연 엔진에 점점 더 많이 사용되고 있다. 천연 가스 충전소의 인프라(infrastructure)가 아직 광범위하지 않기 때문에, 액체와 가스의 두 가지 연료가 두 연료로 선택적으로 동작하는 내연 엔진에 종종 사용되고 있다. 여기서 사용되는 용어는 단 하나의 단일 유형의 연료에 따른 일가 동작(monovalent operation)과는 대조적으로 내연 엔진의 이가 동작(bivalent operation)이다.

이러한 내연 엔진의 가스 공급 시스템은 통상적으로 가스 저장소, 셧오프(shut-off) 밸브, 온도 및 압력 센서, 감압기 또는 압력 조절기, 내연 엔진의 실린더의 개수에 대응하는 개수의 가스 분사 밸브, 및 전자 제어 디바이스와 함께 대응하는 유체 라인을 포함한다.

천연 가스는 통상적으로 최대 200 바(bar)의 압력에서 하나 이상의 실린더에 저장된다. 감압기 또는 전기 압력 조절기는 이 압력을 가스 분사 밸브의 입구에서 더 낮은 값으로 감소시킨다. 가스가 내연 엔진의 입구 다기관(inlet manifold)으로 분사되면(포트 분사), 일반적인 압력 값은 분사 밸브의 특성에 따라 2-8 바의 범위에 놓여 있다.

연료를 내연 엔진의 연소 챔버로 직접 분사하는 경우 제공되는 장점, 예를 들어, 방출물의 저감과 연료 소비량의 감소를 고려하여, 내연 엔진의 연소 챔버에 천연 가스를 직접 분사하는 시스템이 알려져 있다. 그러나, 이것을 달성하기 위하여, 레일 또는 가스 분사 밸브에서 천연 가스의 압력은 천연 가스의 입구 다기관 분사의 경우에서보다 더 커야 한다. 이 경우에 일반적인 값은 입구 다기관 분사에 비해 더 짧은 이용 시간 범위 내에 필요한 가스량을 도입할 수 있기 위하여 5-20 바의 범위에 놓여 있다.

가스 분사 밸브는 통상적으로 소위 솔레노이드 밸브로 구현되고, 여기서 솔레노이드 코일은 작동체로 제공되고 노즐 니들은 제어 요소로 제공되며, 이들 부품은 그 전기적 활성에 따라 내연 엔진의 연소 챔버에 가스를 전달하거나 또는 가스의 흐름을 방지한다.

가스 분사 밸브의 경우에, 액체 연료에 비해 가스의 에너지 밀도가 더 낮은 것으로 인해, 내연 엔진의 특정 동력 출력을 달성하기 위하여 동일한 밸브 개방 기간 동안 액체 분사 밸브의 경우에서보다 더 큰 포트 단면이 요구되기 때문에 가능한 연료 흐름률의 제한이 매우 신속히 나타난다. 요구되는 포트 단면은 증가된 노즐 니들 상승 또는 더 큰 디스크에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 밸브 디스크의 더 큰 직경은, 이것이 밸브 디스크에 작용하는 가스 힘을 증가시킨다는 단점을 가진다.

증가된 상승은, 솔레노이드 코일과 이에 의해 작동될 수 있는 제어 요소 사이의 거리가 크면 클수록, 제어 요소를 상승시킬 수 있는 자기력이 더 작아진다는 것을 의미한다. 이것은 흐름률이 프리셋 전기 공급 전압과 프리셋 공급 전류, 및 주어진 가스 압력에 대해 특정 양을 초과할 수 있다는 것을 의미한다.

그리하여, 내연 엔진의 연소 챔버에 가스를 직접 분사하기 위하여, 외부쪽에, 다시 말해 연소 챔버에 밸브 니들 개구를 구비하는 가스 분사 밸브가 사용된다. 가스가 도입되는 흐름 저항이 감소되는 것 이외에, 이것은 리턴 스프링의 힘에 더하여 내연 엔진의 연소 챔버 내 가스 힘이 또한 연소 동안 밸브 포트를 계속 폐쇄시키는 추가적인 장점을 가진다.

이러한 가스 분사 밸브에 따른 문제는 밸브 니들의 안착부(seat)가 실린더의 연소 챔버 내의 높은 연소 온도에 노출되어, 이 안착부의 플라스틱 또는 고무 물질과 같은 효율적인 밀봉 물질을 마모시킨다는 것이다. 이에 의해 ECE R 110 규정에 따라 CNG 설치 컴포넌트에 대해 규정된 누설 방지 요구조건을 충족하는 것이 곤란해진다. 나아가, 필요한 높은 밀봉 힘은 밸브의 폐쇄 시 안착부의 마모가 증가된다는 것을 의미한다. 이 마모를 최소화하기 위해, 쌍을 이룬 값비싼 물질 조합이 이 안착부와 밸브 디스크에 사용된다. 나아가 이러한 고강도의 쌍을 이룬 물질 조합은 밸브 니들이 리바운드(rebound)하게 하는 경향이 있다.

DE 10 2009 012 688 B3은 작은 자기력에 의해 작동될 수 있는 가스를 분사하는 밸브를 설명한다. 이를 위해 제어 요소와 폐쇄 요소가 제공되고, 폐쇄된 위치에 있을 때 제어 요소는 솔레노이드 코일로부터 짧은 거리에서 위치된다. 제어 요소는 전기 전류가 솔레노이드 코일을 통과할 때 제어 요소는 솔레노이드 코일 쪽으로 폐쇄 요소를 운반하는 방식으로 폐쇄 요소에 동작가능하게 연결된다. 나아가, 폐쇄 요소는 제어 요소의 움직임에 상관없이 솔레노이드 코일의 자기력에 의해 개방된 위치만큼 멀리 및 솔레노이드 코일에 훨씬 더 가까이로 이끌린다. 제어 요소와 폐쇄 요소를 제공하는 것에 의해 제어 요소의 제1 움직임과 폐쇄 요소의 연결된 움직임을 통해 밸브의 출구 포트를 개방하는 것이 가능하다. 이것은 제어 요소와 폐쇄 요소가 위치된 전달 챔버 내 압력을 강하시키는 것에 의해 달성된다. 폐쇄 요소에 작용하는 가스 압력과 연관된 힘은 이에 의해 감소된다. 그리하여 폐쇄 요소가 출구 포트가 완전히 개방되는 개방된 위치로 더 움직이는 것이 작은 자기력에 의해 달성될 수 있다.

DE 10 2009 012 689 B4는, 내연 엔진의 연소 챔버에 가스를 전달하는 밸브로서, 상기 밸브는, 하우징과 이 하우징에 제공되는 출력 챔버를 구비하는, 밸브를 개시한다. 전달 챔버는 출구 포트, 작동체, 특히 하우징에 배열되는 코일과 자성 폐쇄 요소를 구비하는 솔레노이드 밸브를 구비한다. 폐쇄 요소는 출구 포트에 할당되고, 폐쇄 요소는 작동체의 작동에 따라 출구 포트를 개방하거나 폐쇄한다. 폐쇄 요소는 하우징의 가이드에서 가이드되고, 폐쇄 요소는 전달 챔버를 통해 출구 포트로 가이드되고, 전달 챔버에서 폐쇄된 위치에서 폐쇄 요소는 폐쇄 요소의 이동 방향과 횡방향으로만 가스 압력을 받는다. 폐쇄 요소는 약간의 반대-압력만으로 폐쇄된 위치로부터 개방된 위치로 이동될 수 있어서, 폐쇄 요소를 작동시키는데 더 적은 동력의 작동체가 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 내연 엔진의 연소 챔버에 가스 연료를 직접 분사하는 개선된 밸브를 제공하는 것이다.

본 목적은 독립 특허 청구항의 특징에 의해 달성된다. 유리한 실시예는 종속 청구항에 제시된다.

본 발명의 구별되는 특징은, 내연 엔진을 위한 가스 연료를 분사하는 밸브로서, 하우징이 그 길이방향 크기로 상기 가스 연료를 위한 유입 부분과 유출 부분, 및 상기 유입 부분과 상기 유출 부분 사이에 위치된 구동 부분을 포함하는, 밸브에 있다. 제1 제어 요소는 상기 유입 부분에 할당되고, 상기 제1 제어 요소의 스위칭 위치에 따라 상기 가스 연료를 전달하거나 이 전달을 차단한다. 상기 유출 부분에 할당된 제2 제어 요소는 상기 제2 제어 요소의 스위칭 위치에 따라 상기 가스 연료를 전달하거나 이 전달을 차단한다. 작동 구동부가 제공되고, 이 작동 구동부는 상기 구동 부분에 배열되고, 이 작동 구동부는 상기 제어 요소가 서로 독립적으로 개방된 위치로 갈 수 있는 방식으로 상기 2개의 제어 요소에 결합된다.

일 예시적인 실시예에 따라 일 솔레노이드 코일은 두 제어 요소를 위한 작동 구동부로 기능하여, 이에 의해 상기 가스 분사 밸브의 매우 간단하고 강력하며 비용 효과적인 구성을 제공한다.

단일 작동 구동부를 사용하여 서로 독립적으로 작동되는 2개의 제어 요소를 작동시키되, 제1 제어 요소는 폐쇄 부재에 의해 상기 유입 부분에 존재하는 가압된 가스에 대해 기밀 밀봉(tight seal)을 제공하고, 상기 다른 제어 요소는 상기 유출 부분에 추가적인 폐쇄 부재에 의해 상기 내연 엔진의 연소 챔버에 대해 기밀 밀봉을 형성하는 것에 의해, 상기 2개의 폐쇄 부재의 안착부 및/또는 상기 폐쇄 부재에 상이한 물질을 사용하는 것이 가능하다.

상기 유입 부분에 있는 안착부는 상기 유출 부분에 있는 상기 안착부에서 우세한 온도와 같은 고온에 노출되지 않으므로, 상기 유입 부분에 있는 상기 제1 제어 요소의 폐쇄 부재 및/또는 그 밀봉면은 예를 들어 엘라스토머, 플라스틱 또는 고무 부품과 같은 효율적인 밀봉을 제공하고 유연하며 동시에 비용 효과적인 물질로 유리하게 제조될 수 있다. 이에 의해 간단한 수단에 의해, 내연 엔진을 위한 가스 공급 시스템의 컴포넌트에 대해 규정된 누설 방지 요구조건을 충족하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 제1 제어 요소는 제1 스프링 요소에 의해 바이어스(biased)되어서, 상기 제1 제어 요소의 폐쇄된 위치에서 그 폐쇄 부재가 상기 안착부로 가압되게 한다. 상기 제1 스프링 요소에 대해 선택된 스프링 특성은 통상적으로 레일로 전달되는 우세한 가스 압력에 의존한다. 이것은 가스 분사 밸브의 소위 "저온 단부"에서 기밀 밀봉을 달성하는 간단한 방법이다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따라 상기 제2 제어 요소는 제2 스프링 요소에 의해 바이어스되어서, 상기 제2 제어 요소의 폐쇄된 위치에서 그 폐쇄 부재가 상기 유출 부분에 있는 안착부로 가압되게 한다. 상기 가스 분사 밸브가 상기 폐쇄된 위치에 있는 동안 이 폐쇄 부재는 상기 가스 연료의 고압에 견뎌야 할 필요가 없고, 상기 내연 엔진의 연소 챔버에 대해 기밀 밀봉만을 형성하면 되므로, 더 작은 스프링 특성을 갖는 스프링 요소가 여기에 사용될 수 있다.

상기 제2 제어 요소는 외부쪽으로 개방된 밸브 니들로 설계되기 때문에, 상기 연소 챔버 내 가스 압력은 상기 가스 연료가 분사되지 않는 기간 동안 상기 폐쇄 부재의 개방 방향과 반대쪽으로 추가적인 밀봉 힘을 가한다. 그리하여 보다 엄격한 누설 방지 요구조건을 충족하지 않는 물질이 상기 가스 분사 밸브의 소위 "고온 단부"에 배열된 상기 폐쇄 요소와 그 밀봉면에 사용될 수 있어서 상기 가스 분사 밸브의 비용 효과적인 실시에 기여한다.

상기 2개의 제어 요소의 움직임을 적어도 부분적으로 분리하는 것은 또한 상기 가스 분사 밸브의 개방 시퀀스를 작동시키는데 더 작은 힘이 요구된다는 것을 의미한다. 초기에, 상기 작동 구동부가 활성화될 때 상기 유입 부분에 있는 상기 제1 제어 요소만이 그 안착부로부터 상승되어 부분적으로 개방된다. 이 시간에 상기 제2 제어 요소는 아직 여전히 이동되지 않고 있으므로, 작은 힘으로도 이를 수행하는데 충분하다. 상기 제1 스프링 요소의 반대힘을 극복하는 것만이 필요하다.

상기 제1 제어 요소가 가스 연료를 위한 입구 포트를 부분적으로 개방한 때에만 상기 제2 제어 요소는 또한 상기 작동 구동부에 의해 개방 방향으로 이동되고, 이때 상기 움직임은 상기 가스 분사 밸브로 흐르는 가압된 가스에 의해 추가적으로 지원되어서, 상기 가스 분사 밸브가 정확한 시간에 정밀하게 개방되게 하여, 특히 상기 내연 엔진의 연소 챔버에 연료를 정밀하게 주입할 수 있게 한다.

본 발명의 추가적인 장점 및 개선은 예시적인 실시예를 도시하는 도면과 이하의 상세한 설명에 제시된다.
도 1은 가스 공급 시스템을 갖는 내연 엔진의 블록도;
도 2는 폐쇄된 위치에 가스 공급 시스템의 가스 분사 밸브의 개략도; 및
도 3은 개방된 위치에 가스 공급 시스템의 가스 분사 밸브의 개략도.

동일한 설계 및/또는 기능을 구비하는 요소는 모든 도면에서 동일한 참조 부호가 제공된다.

도 1은 천연 가스 연료를 사용하여 동작되는 내부 혼합물 형성을 갖는 내연 엔진(10)의 개략도를 도시한다. 내연 엔진은, 특히, 흡기관(11), 실린더(13)를 갖는 엔진 블록(12)과 배기관(14)을 포함한다. 가스/에어 혼합물을 연소시키는데 필요한 신선한 에어는 흡기관(11)을 통해 내연 엔진(10)에 공급된다. 연소 배기 가스는, 배기관(14)에 배열된 적어도 하나의 배기 촉매 컨버터와 소음기를 통해 환경으로 흐른다.

알려진 구성의 가스 공급 시스템(100)은 연료를 갖는 내연 엔진(10)의 동작에 제공된다.

천연 가스는, 일반적으로 예를 들어 200 바의 압력의 미리 한정된 압력에서 하나 이상의 실린더 결합구(fitting) 형태로 내-고압 탱크(high pressure-resistant tank)로 구현된 가스 저장소(101)에 저장된다.

고압 라인(102)을 통해 가스 연료는 셧오프 밸브(103), 감압기 또는 압력 조절기(104)를 통해 저압 라인(105)으로 전달될 수 있다.

가스 저장소(101)로부터 가스의 방출은, 필요에 따라, 예를 들어, 내연 엔진(10)을 스위치오프할 때 또는 이가 내연 엔진의 경우에 다른 유형의 연료로 전환될 때, 셧오프 밸브(103)에 의해 차단될 수 있다. 감압기 또는 압력 조절기(104)는 가스 압력을 저압 라인(105)에 필요한 값, 예를 들어 5 내지 20 바로 감소시키는 역할을 한다. DE 195 24 413 A1은 가스 연료를 위한 연료 준비 시스템의 압력 조절 유닛을 개시한다. 이 압력-조절 유닛은, 전자 제어 유닛으로부터 클록 펄스에 의해 활성화되고 저압측에 정확한 압력 레벨과 정밀한 흐름률을 설정하는 역할을 하는 솔레노이드 밸브를 포함한다.

저압 라인(105)은 연료 저장소로 기능하는 연료 레일(106)에 연결된다. 실린더(13)의 개수에 대응하는 개수의 공급 라인(112)이 연료 레일(106)로부터 분기하고, 각 공급 라인의 자유 단부에는 가스 분사 밸브(200)가 제공되어, 가스 분사 밸브(200)가 적절히 전기 활성될 때 가스가 내연 엔진(10)의 각 연소 챔버로 직접 분사될 수 있게 한다.

내연 엔진(10)의 가스 공급 시스템(100)은 고압측에 있는 가스의 온도(T_H)와 압력(p_H)을 각각 등록하는 온도 센서(107)와 압력 센서(108), 저압측에 있는 가스의 온도(T_N)와 압력(p_N)을 각각 등록하는 저압측에 있는 온도 센서(109)와 압력 센서(110), 및 연료 레일(106)에 근접하여 저압 라인(105)에 배열된 압력 경감 밸브(111)를 더 포함한다.

나아가 제어 디바이스(30)가 제공되되, 이 제어 디바이스에는 센서가 할당되고, 이 센서는 여러 측정된 변수를 등록하고 각 경우에 측정된 변수의 측정된 값을 결정한다. 적어도 하나의 측정된 변수의 함수로서, 제어 디바이스(30)는 대응하는 작동 구동부에 의해 제어 요소를 제어하는 하나 이상의 제어 신호로 변환되는 제어 변수를 결정한다.

이 센서는 가속 페달(16)의 위치를 등록하는 페달 위치 센서(15), 내연 엔진(10)의 부하를 나타내는 신호를 등록하는 부하 센서(17)(예를 들어, 질량 에어 흐름 센서 또는 흡입 다기관 압력 센서), 내연 엔진(10)의 속력이 할당되는 크랭크샤프트 각도를 등록하는 크랭크샤프트 각도 센서(18), 및 가스 공급 시스템(100)의 고압측과 저압측에 있는 압력 센서(108, 110)와 함께 온도 센서(107, 109)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라, 임의의 더 적은 개수의 상기 센서 또는 또한 추가적인 센서가 존재할 수 있고, 이들 센서로부터 신호는 도 1에서 일반적으로 참조 부호 ES로 표시된다.

상기 제어 요소는, 예를 들어, 흡기관(11)에 존재하는 쓰로틀 밸브, 가스/에어 혼합물을 점화하는 역할을 하는 스파크 플러그, 가스 분사 밸브(200), 셧오프 밸브(103), 압력 조절기 또는 감압기(104) 및 압력 경감 밸브(111)이다. 내연 엔진(10)의 동작에 필요하지만 명시적으로 도시되지 않은 추가적인 제어 요소를 위한 추가적인 신호는 도 1에서 일반적으로 참조 부호 AS로 식별된다.

제어 디바이스(30)는 가스-동력 내연 엔진(10)을 제어하는 디바이스에 대응하고 엔진 제어 유닛이라고 지칭될 수도 있다. 특히, 가스 공급 시스템(100)에서 압력 설정값은 내연 엔진(10)의 동작 상태의 함수로서 결정되고, 압력 센서(108, 110)와 온도 센서(107, 109)의 신호는 가스 공급 시스템(100) 내 압력을 조절하기 위해 평가되고, 제어 신호는 셧오프 밸브(103), 감압기 또는 압력 조절기(104) 및 압력 경감 밸브(111)에 대해 생성된다. 대안적으로, 압력 경감 밸브(111)는 순수 기계적인 압력 경감 밸브로 구현될 수도 있다.

내연 엔진(10)의 엔진 속력, 예를 들어, 토크 요구 및/또는 부하와 같은 데이터로부터, 제어 디바이스(30)는 요구되는 가스 연료 분사 양, 분사 지속기간 및 분사 시작 및/또는 종료를 더 계산한다. 이들 함수로서 및 가스 상태 변수, 특히 온도와 압력을 고려하여, 활성화 신호가 가스 분사 밸브(200)로 송신되어, 가스의 정확한 양이 연소 에어로 공급되게 한다.

도 1에 따른 가스 공급 시스템(100)에서 사용되는 분사 밸브(200)의 구성과 작동 원리가 이제 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 2는 폐쇄된 위치에 있는 가스 분사 밸브(200)의 개략도를 도시한다. 가스 분사 밸브는 하우징(201)에 위치된 개별 컴포넌트들이 용이하게 조립될 수 있도록 바람직하게는 금속으로 구성된 다중 부품 하우징(201)을 포함한다. 이후 보다 상세히 설명될 컴포넌트를 조립한 후, 하우징(201) 내 컴포넌트들이, 예를 들어 유체-기밀되도록 용접하는 것에 의해 결합된다. 명확화를 위해, 개별 하우징 부분들은 별도로 식별되지 않으나, 본 도면은 단일 컴포넌트로 조립된 상태의 하우징(201)을 도시한다.

이 하우징(201)은 실질적으로 축방향으로 대칭적인 설계를 가지고 있고, 그 길이방향 축은 참조 부호(A-A)에 의해 식별된다. 화살표 부호는 이후 간단히 가스라고 지칭되는 가스 연료의 흐름 방향을 나타낸다. 그 길이방향 축(A-A)에서 하우징(201)은 구동 부분(202), 이 구동 부분(202)과 인접한 가스용 상류 유입 부분(203), 및 이 구동 부분(202)과 인접한 가스용 하류 부분(204)을 포함한다. 구동 부분(202)은 다른 2개의 부분(203, 204)에 비해 길이방향 축(A-A)에 대해 횡방향으로 더 큰 폭을 구비한다. 이 구동 부분(202)에서 원통형 챔버(205)가 제공되고, 이 챔버에는 2개의 제어 요소(209, 210)를 위한 작동 구동부로 기능하는 솔레노이드 코일(20)이 삽입된다. 이 솔레노이드 코일(206)은 개략적으로 도시된 전기 라인에 의해 제어 디바이스(30)(도 1)에 연결된다.

유입 부분(203)은 가스용 공급 라인(112)이 연결된 연결 부재(208)를 포함하여, 가스가, 필요에 따라, 폐쇄 가능한 입구 포트(235)를 통해 가스 분사 밸브(200)로 흐를 수 있게 한다.

제1 제어 요소(209)는 상류 유입 부분(203) 내에 배열되고 원통형 본체(215)를 구비하고, 이 원통형 본체는 입구 포트(235)를 향하는 단부에 원통형 본체(215)보다 더 넓은 버섯 형상의 폐쇄 부재(211)를 포함하고, 이 폐쇄 부재의 밀봉면(212)은 상류 유입 부분(203)에 있는 입구 포트(235)에 있는 대응하는 밀봉면(213)과 상호 작용한다. 폐쇄 부재(211)와는 원통형 본체(215)의 반대쪽 단부에 강자성 물질로 구성된 전기자 플레이트(armature plate)(230)가 제공되고, 이 전기자 플레이트는 챔버(205) 내에 놓여 있고, 그 방사방향 크기는 솔레노이드 코일(206)의 방사방향 크기에 실질적으로 대응한다.

솔레노이드 코일(206)과 전기자 플레이트(230)를 수용하는 구동 부분(202)은 방사방향 내부쪽으로 돌출하는 플랜지(214)에 의해 상류 유입 부분(203)의 방향으로 한정되어서, 나머지 통로(237)가 제1 제어 요소(209)의 원통형 본체(215)에 대해 축방향 가이드로 기능하게 한다. 원통형 본체(215)에 할당된 제1 스프링 요소(216), 바람직하게는 이 원통형 본체(215)를 둘러싸는 나선형 압축 스프링은 한편으로는 전기자 플레이트(230)로부터 먼 플랜지(214) 쪽에 지지되고 다른 한편으로는 폐쇄 부재(211)에 지지되어서, 스프링 요소(216)의 스프링 힘이 제1 제어 요소(209)를 바이어스시키고 폐쇄 부재(211)가 그 밀봉면(212)이 유입 부분(203)의 밀봉면(213)으로 가압되게 한다.

제1 스프링 요소(216)의 스프링 특성은, 가스 분사 밸브(200)의 폐쇄된 위치에서, 다시 말해, 솔레노이드 코일(206)이 비도통된 상태에서, 스프링 힘이 입구 포트(235)에서의 가스 압력을 상쇄시키기에 충분하여, 가스가 가스 분사 밸브(200) 안으로 들어갈 수 없게 하는 방식으로 설계된다. 그리하여 제1 제어 요소(209)는 가스 분사 밸브(200)로의 가스 흐름을 제어하는 역할을 한다.

제1 스프링 요소(216)의 스프링 힘은 솔레노이드 코일(206)의 단부면으로부터 상기 전기자 플레이트(230)를 분리시키기 위해 동시에 작용한다. 이후 에어 갭이라고 지칭되는 결과적인 거리는 참조 부호(H)로 식별된다.

전기자 플레이트(230)는, 길이방향 축(A-A)을 따라 이어지고 적어도 부분적으로 원통형 본체(215)로 연장되는 연료 덕트(217)를 포함한다. 유입 부분(203)에서 길이방향 축(A-A)으로 플랜지(214)의 상류 지점에서, 방사방향 보어(radial bore)(218)는 이 연료 덕트(217)로부터 원통형 본체(215)의 외측으로 이어져서, 흐름 연결이 원통형 본체(215)의 외측과 유입 부분(203)의 내부벽으로 형성된 유입 챔버(219)와 연료 덕트(217) 사이에 수립되게 한다.

제2 제어 요소(210)도 또한 원통형 본체(220)를 포함하고, 적어도 부분적으로 하류 유출 부분(204) 내부에 배열된다. 원통형 본체(220)의 상부 부분은 솔레노이드 코일(206)의 중심 개구(221)를 통해 가이드되고, 자유 단부에 플랜지(222)를 구비한다. 플랜지(222)는 비-자성 또는 강자성 물질로 구성될 수 있다.

플랜지(222)의 방사방향 크기에 대응하는 방사방향 크기와, 플랜지(222)의 축방향 높이보다 다소 더 크게 설계된 축방향 깊이를 구비하는 원통형 챔버(223)는, 솔레노이드 코일(206)을 향하는 단부면에서 전기자 플레이트(230)에 제공되어서, 가스 분사 밸브(200)의 폐쇄된 위치에서 이후 에어 갭(h)이라고도 지칭되는 거리가 챔버(223)의 베이스와 플랜지(222)의 단부면 사이에 유지되게 한다.

하류 유출 부분(204)에 있는 대응하는 밀봉면(226)과 상호 작용하는 밀봉면(225)을 구비하는, 밸브 디스크 형태의 폐쇄 부재(224)가 플랜지(222)와는 원통형 본체(220)의 반대쪽 단부에 형성된다. 폐쇄 부재(224)와 2개의 밀봉면(225, 226)은 내연 엔진(10)의 연소 챔버 내 압력에 노출된다.

솔레노이드 코일(206) 내 개구(221)에 의해 원통형 본체(220)를 가이드하는 외에, 유출 부분(204)의 상부 부분에서 원통형 본체(220)는 외부쪽으로 돌출하는 가이드 플랜지(227)를 구비하고 이 가이드 플랜지는 유출 부분(204)의 내부벽에 지지되어 원통형 본체(220)의 가이드 면을 형성한다. 유출 부분(204)의 하부 부분에서, 원통형 본체(220)의 외부 윤곽에 지지되는, 서로 일정 거리 이격된, 2개의 방사방향으로 외주 방향 가이드 웹(228, 229)은, 유출 부분(204)의 내부벽으로부터 돌출되어서, 이에 의해 가이드 면을 형성하고 제2 제어 요소(220)의 축방향 움직임 동안 추가적인 가이드 지지를 제공하여, 특히 제2 제어 요소(210)가 틸팅되거나 잼되는 것을 방지한다.

제2 제어 요소(210)의 원통형 본체(220)는 축방향으로 이어지는 연료 덕트(231)를 구비하고, 이 연료 덕트는 또한 플랜지(222)를 통과하고 폐쇄 요소(224) 부근으로 연장되지만 이 폐쇄 요소를 통과하지는 않는다.

대신, 길이방향 축(A-A)으로 가이드 웹(229)의 하류 지점에, 방사방향 보어(232)가 원통형 본체(220)의 외측으로 분기되어, 흐름 연결이 원통형 본체(220), 상기 가이드 웹(229) 및 폐쇄 부재(224)의 외측에 의해 한정된, 연료 덕트(231)와 전달 챔버(233) 사이에 수립되게 한다. 제2 제어 요소(210)의 원통형 본체(220)의 연료 덕트(231)는 제1 제어 요소(209)의 원통형 본체(215)의 연료 덕트(217)와 정렬되어, 가스를 위한 흐름 연결이 제1 제어 요소(209)와 제2 제어 요소(210) 사이에 수립되게 한다.

제2 제어 요소(220)는 또한 제2 스프링 요소(234)에 의해 바이어스되어, 가스 분사 밸브(200)의 폐쇄된 위치에서, 다시 말해, 솔레노이드 코일(206)이 비도통된 상태에서, 안착부가 폐쇄 부재(224)에 생성되게 한다. 한편으로는 솔레노이드 코일(206)로부터 먼 본체(220) 상에 형성된 가이드 플랜지(227)의 쇼율더에 지지되고, 다른 한편으로는 솔레노이드 코일(206)을 향하는 가이드 웹(228)의 쇼울더에 지지되는 예를 들어 나선형 압축 스프링은 이 목적을 수행하는 역할을 한다. 제2 제어 요소(210)를 바이어스시켜 밀봉면(225, 226)들을 접촉하게 하는 이 제2 스프링 요소(234)의 선택된 스프링 특성은 이 제2 제어 요소가 폐쇄된 위치에 있는 동안 가스 압력에 노출되지 않기 때문에 제1 제어 요소(209)의 제1 스프링 요소(216)의 스프링 특성보다 떨어질 수 있다. 제2 제어 요소(210)는 연소 챔버로의 가스 전달을 제어하는 역할을 한다.

전술한 가스 분사 밸브(20)의 작동 원리가 아래에서 보다 상세히 설명된다.

전기 전압이 전기 라인(207)에 의해 솔레노이드 코일(206)에 인가되면, 발생하는 자기력은 제1 스프링 요소(216)의 바이어스 힘과 반대쪽 솔레노이드 코일(206) 쪽으로 제1 제어 요소(209)의 전기자 플레이트(230)를 견인할 수 있다. 폐쇄 부재(211)는 제1 제어 요소(209)의 축방향 움직임에 의해 유입 부분(203)의 밀봉면(213)으로부터 약간 상승된다. 이에 의해 가스가 공급 라인(112)과 입구 포트(235)를 통해 유입 챔버(219) 안으로 흐르고 거기서부터 제1 제어 요소(209)의 연료 덕트(217)에 있는 방사방향 보어(218)에 의해 제2 제어 요소(210)의 연료 덕트(231) 안으로 앞으로 나아갈 수 있다.

제1 제어 요소(209)가 솔레노이드 코일(206) 쪽으로 이미 이동하고 있지만, 제2 제어 요소(210)는 폐쇄된 위치에 여전히 남아 있다. 전기자 플레이트(230)에 의해 커버된 거리가 챔버(205)의 베이스와 플랜지(222)의 단부면 사이의 거리(h)(에어 갭)와 같을 때에만 플랜지(222)의 단부면은 챔버(205)의 베이스로 지지하게 되고, 전기자 플레이트(230)는 제2 스프링 요소(234)의 스프링 힘과 반대쪽 아래쪽으로 제2 제어 요소(210)를 가압하여, 폐쇄 부재(224)가 그 안착부로부터 상승하기 시작하게 한다. 동시에 제1 제어 요소(209)는, 전기자 플레이트(230)가 거리(H)를 완전히 극복하고 솔레노이드 코일(206)의 단부면에 지지하게 될 때까지 더 개방된다. 그리하여 제1 폐쇄 부재(211)와 제2 폐쇄 부재(224)는 이제 개방된 위치에 위치된다. 가스가 연료 덕트(231)로부터 나와서 방사방향 보어(232)를 통해 전달 챔버(233)로 흐르고, 거기서부터 외부쪽으로 상승된 폐쇄 부재(224)에 의해 한정된 환형 갭(236)을 통해, 다시 말해, 연소 챔버의 방향으로 및 유출 부분(204)의 밀봉면(226) 방향으로, 내연 엔진(10)의 연소 챔버 안으로 흐른다.

도 3은 개방된 위치에 있는 가스 분사 밸브(200)를 도시하고, 여기서 화살표 부호는 가스 흐름 방향을 식별한다.

개방된 위치에서 큰 유효 흐름 단면이 유출 부분(204)에서 개방되어, 높은 가스 흐름률을 형성한다. 적어도 부분적으로 단일 솔레노이드 코일(206)에 의해 서로 독립적으로 작동되는 2개의 별개의 제어 요소(209, 210)를 구비하는 설명된 실시예는, 상대적으로 높은 가스 압력을 극복하고 솔레노이드 코일(206)에 대해 비교적 낮은 전기 출력을 가지고 높은 흐름률을 달성할 수 있다는 것을 의미한다.

전기 라인(207)을 통해 솔레노이드 코일(206)이 도통하는 것이 이제 차단되면, 제1 제어 요소(209)의 폐쇄 부재(211)는 그 밀봉면(212)이 제1 스프링 요소(216)의 힘에 의해 유입 부분(203)의 밀봉면(213)과 지지 접촉하게 하고, 가스가 가스 분사 밸브(200)로 더 흐르는 것이 신뢰성 있게 방지된다. 나아가 제2 제어 요소(210)는, 도 2에 도시된 바와 같이 스프링 요소(234)의 스프링 힘의 영향 하에서 초기 위치로 되이동된다.

챔버(223)의 베이스와 플랜지(222)의 단부면 사이의 에어 갭(h)은, 제어 요소(210)의 플랜지(222)가 챔버(223)의 베이스에 도달하기 때문에 폐쇄 부재(224)가 유출 부분(204)에 더 이상 밀봉을 형성하지 않을 수 있으므로 또한 유격 보상(play compensation) 기능을 수행한다.

본 발명에 따른 가스 분사 밸브(200)는 순전히 가스 동작(일가 동작)을 위해 설계된 내연 엔진의 상황에서 설명되었다. 그러나, 이 가스 분사 밸브는 또한, 이가 동작, 다시 말해, 예를 들어, 석유와 가스와 같은 2개의 상이한 연료를 연소시키기 위해 설계된 내연 엔진에서도 사용될 수 있다. 이 경우에 석유 동작을 위한 종래의 연료 공급 시스템이 또한 가스 연료에 대해 설명된 연료 공급 시스템에 더하여 제공된다.

내연 엔진의 이러한 듀얼-연료 동작을 위한 제어 디바이스는 두 가지 유형의 연료의 분사 제어 및/또는 조절을 수행한다.

나아가 본 발명에 따른 가스 분사 밸브(200)를 구비하는 설명된 가스 공급 시스템을, 다른 유형의 연료, 예를 들어 석유로 일가 동작을 수행하는 차량에 공장에서 장착하여 개조하는 솔루션(retrofitted solution)으로 사용하는 것이 가능하다. 이 경우에 가스 동작을 위한 제어 디바이스(30)는, 바람직하게는 전자 데이터 버스, 예를 들어 CAN 버스를 통해 석유 동작을 위한 엔진 제어 유닛과 데이터 및 신호를 통신하고 교환하는 추가적인 엔진 제어 유닛으로 기능한다.

10: 내연 엔진
11: 흡기관
12: 엔진 블록
13: 실린더
14: 배기관
15: 페달 위치 센서
16: 가속 페달
17: 부하 센서
18: 크랭크샤프트 각도 센서
30: 제어 디바이스
100: 가스 공급 시스템
101: 가스 저장소
102: 고압 라인
103: 셧오프 밸브
104: 감압기, 압력 조절기
105: 저압 라인
106: 연료 레일
107: 온도 센서, 고압측
108: 압력 센서, 고압측
109: 온도 센서, 저압측
110: 압력 센서, 저압측
111: 압력 경감 밸브
112: 공급 라인
200: 가스 분사 밸브
201: 가스 분사 밸브의 하우징
202: 하우징의 구동 부분
203: 하우징의 유입 부분
204: 하우징의 유출 부분
205: 챔버
206: 작동 구동부, 솔레노이드 코일
207: 전기 라인
208: 연결 부재
209: 제1 제어 요소
210: 제2 제어 요소
211: 제1 제어 요소의 폐쇄 부재
212: 폐쇄 부재, 제1 제어 요소의 밀봉면
213: 유입 영역의 밀봉면
214: 플랜지
215: 원통형 본체, 제1 제어 요소
216: 제1 스프링 요소, 나선형 압축 스프링
217: 연료 덕트
218: 방사방향 보어
219: 유입 챔버
220: 원통형 본체, 제2 제어 요소
221: 솔레노이드 코일의 중심 개구
222: 제2 제어 요소의 플랜지
223: 전기자 플레이트 내 챔버
224: 제2 제어 요소, 밸브 디스크의 폐쇄 부재
225: 폐쇄 부재, 제2 제어 요소의 밀봉면
226: 유출 영역의 밀봉면
227: 가이드 플랜지
228: 가이드 웹
229: 가이드 웹
230: 전기자 플레이트
231: 연료 덕트
232: 방사방향 보어
233: 전달 챔버
234: 제2 스프링 요소, 나선형 압축 스프링
235: 입구 포트
236: 유출 영역에 있는 환형 갭
237: 통로
A-A: 길이방향 축
AS: 출력 신호
ES: 입력 신호
h: 플랜지와 챔버(223)의 베이스 사이의 거리, 에어 갭
H: 솔레노이드 코일과 전기자 플레이트 사이의 거리, 에어 갭
T_H: 고압측에 있는 가스의 온도
T_N: 저압측에 있는 가스의 온도
P_H: 고압측에 있는 가스의 압력
P_N: 저압측에 있는 가스의 압력

Claims

내연 엔진(10)을 위한 가스 연료를 분사하는 밸브(200)로서,
- 길이방향 크기(A-A)로 상기 가스 연료를 위한 유입 부분(203)과 유출 부분(204), 및 상기 유입 부분(203)과 상기 유출 부분(204) 사이에 위치된 구동 부분(202)을 구비하는 하우징(201);
- 상기 유입 부분(203)에 할당되고, 상기 제1 제어 요소(209)의 스위칭 위치에 따라 상기 가스 연료를 전달하거나 이 전달을 차단하는 제1 제어 요소(209);
- 상기 유출 부분(204)에 할당되고, 상기 제2 제어 요소(210)의 스위칭 위치에 따라 상기 가스 연료를 전달하거나 이 전달을 차단하는 제2 제어 요소(210); 및
- 상기 구동 부분(202)에 배열되고, 상기 제1 및 제2 제어 요소(209, 210)가 서로 독립적으로 개방된 위치로 갈 수 있는 방식으로 상기 제1 및 제2 제어 요소(209, 210)에 결합된 작동 구동부(206)를 포함하는 밸브.
제1항에 있어서, 상기 작동 구동부(206)는, 상기 구동 부분(202)의 챔버(205)에 배열되고 중심 개구(221)를 구비하는 솔레노이드 코일 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제2항에 있어서, 상기 제1 제어 요소(209)는 원통형 본체(215)를 포함하고, 상기 솔레노이드 코일(206)을 향하는 상기 원통형 본체의 자유 단부에는 강자성 물질로 구성된 전기자 플레이트(230)가 형성되며, 상기 전기자 플레이트는, 상기 제1 제어 요소(209)의 폐쇄된 위치에서, 상기 솔레노이드 코일(206)의 상기 단부면으로부터 거리(H)를 가지는 것을 특징으로 하는 밸브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 부분(203)의 입구 포트(235)를 향하는 단부면에 상기 제1 제어 요소(209)는 폐쇄 부재(211)를 포함하고, 상기 폐쇄 부재는 상기 제1 제어 요소(209)의 폐쇄된 위치에서 제1 스프링 요소(216)에 의하여 안착부(212, 213)로 가압되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제3항 또는 제4항에 있어서, 유입 챔버(219)로부터 이어지는 연료 덕트(218, 217)는 상기 전기자 플레이트(230)의 방향으로 상기 유입 부분(203)에 존재하고 상기 전기자 플레이트의 중심을 통과하는 것을 특징으로 하는 밸브.
제3항에 있어서, 상기 전기자 플레이트(230) 내에 챔버(223)가 제공되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 제어 요소(210)는 원통형 본체(220)를 포함하되, 상기 원통형 본체(220)의 일부분은 상기 솔레노이드 코일(206)의 중심 개구(221)를 통해 가이드되고, 상기 전기자 플레이트(230)의 상기 챔버(223) 내로 부분적으로 돌출되는 플랜지(222)는 상기 개구(221)로부터 돌출되는 상기 원통형 본체(220)의 단부에 형성되되, 상기 제2 제어 요소(210)의 폐쇄된 위치에서 상기 플랜지(222)의 단부면과 상기 챔버(223)의 베이스 사이에 거리(h)가 유지되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유출 부분(204) 내 전달 챔버(233)를 향하는 단부에서 상기 제2 제어 요소(210)는 밸브 디스크 형태의 제2 폐쇄 부재(224)를 가지게 형성되고, 상기 제2 폐쇄 부재는, 상기 제2 제어 요소(210)의 폐쇄된 위치에서, 제2 스프링 요소(234)에 의하여 안착부(225, 226)로 가압되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제7항에 있어서, 상기 플랜지(222)의 단부면으로부터 상기 폐쇄 부재(224) 부근으로 연장되고 거기서 상기 원통형 본체(220)의 외측으로 이어지는 방사방향으로 이어지는 보어(232)와 연통하는 축방향으로 이어지는 연료 덕트(231)는 상기 전달 챔버(233)로의 흐름 연결이 수립되도록 상기 원통형 본체(220)에 제공되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제어 요소(219)의 상기 원통형 본체(215)에서 이어지는 상기 연료 덕트(217)와, 상기 제2 제어 요소(210)의 상기 원통형 본체(220)에서 이어지는 상기 연료 덕트(231) 사이에는 흐름 연결이 존재하는 것을 특징으로 하는 밸브.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 제어 요소(210)의 상기 원통형 본체(220)는 상기 유출 부분(204)의 내부벽에 배열된 적어도 하나의 가이드 웹(228, 229)에 의하여 축방향 움직임으로 가이드되는 것을 특징으로 하는 밸브.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 제어 요소(210)의 상기 원통형 본체(220)는 상기 제2 제어 요소(210)가 축방향 움직임으로 가이드되도록 상기 유출 부분(204)의 내부벽에 지지되는 외주 방향 플랜지(227)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
제4항에 있어서, 상기 유입 부분(203)의 상기 밀봉면(213)과 상기 제1 제어 요소(209)의 상기 폐쇄 부재(211)의 적어도 상기 밀봉면(212)은 엘라스토머 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
제4항 또는 제8항에 있어서, 상기 유입 부분(203)에서 상기 제1 스프링 요소(216)의 스프링 특성은 상기 유출 부분(204)에서 상기 제2 스프링 요소(234)의 스프링 특성보다 큰 것을 특징으로 하는 밸브.
제7항에 있어서, 상기 플랜지(222)는 강자성 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 밸브.