KR20160061252A - 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브 - Google Patents

Abstract

대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브로서,
밸브 챔버(14)를 둘러싸는 원통형 내부 표면(24), 유입구 밸브 시트(30)를 가진 유입구 채널(28) 및 유출구 밸브 시트(40)를 가진 유출구 채널(38)을 포함한 밸브 하우징(12),
상기 밸브 챔버(14)내에 수용되고 기저 벽(44) 및 원통형 벽(46)을 가진 밸브 피스톤(42)을 포함하고, 상기 원통형 벽은 상기 밸브 하우징(12)의 원통형 내부 표면(24)으로부터 종 방향(A)을 따라 안내되며, 상기 밸브 피스톤(42)은 상기 유입구 밸브 시트(30)와 함께 작동하는 제1 밀봉 표면(52) 및 상기 유출구 밸브 시트(40)와 함께 작동하는 제2 밀봉 표면(54)을 가지고, 상기 밸브 피스톤(42)은 상기 제1 밀봉 표면(52)이 상기 유입구 밸브 시트(30)를 밀폐하는 제1 위치 및 상기 제2 밀봉 표면(54)이 상기 유출구 밸브 시트(40)를 밀폐하는 제2 위치사이에서 상기 종 방향(A)을 따라 이동할 수 있고,
상기 하우징(12) 및 상기 밸브 피스톤(42)사이에 배열되고 상기 밸브 피스톤(42)을 상기 제1 위치를 향해 가압하려는 탄성 요소(58)를 포함하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브에 있어서,
상기 제1 및 제2 밀봉 표면(52,54)들이 상기 밸브 피스톤(42)의 기저벽(44)상에 직접 기계 가공되며, 상기 밸브 하우징(12)은, 상기 밸브 챔버(14)내에서 종 방향으로 연장되는 핀 형성부(34)를 포함하고, 상기 유출구 채널(38)은 상기 핀 형성부(34)를 통해 연장되며, 상기 유출구 밸브 시트(40)는 상기 핀 형성부(34)의 내측 원위 단부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브{A FUEL FLOW LIMITING VALVE FOR LARGE INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브에 관한 것이다.

본 발명을 따르는 상기 밸브는 특히, 커먼 레일 연료 인젝션 시스템(common rail fuel injection system)을 가진 대형 선박 엔진(marine engines)에서 이용된다.

커먼 레일 연료 인젝션 시스템에 의해 주입 압력과 주입 타이밍(timing)의 선택, 엔진속도와 연료 캠(fuel cam)의 설계와 무관하게 다중 주입(multiple injection)을 통한 주입 유동의 모듈레이션(modulation)이 가능하기 때문에, 상기 커먼 레일 연료 인젝션 시스템은 내연기관의 제어와 관련하여 상대적으로 큰 유연성(flexibility)을 가진다.

상기 기술은, 과거에 연료 주입 펌프에 제공된 다양한 부품들(고압 펌프 및 전자제어식 인젝터(injectors))에 대해 압력 발생기 및 주입 제어 기능을 제공하여 구해진다.

상기 형태의 주입 시스템에서, 상기 인젝터들은 고압 연료 저장기(fuel accumulator)에 연속적으로 연결되어 주입작용은 주입제어 유닛에 의해 요청될 때 수행될 수 있다. 인젝터가 오동작으로 인해 개방 위치에 구속된 상태로 유지된다면 고압 저장기에 존재하는 모든 연료는 실린더로 방출되고 이에 따라 엔진에는 재앙적 결과가 야기된다.

따라서, 커먼 레일 인젝션 시스템을 개발하는 초기 단계부터 사이클마다 각 인젝터로부터 주입되는 연료의 양을 제한하는 장치가 필요했다.

커먼 레일 인젝션 시스템을 위한 연료 유동 제한 밸브의 제1 실시예가 문헌 제 US 3780716호에 설명된다. 상기 문헌에 의하면, 연료 저장기(fuel accumulator)에 연결되는 유입구 및 인젝터에 연결되는 유출구를 가진 연료 유동 제한 밸브가 설명된다. 상기 연료 유동 제한 밸브는, 하우징 및 밸브 챔버내에서 직선방향으로 운동하는 피스톤을 포함한다. 압축상태의 나선 스프링은 상기 피스톤을 연료 유동을 위한 유입구 채널을 향해 가압한다. 인젝터가 개방될 때, 상기 밸브의 유출구에서 압력은 감소되고 상기 피스톤은 유출구 채널을 향해 이동하기 시작한다. 상기 피스톤의 상류 위치 및 하류위치 챔버들사이에 형성되는 압력강하는 매 순간 및 위치에서 피스톤 자체가 가지는 관성 및 스프링 하중의 균형을 형성하도록 정해진다. 정상적인 작동 상태에서, 상기 피스톤이 유출구 밸브 시트에 도달하기 전에 주입작용은 정지된다. 그러므로, 피스톤의 상류 위치 및 하류위치 챔버들사이에 형성되는 압력 레벨은, 상기 스프링이 상기 피스톤을 최초위치로 돌아가게 가압하는 값에 도달한다. 반대로 주입작용이 과도하게 긴 경우에, 상기 피스톤은 상기 유출구 밸브 시트에 도달하고 인젝터에 대한 연결부를 밀폐시켜서, 주입작용을 종료시키고 고압 저장기로부터 추가로 방출되는 것을 방지한다.

대형 내연기관 특히, 중유(heavy fuel oil)로 작동하는 디젤엔진에서, 연료는 120 내지 160℃까지 가열하여 점성을 감소시키고 최적의 펌핑 및 분무화(atomization)를 허용한다. 상기 연료를 가지고 엔진을 시동하기 위하여, 주입 시스템의 모든 부품들은 가열된 상태로 유지되어, 점성이 연료 주입을 방해하는 값까지 증가하지 못하게 한다.

이러한 작용은, 주입 시스템내부에서 저압의 고온 연료를 저장기로부터 인젝터로 연속적으로 순환시켜서 수행된다. 상기 인젝터들은, 연료가 저압으로 유지될 때 연료 탱크를 향해 통로를 개방하고 압력이 증가될 때 상기 통로를 폐쇄하는 순환 밸브를 가진다. 이렇게 하여, 저압에서 순환작용 및 고압에서 정상적인 작용이 가능해진다. 상기 인젝터의 밸브 시트가 부품들의 마모로 인해 완전하지 못하면, 연료는 인젝터의 시트를 통해 유출되고 저압 순환 과정동안 실린더에 도달할 수 있다.

대형 선박 엔진이 며칠 동안 순환 모드로 유지될 때, 연료로 가득찬 실린더를 가진 엔진을 재시동할 때 발생되는 심각한 손상 때문에 상기 손실은 심각한 문제를 야기할 수 있다.

따라서, 주입 니들(injection needle)의 시트 위치의 상류에서 순환 모드에 해당하는 연료압력을 밀봉상태로 폐쇄하도록 설계되고 상기 압력 레벨 이상에서 연료 통로를 개방하여 정상작동을 허용하는 밸브를 배열함으로써 상기 주입 니들의 시트위치에서 연료 순환을 차단해야 한다. 다시 말해, 예비하중(preloaded)을 가진 논리턴 밸브(non- return valve)가 필요하다.

상기 기능은, 상기 유동 제한 밸브의 피스톤에 형성된 해당 밀봉요소와 함께 작동하는 제2 밸브 시트를 유입구 유체 채널에 추가하여 상기 유동제한 밸브에 포함시킬 수 있다. 이렇게 하여, 중요한 안전기능이 부품을 추가하지 않고도 부가된다.

상기 개념의 특별한 실시예가 문헌 제 EP 2423498호에 설명된다. 상기 문헌에 의하면, 밸브 챔버를 둘러싸는 원통형 표면을 가진 밸브 하우징, 유입구 밸브 시트를 가진 유입구 채널 및 유출구 밸브 시트를 가진 유출구 채널을 포함한 압력제한 밸브가 설명된다.

상기 밸브 챔버내에 원통형 벽을 가진 밸브 피스톤이 수용되고 밸브 하우징의 원통형 내부 표면에 의해 종 방향으로 안내된다. 상기 밸브 피스톤은 종 방향으로 기다랗게 형성되고 마주보는 단부들에서 밀봉 표면들을 가진 핀(pin) 형태의 밀폐 요소를 가지며, 상기 단부들은 유입구 밸브 시트 및 유출구 밸브 시트와 각각 함께 작동한다.

상기 구성에 의하면, 피스톤 및 핀 형상을 가진 밀폐요소를 일체로 기계 가공하는 것은, 스프링을 수용하기 위해 피스톤내에 제공되어야 하는 깊은 리세스(recess) 때문에, 항상 가능하거나 편리한 것은 아니다. 그 결과, 상기 피스톤 및 핀 형상의 밀폐요소는 서로 고정되는 두 개의 개별 부품들로 생산되어야 하고 다음에 정밀한 기계가공 작업을 수행하여 시트들 및 안내 표면들의 공축(coaxiality)을 형성해야 한다. 상기 기계 가공 작업이 없다면 밸브 시트의 밀봉은 절충될 것이다.

본 발명의 목적은, 종래기술의 한계를 극복하는 연료 유동제한 밸브를 제공하는 것이다. 특히 본 발명은, 생산 비용을 감소시키고 작동 신뢰성을 향상시키며 피스톤을 가속시키기 위해 요구되는 압력 강하를 감소시켜서 연료 유동 제한 밸브의 동적 거동을 향상시키는 것을 목표로 한다.

본 발명에 의하면 상기 목적들이 청구항 제1항의 주제를 형성하는 특징을 가진 연료 유동제한 밸브에 의해 달성된다.

청구항들은, 본 발명과 관련하여 제공된 공개내용의 일체 부분이다.

본 발명이 본 발명을 제한하지 않는 예로서 제공된 첨부된 도면들을 참고하여 상세히 설명된다.

도 1 및 도 2는, 제 1 및 제2 작업 위치에 배열되고 본 발명을 따르는 연료 유동 제한 밸브의 축 방향 단면도들.

도면들을 참고할 때, 연료 유동 제한 밸브(10)는 대형 내연기관을 위한 커먼 레일 연료 인젝션 시스템에서 이용된다. 상기 연료 유동 제한 밸브(10)는 밸브 하우징(12)을 포함하고, 상기 밸브 하우징내에 밸브 챔버(14)가 형성된다. 상기 밸브 하우징(12)은 제1 하우징 몸체(16) 및 서로 고정되는 제2 하우징 몸체(18)에 의해 형성된다.

상기 제1 하우징 몸체(16)는 바닥 벽(20) 및 상기 바닥 벽(20)으로부터 연장되고 밸브 챔버(14)를 둘러싸는 원통형 내부 표면(24)을 가진 측벽(22)을 포함한다. 상기 제1 하우징 몸체(16)의 측벽(22)은 개방 단부 부분(26)을 가지고, 상기 개방 단부 부분내에 상기 제2 하우징 몸체(18)가 삽입되고 고정된다. 상기 제1 하우징 몸체(16)의 바닥 벽(20)내에 상기 밸브 챔버(14)와 상호작용하는 유입구 채널(28)이 형성된다. 상기 유입구 채널(28)의 내측 단부는 유입구 밸브 시트(30)를 가진다. 도시된 실시예에서 상기 유입구 밸브 시트는 오목한 원추형 표면으로 형성된다.

상기 제2 하우징 몸체(18)는 일체형 몸체(unitary body)로서 기저부(32) 및 핀 형성부(34)를 포함하고, 상기 핀 형성부는 상기 밸브 챔버(14)내에서 종 방향 축(A)을 따라 연장된다. 상기 제2 하우징 몸체(18)의 기저부(32)는 상기 제1 하우징 몸체(16)의 개방 단부 부분(26)과 밀봉상태로 고정된다. 상기 핀 형성부(34)는 상기 기저부(32)의 내부 표면(36)으로부터 돌출한다. 유출구 채널(38)이 상기 핀 형성부(34)내에 형성되고 밸브 챔버(14)와 상호작용한다. 유출구 밸브 시트(40)는 상기 핀 형성부(34)의 내측 원위 단부(inner distal end)에 형성된다. 도시된 실시예에서, 상기 유출구 밸브 시트(40)는 구형 표면을 가진 볼록한 표면이다.

상기 연료 유동 제한 밸브(10)는 상기 밸브 챔버(14)내에 수용되고 상기 종 방향(A)으로 이동할 수 있는 밸브 피스톤(42)을 포함한다. 상기 밸브 피스톤(42)은 기저 벽(44) 및 원통형 벽(46)을 가진 일체형 몸체에 의해 형성된다. 원통형 벽(46)은 상기 제1 하우징 몸체(16)의 원통형 내부 표면(24)과 접촉하며 안내하는 원통형 외부 표면(48)을 가진다.

상기 밸브 피스톤(42)의 기저 벽(44)은 상기 제1 하우징 몸체(16)의 바닥 벽(20)을 향하는 측부에 위치한 일체형 돌출부(50)를 가진다. 상기 일체형 돌출부(50)는 상기 유입구 밸브 시트(30)를 밀봉하도록 설계된 볼록 표면에 의해 형성된 제1 밀봉 표면(52)을 가진다. 상기 기저벽(44)은 상기 제2 하우징 몸체(18)의 기저부(32)를 향하는 측부에 위치한 제2 밀봉 표면(54)을 가진다. 상기 제2 밀봉 표면(54)은 상기 기저 벽(20)내에 들어가 형성된 오목한 원추형 표면에 의해 형성되고 유출구 밸브 시트(40)를 밀봉한다. 제1 밀봉 표면(52) 및 제2 밀봉 표면(54)은 상기 밸브 피스톤(42)의 기저 벽(44)에 직접 기계가공된다. 상기 밀봉 표면(52,54)들의 기계가공은 상기 밸브 피스톤(42)의 원통형 외부 표면(48)을 기계가공하는 동일한 기계에서 수행되어, 원통형 외부 표면(48)에 대한 밀봉 표면(52,54)들의 콘센트리시티(concentricity)가 보장되고 각 밸브 시트(30,40)들을 밀봉한다.

상기 밸브 피스톤(42)은, 상기 밸브 피스톤(42)의 마주보는 측부들에 위치한 밸브 챔버(14)의 두 부분들을 서로 연결시키고 눈금을 가진 유체 통로를 포함한다. 도시된 실시예에서, 눈금을 가진 통로는, 상기 밸브 피스톤(42)의 기저 벽(44)내에 형성되고 눈금을 가진 구멍(56)들에 의해 형성된다.

압축 상태의 나선 스프링(58)이 상기 핀 형성부(34)의 외부에서 공축을 이루며 배열된다. 상기 나선 스프링(58)의 제1 단부는 상기 제2 하우징 몸체(18)의 내부 표면(36)에 배열되고, 상기 나선 스프링(58)의 제 2 단부는 상기 밸브 피스톤(42)의 기저벽(44)에 배열된다. 상기 나선 스프링(58)은 상기 밸브 피스톤(42)의 원통형 벽(46)에 대해 내측에 위치한다. 상기 나선 스프링(58)은 상기 제 1 하우징 몸체(16)의 바닥 벽(20)을 향해 상기 밸브 피스톤(42)을 가압하려 한다.

작동하는 동안, 상기 유입구 채널(28)은 커먼 레일 연료 인젝션 시스템의 저장기와 연결되고, 외부 채널(38)은 전자제어식 인젝터와 연결된다. 상기 인젝터가 밀폐될 때, 상기 밸브 피스톤(42)은 도 1에 도시된 위치에 배열된다. 상기 위치에서, 상기 제1 밀봉 표면(52)은 상기 유입구 밸브 시트(30)를 밀봉상태로 밀폐하고 유체가 상기 밸브 챔버(14)속으로 유입되는 것을 방지한다. 상기 인젝터가 개방될 때, 상기 밸브 챔버(14)내부의 압력은 감소되고 밸브 피스톤(42)은 유출구 밸브 시트(40)를 향해 이동하기 시작한다. 정상적인 작동상태에서, 상기 밸브 피스톤(42)이 상기 유출구 밸브 시트(40)에 도달하기 전에 주입작용은 중지된다. 그러므로, 상기 밸브 피스톤(42)의 상류 위치 및 하류위치에 배열된 밸브 챔버(14)내부의 압력레벨은, 상기 스프링(58)이 상기 밸브 피스톤(42)을 유입구 밸브 시트(30)의 밀폐위치로 귀환시킬 수 있는 값에 도달한다. 상기 밸브 피스톤(42)은 계속되는 주입작용을 수행하기 전에 상기 유입구 밸브 시트(30)의 밀폐위치로 귀환해야 한다. 밀폐속도는, 설계자가 눈금을 가진 구멍(56)들의 크기 및 스프링 하중을 적절하게 선택하여 결정된다.

주입 지속시간(injection duration)이 과도하게 길 때, 상기 밸브 피스톤(42)은 도 2에 도시된 위치에 도달한다. 상기 위치에서, 상기 밸브 피스톤(42)의 제2 밀봉 표면(54)은 상기 유출구 밸브 시트(40)를 밀봉상태로 밀폐한다. 이렇게 하여, 주입 작용이 중단되고 고압 저장기로부터 연료가 추가로 방출되는 것을 방지한다. 엔진의 각 실린더가 작동 중지(deactivated)되지만, 주입압력이 없어서 엔진으로 과도한 연료주입(over- fueling) 및 중지는 방지된다.

연료 주입 최대 체적은 상기 밸브 피스톤(42)의 하류위치에서 밸브 챔버(14)의 체적에 의존하고 상기 밸브 피스톤(42)이 운동하는 동안 눈금을 가진 구멍(56)들을 통과하여 유출구 밸브 시트(40)를 향하는 유동에 의존한다.

본 발명을 따르는 밸브의 설계에 의해 밸브를 제조하기 위해 요구되는 정밀기계가공작업의 수 및 부품의 수가 감소된다. 특히, 밸브를 구성하는 세 개의 주요 부품들(제1 하우징 몸체(16), 제2 하우징 몸체(18) 및 밸브 피스톤(42))이 단일 금속 부분으로 형성된다. 밀봉 표면들 및 안내 표면들의 가공작업은, 상기 부품들의 기하학적 형상이 공구를 가지고 기계 가공해야 하고 도달하기 어려운 위치들에 위치한 영역들을 가지지 않기 때문에, 간단하고 신속하게 수행될 수 있다. 운동 부분들( 또는 단지 밸브 피스톤(42))의 질량은, 문헌 제 EP2423498 호를 따르는 실시예보다 20%만큼 감소된다. 따라서, 가속단계에서 관성력의 감소 및 피스톤(42)의 상류 및 하류 챔버들사이에 형성된 압력강하는 상당하다. 그러므로 상기 인젝터의 개방 단계동안 고압 주입이 가능해진다.

물론, 본 발명의 원리에 대한 선입견 없이, 구성의 세부구조 및 실시예들이 하기 청구범위에 청구된 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 도시되고 설명된 세부구조 및 실시예들에 대해 폭넓게 변화할 수 있다.

10.....연료 유동 제한 밸브,
12.....밸브 하우징,
14.....밸브 챔버,
16.....제1 하우징 몸체,
18.....제2 하우징 몸체,
20.....바닥 벽,
22.....측벽,
26.....개방 단부 부분.

Claims (5)

1. 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브로서,
   밸브 챔버(14)를 둘러싸는 원통형 내부 표면(24), 유입구 밸브 시트(30)를 가진 유입구 채널(28) 및 유출구 밸브 시트(40)를 가진 유출구 채널(38)을 포함한 밸브 하우징(12),
   상기 밸브 챔버(14)내에 수용되고 기저 벽(44) 및 원통형 벽(46)을 가진 밸브 피스톤(42)을 포함하고, 상기 원통형 벽은 상기 밸브 하우징(12)의 원통형 내부 표면(24)으로부터 종 방향(A)을 따라 안내되며, 상기 밸브 피스톤(42)은 상기 유입구 밸브 시트(30)와 함께 작동하는 제1 밀봉 표면(52) 및 상기 유출구 밸브 시트(40)와 함께 작동하는 제2 밀봉 표면(54)을 가지고, 상기 밸브 피스톤(42)은 상기 제1 밀봉 표면(52)이 상기 유입구 밸브 시트(30)를 밀폐하는 제1 위치 및 상기 제2 밀봉 표면(54)이 상기 유출구 밸브 시트(40)를 밀폐하는 제2 위치사이에서 상기 종 방향(A)을 따라 이동할 수 있고,
   상기 하우징(12) 및 상기 밸브 피스톤(42)사이에 배열되고 상기 밸브 피스톤(42)을 상기 제1 위치를 향해 가압하려는 탄성 요소(58)를 포함하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브에 있어서,
   상기 제1 및 제2 밀봉 표면(52,54)들이 상기 밸브 피스톤(42)의 기저벽(44)상에 직접 기계 가공되며, 상기 밸브 하우징(12)은, 상기 밸브 챔버(14)내에서 종 방향으로 연장되는 핀 형성부(34)를 포함하고, 상기 유출구 채널(38)은 상기 핀 형성부(34)를 통해 연장되며, 상기 유출구 밸브 시트(40)는 상기 핀 형성부(34)의 내측 원위 단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 하우징(12)은 바닥 벽(20)을 포함한 제1 하우징 몸체(16) 및 상기 바닥 벽(20)으로부터 연장되고 개방 단부 부분(26)을 가지는 측벽(22)을 포함하며, 상기 핀 형성부(34)는 상기 제1 하우징 몸체(16)의 상기 개방 단부 부분(26)에 밀봉상태로 고정된 제2 하우징 몸체(18)내에 일체구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 탄성 요소(58)는 상기 밸브 피스톤(42)의 원통형 벽(46)내에 배열되고 상기 핀 형성부(34) 외측에 배열된 나선형 압축 스프링인 것을 특징으로 하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉 표면(52)은 상기 밸브 피스톤(42)의 기저 벽(44)의 일체형 돌출부(50)에 형성된 볼록 표면인 것을 특징으로 하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 밀봉 표면(54)은 상기 밸브 피스톤(42)의 기저 벽(44)내에 들어가 위치한 오목한 표면인 것을 특징으로 하는 대형 내연기관을 위한 연료 유동제한 밸브.
   

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