KR20170008838A

KR20170008838A - 유체 분사용 인젝터

Info

Publication number: KR20170008838A
Application number: KR1020167035700A
Authority: KR
Inventors: 사버 겝하르트; 다니엘레 카를리; 크리스토프 하만; 이바노 이쪼; 아나톨리 리우바
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2017-01-24
Also published as: EP3146194B1; KR101988094B1; EP2947306A1; WO2015177030A1; EP3146194A1; CN106460750B; CN106460750A; US10344722B2; US20170089309A1

Abstract

밸브 몸체(5)와 밸브 니들(9)을 포함하는 밸브와 댐핑 요소(19)를 포함하는 유체 분사용 인젝터(1)가 제공된다. 상기 댐핑 요소(19)는 상기 밸브 몸체(5)의 공동(7) 내에 배열된다. 상기 댐핑 요소는 유압 챔버(7c); 피스톤(23)으로서, 상기 피스톤은 상기 밸브 몸체(5)에 대해 축방향으로 이동가능하며 상기 유압 챔버(7c)의 유체 볼륨을 변경하도록 동작가능하게 배열되고, 상기 피스톤은 상기 밸브 니들(9)에 결합되어서, 상기 밸브 니들(9)이 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하며 상기 밸브를 밀봉 해제할 때 상기 유압 챔버(7c)의 유체 볼륨을 감소시키도록 배열된, 상기 피스톤; 및 상기 유압 챔버(7c)를 상기 공동(7)에 유압적으로 연결하는 흐름 제한 오리피스(29a)를 포함한다.

Description

유체 분사용 인젝터{INJECTOR FOR INJECTING FLUID}

본 발명은 유체 분사용 인젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특히 내연 엔진에 연료를 분사하는 인젝터에 관한 것이다.

분사 밸브는 특히 내연 엔진의 흡기 매니폴드에 유체를 정량 분배(dose)하거나 또는 내연 엔진의 실린더의 연소 챔버에 유체를 직접 정량 분배하기 위하여 배열될 수 있는 내연 엔진에 널리 사용되고 있다.

분사 밸브는 여러 연소 엔진에 대한 여러 요구조건을 만족시키기 위하여 여러 형태로 제조된다. 그리하여, 예를 들어, 유체를 정량 분배하는 방식을 한정하는 분사 밸브의 길이, 직경 및 여러 요소는 넓은 범위에서 변할 수 있다. 이에 더하여, 분사 밸브는, 예를 들어, 전자기 액추에이터일 수 있는, 분사 밸브의 밸브 니들을 작동시키는 액추에이터를 수용할 수 있다.

원치 않는 방출량을 감소시키려는 측면에서 연소 공정을 개선시키기 위하여, 각 분사 밸브는 매우 높은 압력 하에서 유체를 정량 분배하는데 적합할 수 있다. 이 압력은, 가솔린 엔진의 경우에는, 예를 들어, 최대 500 바(bar)의 범위일 수 있고, 디젤 엔진의 경우에는, 최대 3500 바의 범위에 있을 수 있다.

본 발명의 일 목적은 신뢰성 있고 정밀한 기능을 수행하는 유체 분사용 인젝터를 제시하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항의 특징을 구비하는 인젝터에 의해 달성된다. 인젝터의 추가적인 실시예 및 개선은 종속 청구항에 제시된다.

본 발명의 일 측면에 따라, 유체 분사용 인젝터는 밸브와 댐핑 요소(damping element)를 포함한다.

상기 밸브는 밸브 몸체를 포함한다. 상기 밸브 몸체는 중심 길이방향 축을 따라 유체 입구 단부와 유체 출구 단부 사이에 연장된다. 상기 밸브 몸체는 공동(cavity)을 구비한다. 상기 공동은 제1 리세스(recess)와 제2 리세스, 즉 특히 공동의 2개의 축방향으로 후속하는 구획들을 포함할 수 있다.

나아가, 상기 밸브는 밸브 니들을 포함한다. 상기 밸브 니들은 상기 공동에 배열되고, 특히 상기 밸브 니들은 제1 리세스에 수용된다. 상기 밸브 니들은 상기 밸브 몸체에 대해 축방향으로 이동가능하다. 상기 밸브 니들은 폐쇄 위치에서 밸브를 밀봉(seal)하도록 동작가능하다. 상기 밸브 니들은 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 축방향으로 변위하여 상기 밸브를 밀봉 해제(unseal)할 수 있다. 이런 방식으로, 상기 밸브 니들은 상기 폐쇄 위치에서 인젝터로부터 유체 분사를 방지하고 추가적인 위치에서는 유체 분사를 허용한다.

유리하게는, 상기 인젝터는 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 상기 밸브 니들을 이동시키는 전기자(armature)를 포함할 수 있다. 상기 전기자는 상기 밸브 니들과 특히 기계적으로 결합된다.

상기 전기자는 액추에이터의 일부일 수 있다. 상기 액추에이터는 특히 솔레노이드 액추에이터이다. 상기 액추에이터는 유리하게는 상기 밸브 니들을 이동시키기 위하여 상기 인젝터에 포함될 수 있다.

상기 전기자는 특히 상기 밸브 몸체에 대해 축방향으로 변위가능하고, 상기 밸브 니들에 기계적으로 결합되어, 상기 액추에이터가 통전될 때 상기 솔레노이드에 의해 생성되는 자기장에 의해 상기 전기자가 변위될 때 상기 전기자와 함께 상기 밸브 니들이 함께 이동하도록 동작가능하다. 상기 전기자는 상기 밸브 니들과 해제가능하게 결합될 수 있다. 대안적으로, 상기 전기자는 상기 밸브 니들과 고정되게 결합될 수 있다.

바람직하게는, 상기 밸브는 밸브 안착부와, 상기 밸브 안착부의 다운스트림에 적어도 하나의 분사 개구를 구비한다. 상기 밸브 니들은 유리하게는 상기 밸브 안착부와 협력하여 상기 밸브를 밀봉하고 밀봉 해제할 수 있다. 특히, 상기 밸브 니들은 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브 안착부에 밀봉가능하게 안착되고, 상기 밸브 안착부로부터 멀어지는 방향으로 변위되어, 상기 밸브를 밀봉 해제하여, 상기 적어도 하나의 분사 개구를 통해 유체를 분배할 수 있다. 상기 밸브 안착부 및/또는 상기 분사 개구(들)는 상기 밸브 몸체에 포함될 수 있고 또는 상기 유체 출구 단부에서 상기 밸브 몸체에 고정된 별개의 안착부 몸체에 포함될 수 있다.

상기 인젝터는, 공동 내에, 예를 들어, 제2 리세스에 배열된 댐핑 요소를 더 포함한다.

상기 댐핑 요소는 유압 챔버, 피스톤 및 오리피스(orifice)를 포함한다. 상기 유압 챔버는 바람직하게는 상기 밸브 몸체에 대해 위치 고정된다.

상기 오리피스는 상기 유압 챔버를 상기 공동에 유압적으로 연결한다. 다시 말해, 유체는 상기 오리피스를 통해, 특히 상기 오리피스만을 통해 상기 밸브 몸체의 상기 공동의 주변 부분과 상기 유압 챔버 사이에 교환될 수 있다. 상기 오리피스는 흐름 제한 오리피스이다. 예를 들어, 이 오리피스는 상기 유압 챔버를 획정하는 벽을 통과하는 채널로 표현된다.

상기 피스톤은 상기 밸브 몸체에 대해 축방향으로 이동가능하고, 상기 피스톤은 상기 유압 챔버의 유체 볼륨을 변경하도록 동작가능하도록 배열된다.

일 실시예에서, 상기 댐핑 요소는 상기 오리피스를 포함하는 오리피스 요소와 슬리브를 더 포함하고, 상기 슬리브 내에는 상기 피스톤이 슬라이딩가능하게 수용된다. 상기 유압 챔버는 이 경우에 바람직하게는 상기 슬리브, 상기 오리피스 요소 및 상기 피스톤에 의해 형성되고 둘러싸인다. 상기 슬리브와 상기 피스톤 사이의 누설은 바람직하게는 매우 작아서, 이 누설은 상기 댐핑 요소의 기능에 대해 무시될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 오리피스 요소는 상기 유체 입구 단부 쪽 상기 유압 챔버를 제한한다.

상기 피스톤은 상기 밸브 니들과 기계적으로 결합된다. 특히, 상기 피스톤은 상기 밸브 니들과 결합되어, 상기 밸브 니들이 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하며 상기 밸브를 밀봉 해제할 때 상기 피스톤은 상기 유압 챔버의 유체 볼륨을 감소시킨다.

상기 밸브 니들이 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하며 상기 밸브를 밀봉 해제하는 동안 상기 피스톤이 상기 밸브 니들에 의해 이동될 때 상기 오리피스는 상기 유압 챔버로부터 밖으로 유체가 흐르게 할 수 있다.

상기 흐름 제한 오리피스는 상기 유압 챔버로부터 밖으로 나가는 유체 흐름을 제한하는 것에 의해, 상기 유압 챔버의 유체 볼륨을 감소시키는 상기 피스톤의 움직임을 방해한다. 이것은 상기 유압 챔버 내 유체의 압력을 증가시키고, 이 압력은 상기 피스톤의 속도가 높으면 높을수록 더 높아진다. 따라서, 상기 밸브 니들이 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하며 상기 밸브를 밀봉 해제할 때 상기 댐핑 요소는 상기 밸브 니들에 댐핑력을 제공하여 상기 밸브 니들의 운동 에너지를 적어도 부분적으로 흡수한다.

다시 말해, 본 발명은, 상기 유압 챔버 내 압력이 증가하면, 상기 피스톤에 감속 효과를 제공하고, 상기 밸브 니들이 상기 피스톤과 결합된 것으로 인해 상기 밸브 니들에 감속 효과를 제공하는 댐핑력이 야기된다는 개념을 이용한다. 상기 오리피스에 의해 상기 유압 챔버로부터 밖으로 유체가 흐를 수 있으므로, 상기 유압 챔버 내 압력과 그리하여 상기 댐핑력은 상기 피스톤의 속도에 의존한다.

유리하게는, 상기 밸브 니들이 상기 피스톤과 결합되어 있기 때문에, 상기 밸브 니들은 지속적으로 감속될 수 있다. 상기 밸브 니들이 개방 위치에 도달할 때, 상기 밸브 니들이 되튀는(bouncing) 것과 그리하여 상기 유체 흐름이 시간에 따라 비-선형으로 되는 것이 방지되거나 또는 적어도 크게 감소될 수 있어서, 그리하여 특히 유체를 신뢰성 있고 정밀하게 분사할 수 있다. 특히, 상기 밸브 니들이 개방되는 움직임으로부터 완전히 개방된 위치로 전이할 때 선형성이 개선되는 것으로 인해 부품마다(part-to-part) 변동과 발사마다(shot-to-shot) 변동이 특히 작을 수 있다.

상기 제1 리세스는 일 실시예에서 상기 밸브 니들이 축방향으로 움직이는 것을 가이드하기 위하여 상기 밸브 몸체의 상기 유체 출구 단부 쪽으로 가면서 좁아질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 안착부 요소는 상기 밸브 니들을 축방향으로 가이드하는 기능을 수행하도록 형성된다.

상기 인젝터가 특히 안쪽으로 개방되는 인젝터인 일 실시예에서, 상기 밸브 니들은, 개방 단계에서 일어나는, 유체 분사를 수행하기 위하여 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 상기 개방 위치로 상기 밸브 몸체의 유체 입구 단부 쪽으로 이동하도록 동작가능하다. 상기 밸브 니들은, 폐쇄 단계에서 일어나는, 유체 분사를 방지하기 위하여 상기 폐쇄 위치로 상기 밸브 몸체의 유체 출구 단부 쪽으로 이동하도록 더 동작가능하다.

일 실시예에서, 상기 유압 챔버는 상기 밸브 몸체에 대해 위치 고정된다. 상기 피스톤과 상기 밸브 니들은 해제가능하게 결합된다. 바람직하게는, 상기 댐핑 요소는, 유체가 상기 흐름 제한 오리피스만을 통해 상기 유압 챔버와 상기 유압 챔버를 둘러싸는 상기 공동 부분 사이에서 교환될 수 있도록 구성된다. 다시 말해, 상기 흐름 제한 오리피스는 바람직하게는 상기 댐핑 요소의 단지 유체 흡기부 및 유체 출구부만이다. 간결함을 위하여, 이것은 - 예를 들어, 가능하게는 피스톤과의 경계면에서 - 불가피한 누설을 배제하는 것은 아니고, 상기 댐핑 요소는 설계에 의해 상기 유압 챔버의 추가적인 유체 흡기 또는 출구를 제공하지는 않는다. 이러한 구성은 솔레노이드로 작동되는 인젝터에서 니들이 원치 않게 및/또는 제어되지 않게 움직일 위험을 감소시키는데 특히 유리하다. - 특히 전기자가 솔레노이드 액추에이터의 극편(pole piece)과 같은 스토퍼(stopper)에 도달할 때 - 특히, 밸브 니들이 개방 과도 상태의 단부에서 되튈 위험이 특히 작아질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 인젝터는 상기 밸브 니들을 상기 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스시키는 리턴 스프링을 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 리턴 스프링의 스프링 힘은 상기 피스톤을 통해 상기 밸브 니들로 전달된다. 이런 방식으로, 상기 리턴 스프링은 유리하게는 상기 피스톤을 상기 밸브 니들과 결합시키는데 기여할 수 있다. 예를 들어, 상기 리턴 스프링은 상기 피스톤을 상기 밸브 니들로 가압한다. 일 실시예에서, 상기 리턴 스프링은 상기 유압 챔버 내에 위치된다. 이런 방식으로, 상기 인젝터는 특히 용이하게 및/또는 신뢰성 있게 교정될 수 있다. 또한 이런 설계에 의해 공간을 절감할 수 있다.

상기 액추에이터는 특히 상기 댐핑 요소의 댐핑력과 상기 리턴 스프링의 스프링 힘에 대항하여 상기 밸브 니들을 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 변위시키도록 동작가능하다.

일 실시예에 따라 상기 오리피스의 직경은 상기 피스톤의 직경보다 더 작다. 상기 오리피스의 직경은 특히 상기 오리피스의 최소 유압 직경을 의미하는 것으로 이해된다. 상기 피스톤의 직경은 특히 상기 유압 챔버에 인접한 피스톤의 단부의 유압 직경을 의미하는 것으로 이해된다. 일 개선에서, 상기 피스톤의 직경은 상기 오리피스의 직경보다 적어도 10배 더 크고, 바람직하게는 최대 40배 더 크다.

일 실시예에 따라 상기 오리피스의 단면적, 특히 상기 오리피스의 최소 단면적은 상기 피스톤의 단면적보다 더 작다. 바람직하게는, 상기 오리피스의 단면적은 상기 피스톤의 단면적의 5% 이하, 바람직하게는 1% 이하이다. 이 오리피스의 단면적은 상기 피스톤의 단면적의 바람직하게는 0.05 % 이상, 예를 들어 0.1 % 이상이다.

이런 방식으로, 상기 유체는 상기 오리피스를 통해 상기 유압 챔버로부터 흐르고, 이에 따라, 상기 유압 챔버 내 유체의 압력은 상기 댐핑력을 설정하도록 제어된다. 유리하게는, 상기 오리피스의 직경은 이에 따라 상기 밸브 니들의 운동 에너지를 적어도 부분적으로 흡수하는 제어를 제공한다.

추가적인 실시예에 따라, 상기 피스톤의 직경은 주어진 댐핑력에 따라 좌우된다. 유리하게는, 상기 피스톤의 직경은 상기 밸브 니들의 운동 에너지를 적어도 부분적으로 흡수하는 제어를 제공한다.

추가적인 실시예에 따라, 상기 밸브 몸체는 적어도 하나의 유체 채널을 포함한다. 상기 유체 채널은 특히 상기 공동에 의해 형성된다. 이 유체 채널은 유리하게는 상기 유압 챔버를 따라 축방향으로 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 이 유체 채널은 상기 슬리브의 외부에 배열된다. 상기 유체 채널에 의해 상기 밸브 몸체의 유체 입구 단부로부터 유체 출구 단부로 유체 연통이 이루어진다. 상기 유체 채널에 의해 유체가 상기 유체 출구 단부로, 특히 상기 적어도 하나의 분사 개구로 공급될 수 있다.

추가적인 실시예에 따라, 상기 유체 채널은 중심 길이방향 축에 대해 전기자의 방사방향 외부에 배열된다.

추가적인 실시예에 따라, 상기 피스톤과 상기 밸브 니들은, 예를 들어, 형상 맞춤 맞물림(form-fit engagement)에 의해 해제가능하게 결합된다. 이런 설계는 상기 댐핑 요소를 용이하게 제조하는데 기여할 수 있다.

일 실시예에 따라 상기 슬리브는 슬리브 벽을 구비한다. 상기 슬리브는 일 개선에서 상기 제1 리세스로부터 멀어지는 방향으로 상기 유체 입구 단부 쪽으로 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 피스톤은 하부 표면, 상부 표면 및 측방향 표면을 포함한다. 상기 피스톤은 상기 슬리브 내에서 축방향으로 이동가능하도록 배열된다. 상기 하부 표면은, 예를 들어, 상기 밸브 니들과 형상 맞춤 맞물림으로, 상기 밸브 니들과 결합된다. 상기 측방향 표면은 상기 슬리브 벽과 만나므로, 상기 피스톤이 상기 유체 입구 단부 쪽으로 이동할 때, 특히 상기 유압 챔버 내 유체 볼륨의 압력이 증가된다.

추가적인 실시예에 따라, 상기 리턴 스프링은 제1 단부에서 상기 피스톤의 상부 표면과 결합되고, 대향하는 제2 단부에서 상기 밸브 몸체와 결합된다. 상기 리턴 스프링은 상기 피스톤에 힘을 가하도록 프리로드(preloaded)되어, 피스톤을 상기 밸브 니들 쪽으로, 즉 특히 안쪽으로 개방되는 인젝터의 경우에 상기 유체 출구 단부 쪽으로 푸시한다.

추가적인 실시예에 따라, 상기 유압 챔버 내에는 축방향으로 이동가능한 판이 배열된다. 상기 판은 제1측에서 상기 피스톤의 상부 표면과 결합되고, 대향하는 제2측에서 상기 리턴 스프링의 상기 제1 단부와 결합된다. 상기 판에 의해 상기 리턴 스프링의 힘이 상기 피스톤으로 전달되고 상기 피스톤의 힘이 상기 리턴 스프링으로 용이하고 신뢰성 있게 전달될 수 있다.

이하에서는 인젝터의 길이방향 단면도를 도시하는 개략 도면과 참조 부호의 도움으로 본 발명의 예시적인 실시예가 설명된다.

도 1은 인젝터의 길이방향 단면도.

유체를 분사하는 인젝터(1)의 절단도가 도 1에 길이방향 단면도로 도시된다. 특히, 인젝터(1)는, 예를 들어, 차량 및 특히 자동차의 내연 엔진의 실린더에 연료를 분사하도록 구성된다.

인젝터(1)는 중심 길이방향 축(3)을 구비하고, 밸브 몸체(5)와 밸브 니들(9)을 갖는 밸브를 포함한다.

인젝터(1)의 밸브 몸체(5)는 중심 길이방향 축(3)을 따라 연장된다. 밸브 몸체(5)는 중심 길이방향 축(3)에 대해 유체 출구 단부(5a)와 유체 입구 단부(5b)를 구비한다. 밸브 몸체(5)는 중심 길이방향 축(3)을 따라 서로 바로 인접하게 배열된 제1 구획(7a)과 제2 구획(7b)을 포함하는 공동(7)을 구비하고, 이 제1 구획(7a)은 유체 출구 단부(5a)로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 연장되는 제2 구획(7b)으로 이어진다.

밸브 몸체(5)의 제1 구획(7a) 내에는 축방향으로 이동가능한 밸브 니들(9)이 배열된다. 밸브 니들(9)은 폐쇄 위치에서 밸브의 밸브 안착부(도 1의 절단도에 미도시)와 접하여, 밸브 몸체(5)의 축방향 단부(5a)의 하나 이상의 분사 개구(도 1의 절단도에 미도시)를 통해 유체가 흐르는 것을 방지한다. 밸브 니들(9)은 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 개방 위치 쪽으로 축방향으로 변위하여, 밸브 안착부와 갭을 형성하여 유체가 흐르는 것을 허용한다.

인젝터(1)는, 밸브 니들(9)을 축방향으로 이동시켜 인젝터(1)를 개방시켜, 즉 밸브를 밀봉 해제하는 액추에이터(11)를 갖는 리프트 디바이스(lifting device)를 더 포함한다. 액추에이터(11)는 바람직하게는 솔레노이드 액추에이터이다.

액추에이터(11)의 극편(13)과 전기자(15)는 밸브 몸체(5)의 공동(7) 내에 배열되어 자기 회로(magnetic circuit)를 수립한다. 이 자기 회로는 공동(7)의 외부에 위치된 솔레노이드 액추에이터(11)의 코일(17)에 의해 생성되는 자기장의 자기 선속을 가이드한다.

액추에이터(11)는 전기자(15)를 통해 밸브 니들(9)과 상호 작용하도록 배열된다. 전기자(15)는 밸브 니들(9)과 기계적으로 결합된다. 구체적으로, 전기자(15)는 밸브 니들(9)의 리테이너 표면(retainer surface)(9a)과 전기자(15)의 상부 표면(15a) 사이에 형상 맞춤 맞물림을 수립하여, 전기자가 극편(13) 쪽으로 이동될 때 전기자(15)와 함께 밸브 니들(9)이 이동할 수 있도록 동작가능하다. 전기자(15)는 밸브 니들(9)과 협력하여, 전기자(15)에 대해 액추에이터(11)에 의해 생성되는 승강 힘의 적어도 일부를 밸브 니들(9)로 전달하여, 밸브 니들을 개방 위치로 이동시켜 유체 분사를 허용한다.

특히 밸브 니들(9)이 밸브 안착부에 도달할 때, 밸브 니들(9)과 전기자(15)는 서로에 대해 축방향으로 이동할 수 있다. 또한 전기자(15)의 상부 표면(15a)이 극편(13)에 도달하여 전기자(15)가 정지할 때에도, 밸브 니들(9)은 계속 이동할 수 있다. 이러한 거동은 밸브 니들(9)의 "오버슈트(overshoot)"라고도 언급된다.

분사되는 유체의 양은, 신뢰성 있고 예측가능하게 분사 정량을 분배하기 위하여, 시간에 따라 - 적어도 부분적으로 - 선형이어야 한다. 전기자 상부(15a)가 댐핑 없이 극편(13)에 도달하여, 전기자(15)가 급격히 정지하면, 밸브 니들(9)은 되튀기 시작하고, 이는 밸브가 개방되는 움직임으로부터 완전히 개방된 구성으로 전이할 때 유체 흐름이 시간에 따라 비-선형적인 것을 야기한다.

밸브 니들(9)이 되튀는 것을 방지하기 위하여, 밸브 몸체(5)의 공동(7)의 제2 구획(7b) 내에 댐핑 요소(19)가 배열된다. 댐핑 요소(19)는, 제1 구획(7a)으로부터 멀어지는 방향으로 밸브 몸체(5)의 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 연장되는 슬리브(21)를 포함한다. 댐핑 요소는 피스톤(23)과 오리피스 요소(29)를 더 포함한다. 슬리브(21), 피스톤(23) 및 오리피스 요소(29)는 함께 유압 챔버(7c)를 한정한다 - 즉, 이들 요소는 유압 챔버(7c)를 형성하고 둘러싼다.

슬리브(21)의 공동은 슬리브 벽(21a)에 의해 둘러싸인다. 슬리브(21)의 직경과 특히 슬리브 벽(21a)의 직경은, 축방향으로 슬라이딩가능한 방식으로 피스톤(23), 오리피스 요소(29) 및/또는 인젝터(1)의 리턴 스프링(25)을 유지하기 위하여, 변할 수 있다.

슬리브(21)는 밸브 몸체(5)에 대해 위치 고정된다. 예를 들어, 이 슬리브는 밸브 몸체(5)에 고정된 극편(13) 또는 밸브 몸체(5)와 하나의 부품으로 형상 맞춤되거나 및/또는 가압-맞춤으로 맞물린다. 특히, 슬리브(21)는 극편(13)의 중심 축방향 개구에 수용된다.

피스톤(23)은 슬리브(21)에 대해 그리고 그리하여 밸브 몸체(5)에 대해 길이방향 축(3)에 대해 축방향으로 이동가능하도록 배열된다. 피스톤(23)은 하부 표면(23a), 상부 표면(23b) 및 측방향 표면(23c)을 구비한다. 밸브 니들(9)의 상부 표면(9b)은, 구체적으로 형상 맞춤 맞물림을 통해 피스톤(23)의 하부 표면(23a)과 결합된다. 피스톤(23)의 측방향 표면(23c)은 슬리브 벽(21a)과 만난다. 슬리브 벽(21a)은 피스톤(23)이 축방향으로 움직이는 것을 가이드한다.

피스톤(23)은 밸브 니들(9)과 결합되어, 밸브 니들(9)이 개방 위치 쪽으로 이동할 때, 피스톤(23)을 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 이동시켜, 유압 챔버(7c)의 볼륨을 감소시킨다.

나아가, 피스톤(23)이 유체 출구 단부(5a) 쪽으로 이동하는 힘은 다음에 상세히 설명된 바와 같이 밸브 니들(9)로 전달된다.

리턴 스프링(25)은 댐핑 요소(19)의 유압 챔버(7c) 내에 배열된다. 리턴 스프링(25)은 댐핑 요소(19)를 조립하는 동안 프리로드된다.

유압 챔버(7c) 내에는 중심 길이방향 축(3)에 대해 축방향으로 이동가능한 판(27)이 배열된다. 판(27)의 제1측(27a)은 피스톤(23)의 상부 표면(23b)과 결합된다. 이 결합은 해제가능하거나 또는 고정될 수 있다. 판(27)의 제2측(27b)은 리턴 스프링(25)의 제1 단부(25a)와 결합되는 반면, 리턴 스프링(25)의 제2 단부(25b)는 슬리브(21)에 고정된 오리피스 요소(29)와 결합되어, 리턴 스프링(25)의 제2 단부(25b)는 밸브 몸체(5)에 대해 고정된 위치에 안착된다. 리턴 스프링(25)의 두 단부는 판(27)의 스프링 안착부와 밸브 몸체(5)에 각각 안착될 수 있다.

프리로드된 리턴 스프링(25)은 판(27)과 피스톤(23)을 통해 밸브 니들(9)에 스프링 힘을 전달한다. 리턴 스프링(25)은, 피스톤(23)을 밸브 니들(9) 쪽으로 바이어스시키고, 밸브 니들(9)을 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스시키도록 동작가능하다. 그리하여, 개방 단계가 종료될 때 추가적인 유체 분사를 방지하기 위해 밸브 니들은 리턴 스프링(25)의 스프링 힘에 의해 폐쇄 위치로 이동된다.

피스톤(23)의 측방향 표면(23c)은 유압 챔버(7c) 내 압력에 대하여 밀봉가능하게 슬리브 벽(21a)과 만난다. 다시 말해, 기본적으로 유체-기밀 인터페이스 - 즉 본 상황에서 댐핑 요소(19)의 기능에 대해 무시될 수 있는 누설 율을 가지는 인터페이스 - 가 피스톤(23)의 측방향 표면(23c)과 슬리브(21)의 슬리브 벽(21a) 사이에 수립된다.

일 실시예에 따라 인젝터(1)는, 유압 챔버(7c)와 주변 공동(7) 사이에 압력 등화를 방지하면서, 측방향 표면(23c)과 슬리브 벽(21a) 사이에 윤활 유체 막을 포함할 수 있다.

밸브 니들(9)이 개방 위치로 이동할 때, 피스톤(23)은 이동하여 유압 챔버(7c)의 볼륨이 감소된다.

오리피스 요소(29)는, 유압 챔버(7c)를 공동(7)에 유압적으로 연결하는 흐름 제한 오리피스(29a)를 포함하는데, 구체적으로 유압 챔버(7c)를, 댐핑 요소(19)를 둘러싸는 제2 구획(7b) 부분에 유압적으로 연결하는 흐름 제한 오리피스(29a)를 포함한다.

오리피스(29a)에 의해 흐름이 제한된 것은, 피스톤(23)이 움직이는 것에 의해 유압 챔버(7c)로부터 밖으로 유체가 변위하는 것을 제한하여, 유압 챔버(7c) 내 유체를 가압하여 피스톤(23)이 움직이는 것을 방해한다. 그리하여, 댐핑 요소(19)는 인젝터(1)를 개방하는 단계 동안 유압 댐퍼로 동작한다. 특히, 판(27)은 유압 챔버(7c) 내 압력이 판(27)의 직경과 독립적이도록 설계된다.

예를 들어, 유압 챔버(7c)의 볼륨은 30 mm³이다. 이것에 의해 리턴 스프링(25)이 유압 챔버(7c) 내에 배열되면서 적절한 댐핑력을 야기하여, 공간을 절감할 수 있다. 피스톤(23)의 직경은 예를 들어 대략 2.5 mm이다. 유압 챔버(7c) 내 유체 볼륨을 변위시키는 볼륨을 최대화하기 위하여, 피스톤(23)의 직경은 주어진 이용가능한 공간에 대해 최대화된다. 피스톤(23)의 행정은 예를 들어 40-60 μm 범위에 있다. 예를 들어, 피스톤(23)의 측방향 표면(23c)과 슬리브 벽(21a) 사이의 갭은, 유압 챔버(7c) 내 압력이 밸런싱되는 것을 방지하고 피스톤(23)이 축방향으로 움직이는 것을 적절히 가이드하기 위하여, 15 μm 이하이도록 선택된다. 예를 들어, ±3 μm의 편차가 제조에 의해 야기된다.

피스톤(23)과 슬리브(21) 및/또는 슬리브 벽(21a)은 각각 예를 들어 스테인레스 스틸로 만들어진다. 이 슬리브(21)는 예를 들어 연마(honed)된다. 피스톤(23)은 예를 들어 회전(turned)된다.

댐핑 요소(19)는 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 이동할 때 댐핑력을 제공하여 전기자(15)와 니들(9)을 감속시켜 전기자(15)가 급격히 정지(hard stop)하는 것을 방지하여 밸브 니들(9)이 되튀는 것을 방지한다. 그러나, 이 댐핑력은 개방 단계의 지속시간과 그리하여 니들 동역학(dynamics)에 영향을 준다. 전기자(15)를 감속시켜, 전기자(15)가 급격히 정지하는 것을 방지하면서 높은 니들 동역학을 허용하는 주어진 댐핑력은 주어진 댐핑력이 밸브 니들(9)의 속도에 따라 좌우되는 경우 달성될 수 있다.

그리하여 오리피스 요소(29)는 오리피스(29a)를 포함한다. 오리피스(29a)에 의해 유압 챔버(7c)로부터 공동(7)의 주변 부분으로 유체가 흐를 수 있어서, 유압 챔버(7c) 내 압력이 공동(7) 내 유체 압력과 밸런싱될 수 있다. 유압 챔버의 유출은 오리피스(29a)에 의해서만 제어된다. 오리피스(29a)를 통한 유체 흐름율은 오리피스(29a)의 직경에 의존한다. 나아가, 주어진 댐핑력은 특히 밸브 니들(9) 또는 피스톤(23)의 속도에 각각 비례한다. 오리피스(29a)의 직경이 예를 들어 0.15 mm로 설정될 때 높은 니들 동역학을 허용하면서 전기자(15)가 급격히 정지하는 것을 방지할 수 있는 것으로 보인다. 따라서, 오리피스(29a)의 단면적은 본 실시예에서 피스톤(23)의 단면적의 0.36 %이다.

밸브 니들(9)이 폐쇄 위치로 이동하면, 피스톤(23)은 변위하여 유압 챔버(7c)의 볼륨이 증가된다. 흐름 제한 오리피스(29a)로 인해, 공동(7)으로부터 유압 챔버(7c) 안으로 흐르는 유체 흐름율이 제한되어서, 폐쇄 단계에서 밸브 니들(9)의 움직임을 댐핑시킬 수 있다. 유리하게는, 밸브 니들(9)이 밸브 안착부에 미치는 충격이 이런 방식으로 댐핑되어. 밸브가 의도치 않게 재개방될 위험이 특히 작아질 수 있다.

인젝터(1)가 유체를 분사하기 위하여, 공동(7)은 적어도 하나의 공급 채널(31)을 제공하여, 밸브 몸체(5)의 유체 출구 단부(5a)와 유체 입구 단부(5b) 사이에 유체 연통을 제공한다. 공급 채널은 슬리브(21)의 외부에, 즉 유압 챔버(7c) 내 가압된 유체 볼륨의 외부에 배열된다. 유체 채널(31)은 중심 길이방향 축(3)에 대하여 전기자(15)의 방사방향으로 외부에 더 배열된다.

주어진 댐핑력과 유압 챔버(7c) 내 압력은, 다음 사항, 즉: 유압 챔버(7c)의 볼륨, 피스톤(23)의 유압 직경, 오리피스(29a)의 유압 직경, 및 피스톤(23)의 속도 중 적어도 하나에 의존한다.

도시된 예시적인 실시예에서, 판(27), 피스톤(23), 슬리브(21), 및 밸브 니들(9)은 별개의 해제가능하게 결합된 부품들이어서, 서로 상대적으로 이동할 수 있다. 따라서, 리턴 스프링(25)으로부터 스프링 힘이 판(27)에 가해지면, 판(27)이 유체 출구 단부(5a) 쪽으로 이동하고 이는 판(27)에 의해 피스톤(23)으로 전달되어, 피스톤(23)이 유체 출구 단부(5a) 쪽으로 이동하게 한다. 피스톤(23)을 유체 출구 단부(5a) 쪽으로 이동시키는 힘은 피스톤(23)에 의해 밸브 니들(9)로 전달되어, 밸브 니들(9)을 유체 출구 단부(5a) 쪽으로 이동시킨다.

따라서, 전기자(15)로부터 액추에이터 힘이 밸브 니들(9)에 가해지면, 밸브 니들(9)이 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 이동하고 이는 밸브 니들(9)에 의해 피스톤(23)으로 전달되어, 피스톤(23)이 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 이동하게 한다. 피스톤(23)을 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 이동시키는 힘은 피스톤(23)에 의해 판(27)으로 전달되어, 판(27)을 유체 입구 단부(5b) 쪽으로 이동시킨다.

전기자(15)는 밸브 니들(9)이 개방 위치에서 이동하도록 밸브 니들(9)과 결합된다. 전기자(15)의 상부 표면(15a)이 극편(13)에 도달하고 전기자(15)가 정지하면, 밸브 니들(9)과 전기자(15)는 서로에 대해 이동할 수 있다. 전기자 움직임의 댐핑이 주된 초점인 종래의 솔레노이드로 구동되는 인젝터와는 달리, 본 발명의 댐핑 요소(19)는 밸브 니들(9)의 움직임을 댐핑시켜, 밸브 니들(9)이 오버슈트하는 것을 방지하는데 기여한다.

밸브 니들(9)을 밸브 안착부로 바이어스시키는 프리로드를 설정하기 위하여, 인젝터(1)는, 예를 들어, 조립 동안 교정된다. 예를 들어, 인젝터(1)를 교정하는 것은, 댐핑 요소(19)의 댐핑력에 따라 리턴 스프링(25)의 프리로드를 조절하는 것을 포함한다. 일 예시적인 실시예에서, 리턴 스프링(25)을 프리로드하는 것은 오리피스 요소(29)에 의해 제어된다.

Claims

유체 분사용 인젝터(1)로서,
- 밸브 몸체(5)와 밸브 니들(9)을 포함하는 밸브,
- 상기 밸브 니들(9)에 기계적으로 결합되고 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 상기 밸브 니들(9)을 이동시키는 전기자(15), 및
- 댐핑 요소(19)를 포함하되,
- 상기 밸브 몸체(5)는 중심 길이방향 축(3)을 따라 유체 출구 단부(5a)와 유체 입구 단부(5b) 사이에 연장되고, 공동(7)을 구비하고,
- 상기 밸브 니들(9)은 상기 공동(7) 내에서 상기 밸브 몸체(5)에 대해 축방향으로 이동가능하게 배열되고, 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브를 밀봉하도록 동작가능하고, 상기 전기자(15)에 의해 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 축방향으로 변위하며 상기 밸브를 밀봉 해제가능하고,
- 상기 댐핑 요소(19)는 상기 공동(7) 내에 배열되고,
- 상기 댐핑 요소(19)는,
-- 유압 챔버(7c),
-- 피스톤(23)으로서, 상기 피스톤은 상기 밸브 몸체(5)에 대해 축방향으로 이동가능하며 상기 유압 챔버(7c)의 유체 볼륨을 변경하도록 동작가능하게 배열되고, 상기 피스톤은 상기 밸브 니들(9)에 결합되어서, 상기 밸브 니들(9)이 상기 폐쇄 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하며 상기 밸브를 밀봉 해제할 때 상기 유압 챔버(7c)의 유체 볼륨을 감소시키도록 배열된, 상기 피스톤, 및
- 상기 유압 챔버(7c)를 상기 공동(7)에 유압적으로 연결하는 흐름 제한 오리피스(29a)를 포함하는, 인젝터(1).
제1항에 있어서,
- 상기 유압 챔버(7c)는 상기 밸브 몸체에 대해 위치 고정되고,
- 상기 피스톤(23)과 상기 밸브 니들(9)은 해제가능하게 결합되고,
- 상기 댐핑 요소(19)는 유체가 상기 흐름 제한 오리피스(29a)를 통해서만 상기 유압 챔버(7c)를 둘러싸는 상기 공동(7) 부분과 상기 유압 챔버(7c) 사이에서 교환될 수 있도록 구성된, 인젝터(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밸브 니들(9)을 상기 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스시키는 리턴 스프링(25)을 더 포함하는, 인젝터(1).
제3항에 있어서, 상기 리턴 스프링(25)의 스프링 힘은 상기 피스톤(23)을 통해 상기 밸브 니들(9)에 전달되는, 인젝터(1).
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 리턴 스프링(25)은 상기 유압 챔버(7c)에 위치된, 인젝터(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오리피스(29a)의 단면적은 상기 피스톤(23)의 단면적보다 더 작은, 인젝터(1).
제6항에 있어서, 상기 오리피스(29a)의 단면적은 상기 피스톤(23)의 단면적의 1 % 이하, 특히 0.05 % 이하인, 인젝터(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(23)의 직경은 상기 댐핑 요소(19)가 상기 밸브 니들(9)에 제공하는 댐핑력에 의존하는, 인젝터(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동(7)은 상기 유압 챔버(7c)를 따라 축방향으로 연장된 적어도 하나의 유체 채널(31)을 형성하고, 상기 적어도 하나의 유체 채널은 상기 밸브 몸체(5)의 상기 유체 입구 단부(5b)로부터 상기 유체 출구 단부(5a)로 유체를 연통시키는, 인젝터(1).
제9항에 있어서, 상기 유체 채널(15)은 상기 중심 길이방향 축(3)에 대해 상기 전기자(15)의 방사방향으로 외부에 배열되는, 인젝터(1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(23)과 상기 밸브 니들(9)은 특히 형상 맞춤 맞물림을 통해 해제가능하게 결합된, 인젝터(1).
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 댐핑 요소(19)는 축방향으로 연장된 슬리브 벽(21a)을 구비하는 슬리브(21)를 포함하고,
- 상기 피스톤(23)은 하부 표면(23a), 상부 표면(23b) 및 측방향 표면(23c)을 포함하고,
- 상기 피스톤(23)은 상기 슬리브(21) 내에서 축방향으로 이동가능하게 배열되고, 상기 하부 표면(23a)은 상기 밸브 니들(9)과 결합되고, 상기 측방향 표면(23c)은 상기 슬리브 벽(21a)과 만나는, 인젝터(1).
제11항과 제3항, 또는 제3항을 직접 또는 간접 인용하는 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리턴 스프링(25)은 제1 단부(25a)에서 상기 피스톤(23)의 상부 표면(23b)과 결합되고, 대향하는 제2 단부(25b)에서 상기 밸브 몸체(5)와 결합되어, 상기 피스톤(23)에 힘을 가하여 상기 피스톤을 상기 밸브 니들(9) 쪽으로 푸시하도록 프리로드(preloaded)된, 인젝터(1).
제12항 또는 제13항, 및 제3항을 직접 또는 간접 인용하는 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유압 챔버(7c) 내에는 축방향으로 이동가능한 판(27)이 배열되고, 상기 판(27)은 제1측(27a)에서 상기 피스톤(23)의 상부 표면(23b)과 결합되고, 대향하는 제2측(27b)에서 상기 리턴 스프링(25)의 제1 단부(25a)와 결합된, 인젝터(1).