KR20190020704A - 유체 계량용 밸브 - Google Patents

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요르크 아벨
올라프 쇤록
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필립 로글러
안드레아스 샤트
마르틴 뷔너
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Abstract

본 발명은 유체 계량용 밸브(1)에 관한 것이고, 상기 밸브는 특히 내연 기관용 연료 분사 밸브로서 사용되며, 전자기 액추에이터(3), 및 상기 전자기 액추에이터(3)에 의해 작동 가능한 밸브 니들(7)을 포함하고, 상기 밸브 니들(7)은 밸브 시트 면(9)과 상호 작용하여 밀봉 시트를 형성하는 밸브 폐쇄 몸체(8)를 작동시키는데 사용된다. 전자기 액추에이터(3)의 아마추어(6)는 밸브 니들(7)의 길이 방향 축(15)을 따라 이동 가능하게 밸브 니들(7) 상에서 안내되고, 상기 밸브 니들(7)에 대한 상기 아마추어(6)의 이동은 상기 밸브 니들(7) 상에 배치된 적어도 하나의 정지 면(18, 19)에 의해 제한된다. 아마추어(6)는 적어도 하나의 통로(30-35)를 포함한다. 정지 면(18, 19)은 정지 요소(16, 17)에 형성된다. 정지 요소(16, 17) 및 아마추어(6)는 작동 중에, 정지 요소(16, 17)와 상기 정지 요소(16, 17)를 향한 아마추어(6)의 단부 면(23, 24) 사이에, 항상 밸브 니들(7)에 인접한 사이 공간(53)이 유지되도록 설계된다. 아마추어(6)와 정지 면(18, 19)이 작동 중에 접촉하면, 상기 정지 면(18, 19)은 적어도 접촉 영역(60)에서, 상기 정지 요소(16, 17)를 향한 아마추어(6)의 단부 면(23, 24)에 접촉한다. 아마추어(6)와 정지 면(18, 19)이 작동 중에 접촉하면, 상기 접촉 영역(60)은 사이 공간(53)과 통로(30-35)의 개구(45) 사이에 배치된다.

Description

유체 계량용 밸브
본 발명은 특히 내연 기관용 연료 분사 밸브로서 사용되는 유체 계량용 밸브에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 바람직하게는 내연 기관의 연소실 내로 연료가 직접 분사되는 자동차의 연료 분사 시스템용 분사기의 분야에 관한 것이다.
DE 103 45 967 A1에는 내연 기관의 연료 분사 시스템용 연료 분사 밸브가 공지되어 있다. 공지된 연료 분사 밸브는 솔레노이드 코일, 및 상기 솔레노이드 코일에 의해 스트로크 방향으로 복귀 스프링에 대항해서 작용하는 아마추어를 포함한다. 아마추어는 밸브 니들에 연결되어 스트로크 방향으로 상기 아마추어의 이동을 제한하는 제 1 플랜지와 상기 밸브 니들에 연결된 제 2 플랜지 사이에서 이동 가능하게 상기 밸브 니들 상에 배치된다. 아마추어와 제 2 플랜지 사이에는 스프링이 제공되며, 이 스프링에 의해 아마추어는 연료 분사 밸브의 휴지 상태에서, 아마추어가 제 2 플랜지의 정지 면으로부터 이격되어 아마추어 이동 거리를 형성하도록 작용한다. 이 경우, 디스크 스프링 대신, 나선형 스프링으로서 설계된 스프링의 사용이 바람직하다는 것은 이미 공지되어 있는데, 그 이유는 디스크 스프링이 아마추어, 아마추어 정지부 및 스프링 사이에 있는 연료의 균형을 방해하여, 아마추어의 영역에서 연료의 막힘 및 제어되지 않은 유압 거동이 나타날 수 있기 때문이다.
본 발명의 과제는 밸브의 디자인 및 기능을 개선하는 것이다.
청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 밸브는 디자인 및 기능이 개선된다는 장점을 갖는다. 특히 밸브의 개폐시 동적 거동이 개선될 수 있다. 특히, 유압 접착(sticking)과 같은 바람직하지 않은 유압 효과 및/또는 아마추어 바운스와 같은 바람직하지 않은 기계적 효과가 회피되거나 적어도 감소할 수 있다.
종속 청구항들에 제시된 조치들에 의해 청구항 제 1 항에 제시된 밸브의 바람직한 개선이 가능하다.
아마추어는 적어도 작동 중에 액체 유체로 채워지는 밸브의 내부 공간 내에 배치되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시 예에서, 상기 액체 유체는 밸브에 의해 계량되는 유체이다. 연료 분사 밸브로서 밸브의 실시 예에서, 상기 액체 유체는 액체 연료일 수 있다.
이러한 실시 예에서 초기 상태에서 또는 하나의 작동 사이클 중에, 종래의 실시 예에서와 같이, 아마추어의 편평한 단부 면이 편평한 정지 면에 면 접촉되면, 정지 면으로부터 아마추어를 분리할 때 유압 매체, 즉 액체 유체로 인해 유압 접착 효과가 나타난다. 이 접착 효과는 특히 액체 유체가 먼저 좁은 갭 내로 흘러야 하기 때문에 야기된다. 역으로, 종래의 실시 예에서, 아마추어가 정지 면에 접근하면, 액체 유체가 점점 더 좁아지는 갭으로부터 변위되어야 하기 때문에 유압 댐핑이 나타난다. 작동 사이클에서 상기 두 가지 효과는 각각의 정지 면에서 교대로 나타난다. 이로 인해, 댐핑 효과 및 특히 밸브의 제어시 다이내믹의 지연이 나타난다. 또한, 종래의 실시 예에서, 폐쇄 동안, 이러한 방식으로 아마추어 바운스가 감소한다.
경우에 따라 상응하게 개선되는, 제안된 밸브에서, 아마추어의 하나 이상의 통로의 커버링 및 아마추어에 대한 하나 또는 2 개의 정지부의 강성이 최적화될 수 있어서, 밸브의 각각의 실시 예와 관련해서 밸브를 폐쇄할 때 유압 댐핑과 개방할 때 관련 정지 면에 대한 아마추어의 가급적 적은 유압 접착의 최적의 조합이 달성된다.
청구항 제 2 항에 따른 실시 예는 한편으로는 통로를 통한 바람직한 유동이 가능하게 되고 다른 한편으로는 사이 공간과 내부 공간 사이의 유체 교환이 바람직한 방식으로 보장된다는 장점을 갖는다. 이로 인해, 특히 아마추어가 정지 면으로부터 분리되는 작동 상태의 경우, 유압 접착 효과는 충분히 작게 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 과정은 내부 공간으로부터 통로의 개구의 영역 내로 유체의 유동에 의해 쉬워진다. 그럼에도, 아마추어가 정지 면에 부딪히고 정지 요소의 탄성 변형이 나타나면, 사이 공간에서 바람직한 압력 상승이 이루어질 수 있다.
청구항 제 3 항에 따른 실시 예는 바람직하게는, 상기 아마추어와 정지 면이 투영 면에서 접촉하면, 통로를 통해 그리고 가장자리의 외부에 있는 외부 부분 면을 통해 내부로부터 외부로 또는 외부로부터 내부로 내부 공간과 사이 공간 사이의 유체 교환을 허용한다.
정지 면은 밸브 니들의 길이 방향 축을 중심으로 연장하는 외부 가장자리를 포함한다. 원칙적으로, 정지 면이 형성된 정지 요소에 관통 개구, 특히 관통 보어가 형성될 수 있어서, 정지 면 내에 놓인 가장자리, 특히 원형 가장자리가 형성될 수 있다. 통로의 배치, 형상 및 개수에 따라, 정지 면은 개별 통로에 대한 유체의 유동을 허용하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 다수의 통로가 제공될 수 있으며, 그 중 일부는 밸브 니들의 길이 방향 축에 더 가깝게 배치되고 다른 부분은 밸브 니들의 길이 방향 축으로부터 더 멀리 떨어져 배치된다. 관련 정지 면이 상응하는 크기로 설계되어야 한다면, 제안된 해결책은 내부 및 외부 통로에 대해 실현될 수 있다. 이 경우, 정지 면의 안정성을 보장하기 위해, 내부 통로에 대해서는 특히 상응하게 내부 가장자리를 갖는 내부 통로가 실현될 수 있다. 청구항 제 5 항에 따른 실시 예는, 적어도 하나의 관련 통로의 배치, 특히 길이 방향 축과 상기 통로 사이의 거리, 및 정지 면의 치수, 특히 길이 방향 축에 대한 정지 면의 가장자리의 반경이 서로 매칭될 수 있어서, 제안된 해결책은 정지 면이 형성된 정지 요소에 관련 관통 개구 없이 실현될 수 있다는 장점을 갖는다.
관련 정지 면은 정지 요소에 형성된다. 이 경우, 청구항 제 4 항에 따른 실시 예가 특히 바람직하다. 2 개의 정지 요소가 제공될 수 있으며, 그 중 하나는 예를 들어 밸브 니들에 형성되고, 다른 하나는 밸브 니들에 연결됨으로써, 중앙 관통 보어를 가진 일체형 아마추어가 밸브 니들 상에 결합된 다음, 상기 정지 요소들 사이에서 상기 아마추어의 이동이 제한된다. 그러나 예를 들어 분할된 아마추어가 사용되는 경우, 밸브 니들에 형성된 2 개의 정지 요소를 가진 실시 예도 가능하다. 또한, 정지 면의 제안된 실시 예는 정지 면들 중 하나에만, 2 개의 정지 면에 동일한 방식으로 또는 2 개의 정지 면에 상이한 방식으로 실현될 수 있다. 이로 인해, 각각의 적용 예에 대한 매칭, 특히 소정 밸브 다이내믹 및 밸브를 폐쇄할 때 필요한 바운스 거동이 가능하다. 특히, 하나의 분사 사이클 중에 다수의 분사에 대해 소정 다중 분사 가능성을 달성하기 위해서는, 광범위한 바운스 회피가 필요할 수 있다.
제안된 밸브 설계에 의해, 이동 제한시 댐핑 거동이 향상될 수 있다. 이 경우, 정지 요소에 아마추어가 부딪힐 때 사이 공간 내에 저압이 발생하거나 또는 아마추어의 리바운드 시에 사이 공간 내에 저압이 발생하기 때문에, 아마추어의 바운스 가능성이 매우 효과적으로 줄어들 수 있다. 특히 이로 인해, 하나의 분사 사이클 중에 개별 분사들 사이의 포우즈(pause) 시간이 짧을 때도 다중 분사 가능성을 달성하기 위해, 밸브의 폐쇄 상태에서 아마추어 초기 위치와 관련한 아마추어의 빠른 안정화가 달성될 수 있다.
청구항 제 6 항에 따른 실시 예는 사이 공간이 측면도로 볼 때 정지 요소의 챔퍼에 의해 실현될 수 있다는 장점을 갖는다. 이 경우, 청구항 제 7 항에 따른 바람직한 실시 예가 가능하다.
청구항 제 8 항에 제시된 다른 바람직한 실시 예에서, 사이 공간의 체적은 정지 면과 정지 요소 상의 바람직하게는 부분 환형인 면 사이의 단차의 높이를 통해 적어도 부분적으로 조절될 수 있다. 이 경우, 사이 공간을 한정하는 정지 요소의 면과 정지 면은 서로 평행하게 형성되고 둘 다 길이 방향 축에 대해 수직으로 배향되는 것이 바람직하며, 상기 단차는 상기 면과 정지 면 사이에 배치되므로 챔퍼 처리된 영역 등이 생략된다. 이 실시 예는 특히, 사이 공간을 한정하는 바람직하게 환형 면에 대한 정지 면의 평행도의 양호한 측정 가능성이 주어진다는 장점을 갖는다. 이로 인해, 대량 생산의 범위에서, 프로세스 설정, 프로세스 모니터링 및 필요한 경우 품질 관리가 가능하다. 특히 대량 생산에서, 작은 코니시티(conicity)가 허용되는 공차 사양이 설정될 수 있다. 작은 코니시티는, 아마추어와 정지 면이 작동 중에 접촉하면, 접촉 영역과 정지 요소를 향하는 아마추어의 단부 면 사이에 형성된 스로틀 갭과 관련해서 충분한 스로틀링 효과가 보장되고, 그래서 아마추어가 정지 면에 부딪힐 때 바로 사이 공간 내에 충분히 큰 압력이 형성되어 제안된 유압 댐핑이 실현되는 것으로 정의될 수 있다.
특히, 사이 공간을 한정하는 면을 환형 면으로서 형성하는 실시 예에 의해, 청구항 제 9 항에 따른 개선이 실현될 수 있다.
청구항 제 10 항에 따른 실시 예는 특히, 정지 면을 향한 아마추어의 단부 면이 편평하게 형성되고, 밸브 니들의 길이 방향 축이 아마추어의 단부 면을 수직으로 관통하도록 배향됨으로써 구현될 수 있다. 이는 편평하며 길이 방향 축에 대해 수직으로 배향된 정지 면과 결합하여 구현될 수 있다.
청구항 제 10 항에 따른 실시 예는, 경우에 따라 내부 부분 면에 대한 스로틀 작용이 실현될 수 있는 한편, 일반적으로 아마추어의 가속을 위해 필요한 통로를 통한 유동이 정지 면으로부터 아마추어의 분리 시에 상응하는 크기의 외부 부분 면에 의해 너무 심하게 스로틀되지 않는다는 장점을 갖는다. 특히, 접촉 영역과 내부 부분 면은 상응하는 유압 스로틀링 효과의 발생에 의한 바운스 회피를 위해 및/또는 동적 거동의 매칭을 위해 경우에 따라 작게 선택될 수 있는 한편, 가급적 큰 외부 부분 면은 소정 방식으로 아마추어를 통한 흐름을 허용한다.
본 발명의 바람직한 실시 예들은 첨부한 도면을 참조하여 이하의 설명에서 상세하게 설명되며, 도면들에서 상응하는 요소들은 동일한 도면 부호로 표시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸브의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 밸브의 실시 예를 설명하기 위한 분해도.
도 3은 도 1에 도시된 밸브의 상세도.
도 4는 다른 실시 예에 따른 밸브의 도 3에 도시된 상세도.
도 1은 일 실시 예에 따른 유체 계량용 밸브(1)를 개략적인 단면도로 도시한다. 밸브(1)는 특히 연료 분사 밸브(1)로서 설계될 수 있다. 바람직한 적용 예는 이러한 연료 분사 밸브(1)가 고압 분사 밸브(1)로서 설계되어 연료를 내연기관의 해당 연소실 내로 직접 분사하는 연료 분사 시스템이다. 이 경우, 액체 연료 또는 가스 연료가 연료로서 사용될 수 있다.
밸브(1)는 다체형 밸브 하우징(2), 전자기 액추에이터(3) 및 상기 전자기 액추에이터(3)에 의해 작동 가능한 밸브 니들(7)을 포함하고, 상기 전자기 액추에이터(3)는 솔레노이드 코일(4), 내극(5) 및 아마추어(6)를 포함하며, 상기 밸브 니들(7)은 작동 중에 밸브 폐쇄 몸체(8)와 밸브 시트면(9) 사이에 형성된 밀봉 시트를 개방하기 위해, 밸브 니들(7)에 연결된 밸브 폐쇄 몸체(8)를 작동시킨다. 이 경우, 연료는 내극(5)의 축 방향 보어(10)를 통해 밸브 하우징(2)의 내부 공간(11) 내로 안내되며 상기 내부 공간(11)으로부터 링 갭(12)을 통해 밀봉 시트로 안내되므로, 밀봉 시트의 개방 동안 연료가 노즐 개구들을 통해 공간(13), 특히 연소실(13) 내로 분사될 수 있다.
이 실시 예에서, 밸브(1)는 내부 개방 밸브(1)로서 설계되고, 밸브(1)의 개방을 위해 밸브 니들(7)이 길이 방향 축(15)을 따라 개방 방향(14)으로 이동된다.
액추에이터(3)의 아마추어(6)는 밸브 니들(7) 상에 오버행(overhang) 방식으로 지지되므로, 아마추어(6)가 길이 방향 축(15)을 따라 개방 방향(14)으로 그리고 개방 방향(14)과 반대로 이동하는 것이 가능하다. 이러한 이동은 밸브 니들(7)에 대해 정지 요소 (16, 17)에 의해 제한된다. 정지 요소(16, 17)는 이 경우 각각 밸브 니들(7)에 연결되거나 또는 밸브 니들(7) 상에 형성될 수 있다. 이 실시 예에서, 정지 요소(16)는 밸브 니들(7)에 고정 연결된 정지 슬리브(16)로서 형성된다. 또한, 정지 요소(17)는 이 실시 예에서 밸브 니들(7)에 고정 연결된 정지 링(17)으로서 형성된다. 이러한 고정 연결은 예를 들어 용접에 의해 실현될 수 있다. 정지 요소들(16, 17)에 정지 면들(18, 19)이 형성되고, 상기 정지 면들은 서로를 향하며, 상기 정지 면들 사이에서 아마추어(6)가 소정 아마추어 이동 거리(20)를 따라 이동 가능하다.
또한, 이 실시 예에서는 정지 요소(17)에 의해 밸브 니들(7)에 개방 방향(14)과 반대로 작용하여 밸브 니들(7)을 밀봉 시트가 폐쇄되는 초기 위치로 조정하는 복귀 스프링(21)이 제공된다. 또한, 아마추어(6)를 아마추어(6)의 단부 면(23)이 정지 면(18)에 접촉하는 초기 위치로 조정하는 스프링(22)이 제공된다. 이 초기 위치에서, 단부 면(23)으로부터 떨어져 있는 아마추어(6)의 단부 면(24)과 정지 면(19) 사이에 아마추어 이동 거리(20)가 주어진다.
밸브(1)의 작동시, 솔레노이드 코일(4)에 전류가 공급되므로, 아마추어(6)가 작용하는 자력에 의해 개방 방향(14)으로 가속된다. 이 경우, 밸브 니들(7)은, 아마추어(6)의 단부 면(24)이 정지 요소(17)의 정지 면(19)에 접촉할 때까지, 초기 위치로 유지된다. 이 경우, 아마추어(6)의 가속은 밸브 니들(7)의 조절을 위한 더 큰 개방 충격을 가능하게 한다. 아마추어(6)의 이동은 밸브 하우징(2)에 대한 내극(5)에 부딪힘에 의해 제한된다. 이 경우, 밸브 니들(7)의 스윙(swing)이 나타날 수 있다.
밸브(1)를 폐쇄하기 위해, 솔레노이드 코일(4)에 전류가 공급되지 않으므로, 복귀 스프링(21)에 의해 밸브 니들(7)이 개방 방향(14)과 반대로 복귀되며, 정지 요소(17)에 의해 아마추어(6)가 끌려간다. 밸브 폐쇄 몸체(8)가 그 시트에 놓이게 되면, 도 1에 도시된 초기 위치로 아마추어(6)의 추가 복귀가 이루어지고, 스프링(22)은 상기 초기 위치를 보장한다.
이 실시 예에서 내부 공간(11)은 액체 연료로 채워진다. 이 경우, 아마추어(6) 내에 형성된 통로들(30 내지 35)은 보어(10)로부터 링 갭(12)의 방향으로 연료의 통과를 허용한다. 또한, 연료는 아마추어(6)와 밸브 하우징(2) 사이에서 아마추어(6)를 지나 흐를 수 있다.
작동 과정 중에, 액체 연료는 먼저 아마추어(6)의 단부 면(24)과 정지 요소(7)의 정지 면(19) 사이에서 변위된다. 그 다음, 아마추어(6)의 단부 면(24)이 정지 요소(17)의 정지 면(19)으로부터 분리되어야 한다. 또한, 밸브(1)의 폐쇄시, 정지 요소(16)의 정지 면(18)과 아마추어(6)의 단부 면(23) 사이에서 액체 연료의 변위가 나타난다. 액체 연료가 아마추어(6)의 단부 면(23)과 정지 요소(16)의 정지 면(18) 사이로 흘러야 하는, 작동 과정의 시작 시에도, 정지 요소(16)로부터 아마추어(6)의 분리가 특히 중요하다. 바람직한 유압 특성을 보장하기 위해, 정지 요소(16)의 정지 면(18) 및/또는 정지 요소(17)의 정지 면(19)의 특별한 실시 예가 제안된다. 정지 요소(16) 및 아마추어(6)를 참조하여 하기에 설명되는 구성은 정지 요소(17)에 대해서도 대안으로서 또는 추가로 구현될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 밸브(1)의 실시 예를 설명하기 위한 개략도를 분해도로 도시한다. 도시를 단순화하기 위해, 밸브 니들(7)의 위치를 나타내기 위해 밸브 니들(7)의 길이 방향 축(15)만이 도시되어 있다. 또한, 길이 방향 축(15)에 의해 수직으로 각각 관통되는 평면들(39, 40, 41)이 도시되어 있다. 평면들(39 내지 41)은 각각 길이 방향 축(15) 상에 놓이는 중심을 가진 원의 케익 형태 단면으로 도시된다. 평면(41)은 밸브(1)의 적합한 위치에서 정지 요소(16)와 아마추어(6)가 접촉하는 투영면이다. 평면(40)은 아마추어(6)의 단부 면(23)이 이 평면(40) 내에 놓이는 것을 특징으로 한다. 그러나 아마추어(6)의 구성은 아마추어(6)의 단부 면(23)이 평면(40) 내에 놓여서 길이 방향 축(15)에 의해 수직으로 관통되는 것으로 반드시 제한되는 것은 아니다. 특히, 단부 면(23)은 편평한 구성에서 시작하여, 일부 영역에 오목부 또는 돌출부를 갖는 것도 가능하다.
평면(39)은 접촉 영역(60)과 정지 요소(16)의 정지 면(18)의 가장자리(42)가 상기 평면(39) 내에 놓이는 것을 특징으로 한다. 이 실시 예에서, 가장자리(42)는 원호 형태 가장자리(42)로서 형성되며, 도 2에는 가장자리(42)의 원호 세그먼트가 도시되어 있다. 정지 면(18)은 부분(62)으로, 즉 부분적으로 원뿔의 재킷 면(62)에 상응하게 형성된다. 또한, 정지 면(18)은 접촉 영역(61)이 놓인 부분(63)에서 편평하고 길이 방향 축(15)에 대해 수직으로 배향되어 형성된다. 재킷 면(62) 내에서 하나의 에지(64)로부터 길이 방향 축(15)으로 직선으로 연장하는 모선(43)이 고려되면, 이와 관련하여 사라지지 않는 경사 각도(44)가 정의된다. 이 경사 각도(44)는 다음과 같이 주어진다. 길이 방향 축(15)에 대해 평행한 모선(43)을 평면(39) 내로 투영하면, 반경(43')이 주어진다. 경사 각도(44)는 이제 빗변으로서의 모선(43) 및 경사 각도(44)에 대한 직각을 이루는 한 변으로서 반경(43')을 갖는 직각 삼각형으로부터 주어진다. 여기서, 에지(64)는 접촉 영역(60)을 반경 방향으로 볼 때 내부에서 제한하는 원호 형태 에지(64)이다.
변형된 실시 예에서, 사라지지 않는 경사 각도(44)는 가장자리(42)를 따라 변할 수 있다. 그러나 이 실시 예에서는, 정지 면(18)이 부분적으로 원뿔의 재킷 면(62)으로부터 주어지기 때문에, 경사 각도(44)는 가장자리(42)를 따라 일정하다.
가장자리(42)는 길이 방향 축(15)을 따라, 즉 길이 방향 축(15)에 대해 평행하게 투영면(41) 내로 투영된다. 이로 인해, 가장자리(42)의 투영(42')이 주어진다.
이 실시 예에서, 통로(30)의 개구(45)는 평면(40)에 놓인다. 개구(45)는 이 실시 예에서 원형 개구(45)로서 형성된다. 따라서, 개구(45)는 이 실시 예에서 원호(46)로 형성되는 폐쇄된 선(46)에 의해 제한된다. 개구(45) 또는 원호(46)는 길이 방향 축(15)을 따라 투영면(41) 내로 투영된다. 이로 인해, 개구(45)의 투영(45') 또는 원호(46)의 투영(46')이 투영면(41) 내에 생긴다.
밸브(1)는 이제 제안된 해결책에 따라, 길이 방향 축(15)에 의해 수직으로 관통되고 아마추어(6)와 정지 면(41)이 작동 중에 접촉되는, 투영면(41) 내로 정지 면(18)의 가장자리(42)의 투영(42')이 투영면(41) 내로 통로(30)의, 상기 정지 면(41)을 향한 개구(45)의 투영(45')을 통해 연장하도록 설계된다. 투영면(41) 내로 가장자리(42)의 투영(42')에 의해, 투영면(41) 내로 개구(45)의 투영(45')이 내부 부분 면(50)과 외부 부분 면(51)으로 세분된다. 또한, 투영면(41)에서 에지(64)의 투영(64')이 반경 방향으로 볼 때 원호(46)의 투영(46') 또는 개구(45)의 투영(45')에 대해 반경 방향 최소 길이(75)만큼 이격된다. 에지(64)의 투영(64')은 투영(46') 또는 투영(45 ')보다 길이 방향 축(15)에 더 가깝다.
투영면(41) 내로의 투영은 항상 투영면(41)에 대해 수직으로 이루어지는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 투영면(41)은 길이 방향 축(15)에 의해 수직으로 관통되기 때문에, 이것은 투영이 항상 길이 방향 축(15)을 따라 또는 길이 방향 축(15)에 대해 평행하게 이루어지는 것을 의미한다. 그러나 이 경우, 공차들, 아마추어(6)와 밸브 니들(7) 사이의 소정 클리어런스, 및 공차로 인한 또는 구성으로 인한 유사한 영향이 밸브(1)의 구현시 이상적인 구성 또는 투영과의 편차를 초래할 수 있다. 예를 들어, 이러한 영향으로 인해, 특히 아마추어(6)와 밸브 니들(7) 사이의 클리어런스로 인해, 투영면(41) 내로 원호(46)의 투영(46')에 대해 곡선족이 생기고, 상기 곡선족은 이상적인 투영(46')을 중심으로 반경 방향으로 길이 방향 축(15)을 향해 약간 오프셋된 원호를 포함한다. 또한, 정지 면들(18)의 회전 대칭 구성에서, 정지 요소(16)에 대해 길이 방향 축(15)을 중심으로 하는 아마추어(6)의 상대 회전이 동등한 것으로 간주될 수 있다. 이것이 특정 경우에 필요하다면, 아마추어(6)의 이러한 상대 회전을 제한하거나 방지하는, 밸브 니들(7)을 따른 아마추어(6)의 가이드가 실현될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 밸브(1)의 상세도를 도시한다. 여기서는, 한편으로는 밸브(1)의 작동 개시 시점에 솔레노이드 코일(4)에 전류가 공급되면 발생하는 상황이 도시되어 있다. 이 경우, 자력이 방향(52)으로 아마추어(6)에 가해지고, 상기 자력은 아마추어(6)를 방향(52)으로 가속시키거나 또는 그 초기 위치로부터 이동시킨다. 다른 한편으로는, 후술하는, 정지 요소(16)에 아마추어(6)가 부딪히는 시점일 수 있다.
초기 위치에서, 아마추어(6)와 정지 면(18)이 접촉하기 때문에, 도 2에 도시된 평면들(39 내지 41)은 일치한다.
정지 면(18)의 전술한 구성으로 인해, 정지 면(18)의 부분(62)과 아마추어(6)의 단부 면(23) 사이에 사이 공간(53)이 형성되며, 상기 사이 공간(53)은 이 실시 예에서 길이 방향 축(15)에 대해 회전 대칭이다. 이 경우, 사이 공간(53)은 밸브(1)의 내부 공간(11)으로부터 분리된 부분 공간(53)으로 간주될 수 있고, 상기 부분 공간은 원칙적으로 정지 면(18)으로부터 아마추어(16)가 분리된 후에야 내부 공간(11)과 유압식으로 연통한다. 아마추어(6)가 방향(52)으로 이동할 때, 사이 공간(53)은 커진다. 이는 사이 공간(53)에서 압력 강하가 발생하는 경향이 있음을 의미한다. 상기 압력 강하는 상기 분리 시에 형성되는 스로틀 갭(61)을 통해 내부 공간(11)으로부터 액체 유체의 유동에 의해 보상된다. 즉, 스로틀 갭(61), 내부에 놓인 또는 내부의 부분 면(50), 통로(30)의 개구(45)의 영역, 및 외부의 또는 외부에 놓인 부분 면(51)을 통해 외부로부터 내부로 유체 교환이 이루어진다. 그러나 유압 접착 효과는 나타나지 않거나 사이 공간(53)에서 약간만 나타난다. 이로 인해, 아마추어(6)가 방향(52)으로 이동을 시작할 때 정지 요소(16)로부터 아마추어(6)의 분리가 수월해진다. 이로 인해, 유압 접착이 상당히 감소한다.
도 3에 도시된 밸브(1)의 세부 사항은 밸브(1)의 폐쇄시 아마추어(6)가 방향(54)으로 정지 요소(16)에 대해 안내되는 작동 과정에서의 제 2 시점을 나타낸다. 아마추어(6)가 정지 요소(16)에 접근하면, 사이 공간(53)으로부터의 액체 유체의 변위가 나타나거나 또는 사이 공간(53)에서 압력 상승이 나타나는 경향이 있다. 이로 인해, 액체 유체는 사이 공간(53)으로부터, 스로틀 갭(61), 내부 부분 면(50), 통로(30)의 개구(45)의 영역, 및 외부 부분 면(51)을 통해 내부 공간(11) 내로 내부로부터 외부로 변위된다. 이러한 유체 교환에서, 접촉 영역(60)과 아마추어(6)의 단부 면(23) 사이의 스로틀 갭(61)을 통해 연료가 상당히 스로틀된다.
동적 관점에서, 밸브(1)의 폐쇄시 또는 정지 요소(16)에 대해 방향(54)으로 아마추어(6)의 충돌시, 정지 요소(16)의 탄성 변형이 나타난다. 이로 인해, 밸브(1)의 폐쇄시 정지 요소(16)에서 아마추어(6)의 리바운드가 감소한다.
도 3에 도시된 윤곽(56)에 대한 정지 요소(16)의 탄성 변형으로 인해, 부분(62)에서 경사 각도(44)가 감소하므로, 아마추어(6)와 정지 요소(16) 사이의 사이 공간(53)이 작아지고, 사이 공간(53)으로부터 내부 공간(11) 내로의 유체 교환이 압착 갭(61)으로서 작용하는 스로틀 갭(61)을 통해 내부로부터 외부로 스로틀된다. 이는 사이 공간(53)에서 상응하게 큰 압력 상승을 야기한다. 이는 아마추어(6)의 단부 면(23)에 작용하는, 방향(54)과 반대 방향의 보상되지 않은 유압력을 야기한다. 추가로, 정지 요소(16)의 탄성 변형으로 인해 밸브 니들(7) 상에서 안내되는 아마추어(6)에 방향(54)과 반대로 작용하는 탄성력 또는 스프링의 힘이 작용한다. 전체적으로, 이는 아마추어(6)의 특정 이동 범위에 걸쳐 방향(54)으로의 아마추어(6)의 댐핑된 감속을 야기한다.
이 경우, 밸브(1)는, 아마추어(6)가 밸브 니들(7)에 대해 정지하고 감속 과정의 다이내믹에 따라 아마추어(6)의 이동 반전이 이루어지면, 사이 공간(53)이 어떤 시점에서도 완전히 사라지지 않도록, 즉 사이 공간(53) 내에 액체 유체가 존재하도록 설계된다.
작동 과정 동안, 밸브(1)가 여전히 닫혀있는 상태에서 아마추어(6)의 이동 반전 후에, 정지 요소(16)가 윤곽(56)으로 표시된 정지 요소(16)의 이완된 위치로 스프링 백(spring back)되면, 사이 공간(53)의 체적의 증가가 야기된다. 이는 내부 공간(11)의 압력에 비한 사이 공간(53)의 저압을 야기한다. 따라서, 방향(52)과는 반대 방향으로 아마추어(6)에 대한 보상되지 않은 유압력이 생긴다. 정지 요소(16)가 이완된 그 초기 위치로 복귀되면, 방향(52)으로 아마추어(6)에 대한 힘이 야기되기 때문에, 사이 공간(53) 내의 저압은 아마추어(6)의 이동 반전 후에 아마추어(6)의 이동을 댐핑한다. 그 결과, 아마추어(6)의 리바운드가 댐핑된다. 정지 요소(16)의 이완에 따라, 사이 공간(53) 내로의 유체 교환은 심하게 스로틀링하는 스로틀 갭(61)을 통해서만 가능해진다.
따라서, 방향(52)으로의 아마추어(6)의 스프링 백은 사이 공간(53) 내의 저압에 의해 감속된다. 밸브(1)의 설계에 따라, 추가의 재스윙이 발생할 수 있다. 그러나 바람직한 댐핑이 달성되므로, 아마추어(6)의 개선된 안정화가 나타난다. 특히, 밸브(1)의 반복적인 개방은 아마추어(6)의 리바운드 및 아마추어 이동 거리(20)의 완전한 통과에 의해 피해지거나 완전히 방지될 수 있다. 또한, 아마추어(6)는, 새로운 작동시 아마추어 이동 거리(20)가 적어도 대부분 아마추어(6)에 대한 가속 거리로서 제공됨으로써 아마추어(6)의 충분히 큰 이동 충격에 의한 밸브(1)의 신뢰성 있는 개방이 달성될 정도로 단시간 내에 안정화될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 소정 다중 분사 가능성과 더불어, 하나의 분사 사이클의 개별 분사들 사이의 짧은 포우즈 시간이 가능해질 수 있다.
요약하면, 이 실시 예에서는, 정지 요소(16)에 접촉 영역(60)이 형성되고, 상기 접촉 영역(60)에서 아마추어(6)의 단부 면(23)이 초기 상태의 정지 요소(16)의 정지 면(18)에 접촉하고, 이 경우 정지 요소(16)는 기계적으로 응력이 없는 상태이다. 상기 접촉 영역(60)은 이 경우에 사이 공간(53)과 통로(30)의 개구(45) 사이에 형성된다. 이로 인해, 아마추어(6)가 개방 방향(14)으로 가속되는, 밸브(1)의 작동 초기에, 정지 면(18)으로부터 아마추어(6)의 분리 후에야, 유체 교환이 나타난다. 특히, 밸브(1)의 폐쇄시, 접촉 영역(60)에서 심한 스로틀 작용이 나타나고, 이 경우 액체 유체가 압축 또는 반동 동안 접촉 영역(60)에 있는 좁은 스로틀 갭(61) 또는 압착 갭(61)을 통해 흘러야 한다. 이 경우 생긴 압력 차이는, 압축 및 반동 동안 사이 공간(53) 내의 압력과 그로 인해 얻어지는 보상되지 않은 유압력을 아마추어(6)의 단부 면(23)에 제공하는 것과 상호 작용해서, 아마추어(6)의 감속 또는 댐핑을 제공한다.
도 4는 다른 실시 예에 따른 밸브(1)의 도 3에 도시된 상세도를 도시한다. 이 실시 예에서, 사이 공간(53)을 한정하는 편평한 환형 면(71)이 정지 요소(16)에 형성된다. 또한, 환형 면(71)과 정지 면(18) 사이에 배치되는 단차부(72)가 제공된다. 단차부(72)는 높이(73)를 갖는다. 정지 요소(16)의 이완된 초기 상태에서 주어지는 사이 공간(53)의 체적은 상기 높이(73)에 의해 조정 가능하다.
아마추어(6)와 밸브 니들(7) 사이에는 가이드 갭(74)이 제공된다. 하나의 가능한 실시 예에서, 높이(73)는 예를 들어 가이드 갭(74)에 의해 설정되는 가이드 클리어런스(74')의 2 배의 크기로 설정될 수 있다. 예를 들어, 단차부(72)의 높이(73)는 20 ㎛일 수 있다.
환형 면(71)과 정지 면(18)은 바람직하게는 밸브 니들(7)의 길이 방향 축(15)에 대해 수직으로 배향된다.
반경 방향 최소 길이(75)의 설정을 통해, 밸브(1)의 제어시 유압적 또는 동적 거동의 조정이 가능하다. 아마추어(6)의 작동 개시시, 아마추어(6)가 정지 면(18)으로부터 분리되면, 유체는 정지 면(18)의 접촉 영역(60)과 아마추어(6)의 단부 면(23) 사이로 유동해야 한다. 이 경우, 아마추어(6)가 대략 방향(52)으로 정지 면(18)으로부터 분리될 때까지, 유압 접착 효과가 작용한다. 반경 방향 최소 길이(75)가 더 짧게 설정될수록, 유압 접착 효과는 더 작아진다. 추가 효과는 아마추어(6)가 정지 요소(16)에 충돌할 때 나타나며, 충돌시 먼저 스로틀 갭(61), 특히 압착 갭(61)이 형성된다. 이 경우, 사이 공간(53) 내의 압력이 상승한다. 반경 방향 최소 길이(75)가 더 길게 설정될수록, 사이 공간(53) 내에 최대 압력이 형성되는 경향이 커진다. 따라서, 사이 공간(53)에서 달성 가능한 최대 압력은 반경 방향 최소 길이(75)를 통해 조절될 수 있다. 이 경우 주의해야 할 점은, 정지 부재(16)의 탄성 변형 시에 사이 공간(53)의 일정 체적이 유지되는 것인데, 왜냐하면 그렇지 않으면 사이 공간(53) 내의 압력이 너무 빨리 강하되기 때문이다. 스로틀 갭(61) 또는 압착 갭(61)의 폐쇄시, 유체 체적의 일부가 사이 공간(53)으로부터 스로틀 갭(61)을 통해 가압된다. 이 경우, 체적의 일부는 가이드 갭(74)을 통해서도 가압될 수 있다. 그러나 가이드 갭(74) 내의 압력 상승은 밸브 축(15)에 대해 수직으로 작용하고, 일반적으로 원주에 걸쳐 보상된다.
따라서, 아마추어(6)가 정지 요소(16)에 충돌하면, 스로틀 갭(61)을 통해 처음부터, 즉 정지 요소(16)의 탄성 변형이 일어나기 전에도 높은 스로틀링 효과가 달성되므로, 사이 공간(53)에서 동일하게 압력 상승이 나타난다. 사이 공간(53) 내의 압력은 정지 요소(16)의 오버 스트레칭 증가에 따라 더 증가할 수 있다. 스로틀 갭(61)을 통해 달성되는 스로틀링 효과는 달성 가능한 최대 압력을 제한하고, 실제 한계 내로 반경 방향 최소 길이(75)의 설정에 의해, 방향(54)으로 아마추어의 이동 동안 아마추어(6)에 작용하는 유압 제동력을 일정하게 조정할 수 있게 한다.
따라서, 전반적으로 개방시 유압 접착 감소 및 폐쇄시 유압 댐핑과 관련한 조정이 가능하다.
도면들은 개략적인 도면들로서 이해되어야 하며, 도면들에서 크기 비율, 특히 경사 각도(44) 및 단차부(72)의 높이(73)는 바람직한 실시 예와 관련하여 매우 과장되어 도시되어있다.
본 발명은 설명된 실시 예들로 제한되지 않는다.
3: 액추에이터
6: 아마추어
7: 밸브 니들
8: 밸브 폐쇄 몸체
15: 길이 방향 축
16, 17: 정지 요소
18, 19: 정지 면
30-35: 통로
41: 투영면
42: 가장자리
45: 개구
53: 사이 공간
60: 접촉 영역

Claims (10)

  1. 특히 내연 기관용 연료 분사 밸브로서 사용되는, 유체 계량용 밸브(1)로서, 전자기 액추에이터(3), 및 상기 전자기 액추에이터(3)에 의해 작동 가능한 밸브 니들(7)을 포함하고, 상기 밸브 니들(7)은 밸브 시트 면(9)과 상호 작용하여 밀봉 시트를 형성하는 밸브 폐쇄 몸체(8)를 작동시키는데 사용되며, 상기 전자기 액추에이터(3)의 아마추어(6)는 상기 밸브 니들(7)의 길이 방향 축(15)을 따라 이동 가능하게 상기 밸브 니들(7)에서 안내되고, 상기 밸브 니들(7)에 대한 상기 아마추어(6)의 이동은 상기 밸브 니들(7) 상에 배치된 정지 요소(16, 17)의 적어도 하나의 정지 면(18, 19)에 의해 제한되며, 상기 아마추어(6)는 적어도 하나의 통로(30-35)를 포함하는, 상기 밸브에 있어서,
    상기 정지 요소(16, 17) 및/또는 상기 아마추어(6)는 작동 중에, 상기 정지 요소(16, 17)와 상기 정지 요소(16, 17)를 향한 상기 아마추어(6)의 단부 면(23, 24) 사이에, 상기 밸브 니들(7)에 인접한 사이 공간(53)이 항상 유지되도록 설계되고, 상기 아마추어(6)와 상기 정지 면(18, 19)이 작동 중에 접촉하면, 상기 정지 면(18, 19)은 적어도 접촉 영역(60)에서, 상기 정지 요소(16, 17)를 향한 상기 아마추어(6)의 상기 단부 면(23, 24)에 접촉하고, 상기 아마추어(6)와 상기 정지 면(18, 19)이 작동 중에 접촉하면, 상기 접촉 영역(60)이 상기 사이 공간(53)과 상기 통로(30-35)의 개구(45) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이 방향 축(15)에 의해 수직으로 관통되며 상기 아마추어(6) 및 상기 정지 면(18, 19)이 작동 중에 적어도 부분적으로 접촉하는, 투영면(41) 내로 상기 정지 면(18, 19)의 가장자리(42)의 투영(42')은 상기 투영면 내로 상기 정지 면(18, 19)을 향한 상기 통로(30-35)의 개구(45)의 투영을 통해 연장하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 투영면(41) 내로 상기 정지 면(18, 19)의 상기 가장자리(42)의 투영(42')은 상기 투영면(41) 내로 상기 통로(30-35)의, 상기 정지 면(41)을 향한 상기 개구(45)의 투영(45')을 통해 연장하므로, 상기 투영면(41) 내로 상기 통로(30-35)의, 상기 정지 면(41)을 향한 상기 개구(45)의 상기 투영(45')이 상기 투영면(41) 내로 상기 정지 면(18, 19)의 상기 가장자리(42)의 상기 투영(42')의 한편에 놓인 내부 부분 면(50)과 상기 투영면(41) 내로 상기 정지 면(18, 19)의 상기 가장자리(42)의 상기 투영(42')의 다른 한편에 놓인 외부 부분 면(51)으로 세분되고, 상기 아마추어(6)와 상기 정지 면(18, 19)은, 작동 중에 때때로 상기 사이 공간(53)과 내부 공간(11) 사이의 유체 교환이 상기 사이 공간으로부터 스로틀 갭(61), 상기 통로(30-35)의 개구(45)의 영역 그리고 상기 외부 부분 면(51)을 통해 상기 내부 공간 내로 또는 역으로 가능해지도록 설계되며, 상기 스로틀 갭(61)은 상기 정지 면(18, 19)의 상기 접촉 영역(60)과 상기 정지 면(18, 19)을 향한 상기 아마추어(6)의 상기 단부 면(23, 24) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정지 면(18, 19)이 형성된 상기 정지 요소(16, 17)는 상기 밸브 니들(7)에 연결되거나 또는 상기 밸브 니들(7)에 형성되고, 상기 정지 요소(16, 17)는 상기 사이 공간(53) 내에 제공된 유체가 작동 중에, 상기 정지 면(18, 19)에 상기 아마추어(6)의 부딪힘에 의해 가능해진 상기 정지 요소(16, 17)의 동적 변형으로 인해, 적어도 부분적으로 상기 사이 공간(53)으로부터 상기 스로틀 갭(61)을 통해 가압되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정지 면(18, 19)의 상기 가장자리(42)는 상기 정지 면(18, 19)의 외부 가장자리(42)인 것을 특징으로 하는 밸브.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정지 면(18, 19)은 하나 또는 다수의 부분(62)으로, 상기 길이 방향 축(15)을 따라 테이퍼되는 몸체의 재킷 면(62)으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 길이 방향 축(15)을 따라 테이퍼되는 상기 몸체는 원뿔 또는 원뿔대를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정지 요소(16, 17)에 상기 사이 공간(53)을 한정하는 면(71)이 형성되고, 상기 면(71)은 상기 길이 방향 축(15)에 대해 수직으로 배향되며 상기 사이 공간(53)을 한정하고, 상기 면(71)과 상기 정지 면(18, 19) 사이에 단차부(72)가 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이 공간(53)은 상기 밸브 니들(7)의 상기 길이 방향 축(15)에 대해 적어도 대략 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 밸브.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아마추어(6) 및 상기 정지 면(18, 19)이 작동 중에 상기 투영 면(39)에서 접촉하면, 상기 정지 요소(16, 17)를 향한 상기 아마추어(6)의 상기 단부 면(23, 24)은 상기 투영면(41) 내에 놓이고 및/또는 상기 정지 면(18, 19) 및 상기 통로(30-35)는 상기 내부 부분 면(50)이 상기 외부 부분 면(51)보다 더 크지 않게 설계되는 것을 특징으로 하는 밸브.
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