KR20230021603A - 기체 연료용 가스 계량공급 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 유입 개구(8) 및 배출 개구(9)를 갖는 가스 챔버(6)가 내부에 형성된 하우징(1)을 구비한, 기체 연료의 계량된 송출을 위한 가스 계량공급 밸브에 관한 것으로, 상기 가스 챔버(6)는 유입 개구(8)를 통해 기체 연료로 채워질 수 있고, 기체 연료는 배출 개구(9)를 통해 계량되어 송출될 수 있다. 가스 챔버(6) 내에서 밸브 요소(11)는 밸브 시트(10)와 행정 정지부(20) 사이에서 전기 액추에이터(18)에 의해 움직일 수 있고, 밸브 요소(11)에는 이 밸브 요소(11)가 개방 위치에서 행정 정지부(20)에 접하는 데 쓰이는 정지면(13)이 형성된다. 행정 정지부(20)와 밸브 요소(11) 사이에는, 밸브 요소(11)의 개방 위치에서 정지면(13)과 행정 정지부(20) 사이에 클램핑되는 잔존 공극 디스크(residual air gap disk)(40)가 배치된다.

Description

기체 연료용 가스 계량공급 밸브{GAS METERING VALVE FOR GASEOUS FUEL}
본 발명은, 예를 들어 내연 기관의 연소 챔버 또는 내연 기관의 흡기관으로 직접 기체 연료를 계량공급하는 데 사용되는, 기체 연료의 계량된 송출을 위한 가스 계량공급 밸브에 관한 것이다.
기체 연료의 계량된 송출을 위한 가스 계량공급 밸브는 선행 기술로부터 공지되어 있다. DE 10 2020 201 168 A1호는 리턴 스프링의 힘에 대항하여 전자석에 의해 움직일 수 있는 가동 밸브 요소를 구비한 하우징을 가진 가스 계량공급 밸브를 보여준다. 밸브 요소와 가스 계량공급 밸브의 배출 개구 사이에 추가 밸브 요소가 배치되며, 이 추가 밸브 요소는 압력 제어 방식으로 열리고, 연소실로부터 가스 계량공급 밸브로 열이 역류하는 것을 방지한다. 전자석은, 밸브 요소가 유입 개구를 닫기 위해 상호작용하는 리턴 스프링의 힘에 대항하여 밸브 요소를 밸브 시트로부터 멀어지도록 움직임으로써, 가스 계량공급을 제어하는 역할을 한다. 이때, 밸브 요소는 밸브 요소의 움직임을 제한하는 정지면에 부딪친다. 기체 연료는 부피당 에너지 함량이 상대적으로 낮기 때문에, 충분한 출력을 위해 다량의 기체 연료가 계량공급되어야 하며, 이는 계량공급 밸브 내에서 그에 상응하는 큰 유동 단면적을 필요로 한다. 이는 다시, 그에 상응하는 단면적을 릴리스하기 위해서는 밸브 요소가 비교적 큰 행정을 이동해야 함을 의미한다.
밸브 요소의 행정 제한에 이용되는 정지면은 하우징 내에 견부(shoulder)로서 형성된다. 밸브 요소의 신속한 복귀 운동과 이에 따른 정밀한 스위칭 과정을 위해서는, 밸브 요소가 정지면에 자기력에 의해 또는 접착에 의해 고착(sticking)되지 않음으로써 리턴 스프링의 힘이 밸브 요소를 즉각 다시 그의 폐쇄 위치로 가압할 수 있게 하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 가스 계량공급 밸브는, 정지면에 대한 밸브 요소의 자성 또는 접착성 고착(sticking)이 전반적으로 방지되고, 그에 따라 리턴 스프링에 의한 밸브 요소의 신속한 폐쇄가 보장된다는 장점이 있다. 이를 위해, 가스 계량공급 밸브는 유입 개구 및 배출 개구를 갖는 가스 챔버가 내부에 형성된 하우징을 갖는다. 가스 챔버는 유입 개구를 통해 기체 연료로 채워질 수 있고, 기체 연료는 배출 개구를 통해 계량되어 송출될 수 있다. 가스 챔버 내에는, 밸브 시트와 행정 정지부 사이에서 전기 액추에이터에 의해 움직일 수 있는 밸브 요소가 배치되며, 밸브 요소에는 이 밸브 요소가 개방 위치에서 행정 정지부에 접하는 데 쓰이는 정지면이 형성된다. 행정 정지부와 밸브 요소 사이에는, 밸브 요소의 개방 위치에서 정지면과 행정 정지부 사이에 클램핑되는 잔존 공극 디스크(residual air gap disk)가 배치된다.
잔존 공극 디스크에 의해 밸브 요소가 행정 정지부에 직접 접하는 것이 방지된다. 잔존 공극 디스크의 적절한 성형과 적절한 재료에 의해, 밸브 요소와 행정 정지면 사이의 자성 또는 접착성 고착이 방지된다. 또한, 잔존 공극 디스크는 밸브 요소가 행정 정지부에 충돌하는 소음을 줄여 가스 계량공급 밸브의 더 조용한 작동을 가능하게 한다.
바람직한 제1 실시예에서, 잔존 공극 디스크는 환형 디스크 형태로 형성된다. 바람직한 실시예의 상기 잔존 공극 디스크는 중심 개구를 가지며, 이 중심 개구를 통해 기체 연료가 가스 챔버 내에서 유입 개구로부터 배출 개구로 흐른다. 상기 형상으로 인해 잔존 공극 디스크는 크게 변형시키지 않고도 공지된 가스 계량공급 밸브에서 사용할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 잔존 공극 디스크는 그 외부 윤곽이 들쭉날쭉하게, 물결형으로 또는 계단형으로 형성된다. 이를 통해 잔존 공극 디스크가 용이하게 센터링될 수 있어서, 잔존 공극 디스크가 가스 계량공급 밸브 내부에 끼이는 현상이 방지된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 행정 정지부는 가스 챔버 내에 환형 견부로서 형성되고, 이 환형 견부는 평평하거나 약간 볼록한 면을 형성한다. 마찬가지로 밸브 요소의 정지면도 평평하거나 약간 볼록하게 형성될 수 있다. 행정 정지부와 정지면의 적절한 페어링(pairing) 및 성형을 통해 밸브 요소와 행정 정지면 사이의 고착을 추가로 줄일 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 잔존 공극 디스크는 금속 재료로 제조된다. 이 금속 재료는 또 다른 바람직한 실시예에서 자화될 수 있다. 이를 통해 밸브 요소와 행정 정지부 사이의 자성 고착이 더욱 줄어든다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 내부에 행정 정지부가 형성된 하우징의 부분 및/또는 밸브 요소는 잔존 공극 디스크의 금속 재료만큼 또는 그보다 더 경성인 재료로 제조되거나 코팅된다. 잔존 공극 디스크는 비교적 연질인 재료 또는 금속으로 제조되기 때문에 고착을 효과적으로 방지할 수 있고, 가스 계량공급 밸브의 개폐 시 그 소음 방출을 줄일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 잔존 공극 디스크는 자성 또는 비자성 경질 금속으로 제조된 경우 30 내지 100㎛의 두께를 갖는다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 잔존 공극 디스크는 엘라스토머, 바람직하게는 플루오르화 고무(FKM) 또는 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM)로 제조될 수 있다. 이를 위해 잔존 공극 디스크를 밸브 요소상에 가황 처리하거나 접착할 수 있다. 상대적으로 연질인 재료는 밸브 요소의 개방 행정 운동을 효과적으로 감쇠시키고, 이로써 소음 방출도 줄인다.
잔존 공극 디스크의 더 나은 배치를 위해, 밸브 요소상에 잔존 공극 디스크가 부분적으로 수용되는 리세스를 형성할 수 있다. 이를 통해 잔존 공극 디스크의 측방 움직임이 방지됨에 따라, 장기간 작동 시에도 안정적으로 고정되어 있다. 이를 위해, 비자성 재료, 바람직하게는 탄성 엘라스토머로 제조된 잔존 공극 디스크의 두께는 50 내지 250㎛이다.
도면에는 본 발명에 따른 가스 계량공급 밸브의 실시예가 도시되어 있다.
도 1은 가스 계량공급 밸브의 종단면도이다.
도 2는 밸브 요소 영역의 확대도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 잔존 공극 디스크의 상이한 실시예들의 평면도이다.
도 4는 잔존 공극 디스크가 배치된 밸브 요소의 또 다른 도면이다.
도 1에는 가스 계량공급 밸브의 종단면도가 도시되어 있다. 가스 계량공급 밸브는 자석체(2), 극관(pole tube)(3) 및 연결체(4)를 포함하는 하우징(1)을 갖는다. 극관(3)에는, 클램핑 너트(7)에 의해 자석체(2) 및 극관(3)에 대해 클램핑되는 노즐 본체(5)가 이어진다. 하우징(1) 내에는, 연결체(4)에 형성된 유입 개구(8)를 통해 기체 연료로 채워질 수 있는 가스 챔버(6)가 형성되어 있다. 기체 연료는 노즐 본체(5)에 형성된 배출 개구(9)를 통해 계량되어 송출될 수 있다. 가스 흐름을 제어하기 위해, 극관(3) 내에서 가스 챔버(6) 내부에 밸브 요소(11)가 종방향으로 변위될 수 있게 배치된다. 밸브 요소(11)는 피스톤 형태로 형성되고 가스 챔버(6) 내부에서 측방향으로 안내된다. 유입 개구(8)를 향하는 밸브 요소(11)의 측에 밸브 밀봉면(12)이 배치되며, 밸브 요소(11)는 상기 밸브 밀봉면으로써 유입 개구(8)의 개폐를 위해 밸브 시트(10)와 상호작용하고, 이때 밸브 시트(10)는 유입 개구(8)를 환형으로 둘러싼다. 기체 연료의 전달을 위해, 밸브 요소(11)는 밸브 요소(11)의 중앙 보어(15) 내로 연통되는 복수의 경사 보어(oblique bore)(14)를 가지며, 그에 따라 기체 연료는 경사 보어(14)를 통해 중앙 보어(15)로 흐르고 거기서 계속해서 배출 개구(9)의 방향으로 흐른다. 밸브 요소(11)에는 또한, 보어(15)의 저부에서 시작하여 밸브 피스톤(22)이 수용되는 수용 보어(16)가 형성되며, 이 수용 보어는 수용 개구(9)의 방향으로 노즐 본체(5) 내부까지 돌출한다. 밸브 피스톤(22)은 노즐 본체(5) 내부의 센터링 슬리브(23) 내에서 안내되며, 기체 연료의 전달을 위해 상기 센터링 슬리브(23) 내에 복수의 개구(24)가 형성된다.
센터링 슬리브(23)와 밸브 요소(11) 사이에서 리턴 스프링(25)이 밸브 피스톤(22)을 둘러싸며, 상기 리턴 스프링은 밸브 피스톤(22)을 둘러싸면서 이와 고정 연결된 조정 링(26)과 센터링 슬리브(23) 사이에 압축 예압 하에 배치된다. 리턴 스프링(25)의 압축 예압에 의해 밸브 피스톤(22)을 통해 밸브 요소(11)에 폐쇄력이 야기되며, 이 폐쇄력은 밸브 요소(11)에 밸브 시트(10)의 방향으로 가해진다.
밸브 피스톤(22)에 대해 동심으로 노즐 본체(5) 내부에 노즐 니들(29)이 배치된다. 노즐 니들(29)도 마찬가지로 종방향으로 움직일 수 있고 그의 배출구측 단부에 밸브 디스크(30)를 가지며, 이 밸브 디스크로써 노즐 니들(29)은 본체 시트(32)와 상호작용하고, 밸브 디스크(30)상에 노즐 시트(31)가 형성된다. 노즐 니들(29)이 하우징(1) 밖으로 이동하면, 노즐 시트(31)와 본체 시트(32) 사이에 유동 단면이 열리고, 이 유동 단면을 통해 기체 연료가 배출 개구(9)를 통해 흐를 수 있다. 이 경우, 노즐 니들(29)은 밸브 피스톤(22)에 의해, 이 노즐 니들(29)을 둘러싸고 가이드 슬리브(33)와 노즐 본체(5) 내 견부 사이에 압축 예압 하에 배치된 리턴 스프링(34)의 힘에 대항하여 움직인다. 가이드 슬리브(33)는 하우징(1) 내에 고정되어 배치되고, 기체 연료가 통과하여 흐를 수 있는 개구(35)를 갖는다.
밸브 요소(11)를 리턴 스프링(25)에 대항하여 이동시키기 위해, 밸브 요소(11)를 둘러싸는 자석체(2) 내부에 전자석(18)이 배치된다. 따라서 밸브 요소(11)는 플런저로 형성되고, 밸브 요소(11)가 정지면(13)으로써 극관(3) 내부의 견부 형태의 행정 정지부(20)에 접촉할 때까지, 전자석(18)의 자기장에 의해 리턴 스프링의 힘에 대항하여 이동된다. 밸브 요소(11)와 행정 정지부(20) 사이에는, 환형 디스크 형태로 형성되어 밸브 요소(11)상에 접착되거나 가황 처리될 수 있는 잔존 공극 디스크(40)가 배치된다.
가스 계량공급 밸브의 기능은 다음과 같다: 전자석(18)에 전력이 공급되면 밸브 요소(11)가 잔존 공극 디스크(40)의 개재 하에 행정 정지부(20)에 접촉할 때까지 밸브 요소(11)가 밸브 시트(10)로부터 멀어진다. 밸브 요소(11)는 밸브 피스톤(22)을 통해 밸브 요소(29)를 이동시키고, 그에 따라 밸브 요소도 리턴 스프링(34)에 대항하여 이동해서 노즐 시트(31)와 본체 시트(32) 사이의 유동 단면을 개방한다. 이로써 하우징(1) 내의 유동 경로가 개방되어 기체 연료가 유입 개구(8)로부터 가스 챔버(6)를 통해 배출 개구(9)로 흐르고, 배출 개구(9)를 통해 예를 들어 내연기관의 연소실 내로 배출된다. 전자석(18)의 전력 공급이 끝나면, 리턴 스프링(34)이 밸브 요소(29)를 가압하고, 리턴 스프링(25)은 밸브 요소(11)를 다시 그의 각각의 폐쇄 위치로 가압하며, 그 결과 배출 개구(9)와 유입 개구(8)가 다시 닫힌다.
도 2에는, 밸브 요소(11)의 개방 위치에서 밸브 요소(11)와 행정 정지부(20) 사이에 클램핑되어 밸브 요소(11)와 행정 정지부(20)의 직접적인 접촉을 방지하는 잔존 공극 디스크(40)의 위치를 명확히 하기 위해, 밸브 요소(11)의 종단면이 재차 확대 도시되어 있다.
도 3a, 3b 및 3c는 잔존 공극 디스크(40)의 상이한 실시예들이 도시되어 있다. 잔존 공극 디스크(40)의 모든 실시예는 원형으로 형성된 중심 개구(42)를 가지며, 이 중심 개구를 통과하여 기체 연료가 가스 챔버 내부를 흐른다. 도 3a의 실시예에서 외부 윤곽이 물결 형태로 형성됨에 따라, 극관(3) 내에 잔존 공극 디스크(40)가 끼이는 일 없이 하우징(1) 내에서의 잔존 공극 디스크(40)의 안정적인 안내가 보장된다. 도 3b에는 잔존 공극 디스크(40)의 외면이 들쭉날쭉하게 되어 있고, 바깥쪽으로 돌출하며 각각 쌍을 이루어 대향하여 놓인 4개의 설부(tongue)를 갖는 실시예가 도시되어 있다. 도 3c에는 잔존 공극 디스크(40)의 외부 윤곽에 8개의 설부가 있는 유사한 실시예가 도시되어 있다.
도 4에는 밸브 요소(11)의 추가 도면으로서 밸브 요소(11)의 정지면(13)의 변형된 구성이 도시되어 있다. 밸브 요소(11)의 정지면(13)에 리세스(44)가 형성되고, 이 리세스는 잔존 공극 디스크(40)의 두께 일부를 수용하기 위해 깊이(t)를 갖는 주연 방향 환형 홈으로 형성된다. 그로 인해, 잔존 공극 디스크(40)가 밸브 요소(11)에 고정되고 잔류 공극 디스크(40)의 이탈 또는 변위가 방지된다.
잔존 공극 디스크(40)는 자화 가능한 금속 재료 또는 비자성 금속 재료로 제조될 수 있다. 특히 비자성 금속의 사용은 밸브 요소(11)와 하우징 또는 행정 정지부(20) 사이의 자성 고착을 방지한다. 이 경우, 밸브 요소(11)의 행정을 필요한 만큼만 제한하기 위한 잔존 공극 디스크(40)의 두께는 30 내지 150㎛이다. 또 다른 한 바람직한 실시예에서, 잔존 공극 디스크는 엘라스토머, 예컨대 플루오르화 고무(FKM) 또는 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM)로 제조될 수 있다. 이와 다른 엘라스토머도 사용할 수 있다. 이 경우, 잔존 공극 디스크의 두께는 바람직하게 50 내지 250㎛이다. 이처럼 비교적 연질인 엘라스토머의 사용은 행정 정지부(20)에서 밸브 요소(11)의 충격 감쇠가 달성되는 장점이 있다. 이 경우, 잔존 공극 디스크(40)는 밸브 요소(11)상에 가황 처리되거나 접착될 수 있다. 잔존 공극 디스크(40)가 금속 재료로 구성된 경우에도, 상기 잔존 공극 디스크가 주변 재료보다, 즉, 밸브 요소(11) 또는 행정 정지부(20) 또는 행정 정지부(20) 영역에 있는 하우징(1)의 금속보다 더 연질이거나 적어도 더 경질이 아닌 것이 바람직하다.

Claims (14)

  1. 기체 연료의 계량된 송출을 위한 가스 계량공급 밸브이며,
    유입 개구(8) 및 배출 개구(9)를 갖는 가스 챔버(6)가 내부에 형성된 하우징(1)과; -가스 챔버(6)는 유입 개구(8)를 통해 기체 연료로 채워질 수 있고, 기체 연료는 배출 개구(9)를 통해 계량되어 송출될 수 있음-;
    가스 챔버(6) 내에서 전기 액추에이터(18)에 의해 밸브 시트(10)와 행정 정지부(20) 사이에서 움직일 수 있는 밸브 요소(11);-밸브 요소(11)에는 이 밸브 요소(11)가 개방 위치에서 행정 정지부(20)에 접하는 데 쓰이는 정지면(13)이 형성됨-;를 구비한, 가스 계량공급 밸브에 있어서,
    행정 정지부(20)와 밸브 요소(11) 사이에, 밸브 요소(11)의 개방 위치에서 정지면(13)과 행정 정지부(20) 사이에 클램핑되는 잔존 공극 디스크(40)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 환형 디스크 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  3. 제2항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 중심 개구(41)를 가지며, 이 중심 개구를 통해 기체 연료가 가스 챔버(6) 내에서 유입 개구(8)로부터 배출 개구(9)로 흐르는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 들쭉날쭉하거나, 물결형이거나, 계단형인 외부 윤곽(42)을 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 행정 정지부(20)는 가스 챔버(6) 내에 환형 견부로서 형성되고, 이 환형 견부는 평평하거나 약간 볼록한 면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브 요소(11)에 형성되고 행정 정지부(20) 쪽을 향하는 정지면(13)은 평평하거나 약간 볼록한 면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 금속 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  8. 제7항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 비자성인 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 내부에 행정 정지부(20)가 형성된 하우징(1)의 부분 및/또는 밸브 요소(11)는 잔존 공극 디스크(40)의 금속 재료만큼 또는 그보다 더 경성인 재료로 제조되거나 코팅되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 30 내지 100㎛의 두께(d)를 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 엘라스토머, 바람직하게는 FKM(플루오르화 고무) 또는 EPDM(에틸렌-프로필렌-디엔 고무)으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  12. 제11항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 밸브 요소(11)상에 가황 처리되거나 접착되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 밸브 요소(11)상에서 정지면(13) 내에 잔존 공극 디스크(40)가 부분적으로 수용되는 리세스(44)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 잔존 공극 디스크(40)는 50 내지 250㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 계량공급 밸브.
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