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KR20020029383A - 내연기관용 연료 분사 장치 - Google Patents

내연기관용 연료 분사 장치 Download PDF

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KR20020029383A
KR20020029383A KR1020027002130A KR20027002130A KR20020029383A KR 20020029383 A KR20020029383 A KR 20020029383A KR 1020027002130 A KR1020027002130 A KR 1020027002130A KR 20027002130 A KR20027002130 A KR 20027002130A KR 20020029383 A KR20020029383 A KR 20020029383A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
valve
sheet
discharge
fuel
chamber
Prior art date
Application number
KR1020027002130A
Other languages
English (en)
Inventor
파트릭 마테스
디트말 슈미더
볼프강 슈퇵클라인
Original Assignee
클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 클라우스 포스, 게오르그 뮐러, 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 클라우스 포스, 게오르그 뮐러
Publication of KR20020029383A publication Critical patent/KR20020029383A/ko

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Abstract

본 발명은 연료 분사 밸브(9)가 분사 밸브 부재(14)에 의해 작동되는 푸시 로드(21)를 포함하는, 내연기관용 연료 분사 장치에 관한 것이다. 상기 푸시 로드(21)는 고압 연료가 계속 공급되며 제어 밸브(43) 및 배출 채널(29)을 통해 배출 챔버(32)내로 디스차지될 수 있는 제어 챔버(25)를 제한한다. 제어 밸브(43)는 피에조 시스템(45)에 의해 작동되는 밸브 부재(42, 421, 422)를 포함한다. 상기 밸브 부재(42, 421, 422)는 시이트 에지(40)와 함께 평면 시이트를 가진 제 1 밀봉 시이트(41, 411, 522)를 형성한다.

Description

내연기관용 연료 분사 장치{Fuel injection device for fuel internal combustion engines}
공지된 장치는 피에조 시스템에 의해 작동 가능한 밸브 부재를 포함하며, 상기 밸브 부재는 연료 분사 밸브 내에서 제어 챔버를 배출 채널에 대해 밀봉시키거나 개방한다. 상기 밀봉은 실시예에 따라 밸브 부재에 형성된 원추형 시이트 또는 구형 시이트를 통해 이루어진다. 상기 구조로 인해, 밸브 부재가 밸브 하우징에 있는 그 시이트로부터 상승될 때, 밸브 부재의 유압적 유효 시이트 직경이 그것의 기하학적 시이트 직경 보다 커지는 효과가 나타난다. 이로 인해, 밸브 부재가 그 시이트로부터 상승되기 위해서는 피에조 시스템에 의해 증가된 개방력이 제공되어야 하는 결과가 초래된다. 상기 증가된 개방력은 피에조 시스템의 행정을 감소시키거나 또는 앞에 접속된 유압 힘-거리 증강기의 사용 범위를 제한한다. 원추형 또는 구형 시이트의 작용 시, 기하학적 시이트 직경에 비해 커진 밸브 부재의 유압적 유효 시이트 직경의 효과는, 밸브 부재가 그 시이트로부터 상승 시 밸브 부재와 밸브 시이트 사이에 일정한 길이를 가진 유동 채널이 형성되고 상기 채널을 통해연료가 제어 챔버로부터 배출 채널로 흐를 때 생기는 유동 및 드로틀 효과로부터 설명될 수 있다. 그러나, 밸브 부재가 일정한 최소 행정을 하면, 상기 효과는 더 이상 나타나지 않는다.
또 다른 문제점은 밸브 부재가 디스차지 챔버를 배출 챔버와 연결된 디스차지 관에 대해 그리고 제어 챔버에 대해 밀봉하는 경우 연료 분사 밸브의 구조적 설계에 관한 것이다. 이러한 경우, 밸브 부재는 위치에 따라 밸브 하우징과 함께 상부 및 하부 밀봉 시이트를 형성하고, 상기 밀봉 시이트는 선행 기술에서 각각 구형 시이트 또는 원추형 시이트로 형성된다. 밸브 하우징이 제조 기술상 이유로 2개의 밀봉 시이트 영역에서 수평으로 분할되고 상기 밸브 부재가 밸브 스템 상에 조립된 폐쇄 부재를 포함하기 때문에, 하나의 밀봉 시이트로부터 다른 밀봉 시이트로 교체 시 일직선으로 놓이지 않은 밀봉 시이트로 인한 횡력이 밸브 부재에 발생하지 않도록 하기 위해, 매우 복합하고 정확한 제조가 필요하다. 이것은 마모의 증가와 더불어 소음 발생을 증가시킨다.
본 발명은 독일 특허 공개 제 196 24 001 호에 공지된 바와 같은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 내연기관용 연료 분사 장치에 관한 것이다.
도 1은 고압 어큐뮬레이터, 및 제어 밸브에 의해 제어되는 연료 분사 밸브를포함하는 본 발명에 따른 연료 분사 장치의 개략도.
도 2는 도 1의 섹션 A에 따른 연료 분사 밸브의 확대도.
도 3 및 4는 도 2에 대해 변형된 연료 분사 밸브의 종단면도.
청구항 제 1항의 특징을 가진 본 발명에 따른 내연기관용 연료 분사 장치는 사용된 평면 시이트에 의해 밸브 부재가 그 시이트로부터 상승될 때, 그 유압적 유효 시이트 직경이 실제로 밸브 부재의 기하학적 시이트 직경 보다 약간 더 크다는 장점을 갖는다. 따라서, 유압적 유효 시이트 직경이 더 일찍 밸브 부재의 기하학적 시이트 직경에 상응하고, 밸브 부재에 의해 폐쇄된 개구와 밸브 시이트에 있는 밸브 부재의 직경 사이의 직경 차가 더 적어지는데, 그 이유는 밸브 부재의 상승시에 밸브 시이트에서 압력 매체의 매우 짧은 유동 거리가 형성되고, 그로 인해 상이한 유효 시이트 직경을 야기하는 유동 또는 드로틀 효과가 감소되기 때문이다. 또한, 평면 시이트는 제조 기술상으로 매우 간단히 구현될 수 있는데, 그 이유는 밸브 시이트와 관련한 밸브 부재의 가이드에 대한 공차 요구가 비교적 작기 때문이다.
분할된 밸브 하우징 및 밸브 부재 상에 작용하는 횡력을 가진 전술한 제조 문제점은 밸브 시이트를 평면 시이트로 형성할 때 피해지는데, 그 이유는 폐쇄 부재가 밸브 시이트에 의해서만 정렬되면 되기 때문이다.
본 발명에 따른 내연기관용 연료 분사 장치의 또 다른 바람직한 실시예는 청구범위 종속항에 제시된다.
한 바람직한 실시예에서, 밸브 부재는 밸브 시이트에 있는 확대된 시이트 에지와 상호 작용한다. 상기 시이트 에지는 제조 기술상으로 경사면에 의해 비교적 간단히 구현될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 밸브 부재의 유압적 유효 시이트 직경은 기하학적 시이트 직경과 거의 동일하고, 특히 평면 시이트의 높이에서 밸브 부재의 크기 또는 직경과 무관하다.
또한, 평면 시이트가 제어 챔버를 향한 폐쇄 부재의 측면 상에 형성되는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 상부 시이트가 더 오래 그리고 더 많이 부하를 받고 원추형 시이트가 평면 시이트 보다 긴밀하고 내마모성을 갖기 때문이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
높은 분사 압력 및 적은 비용으로 연료 분사의 큰 변동을 가능하게 하는, 특히 매우 정확히 제어 가능한 분사 시점 및 분사량을 가진 연료 분사를 가능하게 하는 연료 분사 장치는 소위 커먼-레일 시스템에 의해 구현된다. 이것은 통상의 고압 연료 분사 펌프에 의해 주어지는 것과는 다른 방식의 고압 연료 소오스를 제공한다. 그러나, 본 발명은 소위 커먼-레일 시스템에 뿐만 아니라, 연료 분사 펌프에도 사용될 수 있다. 물론, 커먼-레일 시스템에 더 바람직하다.
도 1에는 커먼-레일 시스템에 대해 고압 연료 소오스로서 고압 연료 어큐뮬레이터(1)가 제공된다. 고압 연료 공급 펌프(2)에 의해 연료가 연료 저장 탱크(4)부터 상기 어큐뮬레이터(1)에 공급된다. 고압 연료 어큐뮬레이터(1)내의 압력은 압력 제어 밸브(5) 및 압력 센서(6)에 의해 전기 제어 장치(8)를 통해 제어된다. 상기 제어 장치(8)는 연료 분사 밸브(9)도 제어한다.
연료 분사 밸브(9)는 밸브 하우징(11)을 갖는다. 밸브 하우징(11)은 내연 기관에 조립하기 위한 설계된 그 일단에 분사구(12)를 갖는다. 연료 분사 밸브(9)의 내부로부터 배출은 분사 밸브 부재(14)에 의해 제어된다. 상기 분사 밸브 부재(14)는 실시예에서 긴 밸브 니들로 구현되고, 상기 밸브 니들은 그 일단에 밀봉면(15)을 가지며, 상기 밀봉면(15)은 내부에 놓인 밸브 시이트와 상호작용한다. 밸브 니들은 밸브 하우징(1)의 내부에서 압력 관(17)을 통해 고압 연료 어큐뮬레이터(1)에 연결된 압력 챔버(16) 내에 배치된다. 압력 챔버(16)의, 직경이 더 큰 부분에는 압축 스프링(16)이 배치되며, 상기 압축 스프링(16)은 밸브 디스크(20)와 밸브 하우징(11) 사이에 축방향으로 고정되고, 분사 밸브 부재(14)에 폐쇄 방향으로 힘을 가한다. 압축 스프링(19)에 대해 동축으로 푸시 로드(21)가 제공된다. 상기 푸시 로드(21)는 한편으로는 밸브 디스크(20)에 인접하고 다른 한편으로는 가이드 홀(22)내로 삽입되고 거기서 가동 벽을 형성하는 그 정면(23)이 가이드 홀(22)의 폐쇄된 단부와 함께 제어 챔버(25)를 형성한다. 상기 제어 챔버(25)내로 공급 채널(26)이 뻗으며, 상기 공급 채널(26)내에는 공급 드로틀(27)이 배치된다. 압력 챔버(16)로부터 나온 고압 연료가 공급 드로틀(27)을 통해 제어 챔버(25)내로 공급된다.
제어 챔버(25)로부터 푸시 로드(21)에 대해 동축으로 상기 푸시 로드 맞은편에 놓인 정면으로부터 배출 채널(29)이 뻗는다. 상기 배출 채널(29) 내에는 배출 드로틀(28)이 배치된다. 상기 배출 채널(29)은 밸브 하우징(11) 내부의 디스차지 챔버(30)내로 뻗는다. 디스차지 챔버(30)는 디스차지 관(31)을 통해 소비측 배출 챔버(32)로 뻗는다. 상기 배출 챔버(32)는 예컨대 연료 저장 탱크(4)일 수 있다.
도 2에 가장 잘 나타나는 바와 같이, 디스차지 챔버(30)는 상부 영역(33) 및, 제어 챔버(25)를 향한 하부 영역(34)을 포함한다. 하부 영역(34)에 비해 직경이 작은 상부 영역(33)으로부터 측면으로 공급 채널(26)에 마주 놓인 측면 상에서디스차지 관(31)이 분기된다. 하부 영역(34)내로 돌출부 또는 스트립(35)이 돌출하고, 상기 스트립(35)의 내벽(36)은 상부 영역(33)의 홀 벽(37)의 연장부로 형성된다. 스트립(35)은 상기 내벽(36) 반대편 측면 상에 경사면(39)을 가지므로, 스트립(35)은 도 2에 도시된 종단면도에서 삼각형으로 형성된다.
배출 채널(29)을 향한 스트립(35)의 정면은 시이트 에지(40)를 형성하고, 상기 에지가 밸브 부재(42)와 상호 작용하면, 제 1 밀봉 시이트(41)를 형성한다. 밸브 부재(42)는 제어 밸브(43)의 부품이고, 밸브 부재(42)는 피에조 시스템(45)에 의해 폐쇄 위치 또는 개방 위치로 될 수 있다.
밸브 부재(42)는 밸브 스템(46) 및, 상기 밸브 스템(46)의 일단에 연결되며 시이트 에지(40)와 상호작용하는 폐쇄 부재(47)를 갖는다. 밸브 스템(46)은 디스차지 챔버(30)의 상부 영역(33)에 방사방향 유격을 가지고 배치된다. 폐쇄 부재(47)는 반구형 또는 구 세그먼트형으로 형성되고, 시이트 에지(40)를 향한 평평한 시이트 면(48)을 갖는다. 밸브 스템(46)이 상기 시이트 면(48)에 연결된다. 따라서, 제 1 밀봉 시이트(41)는 평면 시이트로서 시이트 면(48) 및 시이트 에지(40)로 형성된다. 폐쇄 부재(47)의 시이트 면(48)은 직경이 시이트 에지(40)를 돌출한다.
시이트 면(48) 반대편에 놓인 폐쇄 부재(47)의 볼록한 면(49)은 표면(49)과적어도 부분적으로 포지티브하게 결합되는 시이트 면(51)과 함께, 배출 채널(29)이 디스차지 챔버(30)의 하부 영역(34)내로 뻗는 영역에서, 제 2 밀봉 시이트(52)로서 원추형 시이트를 형성한다.
전슐한 연료 분사 장치는 하기와 같이 작동한다: 바람직하게는 내연기관과 동기로 구동되는 고압 연료 공급 펌프(2)에 의해 연료가 연료 저장 탱크(4)로부터 고압 연료 어큐뮬레이터(1)내로 공급된다. 상기 어큐뮬레이터의 압력은 압력 제어 밸브(5) 및 압력 센서(6)를 통해 특히 일정한 값으로 세팅된다. 상기 값은 경우에 따라 변동될 수 있다. 고압 연료 어큐뮬레이터(1)로부터 제공된 연료는 전술한 구조를 가진 다수의 연료 분사 밸브(9)에 공급된다.
제어 밸브(43)의 밸브 부재(42)가 도시된 폐쇄 위치에 있으면, 압력관(17)을 통해 공급된 연료로 인해 제어 챔버(25)에도 비교적 높은 압력이 유지된다. 상기 압력은 가동 벽(23)을 통해 압축 스프링(19)에 부가해서 분사 밸브 부재(14)에 폐쇄력을 제공하므로, 분사 밸브 부재(14)가 폐쇄 위치로 되고 상기 위치로 유지된다. 그러나, 제어 밸브(43)가 개방되면, 제어 챔버(25)는 배출 채널(29), 디스차지 챔버(30) 및 디스차지 관(31)을 통해 배출 챔버(32)로 디스차지될 수 있다.
여기서는 제 1 밀봉 시이트(41)를 평면 시이트로서 형성하기 때문에, 시이트 에지(40)로부터 폐쇄 부재(47)의 상승 시에 디스차지 챔버(30)의 하부 영역(34)으로부터 상부 영역(33)내로 연료의 매우 짧은 유동 거리만이 형성된다. 따라서, 피에조 시스템(45)의 개방력을 상승시키는 매우 적은 유동 효과만이 나타난다. 융기된 스트립(35)에 있는 시이트 에지(40)를 특별하게 디자인함으로써, 시이트 면(48)의 영역 내의 폐쇄 부재(47)와 상부 영역(33) 사이의 직경 차의 효과가 부가로 감소되고, 이것은 피에조 시스템(45)의 필요한 개방력에 대한 부가의 긍정적 효과를 야기한다.
제어 챔버(25)내의 약한 압력으로 인해 시이트 에지(40)으로부터 폐쇄 부재(47)의 상승 시 압축 스프링(19)의 폐쇄력이 불충분하고, 분사 밸브 부재(14)는 밸브 부재(42)의 압력면에 작용하는 고압 연료에 대항해서 폐쇄 위치로 유지되므로, 분사 밸브 부재(14)가 개방 위치로 된다. 이것은 밸브 부재(42)가 제 2 밀봉 시이트를 형성하는 전술한 실시예에서 제 1 분사 과정, 소위 예비 분사를 일으킨다. 밸브 부재(42)가 완전한 행정을 하면, 폐쇄 부재(47)의 면(49)이 시이트 표면(51)과 함께 제 2 밀봉 시이트(52)를 형성하므로, 연료가 배출 챔버(32)로 배출될 수 없기 때문에 제어 챔버(25)내에 다시 원래의 높은 연료 압력이 형성됨으로써, 예비 분사가 끝난다.
밸브 부재(42)가 다시 제 1 밀봉 시이트(41)의 방향으로 움직이면, 제 2 분사 과정, 소위 메인 분사가 시작된다. 상기 시작은 배출 챔버(32)내로 연료의 배출로 인한 제어 챔버(25)내의 압력 강하에 의해 제 1 분사 과정과 유사하게 이루어진다. 밸브 부재(42)의 시이트 면(48)이 제 1 밀봉 시이트(41)를 형성하면서 다시 시이트 에지(40)상에 놓이면, 메인 분사가 끝난다. 이 순간에, 폐쇄 부재(47)가 디스차지 챔버(30) 내의 상부 영역(33)을 하부 영역(34)에 대해 차단하므로, 제어 챔버(25)내에 즉시 다시 높은 연료 압력이 형성되고, 상기 압력은 분사 밸브 부재(14)를 다시 폐쇄 위치로 만든다.
도 3에 따른 실시예는 실제로 제조상 이유로 구현된, 하부 부분(111) 및 상부 부분(112)을 가진 밸브 하우징의 다수 편 구성을 도시한다. 또한, 밸브 스템(461) 및 폐쇄 부재(471)가 별도의, 서로 연결되는 부품으로 형성된다. 상기부품들은 함께 밸브 부재(421)를 형성한다. 또한, 스트립(35)이 생략됨으로써, 제 1 밀봉 시이트(411)에 대한 지지면이 확대된다.
도 4에서는 밸브 부재(422)의 폐쇄 부재(472)가 도 3에 비해 180도 회전된다. 이로 인해, 상부의 제 1 밀봉 시이트(412)에 원추형 시이트가 형성되고, 하부의 제 2 밀봉 시이트(522)에는 평면 시이트가 형성된다. 연료 분사 밸브의 작동 동안 상부 밀봉 시이트(412)가 하부 밀봉 시이트(522) 보다 더 오래 그리고 더 많이 부하를 받기 때문에, 원추형 시이트에 의해 내마모성 및 누설 손실과 관련한 장점이 얻어진다.
본 발명은 전술한 실시예에만 국한되지 않으며, 개별 실시예의 부재들이 서로 교체될 수 있다.

Claims (10)

  1. 고압 연료 소오스(1)를 포함하고, 상기 소오스(1)로부터 연료가 연료 분사 밸브(9)에 공급되고, 상기 연료 분사 밸브(9)는 적어도 하나의 분사구(12)를 제어하기 위한 분사 밸브 부재(14) 및 제어 챔버(25)를 포함하며, 상기 제어 챔버(25)는 가동 벽(23)에 의해 한정되고, 상기 벽은 분사 밸브 부재(14)와 적어도 간접적으로 연결되며, 상기 제어 챔버(25)는 제 1 드로틀(27)에 의해 설계된, 고압 소오스, 특히 고압 연료 소오스(1)로부터 나온 공급 채널(26), 및 디스차지 챔버(30)에 대한 일정한 최대 배출 횡단면을 가진 배출 채널(29)을 포함하고, 상기 제어 챔버(25)로부터 배출 용기(32)로의 연료 배출은 밸브 시이트(41, 411, 522)를 가진 밸브 부재(42, 421, 422)에 의해 차단 가능하며, 상기 밸브 부재는 피에조 시스템(45)에 의해 작동 가능한 제어 밸브(43)의 부품이도록 구성된, 내연기관용 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 밸브 시이트(41, 411, 522)가 평면 시이트로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 평면 시이트가 밸브 부재(42, 421, 422)의 평평한 면(48), 및 제어 챔버(25)를 향한 디스차지 챔버(30)의 제 1 영역(34)과 상기 제어 챔버(25) 반대편에 놓인 디스차지 챔버(30)의 제 2 영역(33) 사이의 전이 영역에 있는 벽으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 벽이 상기 디스차지 챔버(30)의 제 1 영역(34)내로 돌출한 시이트 에지(40)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시이트 에지(40)가 스트립(35)에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스트립(35)이 경사면(39)을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 부재(42, 421, 422)가 반구형 또는 구 세그먼트형 폐쇄 부재(47, 471, 472)를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 밸브 시이트(41, 411) 반대편에 놓인 폐쇄 부재(47, 471)의 면(49)이 배출 채널(29)과 디스차지 챔버(30) 사이의 전이 영역에 부가의 밸브 시이트(52)를형성하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브 부재(422)가 반구형 또는 구 세그먼트형 폐쇄 부재(472)를 가지며, 평면 시이트로서 형성된 밸브 시이트(522)가 배출 채널(29)과 디스차지 챔버(30) 사이의 전이 영역에 배치되고, 상기 밸브 시이트(522) 반대편에 놓인 폐쇄 부재(472)의 면이 디스차지 챔버(30)의 제 1 영역(34)으로부터 제 2 영역(33)으로의 전이 영역에 부가의 밸브 시이트(412)를 형성하며, 상기 디스차지 챔버(30)가 배출 용기(32)에 결합되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 부가의 밸브 시이트(412)가 원추형 시이트인 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 부재(421, 422)가 밸브 스템(461) 및 상기 밸브 스템(461)에 연결된 폐쇄 부재(471, 472)로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
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