KR20010101060A - 액체 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 부재(3)를 작동시키기 위한 압전식 액츄에이터(3)를 갖는 액체 제어 밸브에 관한 것으로서, 상기 밸브 부재의 일단부는 밸브(1)를 개방 및 폐쇄하기 위하여 밸브 몸체(6)에 장착된 시트(8)와 협동하는 밸브 헤드(7)가 형성된 밸브 폐쇄 부재를 갖는다. 상기 압전식 액츄에이터(3) 중 밸브 부재(2)로부터 대향된 쪽에는 유압 챔버(21)가 제공되며, 이 유압 챔버는 적어도 하나의 유압관(23)을 거쳐서 밸브 부재(2)의 보어(5)와 연결되고, 상기 보어는 압전식 액츄에이터(3)에 대하여 밀봉된다. 유압 챔버(21)는 유압식 스프링으로서 형성된다. 압전식 액츄에이터(3)에 연결된 실린더(20)에 작용하는 탄성력은 예비 인장 부품과 오차 보상 부품으로서 작용한다. 상기 밸브는 특히 연료 분사 밸브로서 제공된다.

Description

액체 제어 밸브{Valve for controlling liquids}

유럽특허 제 EP 0 477 400 A1 호에는 압전식 액츄에이터에 의해서 작동할 수 있는 밸브가 이미 공지되어 있다. 이 공지된 밸브는 스트로크 방향을 따라서 압전식 액츄에이터의 경로를 전환할 수 있는 형태로 배치되어 적응성 기계 오차 보상을 실시할 뿐만 아니라 압전식 액츄에이터의 전환을 유압 챔버에 전달할 수 있다.

소위 유압 변환 부품으로서 작동하는 상기 유압 챔버는 이 유압 챔버를 제한하는 두 개의 피스톤들 사이에서 공통 보상 공간을 둘러싸며, 이 피스톤 중에서 작은 직경을 갖는 쪽 피스톤은 제어하고자 하는 밸브 부재와 결합하고 큰 직경을 갖는 다른쪽 피스톤은 압전식 액츄에이터와 결합한다. 또한, 상기 유압 챔버는 압전식 액츄에이터에 의해서 큰 직경쪽 피스톤이 소정의 경로만큼 움직일 때 하나 이상의 스프링에 의해 소정 위치에 유지된 밸브 부재를 작동시키는 작동 피스톤이 피스톤 직경의 변환비만큼 확장된 스트로크를 진행하는 형태로 양 피스톤들 사이에 고정된다. 이때, 밸브 부재와, 피스톤과, 압전식 액츄에이터는 공통축 상에 나란히 배치된다.

한편, 상기 장치에 유압 챔버의 보상 공간을 설치함으로써 제어하고자 하는밸브 부재의 위치를 변경하지 않고도, 부품 내의 온도 구배 또는 사용된 재료의 온도 팽창 계수, 혹은 필요한 경우에 설치 효과(setting effect)에 기초하여 오차가 보상될 수 있다.

상기 장치에서는 두 개의 피스톤들 사이에 배치된 유압 챔버를 통하여 압전식 액츄에이터, 밸브 부재 또는 밸브 하우징의 길이 변화를 보상하고 있지만, 고가의 구조와 누설 손실 및 유압 챔버의 반복 충진과 관련된 문제를 안고 있다.

또한, 가능한 큰 스트로크를 얻기 위하여 압전식 액츄에이터는 복수의 박층으로 구성되고 있음이 널리 알려져 있다. 상기 박층들은 압전식 액츄에이터가 작동할 때 서로 분리되지 않기 때문에, 이 압전식 액츄에이터는 적용하고자 하는 힘이 약 1000N에 이를 수 있도록 예비 인장되어야 한다.

실질적으로, 압전식 액츄에이터를 예비 인장시키기 위하여 분할 스프링이나 밴드 스프링이 사용된다. 그렇지만, 예비 인장을 위하여 필요한 스프링은 고가의 구조와 큰 부품 공간을 필요로 하는 단점을 가지며, 특히 큰 부품 공간 때문에 전체 밸브의 직경이 상응하게 커지게 되고, 이로 인하여 밸브의 설치 가능성이 제한된다. 또한, 스프링을 예비 인장 부품으로 사용함으로써 이 스프링의 사용 기간 동안 마찰로 인한 부식을 일으킨다.

본 발명은 청구항 제 1 항에 따른 액체 제어 밸브에 관한 것이다.

도 1은 내연기관용 연료 분사 밸브에서 사용되는 본 발명에 따른 실시예를 개략적으로 도시한 종단면도.

도 2는 연료 분사 밸브의 제 2 실시예를 개략적으로 도시한 종단면도.

따라서, 본 발명의 목적은 특히 압전식 액츄에이터의 팽창 오차를 보상하기 위한 오차 보상 부품과 간단한 구조를 통한 작은 부품 공간 조건을 갖는 추가의 밸브 부품이 가능한 액체 제어 밸브를 제공하고자 하는 것이다.

청구항 제 1 항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 액체 제어 밸브는 유압식 스프링으로서 형성된 유압 챔버가 압전식 액츄에이터의 예비 인장 부품뿐만 아니라, 특히 온도에 따른 길이 오차를 보상하기 위한 보상 부품의 역할을 수행할 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 압전식 액츄에이터용 예비 인장 부품과 오차 보상 부품에 있어서, 예비 인장은 유압적으로 실시될 뿐만 아니라 작은 설치 공간을 필요로 하는데, 이때 스프링이나 기타 기계적 예비 인장 부품을 생략함으로써 전체 밸브의 부품 형상을 콤팩트하게 구성할 수 있다.

예비 인장 부품과 본 발명에 따라서 상기 예비 인장 부품 내에 구성되는 오차 보상 부품을 구성하기 위한 필수 부품의 개수를 줄임으로써, 제조 비용뿐만 아니라 조립 비용을 확실하게 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따라서 유압 챔버와 유압 스프링 및 이 유압 챔버 내에 삽입된 피스톤의 크기를 조절함으로써 시스템의 전체 강도를 향상시킬 수 있는 확실한 장점을 갖는다. 유압 스프링의 강도가 피스톤의 단면적에 따르기 때문에, 유압 챔버에 삽입된 피스톤의 단면적이 상응하게 확장되면 동일 압력에서 유압 스프링의 강도와, 또한 이로 인하여 압전식 액츄에이터에 가해지는 예비 인장력이 증가할 수 있다. 또한, 정적 상태에 있어서, 압전식 액츄에이터와, 밸브 부재 또는 밸브 몸체의 길이가, 예를 들어 가열에 의해 변화될 때 발생하는 전체 장치의 불리한 길이 변화가 방지될 수 있다. 다른 한편, 동적 가동 상태에서 피스톤에 의해 지지된 유압 스프링의 강도는 피스톤의 직경이 커질수록 점점 커질 수 있다. 또한, 직경이증가함에 따라 발생할 수 있는 피스톤의 스트로크 손실을 수용할 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명의 요지에 대한 다른 장점과 바람직한 일례들을 도면과 청구범위 및 실시예에서 설명한다.

본 발명에 따른 액체 제어 밸브의 실시예를 도면에 도시하며 이하에서 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 제 1 실시예는 자동차의 내연기관에서 사용되는 연료 분사 밸브(1)의 일례로서 본 발명에 따른 밸브의 사용예이다. 상기 연료 분사 밸브(1)는 오늘날 공통 레일 분사기로서 제작되고 있다.

상기 연료 분사 밸브(1)에서 분사 과정의 개시와, 분사 지속 시간과, 연비에 따라 분사량을 제어하기 위하여, 밸브 부재(2)가 압전식 액츄에이터(3)에 의해 제어되며, 이 압전식 액츄에이터는 밸브 부재(2) 중 연소실로부터 이격된 쪽에서 압전 챔버(4) 내에 배치된다.

상기 피스톤 형태의 밸브 부재(2)는 종방향 보어로서 형성된 밸브 몸체(6)의 보어(5) 내에서 축방향으로 변위 가능하게 배치되며 이 밸브 몸체의 연소실측 단부에서 구형의 밸브 폐쇄 부재로서 형성된 밸브 헤드(7)를 갖는다. 상기 밸브 헤드(7)는 밸브 몸체(6)에 형성된 시트(8)와 협동하는데, 이 밸브 헤드(7)가 들어 올려진 상태에서 외부로 개방되는 밸브 헤드(7)에 복원력을 작용하는 스프링(10)에 의해서 스프링 챔버(9)와 결합한다. 상기 스프링 챔버(9)의 연소실측에는 밸브 제어 챔버(12)에 안내된 배출 스로틀(11)이 연결되며, 다시 밸브 제어 챔버에는 도 1에서 단지 개략적으로 도시한 것으로서 모든 연료 분사 밸브들을 위해 사용되는 공통 고압 저장 챔버(14: 공통 레일)로부터 유도된 분사관(13)이 연결된다. 여기서, 고압 저장 챔버(14)에는 연료 고압 공급 펌프에 의해서 저장 탱크로부터의 고압 연료가 공지된 방식으로 충진된다.

상기 압전식 액츄에이터(3)는 복수의 층들로 구성되며, 압전식 액츄에이터 중 연소실을 향한 쪽에는 액츄에이터 헤드(15)가 제공되고 압전식 액츄에이터 중 연소실로부터 이격된 쪽에는 액츄에이터 레그(16)가 제공된다. 상기 액츄에이터 헤드(15)에는 압전 챔버(4)로부터 액츄에이터 헤드(15)를 지지하기 위한 지지대(18)를 거쳐서 압전 챔버(4)의 연소실측 벽까지 연장하여 밸브 부재(2)를 지지하는 제어 피스톤(17)이 고정된다. 이때, 압전 챔버(4)는 제어 피스톤(17)의 영역에서 종방향 보어(5)에 대향하여 밀봉 장치(19)에 의해 밀봉된다. 상기 액츄에이터 레그(16)는 유압 챔버(21) 내에 삽입된 다른 피스톤(20)과 견고하게 결합하며, 이 피스톤은 압전식 액츄에이터(3) 중 밸브 부재(2)로부터 이격된 쪽에서 연료 분사 밸브의 설치시 압전 챔버(4) 위쪽에 배치된다. 여기서, 압전 챔버(4)는 추가의 밀봉 장치(22)에 의해서 유압 챔버(21) 내에 안내된 피스톤(20)의 영역에서 이피스톤에 대하여 밀봉된다.

실질적으로 폐쇄된 유압 챔버(21)는 이 유압 챔버 내에 포함되며 고압 저장 챔버(14)의 압력 레벨에 대하여 저압원으로부터의 압력을 이완시키는 압력 매질에 의해서 유압식 스프링의 형태로 제작되며, 이 유압식 스프링은 밸브 몸체(6) 내에 형성된 유압관(23)에 의해서 밸브 부재(2)를 포함하는 종방향 보어(5)와 결합한다. 이때, 유압식 스프링은 이중 기능을 수행하는데, 한편으로 이 스프링은 압전식 액츄에이터(3)의 예비 인장 부품으로서 사용되고, 다른 한편으로 오차 보상 부품으로서 사용된다.

이하에서, 도 1에 따른 연료 분사 밸브(1)의 작동 방식을 기술한다.

연료 분사 밸브(1)가 폐쇄된 상태에서, 다시 말하면 압전식 액츄에이터(3)가 중단된 상태에서, 밸브 부재(2)의 밸브 헤드(7)는 해당 시트(8)와 밀착된 상태로 유지되며, 이 때문에 연료는 고압 저장 챔버(14)와 연결된 밸브 제어 챔버(12)로부터 종방향 보어(5) 내로 전달되지 않는다. 유압 챔버(21) 내에서 본 실시예의 경우에 용이하게 상승시킬 수 있는 약 65 bar 정도의 시스템 압력에 기초하여, 압전식 액츄에이터(3)는 유압 스프링과 연소실측 지지대(18) 사이에 고정된다.

상기 유압식 스프링의 탄성율은 유압 챔버(21) 내에 돌출된 피스톤(21)의 직경이 증가함에 따라서 증가하기 때문에, 압전식 액츄에이터(3)의 예비 인장력은 피스톤(20)의 직경에 따라서 조절될 수 있으며, 이때 가능한 큰 피스톤 직경이 유리하다. 본 실시예에 있어서, 65bar의 시스템 압력에서 100N의 예비 인장력을 얻기 위하여 피스톤의 직경은 14mm 정도가 충분하다. 물론, 본 기술분야의 당업자는 이것과는 다른 값을 선택할 수 있다.

연료 분사 밸브가 천천히 작동하면서, 예를 들어 압전식 액츄에이터(3)나 밸브 하우징 및 밸브 몸체(6)와 같은 다른 밸브 부품의 길이가 온도에 따라 변화함으로써 연료 분사 밸브가 작동하면, 상기 피스톤(20)은 온도 상승에 따라서 유압 챔버(21)의 보상 공간 내로 진입하거나 온도가 감소하면서 이 보상 공간으로부터 후퇴하지만, 전체적으로 밸브 부재(2)와 연료 밸브(1)의 폐쇄 및 개방 위치에 영향을 미치지 않는다.

연료 분사 밸브(1)에 의해서 분사 과정이 실시되는 경우에, 압전식 액츄에이터(3)가 작동하며, 이로 인하여 압전식 액츄에이터가 축방향으로 급격하게 팽창된다. 이와 같이 압전식 액츄에이터(3)가 신속하게 작동하면서, 이 압전식 액츄에이터는 지지대(18)에 지지되며 유압 챔버(21) 내에 돌출된 피스톤(20)에 의해서 유압식 스프링에 지지되고, 그 결과 유압 매질은 유압 챔버(21)로부터 유압관(23)을 거쳐서 밸브 부재(2)의 종방향 보어(5)로 전달되기 때문에 밸브 부재(2)의 밸브 헤드(7)는 시트(8)로부터 개방 위치로 상승된다. 여기서도 비교적 크게 설정된 피스톤(20)의 직경에 의해서 높은 강도가 제공된다.

이하에서 도 2와 관련하여 연료 분사 밸브(1)의 제 2 실시예를 설명하며, 여기서 명확한 표현을 위하여 도 1에서 사용하는 부품과 동일한 기능을 수행하는 부품에는 동일 도면부호를 부여한다. 여기서 도시한 연료 분사 밸브(1)는 압전식 액츄에이터(3)와 협동하는 유압 챔버(21)의 체적이 외부로 변경될 수 있다는 점에서 도 1에 따른 실시예와 비교하여 구분된다.

이를 위하여, 본 실시예에서는 조절 장치(24)로서 개략적으로 도시한 조절 나사가 보어(25) 내에 제공되며, 이 조절 나사(24)는 필요시 유압 챔버(21) 내에 돌출되는 상태로 조여지고, 이로 인하여 보상 공간은 조절 나사(24)를 변경시킴에 따라서 축소하거나 팽창한다. 이러한 조치에 의해서, 제한된 크기 내에서 오차를 보상할 수 있는데, 보상 공간의 강도가 체적과 역비례하기 때문이다. 유압 챔버(21) 내의 유압식 스프링의 강도에 따라서 연료 분사 밸브(1)의 개방율과, 또한 이로 인한 분사량이 영향을 받을 수 있다. 따라서, 조절 나사(24)는 유압 챔버(21) 내에서 보상 공간을 보정함으로써 분사량을 재조절할 수 있다.

또한, 도 2에 따른 실시예에서는 압전 챔버(4)로부터 유압 챔버(21)를 분리하기 위하여 유압 챔버(21) 내로 돌출된 피스톤(20)의 일영역에 밀봉 장치(22)가 배치되며, 이 밀봉 장치는 압전 챔버(4)의 안쪽에 배치되기 때문에 압전 챔버(4)로부터 압전 챔버(4)의 직경을 갖는 환형 챔버(26)가 분리된다. 또한, 도 1에 따른 실시예에서처럼, 밀봉 장치(22)는 유압 매질에 함유된 수분과 오염 입자, 예를 들어 부스러기로부터 압전식 액츄에이터(3)를 보호하는 기능을 수행한다.

여기서, 유압관(23)은 환형 챔버(26)와 연결되며, 다시 이 환형 챔버는 환형 틈새(27)를 거쳐서 유압 챔버(21)와 연결된다. 충진율을 향상시키기 위하여, 피스톤(20) 상의 환형 틈새(27)의 영역에는 충진면(28)이 형성된다.

상술한 양 실시예들에서, 유압 챔버(21)를 충진하기 위한 유압 매질로서는 내연기관의 연소실에 분사되기도 하는 연료가 사용된다.

밸브 헤드(7)의 시트(8)에 전달된 유압 매질의 공급과 배출을 적절하게 분리하거나 혹은 차후에 누설 손실을 처리함으로써, 유압 매질로서, 예를 들어 엔진유와 같은 독립된 오일이 사용될 수도 있다.

Claims (10)

1. 밸브 몸체(6)의 보어(5) 내에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 부재(2)와 이 밸브 부재(2)를 작동시키기 위한 압전식 액츄에이터(3)를 구비한 밸브로서, 상기 밸브 부재의 일단부는 밸브(1)를 개방 및 폐쇄하기 위하여 밸브 몸체(6)에 배치된 시트(8)와 협동하는 밸브 폐쇄 부재로서 형성된 밸브 헤드(7)를 가지며, 상기 압전식 액츄에이터(3) 및 다른 밸브 부품(2, 6)의 길이 오차를 보상하기 위하여 압전식 액츄에이터(3)용 예비 인장 부품(21)과 오차 보상 부품(21)이 제공된 액체 제어 밸브에 있어서,

   상기 압전식 액츄에이터(3) 중 밸브 부재(2)로부터 대향된 쪽에는 유압 챔버(21)가 제공되며, 이 유압 챔버는 하나 이상의 유압관(23)을 거쳐서 압전식 액츄에이터(3)에 대하여 밀봉된 밸브 부재(2)의 보어(5)와 연결되고, 상기 보어에는 압전식 액츄에이터(3)와 결합된 피스톤(20)이 삽입될 수 있으며,

   상기 유압 챔버(21)는 유압식 스프링으로서 형성되며, 압전식 액츄에이터(3)에 연결된 실린더(20)에 작용하는 탄성력은 예비 인장 부품과 오차 보상 부품으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전식 액츄에이터(3)는 저압원으로부터의 유압 매질에 의해서 유압 챔버(21) 내에 형성되는 유압식 스프링과 지지대(18) 사이에서 압전식 액츄에이터(3)를 수용하는 압전 챔버(4) 중 유압 챔버(21)로부터 이격된 쪽에서 예비 인장되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압전식 액츄에이터(3)는 액츄에이터 헤드(15)에 고정된 제어 피스톤(17)에 의해서 압전식 액츄에이터(3)에 대하여 밀봉되며 밸브 부재(2)를 수용하는 보어(5)와 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 유압 챔버(21)는 피스톤(20)의 영역에서 밀봉 장치(22)에 의해 압전식 액츄에이터(3)에 대하여 밀봉되며, 상기 밀봉 장치는 유압 챔버(21)와 압전 챔버(4) 사이의 환형 틈새에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 유압 챔버(21)는 밀봉 장치(22)에 의해 압전식 액츄에이터(3)에 대하여 밀봉되며, 상기 밀봉 장치는 압전 챔버(4)의 영역에 배치되고, 압전 챔버(4)의 직경만큼 압전 챔버로부터 분리되는 환형 챔버(26)를 가지며,

   상기 유압관(23)은 환형 틈새(27)를 거쳐서 유압 챔버(21)와 연결된 환형 챔버(26)와 통하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 환형 틈새(27)의 영역에서 피스톤(20)에는충진면(28)이 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유압 챔버(21)의 체적은 외부에서 조절 가능한 조절 장치(24)에 의해서 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 조절 장치는 유압 챔버(21)의 유압 매질 내에 삽입되는 형태로 조여진 조절 나사(24)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 공통 레일 분사기(1)와 같은 내연기관용 연료 분사 밸브의 구성 부품으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 유압 챔버(21)를 충진하기 위한 유압 매질로서 연료가 사용되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.