KR20180030622A - 연료 인젝터용 스위칭 밸브 및 연료 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 인젝터, 특히 커먼레일 연료 인젝터를 위한 스위칭 밸브에 관한 것으로, 상기 스위칭 밸브는 전기자(1)에 대해 상대 운동이 가능한 전기자 핀(2)의 수용 및 안내를 위해 축방향 보어(3)에 의해 관통되는 행정 운동형 전기자(1)를 포함한다. 본 발명에 따라, 전기자(1)는 완전히 또는 부분적으로 금속/세라믹 복합 재료로 제조되고, 그리고/또는 축방향 보어(3)를 적어도 국소적으로 한정하는 세라믹 소재의 슬리브(4)를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 스위칭 밸브를 구비한 연료 인젝터에 관한 것이다.

Description

연료 인젝터용 스위칭 밸브 및 연료 인젝터

본 발명은 청구항 제1항의 전제부의 특징들을 갖는 연료 인젝터용 스위칭 밸브에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 스위칭 밸브를 포함하는 연료 인젝터, 특히 커먼레일 연료 인젝터에 관한 것이다.

전술한 유형의 스위칭 밸브는 노즐 니들의 행정 운동(stroke movement)의 제어에 이용된다. 스위칭 밸브의 스위칭 위치에 따라, 제어 챔버 내에서 노즐 니들을 가압하는 유압이 상승하거나 하강하며, 그럼으로써 압력 상승 시에는 노즐 니들이 유압 폐쇄력에 의해 폐쇄 방향으로 가압되고, 압력 하강 시에는 노즐 니들이 감압된다. 감압 시 노즐 니들이 개방되며, 다시 말해 노즐 니들은 하나 이상의 분사 개구부를 개방하고, 그러면 분사 개구부를 통해 분사가 수행된다.

독일 공개 공보 DE 10 2011 077 179 A1호로부터 공기 압축식 자기점화 내연기관의 연료 분사 밸브용 솔레노이드 밸브가 공지되었으며, 이 솔레노이드 밸브는 전기자 플레이트와 전기자 축부(armature shank)로 구성되는 전기자를 포함한다. 전기자 플레이트를 통해, 솔레노이드 밸브의 자기 액추에이터의 자기 회로가 폐쇄된다. 그러므로 전기자 플레이트의 재료 선택 시, 우선적으로 상기 재료의 자기 성질들에 대한 요건이 설정된다. 그에 상응하게 전기자를 위해서는 자성 재료, 예컨대 철 및/또는 규소 및/또는 인이 선택된다. 전기자의 전기자 축부는 복수의 기능을 보유한다. 첫째로, 전기자는 전기자 축부의 길이에 걸쳐 안내된다. 둘째로, 전기자 축부의 하부 섹션은 솔레노이드 밸브를 폐쇄한다. 따라서 전기자 축부의 재료는 특히 높은 내마모성 및 내충격성을 보유해야 한다. 그러므로 전기자 축부의 경우 탄화물 함량이 높은 재료가 제안된다. 그 대안으로, 세라믹, 초경합금 또는 서멧(cermet)이 재료로서 제안될 수 있다. 단단한 결합체를 보장하기 위해, 전기자 플레이트와 전기자 축부는 재료 결합 방식으로 서로 결합된다.

본 발명의 과제는, 전술한 종래 기술을 기반으로, 특히 열적 영향과 관련하여 증대된 내구성과 그로 인해 상대적으로 더 높은 작동 신뢰성을 보유한 연료 인젝터용 스위칭 밸브를 제시하는 것이다.

상기 과제의 해결을 위해, 청구항 제1항의 특징들을 갖는 스위칭 밸브가 제안된다. 본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다. 또한, 상기 스위칭 밸브를 구비한 연료 인젝터, 특히 커먼레일 연료 인젝터도 명시되어 있다.

제안된 스위칭 밸브는, 전기자에 대해 상대 운동이 가능한 전기자 핀의 수용 및 안내를 위해 축방향 보어에 의해 관통되는 행정 운동형 전기자를 포함한다. 본 발명에 따라, 전기자는 완전히 또는 부분적으로 금속/세라믹 복합 재료(MMC: Metal Matrix Composite)로 제조되고, 그리고/또는 축방향 보어를 적어도 국소적으로 한정하는 세라믹 소재의 슬리브를 포함한다. 다시 말하면, 어떠한 경우든 전기자의 내마모성을 높이는 세라믹 재료가 함유된다.

전기자가 완전히 또는 부분적으로 금속/세라믹 복합 재료로 제조된다면, 적어도 전기자 핀의 수용 및 안내에 이용되는 영역도 상기 복합 재료로 제조된다. 왜냐하면 상기 영역에서는 전기자뿐만 아니라 전기자 핀도 강하게 마모에 노출되기 때문이다.

그 대안으로 또는 그에 보완적으로, 세라믹 슬리브는 전기자 핀의 안내를 위해 이용될 수 있다.

또한, 세라믹 재료들은 비교적 낮은 열 전도도를 갖는다. 따라서 전기자 내에서 전기자 핀의 안내 영역에 금속/세라믹 복합 재료 또는 세라믹 재료를 배치하는 것을 통해, 전기자와 전기자 핀 사이에서, 안내 영역에서 규칙적으로 발생하는 고온으로부터 전기자를 보호하는 일종의 열적 분리가 달성된다. 그 결과로, 스위칭 밸브의 온도 변화가 더 적어진다. 특히 전기자 행정은 열적 영향을 받지 않으며, 그럼으로써 전기자 행정의 정확도에 의해 작동 신뢰도 역시 증가하게 된다.

또한, 이미 언급한 세라믹 재료의 높은 내마모성은, 공동화 침식(cavitation erosion) 및/또는 부식에 대한 전기자의 저항성이 증가하는 효과가 있다. 그에 따라, 현재 전기자 핀 마모의 방지를 위해 자주 이용되는 전기자 핀의 코팅이 생략될 수 있다.

전술한 장점들은 전기자의 안내 영역에서 세라믹 슬리브를 이용할 때 가장 분명하게 나타난다. 그러나 금속/세라믹 복합 재료를 이용할 경우에도, 전기자의 제조가 더 더 간단해진다는 장점이 있다. 따라서 복합 재료 내의 금속 함량 및 세라믹 함량은, 복합 재료가 충분한 자기 성질 및 이와 동시에 낮은 열 전도도를 갖도록 선택된다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 세라믹 슬리브는 전기자의 하나 이상의 단부면까지 연장된다. 바람직하게 슬리브는 전기자의 전체 축방향 연장부에 걸쳐 안내된다. 다시 말하면, 전기자 핀의 안내에 이용되는 축방향 보어는 슬리브에 의해 완전히 라이닝된다. 이런 방식으로, 매우 효과적인 열적 분리가 실현된다. 이와 동시에, 세라믹 슬리브의 하나 이상의 단부면이 정지면 및/또는 밀봉면으로서 이용될 수 있으며, 이는 재차 마모를 감소시키는 작용을 한다.

본 발명의 개선예에서 제안되는 점에 따라, 전기자 또는 슬리브는 스위칭 밸브의 밸브 시트와 밀착되어 상호작용하는 밀봉 윤곽부를 형성한다. 그에 따라, 별도의 밸브 폐쇄 부재가 생략될 수 있음으로써 스위칭 밸브의 구성이 간소화된다. 전기자가 밀봉 윤곽부를 형성한다면, 밀봉 윤곽부는 바람직하게 전기자의 축부형 섹션 상에 형성되고, 상기 섹션은 또한 바람직하게 금속/세라믹 복합 재료로 형성된다. 슬리브가 밀봉 윤곽부를 형성할 경우, 밀봉 윤곽부는 이 밀봉 윤곽부 영역에서도 전기자 및 밸브 부재의 내마모성을 높이기 위해, 바람직하게 슬리브의 칼라 섹션(collar section) 상에 실현된다.

전기자 및/또는 슬리브의 제조를 위해 분말 사출 성형 방법(PIM: "Powder Injection Molding")이 제안된다. 세라믹 슬리브가 제공될 경우, 상기 슬리브는 전기자와 고정되게, 특히 재료 결합 방식으로 연결된다. 재료 결합식 연결은 분말 사출 성형 방법에서 전기자 및 슬리브의 제조 시 이루어질 수 있다. 이 경우, 전기자와 슬리브를 차후에 접합할 필요가 없기 때문에 이 작업 단계가 생략될 수 있다. 이는 제조 비용에 유리하게 작용한다.

바람직하게는, (전기자 및 슬리브가 제공되는 한) 전기자의 재료와 슬리브의 재료가 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는다. 이 조치는 전기자 내에서 열로 인한 응력을 방지하는데 도움이 된다.

바람직하게는 산화지르코늄(ZrO₂)이 세라믹 재료로서 이용된다. 그 이유는 산화지르코늄이 예컨대 강과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖기 때문이다. 따라서 슬리브의 세라믹 재료도 마찬가지로 바람직하게 산화지르코늄이거나, 적어도 슬리브의 세라믹 재료 내에 산화지르코늄이 함유된다.

산화지르코늄의 열 전도도는 예컨대 2 내지 3W/mK이고, 그에 따라 강재의 열 전도도(약 40 내지 60W/mK)보다 명백히 더 낮으며, 그럼으로써 상기 재료는 이상적으로 전기자와 전기자 핀 사이의 열적 분리를 형성하기에 적합하다.

슬리브를 에워싸는 전기자에 요구되는 자기 성질과 관련하여, 상기 전기자가 완전히 또는 부분적으로 강자성 재료로, 특히 철/코발트 합금으로 제조되는 점이 제안된다. 이 경우, 초점은 명백히 전기자의 자기 성질에 있는 것인 한편, 내마모성은 세라믹 슬리브에 의해 보장된다.

또한, 분사의 제어를 위해 본 발명에 따른 스위칭 밸브를 포함하는, 연료 분사 시스템, 특히 커먼레일 분사 시스템을 위한 연료 인젝터가 제안된다. 본 발명에 따른 스위칭 밸브는 온도에 매우 둔감하기 때문에, 스위칭 밸브의 작동 신뢰성뿐만 아니라 연료 인젝터의 작동 신뢰성도 증대된다. 그에 따라, 분사가 정밀하게 제어될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 하기에서 첨부한 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다.

도 1은 바람직한 제1 실시예에 따른, 연료 인젝터 내에 장착된 본 발명에 따른 스위칭 밸브의 개략적 종단면도이다.
도 2는 바람직한 제2 실시예에 따른, 연료 인젝터 내에 장착된 본 발명에 따른 스위칭 밸브의 개략적 종단면도이다.

도 1에 도시된 스위칭 밸브는, 판형 섹션(11)과 축부형 섹션(9)을 구비하고 평탄형 전기자로서 형성된 전기자(1)를 포함한다. 축부형 섹션(9)은 단부면(5)을 가지며, 이 단부면은 스위칭 밸브의 밸브 시트(7)와 상호작용하는 밀봉 윤곽부(8)를 형성한다. 전기자 핀(2)의 수용 및 안내를 위해 전기자(1)는 축방향 보어(3)에 의해 관통된다.

전기자 핀(2)은 전기자(1)에 대해 상대 운동이 가능하게 축방향 보어(3) 내에 수용되어 있기 때문에, 전기자(1)의 안내 영역은 스위칭 밸브의 작동 중에 강한 기계 하중을 받는다. 따라서 적어도 안내 영역에서 전기자(1)의 기계 강도를 증대시켜야 할 필요가 있다. 더욱이 안내 갭(12) 내에서 고온이 발생할 수 있으며, 이는 다시 전기자(1)의 행정에 영향을 미칠 수 있다. 이에 대항하기 위해, 도 1의 스위칭 밸브의 전기자(1)는, 이 전기자(1)와 재료 결합 방식으로 연결되어 축방향 보어(3)를 한정하는 세라믹 슬리브(4)를 포함한다. 세라믹 슬리브(4)는 안내 영역 내에서 전기자(1)의 내마모성을 높일 뿐만 아니라, 나아가 전기자의 온도 둔감도를 증대시킨다. 그 이유는, 슬리브(4)의 세라믹 재료가 그의 비교적 낮은 열 전도도를 기반으로 전기자 핀(2)으로부터 전기자(1)의 열적 분리를 실현함으로써 전기자 행정의 온도 변화가 현저히 감소하기 때문이다.

또한, 본원에서 슬리브(4) 형태의 세라믹 재료가 안내 영역으로 제한되는 것을 통해, 높은 자력이 달성될 수 있다. 그 이유는 그 외의 영역에서 전기자(1)가 강자성 재료로, 예컨대 철/코발트 합금으로 제조되기 때문이다.

전기자(1)의 내마모성을 위해, 금속/세라믹 복합 재료가 만족스러운 자기 성질을 보유하는 한, 상기 전기자는 나머지 영역에서 금속/세라믹 복합 재료로 형성될 수 있다.

또한, 전기자(1)를 완전히 그러한 금속/세라믹 복합 재료로 제조할 수도 있다. 이 경우, 슬리브(4)는 생략될 수 있다.

도 2에는, 도 1의 스위칭 밸브의 변형예가 제시되어 있다. 변형은 슬리브(4)의 설계 변경에 있다. 상기 슬리브는 전기자(1)의 축부형 섹션(9)의 단부면(5)까지 이어지고 칼라 섹션(10)을 가지며, 상기 칼라 섹션은 밸브 시트(7)와 상호작용하는 밀봉 윤곽부(8)를 형성한다. 그에 따라, 슬리브(4)의 세라믹 재료의 높은 내마모성이 추가로 밀봉 시트의 영역에서 효력을 발휘한다. 그 외에는, 도 2의 스위칭 밸브가 도 1의 스위칭 밸브에 상응한다.

도 1 및 도 2에 도시된 스위칭 밸브들은 하기와 같이 작동한다.

전기자(1)의 상부에 배치된 환형 자기 코일(13)에 전류가 공급되면, 자계가 형성되며, 이 자계의 자력은, 전기자(1)가 일측 단부면(6)으로써 극체(pole body)(14)에 부딪칠 때까지, 상기 전기자를 상향으로 움직인다. 이때, 전기자(1)는 밸브 시트(7)로부터 들어 올려져서 스위칭 밸브를 개방한다. 스위칭 밸브를 폐쇄하기 위해 자기 코일(13)로의 전류 공급이 종료되며, 그럼으로써 간접적으로 조정 링(16)을 통해 전기자(1)의 단부면(6) 상에 지지되는 전기자 스프링(15)의 스프링 힘이 전기자(1)를 밸브 시트(7)로 복귀시키고 스위칭 밸브를 폐쇄한다.

Claims (9)

1. 연료 인젝터, 특히 커먼레일 연료 인젝터를 위한 스위칭 밸브로서, 전기자(1)에 대해 상대 운동이 가능한 전기자 핀(2)의 수용 및 안내를 위해 축방향 보어(3)에 의해 관통되는 행정 운동형 전기자(1)를 포함하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브에 있어서,
   - 상기 전기자(1)는 완전히 또는 부분적으로 금속/세라믹 복합 재료로 제조되고, 그리고/또는
   - 상기 전기자(1)는 상기 축방향 보어(3)를 적어도 국소적으로 한정하는 세라믹 소재의 슬리브(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
2. 제1항에 있어서, 슬리브(4)는 전기자(1)의 하나 이상의 단부면(5, 6)까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기자(1) 또는 슬리브(4)는 스위칭 밸브의 밸브 시트(7)와 밀착되어 상호작용하는 밀봉 윤곽부(8)를 형성하며, 바람직하게는 상기 밀봉 윤곽부(8)가 전기자(1)의 축부형 섹션(9) 상에, 또는 슬리브(4)의 칼라 섹션(10) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전기자(1) 및/또는 슬리브(4)가 분말 사출 성형 방법으로 제조된 것이거나, 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 슬리브(4)는 전기자(1)와 고정되게, 특히 재료 결합 방식으로 연결되며, 바람직하게는 재료 결합식 연결부가 분말 사출 성형 방법으로 제조된 것임을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전기자(1)의 재료와 슬리브(4)의 재료는 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 슬리브(4)의 세라믹 재료는 산화지르코늄이거나, 산화지르코늄을 함유하는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 전기자(1)는 완전히 또는 부분적으로 강자성 재료로, 특히 철/코발트 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터용 스위칭 밸브.
9. 분사의 제어를 위해 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 스위칭 밸브를 포함하는, 연료 분사 시스템, 특히 커먼레일 분사 시스템을 위한 연료 인젝터.

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