KR100287309B1 - 내연기관용연료분사노즐 - Google Patents

Abstract

내연기관용 연료 분사 노즐은 노즐 바디(10)와 폐쇄 헤드(16)를 갖는 밸브 내들(15)을 구비한다. 날카롭게 초점된 스프레이 제트를 얻기 위하여, 폐쇄 헤드(16)는 노즐 바디상의 밸브 시트(18)와 상호 작동하는 밸브 코운(17)에 더하여 연료 압력에 의해 작동되는 피스톤(20)과, 리세스(25)에 의해 완화되는 셀(26)을 구비하고, 이 셀은 구멍(30, 33)에 의해 관통된다. 구멍의 출구는 밸브 코운(17)에 대해 축방향으로 오프셋되어 있고, 그 결과 축과 평행하게 신장되는 스프레이 단면 블 아이들 행정 후에만 밸브 시트(18)상에서 제어 엣지(31)에 의해 개방된다. 밸브 코운(17)과 폐쇄 헤드(16)의 피스톤(20) 사이에 있는 릴리프 컷(23)은 밸브 시르(18)를 갖는 밸브 코운(17)의 한정된 접점을 보장한다.

Description

[발명의 명칭]

내연기관용 연료 분사 노즐

본 발명은 청구범위 제 1항의 특징부에 따른 내연기관용 연료 분사 노즐에 관한 것이다.

[종래기술]

독일 공개공보 제40 06 448호에 공지된 분사 노즐의 경우에, 밸브 니들은 피스톤(칼라로 설계됨)의 외주에서 상기 피스톤의 밸브 코운을 향해 압력 챔버의 경계를 정하는 피스톤 단부면으로부터 하향으로 연장하는 축과 평행한 복수의 길이방향 홈을 갖는다. 니들 밸브의 개방 행정 중에, 밸브 코운에 밀접한 길이방향 홈의 영역은 스프레이 단면으로서 점진적으로 노출되고, 그 최종 유동 벡터는 모든 경우에 상기 길이방향 홈의 입구로부터 스프레이 단면까지 최단 거리로 형성된다. 상기 길이 방향 홈이 스프레이 단면까지 축과 평행하게 연장되므로, 스프레이 제트(spray jet)는 긴 축방향 성분을 갖는다. 즉, 내연기관의 연소실에 적합한 특정 원추각도로의 배향이 가능하지 않다.

특정 원추 각도에서 스프레이 제트의 정확한 정렬은 EP-A-209,244호에 따라 분사 노즐에 의해 정확히 제공되고, 분사 방향은 밸브 코운에 밀접한 원추형 둔각에서 중공 밸브 니들의 스템을 통과하는 스프레이 홀에 의해 결정된다. 신뢰성 있는 작용에 관한 문제점은 고압에서 중공 밸브 니들의 팽창 또는 브레싱(breathing)때문에 밸브 니들의 이러한 설계에 의해 발생한다. 밸브 니들의 스템에서 축방향 보어는 분사 노즐의 소형화를 어렵게 만든다.

[발명의 장점]

청구범위 제 1항의 특징부를 갖는 본 발명에 따른 연료 분사 노즐은 날카롭게 초점된 유동 프로파일과 일정한 유동 각을 갖는 스프레이 제트가 직접 분사식 내연기관에 필요한 바와 같이 형성되는 장점을 갖는다. 폐쇄 헤드의 밀봉면에 관한 구멍의 오프셋(offset) 배열은 양호한 연료 준비를 보장하는 날카롭게 초점된 스프레이 제트가 저압 연료 분배 또는 저 엔진 속도에서 밸브 니들이 아이들 행정(idle stroke)을 통과한 후에만 형성되는 것을 보장한다. 압력실과 직면하는 폐쇄 헤드의 피스톤 단부에서 비교적 크게 만들어진 리세스(recess) 단면은 구멍 입구로 자유로운 유입을 더 보장한다.

청구범위 제 1항에 기재된 연료 분사 노즐의 다른 장점과 개량점은 종속항에 기술된 특징에 의해 가능하다. 구멍과 이를 통과하는 분사 개구에서 특히 적은 제한에 대한 연료 유동은 청구범위 제 2항에 따른 밸브 니들의 피스톤 형상에 의해 제공된다. 압력을 속도로의 변환시 매우 높은 효율은 이에 의해 달성된다. 청구범위 제 3항에 따른 구멍의 정렬에 의해, 다중홀(multiple-hole) 노즐과 같은 분사 프로파일이 달성된다. 분사 특징은 청구범위 제 4항 내지 제 6항에 따른 특징에 의해 양호한 방법으로 얻어진다. 특정 장점은 청구범위 제 9항에 따라 설계되고, 그에 의해 노즐 바디의 밸브 시트와 폐쇄 헤드의 밀봉면의 한정된 접점이 보장된다. 선형 시트 형태인 노즐 바디의 밸브 시트와 밸브 코운의 만족스럽게 한정한 접점은 청구범위 제 10항의 특징에 의해 달성된다.

[도면]

본 발명의 두 실시예가 첨부 도면에 상세히 도시되어 있고 하기에 상세히 설명되어 있다.

제 1도는 분사 노즐의 종방향 단면도.

제 2도 및 제 3도는 제 1도의 연소실 단면 A 부분을 확대 도시한 도면으로 폐쇄 및 개방 위치에 있는 분사 노즐의 제 1 실시예의 단면도.

제 4도는 제 1도의 연소실 단면 A 부분을 확대 도시한 제2 실시예의 단면도.

제 5A도 내지 제 5D도는 제 4도에 따른 제 2 실시예에 의한 홈의 형상을 단순화한 형태 및 측면에서 본 도면.

[적합한 실시예의 상세한 설명]

분사 노즐은 결합 너트(11)에 의해 노즐 홀더(12)상에 고정되는 노즐 바디(10)를 갖는다. 연소실에서 폐쇄 헤드(closing head; 16)를 지지하는 밸브 니들(15)이 노즐 바디(10)에 변위가능하게 장착되어 있다. 이 폐쇄 헤드는 노즐 바디(10)상에서 원추형 밸브 시트(18)와 상호 작동하는 밸브 코운(17)을 견부(shoulder)상에서 갖는다 밸브 시트(18)의 각도는 폐쇄 헤드(16)상의 밸브 코운(17)의 각도 보다 다소 적거나 또는 적합하게는 더 크고, 결과로써 밸브 니들(15)은 밀봉 시트와 같은 순환 라인내에서 밸브 코운(17)에 의해 노즐 바디(10)의 밸브시트(18)상에 놓여 있다. 밸브 코운(17)으로부터 방사 방향으로 오프셋(offset)된 폐쇄 헤드(16)는 노즐 바디(10)의 원통형 보어(22)내로 안내되는 피스톤(20)을 갖고, 이 원통형 보어는 압력실(21)을 형성한다. 원형 릴리프 컷(relief cut ; 23)은 밸브 코운(17)으로부터 피스톤(20)까지의 변이부에 배열되고, 이 릴리프 컷은 밸브 코운(17)이 만족스럽게 한정된 방법으로 밸브 시트(18)상에 놓여 있는 것을 보장한다. 밸브 코운(17)은 견부의 좁은 방사상 환형면(19)에 의해 릴리프 컷(23)에 양호하게 연결되어 있다.

압력실(21)과 직면하는 단부에서, 상기 피스톤(20)은 밸브 니들(15)의 스템(stem; 14)을 에워싸는 언더컷(undercut)으로 설계되고 피스톤(20)의 셀(26)에 의해 외측에서 방사 방향으로 경계지워진 환형 리세스(recess; 25)를 갖는다. 셀(26)에 의해 경계지워진 리세스(25)의 외부벽면(27)은 테이퍼져 있고, 적합하게는 40° 내지 50° 의 환형 경사면을 가지며, 그 결과 상기 리세스(25)는 압력실(21)을 향해 넓게 개방되어 있다. 피스톤(20)의 셀(26)은 스프레이 단면을 결정하는 복수개, 적합하게는 네개의 구멍에 의해 관통된다. 제 2도 및 제 3도에 따른 적합한 실시예에서, 상기 구멍은 리세스(25)의 베이스(24)에서 출발하여 폐쇄 헤드(16)의 밸브 코운(17)위로 일정 거리에서 나오는 스프레이 홀(30)로 설계되어 있다. 이 스프레이 홀(30)은 밸브 니들(15)의 중심선에 대해 방사 방향으로 경사지게 연장되며, 양호하게는 노즐 바디(10)의 밸브 시트(18)와 폐쇄 헤드(16)의 밸브 코운(17)의 테이퍼 각도와 동일하거나 또는 스프레이 제트의 필요한 분사 각도와 동일한 각도로 연장된다. 스프레이 홀(30)은 원통형 단면, 적합하게는 밸브 니들(15)의 중심선과 평행하게 연장된 단면 예를 들어, 편평한 타원형 또는 사각형의 단면을 갖는다. 어떤 폐쇄 곡선은 오리피스 단면의 소정 형상에 따라 실행된다. 밸브 코운(17)에 인접한 베이스에서, 상기 단면은 상술한 것 보다 더 좁다.

제 1도 내지 제 3도에 도시된 것과 유사하게 설계된 제 4도에 따른 적합한 실시에에서, 스프레이 단면을 형성하는 구멍은 대안적으로 단부로부터 리세스(25)의 베이스(24)까지 피스톤(20)의 셀(26)을 관통하는 좁은 홈(33)의 형태로 설계되어 있다. 스프레이 홀(30)의 축과 같이 이들 홈(33)의 베이스(34)는 밸브 니들(15)의 중심선에 대해 방사방향으로 경사지게 연장한다. 이 홈(33)의 단면은 대부분 사각형이고, 밸브 니들(15)의 행정(hg)의 기능과 같이 스프레이 제트의 특정 단면 특성을 제공하기 위해, 셀(26)의 원주에서 출구 영역에 있는 단면은 제 5A도 내지 제 5D도에 도시된 바와 같이 베이스(34)로부터 출발하여 균일한 폭(제 5A도), 삼각형(제 5B도), 원호(제 5C도) 또는, 계단형(제 5D도)으로 도시되어 있고, 밸브니들(15)의 초기 행정 중에 미세한 분사 제트는 연속 행정과 같이 소형 분사 제트에 의해 먼저 형성된다. 제 2도 및 제 3도에 따른 적합한 실시예의 스프레이 홀의 출구는 또한 동일한 방법으로 형성된다.

밸브 니들(15)의 폐쇄 위치에서, 스프레이 홀(30) 또는 홈(33) 출구의 바닥엣지(31)는 노즐 바디(10)에서 밸브 시트(18)에 대해 일정한 거리에 있고, 그 결과 개방 행정 중에 밸브 니들(15)은 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)의 출구 단면이 밸브 시트(18)로부터 원통형 보어(22; 제 3도 및 제 4도)까지의 변이부에서 제어 엣지(32)에 의해 노출되어 점진적으로 개방되기 전에 먼저 아이들 행정(hg)을 실행한다.

밸브 니들(15)은 노즐 바디(10)내의 가이드 보어(35)에 변위가능하게 장착되고, 하류측상의 이 가이드 보어는 압력실(21)에 연결된 수집 챔버(36)와 환형 겁(37)에 인접하다. 밸브 니들(15)의 폐쇄 헤드(16)는 노즐 홀더(12)에서 스프링 챔버(39)에 배열된 폐쇄 스프링(40)에 의해 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)에 대해 밀린다. 폐쇄 스프링(40)은 간격 부시(distance bush; 41)와 계단식 정지링(42)에의해 노즐 바디(10)상에 지지되고, 심(shim: 43)을 거쳐서 밸브 니들(15)의 단부에 고정된 지지 스프링(44)에 대해 가압된다. 밸브 니들(15)의 총 행정(hg)을 제한하기 위해, 밸브 니들(15)의 스템(14)은 밸브 니들(15)의 폐쇄 위치에서 정지링(42)으로 부터 총 행정(hg)과 동일한 거리에 있는 정지 칼라(collar; 45)를 형성하기 위해 정지링(42)의 레벨에서 오프셋되어 있다.

연결 스터브(stub; 46)에서 출발하는 노즐 홀더(12)와 노즐 바디(10)내의 공급 통로(47)는 노즐 바디(10)에 있는 수집 챔버(36)로 유도된다. 더욱이, 누설 방지 통로(48)는 스프링 챔버(39)를 연결부(49)에 연결한다.

상술한 분사 노즐은 하기와 같이 작동한다. 분사시에, 폐쇄 스프링(40)은 폐쇄 헤드(16)의 밸브 코운(17)과 함께 밸브 니들(15)을 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)에 대해 가압하고, 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)의 출구는 노즐 바디(10)의 벽에 의해 커버되고, 상기 벽은 원통형 보어(22)를 에워싸며, 밸브 코운(17)은 밸브 시트(18; 제 2도)상에 기밀적으로 놓여 있다. 연료가 공급 통로(47)를 통하여 수집 챔버(36)안으로 그리고 그로부터 환형 갭(37)을 통하여 압력실(21)안으로 압력하에서 공급될 때, 상기 압력은 폐쇄 헤드(16)의 피스톤(20)상에서 작용하고, 그 결과 밸브 니들(15)은 폐쇄 스프링(40)의 작용에 대응하는 유동 방향으로 변위 된다. 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)의 바닥 엣지(31)와 피스톤(20)의 셀(26)을 갖는 밸브 코운(17)의 교차선의 이론적인 라인과의 사이의 거리에 의해 결정되는 아이들 행정(h0)을 통과한 후, 스프레이 홀(30) 또는 홈(23)의 바닥 엣지(31)는 제어 엣지(32)에 의해 밀리고 니들 행정에 의해 제어되며, 증가하는 크기에 의해 한정된 스프레이 단면을 노출시킨다. 니드 행정과 스프레이 단면은 폐쇄 스프링(40)의 힘과 피스톤(20)상의 유압력의 평행 상태로부터 초래된다. 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)의 출구에서 노출된 스프레이 단면을 통하는 연료는 다층 홀 노즐과 같은 특정 원추 각에서 내연 기관의 연소실안으로 초점된 스프레이 제트 형태로 유동한다.

제 2도 및 제 3도에 따른 적합한 실시예에서 스프레이 방향은 스프레이 홀(30)의 종방향 축의 경로에 의해 결정된다. 제 4도에 따른 적합한 실시예에서, 화살표로 도시된 출구 단면을 향해 지시되고 홈(33)의 베이스(34)를 향해 경사진 유동 백터(V)는 상기 유동이 홈(33)의 입구와 출구 사이에서 항상 가장 짧은 경로를 가지기 때문에 얻어진다. 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)이 입구에서 스프레이 단면까지 좁아지는 유동 경로를 각각 나타내기 때문에, 분사 압력은 속도에서 작은 손실로 변환되고 높은 노즐 효율을 갖는 매우 짧은 스프레이 홀의 효과가 달성된다. 사각형, 삼각형 또는 타원형(다른 굴곡을 또한 생각할 수 있다)과 같은 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)의 단면 형상에 의해, 분사 노즐은 다양한 단면 개방 특징을 제공한다. 이 방법에서 적합하게는 폐쇄 스프링(40)의 특징과 분사 펌프의 펌핑율과 관련하여, 최적 엔진 연소를 제공하는 시기를 갖는 분사 특성에 영향을 미칠 수 있다. 상술한 평형 조건에 의해, 모든 경우에 설정되는 연료 준비에 대한 최적 스프레이 단면이 정확하게 된다.

분배된 연료의 압력이 감소될때, 폐쇄 스프링(40)은 밸브 니들(15)을 다시 뒤로 밀고, 스프레이 홀(30) 또는 홈(33)은 먼저 폐쇄되며 그런 다음 폐쇄 헤드(16)의 밸브 코운(17)은 밸브 시트(18)에 다시 기밀 밀봉부를 형성한다.

또한, 스프레이 홀(30)의 길이방향 축은 스프레이 제트의 소정 분사 방향으로 정렬되고 밸브 시트(18)와 밸브 코운(17)의 경사 각도는 정렬 각도에 따라 형성되는 상태이다.

Claims (10)

1. 연료 공급 통로(47)에 연결된 압력실(21)과 연소실 단부에 밸브 시트(18)가 형성된 노즐 바디(10)와, 그 연소실 단부에서 외부로 개방되어 있고 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)와 상호 작동하는 폐쇄 헤드(16)와 축방향으로 압력실(21)의 한계를 정하고 연료에 의해 작동하는 오프셋 피스톤(20)을 갖는 밸브 니들(15)과, 연료 흐름과 반대로 폐쇄 헤드(16)의 밀봉면으로 밸브 시트(18)에 대해 밸브 니들(15)을 인장하는 폐쇄 스프링(40) 및, 밸브 니들(15)의 피스톤(20)내에 니들 행정의 함수로서 제어가능한 스프레이 단면을 포함하는 내연기관용 연료 분사 노즐에 있어서, 상향으로 폐쇄 헤드(16)에 인접한 상기 피스톤(20)은 압력실(21)을 향해 축방향으로 개방되고 셀(26)에 의해 외주에서 그리고 밸브 니들(15)의 스템(14)에 의해 내측에서 방사방향으로 경계지워진 리세스(25)를 가지며, 상기 스프레이 단면은 셀(26)을 관통하여 폐쇄 헤드(16)의 밀봉면(17)으로부터 축방향으로 오프셋된 위치에서 셀(26)의 원주로 빠져 나오는 구멍(30, 33)에 의해 형성되고, 스프레이 단면을 포함하는 피스톤(20)과 밸브 니들(15)이 단일 콤포넌트를 형성하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
2. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤(20)내의 리세스(25)는 압력실(21)을 향해 넓게 개방되고, 상기 구멍(30, 33)은 리세스(25)의 베이스(24)까지 연장되는 것을 특징으로 하는 내연기 관용연료분사 노즐.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스프레이 홀(30)의 축은 둔각 코운의 측면을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 구멍(30, 33)은 밸브 니드(15)의 중심선과 평행하게 연장하는 신장 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
5. 제 4항에 있어서, 상기 구멍(30, 33)의 단면은 베이스로부터 피스톤의 단부까지 넓게되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
6. 제 5항에 있어서, 상기 구멍(30, 33)의 단면은 사각형, 삼각형 또는 타원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
7. 제 1항에 있어서, 상기 구멍(30, 33)은 피스톤(20)의 셀(26)을 관통하는 스프레이 홀(30)로 설계된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
8. 제 1항에 있어서, 상기 구멍(30, 33)은 셀의 단부로부터 출발하여 피스톤(20)의 셀(26)을 관통 하는 홈(33)으로 설계된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
9. 제 1항에 있어서, 릴리프 컷(23)은 폐쇄 헤드(16)의 피스톤(20)과 밀봉면(17)으로부터의 변이부에 배열된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
10. 제 1항에 있어서, 환형면(19)의 테이퍼 각도가 밀봉면(17)의 각도보다 더 둔각인 환형면(19)은 폐쇄 헤드(16)의 밀봉면(17)과 릴리프 컷(23) 사이에 배열된 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.