KR100287310B1 - 내연기관용연료분사노즐 - Google Patents

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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
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Abstract

직접 분사식 내연기관용 연료 분사 노즐은 노즐 바디(10)와 외향 스프레이 홀(30)이 배열된 폐쇄 헤드(16)를 갖는 외향 개방 밸브 니들(15)을 구비한다. 분사 시작시 정확한 연료 제트를 형성하기 위하여, 제트는 그 행정의 가능으로서 밸브 니들(15)에 의해 제어되고, 스프레이 홀(30)은 노즐 바디(10)상에서 날카로운 제어 엣지(52)와 함께 스프레이 단면을 결정하는 날카로운 제어 엣지(51)를 가지며, 노즐 바디(10)상에서 내부 절두 원추형인 밸브 시트(18)와 밸브 니들(15)상에서 절두 원추형인 밸브 코운(17)에 의해 방사방향 내부 환형 엣지(55)와 함께 형성된 밀봉 시트 라인(53)을 가진다. 환형 엣지(55)는 밸브 니들(15)상에 고정된 환형 본체(60)상에 배열되고 스프레이 홀(30)의 분사 방향에서 스프레이 홀(30)의 제어 엣지(51)와 함께 정렬되어 있다. 환형 본체(60)는 양호한 또는 그렇지 않은 연결에 의해 밸브니들(15)의 연소실 단부에 고정된다.

Description

[발명의 명칭]
내연기관용 연료 분사 노즐
본 발명은 청구범위 제 1 항의 특징부에 따른 내연기관용 연료 분사 노즐, 특히, 직접 분사용 연료 분사 노즐에 관한 것이다.
[종래기술]
EPA-209,244호에 공지된 형태의 분사 노즐에서, 밸브 시트(seat)와 밸브 코운(cone)의 방사 방향 외주부에 밸브 시트와 밸브 코운으로 형성된 환형 밀봉 시트는 밸브 니들의 인접 헤드상에서의 밸브 코운의 테이퍼 각도보다 더 적은 노즐 본체상에서 밸브 시트의 테이퍼 각도를 형성한다. 또한, 밸브 시트에서 노즐 바디 안내부로의 변이부에 있는 제어 엣지는 원형이다. 이 형상은 밸브 시트와 밸브 코운의 표면과 밸브 니들 안내부의 외주 사이에 웨지형(wage-shaped) 단면의 환형 캡을 형성하고, 밸브가 폐쇄될 때 이 갭안으로 연료가 모아지며, 밸브 니들의 스프레이 홀의 구멍 단면과 정렬하여 분사 시작시 제트(jet) 준비를 방해한다. 더욱이, 분사 개구로부터 나오는 연료 제트는 밸브 시트와 밸브 코운의 외향으로 좁아지는 표면과 원형부에 부분적으로 부딪쳐서 연료 준비에 의한 에너지 손실로 초래된다.
미국 특허 제2,035,203호에는 유사한 연료 분사 노즐이 기술되어 있고, 그 밸브 니들은 폐쇄 헤드를 지지하는 스템(stem)과 이 스템을 둘러싸고 스템내의 길이방향 홈을 덮는 슬리브를 가지며, 또한 밸브와 직면하는 단부에 한정된 단면의 분사 개구를 형성하는 슬롯을 갖는다. 공지된 분사 노즐에 대해 양호한 제트 준비가 달성될지라도, 이 밸브의 기밀성은 밸브 코운과 밸브 시트 사이의 면대면 장착으로 인해 다소 떨어진다. 이 단점은 밸브 코운을 갖는 밸브 니들이 이것상에 장착된 슬리브에 의해 노즐 바디로 안내되고 그런다음 이들 축의 오프셋(offset)이 밀봉 시트 고정부의 변위로 초래된다는 사실에 의해 더 악화된다.
[발명의 장점]
청구범위 제 1 항의 특징부를 갖는 본 발명에 따른 분사 밸브는 분사 제트가 매우 적은 에너지 손실로 준비되고, 또한 노즐 바디상의 날카로운 제어 엣지에 의해 노즐 단면이 니들 행정의 시작시 개방되는 순간이 명확하게 한정되는 장점을 갖는다. 더욱이, 밀봉 시트의 직경이 제어 엣지에 직접 인접한다는 사실은 밀봉 시트의 직경이 노즐 바디내에서 밸브 니들의 피스톤형 유압식 유효 슬라이드 밸브 직경과 실질적으로 동일하다는 것을 보장한다. 이것은 배압(back pressure)의 영향을 최소화한다. 연소실로부터의 배압이 밀봉 시트의 직경으로부터 초래되는 전체 표면상에서 작동하나 유압 개방력이 밸브 니들의 피스톤형 슬라이드 밸브 또는 안내부의 직경과 상부 니들 가이드 사이의 환형면에서만 작용하기 때문에, 밸브 니들의 만족스러운 개방을 위해 매우 높은 연소실 압력하에서 조차 유압식 유효 슬라이드 밸브 직경은 가능한 큰 즉, 밸브 시트의 직경에 가능한 인접하게 배치되는 다른 장점이 있다.
청구범위 종속항에 존재하는 특징은 청구범위 제 1 항에 기술된 연료 분사노즐의 다른 전개와 개량의 장점을 갖는다. 청구범위 제 2 항에 따른 분사 노즐의 밸브 니들의 형상은 밸브 바디의 제어 엣지 바로 부근에 선형 밀봉 시트를 간단한 방법으로 배열할 수 있는 밸브를 제조할 수 있는 것이 가능하다.
[도면]
본 발명의 양호한 실시예가 하기에 상세히 도시되고 설명된다.
제 1 도는 연료 분사 노즐의 종단면도.
제 2 도 내지 제 5 도는 제 1 도에 따른 분사 노즐의 연소실 단부의 다양한 실시예를 도시한 도면.
제 6 도는 제 1 도에 따른 분사 노즐의 밸브 영역 A를 가장 크게 확대 도시한 도면.
[양호한 실시예의 설명]
분사 노즐은 결합 너트(11)에 의해 노즐 홀더(12)에 고정되는 노즐 바디(10)를 갖는다. 연소실 단부에서 폐쇄 헤드(16)를 지지하는 밸브 니들(15)이 노즐 바디(10)에 변위가능하게 장착되어 있다. 이 폐쇄 헤드는 노즐 바디(10)상에서 내부 절두 원추형(frustocone) 형상인 밸브 시트(seat ; 18)와 상호 작동하는 절두 원추형 밸브 코운(cone ; 17)을 갖는다. 밸브 코운(17)으로부터 방사 방향으로 오프셋(offset)된 폐쇄 헤드(16)는 밸브 시트(18) 부근에서 노즐 바디(10)내의 원통형 보어(22)의 안내면(23)으로 안내되는 피스톤형 슬라이드 밸브(20)를 가지며, 이 원통형 보어는 압력실(21)을 형성한다.
압력실(21)과 직면하는 단부상에서, 피스톤형 슬라이드 밸브(20)는 밸브 니들(15)의 스템(14)을 에워싸고 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 셀(shell; 26)에 의해 외측에서 방사 방향으로 경계진 릴리프 컷(relief cut) 형태의 환형 리세스(annular recess; 25)를 갖는다. 셀(26)에 의해 경계진 리세스(25)의 외부 벽면은 테이퍼져 있고, 그 결과 상기 리세스(25)는 압력실(21)을 향해 넓게 개방된다. 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 셀(26)에는 원주둘레에 분포되고 분사부를 결정하는 복수개의 스프레이 홀(spray hole; 30)이 있다. 이 홀 대신에, 슬롯을 구비하는 것이 또한 가능하다. 스프레이 홀(30)은 원통형 단면을 가지지만-밸브 니들(15)의 중심선과 평행한 연장 단면, 예를 들어 편평한 타원형 또는 직사각형을 갖는다.
어떤 폐쇄된 굴곡 경로가 구멍 단면의 소정 형상에 따라 충족된다. 밸브 코운(17)의 인접한 베이스에서, 그 단면은 상술한 것보다 더 좁다. 이 개구가 슬롯 또는 홈과 같이 설계된다면, 이들은 직사각형, 삼각형, 계단식 또는, 밸브 니들(15) 행정의 기능으로서 스프레이 제트의 특정 단면 특징을 형성하기 위하여 분사 특징과 조화된 다른 단면을 갖는다.
밸브 니들(15)은 노즐 바디(10)에 있는 가이드 보어(35)에 변위 가능하게 장착되고, 그 부근에서 하류측상의 가이드 보어는 수집 챔버(36)와 이 수집 챔버를 압력실(21)에 연결하는 환형 캡(37)을 갖는다. 밸브 니들(15)의 폐쇄 헤드(16)는 노즐 홀더(12)내의 스프링 챔버(39)에 배열된 폐쇄 스프링(40)에 의해 노즐 바디(10)상에서 밸브 시트(18)에 대해 밀린다. 폐쇄 스프링(40)은 노즐 바디(10)상의 간격 부시(distance bush ; 41)와 슬롯식 정지링(42)에 의해 지지되고, 심(shim 43)을 거쳐서 밸브 니들(15)이 단부상에 고정된 지지링(44)에 대해 가압된다. 밸브 니들(15)의 총 행정(hg)을 한정하기 위해, 밸브 니들(15)의 스템은 밸브 니들(15)의 폐쇄 위치에서 정지링(42)으로부터의 거리에 있는 정지 칼라(collar ; 45)를 형성하기 위해 정지링(42)의 레벨에서 오프셋되어 있다. 노즐 홀더(12)와 노즐바디(10)내에서 연결 스터브(stub; 46)로부터 출발하는 공급 경로(47)는 노즐 바디(10)내의 연소실(36)로 유도된다. 더우기, 누설방지 통로(48)는 스프링 챔버(39)를 연결부(49)에 연결한다.
피스톤형 슬라이드 밸브(20)내의 스프레이 홀(30)의 배열을 연소실에 결합하기 위하여, 이들은 밸브 니들(15)의 길이 방향 축에 대해 경사져 있다. 예를 들면, 150° 의 테이퍼 각도로 경사져 있다. 이들은 피스톤형 슬라이드 밸브(20)에 있는 리세스(25)의 베이스(24)로부터 출발하고, 원통형 보어(22)의 안내면(23)으로 안내되는 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 외부 셀(shell)의 원주에 있는 구멍부로 빠져나온다. 각 스프레이 홀(30)의 구멍부와 경계지는 엣지는 밸브 코운(17)에 아주 인접한 부분을 날카롭게 하고, 이 부분은 분사 시작시 제어 엣지(51)를 형성한다(제 6 도). 피스톤형 슬라이드 밸부(20)상에 제어 엣지(51)를 날카로운 엣지처럼 디자인하기 위하여, 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 원통형 외주면은 제어 엣지(51)를 지나서 축방향으로 연장된다. 밸브 니들(15)의 폐쇄 위치에서(제 6 도), 피스톤형 슬라이드 밸브(20)상의 제어 엣지(51)는 노즐 바디(10)상의 환형 제어 엣지(52)에 인접하고, 상기 제어 엣지(52)는 안내면(23)의 원통형면으로부터 밸브 시트(18)의 테이퍼면까지의 변이부를 형성하고, 또한 노즐 바디와 밸브 니들(15)의 제어 엣지(51, 52)가 동일 레벨에 있을 때 중복(overlap)됨 없이 스프레이 홀(30)을 밀봉할 수 있는 날카로운 엣지로 설계된다.
제어 엣지(51, 52)에 의해 형성된 밀봉부는 분사 시작을 한정하기 위해 작용한다. 실제 밀봉부는 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)와 밸브 니들(15)상의 밸브 코운(17)에 의해 형성되고, 특히, 환형 밀봉 시트 라인(53) 형태로 형성된다. 배압의 영향을 더 감소하기 위하여, 밀봉 시트 라인(53)의 직경은 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 직경과 동일하다. 그러나, 순간 충돌로 인해, 상기 디자인은 작동중에 밸브 니들(15)과 노즐 바디(10)상의 제어 엣지(51, 52)의 변형으로 초래된다. 이러한 이유로, 밀봉 시트 라인(53)의 직경은 노즐 바디(10)상의 제어 엣지(52)의 직경보다 약간 더 큰 즉, 0.01mm 이하이다.
밀봉 시트 라인(53)은 밸브 니들(15)의 절두 원추형 밸브 코운(17)의 방사방향 내부 경계부에서 날카로운 환형 엣지(55)의 접촉에 의해 형성된다. 스프레이 홀(30)의 분사 단면이 밸브 니들(15)의 행정 시작시 동시에 두 개의 제어 엣지(51,52)에 의해 개방되도록 하기 위해, 아이들(idle) 행정없는 밀봉 시트 라인(53)은 스프레이 홀(30)의 모선(generatrix; 56)의 연장부상에 놓이고, 상기 모선은 제어 엣지(51)와 상호 교차한다. 밸브 코운(17)의 테이퍼 각(b)과 밸브 시트(18)의 테이퍼 각(c)은 제어 엣지(51)와 교차하는 모선(56) 또는 스프레이 홀(30)의 테이퍼 각(a)과 마주치나, 밸브 코운(17)의 테이퍼 각(b)은 3° 보다 더 적고, 밸브 시트(18)의 테이퍼 각 (c)은 제어 엣지(51)와 교차하는 모선(56) 또는 스프레이 홀(30)이 상기 테이퍼 각(a)보다 더 큰 즉, 3° 보다 더 크다.
상술한 밸브 시트 형상은 스프레이 홀(30)을 갖는 피스톤형 슬라이드 밸브(20)가 밸브 니들(15)의 스템(14)과 일체식이고 밸브 코운(17)이 밸브 니들(15)의 연소실 단부에서 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 연장부(61)에 고정된 환형 바디(60)상에 배열된 밸브 니들(15)의 두 부품 설계에 의해 달성된다.
밸브 코운(17)은 밸브 시트(18)와 마주보는 환형 바디(60)의 단부상에 형성되고, 그 내부 환형 엣지(55)는 내부 보어(62)의 측면에 의해 경계지워진다. 노즐 바디(10)상에서 제어 엣지(52)의 환형 엣지(55)에 의해 형성된 밀봉 시트 라인(53)의 상기 거리를 형성하기 위하여, 환형 바디(60)의 내부 보어(62) 직경은 상기 거리만큼 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 직경보다 더 크다. 따라서, 피스톤형 슬라이드 밸브(20)의 연장부(61)의 직경도 또한 더 크다. 제어 엣지(51)를 날카롭게 만들기 위하여, 환형 바디(60)는 연장부(62)를 지나 돌출하고, 그 결과 상기 영역 내에 갭(63)이 형성되고, 이 갭은 스프레이 홀(30)로부터 빠져나오는 제트(jet)의 분사 단면과 정렬되지 않기 때문에 유동에 의하여 사소하게 된다. 절두 원추형 밸브 코운(17)과 내부 절두 원추형인 밸브 시트(18)는 매우 좁게 설계, 즉, 1mm 폭보다 더 좁게 설계된다. 이들을 방사방향 외측으로 인접시킨 표면(65, 66)은 스프레이 제트의 영향을 회피하기 위하여 급경사면(steep slope)을 갖는다.
환형 바디(60)는 여러 방법으로 밸브 니들(15)에 고정된다. 밸브 니들(15)의 연장부(61)에 끼워져 압입 혹은 비압입 연결로 유지된다. 제 2도의 적합한 실시예에서, 환형 바디(60)는 가압 접합부(70)에 의해 고정된다. 또한, 제 3 도에 따른 적합한 실시예의 환형 바디(60)는 가압 접합부(70)에 의해 연장부(61)상에 배치되고 용첩(weld; 72)에 의해 연소실 단부에 고정된다.
제 4 도 및 제 5 도에 따른 접합한 실시예에서, 환형 바디(60)는 밸브 니들(17)의 연소실 단부와 중첩되는 내부 칼라(73)를 갖는다. 칼라(73) 내측상의 용접(74)은 환형 바디(60)를 밸브 니들(15, 제 4 도)의 단부에 연결시킨다. 밸브 바디(60)의 고정은 헤드 스크류(75)에 의해 달성되고, 그 생크(shank; 76)는 연장부(61)내의 관통 구멍과 맞물리고, 그 헤드(77)는 그들 사이에 와셔(washer ; 78)를 갖는 환형 바디(60)의 칼라(73)와 겹쳐진다. 특히, 레이저 용접, 전자 비임 용접, 가압 접합 및 수축 접합(shrink-fittung)은 밸브 니들(15)상에 환형 바디(60)를 고정하기 위한 적합한 접합 기술이다.
상술한 분사 노즐은 하기와 같이 작용한다. 폐쇄 스프링(40)은 밸브 니들(15)을 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)에 대해 밸브 니들(15)의 밸브 코운(17)으로 누르고, 스프레이 홀(30)의 출구는 노즐 바디(10)의 벽으로 덮히며, 상기 벽은 이들을 안내면(23)내에 에워싸이고, 밸브 코운(17)은 밸브 시트(18)상에 기밀적으로 놓인다. 연료가 공급 통로(47)를 통해서 수집 챔버(36)내로 그리고 그로부터 환형 챔버(37)를 통해 압력실(21)내로 압력하에서 공급될 때, 상기 압력은 폐쇄 헤드(16)의 피스톤형 슬라이드 밸브(20)상에서 작용한다. 폐쇄 스프링(40)의 요구가 극복되는 어떤 개방 압력이 달성될 때, 밸브 니들(15)은 유동 방향으로 변위된다. 이 공정에서, 환형 엣지(55)를 갖는 밸브 코운(17)은 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)로부터 상승되고, 스프레이 홀(30)의 제어 엣지(51)는 노즐 바디(10)상의 제어 엣지(52)로부터 멀리 이동되며, 스프레이 홀(30)의 분사부는 연료의 분배 압력에 따라 노출된다. 노즐 행정과 분사부는 폐쇄 스프링(40)의 힘과 피스톤(20)상의 유압력의 평행을 나타낸다. 스프레이 홀(30)의 출구에서 노출된 분사부를 통하는 연료는 종래 복수개의 구멍 노즐과 같은 특정 원추 각도를 갖는 내연기관의 연소실안으로 밸브 코운(17)과 밸브 시트(18) 사이에서 초점된 스프레이 제트형으로 흐른다. 사각형, 삼각형, 타원형 또는 그 자체에 따라 폐쇄된 다른 형상과 같은 스프레이 홀(30)의 단면 형상에 의해, 분사 노즐에는 다양한 단면 개방 특성이 제공된다. 이 방법에서, 폐쇄 스프링(40)의 특징과 분사 펌프의 펌핑율과 관련하여, 최적 엔진 연소를 제공하는 순간 분사 특징에 영향을 줄 가능성이 있다. 상술한 평행 조건에 의하여, 연료 준비에 대한 최적 스프레이 단면이 모든 경우에 정확히 설정된다. 이 스프레이 단면은 유압 시스템에서 항상 가장 좁을 수 있고, 어떤 시트 개방이 발생하지 않을 수가 있다.
분배된 연료의 압력이 감소된때, 폐쇄스프링(40)은 밸브니들(15)을 다시 뒤로 밀고, 스프레이 홀(30)은 먼저 모두 폐쇄되고 그 다음에 폐쇄 헤드(16)의 밸브 코운(17)은 노즐 바디(10)의 밸브 시트(18)에 기밀 밀봉부를 형성한다.

Claims (6)

  1. 내면(23)과 연소실 단부에서 절두 원추형 밸브 시트(18)를 갖는 축방향 관통 구멍이 외향 개구를 가지며 이 관통 구멍의 안내면(23)과 밸브 시트(18)사이의 환형 엣지가 제어 엣지(52)를 형성하는 노즐 바디(10)와, 노즐 바디(10)의 안내면(23)에 있는 피스톤형 슬라이드 밸브(20)와 유사한 안내단면(20)으로 변위되고 밸브 시트(18)를 지나서 돌출하는 그 단부에서 밸브 코운(17)을 구비한 폐쇄 헤드(16)를 갖는 스프링 장전식 밸브 니들(15)을 포함하고, 그 장착면이 밸브 시트(18)와 축방향으로 일치하며, 밸브 코운(17)의 밀봉면의 테이퍼 각도가 밸브 시트(18)의 각도(c)와 약간 다르고, 그 결과 환형 밀봉 라인(53)이 형성되며, 피스톤형 슬라이드 밸브와 유사한 밸브 니들(15)의 안내단면(20)은 노즐 바디(10)의 안내면(23)에 의해 커버되고 밸브 코운(17)의 경사면이 그 연장부와 함께 정렬되고 니들 행정의 함수로서 노즐 바디의 제어 엣지에 의해 개방 행정중에 개방될 수 있는 스프레이 구멍(30)을 갖는 직접 분사식 내연기관용 연료 분사 노즐에 있어서, 상기 제어 엣지(52)는 밸브 시트(18)에서 노즐 바디(10)의 원통형 안내부(23)로의 변이부에 날카로운 엣지 형태를 가지고, 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)의 테이퍼 각도(c)는 밸브 니들(15)상의 밸브 코운(17)의 테이퍼 각도(b)보다 약간 더 크며, 밸브 코운(17)의 밸브면의 방사방향 내부 경계부는 날카로운 환형 엣지(55)로 설계되고, 그 직경은 노즐 바디(10)상의 제어 엣지(51)의 직경보다 약간 더 크며, 그 결과 환형 밀봉 시트 라인(53)은 제어 엣지(51)에 바로 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 분사 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 코운(17)은 밸브 니들(15)의 폐쇄 헤드(16)에 고정된 환형 바디(60)에 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 환형 바디(60)는 밸브 니들(15)의 안내단면(20)의 원통형 연장부(62)에 장착되고, 그 직경은 밸브 니들(15)의 안내단면(20)의 직경보다 약간 더 큰 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 환형 바디(60)는 비압입(nonpositive) 연결에 의해 밸브 니들(15)에 고정되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 환형 바디(60)는 압입(positive) 연결에 의해 밸브 니들(15)에 고정되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 바디(10)상의 밸브 시트(18)의 테이퍼 각도(c)는 밸브 니들(15)상의 밸브 코운(17)의 테이퍼 각도(b)보다 2° 내지 10° 더 큰 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 분사 노즐.
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