KR100386183B1 - 연료분사노즐용노즐헤드및내연기관에의연료분사방법 - Google Patents

Abstract

노즐헤드(2)의 하부영역을 노즐구멍(6) 및 캐비티(9)와 함께 제2도에 나타낸다. 캐비티(9)내에는, 막대형 간섭부재(7)가 배설되고, 노즐헤드(2)의 캐비티(9)의 한쪽에 앵커(8)로 고정되고, 캐비티(9)의 다른 쪽의 노즐구멍(6)내로 들어간다. 막대형 간섭부재(7)는 연료의 흐름에 의하여 고주파 진동을 일으키는 크기로 되고, 노즐구멍(6)내의 환상간극의 형상에 대응하여 변화시키고, 환상간극을 통하여 유출하는 연료의 속도벡터에 영향을 준다. 진동하는 간섭부재(7)는 제2a도에 나타낸 것과 같이 유출되는 연료에 난류를 일으킨다. 제2a도는 연소실내로 뻗는 선단(22a)으로서, 시간에 따라서 분출하는 연료흐름(22)의 과정을 위에서부터 아래로 차례로 나타낸다.

Description

연료분사노즐용 노즐헤드 및 내연기관에의 연료분사방법

본 발명은 특허청구의 범위 제1항의 전제부에 따른 연료분사노즐용 노즐헤드에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특허청구의 범위 제12항의 전제부에 따른 내연기관에의 연료분사방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 연료분사노즐 및 본 발명에 따른 노즐헤드를 가지는 내연기관에 관한 것이다.

연료분사노즐은 왕복동피스톤내연기관의 연소실내로 연료, 때로는 압축공기 또는 다른 가스와 함께 분사하기 위하여 통상 분사밸브와 결합하여 사용된다. 분사중 일어나는 연소실내 연료흐름의 형성은 통상 연료분사노즐의 기하학적 특성에 의하여 결정된다.

연료분사밸브용 노즐은 스위스특허명세서 C 645 699호에 공지되어 있고, 노즐헤드내에 강고하게 배설된 면이 와류를 일으키고, 따라서 연료의 흐름은 와류로서 노즐헤드로 부터 분출되어 용이하게 무화(霧化)한다.

이 노즐의 공지된 실시예의 단점은 연료흐름이 균일하게 분출된다는 사실에서 알 수 있는 것이다.

본 발명의 목적은 노즐헤드로부터 분출되는 연료흐름의 패턴이 난류형태를 갖도록 한 연료분사노즐용 노즐헤드를 개선하는 것이다.

이 목적은 특허청구의 범위 제1항에 정의된 특징을 가진 구성요소로서 본 발명에 따라서 실현할 수 있다. 종속항 제2항 내지 제11항은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 관한 것이다. 이 목적은 또한 특허청구의 범위 제12항 및 제13항에 정의한 특징에 따른 노즐헤드로부터의 연료분사방법에 의하여 실현할 수 있다.

이 발명에 의한 노즐헤드는 그 내부에 배설된 운동가능한 간섭부재를 가지고, 노즐헤드를 통하여 흐르는 연료에 의하여 운동하므로, 노즐구멍에 유입되는 흐름이 연속적으로 변하여, 분출연료의 난류도를 크게 증가시킨다. 간섭부재의 운동은 시간에 따라서 연료의 분출량, 유출속도 및 흐름의 방향을 변화시킨다.

간섭부재의 형태는 주로 2가지 다른 실시예로 나눌 수 있다.

1. 일단이 고정된 간섭부재

간섭부재의 한 실시예는 노즐헤드에 일부가 견고하게 결합된 부재로 이루어지고, 그 부재는 일부가 노즐헤드내로 들어가고, 그 안에서 자유롭게 운동할 수 있다. 이와 같은 간섭부재의 실시예에 있어서, 예를 들면 한쪽이 노즐헤드내에 견고하게 고정되고, 다른 쪽이 노즐헤드내부에서 진동하면서 운동할 수 있는 핀으로 이루어진다. 이와 같은 간섭부재는 노즐헤드를 통하는 연료의 흐름이 간섭부재를 진동시키도록 노즐헤드내에 배설되어 있다. 특히 바람직한 실시예에 있어서, 고정된 예를 들면 막대형 간섭부재는 하나의 끝부가 노즐구멍내로 들어가서, 그 노즐구멍내에서 자유롭게 운동할 수 있도록 형성된다. 이 막대형 간섭부재는 흐르는 연료로 인하여 고주파진동을 일으킨다. 이 때문에, 노즐구멍의 환상(環狀)간극의 형상이 일시적으로 연속하여 변하고, 또한 이에 따라서 환상간극상의 속도벡터가 노즐구멍과 막대형 간섭부재 사이에서 변한다. 이와 같은 형태로 형성된 속도분포의 비대칭은 분출연료에 있어서의 난류도를 높인다.

2. 자유롭게 운동할 수 있는 간섭부재

간섭부재의 다른 실시예는 자유롭게 운동할 수 있도록, 예를 들면 노즐헤드의 내부에서 회전할 수 있도록 배설된 부재로 이루어진다. 이와 같은 간섭부재는흐르는 연료에 의하여 운동, 예를 들면 회전한다. 이러한 운동으로 노즐구멍의 입구부는 간섭부재에 의하여 재차 연속하여 부분적으로 또는 완전하게 개폐되고, 맥동하는 난류형태로 노즐구멍으로부터 연료를 분출시킨다. 간섭부재를 흐르는 연료가 운동시킬 수 있도록 형성하고, 예를 들면 간섭부재를 헬리컬스퍼기어로서 형성함으로써, 기어를 통하여 흐르는 연료가 간섭부재를 회전시키도록 구성한다. 자유롭게 운동할 수 있는 간섭부재는, 예를 들면 구형(球形) 또는 타원형의 형태로 할 수도 있다.

본 발명의 이점은 연소실내의 연소프로세스에서 연료의 난류흐름의 형태로 인하여 산화질소(NOx)의 배출을 감소시킨다고 하는 사실에서 알 수 있다. 연료흐름의 종단에서 형성된 와류는 부분적으로 배기가스도 연소영역으로 끌어들이도록 하고, 이를 "내부배기가스재순환"이라고 한다. 불활성 배기가스는 산소부분압력 및 화염온도를 낮추고, 낮은 재순환율에서도 산화질소의 배출의 감소를 가져오게 한다.

본 발명에 따른 노즐헤드의 다른 이점은 공지된 실시예의 노즐헤드내에 본 발명의 간섭부재를 일체화할 수 있고, 본 발명에 따른 노즐헤드는 공지된 실시예의 구조와 외관상 유사한 행태로 제조할 수 있으므로, 현존하는 노즐헤드를 본 발명의 노즐헤드로 용이하게 대치할 수 있다는 사실에서 알 수 있다.

또 다른 이점은 간섭부재가 흐르는 연료에 의하여 동작하므로, 간섭부재의 운동을 위하여 비용이 추가되는 구동장치를 필요로 하지 않는다는 사실에서 알 수 있다.

다음에, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 연료분사노즐(20)의 종단면을 나타내고, 예를 들면 이것은 대형 디젤엔진에 사용된다. 노즐헤드(2)는 노즐보디(1)와 결합되어 있고, 캐비티(9), 개구(5) 즉 연료공급용 입구(5) 및 연료방출용의 최소한 하나의 구멍(6)을 가지고 있다. 캐비티(9)는 원통형이고, 축(B)을 가진다. 노즐구멍(6)은 입구부(6a) 및 출구부(6b)를 가진다. 압력을 받고 있는 연료는 홈(4)을 통하여 개구(5)로 도입되고, 유량은 스프링이 장착된 니들(3)에 의하여 제어할 수 있다. 노즐구멍(6)은 연소실내의 노즐의 위치에 따라서 배열된다. 2사이클 엔진에서의 와류분사를 위하여, 노즐구멍은 한 방향을 향하여 집중하여 배열된다. 4사이클 엔진에 대하여는, 통상 중앙의 노즐을 통하여 분사가 일어나기 때문에 노즐구멍(6)은 노즐헤드(2)의 주변에 따라서 균일하게 배열된다. 단순화를 위하여 제1도에는 간섭부재를 나타내지 않는다.

제2도에 있어서, 노즐헤드의 하부영역을 노즐구멍(6) 및 캐비티(9)와 함께 나타낸다. 캐비티(9)내에는, 막대형 간섭부재(7)가 배설되고, 캐비티(9)의 한쪽에 앵커(8)로 고정되고, 캐비티(9)의 다른 쪽의 노즐구멍(6)내로 들어간다. 노즐구멍(6)의 직경은 간섭부재(7)의 직경보다 크게 하고, 간섭부재(7)는 노즐구멍의 위치에서는 이와 접촉하지 않는다. 막대형 간섭부재(7)는 제조중에 노즐구멍(6)을 통하여 노즐헤드(2)내로 삽입할 수 있다. 간섭부재(7)를 고정하기 위하여, 노즐구멍(6)의 축의 연장선의 배면에 구멍(8)을 형성하고, 그 안에 막대형 간섭부재를 삽입하고, 납땜으로 고정할 수도 있다. 막대형 간섭부재(7)는 바람직한 크기로 캐비티(9)내에 배설되어, 블라인드홀을 형성하는 캐비티(9)내에 흐르는 연료에 의하여 고주파 진동을 일으키고, 유출되는 연료의 방출시에 노즐구멍(6)에서의 단면의 환상간극의 형상이 일시적으로 대응하여 변경되거나 변화되며, 또한 환상간극을 통하여 유출하는 연료의 속도벡터에 영향을 준다. 진동하는 간섭부재(7)는 유출되는 연료의 속도의 분포에 있어서 비대칭을 일으키고, 제2a도에 나타낸 바와 같이 노즐헤드(2)의 외측에 난류를 유도한다. 제2a도는 연소실내로 뻗는 선단(22a)으로서, 시간에 따라서 분출하는 연료흐름(22)의 과정을 위에서부티 아래로 차례로 나타내고 있다. 그것은 배기가스가 배출되는 피오드(fiord)형 통로는 종단와류가 일어남에 따라서 급격히 개구되고, 연소중 산화질소의 형성을 억제하게 된다고 하는 것을 알 수 있다. 도시된 흐름의 형태를 얻기 위하여는, 단지 막대형 간섭부재(7)의 최소 진폭만이라도 충분하다. 이와 같은 상황하에서 큰 진폭은 노즐구멍(6)내의 흐름의 형태에 대하여 불리하다고 할 수 있으므로, 제2b도 및 제2c도에 나타낸 바와 같이 간섭부재(7)에 배열된 리브(10)를 통하여 간섭부재(7)의 진폭을 제한하는 것이 유리하다. 도시한 실시예에 있어서, 3개의 리브(10)는 간섭부재(7)의 외주에 따라서 배열되고 이 간섭부재(7)의 축에 평행으로 형성된다.

제2d도 및 제2e도에 나타낸 바와 같이, 간섭부재(7)에 나선형으로 형성되는 리브(10)를 배설하는 것이 바람직하고, 따라서 노즐구멍(6)으로부터 흐르는 연료에 와류운동을 일으키고, 예를 들면 노즐구멍(6) 외측의 흐름의 확산각도를 증대시킨다. 노즐구멍의 다른 형태를 제2f도 및 제2g도에 나타낸다. 운동가능한 간섭부재(7)가 노즐구멍(6)내에 원추형으로 형성되고, 따라서 노즐구멍(6)과 간섭부재(7)의 사이에 형성된 환상간극(6c)은 입구부(6a)로부터 출구부(6b)로 원추형으로 넓어지는 부분을 가진다. 이와 같이 형성된 환상간극(6c)은 노즐구멍축(6d)의 근방에서 연료방울이 응고되는 것을 방지할 수 있는 이점을 가질 수 있다. 제2h도는 노즐구멍(6)의 입구부(6a)의 바람직한 형태를 나타낸다. 이 입구부(6a)는 나팔형상의 구멍을 가지고, 이것은 예를 들면 전기화학 버링(burring)에 의하여 제작할 수 있다. 이와 같은 나팔형상의 구멍은 장기간의 운전에서도 노즐구멍(6)내에서의 흐름의 상태가 일정하게 유지되도록 보장한다.

제3도에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 대칭축(B)을 가진 브라인드홀(11)을 형성하는 캐비티(9)내에 헬리컬스퍼기어(12)가 삽입되고, 헬리컬스퍼기어(12)가 연료의 흐름에 따라서 분사단계중 회전하고, 따라서 노즐구멍(6)의 입구부(6a)가 주기적으로 닫힌다. 이와 같이, 스퍼기어(12)는 회전하는 간섭부재(12)로서 형성된다. 스퍼기어(12)는 원통형이고, 회전축(A)을 가지고, 본 실시예에 있어서 이 회전축(A)은 대칭축(B)과 일치하여 배설되어 있다. 헬리컬스퍼기어(12)에는 이 기어(12)의 전체높이에 따라서 홈(12a)이 형성되고, 연료의 흐름이 스퍼기어(12)를 회전운동시키도록 홈의 방향이 회전축(A)에 대하여 경사져 있다. 블라인드홀(11)의 하단(9a)에는, 볼(14)이 배설되어 마찰을 적게 하기 위하여 간섭부재(12)를 회전시키는 베어링으로서 작용한다.

노즐헤드(2)와 회전간섭부재(12)와의 사이의 간극폭(15)은 마찰이 적게 발생하도록 한 크기로 되어 있다. 회전간섭부재(12)는 노즐구멍(6)의 입구부(6a)를 주기적으로 닫으므로, 제3a도에 나타낸 바와 같이, 분출되는 연료흐름(21)에 있어서선단(21a),(21b),(21c)이 맥동 및 난류를 일으키고, 연소실로 전파된다. 이와 같이 다수의 선단(21a),(21b),(21c)을 형성하도록 연료의 유출이 주기적으로 강력히 간섭받고, 따라서 강한 난류때문에 연소물질이 연료흐름내로 끌려들어가서, 산화질소의 형성을 바람직하게 억제한다.

원형 구멍(6)은 평탄한 내면을 가지고, 회전간섭부재(12)와 결합하여 원통형으로 할 수 있고, 또는 제3b도 및 제3c도에 나타낸 바와 같이 노즐구멍(6)의 내면에 나선형으로 뻗는 홈(16)을 배설하여, 와류를 유도할 수 있다. 노즐구멍을 통하여 흐르는 연료의 맥동이 구멍의 입구부(6a)에서 일어나기 때문에 노즐구멍(6)과 그 내면은 어떠한 형태로 형성해도 된다.

제1도는 단순화를 위하여 간섭부재를 나타내지 않은 연료분사노즐의 종단면도.

제2도는 간섭부재가 배설된 노즐헤드의 종단면도.

제2a도는 시간에 따라서 변하는 연료흐름의 상태의 과정을 나타낸 도면.

제2b도, 제2d도 및 제2f도는 간섭부재가 안에 배설된 노즐구멍을 통한 종단면도.

제2c도 2e도 및 2g도는 간섭부재가 안에 배설된 노즐헤드의 외측에서 본 노즐구멍의 도면.

제2h도는 노즐구멍입구영역을 통한 종단면도.

제3도는 회전간섭부재가 배설된 노즐헤드의 종단면도.

제3a도는 시간에 따라서 변하는 연료흐름의 상태의 과정을 나타낸 도면.

제3b도는 노즐헤드의 외측에서 본 노즐구멍의 도면.

제3c도는 노즐구멍을 통한 종단면도.

Claims (16)

1. 캐비티(9), 연료 공급용 입구(5), 그리고 연료 분사용 최소한 하나의 채널형 구멍(6)을 가지는 연료 분사 노즐(20)용 노즐 헤드(2)로서,

   이동 가능한 간섭부재(7,12)를 노즐 헤드(2) 내에 설치하여, 상기 노즐 헤드를 통하여 흐르는 연료로 인하여 상기 간섭 부재가 이동하고, 상기 이동으로 인하여 상기 구멍(6)으로 유입되는 연료의 흐름에 맥동을 주어 분출 연료를 난류화하는

   연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
2. 제1항에서,

   상기 캐비티(9)는 최소한 구멍(6)의 영역에서 대칭축(B)을 갖는 원통단면을 가지고,

   상기 간섭 부재(12)는 원통 외주면(12b) 및 회전축(A)을 가지고,

   상기 원통 외주면(12b)은 회전축(A)방향의 전체 높이를 따라서 뻗어있는 최소한 하나의 홈(12a)을 가지고,

   상기 홈(12a)은 회전축(A)에 대하여 경사지고,

   상기 간섭 부재(12)는 상기 대칭축(B)과 상기 회전축(A)이 일치되도록 상기 캐비티(9) 내에 설치되고,

   상기 원통 외주면(12b)은 구멍(6)의 입구부(6a) 앞에 위치하는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
3. 제2항에서,

   상기 간섭 부재(12)는 헬리컬 스퍼 기어로 형성되는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
4. 제2항 또는 제3항에서, 상기 간섭 부재(12)는 볼(14)과 접촉하며, 상기 볼(14)을 통하여 막힌 구멍(11)의 하단(9a)에 연결되는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
5. 제1항에서, 상기 간섭 부재(7)는 노즐 헤드(2)에 결합되어 있으며, 상기 구멍(6) 내에 최소한 일부가 들어가 있으며, 상기 구멍(6)에 대하여 이동 가능한 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
6. 제5항에서, 상기 간섭부재(7) 및 상기 구멍(6)은 원통 형상이고, 상기 구멍(6)은 상기 간섭부재(7)보다 횡단면이 큰 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
7. 제5항에서, 상기 간섭부재(7) 또는 상기 구멍(6)은 원추대 형상이고, 상기 간섭부재(7)는 상기 구멍(6)에 대하여 이동 가능한 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에서, 상기 간섭부재(7)는 최소한 하나의 돌기 리브(10)를 가지는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
9. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에서, 상기 구멍(6)은 종방향으로 뻗는 최소한 하나의 홈(16)을 가지는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
10. 제8항에서, 상기 돌기 리브(10)는 나선형으로 형성되는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
11. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에서, 상기 간섭부재(7)는 핀형상으로 형성되고, 상기 핀은 구멍(6)에 대향하는 반대쪽의 노즐 헤드(2) 내의 캐비티(9) 측벽에 고정되는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.
12. 연료 분사 노즐(20)의 노즐 헤드(2)로부터의 연료의 분사 방법으로서,

    상기 노즐 헤드(2) 내로 도입된 연료는 상기 연료로 인하여 이동하는 간섭 부재(7, 12)에 통하여 난류로서 공급되는 노즐 헤드로부터의 연료 분사 방법.
13. 제12항에서, 상기 연료가 상기 노즐 헤드(2) 내로 도입되고, 최소한 노즐 헤드(2)로부터 분사되는 연료의 양이 상기 간섭부재(7, 12)에 의하여 연속적으로 변하는 노즐 헤드로부터의 연료 분사방법.
14. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 노즐 헤드(2)를 가지거나 제12항 또는 제12항에 따른 방법으로 동작하는 연료 분사 노즐.
15. 제14항에 기재한 연료 분사 노즐을 가지는 내연기관.
16. 제8항에서, 상기 홈(16)은 나선형으로 형성되는 연료 분사 노즐용 노즐 헤드.