KR100601188B1 - 가압된 와류 연료 인젝터를 위한 플랫 니들 - Google Patents

Abstract

인젝터 노즐은 아마츄어조립체에 의해 축방향으로 왕복운동하는 원통형 니들(14)을 포함하고 있다. 니들은 니들의 플랫 끝면과 측벽 사이에서 구형의 천이면(48)으로 플랫 끝면에서 끝나는 니들 팁을 가지고 있다. 니들의 직경과 밸브시트의 경사각도에 따라서, 플랫 끝면의 직경은 밸브시트를 통해서 오리피스의 직경보다 작을 수 있다. 플랫 끝면과 구형 천이면사이에 형성된 원형 에지는 액체연료와 공기가 밸브개방상태에서 지속적으로 니들로부터 분리되는 하나의 위치를 형성하여 스프레이 콘 각도와 유량의 편차가 정상적인 상태에서 그리고 천이 작동상태 동안에 최소화된다.

연료 인젝터, 내연기관, 아마츄어조립체, 밸브시트, 오리피스, 인젝터 니들, 연료 통로, 인젝터 몸체, 니들 팁

Description

가압된 와류 연료 인젝터를 위한 플랫 니들{FLAT NEEDLE FOR PRESSURIZED SWIRL FUEL INJECTOR}

본 발명은 전체적으로 내연기관에서 연소용 액체연료를 분사하기위한 연료 인젝터에 관한 것이고, 더욱 상세히는 연소챔버내로 연료를 직접 분사하기위한 고압 와류 연료 인젝터에 관한 것이다.

잘 알려진 바와같이, 내연기관내로 연료를 분사하기위한 연료 인젝터는 연료 인젝터의 팁을 통해 연료 흐름통로를 선택적으로 개폐하도록 전기기계식 액추에이터의 전기적인 여자화 또는 비여자화에 응답하여 연료 인젝터 몸체의 내부에 니들을 축방향으로 왕복시키기위한 아마츄어조립체를 전형적으로 포함하고 있다. 아마츄어조립체의 니들은 인젝터 팁에서 오리피스를 통해 연료를 흐르게 하는 밸브 개방위치와 니들의 팁이 밸브시트와 결합되는 밸브 폐쇄위치사이에서 밸브시트에 대하여 전형적으로 왕복운동한다. 종래에, 니들의 팁은 밸브시트와 결합을 위해 구형형상으로 되어있다.
미국 특허 US-A-5533480호는 니들 밸브를 가진 알려진 연료 인젝터를 개시하고 있다. 니들은 원통형 오리피스에서 플랫 밸브시트와 상호작용하는 절단된 원추형 천이면과 플랫 끝면을 가지고 있다. 밸브가 폐쇄위치에 있을 때 니들 팁의 일부분이 오리피스내로 뻗어있는 경우가 개시되어있다. 이러한 구성은 밸브를 작은 힘으로 작동하는데 적합하다.
미국 특허 US-A-5383607호에서 니들밸브는 또한 플랫 끝면과 천이면을 가지고 있다. 니들의 끝부가 오리피스보다 넓기 때문에 밸브가 폐쇄위치에 있을 때 니들이 오리피스내로 돌출하는 부분은 없다. 결과적으로, 니들밸브가 폐쇄위치에 있을 때에도 니들의 끝면과 밸브시트사이에 갭이 만들어진다. 천이면은 둥글게 되어 있어서 플랫 끝면과 천이면사이에 불연속 에지가 발생하지않는다. 이러한 구성에서는, 플랫 끝면과 둥근 천이면은 축선으로부터 방사상 간격이 감소하면서, 플랫 끝면과 밸브시트사이의 축방향 이격이 증가하면서 흐름단면의 감소를 방지하기 때문에 채택된다.

대부분의 연료 인젝터는 분사되는 연료에 와류를 발생시킨다. 와류타입 인젝터는 비교적 낮은 분사압력으로 넓게 분산된 스프레이를 주입하여 분무를 촉진시키는 장점을 가지고 있다. 분사공정동안, 가압된 연료는 접선방향 통로를 통해 흐르도록 가압되고 그리고 높은 각속도를 만든다. 결과적으로, 연료는 얇은 원추형 시트(sheet)의 형태로 방출 오리피스로부터 나오는데 이것은 중공의 원추형 스프레이를 만들고 그리고 미세한 방울로 신속하게 분리된다. 밸브 개방위치에서 흐름통로를 형성하는 표면들 즉, 밸브시트의 절단된 원추형 오목부와 니들의 구형 팁의 구성에 의해, 액체 연료 시트가 니들 팁으로부터 분리되는 위치는 일정하지 않다. 즉, 밸브구조체내에서 공기와 액체연료사이에 경계면은 니들의 팁으로부터 정확하게 일정한 위치로 분리되지 않는다. 이러한 분리 위치는 연료 유량과 스프레이 콘 각도, 즉 정상 및 과도한 작동 상태 동안에 스프레이 콘 패턴의 측면들 사이의 각도에서 실제로 편차를 야기한다. 예를들면, 스프레이 원추 각도 편차는 구형니들에서 5°만큼 높았고 그리고 유량편차는 구형형상의 니들 팁을 갖는 니들에서는 대략 ±4.8%정도였다. 니들 팁으로부터 액체시트의 분리하는 위치의 일정함은 연료를 정밀하게 미터링하고 그리고 원하는 스프레이 콘 각도를 형성하는데 중요하다. 공기/연료혼합을 위해 단지 매우 짧은 시간만이 이용될 수 있기 때문에 연료가 연소체적내로 직접 분사되는 직접 분사 불꽃점화 엔진에서 특히 중요하다. 결과적으로, 연료 인젝터의 유량과 스프레이 콘 각도의 편차감소가 필요하다는 것이 입증되었다.

본 발명에 의하면, 정상 상태 그리고 과도한 상태의 운전동안에 유량과 스프레이 콘 각도의 편차를 줄이기 위해서, 그리고 연료/공기의 혼합물이 항상 동일하고 일정한 위치로 분리되도록 구성된 니들 팁 형상을 제공하도록 특별히 형성된 연료 인젝터를 구비하는 것이다. 이것을 달성하기위해서, 인젝터의 니들 팁은 그 왕복축선 그리고 연료 인젝터 니들의 축선에 일반적으로 직각인 플랫 끝면으로 구비되어있다. 플랫 끝면의 직경은 아래에 놓이는 밸브 시트의 오리피스의 직경보다 작다. 결과적으로, 니들의 플랫 끝면과 이 플랫 끝면과 니들의 측면들과의 천이면 사이에 경계선, 즉 원형 에지를 구비하고 있다. 이러한 에지는 니들 팁에서 액체와 공기의 분리위치를 형성하도록 설계되어있다. 에지가 니들에서 일정한 구조로 되어있기 때문에, 니들 팁에 대한 연료와 공기의 분리위치는 정상 상태와 과도한 운전상태를 통해서 일정하고 지속적이다.

니들의 플랫 끝면과 측면들사이의 천이면은 구형면의 형태이다. 대부분의 경우, 플랫 끝면은 오리피스의 직경보다 작은 직경으로 되어있기 때문에, 오리피스에 대해 경사진 원추형 시트와 니들 팁의 구형 천이면사이의 결합은 밸브폐쇄위치에서 이들사이에 밀봉을 형성한다. 이러한 구성으로, 유량과 스프레이 콘 각도에서의 편차는 구형 니들 팁을 채용하는 스프레이 콘 각도와 유량의 편차와 비교하여 상당히 감소되기 때문에, 설계한 각도를 갖는 일정한 연료 유량의 콘 형상 스프레이를 항상 용이하게 형성할 수 있다. 이것은 공기와 연료를 혼합하기 위한 시간이 비교적 짧은 직접 분사 불꽃점화 엔진에는 특히 중요하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 시트, 시트를 통하는 오리피스, 및 오리피스를 통해서 그리고 니들과 시트사이에서 연료를 흐르게 하기위해, 통로를 형성하는 시트로부터 팁이 이격되는 제 1위치와 팁이 시트와 결합하여 연료통로를 폐쇄하는 제 2위치사이에서 축선을 따라 왕복운동가능한, 인젝터 니들을 갖춘 인젝터 몸체를 포함하는 내연기관용 연료 인젝터를 구비하는데, 상기 니들 팁은 상기 축선에 직각인 플랫 끝면을 가지고 있고 그리고 니들의 측면치수보다 작은 측면치수를 가지고 있으며, 측면내에서 연속적인 에지를 형성하는 끝면은 시트에 대하여 니들의 제 1위치에서 니들 팁으로부터 연료를 분리하는 위치를 형성하도록 니들을 형성한다.

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따라서, 본 발명의 주된 목적은 스프레이 콘 각도와 유량의 편차가 감소된 그리고 특히 직접 분사 불꽃점화 엔진에 의해 유리한 새롭고 개량된 연료 인젝터를 제공하는 것이다.

도 1은 분사 니들의 하부끝에서 구형표면을 가진 종래의 연료 인젝터의 단면도; 그리고

도 2는 본 발명에 따라 구성된 연료 인젝터의 끝부의 부분확대 단면도;

도 1을 참조하면, 전체적으로 10으로 도시된 연료 인젝터가 도시되어 있는데, 이것은 인젝터 니들(14)을 지지하는 왕복운동하는 아마츄어조립체(12)를 포함하고 있다. 아마츄어조립체(12)는 밸브시트(16)에 대하여 개방과 폐쇄위치사이에서 축선을 따라서 니들(14)을 변위시키도록 왕복운동가능하다. 인젝터 니들은 밸브 개방위치에서 밸브 또는 니들 시트(16)로부터 이격된 니들 팁을 포함하여 방출 오리피스(18)를 통해서 연료 흐름을 가능하게 하고 그리고 방출 오리피스(18)에 접하는 밸브 폐쇄위치에서 밸브 또는 니들 시트(16)와 결합된다. 아마츄어조립체(12)는 니들(14)을 폐쇄위치로 가압하는 스프링(19)을 포함하고 있다. 펄스 전기신호의 수신에 응답하여 전자코일(22)은 아마츄어조립체(12)와 니들(14)을 스프링의 힘에 대항하여 주기적으로 변위되도록, 니들을 밸브개방위치로 주기적으로 변위시킨다. ECU의 드라이버 회로(24)는 전자코일(22)에 이 신호를 적용한다. 중앙 축방향 통로(21)를 통해서, 아마츄어(12)를 통해서, 니들(14)의 주위를 유동하여, 방출 오리피스(18)를 통해 분사되도록 연료가 연료 인젝터 입구(17)에 공급된다. 니들(14)의 팁은 전통적으로 구형형상이다.

도 2에 예시된 바와같이, 연료 인젝터(10)의 하부 몸체(26)는 외부로 아래로 경사진 벽면(28)과 하부 가이드(32), 미터링 와류 디스크(34) 및 밸브시트(16)를 감싸는 원통형 벽면(30)을 가진 챔버를 포함하고 있다. 가이드(32)와 디스크(34)는 니들(14)을 미끄럼가능하게 수용하기위한 중앙개구부를 가지고 있다. 밸브시트(16)는 경사진 면(38)을 포함하고 있는데, 즉 원통형의 중앙 오리피스(18)에서 끝나는 절단원추형 면을 포함하고 있다. 각각의 가이드(32)와 미터링 와류 디스크(34)는 니들(14)과 밸브몸체(26)사이의 환형공간에서 챔버(29)내로 연료흐름을 수용하기위해, 각각 정합된 개구부(40,42)를 가지고 있다. 연료는 미터링 디스크에 의해 니들 팁과 경사진 원추형 면(38)사이의 공간내로 흐르도록되어 오리피스(18)를 통과한다. 그러므로, 미터링 와류 디스크(34)는 니들(14)의 팁과 면(38)사이의 공간과 연통하는 통로(44)를 가지고 있다. 인젝터의 상기한 요소들은 잘 알려져 있기 때문에 더이상의 설명은 필요없다고 생각된다.

도 2로부터 명백한 바와같이 본 발명에 의하면, 니들(14)의 팁은 니들(14)의 축선(A)에 직각인 플랫 평면의 원형면(46)과 니들(14)의 원통형 측벽과 플랫 원형면(46)사이에 천이면(48)을 가지고 있다. 바람직하게, 천이면(48)은 니들(14)의 축선(A)을 따른 한 위치에 중심을 가진 반경(49)을 가진 구형면의 부분을 형성하고 있다. 결과적으로, 천이면(48)과 플랫 원형면(46)의 접합점은 예리한 원형 에지(50)를 형성한다. 대부분의 실시예들의 경우에, 절단원추형 밸브시트의 경사각도(included angle)와 니들의 직경에 따라서, 플랫 끝면(46)의 직경(d_f)은 또한 오리피스(18)의 직경(d_o)보다 작으며, 오리피스와 니들은 축선(A)상에 놓인다.

니들과 밸브시트는 연료가 미터링 와류 디스크(34)로부터 오리피스(18)로 흐르도록 천이면(48)과 경사면(38)사이에 흐름통로(52)를 형성하는 밸브개방위치로 예시되어있다. 에지(50)는 원형의 분리선, 즉 흐름 이탈(break-off)위치를 형성하는데, 여기에서 오리피스로 흐르는 액체연료는 니들 팁으로부터 지속적으로 분리된다. 흐름통로(52)와 오리피스(18)를 통한 와류 흐름은 스프레이 콘의 대향측사이에서 스프레이 콘 각도(α)를 가진 원추형 스프레이 패턴(54)을 야기한다. 천이면(48)과 팁의 플랫 끝면의 접합점에 에지(50)를 위치시키므로써, 스프레이 콘 각도와 유량의 편차는 정상적인 상태와 과도적인 운전동안에 최소화된다. 니들 팁을 종래의 구형 끝면과 비교하면, 구형 니들 팁의 유량편차는 ±4.8%인데 비하여 ±2.2%로 감소하였다. 콘 각도 편차는 구형 니들 팁과 비교하면 원래의 5°로부터 3°로 감소하였다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 니들은 약 2mm의 직경을 가질 수 있고, 플랫면은 약 0.7mm 바람직하게는 0.72mm의 직경을 가지고 있으며 그리고 오리피스는 약 1mm의 직경을 가지고 있다. 구형의 천이면(48)의 반경(49)은 약 1.2mm이며 중심이 축선(A)에 있다.

니들이 폐쇄위치에 있을 경우, 천이 구형면(48)은 경사면(38)과 결합하여 밸브를 폐쇄한다. 이 점에 관해서, 니들은 팁이 완전한 구형면인 종래의 니들 팁과 유사하게 작동된다. 하지만, 니들이 면(38)으로부터 도시된 밸브개방위치로 후퇴될 때, 흐름은 플랫 끝면(46)과 구형면(48)사이의 에지(50)가 니들 팁으로부터 분리되어 스프레이 콘 각도와 유량의 편차를 최소화시킨다. 이것은 상기한 바와같이, 연료 인젝터가 연소챔버, 즉 인젝터(10)의 팁에 의해 부분적으로 형성된 챔버내로 직접 개방되는 직접 분사 불꽃 점화 엔진에서는 상당히 중요하다.

본 발명을 현재 최상의 실제적이고 바람직한 실시예을 고려하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 반대로, 여러가지 변화와 수정은 청구범위의 사상과 범위내에 포함된다.

Claims (18)

1. 시트(16), 상기 시트를 통하는 오리피스(18), 및 상기 오리피스(18)를 통해서 그리고 니들(14)과 상기 시트(16)사이에서 연료의 흐름을 위해 통로(52)를 형성하는 상기 시트(16)로부터 팁이 이격된 제 1위치와 상기 팁이 상기 시트(16)와 결합되고 상기 연료 통로(52)를 폐쇄하는 제 2위치사이에서 축선(A)을 따라 왕복운동가능한, 전체적으로 원통형인 인젝터 니들(14)을 갖추고 있는 인젝터몸체를 포함하고,

   여기에서 오리피스(18)는 전체적으로 원통형이고 그리고 니들(14)의 왕복운동의 축선(A)과 동축인 축선을 가지고 있으며,

   상기 니들 팁은 상기 축선(A)에 직각인 원형의 플랫 끝면(46)을 가지고 있고, 플랫 끝면은 오리피스(18)의 직경보다 작고 그리고 상기 니들(14)의 직경보다 작은 직경을 가지고 있으며,

   상기 끝면은 시트(16)에 대하여 니들(14)의 제 1위치에서 니들 팁으로부터 연료를 분리하기위한 하나의 위치를 형성하는 상기 니들(14)의 측면 경계내에서 연속 원형 에지(50)를 형성하고 있는, 내연기관용 연료 인젝터에 있어서,

   니들 팁은 상기 니들(14)의 측면들과 상기 플랫 끝면(46)을 결합하는 천이면(48)을 가지고 있고, 상기 천이면(48)은 상기 플랫 끝면(46)과 상기 에지를 형성하고 있으며, 천이면(48)은 일부분이 구형면이고, 구형면부분은 상기 니들의 상기 제 2위치에서 상기 시트(16)와 결합하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시트(16)는 상기 니들(14)의 상기 제 2위치에서 상기 천이면과 결합하는 오목한 절단된 원추형의 경사면(38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터.
3. 제 2 항에 있어서, 오리피스(18)와 통로(52)를 통해서 연료가 흐르도록 와류를 부여하기 위해서 상기 니들(14)을 둘러싸고 그리고 상기 시트(16)와 겹쳐지는 와류 디스크(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 니들(14)은 약 2mm의 직경을 가지고 있고, 상기 플랫면(46)은 약 0.7mm의 직경을 가지고 있으며 그리고 상기 오리피스(18)는 약 1mm의 직경을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터.
5. 제 4 항에 있어서, 구형면은 약 1.2mm의 반경을 가진 것을 특징으로 하는 연료 인젝터.
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