KR100714852B1 - 고압연료 분사용 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노즐(5)을 통해 고압 유체를 분사하기 위한 인젝터에 관한 것이다. 인젝터바디(1)는 고압공급관(20)과 무압 배출관(18)을 포함한다. 상기 인젝터바디(1)는 공동의 고압콜렉터챔버(common rail)(22)와 연결되며, 노즐(5)을 제어하기 위한 마그네틱밸브(6)를 갖는다. 축방향으로 연장하는 슬리브(2)는 인젝터바디(1) 내에 동작가능하게(movably) 수용되고, 슬리브의 한쪽 선단부는 볼밸브(6, 15)에 의해 제어되고 슬리브의 다른쪽 선단부는 고압보어(20.2)의 분지(branch)(13)가 연결되는 노즐니들제어실(12)을 한정한다.

Description

고압연료 분사용 인젝터{INJECTOR FOR HIGH-PRESSURE FUEL INJECTION}

극도의 고압 하에 있는 연료를 분사하기 위한 인젝터는 분사과정을 제어하는 슬라이더와 내연기관의 연소실로 돌출되는 노즐니들을 갖는다. 인젝터에는 인젝터의 구동을 위해 일반적으로 마그네틱밸브(magnetic valve)가 장착되며 이런 마그네틱밸브를 통해 매우 짧은 구동시간이 실현된다.

종래 기술에서는 멀티웨이밸브(multiway valve)가 장착될 수 있는 내연기관용 인젝터가 알려져 있다. 일반적으로 매우 짧은 개폐시간이 실현될 수 있는 마그네틱밸브가 인젝터 구동을 위해 사용된다. 극도로 견고하게 기밀되는 디젤엔진의 경우 분사과정을 달성하기 위해 특정 인젝터 영역에서 인젝터는 1600바까지의 압력으로 압박되므로, 고압실로부터 이 고압실에 비해 상대적으로 낮은 압력을 갖는 공간을 분리하는 부품과, 그리고 움직이는 부분에 의해 상대운동이 나타나는 면(surface)에서 누설손실이 나타난다. 이런 누설손실은 매 분사과정마다 나타나며 예를 들어 니들지름 그리고 스풀밸브지름에서 나타날 수 있다. 예를 들어 연소실로 유입되는 노즐니들에서 누설손실이 발생하는 경우, 내연기관의 연소실 내에서의 연료의 누설손실은 내연기관의 정지 후 소위 "디젤링"을 야기시킬 수 있다. 이외에도 인젝터의 대향측 단부, 즉 2/2-웨이밸브로서 기능하는 마그네틱밸브에서도 누설손 실이 나타날 수 있다.

노즐니들시트에서 매 분사과정마다 나타나는 누설손실은 최고 연료분사압을 갖는 본 발명에 따른 인젝터를 통한 해결 방안을 통해 효과적으로 억제된다. 인젝터의 마그네틱밸브측 단부의 초오크 영역에서 발생하는 누설손실은 환류관을 통해 다시 저장탱크로 환류될 수 있는 소위 마그네틱밸브제어량손실을 의미한다. 인젝터가 시스템 압력 하에 있지 않을 경우, 슬리브와 노즐니들은 노즐니들시트 방향으로 압박되고 노즐니들시트가 연소실에 대항하여 차단되는 것이 마그네틱밸브에 수용된 밸브차단스프링에 의해 보장된다. 이와 반대로 인젝터가 시스템 압력으로 급기되는 경우, 분지(branch)를 통해 노즐니들제어실로 유입되는 고압 연료는, 노즐니들제어실로 돌출되는 노즐니들이 자신의 선단부에서 마찬가지로 높은 연료시스템압력으로 압박되는 것을 가능케 한다. 노즐니들제어실측 단부에서의 노즐니들의 지름은 노즐니들시트에서의 지름보다 크므로, 인젝터바디 단부에서의 노즐니들제어실의 급기를 통해 노즐측에서의 기밀효과가 달성된다.

인젝터바디에 수용된 마그네틱밸브에 연료가 흐를 경우 비로소 노즐니들제어실에서의 압력이 하강한다. 마그네틱밸브측 초오크개구의 지름은 인젝터바디의 대향 단부에서의 노즐니들제어실 방향으로의 분지의 지름보다 크므로 이런 압력하강이 가능하다. 슬리브의 선단부와 그리고 대향하는 노즐니들의 단부 사이의 노즐니들제어실에서의 압력은 하강하고, 노즐니들은 노즐단부에서 지속적으로 가해지는 고압에 의해 슬리브의 제어실측 선단부로 움직이고 분사과정이 개시된다. 마그네틱밸브의 연료흐름이 중단된 후에 슬리브의 축방향 보어에서 발생하는 압력해머(pressure hammer)에 의해 분사과정이 종료된다. 마그네틱밸브의 차단 후 슬리브의 축방향 보어에서 발생하는 압력파는 상기 보어를 통해 노즐니들제어실까지 전파되고 노즐의 연소실측 단부에서 노즐니들을 노즐니들시트 방향으로 순간적으로 압박하는 작용을 한다. 이런 "해머 파이프 효과(hammer pipe effect)"라고도 불리는 압력증가는 노즐니들제어실을 마주보는 노즐니들의 면에 작용하는데, 상기 노즐니들 면의 지름은 노즐니들시트에서의 노즐니들의 지름보다 크다. 슬리브 내에서의 압력증가를 통해 노즐니들은 누설손실이 마그네틱밸브제어량으로 한정될 정도로 빠르게 노즐개구를 차단한다.

본 발명에 따라 제안되는 다른 장점은 인젝터에서 주로 노즐, 제어밸브, 슬리브 및 인젝터바디로 이루어지는 최소한의 부품만이 필요하다는 것이다.

다음에서는 도면을 통해 본 발명에 대해 상세히 기술된다.

도 1은 유입측에서는 고압콜렉터챔버와 연결되고 배출측에서는 저장탱크와 연결되는 인젝터바디의 종단면도.

도 2는 인젝터바디를 관통하는 슬리브와 노즐니들 사이의 노즐니들제어실의 확대도.

도 1에는 인젝터바디의 종단면도가 도시되어 있는데, 이것은 유입측에서 공동의 고압콜렉터챔버(common rail)와 연결되고 이외에도 무압 배출관을 통해 저장 탱크와 연결된다.

상기 인젝터바디(1)는 자신의 축방향으로 뻗어 있는 보어에 의해 관통되며 이 보어에는 슬리브(2)가 삽입되어 있다. 상기 슬리브(2) 스스로는 축방향의 보어(17)를 가지며 인젝터바디에 대해 서로 다른 여유(clearance)를 갖는 두 개의 지름영역으로 구분될 수 있다. 인젝터바디(1)의 상단영역의 초오크개구(16)에서 노즐(5) 영역의 원뿔시트정지면(11)에까지 연장되는 제1지름영역(4)에서 슬리브(2)는 인젝터바디(1)에서 0.01mm 초과의 여유를 가지며, 이때 축방향으로 연장하는 슬리브에서 보어(17)의 지름은 1.5mm이다.

원뿔시트정지면(11)에서부터 슬리브선단부 방향으로 연장하는 지름영역(3)에서 슬리브(2)는 거의 여유없이 고정되어 있는데, 이 영역에서의 여유는 0.01mm 미만이다. 이로 인해 슬리브(2)의 가공품질 및 동심성공차(concentric tolerance)에 매우 높은 요구조건이 부여된다.

상기 슬리브(2)를 수용하는 인젝터바디(1)는 내연기관의 연소실로 돌출되는 영역에서 노즐(5)을 포함하는데, 이 노즐은 노즐니들(8)을 감싼다. 상기 노즐(5)은 점선으로 표시된 센터링핀(25)을 통해 인젝터바디(1)에 대해 정렬될(align) 수 있는데, 이 경우 정렬을 위해 센터링핀(25) 외에도 다른 센터링부재가 사용될 수도 있다. 인젝터바디(1)의 상단영역에는 마그네틱밸브(6)로서 형성된 2/2-웨이밸브가 장착된다. 상기 마그네틱밸브(6)는 볼밸브(15)에 작용하는데, 이 볼밸브는 인젝터바디(1) 안에 있는 슬리브(2)의 상단에 배열된 슬리브의 초오크개구(16)를 차단한다. 마그네틱밸브(6)는 제어장치(19)를 통해 제어될 수 있는데, 도 1에서 도식적으 로 도시되어 있는 이 제어장치는 마그네틱밸브(6)와 연결되어 있으며 이 마그네틱밸브를 제어한다.

최고압이 1600바 이상인 연료를 분사하기 위한 인젝터의 인젝터바디(1)는 고압공급관(20)을 통해 급기된다. 공급관접합부에 연결되는, 인젝터바디(1) 내의 고압보어(20.2)와 고압콜렉터챔버(22)는 이 고압콜렉터챔버(22)에서부터 시작되는 고압공급관(20)과 공급관접합부(20.1)를 통해 서로 연결된다. 연료는 고압펌프(23)를 통해 저장탱크(24)에서 고압콜렉터챔버(22)로 이송되는데, 서로 상이한 인젝터로 분지되는 각각의 고압공급관(20)은 이 고압콜렉터챔버로부터 시작된다. 여기에 도시된 실시예변형의 경우, 예를 들어 내연기관의 네 개의 인젝터는 고압콜렉터챔버(common rail)(22)를 통해 극도의 고압 하에 있는 연료를 공급받을 수 있다. 이외에도 6 실린더형 또는 8 실린더형 내연기관을 위한 고압콜렉터챔버(22)에 6개 또는 8개의 인젝터로 향하는 분지를 장착하는 것도 당연히 가능하다.

인젝터바디(1)의 상단 영역에는 이미 상술된 마그네틱밸브(6)가 존재하는데, 이 마그네틱밸브는 볼밸브(15)에서 슬리브(2)의 초오크개구(16)를 차단하거나 또는 연료가 흐를 때 다시 개방한다. 마그네틱밸브(6)를 통해 초오크개구(16)가 개방되는 경우 일정 마그네틱밸브제어 연료량은 축방향으로 연장하는 슬리브(2)의 상기 초오크개구(16)를 통해 볼밸브(15) 상단의 밸브차단스프링(7)으로 채워진 빈공간으로 유입된다. 마그네틱밸브제어량은 무압 배출관(18)을 통과해 인젝터바디(1) 내에서 별도의 보어로서 제작된 무압 배출관을 거처 다시 저장탱크(24)에 도달한다. 마그네틱밸브제어량은 연료이송기능을 하는 분사시스템의 부품으로 다시 유입될 수 있으므로 이런 의미에서 마그네틱밸브제어량은 손실로 간주되지 않는다.

마그네틱밸브(6)와 볼밸브(15) 사이에 수용된 밸브차단스프링(7)은 노즐니들시트(9) 영역에서 노즐(5)을 차단하는 기능을 하는데, 상기 밸브차단스프링은 인젝터바디(1)에 수용된 슬리브(2)의 상단부에서 초오크개구(16)에 대항하여 볼을 압박한다. 인젝터바디(1)의 하단부에는 도 2에서 확대된 척도로 다시 도시되는 노즐니들제어실(12)이 형성되어 있다.

상기 노즐니들제어실(12)은 한편으로는 슬리브(2)의 제어실측 선단부에 의해 한정되고, 다른 한편으로는 노즐니들(8)의 노즐개구 반대측 단부에 의해 한정된다. 공급관접합부(20.1)에서 시작하여 인젝터바디(1)를 관통하는 고압보어(20.2)의 분지(13)는 노즐니들제어실(12)로 유입된다. 상기 고압보어(20.2)는 인젝터바디(1)를 통과해 노즐(5)에까지 연장하는데, 상기 인젝터바디는 예를 들어 센터링핀(25)을 통해 노즐(5)에 대해 정렬될 수 있다. 노즐니들시트(9)의 지름과 비교해(도 1 참조) 노즐니들(8) 단부의 노즐니들지름(14)은 더 크게 형성된다.

도 1 및 도 2에서 상세히 설명된, 본 발명에 따른 인젝터의 작동방식은 다음과 같다.

바람직하게는 급동 개폐형 마그네틱밸브로서 형성되는 2/2-웨이밸브가 연료를 통과시키지 않고 시스템압력이, 즉 고압콜렉터챔버(22)의 고압이 인젝터바디(1)에 형성되지 않는 동안, 볼밸브(15)의 상단에 위치한 밸브차단스프링(7)은 인젝터바디(1) 내에서 동작가능하게 지지되는 슬리브(2)를 노즐니들시트(9) 방향으로 압박한다. 이로 인해 노즐니들(8)은 노즐니들시트(9)로 압박되므로 연소실로 향하는 노즐니들 개구는 차단된 채 유지되고 연료의 의도치 않는 유출, 즉 "디젤링"이 일어나지 않는다.

내연기관의 기동 후 인젝터가 고압콜렉터챔버(22) 내에 형성된 1600바 이상의 고압으로 압박되면, 연료는 공급관접합부(20.1)를 통해 인젝터바디(1)의 고압보어(20.2)로 유입된다. 이 경우 연료는 한편으로는 노즐니들시트(9)에 접하며 다른 한편으로는 분지(13)로서 작용하는 개구를 통해 노즐니들제어실(12)에도 접한다. 노즐니들제어실(12)로 돌출되는 노즐니들(8)의 단부영역의 노즐니들지름(14)은 노즐니들시트(9)에서의 노즐니들(8) 지름보다 크게 형성되어 있으므로, 노즐니들제어실(12) 내에서 발생된 차단력은 이 차단력에 대항하여 작용하는 노즐니들시트(9)에서 발생된 유압력보다 크다. 즉 연소실로 향하는 노즐(5) 개구는 차단된 채 유지된다.

제어장치(19)에 의한 마그네틱밸브(6)의 제어를 통해 볼밸브(15)는 인젝터바디(1)에 삽입된 슬리브(2)의 상단면에서 초오크개구(16)로서 작용하는 개구를 개방한다. 상기 초오크개구(16)의 크기는 고압보어(20.2)의 분지(13)보다 크고, 여기서 상기 분지(13)는 노즐니들제어실(12)로 유입되고 초오크로서 작용한다. 따라서 노즐니들제어실(12) 내의 압력은 하강하고 노즐니들(8)은 자신의 단부영역을 슬리브(2)의 선단부(10) 방향으로 움직인다. 이로 인해 노즐니들(8)에 의해 노즐니들시트(9)가 개방되고 내연기관의 연소실로의 분사가 개시된다. 제어장치(19)에 의해 마그네틱밸브(6)의 연료흐름이 차단됨으로써 분사과정은 종료된다. 볼밸브(15)는 초오크개구(16)를 차단하고 마그네틱밸브제어량은 무압 배출관(18)을 통해 밸브차단스프링(7)을 수용하는 빈공간(free space)을 거쳐 저장탱크(24)로 환류된다.

인젝터바디(1)를 관통하는 슬리브(2) 내에서 보어(17)의 지름이 1.5mm 미만이므로, 보어(17)에서의 빠른 유속은 강한 압력파(pressure wave)로 전환되는데, 이 압력파는 노즐니들제어실(12)에서 압력을 증가시키는 작용을 한다. 상기 노즐니들제어실에서 돌발적으로 발생하는 높은 압력은 노즐니들(8)의 단부영역, 더욱 정확하게는 노즐니들의 선단부에 작용하고 노즐니들을 노즐니들시트(9) 방향으로 움직이게 한다. 상기 "해머 파이프 효과"로 인해 노즐니들제어실(12)에서 돌발적으로 증가된 압력은 원래 노즐니들시트(9)에 지속적으로 가해지는 공급관접합부(20.1)의 고압, 즉 커먼레일(common rail) 내의 압력보다 강하다. 이로 인해 인젝터바디(1)에서 연소실쪽으로의 노즐개구가 차단된다.

노즐(5)의 연소실측 개구에서 노즐(5)의 효과적인 기밀이 보장되므로 이런 해결방안을 통해 마그네틱밸브제어량의 누설손실을 줄일 수 있다. 마그네틱밸브제어량은 저장탱크(24)로 환류되며 재활용될 수 없도록 소실되는 것이 아니라 다시 분사량으로서 압축될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 인젝터의 효율은 현저하게 개선되며 이런 개선은 최소한의 부품으로 실현될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해, 슬리브 내에서의 압력증가를 통해 노즐니들은 누설손실이 마그네틱밸브제어량으로 한정될 정도로 빠르게 노즐개구를 차단하는 것이 가능하고, 또한 노즐, 제어밸브, 슬리브 및 인젝터바디로 이루어지는 최 소한의 부품만이 필요하게 된다.

Claims (10)

1. 인젝터바디(1)는 고압공급관(20)과 무압 배출관(18)을 포함하고 공동의 고압콜렉터챔버(22)와 연결되며, 노즐(5)의 제어를 위해 마그네틱밸브(6)가 장착되는, 상기 노즐(5)을 통한 고압 유체 분사용 인젝터로서,

   슬리브(2)는 상기 인젝터바디(1) 내에서 동작가능하게(movably) 수용되고, 상기 슬리브의 한쪽 선단부는 볼밸브(6, 15)에 의해 제어될 수 있고 상기 슬리브의 다른쪽 선단부는 고압보어(20.2)의 분지(branch)(13)가 연결되는 노즐니들제어실(12)을 한정하는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브(2)의 마그네틱밸브측 단부에 초오크로서 기능하는 초오크개구(16)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브(2)의 제어실측 단부로 유입되는 고압보어(20.2)의 분지(13)는 초오크로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
4. 제 2 항 또는 제 3항에 있어서, 상기 슬리브(2)의 초오크개구(16)의 지름은 상기 슬리브(2)의 분지(13)의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는, 인젝터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브(2)의 마그네틱밸브측 단부에 장착된 볼밸브(15)는 밸브차단스프링(7)에 의해 압박되는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 인젝터바디(1)와 상기 슬리브(2) 사이에서 나타나는 여유(clearance)는 상기 슬리브(2)의 제어실측 선단부(10)와 원뿔시트정지면(11) 사이에서 0.01mm 미만인 것을 특징으로 하는, 인젝터.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 분지(13)를 통한 노즐니들제어실(12)의 급기 시 노즐니들(8)은 노즐니들시트(9)로 압박되는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐니들(8)의 선단부의 노즐니들지름(14)은 노즐니들시트(9)에서의 노즐니들지름보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브(2)는 상기 인젝터바디(1)를 관통하는 것을 특징으로 하는, 인젝터.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐(5)은 센터링핀(25)을 통해 상기 인젝터바디(1)에 대해 위치되는 것을 특징으로 하는, 인젝터.

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