KR100737712B1 - 노즐 니들에 환형 홈을 구비한 내연 기관용 분사 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노즐 니들(5)이, 블라인드 홀(2)과 노즐 니들 시트(4) 사이에 있는 이행부(7) 영역에 환형 홈(8)을 포함하는, 분사 노즐(1)에 관한 것이다. 시트 구멍-분사 노즐에서는, 분사구(3)의 영역에 환형 홈(8)이 있다. 상기 노즐 니들(5)의 부분 행정 영역에서, 환형 홈(8)을 통해, 분사 노즐(1)의 유동 저항의 공차가 줄어들고 따라서 분사된 연료량은 더 정확하게 측정될 수 있다.

노즐 니들, 환형 홈, 노즐 니들 시트, 분사구, 분사 노즐, 블라인드 홀

Description

노즐 니들에 환형 홈을 구비한 내연 기관용 분사 노즐{Injection nozzle for an internal combustion engine with annular groove in said nozzle needle}

본 발명은 하나 이상의 분사구, 노즐 니들 시트 및 노즐 니들을 구비한, 내연 기관용 분사 노즐에 관한 것이다.

상기 방식의 분사 노즐에서는 특히 노즐 니들의 부분 행정 영역에서 유동 저항이 크게 변동되고, 이로 인해 분사되는 연료량도 변동된다. 그 결과 상기 분사 노즐을 구비한 다수의 내연 기관의 방출 특성 및 연비 특성은 최적이 아니다.

본 발명의 목적은, 동일한 구조를 가진 분사 노즐의 다양한 실시예에서 노즐 니들의 부분 행정 영역에서 분사량의 변동이 감소되는 분사 노즐을 제공하고, 이로써 본 발명에 따른 분사 노즐을 구비한 내연 기관의 연비 및 방출 특성을 개선하는 것이다.

상기 목적은, 상기 노즐 니들 시트를 향한 노즐 니들의 단부가 환형 홈을 포함하는, 하나 이상의 분사구, 노즐 니즐 시트 및 노즐 니들을 구비한 내연 기관용 분사 노즐에 의해 달성된다.

상기 노즐 니들 시트를 향한 노즐 니들의 단부에 있는 환형 홈은 노즐 니들의 부분 행정 영역에서 분사 노즐의 스로틀링 작용에 결정적인 역할을 한다. 높은 재현 정확도로 환형 홈을 제작할 수 있기 때문에, 동일한 구조를 가진 분사 노즐의 다양한 실시예들 간에 분사 노즐의 스로틀링 작용은 단지 적은 범위로만 변동된다. 상기와 같은 이유로, 본 발명에 따른 분사 노즐의 작동 특성을 측정함으로써 구조가 동일한, 다른 모든 분사 노즐의 작동 특성이 더 높은 정확도로 예측될 수 있으며, 따라서 분사 과정도 이에 상응하게 최적으로 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 분사 노즐의 변형예에서, 상기 노즐 니들 시트는 원뿔대형이고, 이로써 노즐 니들 시트내에서 노즐 니들의 양호한 밀봉 작용 및 양호한 센터링이 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에서, 노즐 니들 시트의 원뿔각은 60°이므로, 노즐 니들과 노즐 니들 시트 사이의 양호한 밀봉 작용이 얻어진다.

또한, 노즐 니들 시트를 향한 노즐 니들의 단부는 원뿔이고 노즐 니들의 원뿔각은, 노즐 니들 시트의 원뿔각 보다 최대 1°, 바람직하게 15 내지 30 분(minute) 더 크므로 밀봉면이 감소되고 노즐 니들의 최대 직경 영역으로 옮겨진다.

본 발명의 실시예에서 환형 홈은 원뿔의 베이스면에 평행하게 뻗어 있으므로 노즐 니들의 전체 원주에 걸쳐 동일한 유동 조건이 주어진다.

변형예에서는 하나 이상의 분사구를 포함하는 블라인드 홀이 노즐 니즐 시트에 인접하므로, 본 발명에 따른 노즐 니들의 장점이 블라인드 홀-분사 노즐에도 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 분사 노즐이 폐쇄된 경우, 분사 노즐의 베이스로부터 블라인드 홀과 노즐 니들 시트 사이의 이행부까지의 간격은 분사 노즐의 베이스로부터 환형 홈의 중심까지의 간격과 실질적으로 동일하므로, 노즐 니들의 부분 행정 영역에서 환형 홈은 이행부를 대신하여 분사 노즐의 스로틀링 작용을 결정한다.

본 발명의 실시예에서는, 상기 환형 홈의 폭이 0.1 mm 내지 0.3 mm, 바람직하게는 0.16 mm 내지 0.24 mm 이므로, 충분히 큰 부분 행정 영역에 걸쳐 상기 환형 홈은 분사 노즐의 스로틀링 작용에 결정적이다. 상기 환형 홈은 모든 경우에 있어서, 환형 홈의 전방 에지만이 일시적으로 스로틀링 작용을 하도록 커야 한다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 환형 홈의 깊이가 0.02 mm 내지 0.2 mm, 바람직하게 0.08 mm 내지 0.14 mm 이므로, 환형 홈의 체적이 작게 유지됨으로써, 내연 기관의 정지시 증발하는 연료량도 적게 유지된다. 그럼에도 불구하고 분사 노즐의 스로틀링 작용은 환형 홈에 의해 충분히 영향을 받는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 블라인드 홀은 원뿔형이므로, 원뿔형 블라인드 홀-분사 노즐의 부분 부하 특성이 개선된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 블라인드 홀은 원통형으로 실시되므로, 원통형 블라인드 홀-분사 노즐의 부분 부하 특성도 개선된다.

또 다른 실시예에서, 상기 블라인드 홀은 미니 블라인드 홀이거나 또는 마이크로 블라인드 홀이므로, 본 발명에 따른 장점이 상기 분사 노즐에서도 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 변형예에서, 노즐 니들 시트는 하나 이상의 분사구를 포함하므로, 본 발명에 따른 노즐 니들의 장점이 시트 구멍-분사 노즐의 경우에도 사용될 수 있다. 상기 시트 구멍-분사 노즐의 경우, 노즐 니들 시트에 대한 노즐 니들의 불완전한 센터링에 의해, 원주에 분포된 분사구에 제공된 연료 압력이 동일하지 않은 문제가 때때로 나타나고, 이는 분사시, 바람직하지 않은 상태를 초래할 수 있다. 상기 환형 홈에 의해 분사구들 사이의 압력 보상이 이루어지므로, 노즐 니들의 불완전한 센터링은 분사 상태에 부정적인 영향을 미치지 않는다.

또 다른 변형예에서는, 분사 노즐이 폐쇄된 경우, 분사 노즐의 베이스로부터 노즐 니들 시트를 통과하는 분사구(들)의 종축과의 교점까지의 간격과, 분사 노즐의 베이스로부터 환형 홈의 중심까지의 간격이 실질적으로 동일하므로, 노즐 니들의 부분 행정 영역에서 환형 홈은 노즐 니들 시트로부터 분사구까지의 이행부를 대신하여 분사 노즐의 스로틀링 작용을 결정한다.

본 발명의 실시예에서 환형 홈의 폭은 분사구(들)의 직경보다 바람직하게 1.5 배 더 크므로 분사 노즐의 스로틀링 작용은 충분히 큰 부분 행정 영역에 걸쳐 환형 홈에 의해 영향을 받는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 환형 홈의 깊이는 환형 홈의 폭보다 작거나 또는 환형 홈의 깊이가 0.02 mm 내지 0.1 mm, 바람직하게는 0.04 mm 내지 0.07 mm 이므로, 환형 홈의 체적은 작게 유지되지만 그럼에도 불구하고 분사 노즐의 스로틀링 작용은 환형 홈에 의해 충분한 영향을 받는다.

본 발명의 또 다른 장점 및 바람직한 실시예는 하기의 상세한 설명, 도면 및 청구항에 나타난다.

본 발명의 실시예는 도면에 도시되고 하기에서 더 자세히 설명된다.

도 1 은 본 발명에 따른 블라인드 홀-분사 노즐의 횡단면도.

도 2 는 노즐 니들의 행정에 대한, 본 발명에 따른 블라인드 홀-분사 노즐의 유압 직경의 특성 곡선을 도시한 도면.

도 3 은 본 발명에 따른 시트 구멍-분사 노즐의 횡단면도.

도 4 는 노즐 니들의 행정에 대한, 본 발명에 따른 시트 구멍-분사 노즐의 유압 직경의 특성 곡선을 도시한 도면.

도 1 에는, 원뿔형 블라인드 홀(2)을 구비한 분사 노즐(1)이 도시된다. 상기 블라인드 홀(2)은 원통형일 수 있거나 또는 미니-블라인드 홀 및 마이크로-블라인드 홀(2)일 수도 있다. 후자의 경우, 블라인드 홀(2)의 체적은 도 1 에 도시된 구조에 비해 감소된다. 따라서 내연 기관의 정지시, 연소실에서는 더 적은 연료가 증발된다.

도시되지 않은 연료는 블라인드 홀(2)로부터 분사구(3)를 거쳐 역시 도시되지 않은 연소실로 도달한다. 원뿔형 블라인드 홀(2)에는 원뿔대형 노즐 니들 시트(4)가 연결된다. 노즐 니들 시트(4)는 60°의 원뿔각을 가질 수 있다.

상기 노즐 니들 시트(4)에는 노즐 니들(5)이 놓인다. 도 1 에서는, 상기 노즐 니들(5)의 원뿔각이 노즐 니들 시트(4)의 원뿔각보다 큰 것을 확실히 알 수 있다. 따라서 노즐 니들(5)과 노즐 니들 시트(4) 사이의 접촉 영역(6)은 노즐 니들(5)의 가장 큰 직경 영역에 있고, 노즐 니들(5)과 노즐 니들 시트(4) 사이의 표면압력은 증가된다. 노즐 니들(5)과 노즐 니들 시트(4)의 원뿔각의 차이는 도 1 에서 과도하게 도시된다. 일반적으로 상기 차이는 1°보다 작으며 작은 각분 범위 내에서 변한다.

선행 기술에 따른 블라인드 홀(2)과 노즐 니들 시트(4) 사이의 이행부는 노즐 니들 시트(4)를 연마할 때 생기는 에지(7)이다. 가공 방식에 따라 상기 에지(7)는 날카로운 모서리 또는 매끄러운 모서리가 될 수 있다. 에지(7)의 유동 저항은 실질적으로 상기 에지의 특성에 의해 영향을 받는다.

상기 노즐 니들(5)에 파내지거나 연삭된 환형 홈(8)은 분사 노즐(1)의 유동 저항에 대한 에지(7)의 영향을 감소시킨다. 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터 환형 홈(8)의 중심까지의 간격은 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터 에지(7)까지의 간격과 거의 동일하다. 따라서 분사 노즐(1)의 스로틀링 작용은 노즐 니들(5)의 행정과 무관하게, 에지(7)의 구조에 의해 영향을 받지 않거나 또는 단지 미미하게 영향을 받는다. 상기 효과는, 노즐 니들 시트(4)와 노즐 니들(5)의 원뿔 사이의 환형 틈새에 비해 환형 홈(8)과 에지(7) 사이에 있는 환형 틈새의 유압 직경이 크기 때문에 후자의 환형 틈새의 유동 저항이 전자의 환형 틈새의 유동 저항보다 더 작은 것에 기인한다. 상기 2개의 유동 저항은 직렬로 연결되기 때문에, 전체 분사 노즐의 유동 저항에 있어서 가장 작은 개별 저항이 중요하다.

상기 에지(7) 영역에서 분사 노즐(1)의 유동 저항의 변동의 결과는 도 2 에 도시된 그래프에 도시된다. 도 2 에서 노즐 니들 행정(10)에 대한 블라인드 홀-분사 노즐(1)의 유압 직경(11)이 정성적으로(qualitatively) 도시된다. 상기 유압 직경(11)은 유사한 유동 저항을 갖는 임의의 관류 횡단면의 값이다. 원형 횡단면을 가진 튜브의 유동 저항이 기준값으로서 이용된다. 큰 유압 직경을 가진 횡단면은 작은 유동 저항을 가지며 작은 유압 직경을 가진 횡단면은 큰 유동 저항을 가진다.

도 2 에서 노즐 니들 행정(10)은 두 영역으로 분할된다. 제 1 영역은 0 부터 "a" 까지 연장되고, 하기에서 부분 행정 영역이라 하는 제 2 영역은 "a" 부터 "b" 까지 연장된다. "c" 에서는 완전한 노즐 니들 행정에 이른다.

노즐 니들(5)이 노즐 니들 시트(4)에 놓인, 폐쇄된 분사 노즐(1)이 개방되면, 노즐 니들 행정(10)이 매우 작은 경우, 접촉 영역(6)의 범위에서 매우 좁은 틈새가 생기며 압력 하에 있는 연료는 상기 틈새를 통해서 블라인드 홀(2)로 흐를 수 있다. 상기 매우 좁은 틈새는 분사 노즐(1)의 유동 저항을 결정적으로 규정하며 이로써 유압 직경(11)도 결정한다. 상기 매우 좁은 틈새의 유동 저항이 크기 때문에, 노즐 니들 행정(10)이 매우 작은 경우 분사 노즐(1)의 유압 직경(11)은 매우 작다.

"a" 와 "b" 사이의 부분 행정 영역에서, 선행 기술에 따른 분사 노즐(1)의 유동 저항은 노즐 니들 시트(4)와 블라인드 홀(2) 사이의 에지(7)에 의해 결정적으로 결정된다. 이로써 부분 행정 영역에서, 에지(7)는 분사 노즐(1)의 유압 직경에 대해서도 매우 중요하다. 이는 상기 에지(7) 구조의 변화가 유압 직경(11)의 변화를 가져오는 것을 의미한다. 완전한 노즐 니들 행정 영역인 "c" 영역에서, 분사 노즐(1)의 분사구(3)는 분사 노즐(1)의 유압 직경에 결정적이다.

상기 언급된 내용에 따라, 에지(7) 구조의 변화는, 특히 "a" 와 "b" 사이의 부분 행정 영역에서 분사 노즐(1)의 특성 곡선(12)의 변화를 일으킨다.

도 2 에는, 선행 기술에 따른 분사 노즐(1)의 특성 곡선(12, 13)과 본 발명에 따른 블라인드 홀-분사 노즐(1)의 특성 곡선(14)이 도시된다. 선행 기술에 따른 분사 노즐(1)의 경우, 노즐 니들(5)은 환형 홈을 포함하지 않는다. 상기에 언급된 에지(7) 구조의 변화로 인해, 구조가 동일한 분사 노즐(1)의 다양한 실시예의 특성 곡선은 특히 부분 행정 영역에서 변화된다. 이는 도 2 의 특성 곡선(12, 13)간의 편차에 의해 나타난다.

특성 곡선(14)은, 환형 홈(8)내로 연료가 새어나갈 수 있기 때문에, 특히 부분 행정 영역에서 에지(7)의 스로틀링 작용이 나타나지 않는 본 발명에 따른 분사 노즐을 나타낸다. 그 결과 본 발명에 따른 분사 노즐(1)의 유압식 직경(11)은 부분 행정 영역에서 선행 기술에 따른 분사 노즐(1)의 유압 직경보다 더 크다. 그러나 특히 환형 홈(8)의 구조가 높은 재현 정확도로 제조될 수 있기 때문에, 구조가 동일한 본 발명에 따른 분사 노즐(1)의 다양한 실시예의 특성 곡선(14)은 특히 부분 행정 영역에서 매우 적게 변동된다.

대량 제조된 내연 기관의 경우, 내연 기관과 이에 속하는 분사 시스템의 특성 맵은 하나 또는 다수의 선택된 테스트 표본을 측정함으로써 검출된다. 상기 방식으로 검출된 특성 맵은 구조가 동일한 모든 분사 시스템의 기초가 된다.

하기에서는, 상기 특성 곡선(12)이 측정된 특성 곡선(12)이고 분사 시스템의 제어 장치에 상기 특성 곡선(12)이 저장되는 것이 가정된다. 또한, 대량 생산으로 얻어진 분사 노즐(1)은 특성 곡선(13)을 갖는 것이 가정된다. 특성 곡선(13)을 가진 분사 노즐(1)이 특성 곡선(12)이 저장된 제어 장치와 상호 작용하면, 특성 곡선(13)을 가진 분사 노즐(1)의 부분 행정 영역에서의 실제 분사량은, 테스트 표본에서 측정된, 특성 곡선(12)에 따른 최적의 분사량과 일치하지 않으므로, 내연 기관의 성능 및/또는 방출 특성이 저하된다.

본 발명에 따른 분사 노즐(1)에서 특성 곡선(14)은 매우 작게 변동되므로, 본 발명에 따른 분사 노즐(1)을 구비한 모든 내연 기관에서, 제어 장치에 저장된 특성 곡선(14)과, 설치된 분사 노즐(1)의 특성 곡선(14) 사이의 일치는 명확히 개선된다. 이러한 일치는, 선행 기술에 따른 분사 노즐(1)에서의 변동과 비교하여, 예를 들어 2 내지 3 팩터 만큼 개선될 수 있다. 그 결과 실제 분사된 연료량은 제어 장치에 의해 설정된 분사량과 정확히 일치하며 내연 기관의 연비 및 방출 특성이 최적이 된다.

도 3 에는 시트 구멍으로서 형성된 분사구(3)를 구비한, 본 발명에 따른 분사 노즐(1)이 도시된다. 도면 부호는 도 1 에 사용된 도면 부호와 일치한다. 실제 차이점은, 부분 행정 영역에서 에지(7) 대신 노즐 니들 시트(4)와 분사구(3) 사이의 이행부(15)가 분사 노즐(1)의 유동 저항에 결정적이라는 것에 있다. 본 발명에 따른 환형 홈(8)은 시트 구멍-분사 노즐의 경우에 분사구(3)의 높이에 배치되므로, 분사 노즐의 유동 저항에 대한 노즐 니들 시트(4)와 분사구(3) 사이의 이행부(15)의 영향은 크게 감소된다. 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터 환형 홈(8)의 중심까지의 간격은 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터, 노즐 니들 시트(4)와 분사구(3)의 종축과의 교점(16)까지의 간격과 거의 동일하다. 따라서 분사 노즐(1)의 스로틀링 작용은 노즐 니들(5)의 행정과 무관하게, 이행부(15)의 구조에 의해 영향을 받지 않거나 또는 단지 미미하게 영향을 받는다.

도 4 에는 선행 기술에 따른 분사 노즐(1)의 특성 곡선(12)과 본 발명에 따른 시트 구멍-분사 노즐(1)의 특성 곡선(14)이 도시된다.

블라인드 홀-분사 노즐과 관련하여 상술된 것은 언급된 차이점을 가지고 본 발명에 따른 시트 구멍-분사 노즐에도 상응하게 적용된다.

상세한 설명, 청구항 및 도면에 제시된 모든 특징들은 개별적으로 및 서로 임의의 조합으로 발명을 구성한다.

Claims (17)

1. 원뿔대형 노즐 니들 시트(4), 및 이것에 연결된 블라인드 홀(2)을 포함하고, 상기 블라인드 홀(2)내에 하나 이상의 분사구(3)가 있고, 상기 노즐 니들 시트(4)를 향한 노즐 니들(5)의 단부가 원뿔대형이고, 상기 노즐 니들(5)의 원뿔대형 단부가 환형 홈(8)을 포함하는 내연 기관용 분사 노즐에 있어서,

   상기 노즐 니들 시트(4)는 원뿔대형으로 단순히 형성되고, 상기 노즐 니들 시트(4)를 향한 상기 노즐 니들(5)의 단부는 원뿔대형으로 단순히 형성되며, 상기 노즐 니들 시트(4)와 상기 블라인드 홀(2)사이의 이행부가 에지(7)에 의해 형성되고, 상기 분사 노즐(1)이 폐쇄된 경우, 상기 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터 상기 에지(7)까지의 간격과, 상기 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터 상기 환형 홈(8)의 중심까지의 간격이 동일한 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 니들 시트(4)의 원뿔각이 60°인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 노즐 니들(5)의 원뿔각은 상기 노즐 니들 시트(4)의 원뿔각보다 1°미만까지 더 큰 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 환형 홈(8)은 상기 원뿔의 베이스면에 대해 평행하게 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 환형 홈(8)의 폭은 0.1 mm 내지 0.3 mm인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 환형 홈(8)의 깊이는 0.02 mm 내지 0.2 mm인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 블라인드 홀(2)은 원뿔형인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
11. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 블라인드 홀(2)은 원통형인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
12. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 블라인드 홀(2)은 미니(mini)- 블라인드 홀 또는 마이크로(micro)-블라인드 홀인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
13. 삭제
14. 원뿔대형 노즐 니들 시트(4)를 포함하고, 상기 노즐 니들 시트(4)내에 하나 이상의 분사구(3)가 있고, 상기 노즐 니들 시트(4)를 향한 노즐 니들(5)의 단부가 원뿔대형으로 형성되고, 상기 노즐 니들(5)의 원뿔대형 단부가 환형 홈(8)을 포함하는 내연 기관용 분사 노즐에 있어서,

    상기 노즐 니들 시트(4)를 향한 상기 노즐 니들(5)의 단부는 원뿔대형으로 단순히 형성되고, 상기 분사 노즐(1)이 폐쇄된 경우, 상기 분사 노즐(1)의 베이스(9)로부터 상기 노즐 니들 시트(4)와 상기 분사구(3)의 종축과의 교점(16)까지의 간격과 상기 분사 노즐(1)의 상기 베이스(9)로부터 환형 홈(8)의 중심까지의 간격이 동일한 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 환형 홈(8)의 폭은 상기 분사구(3)의 직경보다 1.5 배 더 큰 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 환형 홈(8)의 깊이는 상기 환형 홈(8)의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.
17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 환형 홈(8)의 깊이는 0.02 mm 내지 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 분사 노즐.

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