KR100742412B1 - 다중 노즐 판을 구비한 연료 분사 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 오리피스 판을 구비하는 연료 분사 장치용 계측 조립체에 관한 것이다. 계측 조립체는 밸브 바디, 시트, 니들 및 다층 오리피스 판 조립체를 포함한다. 밸브 바디는 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비한다. 시트는 출구에 인접하여 배치되며, 밀봉면 및 오리피스를 구비하는 통로를 포함한다. 니들이 시트로부터 옮겨져서 연료 유동이 니들을 지나게 하는 제 1 위치와, 니들이 시트에 대하여 편향되어 연료 유동이 니들 지나지 못하게 하는 제 2 위치 사이에 종축선을 따라 하우징 내에 니들이 왕복가능하게 위치한다. 다층 오리피스 판 조립체는 하우징 출구에 위치하며, 제 1 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판을 포함한다. 이러한 오리피스 판 조립체는 제 2 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 제 2 개구부를 가지는 제 2 오리피스 판을 포함한다. 다수의 제 1 개구부 및 다수의 제 2 개구부는 하나 이상의 채널에 유체 소통가능하게 연결된다. 본 발명은 또한 연료 분사 장치를 통하여 연료를 가속화시키는 방법에 대하여 설명한다.

Description

다중 노즐 판을 구비한 연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE WITH MULTIPLE NOZZLE PLATES}
도 1은 니들이 폐쇄 위치에 있는 상태로서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 오리피스 판을 구성을 부가한 본 발명의 연료 분사 장치의 배출의 측면 단면도이다.
도 2는 니들이 개방 위치에 있는 상태로서, 도 1의 니들의 배출단의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 바람직한 실시예에 따른 최상부 오리피스 판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 바닥 오리피스 판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 스페이서 오리피스 판의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 오리피스 판 구성을 부가한 연료 분사 장치의 배출단의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 바람직한 실시예에 따른 최상부 오리피스 판의 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 ; 연료 계측 조립체 20 ; 밸브 바디
30 ; 시트 40 ; 니들
50 ; 오리피스 판 조립체 210 ; 입구단
220 ; 출구단 240 ; 전기자
260 ; 바디 262 ; 하우징 챔버
270 ; 종축선 280 ; 니들 가이드
282 ; 연료 유동 개구부 320 ; 오리피스
321 ; 오리피스 중심 322 ; 원통형 벽
330 ; 밀봉면 340 ; 가상 연장부
410 ; 제 1 부분 420 ; 제 2 부분
426 ; 평면 말단면 430 ; 환형 채널
510 ; 최상부 오리피스 판 514 ; 하류면
520 ; 바닥 오리피스 판 522 ; 상류면
516 ; 아치형 개구부 526 ; 계측 개구부
530 ; 스페이서 오리피스 판 536 ; 원형 개구부
본 발명은 연료 분사 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는 상호 교환가능한 다중 노즐판을 구비한 연료 분사 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 각각의 연소실 내측에 정확하게 계측된 연료를 제공하기 위해, 일반적으로 연료 분사 장치를 채택한다. 또한, 각각의 연소실 내에 연료를 분사하는 동안, 각각의 연료 분사 장치는 연료를 다량의 소립자로 분산시켜서 연료가 분사되는 표면적을 증가시키고, 연소하기 전에 전형적으로 주변 공기인 산화제를 연료와 더 완전히 혼합시키도록 한다. 연료를 정밀하게 계측하여 분무함으로써, 연소 배출을 감소시키고 엔진의 연료 효율을 증가시킨다.
연료 계측 밸브(fuel metering valve)를 가동시키기 위해 전자기 연료 분사 장치는 전형적으로 솔레노이드 조립체(solenoid assembly)를 이용한다. 전형적으로, 연료 계측 밸브는, 연료가 계측 오리피스(metering orifice)를 통하여 연소실 내측으로 방출되는 것을 방지하도록 니들(needle)이 시트(seat)에 배치되는 폐쇄 위치와, 계측 오리피스를 통하여 연소실 내측으로 연료가 유출되도록 니들이 시트로부터 상승하는 개방 위치 사이에서 니들 밸브가 왕복운동하는 플런저식 니들(plunger style needle)이다.
전형적으로, 연료 분사 장치가 단일 오리피스 판을 통하여 연장되는 다수의 오리피스 개구부를 구비하는 단일 오리피스로 이루어지는 계측 노즐(metering nozzle) 또는 오리피스를 채택하며 가압된 연료는 상기 다수의 오리피스 개구부를 통하여 연소실 내로 도입된다. 이러한 계측 오리피스로의 변경은 연소실 내측으로 분사하기 바로 전에, 연료의 교호 경로(alternate pathway)를 제공하기 위해 서로의 위에 적층된 다중 오리피스 판을 포함한다. 이러한 다중 오리피스 판의 교호식 경로는 연료 유동의 난류를 증가시키며, 연료가 오리피스 개구부를 통과하면서 연료의 분무화를 더 크게 하고, 원하지 않는 배출 방산을 감소시키며 엔진의 연료 효율을 향상시키는 연소 공기와 연료의 향상된 혼합을 제공한다.
전형적으로, 다중 오리피스 판을 구비한 분사 장치는 제 1 최상부 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 개구부를 구비하는 제 1 최상부 오리피스 판, 바닥 오리피스 판을 통하여 연장하는 유사한 다수의 개구부를 구비하는 바닥 오리피스 판, 최상부 오리피스 판 오리피스 개구부의 출구와 바닥 오리피스 판 오리피스 개구부의 입구 사이로 연료 유동을 재인도하는 최상부 오리피스 판과 바닥 오리피스 판 사이의 개방 공간을 포함한다. 또한, 최상부 오리피스 판과 바닥 오리피스 판 사이의 공간은 일반적으로, 최상부 오리피스 판의 출구로부터 바닥 오리피스 판의 특별 오리피스 개구부로 연료를 인도하게 하는 벽 또는 다른 차단막을 포함으로써 상대적인 층류를 생성하고, 하나의 최상부 오리피스 판 오리피스 개구부로부터의 연료 스트림이 다른 최상부 오리피스 판 오리피스 개구부로부터의 스트림 내측으로 충돌하는 것을 방지한다. 또한, 다중 오리피스 판을 구비하는 연료 분사 장치는 함께 융화되거나 전기 도금된 오리피스 판을 필요로 하기 때문에, 상이한 연료 유동 패턴을 얻기 위해 오리피스 판을 교환하는 능력을 방지한다.
본 발명의 목적은, 최상부 오리피스 판과 바닥 오리피스 판 사이의 완전한 개방 공간을 포함하고, 상이한 유동 스트림 패턴을 발생시키도록 상이한 오리피스 판을 교환가능하게 하는 다중 오리피스 판을 갖춘 계측 오리피스를 구비하는 연료 분사 장치를 개선하는 것이다.
본 발명은 하우징, 시트, 니들 및 다층 오리피스 판 조립체를 포함하는 연료 분사 장치를 제공한다. 하우징은 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비한다. 시트는 출구에 인접하여 배치되며, 밀봉면, 및 관통하여 연장하는 통로를 포함한다. 니들이 시트로부터 이동되어 연료 유동이 니들을 통과하게 하는 제 1 위치와, 니들이 시트에 대하여 편향되어 연료가 니들을 지나는 것을 방지하는 제 2 위치 사이에서 종축선을 따라 하우징 내에 니들이 왕복가능하게 위치한다. 다층 오리피스 판 조립체는 하우징 출구에 위치한다. 이러한 오리피스 판 조립체는 제 1 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판을 포함한다. 오리피스 판 조립체는 또한 제 2 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 제 2 개구부를 구비하는 제 2 오리피스 판을 포함한다. 이러한 다수의 제 1 개구부와 다수의 제 2 개구부는 하나 이상의 채널에 의해 유체 소통가능하게 연결된다.
본 발명은 또한, 하우징, 시트, 니들 및 다층 오리피스 판 조립체를 포함하는 연료 분사 장치를 제공한다. 하우징은 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비한다. 시트는 출구에 인접하게 배치되며, 밀봉면, 및 관통하여 연장하는 통로를 포함한다. 니들이 시트로부터 이동되어 연료 유동이 니들을 통과하게 하는 제 1 위치와, 니들이 시트에 대하여 편향되어 연료 유동이 니들을 통과하는 것을 방지하는 제 2 위치 사이에서 종축선을 따라 하우징 내부에서 니들이 왕복가능하게 위치한다. 다층 오리피스 판 조립체는 하우징 출구에 위치하며, 제 1 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판을 포함한다. 다수의 제 1 개구부는 종축선으로부터 미리정해진 제 1 방사상 거리만큼 각각 이격된다. 오리피스 판 조립체는 제 2 오리피스 판을 통하여 연장하는 다수의 제 2 개구부를 구비하는 제 2 오리피스 판을 더 포함한다. 다수의 제 2 개구부는 종축선으로부터 미리정해진 제 2 방사상 거리만큼 각각 이격되며, 상기 미리정해진 제 2 방사상 거리가 상기 미리정해진 제 1 방사상 거리보다 작다. 오리피스 판 조립체는 제 1 오리피스 판과 제 2 오리피스 판 사이에 위치하는 제 3 오리피스 판을 더 포함한다. 제 3 오리피스 판 중심 개구부가 다수의 제 1 오리피스 판 개구부 및 다수의 제 2 오리피스 판 개구부와 연결되도록, 제 3 오리피스 판은 종축선을 따라 제 3 오리피스 판을 통하여 연장하는 제 3 오리피스 중심 개구부를 포함한다.
본 발명은 또한, 종축선과 다층 오리피스 판을 구비한 연료 분사 장치를 통하여 연료의 속도를 가속시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은, 최상부 오리피스 판의 개구부를 통하여 연료를 인도하는 단계, 최상부 오리피스 판과 바닥 오리피스 판 사이의 공간 내측에 연료를 인도하는 단계, 및 바닥 오리피스 판의 개구부를 통하여 연료를 인도하는 단계를 포함하며, 바닥 오리피스 판의 개구부는 최상부 오리피스 판의 개구부보다 방사상으로 종축선에 더 근접한다.
여기에 부가되어 본 명세서의 부분을 구성하는 첨부한 도면은 상술한 포괄적 설명과 하기에 설명하는 상세한 설명과 함께, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도면에서, 동일 부호는 명세서 전체에 걸쳐서 동일 구성 요소를 나타낸다. 도 1 및 도 2에 나타낸 제 1 바람직한 실시예는 내연 기관의 연료 분사 시스템에 이용하는 연료 계측 조립체(10)이다. 이러한 계측 조립체(10)는 하우징 또는 밸브 바디(20), 시트(30), 니들(40), 및 통상적인 평면 복합 노즐 또는 오리피스 판 조립체(50)를 포함한다. 내연 기관(도시 안함)의 작동에 관한 연료 계측 조립체(10)의 작동의 상세한 설명은 공지 기술이므로 여기 상세한 설명에서는 바람직한 실시예에 관한 작동을 제외하고는 설명하지 않는다. 바람직한 실시예는 일반적으로 내연 기관용 연료 분사 장치 밸브에 관한 것이지만, 당업자는 바람직한 실시예가 유체의 정밀한 계측을 원하거나 필요한 다른 응용 분야에 대해 개조될 수 있음을 본 발명의 개시로부터 인식할 것이다.
하우징 또는 밸브 바디(20)는 상류 또는 입구단(upstream or inlet end)(210), 및 하류 또는 출구단(downstream or outlet end)(220)을 구비한다. 도 1에 나타낸 바와 같이 밸브 바디(20)는 전기자(armature)(240)를 포함한다. "상류(upstream)" 및 "하류(downstream)"는 인용되는 도면의 유동 방향을 지칭한다. 상류측은 각 도면의 최상부를 향하는 것이며, 하류측은 각 도면의 바닥을 향하는 것이다. 니들(40)은 전기자(240)에 연결된다. 밸브 바디(20) 내에서 전기자(240) 및 니들(40)을 왕복운동시키기 위해, 밸브 바디(20) 위에 위치한 전자기 코일(도시 안함)은 선택적으로 통전 및 단전된다. 밸브 바디(20)는 하우징 챔버(262)를 포함하는 바디(260)를 더 포함한다. 하우징 챔버(262)는 밸브 바디(20)의 중심 길이방향 부분을 통하여 이를 통해 연장하는 종축선(270)을 따라 연장하며, 내부 하우징 벽(264)에 의해 형성된다. 중심 니들 가이드 개구부(281) 및 다수의 방사상 이격된 연료 유동 개구부(282)를 구비하는 니들 가이드(280)는 밸브 바디(20)의 하류단(220)에 인접하여 하우징 챔버(262) 내에 위치한다. 니들 가이드는 종축선(270)을 따라 니들(40)의 왕복운동을 유지하는 것을 보조한다.
시트(30)는 니들 가이드(280)와 배출단(220) 사이의 출구단(220)에 인접하는 하우징 챔버(262) 내에 위치한다. 이러한 시트(30)는, 일반적으로 시트(30)를 통하여 밸브 바디(20)의 종축선(270)을 따라 연장하며 통상 원통형 벽(322)에 의해 형성되는 통로 또는 오리피스(320)를 포함한다. 오리피스(320)의 중심(321)은 종축선(270) 상에 있는 것이 바람직하다. 또한, 시트(30)는, 오리피스(320)를 둘러싸고 오리피스(320)를 향하여 방사상 하향 및 내부로 폭이 좁아지는 고리 형상 경사진 밀봉면(330)을 포함하여, 그 결과 밀봉면(330)이 종축선(270)에 대하여 경사진다. "내부의(inward)", "외부의(outward)"라는 용어와 그들의 파생어는 각각 종축선을 향하는 방향, 및 종축선으로부터 떨어지는 방향을 말한다.
니들(40)은 전기자(240)에 연결되며, 일반적으로 밸브 바디(20)의 종축선(270)을 따라 하우징 챔버(262) 내에 왕복가능하게 위치한다. (도 2에서 도시된 바와 같이) 니들(40)이 시트(30)로부터 이동하여 가압된 연료가 니들(40)을 지나 하류로 유동하게 하는 제 1 또는 개방 위치와, 바람직하게는 스프링인 편향 요소(도시 안함)에 의해 (도 1에 나타낸 바와 같은) 시트(30)에 대하여 니들이 편향되어 연료 유동이 니들(40)을 지나는 것을 방지하는 제 2 또는 폐쇄 위치 사이에서 니들(40)이 왕복가능하다.
니들(40)은 제 1 단면적(A1)을 가지는 제 1 부분(410)과, 제 2 단면적(A2)을 가지는 제 2 부분(420)을 포함한다. 이러한 제 2 부분(420)은, (도 6에서 도시된 바와 같이) 니들(40)이 폐쇄 위치에 있는 경우 경사진 밀봉면(330)과 밀봉식 결합하는 대체로 구형의 말단면 또는 접촉면(422)을 포함한다. 그러나, 당업자는 (도 2에서 도시된 바와 같이) 일반적으로 편평한 또는 평면 말단면(426)이 니들(40)의 하류 팁(tip)에 위치할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 이러한 말단면(426)은 일반적으로 밸브 바디(20)의 종축선(270)에 수직인 것이 바람직하다. 통상의 접촉부(423)의 환형 영역은 니들(40)과 시트(30) 사이에 고체 밀봉을 제공하며, 니들(40)을 통과하는 연료 누설의 가능성을 감소시킨다.
제 1 및 제 2 단면적(A1 및 A2) 모두는 원형인 것이 바람직하지만, 당업자는 제 1 및 제 2 단면적(A1 및 A2)을 다른 형상으로 하여도 가능함을 인지할 것이다. 니들(40)이 폐쇄 위치인 경우 접촉면(422)의 결합에 있어서 니들(40)을 비교적 광역인 밀봉면으로 제공하기 위해, 비교적 큰 접촉면(422)의 밀봉 직경을 보유하는 동안 이러한 구성은 니들(40)의 질량을 감소시킨다. 니들의 단면적(A2)을 증가시킴으로써 평균 니들 직경에 비하여 더 큰 가이드 면을 제공하며, 이에 의해 중심 니들 가이드 개구부(281)의 내부면의 내마모성을 향상시킨다. 일반적으로 일정한 단면적을 가지는 종래 기술의 니들과 함께 이용되었던 종래의 바닥 가이드 직경의 단면적에 비하여 로딩이 감소하기 때문에, 중심 니들 가이드 개구부(281)의 내부면의 내마모성이 향상된다. 예컨대, 전형적인 종래 기술의 니들은 단부에서 종결하는 거의 연속적인 원통형 샤프트를 가질 것이며, 니들의 최상부 부분의 단면적은 도 1에 나타낸 니들(40)의 단면적(A1)의 2 배일 수도 있다. 제 2 부분(420)이 니들(40)과 판(280) 사이에서 약 10 내지 15 마이크론(microns)의 간극을 가지는 중심 니들 가이드 개구부(281)를 통하여 연장되도록 제 2 단면적(A2)의 치수가 정해진다.
니들(40)은 폐쇄 위치(도 1에 도시)와 개방 위치(도 2에 도시) 사이에서 왕복가능하다. 니들(40)이 개방 위치에 있는 경우, 종축선(270)을 향하여 연장하는 전체적으로 환형의 채널(430)이 접촉면(422)과 밀봉면(330) 사이에 형성된다.
도 2를 참조하면, 오리피스 판 조립체(50)는, 분리된 2개 이상의 오리피스 판인 최상부(또는 제 1) 오리피스 판(510) 및 바닥(또는 제 2) 오리피스 판(520)으로부터 구성되는 다층 복합 오리피스 판이며, 하우징 출구(220)에 위치한다. 바람직하게, 최상부 오리피스 판(50)과 바닥 오리피스 판(520) 사이에 위치한 제 3 오리피스 판 또는 스페이서 오리피스 판(spacer orifice plate)(530)이 이용될 수 있다. 그러나, 최상부 오리피스 판(510)의 하류면(514)과 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522) 사이에 미리정해진 간극이 유지되는 한 이러한 스페이서 오리피스 판(530)을 배제할 수도 있다.
도 2에 나타낸, 오리피스 판 조립체(50)의 제 1 실시예는, 상류면(512), 하류면(514), 및 최상부 오리피스 판(510)을 통하여 연장하고 종축선(270)으로부터 미리정해진 제 1 거리로 이격된 다수의 아치형 홀(holes) 또는 개구부(제 1 개구부)(516)를 구비하는 최상부 오리피스 판(510)을 포함한다. 아치형 개구부(516)는 종축선(270)으로부터 대칭으로 이격되고, 도 3에 나타낸 바와 같이 대략 원형인 것이 바람직하다. 3개의 아치형 개구부(516)가 바람직하지만, 당업자는 3개보다 다소 많거나 적은 아치형 개구부(516)를 이용할 수도 있음을 인지할 것이다. 아치형 개구부(516)를 통하여 압력 손실을 감소시키기 위해, 아치형 개구부(516)의 총면적이 비교적 큰 것이 바람직하다. 그러나 당업자는 아치형 개구부(516)의 총 표면적은 최상부 오리피스 판(510)의 강도를 저하시킬 정도로 커서는 안 된다는 것을 인지할 것이다. 최상부 오리피스 판(510)은 종축선(270)과 대체로 수직인 것이 바람직하다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 다수의 아치형 개구부(516)는 시트 오리피스(320)에 직하류이면서 인접한다.
바닥 오리피스 판(520)은 상류면(522), 하류면(524), 및 바닥 오리피스 판(520)을 통하여 연장되고 종축선(270)으로부터 미리정해진 제 2 거리만큼 방사상으로 이격된 바람직하게 원형 또는 다각형의 다수의 홀 또는 개구부 또는 계측 홀 또는 계측 개구부(제 2 개구부)(526)를 포함한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 계측 개구부(526)는 종축선(270)으로부터 대칭으로 이격되며 대략 원형인 것이 바람직하다. 다각형 개구부의 한 가지 장점은 개구부 측면들 사이의 코너(corners)가 연소실 내측으로 연료를 향하도록 제어하는 것을 정밀하게 조절할 수 있다는 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 바닥 오리피스 판의 계측 개구부(526)는 바람직하게 아치형 개구부(516)보다 종축선(270)으로부터 상이한 거리로 대칭으로 이격되어 위치하고 대략 전체적으로 원형이어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 최상부 오리피스 판 아치형 개구부(516)와 바닥 오리피스 판(502)의 계측 개구부(526)가 서로 중첩되지 않는다.
당업자는 바닥 오리피스 판의 계측 개구부(526)가 최상부 오리피스 판 개구부(516)보다 종축선(270)으로부터 더 멀리 위치할 수 있음을 인지할 수 있지만, 바닥 오리피스 판(520)의 계측 개구부(526)는 최상부 오리피스 판(510)의 개구부(516)보다 종축선(270)에 더 근접하는 것이 바람직하다. 8개의 계측 개구부(526)가 바람직하지만, 당업자는 8개보다 다소 많거나 적은 계측 개구부(526)가 이용될 수 있음을 인지할 것이다. 그러나 아치형 개구부(516)의 수가 계측 개구부(526)의 수와 동일할 수 없다는 것을 주의하는 것이 중요하다. 바닥 오리피스 판(520)은 일반적으로 종축선(270)에 수직인 것이 바람직하다.
최적화된 방사상 연료 속도 성분이 발생하여 유지될 수 있도록, 최상부 오리피스 판(510)과 하부 오리피스 판(520) 사이의 도 5에 도시된 스페이서 오리피스 판(530)은 최상부 오리피스 판(510)과 바닥 오리피스 판(520) 사이의 수직 공간을 제어하는데 이용된다. 도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 이러한 스페이서 오리피스 판(530)은 상류면(532), 하류면(534), 및 종축선(270)으로부터 방사상 연장하는 일반적으로 채널 또는 원형 개구부(536)를 포함한다. 이러한 원형 개구부(536)는, 아치형 개구부(516)로부터 원형 개구부(536)를 통해 그리고 계측 개구부(526)를 통해 연료가 유동할 수 있도록, 다수의 아치형 개구부(516)와 다수의 계측 개구부(526) 각각과 유체 소통가능한 상태이다.
도 2에 나타낸, "A"점에서 최상부 오리피스 판(510)의 상류면(512)을 방지하기 위해, 시트(30)의 가상 연장부(340)는 최상부 오리피스 판(510)의 상류면(512) 상에 더 돌출될 수 있다. 도 2에 나타낸, "B"점에서 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522)을 방지하기 위해, 이러한 가상 연장부(340)는 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522) 상에 더 돌출할 수 있다. 도 3을 참조하면, 아치형 개구부(516)는 종축선(270)으로부터 충분히 떨어져 있어서, "A"점에서 최상부 오리피스 판(510)의 상류면(512) 상에 시트(30)의 가상 연장부(340)에 의해 형성된 가상 원(518)이 아치형 개구부(516)의 외주 둘레로 그려진 가상 원(519)보다 작은 직경을 갖는다. 유사하게, 도 4를 참조하면, 계측 개구부(526)는 종축선(270)으로부터 충분히 떨어져 있어서, "B"점에서 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522) 상에 시트(30)의 가상 연장부(340)에 의해 형성된 가상 원(528)이 계측 개구부(526)의 외주 둘레로 그려진 가상 원(529)보다 작은 직경을 갖는다. 이로써, 계측 개구부(526)에 연료가 유입하기 전에 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522)을 가로질러 계측 개구부(526)로 연료의 횡방향 유동을 제공하기 위해, 니들(40)이 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522) 상에 연료를 인도하는 개방 위치에 있는 경우 아치형 개구부(516)와 계측 개구부(526) 사이에서 연료가 유동하는 것을 보장한다.
최상부 오리피스 판(510)은 스프레이 한정으로 시트(30)에 대한 니들(40) 운동의 임의의 효과를 제거하며, 바닥 오리피스 판(520)의 계측 개구부(526)에 유입하기 전에 연료의 유동 불안정성을 감소시키거나 제거한다. 바닥 오리피스 판(520)은 연료가 연소실에 유입하기 바로 전에 통과하는 1차의 계측 오리피스 판이다. 최상부 오리피스 판(510)의 하류면(514)과 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522) 사이의 공간은 75 내지 300 마이크론이 바람직하다.
최상부 오리피스 판(510), 바닥 오리피스 판(520) 및 스페이서 오리피스 판(530)의 3개의 별개의 오리피스 판을 이용함으로써, 계측 조립체(10)를 제조할 때 상당한 수준의 유연성을 가진다. 최상부 오리피스 판(510), 바닥 오리피스 판(520) 및 스페이서 오리피스 판(530)의 상이한 구성은 다른 최상부 오리피스 판, 바닥 오리피스 판 및 스페이서 오리피스 판(도시 안함)으로부터 제거가능하며, 다른 최상부 오리피스, 바닥 오리피스 판 및 스페이서 오리피스 판으로 대체가능하고, 분무 작용 및 연료 조준(targeting)이 향상된 난류에 대해 최적의 유동 경로가 생성되도록 혼합되고 맞추어질 수 있다. 연료 유동 특성은 제조물 조립 방법의 임의의 변경 없이 요구되는 적용에 맞출 수 있다.
또한, 도시하지는 않지만, 스페이서 오리피스 판(530)과 유사한 제 4 오리피스 판이 최상부 오리피스 판(510)의 상류면(512)과 밸브 시트(30)의 하류단 사이에 삽입될 수 있다. 종축선(270)으로부터 최상부 오리피스 판(510)에 있는 개구부(516)에 원하는 방사상 공간을 제공하기에 오리피스(320)가 충분히 크지 않다면 이러한 구성을 사용할 수 있다.
이러한 오리피스 판들은 연료 경로의 부분에 대한 기하학상의 필요 조건과 일치하는 방식에 의해 조립되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 최상부 오리피스 판(510)과 스페이서 오리피스 판(530)은 펀칭(punching) 또는 에칭(etching)과 같은 저렴한 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 바람직하게는, 연소실 내측에 요구되는 조준을 위해 필요한 정밀한 치수를 제공하기 위해, 정밀한 펀칭 또는 정밀한 레이저 기계에 의해 바닥 오리피스 판(520)에 있는 더 높은 임계치의 계측 개구부(526)가 처리될 것이다.
3개의 오리피스 판(510, 520, 530)이 바람직하지만, 당업자에게 널리 공지되어 있는 제조 방법을 이용하여, 스페이서 오리피스 판(530)이 최상부 또는 바닥 오리피스 판(510, 520)과 결합할 수 있어서, 2개만의 오리피스 판으로 될 수 있음을 당업자는 인지할 수 있을 것이다. 또한, 오리피스 판(510, 520, 530)은 다양한 스프레이 패턴을 발생시키도록 함께 오목부를 가질 수 있다. 연료 유량은 바닥 오리피스 판(520)의 계측 개구부(526)의 위치와 크기에 의해 제어될 수 있다. 난류 강도가 바닥 오리피스 판(520)의 각각의 개별적인 계측 개구부(526)에 대해 동일하며 최소화되기 위해 계측 개구부(526)가 분산된다.
오리피스 판(510, 520, 530)은 금속 물질, 더 바람직하게는 스테인레스 강으로 구성되는 것이 바람직하며, 당업자는 오리피스 판(510, 520, 530) 중 적어도 하나는 다른 적합한 물질로 구성될 수 있음을 인지할 것이다.
연료 계측 조립체(10)의 작동은 다음과 같다. 계측 조립체(10) 내로의 가압된 연료 유동은 연료 펌프(도시 안함)에 의해 제공된다. 가압된 연료가 계측 조립체(10)로 유입되어 연료 필터(도시 안함)를 통과하여 전기자(240)로 그리고 하우징 챔버(262)로 유동한다. 이러한 연료는 하우징 챔버(262)를 통하여, 가이드(280)의 연료 유동 개구부(282)를 통과하여, 접촉면(422)과 밀봉면(330) 사이의 경계면으로 유동한다. 폐쇄 위치에서(도 1에 도시), 접촉면(422)이 밀봉면(330)과 밀봉 결합하여, 결합 오리피스 판 조립체(50)를 통과하는 연료의 유동을 차단하도록, 니들(40)이 시트(30)에 대하여 편향된다.
도 2에 나타낸 개방 위치에서, 솔레노이드 또는 (도시되지 않은) 다른 작동 장치는 시트(30)의 밀봉면(330)으로부터 니들(40)의 접촉면(422)을 제거하고 개방 위치로 니들(40)을 왕복운동시켜서, 통상 환형 채널(430)을 형성한다. 하우징 챔버(262) 내의 가압된 연료는 니들(40) 및 시트(30)에 의해 형성된 환형 채널(430)을 지나서 유동하며, 최상부 오리피스 판(510)의 상류면(512) 상에 충돌한다. 그 후, 연료는 다수의 아치형 개구부(516)를 지나, 최상부 오리피스 판(510)과 바닥 오리피스 판(520) 사이에 있는 스페이서 오리피스 판(530)의 개방 공간 내측으로 유동한다. 그리고, 계측 개구부(526)에 대해 횡단 방향으로 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522)을 따라 연료가 가속화된다. 그 후, 연료는 계측 개구부(526)를 통과하여 연소실 내측으로 유동하면서, 연료가 분사되는 계측 개구부를 가로질러 유동한다. 최상부 오리피스 판(510)의 하류면(514), 및 바닥 오리피스 판(520)의 상류면(522)에 의해 경계가 구획된 공간 내측으로 연료가 유동한다. 연료가 계측 개구부(526)를 통과하면서 연료 분사 작용을 향상시키기 위해 다른 난류가 발생한다.
다른 실시예는 도 6 및 도 7에 나타낸 변형된 최상부 오리피스 판(550)을 포함한다. 최상부 오리피스 판(550)은, 도 1, 도 2 및 도 3의 최상부 오리피스 판(510)과 유사하지만, 상류면(552), 하류면(554), 및 다수의 아치형 개구부(556)를 포함한다. 그러나, 최상부 오리피스 판(550)은, 최상부 오리피스 판(550)을 통하여 종축선(270)으로부터 방사상으로 연장하는 추가의 중심 홀 또는 개구부(558)를 포함하도록 변형된다. 중심 개구부(558)는 스페이서 판(530)의 중심 개구부(536)를 통하여 다수의 계측 개구부(526)에 유체 소통가능하게 연결된다. 중심 개구부(558)는 최상부 오리피스 판(550)의 개구면적을 증가시키고, 최상부 오리피스 판(550) 및 바닥 오리피스 판(520) 사이의 압력 손실을 감소시킨다. 또한, 중심 개구부(558)는 도 6에 나타낸 바와 같은 충돌하는 연료 스트림 "F"를 발생시키고 제어한다. 이러한 충돌 스트림 "F"은 연료 분사작용을 향상시키도록 연료에 다른 난류를 발생시킨다.
상기한 실시예들 각각에 있어서, 시트(30)는 스테인레스 강으로 제조되고, 니들(40)도 스테인레스 강으로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나 당업자는 시트(30) 및 니들(40)이 다른 적합한 재료로 제조될 수 있음을 인지할 것이다.
본 발명의 개념의 범위를 벗어나지 않고 상기한 실시예의 변경이 가해질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 상기한 특별한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부한 청구 범위에 한정된 바와 같은 본 발명의 정신과 범위 내에서 변경할 수 있다.
본 발명에 따른 하우징, 시트, 니들 및 다층 오리피스 판 조립체를 포함하는 연료 분사 장치는 내연 기관의 각각의 연소실 내측에 정확하게 계측된 연료를 제공하고, 또한, 각각의 연소실 내에 연료를 분사하는 동안, 연료를 다량의 소립자로 분산시켜서 연료가 분사되는 표면적을 증가시키며, 연료를 정밀하게 계측하여 분무함으로써 연소 배출을 감소시키고 엔진의 연료 효율을 증가시킨다. 또한, 본 발명에 의하면, 이러한 다중 오리피스 판의 교호식 경로를 구비함으로써, 연료 유동의 난류를 증가시키며, 연료가 오리피스 개구부를 통과하면서 연료의 분무화를 더 크게 하고, 원하지 않는 배출 방산을 감소시키며 엔진의 연료 효율을 향상시키는 연소 공기와 연료의 향상된 혼합을 제공한다.

Claims (23)

  1. (a) 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비하는 하우징과;
    (b) 상기 출구에 인접하여 배치되며, 밀봉면, 및 관통하여 연장하는 통로를 포함하는 시트와;
    (c) 니들로서, 상기 니들이 상기 시트로부터 변위되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동할 수 있는 제 1 위치와, 상기 니들이 상기 시트에 대하여 편향되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동하는 것이 차단되는 제 2 위치 사이에서 상기 종축선을 따라 상기 하우징 내부에서 왕복가능하게 위치한 니들과; 그리고
    (d) 상기 하우징의 상기 출구에 위치한 다층 오리피스 판 조립체로서,
    (ⅰ)상기 종축선으로부터 미리정해진 제 1 방사상 거리 만큼 상기 종축선을 중심으로 각각 이격되며 아치형인 복수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판; 및
    (ⅱ)미리정해진 제 2 방사상 거리만큼 상기 종축선으로부터 각각 이격되며 하나 이상의 채널에 의해 상기 복수의 제 1 개구부와 유체 소통가능하게 연결되고 그리고 관통하여 연장되는 복수의 제 2 개구부를 구비하며, 상기 시트와의 사이에 상기 제 1 오리피스 판이 위치되도록 상기 제 1 오리피스 판으로부터 분리되는 제 2 오리피스 판을 포함하는 다층 오리피스 판 조립체를 포함하는 연료 분사 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리정해진 제 2 방사상 거리는 상기 미리정해진 제 1 방사상 거리보다 작은, 연료 분사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판은 상기 종축선을 따라 관통하여 연장하는 중심 개구부를 더 포함하며, 상기 중심 개구부는 상기 복수의 제 2 개구부와 유체 소통가능하게 연결되는, 연료 분사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판과 상기 제 2 오리피스 판 사이에 위치한 제 3 오리피스 판을 더 포함하며,
    상기 제 3 오리피스 판은 상기 종축선을 따라 관통하여 연장하는 제 3 오리피스 판 중심 개구부를 포함하고, 상기 제 3 오리피스 판 중심 개구부는 상기 제 1 오리피스 판의 상기 복수의 제 1 개구부 및 상기 제 2 오리피스 판의 상기 복수의 제 2 개구부와 유체 소통가능하게 연결되는, 연료 분사 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판, 제 2 오리피스 판 및 제 3 오리피스 판 중 하나 이상은 제거가능하며 하나 이상의 제 4 오리피스 판으로 대체가능한, 연료 분사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 오리피스 판의 상기 복수의 제 2 개구부가 원이 아닌, 연료 분사 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 니들이 구형 말단면을 가지는, 연료 분사 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판 및 상기 제 2 오리피스 판 각각의 평면은 상기 종축선과 수직인, 연료 분사 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판 및 상기 제 2 오리피스 판 중 하나 이상은 금속으로 이루어지는, 연료 분사 장치.
  11. (a) 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비하는 하우징과;
    (b) 상기 출구에 인접하여 배치되며, 밀봉면, 및 관통하여 연장하는 통로를 포함하는 시트와;
    (c) 니들로서, 상기 니들이 상기 시트로부터 변위되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동할 수 있는 제 1 위치와, 상기 니들이 상기 시트에 대하여 편향되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동하는 것이 차단되는 제 2 위치 사이에서 상기 종축선을 따라 상기 하우징 내부에서 왕복가능하게 위치한 니들과; 그리고
    (d) 상기 하우징의 상기 출구에 위치한 다층 오리피스 판 조립체로서,
    (ⅰ)상기 종축선으로부터 미리정해진 제 1 방사상 거리 만큼 상기 종축선을 중심으로 각각 이격되며 아치형인 복수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판; 및
    (ⅱ)상기 미리정해진 제 1 방사상 거리 보다 작은 미리정해진 제 2 방사상 거리만큼 상기 종축선으로부터 각각 이격되며 하나 이상의 채널에 의해 상기 복수의 제 1 개구부와 유체 소통가능하게 연결되고 그리고 관통하여 연장되는 복수의 제 2 개구부를 구비하며, 상기 시트와의 사이에 상기 제 1 오리피스 판이 위치되도록 상기 제 1 오리피스 판으로부터 분리되는 제 2 오리피스 판; 및
    (ⅲ)상기 복수의 제 1 개구부 및 상기 복수의 제 2 개구부와 유체 소통가능하게 연결되며 상기 종축선을 따라 관통하여 연장하는 제 3 오리피스 판 중심 개구부를 포함하고, 상기 제 1 오리피스 판과 상기 제 2 오리피스 판 사이에 위치되며, 상기 제 1 오리피스 판 및 상기 제 2 오리피스 판으로부터 분리되는 제 3 오리피스 판을 포함하는 다층 오리피스 판 조립체를 포함하는 연료 분사 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판은 상기 종축선을 따라 관통하여 연장하는 중심 개구부를 포함하며, 상기 중심 개구부는 상기 복수의 제 2 개구부와 유체 소통가능하게 연결되는, 연료 분사 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판, 상기 제 2 오리피스 판 및 상기 제 3 오리피스 판 중 하나 이상은 제거가능하며 하나 이상의 제 4 오리피스 판과 대체가능한, 연료 분사 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 미리정해진 제 2 방사상 거리가 상기 미리정해진 제 1 방사상 거리보다 작은, 연료 분사 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 오리피스 판이 비원형인, 연료 분사 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 오리피스 판 및 상기 제 2 오리피스 판 각각의 평면은 상기 종축선과 수직인, 연료 분사 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    제 1 오리피스 판, 제 2 오리피스 판 및 제 3 오리피스 판 중 하나 이상은 금속으로 이루어지는, 연료 분사 장치.
  18. 종축선, 및 밸브 시트에 인접하여 배치되는 다층 오리피스 판 조립체를 구비하는 연료 분사 장치를 통하여 연료의 속도를 가속시키는 방법으로서,
    상기 밸브 시트와 상기 바닥 오리피스 판 사이에 배치되는 최상부 오리피스 판 내에 위치되며 상기 종축선에 대해 아치형인 복수의 개구부를 통해 연료를 인도하는 단계와;
    상기 최상부 오리피스 판과 상기 바닥 오리피스 판 사이의 공간 안으로 연료를 인도하는 단계와; 그리고
    상기 최상부 오리피스 판 내의 복수의 개구부 보다 상기 종축선에 더 근접하는 상기 바닥 오리피스 판 내의 복수의 개구부를 통해 연료를 인도하는 단계를 포함하는, 연료 분사 장치를 통한 연료 속도의 가속 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 최상부 오리피스 판과 상기 바닥 오리피스 판 사이에 스페이서 오리피스 판을 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 스페이서 오리피스 판은 상기 최상부 오리피스 판 내의 복수의 개구부 및 상기 바닥 오리피스 판 내의 복수의 개구부와 유체 유동가능한 개구부를 구비하는, 연료 분사 장치를 통한 연료 속도의 가속 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 바닥 오리피스 판 내의 복수의 개구부는 상기 종축선을 중심으로 한 방사상 패턴을 형성하는, 연료 분사 장치를 통한 연료 속도의 가속 방법.
  21. (a) 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비하는 하우징과;
    (b) 상기 출구에 인접하여 배치되며, 밀봉면, 및 관통하여 연장하는 통로를 포함하는 시트와;
    (c) 니들로서, 상기 니들이 상기 시트로부터 변위되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동할 수 있는 제 1 위치와, 상기 니들이 상기 시트에 대하여 편향되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동하는 것이 차단되는 제 2 위치 사이에서 상기 종축선을 따라 상기 하우징 내부에서 왕복가능하게 위치한 니들과; 그리고
    (d) 상기 하우징의 상기 출구에 위치한 다층 오리피스 판 조립체로서,
    (ⅰ)관통하여 연장되는 복수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판; 및
    (ⅱ)하나 이상의 채널에 의해 상기 복수의 제 1 개구부와 유체 소통가능하게 연결되고 미리정해진 제 2 방사상 거리만큼 상기 종축선으로부터 각각 이격되며 관통하여 연장되는 복수의 제 2 개구부를 구비하며, 상기 제 1 오리피스 판으로부터 분리되는 제 2 오리피스 판을 포함하는 다층 오리피스 판 조립체와,
    (e) 상기 복수의 제 1 개구부가 상기 제 1 오리피스 판 상의 가상 원 외부에 위치되고 상기 복수의 제 2 개구부가 상기 제 2 오리피스 판 상의 가상 원 외부에 위치되도록 상기 제 1 및 제 2 오리피스 판 상에 가상 원을 형성하는 가상 연장 밀봉면을 포함하는 연료 분사 장치.
  22. (a) 입구, 출구, 및 이들을 통하여 연장하는 종축선을 구비하는 하우징과;
    (b) 상기 출구에 인접하여 배치되며, 밀봉면, 및 관통하여 연장하는 통로를 포함하는 시트와;
    (c) 니들로서, 상기 니들이 상기 시트로부터 변위되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동할 수 있는 제 1 위치와, 상기 니들이 상기 시트에 대하여 편향되어 연료가 상기 니들을 지나서 유동하는 것이 차단되는 제 2 위치 사이에서 상기 종축선을 따라 상기 하우징 내부에서 왕복가능하게 위치한 니들과;
    (d) 상기 하우징의 상기 출구에 위치한 다층 오리피스 판 조립체로서,
    (ⅰ)상기 종축선으로부터 미리정해진 제 1 방사상 거리 만큼 각각 이격되며 관통하여 연장되는 복수의 제 1 개구부를 구비하는 제 1 오리피스 판;
    (ⅱ)하나 이상의 채널에 의해 상기 복수의 제 1 개구부와 유체 소통가능하게 연결되고 상기 미리정해진 제 1 방사상 거리 보다 작은 미리정해진 제 2 방사상 거리만큼 상기 종축선으로부터 각각 이격되며 관통하여 연장되는 복수의 제 2 개구부를 구비하며, 상기 제 1 오리피스 판으로부터 분리되는 제 2 오리피스 판, 및
    (ⅲ)상기 복수의 제 1 개구부 및 상기 복수의 제 2 개구부와 유체 소통가능하게 연결되며 상기 종축선을 따라 관통하여 연장되는 제 3 오리피스 판 중심 개구부를 포함하고, 상기 제 1 오리피스 판과 상기 제 2 오리피스 판 사이에 위치되며, 상기 제 1 오리피스 판 및 상기 제 2 오리피스 판으로부터 분리되는 제 3 오리피스 판을 포함하는 다층 오리피스 판 조립체와, 그리고
    (e) 상기 복수의 제 1 개구부가 상기 제 1 오리피스 판 상의 가상 원의 외부에 위치되고 상기 복수의 제 2 개구부가 상기 제 2 오리피스 판 상의 가상 원의 외부에 위치되도록 상기 제 1 및 제 2 오리피스 판 상에 가상 원을 형성하는 가상 연장 밀봉면을 포함하는 연료 분사 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    아치형의 개구부들이 상기 가상 원의 외부에 위치되며, 제 3 오리피스 판 중심 개구부가 상기 가상 원의 내부에 위치하는, 연료 분사 장치.
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