KR101116978B1 - 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 별도의 전자 장치를 전혀 사용하지 않고 기계적인 구성만으로써 매우 간단하게 연료의 분사가 시작되는 압력을 조절할 수 있으며, 분사 시작압력을 대폭 상승시킬 수 있고, 예비 분사가 가능하도록 하여 2단 고압으로 연료를 분사할 수 있도록 하여 내구성과 연비를 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스와 제작비용을 저감시킬 수 있는 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브에 관한 것이다.

상기와 같은 본 발명은, 주 분사에 앞서 적은 양의 연료를 실린더 내부로 예비 분사하여 연소시키게 되면 연소실의 온도 및 압력을 상승시키게 됨으로써 주 분사의 연소효율을 상승시킬 뿐만 아니라 연료 분사밸브의 개방 압력을 상승시킴으로써 연소효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 있으며, 연료의 분사압력이 비교적 높은 고 부하조건에서도 질소산화물을 저감시킬 수 있고, 엔진의 내구성과 정숙성에도 긍정적인 효과가 있으며, 분사 압력이 낮은 저 부하조건에서는 예비 분사 구간을 길게 하여 연소실 온도와 압력을 더 높여 주 분사의 연소 효율을 더 높이고, 분사 압력이 높은 고 부하조건에서는 예비 분사 구간을 짧게 하여 질소산화물 발생량을 저감하는 등 부하 조건에 따라 연소 성능을 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

연료 분사밸브, 니들, 디젤 엔진, 연소실, 분사공 개방 제어수단

Description

디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브{A two stage fuel injection valve for a diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 전자 장치를 전혀 사용하지 않고 기계적인 구성만으로써 매우 간단하게 연료의 분사가 시작되는 압력을 조절할 수 있으며, 분사 시작압력을 대폭 상승시킬 수 있고, 예비 분사가 가능하도록 하여 2단 고압으로 연료를 분사할 수 있도록 하여 내구성과 연비를 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스와 제작비용을 저감시킬 수 있는 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브에 관한 것이다.

이하, 도면을 참조하여 배경기술과 그 문제점에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 디젤 엔진용 연료 분사밸브를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 디젤 엔진용 연료 분사밸브(1)는, 밸브 몸체부(10) 내측에 중공부(100)가 형성되어 상기 중공부(100)에 탄성부재(13)와 푸시로드(12)가 설치되고, 상기 밸브 몸체부(10)의 하부에는 노즐 바디(15)가 설치된 다.

상기 노즐 바디(15)의 내부 중앙부에는 슬라이딩 홀(150)이 형성되며, 상기 슬라이딩 홀(150)의 중앙부에는 고압 챔버(151)가 형성되고, 상기 슬라이딩 홀(150)의 하단부에는 시트면(152)이 형성되며, 상기 시트면(152)의 하단부에는 분사 챔버(153)가 형성되고, 상기 분사 챔버(153)에서부터 노즐 바디(15)의 외주면까지는 다수개의 분사구(154)가 형성된다.

상기와 같이 구성된 노즐 바디(15)의 슬라이딩 홀(150)에는 탄성부재(13)의 하단부에 의해 상단부가 지지되도록 니들 밸브(11)가 슬라이딩 가능하게 삽입 설치되어 상기 니들 밸브(11)의 하부면이 시트면(152)과 이격되거나 접촉되면서 분사 챔버(153)를 개폐할 수 있도록 하는 구조이다.

또한, 연료펌프(도시되지 않음)로부터 공급되는 고압의 연료는 밸브 몸체부(10)에 형성된 연료 주입구(103)를 통하여 노즐 바디(15)의 고압 챔버(151)에 공급되며, 상기 고압 챔버(151)공급되는 연료의 압력이 탄성부재(13)와 푸시로드(12)에 의해 니들밸브(11)의 상부에 가해지는 힘보다 커지면 니들밸브(11)의 하부면은 시트면(104)과 분리되어 분사 챔버(153)와 분사구(154)를 통하여 연소실 내부로 분무된다. 상기 탄성부재(13)의 상측에는 탄성부재의 탄성을 조정하여 개방압을 조절할 수 있는 압력조절나사(14)가 설치된다.

다음으로, 상기와 같이 구성되는 종래의 일반적인 디젤 엔진용 연료 분사밸브의 작동과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

상기와 같이 구성된 종래의 일반적인 디젤 엔진용 연료 분사밸브(1)는, 연료 펌프(도시되지 않음)에 의해 고압으로 공급된 연료가 연료 주입구(103)를 통해 니들 밸브(11)가 설치된 노즐 바디(15)의 고압 챔버(151)에 공급되면, 상단부의 직경이 하단부의 직경보다 크게 형성된 니들 밸브(11)의 특성상 상기 연료 주입구(103)를 통해 고압으로 공급된 연료에 의해 니들 밸브(11)가 푸시로드(12) 방향으로 가압되어 슬라이딩 이동을 하게 된다.

또한, 푸시로드(12)는 상기 니들 밸브(11)에 의해 밀려 상기 니들 밸브(11)와 연동되어 상승됨으로써 탄성부재(13)를 가압하게 되며, 이로 인하여 상기 탄성부재(13)는 압축된 상태가 된다.

상기와 같이 니들 밸브(11)가 슬라이딩 이동되어 상승 하게 되면, 상기 슬라이딩 홀(150) 시트면(152)으로부터 니들 밸브(11)가 이격되어 상기 니들 밸브(11)와 시트면(152) 사이로 연료가 유입되고, 상기 니들 밸브(11)와 시트면(152) 사이로 유입된 연료는 분사 챔버(153)를 거친 후 분사구(154)를 통해 연소실 내부로 공급되는 것이다.

그리고 연료 펌프(도시되지 않음)의 특성상, 공급되는 연료의 압력이 순간적으로 차단되므로 압축된 탄성부재(13)의 원상 복원력이 고압 챔버(151)에 형성된 연료의 압력보다 커져 푸시로드(12)가 하강하게 된다. 상기와 같이 하강되는 푸시로드(12)에 의해 니들 밸브(11) 또한 밀리게 되어 하강을 하게 됨으로써 상기 니들 밸브(11)의 하단부가 시트면(152)에 밀착되어 연료가 더 이상 분사구(154)를 통해 연소실 내부로 공급되지 않게 되는 것이다.

그러나 상기와 같은 종래의 일반적인 디젤 엔진용 연료 분사밸브(1)는, 니들 밸브(11)가 상승됨과 동시에 다수개의 분사구(154)가 일시에 개방되어 1단의 분사만 가능하며 연료 분사가 시작되는 개방압의 조정이 불가능 한 것으로서 연료의 분사가 시작되는 압력이 낮을 뿐만 아니라 연료의 분사 초기에 과다한 연료가 분사되어 연료의 분무화 상태가 나빠지게 됨으로써 저 부하에서는 불완전 연소로 인한 스모그가 증가된다는 문제가 있으며, 고 부하에서는 연소의 지연현상으로 인한 질소 산화물 배기가스 증가 등의 문제점이 나타남과 동시에, 연소 효율이 저하되고 연비가 나빠진다는 문제점이 있었다.

그리하여 최근에는 낮은 분사압력 및 고정된 연료분사 특성으로 인한 연소성능 저하문제를 해결하기 위하여 전자제어 커먼레일 연료 분사밸브를 개발하여 사용하고 있는 실정이나, 상기와 같은 전자제어 커먼레일 연료 분사밸브는 분사시기와 분사횟수, 분사압력의 조절은 가능하나, 구조가 복잡하여 고장 발생률이 높을 뿐만 아니라 제작비용이 지나치게 비싸다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은, 별도의 전자 장치를 전혀 사용하지 않고 기계적인 구성만으로써 매우 간단하게 연료의 분사가 시작되는 압력을 조절할 수 있으며, 분사 시작압력을 대폭 상승시킬 수 있고, 예비 분사가 가능하도록 하여 2단 고압으로 연료를 분사할 수 있도록 하여 내구성과 연비를 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스와 제작비용을 저감시킬 수 있는 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상단부에서 하단부 방향으로 연료 가압 챔버, 개방압 제어 챔버, 피스톤 삽입 홀, 스프링 삽입 홀, 니들 체결 홀, 압력 챔버, 시트면, 다수개의 분사공이 순차적으로 내부 중앙부에 형성되며, 연료 펌프와 연결되어 연료 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 연료 가압 챔버와 압력 챔버에 제공하는 제 1 연료 공급로가 내부에 형성되고, 상기 제 1 연료 공급로와 개방압 제어챔버를 서로 연결하는 제 2 연료 공급로가 내부에 형성된 밸브 바디; 상기 압력 챔버에 하단부가 삽입되며, 하부면은 상기 밸브 바디의 시트면과 선택적으로 밀착되도록 니들 체결 홀에 슬라이딩 체결되는 니들; 상기 니들의 상부면에 의해 하부면이 지지되며 하단부는 스프링 삽입 홀에 삽입되도록 상기 피스톤 삽입 홀에 슬라이딩 체결되는 개방압 제어 피스톤; 상기 개방압 제어 피스톤을 둘러싸도록 스 프링 삽입 홀에 설치되며, 상단부는 스프링 삽입 홀의 상부면에 의해 지지되고, 하단부는 니들의 상부면에 의해 지지되는 니들 스프링; 및 상기 개방압 제어 챔버에 하단부가 슬라이딩 체결되며, 상단부는 연료 가압챔버에 슬라이딩 체결되고, 일측은 상기 연료 가압 챔버와 제 2 연료 공급로 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로 상에 설치되는 분사공 개방 제어수단;을 포함하여 구성된 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 제공하는 것이다.

여기서, 상기 분사공 개방 제어수단은, 상기 연료 가압챔버에 상단부가 삽입되도록 하단부가 개방압 제어챔버 내부에 슬라이딩 체결되는 플런저; 상기 플런저의 시트면의 하부면에 의해 상단부가 지지되며, 하단부는 연료 가압 챔버의 하부면에 의해 지지되도록 플런저를 둘러싸도록 설치되는 플런저 스프링; 상기 플런저의 상부면에 의해 하부면이 지지되도록 연료 가압챔버에 슬라이딩 체결되는 가압 피스톤; 및 상기 연료 가압 챔버와 제 2 연료 공급로 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로 상에 설치되는 제 1 논-리턴 밸브;로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는, 상기 개방압 제어 챔버와 연통되도록 밸브 바디 중앙부에 관통 형성된 개방압 제어용 출입구; 및 상기 개방압 제어 챔버가 형성된 밸브 바디와 플런저의 외주면에 구비되어 상기 개방압 제어용 출입구를 폐쇄시키는 플런저의 하강 거리를 조절하여 예비 분사구간의 길이를 제어하는 예비 분사구간 제어수단;을 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 예비 분사구간 제어수단은, 상기 플런저의 외주면 하단부에 돌출 형성된 나선형 요철; 상기 나선형 요철 상단부에 위치하도록 플런저의 외주면에 형성된 연료 통로; 상기 플런저의 외주면 중앙부에 형성된 기어부; 및 상기 밸브 바디의 외부로 일측이 돌출되며, 타측은 상기 기어부와 기어 연결되는 컨트롤 랙; 으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 예비 분사구간 제어수단은, 상기 제 2 연료 공급로 상에 설치되는 제 2 논-리턴 밸브;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이상, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는, 연소 특성을 개선하기 위하여 분사공 개방 제어수단을 이용하여 높은 연료 분사압력에서 연료의 예비 분사 후 소정의 시간이 지난 후 주 분사를 할 수 있도록 한다.

즉, 주 분사에 앞서 적은 양의 연료를 실린더 내부로 예비 분사하여 연소시키게 되면 연소실의 온도 및 압력을 상승시키게 됨으로써 주 분사의 연소효율을 상승시킬 뿐만 아니라 연료 분사밸브의 개방 압력을 상승시킴으로써 연소효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 적은 양의 예비 분사는 연료의 분사압력이 비교적 높은 고 부하조건에서도 질소산화물을 저감시키는 효과가 있다.

즉, 적은 양의 예비 분사는 연소실 내부의 온도와 압력을 연소에 적합한 조건으로 만들어 연소의 지연을 감소시킴으로써 분사된 연료가 순차적으로 증발, 혼합, 연소되어 급격한 온도 및 압력 상승을 방지함으로써 질소산화물 배기가스의 생성을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 엔진의 내구성과 정숙성에도 긍정적인 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는 예비 분사의 분사구간을 제어하여 분사 압력이 낮은 저 부하조건에서는 예비 분사 구간을 길게 하여 연소실 온도와 압력을 더 높여 주 분사의 연소 효율을 더 높이고, 분사 압력이 높은 고 부하조건에서는 예비 분사 구간을 짧게 하여 질소산화물 발생량을 저감하는 등 부하 조건에 따라 연소 성능을 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

따라서 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는 보다 높은 연소 효율을 달성할 수 있으며, 이를 통해 엔진의 내구성 증대, 배기가스 및 연비의 저감을 가능하게 함으로써 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 설명하기 위한 단면도이다.

먼저, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 구성에 대하여 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는, 밸브 바디(10), 니들(11), 개방압 제어 피스톤(12), 니들 스프링(13), 분사공 개방 제어수단(14)으로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 밸브 바디(10)는, 내부 상단부에 연료 가압 챔버(100)가 형성되며, 상기 연료 가압 챔버(100)의 하단부에는 상기 연료 가압 챔버(100)와 연통되는 개방압 제어 챔버(101)가 형성되고, 상기 개방압 제어 챔버(101)의 하단부에는 상기 개방압 제어 챔버(101)와 연통되도록 피스톤 삽입 홀(102)이 형성되며, 상기 피스톤 삽입 홀(102)의 하단부에는 피스톤 삽입 홀(102)과 연통되도록 스프링 삽입 홀(103)이 형성되고, 상기 스프링 삽입 홀(103)의 하단부에는 스프링 삽입 홀(103)과 연통되는 니들 체결 홀(104)이 형성되며, 상기 니들 체결 홀(104)의 하단부에는 니들 체결 홀(104)과 연통되는 압력 챔버(105)가 형성되고, 상기 압력 챔버(105)의 하단부에는 시트면(106)이 형성되고, 하부면에는 외측 방향으로 하향 경사지도록 다수개의 분사공(107)이 관통 형성되며, 연료 펌프(도시되지 않음)와 연결되어 상기 연료 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 연료 가압 챔버(100)와 압력 챔버(105)에 제공하는 제 1 연료 공급로(108)가 내부에 형성되고, 상기 제 1 연료 공급로(108)와 개방압 제어 챔버(101)를 서로 연결하는 제 2 공급로(109)가 내부에 형성된다.

상기 니들(11)은, 상기 압력 챔버(105)에 하단부가 삽입되며, 하부면은 상기 밸브 바디(10)의 시트면(106)과 선택적으로 밀착될 수 있도록 니들 체결 홀(104)에 슬라이딩 체결된다.

상기 개방압 제어 피스톤(12)은, 상기 니들(11)의 상부면에 의해 하부면이 지지되며, 하단부는 스프링 삽입 홀(103)에 삽입되도록 상기 피스톤 삽입 홀(102) 에 슬라이딩 체결된다.

상기 니들 스프링(13)은, 상기 개방압 제어 피스톤(12)을 둘러싸도록 스프링 삽입 홀(103)에 설치되며, 상단부는 스프링 삽입 홀(103)의 상부면에 의해 지지되고, 하단부는 니들(11)의 상부면에 의해 지지된다.

상기 분사공 개방 제어수단(14)은, 상기 개방압 제어 챔버(101)에 하단부가 슬라이딩 체결되며, 상단부는 연료 가압 챔버(100)에 슬라이딩 체결되고, 일측은 상기 연료 가압 챔버(100)와 제 2 연료 공급로(109) 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로(108) 상에 설치된다.

상기 분사공 개방 제어수단(14)의 구성에 대하여 상세하게 설명하면, 본 발명에 따른 일실시예에 의한 분사공 개방 제어수단(14)은, 플런저(140), 플런저 스프링(141), 가압 피스톤(142) 및 제 1 논-리턴 밸브(143)로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 분사공 개방 제어수단(14)의 플런저(140)는, 상기 연료 가압 챔버(100)에 상단부가 삽입되도록 하단부가 개방압 제어 챔버(101) 내부에 슬라이딩 체결된다.

상기 플런저 스프링(141)은, 상기 플런저(140)의 시트면(140a)의 하부면에 의해 상단부가 지지되며, 하단부는 연료 가압 챔버(100)의 하부면에 의해 지지되도록 플런저(141)를 둘러싸도록 설치된다.

상기 가압 피스톤(142)은, 상기 플런저(140)의 상부면에 의해 하부면이 지지되도록 연료 가압 챔버(100)에 슬라이딩 체결된다.

상기 제 1 논-리턴 밸브(143)는, 상기 연료 가압 챔버(100)와 제 2 연료 공 급로(109) 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로(108) 상에 설치된다.

다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는, 밸브 바디(10), 니들(11), 개방압 제어 피스톤(12), 니들 스프링(13), 분사공 개방 제어수단(14), 예비 분사구간 제어수단(15)으로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 밸브 바디(10)는, 내부 상단부에 연료 가압 챔버(100)가 형성되며, 상기 연료 가압 챔버(100)의 하단부에는 상기 연료 가압 챔버(100)와 연통되는 개방압 제어 챔버(101)가 형성되고, 상기 개방압 제어 챔버(101)의 하단부에는 상기 개방압 제어 챔버(101)와 연통되도록 피스톤 삽입 홀(102)이 형성되며, 상기 피스톤 삽입 홀(102)의 하단부에는 피스톤 삽입 홀(102)과 연통되도록 스프링 삽입 홀(103)이 형성되고, 상기 스프링 삽입 홀(103)의 하단부에는 스프링 삽입 홀(103)과 연통되는 니들 체결 홀(104)이 형성되며, 상기 니들 체결 홀(104)의 하단부에는 니들 체결 홀(104)과 연통되는 압력 챔버(105)가 형성되고, 상기 압력 챔버(105)의 하단부에는 시트면(106)이 형성되고, 하부면에는 외측 방향으로 하향 경사지도록 다수개의 분사공(107)이 관통 형성되며, 연료 펌프(도시되지 않음)와 연결되어 상기 연료 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 연료 가압 챔버(100)와 압력 챔버(105)에 제공하는 제 1 연료 공급로(108)가 내부에 형성되고, 상기 제 1 연료 공 급로(108)와 개방압 제어 챔버(101)를 서로 연결하는 제 2 공급로(109)가 내부에 형성되며, 상기 개방압 제어 챔버(101)과 연통되도록 중앙부에는 개방압 제어용 출입구(110)가 관통 형성된다.

상기 니들(11)은, 상기 압력 챔버(105)에 하단부가 삽입되며, 하부면은 상기 밸브 바디(10)의 시트면(106)과 선택적으로 밀착될 수 있도록 니들 체결 홀(104)에 슬라이딩 체결된다.

상기 개방압 제어 피스톤(12)은, 상기 니들(11)의 상부면에 의해 하부면이 지지되며, 하단부는 스프링 삽입 홀(103)에 삽입되도록 상기 피스톤 삽입 홀(102)에 슬라이딩 체결된다.

상기 니들 스프링(13)은, 상기 개방압 제어 피스톤(12)을 둘러싸도록 스프링 삽입 홀(103)에 설치되며, 상단부는 스프링 삽입 홀(103)의 상부면에 의해 지지되고, 하단부는 니들(11)의 상부면에 의해 지지된다.

상기 분사공 개방 제어수단(14)은, 상기 개방압 제어 챔버(101)에 하단부가 슬라이딩 체결되며, 상단부는 연료 가압 챔버(100)에 슬라이딩 체결되고, 일측은 상기 연료 가압 챔버(100)와 제 2 연료 공급로(109) 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로(108) 상에 설치된다.

상기 분사공 개방 제어수단(14)의 구성에 대하여 상세하게 설명하면, 본 발명에 따른 일실시예에 의한 분사공 개방 제어수단(14)은, 플런저(140), 플런저 스프링(141), 가압 피스톤(142) 및 제 1 논-리턴 밸브(143)로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 분사공 개방 제어수 단(14)의 플런저(140)는, 상기 연료 가압 챔버(100)에 상단부가 삽입되도록 하단부가 개방압 제어 챔버(101) 내부에 슬라이딩 체결된다.

상기 플런저 스프링(141)은, 상기 플런저(140)의 시트면(140a)의 하부면에 의해 상단부가 지지되며, 하단부는 연료 가압 챔버(100)의 하부면에 의해 지지되도록 플런저(141)를 둘러싸도록 설치된다.

상기 가압 피스톤(142)은, 상기 플런저(140)의 상부면에 의해 하부면이 지지되도록 연료 가압 챔버(100)에 슬라이딩 체결된다.

상기 제 1 논-리턴 밸브(143)는, 상기 연료 가압 챔버(100)와 제 2 연료 공급로(109) 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로(108) 상에 설치된다.

상기 예비 분사구간 제어수단(15)은, 상기 개방압 제어 챔버(101)가 형성된 밸브 바디(10)와 플런저(140)의 외주면에 구비되어 상기 개방압 제어용 출입구(110)를 폐쇄시키는 플런저(140)의 하강 거리를 조절하여 예비 분사구간의 길이를 제어한다.

상기와 같은 예비 분사구간 제어수단(15)의 구성에 대하여 상세하게 설명하면, 상기 예비 분사구간 제어수단(15)은, 나선형 요철(150), 연료 통로(151), 기어부(152), 컨트롤 랙(153), 제 2 논-리턴 밸브(154)로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 예비 분사구간 제어수단(15)의 나선형 요철(150)은, 상기 플런저(140)의 외주면 하단부에 돌출 형성된다.

상기 연료 통로(151)는, 상기 나선형 요철(150) 상단부에 위치하도록 플런저(140)의 외주면에 형성된다.

상기 기어부(152)는, 상기 플런저(140)의 외주면 중앙부에 형성된다.

상기 컨트롤 랙(153)은, 상기 밸브 바디(10)의 외부로 일측이 돌출되며, 타측은 상기 기어부(152)와 기어 연결된다.

상기 제 2 논-리턴 밸브(154)는, 상기 제 2 연료 공급로(109) 상에 설치된다.

도 2, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 작동 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 작동과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브와 일반적인 연료 분사 밸브의 연료 분사압력을 그래프로 표현한 도면이다.

설명의 편의를 위하여 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 작동과정을 도 4에 도시된 바와 같이 연료 분사 전 또는 연료 분사 종료 후인 단계 1과, 높은 개방 압력에서의 예비 분사인 단계 2와, 정상 개방 압력에서의 주 분사인 단계 3으로 구분하여 설명한다.

<단계 1 : 분사 전 또는 분사 종료 후>

본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 사용하여 연료를 분사하기 전 또는 분사 종료 직후에는 도 4의 a에 도시된 바와 같이 연료 가압 챔버(100)와 개방압 제어챔버(101)의 연료 압력이 플런저 스프링(141)의 탄성 력 보다 낮으므로 상기 플런저 스프링(141)에 의하여 플런저(140)가 슬라이딩 이동되어 상승하게 된다.

상기와 같이 플런저(140)가 슬라이딩 이동되어 상승하게 되면, 개방압 제어 챔버(101)의 공간이 플런저(140)가 상승된 만큼 더 늘어나게 됨으로써 개방압 제어 챔버(101) 내의 연료압력은 더욱 낮아지게 됨으로써 제 1 논-리턴 밸브(143)가 설치된 제 1 연료 공급로(108)의 밸브 입구(108a)의 연료 압력이 밸브 출구(108b) 보다 높아짐으로써 상기 제 1 논-리턴 밸브(143)가 개방되어 제 2 연료 공급로(109)와 밸브 출구(108b) 측에 위치한 제 1 연료 공급로(108)를 통해 압력 챔버(105)와 개방압 제어챔버(101)에 연료가 유입된다.

<단계 2 : 높은 개방 압력에서의 예비 분사>

도 4의 b에 도시된 바와 같이 연료 펌프(도시되지 않음)로부터 전달된 고압(P1)의 연료는 제 1 연료 공급로(108)로 주입되어 연료 가압 챔버(100)를 채우게 된다.

이때, 연료 가압 챔버(100) 내에서의 가압 피스톤(142)의 압력 면적인 상부면의 면적이 개방압 제어 챔버(101) 내에서의 플런저(140)의 압력 면적인 플런저(140)의 하부면의 면적보다 크기 때문에 가압 피스톤(142)과 플런저(140)는 연료 가압 챔버(101) 내부에 채워진 고압의 연료에 의해 하강하여 개방압 제어 챔버(101) 내부에 채워진 연료를 압축하게 된다.

여기서, 상기 개방압 제어 챔버(101) 내부의 연료 압력은 개방압 피스톤(12)의 상부면에도 작용하게 된다.

따라서, 개방압 제어 챔버(101) 내부의 연료 압력(P2)은 연료 펌프로부터 전달되어 연료 가압 챔버(100) 내부에 채워진 연료의 압력(P1)보다 높게 점차적으로 증폭된다.

그러므로, 상기 가압 피스톤(142)과 플런저(140)는 연료 가압 챔버(100) 내부에 채워진 연료의 압력(P1)과 개방압 제어 챔버(101) 내부의 연료 압력(P2)에 의한 힘의 차이가 플런저 스프링(141)의 압축력과 같아질 때까지 하강하게 되는 것이다.

이때, 개방압 제어 챔버(101)는 제 1 논-리턴 밸브(143)의 밸브 출구(108b)가 위치한 제 1 연료 공급로(108)와 연결되어 있어 상기 밸브 출구(108b)에는 연료 가압 챔버(100) 내부에 채워진 연료의 압력(P1)보다 높게 점차적으로 증폭된 개방압 제어 챔버(101) 내부의 연료 압력(P2)이 작용하며, 제 1 논-리턴 밸브(143)의 밸브 입구(108a)에는 연료 펌프로부터 전달된 연료의 압력이 작용하므로 밸브 출구(108b)의 압력이 밸브 입구(108a)의 압력 보다 높으므로 제 1 논-리턴 밸브가 닫히게 된다.

따라서, 연료펌프로부터 공급되는 고압 연료(P1)는 압력 챔버(105) 내부로의 유입이 차단되며, 상기 개방압 제어 챔버(101)로부터 제 2 연료 공급로(109)와 밸브 출구(108b) 측의 제 1 연료 공급로(108)를 통해 압력 챔버(105) 내부로 공급되는 연료의 압력(P2)이 니들(11)에 작용하게 되며, 가압 피스톤(142)과 플런저(140)가 하강함에 따라 점차적으로 증폭되어 압력 챔버(105)로 공급되는 연료의 압력(P2)이 개방압 제어 피스톤(12)의 하강하려고 하는 힘과 니들 스프링(13)의 탄성 력을 합친 압력 보다 커지게 되는 시점부터 니들(11)이 상승되어 니들(11)의 하부면이 시트면(106)과 이격됨으로써 분사공(107)을 통해 연료가 분사된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브는 분사가 시작되는 압력 즉, 연료의 개방 압력은 압력 챔버(105) 내부의 연료에 의하여 니들(11)에 가해지는 압력과 개방압 제어 챔버(101) 내부에 의하여 개방압 제어 피스톤(12)에 가해지는 압력 및 니들 스프링(13)의 탄성력에 의하여 결정되는 것으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 종래의 기계식 연료 분사밸브 보다 2 내지 3배 정도 높게 설정된다.

즉, 종래의 일반적인 기계식 연료 분사밸브의 경우 연료의 개방압력은 단순히 니들 스프링의 압축력에 의해서만 결정되나, 본 발명에서는 니들(11)에 가해지는 연료의 압력을 이용하되, 상기 니들(11)이 개방압 제어 챔버(101) 내부의 연료의 압력에 의해 가압되어 하강하려고 하는 개방압 제어 피스톤(12)과 니들 스프링(13)에 의해 지지됨으로써 종래의 일반적인 기계식 연료 분사밸브 보다 탄성력이 낮은 니들 스프링(13)을 이용하면서도 보다 높은 연료의 개방압력에서 연료의 분사가 시작될 수 있도록 한다.

상기와 같이 연료가 연료 분사공(107)을 통해 분사됨에 따라서 압력 챔버(105) 및 개방압 제어 챔버(101) 내부의 연료 압력은 하강하게 되며, 압력 챔버(105) 내의 연료가 니들(11)을 상부로 밀어 올리려고 하는 압력과 개방압 제어 챔버(101)의 연료가 개방압 제어 피스톤(12)을 하부로 하강 시키려고 하는 압력과의 차이 보다 니들 스프링(13)의 탄성력이 커지게 되면, 니들(11)이 하강하게 되어 상기 니들(11)의 하부면이 시트면(106)과 밀착됨으로써 연료의 분사가 종료된다.

이때, 연료 펌프로부터 고압의 연료는 지속적으로 공급되지만 니들(11)을 상승시키려고 하는 압력 챔버(105) 내부 압력과 개방압 제어 피스톤(12)을 하강시키려고 하는 개방압 제어챔버(101) 내부 압력의 차이가 니들 스프링(9)의 탄성력 보다 작기 때문에 니들(11)이 하강되어 시트면(106)과 밀착됨으로써 연료의 분사는 이루어지지 않게 되는 것이다.

<단계 3 : 정상 개방 압력에서의 주 분사>

상기 단계 2에서와 같이 예비 분사가 종료된 후에는 매우 짧은 휴지기간 후에 주 분사가 시작된다.

즉, 밸브 출구(108b)의 압력(P2)이 연료 펌프로부터 전달되어 제 1 연료 공급로를 통해 밸브 입구(108a)로 공급된 고압 연료의 압력(P1) 보다 낮아지게 되면, 밸브 출구(108b)와 밸브 입구(108a)의 압력 차이로 인하여 제 1 논-리턴 밸브(143)가 다시 개방되어 제 2 연료 공급로(109)와 밸브 출구(108b)에 위치한 제 1 연료 공급로(108)를 통해 개방압 제어챔버(101)와 압력 챔버(105)에 고압의 연료를 공급한 다음, 그 이후에는 단계 2에서 설명한 바와 동일한 과정을 거쳐 분사공을 통해 연료를 고압으로 분사하게 되는 것이다.

다음으로, 도 3, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 작동 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

<단계 1 : 분사 전 또는 분사 종료 후>

본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 사용하여 연료를 분사하기 전 또는 분사 종료 직후에는 도 3 및 도 4의 a에 도시된 바와 같이 연료 가압 챔버(100)와 개방압 제어챔버(101)의 연료 압력이 플런저 스프링(141)의 탄성력 보다 낮으므로 상기 플런저 스프링(141)에 의하여 플런저(140)가 슬라이딩 이동되어 상승하게 된다.

상기와 같이 플런저(140)가 슬라이딩 이동되어 상승하게 되면, 개방압 제어 챔버(101)의 공간이 플런저(140)가 상승된 만큼 더 늘어나게 됨과 동시에 개방압 제어용 연료 출입구(110)가 개방되어 개방압 제어 챔버(101) 내의 연료압력은 더욱 낮아지게 됨으로써 제 1 논-리턴 밸브(143)가 설치된 제 1 연료 공급로(108)의 밸브 입구(108a)의 연료 압력이 밸브 출구(108b) 보다 높아짐으로써 상기 제 1 논-리턴 밸브(143)는 개방되고 제 2 논-리턴 밸브(154)의 밸브 입구(108a)의 압력은 밸브 출구(108b) 보다 낮아짐으로써 제 2 논-리턴 밸브(154)는 폐쇄되어 제 1 연료 공급로(108)를 통해 압력 챔버(105)에 연료가 유입된다.

이때, 엔진부하 조건에 따라 컨트롤 랙(153)을 작동시켜 플런저(140)를 회전시킴으로써 나선형 요철(150)에 의하여 개방압 제어용 연료 출입구(110)가 폐쇄되는 거리를 조절할 수 있도록 한다.

즉, 분사 압력이 낮은 저 부하조건에서는 플런저(140)가 하강되어 개방압 제어용 연료 출입구(110)가 나선형 요철(150)에 의하여 폐쇄되는 거리를 짧게 하도록 컨트롤 랙(153)을 작동시켜 플런저(140)를 회전시킴으로써 예비 분사 구간을 길게하여 연소실 온도와 압력을 더 높여 주 분사의 연소 효율을 높일 수 있도록 하며, 분사 압력이 높은 고 부하조건에서는 플런저(140)가 하강되어 개방압 제어용 연료 출입구(110)가 나선형 요철(150)에 의하여 폐쇄되는 거리를 길게 하도록 컨트롤 랙(153)을 작동시켜 플런저(140)를 회전시킴으로써 예비 분사 구간을 짧게 하여 질소산화물 발생량을 저감하는 등 부하 조건에 따라 연소 성능을 더 향상시킬 수 있도록 한다.

다시 한번 설명하면, 분사 압력이 낮은 저 부하조건에서는 개방압 제어용 연료 출입구(110)를 폐쇄시키는 플런저(140)의 하강 거리를 짧게 하도록 컨트롤 랙(153)을 작동시켜 플런저(140)를 회전시키는 것이며, 분사 압력이 높은 고 부하조건에서는 개방압 제어용 연료 출입구(110)를 폐쇄시키는 플런저(140)의 하강 거리를 길게 하도록 컨트롤 랙(153)을 작동시켜 플런저(140)를 회전시키는 것이다.

이후, 단계 2와 단계 3의 작동과정은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 작동과정과 동일함으로써 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 일반적인 디젤 엔진용 연료 분사밸브를 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 설명하기 위한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브를 설명하기 위한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브의 작동과정을 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브와 일반적인 연료 분사 밸브의 연료 분사압력을 그래프로 표현한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 밸브 바디 (11) : 니들

(12) : 개방압 제어 피스톤 (13) : 니들 스프링

(14) : 분사공 개방 제어수단 (15) 예비 분사구간 제어수단

Claims (5)

1. 상단부에서 하단부 방향으로 연료 가압 챔버(100), 개방압 제어 챔버(101), 피스톤 삽입 홀(102), 스프링 삽입 홀(103), 니들 체결 홀(104), 압력 챔버(105), 시트면(106), 다수개의 분사공(107)이 순차적으로 내부 중앙부에 형성되며, 연료 펌프와 연결되어 연료 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 연료 가압 챔버와 압력 챔버에 제공하는 제 1 연료 공급로(108)가 내부에 형성되고, 상기 제 1 연료 공급로와 개방압 제어 챔버를 서로 연결하는 제 2 연료 공급로(109)가 내부에 형성된 밸브 바디(10);

   상기 압력 챔버(105)에 하단부가 삽입되며, 하부면은 상기 밸브 바디(10)의 시트면(106)과 선택적으로 밀착되도록 니들 체결 홀(104)에 슬라이딩 체결되는 니들(11);

   상기 니들(11)의 상부면에 의해 하부면이 지지되며 하단부는 스프링 삽입 홀(103)에 삽입되도록 상기 피스톤 삽입 홀(102)에 슬라이딩 체결되는 개방압 제어 피스톤(12);

   상기 개방압 제어 피스톤(12)을 둘러싸도록 스프링 삽입 홀(103)에 설치되며, 상단부는 스프링 삽입 홀(103)의 상부면에 의해 지지되고, 하단부는 니들(11)의 상부면에 의해 지지되는 니들 스프링(13);

   상기 개방압 제어 챔버(101)에 하단부가 슬라이딩 체결되며, 상단부는 연료 가압 챔버(100)에 슬라이딩 체결되고, 일측은 상기 연료 가압 챔버(100)와 제 2 연료 공급로(109) 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로(108) 상에 설치되는 분사공 개방 제어수단(14);

   상기 개방압 제어 챔버(101)와 연통되도록 밸브 바디 중앙부에 관통 형성된 개방압 제어용 출입구(110); 및

   상기 개방압 제어 챔버(101)가 형성된 밸브 바디(10)와 플런저(140)의 외주면에 구비되어 상기 개방압 제어용 출입구(110)를 폐쇄시키는 플런저(140)의 하강 거리를 조절하여 예비 분사구간의 길이를 제어하는 예비 분사구간 제어수단(15);을 포함하여 구성된 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 분사공 개방 제어수단(14)은,

   상기 연료 가압 챔버(100)에 상단부가 삽입되도록 하단부가 개방압 제어 챔버(101) 내부에 슬라이딩 체결되는 플런저(140);

   상기 플런저(140)의 시트면(140a)의 하부면에 의해 상단부가 지지되며, 하단부는 연료 가압 챔버(100)의 하부면에 의해 지지되도록 플런저를 둘러싸도록 설치되는 플런저 스프링(141);

   상기 플런저(140)의 상부면에 의해 하부면이 지지되도록 연료 가압 챔버(100)에 슬라이딩 체결되는 가압 피스톤(142); 및

   상기 연료 가압 챔버(100)와 제 2 연료 공급로(109) 사이에 위치하도록 제 1 연료 공급로(108) 상에 설치되는 제 1 논-리턴 밸브(143);로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 2단 연료 분사밸브.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 예비 분사구간 제어수단(15)은,

   상기 플런저(140)의 외주면 하단부에 돌출 형성된 나선형 요철(150);

   상기 나선형 요철(150) 상단부에 위치하도록 플런저(140)의 외주면에 형성된 연료 통로(151);

   상기 플런저(140)의 외주면 중앙부에 형성된 기어부(152); 및

   상기 밸브 바디(10)의 외부로 일측이 돌출되며, 타측은 상기 기어부(152)와 기어 연결되는 컨트롤 랙(153);으로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 2단 연료 분사밸브.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 예비 분사구간 제어수단(15)은, 상기 제 2 연료 공급로(109) 상에 설치되는 제 2 논-리턴 밸브(154);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 2단 연료 분사밸브.

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