KR101246597B1 - 내연 기관을 위한 계량용 서보밸브가 설치된 연료 분사기 - Google Patents

내연 기관을 위한 계량용 서보밸브가 설치된 연료 분사기 Download PDF

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Abstract

연료 분사기(1)는 분사기 동체(2) 및 제어 로드(10)를 가지며, 제어 로드는 분사기 동체(2) 안에서 축(3)을 따라서 움직일 수 있어서 연료를 엔진의 실린더 안으로 분사하는 노즐의 개방/폐쇄를 제어한다; 분사기 동체(2)는 제어 챔버(26)를 가진 계량용 서보밸브(5)를 하우징하며, 제어 챔버는 제어 로드(10)에 의해서 축방향으로 한정되고 유입부(4) 및 배출 채널(42)과 소통된다; 계량용 서보밸브(5)에는 셔터(47)가 제공되는데, 셔터는 배출 채널(42)이 나오는 축방향 안내부(38)상에서 축방향으로 미끄러져서, 배출 채널(42)을 개방 및 폐쇄시키며, 결과적으로 제어 챔버(26)의 압력을 변화시킨다; 배출 채널(42)은 적어도 2 개의 제한부(53,44)를 가지는데, 제한부들은 캘리브레이션 통로 섹션들을 가지며 서로 직렬로 배치되어 배출 채널(42)을 따라서 압력 강하를 분할한다.
연료 분사기, 배출 채널, 제한부

Description

내연 기관을 위한 계량용 서보밸브가 설치된 연료 분사기{Fuel injector equipped with a metering servovalve for an internal combustion engine}
본 발명은 내연 기관을 위한 계량용 서보밸브(metering servovalve)가 설치된 연료 분사기에 관한 것이다.
통상적으로, 내연 기관을 위한 분사기들은 제어 챔버를 가진 계량용 서보밸브를 구비하는데, 이것은 연료 유입부 및 연료 배출 채널과 소통된다. 계량용 서보밸브는 셔터를 포함하며, 셔터는 배출 채널의 유출 개구를 개방/폐쇄시키고 제어 챔버내의 압력을 변화시키도록 전기-액튜에이터의 작용하에 축방향으로 움직일 수 있다. 제어 챔버의 압력은 차례로 분사기의 단부 노즐의 개방/폐쇄를 제어하여 연료를 관련 실린더로 공급한다.
배출 채널은 캘리브레이션 구획부(calibrated segment)를 가지는데, 캘리브레이션 구획부는 계량용 서보밸브의 정확한 작동에 특히 중요하다. 특히, 그러한 캘리브레이션 구획부에서, 유체 유량은 미리 한정된 압력 차분(pressure differential)과 관련된다.
제조된 분사기들에서, 배출 채널의 캘리브레이션 구획부는 전자 방전 기계 가공을 통하여 통공을 만듦으로써 제조되며, 다음에 통공의 결함을 제거하는데 필요한 마무리 작업이 이어지는데, 그러한 결함은 아무리 작을지라도 어떤 경우에는 연료의 유동에 커다란 압력 강하 오류를 초래하며, 결과적으로 제어 챔버를 떠나는 연료의 유량에 큰 압력 강하 오류를 초래한다.
특히, 마무리 작업은 실험적인 특성을 가지는 것으로서, 전자 방전 기계 가공을 통해 만들어진 구멍을 통하여 연마용 액체 유동을 만들고, 구멍의 상류와 하류에 압력을 설정하고, 유량을 검출함으로써 수행된다: 미리 설정된 설계 값에 도달할 때까지, 구멍의 측방향 표면상에서 액체에 의해 야기되는 연마와 함께, 유량이 점진적으로 증가되는 경향이 있다. 이러한 지점에서, 유동이 중단된다. 사용중에, 최종적으로 획득된 통로의 섹션(section)은, 마무리 작업 동안에 구멍의 상류 및 하류에 설정된 압력 차이와 동일한 압력 강하 및, 미리 설정된 설계 값과 동일한, 제어 챔버를 떠나는 연료의 유량을 가까운 근사치로써 결정할 것이다.
유럽 특허 EP 1612403 호에 개시된 분사기에서, 배출 채널은 셔터를 안내하는 축방향 줄기부에 만들어진 유출부를 가지는데, 셔터는 슬라이딩 슬리이브에 의해 형성된다. 배출 채널의 캘리브레이션 구획부는 축방향 줄기부와 동일 축상에 있고 관통 플레이트에 만들어지며, 관통 플레이트는 축방향으로 제어 챔버를 한정한다. 상기 캘리브레이션 구획부의 하류에, 배출 채널은 축방향 구획부 및 2 개의 반대편 반경 방향 섹션들을 구비하며, 섹션들은 함께 배출 연료를 위한 상대적으로 넓은 통로 섹션(passage section)을 형성한다. 계량용 서보밸브가 개방되었을 때, 또는 셔터를 형성하는 슬리이브가 개방 위치에서 상승되었을 때, 예를 들어 분사기 에 대략 1600 바아의 연료 공급 압력을 고려하면, 제어 챔버 안으로 연장되는 연료 유입부는 제어 챔버에서 대략 700 바아의 압력 강하를 결정한다; 이후에, 배출 채널의 캘리브레이션 구획부의 상류 단부와 하류 단부 사이에서, 연료 압력은 대략 700 바아로부터 수 바아로 강하된다.
도 16 에서 선으로 도시된 곡선은 서보밸브가 개방되었을 때 제어 밸브를 떠나는 연료 유동의 압력 경향을 정성적으로 도시하는 실험적인 곡선이다. (위에서 언급된 바와 같이, 대략 700 바아와 동일한) 압력(P1)이 제어 챔버 안에서 나타나는 반면에, 배출 환경에서는 셔터를 형성하는 슬리이브와 축방향 줄기부 사이에 있는 시일의 하류에서, 압력(PSCAR)이 나타난다. 제어 챔버에 대한 선형 거리는 횡좌표상에 도시되어 있다. 특히:
XA: 캘리브레이션 구획부의 유출부 바로 다음에 있는 위치,
XRAD: 2 개의 반대인 반경 방향 섹션들상의 유입부 위치,
XTEN: 셔터를 형성하는 슬리이브와 축방향 줄기부 사이의 시일 영역에 있는 위치,
XSCA: 연료 압력이 자체적으로 안정화되는 배출 환경의 위치이다.
실험적으로, 커다란 압력 강하 때문에, 캐비테이션(cavitation)이 시작된다. 즉, 배출 환경 상류에서의 연료 압력은, 캘리브레이션 구획부로부터의 유출부에 대응하여 PVAPOR 로 표시된 바와 같은 증기 압력 이하로 강하되며, 여기에서 연료 유동 속도는 최대이고 압력은 최소이다(PMIN). 특히, 증기의 백분율 또는 분류(fraction)는 1 에 가깝다.
위치(XA)로부터 위치(XTEN)로의 통로 섹션들은 (비록 캘리브레이션 구획부의 통로 섹션보다는 클지라도) 상대적으로 협소하므로, 연료 압력은 느리게 상승하고, 위치(XA)의 바로 하류에 형성된 모든 증기들이 액체 상태로 돌아가는 것은 아니다.
따라서, 위치(XTEN)에 대응하여, 증기 분류(vapor fraction)는 여전히 실질적인 것이다. 위치(XTEN)에 대응하여, 통로 섹션이 최대로 증가된다. 그러한 영역에서, 3 가지의 소망되지 않은 현상을 구별할 수 있다:
통로 섹션의 급속한 증가 때문에, 압력은 상승하는 경향이 있고 이전에 형성된 증기 거품은 파열하는 경향이 있다; 시일을 형성하는 표면들 다음에서 이러한 현상이 발생하면, 그 표면들의 소망스럽지 않은 마모가 발생된다.
셔터의 폐쇄중에, 증기의 존재시에, 즉, "건조" 조건에서 시일을 형성하는 표면들 사이의 접촉이 발생되어, 결과적으로 마모를 더 일으키는 충격을 가져온다.
또한, 항상 이러한 "건조" 조건 때문에, 액체의 댐핑(damping) 효과가 상실되고 셔터의 반동(shutter rebound)이 발생되어, 서보 밸브의 폐쇄시에 지연을 야기함으로써, 설계에 의해 확립된 양에 비하여 분사 연료의 양이 결과적으로 소망스럽지 않게 증가된다.
요약하면, 상기 설명된 현상으로부터 유도되는 마모는 분사기의 수명을 크게 단축시키고, 폐쇄 단계에서의 반동은 분사기를 부정확하게 한다.
더욱이, 대략 700 바아의 압력 강하를 발생시키기 위하여, 캘리브레이션 구획부는 극히 작은 직경을 가져야 하며, 이는 다양한 분사기들에 걸쳐서 일정한 방식으로 정밀하게 제작하는 것을 극히 복잡하게 한다.
미국 특허 공개 US 2003/0106533 에 개시된 구현예에도 마찬가지의 단점이 나타나는데, 배출 채널은 실질적으로 2 개의 대향하는 반경 방향 유출 구획부를 가진 동일한 구성을 가지며, 상기 유출 구획부들은 함께 상대적으로 큰 통로 섹션을 형성하기 때문이다. 유럽 특허 EP 1612403 호에 개시된 구현예와는 다르게, 배출 채널이 셔터에 만들어지고, 셔터는 축방향으로 미끄러지는 핀에 의해서 형성된다.
본 발명의 목적은 내연 기관을 위한 계량용 서보밸브가 설치된 연료 분사기를 구현하는 것으로서, 이것은 상기에 설명된 문제점들이 간단하고 경제적인 방식으로 해소될 수 있게 하여, 셔터와 축방향 줄기부 사이의 시일 영역 둘레에서 증기가 존재할 위험성을 가능한 한 제한한다.
본 발명에 따르면, 내연 기관을 위한 연료 분사기가 제공되는데: 분사기는 관련 엔진 실린더 안으로 연료를 분사하는 노즐로 끝나고,
-- 축방향을 따라서 연장된 중공형 분사기 동체; 및
- 상기 분사기 동체 안에 하우징된 계량용 서보밸브;를 구비하고, 계량용 서 보 밸브는:
(a) 전기-액튜에이터;
(b) 연료 유입부 및 연료 배출 채널과 소통되는 제어 챔버로서, 상기 제어 챔버 안의 압력이 상기 노즐의 개방/폐쇄를 제어하는, 제어 챔버;
(c) 상기 제어 챔버내 압력을 변화시키도록, 상기 배출 채널의 유출부가 폐쇄되는 폐쇄 위치와 배출 채널이 개방되는 개방 위치 사이에서 상기 전기-액튜에이터의 작용에 응답하여 축방향으로 움직일 수 있는 셔터;를 구비하고,
상기 배출 채널은 적어도 2 개의 제한부들을 구비하고, 제한부들은 상기 배출 채널이 개방되었을 때 개별의 압력 강하를 일으키기 위하여 캘리브레이션 통로 섹션들을 가지고 서로 직렬로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 보다 낳은 이해를 위하여, 바람직한 구현예가 첨부된 도면을 참조하여 순수하게 비제한적인 예로서 설명될 것이다.
본 발명에 의하여, 상기에 설명된 문제점들이 간단하고 경제적인 방식으로 해소될 수 있는 내연 기관을 위한 계량용 서보밸브가 설치된 연료 분사기가 제공되며, 이것은 셔터와 축방향 줄기부 사이의 시일 영역 둘레에서 증기가 존재할 위험성을 제거할 수 있는 것이다.
도 1을 참조하면, 도면 번호 1 은 특히 디젤 사이클을 가진 내연 기관용의 연료 분사기(부분적으로 도시됨)를 전체적으로 표시한다. 분사기(1)는 "분사기 동 체"로 공지된 중공형 동체 또는 케이싱(2)을 구비하는데, 이것은 길이 방향 축(3)을 따라서 연장되고 측방향 유입부(4)를 가지는 것으로서, 측방향 유입부는 예를 들면 대략 1600 바아(bar)의 압력에서 고압 연료 공급 라인에 대한 연결에 적절하다. 케이싱(2)은 분사 노즐로써 끝나게 되며(도면에는 미도시됨), 그 분사 노즐은 채널(4a)을 통해서 유입부(4)와 소통되고, 연료를 관련 엔진 실린더로 분사할 수 있다.
케이싱(2)은 축방향 공동(6)을 한정하며, 공동 안에 계량용 서보밸브(5)가 하우징되고, 상기 서보밸브는 도면 번호 7 로 표시되고 단일 부재로 제작된 밸브 동체를 구비한다.
밸브 동체(7)는 막혀있는 축방향 구멍(9) 및 센터링 융기부(12)를 형성하는 튜브형 부분(8)을 구비하며, 센터링 융기부는 부분(8)의 실린더형 외측 표면에 대하여 반경 방향으로 돌출되어 동체(2)의 내측 표면(13)과 결합된다.
제어 로드(10)는 구멍(9) 안에서 유체 밀폐 방식으로 축방향으로 미끌어져서, 도시되지 않은 공지의 방식으로, 분사 노즐을 개폐하는 셔터 바늘(shutter needle)을 제어한다.
케이싱(2)은 공동(6)과 같은 축에 있는 다른 공동(14)을 한정하며 그 공동은 액튜에이터(15)를 한정하는데, 액튜에이터는 전자석(16) 및 전자석(16)에 의해 작동되는 노치-디스크 앵커(notched disc anchor, 17)를 구비한다. 앵커(16)는 슬리이브(18)와 단일 부재로 만들어지고, 슬리이브는 축(3)을 따라서 연장된다. 대신에, 전자석(16)은 자기 코어(19)를 포함하며, 자기 코어는 축(3)에 직각인 표 면(20)을 가지고 앵커(17)에 대한 축방향 정지부를 형성하며, 전자석은 지지부(21)에 의해 정위치에 유지된다.
액튜에이터(15)는 코일 압축 스프링(23)을 하우징하는 축방향 공동(22)을 가지며, 코일 압축 스프링은 전자석(16)에 의해 가해지는 유인력에 대향하는 축방향으로 앵커(17)상에 추력을 가하도록 미리 하중을 받는다. 스프링(23)은 지지부(21)의 내측 어께부에 대하여 안착되는 일 단부 및, 워셔(24)를 통해 그 사이에 축방향으로 삽입된 앵커(17)에 작용하는 다른 단부를 가진다.
계량용 서보밸브(metering servovalve, 5)는 튜브형 부분(8)의 구멍(9)의 측방향 표면에 의해 반경 방향으로 한정된 제어 부재(26)를 포함한다. 제어 챔버(26)는 일 측에서, 유용하게는 절두 원추 형상을 가지는 로드(10)의 단부 표면(26)에 의해 축방향으로 한정되며, 다른 측에서 구멍(9)의 저부 표면(27)에 의해 한정된다.
제어 챔버(26)는 가압된 연료를 수용하도록 부분(8)에 만들어진 채널(28)을 통하여 유입부(4)와 영구적으로 소통된다. 채널(28)은 캘리브레이션 구획부(29)를 구비하며, 이것은 일측에서 저부 표면(27)에 근접한 제어 챔버(26)로 연장되고, 다른 측에서 고리형 챔버(30)로 연장되고, 고리형 챔버는 부분(8)의 표면(11) 및 공동(6)의 내측 표면상의 고리형 홈(31)에 의해 반경 방향으로 제한된다. 고리형 챔버(30)는 일측에서 융기부(12)에 의해, 다른 측에서 개스킷(31a)에 의해 축방향으로 한정된다. 채널(32)은 동체(2)내에 만들어지고, 유입부와 소통되며, 고리형 챔버(30)로 나오게 된다.
밸브 동체(7)는 외부 플랜지(33)를 형성하는 중간 축방향 부분을 구비하며, 외부 플랜지는 융기부(12)에 대하여 반경 방향으로 돌출되고, 확대된 직경으로써 공동(6)의 부분(34) 안에 하우징되고 공동(6) 내부에서 어깨부(35)와 접촉되어 축방향으로 배치된다. 플랜지(33)는 나사화된 고리 너트(36)에 의해서 어깨부(35)에 대하여 조여지며, 고리 너트(36)는 어깨부(35)에 대하여 유체 밀폐 시일링을 보장하기 위하여 부분(34)의 내부 나사(37)로 나사 결합된다.
밸브 동체(7)는 또한 슬리이브(18) 및 앵커(anchor, 17)를 위한 안내 요소를 포함한다. 이러한 요소는 플랜지(33)의 직경보다 훨씬 작은 직경을 가진 실질적으로 실린더형인 줄기부(38)에 의해 한정된다. 줄기부(38)는, 축(3)을 따라서 튜브형 부분(8)의 반대 방향으로 플랜지(33)를 지나서 돌출되며, 즉, 공동(22)을 향하여 돌출된다. 줄기부(38)는 측방향 표면(39)에 의해 외부가 한정되며, 측방향 표면은 슬리이브(18)의 축방향 미끄럼을 안내하는 실린더형 부분을 포함한다. 특히, 슬리이브(18)는 내측 실린더형 표면(40)을 가지는데, 이것은 실질적으로 유체 밀폐된 줄기부(38)의 측방향 표면(39)에 결합되거나, 또는 예를 들면 4 마이크론의 적절한 직경 유동(遊動)을 가진 커플링을 통해서, 또는 특정한 시일링 요소들의 삽입을 통해서 결합된다.
제어 챔버(26)는 전체적으로 참조 번호(42)로 표시된 연료 배출 채널과 영구적으로 소통된다.
채널(42)은 밸브 동체(7) 안에서 (부분적으로 플랜지(33)에, 그리고 부분적으로 줄기부(38)에서) 축(3)을 따라 막혀 있는 축방향 구획부(43)를 가진다. 채 널(42)은 또한 적어도 하나의 유출 구획부(44)를 가지는데, 이것은 반경 방향이고, 구획부(43)로부터 시작되며, 대향 단부에서, 측방향 표면(39)으로 개방된 유출부를 줄기부(38)의 측방향 표면(39)에 만들어진 고리형 홈에 의해 형성된 챔버(46)에 형성한다.
특히, 도 1 및 도 2 의 구현예에서, 직경 방향으로 서로 대향되는 2 개의 부분(44)들이 제공된다.
챔버(46)는 플랜지(33) 다음의 축방향 위치에서 얻어지며, 슬리이브(18)의 단부 부분에 의해 개방/폐쇄되는데, 슬리이브의 단부 부분은 채널(42)에 대한 셔터(47)를 형성한다. 특히, 셔터(47)는 절두 원추형(truncated-cone)의 내측 표면(48)으로써 끝나는데, 이것은 플랜지(33)와 줄기부(38) 사이의 절두 원추 연결 표면(49)과 맞물려서 시일 영역을 형성할 수 있다.
슬리이브(18)는 줄기부(38)상에서 앵커(17)와 함께 전진 단부 정지 위치와 후퇴 단부 정지 위치 사이에서 미끄러진다. 전진 단부 정지 위치에서, 셔터(47)는 고리형 챔버(46)를 폐쇄시키고 따라서 채널(42)의 부분(44)들의 유출부를 폐쇄시킨다. 후퇴 단부 정지 위치에서, 셔터(47)는 챔버(46)를 충분히 개방시켜서 부분(44)들이 연료를 제어 챔버(26)로부터 채널(42) 및 챔버(46)를 통해 배출하는 것을 허용한다. 셔터(47)에 의해 개방되게 두어진 통로 섹션(section)은 절두 원추 형상이며 단일 구획부(44)의 통로 섹션보다 적어도 3 배 크다.
슬리이브(18)의 전진 단부 정지 위치는 플랜지(33)와 줄기부(38) 사이에서 절두 원추 연결 표면(49)에 대하여 부딪히는 셔터(47)의 표면(48)에 의해 형성된 다. 대신에, 슬리이브(18)의 후퇴 단부 정지 위치는 코어(19)의 표면(20)에 대하여 축방향으로 부딪히는 앵커(17)에 의해, 비자성 간극 박판(51)이 사이에 삽입된 채로 형성된다. 후퇴 단부 정지 위치에서, 챔버(46)는 고리 너트(36) 및 슬리이브 사이의 고리형 통로, 앵커(17)에 있는 노취(notches), 공동(22) 및 지지부(21)상의 개구(52)를 통하여, 분사기의 배출 채널(미도시)과 소통되게 배치된다.
전자석(16)에 전기가 인가되면, 앵커(17)는 슬리이브(18)와 함께 코어(19)를 향하여 움직이고, 따라서 셔터(47)는 챔버(46)를 개방한다. 연료는 다음에 제어 챔버(26)로부터 배출된다: 이러한 방식으로, 제어 챔버(26) 안의 연료 압력이 강하되어, 저부 표면(27)을 향한 로드(10)의 축방향 움직임을 야기하고 따라서 분사 노즐의 개방을 야기한다.
역으로, 전자석(16)에 전기가 인가되지 않으면, 스프링(23)은 셔터(47)와 함께 앵커(17)를 도 1 의 전진 단부 정지 위치로 움직인다. 이러한 방식으로, 챔버(46)는 폐쇄되고, 채널(28)로부터 진입하는 가압 연료는 제어 챔버(26) 안에 고압을 재확립하여, 로드(10)가 저부 표면(27)으로부터 멀어지게 움직이고 분사 노즐의 폐쇄를 작동시키는 결과를 초래한다. 전진 단부 정지 위치에서, 챔버(46) 안의 압력은 오직 슬리이브(18)의 측방향 표면(40)에 반경 방향으로 작용하므로, 연료는 슬리이브(18)상에 실질적으로 무효인 축방향 추력의 결과를 가하게 된다.
셔터(47)의 개방 및 폐쇄시에 제어 챔버(26)에서의 압력 변화 속도를 제어하기 위하여, 채널(42)은 캘리브레이션 제한부를 포함한다. "제한부"라는 용어는 채널 부분으로서 의도되는데, 제한부 안에서는 연료를 위해서 전체적으로 이용 가능 한 통로 섹션(passage section)이, 그 채널 부분의 상류 및 하류에서 연료 흐름이 통하는 통로 섹션보다 작다. 특히, 만약 연료가 단일의 구멍에서 흐른다면, 제한부는 상기 단일의 구멍에 의해 형성된다. 다른 한편으로, 만약 연료가 평행하게 위치된 복수개의 구멍들 안에서 유동한다면, 따라서 상류와 하류 사이에서 같은 압력 강하를 겪는다면, 제한부는 상기 구멍들의 전체에 의해 형성된다.
한편, "캘리브레이션"이라는 용어는, 제어 챔버(26)로부터의 미리 결정된 연료 유량을 정확하게 형성하기 위하여, 그리고 상류로부터 하류로의 미리 결정된 압력 강하를 일으키기 위하여, 통로 섹션이 정확하게 만들어진다는 점에서 의도된 것이다.
특히, 상대적으로 작은 직경을 가진 구멍들에 대하여, 실험적으로 그 특성을 마무리함으로써 정확한 방식으로 캘리브레이션이 달성되며, 이는 (예를 들면 전자 방전(electron discharge) 또는 레이저에 의해) 이전에 만들어진 구멍을 통하여 연마 액체(abrasion liquid)를 흐르게 하고, 그것의 상류 및 하류에 압력을 설정하고 그것을 통한 유량을 읽음으로써 이루어진다: 유량은, 미리 설정된 설계 값이 달성될 때까지 구멍의 측방향 표면상에서 액체에 의해 야기되는 마모(수력 침식(hydro-erosion) 또는 수력 마모(hydro-abrasion))와 함께 점진적으로 증가되는 경향을 가진다. 그 시점에서, 흐름이 차단된다; 사용중에, 마무리 작동 동안에 설정된 압력과 동일한 구멍 상류의 압력을 가짐으로써, 획득된 최종 통로 섹션은 마무리 작동 동안에 구멍의 상류 및 하류에서 설정된 압력의 차이와 동일한 압력 강하를 한정하고, 미리 설정된 설계 유량과 동일한 연료 유량을 한정한다.
예를 들면, 채널(42)의 제한부는 150 내지 300 마이크론 사이의 직경을 가지는 반면에, 채널(42)의 구획부(43)는 캘리브레이션 제한부들의 직경보다 적어도 4 배로 큰 직경을 달성하도록 특별한 정확성 없이 보통의 드릴용 비트를 통해 밸브 동체(7)내에서 획득된다.
본 발명에 따르면, 적어도 2 개의 제한부들이 있으며, 이들은 나중에 보다 잘 설명되는 바와 같이 셔터가 후퇴 단부 정지 지점에 위치되었을 때 개별의 결과적인 압력 강하를 일으키기 위하여, 채널(42)을 따라서 서로 직렬로 배치된다 (첨부된 도면들에서, 제한부들의 직경은 오직 완전성을 위해서 도시된 것이며, 이것이 축척대로 도시된 것은 아니다). 명백히, 2 개의 결과적인 제한부들 사이에서, 채널(42)은 확대된 중간 구획부를 포함하며, 즉, 제한부들 양쪽의 통로 섹션보다 큰 통로 섹션을 가진다.
도 1 및 도 2 의 구현예에서, 캘리브레션 제한부들중 하나는 2 개의 섹션(44)들의 조합에 의해 형성되는 반면에, 다른 것은 도면 번호 53 에 의해서 표시되고 밸브 동체(7)와는 분리된 요소에서 만들어지며 차후에 구멍(9)의 저부 표면(27)에 대응하여 고정된다. 특히, 캘리브레이션 제한부(53)는 실린더형 부싱(bushing, 54) 안에 배치되는데, 부싱은 상대적으로 경질(硬質)의 물질로 만들어지고, 밸브 동체(7)의 안착부(55) 안에 하우징된 삽입부를 형성하며, 저부 표면(27)과 같은 높이에 배치된다. 부싱(54)은 상기에 설명된 마무리 작용 이후에, 간섭 끼움에 의해 안착부(55) 안의 삽입 및 고정을 허용하기 위한 외부 직경을 가진다.
캘리브레이션 제한부(53)는 부싱(54) 길이의 오직 일부에 대해서만 축방향으로 연장되고 구획부(43)에 근접한 위치에 있는데 반해, 부싱(54)의 나머지는 예를 들면 밸브 동체(7)에서 구획부(43)의 직경과 동일한, 큰 직경의 축방향 구획부(43a)를 가진다. 구획부(43a)의 체적은 구멍(9)의 저부에 의해 형성된 구획부에 추가되어 제어 챔버(26)의 체적을 형성한다. 제어 챔버(26)를 위해서 필요한 최적의 체적에 따라서, 부싱(54)은 도 7 및 도 8 의 변형예들에서와 같이 구멍(9)의 저부 안으로 직접 연장된 캘리브레이션 제한부(53)를 가지도록 역전될 수 있다.
도시되지 않은 변형예에 따르면, 캘리브레이션 제한부(53)는 부싱(54)을 따라서 중간의 축방향 위치에 배치될 수도 있다.
도 3 에 있는 변형예에 따라서, 캘리브레이션 통로 섹션을 가진 단일 구획부(44)가 제공된다. 특히, 이러한 통로 섹션은 도 1 및 도 2 의 구현예의 섹션(44)들의 통로 섹션들 합과 동일하다. 더욱이, 캘리브레이션 제한부(53)가 전체 축방향 길이에 걸쳐서 부싱(54a)에서 얻어진다. 부싱(54a)은 구획부(43)의 외부 직경에 실질적으로 대응하는 외부 직경을 가지고, 그 구획부(43) 안으로 들어감으로써 그 하부 표면이 구멍(9)의 저부 표면(27)과 같은 높이이다.
도 4 에 도시된 구현예에 따라서, 캘리브레이션 제한부(53)는 제어 챔버 안에 배치된 플레이트(56)상에 축방향으로 얻어지고 밸브 동체(7)에 대하여 축방향으로 휴지(休止)되어 있다. 분사기(1)의 노즐을 개방 및 폐쇄하는 로드(10)의 이동은 상대적으로 작기 때문에, 플레이트(56)는 로드(10)의 단부 표면(25)과 플레이트(56) 사이에 삽입된 압축 스프링(57)을 통해서 저부 표면(27)과 접촉 상태로 유 지될 수 있다. 단부 표면(25)의 절두 원추 형상은 압축 스프링(57)을 중심으로 가게 하는 기능을 수행한다. 바람직스럽게는, 플레이트(56)가 구멍(9)의 직경 보다 작은 직경을 가지며, 압축 스프링(57)은 절두 원추 형상을 가진다.
도시되지 않은 변형예에 따르면, 구멍(9)은 플레이트(56)의 외부 직경에 대응하는 직경을 가진 저부 부분을 구비한다: 이러한 경우에, 플레이트(56)는 간섭 끼움에 의해 상기 저부 부분에 고정될 수 있다.
도 5 및 도 6 의 변형예에 따르면, 채널(42)은 플랜지(33)에서 얻어진, 상대적으로 큰 직경의 축방향 구멍을 가져서, 제조를 용이하게 한다. 도 5 의 변형예에 따르면, 상대적으로 큰 직경의 상기 축방향 구멍은 도면 번호 58 로 표시되어 있고 축방향에서 줄기부(38)와 플랜지(33) 사이의 연결 영역에 대응하여 끝난다. 섹션(44)들 대신에, 채널(42)은 2 개의 직경 방향으로 반대인 구멍(59)들을 구비하는데, 구멍들은 캘리브레이션 제한부를 형성하고 챔버(46)를 구멍(58)의 저부와 직접 소통시키기 위하여 축(3)에 대하여 특정의 각도로 경사진다. 바람직스럽게는, 축(3)에 대한 경사 각도가 30°와 45° 사이이다.
구멍(58)이 밸브 동체(7)의 플랜지(33) 안에 완전히 있는 것을 보장함으로써, 줄기부(38)는 도 1 및 도 2 의 구현예에 비교하여 보다 튼튼한 것으로 증명되었다. 결국, 줄기부(38)의 직경 및, 따라서 슬리이브(18)와 줄기부(38) 사이의 고리형 시일 영역의 직경은 감소될 수 있으며, 동적인 조건하에서 시일의 누설이 제한되는 명백한 장점을 가진다. 특히, 이러한 해법으로써, 시일 영역의 직경은 이제 줄기부(38)가 구조적으로 약화되지 않으면서 2.5 내지 3.5 mm 사이의 값으로 감소 될 수 있다.
더욱이, 구획부(43)에 대하여 구멍(58)의 직경을 확장시키고 축방향 길이를 감소시킴으로써, 구멍(58)의 제작 및 차후에 칩(chip)의 제거가 용이해진다. 구멍(58)이 유용하게는 캘리브레이션 제한부(53) 직경의 8 내지 20 배인 직경을 가진다. 이러한 방식으로, 구멍(59)을 만들었을 때, 구멍(59)들을 구멍(58)의 저부와 교차시키는 것이 용이해진다.
캘리브레이션 제한부(53)는 실린더형 부싱(61)에서 얻어지고 부싱(bushing, 61)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 부싱(61)은 구멍(58)이 세정된 이후에 축방향 안착부(60) 안으로 힘에 의해 구동되거나 또는 삽입된다. 안착부(60)는 구멍(58)의 직경보다 큰 직경을 가지며, 구멍(58)의 길이보다 짧은 길이를 가져서, 가압 끼움(press fitting)을 용이하게 한다; 부싱(61)은 플랜지(33) 안으로 끼워지는 측부상에 작고, 원추형인, 외부의 모따기(미도시)를 가질 수 있어서 안착부(60) 안으로의 축방향 삽입을 용이하게 한다.
도 6 에 있는 변형예에 따르면, 상대적으로 큰 직경의 축방향 구멍은 참조 번호 63 으로 표시되고, 막혀 있는 축방향 구멍(62)의 최초 구획부를 형성한다. 구획부(63)의 유입부는 부싱(64)을 하우징하는데, 부싱은 힘으로 삽입되고 캘리브레이션 제한부(53)를 가지며, 그 제한부는 부싱(64)의 전체 축방향 길이에 걸쳐 연장된다. 부싱(61)과 유사하게, 부싱(64)은 플랜지(33) 안으로 삽입된 측부상에 작고, 외부에 있는, 원추형의 모따기(미도시)를 가질 수 있다.
구멍(62)은 구획부(63)의 직경보다 작은 직경을 가진 막혀있는 구획부(66)를 포함하며, 구획부(66)는 플랜지(33)를 지나서 줄기부(38) 안으로 연장되어 캘리브레이션 제한부를 형성한다. 구획부(66)의 직경은 캘리브레이션 제한부(53)의 직경보다 크다: 예를 들면, 캘리브레이션 제한부(53) 직경의 대략 2 배이다. 큰 직경에도 불구하고, 구획부(66)의 길이를 적절한 방법으로 캘리브레이션함으로써, 제한부(53)에 의해 야기된 것과 같은 정도의 크기로 압력 강하를 얻을 수 있다.
구획부(66)의 직경은 여전히 상대적으로 작기 때문에, 줄기부(38)의 직경 및 따라서 슬리이브(18)와의 시일 직경은 도 1 및 도 2 에 도시된 해법에 대하여 감소될 수 있다. 또한 이러한 구성에서, 선택된 재료 및 채용된 열처리 유형에 따라, 시일 영역의 직경은 2.5 mm 와 3.5 mm 사이의 값으로 유용하게 감소될 수 있다.
채널(42)은 또한 2 개의 직경 방향으로 반대인 반경 섹션(67)들을 가지는데, 이들은 구획부(66)의 섹션보다 큰 통로 섹션을 특별한 기계 가공 정밀도 없이 형성하기 위하여 만들어진다. 섹션(67)들은 일 측에서 캘리브레이션 구획부(66)로, 다른 측에서 챔버(46)로 직접적으로 연장된다.
도 5 및 도 6 의 예에 대한 도시되지 않은 변형에 따르면, 부싱(61,64)들은 도 1 의 도면 번호 54 로 표시된 것과 유사한 부싱들에 의해서 대체되어 있다.
도 7 및 도 8 의 변형예들은 도 5 및 도 6 의 변형예들과 상이한데, 이는 캘리브레이션 제한부(53)가 부싱(61a,64a)에서 각각 얻어지고, 그것이 부싱(61a,64a)의 축방향 길이의 상대적으로 작은 부분에서 연장된다는 사실 때문이다. 캘리브레이션 제한부(53)는 저부 표면(27)에 근접하며, 따라서 제어 챔버(56)의 체적은 구멍(9)에서의 체적에 의해 독점적으로 형성된다.
부싱(61a,64a)의 나머지 부분은 특별한 기계 가공 정밀도 없이 캘리브레이션 제한부(53) 보다 큰 직경을 가지고 만들어진 축방향 구멍(68)을 가진다.
도 7 에 있는 변형예에서, 구멍(58) 및 안착부(60)는 막혀있는 축방향 구멍(58a)에 의해 대체되어 있는데, 이것은 도 6 의 구멍(58)과 같이 완전히 플랜지(33) 안에 만들어져 있지만, 부싱(61a)에 의해 완전히 맞물린 실린더형 시트를 형성한다. 마찬가지로, 도 8 의 변형예에서, 구획부(63)는 부싱(64a)에 의해 완전히 맞물린다.
도 7 및 도 8 에 있는 변형예들에서, 구멍(58a) 및 구획부(63)의 좁아지는 개별의 원추형 단부에 대하여 정지될 때까지, 부싱(61a, 64a)은 각각 구멍(58a) 및 부싱(63) 안으로 가압 끼움된다.
도 9 의 변형예에서, 도 8 의 것에 대하여, 섹션(67)들은 캘리브레이션 제한부를 형성하는 섹션(67a)에 의해 대체되고, 구획부(66)는 특별한 정밀도 없이 섹션(67a)의 것보다 큰 통로 섹션을 가지면서 만들어진 구획부(66a)에 의해 대체되고, 캘리브레이션 제한부(53)는, 상대적으로 경질의 재료로 만들어지고 구획부(63)의 저부에 하우징된 상대적으로 얇은 플레이트(69)상에 만들어진다.
플레이트(69)는 관통 구멍을 형성하고, 관통 구멍의 체적은 제어 챔버(26)의 일부를 형성하며, 플레이트는 간섭 끼움되지 않지만, 슬리이브(70)에 의해 형성된 삽입부에 의해 구획부(63)의 저부에 축방향으로 고정되며, 슬리이브는 구획부(63)의 유입부와 간섭 끼움되고 상대적으로 연질의 재료로 만들어져서 가압 끼움을 용이하게 한다.
도 10 의 구현예에서, 가능한 경우에, 분사기(1)의 구성 요소들은 도 1에서 이용된 동일한 참조 번호들로 표시된다. 이러한 구현예에서, 밸브 동체(7)는 3 개의 별개 부재들로 대체된다: 즉, 제어 챔버(26)를 반경 방향으로 한정하고 어깨부(35)와 축방향 접촉하여 배치된 외부 플랜지(33a)로써 끝나는 튜브형 동체(75)(부분적으로 도시됨), 단부 표면(25)으로부터 대향의 부분상에서 제어 챔버(26)를 축방향으로 한정하고 동체(75)의 단부와 축방향 접촉되어 배치된 디스크(33b) 및, 단일 부재로서 만들어지고 외부 플랜지(33c)를 형성하는 베이스 및 줄기부(38)를 포함하는, 분배 안내 동체(76)이다. 플랜지(33c)는 고리 너트(36)를 통해 축방향으로 고정되고 표면(77)에 의해 축방향으로 한정되는데, 그 표면은 디스크(33b)와 유체 밀폐 상태로 고정된 위치에 배치된다.
줄기부(38)는 베이스(33c)로부터 디스크(33b)로의 반대 방향으로 축방향 돌출되고, 구멍(44)에 의해 형성된 캘리브레이션 제한부를 포함한다. 막혀 있는 구획부(43)는 부분적으로 베이스(33c)안에서 부분적으로 줄기부(38) 안에서 만들어진다; 캘리브레이션 제한부(53) 및 구획부(43a)는 디스크(33c)에서 만들어진다.
도 10 의 것에 대한 도시되지 않은 변형예에 따르면, 섹션(44)들은 도 5 및 도 7 에 도시된 섹션(59)들과 같이 경사진다.
도 10 의 것에 대한 도시되지 않은 다른 변형예에 따르면, 섹션(44)들은 특별한 정밀도 없이 만들어지지만, 도 6 및 도 8 에 있는 구획부(66)에 대하여 도시된 것과 유사하게, 캘리브레이션 제한부가 구획부(43)에 만들어진다.
도 11 의 변형예에서, 동체(76)는 동체(76)와 상이한 동체(78)에 의해 대체 되는데, 이는 표면(77)을 통해서 플랜지(33c)에 만들어진 안착부(55a)를 포함하기 때문이다.
구획부(43)는 안착부(55a)와 동축선상에 있으며 안착부(55a)로 직접 연장된다. 안착부(55a)는 구획부(43)의 직경보다 큰 직경을 가지고, 실린더형 부싱(54b)에 의해 형성된 삽입부에 의해서 맞물리는데, 부싱은 안착부(55b)내에 간섭 끼움되고, 베이스(33c)의 표면(77)과 같은 높이로 배치된다.
부싱(54b)은 캘리브레이션 제한부(79)를 형성하는데, 이것은 제한부(44,53)와 직렬로 배치된다. 제한부(79)는 오직 부싱(54b)의 축방향 길이의 일부에만 연장되고, 구획부(43)에 근접한 위치에 있다. 부싱(54b)의 나머지는 축방향 구획부(43b)를 가지며, 축방향 구획부는 제한부들의 직경보다 큰 직경을 가지고 구획부(43a)와 직접 소통된다.
도 11 의 도시되지 않은 변형예에 따르면, 섹션(44)들은 도 5 및 도 7 의 섹션(59)들과 같이 경사지거나; 또는 섹션(44)들이 특별한 정밀도 없이 만들어지는 반면에, 도 6 및 도 8 에 도시된 바와 같이 캘리브레이션 제한부가 구획부(43)내에 만들어진다.
도 12 의 구현예에서, 가능한 경우에, 분사기(1)의 구성 요소들은 도 2에서 이용된 동일한 참조 번호들로 표시되어 있다. 이러한 구현예에서, 밸브 동체(7)는 2 개의 별개 부재들에 의해 대체되는데, 그 하나는 도 10 에 있는 분배 동체(76)에 의해서 형성되고, 다른 하나는 밸브 동체(80)에 의해서 형성된다.
밸브 동체(80)는 제어 챔버(26)를 반경 방향 및 축방향으로 한정하며, 융기 부(12)가 제공된 단부 부분(82) 및 플랜지(33c)와 어깨부(35) (미도시) 사이에 축방향으로 고정된 외부 플랜지(33d)를 구비한다.
캘리브레이션 제한부(53)는 부분(82)에 만들어지고, 채널(42)의 2 개의 동축 섹션(83,84)으로 연장된다. 섹션(83,84)은 캘리브레이션 제한부(53)의 직경 보다 크고 구획부(43)의 직경과 실질적으로 같은 직경을 가진다. 구획부(83)는 부분(82)에 있는 구멍에 의해 형성되고, 제어 챔버(26)와 직접적으로 소통된다; 구획부(84)는 시일 고리(seal ring, 85)에 의해 형성되는데, 시일 고리는 안착부(86) 안에 하우징되고 표면(77)에 대하여 접촉되게 배치되어 동체(80, 76)들 사이에서 채널(42)의 유체 밀폐 시일링을 형성한다. 대안으로서, 구획부(84)의 직경을 적절하게 감소시킴으로써, 그 어떤 시일 고리 없이 동체(80,76)들 사이에서 금속-대-금속의 접촉을 통해 유체 시일링이 달성될 수 있다.
도 12 의 도시되지 않은 변형예에 따르면, 캘리브레이션 제한부(53)는 도 1, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 9 의 해법에서와 같이 제어 챔버(26)를 향하는 측부로부터, 또는 베이스(33c)를 향하는 측부로부터 부분(80) 안으로 축방향에서 밀어넣어진 삽입부에서 얻어진다. 더욱이, 섹션(44)들에 대한 대안으로서, 동체(76)의 캘리브레이션 제한부는 도 5 및 도 7 의 섹션(59)들과 같은 경사진 유출 섹션들이나, 또는 도 6 및 도 8 의 구획부(66)와 같은 막혀있는 축방향 구획부에 의해서 형성된다.
도 12 의 다른 변형예에 따라서, 제 3 캘리브레이션 제한부가 동체(76) 내측에 제공되거나 또는 밸브 동체(80) 안에 제공되며, 캘리브레이션 제한부(53,44) 사 이에 직렬을 이루어 축방향으로 배치된다.
이러한 변형들중 하나는 도 13 에 도시되어 있다: 플랜지(33c)는 원형 안착부(90)를 가지는데, 그것은 안착부(86)와 같은 축으로 표면(77)을 따라서 얻어지고, 안착부(86)와 같은 직경을 가진다. 안착부(90)는 디스크(91)를 하우징하고, 디스크는 제 3 캘리브레이션 제한부를 형성하는 축방향 구멍(92)을 가진다.
디스크(91)는 고리(85) 대신에 제공된 시일 고리(85a)에 의해서 안착부(90)의 저부에 대하여 축방향 접촉 상태로 유지된다. 고리(85a)는 사각형 또는 정사각형 단면을 가지는데, 그 외부 직경은 안착부(90,86)들의 직경과 실질적으로 같고, 고리는 안착부(90,86)들 모두와 맞물려서 2 개의 동체(80,76) 사이에 센터링 부재(centering member)를 형성한다. 즉, 고리(85a)는 3 가지 기능을 제공한다:결합되었을 때 동체(80,76)들 사이의 축방향 센터링, 채널(42)에서의 연료 유동 주변에서 동체(80,76)들 사이의 시일링 및, 안착부(90) 안에 디스크(91)를 위치시키는 기능을 한다.
도 14 및 도 15 에 도시된 구현예에서, 가능한 경우에, 분사기(1)의 구성 요소들은 도 1 및 도 2 에서 이용된 동일한 참조 번호들로 표시되어 있다.
부분(8)에 반대편인 밸브 동체(7)의 축방향 단부는 축방향 요부(139)를 가지며, 축방향 요부는 실질적으로 절두 원추 형상을 가진 표면(149)에 의해 형성되고 셔터(147)를 하우징한다.
셔터(147)는 외부의 구형 표면(spherical surface, 148)을 가지는데, 외부의 구형 표면은 셔터(147)가 전진 단부 정지 위치에 있거나 또는 폐쇄 위치에 있을 때, 시일링 영역을 형성하기 위하여 표면(149)과 맞물린다.
도 1 및 도 2 의 구현예와 유사한 방식으로, 채널(42)은 밸브 동체(7)로부터 분리된 요소에 만들어진, 특히 밸브 동체(7)의 안착부(55) 안에 삽입되어 저부 표면(77)과 같은 높이에 위치된 부싱(54)내에 만들어진 제한부(53)를 구비한다.
축방향 구획부(43)는 플랜지(33)에 만들어지고 채널(42)의 축방향 구획부(144)로 나가게 된다. 구획부(144)는 캘리브레이션 제한부를 형성하는데, 이것은 제한부(53)와 직렬로 위치되고 동일축에 있다. 반대편 단부에서, 구획부(144)는 최종 축방향 구획부(130)로 나가는데, 최종 축방향 구획부는 구획부(144)의 섹션보다 큰 통로 섹션을 가지고 표면(149)으로의 채널(42)의 유출부를 형성한다.
상기 설명된 모든 구현예들에서, 셔터(47)가 개방 위치에 있을 때 제어 챔버(26) 및 배출 채널에서 사용중에 발생되는 압력 강하는 채널(42)을 따라서 직렬로 배치된 캘리브레이션 제한부들이 있기 때문에 많은 압력 강하들로 분할된다.
도 1에서 직렬로 되어 있는 2 개의 캘리브레이션 제한부들을 고려하면, 채널(42)을 통해 제어 챔버(26)를 떠나는 연료의 실험적인 압력의 경향은 도 17 에 정성적으로 나타나 있다. P 는 제어 챔버(26)내의 압력을 나타내고, P2 는 제 2 캘리브레이션 제한부의 상류측 압력을 나타내고, PSCAR 는 배출 환경의 압력을 나타내거나 또는 시일 영역의 하류측 압력을 나타내고, PVAPOR 은 증기 압력을 나타낸다.
챔버(26)에 대하여 채널(42)을 따르는 선형 거리는 횡좌표상에서 표시되어 있다. 특히:
- XA1 : 캘리브레이션 제한부(53)의 바로 하류측의 위치,
- XA2 :반경 방향 채널(44)들중 하나의 중간 위치,
- XTEN : 표면(48,49) 사이 시일의 위치,
- XSCAR : 압력이 배출 환경 값에 안정화되었던 위치이다.
캘리브레이션 제한부들의 연속 덕분에, 도 16 에 도시된 압력 강하는 2 개의 연속적인 압력 강하로 분할된다: 전반적으로, 압력 강하는 증기 압력(PVAPOR) 이하로 강하하지 않으며, 따라서 연료 유동의 증발이 회피된다. 캘리브레이션 제한부들의 수가 많아질수록, 캐비테이션(cavitation) 발생의 가능성은 줄어든다.
위에서 언급된 바와 같이, 캘리브레이션 제한부를 형성하는 구멍에 대하여, 그 구멍의 상류 및 하류의 압력 차이와 통과 유량 사이에는 밀접한 관계가 존재한다.
Figure 112009038642556-pat00001
ρ= 액체 밀도,
Cefflus = 구멍의 속도 계수(실험적으로 얻을 수 있음)
Aforo = 구멍의 통과 단면
Δρ= 구멍의 상류와 하류 사이의 압력 차이
Q=유량
동일한 유량 Q 에 의해 횡단되는, 직렬인 n 의 전체 개수인 캘리브레이션 제한부들을 가지고, 유체의 밀도가 일정하며 캐비테이션이 존재하지 않는다고 가정하면, 다음과 같이 된다.
Figure 112009038642556-pat00002
따라서, 압력 차이의 비율과 통로 섹션의 비율 사이의 관계를 기록하는 것이 가능하다. 사실, 아래 첨자 1 및 2 에 의해 표시된 2 개의 제한부들을 고려하면, 이것은 다음과 같다.
Figure 112009038642556-pat00003
제한부들을 형성하는 구멍들이 유사하고, 결과적으로 같은 속도 계수를 가진다고 가정하면, 다음과 같다.
Figure 112009038642556-pat00004
서로 현저하게 상이한 속도 계수들을 가진 제한부들의 경우에, 상기의 공식들이 타당하지만, 실험적으로 측정된 이들 계수들의 값을 가지고 완성되어야만 한다.
분사기(1)에서, 제어 챔버(26)로부터 배출 환경으로의 연료 유동의 전체 압 력 강하는 공지되어 있다 이러한 압력 강하를 ΔpO 로서 표시하고 상기 압력 강하를 2 개의 차분(differential)(Δp1 및 Δp2)으로 분할하기를 희망한다면(ΔpO= Δp1 + Δp2), 이것은 다음과 같다.
Figure 112009038642556-pat00005
Figure 112009038642556-pat00006
여기에서 A0 및 D0 는 각각 통로 단면 및 구멍의 직경으로서, 이들은 아래 첨자 1 및 2 에 의해서 정의된 직렬의 2 개인 제한부들 대신에, 단일의 캘리브레이션 제한부가 사용되었다면 가지게 되는 것이다.
제 1 의 개산(approximaiton)에서, 직렬인 제한부들 또는 2 개의 구멍들 사이에서 차분(Δp0)을 어떻게 세분(subdivide)할지 및 제어 챔버(26)로부터의 유동에 대하여 이루어져야만 하는 유량을 설정하고, 직경(D1, D2)의 값을 얻을 수 있다.
캘리브레이션 제한부들이 표면(48,49)들에 의해 형성된 시일링 영역으로부터 이격될수록, 그러한 시일에 대응하는 증기 및 캐피테이션이 나타나는 것을 회피할 가능성이 커진다.
위치(XTEN)에 대응하여 증기의 존재 위험성을 최소로 감소시키도록, 제 1 캘 리브레이션 제한부와 관련된 압력 강하(Δp1)가 연속적인 것들보다 크도록 보장되어야 한다. 따라서, (도 1 내지 도 13에서 도면 번호 53 으로 표시된) 제 1 캘리브레이션 제한부는 연속적인 캘리브레이션 제한부들에 대하여 작은 통로 섹션을 가질 것이다.
캘리브레이션 제한부(53)는 전체 압력 강하의 적어도 60 % 의 압력 강하와 관련되며, 적절하게는, 적어도 80 % 의 압력 강하와 관련된다.
예를 들어, 상기 압력 강하의 80 %를 제 1 제한부와 관련시키고 20 %를 제 2 제한부와 관련시키는 (Δp2=0.2 Δp0) 방법으로 압력 강하(Δp0)를 세분하기를 희망하고, 또한 속도 계수들이 같다고 가정하면, 제 1 개산은 다음과 같다.
Figure 112009038642556-pat00007
Figure 112009038642556-pat00008
따라서,
Figure 112009038642556-pat00009
Figure 112009038642556-pat00010
위에 나타낸 예를 일반화시키면:
1 < (D2/D1) <= 2,088
또는
1 < (A2/A1) < = 4,36
특히, 조건 D2/D1=1 은 Δp1=Δp2=(0.5 ΔpO)인 경우에 대응한다.
대신에, 조건 D2/D1=2,088 및 A2/A1= 4,36 은 Δp1=(0,95 Δp0) 및 Δp2(0,05 Δp0) (또는 Δp1/Δp2=19)인 경우에 대응한다.
위에서 설명된 바와 같이, 캘리브레이션 제한부(A1 및 A2)의 통로 섹션들은, 분사기로부터 특정의 성능 레벨들을 달성하기 위하여 제어 챔버(26)로부터 배출되기를 희망하는 유량(Q)을 설정한 이후에, 그리고 설계 수준에서 압력 강하(Δp0)의 세분(subdivision)을 설정한 이후에, 용이하게 계산된다 (소망의 유량(Q)은 압력 강하(Δp0)를 달성하는 단일 제한부의 경우에 가지게 되는 통로 섹션(A0)을 결정한다).
도 11 의 구현예를 고려할 때 그 상황이 유사한데, 여기에서는 압력 강하(Δp0)가 3 개의 부분들(Δp1+Δp2+Δp3)로 세분된다. 특히 다음과 같다:
Figure 112009038642556-pat00011
Figure 112009038642556-pat00012
Figure 112009038642556-pat00013
도 1 의 구현예를 고려하면, 제 2 제한부는 복수개(m)의 반경 섹션(radial section, 44)으로 세분되는데, 그들 모두는 같은 직경(dfororad) 및 같은 통로 섹션(Afororad)을 가진다.
반경 섹션들이 상호 평행하고 따라서 동일한 압력 강하와 관련된다는 점에 주목하면, 단순하게는 다음과 같다.
Figure 112009038642556-pat00014
상기로부터 각각의 반경 구획부의 직경(dfororad)이 얻어진다.
위에서 설명한 바로부터, 캘리브레이션 제한부들 사이의 중간 위치들에 배치된, 채널(42)의 체적은 미리 결정된 압력 및, 설계와 제조 단계에서 설정된 압력 강하(Δp1, Δp2 등)의 결과를 가진다는 점이 드러난다.
전체 압력 강하를 다수의 부분들로 세분하는 것은 증기가 나타날 위험성을 감소시키는데, 이는 마지막 압력 강하에 대응하는 연료 유동 속도가 상대적으로 낮 기 때문이다. 따라서 국부적인 압력 값들이 연료의 증기 압력보다 낮게 되는 위험성은 제한된다: 시일링 영역에서 증기 분류(vapor fraction)가 존재한다면, 그것은 그 어떤 경우에서도 단일의 캘리브레이션 제한부를 가진 상황에 비하여 훨씬 낮을 것이다.
제 1 제한부와 관련된 가장 큰 부분 - 예를 들어 전체 압력 강하의 90 % - 을 가지도록 압력 강하를 분리시키는 것에 의하여, 증기의 형성 및 캐비테이션의 가능성은 제한부들 하류측의 재-압축(re-compression) 때문에 제 1 캘리브레이션 제한부에 근접하여 발생할 수 있지만, 분사기(1)의 수명에는 영향을 미치지 않으며, 이는 셔터(47)와 줄기부(38) 사이의 시일 영역으로부터 그 현상이 상대적으로 멀기 때문이다.
제 2 제한부가 작은 압력 강하와 관련되고 따라서 제 1 제한부보다 큰 직경을 가진다면, 제 2 제한부는 만드는 것이 쉽다. 구성상의 관점으로부터, 오직 제 1 캘리브레이션 제한부만이 특별한 정밀도를 필요로 한다. 사실상, 제 2 제한부는 상대적으로 작은 압력 강하와 관련되기 때문에, 그 어떤 치수 제조 오류도 특별한 부정적 효과를 일으키지 않는다: 즉, 제 2 제한부의 압력 강하는 가능성 있는 치수 제조 오류에 대하여 덜 민감하다.
동적 조건하에서의 결과적인 누설의 감소 및, 스프링(23)에 필요한 사전 부하(preloading) 및 액튜에이터(15)에 필요한 힘의 결과적인 감소와 함께, 줄기부(38)의 직경을 감소시킬 수 있고, 결과적으로, 셔터(47)의 시일링 직경을 감소시킬 수 있는 구현예들이 특히 유용하다.
특히, 밸브 동체용으로 선택된 재료, 밸브 동체가 겪게되는 열처리와 그것의 결과적인 인성(toughness) 및, 마지막으로, 채용된 제조 사이클에 따라서, 줄기부(38)의 직경은 2.5 mm 와 3.5 mm 사이의 값으로 감소될 수 있다.
셔터(47)에서의 시일 직경의 감소는 슬리이브(18)의 축방향 길이가 감소되는 것을 허용한다.
사실, 유체 누설의 유량은 슬리이브(18)의 내측 실린더형 표면과 줄기부(38)의 외측 실린더형 표면(39) 사이 결합 영역의 원주에 직접적으로 비례하지만, 그 결합 영역의 축방향 길이에 역으로 비례한다. 결합 영역의 원주가 감소되었다면, 동일한 유체 누설 유량에 대하여 결합 영역의 축방향 길이를 감소시킬 수 있고, 결과적으로 슬리이브(18)의 축방향 길이를 감소시킬 수 있다.
시일 직경의 감소 및, 결과적으로, 셔터(47)의 외부 직경의 감소와 슬리이브(18)의 길이 감소는 슬리이브(18)의 질량을 감소시키는 효과를 가지며, 결과적으로, 계량용 서보밸브(5)의 응답 시간을 감소시키는 효과를 가진다.
더욱이, 시일 직경 감소는 스프링(23)의 부하가 감소되는 것을 허용한다: 사실, 줄기부(38)와 셔터(47) 사이의 동일한 결합 유동(遊動)에 대하여, 줄기부(38)와 셔터(47) 사이의 시일의 원주가 감소되고, 결과적으로 연료 압력에 기인하는, 셔터(47)에 작용하는 축방향 힘도 감소되는데, 도 1 내지 도 13 의 계량용 서보밸브가 평형이 이루어진 유형일지라도 연료 압력은 비록 최소한이지만 여전히 존재한다. 스프링(23)의 사전 부하와 결합 영역의 직경 또는 시일 직경 사이의 비율은 유용하게는 8 내지 12 [N/mm] 사이이다.
슬리이브(18)의 질량 감소 및 스프링(23)의 부하 감소는 셔터(27)의 폐쇄 단계에서 그에 의한 훨씬 작은 반동(rebounds)의 효과를 가지며, 따라서 계량용 서보밸브(5)의 우수한 작동 정밀도의 효과를 가진다.
마지막으로, 첨부된 청구항들에 기재된 본 발명의 보호 범위를 이탈함이 없이 여기에 설명된 분사기(1)에 대하여 변형예 및 수정예들이 이루어질 수 있다는 점은 명백하다.
특히, 도 1 내지 도 13 의 평형화된 유형의 계량용 서보밸브(5)는, 채널(42)의 마지막 부분을 형성하고 케이싱(2)에 대한 고정 슬리이브내에서 미끄러지는 축방향 핀(axial pin)에 의해 형성된 셔터를 포함할 수 있다. 도 12 의 구현예에서, 가외의 마무리 및 표면 경화 작업이 그러한 경우에 필요할지라도, 조절 스페이서(adjustment spacer)가 동체(76,80) 사이에 제공될 수 있다.
액튜에이터(15)는 압전 액튜에이터에 의해서 대체될 수 있는데, 압전 액튜에이터는 전류를 받았을 때 채널(42)의 유출부를 개방하기 위하여 슬리이브(18)를 작동시키도록 축방향 치수를 증가시킨다.
또한, 챔버(46)는 표면(40)에서 적어도 부분적으로 파내어질 수 있지만, 슬리이브(18)에 의해 형성된 셔터(47)가 폐쇄 위치 및 개방 위치에 있을 때 축(3)을 따라서 무효인 압력 결과를 겪게 하는 형상을 가지고 파내어진다.
섹션(44)들의 축들은 서로 상이한 평면들상에 놓일 수 있고, 그리고/또는 축(3)의 둘레에 모두 같은 거리에 있지 않을 수 있으며, 그리고/또는 캘리브레이션 구멍들이 섹션(44)들의 일부에만 제한될 수 있다.
채널(42)은 축(3)에 대하여 비대칭일 수 있다; 예를 들면, 섹션(44)들은 서로 상이한 단면 및/또는 직경을 가질 수 있지만, 적절한 압력 강하를 발생시키도록 항상 캘리브레이션됨으로써, 축(3) 둘레에서 평형이 이루어지고 시간에 걸쳐서 일정한 배출 연료의 유량을 야기한다.
도 1 은 본 발명에 따라서, 내연 기관을 위한 계량용 서보밸브가 설치된 연료 분사기의 바람직한 구현예를, 일부 부품들이 제거된 단면도로서 도시한 것이다.
도 2 는 도 1 의 상세도를 확대 축척으로 도시한 것이다.
도 3 은 도 2 와 유사한 것으로서 도 1 의 구현예의 변형을 확대 축척으로 도시한 것이다.
도 4 내지 도 9 는 도 3 과 유사한 것으로서 도 1 의 구현예의 변형예를 각각 도시한다.
도 10 은 도 1 에 유사한 것으로서, 본 발명에 따른 연료 분사기의 바람직한 제 2 구현예를 확대 축척으로 도시한 것이다.
도 11 은 도 10 에 유사한 것으로서, 도 10 의 구현예의 변형예를 도시한 것이다.
도 12 는 도 2 에 유사한 것으로서, 본 발명에 따른 연료 분사기의 바람직한 제 3 구현예를 도시한다.
도 13 은 도 12 의 구현예에 대한 변형을 도시한다.
도 14 는 도 1 에 유사한 것으로서, 본 발명에 따른 연료 분사기의 바람직한 제 4 구현예를 도시한다.
도 15 는 도 14 의 상세도를 확대 축척으로 도시한 것이다.
도 16 은 공지 기술의 연료 분사기에서 배출 연료 유동의 압력 경향을 도시하는 것으로서, 계량용 서보밸브가 개방되었을 때 단일의 캘리브레이션 구획부가 배출 채널내에 제공된 것이다.
도 17 은 도 16 과 유사한 것으로서, 계량용 서보밸브가 개방되었을 때 도 1 의 연료 분사기의 압력 경향을 도시한다.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
1. 연료 분사기 2. 중공형 케이싱
3. 길이 방향 축 4. 측방향 유입부
5. 서보밸브 6. 공동
7. 밸브 동체 8. 튜브형 부분
10. 제어 로드 14. 공동
15. 액튜에이터 17. 앵커
26. 제어 챔버 28. 채널

Claims (30)

  1. 내연 기관용 연료 분사기(1)로서, 연료 분사기는 연료를 관련된 엔진 실린더 안으로 분사시키는 노즐로써 끝나고, 연료 분사기는:
    - 축방향(3)을 따라서 연장된 중공형 분사기 동체(2); 및
    - 상기 분사기 동체(2) 안에 하우징된 계량용 서보밸브(5);를 구비하고, 계량용 서보 밸브는:
    (a) 전기-액튜에이터(15);
    (b) 연료 유입부(4) 및 연료 배출 채널(42)과 소통되는 제어 챔버(26)로서, 상기 제어 챔버(26) 안의 압력이 상기 노즐의 개방/폐쇄를 제어하는, 제어 챔버(26);
    (c) 상기 제어 챔버(26)내 압력을 변화시키도록, 상기 배출 채널(42)의 유출부가 폐쇄되는 폐쇄 위치와 배출 채널(42)이 개방되는 개방 위치 사이에서 상기 전기-액튜에이터(15)의 작용에 응답하여 축방향으로 움직일 수 있는 셔터(47);를 구비하고,
    상기 배출 채널(42)은 적어도 2 개의 제한부(53,44)들을 구비하고, 제한부들은 상기 배출 채널(42)이 개방되었을 때 개별의 압력 강하를 일으키기 위하여 캘리브레이션 통로 섹션들을 가지고 또한 서로 직렬로 배치되고,
    상기 제어 챔버(26)로부터 상기 배출 채널(42)로 배출되는 유동 방향을 고려했을 때, 상기 제한부들중 첫번째 것(53)이 관련된 압력 강하는, 연속된 제한부(44)가 관련된 압력 강하보다 큰 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출 채널(42)은 분사기 동체(2)에 대하여 고정 위치에 만들어진 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제한부(53,44)들은 서로 별개인 개별의 동체(54,7)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 동체들중 하나는 상기 동체들중 다른 하나(7) 안에 하우징되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 동체들중 하나는 간섭 끼움에 의해 상기 동체들중 다른 하나(7)에 결합된 삽입부(54)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 삽입부(54)는 상기 축방향(3)을 따라서 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 동체들중 하나는 상기 동체(7;76)들중 다른 하나에 대하여 축방향 접촉되게 배치된 플레이트(56;33b)에 의해 형성되며, 플레이트는 일 측에서 상기 제어 챔버(26)를 축방향으로 한정하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 동체들중 하나는 상기 제어 챔버(26)를 반경 방향으로 한정하는 밸브 동체(7;75;80)인 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  9. 제 2 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사기 동체(2)에 대하여 고정된 지점에 위치하고 상기 셔터를 상기 개방 위치와 상기 폐쇄 위치 사이에서 안내하는 측방향 표면(39)을 가지는 안내부(38)를 구비하고, 상기 배출 채널(42)은, 상기 셔터가 폐쇄 지점에 위치될 때 연료에 기인하는 실질적으로 무효의 축방향 힘의 결과를 일으키는 위치에서 상기 측방향 표면(39)에 위치된 유출 개구를 형성하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 안내부는 축방향 줄기부(38)에 의해 형성되고, 상기 셔터는 슬리이브(18)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 챔버(26)로부터 상기 배출 채널(42)로 배출되는 유동의 방향을 고려하여, 상기 제한부(53)들의 마지막은 상기 안내부(38)에 만들어지는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 챔버(26)를 반경 방향으로 한정하고 상기 안내부(38)와 단일 부재로 만들어진 밸브 동체(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 챔버(26)를 반경 방향으로 제한하고 상기 제한부들중 하나를 형성하는 밸브 동체(75;80)를 구비하고, 상기 안내부(38)는 상기 밸브 동체(75;80)와 별개인 부재(76,78)의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 부재(76) 및 상기 밸브 동체(80)는 서로에 대하여 축방향으로 배치되 고, 상기 배출 채널(42)의 일부를 구성하고 영구적으로 서로 소통되는 개별의 축방향 통로(43,83)들을 가지는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제한부(53)들중 적어도 하나는 축방향 통로들의 구획부에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 배출 채널(42)의 중간 구획부(84)를 반경 방향으로 제한하도록 상기 밸브 동체(80)와 상기 부재(76) 사이에 축방향으로 삽입된 시일 링(85;85a)들을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 시일 링(85a)은 상기 부재(76)와 상기 밸브 동체(80) 사이의 센터링 부재(centering member)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제한부들중 하나는, 상기 부재(76)에서 상기 부재와 상기 밸브 동체 사이에 만들어진 축방향 요부(90)에 하우징되고 상기 시일 링(85a)에 의해 상기 요부(90)의 저부에 있는 고정 축방향 위치에 유지되어 있는, 요소(91)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 배출 채널(42)은 3 개의 제한부들을 직렬로 구비하고, 제한부들중 2 개(53,79)는 상기 축방향(3)을 따라서 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어 챔버(26)를 반경 방향으로 제한하는 튜브형 밸브 동체(75)를 구비하고; 상기 축방향 줄기부(38)는 상기 튜브형 밸브 동체(75)와는 별개인 부재(76;78)의 일부를 형성하고; 상기 3 개의 제한부들은, 각각,
    상기 부재(78)에 만들어지고;
    상기 부재(78)내에 하우징된 삽입부(54b)에 만들어지고;
    일 측에서 상기 부재(78)에 대하여, 다른 측에서 상기 튜브형 밸브 동체(75)에 대하여 축방향 접촉되게 배치된 디스크(33b)에 만들어지는; 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 제한부들중 마지막은 상기 측방향 표면(39)을 통해 배출되는 적어도 하 나의 직선형 유출 구획부(44,59,67a)에서 얻어지는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 직선형 유출 구획부(59)는 90°와 상이한 각도로 상기 축(3)에 대하여 경사지는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 축(3)에 대한 상기 직선형 유출 구획부(59)의 경사 각도는 30°내지 45°사이에 있는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  24. 제 10 항에 있어서,
    사용중에 상기 제어 챔버(26)로부터 배출되는 유동을 고려할 때, 상기 제한부들중 마지막은 상기 배출 채널(42)의 막혀있는 축방향 구획부(66)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  25. 제 1 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제한부(53)들중 첫번째 것이 관련된 압력 강하는, 상기 계량용 서보밸브(5) 하류의 배출 환경과 상기 제어 챔버(26) 사이에서의 전체 압력 강하의 적어도 80% 와 같은 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제한부(53)들중 첫번째 것이 관련된 압력 강하는, 배출 환경과 상기 제어 챔버(26) 사이에서의 전체 압력 강하의 90% 와 같은 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 축방향 줄기부(38)의 직경은 2.5 내지 3.5 밀리미터 사이인 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 축방향 줄기부(38)의 직경은 2.5 밀리미터와 같은 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 전기 액튜에이터는 상기 셔터(47)에 축방향 폐쇄 작용을 가하는 스프링(23)을 포함하고, 상기 스프링(23)의 사전 부하(preloading)와, 상기 셔터(47)와 상기 축방향 줄기부(38)간에 있는 시일 직경 사이의 비율은 8 내지 12 [N/mm]인 것을 특징으로 하는, 연료 분사기.
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