KR101275381B1 - 고압용 직접 분사식 스월 인젝터 - Google Patents

고압용 직접 분사식 스월 인젝터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료가 스월이 형성되면서 분사되도록 하며 필요시 스월 형성 유닛의 교체가 용이한 고압용 직접 분사식 스월(swirl) 인젝터에 관한 것으로, 노즐부 또는 노즐바디의 하단부에 분리 장착 가능하게 결합되고 내부에 연료가 유입되는 연료 유입 공간이 형성된 캡부, 외측면이 캡부의 내측면과 이격되도록 캡부의 내저면에 형성되고 내부에 형성된 스월 형성 공간으로 연통하는 스월 유도홀이 외측면에 형성된 스월 유도부, 및 스월 유도부의 하부에서 연장형성되며 유입된 연료가 외부로 분사되도록 스월 형성 공간과 연통하는 분사홀이 형성된 분사부가 포함된다.

Description

고압용 직접 분사식 스월 인젝터{Swirl GDI injector in high pressure environment}
본 발명은 고압용 직접 분사식 스월(swirl) 인젝터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 인젝터에 분리 장착될 수 있는 스월 형성 유닛이 더 포함되어, 연료가 스월이 형성되면서 분사되도록 하며, 필요시 스월 형성 유닛의 교체가 용이한 고압용 직접 분사식 스월 인젝터에 관한 것이다.
종래의 다중분사방식(MPI) 가솔린엔진이 가졌던 응답성과 연료량 제어의 한계를 개선하면서 희박연소를 실현하고자 개발된 GDI(Gasoline Direct Injection) 엔진은, 직접 분사식 디젤 엔진과 마찬가지로 연료를 고압으로 연소실 내로 직접 분사하는 방식이 적용된다.
이러한 GDI 엔진이나 디젤 엔진에 사용되는 인젝터는 일반적으로, 내부에 연료 공급로가 형성된 노즐바디와, 상기 노즐바디의 하단에 형성되며 분사공이 형성된 노즐부와, 상기 노즐바디의 내부에 구비되어 상하 왕복이동에 따라 상기 노즐부의 분사공을 개폐하면서 상기 연료 공급로에 고압으로 머무는 연료가 상기 분사공을 통해 외부로 분사되도록 하거나 분사가 차단되도록 하는 니들밸브가 포함되어 이루어진다. 이러한 인젝터는, 엔진제어유닛(ECU)의 분사 신호에 따라 솔레노이드 코일이 자화되면서 니들밸브를 상향 이동시키면 노즐부의 분사공이 개방되며, 분사공이 개방됨에 따라 연료 공급로에서 고압으로 머물던 연료가 분사공을 통해 외부로 고압으로 분사된다.
GDI 엔진은 디젤엔진에서와 마찬가지로, 연소실 내로 분사되는 연료가 공기와 잘 혼합되는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서 스월(swirl) 타입으로 연료를 분사하는 인젝터가 개발되고 있다.
이러한 인젝터의 일 예로, 등록특허 제10-0394623호의 "가변 스월형 지디아이 인젝터"가 제시될 수 있다. 이 등록특허에 개시하는 도 1에 도시된 인젝터(10)는, 노즐바디(12) 내부 공간이면서 니들밸브(14)의 외측에 형성되는 연료 공급로(16)에 니들밸브(14)가 관통 결합되도록 배치되는 스월러 밸브(24)를 형성하고, 이 스월러 밸브(24)는 내통과 외통으로 구성되면서 내통과 외통 사이로 유동로가 형성되도록 하여, 연료가 이 유동로를 통해 스월을 형성하면서 분사되도록 하고 있다.
상기한 종래의 스월 인젝터는, 인젝터(10)에 스월러 밸브(24)가 내장되는 구조이기 때문에, 인젝터 자체를 새로이 설계하여 제작하거나, 기존의 인젝터에 이 스월러 밸브(24)를 내장하기 위하여 인젝터 자체를 분해한 다음 재조립해야 하는 문제가 있다.
그리고, 스월러 밸브(24)의 유동로에 찌꺼기가 고착됨에 따라 인젝터의 연료 분사 성능이 떨어지게 되는 경우 스월러 밸브를 교체해야 하는데, 교체 작업을 위해서도 인젝터를 분해하여 재조립해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래의 스월 인젝터의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로, 기존의 인젝터에 분리 장착 가능하도록 결합되는 스월 형성 유닛을 제시하여 인젝터에서 분사되는 연료가 스월이 발생되도록 하면서 필요시 용이하게 스월 형성 유닛을 교체할 수 있는 스월 인젝터를 제시하고자 한다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 고압용 직접 분사식 스월 인젝터는, 내부에 연료 공급로가 형성된 노즐바디와, 상기 노즐바디의 하단에 형성되며 분사공이 형성된 노즐부와, 상기 노즐바디의 내부에 구비되어 상하 왕복이동에 따라 상기 분사공을 개폐하면서 상기 연료 공급로에 고압으로 머무는 연료가 상기 분사공을 통해 외부로 분사되도록 하거나 분사가 차단되도록 하는 니들밸브가 포함된 인젝터에 있어서, 상기 노즐부를 덮도록 상기 노즐부 또는 상기 노즐바디의 하단부에 분리 장착 가능하게 결합되고, 내부에 상기 분사공으로부터 분사된 연료가 유입되는 연료 유입 공간이 형성된 캡부; 상단부가 상기 노즐부와 이격되면서 외측면이 상기 캡부의 내측면과 이격되도록 상기 캡부의 내저면에 형성되고, 내부에 형성된 스월 형성 공간으로 연통하는 스월 유도홀이 외측면에 형성되어, 상기 연료 유입 공간으로 유입된 연료가 상기 스월 유도홀을 통해 상기 스월 형성 공간으로 스월(swirl)이 발생되면서 유동되도록 하는 스월 유도부; 및 상기 캡부의 하부를 관통하도록 상기 스월 유도부의 하부에서 연장형성되며, 상기 스월 형성 공간으로 유입된 연료가 외부로 분사되도록 상기 스월 형성 공간과 연통하는 분사홀이 형성된 분사부;가 포함된다.
이때, 상기 스월 유도홀은, 상기 스월 형성 공간으로 유입되는 연료가 상기 스월 형성 공간의 가장자리를 따라 스월이 발생되면서 유동되도록, 상기 스월 형성 공간의 가장자리 쪽을 향하는 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 스월 유도홀은, 상기 스월 유도부의 둘레 방향을 따라 등간격으로 이격되는 다수로 이루어지되, 상기 스월 유도홀 각각은 상기 스월 형성 공간으로 유입되는 연료가 동일한 방향으로 스월을 발생시키도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 캡부는 개방된 상단부가 상기 노즐부 또는 상기 노즐바디의 하단부에 나사결합되는 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 노즐부 또는 상기 노즐바디의 하단부에 결합되는 상기 캡부의 나사결합 부위에 상기 연료 유입 공간이 기밀(氣密)되도록 하는 패킹이 개재될 수 있다.
본 발명에 의하면, 노즐부를 통해 분사된 연료가 스월 유도부의 스월 유도홀을 통하면서 스월이 발생되기 때문에, 연료가 분사홀을 통해 분사될 때 스월 흐름으로 분사될 수 있어서, 분사 후 연소실 내의 공기와 잘 혼합될 수 있는 장점이 있다.
또한, 캡부가 노즐부에 분리 장착되는 구조로 이루어짐으로써, 필요시 스월 형성 유닛을 용이하게 교체할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 스월 인젝터를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압용 직접 분사식 스월 인젝터를 나타낸 요부 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 스월 유도부를 나타낸 측면도.
도 4는 도 3에 도시된 A-A선의 단면도.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압용 직접 분사식 스월(swirl) 인젝터에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스월 인젝터(100)는 내부에 연료 공급로(111)가 형성된 노즐바디(110)와, 노즐바디(110)의 하단에 형성되며 분사공(121)이 형성된 노즐부(120)와, 노즐바디(110)의 내부에 구비되어 상하 왕복이동에 따라 분사공(121)을 개폐하면서 연료 공급로(111)에 고압으로 머무는 연료가 분사공(121)을 통해 외부로 분사되도록 하거나 분사가 차단되도록 하는 니들밸브(130)가 포함된 인젝터에 있어서, 캡부(210)와, 스월 유도부(220)와, 분사부(230)가 포함되는 스월 형성 유닛(200)이 더 포함되어 이루어진다.
캡부(210)는, 내부에 연료 유입 공간(212)이 형성된다. 그리고 상부가 개방된 형상으로 이루어져, 개방된 상단부가 노즐부(120) 또는 노즐바디(110)의 하단부에 분리 장착 가능하게 결합되면서 노즐부(120)를 덮게 된다. 도시된 예에서는 노즐부(120)에 결합된 예가 제시되고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 노즐바디(110)의 하단부에 결합될 수도 있다.
분리 장착가능하도록 결합되는 구조의 일 예로서, 캡부(210)의 개방된 상단부 내주면에 나사홈이 형성되고, 노즐부(120)의 외주면에 나사산이 형성되어 캡부(210)가 노즐부(120)에 나사결합되는 구조의 예가 제시될 수 있다. 이때, 나사결합 부위에는 연료 유입 공간(212)이 기밀(氣密)되도록 패킹(211)이 개재될 수 있다.
캡부(210)의 내부는 상술한 바와 같이 연료 유입 공간(212)이 형성된다. 니들밸브(130)가 상향 이동하면서 노즐부(120)의 분사공(121)이 개방되면 연료 공급로(111)에서 고압으로 머물던 연료가 분사공(121)을 통해 외부로 분사된다. 이렇게 분사된 연료는 노즐부(120)를 덮고 있는 캡부(210) 내부의 연료 유입 공간(212)으로 유입된다.
유입된 연료는, 후술할 스월 유도부(220) 및 분사부(230)를 통하여 고압으로 분사될 수 있도록, 연료 유입 공간(212)을 이동하는 중에도 고압으로 유지될 필요가 있으며, 이를 위해 연료 유입 공간(212)이 가급적 기밀 유지될 필요가 있다. 캡부(210)가 노즐부(120)에 나사결합됨으로써 어느 정도 기밀 유지가 가능하지만, 기밀성이 더욱 확보되도록 상술한 바와 같이 패킹(211)이 더 개재되는 것이 바람직하다.
스월 유도부(220)는 캡부(210)의 내저면에 형성된다. 그리고, 스월 유도부(220)의 상단부는 노즐부(120)와 이격되어 있으며, 외주면은 캡부(210)의 내측면과 이격되어 있다. 따라서, 분사공(121)을 통해 분사되는 연료는 스월 유도부(220)의 상면에 부딪히면서 스월 유도부(220) 상면의 가장자리 쪽으로, 그리고 스월 유도부(220)의 외측면 방향으로 이동하게 된다.
스월 유도부(220)는 내부에 스월 형성 공간(221)이 형성된다. 그리고 외측면에는 스월 형성 공간(221)으로 연통하는 스월 유도홀(222)이 형성된다. 상술한 바와 같이 스월 유도부(220)의 외측면 방향으로 이동해 온 연료는 스월 유도홀(222)을 통해 스월 형성 공간(221)으로 유입된다.
스월 유도홀(222)은, 연료가 스월 유도홀(222)을 통하여 스월 형성 공간(221)으로 유입될 때, 스월 형성 공간(221)에서 스월(swirl)이 발생되면서 유동될 수 있도록 형성된다. 스월 유도홀(222)은 구체적인 일 예로, 스월 유도홀(222)을 통해 스월 형성 공간(221)으로 유입된 연료가 스월 형성 공간(221)의 가장자리를 따라 스월이 발생되도록, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 스월 형성 공간(221)의 가장자리 쪽으로 향하는 방향으로 형성되는 예가 제시될 수 있다.
그리고, 이러한 스월 유도홀(222)은 스월 유도부(220)의 둘레 방향을 따라 이격되는 다수로 이루어질 수 있으며, 이때, 각각의 스월 유도홀(222)은 스월 형성 공간(221)으로 유입되는 연료가 스월 형성 공간(221)에서 동일한 방향으로 스월이 발생되도록, 즉 동일한 회전 방향을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 이 다수의 스월 유도홀(222)은 도 3에 도시된 바와 같이 스월 유도부(220)의 외측면에서 상하 방향으로 이격되는 각각의 둘레 면에서 다수로 이루어지는 것도 가능하다. 이와 같이 형성되는 스월 유도홀(222)은, 도 2에 도시된 바와 같이 횡방향으로 형성되어 스월 형성 공간(221)의 가장자리를 따라 회전하는 속도가 최대가 되도록 할 수도 있으며, 또는 도시되어 있지는 않지만 하방으로 경사지도록 형성되어 후술할 분사홀(231)을 통해 분사되는 속도가 좀더 증가하도록 할 수도 있다.
한편, 분사부(230)는 스월 유도부(220)의 하부에서 연장형성되어 캡부(210)의 하부를 관통하도록 형성된다. 분사부(230)는 내부에 상술한 스월 형성 공간(221)과 연통하는 분사홀(231)이 형성되며, 분사홀(231)은 분사부(230)의 하부를 통해 개방된다. 따라서, 스월 형성 공간(221)으로 유입되어 스월이 발생되면서 유동되는 연료는 분사홀(231)을 통해 분사부(230)의 하부로 분사된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 스월 인젝터(100)는, 연료 분사시 스월이 형성되도록 하는 스월 형성 유닛(200)이 더 포함되며, 이 스월 형성 유닛(200)은 기존의 인젝터에 분리 장착되는 구조를 가짐으로써 필요시 용이하게 교체가능하다. 그리고, 스월 형성 유닛(200)에 포함되는 상술한 구성의 특징에 기인하여, 즉, 캡부(210) 내부의 연료 유입 공간(212)으로 유입된 연료가 스월 유도부(220)를 통하면서 스월이 발생되도록 유도됨에 따라, 분사되는 연료는 스월 흐름이 유지되면서 분사될 수 있다.
본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고도 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 본 발명의 보호범위는 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 않는다.
100; 스월 인젝터 110; 노즐바디
111; 연료 공급로 120; 노즐부
121; 분사공 130; 니들밸브
200; 스월 형성 유닛 210; 캡부
211; 패킹 212; 연료 유입 공간
220; 스월 유도부 221; 스월 형성 공간
222; 스월 유도홀 230; 분사부
231; 분사홀

Claims (5)

  1. 내부에 연료 공급로가 형성된 노즐바디와, 상기 노즐바디의 하단에 형성되며 분사공이 형성된 노즐부와, 상기 노즐바디의 내부에 구비되어 상하 왕복이동에 따라 상기 분사공을 개폐하면서 상기 연료 공급로에 고압으로 머무는 연료가 상기 분사공을 통해 외부로 분사되도록 하거나 분사가 차단되도록 하는 니들밸브가 포함된 인젝터에 있어서,
    상기 노즐부를 덮도록 상기 노즐부 또는 상기 노즐바디의 하단부에 분리 장착 가능하게 결합되고, 내부에 상기 분사공으로부터 분사된 연료가 유입되는 연료 유입 공간이 형성된 캡부;
    상단부가 상기 노즐부와 이격되면서 외측면이 상기 캡부의 내측면과 이격되도록 상기 캡부의 내저면에 형성되고, 내부에 형성된 스월 형성 공간으로 연통하는 스월 유도홀이 외측면에 형성되어, 상기 연료 유입 공간으로 유입된 연료가 상기 스월 유도홀을 통해 상기 스월 형성 공간으로 스월(swirl)이 발생되면서 유동되도록 하는 스월 유도부; 및
    상기 캡부의 하부를 관통하도록 상기 스월 유도부의 하부에서 연장형성되며, 상기 스월 형성 공간으로 유입된 연료가 외부로 분사되도록 상기 스월 형성 공간과 연통하는 분사홀이 형성된 분사부;가 포함되며,
    상기 스월 형성 공간은 곡면으로 된 내주면을 갖는 원기둥 형태의 공간이고,
    상기 스월 유도홀은 상기 스월 형성 공간으로 유입되는 연료가 상기 내주면을 따라 스월이 발생되면서 유동되도록, 상기 스월 형성 공간의 가장자리 쪽을 향하되 하방으로 경사지는 방향으로 형성되며, 상기 스월 유도부의 외측면에서 상하 방향으로 이격 형성되는 다수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압용 직접 분사식 스월 인젝터.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스월 유도홀은,
    상기 스월 유도부의 둘레 방향을 따라 등간격으로 이격되는 다수로 이루어지되, 상기 스월 유도홀 각각은 상기 스월 형성 공간으로 유입되는 연료가 동일한 방향으로 스월을 발생시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고압용 직접 분사식 스월 인젝터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡부는 개방된 상단부가 상기 노즐부 또는 상기 노즐바디의 하단부에 나사결합되는 것을 특징으로 하는 고압용 직접 분사식 스월 인젝터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 노즐부 또는 상기 노즐바디의 하단부에 결합되는 상기 캡부의 나사결합 부위에 상기 연료 유입 공간이 기밀(氣密)되도록 하는 패킹이 개재되는 것을 특징으로 하는 고압용 직접 분사식 스월 인젝터.
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