KR101331140B1 - 연료분사기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 노즐 분사기는 노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와; 피스톤(235)이 설치되고, 상기 피스톤(235)에는 스프링(240)이 개재되어 있는 니들밸브 액츄에이터(230)와; 피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와; 연료실(254)의 분사하기 위한 압력과 솔레노이드의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치되며 일측에 제2 오리피스(450)가 형성된 스페이서(485)로 이루어진 파일럿 밸브(400)와; 니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하는 솔레노이드 밸브(500)로 구성된다. 이와 같이 구성된 본 발명의 노즐 분사기는 스프링이 없는 부스터를 적용함에 의해 인젝터의 수명이 연장되며, 부스터로부터 일정한 압력을 공급할 수 있으므로 배기가스가 절감되어 환경오염을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Description

연료분사기{Fuel Injector}
본 발명은 연료 분사기에 관한 것으로, 특히 디젤 엔진 등의 내연 기관의 연료 분사 시스템에 사용되는 연료 분사기에 관한 것이다.
연료 분사기는 커먼 레일에서 공급 받은 고압의 연료를 연소실 내에 공급하는 역할을 하는 연료 분사 장치이다. 연료 분사기는 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)에서 보내지는 신호에 의해 유압 제어 솔레노이드 밸브 혹은 피에조 밸브가 작동하여 분사 시기와 분사량을 제어한다.
디젤 엔진의 배출 가스 규제는 지속적으로 엄격해지고 있으며, 특히 NOx 배출량은 Euro3, Euro4, Euro5 등에서 갈수록 감소시키도록 규제하고 있다. 이를 만족시키고 배출가스 특성을 좋게 하게 위해서는 연료 분사기의 분사 특성을 이용하여 연소 지연 중에는 분사율을 느리게 하고, 연소가 시작된 이 후에는 분사율을 크게 하는 것이 유리하다. 또한, 하나의 인젝션 사이클을 사전분사 (Pre-injection), 주분사 (Main-injection), 사후분사 (Post-injection) 등과 같이 하나의 인젝션 사이클(Injection Cycle)을 여러 개로 나누어 분사하고, Pre-Injection 과 Main-Injection 의 압력을 다르게 조절해야 한다.
한국등록특허 제444050호(특허문헌1)는 밸브 제어실내에서 밸브 피스톤의 상단과 밸브 제어실의 내측 상단면 사이에 개재되어 밸브 피스톤을 하향하여 탄성력으로 지지하는 파일럿 제어 스프링과, 니들 스페이스 내부에서 노즐 니들의 연결부를 가이드하도록 니들 스프링에 의해 하향하여 지지되며 하단면에는 파일럿 분사시 노즐 니들의 리프팅 구간을 일정하게 제한하도록 리프팅 구간만큼의 깊이로 제한 홈을 형성하는 니들 가이드를 구비하게 된다.
그러나, 한국등록특허 제444050호(특허문헌1)는 메인 분사시에 명확히 2단압 발생이 어렵게 되는 문제점을 내포하고 있다. 또한, 분사가 되지 않는 동안에 연료 분사기내부가 저압으로 유지되므로 분사를 위한 고압 발생까지 시간이 지체되어 분사가 느려지게 되어 분사 특성이 나빠지는 단점도 내포하고 있다.
특허문헌1: 한국등록특허 제444050호(등록일: 2004.08.02)
본 발명의 목적은 연료 분사기의 분사압을 2 단으로 조절하여, 연소 지연 중에는 분사율을 느리게 하고, 연소가 시작된 이 후에는 분사율을 크게 함으로써 디젤 엔진의 배출 가스 특성을 향상시키는 연료 분사기를 제공하는 점에 있다.
본 발명의 다른 목적은 파일럿 밸브를 적용하여 연료 분사의 시기와 양을 최적으로 제어할 수 있는 연료 분사기를 제공하는 점에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스프링이 없는 부스터를 적용하여 부스터의 내구성을 향상시킴과 동시에 인젝터를 효과적으로 제어할 수 있는 연료분사기를 제공하는 점에 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 연료 분사기의 본체는, 노즐부의 근처에 설치된 니들 밸브 및 연료실을 구비한 니들 밸브기구와; 스프링이 개재되어 있는 피스톤을 갖는 니들밸브 액츄에이터와; 피스톤을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버가 형성되며, 스프링 없이 피스톤만을 갖는 부스터와; 공급 연료압과 솔레노이드 밸브의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀과, 상기 스풀의 상부에 설치된 스페이서를 갖는 파일럿 밸브와; 니들밸브 액츄에이터나 파일럿 밸브를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하며, 일측에 제1 오리피스가 설치된 솔레노이드 밸브(500)로 구성되며, 상기 부스터는 일측에 제3 오리피스가 설치되고, 상기 부스터와 니들밸브 액츄에이터의 사이에 형성된 연료 유통로에는 제4 오리피스가 설치되며, 상기 파일럿 밸브는 스페이서의 일측에 제2 오리피스가 설치되는 점에 있다.
또한, 본 발명의 연료 분사기의 본체는 노즐부의 근처에 설치된 니들 밸브 및 연료실을 구비한 니들 밸브기구와; 중앙에 피스톤이 설치되고, 상기 피스톤에는 스프링이 개재되어 있는 니들밸브 액츄에이터와; 피스톤을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버가 형성되며, 스프링 없이 피스톤만을 갖는 부스터와; 연료실의 분사하기 위한 압력과 솔레노이드의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀과, 상기 스풀의 상부에 설치되며 일측에 제2 오리피스가 형성된 스페이서로 이루어진 파일럿 밸브와; 니들밸브 액츄에이터나 파일럿 밸브를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하는 솔레노이드 밸브로 구성되는 점에 있다.
본 발명의 연료 분사기는 파일럿 밸브(즉, 차압 파일럿 밸브)가 부스터를 제어하여 연료 분사의 시기와 양을 최적으로 제어할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 연료 분사기는 스프링이 없는 부스터를 적용함에 의해 인젝터의 수명이 연장되며 아울러, 부스터로부터 일정한 압력을 공급할 수 있으므로 배기가스가 절감되어 환경오염을 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 디젤 엔진의 연료 분사장치를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 분사기의 초기, 저압 및 고압상태를 각기 단계별로 나타낸 단면도,
도 5a 및 도 5b는 종래 부스터의 압력 변화 및 압력 상태를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 분사기를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 분사기를 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 분사기를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 연료 분사기의 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
디젤 엔진에 사용되는 연료 분사장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 가압된 연료를 저장하는 공통 레일(110)과, 엔진(도시되지 않음)의 각 기통마다 설치된 설치된 연료 분사기(1000)와, 연료를 가압하여 공통 레일(110)에 공급하는 서플라이 펌프(130)와, 상기 공통 레일(110) 및 서플라이 펌프(130)에 연결된 연료탱크(140)로 이루어진다.
상기 공통 레일(110)과 서플라이 펌프(130)는 연료 공급관(132)에 의해 연결되어 있다. 그리고, 서플라이 펌프(130)는 공통 레일(110)의 연료 압력이 원하는 값 또는 제로가 되도록 제어부(예를 들어, ECU 와 같지만 도시되지 않음)에 의해 토출량이 제어되도록 구성되어 있다.
상기 공통 레일(110)에는 각 기통의 연료 분사기(1000)에 연료를 공급하기 위한 복수개의 토출 포트(112)가 형성되어 있다. 도 1에서는 연료 분사기(1000)는 공통 레일(110)의 각 토출 포트(112)의 각각에 연료 공급로(114)를 거쳐서 각 기통의 연료 분사기(1000)가 접속되어 각 연료 분사기(1000)에 연료가 공급되도록 되어 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 분사기(1000)의 본체(600)는 도 2에 도시된 바와 같이, 니들 밸브기구(200)와, 니들밸브 액츄에이터(230)와, 부스터(300)와, 파일럿 밸브(400) 및 솔레노이드 밸브(500)로 이루어지게 된다.
상기 본체(600)는 후술하게 되는 연료 유통로들과 연결된 연료 유입부(150)와 연료 귀환부(750)를 더 구비하고, 상기 연료 유입부(150)와 연통된 연료 유통로(152)의 일측에는 체크밸브(180)가 설치된다.
연료 유입부(150)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공통레일(110)로부터 연료 공급로(114)를 거쳐서 연결되고, 공통 레일(110)로부터 공급되는 연료를 연료 유통로(152)를 경유하여 체크밸브(180)와 노즐부(250)측의 연료 유통로(272)를 거쳐서 연료실(254)에 공급하게 된다. 여기서, 연료 유입부(150)는 연료 유통로(152)를 거쳐 체크 밸브(180)측으로 연결된다. 그리고, 상기 노즐부(250)의 단부에는 연료 분사구멍(274)이 형성되어 유입된 연료를 분사할 수 있게 되어 있다.
상기 체크밸브(180)는 연료 유통로(282,283)와 상호 연통된 연료 유통로(262)와 연료실(254)에 연결된 연료 유통로(272)에 상호 연결되게 된다.
상기 니들 밸브기구(200)는 노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)를 구비하게 된다. 상기 니들 밸브(252)의 상부에는 니들 밸브(252)를 동작시키기 위한 니들밸브 액츄에이터(230)가 설치되어 있다. 상기 니들밸브 액츄에이터(230)는 중앙에 피스톤(235)이 설치되고, 상기 피스톤(235)에는 스프링(240)이 개재되어 있다. 상기 니들밸브 액츄에이터(230)는 피스톤(235)의 일측에 스페이서 스프링(238)이 설치되고, 피스톤(235)의 타측에 쐐기(shim)(237)가 설치된다. 그리고, 상기 스페이서 스프링(238)과 쐐기(237)의 사이에는 스프링(240)이 설치된다. 또한, 상기 피스톤(235)의 상부에는 제1 챔버(210)가 형성되고, 상기 피스톤의 중간부분에 형성된 스프링(240)측에는 제2 챔버(220)가 형성된다. 상기 니들밸브 액츄에이터(230)와 후술하는 솔레노이드 밸브(500)는 연료 유통로(172)에 의해 상호 연통되게 구성되어 있다.
상기 부스터(300)는 니들 밸브기구(200)와 솔레노이드 밸브(500)의 사이에 설치될 수 있지만 여기서는 도 2에 도시된 바와 같이, 니들 밸브기구(200)와 파일럿 밸브(400)의 사이에 설치된 것을 일예로 설명하기로 한다. 상기 부스터(300)는 종래의 부스터와 달리 스프링을 적용하지 않고 단지 피스톤(350)만을 구비한다. 여기서, 상기 부스터(300)의 피스톤(350)은 3개의 블럭 형태로 구성하거나 십자 형태로 일체로 구성한다.
본 발명의 요부인 부스터(300)는 피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되고, 상기 부스터(300)의 피스톤(350)은 스프링 없이 연료의 압력에 따라 제어를 할 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 부스터(300)는 피스톤(350)의 일측에 슬리브 피스톤(sleeve piston)(355)이 설치된다. 그리고, 상기 부스터(300)는 일측에 유입된 연료의 압력을 조절할 수 있도록 제3 오리피스(365)가 설치된다.
본 발명의 부스터(300)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 십자 형태(예를 들어, 3개의 블럭 형태)의 피스톤(350)과 슬리브 피스톤(355)을 구비하게 된다. 그리고, 본 발명의 부스터에 대한 시간에 대한 압력 변화를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 부스터(300)에서, 피스톤(350)의 상부 압력을 P4 이고, 제1 챔버(310)측의 압력을 P1 이며, 제2 챔버(320)측의 압력을 P3 이고, 제3 챔버(330)측의 압력을 P2 라고 가정하면, 부스터(300)의 압력은 P2=(P1*(A1-A4)+P4*A4-P3*(A1-A2))/A2 이다. 그래서, A2=P1/P2*(A1-A4)+P4/P2*A4-P3/P2*(A1-A2) 이다.
여기서, A1-A4: P1에 작용하는 면적이고, A2: P2가 작용하는 면적이며, A1-A2: P3가 작용하는 면적이고, A4: P4가 작용하는 면적이다. 참고로, P1은 커먼레일 압력이고, P4는 귀환 압력이다.
따라서, 본 발명의 부스터(300)는 종래의 부스터와 달리 스프링을 적용하지 않고도 고압 부스팅을 수행할 수 있게 구성되어 있다. 또한, 본 발명의 부스터(300)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 시간에 대한 압력 그래프에서 압력 P2에서 고압(부스팅) 분사를 수행하게 된다. 즉, 압력 P2 그래프에서 압력이 높은 경우는 고압(부스팅) 분사 모드이고, 고압 분사 모드후 압력이 낮은 경우는 귀환 모드이다.
참고로, 도 5b에서, 1점 쇄선으로 나타낸 사각형은 저압 분사이고, 점선으로 나타낸 사각형은 고압 분사를 나타낸다.
상기 부스터(300)는 일측에 유입된 연료의 압력을 조절할 수 있도록 제3 오리피스(365)가 설치된다. 그리고, 상기 부스터(300)와 니들밸브 액츄에이터(230)의 사이에 형성된 연료 유통로(282)에는 제4 오리피스(265)가 설치된다.
한편, 상기 부스터(300)와 파일럿 밸브(400)는 연료 유통로(392,394,492)에 의해 상호 연결되고 아울러 연료 유통로(152)와 연결된 연료 유통로(493,262)에 의해서도 상호 연결된다.
파일럿 밸브(400)는 도 2에 도시된 바와 같이, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치된 스페이서(485)와, 상기 스페이서(485)의 상부에 설치된 플러그(495)로 이루어진다. 그리고, 상기 파일럿 밸브(400)는 공급 연료압과 솔레노이드 밸브(500)의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되게 된다. 상기 파일럿 밸브(400)는 제1 내지 제3 챔버(410,420,430)를 구비하고, 일측에는 제2 오리피스(450)가 설치된다. 즉, 상기 제2 오리피스(450)는 스페이서(485)의 일측에 설치된다.
연료 유통로(172)는 후술하는 솔레노이드 밸브(500)의 솔레노이드 밸브 챔버(520)와 니들밸브 액츄에이터(230)측의 연료 유통로(239)와 연통되게 된다.
상기 파일럿 밸브(400)는 부스터(300)의 제2 챔버(320)를 가압 또는 감압할 수도 있다. 상기 파일럿 밸브(400)는 공급 연료압과 솔레노이드 밸브(500)에 작용하는 압력차에 의해 동작하게 된다.
상기 파일럿 밸브(400)의 스풀(475)의 하부에 형성된 연료 유통로(392,394)의 사이에 형성된 연료 유통로(335)는 일측은 연료 귀환부(750)측으로 연결되고 타측은 니들밸브 액츄에이터(230)측으로 연결되는 연료 유통로(337)에 연결된다.
또한, 상기 파일럿 밸브(400)의 스풀(475)의 측면에는 제2 챔버(420)측에 연료 유통로(652)가 연결되고 제3 챔버(430)측에 연료 유통로(492)가 각기 연결된다. 그리고, 상기 파일럿 밸브(400)는 부스터(300)의 제2 챔버(320)와 연결된 파일럿 밸브(400)의 제3 챔버(430)로 연료를 이동시켜 연료 귀환부(750)로 리턴시키는 역할을 하게 된다. 상기 연료 유통로(652)는 연료 유통로(262)와 연통되며, 연료 유통로(492)는 부스터(300)의 제2 챔버(320)측에 연결된다.
본 발명의 파일럿 밸브(400)는 파일럿 밸브(400)의 진동을 줄이고 정밀 제어를 수행하기 위하여 파일럿 밸브(400)의 제2 챔버(420)에 별도의 유통로(652)를 설치하게 된다.
솔레노이드 밸브(500)는 니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 제어하는 연료의 작용 압력을 제어하게 된다. 그리고, 솔레노이드 밸브(500)는 플런저(530)와 상기 플런저(530)의 상부에 설치된 스프링(540)을 구비하게 된다. 그리고, 상기 솔레노이드 밸브(500)는 솔레노이드 밸브를 동작시키는 전자밸브(560)를 더 구비하게 된다. 또한, 상기 솔레노이드 밸브(500)는 연료를 귀환시키기 위한 귀환챔버(510)를 구비하고, 그 하부에 형성된 연료 유통로(512)에 제1 오리피스(550)가 설치된다. 상기 귀환챔버(510)는 연료 유통로(162)를 거쳐 연료 귀환부(750)에 연결된다.
솔레노이드 밸브(500)의 작동시 제4 오리피스(265)에 의해 저압이 발생되고, 상기 저압에 의해 니들 밸브기구(200)가 상승된다. 그리고, 제2 오리피스(450)에 의해 파일럿 밸브(400)가 니들 밸브기구(200)보다 시간 차이를 두고 개방하게 된다. 상기 제4 오리피스(265)는 연료 유통로(262,282)와 연료 유통로(172) 사이의 연료의 압력을 조절하며, 상기 제2 오리피스(450)는 제4 오리피스(265)에 의해 만들어진 저압과 이 압력을 이용하여 시간차를 두고 별도의 압력을 제어하도록 구성되어 있다.
(제2 실시예)
본 발명의 연료 분사기의 제2 실시예는 도 6에 도시된 바와 같이, 전술한 실시예와 전체적인 구성은 거의 유사하고 차이점은 단지 연료 유통로(492)에 제5 오리피스(850)를 설치한 점에 있다.
상기 제5 오리피스(850)를 연료 유통로(492)에 설치하게 되면 연료가 부스터(300)의 제2 챔버(320)를 경유하여 연료 귀환부(750)로 리턴 될 때 연료의 압력을 일정하게 제어할 수 있다.
(제3 실시예)
본 발명의 연료 분사기의 제3 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이, 전술한 실시예와 전체적인 구성은 거의 유사하고 차이점은 부스터(300)에 설치된 제3 오리피스(365)를 제거하고 연료 유통로(492)에 제5 오리피스(850)를 설치하고 아울러, 연료 유통로(492)와 연료 유통로(152)의 사이에 형성된 연료 유통로(930)에 제6 오리피스(950)를 설치하게 된다.
상기 제5 오리피스(850)는 부스터(300)의 제2 챔버(320)로부터 나온 연료의 양을 제어하므로 부스터(300)의 정밀 제어가 가능하다. 또한, 제6 오리피스(950)는 연료 유통로(152)와 연결되어 부스터(300) 리턴(귀환) 시, 부스터(300)의 제2 챔버(320)로 연료를 충진시키게 된다.
(제4 실시예)
본 발명의 연료 분사기의 제4 실시예는 도 8에 도시된 바와 같이, 전술한 실시예에서 부스터(300)에 설치된 제3 오리피스(365)를 제거하고 연료 유통로(492)에 제5 오리피스(850)를 설치하고 아울러, 파일럿 밸브(400)의 스풀(475)에 제1 내지 제3 통로(910,920,930)를 형성한다.
상기 제3 오리피스(365) 대신에 연료 유통로(492)에 제5 오리피스(850)을 설치한 이유는 부스터(300)의 제2 챔버(320)의 연료가 연료 귀환부(750)로 리턴 될 때 연료의 압력을 보다 일정하게 제어하여 원활한 부스팅을 하기 위한 것이다. 또한, 상기 파일럿 밸브(400)의 스풀(475)은 연료 충진시 작동하게 된다.
이제, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료 분사기의 실시예들에 대한 동작 및 작용에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 연료분사장치(100)에서, 엔진(도시되지 않음)이 회전하여 서플라이 펌프(130)가 구동됨으로써 연료탱크(140)로부터 서플라이 펌프(130)에 흡입된 연료가 가압되어 공통레일(110)에 공급된다.
엔진의 운전상태에 따라서 서플라이 펌프(130)로부터 도출되는 연료의 압력이 제어부(도시되지 않음)에 의해 조정되어 소정의 압력으로 가압된 연료가 공통레일(110)에 축적된다.
엔진의 각 기통의 연소실(도시되지 않음)에서는 각 연료분사기(1000)의 연료 분사구멍(274)으로부터 연료가 분사된다. 그리고, 엔진의 운전 상황에 따라서 연료분사기(1000)는 연료를 저압 또는 고압으로 구동하게 된다. 예를 들어, 엔진이 고부하로 운전될 때에는 연료분사기(1000)가 연료를 고압 모드로 구동하게 되고, 엔진이 아이들링 운전하고 있을 때 등의 저부하 운전시에는 연료분사기(1000)는 저압모드로 구동하게 된다.
연료분사기(1000)의 초기 상태는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 공급로(114)를 거쳐서 제공된 연료가 연료 유입부(150)를 거쳐서 연료 유통로(152,154,272) 및 연료 유통로(172,239)에 거의 일정한 압력으로 연료가 공급되고, 아울러 연료실(254)에도 소정의 압력으로 연료가 공급되게 된다.
연료분사기(1000)는 도 2에 도시된 바와 같은 초기 상태에서 솔레노이드 밸브(500)가 동작하여 도 3에 도시된 바와 같이 플런저(530)를 개방하게 되면, 연료귀환부(750)를 통해 연료가 연료탱크(140)로 귀환되어 압력이 제로가 되므로 연료분사기(1000)는 초기 저압 모드로 유지하게 된다. 즉, 플런저(530)가 개방하게 되면 도 3에 도시된 바와 같이, 니들밸브 액츄에이터(230)측과 연통되는 연료 유통로(172)를 통하여 연료가 화살표 방향을 따라서 이동하여 솔레노이드 밸브 챔버(520)로 이동하게 된다. 그리고, 연료는 다시 솔레노이드 밸브 챔버(520)에서 연료 유통로(512)에 설치된 제1 오리피스(550)을 거쳐서 연료 유통로(162)를 경유하여 연료 귀환부(750)로 배출되게 된다.
이와 같은 상태에서, 연료실(254)의 압력 상승에 의해 니들밸브 액츄에이터(230)가 상부측으로 이동하게 되면서 저압 분사를 수행하게 된다. 상기 니들밸브 액츄에이터(230)의 피스톤(235)이 상부 방향으로 이동하면, 연료는 연료 유통로(172)를 거쳐서 솔레노이드 밸브(500)측의 솔레노이드 밸브 챔버(520)로 이동하여 제1 오리피스(550)를 거쳐 연료 유통로(162)를 거쳐 연료 귀환부(750)로 배출하게 된다. 그리고, 연료 유입부(150)로부터 연료 유통로(152,154)를 거쳐 체크 밸브(180)를 경유하여 연료 유통로(272)를 지나 연료실(254)로 이동하여 연료분사구멍(274)으로 연료가 분사되게 된다.
연료분사기(1000)는 연료 유입부(150)로부터 유입된 연료가 연료실(254)과 니들밸브 액츄에이터(230)를 거치게 된다. 여기서, 연료의 일부는 상기 니들밸브 액츄에이터(230)의 일측에 설치된 연료 유통로(337)을 통하여 연료 유통로(335)로 이동하게 되고, 연료의 다른 일부는 니들밸브 액츄에이터(230)의 상부에 설치된 연료 유통로(239,172)를 통하여 솔레노이드 밸브챔버(520)로 이동하게 된다. 상기 이동된 연료들은 연료 귀환부(750)를 거쳐서 연료탱크(140)로 이동하게 된다.
이와 같은 상태에서, 파일럿 밸브(400)의 제1 챔버(410)로부터 스페이서(485)에 설치된 제2 오리피스(450)를 경유하여 연료 유통로(172)의 연료가 이동하게 되면 제1 챔버(410)는 제2 챔버(420)보다 저압상태로 되게 된다. 따라서, 상기 제2 오리피스(450)는 파일럿 밸브(400)의 제1 챔버(410)의 압력을 시간 차이를 두고 제어할 수 있다. 상기 제2 오리피스(450)는 제4 오리피스(265)에서 만들어진 저압과 이 압력을 이용하여 시간차를 두고 별도의 압력을 제어하게 된다.
이때, 파일럿 밸브(400)는 압력차에 의해 상승하여 부스터(300)의 제2 챔버(320)와 연결된 연료 유통로(492)를 거쳐 파일럿 밸브(400)의 제3 챔버(430)를 통하여 연료 유통로(392,335)를 지나 연료 귀환부(750)로 배출되어 부스터(300)의 제2 챔버(320)의 압력을 낮추게 된다.
상기 상승된 파일럿 밸브(400)의 제2 챔버(420)의 압력은 연료 유통로(652)로부터 일정하게 공급된다. 여기서, 제공된 압력은 연료 유통로(152)를 거쳐서 제공된 압력에 비하여 예정된 일정한 압력으로 제공된다. 그래서, 파일럿 밸브(400)의 제2 챔버(420)에 일정한 압력이 제공되면 파일럿 밸브(400)의 진동을 보다 줄일 수 있고 아울러, 파일럿 밸브(400)의 정밀 제어도 가능하게 된다.
한편, 도 4는 연료분사기(1000)가 고압 분사를 수행하는 것을 나타낸 단면도이다. 부스터(300)의 제2 챔버(320)의 압력이 낮아지게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 부스터(300)의 제1 챔버(310)의 압력이 제3 챔버(330)의 압력보다 높게 되므로 이 압력차에 의해 제3 챔버(330)를 가압하게 된다. 이때, 연료 유통로(282,262)의 압력이 연료 유통로(152) 보다 높아지게 되므로 상기 연료는 체크밸브(180)에 의해 연료 유통로(152)측으로 이동하지 못하고, 연료 유통로(272)를 거쳐 연료실(254)로 이동된다. 그리고, 연료실(254)로 이동된 연료는 노즐부(250)를 거쳐서 연료 분사구멍(274)을 거쳐 고압으로 분사하게 된다.
상기 고압 분사 후, 솔레노이드 밸브(500)의 동작을 오프하게 되면 플런저(530)가 폐쇄하게 된다. 상기 플런저(530)를 폐쇄하게 되면, 잔류된 연료는 연료 유통로(172,239)를 거쳐서 니들밸브 액츄에이터(230)측으로 이동하게 된다. 이동된 연료는 니들밸브 액츄에이터(230)의 압력을 상승시켜 니들밸브(252)를 하강시키게 된다. 이때, 니들밸브(252)가 연료 분사구멍(274)을 폐쇄하게 되므로 연료 분사가 중단되게 된다.
상기와 같은 상태에서, 파일럿 밸브(400)가 하강하여 연료 유통로(493)로 유입된 연료는 부스터(300)의 제1 챔버(310)를 거쳐 제3 오리피스(365)를 통해 부스터(300)의 제2 챔버(320)에 연료를 충진하게 된다. 또한, 연료 유입부(150)를 거쳐서 유입된 연료의 일부가 연료 유통로(152)를 거쳐서 체크밸브(180)를 하부 방향으로 밀면서 연료 유통로(262,282)를 거쳐서 부스터(300)의 피스톤(350)을 승강시키게 된다. 그리고, 상기 유입된 연료의 다른 일부는 연료 유통로(272)를 거쳐서 연료실(254)로 이동하게 된다.
(제2 및 제3 실시예 동작)
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 분사기는 전술한 실시예와 그 동작이 거의 유사하므로 차이점만 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 분사기는 부스터(300)에 설치된 제3 오리피스(365)를 그대로 사용하고, 연료 유통로(492)에도 제5 오리피스(850)를 설치하게 되므로 연료가 부스터(300)의 제2 챔버(320)를 거쳐 연료 귀환부(750)로 리턴 될 때 연료의 압력을 일정하게 제어할 수 있다. 또한, 상기 제5 오리피스(850)에 의해 부스터(300)의 제2 챔버(320)를 거쳐 흐르는 연료를 시간 지연을 두고 보다 정밀하게 제어하게 된다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 분사기는 부스터(300)에 설치된 제3 오리피스(365)를 제거하고, 연료 유통로(492)에는 제5 오리피스(850)를 설치하고, 연료 유통로(930)에는 제6 오리피스(950)를 설치하게 된다. 상기 제5 오리피스(850)의 동작은 후술하는 제4 실시예와 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 제6 오리피스(950)는 연료 귀환부(750)로 리턴시 연료 압력을 일정하게 유지하기 위한 것이다.
(제4 실시예 동작)
본 발명의 제 4실시예에 따른 연료 분사기는 전술한 실시예와 그 동작이 거의 유사하므로 차이점만 설명하기로 한다.
고압 분사전 단계에서, 파일럿 밸브(400)의 제1 챔버(410)로부터 스페이서(485)에 설치된 제2 오리피스(450)를 경유하여 연료 유통로(172)의 연료가 이동하게 되면 파일럿 밸브(400)의 제1 챔버(410)는 제2 챔버(420)보다 저압상태로 된다. 이때, 파일럿 밸브(400)는 압력차에 의해 상승하여 부스터(300)의 제2 챔버(320)와 연결된 연료 유통로(492)의 제5 오리피스(850)를 거쳐 파일럿 밸브(400)의 제3 챔버(430)를 통하여 연료 유통로(392,335)를 지나 연료 귀환부(750)로 배출되어 부스터(300)의 제2 챔버(320)의 압력을 낮추게 된다.
이와 같이, 제5 오리피스(850)가 연료 유통로(492)에 설치되어 있으므로 부스터(300)의 제2 챔버(320)가 연료 귀환부(750)로 리턴될 때 연료의 압력을 일정하게 제어하여 원활한 부스팅 작동을 할 수 있다.
한편, 연료 충진 단계에서, 파일럿 밸브(400)가 하강하면 연로 유통로(652)를 통해 분사하기 위한 압력의 연료가 파일럿 밸브(400)의 스플(475)의 제 1 내지 제 3 통로(910,920,930)를 통하여 연료유통로(492)를 거쳐 부스터(300)의 제2 챔버(320)로 연료를 충진하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예들에 따른 연료분사기는 저압 및 고압분사를 스프링을 적용하지 않은 부스터를 적용하여 2단 분사를 수행할 수 있으므로 연료 분사의 시기와 양을 최적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 연료 분사기는 자동차용 엔진의 연료 분사장치 분야에 널리 적용되어 사용하게 된다.
200; 니들 밸브기구 230: 니들밸브 액츄에이터
235: 피스톤 250: 노즐부
254: 연료실 265: 제4 오리피스
300: 부스터 365: 제3 오리피스
400: 파일럿 밸브 410,420,430: 제1 내지 제3 챔버
450: 제2 오리피스 485: 스페이서
500: 솔레노이드 밸브 510: 귀환 챔버
520: 솔레노이드 밸브 챔버 530: 플런저
550: 제1 오리피스 850: 제5 오리피스
950: 제6 오리피스

Claims (20)

  1. 내연기관(internal combustion engine)의 연소실(combustion chambers)로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(fuel injector)로서,
    상기 연료 분사기의 본체(600)는,
    노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와;
    스프링(240)이 개재되어 있는 피스톤(210)을 갖는 니들밸브 액츄에이터(230)와;
    피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와;
    공급 연료압과 솔레노이드 밸브의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치된 스페이서(485)를 갖는 파일럿 밸브(400)와;
    니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하며, 일측에 제1 오리피스(550)가 설치된 솔레노이드 밸브(500)로 구성되며,
    상기 부스터(300)는 일측에 제3 오리피스(365)가 설치되고, 상기 부스터(300)와 니들밸브 액츄에이터(230)의 사이에 형성된 연료 유통로에는 제4 오리피스(265)가 설치되며, 상기 파일럿 밸브(400)는 스페이서(485)에 일측에 제2 오리피스(450)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료분사기의 본체(600)는 연료 유통로들과 연결된 연료 유입부(150)와 연료 귀환부(750)를 더 구비하고,
    상기 연료 유입부(150)에서 유입된 연료는 연료 유통로(152)를 경유하여 연료 유통로(262,272)에 상호 연결되며, 상기 연료 유통로(152)의 일측에는 체크밸브(180)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 니들밸브 액츄에이터(230)와 솔레노이드 밸브챔버(520)는 연료 유통로(172)에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 부스터(300)와 파일럿 밸브(400)는 연료 유통로(392,394), 연료 유통로(492,652) 및 연료 유통로(262,282)에 의해 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  5. 내연기관(internal combustion engine)의 연소실(combustion chambers)로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(fuel injector)로서,
    상기 연료 분사기의 본체(600)는,
    노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와;
    스프링(240)이 개재되어 있는 피스톤(210)을 갖는 니들밸브 액츄에이터(230)와;
    피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와;
    공급 연료압과 솔레노이드 밸브의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치된 스페이서(485)를 갖는 파일럿 밸브(400)와;
    니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하며, 일측에 제1 오리피스(550)가 설치된 솔레노이드 밸브(500)로 구성되며,
    상기 부스터(300)는 일측에 제3 오리피스(365)가 설치되고, 상기 부스터(300)와 니들밸브 액츄에이터(230)의 사이에 형성된 연료 유통로에는 제4 오리피스(265)가 설치되며, 상기 파일럿 밸브(400)는 스페이서(485)에 일측에 제2 오리피스(450)가 설치되며,
    상기 부스터(300)와 파일럿 밸브(400)에 상호 연통된 연료 유통로(492)에는 제5 오리피스(850)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  6. 내연기관(internal combustion engine)의 연소실(combustion chambers)로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(fuel injector)로서,
    상기 연료 분사기의 본체(600)는,
    노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와;
    스프링(240)이 개재되어 있는 피스톤(210)을 갖는 니들밸브 액츄에이터(230)와;
    스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와;
    공급 연료압과 솔레노이드 밸브의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치된 스페이서(485)를 갖는 파일럿 밸브(400)와;
    니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하는 솔레노이드 밸브(500)로 구성되며,
    상기 부스터(300)와 니들밸브 액츄에이터(230)의 사이에 형성된 연료 유통로에는 제4 오리피스(265)가 설치되며, 상기 파일럿 밸브(400)는 스페이서(485)에 일측에 제2 오리피스(450)가 설치되며,
    상기 부스터(300)와 파일럿 밸브(400)에 상호 연통된 연료 유통로(492)에는 제5 오리피스(850)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브(500)는 일측에 설치된 연료 유통로(512)에 제1 오리피스(550)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 부스터(300)는 피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 피스톤(350)의 상부 압력을 P4 이고, 제1 챔버(310)측의 압력을 P1 이며, 제2 챔버(320)측의 압력을 P3 이고, 제3 챔버(330)측의 압력을 P2 라고 가정하면,
    부스터(300)의 압력은 P2=(P1*(A1-A4)+P4*A4-P3*(A1-A2))/A2 이고, P2에 작용하는 면적 A2=P1/P2*(A1-A4)+P4/P2*A4-P3/P2*(A1-A2) 이며,
    여기서, A1-A4: P1에 작용하는 면적이고, A2: P2가 작용하는 면적이며, A1-A2: P3가 작용하는 면적이고, A4: P4가 작용하는 면적이며, P1은 커먼레일 압력이고, P4는 귀환 압력인 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제5 오리피스(850)가 설치된 연료 유통로(492)의 일측에는 연료 유통로(930)이 설치되고, 상기 연료 유통로(930)에는 제6 오리피스(950)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  10. 내연기관(internal combustion engine)의 연소실(combustion chambers)로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(fuel injector)로서,
    상기 연료 분사기의 본체(600)는,
    노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와;
    스프링(240)이 개재되어 있는 피스톤(210)을 갖는 니들밸브 액츄에이터(230)와;
    피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와;
    공급 연료압과 솔레노이드 밸브의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 제1 내지 제3 통로(910,920,930)가 형성된 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치되며 일측에 제2 오리피스(450)가 설치된 스페이서(485)를 갖는 파일럿 밸브(400)와;
    니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하는 솔레노이드 밸브(500)로 구성되며,
    상기 부스터(300)와 파일럿 밸브(400)에 상호 연통된 연료 유통로(492)에는 제5 오리피스(850)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연료분사기의 본체(600)는 연료 유통로들과 연결된 연료 유입부(150)와 연료 귀환부(750)를 더 구비하고,
    상기 연료 유입부(150)에서 유입된 연료는 연료 유통로(152)를 경유하여 연료 유통로(262,272)에 상호 연결되며, 상기 연료 유통로(152)의 일측에는 체크밸브(180)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 부스터(300)와 니들밸브 액츄에이터(230)의 사이에는 연료 유통로가 형성되고, 상기 연료 유통로에 제4 오리피스(265)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 파일럿 밸브(400)는 스페이서(485)의 상부에 설치된 플러그(495)를 더 구비하고, 스풀(475)과 스페이서(485)의 사이에는 제1 내지 제3 챔버(410,420,430)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브(500)는 연료를 귀환시키기 위한 귀환챔버(510), 솔레노이드 밸브 챔버(520) 및 플런저(530)를 구비하고, 플런저(530)의 하부에 형성된 연료 유통로(512)에는 제1 오리피스(550)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  15. 내연기관(internal combustion engine)의 연소실(combustion chambers)로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(fuel injector)로서,
    상기 연료 분사기의 본체(600)는,
    노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와;
    중앙에 피스톤(235)이 설치되고, 상기 피스톤(235)에는 스프링(240)이 개재되어 있는 니들밸브 액츄에이터(230)와;
    피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와;
    연료실(254)의 분사하기 위한 압력과 솔레노이드의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치되며 일측에 제2 오리피스(450)가 형성된 스페이서(485)로 이루어진 파일럿 밸브(400)와;
    니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하는 솔레노이드 밸브(500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 부스터(300)는 제2 챔버(320)의 일측에 제3 오리피스(365)가 설치되는 것을 특징으로 특징으로 하는 연료 분사기.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 파일럿 밸브(400)는 부스터(300)의 제2 챔버(320)와 연결된 파일럿 밸브(400)의 제3 챔버(430)로 연료를 이동시켜 연료 귀환부(750)로 리턴시키도록
    부스터(300)의 제2 챔버(320)와 파일럿 밸브(400)의 제3 챔버(430)가 연료 유통로(492)에 의해 상호 연통되며, 부스터(300)와 파일럿 밸브(400)의 사이에 형성된 연료 유통로(392,394)사이에 연료 귀환부(750)와 연통된 연료 유통로(335)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 부스터(300)의 제2 챔버(320)와 파일럿 밸브(400)의 제3 챔버(430)에 형성된 연료 유통로(492)에는 제5 오리피스(850)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  19. 내연기관(internal combustion engine)의 연소실(combustion chambers)로 연료를 분사하기 위한 연료 분사기(fuel injector)로서,
    상기 연료 분사기의 본체(600)는,
    노즐부(250)의 근처에 설치된 니들 밸브(252) 및 연료실(254)을 구비한 니들 밸브기구(200)와;
    그 후단에 제4 오리피스(265)가 설치되며, 스프링(240)이 개재되어 피스톤(235)을 갖는 니들밸브 액츄에이터(230)와;
    피스톤(350)을 중심으로 상부, 중간 및 하부에 각기 제1 내지 제3 챔버(310,320,330)가 형성되며, 스프링 없이 피스톤(350)만을 갖는 부스터(300)와;
    연료실(254)의 분사하기 위한 압력과 솔레노이드의 작동 압력간의 압력차에 의해 동작되며, 스풀(475)과, 상기 스풀(475)의 상부에 설치되며 일측에 제2 오리피스(450)가 형성된 스페이서(485)로 이루어진 파일럿 밸브(400)와;
    니들밸브 액츄에이터(230)나 파일럿 밸브(400)를 동작시키도록 연료의 작용 압력을 제어하는 솔레노이드 밸브(500)로 구성되며,
    상기 솔레노이드 밸브(500)의 작동시, 제4 오리피스(265)에 의해 저압이 발생되고, 상기 저압에 의해 니들 밸브기구(200)가 상승되며, 상기 제2 오리피스(450)에 의해 파일럿 밸브(400)가 니들 밸브기구(200) 보다 시간 차이를 두고 개방되는 것을 특징으로 하는 연료분사기.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제4 오리피스(265)는 연료 유통로(262,282)와 연료 유통로(172)사이의 연료의 압력을 조절하며, 상기 제2 오리피스(450)는 제4 오리피스(265)에 의해 만들어진 저압과 이 압력을 이용하여 시간차를 두고 별도의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
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