KR101351171B1 - 초음파 연료 분사기 - Google Patents

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토마스 데이비드 엘럿
티모시 알. 주흐크
앤드류 에니스 메이어
조지 브롬필드
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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Abstract

엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기의 하우징은 내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 갖는다. 밸브 부재는 연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있다. 초음파 도파관은 하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있고, 연료가 밸브 부재의 개방 위치에서 적어도 하나의 배출 포트를 통해 빠져나가기 전에 연료 챔버 내의 연료를 초음파식으로 여기시키도록 연료 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 여기 장치는 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있다.
연료 분사기, 연료 챔버, 하우징, 밸브 부재, 초음파 도파관, 여기 장치

Description

초음파 연료 분사기 {ULTRASONIC FUEL INJECTOR}
본 발명은 전체적으로 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 연료가 엔진으로 이송되기 전에 초음파 에너지가 연료 분사기에 의해 연료에 인가되는 초음파 연료 분사기에 관한 것이다.
연료 분사기는 통상 엔진 실린더의 연소 챔버에 가연성 연료를 이송하는데 사용된다. 통상적인 연료 분사기는 연료가 연소 챔버 내로 이송되도록 연료 분사기로부터 관통 배출되는 하나 이상의 배출 포트를 포함한다. 통상 핀 또는 니들로 불리는 밸브 부재가 연료 분사기 하우징 내에 이동가능하게 배치된다. 밸브 부재의 폐쇄 위치에서 밸브 부재는 연료 분사를 방지하도록 노즐에 대해 밀봉되고, 개방 위치에서 연료가 배출 포트(들)를 거쳐 노즐로부터 분사된다. 작동시, 고압 연료는 밸브 부재가 폐쇄 위치에 존재하는 상태에서 하우징 내에 유지된다. 밸브 부재는 엔진의 연소 챔버로의 고압 연료의 이송을 위해 노즐 배출 포트(들)를 통해 고압 연료를 분사하기 위해 간헐적으로 개방된다.
이러한 연료 분사기를 통합하고 있는 내연 기관의 연료 효율은 연소 챔버 내로 분사되는 연료의 액적 크기에 부분적으로 의존한다. 즉, 더 작은 액적 크기는 연소 과정 중에 연료의 더 효과적인 연소를 제공하기 쉽다. 연료 효율을 향상시키 기 위한 시도는 연료 분사기로부터의 연료의 더 분무화된 스프레이(atomized spray)를 촉진시키기 위해, 노즐의 배출 포트(들)를 점진적으로 좁히고 그리고/또는 연료 분사기가 작동하는 높은 연료 압력을 실질적으로 증가시키는 것을 포함하고 있다. 예컨대, 이러한 연료 분사기는 통상 8,000 psi(550 bar)보다 큰 압력에서 작동하거나, 30,000 psi(2070 bar)와 같이 더 높은 압력에서 작동한다. 또한, 이러한 연료 분사기는 약 185℉ 이상과 같은 높은 작동 온도에 노출된다.
연료 효율을 더 증가시키기 위한 시도에 있어서, 배출 포트를 거쳐 노즐로부터 배출된 연료에 초음파 에너지를 제공하여 연소 챔버로 이송된 연료의 향상된 분무화를 용이하게 하는 것이 공지되어 있다. 예컨대, 전체 기재 내용이 참조 문헌으로서 본 명세서에 합체된 미국 특허 제6,543,700호[제임슨(Jameson) 등]에는 밸브 니들이 초음파 주파수에서 변화하는 자기장에 응답하는 자기변형(magnetostrictive) 재료로 적어도 일부분이 형성되는 연료 분사기가 개시되어 있다. 밸브 니들이 밸브 본체(즉, 노즐)로부터 배출되는 것을 허용하도록 위치설정되는 경우, 초음파 주파수에서 변화하는 자기장이 밸브 니들의 자기변형 부분에 인가된다. 이에 따라, 밸브 니들은 연료가 출구 오리피스를 거쳐 연료 분사기를 빠져나갈 때 연료에 초음파 에너지를 제공하도록 초음파식으로 여기된다.
미국 특허 제5,330,100호[말리노브스키(Malinowski)]에 개시된 초음파 연료 분사기에서, 연료 분사기의 노즐은 연료가 연료 분사기의 출구 오리피스를 통해 방출될 때 초음파 에너지가 연료에 제공되도록 노즐 자체가 초음파식으로 진동하도록 구성된다. 이러한 구조에서는, 노즐을 진동시키는 자체가 (예컨대, 출구 오리피스 내의 연료의 캐비테이션으로 인해) 출구 오리피스에서 노즐의 캐비테이션 침식을 발생시키는 위험이 존재한다.
관련 미국 특허 제5,803,106호[코헨(Cohen) 등)], 제5,868,153호[코헨 등], 제6,053,424호[깁슨(Gipson) 등] 및 제6,380,264호(제임슨 등)에는 가압 액체에 초음파식으로 에너지를 인가함으로써 오리피스를 통한 가압 액체의 유량을 증가시키기 위한 장치가 전체적으로 개시되어 있다. 특히, 가압 액체는 가압 액체가 관통하여 챔버를 빠져나가는 출구 오리피스(또는 출구 오리피스들)를 포함하는 다이 팁을 갖는 하우징의 챔버 내로 이송된다. 초음파 혼(horn)은 일부분은 챔버 내에서 종방향으로 연장되고 일부분은 챔버의 외향으로 연장되며, 초음파 혼의 팁에서 혼의 초음파 진동을 증폭시키기 위해 출구 오리피스에 인접하게 배치된 팁을 향해 감소하는 직경을 갖는다. 변환기가 혼을 초음파식으로 진동시키기 위해 혼의 외부 단부에 부착된다. 개시된 이러한 장치가 유용한 하나의 적용예는 내연 기관용 연료 분사기이다.
이러한 장치배열의 하나의 단점은 연료 분사기가 작동하는 고압에 다양한 구성요소가 노출되는 것이 구성요소에 상당한 응력을 가한다는 것이다. 특히, 초음파 혼의 일부분은 챔버 내에 침지되고 다른 일부분은 침지되지 않기 때문에, 혼의 상이한 세그먼트에 가해진 상당한 압력차가 존재하여 혼에 추가적인 응력을 가하게 된다. 또한, 이러한 장치는 작동 밸브 부재를 용이하게 수용할 수 없는데, 이는 장치로부터의 액체의 이송을 제어하는 몇몇 초음파 액체 이송 장치에 있어서 통상적인 것이다.
일 실시예에서, 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기는 내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징을 일반적으로 포함한다. 밸브 부재는 연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있다. 하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있는 초음파 도파관은 연료가 밸브 부재의 개방 위치에서 적어도 하나의 배출 포트를 통해 빠져나가기 전에 연료 챔버 내의 연료를 초음파식으로 여기시키도록 연료 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 여기 장치는 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있다.
다른 실시예에서, 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기는 내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징을 일반적으로 포함한다. 밸브 부재는 연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있다. 초음파 도파관은 하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있고 긴 형상이며, 하우징의 내부 연료 챔버 내에 배치되는 말단부를 갖는다. 초음파 도파관은 초음파 도파관이 초음파 도파관의 말단부를 향해 초음파 도파관의 종방향으로 연장됨에 따라 증가하는 주연부를 갖는다. 여기 장치는 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기는 내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징을 일반적으로 포함한다. 밸브 부재는 연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있다. 초음파 도파관 조립체는, 하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있고 연료 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되는 초음파 도파관과, 연료 챔버 내의 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있는 여기 장치를 포함한다. 초음파 도파관 조립체는 긴 형상이고 약 1/2 파장의 총 길이를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기는 내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징을 일반적으로 포함한다. 제어 시스템은 하우징의 연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 통해 하우징으로부터 배출되도록 안내하기 위해 연료 분사기를 작동시킨다. 긴 형상의 초음파 도파관은 하우징으로부터 분리되어 있고, 초음파 도파관의 적어도 일부분은 하우징의 연료 챔버 내에서 종방향으로 연장되고 적어도 하나의 배출 포트에 인접한 말단부를 갖는다. 초음파 도파관의 일부분은 관 형상이고 일부분의 내부 통로를 형성하고, 초음파 도파관의 관 형상 부분은 연료 챔버 내의 연료가 초음파 도파관의 관 형상 부분의 내부 통로 내에서 유동하는 것을 허용하도록 초음파 도파관의 관 형상 부분의 말단부에서 개방되어 있다. 여기 장치는 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 작동할 수 있다.
도1은 내연 기관으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기의 형태로 도시되어 있는 본 발명의 초음파 액체 이송 장치의 일 실시예의 종방향 단면도이다.
도2는 도1의 단면도와 다른 각도 위치에서 취해진 도1의 연료 분사기의 종방향 단면도이다.
도3은 도1의 단면도의 제1 부분의 확대도이다.
도4는 도1의 단면도의 제2 부분의 확대도이다.
도5는 도2의 단면도의 제3 부분의 확대도이다.
도6은 도1의 단면도의 제4 부분의 확대도이다.
도6a는 도1의 단면도의 중심 부분의 확대도이다.
도7은 도1의 단면도의 제5 부분의 확대도이다.
도8은 도1의 단면도의 부분 확대도이다.
도9는 도1의 연료 분사기의 도파관 조립체 및 다른 내부 구성요소의 사시도이다.
도10은 하우징의 구조가 보이도록 연료 분사기의 내부 구성요소가 생략된, 도1의 연료 분사기의 연료 분사기 하우징의 일부분의 부분 단면도이다.
대응하는 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도면, 특히 도1을 이제 참조하면, 엔진(미도시)으로 연료를 이송하기 위한 초음파 연료 분사기의 일 실시예가 전체적으로 도면부호 21로 도시되어 있다. 연료 분사기는 차량, 항공기 및 선박과, 전기 발전기와, 엔진을 채용하는 다른 장치와 함께 사용될 수도 있다. 특히, 연료 분사기는 디젤 연료를 사용하는 엔진과 함께 사용되는데 적절하다. 그러나, 본 명세서에 사용된 연료라는 용어는 엔진의 작동에 사용되는 임의의 가연성 연료를 의미하는 것이며, 디젤 연료에 제한되는 것이 아니라는 것을 알아야한다.
연료 분사기(21)는 연료의 소스(미도시)로부터 가압 연료를 수용하여 엔진, 예컨대 엔진의 연소 챔버로 연료 액적의 분무화된 스프레이를 이송하기 위한 도면부호 23으로 전체적으로 도시된 하우징을 포함한다. 도시된 실시예에서, 하우징(23)은 긴 형상의 주 본체(25)와, 노즐(27)(종종 밸브 본체라고도 함)과, 주 본체, 노즐 및 너트를 서로 조립된 상태로 유지시키는 보유 부재(29)(예컨대, 너트)를 포함한다. 특히, 주 본체(25)의 하단부(31)는 노즐(27)의 상단부(33)에 안착된다. 보유 부재(29)는 주 본체의 정합 단부(31, 33)와 노즐(27)을 함께 가압하기 위해 주 본체(2)의 외부면에 적절히 체결(예컨대, 나사식으로 체결)된다.
용어 "상부" 및 "하부"는 다양한 도면에 도시된 연료 분사기(21)의 수직 배 향에 따라 본 명세서에서 사용되지만, 사용중인 연료 분사기의 필수 배향을 설명하려는 것은 아니다. 즉, 연료 분사기(21)는 도면에 도시된 수직 배향과 다르게 배향될 수 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다. 본 명세서에서 용어 "축방향" 및 "종방향"은 연료 분사기의 길이 방향(예컨대, 도시된 실시예에서 수직 방향)을 나타낸다. 본 명세서에서 용어 "횡방향", "측방향" 및 "반경방향"은 축방향(예컨대, 종방향)에 수직인 방향을 나타낸다. 또한, 용어 "내부" 및 "외부"는 연료 분사기의 축방향에 대해 횡단하는 방향과 관련하여 사용되는데, 용어 "내부"는 연료 분사기의 내부를 향하는 방향을 나타내고 용어 "외부"는 연료 분사기의 외부를 향하는 방향을 나타낸다.
주 본체(25)는 주 본체(25)의 길이를 따라 종방향으로 연장되는 축방향 보어(35)를 갖는다. 보어(35)의 횡방향 또는 단면 치수(예컨대, 도1에 도시된 원형 보어의 직경)는 명백해질 목적을 위해 보어의 별개의 종방향 세그먼트를 따라 변화된다. 특히, 도3을 참조하면, 주 본체(25)의 상단부(37)에서 보어(35)의 단면 치수는 주 본체 상에 종래의 솔레노이드 밸브(미도시)를 안착시키기 위해 시트(39)를 형성하도록 단차 형성되고, 여기서 솔레노이드 밸브의 일부분은 주 본체의 중심 보어 내에서 아래로 연장된다. 연료 분사기(21) 및 솔레노이드 밸브는 적절한 커넥터(미도시)에 의해 조립된 상태로 함께 유지된다. 절절한 솔레노이드 밸브의 구조 및 작동은 당업자에게 공지되어 있으므로, 필요한 범위를 제외하곤 본 명세서에서 추가로 설명되지 않는다. 적절한 솔레노이드 밸브의 예는 "내연 기관의 연료 분사기를 제어하기 위한 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve for Controlling a Fuel Injector of an Internal Combustion Engine)"이라는 제목의 미국 특허 제6,688,579호, "솔레노이드 밸브"라는 제목의 미국 특허 제6,827,332호 및 "플러그인/회전식 연결부를 포함하는 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve Comprising a Plug-In/Rotative Connection)"이란 제목의 미국 특허 제6,874,706호에 개시되어 있다. 다른 적절한 솔레노이드 밸브도 사용될 수 있다.
중심 보어(35)의 단면 치수는 중심 보어가 중심 보어 내에서 종방향으로(그리고 도시된 실시예에서 동축방향으로) 연장되는 핀 홀더(47)를 안착시키는 견부(45)를 형성하기 위해 솔레노이드 밸브 시트 아래로 연장됨에 따라 내향으로 더 단차 형성된다. 도4에 도시된 바와 같이, 주 본체(35)의 중심 보어(35)는 중심 보어가 핀 홀더(47)가 내부로 연장되는 보어의 세그먼트 아래로 종방향으로 연장됨에 따라 단면이 더 좁아지고, 연료 분사기(21)의 저압 챔버(49)를 적어도 부분적으로 형성한다.
저압 챔버(49)의 종방향 아래로, 주 본체(25)의 중심 보어(35)는 이후에 기술되는 바와 같이 보어 내의 연료 분사기(21)의 밸브 니들(53)(넓게는, 밸브 부재)을 적어도 부분적으로 적절히 위치시키기 위해 중심 보어의 안내 채널[및 고압 천장(high pressure ceiling)] 세그먼트(51)(도4 및 도5 참조)를 형성하도록 더욱더 좁아진다. 도8을 참조하면, 중심 보어(35)의 단면 치수는 중심 보어가 분사기 하우징(23)의 고압 챔버(55)(넓게는, 내부 연료 챔버, 더 넓게는 내부 액체 챔버)를 [예컨대, 설명되는 바와 같이 노즐(27)과 함께] 적어도 부분적으로 형성하기 위해 주 본체(25)의 개방 하단부(31)까지 안내 채널 세그먼트(51) 아래에서 종방향으로 연장됨에 따라 이어서 증가한다.
연료 입구(57)(도1 및 도4 참조)는 주 본체의 상단부 및 하단부(37, 31) 중간에서 주 본체(25)의 측부에 형성되고, 주 본체 내에서 연장되는 발산형 상부 및 하부 분배 채널(59, 61)과 연통한다. 특히, 상부 분배 채널(59)은 주 본체(25) 내에서 상향으로 연료 입구(57)로부터 연장되어 중심 보어 내에 고정된 핀 홀더(47)에 대체로 인접한 중심 보어(35) 내로, 더 구체적으로는 핀 홀더가 상부에 안착되는 견부(45) 바래 아래로 개방된다. 하부 분배 채널(61)은 주 본체(25) 내에서 연료 입구(57) 아래로 연장되고, 대체로 고압 챔버(55)에서 중심 보어(35) 내로 개방된다. 이송 튜브(63)는 연료 입구(57)에서 주 본체(25)를 통해 내향으로 연장되고, 적절한 슬리브(65) 및 나사식 피팅(67)에 의해 주 본체와 조립된 상태로 유지된다. 연료 입구(57)는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 도1 및 도4에 도시된 것과 다르게 위치될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 연료는 하우징(23)의 고압 챔버(55)로만 이송될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다.
주 본체(25)는 저압 연료가 적절한 연료 복귀 시스템(미도시)으로 이송되도록 연료 분사기(21)로부터 관통하여 배출되는 주 본체의 측부에 형성되는 출구(69)(도1 및 도4 참조)를 또한 갖는다. 제1 복귀 채널(71)이 주 본체(25) 내에 형성되고 출구(69)와 주 본체의 중심 보어(35)의 저압 챔버(49) 사이에서의 유체 연통을 제공한다. 제2 복귀 채널(73)이 출구(69)와 주 본체의 개방 상단부(37) 사이의 유체 연통을 제공하도록 주 본체(25) 내에 형성된다. 그러나, 복귀 채널(71, 73) 중 하나 또는 양자 모두는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 연료 분사기(21)로 부터 생략될 수도 있다는 것을 알 수 있다.
특히 도6 내지 도8을 이제 참조하면, 도시된 노즐(27)은 대체로 긴 형상이고 연료 분사기 하우징(23)의 주 본체(25)와 동축으로 정렬된다. 특히, 노즐(27)은 특히 주 본체의 하단부(31)에서 주 본체(25)의 축방향 보어(35)와 동축으로 정렬된 축방향 보어(75)를 가져, 주 본체와 노즐은 연료 분사기 하우징(23)의 고압 챔버(55)를 함께 형성한다. 노즐 보어(75)의 단면 치수는 연료 분사기 하우징(23) 내에 장착 부재를 안착시키기 위한 견부(77)를 형성하도록 노즐(27)의 상단부(33)에서 외향으로 단차 형성된다. 노즐(27)의 하단부[팁(31)으로도 불림]는 대체로 원추형이다.
노즐의 팁(81)과 상단부(33) 중간에서, 노즐 보어(75)의 단면 치수(예컨대, 도시된 실시예에서 직경)는 도8에 도시된 바와 같이 노즐의 길이를 따라 대체로 균일하다. 하나 이상의 배출 포트(83)(2개는 도7의 단면도에서 볼 수 있지만, 추가적인 포트는 도10의 단면도에서 볼 수 있음)가 도시된 실시예에서 노즐의 팁(81)에서와 같이 노즐(27)에 형성되고, 하나 이상의 배출 포트를 통해 고압 연료가 엔진으로 이송되도록 하우징(23)으로부터 배출된다. 예로서, 하나의 적절한 실시예에서 노즐(27)은 8개의 배출 포트(83)를 가질 수도 있는데, 각각의 배출 포트는 약 0.15 mm(0.006 인치)의 직경을 갖는다. 그러나, 배출 포트의 개수와 직경은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 변경될 수 있다는 것을 알 수 있다. 하부 분배 채널(61) 및 고압 챔버(55)는 함께 고압 연료가 연료 입구(57)로부터 노즐(27)의 배출 포트(83)로 따라서 유동하는 하우징(23) 내의 유동 경로를 내부에 넓게 형성한 다.
도1 및 도3을 이제 참조하면, 핀 홀더(47)는 긴 형상의 관형 본체(85)와, 관형 본체의 상단부와 일체로 형성되고 주 본체의 중심 보어(35) 내에서 주 본체(25)의 견부(45) 상에 핀 홀더를 위치시키기 위해 관형 본체보다 큰 횡방향 단면적으로 크기가 정해지는 헤드(87)를 포함한다. 도시된 실시예에서 핀 홀더(47)는 주 본체(25)의 축방향 보어(35)와 동축으로 정렬되고, 핀 홀더의 관형 본체(85)는 주 본체의 축방향 보어 내에서 주 본체와 대체로 밀봉 결합되도록 크기가 정해진다. 핀 홀더(47)의 관형 본체(25)는 핀 홀더 내에 긴 형상의 핀(93)을 활주가능하게 수용하기 위해 핀 홀더의 종방향으로 연장되는 내부 채널(91)을 형성한다.
핀 홀더(47)의 헤드(87)는 헤드의 상부면의 중심에 형성되는 대체로 오목하거나 디스크 형상인 리세스(95)와, 리세스의 중심으로부터 핀 홀더의 내부 채널(91)까지 종방향으로 연장되는 보어(97)를 갖는다. 도3에 도시된 바와 같이, 환경 갭(99)이 주 본체의 보어(35)의 상부 부분에서 핀 홀더(47)의 측벽과 주 본체(25)의 내부면 사이에 형성된다. 공급 채널(101)은 대체로 채널의 상단부에서 핀 홀더(47)의 관형 본체(85)의 측벽을 통해 내부 채널(91)까지 횡방향으로 연장되고, 여기서 공급 채널(101)은 공급 채널의 횡방향 외부 단부에서 환형 갭(99)으로 개방된다. 공급 채널(101)은 공급 채널과, 핀(93) 상부의 환형 본체(85)의 내부 채널과, 핀 홀더(47)의 헤드(87) 내에서 종방향으로 연장되는 보어(97) 내로 고압 연료를 수용하기 위해 환형 갭(99)을 거쳐 주 본체(25) 내의 상부 분배 채널(59)과 유체 연통한다.
핀(93)은 긴 형상이고 핀 홀더 채널(91) 및 주 본체(25)의 축방향 보어(35) 내에서 동축으로 적절히 연장된다. 핀(93)의 상부 세그먼트는 핀 홀더(47)의 내부 채널(91)과 근접하게 이격된 관계로 핀 홀더(47)의 내부 채널(91) 내에 활주가능하게 수용되는 반면, 핀의 나머지 부분은 주 본체(25)의 보어(35)의 저압 챔버(49) 내로 하향으로 핀 홀더로부터 종방향 외향으로 연장된다. 도3에 도시된 바와 같이, [예컨대, 핀 홀더(47)의 내부 채널(101)의 최상부에서] 핀(93)의 상단부(103)는 고압 연료가 핀의 상단부 상의 핀 홀더의 내부 채널 내에 수용되는 것을 허용하도록 테이퍼진다.
핀 홀더(47) 바로 아래에서 핀(93)을 둘러싸고(예컨대, 핀 홀더의 바닥에 맞닿고), 스프링 시트와, 핀과 동축 관계로 핀의 하단부에 맞닿고 대향하는 스프링 시트를 형성하는 해머(109)와, 핀이 스프링을 종방향으로 통과하는 상태에서 해머와 스프링 슬리브 사이에 보유되는 코일 스프링(11)을 형성하는 관형 슬리브(107)(도4 참조)가 주 본체(35)의 저압 챔버(49) 내에 또한 배치된다.
밸브 니들(53)(넓게는, 밸브 부재)은 긴 형상이고, 해머(109)의 바닥과 맞닿는 밸브 니들의 상단부(113)(도2 참조)로부터 주 본체(25)의 보어(35) 내에서 동축으로, 주 본체 보어의 안내 채널 세그먼트(51)(도8 참조)를 통해 아래로 그리고 고압 챔버 내에서 노즐(27)의 팁(81)에 근접하게 배치된 밸브 니들의 말단부(115)까지 고압 챔버(55)를 통해 더 아래로 연장된다. 도4 및 도8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 밸브 니들(53)은 노즐(27)에 대해 밸브 니들의 적절한 정렬을 유지시키기 위해 축방향 보어(35)의 안내 채널 세그먼트(51) 내에서 주 본체(25)와의 근접하게 이격된 관계를 위해 횡방향 단면의 크기가 정해진다.
도7을 참조하면, 도시된 밸브 니들(53)의 말단부(115)는 노즐(27)의 팁(81)의 원추 형상에 따라 대체로 원추형이고, 밸브 니들의 폐쇄 위치(미도시)에서 노즐 팁의 내부면에 대해 대체로 밀봉되도록 구성되는 폐쇄면(117)을 형성한다. 특히, 밸브 니들(53)의 폐쇄 위치에서, 밸브 니들의 폐쇄면(117)은 배출 포트를 거쳐 노즐로부터 배출되는 연료에 대항하여 노즐[및 더 넓게는 연료 분사기 하우징(23)]을 밀봉시키기 위해 배출 포트(83) 위에서 노즐 팁(81)의 내부면에 대해 밀봉된다. 밸브 니들의 개방 위치(도7에 도시됨)에서, 밸브 니들(53)의 폐쇄면(117)은 고압 챔버(55) 내의 연료가 밸브 니들(53)과 노즐 팁(81) 사이에서 연료 분사기(21)로부터의 배출을 위해 배출 포트(83)로 유동하는 것을 허용하기 위해 노즐 팁(81)의 내부면으로부터 이격되어 있다.
일반적으로, 밸브 니들의 개방 위치에서 밸브 니들 말단부(115)의 폐쇄면(117)과 노즐 팁(81)의 대향면 사이의 간격은 적절하게는 약 0.051 mm(0.002 인치) 내지 약 0.64 mm(0.025 인치)의 범위이다. 그러나, 간격은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 상술된 범위보다 크거나 작을 수도 있다.
노즐(27), 더 구체적으로는 팁(81)은 배출 포트(83)가 밸브 니들의 폐쇄 위치에서 밸브 니들(53)의 폐쇄면(117)을 안착시키는 노즐 내부면 상부 이외의 다른 곳에 배치되도록 다르게 구성될 수도 있다고 생각된다. 예컨대, 배출 포트(83)는 밸브 니들(53)의 폐쇄면(117)을 안착시키는 노즐 표면의 (연료가 배출 포트를 향해 유동하는 방향으로) 하류에 배치될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다. 이러한 밸브 니들, 노즐 팁 및 배출 포트 배열체의 적절한 일례가, 본 명세서와 일치하는 범위에서 개시 내용이 참조 문헌으로서 본 명세서에 합체된 미국 특허 제6,543,700호에 개시되어 있다.
따라서, 핀(93), 해머(109) 및 밸브 니들(53)은 밸브 니들의 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 연료 분사기 하우징(23) 내의 공통 축 상에서 종방향으로 공동으로 이동할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 슬리브(107)와 해머(109) 사이에 배치된 스프링(111)은 해머를 적절히 편향시켜, 밸브 니들의 폐쇄 위치를 향해 밸브 니들(53)을 편향시킨다. 다른 적절한 밸브 구조가 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 엔진으로의 이송을 위해 연료 분사기로부터 연료의 유동을 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 노즐(27)[넓게는, 하우징(23)]은 밸브 니들(23)이 노즐의 외향으로 관통 연장되고 연료가 엔진으로 이송되도록 노즐을 관통하여 빠져나가는 개구를 가질 수도 있다. 이러한 실시예에서, 밸브 니들(53)의 말단부(115)는 밸브 니들의 폐쇄 위치에서 밸브 니들의 말단부 외부의 노즐(27)에 대해 밀봉될 것이다. 또한, 밸브 니들(53)의 작동은 솔레노이드 밸브(41) 이외의 것에 의해 제어될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다. 또한, 밸브 니들(53) 또는 다른 밸브 배열체는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 연료 분사기(21)로부터 함께 제거될 수도 있다는 것을 알 수 있다.
특히 도8 및 도9를 이제 참조하면, 초음파 도파관(121)은 밸브 니들(53)과 연료 분사기 하우징(23)과는 별개로 형성되고, 연료가 노즐 내에 형성된 배출 포트를 거쳐 연료 분사기(21)를 빠져나가기 전에 연료 챔버 내의 연료를 초음파식으로 활성화시키기 위해 하우징의 고압 챔버(55) 내에서 노즐(27)의 팁(81) 바로 위에 배치된 초음파 도파관의 말단부(123)까지 종방향으로 연장된다. 도시된 초음파 도파관(121)은 적절하게는 긴 관 형상이고, 초음파 도파관의 종방향으로 대향하는 상단부와 하단부(상단부가 도면부호 129로 나타나 있음) 사이에서 초음파 도파관의 길이를 따라 연장되는 내부 통로를 형성하는 측벽(125)을 갖는다. 초음파 도파관(121)의 하단부는 초음파 도파관의 말단부(123)를 형성한다. 도시된 초음파 도파관(121)은 대체로 환형인(즉, 원형인) 단면을 갖는다. 그러나, 초음파 도파관(121)은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 환형 이외의 단면으로 형성될 수 있다. 또한, 초음파 도파관(121)은 초음파 도파관의 전체 길이보다 짧은 길이를 따라 관형일 수도 있고, 더욱이 초음파 도파관의 길이를 따라 대체로 중실형(solid)일 수도 있다고 생각된다. 다른 실시예에서, 밸브 니들은 대체로 관형이고 초음파 도파관은 밸브 니들의 내부에 적어도 부분적으로 배치된다고 생각된다.
일반적으로, 초음파 도파관은 적절한 음향 및 기계적 특성을 갖는 금속으로 구성될 수도 있다. 초음파 도파관의 구성을 위해 적절한 금속의 예는 제한 없이 알루미늄, 모넬(monel), 티타늄 및 몇몇 합금강을 포함한다. 또한, 초음파 도파관의 전부 또는 일부분이 다른 금속으로 코팅될 수도 있다고 생각된다. 초음파 도파관(121)은 장착 부재(79)에 의해 연료 분사기 하우징(23) 내에, 더 적절하게는 도시된 실시예에서와 같이 고압 챔버(55) 내에 고정된다. 초음파 도파관(121)의 단부(123, 129)들 사이에서 종방향으로 연장되는 장착 부재(79)는 일반적으로 장착 부재(79)로부터 초음파 도파관의 상단부(129)까지 (도시된 실시예에서) 종방향 상 향으로 연장되는 초음파 도파관의 상부 세그먼트(131)와, 장착 부재로부터 초음파 도파관의 말단부(123)까지 종방향 하향으로 연장되는 하부 세그먼트(133)를 형성한다.
도시된 실시예에서 초음파 도파관(121)(즉, 초음파 도파관의 상부 및 하부 세그먼트 양자 모두)은 하우징의 고압 챔버 내에 전체적으로 배치되지만, 초음파 도파관의 일부분만이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 고압 챔버 내에 배치될 수도 있다고 생각된다. 예컨대, 초음파 도파관의 상부 세그먼트(131)는 고압 챔버의 외부에 배치되면서 하부 세그먼트의 말단부(123)를 포함하는 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(123)만이 고압 챔버(55) 내에 배치될 수도 있고, 연료 분사기 하우징(23) 내의 고압 연료의 영향을 받거나 받지 않을 수도 있다.
초음파 도파관(121)의 내부 단면 치수(예컨대, 도시된 실시예에서 내경)[예컨대, 초음파 도파관의 내부 통로(127)의 단면 치수]는 초음파 도파관의 길이를 따라 대체로 균일하고, 초음파 도파관의 전체 길이를 따라[그리고 도시된 실시예에서 해머(109)와 맞닿는 초음파 도파관 위에서) 초음파 도파관의 내부 통로 내에서 동축으로 연장되는 밸브 니들(53)을 수용하도록 적절히 크기가 정해진다. 밸브 니들(53)은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 초음파 도파관(121)의 내부 통로(127)의 일부분만을 따라 연장될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 초음파 도파관(121)의 내부 단면 치수는 초음파 도파관의 길이를 따라 균일하지 않을 수도 있다는 것도 알 수 있다. 도시된 실시예에서, 밸브 니들(53)의 말단부(115), 더 적절하게는 밸브 니들의 폐쇄면(117)은 밸브 니들의 개방 위치와 폐쇄 위치 양자 모두에서 초 음파 도파관(121)의 말단부(123)의 종방향 외향으로 배치된다. 그러나, 밸브 니들(53)의 말단부(115)의 폐쇄면(117)은 밸브 니들의 폐쇄 위치에서 초음파 도파관(121)의 말단부(123)의 외향으로 단지 연장될 필요가 있고, 밸브 니들의 개방 위치에서 초음파 도파관의 내부 통로(127) 내에 전체적으로 또는 부분적으로 배치될 수도 있다.
도7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 초음파 도파관(121)의 내부 통로(127) 내에서 연장되는 밸브 니들(53)의 부분의 단면 치수(예컨대, 도시된 실시예에서 직경)는 하우징 내의 고압 연료를 위한 유동 통로를 부분적으로 형성하기 위해, 더 적절하게는 밸브의 길이를 따라 초음파 도파관 측벽(125)과 밸브 니들 사이에서 연장되는 유동 통로의 일부분을 형성하기 위해 초음파 도파관의 내부 통로의 단면 치수보다 조금 작게 크기가 정해진다. 예컨대, 일 실시예에서 밸브 니들(53)은 약 0.013 mm(0.0005 인치) 내지 약 0.064 mm(0.0025 인치)의 범위에서 초음파 도파관의 내부 통로(127) 내에서 초음파 도파관 측벽(125)으로부터 횡방향으로 이격되어 있다(예컨대, 도시된 실시예에서 반경방향으로 이격되어 있다).
내부 통로(127) 내의 밸브 니들(53)의 한 쌍의 종방향으로 이격된 세그먼트[예컨대, 초음파 도파관(121)의 말단부(123)에 인접한 하나의 세그먼트(137)(도7 참조)와, 장착 부재(79)에 인접하여 장착 부재 바로 위에 있는 다른 세그먼트(139)(도6a 참조)]를 따라, 밸브 니들(53)의 단면 치수는 밸브 니들이 내부 통로 내에서 초음파 도파관과 더 근접하게 이격되거나 초음파 도파관과 활주 접촉 관계로 존재하여 내부 통로 내에서의 적절한 정렬을 용이하게 하고 내부 통로 내에서의 밸브 니들의 횡방향 운동을 방지하도록 증가된다. 이들 세그먼트에서 밸브 니들(53)의 외부면은 초음파 도파관(121)의 내부 통로(127) 내에서 연장되는 유동 경로의 일부분을 부분적으로 형성하기 위해 내부에 형성된 하나 이상의 평탄부(미도시)를 갖는다. 다르게는, 밸브 니들(53) 외부면은 연료가 이러한 세그먼트를 지나 초음파 도파관(121)의 내부 통로(127) 내에서 유동하는 것을 허용하도록 이들 세그먼트에서 종방향으로 홈이 형성될 수도 있다.
특히 도7을 참조하면, 초음파 도파관 측벽(125)의 외부면은 고압 연료가 연료 입구(57)로부터 배출 포트(83)까지 따라서 유동하는 유동 경로를 추가로 형성하기 위해, 더 적절하게는 초음파 도파관(121)의 외부에 또는 초음파 도파관(121)의 외향으로 유동 경로의 일부분을 형성하기 위해 주 본체(25)와 노즐(27)로부터 횡방향으로 이격되어 있다. 일반적으로, 초음파 도파관 측벽(125)의 외부 단면 치수(예컨대, 도시된 실시예에서 외경)는 초음파 도파관(121)의 말단부(123)에 그리고/또는 초음파 도파관(121)의 말단부(123)에 인접하게 종방향으로 배치된 초음파 도파관의 확대부(195)와, 초음파 도파관의 상단부(129)에 인접하게 종방향으로 배치된 다른 확대부(153) 중간에서 초음파 도파관 측벽(125)의 길이를 따라 균일하다. 예로서, 초음파 도파관의 말단부(123)의 [예컨대, 연료가 노즐의 상단부(33)로부터 배출 포트(83)까지 유동하는 방향에 대해] 상류에서 초음파 도파관 측벽(125)과 노즐(27) 사이의 횡방향(예컨대, 도시된 실시예에서 반경방향) 간격은 적절하게는 약 0.025 mm(0.001 인치) 내지 약 0.533 mm(0.021 인치)의 범위이다. 그러나, 간격은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 이러한 범위보다 작거나 클 수도 있다.
초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)의 일부분(195)의 외부 단면 치수는 적절하게는 증가하고, 더 적절하게는 초음파 도파관의 말단부(123)에 인접하여 또는 더 적절하게는 초음파 도파관의 말단부(123)에서 횡방향 하향으로 테이퍼지거나 확개된다. 예컨대, 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)의 이 확대부(195)의 단면 치수는 고압 챔버(55) 내에서의 초음파 도파관[및 밸브 니들(53)] 의 적절한 축방향 정렬을 유지시키도록 초음파 도파관의 중심 보어(75) 내에서 노즐(27)과의 근접하게 이격된 관계 또는 노즐(27)과의 활주 접촉 관계를 위해 크기가 정해진다.
그 결과, 초음파 도파관(121)과 노즐(27) 사이의 유동 경로의 부분은 대체로 초음파 도파관의 말단부를 지나 배출 포트(83)로의 연료의 유동을 제한하기 위해 초음파 도파관의 말단부 바로 상류의 유동 경로에 대해 초음파 도파관의 말단부(123)에 인접하여 또는 초음파 도파관의 말단부(123)에서 대체로 더 좁아진다. 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)의 확대부(195)는 또한 초음파 도파관의 말단부(123)를 지나 유동하는 연료가 노출되는 증가된 초음파식으로 여기된 표면 영역을 제공한다. 하나 이상의 평탄부(197)(도9 참조)가 하부 세그먼트(133)의 확대부(195)의 외부면에 형성되어, 연료가 유동 경로를 따라 초음파 도파관(121)의 말단부(123)를 지나 노즐(27)의 배출 포트(83)로 유동하는 것을 용이하게 한다. 초음파 도파관 측벽(115)의 확대부(195)는 테이퍼지거나 확개되는 것 대신에 외향으로 단차 형성될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 확대부(195)의 상부면과 하부면은 직선이 아닌 외형을 취할 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다.
일례로, 예컨대 초음파 도파관의 말단부(13)에서 그리고/또는 초음파 도파관에 인접한 초음파 도파관 하부 세그먼트(133)의 확대부(195)는 약 5.35 mm(0.2105 인치)의 최대 외부 단면 치수(예컨대, 도시된 실시예에서 외경)를 갖는 반면, 이러한 확대부 바로 상류의 초음파 도파관의 최대 외부 단면 치수는 약 4.06 mm(0.16 인치)에서 약 5.35 mm(0.2105 인치)보다 약간 작은 범위일 수도 있다.
초음파 도파관(121)의 말단부(123)와 노즐(27) 사이의 횡방향 간격은 연료가 초음파 도파관의 말단부를 지나 유동 경로를 따라 관통하여 유동하는 개방 형역을 형성한다. 하나 이상의 배출 포트(83)는 연료가 하우징(23)을 관통하여 빠져나가는 개방 영역을 형성한다. 예컨대, 하나의 배출 포트가 제공되는 경우 연료가 하우징(23)을 관통하여 빠져나가는 개방 영역은 (예컨대, 연료가 배출 포트로 유입되는) 배출 포트의 단면 영역으로 한정되고, 다수의 배출 포트(83)가 존재하는 경우 연료가 하우징을 관통하여 빠져나가는 개방 영역은 각각의 배출 포트의 단면 영역의 합계로 한정된다. 일 실시예에서, 초음파 도파관(121)의 말단부(123) 및 노즐(27)에서의 개방 영역과 [예컨대, 배출 포트(83)에서] 연료가 하우징(23)을 관통하여 빠져나가는 개방 영역의 비는 적절하게는 약 4:1 내지 약 20:1의 범위이다.
다른 적절한 실시예에서 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)는 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133) 전체 길이를 따라 대체로 균일한 외부 단면 치수를 갖거나, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 외부 단면 치수가 감소될 수도 있다[예컨대, 초음파 도파관의 하부 세그먼트의 말단부(123)를 향해 실질적으로 좁아질 수도 있다).
도8 및 도9를 다시 참조하면, 초음파 도파관(121)이 초음파식으로 기계적으로 진동하도록 초음파 도파관(121)을 활성화시키는 여기 장치가 초음파 도파관과 함께 고압 챔버(55) 내에 전체적으로 배치되고, 도면부호 145로 전체적으로 표시되어 있다. 일 실시예에서, 여기 장치(145)는 초음파 도파관을 초음파식으로 진동시키기 위해 고주파수(예컨대, 초음파 주파수) 전류에 적절히 응답한다. 예로서, 여기 장치(145)는 여기 장치에 고주파수 교류를 전달하도록 작동될 수 있는 적절한 발전 시스템(미도시)으로부터의 고주파수 전류를 적절히 수용할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "초음파"란 용어는 약 15 kHz 내지 약 100 kHz의 범위의 주파수를 갖는다는 의미이다. 예로서, 일 실시예에서 발전 시스템은 약 15 kHz 내지 약 100 kHz의 범위, 더 적절하게는 약 15 kHz 내지 약 60 kHz의 범위, 가장 적절하게는 약 20 kHz 내지 약 40 kHz의 범위의 초음파 주파수에서 여기 장치에 교류를 적절히 전달할 수도 있다. 이러한 발전 시스템은 당업자에게 주지되어 있으며, 본 명세서에서 추가로 설명할 필요는 없다.
도시된 실시예에서, 여기 장치(145)는 압전 장치, 더 적절하게는 초음파 도파관(121)의 상부 세그먼트(131)를 둘러싸고 장착 부재(79)에 의해 형성된 견부(149) 상에 안착되는 복수의 적층된 압전 링(147)(예컨대, 적어도 2개이고, 도시된 실시예에서는 4개이다)을 포함한다. 환형 칼라(151)가 압전 링(147) 위에서 초음파 도파관(121)의 상부 세그먼트(131)를 둘러싸고 최상부 링에 대해 하부가 지지된다. 적절하게는, 칼라(151)는 고밀도 재료로 구성된다. 예컨대, 칼라가 구성될 수도 있는 하나의 적절한 재료는 텅스텐이다. 그러나, 칼라(151)는 다른 적절한 재료로 구성될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 알 수 있다. 초음파 도파관(121)의 상단부(129)에 인접한 확대부(153)는 증가된 외부 단면 치수(예컨대, 도시된 실시예에서 증가된 외경)를 가지며 이 세그먼트를 따라 나사선이 형성되어 있다. 칼라(151)는 초음파 도파관(121) 상에 칼라를 나사식으로 체결시키도록 내부에 나사선이 형성되어 있다. 칼라(151)는 칼라와 장착 부재(79)의 견부(149) 사이에 링을 압축시키기 위해 압전 링(147)의 스택에 대해 하부가 적절히 조여진다.
도시된 실시예의 초음파 도파관(121) 및 여기 장치(145)는 대체로 고압 챔버(55) 내의 연료를 초음파식으로 활성화시키기 위해, 도면부호 50으로 전체적으로 표시된 도파관 조립체를 대체로 함께 형성한다. 따라서, 전체 도파관 조립체(150)는 연료 분사기(21)의 고압 연료 챔버(55) 내에 전체적으로 배치되고, 연료 분사기 내의 고압 환경에 대체로 균일하게 노출된다. 예로서, 도시된 도파관 조립체는 특히 초음파 혼과, 초음파 혼을 초음파식으로 진동시키기 위한 변환기 양자 모두로서 기능하도록 구성된다. 특히, 도8에 도시된 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)는 초음파 혼의 방식으로 대체로 기능하지만, 초음파 도파관의 상부 세그먼트(131), 더 적절하게는 장착 부재(79)로부터 칼라(151)가 여기 장치(예컨대, 압전 링)와 함께 초음파 도파관의 상부 세그먼트에 체결되는 위치까지 대체로 연장되는 상부 세그먼트의 일부분은 변환기의 방식으로 기능한다.
도시된 실시예의 압전 링(147)으로 전류(예컨대, 초음파 주파수에서 전달되는 교류)를 전달할 때, 압전 링은 전류가 링으로 전달되는 초음파 주파수에서 [특 히 연료 분사기(21)의 종방향으로] 팽창 및 수축한다. 링(147)은 [초음파 도파관(21)의 상부 세그먼트(131)에 체결되는] 칼라(151)와 장착 부재(79) 사이에서 압축되기 때문에, 링의 팽창 및 수축은 초음파 도파관의 상부 세그먼트를 변화기의 방식과 같이 (예컨대, 대체로 압전 링이 팽창 및 수축하는 주파수에서) 초음파식으로 신장 및 수축되게 한다. 이러한 방식으로의 초음파 도파관(121)의 상부 세그먼트(131)의 신장 및 수축은 특히 초음파 도파관의 하부 세그먼트(133)를 따라 초음파 도파관의 공진 주파수를 여기시켜, 예컨대 초음파 혼의 방식으로 하부 세그먼트를 따라 초음파 도파관의 초음파식 진동을 유발한다.
예로서, 일 실시예에서 초음파식 여기로 인해 발생하는 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)의 변위는 압전 링과 초음파 도파관의 상부 세그먼트의 변위의 최대 약 6배일 수도 있다. 하부 세그먼트(133)의 변위가 6배보다 크게 증폭될 수도 있지만, 전혀 증폭되지 않을 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 알 수 있다.
초음파 도파관(121)의 일부분[예컨대, 초음파 도파관의 상부 세그먼트(131)의 일부분]은 초음파 주파수에서 변화하는 자기장에 응답하는 자기변형 재료로 다르게 구성될 수도 있다고 생각된다. 이러한 실시예에서(미도시), 여기 장치는 하우징(23) 내에 전체적으로 또는 부분적으로 배치되고 자기변형 재료에 자기장을 인가하기 위해 수용하는 전류에 응답하여 작동될 수 있는 자기장 생성기를 포함할 수도 있으며, 여기서 자기장은 초음파 주파수에서 변화한다(예컨대, 온에서 오프로, 하나의 크기에서 다른 크기로 및/또는 방향의 변화).
예컨대, 적절한 발생기는 초음파 주파수에서 코일에 전류를 전달하는 발전 시스템에 연결되는 전기 코일을 포함할 수도 있다. 따라서, 이러한 실시예의 초음파 도파관의 자기변형 부분 및 자기장 생성기는 함께 변환기로서 기능하지만 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)는 초음파 혼으로서 다시 기능한다. 적절한 자기변형 재료 및 자기장 생성기의 일례가 본 명세서와 일치하는 범위에서 개시 내용이 참조 문헌으로서 본 명세서에 합체된 미국 특허 제6,543,700호에 개시되어 있다.
전체 도파관 조립체(150)는 연료 분사기 하우징(23)의 고압 챔버(55) 내에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 도파관 조립체의 하나 이상의 구성요소가 고압 챔버의 외부에 전체적으로 또는 부분적으로 배치될 수도 있고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 하우징의 외부에 배치될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 자기변형 재료가 사용되는 경우, 자기장 생성기(넓게는, 여기 장치)는 주 본체(25) 또는 연료 분사기 하우징(23)의 다른 구성요소 내에 배치되고, 고압 챔버(55)에 노출되거나 고압 챔버(55)로부터 완전히 밀봉되도록 부분적으로만 노출될 수도 있다. 다른 실시예에서, 초음파 도파관(121)의 상부 세그먼트(131) 및 압전 링(147)[및 칼라(151)]은 초음파 도파관의 말단부(123)가 고압 챔버 내에 배치되는 한, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 고압 챔버(55) 외부에 함께 위치될 수도 있다.
초음파 도파관(121)의 상부 세그먼트(131) 주위에 압전 링(147) 및 칼라(151)를 배치함으로써, 전체 도파관 조립체(150)는 (예컨대, 변환기 및 초음파 혼이 종래의 단부 대 단부 또는 "적층된" 배열체로 배열되는 조립체의 길이와는 대 조적으로) 초음파 도파관 자체보다 길 필요가 없다. 일례로서, 전체 도파관 조립체(150)는 적절하게는 초음파 도파관의 공진 파장의 약 1/2와 같은 길이(다르게는 통상 1/2 파장으로 불림)를 가질 수도 있다. 특히, 도파관 조립체(150)는 적절하게는 약 15 kHz 내지 약 100 kHz의 범위, 더 적절하게는 약 15 kHz 내지 약 60 kHz의 범위, 가장 적절하게는 약 20 kHz 내지 약 40 kHz의 범위의 초음파 주파수에서 공진하도록 구성된다. 이러한 주파수에서 작동하는 1/2 파장 도파관 조립체(150)는 약 133 mm 내지 약 20 mm의 범위, 더 적절하게는 약 133 mm 내지 약 37.5 mm의 범위, 가장 적절하게는 약 100 mm 내지 약 50 mm의 범위의 (1/2 파장에 대응하는) 각각의 총 길이를 갖는다. 더 구체적인 예로서, 도8 및 도9에 도시된 도파관 조립체(150)는 약 40 kHz의 주파수에서 작동하도록 구성되고 약 50 mm의 총 길이를 갖는다. 그러나, 하우징(23)은 완전 파장(full wavelength)을 갖는 도파관 조립체가 내부에 배치되는 것을 허용하는데 충분한 크기일 수도 있다. 이러한 배열체에서 도파관 조립체는 적층 구조의 초음파 혼 및 변화기를 포함할 수도 있다.
(도시된 실시예에서는 원통형이지만 다르게 형성될 수도 있는) 전기 비도전성 슬리브(15)가 칼라(151)의 상단부 상에 안착되고 칼라로부터 고압 챔버(55)의 상단부까지 연장된다. 또한, 슬리브(155)는 적절하게는 대체로 가요성인 재료로 구성된다. 예로서, 슬리브(155)가 구성될 수도 있는 하나의 적절한 재료는 제너럴 일렉트릭 컴파니(General Electric Company, U.S.A.)의 상표명 ULTEM으로 입수할 수 있는 비결정질 열가소성 폴리에테르이미드 재료이다. 그러나, 세라믹 재료와 같은 다른 적절한 전기 비도전성 재료가 슬리브(155)를 구성하는데 사용될 수도 있 으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다. 슬리브(155)의 상단부는 슬리브의 상단부로부터 반경방향 외향으로 연장되는 일체로 형성된 환형 플랜지(157)와, 슬리브의 상단부에서 4개의 대체로 가용성인 탭(161)을 형성하는 4개의 종방향으로 연장되는 슬롯(159)의 세트를 갖는다. 제2 환형 플랜지(163)가 슬리브(155)와 일체로 형성되고, 종방향으로 연장되는 슬롯(159) 바로 아래에서 슬리브로부터 반경방향 외향으로, 즉 슬리브의 상단부에 배치된 환형 플랜지(157)와 종방향으로 이격된 관계로 연장된다.
전기 도전성 재료로 구성된 접촉 링(165)이 슬리브의 종방향으로 이격된 환형 플랜지(157, 163) 중간에서 슬리브(155) 주위를 둘러싼다. 일 실시예에서, 접촉 링(165)은 적절하게는 황동으로 구성된다. 그러나, 접촉 링(165)은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 적절한 전기 도전성 재료로 구성될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 단일 지점 접촉 장치와 같은 링 이외의 접촉 장치, 가요성 및/또는 스프링 부하식(spring-loaded) 탭 또는 다른 적절한 전기 도전성 장치가 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 사용될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 접촉 링(165)의 내부 단면 치수(예컨대, 직경)는 환형 플랜지(157, 163) 사이에서 연장되는 슬리브(155)의 종방향 세그먼트의 외부 단면 치수보다 약간 작게 크기가 정해진다.
접촉 링(165)은 접촉 링을 슬리브의 상단부 위에서 삽통 방식으로 아래로 압박함으로써 슬리브(155) 상으로 삽입된다. 슬리브(155)의 상단부에서 환형 플랜지(157)에 대항하는 링(165)의 힘은 탭(161)을 반경방향 내향으로 굽혀(예컨대, 절 곡)지게 가압하여, 링이 슬리브의 상단부에 형성된 환형 플랜지를 지나 아래로 활주되고 제2 환형 플랜지(163) 상에 링을 안착시키는 것을 허용한다. 탭(161)은 탭의 초기 위치를 향해 탄성적으로 후퇴하여, 접촉 링(165)과 슬리브(155) 사이에 마찰 결합을 제공하고 환형 플랜지(157, 163)와 슬리브 사이에 접촉 링을 보유한다.
전기 비도전성 재료로 구성되는 안내 링(167)이 접촉 링(165)의 주위를 둘러싸 전기 절연시킨다. 에로서, 안내 링(167)은 (반드시 필요하진 않지만) 슬리브(163)와 같은 재료로 구성될 수도 있다. 일례로서, 안내 링(168)은 클램핑에 의해 또는 접촉 링 상으로의 안내 링의 마찰 끼워맞춤에 의해 적절하게는 슬리브 상에, 더 적절하게는 접촉 링(165) 상에 보유된다. 예로서, 안내 링(167)은 도9에 도시된 바와 같이 슬롯을 따라 파단된 불연속 링일 수도 있다. 따라서, 안내 링(167)은 접촉 링(165) 위에 안내 링을 끼워맞추기 위해 슬롯에서 주연방향으로 팽창될 수 있어 후속적인 결합 해제시 접촉 링 주위에서 탄성적으로 견고하게 폐쇄된다.
특히 적절한 일 실시예에서, 환형 위치설정 너브(nub; 169)는 안내 링(167)으로부터 반경방향 내향으로 연장되고, 안내 링을 접촉 링 상에 적절히 위치시키기 위해 접촉 링(165)에 형성된 환형 홈(171) 내에 수용될 수 있다. 그러나, 접촉 링(165) 및 안내 링(167)은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 도8 및 도9에 도시된 바와 다르게 슬리브(155) 상에 장착될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 적어도 하나, 더 적절하게는 복수의 테이퍼진 또는 원추대 형상의 개구(173)가 접촉 링으로 의 전류 전달을 위해 접촉링에 대한 접근을 허용하도록 안내 링(167)을 통해 반경방향으로 형성된다.
도5에 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 적절한 전기 비도전성 재료로 구성되는 절연 슬리브(175)는 주 본체(25)의 측부의 개구를 통해 연장되고, 안내 링(167)의 개구(173)들 중 하나 내에 안착되도록 구성되는 대체로 원추형인 말단부(177)를 갖는다. 절연 슬리브(175)는 개구(173) 내에서 주 본체(25)에 나사식으로 체결되는 적절한 피팅(179)에 의해 제 위치에 유지되고, 절연 슬리브가 관통하여 연장되는 중심 개구를 갖는다. 적절한 전기 배선(181)이 와이어의 일 단부에서 접촉 링(165)과 접촉되는 전기 접촉부 내로 절연 슬리브(175)를 통해 연장되고, 와이어의 대향 단부에서 전류원(미도시)과 전기 통신한다.
추가적인 전기 배선(183)이 고압 챔버(55) 내에서 슬리브(155)의 외측부를 따라 아래로 접촉 링(165)으로부터 연장되고, 최상부 압전 링(147)과 바로 아래의 압전 링 사이에 배치된 전극(미도시)과 전기 통신한다. 개별 와이어(184)가 전극을 최하부 압전 링(147)과 최하부 압전 링 바로 아래의 링 사이에 배치된 다른 전극(미도시)에 전기 접속시킨다. 장착 부재(79) 및/또는 초음파 도파관(121)은 압전 링(147)으로 전달된 전류에 대한 접지를 제공한다. 특히, 접지 와이어(185)가 장착 부재(79)에 연결되고, 중간의 2개의 압전 링 사이에 배치된 전극(미도시)과 접촉되는 중간의 2개의 압전 링(147) 사이까지 연장된다. 선택적으로, 제2 접지 와이어(미도시)가 최상부 압전 링과 칼라(151) 사이의 다른 전극(미도시)과 접촉되는 중간의 2개의 압전 링(147) 사이에서 연장될 수도 있다.
특히 도5, 도6a, 도8 및 도9를 이제 참조하면, 장착 부재(79)는 적절하게는 초음파 도파관의 단부(123, 129) 중간에서 초음파 도파관(121)에 연결된다. 더 적절하게는, 장착 부재(79)는 초음파 도파관의 노드 구역에서 초음파 도파관(121)에 연결된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 초음파 도파관(121)의 "노드 구역"은 초음파 도파관의 초음파 진동 중에 초음파 도파관을 따라 종방향 변위가 거의(전혀) 발생하지 않고 횡방향(예컨대, 도시된 실시예에서 반경방향) 변위가 대체로 최대화되는 초음파 도파관의 종방향 구역 또는 세그먼트를 나타낸다. 초음파 도파관(121)의 횡방향 변위는 적절하게는 초음파 도파관의 횡방향 팽창을 포함하지만, 초음파 도파관의 횡방향 운동(예컨대, 절곡)을 포함할 수도 있다.
도시된 실시예에서, 초음파 도파관(121)의 구성은 노드면(nodal plane)(즉, 종방향 변위는 발생하지 않지만 횡방향 변위는 대체로 최대화되는 초음파 도파관에 대해 횡방향인 평면)이 존재하지 않도록 된다. 오히려, 도시된 초음파 도파관(121)의 노드 구역은 노드 구역 내의 임의의 소정의 종방향 위치에서 종방향 변위는 여전히 존재하지만 초음파 도파관의 주 변위는 횡방향 변위이도록 대체로 돔 형상이다.
그러나, 초음파 도파관(121)은 적절하게는 노드면(또는 종종 노드 지점으로 불림)을 갖도록 구성될 수도 있고, 이러한 초음파 도파관의 노드면은 본 명세서에 정의된 바와 같이 노드 구역의 의미 내에 있는 것으로 간주된다. 또한, 장착 부재(79)는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 초음파 도파관(121)의 노드 구역 위에 또는 아래에 종방향으로 배치될 수도 있다고 생각된다.
장착 부재(79)는 적절하게는 연료 분사기 하우징(23)으로부터 초음파 도파관(121)을 진동 고립시키도록 연료 분사기(21) 내에 구성 및 배열된다. 즉, 장착 부재(25)는 초음파 도파관(121)의 종방향 및 횡방향(예컨대, 반경방향) 기계적 진동의 연료 분사기 하우징(23)으로 전달을 방지하면서 고압 챔버(55) 내에 초음파 도파관의 소정의 횡방향 위치를 유지시켜, 연료 분사기 하우징 내에 초음파 도파관의 종방향 변위를 허용한다. 일례로서, 도시된 실시예의 장착 부재(79)는 일반적으로 초음파 도파관(121)으로부터 종방향(예컨대, 도시된 실시예에서 반경방향) 외향으로 연장되는 환형 내부 세그먼트(187)와, 내부 세그먼트와 횡방향으로 이격된 관계로 초음파 도파관으로 횡방향으로 연장되는 환형 외부 세그먼트(189)와, 내부 세그먼트와 외부 세그먼트 사이에서 횡방향으로 연장되고 내부 세그먼트와 외부 세그먼트를 상호연결시키는 환형 상호연결 웨브(191)를 포함한다. 내부 및 외부 세그먼트(187, 189)와 상호연결 웨브(191)는 초음파 도파관(121)의 주연부 주위로 연속적으로 연장되지만, 이들 요소들 중 하나 이상은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 휠 스포크(wheel spoke)의 방식과 같이 초음파 도파관 주위로 불연속적으로 연장될 수도 있다는 것을 알 수 있다.
도6a에 도시된 실시예에서, 장착 부재(79)의 내부 세그먼트(187)는 여기 장치(145), 예컨대 압전 링(147)이 상부에 안착되는 견부(149)를 형성하는 대체로 평탄한 상부면을 갖는다. 내부 세그먼트(187)의 하부면(193)은 인접한 초음파 도파관(121)으로부터 상호연결 웨브(191)와의 연결부까지 연장됨에 따라 적절하게 윤관이 형성되고, 더 적절하게는 혼합형 반경 외형(blended radius contour)을 취한다. 특히, 웨브(191)와 장착 부재(79)의 내부 세그먼트(187)의 접합부에서 하부면(193)의 외형은 적절하게는 초음파 도파관(121)의 진동 중에 웨브의 비틀림(distortion)을 용이하게 하도록 더 작은 반경 외형을 취한다[예컨대, 더 예리하고, 덜 테이퍼지거나 더 모퉁이 형상(corner-like)이다]. 장착 부재(79)의 내부 세그먼트와 초음파 도파관(121)의 접합부에서 하부면(193)의 외형은 적절하게는 초음파 도파관의 진동 중에 상호연결 웨브(191)의 비틀림 시 장착 부재의 내부 세그먼트의 응력을 감소시키기 위해 상대적으로 더 큰 외형을 취한다(예컨대, 더 테이퍼지거나 평활하다).
장착 부재(79)의 외부 세그먼트(189)는 노즐의 상단부(33)에 대체로 인접한 노즐(27)에 의해 형성된 견부에 대해 하부가 안착되도록 구성된다. 도6에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 노즐(27)의 내부 단면 치수(예컨대, 내경)는 노즐의 상단부(33)가 인접하게 내향으로, 예컨대 장착 부재(79) 아래로 종방향으로 단차 형성되어, 노즐이 내부 세그먼트(187)의 외형을 취하는 하부면(193)으로부터 종방향으로 이격되고 장착 부재의 상호연결 웨브(191)가 초음파 도파관의 초음파 진동 중에 장착 부재의 변위를 허용한다. 장착 부재(79)는 외부 세그먼트(189)의 적어도 한의 외부 에지 가장자리가 노즐(27)의 견부와 연료 분사기 하우징(23)의 주 본체(25)의 하단부(31)[즉, 노즐의 상단부(33)에 대해 안착되는 주 본체의 표면) 사이에서 횡방향으로 배치되도록 적절하게 횡방향 단면 크기가 정해진다. 연료 분사기(21)의 보유 부재(29)는 노즐(27)과 주 본체(25)를 함께 가압하여, 노즐(27)과 주 본체(25) 사이에 장착 부재 외부 세그먼트(189)의 에지 가장자리를 고정시킨다.
상호연결 웨브(191)는 초음파 도파관(121)의 초음파 진동에 응답하는 웨브의 휨 및/또는 굴곡을 용이하게 하도록 장착 부재(79)의 내부 및 외부 세그먼트(187, 189)보다 상대적으로 얇도록 구성된다. 예로서, 일 실시예에서 장착 부재(79)의 상호연결 웨브(191)의 두께는 약 0.2 mm 내지 약 1 mm의 범위, 더 적절하게는 약 0.4 mm일 수도 있다. 장착 부재(79)의 상호연결 웨브(191)는 적절하게는 적어도 하나의 축방향 구성요소(192)와, 적어도 하나의 횡방향(예컨대, 도시된 실시예에서 반경방향) 구성요소(194)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 상호연결 웨브(191)는 웨브가 단면이 대체로 U자형이도록 횡방향 구성요소(194)에 의해 연결된 한 쌍의 횡방향으로 이격된 축방향 구성요소(192)를 갖는다.
그러나, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 L자형, H자형, I자형, 역 U자형, 역 L자형 등의 적어도 하나의 축방향 구성요소(192)와, 적어도 하나의 횡방향 구성요소(194)를 갖는 다른 구조가 적절할 수 있다. 적절한 상호연결 웨브의 추가적인 예가 본 명세서와 일치하는 범위에서 개시 내용이 참조 문헌으로 본 명세서에 통합된 미국 특허 제6,676,003호에 개시되어 있다.
웨브(191)의 축방향 구성요소(192)는 장착 부재의 각각의 내부 및 외부 세그먼트(187, 189)로부터 현수되고, 횡방향 구성요소(194)에 대해 대체로 외팔보식으로 구성된다. 따라서, 축방향 구성요소(192)는 장착 부재의 내부 세그먼트(187)의 횡방향 진동 변위에 응답하여 장착 부재의 외부 세그먼트(189)에 대해 동적으로 굴곡되고 그리고/또는 휘어져, 초음파 도파관의 횡방향 변위로부터 하우징(23)을 고립시킬 수 있다. 웨브(191)의 횡방향 구성요소(194)는 횡방향 구성요소가 내부 세 그먼트(187)의 축방향 진동 변위에 응답하여 축방향 구성요소에 대해[그리고 장착 부재의 외부 세그먼트(189)에 대해] 동적으로 굴곡되고 휘어져 초음파 도파관의 축방향 변위로부터 하우징(23)을 고립시킬 수 있도록 축방향 구성요소에 대해 외팔보식으로 구성된다.
도시된 실시예에서, 초음파 도파관(121)은 초음파 도파관의 초음파 여기 시 [예컨대, 장착 부재(79)가 초음파 도파관에 연결되는 경우] 노드 영역에서 반경방향으로 연장될 뿐만 아니라 축방향으로 약간 변위된다. 응답시, U자형 상호연결 부재(191)[예컨대, 상호연결 부재(191)의 축방향 및 횡방향 구성요소(192, 194)]는 예컨대, 플런저 핸들의 축방향 변위시 화장실 플런저 헤드가 회전되는 방식과 유사하게 장착 부재(79)의 고정된 외부 세그먼트(189)에 대해 굴곡되고 휘어지고, 더 구체적으로는 회전한다. 따라서, 상호연결 웨브(79)는 초음파 도파관(121)의 초음파식 진동으로부터 연료 분사기 하우징(23)을 고립시키고, 도시된 실시예에서는 상호연결 웨브(79)는 장착 부재의 내부 세그먼트(187)의 진동 변위로부터 장착 부재의 외부 세그먼트(189)를 고립시킨다. 또한, 이러한 장착 부재(79) 구성은 정상 작동 중에 발생할 수 있는 노드 구역 시프트(shift)를 보상하는데 충분한 대역폭을 제공한다. 특히, 장착 부재(79)는 초음파 도파관(121)을 통한 초음파 에너지의 실제 전달 중에 유발되는 노드 구역의 실시간 위치의 변화를 보상할 수 있다. 이러한 변화 또는 시프트는 예컨대, 고압 챔버(55) 내의 온도 및/또는 다른 환경적 조건에 변화에 기인한다.
도시된 실시예에서 장착 부재(79)의 내부 및 외부 세그먼트(187, 189)는 초 음파 도파관에 대해 동일한 종방향 위치에 대체로 배치되지만, 내부 및 외부 세그먼트는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 서로로부터 종방향으로 오프셋될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 상호연결 웨브(191)는 단지 하나 이상의 축방향 구성요소(192)[예컨대, 횡방향 구성요소(194)는 생략될 수도 있음]를 포함할 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있다고 생각된다. 예컨대, 초음파 도파관(121)이 노드면을 갖고 장착 부재(79)가 노드면 상에 위치되는 경우, 장착 부재는 단지 초음파 도파관의 횡방향 변위를 격리시키도록 구성될 필요가 있다. 다른 실시예(미도시)에서, 장착 부재는 초음파 도파관의 대향 단부(123, 129) 중 하나에서와 같이, 초음파 도파관의 안티노드 구역(anti-nodal region)에 또는 초음파 도파관의 안티노드 구역에 인접하게 배치될 수도 있다고 생각된다. 이러한 실시예에서, 상호연결 웨브(191)는 초음파 도파관의 축방향 변위를 고립시키기 위해 단지 하나 또는 2개 이상의 횡방향 구성요소(194)를 포함할 수도 있다(즉, 안티노드 구역에서 횡방향 변위가 거의 발생하지 않거나 전혀 발생하지 않음).
특히 적절한 일 실시예에서, 장착 부재(79)는 일편 구조이다. 더 적절하게는 장착 부재(79)는 도6에 도시된 바와 같이 초음파 도파관(121)과 일체로 형성될 수도 있다. 그러나, 장착 부재(79)는 초음파 도파관(121)과 별개로 구성될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범주 내에 있는 것을 알 수 있다. 또한, 장착 부재(79)의 하나 이상의 구성요소가 별개로 구성되어 적절히 연결되거나, 그렇지 않다면 함께 조립될 수도 있다는 것을 알 수 있다.
적절한 일 실시예에서, 장착 부재(79)는 고압 챔버(55)[및 밸브 니들(53)] 내에서의 초음파 도파관(121)의 적절한 정렬을 유지시키기 위해 대체로 강성을 갖도록(예컨대, 부하하에서 정적 변위에 견디도록) 또한 구성될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서 강성 장착 부재는 비탄성중합체 재료, 더 적절하게는 금속, 가장 적절하게는 초음파 도파관이 구성되는 재료와 같은 재료로 구성될 수도 있다. 그러나, "강성"이란 용어는 장착 부재가 초음파 도파관의 초음파식 진동에 응답하여 동적으로 휘어지고 그리고/또는 굴곡될 수 없다는 것을 의미하는 하려는 것이 아니다. 다른 실시예에서, 강성 장착 부재는 부하하에서 정적 변위에 충분히 견디는 탄성중합체 재료로 구성될 수도 있지만, 초음파 도파관의 초음파식 진동에 응답하여 다르게 휘어지고 그리고/또는 굴곡될 수 있다. 도6에 도시된 장착 부재(79)는 금속, 더 적절하게는 초음파 도파관(121)과 같은 재료로 구성되지만, 장착 부재는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 적절한 대체로 강성인 재료로 구성될 수도 있다고 생각된다.
도6 및 도8을 다시 참조하면, 연료가 연료 분사기 하우징(23)의 고압 챔버(55) 내에서 따라서 유동하는 유동 경로가 [예컨대, 장착 부재(79) 아래에서] 노즐(27)의 내부면과 초음파 도파관(121)의 하부 세그먼트(133)의 외부면 사이의 그리고 (예컨대, 장착 부재 위에서) 주 본체(25)의 내부면, 여기 장치(145)의 외부면 및 칼라(151)와 슬리브(155) 사이의 횡방향 간격에 의해 부분적으로 형성된다. 연료 유동 경로는 (도시된 실시예에서) 연료 입구로부터 유동 경로에 유입되는 고압 연료가 배출 포트(83)를 거쳐 노즐(27)로부터 배출되도록 노즐 팁(91)을 향해 유동 경로를 따라 아래로 유동하도록 대체로 슬리브(155)에서 연료 분사기 하우징(23)의 주 본체(25)의 연료 입구(57)와 유체 연통한다. 상술된 바와 같이, 추가적인 고압 연료가 초음파 도파관과 밸브 니들(53) 사이에서 초음파 도파관(121)의 내부 통로(127) 내에서 유동한다.
장착 부재(79)는 고압 챔버(55) 내에서 초음파 도파관(121)에 대해 횡방향으로 연장되기 때문에, 주 본체(25)의 하단부(1)와 노즐(27)의 상단부(33)는 연료가 고압 챔버 내에서 유동할 때 연료 유동 경로가 대체로 장착 부재 주위로 전환되는 것을 허용하도록 적절히 구성된다. 예컨대, 도10에 도시된 바와 같이, 적절한 채널(199)이 장착 부재(29) 상류의 유동 경로와 유체 연통하는 주 본체(25)의 하단부(31) 내에 형성되고, 장착 부재 하류의 유동 경로와 유체 연통하는 노즐(27)의 상단부(33) 내에 형성된 각각의 채널(201)과 정렬된다. 따라서, [예컨대, 주 본체(25)와 슬리브(155)/칼라(151)/압전 링(147) 사이에서] 연료 입구(57)로부터 장착 부재(79) 상류의 유동 경로를 따라 아래로 유동하는 고압 연료는 [예컨대, 노즐과 초음파 도파관(121) 사이에서] 장착 부재 주위의 주 본체 내의 채널(199)을 통해 그리고 노즐(27) 내의 채널(201을 통해 장착 부재 하류의 유동 경로까지 라우팅된다.
일 실시예에서, 연료 분사기는 솔레노이드 밸브의 작동과 여기 장치(145)의 작동을 제어하기 위해, 임의의 적절한 제어 시스템(미도시)에 의해 작동된다. 이러한 제어 시스템은 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 필요한 범위를 제외하고는 본 명세서에서 추가적으로 설명하지 않는다. 분사 작동이 일어나지 않으면, 밸브 니들(53)은 배출 포트(83)를 폐쇄시키기 위해 노즐 팁(81)과 밀봉 접촉하는 주 본 체(25)의 보어(35) 내의 스프링(111)에 의해 밸브 니들의 폐쇄 위치로 편향된다. 솔레노이드 밸브는 핀 홀더를 통해 종방향으로 연장되는 보어(97)를 폐쇄시키기 위해 핀 홀더(47)의 헤드(87) 내에 형성된 리세스(95)에 클로저를 제공한다. 밸브 니들(53)이 폐쇄 위치에서는 어떠한 전류도 제어 시스템에 의해 도파관 조립체로 공급되지 않는다.
고압 연료는 연료원(미도시)으로부터 하우징(23)의 연료 입구(57)에 있는 연료 분사기(21) 내로 유동한다. 연료원으로부터 연료 분사기(21)로 가압 연료를 이송하기 위한 적절한 연료 이송 시스템은 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 본 명세서에서는 추가적으로 설명하지 않는다. 일 실시예에서, 고압 연료는 약 8,000 psi (550 bar) 내지 약 30,000 psi (2070 bar)의 범위의 압력으로 연료 분사기(21)로 이송될 수 있다. 고압 연료는 주 본체(25)의 상부 분배 채널(59)를 통해 주 본체와 핀 홀더(47) 사이의 환형 갭으로 유동하여, 핀 홀더의 공급 채널(101)을 통해 핀(93) 위에 있는 핀 홀더의 내부 채널(91) 내로 그리고 핀 홀더의 보어(97)를 통해 위로 유동한다. 또한, 고압 연료는 고압 유동 경로를 통해, 즉 주 본체(25)의 하부 분배 채널(61)을 통해 고압 챔버(55)로 유동하여 도파관(121) 외부의 그리고 도파관의 내부 통로(127) 내의 고압 챔버를 채운다. 이런 상태에서, 핀(93) 위의 고압 연료는 스프링(111)의 편향과 더불어, 고압 챔버(55) 내의 고압 연료가 밸브 니들(53)을 밸브 니들의 개방 위치로 가압하는 것을 방지한다.
분사기 제어 시스템이 연소 기관으로의 연료의 분사가 필요하다고 판단한 경우, 솔레노이드 밸브가 핀 홀더의 보어(97)를 개방시키도록 제어 시스템에 의해 활 성화되어 고압 연료가 저압 연료와 같이 핀 홀더로부터 주 본체(25)의 상단부(37)에 있는 연료 복귀 채널(71)로 유출되어, 핀 홀더 내의 핀(93) 후방의(예컨대, 위의) 연료 압력을 감소시킨다. 이에 따라, 고압 챔버(55) 내의 고압 연료가 이제 스프링(111)의 편향에 대항하여 밸브 니들의 개방 위치로 밸브 니들(53)을 가압할 수 있다. 밸브 니들(53)의 개방 위치에서, 밸브 니들의 말단부(115)는 고압 챔버 내의 연료가 배출 포트를 통해 배출되는 것을 허용하도록 배출 포트(83)에서 노즐 팁(81)으로부터 충분히 이격된다.
밸브 니들(53)이 밸브 니들의 개방 위치로 이동되는 것을 허용하도록 솔레노이드 밸브를 활성화시킬 때, 예컨대 솔레노이드 밸브의 가동과 거의 동시에, 제어 시스템은 또한 고주파 전류 발생기에게 접촉 링(165)과, 압전 링에 접촉 링을 전기 접속시키는 적절한 배선(183)을 거쳐 여기 장치(145), 예컨대 도시된 실시예에서 압전 링(147)으로 전류를 전달하도록 명령한다. 상술된 바와 같이, 압전 링(147)은 전류가 여기 장치(145)로 전달되는 초음파 주파수에서 [특히 연료 분사기(21)의 종방향을 따라] 대체로 팽창 및 수축된다.
링(147)의 팽창 및 수축은 도파관(121)의 상부 세그먼트(131)를 (예컨대, 압전 링이 팽창 및 수축하는 주파수와 대체로 동일한 주파수에서) 초음파식으로 신장 및 수축시킨다. 이러한 방식의 도파관(121)의 상부 세그먼트(131)의 신장 및 수축은, 특히 도파관의 하부 세그먼트(133)를 따라 (예컨대, 적절하게는 도파관의 공진 주파수에서) 도파관을 여기시켜, 초음파 도파관의 말단부(123)에서 하부 세그먼트를 따라, 특히 하부 세그먼트의 팽창부(195)에서 초음파 도파관의 초음파 진동을 유발한다.
밸브 니들(53)이 밸브 니들의 개방 위치에 있으면, 고압 챔버(55) 내의 고압 연료는 유동 경로를 따라, 특히 초음파 도파관(121)의 초음파식으로 진동하는 말단부(123)를 지나 노즐 팁(81)의 배출 포트(83)로 유동한다. 초음파 에너지는 연료를 대체로 분무화하기 위해[예컨대, 액적 크기를 감소시키고 연료 분사기(21)를 빠져나가는 연료의 액적 크기 분포를 좁히기 위해] 초음파 도파관(121)의 말단부(123)에 의해 배출 포트(83) (유동 경로를 따르는) 바로 상류의 고압 연료에 인가된다. 연료가 배출 포트(83)를 빠져나가기 전의 연료의 초음파식 활성화(ultrasonic energization)는 연료 분사기(21)에 의해 연소 챔버 내로 이송된 분무화된 액체 연료의 대체로 원추 형상인 맥동성(pulsating) 스프레이를 생성한다.
도1 내지 도10에 도시된 실시예와 전술된 설명에서, 핀(93)의 작동과 이에 따른 밸브 니들(53)의 작동은 솔레노이드 밸브(미도시)에 의해 제어된다. 그러나, 제한 없이, 캠 가동식 장치, 압전 또는 자기변형 작동식 장치, 유압 작동식 장치, 또는 다른 적절한 기계 장치와 같은 다른 장치가, 유체 증폭 밸브가 있거나 없거나, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 밸브 니들의 작동을 제어하는데 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명 또는 본 발명의 바람직한 실시예들의 구성요소를 설명할 때, 관사들 "하나(a, an)", "그(the)" 및 "상기(said)"는 하나 이상의 구성요소가 존재한다는 것을 나타내기 위한 것이다. "포함하는" 및 "갖는"이란 용어는 포괄적이고, 기재된 구성요소 이외의 다른 구성요소들도 추가될 수 있다는 것을 나타내기 위한 것이 다.
다양한 변형예가 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 상술된 구성 및 방법으로 이루어질 수 있기 때문에, 본원 상세한 설명에 기재되어 있고 첨부된 도면에 도시되어 있는 모든 사항들은 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 이에 한정되지 않는다.

Claims (22)

  1. 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기이며,
    내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징과,
    연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있는 밸브 부재와,
    하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있는 초음파 도파관으로서, 초음파 도파관은 상기 연료가 밸브 부재의 개방 위치에서 적어도 하나의 배출 포트를 통해 빠져나가기 전에 연료 챔버 내의 연료를 초음파식으로 여기시키도록 연료 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되는 초음파 도파관과,
    상기 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있는 여기 장치를 포함하는 연료 분사기.
  2. 제1항에 있어서, 초음파 도파관은 긴 형상이고 초음파 도파관의 적어도 일부분을 따라 대체로 관 형상이고, 상기 관 형상 부분은 연료 챔버 내에 배치된 말단부를 갖는 연료 분사기.
  3. 제2항에 있어서, 초음파 도파관의 관 형상 부분은 초음파 도파관 내에 내부 통로를 형성하고, 상기 밸브 부재는 긴 형상이고 초음파 도파관의 관 형상 부분의 내부 통로 내에서 적어도 부분적으로 대체로 동축으로 연장되는 연료 분사기.
  4. 제1항에 있어서, 초음파 도파관과 여기 장치는 함께 초음파 도파관 조립체를 형성하고, 상기 초음파 도파관 조립체는 초음파 도파관 공진 파장의 약 1/2의 길이를 갖는 연료 분사기.
  5. 제1항에 있어서, 초음파 도파관의 관 형상 부분은 종방향으로 연장되는 측벽을 갖고, 상기 측벽은 대체로 상기 관 형상 부분의 말단부에서 대체로 횡방향 외향으로 확개되는(flaring) 연료 분사기.
  6. 제1항에 있어서, 초음파 도파관은 긴 형상이고, 여기 장치에 응답하여 초음파식으로 진동하는 변환기 세그먼트와, 초음파 혼 세그먼트를 포함하고, 상기 변환기 세그먼트와 상기 초음파 혼 세그먼트는 종방향으로 단부 대 단부 관계로 일체로 형성되는 연료 분사기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 연료 분사기는, 가압 연료가 통과하여 연료 분사기에 의해 수용되고 연료 분사기로부터의 배출을 위해 적어도 하나의 배출 포트로 관통하여 유동하도록 안내되고, 하우징의 연료 챔버에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제1 유동 경로와, 연료가 제1 유동 경로를 통해 유동하는 가압 연료의 압력보다 낮은 압력에서 관통하여 유동하는 제2 유동 경로를 포함하고, 상기 제2 유동 경로로부터 연료를 배출하기 위해 제2 유동 경로와 유체 연통하는 출구를 갖는 연료 분사기.
  9. 제1항에 있어서, 초음파 도파관은 초음파 도파관 공진 파장의 약 1/2의 총 길이를 갖는 연료 분사기.
  10. 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기이며,
    내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징과,
    연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있는 밸브 부재와,
    하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있는 초음파 도파관으로서, 상기 초음파 도파관은 긴 형상이고, 하우징의 내부 연료 챔버 내에 배치되는 말단부와, 초음파 도파관이 초음파 도파관의 말단부를 향해 초음파 도파관의 종방향으로 연장됨에 따라 증가하는 주연부를 갖는 초음파 도파관과,
    상기 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있는 여기 장치를 포함하는 연료 분사기.
  11. 제10항에 있어서, 초음파 도파관은 하우징의 연료 챔버 내에서 대체로 종방향으로 연장되고, 연료가 밸브 부재의 개방 위치에서 적어도 하나의 배출 포트로 하우징의 연료 챔버 내에서 유동하는 유동 경로를 초음파 도파관과 하우징 사이에 형성하기 위해 연료 챔버의 내부에서 하우징으로부터 횡방향으로 이격되어 있고, 상기 유동 경로는 상기 유동 경로가 초음파 도파관의 말단부를 향해 연장됨에 따라 좁아지는 연료 분사기.
  12. 제10항에 있어서, 초음파 도파관은 하우징의 연료 챔버 내에서 대체로 종방향으로 연장되고, 연료 챔버 내에서 하우징으로부터 횡방향으로 이격되어 있고, 상기 횡방향 이격은 초음파 도파관의 상기 말단부를 향해 좁아지는 연료 분사기.
  13. 제10항에 있어서, 초음파 도파관은 대체로 원통형이고 하우징의 연료 챔버 내에서 종방향으로 연장되며, 초음파 도파관의 말단부는 제1 외경을 갖고, 초음파 도파관의 상기 말단부에 인접한 상기 초음파 도파관의 세그먼트는 초음파 도파관 말단부의 상기 제1 외경보다 실질적으로 작은 제2 외경을 갖는 연료 분사기.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서, 초음파 도파관은 여기 장치에 응답하여 초음파식으로 진동하는 변환기 세그먼트와, 초음파 혼 세그먼트를 포함하고, 상기 변환기 세그먼트와 상기 초음파 혼 세그먼트는 종방향으로 단부 대 단부 관계로 일체로 형성되는 연료 분사기.
  16. 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기이며,
    내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징과,
    연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출되는 것이 방지되는 폐쇄 위치와, 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 거쳐 하우징으로부터 배출될 수 있는 개방 위치 사이에서 하우징에 대해 이동할 수 있는 밸브 부재와,
    하우징과 밸브 부재로부터 분리되어 있고 상기 연료 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되는 초음파 도파관과, 상기 연료 챔버 내의 상기 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 밸브 부재의 개방 위치에서 작동할 수 있는 여기 장치를 포함하는 초음파 도파관 조립체를 포함하고,
    상기 초음파 도파관 조립체는 긴 형상이고 초음파 도파관 공진 파장의 약 1/2의 총 길이를 갖는 연료 분사기.
  17. 제16항에 있어서, 초음파 도파관은 하우징의 연료 챔버 내에서 전체적으로 종방향으로 연장되고, 상기 연료 분사기는 상기 하우징 내에 초음파 도파관을 장착시키기 위해 장착 부재를 더 포함하고, 상기 장착 부재는 초음파 도파관과 접촉되고 상기 초음파 도파관으로부터 횡방향으로 이격된 위치에서 하우징에 고정되는 연료 분사기.
  18. 제16항에 있어서, 장착 부재는 초음파 도파관으로부터 하우징을 실질적으로 진동 고립(vibrationally isolate)시키도록 구성되는 연료 분사기.
  19. 엔진으로 연료를 이송하기 위한 연료 분사기이며,
    내부 연료 챔버와, 연료 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 배출 포트를 가져, 연료가 엔진으로 이송되도록 적어도 하나의 배출 포트에서 연료 분사기를 빠져나가는 하우징과,
    하우징의 연료 챔버 내의 연료가 적어도 하나의 배출 포트를 통해 하우징으로부터 배출되도록 안내하기 위해 연료 분사기를 작동시키는 제어 시스템과,
    하우징으로부터 분리된 긴 형상의 초음파 도파관으로서, 초음파 도파관의 적 어도 일부분은 하우징의 연료 챔버 내에서 종방향으로 연장되고 적어도 하나의 배출 포트에 인접한 말단부를 가지며, 초음파 도파관의 상기 일부분은 관 형상이고 상기 일부분의 내부 통로를 형성하고, 초음파 도파관의 상기 관 형상 부분은 연료 챔버 내의 연료가 초음파 도파관의 상기 관 형상 부분의 내부 통로 내에서 유동하는 것을 허용하도록 초음파 도파관의 상기 관 형상 부분의 말단부에서 개방되어 있는 초음파 도파관과,
    상기 초음파 도파관을 초음파식으로 여기시키도록 작동할 수 있는 여기 장치를 포함하는 연료 분사기.
  20. 제19항에 있어서, 초음파 도파관은 긴 형상이고 길이를 가지며, 초음파 도파관의 내부 통로가 초음파 도파관의 전체 길이를 따라 연장되도록 초음파 도파관의 전체 길이를 따라 관 형상인 연료 분사기.
  21. 제20항에 있어서, 초음파 도파관은 하우징의 연료 챔버 내에 전체적으로 배치되고 말단부에 대향하는 단부를 가지며, 상기 대향하는 단부는 연료 챔버 내의 연료가 실질적으로 상기 초음파 도파관의 전체 길이를 따라 초음파 도파관의 내부 통로 내에서 유동하는 것을 허용하도록 개방되어 있는 연료 분사기.
  22. 제19항에 있어서, 하우징은 초음파 도파관으로부터 실질적으로 진동 고립되는 연료 분사기.
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