KR101703976B1 - 복합유로 가스 인젝터 - Google Patents

복합유로 가스 인젝터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스연료를 사용하는 연료공급 시스템에서 많은 가스 유량을 토출할 수 있고 전기적 에너지를 절약하며 높은 가스 압력에서 작동할 수 있는 복합유로 가스 인젝터에 관한 것이다.
본 발명의 복합유로 가스 인젝터는 본체와, 본체의 단부에 결합된 노즐과, 노즐의 상측에 형성된 시트면에 접하면서 밸브 역할을 하는 피스톤과, 본체에 결합되어 피스톤을 견인하는 기전력을 발생시키는 솔레노이드와, 본체 내에 설치되어 피스톤에 복원력을 가하는 스프링을 포함하며, 피스톤의 내부에는 시트면을 향하여 관통된 내측유로가 형성되고, 내측유로의 외측에는 시트면을 향하여 외측유로가 형성되어, 피스톤의 작동에 따라 시트면 상에 간격이 형성될 때 가스연료가 내측유로와 외측유로를 통해 동시에 노즐내로 유입되어 분사된다.
이러한 구성에 의하면, 가스연료를 사용하는 연료공급 시스템에서 복합적으로 유로를 형성함으로써, 동일한 피스톤의 스트로크에서 더 많은 가스 유량을 토출할 수 있으며, 동일한 유량에서 피스톤의 스트로크를 적게 하여 전기적 에너지를 절약하며 높은 가스 압력에서 작동할 수 있다는 효과가 있다.

Description

복합유로 가스 인젝터{Gas Injector with Compound Multi-pass}
본 발명은 복합유로 가스 인젝터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스연료를 사용하는 연료공급 시스템에서 많은 가스 유량을 토출할 수 있고 전기적 에너지를 절약하며 높은 가스 압력에서 작동할 수 있는 복합유로 가스 인젝터에 관한 것이다.
가스 인젝터는 엘피지(LPG), 씨엔지(CNG; Compressed Natural Gas), 수소가스와 같은 가스 연료를 사용하는 엔진의 연료공급 시스템에 사용되는 장치다.
LPG나 CNG 등의 액화 가스연료는, 종전부터 불꽃점화엔진의 연료에 이용되고 있으며, 레귤레이터(기화기)와 믹서를 사용해서 대기압 정도로 감압시킨 기화가스로서 흡기관로에 흡입시켜서 엔진에 공급하는 방식이 널리 채용되고 있지만, 일본특허공개 제1994-17709호에 기재된 바와 같이 소정 정압의 기화가스로 조정해서 엔진의 흡기관로에 분사시키는 방식이 널리 사용되고 있다.
이 소정 정압의 기화가스로 조정하는 방식에는 액화가스연료를 가열기화시키는 수단으로서 엔진 냉각수의 열을 이용하는 것이 관용되고 있다. 즉 연료탱크로부터 액체의 상태로 꺼내진 가스연료는, 연료탱크 근방 및 엔진룸내에 배치된 차단밸브를 통과하여 기화기로 안내된다. 기화기는 엔진 냉각수를 순화시킴으로써 도입하여 액화 가스연료와의 사이에서 열교환을 행하고, 이것을 증발 기화시키도록 되어 있다. 또한 기화기는 조압기능을 갖고 있으며, 인젝터에 기화가스를 송출시키는 토출압력은 대기압과의 압력차가 대략 일정하게 조정되어 있다. 그리고 인젝터는 엔진 점화계나 분사계의 제어를 행하는 전자제어유닛으로부터 출력되는 밸브개방 신호에 의해 소정시간 밸브 개방되어 엔진에 기체의 상태로 된 가스연료를 분사 공급한다. 종래 가스 인젝터로서 한국공개특허 제2009-0107603호, 일본공개특허 제2007-211764호 등이 개시되어 있다.
도 1은 종래 가스 인젝터를 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이 종래 가스 인젝터(10)는 본체(11)의 단부에는 노즐(12)이 결합되고, 노즐(12)의 상측에는 가스가 노즐(12)로 유입되는 시트면(12a)에 접하면서 밸브 역할을 하는 피스톤(13)이 결합되며, 본체(11)의 내부에는 피스톤(13)을 견인하는 기전력을 발생시키는 솔레노이드 코일(14) 및 코어(15)가 결합되며, 코어(15)와 피스톤(13) 사이에는 피스톤(13)에 복원력을 가하는 스프링(16)이 설치된 구조로 되어 있다. 코어(15)와 피스톤(13) 내부에는 가스 연료가 흐르는 코어 유로(15a) 및 피스톤 유로(13a)가 형성되고, 피스톤 유로(13a)의 단부는 피스톤 외주면을 향하여 가스가 유출하게 되어 피스톤(13)의 끝단은 막혀 있으며, 피스톤(13)의 끝단 평면에는 원주방향을 따라 밸브 돌기띠(13b)가 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 종래 가스 인젝터(10)에서 도 2에 도시한 바와 같이, 솔레노이드 코일에 전기 신호가 가해져서 자장이 형성되면 코일(15)에 의해 발생되는 기전력에 의해 피스톤(13)이 상측으로 당겨지고, 피스톤(13)의 밸브 돌기띠(13b)와 노즐의 시트면(12a) 사이에는 간격이 형성되어 노즐 유로(12b)가 열린다.
따라서, 코어 유로(15a)를 거쳐 피스톤 유로(13a)에서 피스톤 측면으로 유출된 가스는 피스톤의 밸브 돌기띠(13b)와 노즐의 시트면(12a) 사이에 형성된 간격을 통해 노즐 유로(12b)에 유입되어 분사된다.
이와 같은 유로로 된 종래 가스 인젝터에서는 유량을 높이는데 한계가 있을 뿐만 아니라 유량을 크게 하기 위해 밸브 돌기띠(13b)의 직경을 크게 하면 가스 압력에 의해 노즐의 시트면(12a)을 누르는 힘이 증가하게 되므로 피스톤(13)의 작동이 느려지게 될 뿐만 아니라 피스톤(13)을 작동시키기 위한 전기적 에너지의 손실이 증가하게 된다.
차량용 가스 인젝터에서는 차량의 엔진에 적정한 연료를 공급하기 위해 전기적인 신호로 솔레노이드의 작동에 따라 피스톤을 작동시키게 되므로 피스톤은 엔진의 회전수와 동기하여 작동되어야 하므로 빠른 속도로 작동되어야 하며, 전기적인 에너지를 줄이며 엔진에 필요한 유량을 공급하여야 한다. 종래 차량용 가스 인젝터에서는 이와 같은 요건을 충족시키는데 한계가 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 가스연료를 사용하는 연료공급 시스템에서 동일한 피스톤의 스트로크에서 더 많은 가스 유량을 토출할 수 있으며, 동일한 유량에서 피스톤의 스트로크를 적게 하여 전기적 에너지를 절약하며 높은 가스 압력에서 작동할 수 있는 복합유로 가스 인젝터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 복합유로 가스 인젝터는 본체와, 본체의 단부에 결합된 노즐과, 노즐의 상측에 형성된 시트면에 접하면서 밸브 역할을 하는 피스톤과, 본체에 결합되어 피스톤을 견인하는 기전력을 발생시키는 솔레노이드와, 본체 내에 설치되어 피스톤에 복원력을 가하는 스프링을 포함하며, 피스톤의 내부에는 시트면을 향하여 관통된 내측유로가 형성되고, 내측유로의 외측에는 시트면을 향하여 외측유로가 형성되어, 피스톤의 작동에 따라 시트면 상에 간격이 형성될 때 가스연료가 내측유로와 외측유로를 통해 동시에 노즐내로 유입되어 분사된다.
외측유로는 원주방향을 따라 배열된 다수의 구멍이나 원주방향을 따라 형성된 환형구멍일 수 있다.
노즐의 입구에는 시트면이 형성된 시트부재가 구비되고, 피스톤은 시트부재에 슬라이딩 가능하게 설치된다. 시트부재에는 노즐의 노즐구멍에 연통하는 환형의 시트유로가 형성되고, 가스연료는 내측유로와 외측유로를 통해 시트유로를 거쳐 노즐구멍에 유입된다.
솔레노이드는 내부에 코어유로가 형성된 코어와, 코어의 외측에 구비되어 코어를 자화시키는 솔레노이드 코일를 포함하고, 코어유로는 내측유로로 향하는 메인유로와, 메인유로에서 분기되어 외측유로로 향하는 분기유로를 포함한다.
본 발명에 의한 복합유로 가스 인젝터에 의하면, 가스연료를 사용하는 연료공급 시스템에서 복합적으로 유로를 형성함으로써, 동일한 피스톤의 스트로크에서 더 많은 가스 유량을 토출할 수 있으며, 동일한 유량에서 피스톤의 스트로크를 적게 하여 전기적 에너지를 절약하며 높은 가스 압력에서 작동할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래 가스 인젝터를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 가스 인젝터의 작용 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합유로 가스 인젝터를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 복합유로 가스 인젝터의 작용상태도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 종래 가스 인젝터와 본 발명의 복합유로 가스 인젝터의 유로 및 유량을 비교 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합유로 가스 인젝터를 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 복합유로 가스 인젝터(100)는 본체(110)와, 노즐(120)과, 피스톤(130)과, 솔레노이드(140)와, 스프링(150)을 포함한다.
본체(110)는 주 하우징(111)과, 주 하우징(111)의 상측 외부를 밀폐하는 한편 솔레노이드(140)에 전원을 공급하는 전원공급부(112a)를 구비한 밀폐부재(112)를 포함한다. 밀폐부재(112)는 하우징의 상측 외면과 솔레노이드(140)의 후술하는 코어의 상측 외면에 밀착하여 주 하우징(111) 내부의 후술하는 솔레노이드 코일을 밀폐한다.
노즐(120)은 본체(110)의 주 하우징(111) 하단에 설치되어 가스 연료를 분사하는 부분이다. 노즐(120)의 상측, 즉 가스 유입구 측에는 피스톤(130)이 접하여 밸브 시트의 역할을 하는 시트면(S)이 형성된 시트부재(160)가 설치된다. 시트부재(160)에는 피스톤(140)이 수용되어 슬라이딩하는 피스톤 수용공간이 형성된다. 피스톤 수용공간의 바닥면이 시트면(S)을 이루게 된다.
피스톤(130)은 솔레노이드(140)의 작용에 따라 시트면(S)에 접하면서 밸브 역할을 하는 평판 형태의 부재로서, 피스톤(130)의 내부에는 시트면(S)을 향하여 관통된 내측유로(131)가 형성되고, 내측유로(131)의 외측에는 시트면(S)을 향하여 외측유로(132)가 형성되어, 피스톤(130)의 작동에 따라 시트면(S) 상에 간격이 형성될 때(도 4 또는 도 5의 b 참조) 가스연료가 내측유로(131)와 외측유로(132)를 통해 동시에 노즐(120) 내로 유입되어 분사된다. 외측유로(132)는 내측유로(131)를 중심으로 하는 원주방향을 따라 배열된 다수의 구멍이거나 원주방향을 따라 형성된 환형구멍일 수 있다.
솔레노이드(140)는 코어(141)와, 코어(141)의 외측에 구비되어 코어(141)를 자화시키는 솔레노이드 코일(142)를 포함한다. 코어(141)의 내부에는 가스연료가 유입되는 코어유로가 형성된다. 코어유로는 피스톤(130)의 내측유로(131)로 향하는 메인유로(143a)와, 메인유로(143a)에서 분기되어 피스톤(130)의 외측유로(132)로 향하는 분기유로(143b)를 포함한다.
메인유로(143a)의 내부에는 스프링(150)을 구속하기 위한 인서트 파이프(144)가 삽입된다. 분기유로(143b)는 스프링(150)이 삽입된 부분에서 하측으로 비스듬하게 기울어져 외측유로(132)의 상측 공간으로 가스연료가 유출하게 되어 있으며, 외측유로(132)에 연통하는 공간을 확보하도록 코어의 하단 가장자리는 모따기 가공 형태로 절취되어 있다.
스프링(150)은 본체(110)내에 설치된 솔레노이드(140)의 코어(141) 중심에 형성된 메인유로(143a)의 하부 공간에 설치되며, 피스톤(130)의 상면과 인서트 파이프(144)의 사이에 걸리어 설치된다.
시트부재(160)에는 피스톤(130)이 수용되는 피스톤 수용공간에서 노즐(120)의 노즐구멍(121)에 연통하는 환형의 시트유로(161)가 형성된다. 시트유로(161)는 피스톤(130)의 내측유로(131)와 외측유로(132)의 사이 위치에 원주방향을 따라 환형으로 형성된다. 가스연료는 내측유로(131)와 외측유로(132)를 통해 양측에서 동시에 시트유로(161)에 유입하여 노즐구멍(121)에 유입된다. 시트부재(160) 없이 노즐(120)의 상면이 시트면의 역할을 하는 구조로 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 복합유로 가스 인젝터의 작용상태도이다. 솔레노이드 코일(142)에 전원이 인가되지 않은 상태에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 코어(141)의 메인유로(143a)를 통해 유입된 가스연료의 압력과 스프링(150)의 복원력에 따라 피스톤(130)이 하측으로 이동하여 시트유로(161) 및 노즐유로(121)가 막힌 상태이며, 코어(141)의 끝단면과 피스톤(130)의 상단면 사이에 간격이 형성되어 있다.
도 3의 상태에서, 전원공급부(112a)를 통해 솔레노이드 코일(142)에 전원이 인가되면, 도 4에 도시한 바와 같이 기전력에 따라 코어(141)가 자화되어 피스톤(130)을 견인하게 되고, 시트부재(160)의 시트면(S)과 피스톤(130)의 저면 사이에는 간격이 생기게 되어 시트유로(161)가 열리게 되어 가스연료는 노즐유로(121)를 통해 분사된다. 즉, 코어(141)의 메인유로(143a)를 통해 유입된 가스연료는 피스톤(130)의 내측유로(131)을 통해 시트유로(161)로 유입되는 한편, 분기유로(143b)를 통해 피스톤(130)의 외측유로(132)로 유도되어 시트유로(161)에 유입되어, 노즐유로(121)를 통해 분사된다.
이와 같이 가스연료가 공급되는 본 발명의 복합유로 가스 인젝터에서는 동일한 피스톤의 스트로크에서 종래 가스 인젝터보다 더 많은 가스 유량을 토출할 수 있으며, 동일한 유량에서 종래 가스 인젝터보다 피스톤의 스트로크를 적게 하여 전기적 에너지를 절약하며 높은 가스 압력에서 작동할 수 있다. 도 5의 (a)에 도시한 종래의 가스 인젝터에서 가스연료의 흐름과, 도 5의 (b)에 도시한 본 발명의 복합유로 가스 인젝터에서 가스연료의 흐름을 비교하여 이러한 본 발명의 효과를 상세히 설명한다.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 종래 가스 인젝터(10)에서, 솔레노이드의 작동에 따라 피스톤(13)이 견인되어 피스톤(13)의 밸브 돌기띠(13b)와 노즐의 시트면(12a) 사이에 스트로크 간격(C1)이 형성되면, 피스톤(13)의 피스톤 유로(13a)에서 유출한 가스연료는 스트로크 간격(C1)을 통해 노즐(12)의 노즐유로(12a)에 유입되어 분사된다. 이때, 종래 가스 인젝터(10)의 분사유량(Q1)은 스트로크 간격(C1)을 통해 노즐(12)로 유입되는 유량이며, 다음 식과 같이 표시된다.
즉, 분사유량(Q1) = (πD1)(C1)
여기서, D1은 밸브 돌기띠(13b)의 직경
위 식에서 보는 바와 같이, 종래 가스 인젝터에서 스트로크 간격(C1)이 일정할 경우, 분사유량이 많아지기 위해서는 밸브 돌기띠(13b)의 직경(D1)이 커져야 한다. 그러나 가스 인젝터의 구조상 크기가 제한되어 있으므로 직경(D1)을 키우는데 한계가 있고, 직경(D1)이 커졌을 경우에는 전기적 신호에 의해 솔레노이드의 작동시에 시트면(12a)을 누르는 힘 때문에 피스톤 작동이 느려진다.
한편, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 복합유로 가스 인젝터(100)에서, 솔레노이드(140)의 작동에 따라 피스톤(130)이 견인되어 피스톤(130)의 저면과 시트부재(160)의 시트면(S) 사이에 스트로크 간격(C2)이 형성되면, 코어(141)의 메인유로(143a)에서 수직 하측으로 흐르는 가스 연료는 피스톤(130)의 내측유로(131)을 통해 스트로크 간격(C1)에서 시트부재(160)의 시트유로(161)에 유입하고, 코어(141)의 메인유로(143a)에서 분기유로(143b)를 거쳐 흐르는 가스 연료는 피스톤(130)의 외측유로(132)을 통해 스트로크 간격(C1)에서 시트부재(160)의 시트유로(161)에 유입한다. 시트유로(161)에 유입된 가스연료는 노즐(120)의 유입구를 거쳐 노즐구멍(121)에 유입하여 분사된다.
이때, 복합유로 가스 인젝터(100)의 분사유량(Q2)는 스트로크 간격(C2)를 통해 환형의 시트유로(161)로 유입되는 유량이며, 다음 식과 같이 표시된다.
즉, 분사유량(Q2) = (πD2+πD3)(C2)
여기서, D2은 시트유로(161)의 내경이고, D3는 시트유로(161)의 외경이다.
위 식에서 보는 바와 같이, 피스톤의 내측과 외측에서 시트유로(161)에 가스연료가 유입되므로 종래 가스 인젝터에 비해 유량이 현저히 높게 됨을 알 수 있다. 또한 피스톤의 내측유로(131)와 외측유로(132)의 단면적에 작용하는 가스연료에 의한 힘만큼 솔레노이드(140)가 피스톤(130)을 견인하는 힘을 줄일 수 있으므로 전기적 에너지가 절약된다.
따라서, 종래 가스 인젝터(10)와 본 발명의 복합유로 가스 인젝터(100)의 스트로크가 같고, 종래 가스 인젝터(10)의 밸브 돌기띠의 직경(D1)과 본 발명의 복합유로 가스 인젝터(100)의 유로시트(161)의 외경(D3)이 동일한 경우, 본 발명에서는 종래에 비해 유로시트(161)의 내경(D2)을 통해 유입되는 양만큼 많은 가스 유량을 노즐을 통해 분사시킬 수 있다. 또한 동일한 솔레노이드의 작동 힘일 경우에 본 발명의 복합유로 가스 인젝터(100)에서는 더 큰 가스 압력(또는 힘)에서 작동할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 복합유로 가스 인젝터
110 : 본체 111 : 주 하우징
112 : 밀폐부재 112a : 전원공급부
120 : 노즐 121 : 노즐유로
130 : 피스톤 131 : 내측유로
132 : 외측유로 140 : 솔레노이드
141 : 코어 142 : 솔레노이드 코일
143a : 메인유로 143b : 분기유로
144 : 인서트 파이프 150 : 스프링
160 : 시트부재 161 : 시트유로
S : 시트면

Claims (5)

  1. 본체와, 상기 본체의 단부에 결합된 노즐과, 상기 노즐의 가스유입구 측에 구비된 시트부재와, 상기 노즐의 상측에 구비되어 밸브 역할을 하는 평판 형태의 피스톤과, 상기 본체에 결합되어 상기 피스톤을 견인하는 기전력을 발생시키는 솔레노이드와, 상기 본체 내에 설치되어 상기 피스톤에 복원력을 가하는 스프링을 포함하며,
    시트부재에는 상기 피스톤이 수용되어 슬라이딩하는 피스톤 수용공간이 형성되는 한편 상기 피스톤이 접하여 밸브 시트의 역할을 하는 시트면이 형성되고,
    상기 피스톤의 내부에는 상기 시트면을 향하여 관통된 내측유로가 형성되고, 상기 내측유로의 외측에는 상기 시트면을 향하여 외측유로가 형성되어, 상기 피스톤의 작동에 따라 상기 시트면 상에 간격이 형성될 때 가스연료가 상기 내측유로와 상기 외측유로를 통해 동시에 상기 노즐 내로 유입되어 분사되고,
    상기 시트부재에는 상기 노즐의 노즐구멍에 연통하는 환형의 시트유로가 형성되고, 가스연료는 상기 내측유로와 상기 외측유로를 통해 상기 시트유로를 거쳐 상기 노즐의 노즐구멍에 유입되며,
    싱기 솔레노이드는 내부에 코어유로가 형성된 코어와, 상기 코어의 외측에 구비되어 코어를 자화시키는 솔레노이드 코일를 포함하고,
    상기 코어유로는 상기 내측유로로 향하는 메인유로와, 상기 메인유로에서 분기되어 상기 외측유로로 향하는 분기유로를 포함하고,
    상기 분기유로는 상기 메인유로의 하부공간에서 하측으로 비스듬하게 기울어져 상기 외측유로의 상측공간으로 가스연료가 유출하게 되어 있으며,
    상기 코어의 하단 가장자리가 상기 외측유로의 내측면을 향하여 비스듬하게 기울어져 경사된 모따기 형태로 된 것을 특징으로 하는 복합유로 가스 인젝터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외측유로는 원주방향을 따라 배열된 다수의 구멍이나 원주방향을 따라 형성된 환형구멍인 것을 특징으로 하는 복합유로 가스 인젝터.
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