KR101704315B1

KR101704315B1 - 연료 분사 밸브

Info

Publication number: KR101704315B1
Application number: KR1020157008634A
Authority: KR
Inventors: 다츠오 고바야시
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2017-02-07
Also published as: IN2015DN02974A; US9574535B2; KR20150046347A; JP2014077425A; EP2907999A4; EP2907999A1; JP5617892B2; WO2014057866A1; US20150292460A1; CN104704230A; EP2907999B1

Abstract

연료 분사 밸브는, 선단측에 시트부를 갖는 니들 밸브와, 상기 시트부가 착좌하는 시트면을 가짐과 함께 상기 시트면의 하류측에 선회 안정실을 구비하고, 상기 선회 안정실 내에 입구를 갖는 분사 구멍이 형성된 노즐 바디와, 상기 선회 안정실에 도입되는 연료에 선회 성분을 부여하는 선회 홈이 형성된 선회류 생성부와, 상기 니들 밸브의 선단부에 설치되어, 상기 니들 밸브가 개방된 상태일 때에, 상기 노즐 바디가 구비하는 상기 시트면을 상기 분사 구멍측으로 연장한 가상면과 교차하는 연료 충돌부를 구비한다. 이에 의해, 데드 연료를 선회 안정실 내로 체류시키고, 나중에 선회 성분을 갖는 연료로부터 선회 성분이 부여된 상태로 분사 구멍에 도입된다.

Description

연료 분사 밸브 {FUEL INJECTION VALVE}

본 발명은 연료 분사 밸브에 관한 것이다.

최근, 내연 기관에 관하여, CO₂ 저감 및 에미션 저감을 위해, 과급 린, 대량 EGR 및 예혼합 자착화 연소의 연구가 활발히 행해지고 있다. 이들 연구에 의하면, CO₂ 저감 및 에미션 저감의 효과를 최대한으로 끌어내기 위해서는, 보다 연소 한계 근방에 있어서 안정된 연소 상태를 얻을 필요가 있다. 또한, 석유 연료의 고갈화가 진행되는 중, 바이오 연료 등 다종의 연료로도 안정적으로 연소할 수 있는 로버스트성이 요구된다. 이와 같은 안정된 연소를 얻는 데 가장 중요한 점은 혼합기의 착화 편차의 저감이나, 불균일이 없는 균질하고 안정된 연소가 실현되는 것이다. 이것에는, 미세한 연료 분무로 보다 기화되기 쉽게 하는 것이나, 분무 입경이 균일한 것이 요망된다.

또한, 내연 기관의 연료 공급에 있어서, 과도 응답성의 향상, 기화 잠열에 의한 체적 효율 향상이나 저온에서의 촉매 활성화용의 대폭적인 지각 연소를 위해 연소실 내로 연료를 직접 분사하는 통 내 분사 방식이 채용되어 있다. 그런데, 통 내 분사 방식을 채용함으로써, 분무 연료가 액적의 상태로 연소실 벽에 충돌하여 일어나는 오일 희석이나, PM(Particulate Matter), 스모크의 발생이 염려된다.

이들 현상에 대처하기 위해, 연료 분사 밸브로부터 분사되는 연료에 선회류를 부여하는 경우가 있다. 연료에 선회류를 부여하는 연료 분사 밸브로서, 예를 들어, 특허문헌 1이나 특허문헌 2가 알려져 있다. 특히, 특허문헌 2에는, 연료에 선회 성분을 부여함으로써, 분사 연료 중에 미세 기포를 도입하고, 미세 기포를 파열시켜 분사 연료의 미립화를 도모하는 연료 분사 밸브가 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평11-117831호 공보 국제 공개 2011/125201호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 개시된 연료 분사 밸브에서는, 니들 밸브의 폐쇄 시에 니들 밸브의 시트부가 착좌하는 노즐 바디의 시트면 근방에 체류하는 연료, 소위 데드 연료가 존재한다. 데드 연료는, 니들 밸브의 폐쇄 시에 일단 그 흐름이 정지된 상태로 된다. 이로 인해, 니들 밸브의 개방 초기에 있어서, 데드 연료에는 선회 성분이 부여되어 있지 않고, 연료의 연료 입경이 큰 액적의 상태로, 분사 구멍에 도입되어, 분사되는 것이 상정된다. 즉, 선회 성분이 부여되기 어려운 데드 연료는, 미세 기포를 도입하는 것이 곤란하여, 미세 기포가 파열되는 것에 의한 연료의 미립화는 기대하기 어렵다. 또한, 니들 밸브 개방 직후의 데드 연료의 유속은 느리므로, 공기 전단에 의한 미립화도 곤란하다.

따라서 본 명세서 개시의 연료 분사 밸브는, 데드 연료를 미립화하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 명세서 개시의 연료 분사 밸브는, 선단측에 시트부를 갖는 니들 밸브와, 상기 시트부가 착좌되는 시트면을 가짐과 함께 상기 시트면의 하류측에 선회 안정실을 구비하고, 상기 선회 안정실 내에 입구를 갖는 분사 구멍이 형성된 노즐 바디와, 상기 선회 안정실에 도입되는 연료에 선회 성분을 부여하는 선회 홈이 형성된 선회류 생성부와, 상기 니들 밸브의 선단부에 설치되어, 상기 니들 밸브가 개방된 상태일 때에, 상기 노즐 바디가 구비하는 상기 시트면을 상기 분사 구멍측으로 연장한 가상면과 교차하는 연료 충돌부를 구비한다.

니들 밸브가 폐쇄된 상태로 시트부의 상류측에 체류되어 있는 데드 연료는, 니들 밸브가 개방되면 선회 안정실로 도입된다. 이 데드 연료는, 니들 밸브의 개방 초기에 있어서 거의 선회 성분을 갖고 있지 않다. 이와 같은 데드 연료는, 시트부를 통과하여 선회 안정실 내에 도입되면, 연료 충돌부에 충돌한다. 이에 의해 데드 연료는 선회 안정실 내에서 체류하고, 데드 연료가 거의 선회하지 않는 상태에서 분사 구멍 내로 도입되는 것이 회피된다. 그리고, 선회 홈을 통과하여 선회 성분이 부여된 연료가 선회 안정실 내로 도입되면, 그 선회의 기세에 의해 먼저 선회 안정실 내에 체류하고 있던 데드 연료 상당분의 연료에도 선회 성분이 부여된다. 선회 성분이 부여된 연료는, 분사 구멍 내로 도입되어, 그 선회류의 중심부에 기주(氣柱)를 발생시킨다. 그리고, 기주와 연료의 경계에 있어서 미세 기포를 발생시켜, 미세 기포를 포함한 연료가 분사 구멍으로부터 분사된다. 미세 기포는, 분사 구멍으로부터 분사된 후에 파열되어, 연료의 미립화가 달성된다. 이와 같이, 연료 충돌부를 설치함으로써, 데드 연료를 미립화할 수 있다.

여기서, 상기 연료 충돌부는, 상기 니들 밸브가 개방되었을 때에, 상기 선회 안정실 내로 도입되는 연료의 흐름을 상기 선회 안정실의 내주벽측을 향해 편향되도록 설정되어도 된다. 이에 의해, 데드 연료를 선회 안정실 내로 체류시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 연료 충돌부는, 그 외주벽에 상기 니들 밸브의 축심을 향해 오목 형상으로 된 만곡부를 구비해도 된다. 만곡부를 구비함으로써, 데드 연료를 선회 안정실의 내주벽 근방으로 유도하고, 데드 연료를 효과적으로 선회 안정실 내로 체류시켜 둘 수 있다.

상기 연료 충돌부는, 그 외주벽에 나선 홈을 구비하고, 상기 나선 홈의 상기 니들 밸브의 축심에 대한 선회 방향을, 상기 니들 가이드가 구비하는 상기 선회 홈의 상기 니들 밸브의 축심에 대한 선회 방향과 동일한 방향으로 해도 된다. 나선 홈을 구비함으로써, 연료 충돌부를 향해 흘러 오는 데드 연료에 선회 성분을 부여하면서, 데드 연료를 선회 안정실 내로 체류시켜 둘 수 있다. 또한, 상기 나선 홈의 상기 니들 밸브의 축심에 대한 선회 방향을, 상기 니들 가이드가 구비하는 상기 선회 홈의 상기 니들 밸브의 축심에 대한 선회 방향과 동일 방향으로 함으로써, 선회 성분의 감소를 억제할 수 있다. 즉, 선회 방향이 반대이면, 선회 홈을 통과한 연료의 선회 성분이 상쇄되어, 선회의 기세를 약화시킬 수 있으므로, 이를 회피한다.

상기 니들 밸브가 구비하는 시트부와 상기 연료 충돌부 사이에 테이퍼부를 설치해도 된다. 이에 의해, 시트부를 통과하여 선회 안정실에 도입되는 연료의 박리를 억제하고, 원활하게 데드 연료를 연료 충돌부로 유도할 수 있다. 이 결과, 데드 연료를 효과적으로 선회 안정실 내로 체류시켜 둘 수 있다. 또한, 연료가 선회 안정실 내로 도입될 때에 박리가 발생되면, 불안정한 선회류로 되어, 분무의 불균일이 발생되기 쉬워지지만, 테이퍼부는, 이를 억제할 수도 있다.

상기 선회 안정실의 저면은, 상기 니들 밸브의 축심과 직교하는 평활면이고, 상기 분사 구멍의 중심축은, 상기 니들 밸브의 축심과 일치시켜도 된다. 분사 구멍 내에 균질하게 선회류를 도입할 수 있다. 이 결과, 분사 구멍의 중심축에 대칭인 성형된 콘 형상의 연료 분사로 할 수 있다.

상기 니들 밸브가 폐쇄 상태에 있을 때의 상기 분사 구멍의 입구와 상기 연료 충돌부의 저면의 거리는, 상기 분사 구멍으로부터 침입하는 화염의 소염 거리 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 연료 분사 밸브 내부로의 화염의 침입을 억제할 수 있다. 이 결과, 연료 분사 밸브 내에서의 연료의 탄화를 억제할 수 있다.

본 명세서에 개시된 연료 분사 밸브에 의하면, 데드 연료를 미립화할 수 있다.

도 1의 (A)는 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브의 폐쇄 상태를 도시하는 설명도이며, 도 1의 (B)는 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브의 개방 상태를 도시하는 설명도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브의 선단부를 확대하여 도시하는 설명도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 니들 가이드의 선단부를 도시하는 사시도이다.
도 4의 (A)는 니들 가이드의 선단부를 측면측로부터 본 설명도이며, 도 4의 (B)는 니들 가이드를 선단측으로부터 본 설명도이다.
도 5의 (A)는 제1 실시 형태의 니들 밸브의 선단부를 도시하는 사시도이고, 도 5의 (B)는 제1 실시 형태의 니들 밸브의 선단부를 도시하는 측면도이다.
도 6은 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브에 있어서의 연료 미립화의 원리를 도시하는 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태의 연료 분사 밸브의 설명도이다.
도 8은 제2 실시 형태의 니들 밸브의 선단부를 도시하는 사시도이다.
도 9는 선회 홈과 나선 홈의 선회 방향을 도시하는 설명도이다.
도 10은 제3 실시 형태의 연료 분사 밸브의 설명도이다.
도 11은 제3 실시 형태의 연료 분사 밸브의 선단부를 확대하여 도시하는 설명도이다.
도 12의 (A), (B)는 연료 충돌부의 변형예를 도시하는 설명도이다.
도 13의 (A), (B)는 각각 연료 충돌부의 또 다른 변형예를 도시하는 설명도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 도면과 함께 상세하게 설명한다. 단, 도면 중, 각 부의 치수, 비율 등은, 실제의 것과 완전히 일치하도록 도시되어 있지 않은 경우가 있다. 또한, 도면에 따라서는 세부가 생략되어 있는 경우도 있다.

(제1 실시 형태)

도 1의 (A)는 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)의 폐쇄 상태를 도시하는 설명도이고, 도 1의 (B)는 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)의 개방 상태를 도시하는 설명도이다. 도 2는 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)의 선단부를 확대하여 도시하는 설명도이다. 도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 니들 가이드(5)의 선단부를 도시하는 사시도이다. 도 4의 (A)는 니들 가이드(5)의 선단부를 측면측으로부터 본 설명도이고, 도 4의 (B)는 니들 가이드(5)를 선단측으로부터 본 설명도이다. 도 5의 (A)는 제1 실시 형태의 니들 밸브(6)의 선단부를 도시하는 사시도이고, 도 5의 (B)는 제1 실시 형태의 니들 밸브(6)의 선단부를 도시하는 측면도이다. 도 6은 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)에 있어서의 연료 미립화의 원리를 도시하는 설명도이다.

제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)는, 내연 기관에 장비되고, 내연 기관이 구비하는 ECU에 의해 구동 제어된다. ECU는, 연산 처리를 행하는 CPU(Central Processing Unit)와, 프로그램 등을 기억하는 ROM(Read Only Memory)과, 데이터 등을 기억하는 RAM(Random Access Memory)이나 NVRAM(Non Volatile RAM)을 구비하는 컴퓨터이다. 연료 분사 밸브(1)는, 내연 기관이 구비하는 흡기 포트 하부나, 연소실의 임의의 위치에 설치할 수 있다. 연료 분사 밸브(1)가 장비되는 내연 기관은, 가솔린을 연료로 하는 가솔린 엔진, 경유를 연료로 하는 디젤 엔진, 가솔린과 알코올을 임의의 비율로 혼합한 연료를 사용하는 플렉시블 연료 엔진 중 어떤 것이어도 된다. 또한, 그 밖의, 연료 분사 밸브에 의해 분사 가능한 어떤 연료를 사용하는 엔진이어도 된다.

도 1의 (A), (B)를 참조하면, 연료 분사 밸브(1)는, 노즐 바디(2), 니들 가이드(5), 축심(AX)을 갖는 니들 밸브(6)를 구비한다.

노즐 바디(2)는, 통 형상의 부재이고, 내주벽(2a)을 구비한다. 또한, 노즐 바디(2)는 압력실(2b)을 구비한다. 압력실(2b)의 선단측에는, 테이퍼 형상으로 성형된 시트면(2c)이 설치되어 있다. 시트면(2c)에는, 후술하는 시트부(6a)가 착좌한다. 또한, 노즐 바디(2)는, 시트면(2c)의 하류측에 선회 안정실(3)을 구비한다. 선회 안정실(3)은 저면(3a) 및 내주벽(3b)을 구비한 원통 형상의 공간이다. 선회 안정실(3)의 저면(3a)은, 이후에 상세하게 서술하는 니들 밸브(6)의 축심(AX)과 직교하는 평활면이다. 저면(3a)에는 분사 구멍(4)의 입구(4a)가 개방되어 있다. 분사 구멍(4)의 중심축은, 니들 밸브(6)의 축심(AX)과 일치하고 있다. 제1 실시 형태에 있어서의 연료 분사 밸브(1)는, 이후에 상세하게 서술하는 바와 같이, 분사 구멍(4) 내에 강선회류를 발생시켜 미세 기포를 생성하고, 이 미세 기포를 포함한 연료를 분사한다. 이와 같은 형식의 연료 분사를 행하는 연료 분사 밸브(1)에서는, 분사 구멍(4)을 흐르는 연료는 기포가 혼입된 기액 2상류로 되고, 그 유속은 보이드율에 의해 규정되는 극히 낮은 음속으로 율칙되게 된다. 이와 같은 상황 하에서, 분사 구멍 직경은, 연료의 유량을 확보하기 위한 직경으로 된다. 제1 실시 형태에 있어서의 분사 구멍(4)의 분사 구멍 직경은 0.7㎜, 분사 구멍 면적은 0.385㎟로 설정되어 있다. 단, 이들의 치수는, 일례이고, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

연료 분사 밸브(1)는 선단부가 노즐 바디(2) 내에 위치하는 니들 가이드(5)를 구비하고 있다. 니들 가이드(5)는, 그 외주면이 노즐 바디(2)의 내주벽(3b)에 접하여 지지되도록 노즐 바디(2) 내에 배치되어 있다. 니들 가이드(5)는, 통 형상의 부재이고, 그 내주부로 니들 밸브(6)가 축심(AX) 방향을 따른 왕복 이동 가능하게 수납된다. 도 3 내지 도 4의 (B)를 참조하면, 니들 가이드(5)는, 기단부측의 외주 벽면에 연료 연통로(5a)를 구비하고 있다. 그리고, 그 하류측에 선회 안정실(3) 내에 도입되는 연료에 선회 성분을 부여하는 선회 홈(5b)을 구비한다. 선회 홈(5b)은, 선회 안정실(3)에 도입되는 연료에 선회 성분을 부여한다. 이와 같은 선회 홈(5b)이 설치된 니들 가이드의 선단부는 선회류 생성부에 상당한다.

여기서, 선회 홈(5b)의 제원에 대해, 도 4의 (A), (B)를 참조하면서 설명한다. 나선 홈(5b)은, 12조 설치되어 있다. 홈 폭은, 최대 0.17㎜이다. 홈의 입구부에 있어서의 깊이 Di는, 0.4㎜이다. 홈의 출구부에 있어서의 깊이 Do는, 0.16㎜이다. 총 홈 최소 면적, 즉 출구부에 있어서의 홈의 총 면적은, 0.314㎟이다. 홈 유로 길이는, 4.5㎜이다. 압력 손실의 계산값은, 135㎪이다.

연료 분사 밸브(1)는, 선단측에 시트부(6a)를 갖는 니들 밸브(6)를 구비하고 있다. 니들 밸브(6)는, 상술한 바와 같이, 니들 가이드(5)의 내측에 왕복 이동 가능하게 지지되어 있다. 니들 밸브(6)는, ECU의 지령에 의해 작동하는 구동 장치에 의해 개방 동작을 행한다. 도 1의 (A)에 도시한 바와 같이 시트부(6a)가 시트면(2c)에 착좌하면 연료 분사 밸브(1)는, 폐쇄 상태로 된다. 도 1의 (B)에 도시한 바와 같이 시트부(6a)가 시트면(2c)으로부터 이좌하면 연료 분사 밸브(1)는, 개방 상태로 된다. 여기서, 연료 분사 밸브(1)가 폐쇄 상태로 되었을 때에 발생하는 데드 연료에 대해 설명한다. 도 1의 (A)에 도시한 바와 같이 연료 분사 밸브(1)가 폐쇄 상태로 되면, 연료는, 설정 연소압을 유지한 상태에서 시트부(6a)보다도 상류측에 체류하게 된다. 그리고, 연료 분사 밸브(1)의 개방 초기에는, 시트부(6a)에 가까운 위치에서 체류하고 있던 연료로부터 순서대로 선회 안정실(3) 내로 도입된다. 이와 같은 연료 중, 특히, 시트부(6a)로부터 선회 홈(5b)의 하류 단부, 즉, 니들 가이드(5)의 선단부까지의 영역에 형성된 데드 연료 체류부(8)에 체류되어 있던 연료는, 니들 밸브(6)가 리프트를 개시하면, 거의 선회 성분을 갖지 않는 상태에서 선회 안정실(3) 내로 도입된다. 또한, 선회 홈(5b)의 하류 단부 근방에서 체류하고 있던 연료도 선회 홈(5b)을 통과함으로써 부여된 선회 성분을 유지할 수 없고, 또한, 개방 밸브 후에도 조주 구간이 짧아 충분한 선회 성분을 얻을 수 없으므로, 데드 연료 체류부(8)에 체류하고 있던 연료와 거의 동일한 거동을 한다. 이와 같이, 연료 분사 밸브(1)의 개방 초기에 있어서, 충분한 선회 성분을 얻는 일 없이 선회 안정실(3) 내에 도입되는 연료가 데드 연료이다. 이와 같은 데드 연료는, 이후에 그 원리를 설명하는 바와 같이 미립화되기 어렵다.

도 2를 참조하면, 니들 밸브(6)의 선단부에는, 연료 충돌부(7)가 설치되어 있다. 연료 충돌부(7)는, 상술한 데드 연료가, 충돌하도록 설치되어 있다. 연료 충돌부(7)에 충돌한 데드 연료는, 선회 안정실(3) 내에 체류할 수 있다. 데드 연료를 선회 안정실(3) 내에 체류시키기 위해, 연료 충돌부(7)는, 니들 밸브(6)가 개방된 상태일 때에, 노즐 바디(2)가 구비하는 시트면(2c)을 분사 구멍(4)측, 즉 노즐 바디(2)의 선단측으로 연장한 가상면(F)과 교차하도록 설치된다. 연료는, 시트면(2c)과 시트부(6a) 사이를 양자의 간격에 따른 폭을 갖는 상태로 통과하고, 선회 안정실(3) 내로 도입된다. 데드 연료도 동일한 요령으로 선회 안정실(3) 내로 도입된다. 시트면(2c)을 분사 구멍(4)측으로 연장한 가상면(F)은, 데드 연료의 흐름의 경계와 거의 일치하므로, 연료 충돌부(7)가 가상면(F)과 교차하도록 설치되어 있으면, 데드 연료를 연료 충돌부(7)에 충돌시킬 수 있다. 연료 충돌부(7)는, 니들 밸브(6)의 풀 리프트 시에 있어서도, 데드 연료와 충돌할 수 있도록 설치되어 있다. 또한, 상기 조건이 만족되지 않는 경우, 시트부(6a)를 둘레 형상으로 통과하고, 축심(AX)을 향해 모이는 연료끼리가 충돌하여, 미립화되는 일 없이 분사 구멍(4)으로부터 분사된다.

이에 대해, 선회 안정실(3) 내에 체류하고 있는 연료는, 연료 충돌부(7)에 충돌함으로써, 선회 안정실(3)의 내주벽(3b)측으로 편향된다. 그리고, 데드 연료에 계속해서 선회 안정실(3) 내로 도입되는 선회 성분을 갖는 연료에 의해 선회 성분이 부여되고, 분사 구멍(4) 내로 도입되게 된다. 즉, 연료 분사 밸브(1)의 폐쇄 시에 있어서 데드 연료보다도 상류측에 위치하고, 충분한 거리의 선회 홈(5b)을 통과한 후에 선회 안정실(3) 내로 도입되는 연료는, 속도도 빠르고, 선회 성분도 얻고 있다. 선회 홈(5b)을 통과하는 조주 거리도 길고, 선회 성분을 갖는 연료는, 그 원심력에 의해 선회 안정실(3)의 내주벽(3b)을 따르도록 선회 안정실(3) 내로 도입된다. 선회 성분을 갖는 연료는, 선회 안정실(3) 내에서 체류하고 있던 연료와 함께 선회 성분을 유지한 상태로 분사 구멍(4) 내로 도입된다.

이와 같이, 선회 성분을 갖고, 데드 연료에 지연되어 선회 안정실(3) 내로 도입되는 연료는, 선회 안정실(3)의 내주벽(3b)을 따르도록 선회한다. 또한, 데드 연료를 선회 안정실(3) 내로 체류시키기 위해서는, 데드 연료를 내주벽(3b)측으로 편향시키는 것이 좋다. 따라서, 연료 충돌부(7)는, 니들 밸브(6)가 개방되었을 때에, 선회 안정실(3) 내로 도입되는 연료의 흐름을 선회 안정실(3)의 내주벽(3b)측을 향해 편향하도록 설정되어 있다. 구체적으로, 연료 충돌부(7)는, 도 5의 (A), (B)에 도시한 바와 같이, 그 외주벽에 니들 밸브(6)의 축심(AX)을 향해 오목 형상으로 된 만곡부(7a)를 구비하고 있다. 이에 의해, 데드 연료를 선회 안정실(3)의 내주벽(3b) 근방으로 유도하고, 데드 연료를 효과적으로 선회 안정실(3) 내로 체류시켜, 분사 구멍(4)에 도입될 때까지의 시간을 확보할 수 있다. 또한, 선회 안정실(3)의 내주벽(3b) 근방으로 유도된 데드 연료는, 속도가 빠른 선회 성분을 갖는 연료에 흡수되어, 선회 성분을 얻기 쉬워진다. 이 결과, 균일한 연료류를 얻기 쉬워진다. 또한, 분사 구멍의 위치가 축심(AX)에 대해 오프셋된 경우라도 선회하고 있지 않은 상태의 연료를 직접 분사하는 것이 억제된다. 이 결과, 다분사 구멍화나 비스듬히 형성된 분사 구멍에 대해서도 대응할 수 있어, 설계의 자유도가 향상된다.

상술한 바와 같이, 연료 분사 밸브(1)의 선회 안정실(3)의 저면(3a)은, 니들 밸브(6)의 축심(AX)과 직교하는 평활면이다. 그리고, 저면(3a)에는, 분사 구멍(4)의 입구(4a)가 개방되고, 분사 구멍(4)의 중심축은, 니들 밸브(6)의 축심(AX)과 일치하고 있다. 이에 의해, 선회 안정실(3) 내에서 선회하고 있는 연료를 균질하게 분사 구멍(4) 내로 도입할 수 있다. 이 결과, 분사 구멍(4)의 중심축에 대칭인 성형된 콘 형상의 연료 분사로 할 수 있다.

여기서, 연료 분사 밸브(1)에 의한 연료 분사의 모습에 대해 설명한다. 니들 밸브(6)가 리프트하고, 시트부(6a)가 시트면(2c)으로부터 이좌되면, 연료 연통로(5a)를 통과한 연료는, 일단, 압력실(2b)에 도입되고, 그 후, 선회 홈(5b)으로 유입된다. 이에 의해, 연료가 선회류로 된다. 그리고, 선회류는, 시트면(2c)을 따라, 선회 안정실(3) 내로 도입된다. 상술한 요령으로 선회 안정실(3) 내에서 선회하는 연료는, 분사 구멍(4) 내로 도입된다. 이때, 선회 안정실(3)보다도 직경이 작은 분사 구멍(4) 내에 도입됨으로써, 선회류의 선회 속도는 가속하여, 증속한다. 이 결과, 도 6에 도시한 바와 같이, 선회류의 중앙부에 부압이 발생하여 기주(AP)가 생성된다. 기주(AP)와의 계면에 있어서, 미세 기포가 생성되고, 생성된 미세 기포는 연료와 함께 분사된다.

연료의 미립화의 원리를 보다 상세하게 설명하면, 이하와 같다. 연료 분사 밸브(1) 내에서 선회 속도가 빠른 선회류가 형성되고, 그 선회류가 분사 구멍에 도입되면, 그 강한 선회류의 선회 중심에 부압이 발생된다. 부압이 발생되면 연료 분사 밸브(1)의 외부 공기가 분사 구멍(4) 내에 흡인된다. 이에 의해 분사 구멍(4) 내에 기주(AP)가 발생된다. 이와 같이 하여 발생된 기주(AP)와 연료의 계면에 있어서 기포가 생성된다. 생성된 기포는 기주(AP)의 주위를 흐르는 연료에 혼입되고, 기포 혼입류, 즉, 2상류로서 외주측을 흐르는 연료류와 함께 분사된다. 그 분사의 형상은, 중공의 콘 형상이다. 이로 인해, 분사 구멍(4)으로부터 이격될수록, 분무의 외경은 커지고, 기포를 형성하고 있는 액막은 잡아 당겨져 얇아진다. 그리고, 액막을 유지할 수 없어지면, 기포가 분열되고, 그 후, 미세 기포는 자기 가압 효과에 의해 직경이 작아져, 붕괴(압괴)에 이르고, 초미세한 연료 입자가 형성된다. 이와 같이, 연료의 미립화가 달성된다.

이상이 연료 분사 밸브(1)의 연료 미립화의 원리이다. 이 원리를 유효하게 이용하기 위해, 연료 분사 밸브(1)의 분사 구멍(4)의 분사 구멍 직경은 0.7㎜로 설정되어 있다. 이 직경은, 통상이라면, 연소실 내로부터의 화염이 침입되는 거리이다. 분사 구멍(4)으로부터 연료 분사 밸브(1) 내에 화염이 침입되면, 연료 분사 밸브(1) 내의 연료가 탄화될 우려가 있다. 연료가 탄화되어, 디포짓으로서 퇴적하면, 연료 분사 밸브(1)에 있어서의 유밀 불량이나 분무 악화를 초래할 가능성이 있다. 따라서, 연료 분사 밸브(1)에서는, 니들 밸브(6)가 폐쇄 밸브 상태에 있을 때의 분사 구멍(4)의 입구(4a)와 연료 충돌부(7)의 저면(7b)의 거리를, 분사 구멍(4)으로부터 침입하는 화염의 소염 거리 이하로 설정하고 있다. 구체적으로, 도 1의 (A)에 도시하는 거리 S를 0.4㎜ 이하로 설정하고 있다. 소염 거리라 함은, 화염이 소멸해 버리는 거리이다. 화염은, 소정의 거리 이하의 간극을 통과하려고 했을 때에, 그 주위의 구조물에 열을 빼앗겨 소멸한다. 따라서, 연료 분사 밸브(1)에서는, 그 소염 거리를 0.4㎜로 하여, 거리 S를 설정하고 있다. 또한, 0.4㎜라는 거리는, 절대적인 것은 아니고, 화염을 소멸시켜, 연료 분사 밸브(1) 내로의 침입을 회피할 수 있는 거리이면, 다른 거리여도 된다. 또한, 연료 분사 밸브(1)에서는, 화염의 연료 분사 밸브(1) 내로의 침입을 회피한다는 관점에서, 연료 충돌부(7)의 저면(7b)의 직경을 분사 구멍 직경보다도 크게 설정하고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)에 의하면, 데드 연료를 미립화할 수 있다.

(제2 실시 형태)

다음에, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 제2 실시 형태의 연료 분사 밸브(11)가 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)와 상이한 점은, 니들 밸브의 형상, 보다 구체적으로, 연료 충돌부의 형상이다. 즉, 연료 분사 밸브(11)는, 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)가 구비하는 니들 밸브(6) 대신에, 니들 밸브(16)를 구비한다. 니들 밸브(16)는, 연료 충돌부(7)를 대신하는 연료 충돌부(17)를 구비한다. 또한, 다른 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 공통되는 구성 요소에 대해서는 도면 중, 동일한 참조 번호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

연료 충돌부(17)는, 도 8에 명백한 바와 같이, 그 외주벽에 나선 홈(17a)을 구비하고 있다. 이 나선 홈(17a)의 니들 밸브(16)의 축심(AX)에 대한 선회 방향은, 니들 가이드(5)가 구비하는 선회 홈(5b)의 니들 밸브(16)의 축심(AX)에 대한 선회 방향과 동일한 방향으로 되어 있다.

연료 충돌부(17)의 위치는, 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)와 동일하게 설치되어 있다. 이로 인해, 연료 분사 밸브(11)의 개방 초기에 선회 안정실(3) 내로 도입된 데드 연료는, 연료 충돌부(17)로 충돌한다. 연료 충돌부(17)로 충돌한 데드 연료는, 나선 홈(17a)을 따름으로써, 스스로 선회 성분을 얻을 수 있다.

여기서, 나선 홈(17a)의 선회 방향과 선회 홈(5b)의 선회 방향에 대해 도 9를 참조하면서 설명한다. 도 9 중, θ1은, 선회 홈(5b)의 축심(AX)에 대한 기울기를 나타내고 있다. 또한, θ2는 나선 홈(17a)의 축심(AX)에 대한 기울기를 나타내고 있다. 도 9로부터 명백한 바와 같이, θ1과 θ2는 모두, 축심(AX)에 대해 플러스(＋) 방향으로 기울어져 있다. 즉, 양자의 선회 방향은 동일하다. 이에 의해, 나선 홈(17a)에 의해 데드 연료에 부여되는 선회 성분이, 선회 홈(5b)에 의해 부여되는 선회 성분을 저해하는 경우가 없다. 가령, 한쪽이 도 9 중, 플러스(＋)측으로 경사져서 선회하고, 다른 쪽이 마이너스(-)측으로 선회하고 있으면, 선회 속도를 약화시켜 버린다. 따라서, 양자 모두 동일한 방향으로 선회시킴으로써, 선회 속도의 서로 상쇄를 회피할 뿐만 아니라, 데드 연료의 선회 속도의 상승을 빠르게 할 수 있다. 또한, θ1과 θ2는 완전히 일치하고 있는 것은 요구되지 않고, 축심(AX)에 대해 동일한 방향으로 경사져, 선회 방향이 일치되어 있으면 된다.

제2 실시 형태의 연료 분사 밸브(11)에 의하면, 데드 연료는, 선회 홈(5b)을 통과함으로써 선회 성분을 갖는 연료류에 의해 선회 성분이 부여되기 이전에 스스로 선회 성분을 얻을 수 있다. 이로 인해, 예를 들어, 연소압이 낮은 환경 하에 있어서도 연료를 효과적으로 선회시킬 수 있고, 연료의 미립화를 도모할 수 있다.

(제3 실시 형태)

다음에, 도 10 및 도 11을 참조하여, 제3 실시 형태에 대해 설명한다. 제3 실시 형태의 연료 분사 밸브(21)가 제2 실시 형태의 연료 분사 밸브(11)와 상이한 점은, 연료 분사 밸브(21)가, 니들 밸브가 구비하는 시트부와 연료 충돌부 사이에 테이퍼부를 갖는 점이다. 또한, 연료 분사 밸브(21)는, 제1 실시 형태의 연료 분사 밸브(1)나 제2 실시 형태의 연료 분사 밸브(11)가 구비하는 분사 구멍(4) 대신에, 분사 구멍(24)을 구비한다. 또한, 다른 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 공통되는 구성 요소에 대해서는 도면 중, 동일한 참조 번호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략한다.

연료 분사 밸브(21)는, 니들 밸브(26)를 구비한다. 니들 밸브(26)는, 시트부(26a)와 연료 충돌부(27) 사이에 테이퍼부(27b)를 구비한다. 테이퍼부(27b)를 구비함으로써, 선회 안정실(3) 내로 도입되는 연료의 박리를 억제할 수 있다. 이에 의해, 원활하게 데드 연료를 연료 충돌부(27)로 유도할 수 있고, 데드 연료를 효과적으로 선회 안정실(3) 내로 체류시켜 둘 수 있다. 또한, 연료가 선회 안정실(3) 내로 도입될 때에 박리가 발생되면, 불안정한 선회류로 되어, 분무의 불균일이 발생되기 쉬워지지만, 테이퍼부(27b)는, 이를 억제할 수도 있다. 또한, 연료 충돌부(27)는, 제2 실시 형태의 연료 분사 밸브(11)와 마찬가지로 나선 홈(27a)을 구비하지만, 이것은, 나선 홈(17a)과 공통되므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

테이퍼부(27b)의 축심(AX)에 대한 각도 Φ2는, 원활하게 연료를 연료 충돌부(27)로 유도하므로, 시트면(22c)의 축심(AX)에 대한 각도 Φ1보다도 크게 설정되어 있다. Φ2는, Φ1의 1/2 정도의 각도로 함으로써, 효과적으로 연료의 박리를 억제할 수 있다.

분사 구멍(24)은, 축심(AX)에 대해 오프셋되어 형성되어 있다. 제3 실시 형태의 연료 분사 밸브(21)는, 선회 안정실(23) 내에서 안정된 선회류를 얻을 수 있으므로, 오프셋하여 형성된 분사 구멍(24)으로도 안정적으로 연료의 선회류를 도입할 수 있다. 또한, 제1 실시 형태나 제2 실시 형태에 있어서도, 오프셋된 분사 구멍을 채용할 수 있다.

(변형예)

이상 설명한 바와 같이, 연료 충돌부의 형상은 다양하게 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 12의 (A), (B)에 도시한 바와 같이, 니들 밸브(36)의 시트부(36a)의 선단측에 원뿔대형의 연료 충돌부(37)를 설치해도 된다. 또한, 도 13의 (A)에 도시한 바와 같이, 니들 밸브(46)의 시트부(46a)의 선단측에 판 형상의 연료 충돌부(47)를 설치해도 된다. 또한, 도 13의 (B)에 도시한 바와 같이, 니들 밸브(56)의 시트부(56a)의 선단측에 구 형상의 연료 충돌부(57)를 설치해도 된다. 요는, 데드 연료를 선회 안정실 내로 멈추어 둘 수 있는 것이라면, 채용할 수 있다.

상기 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 일례에 지나지 않는다. 따라서 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형, 변경이 가능하다.

1, 11, 21 : 연료 분사 밸브
2, 22 : 노즐 바디
2a, 22a : 내주벽
2b, 22b : 압력실
2c, 22c : 시트면
3, 23 : 선회 안정실
3a : 저면
3b : 내주벽
4, 24 : 분사 구멍
4a : 입구
5 : 니들 가이드
5a : 연료 연통로
5b : 선회 홈
6, 16, 26, 36, 46, 56 : 니들 밸브
6a, 16a, 26a, 36a, 46a, 56a : 시트부
7, 17, 27, 37, 47, 57 : 연료 충돌부
7a : 만곡부
7b : 저면
8 : 데드 연료 체류부
17a, 27a : 나선 홈
27b : 테이퍼부
AP : 기주
AX : 축심
F : 가상면

Claims

니들 밸브의 선단측에 시트부를 갖는 니들 밸브와,
상기 시트부가 착좌하는 시트면을 구비하며, 상기 시트면의 하류측에 선회 안정실을 구비하며, 상기 선회 안정실 내에 입구를 갖는 분사 구멍을 구비하는 노즐 바디와,
상기 선회 안정실에 도입되는 연료 흐름에 선회 성분을 더하는 선회 홈이 형성된 선회류 생성부와,
상기 니들 밸브의 선단부에 설치되어, 상기 니들 밸브가 개방된 상태일 때에, 상기 노즐 바디가 구비하는 상기 시트면을 상기 분사 구멍측으로 연장한 가상면과 교차하는 연료 충돌부를 구비하며, 상기 연료 충돌부는 그 외주벽에 나선 홈을 구비하고, 상기 나선 홈의 상기 니들 밸브의 축심에 대한 선회 방향을, 상기 선회 홈의 상기 니들 밸브의 축심에 대한 선회 방향과 동일 방향으로 하고,
상기 연료 충돌부는 상기 니들 밸브가 개방되었을 때에, 상기 선회 안정실 내로 도입되는 상기 연료 흐름을 상기 선회 안정실의 내주벽측을 향해 편향되도록 설정된, 연료 분사 밸브.
삭제
제1항에 있어서, 상기 연료 충돌부는 상기 연료 충돌부의 외주벽에 구비된 만곡부를 구비하며, 상기 만곡부는 상기 외주벽으로부터 상기 니들 밸브의 축심을 향해 오목 형상으로 만곡된, 연료 분사 밸브.
제1항에 있어서, 상기 시트부와 상기 연료 충돌부 사이에 테이퍼부를 설치한, 연료 분사 밸브.
제1항에 있어서, 상기 선회 안정실의 저면은 상기 니들 밸브의 축심과 직교하는 평활면이고, 상기 분사 구멍의 중심축은 상기 니들 밸브의 축심과 일치한, 연료 분사 밸브.
제1항에 있어서, 상기 니들 밸브가 폐쇄 상태에 있을 때의 상기 분사 구멍의 입구와 상기 연료 충돌부의 저면의 거리는 상기 분사 구멍으로부터 침입하는 화염의 소염 거리보다 같거나 작게 설정된, 연료 분사 밸브.
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