KR101850630B1

KR101850630B1 - 연소 엔진용의 연료 분사 밸브

Info

Publication number: KR101850630B1
Application number: KR1020167002546A
Authority: KR
Inventors: 프란치스코 렌지; 마우로 그란디; 스테파노 필리피
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2018-04-19
Also published as: KR20160025616A; WO2015003846A1; CN105378264A; CN105378264B; US20160138542A1; EP2824313A1; EP2824313B1

Abstract

연소 엔진용의 연료 분사 밸브(1)는 밸브 본체(7)를 포함한다. 상기 밸브 본체(7)는 밸브 공동(13)과 노즐 본체(24)를 포함한다. 상기 노즐 본체(24)는 상기 밸브 공동(13)의 자유 용적을 제한하고 적어도 하나의 노즐 애퍼처(25)를 포함한다. 상기 노즐 본체(24)는, 상기 연소 엔진의 연소 챔버를 향하고 상기 적어도 하나의 노즐 애퍼처(25)를 둘러싸는 표면(33)을 포함한다. 상기 표면(33)은, 상기 노즐 애퍼처(25)를 완전히 측방향으로 둘러싸고 유체-반발성인 제1 영역(37)을 포함한다. 상기 표면(33)은, 상기 제1 영역(37)을 측방향으로 둘러싸고 상기 제1 영역(37)보다 더 약한 유체-반발성을 갖거나 유체-친화성인 제2 영역(39)을, 제1 영역(37)에 인접하여 포함한다.

Description

연소 엔진용의 연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE FOR A COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 연소 엔진용의 연료 분사 밸브로서, 상기 분사 밸브는 밸브 본체(valve body)를 포함하고, 상기 밸브 본체는 밸브 공동(valve cavity)과 노즐 본체(nozzle body)를 포함하는, 연료 분사 밸브에 관한 것이다.

연료 분사 밸브는 특히 유체를 내연 엔진의 흡기 다기관으로 주입(dose)하거나 또는 내연 엔진의 실린더의 연소 챔버로 직접 주입하기 위하여 배열될 수 있는 내연 엔진에 널리 사용되고 있다.

예를 들어, 차량에 배열된 내연 엔진에 의해 방출이 허용되는 오염물질에 관한 법적 규제가 점점 더 엄격해지는 것으로 인해, 여러 방식으로 이 오염물질의 방출량을 감소시키는 액션을 취하는 것이 필요하다.

하나의 가능한 시작점은 연소 엔진에 의해 직접 생산되는 오염 물질의 방출량을 감소시키는 것이다. 예를 들어, 매연의 생성은 연소 엔진의 각 실린더 내 연료-혼합물을 준비하는 것에 매우 의존한다.

엔진 수명 동안 연료 분사 밸브의 코킹(coking)으로 인해 연소 공정의 성능 저하가 발생할 수 있다.

본 발명의 하나의 목적은, 신뢰성 있고 정확하게 기능하는, 연소 엔진용의 연료 분사 밸브를 생성하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항의 특징을 가지는 연료 분사 밸브에 의해 달성된다. 상기 연료 분사 밸브의 유리한 실시예는 종속 청구항에 제시된다.

제1 측면에 따라 연료 분사 밸브의 노즐 본체가 개시된다. 제2 측면에 따라, 연소 엔진의 연료 분사 밸브가 개시된다.

상기 분사 밸브는 밸브 본체를 포함하고, 상기 밸브 본체는 밸브 공동과 상기 노즐 본체를 포함한다. 바람직하게는, 상기 노즐 본체는, 예를 들어, 억지끼워 맞춤(press-fit) 연결 및/또는 납땜(brazed)되거나 또는 용접된 연결에 의해 밸브 베이스 본체(valve base body)에 고정된 별개의 부재이다. 대안적으로, 상기 노즐 본체는 상기 밸브 베이스 본체와 하나의 부재일 수 있다.

상기 밸브 공동은 상기 밸브 본체의 연료 입구 단부로부터 연료 출구 단부로 연장될 수 있다. 상기 노즐 본체는 상기 밸브 공동의 자유 용적(free volume)을 제한할 수 있다. 다시 말해, 상기 노즐 본체는 상기 밸브 베이스 본체의 연료 출구 단부에 위치될 수 있다. 다시 말해, 상기 노즐 본체는 상기 밸브 공동의 하류 단부에 배열된다.

상기 노즐 본체는 적어도 하나의 노즐 애퍼처(nozzle aperture)를 포함한다. 나아가, 상기 노즐 본체는, 상기 연소 엔진의 연소 챔버를 향하고 상기 적어도 하나의 노즐 애퍼처를 둘러싸는 외부 표면을 포함한다. 다시 말해, 상기 노즐 애퍼처는 상기 노즐 본체의 내부 표면으로부터 상기 노즐 본체의 외부 표면으로 상기 노즐 본체를 통해 연장된다. 상기 내부 표면은 특히 상기 밸브 공동을 향해 있다. 상기 외부 표면은 특히 상기 밸브 공동으로부터 먼 측에 있다. 다시 말해, 상기 내부 표면은 상기 연료 입구 단부 쪽을 향할 수 있고, 상기 외부 표면은 상기 분사 밸브의 연료 입구 단부로부터 먼 쪽을 향할 수 있다.

상기 외부 표면은, 유체와 90°를 초과하는 접촉 각도를 형성하도록 설계된 제1 영역을 포함한다. 상기 제1 영역은 상기 노즐 애퍼처를 측방향으로 - 부분적으로 또는 완전히- 둘러쌀 수 있다. 이 제1 영역은 상기 노즐 애퍼처로부터 측방향으로 이격되거나 또는 이 제1 영역은 상기 노즐 애퍼처에 직접 인접할 수 있다.

예를 들어, 상기 유체는 가솔린 또는 디젤이다. 상기 접촉 각도가 90°를 초과하는 경우, 상기 외부 표면의 제1 영역은 유체-반발성(fluid-phobic) 접촉 표면이라고도 지칭될 수 있는 소위 유체-반발성 표면이다.

상기 접촉 각도는 상기 표면과 상기 유체의 액체 액적 사이의 각도이다. 상기 접촉 각도는 또한 습윤 각도(wetting angle) 및/또는 에지 각도(edge angle)라고 지칭될 수 있다. 상기 접촉 각도는, 예를 들어, 영의 방정식(Young's equation)에 의해 한정된다. 상기 접촉 각도가 작으면 작을수록, 상기 액적이 상기 표면에 점착되는 효과는 더 강해진다. 상기 접촉 각도가 크면 클수록, 상기 유체-반발성 표면이 액적에서 오프로드(offload)되는 효과는 더 강해진다. 예를 들어, 매우 작은 접촉 각도는 거의 0°이므로 액적은 상기 표면에 용이하게 부착할 수 있다. 이와 달리, 큰 접촉 각도는, 예를 들어, 약 140°이고, 따라서, 액적은 상기 표면으로부터 분리될 수 있다. 상기 접촉 각도는 상기 접촉 표면에서 물질종들 사이에 상호 작용하는 에너지에 종속한다. 유체가 상기 접촉 표면에 부착하는 것보다 구형 액적(spherical droplet)을 형성하는 것이 에너지 면에서 더 유리하기 때문에 상기 상호 작용이 작으면 작을수록, 상기 접촉 각도는 더 크다. 일반적으로, 상기 접촉 각도가 90°미만인 경우, 상기 표면은 유체-친화성(fluid-philic)으로 고려된다. 상기 접촉 각도가 90°를 초과하면, 상기 표면은 유체-반발성으로 고려된다.

상기 노즐 본체와 상기 연료 분사 밸브는 상기 노즐 본체의 외부 표면에 침착물(deposit)이 형성되는 것을 본질적으로 회피하는 것에 의해 오염물질 방출량이 감소될 수 있다는 아이디어를 이용한다. 상기 노즐 본체의 구역은 또한 인젝터 첨단(injector tip)이라고도 지칭될 수 있다. 상기 인젝터 첨단에 이러한 침착은 엔진 인가 동안 분사 밸브 기능 - 노즐 애퍼처를 떠나는 특히 연료의 스프레이 특성 - 을 저하시킨다.

인젝터 첨단 침착물은, 연료 액적이 분사 공정 후에 상기 인젝터 첨단에 남아 있는, 소위 "첨단 습윤(tip-wetting)" 거동에 의해 주로 생성된다. 상기 인젝터 첨단에 연료 액적은 방출 성능을 저하시킨다. 분사 공정 동안, 상기 유체 - 예를 들어 가솔린 또는 디젤 같은 연료 - 는 상기 인젝터 첨단의 표면을 습윤시킬 수 있다. 이것은 본질적으로 탄소로 구성된 침착물을 초래할 수 있고, 상기 인젝터 첨단에 습윤 잔류물이 코킹되는 것을 초래할 수 있다. 통상적으로, 이 침착물은 다공성 구조를 가져서, 가스 및/또는 액체 유체를 흡수하는 것에 의해 후속 분사 공정 동안 코킹 공정을 지원한다. 이것은 많은 탄소- (또한 HC-)와 입자를 방출시킬 수 있다.

유리하게는, 본 발명에 따른 노즐 본체의 외부 표면은 표면의 액적이 융합되거나 또는 응집되는 것을 본질적으로 회피한다. 따라서, 분사 및 연소 공정 동안 유체 각각 유체 액적이 코킹되고 침착물이 형성되는 것이 회피될 수 있고, 오염물질의 방출 또는 입자의 방출이 감소된다.

외부 표면의 제1 영역은 노즐 본체의 외부 표면과 유체 사이에 점착력을 최소화시킬만큼 충분히 큰 유체 접촉 각도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 유체 접촉 각도는 유체 특히 가솔린 또는 디젤에 대해서는 90°를 초과한다. 분사 공정 동안 노즐 본체의 외부 표면에 부착될 수 있는 액체 액적은 외부 표면으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 따라서, 액적의 누적, 액적의 코킹 및/또는 침착이 완전히 또는 적어도 특히 대부분 회피될 수 있다. 이런 방식으로, 수명에 걸쳐 인젝터 흐름에 특히 작은 변동이 달성될 수 있다. 나아가, 분사 및 최소화된 입자 방출 또는 오염물질 방출 동안 연료 스프레이의 최소화된 변동이 달성될 수 있다.

유리하게는, 외부 자극, 즉 동작 동안 엔진의 진동 및/또는 실린더 내 연소 가스 또는 공기의 움직임으로도 본 발명에 따른 노즐 본체의 외부 표면으로부터 연료 액적을 분리시킬 만큼 충분할 수 있다. 엔진이 턴오프된 시간 동안, 엔진이 다시 턴온되자마자 액적이 분리될 수 있다.

여러 실시예에서, 외부 표면의 제1 영역은 작은 돌출부 및/또는 큰 리세스를 포함한다. 예를 들어, 돌출부들 각각의 최대 측방향 치수는 측방향으로 인접한 돌출부들 사이의 거리 미만이다. 상기 거리는 특히 돌출부들의 기하학적 중력 중심들 사이의 거리이다.

상기 작은 돌출부 및/또는 상기 큰 리세스는 레이저 산란에 의해 생산될 수 있다. 예를 들어, 상기 작은 돌출부는 특히 큰 리세스에 의해 서로 분리되는 작은 범프(bump) 및/또는 핀(pin)일 수 있다. 따라서, 제1 영역에서, 상기 외부 표면은 외부 표면으로부터 액적이 용이하게 분리되기 위하여 액체와 90°를 초과하는 접촉 각도를 형성할 수 있다.

여러 실시예에서 제1 영역에서 돌출부는 나노미터 범위의 측방향 치수를 구비할 수 있다. 본 문맥에서 "나노미터 범위"는 특히 1㎚ 내지 100㎚의 범위인 것으로 이해된다.

여러 실시예에서, 제1 영역에서 리세스는 마이크로미터 범위의 측방향 치수를 구비할 수 있다. 여러 실시예에서, 측방향으로 인접한 돌출부들 사이의 거리는 제1 영역에서 마이크로미터 범위일 수 있다. 본 문맥에서 "마이크로미터 범위"는 특히 100㎚ 내지 100㎛, 바람직하게는 100㎚ 내지 10㎛의 범위인 것으로 이해된다.

여러 실시예에서 돌출부들의 최대 측방향 치수, 예를 들어, 최대 직경은 제1 영역에서 30㎚ 내지 100㎚이다. 큰 리세스의 최대 직경 또는 제1 영역에서 측방향으로 인접한 돌출부들 사이의 최대 거리는 여러 실시예에서 300㎚ 내지 600㎚이다.

여러 실시예에서, 외부 표면은 유체와 90°미만의 접촉 각도를 형성하도록 설계된 제2 영역을 더 포함한다. 유체는 특히 제1 영역이 90°를 초과하는 접촉 각도를 형성하는 유체와 동일한 유체이다.

상기 제2 영역은 상기 제1 영역에 인접할 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 영역과 인접할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 의해 측방향으로 둘러싸인다.

상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 더 약한 유체 반발성을 갖는다. 앞서 언급된 에너지를 고려하면, 유체의 액적은 액적이 이동하기 시작하는 표면보다 단지 약간만 유체-반발성이거나 적어도 더 적은 유체-반발성 영역 쪽으로 자연히 이동한다. 상기 외부 표면의 제2 영역은 상기 외부 표면의 제1 영역에 인접하므로, 상기 제1 영역에 점착된 액적은 인접한 제2 영역으로 이동하기 시도한다. 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로 이동하는 것에 의해 상기 액적은 이전의 분사 공정으로부터 종국적으로 코킹 침착물을 따라 드래그(drag)할 수 있다. 이것은 특히 상기 제1 영역에 이 코킹 침착물이 누적되는 것을 회피하도록 도와준다. 추가적으로, 이동하는 액적은 상기 외부 표면으로부터 보다 용이하게 분리될 수 있다.

여러 실시예에서 상기 외부 표면의 제2 영역은 작은 리세스 및/또는 큰 돌출부를 포함한다. 예를 들어, 상기 돌출부들 각각의 최대 측방향 치수는 측방향으로 인접한 돌출부들 사이의 거리를 초과한다.

전술한 상기 제1 영역과는 달리, 상기 제2 영역은, 예를 들어 범프 및/또는 핀일 수도 있는 큰 돌출부를 포함한다. 작은 리세스는 큰 돌출부들을 분리시킬 수 있다. 이것은, 유체 액적이 외부 표면의 제2 영역에 점착되는 것을 지원하는 유체 - 특히 가솔린 또는 디젤 - 와 90°미만의 접촉 각도를 제2 영역에 달성하는 것을 도와준다.

액적은 전술한 바와 같이 약한 유체 반발성 영역 쪽으로 자연히 이동하는 경향이 있으므로, 액적은 외부 표면의 제1 영역으로부터 제2 영역으로 자발적으로 이동할 수 있다. 제1 영역과 제2 영역은 2가지 모드의 조도(bimodal roughness)라고도 지칭될 수 있다. 전술한 바와 같이, 초기 액적 움직임은, 예를 들어, 엔진이 시작할 때 및/또는 또한 공기 움직임이 연소 챔버 내에 생성될 때 진동에 의해 주어지는 외부 자극을 요구할 수 있다. 다시, 엔진이 턴오프된 시간 동안, 액적은 또한 더 약한 유체 반발성 영역 쪽으로 자발적으로 이동할 수 있고, 엔진이 다시 턴온되자마자 분리될 수 있다.

여러 실시예에서, 제2 영역에서 리세스는 나노미터 범위의 측방향 치수를 구비한다. 여러 실시예에서, 측방향으로 인접한 돌출부들 사이의 거리는 제2 영역에서 나노미터 범위일 수 있다. 여러 실시예에서, 제2 영역에서 돌출부들은 마이크로미터 범위의 측방향 치수를 구비한다.

여러 실시예에서, 돌출부의 최대 측방향 치수, 예를 들어 최대 직경은 제2 영역에서 300㎚ 내지 600㎚이다. 여러 실시예에서, 리세스의 최대 직경 또는 제2 영역에서 측방향으로 인접한 돌출부들 사이의 최대 거리는 30㎚ 내지 100㎚이다. 이러한 치수를 구비하는 큰 돌출부 및/또는 작은 리세스는 표면의 제2 영역이 유체와 90°미만의 접촉 각도를 형성하는 것을 보장한다.

여러 실시예에서, 외부 표면의 제1 영역은 외부 표면의 제2 영역보다 적어도 하나의 노즐 애퍼처에 더 가까이 배열된다. 따라서, 표면의 제2 영역으로 자발적으로 이동하려고 하는 표면에 점착된 액적은 적어도 하나의 노즐 애퍼처로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 노즐 애퍼처에 인접하거나 가까이 있는 액적 또는 침착물은 분사 밸브의 분사 스프레이와 간섭할 수 있으므로, 액적 또는 침착물은 노즐 애퍼처에 가까이 있지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 수명에 걸쳐 스프레이 각도에 최소화된 변동과 최소화된 분사 흐름의 변동이 본 발명에 따른 노즐 본체에 달성될 수 있다. 예를 들어, 노즐 애퍼처에 인접한 액적 또는 침착물은 장애물로 보일 수 있고, 이는 스프레이 각도에 영향을 미칠 수 있다. 추가적으로, 유체 스프레이의 진행이 부정적으로 영향을 받을 수 있다.

여러 실시예에서 분사 노즐의 외부 표면은 유체와 90°를 초과하는 습윤 각도를 형성하는 적어도 하나의 코팅, 특히 유체-반발성 코팅에 의해 적어도 부분적으로 커버된다. 예를 들어 테프론(Teflon)일 수 있는 이러한 코팅은, 외부 표면에까지, 예를 들어 외부 표면의 제1 영역으로까지 이르러, 유체와 90°를 초과하는 습윤 각도를 형성하는 것을 지원할 수 있다. 이러한 코팅을 통해, 예를 들어, 원하는 접촉 각도를 형성하는 것을 지원하는 변경된 표면이 달성될 수 있다. 이러한 코팅은 10㎚ 내지 100㎚의 범위의 매우 작은 두께를 구비할 수 있다. 바람직하게는, 코팅은 제1 영역 및/또는 제2 영역의 러그 지형(rugged topography)를 따라간다. 특히, 제1 영역 및/또는 제2 영역의 구역에서 코팅은, 전술한 바와 같이 적어도 하나의 실시예에 따라 돌출부 및/또는 리세스를 구비한다.

본 발명의 예시적인 실시예는 개략 도면과 참조 부호를 참조하여 이하에서 설명된다. 동일한 참조 부호는 동일한 기능을 갖는 구성요소 또는 성분을 나타낸다. 구성요소 또는 성분이 서로 기능적으로 대응하는 한, 이들에 대한 설명은 다음 도면 각각에 대한 설명에서 반복하지 않는다.
도 1은 분사 밸브의 길이방향 단면도;
도 2는 분사 첨단의 확대 단면도; 및
도 3은 노즐 본체의 표면의 개략 단면도.

도 1은 노즐 조립체 그룹(3)과 작동체(5)를 갖는 분사 밸브(1)의 예시적인 실시예를 도시한다. 작동체(5)는 노즐 조립체 그룹(3)과 기능적으로 상호 작용한다.

노즐 조립체 그룹(3)은 밸브 본체(6)를 포함한다. 분사 밸브(1)는 인젝터 본체(9)를 더 포함한다. 밸브 본체(6)는, 예를 들어, 노즐 캡 너트(11)에 의해 인젝터 본체(9)에 고정되게 결합된다. 인젝터 본체(9)를 밸브 본체(6)에 고정되게 결합하기 위해 억지끼워 맞춤 및/또는 용접된 연결과 같은 대안적인 연결이 더 고려될 수 있다. 밸브 본체(6)와 인젝터 본체(9)는 분사 밸브(1)의 연료 출구 단부(31)를 분사 밸브(1)의 연료 입구 단부(32)에 유압적으로 연결하는 분사 밸브(1)의 공통 하우징을 형성한다.

밸브 본체(6)는 중심 길이방향 축(15)을 갖는 밸브 공동(13)과 벽(17)을 포함하는 베이스 본체(7)를 구비한다. 밸브 공동(13) 내에는 니들(19)이 배열되고, 이 니들은 노즐 조립체 그룹(3)에 포함된다. 니들(19)은 하나의 단부에 밀봉 요소(21)를 구비한다. 밀봉 요소(21)는 특히 유체 출구 단부를 향하는 둥근 단부 부분을 구비할 수 있다. 니들(19)은 축방향으로 이동가능한 방식으로 밸브 공동(13)의 영역에서 가이드되고, 스프링 요소(23)에 의해 유체 출구 단부(31) 쪽으로 바이어스된다.

밸브 본체(6)는 밸브 공동(13)의 자유 용적을 제한하는 노즐 본체(24)를 더 포함한다. 노즐 본체(24)는, 니들(19)의 밀봉 요소(21)에 인접하게 배열된 하나 또는 수 개의 노즐 애퍼처(25)를 포함한다. 노즐 본체(24)는 밸브 안착부(26)를 포함한다. 폐쇄된 위치에서, 니들(19)의 밀봉 요소(21)는 스프링 요소(23)의 스프링 힘으로 인해 밸브 안착부(26)에 밀봉 안착된다. 폐쇄된 위치에서, 밀봉 요소(21)는 이런 방식으로 노즐 애퍼처(들)(25)를 통한 유체의 흐름을 방지한다.

인젝터 본체(9)는 작동체 요소(27)가 내부에 배열된 리세스를 구비한다. 리세스는 밸브 공동(13)을 연료 입구 단부(32) 쪽으로 연장한다. 작동체 요소(27)는 전자기-작동체의 전기자일 수 있다. 작동체(5)는 니들(19)이 중심 길이방향 축(15)의 방향을 따라 움직임을 수행할 수 있도록 니들(19)과 작동체 요소(27)가 기계적으로 상호 작용하는 것에 의해 니들(19)을 작동시킨다.

스프링 요소(23)는 힘을 니들(19)에 가하여 밀봉 요소(21)를 밸브 안착부(26)에 가압하여, 밸브 본체(6)의 하나 또는 수 개의 노즐 애퍼처(25)를 통해 유체가 흐르는 것을 방지한다. 가해지는 힘은 폐쇄 방향으로 작용한다. 작동체(5)를 작동시키는 것에 의해, 니들(19)은 폐쇄된 위치로부터 멀어져 개방된 위치 쪽으로 축방향으로 이동된다. 이런 방식으로 하나 또는 수 개의 노즐 애퍼처(25)를 통해 유체가 흐르는 것이 구현된다.

바람직하게는, 유체는 가솔린 또는 디젤이다. 유체는 다른 물질종, 예를 들어 카바마이드(carbamide)와 같은 유기 화합물일 수도 있다.

도 2는 도 1의 구획(29)의 확대도로서, 분사 밸브(1)의 연료 출구 단부(31)의 구조적 설계(constructional design)를 보다 상세히 도시한다. 연료 출구 단부(31)는 특히, 노즐 본체(24)를 포함하고 연소 챔버를 향하는 분사 밸브(1)의 일부를 한정한다.

밸브 본체(6)는 노즐 본체(24)를 포함하고, 노즐 본체(24)는 밸브 공동(13)의 자유 용적을 한정한다. 노즐 본체(24)는 밸브 본체(6)의 베이스 본체(7)에 고정된다. 이 실시예에서, 노즐 본체(24)는 하나의 노즐 애퍼처(25)만을 포함한다. 대안적으로, 노즐 본체(24)는 수 개의 노즐 애퍼처(25)를 포함할 수 있다.

도 2(및 도 1)에 따라, 베이스 본체(7)와 노즐 본체(24)는 2개의 부재이다. 대안적으로, 밸브 본체(6)는 노즐 본체(24)를 나타내는 제1 부분과 베이스 본체(7)를 나타내는 제2 부분을 포함하는 하나의 부재로 형성될 수 있다. 노즐 본체(24)는 베이스 본체(7)와 일체로 설계된다.

니들(19)이 유체를 흐르게 하는 경우에, 유체는 하나의 노즐 애퍼처(25)를 통해 연소 엔진의 연소 챔버로 진행할 수 있다. 이러한 분사 공정에 의해 유체는 노즐 본체(24)의 외부 표면(33)을 습윤하게 할 수 있다. 외부 표면(33)은 유체 입구 단부(32)와 공동(13)으로부터 멀어지는 방향을 향한다. 이 외부 표면은 밸브 안착부(26)와 반대쪽 노즐 본체(24) 측에 위치된다.

종래의 분사 밸브에서, 하나 또는 수 개의 유체 액적은 표면(33)을 습윤하게 할 수 있고 이 표면에 점착될 수 있다. 수 개의 분사 공정 동안, 수 개의 액적은 결합하여 누적될 수 있다. 전술한 바와 같이, 연소 공정 동안 고온으로 인해, 액적 또는 누적된 액적은 코킹되어서 코킹 침착물이 생성되고 표면(33)에 부착될 수 있다. 이 코킹 침착물은 전술한 바와 같이 방출 성능 저하를 야기한다.

액적 또는 유체가 표면(33)에 점착되는 것을 방지하기 위해, 본 실시예에 따른 분사 밸브(1)의 경우에, 외부 표면(33)이 변경되고 변경된 조도를 포함한다.

도 3은 외부 표면(33)에 액적(40)이 있는 외부 표면(33)의 예시적인 구획(35)(도 2 참조)을 도시한다. 도 3에 도시된 구성요소들과 그 사이즈 관계는 축척에 맞는 것이 아니다. 오히려, 개개 구성요소들은 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위하여 과장된 사이즈로 표시되었다.

도 3은 중심 길이방향 축(15)을 포함하는 평면에 노즐 본체(24)의 외부 표면(33)의 개략 단면도를 도시한다. 외부 표면(33)은 제1 영역(37)과 제2 영역(39)을 포함한다. 제1 영역(37)은 분사 밸브(1)에 의해 분사될 유체의 액적(40)과 90°를 초과하는 접촉 각도(Θ)를 형성하도록 설계되고, 여기서 이 유체는 특히 가솔린 또는 디젤이다. 제2 영역(39)은 상기 유체의 액적(40)과 90°미만의 접촉 각도(Θ)를 형성하도록 설계된다. 그리하여, 외부 표면(33)은 2가지 모드의 조도를 포함한다.

액적(40)과 제1 영역(37) 사이에 점착력은 90°초과의 유체 접촉 각도(Θ)로 인해 특히 작다. 이러한 접촉 각도는 수 개의 작은 돌출부(41)와 수 개의 큰 리세스(43)를 포함하는 제1 영역(37)에 의해 달성될 수 있다. 작은 돌출부(41)는, 예를 들어, 범프, 핀 및/또는 작은 타워(tower)일 수 있다. 도시된 실시예에서, 작은 돌출부는 나노미터 범위의 치수, 특히 측방향 치수를 포함하고, 작은 폭을 포함하는 타워이다. 예를 들어, 작은 돌출부(41)의 최대 직경, 예를 들어 최외각 직경은 30㎚ 내지 100㎚이다.

큰 리세스(43)는 또한 소위 큰 간격일 수도 있다. 특히, 작은 돌출부(41)는 비교적 큰 거리만큼 측방향으로 이격된다. 큰 리세스(43) 또는 인접한 작은 돌출부(41)의 측방향 거리는, 예를 들어, 마이크로미터 범위의 치수를 구비할 수 있다. 예를 들어, 큰 리세스(43)의 최대 직경 - 예를 들어 최외각 직경 - 또는 직접 인접한 돌출부(41)의 최대 측방향 거리는 300㎚ 내지 600㎚이다. 이러한 큰 리세스(43)와 작은 돌출부(41)는 제1 영역(37)과 액적(40) 사이에 90°를 초과하는 접촉 각도(Θ)를 형성하기에 적절하다. 이러한 접촉 각도(Θ)는 액적(40)과 표면(33) 사이의 점착력을 최소화한다. 따라서, 액적(40)은 노즐 본체(24)로부터 용이하게 분리할 수 있다. 수 개의 분사 공정 동안 액적(40)의 누적은 이에 따라 회피되거나 또는 적어도 크게 감소될 수 있다. 추가적으로, 외부 표면(33)에 형성된 코킹 침착물이 없거나 적어질 수 있다.

액적(40)이 외부 표면(33)의 제1 영역(37)으로부터 분리되기 위하여, 외부 자극이 요구될 수 있다. 이러한 외부 자극은 엔진의 진동 또는 연소 챔버 내 공기 또는 연소 가스의 움직임일 수 있다.

제2 영역(39)은, 액적(40)과 90°미만의 접촉 각도(Θ)를 나타내기 위하여 큰 돌출부(45)와 작은 리세스(47)를 포함한다. 제2 영역(39)은 제1 영역(37)보다 더 약한 유체-반발성 표면을 포함한다. 큰 돌출부(45)는, 예를 들어, 범프, 핀 및/또는 큰 타워일 수 있다. 도시된 실시예에서, 큰 돌출부(45)는 마이크로미터 범위의 치수를 포함하고, 큰 폭을 포함하는 타워이다. 큰 돌출부(45)는, 예를 들어, 마이크로미터 범위의 치수를 포함할 수 있고, 큰 돌출부(43)의 최대 직경, 예를 들어 최외각 직경은 300㎚ 내지 600㎚이다. 작은 리세스(47)는 또한 소위 작은 간격일 수 있다. 특히, 큰 돌출부(45)는 비교적 작은 거리만큼 측방향으로 이격된다. 예를 들어, 작은 리세스(47)의 최대 직경 - 예를 들어 최외각 직경 - 또는 직접 인접한 돌출부(45)의 최대 측방향 거리는 30㎚ 내지 100㎚이다. 이러한 작은 리세스(47)와 큰 돌출부(45)는 제2 영역(39)과 액적(40) 사이에 90°미만의 접촉 각도(Θ)를 형성하기에 적절하다. 이러한 접촉 각도(Θ)는 제1 영역(37)에 점착된 액적(40)의 점착력을 초과하는 액적(40)과 표면(33) 사이의 점착력을 형성한다.

제2 영역(39)은 제1 영역(37)에 인접하다. 특히, 제1 영역(37)은 노즐 애퍼처(25) 주위에 완전히 외주방향으로 연장되고, 제2 영역(39)은 제1 영역(37) 주위에 완전히 외주방향으로 연장된다. 제2 영역(39)은 제1 영역(37)에 바로 인접할 수 있다. 또한 제1 영역과 제2 영역(37, 39)(도면에 미도시) 사이에는 전이 구역이 있을 수 있다. 전이 구역에서, 돌출부는 제1 영역(37)에서의 작은 돌출부(41)의 측방향 치수와 제2 영역(39)에서의 큰 돌출부(45)의 측방향 치수 사이에 측방향 치수를 구비할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 인접한 돌출부의 측방향 거리는 제1 영역과 제2 영역(37, 39)에서의 각 거리들 사이의 값을 구비할 수 있다.

액적은 약한 유체 반발성 영역 쪽으로 자연히 이동하기 때문에, 액적(40)은 제1 영역(37)으로부터 제2 영역(39)으로 이동하여, 예를 들어 그 위치 에너지를 감소시킬 수 있다. 액적(40)이 제1 영역(37)으로부터 분리되지 않는 경우, 액적(40)은 제2 영역(39)으로 이동할 수 있고, 이전의 분사 공정으로부터 코킹 침착물을 따라 드래그할 수 있다. 따라서, 코킹 침착물의 누적이 회피된다. 다시 말해, 자가 클리닝 표면(33)이 제공된다. 액적(40)은, 예를 들어, 엔진이 턴온되자마자 분리될 수 있다. 대안적으로, 액적(40)은 또한 엔진의 진동 또는 연소 챔버 내 공기 움직임으로 인해 분리될 수 있다.

구역(35)의 배열에 따라, 제1 영역(37)은 제2 영역(39)보다 노즐 애퍼처(25)에 더 가까이 배열된다. 전술한 바와 같이, 액적(40)은 더 약한 유체 반발성을 갖는 영역 쪽으로 자발적으로 이동하기 때문에, 표면(33)으로부터 분리되지 않는 액적(40)은, 유체의 스프레이와 간섭하지 않는다. 이것은 수명에 따라 최소화된 인젝터 흐름의 변동과 스프레이 각도의 최소화된 변동을 달성하는 것을 도와준다.

도 3에 따른 구역(35)에서 외부 표면(33)은 평면 표면으로 도시되어 있다. 그러나, 구역(35) - 특히 제1 영역(37) - 은 노즐 애퍼처(25)가 외부 표면(33)으로 연장되는 노즐 본체(24)의 돌출부 49의 일부를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 변형(도면에 미도시)에서, 외부 표면(33)은 제1 영역(37)만을 포함하고 유체-친화성 제2 영역(90)을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(37)은 전체 외부 표면(33)과 일치한다. 미도시된 다른 대안에서, 제2 영역(39)은 노즐 본체(24)의 외부 표면(33)의 최좌측 또는 최우측 위치에만 배열될 수 있는 반면, 나머지 외부 표면(33)은 제1 영역(37)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 액적은 더 약한 유체 반발성을 갖는 영역 쪽으로 자연히 이동한다. 그리하여, 제2 영역(39)은 제1 영역(37)의 유체와의 접촉 각도(Θ)를 초과하는 유체와의 접촉 각도(Θ)를 형성할 것을 요구한다. 그리하여, 제2 영역(39)은 90°미만의 접촉 각도(Θ)를 형성할 것을 반드시 요구하는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 영역(37)은 유체 - 특히 가솔린 -와 120°의 접촉 각도(Θ)를 형성할 수 있다. 액적(40)이 제1 영역(37)으로부터 제2 영역(39)으로 이동하기 위하여, 제2 영역(39)은 예를 들어 상기 유체와 100°의 접촉 각도(Θ)를 형성하도록 설계될 수 있다.

액적(40)이 표면(33)으로부터 분리되기 위하여, 제1 영역(37)은 유체와 가능한 한 큰 접촉 각도(Θ)를 형성하여야 한다. 따라서, 액적(40)과 제1 영역(37) 사이에 점착력은 매우 작다.

도 2 및 도 3에 설명된 외부 표면(33)은 마이크로미터와 나노미터 범위의 2모드 튜닝가능한 조도를 포함한다. 이러한 조도는 레이저 산란 또는 플라즈마 이온화에 의해 유리하게 달성될 수 있다.

도시된 실시예에서, 노즐 본체(24)는 단 하나의 노즐 애퍼처(25)를 포함한다. 대안적으로, 노즐 본체(24)는 전술한 바와 같이 수 개의 노즐 애퍼처(25)를 포함할 수 있다. 표면(33)의 제1 영역(37)은 노즐 애퍼처(25)를 둘러싸는 것으로 이해된다. 제1 영역(37)은 제2 영역(39)보다 노즐 애퍼처(25)에 더 가까이 있다.

Claims

연소 엔진용의 연료 분사 밸브(1)로서, 상기 분사 밸브(1)는 밸브 본체(7)를 포함하고, 상기 밸브 본체(7)는 밸브 공동(valve cavity)(13)과 노즐 본체(24)를 포함하되,
- 상기 노즐 본체(24)는 상기 밸브 공동(13)의 자유 용적(free volume)을 제한하고 적어도 하나의 노즐 애퍼처(25)를 포함하고;
- 상기 노즐 본체(24)는 상기 연소 엔진의 연소 챔버를 향하는 표면(33)을 포함하고 상기 적어도 하나의 노즐 애퍼처(25)를 둘러싸며;
- 상기 표면(33)은, 상기 노즐 애퍼처(25)를 완전히 측방향으로 둘러싸고 유체-반발성을 갖는 제1 영역(37)을 포함하며,
- 상기 표면(33)은, 상기 제1 영역(37)을 측방향으로 둘러싸고 상기 제1 영역(37)보다 더 약한 유체-반발성을 갖거나 또는 유체-친화성인 제2 영역(39)을, 상기 제1 영역(37)에 인접하여 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제1항에 있어서, 상기 표면(33)의 제1 영역(37)은 작은 돌출부(41)와 큰 리세스(43)를 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제2항에 있어서, 상기 작은 돌출부(41)는 나노미터 범위의 치수를 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 큰 리세스(43)는 마이크로미터 범위의 치수를 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 작은 돌출부(41)의 최대 직경은 30㎚ 내지 100㎚이고, 상기 큰 리세스(43)의 최대 직경은 300㎚ 내지 600㎚인, 연료 분사 밸브(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면(33)의 제2 영역(39)은 작은 리세스(47)와 큰 돌출부(45)를 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제6항에 있어서, 상기 작은 리세스(47)는 나노미터 범위의 치수를 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제6항에 있어서, 상기 큰 돌출부(45)는 마이크로미터 범위의 치수를 포함하는, 연료 분사 밸브(1).
제6항에 있어서, 상기 큰 돌출부(45)의 최대 직경은 300㎚ 내지 600㎚이고, 상기 작은 리세스(47)의 최대 직경은 30㎚ 내지 100㎚인, 연료 분사 밸브(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노즐 본체(24)의 표면(33)은 적어도 하나의 코팅에 의해 적어도 부분적으로 커버된, 연료 분사 밸브(1).