KR102085656B1 - 가변 유동 제어를 갖는 직접-구동식 압전 연료 인젝터 - Google Patents

가변 유동 제어를 갖는 직접-구동식 압전 연료 인젝터 Download PDF

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트윈 엘엘씨
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Abstract

연료 인젝터 장치는 압전 구동 스택 및 인젝터 조립체를 포함하고, 연료 인젝터 장치의 유동 제어 부재는 노즐 부분의 유동 영역이 방출물을 감소시키고 엔진 성능을 향상시키기 위하여 원하는 유동 프로파일 내에서 제어된 유동 속도를 전달하도록 가변방식으로 조절될 수 있는 상태에서 개재 요소 및 추가 증폭 수단 없이 압전 스택에 의해 직접 구동된다. 인젝터 구성은 유동 제어 부재의 최소 선형 운동에 따라 요구된 유동 속도를 지지하도록 구성된다.

Description

가변 유동 제어를 갖는 직접-구동식 압전 연료 인젝터{DIRECTLY-ACTUATED PIEZOELECTRIC FUEL INJECTOR WITH VARIABLE FLOW CONTROL}
본 발명은 해군 연구실(Office of Naval Research)에 의해 수상된 미국 해군 계약 번호 N00014-08-C-0546으로서 정부의 지원에 따라 제조되었다. 정부는 본 발명의 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 연료 주입 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 압전 액추에이터에 의해 직접 구동되는 연료 주입 장치에 관한 것이다.
연료 인젝터는 연소 챔버 내의 적절한 지점에서 연소 챔버 내로 연료를 직접 강제로 밀어넣음으로써 내연 기관 내로 연료를 능동 분사하기 위한 장치이다. 피스톤 엔진의 경오, 연료 인젝터는 카부레이터(carburetor)의 대체물로서, 연료-공기 혼합물은 피스톤의 하향 스트로크에 의해 연소 챔버 내로 주입된다. 현재의 연료 인젝터는 향상되고 도출된 엔진 설계에 대한 적용가능성을 제한하는 높은 주파수에서 작동불가함에 따라 바람직하지 못하다. 추가로, 현재의 인젝터는 각각의 주입/연소 사이클 동안에 연료 전달 프로파일을 변화시킬 수 없어서 이는 특히 더 높은 주파수에서 작동되는 보다 복잡한 연소 구성 내로의 통합을 추가로 제한한다. 게다가, 현재의 인젝터 구성은 더 높은 주파수 작동을 방해하는 스트로크 증폭 요건을 포함한 다양한 인자와 연계된 응답 지연을 갖는다. 따라서, 압전 액추에이터에 따른 인젝터는 원하는 속도로 충분한 연료를 유동시키기 위해 시트로부터 충분한 거리에서 유동 제어 부재를 이동시킬 수 없기 때문에 연료를 주입 오리피스를 통하여 연소 챔버 내로 이동시킬 수 있는 유동 제어 부재를 직접 작동시킬 수 없다. 본 명세서에서 기재된 목적의 경우, "직접" 구동은 주요 구동 장치에 의해 이동 시에 전형적으로 노즐 부분을 통하여 연소 챔버 내로 연료를 유동시키는 주요 유동 제어 부재와의 일차 구동 장치의 직접적인 물리적 상호작용으로써 정의된다. "직접 구동"은 추가 개재 요소, 증폭 단계, 유동 채널, 제어 압력 또는 유동 제어 부재를 작동시키기 위해 필요한 다른 보조 요소를 갖지 않는 유동 제어 부재와 구동 장치 간의 일대일 관계를 갖는 것으로 본 명세서에서 정의된다.
연료 인젝터 내에서 사용되는 현재의 압전 스택 액추에이터 시스템은 노즐 조립체, 특히 연료를 유동시킬 수 있는 노즐의 일부의 직접적인 구동에 의존되지 않는다. 대신에, 압전 스택은 전형적으로 노즐 개방을 돕기 위해 유압을 변화시키는 개별 밸브를 단순히 개방 및 밀폐하기 위해 사용된다. 따라서, 간접 유압 구동 및 증폭의 이 다-단계 공정은 고유의 응답 지연으로 인해 인젝터의 작동 주파수를 제한한다. 따라서, 이들 듀얼 단계 압전 인젝터는 향상되고 도출되는 엔진 기술의 더 높은 주파수 작동을 지지하지 못할 수 있다.
전형적인 연료 인젝터 내에서, 노즐 조립체 부분은 엔진의 연소 챔버에 인접하게 배열된다. 노즐은 주요 유동 제어 부재로 여겨지는 핀 및 연료가 연소 챔버 내로 유동하는 오리피스를 포함한다. 핀이 오리피스의 밀봉 부분에 안착될 때, 연료 유동은 차단된다. 핀이 오리피스의 밀봉 부분에 안착되지 않을 때, 연료 유동이 허용된다.
존재하는 인젝터 구성에서, 유압 증폭은 노즐을 개방 및 밀폐하기 위해 사용된다. 고압 연료는 전체 노즐 격실에 전달된다. 핀의 형상은 균형이탈 압력을 형성하여 핀이 밀폐된 위치에서 오리피스 상에 안착된다. 업스트림 액추에이터는 연료 전달 시스템과 연계된 압력 릴리프 밸브를 개방하고 핀의 일 측면 상에서 압력을 감소시키며, 이에 따라 지향적 네트 선형력이 발생되어 핀이 이의 시트로부터 들어올려지고 노즐은 개방된다. 릴리프 밸브를 밀폐함으로써 압력은 이의 원래의 수준으로 복귀되고, 핀은 재안착되어 노즐을 밀폐한다.
압전 스택이 이 방식으로 사용될 때, 전체 시스템은 기계적으로 그리고 작동적으로 복잡하다. 증폭은 압전 스택의 제한된 변위로 인해 필요하지만 증폭은 인젝터의 몸체, 추가 밸브 및 밀봉 요소 내에서 보다 복잡한 유동 배열을 요한다. 보다 주요하게는 유압 증폭은 2-단계 구동 공정에서 상당한 응답 지연을 야기한다. 이러한 바람직하지 못한 응답 지연은 심지어 압전 액추에이터를 사용하여 펄스 데토네이션 엔진(pulse detonation engine)에 대해 요구될 수 있는 것들과 같이 유압 증폭식 인젝터가 더 높은 주파수에서의 작동하는 것을 방지한다.
본 인젝터 구동 방법은 다른 고유의 제한사항을 갖는다. 예를 들어, 이러한 인젝터는 단지 양방향, 즉 완전히 개방 또는 완전히 밀폐된 상태에서만 작동된다. 각각의 주입/연소 사이클에 걸쳐서 전체 연료 주입 프로파일의 실질적으로 아날로그 제어를 제공하는 것이 바람직하다.
각각의 주입 사이클에서 상이한 시간에서 빈번히 인젝터 밸브를 단순하게 개방 및 밀폐함으로써 이러한 아날로그 제어를 구현하는 시도가 행해졌다. 불행하게도, 이러한 방법은 각각의 주입 사이클 동안에 구동 사이클의 증폭으로 인해 심지어 더 높은 작동 요구를 발생시킨다.
"구동" 수단, 전자기 액추에이터 및 압전 액추에이터로서 사용되는 두가지의 주요한 기술이 고유 강도와 단점을 갖는다. 우선, 전자기 액추에이터(또한 솔레노이드로 공지됨)는 원하는 최대 연료 유동을 보조하기 위하여 인젝터 핀의 충분한 선형 스트로크(변위)를 공급할 수 있지만 단지 두 모드, 완전히 개방된 모드와 완전히 밀폐된 모드로만 작동될 수 있다. 솔레노이드 밸브는 전자기 솔레노이드 액추에이터를 포함하는 전자기계 밸브이다. 밸브는 솔레노이드를 통한 전류에 의해 제어된다. 일부 솔레노이드 밸브에서, 솔레노이드는 메인 밸브 상에서 직접 작동한다. 다른 것들은 더 큰 밸브를 작동시키기 위하여 파일럿으로 공지된 소형의 완전한 솔레노이드 밸브를 사용한다. 파일럿형 밸브는 제어하기 위하여 상당히 적은 파워를 필요로 하지만 현저히 감속된다. 파일럿형 솔레노이드는 대개 개방하고 개방된 상태로 유지하기 위하여 전체 파워를 필요로 하며, 반면 직접 구동식 솔레노이드는 밀폐된 위치에서 단지 작은 파워를 보유하고 개방하기 위해 짧은 기간 동안에 전체 파워를 필요로 한다. 사용된 솔레노이드의 유형을 고려하지 않고, 액추에이터는 작동 주파가 증가함에 따라 악화되는 상당한 반응 지연을 겪는다. 솔레노이드 구동식 인젝터는 단지 두 상태, 완전히 개방된 상태 및 완전히 밀폐된 상태로만 작동될 수 있다.
압전 장치를 사용하는 제2 액추에이터 유형은 솔레노이드 액추에이터보다 더 빠른 응답을 제공할 수 있지만 스트로크 길이가 감소된다. 일반적으로, 표준 압전 스택은 이의 높이의 1%의 1/10의 최대 변위를 제공하고, 단일 결정 압전 재료를 갖는 스택은 이의 높이의 최대 1%까지의 변위를 제공한다. 따라서, 하기에서는 이러한 제한된 스트로크 길이는 증폭 구성에서 사용되는 연료 인젝터 내에 가압된 압전 구동 기구를 갖는다. 필수적으로 증폭에 의존되는 종래의 인젝터 구성은 직접 구동을 전달할 수 없다.
압전 액추에이터의 변위를 증가 또는 증폭시키기 위하여 다양한 시도가 이루어진다. 예를 들어, 일 설계는 다이아몬드-형 엔클로져를 사용하여 마주보는 축을 따라 변위를 증폭시키는 기하학적으로 구속된 압전 액추에이터 장치를 포함한다. 압전 요소는 수평방향으로 수축 또는 팽창되고, 외부 다이아몬드-형 엔클로져는 또한 형상을 변화시키며, 이에 따라 엔클로져의 수직 정점은 압전 요소에 의해 제어되는 수평 정점보다 다소 다 큰 거리만큼 이동한다. 불행하게도, 이 기계적 특징부의 통합으로 인해 액추에이터의 높은 주파수 작동 및 영속성이 제한되는 기계식 스프링 변수의 제한이 유발된다. 추가로, 변위를 증가시키기 위해 사용되는 이 플렉스텐셔널 인장 방법은 인가된 최대 힘의 감소를 야기하며, 이는 본 발명의 설계의 또 다른 고려사항이다. 추가로, 이 특정 구성은 매우 작은 크기만큼 변위를 증가시킬 수 있으며, 이는 연료 인젝터 내에서 액추에이터로서 사용되는 경우에 증폭을 필요로 할 수 있다.
이들 문제점을 해결하기 위한 도 다른 방법과 연관된 정보는 미국 특허 제7,786,652호; 미국 특허 제7,455,244호; 미국 특허 제7,406,951호; 미국 특허 제7,140,353호; 미국 특허 제6,978,770호; 미국 특허 제6,834,812호; 미국 특허 제6,585,171호; 및 미국 특허 제4,803,393호에서 찾을 수 있다. 그러나, 각각의 이들 문헌은 최대 효율을 증가시키기 위하여 각각의 연소 사이클의 최적화 및 고주파수 작동을 방해하는 하기 단점들을 겪는다: 간접 구동, 부분적 스프링 구동; 복수의 구성요소 및 부분을 갖는 복합적 기구, 단지 완전히 개방된 또는 완전히 밀폐된 위치에서의 작동; 터무니 없이 긴 압전 스택을 필요로 할 수 있는 스트로크 길이, 필요한 힘을 달성하기 위하여 필요한 다수의 부스터; 충분한 스트로크를 허용하지 못할 수 있는 구동 기구; 더 높은 주파수 작동에서 밸브 플로트를 유발할 수 있는 스프링의 통합; 히스테리시스(hysteresis) 및 지연을 야기하는 유압 증폭을 통한 간접 구동; 상이한 작동 매개변수에 적합해지거나 또는 인장 하에서 배치를 방지하기 위해 압전 스택에 미리조정된 프리스트레스를 제공하는데 있어서의 불가능성, 밸브 위치의 비 아날로그 제어. 추가로, 이들 다른 방법은 개재하는 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 작동력간의 일대일 관계를 갖는 인젝터를 제공하지 못한다. 따라서, 이들 다른 방법은 직접 구동을 제공하지 못한다.
예를 들어, 2010년 8월 31일에 공고된 나카무라(Nakamura) 등의 미국 특허 제7,786,652 B2호에는 다-층 압전 요소 스택을 사용하는 주입 장치가 기재된다. 나카무라 등에 의해 개시된 발명은 압전 층과 외부 전극 간의 박리 또는 균열 발생 없이 고전하를 이용하여 연속적으로 작동될 수 있는 다-층 압전 요소에 대한 필요에 관한 것이고, 이는 장치의 고장 및 접촉 불량을 야기할 수 있다. 나카무라 등에 의해 기재된 인젝터 장치는 연료를 차단하기 위해 주입 홀을 막는 크기로 형성된 니들 밸브를 사용한다. 인젝터 장치는 피스톤 밸브 부재 아래에 스프링을 포함하고, 이에 따라 파워가 압전 액추에이터로부터 제거될 때 스프링은 밸브를 개방시키고 연료 주입을 허용한다. 스택은 단지 밸브를 밀폐하도록 작동된다. 게다가, 나카무라 등은 압전 스택을 프리스트레스하기 위한 방법을 기재하지 못한다. 인젝터의 일반적인 작동은 가변 주입 속도를 제공하지 못하는 상태에서 완전히 개방 또는 밀폐된다. 연료 유동 속도는 오리피스에 의해 제어되고 조절되지 않을 수 있다. 추가로, 나카무라 등에 의해 기재된 압전 스택이 심지어 보조 스프링이 통합된 상태에서도 주입 홀을 열기에 충분히 니들을 이동시키기 위해 충분한 스트로크 또는 수축을 제공하는 것은 불명확하다. 펄스 데토네이션 엔진과 연계된 작동 요건의 경우, 나카무라 등에 의해 기재된 인젝터는 충분히 높은 주파수에서 작동되지 않고 충분한 유동을 허용하지 않는다. 따라서, 나카무라 등에 의해 기재된 인젝터는 개재 요소없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않고 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
추가로, 보킹(Boecking)의 2008년 11월 25일에 공고된 미국 특허 제7,455,244 B2호에는 내연 기관의 연소 챔버 내로 연료를 주입하기 위하여 압전 연료 인젝터가 기재되며, 인젝터는 제1 및 제2 부스터 피스톤을 포함하고, 제1 부스터 피스톤은 그 뒤에 주입 개구를 개방하기 위해 시트로부터 핀을 이동시키는 제2 부스터 피스톤을 구동시키도록 압전 스택을 사용하여 구동된다. 보킹에 의해 기재된 인젝터는 특히 컴팩터한 구조의 연료 인젝터에 대한 요구에 관한 것이다. 인젝터 몸체 내의 다수의 스프링은 밀폐력을 생성하기 위해 사용된다. 보킹에 의해 기재된 시스템은 고부피 연료 전달을 보조하기에 충분히 핀을 이동시키기 위하여 최소 스트로크 변위에 따른 복합적 기구이다. 스프링-장착식 요소의 혼입으로 인해, 기재된 인젝터는 더 높은 주파수 작동 시에 플로팅된다. 추가로 보킹의 인젝터는 더 높은 속도로 유동의 전달을 저지하는 작은 니들 밸브의 운동에 의존된다. 추가로 보킹의 인젝터는 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않고 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
스토에크레인(Stoecklein)의 2008년 8월 5일에 공고된 미국 특허 제7,406,951호에는 내연 기관 내로 연료를 주입하기 위한 압전 연료 인젝터가 기재되며, 여기서 연료 인젝터는 압전 액추에이터에 의해 간접적으로 작동되는 주입 밸브 부재를 갖는다. 스토에크레인은 주입 밸브 부재가 압전 스택에 의해 간접적으로 작동되지만 유압 증폭이 액추에이터와 주입 밸브 사이에서 사용되는 것을 제안한다. 본 명세서에서 정의된 바와 같이, 스토에크레인의 인젝터는 직접적으로 구동되지 않는다. 추가로, 밸브 부재는 밀폐된 위치로 이동되는 스프링 요소에 의존된다. 스토에크레인의 발명은 종래의 압전 연료 인젝터에서의 문제점을 해결하려고 하며, 이에 따라 완전히 개방된 위치와 완전히 밀폐된 위치 사이의 밸브의 중간 위치가 불안정하며, 유지되지 않을 수 있다. 스토에크레인은 안정적인 중간 중지 위치를 달성하기 위해 액추에이터 스트로크의 다단 유압 부스팅(multistage hydraulic boosting)을 포함하는 해결 방법을 설명한다. 밸브 부재를 개방하고 시스템 압력을 극복하기 위해, 초기 힘이 압전 액추에이터에 대한 전류 공급을 감소시킴으로써 인가된다. 수축 길이(shrinking length)로 인해 유압 커플링 챔버 및 제어 챔버 내에서 압력 감소가 야기된다. 임계 압력에 도달된 후에, 밸브는 중간 스트로크 위치로 개방된다. 밸브 부재의 완벽한 개방을 달성하기 위하여, 압전 액추에이터가 이의 스트로크 길이의 소정의 크기만큼 이동되면 부스팅이 변화한다. 그러나, 스토에크레인의 방법은 높은 주파수에서 작동되는 적응성 또는 반응 지연의 문제점을 해결하지 못한다. 게다가, 제한된 2-단계 제어가 기재되며, 고도로 치밀하고 실질적으로 아날로그식 제어가 스토에크레인의 인젝터 시스템에 의해 보조되지 못한다. 종래의 기준 설계에 따라, 인젝터는 밸브를 더 높은 작동 주파수에서 플로팅할 수 있는 스프링을 포함한다.
스토에크레인에 따르면, 또한 수백 마이크로미터의 스트로크가 원하는 유동 속도를 전달하기 위해 필요할 수 있는 반면 합당한 크기의 스택으로부터 허용가능한 스트로크가 20 미크론 내지 40 미크론이다. 추가로, 스토에크레인의 인젝터는 충분한 개방을 달성하기 위하여 2-단계 부스터에 의존된다. 다른 참조 설계에서, 스토에크레인의 인젝터는 또한 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않으며, 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
라우니츠(Rauznitz) 등의 2006년 11우러 28일에 공고된 미국 특허 제7,140,353 Bl호에는 노즐 밸브 요소, 제어 부피, 및 연료 유동을 제어하기 위한 주입 제어 밸브를 포함하는 압전 인젝터가 기재되며, 여기서 프리로드 챔버는 압전 스택 요소에 프리로드 력을 인가하기 위하여 사용된다. 라우니츠 등은 신뢰성 있는 작동을 보장하기 위하여 압전 스택을 적절히 프리스트레스하도록 유압 프리로드의 필요성을 강조한다. 그러나, 기재된 바와 같이, 라우니츠 등의 인젝터는 단지 완전히 밀폐된 위치와 완전히 개방된 위치에서만 작동된다. 게다가, 인젝터가 유동 프로파일을 어드레싱하기 위해 개방 및 밀폐 동안의 연소를 향상시킬 수 있을지라도, 각각의 연소/주입 사이클에 걸쳐서 유동 프로파일의 고도의 치밀한 제어를 전달하기 위해 밸브 위치의 아날로그 제어를 제공하지 못한다. 추가로, 밸브의 개방 및 밀폐는 다수의 요소의 작동에 따른 증폭을 필요로 한다. 따라서, 라우니츠의 인젝터는 고주파수 주입 시나리오에 따른 응용을 제한하는 밸브 제어 부재의 직접 구동을 제공하지 못하고, 예를 들어, 펄스 데토네이션 엔진 내에서 사용을 제한하는 연료 유동 프로파일의 고도의 치밀한 제어를 제공하지 못한다. 따라서, 인젝터는 더 작은 인젝터 니들만을 허용하도록 설계되며, 증가된 연료 유동을 허용하기 위해 큰 인젝터 크기를 보조하지 못한다. 따라서, 이 라우니츠의 인젝터는 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않으며, 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
라우니츠의 2005년 12월 27일에 공고된 미국 특허 제6,978,770 B2에는 압전 연료 주입 시스템 및 제어 방법이 기재되며, 연료 인젝터는 압전 요소, 인젝터를 작동하기 위하여 요소를 구동하는 파워 공급원, 및 주입 속도 형상의 제어와 연관된 압전 요소를 충전하기 위한 컨트롤러를 포함한다. 라우니츠 등에 의해 개시된 시스템은 밀폐된 중간 및 완전히 개방된 제어를 제공한다. 이들 3가지의 위치는 향상된 속도 형상을 형성하기 위하여 노즐 밸브 요소의 신속한 개방 및 밀폐에 의해 추가로 보조되지만 이의 스트로크 길이에 걸쳐서 노즐 밸브 니들의 아날로그 배치 및 정밀한 제어가 불가능하다. 게다가, 인젝터는 밸브 요소를 밀폐된 위치로 편향시키기 위하여 스프링을 사용하며, 이에 따라 복잡해지고 인젝터는 더 높은 주파수 작동 시에 플로팅된다. 따라서, 라우니츠 등의 인젝터는 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않고, 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
네레티(Neretti) 등의 2004년 12월 28일에 공고된 미국 특허 제6,834,812 B2호에는 외부 오염을 방지하기 위하여 밸브의 내측을 향하년 변위를 제공하는 압전 연료 인젝터가 기재된다. 밸브는 주입 파이프 내에 수용되고 압전 액추에이터의 팽창에 의해 밀폐된 위치와 개방된 위치 사이에서 이의 축을 따라 이동할 수 있다. 이에 따라 단지 두 가지의 밸브 위치, 즉 아날로그 및 가변 주입이 불가능한 완전 개방 위치와 완전 밀폐 위치가 제공된다. 내측을 향하는 방향으로 밸브를 이동시키고 압전 액추에이터의 팽창에 의해 야기된 변위를 반전시키기 위하여 밸브와 압전 액추에이터 사이에 기계식 트랜스미션이 배치된다. 이 기구는 인젝터 조립체에 복잡성을 추가한다. 따라서, 네레티 등의 인젝터는 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않고, 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
보에킹(Boecking)의 2003년 7월 1일에 공고된 미국 특허 제6,585,171 Bl호에는 연로 리턴, 고압 포트, 압전 액추에이터 스택, 유압 증폭기, 밸브, 노즐 니들 및 주입 오리피스를 포함하는 연료 인젝터 시스템이 기재된다. 보에킹의 인젝터의 압전 스택은 노즐 니들을 직접 구동시키지 않는다. 면밀한 검토에 따라 압전 스택은 대신에 밸브를 개방하기 위하여 개별 유압 증폭기를 구동시키며, 이에 따라 노즐 니들은 주입 오리피스로부터 이동될 수 있다. 보에킹의 인젝터의 니들은 압전 스택에 의해 직접 구동되지 않는다. 게다가, 보에킹의 인젝터는 두 가지의 개별 모드, 온 및 오프 모드로 작동이 제한된다. 게다가, 보에킹의 인젝터는 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않고, 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
타카하시(Takahashi)의 1989년 2월 7일에 공고된 미국 특허 제4,803,393호에는 대상 부재를 이동시키기 위한 압전 액추에이터가 기재되며, 여기서 액추에이터는 압전 요소, 벨로우즈를 갖는 엔벨로프, 및 작동 오일이 밀봉 방식으로 둘러싸이는 압력 챔버를 포함한다. 타카하시에 의해 개시된 발명은 결함이 있는 슬라이딩 및 경사진 부착부로 인해 압전 요소의 고장을 방지할 수 있는 향상된 압전 액추에이터에 대한 요구에 관한 것이다. 이는 압전 요소와 밸브 또는 대상 부재 사이의 엔벨로프에 의해 구현되며, 엔벨로프는 탄성 부재를 수용하고 유체를 밀봉 방식으로 수용한다. 타카하시의 인젝터 내에서 엔벨로프 및 스프링 기구의 통합은 간접 구동 제한에 따라 더 높은 작동 주파수에서 밸브 플로팅의 문제점을 야기한다. 추가로, 타카하시의 압전 액추에이터는 그 뒤에 유동을 인젝터 조립체에 전달할 수 있는 개별 업스트림 제어 밸브를 이동시키는데 사용된다. 게다가, 타카하시의 인젝터는 개재 요소 없이 유동 제어 부재와 주요 구동력 간의 일대일 관계를 갖지 않고, 이에 따라 직접 구동되지 않는다.
따라서, 유동 제어 부재와 주요 구동력 사이에 개재 요소 없이 압전 스택에 의해 인젝터 노즐 핀의 직접 구동을 통하여 허여되는 신속한 응답을 갖는 연료 인젝터에 대한 필요가 존재한다. 또한, 오리피스 크기의 선택 및 단순화된 온/오프 작동으로부터 야기되는 유동 속도에 대한 제한을 방지하며, 전체 연소/주입 사이클을 통해 동적이고 제어된 가변 유동을 제공할 수 있는 이러한 인젝터에 한 필요가 있다. 더 높은 주파수 사이클링 및 더 높은 압력 작동 조건을 허용할 수 있는 연료 인젝터에 대한 추가 요구가 있다. 또한, 최소의 대기 시간 및 응답 지연을 갖는 고주파수 인젝터에 대한 요구가 있다. 비교적 높은 유동 속도를 허용할 수 있는 고주파수 인젝터에 대한 추가 요구가 있다. 또한 작동 요건에 부합되도록 액추에이터 기구의 증폭 또는 부스터를 필요로 하지 않는 인젝터에 대한 요구가 있다.
전술된 요구에 따라서, 본 발명의 양태는 구동 기구, 압전 스택 및 유동 제어 부재 간의 개재 요소 없이 직접 구동식 압전 연료 주입 시스템을 포함한다. 이 구성은 복수의 엔진 시스템 내에서 방출물을 감소시키고 연료 효율을 직접 향상시키는 제어 기능을 상당히 증대시킨다. 본 발명은 단순화된 기구, 신속 제어 응답, 최소한의 응답 지연, 고주파수 작동, 높은 유동 속도를 허용하기 위한 능력, 높은 연료 공급 및 연료 주입 압력, 및 연소/주입 사이클에 걸쳐서 유동의 가변 제어를 전달하는 능력에 대한 전술된 요구를 만족시킨다.
본 발명의 실시 형태는 압전 구동 스택 및 유동 노즐 조립체를 포함하는 직접 구동식 연료 인젝터 장치를 포함하고, 연료 인젝터 장치의 유동 제어 부재는 추가 증폭 수단을 포함하는 개재 요소 없이 압전 스택에 의해 직접 구동되는 동시에 노즐 부분의 유동 영역은 원하는 유동 프로파일에서 제어된 유동 속도를 전달하도록 가변방식으로 조절될 수 있다. 인젝터는 노즐의 밀봉 부분으로부터 이격되는 방향으로 노즐의 유동 제어 부재 부분의 최소한의 선형 운동에 따른 필요한 유동 속도를 보조하도록 구성된다. 따라서, 인젝터는 압전 구동 기구의 변위 제한을 허용할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 인젝터 조립체의 또 다른 실시 형태는 원통형 하우징, 유동 제어 부재, 압전 구동 스택 및 유동 노즐 부분을 포함하고, 유동 제어 부재는 개재 요소 또는 추가 증폭 수단 없이 압전 스택에 의해 직접 제어된다. 압전 스택은 파워 증폭기, 필터 및 구동 파형의 맞춤 설계를 제공하는 프로세서 및 실시간 상기 파형의 사용자 제어를 제공하는 사용자 인터페이스를 포함하는 구동 전자장치에 의해 제어된다. 프리스트레스된 상태로부터 소정의 팽창 또는 수축을 형성하는 스택에 전달된 전류 및 전압은 이들 구동 전자장치에 의해 제어된다.
유동 제어 부재 및 노즐 부분은 압전 스택에 의해 유동 제어 부재의 작은 운동에도 불구하고 원하는 유동 프로파일 내에서 제어된 유동 속도를 전달하기 위해 가변방식으로 조절가능한 유동 영역을 제공하도록 구성된다. 인젝터는 노즐의 밀봉 부분으로부터 이격되는 방향으로 유동 제어 부재의 최소한의 선형 운동에 따라 필요한 유동 속도를 지지하도록 구성된다. 구동 압전 스택은 압전 스택이 작동 중에 지속적으로 압축된 상태이도록 보장하기 위해 프리-스트레스된 상태로 배열된다. 일 양태에서, 프리스트레스는 스택의 상부에서 하우징 단부 캡을 하향 나사체결함으로써 전달되고, 이에 따라 압전 스택의 상부에 초기 하향력이 인가된다. 초기 하향력은 단부 캡을 죄거나 또는 고정해제함으로써 조절될 수 있다. 유동 제어 부재는 압전 스택의 수축과 조합하여 현존 유체 압력이 노즐의 시트로부터 이격되는 방향으로 유동 제어 부재를 이동시키는 것을 돕는 압전 스택 구동력의 감소에 의해 안착되지 않고, 이에 따라 연료는 연료 유형, 압력 및 허용가능한 유동 영역에 의해 결정되는 바와 같이 전술된 속도로 연소 챔버 내로 유동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 연료 인젝터의 사시도.
도 2는 연료 인젝터의 분해도.
도 3은 절단면 3-3을 따라 취한 도 1에 도시된 연료 인젝터의 단면도.
도 3a 및 도 3b는 도 3의 확대된 단면도이며, 여기서 도 3a에는 연료 인젝터가 밀폐된 상태로 도시되고 도 3b에는 연료 인젝터가 개방된 상태로 도시됨.
도 4a는 도 1에 도시된 인젝터 조립체의 연료 인젝터 하우징의 우측 입면도.
도 4b는 이의 전방 측면도.
도 4c는 이의 상면도.
도 4d는 이의 저면도.
도 5a는 도 2에 도시된 연료 인젝터 조립체의 유동 제어 부재의 측면도.
도 5b는 이의 상면도.
도 5c는 이의 저면도.
도 6a는 도 2에 도시된 연료 인젝터 조립체의 단부 캡의 상면도.
도 6b는 이의 저면도.
도 6c는 이의 측면도.
도 6d는 이의 단면도.
도 7a는 연료 주입 사이클 동안 유동 제어의 형태를 나타내는 두 가지의 다이어그램.
도 7b는 본 발명에 따라 JP-10 연료의 35 g/s의 유동 속도를 구현하기 위하여 연료 인젝터 노즐에 대한 구동 과압의 함수로서 유동 영역과 결과적인 유동 속도를 차트.
도 7c는 본 발명에 따라 JP-10 연료의 35 g/s의 유동 속도를 구현하기 위하여 연료 인젝터 노즐에 대한 구동 과압의 함수로서 유동 영역과 레이놀즈 수의 차트.
하기 기술 내용은 단지 본질적으로 예시적이며, 발명, 이의 응용 또는 이의 사용을 제한하기 위한 의도는 아니다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 형태에 따르는 연료 인젝터 조립체(fuel injector assembly, 10)는 원형 단부 캡(50)을 갖는 원통형 하우징(20)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 인젝터 조립체(10)의 분해도에는 인젝터 유동 제어 부재(40)를 미끄럼가능하게 수용하기 위한 내부 원통형 챔버(30)을 갖는 하우징(20)을 포함하는 것으로 도시된다. 원형 밀봉부(60)는 제어 부재(40)의 상부 요홈형 부분을 둘러싼다. 도시된 바와 같이, 밀봉부(60)는 챔버(30) 및 유동 제어 부재(40)의 기하학적 프로파일과 일치되는 링이다. 밀봉부(60)는 가압된 유체가 유동하는 챔버(80)와 압전 스택(70)을 캡슐화하는 챔버(90) 사이에 압력 밀봉부(pressure seal)를 제공한다. 당업자는 압력 구속 요건에 따라 단지 하나의 밀봉부가 사용될 수 있거나 또는 복수의 밀봉부가 사용될 수 있는 것으로 인식할 것이다. 추가로 다양한 밀봉부 구성이 인젝터(10)의 챔버(90) 내에서 다른 밀봉 재료 또는 유체의 혼입에 의해 추가로 보조될 수 있다. 이러한 유체 기반 밀봉 옵션은 유동 제어 부재(40)의 운동을 허용하기 위해 압력 보상 블래더(pressure compensation bladder)를 포함할 수 있다. 이러한 유체 기반 밀봉 옵션은 비전도성 유체를 포함함으로써 압전 스택(70)을 절연하기 위한 추가 수단을 제공할 수 있다. 유체 기반 시스템은 또한 절연 특성 또는 열 전달 특성을 통하여 스택에 대해 열 제어 기능을 제공하는 수단을 제공할 수 있다. 추가로, 밀봉 수단은 예컨대, 갈매기 무늬 또는 유압 응용에서 사용되는 다른 기하학적 밀봉부와 같은 다양한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 추가로, 밀봉부는 예컨대, 고무, 나일론, 세라믹 및 다른 이러한 재료와 같이 압전 스택(70)을 캡슐화하는 챔버(90)로부터 챔버(80)를 통하여 전달된 가압된 연료를 분리할 수 있는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 다른 밀봉부 유형이 본 발명의 다양한 실시 형태 및 양태의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 하우징(20) 내에서 압력 밀봉을 보장하기 위하여 사용될 수 있다. 원통형 부재(30) 내에서 제어 부재(40)의 위치를 제어하기 위한 압전 스택(70)은 유동 제어 부재(40)와 단부 캡(50) 사이에 개재된다.
하우징(20)은 외부 연료 공급원(도시되지 않음)으로부터 가압된 연료를 수용하기 위하여 유체 유동 통로(23)에 의해 침투되는 유체 입구 노즐(22)을 갖는 몸체(21)를 포함한다. 인젝터 하우징(20)은 하부(24), 단부 캡(50)을 하우징(20)에 부착하기 위한 상부(26)를 포함한다. 도 2 및 추가로 상세히 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 유동 제어 부재(40)는 원통형 밀봉 요홈 위에 원형 상부(42) 및 제1 곡률 반경(C1)을 갖는 반구형 노즈 부분(48)을 갖는 하부 원통형 몸체 부분(46)을 포함한다. 압전 스택(70)은 압전 스택(70)을 작동시키기 위하여 전력을 전달하는 전도체(72)를 포함하다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 단부 캡(50)은 관통부(52)를 포함하고, 상기 관통부를 통하여 전도체(72)가 하우징(20)의 내부 원통형 챔버(30)에서 배출되어 스택에 전력을 공급하는 개별 제어 시스템(도시되지 않음)에 연결되어 원하는 주파수 및 스트로크 변위에서 팽창 및 수축된다. 제어 시스템은 파워 증폭기, 파워 필터, 및 구동 파형의 맞춤 설계를 제공하는 프로세서를 포함하고, 실시간 상기 파형의 사용자 제어를 제공하는 사용자 인터페이스를 포함한다. 전도체(72)를 통하여 스택(70)에 전달된 전류 및 전압은 구동 전자부품에 의해 제어되고 측정되는 바와 같이 프리스트레스된(prestressed) 상태로부터 스택(70)의 팽창 및 압축의 정도를 형성한다.
도 6a 내지 도 6d에 추가로 도시된 바와 같이, 연료 인젝터(10)의 단부 캡(50)의 상면도, 저면도, 측면도 및 단면도가 도시된다. 단부 캡(50)은 하우징(20)의 상부(26)의 나사산 부분에 단부 캡(50)을 부착하기 위한 내부 내사산 부분(54)을 포함한다. 단부 캡(50)은 하우징(20)으로부터 전도체(72)를 제거하고 수용하기 위하여 바람직하게 중심에 배치된 관통부(52)를 추가로 포함한다.
이제, 더 상세하게, 도 3은 선(3-3)에 의해 그려진 절단 면을 따라 취해진 도 1에 도시된 조립된 인젝터 조립체(10)의 단면도를 제공한다. 하우징(20)은 인젝터 조립체(10)의 내부 원통형 챔버(30)의 하부 부분(80) 내로 가압된 연료를 수용하기 위한 원통형 연료 유동 통로(23)를 갖는 내부 노즐(22)을 갖는 몸체(21)를 포함한다. 하우징(20)은 연료가 엔진의 연소 챔버에 전달되는 출구 노즐(36)에 의해 침투된 하부 노즐 부분(24)을 추가로 포함한다. 내부 원통형 챔버(30)는 내부 벽(32)을 포함한다. 유동 제어 부재(40)의 요홈(44)은 엔진 연소 챔버에 가압된 연료를 전달하고 수용하는 하부 부분(80) 및 내부 원통형 챔버(30)의 상부 부분(90) 사이에 밀봉부를 형성하기 위하여 원형 밀봉부(60)를 수용 및 배치하도록 크기가 형성된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 단부 캡(50) 없는 하우징(20)의 상면도가 도시된다. 하우징(20)은 내부 원통형 챔버(30)를 포함하고, 챔버의 벽(32)은 유동 제어 부재(40)를 미끄럼가능하고 알맞게 수용하도록 충분한 크기로 형성된다. 내부 원통형 챔버(30)는 유동 제어 부재(40)의 노즈(48)의 제1 곡률 반경(C1)보다 작은 제2 곡률 반경(C2) 및 반구형 형상을 갖는 하부 노즐 표면(34)을 포함한다. 밀봉 시트(38)는 내부 하부 노즐 표면(34)의 상부를 외접한다. 출구 노즐(36)은 엔진의 연소 챔버 내로 연료를 분사하기 위하여 하부 노즐 부분(24)을 통하여 내부 노즐 표면(34)을 침투한다.
도 3a 및 도 3b에 관하여, 인젝터 조립체(10)의 작동이 도시된다. 밀폐된 상태에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제어 부재(40)의 노즈(48)는 내부 챔버(30)의 밀봉 시트(38)에 대해 안착된다. 챔버(30)는 제어 부재(40)의 노즈(48)의 제1 곡률 반경(C1)보다 작은 제2 곡률 반경(C2)을 갖는 일반적으로 반구형 내부 노즐 표면을 포함하여, 노즈(48)와 밀봉 시트(38)가 개방 중에 밀봉 시트(38)로부터 제어 부재(40)를 분리하기 위해 필요한 힘을 줄이고 연료 유동을 제한하는 제한된 밀봉 접촉 영역을 형성한다. 이 밀폐된 상태에서, 가압된 연료는 제어 부재(40)의 상부 부분(46) 내에서 밀봉부(60), 밀봉 시트(38) 및 유동 제어 부재(40)의 몸체 (46)에 의해 형성된 내부 하부 챔버(80)에 배열된다. 작동 중에, 스택(70)으로부터 제거된 전력에 따라 스택(70)은 연료 유동을 차단하고 밀봉 시트(38) 상에 제어 밸브 부재(40)를 안착하기 위해 실패-안전 모드로 팽창한다. 개방 상태에 도달되도록, 도 3b에 도시된 바와 같이, 압전 스택(70)에 의해 전달된 하향력은 밀봉 시트(38)로부터 이격되는 방향으로 제어 밸브 부재(40)의 노즈(48)를 후퇴시키기 위해 감소된다. 스택(70)이 제어 밸브 부재(40)를 후퇴시키면, 제어 밸브 부재(40)에 대해 연료의 압력에 의해 생성된 힘이 인젝터(10)의 개방을 돕기 위해 순간적인 추가 개방력을 제공한다. 개방되면, 유동 제어 부재(40)의 노즈(48)는 그 뒤에 원하는 유동 속도에 적합한 유동 영역을 형성하기 위하여 원하는 위치를 유지하기 위해 스택(70)에 의해 제어된다. 가압된 유체는 그 뒤에 입구 노즐(22)의 통로(23) 및 출구 노즐(36)을 통하여 연소 챔버(도시되지 않음) 내로 유동할 수 있다. 압전 스택(70)의 팽창 또는 수축은 유동 제어 부재(40)의 운동에 걸쳐서 매우 정확한 제어를 허용하기에 충분한 조밀도(granularity)에 따라 제어될 수 있고, 이에 따라 유체 유동 속도에 걸쳐서 매우 정확한 제어가 야기된다. 스택(70)은 매 시간 임의의 크기만큼 임의의 사이클 동안에 다수회 팽창 또는 수축될 수 있어서 임의의 연료 유동 프로파일이 각각의 사이클에서 달성될 수 있다. 밸브 부재(40)의 노즈(48)의 제1 곡률 반경(C1)과 내부 노즐 표면(34)의 제2 곡률 반경(C2)에 따른 인젝터(10)의 신규한 기하학적 형상과 연계하여 유동 속도의 보다 정밀한 제어가 허용된다.
작동 중에, 연료 인젝터 조립체(10)의 본 실시 형태는 연소 챔버 내로 인젝터(10)로부터 연료 유동의 매우 정밀한 가변 제어를 허용하는 동적 유동 영역을 형성한다. 정밀한 제어는 효율, 거리, 전력, 속도, 방출 제어 또는 다수의 성능 대상의 임의의 조합에 대한 엔진 성능을 최적화하기 위하여 가변 연료 전달 프로파일을 제공하도록 환형 유동 영역(37)의 제어된 가변성을 허용하는 유동 제어 부재(40)의 직접적인 작동에 의해 달성된다. 다른 센서, 제어 회로, 및 작동 지능과 연료 인젝터 조립체(10)의 통합은 실질적으로 향상된 엔진 및 차량 제어, 일차 전자 구동 수단에 대한 일차 기계식 작동으로부터 쉬프팅 엔진 구성요소 작동 방법을 제공한다.
도 3a 및 도 3b에 전술되고 도시된 바와 같이, 인젝터(10)에 따라 유동 제어 부재의 상당히 감소된 선형 변위에도 불구하고 충분한 연료가 전달될 수 있다. 인젝터(10)는 밀봉 시트(38) 및 내부 노즐 표면(34)의 제2 더 작은 반경(C2)과 나란히 배열된 유동 제어 부재(40)의 노즈(48) 및 몸체(46)의 제1 더 큰 반경(C1)을 레버리지한다(leverage). 추가로, 유동 제어 부재(40) 및 연계된 내부 원통형 챔버(30)의 직경은 유동 제어 부재(40)의 최소 선형 변위에도 불구하고 적절한 연료 유동을 허용하도록 크기가 형성된다. 본 실시 형태에서, 내부 노즐 표면(34)은 하우징(20)의 하부 노즐 부분(24)을 관통하는 출구 노즐(36)을 포함한다. 출구 노즐(36)은 유동 제어 부재(40)의 변위에 의해 가능한 유동을 고려하지 않고 최대 연료 유동을 제한하도록 크기가 형성될 수 있다. 따라서, 엔진 시스템은 최대 연료 유동을 특정의 임계값으로 구속하도록 설계될 수 있다. 추가로, 추가 실시 형태에서 출구 노즐(36)은 연료 유동이 노즈(48)와 밀봉 시트(38)와 내부 노즐 표면(34) 사이의 기하학적 관계와 제어 밸브 부재(40)의 운동에 의해 결정되도록 전체적으로 제거될 수 있다.
이제, 연료 인젝터 조립체(10)의 설계 및 작동에 대해 기재된다. 우선 유동 제어 부재(40)의 직접적인 액추에이터로서 압전 스택(70)의 사용에 의해 야기되는 시트(38)로부터 유동 제어 부재(40)의 상당히 감소된 변위를 허용하기 위하여 다양한 유동 제어가 사용된다. 일반적으로, "핀" 또는 "니들"로 통상적으로 알려진 연료 인젝터의 유동 제어 부재는 연료가 엔진의 연소 챔버 내로 분사되는 오리피스와 대략 동일한 직경을 갖는다. 통상적인 인젝터 내에서 핀은 유동을 차단 및 허용하기 위하여 단순히 사용되며, 게다가 오리피스는 유동 제어의 일차 수단으로서 제공된다. 따라서, 오리피스의 크기를 변경하지 않고 유동을 조절하는 것은 불가능하다. 통상적인 인젝터 설계 방법에 따라, 핀(유동 제어 부재)은 대략 1 mm의 직경을 갖는 오리피스로부터 밀폐되도록 크기가 형성될 수 있다. 역으로, 본 발명의 실시 형태에서, 유동 제어 부재(40)는 대략 15 mm의 직경을 갖는다. 당업자는 유동 제어 부재(40)의 직경이 다양한 유동 요건에 적용될 수 있고 원하는 바에 따라 증가 또는 감소될 수 있는 것으로 인식할 것이다.
따라서, 본 발명의 실시 형태의 인젝터(10)는 압전 스택(70)에 의해 허용가능하도록 구성된 유동 제어 부재(40)의 변위 및 유동 제어 부재(40) 간의 관계 및 물리적 크기에 대해 상당한 변형을 통합시킴으로써 통상적인 구성에 대해 상반된 방법을 취한다. 압전 액추에이터 스택(70)의 스트로크 또는 변위는 전형적으로 10 미크론이다.
게다가, 원하는 유동 속도를 허용하기 위하여 인젝터(10)는 유동 제어 부재(40)의 노즈(48) 주위에서 상당히 더 큰 환형 유동 영역(37)을 제공하도록 상당히 더 큰 유동 제어 부재(40)를 수용하는 크기로 형성된다. 허용가능한 유동 영역은 유동 제어 부재(40)의 노즈(48)가 스택(70)에 의해 밀봉 시트(38)로부터 이격되는 방향으로 이동됨에 따라 형성된 환형 영역(37)에 의해 형성된다. 본 발명의 실시 형태에서, 허용가능한 유동 영역은 제2 곡률 반경(C2)을 갖는 내부 노즐 표면(34)과 제1 곡률 반경(C1)을 갖는 노즈(48) 사이의 기하학적 차이에 의해 존재하는 최소 환형 단면에 의해 결정된다. 스택(70)이 상향 방향으로 유동 제어 부재(40)의 노즈(48)로부터 이동하도록 수축됨에 따라 허용가능한 유동 영역은 내부 노즐 표면(34)과 노즈(48) 사이의 기하학적 관계의 함수로서 증가한다. 게다가, 스택(70)의 허용가능한 스트로크의 함수로서 허용가능한 유동 영역은 노즈(48)의 형상, 내부 노즐 표면(34)의 형상, 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
노출된 오리피스 영역이 스트로크 길이와 독립적인 것으로 여겨지며 1 mm의 유효 오리피스 직경과 1 mm보다 약간 큰 실질적으로 동일한 니들 직경을 갖는 종래의 인젝터의 경우, 1 mm 직경의 오리피스의 계산된 표면 영역은 0.125 sq. mm이다. JP-10의 원하는 유동 속도, 압력 및 초기 선택된 연료에 따라 이 유동 영역은 선호되는 펄스 데토네이션 엔진의 작동과 연계된 원하는 유동 속도를 달성하기에 불충분하다. 게다가, 종래의 인젝터 내에서 작은 유동 제어 부재, 즉 "핀" 또는 "니들"은 "병목(bottleneck)"이다.
다양한 크기 제한 및 작동 매개변수를 고려할 때, 압전 스택(70)의 높이는 허용가능한 스트로크 변위(S)를 결정한다. 유동 제어 부재(40)의 직경을 상당히 팽창시킴으로써, 원하는 유효 유동 속도는 스택(70)의 작은 스트로크 변위(S)에도 불구하고 유지될 수 있다.
예시로서, JP-10 연료로 작동되는 펄스 데토네이션 엔진에 대한 원하는 연료 유동 속도를 허용하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 인젝터(10)의 제1 실시 형태는 15 mm의 직경을 갖는 유동 제어 부재(40)를 사용한다. 15 mm의 직경은 10 미크론 내지 40 미크론 사이의 스트로크(S)에 따라 10 mm x 10 mm(대각선 방향으로 대략 14 mm)의 측면 치수를 갖는 구동 스택(70)의 정사각형 단면을 수용 및 신뢰성 있게 지지한다. 유동 제어 부재(40)의 직경과 스택(70)의 크기 사이의 이 상관관계는 다양한 엔진 응용에서 통합을 위해 적합한 패키지 크기 내에 적절한 성능을 전달하는 원하는 설계 지점으로써 선택된다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 형태에서, 유동 제어 부재(40)의 노즈(48)는 내부 노즐 표면(34)보다 큰 곡률 반경을 갖는다. 내부 노즐 표면(34)의 프로파일로부터 유동 제어 부재(40)의 노즈(48)의 프로파일의 분리에 의해 정해지는 유동 영역은 스택의 스트로크 변위(S)에 따라 변화하고 이에 따라 더 과립상이고 유사한 유동 제어가 제공된다. 스택(70)의 변위(S)가 더욱 확고한 동작을 제공할지라도 다양한 노즈(48) 및 내부 노즐 표면(34) 프로피알의 통합은 인젝터(10)의 유동 제어의 조밀도를 증가시키기 위해 추가로 제공된다. 하나의 곡률로 도시될지라도, 인젝터(10)의 작동 유동 프로파일은 동일한 스트로크 변위(S)를 갖는 동일한 스택(70)을 사용하면서 노즈(48)와 내부 노즐 표면(38)의 곡률을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 인젝터(10)는 더 큰 직경의 유동 제어 부재(40) 및 노즈(48)와 함께 더 작은 1 mm의 직경의 출구 노즐(36)을 포함하는 것으로 도시된다. 유동 제어 부재(40)와 노즈(48)는 내부 노즐 표면(34)과 밀봉 시트(38)와 기하학적으로 상호작용한다. 본 발명의 대안의 실시 형태는 출구 노즐(36)을 포함하지 않고, 유동은 노즈(48)와 밀봉 시트(38) 사이의 기하학적 상호작용에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시 형태는 유동 속도와 패턴을 조절할 수 있는 상이하게 형성된 내부 노즐 표면(34)을 포함할 수 있다. 그러나, 다양한 양태에서, 출구 노즐(36)은 엔진 연소 챔버에 대한 인젝터(10)의 부착을 위한 수단을 제공하거나 또는 특정 분사 패턴 또는 액적 크기를 제공하도록 구성된 유동을 제한하도록 크기가 형성될 수 있다. 추가로, 다른 실시 형태에서, 출구 노즐(36)은 모듈식일 수 있고 인젝터(10)로부터 제거될 수 있다. 추가로, 탈착식이며 모듈식 형태인 출구 노즐(36)이 단부 캡(50)과 동일한 방식으로 압전 스택(70)을 조절가능하게 또는 고정가능하게 프리스트레스하기 위한 추가 수단으로서 제공되도록 사용될 수 있고, 조절식인 원하는 프리스트레스 하중이 모듈식 출구 노즐(36)의 회전을 통하여 압전 스택(70)으로 전달되어 유동 부재(40)를 통하여 스택(70)이 압축된다. 추가로, 연료 입구 노즐(22)에 연결된 50 바 공급 라인을 이용한 시험에도 불구하고, 인젝터 조립체(10)는 다양한 압력 공급부를 허용하도록 조절될 수 있다. 본 발명의 실시 형태는 20 mm 내지 40 mm의 스택 높이를 갖는 10 x 10 mm의 측면 크기를 갖는 압전 스택(70)을 수용한다. 인젝터 조립체(10)는 다양한 스택 크기 및 유동 요건을 허용하기 위해 크기가 커지거나 또는 작아질 수 있다.
단부 캡(50)은 스택(70)에 대해 프리스트레스 압축을 인가하고 인젝터(10)를 밀봉하기 위하여 상부 쓰레드(26)를 사용하여 하의 상부에 나사체결된다. 원하는 프리스트레스 하중을 조절하기 위한 다른 수단이 바람직하게는 더 미세한 쓰레드, 기어드 마이크로미터, 기어드 스텝퍼 모터, 및 스택(70) 상에 조절식 또는 고정된 원하는 프리스트레스 하중의 배치를 정밀하게 제어할 수 있는 다른 장치와 같은 수단을 포함한다. 인젝터(10)는 휘발성 연료 및 부식성 화학물뿐만 아니라 높은 연소 작동 온도 및 높은 압력에서 작동되도록 구성된다. 본 발명의 실시 형태에서, 기계 가공의 용이성 및 실현가능성과 함께 기계적 및 화학적 내구성을 위한 선호되는 재료로서 스테인리스 스틸이 선택된다. 세라믹을 포함하는 다른 재료가 특정 사용에 적합하다.
도 3을 참조하면, 작동 중에 압전 스택(70)은 유동 제어 부재(40)의 선형 운동을 제어한다. 본 발명의 실시 형태의 시험 시에, 대략 40 미크론의 변위 스트로크(S)가 압전 스택(70)에 인가된 200 볼트의 작동 전압을 사용하여 생성된다. 일 실시 형태에서, 200개의 층의 단일 결정 스택(20 mm의 길이)을 갖는 표준 압전 스택이 대략 40 미크론의 원하는 행정 길이(S)를 달성하기 위해 사용된다. 필수적으로, 존재하는 압전 재료의 경우, 허용가능한 스트로크는 스택의 높이의 대략 1%이고, 이에 따라 스택에 대해 충분한 전력 전달이 예상된다. 인젝터(10)의 하우징(20)은 20 mm의 스택을 수용하기 위하여 스택(70)의 상부 및 단부 캡(50) 사이에 스페이서가 배열되는 20 mm 및 40 mm 스택 높이 모두를 수용할 수 있다. 단일 결정 압전 재료를 포함한 스택(70)은 표준 압전 재료로 구성된 스택보다 더 고가이다. 그러나 단일 결정 층을 포함하는 스택(70)은 전체 인젝터 조립체(10)의 크기를 상당히 감소시킨다. 증가된 제조 부피에 따라 제조 비용이 저렴해짐에 따라, 단일 결정 스택은 인젝터 조립체(10) 내에서 사용하기에 선호되는 선택이다. 본 발명의 실시 형태에서, 인젝터 하우징(20)은 하나의 20 mm의 단일 결정 스택, 하나의 40 mm 표준 압전 스택, 또는 2개의 20 mm 단일 결정 스택을 수용한다. 스택 설계가 2개의 20 mm 단일 결정 스택을 포함할 때, 스택은 스트로크 변위(S)를 증가시키기 위해 정렬될 수 있거나, 또는 스택은 하나의 스택이 일 방향으로 수축되고 다른 스택이 다른 방향으로 수축되도록 상반된 배향으로 정렬될 수 있다. 이 상반된 수축은 2개의 스택의 사용을 통하여 제공되며, 이에 따라 하나의 스택이 일차 구동 스택 상의 프리-스트레스를 초기 및 실시간 조절하기 위한 수단으로서 기능을 할 수 있다. 따라서, 단부 캡(50)은 초기 프리스트레스를 형성하기 위해 사용될 수 있는 반면 제2 스택은 더 확고하고 미세-조정된 프리스트레스의 조절을 위해 사용될 수 있다. 추가로, 제2 스택은 인젝터(10)의 하우징(20)이 하우징 재료의 열팽창 계수로 인해 팽창 또는 수축함에 따라 프리스트레스를 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 이는 열 팽창이 이루어지는 모든 엔진 구성에 대해 선호된다.
사용 및 작동 중에, 압축성 프리스트레스력은 스택(70) 상에 제공되어 압전 결정 층이 인장 하에서 배열되지 않고, 여기서 세라믹 압전 재료는 더 취약해지며 층들간의 접합이 더 취약해진다. 대부분의 경우에, 프리스트레스는 시스템 내에 삽입 이전에 압전 스택에 적용되지만 이 경우에 프리스트레스는 하우징(20) 내에 스택(70)을 삽입한 후에 적용된다. 스택(70)이 인젝터(10)의 하우징(20) 내에 배열된 후에 원하는 프리스트레스 하중을 인가함으로써, 상이한 수단이 상이한 작동 순서 동안에 실시간 교정하기 위해 작동 중에 스택(70) 상의 하중을 조절하도록 사용될 수 있다.
초기의 원하는 프리스트레스 하중은 인젝터 하우징(20)의 상부 나사산(26)을 통하여 부착된 나사 단부 캡(50)에 의해 스택(70)에 인가된다. 단부 캡(50)은 스택(70) 상의 프리스트레스를 변화시키기 위하여 느슨해지거나 또는 조여질 수 있다. 프리스트레스 하중을 조절 및 변화시키는 기능에 따라 연소 사이클 및 연계된 연료 공급 압력과 연계된 고압에 의해 야기된 상반된 개방력을 견디기 위해 유동 제어 부재(40) 상에 충분한 하향력이 제공된다. 본 발명의 실시 형태에서, 50 bar (6 MPa)에서 밀폐된 상태로 유동 제어 부재(40)를 유지하기 위해 필요한 스택(70) 상에서의 하향력은 스택(70) 내에서 사용되는 압전 재료의 작동가능한 스트레스 범위 내에 있다. 스택(70)은 연료 유동을 차단된 상태로 유지시키기 위하여 유동 제어 부재(40) 상에 배열된 하향력에 따라 초기에 프리스트레스되고 압축되어 밀봉 시트(38)로부터 유동 제어 부재(40)를 들어올리고 인젝터(10)를 작동시키며, 스택(70)은 팽창되기보다는 추가로 압축된다. 이 동력전달 방법에 따라 스택은 인장 하에 배치되지 않으며, 상기 인장은 이의 작동 수명 사이클에서 스택(70)을 손상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 인젝터(10)는 연료 전달 제어와 연계된 다수의 변수를 포함한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 인젝터(10)는 두 모드로 작동되도록 설계된다: (a) 온/오프(개방/밀폐) 및 (b) 연료 유동 속도의 아날로그 및 가변 제어. 추가로, 제1 실시 형태에서, 인젝터(10)는 유동 제어 출구 노즐(36)의 통합에 의해 인젝터(10)로부터 최대 유동을 제한한다. 일 양태에서, 출구 노즐(36)의 원하는 직경이 선택된 엔진 시스템에 대해 원하는 유동 속도를 만족시키도록 크기가 형성되고 이에 따라 정해진 지배 모드(fixed governing mode)가 형성된다. 그 뒤에 인젝터(10)에 대한 기본적인 최소 크기가 선택된다. 출구 노즐(36)의 직경은 연료 공급 압력, 원하는 최대 유동 속도 및 연료 특성에 따라 결정된다. T. J. 브루노(Bruno) 등에 의한 보고서에서 JP-10 연료의 열물리 특성이 제시된다. 초기에, 본 실시 형태에서, 원하는 연료 유동 속도와 작동 온도가 100 Hz의 최소 작동 주입 주파수에 따라 300° F에서 JP-10 연료의 35 g/s로 설정된다. 브루노의 보고서에서, 음속 및 대부분의 다른 물리적 양이 270 K - 345 K의 온도 범위로 제공된다. 300° F (420 K)의 특정 온도에서, 대부분의 물리적 양이 외삽되어야 한다. 음속 곡선을 외삽함으로써, 420 K에서 음속은 975 m/s이다. 원하는 유동 요건의 경우, 200 바의 배출 유동 속도가 실질적으로 975 m/s 미만인 250 m/s인 것으로 추정된다. 따라서, 연료의 유동 속도는 압축불가능한 범위이고 압축 효과는 무시될 수 있다.
오리피스를 통한 액체 배출 유동의 경우, 유동 속도(q)는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112019121796404-pat00021
여기서, q는 부피 유동 속도(ft3/s)이고, C는 무차원 배출 계수이며(대략 1, 오리피스 대 파이프의 직경 비율과 레이놀즈 수(Reynolds number)(Re)에 따름), A는 유동 영역(ft2)이고, g는 단위 변환 인자(units conversion factor)(= 32.17 lbm-ft/lbf-s2)이고, Δρ는 구동 과압(driving overpressure)(psi)이고, p는 밀도(lbm/ft3)이다. 다른 연계된 단위 변환 인자는 밀도의 경우 1 g/cc = 1 kg/m3 = 62.4 lbm/ft3; 압력의 경우 1 bar = 14.50 psi; 점도의 경우 1 mPa-s = 10 -3 g/s-mm = 0.000672 Ibm/ft-s; 및 질량의 경우 1 lbm = 453.515 g이다.
420°K에서 JP-10 연료의 외삽된 밀도는 0.85 kg/m3 (53 lbm/ft3)이다. 전체적인 난류 유동의 경우 0.982의 점근값(asymptotic value) 미만의 0.2%는 Cd = 0.98 for Re ~ 5xl04이다. 점도는 0.68 mPa-s로 외삽된다.
도 7b를 참조하면, 결과적인 유동 속도 및 유동 영역의 범위는 구동 과압의 함수로서 제공된다. 도 7c에는 해당 레이놀즈수가 제공된다. 도 7b 및 도 7c 둘 모두를 참조하면, 20 바 내지 50 바의 원하는 공급 압력에서 대략 0.4 내지 0.6 sq. mm의 유동 영역이 요구된다. 본 실시 형태에서, 1 mm의 직경을 갖는 출구 노즐(36)이 0.78 sq. mm의 유동 영역을 제공한다. 따라서, 출구 노즐(36)은 원하는 유동 속도에서 조기 스로틀(premature throttle)로서 기능을 하지 않을 것이지만 시스템에 대한 관리자로서 기능을 하도록 더 높은 수준에서 유동을 제한할 것이다.
개시된 연료 인젝터(10)는 연료 효율을 상당히 개선시키고 배기 방출물을 상당히 줄이며, 다수의 유형의 연소 엔진 설계에서 실질적인 개선을 제공한다. 인젝터(10)의 크기는 가변 주입 요건에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 표준 디젤 및 제트 엔진은 아날로그 유동 제어를 제공하는 능력으로 인해 이 연료 인젝터 기술의 더 우수한 능력으로부터 상당한 이점을 제공한다. 추가로, 전술된 고유 및 확고한 작동 요건을 갖는 펄스 데토네이션 엔진은 본 발명의 실시를 통하여 적법하고 향상된 엔진 형태로 형성될 수 있다.
추가로, 본 발명의 압전 연료 인젝터(10)는 최신 연소 엔진 기술의 실질적 재설계를 보조하기 위한 기본적 및 개척적인 기술로서 제공될 것이다. 이 전자-제어식의 직접 구동 압전 인젝터 구성의 사용과 연계된 중요한 이점은 로커 암(rocker arm), 푸쉬 로드, 밸브 스프링, 캠 샤프트, 타이밍 벨트, 및 연계된 설비를 포함하는 현존 엔진 구성요소가 과도하게 제공되는 것을 방지하는 것이다. 이들 구성요소는 전술된 압전-구동식 인젝터 조립체(10)의 하나 이상의 버전에 의해 대체될 수 있다.
본 발명이 이의 특정 선호되는 버전에 따라 상당히 상세하게 기재될지라도, 다른 버전도 가능하다. 예를 들어, 내부 노즐 표면(34)과 출구 노즐(36)이 밀봉 시트(38)와 유동 제어 부재(40)의 노즈(48) 사이의 환형 간격에 의해 제어되는 유동을 이용하여 그 전체가 제거되는 몇몇의 버전이 제공될 수 있다. 추가로, 버전은 평행한 다수의 스택들이 전체 파워 또는 힘을 증가시키고 일렬로 배열된 다수의 스택이 전체 변위를 증가시키는 스택(70)의 파워 및 변위의 추가 조절을 허용하는 다수의 스택을 포함할 수 있다. 다수의 스택 또는 더 큰 스택이 인젝터 하우징(20)의 길이 또는 직경을 증가시킴으로써 용이하게 수용될 수 있다. 추가로, 제2 조절 스택이 구동 스택(70) 상에서 프리스트레스를 실시간 조절하기 위하여 제1 구동 스택(70) 및 단부 캡(50) 사이에 개재되는 버전도 가능하다. 평행한 상태의 다수의 스택이 하우징(20)의 원통형 챔버(30) 내에서 유동 제어 부재(40)의 정렬을 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 추가로, 다수의 스택이 유동 프로파일과 충돌하고 작동 중에 축적될 수 있는 임의의 스케일(scale) 또는 증착물을 기계적으로 세척하는 수단으로서 유동 제어 부재(40)를 비스듬히 이동시키고 진동하기 위하여 사용될 수 있다. 추가로 본 발명에 따른 인젝터(10)는 작동 방법을 포함할 수 있고, 이 방법에서 압전 스택(70) 또는 보조 압전 스택이 스케일 또는 다른 증착물을 내부 노즐 표면(34), 내부 벽(32), 내부 노즐 표면(34), 출구 노즐(36), 및 밀봉 시트(38)로부터 세척하고 이를 공진할 수 있는 주파수로 구동된다. 전술된 본 발명의 복수의 버전에 따라, 첨부된 청구항의 사상과 범위는 본 명세서에 포함된 선호되는 버전의 기술 내용으로 제한되지 않는다.
본 명세서를 읽는 사람은 본 명세서에 따른 문헌 및 문서를 주목하고, 이러한 문서 및 문헌의 내용은 본 명세서에 참조로 인용된다. 임의의 첨부된 청구항, 요약서 및 도면을 포함하는 본 명세서에 개시된 모든 특징이 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 동일하거나, 균등하거나, 또는 유사한 목적을 제공하는 대안의 특징으로 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 특징들은 일련의 일반적인 균등하거나 유사한 특징들 중 하나이다. 특정 기능을 수행하기 위한 "수단" 또는 특정 기능을 수행하기 위한 "단계"는 35 U.S.C. Sec. 112, par. 6에 따라 명시된 바와 같이 "수단" 또는 "단계"로서 해석되어서는 안된다. 특히, 본 청구항에서 "단계"의 사용은 35 U.S.C. Sec. 112, par. 6에 따르는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 연료 주입 시스템을 사용하여 모든 내연 기관에 적용될 수 있다. 본 발명은 방출물을 최소화하기 위하여 단순한 제어 장치에 의하여 정확한 연료 주입 제어를 요구하는 디젤 엔진에 적용될 수 있다. 이는 각각의 사이클 동안에 특정 프로파일 및 높은 속도에서의 연료 전달에 따른 정확하고 고주파수 제어가 요구되는 가스 터빈 및 펄스 데토네이션 엔진을 포함하는 향상된 엔진 설계에 추가로 적용될 수 있다. 본 발명의 버전, 실시 형태 및 양태에서, 본 발명은 가솔린 또는 에탄올 동력식 내연 기관에 추가로 적용될 수 있으며, 바람직하게는 전체 성능을 향상시키면서 방출물을 감소시킬 수 있는 단순하고 전자식 제어 연료 주입 시스템에 따라 다수의 이동식 구성요소를 교체할 수 있다. 본 발명에 따른 연료 인젝터를 포함하는 이러한 내연 기관은 트럭, 승용차, 산업용 설비, 고정식 발전기, 항공기, 로켓, 제트기, 미사일, 등을 포함하는 산업 분야, 상용 분야, 비상용 분야 및 군용 분야에서 폭 넓게 사용될 수 있다.
10: 연료 인젝터 조립체
20: 하우징
30: 내부 원통형 챔버
38: 밀봉 시트
40: 인젝터 유동 제어 부재
48: 반구형 노즈 부분
50: 원형 단부 캡
70: 압전 스택

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  8. 연소 챔버 내로 연료를 주입하기 위한 최소한의 개수의 구성요소를 갖는 연료 인젝터로서,
    (a) 반구형 내부 노즐 표면을 갖는 인젝터 하우징,
    (b) 가압된 연료를 수용하기 위하여 상기 인젝터 하우징에 부착된 입구 노즐,
    (c) 연소 챔버에의 출구를 제공하는, 상기 인젝터 하우징의 하부 부분에 배열된 출구 노즐,
    (d) 상기 인젝터 하우징 내에 배열된 압전 스택 - 상기 압전 스택은 프리스트레스 하중에 노출됨 - 압전 스택,
    (e) 상기 인젝터 하우징 내에 이동 가능하게 위치된 유동 제어 부재 - 상기 유동 제어 부재는 제1 곡률 반경을 갖는 반구형 노즈를 갖고, 상기 반구형 노즈는 상기 유동 제어 부재를 통한 유동 속도를 제어하도록 구성됨 - 유동 제어 부재, 및
    (f) 상기 반구형 내부 노즐 표면은 상기 하부 부분에 인접하게 위치되며, 상기 반구형 내부 노즐 표면은 제2 곡률 반경을 가지며 - ,
    (g) 상기 유동 제어 부재는 인젝터 하우징 내에서 압전 스택에 직접 결합되어 있고, 상기 유동 제어 부재는, 출구 노즐을 통하여 입구 노즐로부터의 연료 유동이 차단되는 밀폐 상태와, 연료가 압전 스택의 팽창 및 수축에 따라 상기 출구 노즐을 통하여 입구 노즐로부터 유동할 수 있는 하나 이상의 개방 상태 위치 사이에서 압전 스택에 의해 직접적으로 그리고 가변적으로 이동 가능하며 - ,
    (h) 변위 스트로크를 통한 압전 스택의 팽창과 수축에 의해 상기 유동 제어 부재를 직접 구동시키기 위하여 압전 스택에 전력을 제공하도록 압전 스텍에 연결된 구동 전자장치를 갖는 제어 시스템을 포함하며,
    상기 연료 인젝터는 상기 프리스트레스 하중을 상기 압전 스택에 인가하기 위한 수단을 더 포함하며,
    프리스트레스를 인가하기 위한 상기 수단은 단부 캡을 포함하고,
    상기 프리스트레스는 선택된 연료 공급 압력에 따라 압전 스택 상에 프리스트레스 하중을 인가하기 위하여 상기 단부 캡의 회전에 의해 인가되며,
    상기 단부 캡의 회전에 의해 프리스트레스를 인가하기 위한 상기 수단은 기어드 마이크로미터 또는 기어드 스텝퍼 모터를 사용하여 상기 단부 캡에 회전을 인가하는 수단을 포함하는
    연료 인젝터.
  9. 유동 제어 부재와, 밀봉 시트와, 상기 유동 제어 부재의 선형 운동을 제어하기 위해 팽창 및 신축하는 압전 액추에이터 스택을 구비하는 인젝터를 작동시키는 방법으로서, 상기 유동 제어 부재는 제1 곡률 반경을 갖고 또한 상기 유동 제어 부재를 통과하는 유동 속도를 제어하도록 구성된 반구형 노즈와, 제2 곡률 반경을 갖는 반구형 내부 노즐 표면을 갖는, 인젝터 작동 방법으로서,
    - 압전 액추에이터 스택이 작동 사이클을 통하여 압축 상태로 유지되는 것을 보장하기 위하여 압전 액추에이터 스택에 프리스트레스 하중을 적용하는 단계,
    - 압전 액추에이터 스택이 상기 인젝터의 밀봉 시트로부터 이격되는 방향으로 유동 제어 부재를 이동시키고 수축시키기 위하여 압전 액추에이터 스택에 초기 전압을 인가하여, 상기 인젝터를 통하여 연료 유동을 개시시키는 단계,
    - 유동 제어 부재에 대해 인젝터 내에서 연료의 압력에 의해 야기된 개방력을 조절하기 위하여 압전 액추에이터 스택에 인가된 전압을 순간적으로 감소시키는 단계,
    - 압전 액추에이터 스택에 인가된 전압을 변화시켜서 압전 액추에이터 스택이 인젝터 내의 하나 이상의 간접 위치로 유동 제어 부재를 이동시키기 위해 팽창 및 수축되고 이에 따라 가변 유동 속도로 인젝터를 통하여 연료의 이동을 위한 하나 이상의 환형 유동 영역을 형성하는 단계,
    - 개별 연소 사이클에 걸쳐서 연료 유동 속도를 변화시키고 환형 유동 영역을 조절하기 위하여 상기 유동 제어 부재를 하나 이상의 간섭 위치로 이동시키도록 연소 사이클 동안의 작동 중에 인가된 전압을 조절하는 단계,
    - 압전 액추에이터 스택이 인젝터의 밀봉 시트를 향하여 유동 제어 부재를 이동시키고 팽창시키도록 인가된 전압을 감소시키는 단계 - 이에 따라 연료 유동을 차단하기 위해 연료 유동 속도와 환형 유동 영역이 감소되고 압전 액추에이터 스택에의 모든 인가된 전압이 차단되고 압전 액추에이터 스택은 상기 유동 제어 부재를 상기 밀봉 시트와 완전히 결합시키도록 충분히 팽창되며 인젝터를 통과하는 모든 연료 유동이 차단됨 - 를 포함하는
    인젝터 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    압전 액추에이터 스택에의 모든 인가된 전압을 차단하는 것은 고장-안전 모드에서 압전 액추에이터 스택이 프리스트레스된 상태까지 완전히 팽창되어 상기 인젝터를 통과하는 모든 연료 유동을 차단하는 전원 차단을 구성하는
    인젝터 작동 방법.
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