KR102180408B1 - 차량용 연료 분사기 - Google Patents

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김동현
이현직
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Abstract

본 발명은 연료레일로부터 공급받은 고압의 차량용 연료를 연소실로 분사하기 위하여 구비되는 차량용 연료 분사기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 분사기는 원주 방향을 따라 간격을 두고 배치되며 길이 방향으로 관통 형성되는 복수의 배출 유로 및 내주면 상에 아웃워드 유로를 갖는 중공 형상의 노즐과, 노즐의 내주면을 관통하는 구조로 이루어지되, 노즐의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절됨에 따라 노즐을 개폐하는 니들 바를 포함한다.

Description

차량용 연료 분사기{FUEL INJECTOR FOR VEHICLE}
본 발명은 가솔린 직접분사식(GDI) 연료 분사기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아웃워드(Outward) 유로와 멀티홀(Multi-hole) 타입의 배출 유로를 혼합한 노즐을 갖는 차량용 연료 분사기에 관한 것이다.
전 세계적으로 배기 규제가 강화되고 있는 가운데, 자동차 업계에서는 연료 경제성이 뛰어나고 오염물질 배출량이 적은 차량 개발과 더불어 해당 분야에 대한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.
그 일환 중에 하나인 이산화탄소(CO2) 저감 기술로는, 가솔린 엔진의 연료 소비를 줄이기 위한 기술 즉, 펌프 손실의 저감과 연소 효율의 향상 및 기계 손실의 저감 등이 있다.
최근에는 연료 소비율을 대폭적으로 저감시킬 수 있는 차세대 가솔린 엔진 연소 기술로서, 직접분사식 희박 연소 엔진 개발에 심혈을 기울이고 있는 추세이다.
현재 적용되고 있는 멀티홀 타입의 노즐은 분무 타겟팅 성능 면에서 우수하나 분무 도달거리가 길어 연소실 내 연료 분사 시, 실린더 라이너/피스톤 헤드부에 벽류(wall wetting fuel stream)가 발생하는 원인이 되고 있다.
또한, 멀티홀 타입의 노즐은 배출 기준에 따른 입자상 물질(PM; Particuate Matter), 입자 개수(PN) 및 질소산화물(NOx) 등과 같은 미세먼지 발생을 야기할 수 있었다.
한편, 아웃워드 타입의 노즐은 니들 열림 시, 유압의 도움을 받아 비교적 작은 힘으로 쉽게 개폐가 가능하고, 연료 분사 시 항아리 모양의 분무 형태로 연소실에 분사되어 분무 도달거리가 짧고 혼합기 형성이 유리하다.
하지만, 이러한 아웃워드 타입의 노즐은 연소실 형상에 따른 정확한 타겟팅이 불가능하고, 연료 젯에 의한 난류 운동에너지 형성에 취약한 문제가 있었다.
결과적으로 어떠한 노즐의 형태이든 균일한 혼합기 형성이 부족하고 벽류가 발생하는 경우, 국부적인 연소 발생에 의한 노킹(Knocking) 현상 뿐만 아니라 미세먼지 등과 같은 배기 배출물이 다량 발생할 수 있었다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 아웃워드 유로와 멀티홀 타입의 배출 유로를 혼합한 노즐을 통해 연소실 내의 벽류 현상을 감소시킴으로써, 배기 배출물을 저감하고 노킹 현상을 방지하는 데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기는, 연료레일로부터 공급받은 고압의 차량용 연료를 연소실로 분사하기 위하여 구비된다.
이러한 차량용 연료 분사기는 원주 방향을 따라 간격을 두고 배치되며 길이 방향으로 관통 형성되는 복수의 배출 유로와, 내주면 상에 아웃워드 유로를 갖는 중공 형상의 노즐; 및 상기 노즐의 내주면을 관통하는 구조로 이루어지되, 상기 노즐의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절됨에 따라 상기 노즐을 개폐하는 니들 바;를 포함한다.
상기 노즐은 내주면 상에 돌출 형성된 가이드돌기를 포함하고, 상기 니들 바는 외주면 상에 상기 가이드돌기와 대응하는 가이드홈을 포함하되, 상기 가이드홈은 하부로 갈수록 경사진 형태로 함몰 형성되어, 상기 니들 바의 회전 각도를 조절한다.
상기 가이드홈은 상기 니들 바의 외주면 상에 수직 구간으로 이루어진 수직홈과, 상기 수직홈으로부터 연장 형성되며, 상기 수직홈을 기준으로 좌측 또는 우측으로 경사진 구조를 갖는 경사홈을 포함한다.
상기 노즐은 상기 배출 유로에 초킹(choking)이 유발되어 일정한 속도로 연료가 분사되는 것이 바람직하다.
상기 니들 바는 하부로 이동할수록 열림 상태로 회전되고, 상부로 이동할수록 닫힘 상태로 회전되는 것이 바람직하다.
상기 니들 바의 하단에는 폭 방향으로 돌출 형성된 복수의 블레이드가 형성된다.
상기 블레이드는 상단면에 돌출 형성되되, 서로 이격되어 예각을 이루는 한 쌍의 핀을 구비한다.
상기 한 쌍의 핀은 상기 블레이드가 열림 상태에서 상기 아웃워드 유로의 배출 경로를 제공하여, 분사되는 연료를 미립화(atomization)시키는 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 핀은 상기 블레이드의 상단면에 탈착되는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 블레이드의 상단면에는 상기 핀의 설치 각도를 조절할 수 있도록 구비되는 틸팅홈이 형성될 수 있다.
상기 블레이드는 하부로 경사진 구조로 이루어지며, 하단부는 테이퍼 형상을 갖는다.
상기 노즐의 내주면 하단에는 상기 니들 바의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바의 둘레를 감싸 지지하는 가이드부재가 형성된다.
상기 가이드부재는 상기 배출 유로와 폭 방향으로 대응하는 위치에 내측으로 돌출 형성되며, 상기 가이드부재의 원주 방향 양단에는 상기 아웃워드 유로가 형성된다.
상기 노즐의 내주면 상단에는 상기 니들 바의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바의 둘레를 감싸 지지하는 링 가이드가 형성된다.
상기 링 가이드는 내주면이 상기 니들 바의 둘레를 감싸는 중공 형상으로 이루어지며, 동심원을 갖는 복수의 배출홀을 구비한다.
차량용 연료 분사기는, 상기 니들 바의 상부 둘레를 감싸는 전기자; 상기 전기자의 하부에 위치하며, 상기 니들 바 주변에 배치되는 마그네틱 코어; 및 상기 전기자와 상기 마그네틱 코어 사이에 구비되는 탄성부재;를 더 포함한다.
상기 전기자는 솔레노이드 코일에 형성된 자기장을 통해 상기 마그네틱 코어를 향하여 하부로 이동되고, 상기 니들 바는 상기 전기자와 연동되어 상하 방향으로 이동되는 것이 바람직하다.
상기 전기자와 솔레노이드 코일 사이의 일부 구간에는 비자성체가 구비된다.
상기 니들 바의 상부 둘레에는 상기 전기자의 상부에 배치되는 스토퍼와, 상기 전기자의 하부에 배치되는 포지션 링이 형성되며, 상기 스토퍼와 포지션 링은 상호 이격된 형태로 이루어져 상기 전기자의 이동범위를 제한한다.
상기 전기자는 자기력이 차단되면 상기 탄성부재에 의해 상부로 이동된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 연료 분사기는, 원주 방향을 따라 간격을 두고 배치되며 길이 방향으로 관통 형성되는 복수의 배출 유로와, 내주면 상에 아웃워드 유로를 갖는 중공 형상의 노즐; 상기 노즐의 내주면을 관통하는 구조로 이루어지되, 상기 노즐의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절됨에 따라 상기 노즐을 개폐하는 니들 바; 및 상기 니들 바의 상단에 연결되어, 상기 니들 바의 거동을 제어하는 피에조 액추에이터;를 포함한다.
상기 니들 바의 상부 둘레를 감싸는 고정판; 및 상기 고정판과 상기 노즐의 상단부 사이에 구비되어 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함한다.
상기 노즐의 내주면 상단에는 상기 니들 바의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바의 둘레를 감싸 지지하는 링 가이드가 형성된다.
본 발명은 아웃워드 유로와 멀티홀 타입의 배출 유로를 혼합한 노즐을 통해 적정의 분무 도달거리로 연료를 분사시킬 수 있고, 분무 타겟팅 성능을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 연소실 내의 벽류 현상을 감소시킴으로써, 배기 배출물을 저감하고 노킹 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기를 설명하기 위해 도시한 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 B 부분을 나타낸 부분 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 열림 상태와 닫힘 상태를 설명하기 위하여 노즐과 니들 바의 하단을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기에 있어서, 니들 바와 연동되는 노즐의 상세 구조를 나타낸 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기에 있어서, 멀티홀 타입의 배출 유로와 아웃워드 유로에서 분사되는 연료의 배출 구조를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 작동 메커니즘을 단계별로 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 단면 및 구성 간 체결관계를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기를 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 연료 분사기(100)는 연료레일(10)로부터 공급받은 고압의 차량용 연료를 연소실(미도시)로 분사하기 위하여 구비되는 장치이다.
즉, 차량용 연료 분사기(100)는 전자제어 장치(ECU; Electronic Control Unit, 미도시)로부터 전기 신호를 인가 받아, 고압의 연료를 가솔린 엔진(GDI Engine)의 연소실 내로 분사하는 장치이다.
이를 위하여 차량용 연료 분사기(100)는 연료레일(10)에 체결되고, 고압센서(20)와 와이어 하네스(30)에 연결되어 외부로부터 전원으로 공급받아 작동된다. 이때, 차량용 연료 분사기(100)가 체결되는 상단 부분에는 기밀부재(O-ring)가 구비될 수 있다.
차량용 연료 분사기(100)는 상기 연소실 내에 정확한 시간에 맞춰 정확한 양으로 분사한다.
일반적으로 액체 상태의 연료는 기관(미도시)의 흡입 과정 중에 무화되면서 공기와 섞여 혼합기를 형성하고 연소실 내로 유입되는데, 이러한 혼합기의 형성 과정은 실린더(미도시) 내의 연소 현상을 결정하는 중요한 인자가 되고 있다.
연료의 기화, 공기와의 혼합 그리고 착화 및 연소의 전 과정은 거의 동시에 함께 진행된다.
혼합기 형성의 목표는 가능한 한 빠르게 기화된 연료를 자기착화되게 하고, 다른 한편으로는 높은 피크(peak)－연소온도를 피하면서 분사된 연료의 전부를 완전 연소시키는 것이다.
이 두 가지 기본조건이 충족되면, 과도한 압력상승, 높은 연소 소음 그리고 기계적/열적 부하를 피하면서도 유해배출물 수준이 낮은 연소가 가능하게 된다.
이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기(100)는, 아웃워드 유로와 멀티홀 타입의 배출 유로를 혼합한 노즐이 적용되었다. 이를 통해 본 발명은, 적정의 분무 도달거리로 연료를 분사시킬 수 있고, 분무 타겟팅 성능을 향상시킬 수 있다. 자세한 설명은 후술하도록 한다.
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기본적으로 차량용 연료 분사기(100)는 전자석을 이용해 전기 신호를 인가받아 니들 바(120)가 노즐(110) 내주면 상에서 상하 방향으로 이동하며, 노즐(110)의 출측을 개폐하는 형태이다.
본 발명은, 동일하게 연료를 가압하는 고압펌프(미도시) 및 축압된 연료를 저장하고 연료 분사기(100)에 공급하는 연료레일(도 1의 10)과 함께 기존의 가솔린 직접분사식 연료 분사시스템에 귀속되는 구성으로 이루어진다.
차량용 연료 분사기(100)는 크게, 필터(101), 서포트 튜브(102), 노즐(110), 니들 바(120), 전기자(130, armature), 마그네틱 코어(140), 탄성부재(150) 및 솔레노이드 코일(160)을 포함한다.
여기서, 상기 구성들은 차량용 연료를 분사시키기 위해 마련되며, 상호 연동되어 작동되는 메커니즘으로 이루어진다.
본 발명의 구성을 상세하게 설명하기에 앞서, 니들 바(120)가 상하 방향으로 이동하며 회전되는 구조 및 이를 인가하는 관련 구성 위주로 설명하고 나머지 구성들은 생략하거나 일부 첨삭하기로 한다.
다만, 본 발명은 차량용 연료를 연소실로 분사하기 위하여 구비되는 형태로서, 본 발명의 특징되는 부분을 제외한 나머지 부분은 기존의 형태와 동일할 수 있다. 따라서 이하의 내용에서는 본 발명의 특징되는 점을 위주로 설명하기로 한다.
노즐(110)은 차량용 연료를 분사하기 위해 마련된 구성으로서, 중공 형상으로 이루어진다. 이러한 노즐(110)은 복수의 배출 유로(111)와, 아웃워드 유로(112)를 포함한다.
배출 유로(111)는 상기 노즐(110)의 원주 방향을 따라 간격을 두고 배치된다. 이러한 배출 유로(110)는 상기 노즐(110)의 길이 방향으로 관통 형성되며 복수의 홀로 이루어진다.
아웃워드 유로(112)는 상기 노즐(110)의 내주면 상에 형성된다. 이러한 아웃워드 유로(112)는 유압의 도움을 받아 비교적 작은 힘으로 쉽게 개폐가 가능하다.
그리고 상기 아웃워드 유로(112)는 연료 분사 시 항아리 모양의 분무 형태로 연소실에 분사되어, 분무 도달거리가 짧아 벽류가 발생할 위험성이 낮고, 혼합기 형성에 유리하다.
일반적인 멀티홀 타입의 유로는 분무 도달거리가 길어 분사 타겟팅이 유리하다. 하지만, 이러한 장점은 분무 도달거리가 상대적으로 길어 피스톤으로 인해 벽류가 발생할 가능성이 높았다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은, 노즐(110)에 멀티홀 타입의 배출 유로(111)와 아웃워드 유로(112)가 동시에 적용된다.
상기 배출 유로(111)를 거쳐 연소실로 분사되는 연료의 분무 도달거리는, 상기 아웃워드 유로(112)를 거쳐 연소실로 분사되는 연료에 의해서 짧아진다.
왜냐하면, 상기 아웃워드 유로(112)로 분사되는 연료에 의한 압력 분배가 이루어지기 때문이다. 이에 따라, 상기 배출 유로(111)를 거친 연료의 분무 도달거리는 상기 아웃워드 유로(112)로 분사되는 연료에 의한 압력 분배로 저감되어, 벽류 발생을 방지할 수 있다.
즉, 상기 노즐(110)은 배출 유로(111)의 타겟팅 성능을 유지하면서 단점이었던 벽류 발생을 차단할 수 있다.
다음으로 니들 바(120)는, 상기 노즐(110)의 내주면을 관통하는 구조로 이루어진다. 상기 니들 바(120)는 상기 노즐(110)의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절됨에 따라 상기 노즐(110)을 개폐한다.
이러한 니들 바(120)는 하부로 이동할수록 열림 상태로 회전되고, 상부로 이동할수록 닫힘 상태로 회전된다.
다음으로, 상기 노즐(110)과 연동되는 니들 바(120)의 작동을 위해서 마련되는 구성에 대해 살펴보기로 한다.
먼저 전기자(130)는 상기 니들 바(120)의 상부 둘레를 감싼다. 이러한 전기자(130)는 회전 혹은 이동 운동에 의해서 전기-기계 에너지 변환 또는 회로의 개폐 등을 할 수 있는 기능이 있다.
상기 전기자(130)는 솔레노이드 코일(160)에 형성된 자기장을 통해 상기 마그네틱 코어(140)를 향하여 하부로 이동된다. 여기서, 니들 바(120)는 상기 전기자(130)와 연동되어 상하 방향으로 이동된다.
이때, 상기 전기자(130)와 솔레노이드 코일(160) 사이의 일부 구간에는 자기 밀도(magnetic density)가 집중되도록 비자성체(103)가 구비된다.
상기 비자성체(103)는 필터(101)와 노즐(110) 사이에 위치한 서포트 튜브(102) 상에 삽입된다.
마그네틱 코어(140)는 상기 전기자(130)의 하부에 위치하며, 상기 니들 바(120) 주변에 배치된다.
탄성부재(150)는 탄성력을 제공하는 스프링으로서, 상기 전기자(130)와 상기 마그네틱 코어(140) 사이에 구비된다.
상기 탄성부재(150)는 상기 전기자(130)가 외부의 전기신호를 받아 하부로 이동하면, 상기 전기자(130)가 상기 마그네틱 코어(140)에 닿을 때까지 접혀진다.
그 후에 상기 전기자(130)에 전기신호가 차단되면, 상기 탄성부재(150)는 탄성 복원력에 의해 상기 전기자(130)를 원래의 위치(초기위치)인 상부로 이동시킨다.
니들 바(120)의 상부 둘레에는 스토퍼(170)와, 포지션 링(180)이 상호 이격된 형태로 배치된다.
스토퍼(170)는 니들 바(120)의 상단에 위치하되, 상기 전기자(130)의 상부에 위치한다. 이러한 스토퍼(170)의 설치 위치를 기준으로 상기 전기자(130)가 상방향으로 이동하는 것을 방지한다.
포지션 링(180)은 상기 전기자(130)의 하부에 배치된다. 이러한 포지션 링(180)의 설치 위치를 기준으로 상기 전기자(130)가 하방향으로 이동하는 것을 방지한다.
다시 말해, 상기 스토퍼(170)와 포지션 링(180)은 상기 전기자(130)의 상하 이동거리(d)를 제약하여, 상기 전기자(130)가 상기 스토퍼(170)와 포지션 링(180) 사이에서만 이동되도록 한다.
도 3은 도 2에 도시된 B 부분을 나타낸 부분 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 열림 상태와 닫힘 상태를 설명하기 위하여 노즐과 니들 바의 하단을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 노즐(110)은 내주면 상에는 가이드돌기(113)가 돌출 형성된다. 니들 바(120)의 외주면 상에는 상기 가이드돌기(113)와 대응하는 가이드홈(121)이 형성된다.
이때, 상기 가이드홈(121)은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 하부로 갈수록 경사진 형태로 함몰 형성되어, 상기 니들 바(120)의 회전 각도를 조절한다.
상기 가이드홈(121)은 수직홈(121a)과 경사홈(121b)을 갖는다.
수직홈(121a)은 상기 니들 바(120)의 외주면 상에 수직 구간으로 이루어진다.
경사홈(121b)은 상기 수직홈(121a)으로부터 연장 형성된다. 이러한 경사홈(121b)은 상기 수직홈(121a)을 기준으로 좌측 또는 우측으로 경사진 구조를 갖는다.
이러한 노즐(110)과 니들 바(120) 사이의 작동 관계는 상호 연동된 가이드돌기(113)와 가이드홈(121)을 통해 회전 조절된다. 상기 니들 바(120)의 하단은 회전 조절되어 상기 노즐(110)을 개폐한다.
도 4의 (a)는 니들 바(120)가 노즐(110)의 하단을 닫힘 상태로 유지한 형태이다. 이때, 상기 니들 바(120)의 하단에는 폭 방향으로 돌출 형성된 복수의 블레이드(122)가 형성된다.
상기 블레이드(122)는 상기 노즐(110)의 내주면과 동심원을 가지며, 회전 동작을 통해 상기 노즐(110)을 개폐한다.
도 4의 (b)는 니들 바(120)가 회전 조절되어, 상기 노즐(110)의 하단이 열림 상태로 된 모습이다. 이렇듯 니들 바(120)의 블레이드(122)는 회전 조절될 때, 상기 노즐(110)의 배출구 중에 하나인 배출 유로(111)를 개폐할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기에 있어서, 니들 바와 연동되는 노즐의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 노즐(110)은 멀티홀 타입의 배출 유로(111)와 아웃워드 유로(112) 및 가이드부재(114)가 일체형으로 이루어진다.
이때, 상기 가이드부재(114)는 니들 바(120)의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바(120)의 둘레를 감싸 지지하는 형태로 이루어진다. 이러한 가이드부재(114)는 상기 노즐(110)의 내주면 하단에 배치된다.
상기 가이드부재(114)는 상기 배출 유로(111)와 폭 방향으로 대응하는 위치에 내측으로 돌출 형성된다. 원주 방향을 기준으로 상기 가이드부재(114)의 양단에는 아웃워드 유로(112)가 형성된다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기에 있어서, 멀티홀 타입의 배출 유로와 아웃워드 유로에서 분사되는 연료의 배출 구조를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 병행 참조하면, 블레이드(122)는 하부로 경사진 구조로 이루어지며, 하단부는 테이퍼 형상을 갖는다.
노즐(110)은 상기 블레이드(122)와 이웃하는 부위에 유로홈(124)을 구비한다. 배출 유로(111)와 아웃워드 유로(112)를 통과한 차량용 연료가 유로홈(124)을 통해 외부로 분사된다.
이때, 상기 블레이드(122)는 상단면에 돌출 형성되되, 서로 이격되어 예각을 이루는 한 쌍의 핀(123)을 구비한다.
상기 한 쌍의 핀(123)은 상기 블레이드(122)가 열림 상태에서 상기 아웃워드 유로(112)의 배출 경로를 제공하여, 분사되는 연료를 미립화(atomization)시킬 수 있다.
도 6의 (c)에서 니들 바(120)가 노즐(110)을 개방하면, 배출 유로(111)와 아웃워드 유로(112)가 동시에 열린다.
이에 따라, 상기 배출 유로(111)로 분사되는 차량용 연료는 기존의 멀티홀 타입 노즐에 비해 압력이 낮은 상태로 분무된다.
이는, 차량용 연료의 분무 도달거리가 짧아짐에 따라 기존에 문제가 되었던 연소실 벽류 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 배출 유로(111)는 분무 타겟팅을 유지할 수 있다.
다시 말해, 상대적으로 고압 영역인 배출 유로(111)로 분사되는 차량용 연료는, 배출 유로(111) 상에 캐비테이션이 발생하여 초킹(choking)에 의해 유속이 고정된다.
캐비테이션은 배출 유로(111)의 내부 압력차에 의해 발생된다. 상기 배출 유로(111)는 항시 캐비테이션 거동 영역에서 동작하여 차량용 연료의 분무 속도를 고정시킨다.
도 7의 (a)를 참조하면, 블레이드(122)의 상단면에 형성된 한 쌍의 핀(123)은 서로 이격되어 예각을 이룬다.
이에 따라, 상기 한 쌍의 핀(123)은 아웃워드 유로(도 6의 112)에서 분사된 차량용 연료의 분무 중첩 현상을 방지시킨다.
상기 한 쌍의 핀(123)은 니들 바(120)의 회전 동작에 따라 노즐(도 6의 110)이 열림 상태가 되면, 아웃워드 유로(도 6의 112)에서 분사되는 차량용 연료를 각 방향으로 미립화시켜 초기 액적의 분열을 촉진한다.
상기 한 쌍의 핀(123)은 상기 블레이드(122)의 상단면에 탈착되는 구조로 이루어질 수도 있다.
이때, 상기 블레이드(122)의 상단면에는 상기 핀(123)의 설치 각도를 조절할 수 있도록 구비되는 틸팅홈(미도시)이 형성될 수 있다.
이렇듯, 연소실 형상에 따라 상기 핀(123)의 각을 변화시키면, 텀블 유동(tumble flow)이 강한 영역에 분무를 조금 더 분배할 수 있다.
즉, 상기 핀(123)이 각도 조절이 가능할 때, 선택적으로 차량용 연료의 분무량을 조절할 수 있다. 한편, 니들 바(120)의 블레이드(122) 양단에는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 기밀부(125)가 구비된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 작동 메커니즘을 단계별로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 차량용 연료 분사기(100)는 (a)-(b)-(c)-(d)-(e) 단계로 작동된다.
(a) 단계는 작동 전 단계로서, 스토퍼(170)에 의해 단속되어 있는 전기자(130)는, 탄성부재(150)에 의해 상방향으로 힘을 받는다. 결과적으로 전기자(130)가 스토퍼(170)와 접하고 있으면, 노즐(110)과 니들 바(120) 간의 기밀이 유지된다.
(b) 단계는 유도 자기력이 발생한 차량용 연료 분사기(100)의 니들 바(120)가 하부로 이동하며 노즐(110)이 초기 열림 상태가 된다.
이때, 솔레노이드 코일(160)에 의해 유도 자기력이 발생한 차량용 연료 분사기(100)에 전기 신호가 인가되면, 전기자(130)가 마그네틱 코어(140)로 이동하여 포지션 링(180)에 충돌한다. 그 후에 상기 전기자(130)는 니들 바(120)와 함께 탄성부재(150)가 압축될 때까지 하부로 이동한다.
여기서, 상기 니들 바(120)는 상기 노즐(110)과 연동되어 상기 노즐(110)의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절된다. 이에 따라, 상기 니들 바(120)는 상기 노즐(110)을 개폐한다.
(c) 단계는 니들 바(120)가 하부로 이동할 때 상기 노즐(110)과 연동되어 회전 조절됨에 따라 상기 노즐(110)의 하단부가 개방된다. 이에 따라 배출 유로(111)와 아웃워드 유로가 동시에 개방되면서 차량용 연료가 분사된다.
(d) 단계는 전기자(130)에 전기 신호가 미인가되면 자기력이 사라지면서 상기 전기자(130)는 탄성부재(150)에 의해 상"?향으?* 이동된다. 이때, 상기 전기자(130)는 (e) 단계처럼 스토퍼(170)와 맞닿은 초기 위치로 복귀된다.
상기 전기자(130)가 상기 스토퍼(170)에 맞닿은 상태가 되면, 니들 바(120)가 노즐(110)과 연동되어 상부로 이동하면서 회전된다.
이에 따라, 상기 니들 바(120)는 상기 전기자(130)에 전기가 인가될 때까지 상기 노즐(110)을 닫힘 상태로 유지시킨다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 분사기(100)는 노즐(110)의 내주면 상단에 링 가이드(115)가 형성된 형태이다.
즉, 상기 노즐(110)의 내주면 상단에는 니들 바(120)의 거동을 안정시키기 위하여 상기 니들 바(120)의 둘레를 감싸는 링 가이드(115)가 형성된다.
이때, 상기 링 가이드(115)는 상기 니들 바(120)의 둘레를 감싸는 중공 형상으로 이루어진다. 여기서, 상기 링 가이드(115)의 내주면인 가이드면(118)은 상기 니들 바(120)와 맞닿는다.
상기 링 가이드(115)는 동심원을 갖는 복수의 배출홀(116)을 구비한다. 상기 배출홀(116)은 상기 노즐(110)의 배출 유로(111)와 아웃워드 유로와 연결되어, 차량용 연료의 배출 경로를 제공한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 연료 분사기의 단면 및 구성 간 체결관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량용 연료 분사기(100)는 솔레노이드 코일 대신 피에조 액추에이터(200)를 사용하는 구성이다.
상기 피에조 액추에이터(200)는 니들 바(120)의 상단에 연결되어, 상기 니들 바(120)의 거동을 제어한다.
상기 피에조 액추에이터(200)와 노즐(110) 사이에는 고정판(190)과 탄성부재(150)가 배치된다.
상기 고정판(190)은 상기 니들 바(120)의 상부 둘레를 감싼다.
상기 탄성부재(150)는 상기 고정판(190)과 상기 노즐(110)의 상단부 사이에 구비되어 탄성력을 제공한다.
이때, 상기 노즐(110)의 내주면 상단에는 상기 니들 바(120)의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바(120)의 둘레를 감싸는 링 가이드(115)가 형성된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 아웃워드 유로와 멀티홀 타입의 배출 유로를 혼합한 노즐을 통해 적정의 분무 도달거리로 연료를 분사시킬 수 있고, 분무 타겟팅 성능을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 연소실 내의 벽류 현상을 감소시킴으로써, 배기 배출물을 저감하고 노킹 현상을 방지할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10 : 연료레일 20 : 고압센서
30 : 와이어 하네스
100 : 차량용 연료 분사기
101 : 필터 102 : 서포트 튜브
103 : 비자성체 104 : 하우징
105 : 커버 110 : 노즐
111 : 배출 유로 112 : 아웃워드 유로
113 : 가이드돌기 114 : 가이드부재
115 : 링 가이드 116 : 배출홀
117 : 단턱 118 : 가이드면
120 : 니들 바 121 : 가이드홈
121a : 수직홈 121b : 경사홈
122 : 블레이드 123 : 핀
124 : 유로홈 125 : 기밀부
130 : 전기자 140 : 마그네틱 코어
150 : 탄성부재 160 : 솔레노이드 코일
170 : 스토퍼 180 : 포지션 링
190 : 고정판 200 : 피에조 액추에이터

Claims (20)

  1. 연료레일로부터 공급받은 고압의 차량용 연료를 연소실로 분사하기 위하여 구비되는 차량용 연료 분사기에 있어서,
    원주 방향을 따라 간격을 두고 배치되며 길이 방향으로 관통 형성되는 복수의 배출 유로와, 내주면 상에 아웃워드 유로를 갖는 중공 형상의 노즐; 및
    상기 노즐의 내주면을 관통하는 구조로 이루어지되, 상기 노즐의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절됨에 따라 상기 노즐을 개폐하는 니들 바;를 포함하는 차량용 연료 분사기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 내주면 상에 돌출 형성된 가이드돌기를 포함하고,
    상기 니들 바는 외주면 상에 상기 가이드돌기와 대응하는 가이드홈을 포함하되,
    상기 가이드홈은
    하부로 갈수록 경사진 형태로 함몰 형성되어, 상기 니들 바의 회전 각도를 조절하는 것인 차량용 연료 분사기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드홈은
    상기 니들 바의 외주면 상에 수직 구간으로 이루어진 수직홈과,
    상기 수직홈으로부터 연장 형성되며, 상기 수직홈을 기준으로 좌측 또는 우측으로 경사진 구조를 갖는 경사홈을 포함하는 것인 차량용 연료 분사기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은
    상기 배출 유로에 초킹(choking)이 유발되어 일정한 속도로 연료가 분사되는 것인 차량용 연료 분사기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은
    상기 니들 바가 하부로 이동할수록 열림 상태가 되고, 상기 니들 바가 상부로 이동할수록 닫힘 상태가 되는 것인 차량용 연료 분사기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 니들 바의 하단에는
    폭 방향으로 돌출 형성된 복수의 블레이드가 형성되는 것인 차량용 연료 분사기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 블레이드는
    상단면에 돌출 형성되되, 서로 이격되어 예각을 이루는 한 쌍의 핀을 구비하는 것인 차량용 연료 분사기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 한 쌍의 핀은
    상기 블레이드가 열림 상태에서 상기 아웃워드 유로의 배출 경로를 제공하여, 분사되는 연료를 미립화(atomization)시키는 것인 차량용 연료 분사기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 내주면 하단에는
    상기 니들 바의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바의 둘레를 감싸 지지하는 가이드부재가 형성되는 것인 차량용 연료 분사기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가이드부재는
    상기 배출 유로와 폭 방향으로 대응하는 위치에 내측으로 돌출 형성되며, 원주 방향을 기준으로 상기 가이드부재의 양단에는 상기 아웃워드 유로가 형성되는 것인 차량용 연료 분사기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 내주면 상단에는
    상기 니들 바의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바의 둘레를 감싸 지지하는 링 가이드가 형성되는 것인 차량용 연료 분사기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 링 가이드는
    내주면이 상기 니들 바의 둘레를 감싸는 중공 형상으로 이루어지며, 동심원을 갖는 복수의 배출홀을 구비하는 것인 차량용 연료 분사기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 니들 바의 상부 둘레를 감싸는 전기자;
    상기 전기자의 하부에 위치하며, 상기 니들 바 주변에 배치되는 마그네틱 코어; 및
    상기 전기자와 상기 마그네틱 코어 사이에 구비되는 탄성부재;를 더 포함하는 것인 차량용 연료 분사기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기자는
    솔레노이드 코일에 형성된 자기장을 통해 상기 마그네틱 코어를 향하여 하부로 이동되고, 상기 니들 바는 상기 전기자와 연동되어 상하 방향으로 이동되는 것인 차량용 연료 분사기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전기자와 솔레노이드 코일 사이의 일부 구간에는 비자성체가 구비되는 것인 차량용 연료 분사기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 니들 바의 상부 둘레에는
    상기 전기자의 상부에 배치되는 스토퍼와,
    상기 전기자의 하부에 배치되는 포지션 링이 형성되며,
    상기 스토퍼와 포지션 링은 상호 이격된 형태로 이루어져 상기 전기자의 이동범위를 제한하는 것인 차량용 연료 분사기.
  17. 삭제
  18. 연료레일로부터 공급받은 고압의 차량용 연료를 연소실로 분사하기 위하여 구비되는 차량용 연료 분사기에 있어서,
    원주 방향을 따라 간격을 두고 배치되며 길이 방향으로 관통 형성되는 복수의 배출 유로와, 내주면 상에 아웃워드 유로를 갖는 중공 형상의 노즐;
    상기 노즐의 내주면을 관통하는 구조로 이루어지되, 상기 노즐의 내주면 상에서 상하로 왕복 이동하며 좌우로 회전 조절됨에 따라 상기 노즐을 개폐하는 니들 바; 및
    상기 니들 바의 상단에 연결되어, 상기 니들 바의 거동을 제어하는 피에조 액추에이터;를 포함하는 차량용 연료 분사기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 니들 바의 상부 둘레를 감싸는 고정판; 및
    상기 고정판과 상기 노즐의 상단부 사이에 구비되어 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하는 것인 차량용 연료 분사기.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 노즐의 내주면 상단에는
    상기 니들 바의 거동을 안정화시키기 위하여 상기 니들 바의 둘레를 감싸 지지하는 링 가이드가 형성되는 것인 차량용 연료 분사기.
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