KR102478560B1 - 인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 데드볼륨(Dead-volume)을 줄이는 인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터에 관한 것으로서, 데드볼륨 감소를 위해 인젝터에 설치되는 인젝터 밸브시트 어셈블리에 있어서, 연료를 안내하는 리드 파이프부(103) 내부에 고정되며, 상기 리드 파이프부(103) 내부에 마련된 볼(104)을 수용하고, 상기 볼(104)과의 밀착 또는 이격을 통해서 상기 연료의 분사를 단속하는 밸브시트(200); 상기 밸브시트(200)에 고정되어 상기 연료가 분사되는 복수 개의 분사홀(320)을 가지는 분사홀 플레이트부(300); 를 포함하되, 상기 분사홀 플레이트부(300)의 일부가 상기 밸브시트(200)에 형성된 상기 데드볼륨 영역을 침범하여 상기 데드볼륨을 감소시키는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 제공하여, 데드볼륨(Dead-volume)을 효과적으로 줄일 수 있기 때문에 후적분사량이 저감되고 응답성이 향상되는 강점이 발휘된다.

Description

인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터{An injector valveseat assembly and the injector in using it}

본 발명은 인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 데드볼륨(Dead-volume)을 줄이는 인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터에 관한 것이다.

자동차의 연료분사용 인젝터는 엔진에 장착되어 ECU의 동작지시에 따라 소정의 압력으로 공급된 연료를 엔진의 연소실로 분사하는 장치이다.

솔레노이드 타입의 인젝터는 ECU 동작지시에 따라 볼이 상,하로 작동하면서 밸브시트 경사면 내 유체흐름을 제어한다.

분사각 등 분무특성은 밸브시트 하부에 장착되는 MOP(Multi Orifice Plate)에 형성된 분사홀 크기 및 각도에 따라 결정된다.

이 때, MOP를 지지해주기 위해 서포트 플레이트(Support plate)가 밸브시트와 용접되어 밸브시트 컴플리트를 이룬다.

MOP와 볼 기밀부 내의 유동특성은 인젝터 성능에 큰 영향을 미친다.

데드볼륨(Dead-volume)은 후적분사나 응답성 등 인젝터 성능에 악영향을 미치는 인자로 작용된다.

따라서, 인젝터 성능 향상을 위해서는 데드볼륨(Dead-volume)를 최대한 줄이는 것이 중요하다.

종래기술에는 데드볼륨(Dead-volume)의 사이즈를 줄이기 위한 다양한 시도가 있어왔다.

그 중 하나가 MOP 구조변화를 통한 데드볼륨(Dead-volume)의 축소다.

그러나, 종래 기술에서 MOP는 매우 얇은 박판이라 MOP 구조변화를 통한 데드볼륨(Dead-volume)의 축소는 어려운 한계가 있다.

또 다른 하나의 시도는 밸브시트 기밀부 높이를 낮추는 것이었다.

그러나, 데드볼륨(Dead-volume)을 줄이기 위하여 밸브시트 기밀부 높이를 낮추는 것은 기밀 성능을 악화시킬 우려가 있기 때문에 이 역시 곤란한 문제가 있었다.

US 8096490 B2

위와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 본 발명은 간단한 구조로도 데드볼륨(Dead-volume)을 줄이는 인젝터 밸브시트 어셈블리 및 이를 이용한 인젝터를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

데드볼륨 감소를 위해 인젝터에 설치되는 인젝터 밸브시트 어셈블리에 있어서, 연료를 안내하는 리드 파이프부(103) 내부에 고정되며, 상기 리드 파이프부(103) 내부에 마련된 볼(104)을 수용하고, 상기 볼(104)과의 밀착 또는 이격을 통해서 상기 연료의 분사를 단속하는 밸브시트(200); 상기 밸브시트(200)에 고정되어 상기 연료가 분사되는 복수 개의 분사홀(320)을 가지는 분사홀 플레이트부(300); 를 포함하되, 상기 분사홀 플레이트부(300)의 일부가 상기 밸브시트(200)에 형성된 상기 데드볼륨 영역을 침범하여 상기 데드볼륨을 감소시키는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀 플레이트부(300)의 일부는 소정의 직경을 가지는 원기둥 형상인 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀 플레이트부(300)는 전체적으로 원판형으로 이루어진 상면부(330); 상기 상면부(330)의 중앙에서 소정의 높이를 가진 채 상기 상면부(330)의 직경보다 작은 직경을 가진 채 돌설되어 상기 데드볼륨 영역을 침범하는 데드볼륨 감소부(310); 상기 데드볼륨 감소부(310)로부터 소정거리 이격된 채로 상기 상면부(330)를 상하로 관통하도록 형성된 상기 분사홀(320); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 데드볼륨 감소부(310)는 최상단이 편평면이고 전체적으로는 원형의 판상으로 형성된 편평부(311); 상기 편평부(311)의 외경보다 큰 직경을 가진채 상방향으로 동일 반경을 가지며 소정 높이만큼 돌출되어 형성된 수직부(313); 상기 편평부(311) 및 상기 수직부(313) 사이를 경사지도록 연결하는 테이퍼면부(312);를 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 분사홀(320)은 밸브시트의 하면부(204)를 향하되, 데드볼륨부(400)를 향해 일정 경사를 형성할 수 있다. 즉, 상기 테이퍼면부(312)의 경사는 상기 분사홀 플레이트부(300)의 상면부(330)에 대하여 40도 이상 80도 이하인 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀 플레이트부(300)의 일부는 상기 볼(104)과 직접 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀(320)은 상기 데드볼륨 감소부(310)의 중심으로부터 등거리 지점에 형성되고, 상기 분사홀(320)은 상기 데드볼륨 감소부(310)의 중심으로부터 등거리 지점에 형성되고, 서로 최대 인접된 한 쌍의 분사홀(320) 사이의 거리는 모두 동일한 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 편평부(311)는 상기 상면부(330)와 평행한 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀 플레이트부(300)에 형성된 측면부(350)는 횡단면의 최외곽 직경이 하방향으로 갈수록 증가하며, 상기 측면부(350)의 최하단 외주면이 상기 리드 파이프부(103)의 내주면에 걸려 고정되는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 밸브시트(200)는 상기 볼(104)의 직경보다 큰 중공부 내경이 형성된 볼 수용 내주면부(201); 상기 밸브시트(200)에 형성된 복수의 중공부 내경 중에서 가장 작은 중공부 내경이 형성된 최소 직경부(203); 소정의 경사를 가진 채 상기 볼 수용 내주면부(201)와 상기 최소 직경부(203)를 서로 연결하는 볼 접촉 경사부(202); 상기 최소 직경부(203)의 최하단으로부터 수평방향으로 편평하게 뻗어 형성된 밸브시트의 하면부(204); 중공부 내경이 상방향으로 갈수록 점차 작아지고, 하방향으로 갈수록 점차 커지도록 상기 밸브시트의 하면부(204)에서 연장되는 확장 경사부(205); 상기 밸브시트(200)의 최하면을 이루는 밸브 바닥 내측단부(207); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 밸브 바닥 내측단부(207)의 중공부 내경은 상기 상면부(330)와 동일한 높이에서의 상기 데드볼륨 감소부(310)의 중심으로부터 상기 제2 상면지점(332)까지의 거리와 같은 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 제2 상면지점(332)은 상기 제1 상면지점(331) 및 상기 제3 상면지점(333) 사이 거리의 1/2 지점인 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 편평부(311)의 높이는 상기 밸브시트의 하면부(204) 보다 높고, 상기 볼(104)보다 낮은 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀(320)은 상기 밸브시트의 하면부(204)을 향하는 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 상기 분사홀(320) 상단 개구 중심과 상기 분사홀(320)의 하단 개구 중심을 서로 직선 연결한 중심라인의 경사는 상기 확장 경사부(205)의 경사보다 큰 것을 특징으로 하는 인젝터 밸브시트 어셈블리를 포함한다.

또한, 청구항 제1항 내지 청구항 제19항 중 어느 한항의 인젝터 밸브시트 어셈블리가 설치된 인젝터를 포함한다.

위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 데드볼륨(Dead-volume)을 효과적으로 줄일 수 있기 때문에 후적분사량이 저감되고 응답성이 향상되는 강점이 발휘되는 강점이 발휘된다.

둘째, 테이퍼면부(312)가 경사를 가지게 됨으로써, 고압에 의해 직진되는 연료가 테이퍼면부(312)에 정면으로 충격될 수 있고, 유체가 기밀부를 지나 일정 압력으로 공급될 때 구조물(원기둥 형태) 표면에 닿을 때 발생하는 충격파와 난류 흐름으로 인해 미립화 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 발휘된다.

셋째, 미립화된 연료는 테이퍼면부(312)에 의해 흐름방향 전환되어 밸브시트의 하면부(204), 확장 경사부(205), 밸브 바닥 내측단부(207) 및 상면부(330)로 둘러싸인 난류발생영역으로 이송되며, 이로인해 난류발생이 극대화된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인젝터 밸브시트 어셈블리가 설치된 인젝터의 부분 절개도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분사홀 플레이트부(300)의 사시도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분사홀 플레이트부(300)의 상면도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분사홀 플레이트부(300)의 측면도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리드 파이프부(103), 볼(104), 분사홀 플레이트부(300) 및 밸브시트(200)의 부분 단면도
도 6은 도 5에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리드 파이프부(103), 볼(104), 분사홀 플레이트부(300) 및 밸브시트(200)의 부분 단면도에서의 연료 흐름
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해석 모델 및 경계조건
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 실험모델을 이용한 저압인젝터 Dead-volume 축소형 노즐부 구조에 따른 유동 해석

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하에서 설명되는 방향성에 대해 정리한다.

“상방향” 이라 함은 도 1에서 볼(104)이 아마추어부(101)를 향하는 방향이며, “하방향”은 그 반대 방향이다.”

“상단” 이라 함은 “상방향”의 단부를 가리키고, “하단” 이라 함은 “하방향”의 단부를 가리킨다.

어느 부분의 “상부” 라 함은 그 어느 부분에서 “상방향”을 향하는 소정의 부분이나 지점 혹은 영역을 가리킬 수 있고, “하부”는 그 반대다.

“상하”라 함은 “상방향” 및 “하방향” 쌍방향으로의 방향이다.

“횡단면”이라 함은 도 1에서 니들 샤프트부(102)의 길이방향에 대하여 직각을 이루는 면을 가리킬 수 있다.

어느 대상체의 “중공부 내경”이라 함은 그 대상체의 횡단면 중심으로부터 그 대상체에 형성된 중공부의 내벽까지의 거리를 가리킨다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인젝터 밸브시트 어셈블리가 설치된 인젝터의 부분 절개도이다.

인젝터에는 외형을 이루는 리드 파이프부(103)와, 리드 파이프부(103) 내부에 마련되는 아마추어부(101), 니들 샤프트부(102), 볼(104), 밸브시트(200) 및 분사홀 플레이트부(300)를 포함할 수 있다.

인젝터가 작동시 아마추어부(101)의 상승에 의해 볼(104)이 상승되면서 볼(104)과 밸브시트(200)의 접촉이 순간 해제되면서 연료가 볼(104) 및 밸브시트(200) 사이로 분사되어 분사홀 플레이트부(300)를 통해 최종 분사되는 원리이다.

다시 말해서, 볼(104)이 밸브시트(200)에 접촉시에는 연료의 분사가 차단되고, 인젝터 작동에 의해 볼(104)이 밸브시트(200)로부터 이격될 때 연료는 분사되는 것이다.

아마추어부(101) 및 볼(104)의 거동은 인젝터의 일반적인 기술이므로 상세 설명은 생략한다.

한편, 분사홀 플레이트부(300)는 밸브시트(200)의 하면에 레이저 용접될 수 있다.

분사홀 플레이트부(300)는 볼(104)이 밸브시트(200)로부터 이격될 때, 연료의 배출 통로로서 기능한다.

분사홀 플레이트부(300)를 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분사홀 플레이트부(300)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분사홀 플레이트부(300)의 상면도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분사홀 플레이트부(300)의 측면도다.

분사홀 플레이트부(300)는 데드볼륨 감소부(310), 분사홀(320), 상면부(330), 엣지부(340), 측면부(350) 및 최하단부(360)를 포함할 수 있다.

먼저, 도2를 참조하면, 상면부(330)는 전체적으로 원판형으로 이루어지며, 상면부(330)의 중앙에는 데드볼륨 감소부(310)가 소정의 높이를 가진 채 상면부(330)의 직경보다 작은 직경을 가진 채 돌설되고 있다.

복수 개의 분사홀(320)이 데드볼륨 감소부(310)로부터 소정거리 이격된 채로 상면부(330)를 상하로 관통하도록 형성되어 있다.

보다 상세하게는 복수 개의 분사홀(320)은 데드볼륨 감소부(310)의 중심으로부터 등거리 지점에 형성되고 있으며, 각각의 분사홀(320)은 서로 동일한 거리만큼 이격된다.

즉, 서로 최대 인접된 한 쌍의 분사홀(320) 사이의 거리는 모두 동일한 것이 바람직할 수 있다.

한편, 엣지부(340)는 상면부(330)의 최외곽 테두리를 형성하고 있으며, 소정의 곡률을 가지도록 라운드 쳐리되어 있다.

측면부(350)는 엣지부(340)로부터 하방향으로 뻗어 형성되고 있다.

도 3을 참조하면, 분사홀(320)은 데드볼륨 감소부(310)를 중심으로 등거리에 각각, 제1 분사홀(321), 제2 분사홀(322), 제3 분사홀(323), 제4 분사홀(324), 제5 분사홀(325), 제6 분사홀(326), 제7 분사홀(327) 및 제8 분사홀(328)을 포함할 수 있다.

한편, 제1 분사홀(321)의 상단 개구와 제1 분사홀(321)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제1 분사홀(321)의 상단 개구 중심과 제1 분사홀(321)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제1 중심라인은 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제1 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심선에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

데드볼륨 감소부(310)의 중심선이란 데드볼륨 감소부(310)의 중심을 상하로 관통하는 가상의 선을 가리킨다.

또한, 제2 분사홀(322)의 상단 개구와 제2 분사홀(322)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제2 분사홀(322)의 상단 개구 중심과 제2 분사홀(322)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제2 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제2 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

또한, 제3 분사홀(323)의 상단 개구와 제3 분사홀(323)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제3 분사홀(323)의 상단 개구 중심과 제3 분사홀(323)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제3 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제3 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

또한, 제4 분사홀(324)의 상단 개구와 제4 분사홀(324)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제4 분사홀(324)의 상단 개구 중심과 제4 분사홀(324)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제4 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제4 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

또한, 제5 분사홀(325)의 상단 개구와 제5 분사홀(325)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제5 분사홀(325)의 상단 개구 중심과 제5 분사홀(325)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제5 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제5 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

또한, 제6 분사홀(326)의 상단 개구와 제6 분사홀(326)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제6 분사홀(326)의 상단 개구 중심과 제6 분사홀(326)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제6 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제6 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

또한, 제7 분사홀(327)의 상단 개구와 제7 분사홀(327)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제7 분사홀(327)의 상단 개구 중심과 제7 분사홀(327)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제7 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제7 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

또한, 제8 분사홀(328)의 상단 개구와 제8 분사홀(328)의 하단 개구는 서로 유체 소통 가능하도록 관통되고 있는데, 제8 분사홀(328)의 상단 개구 중심과 제8 분사홀(328)의 하단 개구 중심을 서로 연결한 가상의 제8 중심라인도 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

보다 엄밀하게는, 제8 중심라인은 상방향으로 갈수록 데드볼륨 감소부(310)의 중심에 인접되는 방향으로 경사를 가진다.

다시 말해서, 제1 중심라인, 제2 중심라인, 제3 중심라인, 제4 중심라인, 제5 중심라인, 제6 중심라인, 제7 중심라인 및 제8 중심라인은 한 지점에서 만나는 교차지점을 가질 수 있고, 그 교차지점은 데드볼륨 감소부(310)의 상부에 형성될 수 있다.

보다 엄밀하게는, 교차지점은 볼(104)의 내부 일지점에 위치될 수 있다.

도 4를 참조하면, 데드볼륨 감소부(310)는 편평부(311), 테이퍼면부(312) 및 수직부(313)를 포함할 수 있다.

편평부(311)는 데드볼륨 감소부(310)의 최상단을 이루는 편평면이며, 전체적으로는 원형의 판상으로 되어있다.

다시 말해서 편평부(311)는 상면부(330)와 평행하다.

수직부(313)는 소정의 직경을 가진 채 상면부(330)로부터 상방향으로 소정 높이만큼 솟아 형성된다.

보다 상세하게는 수직부(313)에 접하는 가상의 평면과 상면부(330)는 서로 직각을 형성할 수 있다.

한편, 수직부(313)의 외경은 편평부(311)의 직경보다 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

다시 말해서, 테이퍼면부(312)는 편평부(311)의 최외곽 테두리와 수직부(313)의 최상단 테두리를 서로 연결시키는 테이퍼 면으로서, 테이퍼면부(312)는 편평부(311)에 대하여 소정의 경사를 가질 수 있다.

이 때, 테이퍼면부(312)가 편평부(311)와 이루는 경사는 상면부(330)에 대하여 40도 이상 80도 이하일 수 있고, 편평부(311)에 대하여는 120도일 수 있는 것이다.

한편, 상면부(330)는 제1 상면지점(331), 제2 상면지점(332) 및 제3 상면지점(333)을 포함할 수 있다.

제1 상면지점(331)은 수직부(313)와 상면부(330)가 만나는 지점이며, 제3 상면지점(333)은 상면부(330)와 엣지부(340)가 서로 만나는 지점이며, 제2 상면지점(332)은 제1 상면지점(331) 및 제3 상면지점(333) 사이의 지점이다.

한편, 제2 상면지점(332)은 제1 상면지점(331) 및 제3 상면지점(333)의 1/2 지점인 것이 바람직할 수 있다.

또한, 측면부(350)는 제1 측면지점(351) 및 제2 측면지점(352)을 포함할 수 있다.

제1 측면지점(351)은 측면부(350)가 엣지부(340)와 만나는 지점이며, 제2 측면지점(352)은 측면부(350)의 최하단부이다.

측면부(350)는 소정의 경사를 가질 수 있는데, 도시된 것과 같이 제1 측면지점(351)과 제2 측면지점(352)를 서로 직선으로 연결한 가상의 선은 상면부(330)와 직각이 아닐 수 있다.

다시 말해서, 측면부(350)는 횡단면의 최외곽 직경이 하방향으로 갈수록 증가하는 형상이다.

다음으로, 리드 파이프부(103), 볼(104), 밸브시트(200) 및 분사홀 플레이트부(300)의 결합관계를 설명한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리드 파이프부(103), 볼(104), 분사홀 플레이트부(300) 및 밸브시트(200)의 부분 단면도다.

볼(104)은 밸브시트(200) 내부에 수용되어 있고, 밸브시트(200) 및 분사홀 플레이트부(300)가 리드 파이프부(103)의 내벽에 고정도어 있다.

전술했던 것과 같이 제7 분사홀(327) 에 형성될 수 있는 제7 중심라인과 제3 분사홀(323)에 형성될 수 있는 제3 중심라인은 상방향으로 갈수록 서로 가까워짐을 확인할 수 있다.

따라서, 연료는 제3 분사홀(323) 및 제7 분사홀(327)를 통해 하방향으로 갈수록 넓게 퍼지도록 확산되어 분사될 수 있다.

뿐만 아니라, 전술한 복수 개의 분사홀(320) 모두로부터 마찬가지로 하방향으로 갈수록 넓게 퍼지도록 확산되어 분사될 수 있게 됨을 이해할 수 있다.

또한, 측면부(350)에서 제2 측면지점(352)은 일부분이 리드 파이프부(103)의 내벽에 형성된 장착홈에 끼워져 하방향으로 하강하지 못하도록 위치가 고정될 수 있다.

한편, 전술한 대로, 측면부(350)는 제1 측면지점(351)으로부터 제2 측면지점(352)으로 갈수록 횡단면의 직경이 증가하는 구조이기 때문에 이와 같은 리드 파이프부(103) 내주면에서의 고정이 더욱 안정적으로 수행될 수 있게 되는 강점이 발휘될 수 있다.

한편, 제1 측면지점(351)은 리드 파이프부(103)의 내주면으로부터 소정 거리 이격될 수 있다.

따라서, 제1 측면지점(351)이 리드 파이프부(103)의 내주면에 고정되는 작업이 용이해지는 것이다.

엣지부(340)는 제2 측면지점(352)이 리드 파이프부(103)에 보다 견고하게 밀착되도록 텐션을 부가할 수 있는 역할도 수행할 수 있다.

한편, 밸브시트(200)는 볼 수용 내주면부(201), 볼 접촉 경사부(202), 최소 직경부(203), 밸브시트의 하면부(204), 확장 경사부(205), 밸브시트 밀착부(206), 밸브 바닥 내측단부(207) 및 밸브시트 바닥부(208)을 포함할 수 있다.

밸브시트 밀착부(206)은 리드 파이프부(103)의 내벽에 밀착되는 부분이며, 전체적으로 외면이 소정의 면적을 가지도록 원기둥형상일 수 있다.

한편, 볼 수용 내주면부(201)은 볼(104)의 직경보다 큰 중공부 내경을 가질 수 있다.

연료가 연료라인으로부터 인젝터로 공급되면, 볼(104)이 볼 접촉 경사부(202)으로부터 이격될 때까지 볼 수용 내주면부(201)와 볼(104) 사이에서 분사를 대기하게 된다.

다른 한편, 최소 직경부(203)는 밸브시트(200)에 형성된 복수의 중공부 내경 중에서 중공부 내경이 가장 작게 형성된다.

볼 접촉 경사부(202)은 볼 수용 내주면부(201)와 최소 직경부(203)을 서로 연결하는 부분으로 소정의 경사를 가진다.

보다 상세하게는, 볼 접촉 경사부(202)의 중공부 내경은 상방향으로 갈수록 점차 커져 볼 수용 내주면부(201)의 중공부 내경과 동일해지고, 하방향으로 갈수록 점차 작아져 최소 직경부(203)의 중공부 내경과 동일해진다.

한편, 볼(104)은 표면이 전체적으로 매끄러운 구의 표면으로 형성되고 있으며, 볼(104)의 표면은 볼 접촉 경사부(202)와 선접촉 가능하다.

다시 말해서, 볼(104)의 표면이 볼 접촉 경사부(202)와 접촉하는 각 지점들을 연결하면, 전체적으로 소정의 직경을 가지는 원형 고리가 되는 것이다.

또한, 볼(104)이 볼 접촉 경사부(202)와 접촉시에는 연료가 분사홀(320)로 제공되는 것이 차단된다.

한편, 최소 직경부(203)은 소정의 높이를 가지는데, 이 높이 만큼 형성된 내부 체적이 바로 데드볼륨부(400)이다.

즉, 데드볼륨부(400)는 감소될수록 후적분사량이 줄어드는 효과가 있게 되어 유리하다.

다시 말하면, 연료가 볼(104)이 볼 접촉 경사부(202)으로부터 이격될 때 분사홀 플레이트부(300)의 분사홀(320)를 통과하여 분사되고, 다시 볼(104)이 볼 접촉 경사부(202)에 접촉하여 분사가 차단되면, 소정의 연료는 바로 데드볼륨부(400)에서 머무르게 된다.

이와 같이 데드볼륨부(400)에 머물러 있게 되는 잔유에 의해 후적분사가 발생되고 이는 이롭지 못한 결과를 가져오는 것이다.

따라서, 데드볼륨부(400)를 최소화할수록 후적분사량을 줄일 수 있게 되는 것이다.

이에 본 발명은 데드볼륨부(400)를 최소화하기 위한 수단으로서 데드볼륨 감소부(310)를 포함하는 것이다.

데드볼륨 감소부(310)는 전술한 대로 편평부(311), 테이퍼면부(312) 및 수직부(313)를 포함하여, 도시된 바와 같이 데드볼륨부(400)를 최소화시키고 있다.

한편, 밸브시트의 하면부(204)는 최소 직경부(203)의 최하단으로부터 수평방향으로 편평하게 뻗어 형성되며, 보다 상세하게는 밸브시트의 하면부(204)는 상면부(330)로부터 소정거리 이격된다. 또한, 도 5에서 보듯이 분사홀(320)은 밸브시트의 하면부(204)를 향하되, 데드볼륨부(400)를 향해 일정 경사를 형성할 수 있다.

밸브 바닥 내측단부(207) 및 밸브시트 바닥부(208)는 밸브시트(200)의 최하면을 이룬다.

이 때, 밸브 바닥 내측단부(207)는 밸브시트(200)의 최하면에 형성된 횡단면 중에서 최소직경을 형성하는 부분이다.

밸브 바닥 내측단부(207)는 제2 상면지점(332)과 만날 수 있다.

다시 말해, 밸브 바닥 내측단부(207)의 중공부 내경은 상면부(330)와 동일한 높이에서의 데드볼륨 감소부(310)의 중심으로부터 제2 상면지점(332)까지의 거리와 같을 수 있다.

또한, 제2 상면지점(332)은 제1 상면지점(331) 및 제3 상면지점(333)의 1/2 지점에 형성되는 것이 바람직할 수도 있다.

밸브 바닥 내측단부(207)은 상면부(330)에 접촉한다.

밸브시트 바닥부(208)은 상면부(330)와 이격되어 있다.

확장 경사부(205)은 밸브시트의 하면부(204)와 밸브 바닥 내측단부(207) 사이를 연결하는 부분이며, 중공부 내경이 상방향으로 갈수록 점차 작아지고, 하방향으로 갈수록 점차 커지는 형상이다.

제7 분사홀(327)이 가질 수 있는 제7 중심라인은 밸브 바닥 내측단부(207)와 최소 직경부(203) 사이에서 밸브시트의 하면부(204)을 지나도록 형성될 수 있다.

보다 상세하게는 밸브시트의 하면부(204)와 상면부(330) 사이의 최단거리는 수직부(313)의 높이와 동일할 수도 있다.

또한, 전술한 테이퍼면부(312)의 경사는 상면부(330)에 대하여 40도 이상 80도 이하일 수 있으며, 도 5에서 보듯이 테이퍼면부(312)로부터 밸브시트의 최소 직경부(203)까지의 거리는 테이퍼면부의 상방향으로 갈수록 커진다.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료의 분사흐름을 설명한다.

도 6은 도 5에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리드 파이프부(103), 볼(104), 분사홀 플레이트부(300) 및 밸브시트(200)의 부분 단면도에서의연료 흐름을 나타낸 것이다.

인젝터가 잘 알려진 바와 같이 전기적 신호에 의해 동작하게 되면, 순간적으로 볼(104)이 밸브시트(200)로부터 이격되고, 그에 따라 연료는 고압에 의해 볼 접촉 경사부(202)을 지나 데드볼륨 감소부(310)를 향해 직진하게 된다.

이 때, 연료는 테이퍼면부(312)에 충격되기 때문에 발생하는 충격파와 난류흐름을 통해 미립화 성능이 극대화될 수 있게 된다.

다시 말해서, 테이퍼면부(312)가 전술한 바와 같은 경사를 가지게 됨으로써, 고압에 의해 직진되는 연료가 테이퍼면부(312)에 정면으로 충격될 수 있기 때문에 충격파 및 난류발생은 극대화될 수 있고, 결국 연료의 미립화 분사가 매우 효과적이고 적극적으로 이루어질 수 있게 된다.

미립화된 연료는 테이퍼면부(312)에 의해 흐름방향 전환되어 밸브시트의 하면부(204), 확장 경사부(205), 밸브 바닥 내측단부(207) 및 상면부(330)로 둘러싸인 난류발생영역으로 이송되며, 이로인해 난류발생이 극대화된다.

즉, 복수 개의 분사홀(320)의 각 상단 개구가 난류발생영역을 향하도록 개구되기 때문에 미립화된 연료는 분사홀(320)를 통해 분사가 이루어질 수 있게 되는 것이다.

이 때, 확장 경사부(205)이 상방향으로 갈수록 중공부 내경이 작아지도록 경사를 이루고 있기 때문에 난류발생영역에서 발생된 연료의 난류적 흐름이 다시 소용돌이 치게 되면서 분사홀(320)의 상단 개구를 향할 수 있도록 기류를 변화시켜줄 수 있게 되면서 연료 분사가 매우 바람직하게 이루어지게 되는 강점이 발휘될 수 있다.

다음으로 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해석 모델 및 경계조건을 나타내고 있고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 실험모델을 이용한 저압인젝터 Dead-volume 축소형 노즐부 구조에 따른 유동 해석결과이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 실험모델의 Mass Flow Rate 및 Velocity 비교 그래프이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해석결과다.

<해석모델들>

편평부(311)의 높이는 상면부(330)에서 수직되게 상면부(330)로부터 볼을 향해 솟은 높이로서, 상면부(330)로부터 볼까지의 거리를 100%(길이)로 보았을 때,

Base 모델(Dead-Volume 기본형, 이하 기본형)에서는 0%이며, Case 1의 경우 60%, Case 2의 경우 80% 로 설정하였다.

다시 말해서, Case 2가 Case 1 의 경우 보다 편평부(311)의 높이가 20%만큼 더 높게 솟아 있다.

<해석조건>

- Unsteady

- Physics: RANS-VOF 기법 사용

- Inlet / Outlet Pressure: 3 / 0 bar (대기압)

- Needle Lift: 60 um

- Fluid: n-Heptane @ 3 bar (Constant 가정)

- Density: 683.778 kg/m3

<해석결과>

저압인젝터 Dead-volume 축소형 노즐부 구조에 따른 유동 해석결과 및 도 8을 참조하면, Dead-volume 축소한 모델의 액적 분열이 더 잘 일어날 확률이 큼을 알 수 있다.

Base 모델 대비 Case1,2 모델의 Hole Outlet 에서의 평균 난류에너지가 더 큼을 알 수 있다.

즉, 같은 조건 일 때 액적의 분열이 더 잘 될 확률이 크며, Hole 주변에서 Cavitation은 발생하지 않게 된다.

101 : 아마추어부
102 : 니들 샤프트부
103 : 리드 파이프부
104 : 볼
200 : 밸브시트
201 : 볼 수용 내주면부
202 : 볼 접촉 경사부
203 : 최소 직경부
204 : 밸브시트의 하면부
205 : 확장 경사부
206 : 밸브시트 밀착부
207 : 밸브 바닥 내측단부
208 : 밸브시트 바닥부
300 : 분사홀 플레이트부
310 : 데드볼륨 감소부
311 : 편평부
312 : 테이퍼면부
313 : 수직부
320 : 분사홀
321 : 제1 분사홀
322 : 제2 분사홀
323 : 제3 분사홀
324 : 제4 분사홀
325 : 제5 분사홀
326 : 제6 분사홀
327 : 제7 분사홀
328 : 제8 분사홀
330 : 상면부
331 : 제1 상면지점
332 : 제2 상면지점
333 : 제3 상면지점
340 : 엣지부
350 : 측면부
351 : 제1 측면지점
352 : 제2 측면지점
360 : 최하단부
400 : 데드볼륨부

Claims (16)

1. 인젝터 밸브시트 어셈블리에 있어서,
   연료를 안내하는 리드 파이프부(103) 내부에 고정되며, 상기 리드 파이프부(103) 내부에 마련된 볼(104)을 수용하고, 상기 볼(104)과의 밀착 또는 이격을 통해서 상기 연료의 분사를 단속하는 밸브시트(200);
   상기 밸브시트(200)에 고정되어 상기 연료가 분사되는 복수 개의 분사홀(320)을 가지는 분사홀 플레이트부(300); 를 포함하되,
   상기 분사홀 플레이트부(300)의 중앙부는 상기 밸브시트의 하면부(204)보다 높고 상기 볼(104) 보다는 낮게 형성되어 상기 밸브시트(200)에 형성된 데드볼륨을 감소시키고,
   상기 분사홀 플레이트부(300)의 중앙부는 소정의 직경을 가지는 원기둥 형상이고,
   상기 분사홀 플레이트부(300)는,
   전체적으로 원판형으로 이루어진 상면부(330);
   상기 상면부(330)의 중앙에서 소정의 높이를 가진 채 상기 상면부(330)의 직경보다 작은 직경을 가진 채 돌설되어 상기 데드볼륨 영역을 침범하는 데드볼륨 감소부(310);
   상기 분사홀 플레이트부(300)의 중앙부로부터 소정거리 이격된 채로 상기 상면부(330)를 상하로 관통하도록 형성된 상기 분사홀(320); 을 포함하고,
   상기 데드볼륨 감소부(310)는,
   최상단이 편평면이고 전체적으로는 원형의 판상으로 형성된 편평부(311);
   상기 편평부(311)의 외경보다 큰 직경을 가진채 상방향으로 동일 반경을 가지며 소정 높이만큼 돌출되어 형성된 수직부(313);
   상기 편평부(311) 및 상기 수직부(313) 사이를 경사지도록 연결하는 테이퍼면부(312);를 포함하며,
   상기 밸브시트(200)는,
   상기 볼(104)의 직경보다 큰 중공부 내경이 형성된 볼 수용 내주면부(201);
   상기 밸브시트(200)에 형성된 복수의 중공부 내경 중에서 가장 작은 중공부 내경이 형성된 최소 직경부(203);
   소정의 경사를 가진 채 상기 볼 수용 내주면부(201)와 상기 최소 직경부(203)를 서로 연결하는 볼 접촉 경사부(202);
   상기 최소 직경부(203)의 최하단으로부터 수평방향으로 편평하게 연장된 밸브시트의 하면부(204);
   중공부 내경이 상방향으로 갈수록 점차 작아지고, 하방향으로 갈수록 점차 커지도록 상기 밸브시트의 하면부(204)에서 연장되는 확장 경사부(205);
   상기 밸브시트(200)의 최하면에서 상기 분사홀(320)에 최대 인접된 밸브 바닥 내측단부(207); 을 포함하고,
   상기 분사홀(320)은 상기 밸브시트의 하면부(204)를 향하되, 데드볼륨부(400)를 향해 일정 경사를 형성하고,
   상기 테이퍼면부(312)로부터 상기 밸브시트의 상기 최소 직경부(203)까지의 거리는 상방향으로 갈수록 커지는 것을 특징으로 하는,
   인젝터 밸브시트 어셈블리.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 테이퍼면부(312)의 경사는 상기 분사홀 플레이트부(300)의 상면부(330)에 대하여 40도 이상 80도 이하인 것을 특징으로 하는,
   인젝터 밸브시트 어셈블리.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 분사홀 플레이트부(300)는 상기 볼(104)과 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는,
   인젝터 밸브시트 어셈블리.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 분사홀(320)은 상기 분사홀 플레이트부(300)의 중앙부로부터 등거리 지점에 형성되고, 서로 최대 인접된 한 쌍의 분사홀(320) 사이의 거리는 모두 동일한 것을 특징으로 하는,
   인젝터 밸브시트 어셈블리.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 편평부(311)는 상기 상면부(330)와 평행한 것을 특징으로 하는,
   인젝터 밸브시트 어셈블리.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 분사홀 플레이트부(300)에 형성된 측면부(350)는 횡단면의 최외곽 직경이 하방향으로 갈수록 증가하며, 상기 측면부(350)의 최하단 외주면이 상기 리드 파이프부(103)의 내주면에 걸려 고정되는 것을 특징으로 하는,
   인젝터 밸브시트 어셈블리.
   
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 바닥 내측단부(207)의 중공부 내경은 상기 상면부(330)와 동일한 높이에서의 상기 데드볼륨 감소부(310)의 중심으로부터 제2 상면지점(332)까지의 거리와 같은 것을 특징으로 하는,
    인젝터 밸브시트 어셈블리.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 상면지점(332)은 제1 상면지점(331) 및 제3 상면지점(333) 사이 거리의 1/2 지점인 것을 특징으로 하는,
    인젝터 밸브시트 어셈블리.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 편평부(311)의 높이는 상기 밸브시트의 하면부(204) 보다 높고, 상기 볼(104) 보다 낮은 것을 특징으로 하는,
    인젝터 밸브시트 어셈블리.
    
14. 삭제
15. 제1항에 있어서,
    상기 분사홀(320) 상단 개구 중심과 상기 분사홀(320)의 하단 개구 중심을 서로 직선 연결한 중심라인의 경사는 상기 확장 경사부(205)의 경사보다 큰 것을 특징으로 하는,
    인젝터 밸브시트 어셈블리.
    
16. 제1항, 제5항 내지 제9항, 제11항 내지 제13항, 및 제15항 중 어느 한항의 인젝터 밸브시트 어셈블리가 설치된 인젝터.
    

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