KR19990008089A - 내연기관용 연료 분사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 상태 에너지 저장 원리에 따라 작동하며, 송출 플런저 요소를 갖는 왕복형 플런저 펌프로서 형성된 연료 분사 장치에 관한 것으로, 상기 송출 플런저 요소는 그 시작 위치로부터 압력 챔버의 방향으로 이동되고, 상기 송출 플런저는 거의 제로의 저항 가속 상태 중에 운동 에너지를 저장하며, 이 저장된 운동 에너지는 충격 이동에 의해 압력 챔버 내의 연료로 갑작스럽게 전달되어 인젝터 수단을 통해 연료를 배출하기 위한 압력 충격이 발생되며, 제 2 압력 챔버가 제 1 압력 챔버에 대향하여 송출 플런저 요소의 측면상에 설치되어 송출 플런저 요소가 그 시작 위치로 복귀 이동시에 흡수된 운동 에너지가 제 2 압력 챔버 내의 연료로 전달된다.

Description

내연기관용 연료 분사 장치
이러한 종류의 연료 분사 장치를 유럽 특허 제 0 629 265 호에 첨부된 도 13 내지 도 19를 참조하여 설명한다. 이러한 연료 분사 장치는 소위 펌프-인젝터(유닛 인젝터) 시스템에 따라서 충격 분사식으로 작동하며, 초기 가속 부분 행정시 솔레노이드 작동식 분사 펌프의 전기자(armature)가 일단부에서 축방향으로 안내되게 설치되어, 송출 플런저로서 작동하며, 송출된 연료는 연료 유체에 압력의 축적 없이 펌프 시스템에서 이동한다. 이러한 초기 부분 행정 동안에, 송출 플런저 또는 전기자는 운동 에너지를 흡수하여 저장하며, 이로 인해 이동된 연료가 흐를 수 있는 예정된 유동 공간을 이용할 수 있고, 이러한 유동 공간은 펌프 시스템에서 연료의 순환에 의해 확보된다. 전기자 또는 송출 플런저 내에 설치되어 송출 플런저가 거의 제로의 전진 행정을 하는 중에 전기자가 이동함으로써 작동되는 밸브 수단에 의해 연료의 순환이 예정적으로 갑자기 차단되고, 이어서 송출 플런저가 이동하기 때문에, 송출 플런저는 순환 공간에 존재하는 부분양의 연료에 충격 압력으로서 그 저장된 운동 에너지를 방출하는데, 상기 공간은 순환이 차단되어 형성되거나 또는 송출 플런저와 폐쇄된 가령 스프링 부하를 받는(spring-loaded) 인젝터 사이에 별도로 폐쇄된 공간, 소위 압력 공간이다. 연료의 압력이 이처럼 가령, 60 bar 정도까지 갑작스럽게 증가함으로써 극히 짧은 시간, 가령 1/1000 초동안, 인젝터는 개방되어 연료가 인젝터를 통해 내연 기관의 연소실 속으로 분사된다.
유럽 특허 제 0 629 265 호로부터 공지된 이러한 펌프-인젝터 시스템은 솔레노이드 작동식의 왕복형 플런저 펌프(solenoid-operated reciprocating plunger pump)(1)와 인젝터(2)를 포함한다(도 1a). 이러한 펌프-인젝터 시스템은 특히 2행정 엔진에서 성공적으로 사용될 수 있다는 것이 증명되었는데, 2행정 엔진은 이전에는 소위 손실로 인한 배기 방출이 크고, 2행정 엔진에서 유출 및 방출 통로(3)가 동시에 개방되어 많은 연료가 소비되지 않은 채 방출 통로(3)를 통과할 수 있어서 연료 소비량이 크다는 것으로 유명하였다. 이제는 전술한 펌프-인젝터 시스템에 의해서, 연료 소비량과 배기 방출이 상당히 감소되었다. 이것외에도 저속에서의 불규칙한 점화로 인해 엔진이 부드럽게 작동되지 않았던 것이 거의 제거되었다. 이러한 장치에 있어서, 연료는 상당히 빨리 그리고 직접적으로, 즉 방출 통로(3)가 실질적으로 완전히 폐쇄되기 전에 실린더(5)의 연소실(4) 속으로 분사된다. 펌프-인젝터 시스템을 최적화하기 위한 제어부(6)가 가령 분사 타이밍과 분사될 연료의 양을 제어하는 마이크로프로세서에 의해 전자적으로 실행되고, 이러한 목적을 달성하기 위해 가령, 온도 센서(7), 버터플라이 밸브 퍼텐쇼미터(8) 및 크랭크 각도 센서(9)에 의해 분사 타이밍이 정해진다. 적절하게도, 마이크로프로세서는 또한 펌프-인젝터 시스템에 의해 연료가 충전된 엔진의 피스톤/실린더 유닛의 점화 시스템(10)을 제어한다.
이러한 펌프-인젝터 시스템으로 인하여, 탄화수소 배기 방출은 다른 2행정 엔진과 비교하여 상당히 감소되었고, 동시에 특히 저속에서의 부드러운 작동이 상당히 개선되었다. 일산화탄소 및 윤활유 또한 상당히 적은 양으로 방출되어 이러한 2행정 엔진은 배기 방출면에서는 4행정 엔진과 필적하며, 2행정 엔진 형태에 있어서의 전형적인 출력 대 무게비는 여전히 크다.
전술한 펌프-인젝터 시스템에서, 연료 순환 공간은 압력 챔버 및 송출 플런저 또는 전기자 공간에 의해 형성되고, 상기 압력 챔버는 직립 압력 밸브(standing pressure valve)에 의해 압력 공간으로부터 분리되어 있는 부분적인 공간 부분이며, 전기자의 운동 에너지는 이 부분적인 공간 부분내의 연료로 전달되고, 따라서 전기자 공간은 가속 부분 행정 중에 연료가 제로 저항으로 이동할 수 있는 부분적인 공간 부분이다.
공지의 펌프-인젝터 시스템에 따라서, 전기자 공간은 하우징 내의 드릴구멍을 통해 연료 충전/소기 수단과 연결될 수 있어 연료는 전기자의 분사 작동 중에 또는 펌프 또는 엔진의 시동 상태 중에 상기 부분 공간을 통해 송출될 수 있다. 냉각된 또는 기포가 없는 연료를 충전하고 소기(掃氣,scavenging)하기 때문에, 전기자 공간 및 냉각된 그 주위에는 기포를 포함하는 연료가 없으며, 열의 상승 및/또는 캐비테이션(cavitation)으로 인한 기포의 형성은 실질적으로 제거된다.
특별한 예에 있어서, 특히 작동 중에 펌프-인젝터 시스템에서 발생할 수 있는 것처럼 전기 에너지 및/또는 전기자 마찰 등으로 인해 연료가 열의 영향을 받는 경우, 기포는 압력 공간으로 접근할 수 있다. 이는 펌프-인젝터 시스템의 작동, 좀 더 자세하게는 분사에 악영향을 미칠 수 있다.
디젤 엔진에서 실행되는 것처럼 연료를 직접 분사하는 경우에, 초기에 제 1 양의 연료를 분사하고 점화 지연(ignition delay)이 종료되면 제 2 양의 연료를 분사하여 디젤 엔진의 노킹(knocking)을 실질적으로 감소시키도록 분사할 수 있다는 것은 공지의 사실이다.
본 명세서에서의 두 가지의 기본적인 접근, 즉 단계 분사(phased injection) 및 이중 분사(dual injection)는 공지된 것이다. 이중 분사는 2개의 펌프 요소 또는 분사를 두 번 하기 위해 매우 빨리 작동하는 1개의 펌프 요소로 달성할 수 있다. 그러나, 이러한 목적을 달성하기 위해서는 구조가 복잡해서 지금까지는 실질적인 응용이 이루어지지 않았고, 따라서 그만큼 단순히 엔진 노킹을 감소시키고 연료 소비량을 감소시킬 것이라고만 추측되었다.
이러한 이유 때문에 단계 분사가 보편적으로 되었는데, 단계 분사는 다른 압력에서 개방되는 두 개의 노즐 통로를 갖는 예비 분사 밸브에 의해 달성되는데, 그 결과 분사는 예비 분사 및 주요 분사로 나뉘어진다.
또한 이중 분사에 의해 연료를 엔진의 연소실에서 소위 층상 급기(charge stratification)할 수 있다는 것은 공지된 사실이다.
스파크 점화 엔진에서 층상 급기를 할 때에, 연료는 주요 양의 연료가 묽은 연료/공기 혼합물(가령, l=1.5 내지 3.0)을 형성하고, 진한 연료/공기 혼합물(가령, l=0.85 내지 1.3)은 스파크 플러그 영역에서 진해지도록 엔진의 연소실 속으로 도입된다. 이 진한 연료/공기 혼합물은 스파크 플러그에 의해 점화되고, 그 자체로서는 점화될 수 없는 묽은 연료/공기 혼합물이 다음에 다량의 과잉 공기로 연소된다. 이러한 과잉 공기 때문에, 상당히 양호한 배기 방출이 이루어진다.
독일의 엔진 업계 저널 MTZ(Motortechnische Zeitschrift) 1974년 10월, 발행 넘버 제10호(35년)의 307 페이지 내지 313 페이지에는, 층상 급기를 발생시키는 두 가지의 가능성이 언급되어 있다. 층상 급기 엔진을 설계하는 한 가지 접근법은 연료를 공기의 와류에 의해 층상 급기가 이루어지는 비격실형 연소실 속으로 직접 분사하는 것인데, 그 결과 스파크 플러그 부근의 혼합물은 진해지고, 혼합물이 전체적으로 매우 묽음에도 불구하고 점화될 수 있는 채로 남아 있다.
이러한 시스템의 적절한 기능에 결정적으로 적절히 영향을 미치는 것은 연료가 분사되는 압력과 방향, 인젝터에 대한 스파크 플러그의 위치설정, 그리고 특히 공기 흐름 속도이다. 공기 와류의 정도는 엔진 속도에 비례하기 때문에, 자동차 엔진에서 통상 필요한 고속 및 고부하 하에서의 작동시에 어려움이 발생한다.
층상 급기는 격실형 연소실에 의해, 즉 부속 챔버의 도움으로 달성될 수 있다. 이러한 경우에, 묽은 혼합물이 실린더 속으로 유입되고 반면에 부속 챔버에서는 인젝터 또는 추가 흡입 시스템에 의해 혼합물이 진해진다. 이러한 종류의 시스템은 기본적으로 속도 및 부하(load)의 변화에 대해 독립적이고, 따라서 자동차 엔진에 적합하다.
부속 챔버를 구비하는 이러한 층상 급기 엔진은 또한 독일의 엔진 업계 저널 MTZ(Motortechnische Zeitschrift) 1973년 4월 발행 넘버 제4호(34년) 130,131 페이지에 설명되어 있다. 이러한 층상 급기 엔진은 소형차에 합체되는 혼다의 소위 CVCC 엔진으로 CO, CH 및 NOx의 배기 방출을 최소화한다. 이러한 엔진의 단점은 부속 챔버 때문에 효율이 감소하고, 부속 챔버를 구비하고 있지 않은 종래의 스파크 점화 엔진에 비해 약 10% 정도 연료 소비량이 증가한다는 점이다.
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 고체 에너지 저장 원리에 따라 작동하는 연료 분사 장치, 특히 2 행정 엔진용(two-stroke engines) 연료 분사 장치에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 단기통의 2행정 엔진용 연료 분사 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분사 펌프의 개략적인 종단면도.
도 3은 도 2에 도시된 분사 펌프의 전기자의 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 분사 펌프의 밸브 요소의 단면도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 분사 펌프의 개략적인 종단면도.
도 6은 점화 타이밍에 대한 초기 분사 타이밍 및 다음의 분사 타이밍을 개략적으로 도시한 타이밍 다이어그램.
본 발명의 목적은 배기 방출을 감소시키고, 연료를 절약하며 혼합물 오차 허용도와는 독립적인 간단한 연료 분사 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적은 청구항 제1항의 특징부를 갖는 다중 분사 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 연료 분사 장치는 복동식(double-acting)으로 형성되어 있고, 고체 에너지 저장 원리에 따라 작동하며, 그 결과 다량의 연료가 짧은 시간 간격동안 분사될 수 있고, 본 발명에 따른 연료 분사 장치는 충격 이동에 의한 초기 분사 및 이어서 반동 이동에 의한 분사를 위한 작동 행정 중에 송출 플런저 요소의 왕복 또는 충격 및 반동 이동을 촉진시킨다. 이렇게 장치함으로써, 연료 분사 장치의 구조는 실질적으로 별도의 두 분사 장치와 비교하여 단순화되며, 좀 더 자세하게는 송출 플런저 요소가 일체적으로 형성되어 있는 경우 필요로 하는 부분들의 수가 특히 감소된다.
본 발명에 따른 연료 분사 장치에 있어서, 간단한 방법과 수단에 의해 정확하고 빠른 이중 분사를 할 수 있어 연소실에서 최적의 연료 분배 및 신뢰성 있는 점화 또는 연소를 달성할 수 있으며, 그 결과 배기 방출은 감소되고 연료는 절약된다. 이것외에도 엔진의 작동시에 실린더 내에서 불가피하게 일어나는, 즉 공기의 양을 달리함으로써 점화 및 연소 특성을 손상시키지 않은 채, 연소 공기비(l)와 관련하여 혼합물 특성을 달리하여 엔진을 작동시킬 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 양태는 종속항에 기재되어 있다.
그에 따라서, 본 발명은 특히 압력 챔버를 포함하는데, 압력 챔버 내에서 전기자 또는 송출 플런저 요소에 저장된 에너지가 연료로 전달되고, 제로 저항의 이동을 차단시키는 밸브가 전기자 공간 외측에 형성되거나 또는 전기자 공간 및 전기자 부분으로부터 떨어져 설치된다. 이렇게 설치함으로써, 전기자 공간에서 발생한 열은 압력 챔버로 직접 전달되지 않고, 그 결과 분사 중에 압축 연료의 가열 및 따라서 기포가 형성될 위험을 상당히 감소시키게 된다. 이것외에도, 압력 챔버는 자유로이 접근할 수 있어 더욱 냉각하기 위하여, 가령 냉각 핀(fin) 및/또는 기포 없는 차가운 연료를 압력 챔버로 송출할 수 있는 연료 송출 도관을 제공할 수 있다. 또한, 압력 챔버는 소형으로 형성될 수 있어서, 압력 챔버 내에는 더 작은 양의 연료가 존재하고 따라서 기포 형성의 위험을 줄일 수 있다.
또한, 압력 챔버가 작고 연료가 직접 공급되기 때문에, 단지 소량의 연료만을 소기하면 된다.
청구항 제5항에 따른 전기자의 이중 또는 두 측면의 축방향 가이던스는 마찰을 일으키는 전기자의 경사 이동을 피할 수 있어 열의 상승이 억제될 수 있다.
가스 기포의 형성, 적절한 작동에 악영향을 주는 기포의 영향 및/또는 연료의 가열은 실질적으로 제거된다.
본 발명에 따른 연료 분사 장치는 층상 급기의 경우에 특히 유리하게 이용될 수 있다. 연료 분사 장치는 고체 에너지 저장 원리에 따라 작동하기 때문에, 극히 짧은 분사 간격 중에 큰 배출(ejaculation) 압력이 발생하여 극히 고속(10,000 rpm 이상)에서 고도의 정확성으로 부하의 함수로서 연료의 계량화를 위해 반복적으로 빨리 작동하는 것이 가능하다.
본 발명을 이하에서 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 내연 기관용 연료 분사 장치는 저장 에너지 원리에 따라 작동하는 솔레노이드 조작 복동식의 왕복형 플런저 펌프(solenoid-operated, double-acting reciprocating plunger pump)(1)로서 형성되어 연료가 압력 배출식으로 내연 기관 속으로 분사된다.
본 발명에 따른 왕복형 플런저 펌프(1)의 제 1 실시예가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다.
왕복형 플런저 펌프(1)는 제 1 및 제 2 펌프 본체부(15,15a)를 구비하는 실질적으로 긴(elongated) 원통형의 두 부분의 펌프 본체를 포함하는데, 상기 제 1 및 제 2 펌프 본체부는 전기자 센터보어(centerbore)(16), 두 개의 밸브 드릴구멍(17, 17') 그리고 차례로 상기 펌프 본체(15,15a)에 합체되는 두 개의 압력 챔버 드릴구멍(18,18'), 펌프 본체 전체를 통과하여 연장하는 관통 통로를 포함한다.
전기자 센터보어(16)는 밸브 드릴구멍(17,17')과 압력 챔버 드릴구멍(18,18') 사이의 종축 방향으로 설치된다. 드릴구멍(16,17,17',18,18')은 펌프 본체(15,15a)의 종축(19)에 동심원으로 설치되고, 전기자 센터보어(16) 및 압력 챔버 드릴구멍(18,18')의 내경은 각각 밸브 드릴구멍(17,17')보다 커서 전기자 센터보어(16) 및 밸브 드릴구멍(17,17'), 그리고 각각 밸브 드릴구멍(17,17') 및 압력 챔버 드릴구멍(18,18')은 각각 제 1 링 계단부(21,21') 및 제 2 링 계단부(22,22')에 의해 서로 편의(偏倚,offset)된다.
충격 압력 방향(27)은 제 1 펌프 본체부(15)의 방향으로 제 2 펌프 본체부(15a)로부터 정향된 종축(19)과 평행한 방향으로서 정의된다.
드릴구멍(16,17,17',18,18')은 왕복형 플런저 펌프(1)의 횡방향 중심면(12)에 대하여 대략 거울 대칭적으로 설치됨으로써, 평면 앞의 충격 압력 방향(27)으로(도 2에 도시된 평면의 오른쪽으로) 설치되는 구성 요소들은 제 1 송출 펌프(13)를 형성하고 평면 뒤의 충격 압력 방향(27)으로(도 2에 도시된 평면의 왼쪽으로) 설치되는 구성 요소들은 제 2 송출 펌프(14)를 형성하게 된다.
선송출 펌프(pre-delivery pump)와 같은 기능을 수행하는 제 1 송출 펌프(13)의 구성 요소들 및 후송출 펌프(post-delivery pump)와 같은 기능을 수행하는 제 2 송출 펌프의 구성 요소들은 구성 요소들의 형상이 본질적으로 동일하기 때문에 같은 참조 부호를 사용하며, 다만 후송출 펌프(14)의 구성 요소들의 참조 부호는 콤마(')를 사용한다. 다음의 설명에서 드릴구멍(16,17,17',18,18') 내에서의 축방향이 안쪽으로라는 것은 중심면(12)을 향하는 방향이고, 바깥으로라는 것은 횡방향의 중심면(12)으로부터 멀어지는 방향을 가리키는 것이다.
전기자 센터보어(16)는 방사상으로 전기자 공간(23)을 형성하는데, 이 공간에는 거의 원통형의 전기자(24)가 종축 방향으로 왕복형으로 설치된다. 전기자 공간은 제 1 링 계단부(21)에 의해 선송출 펌프(13) 방향으로 형성되고, 제 1 링 계단부(21')에 의해 후송출 펌프(14) 방향으로 형성되며, 후자는 제 2 펌프 본체부(15a)의 면 또는 정지 표면 영역(25)으로서 형성된다. 제 2 펌프 본체부(15a)는 원통형의 나사홈 부분(26)에 의해 제 1 펌프 본체부(15)의 전기자 센터보어(16)의 축방향 개방 단부 속으로 나사고정된다.
전기자(24)는 실질적으로 원통체로서 형성되는데, 제 1 송출 펌프(13)에 대해 충격 압력 방향(27)으로 전면 및 후면 영역(28,29)과, 셀(shell) 표면 영역(30)을 구비한다. 후면 영역(28)으로부터 대략 전기자(24)의 세로 중심선까지 반경이 계속적으로 증가함으로써 이 지점에서 전기자(24)는 원뿔형의 형상이 되고, 후방부로부터 전방부까지 연장하는 원뿔형의 표면 영역(31)을 구비하게 된다. 전기자(24)는 전기자의 셀 표면 영역(30)과 전기자 센터보어(16)의 내표면 영역 사이에 유극(遊隙,clearance)을 두고 삽입되어, 전기자 센터보어(16) 내에서 전기자(24)가 왕복하는 경우 전기자는 기울어질 때에만 전기자 센터보어(16)의 내표면 영역과 접촉하게 되며, 그 결과 전기자(24)와 전기자 센터보어(16) 사이의 마찰은 작게 유지된다. 전기자(24)에 원뿔형 부분(31)을 제공함으로써, 접촉 표면 영역 및 마찰 표면 영역은 더욱 감소하게 되고, 차례로 전기자(24)와 전기자 센터보어(16)의 내표면 영역 사이의 마찰 가능성을 더욱 감소시키게 되며, 따라서 발생되는 열도 더욱 감소하게 된다. 종축 방향으로 정향된 1개 이상, 바람직하게는 2개 또는 그 이상의 홈(32)이 전기자(24)의 셀 표면 영역(30)에 제공된다.
전기자(24)는 2개의 세그먼트(segment)(24a)를 포함하는데, 세그먼트는 단면이 대략 반원형이고(도 3) 지름방향으로 대향하여 배치되며, 그 사이에 얕은 홈(32)이 배치된다.
송출 플런저 배럴(35)은 전기자(26)의 드릴구멍(33)을 관통하여 중앙 통로 공간(26)을 형성하고, 양측면상에서 전기자(24)로부터 돌출한다.
송출 플런저 배럴(35)은 전기자(24)에 견고하게 연결된다. 송출 플런자 배럴(35) 및 전기자(24)를 포함하는 유닛은 이하에서 또한 송출 플런저 요소(44)라 부른다. 송출 플런저 요소(44)는 일체적으로 즉 한 부분으로 형성될 수 있다.
전기자(24) 및 송출 플런저 배럴(35)은 종축(19)에 수직하게 정향된 두 개의 드릴구멍(33a)을 포함하는데, 이 드릴구멍(33a)은 통로 공간(36)과 홈(32) 또는 전기자 공간(23) 사이의 연결부를 전기자(24) 내에 형성한다.
충격 압력 방향(27) 또는 선송출 펌프(13)의 방향으로 전방에 설치된 전기자(24)의 링 표면 영역(29) 상에는 송출 플런저 배럴(35)이 통과하는 플라스틱재의 제 1 지지 링(37)이 견고히 고정되어 안착되어 있다. 제 1 지지 링(37)에 의해 전방부에 지지되는 것은 플라스틱재의 제 2의 대응 지지 링(39)까지 연장하는 전기자 스프링(38)이다. 이 제 2 지지 링(39)은 전기자 센터보어(16) 내에서 제 1 지지 링(37) 상에 안착한다.
안내 튜브(40,40')가 각각의 밸브 드릴구멍(17,17')에 견고히 안착하며, 선송출 펌프(13)의 안내 튜브(40)는 전기자 스프링(38)의 내부 영역에서 전기자 공간(23) 속으로 후방 연장하며, 후송출 펌프(14)의 안내 튜브(40')는 제 2 펌프 본체부(15a)의 링 표면 영역(25) 바로 앞쪽의 밸브 드릴구멍(17')에서 종단하며, 전기자 공간(23) 속으로 돌출하지 않는다. 안내 튜브(40,40')의 축방향 외측 단부에는, 각각의 경우에 방사상 바깥으로 돌출하는 링 웨브(41,41')가 제공되며, 각각의 링 웨브는 대응하는 제 2 링 계단부(22,22')에 의해 안쪽으로 지지된다. 링 웨브(41,41')는 방사상으로 압력 챔버 드릴구멍(18,18')의 내표면 영역까지 연장하지 못하고, 따라서 링 웨브(41,41')와 압력 챔버 드릴구멍(18,18') 사이에는 원통형의 좁은 틈새(gap)(42,42')가 남게 된다. 링 웨브(41,41')로 인하여 안내 튜브(40,40')는 적소에 체결되어 안쪽으로의 축방향 이동이 방지된다.
전기자(24)에 견고히 연결된 송출 플런저 배럴(35)은 양측면 상에서 두 개의 안내 튜브(40,40')까지 축방향 바깥으로 연장함으로써, 송출 플런저 배럴(35)은 송출 플런저 배럴의 전단부(45) 및 후단부(46)에서 안내된다. 긴 송출 플런저 배럴(35)이 양단부(45,46)에서 안내되기 때문에, 송출 플런저 요소(44)는 수평하게 안내되고 따라서, 전기자(24)와 전기자 센터보어(16)의 내표면 영역 사이의 마찰을 상당한 정도로 피할 수 있게 된다.
밸브 요소(50,50')가 각각의 경우에 안내 튜브(40,40')의 축방향 바깥으로 위치한 부분에 이동할 수 있도록 축방향으로 장착되며, 각각의 밸브 요소는 실질적으로 원통형의 긴 플러그형(plug-shaped) 고체를 형성하고, 이 고체는 외표면 및 내표면 영역(51,51',52,52')과 셀 표면 영역(53,53')을 구비한다. 밸브 요소(50,50')의 외경은 각각의 경우에 안내 튜브(40,40') 내의 통로의 유극 폭에 대응한다. 대략 밸브 요소(50,50')의 1/3 외측 단부에 설치되는 링 웨브(54,54')가 각각의 경우에 밸브 요소(50,50')의 셀 표면 영역(53,53')에 제공된다. 안내 튜브(40,40')의 링 웨브(41,41')는 밸브 요소(50,50')의 링 웨브(54,54')에 대하여 접합부를 형성하여 이들이 안쪽으로 더욱 이동될 수 없도록 해준다. 밸브 요소(50,50')의 외주상에는 종축(도 4) 방향으로 정향된 세 개의 얕고 넓은 홈(55,55')이 제공된다. 각각의 링 웨브(54,54')는 홈(55,55') 영역에서 차단된다. 홈(55,55')의 수, 설치 또는 형상은 다른 방법 및 수단으로 주어질 수 있다.
연부에서 밸브 요소(50,50')의 내표면 영역(52,52')은 원뿔형 형태이며, 송출 플런저 배럴(35) 단부(45,46)의 표면 영역과 함께 밸브 시트로서 작동한다. 송출 플런저 배럴(35)의 단부(45,46)는 밸브 시트로서 밸브 요소(50,50')의 내표면 영역(52,52')과 상응하도록 각각의 경우에 모서리가 깍인 송출 플런저 배럴(35)의 내측 연부에 의해 형성되고, 송출 플런저 배럴(35)의 내벽은 약간 기계 가공된다. 따라서, 송출 플런저 배럴(35)은 각각의 경우에 그 단부(45,46)에 의해 밸브 요소(50,50')를 위한 밸브 시트(57,57')를 형성한다. 밸브 요소(50,50')가 각각의 경우에 내표면 영역(52,52')에 의해 밸브 시트(57,57')와 인접하는 경우, 밸브 요소(50,50')의 셀 표면 영역에 합체된 홈(55,55')과 튜브를 통하는 통로는 폐쇄된다.
안내 튜브(40,40')로부터 전방을 향해 압력 챔버 드릴구멍(18,18') 속으로 돌출하는 밸브 요소(50,50')의 각 부분은 압력 챔버 요소(60,60')에 의해 둘러싸이고, 각각의 압력 챔버 요소는 실린더 벽(61,61'), 외측면 단부 벽(62,62')을 포함하며, 홀(hole) 또는 드릴구멍(63,63')이 외측면 단부 벽(62,62')의 중심에 합체되어 있다. 압력 챔버 요소(60,60')는 그 원통형 벽(61,61')에 의해 압력 챔버 드릴 구멍(18,18') 속으로 견고하게 삽입되어, 실린더 벽(61,61')의 자유단에 위치한 표면 영역(64,64')에 의해 안내 튜브(40,40')의 바깥으로 돌출하는 링 웨브(41,41')와 인접한다. 압력 챔버 요소(60,60')는 그 표면 영역(64,64')에 수직으로 정향된 홈(65,65')을 포함한다.
압력 챔버 요소(60,60')는 각각의 경우에 그 내부 공간에 의하여 압력 챔버(66,66')를 형성하는데, 이 압력 챔버 속으로 밸브 요소(50,50')가 넣어져 압력 챔버(66,66') 내의 연료를 압축하게 된다. 압력 챔버 요소(60 또는 60') 길이의 대략 절반 이상으로 연장하는 내측부에서, 압력 챔버(66,66')는 외측부에서의 유극보다 큰 유극 폭을 특징으로 한다. 내측부의 유극 폭이 더 커서 밸브 요소(50,50')는 약간의 유극을 두고 링 웨브(54,54')에 의해 압력 챔버(66,66') 속으로 넣어질 수 있고, 반면에 전방부의 유극 폭의 크기는, 링 웨브(54,54')로부터 전방을 향해 연장하는 밸브 요소(50) 부분 및 이들 각각의 부분을 둘러싸는 코일 스프링(67,67')에 대해서만 충분한 공간이 존재하도록 되어 있다. 이렇게 설치한 결과, 압력 챔버(66,66')는 분사하는 동안 실행되는 밸브 요소(50,50')의 충격 이동에 요구되는 공간보다 약간 더 크게 형성된다.
코일 스프링(67,67')은 그 일단부에 의해 압력 챔버 요소(60,60')의 외측면 단부 벽(62,62') 상에 내부 안착하여 타단부가 밸브 요소(50,50'), 특히 밸브 요소의 링 웨브(54,54')와 인접함으로써 코일 스프링(67,67')은 밸브 요소(50,50') 및 압력 챔버 요소(60,60')에 별도로 힘을 가하게 된다.
압력 챔버 요소(60,60')는 각각의 경우에 연결 부재(70,70')에 의해 바깥으로 축방향 위치되거나 또는 전방을 향해 분사 방향으로 위치되며, 상기 연결 부재(70,70')는 외부로 개방된 압력 챔버 드릴구멍(18,18')의 단부 속으로 나사고정된다. 연결 부재(70,70')는 압력 챔버 요소(60,60')의 위치를 축방향 바깥으로 형성하여, 코일 스프링(67,67') 및 압력 챔버 요소(60,60') 때문에 밸브 요소(50,50')는 안쪽으로 예비부하를 받게 된다. 각각의 연결 부재의 외부상에는 연료 송출 도관(72,72')(도 1a,1b)을 연결하기 위한 포트(port)(71,71')가 있다. 연결 부재(70,70')는 종축 방향으로 전길이의 드릴구멍(73,73')을 포함하며, 각각의 드릴구멍에는 직립 압력 밸브(74,74')가 수용된다. 직립 압력 밸브(74,74')는 바람직하게는 압력 챔버 요소(60,60')와 인접하도록 설치되어 압력 챔버(66,66')는 더 이상 바깥으로 연장하지 못하며 압력 챔버(66,66')의 체적은 작게 형성된다.
연료 송출 도관(72,72')은 공통의 분사 밸브(2)(도 1a) 또는 별도의 분사 밸브(2,2')(도 1b)에 연결될 수 있다. 사후 송출을 위한 분사 밸브(2')는 바람직하게는 예비 송출을 위한 분사 밸브(2)보다 연료를 더욱 미세하게 분무화하도록 형성되어, 매우 미세하게 분산된 연료 소적(小滴, droplet) 클라우드를 바람직하게는 스파크 플러그의 부근에 분사하게 된다.
압력 챔버 요소(60,60')의 외측 표면 영역에는 환상(環狀) 홈(68,68')이 제공되며, 각각의 환상 홈에는 압력 챔버 드릴구멍(18,18')의 내표면 영역으로부터 압력 챔버 요소(60,60')를 완전히 밀봉하기 위하여 플라스틱제 밀봉 링(69,69')이 위치한다.
연료를 송출하기 위하여 각각의 펌프 본체부(15,15a) 내에서 유동 공간이 압력 챔버 드릴구멍(18,18') 영역에 제공되어 드릴구멍은 압력 챔버 요소(60,60')의 홈(65,65') 속에 이르게 된다. 펌프 본체부(15,15a) 내의 외측부 상에서 각각의 연료 송출 포트(76,76')는 연료 송출 밸브(78,78')용 소켓(77,77')에 의해 둘러싸이며, 상기 연료 송출 밸브는 소켓(77,77') 속으로 나사고정된다. 연료 송출 밸브(78,78')는 밸브 본체(79,79')를 구비하는 단방향 밸브(one-way valve)로서 형성된다. 각각의 밸브 본체(79,79')는 축방향으로 일치하게 구멍뚫린 두 개의 통로(80,81 또는 80',81')를 포함하며, 펌프 본체 측면 상의 구멍뚫린 통로(80,80')의 내경은 구멍뚫린 통로(81,81')보다 커서 두 개의 구멍뚫린 통로 사이에서 링 계단부는 각각의 링 계단부가 볼(83,83')용 밸브 시트(82,82')를 형성하도록 되어 있다. 각각의 볼(83,83')은 연료 송출 포트(76,76') 영역에서 펌프 본체부(15,15a)의 벽에 의해 지지되는 스프링(84,84')에 의해 밸브 시트(82,82')에 대항하여 예비부하를 받음으로써, 외부에서 압축되어 송출된 연료는 밸브 시트(82,82')로부터 볼(83,83')을 이동시킬 수 있고 연료는 각각 구멍뚫린 통로(80,80'), 연료 송출 포트(76,76'), 그리고 홈(65,65')을 통해 압력 챔버 드릴구멍(18,18')과 압력 챔버(66,66') 속으로 접근할 수 있다.
압력 챔버(66,66')로부터 전기자 공간(23)까지 연장하는 것은, 밸브 요소의 내표면 영역이 이격되어 설치되는 경우에 송출 플런저 배럴(35)의 밸브 시트(57,57')와 밸브 요소(50,50')의 내표면 영역(52,52') 사이의 밸브 요소(50,50')의 홈을 통과하여, 송출 플런저 배럴(35)의 통로 공간(36) 및 플런저 요소(44) 내의 드릴구멍(33a)을 통하는 통로이다.
연료 방출 포트로서 바깥으로 이르는 드릴구멍(90)이 선송출 펌프(13)의 측면에 설치된 제 1 링 계단부(21)의 주변부에 합체된다. 드릴구멍(90)은 연료 복귀 도관(92)(도 1)을 연결하기 위한 연결 포트(91)에 의해 바깥으로 길이 연장된다.
제 2 펌프 본체(15a)는, 방사상 바깥으로 돌출하고 원통형의 나사홈 부분(26)과 인접하는 원주형의 링 계단부(93)를 포함한다. 링 계단부(93)는 특히 제 1 펌프 본체부(15)를 바깥으로 고정시키는 솔레노이드 배럴(95)을 축방향으로 위치시키는 역할을 한다. 솔레노이드 배럴(95)은 제 1의 넓은 실린더 벽(96) 및 이 제 1 실린더 벽(96)의 내경보다 작은 내경으로 되어 있는 제 2의 좁은 실린더 벽(97)을 포함하며, 상기 제 1,2 실린더 벽은 방사상으로 연장하는 링 웨브(98)를 통해 서로 일체적으로 연결된다. 솔레노이드 배럴(95)은, 제 1 실린더 벽(96)이 제 1 펌프 본체부(15)로부터 바깥으로 돌출하는 벽(100)과 직면할 때까지, 제 1 본체부(15) 상에서 전방을 향하는 제 1 실린더 벽(96)으로 장착되어, 대략 직사각형의 단면을 갖는 솔레노이드 코일(102) 수납용 환상 챔버(101)를 형성한다.
따라서, 솔레노이드 배럴(95)은 벽(100)과 제 2 본체부(15')의 링 계단부(93) 사이의 적소에 클램핑되어 축방향으로 위치한다. 솔레노이드 배럴(95)의 제 2 실린더 벽(97)은 후송출 펌프(14)와 면하는 표면 영역의 내측 연부에서 모서리가 깍여 있고, 가령 O-링과 같은 밀봉 링(103)이 표면 영역, 제 1 본체부(15)에 형성된 연부면과 링 계단부(93) 사이의 적소에 클램핑된다.
솔레노이드 코일(102)은 단면이 대략 직사각형이고, 에폭시 수지에 의해 U자형 단면의 지지 실린더(104) 내에 넣어지고, 따라서 솔레노이드 코일(102) 및 지지 실린더(104)는 일체형의 솔레노이드 모듈을 형성한다. 지지 실린더(104)는 1개의 실린더 벽(105)과, 실린더 벽(105)으로부터 방사상 외측으로 돌출하여 솔레노이드 코일(102)에 대한 공간을 형성하는 두 개의 측벽(106,107)과를 구비하며, 상기 실린더 벽(105)은 후방 측벽(106)을 넘어 측방향으로 연장함으로써 표면 영역(108)은 측벽(106,107)의 표면 영역(109), 실린더 벽(106)의 내표면 영역 및 환상 챔버(101) 내의 전방 측벽(107)과 확실히 인접하게 된다.
솔레노이드 코일(102)과 전기자 공간(23) 사이에 설치된 제 1 펌프 본체부(15)의 영역에는 낮은 자기 전도율(magnetic conductivity)을 갖는 가령, Cu, Al, 스테인레스강과 같은 재료가 합체되어 솔레노이드 코일(102)과 전기자(24) 사이의 자기 단락(magnetic short-circuit)을 방지한다.
본 발명에 따른 분사 펌프의 제 2 실시예가 도 5에 도시되어 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 왕복형 플런저 펌프(1)의 구조는 전술한 왕복형 플런저 펌프(1)와 실질적으로 같아 동일한 형상 및 동일한 기능을 갖는 부분들은 동일한 도면 부호로 특징된다.
제 2 실시예에 따른 왕복형 플런저 펌프의 신장은 제 1 실시예에 따른 왕복형 플런저 펌프의 신장보다 작고, 이러한 길이의 단축은 밸브 요소로서 볼(50a,50a')을 사용함으로써 실질적으로 달성된다. 안내 튜브(40,40')의 링 웨브(41,41')는 볼(50a,50a')에 대하여 접합부를 형성하여 볼이 더 이상 안쪽으로 이동될 수 없도록 방지해주며, 각각의 링 웨브(41,41')는 볼 형상에 적합한 환상의 볼 시트(41a,41a')가 형성되어 있어서 볼(50a,50a')은 링 웨브(41,41')와 확실히 접촉할 수 있게 된다.
볼(50a,50a')은 매끄러운 표면을 포함하고 있는데, 이것은 볼의 표면이 밸브 시트(57,57')로부터 멀리 이격되어 배치될 때 송출 플런저 배럴(35)의 밸브 시트(57,57')와 볼(50a,50a')의 표면 사이의 틈새에 압력 챔버(66,66')를 연결하기 위하여 홈(41b,41b')이 볼 시트(41a,41a')에 합체되는 이유이다. 홈(41b,41b')을 제공함으로써, 송출 플런저 배럴(35)을 통한 소기가 가능하다.
본 발명에 따른 연료 분사 장치의 작동은 본 발명의 제 1 실시예를 참조하여 이하에서 설명한다.
솔레노이드 코일(102)을 통한 전류의 흐름이 차단되는 경우, 전기자(24)는 전기자 스프링(38)에 의해, 전기자(24)의 후방 표면 영역(49)이 접촉하는 제 2 본체부(15a)의 정지 표면 영역(25)에 대항해서 후방으로 강제된다. 이것은, 선송출 펌프(13)의 방향으로 향하는 밸브 시트(57)가 구비된 송출 플런저 배럴(35)이 밸브 요소(50)의 후방 표면 영역(52)으로부터 간격(sV)만큼 이격되어 설치되는 전기자(24)의 시작 위치이다. 이 시작 위치에서, 송출 플런저 배럴(35)은 밸브 시트(57')에 의해 코일 스프링(67')의 스프링 힘에 대항하여 후송출 펌프(14)의 밸브 요소(50')를 강제함으로써, 밸브 요소(50')의 링 웨브(54')는 안내 튜브(40')의 링 웨브(41')로부터 간격(sR)만큼 이격된다.
상기 시작 위치에서, 예비 압력을 받는 연료는 연료 이동 펌프(112) 및 연료 송출 도관(113)에 의해 연료 탱크(111)로부터 연료 송출 밸브(78)를 통해 선송출 펌프(13)의 압력 챔버(66) 속으로 송출된다. 압력 챔버(66)로부터 연료는 안내 튜브(40)를 통하는 밸브 요소(50)의 셀 부분에 합체된 홈(55)을 통해 송출 플런저 배럴(35)의 밸브 시트(57)와 밸브 요소(50)의 내표면 영역(52) 사이의 틈새 속으로 그리고 송출 플런저(35)의 통로 공간(36) 속으로 흐른다. 압축 연료는 송출 플런저(35)의 통로 공간(36)으로부터 송출 플런저 배럴(35)과 전기자(24)를 통하는 구멍뚫린 통로(33a)를 통해 흘러 전기자 공간(23)을 채우게 된다. 전기자(24)의 전기자 공간(23)의 상측과 하측 부분은 전기자(24)에 합체된 홈(32)에 의해 서로 연통할 수 있게 연결되어 있어서 전기자 공간(23) 전체는 연료로 채워지게 된다. 드릴구멍(90) 및 연결 포트(91)를 통해 연료는 연료 탱크(111) 속으로 돌아간다.
따라서, 송출 플런저 요소(44)의 시작 위치에서, 선송출 펌프(13)의 압력 챔버(66), 송출 플런저(35)의 통로 공간(36), 플런저 요소(44) 내의 구멍뚫린 통로(33a), 전기자 공간(23), 드릴구멍(90) 및 연결 포트(91)를 거쳐 연료 송출 밸브(78)로부터 연장하는 연료용 유로(流路)가 존재하고, 따라서 연료는 상기 유로를 통해 지속적으로 송출 및 소기되고, 이로 인해 선송출 펌프(13)의 압력 챔버(66)는 연료 탱크(111)로부터 새롭고 차가운 따라서 기포가 없는 연료가 항상 송출되고 이러한 연료로 채워진다.
연료 이동 펌프(112)에 의해 발생된 예비 압력은, 한편으로는 유로에서의 압력 강하보다 커서 왕복형 플런저 펌프(1)의 계속적인 소기가 보장되고, 다른 한편으로는 직립 압력 밸브(74)의 통로 압력보다 작아서 송출 플런저 요소(44)의 시작 위치에서는 어떠한 연료도 왕복형 플런저 펌프(1)로부터 인젝터(2)로 송출되지 않는다.
전류를 가하여 솔레노이드 코일(102)에 전류를 통하게 하면, 그 결과 자기장이 전기자(24)를 선송출 펌프(13)의 방향으로 이동시키고 예비 분사를 위해 선송출 펌프(13)의 밸브 요소(50)를 작동시키는 이동을 실행하게 된다. 펌프 요소(=전기자(24)와 송출 플런저 배럴(35))의 이동은 (시작 위치에서 송출 플런저 배럴(35)의 밸브 시트(57)와 밸브 요소(50)의 내표면 영역(52) 사이의 공간에 대응하는) 길이(sV) 이상의 예비행정 중에 전기자 스프링(38)의 스프링 힘에 대해서만 반작용한다. 전기자 스프링(38)의 스프링 힘은 매우 약해서 전기자(24)는 실질적으로 저항을 거의 받지 않고 이동되지만, 그럼에도 불구하고 스프링 힘은 전기자(24)를 그 시작 위치로 복귀시킬만큼 충분하다. 전기자(24)는 연료가 채워진 압력 공간(23)에서 떠 있으며(float), 연료는 전기자 공간(23) 내에서 전기자(24)의 상측부와 하측부 사이에서 자유롭게 이리저리 유동할 수 있어 전기자(24)와 반작용하는 어떠한 압력도 생기지 않는다. 따라서, 전기자(24)와 송출 플런저 배럴(35)을 포함하는 송출 플런저 요소(44)는 지속적으로 가속되고 운동 에너지를 축적하게 된다.
플런저 요소(44)가 선송출 펌프(13)의 방향으로 충격 이동하는 동안, 후송출 펌프(14)의 밸브 요소(50)는 링 웨브(54')가 안내 튜브(40')의 링 웨브(41')와 직면할 때까지 코일 스프링(67') 효과로 인하여 플런저 요소(44)의 이동에 편승한다. 이러한 설치에 있어서, 후송출 펌프(14)의 압력 챔버(66') 체적은 확장되어 새로운 즉 기포가 없는 연료가 연료 송출 밸브(78')를 통해 연료 송출 밸브 내로 끌어당겨진다. 플런저 요소(44)가 일단 (플런저 요소(44)의 시작 위치에서 안내 튜브(40')의 링 웨브(41')로부터 밸브 요소(50')의 링 웨브(59') 사이의 공간에 대응하는) 거리(sR) 이상의 예비행정을 실행하면, 밸브 시트(57')는 밸브 요소(50')의 내표면 영역(52')으로부터 해제되어 내표면 영역(52')과 밸브 시트(57') 사이에는, 압력 챔버(66')로부터 홈(55')을 통해 송출 플런저 배럴(35)의 통로 공간(36)에 이르는 통로를 형성하는 공간이 형성된다. 따라서, 플런저 요소(44)가 충격 이동하는 동안 연료 송출 밸브(78')로부터 전기자 공간(23) 또는 드릴구멍(90)의 전체에 걸쳐서 유로가 형성된다.
예비행정(sV)이 끝날 때에, 송출 플런저 요소(44)는 밸브 시트(57)에 의해 선송출 펌프(13)의 밸브 요소(50)의 내표면 영역(52)과 직면하게 되고, 그 결과 밸브 요소(50)는 갑작스럽게 바깥으로 힘을 받게 된다. 다음에 송출 플런저 배럴(35)이 그 밸브 시트(57)에 의해 밸브 요소(50)의 내표면 영역(52)과 접촉하기 때문에, 선송출 펌프(13)로부터 송출 플런저 배럴(35)의 통로 공간(36)까지의 유로가 개방되어 연료는 더 이상 압력 챔버(66)로부터 후방으로 빠져나갈 수 없게 된다. 따라서 연료는 밸브 요소(50)의 충격 이동 및 다른 이송 이동에 의해 압력 챔버(66)로부터 이동되고, 그 때문에 연료는 압축된다. 이러한 상황에서, 압력 챔버 및 연료 송출 밸브(78)의 드릴구멍(80)에 생긴 압력으로 인해 연료 송출 밸브(78)는 폐쇄되는데, 상기 압력은 연료가 연료 이동 펌프에 의해 송출되어지는 압력보다 크다. 다음에 현재의 예정된 압력으로, 직립 압력 밸브(74)가 개방되어 인젝터(2)와 왕복형 플런저 펌프(1) 사이의 송출 도관 내에 위치한 연료에 예정된 압력이 가해지며, 이 압력은 가령 인젝터(2)의 통로 압력에 의해 지시된 것처럼 60 bar이다. 따라서 송출 플런저 요소(44)가 접촉 충격함으로써 송출 플런저 요소(44)의 이동시에 저장된 에너지는 즉시 압력 챔버(66) 내에 위치한 연료로 전달된다.
솔레노이드 코일(102)에 전류를 통하게 하고 플런저 요소(44)가 이동되는 시간은 연료가 압력 챔버(66) 속으로 이동할 때 밸브 요소(50)의 이동 거리를 결정하며, 그 결과 선송출 펌프(13)에 의해 송출된 연료는 밸브 요소(50)의 이동 거리에 또는 솔레노이드 코일(102)에 전류를 통하게 하는 시간 간격에 비례한다. 최대 송출 거리는 플런저 요소의 시작 위치에서 밸브 시트(57)와 밸브 요소(50)의 내표면 사이의 간격(sV)의 수배에 이를 수 있다.
솔레노이드 코일(102)을 회로에서 차단시킴으로써 선송출 펌프(13)의 연료 송출은 차단되고, 그 결과 플런저 요소(44)는 전기자 스프링(38)의 작용에 의해 그 시작 위치로 돌아가게 되고, 사후 분사를 위한 후송출 펌프(14)의 밸브 요소(50')를 작동시키기 위하여 반동 이동이 실행된다. 전기자(24)가 정지 표면 영역(25)으로부터의 간격(sR)에 있는 경우, 플런저 요소(44)는 후송출 펌프(14)의 방향으로 향하는 그 밸브 시트(57')에 의해 밸브 요소(50')와 직면하게 되어 밸브 요소(50')를 압력 챔버(66') 속으로 강제하고, 다음에 연료는 압력 챔버(66')로부터 이동된다. 전기자(24)는 정지 표면 영역(25)과 직면하고, 그 결과 후송출 펌프(14)의 행정(sR)은 갑작스럽게 차단되고, 플런저 요소(44)는 다시 그 시작 위치에 있게 된다.
플런저 요소(44)의 반동 이동은, 연료 송출이 끝날 때에 선송출 펌프(13)에 의해 회로에서 차단되지 않는 솔레노이드 코일에 의해 지연될 수 있고, 대신에 전류값은 예정된 시간 간격에 대하여 플런저 요소(44)가 더 이상 충격 방향(27)으로 이동되지 않고 플런저 요소의 반동 이동을 지체시키는 전류값까지 감소됨으로써 플런저 요소(44)는 지연된 밸브 요소(50')와 직면하게 되며, 그 결과 선송출 펌프(13)에 의한 연료 송출과 후송출 펌프(14)에 의한 연료 송출 사이의 시간 간격은 제어될 수 있다.
후송출 펌프(14)의 분사 작동 중에 밸브 요소(50')에 의해 이동된 거리(sR)는 매 사후 송출 행정과 같아 각각의 분사 활동에 있어서 후송출 펌프(14)에 의해 분사된 연료의 양은 항상 같게 된다. 이러한 일정한 분사량은 바람직하게는 공전시의 엔진에서 요구되는 연료와 상응하도록 선택한다.
선송출 펌프(13)의 행정(sV)은 바람직하게는 후송출 펌프(14)의 행정(sR)보다 크거나 또는 같아서(sVsR) 후송출 펌프(14)의 전체 송출 행정은 선송출 펌프(13)에서 일어나는 연료 송출 없이 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 복동식의 왕복형 플런저 펌프(1)는 고압의 연료가 분사 펌프(1)(도 1a)에 의해 연소실(4)로 배출되는 불꽃 점화 엔진에서 층상 급기를 위해 특히 유리하게 사용될 수 있다. 연소실(4)은 공지의 방법과 수단으로 실린더(5), 실린더 헤드(115) 및 피스톤(116)에 의해 형성된다. 이 실린더 헤드(115)에는 스파크 플러그(10)와, 연소실(4)로 직접 주입하기 위한 인젝터(2)가 합체된다. 인젝터(2)는 연료 송출 도관(72,72')을 통해 분사 펌프(1)에 연결된다.
필요하다면 예비 압축된 연료가 연료 탱크(111)로부터 연료 이동 펌프(112)를 거쳐 연료 송출 도관(113)에 의해 분사 펌프(1)로 송출된다. 분사 펌프(1) 및 스파크 플러그(10)는, 예컨대 온도 센서(7), 적절한 엔진 성능 패러미터를 감지하기 위한 버터플라이 밸브 센서(8) 및 크랭크 각도 센서(9)와 같은 몇몇 센서에 연결되는 제어 수단(6)에 의해 제어된다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 가변적인 즉 부하의 함수로서 조절되는 초기 연료량(주연료량)이 연소실(4)로 분사된다. 주연료량은 피스톤 행정 중에 도입 공기량과의 혼합비가 l1.5의 점화불가능한 혼합비가 되도록 계량한다. 이어서 제 2 양의 연료가 뒤를 잇는데, 이는 스파크 플러그(10) 영역의 연소실(4)로 분사되는 연료의 점화량으로서, 스파크 플러그(10)에 의해 점화되는 좀 더 진한 혼합비, 가령 l = 0.85 내지 1.3를 갖는다. 연료의 점화량은 바람직하게는 다소 일정하게 유지된다. 결과적으로 불꽃면(flame front)은 비교적 일관되게 연료/공기 혼합물로 전파되고, 그 결과 미리설정된 또는 선택된 혼합비 때문에 이상적인 방출값이 얻어진다.
본 발명에 따른 방법의 성공은 가령, 40 bar를 초과하는 고분사 압력이 사용되는 경우에 다량의 연료가 클라우드를 형성한다는 사실에 기초하는데, 이 클라우드는, 예컨대 연소실(4)에 함유된 가스에 의해 분사 밸브(2)의 부근에서 이미 감속되지 않고, 대신에 클라우드가 분산되는 연소실(4) 속으로 예정할 수 있는 전파 속도로 투과하는 로브(lobe) 형태이다. 분사 밸브(2) 부근의 연소실(4)로 들어갈 때, 더 작게 분무화된 연료가 고압 때문에 바로 감속된다. 이러한 연료 클라우드가 스파크 플러그(10)의 스파크 영역으로 연장하도록 위치하는 경우, 연료 클라우드는 점화될 수 있다. 따라서, 분사 밸브(2)를 스파크 플러그(10)와 인접하도록 설치하여 서로 면하는 V자 형태로 하는 것이 편리하다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 간단한 방식과 수단으로 층상 급기를 할 수 있는데, 분사하기 위해 연소실(4)에 부속 챔버를 형성시킬 필요 없이 묽은 연료/공기 혼합물과 진한 연료/공기 혼합물을 별도로 연소실(4) 속으로 분사함으로써 최적화될 수 있다. 직접 분사함으로써 부속 챔버를 구비한 종래의 층상급기 엔진과 비교하여 연료의 소비량이 실질적으로 감소하게 된다.
연료량의 함수로서 유동 상태의 갑작스러운 변화에 기초한 연료량의 함수로서 분무화 효과 및 감속 효과는, 좀 작은 양의 주연료가 좀 더 많은 양의 주연료보다 스파크 플러그에 가깝게 집중되는 이점을 제공하여, 분사된 점화 양의 연료의 진한 연료 클라우드(118)와 주요 양의 연료의 묽은 연료 로브(117) 사이의 차이에 영향을 줄 수 있다. 이 결과, 본 발명에 따른 방법은 속도 및 부하의 함수로서 어떤 원하지 않는 변동(fluctuation)과는 독립적인데, 왜냐하면 좀 더 작은 양의 주연료 및 좀 더 많은 양의 주연료에 대해 주요 양의 연료 및 점화 양의 연료의 예비 분사 및 사후 분사가 각각 최적으로 달성될 수 있기 때문이다.
예비 분사의 초기 시점(I)과 사후 분사의 나중 시점(II) 사이에는 상대적으로 큰 주기(III)를 이용할 수 있어(도 6) 예를 들면 도입된 공기와의 와류 때문에 다량의 주연료를 연소실(4) 내에서 균일하게 분배할 수 있다. 결과적으로 연료/공기 혼합물이 차례로 연소실(4) 내에서 상당히 균일하게 분배된다. 큰 부하하에서 주연료량보다 훨씬 적은 점화 연료량이 점화 시간 시점(IV 2) 바로 전에 또는 동시에 스파크 플러그(10)의 점화점 영역에 분사되기 때문에, 연료 및 공기의 비균일 분배가 연소실(4) 내에서 효과적으로 이루어진다. 예비 분사 및 사후 분사 사이의 시간 간격은 스파크 점화 엔진의 부하 체계에서 약 40°내지 100°, 바람직하게는 60°이상의 크랭크 각도 차이에 대응한다.
바람직하게는, 예비 분사의 초기 시점과 사후 분사의 나중 시점 사이의 시간 간격은 주연료량과 비례하게 제어됨으로써, 좀 더 많은 양의 주연료에 대해 균일한 분배가 보장되고, 좀 더 작은 양의 주연료는, 아주 묽어질 정도로 그리고 더 이상 연소될 수 없는 점화량의 연료에 의해 형성된 연료 클라우드(9b)로부터 제거될 정도로 확산되지 않는다. 주연료량은 가변적으로 또는 부하의 함수로서 제어될 수 있으며, 이로 인해 엔진이 공전하는 경우, 엔진은 점화 연료량으로도, 즉 주연료량이 없어도 작동될 수 있다. 큰 부하 하에서 주연료량은 점화 연료량보다 가령, 10배 정도에 달할 수 있다.
평균 부하 및 평균 속도 조건 하에서 예비 분사, 사후 분사 및 점화에 대한 타이밍 다이어그램이 크랭크샤프트의 1회전에 대해 도 6에 도시되어 있다. 예비 분사 및 사후 분사에 대한 각도의 범위는 전술한 방법 및 수단에 의한 부하 및 속도의 함수이며, 속도가 증가함에 따라 어떤 각도의 범위가 좀 더 작은 또는 감소하는 시간 간격에 대응함으로써 사후 분사 및 예비 분사에 대한 각도 범위가 속도가 증가함에 따라 증가하는 것을 특별히 고려할 필요가 있다. 평균 부하 및 속도에 대해 통상적인 각도 범위의 비율은 사후 분사의 시간 간격: 예비 분사 및 사후 분사 사이의 시간 간격: 예비 분사에 대해 1:2:4이다.
본 발명에 따른 방법의 분사 압력, 가령 압력 충격은 40 bar 이상이거나 40 bar이며, 바람직하게는 60 bar의 범위 내에 있다. 60 bar의 분사 압력에서, 종래의 인젝터를 이용하여 약 50 m/s의 연료 분사 속도가 달성된다. 본 발명에 따라 사용되는 이중 분사 장치에서 층상 급기를 최적화시키는 연료량의 함수로서 분무화 및 감속 효과를 일으키는 것은 고분사 압력과 함께 이러한 분사 속도이다.

Claims (26)

  1. 고체 에너지 저장 원리에 따라 작동하고 송출 플런저 요소(44)를 구비하는 왕복형 플런저 펌프로서 형성된 연료 분사 장치로서, 상기 송출 플런저 요소(44)는 그 시작 위치로부터 압력 챔버(66) 방향으로 이동되고, 상기 송출 플런저 요소(44)는 거의 제로의 저항 가속 상태 중에 운동 에너지를 저장하며, 이 운동 에너지는 충격 이동에 의해 상기 압력 챔버(66) 내의 연료로 갑작스럽게 전달됨으로써 인젝터 수단을 통해 연료를 배출하기 위한 압력 충격이 발생되는 연료 분사 장치로서,
    제 2 압력 챔버(66)가 제 1 압력 챔버(66)에 대향하여 상기 송출 플런저 요소(44)의 측면 상에 설치됨으로써, 상기 송출 플런저 요소(44)가 그 시작 위치로 복귀 이동할 때 흡수된 운동 에너지는 제 2 압력 챔버(66) 내의 연료로 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 운동 에너지는 거의 제로의 저항 가속 상태 중에 시작 위치로의 복귀 이동시에 저장되고, 저장된 운동 에너지는 반동 이동에 의해 상기 제 2 압력 챔버(66)내의 연료로 갑작스럽게 전달되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제로의 저항 가속 상태를 차단시키고 상기 제 1 압력 챔버(66) 내에서의 압력 충격을 발생시키는 수단은 밸브 요소(50)와 상기 송출 플런저 요소(44) 상에 배치된 밸브 시트(57)와를 포함하는 밸브이고, 압력 충격을 발생시키기 위하여 상기 제 1 압력 챔버(66)를 폐쇄하며, 상기 밸브 시트(57)와 상기 밸브 요소(50)는 충격 방향으로 전방에 위치한 상기 송출 플런저 요소(44)의 단부에 설치되어 상기 압력 챔버(66)는 상기 송출 플런저 요소(44)로부터 공간적으로 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제로의 저항 가속 상태를 차단시키고 상기 제 2 압력 챔버(66') 내에서의 압력 충격을 발생시키는 상기 수단은 밸브 요소(50')와 상기 송출 플런저 요소(44) 상에 배치된 밸브 시트(57')와를 포함하는 밸브이고, 압력 충격을 발생시키기 위하여 상기 제 2 압력 챔버(66')를 폐쇄하며, 상기 밸브 시트(57')와 상기 밸브 요소(50')는 충격 방향으로 전방에 위치한 상기 송출 플런저 요소(44)의 단부에 설치되어 상기 압력 챔버(66')는 상기 송출 플런저 요소(44)로부터 공간적으로 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 장치는 솔레노이드 코일(102)과 이 솔레노이드 코일(102)에 의해 구동되는 상기 송출 플런저 요소(44)와를 포함하는 솔레노이드 코일 작동식 왕복형 플런저 펌프(1)로서 형성되고, 상기 송출 플런저 요소(44)는 거의 원통형인 전기자(24)와 긴 송출 플런저 배럴(35)을 포함하며, 상기 송출 플런저 배럴(35)의 단부(45,46)는 상기 전기자(24)를 넘어 종방향으로 연장하고, 각각은 견고하게 그리고 종방향으로 이동할 수 있게 장착되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 송출 플런저 배럴(35)은 상기 전기자(24)에 견고하게 연결되며, 상기 밸브 시트(57,57')는 상기 송출 플런저 배럴(35)의 각 단부(45,46)에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 밸브 요소(50 또는 50')는 안내 튜브(40,40')에 축방향으로 이동할 수 있도록 장착된 실질적으로 원통형의 긴 고체를 형성하며, 상기 안내 튜브(40,40')의 그 외주 상에는 종방향으로 정향된 홈(55 또는 55')이 제공되고, 상기 홈(55 또는 55')은 상기 압력 챔버(66 또는 66')중 어느 하나로부터 상기 송출 플런저 배럴(35) 내부의 통로 공간(66)으로의 통로를 형성하며, 상기 통로는 상기 밸브 시트(57,57') 중 하나가 상기 대응 밸브 요소(50 또는 50')와 인접하는 경우 폐쇄되어 상기 대응 압력 챔버(66 또는 66')가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  8. 제3항, 제4항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 요소는 하나 또는 두 개의 볼(50a,50a')이고, 볼 시트(41a,41a')가 상기 볼(50a,50a')에 대한 접합부를 형성하여 상기 볼(50a,50a')은 더 이상 안쪽으로 이동될 수 없으며, 상기 볼 시트(41a,41a')는 각각, 상기 압력 챔버(66 또는 66')중 하나로부터 상기 송출 플런저 배럴(35) 내부의 통로 공간(36)으로의 통로를 형성하는 1개 이상의 홈(41b,41b')을 포함하고, 상기 통로는 상기 밸브 시트(57,57')중 하나가 상기 대응 밸브 요소(50 또는 50')와 인접하는 경우 폐쇄되어 상기 대응 압력 챔버(66 또는 66')가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 거의 원통형인 전기자(24)는 상기 충격 방향으로 전방 표면 영역 및 후방 표면 영역(28,29)과 셀 표면 영역(30)과 상기 후방 표면 영역(28)으로부터, 후방으로부터 전방의 바깥으로의 상기 전기자(24)의 대략 종방향 중심점까지 연장하는 원뿔형의 표면 영역(31)과를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복형 플런저 펌프(1)는 전기자 센터보어(16)를 구비하는 펌프 본체를 포함하며, 전기자 센터보어(16)를 통하는 전기자 공간(23)이 제 1 링 계단부(21)에 의해 상기 충격 방향의 전방에 그리고 제 2 링 계단부(22)에 의해 상기 충격 방향의 후방에 형성되고, 상기 전기자(24)는 솔레노이드 코일(102)에 의해 상기 전기자 공간(23)에서 왕복되며, 전기자 스프링(38)은 상기 전기자(24)를 종축 방향으로 강제하고, 상기 전기자(24)는 셀 부분에 종축 방향으로 정향된 홈(32)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기자(24)는 상기 솔레노이드 코일(102)이 회로로부터 차단되는 경우 상기 전기자 스프링(38)의 스프링 힘 때문에 그 시작 위치에 있게 되고, 상기 제 1 밸브 챔버(66)의 방향으로 정향된 상기 밸브 시트(57)는 대응하는 대향 단부 벽(52)으로부터 간격(sV) 만큼 이격되어 설치되고, 상기 밸브 시트(57')는 상기 제 2 압력 챔버(66') 방향으로 상기 대응 밸브 요소(50')의 상기 대응 표면 영역(52')과 인접하여 설치됨으로써 상기 밸브 요소(50')는 상기 압력 챔버(66') 속으로 얼마간 강제되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 플런저 요소(44)는 상기 송출 플런저 배럴(35) 내부의 상기 통로 공간(36)을 상기 전기자 공간(23)에 연결하는 드릴구멍(33a)을 포함하고, 상기 전기자 공간(23)은 바깥에 이르는 드릴구멍(90) 및 연결 포트(91)를 통해 연료 복귀 도관(92)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 압력 챔버(66,66')는, 현재의 예정된 압력으로서 개방하고 연료 송출 도관(72) 내의 통로를 인젝터(2)로 개방시키는 직립 압력 밸브(74,74')에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1, 2 압력 챔버(66 또는 66')중 1개 이상은 분사 중에 행해지는 상기 대응 밸브 요소(50,50')의 상기 충격 이동에 의해 필요한 공간보다 단지 약간 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  15. 연료를 바람직하게는 40 bar 이상의 고압으로 연소실로 분사하며, 이때 초기 시점에서 부하의 함수로서 변하는 제 1 주요양의 연료를 연소실로 분사시키고, 그 보다 늦은 시점에서 점화양의 연료를 스파크 플러그의 점화점 영역의 동일한 연소실 내에 분사시켜 점화시키는 스파크 점화 엔진에 층상 급기를 하기 위한 방법으로서,
    연료 분사 장치, 특히 청구항 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 연료 분사 장치를 사용하고, 이 연료 분사 장치는 고체 상태의 에너지 저장 원리에 따라 작동하고 송출 플런저 요소(44)를 구비하는 왕복형 플런저 펌프로서 형성되며, 상기 송출 플런저 요소(44)를 그 시작 위치로부터 압력 챔버(66) 방향으로 이동시키고, 상기 송출 플런저 요소(44)는 거의 제로의 저항 가속 상태 중에 운동 에너지를 저장하며, 이 운동 에너지는 충격 이동에 의해 상기 압력 챔버(66)내의 연료로 갑작스럽게 전달됨으로써 인젝터 수단을 통해 연료를 배출하기 위해 압력 충격이 발생되며, 상기 송출 플런저 요소(44)가 그 시작 위치로 복귀 이동시에 흡수된 운동 에너지가 상기 제 2 압력 챔버(66')내의 연료로 전달되도록 제 2 압력 챔버(66')를 상기 제 1 압력 챔버(66)에 대향하여 상기 송출 플런저 요소(44)의 상기 측면상에 설치하고, 상기 연료를 연소실 속으로 직접 분사시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 운동 에너지는 거의 제로의 저항 가속 상태 중에 상기 시작 위치로의 복귀 이동시에 저장되고, 상기 저장된 운동 에너지는 반동 이동에 의해 상기 제 2 압력 챔버(66') 내의 연료로 갑작스럽게 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 초기 시점과 나중 시점 사이의 시간 간격을 상기 주요 양의 연료가 흡입된 공기와 혼합하여 l1.5의 묽은 혼합비가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 초기 시점과 나중 시점 사이의 시간 간격을 상기 주연료량에 비례하여 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 분사 압력은 약 60 bar 영역 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 전 엔진 부하에서의 상기 주연료량은 상기 점화 연료량의 약 10배에 이르는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 주요 양의 연료를 공전시에는 전혀 분사시키지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 실질적으로 일정한 점화량의 연료를 분사시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 압력 챔버로부터 송출된 상기 주연료량을 상기 충격 이동 중에 상기 플런저 요소가 이동한 거리의 함수로서 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 압력 챔버로부터 송출된 상기 점화 연료량은 일정하고, 분사시에 상기 주요 양의 연료를 엔진의 연소실로 점화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제15항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플런저 요소를 솔레노이드 코일에 의해 작동시키고, 상기 제 1 양의 연료를 상기 솔레노이드 코일에 전류를 통하기 위해 가해지는 펄스가 지속되는 동안에 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제15항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점화 연료량은 대략 공전시에 필요한 양에 대응하고, 상기 주연료량을 크랭크샤프트 위치(60°)에 대응하여 제때에 또는 상사점(TDC) 이전에 분사시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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