KR20010067041A - 직접 분사 연료 분사기 및 이 분사기를 장착한 내연 기관 - Google Patents

직접 분사 연료 분사기 및 이 분사기를 장착한 내연 기관 Download PDF

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Abstract

직접 분사 장치 가솔린 엔진용의 전자식 장치 연료 분사기의 분무 특성에서, 피스톤 공동부에 가연 농도를 갖는 연료 및 공기의 혼합기를 수렴하고 점화 플러그 측의 가연 농도를 갖는 혼합기를 농후하게 하면 점화성이 개선되고, 피스톤 방향으로 연료 및 공기의 혼합기를 희박하게 하면 연소성이 개선되고, 즉, 편평 경사 분무를 생성하는 것이 필요하다. 분사기의 출구부에서 분사 구멍을 형성하는 벽면의 일부에는 분사 구멍의 중심축선에 대해 임의의 각도로 2개의 경사면에 의해 V 자형의 홈 또는 상이한 절결 깊이를 갖는 사실상 리세스 형상의 계단식 직사각형 홈이 형성된다.

Description

직접 분사 연료 분사기 및 이 분사기를 장착한 내연 기관 {DIRECT INJECTION FUEL INJECTOR AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE MOUNTING THE SAME}
본 발명은 직접 분사 연료 분사기 및 직접 분사 연료 분사기를 장착하는 내연 기관과, 우수한 점화성 및 우수한 연소성를 갖는 연료 분무를 형성하는 연료 분사기 및 이 연료 분사기가 장착된 내연 기관과, 직접 분사 연료 분사기식 내연 기관의 연소실로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 선회(swirl)식 분사기 구조체 및 이 연료 분사기 구조체가 장착된 내연 기관에 관한 것이다.
연료가 내연 기관의 흡기관으로 분사되는 흡기관 내부 연료 분사 장치에 대해, 연료가 연소실로 직접 분사되는 직접 분사 연료 분사 장치가 알려져 있다.
상기 직접 분사 가솔린 내연 기관으로서, 일본 특허공개 제(평)6-146886호가 개시되어 있다. 본 서류에서, 연료 분사기의 장착 위치를 고려하였고 흡기 개구 단부로부터 상측부에서 연장하는 흡기 포트에 의해 연소실내 종방향의 선회 흡기 유동(회전 유동)을 형성하는 구성으로서, 이론적인 연료 및 공기 혼합보다 희박한 연료를 사용하여, 희박 연소가 안정하게 행해지고 연료 소비는 개선된다.
더욱이, 일본 특허공개 제(평)8-42427호는 노즐 부재의 오리피스 에지에 밸브 본체의 축선에 직각인 2차원 곡면이 형성되고 타원형 단면을 갖는 편평 분무가 발생되고 흡기 밸브로 연료 부착이 억제되는 연료 분사기에 대해 개시하고 있다.
상술한 종래의 기술에 있어서, 점화성(스파크 성질) 및 연소성(미연소 가스 방출량 감소)이 서로 개선될 수 있는 분무 형상 또는 분사 구조에 대해 충분히 고려하지 않았다. 즉, 분무의 거친 입자들이 감소되는 상태하에서, 실린더 피스톤 형상 및 공동부 형성의 기기 및 장치에 채택되는 단면 형상을 갖는 분무를 발생하는 수단에 대해 충분히 연구되지 않고 있다.
연료 분사기에 의해 분사된 분무를 적정화하기 위해 다음의 특징들을 고려하는 것이 필요하다. 제1 특징은 분무 형상, 분무 살포 각도 및 분무 도달 길이가 요소들로서 이루어진다. 제2의 특징은 분무 입자 직경이고 가능한 다수의 분무 대직경 입자들을 감소하기 위해 분무 입자 직경 분포의 균일성을 개선하는 것이 필요하다. 제3의 특징은 분무 구조이고 분무된 연료 입자들의 공간 분포를 적절하게하는 것이 필요하다.
본 발명의 발명자들은 실험 분석에 의해 내연 기관의 연소성에 대해 상술한 분무성이 어떠한 연관이 있는 지에 대해 연구하였고 사실에 따른 결과가 명백하게 되었다. 점화성의 개선에 대해서는 점화 플러그 부근에서 연료 입자 분포를 많게 하고 점화 플러그 방향으로 연료 및 공기의 혼합을 높게 하는 것이 효율적이다.
한편, 피스톤 방향으로의 연료 입자 분포가 감소할 때, 연료의 미연소 가스 성분(HC, CO)가 감소하는 경향이 있고, 이로써 연소성이 개선된다.
본 발명의 목적은 연료의 미연소 가스 성분의 배출량을 감소할 수 있는 연료 분무가 형성될 수 있는 연료 분사기가 장착된 직접 분사 연료 분사기 및 내연 기관을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 연료 분사기의 노즐 부재의 오리피스 에지에서, 분무 유동의 구속이 부분적으로 개방되고 오리피스의 중심 축선을 포함하고, 더욱이 연료 분사기의 중심 축선에 평행한 편평면이 경계로서 있고, 일측에서는 분무량이 많이 형성되고 타측에서는 분무량이 적게 형성되고, 분무 각도는 편평면에 평행한 방향으로 크고 편평면에 직각인 방향으로 작으며, 이른 바 즉 편평 경사 분무를 형성한다.
구체적으로는, 노즐 단부면에 오리피스의 출구 개구면이 형성되고, V 자형 홈이 오리피스의 중심 축선에 대해 임의의 각도로 경사진 2개의 경사면에 의해 형성되거나, 또는 상이한 절결 길이를 갖는 사실상 리세스 형상의 계단식 직사각형인홈이 형성된다.
결과적으로, 홈 방향으로 분무 유동의 구속이 개방될 수 있고, 큰 경사각의 일측에서 또는 깊은 절결 깊이를 갖는 직사각형 홈의 일측에서, 분무량은 많이 형성되나, 작은 경사각의 일측에서 또는 얕은 절결 깊이를 갖는 직사각형 홈의 일측에서, 분무량은 작게 형성되며, 이른 바, 편평 경사 분무가 형성된다.
분무가 점화 장치에 직접 도달하기 위해 또는 분무가 피스톤에 형성된 공동부에 의한 유도에 의해 점화 장치에 도달하기 위해, 분무각은 조정될 수 있고, 따라서, 내연 기관의 우수한 점화성을 얻고 연소의 미연소 가스 성분의 배출량을 감소시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예의 전자식 장치 연료 분사기를 도시한 단면도.
도2a는 도1의 전자식 장치 연료 분사기의 노즐부를 도시한 확대도.
도2b는 화살표 N 방향으로부터 취한 도2a의 노즐 부재 부분의 평면도.
도3a는 도1의 분무 구조 및 분무를 실린더와 관련하여 도시한 개략도.
도3b는 일실시예의 연료 분사기에서 연료가 대기로 분사되는 경우의 분무를 도시한 측면도.
도3c는 연료가 연소실로 직접 분사되는 내연 기관에 채택된 방식을 개략적으로 도시한 도면.
도4a는 도1 내지 도3b의 실시예로부터 설명된 다른 구성이 도시된 전자식 장치 연료 분사기의 한 노즐부를 도시한 확대도.
도4b는 도1 내지 도3b의 실시예로부터 설명된 다른 구성이 도시된 전자식 장치 연료 분사기의 다른 노즐부를 도시한 확대도.
도5a는 도1 내지 도3b의 실시예로부터 다른 구성이 도시된 전자식 장치 연료 분사기의 한 노즐부를 도시한 확대도.
도5b는 노즐부의 평면도.
도5c는 다른 노즐 부재의 종 단면도.
도5d는 다른 노즐부의 평면도.
도6a는 도1 내지 도3의 실시예들로부터 다른 구성이 도시된 전자식 장치 연료 분사기의 한 노즐부를 도시한 확대도.
도6b는 노즐부의 평면도.
도7a는 본 발명에 따른 다른 실시예의 전자식 장치 연료 분사기를 도시한 단면도.
도7b는 노즐부의 평면도.
도7c는 다른 노즐 부재의 종단면도.
도8a는 도7a의 연료 분사기의 축선에 직각인 면에서 연료 분사기의 오리피스 에지 및 분무 단면 구조를 도시한 개략도.
도8b는 도8a의 X-X 단면에서 화살표 N으로부터의 개략적인 측단면도.
도9a는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 전자식 장치 연료 분사기를 도시한 단면도.
도9b는 노즐부의 평면도.
도10a는 본 발명에 따른 전자식 연료 분사기가 장착된 가솔린 직접 분사 기관의 주요 단면도.
도10b는 도10a의 화살표 P 측으로부터 바라본 연소실의 개략도.
도10c는 도10a의 화살표 P 측으로부터 바라본 피스톤 헤드의 개략도.
도11a는 도10a의 실시예의 다른 구성의 가솔린 직접 분사 기관의 주요 단면도.
도11b는 도11a의 화살표 P 측으로부터 바라본 피스톤 헤드의 개략도.
도12는 도10a의 실시예의 또 다른 구성의 가솔린 직접 분사 기관의 주요 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 전자식 연료 분사기
6: 볼 부재
8: 연료 분사 구멍
22: 연료 선회 소자
40: 밸브 본체
60: 내연 기관
69: 피스톤
본 발명에 따른 제1 실시예인 직접 분사 연료 분사기와 이 연료 분사기가 장착된 내연 기관을 도1 내지 도6b를 참조하여 설명하기로 한다. 도1은 본 발명에 따른 전자식 연료 분사기(1)의 종단면도를 도시한 것이고 이 도면으로 전자식 연료 분사기(1)의 구조 및 작동을 설명하기로 한다.
전자식 연료 분사기(1)는 제어 유닛에 의해 수행되는 일의 온-오프에 의한 시트부의 개방 작동과 폐쇄 작동을 실행함으로써 연료를 분사한다. 자기 회로는 요오크(3)와, 요오크(3)의 개방 단부를 폐쇄하고 플러그 본체부 및 요오크(3)의 중심부에 연장하는 필러(pillar) 형상부(2b)와, 공기 간극을 분리함으로써 대면하기 위해 대향하는 앵커(4)를 포함한다.
필러 형상부(2b)의 중심에서, 구멍(4a)가 제공되고, 이 구멍은 밸브본체(40)에 삽입되는 스프링 부재로서의 스프링 부재(10)를 시트면(9)에 유지한다. 밸브 본체(40)는 앵커(4), 로드(5) 및 볼 부재(6)을 포함하고, 시트부는 노즐 부재(7)에 형성된 연료 분사기(8)의 상류측에 형성되고 연료의 통과를 허용한다. 스프링 부재(10)의 상단부는 하중 군을 조정하고 코어(2)의 중심을 통해 통과하는 스프링 조정기(11)의 하단부에 접촉한다.
코어(2)의 필러 형상부(2b) 측과 요오크(3)의 밸브 본체(40) 측의 사이에서 대면하는 간극 부분에 코일(14)의 일측으로 연료의 유출을 방지하도록 밀봉 링(12)이 제공되고, 이 밀봉 링은 그들 양자의 사이에 기계적으로 고정된다. 자기 회로를 여자하는 코일(14)은 보빈(13)에 권취되고 그 외연부는 수지 재료를 이용하여 모울딩된다.
상술한 부재들을 포함하는 코일 조립체(15)의 단자(17)는 코어(2)의 가장자리부(2a)로 삽입된다. 이 단자(17)는 제어 유닛(미도시함)의 단자와 결합한다.
요오크(3)에는, 밸브 본체(40)을 수용하는 앵커 수용부(18)가 개방되고, 더욱이 앵커 수용부(18)의 직경보다 큰 직경을 갖고 스토퍼(9)와 노즐 부재(7)를 수용하는 노즐 수용부(20)는 팁 단부에 관통된다. 밸브 본체는 자성 재료로 제조된 앵커(40), 그 일단부가 앵커(4)와 일체로 형성되는 로드(5)와, 로드(5)의 의 팁 단부에 결합하는 볼 부재(6)를 포함한다. 로드(5)의 앵커(4)의 일측에서, 연료의 통과를 허용하는 중공부(5A)가 제공된다. 중공부(5A)에는, 연료의 유출 포트(5B)가 제공된다.
더욱이, 밸브 본체(40)에서, 앵커(40)의 외주연부는 밀봉 링(12)에 접촉하고그 축선 방향으로의 이동이 안내된다. 더욱이 볼 부재(6)는 노즐 부재(7)의 중공부의 내벽으로 삽입되는 연료 선회 소자(22)의 내주면(23)에 의해 안내된다. 노즐 부재(7)에, 볼 부재(60)가 결합된 로드(5)의 단부의 부근을 안내하기 위한 연료 선회 소자(22)에 잇따라서, 볼 부재가 착좌되는 시트 면(9)이 형성되고, 시트 면(9)의 하류측의 중심부분에 연료의 통과를 허용하는 연료 분사기(8)가 제공된다.
더욱이, 밸브 본체(40)의 스트로우크(도1에서 축선 상측 부분의 이동량)은 로드(5)의 목부분의 수용면(5C)과 스토퍼(19)의 사이의 공기 간극의 치수로 설정된다. 더욱이, 필터(24)는 연료내에서와 볼 밸브(6)와 시트면(9)의 사이의 밸브 시트 측으로의 배관내에서 먼지 및 이물질의 침입을 방지하기 위해 제공된다.
다음에, 도2a 및 도2b를 참조하여, 본 발명에 따른 본 실시예의 V 자 홈(G1)(임의의 면들을 갖는 2개의 경사면에 의해 형성된 홈 (G1))이 형성된 노즐 부재(97)에 대해 설명하기로 한다. 도2는 전자식 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7)의 확대도를 도시한 것이고, 도2a는 노줄 부재(7) 부분의 종단면도이고, 도2b는 화살표 N 방향으로부터 취한 도2a의 노즐 부재(7) 부분의 평면도이다.
연료 분사기(8)에서, 오리피스의 중심은 밸브 본체의 축선(밸브 축 중심)(J)와 일치하고 나아가 오리피스의 벽면은 밸브 본체의 축선(밸브 축 중심)(J)과 평행하게 형성되고 d0의 크기를 갖는 직경이 형성된다.
더욱이, 노즐 부재(7)의 시트면은 시트 각도 θ를 가지도록 형성되고 노즐 부재(7)의 저면은 축선(J) 및 돌기부(7A)에 직각인 면(7B)에 의해 구성된다. 분사 구멍(8)의 V 자 홈형의 절결면(A1, A2)에서, 연료 분사 구멍 출구면은 밸브본체(40)의 축선(밸브 축 중심)과 연료 분사 구멍(8)의 중심축(연료 분사 방향)에 대해 a1 및 a2의 경사각을 갖도록 형성되고, V 자 홈(G1)의 길이는 W1으로 형성된다. 이때, 오리피스 길이에 대해, 절결부의 최장 깊이 부분은 L'이고, 비절결부(최단 절결부)는 L''이고 노즐 부재(7)의 팁 단부면에는 축선(J)와 직각인 1개의 평면과 이 평면에 연결하는 2개의 경사면들로 형성된다.
본 발명에 따른 본 실시예에서, 돌기부(7A)는 노즐 부재(7)의 팁 단부에서 연료 분사 구멍(8)의 출구부에 형성되나, 돌기부(7A)를 제공할 필요는 없다. 돌기부(7A)가 제공되지 않는 구조에서, 비절결부(최소 절결부)의 오리피스 길이는 L''이다. 이때, 오리피스 길이의 크기 관계는 L'> L''> L로 된다. 그러나, 돌기부(7A)의 제공에 의해, 돌기부(7A)의 중량 증가에 의해, a1 및 a2의 큰 경사각이 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 본 실시예에서, 노즐 부재(7)의 팁 단부면에 평면이 형성된 경우에 대해, 돌기부(7A)의 제공에 의해, 이 돌기부(7A)와 절결 깊이 모두를 조정함으로써, 최소 오리피스 길이(L)로부터 최대 오리피스 길이(L')으로의 사이에서 a1 및 a2의 필요 경사 각도가 실현될 수 있다.
한편, 돌기부(7A)의 제공없이, 절결 깊이만을 조정함으로써, 즉 오리피스 길이(L)만을 조정함으로써, a1 및 a2의 필요 경사 각도가 실현될 수 있다. 더욱이, 절결부가 돌기부(7A)에만 제공되고, 최대 오리피스 길이(L')로부터 최소 오리피스 길이(L'')로의 범위내에서 a1 및 a2의 필요 경사 각도가 구성될 수 있다.
더욱이, 홈 길이(W1)는 돌기부(7A)에 한정되지 않고 V 자 홈(G1)은 저면(7B)에 연장될 수 있다. 이러한 경우에, 분무의 편평도는 화살표 R 방향으로 강화될 수 있다.
본 발명에 따른 본 실시예의 V 자 홈(G1)에서, 분사 구멍(8)의 출구 개구면이 형성된 돌기부(7A)의 팁 단부면(노즐 팁 단부면)에는, 출구 개구를 포함하는 출구 개구의 양측부에서 연장하는 홈부가 형성된다. 더욱이, V 자 홈(G1)에서, 연료 분사 구멍(8)의 중심 축선으로부터 홈을 형성하기 위한 양측벽으로의 거리 내에서, (플러그 측) 거리(W3)의 일측은 (피스톤 측) 거리(W2)의 타측보다 멀리 형성된다.(W3 > W2)
도2b에서, 후술할 내연 기관에 대한 설치 방법을 설명하기 위해, 화살표 "플러그"와 화살표 "피스톤"이 정의된다. 본 명세서에서, 선 K는 연료 분사 구멍(8)의 중심을 통과하고 절결면 A1에 평행한 선이고, 선 M은 연료 분사 구멍(8)의 중심을 통과하고 선 K에 직각인 선이다. 화살표 "플러그"와 화살표 "피스톤"은 선 M에 평행하다.
상술한 구조에서, 절결면(A1) 등에서의 "절결(cut-off)"은 가공 방식에 한정되지 않고 그 부분이 제거된 형상을 의미하고, 결과로서 절삭 공정을 이용하여 실질적으로 절결된 본체에 한정되지 않는다. 즉, 형재를 이용한 프레스 공정(소성 가공) 및 주물 공정의 가공 등이 채택될 수 있다. 이는 다음의 실시예들과 유사하다. 더욱이, 볼 부재(6)는 구형을 가질 필요는 없다. 즉, 원추형 니들 밸브가 채택될 수 있다.
더욱이, 도2a 및 도2b에서, 연료 선회 소자(22)에는, 축 방향 홈(25)과 방사상 방향 홈(26)이 제공된다. 본 발명에 따른 본 실시예에서, 축방향 홈(25)에는 사실상 원통형의 연료 선회 부재(22)의 외주연부에 제공되는 D 자형 절결면이 형성되나, 링 형 경로 등이 채택될 수 있다.
이들 축방향 홈(25)과 방사상 방향 홈(26)은 밸브 상부로부터 연료가 도입되는 연료 경로이고, 축방향 홈(25)을 통과하는 연료는 방사상 방향 홈(26)에서 축 중심으로부터 편심하여 도입되고, 즉 연료는 선회로 주어지고 연료는 노즐 부재(7)에 제공된 연료 분사 구멍으로부터 분사 중에 미립화가 촉진된다. 여기에서, 연료 선회 소자(22)에 의해 주어진 선회 강도(선회수 S)는 다음의 식에 의해 구해진다.
S = (각운동량) / (연료 분사 축방향의 운동량) × (오리피스 반경)
= (2 × d0 × Ls) / (n × ds2× cos (θ/2))
여기에서,
d0: 연료 분사 구멍 직경
Ls: 홈의 평심량(밸브 축 중심과 홈(폭) 중심 간의 거리)
n: 연료 선회 소자의 홈 개수
θ: 밸브 시트 각도
ds: 2 × w × h / w + h
(유체학적 등가 직경이고 홈 폭 w 와 홈 높이 h를 이용하여 표시된다.)
선회 수 S가 크게 될 때, 미립화가 촉진되고 분무가 살포된다. 본 발명에 따른 본 실시예에서, 연료 분사 구멍(8)은 밸브 본체 축선(J)에 평행하게 제공되나 연료 분사 구멍(8)은 밸브 축선에 대해 경사질 수 있고 편평 분무 발생이 촉진될 수 있다.
이상과 같이 구성된 연료 분사기(1)의 작용을 설명하기로 한다. 연료 분사기(1)에서, 전자기 코일(14)에 주어진 전기 온-오프 신호에 의해, 축선 방향으로 밸브 본체(40)를 승강 이동함으로써 볼 부재(6)와 코일(14)간의 간극의 개폐가 실행되고 따라서 연료의 분사 제어가 실행된다.
전기 신호가 코일(14)에 주어질 때, 자기 회로가 코어(2), 요오크(3) 및 앵커(4)로 형성된 다음에 앵커(4)가 코어(2)측으로 흡인된다. 앵커(4)가 움직이면, 앵커(4)와 일체인 볼 부재(6)가 이동하고 노즐 부재(7)의 밸브 시트의 시트면(9)으로부터 분리되고 연료 분사 구멍(8)이 개방된다. 연료는 필터(24)로부터 연료 분사기(1)의 내부로 유동하고 코어(2)의 내부 경로 및 앵커(4)의 외주연부에 제공되고 유출 포트(5B)를 통해 통과하는 연료를 허용하는 공동부(5A)로부터 하류측으로 도달한다.
연료는 스토퍼(19)와 로드(5)의 사이의 간극, 연료 선회 소자(22)의 축방향 연료 경로(25), 선회 홈(30)을 통해 통과하고, 시트부에 선회 공급되고 밸브 개방 작용 중에 연료는 연료 분사 구멍(8)으로부터 분사된다.
다음에, 도3a, 도3b 및 도3c를 참조하여, 본 발명의 분사기에 의해 얻어진 분무 구조를 설명하기로 한다.
도3a는 본 실시예의 연료 분사기에서 연료가 대기에 분사되는 경우의 분무를 도시한 것이고, 도3b는 도3a의 단면 X-X에서의 분무를 화살표 N으로부터 바라본 측단면도이고, 도3c는 연료가 연소실(실린더)로 직접 분사되는 내연 기관에 적용한 방식을 개략적으로 도시한 것이다.
도3a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 본 실시예의 연료 분사기(1)로부터 분사된 분무가 화살표 "플러그"측에 편향 각도 β로 편향되고 축 편향측에서 가연 농도의 혼합기가 농후해지고, 화살표 "피스톤"측에서 가연 농도를 갖는 혼합기가 희박해지고 "플러그"측 분무 각도 α1은 "피스톤" 측 분무 각도 α2보다 크다.
즉, 본 발명에 따른 본 실시예에서, V 자 홈을 구성하는 2개의 면의 경사각은 변경되고, 연료 경로의 구속의 개방 정도는 도2a에 도시된 축선(J)에 대해 비대칭형으로 이루어지고 보다 큰 경사면 각도에서의 분무량은 크게 되고 보다 작은 경사면 각도측 분무량은 작게 되며, 다음에 분무는 편향된다. 즉, V 자 홈형 절결면의 경사각은 경사각 a2보다 크게 설정되고, V 자 홈형 절결면(A2)측으로 편향된 분무가 발생될 수 있다. 여기에서, 편향 각도 β는 다음의 식에 의해 구해진다.
β = (α1 - α2) / 2
더욱이, 도3b에 도시한 바와 같이, 분무 측면도는 V 자 홈(G1)에 의해 안내되고 확산되고 나아가 화살표 R 방향으로 편평해지고(신장되고) 따라서 영역(80A)를 갖는 분포가 형성되며, 즉, "플러그" 측에 가연 농도를 갖는 연료 및 공기의 혼합기는 농후해지고 화살표 "피스톤" 측에서 가연 농도를 갖는 연료 및 공기의 혼합기는 희박하다.
더욱이, 본 발명에 따른 본 실시예의 연료 분사기(1)가 내연 기관(60)에 대해 γ의 설치 각도로, 도3c에 도시한 화살표 "플러그"의 방향 및 화살표 "피스톤"의 방향으로 설치될 때, 연료 및 공기의 혼합기는 실린더(68)내에 왕복할 수 있도록 설치된 피스톤(69)의 공동부(69A)에 수용되도록 분사되고, 점화 장치(65)측에서 연료 및 공기의 가연 혼합기는 비교적 농후하게 형성되고 피스톤(69)측에서 연료 및 공기의 가연 혼합기는 비교적 희박하게 형성되어 분포는 영역(80)으로 된다.
더욱이, 도3c에서, 연소실(67)에서, 분무를 제외한 기체의 유동은 존재하지 않고 실린더내의 압력은 사실상 대기압과 동일하다.
더욱이, 본 발명에 따른 실시예에서, 분무 입자 직경은 노즐 부재(7)내에 제공된 연료 선회 소자(22)에 의해 연료로 선회력을 분배함으로써 미립화가 이루어진다.
일반적으로, 직경(d0)와 연료 분사 구멍(8)의 오리피스 길이(L'), 분무각 (α1, α2)의 사이에는, 연료 분사 구멍(8)의 직경(d0)에 대해 오리피스 길이(L')가 클 때, 즉 L'/d0의 비율이 클 때, 분무각(α1, α2)이 작아지는 경향이 있다.
더욱이, 경사면(A1, A2)의 경사각(a1, a2)이 작아지면, 분무각(α1, α2)이작아지는 경향이 있다. 이러한 경향에 따라, 연료 분사기의 설치각(10。- 50。)에 의해 바람직한 분무각(α1, α2)을 얻기 위해, 직경(d0), V 자 홈형 절결부의 오리피스 길이(L') 및 경사각(a1, a2)에 의해 조정될 수 있다.
더욱이, V 자 홈(G2)의 형상은 도4a에 도시한 바와 같이 밸브 본체 축선(j)에 제3의 사실상 수직면(A3)가 포함되는 형상으로 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 수직면(A3)은 도4b에 도시하는 바와 같이 2 차원 곡면에 의해 형성될 수 있다. 결과적으로, 사실상의 V 자 홈(G3)이 형성된다.
더욱이, 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분은 도5a, 도5b에 도시된 구조로 구성될 수 있다. 도5a는 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분의 확대도를 도시한 것이고, 도5a 및 도5c는 노즐 부재(7) 부분의 종단면도이고, 도5b 및 도5d는 노즐 부재(7) 부분의 화살표 N 방향으로부터 바라본 도5a 및 도5c의 평면도이다.
도2a 및 도2b에서 설명한 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분과 도5a 및 도5b에서 도시된 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분의 차이점은 노즐 부재(7) 부분의 저면의 외주연부에서 두꺼운 부분(7C)이 제공되는 것이다.
즉, 본 구조에서, 두꺼운 부분(7C)에 의해, 시트면(9)에 대한 볼 부재(6)의 착좌 작용 중의 진동 소음이 감소될 수 있다. 더욱이, 도5c 및 도5d에 도시한 바와 같이 분사 구멍(8)의 중심으로부터 거리(B1)의 제공에 의해, 두께(B2-B1)를 갖는 사실상 링형 두꺼운 부분(7F)에 의해, 진동 소음 감소가 수행될 수 있다.
더욱이, 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분은 도6a 및 도6b에서 도시된 구조로 구성될 수 있다. 도6a는 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분의 확대도를 도시한 것이고, 도6a는 노즐 부재(7) 부분의 종단면도이고, 도6b는 노즐 부재(7) 부분의 화살표 N 방향으로부터 바라본 도6a의 평면도이다.
도2a 및 도2b에서 설명한 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분과 도6에서 도시된 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분의 차이점은 노즐 부재(7) 부분의 저면에서 접합 부분(7D)을 따라 용접된 노즐 저부(71)가 구성된다는 것이다. 즉, 이러한 구성에서, 엔진의 용적과 연료 분사기의 설치 각도에 따라 적절하게 변경할 수 있는 부품들은 노즐 저부(71)에만 조립되어 생산성 개선을 기대할 수 있다.
도7a 및 도7b, 도8a 및 도8b를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
도7a는 전자식 장치 연료 분사기(1)의 노즐 부재(7) 부분의 확대도를 도시한 것이고, 도7a 및 도7b는 노즐 부재(7) 부분의 종단면도이고, 도7b는 노즐 부재(7) 부분의 화살표 N 방향으로부터 바라본 도7a의 평면도이다.
도1 내지 도6b에서 도시된 실시예와 본 발명에 따른 본 실시예의 차이점은 V 자 홈형 절결면(A1, A2)의 대신에, 연료 분사 구멍(8)의 출구 부분에 대해 축선(J)외 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 있는 면(B1, B2, B3)과, 축선(J)에 직각인 면(B4, B5)로 구성된 계단식 직사각형 홈(G4)이 형성된다는 것이다. 즉, 본 발명에 따른 본 실시예에서는, 연료의 유동을 구속하는 연료 분사 구멍(8)의 벽면이 직사각형 형상으로 제거되기 때문에, 연료 유동에 대한 개방 정도가 강화된다.
따라서, 이는 강한 편평을 갖는 분무를 형성하기에 효율적이다. 더욱이, 분무의 확산 및 분산을 촉진하기 위해, 비교적 중실한 원추형 분무를 형성하는 것이 효과적이다. 더욱이, 비교적 중실한 원추형 분무가 발생되고, 실린더내 압력의 변동에 영향을 받기 어려운 분무를 발생하는 것이 가능하고 결과적으로 분무 확산 각도 및 분무 도달 거리를 조정할 수 있다. 분무 입자 직경에 대해, 본 발명에 따른 제1 실시예에 대하여 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
더욱이, 계단식 직사각형 홈(G4)의 오리피스 길이(L''')가 오리피스 길이(L)보다 크게 되기 때문에, "플러그" 측에서 분무를 편향하는 것이 가능하다. 다른 구성은 본 발명에 따른 제1 실시예와 동일하다. 더욱이, 도7b에 도시한 바와 같이, 돌기부(7A)의 "플러그" 측이 (L'- L'''')으로 절삭되는 구조로 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 본 실시예에서, 오리피스 길이(L, L', L'')에 대한 고려는 상술한 실시예와 동일하다.
다음에, 도8a 및 도8b를 참조하여, 본 발명에 따른 본 실시예의 분무 구조를 설명하기로 한다.
도8a는 본 발명에 따른 본 실시예의 연료 분사기가 대기에 연료를 분사하는 경우 분무를 도시한 것이고, 도8b는 도8a의 단면 X-X에서 분무의 화살표 N으로부터 바라본 측단면을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명에 따른 본 실시예의연료 분사기에 있어서, 상시 실시예에서 설명한도3a 및 도3b에 도시된 것과 유사한 편평 편향 분무는, 계단식 직사각형 홈(G4)에 의해, 분무에서 연료의 개방 정도가 강회되고 분무의 확산 및 분산을 촉진하기 위해, 비교적 중실한 원추형 분무 형상이 얻어질 수 있다.
더욱이, 도8b에 도시된 바와 같이, 분무가 직사각형 홈에 의해 안내됨으로써 확산되기 때문에, 사실상 직사각형 형상 또는 길이 Ws의 길이를 갖는 사실상 드럼 형상을 갖는 영역(80A)의 분포가 얻어질 수 있다. 연료 분사 구멍의 면은 하나의 편향면에 의해 구성되고, 낮은 수렴과 높은 균일성의 분무를 갖는 분무를 실현하는 것이 가능하다.
도9a 및 도9b를 참조하여, 본 발명에 따른 다른 실시예를 설명하기로 한다.
상기 실시예와 본 발명에 따른 본 실시예의 다른 점은 V 자 홈형 절결면(A1)에, 반경 r과 깊이 d로 정의되는 제2 오리피스가 형성된 것이다. 즉, 본 발명에 따른 본 실시예에서, V자 홈(G5) 이외에, 연료의 유동을 구속하는 연료 분사 구멍(8)의 벽면이 원통형으로 제거되기 때문에, 연료 유동에 대한 개방 정도는 강화된다. 다른 구성은 본 발명에 따른 제1 실시예의 것과 동일하다.
본 발명에 따른 본 실시예에서, 상기 제1 오리피스(8A)측으로 안내되는 분무 단면이 사실상 반원형으로 확산되기 때문에, 넓은 편향도를 갖는 분무를 발생하는 것이 가능하다. 분무 형상 및 분무 입자 직경에 대해, 본 발명에 따른 제1 실시예의 것과 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
본 실시예에서, 오리피스의 길이(L', L'')에 대한 고려는 상술한 실시예와 동일하다.
도10a는 본 발명에 다른 연료 분사기가 장착된 내연 기관의 실시예를 도시한 종단면도이고, 도10b는 도10a의 화살표 P 측에서 바라본 연소실의 개략도이고, 도10c는 화살표 P에서 바라본 피스톤 헤드의 개략도이다.
실린더(68)내에서 왕복할 수 있도록 제공되는 피스톤(69)은 크랭크 축(미도시함)의 회전에 반응하여 실린더(68)내에서 승강 운동한다. 실린더(68)의 상부에는, 실린더 헤드(63)가 설치되고, 이 실린더 헤드(63)는 실린더(68)과 함께 밀폐 공간을 형성한다.
실린더 헤드(63)에는, 트로틀 밸브가 설치된 공기 흡입량 제어 장치(61)를 통해 실린더(68)로 외부 공기를 도입하는 흡기 매니폴드(62)와 실린더(68)내에서 연소한 연소 가스를 공기 배출 장치로 도입하는 배기 매니폴드가 형성된다.
흡기 매니폴드(62)측에는 흡기 밸브(64)가 제공되고, 중심부에는 점화 장치(65)가 제공되고, 흡기 밸브(64)의 대향측에는 배기 밸브(66)가 제공된다. 흡기 밸브(64)와 배기 밸브(66)는 연소실(67)로 연장하도록 제공된다. 여기에서, 연료 분사기(1)는 실린더 헤드(63)의 흡기 매니폴드(62)의 결합부 부근에 설치되고 연료 분사기(1)의 축은 연소실(67)에서 약간 하향 방향을 가지도록 설정된다. 통상적으로, 분사기의 설치 각도(γ)는 10 내지 50 도이다.
참조 부호 69는 피스톤을 표시하고 참조 부호 69A는 피스톤(69)에 제공된 공동부(리세스부)를 표시한다. 연료 분사기(1)의 연료 분사 구멍은 피스톤(69)에 제공된 공동부(69A)로 향해 있다. 도면에서 블랭크 화살표(81)는 흡입 공기의 유동을 도시한 것이고 해칭된 화살표(83)는 배출 공기의 유동을 도시한 것이다.
내연 기관(60)내의 연료는 흡기 타이밍에 맞추어서 연료 분사기(1)에 의해 연소실(67)로 직접 공급되고 점화 직전 연료는 영역(80)으로 분포된다. 분사에 의해 미립화된 연료는 연소실(67)내에서 흡기 매니폴드(62)를 통해 유입된 공기 유동(선회 유동)(82)으로 연료 및 공기의 혼합이 촉진되고 공동부(69A)에서 수렴된다.
분무의 분포 상태에 대해서는, 가연 농도를 갖는 연료 및 공기의 혼합기는 점화 장치(65)측에서 농후하나 연료 및 공기의 혼합기는 중공부(69A) 측에서 희박하기 때문에, 연료 및 공기의 혼합기는 피스톤(69)에 과도하게 보내지 않는다. 연료 및 공기의 혼합기는 압축 스트로우크에서 압축되고 점화 장치(65)에서 안정하게 점화되어 미연소 가스의 배출량이 억제되는 안정 연소가 실현될 수 있다.
상기 가솔린 직접 분사 엔진(60)은 연소실(67)내에서 공기 흡입 선회를 발생하고 종래 엔진의 실린더 헤드(63)의 대폭적 변경없이 희박한 연소가 실현될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 상기 각 실시예들의 연료 분사기(1)는 연료 분사 구멍의 출구 부분에서 연료 구멍을 형성하는 벽면의 일부를 절결함으로써, 또는 연료 분사 구멍의 원주 방향으로 연료 분사 구멍의 분사 구멍 길이가 변경되도록 연료 분사 구멍의 출구 개구부에 단차를 제공함으로써, 또는 연료 분사 구멍을 형성하는 벽면을 포함하는 노즐 팁 단부면에 리세스부를 형성함으로써 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 이들 실시예들에 대한 다른 관점에서, 분사 구멍을 형성하는 벽면의 일부는 다른 부분들로부터 하류측(노즐 부재의 팁 단부측)에 연장하도록 설치된다.
더욱이, 본 발명에 따른 연료 분사기가 장착된 내연 기관은 도11a에 도시된 구성으로 할 수 있다. 도11a는 본 발명에 따른 연료 분사기가 장착된 내연 기관의 일실시예를 도시한 종단면도이고, 도11b는 화살표 P로부터 바라본 피스톤 헤드의 개략도이다.
도9에서 설명한 내연 기관과 도11에서 도시된 내연 기관(60)의 차이점은 난류(84)를 이용한 연료 및 공기 형성의 혼합기를 실행하는 공동부(69B)가 제공된 것이다. 즉, 이러한 구성에서, 공동부(69B)에 의해 유도된 난류에 의해, 가연 농도를 갖는 연료 공기(8)의 혼합기를 점화 장치(65)에 전달하는 것이 가능하다.
더욱이, 본 발명에 따른 연료 분사기가 장착된 내연 기관은 도12로 구성될 수 있다. 도12는 본 발명에 따른 연료 분사기가 장착된 내연 기관의 일실시예를 도시한 종단면도이다.
도10에서 설명한 내연 기관과 도12에서 도시된 내연 기관(60)과 다른 점은 선회 유동(82) 및 난류(84) 등의 실린더내 유동을 유도하는 공동부가 없는 평평한 피스톤(69)이 제공되는 것이다. 즉, 본 발명에 따른 본 실시예에서는, 오리피스 길이(L, L', L''), 연료 분사 구멍의 직경(d0) 및 도2 및 도3에서 설명된 거리(W1, W2, W3)를 조정함으로써, 적절한 분무각(α1, α2, β)이 선회 유동 또는 난류의 이용 없이, 또는 비교적 약한 선회 또는 난류로 설정될 수 있고, 점화 장치(65)의 가연 농도를 갖는 연료 및 공기(80)의 혼합기에 도달하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 분사 구멍의 중심 축선을 포함하고, 나아가서 분사 구멍의 중심축선에 평행한 편평면이 경계로서, 일측에는 분무량이 많이 형성되고 타측에는 분무량이 적게 형성되며 분무 각도는 편평면에 평행한 방향으로 크게 형성되고 편평면에 직각인 방향으로 작게 형성됨으로써, 편평 경사 분무가 형성된다.
또한, 점화 장치 측에 분무 농도가 농후하고 피스톤측에 분무 농도가 희박한 편평 경사 분무를 형성함과 동시에 이 편평 경사 분무를 공동부에 수렴시켜 점화 장치에 유도하여, 점화 플러그측의 혼합기를 많이 함으로써 점화성을 양호하게 하고 피스톤 방향으로의 혼합기를 희박하게 함으로써 미연소 가스 성분의 배출량을 감소할 수 있다.

Claims (8)

  1. 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의 상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하는 연료 분사기에 있어서,
    상기 분사 구멍의 출구부에서, 상기 분사 구멍을 형성하는 벽면의 일부가 홈 형태로 절결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  2. 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의 상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하는 연료 분사기에 있어서,
    상기 분사 구멍의 출구 개구면이 형성되는 노즐 팁 단부면에서, 상기 출구 개구면을 포함하고 상기 출구 개구면의 양측부에 연장하는 홈이 형성되고,
    상기 분사 구멍의 중심 축선으로부터 상기 홈을 형성하는 양측벽으로의 거리내에서, 상기 홈은 한 쪽 거리가 다른 쪽 거리보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  3. 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의 상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하는 연료 분사기에 있어서,
    V 자 홈이 상기 분사 구멍의 중심 축선에 대해 임의의 각도로 경사진 2개의 경사면들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  4. 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의 상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하는 연료 분사기에 있어서,
    홈 형상의 절결면이 상이한 절결 깊이들을 갖는 사실상 리세스 형상의 계단식 홈에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사기.
  5. 실린더로 연료를 직접 분사하는 연료 분사기와, 연료를 가압함으로써 상기 연료 분사기에 연료를 공급하는 펌프와, 상기 연료 분사기에 의해 연료 분사를 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 연료 분사기는 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하는 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 분사 구멍의 출구 개구면이 형성되는 노즐 팁 단부면에서, 상기 출구 개구면을 포함하고 상기 출구 개구면의 양측부에 연장하는 홈이 형성되고,
    상기 분사 구멍의 중심 축선으로부터 상기 홈을 형성하는 양측벽으로의 거리내에서, 상기 홈은 한 쪽 거리가 다른 쪽 거리보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 장치.
  6. 실린더와, 상기 실린더내에서 왕복하는 피스톤과, 상기 실린더로 공기를 도입하기 위한 흡기 수단과, 상기 실린더로부터 연소 가스를 배출하기 위한 배기 수단과, 상기 실린더로 연료를 직접 분사하는 연료 분사기와, 연료 탱크로부터 상기 연료 분사기로 연료를 공급하기 위한 연료 공급 수단과, 상기 흡기 수단에 의해 상기 실린더로 도입된 공기와 상기 연료 분사기에 의해 상기 실린더로 분사된 연료의 혼합기를 포획하는 공동부와, 상기 연료 및 공기의 혼합기를 점화하는 점화 장치를 포함하고, 상기 연료 분사기는 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의 상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을포함하는 내연 기관에 있어서,
    상기 분사 구멍의 출구부에서, 상기 분사 구멍을 형성하는 벽면의 일부가 홈 형태로 절결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  7. 실린더와, 상기 실린더내에서 왕복하는 피스톤과, 상기 실린더로 공기를 도입하기 위한 흡기 수단과, 상기 실린더로부터 연소 가스를 배출하기 위한 배기 수단과, 상기 실린더로 연료를 직접 분사하는 연료 분사기와, 연료 탱크로부터 상기 연료 분사기로 연료를 공급하기 위한 연료 공급 수단과, 상기 흡기 수단에 의해 상기 실린더로 도입된 공기와 상기 연료 분사기에 의해 상기 실린더로 분사된 연료의 혼합기를 포획하는 공동부와, 상기 연료 및 공기의 혼합기를 점화하는 점화 장치를 포함하고, 상기 연료 분사기는 분사 구멍과, 상기 분사 구멍의 상류측에 배열된 밸브 시트와, 상기 밸브 시트의 상류측에서 연료에 선회력을 부여하기 위한 선회 사용 경로와, 상기 밸브 시트에서 연료 경로의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 실시하기 위한 밸브 본체와, 그 축선 방향으로 상기 밸브 본체를 구동하기 위한 구동 수단을 포함하는 내연 기관에 있어서,
    상기 분사 구멍의 출구부에서 상기 분사 구멍을 형성하는 벽면의 일부는 상이한 절결 깊이를 갖는 사실상 리세스 형상의 계단식 직사각형 홈으로 형성되고,
    상기 계단식 홈의 면의 상기 절결 깊이가 크게 형성되는 측이 상기 점화 장치 측으로 향하고, 상기 계단식 홈의 상기 면의 상기 절결 깊이가 작게 형성된 측이 상기 피스톤 측으로 향하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 점화 장치 측에는 분무 농도가 농후하게 형성되고 상기 피스톤 측에는 희박하게 형성되는 편평 경사 분무를 형성하고, 상기 공동부에 상기 편평 경사 분무를 수렴함으로써, 상기 편평 경사 분무가 상기 점화 장치에 유도되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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