KR20020054384A

KR20020054384A - 디젤 엔진용 가변 인젝터

Info

Publication number: KR20020054384A
Application number: KR1020000083437A
Authority: KR
Inventors: 정재훈
Original assignee: 이계안; 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-08
Also published as: KR100398152B1

Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 연소실에 분사되는 연료의 적정 분사위치가 엔진의 회전속도에 따라서 자동으로 조절되도록 하는 디젤 엔진용 가변인젝터에 관한 것으로,

내측 상부 쪽에 전자 제어 유닛으로부터 입력되는 신호를 받아 연료 복귀 통로를 개폐시킬 수 있도록 볼 부재, 파일럿 니들, 전자석 그리고 밸브 스프링 등으로 이루어진 솔레노이드 개폐 수단이 형성되고, 그 하부 중심으로 수용공간이 형성되는 몸체와;

중간부 외측으로 형성된 스톱퍼를 기준으로, 상부 내측에 피스톤, 조정실, 노즐 스프링, 압력 핀 등이 형성되고, 그 상부가 상기 수용공간에 수용되고, 하부 내측에 니들이 수용되며 하단부에 분사노즐이 형성된 인너 노즐 바디와;

상기한 인너 노즐 바디를 상기 수용공간에 인입시킨 후 상기 인너 노즐 바디를 고정하며, 상측 중심에 스프링실이 형성된 하부캡과;

상기한 스프링실에 수용되어 상기 인너 노즐 바디의 스톱퍼를 탄력지지하는 NTP 조정 스프링과;

상기한 수용공간의 상측에 형성된 홈과 상기 인너 노즐 바디 끝단 간에 형성된 공간으로, 유입통로에서 전해지는 연료압에 의해 상기 인너 노즐 바디를 하향작동시키기 위한 NTP 조정실; 로 구성되어 엔진회전수가 고속으로 되면 NTP 조정실로 공급되는 연료압이 NTP 조정 스프링의 탄발력을 눌러 NTP가 증가되고, 엔진회전수가 중저속으로 되면 상기 NTP 조정 스프링의 탄발력이 상기 NTP 조정실로 공급되는 연료압보다 크게 형성되므로서 NTP가 감소되는 것을 특징으로 한다.

Description

디젤 엔진용 가변인젝터{Variable injector for diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진용 가변인젝터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤 엔진의 연소실에 분사되는 연료의 적정 분사위치를 엔진의 회전속도에 따라 자동으로 조절되도록 하는 디젤 엔진용 가변인젝터에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 디젤 엔진은 실리더 내에 공기를 흡입하여 압축하면 500~550℃의 압축열이 발생되며, 이 때 인젝터(Injector)를 통하여 연료를 고압 분사하여 착화 연소시키는 엔진이다. 이러한 디젤 기관의 연소실은 여러 형식이 있는데, 이는 주연소실 하나만으로 되어 있는 직접 분사실식과, 부연소실이 더 필요한 예연소실식, 와류실식, 공기실식으로 구분된다. 최근에는 복잡한 간접 분사 방식의 디젤 엔진은 자취를 감추고 있으며 거의 대부분의 신엔진들은 직접 분사 방식을 활용하는 추세에 있다.

도 3은 전형적인 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실(5)을 나타내고 있는데, 여기에서는 실린더 헤드(2)에 다수의 분사노즐(1a)을 가진 인젝터(1)가 연료를 분사할 수 있도록 장착된다. 실린더 블럭(3) 내에 피스톤(4)이 상하로 왕복운동되게 결합되고, 이 피스톤(4)의 상면에는 곡면 홈(4a)이 형성된다. 이러한 직접분사식 디젤 엔진은 피스톤(4)의 압축 행정시 인젝터(1)의 분사노즐(1a)(소형의 경우에는 대략 5~6개)에서 분사된 연료 분무를 곡면 홈(4a) 내에서 이루어지는 와류 운동에 의하여 압축 공기와 혼합시켜주므로 공기 이용율을 높이고 연소를 촉진시킨다.

그리고 상기한 종래의 인젝터(1) 내부 구조는 도 4에서 도시되는 바와 같다.

상기한 인젝터(1)의 몸체(11)의 내부에는 길이 방향을 따라 연료 유입통로(11a)를 통하여 공급되는 연료의 흡/배출을 조절할 수 있는 조정실(11b)이 마련된다. 상기 조정실(11b) 하부에는 피스톤(12) 및 니들(13)이 상하 이동 가능하게 압력 핀(14)을 사이에 두고 상호 연결된다. 상기 피스톤(12)의 하단 둘레에는 노즐 스프링(15a)이 장력을 가할 수 있도록 개재된다. 상기 니들(13)은 연료 유입 통로(11a)와 연통되는 연료 축적실(11c)을 통과하여 몸체(11) 하단의 분사노즐(1a)를 개폐시킬 수 있도록 삽입된다.

한편, 상기 조정실(11b)의 상단에는 연료 복귀 통로(11e)가 연통되고, 상기 연료 복귀 통로(11e)의 상부의 공간(11f)에는 솔레노이드 개폐 수단의 구성 요소들이 배치된다. 즉 볼 부재(16) 및 파일럿 니들(Pilot Needle)(17)이 상기 통로(11e)를 개폐시킬 수 있도록 일체로 구비되고, 상기 파일럿 니들(17)의 상단 둘레에는 밸브 스프링(15b)이 장력을 가할 수 있도록 개재된다. 또한 상기 파일럿 니들(17)의 몸통 둘레 쪽에도 복귀 스프링(15c)이 개재된다. 상기 파이럿 니들(17) 둘레에는 전자석(18)이 전원선(19)에 의하여 전원을 공급받도록 구비된다. 물론, 연료 유입 통로(11a)에는 연료 공급관(20)이 연결되고, 연료 복귀 통로(11f)에는 연료 복귀관(21)이 연결된다.

이와 같이 구비된 종래의 인젝터(1)의 작동 관계 살펴본다. 평상시에는 연료 레일로부터 공급되는 고압의 연료가 조정실(11b) 내부에 채워져 피스톤(12)을 눌러주게 되면, 이 누름력이 축적실(11c) 내에 채워지는 압력에 의하여 니들(13)을 들어올리려는 힘보다 더 커지게 되므로 니들(13)은 분사노즐(1a)을 막고 연료는 분사되지 않는 상태로 된다. 반면에, 전자 제어 유닛(ECU)에 의하여 발생된 구동신호가전원선(19)을 따라 전자석(18)에 인가되면, 볼 부재(16) 및 파일럿 니들(17)은 전자력에 의하여 잡아 당겨져 상승 이동케 된다. 이 때 조정실(11b)에 차있던 연료는 연료 복귀 통로(11e)를 통하여 연료 복귀관(21)으로 빠져나간다. 따라서 니들(13) 및 피스톤(12)의 상단에 작용하던 연료의 압력은 제거되고, 축적실(11c) 내에 차는 연료의 유입 압력에 의하여 니들(13)이 들어올려지면서 분사노즐(1a)을 통하여 연료가 분사된다.

상기와 같이 형성된 인젝터(1)는 분사노즐(1a)이 실린더 헤드(2)의 저면으로 일정거리(d) 만큼 돌출되도록 장착되는데, 이렇게 돌출된 거리(d)를 일반적으로 엔티피(NTP, Nozzle Tip Protrusion)라 한다.

이 때 실린더 헤드(2) 하면으로부터 분사노즐(1a)이 돌출되는 양은 가스켓(6) 두께에 의해서 결정되는데, 이 돌출량은 여러 번의 실험을 통하여 최적치를 선정하므로서 가스켓(6)의 두께가 결정하였다. 즉 일정두께(보통 2~3.5mm)의 가스켓(6)을 실린더 헤드(2)의 장착공(2a) 하면에 끼워 넣어 NTP를 유지할 수 밖에 없었다.

참고로 실험 결과에 의하면, 저속에서는 분무의 지향점이 공기 유동이 강한 연소실 상부를 지향하도록 NTP의 길이를 짧게 하는 것이 연소에 유리하였고, 고속에서는 크랭크 앵글(Crank angle)로 분사기간이 길기 때문에 후기에 분사되는 연료가 연소실 밖으로 분사되는 것을 막기 위하여 분무의 지향점이 연소실 하부를 지향하도록 NTP의 길이를 길게 하는 것이 유리하였다.

따라서 종래의 인젝터에는 분사노즐이 위치하는 부위를 필요에 따라 가변적으로 조절할 수 있는 아무런 기구도 가지고 있지 않았을 뿐만 아니라, 종래 디젤 엔진의 연소실에 적용되는 NTP는 가스켓의 두께에 의해서 엔진속도와 무관하게 결정되므로서 엔진의 각 운전영역에 따라서 적절한 NTP를 조절할 수 없게 되어 연비의 손실 및 매연이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해서 안출된 것으로서, 보다 상세하게는 디젤 엔진의 연소실에 분사되는 연료의 적정 분사위치가 엔진의 회전속도에 따라서 자동으로 조절되도록 하는 디젤 엔진용 가변인젝터를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

상기한 스프링실에 수용되어 상기 인너 노즐 바디의 스톱퍼를 탄력지지하는NTP 조정 스프링과;

도 1은 본 발명에 의한 가변인젝터의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 가변인젝터의 작동상태도.

도 3은 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실을 도시한 도면.

도 4는 종래 인젝터의 구성을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 가변인젝터 31 : 몸체

32 : 볼 부재 33 : 파일럿 니들

36 : 수용공간 37 : NTP 조정실

38 : 유입통로 39 : 복귀통로

40 : 인너 노즐 바디 41 : 피스톤

42 : 조정실 43 : 노즐 스프링

45 : 축적실 46 : 니들

47 : 분사노즐 48 : 스톱퍼

49 : NTP 조정 스프링 50 : 하부캡

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 가변인젝터의 단면도이며, 도 2는 본 발명에 의한 가변인젝터의 작동상태도이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 30은 본 발명에 의해 구성된 가변인젝터를 지시하는 것이고, 도면부호 40은 엔진의 회전수에 따라 상하로 작동하는 인너 노즐 바디(Inner nozzle body)를 지시하는 것이다.

상기한 가변인젝터(30)의 몸체(31)의 내부에는 종래의 인젝터와 같이 전자 제어 유닛(ECU)로부터 입력되는 신호를 받아 연료 복귀 통로(39)를 개폐시킬 수 있도록 볼 부재(32), 파일럿 니들(33), 전자석(34) 그리고 밸브스프링(35) 등으로 구성되어지는 솔레노이드 개폐 수단이 형성된다.

그리고 상기한 몸체(31)의 하부 중심으로는 상기한 인너 노즐 바디(40)를 수용하기 위한 수용공간(36)이 형성되는데, 이 수용공간(36)의 내측에는 NTP조정실(37)이 환형의 홈으로서 형성된다. 상기 NTP조정실(37)은 연료공급관(20)으로부터 연료가 공급되는 유입통로(38)와 연통되도록 형성되므로서, 상기 유입통로(38)를 통해 채워지는 연료에 의해서 상기 인너 노즐 바디(40)를 작동시키기 위한 것이다.

그리고 상기한 인너 노즐 바디(40)의 상부 내측으로는 피스톤(41), 조정실(42), 노즐 스프링(43), 압력 핀(44) 등이 형성되는데, 이는 종래의 인젝터에 일체로 형성되던 것을 분리되는 인너 노즐 바디(40)에 형성한 것이다. 상기 인너 노즐 바디(40)의 하부 내측에는 상기 유입통로(36)에서 공급된 연료가 축적되는 축적실(45)과 니들(46)이 형성되며, 그 하단부에는 분사노즐(47)이 형성된다.

특히, 상기한 조정실(42)과 축적실(45)은 연료가 유입되는 유입통로(38)와 연통되는데, 상기 인너 노즐 바디(40)가 상하 이동되더라도 연료공급이 끊이지 않도록 하기 위해서 상기 조정실(42)과 축적실(45)의 입구(42a)(45a)는 상측으로 일정길이만큼 연장되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 인너 노즐 바디(40)의 중간부 외측에는 스톱퍼(48)가 돌출형성되는데, 상기 스톱퍼(48)는 상기 인너 노즐 바디(40)가 상기 수용공간(36)으로 과도하게 삽입되는 것을 방지하고, NTP 조정 스프링(49)에 의해 상기 인너 노즐 바디(40)를 탄력지지하기 위한 것이다.

그리고 상기한 인너 노즐 바디(40)를 상기 수용공간(36)에 삽입한 후 고정하기 위해서 별도로 하부캡(50)이 형성된다. 상기 하부캡(50)은 나사결합 등에 의한방법으로 상기 몸체(31)의 하단에 결합된다. 상기 하부캡(50)의 중심부에는 상기 NTP 조정 스프링(49)이 수용되기 위한 스프링 수용공간(51)이 형성된다. 특히, 상기한 인너 노즐 바디(40)의 축적실(45)까지 상기 유입통로(38)가 연장되도록 유입통로(52)가 형성된다.

상기한 스톱퍼(48)를 탄력지지하는 NTP 조정 스프링(49)은 상기한 NTP 조정실(37)에 가해지는 연료 압력과 대비되어 상기 인너 노즐 바디(40)가 상하이동되는 것을 결정하게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

엔진이 가동되어 연료펌프에서 가압된 연료는 연료공급관(20)을 통해 상기한 가변인젝터(30)의 유입통로(38)로 공급되고, 상기 유입통로(38)와 서로 연통된 조정실(42), 축적실(45), NTP 조정실(37)로 고압의 연료가 공급되어진다.

우선 조정실(42)로 공급된 연료는 그 압력에 의해서 피스톤(41)을 누르게 되고, 상기 피스톤(41)을 누르는 힘이 상기 축적실(45) 내에 채워지는 연료의 압력에 의하여 니들(46)을 들어올리는 힘보다 더 커지게 되면 니들(46)은 하강하여 분사노즐(47)을 막고 연료는 분사되지 않는 상태가 된다. 반면에, 전자 제어 유닛(ECU)에 의하여 발생된 구동신호가 전원선(60)을 따라 전자석(34)에 인가되면, 볼 부재(32), 파일럿 니들(33) 및 피스톤(41)의 상단에 작용하던 연료의 압력은 제거되고, 축적실(45) 내에 차는 연료의 유입 압력에 의하여 니들(46)이 들어올려지면서 분사노즐(47)을 통하여 연료가 분사된다.

이 때, 상기한 NTP 조정실(37)에도 연료 레일로부터 공급되는 고압의 연료가작용하게 되는데, 이 힘과 NTP 조정 스프링(49) 간의 힘의 균형을 이룰 때까지 인너 노즐 바디(40)가 하강하게 된다. 따라서 NTP 조정 스프링(49)과 NTP 조정실(37) 내의 압력 작용 면적을 적절히 선정하게 되므로서 연료 압력에 따라 NTP가 최적으로 조절된다.

즉, 연료 압력이 고압인 고속영역에서는 NTP가 길게 형성될 수 있도록 인너 노즐 바디(40)가 도 2와 같이 하향되고, 연료 압력이 저압인 저속영역에서는 NTP가 짧게 형성될 수 있도록 상기 인너 노즐 바디(40)가 도 1과 같이 상향된 위치로 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 실린더 헤드의 하측으로 인젝터의 노즐이 돌출되는 NTP의 길이가 엔진이 고속영역일 경우에는 길게 형성되고, 저속영역일 경우에는 짧게 형성되도록 인젝터의 노즐길이가 엔진의 운전환경에 따라 적절하게 조절되므로서, 엔진의 출력이 증대되어 연비가 향상되고 더불어 매연이 감소되는 커다란 효과가 있는 것이다.

Claims

내측 상부 쪽에 전자 제어 유닛으로부터 입력되는 신호를 받아 연료 복귀 통로(39)를 개폐시킬 수 있도록 볼 부재(32), 파일럿 니들(33), 전자석(34) 그리고 밸브 스프링(35) 등으로 이루어진 솔레노이드 개폐 수단이 형성되고, 그 하부 중심으로 수용공간(36)이 형성되는 몸체(31)와;

중간부 외측으로 형성된 스톱퍼(48)를 기준으로, 상부 내측에 피스톤(41), 조정실(42), 노즐 스프링(43), 압력 핀(44) 등이 형성되고, 그 상부가 상기 수용공간(36)에 수용되고, 하부 내측에 니들(46)이 수용되며 하단부에 분사노즐(47)이 형성된 인너 노즐 바디(40)와;

상기한 인너 노즐 바디(40)를 상기 수용공간(36)에 인입시킨 후 상기 인너 노즐 바디(40)를 고정하며, 상측 중심에 스프링실(51)이 형성된 하부캡(50)과;

상기한 스프링실(51)에 수용되어 상기 인너 노즐 바디(40)의 스톱퍼(48)를 탄력지지하는 NTP 조정 스프링(49)과;

상기한 수용공간(36)의 상측에 형성된 홈과 상기 인너 노즐 바디(40) 끝단 간에 형성된 공간으로, 유입통로(38)에서 전해지는 연료압에 의해 상기 인너 노즐 바디(40)를 하향작동시키기 위한 NTP 조정실(37); 로 구성되어 엔진회전수가 고속으로 되면 NTP 조정실(37)로 공급되는 연료압이 NTP 조정 스프링(49)의 탄발력을 눌러 NTP가 증가되고, 엔진회전수가 중저속으로 되면 상기 NTP 조정 스프링(49)의 탄발력이 상기 NTP 조정실(37)로 공급되는 연료압보다 크게 형성되므로서 NTP가 감소되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 가변인젝터.
제 1 항에 있어서,

상기한 조정실(42)의 입구(42a)는 인너 노즐 바디(40)가 하향이동되더라도 유입통로(38)로부터의 연료공급이 차단되지 않도록 상측으로 일정길이 연장되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 가변인젝터.
제 1 항에 있어서,

상기한 축적실(45)의 입구(45a)는 인너 노즐 바디(40)가 하향이동되더라도 유입통로(38)로부터의 연료공급이 차단되지 않도록 상측으로 일정길이 연장되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 가변인젝터.