KR20030012931A - 연료 분사 시스템 - Google Patents
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Abstract
내연 기관용 연료 분사 시스템(1)은 연료 분사 밸브(12)를 포함하고, 상기 연료 분사 밸브는 연료를 연소실(2) 내에 직접 분사하고, 상기 연소실은 실린더 벽(3)으로 형성되고, 상기 실린더 벽 내에 피스톤(5)이 안내되며, 또한 연소실(2) 내로 돌출한 스파크 플러그(8)를 포함한다. 연료 분사 밸브(12)는 연소실(2)에서 연료 분사 밸브(12)의 밸브 시이트 바디(24)에 연결되거나 또는 여기에 일체형으로 형성된 다공 플레이트(25)상에 배치된 주 분사구(26)를 통해 혼합물 클라우드(13)를 발생시킨다. 다공 플레이트(25)는 또한 부 분사구(27)를 포함하고, 상기 부 분사구의 직경은 주 분사구(26)의 직경보다 작다.
Description
DE 198 27 219 A1 에 제 1 서클을 따라 배치된 제 1 노즐 홀 및 제 2 서클을 따라 배치된 제 2 노즐 홀을 구비한 연료 분사 세팅 플레이트를 포함하는 인젝터를 가진 내연 기관용 연료 분사 시스템이 공지되어 있다. 제 2 서클의 직경은 제 1 서클의 직경보다 크다. 이 경우 상기 서클들은 세팅 플레이트의 중심축에 대해 동축으로 배치된다. 제 2 노즐 홀의 각 홀 축은 밸브 바디의 중심축에 대해 수직으로 배치된 기준 평면을 가진 예각을 형성한다. 상기 각은 기준 평면을 가진 제 1 노즐 홀의 각 홀 축에 의해 형성되는 각보다 작다. 따라서 제 1 노즐 홀을 통해 분사되는 연료 스프레이는 제 2 노즐 홀을 통해 분사되는 연료 스프레이로부터 떨어져 방향 설정된다. 결과로서 제 1 노즐 홀을 통해 분사된 연료 스프레이는 제 2 노즐 홀을 통해 분사된 연료 스프레이를 방해하지 않고, 이것은 분사된 연료가 적합하게 살포될 수 있도록 한다.
DE 196 42 653 C1 에는 점화성 연료-공기 혼합물을 형성하기 위한 방법이 공지되어 있다. 피스톤에 의해 제한된 각 연소실 내에서 인젝터에 의해 노즐 개구의 개방시 노즐 개구를 둘러싸는 밸브 시이트로부터 밸브 부재가 들어올려짐으로써 연료가 분사되면, 직접 분사하는 내연 기관의 실린더 내에 점화성 연료-/공기 혼합물이 형성될 수 있다. 내연 기관의 모든 작동 조건하에서, 특히 층상 급기 작동시 소비- 및 방출이 극대화된 내부 혼합물 형성이 전체 특성 필드의 각 작동 시점에서 가능하게 하기 위해, 밸브 부재의 개방 행정 및 분사 시간이 가변적으로 세팅될 수 있다.
DE 198 04 463 A1 에는 혼합물 압축식 외부 점화 내연 기관용 연료 분사 시스템이 공지되어 있고, 상기 연료 분사 시스템에는 연료를 피스톤-/실린더 장치로 성된 연소실 내에 분사하는 분사 밸브 및 연소실 내로 돌출한 스파크 플러그가 제공된다. 분사 밸브에는 분사 노즐의 둘레에 걸쳐 분포되어 배치된 적어도 한 열의 분사 홀이 제공된다. 의도한 대로 분사 홀을 통해 연료가 분사됨으로써 스트림 가이드된 연소 방법이 혼합물 클라우드의 형성에 의해 구현되고, 적어도 하나의 점화를 위한 스트림이 스파크 플러그 방향으로 향하게 된다. 추가 스트림이 제공되고, 상기 추가 스트림에 의해 적어도 거의 폐쇄된 또는 연결된 혼합물 클라우드가 형성된다.
상기 문서에 공지된 혼합물 형성 방법 또는 연료 분사 시스템에서, 특히 혼합물 클라우드의 결핍된 균일성 및 점화성 혼합물을 스파크 플러그의 방전기 영역으로 운반시키는 문제가 단점이다. 방출이 적은, 연료 절약적 연소를 가능하게 하기 위해, 이러한 경우 복잡한 연소실 구조, 선회 밸브 또는 와류 메카니즘이 되어야 함으로써, 한편으로는 연소실이 연료-/공기 혼합물로 채워지고 그리고 다른 한편으로는 점화성 혼합물이 스파크 플러그로 가이드된다.
이 경우 대부분 스파크 플러그는 직접 분사된다. 이것은 스파크 플러그의 심각한 그을음 및 빈번한 열 충격을 야기하고, 이로 인해 스파크 플러그가 더 짧은 수명을 가지게 된다.
DE 196 42 653 C1에 공지된 점화성 연료-/공기 혼합물의 형성 방법에서의 단점은, 특히 층상 급기 작동시 적은 량의 연료가 정확하게 도우징될 수 없다는 것인데, 그 이유는 연료 분사 밸브의 개폐 시간이 정확히 충분히 제어될 수 없기 때문이다.
또한 복잡한 연소실 구조 및 선회 처리된 연료 분사 밸브가 어렵게 제조될 수 있고 생산시 비용이 많이 든다는 점이 단점이다.
본 발명은 독립항의 종류에 따른 연료 분사 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 도면에서 간단하게 도시되고, 하기의 설명부에서 더 자세히 설명된다.
도 1은 선행 기술에 따른 연료 분사 시스템의 실시예의 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명에 따라 설계된 연료 분사 시스템에 의해 분사된 혼합물 클라우드의 예시적 개략적인 단면도,
도 3A는 주- 및 부 분사구를 포함한 밸브 바디의 제 1 실시예의 횡단면도,
도 3B는 주- 및 부 분사구를 포함한 밸브 바디의 제 2 실시예의 횡단면도,
도 4A는 상이하게 설계된 분사구를 포함한 밸브 바디의 제 3 실시예의 횡단면도,
도 4B는 상이하게 설계된 분사구를 포함한 밸브 바디의 제 4 실시예의 횡단면도,
도 5A는 원추형으로 형성된 분사구를 포함한 본 발명에 따라 설계된 연료 분사 시스템의 연료 분사 밸브의 밸브 폐쇄 바디의 제 5 실시예의 개략도,
도 5B는 도 5A의 영역(VB)의 원추형 분사구의 확대도, 및
도 5C는 도 5A의 영역(VB)의 제 6 실시예의 개략도이다.
독립항의 특징을 가진 본 발명에 따른 연료 분사 시스템은, 상이한 직경을 가진 분사 홀의 배치에 의해 연소실 내에 혼합물 클라우드가 형성되고, 상기 혼합물 클라우드에 의해 분사된 연료 스트림의 밸브 근접 영역의 영역이 포화되고, 이로 인해 스파크 플러그의 영역에서 점화 시점의 지연이 달성되는 장점을 가진다. 그 결과로 방출이 적고 신속한 혼합물 클라우드의 연소가 달성될 수 있다.
종속항에서 구현된 조치에 의해 독립항에 제시된 연료 분사 시스템의 바람직한 개선예가 가능하다.
특히 더 큰 주 분사구 사이에 더 작은 부 분사구가 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우 부 분사구는 크로스형 또는 중앙 분사구를 중심으로 동심원 형태로 그룹화된다.
또한 부 분사구의 직경에 대한 축방향 길이 사이의 감소된 비율이 제공되는 부 분사구가 배치되는 것이 바람직하다. 또한 이로 인해 침투력이 낮을 경우에도 스트림 확대가 달성될 수 있다.
특히 중앙 분사구에서 부 분사구의 직경에 대한 길이의 비율이 감소되는 것이 바람직한데, 그 이유는 이 경우 매우 적은 비용으로 밸브 근처 영역에서 혼합물 클라우드의 포화가 달성될 수 있기 때문이다.
또한 원추형 분사구의 사용이 바람직한데, 그 이유는 이것이 쉽게 제조될 수 있고, 큰 스트림 확대를 가능하게 하기 때문이다.
도 1은 선행 기술에 따른 연료 분사 시스템의 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다. 연료 분사 시스템(1)은 연소실(2)을 포함하고, 상기 연소실은 실린더 벽(3), 실린더 헤드(4) 및 피스톤(5)에 의해 제한된다. 피스톤(5)에 연소실 리세스(6)가 형성된다. 연소실(2)의 릿지(7)에 2 개의 전극(15)을 가진 스파크 플러그(8)가 예컨대 중심에 배치된다. 유입 밸브(9)와 배출 밸브(10)는 연소실(2)의 릿지 경사(11)에 도시된다. 실린더 벽(3)과 실린더 헤드(4) 사이에 측면으로 배치된 연료 분사 밸브(12)는 원추형 혼합물 클라우드(13)를 연소실(2) 내로 분사한다. 연소실 리세스(6)의 구조 및 혼합물 클라우드(13)의 형태는 방전기(14)의 영역에 있는 혼합물 클라우드(13)의 경로를 결정하고, 상기 방전기는 스파크 플러그(8)의 전극(15) 사이에서 연장된다. 혼합물 클라우드(13)는 스파크 플러그(8)의 전기 불꽃에 의해 점화된다.
혼합물 클라우드(13)는 종래의 연료 분사 시스템(1)에서 연료 분사 밸브(12)의 분사 특성으로 인해 제한적으로만 화학량론적이다. 스트림 프론트, 즉 연료 분사 밸브(12)로부터 가장 멀리 떨어지고, 시간적으로 제일 먼저 분사되는 혼합물 클라우드(13)의 영역은 스프레이 내의 가장 큰 드롭의 크기에 의해 결정되는 반면,스트림 엔드, 즉 연료 분사 밸브(12)로부터 가장 가까이 있으면서 시간적으로 제일 마지막에 분사되는 혼합물 클라우드(13)의 영역은 가장 작은 드롭에 의해 결정된다. 상기 두 영역 사이의 연료의 분포는, 통합된 화학량론적 혼합이 발생할 수 있는 방식으로 이루어지지는 않는다. 한편으로 혼합은 가우시안 분포적으로, 크거나 또는 작은 크기의 드롭보다 현저히 많은 중간 크기의 드롭을 포함하고, 또한 다른 한편으로 예컨대 연료 분사 밸브(12)의 개방 및 폐쇄시 그리고 흐름 역학적 현상시 질량 흐름에서의 변화는 혼합물 클라우드(13)의 화학량론에 대해 영향을 미칠 수 있다.
상기 실행된 혼합물 클라우드(13)의 단점이 제거될 수 있기 위해, 본 발명에 따른 조치가 제공되고, 상기 조치는 분사된 혼합물 클라우드(13)가 홀 배치, 홀 직경 및/또는 홀 직경에 대한 축방향 홀 길이의 비율에 의해 영향을 받게 함으로써, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 스트림 루트(root) 영역(20), 즉 연료 분사 밸브(12)로부터 가장 가까이 있으면서 시간적으로 제일 마지막에 분사되는 영역은, 높은 침투력을 가지고 작은 개방각을 가진 주 분사(21)가 부 분사(22)에 의해 보충되도록 영향을 미친다. 부 분사(22)는 낮은 침투력 및/또는 주 분사(21) 보다 큰 개방각을 특징으로 한다. 이로 인해 연료 분사 밸브(12)로부터 가장 가까이 놓인 혼합물 클라우드(13)의 부분이 포화될 수 있다.
이미 언급한 바와 같이, 스트림 루트 영역(20) 내 혼합물 클라우드(13)의 포화를 위해, 연료 분사 밸브(12)의 분사구의 직경 및/또는 개수에 관련된 상이한 조치들이 사용될 수 있다.
도 3A는 본 발명에 따라 설계된 연료 분사 시스템(1)의 연료 분사 밸브(12)의 밸브 시이트 바디(24) 내의 분사구(26 및 27)의 배치의 제 1 실시예를 도시한다. 상기 도면은 밸브 시이트 바디(24)와 일체형으로 형성되거나 또는 여기에 배치된 다공 플레이트(25)의 조감도로서 도시된다.
실시예에서 다공 플레이트(25)는 외부에 놓인 서클 위에 그리고 다공 플레이트(25) 내 중앙 분사구(28)를 포함한 내부에 놓인 별모양의 구조 상에 배치된 21 개의 주 분사구(26) 및 균일하게 주 분사구(26) 사이의 사이 공간 내에 형성된 20 개의 부 분사구(27)를 포함한다. 이 경우 부 분사구(27)에는 주 분사구(26)보다 현저히 작은 직경에 제공된다. 이로 인해 부 분사구(27)로부터 분사된 부 분사(22)의 침투력은 주 분사구(26)로부터 분사된 주 분사(21)의 침투 깊이의 대략 20 내지 50% 밖에 달하지 않는다.
이 경우 주 분사구(26)의 홀 직경은 50 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있는 반면, 부 분사구(27)의 직경은 30 ㎛ 내지 70 ㎛일 수 있다.
도 3B는 도 3A와 동일한 도면으로 밸브 시이트 바디(24)의 다공 플레이트(25) 내의 주 분사구(26)와 부 분사구(27)의 조합에 대한 추가 실시예를 도시한다.
상기 실시예에서 주 분사구(26)와 부 분사구(27)는 동심 서클 상에 배치되고, 이로 인해 다공 플레이트(25)가 간단하게 제조될 수 있고, 혼합물 클라우드(13)는 코어 영역에서 방사 방향으로 매우 균일해진다.
스트림 루트 영역(20)의 포화의 추가 가능성은 다공 플레이트(25)내분사구(26)의 홀 직경(d)에 비례하여 축방향 홀 길이(1)가 감소할 경우 이루어진다.
도 4A 및 4B는 도 3A 및 3B와 동일한 측면도로서 감소된 비율(1/d)을 가진 주 분사구(26)와 부 분사구(27)의 배치를 도시한다. 이 경우 주 분사구(26)의 배치는 도 3A에 도시된 배치에 상응한다.
도 4A는 4 개의 추가 부 분사구(27)를 포함한 배치를 도시하고, 상기 배치는 개선된 구별을 위해 파선으로 도시되고, 중앙 분사구(28)를 중심으로 크로스 형태로 배치되는 반면, 도 4B에는 중앙 분사구(28) 만이 감소된 비율(1/d)을 가지고, 이것은 매우 간단하고 쉽게 제조될 수 있는 배치를 도시한다. 추가로 부 분사구(27)는 감소된 직경도 포함할 수 있다.
도 5A는 도 2와 동일한 측면도로서 감소된 비율(1/d)을 가진 적어도 하나의 부 분사구(27)를 사용할 경우 분사된 혼합물 클라우드(13)의 개략도를 도시한다. 부 분사구(27)의 개방각의 확대에 의해, 부 분사(22)는 주 분사 보다 낮은 침투력 및 더 큰 개방각을 가지고, 이로 인해 스트림 루트 영역(20)의 포화가 발생한다. 부 분사구(27)의 적합한 분포시 균일한 포화가 달성될 수 있다.
도 5B는 발췌된 단면도로서 도 5A에서 VB로 표기된, 감소된 비율(1/d)을 가진 부 분사구(27)의 영역의 단면도를 도시한다. 부 분사구(27)의 축방향 길이(1)는, 예컨대 천공에 의해 다공 플레이트(25) 내로 제공될 수 있는 확대부(29)에 의해 감소된다.
도 5C에는 부 분사구(27)의 추가 실시예가 도시되고, 상기 부 분사구는 원추형으로 형성됨으로써, 배출 영역의 직경이 유입 영역의 직경에 비해 현저히 확대된다.
도 5B 및 5C에 도시된 부 분사구(27)의 형태는 도 4A 또는 4B에 도시된 각 다공 플레이트(25)에서 사용될 수 있다. 스트림 루트 영역(20)의 침투력 및 포화력이 작을 경우 스트림 각도의 확대 효과는 모든 경우에 비교될 수 있다.
또한 주 분사 펄스 이후에, 추가 연료량을 실린더 내에 분사하여 혼합의 포화를 야기하는 부 분사 펄스가 감소됨으로써, 상기 조치와 노즐 가까이 있는 스트림 루트 영역(20)의 포화를 위한 추가 조치가 조합될 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예에만 국한되지 않으며, 예컨대 또한 분사구의 다른 배치 또는 다수의 특징의 조합에서도 사용될 수 있다.
Claims (8)
- 연료 분사 밸브(12)를 포함하고,상기 연료 분사 밸브는 연료를 연소실(2) 내에 직접 분사하고, 상기 연소실은 실린더 벽(3)으로 형성되고, 상기 실린더 벽 내에 피스톤(5)이 안내되며,또한 연소실(2) 내로 돌출한 스파크 플러그(8)를 포함하고,상기 연료 분사 밸브(12)는 연소실(2)에서 연료 분사 밸브(12)의 밸브 시이트 바디(24)에 연결되거나 또는 여기에 일체형으로 형성된 다공 플레이트(25)상에 배치된 주 분사구(26)를 통해 혼합물 클라우드(13)를 발생시키는내연 기관용 연료 분사 시스템(1)에 있어서,다공 플레이트(25)는 부 분사구(27)를 포함하고, 상기 부 분사구의 직경은 주 분사구(26)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 부 분사구(27)로부터 분사된 부 분사(22)의 침투력은 주 분사구(26)로부터 분사된 주 분사(21)의 침투력보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 부 분사(22)가 상기 주 분사(21)에 적어도 부분적으로 중첩하는 것을특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 부 분사구(27)는 주 분사구(26)와 비교해 볼 때 감소된 축방향 길이(1)와 직경(d)의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 4항에 있어서,상기 부 분사구(27)는 계단형 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 5항에 있어서,상기 부 분사구(27)는 원추형 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 5항 또는 제 6항에 있어서,계단형 또는 원추형 부 분사구(27)의 유입측 직경은 분사측 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 주 분사구(26)의 직경은 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 사이의 범위이고, 부 분사구의 직경은 30 ㎛ 내지 70 ㎛ 의 범위인 것을 특징으로 하는 연료 분사 시스템.
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