KR20040010178A - 엔진용 연료 분사 밸브 - Google Patents

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KR20040010178A
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fuel injection
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하이놀트올리버
쥔더하우프게르하르트
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

종축(4)을 포함하는 보어(3)가 형성되고 상기 보어(3)의 연소실측 단부는 밸브 시트(5)에 의해 한정되는 밸브 몸체(1)를 포함하는 엔진용 연료 분사 밸브가 개시된다. 엔진의 연소실내로 유입되는 적어도 하나의 분사 채널(7)의 유입 개구(107)가 밸브 시트(5)에 형성된다. 보어(3)내에서 밸브 니들(10)이 종방향 변위 가능하게 배치되고, 상기 밸브 니들(10)은 밸브 밀봉면(12)에 의해 밸브 시트(5)와 상호 작용하여 적어도 하나의 분사 채널(7)에 대한 연료 유입을 제어함으로써, 밸브 니들(10)이 밸브 시트(5)로부터 상승될 때 적어도 하나의 분사 채널(7)로 연료를 유입시키는 환상 간극(17)이 개방 제어된다. 환상 간극(17)의 폭은 밸브 몸체(1)의 전체 둘레에 걸쳐 동일한 폭을 갖지 않는다.

Description

엔진용 연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 상응하는 엔진용 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 이런 연료 분사 밸브는 종래 기술에 공지되어 있다. 독일 특허 제196 09 218호는 보어를 포함하는 밸브 몸체를 포함하는 연료 분사 밸브를 개시한다. 보어의 연소실측 단부는 원추형 밸브 시트에 의해 한정되고, 상기 밸브 시트로부터 엔진의 연소실내로 유입되는 복수의 분사 채널이 분기된다. 보어내에는 밸브 니들이 종방향 변위 가능하게 배치되고, 상기 밸브 니들은 마찬가지로 원추형인 밸브 밀봉면에 의해 밸브 시트와 상호 작용하여 분사 채널에 대한 연료 유입을 제어한다. 밸브 니들이 밸브 시트로부터 상승되면, 밸브 밀봉면과 밸브 시트 사이의 연료가 분사 채널의 유입 개구로 관류하고 여기로부터 엔진의 연소실내로 분사된다. 여기서 분사 채널은 양호하게는 연료 분사 밸브의 둘레에 걸쳐 균일하게 분포되고, 분사 채널내에는 균일한 연료 유동이 존재한다. 이를 통해 연소실내로 연료 분사 제트의 고 침투 깊이가 얻어지고, 이는 연소실이 크고 이에 따라 행정 용적이 클 때 신속한 연료 분배 및 이에 따른 양호한 연소를 발생시킨다.
그러나, 연료 분사 제트의 고 침투 깊이가 항상 유리한 것은 아니다. 특히 적은 연소실 체적을 갖는 소형 엔진에서, 연료가 연소실내에 가능한 한 균질하게 분포되도록, 연료 분사 밸브의 분사 채널로부터 유출된 잠시 후 강하게 스프레이로 형성되는 연료 분사 제트가 요구된다. 이는 예를 들면, 분사 채널내의 연료 유동이 대략 원통형 분사 채널의 종축 주위로 와류, 즉, 토션 또는 소용돌이를 형성함으로써 달성된다. 이는 연료가 분사 채널로부터 유출된 직후 강한 스프레이가 된다. 이러한 분사 밸브도 종래 기술로부터, 예를 들면, 일본 공개 공보 제11-082229호 또는 미국 공개 공보 제6 065 692호에 공지되어 있다. 이러한 분사 밸브에서 밸브 니들내의 홈 또는 내부에 위치된 유동 디스크를 통해 와류가 발생되며, 이에 의해 위에서 언급된 효과가 발생된다. 그러나, 이러한 분사 밸브는 각각 단일 분사 개구만을 포함하여 구조상 원인에 의해 현대의 직접 분사식 엔진에서의 사용에 제한적으로 적합하다는 단점을 갖는다.
청구범위 제1항에 개시된 특징을 갖는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브는 이에 반해, 공지된 연료 분사 밸브에서와 같이 복수의 분사 채널이 연료 분사 밸브의 둘레에 걸쳐 분포 배치될 수 있고 모든 분사 채널에서 와류가 발생된다는 장점을 갖는다. 이를 위해, 분사 채널로 연료를 유입시키는, 밸브 밀봉면과 밸브 시트 사이에 형성된 환상 간극이 전체 둘레에 걸쳐 동일한 두께로 형성되지 않는다. 연료는 보어의 종축에 대한 방위각에 따라 다른 속도로 분사 채널내로 유동하여, 분사 채널의 유입 개구에서 속도 구배가 둘레 방향으로 형성된다. 이를 통해 분사 채널내의 연료 유동이 소용돌이 운동 상태로 되고, 이 소용돌이 운동은 연소실내에서 위에서 언급된 유출 연료의 강한 스프레이로 된다.
종속항에 개시된 특징을 통해 본 발명의 대상의 유리한 실시예가 가능하다.
유리한 제1 실시예에서 밸브 니들은 분사 채널의 유입 개구 높이에서, 볼록하게 만곡된 측면을 갖는 삼각형에 상응하는 횡단면을 포함하도록 형성된다. 이는 간단한 기술 및 방식으로 분사 채널내에서 원하는 와류를 발생시키는, 분사 채널에 대한 유입 특성을 가능케 한다. 또한, 유리하게는, 밸브 니들의 형상이 분사 채널의 유입 개구 높이에서 난형이고, 이는 또한 상술된 유입 거동을 발생시킨다. 또한, 유입 개구 높이에서 육각형에 상응하는 횡단면을 포함하고, 서로 접하는 측면의 내각이 교호로 120°보다 크고 그리고 120°보다 작은 밸브 니들의 형상이 유리하다. 여기서 양호하게는, 유입 개구는 보어의 종축에 대한 방사상 평면에 배치되어, 모든 분사 채널에서 동일한 와류가 발생된다.
또한, 유입 개구에 대향된 밸브 니들 표면이 편평화되고, 분사 채널의 가상의 연장선이 밸브 니들의 상기 표면을 경사각으로 가로지를 때 유리하다. 이를 통해, 각 분사 채널에 대한 유입 조건이 별도로 변형될 수 있다. 또한, 원하는 유입 조건이 임의의 수의 분사 채널에서 달성될 수 있다.
도면에는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 여러 실시예들이 도시된다.
도1은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브를 통한 연소실측 단부의 종단면도.
도2는 종래 기술에 공지된, 도1의 선(A-A)을 따른 연료 분사 밸브의 횡단면도.
도2a는 밸브 몸체의 밸브 시트 영역의 절개도.
도3은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 제1 실시예의 도1의 선(A-A)을 따른 횡단면도.
도3a는 분사 채널내의 연료 진행을 나타내는 밸브 몸체의 밸브 시트 영역의 절개도.
도4 내지 도6은 도3과 같은 횡단면도를 도시하는 다른 실시예의 도면.
도7은 밸브 니들이 원형 횡단면을 포함하는, 도1과 같은 횡단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 밸브 몸체
4: 종축
5: 밸브 시트
7: 분사 채널
10: 밸브 니들
17: 환상 간극
107: 유입 개구
D1, D2: 폭
도1은 종래 기술에서도 충분히 공지되어 있는 연료 분사 밸브의 연소실측 단부만이 도시된 본 발명에 따른 연료 분사 밸브를 통한 종단면도를 도시한다. 밸브몸체(1)내에는 종축(4)을 포함하는 보어(3)가 형성된다. 보어(3)의 연소실측 단부는, 엔진내의 연료 분사 밸브의 장착 위치에서 연소실내로 유입되는 복수의 분사 채널(7)의 유입 개구(107)가 배치된 대략 원추형 밸브 시트(5)에 의해 한정된다. 보어(3)내에는 피스톤형 밸브 니들(10)이 종방향 변위 가능하게 배치되고, 상기 밸브 니들(10)의 연소실측 단부는 밸브 시트(5)와 상호 작용한다. 밸브 니들(10)은 원추형 구간(11)이 연결되는 원통형 구간(13)을 포함하고, 상기 원추형 구간(11)에는 다시 제2 원통형 구간(16)이 접한다. 제2 원통형 구간(16)에는 원추형 밸브 밀봉면(12)이 연결되고, 밸브 니들(10)은 자체의 차단 위치에서 상기 원추형 밸브 밀봉면(12)에 의해 원추형 밸브 시트(5)와 접한다. 밸브 니들(10)의 연소실측 단부는 밸브 밀봉면(12)으로부터 환상 홈(14)에 의해 분리된 원추형 밸브 니들 팁(15)을 형성한다.
밸브 니들(10)과 보어(3) 벽 사이에는 고압 연료로 충전될 수 있는 압력 공간(8)이 형성된다. 밸브 니들(10)의 차단 위치에서, 즉, 밸브 밀봉면(12)이 밸브 시트(5)에 접할 때, 분사 채널(7)은 밸브 니들(10)에 의해 압력 공간(8)으로부터 분리된다. 밸브 니들(10)의 개방 위치에서, 즉, 밸브 밀봉면(12)이 밸브 니들(10)의 종방향 이동을 통해 밸브 시트(5)로부터 상승되면, 연료가 밸브 밀봉면(12)과 밸브 시트(5) 사이의 압력 공간(8)으로부터 분사 채널(7)의 유입 개구(107)로 관류되어 여기에서 엔진의 연소실로 분사된다.
도2는 종래 기술에 공지된, 연료 분사 밸브의 도1의 선(A-A)을 따른 횡단면도를 도시한다. 여기서, 밸브 니들(10)은 분사 채널(7)의 유입 개구(107) 높이에서 원형 형상을 포함하고, 여기서 밸브 몸체(1)의 둘레에 걸쳐 상기 분사 채널(7)의 유입 개구(107) 6개가 분포 배치된다. 이를 통해 밸브 니들(10)의 개방 위치에서 원형 환상 간극(17)이 밸브 니들(10)과 밸브 시트(5) 사이에 형성되고, 이 환상 간극(17)을 통해 연료가 분사 채널(7)로 유입된다. 밸브 몸체(1)의 전체 둘레에 걸쳐 일정한 폭(D)을 갖는 환상 간극(17)의 회전 대칭 구조를 통해, 모든 위치에서 동일한 연료 유동 속도가 발생된다. 분사 채널(7)의 유입 개구(107) 영역의 연료 유동 속도를 고려하면, 도2에서 전체 분사 채널(7)상에 도시된 바와 같이, 좌측 가장자리의 접선 속도(VL)는 분사 채널(7)의 우측 가장자리의 접선 속도(VR)와 크기가 같다. 도2a는 밸브 몸체(1)의 밸브 시트(5) 영역의 일부를 절개도로 도시한다. 여기에는, 이해를 위해 확대된 직경으로 도시된 분사 채널(7)이 예시적으로 개시된다. 연료의 접선 유입 속도(VL, VR)는 크기가 동일하므로, 분사 채널(7)내에서 균일한 연료 유동이 이루어지고 이에 따라 엔진의 연소실내로의 공지된 고 침투 깊이가 형성된다.
도3은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 제1 실시예의, 도1의 선(A-A)을 따른 횡단면도를 도2와 같이 도시한다. 밸브 니들(10)은 밸브 채널(7)의 유입 개구(107) 높이에서 육각형에 상응하는 형상을 포함함으로써, 밸브 니들(10)상에 6개의 측면(20)이 형성된다. 서로 접하는 측면(20)의 내각은 교호로 120°보다 작고 그리고 크므로, 분사 채널(7)의 연장선은 각각의 대향 측면(20)과 경사 각도를 형성한다. 따라서, 환상 간극(17)의 폭은 밸브 몸체(1)의 둘레에 걸쳐 변화된다.지금까지 공지된 밸브 니들(10)의 형태는 점선을 통해 도시됨으로써, 모든 위치에서 동일한 것은 아닌 환상 간극(17)의 폭(D)이 이해될 수 있다.
각 분사 채널(7)을 고려하면, 밸브 니들(10)의 측면(20)과 분사 채널(7)의 유입 개구(107)의 좌측 가장자리 사이의 간극이 유입 개구(107)의 우측 가장자리와 측면(20) 사이의 간극보다 더 작다. 이를 통해, 우측 가장자리에는 환상 간극(17)내의 연료의 보다 더 큰 유동 저항이 발생되고 이에 따라 연료의 유입 시 분사 채널(7)에 대해 보다 더 작은 접선 속도(VR)가 발생된다. 그러나, 좌측 가장자리에서는 보다 작은 유동 저항을 통해 이에 상응하는 보다 더 큰 접선 속도(VL)가 발생된다. 분사 채널(7)의 양 측면에서 이와 같은 다른 연료 유입 속도를 통해 와류가 발생되고, 이 와류는 연료가 엔진의 연소실내로 유출될 때 강한 스프레이가 되어 보다 작은 침투 깊이를 형성한다. 예시적으로 선택된 분사 채널(7) 옆에 위치된, 분사 채널(7)의 좌측 및 우측의 분사 채널(7)들에서는 속도비가 반대이므로, 상기 분사 채널(7)들내의 와류는 반대 회전 방향을 갖는다. 도3에는 모든 분사 채널(7)들내의 접선 속도(VL, VR)가 화살표로 도시된다.
도3a는 도3에 도시된 분사 밸브의 분사 채널(7)에서의 유입 거동을 도2a와 같은 도면으로 도시한다. 접선 속도 성분(VL, VR)은 분사 채널(7)내에서, 유입 개구(107)로부터 외측으로 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 와류를 발생한다.
도4는 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 다른 실시예를, 역시 도1의 선(A-A)을 따른 횡단면도로 도시한다. 여기서, 밸브 니들(10)은 밸브 채널(7)의 유입 개구(107) 높이에서 볼록한, 즉, 외측으로 만곡된 측면을 갖는 삼각형을 포함한다. 여기서, 도3에 도시된 분사 밸브와 유사한 유입 거동, 및 인접한 분사 채널(7)들에서 다른 배향을 갖는 와류가 얻어진다. 환상 간극(17)의 가장 작은 폭은 도4에서 D1으로 표시되고, 가장 큰 폭은 D2로 표시된다. 이러한 밸브 니들(10)의 형태는 밸브 몸체(1)의 둘레에 걸쳐 균일하게 분포 배치된 6개의 분사 채널(7)에 맞추어진다. 밸브 니들(10)의 일반적으로 원형 형상이 점선을 통해 표시된다. 대안으로, 밸브 니들(10)이 오목한, 즉, 내측으로 만곡된 측면을 포함하는 삼각형에 대응되는 횡단면을 포함하는 것도 제안될 수 있다. 여기에서도 위에서 설명된 방식으로 분사 채널(7)내에 와류를 발생시키는 유입 조건이 이루어진다.
도5는 도4와 동일한 도면으로 다른 실시예를 도시한다. 여기서 밸브 니들(10)은 유입 개구(107) 높이에서 원형 톱니형과 유사한 횡단면 형상을 포함한다. 분사 채널(7)에 대향 위치된 밸브 니들(10)의 측면(20)은 밸브 채널(7)의 가상 연장선에 대해 경사지게 배치되는데, 이는 도3의 실시예에서도 마찬가지이다. 그러나, 여기서의 유입 거동은 각 분사 채널(7)에서 동일하므로, 형성된 와류도 모든 분사 채널(7)내에서 동일한 회전 방향을 갖는다.
도6은 단지 네 개의 분사 채널(7)이 밸브 몸체(1)의 둘레에 걸쳐 분포 배치된 다른 실시예를 도시한다. 이는 유입 개구(107) 높이에서 단부가 뾰족한 난형을 포함하는 다른 형태의 밸브 니들(10)을 필요로 한다. 여기서도, 둘레 방향으로 변화되는 환상 간극(17)을 통해, 와류를 발생하는 유입 조건이 분사 채널(7)내에 형성된다.
도7은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 다른 실시예를 도시한다. 여기서, 밸브 니들(10)은, 종래 기술에 공지된 바와 같이, 유입 개구(107) 영역에서 원형으로 형성된다. 이 대신에 밸브 시트면(5)이 변형되어, 분사 채널(7)내의 유입 조건이 상응하게 형성된 밸브 니들(10)의 경우와 같이 형성된다. 밸브 시트(5)의 횡단면은 오목하게 만곡된 측면을 포함하는 삼각형에 상응하는 형상, 즉, 대략 도4에서 밸브 니들(10)이 갖는 형상을 포함한다. 이러한 구성은, 밸브 니들(10)이 변형되지 않고 유지될 수 있어 공지된 연료 분사 밸브로부터 채용될 수 있다는 장점을 갖는다. 도3, 도5 및 도6에 도시된 밸브 니들(10)의 다른 형상도, 밸브 니들(10)이 유입 개구(107) 영역에서 원형으로 형성된다면, 유사한 방식으로 밸브 시트(5)의 형상에 전용(轉用)될 수 있다.
또한, 와류가 반드시 모든 분사 채널(7)에서 요구되지는 않는 것이 제안될 수 있다. 연소실이 보다 더 클 때 보다 양호한 연료 분배를 위해, 예를 들면 각 제2 분사 채널(7)에서만 와류를 생성하는 것이 유리할 수 있다. 이는, 분사 채널(7)의 일부가 연소실로 연료를 분사하는 동시에 와류를 갖는 분사 채널들이 연료를 보다 더 강하게 스프레이로 형성함으로써, 이 분사 채널들을 통해 분사되는 연료가 단지 작은 침투 깊이를 달성하는 장점을 갖는다. 이러한 경우, 단지 유입 개구(107)의 일부에서만 밸브 니들(10) 즉 밸브 밀봉면(12)은, 유입 개구(107)와 밸브 밀봉면(12)간의 간격이 적어도 두 개의 위치에서 다르도록 구성되고, 이는 다른 유입 속도 및 이에 따른 소용돌이 형성을 발생시킨다. 밸브 밀봉면(12)은 그 외의 유입 개구(107) 영역에서 유입 조건이 이미 도2에 도시된 바와 같이 모든 유입 개구(107)에 대해 동일하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 공지된 연료 분사 밸브에서와 같이 복수의 분사 채널이 연료 분사 밸브의 둘레에 걸쳐 분포 배치될 수 있고 모든 분사 채널에서 와류가 발생되는 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. 종축(4)을 포함하는 보어(3)가 형성되고 상기 보어(3)의 연소실측 단부는 엔진의 연소실내로 유입되는 적어도 하나의 분사 채널(7)의 유입 개구(107)가 형성된 밸브 시트(5)에 의해 한정되는 밸브 몸체(1)와, 보어(3)내에서 종방향 변위 가능하게 배치된 밸브 니들(10)을 포함하며, 상기 밸브 니들(10)은 밸브 밀봉면(12)에 의해 밸브 시트(5)와 상호 작용하여 적어도 하나의 분사 채널(7)에 대한 연료 유입을 제어함으로써, 밸브 니들(10)이 밸브 시트(5)로부터 상승될 때 적어도 하나의 분사 채널(7)로 연료를 유입시키는 환상 간극(17)이 개방 제어되는 엔진용 연료 분사 밸브에 있어서,
    적어도 하나의 분사 채널(7)에서 밸브 밀봉면(12)에 대한 유입 개구(107)의 간격이 적어도 두 개의 유입 개구(107) 위치에서 다른 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 밸브 니들(10)은 적어도 하나의 분사 채널(7)의 유입 개구(107) 높이에서, 볼록하게 만곡된 측면을 갖는 삼각형에 상응하는 횡단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  3. 제1항에 있어서, 밸브 니들(10)은 적어도 하나의 분사 채널(7)의 유입 개구(107) 높이에서 난형 횡단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 유입 개구(107)가 밸브 니들(10)의 편평화된 측면(20)에 대향된 복수의 분사 채널(7)이 형성되고, 분사 채널(7)의 가상의 연장선이 편평화된 측면(20)을 경사각으로 가로지르는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 밸브 니들(10)은 적어도 하나의 분사 채널(7)의 유입 개구(107) 높이에서 육각형에 상응하는 횡단면을 포함하고, 서로 접하는 측면의 내각은 120°보다 작고 그리고 120°보다 큰 각을 교호로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  6. 제1항에 있어서, 밸브 니들(10)은 적어도 하나의 유입 개구(107) 높이에서 원형 횡단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  7. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 분사 채널(7)들이 밸브 몸체(1)의 둘레에 걸쳐 분포 배치되고, 분사 채널(7)의 유입 개구(107)는 보어(3)의 종축(4)에 대한 방사상 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
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