KR20040093178A - 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그 - Google Patents

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베르너 헤르덴
라이너 에커
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로베르트 보쉬 게엠베하
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    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/22—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation having two or more electrodes embedded in insulation
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/06—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sparking plugs

Abstract

통합된 점화 플러그(2)를 구비한 연료 분사 밸브(1)는 연료를 적어도 하나의 분사구(5)를 통해 내연 기관의 연소실로 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브(1), 제 1 전극(10)을 포함하는 스파크 플러그 절연체(9)를 구비한, 연소실에 분사된 연료를 분사하기 위한 점화 플러그(2) 및 스파크 갭(13)에 의해 제 1 전극(10)으로부터 이격된 제 2 전극(12)을 포함하고, 상기 연료 분사 밸브(1)와 점화 플러그(2)의 스파크 플러그 절연체(9)가 공동 하우징(11) 내에 배치된다. 상기 스파크 갭(13)이 50 내지 300 ㎛의 폭을 가지고 연료 분사 밸브(1) 앞에서 3 내지 15 mm의 간격을 두고 배치된다.

Description

조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그{Combined fuel injection valve/ignition plug}
EP 0 661 446 A1 에 통합된 점화 플러그를 포함한 연료 분사 밸브가 공지되어 있다. 통합된 점화 플러그를 포함한 연료 분사 밸브는 연료를 내연 기관의 연소실에 직접 분사하고, 연소실에 분사된 연료의 점화를 위해 사용된다. 점화 플러그를 포함한 연료 분사 밸브의 콤팩트한 통합에 의해 내연 기관의 실린더 헤드에서 구조 공간이 절약될 수 있다. 통합된 점화 플러그를 포함한 공지된 연료 분사 밸브는 밸브 바디를 포함하고, 상기 밸브 바디는 밸브 니들에 의해 작동될 수 있는 밸브 폐쇄 바디와 함께 밀봉 시이트를 형성하고, 상기 밀봉 시이트에는 연소실을 향한 밸브 바디의 정면으로 통하는 분사구가 연결된다. 밸브 바디는 세라믹 절연체에 의해 내연 기관의 실린더 헤드 내에 나사 결합될 수 있는 하우징 바디로부터 고압 고정되어 절연된다. 고압이 작용하는 밸브 바디에 대한 역전위를 형성하기 위해, 하우징 바디에 접지 전극이 제공된다. 밸브 바디에 충분한 고압이 작용할 경우 밸브 바디와 하우징 바디에 연결된 접지 전극 사이에 스파크 방전(sparkdischarge)이 이루어진다.
통합된 점화 플러그를 포함한 공지된 연료 분사 밸브에서의 단점으로서, 분사구로부터 분사된 연료 제트에 대한 스파크 방전의 위치가 규정되지 않는데, 그 이유는 스파크 방전이 밸브 바디의 돌출부의 측면 영역에 있는 거의 임의의 위치에서 이루어질 수 있기 때문이다. 상기 공지된 구조에서 분사구로부터 분사된 연료 제트의 소위 제트 루트(jet root)의 안전한 점화는 필요한 안전성으로는 불가능하다. 그러나 연료 제트의 안전하고 시간적으로 정확하게 규정된 인화는 유해물을 감소시키기 위해 무조건 필요하다. 또한 연료 제트의 배출구에서 계속 증가하는 그을음 또는 코킹이 발생할 수 있고, 이는 분사된 제트 형상에 영향을 준다. 또한 단점으로서 연료 분사 밸브의 세라믹 사출 성형은 상대적으로 비용이 많이 든다.
또한 점화 스파크의 발생을 위해 필요한 작동 전압이 정상적으로 25 kV 까지 제공됨으로써, 한편으로는 전압 발생- 또는 전압 변환을 위해 필요한 부품이 비싸고 공간을 많이 필요로 하며, 다른 한편으로는 고전압에 의해 강하게 부하를 받음으로써 수명이 단축된다는 것이 단점이다.
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 통합된 점화 플러그를 포함한 연료 분사 밸브(조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그의 제 1 실시예의 분사측 단부의 개략적인 단면도이고,
도 2A-B는 분사 방향의 반대 방향으로 본 점화 플러그의 전극의 2 개의 가능한 배치의 개략적인 조감도이고,
도 3A-B는 분사 방향의 반대 방향으로 본 스파크 갭의 2 개의 가능한 배치의 개략적인 조감도이고,
도 4A-C는 상이한 형태의 전극의 개략적인 도면이고,
도 5A-B는 본 발명에 따라 설계된 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그의 제 2 실시예의 분사측 단부의 상이한 측면도이고,
도 6A-D는 본 발명에 따라 설계된 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그가 장착된 내연 기관의 상이한 작동 상태의 분사- 및 점화 곡선의 다이어그램이다.
독립항의 특징을 포함하는 본 발명에 따른 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그는, 점화 플러그의 스파크 갭이 짧기 때문에 점화 스파크를 발생시키는데 낮은 전압으로도 충분하다는 장점을 가진다. 이 경우 스파크 갭의 폭은 50 내지 300 ㎛ 사이이고 분사구 앞에서 축방향으로 3 내지 15 mm 만큼 이격되어있다.
종속항에서 구현된 조치에 의해 독립항에 제시된 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그의 바람직한 개선예 및 개선 사항이 가능하다.
특히 이 경우 전극이 거의 임의로 형성될 수 있음으로써, 각 구조 및 분사 상황의 관점에서 고려될 수 있는 것이 바람직하다. 이 경우 전극은 방사 방향으로 또한 축방향으로 직각 또는 피치 서클 형태로 구부러질 수 있다.
또한 본 발명이 연료 분사 밸브의 임의의 구조, 특히 내부 개방형과 외부 개방형 연료 분사 밸브용으로 적합한 것이 바람직하다.
스파크 방전을 용이하게 하기 위해 전극들의 단부들이 경사지거나 또는 원추형으로 분사되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예는 도면에 간단하게 도시되고 하기의 설명부에서 더 자세히 설명된다.
도 1에는 연료를 혼합기 압축식 외부 점화 내연 기관의 연소실에 직접 분사하고 연소실에 분사된 연료를 점화하기 위한, 통합된 점화 플러그(2)를 포함하는 연료 분사 밸브(1)(통합된 연료 분사 밸브-점화 플러그)의 분사측 단부의 개략적인 부분 종단면도가 도시된다.
이 경우 연료 분사 밸브(1)는 노즐 바디(3) 및 밸브 시이트 바디(4)를 포함한다. 밸브 시이트 바디(4)에는 다수의, 본 실시예에서는 예컨대 5 개의 분사구(5)가 배치된다. 연료 분사 밸브(1)는 밸브 니들(6)을 포함하고, 상기 밸브 니들은 노즐 바디(3) 내에 배치된다. 밸브 니들(6)은 분사측 단부에서 밸브 폐쇄 바디(7)를 포함하고, 상기 밸브 폐쇄 바디는 밸브 시이트 바디(4)에 형성된 밸브 시이트면(8)과 함께 밀봉 시이트를 형성한다. 본 제 1 실시예에서 내부 개방형 연료 분사 밸브(1)가 다루어진다.
이 경우 연료 분사 밸브(1)는 전자기 작동식 연료 분사 밸브(1)로서 형성될 수 있거나 또는 작동을 위해 압전 또는 자기 변형 액추에이터가 제공될 수 있다.
점화 플러그(2)는 바람직하게 세라믹재로 이루어진 스파크 플러그 절연체(9) 및 그 안에 배치된 제 1 전극(10)으로 이루어진다. 제 1 전극(10)은 전기적으로 도시되지 않은 점화 장치에 의해 콘택될 수 있다. 점화 플러그(2)와 연료 분사 밸브(1)는 공동 하우징(11) 내에 배치된다. 적어도 하나의 제 2 전극(12)이 공동 하우징(11) 내에 고정됨으로써, 전극들(10과 12) 사이에 스파크 갭(13)이 형성된다. 점화 플러그(2)와 연료 분사 밸브(1)가 공동 하우징(11)에 내장됨으로써, 이러한 경우가 아니면 분리되어 배치된 점화 플러그(2)용으로 사용되어야 하는 구조 공간이 절약될 수 있다.
이 경우 스파크 갭(13)은 본 발명에 따라 겨우 50 내지 300 ㎛의 매우 좁은 폭을 가지고, 연료 분사 밸브(1)의 분사구(5)로부터 3 내지 15 mm 이격된다. 전극들(10과 12) 사이의 점화 스파크를 발생시키기 위해 필요한 점화 전압이 종래의 점화 플러그에서보다 현저히 낮을 경우에 한해 스파크 갭(13)의 폭이 좁은 것이 바람직하다. 상기 점화 전압이 5 내지 8 kV 사이인 반면에, 종래의 점화 플러그에서 필요한 점화 전압은 대략 25 kV 이다.
이것은 점화 전압을 제공하는 낮은 전력 세기의 부품이 설계됨으로써, 제조비가 저렴해지는 장점을 가진다.
또한 전기 부품의 부하가 작아짐으로써, 수명이 더 길어진다.
전극들(10과 12)도 마찬가지로 보호되는데, 그 이유는 용량성 방전이 전압의 제곱에 좌우되기 때문에 전압의 용량성 방전에 의한 전극 부식이 상당히 감소될 수 있기 때문이다.
도 2A 및 2B는 본 발명에 따라 설계된 통합된 점화 플러그(2)를 포함한 연료 분사 밸브(1)의 도 1에 도시된 실시예에 따른 전극들(10과 12)의 상응하는 배치에 대한 2 개의 실시예를 도시한다. 이 경우 시선 방향은 각각 연료 분사 밸브(1)의 밸브 시이트 바디(4)에서 연료의 분사 방향에 대해 반대로 향한다.
도 2A에는 전극들(10과 12)이 선형으로 형성되어 서로 직경 방향으로 마주 놓인다. 이것은 매우 간단하게 제조되는 장점을 가지는데, 그 이유는 전극들이 도 1에 도시된 바와 같이 직각으로만 구부러지고 그렇지 않은 경우에는 추가로 처리될 필요가 없기 때문이다.
도 2B에 도시된 전극들(10과 12)은 구부러져 구현됨으로써, 제 2 전극(12)은 도 2A에 도시된 바와 같이 제 1 전극(10)에 대해 직경 방향으로 마주 놓이지 않고 이와 함께 적어도 부분적으로 원을 형성한다. 이것은 연료 분사 밸브(1)와 점화 플러그(2)의 공동 하우징이 매우 슬림하게 설계될 수 있고 결과적으로 실린더 헤드 내에 필요한 조립 공간이 감소될 수 있는 장점을 가진다.
도 1, 2A 및 2B에서 이미 알 수 있는 바와 같이, 전극들(10과 12)은 스파크 갭(13)이 항상 분사구(5)를 통해 분사되는 혼합물 구름의 내부에 배치되도록 배치된다. 이것은 항상 존재하는 혼합 흐름 및 그로부터 결과되는 스파크 곡률에 의해 혼합물 구름이 확실하게 인화될 수 있는 장점을 가진다. 이후에 혼합물 구름은 매우 신속하게 완전 연소되는데, 그 이유는 혼합물 구름의 외부 영역내의 스파크 경로가, 혼합 구름을 우선 에지 영역에서 인화시키는 점화 플러그(2)의 에지 고정된 배치에서의 경로의 대략 절반밖에 되지 않기 때문이다.
도 3B는 분사구(5)에 대한 스파크 갭(13)의 배치의 추가 가능성을 도시한다. 스파크 갭(13)의 적합한 배치에 의해, 전극들(10과 12)의 코킹과 이에 따른 에러 기능 및 결과되는 점화 실패를 증폭시킬 수도 있는 예컨대 전극들(10과 12)이 강하게 직접 분사되는 것이 방지될 수 있다. 그러나 다른 한편으로는 짧은 플레임 경로를 사용할 수 있기 위해 스파크 갭(13)의 가급적 중앙 배치가 유지된다.
도 4A 내지 4C는 바람직하게 통합된 점화 플러그(2)를 포함한 본 발명에 따라 설계된 연료 분사 밸브(1)에서 사용될 수 있는 전극들(10과 12)의 가능한 형태를 도시한다.
도 4A는 서로 직각으로 기울어진 전극들(10과 12)을 도시하고, 전극(10,12)의 단부(14)가 경사지거나 또는 심지어 원추형으로 형성됨으로써, 스파크 방전이 지지된다. 이 경우 직각으로 구부러진 전극들은 하우징(11)의 정면(17)에 대해 평행하게 연장된다.
도 4B에 도시된 실시예에서, 전극(10,12)의 단부(14)는 한번 더 직각으로 구부러짐으로써, 다시 서로 평행하게 배치된다.
이것은, 스파크 갭(13)이 혼합물 흐름에 대해 어느 정도 차폐됨으로써, 코킹과 이에 따른 점화 실패의 위험이 감소되는 장점을 가진다.
도 4C에는 전극들(10과 12)이 서로 각지지 않게 기울이지고, 이로 인해 배치가 매우 간단하게 형성될 수 있다. 또한 여기서는 전극들(10,12)의 단부들(14)이 적어도 경사지거나 또는 심지어 원추형으로 형성됨으로써, 스파크 방전이 지지된다.
도 5A 및 5B는 본 발명에 따라 설계된 통합된 점화 플러그(2)를 포함한 연료 분사 밸브(1)의 제 2 실시예를 도시하고, 연료 분사 밸브(1)는 도 1 내지 3에 도시된 연료 분사(1)와는 달리 외부 개방형 연료 분사 밸브(1)로서 구현된다.
이 경우 도 5A는 연료 분사 밸브(1)와 통합된 점화 플러그(2)의 분사측 단부의 매우 개략적인 측면도를 도시한다. 상기 실시예에서와 같이 연료 분사 밸브(1)는 노즐 바디(3)를 포함하고, 상기 노즐 바디 내에 밸브 니들(6)이 안내된다. 밸브 니들(6)은 분사측 단부에서 밸브 폐쇄 바디(7)를 포함하고, 상기 밸브 폐쇄 바디는 밸브 시이트 바디(4)에 형성된 밸브 시이트면(8)과 함께 밀봉 시이트를 형성한다. 연료 분사 밸브(1)는 밸브 폐쇄 바디(7)의 원추형 형성으로 인해 원추면형 혼합물 구름(15)을 분사한다.
도 5A에서 알 수 있는 바와 같이, 전극(10)의 축방향 길이는 혼합물 구름(15)이 전극들(10,12) 또는 그 사이에 놓인 스파크 갭(13)을 완전히 덥지 않고 접선으로 지나가도록 설정된다. 이것은 분사 방향 반대로 본 연료 분사 밸브(1)와 점화 플러그(2)의 분사측 단부의 조감도를 도시한 도 5B에서도 알 수 있다. 이 경우 연료의 출구 영역 위의 축방향 높이는 대략 5mm 이다. 원추면형 혼합물 구름(15)의 개방각은, 혼합물 구름이 직접 분사되지 않으면서 스파크 갭(13)이 화학량론의 혼합물의 영역에 놓이도록 즉시 커진다. 이것은 점화 플러그(2)의 수명에 있어서 바람직한데, 그 이유는 열 쇼크 부사가 너무 강하지 않고 전극들(10,12)도 덜 부식되기 때문이다.
도 5A 및 5B에 도시된 통합된 점화 플러그(2)를 포함한 연료 분사 밸브(1)의 제 2 실시예용으로 특히 도 4A 내지 4C에 도시된 전극들(10,12)의 실시예도 사용될 수 있다.
구조적 특징을 잘 나타내기 위해, 도 6A 내지 6D에 도시된 내연기관의 상이한 부하 상태에서 분사 및 점화 곡선의 다이어그램이 사용된다.
이 경우 도 6A는 내연 기관의 회전수(n)에 따른 부하(M)의 곡선의 간단한 도면을 개략적으로 도시한다. 수평으로 빗금친 표면 내부의 작동 상태는 층상 급기 모드 또는 부분 부한 모드로서 표시되는 반면에, 수직으로 빗금친 표면 내부의 작동 상태는 균질-균질 희박 모드 또는 전부하 모드로 표시된다. 이 경우 도 6B 및 6D는 층상 급기 모드의 영역으로부터 나온 작동 상태에 관련되는 반면에, 도 6C는 균질 모드의 영역으로부터 나온 작동 상태를 도시한다.
도 6B는 크랭크 샤프트 영역(°KW)에 걸친 시간(ti)동안 분사 단계를 나타내는, 가능한 분사- 및 점화 곡선을 도시한다. 점화는 상사점 이전에 분사 시작 직후에 이루어진다.
대안적으로 고유의 분사 이후에 점화를 위한 최소량의 분사가 이루어지는 도 6D에 도시된 분사- 및 점화 곡선도 가능하다.
이것은 도 6C에 도시된 바와 같이 균질 모드에서도 가능한, 메인 분사와 최소량 분사 사이에 더 큰 크랭크 샤프트 각 범위가 놓인다는 것을 전제로 한다.
본 발명은 도시된 실시예에 국한되지 않고 연료 분사 밸브(1)와 점화 플러그(2)의 임의의 구조에서도 적용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 연료를 적어도 하나의 분사구(5)를 통해 내연 기관의 연소실로 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브(1),
    제 1 전극(10)을 포함하는 스파크 플러그 절연체(9)를 구비한, 연소실에 분사된 연료를 분사하기 위한 점화 플러그(2) 및
    스파크 갭(13)에 의해 제 1 전극(10)으로부터 이격된 제 2 전극(12)을 포함하는
    조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브(1)와 점화 플러그(2)의 스파크 플러그 절연체(9)가 공동 하우징(11) 내에 배치되고,
    상기 스파크 갭(13)이 50 내지 300 ㎛의 폭을 가지고 분사구(5) 앞에서 3 내지 15 mm의 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전극(12)이 공동 하우징(11)에 고정되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전극들(10; 12)이 직선으로 형성되어 직경 방향으로 마주 놓이는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전극들(10; 12)이 피치 서클형으로 구부러지는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들(10; 12)이 서로 향한 단부들(14)에서 경사지거나 또는 원추형으로 테이퍼링되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들(10;12)이 하우징(11) 내의 연료 분사 밸브(1) 및 점화 플러그(2)의 종축(16)에 대해 평행하게 배치되고, 스파크 갭(13)의 형성을 위해 직각으로 구부러지는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들(10;12)이 스파크 갭(13)의 형성을 위해 아크 형태로 서로 구부러지는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들(10;12)의 단부들(14)이 직각으로 구부러짐으로써, 서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브(1)가 다수의 분사구를 가진 내부 개방형 연료 분사 밸브(1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 하우징(11)의 정면측(17)에 대해 평행하게 진행하는 전극들(10;12)의 부분이 동일한 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 스파크 갭(13)이 상기 연료 분사 밸브(1)의 종축(16)의 축방향 연장부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 하우징(11)의 정면측(17)에 대해 평행하게 진행하는 전극들(10;12)의 부분이 상이한 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  13. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브(1)가 외부 개방형 연료 분사 밸브(1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브(1)에 의해 분사된 원추면형 혼합물 구름(15)이 스파크 갭(13)을 접선으로 스치도록 상기 스파크 갭(13)은 전극들(10;12) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 조합된 연료 분사 밸브-점화 플러그.
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