KR20050070393A - 커먼 레일 인젝터의 노즐 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커먼 레인 인젝터의 노즐 구조에 관한 것으로,

바디의 연료 라인을 통과한 연료가 연소실을 향해 분무될 수 있도록 상기 바디의 하단부에 노즐이 마련되고, 엔진의 연료분사 타이밍에 따라서 상기 노즐이 개폐될 수 있도록 상기 바디의 내부에 니들이 수용되는 커먼 레인의 인젝터에 있어서,

상기한 노즐의 입구부 구간은 그 직경이 점차로 감소되는 축소관으로 형성되고, 상기한 입구부 후측의 스로틀을 지나 출구부에 이르기까지의 구간은 그 직경이 점차로 증대되는 확대관으로 형성되어, 상기 노즐의 단면형상이 나발 모양을 이루는 것을 특징으로 하고,

상기한 스로틀 부분의 단면적과 상기 출구부의 단면적의 비율은 1:7 내지 1:9의 비율의 범위내에서 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

커먼 레일 인젝터의 노즐 구조{Injector nozzle}

본 발명은 커먼 레일 인젝터의 노즐 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 연소실로 연료가 분사되는 과정에서 연료의 미립화가 더욱 촉진되도록 하기 위한 커먼 레인 인젝터의 노즐 구조에 관한 것이다.

엔진의 성능향상은 물론, 연비 향상과 배기가스규제의 대응을 위해 디젤 엔진은 더 높은 고압 분사화로 발전하고 있으며, 최근의 커먼 레일 시스템(Common rail system)은 최대 분사압력 1800~2000bar까지 실현이 가능하게 되었다.

현재 개발되어 있는 커먼레일 전자식 연료분사 시스템은 고압연료펌프로부터 생성된 고압의 연료를 연료파이프를 통해 커먼레일로 전달하고, 레일에서 각 기통간의 인젝터로 ECU의 제어신호에 따라 공급되어 분사되도록 설계되었다.

도 4는 종래의 일반적인 커먼 레일 엔진의 구성도로서, 연료 펌프(10)에서 펌핑된 연료는 연료 피드 라인(11)을 따라서 커먼 레일(12)로 공급되고, 커먼 레일(12)에서 각각의 인젝터(20)로 분배된 연료는 고압으로 연소실 내로 분사된다. 한편, 상기한 커먼 레일(12)의 일측에는 압력조정밸브(14)가 장착되므로서, 상기 커먼 레일(12)에서 각 인젝터(20)로는 일정한 압력으로 연료가 공급되도록 구성되고, 상기 압력조정밸브(14)에 설정된 압력값 이상의 연료는 연료 리턴 라인(15)을 통해서 연료 탱크(14)로 귀환된다. 또한, 상기한 커먼 레일(12)의 다른 일측에 장착된 압력센서(17)에서 입력되는 압력값이 항상 일정수준 이상이 유지될 수 있도록 전자제어장치(18)에서는 연료 펌프(10)의 구동을 제어하도록 구성된다.

그리고 상기한 커먼 레일(12)에서 인젝터(20)로 공급되었으나, 전자제어장치(18)의 제어에 의해 분사량이 조절된 후 잉여된 연료는 상기한 연료 리턴 라인(15)을 통해 연료 탱크(16)로 귀환된다.

상기와 같이 구성되는 커먼 레일 시스템의 인젝터는 일반적으로 몸체의 상부에 전자제어하기 위한 솔레노이드가 상부 일측에 형성되고, 상기 솔레노이드 하측의 몸체 내부에 연료분사를 제어하기 위한 앵커 볼트, 앵커 플레이트, 볼, 노즐 스프링, 밸브 스프링, 밸브 피스톤, 니들 등의 부품들로 구성되어 있다.

따라서 상기한 연료 피드 라인(11)을 통해 인젝터(20)로 공급된 연료는 니들의 상하이동에 따라서 노즐이 개방되어 연소실로 분사된다. 이와 같은 인젝터(20)가 적용되는 커먼 레인 시스템은 일반적으로 솔레노이드의 제어만으로 연료의 분사가 가능한 엔진으로 연료의 분사시기, 분사량, 분사횟수의 자유로운 조절이 가능한 장점이 있는 것이다.

한편, 도 5는 종래의 커먼 레인 시스템에 적용되는 인젝터의 노즐부를 확대단면한 도면으로서, 상기한 인젝터(20)의 바디(21)의 하단에는 연료가 분무되기 위한 노즐(22)이 관통형성되고, 상기 바디(21)의 내부공간에는 상기 노즐(22)을 개폐하기 위한 니들(23)이 수용된다. 따라서 상기한 니들(23)이 전자제어에 의해서 상하이동되면서 상기 노즐(22)이 개방되어 바디(21)의 일측으로 마련된 연료라인(24)을 통과한 연료가 연소실로 분무될 수 있게 되는 것이다.

그런데 종래의 일반적인 커먼 레일 시스템에 적용되는 인젝터의 노즐의 구조는 도면에 도시된 바와 같이 입구부분과 출구부분의 단면형상이 일정하게 형성되거나, 캐비테이션(Cavitation) 현상을 줄이기 위해 단면이 점차 감소되는 형태를 취하게 된다. 따라서 종래의 일반적인 인젝터에 형성되는 바와 같은 형상의 노즐에서는 노즐의 보어 내에서의 연료의 속도가 초음속인 경우에 압축성 유체의 특성에 의해서 노즐을 통과하는 연료의 속도가 줄어들게 되므로서, 연료의 모멘텀이 감소되어 연소실로 분무되는 연료의 미립화(Atomization)에 악영향을 미치게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 엔진의 연소실로 연료가 분사되는 과정에서 연료의 미립화가 더욱 촉진되도록 하기 위한 커먼 레인 인젝터의 노즐 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

바디의 연료 라인을 통과한 연료가 연소실을 향해 분무될 수 있도록 상기 바디의 하단부에 노즐이 마련되고, 엔진의 연료분사 타이밍에 따라서 상기 노즐이 개폐될 수 있도록 상기 바디의 내부에 니들이 수용되는 커먼 레인의 인젝터에 있어서,

상기한 노즐의 입구부 구간은 그 직경이 점차로 감소되는 축소관으로 형성되고, 상기한 입구부 후측의 스로틀을 지나 출구부에 이르기까지의 구간은 그 직경이 점차로 증대되는 확대관으로 형성되어, 상기 노즐의 단면형상이 나발 모양을 이루는 것을 특징으로 하고,

상기한 스로틀 부분의 단면적과 상기 출구부의 단면적의 비율은 1:7 내지 1:9의 비율의 범위내에서 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 인젝터 노즐의 구성 및 작용에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의해 형성된 인젝터의 노즐부를 단면한 도면이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명에 의한 인젝터의 노즐에서 측정되는 압력과 속도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 30은 본 발명에 의해서 형성되는 인젝터를 지시하는 것이다.

상기한 인젝터(30)는 바디(31)의 길이방향으로 니들(34)이 수용되기 위한 내부공간(32)과, 연료공급라인과 연결되는 연료라인(33)이 종래의 일반적인 인젝터에서와 같이 길게 형성된다.

그리고 바디(31)의 하단부에는 상기 연료라인(33)을 통과하는 연료가 연소실을 향해서 분사될 수 있도록 하기 위한 다수의 노즐(40)이 관통형성된다.

특히, 본 발명에 의해 형성되는 노즐(40)은 단면형상이 전체적으로 나발(나팔) 형상을 이룬다. 즉, 상기한 노즐(40)을 단면하여 보이는 단면형상을 입구부(41) 중간부(42) 출구부(43)로 구분하여 설명하면, 상기 입구부(41) 구간은 그 직경이 점차로 감소하는 축소관 형태(Convergent)로 형성되고, 상기한 입구부(41) 후측의 스로틀(44)을 기점으로 상기 입구부(41) 후방부터 중간부(42)를 지나 출구부(43)에 이르기까지의 구간은 그 직경이 점차로 증대되는 확대관 형태(Divergent)로 형성되는 것이다.

상기한 스로틀(44) 부분의 단면적과 상기 출구부(43)의 단면적의 비율은 1:7 내지 1:9의 비율의 범위내에서 형성된다. 특히, 상기한 범위 내에서도 스로틀(44) 부분의 단면적과 출구부(43)의 단면적 비율이 1:8을 이룰 때에 본 발명의 효과측면에서 가장 바람직하다.

상기와 같이 연료가 통과되는 노즐(40)의 구간을 나발형상으로 형성하는 이유는, 상기 나발형태의 유로에서 확관부를 지나는 압축성 유체는 속도가 증가되기 때문에 모멘텀이 증가될 수 있는 이론을 적용하여 상기 노즐(40)을 통과하는 연료의 미립화(Atomization)가 촉진될 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 2와 도 3은 상기한 노즐의 스로틀(44) 부분과 출구부(43)의 단면적 비가 1:8의 비율로 형성되고, 노즐(40)의 입구부(41) 전방측과 출구부(43) 후방측의 연료압력은 각각 9~17 bar, 1300~1400 bar로 그 압력의 비는 약 0.01 내외가 될 때에, 상기한 노즐의 각 구간에서 측정되는 압력과 속도의 변화를 나타낸 그래프이다.

참고로, 도 2와 도 3에 도시된 그래프의 가로축은 각각 노즐 시작위치에서 부터의 거리를 전체길이로 나눈값이다. 그리고 도 2에 도시된 그래프의 세로축은 각 위치에서의 연료의 압력을 노즐 시작점에서의 압력으로 나눈값이며, 도 3에 도시된 그래프의 세로축은 각 거리에서의 연료의 속도를 마하수(Mach No.)로 나타낸 값이다.

상기한 속도 그래프에서 연료의 속도는 상기 스로틀(44) 부분에서 마하(Mach) 1에 도달된 후 노즐의 출구부(43)를 통과할 때까지 계속해서 증가됨을 알 수 있다.

그리고 액체의 미립화의 척도를 나타내는 무차원 수인 웨버 넘버(Weber number)는 액체가 유동에 의해서 가지는 관성력(Inertia force)과 액체 내부의 표면장력(Surface force)의 비로 나타내어진다. 즉, 액체가 관성력이 표면장력보다 커지면 액체는 더 작은 입자로 나누어지게 된다. 또한, 일정한 크기의 유체에서 표면장력은 일정하지만 관성력은 속도가 커질수록 증가하게 된다.

연료가 연소실로 분사될 때에 상기한 나발 모양으로 형성된 노즐(40)을 통과하면서 상기와 같은 원리가 적용되어 연료의 속도가 증가되고, 연료의 미립화는 더욱 촉진되어진다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 인젝터에 마련된 노즐의 단면형상이 축소관, 스로틀, 확대관이 차례로 형성된 나발형상으로 형성되므로서, 인젝터에서 분사된 연료가 상기한 노즐의 출구부를 통과하면서 속도가 증가되면서 미립화가 촉진되어 연소실로 분무된 연료의 연소효율이 증대될 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의해 형성된 인젝터의 노즐부를 단면한 도면.

도 2는 본 발명에 의한 인젝터 노즐에서 측정된 압력변화를 도시한 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 인젝터 노즐에서 측정된 속도변화를 도시한 그래프.

도 4 내지 도 5는 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 인젝터 31 : 바디

32 : 내부공간 33 : 연료라인

34 : 니들 40 : 노즐

41 : 입구부 42 : 중간부

43 : 출구부 44 : 스로틀

Claims (2)

1. 바디의 연료 라인을 통과한 연료가 연소실을 향해 분무될 수 있도록 상기 바디의 하단부에 노즐이 마련되고, 엔진의 연료분사 타이밍에 따라서 상기 노즐이 개폐될 수 있도록 상기 바디의 내부에 니들이 수용되는 커먼 레인의 인젝터에 있어서,

   상기한 노즐(40)의 입구부(41) 구간은 그 직경이 점차로 감소되는 축소관으로 형성되고, 상기한 입구부(41) 후측의 스로틀(44)을 지나 출구부(43)에 이르기까지의 구간은 그 직경이 점차로 증대되는 확대관으로 형성되어, 상기 노즐(40)의 단면형상이 나발 모양을 이루는 것을 특징으로 하는 커먼 레일 인젝터의 노즐 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 스로틀(44) 부분의 단면적과 상기 출구부(43)의 단면적의 비율은 1:7 내지 1:9의 비율의 범위내에서 형성된 것을 특징으로 하는 커먼 레일 인젝터의 노즐 구조.