KR20070103927A

KR20070103927A - 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터

Info

Publication number: KR20070103927A
Application number: KR1020060035853A
Authority: KR
Inventors: 이강수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-10-25
Also published as: KR101209714B1

Abstract

디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 EHD(Electrohydrodynamics ; 전기유체역학)기술을 접목하여 분사 연료의 미립화 및 입자의 크기를 보다 정밀하게 제어하도록 하는 것으로,

인젝터의 팁에 형성되어 연료를 분사시키는 노즐의 양측면부에 배치되는 제1전극과, 연소실내에 위치되는 노즐의 저면부에 배치되는 제2전극 및 엔진제어수단에서 공급되는 제어전원을 상기 제1전극 및 제2전극에 인가하는 전극단자를 포함하는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터를 제공한다.

인젝터, 커먼 레일, 전기유체역학

Description

디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터{A COMMON RAIL TYPE INJECTOR OF DIESEL ENGINES}

도 1은 종래 기술에 의한 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터 팁의 확대 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터 팁의 저면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터의 다른 실시예의 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 노즐 110A,110B : 제1전극

120A,120B : 제2전극 130A,130B : 전극단자

본 발명은 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 EHD(Electrohydrodynamics ; 전기유체역학)기술을 이용하여 분사 연료의 미립화 및 입자의 크기를 보다 정밀하게 제어하도록 하는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 관한 것이다.

일반적으로 디젤 엔진의 개발에서 가장 중요시 하는 항목은 연료 공급시스템에서의 분무 미립화이다.

연료의 분무 미립화를 촉진하기 위한 방법으로는 인젝터의 노즐 구멍을 소형화시키고, 연료분사를 고압으로 행하며 분사 연료를 미리 준비된 충돌부에 충돌시킴으로써 입자의 평균 직경이 작게 되도록 한다.

이를 위해 전자 제어를 통해 분사압력의 발생과 분사과정이 완전히 별개로 이루어지는 커먼 레일 연료분사시스템(Common Rail Fuel Injection System)을 적용하는 추세이다.

커먼 레일 연료분사 시스템은 제어용 ECU, 연료탱크로부터의 연료를 흡입하여 고압으로 공급하는 고압발생장치인 고압펌프, 고압으로 압축된 연료를 축압하는 커먼 레일, 커먼 레일의 일측에서 연료압을 검출하는 압력센서, 연소실로 연료를 분사하는 인젝터 및 고압 및 저압용 연료 파이프 등으로 이루어진다.

커먼 레일 연료분사 시스템에 적용되는 커먼 레일용 인젝터는, 도 1에 도시한 바와 같이, 인젝터 바디(21)의 상부에 솔레노이드 밸브(23)가 구성되며, 솔레노이드 밸브(23)의 하부에는 블리이드 오리피스 통로(25)를 개폐시키도록 밸브 볼(27)을 아마츄어(29)가 누른 상태로 위치되어 상기 솔레노이드 밸브(23)에 의해 상하로 작동 가능하게 구성된다.

그리고 상기 인젝터 바디(21)의 내측 하부에는 밸브 피스톤(31)과 노즐 니들(33)이 구성되며, 상기 밸브 피스톤(31)의 상부에는 상기 블리이드 오리피스 통 로(25)와 연결되는 밸브 제어실(35)이 형성된다.

또, 인젝터 바디(21)의 일측으로는 고압연료입구(39)가 구성되며, 상기 고압연료입구(39)는 상기 노즐 니들(33)의 외측으로 형성되는 고압실(41)까지 연료공급통로(43)로 연결된다.

이 때, 상기 밸브 제어실(35)은 상기 공급 오리피스 통로(37)를 통하여 상기 연료공급통로(43)의 일측에 연결된다.

그리고 상기 노즐 니들(33)의 상부에는 상기 밸브 피스톤(31)과 연결되는 연결부(45)에서, 니들 스페이스(47)가 형성되며, 상기 니들 스패이스(47) 내부에는 노즐 스프링(49)이 노즐 니들(33)을 하향하여 탄성력으로 지지하게 된다.

따라서, 상기한 바와 같은 구성의 커먼 레일용 인젝터의 작동은, 먼저 고압의 연료가 연료공급통로(43)를 통하여 항시 노즐 팁(51)까지 결려 있는 상태이며, 밸브 피스톤(31) 상단 즉, 밸브 제어실(35)에도 고압이 걸려 있어 상호 힘의 평형에 의하여 연료가 분사되지 못하다가 밸브 볼(27)을 누르고 있는 아마츄어(29)가 상기 솔레노이드 밸브(23)에 의하여 들림으로서 밸브 피스톤(31)의 상단 즉, 밸브 제어실(35)에 걸리는 고압의 연료가 블리이드 오리피스(25)를 통하여 리턴된다.

그러면, 상기 밸브 제어실(35)에서, 밸브 피스톤(31)의 상단에 걸리는 고압은 노즐 팁(51)에 걸려있는 고압보다 상대적으로 낮아져 힘의 균형이 깨어지게 되고, 이에 따라서 인젝터 하단의 노즐 홀(53)을 막고 있던 노즐 니들(33)이 상부로 들려 연소실에 연료가 분사되는 것이다.

이러한 커먼 레일용 인젝터는 엔진의 회전속도와는 상관없이 회전속도가 낮 을 때도 고압분사가 가능해져서 연료 입자의 미립화가 촉진되고 증발율이 증가하여 연료대 공기의 혼합을 향상시켜 완전 연소를 추구할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 분사압의 고압화로 인하여 아이들링과 저부하의 조건에서 소음이 발생되는 발생되는 단점이 있다.

또한, 고압을 생성시키는 과정에서 동력 손실이 발생되고, 고압의 형성으로 인하여 노즐에서 연료의 누설이 발생되어 안정성이 저하되는 단점이 있다.

그리고, 엔진의 속도의 변화에 상관없이 분사압이 일정한 것이 이상적이나 현재 사용되고 있는 인라인 펌프방식은 엔진속도에 비례하여 분사압력이 증가하기 때문에 특히 저속에서 분사 압력이 낮게 형성되는 단점이 있다.

분무 개선을 위한 다른 방법으로 분사 연료의 벽면 충돌을 이용하는 방법, 즉 분사된 연료를 미리 마련된 충돌부에 충돌시킴으로써 분사 입자(액적)의 평균직경을 작게 만드는 기술이 적용되고 있는데, 이의 경우 제작이 어렵고 내구성 등에 단점이 있으며, 분사 입자(액적)의 크기를 정밀하기 제어하지 못하는 단점이 있다.

또한, 인젝터 노즐의 직경을 작게하고 개수를 증가시킴으로써, 분무의 미립화를 촉진시켜 연료와 공기의 혼합을 향성시키고 매연 및 PM(Particulate Matter)을 저감시킬 수 있으나, 현재의 가공 기술로는 노즐의 직경을 0.1mm 이하의 수준으로 정밀하게 가공하는데 많은 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 인젝터의 노즐에 전기장을 발생시키는 복수개의 전극을 배치하여 EHD(전기 유체역학)를 통해 분사되는 연료의 미립화(Break Up)를 향상시킴으로써, 고압화에 따른 기계적 손실과 부담을 최소화하고 분사 입자의 크기를 보다 정밀하게 제어할 수 있도록 한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 있어서, 인젝터의 팁에 형성되어 연료를 분사시키는 노즐의 양측면부에 배치되는 제1전극과; 연소실내에 위치되는 노즐의 저면부에 배치되는 제2전극 및; 상기 제2전극에 엔진제어수단에서 공급되는 제어전원을 상기 제1전극 및 제2전극에 인가하는 전극단자를 포함하는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터를 제공한다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터 팁의 확대 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터 팁의 저면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터의 다른 실시예의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 인젝터의 팁(A)에 형성되어 연료를 분 사시키는 노즐(100)의 양측면부에 제1전극(110A,110B)을 배치하고, 연소실내에 위치하는 저면부에 제2전극(120A,120B)을 배치하며, 제2전극(120A,120B)에 전극단자(130A,130B)를 연결하여 구성한다.

상기 전극단자(130A,130B)는 도시되지 않은 엔진제어수단과 연결되어 제1전극(110A,110B) 및 제2전극(120A,120B)에 공급되는 전압 및 전류가 제어된다.

상기한 구조를 갖는 본 발명에 따른 인젝터의 분무 미립화를 향상시키는 동작은 다음과 같다.

전도성을 갖는 고압의 액상 연료가 노즐을 통해 분사되는 과정에서 도시되지 않은 엔진제어수단은 전극단자(130A,130B)에 엔진 회전수의 조건에 따라 설정된 전압 및 전류를 공급한다.

따라서, 제1전극(110A,110B)은 인가되는 전압 및 전류에 의해 전기장을 발생시켜 내측으로 미는 힘을 발생시키게 되며, 이에 따라 전도성을 갖는 액체의 연료는 전기장에 의해 노즐 구멍의 중심으로 모아져 측면과의 마찰력이 발생되지 않도록 한다.

그러므로, 액체 연료의 분사에 따른 빠른 이동성(고압/고속)이 향상된다.

이와 같이 제1전극(110A,110B)에 의해 분사되는 액체 연료에 빠른 이동성이 확보되어 있는 상태에서 연소실에 분사되는 경우 연소실의 저면부에 배치되는 제2전극(120A,120B)은 인가되는 전압 및 전류에 의해 전기장을 발생시켜 전도성을 갖는 액체 연료를 당기는 인력을 발생시킨다.

따라서, 연소실에 분사되는 액체 연료는 제2전극(120A,120B)에서 형성되는 전기장에 의해 스프레이되어 미립화가 이루어짐과 동시에 연소실내에 고른 분사를 제공한다.

상기에서 엔진제어수단의 전압 및 전류의 제어를 통해 연소실에 분사되는 연료의 분무 입자의 크기(액적)와 속도 제어에 관한 사항은 기본 전기장 이론과 확산 직전에 전하를 띤 구형 액체입자를 유지할 수 있는 최대 전하에 대한 이론적 배경을 제시하는 'Rayleigh Criterion' 고려하여 하기의 수학식 1을 통해 예측할 수 있다.

여기서 ε는 유전율을 의미하고, ρ는 연료 용액의 밀도를 의미하며, γ는 연료 입자간의 장력을 의미한다.

상기 수학식 1은 입자 질량에 대한 전하량의 평균값으로 제1전극(110A,110B)에 걸리는 전류[I]와 연료 용액의 유량에 대한 dv/dt의 항으로 표현하면 하기의 수학식 2와 같이 된다.

따라서, 상기의 수학식 1에서 알 수 있듯이 분사 입자 크기(액적)의 반지름 r은 <q/m>에 따라 공급 연료의 유량과 제1전극(110A,110B)에 걸리는 전류량에 의존 해 결정됨을 알 수 있다.

또한, 분사되는 연료의 속도 또한 하기의 수학식 3에 의해 결정된다.

여기서, Ve는 제1전극(110A,110B)에 걸리는 전압을 의미한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 제1전극(110A,110B) 및 제2전극(120A,120B)에 의한 전기장의 영향으로 미립화되어지는 분사 연료 입자의 크기는 공급 연료의 유량 감소와 전기장의 세기 증가와 더불어 선형적으로 감소한다.

또한, 분사 연료 입자의 크기와 분사속도는 연료 자체의 물성치와 노즐과 연소실간의 압력차에 의존하므로 이들 인자간의 조합으로 최적의 스프레이 조건을 도출할 수 있게 된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 노즐 팁의 단면을 보다 효과적으로 활용하기 위하여 노즐의 개수를 2개 이상의 복수개로 형성하고, 제1전극(110) 및 제2전극(120)을 환형으로 배치하여 분사 연료 입자의 미립화를 촉진하는 방법으로 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터의 다른 실시예에 대한 구성도이다.

도시된 바와 같이, 인젝터의 팁(A)에 형성되어 연료를 분사시키는 노즐(100)의 양측면부에 제1전극(110A,110B)을 배치하고, 연소실내에 위치하는 저면부에 제2 전극(120A,120B)을 배치하며, 제2전극(120A,120B)에 전극단자(130A,130B)를 연결하여 구성하는 도 2의 구성에 연소실 내부의 소정 위치에 제3전극(140A,140B)의 더 배치한다.

상기 제3전극(140A,140B)은 중화체의 역할을 하는 것으로, 전하를 띤 상태로 미립화되어 분사되는 액체 연료가 전기적으로 응집되는 것을 차단시켜 도시된 바와 같이 안정된 스프레이 효과를 제공한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 전기장을 이용한 EHD 기술을 접목시켜 연소실에 분사되는 연료의 미립화를 향상시키고, 입자 크기의 조절함으로써, 연소 효율의 증가와 더불어 미연소의 감소에 따른 배기가스의 안정된 효과를 제공한다.

또한, 기존 노즐홀과 비교하여 큰 직경에서도 분사되는 연료의 고속 제어와 미립화의 제어로 인젝터의 노즐 가공에 있어 편리성을 제공한다.

Claims

디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 있어서,

인젝터의 팁에 형성되어 연료를 분사시키는 노즐의 양측면부에 배치되는 제1전극과;

연소실내에 위치되는 노즐의 저면부에 배치되는 제2전극 및;

엔진제어수단에서 공급되는 제어전원을 상기 제1전극 및 제2전극에 인가하는 전극단자를 포함하는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.
제1항에 있어서,

상기 제1전극은 노즐을 통과하는 연료의 고속 흐름을 위해 엔진제어수단에서 인가되는 제어 전원에 자기장을 발생시켜 노즐을 통과하는 연료를 노즐의 중심부로 응집시키는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.
제1항에 있어서,

상기 제2전극은 연소실에 분사되는 연료의 미립화를 위해 엔진제어수단에서 인가되는 제어전원에 자기장을 발생시켜 분사 연료를 스프레이시키는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.
제1항에 있어서,

상기 제1전극 및 제2전극에서 발생되는 자기장은 전도성을 갖는 분사 연료에 인력 및 척력을 발생시키는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.
제1항에 있어서,

상기 인젝터 팁에 형성되는 노즐을 다수개로 구성하고, 제1전극 및 제2전극을 환형으로 배치하는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.
디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터에 있어서,

인젝터의 팁에 형성되어 연료를 분사시키는 노즐의 양측면부에 배치되는 제1전극과;

연소실내에 위치되는 노즐의 저면부에 배치되는 제2전극;

엔진제어수단에서 공급되는 제어전원을 상기 제1전극 및 제2전극에 인가하는 전극단자 및;

연소실내에 위치되며, 상기 제2전극과 소정 거리에 배치되어 중화체의 역할을 하는 제3전극을 포함하는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.
제6항에 있어서,

상기 제3전극은 상기 엔진제어수단에서 공급되는 제어전원에 의해 자기장을 발생시켜 제2전극에서 의해 미립화된 분사 연료가 전기적으로 응집되는 것을 방지시키는 디젤 엔진의 커먼 레일용 인젝터.