KR20070116248A - 연료 분사 밸브 - Google Patents

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Abstract

연료 분사 밸브(1)는 공기 압착, 자기 점화 엔진의 연료 분사 밸브(1)를 위한 인젝터로서 밸브 하우징을 포함한다. 밸브 하우징(4)은 제1 하우징 부분(1) 및 제2 하우징 부분(3)으로 구성되고, 연결 영역(60) 내에서 서로 연결된다. 내부 공간(12)에서 지배적인 연료의 압력에 관한 연결의 강성을 개선하기 위해 연결 영역(60) 내 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)는 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)에서 지지되고 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)는 연결 영역(60) 내에서 더 강하게 차단된다.
연료 분사 밸브, 밸브 하우징, 하우징 부분, 하우징 벽부

Description

연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 엔진의 연료 분사 장치용 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 특히 본 발명은 공기 압착식 자기 점화 엔진의 연료 분사 장치용 인젝터에 관한 것이다.
엔진으로 디젤 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사 밸브는 DE 101 64 123 A1호에 공지되어 있다. 공지된 연료 분사 밸브는 복수의 하우징 부분으로 구성된 밸브 하우징을 포함하는데, 밸브 하우징은 연료 유입 튜브와 연결된다. 또한 밸브 하우징의 내부에는 압력 챔버로 합류하고 연료의 관류를 위한 채널이 형성되는데, 압력 챔버는 분사 방향으로 보면 연료 분사 밸브의 행정 변경 장치의 하부, 밸브 하우징의 내부에 제공된다. 연료의 고압으로 인해 채널 영역 내에는 높은 힘이 작용하므로, 특히 연료 채널 영역 내의 하우징 부분이 견고하게 구성된다. 연료 분사 밸브 작동시 고압 연료가 제공되는 제어 공간 영역 내에는, 밸브 하우징의 하우징 부분이 마찬가지로 견고하게 구성된다.
따라서 DE 101 64 123 A1호에 공지된 연료 분사 밸브는 많은 재료의 사용으로 높은 제작 비용이 요구되고 또한 사용 가능한 내부 공간과 관련되어 연료 분사 밸브의 크기가 확대되는 단점을 갖는다. 또한 연료 분사 밸브의 확대에는 행정 변경 장치의 하부에 제공된 압력 챔버로의 연료의 관류를 위한 채널의 구성도 기여한 다.
본 발명에 따른 청구항 제1항의 특징을 갖는 연료 분사 밸브는 최적화된 재료 사용으로 연료 분사 밸브의 밸브 하우징의 안정성이 보장될 수 있다는 장점을 갖는다. 특히 밸브 하우징의 하우징 부분들 사이의 밀봉부가 개선된다. 따라서 배경 기술에 비해 적은 제작 비용으로, 특히 적은 재료 비용으로 동일한 안정성을 얻을 수 있고, 또한 연료 분사 밸브를 위해 필요한 설치 공간이 더 감소될 수 있다.
종속항에 제시된 방법에 의해 청구항 제1항에서 설명된 연료 분사 밸브의 바람직한 구성이 가능하다.
바람직한 양태에서 제1 하우징 부분의 하우징 벽부 및 제2 하우징 부분의 하우징 벽부가 밸브 하우징의 내부 공간을 한정하고, 연료 분사 밸브 작동 시 고압 하에 있는 연료가 제공된다. 이에 의해 연료가 밸브 하우징 내부 공간을 통해 추가 연료 채널의 필요 없이 직접 안내될 수 있다. 밸브 하우징의 두 하우징 부분 사이의 교차점에 대한 밀봉 작용은 본 발명에 따른 구성에 의해 보장된다.
클램핑 너트에 의해 제2 하우징 부분과 제1 하우징 부분이 클램핑 너트에 의해 연결되는 것은 바람직하다. 또한 제1 하우징 부분은 외측 나사를 포함하고, 클램핑 너트는 내측 나사를 포함하며, 클램핑 너트의 내측 나사는 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분의 연결을 위해 결합되고, 클램핑 너트는 제1 하우징 부분과 클램핑 너트 결합된 나사 경로를 통해 적어도 거의 균일한 힘 전달이 수행되도록 구성되는 것은 바람직하다. 통상적인 나사 연결로 제1 벽부 경로 유지력의 큰 부분이 제공된다. 클램핑 너트의 적절한 구조에 의해 연료의 고압에 의해 야기된 응력이 확실히 최적화될 수 있고, 특히 일정하게 분배됨으로써, 최대 응력이 방지되고 일정한 응력 충전이 발생하고, 내압에 의해 발생하는 응력이 추가로 감소 될 수 있다. 따라서 클램핑 너트의 구성은 유한 요소법(Finite-Element-Method) 중 하나를 이용하여 사용되는 방법이 결정될 수 있다. 특히 클램핑 너트는 적어도 전방에서 결합되는 나사 경로 영역 내에서 후방에서 결합되는 나사 경로의 영역 보다 적은 벽 두께를 포함할 수 있다.
제2 하우징 부분이 원추형 보호 숄더를 포함하고 제1 하우징 부분이 보호 숄더에 지지되는 것은 바람직하다. 이러한 방식으로 반경 방향으로 제1 하우징 부분의 바람직한 지지가 달성되는데, 이때 연료 내압으로 인한 밀봉력 및 밀봉 기능이 하우징 부분들 사이의 교차점에서 지원된다.
바람직한 방식으로 제2 하우징 부분은 연결 영역 내에서 제1 하우징 부분보다 더 큰 벽 두께를 포함함으로써 지지 효과는 한층 더 개선된다. 대체 가능하게 또는 추가로 제2 하우징 부분이 높은 강성을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 제2 하우징 부분이 예컨대 높게 합금된 강철로 제작될 수 있어서, 전체 연료 분사 밸브의 제작과 관련하여 제작 비용이 최적화된다.
본 발명의 유리한 실시예는 이하 설명에서 도면을 참조로 더 자세히 언급된다.
도1은 본 발명의 연료 분사 밸브의 실시예의 축 방향 단면도이다.
도1은 본 발명의 연료 분사 밸브(1)의 실시예를 개략적인 축 방향 단면도로 도시한다. 연료 분사 밸브(1)는 특히 혼합기 압축식 자기 점화되는 연료 분사 밸브 시스템을 위한 인젝터로서 사용될 수 있다. 특히 연료 분사 밸브(1)는 상용차 또는 승용차를 위해 적합하다. 연료 분사 밸브(1)의 유리한 사용은, 디젤 연료를 고압 하에서 복수의 연료 분사 밸브(1)로 안내하는 커먼 레일을 갖는 연료 분사 시스템에 있다. 그러나 본 발명에 따른 연료 분사 밸브(1)는 다른 사용 경우에도 적합하다.
연료 분사 밸브(1)는 제1 하우징 부분(2) 및 제2 하우징 부분(3)으로 구성된 밸브 하우징(4)을 포함한다. 이러한 경우 제1 하우징 부분(2)은 인젝터 본체(2)로서 구성되고 제2 하우징 부분(3)은 노즐 본체(3)로서 구성된다. 또한 연료 분사 밸브(1)는 제2 하우징 부분(3)과 일체로 연결되는 밸브 본체(5)를 포함한다. 밸브 시트 면(6)은 밸브 시트 본체(5)에 형성되고, 밸브 시트 면(6)은 밸브 니들(7)에 의해 작동 가능한 밸브 폐쇄 본체(8)와 밀봉 시트에 대해 상호 작용한다. 또한 밸브 폐쇄 본체(8)는 밸브 니들(7)과 일체형으로 형성된다.
밸브 니들(7)은 제2 하우징 부분(3)의 밸브 니들 가이드(14)에서 안내되는 밸브 니들 피스톤(9)을 포함한다. 밸브 니들(7)은 실제로 제2 하우징 부분(3)의 내부에 배열된다.
연료 분사 밸브(1)의 제1 하우징 부분(2)은 개략 도시된 연료 유입 튜브(10) 를 포함하는데, 연료 분사 밸브(1)가 커먼 레일 또는 다른 장치에 연결되기 위해 상기 연료 유입 튜브에는 (도시되지 않은) 연료 도관이 연결 가능하다. 연료 유입 튜브(10)는 연료 채널(11)을 포함하는데, 연료 채널을 통해 연료가 연료 분사 밸브(1)의 밸브 하우징(4)의 내부 공간(12)으로 운반 가능하다. 또한 내부 공간(12)은 제1 하우징 부분(2) 및 제2 하우징 부분(3)에 의해 제공된다. 또한 제2 하우징 부분(3) 내에는 연료 챔버(13)가 형성되는데, 이는 밸브 니들 가이드(14)에 제공된 관통 개구부(15, 16)를 통해 내부 공간(12)과 연결되어 연료 채널(11)을 통해 연료 분사 밸브(1)로 유입된 연료가 내부 공간(12) 및 관통 개구부(15, 16)를 통해 연료 챔버(13)로 도달한다. 또한 연료의 압력은 예컨대 200MPa(2000 바)에 달할 수 있다.
밸브 하우징(4)의 내부 공간(12) 내에는 복수의 층으로 구성된 압전기 액츄에이터(17)가 배치된다. 액츄에이터(17)에는 한편으로는 액츄에이터 레그(18)가 형성되고, 이는 제1 하우징 부분(2)의 내부 면(19)에 지지된다. 제1 하우징 부분에서 액츄에이터 레그(18)의 맞은편에 전기 접속부(20)가 형성되고, 전기 선(21, 22)을 전기 공급선을 통해 제어기 등과 연결시키기 위해, 상기 접속부에는 (도시되지 않은) 전기 공급선이 연료 분사 밸브(1)와 연결될 수 있다. 전기 선(21, 22)은 제1 하우징 부분(2) 및 액츄에이터 레그(18)를 통해 밸브 하우징(4)의 내부 공간(12)으로 안내되고 전기 접촉부(23, 24)를 통해 액츄에이터(17)의 능동 층과 연결된다. 다른 한편으로는 액츄에이터(17)에는 액츄에이터 헤드(30)가 형성된다. 제어 응력을 갖는 액츄에이터(17)의 구동시 액츄에이터(17)의 충전이 수행되어, 액 츄에이터가 축방향(31)으로 밸브 스프링(32)의 힘에 대항하여 팽창됨에 따라, 액츄에이터(17)는 액츄에이터 헤드(30) 및 압력 판(33)에 의해 밸브 피스톤을 축 방향(31)으로 조절한다.
도1에 도시된 실시예에서 액츄에이터(17)의 충전에 의해 도1에 도시된 밸브 피스톤(34)의 초기 위치가 주어지고, 상기 위치 내에서 연료 분사 밸브(1)는 이하 계속 설명되는 바와 같이 폐쇄된 상태에 있다.
밸브 피스톤(34)은 압력 판(33)의 반대편 측면에서 제어 챔버 슬리브(35) 상에서 안내되고, 제어 챔버 슬리브(35)는 엣지(36)에 의해 스로틀 판(37)에 지지되고, 이에 의해 제어 챔버(38)가 형성된다. 또한 제어 챔버 슬리브(35)는 밸브 스프링(32)에 의해 구동되는데, 밸브 스프링(32)은 한편으로는 스로틀 판(33)에 다른 한편으로는 제어 챔버 슬리브(35)의 전방면에 지지된다. 연료 분사 밸브(1)의 비작동 상태에서 제어 챔버(38) 내 연료는 고압 하에 있다.
제어 챔버(38)는 스로틀 판(37) 내에 형성된 스로틀(39)에 의해 다른 제어 챔버(40)와 연결된다. 제어 챔버(40)는 밸브 니들 피스톤(9), 스로틀 판(37) 및 다른 제어 챔버 슬리브(41)에 의해 형성되고, 이는 한편으로는 엣지(42)를 통해 스로틀 판(37)에 지지되고 다른 한편으로는 다른 밸브 스프링(43)에 의해 구동된다. 밸브 스프링(43)은 한편으로는 제어 챔버 슬리브(41)에 지지되고 다른 한편으로는 밸브 니들 피스톤(9)에 의해 고정된 링 요소(44)에 고정된다. 연료 분사 밸브(1)가 차단된 도시된 초기 상태에서 연료 챔버(40) 내 연료는 고압 하에 있다.
밸브 피스톤(34), 제어 챔버 슬리브(35), 스로틀 판(37), 제어 챔버 슬리 브(41), 밸브 니들 피스톤(9) 및 밸브 스프링(32, 43)은 유압 커플러(45)의 부분이다. 유압 커플러(45)에 의해 특히 연료 분사 밸브(1)의 작동 중 온도 변화로 인해 야기되는 연료 분사 밸브(1)의 부품의 길이 변경이 보상된다. 또한 밸브 피스톤(34)과 제어 챔버 슬리브(35) 사이는 밸브 니들 피스톤(9)과 제어 챔버 슬리브(41) 사이와 마찬가지로 각각 누수 간격이 형성되는데, 누수 간격은 연료 유입 및 연료 유출을 작동 사이클에 비해 큰 시간 간격으로 가능하게 한다.
연료 분사 밸브(1)의 작동을 위해 액츄에이터(17)가 조절 응력의 감소에 의해 방전됨에 따라 액츄에이터는 축 방향(31)의 반대로 수축된다. 밸브 스프링(32)의 힘에 의해 압력 판(33)과 연결된 피스톤(34)의 변위가 축 방향(31)의 반대로 이루어지므로, 연료 압력은 제어 챔버(38) 내에서 현저하게 감소한다. 형성된 압력차를 기초로 하여 스로틀(39)에 의해 제어 챔버(40)와 제어 챔버(38) 사이에서 압력 보상이 이루어지고, 이에 의해 제어 챔버(40) 내의 연료 압력이 감소한다. 연료 고압에 의해 연료 챔버(13) 내에서 야기되고, 밸브 니들(7)의 밸브 니들 피스톤(9)에 있는 압력 숄더(50)에 인가된 힘이, 연료 밸브 스프링(43)의 힘으로부터 그리고 제어 챔버(40) 내 연료의 압력에 의해 생성되어 밸브 니들 피스톤(9) 상으로 대항 작용하는 힘을 극복한다. 이에 의해 밸브 니들 피스톤(9)의 조절이 축 방향(31)의 반대로 이루어짐에 따라 밸브 니들(7)과 연결된 밸브 폐쇄 본체(8)는 밸브 시트 본체(5)에 형성된 밸브 시트 면(6)으로부터 상승되고 밸브 시트 면(6)과 밸브 연결 본체(8) 사이에 형성된 밀봉 시트가 개방된다. 이에 의해 연료는 연료 챔버(13)로부터 개방된 밀봉 시트 및 분사 구멍(52)을 통해 (도시되지 않은) 엔진 의 연소 챔버로 분사된다.
연료 분사 밸브(1)의 차단을 위해 액츄에이터(17)가 조절 응력의 상승에 의해 다시 충전됨에 따라 액츄에이터(17)는 축 방향(31)으로 확장되고 밸브 피스톤(34)의 상응하는 조절에 의해 연료 압력이 제어 챔버(38) 내에서 다시 상승한다. 이에 의해 연료가 제어 챔버(38)로부터 스로틀(39)을 통해 제어 챔버(40) 내로 유동함에 따라 연료 압력도 제어 챔버(40) 내에서 상승한다. 밸브 스프링(43)으로부터의 힘, 그리고 제어 챔버(40) 내 연료 압력에 의해 밸브 니들 피스톤(9)으로 작용하고 압력 숄더(50) 상에서 그리고 밸브 니들 본체(8)에서 밸브 니들(7) 상으로 작용하는 연료 압력으로 인해 형성된 힘을 상승시키는 힘이 형성되는 즉시 밸브 니들(7)의 조절이 연료 분사 밸브(1)가 다시 차단되는 축 방향(31)으로 도1에 도시된 초기 위치로 수행된다.
제1 하우징 부분(2)은 연결 영역(60) 내에서 제2 하우징 부분(3)과 연결된다. 이를 위해 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)는 클램핑 너트(64)의 내측 나사(62)와 결합되는 외측 나사(62)를 포함한다. 제2 하우징 부분(3)은 제1 하우징 벽부(65)를 포함하고, 하우징 벽부(65)의 계단부(66)는 클램핑 너트(64)에 의해 후방 결합되도록 형성된다. 제1 하우징 부분(2)의 나사(62)에 클램핑 너트(64)를 나사 결합할 때 클램핑 너트(64)가 계단부(66)에 지지되므로, 제1 하우징 부분(2)은 축 방향(31)에서 제2 하우징 부분(3)의 원추형 보호 숄더(67)에 대해 결합력을 가한다. 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)에 형성된 원추형 보호 숄더(67)의 영역에서 단면, 특히 밸브 하우징(4)의 내부 공간(2)의 직경이 축 방향(31)에서 감 소한다.
큰 설치 공간을 필요로 하는 연료 분사 밸브(1)의 부품은 내부 공간의 큰 단면 영역 내에 제공된다. 예컨대 액츄에이터(17), 밸브 스프링(42), 제어 챔버 슬리브(35), 밸브 피스톤(34) 및 스로틀 판(37)을 위해 큰 설치 공간이 요구된다. 연료 분사 밸브(1)의 밸브 하우징(4)의 외부 직경을 최적화하기 위해 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)는 연결 영역(60)의 외부 직경이 감소되어 구성된다. 제1 하우징 부분(2)에 의해 제공되는 내부 공간(12)의 직경은 축 방향(31)으로 일정하므로, 제1 하우징 부분(2)의 벽 두께가 연결 영역(60)에서 감소한다. 내부 공간(12) 내 연료의 고압으로 인해 높은 응력이 연결 영역(60) 내 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)에서 발생한다. 따라서 연결 영역(60) 내 밸브 하우징(4)의 제1 하우징 부분(2)의 개방된 단부는 밀도 및 강성 설계에 대해 취약점을 나타낸다. 따라서 본 발명에 따라 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)는 적어도 직접 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)에 반경 방향으로 지지된다. 또한 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)는 연결 영역(60)에서 더 보강되어 구성된다. 따라서 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61) 연결 영역(60)에서 연료의 고압으로 인해 나타나는 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)의 응력을 수용할 수 있기 때문에 상기 설명한 취약점이 제거된다. 이에 의해 특별히 내부 공간(12) 내 연료의 압력이 현저하게 상승 될 수 있고 예컨대 200 MPa(2000 바)의 값을 취한다. 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)와 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65) 사이 밀봉 효과는 한편으로는 축 방향으로 작용하는 클램핑 너트(64)의 인장력에 의해 제공된다. 다른 한편으로는 내부 공간(12)에서 연료 압력에 의해 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)의 추가 가압이 원추형 보호 숄더(67)에 대해 반경 방향(68)으로 형성되고, 이에 의해 추가로 자체 강화식 밀봉 효과가 나타난다.
연결 영역(60) 내 강성을 더 개선하기 위해 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)는 적어도 원추형 보호 숄더(67)의 영역에서 더 높은 강성을 갖는 재료로 구성된다.
발생되는 응력의 추가 감소가 클램핑 너트(64)의 구성에 의해 형성된다. 클램핑 너트(64)의 기하 구조는 유한 요소법을 이용하여, 최고 응력이 방지되고 일정한 응력 충전이 발생하며 내압에 의해 발생하는 응력이 추가로 감소 되도록 결정된다. 특히 나사(62, 63)의 결합 영역에서 힘 분배가 개선되는데, 이때 클램핑 너트(64)는 후방에서 결합되는 나사 경로의 영역(70)에서 보다 전방에서 결합되는 나사 경로의 영역(69)에서 더 작은 벽 두께를 포함하는데, 이는 예컨대 도1에 도시된 연결 영역(60) 내의 클램핑 너트(64)의 복부 형태의 구성에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명은 설명된 실시예에만 한정되지 않는다. 특히 본 발명은 두 개 이상의 하우징 부분(2, 3)으로 구성된 밸브 하우징(4)을 포함하는 연료 분사 밸브(1)를 위해 적합하다. 또한 본 발명은 다른 작동 메카니즘을 갖는 연료 분사 밸브(1)를 위해서도 적합하다. 특히 실시예에서 경로 보강부로서 형성된 유압 커플러(45)가 힘 보강부로서도 형성될 수 있거나 또는 온도 보상 기능만을 맡을 수도 있다.

Claims (10)

  1. 제1 하우징 부분(1) 및 적어도 하나의 제2 하우징 부분(3)으로 구성되고, 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)가 연결 영역(60) 내에서 적어도 간접적으로 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)와 연결되는 밸브 하우징(4)을 갖는 연료 분사 밸브(1), 특히 공기 압착식 자기 점화 엔진용 인젝터에 있어서,
    제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61)는 연결 영역(60) 내에서 적어도 간접적으로 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)에서 적어도 반경 방향(68)으로 지지되고 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)는 적어도 연결 영역(60) 내에서 더 보강되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 제1 하우징 부분(2)의 하우징 벽부(61) 및 제2 하우징 부분(3)의 하우징 벽부(65)는 밸브 하우징(4)의 내부 공간을 제한하고, 내부 공간 내에는 연료 분사 밸브(1)의 작동시 고압 하에 있는 연료가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 하우징 부분(2)이 제2 하우징 부분(3)과 클램핑 너트(64)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  4. 제3항에 있어서, 제1 하우징 부분(2)은 외측 나사(62)를 포함하며, 클램핑 너트(64)는 내측 나사(63)를 포함하며, 클램핑 너트(64)의 내측 나사(63)는 제1 하우징 부분(2)과 제2 하우징 부분(3)의 연결을 위해 결합되며, 클램핑 너트(64)는, 제1 하우징 부분(2)과 클램핑 너트(64) 결합된 나사 경로를 통해 적어도 거의 균일한 힘 전달이 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  5. 제4항에 있어서, 클램핑 너트(64)는 적어도 전방에서 결합되는 나사 경로 영역(69)에서 후방에서 결합되는 나사 경로의 영역(70) 보다 적은 벽 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 하우징 부분(3)이 노즐 본체(3)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 하우징 밸브(3)는 보호 숄더(67)를 포함하고 제1 하우징 부분(2)은 보호 숄더(67)에 지지되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  8. 제7항에 있어서, 보호 숄더(67)가 원추형 보호 숄더(67)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 하우징 부분(3)은 연결 영 역(60) 내에서 제1 하우징 부분(2)보다 더 큰 벽 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 하우징 부분(3)은 제1 하우징 부분(2)의 재료보다 더 높은 강성을 포함하는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 분사 밸브.
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