KR20120015132A - 2단 연료 분사 밸브 - Google Patents

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전병현
김주태
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김승진
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 2단 연료 분사 밸브에 관한 것이다. 본 발명의 2단 연료 분사 밸브는, 2단 연료 분사 밸브는, 인젝션 펌프에서 압송되는 주연료의 압력을 제1 주연료 챔버(206)에서 플런저(400)에 작용하도록 하고, 이어서 플런저(400)를 통해 보조연료 가압챔버(302)에 전달하여 보조연료를 가압하며, 보조연료의 가압에 의해 니들(400)을 슬라이드 밸브 방식으로 후퇴시켜 보조연료 노즐홀(204)을 개방하여 보조연료를 분사하며, 보조연료 분사 후 주연료 노즐홀(202)을 개방하여 주연료를 분사함으로써 2단의 연료분사를 할 수 있도록 한 것이다. 또한, 주연료와 보조연료 통로(110, 210)(120, 220, 230) 및 노즐홀(202, 204)을 하나의 바디(100a)에 2원화하여 배치함으로써 2종 연료를 분사할 수 있도록 한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, 하나의 기계식 인젝터로 2단계의 연료 분사뿐만 아니라 2종의 연료 분사까지 할 수 있고 구조 또한 간단하다. 또한, 주연료의 압력을 받아 보조연료를 압축할 수 있으므로, 별도의 인젝션 펌프 없이도 간단한 구조에 의해 보조연료를 압축할 수 있다. 또한, 하나의 바디에서 2가지의 연료가 연소실 중심부의 동축 상에서 방사상으로 분사됨으로써 연소 성능을 개선할 수 있다.

Description

2단 연료 분사 밸브{TWO STAGE FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 2단 연료 분사 밸브에 관한 것으로서, 더 상세하게는 하나의 기계식 연료 분사 밸브가 미끄럼 방식의 개폐 밸브 기능과 보조연료 압축 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하며, 그에 맞추어 1종 2단의 연료분사 또는 2종 2단의 연료 분사가 가능하도록 하며, 2가지의 연료가 연소실 중심부의 동축 상에서 방사상으로 분사되도록 한 2단 연료 분사 밸브에 관한 것이다.
디젤 엔진의 연료분사장치로서는 전통적인 기계식 연료분사장치와 전자제어식 연료분사장치가 있다.
기계식 연료분사장치는 인젝션 펌프에서 압축된 고압의 연료를 기계식 인젝터를 통해 연소실 내에 분사한다. 즉, 인젝션 펌프에서는 크랭크 축에 연동하는 연료 캠에 의해 플런저를 구동하여 연료를 압축하고, 기계식 인젝터에서는 니들(또는 푸시로드)의 미끄럼 이동에 의해 노즐홀(nozzle hole)을 개방 또는 폐쇄하여 연료를 분사 또는 차단한다. 이러한 기계식 연료분사장치는, 분사조건(분사시기, 분사압력, 분사량)이 엔진회전수에 종속된다. 이는 엔진 회전수에 비례하여 압력이 상승하는 것을 의미하기 때문에 매 회전수마다 펌프에 큰 부하가 걸린다. 또한, 엔진 회전수 이상으로 압력을 상승시킬 수가 없어 저속에서 고압의 분사가 불가능하다. 또한, 엔진의 운전상태 또는 그 엔진이 장착된 선박, 차량 또는 발전소의 운행 상황에 따라 분사조건을 최적으로 제어하기가 어렵다. 또한, 연료를 다단계로 분사할 수 없을 뿐만 아니라 2종의 연료를 분사하지 못한다.
전통적인 기계식 연료분사장치의 단점을 개선한 것으로서, 커먼 레일(common rail)을 이용한 전자제어식 연료분사장치가 알려져 있다. 전자제어식 연료분사장치는, 저압펌프, 고압펌프, 커먼 레일 및 솔레노이드 인젝터를 갖추고 있다. 연료는 저압펌프와 고압펌프를 차례로 거치면서 초고압으로 가압 되고, 엔진제어유닛(ECU)의 압력 제어에 의해 커먼 레일에서 일정 압력으로 축압 된다. 그리고 엔진제어유닛에 의해 솔레노이드 인젝터를 통제하여 분사시기와 분사량을 조절한다. 이러한 전자제어식 연료분사장치는, 압력의 발생과 분사가 분리되어 제어됨으로써, 저속에서 고압분사가 가능하고, 운전조건에 따라 분사조건을 자유롭게 제어할 수 있어 엔진성능(예; 출력)과 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 솔레노이드 인젝터의 제어를 통해, 예를 들어 점화분사(pilot injection), 주분사(main injection) 및 사후분사(post injection) 등과 같은 다단계의 분사가 가능해져 연비향상은 물론 배기가스 저감을 실현할 수 있다. 그렇지만, 이러한 전자식 연료분사장치도 2종의 연료를 분사하지는 못함으로써 2종 연료 엔진(Dual Fuel Engine)에 활용하기 어렵다.
2종 또는 2중 연료 엔진은, 두 개의 연소 모드를 가지는 것이다. 예를 들어, 디젤 연료 모드에서 주연료(예; Heavy Fuel Oil, Marine Diesel Oil)를 분사하기 전에 보조연료(예; Marine Diesel Oil, Marine Gas Oil)를 분사하여 연소실의 연소환경을 개선하여 매연, NOx 개선 및 연소 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 가스 연료 모드에서는 연료 분사량 조절 장치(governor)의 조정으로 보조연료만을 분사하여 가스 유입 밸브(gas admission valve)와 엔진 흡기 포트를 통해 유입된 가스 연료의 안정적인 점화를 도모할 수 있다.
상술한 기계식 연료분사장치나 전자제어식 연료분사장치로 2종의 연료를 분사하기 위해서는 또 다른 하나의 인젝터를 추가하여야 하기 때문에 장치가 복잡해지고 원가를 크게 상승시키게 된다.
예를 들어, 도 17에 도시된 종래의 연료분사장치에서는, 2종의 연료를 분사하기 위해 병렬식 트윈 인젝터(twin injector)를 사용하고 있다. 트윈 인젝터는, 일반적인 기계식 인젝터 하나와 솔레노이드 인젝터 하나를 조합하여 각각 다른 종류의 연료를 분사하도록 한 것이다. 그러나 하나의 인젝터 바디에 2개의 연료 분사라인이 배열되는 만큼 크기가 더 커져서 공간을 많이 차지하게 된다. 또한, 2종의 연료에 대응한 2개의 노즐 오리피스 및 축이 서로 이격된 지점에 나란히 설치된다. 이 때문에, 두 가지의 연료 중 하나는 연소실의 중심을 벗어난 위치에서 분사될 수밖에 없어 연소성능을 최적화하기 어렵다. 또한, 입자 물질을 다량으로 포함하고 있는 주연료(Heavy Fuel Oil) 분사 시 보조연료 노즐 오리피스가 막힐 염려가 있다. 또한, 보조 분사를 위해 커먼 레일, 고압 펌프, 솔레노이드 인젝터를 추가로 더 설치하여야 함으로써 가격이 비싸지며 시스템이 복잡해지는 단점이 있다.
또한, 다른 예로서, 2종 2단 분사를 위해, 연소실 중앙에 배치된 기존의 기계식 메인 인젝터 이외에, 별도로 제조된 전자식 보조 인젝터를 메인 인젝터 주변에 기울어진 상태로 추가로 설치한 예도 있다. 그런데 이는 보조 분사가 실린더 헤드의 중심에서 이루어지지 못하고 옆쪽에서 이루어지고, 분사 방향(각도)도 한쪽으로 치우치기 때문에 연소 성능이 좋지 못하다는 단점이 있다.
본 발명은, 하나의 기계식 인젝터로 2단계의 연료 분사뿐만 아니라 2종의 연료 분사까지 할 수 있는 2단 연료 분사 밸브를 제공함으로써, 최소의 비용으로 연소 성능 향상과 함께 배기가스 저감을 도모하는 2단 연료 분사 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 하나의 기계식 연료 분사 밸브로 주 노즐홀과 보조 노즐 홀의 선택적인 개폐뿐만 아니라 보조연료의 압축 기능을 동시에 수행할 수 있도록 함으로써, 구조가 간단하고 보조연료를 압축하기 위한 별도의 압축펌프가 필요 없도록 하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 2가지의 연료가 연소실 중심부의 동축 상에서 분사되도록 함으로써 연소 성능을 개선할 수 있도록 하는 것에 있다.
실린더 헤드의 연소실 내부로 연료를 분사하는 2단 연료 분사 밸브로서, 선단부의 축방향으로 이격된 지점에 동일한 중심축을 기준으로 방사상으로 형성되는 복수의 주연료 노즐홀 및 복수의 보조연료 노즐홀과, 주연료 입구에서부터 상기 주연료 노즐홀에 인접한 지점까지 형성되는 주연료 유입통로와, 상기 주연료 유입통로와 연통된 상태로 축방향으로 형성되는 제1 주연료 챔버와, 보조연료 입구에서부터 상기 보조연료 노즐홀에 인접한 지점까지 형성되는 보조연료 유입통로와, 보조연료 노즐홀에 인접한 또 다른 지점으로부터 형성되는 보조연료 배출통로를 구비하는 밸브 바디; 상기 밸브 바디의 제1 주연료 챔버 내에 축방향으로 미끄럼 이동가능하게 삽입되어 선단부와 밸브 바디 사이에 보조연료 노즐홀과 연통하는 보조연료 가압 챔버를 형성하고, 제1 주연료 챔버에 작용하는 주연료의 압력을 받아 전진하면서 보조연료 가압 챔버 안에 있는 보조연료를 가압하고 보조연료 분사 완료 시점 이후에는 상기 주연료 유입통로와 주연료 노즐홀을 연통시키는 플런저; 상기 플런저를 후퇴 방향으로 탄성가압하는 플런저 스프링; 상기 플런저의 중앙에 축방향으로 미끄럼 이동가능하게 삽입되고, 선단에는 상기 보조연료 노즐홀을 막는 니들 엔드가 형성되며, 보조연료 가압 챔버의 압력 상승에 의해 후퇴하여 보조연료 가압 챔버와 보조연료 노즐홀을 연통시키는 니들; 및 상기 니들을 전진 방향으로 탄성 가압하도록 상기 니들의 후단과 플런저 사이에 개재되는 니들 스프링을 포함한다.
상기 플런저의 선단부 외주에는 상기 주연료 유입통로의 말단과 연통하는 제2 주연료 챔버가 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되며, 플런저가 후퇴되어 있을 때에는 상기 주연료 노즐홀을 막고 플런저가 전진한 때에는 주연료 유입통로와 주연료 노즐홀이 연통한다.
또한, 플런저의 외주에는, 상기 보조연료 유입통로의 말단과 연통되는 보조연료 유입 챔버와, 상기 보조연료 배출통로의 말단과 연통 되는 보조연료 배출 챔버가 형성되고; 상기 니들의 외주에는, 상기 보조연료 유입 챔버와 보조연료 가압 챔버를 연결하는 제1 종홈과, 상기 보조연료 가압 챔버와 보조연료 배출 챔버를 연결하는 제2 종홈이 형성된다. 상기 제1 종홈과 제2 종홈은 상기 플런저의 후퇴 또는 전진에 의해 상기 보조연료 가압 챔버와 연통 되거나 또는 막히게 된다.
이 경우, 상기 보조연료 유입 챔버는, 상기 플런저의 외주 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되는 그루브와, 상기 그루브와 상기 니들의 제1 종홈을 연결하는 연통공으로 구성할 수 있고, 상기 보조연료 배출 챔버는, 상기 플런저의 외주 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되는 그루브와, 상기 그루브와 상기 니들의 제2 종홈을 연결하는 연통공으로 구성할 수 있다.
밸브 바디는, 축방향으로 여러 마디로 나누어진 복수의 분할 바디의 조립체로 이루어질 수 있다.
이 경우, 밸브 바디는, 주연료 입구 및 제1 주연료 유입통로, 보조연료 입구 및 제1 보조연료유입통로가 형성되는 베이스 바디와; 상기 제1 주연료 챔버, 주연료 노즐홀 및 보조연료 노즐홀이 형성되어 상기 베이스 바디에 축방향으로 조립되고, 상기 제1 주연료 유입통로와 연결되는 제2 주연료 유입통로, 상기 제1 보조연료 유입통로와 상기 보조연료 가압 챔버를 연결하는 제2 보조연료 유입통로가 형성되는 노즐 바디로 구성할 수 있다.
다른 한편, 상기 밸브 바디는 후단으로부터 선단 방향으로 제1 바디, 제2 바디 및 제3 바디가 축방향으로 결합된 조립체로 구성하고, 상기 제1 바디의 선단부에는 상기 제2 바디 및 제3 바디를 감싸 고정하는 홀더를 결합할 수 있다.
본 발명의 2단 연료 분사 밸브는, 인젝션 펌프에서 압송되는 주연료의 압력을 플런저를 통해 보조연료 가압챔버에 전달하여 보조연료를 가압하고, 보조연료의 가압에 의해 니들을 슬라이드 밸브 방식으로 작동시켜 보조연료를 분사하며, 보조연료 분사 후 주연료 노즐홀을 개방하여 주연료를 분사함으로써 2단의 연료분사를 할 수 있도록 한 것이다. 또한, 주연료와 보조연료 통로 및 노즐홀을 하나의 바디에 2원화하여 배치함으로써 2종 연료를 분사할 수 있도록 한 것이다.
따라서 본 발명에 의하면, 하나의 기계식 인젝터로 2단계의 연료 분사뿐만 아니라 2종의 연료 분사까지 할 수 있고 구조 또한 간단하다.
또한, 하나의 기계식 연료 분사 밸브로 주 노즐홀과 보조 노즐 홀을 선택적으로 개폐할 수 있고, 주연료의 압력을 받아 보조연료를 압축할 수 있으므로, 간단한 구조에 의해 보조연료를 압축할 수 있으며, 보조연료를 압축하기 위한 별도의 인젝션 펌프가 필요 없다.
또한, 하나의 바디에서 2가지의 연료가 연소실 중심부의 동축 상에서 방사상으로 분사됨으로써 연소 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2단 연료 분사 밸브의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 저면도로서, 주 노즐홀과 보조 노즐홀의 배치 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 2단 연료 분사 밸브의 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면도이다.
도 6은 도 3의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 7은 도 4의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도로서, 연료 분사 밸브의 연료분사동작 개시 이전의 보조연료 순환 라인의 개통 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 2단 연료 분사 밸브의 연료분사동작 개시 이전의 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 상태 이후, 주연료의 압력에 의해 보조연료를 압축하기 시작한 초기의 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 상태 이후, 보조연료가 분사되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 상태 이후, 보조연료는 차단되고 주연료가 분사되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는 주연료 분사 완료 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 연료 분사 밸브의 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 15는 보조연료 순환 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 16은 도 15의 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 17은 종래의 병렬식 트윈 인젝터를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 2단 연료 분사 밸브를 나타내는 것으로서, 도 1에는 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 저면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 2단 연료 분사 밸브는, 선단부(도 1에서 아래쪽 단부)에 주연료 노즐홀(202)과 보조연료 노즐홀(204)이 형성된 인젝터 바디(100a)를 구비한다.
주연료 노즐홀(202)과 보조연료 노즐홀(204)은, 축방향으로 이격된 지점에서 동일한 중심축(X)을 기준으로 방사상으로 형성된다. 따라서, 2가지의 연료가 연소실 중심부의 동축 상에서 방사상으로 분사됨으로써 연소 성능을 높일 수 있다.
인젝터 바디(100a)에는, 주연료 입구(112)와 보조연료 입구(122)가 형성되어 있다. 주연료 입구(112)에서부터 주연료 노즐홀(202)에 인접한 지점까지는 주연료 유입통로(110, 210)가 형성된다. 주연료 유입통로(110, 210) 계통에는 주연료 유입통로(110, 210)와 연통하는 제1 주연료 챔버(206)가 축방향으로 형성된다. 또한, 보조연료 입구(122)에서부터 보조연료 노즐홀(204)에 인접한 지점까지는 보조연료 유입통로(120, 220)가 형성된다. 보조연료 노즐홀(204)에 인접한 또 다른 지점에는 보조연료 배출통로(230)(도 7 참조)가 형성된다.
이러한 밸브 바디(100a)의 제1 주연료 챔버(206) 내에는 플런저(300)가 축방향으로 미끄럼 이동가능하게 삽입되어 있다. 플런저(300)의 후단부의 제1 주연료 챔버(206)는 주연료의 압력이 작용하는 이른바 '압력 실린더'의 역할을 한다. 플런저(300)의 선단부에는 보조연료 노즐홀(204)과 연통하는 보조연료 가압 챔버(302)가 형성된다. 따라서, 제1 주연료 챔버(206)에 작용하는 주연료의 압력(인젝션 펌프로부터의 압력)이 플런저(300)의 후단부에 작용하면, 플런저(300)는 전진하여 보조연료 가압 챔버(302) 안에 있는 보조연료를 가압한다. 즉, 플런저(300)가 보조연료를 가압하는 인젝션 펌프 또는 연료펌프의 역할을 하게 된다. 따라서, 보조연료를 가압하는 별도의 장치가 필요 없다. 이러한 플런저(300)는, 가압된 보조연료가 보조연료 노즐홀(204)을 통해 분사 완료된 시점 이후에 주연료 유입통로(110, 210)와 주연료 노즐홀(202)을 연통시켜 주연료가 분사되도록 한다.
플런저(200)는, 플런저 스프링(500)에 의해 후퇴 방향(후방)으로 탄성가압된다. 플런저 스프링(500)은 제1 주연료 챔버(206)에 작용하는 압력에 대항하게 된다. 제1 주연료 챔버(206)에 작용하는 압력이 플런저 스프링(500)의 복원력보다 크다면 플런저(200)는 선단 방향으로 전진한다. 반대로, 플런저 스프링(500)의 복원력이 제1 주연료 챔버(206)에 작용하는 압력보다 크다면 플런저(200)는 후단 방향으로 후퇴한다.
플런저(300)의 내부에는 니들(400)이 축방향으로 미끄럼 이동 가능하게 삽입되어 있다. 플런저(300)는 그의 선단에 보조연료 노즐홀(204)을 막는 니들 엔드(410)를 구비한다. 니들(400)이 보조연료 가압 챔버(302)의 압력을 받아 후퇴하면 보조연료 노즐홀(204)이 열려 보조연료 가압 챔버(302)에 있는 보조 연료가 분사된다.
상기 니들(400)은 니들 스프링(600)에 의해 전진 방향으로 탄성가압된다. 즉, 니들 스프링(600)은 보조연료 가압 챔버(302)의 압력에 대항하여 보조연료 노즐홀(204)을 막는 방향으로 니들(400)을 탄성 가압한다. 플런저(300)에 의해 보조연료 가압챔버(302)의 내부에 있는 보조연료의 압력이 니들 스프링(600)이 지니는 탄성 가압력 이상으로 상승하면 니들(400)이 후퇴하게 되는 것이다.
밸브 바디(100a)는, 축방향으로 여러 마디로 나누어진 복수의 분할 바디의 조립체로 구성할 수 있다. 이는 밸브 바디(100a)의 기계가공과 부품들의 조립을 쉽게 하기 위해 바람직하다. 도 1에 도시된 실시예에서, 밸브 바디(100a)는 2개의 마디, 즉, 베이스 바디(100)와 노즐 바디(200)로 분할되어 축방향으로 결합된 형태를 취하고 있다. 밸브 바디(100a)가 도 1에 도시된 실시예처럼 반드시 2개의 마디(바디)로 나뉘어져야 하는 것은 아니며, 기계가공, 조립 등의 여건에 따라 3개 이상의 바디로 나누어 제작하고 결합하여도 좋다. 또한, 나누어진 분할 바디들(예; 베이스 바디(100)와 노즐 바디(200))의 크기, 길이, 분할 비율 등은 중요치 않다. 가공, 조립 및 기구적 동작이 원활히 이루어지는 범위 내에서 자유롭게 설계될 수 있다.
밸브 바디(100a)가 2개의 바디, 즉, 베이스 바디(100)와 노즐 바디(200)로 나누어짐에 따라 주연료 유입통로 계통 및 보조연료 유입통로 계통도 나누어져서 제작되어 조립 후에 연통 된다. 즉, 베이스 바디(100)에는 주연료 입구(112) 및 제1 주연료 유입통로(110), 보조연료 입구(122) 및 제1 보조연료 유입통로(120)가 형성된다. 노즐 바디(200)에는, 제1 주연료 챔버(206), 주연료 노즐홀(202) 및 보조연료 노즐홀(204)이 형성되는 한편, 제2 주연료 유입통로(210), 제2 보조연료 유입통로(220)가 형성된다.
도 3은 도 1의 2단 연료 분사 밸브의 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 단면도이고, 도 5는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면도이고, 도 6은 도 3의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이며, 도 7은 도 4의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 3에 확대하여 나타낸 바와 같이, 그리고 앞에서 이미 설명한 바와 같이, 노즐 바디(200)의 선단에는 주연료 노즐홀(202)과 보조연료 노즐홀(204)이 형성되어 있다. 또한, 플런저(300)의 선단과 노즐 바디(200) 사이의 공간이 보조연료 가압 챔버(302)를 이루고 있다. 플런저(300)에는 니들(400)이 삽입되어 있고, 니들(400)의 선단 부분은 보조연료 가압챔버(302) 내부에 들어가서 그의 니들 엔드(410)를 통해 보조연료 노즐홀(204)을 막고 있다. 니들(400)은 제작의 편의를 위해 2개의 바디, 즉 제1 니들 바디(400a)와 제2 니들 바디(400b)로 나뉘어져 축방향으로 결합되어 있다.
그리고 플런저(300)의 선단부 외주에는 상기 주연료 유입통로(110, 210)의 말단과 연통하는 제2 주연료 챔버(310)가 둘레를 따라 홈 모양으로 형성된다. 플런저(300)가 후퇴되어 있을 때에는 주연료 노즐홀(202)이 폐쇄되고, 플런저(300)가 전진한 때에는 주연료 유입통로(110, 210)와 주연료 노즐홀(202)이 제2 주연료 챔버(310) 내에 들어와 연결되기 때문에 주연료가 분사된다.
또한, 플런저(300)의 중간 부분의 외주에는, 보조연료 유입통로(120, 220)의 말단과 연통되는 보조연료 유입 챔버(320) 및 보조연료 배출통로(230)(도 7 참조)의 말단과 연통되는 보조연료 배출 챔버(330)가 형성된다.
그리고 니들(400)의 외주에는 제1 종홈(420)과 제2 종홈(430)이 형성된다. 제1 종홈(420)은 보조연료 유입 챔버(320)와 보조연료 가압 챔버(302)를 연결하는 역할을 한다. 제2 종홈(430)은 보조연료 가압 챔버(302)와 보조연료 배출 챔버(330)를 연결하는 역할을 한다. 제1 종홈(420)과 제2 종홈(430)은 플런저(300)의 후퇴 또는 전진에 의해 보조연료 가압 챔버(302)와 연통 되거나 또는 막히게 된다.
도 3 및 도 4에 보인 바와 같이, 보조연료 유입 챔버(320)는, 플런저(300)의 외주 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되는 그루브(320a)와, 그루브(320a)와 니들(400)의 제1 종홈(420)을 연결하는 연통공(320b)로 이루어진다. 따라서, 보조연료 유입통로(120, 220)를 통해 들어온 보조 연료는 플런저(300) 외주에 형성된 그루브(320a)에 채워진 후, 연통공(320b)을 통해 제1 종홈(420)으로 들어가고 제2 종홈(420)에서 보조연료 가압챔버(302)로 들어간다.
또한, 도 3 및 도 5에 보인 바와 같이, 보조연료 배출 챔버(330)는, 플런저(300)의 외주 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되는 그루브(330a)와, 그루브(330a)와 니들(400)의 제2 종홈(430)을 연결하는 연통공(330b)으로 이루어진다. 따라서, 보조연료 가압챔버(302)로 들어온 보조연료는 제2 종홈(430)을 따라나온 다음 연통공(330b)과 그루브(330a)를 통과하여 보조연료 배출통로(230)를 통해 배출된다.
다음으로, 도 3 및 도 6에 보인 바와 같이, 그리고 전술한 바와 같이, 제2 주연료 챔버(310)는, 플런저(300)의 선단부 외주에 둘레를 따라 홈 모양으로 형성된다. 주연료 유입통로(110, 210)를 통해 유입된 주연료는 제2 주연료 챔버(310)의 둘레에 체류하다가 플런저(300)가 전진하면 주연료 노즐홀(202)과 만나게 되어 주연료를 분사하게 된다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 2단 연료 분사 밸브는, 인젝션 펌프에서 압송되는 주연료의 압력을 플런저(300)를 통해 보조연료 가압챔버(302)에 전달하여 보조연료를 가압하고, 보조연료의 가압에 의해 니들(400)을 슬라이드 밸브 방식으로 작동시켜 보조연료를 분사하며, 보조연료 분사 후 주연료 노즐홀(202)을 개방하여 주연료를 분사함으로써 2단의 연료분사를 할 수 있도록 한 것이다. 또한, 주연료와 보조연료 통로 및 노즐홀을 하나의 바디에 2원화 하여 배치함으로써 2종 연료를 분사할 수 있도록 한 것이다.
이하, 도 7 내지 도 12를 참조하면서 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 분사 과정을 자세하게 살펴본다.
도 7은 도 4의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도로서, 연료 분사 밸브의 연료분사동작 개시 이전의 보조연료 순환 라인의 개통 상태를 나타낸 도면이다. 연료분사 개시 전의 보조연료 계통은, 플런저(300) 및 니들(400)에 의해 순환 상태를 유지하고 주연료 계통은 차단된다. 즉, 니들(400)의 엔드(410)는 보조연료 노즐홀(204)을 폐쇄하고 있고, 플런저(300)의 선단면은 니들(400)의 제1 종홈(420) 및 제2 종홈(430)을 벗어나 위치하고 있다. 따라서, 보조연료 유입통로(220), 보조연료 유입챔버(320) 및 제1 종홈(420)을 통해 보조연료 가압챔버(302)에 들어온 보조연료는 제2 종홈(420)으로 빠져나가 보조연료 배출챔버(330)와 보조연료 배출통로(230)를 통해 배출된다. 보조연료의 순환으로 노즐은 냉각 효과를 가지며, 노즐의 열부하 및 탄소 침착(carbon deposit) 개선 효과가 있다.
도 8은 도 7의 2단 연료 분사 밸브의 연료분사동작 개시 이전의 상태를 나타내는 도면이다. 주연료 노즐홀(202)은 플런저(300)에 의해 막혀있다. 따라서, 주연료 유입통로(210)를 통해 들어온 주연료는 제2 주연료 챔버(310) 내에 체류하게 된다.
다시 도 1을 참조한다. 상기한 도 7 및 도 8의 상태에서 주연료 인젝션 펌프에서 주연료가 압송되어 오면, 주연료는 인젝터 바디(100a)의 주연료 입구(112), 주연료 유입통로(110, 210) 및 제1 주연료 챔버(206)에 채워진다. 인젝션 펌프에 의해 가압된 주연료의 압력은 제1 주연료 챔버(206)에서 플런저(300)의 후단면(도면상 상단면)에 작용하게 된다. 그리고 플런저(300)에 작용하는 주연료의 압력이 플런저 스프링(500)의 탄성력을 넘어서면 플런저(300)는 플런저 스프링(500)을 압축시키면서 전진하게 된다.
도 9에는 이렇게 하여 플런저(300)가 약간 전진한 상태를 나타낸다. 제1 주연료 챔버(206)에서 작용하는 주연료의 압력에 의해 플런저(300)가 전진하여, 그의 선단면이 니들(400)의 제1, 2 종홈(420, 430)을 지나치면 보조연료 순환라인이 차단되고, 보조연료 가압챔버(302) 내에 있는 보조연료가 압력을 받게 된다. 보조연료의 가압력은 니들(400)에 작용한다. 플런저(300)가 전진하는 것에 의한 보조연료의 가압력이 니들 스프링(600)(도 1 참조)의 탄성력을 넘어서면, 니들(400)은 후퇴하게 된다.
도 10은 니들(400)이 후퇴한 상태를 나타낸다. 니들(400)이 후퇴하면 니들 엔드(410)가 물러나서 보조연료 노즐홀(204)을 개방시킴으로써 보조연료의 분사가 이루어진다. 보조연료의 분사가 진행되는 것에 비례하여 보조연료 가압챔버(302)의 압력은 낮아진다. 보조연료 가압챔버(302)의 압력이 니들 스프링(600)의 복귀력보다 낮아지면, 니들(400)이 다시 전진하여 보조연료 노즐홀(204)을 폐쇄하게 된다.
도 11은 이러한 상태를 나타낸다. 즉, 보조연료 가압챔버(302)의 압력이 낮아져서 니들(400)이 전진할 때에는, 플런저(300)도 계속하여 전진하게 된다. 니들(400)이 전진하여 보조연료 노즐홀(204)을 폐쇄하자마자, 플런저(300)의 전진에 의해 제2 주연료 챔버(310)와 주연료 노즐홀(202)이 서로 만나게 됨으로써 연소실에는 주연료가 분사된다.
도 12는 주연료 분사 완료 후의 상태를 나타낸다. 인젝션 펌프의 가압 작용이 끝나는 시점에서 주연료의 분사가 종료한다. 인젝션 펌프의 가압작용의 종료와 주연료의 분사종료에 의해 제1 주연료 챔버(206)의 압력이 낮아지면 플런저(300)가 복귀(후퇴)된다. 플런저(300)의 후퇴에 의해 주연료 노즐홀(202)은 다시 폐쇄되고 보조연료 가압챔버(302)는 다시 개방됨으로써 분사개시 이전의 상태로 복귀한다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 연료 분사 밸브를 나타내는 것으로서, 도 13은 전체 단면도이고, 도 14는 도 13의 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 15는 보조연료 순환 라인을 따라 절단한 단면도이며, 도 16은 도 15의 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 16에 도시된 2단 연료 분사 밸브는, 앞의 도 1 내지 도 12에서 설명한 분사 밸브에 비해, 인젝터 바디의 분할 개수 및 모양, 주연료 라인 및 보조 연료 라인의 형성 형태, 플런저 및 니들의 모양 등이 약간 다르다. 그러나 본 실시예에 따른 분사 밸브는, 전술한 실시예에 따른 분사 밸브의 기술적 사상 안에서 다소 변형한 정도의 분사 밸브를 예시하고 있다.
앞에서 이미 설명한 바와 같이, 밸브 바디는 축방향으로 여러 개의 분할 바디로 나누어 제작한 다음, 제작된 분할 바디들을 축방향으로 조립한 형태로 구성할 수 있다. 본 실시예는 이러한 기술적 사상의 일례를 보여준다.
즉, 본 발명에 따른 밸브 바디(3000)는, 도 13 및 도 14에 예시한 실시예와 같이, 후단으로부터 선단 방향으로 제1 바디(3100), 제2 바디(3200) 및 제3 바디(3300)가 축방향으로 결합된 조립체로 이루어질 수 있다. 그리고 제1 바디(3100)의 선단부에는 홀더(3700)가 결합되어 제2 바디(3200) 및 제3 바디(3300)를 감싸 고정한다.
주연료 유입통로는, 제1 바디(3100)에 형성되는 주연료 입구로부터 연장되는 제1 주연료 유입통로(3110) 및 제2 주연료 유입통로(3120), 제2 바디(3200) 및 제3 바디(3300)에 형성되는 제3 및 제4 주연료 유입통로(3210, 3310)로 이루어져 있다. 또한, 제1 주연료 유입통로(3110)와 연결된 제1 주연료 챔버(3206)가 형성되어 있다.
보조연료 유입통로는, 제1 바디(3100) 및 제2 바디(3200)에 형성되는 제1 및 제2 보조연료 유입통로(3130, 3220)로 이루어져 있다.
주연료 노즐홀(3302) 및 보조연료 노즐홀(3304)은 모두 제3 바디(3300)에 형성되어 있다. 플런저(3400)는 제1 주연료 챔버(3206) 내에 설치되고, 제2 바디(3200)를 관통하여 제3 바디(3300)까지 연장되며, 선단부에 의해 보조연료 가압챔버(3306)를 설정한다. 플런저(3400)는 플런저 스프링(3600)에 의해 후단 방향으로 탄성가압된다.
플런저(3400)의 내부에는 니들(3500)이 설치된다. 니들(3500)의 선단부를 이루는 니들 엔드(3510)는 보조연료 노즐홀(3304)을 폐쇄하고 있다. 니들(3500)은 니들 스프링(3650)에 의해 선단 방향으로 탄성가압된다.
제2 주연료 챔버(3410)도, 전술한 실시예와 마찬가지로, 플런저(3400)의 외주 둘레를 따라 홈 형태로 형성되어 있다.
마찬가지로, 보조연료 유입챔버(3420) 및 보조연료 배출챔버(3430)도 플런저(3400)의 외주에 그루브 및 연통공의 형태로 형성되어 있다.
또한, 니들(3500)에는 제1 종홈(3520) 및 제2 종홈(3530)이 형성되어 있다.
도 15 및 도 16은 다른 방향에서 절단한 단면도로서, 보조 연료배출 통로 계통을 설명하기 위한 도면이다. 보조연료 배출 통로는, 제1, 2 바디(3100, 3200)에 각각 제1, 2 배출통로(3140, 3230)가 형성된 형태를 이루고 있다. 제2 배출통로(3230)는 보조연료 배출챔버(3430)에 연통된다.
이와 같이, 도 13 내지 도 16에 도시된 분사 밸브는, 세부적 구조에 있어서만 앞선 실시예의 분사밸브와 약간의 차이가 있지만, 앞선 실시예에 따른 분사밸브와 동일한 기술적 사상에 기초한 구성으로 이루어져 있고, 연료 분사 작용과 과정도 거의 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예들은 당연히 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.
100a : 인젝터 바디 100 : 베이스 바디
110 : 제1 주연료 유입통로 112 : 주연료 입구
120 : 제1 보조연료 유입통로 122 : 보조 연료 입구
200 : 노즐 바디 202 : 주 연료 노즐 홀
204 : 보조 연료 노즐 홀 206 : 제1 주연료 챔버
210 : 제2 주연료 유입통로 220 : 제2 보조연료 유입통로
230 : 보조연료 배출통로 300 : 플런저
302 : 보조연료 가압챔버 304 : 공간부
310 : 제2 주연료 챔버 320 : 보조연료 유입챔버
320a, 330a : 그루브 320b, 330b : 연통공
330 : 보조연료 배출챔버 400 : 니들
400a : 제1 니들 바디 400b : 제2 니들 바디
410 : 니들 엔드 420 : 제1 종홈
430 : 제2 종홈 500 : 플런저 스프링
600 : 니들 스프링
3000 : 밸브 바디 3100 : 제1 바디
3110 : 제1 주연료 유입통로 3120 : 제2 주연료 유입통로
3130 : 제1 보조연료 유입통로 3200 : 제2 바디
3206 : 제1 주연료 챔버 3210 : 제3 주연료 유입통로
3220 : 제2 보조연료 유입통로 3300 : 제3 바디
3302 : 주연료 노즐홀 3304 : 보조연료 노즐홀
3306 : 보조연료 가압챔버 3310 : 제4 주연료 유입통로
3400 : 플런저 3410 : 제2 주연료 챔버
3420 : 보조연료 유입챔버 3430 : 보조연료 배출챔버
3500 : 니들 3510 : 니들 엔드
3520 : 제1 종홈 3530 : 제2 종홈
3600 : 플런저 스프링 3650 : 니들 스프링
3700 : 홀더

Claims (7)

  1. 실린더 헤드의 연소실 내부로 연료를 분사하는 2단 연료 분사 밸브로서,
    선단부의 축방향으로 이격된 지점에 동일한 중심축을 기준으로 방사상으로 형성되는 복수의 주연료 노즐홀 및 복수의 보조연료 노즐홀과, 주연료 입구에서부터 상기 주연료 노즐홀에 인접한 지점까지 형성되는 주연료 유입통로와, 상기 주연료 유입통로와 연통된 상태로 축방향으로 형성되는 제1 주연료 챔버와, 보조연료 입구에서부터 상기 보조연료 노즐홀에 인접한 지점까지 형성되는 보조연료 유입통로와, 보조연료 노즐홀에 인접한 또 다른 지점으로부터 형성되는 보조연료 배출통로를 구비하는 밸브 바디;
    상기 밸브 바디의 제1 주연료 챔버 내에 축방향으로 미끄럼 이동가능하게 삽입되어 선단부와 밸브 바디 사이에 보조연료 노즐홀과 연통하는 보조연료 가압 챔버를 형성하고, 제1 주연료 챔버에 작용하는 주연료의 압력을 받아 전진하면서 보조연료 가압 챔버 안에 있는 보조연료를 가압하고 보조연료 분사 완료 시점 이후에는 상기 주연료 유입통로와 주연료 노즐홀을 연통시키는 플런저;
    상기 플런저를 후퇴 방향으로 탄성가압하는 플런저 스프링;
    상기 플런저의 중앙에 축방향으로 미끄럼 이동가능하게 삽입되고, 선단에는 상기 보조연료 노즐홀을 막는 니들 엔드가 형성되며, 보조연료 가압 챔버의 압력 상승에 의해 후퇴하여 보조연료 가압 챔버와 보조연료 노즐홀을 연통시키는 니들; 및
    상기 니들을 전진 방향으로 탄성가압하도록 상기 니들의 후단과 플런저 사이에 개재되는 니들 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플런저의 선단부 외주에는 상기 주연료 유입통로의 말단과 연통하는 제2 주연료 챔버가 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되며, 플런저가 후퇴되어 있을 때에는 상기 주연료 노즐홀을 막고 플런저가 전진한 때에는 주연료 유입통로와 주연료 노즐홀이 연통하는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플런저의 외주에는, 상기 보조연료 유입통로의 말단과 연통되는 보조연료 유입 챔버와, 상기 보조연료 배출통로의 말단과 연통되는 보조연료 배출 챔버가 형성되고,
    상기 니들의 외주에는, 상기 보조연료 유입 챔버와 보조연료 가압 챔버를 연결하는 제1 종홈과, 상기 보조연료 가압 챔버와 보조연료 배출 챔버를 연결하는 제2 종홈이 형성되며, 상기 제1 종홈과 제2 종홈은 상기 플런저의 후퇴 또는 전진에 의해 상기 보조연료 가압 챔버와 연통되거나 또는 막히는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보조연료 유입 챔버는, 상기 플런저의 외주 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되는 그루브와, 상기 그루브와 상기 니들의 제1 종홈을 연결하는 연통공으로 이루어지고,
    상기 보조연료 배출 챔버는, 상기 플런저의 외주 둘레를 따라 홈 모양으로 형성되는 그루브와, 상기 그루브와 상기 니들의 제2 종홈을 연결하는 연통공으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 바디는,
    축방향으로 여러 마디로 나누어진 복수의 분할 바디의 조립체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 바디는,
    주연료 입구 및 제1 주연료 유입통로, 보조연료 입구 및 제1 보조연료유입통로가 형성되는 베이스 바디와,
    상기 제1 주연료 챔버, 주연료 노즐홀 및 보조연료 노즐홀이 형성되어 상기 베이스 바디에 축방향으로 조립되고, 상기 제1 주연료 유입통로와 연결되는 제2 주연료 유입통로, 상기 제1 보조연료 유입통로와 상기 보조연료 가압 챔버를 연결하는 제2 보조연료 유입통로가 형성되는 노즐 바디로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 바디는, 후단으로부터 선단 방향으로 제1 바디, 제2 바디 및 제3 바디가 축방향으로 결합된 조립체로 이루어지고, 상기 제1 바디의 선단부에는 상기 제2 바디 및 제3 바디를 감싸 고정하는 홀더가 결합되는 것을 특징으로 하는 2단 연료 분사 밸브.
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