KR20130071909A - 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터에 관한 것으로, 하우징의 하단부에 오리피스를 구비한 팁을 갖추고 있으며, 이 팁은 컵형상의 노즐부를 수단으로 하여 상부를 폐쇄하는데, 노즐부는 원통형상의 측벽면과 이 측벽면의 상부를 마감하는 편평한 형상의 베이스 및 중공부와 오리피스를 연통하는 하나 이상의 노즐 홀을 구비하고, 이 노즐 홀은 오리피스와 접선방향으로 형성되어 연료를 와류 방식으로 분사하는 것을 특징으로 한다.

Description

와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터 {Common rail injector including nozzle for generating swirl stream}

본 발명은 커먼 레일 인젝터에 관한 것으로, 특히 연소실 내부로 연료를 와류(swirl) 방식으로 분사할 수 있는 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터에 관한 것이다.

일반적으로, 커먼 레일 시스템(common rail system)은 고압 펌프의 엔진 제어부의 통제 하에서 커먼 레일로부터 연료를 공급받고, 이 연료를 엔진의 연소실 내부로 분사할 수 있는 하나 이상의 인젝터를 구비하고 있다.

특히, 커먼 레일 시스템의 인젝터는 엔진의 성능향상과 함께 연비 향상을 위해 연료의 미립화(atomization)와 입자 크기를 더욱 정밀하게 제어할 수 있어야 한다.

이러한 커먼 레일 인젝터는 특허문헌 1에 게재되어 있다.

특허문헌 1에 게재된 커먼 레일 인젝터는 이미 널리 알려져 있듯이 하우징과, 연료라인, 노즐 니들, 및 노즐로 이루어져 있다.

종래기술에 따른 커먼 레일 인젝터는 하우징 내부에 노즐 니들을 수용할 수 있는 내부공간을 구비하는 한편, 연료공급라인을 통해 인젝터 내부로 공급된 연료를 하우징 내에서 축방향으로 왕복이동할 수 있는 노즐 니들의 상승으로 하우징 하단부에 위치된 개방 노즐을 관통하여 연소실로 분사한다.

이러한 구조로 이루어진 커먼 레일 인젝터는 하우징의 하단부에 다수의 노즐을 구비한다. 다수의 노즐은 하우징 하단부에서 방사상방향으로 관통형성되어 연료를 연소실 내로 직사(straight spray) 방식으로 고압분사한다.

또한, 노즐은 전반적으로 원통형의 직관 혹은 깔때기 모양의 단면형상으로 하우징 하단부에 형성된다. 노즐 입구부보다 출구부에 근접할수록 축소관 형태로 가변되는 것을 특징으로 하고 있다.

이로 인해, 종래기술의 커먼 레일 인젝터는 직관 혹은 축소관 형태의 단면을 통과하는 연료를 가속화하면서 연료의 미립화를 촉진시킬 수 있도록 되어 있다.

이러한 커먼 레일 인젝터가 전술된 바와 같이 연료를 직사 방식으로 분무하는데, 직사 방식으로 분무된 연료의 일부는 연소실 내부에서 흡입공기와 충분히 접촉되지 못하게 된다.

또한, 직사 방식의 연료 분사는 연소실 형상과 정확하게 일치할 수 없으며, 고속으로 분사되는 연료의 특성상 연소실 내부로 유입될 흡입공기와 혼합되지 않고 연소실 내부벽과 충돌하게 된다.

따라서, 연료가 연소실 내부에 충돌하여 냉각됨으로써 불완전 연소되어 그을음(soot)을 생성하게 된다. 그을음이 연소실 내부에 부착되면 엔진의 성능 저하를 야기시킬 것이다.

이러한 연료의 직사 방식을 보완하기 위해, 특허문헌 2에서는 분사연료를 와류(swirl) 방식으로 공급할 수 있는 내연기관용 와류 분사 인젝터를 기술하고 있다.

특허문헌 2의 인젝터는 니들 외주면 상에 나선형 홈을 형성하고 있다. 또한, 인젝터는 고압으로 공급될 연료를 니들에 형성된 나선형 홈을 따라 이동하고 원통형상의 배출 오리피스를 지나 연소실 내부로 분사하게 된다. 이때, 연료는 나선형 홈을 통과하면서 와류로 유동하게 되는데, 니들의 상승으로 개방된 원통형상의 배출 오리피스로 분사될 연료는 압력강하(pressure drop) 현상을 유발하여 연소실 내부로 광범위하게 확산될 수 없게 된다.

또한, 니들의 나선형 홈을 따라 분사될 연료는 니들의 끝단과 원통형상의 배출 오리피스 사이의 공간에서도 와류 방식으로 분사되는바, 이는 원통형상의 배출 오리피스의 유입부에서 상당한 충돌을 예상할 수 있고, 이러한 충돌은 연료의 분사속도를 저하시키는 동시에 와류의 유동을 저감시키는 문제점을 가지는이다.

따라서, 전술된 문제점을 해결하기 위해서 당해분야의 숙련자들은 연소실 내부로 연료의 확산을 도모하는 동시에 연료의 액적 크기를 더욱 미립화시킬 수 있는 다른 방안을 간구하고 있는 게 현실이다.

특허문헌 1: 대한민국 공개특허 제10-2005-0070393호 특허문헌 2: 미국 등록특허 제US 6,510,836호

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 인젝터의 구조적 변경을 최소화하면서 연료를 연소실 내부로 광범위하게 확산시킬 수 있는 커먼 레일 인젝터를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터는, 중공부와, 이 중공부에서 상하방향으로 왕복이동하는 노즐 니들, 및 이의 하단부에 오리피스를 가진 팁을 구비하여 연소실 내부로 연료를 분사한다.

특히, 본 발명의 팁은 컵형상의 노즐부를 수단으로 하여 상부를 폐쇄하는데,노즐부는 원통형상의 측벽면과 이 측벽면의 상부를 마감하는 편평한 형상의 베이스 및 중공부와 오리피스를 연통하는 하나 이상의 노즐 홀을 구비하고, 이 노즐 홀은 오리피스와 접선방향으로 형성되어 연료를 와류 방식으로 분사하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 오리피스는 바람직하기로 이의 상부에서 하부까지 점차적으로 직경을 증가하는 확대관 형태로 된 원추형상의 단면으로 형성된다.

본 발명에 있어서, 노즐 홀은 측벽면 상단에 천공되어 있다.

특별하기로, 본 발명의 노즐 홀은 측벽면의 원주방향을 따라 등간격으로 배열되어 있고, 연료의 균등한 분사를 돕는다.

이와 더불어서, 본 발명은 오리피스를 향해 하방으로 노즐 홀을 경사지게 배열하도록 한다. 또한, 노즐 홀은 오리피스와의 접선방향과 이 인젝터의 중심축에서 방사상방향, 즉 접선방향에서 90°되는 각도 사이까지 오리피스까지 천공되도록 한다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 연소실 내부에 연료를 와류 방식의 분사시킬 수 있게 제공된다.

본 발명은 와류 방식으로 연료를 분사하는 인젝터를 수단으로 하여 연소실 내부에 공기와 효율적으로 혼합되어 연소 능률을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 고속으로 와류하는 연료의 입자 크기를 더욱 미립화시켜 엔진의 완전연소를 돕는다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 커먼 레일 인젝터의 개략적인 단면도이다.
도 2은 도 1에 도시된 원호부의 확대도이다.
도 3는 도 2의 A-A 선에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 커먼 레일 인젝터의 일부를 확대한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고, 종래의 기술과 동일한 구성에 대하여 동일한 부호를 부여하고 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

이제, 본 발명에 따른 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터는 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1는 본 발명의 제1실시예에 따른 커먼 레일 인젝터의 개략적인 단면도이고, 도 2은 도 1의 원호부(A)를 확대한 도면이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 커먼 레일 인젝터(1)는 하우징(10)과 이의 하단부에 노즐을 구비한다.

본 발명의 인젝터(1)는 구체적으로 하우징(10)과, 연료라인(11), 중공부(12;中孔部), 노즐 니들(13), 및 노즐부(20)로 이루어진다.

특히, 본 발명에 따른 인젝터(1)는 연소실(도시되지 않음) 내로 돌출되게 배치되는 자유단부에 노즐부(20)를 구비한다. 자유단부는 통상적으로 인젝터의 팁(14;tip)으로도 칭해질 수 있다.

하우징(10)은 중공의 원통형상으로 이루어져 있으며 이의 하단부, 즉 팁(14)에 노즐부(20)를 구비한다. 하우징(10)은 중공부(12)에서 축방향으로 수직왕복이동 가능하게 장착된 노즐 니들(13)을 수용한다.

연료라인(11)은 연료공급라인을 따라 커먼 레일로 공급된 연료를 본 발명에 따른 인젝터(1)로 공급한다.

기술된 바와 같이, 연료라인(11)을 따라 하우징(10) 내부로 공급된 연료는 노즐 니들(13)의 승·하강에 따라 노즐 홀(23)을 개방하거나 폐쇄하여 연소실로의 공급을 제어한다.

인젝터(1)는 노즐부(20)의 상부에 배열된 하나 이상의 노즐 홀(23)을 수단으로 하여 앞서 기술된 연료라인(11)으로 유입된 연료를 연소실 내부에 와류 방식으로 분사할 수 있다.

도 2을 참조로 하여, 본 발명의 노즐부(20)는 팁(14)의 중심을 동심축으로 하여 배치된다.

특히, 팁(14)은 이의 중앙에 원통형상의 오리피스(141;orifice)를 형성하고, 오리피스(141)의 상측부는 노즐부(20)로 마감된다. 선택가능하기로, 오리피스(141)는 상부에서 하부까지 점차적으로 직경을 증가시킨 원추형상의 단면을 제공할 수 있다.

원추형상의 단면을 가진 오리피스(141)는 연료의 와류 방식의 분사를 개선하여 연소실 내부에 공기 유동방향, 예컨대 와류 방식으로 유동하는 공기와 효율적으로 혼합될 수 있게 된다.

다시 말하자면, 와류 방식으로 분사될 연료와 와류 방식으로 유동하는 공기는 최적으로 혼합되어 그을음과 같은 배출가스를 저감시킬 수 있다.

전술되었듯이, 노즐부(20)는 인젝터(1)의 하단부에 위치되는 한편, 연료의 분사를 보장할 수 있는 노즐 홀(23)을 구비한다. 노즐부(20)는 원통형상의 측벽면(21)과 편평한 베이스(22)로 이루어져 있다.

노즐부(20)의 측벽면(21)은 오리피스(141)의 상단에 배치되어 있으며, 바람직하기로는 노즐부(20)의 측벽면(21)과 오리피스(141)를 한정하는 팁(14)의 내부 측면은 일체로 형성되어 내구성을 향상시킬 수 있다.

노즐부(20)는 원통형상의 측벽면(21) 상부를 편평한 베이스(22)로 폐쇄하여 하부를 개방한 컵형상으로 형성되어 있다.

또한, 노즐부(20)는 하우징(10) 내부에 충전된 연료를 외부를 향해 고속 분사할 수 있는 노즐 홀(22)을 이의 측벽면(21)에 구비한다. 노즐 홀(22)은 측벽면(21) 상단에 천공되어 있는바, 바람직하기로는 베이스(22) 아래에 위치된다.

도 3는 도 2의 A-A 선에서 바라본 단면도로서, 노즐부(20)의 편평한 베이스(22)를 배제한 상태로 도시하고 있다.

노즐 홀(23)은 노즐부(20; 도 2참조)의 측벽면(21)을 관통한다. 다시 말하자면, 노즐 홀(23)은 오리피스(141)와 하우징의 중공부(12; 도 1 참조)를 연통한다.

노즐 홀(23)은 종래와 같이 오리피스(141)의 중심축에서 바깥방향을 향해 방사상으로 관(tube) 형태로 형성되지 않는 대신에, 오리피스(141)의 접선방향(tangential direction)에 상응하게 측벽면(21)을 관통하여 형성된다.

이러한 접선방향의 노즐 홀(23)은 노즐 니들(13; 도 2 참조)의 상승으로 개방되고, 그런 다음에 연료가 노즐 홀(23)로 형성된 유로를 따라서 오리피스(141)로 유출된다.

이때, 연료는 오리피스(141)와 접선방향으로 진입하기 때문에 팁의 오리피스(141) 내주면을 따라 흐르게 되면서 와류 방식으로 분사될 수 있다. 화살표는 연료의 이동방향을 나타낸다.

노즐 홀(23)은 도 3에 도시되었듯이 측벽면(21)에 6개의 노즐 홀을 천공하고 있지만, 이에 국한되지 않고 분사될 연료의 유량과 와류방식의 세기에 따라 가변적으로 천공될 수 있다.

선택가능하기로, 노즐 홀(23)은 측벽면(21)의 원주방향으로 등간격으로 배열된다. 이는 와류 방식으로 분사될 연료를 균일하게 연소실 내부로 확산시킬 수 있다.

특히, 노즐 홀(23)은 오리피스(141)의 접선방향에서 방사상방향으로 각도를 증가시킬수록 와류의 세기는 점차 감소될 것이다. 따라서, 노즐 홀(23)은 연료의 와류 정도를 조절하기 위해 오리피스(141)에 대한 노즐 홀(23)의 입사각도를 가변화시킬 수 있다. 예컨대, 노즐 홀(23)은 오리피스(141)의 접선방향으로부터 90°(즉, 접선방향과 직각으로 형성되는 것을 의미함)까지 천공될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 커먼 레일 인젝터의 하부를 확대한 것으로, 제1실시예의 커먼 레일 인젝터와 노즐부(20)를 제외하고는 동일한 구성으로 이루어져 있기 때문에 여기서 중복되는 내용은 배제하도록 한다.

도시된 바와 같이, 노즐부(20)는 인젝터 하단부에 위치되되, 원통형상의 측벽면(21)과 편평한 베이스(22) 및 연료의 유동경로를 제공하는 노즐 홀(23)로 이루어진다.

특히, 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐부(20)는 하향되게 경사져 있는 노즐 홀(23)을 구비한다. 즉, 노즐 홀(23)은 측벽면(21)을 가로질러 관형상으로 형성되되, 축방향, 즉 오리피스(141)를 향해 하방으로 경사져 있다.

경사져 있는 노즐 홀(23)은 연소실 내부로 연료의 진입을 더욱 용이하게 할 수 있으며 하방으로 분사되는 연료에 와류 작용을 돕는다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터는 와류 방식으로 연료를 분사하여 배출가스의 저감뿐만 아니라 연소 효율의 향상을 필요로 하는 커먼 레일 시스템에 이용될 수 있다.

1: 인젝터, 10: 하우징,
11: 연료라인, 12: 중공부,
13: 노즐 니들, 14: 팁,
20: 노즐부, 21: 측벽면,
22: 베이스, 23: 노즐 홀,
141: 오리피스

Claims (7)

1. 중공부(12)와, 상기 중공부(12)에서 상하 왕복이동하는 노즐 니들(13), 및 하단부에 오리피스(141)를 가진 팁(14)을 구비한 하우징(10)을 통해 연소실 내부로 연료를 분사하는 인젝터에 있어서,
   상기 팁(14)은 컵형상의 노즐부(20)를 수단으로 하여 상부를 폐쇄하는데,
   상기 노즐부(20)는 원통형상의 측벽면(21)과 상기 측벽면(21)의 상부를 마감하는 편평한 베이스(22) 및 상기 중공부(12)와 오리피스(141)를 연통하는 하나 이상의 노즐 홀(23)을 구비하고,
   상기 노즐 홀(23)은 상기 오리피스(141)와 접선방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 오리피스(141)는 이의 상부에서 하부까지 점차적으로 직경을 증가시킨 원추형상의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 홀(23)은 상기 측벽면(21) 상단에 천공되는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 홀(23)은 상기 측벽면(21)의 원주방향을 따라 등간격으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 연료는 와류 방식으로 분무되는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 홀(23)은 상기 오리피스(141)를 향해 하방으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 홀(23)은 상기 오리피스(141)와의 접선방향과 이 접선방향에서 직각방향 사이에서 형성되는 것을 특징으로 하는, 와류 분사형 노즐을 구비한 커먼 레일 인젝터.
   

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