KR20130093462A - 연료 분사 밸브 - Google Patents

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KR20130093462A
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다카히로 사이토
노부아키 고바야시
히로시 오오노
아츠시 나카이
요시오 오카모토
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히다치 오토모티브 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

연료 분사 밸브에서, 복수의 와류 발생 챔버 중 대응 와류 발생 챔버와 밸브 시트 부재의 개방 섹션 사이를 연통시키는 연통 통로 각각에 유입되는 연료의 유량으로부터 연료가 균일하게 흐르는 파이프 라인을 상정하고, 상기 파이프 라인의 직경을 da로 가정하며 상기 분사 구멍 각각의 직경을 d0으로 가정하면, da/d0은 분사 구멍 각각으로부터 분사되는 연료의 스프레이 각도가 소망 스프레이 각도를 제공하도록 설정되고, 연통 통로 및 분사 구멍은 각각의 분사 구멍으로부터 분사되는 연료 스프레이의 적어도 하나가 액체 필름 부분보다 낮은 위치에서 임의의 다른 연료 스프레이와 접촉되도록 설계된다.

Description

연료 분사 밸브{FUEL INJECTION VALVE}
본 발명은 엔진의 연료 분사를 위해 사용되는 연료 분사 밸브에 관한 것이다.
2003년 11월 28일자로 공개된 일본 특허 공개공보 제2003-336561호(2005년 2월 15일자 미국 특허 제6,854,670호와 대체로 일치)는 이전에 제안된 연료 분사 밸브를 예시하고 있다. 상기 연료 분사 밸브에서는, 통로 판과 분사기 판이 밸브 시트 부재 상에 용접된다. 이후, 통로 판 상에는 측면 구멍, 횡방향 도관, 및 와류 챔버가 형성되며, 분사기 판 내에는 연료 분사 구멍이 형성된다.
연료 분사 밸브는 엔진의 흡입 포트에 다양한 각도로 부착된다. 연료 분사 밸브가 흡입 포트에 적절한 각도로 부착될 때는, 흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브의 부착 각도에 따라 연료 스프레이 각도를 설정함으로써 엔진의 흡입 포트에 대한 분사 연료의 접착을 억제할 필요가 있다. 그러나, 상기 일본 특허 공개공보 제2003-336561호에 기재된 기술에서는, 소망 연료 스프레이 각도를 얻기 위해서, 연료 스프레이 각도는 분사기 판 및 통로 판의 다양한 형상을 이용한 실험에 의해서만 설정된다. 따라서, 설계 단계에서 수많은 노동 시간[인시(man-hour)]이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 소망 연료 스프레이 각도를 얻을 수 있는 연료 분사 밸브의 구성의 특징을 찾아낼 수 있고, 찾아낸 특징을 사용하여 연료 분사 밸브를 설계할 수 있으며, 상호 스프레이 간의 간섭으로 인한 연료 스프레이의 무화 특징의 악화를 억제할 수 있는 개선된 연료 분사 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 연료 분사 밸브이며, 상기 분사 밸브 내에 슬라이드 가능하게 설치되는 밸브체; 밸브 폐쇄 시에 상기 밸브체가 착좌되는 밸브 시트를 갖고 그 하류측에 개방 섹션을 갖는 밸브 시트 부재; 복수의 와류 발생 챔버로서, 그 각각은 대응 와류 발생 챔버의 내측 부분에서 연료를 와선운동시켜 연료에 와선력(swirling force)을 제공하도록 구성되는 복수의 와류 발생 챔버; 복수의 분사 구멍으로서, 그 각각은 대응 와류 발생 챔버의 바닥 섹션에 형성되고 외부로 관통하는 복수의 분사 구멍; 및 대응 와류 발생 챔버와 밸브 시트 부재의 개방 섹션 사이를 연통시키도록 구성된 연통 통로를 포함하며, 연통 통로 각각에 유입되는 연료의 유량으로부터 연료가 균일하게 흐르는 파이프 라인을 상정하고, 상기 파이프 라인의 직경을 da로 가정하며 상기 분사 구멍 각각의 직경을 d0으로 가정하면, da/d0은 분사 구멍 각각으로부터 분사되는 연료의 스프레이 각도가 소망 스프레이 각도를 제공하도록 설정되고, 연통 통로 및 분사 구멍은 각각의 분사 구멍으로부터 분사되는 연료 스프레이의 적어도 하나가 액체 필름 부분보다 낮은 위치에서 임의의 다른 연료 스프레이와 접촉되도록 설계되는 연료 분사 밸브가 제공된다.
본 발명에 의하면, 상호 스프레이 간의 간섭으로 인한 연료 스프레이의 무화 특징의 악화를 억제할 수 있는 개선된 연료 분사 밸브가 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예에서의 연료 분사 밸브의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 분사 밸브의 노즐 판에 인접하는 연료 분사 밸브 부분의 확대 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료 분사 밸브의 노즐 판의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료 분사 밸브의 와류 챔버 및 연결된 연료 분사 구멍의 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료 분사 밸브의 와류 챔버 및 연결된 연료 분사 구멍의 대략적인 평면도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 도 1에 도시된 제1 실시예의 경우에 엔진의 흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브의 부착 각도의 예의 설명도이다.
도 7은 도 1에 도시된 제1 실시예의 경우에 da/d0, L/d0, 연료 스프레이 각도(θ1) 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 연료 분사 밸브의 바람직한 제2 실시예에서의 노즐 판의 사시도이다.
도 9는 연료 분사 밸브의 바람직한 제3 실시예에서의 노즐 판의 사시도이다.
도 10은 연료 분사 밸브의 바람직한 제4 실시예에서의 노즐 판의 사시도이다.
도 11은 연료 분사 밸브의 바람직한 제5 실시예에서의 연료 분사 밸브의 노즐 판에 인접한 연료 분사 밸브 부분의 확대 단면도이다.
도 12는 연료 분사 밸브의 바람직한 제6 실시예에서의 노즐 판의 사시도이다.
도 13은 연료 분사 밸브의 바람직한 제7 실시예에서의 노즐 판에 인접한 연료 분사 밸브 부분의 확대 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 연료 분사 밸브의 바람직한 제7 실시예에서의 중간 판의 사시도이다.
도 15는 도 13에 도시된 연료 분사 밸브의 바람직한 제7 실시예에서의 노즐 판의 사시도이다.
도 16은 연료 분사 밸브의 바람직한 제8 실시예에서의 연료 분사 밸브의 와류 챔버 및 연료 분사 구멍의 대략적인 사시도이다.
도 17은 연료 분사 밸브의 바람직한 제9 실시예에서의 연료 분사 밸브의 와류 챔버 및 연료 분사 구멍의 대략적인 사시도이다.
도 18은 연료 분사 밸브의 바람직한 제10 실시예에서의 연료 분사 밸브의 와류 챔버 및 연료 분사 구멍의 대략적인 사시도이다.
도 19는 연료 분사 밸브의 바람직한 제11 실시예에서의 연료 분사 밸브의 노즐 판의 평면도이다.
도 20은 연료 분사 밸브의 바람직한 제12 실시예에서의 연료 분사 밸브의 노즐 판의 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 양호한 이해를 촉진하기 위해 첨부도면을 참조한다.
(제1 실시예)
본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예에서의 연료 분사 밸브를 후술할 것이다.
[연료 분사 밸브의 구조]
도 1은 연료 분사 밸브(1)의 축방향으로 도시하는 연료 분사 밸브(1)의 축방향 단면도이다. 이 연료 분사 밸브(1)는 자동차용 가솔린 엔진에 사용되며, 소위 저압 목적의 연료 분사 밸브이다. 연료 분사 밸브(1)는, 자성 재료 원통형 보디(2) 내에 수용되는 자성 재료 원통형 보디(3); 밸브(1)의 축방향으로 슬라이딩할 수 있는 밸브체(4); 상기 밸브체(4) 내에 일체로 형성되는 밸브 샤프트(5); 밸브 폐쇄 시에 밸브체(4)에 의해 폐쇄되는 밸브 시트(6)를 갖는 밸브 시트 부재(7); 밸브 개방 시에 이를 통해서 연료가 분사되는 연료 분사 구멍을 갖는 노즐 판(8); 전원이 공급되면 밸브체(4)를 밸브 개방 방향으로 슬라이딩시키는 전자기 코일(9); 및 자속 라인을 구비하는 요크(10)를 구비한다.
자성 재료 원통형 보디(2)는 전자기 스테인레스 스틸과 같은 자성 금속 재료로 형성된 금속 파이프 등으로 제조된다. 자성 재료 원통형 보디(2)를 도 1에 도시하듯이 계단식 원통형 형상으로 일체 형성하기 위해 딥드로잉과 같은 프레스 가공 및 절삭 가공 수단이 사용된다.
자성 재료 원통형 보디(2)는 보디(2)의 일단부 섹션에 형성되는 대직경 섹션(11) 및 원통형 보디(2)의 타단부 섹션에 형성되고 상기 대직경 섹션(11)보다 작은 직경을 갖는 소직경 섹션(12)을 구비한다. 소직경 섹션(12)에는 부분적으로 얇은 박육(thin thickness) 섹션(13)이 일체로 형성된다. 소직경 섹션(12)은 박육 섹션(13)을 중심으로 하여 박육 섹션(13)의 일단부 측에 배치되는 코어 원통형 보디(3)를 수용하는 코어 원통형 보디 수용 섹션(14); 및 박육 섹션(13)을 중심으로 하여 박육 섹션(13)의 타단부 측에 배치되는 밸브 부재(15)[밸브체(4), 밸브 샤프트(5), 및 밸브 시트 부재(7)]를 수용하는 밸브 부재 수용 섹션(16)으로 분할된다. 박육 섹션(13)은 후술하듯이 코어 원통형 보디(3)와 밸브 샤프트(5)가 자성 재료 원통형 보디(2) 내에 수용되는 상태에서 코어 원통형 보디(3)와 밸브 샤프트(5) 사이의 갭 부분을 봉입하도록 형성된다. 박육 섹션(13)은 코어 원통형 보디 수용 섹션(14)과 밸브 부재 수용 섹션(16) 사이의 자기 저항을 증가시키기 위해 제공되고 코어 원통형 보디 수용 섹션(14)과 밸브 부재 수용 섹션(16) 사이를 자기적으로 차단하기 위해 제공된다.
대직경 섹션(11)의 내경 섹션에는 밸브 부재(15)에 대한 연료 공급 통로인 연료 통로(17)가 형성된다. 대직경 섹션(11)의 일 단부에는 연료를 필터링하는 연료 필터(18)가 배치된다. 연료 통로(17)에는 펌프(47)가 연결된다. 이 펌프(47)는 펌프 제어 유닛(54)에 의해 제어된다.
코어 원통형 보디(3)는 원통형 형상으로 형성되고, 중공 섹션(19)을 구비하며, 자성 재료 원통형 보디(2)의 코어 원통형 보디 수용 섹션(14)에 압입된다. 중공 섹션(19)에는 스프링 리시버(20)가 수용된다. 스프링 리시버(20)는 억지 끼워맞춤에 의해 고정된다. 스프링 리시버(20)의 중심을 통해서 축방향으로 관통되는 연료 통로(43)가 스프링 리시버(20) 근처에 형성된다.
밸브체(4)의 외부 프로파일은 실질적으로 볼 형상(구체)으로 형성되며, 연료 분사 밸브(1)의 축방향에 평행하게 절단된 각각의 연료 통로 표면(21)이 밸브체(4)의 주위면에 형성된다. 밸브 샤프트(5)는 대직경 섹션(22), 및 대직경 섹션(22)보다 작은 외부 프로파일을 갖는 소직경 섹션(23)을 구비한다.
밸브체(4)는 소직경 섹션(23)의 선단 섹션에 일체로 용접된다. 도 2에서, 검은색 반원과 검은색 삼각형은 용접 위치를 나타낸다. 대직경 섹션(22)의 단부 섹션에는 스프링 삽입 구멍(24)이 관통된다. 스프링 삽입 구멍(24)의 바닥 섹션에 형성되는 스프링 시트 섹션(25)은 스프링 삽입 구멍(24)보다 작은 직경을 가지며, 스프링 삽입 구멍(25)의 바닥 섹션에는 스프링 수용 섹션(26)이 계단 형태로 형성된다. 소직경 섹션(23)의 단부 섹션에는 연료 통로 구멍(27)이 형성된다. 이 연료 통로 구멍(27)은 스프링 삽입 구멍(24)과 연통된다. 소직경 섹션(23) 및 연료 통로 구멍(27)의 외주에는 관통된 연료 유출 구멍(28)이 형성된다.
밸브 시트 부재(7)는 실질적으로 절두 원추 형상(단면)의 밸브 시트(6); 밸브체(4)의 직경과 거의 동일한 직경으로 형성되고 밸브 시트(6)보다 더 일단부 측에 위치하는 밸브체 유지 구멍(30); 밸브 시트 부재(7)가 밸브체 유지 구멍(30)으로부터 일단부 섹션을 향해서 갈수록 그 직경이 더 커지도록 형성되는 상류측 개방 섹션(31); 및 상류측 개방 섹션(31)과 대향하는 밸브 시트(6)의 타단부 섹션을 향해서 개방되는 하류측 개방 섹션(48)을 구비한다.
밸브 샤프트(5)와 밸브체(4)는 자성 재료 원통형 보디(2) 내에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 수용된다. 밸브 샤프트(5) 및 밸브체(4)를 밸브 시트 부재(7)의 타단부 측을 향해서 가압하기 위해 밸브 샤프트(5)의 스프링 수용 섹션(26)과 스프링 수용 섹션(20) 사이에는 코일 스프링(29)이 개재된다. 밸브 시트 부재(7)는 자성 재료 원통형 보디(2) 내에 삽입되며 자성 재료 원통형 보디(2) 상에 용접에 의해 고정된다. 밸브 시트(6)는 밸브 시트(6)가 밸브체 유지 구멍(30)으로부터 하류 개방 섹션(48)을 향해서 45°의 경사각으로 갈수록 그 직경이 작아지도록 형성된다. 밸브가 폐쇄될 때, 밸브체(4)가 밸브 시트(6) 상에 착좌된다.
전자기 코일(9)은 자성 재료 원통형 보디(2)의 코어 원통형 보디(3)의 외주에 삽입 끼워맞춤된다. 즉, 전자기 코일(9)은 코어 원통형 보디(3)의 외주 상에 배치된다. 전자기 코일(9)은 수지 재료로 형성된 보빈(32) 및 이 보빈(32) 주위에 권선된 코일(33)을 구비한다. 코일(33)은 커넥터 핀(34)을 거쳐서 전자기 코일 제어 유닛(55)에 연결된다.
전자기 코일 제어 유닛(55)은, 크랭크 각도를 검출하는 크랭크 각도 센서로부터의 정보에 기초하여 계산되는 연료가 연소실측을 향해 분사되는 타이밍에 따라서 연료 분사 밸브(1)를 개방하기 위해 전자기 코일(9)의 코일(33)에 대한 전력 공급을 턴온시킨다.
요크(10)는 중공 관통 구멍을 구비하며, 상기 요크는 요크(10)의 일단부 개방측에 형성되는 대직경 섹션(35); 대직경 섹션(35)보다 작은 직경을 갖는 중간 직경 섹션(36); 및 중간 직경 섹션(36)보다 작은 직경을 가지며 타단부 개방측에 형성되는 소직경 섹션(37)으로 구성된다. 소직경 섹션(37)은 밸브 부재 수용 섹션(16)의 외주에 끼워진다. 중간 직경 섹션(36)의 내주 안에는 전자기 코일(9)이 수용된다. 대직경 섹션(35)의 내주에는 링크 코어(38)가 배치된다.
링크 코어(38)는 자성 금속 재료로 제조된 실질적으로 문자 C형상으로 형성된다.
요크(10)는 소직경 섹션(37) 및 링크 코어(38)를 거쳐서 대직경 섹션(35) 상의 자성 재료 원통형 보디(2)에 연결된다. 즉, 전자기 코일(9)의 양 단부 섹션은 자성 재료 원통형 보디(2)에 자기적으로 연결된다. 요크(10)의 타단부 측의 선단 섹션은 연료 분사 밸브(1)를 엔진의 흡입 포트에 연결하기 위해 O링(40)을 유지한다. 추가로, 자성 재료 원통형 보디의 선단을 보호하기 위한 보호구(52)가 요크(10)의 타단부 측의 선단에 부착된다.
자기장 발생을 위해 커넥터 핀(34)을 거쳐서 전자기 코일(9)에 전력이 공급되면, 밸브체(4) 및 밸브 샤프트(5)는 자기장의 자력에 의해 코일 스프링(29)의 가압력에 대항하여 개방된다.
연료 분사 밸브(1)의 도 1에 도시하듯이, 연료 분사 밸브(1)의 대부분이 수지 커버(53)로 커버된다. 수지 커버(53)로 커버되는 부분은, 자성 재료 원통형 보디(2)의 대직경 섹션(11)의 일단부 섹션을 배제한 부분으로부터 전자기 코일(9)이 장착되는 소직경 섹션(37)의 위치까지의 위치, 전자기 코일(9)과 요크(10)의 중간 섹션(36) 사이의 위치, 전자기 코일(9)과 요크(10)의 중간 직경 섹션(36) 사이의 위치, 링크 코어(38)의 외주와 대직경 섹션(35) 사이의 위치, 대직경 섹션(35)의 외주, 중간 직경 섹션(36)의 외주, 및 커넥터 핀(34)의 외주를 포함한다. 수지 커버(53)는 전자기 코일 제어 유닛(55)의 커넥터가 이를 통해서 삽입되는 커넥터 핀(34)의 선단 섹션에서 개방된다. 자성 재료 원통형 보디(2)의 일단부 섹션의 외주에는 O링(39)이 배치되며, 요크(10)의 소직경 섹션(37)의 외주에는 O링(40)이 배치된다. 밸브 시트 부재(7)의 타단부 측에는 노즐 판(8)이 용접된다. 이 노즐 판(8)은 연료에 와선운동(와류)을 제공하기 위한 복수의 와류 챔버(41); 각각의 와류 챔버(41) 위에 연료를 분배하는 중심 챔버(42); 및 대응 와류 챔버(41) 내에서 발생된 와류가 제공되는 연료가 이를 통해서 분사되는 (연료) 분사 구멍(44)을 구비한다.
[노즐 판의 구조]
도 2는 연료 분사 밸브(1)의 노즐 판(8)에 인접한 연료 분사 밸브(1) 부분의 확대 단면도이다. 도 3은 제1 실시예에서의 노즐 판(8)의 사시도이다. 노즐 판(8)의 구조에 대해서 도 2 및 도 3을 사용하여 설명할 것이다. 와류 챔버(41) 및 중심 챔버(42)는 노즐 판(8)의 일단부(측) 표면에 형성된다(도 3에 도시하듯이). 중심 챔버(42)는 노즐 판(8)의 중심 근처에 바닥있는(bottomed) 원형 리세스 형상으로 형성된다. 세 개의 와류 챔버(41)가 형성되며, 와류 챔버(41)의 각각은 연통 통로(45) 및 와류 발생 챔버(46)로 구성된다. 각각의 연통 통로(45)는 노즐 판(8)의 중심 근처에서 함께 연결되며, 중심 챔버(42)는 각각의 연통 통로(45)의 연결부에 형성된다. 와류 발생 챔버(46)는 연통 통로(45)의 선단 섹션에 형성된다. 연통 통로(45)는 와류 발생 챔버(46)의 접선 방향을 따라서 대응 와류 발생 챔버(46)에 연결된다. 연통 통로(45)는 내부 측면과 바닥 섹션을 갖는 바닥있는 리세스 형상으로 형성되며, 그 단면적은 와류(또는 나선) 구조로 형성된다. 와류 발생 챔버(46)의 바닥 섹션에는 관통 구멍인 각각의 연료 분사 구멍(44)이 형성된다.
[각각의 와류 챔버 및 각각의 연료 분사 구멍의 상세]
도 4는 대표 와류 챔버(41) 및 대응 (연결된) 연료 분사 구멍(44)의 사시도이다. 도 5는 도 4에 도시된 대표 와류 챔버(41) 및 연료 분사 구멍(44)의 대략적인 평면도이다.
도 4에 도시하듯이, 연통 통로(45)의 폭이 W이고, 높이가 H이며, 연료 분사 구멍(44)의 축방향 길이가 L이라고 가정한다. 도 5에 도시하듯이, 대표 와류 발생 챔버(46)의 직경이 D이고, 대표 연료 분사 구멍(44)의 직경이 d0이라고 가정한다. 와류 발생 챔버(46)의 직경은 연통 통로(45)에 연결되는 와류 발생 챔버(46)의 내벽 부분의 곡률에 기초한 원이 형성될 때의 직경 D이도록 설정되는 것에 유의해야 한다. 또한, 연통 통로(45)의 등가 유량 직경이 da로서 가정된다. 연료는 연통 통로(45) 내에서 균일하게 유동하게 되지 않지만, 연통 통로(45)의 내벽 근처에서의 연료의 유량은 중심에서의 유량보다 작도록 설정된다.
연통 통로(45)의 등가 유량 직경(da)은, 연료가 연통 통로(45)를 통해서 흐르는 유량으로부터 균일하게 유동하게 되고 하기 식:
Figure pat00001
으로부터 결정될 수 있는 파이프 라인을 가정할 때의 파이프 라인의 직경이다.
와류 챔버(41)는 설정되도록 요망되는 연료 분사 스프레이 각도(θ1)에 따르도록 설계된다. 여기에서, 연료 분사 스프레이 각도(θ1)는 도 4로부터 알 수 있듯이 연료 스프레이의 확산 각도임을 알아야 한다.
이 시점에서, 연료 스프레이 상태는 도 4를 사용하여 정해진다. 연료 스프레이의 액체 필름(또는 액체 멤브레인) 상태는, 연료가 대응 연료 분사 구멍(44)으로부터 분사된 직후에 형성되는 실질적으로 중공의 원추형 형상으로 연료가 스프레이 표면 상에 필름(멤브레인) 상태로 있는 상태이다. 연료 스프레이의 연료 액사(liquid thread) 상태는 필름 상태에 있었던 연료 스프레이가 점점 붕괴되기 시작하는 상태를 나타낸다. 연료 스프레이의 연료 방울 상태는 액사 상태보다 추가 붕괴가 진전되고 연료가 입자상으로 더 붕괴되는 상태를 나타낸다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 엔진의 흡입 포트에 연료 분사 밸브(1)를 부착하는 예를 설명하기 위한 설명도이다.
흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브(1)의 부착 각도가 도 6a에 도시하듯이 비교적 얕을 때, 연료 스프레이 각도는 주위 흡입 포트에 분사되는 연료의 부착(접착) 양이 억제될 수 있도록 좁아질(작아질) 수 있다. 한편, 흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브(1)의 부착 각도가 비교적 깊을 때에도(도 6b 및 도 6c에 도시하듯이), 연료 스프레이 각도는 주위 흡입 포트에 분사되는 연료의 부착이 억제될 수 있도록 넓어질(증가될) 수 있다.
도 7은 da/d0, L/d0, 연료 스프레이 각도(θ1) 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7에 도시하듯이, da/d0 및 연료 스프레이 각도(θ1)는 부정적인 상관관계를 가지며, 선형 특징에 근사될 수 있다.
da/d0이 동일(값)하면, 연료 스프레이 각도(θ1)는 L/d0이 커질수록 작아(좁아)지며, da/d0 및 L/d0은 연료의 스프레이 각도가 흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브(1)의 부착 각도에 따라서 소망 연료 스프레이 각도를 제공하도록 설정된다. 스프레이 각도가 동일한 연료 스프레이 각도(θ1)이더라도, da/d0 및 L/d0의 복수의 조합이 선택될 수 있다. 그러나, 이 선택 조합을 위해서 다른 설계 방법에 따른 적절한 선택이 이루어질 수 있다.
또한, 연료 스프레이의 무화 특징의 악화 억제는 da/d0 및 L/d0에 따른 스프레이 각도의 설계와 더불어 분사 구멍 사이 간격의 길이 세트를 통해서 조절될 수 있다. 이는 다른 설계 방법 및 치수 제한에 의해 적절히 선택될 수도 있다. 치수 제한은 연통 통로(45), 와류 발생 챔버(46) 및 연료 분사 구멍(44)이 배열될 수 있는 범위 한계, 및 재료 강도 등으로 인한 판 두께의 한계치를 포함하는 것에 유의해야 한다.
[작용]
(밸브 폐쇄 시의 연료 유동)
전자기 코일(9)의 코일 섹션(33)에 전력이 공급되지 않으면, 코일 스프링(29)은 밸브체(4)를 밸브 시트(6) 상에 착좌시키기 위해 밸브 샤프트(5)를 밸브 시트 부재(7)의 타단부 측을 향해 가압한다. 따라서, 밸브체(4)와 밸브 시트(6) 사이의 공간 간격은 노즐 판(8) 측에 연료가 전혀 공급되지 않도록 폐쇄된다.
(밸브 개방 시의 연료 유동)
밸브 개방 시의 연료 스트림에 대해 도 4를 사용하여 설명할 것이다.
전자기 코일(9)의 코일 섹션(33)에 전력이 공급되면, 밸브 샤프트(5)는 코일 스프링(29)의 가압력에 대항하는 전자기력에 의해 밸브 시트 부재(7)의 일단부 측을 향해서 당겨진다. 따라서, 밸브체(4)와 밸브 시트(6) 사이의 공간 간격은 노즐 판(8) 측에 연료가 공급되도록 해제(개방)된다.
노즐 판(8)에 공급된 연료는 중심 챔버(42)에 진입하고 중심 챔버(42)의 바닥 섹션과 충돌한다. 따라서, 연료 스트림은 축방향 유동으로부터 반경방향 유동으로 변환되며, 각각의 연통 통로(45)에 유입되게 된다. 연통 통로(45)가 대응 와류 발생 챔버(46)의 접선 방향을 따라서 연결되기 때문에, 연통 통로(45)를 통과한 연료는 와류 발생 챔버(46)의 내측면을 따라서 와선운동한다. 연료가 연료 분사 구멍(44)의 측벽 섹션을 따라서 와선운동되는 동안 와선력을 갖는 연료가 분사되도록 와류 발생 챔버(46) 내의 연료에는 와선력이 부여된다. 따라서, 연료 분사 구멍(44) 각각으로부터 분사되는 연료는 연료 분사 구멍(44)의 접선 방향으로 따라서 산포된다. 각각의 연료 분사 구멍(44)으로부터의 분사 직후의 연료 스프레이는 연료 분사 구멍(44)의 개방 섹션의 에지 부분에 의해 얇은 액체 필름 상태에서 원추 형상으로 확산된다. 이후, 액체 필름 상태의 연료는 무화 액적을 제공하도록 분리된다. 따라서, 연료의 무화가 촉진될 수 있다. 콜드 스타트[저온(하) 시의 엔진 시동 상태] 시의 질소산화물(NOx) 발생이 감소될 수 있도록 연소 효율의 향상이 이루어진다.
(연료 스프레이 각도의 설정)
전술했듯이, 흡입 포트에 대한 분사 연료의 접착을 억제하기 위해서는, 연료 스프레이 각도(θ1)를 흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브(1)의 부착 각도에 따라 설정할 필요가 있다. 그러나, 발명의 배경 항목에서 기재된 이전에 제안된 연료 분사 밸브에서는, 연료 스프레이 각도(θ1)가 많은 실험을 통해서만 설정되도록 다양한 형태의 와류 챔버가 준비되며, 따라서 연료 분사 밸브의 설계 시에 수많은 노동 시간(인시)이 소비될 필요가 있다.
현 시점에서, 도 7에 도시된 연료 스프레이 각도(θ1)는 da/d0에 대해 명백히 부정적인 상관관계를 가지며 이것은 선형 특징에 근사될 수 있다.
da/d0은 이 특징을 사용하여 소망 연료 스프레이 각도(θ1)로 설정될 수 있기 때문에, 연료 분사 밸브(1)의 개발 노동 시간(인시)이 억제될 수 있다. 또한, da/d0에 대한 연료 스프레이 각도(θ1)의 특징은 각각의 L/d0(L/d0이 0.3, L/d0이 1.3, L/d0이 2.0)에 대해 설정될 수 있다. 따라서, 설계 자유도가 증가될 수 있다. 또한, 스프레이의 무화 특징을 고려할 때, 각각의 연료 분사 구멍(44)은 각각의 스프레이의 액체 필름 부분의 접촉을 억제하기 위해 스프레이 각도와의 밸런스를 감안하여 설정될 수 있다.
[효과]
연료 분사 밸브(1)가 제1 실시예에서 보여줄 수 있는 효과에 대해 후술할 것이다.
(1) 슬라이드 가능하게 배치된 밸브체(4), 상기 밸브체(4)가 착좌되는 밸브 시트(6)와 하류측에 배치되는 하류 개방 섹션(48)을 갖는 밸브 시트 부재(7), 연료에 와선력을 제공하기 위해 그 내부에서 연료가 와선운동되는 와류 발생 챔버(46), 상기 와류 발생 챔버(46)의 바닥 섹션에 형성되고 외부로 관통하는 연료 분사 구멍(44), 및 그 각각이 대응 와류 발생 챔버(46)와 밸브 시트 부재(7)의 하류 개방 섹션(48) 사이를 연통시키는 연통 통로(45)를 구비하는 연료 분사 밸브(1)에서, 연통 통로(45) 내의 연료 유량으로부터 연료가 균일하게 흐르는 파이프 라인을 상정하고, 상기 파이프 라인의 직경을 da로 가정하며 연료 분사 구멍(44)(분사 구멍)의 직경을 d0으로 가정하면, da/d0은 각각의 연료 분사 구멍(44)으로부터 분사되는 연료의 스프레이 각도[연료 스프레이 각도(θ1)]가 소망 스프레이 각도를 제공하도록 설정되고, 연통 통로(45) 및 연료 분사 구멍(44)은 그에 따라 설계된다.
따라서, da/d0은 소망 연료 스프레이 각도(θ1)로 설정될 수 있기 때문에, 연료 분사 밸브(1)에 대한 개발 인시가 억제될 수 있다.
(2) da/d0에 대한 소망 연료 스프레이 각도(θ1)의 특징은 선형 특징이다.
따라서, 설계 단계 시점에서의 소망 연료 스프레이 각도(θ1)에 대한 da/d0은 연료 분사 밸브(1)의 개발이 촉진될 수 있도록 쉽게 설정된다.
(3) 각각의 분사 구멍의 길이가 L일 때, da/d0에 대한 연료 스프레이 각도(θ1)의 특징은 L/d0 각각에 대해 설정된다.
따라서, 연통 통로(45) 및 연료 분사 구멍(44)의 설계 자유도가 증가될 수 있다.
(4) 연료 스프레이 구멍(44) 사이의 간격(거리)은, 액체 필름 부분에서의 상호 스프레이의 접촉이 (1)항목 내지 (3)항목을 고려하여 쉽게 설계될 수 있는 연료 스프레이 각도(θ1)에 기초하여 억제될 수 있는 간격으로 설정된다.
따라서, 스프레이의 무화 특징의 악화를 억제하는 설계 자유도가 증가될 수 있다.
[다른 실시예]
이하, 본 발명은 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예에 기초하여 설명된다. 본 발명의 특정 구조는 전술한 바람직한 제1 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 수정 및 설계 변경이 이루어질 수 있다.
(와류 발생 챔버의 개수의 수정)
제1 실시예의 연료 분사 밸브(1)에서는 세 개의 와류 챔버(41)가 형성된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 와류 챔버(41)의 개수는 연료 분사량의 설계에 따라 적절히 변경될 수 있다.
예를 들어, 도 19 및 도 20에 도시하듯이 네 개 또는 여섯 개의 와류 챔버(41)가 형성될 수도 있다.
도 8은 노즐 판(8)의 사시도이다. 예를 들어, 도 8에 도시하듯이 두 개의 와류 챔버(41)가 형성될 수 있다.
(중심 챔버의 수정)
중심 챔버(42)는 연료 분사 밸브(1)의 제1 실시예에서 원형 리세스 형상으로 형성된다. 그러나, 중심 챔버(42)의 형상은 수정될 수 있다.
도 9는 세 개의 와류 챔버(41)가 형성될 때의 노즐 판(8)의 사시도이다. 도 9의 경우에서와 같이, 중심 챔버는 리세스 형상에 불과하며, 대응 연통 통로(45)로 이어진다. 도 10은 두 개의 와류 챔버(41)가 형성될 때의 노즐 판(8)의 사시도이다. 예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시하듯이, 연통 통로(45)는 상호 직결되며 그 연결부는 중심 챔버(42)일 수 있다.
(노즐 판의 수정)
제1 실시예에서의 연료 분사 밸브(1)의 경우에, 중심 챔버(42), 와류 챔버(41) 및 연료 분사 구멍(44)은 모두 노즐 판(8) 내에 형성된다. 대안적으로, 이들 요소는 노즐 판(8) 내에 형성될 필요가 없을 수도 있다.
도 11은 연료 분사 밸브(10)의 노즐 판(8)에 인접한 연료 분사 밸브(1) 부분의 확대 단면도이다.
도 12는 노즐 판(8)의 사시도이다.
예를 들어, 도 11 및 도 12에 도시하듯이, 중심 챔버(42)와 와류 챔버(41)가 밸브 시트 부재(7)의 타단부 측에 형성될 수도 있으며 연료 분사 구멍(44)만 노즐 판(8)을 관통할 수도 있다.
(중간 판의 추가)
제1 실시예에서의 연료 분사 밸브(1)의 경우에, 중심 챔버(42), 와류 챔버(41) 및 연료 분사 구멍(44)은 노즐 판(8) 내에 형성된다.
그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
이들 요소 모두가 노즐 판(8) 내에 형성되지 않을 수도 있다.
도 13은 연료 분사 밸브(1)의 다른 바람직한 실시예에서의 노즐 판(8)에 인접한 연료 분사 밸브(1) 부분의 확대 단면도이다. 도 14는 도 13의 경우에서의 중간 판(50)의 사시도이다. 도 15는 도 13 및 도 14의 경우에서의 노즐 판(8)의 사시도이다. 예를 들어, 도 13 내지 도 15에 도시하듯이, 중심 챔버(42)와 와류 챔버(41)가 중간 판(50) 내에 형성될 수도 있으며 연료 분사 구멍(44)만 노즐 판(8)을 관통할 수도 있다.
(와류 발생 챔버의 수정)
제1 실시예에서의 연료 분사 밸브(1)에서는, 와류 발생 챔버(46)의 형상으로서, 도 5에 도시하듯이 나선 형상의 각각의 와류 발생 챔버가 도시되어 있다.
그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
각각의 와류 발생 챔버(46)는 연료에 와선력을 제공하기 위해 실질적으로 원형 형상으로 형성될 수 있다.
도 16 및 도 17은 와류 챔버(41) 및 연료 분사 구멍(44)의 또 다른 실시예의 평면도이다. 예를 들어, 도 16에 도시하듯이, 와류 발생 챔버(45)는 거의 완벽한 라운드 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 도 17에 도시하듯이, 각각의 연료 분사 구멍(44)의 위치는 대응 와류 발생 챔버(46)의 중심으로부터 시프트될 수도 있다.
(연통 통로의 수정)
제1 실시예의 연료 분사 밸브(1)에서는 각각의 연통 통로(45)가 도 5에 도시하듯이 형성된다.
그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브(1)의 부착 각도에 따른 연료 스프레이 각도가 얻어지면 연통 통로(45)는 수정될 수 있다.
도 18은 대표 와류 챔버(41) 및 대응 연료 분사 구멍(44)의 평면도이다. 예를 들어, 연통 통로(44)의 폭(W)은 도 18에 도시하듯이 바람직한 제1 실시예의 경우에 비해서 확장(증가)될 수 있다.
실시예의 각각은 조합될 수 있으며 각각의 실시예에서 와류 챔버(41)와 연통 통로(45)는 노즐 판(8), 밸브 시트 부재(7) 또는 중간 판(50)에 적용될 수 있음에 유의해야 한다.
본 출원은 2012년 2월 14일자로 출원된 일본 특허출원 제2012-029347호에 기초하고 있다. 이 일본 특허출원 제2012-029347호의 전체 내용은 본 명세서에 원용된다. 본 발명은 그 특정 실시예를 참조하여 전술되었지만, 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 상기 교시 내용을 감안할 때 당업자에게는 전술한 실시예의 수정 및 변경이 이루어질 것이다. 본 발명의 범위는 하기 청구범위를 참조하여 한정된다.
1: 연료 분사 밸브 4: 밸브체
5: 밸브 샤프트 6: 밸브 시트
7: 밸브 시트 부재 8: 노즐 판
9: 전자기 코일 10: 요크
17: 연료 통로 18: 연료 필터
27: 연료 통로 구멍 29: 코일 스프링
30: 밸브체 유지 구멍 31: 상류측 개방 섹션
32: 보빈 34: 커넥터 핀
39, 40: O링 41: 와류 챔버
42: 중심 챔버 43: 연료 통로
44: 연료 분사 구멍 45: 연통 통로
46: 와류 발생 챔버 47: 펌프
48: 하류측 개방 섹션 50: 중간 판
52: 보호구 53: 수지 커버
54: 펌프 제어 유닛 55: 전자기 코일 제어 유닛

Claims (17)

  1. 연료 분사 밸브이며,
    상기 분사 밸브 내에 슬라이드 가능하게 설치되는 밸브체;
    밸브 시트 부재로서, 밸브 폐쇄 시에 상기 밸브체가 착좌되는 밸브 시트를 갖고 밸브 시트 부재의 하류측에 개방 섹션을 갖는 밸브 시트 부재;
    복수의 와류 발생 챔버로서, 와류 발생 챔버 각각은 대응 와류 발생 챔버의 내측 부분에서 연료를 와선운동시켜 연료에 와선력을 제공하도록 구성되는 복수의 와류 발생 챔버;
    복수의 분사 구멍으로서, 분사 구멍 각각은 대응 와류 발생 챔버의 바닥 섹션에 형성되고 외부로 관통하는 복수의 분사 구멍; 및
    와류 발생 챔버들 중 대응 와류 발생 챔버와 밸브 시트 부재의 개방 섹션 사이를 연통시키도록 구성된 연통 통로를 포함하며,
    연통 통로 각각에 유입되는 연료의 유량으로부터 연료가 균일하게 흐르는 파이프 라인을 상정하고, 상기 파이프 라인의 직경을 da로 가정하며 상기 분사 구멍 각각의 직경을 d0으로 가정하면, da/d0은 분사 구멍 각각으로부터 분사되는 연료의 스프레이 각도가 소망 스프레이 각도를 제공하도록 설정되고, 연통 통로 및 분사 구멍은 각각의 분사 구멍으로부터 분사되는 연료 스프레이의 적어도 하나가 액체 필름 부분보다 낮은 위치에서 임의의 다른 연료 스프레이와 접촉되도록 설계되는 연료 분사 밸브.
  2. 제1항에 있어서, da/d0에 대한 스프레이 각도의 특징은 선형 특징인 연료 분사 밸브.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 분사 구멍의 길이를 L로 가정하면, da/d0에 대한 스프레이 각도의 특징은 L/d0 각각에 대해 설정되는 연료 분사 밸브.
  4. 제1항에 있어서, da/d0은, 각각의 분사 구멍으로부터 분사되는 연료의 스프레이 각도가, 상호 분사 구멍으로부터 분사되는 각각의 스프레이의 액체 필름 부분이 상호 접촉되지 않게 하는 스프레이 각도를 제공하도록 설정되는 연료 분사 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 와류 발생 챔버와 상기 연통 통로의 각각은 밸브 시트 부재 내에 형성되는 연료 분사 밸브.
  6. 제1항에 있어서, 상기 밸브 시트 부재의 일단부 측에 노즐 판이 결합되고, 와류 발생 부재와 연통 통로의 각각은 밸브 시트 부재와 노즐 판 사이에 개재된 중간 판 내에 형성되는 연료 분사 밸브.
  7. 제1항에 있어서, 상기 밸브 시트 부재의 일단부 측에 노즐 판이 결합되고, 와류 발생 부재의 각각이 노즐 판 내에 형성되며, 분사 구멍의 각각은 노즐 판을 통해서 외부로 관통되는 연료 분사 밸브.
  8. 제1항에 있어서,
    Figure pat00002
    이며, W는 연통 통로 각각의 폭을 지칭하고, H는 연통 통로 각각의 높이를 지칭하는 연료 분사 밸브.
  9. 제1항에 있어서, 상기 와류 발생 챔버 각각의 직경은 연결 통로들 중 대응 연통 통로가 연결되는 각각의 와류 발생 챔버 부분의 내벽의 곡률에 기초하여 형성되는 원의 직경인 연료 분사 밸브.
  10. 제9항에 있어서, 상기 와류 발생 챔버의 각각과 대응 연통 통로는 와류 챔버를 구성하며, 각각의 와류 챔버는 소망 연료 스프레이 각도에 따라 설계되는 연료 분사 밸브.
  11. 제9항에 있어서, da/d0이 동일한 값이면 L/d0이 커질수록 소망 스프레이 각도가 작아지는 연료 분사 밸브.
  12. 제11항에 있어서, da/d0 및 L/d0은, 분사 구멍 각각으로부터의 스프레이 각도가, 엔진의 흡입 포트에 대한 연료 분사 밸브의 각도에 따라 소망의 스프레이 각도를 제공하도록 설정되는 연료 분사 밸브.
  13. 제10항에 있어서, 밸브체는 구체로 형성되고, 밸브 시트 부재는 단면이 절두 원추 형상으로 형성되며, 밸브 시트 부재의 하류측에서 밸브 시트 부재의 일단부 측에 노즐 판이 배치되고, 노즐 판의 일단부면에 와류 챔버 및 바닥있는 리세스 형상의 중심 챔버가 형성되며, 분사 구멍은 노즐 판을 통해서 외부로 관통되는 연료 분사 밸브.
  14. 제10항에 있어서, 밸브체는 구체로 형성되고, 밸브 시트 부재는 단면이 절두 원추 형상으로 형성되며, 밸브 시트 부재의 하류측에서 밸브 시트 부재의 일단부 측에 노즐 판이 배치되고, 밸브 시트 부재의 일단부면에 와류 챔버 및 바닥있는 리세스 형상의 중심 챔버가 형성되며, 분사 구멍은 노즐 판을 통해서 외부로 관통되는 연료 분사 밸브.
  15. 제10항에 있어서, 밸브체는 구체로 형성되고, 밸브 시트 부재는 단면이 절두 원추 형상으로 형성되며, 밸브 시트 부재의 하류측에서 밸브 시트 부재의 일단부 측에 중간 판이 배치되고, 중간 판의 하류측에서 중간 판의 일단부 측에 노즐 판이 배치되며, 중간 판의 일단부면에 와류 챔버 및 바닥있는 리세스 형상의 중심 챔버가 형성되고, 분사 구멍은 노즐 판을 통해서 외부로 관통되는 연료 분사 밸브.
  16. 제3항에 있어서, da/d0에 대한 스프레이 각도의 특징은 L/d0이 2.0, L/d0이 1.3, L/d0이 0.3일 때 설정되는 연료 분사 밸브.
  17. 제10항에 있어서, 와류 챔버의 개수는 두 개, 세 개, 네 개 및 여섯 개 중 어느 하나인 연료 분사 밸브.
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