KR20140009343A

KR20140009343A - 연료 분사기용 노즐 니들, 노즐 니들 제조 방법, 및 연료 분사기

Info

Publication number: KR20140009343A
Application number: KR1020137023995A
Authority: KR
Inventors: 데어 오스텐-작 안드레아스 폰
Original assignee: 캐터필라 모토렌 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2014-01-22
Also published as: CN103562540A; WO2012110209A1; CN103562540B; EP2487361A1

Abstract

본 발명은 분사기 본체(14)를 갖는 연료 분사기 내에서 이동하도록 구성된 노즐 니들(34)에 관한 것으로서, 노즐 니들(34)은 세라믹 재료로 이루어진 일체형 부재로서 형성되고, 축을 갖는 제1 원통부(36) 및 동일 축을 갖는 원통형 연장부를 포함하고, 제1 원통부(36)에는 말단에 또는 상기 말단에 근접하여 볼록 접합면(38)이 형성되고, 접합면은 분사기 본체(14)에 형성된 밸브 시트면(28)에 밀봉되게 인접하도록 구성되고, 원통형 연장부(40)는 접합면으로부터 돌출하고 제1 원통부의 직경보다 작은 직경을 갖는다.

Description

연료 분사기용 노즐 니들, 노즐 니들 제조 방법, 및 연료 분사기{NOZZLE NEEDLE FOR A FUEL INJECTOR, METHOD TO MANUFACTURE THE NOZZLE NEEDLE AND FUEL INJECTOR}

본 발명은 연료 분사기에 사용되도록 적용된 노즐 니들, 상기 노즐 니들을 제조하기 위한 방법, 및 상기 노즐 니들을 수용하며 이동가능하게 안내하기 위한 보어가 형성된 분사기 본체를 포함하는 연료 분사기에 관한 것이다.

EP 0 961 025 A1호는 노즐 니들을 수용하며 이동가능하게 안내하기 위한 보어가 형성된 분사기 본체를 포함하는 연료 분사기를 개시하고 있다. 상기 보어의 일단에 밸브 시트가 형성되고, 밸브 시트는 상기 보어로부터 보어보다 작은 직경을 갖는 새크 챔버(sac chamber)인 블라인드 홀 용적까지 천이부(transition)를 형성한다. 상기 새크 챔버는 노즐 출구를 통해 외부와 연통된다. 상기 밸브 시트에는 원뿔면이 형성된다. 상기 노즐 니들의 말단은 반구 형상이고 상기 밸브 시트에 인접하도록 구성된다. 밸브체의 일부에는 세라믹 재료로 이루어진 단열층이 제공될 수 있다.

EP 0 677 656 B1호는 내마모 재료로 형성된 니들 몸체인 플런저 몸체 및 연료 분사기의 시트면에 호혜적으로 안착되기 위하여 내마모 세라믹으로 형성된 팁부를 포함하는 내마모 노즐 니들 어셈블리를 구비한 연료 분사기를 개시하고 있다. 상기 세라믹 팁부는 압입 끼워맞춤에 의해 니들 몸체에 고정된다.

열분해 오일이나 저유황 연료 같은 대체 연료가 디젤 엔지에 사용되는 경우, 이러한 연료의 침전 및/또는 공격적인 화학적 거동으로 인하여 마모가 발생될 수 있다.

본 발명은 적어도 일부가 종래 연료 분사기의 하나 이상 측면의 문제점, 예를 들면 내구성 및/또는 조립의 편의성을 향상시키고 극복하기 위한 것이다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 분사기 본체를 갖는 연료 분사기 내에서 이동하도록 구성된 노즐 니들이 제공되고, 노즐 니들은 세라믹 재료로 이루어진 일체형 부재로서 형성되고, 축을 갖는 제1 원통부 및 동일 축을 갖는 원통형 연장부를 포함하고, 제1 원통부는 말단에 또는 상기 말단에 근접하여 볼록 접합면이 형성되고, 접합면은 분사기 본체에 형성된 밸브 시트면에 밀봉되게 접하도록 구성되고, 원통형 연장부는 접합면으로부터 돌출하고 제1 원통부의 직경보다 작은 직경을 갖는다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 전술한 바와 같은 노즐 니들을 제조하기 위한 방법은 노즐 니들이 열간 정수압 소결 처리되는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 전술한 바와 같은 노즐 니들을 수용하며 이동가능하게 안내하기 위한 보어가 형성된 분사기 본체를 포함하는 연료 분사기가 제공되고, 보어에는 일단에 밸브 시트가 형성되고 밸브 시트에는 보어로부터 새크 챔버까지 천이부가 형성되고, 새크 챔버는 보어보다 작은 직경을 갖고 적어도 하나의 노즐 출구를 통해 외부와 유체 연통하며, 노즐 니들의 원통형 연장부는 새크 챔버 안으로 돌출한다.

본 발명의 다른 특징 및 관점은 다음의 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.

여기에 통합되며 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 상세한 설명과 함께 본 발명의 예시적인 일 실시예를 나타내고 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 연료 분사기를 통한 종단면을 나타내고 있고,
도 2는 도 1에 따른 연료 분사기에 수용된 노즐 니들의 입면도이고,
도 3은 도 2에 도시된 노즐 니들의 부분 확대도이다.

연료 분사기 및 노즐 니들(플런저)의 일 실시예를 도 1 내지 3을 참조하여 설명할 것이다. 동일 참조 부호는 대응 요소에 사용된다.

상기 연료 분사기는 연료 분사기의 축방향인 종방향으로 연장되는 중심축(A-A)을 갖도록 설계되고, 하우징 부재(12) 및 분사기 본체(14)를 포함할 수 있다. 상기 분사기 본체(14)는 내부 몸체 부재(16) 및 캡 부재(18)를 포함할 수 있다. 상기 내부 몸체 부재(16)는 금속으로 이루어질 수 있고 상기 중심축(A-A)과 동축인 관통 보어(20)를 포함할 수 있다. 상기 캡 부재(18)는 내부 몸체 부재(16)의 전체를 거의 커버할 수 있고 단열재, 바람직하게는 세라믹 재료, 더 바람직하게는 전체가 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 하우징 부재(12)는 그의 하단에 반경 내측방향으로 돌출하는 플랜지(22)가 형성된 중공의 원통형 부품일 수 있다.

상기 내부 몸체 부재(16)는 도 1에 따르면 그의 하단에서 그의 상단으로 단계적으로 증가하는 외경을 갖는 중공의 원통형 부재일 수 있다. 상기 상단에 반경 외측방향으로 돌출하는 플랜지(24)가 형성된다.

상기 캡 부재(18)의 내면은 내부 몸체 부재(16)의 외면과 접촉할 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같은 상단은 외측방향으로 돌출하는 플랜지(26)를 가질 수 있다.

상기 하우징 부재(12), 내부 몸체 부재(16), 및 캡 부재(18)를 조립하기 위하여, 상기 플랜지(24)의 외주면에는 상기 내부 몸체 부재(16)의 플랜지(24)와 하우징 부재(12)의 플랜지(22) 사이에 상기 캡 부재(18)의 플랜지(26)를 클램핑하기 위하여 상기 하우징 부재(12)의 내면에 형성된 암나사에 나사-고정될 수 있는 수나사가 형성될 수 있다.

계속해서 도 1을 참조하면, 상기 보어(20)의 하단부에는 테이퍼형인 원뿔형 시트면(28)이 형성되고, 시트면(28)은 보어(20)보다 작은 직경을 갖는 보어(20)의 연장부를 구성하는 상기 보어(20)로부터 새크 챔버인 블라인드홀(30)까지 천이부를 구성한다.

상기 새크 챔버(30)는 일부가 금속 몸체 부재(14)에 의해 형성될 수 있고, 일부는 캡 부재(18)의 하단벽의 내면에 형성된 원통형 리세스에 의해 형성될 수 있다. 상기 새크 챔버(30)는 캡 부재(18)를 통과하는 적어도 하나의 노즐 출구(32)를 통해 외부와 연통할 수 있다.

노즐 니들(34)은 상기 보어(20) 내에 수용되며 이동가능하게 안내될 수 있다.

도 2에서 더 잘 알 수 있는 바와 같이, 상기 노즐 니들(34)은 제1 원통부(36)를 포함할 수 있고, 일단에 형성된 접합면(38)을 갖는다. 상기 접합면(38)의 기능은 후술될 것이고, 상기 접합면(38)은 노즐 니들(34)의 제1 원통부(36)에서 상기 제1 원통부(36)보다 작은 직경을 갖는 원통형 연장부(40)까지 천이부를 형성한다.

상기 노즐 니들(34)은 축(A-A)을 갖는 일반적으로 원통형 부품으로 형성되고 상기 제1 원통부(36)보다 큰 직경을 갖는 제2 원통부(41)를 포함할 수 있고; 상기 제2 원통부(41)에는 복수의 원주홈(42)이 형성될 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 노즐 니들(34)은, 예를 들면 지르코늄 디옥사이드 및 알루미늄 옥사이드 중 적어도 하나를 포함하는 전체가 세라믹 재료로 이루어진 단일인 일체형 부재로 형성될 수 있다. 또한, 상기 세라믹 재료는 첨가물로서 CaO; MgO 또는 Y₂O₃ 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 완성된 노즐 니들(34)은 열간 정수압 소결(HIP) 처리되는 것이 유리할 수 있고, 상기 열간 정수압 소결에 의해 기술적으로 까다로운 적용을 위하여 높은 보호 표면 및 높은 밀도를 갖는 비다공성 세라믹 재료가 제조될 수 있다. 상기 열간 정수압 소결은 재료 성질을 향상시키기 위한 공정이다. 기본 재료가 가압됨으로써 상기 재료의 밀도는 이론적인 밀도의 96%보다 크게 증가될 것이다. 상기 HIP 처리 후에 신뢰성 및 수명이 연장되고 마모성이 향상된다. 상기 HIP 공정은 기본 재료가 액체와 반응하지 않을 것이고 상기 기본 재료가 이때 불활성 가스(예를 들면, 아르곤, 헬륨, 또는 네온)와 반응에 대해 민감한 경우에 액체 매체에서 두 가지 가능성과 함께 밀폐 환경에서 실행되는 것이 유리하다. 또한, 상기 환경은 기본 재료로 기공의 확산을 위하여 상기 기본 재료의 밀도 증가를 지원하도록 가열될 것이다. 상기 HIP 조건은 넓은 범위에서 달라질 수 있고, 다공성 기본 재료에 대해 예를 들면 750℃에서 1000bar가 사용될 수 있고, 거의 기공이 없는 재료에 대해서는 2000℃에서 2500bar가 사용될 수 있다.

도 1에서 더 잘 알 수 있는 바와 같이, 상기 노즐 니들(34)은 보어(20)에 삽입될 수 있다.

상기 제2 원통부(41)가, 예를 들어 6μm 내지 25μm, 바람직하게는 10μm 내지 25μm의 각 홈(42) 사이에 형성된 리브의 외주면과 보어(20)의 내벽 사이에 간격이나 갭을 갖고 상기 보어에 수용되도록 상기 보어(20)의 내경이 설계될 수 있다. 상기 바람직한 실제 간격은 냉각 목적에 적합한 원통부(41)를 따라 누설 유량에 좌우된다.

거의 냉각이 필요 없는 경우, 상기 간격은 6μm 내지 10μm 사이에만 있을 수 있다. 상기 냉각 요건이 커질수록 상기 간격이 커지게 된다. 임의의 경우, 상기 노즐 니들(34)은 보어(20) 내에서 유압식으로 중심에 오도록 조정되고, 상기 노즐 니들(34)의 유압식 중심 조정 또는 안내는 10μm 내지 14μm 사이의 간격으로 매우 정확하게 된다. 상기 노즐 니들(34)을 냉각시킴으로써, 상기 액체의 중합은 방지될 수 있고 마찰로 인한 어떠한 온도 상승도 최소화될 수 있다.

유체 챔버(44)를 형성하는 간격은 제1 원통부(36)와 보어(20)의 내벽 사이에 형성될 수 있다. 상기 내부 몸체 부재(16)의 상부를 통해 대체로 축방향으로 구멍을 형성하고 확장된 직경을 갖는 보어(20)의 일부에 의해 형성된 공급 부재(46)로 안내하는 보어(미도시)를 통해 압력을 받아 상기 연료 챔버(44)로 연료가 공급될 수 있다.

도 3은 접합면(38)이 제1 원통부(36)와 연장부(40) 사이에 천이부를 형성하고 볼록한 바람직하게는 구체 형상을 가질 수 있는 노즐 니들(34)의 하부의 일부를 도시하고 있다. 상기 링 같은 또는 환형 접합면(38)은 도 1에 따른 하방향으로 상기 노즐 니들(34)을 가압하는 스프링(미도시)에 의해 상기 내부 몸체 부재(16)의 시트면(28)에 밀착된다. 상기 접합면(38)의 볼록한 바람직하게는 구체 형상 및 상기 시트면(28)의 원뿔 형상으로 인하여, 시트면(28)과 접합면(38) 사이에 유체 기밀 밀봉 접촉이 확보되어 상기 유체 챔버(44)와 새크 챔버(30) 사이에서 연료의 흐름을 신뢰가능하게 완전히 차단한다.

본 기술분야에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 상기 유체 챔버(44)에 압력을 받아 연료가 공급되는 경우, 상기 노즐 니들(34)은 스프링(미도시)의 힘에 저항하여 상방향으로 가압될 것이어서 상기 접합면(38)은 시트면(28)과 더 이상 접촉하지 않을 것이다. 그 결과, 연료는 노즐 출구(들)(32)를 통해 분사되거나 배출된다. 상기 유체 챔버(44) 내의 압력이 감소하거나 또는 상기 노즐 니들(34)이 부가적인 힘에 의해 하방향으로 가압되면, 상기 노즐 니들(34)은 하방향으로 이동하고, 이에 따라 상기 링 표면(38)은 분사기를 폐쇄하도록, 즉 연료 흐름을 중지시키도록 상기 시트면(28)에 인접한다.

상기 분사기가 폐쇄되면 연소 기관의 실린더 내의 연소 챔버로 대략 어떠한 추가적인 연료도 분사되지 않도록 상기 링 표면(38)이 시트면(28)과 접촉하는 경우에 상기 연장부(40)가 새크 챔버(30)의 용적을 거의 완전히 채우도록 상기 연장부(40)와 새크 챔버(30)가 치수화된다. 상기 링 표면(38)이 시트면(28)과 접촉하는 경우에 상기 연장부(40)에 의해 채워지지 않는 새크 챔버(30)의 용적은, 예를 들면 상기 새크 챔버(30)의 용적의 55%보다 작을 수 있고, 더 바람직하게는 22%보다 작을 수 있다.

전술한 바와 같은 연료 분사기에 의해, 상기 노즐 니들(34)은 연료로서 사용된 열분해 오일의 중합으로 인해 보어(20) 내에 점착되거나 고착될 위험이 거의 없거나 전혀 없다. 또한, 상기 노즐 니들은 세라믹 재료로 이루어지기 때문에 상기 노즐 니들과 분사기 본체 간의 작은 오차에도 불구하고 어떠한 연료도 윤활유, 예를 들어 저유황 연료로서 작용하지 않는 경우에 마모가 증가하지 않는다. 또한, 예를 들어 열분해 오일을 갖는 화학적으로 공격적인 연료로 인한 상기 노즐 니들의 부식 위험이 없다. 또한, 상기 노즐 니들은 세라믹으로 이루어진, 바람직하게는 전체가 세라믹 재료로 이루어진 일체형 부재이기 때문에 상기 노즐 니들은 용이하게 제조될 수 있다.

상기 노즐 니들의 세라믹 재료는 지르코늄 디옥사이드 또는 알루미늄 디옥사이드 기본 재료의 기술적 특성을 향상시키고 재료 안전성을 향상시키기 위하여 바람직하게는 첨가물 CaO; MgO 또는 Y₂O₃을 포함하는 지르코늄 디옥사이드 또는 알루미늄 디옥사이드 중 하나일 수 있다.

상기 접합면(38)이 볼록한 바람직하게는 구체 형상을 갖기 때문에, 상기 단부면(38)과 시트면(28) 간의 밀봉 접합은 연료 분사기의 긴 수명에 걸쳐 보장된다.

상기 노즐 니들(34)은 제1 원통부(36)의 직경보다 큰 직경을 갖고 복수의 원주홈(42)이 형성된 제2 원통부(41)를 포함하는 것이 바람직하다. 그러므로, 상기 노즐 니들(34)은 제2 원통부(41)와 보어(20)의 내벽 사이에 거의 간격 없이 보어(20) 내에서 정확하게 안내될 수 있고, 이에 의하여 상기 노즐 니들과 몸체 부재 사이에 낮은 마찰만을 제공하면서 연료의 누설을 최소화하거나 심지어는 방지한다.

상기 새크 챔버(30)로 돌출하고 상기 새크 챔버(30)의 용적을 거의 완전히 채우는 상기 노즐 니들(34)의 원통형 연장부(40)로 인하여, 분사되는 연료의 양은 정밀하게 제어될 것이고 상기 노즐 출구(들)로부터 연료의 어떠한 낙하도 방지될 수 있다.

상기 분사기 본체는 보어가 형성된 금속 내부 몸체 부재, 및 밸브 시트와 새크 챔버의 일부를 포함하는 상기 금속 내부 몸체 부재의 팁부를 적어도 커버하는 세라믹 캡 부재를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 새크 챔버의 다른 부분 및 적어도 하나의 노즐 출구는 상기 세라믹 캡 부재에 형성될 수 있다. 상기 분사기 본체 내의 어떠한 연료도 이러한 세라믹 캡 부재에 의해 과열되는 것이 방지된다.

상기 원통형 연장부(40)는, 예를 들어 2 내지 9mm 범위의 길이를 가질 수 있다.

전술한 바와 같은 노즐 니들을 포함하는 연료 분사기는 본 발명의 범위를 넘어 확장되지 않고 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 세라믹 캡 부재(18)는 내부 몸체 부재(16)의 팁부만을 커버할 수 있거나 완전히 생략될 수 있다. 또한, 상기 새크 챔버(30)와 적어도 하나의 노즐 출구(32)는 상기 캡 부재(18)가 생략된 경우에 상기 분사기 본체(14)를 단독으로 구성하는 금속 내부 몸체 부재(16)에 의해 완전히 형성될 수 있다.

또한, 상기 노즐 니들(34)은 연장부(40) 없이 형성될 수 있고, 이 경우에 상기 노즐 니들(34)의 전체 단부면은 볼록한 구형 접합면으로 형성될 수 있다.

상기 노즐 니들(34)은 복수의 홈(42) 없이 형성될 수 있다. 복수의 노즐 출구(32)에는, 예를 들어 축(A-A)과 동축인 추가적인 선택적 노즐 출구(32)가 상기 축(A-A)을 중심으로 대칭적으로 제공되어 마련될 수 있다.

상기 노즐 니들(34)을 폐쇄(하방향으로 이동)시키기 위하여, 다음과 같은 캠 기구, 전자기 기구, 압전기구, 또는 임의의 다른, 예를 들면 상기 유체 챔버(44) 내의 연료 압력이 계속 유지되거나 또는 환형면(38)이 밸브 시트면(28)에 안착하게 하는데 충분하지 않은 경우에도 상기 분사기를 폐쇄하는 유압 기구 중 하나 이상이 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 본 명세서에서 설명하였지만, 다음의 청구 범위로부터 벗어남이 없이 개선 및 수정이 포함될 수 있다.

Claims

분사기 본체(14)를 갖는 연료 분사기 내에서 이동하도록 구성된 노즐 니들(34)이며,
노즐 니들(34)은 세라믹 재료로 이루어진 일체형 부재로서 형성되고, 축을 갖는 제1 원통부(36) 및 동일 축을 갖는 원통형 연장부를 포함하고,
제1 원통부(36)에는 말단에 또는 상기 말단에 근접하여 볼록 접합면(38)이 형성되고, 상기 접합면은 분사기 본체(14)에 형성된 밸브 시트면(28)에 밀봉되게 접하도록 구성되고,
상기 원통형 연장부(40)는 접합면으로부터 돌출하고 상기 제1 원통부의 직경보다 작은 직경을 갖는
노즐 니들.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 지르코늄 디옥사이드 및 알루미늄 옥사이드 중 적어도 하나를 포함하는, 노즐 니들.
제2항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 첨가물로서 CaO; MgO 또는 Y₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하는, 노즐 니들.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 접합면(38)은 구체 형상을 갖는, 노즐 니들.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 원통부(41)를 더 포함하고, 제2 원통부는 제1 원통부(36)의 직경보다 큰 직경을 갖고, 접합면(38)이 형성된 말단과 반대편인 제1 원통부의 단부로부터 연장되며, 제2 원통부에 형성된 복수의 원주홈(42)을 갖고, 분사기 본체(14)의 보어(20) 내에서 이동가능하게 안내되도록 구성되는, 노즐 니들.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 노즐 니들을 제조하기 위한 방법이며,
노즐 니들(34)이 열간 정수압 소결 처리되는 단계를 포함하는
노즐 니들 제조 방법.
연료 분사기이며,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 노즐 니들(34)을 수용하며 이동가능하게 안내하기 위한 보어(20)가 형성된 분사기 본체(14)를 포함하고,
보어에는 일단에 밸브 시트(28)가 형성되고, 밸브 시트에는 보어(20)로부터 새크 챔버(30)로 천이부가 형성되며,
새크 챔버(30)는 보어(20)보다 작은 직경을 갖고, 적어도 하나의 노즐 출구(32)를 통해 외부와 유체 연통하며,
노즐 니들(34)의 원통형 연장부(40)는 새크 챔버(30) 안으로 돌출하는
연료 분사기.
제7항에 있어서, 제5항에 따른 노즐 니들(34)을 이동가능하게 안내하고, 분사기 본체(14)의 보어(20)와 노즐 니들(34)의 제2 원통부(41) 사이에 갭이 제공되어 보어에 대하여 노즐 니들을 유압식으로 중심에 오도록 조정하는, 연료 분사기.
제8항에 있어서, 상기 갭의 폭은 6μm와 25μm 사이인, 연료 분사기.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 분사기 본체(14)는 그 내부에 형성된 상기 보어(20)를 갖는 금속 내부 몸체 부재(16), 및 상기 밸브 시트(28)와 새크 챔버(30)의 일부를 포함하는 상기 금속 내부 몸체 부재의 팁부를 적어도 커버하는 세라믹 캡 부재(18)를 포함하고, 새크 챔버의 다른 부분 및 적어도 하나의 노즐 출구(32)는 세라믹 캡 부재(18) 내에 형성되는, 연료 분사기.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 연장부(40)는 2 내지 9mm 범위의 길이를 갖는, 연료 분사기.