KR20150038305A - 비-코이닝된 3차원 노즐 출구 면을 가진 연료 분사기 - Google Patents

비-코이닝된 3차원 노즐 출구 면을 가진 연료 분사기 Download PDF

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KR20150038305A
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배리 에스 카펜터
데이비드 에이치 레딩거
스콧 엠 슈노브리치
라이언 씨 셜크
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

노즐 및 이를 제조하는 방법이 개시된다. 개시된 노즐은 입구 면 및 입구 면 반대편의 3차원 출구 면을 갖는다. 노즐은 입구 면으로부터 출구 면까지 연장되는 하나 이상의 노즐 관통구를 가질 수 있다. 노즐을 포함하는 연료 분사기가 또한 개시된다. 노즐과 연료 분사기를 제조하고 사용하는 방법이 또한 개시된다.

Description

비-코이닝된 3차원 노즐 출구 면을 가진 연료 분사기{FUEL INJECTORS WITH NON-COINED THREE-DIMENSIONAL NOZZLE OUTLET FACE}
본 발명은 일반적으로 내연 기관을 위한 연료 분사기에 사용하기에 적합한 노즐에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 노즐을 통합하는 연료 분사기에 적용가능하다. 본 발명은 또한 그러한 노즐을 제조하는 방법과, 그러한 노즐을 통합하는 연료 분사기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 차량에 노즐과 연료 분사기를 사용하는 방법에 관한 것이다.
3가지 기본 유형의 연료 분사기 시스템, 즉 포트 연료 분사(PFI), 가솔린 직접 분사(GDI) 및 직접 분사(DI)를 사용하는 연료 분사기 시스템이 있다. PFI와 GDI는 연료로서 가솔린을 사용하지만, DI는 디젤 연료를 사용한다. 잠재적으로 연료 효율을 증가시키고 내연 기관의 유해 배출물을 감소시킴과 동시에 내연 기관을 포함하는 차량의 전체 에너지 요건을 감소시키기 위해 연료 분사기 노즐(fuel injector nozzle)과 그러한 연료 분사기 노즐을 포함하는 연료 분사 시스템을 추가로 개발하고자 하는 노력이 계속되고 있다.
본 발명은 연료 분사기 노즐에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 연료 분사기 노즐은 입구 면; 입구 면 반대편의 출구 면; 및 내부 표면에 의해 한정되는 캐비티(cavity)에 의해 출구 면 상의 적어도 하나의 출구 개구에 연결되는 입구 면 상의 적어도 하나의 입구 개구를 포함하는 적어도 하나의 노즐 관통구(through-hole)를 포함하고, 출구 면은 출구 면의 일부분으로부터 연장되는 적어도 하나의 출구 면 구조체(outlet face structure)를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 연료 분사기 노즐은 입구 면; 입구 면 반대편의 출구 면; 및 내부 표면에 의해 한정되는 캐비티에 의해 출구 면 상의 적어도 하나의 출구 개구에 연결되는 입구 면 상의 적어도 하나의 입구 개구를 포함하는 적어도 하나의 노즐 관통구를 포함하고, 출구 면은 그의 노출된 표면 상에 오염-방지 구조체(anti-fouling structure)를 포함한다.
본 발명은 추가로 연료 분사기에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 연료 분사기는 본 발명의 본 명세서에 개시된 노즐들 중 임의의 것을 포함한다.
본 발명은 또한 추가로 연료 분사 시스템에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 연료 분사 시스템은 본 발명의 본 명세서에 개시된 노즐들 또는 연료 분사기들 중 임의의 것을 포함한다.
본 발명은 또한 노즐을 제조하는 방법에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 본 발명의 노즐을 제조하는 방법은 본 명세서에 기술된 노즐들 중 임의의 것을 제조하는 단계를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 본 발명의 노즐을 제조하는 방법은 노즐 재료, 및 적어도 하나의 노즐 관통구를 형성하기 위한 적어도 하나의 캐비티를 포함하는 노즐 예비성형체(preform)를 제공하는 단계; 및 적어도 하나의 캐비티를 적어도 하나의 노즐 관통구로 형성시키기 위해 그리고 노즐의 출구 면의 일부분으로부터 연장되는 적어도 하나의 출구 면 구조체를 형성하기 위해 노즐 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 연료 분사기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 연료 분사기를 제조하는 방법은 본 명세서에 기술된 노즐들 중 임의의 것을 연료 분사기 내에 통합시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 차량의 연료 분사 시스템을 제조하는 방법에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에서, 차량의 연료 분사 시스템을 제조하는 방법은 본 명세서에 기술된 노즐들 또는 연료 분사기들 중 임의의 것을 연료 분사 시스템 내에 통합시키는 단계를 포함한다.
첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예의 하기의 상세한 설명을 고려하여 본 발명이 더욱 완전히 이해되고 인식될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 노즐의 측면도.
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 노즐의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 예시적인 노즐의 측면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 예시적인 노즐의 사시도.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 예시적인 노즐의 단면도.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 노즐 상에 사용하기에 적합한 예시적인 오염-방지 미세구조체의 확대된 사시도.
도 13은 본 발명의 예시적인 연료 분사기 시스템의 개략도.
도 14는 노즐 재료가 재료-제거 공구를 사용하여 노즐로부터 제거되는 예시적인 방법 단계의 단면도.
도 15는 도 14에 도시된 재료 제거 단계에 사용하기에 적합한 예시적인 재료-제거 공구의 사시도.
도 16a 내지 도 16e는 도 14에 도시된 재료 제거 단계에 사용하기에 적합한 예시적인 재료-제거 공구의 단면도.
도 17a 내지 도 17e는 도 16a 내지 도 16e에 도시된 재료-제거 공구를 사용하여 형성되는 예시적인 출구 표면 특징부/프로파일의 단면도.
도 18은 도 14에 도시된 재료 제거 단계에 사용하기에 적합한 다른 예시적인 재료-제거 공구의 사시도.
본 명세서에서, 다수의 도면에 사용된 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 특성 및 기능을 갖는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다.
개시된 노즐은 (1) 2011년 2월 3일자로 공개된 국제 특허 출원 공개 WO2011/014607호, 및 (2) 2012년 2월 2일자로 출원된 국제 특허 출원 US2012/023624호(발명의 명칭이 "노즐 및 이를 제조하는 방법(Nozzle and Method of Making Same)"인 쓰리엠(3M) 사건 번호 67266WO003)에 개시된 노즐에 대한 개선을 나타내며, 이들 두 문헌의 청구 요지와 개시 내용은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 개시된 노즐은 본 명세서에서 논의된 바와 같은 종래 노즐에 비해 하나 이상의 이점을 제공한다. 예를 들어, 개시된 노즐은 유리하게는 연료 효율을 개선하기 위해 연료 분사기 시스템 내에 통합될 수 있다. 개시된 노즐은 국제 특허 출원 공개 WO2011/014607호 및 국제 특허 출원 US2012/023624호에 개시된 것과 같은 다광자(multiphoton), 예컨대 2 광자 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 특히, 다광자 공정은 적어도 하나 이상의 구멍 형성 특징부를 포함할 수 있는 다양한 미세구조체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 구멍 형성 특징부는 이어서 노즐 또는 다른 응용에 사용되는 구멍을 제조하기 위한 주형(mold)으로서 사용될 수 있다.
용어 "노즐"은 당업계에서 다수의 상이한 의미를 가질 수 있는 것이 이해되어야 한다. 일부 특정 참고 문헌에서, 용어 노즐은 넓은 정의를 갖는다. 예를 들어, 미국 특허 공개 제2009/0308953 A1호(페일스트란트(Palestrant) 등)는 폐색기 챔버(occluder chamber)(50)를 비롯한 다수의 요소를 포함하는 "미립화 노즐(atomizing nozzle)"을 개시한다. 이는 본 명세서에 의해 제시된 노즐의 이해 및 정의와는 상이하다. 예를 들어, 본 명세서의 노즐은 대체로 페일스트란트 등의 오리피스 인서트(24)에 대응할 것이다. 일반적으로, 본 명세서의 노즐은 스프레이가 궁극적으로 방출되어 나오는 미립화 스프레이 시스템의 최종 테이퍼 형성된 부분으로서 이해될 수 있으며, 예컨대 노즐의 메리엄 웹스터 사전 정의("유체의 유동을 지향시키거나 가속시키기 위해 (호스 상에서와 같이) 사용되는 테이퍼 또는 협착부를 가진 짧은 튜브")를 참조한다. 니폰덴소 코., 엘티디.(Nippondenso Co., Ltd.)(일본 가리야)에게 허여된 미국 특허 제5,716,009호(오기하라(Ogihara) 등)를 참조하여 추가의 이해가 얻어질 수 있다. 이러한 참고 문헌에서, 역시, 유체 분사 "노즐"은 다중-피스(multi-piece) 밸브 요소(10)로서 넓게 정의된다("유체 분사 노즐로서 작용하는 유체 분사 밸브(10)..." - 오기하라 등의 4컬럼, 26-27행 참조). 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "노즐"의 본 정의와 이해는 예컨대 연료 스프레이에 바로 근접하게 위치되는, 제1 및 제2 오리피스 플레이트(130, 132) 및 잠재적으로 예를 들어 슬리브(138)(오기하라 등의 도 14 및 도 15 참조)에 관련될 것이다. 본 명세서에 기술된 것과 유사한 용어 "노즐"에 대한 이해가 히타치, 엘티디.(Hitachi, Ltd.)(일본 이바라키)에게 허여된 미국 특허 제5,127,156호(요코야마(Yokoyama) 등)에 사용된다. 그 문헌에서, 노즐(10)은 "선회기(swirler)"(12)(도 1(II) 참조)와 같은 부착된 그리고 통합된 구조체의 요소와 별도로 정의된다. 위에 정의된 이해는 용어 "노즐"이 명세서와 청구범위의 나머지 전반에 걸쳐 언급될 때 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 예시적인 노즐(10)의 다양한 도면을 도시한다. 도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 노즐(10)은 3차원 출구 면(14)을 포함한다. 전형적으로, 노즐(10)은 "비-코이닝된(non-coined)" 3차원 출구 면(14)을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "비-코이닝된"은 예를 들어 코이닝(coining) 또는 스탬핑(stamping) 작업과 같은 변형 공정에 의해 형성되지 않은 노즐(10)의 출구 면(14), 또는 적어도 비-코이닝된 출구 면 구조체(143)를 갖는 출구 면(14)을 지칭한다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 노즐(10)의 출구 면(14)은 예를 들어 재료 침착 공정(예컨대, 전기 도금 침착에 의한)에 이은 재료 제거 공정(예컨대, 방전 기계가공(electric discharge machining 또는 EDM) 공구를 사용한)에 의해 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 노즐(10)은 다수의 선택적인 추가 특징부를 추가로 포함할 수 있다. 적합한 선택적인 추가 특징부는 하나 이상의 중첩하는 출구 표면 부분(149), 출구 면(14)의 임의의 부분을 따라 위치되는 하나 이상의 코킹-방지(anti-coking) 미세구조체(150), 및 출구 면(14)의 임의의 부분을 따른 하나 이상의 유체 충돌 구조체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 노즐(10)은 노즐 관통구(15)를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 노즐 관통구(15)는 독립적으로 하기의 특징부를 포함한다: (i) 입구 개구(151) 크기 및 형상, (ii) 출구 개구(152) 크기 및 형상, 및 (iii) 하나 이상의 만곡된 섹션(157), 하나 이상의 선형 섹션(158), 또는 하나 이상의 만곡된 섹션(157)과 하나 이상의 선형 섹션(158)의 조합을 포함할 수 있는 내부 표면(154) 프로파일. 각각의 독립적인 노즐 관통구(15)에 대한 이들 특징부의 선택은 노즐(10)이 (1) 노즐 관통구(15)를 통한 실질적으로 동일한 유체 유동, (2) 노즐 관통구(15)를 통한 가변 유체 유동(즉, 노즐 관통구(15)마다 동일하지 않은 유체 유동), (3) 노즐 관통구(15)에서 배출되는 단방향 또는 다방향 유체 스트림, (4) 노즐 관통구(15)에서 배출되는 선형 및/또는 만곡된 유체 스트림, 및 (5) 노즐 관통구(15)에서 배출되는 평행 및/또는 발산 및/또는 평행에 이은 발산 유체 스트림을 제공할 수 있게 한다.
몇몇 실시예에서, 노즐 관통구(15) 중 적어도 하나는 입구 개구(151) 유동 축, 캐비티(153) 유동 축 및 출구 개구(152) 유동 축을 갖고, 적어도 하나의 유동 축은 적어도 하나의 다른 유동 축과 상이하다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "유동 축"은 연료가 노즐 관통구(15) 내로, 그를 통해 또는 그로부터 유동할 때 연료의 스트림의 중심 축으로 정의된다. 다수의 입구 개구(151), 다수의 출구 개구(152) 또는 둘 모두를 갖는 노즐 관통구(15)의 경우에, 노즐 관통구(15)는 다수의 개구(151/152) 각각에 대응하는 상이한 유동 축을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 입구 개구(151) 유동 축은 출구 개구(152) 유동 축과 상이할 수 있다. 다른 실시예에서, 입구 개구(151) 유동 축, 캐비티(153) 유동 축 및 출구 개구(152) 유동 축 각각은 서로 상이하다. 다른 실시예에서, 노즐 관통구(15)는 그를 통해 유동하는 연료가 만곡된 유동 축을 갖도록 작동가능하게 구성되는(예컨대, 치수설정되거나 구성되거나 달리 설계되는) 캐비티(153)를 갖는다.
유동 축의 그러한 차이에 기여하는 요인의 예는 (1) (i) 캐비티(153)와 (ii) 입구 면(11) 및/또는 출구 면(14) 사이의 상이한 각도, (2) 서로 정렬되거나 평행하지 않은, 또는 상이한 방향을 따라 정렬되는, 또는 평행하지만 정렬되지 않은, 또는 교차하지만 정렬되지 않은 입구 개구(151) 및/또는 캐비티(153) 및/또는 출구 개구(152), 및/또는 (3) 2개 또는 3개의 비-정렬된 선분이 가질 수 있는 임의의 다른 구상할 수 있는 기하학적 관계의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
개시된 노즐(10)은 개시된 노즐 특징부들 중 임의의 하나 또는 개시된 노즐 특징부들 중 2개 이상의 임의의 조합을 포함할(또는 본질적으로 구성되거나 구성될) 수 있다. 또한, 도면에 도시되고/도시되거나 본 명세서에 상세히 기술되지 않았지만, 본 발명의 노즐(10)은 (1) 2012년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/678,356호(발명의 명칭이 "노즐 출력 스트림의 축외 지향에 의한 연료 출력의 표적화(Targeting of Fuel Output by Off-Axis Directing of Nozzle Output Streams)"인 쓰리엠 사건 번호 69910US002), (2) 2012년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/678,330호(발명의 명칭이 "적어도 하나의 다중 입구 포트 및/또는 다중 출구 포트를 가진 연료 분사기 노즐(Fuel Injector Nozzles with at Least One Multiple Inlet Port and/or Multiple Outlet Port)"인 쓰리엠 사건 번호 69911US002), (3) 2012년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/678,305호(발명의 명칭이 "개선된 연료 유출 계수를 가진 연료 분사기(Fuel Injectors with Improved Coefficient of Fuel Discharge)"인 쓰리엠 사건 번호 69912US002), 및 (4) 2012년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/678,288호(발명의 명칭이 "비-코이닝된 3차원 노즐 입구 면을 가진 연료 분사기(Fuel Injectors with Non-Coined Three-dimensional Nozzle Inlet Face)"인 쓰리엠 사건 번호 69913US002)에 개시된 하나 이상의 노즐 특징부를 추가로 포함할 수 있으며, 이들 문헌 각각의 청구 요지와 개시 내용은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
개시된 노즐(10)은 노즐(10)의 생성된 출구 면(14)이 본 명세서에 기술된 바와 같은 출구 면(14) 특징부를 갖는 한 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 노즐(10)을 제조하는 방법이 국제 특허 출원 US2012/023624호에 개시된 방법에 제한되지 않지만, 본 발명의 노즐(10)은 본 명세서에 개시된 방법 단계와 조합하여 국제 특허 출원 US2012/023624호에 개시된 방법 단계를 사용해 형성될 수 있다. 특히 국제 특허 출원 US2012/023624호의 도 1a 내지 도 1m에 관하여 기술된 방법 단계를 참조한다.
추가 실시예
노즐 실시예
1. 연료 분사기 노즐(10)로서, 입구 면 외부 주변부(19)를 가진 입구 면(11); 출구 면 외부 주변부(19')를 가진, 상기 입구 면(11) 반대편의 출구 면(14); 및 내부 표면(154)에 의해 한정되는 중공 캐비티(153)에 의해 상기 출구 면(14) 상의 적어도 하나의 출구 개구(152)에 연결되는 상기 입구 면(11) 상의 적어도 하나의 입구 개구(151)를 포함하는 적어도 하나의 노즐 관통구(15)를 포함하고, 상기 출구 면(14)은 상기 출구 면(14)의 일부분으로부터 외향 또는 상향으로 연장되는 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)를 포함하는 노즐. 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 입구 면 외부 주변부(19)와 출구 면 외부 주변부(19')는 노즐(10)을 통해 수직하게 연장되는 중심에 위치된 법선(20)으로부터 동일한 거리로 연장된다. 그러나, 다른 실시예에서, 입구 면 외부 주변부(19) 및 출구 면 외부 주변부(19') 각각이 중심에 위치된 법선(20)으로부터 상이한 거리로 연장될 수 있는 것이 이해되어야 한다(예컨대, 출구 면 외부 주변부(19')의 일부분 또는 전부가 중심에 위치된 법선(20)으로부터 입구 면 외부 주변부(19)의 일부분 또는 전부의 거리에 비해 중심에 위치된 법선(20)으로부터 더 큰 거리로 연장될 수 있음).
2. 실시예 1의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)는 외향 또는 상향으로-연장되는(예컨대, 수직으로-연장되는) 부분(145')(예컨대, 벽)의 측부 표면(145)을 포함하고, 상기 출구 면(14)은 기부 표면(142)을 포함하되, 상기 측부 표면(145)이 상기 기부 표면(142)과 제1 각도(P)를 형성하도록 상기 측부 표면(145)의 기부에 또는 상기 측부 표면(145)에 달리 인접하게 위치되는 상기 기부 표면(142)을 포함하는 노즐.
3. 실시예 2의 노즐(10)로서, 상기 제1 각도(P)는 약 15° 내지 약 165°의 범위 내에 있거나, 1도의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 범위(예컨대, 약 16° 내지 약 165°, 약 15° 내지 약 164°, 약 16° 내지 약 164°, 약 25° 내지 약 125°, 약 30° 내지 약 90°, 약 45° 내지 약 135° 등) 내에 있거나, 1도의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 각도(예컨대, 약 30°, 45°, 60°, 75°, 90° 등)인 노즐.
4. 실시예 2 또는 실시예 3의 노즐(10)로서, 상기 제1 각도(P)는 약 45° 내지 약 135°의 범위 내에 있는 노즐.
5. 실시예 2 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 제1 각도(P)는 약 90°인 노즐.
6. 실시예 2 내지 실시예 5 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)는 전형적으로 노출된 표면(141)인 상부 부분(141')을 포함하고, 거리 ds만큼 상기 기부 표면(142)으로부터 외향으로 또는 그 위에 위치되는 노즐. 전형적으로, ds는 약 200 마이크로미터(μm)보다 크고 최대 약 2500 μm이다(또는 200 μm 내지 2500 μm의 임의의 길이, 또는 1.0 μm의 증분으로 200 μm 내지 2500 μm의 길이의 범위).
7. 실시예 6의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')의 적어도 일부분은 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 상부 부분(141')을 따라 또는 달리 그 상에 위치되는 노즐. 예를 들어 도 4에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')를 참조한다.
8. 실시예 2 내지 실시예 7 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)는 상기 기부 표면(142)의 일부분 위로 거리 ds에 위치되도록 상기 측부 표면(145)으로부터 외부로 연장되는 적어도 하나 이상의 중첩 또는 오버행잉(overhanging) 부분(149)을 포함하는 노즐. 위에서 논의된 바와 같이, 전형적으로, ds는 약 200 마이크로미터(μm)보다 크고 최대 약 2500 μm이다(또는 200 μm 내지 2500 μm의 임의의 길이, 또는 1.0 μm의 증분으로 200 μm 내지 2500 μm의 길이의 범위). 예를 들어 도 3에 도시된 노즐(10)을 참조한다.
9. 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152')는 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143) 상에 또는 적어도 그에 근접하게 위치되는 노즐. 예를 들어, 도 1 내지 도 6에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')를 참조한다.
10. 실시예 1 내지 실시예 9 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152')는 상기 적어도 하나의 출구 개구(152)에서 배출되는 연료(예컨대, 스트림 형태의)(미도시)를 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)에 둔각, 예각 또는 직각으로 접촉하거나 충돌하게 지향시키도록 작동가능하게 구성되는(즉, 치수설정되거나 구성되거나 달리 설계되는) 노즐. 이러한 방식으로, 배출되는 연료가 출구 면 구조체(143)로부터 떨어진(즉, 노즐 출구 면(152)으로부터 외부에 있는) 특정 위치 또는 공간, 또는 둘 모두로 지향되는 보다 작은 액적으로 분할될 수 있다. 이러한 방식으로, 배출되는 연료가 또한 출구 면 구조체(143)에 충돌한 후에, 출구 면(14)의 기부 표면(142)의 일부분으로 지향되고 그로부터 반사될 수 있다. 배출되는 연료는 또한 출구 면(14)의 기부 표면(142)과 하나 이상의 출구 면 구조체(143) 사이에서 앞뒤로 반사될 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)를 참조한다.
11. 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')의 적어도 일부분은 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)의 일부분을 따라 또는 달리 그 상에 위치되는 노즐. 예를 들어, 도 1 내지 도 6에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')를 참조한다.
12. 실시예 2 내지 실시예 11 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')의 적어도 일부분은 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 측부 표면(145)을 따라 또는 달리 그 상에 위치되는 노즐. 예를 들어 도 1 내지 도 4에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')를 참조한다.
13. 실시예 7 내지 실시예 12 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')의 적어도 일부분은 상기 적어도 하나 이상의 중첩 또는 오버행잉 부분(149)을 따라 또는 달리 그 상에 위치되는 노즐. 예를 들어 도 7에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)의 출구 개구 주변부(152')를 참조한다.
14. 실시예 7 내지 실시예 13 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)는 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 적어도 하나 이상의 중첩 또는 오버행잉 부분(149)에 의해 적어도 부분적으로 덮이는 노즐. 이러한 방식으로, 출구 개구(152)에서 배출되는 연료(미도시)가 오버행잉 부분(들)(149)에 충돌할 수 있고, 출구 면(14)의 아래에 놓인 기부 표면(142)과 오버행잉 부분(들)(149) 사이에서 앞뒤로 1회 또는 다수회 반사됨으로써 보다 작은 액적으로 분할될 수 있으며, 출구 면 구조체(143)로부터 떨어진(즉, 노즐 출구 면(152)으로부터 외부에 있는) 특정 위치 또는 공간으로 지향될 수 있다. 예를 들어 도 6 및 도 7에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)를 참조한다.
15. 실시예 7 내지 실시예 14 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나 이상의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)는 상기 출구 면 구조체(14)의 상기 적어도 하나 이상의 중첩 또는 오버행잉 부분(149)에 의해 완전히 덮이는 노즐. 예를 들어 도 6 및 도 7에 도시된 노즐(10)의 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)를 참조한다.
16. 실시예 7 내지 실시예 15 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 적어도 하나의 오버행잉 부분(149)은 상부 오버행 표면(141)과 하부 오버행 표면(159)을 포함하고, 상기 상부 및 하부 오버행 표면(141/159)은 그들 사이에서 각도(K)를 형성하는 노즐.
17. 실시예 16의 노즐(10)로서, 상기 상부 및 하부 오버행 표면(141/159) 사이의 각도(K)는 약 10° 내지 약 90° 미만의 범위 내에 있거나, 1도의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 범위 내에 있거나, 1도의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 각도인 노즐.
18. 실시예 16 또는 실시예 17의 노즐(10)로서, 상기 상부 및 하부 오버행 표면(141/159) 사이의 각도(K)는 약 45°인 노즐.
19. 실시예 16 내지 실시예 18 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)는 상기 상부 오버행 표면(141)(그리고 상기 하부 오버행 표면(159))과 상기 기부 표면(142) 사이의 적어도 하나 이상의 중간 부분(159')을 포함하는 노즐. 예를 들어 도 6 내지 도 8에 도시된 노즐(10)을 참조한다.
20. 실시예 19의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 중간 부분(159')은 단일의 만곡된 프로파일을 갖는 노즐. 예를 들어 도 8에 도시된 노즐(10)을 참조한다.
21. 실시예 20의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 중간 부분(159')은 2개 이상의 프로파일(예컨대, 동일한 만곡된 표면 내에 있지 않은 2개의 중간 표면 부분(159'), 예를 들어 서로 일정 각도 관계로 위치되는 2개 이상의 인접한, 비교적 평평한 표면 부분(159')과 같은)을 포함하는 노즐. 예를 들어 도 17a 내지 도 17e에 도시된 샘플 중간 부분(159')을 참조한다.
22. 실시예 16 내지 실시예 21 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 상부 및 하부 오버행 표면(141/159)(의 적어도 일부분 또는 전부)은 서로 실질적으로 평행한 노즐. 예를 들어 도 8에 도시된 노즐(10)을 참조한다.
23. 실시예 14 내지 실시예 22 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 각각의 상기 노즐 관통구(15)의 상기 출구 개구(152)의 출구 개구 주연부(152')의 적어도 일부분은 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 오버행잉 부분(149)을 따라 연장되는 노즐.
24. 실시예 16 내지 실시예 23 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 일 세트의 상기 노즐 관통구(15) 각각의 상기 출구 개구(152)의 출구 개구 주연부(152')의 적어도 일부분은 상기 상부 오버행 표면(141) 상에 있는 노즐.
25. 실시예 16 내지 실시예 24 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 일 세트의 상기 노즐 관통구(15) 각각의 상기 출구 개구(152)의 출구 개구 주연부(152')의 적어도 일부분은 상기 하부 오버행 표면(159) 상에 있는 노즐.
26. 실시예 19 내지 실시예 25 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 일 세트의 상기 노즐 관통구(15) 각각의 상기 출구 개구(152)의 출구 개구 주연부(152')의 적어도 일부분은 상기 중간 부분(159') 상에 있는 노즐.
27. 실시예 8 내지 실시예 26 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 오버행잉 부분(149)은 적어도 2개의 오버행잉 부분(149)을 포함하는 노즐.
28. 실시예 8 내지 실시예 27 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 일 세트의 상기 노즐 관통구(15) 각각의 적어도 하나의 출구 개구(152)는 상기 적어도 하나의 오버행잉 부분(149)에 의해 덮이지 않는 노즐.
29. 실시예 2 내지 실시예 28 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 기부 표면(142)은 평평하거나 달리 평탄한 노즐.
30. 실시예 29의 노즐(10)로서, 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 측부 표면(145)은 (i) 약 90° 내지 약 165° 미만의 범위 내의, 또는 1도의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 범위 내의, 또는 1도의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 각도의, 상기 기부 표면(142)과의 제1 각도(P), 및 (ii) 약 195° 초과 내지 약 345° 미만의 범위 내의, 또는 1도의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 범위 내의, 또는 1도의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 각도의, 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 상부 부분(141')의 상부 표면(141)과의 제2 각도(Q)를 형성하는 노즐.
31. 실시예 29 또는 실시예 30의 노즐(10)로서, 상기 측부 표면(145)은 (i) 약 90°의, 상기 기부 표면(142)과의 제1 각도(P), 및 (ii) 약 225° 내지 약 270°의 범위 내의, 또는 약 270°의, 상기 상부 표면(141)과의 제2 각도(Q)를 형성하는 노즐.
32. 실시예 29 내지 실시예 31 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 측부 표면(145)은 상기 기부 표면(142)과 상기 상부 표면(141) 사이에서 연장되는 비교적 평평한, 실린더형 또는 절두형 원뿔 표면 프로파일을 갖는 노즐.
33. 실시예 29 내지 실시예 32 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 적어도 하나의, 복수의, 또는 각각의 상기 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 주연부(152')의 전부 또는 일부분은 상기 출구 면 구조체(143)의 상기 측부 표면(145) 상에 있는 노즐.
34. 실시예 29 내지 실시예 33 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 적어도 하나의, 복수의, 또는 각각의 상기 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 주연부(152')의 전부 또는 일부분은 상기 출구 면(14)의 상기 기부 표면(142) 상에 있는 노즐.
35. 실시예 29 내지 실시예 33 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 적어도 하나의, 복수의, 또는 각각의 노즐 관통구(15)의 적어도 하나의 출구 개구(152)의 주연부(152')의 전부 또는 일부분은 상기 상부 표면(141) 상에 있는 노즐.
36. 실시예 1 내지 실시예 35 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 노즐 관통구(15)의 적어도 하나 이상(예컨대, 약 2개 내지 약 24개)은 적어도 2개 이상의(예컨대, 약 2개 내지 약 24개의) 출구 개구(152)를 포함하는 노즐. 2개 이상의 출구 개구(152)는 출구 면 구조체(143)의 측부 표면(145)을 따라 출구 개구(152)의 횡렬, 종렬, 또는 횡렬 및 종렬 둘 모두를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 도 7 및 도 8에 도시된 노즐(10)을 참조한다.
37. 실시예 1 내지 실시예 36 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 출구 면(14)의 노출된 표면(142/145/141/159/159') 상에 오염-방지(예컨대, 코킹-방지) 구조체(150)(예컨대, 미세구조체, 나노구조체, 또는 둘 모두)를 추가로 포함하는 노즐. 예를 들어 도 8에 도시된 노즐(10)을 참조한다. 또한 도 10 내지 도 12에 도시된 예시적인 오염-방지(예컨대, 코킹-방지) 구조체(150)를 참조한다.
38. 실시예 1 내지 실시예 36 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)는 상기 출구 면 구조체(143)의 노출된 표면(145/141/159/159') 상에 오염-방지(예컨대, 코킹-방지) 구조체(150)(예컨대, 미세구조체, 나노구조체, 또는 둘 모두)를 추가로 포함하는 노즐.
39. 실시예 8 내지 실시예 36 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 출구 면 구조체(143)의 각각의 또는 적어도 하나의 상기 오버행잉 부분(149)의 노출된 표면(141/159/159')은 그 상에 오염-방지(예컨대, 코킹-방지) 구조체(150)(예컨대, 미세구조체, 나노구조체, 또는 둘 모두)를 추가로 포함하는 노즐.
40. 실시예 1의 노즐(10)로서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)는 상기 출구 면(14)의 노출된 표면(142/145/141/159/159') 상의 오염-방지(예컨대, 코킹-방지) 구조체(150)(예컨대, 미세구조체, 나노구조체, 또는 둘 모두)인 노즐.
41. 연료 분사기 노즐(10)로서, 입구 면(11); 상기 입구 면(11) 반대편의 출구 면(14); 및 내부 표면(154)에 의해 한정되는 캐비티(153)에 의해 상기 출구 면(14) 상의 적어도 하나의 출구 개구(152)에 연결되는 상기 입구 면(11) 상의 적어도 하나의 입구 개구(151)를 포함하는 적어도 하나의 노즐 관통구(15)를 포함하고, 상기 출구 면(14)은 그의 노출된 표면 상에 오염-방지(예컨대, 코킹-방지) 구조체(150)(예컨대, 미세구조체, 나노구조체, 또는 둘 모두)를 포함하는 노즐.
42. 실시예 37 내지 실시예 41 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 오염-방지 구조체(150)는 최대 약 500 마이크로미터(μm)의, 상기 출구 면(14) 위로의 최대 높이 또는 상기 출구 면(14) 내로의 최대 깊이를 갖는 표면 형태 특징부(surface topographical feature)를 포함하는 노즐.
43. 실시예 37 내지 실시예 42 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 오염-방지 구조체(150)는 약 2 마이크로미터(μm) 이상의, 상기 출구 면(14) 위로의 최소 높이 또는 상기 출구 면(14) 내로의 최소 깊이를 갖는 표면 형태 특징부를 포함하는 노즐.
44. 실시예 37 내지 실시예 43 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 오염-방지 구조체(150)는 원뿔형 형상, 실린더형 형상, 절두형 원뿔 형상, 돔 형상, 피라미드형 형상, 반구형 형상, 프리즘형 형상, 빵(bread loaf) 형상, 또는 임의의 다른 형상 중 적어도 하나 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 표면 형태 특징부를 포함하는 노즐.
45. 실시예 1 내지 실시예 44 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 적어도 하나의 상기 노즐 관통구(15)의 캐비티(153)의 내부 표면(154)은 (a) 캐비티(153)의 길이를 따라, (b) 상기 노즐 관통구(15)의 출구 개구(152)에 인접하게, 또는 (c) (a) 및 (b) 둘 모두로 내부 표면(154)으로부터 연장되는 다수의 캐비티 통로(153')를 포함하는 노즐.
46. 실시예 45의 노즐(10)로서, 상기 다수의 캐비티 부속물(153')은 상기 캐비티(153)의 최대 전체 길이(L)의 약 10%보다 큰 길이로 상기 캐비티(153)를 따라 내부 표면(154)으로부터 연장되는 노즐.
47. 실시예 1 내지 실시예 46 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 적어도 하나의 노즐 관통구(15)에 대한 적어도 하나의 입구 개구(151)와 적어도 하나의 출구 개구(152)는 유사한 형상 또는 상이한 형상을 가진 입구 개구(151)와 출구 개구(152)를 갖는 노즐.
48. 실시예 1 내지 실시예 47 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 입구 면(11)은 상기 출구 면(14)의 총 출구 개구(152) 면적보다 큰 총 입구 개구(151) 면적을 갖는 노즐.
49. 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 노즐(10)은 1.0 초과 내지 약 2500의 범위 내의, 또는 1의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 수 또는 범위 내의(예컨대, 약 1.0 내지 약 1000, 약 2 내지 약 2000, 약 10 내지 약 1000, 및 약 40 내지 약 500), 또는 1의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 비의, 총 입구 개구(151) 면적 대 총 출구 개구(152) 면적의 총 비를 갖는 노즐.
50. 실시예 1 내지 실시예 49 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 노즐(10)은 1.2 초과 내지 약 500의 범위 내의, 또는 1의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 범위 내의(예컨대, 1.2 내지 약 250, 약 2 내지 약 22, 약 2 내지 약 22, 및 약 4 내지 약 12), 또는 1의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 비의, 총 입구 개구(151) 면적 대 총 출구 개구(152) 면적의 총 비를 갖는 노즐.
51. 실시예 1 내지 실시예 49 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 노즐(10)은 30보다 큰(또는 1의 단위 증분으로 30 내지 2500, 예컨대 약 40 내지 500의 임의의 수 또는 범위, 또는 1의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 비), 총 입구 개구(151) 면적 대 총 출구 개구(152) 면적의 총 비를 갖는 노즐.
52. 실시예 1 내지 실시예 49 및 실시예 51 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 노즐(10)은 약 1.2 내지 약 250의 범위 내의, 또는 1의 단위 증분으로 그들 사이의 임의의 범위 내의, 또는 1의 단위 증분으로 상기 범위 내의 임의의 비의, 총 입구 개구(151) 단면적 대 총 출구 개구(152) 단면적의 총 비를 갖는 노즐.
53. 실시예 1 내지 실시예 52 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 각각의 입구 개구(151)는 약 500 마이크로미터 미만(또는 약 400 마이크로미터 미만, 또는 약 300 마이크로미터 미만, 또는 약 200 마이크로미터 미만, 또는 약 160 마이크로미터 미만, 또는 약 100 마이크로미터 미만)(또는 1.0 마이크로미터의 증분으로 약 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 임의의 주 치수/직경, 예컨대 10, 11, 12 마이크로미터 등)의 주 치수(예컨대, 직경)를 갖는 노즐. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "주 치수"는 주어진 입구 개구(151)(또는 주어진 출구 개구(152))를 가로지른 최대 거리를 나타낸다.
54. 실시예 1 내지 실시예 53 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 각각의 출구 개구(152)는 약 300 마이크로미터 미만(또는 약 200 마이크로미터 미만, 또는 약 100 마이크로미터 미만, 또는 약 50 마이크로미터 미만, 또는 약 20 마이크로미터 미만)(또는 1.0 마이크로미터의 증분으로 약 10 마이크로미터 내지 300 마이크로미터의 임의의 주 치수, 예컨대 10, 11, 12 마이크로미터 등)의 주 치수(예컨대, 직경)를 갖는 노즐.
55. 실시예 1 내지 실시예 54 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 상기 노즐(10)은 금속 재료, 무기 비-금속 재료(예컨대, 실리카, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 또는 이트륨, 스트론튬, 바륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 비스무트, 몰리브덴, 주석, 아연, 57 내지 71의 범위의 원자 번호를 갖는 란탄 계열 원소, 세륨 및 이들의 조합의 산화물을 포함하는 군으로부터 선택되는 세라믹), 또는 이들의 조합을 포함하는 노즐.
56. 실시예 1 내지 실시예 55 중 어느 한 실시예의 노즐(10)로서, 노즐(10)은 모놀리식(monolithic) 구조를 포함하는 노즐. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "모놀리식"은 서로 조합되어 노즐을 형성하는 다수의 부품 또는 구성요소와는 대조적으로, 단일의 일체로 형성된 구조를 갖는 노즐(10)을 지칭한다.
연료 분사기 실시예
57. 실시예 1 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 포함하는 연료 분사기(101).
연료 분사기 시스템 실시예
58. 실시예 1 내지 실시예 57 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 포함하는 내연 기관(106)(예컨대, 차량 기관, 발전기 등)의 연료 분사 시스템(100). (연료 분사기 시스템(100)은 도 13에 도시된 바와 같이 특히 연료 분사기(101), 연료 공급원/탱크(104), 연료 펌프(103), 연료 필터(102), 연료 분사기 전원(105) 및 기관(106)을 포함함.)
노즐을 제조하는 방법 실시예
59. 실시예 1 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 제조하는 방법으로서, 노즐 재료, 및 적어도 하나의 노즐 관통구를 형성하기 위한 적어도 하나의 캐비티를 포함하는 노즐 예비성형체를 제공하는 단계; 적어도 하나의 캐비티를 적어도 하나의 노즐 관통구(15)로 형성시키기 위해 그리고 적어도 하나의 출구 면 구조체(143)를 형성하기 위해 노즐 재료를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
60. 실시예 59의 방법으로서, 상기 노즐 재료 제거 단계는 적어도 하나의 노즐 관통구(15)의 입구 개구(151) 및 출구 개구(152) 중 적어도 하나 또는 둘 모두를 형성하기 위해 적어도 하나의 캐비티의 적어도 하나의 단부 또는 양 단부를 개방시키는 단계를 포함하는 방법.
61. 실시예 59 또는 실시예 60의 방법으로서, 상기 제거하는 단계는 재료-제거 공구(700)(예컨대, 웨지(wedge)-형상의 절단 공구의 절단 에지, 방전 기계가공 또는 EDM 공구)를 노즐 예비성형체에 근접하게 또는 접촉하게 위치시킴으로써 원하는 노즐 재료를 제거하는 단계를 포함하는 방법. 싱커(sinker) EDM 절단 공구의 와이어 전극이 바람직한 재료-제거 공구(700)이다. 예를 들어 도 14에 도시된 제거 방법 단계를 참조한다.
62. 실시예 59 내지 실시예 61 중 어느 한 실시예의 방법으로서, 상기 방법은 노즐(10)의 출구 면(14) 상에 오염-방지 구조체(150)를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
63. 실시예 62의 방법으로서, 오염-방지 구조체(150)를 형성하는 상기 단계는 노즐 예비-성형체를 형성하기 위해 사용되는 노즐 형성 미세구조화된 패턴 내에 오염-방지 구조체를 제조하는 단계; 하나 이상의 노즐 관통구 형성 특징부를 포함하는 노즐 형성 미세구조화된 패턴 상에 노즐-형성 재료를 적용하는 단계; 노즐-형성 재료를 노즐 형성 미세구조화된 패턴으로부터 분리시켜 노즐(10)을 제공하는 단계; 및 필요에 따라 노즐(10)로부터 노즐 재료를 제거하여 하나 이상의 노즐 관통구(15 및/또는 16)를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
64. 실시예 63의 방법으로서, 상기 제조하는 단계는 마스터 공구 상에 오염-방지 구조체를 형성하는 단계; 마스터 공구를 금속화하는 단계; 금속화된 마스터 공구를 전기 주조하여 EDM 전극을 형성하는 단계; 및 EDM 전극을 연료 분사기 노즐 플레이트로 소성하여 노즐 형성 미세구조화된 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
65. 실시예 64의 방법으로서, 상기 형성하는 단계는 2-광자 중합 단계를 포함하는 방법.
66. 실시예 63의 방법으로서, 상기 제조하는 단계는 마스터 공구를 금속화하기 전에 마스터 공구를 나노입자-함유 용액으로 코팅하는 단계; 마스터 공구를 금속화하는 단계; 금속화된 마스터 공구를 전기 주조하여 EDM 전극을 형성하는 단계; 및 EDM 전극을 분사기 플레이트로 소성하여 노즐 형성 미세구조화된 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
67. 실시예 59 내지 실시예 66의 방법으로서, 상기 제거하는 단계는 공구(700)의 외부 선단 표면(701)(즉, 외부 표면(702)을 따른 선단 외부 표면(701))을 갖는 재료-제거 공구(700)로 노즐(10)로부터 재료를 제거하는 단계를 포함하고, 공구(700)의 외부 선단 표면(701)은 하기의 출구 면 특징부, 즉 (1) 존재할 때, 각각 외부 표면 부분(149)과 중첩하기 위한 중첩 외부 표면 프로파일(159/159'), (2) 외부 면(14)을 따른 적어도 하나의 측부 표면(즉, 수직으로-연장되는 벽 부분)(145), (3) 하나 이상의 충돌 부재(1519), (4) 코킹-방지 구조체(150), 및 (5) 하나 이상의 출구 개구(152) 중 적어도 하나를 제공하는 방법. 예를 들어 도 14 및 도 15를 참조한다.
68. 실시예 59 내지 실시예 67의 방법으로서, 상기 제거하는 단계는 외부 선단 표면(701)을 갖는 재료-제거 공구(700)로 노즐(10)로부터 재료를 제거하는 단계를 포함하고, 공구(700)의 외부 선단 표면(701)은 원형 단면 구성을 갖는(예컨대, 도 14 및 도 15에 도시된 공구(701)) 단일 연속 표면(예컨대, 호-형상의 표면)을 포함하는 방법. 도 16a 내지 도 16e에 도시된 바와 같이, 공구(700)는 임의의 원하는 단면 구성을 가질 수 있으며, 이는 도 17a 내지 도 17e에 도시된 바와 같은 주어진 중첩 외부 표면 부분(149)에 대한 원하는 중첩 외부 표면 프로파일(159/159'), 코킹-방지 미세구조체(150)(도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같은), 도 9에 도시된 바와 같은 충돌 부재(1519), 및 다른 출구 면(14) 표면 기복(undulation)(미도시)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 출구 표면(14) 특징부를 생성한다. 몇몇 실시예에서, 공구(700)는 출구 면(14)에 표면 특징부를 추가로 제공하기 위해 그의 축(ra)을 따라 회전될 수 있다(예컨대, 도 15e에 도시된 출구 면(14) 특징부를 생성하기 위해, 공구(700)가 도 16e에 도시된 바와 같은 별-형상의 단면 구성을 갖고 그의 축을 따라 회전되면서 노즐(10)로부터 재료를 제거할 때). 또한, 공구(700)는 노즐(10) 상에 출구 면(14) 특징부를 추가로 제공하기 위해 사용될 수 있는(그의 축(ra)을 따른 회전이 있거나 없이) 하나 이상의 공구 표면 특징부(704)(도 18에 도시된 바와 같은)를 추가로 포함한다.
연료 분사기를 제조하는 방법 실시예
69. 연료 분사기(101)를 형성하는 방법으로서, 실시예 1 내지 실시예 57 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 연료 분사기(101) 내에 통합시키는 단계를 포함하는 방법.
연료 분사 시스템을 제조하는 방법 실시예
70. (예컨대, 차량(200)과 같은 내연 기관의) 연료 분사 시스템(100)을 형성하는 방법으로서, 실시예 1 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 연료 분사 시스템(100) 내에 통합시키는 단계를 포함하는 방법.
노즐 예비-성형체 실시예
71. 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 형성하기에 적합한 노즐 예비-성형체. 예를 들어 국제 특허 출원 US2012/023624호의 도 1a 내지 도 1m 및 그의 설명의 다른 노즐 예비-성형체 및 노즐 예비-성형체가 노즐을 형성하기 위해 이용되는 방식을 참조한다.
미세구조화된 패턴 실시예
72. 실시예 1 내지 실시예 56 중 어느 한 실시예의 노즐(10)을 형성하기에 적합한 미세구조화된 패턴. 예를 들어 국제 특허 출원 US2012/023624호의 도 1a 내지 도 1m 및 그의 설명의 다른 미세구조화된 패턴 및 미세구조화된 패턴이 노즐을 형성하기 위해 이용되는 방식을 참조한다.
위의 실시예 중 임의의 것에서, 노즐(10)은 전형적으로 입구 면(11)의 적어도 일부분이 출구 면(14)의 적어도 일부분과 실질적으로 평행한 상태로 실질적으로 평평한 구성을 갖는 노즐 플레이트(10)를 포함할 수 있다.
연료 분사기 노즐(10)의 두께가 약 100 μm 이상, 바람직하게는 약 200 μm 초과; 및 약 3 mm 미만, 바람직하게는 약 1 mm 미만, 더욱 바람직하게는 약 500 μm 미만(또는 1 μm의 증분으로 약 100 μm 내지 3 mm의 임의의 두께 또는 두께 범위)인 것이 바람직할 수 있다. 다양한 도면에 도시된 바와 같이, 노즐이 노즐 플레이트의 주연부 주위(예컨대, 연료 분사기의 팁에 용접되는 용접 영역)에서 보다 얇고 노즐 플레이트의 내부 영역에서 보다 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 연료 분사기 내의 노즐 입구의 연료 상류의 압력(특히 GDI 또는 DI 시스템의 보다 높은 압력의 경우)이 너무 얇은 노즐 플레이트의 조기 파손 또는 의도하지 않은 편향을 초래할 수 있다. 그러나, 노즐 플레이트 두께가 증가됨에 따라, 분사기 본체 상에의 노즐 플레이트의 고품질 용접(예컨대, 레이저 용접)을 생성하는 것이 점점 어려워진다. 내부 영역을 보다 두껍게 그리고 주연부를 상대적으로 보다 얇게 만듦으로써, 본 발명의 노즐이 위의 필요성의 균형을 유지하도록 작동가능하게 구성될 수 있다(예컨대, 치수설정되거나 구성되거나 달리 설계됨).
또한, 도면에 도시되지 않았지만, 본 명세서에 개시된 노즐들(10) 중 임의의 것은 (1) 연료 분사기(101)에 대한 노즐(10)의 정렬(즉, x-y 평면 내에서의) 및 (2) 연료 분사기(101)에 대한 노즐(10)의 회전 정렬/배향(즉, x-y 평면 내의 적절한 회전 위치)을 가능하게 하는 하나 이상의 정렬 표면 특징부를 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 정렬 표면 특징부는 위에서 논의된 바와 같이 하나 이상의 목표 위치(lt)로 정확하고 정밀하게 지향되도록 노즐(10) 및 그 내부의 노즐 관통구(15)를 위치설정하는 것을 돕는다. 노즐(10) 상의 하나 이상의 정렬 표면 특징부는 입구 면(11), 출구 면(14), 주변부(19), 또는 입구 면(11), 출구 면(14) 및 주변부(19)의 임의의 조합을 따라 존재할 수 있다. 또한, 노즐(10) 상의 하나 이상의 정렬 표면 특징부는 시각적 마킹, 노즐(10) 내의 함입부, 노즐(10)을 따른 융기된 표면 부분, 또는 그러한 정렬 표면 특징부의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
전술된 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및 방법이 하나 이상의 구성요소, 특징부 또는 단계를 "포함하는" 것으로 기술되지만, 전술된 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및 방법은 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및 방법의 전술된 구성요소 및/또는 특징부 및/또는 단계 중 임의의 것을 "포함하거나" "그로 구성되거나" "본질적으로 그로 구성될" 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 결과적으로, 본 발명 또는 그의 일부가 "포함하는"과 같은 개방형 용어로 기술된 경우, (달리 언급되지 않는 한) 본 발명 또는 그의 일부의 설명은 또한 이하에서 논의되는 바와 같이 용어 "본질적으로 그로 구성되는" 또는 "그로 구성되는" 또는 이의 변형을 사용하여 본 발명 또는 그의 일부를 기술하는 것으로 해석되어야 한다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하다", "포함하는", "구비하다", "구비하는", "갖다", "갖는", "함유하다", "함유하는", "특징지어지는" 또는 이의 임의의 다른 변형은, 임의의 제한이 달리 명시적으로 지시되지 않는다면, 열거된 구성요소들의 비-배타적 포함을 포괄하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 요소(예컨대, 구성요소 또는 특징부 또는 단계)의 목록을 "포함하는" 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법은 단지 그들 요소(또는 구성요소 또는 특징부 또는 단계)만으로 반드시 제한되는 것이 아니라, 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법에 내재하는 또는 명확히 나열되지 않은 다른 요소(또는 구성요소 또는 특징부 또는 단계)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 연결구 "그로 구성되다" 및 "그로 구성되는"은 특정되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 구성요소를 배제한다. 예를 들어, 청구항에 사용되는 "그로 구성되다" 또는 "그로 구성되는"은 그 청구항을, 그와 정상적으로 연관되는 부가물(impurity)(즉, 주어진 구성요소 내의 부가물)을 제외하고는, 그 청구항에 구체적으로 열거된 구성요소, 재료 또는 단계로 제한할 것이다. 어구 "그로 구성되다" 또는 "그로 구성되는"이, 도입부에 바로 이어지기 보다는, 청구항의 본문 중 소정 절에서 언급될 때, 어구 "그로 구성되다" 또는 "그로 구성되는"은 단지 그 절에 기재된 요소(또는 구성요소 또는 단계)만을 제한하고; 다른 요소(또는 구성요소)는 그 청구항 전체로부터 배제되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 연결구 "본질적으로 그로 구성되다" 및 "본질적으로 그로 구성되는"은, 추가 재료, 단계, 특징부, 구성요소 또는 요소가 청구된 발명의 기본적이고 신규한 특징(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는다면, 정확히 개시된 것들에 더하여, 이들 재료, 단계, 특징부, 구성요소 또는 요소를 포함하는 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법을 한정하도록 사용된다. 용어 "본질적으로 그로 구성되는"은 "포함하는"과 "그로 구성되는" 사이의 중간 위치를 차지한다.
또한, 본 명세서에 기술된 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법은 도면에 도시되지 않은 임의의 추가 특징부(들)를 갖거나 갖지 않고서 도면에 도시된 바와 같은, 본 명세서에 기술된 구성요소 및 특징부 중 임의의 것을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 그로 구성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 달리 말하면, 몇몇 실시예에서, 본 발명의 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법은 도면에 구체적으로 도시되지 않은 임의의 추가 특징부를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 본 발명의 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법은 도면에 도시된 특징부(즉, 일부 또는 전부) 외에 임의의 추가 특징부를 갖지 않으며, 도면에 도시되지 않은 그러한 추가 특징부는 노즐, 노즐 플레이트, 연료 분사기, 연료 분사기 시스템 및/또는 방법으로부터 분명히 배제된다.
본 발명은 어떠한 방식으로도 본 발명의 범주에 대해 제한을 부과하는 것으로 해석되지 않아야 하는 하기의 예에 의해 추가로 예시된다. 이와는 반대로, 다양한 다른 실시예, 변경 및 이의 등가물이 사용될 수 있어야 하며, 이들은 당업자가 본 명세서의 설명을 읽은 후에 본 발명의 사상 및/또는 첨부된 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이 연상할 수 있다는 것이 분명하게 이해되어야 한다.
예 1
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같은 예시적인 노즐(10)과 유사한 노즐을 연료 분사기 시스템(100)과 유사한 연료 분사기 시스템에 사용하기 위해 준비하였다.
본 발명의 전반적인 원리의 위의 개시 내용 및 상기한 상세한 설명으로부터, 당업자는 본 발명이 허용할 수 있는 다양한 변경, 재-배열 및 대체뿐만 아니라, 본 발명이 제공할 수 있는 다양한 이점 및 이득을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 단지 하기의 청구범위 및 이의 등가물에 의해서만 제한되어야 한다. 또한, 본 발명의 범주 내에서, 개시되고 청구된 노즐이 다른 응용(즉, 연료 분사기 노즐로서가 아닌)에 유용할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 그러한 다른 응용을 위한 청구되고 개시된 구조체의 사용을 포함하도록 확장될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료 분사기 노즐(fuel injector nozzle)로서,
    입구 면;
    상기 입구 면 반대편의 출구 면; 및
    내부 표면에 의해 한정되는 캐비티(cavity)에 의해 상기 출구 면 상의 적어도 하나의 출구 개구에 연결되는 상기 입구 면 상의 적어도 하나의 입구 개구를 포함하는 적어도 하나의 노즐 관통구(through-hole)를 포함하고,
    상기 출구 면은 상기 출구 면의 일부분으로부터 연장되는 적어도 하나의 출구 면 구조체(outlet face structure)를 포함하는, 연료 분사기 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체는 측부 표면을 포함하고, 상기 출구 면은 기부 표면을 포함하되, 상기 측부 표면이 상기 기부 표면과 제1 각도를 형성하도록 상기 측부 표면에 인접하게 위치되는 상기 기부 표면을 포함하는, 연료 분사기 노즐.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 각도는 약 45° 내지 약 135°의 범위 내에 있는, 연료 분사기 노즐.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 각도는 약 90°인, 연료 분사기 노즐.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체는 상기 기부 표면의 일부분 위로 거리 ds에 위치되도록 상기 측부 표면으로부터 외부로 연장되는 적어도 하나의 오버행잉 부분(overhanging portion)을 포함하는, 연료 분사기 노즐.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐 관통구의 적어도 하나의 출구 개구는 상기 적어도 하나의 출구 개구에서 배출되는 연료를 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체에 충돌하게 지향시키도록 작동가능하게 구성되는, 연료 분사기 노즐.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐 관통구의 적어도 하나의 출구 개구의, 출구 개구 주변부의 적어도 일부분은 상기 적어도 하나의 출구 면 구조체의 일부분 상에 있는, 연료 분사기 노즐.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐 관통구의 적어도 하나의 출구 개구의, 출구 개구 주변부의 적어도 일부분은 상기 출구 면 구조체의 상기 측부 표면 상에 있는, 연료 분사기 노즐.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기부 표면은 평탄한, 연료 분사기 노즐.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출구 면 구조체의 상기 측부 표면은 (i) 상기 기부 표면과 약 90° 내지 약 165° 미만의 범위 내의 제1 각도, 및 (ii) 상기 출구 면 구조체의 상부 표면과 약 195° 초과 내지 약 345° 미만의 범위 내의 제2 각도를 형성하는, 연료 분사기 노즐.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 노즐 관통구의 적어도 하나의 출구 개구의 일부분은 상기 출구 면의 상기 기부 표면 상에 있는, 연료 분사기 노즐.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 적어도 하나의 노즐 관통구의 적어도 하나의 출구 개구의 일부분은 상기 상부 표면 상에 있는, 연료 분사기 노즐.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출구 면의 노출된 표면 상의 오염-방지 구조체(anti-fouling structure)를 추가로 포함하는, 연료 분사기 노즐.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 노즐을 포함하는 내연 기관의 연료 분사 시스템.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 노즐을 제조하는 방법으로서,
    노즐 재료, 및 적어도 하나의 노즐 관통구를 형성하기 위한 적어도 하나의 캐비티를 포함하는 노즐 예비성형체(preform)를 제공하는 단계;
    적어도 하나의 캐비티를 적어도 하나의 노즐 관통구로 형성시키기 위해 그리고 적어도 하나의 출구 면 구조체를 형성하기 위해 노즐 재료를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
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