KR20160068914A - 연료 분사기 및 연료 분사 시스템 - Google Patents

연료 분사기 및 연료 분사 시스템 Download PDF

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쟌도미니코 쎄라
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

연료 분사기는 중앙 길이방향 축(L)을 포함하고 그리고 연소 기관의 실린더 헤드(14)의 리세스(15) 내에 배열되도록 동작 가능하다. 연료 분사기는 하우징(25), 밸브 동체(26) 및 조절 부재(30)를 포함한다. 밸브 동체(26)는 중앙 영역(36), 단부 영역(38) 및 과도 영역(40)을 포함한다. 중앙 영역(36)에서, 밸브 동체(26)는 제1 외경(D1)을 갖고 하우징(25)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 단부 영역(38)에서, 밸브 동체(26)는 제1 외경(D1)보다 작은 제2 외경(D2)을 갖는다. 과도 영역(40)은 중앙 영역(36)과 단부 영역(38) 사이에 배열된다. 조절 부재(30)는 리세스(15)에 대해서 연료 분사기(18)를 방사상 및/또는 축 방향으로 정렬시키기 위하여 밸브 동체(26)와 리세스(15)의 제1 단차부(48) 사이에서 실린더 헤드(14)의 리세스(15)에 배열되도록 밸브 동체(26)의 과도 영역(40)에 위치되고 정형화된다.

Description

연료 분사기 및 연료 분사 시스템{FUEL INJECTOR AND FUEL-INJECTION SYSTEM}
본 발명은 연료 분사기 및 연료 분사 시스템에 관한 것이다.
연료 분사기들은 특히 내연 기관을 위하여 광범위하게 사용되며, 여기서 이들은 연료를 내연 기관의 실린더의 연소실에 직접 또는 내연 기관의 흡기 매니폴드에 투입하기 위하여 배열되어 있을 수 있다. 연료는 연료 분사 시스템의 연료 분사기에 의해 내연 기관에 공급될 수 있다.
연료 분사기는 내연 기관의 실린더 헤드에 상이한 방식으로 결합될 수 있다. 연료 분사기의 실린더 헤드에의 결합은 정확한 분사 각도를 얻기 위하여 매우 정확할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 연료 분사기와 연소 기관의 실린더 헤드 간의 신뢰성 있으면서도 정확한 결합을 용이하게 하고 간단한 방식으로 제조될 수 있는 연소 기관의 실린더 헤드용의 연료 분사기를 제작하는데 있다.
본 발명의 추가의 목적은 연료의 정확한 투입을 보증하는 연료 분사 시스템을 제작하는데 있다.
이들 목적은 독립 청구항의 특성들에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시형태들은 종속 청구항에서 부여된다.
제1 양상에 따르면, 중앙 길이방향 축을 포함하고 그리고 연소 기관의 실린더 헤드의 리세스(recess) 내에 배열되도록 동작 가능한 연료 분사기가 특정된다. 연료 분사기는 하우징, 밸브 동체 및 조절 부재를 포함한다. 하우징은 일 실시형태에 있어서 플라스틱 하우징을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 하우징은 연료 분사기의 전자기 작동기 조립체의 요크를 부가적으로 또는 대안적으로 포함한다. 밸브 동체는 금속 동체일 수 있다. 밸브 동체는 특히 연료 분사기의 연료 유입구 부분을 연료 분사기의 연료 유출구 부분에 유압식으로 결합하기 위한 공동부를 획정하는 관 형상을 갖는다.
밸브 동체는 중앙 영역, 단부 영역 및 과도 영역을 포함한다. 중앙 영역에서, 밸브 동체는 제1 외경을 갖고 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 단부 영역에서, 밸브 동체는 제1 외경보다 작은 제2 외경을 갖는다. 과도 영역은 중앙 영역과 단부 영역 사이에, 특히 길이방향으로 배열된다.
일 실시형태에 있어서, 조절 부재는 연료 분사기를 리세스에 대해서 방사상 및/또는 축 방향으로 정렬시키기 위하여 밸브 동체와 상기 리세스의 제1 단차부 사이에서 실린더 헤드의 리세스에 배열되도록 밸브 동체의 과도 영역에 위치결정되고 그러한 방식으로 정형화된다.
일 실시형태에 있어서, 밸브 동체의 외경은 과도 영역에서 해당 과도 영역의 제1 부분에서의 제1 외경으로부터 과도 영역의 제2 부분에서의 제2 외경으로 감소된다. 바람직하게는, 조절 부재는 적어도 과도 영역의 제2 부분에 배열되고 하우징으로부터 축방향으로 이격된다. 특히 바람직하게는, 과도 영역의 제1 부분과 조절 부재 사이에 축방향 중첩이 없다. 하나의 개선예에서, 밸브 동체의 외경은 방사상으로 뻗는 단차 표면이 밸브 동체의 외부 표면에 형성되도록 과도 영역의 제1 부분에서 제2 부분으로 단차 방식으로 저감되며, 제2 부분은 특히 제2 외경을 갖는다.
이와 같이 해서, 용접 파괴로 인한 연료 분사기 탈착 및 연료 분사기 누설이 용이하게 회피될 수 있다. 고압에서, 연료 분사기의 가장 약한 구역들이 밸브 동체와 어댑터 부재, 예컨대, o-링 어댑터 사이의 용접 접속부들이다. 어댑터 부재는 유체 분사기의 연료 레일 등과 같은 유체 저장소에의 기계식 및 유압식 결합을 뒷받침한다. 조절 부재의 특정 배열에 의해, 이들 용접부에서의 기계적 응력이 전체 연료 분사기의 응력 조건을 변화시킴으로써 감소된다. 따라서, 연료 분사기의 신뢰성 있는 기능이 또한 고압에서 가능하다.
조절 부재의 배열은 연소실 내부에서 연료 분사기 팁의 정확한 위치를 확보할 수 있게 한다. 따라서, 연료 분사기 팁의 부정확한 위치로 인한 엔진 방출 및 성능에 대한 부정적인 영향이 회피될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 조절 부재의 단면 형상은 과도 영역에서 연료 분사기의 윤곽에 맞춰진다. 이것은 리세스 내의 연료 분사기의 신뢰성 있고 더 양호한 정렬을 허용한다. 일 개선예에서, 조절 부재는 과도 영역의 단차 표면을 향하여 대면하고 단차 표면과 방사상으로 중첩하는 방사상으로 뻗는 상부 표면을 갖는다. 바람직하게는, 상부 표면은 단차 표면과 접촉한다. 특히 바람직하게는, 상부 표면과 단차 표면은 동일 평면이다. 다른 개선예에서, 조절 부재는 부가적으로 또는 대안적으로 중앙 축 개구부를 가지며, 이 개구부를 통해서 과도 영역의 제2 부분이 연장된다. 편의상, 중앙 축 개구부의 직경은 제1 외경보다 작다. 이와 같이 해서, 밸브 동체에 관하여 조절 부재의 신뢰성 있고 정확한 위치결정이 달성될 수 있다.
제1 양상의 추가의 유리한 실시형태에 있어서, 조절 부재는 알루미늄 및/또는 스테인리스강을 포함하는 재료로 이루어진다. 이것은 조절 부재와 실린더 헤드 간의 양호한 접촉을 허용한다. 조절 부재는 상이한 재료로 이루어질 수 있지만, 실린더 헤드에 대한 바람직한 임프린팅 효과에 도달하기 위하여 해당 재료를 실린더 헤드의 재료와 맞추는 것이 유리하다.
일 실시형태에 있어서, 조절 부재는 실린더 헤드 접촉 영역에서 구 형상 외부 표면을 가진 링 부재이다. 조절 부재의 외부 표면은 특히 밸브 동체로부터 떨어져서 대면하고 실린더 헤드와의 접촉을 제공한다.
제2 양상에 따르면, 내연 기관의 실린더 헤드 및 본 발명의 제1 양상에 따른 연료 분사기를 포함하는 연료 분사 시스템이 특정된다. 연료 분사 시스템은 또한 연료-분사 배열체로서 지칭될 수도 있다. 연료 분사기는 실린더 헤드의 리세스에 배열된다. 특히, 조절 부재는 연료 분사기의 밸브 동체와 실린더 헤드의 리세스에 인접한다.
실린더 헤드는, 원뿔-구체 결합이 조절 부재의 구 형상 외부 표면에서 달성 가능하도록 실린더 헤드 접촉 영역에서 원뿔 형상을 가질 수 있다. 이것은 조립 동안 연료 분사기의 경사가 조절될 수 있는 이점을 갖는다. 이와 같이 해서, 연료 분사기의 각도 및 치수 공차를 회복하는 것이 가능하고, 연료 분사기의 정확한 기능과 연소실 내부에서 목적으로 하는 연료 분무 표적화가 보장될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 하우징은 실린더 헤드로부터 이격되어 있다. 이와 같이 해서, 실린더 헤드로부터 하우징을 통해서 분사기로 전달되는 기계적 응력으로 인한 연료 분사기에의 기계적 손상의 위험이 특히 낮다.
본 발명의 예시적인 실시형태들은 개략적 도면들의 도움으로 이하에 설명되며, 도면에서:
도 1은 내연 기관의 개략도;
도 2는 연료 분사기와 실린더 헤드의 길이방향 개략 단면도;
도 3은 조절 부재를 구비한 연료 분사기의 길이방향 단면도;
도 4는 조절 부재의 일례를 도시한 것으로 연료 분사기의 길이방향 단면도의 상세도; 및
도 5는 도 3의 조절 부재의 사시도.
상이한 도면에서 나타나는 동일한 설계 및 기능의 요소들은 동일한 참조 부호로 식별된다.
도 1은 흡기관(intake air tract)(10), 모터 블록(12), 실린더 헤드(14) 및 배기관(16)을 구비하는 내연 기관(22)을 도시한다. 모터 블록(12)에서, 연소실(20)이 배열되어 있다.
실린더 헤드(14)는 적어도 하나의 연료 분사기(18)와 적어도 하나의 스파크 플러그(19)가 배열되는 하나 이상의 리세스(15)를 포함한다. 밸브 동체(26)는 리세스(15)와 적어도 부분적으로 맞물린다. 조절 부재(30)는 리세스(15) 내에 배열되어, 연료 분사기(18)가 연소 기관(22)의 실린더 헤드(14)에 대해서 조절될 수 있게 한다. 연료 분사기(18)는 바람직하게는 높은 연료 압력에서 이용된다. 따라서, 연료 분사기(18)는 연소 기관(22) 내부에서 그의 팁의 정확한 위치결정을 보증하기 위하여 실린더 헤드(14) 상에 클램핑될 수도 있다.
연료 분사기(18)(도 2)는 분사기 결합부(24)와 밸브 조립체(27)를 포함한다. 분사기 결합부(24)는 내연 기관(22)의 고압 연료실에 결합되도록 구성되고, 해당 고압 연료실에서는 연료가 고압 하에 저장된다. 고압 연료실은 특히 연료 레일이다.
또한, 분사기 결합부(24)는 연료 분사기(18)의 작동기 유닛을 작동시키기 위하여 전기 공급부에 결합되도록 구성된다.
연료 분사기(18)는 중앙 길이방향 축(L), 하우징(25), 밸브 동체(26)를 포함하되, 공동부(32)는 밸브 동체(26)를 통해서 연료 분사기(18)의 연료 유입구 부분으로부터 연료 유출구 부분까지 축방향으로 이어진다. 연료 분사기(18)는 밸브 동체(26)의 공동부(32)에 수용된 밸브 니들(34)을 더 포함한다. 연료 분사기(18)의 자유 단부에, 즉, 연료 유출구 부분에, 밸브 니들(34)의 축방향 움직임에 의해 개폐되는 분사 노즐(28)이 형성된다. 폐쇄 위치에서, 분사 노즐(28)을 통한 연료 흐름이 방지된다. 개방 위치에서, 연료는 분사 노즐(28)을 통해서 내연 기관(22)의 연소실(20) 내로 흐를 수 있다.
밸브 동체(26)는 금속 또는 합금으로, 특히 강철로 이루어지고, 즉 밸브 동체은 금속 동체이다. 밸브 동체(26)는 중앙 영역(36), 단부 영역(38) 및 과도 영역(40)을 포함하는 대체로 관형상 동체이다(예를 들어, 도 3 참조). 중앙 영역(36)에서, 밸브 동체(26)는 제1 외경(D1)을 갖고 하우징(25)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 단부 영역(38)에서, 밸브 동체(26)는 제1 외경(D1)보다 작은 제2 외경(D2)을 갖는다.
과도 영역(40)은 중앙 영역(36)과 단부 영역(38) 사이에 축방향으로 배열된다. 과도 영역(40)은 제1 외경(D1)을 가진 제1 부분(410)과 제2 외경(D2)을 가진 제2 부분(420)을 구비한다(예를 들어, 도 4 참조). 밸브 동체(26)의 외경은 방사상으로 뻗는 단차 표면(411)가 밸브 동체(26)의 외주 표면에 형성되도록 과도 영역(40)의 제1 부분(410)으로부터 제2 부분(420)까지 단차 방식으로 감소한다. 단차 표면(411)은 길이방향 축(L)에 대해서 평행한 표면 법선을 가진 평면 표면이다.
연료 분사기를 수용하기 위하여, 내연 기관의 실린더 헤드(14)는 내연 기관(22)의 연소실(20)과 연통하는 리세스(15)(도 2)를 구비한다. 리세스(15)는 연료 분사기의 중앙 길이방향 축(L)과 공축으로 실린더 헤드(14)에 연장된다. 리세스(15)는, 연소실과 연통하고 분사 노즐(28)이 배열되는 연료 분사기의 단부 영역(38)에 의해 맞물릴 수 있는 제1 구역(42); 주로 원통 형상으로 이루어지고 연료 분사기의 하우징(25)에 의해 맞물릴 수 있는 제2 구역(44); 및 마지막으로 제1 및 제2 부분(42, 44)을 서로 접속하는 중간 구역(46)을 구비한다. 리세스(15)는 제1 구역(42)과 중간 구역(46) 사이의 과도 부분에 제1 단차부(48)와 중간 구역(46)과 제2 구역(44) 사이의 과도 부분에 제2 단차부(50)를 포함한다.
연료 분사기는 조절 부재(30)를 포함한다(예를 들어, 도 2 또는 도 4 참조). 조절 부재(30)는 연료 분사기를 리세스(15)에 대해서 방사상 및/또는 축방향으로 정렬시키기 위하여 밸브 동체(26)와 실린더 헤드(14)의 리세스(15)의 제1 단차부(48) 사이의 밸브 동체(26)의 과도 영역(40)에서 실린더 헤드(14)의 리세스(15)에 정렬되도록 위치결정되고 정형화된다. 특히, 조절 부재(30)는 과도 영역(40)의 제2 부분(420)에 배열되고 하우징(25)으로부터 축방향으로 이격된다. 이것은 과도 영역(40)의 단차 표면(411)과 인접한다.
도 2 및 도 3은 어댑터 부재, 예를 들어, O-링 어댑터를 밸브 동체(26)와 접속하는 제1 및 제2 용접부(52, 54)를 포함하는 연료 분사기를 도시한다. 제1 및 제2 용접부(52, 54)는 연료 분사기 내부의 내압으로 인해 응력을 받으며, 이것은 밸브 동체(26)를 어댑터와 분리시키는 경향이 있다. 보다 고압에 의해, 특히 분사기(18)가 하우징(25)을 통해서 실린더 헤드(14)에 고정된 경우 및/또는 하우징(25)이 실린더 헤드(15)와 접촉한 경우에, 수직력이 실린더 헤드(14)로부터 하우징(25)을 통해서 용접부(52, 54)로 전달되는 문제가 있다. 조절 부재(30)가 밸브 동체(26)와 실린더 헤드(14)의 리세스(15)의 제1 단차부(48) 간에 밸브 동체(26)의 과도 영역(40)에서 실린더 헤드(14)의 리세스(15)에 배열되면, 그 기계적 응력이 감소될 수 있고, 제1 및 제2 용접부(52, 54)의 파괴와 밸브 동체(26)의 어떠한 변형도 그 압력에 의해 초래되는 견인 응력을 압착 변형시킴으로써 회피될 수 있다. 특히, 하우징(25)은 실린더 헤드(15)로부터 이격되어 있다. 이 응력 변형으로 인해, 연료 분사기는 더 높은 압력을 견딜 수 있다.
도 4의 길이방향 단면도에서 조절 부재(30)가 더욱 상세히 도시되어 있다. 도 5는 조절 부재(30)의 사시도를 도시한다.
예를 들어, 조절 부재(30)는 실린더 헤드 접촉 영역(56)에서 구 형상 외부 표면(301)을 포함하는 링 부재이다. 실린더 헤드 접촉 영역(56) 내의 리세스(15)의 원뿔 형상과 함께 조절 부재(30)의 진원도(roundness)는 연료 레일 컵, 연료 분사기의 중앙 길이방향 축(L), 및/또는 리세스(15) 간의 오정렬로 인한 응력에 의해 초래되는 외부 누설을 피하기 위하여 연료 분사기(18)의 경사능을 제공한다.
예를 들어, 조절 부재(30)의 단면 형상은 과도 영역(40)에서 연료 분사기의 윤곽에 맞춰진다. 더욱 구체적으로, 조절 부재(30)는 단차 표면(411)과 동일 평면이고 완전 중첩 영역에 대해서 단차 표면(411)과 접촉하는 상부 표면(30)을 갖는다. 조절 부재(30)의 중앙 축 개구부(303)는 조절 부재(30)가 단차 표면(411)과 접촉하는 단부 영역(38) 위로 시프팅될 수 있도록 밸브 동체(26)의 제2 외경(D2)보다 단지 약간 더 큰 직경을 갖는다. 이 장착된 구성에서, 과도 영역(40)의 제2 부분(420)은 조절 부재(30)를 나타내는 링 부재의 중앙 축 개구부(303)를 통해 연장된다.
조절 부재(30)는, 예를 들어, 알루미늄 및/또는 스테인리스강을 포함하는 재료로 이루어진다.
조절 부재(30)의 구성 및 배열은 실린더 헤드(14)에 대한 연료 분사기(18)의 정확한 정렬 및 실린더 헤드(14)로부터 연료 분사기(18)의 신속하고도 간단한 분해를 허용한다. 단지 조절 부재(30)가 필요로 되고, 거리 부재 또는 보유 부재와 같은 추가의 부재는 요구되지 않는다.
예컨대, 리세스(15)에 삽입되기 전에, 연료 분사기에 패키지된 조절 부재(30)를 유지하기 위하여, 연료 분사기는, 조절 부재(30)와 밸브 동체(26)의 단부 영역(38) 사이에 배열된 스냅-링(58)을 포함한다(도 2 및 도 3 참조). 스냅-링(58)은 억지 끼워맞춤(interference fit)에 의해 밸브 동체(26)에 결합될 수 있다.

Claims (8)

  1. 중앙 길이방향 축(L)을 포함하고 그리고 연소 기관(22)의 실린더 헤드(14)의 리세스(recess)(15) 내에 배열되도록 동작 가능한 연료 분사기(18)로서, 상기 연료 분사기(18)는 하우징(25), 밸브 동체(26) 및 조절 부재(30)를 구비하되,
    - 상기 밸브 동체(26)는 중앙 영역(36), 단부 영역(38) 및 과도 영역(40)을 포함하고, 상기 중앙 영역(36)에서 상기 밸브 동체(26)는 제1 외경(D1)을 갖고 상기 하우징(25)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이며, 상기 단부 영역(38)에서 상기 밸브 동체(26)는 상기 제1 외경(D1)보다 작은 제2 외경(D2)을 갖고, 그리고 상기 과도 영역(40)은 상기 중앙 영역과 상기 단부 영역 사이에 배열되며,
    - 상기 조절 부재(30)는 상기 리세스(15)에 대해서 상기 연료 분사기(18)를 방사상 및/또는 축 방향으로 정렬시키기 위하여 상기 밸브 동체(26)와 상기 리세스(15)의 제1 단차부(48) 사이에서 상기 실린더 헤드(14)의 상기 리세스(15)에 배열되도록 상기 밸브 동체(26)의 상기 과도 영역(40)에 위치결정되고 정형화되고,
    - 상기 과도 영역(40)에서, 상기 밸브 동체의 외경이 상기 과도 영역(40)의 제1 부분(410)에서의 상기 제1 외경(D1)으로부터 상기 과도 영역(40)의 제2 부분(420)에서의 상기 제2 외경(D2)으로 감소되므로 방사상으로 뻗는 단차 표면(411)이 형성되고, 그리고 상기 조절 부재(30)는 적어도 상기 과도 영역(40)의 상기 제2 부분(420)에 배열되고 상기 하우징(25)으로부터 축방향으로 이격되며,
    - 상기 조절 부재(30)는 중앙 축 개구부(303)를 가진 링 부재이고, 상기 개구부를 통해서 상기 과도 영역(40)의 상기 제2 부분(420)이 연장되며, 그리고
    - 상기 조절 부재(30)는 상기 단차 표면(411)과 방사상으로 중첩되고 접촉하며 공동 평면인 방사상으로 뻗는 상부 표면(302)과 실린더 헤드 접촉 영역(56) 내의 구 형상 외부 표면(301)을 구비하는, 연료 분사기(18).
  2. 제1항에 있어서, 상기 조절 부재(30)의 단면 형상은 상기 과도 영역(40) 내의 상기 연료 분사기(18)의 윤곽에 맞춰져 있는, 연료 분사기(18).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조절 부재(30)는 알루미늄 및/또는 스테인리스강을 포함하는 재료로 이루어진, 연료 분사기(18).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 동체(26)는 금속 동체인, 연료 분사기(18).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징(25)은 전자기 작동기 조립체의 요크 및/또는 플라스틱 하우징을 포함하는, 연료 분사기(18).
  6. 내연 기관(22)의 실린더 헤드(14) 및 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 연료 분사기(18)를 포함하는 연료 분사 시스템으로서, 상기 연료 분사기(18)는 상기 실린더 헤드(14)의 리세스(15)에 배열되는, 연료 분사 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 리세스(15)는 상기 실린더 헤드 접촉 영역(56)에서 원뿔 형상을 가진, 연료 분사 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 하우징(25)은 상기 실린더 헤드(15)로부터 이격되는, 연료 분사 시스템.
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