KR20160097358A - 노즐 헤드 및 유체 분사 밸브 - Google Patents

Abstract

흐름이 통과할 수 있는 밸브 몸체를 갖는 유체 분사 밸브를 위한 유체를 분무하는 노즐 헤드(11)가 제시된다. 상기 노즐 헤드(11)는 길이방향 축(14)을 구비하고 노즐 천공된 디스크(10)를 구비하고, 상기 노즐 천공된 디스크는 정면 표면(16)과, 상기 정면 표면과 반대쪽에 놓여 있는 내부 표면(26)을 포함한다. 상기 노즐 천공된 디스크(10)는 상기 길이방향 축(14) 방향으로 상기 노즐 천공된 디스크(10)를 완전히 관통하는 적어도 하나의 노즐 홀 채널(12; 13)을 구비하고, 상기 노즐 홀 채널은, 제1 채널 단부(18)에 진입 표면(22)을 구비하고, 상기 제1 채널 단부(18)와는 반대쪽을 향하는 상기 제2 채널 단부(20)에 출구 표면(24)을 구비하고, 상기 진입 표면(22)은 상기 내부 표면(26)에 형성된다. 상기 노즐 홀 채널(12; 13)의 노즐 홀 돌출부(25)는 채널 벽(40)을 구비하고, 상기 채널 벽(40)은, 상기 정면 표면(16)으로부터 시작하여, 상기 내부 표면(26)과는 반대쪽으로 상기 길이방향 축(14) 방향으로 연장되는 벽 높이(h)를 구비하고, 상기 채널 벽은, 상기 제2 채널 단부(20)가 상기 채널 벽(40)의 채널 벽 단부(46)에 대응하는 방식으로 상기 노즐 홀 돌출부(25)의 외주에 걸쳐 구성되고, 상기 채널 벽 단부(46)는 상기 정면 표면(16)과는 반대쪽을 향하도록 구성된다. 나아가, 밸브 몸체와 유체 분사 밸브가 제시된다.

Description

노즐 헤드 및 유체 분사 밸브{NOZZLE HEAD AND FLUID INJECTION VALVE}

본 발명은 노즐 헤드 및 유체 분사 밸브, 특히 자동차 분사 밸브에 관한 것이다.

유체를 분무하는 노즐 헤드를 갖는 연료 분사 밸브가 알려져 있다. 이런 유형의 연료 분사 밸브는 통상적으로 내연 엔진의 연소 챔버에 연료를 분무하는데 사용된다. 특히, 연료가 스파크-점화 엔진으로 설계된 내연 엔진의 염소 챔버로 "직접 분사"되는 경우, 연료는, 특히 노즐 헤드의 도움으로 매우 미세하게 분무되어야 한다. 스파크-점화 엔진에서 가능한 한 완전 연소를 생성하기 위하여, 연소 챔버에 존재하는 공기와 분사된 연료를 미세하게 혼합하는 것이 요구된다.

직접 분사의 도움으로, 내연 엔진의 스파크-점화 엔진에서 연료는 요즈음 연소 챔버로 직접 분사되어, 연료를 도입하는 전술한 원리, 즉 "다기관 분사"에 비해 연료 소비를 감소시키는 장점을 제공한다. 나아가, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 시스템을 제어하는 것이 직접 분사의 도움으로 상당히 개선된다.

직접 분사의 추가적인 장점은 가스 입구 밸브를 통해 연소 공기가 유입됨과 함께 연료가 연소 챔버에 들어가는 다기관 분사의 경우에서보다 상당히 신속히 연료가 연소 챔버에 들어가기 때문에 동적 동작 동안 그 응답 거동에 대해 내연 엔진의 탄력성이 개선된다는 것이다.

그러나, 언급된 직접 분사의 장점을 획득하기 위해서는 요구되는 균일한 혼합물이 짧은 시간 기간 내에 준비되어야 하는 것이 문제이다. 연료가 연소 챔버에 신속히 도입되기 때문에, 연료가 증발해서 연소 공기와 혼합되는데 이용가능한 시간이 거의 없다.

연료 분사 밸브와 그 스프레이 준비는 그리하여 특히 직접 분사에 특히 중요하다. 연료는 특히 미세한 분무의 도움으로 실린더에 도입되어야 하는데, 즉 연료의 액적 사이즈는 매우 짧은 시간 기간 내에 신속한 준비, 즉 균일한 혼합이 달성될 수 있도록 가능한 한 작도록 설계되어야 한다.

또한 "오일이 희석될" 가능성이 있기 때문에 연료는 연소 챔버의 실린더 벽으로 통과되어서는 안 된다. 오일 희석은 윤활유 조성에 변화를 야기하여, 희석된 윤활 오일은 적절한 점성 거동을 가지지 않는 것으로 인해 이 오일 희석은 내연 엔진에 심각한 손상을 야기할 수 있다. 피스톤 헤드 및/또는 가스 입구 밸브는 연료가 거기서 적절히 증발할 수 없기 때문에 연료에 의해 습윤되어서는 안 된다.

연료 분사 밸브에 연료가 침착(deposition)하는 것은 추가적인 문제이다. 내연 엔진이 수 시간 동작한 후, 연료 분사 밸브는 단단한 그을음-같은 침착 층을 가지게 된다. 후속 분사 사이클의 연료는 상기 침착 층에 축적될 수 있다. 차후 연소 사이클에서, 상기 연료는 연료 증기의 형태로 누출되어 바람직하지 않은 그을음을 유발하는 연소를 초래할 수 있다. 이것은 내연 엔진의 배기 가스에 아마도 허용될 수 없을 만큼 불리하게 많은 양의 그을음 입자를 초래할 수 있다.

그을음 입자의 감소는 노즐 헤드의 노즐 홀(nozzle hole)이 레이저 방법의 도움으로 노즐 헤드에 도입되는 것에 의해 달성되도록 의도된 것이 알려져 있다. 이것은 날카로운 에지를 갖는 노즐 홀이 형성될 수 있는 통상적인 전극 형성 방법(electroding method)에 비해 장점을 가지도록 의도된다. 침착 층을 감소시키는 추가적인 가능성은 연료의 출구 속력이 침착이 회피되어서 침착 층이 형성되지 않을 정도의 크기를 가지도록 노즐 헤드의 업스트림에서 연료 압력을 증가시키는 것이다. 그러나, 이렇게 연료 압력을 증가시키는 것은 더 많은 에너지를 소비하는 것으로만 실현될 수 있기 때문에 매우 값비싸다. 나아가, 연료 압력에 노출되는 모든 부품은 더 높은 연료 압력에 적응된 더 높은 강도를 가져야 하는데 이는 제일 먼저 더 값비싼 물질로 구현되거나 및/또는 이에 대응하여 부품 벽의 강도를 증가시켜야 실현될 수 있다.

본 발명의 목적은 침착물이-감소된 또는 침착물이-없는 연료 분사 밸브를 위한 노즐 헤드를 제공하는 것이다.

본 목적은 특허 청구항 1에 청구된 노즐 헤드에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명의 유리하고 신규한 개선사항은 종속항에 제시된다.

일 측면에 따라, 유체 분사 밸브를 위한 노즐 헤드가 제시된다. 상기 노즐 헤드는 유체를 분무하도록 제공된다. 상기 유체는 바람직하게는 내연 엔진을 위한 연료, 특히 가솔린이다. 상기 노즐 헤드는 길이방향 축을 구비한다.

추가적인 측면에 따라, 흐름이 통과할 수 있는, 유체 분사 밸브를 위한 밸브 몸체가 제시된다. 유체를 공급하는 공급 디바이스가 상기 밸브 몸체의 제1 단부에 형성된다. 상기 유체를 분무하는 노즐 헤드는 상기 밸브 몸체의 제2 단부에 배열되고, 이 제2 단부는 상기 제1 단부와는 반대쪽을 향하도록 구성된다. 특히, 상기 노즐 헤드와 상기 밸브 몸체는 공통 길이방향 축을 구비한다. 상기 노즐 헤드는 상기 밸브 몸체의 기본 몸체와 일체로 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 노즐 헤드는 상기 밸브 몸체의 상기 기본 몸체에 고정된 별개의 작업물일 수 있다.

제3 측면에 따라, 상기 노즐 헤드 또는 상기 밸브 몸체를 갖는 유체 분사 밸브, 특히 연료 분사 밸브가 제시된다. 상기 연료 분사 밸브는 특히 내연 엔진의 연소 챔버로 연료를 직접 분사하도록 제공된다.

상기 노즐 헤드는 노즐 천공된 디스크를 구비한다. 상기 노즐 천공된 디스크는 정면 표면과, 상기 정면 표면과 대향하는 내부 표면을 구비한다. 일 개선에서, 상기 정면 표면은 상기 밸브 몸체의 상기 제1 단부와는 반대 방향을 향하도록 구성되고, 상기 내부 표면은 상기 밸브 몸체의 상기 제1 단부를 향하도록 구성된다. 일 개선에서, 제1 축방향 거리는 상기 내부 표면과 상기 정면 표면 사이에 형성되고, 이 거리는 상기 길이방향 축 방향으로 연장된다.

상기 노즐 천공된 디스크는 상기 길이방향 축 방향으로 상기 노즐 천공된 디스크를 완전히 관통하는 적어도 하나의 노즐 홀 채널을 구비한다. 진입 표면이 상기 노즐 홀 채널에 할당된 상기 제1 채널 단부에 형성되고, 출구 표면이 상기 노즐 홀 채널의 제2 채널 단부에 형성되고, 이 제2 채널 단부는 상기 제1 채널 단부와는 반대쪽을 향하여 배열된다. 상기 진입 표면은 상기 노즐 천공된 디스크의 내부 표면에 배열된다. 상기 노즐 홀 채널의 노즐 홀 돌출부는 - 이 노즐 홀 돌출부는 특히 상기 진입 표면으로부터 상기 제1 축방향 거리에 위치된다 - 채널 벽을 구비한다. 상기 채널 벽은 상기 노즐 홀 돌출부의 외주에 형성된다. 다시 말해, 상기 노즐 홀 돌출부의 상기 채널 벽은 상기 노즐 홀 채널의 일부를 한정한다. 상기 채널 벽은 여기서 상기 노즐 홀 채널의 채널 축 주위로 특히 완전히 이어진다. 상기 채널 벽은, 상기 제2 채널 단부가 상기 채널 벽의 채널 벽 단부에 대응하는 방식으로 상기 정면 표면으로부터 시작하여 상기 내부 표면과는 특히 반대쪽으로 상기 길이방향 축 방향으로 연장되는 벽 높이를 구비하고, 이 채널 벽 단부는 상기 정면 표면과는 반대쪽을 향하도록 구성된다.

상기 노즐 홀 돌출부의 채널 벽의 도움으로, 상기 노즐 홀 채널은 그리하여 상기 길이방향 축을 따라 형성된 축방향 크기로 연장된다. 상기 제2 채널 단부와 그리하여 상기 출구 표면이, 종래 기술에 따라, 평활한 정면 표면에서, 예를 들어 상기 길이방향 축 방향으로 상기 진입 표면으로부터 제1 축방향 거리에 포함되었다면, 상기 제2 채널 단부는 이제 상기 진입 표면으로부터 상기 벽 높이만큼 증가된 거리에 상기 노즐 홀 돌출부의 도움으로 위치된다. 일 개선에서, 상기 출구 표면의 거리는 상기 제1 축방향 거리와 상기 벽 높이의 합계에 대응한다. 이것은 상기 노즐 홀 채널의 출구 표면이 - 이 출구 표면은 상기 제2 채널 단부에 형성된다 - 상기 정면 표면으로부터 소정의 거리에 상기 노즐 천공된 디스크에 형성되는 결과를 제공한다. 상기 제2 채널 단부는 상기 내부 표면과는 반대쪽 방향으로 상기 정면 표면에 대해 특히 오프셋된다.

상기 출구 표면이 상기 길이방향 축 방향으로 상기 정면 표면으로부터 축방향으로 이격되어 존재하지 않는 경우 상기 정면 표면 구역에 존재하는 주변 공기가 상기 출구 표면의 외주에 걸쳐 흡입된다. 즉, 상기 연료 스프레이의 구역에 존재하는 주변 공기가 상기 연료 스프레이에 의해 포획된다. 그리하여 이 효과, 즉 유체 스프레이 구역에 있는 공기가 따라 운반되거나 포획되는 효과가 알려져 있고 특히 워터젯 펌프에서 사용되어 큰 볼륨 흐름을 생성한다.

상기 길이방향 축 방향으로 상기 정면 표면으로부터 축방향으로 출구 표면을 이격시키는 채널 벽의 도움으로, 상기 노즐 홀 채널로부터, 즉 상기 출구 표면으로부터 나오는 연료에 주변 공기를 공급하는 가능성이 실현된다. 이것은 개선된 연료 준비, 즉 보다 신속한 연료 준비를 실현하는 더 큰 볼륨 흐름이 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 상기 출구 표면의 외주에 걸쳐 존재하는 주변 공기가 상기 연료 스프레이의 연료에 의해 포획되기 때문에, 구역 압력이 이 구역에 형성되고, 상기 구역 압력은 연료 증기 및/또는 연료 액적이 역류(backflow)하는 것을 방지하거나 적어도 크게 감소시킨다. 즉, 침착물이 형성되는 위험이 특히 낮아진다. 이런 방식으로, 침착물이-감소된 또는 침착물이-없는 연료 분사 노즐이 실현된다.

상기 유체 분사 밸브의 개선에서, 밸브 니들이 상기 밸브 몸체에 배열된다. 상기 밸브 니들의 폐쇄된 위치에서, 상기 밸브 니들은, 상기 밸브 니들의 폐쇄 요소가 상기 밸브 몸체의 밸브 안착부에 접촉하여 상기 노즐 홀 채널을 통한 유체 흐름을 방지하는 방식으로 상기 밸브 몸체에 대해 축방향으로 이동가능하고, 상기 밸브 니들은 상기 유체 분사 밸브의 액추에이터 유닛에 의해 폐쇄된 위치로부터 멀어지는 방향으로 변위되어 상기 노즐 홀 채널을 통한 유체 흐름을 허용할 수 있다.

유리한 개선에서, - 특히 일체형의 - 노즐 천공된 디스크의 내부 표면은 상기 밸브 안착부를 구비한다. 상기 노즐 헤드는 이에 의해 비교적 큰 유체 압력, 예를 들어 100 바 이상, 바람직하게는 200 바 이상, 특히 250 바 내지 500 바의 범위에서 사용될 수 있고, 여기서 그 경계값이 포함된다

본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 개선에서, 상기 채널 벽은 중공 원추대 형상의 설계(hollow-frustoconical design)를 가진다. 이 개선의 장점은 상기 채널 벽의 구역에 존재하는 주변 공기가 상기 출구 표면으로부터 나오는 상기 연료 스프레이에 대해 경사진 입사 흐름 방향을 가진다는 것이다. 그리하여 상기 주변 공기가 상기 연료 스프레이에 더 잘 공급될 수 있다. 즉, 상기 중공 원추대 형상의 채널 벽을 통해 가이드되는 주변 공기의 흐름 방향은 상기 연료 스프레이의 흐름 방향을 교차하여, 상기 연료 스프레이와 상기 주변 공기가 흐름 방향에 의해 이미 철저히 혼합된다.

중공 실린더의 방식으로 형성된 채널 벽에 비해 개선된 공급 능력을 볼 수 있다. 중공 실린더의 방식으로 형성된 채널 벽의 경우에, 상기 주변 공기는 상기 연료 스프레이와 동일한 흐름 방향을 구비하고, 그리하여, 동일한 흐름 방향 때문에, 상기 공급 능력과 그리하여 철저한 혼합은 상기 주변 공기를 포획하는 것에 의해서만 일어난다.

일 개선에서, 상기 출구 표면은 상기 진입 표면보다 더 작도록 구성된다. 이것은 상기 노즐 홀 채널을 통해 흐르는 연료가 유체 역학의 베르누이의 법칙에 따라, 상기 출구 표면에서 제1 속력을 가지는데, 이 제1 속력은 상기 진입 표면에서 또는 상기 진입 표면의 구역에서 나타나는 제2 속력보다 더 크다는 장점을 가진다. 상기 연료 분무는 그리하여 상기 출구 표면에서 속력이 증가하기 때문에 간단한 방식으로 개선된다.

본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 추가적인 개선에서, 상기 노즐 천공된 디스크는 복수의 노즐 홀 채널을 구비하는데, 즉, 적어도 하나의 추가적인 노즐 홀 채널이 상기 노즐 천공된 디스크를 관통하도록 구성된다. 상기 노즐 홀 채널은 평면도에서 특히 길이방향 축을 따라, 통상적으로 노즐 천공된 디스크의 중심으로부터, 일반적으로 균일한 특정 반경에 배열되고, 여기서, 일 개선에서, 상기 노즐 천공된 디스크의 중심은 상기 길이방향 축에 놓인다. 상기 연료가 분사되자마자, 원추(cone) 형태로 구성된 연료 스프레이가 노즐 홀 채널마다 생성된다. 상기 노즐 천공된 디스크의 중심 구역에, 상기 연료 스프레이에 의해 한정된 내부 구역이 이에 의해 형성된다. 상기 연료 스프레이에 의해 한정된 주변 구역에서보다 상기 내부 구역에서 더 낮은 압력이 나타난다. 상기 주변 구역에서 제1 구역 압력이 상기 연료 스프레이 부근에 존재하고, 상기 구역 압력은 상기 연료 스프레이로부터 더 먼 주변 구역에 있는 제2 구역 압력보다 더 낮다. 상기 내부 구역에 형성된 제3 구역 압력은 상기 제1 구역 압력과 상기 제2 구역 압력에 비해 상당히 감소된다.

상기 제3 구역 압력이 주변 구역에 있는 제1 구역 압력에 비해 낮아서, 상기 내부 구역에 음의 압력이 형성되어서 연료 증기 및/또는 연료 액적의 방향을 역전시킬 위험이 있다. 즉, 이 경우에, 상기 연료 증기 및/또는 상기 연료 액적은 정면 표면으로 역류하여 거기서 침착물 형태로 침착될 수 있다. 상기 정면 표면으로부터 출구 표면의 유효 축방향 거리를 생성하기 위하여, 상기 벽 높이는 자유 방사방향 거리에 따라 결정될 수 있다. 상기 자유 방사방향 거리는 상기 노즐 홀 채널과 상기 추가적인 노즐 홀 채널 사이에 방사방향으로 형성된 거리이다. 특히 유리한 벽 높이는 다음 수식, 즉:

h ≥ 1/4·D

에 따라 방사방향 거리에 따라 설명될 수 있는데, 여기서 h는 벽 높이에 대응하고, D는 자유 방사방향 거리에 대응한다.

상기 노즐 홀 채널들 사이의 자유 방사방향 거리에 따라 결정된 벽 높이에서, 적절한 사이즈의 흐름 채널이 형성되고, 이 흐름 채널을 통해 주변 공기가 상기 내부 구역으로 안내될 수 있어서, 상기 내부 구역에서 상기 제3 구역 압력은 상기 내부 구역에서 연료 증기 및/또는 연료 액적이 역류하는 것을 특히 용이하게 방지하는 크기를 가진다.

상기 벽 높이는 유리하게 다음 수식, 즉

h = 2/8·D에 따라 형성된다.

상기 흐름 채널을 한정하는 채널 벽의 채널 벽 두께가 여기서 고려된다.

상기 노즐 홀 돌출부는 연속적으로 미분가능한 함수에 따라 길이방향 구획에 형성된 윤곽을 갖는 외부 외주방향 표면을 구비할 수 있다. 그리하여 상기 채널 벽으로 흐르고 상기 연료 스프레이에 의해 포획되는 주변 공기의 흐름 필라멘트가 찢어지는 것이 회피되는 장점이 형성된다. 상기 외부 외주방향 표면은 바람직하게는 램프 형상의 설계(ramp-shaped design)를 가진다. 다시 말해, 상기 노즐 홀 돌출부는, 바람직하게는, 길이방향 구획에서, 연속적으로 미분가능한 함수 형태를 가지거나 및/또는 램프 형상의 설계를 가지는데, 즉 특히 램프 함수 형태를 가지는 외부 윤곽을 적어도 상기 정면 표면에 인접한 구역에 구비한다.

본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 추가적인 개선에서, 상기 노즐 홀 채널은 상기 진입 표면에 인접한 제1 채널 구역을 구비하고, 이 제1 채널 구역의 단면적은, 상기 출구 표면에 인접한, 상기 노즐 홀 채널의 제2 채널 구역의 단면적보다 더 작다. 일 개선에서, 상기 노즐 홀 채널은 상기 제1 채널 구역과 상기 제2 채널 구역 사이에 단차를 구비한다.

상기 노즐 헤드, 상기 밸브 몸체 및 상기 유체 분사 밸브의 추가적인 장점, 특징 및 상세는 도면을 참조하여 바람직한 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 드러날 것이다. 상세한 설명에 전술한 특징과 이 특징의 조합과, 도면의 설명에 후술되거나 및/또는 도면에만 도시된 특징과 이 특징의 조합은 각각 언급된 조합에서 사용될 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 여러 조합으로 사용되거나 또는 단독으로 사용될 수 있다. 동일하거나 또는 기능적으로 동일한 요소에는 동일한 참조 부호가 할당된다. 명료함을 위해, 구성 요소는 모든 도면에서 참조 부호가 제공되는 것은 아니지만 그 할당이 상실되지는 않는다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료 분사 밸브의 노즐 천공된 디스크의 개략 사시도;
도 2는 분사 동작 동안 연료 스프레이를 갖는 도 1에 따른 노즐 천공된 디스크의 개략 사시도;
도 3은 침착 층을 갖는 노즐 천공된 디스크의 개략 사시도;
도 4는 서로 인접하여 배열된 2개의 노즐 홀에서 확산되는 연료 스프레이와, 역류 없이 연료 스프레이 구역에서 발생하는 구역 압력을 갖는 도 1에 따른 노즐 천공된 디스크의 측면도;
도 5는 서로 인접하게 배열된 2개의 노즐 홀에서 확산되는 연료 스프레이와, 연료 증기가 역류하는 연료 스프레이 구역에서 발생하는 구역 압력을 갖는 도 1에 따른 노즐 천공된 디스크의 측면도;
도 6은 역류하는 연료 액적을 갖는 도 5에 따른 노즐 천공된 디스크의 확대 상세도;
도 7은 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 노즐 헤드의 개략 사시도;
도 8은 연료 스프레이 확산과 연료 스프레이 구역에서 발생하는 구역 압력을 갖는, 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 노즐 천공된 디스크의 상세 측면도;
도 9는 제1 변형에서 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 노즐 천공된 디스크의 상세도; 및
도 10은 제2 변형에서 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 노즐 천공된 디스크의 상세도.

종래 기술의 연료 밸브의 노즐 천공된 디스크는 도 1에 따라 설계되는데, 여기서 연료 분사 밸브는 "다중 스트림 인젝터"로 설계되고, 즉 노즐 천공된 디스크(10)는 복수의 노즐 홀 채널(12)을 구비하고, 노즐 홀 채널(12)은 노즐 천공된 디스크(10)를 완전히 관통하도록 설계된다.

연료 분사 밸브는 길이방향 축(14)을 갖는 밸브 몸체(미도시)를 포함하고, 내연 엔진을 위한 유체, 일반적으로 연료를 공급하는 공급 디바이스(미도시)는 밸브 몸체의 제1 단부에 형성된다.

유체를 분무하는 노즐 천공된 디스크(10)를 갖는 노즐 헤드(11)는 밸브 몸체의 제2 단부에 배열되고, 이 제2 단부는 제1 단부와는 반대쪽을 향하도록 구성된다. 노즐 천공된 디스크(10)는 제1 단부와는 반대쪽을 향하도록 구성된 정면 표면(16)을 구비한다.

노즐 홀 채널(12)은 제1 채널 단부(18)(도 9 및 도 10 참조)에 진입 표면(22)을 구비하고, 제1 채널 단부(18)와는 반대쪽을 향해 배열된 제2 채널 단부(20)에 출구 표면(24)을 구비하고, 진입 표면(22)이 노즐 천공된 디스크(10)의 내부 표면(26)에 형성되고, 이 내부 표면은 정면 표면(16)과는 반대쪽을 향하도록 구성된다. 내부 표면(26)과 정면 표면(16) 사이에 길이방향 축(14) 방향으로 연장되는 제1 축방향 거리(W1)가 있다.

노즐 천공된 디스크(10)는 연료 분사 밸브의 노즐 헤드(11)에 수용된다. 노즐 헤드(11)는 연료 분사 밸브의 제2 단부에 위치되고, 이 제2 단부는 내연 엔진(미도시)의 연소 챔버(미도시)에 배열된다. 이것은 연료 분사 노즐의 도움으로 내연 엔진에 공급되는 연료가 연소 챔버로 직접 분사되는 것을 의미한다. 특히, 내연 엔진의 최적의 동작, 즉 효율적이고 저 방출 동작을 위하여 연료가 연료 분사 노즐의 도움으로 미세하게 분무되는 형태로 - 즉 매우 미세한 액적으로 - 연소 챔버에 공급되는 것이 중요하다. 이 미세한 분무에 의해 신속한 연료 준비가 초래되는데, 즉 연소 챔버 내에 이미 존재하고 일반적으로 부분적으로 압축된 연소 공기와, 연소 챔버로 분사되는 연료 사이에 혼합물이 형성된다.

특히, 스파크-점화 엔진 또는 가솔린 엔진으로 구성된 내연 엔진에서 연료의 준비는 매우 미세한 분무를 요구한다. 이것은 이런 유형의 내연 엔진이 "스파크 점화"에 기초하여 기능하기 때문인데, 즉 혼합물이 형상되는 것에 의해 연소 챔버에 존재하는 연료-공기 혼합물이 스파크 플러그의 도움으로 점화되기 때문이다. 이런 형태의 점화는 연료-공기 혼합물을 완전 연소시키기 위하여 연료-공기 혼합물이 균일할 것을 요구한다. 이것은 분사 사이클 내 매우 짧은 시간 내에 요구되기 때문에, 연료 분사 밸브의 도움으로 미세한 분무를 하는 것이 요구된다.

또한 이와 유사하게 디젤 엔진으로 구성된 내연 엔진의 경우에 연료를 매우 미세하게 분무할 것을 요구한다. 디젤 엔진으로 구성된 내연 엔진의 연소 챔버에 존재하는 공기-연료 혼합물은 "자가-점화"에 기초하여 연소된다. 즉, 점화는 여기서 연소 챔버에서 높은 압축 압력에 의해 달성될 수 있는 고온에 의해 일어난다. 공기-연료 혼합물은 연소 챔버에서 상이한 점, 즉 "점화 오븐"에서 점화되고, 연소는 공기-연료 혼합물에서 상승 온도와 상승 압력에 기초하여 계속된다. 부적절한 연소는 여기서 "그을음의 형성"을 초래하는데 이는 미세한 분무의 도움으로 회피될 수 있다.

미세한 분무는 노즐 천공된 디스크(10)에 형성된 복수의 노즐 홀 채널(12)로 달성될 수 있다. 원리적으로, 분무의 미세도는 노즐 홀 채널(12)의 직경과 연료 압력에 의존한다. 노즐 홀 채널(12)의 직경 또는 출구 표면(24)의 직경이 작으면 작을수록 그리고 압력이 높으면 높을수록, 분무가 더 미세해진다. 그러나 분사될 연료 질량은 또한 노즐 홀 채널(12)의 직경에도 의존한다는 것이 고려되어야 한다. 즉, 출구 표면(24)이 작으면 작을수록, 출구 표면(24)당 연료 질량이 더 적어진다. 그리하여 요구되는 분사 연료 질량을 달성하기 위해 노즐 홀 채널(12)의 개수가 고려되어야 한다. 이런 점에서 "분사 압력"은 미세한 분무를 하는데 유사하게 중요하다는 것이 주목되어야 한다.

분무를 실현하기 위하여, 노즐 홀 채널(12)은 노즐 천공된 디스크(10)를 완전히 관통하는 방식으로 노즐 천공된 디스크(10)에 도입된다. 분사 동작 동안, 노즐 홀 채널(12)의 진입 표면(22)은 노즐 니들(미도시)의 도움으로 노출되고, 그리하여 연료 분사 밸브의 밸브 몸체에 위치된 연료는 출구 표면(24)을 통해 대응하는 분사 압력 하에서 밸브 몸체로 흐른다.

도 2는 분사 동작 동안 연료가 연료 스프레이(28)의 형태로 출구 표면(24)으로부터 밖으로 흐르는 것을 개략적으로 도시한다. 유체 역학의 법칙에 따라, 연료는 노즐 홀 채널(12)에서 밖으로 흐르며, 연료 원추를 형성한다.

내연 엔진의 복수의 동작 사이클 후에, 즉 복수의 점화 및 대응하는 연소 후에, 단단한 그을음 같은 침착물(30)이 도 3에서 예로 도시된 바와 같이 출구 단면적(24)의 구역에 형성될 수 있다는 것이 문제이다.

이 침착물(30)은 분사 동작 동안 연료 스프레이(28)의 구역에 나타나는 압력 비율의 결과이다. 설명을 위하여, 종래 기술에 따라 노즐 천공된 디스크(10)의 측면도가 도 4에 도시된다. 2개의 연료 스프레이가 노즐 개구로부터 각각 나타나는 환경에서, 상이한 압력이 연료 스프레이의 상이한 구역에서 발생하고, 상기 압력은 이하에서 구역 압력이라고 언급된다.

주변 공기는 출구 표면(24)에서 밖으로 흐르는 연료에 의해 연료의 출구 구역에서 흡입된다. 다시 말해, 연료 스프레이(28)의 구역에 위치된 주변 공기는 연료 스프레이(28)에 의해 포획된다.

이것은 출구 표면(24)으로부터 원격에 있는 제2 구역 압력(p2)이 나타나는 주변 구역에서보다 더 낮은 제1 구역 압력(p1)이 출구 표면(24)의 구역에 있는 정면 표면(16)에 위치된 흡입 구역에서 발생한다는 것을 의미한다, 도 4 및 도 5 참조. 특히, 제3 구역 압력(p3)이 연료 스프레이(28)들 사이에 형성된 내부 구역(32)에 형성되고, 상기 제3 구역 압력은 제1 구역 압력(p1)과 제2 구역 압력(p2)에 비해 크게 감소되고, 극한 음의 압력을 구성한다. 내구 구역에서는 역류할 수 있는 주변 공기 또는 연소 공기가, 만약 있다 하더라도, 거의 없으므로, 다른 구역 압력에 비해 크게 감소된 제3 구역 압력(p3)이 내부 구역(32)에서 발생한다.

상기 제3 구역 압력(p3)의 결과, 유출하는 주변 공기와 역류하는 연료 증기 사이에 난류가 야기될 수 있다. 도 5의 연료 스프레이(28)들 사이 내부 구역(32)에서 역류 화살표(36)의 도움으로 역류 방향이 지시된다. 연소 챔버의 높은 온도 때문에 분사 동작 동안 연료 증기가 이미 형성된다. 다시 말해, 연료는 분사 동작 동안 액체 응집 상태와 증기 응집 상태로 존재한다.

이것은, 다시 말해, 출구 표면(24)에서 나타나는 연료가 통상적으로 그리고 주로 방향 화살표(y)의 방향으로 정면 표면(16)으로부터 원격에 있다는 것을 의미한다. 그러나, 연료 스프레이(28)들 사이의 내부 구역(32)에 형성되는 음의 압력(p3)으로 인해, 연료 증기와 연료 액적 혼합물이 역류하는 일이 일어난다. 상기 혼합물은 정면 표면(16)에서 축적된다.

난류로 인해 역류하는 연료 증기는 연료 액적(34)과 철저히 혼합될 수 있다, 도 6 참조. 상기 연료 액적(34)은 노즐 천공된 디스크(10)의 정면 표면(16)의 방향으로 가속되고, 출구 표면(24) 구역에서 정면 표면(16)에 침착된다. 다시 말해, 내부 구역(32)에 위치된 연료 입자는 적어도 부분적으로 흐름 방향이 역전된다. 상기 흐름 방향이 역전되는 것은, 출구 표면(24)으로부터 연료의 출구 속력이 증가함에 따라 감소하는데, 이 증가는, 출구 속력이 증가할 때, 제3 구역 압력(p3)이 더 이상 정면 표면(16)의 방향으로 연료 액적을 가속시킬 만큼 충분하지 않기 때문에, 분사 압력이 증가하는 것에 의해 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 노즐 천공된 디스크(10)는 도 7에 따라 구성된다. 노즐 홀 채널(12)은 채널 벽(40)을 갖는 노즐 홀 돌출부(25)를 구비하고, 이의 도움으로 출구 표면(24)은 내부 표면(26)과는 반대 방향으로 정면 표면(16)으로부터 이격되어 존재한다.

노즐 홀 돌출부(25)는 여기서 진입 표면(22)으로부터 제1 축방향 거리(W1)에 위치된다. 노즐 홀 돌출부(25)의 구역에서, 채널 벽(40)은 노즐 홀 채널(12)의 외주에 형성되고, 상기 채널 벽(40)은 정면 표면(16)으로부터 시작하여 길이방향 축(14)의 방향으로 연장되는 벽 높이(h)를 구비한다.

그리하여 제2 채널 단부(20)는 채널 벽(40)의 채널 벽 단부(46)에 대응하고, 이 채널 벽 단부는 정면 표면(16)과는 반대쪽을 향하도록 구성된다.

즉, 다시 말해, 노즐 홀(25)의 채널 벽(40)은 여기서 노즐 홀 채널(12)을 둘러싸는 방식으로 정면 표면(16)과 공통인 평면으로부터 연장되어, 상기 채널 벽의 축방향 크기는, 정면 표면(16)으로부터 시작하여, 연료 스프레이(28) 방향으로 형성된다.

본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 예시적인 실시예는 중공 원추대 형상의 설계를 가지는 채널 벽(40)을 구비한다. 중공 원추대 형상의 설계를 갖는 채널 벽(40)은, 원추형으로 테이퍼지고, 노즐 홀 돌출부(25)의 구역에서, 출구 표면(24)이 노즐 홀(25)의 채널 단면적보다 더 작게 구성되도록 노즐 홀 채널(12)을 완전히 측방향으로 둘러싸는 내부 외주방향 표면을 구비하고, 이 채널 단면적은 거리(h)에서 출구 표면(24)으로부터 업스트림에 위치되고 도면에 도시된 직경(d)을 구비한다.

예시적인 실시예의 변형에서, 내부 외주방향 표면은 실린더 측방향 표면, 특히 원형-실린더 측방향 표면의 형태를 구비한다. 추가적인 예시적인 실시예(미도시)에서, 채널 벽(40)은 중공-원통형 설계를 가진다.

벽 높이(h)는 워터젯 펌프의 원리에 따라 출구 표면(24)에서 밖으로 연료가 흐르는 동안 포획되는 양만큼 주변 공기가 내부 구역(32)으로 공급될 수 있는 방식으로 결정된다.

자유 방사방향 거리(D)는 2개의 반대쪽에 배열된 노즐 홀 채널(12, 13)들 사이, 즉 노즐 홀 채널(12)과 추가적인 노즐 홀 채널(13) 사이에 형성된다.

자유 방사방향 거리(D)는 노즐 홀 채널(12)과 추가적인 노즐 홀 채널(13) 사이의 거리를 의미하는 것으로 이해되고, 이 거리는 서로 인접하게 배열된 2개의 채널 벽(40)들 사이에 형성된다. 자유 방사방향 거리(D)는 노즐 홀 채널(12)과 추가적인 노즐 홀 채널(13) 사이의 거리이고, 이 거리는 길이방향 축(14)을 따라 정면 표면(16)으로부터 축방향 거리에 결정되고 벽 높이(h)에 대응한다.

자유 방사방향 거리(D)는 여기서 노즐 천공된 디스크(10)의 직경을 따라 결정되어야 한다는 것이 주목된다. 이것은 노즐 천공된 디스크(10)가 통상적으로 원형 설계를 갖는 외주를 구비하기 때문에 취해질 수 있다. 그러나, 노즐 천공된 디스크(10)가 원형 외주를 가지지 않거나 및/또는 노즐 홀 채널의 배열이 노즐 천공된 디스크(10)의 중심점 주위로 대칭적으로 위치되지 않는 경우, 자유 방사방향 거리(D)는 2개의 반대 노즐 홀 채널(12)들 사이로 결정되어야 한다.

벽 높이(h)는 다음 수식, 즉:

h ≥ 1/4·D

에 의해 방사방향 거리(D)에 따라 결정될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 통로-같은 흐름 채널(41)이 그리하여 각 경우에 2개의 인접한 노즐 홀 채널(12)들 사이에 형성된다. 상기 흐름 채널(41)이 내부 구역(32)으로 공기를 충분히 공급하도록 구성되기 위하여, 채널 벽(40)의 채널 벽 두께(42)는 벽 높이(h)를 결정할 때 추가적으로 고려되어야 한다. 이것은 벽 높이(h)가 방사방향 거리(D)의 1/4을 초과하도록 선택되어야 하는 것을 의미한다. 예를 들어, 노즐 홀 채널(12)들 사이의 방사방향 거리(D)가 6 mm인 경우, 1.5 mm의 벽 높이(h)가 형성된다. 충분히 큰 흐름 채널(41)이 이제 형성될 수 있기 위하여, 벽 높이(h)는 대략 2 mm이도록 결정되어야 한다.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 노즐 홀 돌출부(25)는 외부 외주방향 표면(44)을 구비한다. 도 9의 예시적인 실시예에서, 상기 외부 외주방향 표면(44)은 길이방향 구획에서 램프 형상의 윤곽(45)을 구비한다. 도 10에 따라, 상기 윤곽(45)은 램프 방식으로, 즉 연속적으로 미분가능한 곡선 함수 형태로 둥글게 형성된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 분사 밸브의 대안적인 예시적인 실시예에서, 노즐 홀 채널(12)이 상이한 채널 직경을 구비하도록 노즐 홀 채널(12)은 단차진 홀 형태로 구성된다. 진입 표면(22)을 향하도록 구성된 제1 채널 구역에서 채널 직경(d1)은, 출구 표면(24)을 향하도록 구성된, 노즐 홀 채널(12)의 제2 채널 구역의 제2 채널 직경(d2)보다 더 작아서, 제1 채널 구역은 제2 채널 구역보다 더 작은 단면적을 구비한다. 노즐 홀 채널(12)은 제1 채널 구역과 제2 채널 구역 사이에 단차를 구비한다. 본 경우에, 제2 채널 구역은 내부 표면(26) 방향으로 정면 표면(16)을 넘어 노즐 홀 돌출부(25)로부터 축방향으로 연장된다.

Claims (10)

1. 흐름이 통과할 수 있는 밸브 몸체를 갖는 유체 분사 밸브를 위한 유체를 분무하는 노즐 헤드(11)로서,
   상기 노즐 헤드(11)는 정면 표면(16)과 반대 내부 표면(26)을 갖는 노즐 천공된 디스크(10), 및 길이방향 축(14)을 포함하되,
   상기 노즐 천공된 디스크(10)는 상기 길이방향 축(14) 방향으로 상기 노즐 천공된 디스크(10)를 완전히 관통하는 적어도 하나의 노즐 홀 채널(12; 13)을 구비하고,
   상기 노즐 천공된 채널(12; 13)은 제1 채널 단부(18)에 진입 표면(22)을 구비하고, 상기 제1 채널 단부(18)와는 반대쪽을 향하여 배열된 제2 채널 단부(20)에 출구 표면(24)을 구비하고, 상기 진입 표면(22)은 상기 내부 표면(26)에 형성되며,
   상기 노즐 홀 채널(12; 13)의 노즐 홀 돌출부(25)는 채널 벽(40)을 구비하고, 상기 채널 벽(40)은 상기 정면 표면(16)으로부터 시작하여 상기 내부 표면(26)과는 반대쪽 방향으로 상기 길이방향 축(14) 방향으로 연장되는 벽 높이(h)를 구비하고, 상기 채널 벽은, 상기 제2 채널 단부(20)가 상기 채널 벽(40)의 채널 벽 단부(46)에 대응하는 방식으로 상기 노즐 홀 돌출부(25)의 외주에 걸쳐 구성되고, 상기 채널 벽 단부는 상기 정면 표면(16)과는 반대쪽을 향하도록 구성된, 노즐 헤드(11).
2. 제1항에 있어서, 상기 채널 벽(40)은 중공-원추대 형상의 설계(hollow-frustoconical design)를 갖는 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출구 표면(24)은 상기 진입 표면(22)보다 더 작도록 구성된 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정면 표면(16)으로부터 축방향 거리(W2)에 자유 방사방향 거리(D)가 상기 노즐 홀 채널(12; 13)과 상기 추가적인 노즐 홀 채널(13; 12) 사이에 형성되는 방식으로 추가적인 노즐 홀 채널(13; 12)이 상기 노즐 천공된 디스크(10)를 관통하도록 구성되되, 상기 축방향 거리는 상기 길이방향 축(14) 방향으로 형성되며,
   h ≥ 1/4·D이며,
   상기 제2 축방향 거리(W2)는 상기 벽 높이(h)에 대응하는 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
5. 제4항에 있어서, 상기 벽 높이(h)는 h = 2/8·D에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 홀 돌출부(25)는 외부 외주방향 표면(44)을 구비하고, 상기 외부 외주방향 표면의 윤곽(45)은 연속적으로 미분가능한 함수에 따라 길이방향 구획에 형성된 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
7. 제6항에 있어서, 상기 외부 외주방향 표면(44)은 램프 형상의 설계(ramp-shaped design)를 갖는 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 홀 채널(12; 13)은 상기 진입 표면(22)에 인접한 제1 채널 구역을 구비하고, 상기 제1 채널 구역의 단면적은, 상기 출구 표면(24)에 인접한, 상기 노즐 홀 채널(12; 13)의 제2 채널 구역의 단면적보다 더 작은 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
9. 제8항에 있어서, 상기 노즐 홀 채널(12; 13)은 상기 제1 채널 구역과 상기 제2 채널 구역 사이에 단차를 구비하는 것을 특징으로 하는 노즐 헤드(11).
10. 흐름이 통과할 수 있는 밸브 몸체를 갖는 유체 분사 밸브로서, 상기 밸브 몸체의 제1 축방향 단부에 유체를 공급하는 공급 디바이스가 형성되고, 상기 유체를 분무하는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 노즐 헤드(11)가, 상기 제1 단부와는 반대쪽을 향하는, 상기 밸브 몸체의 제2 축방향 단부에 배열되며, 상기 정면 표면(16)은 상기 제1 단부와는 반대쪽을 향하도록 구성되고, 상기 내부 표면(26)은 상기 제1 단부를 향하도록 구성된, 유체 분사 밸브.

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