KR20170095372A - 연료 분사 노즐 - Google Patents

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Abstract

노즐 몸체(2)를 갖는 연료 분사 노즐(1)이며, 노즐 몸체 내에는 고압 연료로 충전 가능한 압력 챔버(4)가 형성되고, 압력 챔버 내에는 피스톤 형태의 노즐 니들(3)이 종방향으로 운동 가능하게 배치된다. 노즐 니들(3)의 일측 단부에는 밀봉면(6)이 형성되고, 그 반대편 단부에는 단부면(9)이 형성되며, 밀봉면(6)은 하나 이상의 분사 개구(8)의 개폐를 위해 노즐 시트(5)와 상호작용한다. 노즐 니들(3)의 단부면(9)이, 변동하는 압력하에서 연료로 충전 가능한 제어 챔버(10)를 한정함으로써, 유압에 의해 단부면(9) 상에 노즐 시트(5)의 방향으로 힘이 가해질 수 있다. 노즐 니들(3)은 40,000 N/mm 미만의 종방향 강성을 갖는 탄성 종방향 섹션(25)을 포함한다.

Description

연료 분사 노즐{INJECTION NOZZLE FOR FUELS}
본 발명은 예를 들어 내연 기관의 연소실 내로 연료의 분사를 위해 사용되는 것과 같은 연료 분사 노즐에 관한 것이다.
특히 내연 기관의 연소실 내로 고압하의 연료를 분사하기 위한 연료 분사 노즐은 오래전부터 종래 기술에 공지되어 있다. DE 199 36 668 A1호에는 분사 노즐을 갖는 연료 인젝터가 공지되어 있으며, 여기서 분사 노즐들은 내부에 압력 챔버가 형성된 노즐 몸체를 갖는다. 그 일 단부에 밀봉면을 포함하는 피스톤 형태의 노즐 니들이 종방향 변위 가능하게 압력 챔버 내에 배치되며, 상기 밀봉면에 의해, 노즐 니들이 하나 이상의 분사 개구의 개폐를 위해 노즐 몸체 내에 형성된 노즐 시트와 상호작용한다. 노즐 니들의 종방향 운동의 제어를 위해, 노즐 시트에 대향하는 단부에는, 고압 연료로 충전 가능한 제어 챔버가 형성되며, 노즐 니들 상으로 노즐 시트를 향해 폐쇄력을 가할 수 있는 제어 밸브를 통해, 변동되는 연료 압력이 제어 챔버 내에서 설정될 수 있다. 일정한 고압하의 연료를 항상 압력 챔버에 공급하기 위해, 그 내부에 고압 연료가 보유된 압력 챔버가 연료 저장부와 연결된다.
노즐 시트 상에 노즐 니들의 안착을 통한 분사 개구들의 밀봉은 분사 노즐의 폐쇄된 상태를 나타낸다. 연료가 연소실 내로 분사되어야 하면, 제어 챔버 내 유압이 하강함으로써 노즐 니들이 노즐 시트로부터 종방향으로 멀어진다. 이어서, 압력 챔버 내의 유압 힘이 노즐 니들을 노즐 시트로부터 멀어지게 하고, 분사 개구들이 노즐 니들로부터 릴리스됨으로써, 연료가 압력 챔버로부터 분사 개구를 통해 분사된다. 이 경우, 깔끔한 분사를 위해, 노즐 니들이 아주 신속하게 노즐 시트로부터 분리되는 것이 중요하다. 노즐 니들이 이를 천천히 행한다면, 노즐 니들의 밀봉면과 노즐 시트 사이에 스로틀 간극이 형성되고, 이 간극을 통해 연료가 압력 챔버로부터 감소된 압력으로만 분사 개구들로 유동함으로써, 연료가 분사 개구들 밖으로 배출될 때, 연료가 충분히 분무되지 못한다. 연료의 양호한 분무를 달성하기 위해, 분사 개구에서 효과적인 분사압이 빠르게 압력 챔버 내의 수준으로 증가하도록, 이러한 이른바 시트 스로틀 영역이 노즐 니들의 빠른 운동을 통해 가급적 짧게 유지되어야 한다. 그렇지 않으면, 불충분하게 분무된 연료는 연소실 내에서 불충분한 연소를 야기하며, 이로써 내연 기관의 탄소 방출 증가를 야기한다.
니들 개방 속도의 증가를 위해, 제어 챔버 내의 압력이 가급적 빠르게 하강될 수 있다. 이는, 연료가 그를 통해 제어 챔버로부터 방출될 수 있는 방출 스로틀이 제어 챔버를 고압 연료로 충전시키는 공급 스로틀에 비해 큰 유동 단면을 가짐으로써 달성될 수 있다. 방출 스로틀이 제어 밸브의 폐쇄 시 고압과 연결되는 방식으로, 제어 챔버가 추가로 방출 스로틀을 통해 충전되는 경우, 스로틀의 각각의 확대가 빠른 압력 형성 또는 압력 소거를 유도한다. 그러나 빠른 압력 하강 또는 압력 형성은 분사 밸브의 최소량 가능성을 악화시키는데, 그 이유는 분사된 연료량이 그에 의해 제어 밸브의 제어 지속 시간에 대해 민감하기 반응하기 때문이다. 이는 큰 행정/행정 분산을 수반하며, 즉, 분사 대 분사의 원하는 값만큼 분사량의 확률적 큰 분산이 수반된다.
또한, 제어 챔버 내의 압력 하강의 속도는, 노즐 니들이 여러 응용에서, 노즐 니들이 기계적 행정 정지부에 도달하는 것이 아니라, 행정 정지부의 도달 이전에 제어 챔버 내의 새로운 압력 상승을 통해 정지되며 노즐 시트의 방향으로 역가속되는 이른바 탄도학적 작동에서 작동됨으로써 소정의 한계가 설정된다. 그러나 제어 챔버 내의 압력이 너무 빠르게 하강하는 경우, 이러한 탄도학적 작동이 더 이상 구현될 수 없는데, 그 이유는 노즐 니들이 그의 큰 개방 속도로 인해 조기에 기계적 행정 정지부에 도달하기 때문이다.
이에 반해, 청구항 제1항의 구성에 따른 특징을 갖는 본 발명에 따른 분사 노즐은, 노즐 니들의 신속한 개방 및 신속한 폐쇄를 통해 연료 분사의 개시 및 종료 시 항상 고압으로, 그리고 그에 따른 양호한 분무성을 가지면서 연료 분사가 수행되며, 이로써 내연 기관의 유해 물질 방출이 감소한다. 이를 위해, 분사 노즐이 노즐 몸체를 포함하며, 노즐 몸체 내에는 고압 연료로 충전 가능한 압력 챔버가 형성되고, 압력 챔버 내에는 피스톤 형태의 노즐 니들이 종방향으로 운동 가능하게 배치된다. 노즐 니들은 일측 단부에 밀봉면을 가지고, 그 반대편 단부에 단부면을 가지며, 밀봉면을 갖는 노즐 니들은 하나 이상의 분사 개구의 개폐를 위해 노즐 시트와 상호작용한다. 또한, 고압 연료로 충전 가능한 제어 챔버가 존재하며, 이 제어 챔버 내에서 변동 가능한 압력이 조정될 수 있고, 노즐 니들의 단부면에 의해 상기 제어 챔버가 한정됨으로써, 유압에 의해 노즐 니들의 단부면 상으로 노즐 시트 방향으로 힘이 가해질 수 있다. 노즐 니들은 40,000 N/mm 미만의 종방향 강성을 갖는 탄성 종방향 섹션을 포함한다.
탄성 종방향 섹션의 형성을 통해, 노즐 니들의 유효 개방 속도가 현저히 개선될 수 있다. 탄성 종방향 섹션은, 제어 챔버 내에서 고압에 의해 발생하는 노즐 니들의 압축에 의해, 실제 개방 속도를 증가시켜서 노즐 니들의 밀봉면이 개방 운동의 시작 시 공지된 노즐 니들에 비해 더 빠르게 노즐 시트로부터 분리되도록 하는, 이른바 노즐 니들의 스냅 효과를 유도한다. 동일한 효과가 노즐 니들의 폐쇄 운동 시에도 나타남으로써, 노즐 시트에 노즐 니들이 접근할 때 밀봉면의 속도가 증가되어 시트 스로틀 영역이 더 빠르게 통과된다. 이러한 효과의 상세한 설명에 대해서는 실시예의 설명을 참조한다.
바람직한 구성에서, 탄성 섹션의 종방향 강성이 20,000 N/mm, 특히 바람직하게는 12,000 내지 16,000 N/mm 미만이다. 종방향 강성의 이러한 영역 내에서, 노즐 니들의 안정성 및 노즐 니들의 제조 가능성의 기술적인 문제 없이 최대 효과가 달성된다.
다른 바람직한 구성에서, 종방향 탄성 섹션이 원형 실린더로서 형성되며, 노즐 니들의 재료는 바람직하게 강(steel)이다. 바람직하게는, 종방향 탄성 원형 실린더 섹션이 1.3 내지 2.0mm, 바람직하게는 1.4 내지 1.6mm의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 강의 탄성 계수가 200,000 내지 230,000 N/mm2, 바람직하게는 210,000 N/mm2를 갖는다.
다른 바람직한 구성에서, 실린더형 탄성 종방향 섹션은 20 내지 30mm, 바람직하게는 25 내지 27mm의 길이를 포함한다. 이러한 길이는 바람직하게 연료 인젝터를 위해 사용되는 것과 같은 통상의 분사 노즐에서, 노즐의 구성 공간이 지금까지 공지된 모델에 비해 증가될 필요없이 문제없이 설치될 수 있다.
다른 바람직한 구성에서, 노즐 니들의 밀봉면이 환형 밀봉선을 가지며, 이 밀봉선에 의해, 밀봉면이 분사 노즐의 폐쇄된 상태에서 노즐 시트 상에 안착되며 압력 챔버를 분사 개구에 대해 밀폐한다. 이 경우, 밀봉선이 종방향 탄성 섹션의 직경과 동일한 직경을 가짐으로써, 노즐 니들의 상기 영역 내에서, 결과로서 생성된 유압 힘이 압력 챔버 내의 연료 압력에 의해 종방향으로 노즐 니들 상에 가해진다.
다른 바람직한 구성에서, 탄성 종방향 섹션의 상류 및 하류에 각각 하나의 가이드 섹션이 노즐 니들에 위치하며, 이 가이드 섹션에 의해 노즐 니들이 압력 챔버 내에서 반경 방향으로 안내된다. 가이드 섹션은 예를 들어 직경 확장을 통해 형성되며, 가이드 섹션에는 분사 개구로의 스로틀링 없는 연료 흐름을 압력 챔버 내에서 보장하는 관통부가 형성된다.
다른 바람직한 구성에서, 밀봉면으로부터 먼쪽을 향하는 노즐 니들의 단부가 제어 챔버를 반경 방향으로 한정하는 슬리브 내에 수용된다. 이 경우, 슬리브와 노즐 니들 사이에 바람직하게는 폐쇄 스프링이 압력 예압 하에 배치되며, 폐쇄 스프링은 노즐 시트 방향으로 노즐 니들에 폐쇄력을 인가한다. 폐쇄 스프링은, 노즐 니들이 내연 기관의 차단 시에도 노즐 시트에 지지되어 유지되며, 제어 챔버 내에 압력이 없는 경우에도 연소실 내로의 연료의 후속 점적이 발생하지 않는 것을 보장한다.
바람직하게는, 내연 기관의 연소실 내로 연료 분사를 위한 연료 인젝터가 청구항 중 어느 한 항에 따른 분사 노즐을 구비한다.
도면에는 본 발명에 따른 분사 노즐이 도시된다.
도 1은 개략 도시된 분사 시스템을 포함한, 본 발명에 따른 분사 노즐의 개략도이다.
도 2는 분사 과정 동안 노즐 니들의 길이 변화를 나타낸 개략도이다.
도 3은 분사 과정 및 니들 행정 동안의 노즐 니들의 길이 변화를 시간의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 4는 분사 주기 동안의 시간 흐름에서 분사율을 종래의 분사 노즐에 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5는 마찬가지로 본 발명에 따른 분사 노즐의 개략적 종단면도이다.
도 1은 관련 분사 시스템을 갖는 본 발명에 따른 연료 인젝터의 개략도이다. 연료 인젝터(100)는, 내부에 압력 챔버(4)가 형성된 노즐 몸체(2)를 갖는 분사 노즐(1)을 포함한다. 압력 챔버(4)는 고압하의 연료로 충전될 수 있다. 이를 위해, 연료가 연료 탱크(7)로부터 연료 라인(15)을 통해 고압 펌프(16)로 공급되며, 고압 펌프는 연료를 압축하며, 압축된 연료는 압력 라인(17)을 통해, 압축된 연료가 내부에 저장된 고압 어큐물레이터 챔버(19)로 공급된다. 고압 어큐물레이터 챔버(19)로부터, 존재하는 연료 인젝터(100)의 개수에 상응하게 고압 라인(21)이 분기되며, 이를 통해 압력 챔버(4)가 고압하의 연료로 충전된다.
압력 챔버(4) 내에는, 여기에 최대한 개략적으로 도시된 피스톤 형태의 노즐 니들(3)이 종방향 변위 가능하게 배치된다. 노즐 니들(3)은 여기서 스프링 기호로 표시된 종방향 탄성 섹션(25)을 포함하나, 이는 예를 들어 노즐 니들(3)의 점차 좁아지는 원통형 섹션으로 형성된다. 노즐 니들(3)은 밀봉면(6)을 가지며, 밀봉면에 의해, 노즐 니들(3)이 노즐 몸체(2)의 연소실 측 단부에 형성된 노즐 시트(5)와 상호작용함으로써, 노즐 시트(5) 상에 밀봉면(6)의 지지 시, 노즐 몸체(2) 내에 형성된 하나 또는 복수의 분사 개구(8)가 압력 챔버(4)에 대해 밀폐된다. 노즐 니들(3)이 종방향으로 노즐 시트(5)로부터 상승되는 경우, 연료가 압력 챔버(4)로부터 밀봉면(6)과 노즐 시트(5) 사이를 통과하여 분사 개구(8)로 흘러서 분사 개구를 통해 분사된다.
밀봉면(6)으로부터 먼 쪽을 향하는 노즐 니들(3)의 단부는 제어 챔버(10)를 한정하는 단부면(9)을 포함한다. 제어 챔버(10)는 고압 라인(21)으로부터 분기된 공급 스로틀(13)을 통해 고압하의 연료로 충전될 수 있다. 또한, 제어 챔버(10)는 제어 밸브(18)를 통해 저압 라인(20)과 연결 가능한 방출 스로틀(14)과 연결되며, 저압 라인(20)은 연료 탱크(7) 내로 다시 합류된다. 도 1에 도시된 바와 같이 제어 밸브(18)가 그 개방 위치에 위치될 경우, 연료는 제어 챔버(10)로부터 저압 라인(20)을 통해 연료 탱크(7)로 흐르며, 공급 스로틀(13)과 방출 스로틀(14)은, 동일한 기간에 공급 스로틀(13)을 통해 제어 챔버(10)로 후속 유동하는 것보다 제어 밸브(18)의 개방 시 더 많은 연료를 방출 스로틀(14)을 통해 방출시키도록 서로 조정된다. 이에 의해, 제어 챔버(10) 내의 압력 하강이 이루어지며, 이에 상응하여 단부면(9) 상으로의 유압이 감소함으로써, 압력 챔버(4) 내의 연료 압력에 의해 노즐 니들(3)이 노즐 시트(5)로부터 멀어지며 분사 개구(8)가 개방된다. 분사가 종료되어야 할 경우, 제어 밸브(18)가 다시 폐쇄됨으로써, 최초에 제어 챔버(10) 내에 존재했던 연료 고압이 다시 형성되며 노즐 니들(3)이 다시 그 폐쇄 위치에서 노즐 시트(5)에 지지되도록 가압되어 분사 개구(8)가 폐쇄된다.
탄성 섹션(25)의 기능은 이하와 같으며, 노즐 니들(3)의 상태를 분사 주기의 다양한 시점에서 개략적으로 도시한 도 2를 참조하여 이하 상세히 설명된다. 도 2a에는 분사 시작 시의 노즐 니들(3)의 상태가 도시되어 있으며, 노즐 니들(3)은 그 폐쇄 위치에서 노즐 시트(5)에 지지된다. 노즐 니들(3)이 그 전체 밀봉면(6)을 이용하여 노즐 시트(5) 상에 놓이는 것이 아니라, 밀봉면(6)에서 밀폐력의 개선을 위해 환형 밀봉선(27)이 형성되며, 이 밀봉선은 노즐 시트(5) 상에 밀봉면(6)이 실질적으로 선형으로 안착되게 한다. 밀봉선(27) 하부의 면이 압력 챔버(4)의 연료 압력에 의해 가압되지 않기 때문에, 밀봉선(27) 하부의 밀봉면(6) 상에는 힘이 전혀 가해지지 않거나 아주 약간만 가해진다.
현대의 분사 시스템에서 2,000 바아 이상일 수 있는 제어 챔버(10) 내의 연료 고압이 도 2a의 상부에서 화살표로 심볼화되고 노즐 니들(3)을 함께 가압하는 노즐 니들의 단부면(9) 상으로의 유압 힘(F S1)을 구현한다. 노즐 니들(3)의 탄성 섹션(25)의 구성을 통해, 압축이 주로 상기 영역 내에서 수행된다. 밀봉선(27)의 하부에는 실제로 연료 압력이 인가되지 않기 때문에, 경우에 따라, 연소실 내에 존재하며 힘(F d1)을 유도하는 압력이 소정의 양만큼 노즐 니들(3)의 탄성 압축을 형성한다. 제어 챔버(10) 내의 압력이 소거되는 경우, 탄성 섹션(25)이 압력 해제되고 도 2b에 도시된 바와 같이 양(Δl)만큼 노즐 니들(3)의 신장을 유도한다. 제어 챔버(F S2) 내의 힘이 감소하는 반면, 대응력(F d2)은 대략 동일하게 유지되는데, 그 이유는 노즐 니들(3)이 그 폐쇄 위치에 여전히 있기 때문인데, 즉, 노즐 시트(5)로부터 여전히 상승되지 않기 때문이다.
노즐 니들(3)이 노즐 시트(5)로부터 상승하는 경우, 노즐 니들(3)의 밀봉면(6)이 노즐 니들(3)의 연료 압력에 의해 감소함으로써, 증가한 유압 힘(F d3)이 도 2c에 도시된 바와 같이 밀봉면(6) 상으로 작용한다. 동시에, 제어 챔버 내의 압력에 의해 힘(F S3)이 증가하는데, 그 이유는 연료가 노즐 니들(3)에 의해 제어 챔버(10) 내에서 압축됨으로써, 노즐 니들이 이 경우에는 유압 힘에 의해 양측 단부 모두에서 다시 압축되어, 다시 단축되기 때문이다. 노즐 니들(3)의 탄성 단축은 개방 행정 운동의 시작 시점의 폐쇄 위치에서와 완전히 같지 않은데, 그 이유는 제어 챔버 내의 유압 힘(F S3) 및 압력 챔버(4) 내의 유압 힘이 폐쇄된 상태에 비해 약간 낮기 때문이다. 이는 특히, 압력 챔버(4) 내의 압력이 노즐 니들(3)의 개방 및 분사 개구(8)의 개방을 통해 낮아지는 동시에, 밀봉면(6)에 대한 정압이 밀봉면(6)과 노즐 시트(5) 사이에서의 연료의 유동을 통해 감소하는데, 이는 마찬가지로 밀봉면(6) 상으로의 유압 힘이 감소하게 한다.
노즐 시트(5) 상으로 노즐 니들(3)의 폐쇄 운동 시, 밀봉면(6)이 노즐 시트(5) 가까이로 접근하는데, 이는 밀봉면(6)의 영역 내에서 연료 흐름 및 연료 압력을 스로틀링하고, 그럼으로써 유압 힘(F d4)이 도 2d에 도시된 바와 같이 명백히 감소한다. 노즐 니들(3)의 하부면 상으로, 즉, 밀봉면(6) 상으로의 유압의 제거를 통해, 노즐 니들(3)이 부하 해제되고 도 2d에 도시된 바와 같이 다시 신장된다. 노즐 니들(3)이 다시 그 최초 위치에 도달하는 즉시, 즉, 노즐 시트(5)에 지지되는 즉시, 제어 챔버(10) 내에 초기 압력이 다시 형성되며 도 2e에 도시된 바와 같이 유압 힘(F S5)이 다시 최대로 형성되어, 노즐 니들(3)이 최초 길이로 단축되며, 이러한 단축은 주로 탄성 섹션(25) 내에서 수행된다.
탄성 섹션(25)을 통한 종방향으로의 도시된 노즐 니들(3)의 주기적인 압축 및 팽창은 노즐 시트(5)로부터의 상승시에 밀봉면(6)의 추가의 가속을 구현한다. 이를 위해, 도 3에는 노즐 니들의 신장(Δl) 및 노즐 니들의 행정(h)이 시간 진행으로 도시된다. 시점(t 0 )에서 제어 밸브(18)가 개방됨으로써, 제어 챔버(10) 내에 압력이 도입되고 노즐 니들(3)의 단부면(9) 상으로의 유압 힘이 감소한다. 이에 의해, 노즐 니들(3)이 시점(t 1 )에서 도달되는 길이(Δl 2)만큼 신장된다. 노즐 니들(3)이 완전히 부하 해제되는 즉시, 즉, 그 최대 신장에 도달하는 즉시, 노즐 니들의 실질적인 개방 운동이 개시되는데, 즉, 밀봉면(6)이 노즐 시트(5)로부터 멀어지며 분사 개구(8)를 개방한다. 상술된 유압비를 통해, 노즐 니들(3)이 다시, 신장(Δl 1)까지 함께 압축되는데, 이는 시점(t 2 )에서 달성된다. 이러한 상태에서, 시점(t 3 )까지 노즐 니들(3)이 그 탄도학적 운동 위상에 위치하는데, 즉, 노즐 니들이 한편으로, 시트 스로틀 영역으로부터 빠져나오며, 다른 한편으로, 기계적 정지부에 도달하지 않는다. 압력 챔버(4) 또는 제어 챔버(10) 내의 유압이 단부면(9)뿐만 아니라 밀봉면(6)에도 작용한다. 노즐 니들(3)이 그 최대 행정(h max)에 도달하기 직전에, 제어 밸브(18)가 폐쇄됨으로써, 제어 챔버(10) 내의 압력이 다시 상승한다. 이에 의해, 개방 방향으로의 노즐 니들(3)의 운동이 감속되며 그 운동 방향이 역전된다.
시점(t 3)에서 노즐 니들(3)은, 밀봉면(6)과 노즐 시트(5) 사이에서 시트 스로틀링이 밀봉면(6) 상으로의 유압의 명확한 감소를 유도하는 위치에 도달한다. 이에 의해, 노즐 니들(3)이 다시 신장되는데, 이는, 도 3에 도시된 바와 같이 시점(t 4)까지 다시 값(Δl 2)으로의 상대적 길이 변동(Δl)의 증가를 야기한다. 시점(t 4)에서, 노즐 니들(3)이 다시 노즐 시트(5)에서의 정지부에 도달함으로써, 노즐 니들(3)이 제어 챔버(10) 내에서 상승하는 압력에 의해 다시 압축되며, 시점(t 5)에서 그 최초 길이에 도달한다.
전적으로 제어 챔버 내의 유압에 의해 결정되는 공지된 노즐 니들 및 노즐 니들의 개방 행정 운동에 비해, 결과적으로 이하의 효과가 형성된다: 노즐 니들(3)이 그 개방 운동을 개시하는 즉시, 즉, 노즐 니들이 노즐 시트(5)로부터 상승하는 즉시, 밀봉면(6)의 압력 감소가 적용되며, 노즐 니들(3)이 압축되는데, 이는 도 3에서 시점(t 1)과 시점(t 2) 사이에서 실행된다. 노즐 니들(3)의 이러한 압축 및 단축은 노즐 니들의 개방 속도에 더해짐으로써, 밀봉면(6)이 노즐 니들(3)의 전체 무게 중심보다 더 빠르게 노즐 시트(5)로부터 멀어진다. 이에 의해, 분사의 시작 시 분사율이 통상의 노즐 니들(3)에서보다 더 빠르게 증가한다. 이를 도식화하기 위해, 도 4에는 분사 동안의 시간(t)에 걸친 분사율(R)이 개략 도시된다. 일점 쇄선(40)은 본 발명에 따른 노즐 니들(3)의 분사율의 진행을 나타낸다: 분사의 시작 시, 분사율(R)은, 그 분사율 진행(42)이 실선으로 도시된 공지된 노즐 니들에서보다 상당히 빠르게 상승한다. 본 발명에 따른 노즐 니들에서, 최대 분사율이 더 빠르게 달성됨으로써, 단지 적은 연료만이 낮은 압력으로 분사 개구에 도달하여, 분사 개구를 통해 불충분하게 분무된다.
본 발명에 따른 효과는 이하와 같이 설명되고, 정량화될 수 있다. 제어 챔버(10) 내에 압력이 도입되면, 밀봉면(6)은 우선 움직이지 않는 상태에서 노즐 니들(3)의 단부면(9)이 제어 챔버 내로 이동한다. 노즐 니들이 약 210,000 N/mm2의 탄성 계수를 갖는 통상의 강으로 형성되고, 26mm의 길이에서 탄성 섹션의 직경이 1.5mm이며, 종방향 탄성 섹션이 원형 실린더 형태로 형성되는 경우, 예를 들어 15,000 N/mm의 노즐 니들의 탄성 섹션의 종방향 강성에서 상기 효과는 약 30㎛가 된다. 노즐 니들(3)의 신장이 중단되는 즉시, 밀봉면(6)은 소정의 개방 속도로 노즐 시트(5)로부터 멀어진다. 밀봉면(6)의 압력 감소에 의해 노즐 니들(3)이 다시 압축됨으로써, 노즐 니들(3)의 탄성 변형이 노즐 니들(3)의 운동 속도에 가산된다. 밀봉면(6)은, 탄성 섹션(25) 없이 이를 실행할 경우보다 더 빠르게 노즐 시트(5)로부터 멀어진다.
종방향 강성은 이하와 같이 규정된다: 통상, 노즐 니들의 종방향(여기서는 x-방향)으로의 신장(εx)에 대해, 하기 식이 적용된다.
Figure pct00001
이 경우에, σx, σy, σz는 각각의 공간 방향으로의 응력이며, ν는 푸아송(poisson) 수이며, E는 탄성 계수이다. 그러나 이하의 고찰을 위해, 압력 챔버 내의 유체 정역학적 압력[응력(σy, σz)]에 의한 신장 기여도는 무시될 수 있는데, 그 이유는 이러한 기여도가 전체 분사 주기 동안 실제로 변하지 않고 유지되기 때문이다. 상기 관계는 단일 방향성 부하와 유사하게 하기 식으로 단순화된다.
Figure pct00002
이하의 고찰에서, 직경(d), 횡단면(A), 길이(L)를 갖는 노즐 니들의 중실 원통형 섹션으로 형성된 종방향 섹션이 상정된다. 상기 방정식의 응력(σ)이 F/A 로 대체될 경우, 하기 식이 도출된다.
Figure pct00003
신장(ε)은 섹션의 상대적인 길이 변경(ΔL)과 전체 길이(L)의 비로서 도출되며, 즉, ε= ΔL/L 이다. 이 둘을 차례로 대입하면
Figure pct00004
또는
Figure pct00005
이 도출된다.
힘(F)과 상대적 길이 변경(ΔL) 간의 비례 인자는 이하의 관계에 의해 형성되는 종방향 강성(c)으로서 표시된다.
Figure pct00006
강에 대해 E = 210,000 N/mm2의 통상의 값, 1.5/mm의 종방향 탄성 섹션(25)의 직경(d) 및 26mm의 길이(L)를 적용할 경우,
c = 210,000 N/mm2 ·π/4 ·(1.5mm)2/26mm
Figure pct00007
14,300 N/mm
의 종방향 강성이 도출된다.
그러나 양호한 효과는 더 높은 종방향 강성(c)에서도 이미 달성되는데, 물론 종방향 강성(c)은 40,000 N/mm2 미만이어야 하며, 이로써 분사 노즐에서의 효과를 관찰할 수 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 분사 노즐(1)의 실시예가 개략 도시되며, 도 1과 동일한 구성 부품은 동일한 도면 부호로 표시된다. 분사 노즐(1)은 도 1에 이미 도시된 바와 같이 고압 하에 연료로 충전 가능한 압력 챔버(4)가 그 안에 형성된 노즐 몸체(2)를 포함한다. 노즐 니들(3)은 피스톤 형태로 형성되며, 제1 가이드 섹션(30) 및 제2 가이드 섹션(31)을 포함하며, 이에 의해, 노즐 니들(3)이 반경 방향으로 압력 챔버(4) 내에서 안내된다. 제1 가이드 섹션(30)과 제2 가이드 섹션(31) 사이에는, 직경(d) 및 길이(L)를 포함하는 탄성 종방향 섹션(25)이 형성된다. 밀봉면(6)의 반대쪽에서 원통형 섹션을 갖는 노즐 니들(3)이 제어 챔버(10)를 반경 방향으로 한정하는 슬리브(23) 내에서 안내된다. 슬리브(23)는 폐쇄 스프링(24)의 힘에 의해 스로틀 디스크(22)에 대항하여 가압되며, 폐쇄 스프링(24)은 압력 예압하에 슬리브(23)와 노즐 니들(3)의 칼라(36) 사이에 배치되며, 노즐 니들(3)을 둘러싼다. 폐쇄 스프링(24)과 칼라(36) 사이에는 간격 디스크(37)가 배치되며, 그 두께를 통해 폐쇄 스프링(24)의 압력 예압이 조정될 수 있다.
도시된 실시예에서, 적어도 거의 탄성 종방향 섹션(25)의 직경(d)에 상응하는 직경(d j )을 포함하는 노즐 니들(3)의 추가의 탄성 종방향 섹션(26)이 노즐 니들(3)의 가이드 섹션(103)과 칼라(36) 사이에 배치된다. 예를 들어 탄성 종방향 섹션(25)이 공간적인 이유로 필요한 길이로 제조될 수 없을 경우, 노즐 니들(3)의 전체 강성이 상기 추가의 탄성 종방향 섹션(26)을 통해 더 낮아질 수 있다.
탄성 종방향 섹션의 전체 종방향 강성(c ges)은, c 1 및 c 2가 두 개의 탄성 섹션(25, 26)의 종방향 강성일 경우,
Figure pct00008
이다. 이 경우에, 전체 종방향 강성(c ges)은 바람직하게는 20,000 N/mm 미만이다.
분사 개구(8) 방향으로 압력 챔버(4) 내의 연료 흐름을 보장하기 위해, 제1 가이드 섹션(30) 및 제2 가이드 섹션(31)에는 각각 하나 또는 복수의 연마 섹션(33 또는 34)이 가이드 섹션(30, 31)의 외측면에 제공됨으로써, 스로틀링되지 않은 연료 흐름이 가이드 섹션(30, 31)을 지나 분사 개구(8) 방향으로 수행될 수 있다.
감소한 직경을 갖는 원형 실린더 형태의 탄성 종방향 섹션(25)의 구성에 부가적으로, 예를 들어 노즐 니들 내의 리세스를 통해 더 높은 종방향 탄성력이 달성되는 것과 같이, 다른 방식으로 탄성 종방향 섹션이 구현되는 것도 가능하다. 그러나 직경 감소를 통한 구성이 노즐 니들의 제조 비용을 눈에 띄게 증가시키지 않으면서, 종방향 탄성 섹션을 구현하는 가장 간단한 방법이다.

Claims (15)

  1. 노즐 몸체(2)를 갖는 연료 분사 노즐(1)이며, 노즐 몸체 내에는 고압 연료로 충전 가능한 압력 챔버(4)가 형성되고, 압력 챔버 내에는 피스톤 형태의 노즐 니들(3)이 종방향으로 운동 가능하게 배치되며, 노즐 니들의 일측 단부에는 밀봉면(6)이 형성되고 그 반대편 단부에는 단부면(9)이 형성되며, 밀봉면(6)은 하나 이상의 분사 개구(8)의 개폐를 위해 노즐 시트(5)와 상호작용하며, 노즐 니들(3)의 단부면(9)이, 변동하는 압력하에서 연료로 충전 가능한 제어 챔버(10)를 한정함으로써, 유압에 의해 노즐 니들의 단부면(9) 상에 노즐 시트(5)의 방향으로 힘이 가해질 수 있는, 연료용 분사 노즐에 있어서,
    노즐 니들(3)은 40,000 N/mm 미만의 종방향 강성을 갖는 탄성 종방향 섹션(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  2. 제1항에 있어서, 노즐 니들(3)의 탄성 종방향 섹션(25)은 20,000 N/mm 미만, 바람직하게는 12,000 내지 16,000 N/mm, 특히 바람직하게는 14,000 내지 16,000 N/mm의 강성(c)을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄성 종방향 섹션(25)이 원형 실린더 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 노즐 니들(3)은 강으로 제조되며, 탄성 종방향 섹션(25)은 1.3mm 내지 2.0mm, 바람직하게는 1.4mm 내지 1.6mm의 직경(d)을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  5. 제4항에 있어서, 강은 200,000 내지 230,000 N/mm2, 바람직하게는 적어도 거의 210,000 N/mm2의 탄성 계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 탄성 종방향 섹션(25)은 30mm 미미만의 길이(L), 바람직하게는 15 내지 28mm의 길이(L)를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  7. 제6항에 있어서, 탄성 종방향 섹션(25; 26)이 제공되며, 각각의 탄성 종방향 섹션(25; 26)은 30mm 미만의 길이(L)를 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  8. 제7항에 있어서, 탄성 종방향 섹션(25; 26)의 전체 강성은 20,000 N/mm 미만인 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 니들(3)의 밀봉면(6)이 환형 밀봉선(27)을 가지며, 이 밀봉선에 의해, 밀봉면이 분사 노즐(1)의 폐쇄된 상태에서 노즐 시트(5) 상에 안착되며 압력 챔버(4)를 분사 개구(8)에 대해 밀폐하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  10. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 니들(3)의 밀봉면(6)이 환형 밀봉선(27)을 포함하며, 이 밀봉선에 의해, 밀봉면이 분사 노즐(1)의 폐쇄된 상태에서 노즐 시트(5) 상에 안착되고 압력 챔버(4)를 분사 개구(8)에 대해 밀폐하며, 탄성 종방향 섹션(25)의 직경(d)이 환형 밀봉선(27)의 직경(dD)과 적어도 거의 동일한 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 탄성 종방향 섹션(25)의 상류 및 하류에서 각각 가이드 섹션(30; 31)이 노즐 니들(3)에 형성되며, 가이드 섹션에 의해 노즐 니들(3)이 압력 챔버(4) 내에서 반경 방향으로 안내되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  12. 제11항에 있어서, 가이드 섹션(30; 31)에 분사 개구(8)로의 스로틀링 없는 연료 흐름을 압력 챔버(4) 내에서 보장하는 관통부(33; 34)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 밀봉면(6)으로부터 먼쪽을 향하는 노즐 니들(3)의 단부가, 제어 챔버(10)를 반경 방향으로 한정하는 슬리브(23) 내에 수용되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  14. 제13항에 있어서, 슬리브(23)와 노즐 니들(3) 사이에는 폐쇄 스프링(24)이 압력 예압 하에 배치되며, 폐쇄 스프링은 노즐 시트(5) 방향으로 노즐 니들(3)에 힘을 가하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 분사 노즐(1)을 포함하는, 내연 기관의 연소실 내로 연료를 분사하기 위한 연료 인젝터(100).
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