KR20180094034A - 연료 인젝터 - Google Patents

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KR20180094034A
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fuel injector
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housing section
combustion chamber
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KR1020187019783A
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게르트 슈바이처
크리스티얀 포닉
일리아스 자리자브비디스
프랑크 슈타들러
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 내연 기관의 제1 수용 보어 섹션(107) 내에 삽입될 수 있는 밸브 하우징(11)을 구비한 연료 인젝터(10), 특히 커먼레일 인젝터에 관한 것이며, 상기 밸브 하우징은, 조립된 위치에서 내연 기관의 연소실(101)에 대면하며 적어도 부분적으로 연소실(101)과 접촉되어 있는 제1 밸브 하우징 섹션(12)을 가지며, 상기 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 금속으로 형성되고, 상기 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 보호 슬리브(21) 형태의 보호 요소(20)에 의해 반경 방향으로 둘러싸이며, 보호 슬리브(21)는 적어도 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 축방향 길이의 일 부분에 걸쳐 연장된다. 본 발명에 따라, 연소실(101)에 할당된 보호 슬리브(21)의 면에서 보호 슬리브(21)와 제1 밸브 하우징 섹션(12) 사이의 전이 영역이 밀봉되어 형성된다.

Description

연료 인젝터
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 인젝터에 관한 것이다.
청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 인젝터는 본 출원인의 DE 10 2012 205 699 A1호로부터 공지되어 있다. 공지된 연료 인젝터는, 내연 기관의 연소실에 대면한 밸브 하우징 섹션의 외주연 상에 금속으로 형성된 (희생-) 보호 슬리브가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 대한 배경은, 내연 기관의 작동 시 연소실 내에 최고 온도가 형성되는 데 있는데, 이 최고 온도는 실린더 헤드 내에서 또는 연소실로부터 먼 쪽을 향하는 측의 수용 보어 내에서 연소실까지의 거리에 따라 점차 감소한다. 유사하게, 연료 인젝터의 온도 또는 그 밸브 하우징의 온도도 마찬가지로 연소실까지의 거리가 멀어짐에 따라 감소한다. 특히, 연소실 온도가 비교적 낮거나, 연소실까지의 거리가 상대적으로 멀 때, 특히 바람직하게는 황 함유 연료에 의해, 밸브 하우징에 부식 위험을 수반하는 응축물이 형성될 수 있다. 내연 기관의 실린더 헤드 내에서 밸브 하우징이 통상 노즐 밀봉 디스크를 통해 외부에 대해 밀봉되고, 이는 특히 실린더 헤드의 제1 수용 보어 섹션의 영역 내에서 축방향으로 노즐 밀봉 디스크의 바로 밑의 영역과 관련되는데, 그 이유는 그곳에서 상대적으로 볼 때 최저 온도가 형성되기 때문이다. 전술한 출원서에 기술된 (희생-) 보호 슬리브에 의해, 밸브 하우징이 그 외주연에서 응축물 또는 부식의 유입으로부터 보호될 수 있다.
공지된 연료 인젝터의 경우, (희생-) 보호 슬리브와 연료 인젝터 사이의 연결은 특히, 밸브 하우징의 외주연 상으로의 (희생-) 보호 슬리브의 수축을 통해 달성된다. 이 경우, (희생-) 보호 슬리브와 밸브 하우징 사이의 전이 영역에서, 연소실에 대면한 (희생-) 보호 슬리브의 측에서 보호 슬리브의 수축에도 불구하고 응축물의 유입이 신뢰성 있게 방지될 수 없다는 단점이 있다. 그로 인해, 응축물이 밸브 하우징과 (희생-) 보호 슬리브 사이의 반경 방향 간극 내로 침투되어, 이로 인해 밸브 하우징에서 연소실에 대면한 연료 인젝터의 측에 부식이 야기될 수 있다.
또한, 본 출원인의 DE 10 2012 219 654 A1호로부터, 내열성 플라스틱 등으로 형성되는 밀봉 요소를 이용하여, 실린더 헤드의 수용 보어 내 응축물이 연소실로부터 먼 쪽을 향하는 측의 방향으로 유입되는 것을 방지하는 방법이 공지되어 있다. 이 경우, 밀봉 요소는, 밀봉 요소가 밸브 하우징 상에서 정확한 축방향 위치에 위치 설정될 수 있도록, 예를 들어 슬리브 형태의 추가 요소에 고정되거나 배치된다. 이러한 연료 인젝터에서 위험한 것으로 간주되는 점은, 밀봉 요소의 손상이 확실하게 방지되어야 하기 때문에, 밀봉 요소의 외주연와 수용 보어 사이에서 요구되는 지지 접촉에 의해 수용 보어 내에 연료 인젝터를 조립하는 것이 쉽지 않다는 문제이다. 또한, 추가 슬리브를 갖는 상기 유형의 밀봉 요소의 제조 및 그 조립은 서두에 언급한 구리 소재의 보호 슬리브에 비해 비교적 복잡하고 비싸다.
설명된 종래 기술에 근거하여 본 발명의 과제는, 보호 요소가 비교적 단순한 구조를 가지며 제조 기술적으로 간단하게 조립되면서도, 연료 인젝터에서 그리고 연소실에 대면한 보호 요소의 측에서도 최적화된 밀봉 작용이 달성되도록, 청구항 제1항의 전제부에 따른 연료 인젝터를 개선하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징을 갖는 연료 인젝터에 의해 해결된다.
본 발명은, 보호 슬리브와 밸브 하우징의 제1 밸브 하우징 섹션 사이의 (반경 방향) 영역을 목표한 대로 밀봉한다는 사상에 기초한다. 본 발명의 범주 내에서 밀봉은, 작동 조건 또는 연소실 내의 온도 및 압력이 완전히 상이한 경우, 연소실에 대면한 연료 인젝터의 측에서 보호 슬리브와 밸브 하우징 사이의 반경 방향 간극 내로의 응축물의 유입을 신뢰성 있게 방지한다는 의미로 이해된다.
본 발명에 따른 연료 인젝터의 바람직한 개선은 종속 청구항들에 기술된다.
보호 요소 또는 보호 슬리브와 밸브 하우징 섹션 사이의 바람직한 본 발명에 따른 밀봉을 달성하기 위해 본 발명의 제1 구성에서는, 보호 슬리브와 제1 밸브 하우징 섹션 사이의 전이 영역에 납땜 연결부 형태의 재료 결합식 연결부가 형성된다. 이러한 유형의 납땜 연결부는, 땜납의 충분히 높은 내열성을 전제로 하며, 특히, 밀봉의 형성 중에 관련 구성 부재들이 온도 부하를 비교적 적게 받는 장점을 갖는다. 특히, 이러한 유형의 재료 결합식 연결부의 형성을 통해, 밸브 하우징 또는 보호 슬리브에 바람직하지 못한 재료 변화(예를 들어, 경화, 취화 등)가 발생하지 않는다.
대안적으로, 보호 슬리브와 제1 밸브 하우징 섹션 사이의 전이 영역에 용접 연결부, 특히 레이저 용접 시임 형태의 재료 결합식 연결부가 형성되는 구성도 제공될 수 있다. 이러한 구성은 특히, 납땜 연결부의 형성 시처럼 추가 재료가 사용될 필요가 없다는 장점이 있다. 또한, 용접 시임의 형성 시 밸브 하우징과 보호 슬리브 사이의 기계적 강성이 개선된다.
상기 두 가지의 재료 결합식 연결의 공통점은, 보호 요소 또는 보호 슬리브와 밸브 하우징 섹션 사이의 제조 공차가, 예를 들어 밸브 하우징 섹션 상으로의 보호 슬리브의 비교적 간단한 수축이 가능하도록 형성될 수 있다는 점이다. 이에 의해, 밸브 하우징 섹션 상에 보호 슬리브의 축방향 접합 시 단지 비교적 작은 축방향 힘만이 요구된다. 밸브 하우징에 대한 보호 슬리브의 축방향 고정 또는 체결은 예를 들어 상술한 납땜 연결부 또는 용접 시임을 통해 수행될 수 있다. 이러한 유형의 실시예는 최상의 경우, 밸브 하우징 섹션 상에 보호 슬리브를 압입하는 작업이 생략될 수 있게 한다.
그럼에도 불구하고, 보호 슬리브와 밸브 하우징 사이의 연결의 한 바람직한 구성에서는, 보호 슬리브가 밸브 하우징의 제1 밸브 하우징 섹션 상에 압입된다.
특히, 밸브 하우징 섹션 상에 보호 슬리브의 압입 또는 접합 시 전달되는 힘을 양호하게 보호 슬리브로 도입할 수 있도록, 보호 슬리브가 연소실에 대면한 측에 반경 방향으로 둘러싸는 플랜지를 포함하는 구성이 제공된다. 이로써, 플랜지는 축방향 접합력의 전달을 위한 공구 접촉면으로서 이용될 수 있다. 또한, 플랜지는, 서두에 언급한 종래 기술에서와 같은 별도의 밀봉 디스크를 생략할 수 있게 한다. 이 경우, 조립된 연료 인젝터의, 연소실 쪽으로의 밀봉을 보호 슬리브의 플랜지가 대신한다.
보호 요소가, 실린더 헤드 내에서 보호 요소와 제1 수용 보어 섹션 사이에 반경 방향 갭이 형성되도록 하는 직경 또는 형태를 가질 경우, 실린더 헤드의 수용 보어 내에 연료 인젝터가 매우 간단하게 조립될 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점, 특징 및 세부사항은 이하의 바람직한 실시예의 설명 및 도면을 참조한다.
도 1은 내연 기관의 실린더 헤드 내에 연료 인젝터가 배치되어 있는, 본 발명에 따른 연료 인젝터의 하부 부분을 도시한 도이다.
도 2는 도 1에 따른 연료 인젝터에서 사용된 보호 요소의 단독 측면도이다.
도 3은 밸브 하우징과 보호 요소 사이에 용접 연결이 형성되어 있는, 도 1에 따른 연료 인젝터의 측면도이다.
동일한 요소 또는 동일한 기능을 갖는 요소들에는 도면에서 동일한 참조 부호가 부여되어 있다.
도 1에는 실린더 헤드(100)를 갖는 내연 기관의 상부 영역의 부분도가 도시되어 있다. 실린더 헤드(100)는, 피스톤(102)이 그 안에서 종축(105) 방향으로 통상 왕복 운동 가능하게 배치된, 내연 기관의 연소실(101)을 한정한다.
본 발명에 따른 연료 인젝터(10), 특히 커먼레일 인젝터의 수용을 위해, 실린더 헤드(100)는 단차 보어 형태의 수용 개구(106)를 포함한다. 수용 개구(106)는 연소실(101)에 대면한 측에 제1 수용 보어 섹션(107)을 가지며, 상기 제1 수용 보어 섹션에서 연소실(101)로부터 먼 쪽을 향하는 측에 제2 수용 보어 섹션(108)이 연결된다. 상기 두 수용 보어 섹션(107, 108)은 반경 방향으로 둘러싸는 단차부(109)를 통해 서로 연결되고, 이때 제1 수용 보어 섹션(107)이 제2 수용 보어 섹션(108)보다 더 작은 직경을 가지며, 상기 두 수용 보어 섹션(107, 108)은 바람직하게는 각각 원통형으로 형성된다.
도 1에서 상당히 간략하게 도시된 연료 인젝터(10)는, 일체로 서로 연결된 2개의 밸브 하우징 섹션(12, 13)을 가지며 금속으로 형성된 밸브 하우징(11)을 포함한다. 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 제2 밸브 하우징 섹션(13)보다 더 작은 직경을 가지며, 상기 두 밸브 하우징 섹션(12, 13)은 적어도 거의 원통형으로 형성된다. 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 실질적으로 제1 수용 보어 섹션(107) 내에 배치되고, 제2 밸브 하우징 섹션(13)은 제2 수용 보어 섹션(108) 내에 배치된다. 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 연소실(101)에 대면한 측에서 그 직경이 반구 형태인 단부 영역(14)으로 전이되고, 이 단부 영역의 벽부 내에는 적어도 하나의 노즐 개구(15)가 형성되며, 이 노즐 개구를 통해 연료가 내연 기관의 연소실(101) 내로 분사될 수 있다. 연료의 분사는 이미 공지되어 있고 본 발명에 필수적이지도 않기 때문에 상세히 설명되지 않은 방식으로, 특히, 연료 인젝터(10) 내에 배치되고 액추에이터에 의해 작동될 수 있는 노즐 니들을 통해 수행된다.
제1 밸브 하우징(12)이 제1 수용 보어 섹션(107) 내에 배치되는 반면, 밸브 하우징(11)의 단부 영역(14)은 연소실(101) 내로 돌출한다. 이 경우, 연소실(101) 또는 종축(105)을 향한 연료 인젝터(10)의 배치는 예를 들어 종축(105)에 대해 평행하다.
실린더 헤드(100)의 수용 개구(106) 내에 연료 인젝터(10)의 조밀한 조립이 가능하도록, 연료 인젝터(10)는 보호 요소(20)의 플랜지(25)의 개재 하에 수용 개구(106) 내에 배치된다. 이를 위해, 플랜지(25)의 일측 (하부) 단부면이 단차부(109)에 놓인다. 플랜지(25)의 타측 (상부) 단부면은 그에 대면한 연료 인젝터(10)의 단부면과 지지 접촉되어 배치된다. 밀봉을 위해 통상, 예를 들어 도시되지 않은 클램핑 조 등을 이용하여, 연료 인젝터(10)에 축방향으로 연소실(101)을 향해 힘이 가해진다.
내연 기관의 작동 시, 예를 들어 수 백도의 상대적으로 높은 온도가 연소실(101) 내부에 존재하고, 이러한 고온은 실린더 헤드(100) 상으로 그리고 연료 인젝터(10) 상으로 전달되며, 이때 수용 개구(106)의 영역 내의 온도는 실린더 헤드(100)의 냉각으로 인해 제2 수용 보어 섹션(108) 방향으로 가면서 하강한다. 상대적으로 볼 때 최저 온도가 형성되어 있는, 연소실(101)로부터 먼 쪽을 향하는 측측의 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 영역에서, 밸브 하우징(11)이 연료 인젝터(10)의 작동 기간에 걸쳐 부식에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해, 제1 밸브 하우징 섹션(12)이 반경방향으로 보호 요소(20)에 의해 둘러싸여 있다. 보호 요소(20)는 보호 슬리브(21) 형태의 별도의 구성 부품으로서 형성된다.
보호 슬리브(21)는 예를 들어 일정한 벽 두께로 원통형으로 형성되며, 상응하는 치수 공차로 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 외경 또는 외주연 상에 압입된다. 또한, 보호 요소(20) 또는 보호 슬리브(21)의 외주연와 제1 수용 보어 섹션(107)의 벽 사이에, 수용 보어 섹션(107)에 대한 연료 인젝터(10)의 지지 접촉이 발생하지 않도록, 추가로 반경 방향 갭(110)이 형성된다.
보호 요소(20) 또는 보호 슬리브(21)는 밸브 하우징(11) 또는 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 재료에 비해 더 고품질의 재료로 형성된다. 고품질 재료 또는 공작물은, 밸브 하우징(11)의 (금속) 재료보다 부식 경향이 덜 한 재료로 이해된다. 바람직하게는, 보호 요소(20) 또는 보호 슬리브(21)는 구리와 같은 금속으로 형성된다. 보호 요소(20)를 위한 적절한 재료의 선택은 특히, 보호 요소(20)의 벽 두께뿐만 아니라, 연소실 내 현재 온도 및 밸브 하우징(11)의 재료에 따라 좌우되나, 이에 한정되지 않으며, 연료 인젝터(10)의 계획된 작동 기간에 걸쳐 보호 요소(20)에서 발생하는 부식이 가급적 연료 인젝터(10)의 작동 기간의 종료 시까지, 밸브 하우징(11) 또는 제1 밸브 하우징 섹션(12)까지 진행하지 않도록 선택된다.
도 1에 따라, 연소실(101)에 대면한 보호 요소(20) 또는 보호 슬리브(21)의 (하부) 단부면(22)은 축방향으로 실린더 헤드(100)의 하부 단부면(111)의 상부에서 수용 개구(106)의 영역에서 중단되는 것을 알 수 있다. 하부 단부면(22)이 실린더 헤드(10)의 하부 단부면(111)과 최대한 동일선상에서 마감되는 것, 즉, 보호 요소(20) 또는 보호 슬리브(21)가 어떠한 경우에도 연소실(101) 내로 돌출하지 않는 것이 중요하다.
특히 도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 보호 슬리브(21)와 제1 밸브 하우징 섹션(12) 사이의 반경 방향 전이 영역은 밀봉되어 형성된다. 이를 위해 도 1에 도시된 실시예에서, 밸브 하우징 섹션(12)으로의 단부측 전이 영역이 예를 들어 납땜 연결부(31) 형태의 재료 결합식 연결부(30)를 구비하는 구성이 제공된다. 특히, 납땜 연결부(31)의 땜납이 경우에 따라, 밸브 하우징 섹션(12)의 외주연과 보호 슬리브(21)의 내경 사이에 존재하는, 연소실(101)에 대면한 측의 반경 방향 갭을 채운다.
이에 반해, 도 3에 도시된 실시예에서는, 보호 슬리브(21)와 밸브 하우징 섹션(12) 사이에 용접 연결부(32) 형태의 재료 결합식 연결부(30)가 형성된다. 용접 연결부(32)는 보호 슬리브(21)의 외측에서 반경 방향으로 둘러싸는, 특히 레이저 용접 시임 형태의 용접 시임(33)을 포함한다. 용접 시임(33)은 보호 슬리브(21) 및 밸브 하우징 섹션(12)의 전이 영역에 있는 이들 부재의 재료를 용융시켜 필요한 밀봉을 제공한다. 용접 시임(33)의 축방향 위치는 가급적 보호 슬리브(21)의 (하부) 단부면(22)에 근접해 있다.
상술된 연료 인젝터(10)는 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다양하게 개조되거나 변형될 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연 기관의 제1 수용 보어 섹션(107) 내로 삽입될 수 있는 밸브 하우징(11)을 구비한 연료 인젝터(10), 특히 커먼레일 인젝터이며, 상기 밸브 하우징은 조립된 위치에서, 내연 기관의 연소실(101)에 대면하며 적어도 부분적으로 연소실(101)과 접촉되어 있는 제1 밸브 하우징 섹션(12)을 가지며, 적어도 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 금속으로 형성되고, 상기 제1 밸브 하우징 섹션(12)은 보호 슬리브(21) 형태의 보호 요소(20)에 의해 반경 방향으로 둘러싸이며, 보호 슬리브(21)는 적어도 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 축방향 길이의 일 부분에 걸쳐 연장되는, 연료 인젝터에 있어서,
    연소실(101)에 할당된 보호 슬리브(21)의 면에서 보호 슬리브(21)와 제1 밸브 하우징 섹션(12) 사이의 전이 영역이 밀봉되어 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  2. 제1항에 있어서, 보호 슬리브(21)와 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 전이 영역에 납땜 연결부(31) 형태의 재료 결합식 연결부(30)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  3. 제1항에 있어서, 보호 슬리브(21)와 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 전이 영역에 용접 연결부(33), 특히 레이저 용접 시임 형태의 재료 결합식 연결부(30)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 슬리브(21)는 제1 밸브 하우징 섹션(12) 상에 압입되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 슬리브(21)는 연소실(101)로부터 먼 쪽을 향하는 면에 반경 방향으로 둘러싸는 플랜지(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 슬리브(21)는, 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 재료보다 더 낮은 부식 경향을 포함하는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  7. 제6항에 있어서, 보호 슬리브(21)의 재료는 금속으로 형성되며 구리를 함유하는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 요소(20)는, 보호 요소(20)와 제1 수용 보어 섹션(107) 사이에 반경 방향 갭(110)이 형성될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 요소(20)의 축방향 연장부는, 제1 수용 보어 섹션(107) 내에 조립된 연료 인젝터(10)에서 보호 요소(20)가 축방향으로 연소실(101) 내로 돌출되지 않도록, 제1 밸브 하우징 섹션(12)의 축방향 연장부보다 작은 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 플랜지(25)에는 제1 밸브 하우징 섹션(12)으로부터 먼 쪽을 향하는 면에 밸브 하우징(11)의 제2 밸브 하우징 섹션(13)이 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
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