KR20190039277A - 연료 분사 노즐 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연기관 내에서의 이용을 위한 연료 분사 노즐에 관한 것이며, 상기 연료 분사 노즐은 노즐 몸체(1)를 포함하며, 이 노즐 몸체 내에는 높은 압력하에 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버(2)가 형성되고, 종방향으로 변위 가능한 노즐 니들(4)이 배치되며, 노즐 니들(4)은 밀봉면(5)을 포함하고, 이 밀봉면을 이용하여 노즐 몸체(1) 내에 형성된 원추형 몸체 시트(7)와 상호작용하고, 그에 따라서 압력 챔버(2)에서부터 블라인드 홀(10)까지의 연결부를 개방 및 폐쇄한다. 블라인드 홀(10)은 몸체 시트(7)에 직접 인접하여 원통형 섹션(12)을 형성하며, 그럼으로써 몸체 시트(7)와 블라인드 홀(10) 사이의 전이부 상에 유입 에지부(11)가 형성되게 된다. 노즐 몸체(1) 내에는 블라인드 홀(10) 내로 통해 있는 하나 이상의 분사구(14)가 형성된다. 블라인드 홀(10)의 원통형 섹션은 직경 감소부를 포함하며, 그럼으로써 블라인드 홀(10) 내에는 견부(16)가 형성되며, 하나 이상의 분사구(14)는 견부(16)와 유입 에지부(11) 사이에서 블라인드 홀(10) 내로 통해 있다.

Description

연료 분사 노즐
본 발명은 바람직하게는 연료 분사를 위해, 그리고 그에 따라 내연기관 내에서의 이용을 위해 이용되는 것과 같은 연료 분사 노즐에 관한 것이다.
오늘날의 자기착화 내연기관의 경우, 연료는 높은 압력하에 내연기관의 연소실들 내로 직접 유입된다. 이 경우, 높은 압력은, 연료를 미세하게 무화시키고 그에 따라 연소실 내에 있는 산소와 연료 간의 최적의 혼합비를 달성하기 위해 이용되며, 이는 저공해의 효과적인 연소를 위해 필수적인 사항이다. 이를 위해, 종래 기술로부터, 예컨대 DE 10 2004 050 048 A1호로부터 공지된 것과 같은 연료 분사 밸브들이 이용된다. 상기 연료 분사 밸브는 노즐 몸체(nozzle body)를 포함하며, 이 노즐 몸체 내에는 높은 압력하에 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버가 형성되고, 노즐 니들(nozzle needle)이 종방향으로 변위 가능한 방식(longitudinally displaceable manner)으로 배치되어 있으며, 노즐 니들은 하나 또는 복수의 분사구(injection opening)를 개방 및 폐쇄하기 위해 몸체 시트(body seat)와 상호작용한다. 이 경우, 보통은, 노즐 몸체의 연소실 측 단부에 소위 블라인드 홀(blind hole)이 제공되고, 블라인드 홀은 몸체 시트에 인접하며, 그리고 블라인드 홀에서부터는 분사구들이 개시된다. 이 경우, 블라인드 홀은 연료를 균일하게 개별 분사구들로 분배하고 그에 따라 연소실 내에서의 그에 상응하게 균일한 연료의 분배를 달성하기 위해 이용된다. 압력 챔버 내에 대기 중인 고압 상태의 연료는 분사 동안 노즐 니들의 밀봉면과 몸체 시트 사이를 통과하여 블라인드 홀 내로 유입되며, 이 블라인드 홀에서부터 연료는 분사구들 내로 유동하고 이 분사구들을 통과하여 마지막으로 연소실 내로 무화된다.
노즐 니들의 개방 행정 이동의 개시 시에, 다시 말해 노즐 니들이 몸체 시트 상의 자신의 안착부로부터 떨어질 때, 연료는 노즐 니들의 밀봉면과 몸체 시트 사이의 매우 좁은 간극을 통과하여 블라인드 홀 내로 유동하며, 이는 블라인드 홀 내에서 연료의 와류(swirl)를 야기한다. 이는, 연료가 분사 홀들(spraying hole)로 불균일하게 분배될 정도로 와류가 강하지 않을 때 무화를 향상시킨다. 행정 이동의 추가 진행 시에, 노즐 니들과 몸체 시트 사이의 간극은 더 커지며, 그럼으로써 블라인드 홀 내의 연료는 더 약하게 와류되고 그에 따라 분사구들을 통한 통과 시 연료의 무화 경향은 감소하게 된다.
특허 청구항 제1항의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 연료 분사 노즐은, 종래 기술에 비해, 노즐 니들의 부분 행정 시에도 충분한 난류(turbulence)가 분사 홀 내로 유입되고 그에 따라 연소실 내에서 분사 홀들에서부터의 연료의 유출 시 제트 분열(jet breakup)이 강화됨으로써, 블라인드 홀 영역 내에서 분사 홀들 쪽으로의 연료의 유입이 향상된다는 장점을 갖는다. 이를 위해, 연료 분사 노즐은 노즐 몸체를 포함하고, 이 노즐 몸체 내에는 높은 압력하에 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버가 형성되고, 종방향으로 변위 가능한 노즐 니들이 배치되며, 노즐 니들은 밀봉면을 포함하고, 이 밀봉면을 이용하여 노즐 몸체 내에 형성된 원추형 몸체 시트와 상호작용하고, 그에 따라서 압력 챔버에서부터 블라인드 홀까지의 연결부를 개방 및 폐쇄한다. 이 경우, 블라인드 홀은 몸체 시트에 직접 인접하고 이곳에서 원통형 섹션을 형성하며, 그럼으로써 몸체 시트와 블라인드 홀 사이의 전이부 상에 유입 에지부(inlet edge)가 형성되게 된다. 그 밖에도, 노즐 몸체 내에는, 블라인드 홀 내로 통해 있는 하나 이상의 분사구가 형성된다. 블라인드 홀의 원통형 섹션은 유입 에지부의 반대 방향으로 향해 있는 자신의 단부에서 직경 감소부(diameter reduction)로 전이되며, 그럼으로써 상기 위치에 견부가 형성되며, 하나 이상의 분사구는 견부와 유입 에지부 사이에서, 다시 말해 원통형 섹션의 영역에서 블라인드 홀 내로 통해 있다.
블라인드 홀 내의 견부를 통해, 연료 유동은 블라인드 홀 내로의 유입 시에 상기 견부를 통해 안내되고 그에 따라서 와류되며, 이는 유동 내에 상응하는 난류를 야기하고, 난류는 분사구를 통한 연료의 통과 시 제트 분열의 강화를 야기하며, 다시 말하면 연료는 분사 홀로부터의 유출 시 매우 빠르게 분열되어 연료 액적들의 미세한 미스트(fine mist)를 형성하며, 연료 액적들은 연소실 내에 존재하는 산소와 함께 효과적으로, 그리고 깨끗하게 연소된다.
바람직한 제1 구현예에서, 견부에는 실질적으로 반구형인 블라인드 홀 기저부(blind hole base)가 인접한다. 상기 블라인드 홀 기저부는 견부에 걸친 연료의 유동을 촉진시키며, 그럼으로써 의도하는 추가적인 와류가 견부를 통해 강화되게 된다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 견부는 환형 디스크 형태로 형성되며, 이는 간단한 방식으로 제조된다. 그에 따라서 형성되는 상대적으로 뾰족한 에지부들은 블라인드 홀 내에서 연료의 분명한 와류를 야기한다. 또한, 동일한 방식으로, 견부는 원추형으로 형성될 수도 있으며, 이는 비록 전이부에서의 뾰족한 에지부들을 방지하지만, 그러나 기계적 안정성을 증가시킨다. 동일한 방식으로, 블라인드 홀의 원통형 섹션에서부터 에지부 쪽으로, 그리고 에지부에서부터 블라인드 홀 기저부 쪽으로의 전이부들은, 특히 노치 스트레스(notch stress)를 감소시키기 위해, 라운딩되어 형성될 수 있다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 견부는 블라인드 홀의 전체 주연부에 걸쳐서, 동일한 깊이를 구비하여 형성되며, 그럼으로써 블라인드 홀의 내부에서의 유동은 대칭화되며, 그리고 그에 따라 분사구들 중 복수의 분사구들이 주연부에 걸쳐 분포되어 있는 한 모든 분사구들로의 공급이 보장된다. 이 경우, 견부의 깊이는 바람직하게는 5㎛ 내지 100㎛이며, 그럼으로써 한편으로 블라인드 홀의 내부에서 의도하는 추가적인 난류가 달성되며, 그리고 다른 한편으로는 블라인드 홀의 체적이 지나치게 증가되지 않게 된다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 노즐 몸체 내에는, 견부와 전이 에지부 사이에서 블라인드 홀 내로 통해 있고 주연부에 걸쳐 바람직하게는 균일하게 분포되어 있는 복수의 분사구들이 형성된다. 분사구들이 더욱더 많이 제공될수록, 연료는 연소실 내에서 더욱 균일하게 분배될 수 있고 일반적으로 연소도 더욱 개선된다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 원추형 몸체 시트 내로 통해 있는 적어도 하나의 추가 분사구가 제공된다. 그 결과, 2가지 유형의 분사구들, 요컨대 블라인드 홀에서부터 개시되는 분사구들과, 직접적으로 몸체 시트에서부터 개시되어 다른 제트 특성을 갖는 분사구들이 동시에 연료를 공급받을 수 있으며, 이는 특히 복잡하고 대형인 연소실들로의 공급을 위해 바람직할 수 있다.
도면에는 본 발명에 따른 연료 분사 노즐의 다양한 실시예들이 도시되어 있다.
도 1은 종래 기술로부터 공지된 것과 같은 연료 분사 노즐을 절단하여 도시한 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 분사 노즐의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 연료 분사 노즐을 도시한 또 다른 도면이다.
도 4는 도 3에서와 동일한 연료 분사 노즐을 도시한 도면이며, 블라인드 홀의 내부에 연료 유동의 경로가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6은 블라인드 홀의 내부에 변형된 견부들을 포함하는 본 발명에 따른 연료 분사 노즐의 또 다른 실시예를 각각 도시한 도면이다.
도 1에는, 종래 기술에 따르는 연료 분사 노즐이 종단면도로 도시되어 있으며, 단지 연료 분사 노즐의 주요 부분들만 도시되어 있다. 연료 분사 노즐은 노즐 몸체(1)를 포함하며, 이 노즐 몸체 내에는 높은 압력하에 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버(2)가 형성되어 있다. 이 경우, 압축된 연료는, 예컨대 소위 커먼레일 내에서, 연료 고압 어큐뮬레이터로 공급되며, 이 연료 고압 어큐뮬레이터는 예컨대 연료 고압 펌프를 통해 연료를 공급받는다. 압력 챔버(2) 내에는, 자신의 연소실 측 단부에 원추형으로 형성된 밀봉면(5)을 포함하는 피스톤형 노즐 니들(4)이 종방향으로 변위 가능하게 배치되며, 노즐 니들(4)은 밀봉면을 이용하여 유동 횡단면을 개방 및 폐쇄하기 위해 마찬가지로 원추형인 몸체 시트(7)와 상호작용한다. 원추형 몸체 시트(7)에는, 원통형 섹션(12) 및 블라인드 홀 기저부(13)를 포함하는 블라인드 홀(10)이 인접하며, 블라인드 홀 기저부(13)는 실질적으로 반구형으로 형성된다. 블라인드 홀(10)에서부터는 분사구(14)가 개시되며, 복수의 분사구들 역시도 제공될 수 있고, 이들 분사구들을 통과하여 연료가 유출되어 내연기관의 연소실 내에 도달할 수 있다. 몸체 시트(7) 상에 밀봉면(5)에 의해 노즐 니들(4)이 안착될 경우, 노즐 니들(4)과 몸체 시트(7) 사이의 유동 횡단면은 폐쇄되며, 그럼으로써 압력 챔버(2) 내에 대기 중인 연료는 높은 압력하에 그곳에서 잔존하게 된다. 그에 따라, 블라인드 홀(10)은 무압 상태이고 그에 상응하게 연료는 분사구들(14)을 경유하여 유출되지 않는다.
분사가 수행되어야 한다면, 노즐 니들(4)은 적합한 메커니즘을 통해 종방향으로 이동되며, 그럼으로써 노즐 니들은 몸체 시트(7)로부터 떨어지면서 밀봉면(5)과 몸체 시트(7) 사이의 유동 횡단면을 개방하며, 그럼으로써 연료는 높은 압력하에 압력 챔버(2)에서부터 블라인드 홀(10) 내로 유동한다. 블라인드 홀에서부터 연료는 계속하여 하나 또는 복수의 분사구(14)를 통과하여 유동하고, 그와 같이 연소실 내에 도달한다. 연료는 분사구들(14)로부터의 유출 동안 무화되며, 다시 말하면 제트는 분열되어, 연소실 내에 있는 산소와 잘 혼합되고 그와 같이 점화성 혼합기가 되는 다량의 작은 연료 액적을 형성한다. 분사의 종료를 위해, 노즐 니들(4)은 몸체 시트(7)에 안착되는 자신의 폐쇄 위치로 다시 밀착되며, 그럼으로써 블라인드 홀(10) 내로의 연료의 유입은 종료되게 된다.
도 2에는, 블라인드 홀(10) 내부의 견부(16)를 통해 도 1에 도시된 연료 분사 노즐과 구분되는 본 발명에 따른 연료 분사 노즐의 제1 실시예가 도시되어 있다. 도 3에는, 상기 연료 분사 노즐의 우측이 다시 확대되어 도시되어 있다. 블라인드 홀(10)은 몸체 시트(7)에 직접 인접하는 원통형 섹션(12)을 포함한다. 원통형 섹션(12)은 깊이(T)만큼의 직경 감소부를 통해 야기되는 견부(16)를 통해 범위 한정되며, 견부(16)는 본 실시예에서 원추형으로 형성된다. 깊이(T)는 5 내지 100㎛(0.005 내지 0.1㎜)이며, 그럼으로써 블라인드 홀(10)은 도 1에 도시된 것과 같은 공지된 실시 변형예에 비해 단지 극미하게 더 큰 체적만을 보유하게 된다. 이는, 블라인드 홀 체적이 크다면 분사 일시중지 동안에도 분사구들(14)을 경유한 연료의 의도되지 않은 유출이 야기되고, 이때 연료는 압력 없이 그리고 그에 따라 불충분한 무화로 연소실 내로 유출되어 탄화수소 배출량을 증가시킬 수 있기 때문에, 바람직하다. 분사구들(14)은 항상 블라인드 홀(10)의 원통형 섹션(12) 내로 통해 있으며, 다시 말해 견부(16)와 유입 에지부(11) 사이에서 상기 원통형 섹션 내로 통해 있다. 그에 따라, 모든 분사구들(14)로의 연료의 균일한 분배가 보장되는데, 그 이유는 모든 분사구들(14)이 동일한 유입 특성을 보유하기 때문이다.
견부(16)의 작용은 도 4에 도시되어 있으며, 다시금 도 4에는 도 3에서와 동일한 연료 분사 노즐이 도시된다. 연료는 노즐 니들(4)의 개방 위치에서 밀봉면(5)과 몸체 시트(7) 사이를 통과하여 블라인드 홀(10) 내로 유동한다. 노즐 니들(4)은 개방 행정 이동의 지각 시점(retarded time point)에 몸체 시트(7)로부터 상대적으로 멀리 이격되어 있기 때문에, 연료는 큰 와류 없이 블라인드 홀(10) 내로 유동하고 이와 동시에 밀봉면(5)을 따라가고 그렇게 하여 상대적으로 큰 와류 없이 블라인드 홀 기저부(13) 내에 도달한다. 여기서부터 연료는 측면으로 다시 역류하고 이와 동시에 견부(16)에서 과류한다. 이처럼 견부(16)에서의 과류는 분사 홀(14) 내로 연료의 유입 전에 연료의 와류를 야기하며, 이는 분사 홀(14)을 통해 이어지고 결국 분사 홀(14)에서부터의 연료의 유출 시 상대적으로 더 양호한 무화를 달성한다.
도 5에는, 본 발명에 따른 연료 분사 노즐의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 상기 실시예는, 블라인드 홀(12)의 원통형 섹션과 견부(16) 사이의 전이부, 그리고 견부(16)에서부터 블라인드 홀 기저부(13)까지의 전이부가 각각 라운딩되어 있다는 점에서, 도 3 또는 도 4에 도시된 연료 분사 노즐과 구분된다. 라운딩을 통해, 에지부가 뾰족한 경로에서 발생할 수도 있는 것과 같은 노치 스트레스는 최소화되지만, 그러나 유입되는 난류와 관련한 작용도 더 적어진다. 이와 반대로, 도 6에 도시된 실시예의 경우, 견부(16)는 환형 디스크로서 형성되며, 다시 말하면 견부는 블라인드 홀(10)의 원통형 섹션(12)과 견부(16) 사이에 직각 전이부를 포함한다. 그 결과, 한편으로 난류의 유입이 촉진되며, 다른 한편으로 특히 분사 압력이 매우 높은 경우, 에지부가 뾰족한 전이부 상에는 노즐 몸체의 강도를 약화시킬 수 있는 노치 스트레스가 발생한다.
도 2에는, 분사구들(14) 중 복수의 분사구들이 노즐 몸체(1)의 주연부에 걸쳐 분포 배치될 수 있는, 상기 분사구들에 추가로, 몸체 시트(7)에서부터 직접 개시되는 추가 분사구(15)가 형성되어 있다. 상기 분사구들(15)은 소위 시트 홀 노즐들(seat hole nozzle)의 특징이며, 그리고 블라인드 홀(10)에서부터 개시되는 분사구들(14)에 대해 다른 제트 특성을 나타낸다. 이렇게 하여, 특히 대형인 연소실들의 경우, 연료는 전체 연소실 체적에서 효과적으로 분배된다.

Claims (9)

  1. 내연기관 내에서의 이용을 위한 연료 분사 노즐로서, 상기 연료 분사 노즐은 노즐 몸체(1)를 포함하며, 이 노즐 몸체 내에는 높은 압력하에 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버(2)가 형성되고, 종방향으로 변위될 수 있는 노즐 니들(4)이 배치되며, 노즐 니들(4)은 밀봉면(5)을 포함하고, 상기 밀봉면을 이용하여 노즐 몸체(1) 내에 형성된 원추형 몸체 시트(7)와 상호작용하고, 그에 따라서 압력 챔버(2)에서부터 블라인드 홀(10)까지의 연결부를 개방 및 폐쇄하며, 블라인드 홀(10)은 몸체 시트(7)에 직접 인접하여 원통형 섹션(12)을 형성하며, 그럼으로써 몸체 시트(7)와 블라인드 홀(10) 사이의 전이부 상에 유입 에지부(11)가 형성되게 되며, 그리고 상기 연료 분사 노즐은 노즐 몸체(1) 내에 형성되어 블라인드 홀(10) 내로 통해 있는 하나 이상의 분사구(14)도 포함하는, 상기 연료 분사 노즐에 있어서,
    블라인드 홀(10)의 원통형 섹션은 유입 에지부(11)의 반대 방향으로 향해 있는 자신의 단부에서 직경 감소부로 전이되며, 그럼으로써 이 위치에 견부(16)가 형성되며, 하나 이상의 분사구(14)는 견부(16)와 유입 에지부(11) 사이에서 블라인드 홀(10) 내로 통해 있는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 몸체 시트(7)의 반대 방향으로 향하는 방식으로 견부(16)에는 실질적으로 반구형인 블라인드 홀 기저부(13)가 인접하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  3. 제1항에 있어서, 견부(16)는 환형 디스크 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  4. 제1항에 있어서, 견부(16)는 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  5. 제1항에 있어서, 상기 블라인드 홀의 원통형 섹션(12)에서부터 견부(16)까지, 또는 견부(16)에서부터 그에 인접하는 블라인드 홀 기저부(13)까지의 전이부는 라운딩되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  6. 제1항에 있어서, 견부(16)는 블라인드 홀(10)의 전체 주연부에 걸쳐서 동일한 깊이(T)를 보유하는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  7. 제6항에 있어서, 견부(16)의 깊이(T)는 5㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  8. 제1항에 있어서, 노즐 몸체(1) 내에는 견부(16)와 유입 에지부(11) 사이에서 블라인드 홀(10) 내로 통해 있는 복수의 분사구들(14)이 형성되며, 분사구들(14)은 노즐 몸체(1)의 주연부에 걸쳐 바람직하게는 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
  9. 제1항에 있어서, 하나 이상의 분사구(14)는 원추형 몸체 시트(7) 내로 통해 있는 것을 특징으로 하는, 연료 분사 노즐.
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