KR101198805B1

KR101198805B1 - 차량용 인젝터

Info

Publication number: KR101198805B1
Application number: KR1020100122237A
Authority: KR
Inventors: 최창렬
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-11-07
Also published as: US20120138712A1; CN102486150A; KR20120060635A

Abstract

본 발명은 노즐 홀에 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로를 형성하여 가속 통로에서는 연료의 유량을 증대시키고 팽창 홀에서는 연료 내부에 기포를 발생시켜 공기와의 혼합율을 증가시키는 차량용 인젝터에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 인젝터는 원통 형상의 하우징; 상기 하우징의 하단에서 하우징의 내부와 외부를 관통하는 복수개의 노즐 홀; 그리고 상기 하우징 내부에서 왕복 운동을 하며, 상기 노즐 홀을 선택적으로 열고 닫는 니들;을 포함하며, 상기 각각의 노즐 홀은 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로를 가지며, 상기 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로의 직경은 각각 직선형(linear)으로 증가, 감소, 또는 유지될 수 있다.

Description

차량용 인젝터{INJECTOR FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 인젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐 홀에 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로를 형성하여 가속 통로에서는 연료의 유량을 증대시키고 팽창 홀에서는 연료 내부에 기포를 발생시켜 공기와의 혼합율을 증가시키는 차량용 인젝터에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 연료를 연소실에 직접 분사하는 디젤 차량과 연료를 흡기 통로 또는 흡기 매니폴드에 분사하고 흡기 밸브를 통하여 연료와 공기의 혼합기를 연소실에 공급하는 가솔린 차량으로 구분된다.

가솔린 차량의 경우, 분사된 연료가 흡기 통로 또는 흡기 매니폴드에서 공기와 충분히 섞인 후 흡기 밸브를 통하여 연소실에 공급되므로 연료 분무 특성이 크게 중요하지 않다.

그러나, 디젤 차량의 경우 연료가 인젝터를 통해 연소실에 직접 분사되고 연료가 분사되며 연소되므로 공기와 혼합되기 위한 충분한 시간을 갖기가 힘들다. 따라서, 디젤 차량의 경우 연료의 분무 특성이 매우 중요하며, 이 분무 특성은 연소 특성에 큰 영향을 끼치게 된다.

상기 연료의 분무 특성은 인젝터의 노즐 홀의 단면 형상과 큰 관련이 있다. 노즐 홀의 단면 형상을 정의하기 위한 여러 가지 인자 중 하나는 케이 팩터이다. 케이 팩터는 다음의 식에 의하여 정의 된다.

K factor = (d_in - d_out)/10

여기서, d_in은 노즐 홀의 입구 직경이며, d_out은 노즐 홀의 출구 직경이다.

케이 팩터가 작으면 침투 거리(penetration length)가 감소하는 대신 분무가 넓게 퍼지며, 케이 팩터가 크면 침투 길이가 증가하는 대신 분무가 좁아진다. 즉, 케이 팩터가 작은 노즐 홀에서 연료를 분사하면 공기와 연료의 혼합이 잘 되어 부분부하 영역에서 배기가 줄어들지만 연료량 분사가 많은 고부하 영역에서는 침투 거리가 짧아 출력이 작아지게 된다.

이와는 달리, 케이 팩터가 큰 노즐은 침투 거리가 길어지는 대신 분무가 좁아지게 된다. 따라서, 출력은 증가하지만 공기와 연료의 혼합이 악화되는 단점이 있다.

상기와 같이, 단순히 하나의 직경 증가율 또는 직경 감소율을 가진 노즐 홀에서 케이 팩터를 조절하여 연소 특성을 개선하는 것은 장점과 단점이 공존한다. 따라서, 적어도 두 개 이상의 직경 변화율을 가진 노즐 홀이 연구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로가 구비된 노즐 홀을 이용하여 연료의 유량 증대와 연료와 공기의 혼합율을 증가시킬 수 있는 차량용 인젝터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 인젝터는 원통 형상의 하우징; 상기 하우징의 하단에서 하우징의 내부와 외부를 관통하는 복수개의 노즐 홀; 그리고 상기 하우징 내부에서 왕복 운동을 하며, 상기 노즐 홀을 선택적으로 열고 닫는 니들;을 포함하며, 상기 각각의 노즐 홀은 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로를 가지며, 상기 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로의 직경은 각각 직선형(linear)으로 증가, 감소, 또는 유지될 수 있다.

상기 두 개 이상의 팽창 통로는 직경이 증가하는 제1팽창 통로; 그리고 직경이 유지되는 제2팽창 통로;를 포함할 수 있다.

상기 가속 통로와 상기 제1,2팽창 통로는 인젝터의 내부에서 외부로 가속 통로, 제1팽창 통로, 그리고 제2팽창 통로의 순서로 형성되어 있을 수 있다.

상기 제1팽창 통로의 직경 증가율은 상기 가속 통로의 직경 감소율보다 클 수 있다.

상기 노즐 홀의 케이 팩터는 -5에서 10 사이일 수 있다.

상기 가속 통로와 상기 제1팽창 통로의 경계 또는 상기 제1팽창 통로와 상기 제2팽창 통로의 경계는 곡선으로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 가속 구간에서 연료의 유량을 증대시키고 팽창 구간에서 기포를 발생시켜 연료와 공기의 혼합율을 증가시키므로 출력의 증가 및 배기가 개선된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 인젝터의 일부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 인젝터에서 노즐 홀의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우와 종래의 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우의 운동에너지를 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우와 종래의 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우 발생되는 배기를 비교한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 인젝터의 일부 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인젝터는 하우징(10) 내부에 니들(30)이 배치되어 있으며, 상기 니들(30)은 하우징(10) 내에서 왕복 운동하도록 되어 있다. 니들(30)을 왕복 운동시키기 위하여, 하우징(10)의 상부에는 전자석이 구비되어 있다. 따라서, 전자석에 전류가 인가되면 니들(30)은 상부로 움직이게 되고, 전자석에 전류가 인가되지 않으면 니들(30)은 하부로 움직여 니들 시트(20)와 접촉하게 된다.

또한, 상기 하우징(10)의 내부에는 연료 통로가 형성되어 있다. 연료 통로는 인젝터 외부의 연료 공급 통로와 항시 연결되어 연료를 공급 받는다.

또한, 상기 하우징(10)의 하부에는 그 내부와 외부를 관통하는 복수개의 노즐 홀(40)이 형성되어 있다. 상기 복수개의 노즐 홀(40)은 상기 연료 통로와 선택적으로 연결된다. 즉, 전자석에 전류가 인가되지 않아 상기 니들(30)이 하우징(10) 내부 하부에 형성된 니들 시트(20)에 접촉하면 상기 연료 통로와 노즐 홀(40)은 연통되지 않고, 전자석에 전류가 인가되어 상기 니들(30)이 니들 시트(20)로부터 떨어지면 연료 통로와 노즐 홀(40)이 연통된다. 이 때, 연료는 상기 노즐 홀(40)을 통해 연소실 내부로 분사되게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 인젝터에서 노즐 홀의 확대 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)은 3개의 통로(즉, 가속 통로(42), 제1팽창 통로(44), 그리고 제2팽창 통로(46))로 형성되어 있다.

가속 통로(42)는 인젝터(10)의 내부에 가장 가깝게 배치되어 있고, 제2팽창 통로(46)는 인젝터(10)의 외부에 가장 가깝게 배치되며, 제1팽창 통로(44)는 상기 가속 통로(42)와 제2팽창 통로(46) 사이에 배치되어 있다.

가속 통로(42)는 그 직경이 줄어들어 가속 통로(42)를 통과하는 연료의 속도가 증가하도록 되어 있다. 즉, 가속 통로(42)의 입구 직경은 D이고, 가속 통로(42)의 출구 직경은 h이며 D가 h보다 크다. 또한, 가속 통로(42)의 직경은 연료의 흐름을 따라 직선형으로 감소하게 된다. 이러한 가속 통로(42)의 직경 감소율(K1)은 다음의 식으로 표시된다.

K1 = (D - h)/l1

여기서, l1은 가속 통로(42)의 길이이다.

가속 통로(42)의 입구 직경(D)을 크게 형성함으로써 노즐 홀(40)의 입구에서 연료의 흐름 저항이 감소하게 된다. 따라서, 연료의 유량이 증가하게 된다.

제1팽창 통로(44)는 상기 가속 통로(42)와 연통되어 있으며, 그 직경이 급격하게 증가하도록 되어 있다. 따라서, 제1팽창 통로(44)를 통과하는 연료의 체적은 급격하게 팽창하며 일부 연료가 무화(atomization)된다. 이러한 무화는 연료와 공기의 혼합을 촉진시킨다. 또한, 기포의 발생을 더욱 활발히 하도록 제1팽창 통로(44)의 직경 증가율은 가속 통로의 직경 감소율보다 크게 되어 있다.

만일 제1팽창 통로(44)의 입구 직경이 h이고, 제1팽창 통로(44)의 출구 직경이 d라면, 제1팽창 통로(44)의 직경 증가율은 다음의 식으로 표시된다.

K2 = (d - h)/l2

여기서, l2는 제1팽창 통로(44)의 길이이다.

또한, 제1팽창 통로(44)의 직경은 연료의 흐름을 따라 직선형으로 증가한다.

제2팽창 통로(46)는 상기 제1팽창 통로(44)에 연통되어 있으며, 그 직경이 일정하게 유지된다. 제2팽창 통로(46)는 연료의 무화를 더욱 촉진시킨다. 이에 따라, 무화된 연료와 공기가 혼합되어 연료와 공기의 혼합율이 더욱 증가한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)은 유량을 증대시키고 연료와 공기의 혼합율을 향상시킨다. 이를 위하여, 노즐 홀(40)의 케이 팩터 역시 최적으로 설정되어야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)의 케이 팩터는 -5에서 10 사이에 있어야 한다. 본 발명의 실시예에서 노즐 홀(40)의 케이 팩터는 다음과 같이 정의된다.

K factor = (D - d)/10

한편, 연료의 흐름을 방해하지 않도록 상기 가속 통로(42)와 상기 제1팽창 통로(44)의 경계 또는 상기 제1팽창 통로(44)와 상기 제2팽창 통로(46)의 경계는 곡선으로 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우와 종래의 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우의 운동에너지를 비교한 도면이다.

도 3(a)는 종래의 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우를 도시한 도면이고, 도 3(b)는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)에서 연료를 분사한 경우를 도시한 도면이다.

도 3(b)를 도 3(a)와 비교하면, 분사되는 연료의 운동에너지가 높은 것을 알 수 있다. 분사되는 연료의 운동 에너지가 높다는 것은 연료의 유량이 많고 연료에서 난류가 더 많이 발생한다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)을 통하여 연료를 분사하면, 연료의 유량이 많아 출력이 증가되고 연료와 공기가 잘 섞여 배기가 저감된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우와 종래의 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우 발생되는 배기를 비교한 도면이다.

도 4에서 위의 곡선은 종래의 노즐 홀에서 연료를 분사한 경우 발생되는 매연과 질소산화물을 도시한 것이고, 아래 곡선은 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)에서 연료를 분사한 경우 발생되는 매연과 질소산화물을 도시한 것이다.

종래의 노즐 홀을 통하여 연료를 분사한 경우와 비교할 때, 본 발명의 실시예에 따른 노즐 홀(40)에서 연료를 분사한 경우 질소산화물의 양이 최대 20% 정도 감소하고, 매연은 최대 35~40% 감소하는 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims

삭제
원통 형상의 하우징;
상기 하우징의 하단에서 하우징의 내부와 외부를 관통하는 복수개의 노즐 홀; 그리고
상기 하우징 내부에서 왕복 운동을 하며, 상기 노즐 홀을 선택적으로 열고 닫는 니들;
을 포함하며,
상기 각각의 노즐 홀은 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로를 가지며, 상기 가속 통로와 적어도 두 개 이상의 팽창 통로의 직경은 각각 직선형(linear)으로 증가, 감소, 또는 유지되되,
상기 두 개 이상의 팽창 통로는
직경이 증가하는 제1팽창 통로; 그리고
직경이 유지되는 제2팽창 통로;
를 포함하는 차량용 인젝터.
제2항에 있어서,
상기 가속 통로와 상기 제1,2팽창 통로는 인젝터의 내부에서 외부로 가속 통로, 제1팽창 통로, 그리고 제2팽창 통로의 순서로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 제1팽창 통로의 직경 증가율은 상기 가속 통로의 직경 감소율보다 큰 것을 특징으로 하는 차량용 인젝터.
제2항에 있어서,
상기 노즐 홀의 케이 팩터는 -5에서 10 사이인 것을 특징으로 하는 차량용 인젝터.
제3항에 있어서,
상기 가속 통로와 상기 제1팽창 통로의 경계 또는 상기 제1팽창 통로와 상기 제2팽창 통로의 경계는 곡선으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 인젝터.