KR20230104717A - 연료의 계량식 분배를 위한 연료 인젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유지 몸체(2)와 노즐 몸체(3)를 포함하는 하우징(1)을 구비한, 연료의 계량식 분배를 위한 연료 인젝터에 관한 것으로, 상기 노즐 몸체(3) 내에 고압에서 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버(4)가 형성되고, 상기 압력 챔버 내에는 노즐 몸체(3) 내에 형성된 분사 개구(9)를 개폐하기 위한 가동 밸브 요소(7)가 배치된다. 노즐 몸체(3)는, 단부에 분사 개구(9)가 형성된 원통형 샤프트 섹션(18)을 갖는다. 안쪽으로 돌출된 단차부(15)로써 노즐 몸체(3)의 클램핑 숄더(17) 뒤에 맞물리고 유지 몸체(2)의 나사산에 조여지는 클램핑 너트(4)를 이용하여, 노즐 몸체(3)가 유지 몸체(2)에 대해 브레이싱된다. 클램핑 너트(4)상의 단차부(15)의 내부면(16)에 있는 언더컷부(22; 122; 222; 322)에 맞물리고 클램핑 너트(4)와 열 접촉을 형성하는 열전도 슬리브(20)가 샤프트 섹션(18)을 둘러싸고 있다.

Description

연료의 계량식 분배를 위한 연료 인젝터

본 발명은 연료를 특히 내연 기관의 연소 챔버에 직접 계량 분배하기 위해 사용되는 연료 인젝터에 관한 것이다.

고압에서 액체 연료의 계량식 분배를 위한 연료 인젝터는 종래 기술로부터 공지되어 있다. 압축된 연료는 연료 인젝터로 공급되고, 이 연료 인젝터에 의해 직경이 작은 분사 개구를 통해 내연기관의 연소실 내로 직접 계량투입된다. 계량은 연료 인젝터 내에 종방향으로 변위 가능하게 배치된 밸브 요소, 특히 노즐 니들의 도움으로 수행된다. 노즐 니들이 주기적으로 분사 개구를 열거나 닫음으로써, 연료가 필요한 시점에 단시간 내에 연소실 내로 계량투입될 수 있다. 연료의 높은 압력으로 인해 연료가 분사 개구 밖으로 분사될 때 분무화되어, 공기 중 산소와 함께 연소실에서 점화 가능한 혼합물을 형성하는 미세한 연료 미스트를 생성한다.

이때 연료 인젝터는 다양한 열부하에 노출된다. 한편으로는, 연소실에서 연료가 연소되면 고온이 발생하여 상당량의 열이 연료 인젝터로 유입된다. 또한, 압축 시 연료가 가열됨에 따라 연료 인젝터로 흐르는 연료를 통해서도 지속적으로 열이 공급된다. 기존의 연료 인젝터는 연료 인젝터 내부에서 좁은 유격으로 안내되는 노즐 니들로 작동되기 때문에, 열 유입에 의해 좁은 가이드 유격이 손상될 수 있고, 이로 인해 노즐 니들의 마모가 증가하게 된다. 또한, 연료 인젝터의 열 과부하가 발생함에 따라 재료가 연화될 수 있고, 이는 연료 인젝터의 사용 수명을 제한한다.

그에 비해 본 발명에 따른 연료 인젝터는, 열부하가 특히 노즐 몸체의 영역, 즉, 연소실에 가장 가까운 영역에서 제한되고, 그로 인해 사용 수명이 연장되고 연료 인젝터의 사용 수명 동안 계량 정확도가 유지된다는 장점이 있다. 이를 위해 연료 인젝터는 유지 몸체와 노즐 몸체를 포함하는 하우징을 갖는다. 노즐 몸체 내에는 고압에서 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버가 형성되고, 상기 압력 챔버 내에는 노즐 몸체 내에 형성된 분사 개구를 개폐하기 위한 가동 밸브 요소가 배치된다. 노즐 몸체는, 단부에 분사 개구가 형성된 원통형 샤프트 섹션을 갖는다. 또한, 연료 인젝터는 안쪽으로 돌출된 단차부로써 노즐 몸체의 클램핑 숄더 뒤에 맞물리고 유지 몸체의 나사산에 조여짐으로써 노즐 몸체가 유지 몸체에 대해 브레이싱되게 하는 클램핑 너트를 포함한다. 클램핑 너트상의 단차부의 내부면에 있는 언더컷에 맞물리고 클램핑 너트와 열 접촉을 형성하는 열전도 슬리브가 샤프트 섹션을 둘러싼다.

노즐 몸체는 연소실 내 열로 인해 높은 열부하에 노출된다. 이를 완화하기 위해 열전도 슬리브는 노즐 몸체의 샤프트 섹션의 외부면에 부착되어 노즐 몸체 내부로 유입되는 열을 그곳으로부터 멀리 전도하고, 상기 열을 노즐 클램핑 너트로 전달하며, 그곳으로부터 열은 계속해서 연소실로부터 더 멀리 전도된다. 그로 인해, 사용 수명에 걸쳐 기능이 손상되지 않을 정도로 노즐 몸체의 온도를 낮출 수 있다.

노즐 클램핑 너트는 충분히 열을 방출할 수 있도록 열전도성이 좋은 재료로 제조되어야 한다. 그러나 예컨대 구리와 같은 재료는 대개 기계적 응력에 대한 내성이 강하지 않다. 노즐 클램핑 너트는 높은 기계적 응력에 노출되기 때문에, 대부분 그러한 재료로 제조될 수 없다. 그러나 본 발명에 따른 열전도 슬리브는 노즐 클램핑 너트의 내부면에서만 상기 노즐 클램핑 너트와 열 접촉할 뿐, 높은 기계적 응력에는 노출되지 않는다. 그러므로 열전도 슬리브는 노즐 클램핑 너트와 독립적으로 제조될 수 있고, 재료는 노즐 클램핑 너트와 열전도 슬리브 모두에 대해 각자의 기능에 최적으로, 즉, 열전도 슬리브를 위해서는 열전도율이 좋은 재료가 선택될 수 있고 클램핑 너트를 위해서는 기계적 응력에 대한 내성이 높은 재료가 선택될 수 있다. 이로써 기계적 안정성을 손상시키지 않고 노즐 몸체로부터의 열방출이 최적화될 수 있다.

이러한 구조는 또한, 노즐 클램핑 너트가 열전도 슬리브용 수용부를 갖는 한, 재료나 형상의 특별한 조정 없이도 열전도 슬리브를 다양한 인젝터에서 사용할 수 있다는 장점을 제공한다. 연소실에 대한 밀봉은 노즐 클램핑 너트에 의해 또는 별도의 밀봉 부품, 예컨대 밀봉 와셔에 의해 보장된다.

바람직한 제1 구성에서, 단차부의 내부면에 언더컷을 형성하는 경사부가 형성된다. 바람직하게, 노즐 클램핑 너트 내부에 배치된 열전도 슬리브의 단부가 대응하는 굽힘부를 가짐으로써, 상기 굽힘부가 노즐 클램핑 너트의 언더컷에 맞물려서 열전도 슬리브가 상기 영역에 간단히 기계적으로 고정된다. 단차부의 내부면은 원추형으로도 형성될 수 있는데, 이 경우 열전도 슬리브는 그 단부에 대응 원추형 섹션을 갖는다.

또 다른 한 바람직한 구성에서, 클램핑 너트의 단차부의 내부면에 나사산이 형성되고, 이 나사산에 열전도 슬리브가 자신의 단부에 형성된 대응 수나사산에 의해 조여진다. 이로써 간단하게 열전도 슬리브와 노즐 클램핑 너트 사이에 기계적으로 안정적인 연결이 생성될 수 있다.

또 다른 한 바람직한 구성에서, 단차부의 내부면에 열전도 슬리브가 압착되는 표면 프로파일부가 형성된다. 열전도 슬리브와 노즐 클램핑 너트 사이에 기계적으로 안정적인 연결을 생성하기 위해, 노즐 클램핑 너트를 조이기 전에 열전도 슬리브를 노즐 클램핑 너트의 단차부 내에 위치시킨 다음 단일 프레싱 공정으로 단차부의 상기 표면 프로파일부와 연결한다.

또 다른 한 바람직한 구성에서, 단차부의 영역에서 노즐 클램핑 너트와 노즐 몸체의 샤프트 섹션 사이에 갭이 형성된다. 연료 인젝터의 작동 시 주기적으로 변동하는, 노즐 몸체의 압력 챔버 내 고압으로 인해 샤프트 섹션의 영역에서 노즐 몸체의 수 마이크로미터의 반경방향 확장이 일어난다. 이러한 운동을 방해하지 않음으로써 노즐 몸체의 기계적 응력 내성을 유도하기 위해, 단차부의 영역에만 형성된 갭이 제공된다. 그 외에는, 열전도 슬리브가 노즐 몸체의 샤프트 섹션을 적어도 부분적으로 매우 밀착되도록 둘러쌈으로써, 노즐 몸체와 열전도 슬리브 사이에 상응하게 우수한 열전달이 보장된다.

또 다른 바람직한 구성에서, 열전도 슬리브는 열전도성이 좋은 금속으로 제조된다. 바람직한 방식으로 상기 금속은 구리, 알루미늄 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금이다. 이러한 금속으로 제조된 열전도 슬리브는 강철에 비해 상대적으로 부드럽기 때문에 노즐 몸체에 잘 안착되어 우수한 열접촉을 구현할 수 있다.

도면에는 본 발명에 따른 연료 인젝터의 상이한 실시예들이 도시되어 있다.
도 1은 실린더 헤드 내 장착 위치에 있는 노즐 몸체 영역에서의 본 발명에 따른 연료 인젝터의 종단면도이며, 여기에는 주요 영역만 도시되어 있다.
도 2는 도 1에 "II"로 표시된, 노즐 클램핑 너트의 단차부 영역에 있는 섹션의 확대도이다.
도 3, 4, 5 및 6은 도 2와 동일하게 표현된, 본 발명에 따른 연료 인젝터의 또 다른 실시예들의 도면이다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료 인젝터의 종단면도가 도시되어 있으며, 여기서 연료 인젝터는 (나머지 부분은 상세히 도시되지 않은) 내연기관의 실린더 헤드(5)의 장착 위치에 도시되어 있다. 연료 인젝터는, 클램핑 너트(4)에 의해 액밀 방식으로 서로에 대해 브레이싱된 유지 몸체(2)와 노즐 몸체(3)를 포함하는 하우징(1)을 갖는다. 연료 인젝터는 실린더 헤드(5)의 수용 보어(25) 내에 수용되며, 수용 보어(25)는 계단식으로 형성되고, 연료 인젝터(1)가 클램핑 너트(4)로써 얹혀지는 환형 단차부(14)를 형성한다. 노즐 몸체(3) 내에 압력 챔버(6)가 형성되며, 이 압력 챔버는 도면에 도시되지 않은 유입 보어를 통해 고압에서 연료로 채워질 수 있다. 압력 챔버(6) 내에 니들 형상의 밸브 요소(7)가 종방향으로 변위될 수 있게 배치되며, 도면의 하부에 있는 그 단부는 노즐 몸체(3)의 연소실측 단부에 형성된 복수의 분사 개구(9)를 개폐하기 위해 밸브 시트(8)와 상호 작용한다. 밸브 요소(7)는 밸브 시트(8)로부터 먼 쪽을 향하는 단부로써 슬리브(10) 내에서 안내되고, 그에 따라 유지 몸체(2), 슬리브(10) 및 밸브 요소(7)에 의해 제어 챔버(26)가 한정되며, 상기 제어 챔버 내에서 도면에는 도시되지 않았지만 종래 기술로부터 충분히 공지되어 있는 제어 밸브에 의해 가변 연료 압력이 조정될 수 있다.

슬리브(10)와, 밸브 요소(7)의 단차부에 지지되는 지지 링(12) 사이에 폐쇄 스프링(11)이 압축 예압 하에 배치되며, 그 힘에 의해 일측으로 밸브 요소(7)가 밸브 시트(8)에 대해 가압되고, 타측으로 슬리브(10)가 유지 몸체(2)에 대해 가압된다. 압력 챔버 내에서의 밸브 요소(7)의 운동은 제어 챔버(26) 내의 압력 변화에 의해 수행된다. 제어 챔버(26) 내 압력이 하강하면, 밸브 요소(7)는 밸브 시트(8)로부터 멀어지고, 압력 챔버(6)로부터 분사 개구(9)로의 연료 흐름을 릴리스하며, 그로 인해 연료가 연소실로 유입되고 고압으로 인해 미세하게 분무된다. 분사를 종료하기 위해 제어 챔버(26) 내 압력이 다시 상승하고, 그로 인해 밸브 요소(7)가 다시 밸브 시트(8)에 접하면서 가압된다.

클램핑 너트(4)는 안쪽으로 돌출하는 단차부(15)로써 노즐 몸체(3) 뒤에 맞물리고, 이 단차부(15)에 의해 노즐 몸체(3)의 클램핑 숄더(17)에 접한다. 선행 기술로부터 공지된 바와 같은 상기 배열체가 도 1의 좌측에 도시되어 있다. 도 1의 우측, 즉, 밸브 요소(7)의 종축(13)과 관련하여 우측은 수용 보어(25)의 벽과 노즐 몸체(3)의 샤프트 섹션(18) 사이에 배치된 본 발명에 따른 열전도 슬리브(20)를 도시한다. 노즐 몸체(3)로부터 열전도 슬리브(20)로 열이 잘 전달될 수 있도록 하기 위해, 열전도 슬리브(20)는 예를 들어 구리와 같이 열을 잘 전도하는 재료로 형성되고, 작은 유격만으로 노즐 몸체(3)의 샤프트 섹션(18) 전체를 둘러싼다. 열전도 슬리브(20)는, 클램핑 너트(4)의 단차부(15)와 노즐 몸체(3)의 샤프트 섹션(18) 사이에 형성된 갭 내부까지 돌출된다.

열전도 슬리브(20)의 축방향 고정을 위해 단차부(15)의 내부면(16)에, 여기서는 경사부 형태의 언더컷이 제공된다. 열전도 슬리브(20)는, 단차부(15)와 샤프트(18) 사이의 갭 내에 배치된 단부 섹션에, 도 1에 "II"로 표시된 섹션의 확대부를 나타내는 도 2에 도시된 바와 같이 굽힘부를 갖는다. 열전도 슬리브(20)는 이러한 방식으로 언더컷(22)에 맞물리고 열전도 슬리브(20)를 종방향으로 고정한다. 열전도 슬리브(20)의 조립은 클램핑 너트(4)가 나사로 조여지기 전에 수행될 수 있거나, 조립이 완료된 연료 인젝터에서도 수행될 수 있으며, 이 경우 열전도 슬리브(20)는 단차부(15)와 샤프트(18) 사이의 갭 내로 진입된 후에 굽힘부(23)로써 바깥쪽으로 튀어나와 언더컷(22)에 맞물린다.

도 3은 도 2와 동일한 표현으로 또 다른 실시예를 도시한다. 여기서는 단차부(15)의 내부면에 언더컷(22)을 형성하는 원추부(122)가 형성된다. 그에 상응하게, 열전도 슬리브(20)는 상기 언더컷(22)에 맞물리는 원추형 섹션(122)을 갖는다.

도 4는 도 2와 동일한 표현으로 또 다른 실시예를 도시한다. 여기서는 언더컷(22)이 단차부(15)의 내부면(16)에 형성된 원추형 암나사(222)에 의해 형성된다. 열전도 슬리브(20)는 대응하는 수나사(19)를 가지며, 그에 따라 열전도 슬리브(20)가 암나사(222)에 맞물려서 위치 고정된다. 이 경우, 클램핑 너트(4)를 하우징(1)에 나사로 고정하기 전에 반드시 조립이 필요하다.

도 5에는 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 여기서는, 도 4와 매우 유사하게, 단차부(15)의 내부면(16)에 암나사(222')가 형성된다. 이는 연료 인젝터의 조립이 완료된 후에도 열전도 슬리브(20)가 나사로 조여져서 고정될 수 있게 한다. 따라서, 조립이 완료된 연료 인젝터에서 열전도 슬리브(20)를 교체하는 것도 가능하다.

도 6에는 단차부(15)의 내부면(16)에 프로파일부(322)가 형성된 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 열전도 슬리브(20)는 단차부(15)와 샤프트(18) 사이의 갭 내에 배치된 단부 섹션으로써 프로파일부(322) 내로 압입되며, 이는 노즐 클램핑 너트(4)의 조립 전에 수행되어야 한다. 이를 통해 열전도 슬리브(20)와 단차부(15) 사이의 재료결합식 연결이 도출된다. 클램핑 너트(4)와 열전도 슬리브(20) 사이의 이러한 연결은 일반적으로 파손 없이는 분리될 수 없다.

열전도 슬리브(20)는 열전도율이 좋은 금속으로 형성된다. 특히 구리 또는 알루미늄 또는 이 두 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금이 적합하다. 노즐 몸체는 일반적으로 열전도율이 상대적으로 낮은 강재로 제조되기 때문에, 열전도는 실질적으로 열전도 슬리브(20)를 통해 수행된다. 이 열전도 슬리브는 노즐 클램핑 너트를 통해 열을 엔진 블록(5)으로 또는 연료 인젝터의 유지 몸체(2)로도 전달한다. 샤프트(18)로부터 열전도 슬리브(20)로의 양호한 열 전달을 보장하기 위해, 열전도 슬리브는 샤프트(18)에 밀착된다. 노즐 클램핑 너트의 영역에서만 열전도 슬리브(20)와 샤프트(18) 사이에 갭(21)이 제공되므로, 노즐 몸체(3)는 압력 챔버(6) 내에서의 높은 연료 압력의 변화로 인한 주기적인 팽창 시 방해받지 않으며, 이는 노즐 몸체(3) 내에 추가적인 기계적 응력을 초래할 것이다.

Claims (10)

1. 연료의 계량식 분배를 위한 연료 인젝터이며,
   이 연료 인젝터는 유지 몸체(2)와 노즐 몸체(3)를 포함하는 하우징(1)을 구비하고, 상기 노즐 몸체(3) 내에 고압에서 연료로 채워질 수 있는 압력 챔버(4)가 형성되며, 상기 압력 챔버 내에는 노즐 몸체(3) 내에 형성된 분사 개구(9)를 개폐하기 위한 가동 밸브 요소(7)가 배치되고, 상기 노즐 몸체(3)는, 그 단부에 분사 개구(9)가 형성된 원통형 샤프트 섹션(18)을 가지며; 상기 연료 인젝터는, 안쪽으로 돌출된 단차부(15)로써 노즐 몸체(3)의 클램핑 숄더(17) 뒤에 맞물리고 유지 몸체(2)의 나사산에 조여져서 노즐 몸체(3)가 유지 몸체(2)에 대해 브레이싱되게 하는 클램핑 너트(4)를 구비하는; 연료 인젝터에 있어서,
   클램핑 너트(4)상의 단차부(15)의 내부면(16)에 있는 언더컷부(22; 122; 222; 322)에 맞물리고 클램핑 너트(4)와 열 접촉을 형성하는 열전도 슬리브(20)가 샤프트 섹션(18)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
2. 제1항에 있어서, 단차부(15)의 내부면(16)에 언더컷(122)을 형성하는 경사부가 형성된 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열전도 슬리브(20)는 클램핑 너트(4)의 단차부(15)에 배치된 단부에서 굽혀지도록 형성된 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
4. 제1항에 있어서, 단차부(15)의 내부면(16)이 원추형으로 형성된 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
5. 제1항에 있어서, 단차부(15)의 내부면(16)에 나사산(222; 222')이 형성되고, 이 나사산에 열전도 슬리브(20)가 자신의 단부에 형성된 대응 수나사산(19)에 의해 조여지는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
6. 제1항에 있어서, 단차부(15)의 내부면(16)에 열전도 슬리브(20)가 압착되는 표면 프로파일부(322)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단차부(15)의 영역에서 노즐 클램핑 너트(4)와 노즐 몸체(3)의 샤프트 섹션(18) 사이에 갭(21)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 열전도 슬리브(20)가 노즐 몸체(3)의 샤프트 섹션(18)에 적어도 부분적으로 밀착되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 열전도 슬리브(20)가 열전도성이 좋은 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.
10. 제9항에 있어서, 상기 금속은 구리이거나, 알루미늄이거나, 또는 구리 함유 합금 및/또는 알루미늄 함유 합금인 것을 특징으로 하는, 연료 인젝터.

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