초음파 연료 분사기 document_id A220623025854

연료 분사기는 통상 엔진 실린더의 연소 챔버에 가연성 연료를 이송하는데 사용된다. 통상적인 연료 분사기는 연료가 연소 챔버 내로 이송되도록 연료 분사기로부터 관통 배출되는 하나 이상의 배출 포트를 포함한다. 통상 핀 또는 니들로 불리는 밸브 부재가 연료 분사기 하우징 내에 이동가능하게 배치된다. 밸브 부재의 폐쇄 위치에서 밸브 부재는 연료 분사를 방지하도록 노즐에 대해 밀봉되고, 개방 위치에서 연료가 배출 포트(들)를 거쳐 노즐로부터 분사된다. 작동시, 고압 연료는 밸브 부재가 폐쇄 위치에 존재하는 상태에서 하우징 내에 유지된다. 밸브 부재는 엔진의 연소 챔버로의 고압 연료의 이송을 위해 노즐 배출 포트(들)를 통해 고압 연료를 분사하기 위해 간헐적으로 개방된다. 이러한 연료 분사기를 통합하고 있는 내연 기관의 연료 효율은 연소 챔버 내로 분사되는 연료의 액적 크기에 부분적으로 의존한다. 즉, 더 작은 액적 크기는 연소 과정 중에 연료의 더 효과적인 연소를 제공하기 쉽다. 연료 효율을 향상시키기 위한 시도는 연료 분사기로부터의 연료의 더 분무화된 스프레이(atomized spray)를 촉진시키기 위해, 노즐의 배출 포트(들)를 점진적으로 좁히고 그리고/또는 연료 분사기가 작동하는 높은 연료 압력을 실질적으로 증가시키는 것을 포함하고 있다. 예컨대, 이러한 연료 분사기는 통상 8,000 psi(550 bar)보다 큰 압력에서 작동하거나, 30,000 psi(2070 bar)와 같이 더 높은 압력에서 작동한다. 또한, 이러한 연료 분사기는 약 185℉ 이상과 같은 높은 작동 온도에 노출된다. 연료 효율을 더 증가시키기 위한 시도에 있어서, 배출 포트를 거쳐 노즐로부터 배출된 연료에 초음파 에너지를 제공하여 연소 챔버로 이송된 연료의 향상된 분무화를 용이하게 하는 것이 공지되어 있다. 예컨대, 전체 기재 내용이 참조 문헌으로서 본 명세서에 합체된 미국 특허 제6,543,700호[제임슨(Jameson) 등]에는 밸브 니들이 초음파 주파수에서 변화하는 자기장에 응답하는 자기변형(magnetostrictive) 재료로 적어도 일부분이 형성되는 연료 분사기가 개시되어 있다. 밸브 니들이 밸브 본체(즉, 노즐)로부터 배출되는 것을 허용하도록 위치설정되는 경우, 초음파 주파수에서 변화하는 자기장이 밸브 니들의 자기변형 부분에 인가된다. 이에 따라, 밸브 니들은 연료가 출구 오리피스를 거쳐 연료 분사기를 빠져나갈 때 연료에 초음파 에너지를 제공하도록 초음파식으로 여기된다. 미국 특허 제5,330,100호[말리노브스키(Malinowski)]에 개시된 초음파 연료 분사기에서, 연료 분사기의 노즐은 연료가 연료 분사기의 출구 오리피스를 통해 방출될 때 초음파 에너지가 연료에 제공되도록 노즐 자체가 초음파식으로 진동하도록 구성된다. 이러한 구조에서는, 노즐을 진동시키는 자체가 (예컨대, 출구 오리피스 내의 연료의 캐비테이션으로 인해) 출구 오리피스에서 노즐의 캐비테이션 침식을 발생시키는 위험이 존재한다. 관련 미국 특허 제5,803,106호[코헨(Cohen) 등)], 제5,868,153호[코헨 등], 제6,053,424호[깁슨(Gipson) 등] 및 제6,380,264호(제임슨 등)에는 가압 액체에 초음파식으로 에너지를 인가함으로써 오리피스를 통한 가압 액체의 유량을 증가시키기 위한 장치가 전체적으로 개시되어 있다. 특히, 가압 액체는 가압 액체가 관통하여 챔버를 빠져나가는 출구 오리피스(또는 출구 오리피스들)를 포함하는 다이 팁을 갖는 하우징의 챔버 내로 이송된다. 초음파 혼(horn)은 일부분은 챔버 내에서 종방향으로 연장되고 일부분은 챔버의 외향으로 연장되며, 초음파 혼의 팁에서 혼의 초음파 진동을 증폭시키기 위해 출구 오리피스에 인접하게 배치된 팁을 향해 감소하는 직경을 갖는다. 변환기가 혼을 초음파식으로 진동시키기 위해 혼의 외부 단부에 부착된다. 개시된 이러한 장치가 유용한 하나의 적용예는 내연 기관용 연료 분사기이다. 이러한 장치배열의 하나의 단점은 연료 분사기가 작동하는 고압에 다양한 구성요소가 노출되는 것이 구성요소에 상당한 응력을 가한다는 것이다. 특히, 초음파 혼의 일부분은 챔버 내에 침지되고 다른 일부분은 침지되지 않기 때문에, 혼의 상이한 세그먼트에 가해진 상당한 압력차가 존재하여 혼에 추가적인 응력을 가하게 된다. 또한, 이러한 장치는 작동 밸브 부재를 용이하게 수용할 수 없는데, 이는 장치로부터의 액체의 이송을 제어하는 몇몇 초음파 액체 이송 장치에 있어서 통상적인 것이다.