JP2007077807A - 直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部およびその頭部成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高シール性を有するメタルタッチ方式の直噴式内燃機関用燃料配管の
接続構造の提供。
【解決手段】 相手部品の端部の外周面に外ねじを形成するとともに、外方へ開
口する受圧座面を形成し、一方、鋼管もしくはステンレス鋼管からなる燃料配管
の端部に球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を形成して当該頭
部の背面の受圧面を前記外ねじに螺合する袋ナットにて押圧して、前記押圧座面
の弾性変形のみでシールする方式の、アルコールもしくはアルコールを含有する
ガソリンを燃料とする直噴用燃料配管接続構造において、前記燃料配管の押圧頭
部の球面状もしくは湾曲面状の押圧座面と好ましくは当該頭部の背面のナット受
圧面の面粗さＲａを０．４μｍ以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、環境問題の点からバイオマス燃料であるエチルアルコールやメチルアルコールあるいはこれらアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴式内燃機関、特に噴射圧３００ｋｇ／ｃｍ^２に達するような高圧燃料の直接噴射式火花点火内燃機関用燃料配管の接続構造における当該配管の接続頭部およびその頭部成形方法に関する。

従来、エチルアルコールやメチルアルコールあるいはこれらアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴式内燃機関用燃料配管の接続構造としては、相手部品の端部の外周面に外ねじを形成するとともに、中央部に外方へ開口する受圧座面を形成し、一方、金属管の端部には円錐状または球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を形成し、予め金属管に挿通した締付けナットを前記押圧頭部の背面のナット受圧面に当接させて前記相手部品の外ねじに螺合し締付けることにより前記押圧頭部の押圧座面を受圧座面に押圧、係合して接続するよう構成されたもの（特許文献１参照）や、このような構成の接続構造において、前記押圧頭部の少なくとも押圧座面と背面のナット受圧面を球面状もしくは湾曲面状となし、該押圧頭部の背面のナット受圧面と締結用ナットの底部の間にその一側面に該ナット受圧面と当接する球面状もしくは湾曲面状の凹面を有するカラー（ガスケット）を介在させ、該カラーを介して押圧頭部の押圧座面を受圧座面に押圧、係合して接続する方式のもの等が知られている（特許文献２参照）。
ドイツ連邦共和国特許第４４０７３０６号 特開２０００−２２７１８３号広報

しかしながら、従来の前記した直噴用燃料配管接続構造のように、相手部品側と配管側（金属管側）のシート面（受圧座面、押圧座面）、ガスケットのシート面を使用してシールする方式の場合、シート面の表面粗さが粗いと燃料の洩れに到ることがあり、また、切削によるシート面の場合は加工時の粗さが大きいため、シート面からの燃料の洩れが生じやすいという欠点があり、アルコール燃料は粘性が小さいためにさらに漏れ易い傾向にあった。さらにまた、燃料が親水性溶媒であるエチルアルコールやメチルアルコールあるいはこれらのアルコールを含有するガソリンの場合、燃料中の水分濃度が高くなり易く、配管が通常のスチール鋼管では管内面に腐食等の問題が発生するため、配管内面に表面処理等の腐食防止対策をこうじる必要があった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、シート面の表面粗さを規定することによって、ガスケットやパッキン等を介せずに直接のメタルタッチ（金属対金属）であっても燃料の洩れが皆無である、エチルアルコールやメチルアルコールあるいはこれらのアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴式内燃機関用燃料配管の接続構造における当該配管の接続頭部およびその頭部成形方法を提案することを目的とするものである。

本発明にかかる直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部は、相手部品の端部の外周面に外ねじを形成するとともに、外方へ開口する受圧座面を形成し、一方、鋼管もしくはステンレス鋼管からなる燃料配管の端部に球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を形成して当該頭部の背面の受圧面を前記外ねじに螺合する締付けナットにて押圧して、前記押圧座面の弾性変形のみでシールする方式の、アルコールもしくはアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴用燃料配管接続構造において、前記燃料配管の押圧頭部の球面状もしくは湾曲面状の押圧座面の面粗さＲａを０．４μｍ〜０．１５μｍ以下としたことを特徴とするものである。
さらに、前記押圧頭部の背面のナット受圧面の面粗さＲａを０．５μｍ〜０．３μｍ以下としたことを特徴とするものである。
また、本発明の接続頭部は、前記鋼管を電縫管またはセミシームレス管またはシームレス管で構成することを特徴とし、かつ前記鋼管は、内面および／または外面にＮｉ、Ｚｎ、Ｓｎもしくはこれら基合金が設けられていることを特徴とするものである。さらに、本発明の接続頭部は、前記ステンレス鋼管がオーステナイト系の電縫管またはセミシームレス管またはシームレス管であることを特徴とするものである。
なお、前記燃料配管としては、外径がφ６ｍｍ〜φ１０ｍｍ、ｔ／ｄ（ｔ：肉厚、ｄ：管外径）が０．１〜０．３のものが好ましい。

また、本発明にかかる直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部の成形方法としては、相手部品の端部の外周面に外ねじを形成するとともに、外方へ開口する受圧座面を形成し、一方、鋼管もしくはステンレス鋼管からなる燃料配管の端部に球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を形成して当該頭部の背面の受圧面を前記外ねじに螺合する袋ナットにて押圧して、前記押圧座面の弾性変形のみでシールする方式の、アルコールもしくはアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴用燃料配管接続構造における前記燃料配管の押圧頭部の挫屈成形方法において、定尺に切断された鋼管もしくはステンレス鋼管からなる管体のほぼ頭部加工代に相当する長さの外面を面粗さＲａを０．５μｍ以下に平滑面加工し、チャックに前記頭部加工代を突出させて当該管体を保持せしめた後、当該管体の先端部を成形面の面粗さＲａが０．１μｍ〜０．０５μｍのパンチ部材による軸芯方向への押圧によって、面粗さＲａが０．４μｍ〜０．１５μｍ以下の球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を成形することを特徴とするものである。
また、この成形方法において、前記チャックとパンチ部材の成形面の面粗さＲａをそれぞれ０．１μｍ〜０．０５以下、好ましくは０．５μｍ以下とすることを特徴とするものである。
上記成形方法における前記平滑面加工手段としては、ローリング加工、パンチによるしごき加工、布バフもしくはワイヤーバフによるバフ加工、サンドペーパーによる研磨加工のいずれか一つあるいは組合わせて用いることができる。

本発明の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部は、シート面の表面粗さを規定したことによって、ガスケットやパッキン等を介せずに直接のメタルタッチ（金属対金属）で高シール性が得られるため、極めて洩れやすく引火し易いエチルアルコールやメチルアルコールあるいはこれらのアルコールを含有するガソリン燃料であってもシート部からの燃料の洩れが皆無であるという優れた効果を奏する。また、配管材料にオーステナイト系ステンレス鋼を使用することにより、シート面成形時に加工誘起マルテンサイトの析出により硬さが上昇して押圧頭部の変形抵抗が増して締付けナット（袋ナット等）により大きな軸力がかけられ、シール面圧を高くできるという効果が得られる。さらに、本発明方法により、配管外面のシート面（押圧面）が成形される管端部をローリング加工、パンチによるしごき加工、布バフもしくはワイヤーバフによるバフ加工、サンドペーパーによる研磨加工することにより、例え電縫管のように溶接によるビードの影響が僅かに残留する素管であってもその影響を無くすことができる。

図１は本発明に係る直噴用燃料配管接続構造の一実施例を示す断面図、図２は同じく直噴用燃料配管接続構造の他の実施例を示す断面図、図３は同上の接続構造における燃料配管の接続頭部の成形方法に係る加工工程の一実施例を示す縦断面による説明図であり、１、１１は燃料配管、２、１２は接続頭部、３、１３は相手部品、４は袋ナット、１４は外ねじナット、５はチャック、６はパンチ部材である。

燃料配管１、１１は、予め定寸に切断された高圧配管用炭素鋼鋼材等やオーステナイト系ステンレス鋼鋼材等よりなる外径ｄがφ６ｍｍ〜φ１０ｍｍ、ｔ／ｄ（ｔ：肉厚、ｄ：管外径）が０．１〜０．３の鋼管やステンレス鋼管からなる。ここで、ｔ／ｄを０．１〜０．３としたのは、０．１未満では押圧頭部の変形抵抗が小さく、締付けナットの締結による軸力の増加に伴って押圧頭部が変形して漏れを生じやすく、他方、０．３を超えても漏れに対する危惧は解消されるが効果に差はなく、肉厚を厚くした場合は高価になると共に重量が重くなるためである。
また、前記高圧配管用炭素鋼鋼材等からなる鋼管やオーステナイト系のステンレス鋼材等からなるステンレス鋼管には、電縫管またはセミシームレス管またはシームレス管等を用いることができる。なお、炭素鋼製の鋼管の場合は、腐食対策として内面および／または外面にＮｉ、Ｚｎ、Ｓｎもしくはこれら基合金を設ける。

本発明にかかる直噴用燃料配管接続構造における燃料配管１、１１の接続頭部２、１２は、図１および図２に示すように、後述する塑性加工によって接続側端部に球面状もしくは湾曲面状あるいは円錐状の押圧座面２−１、１２−１と該押圧座面２−１、１２−１に連なるナット受圧面２−２、１２−２を有し、かつ該押圧座面２−１、１２−１と好ましくはナット受圧面２−２、１２−２の面粗さＲａを０．４μｍ〜０．１５μｍ以下としたものである。ここで、特に押圧座面２−１、１２−１の面粗さＲａを０．４μｍ〜０．１５μｍ以下としたのは、各種粗さレベルのシート面の漏れ特性を試験によって調べた結果、Ｒａが０．４μｍ以下であれば例え噴射圧が３００ｋｇ／ｃｍ^２に達するような高圧のアルコール燃料であっても漏れを防止することができ、またＲａが０．３μｍ以下ではより確実にシールすることができ、０．１５μｍ以下では最も信頼性の高いシールが得られることが判明したことによる。

上記本発明に係る面粗さＲａが０．４μｍ〜０．１５μｍ以下の接続頭部２を有する燃料配管１、１１を用いた接続構造を図１、図２に基づいて説明する。
まず、図１に示す接続構造について説明すると、相手部品３は厚い肉厚を有し、その端部の外周面に外ねじ３−１が刻設されており、また内部の流通路３−２の開口端部には外方へ開口する受圧座面３−３が形成されている。この受圧座面３−３は、流通路３−２を軸芯とした回転面、すなわち円錐面、回転円弧面、回転楕円面、回転放物面等の形状を有している。前記接続頭部２を有する燃料配管１を相手部品３に接続する場合は、燃料配管１の接続頭部２の押圧座面２−１を相手部品３の受圧座面３−３に当接させた状態で、予め当該燃料配管１に挿通した袋ナット４を前記接続頭部２の背面のナット受圧面に当接させて前記相手部品３の外ねじ３−１に螺合し締付けて前記接続頭部２の押圧座面２−１を受圧座面３−３に押圧することにより、前記押圧座面２−１と受圧座面３−３の僅かな弾性変形のみでシールする構成となす。

また、図２に示す接続構造は、相手部品１３に設けられた接続孔１３−４の内面に雌ねじ１３−１が刻設され、この接続孔１３−４に連通する流通路１３−２の開口端部に外方へ開口する受圧座面１３−３が形成されている。この受圧座面１３−３は、前記図１に示すものと同様、流通路１３−２を軸芯とした回転面、すなわち円錐面、回転円弧面、回転楕円面、回転放物面等の形状を有している。前記接続頭部１２を有する燃料配管１１を相手部品１３に接続する場合は、燃料配管１１の接続頭部１２の押圧座面１２−１を相手部品１３の受圧座面１３−３に当接させた状態で、予め当該燃料配管１１に挿通した外ねじナット１４を前記接続頭部１２の背面のナット受圧面１２−２に当接させて前記相手部品１３の接続孔１３−４の雌ねじ１３−１に螺合し締付けて前記接続頭部１２の押圧座面１２−１を受圧座面１３−３に押圧することにより、前記押圧座面１２−１と受圧座面１３−３の僅かな弾性変形のみでシールする構成となす。

上記した図１、図２に示す接続構造の場合は、前記したごとく押圧座面２−１、１２−１の面粗さＲａが０．４μｍ以下と、好ましくはナット受圧面２−２、１２−２の面粗さＲａが０．５μｍ〜０．３μｍ以下と非常に小さい面粗さとなっているので、締付けナット４、１４による軸芯方向への押圧力（軸力）による接続頭部２、１２の押圧座面２−１、１２−１および受圧座面３−３、１３−３の弾性変形のみで十分にシールすることができる。また、燃料配管１にオーステナイト系ステンレス鋼管を使用した場合は、接続頭部２、１２の塑性変形部分に加工誘起マルテンサイトが析出して硬さが上昇するので接続頭部の変形抵抗が増し、これにより締付けナット４、１４により大きな軸力がかけられ、シール面圧の増大により信頼性をより一層高めることができる。

次に、上記燃料配管１の接続頭部２の成形方法を図３に基づいて説明すると、まず、本発明では定尺に切断された鋼管もしくはステンレス鋼管からなる管体（ｔ／ｄ＝０．１〜０．３）のほぼ頭部加工代に相当する長さＷの外面をローリング加工、パンチによるしごき加工、布バフもしくはワイヤーバフによるバフ加工、サンドペーパーによる研磨加工等により面粗さＲａを０．５μｍ以下に平滑面加工する。ここで、前記平滑面加工を施すほぼ頭部加工代に相当する長さＷとしては、接続頭部の大きさにより若干異なるため特に限定するものではないが、１／５ｄ〜２ｄの長さが好ましい。すなわち、１／５ｄ未満では頭部成形後にシール面となる部分の平滑化が十分にできず、他方、２ｄを超える長さではチャックと当接して締付けナットとの受圧座面となる部分を超えるので効果に差が生じないにもかかわらず工数増を招きコストが高くなるためである。

続いて、この平滑面加工が施された燃料配管１を成形面（輪郭の軸芯方向長さＬ１）５−１の面粗さＲａが０．１μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下のチャック５に前記頭部加工代を突出させて当該管体を保持せしめ、この状態において当該配管１の先端部を成形面（輪郭の軸芯方向長さＬ２）６−１の面粗さＲａが０．１μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下のパンチ部材６により軸芯方向へ押圧すると、面粗さＲａが０．４μｍ以下の球面状もしくは湾曲面状の押圧座面２−１と円錐状または球面状あるいは湾曲面状のナット受圧面２−２を有する接続頭部２が挫屈成形される。この挫屈成形により、球面状もしくは湾曲面状の押圧座面２−１と該押圧座面２−１に連なるナット受圧面２−２を有し、かつ該押圧座面２−１とナット受圧面２−２の面粗さＲａを０．５μｍ〜０．３μｍ以下の接続頭部２が得られる。
なお、チャック５とパンチ部材６の成形面の面粗さＲａをそれぞれ０．１μｍ以下としたのは、高い面圧で成形すると成形面の面粗さが加工面に転写され、その割合が約１：３であることを知見したことによるもので、成形面の面粗さＲａを０．１μｍして高面圧で塑性流動させることにより加工面を粗くてもＲａを０．４μｍ以下、潤滑油、加工速度等を調整してスムーズに仕上ると０．３μｍ以下にすることが可能であり、さらに成形面を０．０５μｍに仕上げると潤滑油、加工速度等を調整して加工面を０．２μｍ以下にすることができ、シール上最も好ましいものとなるためである。

本発明の接続頭部を有する燃料配管は、粘性が小さくて極めて洩れやすく引火し易いエチルアルコールやメチルアルコールあるいはこれらのアルコールを含有するガソリンを燃料とし、かつ３００Ｋｇ／ｃｍ^２程度の高圧に達する直噴式の内燃機関用配管として十分に使用できるのみならず、ガスケットやパッキン等を介せずに直接のメタルタッチ（金属対金属）でも高シール性が得られるため直噴式の内燃機関用配管以外の他の高圧用配管の継手にも十分に適用可能である。

本発明に係る直噴用燃料配管接続構造の一実施例を示す断面図である。 同じく直噴用燃料配管接続構造の他の実施例を示す断面図である。 同上の接続構造における燃料配管の接続頭部の成形方法に係る加工工程の一実施例を示す縦断面による説明図である。

符号の説明

１、１１ 燃料配管
２、１２ 接続頭部
３、１３ 相手部品
４ 袋ナット
１４ 外ねじナット
５ チャック
５−１、６−１ 成形面
６ パンチ部材

Claims (10)

1. 相手部品の端部の外周面に外ねじを形成するとともに、外方へ開口する受圧座面を形成し、一方、鋼管もしくはステンレス鋼管からなる燃料配管の端部に球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を形成して当該頭部の背面のナット受圧面を前記外ねじに螺合する締付けナットにて押圧して、前記押圧座面の弾性変形のみでシールする方式の、アルコールもしくはアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴用燃料配管接続構造において、前記燃料配管の押圧頭部の球面状もしくは湾曲面状の押圧座面の面粗さＲａを０．４μｍ〜０．１５μｍ以下としたことを特徴とする直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
2. 前記押圧頭部の背面のナット受圧面の面粗さＲａを０．５μｍ〜０．３μｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
3. 前記鋼管が電縫管またはセミシームレス管またはシームレス管であることを特徴とする請求項１または２に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
4. 前記鋼管は、内面にＮｉ、Ｚｎ、Ｓｎもしくはこれら基合金が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
5. 前記鋼管は、外面にＮｉ、Ｚｎ、Ｓｎもしくはこれら基合金が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
6. 前記ステンレス鋼管がオーステナイト系の電縫管またはセミシームレス管またはシームレス管であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
7. 前記燃料配管は、外径がφ６ｍｍ〜φ１０ｍｍ、ｔ／ｄ（ｔ：肉厚、ｄ：管外径）が０．１〜０．３であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部。
8. 相手部品の端部の外周面に外ねじを形成するとともに、外方へ開口する受圧座面を形成し、一方、鋼管もしくはステンレス鋼管からなる燃料配管の端部に球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を形成して当該頭部の背面の受圧面を前記外ねじに螺合する締付けナットにて押圧して、前記押圧座面の弾性変形のみでシールする方式の、アルコールもしくはアルコールを含有するガソリンを燃料とする直噴用燃料配管接続構造における前記燃料配管の押圧頭部の挫屈成形方法において、定尺に切断された鋼管もしくはステンレス鋼管からなる管体のほぼ頭部加工代に相当する長さの外面を面粗さＲａを０．５μｍ以下に平滑面加工し、チャックに前記頭部加工代を突出させて当該管体を保持せしめた後、当該管体の先端部を成形面の面粗さＲａが０．１μｍ〜０．０５μｍのパンチ部材による軸芯方向への押圧によって、面粗さＲａが０．４μｍ〜０．１５μｍの球面状もしくは湾曲面状の押圧座面を有する押圧頭部を成形することを特徴とする直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部の成形方法。
9. 前記チャックの成形面の面粗さＲａを０．１μｍ〜０．０５μｍ以下とすることを特徴とする請求項８に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部の成形方法。
10. 前記平滑面加工は、ローリング加工、パンチによるしごき加工、布バフもしくはワイヤーバフによるバフ加工、サンドペーパーによる研磨加工のいずれかを用いて行うことを特徴とする請求項８または９に記載の直噴用燃料配管接続構造における燃料配管の接続頭部の成形方法。
    
    

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