JP3846759B2

JP3846759B2 - 高圧燃料噴射管

Info

Publication number: JP3846759B2
Application number: JP31897797A
Authority: JP
Inventors: 正佳臼井
Original assignee: Usui Co Ltd
Current assignee: Usui Co Ltd
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JPH11141431A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はディーゼル内燃機関にあって、燃料供給路としてシリンダーヘッド側のそれぞれノズルホルダーと燃料ポンプ側のデリバリーホルダーとに接続して配置される管径２０ｍｍ程度以下の比較的細径で厚肉からなる高圧燃料噴射管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のディーゼル内燃機関用高圧燃料噴射管材としては、本出願人が所有する特公平１−４６７１２号公報が知られている。この公報記載の高圧燃料噴射管材は、厚肉の炭素鋼製の鋼管からなる外管に、内側に流通路が形成されたＳＵＳ３０４のようなステンレス鋼管からなる薄肉の内管を圧嵌して二重金属管を構成し、かつ内管の肉厚を二重金属管材全体の外径に対し、１．２ないし８．５％としたものである。
【０００３】
そしてこの公報記載の高圧燃料噴射管材は、ＮＯｘの低減や黒煙対策の１つとして噴射時間１〜２ミリ秒、流速が最大で５０ｍ／ｓｅｃ、内圧６００〜１０００ｂａｒ（ピーク圧）という現在の燃料の噴射圧の高圧化に対応した条件で動作させても、内周面におけるキャビテーション・エロージョン・コロージョン（以下キャビテーションという）の発生が防止できるのみならず、繰り返し高圧疲労に対する耐久性もほぼ満足できるものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この特公平１−４６７１２号公報で提案した高圧燃料噴射管は上記した燃料噴射条件下では優れた耐キャビテーション性能と耐内圧疲労強度を発揮するものであった。しかしながら内圧がさらに上昇して１２００ｂａｒ以上となりかつ負圧域と該負圧域に伴う二次波（反射波）が発生するような噴射波形を有する噴射システムに用いた場合には、耐内圧疲労強度は有するものの、内管の内周面にキャビテーションが発生することがあった。
【０００５】
この点を改善するため本出願人は薄肉のステンレス鋼管からなる内管の材質をＳＵＳ３０４からＳＵＳ３０１に変更して上記した過酷な噴射条件での試験を試みた。しかし内管の内周面のキャビテーションの発生は防止できたものの、今度は内管が繰返し高圧疲労に耐えられずクラックが発生し、さらに厚肉の外管にも破裂が発生する事態がみられた。
【０００６】
したがって本発明の目的は、１２００ｂａｒ以上の内圧で負圧域と該負圧域に伴う二次波（反射波）が発生するような噴射波形を有する噴射システムに用いた場合にも、耐キャビテーション性能や耐内圧疲労強度を十分に発揮して高い耐久信頼性を有する高圧燃料噴射管を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、厚肉の外管内に薄肉の二層からなる内管を密嵌してなる三層構造の高圧燃料噴射管であって、前記外管は厚肉の鋼管からなり、前記内管のうち外層は硬度（Ｈｖ）が２５０〜４５０のステンレス鋼管、あるいは抗張力（Ｔｓ）が５００〜７００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼もしくは炭素鋼よりなる金属管であり、該内管のうち内層は前記外層より硬質のステンレス鋼管あるいは合金鋼よりなる金属管で形成されたことを特徴とし、また前記内管のうち内層は、硬度（Ｈｖ）が４５０〜５５０のステンレス鋼管、あるいは抗張力（Ｔｓ）が７００〜１１００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼よりなる金属管であることが好ましく、さらに前記外管の肉厚は１．４ｍｍ以上で、前記内管のうち外層は０．４〜０．７ｍｍ、内層は０．１〜０．４ｍｍの肉厚を有する高圧燃料噴射管を特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図面について説明すると、図１は本発明の一実施例に係る高圧燃料噴射管の縦断面図であって、１は外管、２は薄肉の二層からなる内管であって、２−１は該内管を構成する外層、２−２は内管を構成する内層である。
そして外管１は管径２０ｍｍ以下の比較的厚肉で細径の内径を有する高圧配管用鋼管で、例えばＳＴＳ３５、ＳＴＳ３７０、ＳＴＳ４１０、Ｓｔ５２などに相当する炭素鋼から形成されたシームレス鋼管からなるものであり、例えば２００〜２６０の硬度（Ｈｖ）を有するものである。
【０００９】
また内管２は相互に密着する薄肉の外層２−１と薄肉の内層２−２からなるものであって、該薄肉の外層２−１は硬度（Ｈｖ）が２５０〜４５０のステンレス鋼管、あるいは抗張力（Ｔｓ）が５００〜７００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼もしくは炭素鋼よりなる金属管であり、また薄肉の内層２−２は前記外層２−１より硬質のステンレス鋼あるいは合金鋼からなるものである。そして内層２−２は後加工で実施する曲げ加工や、必要に応じ施される頭部成形加工が可能な硬さであれば硬い方が好ましく、例えば硬度（Ｈｖ）が４５０〜５５０のステンレス鋼管、あるいは合金鋼、例えば抗張力（Ｔｓ）が７００〜１１００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼からなる金属管を用いることができる。
【００１０】
上記の通り内管を二層から構成した理由は、内層２−２を硬質のステンレス鋼あるいは合金鋼で形成し、負圧域と該負圧域に伴う二次波（反射波）が発生するような噴射波形を有する噴射システムに使用しても内周面におけるキャビテーションの発生を防止するとともに、前記内層２−２より軟質で延び性のあるステンレス鋼あるいは合金鋼もしくは炭素鋼で外層２−１を形成して１２００ｂａｒ以上の内圧からなる高圧に対する内圧疲労強度を向上させクラックの発生を防止し、これにより外管１の破裂をも防止して燃料噴射管としての耐久信頼性を確保したものである。
【００１１】
換言すると、内管２を硬質の内層２−２と軟質の外層２−１より構成することによって、内層により負圧域と該負圧域に伴う二次波により発生する気泡の破裂に基づく衝撃波によるキャビテーションの発生を防止するとともに、例え内層２−２にクラックが発生しても外層により高い噴射圧の繰返しによる疲労に伴うクラックが発生することを防止したものである。
【００１２】
より詳細に本発明を説明すると、外管１は頭部成形加工などによりシート面が形成されるので前記材質を用いる他、肉厚は１．４ｍｍ以上としなければならない。肉厚が１．４ｍｍ未満では頭部成形加工によるシート面を形成するには不十分な肉厚となってしまう。
【００１３】
つぎに内管を構成する二層のうち、外層２−１は上記した硬度（Ｈｖ）のステンレス鋼かあるいは抗張力（Ｔｓ）の合金鋼を用いる必要があり、具体的にはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６のようなオーステナイト系ステンレス鋼やＳｔ５２、ＳＣＭなどのような炭素鋼や合金鋼を挙げることができ、またその肉厚は０．４〜０．７ｍｍに形成する必要がある。外層２−１のステンレス鋼の硬度（Ｈｖ）が２５０未満であったり、あるいは合金鋼の抗張力（Ｔｓ）が５００Ｎ／ｍｍ^２未満では、内圧疲労強度に対する抵抗力が弱くなり、疲労破壊が生じ易い。一方ステンレス鋼の硬度（Ｈｖ）が４５０を超えるかあるいは合金鋼の抗張力（Ｔｓ）が７００Ｎ／ｍｍ^２を超えると、切欠感度が高くなってこの状態でも内圧疲労強度に対する抵抗力が弱くなって疲労破壊が生じ易い。
【００１４】
そして外層２−１の肉厚を０．４〜０．７ｍｍとした理由は、肉厚が０．４ｍｍ未満では１２００ｂａｒ以上の内圧で負圧域と該負圧域に伴う二次波が発生するような噴射波形を有する高圧が内層２−２に加わたときの支持力が乏しいため所期の内圧疲労強度が得られず、一方０．７ｍｍを超える肉厚とすると後工程での曲げ加工時の加工性や頭部成形加工時に外層に座屈が発生する可能性が大となるからである。
【００１５】
また内管を構成する二層のうち内層２−２は該外層２−１より硬質のステンレス鋼か合金鋼を用いる必要がある。具体的には硬度（Ｈｖ）が４５０〜５５０のステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０１、ＳＣＭなどが挙げられ、また抗張力（Ｔｓ）が７００〜１１００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼、例えばＮｉ系合金鋼、Ｃｒ系合金鋼、Ｃｏ系合金鋼、インコネル（商品名）、ハステロイ（商品名）、ヘインズアロイ（商品名）などが挙げられ、またその肉厚を０．１〜０．４ｍｍとする必要がある。
なお、用いられる内層２−２としてのステンレス鋼の硬度（Ｈｖ）が４５０未満であったり合金鋼の抗張力が７００Ｎ／ｍｍ^２未満であると燃料噴射管に用いる高圧燃料に対する耐キャビテーション性能が得られず、一方ステンレス鋼の硬度（Ｈｖ）が５５０を超えたり合金鋼の抗張力が１１００Ｎ／ｍｍ^２を超えると後工程での曲げ加工や頭部成形加工時に内管、特に内層に座屈が生ずるなどの問題の発生の可能性が大となる。
【００１６】
そして内層２−２の肉厚を０．１〜０．４ｍｍとした理由は、肉厚が０．１ｍｍ未満では内周面に発生するキャビテーションに対する抵抗力が十分でなく、一方０．４ｍｍを超える肉厚とすると、後工程での曲げ加工時の加工性や頭部成形加工時に内層に座屈が発生する可能性が大となるからである。
【００１７】
なお外層２−１と内層２−２からなる内管２全体の肉厚は、製品となる高圧燃料噴射管の外径により左右される。例えば該燃料噴射管の外径が６．３５ｍｍの場合、内管２の全体の肉厚は０．８ｍｍ以下とする必要があり、内管２の肉厚が０．８ｍｍを超えると外管１が薄くなりすぎて頭部成形加工時にシート面が座屈してしまう。同様な理由により、高圧燃料噴射管の外径が７．０ｍｍの場合は１．０ｍｍ、外径が８．０ｍｍの場合は１．３ｍｍが内管２全体の肉厚の上限となる。
【００１８】
【実施例】
つぎに本発明の実施例を比較例とともに以下に説明する。
実施例１
清浄化のための前処理を施して長さ３２００ｍｍに切断したＳＵＳ３０４からなるステンレス鋼管の外層を構成する内管を芯引きによる伸管加工によって、外径５．５ｍｍ、内径４．５ｍｍ、肉厚０．５ｍｍで、硬度（Ｈｖ）が２００になるよう縮径し、また同じく長さ３２００ｍｍに切断したＳＵＳ３０１からなるステンレス鋼管の内層を構成する内管を芯引きによる伸管加工によって、外径４．０ｍｍ、内径３．６ｍｍ、肉厚０．２ｍｍで、硬度（Ｈｖ）が２１０になるよう縮径し、ついで清浄化のための前処理を施した長さ３２００ｍｍのＳＴＳ３５に相当する鋼管からなり、かつ硬度（Ｈｖ）が１００の外管（外径９．３ｍｍ、内径６．９ｍｍ、肉厚１．７ｍｍ）の内部に前記内管を構成する二層の内管を内挿せしめた。その後固定したダイスを用いて空引きによる伸管加工を１回行って全体を縮径せしめ、ついで矯正加工して外径６．３５ｍｍ、内径２．０ｍｍ、肉厚２．１７５ｍｍで、内管の外層の硬度（Ｈｖ）が３７０、内管の内層の硬度（Ｈｖ）が４７５、外管の硬度（Ｈｖ）が２３０にそれぞれ加工硬化した三層構造の金属管からなる噴射管材を得、しかる後に３００ｍｍの長さに切断した試料を２０本準備した。
【００１９】
このように準備した２０本の三層構造の金属管からなる噴射管材を、ディーゼル機関用燃料噴射ポンプおよびインジェクターを使用して、該ポンプとインジェクターの間に配設し、燃料噴射ポンプを駆動して内圧１２５０ｂａｒ（ピーク圧）で負圧に伴う二次波が２５０ｂａｒとなる噴射波形となる噴射条件で内圧繰返し疲労強度試験および耐キャビテーション試験を行なった。
その結果得られた全ての試料について１０^７回の圧力繰返し終了まで破壊には至らず、かつ内周面にキャビテーションの発生もみられなかった。
【００２０】
実施例２
清浄化のための前処理を施して長さ３２００ｍｍに切断したＳｔ５２相当の炭素鋼からなる金属管の外層を構成する内管を芯引きによる伸管加工によって、外径５．５ｍｍ、内径４．５ｍｍ、肉厚０．５ｍｍで、抗張力（Ｔｓ）が５００Ｎ／ｍｍ^２になるよう縮径し、また同じく長さ３２００ｍｍに切断したＳＣＭからなる金属管の内層を構成する内管を芯引きによる伸管加工によって、外径４．０ｍｍ、内径３．４ｍｍ、肉厚０．３ｍｍで、抗張力（Ｔｓ）が８００Ｎ／ｍｍ^２になるよう縮径し、ついで清浄化のための前処理を施した長さ３２００ｍｍのＳＴＳ３５に相当する鋼管からなり、かつ硬度（Ｈｖ）が１１０の外管（外径１０．０ｍｍ、内径５．８ｍｍ、肉厚２．１ｍｍ）の内部に前記内管を構成する二層の内管を内挿せしめた。その後固定したダイスを用いて空引きによる伸管加工を１回行って全体を縮径せしめ、ついで矯正加工して外径６．３５ｍｍ、内径２．０ｍｍ、肉厚２．１７５ｍｍで、内管の外層の抗張力（Ｔｓ）が６５０Ｎ／ｍｍ^２、内管の内層の抗張力（Ｔｓ）が１０２０Ｎ／ｍｍ^２、外管の硬度（Ｈｖ）が２４０にそれぞれ加工硬化した三層構造の金属管からなる噴射管材を得、しかる後に３００ｍｍの長さに切断した試料を２０本準備した。
【００２１】
このように準備した２０本の三層構造の金属管からなる噴射管材について実施例１と同様にして内圧繰返し疲労強度試験および耐キャビテーション試験を行なったが、得られた全ての試料について１０^７回の圧力繰返し終了まで破壊には至らず、かつ内周面にキャビテーションの発生もみられなかった。
【００２２】
実施例３
実施例１と同様の寸法であるが、内管の内層を抗張力（Ｔｓ）が８１０Ｎ／ｍｍ^２のＳＣＭを用いて、実施例１と同様にして２０本の試料を作製した。なお、得られた試料における前記内管の内層の抗張力（Ｔｓ）は１０１０Ｎ／ｍｍ^２となった。
【００２３】
このように準備した２０本の三層構造の金属管からなる噴射管材について実施例１と同様にして内圧繰返し疲労強度試験および耐キャビテーション試験を行なったが、得られた全ての試料について１０^７回の圧力繰返し終了まで破壊には至らず、かつ内周面にキャビテーションの発生もみられなかった。
【００２４】
実施例４
実施例２と同様の寸法であるが、内管の外層を硬度（Ｈｖ）が２００のＳＵＳ３０４を用いて、実施例１と同様にして２０本の試料を作製した。なお、得られた試料における前記内管の外層の硬度（Ｈｖ）は４００となった。
【００２５】
このように準備した２０本の三層構造の金属管からなる噴射管材について実施例１と同様にして内圧繰返し疲労強度試験および耐キャビテーション試験を行なったが、得られた全ての試料について１０^７回の圧力繰返し終了まで破壊には至らず、かつ内周面にキャビテーションの発生もみられなかった。
【００２６】
比較例１
それぞれ清浄化のための前処理を施して長さ３２００ｍｍに切断したＳＵＳ３０１からなる単層の鋼管からなるステンレス鋼管の内管を芯引きによる伸管加工によって、外径４．５ｍｍ、内径３．５ｍｍ、肉厚０．５ｍｍで、硬度（Ｈｖ）が２００になるよう縮径し、ついで清浄化のための前処理を施した長さ３２００ｍｍのＳＴＳ３５に相当する鋼管からなり、かつ硬度（Ｈｖ）が１１０の外管（外径９．５ｍｍ、内径５．０ｍｍ、肉厚２．２５ｍｍ）の内部に前記内管を緩やかに内挿せしめた。その後固定したダイスを用いて前記内外管を圧嵌するよう両管を同時にかつ一体的に空引きによる伸管加工を１回行って全体を縮径せしめ、ついで矯正加工して外径６．３５ｍｍ、内径２．０ｍｍ、肉厚２．１７５ｍｍで、内管の硬度（Ｈｖ）が４９０、外管の硬度（Ｈｖ）が２３０に加工硬化した二重金属管からなる噴射管材を得、しかる後に３００ｍｍの長さに切断した試料を２０本準備した。
【００２７】
このように準備した２０本の二重金属管からなる噴射管材について、実施例１と同様にして内圧繰返し疲労強度試験および耐キャビテーション試験を行なったを行なった結果、得られた試料については内周面にキャビテーションは見られなかったものの、圧力繰返しにより疲労破壊が生じたものが見られた。
【００２８】
比較例２
内管として比較例１と同一の寸法であるがＳＵＳ３０４からなる単層のステンレス鋼管を、硬度（Ｈｖ）が３４０となるよう芯引きによる伸管加工により縮径した。
一方比較例１と同様の寸法であるがＳＴＳ４１０に相当する鋼管からなり、かつ硬度（Ｈｖ）が１２５の外管の内部に前記内管を緩やかに内挿せしめた。その後固定したダイスを用いて前記内外管を圧嵌するよう両管を同時かつ一体的に空引きによる伸管加工を行って全体に縮径せしめ、ついで矯正加工して外径６．３５ｍｍ、内径２．０ｍｍ、肉厚２．１７５ｍｍで、内管の硬度（Ｈｖ）が４３０、外管の硬度（Ｈｖ）が２４０に加工硬化した二重金属管からなる噴射管材を得、しかる後に３００ｍｍの長さに切断した試料を２０本準備した。
【００２９】
このように準備した２０本の二重金属管からなる噴射管材について、実施例１と同様にして内圧繰返し疲労強度試験および耐キャビテーション試験を行なった結果、得られた試料について圧力繰返しにより疲労破壊は生じなかったものの、内周面にキャビテーションの発生があるものが見られた。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べた通り本発明によれば、１２００ｂａｒ以上の内圧で負圧域と該負圧域に伴う二次波（反射波）が発生するような噴射波形を有する噴射システムに用いた場合にも、耐キャビテーション性能や耐内圧疲労強度を十分に発揮して高い耐久信頼性を有する高圧燃料噴射管を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る高圧燃料噴射管の縦断面図である。
【符号の説明】
１外管
２内管
２−１外層
２−２内層

Claims

厚肉の外管内に薄肉の二層からなる内管を密嵌してなる三層構造の高圧燃料噴射管であって、前記外管は厚肉の鋼管からなり、前記内管のうち外層は硬度（Ｈｖ）が２５０〜４５０のステンレス鋼管、あるいは抗張力（Ｔｓ）が５００〜７００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼もしくは炭素鋼よりなる金属管であり、該内管のうち内層は前記外層より硬質のステンレス鋼管あるいは合金鋼よりなる金属管で形成されたことを特徴とする高圧燃料噴射管。
前記内管のうち内層は、硬度（Ｈｖ）が４５０〜５５０のステンレス鋼管、あるいは抗張力（Ｔｓ）が７００〜１１００Ｎ／ｍｍ^２の合金鋼よりなる金属管であることを特徴とする請求項１記載の高圧燃料噴射管。
前記外管の肉厚は１．４ｍｍ以上で、前記内管のうち外層は０．４〜０．７ｍｍ、内層は０．１〜０．４ｍｍの肉厚を有することを特徴とする請求項１または２記載の高圧燃料噴射管。