KR100290973B1 - 고압 연료 분사관 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

심지어 고압 연료가 선행 기술에서 예측하고 있는 압력 값 이상인 경우 조차도 항 캐비테이션 성능을 충분히 발휘할 수 있으며, 접속 단부의 접속 헤드의 성형을 용이하게 하기 위하여 관 신장부가 신장 한계로 가공되는 경우 조차도 가열 작업에 의해 신장부를 회복시킬 수 있으며, 디이젤 엔진 근처에 배관할 때 필요한 벤딩 공정을 수행할 수 있다. 벽이 얇은 내부관이 두꺼운 강관으로 제조된 외부관에 가압 끼워맞춤되게 함으로써 형성되는 이중 금속관을 구비하고, 접속 단부에 절두원추형 형상, 원호 형상 혹은 그에 대응하는 형상을 갖는 접속 헤드부를 성형함으로써 형성되는 고압 연료 분사관에 있어서, 상기 내부관은 가열 스프링 조질된 오스테나이트 스테인레스강관으로 제조된다. 고압 연료 분사관을 제조하는 방법에 있어서는, 얇은 오스테나이트 스테인레스강관으로 제조된 내부관을 두꺼운 강관으로 제조된 외부관에 삽입하는 단계와, 관 신장 공정에 의해 이들 두개의 관이 가압 끼워맞춤되게 함으로써 이중 금속관을 형성하는 단계와, 스테인레스강관으로 제조된 내부관을 가열 스프링 조질하기 위하여 이중 금속관 전체를 가열하는 단계와, 이중 금속관 접속 단부에 절두원추형 형상, 원호형 형상 또는 이에 대응하는 형상의 접속 헤드부를 성형하는 단계를 포함한다.

Description

고압 연료 분사관 및 그 제조 방법

본 발명은 디이젤 엔진에 있어서 연료 공급 통로로서 실린더 헤드 및 연료펌프 근처에 각기 배열되는 노즐 홀더에 접속되는 방식으로 배치되고 20mm 이하의 비교적 얇은 직경을 갖는 고압 연료 분사관 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래, 이러한 종류의 디이젤 엔진용 고압 연료 분사관으로, 본원 출원인 명의의 일본 특허 공고 평1-46712호가 공지되어 있다. 이 공보에 기재된 고압 연료 분사관은 내부에 통로가 형성되어 있는 박육(薄肉) 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관을 후육(厚肉) 강관으로 제조된 외부관 속에 가압끼워맞춤 되게 하여 이중금속관으로 구성되며, 내부관의 벽 두께를 이중 금속관의 외경의 1.2 내지 8.5%가 되도록 설정한다.

이 공보에 개시된 고압 연료 분사관은 그것이 심지어 분사 시간 1 내지 2밀리초, 최대 유속 50m/sec, 그리고 내부 압력 600 내지 1000 바아(피크 압력)의 내부 압력 등, 최근의 NOx 및 검은 연기를 감소시키기 위한 대책으로서 연료 분사 압력의 고압화를 위하여 최근에 취해지고 있는 조건하에서 작동되더라도, 내주면에서 캐비테이션, 침식 및 부식(이후에는, 단지 “캐비테이션”이라 함)이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 반복된 고압 피로에 대한 내구성을 거의 만족시킬 수 있는 것이었다.

그러나, 연료의 고압화 경향은 한층 현저해져, 심지어 내부 압력이 800 내지 1400 바아(피크 압력)인 조건에서조차도 캐비테이션에 견디는 성능(이하, “항캐비테이션 성능”이라 함)을 발휘할 수 있는 고압 연료 분사관이 제공될 것으로 기대된다. 따라서, 상기 공보에 개시된 분사관은 이러한 고압 조건에서 항캐비테이션 성능을 충분히 발휘하지 못할 가능성이 있다.

또한, 이중 금속관으로 이루어지는 분사관 재료의 접속 단부에 접속 헤드부를 성형할 때, 상기 분사관 재료에 신관(伸管) 가공에 따른 가공 경화 현상이 발생되기 때문에, 분사관 재료의 접속 헤드부의 성형이 어렵다고 하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은, 심지어 고압 연료가 상기 공보에서 예측하고 있는 값 이상인 경우조차 항캐비테이션 성능을 충분히 발휘할 수 있으며, 관이 연신 한계까지 신관 가공되는 경우에도 가열 처리에 의해 연신이 회복되므로 접속 단부에 접속 헤드부를 성형하기가 용이하며, 디이젤 엔진 근처에 배관할 때 필요한 벤딩 공정을 수행할 수 있는 고압 연료 분사관 및 그것의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

제1(a)도 및 제1(b)도는 본 발명의 실시예에 따른 고압 연료 분사관을 보여주는 도면으로서,

제1(a)도는 일 실시예의 종단면도이고,

제1(b)도는 다른 실시예의 부분 절제 측면도.

제2도는 본 발명에 따른 고압 연료 분사관 제조 방법의 한 공정을 보여주는, 신관 가공시의 일부 절제 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 외부관 2 : 접속 헤드부

2′ : 가압면 3 : 내부관

4 : 슬리브 와셔 5 : 고정 너트

6 : 다이

본 발명의 일태양에 따르면, 전술한 목적을 성취하기 위하여, 박육 내부관이 후육 강관으로 이루어진 외부관에 가압끼워맞춤 되게 하여 형성되는 이중 금속관을 구성되고, 접속 단부에 절두원추형, 원호형 또는 주판알 형상의 접속 헤드부가 형성되어 있는 고압 연료 분사관에 있어서, 상기 내부관은 상기 이중 금속관을 전체적으로 가열 처리함에 의해 스프링 조질(調質)된(thermally spring refined) 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관이 제공된다.

또한, 본 발명의 제2 태양에 따르면, 박육 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관을 후육 강관으로 이루어진 외부관에 삽입하는 공정과, 신관(伸管) 가공에 의해 이들 두 관이 가압끼워맞춤 되게 함으로써 이중 금속관을 형성하는 공정과, 이중 금속관 전체를 가열 처리하여 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관을 스프링 조질하는 공정과, 이중 금속관 접속 단부에 절두원추형(截頭圓錐形), 원호형 또는 주판알 형상의 접속 헤드부를 성형하는 공정을 포함하고, 상기 가열 처리는 약 357 내지 455℃의 온도에서 10분 내지 24시간 동안 행해지는 고압 연료 분사관 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 신관 가공에 의해 박육 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관이 후육 강관으로 제조된 외부관에 가압끼워맞춤 된 후에 가열 처리에 의해 상기 내부관을 스프링 조질하기 때문에, 내부관의 경도가 상승하여 항캐비테이션 성능이 개선되고, 또한 가열 처리와 관련하여 신관 가공에 수반되는 가공 경화에 의해 감소한 연신을 회복시켜, 접속 단부의 접속 헤드부를 성형하기가 용이해짐과 동시에, 디이젤 엔진 근처에 배관할 때에 필요한 벤딩 공정을 실시할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참고로 본원 발명을 설명하겠다. 도면 부호 1은 직경 20mm 이하의 비교적 벽이 두껍고 직경이 작은 고압 배관용 후육 강관으로서, 예를 들면 탄소강으로 형성된 단층 혹은 다중 권취관(winding pipe)으로 제조되는 고압배관용 강제 외부관을 나타내며, 도면 부호 3은 외부에 외부관(1)이 위치되도록 가압끼워맞춤 되어 내부에 유통로를 형성하는 스프링 조질된 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 형성된 내부관을 나타내는데, 이 내부관은 일본 공업 표준 규격, SUS304, SUS302 및 SUS301과 같은 스테인레스 강관이다. 고압 연료 분사관은 외부관(1)에 내부관(3)을 가압끼워맞춤 되게 함으로써 이중 금속관으로 이루어지는 분사관 재료를 형성하고, 프레스 성형에 의해 분사관 재료의 접속 단부에 절두원추형(제1(a)도 참조), 원호형 또는 주판알 형상(제1(b)도 참조)의 접속 헤드부(2)를 성형함에 의해 제조된다.

한편, 제1도에서 도면 부호 4는 경우에 따라 접속 헤드부(2)의 목 하부에 끼우는 슬리브 와셔를 나타내며, 아울러 접속 헤드부(2)의 가압면(2′)을 그것에 대응하는 노즐 홀더 및 분사 펌프 공급 홀더(도시되지 않음)의 수압면(受壓面)에 접촉된 상태로 고정하는 고정 너트(5)가 슬리브 와셔(4)의 후방에 조립된다.

다음, 본 발명에 따른 고압 연료 분사관을 제조하는 방법에 대하여 설명하겠다. 세정을 위한 예비 처리가 시행된 강관으로 제조된 외부관 속에 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관(3)을 천천히 삽입한다. 다음, 제2도에 도시된 바와 같이, 고정된 다이(6)로 화살표 방향으로 도시된 측방으로 일체적인 인발에 의한 신관 가공을 행하고, 이들 관(1,3)을 신장시킴과 동시에 두 개의 관 모두의 직경을 전체 길이에 걸쳐 감소시킴으로써 상호 가압끼워맞춤 되게 하여 이중금속관으로 구성되는 분사관 재료를 형성한다.

그 후, 이중 금속관으로 구성된 분사관 재료를 가열로에 장입하여 10분 내지 24시간 동안 375 내지 455℃의 온도로 가열하면, 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 형성된 내부관(3)은 스프링 조질되어 경도가 더욱 향상되고, 신관 가공에 의해 가공 경화된 내부관(3)의 연신도 회복된다.

가열 온도를 상기 범위로 설정한 이유는, 375℃ 미만에서는 충분한 조질 효과를 얻을 수 없고, 반대로 455℃를 초과하면 민감화(sensitization)에 의한 크롬탄화물의 석출 가능성이 있기 때문이다. 또한, 가열 시간을 전술한 범위로 설정한 이유는 가열 시간이 10분 미만이면 충분한 스프링 조질 효과를 얻을 수 없고, 반면에 24 시간이 넘게 가열을 행하더라도 스프링 조질 효과에 있어서는 아무런 차이를 나타내지 않기 때문이다.

[실시예]

다음, 본 발명에 따른 실시예를 비교예와 함께 설명한다.

세정을 위한 예비 처리를 시행하여, 길이 3200mm로 절단된 STS35에 상응하는 강관으로 제조된 외부관(외경: 11.00mm, 내경: 6.2mm, 두께: 2.4mm)과 길이 3200mm의 SUS304로 이루어진 스테인레스 강관으로 제조된 내부관(외경: 4.5mm, 내경: 3.7mm, 두께: 0.5mm)을 준비하여, 내부관을 천천히 외부관 속에 삽입하였다. 다음에, 제2도에 도시되어 있는 바와 같이, 고정된 다이를 사용하여, 이들 두 관들을 화살표로 도시된 바와 같이 한쪽으로 일체적으로 인발함에 의한 신관 가공을 1회 수행하여 전체에 걸쳐 직경을 감소시키고, 그 후에 레벨링(leveling)을 수행하여 외경 7.0mm, 내경 2.5mm, 두께 2.25mm의 이중 금속관으로 구성된 분사관 재료를 얻었으며, 그 후 이것을 300mm의 길이로 절단한 것을 20개 준비했다.

전술한 방법으로 준비된 20개의 분사관 재료를 각기 중앙 부분에서 절단하여 한 그룹을 30분, 60분, 120분 및 240분 동안 가열하기 위한 시편(실시예)으로서 준비하고, 다른 그룹은 미처리 상태로 유지하기 위한 시편(비교예)으로 준비했다.

가열로를 400℃의 온도로 유지시키고, 하기 표 1 및 표 2에 기재된 가열 시간 조건에서 가열 처리를 시행하여 내부관의 스프링 조질 공정을 행하였다. 그 결과, 직경 방향으로 a 및 b 두 지점에서의 내부관의 경도(Hv)가 표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이 상승된 것을 알 수 있었다.

또한, 시편 각각에 대해서 평균 연신 치수를 측정하여, 그 연신이 회복되었다는 것을 알 수 있었다.

그후, 가열된 이중 금속관으로 구성된 분사관 재료의 접속 단부에 프레스 가공에 의해 절두원추형의 접속 헤드부(외경: 9.5mm, 높이: 4.0mm, 원추각: 58°)를 성형하고, 그 가압면을 포함하여 상기 강관으로 구성된 외부관에 의해 중첩 부착된 상태에서 벤딩 공정을 수행함으로써 제품으로서의 고압 연료 분사관을 얻을 수 있었다.

요약하면, 본 발명은 당업자에게는 잘 알려져 있는 오스테나이트계 스테인레스강의 두 가지 특성, 즉 1) 오스테나이트계 스테인레스강은 상온에서 소성 가공되면 오스테나이트 조직 중에 마르텐사이트 조직이 석출되어 경도가 크게 상승되며, 2) 이른바 용체화라고 불리는 가열 처리를 행하게 되면, 오스테나이트 조직이 연화되어, 그 연화된 조직이 상온에 도달할 때까지 유지된다고 하는 특성을 이용함으로써 후술되는 효과를 얻고 있다. 구체적으로, 본 발명에 있어서는, 박육 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관을 후육 강관으로 이루어진 외부관에 삽입한 후에, 이들 관을 연신시키는 신관 가공을 행하여 내부관이 외부관 내에 가압끼워맞춤 되게 하여 이중 금속관을 형성한다. 이러한 공정에 의해, 내부판의 오스테나이트 조직에는 마르텐사이트가 석출되므로, 내부관의 경도가 대폭 향상될 수 있다. 본 발명은 이렇게 가공된 이중관을 전체적으로 가열 처리하여 조질함으로써, 내부관의 상기 신관 가공에 수반하여 감소되었던 연신을 회복시킴과 아울러, 전술한 실험 결과로서 알 수 있는 바와 같이 내부관의 경도를 더욱 증대시키고 있다.

본 발명에 따르면, 내부관은 신관 가공에 의한 연신 후 행해지는 가열 처리에 의해 조질됨과 아울러, 신관 가공시 감소되었던 연신(직경)이 회복된다. 본 명세서에서는 내부관이 겪게되는 이러한 과정을 모두 함축하는 의미로서 “스프링 조질”이라는 용어를 사용하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래 기술에서 예측한 것 이상의 고압연료를 사용하더라도 항캐비테이션 성능을 충분히 발휘할 수 있으며, 또한 신관 가공시 스테인레스 강관으로 구성된 내부관의 연신 한계까지 신관 가공을 행하더라도 가열 처리에 의해 상기 신관 공정에 의해 감소되었던 연신이 회복되고, 외측관의 가공 경화 현상이 감소되므로 접속 단부에 접속 헤드를 성형하기가 용이하게 하게됨과 아울러, 디이젤 엔진 근처에 배관할 때 필요한 벤딩 공정을 수행할 수 있다.

Claims (6)

1. 박육 내부관이 후육 강관으로 이루어진 외부관에 가압끼워맞춤 되게 하여 형성한 이중 금속관으로 구성되고, 접속 단부에 절두원추형, 원호형 또는 주판알 형상의 접속 헤드부가 성형되는 고압 연료 분사관에 있어서, 상기 내부관은 상기 이중 금속관을 전체적으로 가열 처리함에 의해 스프링 조질된 오스테나이트계 스테인레스 강관인 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부관은 탄소강으로 제조되는 단층 또는 다중 권취관인 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부관은 일본 공업 표준 규격, SUS304, SUS302 또는 SUS301의 스테인레스 강관으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
4. 박육 오스테나이트계 스테인레스 강관으로 이루어진 내부관을 후육 강관으로 이루어진 외부관에 삽입하는 공정과, 신관 가공에 의해 이들 두 개의 관이 가압끼워맞춤 되게 함으로써 이중 금속관을 형성하는 공정과, 이 이중 금속관 전체를 가열 처리하여 스테인레스 강관으로 제조된 내부관을 스프링 조질하는 공정과, 이중 금속관 접속 단부에 절두원추형, 원호형 또는 주판알 형상의 접속 헤드부를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 가열 처리는 약 357 내지 455℃의 온도에서 10 분 내지 24 시간 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 신관 가공은 상기 내부관을 상기 외부관에 천천히 삽입한 후에 상기 내부관과 외부관 양자 모두를 고정된 다이로 일방향로 일체로 인발하는 것으로 행해지는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관 제조 방법.