KR101314932B1

KR101314932B1 - 분사 노즐의 가공 방법

Info

Publication number: KR101314932B1
Application number: KR1020100093845A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 케른; 하이너 하버란트; 볼프강 바그너
Original assignee: 만 디젤 앤 터보 에스이
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2013-10-04
Also published as: JP5722588B2; EP2320064A1; JP2011099435A; DE102009046437A1; KR20110049662A; EP2320064B1; CN102051459A; CN102051459B; DE102009046437B4

Abstract

본 발명은 연료 가이드로서의 역할을 하는 분사 노즐의 리세스들을 레오펙시 유체(rheopexy fluid) 또는 팽창 유체(dilatant fluid)로 채우되, 그 유체에 자긴 압력을 인가하여 분사 노즐의 피로 한도를 증대시키는 내압이 분사 노즐의 리세스들에 형성되도록 하는 분사 노즐의 가공 방법에 관한 것이다.

Description

분사 노즐의 가공 방법{METHOD FOR PROCESSING INJECTION NOZZLE}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 분사 노즐의 가공 방법에 관한 것이다.

내연 엔진, 특히 선박 디젤 내연 엔진의 분사 노즐은 높은 응력이 걸리는 부품이다. 즉, 분사 노즐은 분사 행정에 의존하여 높은 분사 압력에 노출된다. 그와 관련하여, 분사 노즐의 피로 한도(fatigue limit)는 구현할 수 있는 분사 압력을 제한하게 된다.

그로부터 비롯된 본 발명의 과제는 분사 노즐의 피로 한도를 증대시킬 수 있는 분사 노즐의 가공 방법을 제공하는 것이다.

그러한 과제는 청구항 1에 따른 방법에 의해 해결된다. 본 발명에 따르면, 연료 가이드로서의 역할을 하는 분사 노즐의 리세스들을 레오펙시 유체(rheopexy fluid) 또는 팽창 유체(dilatant fluid)로 채우되, 그 유체에 자긴 압력(autofrettage pressure)을 인가하여 분사 노즐의 피로 한도를 증대시키는 내압이 분사 노즐의 리세스들에 형성되도록 한다.

자긴 가공(autofrettage; 자기 수축 가공)이란 예컨대 내압이 높고 펄스 파형일 경우에 사용하기 위한 파이프라인의 강도 증대 방법을 일컫는다. 여기서, 파이프는 추후의 작동 압력 및 항복 강도를 넘어서는 내압에 노출되고, 그에 따라 내벽 부근의 영역들이 가소화된다. 감압 후에 그들 영역에서는 추후의 사용 시에 균열이 형성되는 것을 예방하는 내부 압축 응력이 발생하게 된다.

자긴 가공의 작용은 가소화된 내부 존과 그 소성 변형된 내부 존에 의해 원래의 형태를 취하는 것이 방지되어 팽창된 채로 유지되는 탄성 변형된 외부 존의 상호 관계에 의거한다. 파이프를 가능한 한 작은 압축성을 가진 액체로 채우는 과정을 수행하고, 파이프 단부들을 밀폐시킨다. 이후, 펌프들이 주로 승압기를 통해 필요한 압력을 인가한다. 짧은 정지 시간 후에 다시 감압이 이뤄질 수 있다. 자긴 가공은 커먼-레일 분사 장치에도 이미 적용되고 있는데, 그에 관해서는 예컨대 특허 문헌 DE 10 2007 011 868 B3을 참조하면 된다.

그러한 커먼-레일 분사 장치에의 적용을 위해, 이미 시판 중인 자긴 오일을 사용할 수 있는데, 그 유체는 최대 약 5000 bar를 전달할 수 있다.

하지만, 그 경우에는 예컨대 분사 노즐들의 분사구들이 그 유체에 의해서는 압축될 수 없다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 분사 노즐의 피로 한도를 증대시키기 위해 분사 노즐의 리세스들을 레오펙시 특성 또는 팽창 특성을 갖는 유체로 채우되, 레오펙시 특성 또는 팽창 특성을 갖는 유체에 자긴 압력을 인가하여 분사 노즐의 피로 한도가 증대시킬 수 있는 내압이 분사 노즐의 리세스들에 형성되도록 하는 것을 최초로 제안하고 있다.

본 발명의 인식은 연료 가이드로서의 역할을 하는 분사 노즐의 리세스들을 레오펙시 유체 또는 팽창 유체로 채우고, 그에 상응하는 자긴 압력을 인가함으로써, 분사 노즐의 피로 한도를 증대시킬 수 있다는 데 있다. 그에 의해, 더 높은 분사 압력을 구현하는 것이 가능하게 된다. 나아가, 지금까지 강도의 이유로 불가능하였던 분사 노즐의 기하 형태들을 연출할 수 있게 된다. 그럼으로써, 연료 소모 및 내연 엔진의 방출물을 감소시키는 것도 가능하게 된다.

레오펙시란 전단 변형에 따라 더 높은 점성을 나타내는 비뉴턴 유체(non-Newton fluid)의 특성이다. 레오펙시는 강한 시간 의존성을 갖는데, 이는 전단 변형이 일정할 경우에 점성이 시간에 따라 증가한다는 것을 의미한다. 그러한 거동은 전단 변형 중에만 점성이 더 높은 팽창과 밀접한 관련이 있다. 팽창은 레오펙시와는 대조적으로 시간 의존성이 있는 것이 아니라 전단 변형에만 의존하는 것을 그 특징으로 한다. 인가되는 전단 변형이 크면 클수록 유체가 더욱더 점성적으로 또는 인성적으로 거동하게 된다.

예컨대, 팽창 공중합체 분산액들의 제조 및 기본 기능이 특허 문헌들 DE 30 25 562 A1 및 EP 01 74 566 B1에 개시되어 있다.

그 특허 문헌들에서 사용되는 유체는 예컨대 2가지 성분들, 즉 석영 모래 등과 같은 입상 구조를 갖는 매체와 혼합된 유성 기본 유체(자긴 오일)로 구성된다.

종속 청구항 및 이후의 상세한 설명으로부터 본 발명의 바람직한 부가의 구성들을 명확히 파악할 수 있을 것이다. 이하, 본 발명의 실시예들을 그에 본 발명을 한정함이 없이 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 분사 노즐의 피로 한도를 증대시킬 수 있는 분사 노즐의 가공 방법을 제공한다. 구체적으로, 연료 가이드로서의 역할을 하는 분사 노즐의 리세스들을 레오펙시 유체 또는 팽창 유체로 채우고, 그에 상응하는 자긴 압력을 인가함으로써, 분사 노즐의 피로 한도를 증대시킬 수 있고, 그에 의해 더 높은 분사 압력을 구현할 수 있다. 나아가, 지금까지 강도의 이유로 불가능하였던 분사 노즐의 기하 형태들을 연출할 수 있고, 그럼으로써 연료 소모 및 내연 엔진의 방출물을 감소시키는 것도 가능하게 된다.

도 1은 분사 노즐의 횡단면도.

도 1은 분사 노즐(1)의 횡단면도를 나타낸 것으로, 분사 노즐(1)은 리세스들, 즉 연료 유입구(3), 블라인드 홀 영역(4), 및 분사구(5)가 마련된 분사 노즐체(2)에 의해 제공되는데, 연료 유입구(3)와 블라인드 홀 영역(4) 사이의 이행 영역에는 소위 니들 시트(6)가 형성된다.

본 발명의 의미에서 제안되는 바는 분사 노즐(1)의 연료 가이드로서의 역할을 하는 리세스들(3, 4, 5, 6)을 레오펙시 유체 또는 팽창 유체로 채우되, 그 유체에 자긴 압력을 인가하여 분사 노즐(1)의 피로 한도를 증대시키는 내부 압력이 분사 노즐(1)의 리세스들(3 내지 6)에 형성되도록 하는 것이다.

여기서, 자긴 압력은 분사 노즐의 재료, 즉 분사 노즐체(2)의 재료에 그 재료의 항복 강도보다 높고 그 재료의 인장 강도보다 낮은 응력이 형성되도록 그 크기가 정해진다. 또한, 자긴 압력은 연료 가이드로서의 역할을 하는 리세스들(3 내지 6)의 영역에서 분사 노즐이 부분 또는 전체적으로 가소화되어 자긴 압력의 형성 후에 소성 변형되거나 가소화된 부분에 내부 압축 응력이 잔류하도록 그 크기가 정해진다. 그러한 내부 압축 응력은 압력에 의한 팽창 작동 부하가 걸릴 때에 분사 노즐(1)의 평균 응력을 감소시키고, 그에 따라 분사 노즐(1)의 피로 한도를 증대시키게 된다.

따라서, 본 발명은 레오펙시 특성 또는 팽창 특성을 갖는 유체를 사용하여 분사 노즐(1)의 피로 한도를 증대시킬 수 있다는 인식에 그 기반을 두고 있다. 레오펙시 특성 또는 팽창 특성을 갖는 유체는 유체 입자들의 전단 변형이 증가함에 따라 증대되는 점성을 갖는데, 레오펙시 유체의 경우에는 그러한 점도 증대가 전단 변형의 지속 시간에 의존한다. 분사 노즐(1)에서는 가장 좁은 흐름 횡단면이 분사구(5)의 영역에 위치하므로, 자긴 압력의 인가 시에 분사구(5)에서 레오펙시 유체 또는 팽창 유체의 가장 큰 점도 증대를 예상할 수 있다. 흐름 방향으로 보았을 때에 분사구(5)의 가장 좁은 흐름 횡단면의 상류에, 즉 적어도 연료 유입구(3), 블라인드 홀(4), 및 니들 시트(6)의 영역에서 분사 노즐(1)이 그 내부에 놓인 리세스들(3 내지 6)의 영역에서 부분 또는 전체가 소성 변형되고, 또는 단편적으로 소성 변형되게 된다. 분사구(5)의 외부 영역에서 분사구(5)를 별도로 밀봉하는 것은 필요하지 않다.

이미 전술된 바와 같이, 팽창 유체 또는 레오펙시 유체는 충분한 전단 변형의 인가 시에 서로 잠겨 점도 상승을 일으키는 입상 성분들을 함유하고 있다. 그러한 입상 성분들은 입자들의 경도가 그에 상응할 경우 강 부품의 주위를 흐르면서 마모 작용을 한다. 그럼으로써, 그러한 유체는 부가적으로 분사 노즐의 분사구의 하이드로에로시브 라운딩(hydroerosive rounding; HE-rounding) 처리에 사용될 수 있다. 즉, 2 가지 처리들(분사 노즐의 HE-라운딩 및 자긴 가공)이 하나의 작업 공정으로 통합될 수 있게 된다. 그러한 처리들은 먼저 유체를 낮은 압력으로 분사 노즐을 통해 흘려 분사구 입구를 마모 가공하도록 구성된다. 그에 상응하는 낮은 전단 변형에서는 분사구에서 팽창 특성 또는 레오펙시 특성이 발생하지 않는다. 이어서, 유체를 노즐을 통해 펌핑하는 압력을 상승시켜 유체의 팽창 거동 또는 레오펙시 거동을 일으켜 분사구를 통한 통과 흐름을 중단시킨다. 그러면, 압력이 자긴 압력까지 계속 상승할 수 있게 된다.

1: 분사 노즐 2: 분사 노즐체
3: 연료 유입구 4: 블라인드 홀 영역
5: 분사구 6: 니들 시트

Claims

분사 노즐의 가공 방법으로서,
연료 가이드로서의 역할을 하는 분사 노즐의 리세스들을 레오펙시 유체 또는 팽창 유체로 채우고, 상기 레오펙시 유체 또는 팽창 유체는 상기 유체의 입자들의 전단 변형이 증가함에 따라 증대되는 점성을 가지며, 상기 유체에 자긴 압력을 인가하여 분사 노즐의 피로 한도를 증대시키는 내압이 분사 노즐의 리세스들에 형성되도록 하고,
상기 분사 노즐의 가공 방법은 중유로 작동되는 선박 디젤 내연 엔진에 적용되며,
레오펙시 유체(rheopexy fluid) 또는 팽창 유체(dilatant fluid)를 분사 노즐의 피로 한도를 증대시키는데 추가하여 분사 노즐의 분사구의 하이드로에로시브 라운딩(hydroerosive rounding)에도 사용하되, 먼저 유체를 낮은 압력으로 분사 노즐을 통해 펌핑하고, 분사구의 마모 가공 후에 유체의 통과 흐름의 압력을 자긴 압력까지 상승시키는 방식으로 사용하는 것을 특징으로 하는 분사 노즐의 가공 방법.
제1항에 있어서, 분사 노즐의 재료에서 그 재료의 항복 강도보다 높고 그 재료의 인장 강도보다 낮은 응력이 형성되도록 자긴 압력의 크기를 정하는 것을 특징으로 하는 분사 노즐의 가공 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분사 노즐이 연료 가이드로서의 역할을 하는 리세스들의 영역에서 부분 또는 전체가 소성 변형되고, 자긴 압력의 형성 후에 소성 변형 부분에 내부 압축 응력이 잔류하도록 자긴 압력의 크기를 정하는 것을 특징으로 하는 분사 노즐의 가공 방법.
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