KR20000017547A - 연료분사노즐 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진용 연료분사노즐의 제조 방법 및 연료분사노즐을 개시한다. 노즐 니들(nozzle needle; 4)을 가이드하고 연료를 주입하기 위해 적어도 하나의 노즐 구멍 보어(nozzle hole bore; 3)가 그것으로부터 시작하여 노즐 헤드(nozzle head; 6)내로 연장되는 종 방향 보어(longitudinal bore; 3) 및 노즐 니들(4)과 함께 작용하기 위해 상기 종 방향 보어(3) 내에 배열되는 니들 시트(needle seat; 5)를 갖는 디젤 엔진용 연료분사노즐(fuel injection nozzle)의 제조 방법에서, 적어도 상기 종 방향 보어(3), 니들 시트(5), 및 노즐 헤드(6)를 포함하는 일체형 기초 몸체(single-piece basic body; 2)가 경화되지 않은 상태에서 경화 가능한 소재, 구체적으로는 열처리 가능한 강으로 원하는 최종 외형으로 우선 제조된다. 이후 상기 제조된 기초 몸체(2)에 내고온부식성(hot-corrosion resistant) 합금 코팅(7)이 노즐 헤드(6)에 대하여 시공된 후, 상기 노즐 구멍 보어(61)가 형성되며, 상기 기초 몸체(2)가 경화된다. 또한, 디젤 엔진용 연료분사밸브가 제안된다.

Description

연료분사노즐 및 그 제조 방법 {METHOD FOR THE MANUFACTURE OF A FUEL INJECTION NOZZLE AND A FUEL INJECTION NOZZLE}

본 발명은 디젤 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진(two-stroke large diesel engine)용 연료분사노즐(fuel injection nozzle)의 제조 방법 및 연료분사노즐에 관한 것이다.

예를 들어 선박의 엔진과 같이 종 방향으로 소기하는(longitudinal scavenging) 2행정 방식에 따른 대형 디젤 엔진에서, 예를 들어 세 개와 같은 복수의 연료분사노즐은 대개 각 실린더에서 실린더 헤드(cylinder head) 내의 중심에 배치되는 배기 밸브(outlet valve)의 주위에 배열된다. 상기 종류의 연료분사노즐은 자신의 노즐 헤드에 적어도 하나, 그러나 대개 복수의 노즐 구멍 보어(nozzle hole bore)를 가지며, 이를 통해 연료가 실린더의 연소실(combustion chamber) 내부로 분사된다. 상기 분사 과정을 개시 또는 종료하기 위해 노즐 구멍 보어로 가는 통로가 개폐되는 방식으로 니들 시트(needle seat)와 함께 작용하는 이동 가능한 노즐 니들(movable nozzle needle)이 연료분사노즐 내에 장착된다.

특히 실린더의 연소실 내부로 돌출(protrude)되는 상기 노즐 헤드는 작동 상태에서 매우 높은 열 응력(thermal stress) 및 부식 응력(corrosive stress)을 받는다. 상기 노즐 헤드는 대부분 상기 언급된 응력을 더욱 증가시키는 공기 유동의 난류(turbulence) 방향의 전방에 제공되는 다른 연료분사노즐의 연료 분출부(fuel jet)에 위치한다. 그 결과로, 연료에 포함된 바나듐(vanadium) 및 나트륨(sodium)에 의해 주로 기인되는 것으로 알려진 열 부식(heat corrosion)을 조장하는 매우 높은 표면 온도가 노즐 헤드에 발생하며, 따라서 소재의 애블레이션(ablation)을 촉진하게 됨으로써 상기 노즐 헤드의 수명을 상대적으로 단축시킨다.

다른 한편으로 니들 시트에는, 작동 상태에서 극도의 높은 기계적 응력이 주로 일어나며 이것은 수명을 제한한다. 상기 응력은 특히 압축 응력(pressure stress) 및 충격 응력(impact stress)으로서 케비테이션(cavitaion) 및 부식에 기인되는 소재의 애블레이션과 높은 분사 압력의 결과로써 발생된다.

상기 상이한 응력을 고려하기 위하여, 상기 니들 시트 및 노즐 구멍 보어를 포함하는 별도의 노즐 헤드로 구성되는 노즐 헤드를 구비하는 두 부분으로 된 연료분사노즐을 제조하는 것이 공지되어 있다. 상기에서, 노즐 보디는 매우 단단하고 기계적으로 안정적인 소재로 이루어지며, 다른 한편으로 노즐 헤드는 내고온부식성(hot-corrosion resistant) 소재로 이루어진다. 상기 노즐 헤드는 상기 노즐 보디에 대하여 경제적인 교체 부품으로서 분리가 가능하도록 결합된다.

본 발명의 목적은 상기 선행 기술에서 출발하여, 디젤 엔진, 특히 대형 디젤 엔진 내에서 발생하는, 열 응력 및 부식 응력에 장시간 견딜 수 있는 노즐 헤드를 갖는 한편, 다른 한편으로는 기계적 응력에 장시간 견딜 수 있는 니들 시트 및 노즐 구멍 보어를 갖는 디젤 엔진용으로 제조될 수 있는 연료분사노즐에 의한 다른 방법을 제안하는 것이다. 또한, 이에 따른 연료분사노즐이 본 발명에 의해 제공되어야 한다. 장치 및 방법에 상기 목적을 만족하는 본 발명의 주제는 첨부되는 특허청구범위 각 범주의 독립청구항의 특성에 의해 특징을 갖는다.

도 1은 실린더 헤드에 장착되는, 본 발명에 따른 연료분사노즐의 예시적 실시예에 의한 종단면도.

도 2는 기초 몸체를 종단면으로 확대하여 예시하는 도면(노즐 니들 생략).

따라서, 본 발명에 따른 디젤 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진용 연료분사노즐의 제조 수단은, 노즐 니들을 가이드하고 연료를 주입하기 위한 종 방향 보어(longitudinal bore)―여기서 종 방향 보어는 종 방향 보어에서 시작하는 적어도 하나의 노즐 구멍 보어가 있는 노즐 헤드 내부로 연장함―, 및 노즐 니들과 함께 작용하기 위해 종 방향 보어 내에 배열되는 니들 시트를 갖는 것으로 제안된다. 본 발명에 따른 방법은, 우선 적어도 종 방향 보어, 니들 시트 및, 노즐 헤드를 포함하는 일체형(single-piece)의 기초 몸체(basic body)가 경화 가능한 소재, 구체적으로는 열처리가 가능한 강으로, 경화되지 않은 상태에서 실질적으로 원하는 최종 외형으로 제조되는 단계, 상기에서 노즐 헤드에 대하여 후속적으로 내고온부식성 합금이 코팅되는 단계, 그 후 상기 기초 몸체가 경화 처리되는 단계를 포함한다.

본 발명에 따라서 적어도 상기 종 방향 보어, 니들 시트 및 노즐 헤드를 포함하는 일체형의 기초 몸체는 경화 가능한, 구체적으로는 나중의 방법 단계에서 경화되는 열처리가 가능한 소재로 전체가 구성되므로, 상기 니들 시트 및 노즐 구멍 보어, 구체적으로는, 작동 중 가장 높은 응력을 받는 부분은 2행정 대형 디젤 엔진 내의 높은 응력, 구체적으로는 충격 응력 및 부식에 장시간 견디기에 기계적으로 충분히 견고하다(robust). 내고온부식성 합금으로 상기 노즐 헤드를 코팅함으로써, 연소실 내부로 돌출되어 가장 고온의 열 응력을 받기 쉬운 연료분사노즐의 상기 부분은 열 부식에 대하여 효과적으로 보호받는 것이 보장된다. 본 발명에 따른 방법을 위한 필수 조건은 상기 노즐 헤드의 코팅 후에만 기초 몸체의 경화 또는 심층 경화(hardening through) 각각이 행해지는 것이며, 그 이유는 이렇게 함으로써 경화된 소재가 상기 코팅 방법의 단계에 의해 부정적으로 영향을 받아 발생되는 특성을 피할 수 있기 때문이다.

상기 코팅의 두께는 예를 들어 대략 0.8㎜에서 1.0㎜가 되어야 한다. 특히 바람직한 실시예에서, 상기 니들 시트는 상기 노즐 구멍 보어의 바로 상류(upstream) 쪽에 배열된다. 상기 방법을 통하여, 상기 니들 시트와 노즐 구멍 보어 사이에 위치되는, 즉 니들 시트의 하류 쪽 종 방향 보어의 용적으로 의미되는 소위 폐쇄공(blind hole) 공간이 특별히 작으므로, 상기 니들 시트에 있는 통로가 폐쇄될 때 추가의 연료가 연소실 내부로 새어 들어갈 가능성 없이 분사 과정이 실질적으로 즉시 종료될 수 있다. 서두에 기술된 두 부분으로 구성되는 연료분사노즐에서, 상기 니들 시트 및 노즐 구멍 보어가 노즐 헤드 내에 배열되어 상기 니들 시트 및 노즐 구멍 보어는 공간적으로 분리되기 때문에 비교적 큰 폐쇄공 공간이 형성된다. 연료 분사가 종료될 때 상기 노즐 니들이 니들 시트 쪽으로 눌려지면, 폐쇄공 공간 내에 여전히 존재하는 연료는 이송 압력에 의해 더 이상 밀리지 않는다. 이러한 연료의 일부는 분사가 종료된 후에 노즐 구멍 보어를 통해 연소실 내부로 불량하게 분무화된 상태(poorly atomized state)로 들어가서, 연소되더라도 단지 소량이거나 전혀 연소되지 않는다. 이것은 추가적인 공해(보다 높은 산화질소(NOx) 함유) 및 연료 소모량을 증가시키며, 노즐 구멍 보어, 연소실 의 모든 부품 및 배기 가스를 유도하는 구성 부품들에, 예를 들어 나팔모양(trumpet)으로 침적되도록 한다. 상기 단점은 작은 폐쇄공 공간, 즉 상기 니들 시트가 노즐 구멍 보어에 바로 근접(immediate closeness)됨으로써 회피될 수 있다.

상기 노즐 헤드의 코팅은 레이저(laser) 응용 공정, 구체적으로는 레이저 클래딩(cladding)에 의해 수행되는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 소재의 코팅 방법은 코팅하는 소재의 제어(control), 양호한 재생성(well reproducible) 및 집중 용해(concentrated melting on)가 가능하도록 해주기 때문이다. 또한, 레이저 클래딩은 콤팩트하며, 기공이 없는(pore-free) 보호 코팅이 되도록 한다. 또한 혼합 구역(mixing zone)이 단지 조금뿐인 결과를 나타내어 상기 기초 몸체 소재에 실제로 부정적인 영향을 주지않게 된다. 또한 레이저 클래딩에서는 상기 기초 몸체 상에 특히 실질적으로 코팅의 양호한 부착을 얻도록 한다.

상기 기초 몸체의 경화 처리에 우선하여, 각각 상기 노즐 구멍 보어 또는 노즐 구멍 보어에 대하여 추가의 공정이 행해지는 것이 바람직하며, 예를 들면 보어의 디버링(deburring) 및/또는 종 방향 보어와 노즐 구멍 보어 사이에 있는 경계 영역의 라운딩(rounding off)이다. 상기 공정은 전기화학적으로(electrochemically), 구체적으로는 전기셰이핑(electroshaping)에 의해 행해지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 연료분사노즐은, 적어도 종 방향 보어, 니들 시트 및 노즐 헤드를 포함하며, 경화 가능한 소재, 구체적으로는 열처리가 가능한 강으로, 경화되지 않은 상태에서 실질적으로 원하는 최종 외형으로 그리고 후속적으로 경화되며―상기에서 기초 몸체의 노즐 헤드는 상기 기초 몸체의 경화에 우선하여 실시되는 내고온부식성 합금으로 코팅됨―, 상기에서 노즐 구멍 보어는 코팅 공정 후 및 기초 몸체의 경화 처리 전에 형성되는 것으로 특징지어진다.

본 발명에 따른 상기 연료분사노즐의 장점 및 바람직한 방법은 상기 방법과 관련하여 기술되는 것들과 일치한다.

또한, 상기 실린더 헤드에 연료분사노즐을 지지하기 위해 상기 기초 몸체의 외부 경계면이 원뿔형으로 설계되는 영역을 가지면 유리하다. 상기 원뿔형 설계를 통해서 그들이 장착되어 있는 상기 연료분사노즐과 실린더 헤드 사이에 넓은 접촉면을 얻을 수 있다. 상기 넓은 접촉면이 유리한 이유는 한편으로 연료분사노즐 상에 작용하는 압축 응력이 실린더 헤드에 보다 잘 전달될 수 있기 때문이며, 다른 한편으로 연료분사노즐과 일반적으로 냉각된 실린더 헤드 사이에 특별히 양호한 열 유동이 가능하게 하여 연료분사노즐로부터 열이 보다 잘 방출될 수 있기 때문이다.

본 명세서에 원뿔형 영역의 원뿔각이 15°에서 35°사이, 구체적으로는 대략 22°에서 26°사이에 놓이는 여러 실시예가 구체적으로는 참조된다. 원뿔각이 대략 15°보다 작게되면, 즉 작동 중에 상기 연료분사노즐이 상기 실린더 헤드 내부로 밀려들어가는 위험이 발생하여 상기 연료분사노즐은 상당히 많은 작업에 의해서만 제거될 수 있다. 원뿔각이 보다 크게되면, 상기 연료분사노즐로부터 상기 실린더 헤드로의 힘의 전달이 불량하게 된다.

본 발명의 주제에 관한 또 다른 효과적인 방법 및 바람직한 실시예는 특허청구범위 종속항에 청구되어 있다.

본 발명은 방법 기술의 특징, 장치의 특징, 및 도면을 참조하여 다음에서 보다 상세하게 기술될 것이다. 도시되는 개략도는 축적이 적용되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 상기 연료분사노즐의 예시적 실시예의 부품을 종 단면으로 도시하며, 상기 도면은 본 발명을 이해하는데 필수적이며 이들의 전체는 도면부호(1)로 참조하여 제공된다. 이미 잘 알려진 상기 종류의 연료분사노즐의 구성 요소를 예시하는 것은 명료함을 위해 생략되었다. 상기 연료분사노즐(1)은 예를 들어 선박 엔진과 같은 2행정 대형 디젤 엔진의 실린더 헤드(10) 내부 장착용으로 설계된다.

다음에 사용되는 "위에(above), 아래에(below), 바로 위에(over), 바로 밑에(beneath)"같은 관련되는 위치 지정은 항상 도면의 예시와 관련되며 단지 예시적인, 그러나 한정적이 아닌 특징을 갖는 것으로 이해되어야 한다.

종 축이 참조부호(A)에 의해 표시되는 상기 연료분사노즐(1)은 하부 단부(lower end)에 노즐 헤드(6)를 형성하는 일체형의 기초 몸체(2)를 포함한다. 도 1에 도시되는 장착된 상태에서, 상기 노즐 헤드(6)는 디젤 엔진의 실린더의 연소실(20) 내부로 돌출된다. 종 축(A) 방향으로 연장되며, 기초 몸체(2)의 상부 단부로부터 노즐 헤드(6) 내부로 연장하는 종 방향 보어(3)가 상기 기초 몸체 내에 제공된다. 상기 노즐 헤드(6)는 각 경우에 종 방향 보어(3)로부터 출발하여 연소실(20) 내부로 연료가 유입될 수 있도록 연료가 통과하는 적어도 하나의 노즐 구멍 보어, 일반적으로, 예를 들어 다섯 개의 노즐 구멍 보어(61)를 갖는다. 니들 시트(5)는 종 방향 보어(3)가 끝이 좁아지는(contraction) 것으로 설계되어 종 방향 보어(3) 내에 제공된다. 마찬가지로 니들 시트(5)에 있는 노즐 구멍 보어(61)로 가는 통로를 개폐하는 방식으로 하부 단부가 니들 시트(5)와 함께 작용하는 원래 공지된 방식의 이동 가능한 노즐 니들(4)이 종 방향 보어(3) 내에 장착되어 상기 연료분사노즐(1)의 종 축(A)과 대체로 평행하게 연장된다.

도 2는 기초 몸체(2)가 확대된 예시를 도시하며, 보다 명료한 도시를 위해 노즐 니들(4)은 도시되어 있지 않다.

상기 종 방향 보어(3)는 상부 영역(3a)(도 2 참조)을 가지며, 이 영역에서 내경이 노즐 니들(4)의 외경보다 단지 약간만 더 크므로 상기 상부 영역(3a)이 노즐 니들(4)을 가이드 한다. 상부 영역(3a)의 아래에서 종 방향 보어(3)는 처음에 확장하고 나서 다시 축소하여 노즐 니들(4)의 유압 작용을 위한 압축실(pressure chamber; 3b)을 형성하도록 한다. 공급 라인(supply line; 8)은 압축실(3b) 내부로 개방되며, 이곳을 통해 연료가 압축실(3b) 내부에 주입될 수 있다. 니들 시트(5)까지 연장되는 종 방향 보어(3)의 하부 영역(3c)은 압축실(3b)에 인접한다. 니들 시트(5) 하류(downstream) 쪽인 소위 폐쇄공 공간(3d)은 종 방향 보어(3)의 단부에 형성된다. 상기 폐쇄공 공간으로부터 노즐 구멍 보어(61)가 분기(branch off)된다.

종 방향 보어(3)의 상부 영역(3a)에 위치한 노즐 니들(4)의 상부 부분은, 상기 상부 영역(3a)이 노즐 니들(4)의 가이드 역할을 하는 방식으로 호칭 직경을 갖는다. 압축실(3b) 영역에서는 노즐 니들(4)이 수축한 후 보다 작은 직경으로 상기 종 방향 보어의 하부 영역(3c)을 통해 노즐 니들(4)의 하부가 베벨링 처리(bevelled off), 그리고/또는 라운딩 처리된 단부와 함께 작용하는 니들 시트(5)에 도달할 때까지 연장된다. 종 방향 보어(3)의 하부 영역(3c)에서 노즐 니들(4)은 실질적으로 가이드되지 않는다. 노즐 니들(4)은 원래 공지된, 예를 들면 도시되지 않은 압축 스프링(pressure spring)에 의해 스프링력을 받는 태핏(tappet; 11)에 의한 방식으로 밸브 시트(5)쪽으로 치우치는 힘(bias force)을 받는다. 기초 몸체(2)는 슬리브(12)에 의해 태핏(11)을 포함하는 부분과 결합된다.

연료분사노즐(1)이 장착된 상태에서, 연소실(20) 내부에 위치하는 노즐 헤드(6)는 자신의 외부 쪽에 내고온부식성 합금의 코팅(7)이 제공되며, 작동 상태에서 최소한 기초 몸체(2)의 상기 코팅된 영역만이 연소실(20) 내부에 위치하도록 함으로써, 가장 고온의 열 응력 및 부식 응력에 노출되는 상기 코팅된 영역은 코팅(7)에 의해 보호된다.

니들 시트(5)는 매우 근접하게 배열되어, 도 1 및 도 2에 도시되는 것처럼 최상부 노즐 구멍 보어(61) 위에서 단거리가 되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 니들 시트(5)의 하류 쪽에 위치하는 폐쇄공 공간(3d)은 별도의 노즐 헤드(6)를 갖는 것으로 공지되는 구조와 비교할 때 특별히 작으며, 예를 들면 십분의 일까지 더 작다. 이러한 이유 때문에 상기 연료분사노즐은 폐쇄공 공간 없는(blind-hole-volume-free) 연료분사노즐로도 지칭될 수 있다. 상기 매우 작은 폐쇄공 공간(3d)은 추가의 연료가 불리하게 연소실(20) 내부로 새어 들어가게 되는 가능성 없이 니들 시트(5)에 있는 통로의 폐쇄를 통해 분사 과정이 실질적으로 즉시 종료되는 장점을 갖는다.

도 1은 폐쇄 상태에서의 연료분사노즐을 도시하며, 이것은 상기 압축 스프링이 태핏(11)을 통해 노즐 니들(4)의 하부 단부를 니들 시트(5)쪽으로 밀봉하도록 누르는 것을 의미한다. 작동 상태에서, 연료분사노즐(1)은 다음과 같이 유압식으로 작동한다. 연료는 예를 들어 도시되지 않은 분사 펌프에 의해 공급 라인(8)을 통해 압축실(3b) 내부로 보내지며, 거기에서 노즐 니들(4)에 힘을 가한다. 압축실(3b) 내의 연료 압력이 압축 스프링에 의해 생성되는 바이어스 압력보다 커지는 경우(개방 압력), 노즐 니들(4)은 상승되고 이에 따라 니들 시트(5)에 있는 노즐 구멍 보어(61)로 가는 통로를 개방하여 분사 과정이 개시되는데, 이것은 연료가 압축실(3b)로부터 종 방향 보어(3)의 하부 영역(3c)을 통해 노즐 구멍 보어(61)로 도달하며 상기 노즐 구멍 보어(61)를 통해 실린더의 연소실(20) 내부로 들어가는 것을 의미한다. 분사의 종료시에는 압축실(3b) 내의 연료 압력이 감소한다. 상기 연료 압력이 압축 스프링에 의해 생성되는 바이어스 압력보다 작아지면(폐쇄 압력), 노즐 니들(4)은 니들 시트(5)쪽으로 눌려진다. 이렇게 하여 니들 시트(5)에 있는 노즐 구멍 보어(61)로 가는 통로가 폐쇄되며 분사 과정은 종료된다. 니들 시트(5)의 하류 쪽 폐쇄공 공간(3d)은 무시해도 좋을 정도로 작으므로, 분사 과정이 종료된 후 실질적으로 더 이상의 연료가 연소실(20) 내부로 새어 들어갈 수 없다.

연료분사노즐의 기초 몸체(2)는 예를 들어 도 1에 예시된 바와 같이 자신의 외부 경계면이 원뿔형으로 설계되는 영역(21)(도 2 참조)을 구비하여 상기 기초 몸체가 장착된 상태에서 연료분사노즐(1)이 실린더 헤드(10) 내에 지지되는 방식으로 외형에 대한 설계가 이루어지는 것이 바람직하다. 상기에서, 원뿔형 설계는 기초 몸체(2)와 실린더 헤드(10) 사이에 넓은 접촉면을 갖게 하여 기초 몸체(2)와 일반적으로 냉각된 실린더 헤드 사이에 양호한 열 전달이 가능하게 한다. 기초 몸체(2)로부터 실린더 헤드(10)로 열이 매우 양호하게 유동될 수 있으므로 특히 작동 중 가장 높은 온도에 노출되는 지나치게 높은 노즐 헤드(6)의 온도는 효과적으로 저지된다(counteracted). 원뿔형 영역(21)에 의해 형성되는 접촉면을 통해서 기초 몸체(2)로부터 나오는 높은 열로 인해, 특히 니들 시트(5) 및 노즐 구멍 보어(61) 또한 공지된 구조처럼 고온이 되지 않는다. 이것은 예를 들면 노즐 구멍 보어(61)에서 나팔모양의 형성(코크스 침적)이 감소되는 장점을 갖는다.

원뿔형으로 설계되는 영역(21)은 기초 몸체(2)로부터 실린더 헤드(10)로 양호하게 힘을 전달할 수 있도록 해주므로 연료분사노즐을 기계적으로 견고하게 수용한다는 관점에서 보면 보다 유리하다. 따라서 예를 들어, 노즐 니들(4)이 작용하는 동안에 발생하는 상기 압축 응력은 실린더 헤드(10)로 전달되며, 상기 실린더 헤드에 의해 흡수된다.

원뿔형으로 설계되는 영역(21)의 원뿔각(α)은 15°에서 35°사이, 구체적으로는 대략 22°에서 26°사이에 놓이는 것이 바람직하다. 원뿔각이 대략 15°보다 작으면 작동 중에 상기 연료분사노즐이 실린더 헤드(10) 내부로 밀려들어가는 일이 발생하여 많은 양의 작업에 의해서만 제거될 수 있는 위험이 있게 된다. 원뿔각이 보다 크게 되면, 기초 몸체(2)로부터 실린더 헤드(10)로의 힘의 전달이 불량해지며, 이것은 연료분사노즐(1)을 실린더 헤드(10) 내에 수용 또는 지지하는 데에 부정적인 영향을 준다.

본 발명에 따라 적어도 종 방향 보어(3), 니들 시트(5), 및 노즐 헤드(6)를 포함하는 기초 몸체(2)는 경화 가능한 소재(hardenable material), 구체적으로는 열처리 가능한 강(heat treatable steel; 이하 열처리성 강이라 함)에 의해 일체형으로 제조되며, 노즐 헤드(6)는 기초 몸체(2)의 경화 처리 전에 내고온부식성 합금으로 코팅된다. 예를 들어, X38 Cr Mo V 51 또는 X40 Cr Mo V 51 또는 M390(등록상표)와 같이 원래 공지되어 열처리가 가능한 모든 내열성 및 내부식성 강이 특히 일체형 기초 몸체(2)용 소재로서 적합하다. 열처리성 강은 열처리를 통해 강도(strength) 및 경도(hardness)와 같은 기계적 특성이 현저히 향상될 수 있는 것과 같은 강을 말한다.

모든 내고온부식성 합금, 구체적으로는 Nimonic 80a(등록상표), Nimonic 81(등록상표), Inconel 625(등록상표), 및 Inconel 671(등록상표)의 명칭으로 공지된 니켈(nickel) 기초 합금들, 또는 예를 들어 Stellite 6 및 Stellite 7과 같이 Stellite의 명칭으로 공지된 코발트(cobalt) 기초 합금들은 코팅(7)용 합금 소재로서 적합하다. PM 2000의 명칭으로 공지된 소재 또한 코팅 소재로서 적합하다.

본 발명에 따른 방법은 다음의 바람직한 실시예에 따라 실시된다. 먼저, 아직 경화되지 않은 상태의 내열성의 열처리성 강으로부터 종 방향 보어(3)를 갖는 일체형 기초 몸체(2), 니들 시트(5), 및 노즐 헤드(6)가 제조되며, 이때 기초 몸체(2)는 이미 대략 원하는 형상으로 되어있다. 상기 제조는 선반가공(turning), 밀링(milling), 그라인딩(grinding), 및 보링(boring)과 같은 공지된 기계가공 방법에 의해 행해진다. 그리고 아직 경화되지 않은 기초 몸체(2)는 노즐 헤드(6)에 내고온부식성의 코팅(7)이 제공된다. 상기 코팅(7)에 사용되는 합금은 레이저 클래딩과 같은 레이저 응용 방법에 의해 코팅이 되는 것이 바람직하다. 당연히 플라즈마 스프레이(plasma spraying), 응용 용접(application welding), 또는 분말야금법(powder metallurgical methods)과 같은 다른 응용 방법 또한 적합할 수 있다. 적합한 응용 방법은 한편으로는 기초 몸체(2)에 사용되는 구체적인 소재에 따라서, 그리고 다른 한편으로는 코팅(7)에 따라서 선택될 수 있다. 코딩(7)이 되고 난 후에 노즐 구멍 보어(61)가 기초 몸체(2)의 노즐 헤드(6) 내부에 천공된다. 그리고 나서 상기 보어의 내벽은 바람직하게는 전기화학적 방법, 구체적으로는 전기적 기계가공 또는 전기셰이핑을 사용하여 추가적으로 기계가공 될 수 있다. 상기에서, 중앙의 종 방향 보어(3)와 노즐 구멍 보어(61) 사이의 경계되는 모서리 또한 디버링 및 라운딩 된다. 상기 처리 단계 후, 기초 몸체(2)는 경화 또는 심층 경화를 의미하는 열처리에 의해 템퍼링되며(tempered), 이를 통해서 기초 몸체(2)의 소재는 최종적인 기계적 특성을 갖는 것으로 제조된다. 기초 몸체(2)는 상기 경화 또는 심층 경화를 통해서 보다 높은 강도 및 경도를 얻는다. 최종적으로, 기초 몸체(2)에는 계속해서 예를 들어 그라인딩 또는 폴리싱(polishing)과 같은 최종 기계 가공이 행해질 수 있다.

본 발명에 따른 각각의 상기 방법 및 상기 연료분사노즐(1)은 구체적으로는, 노즐 구멍 보어(61), 니들 시트(5), 및 종 방향 보어(3)의 상부 영역(3a)에 의해 형성되는 노즐 니들(4)의 안내부(guidance)와 같이 작동 중에 강한 기계적 응력에 노출되는 구성 요소들은 매우 단단하고 기계적으로 높은 응력에 견디는 소재, 즉 경화된 또는 심층 경화된 소재로 이루어져 있는 한편, 작동 상태에서 가장 높은 열 응력 및 부식 응력에 노출되는 부분, 즉 노즐 헤드(6)는 외부 쪽이 코팅(7)에 의해 보호되는 특별한 장점을 갖는다. 따라서, 고 경도, 고 인장강도(tensile strength), 고 크리프 저항성(creep resistance)등과 같이 주로 가장 양호한 기계적 특성의 관점에서, 기계적으로 보다 높은 응력을 받는 구성 요소를 갖는 기초 몸체(2)용 소재를 선택하는 것과, 주로 고온 부식에 대하여 매우 양호한 저항성의 관점에서 코팅(7)용 합금을 선택하는 것이 가능하다. 그러므로 더 이상 상기 연료 분사 밸브, 특히 예를 들어 노즐 헤드(6)에 사용하기 위하여 한편의 고 경도와 다른 한편의 고온 부식에 대한 높은 저항력 사이에서 단순히 절충(compromise)되는 소재를 사용할 필요가 없다.

노즐 헤드(6)는 또한 특히 매우 단단한 소재로 제조되므로 아무 문제없이 노즐 헤드(6) 내에 니들 시트(5)를 제공하는 것이 가능하며, 따라서 노즐 구멍 보어(61)에 바로 근접함으로써 이미 기술된 폐쇄공(3d) 공간이 매우 작게되는 장점을 갖도록 한다. 기초 몸체(2)가 제조되는 소재의 강도 및 기계적 특성의 결과로 인해, 니들 시트(5)는 구체적으로는 디젤 엔진이 작동하는 동안 상기 노즐 니들에 의한 충격 응력에 장시간 견디기에 또한 충분히 견고하다.

기초 몸체(2)의 고 경도는 다른 기계적 응력에 대하여 또한 유리하다. 그러므로 예를 들면, 대형 디젤 엔진용 연료로 흔히 사용되는 중유는 대개 높은 침식 영향을 갖는 입자를 포함하며, 특히 니들 시트(5) 및 노즐 구멍 보어(61)에서 소재를 마모시킨다. 특히 니들 시트(5) 및 노즐 구멍 보어(61)에서 발생하는 캐비테이션(caviation) 및 침식(erosion)은 소재의 애블레이션(ablation)이나 손상을 또한 유발 할 수 있다. 기초 몸체(2)의 고 경도의 결과로 니들 시트의 영역 및 노즐 구멍 보어(61)의 소재가 마모되거나 손상되는 것이 적어도 현저하게 감소되어, 연료분사노즐(1)의 수명 상에 매우 긍정적인 효과가 있다.

본 발명의 본질적인 특징은, 기초 몸체(2)의 경화 또는 심층 경화가 노즐 헤드(6)에 대한 코팅(7) 공정 후에만 행해지는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 순서를 통해서 즉, 경화 후에 발생하는 상기 기초 몸체의 기계적 특성의 바람직하지 않은 변화는 회피된다. 따라서 예를 들어, 경화 또는 심층 경화에 의해 발생하는 기초 몸체(2) 구조의 변화는 결과적으로, 전체적 또는 부분적으로 "일어나지 않음"이 되어 위험하지 않다.

본 발명은 2행정 대형 디젤 엔진용으로 또는 2행정 대형 디젤 엔진 내에 사용되는 것에만 한정되지 않을 뿐 아니라, 특히 4행정 대형 디젤 엔진 또는 일반적인 디젤 엔진과 같은 다른 유형의 엔진 내의 사용에도 또한 적합하다는 것은 자명하다.

본 발명에 따른 디젤 엔진용 연료분사노즐을 구성하는 일체형의 기초 몸체는 경화 가능한 열처리성 소재로 전체가 구성되므로, 작동 중 가장 높은 응력을 받는 부분이 충격 응력 및 부식에 장시간 견디기에 기계적으로 충분히 견고하다. 또한 내고온부식성 합금으로 노즐 헤드를 코팅함으로써, 열 부식에 대하여 효과적으로 보호받는 것이 보장된다.

Claims (10)

1. 노즐 니들(4)을 가이드하고 연료 주입을 하기 위한 종 방향 보어(3)―여기서 종 방향 보어(3)는 적어도 하나의 노즐 구멍 보어(61)가 종 방향 보어(3)로부터 시작되는 노즐 헤드(6) 내로 연장됨―를 가지며, 노즐 니들(4)과 함께 작용하기 위해 상기 종 방향 보어(3) 내에 배열되는 니들 시트(5)를 갖는 디젤 엔진용, 구체적으로는 2행정 대형 디젤 엔진용 연료분사노즐의 제조 방법에 있어서,

   적어도 상기 종 방향 보어(3), 니들 시트(5), 및 노즐 헤드(6)를 포함하는 일체형 기초 몸체(2)가 경화되지 않은 상태에서 경화 가능한 소재, 구체적으로는 열처리 가능한 강으로 원하는 최종 외형으로 제조되는 단계;

   상기 노즐 헤드(6)에 내고온부식성 합금이 후속으로 코팅(7)되는 단계;

   상기 노즐 구멍 보어(61)가 형성되는 단계; 및

   상기 기초 몸체(2)가 경화되는 단계

   를 포함하는 연료분사노즐의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 니들 시트(5)가 노즐 구멍 보어(61)의 바로 상류 쪽에 배열되는 연료분사노즐의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노즐 헤드(6)의 코팅(7)이 레이저 응용 공정에 의해, 구체적으로는 레이저 클래딩에 의해 수행되는 연료분사노즐의 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 구멍 보어(61)가 경화 전에 전기화학적으로, 구체적으로는 전기 셰이핑에 의해 처리되는 연료분사노즐의 제조 방법.
5. 노즐 니들(4)을 가이드하고 연료 주입을 하기 위한 종 방향 보어(3)―여기서 종 방향 보어(3)는 적어도 하나의 노즐 구멍 보어(61)가 종 방향 보어(3)로부터 시작되는 노즐 헤드(6) 내로 연장됨―를 가지며, 노즐 니들(4)과 함께 작용하기 위해 상기 종 방향 보어(3) 내에 배열되는 니들 시트(5)를 갖는 디젤 엔진용, 구체적으로는 2행정 대형 디젤 엔진용 연료분사노즐에 있어서,

   적어도 상기 종 방향 보어(3), 니들 시트(5), 및 노즐 헤드(6)를 포함하는 일체형 기초 몸체(2)가 제공되며, 상기 기초 몸체(2)는 경화되지 않은 상태에서 경화 가능한 소재, 구체적으로는 열처리 가능한 강으로 원하는 최종 외형으로 제조된 후 경화되고;

   상기 기초 몸체(2)의 노즐 헤드(6)는 기초 몸체(2)의 경화 전에 내고온부식성 합금으로 코팅(7)되며;

   상기 코팅(7) 시공 후, 기초 몸체(2)의 경화 전에 노즐 구멍 보어(61)가 형성되는

   연료분사노즐.
6. 제5항에 있어서, 상기 니들 시트(5)가 노즐 구멍 보어(61)의 바로 상류 쪽에 배열되는 연료분사노즐.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 노즐 헤드(6)의 코팅(7)이 레이저 응용 공정에 의해, 구체적으로는 레이저 클래딩에 의해 수행되는 연료분사노즐.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기초 몸체(2)의 외부 경계면이 실린더 헤드(10) 내에서 연료분사노즐(1)을 지지하기 위해 원뿔형으로 설계되는 영역(21)을 갖는 연료분사노즐.
9. 제8항에 있어서, 상기 원뿔형 영역(21)의 원뿔각(α)이 15°내지 35°, 구체적으로는 대략 22°내지 26°인 연료분사노즐.
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 연료분사노즐을 포함하거나, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 연료분사노즐을 포함하는 디젤 엔진.