KR20100079776A - 선박 엔진용 연료분사노즐 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료분사노즐에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면 니들이 전,후진할 수 있도록 내부에 길이방향으로 중공이 형성되는 노즐몸체, 노즐몸체의 일단에 구비되고 중공이 내부에 연장형성되는 노즐헤드, 및 노즐헤드에서 중공의 바깥쪽에 원주방향으로 형성되는 공간부를 포함하고, 내열성 및 내마모성이 우수하여 품질향상과 비용절감의 효과가 있는 선박 엔진용 연료분사노즐 및 그 제조방법이 제공된다.
선박, 엔진, 연료분사노즐, 니들, 노즐몸체, 노즐헤드, 중공, 공간부

Description

선박 엔진용 연료분사노즐 및 그 제조방법{FUEL INJECTION NOZZLE OF MARINE ENGINE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료분사노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 실린더의 연소 챔버 내부로 돌출되는 노즐헤드 부위에 공기 또는 냉각수를 공급함으로써, 내열성 및 내마모성을 향상시킨 선박 엔진용 연료분사노즐 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 엔진과 같이 2행정 방식에 따른 대형 디젤엔진의 연료분사노즐은, 선단에 형성되는 노즐팁 부위에 복수의 연료분사구가 구비되고, 이 연료분사구로부터 연료가 연소 챔버 내로 분사되며, 분사공정의 시작과 종료는 밸브 시트와 함께 작동되는 니들(needle)이 연료분사구를 개폐시킴으로써 이루어진다.
여기서, 노즐팁이 형성된 노즐의 선단부는 실린더의 연소 챔버 내부로 돌출되는 구성으로 이루어지므로, 엔진의 작동 과정에서 고열, 기계적 및 화학적 부하 를 지속적으로 제공받아 자연적으로 마모가 발생하게 되며, 특히 연소 챔버 내의 고온 및 연소 온도와 새로 공급되는 소기(scavenging air) 온도 사이의 큰 온도차에 의한 열부하로 인하여, 노즐의 수명이 단축되고 이로 인해 노즐교체 작업에 따른 시간과 비용의 부담이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 실시예는 니들이 전,후진할 수 있도록 내부에 길이방향으로 중공이 형성되는 노즐몸체, 노즐몸체의 일단에 구비되고 중공이 내부에 연장형성되는 노즐헤드, 및 노즐헤드에서 중공의 바깥쪽에 원주방향으로 형성되는 공간부를 포함하고, 내열성 및 내마모성이 우수하여 품질향상과 비용절감의 효과가 있는 선박 엔진용 연료분사노즐 및 그 제조방법과 관련된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 니들이 전,후진할 수 있도록 내부에 길이방향으로 중공이 형성되는 노즐몸체, 노즐몸체의 일단에 구비되고 중공이 내부에 연장형성되는 노즐헤드, 및 노즐헤드에서 중공의 바깥쪽에 원주방향으로 형성되는 공간부를 포함하는 선박 엔진용 연료분사노즐이 제공된다.
이때, 노즐몸체의 일단에는 결합부가 돌출형성되고, 노즐헤드에는 결합부에 대응되는 결합홀이 구비되며, 결합부가 결합홈에 삽입되되, 노즐몸체와 노즐헤드는 브레이징 결합된다.
또한, 중공의 일측에는 연료 공급을 위해 노즐몸체의 후단으로부터 중공의 하단부까지 연통되는 연료공급관이 형성되고, 연료공급관의 양측에는 노즐헤드의 냉각을 위해 노즐몸체의 후단으로부터 공간부까지 연통되는 냉각관이 각각 형성된 다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 선박엔진용 연료분사노즐은, 소재를 황삭가공하여 노즐몸체를 성형하는 노즐몸체 가공단계, 테두리를 따라 소정 깊이의 홈을 가지도록 노즐헤드를 성형하는 노즐헤드 가공단계, 노즐몸체의 일단에 노즐헤드를 브레이징 결합하여 노즐조립체를 형성하는 결합단계, 노즐조립체의 외주면을 선삭하고 일단에 노즐팁을 성형하는 선삭단계, 노즐조립체의 내부에 노즐니들이 삽입될 수 있도록 길이방향으로 중공을 형성하고 노즐팁에 연료분사구를 형성하며 중공의 일측에 연료공급관과 냉각관을 형성하되 냉각관은 노즐헤드의 홈에 연통되게끔 하는 드릴링단계, 및 드릴링단계에서 발생된 버어를 제거하는 디버링단계를 포함하는 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이때, 상술한 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법에는, 드릴링단계를 거친 노즐조립체의 표면을 침탄 또는 침탄질화 열처리하는 열처리단계가 더 포함될 수 있다.
바람직하게는, 노즐조립체를 표면경도 58 내지 60 HRC, 잔류 오스테나이트 면적률 20% 이내로 침탄 열처리한다.
또한, 디버링단계를 거친 노즐조립체의 외주면을 연삭하는 연삭단계가 더 포함되는 것도 가능하고, 연삭단계를 거친 노즐조립체를 초음파 세척하는 세척단계가 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 선박 엔진용 연료분사노즐에 의하면, 엔진 실린더의 연소 챔버 내부로 돌출되는 노즐헤드 부위에 공기 또는 냉각수를 공급함으로써, 내열성 및 내마모성을 향상시켜 품질향상과 노즐교체작업에 따른 시간과 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선박 엔진용 연료분사노즐의 사시도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 선박 엔진용 연료분사노즐의 분해사시도, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 선박 엔진용 연료분사노즐의 가공과정을 나타낸 단면도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 선박 엔진용 연료분사노즐의 제조방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 선박 엔진용 연료분사노즐(100)은, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 니들(200)이 삽입되어 전,후진할 수 있도록 내부에 길이방향으로 중공(310)이 형성되는 노즐몸체(320)와, 노즐몸체(320)의 일단에 구비되고 선단에 노즐팁(331)이 형성되는 노즐헤드(330)로 이루어진 노즐조립체(300)를 포함한다.
여기서, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 노즐몸체(320)는 전체적으로 내부 에 중공(310)을 가진 원통형상이고, 실린더헤드(미도시)의 일측에 지지될 수 있도록, 상단이 바깥쪽으로 확장되어 환턱(321)이 돌출형성되며, 하단에는 중앙부분에서 결합부(322)가 돌출형성되어 후술하는 노즐헤드(330)의 결합홀(332)에 삽입 결합된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 노즐몸체(320)의 하단에 노즐헤드(330)가 결합되는데, 노즐헤드(330)의 중앙부분에는 노즐몸체(320)의 결합부(322)가 대응 결합될 수 있도록 결합홀(332)이 형성되며, 이 결합홀(332)에 결합부(322)가 삽입됨으로써 노즐몸체(320)와 노즐헤드(330)로 이루어진 노즐조립체(300)가 형성된다.
또한, 노즐헤드(330)의 상단에는 결합홀(332)의 바깥쪽 테두리를 따라 소정의 폭과 깊이로 홈(333)이 형성되는데, 도 4b에 도시된 바와 같이, 노즐몸체(320)의 하단에 노즐헤드(330)의 상단이 결합되면, 이 홈(333)과 노즐몸체(320)의 하단면에 의해 구획되는 공간부(400)가 형성되며, 도 4c에 도시된 바와 같이, 이 공간부(400)는 후술하는 냉각관(420)과 연통되어 공기 또는 냉각수의 통로로 이용되어 진다.
한편, 노즐몸체(320)와 노즐헤드(330)는 브레이징(brazing) 결합되는 것이 바람직하며 이를 위해, 결합부에 링(ring) 형상의 브레이징 재료(500)를 끼운 후, 노즐헤드(330)를 결합하고 가열하게 되는데, 이때 브레이징 재료(500)는 순동 재질의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 노즐몸체(320)의 중공(310)은 노즐헤드(330)가 결합되는 결합부(322)까지 연장형성되고, 이 중공(310)에 니들(200)이 삽입된다.
또한, 노즐헤드(330)의 선단은 원뿔형으로 경사져서 돌출되고 중앙부에는 볼록하게 라운드진 노즐팁(331)이 돌출 형성되는데, 노즐헤드(330) 내부 즉, 결합부(322)에 형성되는 중공(310) 역시 노즐헤드(330)의 형상에 대응하여, 내벽이 경사지면서 결합부(322)의 선단으로 갈수록 폭이 좁아지게 된다.
또한, 중공(310)의 일측에는 노즐몸체(320)의 후단으로부터 노즐몸체(320) 내부에 형성된 중공(310)의 하단부까지 연통되는 연료공급관(410)이 형성되고, 노즐팁(331)에는 노즐헤드(330)의 중공(310)에 연통되는 복수의 연료분사구(331a)가 형성된다.
이때, 니들(200)은 후단에 설치된 압축스프링(미도시)에 의해 노즐팁(331) 방향으로 탄성 지지되면서 중공(310)과 연통되는 연료분사구(331a)를 폐쇄하고 있다가, 연료공급관(410)을 통해 중공(310)에 공급되는 연료의 압력이 압축스프링의 탄성복원력보다 커지는 경우, 니들(200)이 후진(상승)하면서 연료분사구(331a)를 개방하여 연료의 분사가 개시된다.
반면에, 분사의 종료시에는 중공(310)의 연료 압력이 감소하면서 압축스프링의 탄성복원력에 의해 니들(200)이 전진(하강)하면서 연료분사구(331a)를 폐쇄하여 연료의 분사가 종료되는 것이다.
또한, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 중공(310)의 바깥쪽 둘레에 한 쌍의 냉각관(420)이 서로 이격하여 형성되는데, 이 냉각관(420)은 도 4c에 도시된 바와 같이, 노즐몸체(320)의 후단으로부터 노즐헤드(330)의 공간부(400)까지 연통되며, 이 냉각관(420)을 통해 공기 또는 냉각수가 순환됨으로써 노즐헤드(330)를 냉각하게 된다.
한편, 전술한 노즐몸체(320)와 노즐헤드(330)의 재질은 동일한 재질의 것을 사용할 수도 있고, 서로 다른 재질의 것을 사용하는 것도 가능하며, 열처리가 가능한 침탄용 강을 사용하는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 선박 엔진용 연료분사노즐(100)의 제조는 다음의 단계들을 포함한다.
노즐몸체 가공단계( S1 ):
침탄용강을 황삭하여 원통형상의 노즐몸체(320)를 성형하는데, 이때 노즐몸체의 일단에는 바깥쪽으로 확장된 환턱(321)이 형성되고 타단에는 원형단면의 결합부(322)가 중앙부로부터 돌출되도록 형성시킨다(도 4a 참조).
노즐헤드 가공단계( S2 ):
노즐몸체(320)의 타단 직경과 동일한 직경을 가지고 노즐몸체(320)의 길이에 비해 상대적으로 작은 길이를 갖도록 원형단면의 노즐헤드(330)를 황삭 가공하되, 중앙부에는 노즐몸체(320)의 결합부(322)가 삽입될 수 있도록 결합홀(332)을 형성하고, 노즐헤드(330)의 일단면에는 결합홀(332)의 테두리를 따라 원주 방향으로 소 정 깊이와 폭을 가진 홈(333)을 형성시킨다(도 4a 참조).
결합단계( S3 ):
노즐몸체(320)의 결합부(322)에 링 형상의 브레이징 재료(500)를 삽입하고 그 위에 노즐헤드(330)를 끼우며, 가열하여 노즐몸체(320)와 노즐헤드(330)를 브레이징 결합시킨다(도 4b 참조).
이때, 노즐헤드(330)의 중공(310) 바깥쪽에는 원주방향으로 공간부(400)가 형성되며, 이 공간부(400)에는 공기 또는 냉각수가 흐르게 된다.
선삭단계 ( S4 ):
노즐몸체(320)와 노즐헤드(330)가 결합된 노즐조립체(300)의 외주면을 선삭하여 최종 제품의 형상으로 가공하며 이때, 노즐헤드(330)의 선단에 노즐팁(331)이 형성된다(도 4c 참조).
드릴링단계 ( S5 ):
노즐조립체(300)의 후단에서 길이방향으로 드릴링(drilling)하여 중앙부에는 중공(310)을 형성시키고 중공(310)의 바깥쪽 테두리에는 연료공급관(410)과 한 쌍의 냉각관(420)을 형성시키며, 노즐팁(331)에는 중공(310)으로 연통되도록 복수의 연료분사구(331a)를 형성시킨다.
이때, 연료공급관(410)은 노즐몸체(320)의 중공(310) 하단부에 연통되고, 냉각관(420)은 공간부(400)에 연통된다(도 4c 참조).
열처리단계( S6 ):
노즐조립체(300)의 표면을 침탄 또는 침탄질화 열처리한다.
바람직하게는, 노즐조립체(300)의 경우에는 표면경도 58 내지 60 HRC, 잔류 오스테나이트 면적률 20% 이내로 침탄 열처리하고, 이때 니들(200)은 고속도 공구강으로 제작하는 것이 바람직한데, 표면경도 60 내지 65 HRC 로 담금질 뜨임 처리한 후, 표면경도 HV 1100 이상으로 질화 열처리한다.
디버링단계 ( S7 ):
드릴링단계(S5)에서 발생된 버어(burr)를 제거하기 위해, 디버링(deburring) 작업을 하게 되는데, 이때 샌드블래스트(sand blast) 처리하는 것이 바람직하고, 전기화학적 방법 즉, 전기적 기계가공 또는 전기셰이핑을 사용하여 추가적으로 가공하는 것도 물론 가능하다.
연삭단계 ( S8 ):
디버링단계(S7)를 거친 노즐조립체(300)의 표면을 연삭하여 마감처리한다.
세척단계( S9 ):
최종 제품의 포장 전에 초음파 세척함으로써 이물질을 제거한다.
상술한 바와 같은 방법에 의해 제조되는 선박 엔진용 연료분사노즐(100)은, 노즐헤드(330)의 내부에 공기 또는 냉각수가 순환될 수 있도록 공간부(400)가 마련됨으로써, 노즐헤드(330)의 열변형과 열부하에 의한 마모를 방지할 수 있어, 내열성과 내마모성이 우수하고 이에 따라 노즐의 내구성이 향상되어, 노즐의 교체에 들어가는 시간과 비용을 절감할 수 있는 효과가 발생한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선박 엔진용 연료분사노즐의 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 선박 엔진용 연료분사노즐의 분해사시도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 선박 엔진용 연료분사노즐의 가공과정을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 선박 엔진용 연료분사노즐의 제조방법을 도시한 순서도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 선박 엔진용 연료분사노즐
200 : 니들 300 : 노즐조립체
310 : 중공 320 : 노즐몸체
322 : 결합부 330 : 노즐헤드
331 : 노즐팁 331a : 연료분사구
332 : 결합홀 333 : 홈
400 : 공간부 410 : 연료공급관
420 : 냉각관 500 : 브레이징 재료

Claims (8)

  1. 니들이 전,후진할 수 있도록 내부에 길이방향으로 중공이 형성되는 노즐몸체;
    상기 노즐몸체의 일단에 구비되고 상기 중공이 내부에 연장형성되는 노즐헤드; 및
    상기 노즐헤드에서 상기 중공의 바깥쪽에 원주방향으로 형성되는 공간부;를 포함하는 선박 엔진용 연료분사노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐몸체의 일단에는 결합부가 돌출형성되고, 상기 노즐헤드에는 상기 결합부에 대응되는 결합홀이 구비되며, 상기 결합부가 상기 결합홈에 삽입되되, 상기 노즐몸체와 상기 노즐헤드는 브레이징 결합되는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료분사노즐.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중공의 일측에는 연료 공급을 위해 상기 노즐몸체의 후단으로부터 상기 중공의 하단부까지 연통되는 연료공급관이 형성되고, 상기 연료공급관의 양측에는 상기 노즐헤드의 냉각을 위해 상기 노즐몸체의 후단으로부터 상기 공간부까지 연통되는 냉각관이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료분사노즐.
  4. 소재를 황삭가공하여 노즐몸체를 성형하는 노즐몸체 가공단계;
    테두리를 따라 소정 깊이의 홈을 가지도록 노즐헤드를 성형하는 노즐헤드 가공단계;
    상기 노즐몸체의 일단에 상기 노즐헤드를 브레이징 결합하여 노즐조립체를 형성하는 결합단계;
    상기 노즐조립체의 외주면을 선삭하고 일단에 노즐팁을 성형하는 선삭단계;
    상기 노즐조립체의 내부에 노즐니들이 삽입될 수 있도록 길이방향으로 중공을 형성하고, 상기 노즐팁에 연료분사구를 형성하며, 상기 중공의 일측에 연료공급관과 냉각관을 형성하되, 상기 냉각관은 상기 노즐헤드의 홈에 연통되게끔 하는 드릴링단계; 및
    상기 드릴링단계에서 발생된 버어를 제거하는 디버링단계;를 포함하는 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 드릴링단계를 거친 노즐조립체의 표면을 침탄 또는 침탄질화 열처리하 는 열처리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열처리단계에서는 상기 노즐조립체를 표면경도 58 내지 60 HRC, 잔류 오스테나이트 면적률 20% 이내로 침탄 열처리하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 디버링단계를 거친 상기 노즐조립체의 외주면을 연삭하는 연삭단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연삭단계를 거친 노즐조립체를 초음파 세척하는 세척단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료분사노즐 제조방법.
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