KR20130138610A - 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료레일의 재질을 기존의 SUS 재질 대신에 고강도의 Al 압출재를 적용하고, 메인파이프와 고정브라켓을 일체형으로 압출한 후 고속절삭 가공함으로써, 고온의 브레이징 공정을 삭제하여 원가 및 중량을 절감할 수 있는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치는 내부에 연료가 흐름가능하고, 양단부에 인렛 피팅과 엔드플러그가 장착된 메인파이프; 및 상기 메인파이프에 일체형으로 형성되고, 내부에 인젝터가 삽입장착되며, 볼트를 이용하여 메인파이프를 엔진 상단에 고정할 수 있도록 된 고정부;로 구성되고, 상기 메인파이프 및 고정부는 알루미늄 합금 재질로 이루어지며, 기존의 SUS 재질 대신에 알루미늄 합금을 적용하여 소재 단가를 낮추고, 고정부를 메인파이프에 일체형으로 형성함으로써 원가를 절감할 뿐만 아니라 차량 경량화에 기여할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법{High pressure fuel rail apparatus for GDI engine and manufacturing method for the same}
본 발명은 원가 절감 및 차량 부품의 경량화를 극대화할 수 있는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린 엔진의 연료 분사 방식에는 다양한 종류의 방식이 있는데, 그 중 가솔린 직접 분사식(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진의 경우에는 연료의 분사 압력이 대략 약 200bar 정도로 고압이어서, 연료를 고압으로 만들기 위한 고압펌프와 고압의 연료를 보관하기 위한 고압 연료레일이 필수적이다.
상기 고압 연료레일은 연료 공급시 발생하는 맥동과 엔진에서 전달되는 진동으로부터 보호하기 위해 고정브라켓을 이용하여 엔진의 상단에 장착된다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 고압 연료레일을 보여주는 사시도 및 이의 A-A 단면도로서, 상기 연료레일은 내부에 연료가 흐름가능한 메인파이프와, 메인파이프에 부착되어 연료레일을 엔진에 고정하기 위한 고정브라켓을 포함한다.
상기 고정브라켓은 메인파이프의 축방향에 대하여 수직방향으로 길게 형성되며 나란하게 한 쌍씩 간격을 두고 배치되는 제1 및 제2몸체로 구성된다.
상기 제1몸체는 이의 내부에서 하방향으로 개구되는 삽입홈을 가지며, 삽입홈에 인젝터를 삽입 장착할 수 있고, 이의 내부는 메인파이프와 인젝터 사이를 연통시키도록 되어 메인파이프에서 인젝터에 연료를 공급할 수 있다.
또한, 상기 제2몸체는 내부에 수직방향으로 볼트삽입구멍을 가지며, 제2몸체를 볼트로 엔진의 상단에 체결함으로써, 메인파이프를 엔진의 상단에 고정하여 엔진의 진동 등으로부터 보호할 수 있다.
한편, 연료레일은 고압의 연료를 이송 및 보관하는 중요한 부품으로, 내구성 및 내식성이 중요한 인자로 요구됨에 따라, 고압 연료레일에 우수한 내구성 및 내식성을 가지는 SUS304를 적용하고 있다.
이러한 SUS재질의 연료레일의 경우에 인젝터가 삽입장착되는 고정브라켓을 메인파이프와 별개로 정밀주조한 후 고온의 Cu 브레이징 공법을 이용하여 정밀주조된 고정브라켓을 메인파이프에 접합한다.
그러나, 상기 SUS 소재의 경우 원가가 비싸고 밀도가 높아 정밀 주조 및 브레이징 공법의 적용으로 의해 부품원가 및 중량이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연료레일의 재질을 기존의 SUS 재질 대신에 고강도의 Al 압출재를 적용하고, 메인파이프와 고정브라켓을 일체형으로 압출한 후 고속절삭 가공함으로써, 고온의 브레이징 공정을 삭제하여 원가 및 중량을 절감할 수 있는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치는 내부에 연료가 흐름가능하고, 양단부에 인렛 피팅과 엔드플러그가 장착된 메인파이프; 및 상기 메인파이프에 일체형으로 형성되고, 내부에 인젝터가 삽입장착되며, 볼트를 이용하여 메인파이프를 엔진 상단에 고정할 수 있도록 된 고정부;로 구성되고, 상기 메인파이프 및 고정부는 알루미늄 합금 재질로 이루어지며, 기존의 SUS 재질 대신에 알루미늄 합금을 적용하여 소재 단가를 낮추고, 고정부를 메인파이프에 일체형으로 형성함으로써 원가를 절감할 뿐만 아니라 차량 경량화에 기여할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치의 제조방법은 알루미늄 빌렛을 제조하는 단계; 상기 제조된 알루미늄 빌렛을 압출기에 투입하여 압출하는 단계; 상기 압출된 압출재를 열처리하는 단계; 상기 열처리된 압출재를 소정 길이로 절단하는 단계; 상기 절단된 압출재를 전용 고속 가공장비를 이용하여 메인파이프, 고정부 및 센서포트가 일체형으로 된 연료레일로 가공하는 단계; 및 상기 가공된 메인파이프의 양단부에 인렛 피팅과 엔드플러그를 체결하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 연료레일의 재질을 기존의 SUS 대신에 알루미늄 합금을 적용함으로써 경량화 효과를 거둘 수 있다.
둘째로, 기존의 SUS 재질 대비 소재단가가 낮은 알루미늄 압출재를 적용하고, 고온의 Cu 브레이징 공정을 삭제함으로써 원가를 절감할 수 있다.
셋째로, 고온의 브레이징 공정 삭제를 통해 공정을 단순화할 수 있고, 고정브라켓과 메인파이프 사이의 접합부 제거를 통해 강성을 증대시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 고압 연료레일을 보여주는 사시도 및 이의 A-A 단면도
도 3은 본 발명에 따른 GDI 엔진용 고압 연료레일 장치의 사시도
도 4는 도 3의 정면도 및 저면도
도 5 및 도 6은 도 4에서 B-B 단면도 및 C-C 단면도
도 7은 도 4에서 D-D 단면도
도 8은 본 발명에 따른 GDI 엔진용 고압 연료레일 장치의 제조방법의 공정도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 GDI 엔진용 고압 연료레일 장치의 사시도이고, 도 4는 도 3의 정면도 및 저면도이고, 도 5 및 도 6은 도 4에서 B-B 단면도 및 C-C 단면도이고, 도 7은 도 4에서 D-D 단면도이다.
본 발명은 원가 절감 및 경량화 효과를 가지는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고압 연료레일 장치는 원가 절감 및 경량화를 위해 소재원가 및 밀도가 높은 기존의 SUS 재질 대신 가격이 상대적으로 싸고 가벼운 알루미늄 재질을 적용하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고압 연료레일 장치는 고정브라켓을 메인파이프(10)와 별개로 제작하는 것이 아니라, 압출 공법을 이용하여 메인파이프(10)와 일체형으로 제작한다.
상기 고압 연료레일 장치는 내부에 연료가 흐름가능한 메인파이프(10)와, 메인파이프(10)와 하나의 몸체로 형성되는 고정부(20)를 포함한다.
메인파이프(10)는 내부에 축방향으로 길이가 긴 원통형의 중공부(11)를 가지며, 중공부(11)를 통해 연료가 흐를 수 있다.
메인파이프(10)의 양쪽 단부에는 개구부가 형성되고, 이의 왼쪽 개구부에 인렛 피팅(15)(inlet fitting)이 결합되고, 이의 오른쪽 개구부에 엔드플러그(18)가 결합된다.
상기 인렛 피팅(15)은 내부에 오리피스 홀(15a)이 형성되어 메인파이프(10)와 연통되며, 인렛 피팅(15)의 홀(15a)을 통해 외부의 연료공급파이프에서 메인파이프(10)로 연료를 공급할 수 있다.
인렛 피팅(15)은 외부로 노출된 원형의 외부연결부(12)와, 메인파이프(10)의 내부에 삽입되는 원형의 제1삽입부(14)와, 상기 외부연결부(12) 및 제1삽입부(14) 사이에 직경이 크게 형성되며 메인파이프(10)의 일측 단부에 밀착 조립되는 제1플랜지부(13)로 구성된다.
엔드플러그(18)는 마개 역할을 하며, 메인파이프(10)의 내부에 삽입 장착되는 제2삽입부(16)와, 제2삽입부(16)의 단부에서 직경이 크게 형성되며 메인파이프(10)의 타측 단부에 밀착 조립되는 제2플랜지부(17)로 구성된다.
이때, 상기 인렛 피팅(15)과 엔드플러그(18)에 오링(23)을 각각 적용하여 인렛 피팅(15) 및 메인파이프(10), 그리고 엔드플러그(18) 및 메인파이프(10) 사이의 기밀을 유지함으로써 인렛 피팅(15)과 엔드플러그(18)에서의 누유를 방지할 수 있다.
상기 메인파이프(10)의 뒤쪽 중간에는 원형의 센서포트(19)가 돌출형성되고, 센서포트(19)의 내부에는 메인파이프(10)와 연통되는 연통홀(19a)이 형성되어, 센서포트(19)를 통해 메인파이프(10) 내부의 연료압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 메인파이프(10)의 앞쪽 면에는 고정부(20)가 길이방향을 따라 간격을 두고 앞쪽방향으로 돌출형성되고, 고정부(20)의 내부에는 인젝터(5)를 삽입하기 위한 인젝터 삽입홈(22)과 볼트(7)를 삽입하기 위한 볼트삽입홀(21)이 형성되어 있다.
상기 인젝터 삽입홈(22)은 하방향으로 개구되고, 메인파이프(10)와 인젝터 삽입홈(22) 사이를 연통시키기 위한 연결홀이 형성되어, 메인파이프(10)로부터 인젝터 삽입홈(22)으로 연료가 전달된다.
상기 볼트삽입홀(21)은 상하방향으로 개구되고, 볼트(7)를 볼트삽입홀(21)에 삽입하여 체결함으로써, 엔진 상단에 메인파이프(10)를 고정시킬 수 있다.
여기서, 상기 연료레일의 연료공급경로를 살펴보면, 연료는 연료공급파이프와 연결된 연료레일의 인렛 피팅(15)을 통해 메인파이프(10)의 중공부(11)로 유입되고, 중공부(11)와 인젝터 삽입홈(22) 사이를 연결하는 연결홀을 통해 메인파이프(10)에서 인젝터(5)로 각각 분배되며, 인젝터 삽입홈(22)에 장착된 인젝터(5)를 통해 엔진의 연소실에 분사된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 고압 연료레일의 제조방법을 설명하기로 한다.
첨부한 도 8은 본 발명에 따른 GDI 엔진용 고압 연료레일 장치의 제조방법의 공정도이다.
1. 알루미늄 빌렛 제조
원통형의 Al6061 알루미늄 빌렛을 제조하여 200℃로 예열한다.
2. 압출
상기 예열된 알루미늄 빌렛을 압출기에 투입한다.
여기서 1000톤의 하중으로 초당 10~30mm의 속도로 압출을 실시하며, 이때 나오는 압출재는 500℃로 가열되어 있는 상태이다.
3. 열처리
상기 압출된 압출재는 금형을 통과한 후 바로 수냉되어 압출과 동시에 용체화 처리를 실시한다.
용체화 처리(담금질 처리)란 알루미늄 합금을 500℃ 전후로 가열하여 시효경화에 관계되는 첨가원소를 충분히 고용시킨 후 상온에 유지시키는 조작을 말한다.
4. 절단
상기 용체화 처리를 한 다음, 직진도를 보정한 압출재를 2~3m의 길이로 절단 후 200~230℃의 온도로 5~7시간 시효처리를 실시한 뒤 냉각 후 50cm의 길이로 절단한다.
여기서, 상기 시효처리란 용체화 처리에서 과포화 고용체를 상온 혹은 약간 높은 온도로 유지함으로써 용질원자를 금속간화합물로서 석출시켜 매트릭스를 강화하는 방식으로 기계적 성질을 향상시키는 처리를 말한다.
5. 고속 절삭가공
상기 절단된 압출재를 전용 고속가공장비를 이용하여 메인파이프(10)의 중공부(11)를 홀가공하고, 고정부(20) 및 센서포트(19)를 고속 절삭가공한다.
그리고, 인렛 피팅(15)과 엔드플러그(18)를 가공하여 제조한다.
6. 인렛 피팅(15) 및 엔드플러그(18) 체결
오링(23)이 각각 장착된 인렛 피팅(15)과 엔드플러그(18)를 고정브라켓 일체형 메인파이프(10)의 양쪽 단부에 각각 체결하여 완성한다.
이와 같이 재질 및 공법 변경에 따른 설계형상의 최적화를 실시하여 작동압(200bar) 및 한계내압(450bar이상) 평가를 통해 성능을 만족하였다.
따라서, 본 발명에 의하면 연료레일의 재질을 기존의 SUS 대신에 알루미늄 합금을 적용함으로써 경량화 효과를 거둘 수 있다.
또한, 기존의 SUS 재질 대비 소재단가가 낮은 알루미늄 압출재를 적용하고, 고온의 Cu 브레이징 공정을 삭제함으로써 원가를 절감할 수 있다.
아울러, 고온의 브레이징 공정 삭제를 통해 공정을 단순화할 수 있고, 고정브라켓과 메인파이프(10) 사이의 접합부 제거를 통해 강성을 증대시킬 수 있다.
5 : 인젝터 7 : 볼트
10 : 메인파이프 11 : 중공부
12 : 외부연결부 13 : 제1플랜지부
14 : 제1삽입부 15 : 인렛 피팅
15a : 오리피스 홀 16 : 제2삽입부
17 : 제2플랜지부 18 : 엔드플러그
19 : 센서포트 19a : 연통홀
20 : 고정부 21 : 볼트삽입홀
22 : 인젝터 삽입홈 23 : 오링

Claims (5)

  1. 내부에 연료가 흐름가능하고, 양단부에 인렛 피팅(15)과 엔드플러그(18)가 장착된 메인파이프(10); 및
    상기 메인파이프(10)에 일체형으로 형성되고, 내부에 인젝터(5)가 삽입장착되며, 볼트(7)를 이용하여 메인파이프(10)를 엔진 상단에 고정할 수 있도록 된 고정부(20);
    를 포함하여 구성되는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부(20)는 메인파이프(10)의 한쪽 측면에 축방향으로 간격을 두고 돌출형성되고, 상기 메인파이프(10)의 축방향에 대하여 상하 수직방향으로 배치되며, 내부에 평행하게 배치된 인젝터 삽입홈(22)과 볼트삽입홀(21)을 가지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인파이프(10) 및 고정부(20)는 알루미늄 합금 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치.
  4. 알루미늄 빌렛을 제조하는 단계;
    상기 제조된 알루미늄 빌렛을 압출기에 투입하여 압출하는 단계;
    상기 압출된 압출재를 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 압출재를 소정 길이로 절단하는 단계;
    상기 절단된 압출재를 전용 고속 가공장비를 이용하여 메인파이프(10), 고정부(20) 및 센서포트(19)가 일체형으로 된 연료레일로 가공하는 단계;
    상기 가공된 메인파이프(10)의 양단부에 인렛 피팅(15)과 엔드플러그(18)를 체결하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 압출재를 열처리하는 단계는 압출재를 용체화 처리하는 단계와, 용체화 처리 후 200~230℃의 온도에서 5~7시간 동안 시효처리 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료 레일 장치의 제조방법.
KR1020120062345A 2012-06-11 2012-06-11 가솔린 직접 분사식 엔진용 고압 연료레일 장치 및 이의 제조방법 KR20130138610A (ko)

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