KR100256161B1

KR100256161B1 - 디젤내연기관용의고압연료분사관

Info

Publication number: KR100256161B1
Application number: KR1019970014823A
Authority: KR
Inventors: 마사요시 우수이
Original assignee: 우스이유따로; 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2000-06-01
Also published as: GB2312486A; DE19716659A1; GB2312486B; FR2747740B1; US5887628A; DE19716659C2; GB9708040D0; FR2747740A1; KR970070523A

Abstract

높은 내압에 견딜 수 있는, 디젤 기관용 연료 분사 관이 제공된다. 내경이 자고 두께가 두꺼운 이중 관 구조의 본 발명의 연료 분사 관은, 두께가 0.4mm 내지 1.5mm 인 고장력 강판으로 제조된 심용접 내부 관과, 이 내부 관과 동일한 재료나 탄소강으로 형성된 외부 관을 포함한다. 이러한 연료 분사 관의 내부 관의 내면 주름의 깊이는 25㎛ 이하로, 이 연료 분사 관은 1200 bar 이상의 높은 내압에도 견딜 수 있다.

Description

디젤 내연기관용의 고압 연료 분사관{HIGH PRESSURE FUEL INJECTION PIPE FOR DIESEL INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 디젤 내연기관의 연료 공급로로서 사용되는 연료 분사관에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하자면 벽의 총 두께가 약 2.2㎜ 내지 5.5㎜이며 외경이 6.0㎜ 내지 15㎜인, 비교적 내경이 작고 벽의 두께가 두꺼운 고압 연료 분사관에 관한 것이다.

일반적으로 종래에는 디젤 엔진의 연료 분사관으로 인장 강도가 340 N/㎟ 내지 410 N/㎟ 정도인 강관이 사용되었지만, 디젤 엔진의 배기 가스 규제를 이유로 해서 수행된 배기 가스 정화 기술의 발전에 따라 연료를 고압, 미립화 하여 분사함으로써 엔진 실린더 내의 연료를 보다 완전히 연소시켜 보다 깨끗한 배기 가스를 배출하는 방법이 채택되게 된 까닭에, 과거에는 최대치였던 1200 bar를 초과하는 높은 내압이 연료 분사관에 부과되게 되어, 연료 분사관은 그러한 높은 내압에 견뎌내기 위해 보다 높은 피로 강도를 갖출 필요가 있게 되었다. 그 대응책으로서, 인장 강도가 490 N/㎟ 내지 800 N/㎟ 정도인 고장력 강이 사용되는 경향이 있다. 이러한 고장력 강관은 일반적으로 인발가공(drawing)으로 제조된다.

그러나, 인발가공에 의하여 제조되는 고장력 강관은, 잉곳(ingot)을 가열하여 제관(tubing)할 때에, 또한 대구경 관을 인발가공하여(신관하여) 필요한 규격의 관으로 가공하는 때에, 그 내면에 약 100 ㎛ 깊이의 미세한 주름이 발생하는 일이 종종 있다. 이 주름은, 관 가공 시에 관의 외측에서 다이스(dice)로 관의 지름을 축소시키고 내면을 플러그로 압연할 때에 발생하는 외측과 내측의 재료 흐름의 차이에 의해 유발되는 것으로 알려져 있다. 즉, 그러한 현상은 인장력과 신장(연성 및 가공성)이 대체로 반비례함에 따라 야기되는 신장 부족에 기인하여 발생한다. 이러한 현상은 벽의 두께가 두꺼운 관에서 현저하게 발생한다. 또한, 플러그에 의해 압연되는 내면 상의 주름은 낮은 연성으로 인해 쭈글쭈글한 결함으로서 잔존한다. 특히, 깊이가 약 100 ㎛ 정도의 미세한 주름이 관 내면에 존재하는 경우에는, 관 내면에 1200 bar 이상의 높은 내압이 반복적으로 가해지게 되면 그 주름 부분에 응력이 집중되기 때문에 관의 피로 파괴가 일어나 관이 파열될 위험이 있다,

또한, 고장력 강관의 인발가공은, 한번에 과도한 인발축소를 행할 수 없기 때문에, 필요한 치수의 관을 얻기 위해서는 여러번의 인발가공이 필요하게 된다. 따라서, 연료 분사관의 제조는 그 저생산성 이외에도 신관기(伸管機), 스웨이징 머신(swaging machine), 교정 머신 등의 설치에 따라 수반되는 설비비의 증가가 부득이하여, 그 생산 비용이 높다는 문제점이 있다.

예를 들면, 인장 강도가 800 N/㎟인 고장력 강관의 경우에, 현행 설비로는 1회의 인발가공에 의해 이룰 수 있는 단면적 축소는 약 30％ 정도가 한계이다. 따라서, 일반적인 이음매 없는 φ34㎜의 본관의 경우에, 종래의 인장 강도 340 N/㎟ 내지 410 N/㎟ 로는 4회의 인발가공(신관)에 의하여 필요한 크기의 분사관을 얻을 수 있는데 비하여, 인장 강도가 800 N/㎟인 고장력 강관의 경우에는 8회의 인발가공을 필요로 한다.

또한, 인장 강도가 800 N/㎟인 고장력 강관의 경우에는, 공정 증가가 부득이할 뿐만 아니라, 다이스와 같은 공구의 용착 현상(seizure), 스웨이징 머신에 가해지는 부하, 신관기의 동시에 인발가공할 수 있는 관의 갯수 감소 등 고강도 부재의 인발가공과 관련된 여러 가지 한계점을 극복해야 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 단일 관으로 형성된 종래의 연료 분사관 대신에, 내측관과 외측관으로 이루어진 이중 구조의 클래드 관(clad pipe)을 사용하여 1200 bar 이상의 높은 내압에 견딜 수 있는 고장력 강으로 제조된 연료 분사관을 제공함으로써 전술한 문제들을 해결하는 것이다.

도 1은 내경이 작고 벽의 총 두께가 두꺼운 본 발명의 이중 금속관의 일 실시예를 보여주는 일부 절취 확대 단면도.

도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절취한 단면도.

도 3은 연료 분사관의 내구성 시험 결과를 도시한 그래프.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 외측관

2 : 내측관

3 : 통로

본 발명의 디젤 엔진용 연료 분사관은 내측관과 외측관으로 구성되는 이중 관 구조로서, 스테인레스강이나 망간강과 같은 고장력 강판을 심 용접(seam welding)하여 형성된 벽 두께가 0.4 내지 1.5 ㎜인 내측관과, 이 내측관과 동일한 재료로 또는 탄소강으로 제조된 강관인 외측관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 뿐만 아니라 다른 목적 및 장점이 첨부 도면과 아래의 기술로부터 분명해질 것이다.

본 발명은, 적은 횟수의 인발가공을 통해서 비교적 내경이 작고 벽 두께가 두꺼운 고압 연료 분사관을 얻기 위하여, 그리고 벽이 두꺼운 관의 내면에 현저하게 발생할 수도 있는 미세한 주름을 방지하기 위하여, 이중 관을 연료 분사관으로서 사용한다.

또한, 이러한 연료 분사관의 경우에는, 후술되는 바와 같은 이유로, 스테인레스강 또는 망간강(망간을 함유한 강)과 같이 인장 강도가 490 N/㎟ 내지 800 N/㎟ 등급인 고장력 강판을 0.4 ㎜ 내지 1.5 ㎜의 벽 두께로 심 용접을 사용하여 제조되는 관을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 관을 심 용접함으로써, 주름이 없고 표면 상태가 양호한 냉연 강판을 원료로서 사용할 수 있게 되어, 잉곳을 사용하여 이음매 없는 관을 제조하는 경우에 나타나는 주름 발생 요인(가공도가 큰 것)을 회피하면서, 평활한 내면을 갖는 관을 제조할 수 있다. 또한, 심 용접 관의 경우에는 내측관의 벽 두께를 0.4 ㎜ 내지 1.5 ㎜로 감소시킬 수 있기 때문에, 관을 신장시키는 경우 내측과 외측의 가공도의 차이가 작고, 이에 따라 주름 깊이도 25 ㎛ 이하로 억제할 수 있다. 외경이 φ6.4 ㎜이고 내경이 φ1.8 ㎜인 심 용접 관의 내면 주름의 깊이가 25 ㎛ 이하인 경우에는, 관에 약 1700 bar 정도의 높은 내압이 부과된다 하더라도 높은 피로 강도를 갖는다는 것이 본 출원의 발명자들의 연구에 의하여 판명되었다.

따라서, 스테인레스강 또는 망간강과 같은 인장 강도 490 N/㎟ 내지 800 N/㎟의 고장력 강을 사용하여 제조되는 심 용접 관을 내측관으로 사용하는 경우, 약 1800 bar 정도의 높은 내압이 부과되더라도 관이 그 내면에 가해지는 최대 응력에 견딜 수 있어, 사실상 관의 파열 위험이 사라진다. 이 경우, 주름 유발 가능성이 높은 용접부와 열영향부의 주름의 깊이를 25 ㎛ 이하로 유지하는 것은 당연하다. 내측관의 벽 두께가 0.4 ㎜ 이하인 경우, 외측관의 영향이 내측관의 내면으로 전이되고 관을 직선으로 교정할 때 내면에 교정 자국이 남을 우려가 있다는 점에 유념하여야 한다. 한편, 내측관의 벽 두께가 1.5 ㎜를 초과하는 경우에는, 내측관이 맨드럴(mandrel)과 같은 작용을 함으로써, 내측관과 외측관 사이에 간극이 생기게 된다.

한편, 외측관은 내측관처럼 내압에 대항하는 큰 피로 강도를 가질 필요가 없기 때문에, 연강으로 제조된 이음매 없는 관(seamless pipe)을 사용할 수 있다. 그러나, 내압에 견디기 위하여 요구되는 피로 강도를 가진 스테인레스강이나 망간강으로 된 고장력 강관을 이음매 없는 관으로서 사용하는 경우에는 관의 수명이 길어진다.

본 발명을 첨부 도면을 참조하여 후술하기로 한다. 도 1은 내경이 작은 본 발명의 두꺼운 이중 금속 관의 일 실시예를 보여주는 일부 절취 확대 단면도이며, 도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절취한 단면도이다. 도면에서, 도면 부호 1로 지시된 것은 외측관이며, 도면 부호 2로 지시된 것은 내측관이고 도면 부호 3으로 지시된 것은 통로이다.

즉, 본 발명의 이중 금속 관은, 외경이 약 15 ㎜ 이하이고 내경이 작으며, 예를 들면 스테인레스강 또는 탄소강으로 제조된 비교적 두꺼운 외측관(1)과, 이 외측관(1)의 내면에 배치되어 압축 끼워맞춤되어 통로(3)를 형성하며, 예를 들면 스테인레스강의 심 용접 관으로 제조되는 벽 두께가 0.4 ㎜ 내지 1.5 ㎜로 얇은 내측관(2)을 포함한다.

심 용접 강관으로 형성되는 내측관(2)은, 주름이 없으며 표면 상태가 양호한 냉연 강판(고장력 강)을 재료로 하여 제관되므로, 잉곳을 사용하여 이음매 없는 관을 제관할 때와 같은 주름 유발 요인이 없어, 평활한 내면을 갖게 된다. 내측관 벽의 두께가 0.4 ㎜ 내지 1.5 ㎜ 정도로 얇아지기 때문에, 관을 신장시킬 때 주름을 발생시킬 가능성은 없다.

(예)

본 발명의 바람직한 실시예가 후술된다.

(제1 실시예)

도 3은 표 1에 도시된 성분(연강)을 가지며 외경이 6.4 ㎜, 벽 두께가 1.8 ㎜, 내경이 2.8 ㎜인 외측관과, 표 1에 도시된 성분(고장력 강)을 가지며 외경이 2.8 ㎜, 벽 두께가 0.5 ㎜, 내경이 1.8 ㎜, 내면 주름의 깊이가 25 ㎛ 이하인 심 용접 관으로 제조된 내측관을 구비하는 연료 분사관의 내구성 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 이 내구성 시험 결과는, 실험용의 연료 분사관을 실험용의 연료 분사 펌프에 연결하고, 상기 연료 분사관의 맨끝에 노즐 홀더를 연결하여, 경유를 연료로서 사용하여 각각의 연료 분사관에 대하여 분사 시험을 천만번 실시하여 얻은 결과이다.

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
내측관	0.16	0.26	1.46	0.008	0.001	0.55	0.55
외측관	0.08	0.28	0.45	-	-	-	-

(질량 ％)

(제2 실시예)

또한, 도 3은, 제1 실시예의 재료와 동일한 재료로 제조되며 벽의 두께가 1.9 ㎜, 외경이 6.4 ㎜, 내경이 2.6 ㎜인 외측관과, SUS 304로 된 심 용접 관으로 형성되며 벽의 두께가 0.4 ㎜, 외경이 2.6 ㎜, 내경이 1.8 ㎜, 내면 주름의 깊이가 25 ㎛ 이하인 내측관을 구비하는 다른 연료 분사관의 내구성 시험 결과를 나타낸 것으로, 시험 방법은 제1 실시예의 방법과 동일하다.

또한, 비교를 위하여 도 3은, STS 35로 제조되며 제1 실시예와 외경 및 벽의 두께가 동일한 외측관과, 내면 주름의 깊이가 35 ㎛ 이하이며 제1 실시예와 외경, 벽의 두께 및 내경이 동일한 SUS 304로 제조되는 이음매 없는 관으로 된 내측관(인장 강도:800 N/㎟)을 사용하는 연료 분사관과, 전술한 바와 같은 외경 및 벽 두께를 갖는 고장력 강으로 제조되는 단일 관으로 된 연료 분사관(인장 강도:490 N/㎟)에 대하여 실시된 유사한 내구성 시험 결과를 보여주고 있다.

도 3에 도시된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 고장력 강으로 제조되는 단일 관으로 된 연료 분사관의 경우에, 내면 주름의 깊이가 25 ㎛ 이하인 연료 분사관은 노즐측의 최고 압력이 1600 bar 내지 1700 bar의 범위 이내인 경우에는 파열되지 않았으며, 내면 주름의 깊이가 40 ㎛를 초과하는 연료 분사관은 상기 최고 압력 부근에서 노즐측에 가해지는 주름 부분에 발생되는 응력 집중으로 인해 피로 파괴가 일어나 파열되었다. 또한, 이중 분사관은 내면 주름의 깊이가 25 ㎛ 이하인 경우에는 최대 1800 bar의 내압을 견딜 수 있으므로, 전술한 단일 연료 분사관과 동등하거나 보다 우수하지만, 내면 주름의 깊이가 30 ㎛이상으로 되면 약 1700 bar에서 피로 파괴가 일어나 파열되었다.

이것에 대하여, 내측관으로 심 용접 관을 사용하는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 연료 분사관은 관에 약 1700 bar 정도의 높은 내압이 천만번 반복하여 가해지더라도 피로 파괴가 일어나지 않아 파열되지 않았다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 디젤 기관용 연료 분사관은, 인장 강도 490 N/㎟ 내지 800 N/㎟의 고장력 강판을 사용하며 내면 주름의 깊이가 25 ㎛ 이하로 제조된 내측관을 사용함으로써, 관 내면의 주름에 야기되는 응력 집중이 감소되도록 하여, 통상 설계되는 얇은 관에 있어서 어떠한 피로 파괴도 유발함이 없이 사용될 수 있도록 하는 우수한 효과를 달성한다.

바람직한 실시예가 설명되었지만, 당업자에게는 아래의 청구범위에 기재된 본 발명의 영역내에서 변형이 가능하다.

Claims

내경이 작은 두꺼운 이중 관 구조의 디젤 엔진용 고압 연료 분사관으로서, 벽의 두께가 얇은 내측관과 벽의 두께가 두꺼운 외측관으로 구성되며, 상기 내측관은 고장력 강판을 심(seam)용접하여 제조되고 벽 두께가 0.4 ㎜ 내지 1.5 ㎜이며, 상기 외측관은 강관인 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항에 있어서, 상기 내측관은 스테인레스강 또는 망간강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내측관은 490 N/㎟ 내지 800 N/㎟의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항에 있어서, 상기 외측관은 상기 내측관과 동일한 재료 또는 탄소강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항에 있어서, 상기 고압 연료 분사관은 벽의 총 벽 두께가 약 2.2 ㎜ 내지 5.5 ㎜이며 외경이 약 6.0 ㎜ 내지 15 ㎜인 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항에 있어서, 상기 심 용접 관은 냉간 압연강판으로 제조되고 관 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항에 있어서, 상기 외측관은 이음매 없는 강관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.
제1항에 있어서, 상기 이중 관 구조는 신관 공정에 의해 상기 내측관과 상기 외측관을 압축 끼워맞춤 함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 고압 연료 분사관.