KR100440041B1

KR100440041B1 - 디젤 엔진용 커먼 레일

Info

Publication number: KR100440041B1
Application number: KR10-2001-0003829A
Authority: KR
Inventors: 우수이마사요시; 아사다기쿠오
Original assignee: 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2004-07-14
Also published as: DE10103250A1; GB0102128D0; FR2804180A1; FR2804180B1; GB2360075A; KR20010078100A; US20010010216A1; GB2360075B; US6494183B2

Abstract

본 발명은 레일의 내표면 또는 외표면 층의 비금속 개재물과 강 외표면 사이의 경도차 또는 연신률차를 감소시키고, 피로 응력의 집중 정도를 낮게 함으로써 내압 피로 강도가 증가되는 커먼 레일에 관한 것이다.

디젤 엔진용 커먼 레일은 내부에서 축방향으로 연장하는 순환 통로가 마련된 메인 관 레일과, 상기 메인 관 레일의 축방향 둘레 벽부에 형성되는 분기 구멍과, 메인 관 레일과 일체로 또는 별개의 접속 부재를 통해 상기 분기 구멍에 접속되는 분기 접속체와, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 상기 커먼 레일 내측 둘레면의 적어도 일부에 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

커먼 레일은, Ni의 피로 강도 강화 층의 강도 향상과 그 작용에 의해 피로 응력의 집중 정도가 낮아져서 내압 피로 강도가 향상되고, 그 결과 내구성이 우수하고 균열의 발생에 의한 연료 누출이 방지되는 확실히 안정된 기능을 발휘할 수 있다.

Description

디젤 엔진용 커먼 레일{COMMON RAIL FOR DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤 내연 기관의 축압 연료 분사 시스템에 있어서의 고압 연료 분기관 혹은 블록 레일 등과 같은 커먼 레일에 관한 것이다.

이러한 종류의 종래의 커먼 레일은 그 분야에서 많은 구조로 공지되어 있다. 예컨대 도 6에 도시된 구성에 있어서, 메인 관 레일(1) 내부의 둘레 벽부에는 원형 단면의 순환 통로(1-1) 및 이 순환 통로와 연통하는 분기 구멍(1-2)이 마련되며, 분기 구멍(1-2)은 외측으로 개방되어 수압 시트면(1-3)을 형성하고, 상기 수압 시트면(1-3) 부근의 메인 관 레일(1)의 외측 둘레부를 둘러싸는 데에 링형의 접속 피팅(3)이 이용되고, 분기 접속체로서 기능하는 분기관(2)은 단부에 접속 헤드(2-2)를 구비하며, 이 접속 헤드(2-2)는 예컨대 좌굴 성형에 의하여 테이퍼진 원추형의 직경 확장부로 형성된다. 접속 헤드(2-2)에 의하여 형성되는 가압 시트면(2-3)은 수압 시트면(1-3)과 결합되며, 슬리브 와셔(5)에 의하여 분기관(2)에 미리 끼워진 너트(4)는 메인 관 레일(1)로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 방식으로 접속 피팅(3)에 형성되는 나사 형성 벽부(3-1)에 나사 체결된다. 분기관(2)은 너트(4)가 나사 형성 벽부(3-1)에 나사 체결됨으로 인하여 접속 헤드(2-2)의 네크에 가해지는 압력에 의하여 고정되는 상태로 메인 관 레일(1)에 접속된다. 도 7 또는 도 8에 도시된 공지의 구조에 있어서는, 링형의 접속 피팅(3) 대신에, 관형 슬리브 니플(3a, 3b)이 돌기부를 리세스 부분에 나사 결합시키는 방법에 의해 메인 관 레일(1)에 직접 끼워지거나, 관형 슬리브 니플(3a, 3b)을 메인 관 레일(1)로부터 반경 방향 외측으로 돌출하도록 용접함으로써 메인 관 레일(1)의 외측 둘레 벽에 직접 결합된다. 분기관(2)의 접속 헤드(2-2)에 의하여 형성되는 가압 시트면(2-3)은 메인 관 레일(1)의 수압 시트면(1-3)과 결합되고, 관형의 슬리브 니플(3a, 3b)에 나사 결합되는 너트(4)가 분기관(2)을 메인 관 레일(1)에 연결하도록 조여진다. 도 9에 도시된 공지의 구조에 있어서는, 커먼 레일의 메인 관 레일(1)과 일체로 보스(3c)가 형성되고, 분기관(2)의 접속 헤드(2-2)에 의하여 형성되는 가압 시트면(2-3)은 메인 관 레일(1)측의 수압 시트면(1-3)에 결합된다. 상기 보스(3c)의 외측 둘레면에 마련된 나사 형성부(32)에 나사 결합하는 캡 너트(6)가 분기관(2)을 메인 관 레일(1)에 접속하도록 조여진다. 블록 레일형의 커먼 레일(도면 생략) 등도 공지되어 있다.

그러나, 전술한 종래의 커먼 레일은 어느 것에 있어서도, 메인 관 레일(1)의 내압과 분기 접속체로서 기능하는 분기관(2)의 접속 헤드(2-2)의 압력에 이하여 수압 시트면(1-3)에 가해지는 축방향 힘 때문에 분기 구멍(1-2)의 하단 내측 둘레 가장자리부(P)에 큰 응력이 발생한다. 해당 하단 내측 둘레 가장자리부(P)로부터 균열이 생기기 쉬우며, 그로 인하여 연료의 누출을 초래할 가능성이 있다. 또한, 절삭 가공에 의해 모재 금속 중의 비금속 개재물이 외표면에 노출될 수 있다. 이 비금속 개재물은 주로 Al₂O₃, CaO 등과 같은 산화물로 제조되고, 모재 금속과 비교하여 경도가 매우 높고, 연신이 매우 작으며, 또한 모재 금속과의 결합력이 약하다. 이러한 비금속 개재물이 상기 분기 구멍(1-2)의 하부 내측 둘레 가장자리부(P)에 존재하는 경우, 전술한 바와 마찬가지로 응력 집중이 발생되어 피로 파괴가 야기되며, 그에 따라 메인 관 레일(1)의 피로 강도가 저하된다. 또한, 모재 금속 외표면의 바로 아래의 외표면 부분에 비금속 개재물이 존재하는 경우도, 마찬가지로 피로 강도의 저하가 유사하게 초래된다. 이 비금속 개재물에 기인하는 피로 강도의 저하는 모재 금속과 비금속 개재물의 경도차 또는 연신률차에 의한 응력 집중의 증대가 원인이라고 생각되고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일의 제1 실시예를 메인 관 레일측을 일부 절결하여 도시하는 확대 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일의 제2 실시예를 메인 관 레일측을 일부 절결하여 도시하는 확대 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일의 제3 실시예를 메인 관 레일측을 일부 절결하여 도시하는 확대 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일의 제4 실시예를 메인 관 레일측을 일부 절결하여 도시하는 확대 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일의 제5 실시예를 메인 관 레일측을 일부 절결하여 도시하는 확대 단면도.

도 6은 링형의 접속 피팅을 사용한 종래의 커먼 레일의 일례를 일부 절결하여 도시하는 단면도.

도 7은 통형의 슬리브 니플을 요철 끼워 맞춤 나사 부착 방식으로 메인 관의 레일에 장착한 구성의 종래의 커먼 레일의 일례를 일부 절결하여 도시하는 단면도.

도 8은 통형의 슬리브 니플을 용접으로 메인 관 레일에 장착한 구성의 종래의 커먼 레일의 일례를 일부 절결하여 도시하는 단면도.

도 9는 일체의 보스를 가설한 종래의 커먼 레일의 일례를 도시하는 횡단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 메인 관 레일

1-1 : 순환 통로

1-2 : 분기 구멍

1-3 : 수압 시트면

2 : 분기관

2-2 : 접속 헤드

2-3 : 가압 시트면

3 : 접속 피팅

4: 너트

6 : 캡 너트

본 발명은 종래 기술이 갖는 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 각각의 분기 구멍(1-2)의 하단 내측 둘레 가장자리부를 포함한 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부, 또는 분기 구멍, 메인 관 레일의 내측 둘레면 등에 발생하는 응력 집중의 정도를 낮춤으로써 내압에 대한 피로 강도가 증가될 수 있는 디젤 엔진용 커먼 레일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일은 그 축방향 내부에서 연장하는 순환 통로를 갖는 메인 관 레일과, 메인 관 레일의 둘레 벽부에 형성되는 분기 구멍과, 일체 혹은 별개의 접속 부재를 통해 상기 분기 구멍에 접속되는 분기 접속체를 구비하며, 순수 Ni, Ni-P와 같은 Ni기 합금 등을 도금함으로써 미리 마련된 Ni 층을 가열함으로써 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층이 상기 커먼 레일 내측 둘레면의 적어도 일부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층을 형성하는 부분은 상기 분기 구멍 및 이 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부, 상기 메인 관 레일의 순환 통로, 또는 커먼 레일의 전체 둘레면일 할 수 있다.

디젤 엔진용 커먼 레일에 있어서, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층이 모재 금속의 외표면 또는 비금속 개재물이 존재하는 외표면 부분에 형성되는 경우, 이 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 피로 강도 강화 층은 모재 금속보다 경도가 크고 연신이 작으므로, 모재 금속의 외표면 또는 외표면의 비금속 개재물과 금속 외표면 사이의 경도차 또는 연신률차가 작아진다. 예컨대 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부에 상기 피로 강도 강화 층이 형성되는 경우는, 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부에 발생하는 피로 응력의 집중 정도는 감소되어, 상기 교차부에 발생하는 최대 응력값이 작아지며, 그에 따라 내압 피로 강도가 향상된다. 또한, 이 피로 강도 강화 층의 두께는 특별한 값으로 한정되는 것으로 아니지만, 그 작용 효과를 얻기 위해서는 10∼30 ㎛이 적당하다.

Ni가 확산된 피로 강도 강화 층이 형성되는 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 각각의 교차부는 엣지가 없는 만곡된 외표면으로 이루어지는 R형 모따기부를 형성하도록 예각으로 모따기될 수 있다. 이러한 모따기된 부분의 단면 형상은 테이퍼진 외표면이 부드럽게 만곡된 외표면을 매개로 분기 구멍의 내측 둘레면에 합체되고 메인 관 레일의 순환 통로의 내측 둘레면이 부드럽게 만곡된 외표면을 매개로 테이퍼진 외표면에 합체되는 형상일 수 있거나, 구형 외표면, 타원형 외표면, 포물선 또는 쌍곡선의 형상일 수 있다.

본 발명에 따른 도 1에 도시된 디젤 엔진용 커먼 레일은 도 8에 도시된 커먼 레일의 구조와 유사한 구조를 갖는다. 분기 접속체로서 기능하도록 너트(4)가 분기 관(2)에 미리 조립되며, 접속체로서 기능하는 관형의 슬리브 니플(3b)은 그것의 둘레면 부근에 나사 형성 외표면(3-1b)이 마련된다. 슬리브 니플(3b)이 수압 시트면(1-3)을 둘러싸는 방식으로, 슬리브 니플(3b)의 선단부는 분기 구멍(1-2)에 동심으로 수압 시트면(1-3)의 근처에서 메일 관 레일(1)의 외측 둘레벽에 용접된다. 분기 구멍(2)의 접속 헤드(2-2)에 의하여 형성되는 가압 시트면(2-3)이 메인 관 레일(1)의 수압 시트면(1-3)과 결합되며, 상기 슬리브 니플(3b)에 나사 결합되는 너트(4)는 분기관(2)을 메인 파이프 레일(1)에 접속하도록 조여진다. 이러한 구성에 있어서, 메인 관 레일(1)의 원형 단면을 갖는 순환 통로(1-1)와 연통하는 분기 구멍(1-2)은 순환 통로(1-1)로 개방되는 개구부를 가지며, 이 개구부의 단부는 원호형으로 모따기되어 엣지가 없는 곡면으로 이루어진 R형 모따기부(1-2a)를 형성한다. 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층(S)은 R형 모따기 부분(1-2a)으로 이루어진 교차부 위에 마련된다.

또한, 커먼 레일로서 기능하는 메인 관 레일(1)은 예컨대 관 직경 약 24 mm, 두께 약 8 mm 정도의 비교적 두껍고 직경이 작은 금속관으로 구성되며, 메인 관 레일(1)의 축방향 내부는 원형 단면의 순환 통로(1-1)로 형성된다. 순환 통로(1-1)를 따라 서로 축방향으로 간격을 두고 있고 메인 관 레일(1)의 둘레 벽부에 외측으로 개방되는 복수의 수압 시트면(1-3)에 각각의 분기 구멍(1-2)이 대응하는 방식으로, 그리고 분기 구멍(1-2)이 순환 통로(1-1)와 연통하는 방식으로, 복수의 분기 구멍(1-2)이 메인 관 레일(1)에 형성된다. 각각의 분기 접속체는 전술한 형태의 분기 피팅 또는 분기관(2)으로 구성되며, 그 내부에 순환 통로(1-1)로 통하는 흐름 통로(2-2)를 갖는다. 또한, 각각의 분기 접속체는 일단부에 접속 헤드(2-2)를 구비하며, 이 접속 헤드는 좌굴 성형에 의하여 테이퍼진 원추형의 직경이 확대되는 형상으로 구성되어 가압 시트면(2-3)을 형성한다.

이어서, 도 2에 도시된 디젤 엔진용 커먼 레일은 도 9에 도시된 구조와 유사한 구조를 갖는다. 메인 관 레일(1)과 일체로 보스(3c)가 형성되고, 분기관(2)의 접속 헤드(2-2)에 의하여 형성되는 가압 시트면(2-3)은 메인 관 레일(1)의 수압 시트면(1-3)에 결합된다. 상기 보스(3c)의 외측 둘레면에 마련된 나사 형성부(3-2)에 나사 결합되는 캡 너트(6)는 분기관(2)을 메인 관 레일(1)에 접속하도록 조여진다. 이러한 구조에 있어서, 상기 메인 관 레일(1)의 원형 단면을 갖는 순환 통로(1-1)와, 이 순환 통로와 연통하는 분기 구멍(1-2)의 교차부는 그 교차부에 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층(S)으로 도금된다.

또한, 도 3에 도시된 디젤 엔진용 커먼 레일은 도 6에 도시된 구조와 유사한 구조를 갖는다. 메인 관 레일(1)의 둘레 벽부에 형성된 분기 구멍(1-2)은 외측으로 개방되어 수압 시트면(1-3)으로 형성하고, 상기 수압 시트면(1-3) 부근의 메인 관 레일(1)의 외측 둘레부를 둘러싸는 데에 링형의 접속 피팅(3)이 사용된다. 분기관(2) 단부의 접속 헤드(2-2)에 의하여 형성되는 가압 시트면(2-3)은 수압 시트면(1-3)과 결합되고, 분기관(2)은 너트(4)의 나사 결합에 기인하여 접속 헤드(2-2)의 네크에 가해진 압력에 의하여 나사 형성 벽부(3-1)에 고정되는 상태로 메인 관 레일(1)에 접속된다. 나사 형성 벽부(3-1)는 메인 관 레일(1)로부터 반경 방향 외측으로 돌출하는 방식으로 접속 피팅(3)에 형성되고, 너트(4)는 슬리브 와셔(5)에 의하여 분기관(2) 미리 체결된다. 이러한 구조에 있어서, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성된 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층은 메인 관 레일(1)의 원형 단면을 갖는 순환 통로(1-1)와 분기 구멍(1-2)의 교차부 걸쳐 형성된다.

도 4에 도시된 디젤 엔진용 커먼 레일은 도 2에 도시된 메인 관 레일(1)과 유사한 구조를 가지며, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성된 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층(S)은 메인 관 레일(1)의 순환 통로(1-1)와 분기 구멍(1-2)의 교차부, 그리고 순환 통로(1-1)의 전체 내표면에 걸쳐 형성된다.

도 5에 도시된 디젤 엔진용 커먼 레일은 도 4에 도시된 메인 관 레일(1)과 유사한 구조를 가지며, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성된 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층(S)은 분기 구멍(1-2), 메인 관 레일(1)의 수압 시트면(1-3), 메인 관 레일(1)의 순환 통로(1-1)와 분기 구멍(1-2)의 교차부, 그리고 순환 통로(1-1)의 전체 내표면에 걸쳐 형성된다.

이와 같이, Ni가 확산된 피로 강도 강화 층(S)이 메인 관 레일(1)의 순환 통로(1-1)와 연통하는 분기 구멍(1-2)과 메인 관 레일(1)의 순환 통로(1-1)의 교차부, 또는 이 교차부와 메인 관 레일(1)의 순환 통로(1-1), 또는 메인 관 레일(1)의 전체 내측 둘레면에 걸쳐 형성되는 경우에, 전술한 분기 구멍(1-2)과 순환 통로(1-1)의 교차부, 또는 교차부와 메인 관 레일(1)의 순환 통로(1-1), 또는 메인 관 레일(1)의 전체 내측 둘레면은 메인 관 레일(1)에 작용하는 내압에 대항하는 강도가 높아지고, 비금속 개재물에 기인한 응력 집중의 정도는 대폭 경감된다. 따라서, 특히 개구 엣지부(P)와 같은 분기 구멍(1-2)과 순환 통로(1-1)의 교차부로부터 균열이 생기는 문제는 거의 해소된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 엔진용 커먼 레일에 있어서는, 메인 관 레일의 축방향 둘레 벽부에 분기 구멍이 형성되고, 메인 관 레일과 일체로 또는 별개의 이음 부재를 통해 상기 분기 구멍에 분기 접속체가 접속되며, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성된 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층이 분기 구멍, 또는 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부와 같은 커먼 레일의 내부 둘레면의 적어도 일부에 형성된다. 그에 따라, 이 피로 강도 강화 층의 강도 향상과 그 작용에 의해 레일의 내표면 또는 외표면 층에 발생하는 비금속 개재물과 강 외표면 사이의 경도차 또는 연신률차이가 감소되고, 그에 의하여 피로 응력의 집중 정도가 낮아져 내압에 대한 피로 강도가 증가되며, 그 결과 디젤 엔진용 커먼 레일은 내구성이 우수하고 균열의 발생에 의한 연료 누출을 방지하여 확실하게 안정된 기능을 발휘할 수 있다는 우수한 효과를 나타낸다.

예

연속 주조재로 이루어지는 S45C제 커먼 레일(메인 관 레일의 외부 직경 24 mm, 내부 직경 10 mm, 분기 구멍 직경 3 mm)의 분기 구멍과 순환 통로의 교차부에 전기 도금법에 의해 막 두께 4 ㎛의 Ni 도금층을 형성하고, 상기 커먼 레일을 불활성 가스 분위기의 가열로에 장입하여, 1130℃에서 3분간 가열한 후 급냉 처리하여, 분기 구멍과 순환 통로의 교차부의 외표면 부분에 약 18 ㎛의 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층을 형성하였다.

이 커먼 레일을 반복 압력 시험기에 걸어 피로 한계를 조사한 결과, 분기 구멍과 순환 통로의 교차부에 피로 강도 강화 층을 가지지 않는 종래의 동일 사이즈의 커먼 레일(비교재로 이용)의 경우는 180∼1500 bar의 유압에 의한 반복 시험에 있어서 80만회에서 파손된데 비하여, 본 발명에 따른 커먼 레일은 180∼1900 bar에서 1000만회의 반복 시험에도 파손되지 않고 높은 내구성을 나타내었다. 이 결과는 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부에 형성한 약 18 ㎛의 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층에 의한 강도 향상과, 비금속 개재물에 기인한 응력 집중 정도가 저하된 것에 의한 것이라고 판단된다.

또한, 비교재의 파단면을 관찰한 결과, 피로 파괴의 기점부에 비금속 개재물의 존재가 확인되었다. 또한, Ni 층은 Ni기 합금으로도 동일한 작용 효과를 얻을 수 있는 것은 당연하다.

본 발명에 따르면, 피로 강도 강화 층의 강도 향상과 그 작용에 의해 레일의 내표면 또는 외표면 층에 발생하는 비금속 개재물과 강 외표면 사이의 경도차 또는 연신률차이가 감소되고, 그에 의하여 피로 응력의 집중 정도가 낮아져 내압에 대한 피로 강도가 증가되며, 그 결과 디젤 엔진용 커먼 레일은 내구성이 우수하고 균열의 발생에 의한 연료 누출을 방지하여 확실하게 안정된 기능을 발휘할 수 있다는 우수한 효과를 나타낸다.

Claims

내부에서 축방향으로 연장하는 순환 통로가 마련된 메인 관 레일과,

상기 메인 관 레일의 축방향 둘레 벽부에 형성되는 분기 구멍과,

메인 관 레일과 일체로 또는 별개의 접속 부재를 통해서 상기 분기 구멍에 접속되는 분기 접속체와,

피로 강도 강화층으로서, 적어도 디젤 연료 접촉부 상에 Ni로 미리 도금된 층을 상기 접촉부 상에서 가열하여 확산시킴으로써, 레일의 내외표면에 또는 외외표면에 존재하는 비금속 개재물과 레일의 강 외표면 사이의 경도차 또는 연신률차를 저감시키는 방식으로 제조되는 피로 강도 강화층

을 포함하는 디젤 엔진용 커먼 레일.
제1항에 있어서, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층은 상기 분기 구멍과 메인 관 레일의 순환 통로의 교차부에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 커먼 레일.
제1항 또는 제2항에 있어서, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층은 메인 관 레일의 순환 통로에 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 커먼 레일.
제1항에 있어서, 미리 도금된 Ni 층을 가열함으로써 형성되는 Ni가 확산된 피로 강도 강화 층은 상기 커먼 레일의 전체 내측 둘레면에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 커먼 레일.