KR101274328B1 - 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분사 구멍이 형성된 노즐 본체의 시트부에 접촉하는 노즐 니들의 마찰 저항을 줄이기 위한 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조에 있어서, 연료분사밸브의 노즐 니들의 외주면에 증착되는 Cr 코팅층; 상기 Cr 코팅층의 외주면에 증착되는 CrN 코팅층; 상기 CrN 코팅층의 외주면에 증착되는 WCC 코팅층;을 포함하여 구성되고, 상기 CrN 코팅층의 경도가 상기 WCC 코팅층보다 상대적으로 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 노즐 니들의 외주면에 형성되는 코팅층에 의해 내마모성 및 내충격성이 향상되어, 노즐 니들의 선단부와 시트부 사이의 충돌에 따른 충격량이 노즐 니들로 전달되지 않게 되고, 또한 중간의 CrN 코팅층의 경도가 외곽의 WCC 코팅층보다 경도가 더 높게 구성됨으로써, 내마모성과 내충격성을 더욱 높일 수 있게 되어, 연료분사밸브의 연료 분사 특성의 시간 경과에 따른 변화를 작게 억제할 수 있어, 연료 분사 밸브의 개선에 유용하다.

Description

연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법{Coating structure and coating method for nozzle of fuel injection valve}
본 발명은 연료분사밸브의 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관의 기통 내에 연료를 분사 공급하기 위한 연료분사밸브의 노즐에 대해 경도를 높이기 위한 코팅층을 형성함으로써 내충격성을 강화시킬 수 있는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법에 관한 것이다.
내연기관에 연료를 분사 공급하기 위한 연료분사밸브는, 전자 액추에이터를 통해 밸브 피스톤의 배압을 제거하여 노즐 니들을 이동시켜서 연료 분사를 개시하고, 소정 시간 경과 후에 전자 액추에이터를 통해 밸브 피스톤에 소정의 배압을 작용시켜 노즐 니들을 반대 방향으로 이동시켜서 연료 분사를 종료하도록 구성된다.
이와 같이 연료 분사의 개시 및 종료는 밸브 피스톤의 배압을 제어함으로써, 노즐 니들로 노즐 본체의 분사 구멍을 막거나 해방하는 방식으로 이루어진다. 따라서, 노즐 니들이 노즐 본체에 충돌하는 것을 반복함으로써 노즐 니들 및 노즐 본체가 마모되어, 연료분사밸브의 연료 분사 특성이 시간의 경과에 따른 변화를 일으킨다는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래의 연료분사밸브에서는 경도가 높은 재료로 노즐 니들을 제조함으로써, 노즐 니들의 마모를 적게 하여 변형을 억제하고, 장기간에 걸쳐서 안정된 연료 분사 특성이 얻어지도록 고안되고 있다.
그러나, 노즐 니들의 경도를 높여서 노즐 니들의 마모를 적게 하더라도, 노즐 니들과 충돌하는 노즐 본체의 경도가 저하되어 그 초기 경도를 유지할 수 없기 때문에, 밸브 이동에 따라 노즐 니들이 노즐 본체에 반복적으로 충돌하면서 노즐 본체에 마모가 발생하게 된다. 그 결과, 시간의 경과되면서 노즐 본체의 마모가 진행되어, 노즐 니들의 착좌 위치가 서서히 변화하고, 연료 분사 특성도 이에 따라 변화하게 되므로 장기간에 걸쳐 안정된 연료 분사 특성을 얻을 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료분사밸브의 연료 분사 동작에 따른 노즐 니들의 마모를 방지할 수 있는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법을 제공하는 것을 주요한 해결 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조는, 분사 구멍이 형성된 노즐 본체의 시트부에 접촉하는 노즐 니들의 마찰 저항을 줄이기 위한 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조에 있어서, 연료분사밸브의 노즐 니들의 외주면에 증착되는 Cr 코팅층; 상기 Cr 코팅층의 외주면에 증착되는 CrN 코팅층; 상기 CrN 코팅층의 외주면에 증착되는 WCC 코팅층;을 포함하여 구성되고, 상기 CrN 코팅층의 경도가 상기 WCC 코팅층보다 상대적으로 높게 형성되며, 상기 각각의 코팅층은 연자성을 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 Cr 코팅층과, CrN 코팅층 및 WCC 코팅층의 전체 두께는 2 ~ 5㎛ 사이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 Ar 가스에 의한 플라즈마 상태에서 스퍼터링 공정에 의해 코팅이 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
그리고 상기 CrN 코팅층은, Cr 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 Cr 입자와, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 입자가 반응하여 CrN 입자가 형성된 후, 상기 CrN 입자가 Cr 코팅층 모재에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 WCC 코팅층은, WC 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 WC 입자와, 활성 가스로 주입된 아세틸렌(C2H2) 가스에서 분리된 C 입자가 반응하여 WCC 입자가 형성된 후, 상기 WCC 입자가 CrN 코팅층 모재에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법은, 분사 구멍이 형성된 노즐 본체의 시트부에 접촉하는 노즐 니들의 마찰 저항을 줄이기 위한 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법에 있어서, 기체의 반응 속도를 높이기 위해 챔버 내부를 진공상태로 형성하는 단계; 챔버 내부에 Ar 가스를 주입한 후 온도를 높여서 플라즈마 상태를 형성하는 단계; 연료분사밸브의 노즐 표면의 산화층 및 불순물을 제거하기 위한 에칭을 수행하는 단계; 연료분사밸브의 노즐 니들의 외주면에 Cr 코팅층이 증착되는 단계; 상기 Cr 코팅층의 외주면에 CrN 코팅층이 증착되는 단계; 상기 CrN 코팅층의 외주면에 증착되는 WCC 코팅층이 증착되는 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 CrN 코팅층의 경도가 상기 WCC 코팅층보다 상대적으로 높게 형성되며, 플라즈마가 형성된 상기 챔버의 내부는 상기 각각의 코팅층이 연자성을 갖도록 200 ~ 280 ℃의 온도 범위에서 유지되는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한 플라즈마 형성을 위한 바이어스 전압은, 200 ~ 400V의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법에 의하면, 노즐 니들의 외주면에 형성되는 코팅층에 의해 내마모성 및 내충격성이 향상되어, 노즐 니들의 선단부와 시트부 사이의 충돌에 따른 충격량이 노즐 니들로 전달되지 않게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 중간의 CrN 코팅층의 경도가 외곽의 WCC 코팅층보다 경도가 더 높게 구성됨으로써, 내마모성과 내충격성을 더욱 높일 수 있게 되어, 연료분사밸브의 연료 분사 특성의 시간 경과에 따른 변화를 작게 억제할 수 있어, 연료 분사 밸브의 개선에 유용하다.
도 1은 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 구조를 나타내는 단면도.
도 2 및 3은 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조를 나타내는 개략도 및 사진.
이하, 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조 및 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료분사밸브의 노즐 구조가 도시되어 있다.
연료분사밸브의 노즐(10)은 노즐 본체(20)와 노즐 니들(30)을 갖고 노즐 본체(20) 내에서 동축상에 형성된 구멍(22)에 의해서, 노즐 니들(30)이 그 축방향으로 운동 가능하게 지지 및 안내되도록 노즐 본체(20) 내에 수용되어 있다. 이러한 노즐 니들(30)의 선단은 분사 구멍(24)을 개폐하는 밸브체로서 작용하는 구성으로 되어 있다.
따라서 노즐 니들(30)이 분사 구멍(24)을 폐쇄하는 위치에 있는 경우에는 연료분사밸브로부터 연료가 분사되지 않는다. 그리고 노즐 니들(30)이 후퇴하여, 노즐 니들(30)이 분사 구멍(24)을 개방하는 위치에 있는 경우에는 연료분사밸브로부터 연료가 분사된다.
이처럼, 연료분사밸브가 폐쇄 상태로 전환되면, 노즐 니들(30)의 선단부(32)가 노즐 본체(20)의 내측에서 분사 구멍(24)의 근방에 형성된 시트부(26)에 충돌하게 되고, 이러한 충돌이 장기간 반복함에 따라 시트부(26)가 서서히 마모되어 연료분사밸브의 연료 분사 특성을 변화시킨다.
본 발명에서는 이러한 문제점이 발생하지 않도록 하기 위해, 시트부(26)와 충돌하는 노즐 니들(30)의 외주면에 마찰 저항을 감소시키기 위한 코팅층이 형성된다.
일 실시예로서, 노즐 본체(20)의 재질은 니켈 크롬 몰리브덴 강(SNCM)을 사용하고, 노즐 니들(30)의 재질은 고속도 공구 강 강재(SKH)를 사용하며, 그들의 마찰계수는 0.35 ~ 0.40 정도가 되도록 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 노즐 니들(30)의 선단부(32)에 코팅층(36)을 형성함으로써, 선단부(32)와 시트부(26) 사이의 마찰 저항을 종래에 비하여 크게 줄일 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 니들에 대한 코팅 공정은, 진공 챔버 내부에 주입되는 불활성 가스인 Ar 가스에 고온으로 열을 가하여 플라즈마 상태를 형성한 후, 스퍼터링 공정에 의해 코팅이 이루어지게 된다.
즉, 진공 챔버에서 Ar 가스에 고온으로 열을 가하면 진공 챔버 내부는 플라즈마 상태가 되고, 이러한 플라즈마 상태에서 Ar 입자가 모재에 충돌하면서 코팅을 위한 입자가 증착될 수 있는 환경이 만들어지게 된다.
도 2 및 도 3에는 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 니들의 코팅 구조가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 니들의 코팅 구조는, 노즐 니들의 모재 위에 형성되는 Cr 코팅층, 상기 Cr 코팅층 위에 형성되는 중간층으로서의 CrN 코팅층, 그리고 상기 CrN 코팅층 위에 형성되는 WCC 코팅층의 구조로 이루어진다.
상기 Cr 코팅층은 모재(노즐 니들)와 세라믹(CrN) 사이의 밀착성을 향상시키기 위한 것으로써, 노즐 니들의 모재 위에 스퍼터링 방식으로 증착되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 CrN 코팅층은 Cr 코팅층과 WCC 코팅층 사이에 형성되는 중간층으로써, 노즐 니들의 경도를 높여서 내충격성을 향상시키기 위한 목적으로 Cr 코팅층 위에 증착된다.
예를 들어, Cr 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 Cr 입자와, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 입자가 반응하여 CrN 입자가 형성된 후, 상기 CrN 입자가 Cr 코팅층 모재에 증착됨으로써 CrN 코팅층이 형성된다.
또한 상기 CrN 코팅층의 외주면에는 WCC 코팅층이 증착된다. 이처럼 연료분사밸브의 노즐 외주면에 형성되는 WCC 코팅층은 고체 윤활 효과가 있기 때문에 시트부와 연속적으로 접촉하더라도 마모가 덜 발생하게 된다.
예를 들어, WC 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 WC 입자와, 활성 가스로 주입된 아세틸렌(C2H2) 가스에서 분리된 C 입자가 반응하여 WCC 입자가 형성된 후, 상기 WCC 입자가 CrN 코팅층 모재에 증착됨으로써 WCC 코팅층이 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 니들의 코팅 구조에서, 외주면에 형성되는 WCC 코팅층은 대략 비커스 경도(Vickers hardness)가 1,300 정도로 형성되고, 중간층으로 형성되는 CrN 코팅층은 대략 비커스 경도(Vickers hardness)가 1,700 정도로 형성된다.
이처럼 상기 CrN 코팅층의 경도가 상기 WCC 코팅층보다 상대적으로 높게 형성됨으로써, 시트부와의 충돌에 따른 충격량이 노즐 니들의 본체로 전달되는 것을 효과적으로 차단할 수 있게 되어, 노즐 니들의 변형을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
그리고 본 발명에 따른 연료분사밸브의 노즐 니들의 코팅층 두께는 2㎛ 내지 5㎛ 정도로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 코팅층의 두께는 상기 Cr 코팅층과, CrN 코팅층 및 WCC 코팅층의 전체 두께를 나타낸다. 한편, 코팅층의 두께가 2㎛ 미만이면 내마모성 및 내충격성이 저하되고, 5㎛를 초과하면 코팅 품질의 균일도가 저하되고, 코팅 비용이 불필요하게 증가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 시트부와 접촉하는 노즐 니들의 외주면에 코팅층이 형성되면, 연료분사밸브의 밸브 폐쇄 동작시 노즐 니들(32)의 선단부가 노즐 본체(31)의 시트부(31A)에 접촉하는 동안, 노즐 니들(32)의 선단부는 시트부(31A) 위를 낮은 마찰 저항 상태로 미끄러지게 된다.
따라서, 밸브 폐쇄 동작시에 생기는 시트부(31A)와의 마모를, 코팅층을 설치하지 않은 경우에 비하여 작게 할 수 있다. 그 결과, 연료분사밸브는 장기간에 걸쳐서 필요로 하는 연료 분사 특성으로 동작할 수 있게 된다.
다음에는, 연료분사밸브의 노즐 니들의 코팅 과정에 대해 살펴본다.
우선, 코팅 공정이 이루어지는 챔버 내부를 진공상태로 형성하는데, 이는 기체의 반응 속도를 높이기 위함이다.
그리고 이러한 진공 챔버 내부에 불활성 가스로서 Ar 또는 He 가스를 주입한 후, 온도를 고온으로 높여서 챔버 내부를 플라즈마 상태로 만든다. 이후, 상기 챔버의 내부는 200 ~ 280℃의 온도 범위를 유지하면서 코팅 공정이 이루어지도록 구성하는 것이 바람직하다. 일반적으로 연료분사밸브는 아마추어와 코일에 의한 전자기력으로 작동되고, 이러한 연료분사밸브의 원활한 동작을 위해서는 노즐 니들의 코팅층이 연자성을 가지는 것이 바람직하다. 그런데, 챔버의 내부가 200 ~ 280℃의 온도 범위를 벗어나게 되면, 노즐 니들에 형성되는 코팅층이 연자성을 갖지 못하게 된다.
한편, 상기 플라즈마 형성을 위한 바이어스 전압은 200 ~ 400V의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 바이어스 전압이 200V 미만이면 Ar 이온이 가속 전압이 떨어져서 코팅층의 경도가 낮아지고, 바이어스 전압이 400V를 초과하면 격자 배열이 불규칙해져서 밀착성이 저하될 수 있다.
그리고 연료분사밸브의 노즐 표면에 형성된 산화층 및 불순물을 제거하기 위한 에칭 과정을 수행한 후, 연료분사밸브의 노즐 니들에 대한 코팅을 수행하게 된다.
우선, 연료분사밸브의 노즐 니들의 외주면에 Cr 코팅층이 증착된다. 예를 들어, 플라즈마에 의해 Cr 타겟에서 분리된 Cr 입자가 노즐 니들의 모재에 증착됨으로써, Cr 코팅층이 증착된다.
그리고 상기 Cr 코팅층의 외주면에 CrN 코팅층이 증착된다. 예를 들어, Cr 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 Cr 입자와, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 입자가 반응하여 CrN 입자가 형성된 후, 상기 CrN 입자가 Cr 코팅층 모재에 증착됨으로써 CrN 코팅층이 형성된다.
마지막으로, 상기 CrN 코팅층의 외주면에 증착되는 WCC 코팅층이 증착된다. 예를 들어, WC 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 WC 입자와, 활성 가스로 주입된 아세틸렌(C2H2) 가스에서 분리된 C 입자가 반응하여 WCC 입자가 형성된 후, 상기 WCC 입자가 CrN 코팅층 모재에 증착됨으로써 WCC 코팅층이 형성된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 연료분사밸브의 노즐 20 : 노즐 본체
26 : 시트부 30 : 노즐 니들

Claims (10)

  1. 분사 구멍이 형성된 노즐 본체의 시트부에 접촉하는 노즐 니들의 마찰 저항을 줄이기 위한 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조에 있어서,
    연료분사밸브의 노즐 니들의 외주면에 증착되는 Cr 코팅층;
    상기 Cr 코팅층의 외주면에 증착되는 CrN 코팅층;
    상기 CrN 코팅층의 외주면에 증착되는 WCC 코팅층;을 포함하여 구성되고,
    상기 CrN 코팅층의 경도가 상기 WCC 코팅층보다 상대적으로 높게 형성되며,
    상기 각각의 코팅층은 연자성을 갖는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Cr 코팅층과, CrN 코팅층 및 WCC 코팅층의 전체 두께는 2 ~ 5㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    Ar 가스에 의한 플라즈마 상태에서 스퍼터링 공정에 의해 코팅이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CrN 코팅층은,
    Cr 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 Cr 입자와, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 입자가 반응하여 CrN 입자가 형성된 후, 상기 CrN 입자가 Cr 코팅층 모재에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 WCC 코팅층은,
    WC 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 WC 입자와, 활성 가스로 주입된 아세틸렌(C2H2) 가스에서 분리된 C 입자가 반응하여 WCC 입자가 형성된 후, 상기 WCC 입자가 CrN 코팅층 모재에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 구조.
  6. 분사 구멍이 형성된 노즐 본체의 시트부에 접촉하는 노즐 니들의 마찰 저항을 줄이기 위한 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법에 있어서,
    기체의 반응 속도를 높이기 위해 챔버 내부를 진공상태로 형성하는 단계;
    챔버 내부에 Ar 가스를 주입한 후 온도를 높여서 플라즈마 상태를 형성하는 단계;
    연료분사밸브의 노즐 표면의 산화층 및 불순물을 제거하기 위한 에칭을 수행하는 단계;
    연료분사밸브의 노즐 니들의 외주면에 Cr 코팅층이 증착되는 단계;
    상기 Cr 코팅층의 외주면에 CrN 코팅층이 증착되는 단계;
    상기 CrN 코팅층의 외주면에 증착되는 WCC 코팅층이 증착되는 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 CrN 코팅층의 경도가 상기 WCC 코팅층보다 상대적으로 높게 형성되며,
    플라즈마가 형성된 상기 챔버의 내부는 상기 각각의 코팅층이 연자성을 갖도록 200 ~ 280℃의 온도 범위에서 유지되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    플라즈마 형성을 위한 바이어스 전압은, 200 ~ 400V의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법.
  9. 제6항 또는 제8항에 있어서, 상기 CrN 코팅층은,
    Cr 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 Cr 입자와, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 입자가 반응하여 CrN 입자가 형성된 후, 상기 CrN 입자가 Cr 코팅층 모재에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법.
  10. 제6항 또는 제8항에 있어서, 상기 WCC 코팅층은,
    WC 타겟에서 플라즈마에 의해 분리된 WC 입자와, 활성 가스로 주입된 아세틸렌(C2H2) 가스에서 분리된 C 입자가 반응하여 WCC 입자가 형성된 후, 상기 WCC 입자가 CrN 코팅층 모재에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연료분사밸브의 노즐 코팅 방법.
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