JPH07197872A - 高圧燃料噴射管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 厚肉細径の接続頭部を有する高圧燃料噴射管
として、特定の重合管を用いた耐キャビテーションエロ
ージョン性や耐境面剥離性などに優れるとともに経済的
な高圧燃料噴射管を提供する。 【構成】 重合管の端部に截頭状膨出部からなる接続頭
部を有する高圧燃料噴射管において、(1) 前記接続頭部
が、高圧燃料噴射管を構成する重合管の塑性変形により
一体的に形成されたものであり、かつ、(2) 前記重合管
が、外管としての炭素鋼管と内管としての炭素鋼管また
はステンレス鋼鋼管を圧嵌重合させて製作した外径が３
０mm以下、内径が前記外径の２０〜４０％、内管肉厚が
全肉厚の１０〜３０％の重合管であるとともに、前記内
外管の重合面が冶金的に結合されたものである、ことを
特徴とする接続頭部を有する高圧燃料噴射管。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】本発明は、ディ−ゼルエンジンなどの燃料
供給用として使用される外径が３０mm以下の高圧燃料噴
射管に関する。更に詳しくは、本発明は、燃料噴射系座
部へ接合する接続頭部を重合管の塑性変形により一体的
に形成したタイプの接続頭部を有する高圧燃料噴射管で
あって、耐キャビテーションエロージョン性や境界面の
耐剥離性などに優れた接続頭部を有する高圧燃料噴射管
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】この種のディーゼル内燃機関用などの高
圧燃料噴射管は、一般的に噴射管内部において、噴射時
間が約５ミリ秒、流速が最大約１５ｍ／sec 、内圧が２
００〜６００kgf/cm² （ピーク圧）の状態で高圧燃料が
流れ、かつ前記燃料の流速、内圧が頻繁かつ急激に変動
という条件のもとで使用されるものである。 【０００３】従来、この種のディーゼル内燃機関用など
の燃料噴射管に供される重合管としては、例えば、予め
重合周面に銅のメッキ膜を有する大径及び小径の高圧配
管用炭素鋼鋼管(JIS G 3455 STS 38) を相互に圧嵌重合
せしめ、更にその後に加熱処理して重合周面に介在する
銅メッキ膜をろう材として相互にろう接合させて構成す
るか、あるいは単に径の異なる二本の素管を他方の素管
に挿入、引き抜き加工等により相互に圧嵌重合させて構
成している。 【０００４】しかしながら、これら従来技術において、
前者においては、管の内周面及び外周面に銅メッキを施
すための複雑な工程を必要とし、そのために製品コスト
が増大し、またステンレス鋼鋼管ではメッキ、ロー付け
が困難である等の問題を有している。又、後者において
は、単に重合面を圧嵌重合するという構成であるため、
燃料噴射管として使用した際に重合周面に緩み現象が生
じ、機械的強度が低下するとともに、これがエンジン回
転時の加振、内圧の頻繁かつ急激な変動と相まってしば
しば亀裂、破損などにより洩れを生じるという欠点を有
するものである。 【０００５】特に、最近においては、馬力アップはもと
よりＮＯ_x の低減化や黒煙対策の１つとして、ますます
燃料噴射圧の高圧化の傾向が強まってきており、例えば
噴射時間が１〜２ミリ秒、流速が最大約５０ｍ／sec 、
内圧が６００〜１０００kgf/cm² （ピーク圧）というよ
り過酷な条件下で安全に使用することができる高圧燃料
噴射管が要求されてきている。前記した厳しい使用条件
のもとにおいて、高圧燃料噴射管の要求特性としては、
繰り返しの高圧負荷による内圧疲労に対する耐久性、
耐キャビテーションエロージョン性、エンジンや車
体からの振動に対する耐久性、などが一層強く要求さ
れ、燃料噴射管の亀裂、破損の安全対策は極めて重要な
課題となっている。 【０００６】前記した厳しい使用条件に対応する方策と
して、一般的には高圧燃料噴射管として、外径が３０mm
以下で、かつ外径に対し２０〜４０％の内径を有する厚
肉の細径管を用い、噴射管の内壁面を流過抵抗の発生原
因となる波面状の不規則な変形（うねり）がないよう
に、例えば研削、研磨加工を行なっている。なお流過抵
抗の増大は、キャビテーションを発生させ、内管の内壁
面はキャビテーションエロージョンにより侵食され、内
管が破損するようになるため、その対策は重要である。 【０００７】また、この種の高圧燃料噴射管は、燃料噴
射系の座部（噴射ポンプ、噴射ノズルなどの相手側座
部）へ接続するための接続頭部を管本体の一端部に一体
的に形成させたものが使用されている。即ち、前記接続
頭部は、経済性の観点から高圧燃料噴射管を構成する重
合管の一端部において、前記重合管を塑性変形させて形
成されるものである。 【０００８】前記した接続頭部の形成としては、周知の
方法、例えば特開平２−５７７０９号において従来技術
として説明されている方法が一般的に採用されている。
より具体的には、厚肉細径重合管の一端部に截頭状膨出
部からなる接続頭部は、重合管の一端部を外方から所望
の截頭状頭部を形成するための凹部を有するパンチ部材
により管体の軸芯方向に押圧し、塑性加工して周壁部を
同軸外方へ膨出させることによって形成される。前記接
続頭部の形成プロセスにおいて、必然的に接続頭部の内
壁面に環状のポケット部あるいはノッチ部が形成され
る。前記ポケット部あるいはノッチ部が形成される部位
は、後述される図３の（Ａ）（点線サークル部）で示さ
れる部位である。 【０００９】前記接続頭部の製造プロセスにおいて必然
的に形成される環状のポケット部の大きな問題点は、該
部位で内管と外管が相互に密接しないという点である。
この点は後述する図４に示されている。このため、前記
部位（環状のポケット部で内外管が相互に密接していな
い部位）において、内管は燃料噴射用ポンプからの激し
い圧力変動を受けて繰返し変形し、疲労して亀裂を生
じ、やがて洩れを誘発するものである。 【００１０】前記したことからわかるように、過酷な使
用条件においてより長期に亘り安全に使用することがで
きるディーゼル内燃機関用などの接続頭部を有する高圧
燃料噴射管の開発が強く望まれている。 【００１１】 【発明が解決しようとする問題点】本発明は、前記した
従来技術の問題点を解決しようとするものである。この
ため、本発明者は鋭意検討を加えた。その結果、特定の
材質からなる大径と小径の鋼管を圧嵌重合し、重合面に
高い面圧力を加えて所定構造の重合素管を製作すると共
に、次いで無酸化雰囲気中で加熱処理して製造した内外
管の重合面が冶金的に強固に結合した重合管を高圧燃料
噴射管に適用した場合、前記従来技術が有していた問題
点を解決することができることを見い出し、本発明を完
成するに至った。 【００１２】本発明の接続頭部を有する高圧燃料噴射管
の製造に適用される重合管は、その内外管相互の結合力
が一層高められ、あたかも一体の管であるようになり、
この一体管を最終製品として所望形状のものに成形加工
するに際して、内外両管は剥離せず、かつ内管の座屈変
形がないものである。従って、本発明により、耐圧性や
耐キャビテーションエロージョン性などに優れるととも
に所望形状の接続頭部を有する経済的な高圧燃料噴射管
が提供される。 【００１３】 【問題点を解決するための手段】本発明を概説すると、
重合管の端部に截頭状膨出部からなる接続頭部を有する
高圧燃料噴射管において、(1) 前記接続頭部が、高圧燃
料噴射管を構成する重合管の塑性変形により一体的に形
成されたものであり、かつ、(2) 前記重合管が、外管と
しての炭素鋼管と内管としての炭素鋼管またはステンレ
ス鋼鋼管を圧嵌重合させて製作した外径が３０mm以下、
内径が前記外径の２０〜４０％、内管肉厚が全肉厚の１
０〜３０％の重合管であるとともに、前記内外管の重合
面が冶金的に結合されたものである、ことを特徴とする
接続頭部を有する高圧燃料噴射管に関するものである。 【００１４】以下、本発明の技術的構成について詳しく
説明する。本発明の接続頭部を有する高圧燃料が噴射管
において、外管としては炭素鋼鋼管が、また内管として
は炭素鋼鋼管またはステンレス鋼鋼管が使用される。 【００１５】本発明において、外管に炭素鋼管を使用す
る理由は、高圧燃料噴射管が内燃機関に近接して、かつ
種々の形状に成形加工されて配設されることから、内燃
機関からの振動（このほか車体からの振動）に対する耐
振動疲労性、及び繰返し作用する高圧燃料の噴射圧に対
する耐内圧繰返し疲労特性、及び耐キャビテーションエ
ロージョン性に優れており、かつ管体の曲げ及び頭部の
プレス加工などの曲げ加工性、プレス成形性に優れてい
るからである。更に、内管の材質との関連性において、
内外管を完全に冶金的に結合させるためである。 【００１６】また、本発明において、内管としてステン
レス鋼管を使用する理由は、前記外管で説明した諸特性
の面で更に優れており、特に内管内壁面の腐蝕、キャビ
テーションエロージョンによる侵食、及び繰り返しの圧
力変動に対する耐久性が優れており、前記した高圧燃料
噴射管に対する高度の要求特性を十分に満足させるため
である。 【００１７】本発明は、内管と外管を同じ炭素鋼管で構
成する場合を包含するものである。この場合、前記した
特定の外径、内径の外径に対する割合、及び内管肉厚の
全肉厚に対する割合をもつように同じ炭素鋼管からなる
内外管を使用して製造した重合管は、内管の内壁面にお
いて流過抵抗の発生の原因となる不規則な変形が少な
く、また外管と内管が共材であるため相互に熱拡散しや
すく、熱処理により重合周面が冶金的に容易にかつ強固
に結合するため高い品質のものである。即ち、内外管を
同じ炭素鋼管とした場合も、耐キャビテーションエロー
ジョン性、機械的強度、耐振性に優れた高圧燃料噴射管
が得られる。 【００１８】以下、本発明の接続頭部を有する高圧燃料
噴射管について、その製造方法を中心にして説明する。
まず、高圧燃料噴射管の管本体部の製造方法について説
明する。本発明の製造プロセスを概略すれば、以下の通
りである。即ち、本発明の高圧燃料噴射管（管本体）
は、(1) 大径の外管としての炭素鋼鋼管の内部に、小径
の内管としての炭素鋼鋼管またはステンレス鋼鋼管を挿
入する工程、(2) 内外管を引き抜き加工により縮径する
とともに矯正して、外径を３０mm以下、内径を前記外径
の２０〜４０％、内管肉厚を全肉厚に対し１０〜３０％
になるように圧嵌重合する工程、(3) 次いで、無酸化雰
囲気炉内で１０００〜１２００℃の温度に加熱処理し
て、内外管の重合面を冶金的に結合する工程、以上の工
程を結合することにより製造される。 【００１９】本発明において、素管としての内管の外径
は、外管の内径より僅かに小であればいずれでもよい
が、挿入作業を円滑に行なうことができるとともに挿入
状態での重合面間の隙間が可及的に小さいものであるこ
とが望ましい。一般にこの種の高圧燃料噴射管として使
用されている重合管は、外径が３０mm以下であり、その
内径は外径の２０〜４０％のもの、別言すれば厚肉の細
径重合管が使用されている。本発明においても、前記し
た材質の外管と内管の素管から引き抜き加工により、前
記した外径と内径をもつものが製作される。 【００２０】本発明において、特徴的な点は、外管と内
管を引き抜き加工後の重合管の全肉厚に対し、外管の肉
厚が７０〜９０％、内管の肉厚が１０〜３０％となる重
合管が得られるように引き抜き加工を行なうという点で
ある。本発明において、引き抜き加工後の内管の肉厚を
前記のように規定するのは、引き抜き加工後の重合面の
圧嵌状態を良好に維持するためである。即ち、前記引き
抜き工程（縮径工程）の後には、矯正工程が付加される
のが常態である。そして矯正ロールを使用した矯正工程
において、内管の肉厚が全肉厚の１０％以下のものは、
内管壁面に不規則なうねり（変形）が発生し、キャビテ
ーションエロージョンが生じやすくなる。一方３０％以
上のものはその高い剛性のために矯正工程において内外
管の剥離が生じ、その後の加熱処理工程における冶金的
結合に支障をきたすためである。 【００２１】本発明において、引き抜き加工は内部にプ
ラグを挿入し、１回の引き抜き加工で断面減縮率を３０
〜５０％で行うことが望ましく、これにより引き抜き加
工ならびに矯正後の重合面を相互に高い面圧力を保持し
て密接させることができ、その後の加熱処理による効果
を充分に発現させることができる。 【００２２】本発明において、引き抜き加工ならびに矯
正後の加熱処理は１０００〜１２００℃の温度、所定の
時間のもとで行なわれ、これにより内外管が冶金的に結
合して高い結合力が得られる。なお、加熱処理時間は、
両管の当接面において、前記温度下でそれぞれの管材の
金属成分が相互拡散して十分な冶金的結合力が得られる
時間であれば特段の制約を受けない。本発明において
は、後述する実施例に示されるように、加熱処理時間と
しては、２．５分〜２０分以下で十分である。なお、本
発明において、１０００℃以下では冶金的結合を得るの
に長時間を要して不経済であり、また、１２００℃以上
では、それぞれの管材、特に外管である炭素鋼の機械的
性質を低下させるので好ましくない。 【００２３】本発明において、前記した加熱処理は、無
酸化雰囲気下で行なうことが重要である。なぜなら、酸
素の存在下で加熱処理を行なうと管の表面に酸化に伴な
うスケール等の異物が生じ、これが種々の欠点をもたら
すからである。例えば、重合管内壁面における酸化物ス
ケールの生成に伴なって内外管境界面での冶金的結合が
阻止または結合力が低下したり、接続頭部の成形時にノ
ッチや座屈を生じてキャビテーションエロージョンを発
生させたりし、高圧燃料噴射管として使用する場合、そ
の性能を低下させてしまうからである。これに対して、
無酸化雰囲気下で加熱処理を行なう場合、前記問題が生
じないとともに管の表面汚損がないため商品価値の高い
製品が得られる。無酸化雰囲気としては、一般にこの種
の加熱処理で採用される雰囲気を使用すればよく、例え
ば窒素やアルゴンなどの不活性ガス、あるいは酸素を実
質的に含まない混合ガス（窒素、水素、炭酸ガス、一酸
化炭素の混合ガスなど）を使用することができる。 【００２４】次に、前記のようにして製造された重合
管、即ち高圧燃料噴射管の管本体部をなす厚肉細径重合
管において、その一端部に燃料噴射系の座部（相手側座
部）に接続する接続頭部の形成方法について説明する。
前記接続頭部は、〔従来技術〕の項で説明した周知の方
法により形成すればよい。即ち、まず前記厚肉細径管の
一端部をチャックで固定した後、外方から所望の截頭状
頭部を形成するための凹部を有するパンチ部材により管
体の軸芯方向に押圧し、塑性加工して周壁部を同軸外方
へ膨出させることによって接続頭部を形成する。本発明
の前記厚肉経径重合管から構成される接続頭部を有する
高圧燃料噴射管は、内外管が冶金的に強固に一体化して
いるため、前記接続頭部の形成時において、従来材では
必然的に形成されるポケット部での内外管の境面剥離や
内管の座屈が生ぜず、耐久性に優れた接続頭部を有する
ものである。 【００２５】 【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。 【００２６】＜実施例１＞図１に示されるように、外管
として材質ＪＩＳ Ｇ３４５５ ＳＴＳ３８，外径９．
０mm，肉厚２．３mmの炭素鋼鋼管(1) と、内管として材
質ＳＵＳ３０４，外径４．０mm、肉厚０．４mmのステン
レス鋼鋼管(2) のそれぞれを清浄化処理し、特に外管の
内周面側、内管の外周面側の油脂類、カーボン、スケー
ル等の異物を除去して、内管(2) を外管(1) 内に挿入す
る。 【００２７】次に図２に示さるように伸管装置により、
内管内に固定プラグ(3) を挿入し、孔ダイス(4) へ内外
管を一体に通し、先端をクランプして矢印方向に引き抜
き加工を行なう。引き抜きリダクションは断面減縮率４
５％で行ない、内外管が相互に密嵌した外径６．３５m
m、内径２．０mmの重合管を得た。なお、外管肉厚は
１．８mm、内管肉厚は０．３８mmであった。次に引き抜
き加工で生じた大きな曲率で曲がった反りを除去し、か
つ連続熱処理炉に挿通可能な直管とするために、矯正ロ
ールによる矯正を行なった。次に、無酸化雰囲気の連続
熱処理炉内を通し、温度１１００℃、保持時間５分の熱
処理を施して重合面間が相互に冶金的に一体的に結合し
た重合管を製造した。 なお、炉は電気ヒーター加熱炉
を使用し、炉内に水素６％、炭酸ガス８％、一酸化炭素
８％、窒素残部の混合ガスを供給し、無酸化雰囲気とし
た。 【００２８】以上のようにして製造した厚肉細径重合管
を、所望の截頭円形錐状凹部を備えたパンチ部材を用い
て成形加工し、図３に示される截頭円錐状の接続頭部
(5) を有する高圧燃料噴射管とした。なお、図４に示さ
れるものは、従来技術に属するロー付けも加熱処理も行
なっていない圧嵌重合させた重合管から製造した図３に
対応する接続頭部を有する高圧燃料噴射管である。図示
されるように、従来材においては重合管の一端部におけ
る接続頭部(15)の成形加工に際し、内管(12)に軸方向へ
のズレを生じて座屈変形(16)し、燃料流通路を狭めてし
まい性能上に問題があることがわかる。即ち、図３と図
４から明らかのように、本発明の前記厚肉細径重合管を
利用した接続頭部を有する高圧燃料噴射管は、噴射管の
本体部においては耐キャビテーションエロージョン性な
どの諸特性に優れるとともに、その接続頭部においては
従来の如く内外管の境界剥離がなく耐久性に優れている
ことがわかる。 【００２９】本発明の接続頭部を有する高圧燃料噴射管
の優位性は、図５〜図６にも示されている。図５は、厚
肉細径重合管の重合部断面（断面部位は図５(a) で示さ
れている。）における「従来材」（図５(b) 参照）と
「本発明材」（図５(c) 参照）の金属組織の顕微鏡写真
である。図５から明らかのように、「本発明材」は、
「従来材」と比較して外管と内管の境界面が完全に冶金
的に一体化結合し、緻密な構造を呈していることがわか
る。 【００３０】また、図６は、接続頭部（管端成型部）
（図６(a) 参照）における金属組織の顕微鏡写真であ
る。即ち、接続頭部の内周面部位（図３のＡ部）におけ
る顕微鏡写真である。図６から明らかのように、「本発
明材」は、プレス成形という塑性変形による強力な応力
負荷にもかかわらず、外管と内管の境界面は剥離するこ
となく、プレス形成後も完全に一体化していることがわ
かる。 【００３１】＜実施例２＞外管として材質ＳＴＳ３８，
外径９．０mm，肉厚２．０mmの炭素鋼鋼管と、内管とし
て材質ＳＴＳ３８，外径４．６mm、肉厚０．７mmの炭素
鋼鋼管のそれぞれを実施例１と同様に清浄化処理し、内
管を外管内に挿入する。次に伸管装置により内管内に固
定プラグを挿入し、孔ダイスへ内外管を一体に通して引
き抜き加工を行なった。引き抜きリダクションは断面減
縮率４５％で行ない、内外管が相互に密嵌した外径６．
３５mm，内径２．０mmの重合管を得た。なお、外管肉厚
は１．５１mm、内管肉厚は０．６７mmであった。次に、
矯正ロールによる矯正を行なった後、無酸化雰囲気の連
続熱処理炉内を通し、温度１０５０℃，保持時間５分の
熱処理を施して重合面間が相互に冶金的に一体的に結合
した重合管を製造した。以上のようにして製造した厚肉
細径重合管を、前記実施例１と同様に頭部型を用いて成
形加工し、接続頭部を有する高圧燃料噴射管とした。こ
のものは、実施例１と同様に優れたものであった。 【００３２】 【発明の効果】本発明の厚肉細径の接続頭部を有する高
圧燃料噴射管は、特定材質の外管と内管を複合させた特
定構造（特定の外径、内径、及び特定の全肉厚に対する
内管肉厚を有するもの）の重合管で構成されるものであ
って、かつ内外管の重合面が冶金的に一体的に強固に結
合された重合管で構成されたものである。このため、最
近にみられる燃料噴射圧の高圧化に対して優れた特性を
発揮することができる。特に、燃料噴射圧の高圧化に対
しては、エンジンや車体からの振動に対する耐振動疲労
性はもとより、繰返しの高圧負荷による疲労に対する耐
久性、耐キャビテーションエロージョン性などが要求さ
れるが、本発明はこれらの要求特性に十分に答えること
が出来る。 【００３３】また、この種の厚肉細径の高圧燃料噴射管
は内燃機関への配設に際して曲げ加工はもとより、その
端部は接続端部とするためにプレス成型されることが常
態である。この点、本発明の厚肉細径の高圧燃料噴射管
は、内外管相互の重合面が冶金的に一体的に結合されて
いるため、これらの成形加工においても内管がずれて座
屈変形することがなく、平滑な内部流通路を有し、かつ
所望の頭部形状の接続頭部を有する高圧燃料噴射管とす
ることができる。 【００３４】更に、本発明は、内外管の接合のために銅
メッキなどのロ−付け用ろう材を管壁面に施すための複
雑な処理を必要とせず、製造コストの低減を図れると同
時に、特に内管として薄肉のステンレス鋼鋼管を使用す
ることにより、全体の材料費を増加させることなく耐キ
ャビテーションエロージョン性、耐腐蝕性に優れ、内部
流圧に対する耐圧強度を向上させた諸特性ならびに経済
性に優れた厚肉細径の接続頭部を有する高圧燃料噴射管
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の高圧燃料噴射管の製造プロセスを説
明する図であり、外管に内管を挿入した状態を示す要部
切欠き縦断面である。 【図２】 本発明の高圧燃料噴射管の製造プロセスを説
明する図であり、引き抜き加工工程を示す要部切欠き縦
断面図である。 【図３】 本発明の接続頭部を有する高圧燃料噴射管の
接続頭部の近傍部位を切欠いた一部切欠き断面図であ
る。 【図４】 従来の接続頭部を有する高圧燃料噴射管の接
続頭部の近傍部位を切欠いた一部切欠き断面図である。 【図５】 高圧燃料噴射管の重合部断面の金属組織を説
明する写真であり、図５(a) は断面部位、図５(b) は
「従来材」の顕微鏡写真、図５(c) は「本発明材」の顕
微鏡写真、を示す。 【図６】 本発明の高圧燃料噴射管の接続頭部の金属組
織を説明する写真であり、図６(a) は接続頭部の部位、
図６(b) は顕微鏡写真、を示す。 【符号の説明】 １……… 外管 ２……… 内管（本発明） １２…… 内管（従来） ３……… 固定プラグ ４……… 孔ダイス ５……… 接続頭部（本発明） １５…… 接続頭部（従来） Ａ……… 接続頭部の内周面部位 １６…… 座屈変形部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．重合管の端部に截頭状膨出部からなる接続頭部を有
   する高圧燃料噴射管において、 (1) 前記接続頭部が、高圧燃料噴射管を構成する重合管
   の塑性変形により一体的に形成されたものであり、か
   つ、 (2) 前記重合管が、外管としての炭素鋼管と内管として
   の炭素鋼管またはステンレス鋼鋼管を圧嵌重合させて製
   作した外径が３０mm以下、内径が前記外径の２０〜４０
   ％、内管肉厚が全肉厚の１０〜３０％の重合管であると
   ともに、前記内外管の重合面が冶金的に結合されたもの
   である、ことを特徴とする接続頭部を有する高圧燃料噴
   射管。