CN102414433B - 一种金属燃料系统部件及在其内表面中间接引起压缩残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种金属燃料系统部件(14，50)包括内表面(52，90)和外表面(54，92)。所述金属燃料系统部件(14，50)是通过从所述外表面(54，92)经过金属燃料系统(10)的部件向所述内表面(52，90)传递激光冲击波(146)以在金属燃料系统(10)的部件的内表面(52，90)的仅一部分中引起压缩残余应力而制造的。

Description

一种金属燃料系统部件及在其内表面中间接引起压缩残余应力的方法

技术领域

本发明整体涉及燃料系统部件，并且更具体地涉及具有间接激光引起的残余应力的燃料系统部件。

背景技术

工程师们一直致力于提高燃料系统的性能和扩展其功能，同时降低燃料系统的疲劳敏感位置处出现的包括裂缝在内的结构损坏。例如，事实显示以较高燃料压力喷射能够提供更好的性能和效率。因此，燃料系统部件应当被制造成特别是在受到循环应力、振动和其他导致疲劳的应力的位置处承受这些高燃料压力。例如，燃料喷射器的SAC区域，通常包括开向喷嘴小孔的单向针阀座下方的体积，该区域在喷射事件期间和之间可能经受极端的压力和流动力的波动。在另一个例子中，包括高压燃料管线的其他燃料系统部件可能由于提高的流体操作压力而经受显著的应力，并且可能由于发动机振动等而经受诸如弯曲应力的其他引起疲劳的应力。

事实显示，多种表面处理可以改进可能由于起始表面裂缝而导致失效的部件的疲劳寿命。例如，可以通过施加机械喷丸处理、预应力加工、研磨操作、渗碳热处理、超声冲击处理和其他类似的表面处理来获得抗裂缝形成的性能和整体的材料强化。直接施加于部件的疲劳敏感表面的这些处理与未处理的部件相比可以有效地增加部件的疲劳强度。近来，如日本专利公开No.2006322446所示，使用激光喷丸将部件表面强化到比传统喷丸更深的深度。具体来说，所述参考文献教导了使用激光喷丸来提高燃料系统共轨的分支孔处的圆锥形座表面的强度。但是，虽然这种材料强化策略是已知的， 但是对于例如燃料系统中由于尺寸和／或位置而无法接近的疲劳敏感表面来说，很多策略是不可用的。

本发明旨在克服上述问题中的一个或多个。

发明内容

在一个方面，一种金属燃料系统部件包括内表面和外表面。该金属燃料系统部件是通过从所述外表面经过所述金属燃料系统部件向所述内表面传递激光冲击波以在所述金属燃料系统部件的内表面的仅一部分中引起压缩残余应力而制造的。

在另一个方面，一种燃料系统部件包括具有金属壁的部件主体。所述金属壁限定由小于约3毫米的第一壁厚分开的内表面和外表面。所述内表面包括从所述外表面延伸到所述内表面的压缩残余应力区域。

在又一个方面，一种在燃料系统部件的内表面中引起压缩残余应力的方法，包括在所述燃料系统部件的外表面处引导激光脉冲。激光冲击波从所述外表面经过所述燃料系统部件的壁厚传递穿过所述内表面。然后所述激光冲击波被接收在与所述内表面相联的冲击吸收材料中。

附图说明

图1是根据本发明的燃料系统的一种示例性的实施方式的示意图；

图2是根据本发明的一种实施方式经过用于图1的燃料系统的高压燃料管线的剖视图；

图3是根据本发明的另一种实施方式经过用于图1的燃料系统的燃料喷射器喷嘴末端的剖视图；

图4是根据本发明的一种特定的实施方式沿着图3的4-4线的剖视图；

图5是示出根据本发明的一种示例性的激光喷丸过程的经过图2 的高压燃料管线的剖视图。

具体实施方式

整体参照图1，燃料系统10的一种示例性的实施方式可以包括定位成将燃料直接喷射入各自的发动机气缸(未示出)中的多个燃料喷射器12。更特别地，每个燃料喷射器12的燃料喷射器喷嘴末端14可以定位成在压燃发动机的各自的气缸中喷射燃料。通常，燃料可以由低压输送泵18从燃料舱16抽吸，并且从低压输送泵18沿着低压管线20到达燃料冷却管线22或高压泵24之一。如图所示，高压泵24可以经由高压轨道供给管线28向共轨26或燃料轨道流体地供给。然后可以使用燃料喷射器12将来自共轨26的高压燃料传送给发动机气缸，其中每个燃料喷射器12由单独的分支通道30(仅示出一个)供给高压燃料。每个燃料喷射器12可以包括通过排放管线32流体连接至燃料舱16的排放出口。

根据一种实施方式中，燃料系统10可以通过电子控制器34控制。电子控制器34可以为标准设计并且通常可以包括诸如中央处理单元的处理器、存储器、和便于电子控制器34内部和外部通信的输入／输出电路。中央处理单元可以通过执行例如存储在存储器中的编程代码的操作指令来控制电子控制器34的操作，其中操作可以由电子控制器34内部或外部启动。可以使用控制方案以通过输入／输出电路监控诸如传感器、致动器或控制单元的系统或装置的输出以控制到多种其他系统或装置的输入。例如，电子控制器34可以通过通信线路36与每个燃料喷射器12或者更特别地燃料喷射器的致动器控制通信，以在正确的时间传送需要量的燃料。此外，电子控制器34可以通过通信线路38将控制信号发送至高压泵24，以控制高压泵24向共轨26的输出和压力。

参照图2，示出单独的分支通道30的一部分。具体来说，示出分支通道30的包括高压燃料管线50(例如金属燃料管线)到共轨26的连接部的一部分。如图所示，包括内表面52和外表面54的高 压燃料管线50可以包括绕着外表面54定位的连接螺母56，以用于高压燃料管线50到共轨26的连接。特别地，连接螺母56可以通过螺纹或其他方式附接至共轨26的端口。根据一种实施方式，高压燃料管线50也可以包括定位在分支通道30的连接端部60处的负载套管58。虽然示出特定的实施方式，但是应当理解，其他替代的连接件也是可以想到的。

高压燃料管线50可以代表具有间接激光引起的残余应力的燃料系统部件或金属燃料系统部件的一种实施方式。特别地，压缩残余应力区域62可以使用激光喷丸过程来形成，并且可以从外表面54延伸经过高压燃料管线50的金属壁64到内表面52。下文将具体讨论的激光喷丸过程可以包括在高压燃料管线50的外表面54处引导多个激光脉冲，并且因此从外表面54经过金属壁64传递多个激光冲击波穿过内表面52。优选地，至少在压缩残余应力区域62处的金属壁64具有小于约3毫米的第一壁厚66。根据该示例性的实施方式，可能希望压缩残余应力区域62的延伸长度68对应于负载套管58的长度。

诸如燃料喷射器喷嘴末端14的其他金属燃料系统部件也可以包括间接激光引起的残余应力。具体来说，如图3所示，燃料喷射器喷嘴末端14可以包括整体以80示出的压缩残余应力区域。根据该示例性的实施方式，燃料喷射器喷嘴末端14通常可以包括部件主体82，其具有限定喷嘴室86的金属壁84。阀构件88可以定位在喷嘴室86中并且可以相对于部件主体82运动。具有内表面90和外表面92的部件主体82在燃料喷射器喷嘴末端14的喷射端部96处可以具有第一壁厚94，并且在其他位置具有例如第二壁厚98的替代的厚度。应当理解，喷射端部96可以包括如前文所述的能够在发动机气缸中打开的多个喷嘴小孔100。

压缩残余应力区域80也可以使用激光喷丸过程来形成，并且可以从外表面92延伸经过燃料喷射器喷嘴末端14的金属壁84到内表面90。激光喷丸过程可以包括在燃料喷射器喷嘴末端14的外表面 92处引导多个激光脉冲，并且因此从外表面92经过金属壁84传递多个激光冲击波穿过内表面90。优选地，如下文将更具体解释的，喷射端部96处的第一壁厚94小于约3毫米。根据一种实施方式，燃料喷射器12的制造方法可以包括将多个激光冲击波绕燃料喷射器喷嘴末端14的周边102传递。特别地，可以引起产生的压缩残余应力区域80来限定绕燃料喷射器喷嘴末端14的周边102的连续带104。连续带104可以具有足以包围一个或多个喷嘴小孔100的宽度106，喷嘴小孔可以在激光喷丸过程之前或者之后经过金属壁84钻孔。

根据一种替代的实施方式，如图4所示，燃料喷射器喷嘴末端14可以包括多个不连续的压缩残余应力区域120。特别地，在制造过程中，多个喷嘴小孔100可以在引起压缩残余应力之前经过燃料喷射器喷嘴末端14的金属壁84钻孔。在已经将喷嘴小孔100钻出之后，每个压缩残余应力区域120可以通过绕每个喷嘴小孔100的周边122引导多个激光脉冲来引起。如上文所述，产生的激光冲击波可以从外表面92经过金属壁84传递穿过内表面90。因此，内表面90的可能承受极端压力和流动波动的部分可以通过压缩残余应力区域120强化。

现在参照图5，关于上文所述的高压燃料管线50说明在金属燃料系统部件的内表面中间接地引起压缩残余应力的示例性方法。根据示例性的实施方式，可能希望在高压燃料管线50的连接端部60的内表面52中引起压缩残余应力。由此，由长度68限定的目标区域可以由诸如黑涂料或胶带的保护性磨损材料140涂覆。可以包括水的半透明层142可以设置在保护性磨损材料140上。当激光(未示出)产生被引导到高压燃料管线50的外表面54上的激光脉冲144时，保护性磨损材料140会爆炸以产生等离子区(未示出)。可以由半透明层142限制的等离子区扩张以造成激光冲击波146从外表面54经过高压燃料管线50的壁厚66传递穿过内表面52。

激光冲击波146的压力大于金属壁64的屈服强度，因此使得高 压燃料管线50变形到压力不再大于屈服强度的深度。优选地，高压燃料管线50的壁厚66小于约3毫米，因此激光冲击波146将使得金属壁64从外表面54经过内表面52变形，从而在高压燃料管线50的内表面52处产生间接引起的压缩残余应力。为了接收和／或吸收激光冲击波146和防止张力波沿反射方向返回而有效地撤销压缩残余应力，冲击吸收介质148可以与内表面52相联。根据一种实施方式，冲击吸收介质148可以包括诸如水的液体。替代地，冲击吸收介质148也可以包括橡胶或其他弹性材料。但是，可以想到能够用于减少反射波返回经过金属壁64的情况出现的任何材料。

可以仅在燃料系统部件的部分而非全部中引起压缩残余应力。特别地，压缩残余应力可以仅在燃料系统部件的可能受到极端的引起疲劳的应力的区域被引起。这些区域可以包括如上所述的由于其尺寸和／或位置而不能接近的燃料系统部件的内表面。这样，可以通过经部件从可能需要或不需要强化的外表面传递激光冲击波使其经过内表面而在内表面间接引起压缩残余应力区域。因此，这些部件可能希望具有小于约3毫米的壁厚。此外，压缩残余应力可以使用用于在外表面引导多个激光冲击脉冲或一定样式的激光冲击脉冲的计算机控制过程引起，以在内表面实现希望的应力区域。

可以使用上述激光喷丸过程在燃料系统部件的制造过程中引起压缩残余应力。此外，在引起压缩残余应力之前，可以在内表面或外表面上执行额外的表面抛光或表面处理过程。这些过程是已知的并且可以包括例如预应力处理或热处理。例如，可能希望在已经执行热硬化处理之后引起压缩残余应力，因为热处理会释放任何之前引起的压缩残余应力。虽然给出了特定的例子，但是应当理解，任何表面处理或抛光过程可以与这里说明的激光喷丸过程结合使用。

工业实用性

本发明可以适用于内燃发动机的燃料系统。更特别地，本发明可以适用于承受循环应力、振动和其他导致疲劳的应力的金属燃料 系统部件。此外，本发明还可以适用于当部件以循环的方式加载或以其他方式疲劳时这些燃料系统部件的容易产生和传播裂缝的表面，诸如内表面。此外，本发明还可以适用于由于尺寸和／或位置而使得传统的表面硬化或强化方法不能接近的这些内表面。

很多燃料系统部件可能承受循环应力、高流体压力、振动和其他导致疲劳的应力。例如，如图1-5所示，燃料喷射器12的通常包括多个喷嘴小孔100的燃料喷射器喷嘴末端14在喷射事件期间或之间特别是在其内表面90处可能经受极端的压力和流动力波动。在另一个例子中，高压燃料管线50可能由于升高的流体操作压力而经受显著的应力，并且还可能由于发动机振动等而经受其他导致疲劳的应力，例如弯曲应力。通常可以使用一种或多个强化表面处理来提高这些表面的疲劳寿命，例如机械喷丸过程、预应力处理、研磨操作、渗碳热处理、超声冲击处理和其他类似的表面处理。但是，由于这些部件的内表面的不可接近性，传统的表面强化或硬化过程是不可用的。

这里所述的在燃料系统部件的内表面间接引起压缩残余应力的方法可以用于提高这些不可接近的表面的疲劳强度。具体来说，可以通过在部件的外表面处引导激光冲击脉冲以使用高功率激光在部件的内表面中引起压缩残余应力。因此，激光冲击波可以从外表面经过部件壁传递穿过内表面，部件壁优选地小于约3毫米厚。例如，该过程可以用于在高压燃料管线50的内表面52中间接引起压缩残余应力区域62，该压缩残余应力区域62延伸的长度68可对应于负载套管58的长度。此外，燃料喷射器喷嘴末端14的内表面90可以包括限定多个喷嘴小孔100的压缩残余应力区域80或120。虽然间接激光引起的残余应力被示出处于示例性的燃料系统部件50和14的特定区域，但是应当理解，它可以用于在多种燃料系统部件的多种内表面位置处引起压缩残余应力。

具体来说，这里所述的引起间接残余应力的方法提供了一种在倾向于形成裂缝和通过传统的引起压缩残余应力的方法不可接近的 表面和材料中引起高程度的压缩残余应力的方法。通过在部件的外表面上放射激光脉冲以在不可接近的内表面引起间接激光引起的残余应力，本发明旨在减少燃料系统部件中形成裂缝的风险。此外，本发明提供一种减少在改造的燃料系统部件中形成裂缝的方法。最终，本发明允许燃料喷射器在诸如高于约300MPa的压力的高压下操作，并且使喷嘴末端和其他燃料系统部件中形成裂缝的风险可控制。

应当理解，上述说明仅是示例性的而不意于以任何方式限制本发明的范围。由此，本领域技术人员将理解，通过对附图、说明书的研究可以获得本发明的其他方面。

Claims (5)

1.一种具有内表面(52，90)和外表面(54，92)的金属燃料系统部件(14，50)，其通过如下步骤在所述金属燃料系统部件(14，50)的内表面(52，90)的小于整体的仅一部分中间接引起压缩残余应力：

从所述外表面穿过所述内表面的激光喷丸；并且

所述激光喷丸包括从所述外表面(54，92)经过所述金属燃料系统部件(14，50)以一压力向所述内表面(52，90)传递冲击波(146)，所述压力大于所述金属燃料系统部件的金属壁的屈服强度，以使得所述金属燃料系统部件的所述仅一部分包括从外表面至内表面的整个部分的压缩残余应力。

2.根据权利要求1所述的金属燃料系统部件(14，50)，其中，所述步骤还包括将所述冲击波(146)接收在与所述内表面(52，90)相联的冲击吸收介质(148)中，以防止张力波沿反射方向返回而撤销所述压缩残余应力。

3.根据权利要求2所述的金属燃料系统部件(14，50)，其中，所述金属燃料系统部件包括燃料喷射器喷嘴末端(14)。

4.根据权利要求2所述的金属燃料系统部件(14，50)，其中，所述金属燃料系统部件包括高压燃料管线(50)。

5.一种在燃料系统部件(14，50)的内表面(52，90)中间接引起压缩残余应力的方法，包括：

在所述燃料系统部件(14，50)的外表面(54，92)处引导激光脉冲(144)；

响应于所述激光脉冲使得保护性材料爆炸以产生等离子区；扩张所述等离子区，以将冲击波(146)从所述外表面(54，92)经过所述燃料系统部件(14，50)的壁厚以大于金属燃料系统部件的金属壁的屈服强度的压力传递穿过所述内表面(52，90)；以及

将所述冲击波(146)接收在与所述内表面(52，90)相联的冲击吸收介质(148)中，以防止张力波沿反射方向返回而撤销所述压缩残余应力。