CN104344043B - 制造阀体的方法、阀体和包括该阀体的阀 - Google Patents

制造阀体的方法、阀体和包括该阀体的阀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制造用于可电子机械地操作的阀的阀体(1)的方法、阀体(1)和包括阀体(1)的可电子机械地操作的阀。阀体(1)通过以下方式制成：提供具有周向侧壁的基底元件，所述周向侧壁具有第一部分(15)、第二部分(16)和第三部分(17)，侧壁由铁磁性材料制成并封闭沿着纵向轴线延伸的空腔。第三部分(17)沿纵向方向定位在第一部分(15)与第二部分(16)之间。第三部分(17)的厚度小于第一部分(15)和第二部分(16)的厚度。通过激光加热实现第三部分(17)的硬化，其中铁磁性材料被加热至所需温度，并且一旦达到所需温度后使激光移动穿越第三部分(17)。该激光硬化使第三部分(17)的材料结构转变为马氏体结构。通过局部减小的厚度形成用于磁通的瓶颈，且阀体(1)中的磁通旁路因磁饱和而被降低。另一方面，阀体(1)的结构阻力因激光引起的硬化而保持高水平。

Description

制造阀体的方法、阀体和包括该阀体的阀
技术领域
本公开涉及用于制造用于可电子机械地操作的阀的阀体的方法、阀体和用于内燃发动机的包括所述阀体的可电子机械地操作的阀。
背景技术
用于内燃发动机的喷射器通常包括阀体，其必须耐受喷射器内的压力，并且同时能够引导由喷射器的线圈形成的磁通。阀体自身通常是铁磁性的，其造成以下问题：即形成穿过铁磁性阀体的磁通旁路。这种磁通旁路导致喷射器动态响应的总体恶化。
为了克服该缺点，已经在喷射器中应用了不渗透地屏蔽磁通的顺磁性阀体。这些顺磁性阀体降低喷射器的磁性回路的总体效率，并且由于电枢与壳体以及垫圈与壳体之间的大径向间隙而恶化任何喷射器动态响应。
用于克服所述缺点的另一可能解决方案在文献GB 2 262 659 A中有描述，其中非磁性部分定位在阀体的两个磁性部分之间。尽管这种解决方案降低了磁通旁路，但是机械性能也被降低，并且作为结果耐压性也被降低。
发明内容
因此，本发明的目的是说明一种制造阀体的方法、一种阀体以及一种用于内燃发动机的可电子机械地操作的阀，其克服所陈述的缺点，也就是说通过它们可降低机械磁通旁路，同时阀体的机械强度保持令人满意，或优选地不被削弱。
该目的根据本发明通过根据独立权利要求所述的方法和阀体得以实现。所述方法的、所述阀体的以及可电子机械地操作的阀的有利改进在相应的从属权利要求中描述。
说明了一种用于制造用于可电子机械地操作的阀的阀体的方法。所述方法包括若干步骤。
在第一步骤中，提供基底元件(base element)，其中所述基底元件自身包括周向侧壁，所述周向侧壁具有第一部分、第二部分和第三部分。所述基底元件，特别是具有所述部分的侧壁，由铁磁性材料制成。在基底元件中，空腔沿着纵向阀轴线延伸，并且该空腔由基底元件的侧壁封闭，也就是说所述部分中的每个封闭所述空腔的一个部段。在纵向方向上，即沿着纵向轴线，有第三部分，其定位在第一部分与第二部分之间。特别地，第一和第二部分邻接第三部分的相对轴向端部。
第三部分的厚度小于第一部分和第二部分的厚度。术语“厚度”应该被理解为是面向空腔的部分的表面即侧壁的内表面与背离空腔的部分的另一表面即侧壁的外表面之间的距离。第一、第二和第三部分的厚度因此具体为侧壁在相应部分中的壁厚。可以想到的是：侧壁在第一和/或第二部分中的壁厚在沿着纵向轴线远离第三部分的路线中发生变化。在该情况下，第一或第二部分的壁厚分别应具体理解为是指相应部分在与第三部分相邻的端部区域中的壁厚。
在所述方法的后续步骤中，通过激光加热使第三部分硬化，其中硬化通过以下方式实现：将铁磁性材料加热至所需温度，并且一旦达到所需温度后，移动激光穿越第三部分。这导致第三部分的铁磁性材料的初始结构转变为马氏体结构(或组织)，特别是通过自淬火。一旦激光束移动离开后，受热的材料非常快速地冷却，并且所形成的马氏体结构得以保持。
特别地，激光器被操作以产生激光光斑，其照射第三部分的一个部段，来将所述部段的铁磁性材料加热至预定温度。接下来，将激光光斑移动至第三部分的再一部段，来将所述再一部段的铁磁性材料加热至预定温度，并使前一部段的材料再次冷却。重复激光光斑的移动，直到激光光斑已扫描通过整个第三部分。
可以想到的是：侧壁由具有多个微晶的材料制成，所述多个微晶具有不同的晶体结构。在该情况下，在激光硬化步骤之后，具有马氏体结构的微晶的体积分数在第三部分中优选比在第一和第二部分中大。例如，第三部分中的马氏体微晶的体积分数是第一和第二部分中的至少两倍。
借助于铁磁性基底元件的局部减小的厚度，形成了用于磁通的瓶颈(bottleneck)，并且磁通旁路由于磁饱和而降低，并且由此形成最小化的磁通旁路。另一方面，阀体在第三部分的区域中的结构阻力由于激光引起的硬化而保持高水平。第一部分的以及第二部分的结构通常保持不受影响，并且不被激光硬化处理。作为部分激光硬化的结果，阀体中的磁性回路的总体效率得到提高，喷射器动态响应也如此，同时对疲劳的阻力保持高水平。
在一个实施例中，所述所需温度即预定温度为900℃～1400℃，优选为1000℃～1200℃，更优选为1050℃～1100℃。通常，激光束将铁磁性材料加热至稍低于熔化温度的温度，以便有效地形成结构的转变。
所述第三部分的厚度可为所述第一部分或所述第二部分的厚度的90%或更小，优选为75%或更小，更优选为50%或更小。这些值可为最大值，并允许避免用于磁通的瓶颈，同时厚度自身仍然大到足以抵抗甚至更高的压力值。有利地，第三部分的厚度具有范围为0.3mm～0.5mm的值，并且第一部分或第二部分的厚度具有范围为0.6mm～1mm的值，在每个情况下均包括端值。
所述激光的硬化深度通常小于所述第三部分的厚度，并且范围可为0.1mm～0.4mm，优选为0.2mm～0.3mm。这允许第三部分的外层被有效地硬化，而第三部分的一部分仍然保持为其初始结构。因此，第三部分中的马氏体材料的体积分数可以沿径向向外的方向以台阶状或连续的方式增大。
第三部分沿纵向方向的宽度即第三部分的纵向尺寸可为1mm～3mm，优选为1.5mm～2mm。这样，只需通过激光束处理相对较小的部分，而仍然避免磁通旁路。硬化轨道自身，其通过激光硬化工序形成，因此与整个阀体的长度相比是小的。
在一个实施例中，第三部分在侧壁的外表面中形成沟槽。也就是说：第一部分、第二部分和第三部分各自包括背离空腔的外表面和面向空腔的内表面，其中第三部分的外表面比第一部分或第二部分的外表面更靠近纵向轴线。可以想到的是：第一和/或第二部分中侧壁的外表面与纵向轴线的距离在沿着纵向轴线远离第三部分的路线中发生变化。在该情况下，第三部分的外表面比起第一或第二部分的外表面更靠近纵向轴线应具体理解为是指涉及第一或第二部分的外表面在与第三部分相邻的端部区域中的距离。由于该特征，空腔可以具有光滑表面，而在第三部分的区域中没有任何收缩或隆起。这样，阀杆或阀针可在空腔中被容易地引导，而在不必附接任何可移动部分的外表面上，所述表面包括沟槽。
在一有益实施例中，铁磁性材料是金属，特别地铁磁性材料包括钢。金属特别是钢显示高机械强度，并且它们的结构可通过激光硬化被容易地转变。
用于可电子机械地操作的阀的阀体包括具有第一部分、第二部分和第三部分的侧壁。具有第一、第二和第三部分的侧壁围绕纵向轴线沿周向延伸，以便限定出在纵向方向上从阀体的流体入口端部延伸到与流体入口端部相对的流体出口端部的空腔。第三部分沿纵向方向定位在第一部分与第二部分之间，并且特别在相对的轴向端部处邻接第一和第二部分。第一部分、第二部分和第三部分由铁磁性材料制成。第三部分的铁磁性材料包括马氏体结构，或者具有如前面描述的具有马氏体结构的体积分数。马氏体结构特别通过激光硬化形成，优选是为了避免磁通旁路。第三部分的厚度小于第一部分和第二部分的厚度，如前面描述的。这允许在具有高机械强度和耐压性的情况下通过阀体抑制磁通旁路。
第一部分、第二部分和第三部分有利地由一个单个部分制成。这种一体式结构增大机械强度，而仍然可通过激光硬化获得结构转变。
所描述的阀体通常由以上描述的方法来制造。
用于内燃发动机的可电子机械地操作的阀包括如已经描述的阀体、电磁致动器、阀针--有时也被称为阀杆、和弹簧。电磁致动器包括电磁线圈，其配置在壳体中。壳体和线圈可以围绕侧壁沿周向延伸。致动器进一步包括电枢，其被机械地联接至阀针。阀针附接至弹簧，并且可沿纵向方向以往复运动方式移动。该移动由电磁致动器和弹簧引起。特别地，弹簧朝向关闭位置偏置阀针。致动器是可操作的，以借助于阀针与电枢的机械相互作用克服弹簧的偏置力使阀针移动而沿轴向远离关闭位置。阀针、弹簧和电枢定位在阀体的空腔中。通过这种配置，磁通以所需方式被引导穿过所述阀，并且作为磁场和关联于该磁场的磁通的来源的电磁致动器在所述阀内被引导。
电磁致动器的线圈通常是螺线管(solenoid)，以便形成均匀的磁场和均匀的磁通。
在一有益实施例中，第三部分定位在线圈的内部，即线圈和第三部分沿轴向重叠。第三部分可以至少部分地封闭电枢，即第三部分沿轴向与电枢重叠。这样，磁通可以以有利方式被引导穿过阀体，并且电枢和磁通旁路特别小。
附图说明
本发明的示例性实施例在附图中示出，并且将参考图1-3在以下进行说明。
附图中：
图1示出了用于内燃发动机的可电子机械地操作的阀；
图2以截面图示出了阀的中间部分的放大视图；并且
图3示出了根据图2的截面图，而没有磁通线。
重复特征在图中被提供相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于内燃发动机的可电子机械地操作的流体喷射阀的截面图。流体喷射阀可以优选被构造成投配燃料到燃烧发动机的气缸中。它可以设置成被接收在燃烧发动机的气缸盖中。
可电子机械地操作的阀包括长形阀体1、电磁致动器2和阀针3。图1中呈现的截面图示出了：可电子机械地操作的阀大体是旋转对称的，但图1的左上角中绘出的部分除外，这些部分被提供来特别用于为阀供应电力。
阀体1沿着纵向轴线4从燃料入口端部延伸至燃料出口端部。它具有中心空腔，其沿着纵向轴线4延伸，并接收阀针3。在空腔中，阀针3沿轴向被引导，并且可通过电磁致动器2以往复运动方式移动。空腔具有变化的直径，从燃料出口端部处的小直径开始到更靠近燃料入口端部的上部中的加宽直径。类似弹簧6、7或电枢8的部件被接收在空腔的上部中。
在阀体1的燃料出口端部处，定位有阀座构件5，其具有一个或数个孔口，以便从喷射阀向燃烧发动机中喷射燃料。
第一弹簧6定位在空腔中，并以一个端部联接至阀针3，且以沿轴向相对的端部与阀体联接。第一弹簧6将阀针3偏置向关闭位置，在这里阀针3可以接触阀座板5。
电磁致动器2包括：呈螺线管形状的线圈9，其可形成电磁场11；和电枢8，其通过该电磁场11在空腔内沿轴向移动。阀针3被机械地联接至电枢8，使得电枢8可操作以在电枢8通过线圈9的电磁场11发生位移时带着阀针3与之一起移动。这样，电磁致动器2可操作，以克服第一弹簧6的偏置力而移动阀针3离开关闭位置。
第二弹簧7定位在电枢8下方，即在电枢8与阀体的燃料出口端部之间。第二弹簧7可以是可操作的，以当阀针3在致动器2被断电之后到达关闭位置时抑制电枢8的移动。
电磁线圈9配置在壳体中，环绕阀体1。阀针3、第一弹簧6、第二弹簧7和电枢8定位在阀体1的空腔中。阀体1由钢制成，该钢的钢号为415，其为铁磁性金属。在再一示例性实施例中，阀体1可由钢号为416或钢号为630的钢制成。
图1中示出的阀的中间部段在图2中以放大视图示出。
如图2中所示，线圈9定位在阀体1外，并形成第一磁通11，其只为线圈9的左半部示例性地示出。该磁通11环绕线圈9，并作为穿过包括电枢8、极片10和壳体12的磁性回路的主磁路。作为副磁路，磁通旁路13经过阀体1和壳体12--但是不穿过电枢8和极片10--并且也环绕线圈9。
在图3中，图1中示出的阀的中间部分被示出，对应于图2，但是没有磁通11和磁通旁路13。
为了使磁通旁路13最小化，阀体1的侧壁具有第三部分17，其定位在阀体1的侧壁的第一部分15与第二部分16之间。侧壁围绕纵向轴线4沿周向延伸，以便限定出阀体1的空腔。
第一部分15定位在第三部分17上方，而第二部分16定位在第三部分17下方。具体地，侧壁的第一部分15朝向燃料入口端部沿纵向方向4与侧壁的第三部分17邻接，而侧壁的第二部分16朝向燃料出口端部沿纵向方向4与侧壁的第三部分17邻接。借助于第三部分17在侧壁的外表面中限定出沟槽14。
第三部分17沿水平方向定位在线圈9与极片10之间，以及电枢8与线圈9之间。换言之，第三部分17、极片10、电枢8和线圈9沿轴向重叠。第三部分17定位在线圈9的内部，并至少部分地封闭阀针3，其在阀体1的空腔中以及电枢8的开口中被引导。电枢8定位在极片10下方。电枢8可以被构造成在致动器2被激励时与极片10发生直接接触。极片10与阀体1处于直接接触并且在位置上相对于阀体1固定，而电枢8与阀体1分离一小间隙，并且相对于阀体1以往复运动方式在空腔中可纵向地位移。
第一部分15在沿轴向相邻于第三部分17的区域中的厚度等于第二部分16在沿轴向相邻于第三部分17的区域中的厚度，并且为1mm，而第三部分17的厚度只为0.5mm。在再一些实施例中，第三部分17的厚度也可增大至高达第一和第二部分15、16的厚度的90%。还有可能的是：第一部分15和第二部分16具有不同的厚度。
沟槽14定位在阀体1的面向线圈9的侧面上，并且背离空腔。第一部分15、第二部分16和第三部分17的外表面也背离空腔，但是第三部分17的外表面与空腔之间的距离小于第一部分15或第二部分16的外表面与空腔之间的距离。
阀体1被制造为一个单体部分，以便增强机械强度。阀体1的制造开始于具有或不具有沟槽14的基底元件。如果在基底元件中最初不存在沟槽14，则必须通过锻造或任何其它适当方法来施加该沟槽14。沟槽14的宽度，其等同于第一部分15与第二部分16之间沿纵向方向的距离，在图3中示出的示例性实施例中为3mm。在再一些实施例中，只为1mm的更小值也是可能的。第三部分17根据本公开是制造之后的最终阀体1的硬化轨道(track)。
在非硬化阀体中，铁磁性阀体1上的沟槽14将恶化结构阻力。壁厚可能不是高到足以抵抗最大张力，其在流体压力达到临界值时发生在侧壁的内表面处。在非硬化阀体中由沟槽14来增大磁效率所付出的代价是喷射器不能在高流体压力处操作。典型的高压在至少300巴的范围内，但是甚至可能达到500巴。
本发明利用该构思来将第三部分17提供为激光硬化沟槽14，以便获得相当的结构阻力，其将存在于没有沟槽14的阀体1中--使得阀体1适于在这类高压下操作--并且同时具有与瓶颈有关的优点，所述瓶颈使非所需磁通旁路13最小化。
通过硬度增大来实现只硬化第三结构17，所述硬度增大是通过阀体1的材料的微观结构的马氏体转变而发生的。马氏体是非常硬的金属结构，并且向马氏体的转变会改善材料的机械强度，其只在以马氏体钢示出的示例性实施例中是可能的。由于只有第三区域17被硬化，所以通过马氏体转变使侧壁在第一和第二部分15、16的区域中的磁性能受损的风险特别小。
为了硬化形成后来为阀体1的基底元件的工件，激光束光斑加热金属到熔化温度稍下方，即在图3中示出的示例性实施例中至1100℃的温度。一旦已在第三区域17内的一个位置处达到该温度后，激光束光斑在基底元件旋转的同时移动穿越(across)第三部分17的面积(例如通过呈正弦方式的往复运动)。激光束沿加工方向连续地加热表面，并且施加至材料的高温使铁原子改变它们在金属晶格内的位置，即也被称为奥氏体化的工艺。一旦激光束移动离开后，热层在被称作自淬火的过程中被周围材料非常快速地冷却。快速冷却防止金属晶格恢复到其原始结构，从而生成马氏体。另外，在硬化层中生成压缩应力。冷却由环绕受热阀体1的空气来实施，但是在其它示例性实施例中也可施加附加的冷却剂。激光的硬化深度在图3上示出的示例性实施例中为0.4mm，在再一些实施例中硬化深度可更低。通过具有沟槽14的至少部分地受到激光硬化的阀体1，即显示将在没有沟槽的阀体中存在的相同结构阻力的阀体1，能够利用阻止非所需磁通旁路的瓶颈。
本发明并不局限于基于所述示例性实施例进行描述的特定实施例，而是包括不同实施例的构成要素的任意组合。而且，本发明包括权利要求的任意组合以及由权利要求公开的特征的任意组合。

Claims (17)

1.用于制造可电子机械地操作的阀的阀体(1)的方法，包括以下步骤：
a) 提供基底元件，所述基底元件具有由铁磁性材料制成的周向侧壁，并封闭沿着纵向轴线(4)延伸的空腔，其中所述侧壁具有第一部分(15)、第二部分(16)和第三部分(17)，所述第三部分(17)沿纵向方向定位在所述第一部分(15)与所述第二部分(16)之间，其中所述第三部分(17)的厚度小于所述第一部分(15)和所述第二部分(16)的厚度；
b) 通过激光加热使所述第三部分(17)硬化，其中所述铁磁性材料被加热至所需温度，并且一旦达到所需温度后，使激光移动穿越所述第三部分(17)，由此将所述第三部分(17)的材料的结构转变为马氏体结构；
c) 将极片(10)固定在所述空腔内，从而使所述侧壁的所述第三部分(17)和所述极片(10)沿轴向部分地重叠，但不完全重叠，
其中，所述第三部分(17)中的马氏体材料的体积分数沿径向向外的方向增大。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所需温度为900℃～1400℃。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三部分(17)的厚度为所述第一部分(15)或所述第二部分(16)的厚度的90%或更小。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光的硬化深度为0.1mm～0.4mm。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三部分(17)的纵向尺寸为1mm～3mm。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三部分(17)在所述侧壁的外表面上形成沟槽(14)。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铁磁性材料包括钢。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述所需温度为1000℃～1200℃。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述所需温度为1050℃～1100℃。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第三部分(17)的厚度为所述第一部分(15)或所述第二部分(16)的厚度的75%或更小。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第三部分(17)的厚度为所述第一部分(15)或所述第二部分(16)的厚度的50%或更小。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光的硬化深度为0.2mm～0.3mm。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三部分(17)的纵向尺寸为1.5mm～2mm。
14.用于可电子机械地操作的阀的阀体(1)，包括封闭沿着纵向轴线(4)延伸的空腔的周向侧壁，其中所述侧壁包括第一部分(15)、第二部分(16)和第三部分(17)，所述第三部分(17)沿纵向方向定位在所述第一部分(15)与所述第二部分(16)之间，其特征在于，所述第一部分(15)、所述第二部分(16)和所述第三部分(17)由铁磁性材料制成，其中所述第三部分(17)的材料包括马氏体结构，并且所述第三部分(17)的厚度小于所述第一部分(15)和所述第二部分(16)的厚度，并且其中极片(10)被固定在所述空腔内，从而使所述侧壁的所述第三部分(17)和所述极片(10)沿轴向部分地重叠，但不完全重叠，
其中，所述第三部分(17)中的马氏体材料的体积分数沿径向向外的方向增大。
15.根据权利要求14所述的阀体(1)，其中，所述第三部分(17)在所述侧壁的外表面上形成沟槽(14)。
16.用于内燃发动机的可电子机械地操作的阀，包括：根据权利要求14或15所述的阀体(1)；电磁致动器(2)，其包括配置在壳体(12)中的电磁线圈(9)；以及电枢(8)、阀针(3)和弹簧(6)，所述阀针(3)能通过所述电磁致动器(2)和所述弹簧(6、7)以往复运动方式移动，其中所述阀针(3)、所述弹簧(6)和所述电枢(8)定位在所述阀体(1)的空腔中。
17.根据权利要求16所述的可电子机械地操作的阀，其特征在于，所述第三部分(17)定位在所述线圈(9)的内部，并且至少部分地封闭所述电枢(8)。
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