CN107107151B - 一种用于增加预燃室元件的疲劳强度的自增强装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增加预燃室元件(50)的疲劳强度的自增强装置(10)和方法。该装置(10)包括可压紧地附接在一起以形成其中具有基本上封闭的空间(22、32)的主体(203)的至少两个主体部分(20、30)，其中，所述封闭的空间(22、31)的形状和尺寸被选择成使得当通过将至少两个主体部分(20、30)压紧地附接在一起来封闭所述预燃室元件(50)时，所述预燃室元件(50)能够被牢固且不可移动地布置在所述主体(203)内，并且其中所述主体(203)设置有通向所述空间(22、31)的至少一个导管(35)，所述导管被布置为可与流体源(40)连接，使得当被主体(203)封闭时，来自流体源的不可压缩的流体可以被布置成向预燃室元件(50)的内表面施加压力，以引起塑性变形，增加所述预燃室元件(50)的内表面层的疲劳强度。

Description

一种用于增加预燃室元件的疲劳强度的自增强装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于增加预燃室元件的疲劳强度的自增强装置(autofrettageapparatus)。

本发明还涉及一种通过自增强装置增加预燃室元件的疲劳强度的方法。

背景技术

内燃机可以设置有预燃室以便于气缸中的点火、燃烧效率和整个燃烧过程。显然，由于在预燃室的设计、材料性能和结构中设定很高标准的压力水平和温度水平的快速变化，预燃室在苛刻的条件下工作。

一般来说，预燃室中的诸如喷嘴和喷嘴开口的钻孔边缘等可能具有可以引起发动机中的损坏或不期望的工作情况的起裂或开裂的趋势。在开裂发生的情况中，预燃室元件需要被替换以维持足够的工作条件。

自增强处理已经用于金属制品以增加其耐久性和抗应力腐蚀开裂性。在自增强处理中，液压流体在非常高的压力下被引导到工件的钻孔或类似空间中以产生钻孔等的内壁中的材料内应力。因此，在自增强处理中，内表面层被塑性变形且外表面受到弹性变形。更具体地，塑性变形是不可逆的过程，而弹性变形是可逆过程。在自增强处理中，工件的内表面层被拉伸超过弹性极限，使得一旦压力被释放，内表面层不会恢复至其原始形状。工件的外表面层也被拉伸但未超过其弹性极限，意味着一旦压力被释放，外表面恢复至其原始形状。因此，自增强处理增加了工件的疲劳强度，更具体地，增加受到塑性变形的工件的内表面层的疲劳强度。

文献WO2011070063 A1公开了一种用于工件的预应力处理的装置，其中，该装置包括具有内表面且用于容纳工件的周向闭合的壳体，至少一个密封元件用于闭合工件的孔，并且供给单元用于将自增强介质输送到工件的内部空间中。

文献US 2011126393 A1公开了一种用于加强燃料喷射器喷嘴尖端的自增强过程。该过程包括以下步骤：对喷嘴尖端的内部体积施加真空，并且在每个喷嘴出口上方抽吸插塞。通过按压喷嘴尖端和夹具部件之间的插塞来堵塞喷嘴出口。然后，通过用自增强液体对内部体积进行加压来至少部分地自增强喷嘴尖端。然后，从喷嘴移除插塞。

文献EP 2320064 B1涉及一种加工喷嘴的方法。该方法包括以下步骤：用震凝流体或膨胀流体填充用于流体管道的喷射器的凹口并且然后受到自增强压力，从而在喷射器的凹口中建立内部压力以增加喷射器的持久强度。

本发明的一个目的是提供一种自增强装置，其中，与现有技术方案相比，其性能得到显著改善。

发明内容

本发明的目的通过一种用于增加预燃室元件的疲劳强度的装置来实现。本发明的特征在于，所述装置包括：

至少两个主体部分，所述至少两个主体部分能压紧地附接在一起以形成其中具有基本上封闭的空间的主体，并且

其中，封闭的所述空间的形状和尺寸被选择成使得当通过将所述至少两个主体部分压紧地附接在一起来封闭所述预燃室元件时所述预燃室元件能被牢固且不能移动地布置在所述主体内，并且

其中，所述主体设置有通向所述空间的至少一个流体导管，所述导管被布置成能与流体源连接，使得来自所述流体源的不可压缩流体能被布置为当被所述主体封闭时向所述预燃室元件的内表面施加压力，以引起塑性变形，增加所述预燃室元件的内表面层的疲劳强度。

这提供了一种性能得到显著改善的自增强装置。特别地，所述主体在自增强处理期间用作安全装置并且防止所述预燃室元件发生损坏。所述主体在自增强处理期间提高安全性。有利地，自增强处理将在所述预燃室元件的内表面上引起超过250MPa的压缩应力，从而有助于大幅增加耐久性并且从而防止裂纹的产生和扩展。具体地，选择所述封闭的空间的尺寸，以使在自增强处理期间防止所述预燃室元件的外表面在内压下膨胀。有利地，所述预燃室元件被所述主体完全地封闭。

根据本发明的实施方式，所述第一主体部分和所述第二主体部分设置有彼此之间提供压紧附接的配合对应表面。有利地，可以通过仅使用两个主体部分来封闭所述预燃室元件，这简化了基本上仅具有几个部分的总体结构。更有利地，所述主体的外部形状优选为立方体、矩形棱柱体等。

根据本发明的一个实施方式，通过泵施加压力。

根据本发明的另一个实施方式，通过向所述密封空间内引入的体积位移销施加压力。

根据本发明的一个实施方式，至少一个主体部分设置有与所述配合表面相关联的密封件以将至少两个主体部分压紧地密封在一起。在两个主体部分之间优选地布置至少一个密封件等。有利地，当所述主体由两个主体部分形成时，所述密封件被布置在第二主体部分中，并且当所述第一主体部分和所述第二主体部分附接在一起时，所述密封件将与所述第一主体部分的表面接触。这将提供一种压紧紧固结构。根据本发明的一个实施方式，所述密封件可以布置到所述第二主体部分中，以使得当所述第一主体部分和所述第二主体部分附接在一起时，所述密封件将与所述预燃室元件接触，从而防止自增强处理期间发生泄漏。

根据本发明的一个实施方式，所述第二主体部分设置有至少两个密封构件。可以布置第一密封件，使得当所述第一主体部分和所述第二主体部分附接在一起时，所述密封件接触所述第一主体部分的表面，并且第二密封件可以被布置到所述第二主体部分中，使得当所述第一主体部分和所述第二主体部分附接在一起时，所述第二密封件将接触所述预燃室元件，从而防止在自增强处理期间发生泄漏。所述第二密封件可以布置在所述第二主体部分中的所述不可压缩流体被引入的所述开口附近。

根据本发明的一个实施方式，所述主体的材料是结构钢。换言之，形成所述主体的每个所述主体部分是结构钢。

根据本发明的一个实施方式，选择所述封闭的空间的尺寸和形状，使得当将所述至少两个主体部分压紧地附接在一起时，所述预燃室元件的外表面可布置成牢固接触并且不可移动地抵靠所述主体内的所述空间的内表面。

有利地，所述预燃室元件是预燃室的下部，其中所述预燃室的下部可布置在发动机的燃烧室中。因此，根据本发明的一个实施方式，选择所述封闭的空间的尺寸和形状，使得当将所述至少两个主体部分压紧地附接在一起时，作为预燃室的下部的所述预燃室元件，在实际情况中，可被牢固地且不可移动地布置在所述主体内。因此，所述自增强装置旨在增加所述预燃室的下部的内表面的疲劳强度。也就是说，所述预燃室的下部在可能导致预燃室的下部损坏和裂纹发生等苛刻的环境中工作。

根据本发明的一个实施方式，所述主体部分通过螺栓等紧固装置附接在一起。有利地，当所述主体基本上是立方体或矩形棱柱体时，所述螺栓等可以布置在所述主体部分的角部附近。当将两个矩形棱柱体或立方体部分附接在一起以形成所述主体时，四个螺栓可以设置在每个角部处，以将所述主体部分压紧地密封在一起。所述第一主体部分和所述第二主体部分设置有与所述螺栓等相对应的螺纹。紧固装置的数量可以根据应用而变化。使用螺栓和螺母将所述主体部分紧固在一起也是可能的，这意味着所述螺栓将穿过所述主体部分。根据一个实施方式，所述主体部分设置有能够用螺栓和螺母附接在一起的凸缘。

根据本发明的一个实施方式，所述主体部分设置有螺纹，使得所述主体部分可以被压紧地拧在一起。在两个主体部分的情况下，所述第一主体部分中的螺纹将对应于所述第二主体部分中的螺纹，使得所述第一主体部分和所述第二主体部分可以压紧地拧在一起。这将减少部件的数量，如螺栓的数量。在该实施方式中，所述第一主体部分在螺纹结构的区域中具有圆形外部尺寸，并且所述第二主体部分具有圆形内表面，其螺纹对应于所述第一主体部分的圆形外部尺寸和螺纹。应当注意，所述主体部分中的任何种类的螺纹结构都是可能的，诸如卡口紧固件等。另外，组合是可能的，即，在所述主体部分中具有所述螺纹结构，使得它们可以拧在一起，并且然后使用一个或多个螺栓密封所述紧固件。

本发明的目的通过一种方法实现，所述方法通过一种自增强装置增加预燃室元件的疲劳强度。本发明的特征在于，所述方法包括以下步骤：

将所述至少两个主体部分附接在一起，使得所述预燃室元件被安装在所述至少两个主体部分之间，

将所述至少两个主体部分压紧地密封在一起，从而形成所述主体并且使所述预燃室元件牢固地且不能移动地位于所述主体内的所述封闭的空间中，以及

经由至少一个管道从流体源引入预定压力下的不可压缩的流体，使得来自所述流体源的所述不可压缩的流体被布置成向所述预燃室元件的内表面施加压力并且用所述流体填充所述预燃室元件的腔室部分以及增加其中的压力，从而引起所述预燃室元件的所述内表面的塑性变形，由此增加所述预燃室元件的内表面层的疲劳强度。

根据本发明的一个实施方式，将所述预燃室元件内的压力增加到足够高以克服材料的屈服极限，引起塑性变形。根据本发明的一个实施方式，所述方法包括这样的步骤，其中将所述预燃室元件内的压力增加到数百兆帕。

根据本发明的一个实施方式，所述方法包括这样的步骤，其中，所述预燃室元件内的所述压力被增加至超过500MPa。

根据本发明的一个实施方式，所述方法包括这样的步骤，其中，所述预燃室元件内的所述压力被增加至超过700MPa。

有利地，所述方法将在所述预燃室元件的所述内表面或内表面层上引起超过250MPa的压缩应力，从而有助于大幅增加耐久性，且还防止裂纹的产生和扩展。

附图说明

在下文中，将参考所附示例性示意图描述本发明，其中

图1示出根据本发明的第一实施方式的自增强装置，

图2示出根据本发明的一个实施方式的自增强装置的横截面图，

图3示出本发明的一个实施方式的横截面图，其中，预燃室元件被布置到自增强装置的第一主体部分中，

图4示出本发明的一个实施方式的横截面图，其中，预燃室元件被压紧地布置在第一主体部分和第二主体部分之间，以及

图5示出根据本发明的一个实施方式的自增强装置的横截面图。

具体实施方式

图1示意性地描述了适于增加供内燃活塞发动机用的预燃室元件的疲劳强度的自增强装置10的一个实施方式(预燃室元件未在图1中示出)。根据图1的实施方式的自增强装置10包括两个主体部分：第一主体部分20和第二主体部分30。主体部分20、30可压紧地附接在一起以形成具有基本上封闭的空间的主体203。在图1中示出的一个实施方式中，第二主体部分30设置有密封件36，例如，O形环，以使第一主体部分20和第二主体部分30能够压紧地布置在一起。有利地，在第二主体部分30中具有布置密封件36用的凹槽。

第一主体部分20设置有空间22，预燃室元件能够被布置在该空间中。更具体地，选择整个封闭的空间的形状和尺寸以使预燃室元件能够牢固地且不可移动地布置在第一主体部分20和第二主体部分30之间的空间22中。

空间的内表面具有坚决与所选择的预燃室元件的外表面保持一致的形状和尺寸，使得当封闭预燃室元件50时，预燃室元件50可以被牢固地且不可移动地布置在主体203内。

空间的内表面坚决与预燃室元件的外表面保持一致。当使用自增强装置时，这为预燃室元件提供了足够的支撑。

取决于预燃室的形状，空间22可以具有不同形状的若干部分。如图1所示，空间22的第一段22'可以具有比空间22的第二段22”大的横截面。这里，空间22的第二段22”在空间中比空间22的第一段22'更远。因此，空间是收敛的空间。第一部分20设置有用于接收紧固装置的多个孔24。通过虚线示意性地示出，钻孔24和空间22向第一主体部分20中延伸特定的距离。钻孔还可以是通孔。

第二主体部分30设置有经由通道38与流体源40流动连通地布置的导管35。导管35通到第二主体部分30内。流体源40不是自增强装置的组成部分，但是当需要操作装置时，其可以连接到第二主体部分30。通道38或流体源可以设置有泵70，以便产生并保持液压流体的压力达到足够的水平以进行自增强处理。与第一部分20类似，第二主体部分30设置有用于接收紧固装置的多个孔34，使得第一主体部分20和第二主体部分30可以压紧地紧固在一起。在第二主体部分30中，孔34是穿过第二主体部分30的通孔，使得螺栓等可以穿过第二主体部分30。有利地，第一主体部分20和第二主体部分30设置有彼此之间提供压紧附接的配合对应表面。对于技术人员，显而易见地有许多其他合适的已知方式可用于将这些部分附接在一起。

与在图1中类似，图2示出了当第一主体部分20和第二主体部分30仍然彼此分离时的自增强装置10的横截面图。空间22的内表面23可以设置有套环22.2，以便更牢固地支撑预燃室元件。基本上，在这里，第一部分和第二部分均设有与预燃室元件的形状相一致的腔体，而在图1中，腔体仅在第一部分中并且第二部分用作盖子。优选地，空间22的横截面等于装置将要处理的预燃室元件的横截面。第二主体部分30可以设置有将至少部分地与预燃室元件接触的凹部31。凹部31的形状对应于预燃室元件的形状。换言之，凹部31用作用于接收自增强处理的预燃室元件的对应部分。密封件36布置在第二部分30中的凹部31外。可以看出，有利地，管道35基本上被布置在第二主体部分30的中央部分中，并且更有利地被布置在凹部32附近的开口中。重要的是，当被安装在装置中时，管道35通向预燃室元件内的区域。

图3示意性地示出了一种情况的横截面图，其中，预燃室元件50布置在第一主体部分20的空间22中。可以看出，有利地，选择空间22的尺寸，使得预燃室元件50在实际情况中紧密地配合到空间22中。因此，预燃室元件50与第二主体部分30中的空间的内表面23之间存在非常小的间隙或基本上没有间隙。更具体地，预燃室元件50的绝大部分外表面53接触空间22的内表面23。因此，当进行自增强处理时，空间22的内表面23防止预燃室元件50的外表面53膨胀。此外，空间22的内表面23防止预燃室元件50发生损坏。可以看出，当被布置在空间22中时，预燃室元件50的第一部分50'在第一主体部分20上延伸，而第二部分50”被紧密布置并被空间22包围。现在还可以看出，凹部31实际上具有用于预燃室元件50的第一部分50'的对应形状。因此，当第一主体部分20和第二主体部分30附接在一起时，凹部31容纳预燃室元件50的第一部分50'。

图3还示出了预燃室元件50的预燃室喷嘴开口54和内表面52。当预燃室元件50被布置到空间22中时，预燃室喷嘴开口54位于第二主体部分20内。此外，如可以看到的，预燃室元件50优选地是预燃室的一部分，其在被安装时限定实际燃烧室。这在此也称为预燃室的下部。因此，本发明特别地旨在增加预燃室的下部的内表面的疲劳强度。预燃室元件50设置有主开口58，液压流体通过该主开口58被引入到预燃室元件50的腔室部分56中。因此，导管35被布置成通向空间的中央区域处的主开口58中。有利地，选择空间22的内表面23的形状，使得预燃室元件50的外表面53的一部分至少部分地但优选地完全与第一主体部分20的空间22的内表面23接触。换言之，第一主体部分20的空间22形成为用于预燃室元件50的对应部分，以接收自增强处理的力。在实际情况中，内表面23的形状与预燃室元件50的形状相同。

图4示出了当第一主体部分20和第二主体部分30压紧地密封在一起并且预燃室元件50被布置在其间时的主体的横截面图。第一主体部分20和第二主体部分30设置有彼此之间提供压紧附接的配合对应表面。紧固装置39可以是任何类型的常规紧固装置，诸如螺栓等。显然，紧固装置的数量可以变化。更具体地，示意性地示出了在第一主体部分20和第二主体部分30之间布置预燃室元件50。此外，预燃室元件50被空间22和凹部31完全封闭。具有预燃室喷嘴开口54的预燃室元件50的第一部分50'布置在第二主体部分30中并被第二主体部分30包围，并且预燃室元件50的第二部分50”布置在第一主体部分20中并被第一主体部分20包围。

第一主体部分20的内表面支撑预燃室元件50的第二部分50”的表面。优选地，第一主体部分的内部形状与预燃室元件50的第二部分50”的外部形状一致。因此，在实际情况下，预燃室元件50被牢固地且不可移动地布置在第一主体部分20和第二主体部分30内。可以说，如图4中所示，第一主体部分20和第二主体部分30在被附接在一起时形成主体203。封闭预燃室元件50的空间由第一主体部分20的空间22和第二主体部分30的凹部31构成。在实际情况中，第一主体部分20的内表面23和第二主体部分30的内表面32具有与外表面53相同的形式，或者换言之，与预燃室元件50的外形相同。优选地，预燃室元件50与分别在第一主体部分20和第二主体部分30的内表面23和32之间存在非常小的间隙或基本上没有间隙。在自增强处理期间，空间22的内表面23防止预燃室元件50的外表面53膨胀。预燃室元件50被完全布置在由空间22和凹部31形成的封闭的空间内。因此，预燃室元件50被完全布置在主体203内。在自增强处理期间，主体还用作安全装置。有利地，第一主体部分20和第二主体部分30以及因此主体203的材料是结构钢。有利地，主体203的外形相当简单，例如立方体或矩形棱柱体等。

在自增强处理中，来自流体源40的液压流体以预定压力被引导到预燃室元件50的内表面52。在这种情况下，液压流体意味着不可压缩的流体，并且通常是在已知的自增强处理中使用的流体。具体来说，液压流体经由通道38、第二主体部分30的导管35和预燃室元件50的主开口58从液压流体源40流入预燃室元件50的腔室部分56。可以看出，导管35通向腔室部分56。可以通过位于通道38中的泵70来维持和控制流体的压力。可以看出，预燃室元件50的主开口58与预燃室喷嘴开口54相对地设置。首先，预燃室元件50填充有流体，并且然后通过增加其中的流体压力引起预燃室元件50的内表面层的塑性变形。在自增强处理期间，预燃室元件50的外表面53向空间22的内表面23移动并压靠空间22的内表面23，从而防止预燃室50的外表面53膨胀。有利地，提供超过500MPa的压力级以增加预燃室元件50的内表面层的疲劳强度。自增强处理防止预燃室元件50的裂纹产生和扩展、从钻孔开裂以及提高预燃室元件的耐久性。有利地，自增强处理增加了预燃室喷嘴开口54的内表面层的疲劳强度。

图5示出了自增强装置10的又另一实施方式。第一主体部分20和第二主体部分30设置有彼此匹配的螺纹26。因此，第一主体部分20和第二主体部分30可以压紧地拧在一起。与图1至图4中所示类似，第二主体部分30设置有密封件36和导管35，液压流体可以通过该导管35从液压流体源40并且经由通道38引入。显然，第一主体部分部件20的横截面，至少在螺纹区域26中，基本上是圆形的。类似地，第二主体部分30的螺纹结构33的区域中的内表面是圆形的。应当注意，不同类型的螺纹结构是可能的，并且卡口紧固等是可能的。可以看出，主体部分20和30可以被布置成使得一个主体部分被另一个主体部分至少部分地环绕并封闭。现在，第一主体部分20和第二主体部分30具有对应表面，即，螺纹，以便提供压紧的密封紧固。

图1至图5仅公开了如何将主体部分20和主体部分30压紧地密封在一起的几个优选实施方式。然而，本发明不仅限于那些实施方式。虽然本文已经通过与现在被认为是最优选实施方式相关的实例来描述本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改以及包括在如所附权利要求中限定的本发明的范围内的若干其他应用。当这种组合在技术上是可行的时，结合上述任何实施方式提到的细节可以结合另一实施方式使用。

Claims (8)

1.一种用于增加供内燃活塞发动机用的预燃室元件(50)的疲劳强度的自增强装置(10)，该自增强装置包括设置有至少一个流体导管的主体(203)，所述至少一个流体导管被布置成能与不可压缩流体源(40)连接，以引起塑性变形，增加所述预燃室元件(50)的疲劳强度，其特征在于，所述自增强装置(10)包括：

至少两个主体部分(20、30)，所述至少两个主体部分能压紧地附接在一起以形成其中具有封闭的空间(22、31)的所述主体(203)，并且

其中，封闭的所述空间(22、31)的形状和尺寸被选择成使得当通过将所述至少两个主体部分(20、30)压紧地附接在一起来封闭所述预燃室元件(50)时所述预燃室元件(50)能被牢固且不能移动地布置在所述主体(203)内，使得所述空间(22、31)的内表面(23)防止所述预燃室元件(50)的外表面(53)膨胀，并且

其中，所述至少一个流体导管(35)通向所述主体(203)的所述空间(22、31)，并且

所述流体导管被布置为当被所述主体(203)封闭时向所述预燃室元件(50)的内表面施加压力，以引起塑性变形，增加所述预燃室元件(50)的内表面层的疲劳强度。

2.根据权利要求1所述的自增强装置，其特征在于，所述至少两个主体部分包括第一主体部分(20)和第二主体部分(30)，所述第一主体部分(20)和所述第二主体部分(30)设置有提供彼此之间的压紧附接的配合对应表面。

3.根据权利要求2所述的自增强装置，其特征在于，所述至少两个主体部分(20、30)中的至少一个主体部分设置有与所述配合对应表面相关联的密封件(36)以将所述至少两个主体部分(20、30)压紧地密封在一起。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的自增强装置，其特征在于，所述封闭的空间(22、31)的所述尺寸和所述形状被选择成符合将被所述自增强装置处理的所述预燃室元件的形状和尺寸，使得当将所述至少两个主体部分(20、30)压紧地附接在一起时所述预燃室元件(50)的外表面能被布置成牢固接触并且不能移动地抵靠所述主体(203)内的所述空间(22、31)的所述内表面。

5.一种通过自增强装置(10)增加供内燃发动机用的预燃室元件(50)的疲劳强度的方法，该方法包括：经由至少一个流体导管(35)从流体源(40)引入预定压力下的不可压缩的流体，使得所述不可压缩的流体被布置成向所述预燃室元件(50)施加压力，从而引起所述预燃室元件(50)的塑性变形，由此增加所述预燃室元件(50)的内表面层的疲劳强度，其特征在于：

提供至少两个主体部分(20、30)，所述至少两个主体部分能压紧地附接在一起以形成其中具有封闭的空间(22、31)的主体(203)，

将预燃室元件(50)布置到封闭的所述空间(22、31)中，并将所述至少两个主体部分(20、30)附接在一起，使得所述预燃室元件(50)以被支撑的方式安装在所述封闭的空间(22、31)中，

将所述至少两个主体部分(20、30)压紧地密封在一起，从而形成所述主体(203)并且使所述预燃室元件(50)牢固地且不能移动地位于所述主体(203)内的所述封闭的空间(22、31)中，使得所述空间(22、31)的内表面(23)防止所述预燃室元件(50)的外表面(53)膨胀，以及

来自所述流体源(40)的所述不可压缩的流体被布置成向所述预燃室元件(50)的内表面(52)施加压力并且用所述流体填充所述预燃室元件(50)的腔室部分(56)而增加其中的压力，从而引起所述预燃室元件(50)的所述内表面(52)的塑性变形，由此增加所述预燃室元件(50)的内表面层的疲劳强度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预燃室元件内的所述压力被增加至超过500MPa。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预燃室元件内的所述压力被增加至超过700MPa。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预燃室元件(50)内的所述压力被增加至足够高以克服材料的屈服极限。