CN1119524C - 一种喷油器的制造方法、一种喷油器及一种柴油机 - Google Patents
一种喷油器的制造方法、一种喷油器及一种柴油机Info
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Abstract
一种喷油器及制造该喷油器的方法，该喷油器具有一个用于给一针阀(4)导向并引入燃油的纵向钻孔(3)，和一个设置于该纵向钻孔(3)中以便与针阀(4)配合工作的针阀座(5)，所述纵向钻孔(3)延伸入一喷嘴头(6)中，在此，至少一个喷嘴孔(61)从该纵向钻孔开始延伸，一个至少包括纵向钻孔(3)，针阀座(5)和喷嘴头(6)的基体单件(2)首先是用一种可硬化处理的材料，特别是可热处理的钢，在未进行硬化处理的状态下制造而成的，并基本上形成理想的最终外形。
Description
技术领域
本发明涉及一种柴油机、特别是两冲程大型柴油机的喷油器的制造方法及喷油器。
背景技术
在按两冲程方式工作并具有加长扫气的大型柴油机，例如船用柴油机中，通常为每个气缸设置一组，例如三个喷油器，这些喷油器布置于气缸盖中，绕位于中心的排气阀设置。这种类型的喷油器的喷嘴头具有至少一个喷孔，但通常为一组喷孔，燃油通过该喷孔喷入气缸中的燃烧室中。为了启动或结束该喷射过程，一可动的针阀设置于该喷油器中，该针阀与一针阀座相互依如此的方式配合以致于通到喷嘴孔的通道可被开启或关闭。
特别是，凸伸入气缸的燃烧室中的喷嘴头通常都处于非常高的热应力和腐蚀应力的工作状态下工作。喷嘴头通常都位于另一个喷油器的油束范围内，油束前方提供有喘流空气流，这样就进一步增加了标称应力。因此，在喷嘴头处会产生非常高的表面温度，这样就会加速喷嘴头的腐蚀。公知的是：这种腐蚀主要是由燃油中包含的钒和钠产生的，这样就加速了材料的剥落，从而使喷嘴头的寿命相当短。
另一方面，在针阀座中，限制其寿命的因素主要是在工作状态时机械应力过高。这些应力具体就是压应力和冲击应力，这些应力来源于高压喷射及因穴蚀和腐蚀而产生的材料的剥落。喷嘴孔也可因材料的剥落而损坏。
为了综合考虑到这些不同的应力，公知的是将喷油器制造成两部分，即包括针阀座的喷嘴头部分和包含喷嘴孔的分离喷嘴头部分。这样，该喷嘴体可由一种非常硬并且机械性能稳定的材料制成，另一方面，该喷嘴头可由一种耐热腐蚀的材料制成。该喷嘴头可拆卸地连接到该喷嘴体上，作为一种经济的更换部件。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是为了提出另外的方法，借助于该方法可制造一柴油机用的喷油器，在该方法中，一方面喷嘴头可永久地承受热应力和腐蚀应力，另一方面针阀座和喷嘴孔可永久地承受在一柴油机特别是一大型柴油机中产生的机械应力。此外本发明也提供一种相应的喷油器。
因此根据本发明，其提供了一种用于制造一种用于一柴油机，特别是两冲程大型柴油机的喷油器的方法，该喷油器具有一个用于为喷嘴针阀导向并引入燃油的纵向钻孔，所述纵向钻孔延伸入一喷嘴头中，在该喷嘴头上，至少一个从该纵向钻孔处出发延伸的喷嘴孔，一个针阀座设置于该纵向钻孔中以便与该针阀配合。本发明的方法的特征在于：首先使至少包括该纵向钻孔，针阀座和喷嘴头的基体单件由一种可硬化处理的材料，特别是一种可进行热处理的钢制成，在未硬化处理的状态时其外形尺寸基本上是要求最终外形尺寸；接着将耐热腐蚀合金涂层涂覆到该喷嘴头上；然后制造喷嘴孔；再后对该基体进行硬化处理。
根据本发明，在一两冲程大型柴油机中，该至少包括纵向钻孔，针阀座和喷嘴头的基体单件整体由一种可硬化处理的材料，特别是一种可进行热处理的钢制成，其硬化处理在后续方法的步骤中进行，特别是针阀座和喷嘴孔，也即在工作期间承受最高应力的各零部件具有足够的机械强度，以便可永久地承受高的应力，特别是冲击应力和腐蚀。通过将喷嘴头涂覆上一层耐热腐蚀合金可以保证喷油器的这个部分，即凸伸入燃烧室中并处于最高的热应力作用下的部分，可被有效地保护免受热腐蚀。根据本发明的方法的基本内容是：只有在喷嘴头被涂覆后才对基体进行硬化处理或分别的硬化处理，因为这样可有效地回避涂覆步骤对硬化处理获得的材料性能产生负面影响。
涂覆量的厚度例如为大约0.8mm-1.0mm。在一具体的优化实施例中，针阀座直接设置于喷嘴孔的上游。通过这种措施，所谓的盲孔容积，即位于针阀座和喷嘴孔之间的容积，也即针阀座下游纵向钻孔的容积，特别小，所以通过关闭该针阀座处的通道在实际应用中可立即终止喷射过程，而不可能使剩余的燃油滴入燃烧室中。在上述起始部分所述的两部分结构的喷油器中，针阀座设置于一喷嘴头中，并且喷嘴孔也设置于该喷嘴头中，一个相对较大的盲孔容积导致针阀座和喷嘴孔在空间上分离开。在燃油喷射终止时，如果针阀压入该针阀座中，那么仍处于该盲孔容积中的燃油不再受供给压力的作用。然后这部分燃油可能在喷射终止后通过喷嘴孔在非常差的雾化状态下进入燃烧室，此时这部分燃油只能燃烧一点点或根本不燃烧。这就产生了额外的污染(更高的NOX含量)，并增加燃油消耗，且在喷嘴孔处，在燃烧室的所有部分和输送废气的各零部件的所有部分沉积出例如呐叭形的沉积物。这些不利之处可借助于小的盲孔容积，也即针阀座和喷嘴孔的直接关闭性得到回避。
喷嘴头的涂覆较好是由激光加工处理过程，特别是由激光涂覆进行的，因为这种材料的涂覆方法可使之受控制地，可再现地并且集中地熔融在涂覆材料上。此外，激光涂覆可形成一致密的不带孔的保护涂层。这样也可能只产生一轻微的混合区，所以基本上不会产生基体材料的负面影响。此外，用激光涂覆可形成一种在该基体上特别良好的涂层粘性。
在对该基体进行硬化处理之前，最好对喷嘴孔或各喷嘴孔分别进行另外的处理，例如使喷嘴孔去毛刺和/或使该纵向钻孔和喷嘴孔之间的过渡区域倒圆。这一处理过程最好由电化学方法进行，特别是由电成形方法进行。
本发明的喷油器的特征在于：提供的基体单件至少包括纵向钻孔，针阀座和喷嘴头，并且由一种可硬化处理的材料，特别是一种可进行热处理的钢制成，在未进行硬化处理的状态其基本上处于理想的最终外形尺寸下，然后进行硬化处理；该基体的喷嘴头具有一层耐热腐蚀合金涂层，该涂层在该基体进行硬化处理之前涂覆而成；喷嘴孔是在涂层被涂覆之后和该基体进行硬化处理之前加工而成的。
本发明的喷油器的优化和较好的各种技术措施与所说明的相应方法的相应技术措施是对应的。
此外，较好的是，该基体的外边界表面具有一个设计为锥形的区域，用于将该喷油器支承于一气缸盖中。通过锥形设计，喷油器和该喷油器固定于其中的气缸盖之间可得到一大的接触表面。这个大的接触表面是具有优越性的，因为一方面作用在喷油器上的压应力可被更好地传递到气缸盖上，另一方面它可在喷油器和该通常被冷却的气缸盖之间产生特别合适的传热热流，所以热量可更好地流出喷油器。
这样，锥形区域的锥角处于15°和35°之间，特别是处于大约22°和26°之间的这些实施例是特别优化的。对于小于大约15°的锥角来说，存在这样的危险，即在工作中可能会使喷油器压入气缸盖中，从而该喷油器只有用极大的努力才能卸除。对于大的锥角，可能会导致力会较差地从该喷油器传递给气缸盖。
本发明还提出一种用于一柴油机的喷油器，其具有一个用于给一针阀导向并引入燃油的纵向钻孔，及一个设置于该纵向钻孔中以便与针阀配合工作的针阀座，所述纵向钻孔延伸入一喷嘴头中，在此，至少一个从该纵向钻孔延伸的喷嘴孔，其特征在于：设有一个至少包括该纵向钻孔，针阀座和喷嘴头的基体单件，并且该基体单件是用一种可硬化处理的材料，在未进行硬化处理的状态下制造出的，并形成要求最终外形，接着，进行硬化处理；该基体的喷嘴头具有一层耐热腐蚀合金涂层，该涂层是在该基体进行硬化处理之前涂覆而成的；在对该基体进行硬化处理之前及涂覆涂层之后钻出喷嘴孔。
本发明也提出具有以上喷油器的两冲程大型柴油机。
下面参见各附图对本发明方法方面的技术内容和装置方面的技术内容进行详细说明。表示于各示意性，即没有标明尺寸大小的附图中的是：
附图说明
图1是一个通过本发明的，并装在一气缸盖中喷油器的示范性实施例的纵剖视图，及
图2是在纵剖视图(不带针阀)中该基体的放大视图。
具体实施方式
图1表示本发明的喷油器的示范性实施例的局部的纵剖视图，它主要是为了理解本发明，并且该喷油器整体标明为标号1。为了清楚，这些本身已经是公知的内容在此被省略了。该喷油器1设计用于安装在一两冲程大型柴油机，例如一船用柴油机的气缸盖10中。
在下面使用的相对位置，例如“上，下，上方，下方...”总是相对于各附图而言的，并且只能理解为只具有示例作用，而不具有限制作用。
纵向轴线由标号A表示的喷油器1包括一基体单件2，该基体的下端形成一喷嘴头6。在图1所示的安装状态，喷嘴头6伸入该柴油机的一气缸的燃烧室20中。一纵向钻孔3设置于该基体中，并沿该纵向轴线A方向延伸且从该基体2的上端伸入喷嘴头6中。该喷嘴头6具有至少一个喷嘴孔，典型地例如具有5各喷嘴孔61，这些孔在任何情况下都是从该纵向钻孔3处开始延伸的，并且燃油通过它们喷入燃烧室20中。在该纵向钻孔3中设置有一针阀座5，该针阀座设计为该纵向钻孔3的一收缩截面。一可动的喷嘴针阀4同样设置于该纵向钻孔3中，并基本上平行于该喷油器1的纵向轴线A延伸，该针阀的下端按一种本身已公知的方式与与针阀座5配合工作，以致于它可开启或关闭在针阀座5处通到喷嘴孔61的通道。
图2表示基体2的放大视图，为了更清楚起见，喷嘴针阀4在图中没有画出。
纵向钻孔3具有一上部区域3a(参见图2)，在该区域钻孔的内直径只比喷嘴针阀4的外直径稍大一点点，所以该上部区域3a可给该针阀4导向。在该上部区域3a下面的纵向钻孔3首先扩大，然后收缩，所以形成一个用于对该针阀4进行液压制动的压力室3b。一供油通道8开通入该压力室3b中，通过该通道8可将燃油供入压力室3b中。延伸到针阀座5的纵向钻孔3的下部区域3c与压力室3b连接。在针阀座5的下游，一所谓的盲孔容积3d形成了纵向钻孔3的端部。各喷嘴孔61从该盲孔容积处分支延伸出去。
位于该纵向钻孔3的上部区域3a中的针阀4的较上部分的直径是按这样的方式确定的，即该上部区域3a可用来给该针阀4导向。在压力室3b的区域中，针阀4收缩，然后利用更小的直径延伸穿过该纵向钻孔的下部区域3c直到针阀座5为止，此时该针阀4呈锥形的和/或倒圆的端部与针阀座配合工作。在该纵向钻孔3的下部区域3c，该针阀4基本上可以不要导向。针阀4通过一种本身是公知的方式，例如通过一个由未示出的压力弹簧的弹性载荷施压的阀杆11置于一偏压力作用下使其抵靠在针阀座5上。该基体2由一阀套12连接到包含该阀杆11的部分上。
在喷油器1处于安装状态时，处于燃烧室20中喷嘴头6的外侧设有一层耐热腐蚀合金涂层7，所以在工作状态处于燃烧室20中并暴露在最大热应力和腐蚀应力下的该基体2的至少这个区域可得到涂层7的保护。
针阀座5最好直接设置于喷嘴孔61的附近，处于距该最上方的喷嘴孔上方一较短的距离处，如图1和2所示。这样，处于针阀座下游的盲孔容积3d与公知的带有一分离喷嘴头6的结构相比特别小，例如可以小10倍。出于这一理由，人们也可以讨论一种无盲孔容积喷油器。这种非常小的盲孔容积3d的优点是：通过关闭针阀座5处的通道实际上可立即终止喷射过程，而不会使其产生使剩余的燃油滴入燃烧室20中的缺点。
图1表示喷油器1出于关闭状态，这意味着压力弹簧通过阀杆11迫使针阀4的下端密封地压入针阀座5中。在工作状态，喷油器1按下列方式进行液压制动。燃油例如由一个未示出的喷油泵加压通过供油通道8向前运动供入压力室3b中并在此处给针阀4加压。如果压力室中的油压大于压力弹簧产生的偏压(开阀压力)，则针阀4升起，从而使针阀座5处的通道与各喷嘴孔61连通，所以喷射过程开始。这就意味着燃油从压力室3d通过纵向钻孔3的下部区域3c进入喷嘴孔61，并通过该喷嘴孔进入气缸中的燃烧室20中。在喷射结束时，压力室3b中的油压下降。一旦该油压低于压力弹簧产生的偏压(闭阀压力)，针阀4压入针阀座5中。这样，在针阀座5处通到各喷嘴孔61的通道被关闭，从而喷射过程终止。由于该针阀座5下游的盲孔容积3d小到可忽略不计，因此喷射过程结束后，实际上不会有更多的燃油滴入燃烧室20中。
喷油器1的基体2的外形最好是按这样的方式设计的，即它的外边界表面具有一锥形区域21(参见图2)，在安装状态，喷油器1利用该区域21支承于气缸盖10中，如图1所示。由于采用这种锥形表面，则基体2和气缸盖10之间具有较大的接触表面，这就可能在该基体2和通常被冷却的气缸盖10之间具有良好的传热性。在具体喷嘴头6中(在工作期间暴露在最高的温度下)温度越高，由于热量可非常迅速地从该基体2中传递入气缸盖10中，因此这种结构的反作用越有效。由于高的热流通过该个由锥形区域21形成的接触表面从该基体2传递出来，因此具体地说针阀座5和喷嘴孔61不会象在公知的结构中那样变得很热。其优点是例如在喷嘴孔处形成的喇叭形形成物(结焦沉积)较低。
该锥形区域21的锥角α较好是处于15°和35°之间，特别是处于大约22°和26°之间。对于小于大约15°的锥角来说，存在这样的危险，即在工作中可能会使喷油器压入气缸盖10中，从而该喷油器只有用极大的努力才能卸除。对于大的锥角，可能会导致力会较差地从该基体2传递给气缸盖10，这对将喷油器1支承于气缸盖10中或密封具有负面作用。
根据本发明，至少包括纵向钻孔3，针阀座5和喷嘴头6的基体2可由一种可硬化处理的材料，特别是一种可进行热处理的材料制造成为一单件，并且喷嘴头6具有一层耐热腐蚀合金涂层，该涂层是在对基体2进行硬化处理之前涂覆完成的。所有耐热和耐腐蚀的并可进行热处理的钢(这些钢本身是公知的)，例如X83CrMoV51或X40CrMoV51或M390(商标)都是特别适合于用作该基体单件2的材料。可热处理的钢是一种诸如强度和硬度等机械性能都可通过热处理得到显著改进的钢。
所有耐热腐蚀合金，特别是那些依名称Nimonic80a(商标)，Nimonic81(商标)，Inconel625(商标)和Inconel671(商标)为公众所知的镍基合金，或那些依名称Stellite，如Stellite6和Stellite7为公众所知的钴基合金，都适合用作该涂层7的合金材料。依名称PM2000为公众所知的材料也适合用作涂层材料。
本发明的方法是根据下列优化实施例进行的：首先用一种可进行热处理的并处于未进行硬化处理的状态的耐热钢制造该个带有纵向钻孔3，针阀座5和喷嘴头6的基体单件2，将该基体单件2加工成为基本上理想的最终形状。这种加工由公知的切削加工，例如车，铣，磨和钻等等实现。然后在该个仍未硬化处理的基体2的喷嘴头6处涂覆耐热腐蚀涂层7。该涂层7所用的合金最好由诸如激光涂覆之类的激光应用方法涂覆上。当然，诸如电离子喷涂，焊接或粉末冶金方法之类的方法也是合适的。一方面根据基体2所用的基体材料，另一方面根据涂层7的具体材料选择合适的方法。当涂层7已经涂覆上后，对该基体2的喷嘴头6钻孔加工出喷嘴孔61。该些喷嘴孔的内壁最好用电化学方法，特别是由电加工或电成形方法进行另外的加工。这样，可对从中心钻孔3到各喷嘴孔61的过渡处的边缘也可进行去毛刺处理和倒圆处理。这些加工步骤后，借助于热处理使基体2进行回火处理，这就意味着进行硬化处理。通过这些对材料的处理，基体2可被制造成具有最终的机械性能。通过对基体2的硬化处理，该基体2具有更高的强度和硬度。最后将该基体2进行最终的机械加工，例如进行磨削或抛光加工。
本发明的方法和喷油器1分别具有如下的具体优点：即在工作期间处于强机械应力下的各零部件，例如喷嘴孔61，针阀座5和由纵向钻孔3的上部区域3a形成的针阀导向件，由一种非常硬并且可承受很高机械应力的材料，即经过硬化处理的材料制成，而在工作状态暴露给最高热应力和腐蚀应力的零部件，即喷嘴头6受到在其外侧的涂层7的保护。因此，有可能对基体2用的材料在尽可能好的机械性能方面，例如大的硬度，抗拉强度，抗蠕变性等等进行选择，并且对涂层7用的合金在非常良好的耐热腐蚀性方面进行选择，使之可具有更高的机械应力分量。因此不再需要采用一种只能在一方面大的硬度和另一方面高的耐热腐蚀性之间进行兼顾的材料来制造喷油阀，特别是制造喷嘴头6。
由于喷嘴头6也可由非常硬的材料制成，因此可毫无问题地将针阀座5设置于喷嘴头6中直接靠近各喷嘴孔61，因此可得到上述已经提到过的极低的盲孔容积3d的优点。由于制造基体2的材料的强度和机械性能的原因，针阀座5也是足够坚固的，从而可永久地承受特别是在柴油机工作期间由针阀产生的冲击应力。
基体2的大硬度相对其它机械应力也是较好的。因此例如常常用作大型柴油机的燃料的重油通常含有各种颗粒物，这些颗粒物具有高的腐蚀作用，因此导致粘性材料特别是粘附在针阀座5处和喷嘴孔61中。特别是在针阀座5处和喷嘴孔61中产生的穴蚀和腐蚀有可能导致材料剥落或损坏。由于基体2的硬度的原因，在针阀座5和喷嘴孔61的区域内，这种材料的剥落或损坏至少可显著降低，这对提高喷油器1的寿命具有极大的积极作用。
本发明的主要内容是：基体2的硬化处理只有在喷嘴头6涂覆一涂层7后才能进行。通过这一步骤，即可避免硬化处理后基体的机械性能产生不希望的变化。因此例如不会存在由硬化处理而形成的基体2的结构变化完全或部分损坏的危险。
很明显本发明不能被限制用于两冲程柴油机，它也可适用于其它类型的发动机，例如特定的四冲程柴油机或普通的柴油机。
Claims (14)
1.用于制造一种用于一柴油机的喷油器的方法，该喷油器具有一个用于给一针阀(4)导向并引入燃油的纵向钻孔(3)，和一个设置于该纵向钻孔(3)中以便与针阀(4)配合工作的针阀座(5)，所述纵向钻孔(3)延伸入一喷嘴头(6)中，在该喷嘴头(6)中，至少具有一个由该纵向钻孔的延伸端部开始向外延伸的喷嘴孔(61)，其特征在于：首先，用一种可硬化处理的材料，在未进行硬化处理的状态下制造出一个至少包括该纵向钻孔(3)，针阀座(5)和喷嘴头(6)的基体单件(2)，并形成要求最终外形；接着，在喷嘴头(6)上涂覆一层耐热腐蚀合金涂层(7)；之后，加工出喷嘴孔(61)；再后将该基体(2)进行硬化处理。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于：针阀座(5)直接设置于喷嘴孔(61)上游。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：喷嘴头(6)上的涂层(7)是由激光加工方法涂覆而成的。
4.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：喷嘴头(6)上的涂层(7)是由激光涂覆方法涂覆而成的。
5.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：喷嘴孔(61)在进行硬化处理之前进行电化学处理。
6.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：喷嘴孔(61)在进行硬化处理之前由电成形进行处理。
7.一种用于一柴油机的喷油器，其具有一个用于给一针阀(4)导向并引入燃油的纵向钻孔(3)，及一个设置于该纵向钻孔(3)中以便与针阀(4)配合工作的针阀座(5)，所述纵向钻孔(3)延伸入一喷嘴头(6)中，在该喷嘴头(6)中，至少具有一个由该纵向钻孔的延伸端部开始向外延伸的喷嘴孔(61)，其特征在于：设有一个至少包括该纵向钻孔(3)，针阀座(5)和喷嘴头(6)的基体单件(2)，并且该基体单件是用一种可硬化处理的材料，在未进行硬化处理的状态下制造出的，并形成要求最终外形，接着，进行硬化处理；该基体(2)的喷嘴头(6)具有一层耐热腐蚀合金涂层(7)，该涂层是在该基体(2)进行硬化处理之前涂覆而成的；在对该基体(2)进行硬化处理之前及涂覆涂层(7)之后钻出喷嘴孔(61)。
8.如权利要求7所述喷油器，其特征在于：针阀座(5)直接设置于喷嘴孔(61)上游。
9.如权利要求7或8所述喷油器，其特征在于：喷嘴头(6)上的涂层(7)是由激光加工方法涂覆而成的。
10.如权利要求7或8所述喷油器，其特征在于：喷嘴头(6)上的涂层(7)是由激光涂覆方法涂覆而成的。
11.如权利要求7或8所述喷油器，其特征在于：基体(2)的外边界表面具有一个用于将喷油器(1)支承于一气缸盖(10)中的锥形设计的区域(21)。
12.如权利要求11所述喷油器，其特征在于：该锥形区域(21)的锥角处于15°和35 °之间。
13.如权利要求11所述喷油器，其特征在于：该锥形区域(21)的锥角处于22°和26°之间。
14.一种两冲程大型柴油机，其包括一种喷油器；
该喷油器具有一个用于给一针阀(4)导向并引入燃油的纵向钻孔(3)，及一个设置于该纵向钻孔(3)中以便与针阀(4)配合工作的针阀座(5)，所述纵向钻孔(3)延伸入一喷嘴头(6)中，在该喷嘴头(6)中，至少具有一个由该纵向钻孔的延伸端部开始向外延伸的喷嘴孔(61)，其中：设有一个至少包括该纵向钻孔(3)，针阀座(5)和喷嘴头(6)的基体单件(2)，并且该基体单件是用一种可硬化处理的材料，在未进行硬化处理的状态下制造出的，并形成要求最终外形，接着，进行硬化处理；该基体(2)的喷嘴头(6)具有一层耐热腐蚀合金涂层(7)，该涂层是在该基体(2)进行硬化处理之前涂覆而成的；在对该基体(2)进行硬化处理之前及涂覆涂层(7)之后钻出喷嘴孔(61)。
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