專利名稱：具有間接激光引起的殘余應力的燃料系統部件以及使用其的燃料系統的制作方法
技術領域：
本發明整體涉及燃料系統部件，并且更具體地涉及具有間接激光引起的殘余應力的燃料系統部件。
背景技術：
工程師們一直致力于提高燃料系統的性能和擴展其功能，同時降低燃料系統的疲勞敏感位置處出現的包括裂縫在內的結構損壞。例如，事實顯示以較高燃料壓力噴射能夠提供更好的性能和效率。因此，燃料系統部件應當被制造成特別是在受到循環應力、振動和其他導致疲勞的應力的位置處承受這些高燃料壓力。例如，燃料噴射器的SAC區域，通常包括開向噴嘴小孔的單向針閥座下方的體積，該區域在噴射事件期間和之間可能經受極端的壓力和流動力的波動。在另一個例子中，包括高壓燃料管線的其他燃料系統部件可能由于提高的流體操作壓力而經受顯著的應力，并且可能由于發動機振動等而經受諸如彎曲應力的其他引起疲勞的應力。事實顯示，多種表面處理可以改進可能由于起始表面裂縫而導致失效的部件的疲勞壽命。例如，可以通過施加機械噴丸處理、預應力加工、研磨操作、滲碳熱處理、超聲沖擊處理和其他類似的表面處理來獲得抗裂縫形成的性能和整體的材料強化。直接施加于部件的疲勞敏感表面的這些處理與未處理的部件相比可以有效地增加部件的疲勞強度。近來， 如日本專利公開No. 200632M46所示，使用激光噴丸將部件表面強化到比傳統噴丸更深的深度。具體來說，所述參考文獻教導了使用激光噴丸來提高燃料系統共軌的分支孔處的圓錐形座表面的強度。但是，雖然這種材料強化策略是已知的，但是對于例如燃料系統中由于尺寸和/或位置而無法接近的疲勞敏感表面來說，很多策略是不可用的。本發明旨在克服上述問題中的一個或多個。
發明內容
在一個方面，一種金屬燃料系統部件包括內表面和外表面。該金屬燃料系統部件是通過從所述外表面經過所述金屬燃料系統部件向所述內表面傳遞激光沖擊波以在所述金屬燃料系統部件的內表面的僅一部分中引起壓縮殘余應力而制造的。在另一個方面，一種燃料系統部件包括具有金屬壁的部件主體。所述金屬壁限定由小于約3毫米的第一壁厚分開的內表面和外表面。所述內表面包括從所述外表面延伸到所述內表面的壓縮殘余應力區域。在又一個方面，一種在燃料系統部件的內表面中引起壓縮殘余應力的方法，包括在所述燃料系統部件的外表面處弓I導激光脈沖。激光沖擊波從所述外表面經過所述燃料系統部件的壁厚傳遞穿過所述內表面。然后所述激光沖擊波被接收在與所述內表面相聯的沖擊吸收材料中。
圖1是根據本發明的燃料系統的一種示例性的實施方式的示意圖；圖2是根據本發明的一種實施方式經過用于圖1的燃料系統的高壓燃料管線的剖視圖；圖3是根據本發明的另一種實施方式經過用于圖1的燃料系統的燃料噴射器噴嘴末端的剖視圖；圖4是根據本發明的一種特定的實施方式沿著圖3的4-4線的剖視圖；圖5是示出根據本發明的一種示例性的激光噴丸過程的經過圖2的高壓燃料管線的剖視圖。
具體實施例方式整體參照圖1，燃料系統10的一種示例性的實施方式可以包括定位成將燃料直接噴射入各自的發動機氣缸(未示出)中的多個燃料噴射器12。更特別地，每個燃料噴射器 12的燃料噴射器噴嘴末端14可以定位成在壓燃發動機的各自的氣缸中噴射燃料。通常，燃料可以由低壓輸送泵18從燃料艙16抽吸，并且從低壓輸送泵18沿著低壓管線20到達燃料冷卻管線22或高壓泵M之一。如圖所示，高壓泵M可以經由高壓軌道供給管線觀向共軌26或燃料軌道流體地供給。然后可以使用燃料噴射器12將來自共軌沈的高壓燃料傳送給發動機氣缸，其中每個燃料噴射器12由單獨的分支通道30 (僅示出一個)供給高壓燃料。每個燃料噴射器12可以包括通過排放管線32流體連接至燃料艙16的排放出口。根據一種實施方式中，燃料系統10可以通過電子控制器34控制。電子控制器34 可以為標準設計并且通常可以包括諸如中央處理單元的處理器、存儲器、和便于電子控制器34內部和外部通信的輸入/輸出電路。中央處理單元可以通過執行例如存儲在存儲器中的編程代碼的操作指令來控制電子控制器34的操作，其中操作可以由電子控制器34內部或外部啟動。可以使用控制方案以通過輸入/輸出電路監控諸如傳感器、致動器或控制單元的系統或裝置的輸出以控制到多種其他系統或裝置的輸入。例如，電子控制器34可以通過通信線路36與每個燃料噴射器12或者更特別地燃料噴射器的致動器控制通信，以在正確的時間傳送需要量的燃料。此外，電子控制器34可以通過通信線路38將控制信號發送至高壓泵24，以控制高壓泵M向共軌沈的輸出和壓力。參照圖2，示出單獨的分支通道30的一部分。具體來說，示出分支通道30的包括高壓燃料管線50 (例如金屬燃料管線)到共軌沈的連接部的一部分。如圖所示，包括內表面52和外表面M的高壓燃料管線50可以包括繞著外表面M定位的連接螺母56，以用于高壓燃料管線50到共軌沈的連接。特別地，連接螺母56可以通過螺紋或其他方式附接至共軌沈的端口。根據一種實施方式，高壓燃料管線50也可以包括定位在分支通道30的連接端部60處的負載套管58。雖然示出特定的實施方式，但是應當理解，其他替代的連接件也是可以想到的。高壓燃料管線50可以代表具有間接激光引起的殘余應力的燃料系統部件或金屬燃料系統部件的一種實施方式。特別地，壓縮殘余應力區域62可以使用激光噴丸過程來形成，并且可以從外表面M延伸經過高壓燃料管線50的金屬壁64到內表面52。下文將具體討論的激光噴丸過程可以包括在高壓燃料管線50的外表面M處引導多個激光脈沖，并且因此從外表面M經過金屬壁64傳遞多個激光沖擊波穿過內表面52。優選地，至少在壓縮殘余應力區域62處的金屬壁64具有小于約3毫米的第一壁厚66。根據該示例性的實施方式，可能希望壓縮殘余應力區域62的延伸長度68對應于負載套管58的長度。諸如燃料噴射器噴嘴末端14的其他金屬燃料系統部件也可以包括間接激光引起的殘余應力。具體來說，如圖3所示，燃料噴射器噴嘴末端14可以包括整體以80示出的壓縮殘余應力區域。根據該示例性的實施方式，燃料噴射器噴嘴末端14通常可以包括部件主體82，其具有限定噴嘴室86的金屬壁84。閥構件88可以定位在噴嘴室86中并且可以相對于部件主體82運動。具有內表面90和外表面92的部件主體82在燃料噴射器噴嘴末端 14的噴射端部96處可以具有第一壁厚94，并且在其他位置具有例如第二壁厚98的替代的厚度。應當理解，噴射端部96可以包括如前文所述的能夠在發動機氣缸中打開的多個噴嘴小孔100。壓縮殘余應力區域80也可以使用激光噴丸過程來形成，并且可以從外表面92延伸經過燃料噴射器噴嘴末端14的金屬壁84到內表面90。激光噴丸過程可以包括在燃料噴射器噴嘴末端14的外表面92處引導多個激光脈沖，并且因此從外表面92經過金屬壁84 傳遞多個激光沖擊波穿過內表面90。優選地，如下文將更具體解釋的，噴射端部96處的第一壁厚94小于約3毫米。根據一種實施方式，燃料噴射器12的制造方法可以包括將多個激光沖擊波繞燃料噴射器噴嘴末端14的周邊102傳遞。特別地，可以引起產生的壓縮殘余應力區域80來限定繞燃料噴射器噴嘴末端14的周邊102的連續帶104。連續帶104可以具有足以包圍一個或多個噴嘴小孔100的寬度106，噴嘴小孔可以在激光噴丸過程之前或者之后經過金屬壁84鉆孔。根據一種替代的實施方式，如圖4所示，燃料噴射器噴嘴末端14可以包括多個不連續的壓縮殘余應力區域120。特別地，在制造過程中，多個噴嘴小孔100可以在引起壓縮殘余應力之前經過燃料噴射器噴嘴末端14的金屬壁84鉆孔。在已經將噴嘴小孔100鉆出之后，每個壓縮殘余應力區域120可以通過繞每個噴嘴小孔100的周邊122引導多個激光脈沖來引起。如上文所述，產生的激光沖擊波可以從外表面92經過金屬壁84傳遞穿過內表面90。因此，內表面90的可能承受極端壓力和流動波動的部分可以通過壓縮殘余應力區域120強化。現在參照圖5，關于上文所述的高壓燃料管線50說明在金屬燃料系統部件的內表面中間接地引起壓縮殘余應力的示例性方法。根據示例性的實施方式，可能希望在高壓燃料管線50的連接端部60的內表面52中引起壓縮殘余應力。由此，由長度68限定的目標區域可以由諸如黑涂料或膠帶的保護性磨損材料140涂覆。可以包括水的半透明層142可以設置在保護性磨損材料140上。當激光(未示出)產生被引導到高壓燃料管線50的外表面M上的激光脈沖144時，保護性磨損材料140會爆炸以產生等離子區(未示出)。可以由半透明層142限制的等離子區擴張以造成激光沖擊波146從外表面M經過高壓燃料管線50的壁厚66傳遞穿過內表面52。激光沖擊波146的壓力大于金屬壁64的屈服強度，因此使得高壓燃料管線50變形到壓力不再大于屈服強度的深度。優選地，高壓燃料管線50的壁厚66小于約3毫米，因此激光沖擊波146將使得金屬壁64從外表面M經過內表面52變形，從而在高壓燃料管線 50的內表面52處產生間接引起的壓縮殘余應力。為了接收和/或吸收激光沖擊波146和防止張力波沿反射方向返回而有效地撤銷壓縮殘余應力，沖擊吸收介質148可以與內表面 52相聯。根據一種實施方式，沖擊吸收介質148可以包括諸如水的液體。替代地，沖擊吸收介質148也可以包括橡膠或其他彈性材料。但是，可以想到能夠用于減少反射波返回經過金屬壁64的情況出現的任何材料。可以僅在燃料系統部件的部分而非全部中引起壓縮殘余應力。特別地，壓縮殘余應力可以僅在燃料系統部件的可能受到極端的引起疲勞的應力的區域被引起。這些區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統部件的內表面。這樣，可以通過經部件從可能需要或不需要強化的外表面傳遞激光沖擊波使其經過內表面而在內表面間接引起壓縮殘余應力區域。因此，這些部件可能希望具有小于約3毫米的壁厚。此外，壓縮殘余應力可以使用用于在外表面引導多個激光沖擊脈沖或一定樣式的激光沖擊脈沖的計算機控制過程引起，以在內表面實現希望的應力區域。可以使用上述激光噴丸過程在燃料系統部件的制造過程中引起壓縮殘余應力。此外，在引起壓縮殘余應力之前，可以在內表面或外表面上執行額外的表面拋光或表面處理過程。這些過程是已知的并且可以包括例如預應力處理或熱處理。例如，可能希望在已經執行熱硬化處理之后引起壓縮殘余應力，因為熱處理會釋放任何之前引起的壓縮殘余應力。 雖然給出了特定的例子，但是應當理解，任何表面處理或拋光過程可以與這里說明的激光噴丸過程結合使用。工業實用性本發明可以適用于內燃發動機的燃料系統。更特別地，本發明可以適用于承受循環應力、振動和其他導致疲勞的應力的金屬燃料系統部件。此外，本發明還可以適用于當部件以循環的方式加載或以其他方式疲勞時這些燃料系統部件的容易產生和傳播裂縫的表面，諸如內表面。此外，本發明還可以適用于由于尺寸和/或位置而使得傳統的表面硬化或強化方法不能接近的這些內表面。很多燃料系統部件可能承受循環應力、高流體壓力、振動和其他導致疲勞的應力。 例如，如圖1-5所示，燃料噴射器12的通常包括多個噴嘴小孔100的燃料噴射器噴嘴末端 14在噴射事件期間或之間特別是在其內表面90處可能經受極端的壓力和流動力波動。在另一個例子中，高壓燃料管線50可能由于升高的流體操作壓力而經受顯著的應力，并且還可能由于發動機振動等而經受其他導致疲勞的應力，例如彎曲應力。通常可以使用一種或多個強化表面處理來提高這些表面的疲勞壽命，例如機械噴丸過程、預應力處理、研磨操作、滲碳熱處理、超聲沖擊處理和其他類似的表面處理。但是，由于這些部件的內表面的不可接近性，傳統的表面強化或硬化過程是不可用的。這里所述的在燃料系統部件的內表面間接引起壓縮殘余應力的方法可以用于提高這些不可接近的表面的疲勞強度。具體來說，可以通過在部件的外表面處引導激光沖擊脈沖以使用高功率激光在部件的內表面中引起壓縮殘余應力。因此，激光沖擊波可以從外表面經過部件壁傳遞穿過內表面，部件壁優選地小于約3毫米厚。例如，該過程可以用于在高壓燃料管線50的內表面52中間接引起壓縮殘余應力區域62，該壓縮殘余應力區域62延伸的長度68可對應于負載套管58的長度。此外，燃料噴射器噴嘴末端14的內表面90可以包括限定多個噴嘴小孔100的壓縮殘余應力區域80或120。雖然間接激光引起的殘余應力被示出處于示例性的燃料系統部件50和14的特定區域，但是應當理解，它可以用于在多種燃料系統部件的多種內表面位置處引起壓縮殘余應力。具體來說，這里所述的引起間接殘余應力的方法提供了一種在傾向于形成裂縫和通過傳統的引起壓縮殘余應力的方法不可接近的表面和材料中引起高程度的壓縮殘余應力的方法。通過在部件的外表面上放射激光脈沖以在不可接近的內表面引起間接激光引起的殘余應力，本發明旨在減少燃料系統部件中形成裂縫的風險。此外，本發明提供一種減少在改造的燃料系統部件中形成裂縫的方法。最終，本發明允許燃料噴射器在諸如高于約 300MPa的壓力的高壓下操作，并且使噴嘴末端和其他燃料系統部件中形成裂縫的風險可控制。應當理解，上述說明僅是示例性的而不意于以任何方式限制本發明的范圍。由此， 本領域技術人員將理解，通過對附圖、說明書和權利要求的研究可以獲得本發明的其他方
權利要求
1.一種具有內表面(52，90)和外表面(54，92)的金屬燃料系統部件(14，50)，其通過下述步驟制造通過從所述外表面(討，擬)經過所述金屬燃料系統部件(14，50)向所述內表面(52， 90)傳遞激光沖擊波(146)在所述金屬燃料系統部件(14，50)的內表面(52，90)的小于整體的僅一部分中引起壓縮殘余應力。
2.根據權利要求1所述的金屬燃料系統部件(14，50)，其中，所述引起步驟還包括將所述激光沖擊波(146)接收在與所述內表面(52，90)相聯的沖擊吸收介質(148)中。
3.根據權利要求2所述的金屬燃料系統部件(14)，其中，所述金屬燃料系統部件包括燃料噴射器噴嘴末端(14)。
4.根據權利要求2所述的金屬燃料系統部件，其中，所述金屬燃料系統部件包括高壓燃料管線(50)。
5.一種燃料系統部件(14，50)，包括部件主體(82)，其包括金屬壁(64，84)，所述金屬壁(64，84)限定由小于約3毫米的第一壁厚(66，94)分開的內表面(52，90)和外表面(54，92)；所述內表面(52，90)包括從所述外表面(54，92)延伸到所述內表面(52，90)的壓縮殘余應力區域(62,80,120) ο
6.根據權利要求5所述的燃料系統部件，其中，所述部件主體(8 包括燃料噴射器噴嘴末端(14)。
7.根據權利要求6所述的燃料系統部件(14)，其中，所述壓縮殘余應力區域(80)限定至少一個噴嘴小孔(100)。
8.根據權利要求5所述的燃料系統部件，其中，所述部件主體(8 包括高壓燃料管線 (50)。
9.一種在燃料系統部件(14，50)的內表面(52，90)中引起壓縮殘余應力的方法，包括在所述燃料系統部件(14，50)的外表面64,9 處引導激光脈沖(144)； 將激光沖擊波(146)從所述外表面64,9 經過所述燃料系統部件(14，50)的壁厚傳遞穿過所述內表面(52，90)；以及將所述激光沖擊波(146)接收在與所述內表面(52，90)相聯的沖擊吸收介質(148)中。
全文摘要
一種金屬燃料系統部件(14，50)包括內表面(52，90)和外表面(54，92)。所述金屬燃料系統部件(14，50)是通過從所述外表面(54，92)經過金屬燃料系統(10)的部件向所述內表面(52，90)傳遞激光沖擊波(146)以在金屬燃料系統(10)的部件的內表面(52，90)的僅一部分中引起壓縮殘余應力而制造的。
文檔編號F02M55/02GK102414433SQ201080019032
公開日2012年4月11日 申請日期2010年3月9日 優先權日2009年4月29日
發明者A·R·斯托克納, A·R·瑪紐伯魯, D·H·吉布森, M·B·格蘭特, S·R·勒維斯 申請人:卡特彼勒公司