專利名稱：具有間接激光引起的殘余應(yīng)力的燃料系統(tǒng)部件以及使用其的燃料系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及燃料系統(tǒng)部件，并且更具體地涉及具有間接激光引起的殘余應(yīng)力的燃料系統(tǒng)部件。
背景技術(shù)：
工程師們一直致力于提高燃料系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展其功能，同時(shí)降低燃料系統(tǒng)的疲勞敏感位置處出現(xiàn)的包括裂縫在內(nèi)的結(jié)構(gòu)損壞。例如，事實(shí)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(tǒng)部件應(yīng)當(dāng)被制造成特別是在受到循環(huán)應(yīng)力、振動(dòng)和其他導(dǎo)致疲勞的應(yīng)力的位置處承受這些高燃料壓力。例如，燃料噴射器的SAC區(qū)域，通常包括開(kāi)向噴嘴小孔的單向針閥座下方的體積，該區(qū)域在噴射事件期間和之間可能經(jīng)受極端的壓力和流動(dòng)力的波動(dòng)。在另一個(gè)例子中，包括高壓燃料管線的其他燃料系統(tǒng)部件可能由于提高的流體操作壓力而經(jīng)受顯著的應(yīng)力，并且可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等而經(jīng)受諸如彎曲應(yīng)力的其他引起疲勞的應(yīng)力。事實(shí)顯示，多種表面處理可以改進(jìn)可能由于起始表面裂縫而導(dǎo)致失效的部件的疲勞壽命。例如，可以通過(guò)施加機(jī)械噴丸處理、預(yù)應(yīng)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(lái)獲得抗裂縫形成的性能和整體的材料強(qiáng)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(qiáng)度。近來(lái)， 如日本專利公開(kāi)No. 200632M46所示，使用激光噴丸將部件表面強(qiáng)化到比傳統(tǒng)噴丸更深的深度。具體來(lái)說(shuō)，所述參考文獻(xiàn)教導(dǎo)了使用激光噴丸來(lái)提高燃料系統(tǒng)共軌的分支孔處的圓錐形座表面的強(qiáng)度。但是，雖然這種材料強(qiáng)化策略是已知的，但是對(duì)于例如燃料系統(tǒng)中由于尺寸和/或位置而無(wú)法接近的疲勞敏感表面來(lái)說(shuō)，很多策略是不可用的。本發(fā)明旨在克服上述問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，一種金屬燃料系統(tǒng)部件包括內(nèi)表面和外表面。該金屬燃料系統(tǒng)部件是通過(guò)從所述外表面經(jīng)過(guò)所述金屬燃料系統(tǒng)部件向所述內(nèi)表面?zhèn)鬟f激光沖擊波以在所述金屬燃料系統(tǒng)部件的內(nèi)表面的僅一部分中引起壓縮殘余應(yīng)力而制造的。在另一個(gè)方面，一種燃料系統(tǒng)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(kāi)的內(nèi)表面和外表面。所述內(nèi)表面包括從所述外表面延伸到所述內(nèi)表面的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域。在又一個(gè)方面，一種在燃料系統(tǒng)部件的內(nèi)表面中引起壓縮殘余應(yīng)力的方法，包括在所述燃料系統(tǒng)部件的外表面處弓I導(dǎo)激光脈沖。激光沖擊波從所述外表面經(jīng)過(guò)所述燃料系統(tǒng)部件的壁厚傳遞穿過(guò)所述內(nèi)表面。然后所述激光沖擊波被接收在與所述內(nèi)表面相聯(lián)的沖擊吸收材料中。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料系統(tǒng)的一種示例性的實(shí)施方式的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式經(jīng)過(guò)用于圖1的燃料系統(tǒng)的高壓燃料管線的剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式經(jīng)過(guò)用于圖1的燃料系統(tǒng)的燃料噴射器噴嘴末端的剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種特定的實(shí)施方式沿著圖3的4-4線的剖視圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的一種示例性的激光噴丸過(guò)程的經(jīng)過(guò)圖2的高壓燃料管線的剖視圖。
具體實(shí)施例方式整體參照?qǐng)D1，燃料系統(tǒng)10的一種示例性的實(shí)施方式可以包括定位成將燃料直接噴射入各自的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸(未示出)中的多個(gè)燃料噴射器12。更特別地，每個(gè)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(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)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(jīng)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(lái)自共軌沈的高壓燃料傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，其中每個(gè)燃料噴射器12由單獨(dú)的分支通道30 (僅示出一個(gè))供給高壓燃料。每個(gè)燃料噴射器12可以包括通過(guò)排放管線32流體連接至燃料艙16的排放出口。根據(jù)一種實(shí)施方式中，燃料系統(tǒng)10可以通過(guò)電子控制器34控制。電子控制器34 可以為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并且通?？梢园ㄖT如中央處理單元的處理器、存儲(chǔ)器、和便于電子控制器34內(nèi)部和外部通信的輸入/輸出電路。中央處理單元可以通過(guò)執(zhí)行例如存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的編程代碼的操作指令來(lái)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(nèi)部或外部啟動(dòng)?？梢允褂每刂品桨敢酝ㄟ^(guò)輸入/輸出電路監(jiān)控諸如傳感器、致動(dòng)器或控制單元的系統(tǒng)或裝置的輸出以控制到多種其他系統(tǒng)或裝置的輸入。例如，電子控制器34可以通過(guò)通信線路36與每個(gè)燃料噴射器12或者更特別地燃料噴射器的致動(dòng)器控制通信，以在正確的時(shí)間傳送需要量的燃料。此外，電子控制器34可以通過(guò)通信線路38將控制信號(hào)發(fā)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?qǐng)D2，示出單獨(dú)的分支通道30的一部分。具體來(lái)說(shuō)，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(nèi)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(guò)螺紋或其他方式附接至共軌沈的端口。根據(jù)一種實(shí)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(fù)載套管58。雖然示出特定的實(shí)施方式，但是應(yīng)當(dāng)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(yīng)力的燃料系統(tǒng)部件或金屬燃料系統(tǒng)部件的一種實(shí)施方式。特別地，壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域62可以使用激光噴丸過(guò)程來(lái)形成，并且可以從外表面M延伸經(jīng)過(guò)高壓燃料管線50的金屬壁64到內(nèi)表面52。下文將具體討論的激光噴丸過(guò)程可以包括在高壓燃料管線50的外表面M處引導(dǎo)多個(gè)激光脈沖，并且因此從外表面M經(jīng)過(guò)金屬壁64傳遞多個(gè)激光沖擊波穿過(guò)內(nèi)表面52。優(yōu)選地，至少在壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域62處的金屬壁64具有小于約3毫米的第一壁厚66。根據(jù)該示例性的實(shí)施方式，可能希望壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域62的延伸長(zhǎng)度68對(duì)應(yīng)于負(fù)載套管58的長(zhǎng)度。諸如燃料噴射器噴嘴末端14的其他金屬燃料系統(tǒng)部件也可以包括間接激光引起的殘余應(yīng)力。具體來(lái)說(shuō)，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(yīng)力區(qū)域。根據(jù)該示例性的實(shí)施方式，燃料噴射器噴嘴末端14通?？梢园ú考黧w82，其具有限定噴嘴室86的金屬壁84。閥構(gòu)件88可以定位在噴嘴室86中并且可以相對(duì)于部件主體82運(yùn)動(dòng)。具有內(nèi)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(yīng)當(dāng)理解，噴射端部96可以包括如前文所述的能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中打開(kāi)的多個(gè)噴嘴小孔100。壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域80也可以使用激光噴丸過(guò)程來(lái)形成，并且可以從外表面92延伸經(jīng)過(guò)燃料噴射器噴嘴末端14的金屬壁84到內(nèi)表面90。激光噴丸過(guò)程可以包括在燃料噴射器噴嘴末端14的外表面92處引導(dǎo)多個(gè)激光脈沖，并且因此從外表面92經(jīng)過(guò)金屬壁84 傳遞多個(gè)激光沖擊波穿過(guò)內(nèi)表面90。優(yōu)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(jù)一種實(shí)施方式，燃料噴射器12的制造方法可以包括將多個(gè)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(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域80來(lái)限定繞燃料噴射器噴嘴末端14的周邊102的連續(xù)帶104。連續(xù)帶104可以具有足以包圍一個(gè)或多個(gè)噴嘴小孔100的寬度106，噴嘴小孔可以在激光噴丸過(guò)程之前或者之后經(jīng)過(guò)金屬壁84鉆孔。根據(jù)一種替代的實(shí)施方式，如圖4所示，燃料噴射器噴嘴末端14可以包括多個(gè)不連續(xù)的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域120。特別地，在制造過(guò)程中，多個(gè)噴嘴小孔100可以在引起壓縮殘余應(yīng)力之前經(jīng)過(guò)燃料噴射器噴嘴末端14的金屬壁84鉆孔。在已經(jīng)將噴嘴小孔100鉆出之后，每個(gè)壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域120可以通過(guò)繞每個(gè)噴嘴小孔100的周邊122引導(dǎo)多個(gè)激光脈沖來(lái)引起。如上文所述，產(chǎn)生的激光沖擊波可以從外表面92經(jīng)過(guò)金屬壁84傳遞穿過(guò)內(nèi)表面90。因此，內(nèi)表面90的可能承受極端壓力和流動(dòng)波動(dòng)的部分可以通過(guò)壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域120強(qiáng)化。現(xiàn)在參照?qǐng)D5，關(guān)于上文所述的高壓燃料管線50說(shuō)明在金屬燃料系統(tǒng)部件的內(nèi)表面中間接地引起壓縮殘余應(yīng)力的示例性方法。根據(jù)示例性的實(shí)施方式，可能希望在高壓燃料管線50的連接端部60的內(nèi)表面52中引起壓縮殘余應(yīng)力。由此，由長(zhǎng)度68限定的目標(biāo)區(qū)域可以由諸如黑涂料或膠帶的保護(hù)性磨損材料140涂覆?？梢园ㄋ陌胪该鲗?42可以設(shè)置在保護(hù)性磨損材料140上。當(dāng)激光(未示出)產(chǎn)生被引導(dǎo)到高壓燃料管線50的外表面M上的激光脈沖144時(shí)，保護(hù)性磨損材料140會(huì)爆炸以產(chǎn)生等離子區(qū)(未示出)。可以由半透明層142限制的等離子區(qū)擴(kuò)張以造成激光沖擊波146從外表面M經(jīng)過(guò)高壓燃料管線50的壁厚66傳遞穿過(guò)內(nèi)表面52。激光沖擊波146的壓力大于金屬壁64的屈服強(qiáng)度，因此使得高壓燃料管線50變形到壓力不再大于屈服強(qiáng)度的深度。優(yōu)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(jīng)過(guò)內(nèi)表面52變形，從而在高壓燃料管線 50的內(nèi)表面52處產(chǎn)生間接引起的壓縮殘余應(yīng)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(yīng)力，沖擊吸收介質(zhì)148可以與內(nèi)表面 52相聯(lián)。根據(jù)一種實(shí)施方式，沖擊吸收介質(zhì)148可以包括諸如水的液體。替代地，沖擊吸收介質(zhì)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(jīng)過(guò)金屬壁64的情況出現(xiàn)的任何材料?？梢詢H在燃料系統(tǒng)部件的部分而非全部中引起壓縮殘余應(yīng)力。特別地，壓縮殘余應(yīng)力可以僅在燃料系統(tǒng)部件的可能受到極端的引起疲勞的應(yīng)力的區(qū)域被引起。這些區(qū)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(tǒng)部件的內(nèi)表面。這樣，可以通過(guò)經(jīng)部件從可能需要或不需要強(qiáng)化的外表面?zhèn)鬟f激光沖擊波使其經(jīng)過(guò)內(nèi)表面而在內(nèi)表面間接引起壓縮殘余應(yīng)力區(qū)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(yīng)力可以使用用于在外表面引導(dǎo)多個(gè)激光沖擊脈沖或一定樣式的激光沖擊脈沖的計(jì)算機(jī)控制過(guò)程引起，以在內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)希望的應(yīng)力區(qū)域。可以使用上述激光噴丸過(guò)程在燃料系統(tǒng)部件的制造過(guò)程中引起壓縮殘余應(yīng)力。此外，在引起壓縮殘余應(yīng)力之前，可以在內(nèi)表面或外表面上執(zhí)行額外的表面拋光或表面處理過(guò)程。這些過(guò)程是已知的并且可以包括例如預(yù)應(yīng)力處理或熱處理。例如，可能希望在已經(jīng)執(zhí)行熱硬化處理之后引起壓縮殘余應(yīng)力，因?yàn)闊崽幚頃?huì)釋放任何之前引起的壓縮殘余應(yīng)力。 雖然給出了特定的例子，但是應(yīng)當(dāng)理解，任何表面處理或拋光過(guò)程可以與這里說(shuō)明的激光噴丸過(guò)程結(jié)合使用。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明可以適用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明可以適用于承受循環(huán)應(yīng)力、振動(dòng)和其他導(dǎo)致疲勞的應(yīng)力的金屬燃料系統(tǒng)部件。此外，本發(fā)明還可以適用于當(dāng)部件以循環(huán)的方式加載或以其他方式疲勞時(shí)這些燃料系統(tǒng)部件的容易產(chǎn)生和傳播裂縫的表面，諸如內(nèi)表面。此外，本發(fā)明還可以適用于由于尺寸和/或位置而使得傳統(tǒng)的表面硬化或強(qiáng)化方法不能接近的這些內(nèi)表面。很多燃料系統(tǒng)部件可能承受循環(huán)應(yīng)力、高流體壓力、振動(dòng)和其他導(dǎo)致疲勞的應(yīng)力。 例如，如圖1-5所示，燃料噴射器12的通常包括多個(gè)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(nèi)表面90處可能經(jīng)受極端的壓力和流動(dòng)力波動(dòng)。在另一個(gè)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(jīng)受顯著的應(yīng)力，并且還可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等而經(jīng)受其他導(dǎo)致疲勞的應(yīng)力，例如彎曲應(yīng)力。通?？梢允褂靡环N或多個(gè)強(qiáng)化表面處理來(lái)提高這些表面的疲勞壽命，例如機(jī)械噴丸過(guò)程、預(yù)應(yīng)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(nèi)表面的不可接近性，傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化或硬化過(guò)程是不可用的。這里所述的在燃料系統(tǒng)部件的內(nèi)表面間接引起壓縮殘余應(yīng)力的方法可以用于提高這些不可接近的表面的疲勞強(qiáng)度。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)在部件的外表面處引導(dǎo)激光沖擊脈沖以使用高功率激光在部件的內(nèi)表面中引起壓縮殘余應(yīng)力。因此，激光沖擊波可以從外表面經(jīng)過(guò)部件壁傳遞穿過(guò)內(nèi)表面，部件壁優(yōu)選地小于約3毫米厚。例如，該過(guò)程可以用于在高壓燃料管線50的內(nèi)表面52中間接引起壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域62，該壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域62延伸的長(zhǎng)度68可對(duì)應(yīng)于負(fù)載套管58的長(zhǎng)度。此外，燃料噴射器噴嘴末端14的內(nèi)表面90可以包括限定多個(gè)噴嘴小孔100的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域80或120。雖然間接激光引起的殘余應(yīng)力被示出處于示例性的燃料系統(tǒng)部件50和14的特定區(qū)域，但是應(yīng)當(dāng)理解，它可以用于在多種燃料系統(tǒng)部件的多種內(nèi)表面位置處引起壓縮殘余應(yīng)力。具體來(lái)說(shuō)，這里所述的引起間接殘余應(yīng)力的方法提供了一種在傾向于形成裂縫和通過(guò)傳統(tǒng)的引起壓縮殘余應(yīng)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(yīng)力的方法。通過(guò)在部件的外表面上放射激光脈沖以在不可接近的內(nèi)表面引起間接激光引起的殘余應(yīng)力，本發(fā)明旨在減少燃料系統(tǒng)部件中形成裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。此外，本發(fā)明提供一種減少在改造的燃料系統(tǒng)部件中形成裂縫的方法。最終，本發(fā)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(tǒng)部件中形成裂縫的風(fēng)險(xiǎn)可控制。應(yīng)當(dāng)理解，上述說(shuō)明僅是示例性的而不意于以任何方式限制本發(fā)明的范圍。由此， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，通過(guò)對(duì)附圖、說(shuō)明書和權(quán)利要求的研究可以獲得本發(fā)明的其他方
權(quán)利要求
1.一種具有內(nèi)表面(52，90)和外表面(54，92)的金屬燃料系統(tǒng)部件(14，50)，其通過(guò)下述步驟制造通過(guò)從所述外表面(討，擬)經(jīng)過(guò)所述金屬燃料系統(tǒng)部件(14，50)向所述內(nèi)表面(52， 90)傳遞激光沖擊波(146)在所述金屬燃料系統(tǒng)部件(14，50)的內(nèi)表面(52，90)的小于整體的僅一部分中引起壓縮殘余應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬燃料系統(tǒng)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(nèi)表面(52，90)相聯(lián)的沖擊吸收介質(zhì)(148)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬燃料系統(tǒng)部件(14)，其中，所述金屬燃料系統(tǒng)部件包括燃料噴射器噴嘴末端(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬燃料系統(tǒng)部件，其中，所述金屬燃料系統(tǒng)部件包括高壓燃料管線(50)。
5.一種燃料系統(tǒng)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(kāi)的內(nèi)表面(52，90)和外表面(54，92)；所述內(nèi)表面(52，90)包括從所述外表面(54，92)延伸到所述內(nèi)表面(52，90)的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域(62,80,120) ο
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料系統(tǒng)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(jù)權(quán)利要求6所述的燃料系統(tǒng)部件(14)，其中，所述壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域(80)限定至少一個(gè)噴嘴小孔(100)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料系統(tǒng)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(tǒng)部件(14，50)的內(nèi)表面(52，90)中引起壓縮殘余應(yīng)力的方法，包括在所述燃料系統(tǒng)部件(14，50)的外表面64,9 處引導(dǎo)激光脈沖(144)； 將激光沖擊波(146)從所述外表面64,9 經(jīng)過(guò)所述燃料系統(tǒng)部件(14，50)的壁厚傳遞穿過(guò)所述內(nèi)表面(52，90)；以及將所述激光沖擊波(146)接收在與所述內(nèi)表面(52，90)相聯(lián)的沖擊吸收介質(zhì)(148)中。
全文摘要
一種金屬燃料系統(tǒng)部件(14，50)包括內(nèi)表面(52，90)和外表面(54，92)。所述金屬燃料系統(tǒng)部件(14，50)是通過(guò)從所述外表面(54，92)經(jīng)過(guò)金屬燃料系統(tǒng)(10)的部件向所述內(nèi)表面(52，90)傳遞激光沖擊波(146)以在金屬燃料系統(tǒng)(10)的部件的內(nèi)表面(52，90)的僅一部分中引起壓縮殘余應(yīng)力而制造的。
文檔編號(hào)F02M55/02GK102414433SQ201080019032
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)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(qǐng)人:卡特彼勒公司