本公開內(nèi)容涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射器，更具體而言，涉及一種燃料噴射器的由壓實(shí)粉末金屬材料構(gòu)成的導(dǎo)閥座。

背景技術(shù)：

燃料噴射器包括導(dǎo)閥座或控制閥座和止回閥球體，以控制通過燃料噴射器的燃料流動(dòng)。在燃料噴射器操作期間，止回閥球體從關(guān)閉位置移動(dòng)到打開位置，在該關(guān)閉位置，止回閥球體座靠在閥座上以阻止燃料流動(dòng)，而在該打開位置，止回閥球體從閥座移動(dòng)開以允許燃料流動(dòng)。更具體而言，當(dāng)止回閥球體沿著閥座的縱向中心線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，止回閥球體座靠在閥座上并且完全位于關(guān)閉位置。

燃料噴射器可以流體地聯(lián)接至高壓共軌，使得流過燃料噴射器的燃料在高壓下和高流速下。另外，具體燃料噴射器中的燃料循環(huán)時(shí)間可以為近似1至3毫秒。由于燃料的高壓和高流速以及燃料循環(huán)的短持續(xù)時(shí)間，止回閥球體可能在打開位置和關(guān)閉位置之間快速移動(dòng)。當(dāng)止回閥球體位于打開位置時(shí)，球體可能由于燃料流動(dòng)而從閥座的縱向中心線移開。在關(guān)閉時(shí)，止回閥球體可能在遠(yuǎn)離縱向中心線的偏心位置處接觸閥座的圓錐形壁，并且可以朝向直接位于閥座上的安置位置沿著圓錐形壁向下滑動(dòng)。球體的這種滑動(dòng)動(dòng)作、燃料的高壓、燃料的高流速和/或在止回閥球體返回到關(guān)閉時(shí)施加在閥座上的巨大的力可能在閥座處導(dǎo)致開裂。開裂是從在構(gòu)成閥座的材料的次表面中產(chǎn)生的裂紋發(fā)展而來，這最終可能在閥座處造成材料剝落和材料強(qiáng)度降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式中，一種燃料噴射器包括噴射器本體，該噴射器本體具有噴射器腔、閥座和流動(dòng)控制構(gòu)件。所述閥座由粒度為0.05-5.0μm的金屬材料構(gòu)成。另外，所述燃料噴射器包括噴嘴閥元件，該噴嘴閥元件位于所述噴射器腔中并且被構(gòu)造成在響應(yīng)于所述流動(dòng)控制構(gòu)件與所述閥座間隔開的打開位置和響應(yīng)于所述流動(dòng)控制構(gòu)件接合所述閥座的關(guān)閉位置之間移動(dòng)。燃料被配置成響應(yīng)于所述噴嘴閥元件位于所述打開位置而從所述燃料噴射器流出。

在本公開內(nèi)容的另一個(gè)實(shí)施方式中，一種制造燃料噴射器的閥座的方法包括：提供具有熔化溫度的金屬材料；將所述金屬材料加熱到液相，高于所述熔化溫度；當(dāng)所述金屬材料處于所述液相時(shí)將所述金屬材料霧化；以及從霧化的所述金屬材料形成具有直徑小于5μm的的粉末金屬顆粒。另外，該方法包括將所述粉末金屬顆粒結(jié)合以限定金屬塊以及用所述金屬塊形成所述閥座。

在本公開內(nèi)容的又一個(gè)實(shí)施方式中，一種制造燃料噴射器的閥座的方法包括：提供金屬材料；從所述金屬材料形成多個(gè)粉末顆粒；將所述粉末顆粒結(jié)合以限定金屬塊。所述金屬塊為粒度小于10.0μm并且包含1.0-2.0重量百分比的碳、0.1-1.0重量百分比的硅、0.1-1.0重量百分比的錳、4.5-5.0重量百分比的鉻、3.0-4.0重量百分比的鉬和3.5-4.5重量百分比的釩的工具鋼材料。另外，該方法包括用所述金屬塊形成所述閥座。

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，該公開內(nèi)容的實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)和特征將從示例性實(shí)施方式的如下詳細(xì)描述而變得更為清楚。

附圖說明

圖1是本公開內(nèi)容的燃料噴射器的一部分的剖視圖；

圖2是圖1的導(dǎo)閥座和流動(dòng)控制構(gòu)件的詳細(xì)剖視圖，并且示意性示出了在整個(gè)導(dǎo)閥座上由晶界分開的多個(gè)晶粒；以及

圖3是圖2的導(dǎo)閥座和流動(dòng)控制構(gòu)件的分解圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(未示出)的燃料系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)燃料噴射器2。該燃料系統(tǒng)還可以包括流體地聯(lián)接至燃料噴射器2的燃料泵、燃料蓄能器、閥和其他元件(未示出)。燃料噴射器2被構(gòu)造成相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞(未示出)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以時(shí)間關(guān)系將計(jì)量數(shù)量的燃料噴射到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)。

如圖1所示，燃料噴射器2包括噴射器本體4(其包括噴射控制閥組件6)、噴嘴模塊8、外部殼體10和閥殼體12。閥殼體12包括用于收納噴射控制閥組件6的閥腔14，該噴射控制閥組件6通過從控制器(未示出)接收控制信號(hào)而被致動(dòng)，以使噴嘴模塊8允許燃料流動(dòng)到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室(未示出)內(nèi)。外部殼體10將噴射控制閥組件6、噴嘴模塊8和燃料噴射器2的其他元件以固定關(guān)系固定。燃料噴射器2的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)可以類似于在美國專利第5,676,114號(hào)和第7,156,368號(hào)中公開的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)，通過參考將該美國專利的全部公開內(nèi)容明確結(jié)合在本文中。

參照?qǐng)D1，噴嘴模塊8包括位于外部殼體10中的噴嘴殼體18和位于噴嘴殼體18中的噴射器腔16。噴嘴殼體18進(jìn)一步包括位于噴嘴殼體18的遠(yuǎn)端處的一個(gè)或多個(gè)噴射器孔口20。噴射器孔口20與噴射器腔16的一端連通以將燃料排放到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室(未示出)內(nèi)。噴嘴模塊8進(jìn)一步包括位于噴射器腔16的與噴射器孔口20相鄰的一端中的噴嘴或噴嘴閥元件22。噴嘴閥元件22能在打開位置和關(guān)閉位置之間移動(dòng)，該打開位置還表示噴射事件的開始，這是因?yàn)槿剂峡梢酝ㄟ^噴射器孔口20流動(dòng)到燃燒室(未示出)內(nèi)，該關(guān)閉位置表示噴射事件結(jié)束，這是因?yàn)橥ㄟ^噴射器孔口20的燃料流動(dòng)被阻擋或禁止。

噴嘴模塊8包括噴嘴元件引導(dǎo)件24，該噴嘴元件引導(dǎo)件24包括近端帽或端部26以及控制容積插塞28。當(dāng)噴嘴閥元件22、噴嘴元件引導(dǎo)件24和端部26安裝在噴射器腔16中時(shí)，控制容積30形成在噴嘴閥元件22的端部32和噴嘴元件引導(dǎo)件24的內(nèi)部之間。

控制容積30中的燃料壓力確定了噴嘴閥元件22是位于打開位置還是關(guān)閉位置，如這里進(jìn)一步公開的，噴嘴閥元件22是位于打開位置還是關(guān)閉位置進(jìn)一步由噴射控制閥組件6來確定。當(dāng)噴嘴閥元件22定位在噴射器腔16中時(shí)，噴嘴元件引導(dǎo)件24，更具體地說，噴嘴元件引導(dǎo)件24的端部26在縱向方向上定位在噴嘴閥元件22和噴射控制閥組件6之間。

仍然參照?qǐng)D1，至少一個(gè)縱向延伸的燃料輸送通道34延伸穿過噴射控制閥組件6以提供高壓燃料給噴射器腔16和控制容積30。噴射控制閥組件6包括閥殼體12、閥腔14和位于閥腔14中的噴射控制閥36。噴射控制閥36包括控制閥構(gòu)件38、流動(dòng)控制構(gòu)件(示意性地為止回閥球體40)、包括閥座64的閥座本體62以及致動(dòng)器42，該致動(dòng)器42使止回閥球體40相對(duì)于閥座64在打開位置和關(guān)閉位置之間移動(dòng)。

控制閥構(gòu)件38位于閥腔14中，并且在打開位置和關(guān)閉位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在該打開位置，允許止回閥球體40縱向地移動(dòng)而允許流料通過燃料輸送通道34流動(dòng)，在該關(guān)閉位置，止回閥球體40將通過燃料輸送通道34的燃料流動(dòng)阻擋。致動(dòng)器42包括螺線管組件44，該螺線管組件44包括具有第一端48和第二端50的定子殼體46、定子芯52、在圓周方向上定位在定子芯52中和周圍的環(huán)狀線圈組件54、以及可操作地連接至控制閥構(gòu)件38的電樞56。定子殼體46包括從第一端48穿過定子殼體46延伸到第二端50的中央孔口或芯58。中央孔口58包括彈簧腔60，并且定位成用于接納控制閥構(gòu)件38。定子芯52位于定子殼體46上，在該示例性實(shí)施方式中，定子芯52固定至定子殼體46。

參照?qǐng)D2和圖3，噴射控制閥組件6的閥座本體62包括閥座64和閥座本體表面68。閥座64在閥座本體62內(nèi)成角度，使得閥座64的第一端70與閥座本體表面68相交，并且閥座64的第二端72與燃料輸送通道34相交。當(dāng)控制閥構(gòu)件38位于關(guān)閉位置時(shí)，止回閥球體40在關(guān)閉位置擱置在閥座64上，從而阻擋通過燃料輸送通道34的燃料流動(dòng)。當(dāng)控制閥構(gòu)件38位于打開位置時(shí)，止回閥球體40從閥座64縱向地移動(dòng)到打開位置，從而允許燃料通過燃料輸送通道34流動(dòng)。

如圖1至圖3中所示，當(dāng)噴射控制閥組件6被發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(未示出)上電時(shí)，螺線管組件44可操作成使電樞56朝向定子芯52縱向地移動(dòng)。電樞56的運(yùn)動(dòng)使控制閥構(gòu)件38遠(yuǎn)離閥座64縱向移動(dòng)，這允許控制閥構(gòu)件38從閥座64移動(dòng)，這致使燃料通過燃料輸送管道34流動(dòng)。燃料然后在止回閥球體40和閥座64之間流動(dòng)到朝向排放部(未示出)的閥腔14內(nèi)以泄放控制容器30中壓力。當(dāng)控制容器30中的壓力被泄放時(shí)，由泄放壓力產(chǎn)生的壓力不平衡致使噴嘴閥元件22抬升到打開位置，由此將噴射器孔口20揭開。燃料于是被引導(dǎo)向噴射器孔口20并引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室(未示出)內(nèi)。

再次參照?qǐng)D1至圖3，噴射控制閥36被構(gòu)造成控制燃料噴射事件的開始和結(jié)束。更具體而言，噴射控制閥36可以在打開和關(guān)閉時(shí)具有變化，這可以致使所輸送的燃料數(shù)量發(fā)生變化。另外，每次噴射控制閥36打開或關(guān)閉時(shí)，打開或關(guān)閉的止回閥球體40對(duì)閥座64的沖擊都可能導(dǎo)致永久改變閥座64的累計(jì)損壞。另外，閥座64的表面可能受到流過噴射控制閥36的燃料的高壓和高速率的影響。止回閥球體40作用在閥座64上的力、燃料的高速率和/或燃料的高壓會(huì)影響閥座64的表面或幾何形狀，這可能導(dǎo)致燃料噴射器2的性能發(fā)生變化。例如，由于止回閥球體40作用在閥座64上的力、燃料的高速率和/或燃料的高壓而可能在閥座64中發(fā)生開裂。當(dāng)閥座64的材料的次表面中形成裂紋時(shí)發(fā)生開裂，由此降低強(qiáng)度并導(dǎo)致構(gòu)成閥座64的材料的潛在剝落。因?yàn)殚y座64由金屬合金材料構(gòu)成，所以隨著各種合金元素(例如，碳化物)的堆積，裂紋可能從閥座64的材料區(qū)域蔓延。構(gòu)成閥座本體62和閥座64的金屬材料包括多個(gè)晶粒80，所述多個(gè)晶粒80由在相鄰晶粒80之間延伸的晶界82限定(在圖2中示意性所示)。在一個(gè)實(shí)施方式中，合金元素(如碳化物基質(zhì))的堆積可能形成在構(gòu)成閥座64的材料的晶界處，并且裂紋可能從晶界82蔓延并穿過閥座64的次表面中的材料的晶粒80。

為了減少開裂，示例性閥座本體62由金屬材料制成，更具體而言由通過粉末冶金過程形成的工具鋼制成。在一個(gè)實(shí)施方式中，閥座本體62的粉末金屬工具鋼(“PMTS”)為總體上包含粒度小于10μm的晶粒80的細(xì)晶粒材料。例如，構(gòu)成閥座本體62并因此構(gòu)成閥座64的PMTS的晶粒80可以具有0.05到8.0μm更特別地具有0.05至4.0μm的粒度。通過減小構(gòu)成閥座本體62的PMTS的粒度，相對(duì)于具有較大粒度(諸如，大于10μm的粒度)的其他金屬材料增加了閥座本體62的PMTS的韌性并因此增加了疲勞強(qiáng)度。

在硬化過程之前，PMTS的晶粒80包括具有面心立方晶體微觀結(jié)構(gòu)的工具鋼材料。然而，形成閥座本體62并因此形成閥座64的PMTS的晶粒80包括在經(jīng)歷了硬化過程之后具有體心四方晶體微觀結(jié)構(gòu)的馬氏體鋼材料。例如，構(gòu)成閥座本體62和閥座64的PMTS為具有1.0-2.0重量百分比的碳、0.1-1.0重量百分比的硅、0.1-1.0重量百分比的錳、4.5-5.0重量百分比的鉻、3.0-4.0重量百分比的鉬和3.5-4.5重量百分比的釩的工具鋼。更特別地，在一個(gè)實(shí)施方式中，閥座本體62和閥座64的PMTS包含1.4重量百分比的碳、0.4重量百分比的硅、0.4重量百分比的錳、4.7重量百分比的鉻、3.5重量百分比的鉬和3.7重量百分比的釩。

為了形成閥座本體62和閥座64的PMTS，將金屬材料熔化成熔融相，并且利用壓縮氣體噴灑該熔融材料以將該金屬材料霧化并形成小直徑金屬顆粒。例如，當(dāng)被噴灑而形成粉末金屬時(shí)，所述顆?？梢跃哂?-10μm的直徑。噴灑過程將熔融金屬顆粒瞬間冷卻，這允許合金元素在每個(gè)顆粒內(nèi)都均勻分布。這樣，包含這些顆粒的金屬材料的粒度保持較小，例如0.05-10.0μm，并且更特別地為0.05-4.0μm。在一個(gè)實(shí)施方式中，本公開內(nèi)容的PMTS的粒度為近似0.16μm。另外，因?yàn)楹辖鹪鼐鶆虻胤植荚诿總€(gè)顆粒內(nèi)，合金元素不會(huì)堆積在金屬材料的晶界82處。例如，碳化物基質(zhì)不會(huì)堆積在晶界82處，因此由于堆積的碳化物基質(zhì)所引起的應(yīng)力集中不會(huì)引入到該金屬材料中。這樣，晶界82處的材料包含與形成閥座本體62和閥座64的晶粒80相同的PMTS材料。

在將金屬材料霧化之后，通過固態(tài)焊接過程將顆粒聚結(jié)體結(jié)合在一起以形成PMTS金屬桿或塊。固態(tài)焊接過程將單獨(dú)顆粒結(jié)合在一起以在低于金屬材料的熔化溫度之下的溫度形成固體塊。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，粉末金屬顆?？梢员欢ㄎ辉谀＞呋蛲补迌?nèi)，并且被滾動(dòng)焊接而形成金屬塊。另外，在其他實(shí)施方式中，粉末金屬顆?？梢酝ㄟ^任何其他固態(tài)焊接過程(例如，粉末鍛造、等靜壓制、金屬注射成型、冷焊接、擴(kuò)散焊接和/或摩擦焊接)形成PMTS塊。

一旦形成為金屬塊，則可以進(jìn)行進(jìn)一步的過程步驟，諸如退火、硬化、淬火和/或回火。另外，隨后對(duì)PMTS塊進(jìn)行機(jī)械加工以形成燃料噴射器2的閥座本體62和閥座64。

構(gòu)成閥座本體62和閥座64的材料當(dāng)如這里公開的那樣形成時(shí)得到粒度近似為0.05-10.0μm(更特別地為0.05-4.0μm)、洛氏C硬度為55-70(更特別地為60)、20℃時(shí)的密度近似為7500-8000kg/m³(更特別地為7700kg/m³)且20℃時(shí)的彈性模量為200,000–210,000N/mm²(更特別地為206,000N/mm²)的PMTS。在一個(gè)實(shí)施方式中，構(gòu)成閥座本體62和閥座64的PMTS可以是可從Uddeholm(烏德霍姆)獲得的4Extra Super Clean(超潔凈工具鋼)。

構(gòu)成閥座本體62和閥座64的PMTS的以上特征增加了閥座64的疲勞強(qiáng)度。因?yàn)闃?gòu)成PMTS的合金元素的小粒度和均勻分布降低了合金元素在晶界82處的堆積，因此增加了閥座64的疲勞強(qiáng)度。合金元素在晶界82處的堆積可能由于氮化和/或碳化過程而發(fā)生，并且可能觸發(fā)導(dǎo)致開裂的次表面裂紋的初始形成。然而，因?yàn)楸竟_內(nèi)容的PMTS的形成不利用氮化或碳化過程，相反將合金元素均勻地分布到全部材料，因此減少了次表面裂紋初始形成位點(diǎn)的數(shù)量，并增加了PMTS的疲勞強(qiáng)度。這樣，PMTS對(duì)來自止回閥球體40在閥座64上的關(guān)閉力以及流過閥座64的燃料的高壓和高速率的接觸疲勞具有抵抗性。更具體而言，構(gòu)成閥座本體62和閥座64的PMTS的增加的疲勞強(qiáng)度增加了對(duì)裂紋的抗性，由于閥座本體62內(nèi)的塑性應(yīng)變?cè)黾佣赡茉陂y座本體62和閥座64的次表面內(nèi)產(chǎn)生這種裂紋，并且這種裂紋可能通過晶粒80蔓延。因此，當(dāng)閥座本體62和閥座64由本公開內(nèi)容的PMTS構(gòu)成時(shí)，減少了開裂。

另外，構(gòu)成閥座64的PMTS的增加硬度降低了對(duì)給閥座64施加涂層的需要。因此，當(dāng)位于關(guān)閉位置時(shí)止回閥球體40的最外面表面被構(gòu)造成直接接觸閥座64的最外面表面，這是因?yàn)樵陂y座64的最外面表面上沒有添加任何涂層，這樣在閥座64和止回閥球體40的最外面表面之間不存在任何涂層。另選地，在其他實(shí)施方式中，可以向閥座64和/或止回閥球體40的最外面表面施加涂層以在閥座64處增加接觸疲勞抗性。

盡管已經(jīng)示出并描述了本公開內(nèi)容的各種實(shí)施方式，但是應(yīng)該理解這些實(shí)施方式不限于此。這些實(shí)施方式可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行改變、修改和進(jìn)一步應(yīng)用。因此，這些實(shí)施方式不限于前面示出和描述的細(xì)節(jié)，而是還包括所有這些改變和修改。

相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考

本申請(qǐng)是2015年5月29日提交的名稱為“FUEL INJECTOR(燃料噴射器)”的美國專利申請(qǐng)第14/725,787號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，通過參考將該美國專利申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容明確結(jié)合在本文中。