CN101305180B - 用于可变压力喷射的多源燃料系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工作机械(5)的燃料系统(12)。所述燃料系统具有燃料喷射器(32)、处于第一压力的第一燃料源(30a)、处于第二压力的第二燃料源(30b)和压力控制装置(102)。所述压力控制装置设置在所述燃料喷射器与所述第一和第二源之间。所述压力控制装置构造成将处于第一压力的燃料和处于第二压力的燃料选择性地引导至所述燃料喷射器。

Description

用于可变压力喷射的多源燃料系统

技术领域

本发明涉及一种燃料系统，更具体地涉及一种具有多个用于提供可变压力喷射动作(injection event)的加压燃料源的燃料系统。

背景技术

共轨燃料系统提供了一种向发动机的燃烧室引入燃料的方式。典型的共轨燃料系统包括喷射器，该喷射器具有在通电时打开燃料喷嘴的致动螺线管。然后，燃料作为螺线管保持通电的时间段和在该时间段内供给到燃料喷嘴的燃料压力的函数被喷入燃烧室。

为了使发动机性能和排气排放最优化，发动机制造商可改变供给到燃料喷嘴的燃料压力。在2004年9月2日公开的Shinogle的美国专利申请公开文件No.2004/0168673(‘673公开文件)中记载了这样的一个示例。‘673公开文件描述了这样一种燃料系统，该燃料系统具有可流体地连接到保持燃料供给的第一共轨和保持致动流体供给的第二共轨的燃料喷射器。‘673专利的各个燃料喷射器配备有可在致动流体的作用下移动以增大燃料压力的增压器活塞(intensifier piston)。通过将燃料喷射器流体地连接到第一共轨，燃料能以第一压力进行喷射。通过将燃料喷射器流体地连接到第一和第二共轨，燃料能以高于所述第一压力的第二压力进行喷射。

尽管‘673公开文件的燃料喷射系统能以不同的压力向发动机充分地供给燃料，但它具有限制。具体地，由于第二压力是通过增大第一压力而实现的，因而第二压力依赖于第一压力。这种依赖可限制‘673公开文件的系统调节燃料喷射率的能力。此外，各个燃料喷射器内的增压器部件会增加燃料喷射器的复杂度及相关的整个系统的成本。

本发明的燃料系统解决了上述一个或多个问题。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于具有至少一个燃烧室的发动机的燃料系统。该燃料系统包括燃料喷射器、处于第一压力的第一燃料源、处于第二压力的第二燃料源和压力控制装置。该压力控制装置设置在所述燃料喷射器与所述第一和第二源之间。所述压力控制装置构造成将处于第一压力的燃料和处于第二压力的燃料选择性地引导至所述燃料喷射器以喷入所述至少一个燃烧室。

本发明的另一个方面涉及一种向发动机的燃烧室喷射燃料的方法。该方法包括将燃料加压至第一压力和将燃料加压至第二压力。该方法还包括将处于第一压力的燃料和处于第二压力的燃料选择性地引导至所述燃料喷射器以喷入所述燃烧室。

附图说明

图1是示例性公开的发动机的示意图；

图2是用于图1的发动机的示例性公开的燃料系统的示意性剖视图；

图3是用于图1的发动机的另一个示例性公开的燃料系统的示意性剖视图；和

图4是示出图2和3的燃料系统的示例性工作的图示。

具体实施方式

图1示出具有发动机10和燃料系统12的示例性实施例的工作机械5。工作机械5可以是执行与工业如采矿、建筑、农作、发电、运输或本领域已知的任意其它行业相关的某种操作的固定不动的或机动的机械。例如，工作机械5可具体表现为运土机械、发电机组、泵或执行任意其它适当操作的工作机械。

为了叙述本公开的内容，将发动机10示出和描述为四冲程柴油机。但是本领域技术人员应当认识到，发动机10可具体表现为任意其它类型的内燃机，例如汽油机或气体燃料动力发动机。发动机10可包括发动机组14，该发动机组限定多个气缸16、可滑动地设置在各个气缸16内的活塞18和与各个气缸16相连的气缸盖20。

气缸16、活塞18和气缸盖20可形成燃烧室22。在所示实施例中，发动机10包括六个燃烧室22。但是，可设想发动机10可包括数量更多或更少的燃烧室22，并且燃烧室22可设置成“直列”构型、“V”构型或任意其它适当的构型。

仍如图1所示，发动机10可包括可旋转地设置在发动机组14内的曲轴24。连杆26可将各个活塞18连接到曲轴24，从而活塞18在各个相应气缸16内的滑动引起曲轴24的旋转。类似地，曲轴24的旋转可引起活塞18的滑动。

燃料系统12可包括协作以将加压燃料喷入各个燃烧室22的部件。具体地，燃料系统12可包括构造成保持燃料供给的燃料箱28和构造成对燃料加压并将一股或多股加压燃料流引导至多个燃料喷射器32的燃料泵送设备30。一燃料传输泵36可在燃料箱28和燃料泵送设备30之间设置在燃料管路40中并构造成向燃料泵送设备30提供低压进给。

燃料泵送设备30可具体表现为机械驱动的、电子控制的具有第一泵送机构30a和第二泵送机构30b的组合式喷射器泵。第一和第二泵送机构30a、30b均可通过可旋转凸轮(未示出)可操作地连接到泵驱动轴46。所述凸轮适于驱动第一和第二泵送机构30a、30b的活塞元件(未示出)而经压缩冲程对燃料加压。与第一和第二泵送机构30a、30b相关联的柱塞(未示出)可在可变的正时关闭，以改变压缩冲程的长度并由此改变第一和第二泵送机构30a、30b的流量。或者，第一和第二泵送机构30a、30b可包括可旋转的斜盘(swashplate)或本领域已知的任意其它装置，以改变加压燃料的流量。

第一和第二泵送机构30a、30b适于产生分离的加压燃料流。例如，第一泵送机构30a可产生通过第一燃料供给管路42导入第一共轨34的第一加压燃料流。第二泵送机构30b可产生通过第二燃料供给管路43导入第二共轨37的第二加压燃料流。在一个示例中，第一加压燃料流可具有约100MPa的压力，而第二加压燃料流可具有约200MPa的压力。在第一燃料供给管路42中可设置第一止回阀44以提供从第一泵送机构30a向第一共轨34的单向燃料流。在第二燃料供给管路43中可设置第二止回阀45以提供从第二泵送机构30b向第二共轨37的单向燃料流。

燃料泵送设备30能可操作地连接至发动机10并由曲轴24驱动。例如，燃料泵送设备30的泵驱动轴46在图1中示出为通过传动机构48连接至曲轴24。但是，可设想，第一和第二泵送机构30a、30b中的一者或两者能可选地被电驱动、液压驱动、气动驱动或以任意其它适当的方式被驱动。

燃料喷射器32可设置在气缸盖20中并通过多条燃料管路50连接至第一和第二共轨34、37。各个燃料喷射器32可操作以将一定量的加压燃料以预定的正时、燃料压力和燃料流量喷入相连的燃烧室22。燃料喷入燃烧室22的正时可与活塞18的运动同步。例如，燃料可在活塞18接近压缩冲程中的上死点(TDC)位置时喷射以准备进行所喷射燃料的压缩点火燃烧。或者，燃料可在活塞18朝上死点位置行进而开始压缩冲程时喷射以用于均匀充气压缩点火操作。燃料还可在活塞18在膨胀冲程期间从上死点位置向下死点位置移动时喷射以进行延迟后喷射，从而产生用于后处理再生的还原气氛。

如图2所示，各个燃料喷射器32可具体表现为闭式喷嘴组合式燃料喷射器。具体地，每个燃料喷射器32可包括容纳引导件54、喷嘴部件56、针阀元件58的喷射器体52、第一电磁致动器60和第二电磁致动器62。

喷射器体52可以是构造成装配在气缸盖20内的大致为圆筒形的部件。喷射器体52可具有用于接纳引导件54和喷嘴部件56的中心腔64，和供喷嘴部件56的尖端68穿出的开口66。在引导件54和喷嘴部件56之间可设置密封件如O形圈(未示出)以限制燃料从燃料喷射器32泄漏。

引导件54也可以是具有构造成接纳针阀元件58的中心腔70和控制室72的大致为圆筒形的部件。中心腔70可用作压力室，用于保持通过燃料供给通路74持续供给的加压燃料。在喷射期间，来自燃料管路50的加压燃料可流动通过燃料供给通路74和中心腔70到达喷嘴部件56的尖端68。

控制室72可选择性地排出或被供给以加压燃料以控制针阀元件58的运动。具体地，一控制通路76可使与控制室72相连的端口78与第一电磁致动器60流体连接。端口78可设置在控制室72的相对于针阀元件58的轴向运动设置在径向上的侧壁内，或者设置在控制室72的轴向端部内。控制室72可经由与燃料供给通路74连通的受限供给通路80被持续供给以加压燃料。供给通路80所产生的限制可使得在控制通路76排出加压燃料时在控制室72内形成压降。

喷嘴部件56可同样具体表现为具有构造成接纳针阀元件58的中心腔82的大致为圆筒形的部件。喷嘴部件56还可包括一个或多个开孔84以允许加压燃料从中心腔82喷入发动机10的燃烧室22。

针阀元件58可以是滑动地设置在壳体引导件54和喷嘴部件56内的大致为长圆柱形的部件。针阀元件58可在第一位置和第二位置之间沿轴向移动，在所述第一位置针阀元件58的尖端86阻挡燃料流过开孔84，在所述第二位置开孔84打开以允许加压燃料流入燃烧室22。

针阀元件58在正常情况下可朝向第一位置偏置。特别地，每个燃料喷射器32可包括设置在引导件54的止动部90和针阀元件58的支承面92之间的弹簧88以沿轴向朝开孔阻挡位置偏压尖端86。在弹簧88和止动部90之间可设置第一间隔件94，在弹簧88和支承面92之间可设置第二间隔件96，以减小燃料喷射器32内的部件磨损。

针阀元件58可具有多个驱动液压表面。特别地，针阀元件58可包括在受到加压燃料作用时趋于朝第一位置或开孔阻挡位置驱动针阀元件58的液压表面98，以及趋于抵抗弹簧88的偏压并沿相反方向朝第二位置或开孔打开位置驱动针阀元件58的液压表面100。

第一电磁致动器60可相对着针阀元件58的尖端86设置以控制针阀元件58的打开运动。特别地，第一电磁致动器60可包括设置在控制室72和燃料箱28之间的双位阀元件。该阀元件可朝阻止流体从控制室72流向燃料箱28的关闭位置被弹性偏压(spring-biased)，并且被螺线管朝允许燃料从控制室72流向燃料箱28的打开位置致动。所述阀元件可响应于加在与第一电磁致动器60相连的线圈上的电流而在关闭位置和打开位置之间运动。可设想，所述阀元件能可替换地为液压操作的、机械操作的、气动操作的，或以任意其它适当的方式被操作。还可设想，所述阀元件能可替换地具体表现为可运动到关闭位置和打开位置之间的任意位置的比例型阀元件。

第二电磁致动器62可包括设置在第一电磁致动器60和燃料箱28之间的双位阀元件以控制针阀元件58的关闭运动。该阀元件可朝允许燃料流向燃料箱28的打开位置被弹性偏压，并且被螺线管朝阻止流体流向燃料箱28的关闭位置致动。所述阀元件可响应于加在与第二电磁致动器62相连的线圈上的电流而在打开位置和关闭位置之间运动。可设想，所述阀元件能可替换地为液压操作的、机械操作的、气动操作的，或以任意其它适当的方式被操作。还可设想，所述阀元件能可替换地具体表现为三位类型的阀元件，其中有利于加压燃料的双向流动。

仍如图2所示，压力控制装置102可与各个燃料喷射器32相连。具体地，压力控制装置102可包括可操作地连接到阀元件106的致动器104。阀元件106可设置在第一和第二共轨34、37与燃料喷射器32之间，并且可在致动器104的作用下移动以选择性地合并第一和第二加压燃料流。

致动器104可具体表现为具有一个或多个压电晶体柱的压电机构。压电晶体是具有随机电畴取向(random domain orientation)的结构。这些随机取向是呈现出永久偶极特性的正负离子的不对称排列。当电场例如通过施加电流而作用于所述晶体时，随着电畴极性对齐，压电晶体沿电场的轴线扩展。可设想，致动器104可以是燃料喷射器32的一部分或是与一个或多个燃料喷射器32相关联的分离的独立部件。

致动器104可被连接以机械地控制阀元件106的运动。例如，当电流施加到致动器104的压电晶体上时，致动器104可扩展而使阀元件106移动，以增大流向燃料喷射器32的流体的压力。相反，当电流从致动器104的压电晶体上移除时，致动器104可收缩而使阀元件106移动，以减小流向燃料喷射器32的燃料的压力。可设想，在必要时可省去致动器104的压电晶体，而以其它适当的方式控制阀元件106的运动。

阀元件106可具体表现为可由致动器104移动的比例阀元件或其它适当的装置，以选择性地合并来自第一和第二共轨34、37并被引导至喷嘴部件56的中心腔82的第一和第二加压燃料流。具体地，阀元件10可在只有第一加压燃料流被引导至中心腔82的第一位置和只有第二加压燃料流被引导至中心腔82的第二位置之间移动。阀元件106也可移动到第一和第二位置之间的任意位置，以将第一和第二加压燃料流的一部分引导至中心腔82。由阀元件106引导至中心腔82的第一或第二燃料流的量和比率可取决于加在致动器104的压电晶体上的电流并且可影响供给至中心腔82的燃料的压力。这种加压燃料的合并可对中心腔82实现可变的燃料压力，从而导致燃料流过开孔84的可变的喷射率和进入燃烧室22的可变的贯入深度。

图3示出图2的燃料系统12的替换实施例。类似于图2的燃料系统12，图3的燃料系统12包括经燃料管路50和致动器104接纳来自第一和第二共轨34和37的可合并的加压燃料流的燃料喷射器32。但是，与图2所示的致动器104的单个阀元件106相比，图3中的致动器104包括两个分开的阀元件108和110。

在经阀元件106合并第一和第二加压燃料流时的喷射动作期间(参见图2)，来自第二共轨37的较高压力的燃料可能反向流入第一共轨34。这种反向流动会降低燃料系统12的效率。为了提高燃料系统12的效率，图3的致动器104可采用分开的阀元件108和110。

与阀元件106类似，阀元件108可具体表现为可由致动器104移动的比例阀元件或其它适当的装置。阀元件108可在阻止来自第二共轨37的加压燃料进入燃料喷射器32的第一位置和将来自第二共轨37的最大量的燃料引导至燃料喷射器32的第二位置之间运动。阀元件108也可移动到第一和第二位置之间的任意位置，以将第二加压燃料流的一部分引导至燃料喷射器32。由阀元件108引导至燃料喷射器32的来自第二共轨37的第二加压燃料流的量可与加在致动器104的压电晶体上的电流相对应。

与阀元件108相对，阀元件110可具体表现为双位的电磁致动的阀元件。阀元件110可从几乎没有来自第一共轨34的加压燃料被引导至中心腔82的第一位置移动到将来自第一共轨34的最大量的燃料引导至燃料喷射器32的第二位置。阀元件108和110可独立地或同时地工作，以独立地引导来自第一共轨34和第二共轨37中的任一者或两者的加压燃料。来自第一和第二共轨34、37的加压燃料的合并可对中心腔82实现可变的燃料压力，从而导致燃料流过开孔84的可变的喷射率和进入燃烧室22的可变的贯入深度。

图4示出燃料系统12的示例性工作。图4将在下面的部分中讨论以进一步叙述所公开的系统及其工作。

工业适用性

本发明的燃料系统可广泛用于多种发动机类型，例如包括柴油机、汽油机和气体燃料动力发动机。所公开的燃料系统可在采用加压燃料系统的任意发动机中实施，其中它在提供可变压力的燃料供给方面是有利的。现在对燃料系统12的工作进行说明。

针阀元件58可因由燃料压力产生的力的不平衡而移动。例如，当针阀元件58处于第一位置或开孔阻挡位置时，来自燃料供给通路74的加压燃料可流入控制室72以作用在液压表面98上。同时，来自燃料进给通路74的加压燃料可流入中心腔70和82以待喷射。弹簧88的力结合在液压表面98上产生的液压力可大于在液压表面100上产生的反向力，从而使针阀元件58保持在第一位置而限制燃料流过开孔84。为了打开开孔84并将加压燃料从中心腔82喷入燃烧室22，第一电磁致动器60可移动其相关联的阀元件，以选择性地将加压燃料从控制室72和液压表面98排出。作用在液压表面98上的压力的这种减小可允许作用在液压表面100上的反向力克服弹簧88的偏压力，从而使针阀元件58朝开孔打开位置移动。

为了关闭开孔84并终止燃料向燃烧室22的喷射，可使第二电磁致动器62通电。特别地，随着与第二电磁致动器62相关联的阀元件被推向流动阻止位置，来自控制室72的流体被阻止向燃料箱28排出。由于加压流体经受限的供给通路80持续地供给到控制室72，因而当经控制通路76的排出被阻止时在控制室72中压力快速上升。控制室72中升高了的压力结合弹簧88的偏压力可克服作用在液压表面100上的反向力，以迫使针阀元件58朝关闭位置移动。可设想，在必要时可省去第二电磁致动器62，并均使用第一电磁致动器60来起动针阀元件58的打开和关闭运动。

压力控制装置102可影响供给到中心腔70和82并喷入燃烧室22的燃料的压力。具体地，响应于加在致动器104的压电晶体上的电流，致动器104可影响阀元件106(见图2)和108(见图3)的运动，以增加或减少从第二共轨37流入燃料喷射器32的加压燃料的量。对于图2的实施例，致动器104的运动也可同时控制从第一共轨34流入燃料喷射器32的加压燃料的量。与之相对，对于图3的实施例，阀元件110可被独立地控制，以改变从第一共轨34流入燃料喷射器32的燃料的流量。

这种来自第一和第二共轨34、37的燃料的流量变化可直接影响中心腔70和82内的燃料压力。例如，加在致动器104上的电流增大会导致来自第二共轨37的加压燃料的流量增大，并在中心腔70和82内产生更高的燃料压力。相反，加在致动器104上的电流减小会导致来自第二共轨37的加压燃料的流量减小，并在中心腔70和82内产生更低的燃料压力。对于图2，来自第二共轨37的加压燃料的流量变化可同时对应于来自第一共轨34的加压燃料的流量的反向变化。对于图3，来自第一共轨34的加压燃料的流量可通过电磁致动的阀元件110独立地控制。

供给到中心腔72和80并喷入燃烧室22的燃料的压力可在单个喷射循环(例如，在活塞18的四个冲程期间进行的喷射循环)的整个过程中或甚至于单个喷射动作期间改变。具体地，如图4所示，第一曲线112可表示在单个喷射循环内阀元件106的比例运动。第二曲线114可表示在喷射循环中进行的各种喷射动作。第三曲线116可表示在喷射循环中的一系列喷射动作期间所喷射的燃料的压力。从第一和第二曲线114、116中可见，在活塞18到达上死点(TDC)之前示出为燃料以第一压力进行了两次预喷射(引燃喷射，pilot injection)，在活塞18到达TDC后不久示出为燃料以第二压力进行了三次主喷射，并且随后在活塞18的下行冲程中示出为燃料以第三压力进行了一次后喷射。

通过比较第一曲线112和第三曲线116可见，阀元件106或108的运动可影响单个喷射动作的压力。具体地，当阀元件106或108处于第一位置时，喷射动作的压力与来自燃料泵送机构30a的第一燃料流的压力相同(例如，约100MPa)。当阀元件106或108处于第二位置时，喷射动作的压力与来自燃料泵送机构30b的第二燃料流的压力相同(例如，约200MPa)。当阀元件106或108处于第一位置和第二位置之间的位置时，喷射动作的压力为合并后的压力水平(例如，100至200MPa之间)。与第三曲线116相关的虚线118示出在第一和第二位置之间移动的阀元件106的速度的影响。应注意，在图3中所示的喷射动作仅仅是示例性的，可在相对于活塞18的运动的任意适当的正时进行任意次数的喷射。还可设想，由第二曲线114示出的相对压力大小可根据需要而改变。

由于燃料系统12可通过按比例地合并两种不同的加压燃料流而改变所喷射燃料的压力，因而可用于喷射的不同燃料压力水平的数量可以是无限的。特别地，燃料系统12不限于特定的预定压力水平。所喷射燃料的压力的这种灵活性可将燃料系统12的使用扩展到各种不同的应用，以及扩展发动机10的工作范围和效率。此外，这种灵活性可在更宽范围的工作状况下符合排放标准。

此外，由于燃料系统12可通过最少的附加部件改变所喷射燃料的压力，所以燃料系统12的复杂度和成本低。具体地，添加压力控制装置102只会向燃料系统12增加很小的复杂度或成本。

本领域技术人员显然清楚，可对本发明的燃料系统作出各种修改和变型而不会脱离本发明的范围。鉴于本说明书和对本文中所公开的燃料系统的实践，其它实施方式对于本领域技术人员而言也是显而易见的。本说明书和示例应被认为仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (9)

1.一种用于发动机(10)的燃料系统(12)，所述发动机具有至少一个燃烧室(22)，所述燃料系统包括：

燃料喷射器(32)；

处于第一压力的第一燃料源(30a)；

处于第二压力的第二燃料源(30b)；和

设置在所述燃料喷射器与所述第一和第二源之间的包括比例阀元件的压力控制装置(102)，该压力控制装置构造成将处于所述第一压力的燃料和处于所述第二压力的燃料选择性地引导至所述燃料喷射器以喷入所述至少一个燃烧室。

2.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，所述压力控制装置还构造成：

将处于所述第一压力的燃料与处于所述第二压力的燃料选择性地合并；并且

将合并后的燃料选择性地引导至所述燃料喷射器。

3.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，

所述比例阀元件设置成与所述第一和第二源连通；并且

所述比例阀元件可在第一位置和第二位置之间运动，在所述第一位置只有处于所述第一压力的燃料被引导至所述燃料喷射器，在所述第二位置只有处于所述第二压力的燃料被引导至所述燃料喷射器。

4.根据权利要求3所述的燃料系统，其特征在于，

所述第二压力约为所述第一压力的两倍；并且

所述比例阀元件朝所述第一位置被弹性偏压。

5.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，

所述比例阀元件与所述第二源连通；并且

所述压力控制装置还包括与所述第一源连通的第二阀元件。

6.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，所述压力控制装置包括压电致动器(104)。

7.一种向发动机(10)的燃烧室(22)喷射燃料的方法，包括：

将燃料加压至第一压力；

将燃料加压至第二压力；和

致动比例阀元件以将处于所述第一压力的燃料和处于所述第二压力的燃料选择性地合并，从而将处于第三压力的燃料选择性地引导至燃料喷射器(32)以喷入所述燃烧室。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

在预喷射动作期间将燃料以所述第一压力喷入所述燃烧室；

在主喷射动作期间将燃料以所述第二压力喷入所述燃烧室；

在后喷射动作期间将燃料以第三压力喷入所述燃烧室，其中所述第三压力大于所述第一压力，但小于所述第二压力。

9.一种构造成产生动力输出的发动机(10)，所述发动机具有至少一个燃烧室(22)；和

构造成将燃料喷入所述至少一个燃烧室的根据权利要求1至6中任一项所述的燃料系统(12)。

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