CN101809277B - 带有燃料喷射系统的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种内燃机，该内燃机包括：可变容积的燃烧室(10)；进气通道(103，104)，空气通过该进气通道输送至所述燃烧室(10)；燃料喷射器(107)，该燃料喷射器将燃料输送到所述进气通道(103，104)中；以及燃料存储箱(108)，该燃料存储箱用于存储供喷射的燃料。所述燃料喷射器(107)至少部分地浸入燃料中，所述燃料喷射器(107)至少部分地位于与所述燃料存储箱(108)连接或形成所述燃料存储箱(108)的一部分的燃料腔(108B)中。设置有逃逸通路，该逃逸通路用于使燃料蒸气从所述燃料喷射器(107)和/或所述燃料喷射器(107)附近逃逸至所述燃料存储箱(108)。

Description

带有燃料喷射系统的内燃机
技术领域
本发明涉及一种带有燃料喷射系统的内燃机。
背景技术
在GB2421543中，申请人描述了一种具有燃料喷射器的燃料喷射系统，该燃料喷射器作为容积式泵并在每个操作中分配一定量的燃料。在发动机的每一个工作循环中，输送到发动机的燃料总量不是通过阀门的开启时间(例如如典型的脉冲宽度调节阀及其喷射系统的情况下)控制，而是通过燃料喷射器在发动机的一个工作循环中的操作次数来控制。
GB2421543的燃料喷射系统的有利之处在于省去了高压燃料供应管线的需要，因为燃料喷射器本身就用作泵。这种燃料喷射器被设计用于小型发动机，如用于园艺机械的发动机，例如除草机。燃料利用重力进给向燃料喷射器供给。
所有喷射燃料的发动机都面临的一个问题是燃料喷射系统中的流体蒸气的控制。汽油是一种很容易挥发的流体，尤其是包含刚刚加载的汽油，汽油具有较高极点而趋向于先蒸发。在夏天环境温度高的时候流体蒸气问题将会恶化。更进一步地，最近采用在汽油中添加乙醇的混合燃料，由于燃料在燃料喷射系统输送前蒸发而使得问题更加严重。传统的燃料喷射系统解决燃料蒸发带来问题的方法是通过增加燃料供给压力并以此来首先阻止燃料蒸发。然而这在小型内燃机上是不理想的，而且GB2421543的燃料喷射器优选在低压供给情况下使用，例如利用重力进给供油。
发明内容
本发明提供了一种内燃机，该内燃机包括：
可变容积的燃烧室；
进气通道，空气通过该进气通道输送至所述燃烧室；
燃料喷射器，该燃料喷射器将燃料输送到所述进气通道中；以及
燃料存储箱，该燃料存储箱用于储存待喷射的燃料；
其中：
所述燃料喷射器至少部分地浸入燃料中，所述燃料喷射器至少部分地位于与所述燃料存储箱连接或形成所述燃料存储箱的一部分的燃料腔中；并且
设置有逃逸通路，该逃逸通路用于使燃料蒸气从所述燃料喷射器和/或从所述燃料喷射器附近逃逸至所述燃料存储箱，其中所述进气通道的至少一部分、所述燃料存储箱和所述燃料腔都是模制部件的模内特征。
本发明通过将燃料喷射器浸入燃料中，例如燃料箱的底部，而避免了燃料蒸发引起的问题。本发明的附加益处在于消除了诸如GB2421543中描述的与燃料喷射器相关联的外壳，从而使流动限制最小，并提高了燃料喷射器的效率。
附图说明
现在通过对照附图来描述本发明的优选实施方式，其中：
图1是根据本发明的带有燃料喷射系统的内燃机的第一实施方式的示意图；
图2是根据本发明的带有燃料喷射系统的内燃机的第二实施方式的图解示意图；
图3是根据本发明的带有燃料喷射系统的内燃机的第三实施方式的图解示意图；
图4是根据本发明的带有燃料喷射系统的内燃机的第四实施方式的图解示意图；
图5是用于图3所示实施方式的燃料喷射器的细节图，其适合用于上述所有实施方式；
图6是图5所示的燃料喷射器的侧视图；以及
图7是图5和图6所示的燃料喷射器的横截面图。
具体实施方式
首先参照图1，其图示了具有可变容积的燃烧室10的内燃机，该燃烧室由在气缸体12中形成的气缸中往复运动的活塞11构成。提升阀13是一排气阀，其控制来自燃料室10的燃烧气体流。提升阀14是一进气阀，其控制进入燃烧室10的燃料流和空气。提升阀13和14由凸轮轴(未示出)操作，该凸轮轴与曲轴15相连以与曲轴15以同步关系进行旋转。活塞11通过连杆16与曲轴15相连接。该图还示出了安装于气缸盖中央位置的火花塞17。附图2、3、4示出了同样的内燃机，同样的附图标记表示同一个组成部分。上述附图中所不同的是用于图示内燃机的燃料喷射系统。
在图1中，可以看到燃料喷射系统包括节流体100，其中安装有可转动的节流阀101，节流阀101控制进入燃烧室10的空气流。进入的空气最初通过空气过滤器102，然后沿着进气通道部分103进入节流体100，接着向前通过进气通道部分104来到进气阀14，然后当进气阀14打开时进入燃烧室10。
节流阀101的动作由传感器105感测。传感器105向集成的电子控制器106提供信号，该电子控制器还从其它传感器(未示出)接收信号，例如用来检测曲轴15的位置和贯穿节流体100的通道内的环境压力。
燃料喷射器107由集成电子控制器106控制。燃料喷射器107通过燃料输送喷嘴128输送燃料，喷嘴128从节流体100的上部垂直向下延伸到节流体100内。将对照附图5更详细地描述燃料喷射器107。
燃料喷射器107具有完全浸入燃料箱108中设置的燃料中的泵送部。燃料箱108具有两个部分，即具有第一最大容积和最大横截面积的上部108a以及具有较小容积和较小横截面积的第二下部108b。燃料箱108的这两个部分被精细标准燃料过滤器109分隔，精细标准燃料过滤器109防止杂质从燃料箱的上部108a进入燃料箱的下部108b，并因此防止杂质进入燃料喷射器107。燃料箱108由填充盖120密封，填充盖120可移除以允许对燃料箱108进行填充。
通过利用泄放管线111来避免燃料箱108内积聚压力。泄压阀110连接在泄放管线111中，当达到阈值压力(例如是1到3psi之间)时，泄压阀110将会打开以允许燃料蒸气进入碳罐112。罐112中的碳吸收燃料蒸气。罐112通过管线118与大气连通，并通过过滤器119过滤逸出的蒸气。通常，在内燃机停机状态时并且环境温度升高时燃料箱108中会产生压力增加。罐112中的碳吸收燃料蒸气以防止燃料蒸气溢出到大气中，阀110防止燃料箱108中的压力积聚。当内燃机基本起动并进入运转状态时，节流阀101下游的进气通道中的负压用于将空气通过过滤器119、管线118、罐112以及泄放管线111而从大气中吸入空气。该空气通道将燃料从罐112中的碳吸出并将该燃料输送到燃烧室10用以燃烧。这样，碳恢复到可以重复吸收燃料蒸气的状态。泄压阀110也具有“翻转”阀的功能，以在内燃机倾斜或倒置时防止燃料从燃料箱108直接流到罐112。
上面描述的本发明控制燃料蒸气从燃料箱的排放。喷射器的控制燃料流出喷射器的燃料出口单向阀在燃料喷射器停止使用时防止燃料蒸气从喷射器排放。
燃料喷射器107的泵送部位于燃料箱108内，完全浸于燃料中。燃料喷射器周围燃料的任何蒸发都会引起燃料蒸气，燃料蒸气仅通过燃料箱108中的燃料而向上升起至燃料箱108的顶部，随后通过泄放管线111排出。燃料喷射器107中不会积累燃料蒸气，所以燃料喷射器107能够在变化的环境温度下可靠地运行。这与GB2421543的现有设计相反，在GB2421543的设计中，由于喷射器的燃料输送腔的一部分被燃料蒸气填充而不是液体燃料，因此增大的蒸发损失/增大的燃料蒸发影响了燃料喷射器在每个冲程中输送的燃料量。图1的设计通过将燃料喷射器107浸入到燃料箱的燃料中而防止这种情况的发生。
从图1中可以看出，燃料箱108竖直地安装在节流体100上方，燃料喷射器107安装在燃料箱108的底部并通过向下伸入节流体100中的进气通道内的喷嘴128来输送燃料。燃料喷射器107的操作受由集成的电子控制器106控制。
现在转向附图2，可以看到类似于图1的设置。两个附图之间的唯一不同之处在于燃料喷射器207不再是安装于燃料箱208的底部，而是替代地安装于一个单独的燃料腔150中，该燃料腔150通过来自燃料箱208的燃料供应管151供给燃料。燃料过滤器152位于燃料供应管151中以防止杂质进入燃料腔150。燃料喷射器207完全浸入燃料腔150中的燃料中，燃料腔150完全充满液态燃料。
燃料腔150或燃料喷射器207中的燃料的任何蒸发都会产生蒸气，该蒸气通过蒸气回流管209回流到燃料箱208。燃料蒸气随后通过泄放管线211来泄放。
理想的是，在燃料供应管151中设置泵(如标记153所示)，以确定燃料腔150保持充满状态并且可能地建立经过燃料腔150沿蒸气回流管209返回燃料箱208的燃料循环路径。然而，该泵无需是现有技术中通常采用的高压泵。理想的是采用利用曲轴箱中的压力波动来驱动的低压膜片泵。
图3示出了另一个与图1中类似的设置，只是在图3中，燃料箱308具有实际上细长的底部308B和燃料箱的主要部分即顶部308A，并且与图1所示的实施方式相比，燃料箱308在竖直方向上距节流体100更远。燃料喷射器307完全浸入燃料箱308的底部308B中的燃料中。燃料喷射器307周围产生的任何燃料蒸气都将会向上逃逸至燃料箱308的顶部308A，燃料蒸气可以在这里以图1中所描述的方式通过泄放管线111泄放。
图3示出了本发明中的燃料箱可以根据发动机的装配需要而具有各种不同的形状。燃料箱的主体可以与节流体100相距较远，且燃料箱308设置有从燃料箱主体延伸到节流体100的臂，燃料喷射器安装在该臂的末端处。这是容易实现的，因为燃料箱通常是由塑料注模或吹模成型的，塑料成型工艺允许燃料箱获得任意期望的形状。
可以设想，在图1至3的系统中，燃料箱是与节流体分离的分离部件，并且可以是与空气过滤器和带有碳罐的泄放管线分离的分离部件。然而也不一定必须如此，例如可以将燃料箱和节流体集成在一起，使得燃料箱和节流体可以作为整体单元连接至发动机内或发动机外，该整体单元可作为单一单元从发动机的其余部分单独拆下。图4的实施方式进一步采取了这种形式，并且集成了各种元件以形成能够与/从发动机的其余部分连接/分离的单一单元，该单一单元包括构成一体的燃料喷射系统和吸气系统所需的所有部件。
图4提供了一个单一模制部件499，该单一模制部件具有燃料箱408，该燃料箱408包括两个部分，即上部408A和下部408B，这两个部分被燃料过滤器409分开。燃料喷射器407位于燃料箱408的下部408B中。节流体400是所示的模制部件499的一体部分，并从空气过滤器402将空气引导到接合部450，模制部件499在接合部450处连接至发动机的进气管，所述空气过滤器402设置于模制在部件499内的空气过滤器腔中。
在模制部件499中，还一体地模制有泄放管线411以及用于容纳碳罐412和翻转及压力阀410的腔。泄放管线411将燃料箱408与碳罐412连接并将碳罐412连接到节流阀下游的进气通道。
集成的电子控制器及传感器406安装在模制部件499的底部。
与先前实施方式一样，燃料喷射器407完全浸没于汽油中，任何燃料蒸气都将流向燃料箱408的顶端而通过泄放管线411移除。
在图4的实施方式中，单次模制就提供保持空气过滤器的腔、从过滤器通向发动机的进气管、节流体、泄放管线411和用于容纳碳罐412和阀410的腔。所有这些特征都可以在一个部件中模制以节省成本并降低发动机的复杂性。
虽然没有示出，但也可以在部件499中模制从进气通道分支出的腔，该腔用作亥姆霍兹和/或四分之一波长管共振器，以对进气系统固有频率进行调谐和提供噪音衰减。
图5是图3中的喷射器的视图。可以看到燃料箱的臂308B向下延伸至容纳燃料喷射器307的壳体350中。应当意识到图3仅是示意性的，它并没有示出图5中所示的细节。在图3中将部件308B和350一起示出为部件308B。
在过去，诸如喷射器307之类的喷射器会有一个将其完全包围的圆柱外壳，穿过该外壳设有特定的燃料入口通道和出口通道。本发明放弃了这种外壳，而代之以从端板352向后延伸的三腿开口支架351，端板352又允许喷射器通过紧固件(图示为螺钉353和354)固定至节流体100。用于喷射器的电子线圈的外壳355由支架351保持在适当位置。外壳355中的槽356和357将线圈暴露于周围的燃料以利用燃料冷却线圈。一活塞可滑动地位于线圈内(图中未示出)。活塞内定位有单向入口阀，该单向入口阀允许燃料通过贯穿活塞的入口通道而流入燃料腔，但是当随后活塞移动以从燃料腔排出燃料时该单向入口阀密封。活塞可以在偏压弹簧的作用下移动而排出燃料腔中的燃料，随后在电子线圈的作用下将燃料吸进燃料腔。另选的是，也可以采用相反的方式，即活塞在电子线圈的作用下排出燃料腔中的燃料而在偏压弹簧的作用下将燃料吸入燃料腔。
在图中还示出了一联动件370，节流体100中的节流叶片可以通过该联动件而在节流体内转动。用于控制喷射器的电路的壳体380被示出与节流体100的底部连接。
通过抛弃通常在喷射器中结合的外壳，本发明消除了对流体流的妨碍并提高了效率。开口支架351对通过活塞后表面的燃料流仅有很小的阻力。同样，这样减少了燃料蒸气的形成。
图6和图7分别表示图5中燃料喷射器的正视图和横截面图。图6示出了端板352，该端板具有从其延伸出的三腿支撑结构351，从而将外壳355保持在适当位置。通过该外壳中的槽357可以看到线圈。也可以看到燃料输送喷嘴700(在图1中表示为标记128)以及向线圈供应电流的电线701、702。
图7中可以看到活塞703。单向入口阀(未示出)控制燃料经过活塞端部的孔704、705、706到燃料腔707的流动。单向出口阀(未示出)控制燃料到燃料输送喷嘴700的燃料输送通道的流动。弹簧(未示出)作用在在活塞703和外螺纹构件710上设置的弹簧座709之间，外螺纹构件710又与内螺纹轴环711接合，并且可以被旋转以改变通过弹簧施加在活塞703上的预载荷。线圈产生电磁场，该电磁场将克服由弹簧施加的偏压力而移动活塞703，以将燃料吸入腔707。弹簧将引入的燃料从燃料腔驱动到输送喷嘴。活塞的运动受到两端的止挡部的限制，因此活塞行程和活塞运动过程中所扫过的腔707的容积在喷射器的每次操作中都是恒定的，因此喷射器在其每次操作中都输送设定量的燃料(例如固定体积的容量)。在每次操作中，活塞在两端的止挡部之间滑动以吸入预设体积的燃料，随后分配同样体积的燃料——活塞在输送燃料过程中的行程不会少于燃料行程。燃料腔的端面720呈圆锥形以使燃料通过燃料输送喷嘴顺畅地流出腔707。
燃料可以通过设置在气缸衬套715中的通道713、714(以及其它的通道)且随后通过活塞703中的径向孔而流向活塞703的背面712。而且，燃料经螺纹构件700中的通道716流向活塞703中的中央筒形通道。燃料蒸气也可以这样向回逃逸到燃料箱。
本发明通过将燃料喷射器本身浸入燃料中同时设置允许燃料蒸气返回至燃料箱(可以利用已有的泄放管线技术从燃料箱移除燃料蒸气)的逃逸通路而完美地解决了在燃料喷射系统中形成燃料蒸气的问题。本发明因而避免了对高压燃料管线及高压燃料泵的需要。另外，本发明利用将喷射器浸入在汽油燃料中而省去了在其他情况下必须的外壳，从而在喷射器中形成到活塞背面的不受阻碍的燃料通路。这提高了喷射器的效率。而且还使蒸气的形成最少。

Claims (20)

1.一种内燃机，该内燃机包括：
可变容积的燃烧室；
进气通道，空气通过该进气通道输送至所述燃烧室；
燃料喷射器，该燃料喷射器将燃料输送到所述进气通道中；以及
燃料存储箱，该燃料存储箱用于储存待喷射的燃料；
其中：
所述燃料喷射器至少部分地浸入燃料中，所述燃料喷射器至少部分地位于与所述燃料存储箱连接或形成所述燃料存储箱的一部分的燃料腔中；并且
设置有逃逸通路，该逃逸通路用于使燃料蒸气从所述燃料喷射器和/或从所述燃料喷射器附近逃逸至所述燃料存储箱，其中所述进气通道的至少一部分、所述燃料存储箱和所述燃料腔都是一个单一模制部件的模内特征。
2.如权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料存储箱包括：上部，该上部在所述燃料存储箱满时存储大部分被存储的燃料；和下部，该下部形成所述燃料腔并从所述燃料存储箱的所述上部向下延伸至形成所述进气通道的一部分的节流体，所述燃料喷射器具有：泵送部，该泵送部浸入位于所述燃料存储箱的所述下部中的燃料中；和燃料输送喷嘴，该燃料输送喷嘴从所述泵送部穿过所述燃料存储箱的所述下部的璧和所述节流体的璧延伸到所述进气通道中，用于所述燃料蒸气的所述逃逸通路设置成从所述燃料存储箱的所述下部贯穿所述燃料存储箱而到达所述上部。
3.如权利要求2所述的内燃机，其中，燃料过滤器将所述燃料存储箱的所述上部和所述下部分开并过滤从所述上部流到所述下部的燃料。
4.如权利要求2或3所述的内燃机，其中，所述燃料存储箱为模制部件，并且该燃料存储箱的所述下部是该燃料存储箱的一体模制的特征，且作为一细长臂从所述燃料存储箱的所述上部向下延伸开。
5.如权利要求2或3所述的内燃机，其中：
在所述节流体中设置有节流阀；并且
在所述燃料存储箱的所述上部与所述进气通道之间连接有泄放管线，所述泄放管线在所述节流阀的下游通向所述进气通道并允许从所述燃料存储箱泄放所述燃料蒸气。
6.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其中，所述燃料喷射器将燃料向下输送到所述进气通道中。
7.如权利要求1所述的内燃机，其中，所述燃料存储箱包括：上部，该上部在所述燃料存储箱满时存储大部分被存储的燃料；和下部，该下部形成用于放置所述燃料喷射器的燃料腔，所述燃料喷射器具有：泵送部，该泵送部浸入所述下部中的燃料中；和燃料输送喷嘴，该燃料输送喷嘴延伸穿过将所述燃料腔与所述进气通道的模内部分分开的璧。
8.如权利要求7所述的内燃机，其中，将泄放管线设置为所述模制部件的模内特征，所述泄放管线将所述燃料存储箱的所述上部与所述进气通道的所述模内特征相连接并允许将燃料蒸气从所述燃料存储箱的所述上部吸出。
9.如权利要求8所述的内燃机，其中，所述模制部件具有与所述泄放管线相连的模内碳罐腔，碳罐位于该模内碳罐腔内，被从所述燃料存储箱中吸出的泄放的燃料蒸气经过所述碳罐。
10.如权利要求7至9中任一项所述的内燃机，其中，一燃料过滤器将所述燃料存储箱的所述上部和所述下部分开并过滤从所述上部流到所述下部的燃料。
11.如权利要求1、7至9中任一项所述的内燃机，其中，所述模制部件具有与所述进气通道相连接的模内空气过滤器腔，一空气过滤器位于该模内空气过滤器腔内以过滤经过所述进气通道的空气。
12.如权利要求1、7至9中任一项所述的内燃机，其中，所述模制部件具有从所述进气通道分支出的模内亥姆霍兹共振器。
13.如权利要求1、7至9中任一项所述的内燃机，其中，所述模制部件具有从所述进气通道分支出的四分之一波长模内管共振器。
14.如权利要求1、7至9中任一项所述的内燃机，其中，所述燃料喷射器包括：
活塞；
电线圈；
弹簧；
燃料分配腔；
单向入口阀，该单向入口阀允许燃料进入所述燃料分配腔；
单向出口阀，该单向出口阀允许燃料从所述燃料分配腔排出；以及
燃料输送喷嘴，从所述燃料分配腔排出的燃料经过该燃料输送喷嘴而输送至所述进气通道；其中
所述活塞在所述电线圈和所述弹簧的作用下顺序地将燃料吸入所述燃料分配腔和将燃料排出所述燃料分配腔；并且
所述电线圈和所述弹簧都通过一开口支架而在所述燃料喷射器的泵送部中保持在适当位置。
15.如权利要求14所述的内燃机，其中，所述单向入口阀位于所述活塞内并对经过贯穿所述活塞的燃料输送通道的燃料流动进行控制。
16.如权利要求15所述的内燃机，其中，所述活塞具有多个贯穿该活塞的孔，这些孔允许流体从所述活塞外部流到所述活塞中的封闭的镗孔中，该封闭的镗孔具有端面，所述燃料输送通道从该端面延伸穿过所述活塞。
17.如权利要求14所述的内燃机，其中，在所述燃料喷射器的每次操作中，所述活塞在两个将所述活塞行程限定在设定距离的端部止挡部之间往复运动，由此使得在所述燃料喷射器的每次操作中被扫过的燃料分配腔的容积是固定的。
18.如权利要求14所述的内燃机，其中，所述电线圈被一外壳包围，该外壳具有允许燃料接近所述线圈以对所述线圈进行冷却的槽。
19.如权利要求14所述的内燃机，其中，所述燃料喷射器包括：
保持在适当位置的开口支架；
气缸衬套，该气缸衬套限定出供所述活塞在其中往复运动的气缸；以及
用于所述线圈的一外壳。
20.如权利要求19所述的内燃机，其中，所述开口支架为三腿支架。
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