CN102016288A - 凸轮辅助的共轨燃料系统以及使用该系统的发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机(10)的燃料系统(12)，包括多个喷嘴组(14)和多个泵组(34)。共轨(32)与每个喷嘴组(14)流体连接，且每个泵组(34)包括具有挺杆(38)的机械致动的增压器(36)，其能够选择性地增加相应的一个喷嘴组(14)中的燃料喷射压力。每个机械致动的增压器(36)能够响应于凸轮(48)的旋转而移动，并且包括具有第一位置和第二位置的溢流阀(42)，在第一位置，燃料从泵组(34)排出至低压空间(44)，在第二位置，燃料排出至相应的一个喷嘴组(14)。

Description

凸轮辅助的共轨燃料系统以及使用该系统的发动机
技术领域
本发明整体涉及用于内燃机的共轨燃料系统，更具体地，涉及在共轨燃料系统中通过机械致动的增压器选择性地以更高的压力喷射燃料。
背景技术
近年来已经开发了多种类型的用于内燃机的燃料喷射系统。共轨燃料喷射系统广泛用于多缸内燃机。典型的共轨燃料系统可以包括诸如燃料箱的低压燃料源、从燃料箱接收燃料并使燃料压力上升至相对高压的高压泵、以及与高压泵相连接的共轨。共轨起用于多个燃料喷射器的高压燃料源的作用，所述多个燃料喷射器中的一个与多个气缸中的一个相关联。通过对与共轨相联接的每一个燃料喷射器进行电子控制，可以相对精确地以共轨的较高压力喷射燃料。高压燃料泵对通过燃料喷射事件所消耗的燃料进行补充，并且将共轨压力保持在希望的水平。部分因为共轨系统提供了相对简单直接的方式来通过燃料喷射器向多个发动机气缸提供燃料，也因为共轨系统被证明是处理较高燃料压力的相对高效且有效的方法，所以共轨系统取得了广泛的成功。
与其他策略相比，共轨燃料系统使得发动机设计和操作方法具有多种优点。一方面，在共轨能够获得的相对高压下喷射燃料能够促进燃料在发动机气缸中的雾化，从而改进了例如燃烧率和燃烧完全度等的一些因素。在出于多种目的可控地喷射相对精确量的燃料中，相对高的喷射压力也会是有用的。为了在这些以及其他优点的基础上进一步改进，工程师们继续寻找在更高的喷射压力下喷射燃料的策略。虽然长时间以来共轨被用作高压燃料喷射实践的工业标准，但它们并不是没有缺点的。
例如，容纳一定体积的非常高压的燃料有时可能是困难的，需要能够承受高燃料压力的特殊硬件，例如密封件和管件。此外，承受极高压力的部件容易比低压环境中的部件相对更快地磨损。将较大体积的燃料保持在高压下也可能需要相当大的发动机输出能量。仅依赖共轨作为发动机的燃料源可能最终影响发动机效率。
在已知的更早的系统中，凸轮驱动的活塞压缩燃料喷射器中的燃料以使得在相对高的压力下喷射燃料。这些系统与共轨系统的不同在于，燃料的压缩独立地发生在每个燃料喷射器中，而不是依赖共有的高压燃料源。凸轮致动的一个优点是可用于压缩燃料的功率倾向于比较高。因此，一些凸轮致动的燃料喷射器的压力能力甚至比传统的共轨系统的更高。凸轮致动的一个潜在缺点是其可控性可能低于共轨系统。其他系统提供两种不同的燃料源以使得在希望时能够在相对低压下喷射，也能够在相对高压下喷射。
授权予Koenigswieser等人的美国专利No.5413076中公开了另一种致力于提供低压喷射压力和高压喷射压力的构思。其中，提供了一种与多个燃料喷射器相连接的共轨。每个燃料喷射器包括增压活塞，所述增压活塞具有能够接收来自共轨的流体压力的端面。Koenigswieser的燃料喷射器可以被用于以共轨压力喷射燃料，然后通过活塞的共轨致动以相对更高的压力喷射燃料。虽然如Koenigswieser所示的系统能够提供一定的优点，但它们在容纳流体和其他方面仍然有困难。
发明内容
在一个方面，一种用于内燃机的燃料系统，包括多个喷嘴组，所述喷嘴组中的每一个具有包括燃料入口和至少一个喷嘴出口的喷嘴主体、控制通道、喷嘴供给通道和排出口。所述喷嘴组中的每一个还包括针阀，所述针阀能够在阻隔所述至少一个喷嘴出口与所述喷嘴供给通道的第一阀位置和使所述至少一个喷嘴出口向所述喷嘴供给通道开放的第二阀位置之间移动。每个针阀还具有暴露于相应的所述控制通道的流体压力的关闭液压表面。燃料系统还包括共轨，所述共轨与所述喷嘴组中的每一个的所述燃料入口流体连接，并且能够以第一压力将受压燃料供给至所述喷嘴组中的每一个。燃料系统还包括多个泵组，所述多个泵组中的每一个能够以更高的第二压力将受压燃料供给至所述喷嘴组中的每一个，所述泵组中的每一个包括机械致动的增压器，所述增压器具有挺杆。所述喷嘴组中的每一个还包括电致动的针控制阀，所述针控制阀能够控制所述针阀并且能够在将所述控制通道与所述排出口阻塞的第一针控制阀位置和使得所述控制通道向所述排出口开放的第二针控制阀位置之间移动。所述泵组中的每一个还包括电致动的泵阀，所述电致动的泵阀包括能够在将燃料从所述泵组排出至低压空间的第一泵阀位置和将燃料从所述泵组排出至相应的喷嘴组的喷嘴供给通道的第二泵阀位置之间移动的溢流阀。
在另一个方面，一种操作用于内燃机的燃料系统的方法包括通过将喷嘴组的喷嘴出口与共轨流体连接从而以第一压力将燃料喷入发动机气缸中的步骤。该方法还包括通过响应于凸轮的旋转移动机械致动的增压器的挺杆从而以更高的第二压力将燃料喷入发动机气缸中的步骤。
在又一个方面，一种燃料喷射器，包括喷射器主体，其包括喷嘴组和泵组，所述喷嘴主体还包括与所述喷嘴组连接的高压燃料入口和与所述泵组连接的低压燃料入口。所述喷嘴组包括喷嘴供给通道、至少一个喷嘴出口、控制通道和排出口。所述喷嘴组还包括针阀，所述针阀能够在将所述至少一个喷嘴出口与所述喷嘴供给通道阻隔的第一阀位置和使所述至少一个喷嘴出口向所述喷嘴供给通道开放的第二阀位置之间移动。所述针阀具有至少一个打开液压表面和暴露于所述控制通道的流体压力的关闭液压表面。燃料喷射器还包括第一电致动阀，其能够在将所述控制通道与所述排出口阻隔的第一位置和使所述控制通道向所述排出口开放的第二位置之间移动。所述泵组包括具有挺杆的机械致动的增压器，并且限定与所述喷嘴供给通道连接的增压通道。所述燃料喷射器还包括第二电致动阀，其包括能够在第一溢流阀位置和第二溢流阀位置之间移动的溢流阀，其中，在第一溢流阀位置时流体从所述泵组中排出至低压空间且在所述第二溢流阀位置时流体从所述泵组中排出至所述增压通道。
附图说明
图1是根据一种实施方式的具有燃料系统的内燃机的部分剖视的简图；且
图2是根据一种实施方式的图1的燃料系统的一部分的简图。
具体实施方式
参照图1，其示出了根据一种实施方式的内燃机10。内燃机10可以包括直接喷射压燃式柴油发动机，但是在其他的实施方式中也可以包括火花点燃式发动机或具有不同的喷射策略的发动机。发动机10可以包括发动机壳体11，发动机壳体11包括设置在其中的多个气缸17。多个活塞13分别与每个气缸17相关联，并且以传统的方式与曲轴15相联接。多个燃料喷射器78分别与每个气缸17相关联，且每个燃料喷射器部分地延伸进入相应的气缸17中。在一种实施方式中，每个燃料喷射器78可以包括具有喷嘴组14和泵组34的喷射器主体80，其中喷嘴组14包括喷嘴主体16。
发动机10还可以包括共轨32，共轨32通过高压供给导管57与每个燃料喷射器78流体连接。每个喷嘴组14可以包括能够控制来自高压供给导管57的燃料通过相应燃料喷射器78的喷射的电致动阀或针控制阀40。每个喷嘴主体16可以包括向相应的气缸17开放的一个或多个喷嘴出口20以喷射其中的燃料。
每个泵组34还可以包括机械致动的增压器36，增压器36具有挺杆38。发动机10还可以包括具有多个凸轮凸角48的凸轮轴46，每个凸轮凸角48能够接触相应的挺杆38。共轨32、导管57和燃料喷射器78可以是燃料系统12的一部分。燃料系统12还包括与燃料输送泵50流体连接的燃料箱58。燃料输送泵50可以包括燃料出口52，燃料出口52与燃料供给导管68相联接，燃料供给导管68又与高压泵54的入口56相联接。高压泵54可以包括出口55，出口55以传统方式与共轨32流体连接。包括低压燃料导管的另一燃料供给导管59可以与导管68相连接，并且可以以与燃料输送泵50的出口压力相应的相对低压将燃料供应至每个泵组34。
在一种实施方式中，每个泵组34可以包括电致动的第二阀或泵阀42，其能够控制来自相应泵组34的燃料通过相应的燃料喷射器78的喷射。每个泵组34可以通过其相关联的机械致动的增压器36向相应的喷嘴组14供给比通过导管57从共轨32供给的压力更高的燃料。燃料箱58、燃料输送泵50和导管68和59可以被理解为构成低压空间44。在一种实施方式中，与泵组34中的一个相关联的每个电致动阀42可以包括能够在第一溢流阀位置和第二溢流阀位置之间移动的溢流阀，在第一溢流阀位置，燃料从相应的泵组34排出至低压空间44，在第二溢流阀位置，燃料从相应的泵组34排出至相应喷嘴组14的喷嘴供给通道(未示出)，如这里进一步说明的。
现在参照图2，示出了燃料系统12的一些组件，特别是与一个燃料喷射器78相关联的组件的简图。因为燃料喷射器78通常是相同的，所以下述说明应当被理解为适用于图1所示的燃料喷射器78中的任意一个。应当注意，共轨32经过通道57与喷嘴组14的燃料入口18相连接，燃料入口18包括高压入口18。低压空间44与包括低压入口的另一燃料入口60相连接，并通过导管59连接到泵组34。如上文所述，每个泵组34和喷嘴组14可以包括同样的燃料喷射器78的部件。但是应当理解，在其他的实施方式中，泵组34可以是与喷嘴组14分离的部件，并且容纳在独立的主体中或者甚至位于与喷嘴组14隔开的位置处。
还应当注意，在图2中，喷嘴组14包括出口阀或针阀28，其能够控制喷嘴出口20和喷嘴供给通道24之间的流体连通。出口阀28可以包括针阀，其包括一个或多个开放液压表面76，也包括闭合液压表面30。电致动阀40也在图2中示出，电致动阀40以能够进行流体连通的方式定位在控制通道22和排出口26之间，以选择性地连接控制通道22与排出口26并从而控制作用于闭合液压表面30的流体压力，由此以传统的方式通过针阀28控制喷嘴出口20的打开和关闭。
图2还示出机械致动的增压器36的一些元件，即活塞39，挺杆38设置在活塞39上。图2中还示出与了凸轮轴46联接的凸轮凸角48。在发动机10的操作中，凸轮轴46可以旋转，使得凸轮凸角48抵靠挺杆38旋转并且使得活塞39在第一位置和第二位置之间移动。电致动的第二阀42也在图2中示出，且电致动阀42能够控制低压空间44和机械致动的增压器36之间的流体连通。当电致动阀42处于大约如图2所示的第一阀位置时，活塞39的往复运动将倾向于将流体从燃料入口60通过通道82抽入泵室41中，然后将流体通过通道82排出回到低压空间44。因此，通道82可以包括双向通道，阀42可以包括双向溢流阀，且当电致动阀42位于其第一位置时机械致动的增压器36将倾向于使得燃料在泵室41和低压空间44之间来回移动。
电致动阀42能够移动至第二阀位置，在第二阀位置，泵室41与通道82阻隔。在电致动阀42的第二位置下，活塞39将倾向于将流体从泵室41排出至增压通道74中，然后排到喷嘴供给通道24。因此，如这里进一步说明的，发动机10可以在第一模式下操作，在第一模式下，燃料以第一、共轨压力被供给至喷嘴供给通道24，且电致动阀40用于通过选择性地连接控制通道22和排出口26来控制通过出口20的燃料喷射。在另一种操作模式下，可以使用电致动阀40和42中的每一个使得可以喷射通过机械致动的增压器36加压至相对较高的第二压力的燃料，如这里进一步描述的。
在一种实施方式中，喷嘴组14可以包括诸如球阀64的单向阀，所述单向阀与阀40并联地设置并且至少部分地设置在通过燃料入口18与共轨32和供给导管57相连的入口通道19中。通过将球阀64以能够进行流体连通的方式定位在入口18和喷嘴供应通道24之间的通道19中，将阻止通过增压通道74从增压器36供给至喷嘴组14的相对高压燃料到达共轨32和导管57。因此在通过增压器36喷射燃料时，球阀64能够阻止燃料从增压器36流到共轨32。第二单向阀可以定位为至少部分地位于增压通道74中并且以能够进行流体连通的方式定位在喷嘴供给通道24和泵室41之间，第二单向阀也可以包括球阀66。因此，例如当活塞39缩回或向图2所示的上方移动时，阻止来自共轨32的燃料流至增压器36的泵室41。
燃料喷射器78还可以包括燃料返回导管70，燃料返回导管70使排出口26与通道82、并因此与低压空间44连接。当电致动阀40移动至连接控制通道22与排出口26时，来自控制通道22的高压燃料能够通过燃料返回导管70返回至低压空间44。因此，移动阀使得控制通道22和燃料返回通道70连接将使控制通道22与低压空间44通过第二入口60流体连接。由此，发动机10可以包括多个燃料返回导管70，一个燃料返回导管70对应于一个燃料喷射器78，每个燃料返回导管将一个燃料喷射器78的排出口26与低压空间44相连接。
工业实用性
本发明提供一种共轨燃料系统，该共轨燃料系统能够选择性地通过机械致动的增压器以提高的压力喷射燃料。通过将机械致动的增压器36与每个燃料喷射器78相联接，可以根据需要通过致动阀42来利用借助凸轮旋转实现的较高压力。此外，可以在不浪费能量使燃料增压或位移的情况下实现所述较高压力。换句话说，因为每个机械致动的增压器36从低压空间44抽取燃料，然后将燃料返回低压空间44，所以当阀42将室41与低压空间44流体连接时，移动每个增压器36的能量消耗相对很少。通过将处于共轨压力的燃料从控制通道22返回至低压空间44而不是将高压燃料排出至燃料箱，效率和经济性被进一步地提高。这里公开的策略还提供了与共轨技术普遍相关的优点，例如经济的操作和对燃料喷射的精确控制。
在通常的发动机操作中，期望通过共轨32的喷射占据大部分时间。因此每个活塞13将在相应的气缸17内往复运动，且每个燃料喷射器78将操作以以第一喷射压力从共轨32喷射燃料。由此，电致动阀40可以从第一针控制阀位置移至第二针控制阀位置，在第一针控制阀位置，控制通道22与排出口26阻隔，在第二针控制阀位置，控制通道22向排出口26开放。因为来自共轨32的相对高的压力将持续地通过通道19对喷嘴供给通道24有效，所以阀40的致动可以被用于控制喷射事件。在以第一压力喷射来自共轨32的燃料时，燃料通常将从增压器36溢流回到低压空间44。在有些时候或有些操作状况下，可能希望以更高的第二压力进行喷射。当希望以更高的压力喷射时，增压器36可以被用于将相对更高压力的燃料从泵室41供给至增压通道74，然后供给至喷嘴供给通道24。因此，挺杆38通常可以响应于凸轮轴46的旋转而移动，且增压器36可以通过凸轮轴46的凸角48跟随挺杆38而或多或少被动地操作，填充泵室41并且将燃料从泵室41移至低压空间44。在希望以更高的第二压力喷射的时刻，或就在该时刻之前，电致动阀42可以被移动至其第二位置，以将通道82与泵室41阻隔。在将阀42移动至其第二位置的同时或之后不久，阀40可以被致动以降低闭合液压表面30上的压力以使得出口阀28打开。
本说明书仅是出于说明的目的，因此不应被理解为以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的完全且合理的范围和精神的情况下，可以对这里公开的实施方式进行多种修正。在查阅附图和权利要求书的情况下，本发明的其他方面、特征和优点将是很清楚的。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(10)的燃料系统(12)，包括：
多个喷嘴组(14)，所述喷嘴组(14)中的每一个具有包括燃料入口(18)和至少一个喷嘴出口(20)的喷嘴主体(16)、控制通道(22)、喷嘴供给通道(24)和排出口(26)，所述喷嘴组(14)中的每一个还包括针阀(28)，所述针阀能够在阻隔所述至少一个喷嘴出口(20)与所述喷嘴供给通道(24)的第一阀位置和使所述至少一个喷嘴出口(20)向所述喷嘴供给通道(24)开放的第二阀位置之间移动，且每个针阀(28)还具有暴露于相应的控制通道(22)的流体压力的闭合液压表面(30)；
共轨(32)，所述共轨(32)与所述喷嘴组(14)中的每一个的所述燃料入口(18)流体连接，并且能够以第一压力向所述喷嘴组(14)中的每一个供应加压燃料；
多个泵组(34)，所述多个泵组中的每一个能够以更高的第二压力向所述喷嘴组(14)中的一个供应加压燃料，每个泵组(34)包括机械致动的增压器(36)，所述增压器具有挺杆(38)；
所述喷嘴组(14)中的每一个还包括电致动的针控制阀(40)，所述针控制阀能够控制所述针阀(28)并且能够在阻隔所述控制通道(22)与所述排出口(26)的第一针控制阀位置和使所述控制通道(22)向所述排出口(26)开放的第二针控制阀位置之间移动；且
所述泵组(34)中的每一个还包括电致动的泵阀(42)，所述泵阀包括能够在将燃料从所述泵组(34)排出至低压空间(44)的第一泵阀位置和将燃料从所述泵组(34)排出至相应喷嘴组(14)的喷嘴供给通道(24)的第二泵阀位置之间移动的溢流阀。
2.根据权利要求1所述的燃料系统(12)，还包括共有的凸轮轴(46)，所述凸轮轴(46)具有多个凸轮凸角(48)，每个所述凸轮凸角(48)与所述挺杆(38)中的一个接触，所述燃料系统(12)还包括燃料箱(58)、与所述燃料箱(58)流体连接并且具有出口(52)的燃料输送泵(50)、以及用于所述共轨(32)并且具有入口(56)的高压泵(54)，其中，所述低压空间(44)包括与所述燃料输送泵(50)的所述出口(52)流体连接的燃料供给导管(59，68)，所述燃料供给导管(59，68)还与所述泵组(34)中的每一个的燃料入口(60)流体连接。
3.根据权利要求2所述的燃料系统(12)，其中，所述泵组(34)中的每一个包括泵室(41)，每个所述泵组(34)的所述电致动的泵阀(42)包括以能够进行流体连通的方式定位在相应泵组(34)的所述泵室(41)和所述燃料供给导管(59，68)之间的双向阀(42)，并且，所述喷嘴组(14)中的每一个的所述电致动的针控制阀(40)以能够进行流体连通的方式定位在相应喷嘴组(14)的所述排出口(26)和所述控制通道(22)之间。
4.根据权利要求3所述的燃料系统(12)，还包括：
多个单向阀(64)，每个所述单向阀以能够进行流体连通的方式定位在所述喷嘴组(14)中的一个的所述燃料入口(18)和所述喷嘴组(14)的一个的所述喷嘴供给通道(24)之间，并且与所述喷嘴组(14)中的一个的所述电致动的针控制阀(40)并联地设置；以及
多个第二单向阀(66)，每个所述第二单向阀以能够进行流体连通的方式定位在所述泵组(34)中的一个的泵室(41)和所述喷嘴组(14)中的相应一个的喷嘴供给通道(24)之间。
5.根据权利要求2所述的燃料系统(12)，还包括多个燃料返回导管(70)，每个所述燃料返回导管流体地连接所述喷嘴组(14)中的一个的所述排出口(26)与所述低压空间(44)，且其中所述喷嘴组(14)中的每一个的所述电致动的针控制阀(40)在所述电致动的针控制阀(40)的第二针控制阀位置能够通过所述燃料返回导管(70)中的一个连接所述控制通道(22)和所述低压空间(44)。
6.一种操作用于内燃机(10)的燃料系统(12)的方法，包括下述步骤：
通过将喷嘴组(14)的喷嘴出口(20)与共轨(32)流体连接从而以第一压力将燃料喷入发动机气缸(17)中；以及
通过响应于凸轮(48)的旋转移动机械致动的增压器(36)的挺杆(38)从而以更高的第二压力将燃料喷入发动机气缸(17)中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
以第一压力喷射燃料的步骤包括将高压燃料通过高压燃料入口(18)从所述共轨(32)供给至所述喷嘴出口(20)的步骤；
该方法还包括下述步骤：
将低压燃料通过低压燃料入口(60)从低压燃料导管(59，68)供给至机械致动的增压器(36)；
在以第一压力喷射燃料的过程中，通过以能够进行流体连通的方式定位在所述机械致动的增压器(36)和所述喷嘴组(14)之间的第一单向阀(66)将所述机械致动的增压器(36)与所述喷嘴组(14)阻隔；以及
在以更高的第二压力喷射燃料的过程中，通过以能够进行流体连通的方式定位在所述喷嘴组(14)和所述共轨(32)之间的第二单向阀(64)将所述共轨(32)与所述喷嘴组(14)阻隔。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在以第一压力喷射燃料的过程中使燃料从所述机械致动的增压器(36)溢流至低压空间(44)的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述控制通道(22)和所述低压燃料入口(60)之间建立流体连接的步骤。
10.一种燃料喷射器(78)，包括：
喷射器主体(80)，其包括喷嘴组(14)和泵组(34)，所述喷射器主体(80)还包括与所述喷嘴组(14)连接的高压燃料入口(18)和与所述泵组(34)连接的低压燃料入口(60)；
所述喷嘴组(14)包括喷嘴供给通道(24)、至少一个喷嘴出口(20)、控制通道(22)、排出口(26)和针阀(28)，所述针阀(28)能够在阻隔所述至少一个喷嘴出口(20)与所述喷嘴供给通道(24)的第一阀位置和使所述至少一个喷嘴出口(20)向所述喷嘴供给通道(24)开放的第二阀位置之间移动，且所述针阀(28)具有至少一个开放液压表面(76)和暴露于所述控制通道(22)的流体压力的闭合液压表面(30)；
电致动的第一阀(40)，其能够在阻隔所述控制通道(22)与所述排出口(26)的第一位置和使所述控制通道(22)向所述排出口(26)开放的第二位置之间移动；
所述泵组(34)包括具有挺杆(38)的机械致动的增压器(36)，并且限定与所述喷嘴供给通道(24)连接的增压通道(74)；以及
电致动的第二阀(42)，其包括能够在第一溢流阀位置和第二溢流阀位置之间移动的溢流阀(42)，其中，在第一溢流阀位置，流体从所述泵组(34)排出至低压空间(44)，在所述第二溢流阀位置，流体从所述泵组(34)排出至所述增压通道(74)。
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