CN102287367A - 一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构，主要包括柱塞、缸体、传压油缸及装在传压油缸内的自由活塞。自由活塞将传压缸分为传压腔与润滑油油腔；其特点是设在工作缸孔上的环形密封油槽将柱塞与工作缸孔之间的柱塞环形微间隙分隔为上、下柱塞环形微间隙；在柱塞上行泵油时，泵腔中的超高压的燃油压力经油道、传压腔、自由活塞、润滑油腔、三通油道传到环形油槽，使泵腔与环形密封油槽中压力相等；少量润滑油从环形密封油槽经下柱塞环形微间隙泄出，受泵腔中燃油压力的作用，自由活塞下行补充泄漏的润滑油保持环形微间隙下端环形密封油槽中润滑油压力与上端泵腔中的燃油压力相等，有效地阻止了燃油从环形微间隙泄漏和克服了柱塞与工作缸孔的磨损。

Description

一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构
技术领域
本发明涉及柴油机高压燃油泵及超高压水泵，具体为一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构。
技术背景
现有超高压水泵都是柱塞式水泵，高压水射流清洗、除锈、切割技术的发展应用，需要压力更高、工作寿命更长的超高压柱塞式水泵。柱塞式超高压水泵采用的间隙节流降压密封与填料密封两种结构都不能适应2000bar以上超高压泵水的需求，其工作寿命短，柱塞寿命仅500小时左右，密封填料工作寿命仅200小时左右.。柱塞的密封润滑是超高压水泵需要解决的技术难题。
柴油机热效率高，已成为广泛使用的发动机。由于世界能源不足，价格大幅上涨以及各国的排放法规日益严格，为适应当前及将来的排放法规与降低燃油消耗率，以及燃用二甲醚、甲醇等低粘度替代燃料的市场需求，柴油机需要适合喷射低粘度替代燃料的喷射压力更高的高压燃油泵。现有柴油机的电控高压喷油系统都是采用柱塞式高压燃油泵，柱塞与柱塞套的滑动配合间隙依靠燃油润滑与密封，解决泄漏的方法是在与柱塞配合的柱塞套上加一个环形的卸压回油槽，使泄漏的燃油从回油槽经回油道流回油箱，间隙中燃油泄漏量随泵油压力提高增大，严重的燃油泄漏导致难以建立2000bar以上的超高燃油压力，当前高压燃油泵泵油压力在1600～1800bar范围，达到2000bar的很少。为满足降低排放的要求，柴油机需要进一步提高燃油喷射的压力，高压燃油泵燃油过量泄漏所致难以建立超高压燃油压力的问题一直是高压燃油喷射系统研制中的技术难题；现有柴油机依靠柴油润滑与密封，喷射低粘度替代燃料的柱塞与柱塞套很快就磨失效，柱塞的润滑与密封也是柴油机燃用二甲醚、甲醇等低粘度替代燃料需要解决的技术难题。
本申请人的实用新型专利，专利申请号为：ZL 2006 1 0127615.1的多种燃料柴油机喷油泵，采用在柱塞套上开油槽用高压润滑油密封与润滑柱塞与柱塞套之间的间隙，由于柱塞下行吸油与上行泵油时柱塞顶面的油缸内燃油油压不断升高与降低变化，交变变化的压差超过1000bar，恒压的高压润滑油油压高于变化的燃油油压时润滑油进入燃油出现烧机油、堵喷油嘴喷油孔的问题，润滑油油压低于变化的燃油油压时，二甲醚等低粘度燃料进入柱塞与柱塞套配合间隙，出现磨损与燃料泄漏问题。
本申请人的实用新型专利，专利申请号为：ZL 201020986282.5的低压差液力密封式高压共轨燃油泵，提供了采用微压差阀、压力同步升降器使柱塞滑动配合间隙中的润滑油始终保持比工作油缸油压高一个小的压差、阻止燃油进入配合间隙的结构，有效地克服了现在高压主柱塞泵存在的问题。但结构较复杂、高精度零件多、制造成本较高。
发明内容
本发明的目的是克服上述高压柱塞泵泄漏与柱塞磨损的问题，提供一种无燃油或水泄漏，使柱塞泵泵油或水压力更高、柱塞工作寿命长的一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构，主要包括柱塞、缸体，其特征在于：还包括传压油缸及装在传压油缸内的自由活塞；所述自由活塞与传压缸为滑动配合，呈自由活塞环形微小间隙；自由活塞将传压缸分为传压腔与润滑油油腔；装在工作缸孔内的柱塞与工作缸孔为滑动配合，呈柱塞环形微间隙，柱塞的上顶面与工作缸孔的上部构成泵腔；设在工作缸孔上的环形密封油槽将柱塞与工作缸孔之间的柱塞环形微间隙分隔为从环形密封油槽向上至泵腔的上柱塞环形微间隙、从环形密封油槽向下至工作缸孔的下端的下柱塞环形微间隙；泵腔经油道与传压腔连通，传压腔经自由活塞与润滑油油腔相连，润滑油油腔经三通油道分别与环形密封油槽及进润滑油单向阀连通；进润滑油单向阀与低压润滑油管接口连通；进油管接口经进油单向阀与工作腔连接，泵腔经出油单向阀与高压油管接口连接。柱塞的下端与挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构连接，或与导向滑块连杆曲轴驱动机构连接。
本发明的一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构的密封与润滑原理：
在柱塞上行泵油时，泵腔中的超高压的燃油压力经油道、传压腔、自由活塞、润滑油腔、三通油道传到环形密封油槽，使泵腔与环形密封油槽中压力相等；润滑油粘度随压力升高而增高，由于下柱塞环形微间隙对高粘度润滑油的节流降压作用，少量超高压润滑油从环形密封油槽经下柱塞环形微间隙泄出流入回油道，受泵腔中超高压的燃油压力作用，自由活塞下行补充泄漏的燃油保持环形密封油槽中的润滑油压力与泵腔中燃油压力相等；上柱塞环形微间隙下端环形密封油槽中润滑油压力与上端泵腔中的燃油压力相等，有效地阻止了燃油从环形微间隙泄漏；同时下柱塞环形微间隙中的润滑油膜使柱塞在工作缸孔中浮动避免了柱塞与工作缸孔直接接触，有效地克服了柱塞与工作缸孔的磨损。。
本发明的有益效果：
1、本发明有效地解决了现有超高压柱塞式水泵及高压柱塞式燃油泵装置中随水压或油压增高从柱塞与缸孔配合间隙泄漏量增大所至难以建立2000bar以上的超高压的问题，实现了无水或燃油泄漏，泵水水压或泵油油压达到2500bar以上。
2、本发明有效地保证了柱塞的润滑，避免了柱塞与工作缸孔直接接触，克服了柱塞与工作缸孔磨损，提高了工作可靠性与工作寿命。
3、本发明结构简单，制造成本低。
4、本发明也可以用于柴油机燃料喷油器的针阀与导向圆孔的滑动配合面的润滑与密封结构。以及类同的机械摩檫副的润滑与密封结构，有效地解决其密封与润滑问题。
附图说明
图1为本发明一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构在吸油时的结构示意图。
图2为本发明一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构在压油时的结构示意图。
图中附图标记表示为：1、柱塞；2、缸体；3、工作缸孔；3.1、泵腔；4、自由活塞；5、传压缸；5.1、润滑油油腔；5.2、传压腔；5.3、油道；5.4、自由活塞环形微小间隙；5.5、三通油道；6、环形密封油槽；7、润滑油单向阀；8、低压润滑油管接口；9、上柱塞环形微间隙；10、下柱塞环形微间隙；11、进油单向阀；12、进油管接口；13、出油单向阀；14、高压油管接口；15、挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构；16、润滑油回油管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。
如图1所示的本发明一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构，它主要包括柱塞1、缸体2，其特征在于：还包括传压油缸5及装在传压油缸5内的自由活塞4，自由活塞4与传压缸5滑动配合，呈自由活塞环形微小间隙5.4，其自由活塞间隙为0.0015～0.0025毫米，自由活塞4将传压缸5分为传压腔5.2与润滑油油腔5.1；装在工作缸孔3内的柱塞1与工作缸孔3的精密滑动配合，呈柱塞环形微间隙，其间隙为0.0015～0.0025毫米，柱塞1的上顶面与工作缸孔3的上部构成泵腔3.1；设在工作缸孔3上的环形密封油槽6将柱塞1与工作缸孔3之间的柱塞环形微间隙分隔为从环形密封油槽6向上至泵腔3.1的最小长度为15毫米的上柱塞环形微间隙9、从环形密封油槽6向下至工作缸孔3的下端的下柱塞环形微间隙10；泵腔3.1经油道5.3与传压腔5.2连通，传压腔5.2经自由活塞4与润滑油油腔5.1相连，润滑油油腔5.1经三通油道5.5分别与环形密封油槽6及进润滑油单向阀7连通；进润滑油单向阀7与低压润滑油管接口8连通；进油管接口12经进油单向阀11与工作腔3.1连接，泵腔3.1经出油单向阀13与高压油管接口14连接。柱塞1的下端与挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构15连接。
本发明的一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构的工作原理：
如图1所示，进油管接口12的压力P0＝0，低压润滑油管接口8的润滑油压力PR＝1bar；当挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构15驱动柱塞1下行吸油时，泵腔3.1内压力PK2为负压，PK2大于或等于真空压力，即0＞PK2≥-1bar，燃油从燃油管接口12经进油单向阀11吸入泵腔3.1；经油道5.3与泵腔3.1连通的传压腔5.2中的燃油压力等于泵腔3.1中的燃油压力PK2，低压润滑油管接口8的润滑油油压PR＞PK2，润滑油经润滑油单向阀7、三通油道5.5进入润滑油腔5.1，推动自由活塞4上行至其顶面与传压缸顶面接触停止上行为止，此时润滑油腔5.1与环形密封油槽6中油压为PR，润滑油单向阀7关闭；在吸油过程中环形微间隙9下端润滑油压PR与上端燃油油压PK1的最大压差ΔP9＝PR-PK2；PR＝1bar；0＞PK2≥-1bar；1bar＜ΔP9≤2bar，自由活塞环形微小间隙5.4两端最大压差ΔP5.4＝ΔP9，1bar＜ΔP5.4≤2bar，试验证实长度15毫米的间隙为0.0025毫米的环形微间隙的两端的压差小于200bar时环形微间隙中的润滑油无流动现象，柱塞1下行吸油过程中环形润滑油槽6中的润滑油不会经上柱塞环形微间隙9流入泵腔3.1，润滑油腔5.1中的润滑油不会经自由活塞环形微小间隙5.4流入传压腔5.2。
如图2所示，当挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构15驱动柱塞1上行泵油时，进油单向阀11关闭，出油单向阀13开启，泵腔3.1中压力为PK的超高压燃油经出油单向阀13、高压油管接口14泵入高压油管；此时，经油道5.3与泵腔3.1连通的传压腔5.2中的燃油油压等于泵腔3.1中的燃油油压PK1，传压腔5.2中的燃油油压PK1经自由活塞4传递到润滑油腔5.1，润滑油油腔5.1中及经三通油道5.5与其连通的环形密封油槽6中的润滑油油压PR1等于传压腔5.2与泵腔3.1中有燃油压力PK1，PR1＝PK1，即柱塞1与工作缸孔3之间的滑动配合的上柱塞环形微间隙9下端及自由活塞4与传压缸5之间的自由活塞环形微小间隙5.4下端的润滑油压与泵腔3的超高压的燃油压相等，阻止了超高压燃油流入上柱塞环形微间隙9及自由活塞环形微小间隙5.4，有效地克服了柱塞超高压泵油时燃油泄漏的问题。
环形密封油槽6中的超高压润滑油经下柱塞环形微间隙10泄出，再经润滑油回油管接口16流入回油管，润滑油粘度随压力升高而增大，由于下柱塞环形微间隙10对粘度大的润滑油的节流降压作用，所以只有少量的超高压润滑油从环形密封油槽6经下柱塞环形微间隙10泄漏流入润滑油回油管，随环形密封油槽6中的润滑油泄漏，泵腔3.1中超高压燃油经油道5.3进入传压腔5.2推动自由活塞4下行补充环形密封槽泄漏的燃油，保持环形密封油槽6中的润滑油压力PR1等于泵腔3.1中超高压燃油压力PK1。
当挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构15驱动挺杆下行时，又重复上述吸油、泵油过程。
本发明一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构，在柱塞1下行吸油过程中保持上柱塞环形微间隙9中下端的环形密封油槽6中的润滑油油压PR比上端的泵腔3.1中的燃油压PK2高1bar～2bar、在柱塞上行泵油过程中保持上柱塞环形微间隙9下端的环形密封油槽6中的润滑油压与上端的泵腔3.1中的燃油压相等PR＝PK2，在油泵吸油与泵油的工作过程中有效地阻止了泵腔3.1中的燃油进入上柱塞环形微间隙9，克服了燃油泄漏问题；其下柱塞环形微间隙10中的润滑油膜使柱塞1在工作缸孔3中浮动，避免了柱塞1与工作缸孔3直接接触，有效地克服了柱塞1与工作缸孔3磨损失效的问题，提高了工作可靠性与工作寿命。

Claims (1)

1.一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构，包括柱塞(1)、缸体(2)，其特征在于：还包括传压油缸(5)及装在传压油缸(5)内的自由活塞(4)；所述自由活塞(4)与传压缸(5)为滑动配合，呈自由活塞环形微小间隙，自由活塞(4)将传压缸(5)分为传压腔(5.2)与润滑油油腔(5.1)；装在工作缸孔(3)内的柱塞(1)与工作缸孔(3)为滑动配合，呈柱塞环形微间隙；所述柱塞(1)的上顶面与工作缸孔(3)的上部构成泵腔(3.1)；设在工作缸孔(3)上的环形密封油槽(6)将柱塞(1)与工作缸孔(3)之间的柱塞环形微间隙分隔为从环形密封油槽(6)向上至泵腔(3.1)的上柱塞环形微间隙(9)、从环形密封油槽(6)向下至工作缸孔(3)的下端的下柱塞环形微间隙(10)；泵腔(3.1)经油道(5.3)与传压腔(5.2)连通，传压腔(5.2)经自由活塞(4)与润滑油油腔(5.1)相连，润滑油油腔(5.1)经三通油道(5.5)分别与环形密封油槽(6)及进润滑油单向阀(7)连通；进润滑油单向阀(7)与低压润滑油管接口(8)连通。
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