泵组件
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的泵组件。具体而非排他性地,本发明涉及一种用于共轨压燃式(柴油)内燃机的泵组件。
背景技术
图1示出了用于在共轨柴油机中使用的一种已知泵组件的一部分。泵组件10包括设有盲孔14的泵壳体12,泵送柱塞(未示出)使用时在驱动装置(也未示出)的影响下在盲孔14内往复移动。柱塞及其孔同轴地延伸穿过泵壳体12,其中孔的盲端界定出用于燃料的泵腔18。压力相对较低的燃料在入口单向阀20的控制下通过入口通道(未示出)被输送至泵腔18。燃料随着柱塞往复移动而在泵腔18内被加压,并且一旦压力达到预定水平燃料就通过泵壳体内的出口阀(未示出)被输送至横向延伸到孔14的出口通道。出口通道将加压燃料输送至下游的共轨。
泵壳体12设有利用螺栓(未示出)固定至泵壳体的封盖22。封盖22是大致礼帽式结构,具有与泵壳体12的上表面相接合并且将螺栓设置为从中穿过的环形裙边22a。通过将封盖以这种方式成形并且通过将螺栓围绕泵组件的外周穿过环形裙边22a设置,泵组件的整体轮廓就比其中封盖被轴向安装在泵壳体和孔上方的可选设置方式更加紧凑。因此这种设置方式在空间效率方面具有优势,这在拥挤的发动机空间中具有明显的好处。封盖22其余的下侧面与泵壳体12的上表面共同界定出用于接收低压燃料从而用作容器的容积28,当入口阀20打开时,燃料即被由此抽出,通过入口通道送至泵腔18。封盖22还提供了用于泵组件各部件的保护功能。
由于泵送循环期间在泵腔18内生成的高压,因此在上述类型的泵组件内可能出现的一个问题是部件的高压疲劳。随着柱塞在其孔14内往复移动并且燃料在泵腔18内被加压至高水平,泵壳体12内就会出现能够导致裂纹形成的脉动拉伸应力。脉动拉伸应力在泵壳体12内具有两种主要的作用:围绕柱塞孔14外周特别是在泵腔18附近作用的环向应力,以及沿柱塞孔14的长度作用的轴向应力。因此,有利的是拥有一种上述类型的泵组件并使其中的脉动拉伸应力和高压疲劳得以减小或消除。
GB2107801介绍了另一种类型的燃料喷射泵,其中泵壳体设有孔,活塞通过孔往复移动。泵腔被界定在活塞孔的一端,并且两个轴向孔(一个是用于低压燃料的燃料入口,还有一个是用于高压燃料的燃料出口)从泵腔的与活塞相对的侧面延伸至泵壳体的上表面。阀头(或阀块)被直接安置靠向泵壳体的上表面并且用螺纹螺钉固定就位以使得在泵壳体和阀头之间形成密封接合避免两部件之间有燃料泄漏。在这种设置方式中,在泵壳体上表面上方直接安装阀头基本上抵消了由泵腔内的燃料压力造成的任何拉伸应力。但是,在这种设置方式中抵消环向和轴向应力的固有优点是以组件的尺寸特别是长度(或轴向高度)为代价的,这就对已经很拥挤的发动机空间施加了额外的封装约束。还可以注意到的是在这种设置方式中,阀头包含为控制高压燃料(可能是超过2000bar的压力)流所需的出口阀构件。这种结构具有进一步的缺点是在泵腔内生成的高压燃料有可能能够在阀头(或阀块)与泵壳体的界面处找到泄漏路径。燃料泄漏不利于泵的性能,并且因此希望能够降低任何燃料泄漏的风险或者减少任何实际的燃料泄漏。
由此,考虑到现有技术,有利的是拥有一种减小尺寸且形状便于满足发动机封装要求的燃料泵组件。进一步有利的是拥有一种减少或最小化其中燃料泄漏的燃料泵组件。还希望可以拥有一种减小或消除其中的轴向应力和/或环向应力的燃料泵组件。因此本发明的目标是减少和/或解决现有技术中的一种或多种问题。
发明内容
本发明广泛地涉及一种理想形状和尺寸的泵组件(例如与现有技术相比有所减小的尺寸和适合发动机封装要求的有利结构),该泵组件降低了某些现有技术装置中的内部应力和疲劳。更具体地,本发明包含一种用于泵组件的夹紧构件,该夹紧构件在该组件上施加压力以抵消泵组件内由燃料引发的应力和疲劳。夹紧构件被成形为使得在泵组件上的与泵腔和/或柱塞孔大致轴向对齐的作为燃料引发的应力源的区域内施加压力,并且夹紧构件适合于在不与泵腔和/或柱塞孔轴向对齐的区域被固定至泵壳体。本发明进一步涉及一种泵组件,其中通过提供容纳在泵头而不是单独阀体内的高压燃料出口阀来减少或者消除高压燃料泄漏。
因此,根据本发明的一种方面,提供了一种用于在内燃机中使用的泵组件,所述泵组件包括:设有孔的泵壳体,泵送柱塞在孔内沿柱塞轴往复移动;在孔的一端界定出的泵腔,随着泵送柱塞在使用时在孔内往复移动,燃料在泵腔内被加压至相对较高的水平;以及容纳在泵壳体内并且与泵腔相连通用于控制燃料(处于相对较低的压力)流入泵腔内的入口阀;还有用于向泵壳体施加夹紧载荷的夹紧构件,夹紧载荷至少具有与柱塞轴线对齐地穿过位置大致在孔的轴向上方的泵壳体表面的分量。用这种方式,夹紧构件在泵壳体内接近于柱塞孔地生成压缩应力以抵消泵壳体内由于泵腔内的加压燃料而产生的拉伸应力。通过将入口阀容纳在泵壳体本身内,就不必再有将会增加泵组件尺寸的单独阀壳体。另外,不必再精密地机械加工两个单独部件从而允许泵壳体和单独阀壳体之间的高压密封,这是很重要的,原因在于入口阀必须对高压燃料密封。
入口阀通常包括阀体和阀头,例如提升型阀。但是,可选地也可以使用其他类型的阀(例如球阀)。阀头可以是截头圆锥体或部分球体的形状用于与截头圆锥体或部分球体形状的安置面密封接合。有利地,用于入口阀的安置面由泵壳体的表面(例如内表面)界定。应该理解的是在某些实施例中,可以不将入口阀整体封装(或容纳)在泵壳体内,只要将入口阀的至少一部分容纳在泵壳体内以使得不需要单独的阀壳体即可。在此情况下,只要阀头被基本包含在阀壳体内就足够了。在一个优选的实施例中,阀座由泵壳体中的泵腔表面界定(也就是位于其中设有入口阀的孔和泵腔之间的相交处)。方便地是,入口阀可以与柱塞轴线大致轴向对齐。
夹紧构件被方便地通过至少一个合适的固定构件被固定至泵壳体,正如在本文中他处所介绍的那样。
在另一方面中,提供了一种用于在内燃机中使用的泵组件,所述泵组件包括设有孔的泵壳体,泵送柱塞在孔内沿柱塞轴线往复移动;以及在孔的一端界定出的泵腔,随着泵送柱塞在孔内往复移动,燃料在泵腔内被加压至相对较高的水平。夹紧构件被设置以用于向泵壳体施加夹紧载荷,并且至少一个固定构件被设置用于将夹紧构件固定至泵壳体。至少一个固定构件位于孔(或柱塞轴线)的径向外侧并且延伸穿过垂直于柱塞轴线并经过泵腔的平面或者延伸到该平面下方。夹紧构件被设置为使夹紧载荷的至少一个分量与柱塞轴线对齐地穿过位置大致在孔的轴向上方的泵壳体外表面以在泵壳体内接近于柱塞孔地生成压缩应力从而抵消泵壳体内由于泵腔内的加压燃料而产生的拉伸应力。适宜地,至少一个固定构件轴向延伸到泵腔下方以与柱塞孔交叠。
在泵送循环期间,由于泵腔内生成的高压(对于共轨燃料泵应用来说,通常压力都会超过2000bar),在泵壳体内特别是接近于柱塞孔处会产生脉动拉伸应力。通过在柱塞孔附近用压缩应力来抵消这些拉伸应力,就能够减少或者避免疲劳故障。本发明进一步的优点是通过将固定构件安装在柱塞轴线的径向外侧就能够缩短泵组件的轴向长度。夹紧构件被设置为使得即使在固定构件被安装在孔的径向外侧时也能够在孔的大致轴向上方的区域内施加夹紧载荷。
在本发明的这种以及任意其他方面的一个实施例中,泵壳体包括其中设有柱塞孔的孔部。夹紧构件被设置用于通过泵壳体的位置大致在孔部轴向上方的表面向泵壳体施加夹紧载荷。优选地,孔伸入泵壳体的头部内以使泵腔被至少部分地界定在头部内。夹紧载荷因此被加至泵壳体中包含泵腔和柱塞孔的区域,此处的拉伸应力最大。通常但非必要地,孔部与头部相比可以具有缩小的直径。
在本发明的这种以及任意其他方面的一个实施例中,夹紧构件包括至少一个接触面(或主接触面)用于与泵壳体的外表面相接合,夹紧载荷由此外表面被加至泵壳体。夹紧构件例如可以在其内表面(或下表面)上(也就是在泵组件内部)包括至少一个凸起以界定出所述的接触面或者每一个接触面。适宜地,夹紧构件具有大致在孔的轴向上方接合泵壳体的至少一个主接触面,以及在孔的径向外侧接合泵壳体的至少一个副接触面。有利地出于封装和空间方面的考量,夹紧构件可以是礼帽的形状,具有隆起的中心区域和外围裙边(或者一个或多个径向延伸的凸缘)。在这种设置方式中,主接触面与夹紧构件中隆起的中心区域相关联,而副接触面则与裙边(或凸缘)相关联。在一个实施例中,副接触面接合泵壳体的相对于柱塞轴线位于大致与泵腔交叠或位于泵腔下方的轴向高度处的外表面。在一个实施例中,接触面(或安置面)低于泵腔的轴向位置也就是其与柱塞孔交叠。
泵壳体的外表面和夹紧构件的内表面可以共同界定出用于在使用时接收低压燃料的填充室,燃料由此被输送至泵腔。
在本实施例中,至少一个填充口开在泵壳体的外表面以与填充室相连通。夹紧构件优选地设有至少两个凸起,每一个凸起都界定出用于在相邻填充口之间的位置与泵壳体相接合的接触面。在本实施例以及其他的实施例中,接触面优选地可以具有弧形形状。
沿柱塞轴线的夹紧载荷可以用落在本发明保护范围内的多种方式生成。在一个实施例中,弹簧被设置在夹紧构件的内表面和泵壳体的外表面之间以通过弹簧将夹紧载荷加至泵壳体。
在另一个实施例中,夹紧构件由在向泵壳体施加夹紧载荷时弹性变形的材料构成。通常,夹紧构件由具有的屈服应力在1000到1800MPa之间的材料构成。在此情况下,夹紧构件有效地起到上述实施例中弹簧的作用。
在更进一步的实施例中,夹紧构件由在向泵壳体施加夹紧载荷时塑性变形的材料构成。在此情况下,夹紧构件通常由具有的屈服应力在200到600MPa之间的材料构成。
使用在向泵壳体施加夹紧载荷时塑性变形的材料的好处在于夹紧构件几何形状的任何变化对施加的夹紧载荷并且因此对引发的压缩应力具有明显更低的影响。因此,泵与泵之间的变化即可被有利地减小,并且在泵壳体内引发的用于抵消由泵腔内高压燃料造成的拉伸应力的压缩应力即可被更加准确地设定。
对于至少一个固定构件(例如螺栓)来说,优选的是延伸穿过夹紧构件和泵壳体以在泵壳体的外周区域将夹紧构件固定至泵壳体。
在第三方面中,提供了一种用于在内燃机中使用的泵组件,所述泵组件包括:设有孔的泵壳体,泵送柱塞在孔内沿柱塞轴线往复移动;在孔的一端界定出的泵腔,随着泵送柱塞使用时在孔内往复移动,燃料在泵腔内被加压至相对较高的水平;以及用于向泵壳体施加夹紧载荷的夹紧构件,夹紧载荷至少具有与柱塞轴线对齐地穿过位置大致在孔的轴向上方的泵壳体表面的分量,从而在泵壳体内接近于柱塞孔地生成压缩应力以抵消泵壳体内由于泵腔内的加压燃料而产生的拉伸应力;其中夹紧构件由在向泵壳体施加夹紧载荷时变形的材料构成。
在这第三方面中,夹紧构件、泵壳体以及任意其他的特征均可像以上用于第一种和第二方面的那样被定义。
在第二种和第三方面中,入口阀可以被设置用于控制燃料流入泵腔。有利地,入口阀被容纳在(或者至少部分地容纳在)泵壳体内以使得不需要单独的阀壳体。入口阀及其壳体可以如根据第一方面所定义的。
在本发明的任何方面中,泵组件均可进一步包括与泵腔相连通以调节(处于相对较高的压力)的燃料从泵腔到出口通道的输送的出口阀。有利地,出口阀被容纳在泵壳体内而不是单独的阀壳体内,这就避免了对单独的壳体元件的需求。出口阀可以是任意合适的类型例如球阀。适宜地,出口阀的安置面由泵壳体的表面界定。安置面和阀的对应表面可以是截头圆锥体或部分球体的形状。
本发明可以具体应用在压燃式内燃机的共轨燃料泵中,但是也可以同样地应用在其他的应用中并且特别是在泵部件内引发高拉伸应力的场合。
除非有相反的说明,否则应该意识到关于本发明的一个方面介绍的特征也可以被包含在本发明任意其他方面中;并且除非另有陈述,否则实施例中的特征可以彼此组合并且这样的组合也应视为落在本发明的保护范围内。
附图说明
已经介绍过的图1示出了一种已知的共轨燃料泵中的泵组件。
现参照附图仅以举例方式介绍本发明的优选实施例,在附图中:
图2是本发明一个实施例中泵组件的截面图,包括泵壳体、泵腔和夹紧构件;
图3是图2中泵组件的夹紧构件的透视图;
图4是图2中泵壳体的透视图,其中移除了夹紧构件以示出用于低压燃料的输入口;以及
图5是图2中泵壳体外表面的平面图,用于示出夹紧构件的接触区域在哪里与泵壳体形成接触。
具体实施方式
参照图2,本发明第一实施例中的燃料泵组件30包括泵壳体,泵壳体具有直径加大的头部32a和直径缩小的从头部32a向下延伸的孔部32b。泵壳体的孔部32b设有孔34,其中容纳有泵柱塞36。孔34伸入头部32a的中心部分内,其在此以泵腔38终止。泵壳体32a,32b被固定至主泵壳体(未示出),主泵壳体在处于图2所示朝向的泵壳体的下方,以使泵壳体32a,32b有效地构成主泵壳体的头部。
泵送柱塞36通常利用由发动机驱动的凸轮(未示出)驱动,或者通过为本领域技术人员所熟知的任意其他合适的装置驱动。在使用时,随着柱塞36被驱动,它就在柱塞孔内沿柱塞轴线往复移动并造成泵腔38内的燃料被加压。柱塞36执行泵送循环,泵送循环具有该循环的填充阶段和泵送阶段,在该填充阶段期间处于相对低压力水平的燃料被输送至泵腔38,并且在该泵送阶段期间泵腔38内的燃料被加压至通常超过2000bar的相对较高的压力水平。
泵腔38容纳有与柱塞轴线沿轴向对齐的入口阀40,40a,40b。入口阀包括延伸穿过阀孔41的阀体40a以及与阀座43相接合的阀头40b,阀座43由在阀孔41和泵腔38之间的相交处的孔34界定,从而控制燃料流入泵腔38内。阀头40b通过阀簧(未示出)被偏置靠向阀座以及在填充阶段期间被促使克服弹簧作用力移动离开阀座。在填充阶段期间,柱塞36从孔34收回并且低压燃料被输送至泵腔38。
要注意的是阀头40b靠着由泵壳体自身界定的阀座43放置。这样与其中阀构件被设置在连接至泵壳体的单独阀体内的可选设计方案例如GB2107801中的所示的内容相比具有优势,原因在于它避免了对可能会引起泄漏问题的高压密封的需求。如图所示,阀座43为截头圆锥体形状,用于与阀头40b上对应的截头圆锥体表面相接合;但是,部分球体的密封表面也是适合的。方便的是,入口阀是提升型阀,不过可选地也可以使用其他的阀例如球阀。应该注意的是在示范性装置中入口阀体40a仅被部分容纳在泵壳体内。但是在可选的设置方式中,整个入口阀均可被容纳在泵壳体内。
泵壳体32a,32b还设有从泵腔38侧向延伸穿过头部32a的外部的出口通道42以向下游的共轨(未示出)供应加压燃料。出口通道42设有利用阀簧(未示出)来偏置关闭的出口阀44。出口阀在循环中的泵送阶段期间被促使克服弹簧作用力打开以允许将泵腔38内已被加压至高压力水平的燃料通过出口通道42输送至共轨。
也参照图3和图4,夹紧构件46被设置在泵壳体32a,32b上。夹紧构件46为大致礼帽式结构,具有隆起的中心区域46a和外围裙边46b。裙边46b靠着头部32a外部的上表面安置并且利用延伸穿过裙边46b、头部32a的外周区域和下方的主泵壳体中的对齐的成对接收孔47(仅在图4中可见)的四个螺栓(图2中仅示出了其中的两个螺栓48)固定于头部32a外部。
在图示的实施例中,夹紧构件的中心区域46a包括向下延伸的部分46c(仅在图2中可见),其通过多个接触区与头部32a中心部分的上表面相接合,正如以下将要更详细介绍的那样。引导特征45被机械加工到头部32a上以帮助将夹紧构件46准确定位在泵壳体上,由此确保夹紧构件46不会接合入口阀簧。
夹紧构件46其余的下表面与泵壳体32a的头部32a的上表面间隔开以界定出位于夹紧构件向下延伸的部分46c径向外侧的环形容积。该环形容积界定出用于燃料的填充室49,燃料由此通过设置在泵壳体头部32a内的多条入口通道(图2中仅示出了其中的一条通道50)被输送至泵腔38。
入口通道50从阀孔41倾斜延伸以呈现在设于泵壳体上表面中的(在图4和图5中示出)端口52处,端口52与填充室49相连通。通常,设有三条入口通道50(不过在实践中也可以使用更多或更少的数量),并且这些通道被确定在围绕入口阀40a,40b等间距的位置处。但是,将入口通道50以不等的间距隔开也是可行的。
也参照图5,馈送通道(未示出)也被设置在泵送壳体内,其一端呈现在头部32a的上表面处以界定出通往填充室49内的附加端口54。馈送通道的另一端与上游的低压燃料源(例如输送泵)相连通。O形环密封件56位于填充室49内以避免从室49中不期望地泄漏燃料。可以注意到的是O形密封件应该是可行的,原因在于室49仅含有处于相对低压的燃料;高压界面和密封件则被限定在泵壳体自身内。这种设置方式有助于避免或者至少是减少泵组件内的燃料泄漏。
端口52,54在泵壳体32a的上表面呈现出来的位置确定了夹紧构件46向下延伸的部分46c上的接触区的形状和位置。在图示的实施例中,向下延伸的部分46c基本为环形并且界定出弧形形状的三个接触区58,这三个接触区与泵壳体32a中位置大致在柱塞孔34轴向上方并且位置散布在端口52,54之间的形状对应的区域相接合。
在图示实施例的替换实施例中,如果在壳体上表面内仅设有两个端口,那么在夹紧构件向下延伸的部分上只需设置两个接触区即可。在更进一步的实施例中,其中填充室位于泵腔的一侧而不是在其轴向上方,那么夹紧构件向下延伸的部分可以在泵壳体32a内界定出单个连续的接触区。方便的是,连续的接触区为环形。
在组装泵时,首先通过利用引导特征45将向下延伸的部分46c引导到头部32a上,从而将夹紧构件46放置在头部32a的上表面上,直到其通过接触区58与头部32a的上表面接合为止。在该阶段,裙边46b的下表面和头部32a面朝上的表面之间存在间隙。螺栓48被放置为穿过它们的在头部32a内的接收孔47并穿过主泵壳体内对应的螺栓螺纹接收孔。随着螺栓被拧紧,夹紧构件46就开始弹性变形以封闭该间隙。
在夹紧构件46变形时,夹紧载荷通过与在柱塞孔34上方的头部上表面相接合的接触区58被加至泵壳体的头部32a。夹紧载荷至少具有与柱塞轴线轴向对齐的分量,并且因此在接触区58下方区域内的泵壳体中引发轴向的压缩应力。换句话说,轴向压缩应力在泵壳体的头部32a内靠近或者非常接近于泵腔38的区域中生成。间隙一旦被封闭,即使进一步拧紧螺栓48,头部32a上的接触作用力也依然基本保持不变。因此,夹紧构件46和头部32a之间的初始间隙就确定了由于拧紧螺栓而在泵壳体内产生的轴向压缩应力。
由夹紧构件46生成的轴向压缩应力抵消了在泵壳体靠近柱塞孔34的区域内由于泵腔38内生成的高压而产生的轴向拉伸应力。通常,例如对于共轨应用来说,泵腔38内的燃料压力被增加到超过2000bar的水平,这导致在泵壳体32a,32b内引发高脉动拉伸应力。本发明与例如图1中所示的已知泵装置的不同之处在于所有的夹紧载荷都是通过螺栓48加至泵壳体,并且因此不会影响泵壳体中拉伸应力最大的最为脆弱的区域。因此即可通过本发明基本上避免由泵壳体内的轴向拉伸应力造成的问题例如疲劳故障。
夹紧构件46可以由硬化钢和回火钢(例如弹簧钢)构成,通常具有在1000到1800MPa的屈服应力,以使夹紧构件46随着拧紧螺栓48而弹性变形,从而增加夹紧载荷。夹紧构件46因此可以在拧紧螺栓48时有效地作为弹簧使用。夹紧构件46的变形程度越大,夹紧载荷就越大,并且引发的压缩应力也就越大。由于制造公差的原因,裙边46b和头部32a的外部之间的间隙可以改变并且因此夹紧载荷(以及由此引发的压缩应力)在不同的泵组件之间也可以略有不同。
本发明的另一个实施例(未示出)利用了在大致处于柱塞孔34上方的区域内位于(或者夹在)夹紧构件46和头部32a之间的弹簧以提供夹紧载荷。但是,该实施例敏感于弹簧刚度和弹簧长度的变化。在不同的泵组件之间,夹紧构件46和泵壳体32a,32b之间的间隙会由于制造公差而略有不同,并且弹簧的长度也会略有不同,并且因此弹簧作用力以及由此夹紧载荷都会取决于弹簧系数而略有不同。弹簧还增加了泵组件的整体尺寸,并且因此可能并不是用于较小空间应用的优选实施例。
在更进一步的实施例中,夹紧构件46可以由具有的屈服应力在200到600MPa之间的低碳钢构成。在此情况下,夹紧构件46同样在拧紧螺栓48时随着裙边46a和头部32a的外部之间的间隙被封闭而变形。但是,在此情况下,夹紧构件46的材料性质使其在间隙封闭之前就达到了它变形的弹性极限,并且因此对于螺栓48的进一步拧紧就会塑性变形。夹紧构件46达到其变形的弹性极限的位置确定了通过接触区58加至泵壳体的夹紧载荷。因此使用低碳钢的优点就在于它避免了由于夹紧构件46和头部32a之间的间隙变化而造成的过于敏感的问题。低碳钢还具有成本相对较低的优点。
在入口阀40a,40b并非位于泵腔轴向上方而是位于泵腔一侧的泵组件中(例如像EP1629191A1中所述),仍然可以设置夹紧构件并且可以通过与柱塞中心轴线沿轴向对齐的一个或多个接触区与泵壳体接合,从而实现与以上所述相同的优点。
应该意识到本发明具有用于柴油发动机的共轨式燃料泵以外的应用,并且也可以被用于其他的泵应用场合,特别是会在一个或多个泵腔内产生高压的应用场合。