CN103133207A

CN103133207A - 柱塞式两次喷油泵

Info

Publication number: CN103133207A
Application number: CN2013100897900A
Authority: CN
Inventors: 邓飞中
Original assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Current assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-06-05

Abstract

一种柱塞式两次喷油泵，它包括：一与柱塞套筒（1）配合、有两段喷油工作段的柱塞（12）；一有两段升程轮廓段，转动一周可推动柱塞实现在发动机排气前进行预混合的第一次喷油，而在压缩上止点前第二次推动柱塞进行引燃的第二次喷油的驱动凸轮（10）。本发明可实现柴油清洁燃烧，可实现碳烟排放下降63%，甚至实现无碳烟排放，氮氧化物排放亦大幅下降，发动机的输出功率、热效率均可得到一定程度的提高。

Description

柱塞式两次喷油泵

技术领域

本发明涉及一种柴油机喷油泵，具体说是一种用于HCII四冲程柴油机的柱塞式两次喷油泵。

背景技术

柴油机(CI)采用较大的压缩比(ε=16～22)，热效率比汽油机高，但是其碳烟、NOX排放较高，减排问题一直是柴油机（尤其是结构简单的小型柴油机）发展的技术难题，现一些机型为了满足排放法规，采取适度降低输出功率和热效率的办法来缓和减排指标。柴油机的喷油压力与油滴雾化的质量是决定柴油机的排放特性的重要指标，现代先进的车用柴油机采用的喷油压力已高达100～200Mpa，油滴雾化的质量较好而大幅降低有害物质排放。对于小型柴油机采用柱塞式喷油泵供油系统，喷油压力在10～40Mpa之间，油滴雾化程度低，大负荷时烟度大，达2-6FSU之间，由于功率小，结构简单，市场要求物美价廉，不适宜采用昂贵的高压电喷系统，同样增压、EGR（尾气循环）和机外尾气净化等技术目前也不适宜在小型柴油机上使用，小型柴油机的节能减排的压力巨大。

HCCI燃烧技术成为各国内燃机学者研究的热门，学者们的深入的研究表明，汽油、柴油、天然气、气化气、乙醇和生物柴油等，甚至一定比例混合的混合燃料都可采用HCCI燃烧模式。HCCI燃烧模式有别于传统的汽油机（SI）均质点燃预混合燃烧、柴油机（CI）非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧方式的第4种燃烧方式。它与传统柴油机燃烧方式的不同在于：柴油机在着火时刻燃油还没有充分蒸发混合，进行的是扩散燃烧方式，燃烧速率主要受燃油蒸发及与空气混合速率的影响，局部区域出现缺氧燃烧和高温燃烧，而进行HCCI燃烧的混合气在着火前己实现（或部分实现）均质混合，进行的是预混合气燃烧模式，局部缺氧燃烧和局部高温燃烧大大减少，自燃燃烧速度高，定容度高。HCCI的平均指示压力与GDI汽油机和柴油机相当，其燃油消耗率水平甚至超过直喷柴油机水平(180 g kW/h～200 gkW/h)，PM排放几乎为零，实现 NO_x超低排放。但目前纯粹的HCCI发动机较难控制，未能实现产业化。

通过部分柴油（约15%）预混合的方法可实现一定程度的减排，已产业化，但需采用高压电喷技术为实现条件，甚至需设计较大涡流比，改造喷嘴、燃烧室结构或采用EGR循环等，并不适宜在小型柴油机上推广。

柴油HCII燃烧技术(文献中一指p-HCCI)通过实现部分柴油(可大于最大喷油量的50%)预混合的方法实现减排，但其供油条件发生了变化，供油机构需具备可控制的两次喷油能力。小型柴油机采用柱塞式喷油泵供油，现有柱塞式喷油泵不能实现两次喷油，这些原因限制了柴油HCII清洁燃烧技术的推广，因此研究能够满足柴油HCII供油条件的两次喷油泵是推广柴油HCII清洁燃烧技术的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种两段线性叠加的柱塞式两次喷油泵，在发动机一个工作循环内实现两次喷油，其中第一次喷油为预混合喷射，第二次喷射为引燃喷射，能满足柴油HCII清洁燃烧的供油条件。

本发明提供的柱塞式两次喷油泵，它包括：

一与柱塞套筒配合、有两段喷油工作段的柱塞；

一有两段升程轮廓段，转动一周可推动柱塞实现在发动机排气前进行预混合的第一喷油，而在压缩上止点前第二次推动柱塞进行引燃的第二次喷油的驱动凸轮。

两段喷油工作段中，第一段喷油工作段有第一段供油边、第一段停油边和第一段螺旋油槽，第二段喷油工作段有第二段供油边、第二段停油边和第二段螺旋油槽，第一段螺旋油槽和第二段螺旋油槽分别由连通柱塞顶部的中心油孔连通。

驱动凸轮中有两段升程轮廓段，其中，第一段升程轮廓段和第二段升程轮廓段之间一侧有以驱动凸轮的轴心为旋转中心的圆弧面，另一侧有一段控制进油的进油轮廓段。

上述中，圆弧面形成的圆弧角与发动机预混合喷油提前角相应。

与现有技术比较，本发明具有如下优点：

在一个发动机工作循环内具有两次喷油能力，通过预喷射部分燃料形成均质混合气，实现清洁燃烧，达到节能减排的目的。在排气前进行首次喷油，在高温废气作用下加速气化，再与进气混合，获得均质预混合气，在压缩上止点前，进行第二次喷油（第二次喷油与传统柴油机喷油模式相似），引燃全部燃料燃烧做功。这种柱塞式两次喷油泵，可满足柴油HCII（或p-HCCI，均质稀薄压燃发动机）的供油条件，实现柴油清洁燃烧，可实现碳烟排放下降63%，甚至实现无碳烟排放，氮氧化物排放亦大幅下降，发动机的输出功率、热效率均可得到一定程度的提高。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的柱塞的结构图。

图3是本发明的进油过程的示意图。

图4是本发明的第一次喷油开始的示意图。

图5是本发明的第一次喷油结束的示意图。

图6是本发明的两次喷油之间的间隔的示意图。

图7是本发明的第二次喷油开始的示意图。

图8是本发明的第二次喷油结束的示意图。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明提供的柱塞式两次喷油泵，由柱塞套筒1、柱塞12和驱动凸轮10组成，其中，柱塞套筒1上有进油口13、回流出油口4、弹簧阀门3和高压出油口2；柱塞12有两段喷油工作段，两段喷油工作段中，第一段喷油工作段有第一段供油边16、第一段停油边17和第一段螺旋油槽14，第二段喷油工作段有第二段供油边18、第二段停油边19和第二段螺旋油槽20，第一段螺旋油槽14和第二段螺旋油槽20分别由连通柱塞12顶部的中心油孔15连通；驱动凸轮10中有两段升程轮廓段，其中，第一段升程轮廓段11和第二段升程轮廓段8之间一侧有以驱动凸轮10的轴心为旋转中心的圆弧面9，另一侧有一段控制进油的进油轮廓段7，圆弧面9投影形成的圆弧角与发动机预混合喷油提前角相应。

本发明中的驱动凸轮10与原单段式柱塞喷油泵的驱动凸轮结构相似，两段凸轮升程轮廓段中，其中第一段升程轮廓段11与原结构一致，第二段升程轮廓段8要考虑半径变化带来的影响，使驱动凸轮10旋转时获得的径向升程曲线有相同的加速段、喷油段、减速段，还预留一定要求的喷油提前角的调节空间，使柱塞12获得两次同样的升程驱动，完成两次喷油。两段凸轮升程轮廓段相差转角相当于四冲程柴油机360°曲轴转角，第一段升程轮廓段、第二段升程轮廓段之间的一段圆弧面9的圆弧角，约相当于柴油机360°曲轴转角，可使第一次喷射的燃油（预混合喷油）获得充分时间与进气实现预混合。驱动凸轮10仅有一段进油轮廓段7，每工作循环仅有一次进油过程。

本发明与原单段式柱塞喷油泵结构相似，基本结构不变，仅对柱塞套筒1、柱塞12进行改造。柱塞套筒1、柱塞12长度为原单段式的两倍，每段的工作原理与原单段式柱塞喷油泵工作原理相同，在驱动凸轮10的一次升程推动下完成一次喷油，喷油量的控制由各自的停油边控制。

本发明的喷油工作原理及过程如下：

进油过程，见图3。上工作循环结束后，柱塞12位于顶部，驱动凸轮12顺时针转动，柱塞12在复位弹簧5的推动下，下行，柱塞12顶部压力下降，当回流出油口4与第二段螺旋油槽20或第一段螺旋油槽14相通时，油料从储油室通过回流出油口4、第二段螺旋油槽20或第一段螺旋油槽14、中心油孔15进入泵体上部；当进油口13与第一螺旋油槽14或第二段螺旋油槽20相通时，油料亦可通过进油口13、第二段螺旋油槽20或第一段螺旋油槽14、中心油孔15进入泵体上部，当进油口13、回流出油口4与柱塞12上部相通时，油料可通过进油口13、回流出油口4进入柱塞12上部。

第一次喷油过程（均质预混合喷射），见图4。在驱动凸轮12的第一段升程轮廓段11的作用下，柱塞12上升，获得所需的加速度和速度，油料从回流出油口4、进油口13回流至储油室，油料为低压状态，当第一段供油边16超过进油口13上沿线时，进油口13封闭，回流出油口4亦已封闭，泵内油料在柱塞12上行的作用下，压力迅速升高，当压力达到某值（如30MPA）时，柱塞套筒1顶部的弹簧阀门3开启，油料从高压出油口2、高压油管、喷油器喷入发动机，第一次喷油开始；随着柱塞12继续上行，第一段停油边17超过回流出油口4下沿线时，回流出油口4开通，油料可通过中心油孔15、第一段螺旋油槽14、回流出油4回流至储油室，泵内油料压力迅速下降，柱塞套筒1顶部的弹簧阀门3封闭，第一次喷油过程结束，见图5。第一段供油边16与第一段停油边17的高度差异即为第一次喷油的控制行程，若控制行程减去进油口13与回流出油口8的高度差即为第一次喷油的有效行程，第一次喷油的喷油量与有效行程成正比例关系，通过旋转柱塞12，改变柱塞12与柱塞套筒1的相对角度，可调节第一次有效行程和第一次喷油的喷油量。

第一次喷油与第二次喷油的间隔，见图6。在第一次喷油结束后，泵内油料通过中心油孔15、第一段螺旋油槽14、回流出油口4回流至储油室，泵内油料为低压，在驱动凸轮10的第一段升程轮廓段11的作用下，柱塞12上升速度下降，直至为零，在驱动凸轮10的第一段升程轮廓段11和驱动凸轮12的第二段升程轮廓段8之间的圆弧面9的作用下，柱塞12停止上升。此时，发动机处于进气和压缩阶段，第一次喷油的油料与进气实现充分预混合。

第二次喷油过程，见图7。当发动机活塞压缩上升至顶部前，在驱动凸轮10的第二段升程轮廓段8的作用下，柱塞12上升，获得所需的加速度和速度，油料从第一段螺旋油槽14、回流出油口4、进油口13回流至储油室，油料为低压状态，当第二段供油边18超过进油口13上沿线时，进油口13封闭，回流出油口4亦已封闭，泵内油料在柱塞12上行的作用下，压力迅速升高，压力当达到某值时（如30MPA），柱塞套筒1顶部的弹簧阀门3再次开启，高压油料从高压出油口2、高压油管、喷油器喷入发动机，第二次喷油开始见图7；随着柱塞12上行，第二段停油边19超过回流出油口4下沿线时，回流出油口4开通，油料可通过中心油孔15、第二段螺旋油槽20、回流出油口4回流至储油室，泵内油料压力迅速下降，柱塞套筒1顶部的弹簧阀门3封闭，第二次喷油过程结束，见图8。第二段供油边18与第二段停油边19的高度差异即为第二次喷油的控制行程，若控制行程减去进油口13、回流出油口4的高度差即为第二次喷油的有效行程, 第二次喷油的喷油量与有效行程成正比例关系，通过旋转柱塞12，改变柱塞12与柱塞套筒1的相对角度（与调节第一次喷油的有效行程同步），可调节第二次有效行程和第二次喷油的喷油量，发动机每工作循环总喷油有效行程为上述第一、第二次喷油的有效行程之和，总喷油量为第一、第二次喷油量之和。

然后，再次进油，二次喷油泵进入下一工作循环。

通过合理设计两次喷油泵的两段有效行程（两段停油边线型的具体形状），保证每循环的喷油量与柱塞和柱塞套筒旋转角构成固定的线性关系，这样通过改变柱塞旋转角，同步实现第一、第二次喷油量和总喷油量的调节，满足柴油HCII清洁燃烧的供油要求。

本发明并不限定于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可能得出其它形式的产品，如：用同样的原理改造的多泵喷油泵、转向泵和分配泵等，改变凸轮两段升程轮廓线之间的角度差可满足不同HCII柴油机在供油时刻上的独自要求，或满足汽油GDI的供油要求，或满足两冲程柴油机HCII、两冲程汽油GDI的供油要求，不论在其形状或结构上作任何改变，凡在本发明的技术思想范围内的所有变形均应看作包含在本发明所要求保护的技术范围之内。

Claims

1.一种柱塞式两次喷油泵，其特征在于，它包括：

一与柱塞套筒（1）配合、有两段喷油工作段的柱塞（12）；

一有两段升程轮廓段，转动一周可推动柱塞（12）实现在发动机排气前进行预混合的第一次喷油，而在压缩上止点前第二次推动柱塞进行引燃的第二次喷油的驱动凸轮（10）。

2.根据权利要求1所述的柱塞式两次喷油泵，其特征在于，两段喷油工作段中，第一段喷油工作段有第一段供油边（16）、第一段停油边（17）和第一段螺旋油槽（14），第二段喷油工作段有第二段供油边（18）、第二段停油边（19）和第二段螺旋油槽（20），第一段螺旋油槽（14）和第二段螺旋油槽（20）分别由连通柱塞（12）顶部的中心油孔（15）连通。

3.根据权利要求1所述的柱塞式两次喷油泵，其特征在于，驱动凸轮（10）中有两段升程轮廓段，其中，第一段升程轮廓段（11）和第二段升程轮廓段（8）之间一侧有以驱动凸轮（10）的轴心为旋转中心的圆弧面（9），另一侧仅有一段控制进油的进油轮廓段（7）。

4.根据权利要求3所述的柱塞式两次喷油泵，其特征在于，圆弧面（9）形成的圆弧角与发动机预混合喷油提前角相应。