CN103527374B - 线圈感应泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈感应泵，包括结构部分和电控部分；所述结构部分包括泵体、柱塞套、柱塞、进回油孔、出油阀和缠绕在柱塞套上的电磁线圈；所述柱塞的上端伸入至柱塞套的油腔内，且可以在该油腔内上下移动；所述电控部分包括用于驱动电磁线圈的Marx发生器，该Marx发生器包括N个级联的子电路；每一子电路均包括储能电容、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ和IGBT；所述电控部分还包括：IGBT驱动单元；通过IGBT驱动单元与每一子电路所包括的IGBT的门极和发射极相连接，用于控制N个IGBT同时导通或关断的电子控制单元；本发明利用电磁弹射技术驱动柱塞以加压、排送船用燃油，利于降低能耗、节约成本、环保实用。

Description

线圈感应泵

技术领域

本发明涉及一种线圈感应泵。

背景技术

目前，在船舶柴油机市场中应用的高压油泵主要采用传统的凸轮轴结构即机械式，其由发动机曲轴转动通过齿轮带动凸轮轴上的凸轮旋转，凸轮对滚轮体的滚轮作一顶一放周期运动，使柱塞在柱塞套内作往复运动，在油泵的进油阀和出油阀的配合下完成吸油和压油；随着国际海事组织对海船排放物的要求愈加严格，以及燃油成本费用的不断增加，迫使生产厂家必须提供更加环保和高效的船舶主机，而船舶柴油机能耗及环保性的改进，关键在于燃油的良好雾化和把握正确的喷油定时，以使得燃油能够最高效率的燃烧，且可以使柴油机的工作更加柔和，但传统的通过凸轮驱动柱塞作往复运动的机械方式严重受制于柴油机的运转工况，尤其是在柴油机低速运转时更为明显，而柴油机低速运转又成为柴油机未来的发展趋势，这样，以传统的高压油泵为核心的燃油喷射系统的弊端越来越突出。为此，瓦锡兰公司新近研发出一套配备高压共轨燃油喷射系统的RT-Flex系列以及MAN B&W研发的以液压油作为驱动力的ME系列，这两大系列电喷柴油机在部分船舶上已经开始装配，但对于大多数船主来说还只是当作概念机看待。综上所述，目前的船舶柴油机市场仍以传统的通过凸轮驱动柱塞作往复运动的机械油泵为主，电喷时代已悄然来临，作为电喷的代表产品：瓦锡兰的RT-Flex系列和MAN B&W的ME系列正在争分这份蛋糕，而瓦锡兰的RT-Flex系列略占优势。为此，我们研发了这款将会代表电喷时代，继瓦锡兰的RT-Flex系列和MAN B&W的ME系列之后的第三款用于燃油喷射系统的线圈感应泵。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种通过电磁弹射力来驱动柱塞加压燃油，利于降低能耗、节约成本、环保实用的线圈感应泵。

本发明的技术手段如下：

一种线圈感应泵，包括结构部分和电控部分；

所述结构部分包括泵体、设置在泵体上的柱塞套、与柱塞套动密封配合的柱塞、开设在柱塞套的套壁上的进回油孔、设置在柱塞套上端的出油阀和缠绕在柱塞套上的电磁线圈；所述柱塞的上端伸入至柱塞套的油腔内，且可以在该油腔内上下移动；所述出油阀一端通过出油管道与柱塞套上端连接，另一端与出油口连接；

所述电控部分包括用于驱动电磁线圈的Marx发生器，该Marx发生器包括电感和N个级联的子电路，其中N为整数；每一子电路均包括储能电容、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ和IGBT；所述储能电容一端与二极管Ⅰ阴极和IGBT集电极相连接，该储能电容另一端与二极管Ⅱ阳极相连接；所述二极管Ⅱ阴极与IGBT发射极相连接；第一级子电路所包括的二极管Ⅰ阳极与电感相连接，其余N-1个子电路所包括的二极管Ⅰ阳极均与上一级子电路所包括的IGBT集电极相连接；第N级子电路所包括的二极管Ⅱ阴极与电磁线圈一端相连接，电磁线圈另一端与第一级子电路所包括的二极管Ⅱ阳极相连接，其余N-1个子电路所包括的二极管Ⅱ阳极均与上一级子电路所包括的IGBT发射极相连接；

所述电控部分还包括：

IGBT驱动单元；

通过IGBT驱动单元与每一子电路所包括的IGBT的门极和发射极相连接，用于控制N个IGBT同时导通或关断的电子控制单元；

进一步地，所述柱塞包括柱塞杆和柱塞头；所述柱塞由具有型线的磁性材料制成。所述柱塞套由磁性材料制成；

进一步地，所述电控部分还包括初级与船舶电站相连接的变压器、输入端与变压器次级相连接的整流桥、以及与整流桥输出端并联连接的滤波电路；所述整流桥输出正端通过电感与第一级子电路所包括的二极管Ⅰ阳极相连接；所述整流桥输出负端与第N级子电路所包括的二极管Ⅱ阴极共地；船舶电站输出的交流电经过变压器、整流桥和滤波电路后提供直流电给Marx发生器，对Marx发生器所包括的N个储能电容并联充电；

进一步地，所述电子控制单元与柴油发动机相连接；当电子控制单元根据所采集的柴油发动机工作状态信号判断需要喷射燃油时通过IGBT驱动单元控制Marx发生器所包括的N个IGBT导通，N个储能电容串联放电输出高压脉冲电流，电磁线圈在高压脉冲电流的作用下产生电磁力吸引柱塞在柱塞套内向上运动，在柱塞的挤压下，油腔内存在的燃油通过出油管道和打开的出油阀从出油口喷出，同时电子控制单元通过IGBT驱动单元控制Marx发生器所包括的N个IGBT关断，电磁线圈断电，作用在柱塞上的电磁力消失，柱塞开始向下运动，油腔内的燃油经过进回油孔回油，出油阀关闭，完成一次燃油喷射过程；

进一步地，电子控制单元可以通过控制Marx发生器所包括的N个IGBT不断导通、关断实现燃油的多次喷射过程；

进一步地，所述Marx发生器所包括的N个IGBT的集电极与发射极之间分别反向并联有续流二极管；

进一步地，可以通过周向旋转柱塞以改变柱塞型线对进回油孔的封闭时间。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的线圈感应泵，利用电磁弹射技术驱动柱塞以加压、排送船舶柴油机燃油，其以Marx发生器形成的高压脉冲电流作为能量来源，当高压脉冲电流通过电磁线圈时产生磁行波来驱动柱塞，柱塞的运动对油腔内的燃油加压，当达到出油阀的开启压力时，出油阀打开，同时Marx发生器在电子控制单元控制下关断IGBT，柱塞失去电磁力的吸引而下行，完成一次泵油过程，电子控制单元可以通过控制Marx发生器所包括的N个IGBT不断导通、关断实现燃油的多次喷射过程以及灵活控制泵的喷油时间，来达到燃油的良好雾化和燃烧，进而提高船舶柴油机的经济性与环保性，减少排放物中氮氧化物和硫氧化物的含量，从而满足国际海事组织对船舶排放物日益严格的要求；本发明利于降低能耗、节约成本、环保实用、适于广泛推广。

附图说明

图1是本发明所述电控部分的结构框图；

图2是本发明所述结构部分的结构示意图。

图中：1、泵体，2、柱塞套，3、柱塞，4、进回油孔，5、出油阀，6、电磁线圈，7、出油管道，8、出油口，9、Marx发生器，10、IGBT驱动单元，11、电子控制单元，12、柴油发动机，13、滤波电路，14、整流桥，15、变压器，16、船舶电站，21、油腔，31、柱塞杆，32、柱塞头，91、子电路，901、IGBT，902、二极管Ⅱ，903、储能电容，904、二极管Ⅰ。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种线圈感应泵，包括结构部分和电控部分；所述结构部分包括泵体1、设置在泵体1上的柱塞套2、与柱塞套2动密封配合的柱塞3、开设在柱塞套2的套壁上的进回油孔4、设置在柱塞套2上端的出油阀5和缠绕在柱塞套2上的电磁线圈6；所述柱塞3的上端伸入至柱塞套2的油腔21内，且柱塞3可以在该油腔21内上下移动；所述出油阀5一端通过出油管道7与柱塞套2上端连接，另一端与出油口8连接；所述电控部分包括用于驱动电磁线圈6的Marx发生器9，该Marx发生器9包括电感和N个级联的子电路91，其中N为整数；每一子电路91均包括储能电容903、二极管Ⅰ904、二极管Ⅱ902和IGBT901；所述储能电容903一端与二极管Ⅰ904阴极和IGBT901集电极相连接，该储能电容903另一端与二极管Ⅱ902阳极相连接；所述二极管Ⅱ902阴极与IGBT901发射极相连接；第一级子电路91所包括的二极管Ⅰ904阳极与电感相连接，其余N-1个子电路91所包括的二极管Ⅰ904阳极均与上一级子电路91所包括的IGBT901集电极相连接；第N级子电路91所包括的二极管Ⅱ902阴极与电磁线圈6一端相连接，电磁线圈6另一端与第一级子电路91所包括的二极管Ⅱ902阳极相连接，其余N-1个子电路91所包括的二极管Ⅱ902阳极均与上一级子电路91所包括的IGBT901发射极相连接；所述电控部分还包括：IGBT驱动单元10；通过IGBT驱动单元10与每一子电路91所包括的IGBT901的门极和发射极相连接，用于控制N个IGBT901同时导通或关断的电子控制单元11；进一步地，所述柱塞3包括柱塞杆31和柱塞头32；所述柱塞3由具有型线的磁性材料制成。所述柱塞套2由磁性材料制成；进一步地，所述电控部分还包括初级与船舶电站16相连接的变压器15、输入端与变压器15次级相连接的整流桥14、以及与整流桥14输出端并联连接的滤波电路13；所述整流桥14输出正端通过电感与第一级子电路91所包括的二极管Ⅰ904阳极相连接；所述整流桥14输出负端与第N级子电路91所包括的二极管Ⅱ902阴极共地；船舶电站16输出的交流电经过变压器15、整流桥14和滤波电路13后提供直流电给Marx发生器9，对Marx发生器9所包括的N个储能电容903并联充电；进一步地，所述电子控制单元11与柴油发动机12相连接；当电子控制单元11根据所采集的柴油发动机12工作状态信号判断需要喷射燃油时通过IGBT驱动单元10控制Marx发生器9所包括的N个IGBT901导通，N个储能电容903串联放电输出高压脉冲电流，电磁线圈6在高压脉冲电流的作用下产生电磁力吸引柱塞3在柱塞套2内向上运动，在柱塞3的挤压下，油腔21内存在的燃油通过出油管道7和打开的出油阀5从出油口8喷出，同时电子控制单元11通过IGBT驱动单元10控制Marx发生器9所包括的N个IGBT901关断，电磁线圈6断电，作用在柱塞3上的电磁力消失，柱塞3开始向下运动，油腔21内的燃油经过进回油孔4回油，出油阀5关闭，完成一次燃油喷射过程；进一步地，电子控制单元11可以通过控制Marx发生器9所包括的N个IGBT901不断导通、关断实现燃油的多次喷射过程；进一步地，所述Marx发生器9所包括的N个IGBT901的集电极与发射极之间分别反向并联有续流二极管；进一步地，可以通过周向旋转柱塞3以改变柱塞3型线对进回油孔4的封闭时间。

本发明所述线圈感应泵，利用电磁弹射技术驱动柱塞以加压、排送船舶柴油机燃油，替代了传统的凸轮轴式高压油泵，其以Marx发生器形成的高压脉冲电流作为能量来源，当高压脉冲电流通过电磁线圈时产生磁行波来驱动柱塞，柱塞的运动对油腔内的燃油加压，当达到出油阀的开启压力时，出油阀打开，所述出油阀采用单向阀，同时Marx发生器在电子控制单元控制下关断IGBT，柱塞失去电磁力的吸引而下行，完成一次泵油过程，实际应用时可以布置一柱塞复位弹簧以帮助柱塞向下运动，这部分与传统的柱塞泵的结构相同，另外还设置有使柱塞周向运动以改变进回油孔封闭时间长短的齿圈齿条，这些均为现有技术中的柱塞泵的传统结构，电子控制单元可以通过控制Marx发生器所包括的N个IGBT不断导通、关断实现燃油的多次喷射过程以及灵活控制泵的喷油时间以及实现预喷射，可以灵活、精确控制喷油正时和喷油提前角，来达到燃油的良好雾化和燃烧，利于改善工质燃烧效果，进而提高船舶柴油机的经济性与环保性，减少排放物中氮氧化物和硫氧化物的含量，从而满足船舶主机节能与环保排放的要求以及国际海事组织对船舶排放物日益严格的要求，本发明对柱塞的驱动力采用电磁弹射技术中的电磁力，基于感应线圈炮的原理，感应线圈炮又称交流同轴线圈炮，是电磁炮的最早形式，由加速线圈和抛体即弹丸构成，加速线圈固定在炮管中，当它通入变化的电流时，产生的变化磁场便会在弹丸中产生感应电流，感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场相互作用，产生洛伦兹力，使弹丸加速运动并发射出去，从本质上讲即是基于直线电机的原理，加速线圈相当于直线电机的初级，抛体相当于次级；本发明相对于传统的机械式高压油泵，电的良好可控性可以轻松实现油泵喷油正时要求；Marx发生器所包括的储能电容可以根据不同需求来配备不同数量和容值；电子控制单元根据所采集的柴油发动机工作状态信号判断需要喷射燃油时通过IGBT驱动单元控制Marx发生器所包括的N个IGBT导通，具体为电子控制单元可以通过磁脉冲传感器采集柴油发动机的曲轴位置信号，从而确定喷油时刻进而发出触发信号，使得Marx发生器中的N个IGBT导通，输出瞬时大功率脉冲，驱动线圈感应泵加压燃油，实现周期性喷油；另一方面电子控制单元也可以通过相应的传感器，采集柴油发动机的缸套水温、柴油发动机气缸内压力等柴油发动机的工作状态信号来判断柴油发动机的工作是否异常，实现保护性停车。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种线圈感应泵，其特征在于包括结构部分和电控部分；

所述结构部分包括泵体(1)、设置在泵体(1)上的柱塞套(2)、与柱塞套(2)动密封配合的柱塞(3)、开设在柱塞套(2)的套壁上的进回油孔(4)、设置在柱塞套(2)上端的出油阀(5)和缠绕在柱塞套(2)上的电磁线圈(6)；所述柱塞(3)的上端伸入至柱塞套(2)的油腔(21)内，且柱塞(3)可以在该油腔(21)内上下移动；所述出油阀(5)一端通过出油管道(7)与柱塞套(2)上端连接，另一端与出油口(8)连接；

所述电控部分包括用于驱动电磁线圈(6)的Marx发生器(9)，该Marx发生器(9)包括电感和N个级联的子电路(91)，其中N为整数；每一子电路(91)均包括储能电容(903)、二极管Ⅰ(904)、二极管Ⅱ(902)和IGBT(901)；所述储能电容(903)一端与二极管Ⅰ(904)阴极和IGBT(901)集电极相连接，该储能电容(903)另一端与二极管Ⅱ(902)阳极相连接；所述二极管Ⅱ(902)阴极与IGBT(901)发射极相连接；第一级子电路(91)所包括的二极管Ⅰ(904)阳极与电感相连接，其余N-1个子电路(91)所包括的二极管Ⅰ(904)阳极均与上一级子电路(91)所包括的IGBT(901)集电极相连接；第N级子电路(91)所包括的二极管Ⅱ(902)阴极与电磁线圈(6)一端相连接，电磁线圈(6)另一端与第一级子电路(91)所包括的二极管Ⅱ(902)阳极相连接，其余N-1个子电路(91)所包括的二极管Ⅱ(902)阳极均与上一级子电路(91)所包括的IGBT(901)发射极相连接；

所述电控部分还包括：

IGBT驱动单元(10)；

通过IGBT驱动单元(10)与每一子电路(91)所包括的IGBT(901)的门极和发射极相连接，用于控制N个IGBT(901)同时导通或关断的电子控制单元(11)。

2.根据权利要求1所述的一种线圈感应泵，其特征在于所述柱塞(3)包括柱塞杆(31)和柱塞头(32)；所述柱塞(3)由具有型线的磁性材料制成；所述柱塞套(2)由磁性材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种线圈感应泵，其特征在于所述电控部分还包括初级与船舶电站(16)相连接的变压器(15)、输入端与变压器(15)次级相连接的整流桥(14)、以及与整流桥(14)输出端并联连接的滤波电路(13)；所述整流桥(14)输出正端通过电感与第一级子电路(91)所包括的二极管Ⅰ(904)阳极相连接；所述整流桥(14)输出负端与第N级子电路(91)所包括的二极管Ⅱ(902)阴极共地；船舶电站(16)输出的交流电经过变压器(15)、整流桥(14)和滤波电路(13)后提供直流电给Marx发生器(9)，对Marx发生器(9)所包括的N个储能电容(903)并联充电。

4.根据权利要求3所述的一种线圈感应泵，其特征在于所述电子控制单元(11)与柴油发动机(12)相连接；当电子控制单元(11)根据所采集的柴油发动机(12)工作状态信号判断需要喷射燃油时通过IGBT驱动单元(10)控制Marx发生器(9)所包括的N个IGBT(901)导通，N个储能电容(903)串联放电输出高压脉冲电流，电磁线圈(6)在高压脉冲电流的作用下产生电磁力吸引柱塞(3)在柱塞套(2)内向上运动，在柱塞(3)的挤压下，油腔(21)内存在的燃油通过出油管道(7)和打开的出油阀(5)从出油口(8)喷出，同时电子控制单元(11)通过IGBT驱动单元(10)控制Marx发生器(9)所包括的N个IGBT(901)关断，电磁线圈(6)断电，作用在柱塞(3)上的电磁力消失，柱塞(3)开始向下运动，油腔(21)内的燃油经过进回油孔(4)回油，出油阀(5)关闭，完成一次燃油喷射过程。

5.根据权利要求4所述的一种线圈感应泵，其特征在于电子控制单元(11)可以通过控制Marx发生器(9)所包括的N个IGBT(901)不断导通、关断实现燃油的多次喷射过程。

6.根据权利要求1所述的一种线圈感应泵，其特征在于所述Marx发生器(9)所包括的N个IGBT(901)的集电极与发射极之间分别反向并联有续流二极管。

7.根据权利要求2所述的一种线圈感应泵，其特征在于可以通过周向旋转柱塞(3)以改变柱塞(3)型线对进回油孔(4)的封闭时间。