CN1074088C - 带有间歇输送泵的往复式燃油泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃油泵，它具有旋转驱动轴(24)、高压泵(70)和输送泵(150)。高压泵具有一个或多个往复移动的泵送柱塞(14)和一个泵送柱塞驱动装置(62，48，66)，其由驱动轴驱动，以便往复移动每个泵送柱塞，从而在由驱动轴转速决定的频率下提供高压泵工作的交替的吸入和泵送相，以便分别接受燃油的吸入量和为燃油喷射高压输送燃油。燃油输送泵具有提供输送泵工作的交替的吸入和输送相的往复移动的输送柱塞(152)，以便分别接受燃油且在压力下将燃油送至高压泵。输送泵包括输送柱塞驱动装置(176，182，60)，其由驱动轴驱劝，以便在与高压泵相同的频率下且在与高压泵预定的同步中往复移动输送柱塞，从而在高压泵工作的吸入相和输送泵工作的输送相中，间歇地将燃油送至高压泵。

Description

带有间歇输送泵的往复式燃油泵
本发明一般涉及燃油泵，这种泵具有一高压泵，高压泵带有一个或多个往复移动的泵送柱塞，其定期地为燃油喷射以高压输送燃油。这种泵称为“往复式燃油泵”。更具体来说，本发明涉及一种往复式燃油泵，其具有新颖和改进的燃油输送泵，将燃油间歇地输送至高压泵。
在具有用于使泵送柱塞往复移动的旋转凸轮(一般与有关内燃机同步)的那种往复式燃油泵中。本发明具有显著的实用性。上述泵在本说明书中称为“旋转凸轮式燃油泵”。例如，在具有一个带有多个径向泵送柱塞的泵体和一个围绕泵体且可旋转以便使泵送柱塞往复移动的凸轮环的那种旋转凸轮式燃油泵中，本发明具有显著的实用性。上述泵在本说明书中称为“旋转凸轮环式燃油泵”。1994年6月7日，名称为“分配器式燃油喷射泵”的美国专利第5,318,001号公开了一种旋转凸轮环式燃油泵的实例。
在分配器式(即直接且按顺序地向有关发动机的燃油喷射器输送高压燃油)和非分配器式(即向共轨喷射系统输送高压燃油)的往复式燃油泵中，本发明都具有实用性。在非旋转凸轮式燃油泵，例如具有固定凸轮和旋转泵体以替代旋转凸轮和固定泵体的往复式燃油泵中，本发明也具有实用性。
本发明的目的是提供一种燃油泵，它设有一输送泵，其与往复移动的泵送柱塞成定时关系地间歇向高压泵输送燃油。输送泵与高压泵频率相同地，与高压泵同步地工作，因此，输送泵工作的间歇输送相在高压泵工作的间歇进气期出现。输送泵和高压泵形成最佳的同步，使输送泵可在速度和高压泵燃油供送量的整个范围内满足高压泵的燃油需要。
按照本发明的燃油泵具有一种燃油泵，它具有一根旋转驱动轴；一个高压泵，其泵体带有一泵室，泵室环形地布置多个从一凸轮轴线径向向外延伸的泵送柱塞孔，在每个泵送柱塞孔中装有一个往复移动的泵送柱塞和一个凸轮环，其包围泵体并通过旋转驱动装置可绕所述凸轮轴线转动，所述凸轮环具有内环凸轮，以便使每个泵送柱塞往复移动，从而以旋转驱动装置转速决定的频率提供高压泵工作的交替的吸入和输送相，从而分别接受燃油和在高压下从泵室输送燃油；以及一个输送泵，其用于在压力下输送燃油以便送至泵室；输送泵包括一个输送柱塞孔，一个输送柱塞装在输送柱塞孔中作往复移动，以便提供输送泵工作的交替的吸入和输送相，所述凸轮环在与所述高压泵相同的频率下，并且在与所述高压泵预定的同步中操纵所述输送泵，从而将燃油间歇地送至高压泵室，其特征在于：所述凸轮环具有用于操纵所述输送泵的外环凸轮。
其它目的一部分是显而易见的，一部分将在下文中详述。
现对照本发明实施例的附图进行详细描述以便更好地理解本发明。
图1是应用本发明实施例的旋转凸轮环式燃油泵的纵剖图，其中部分断开，部分剖开；
图2是经改进装入一整体燃油供给泵的图1的燃油泵的局部纵剖图，其中部分断开，部分剖开；
图3是图1的燃油泵的局部横剖图，其中部分断开，部分剖开，表示燃油泵的凸轮和凸轮随动机构；
图4是图1的燃油泵的局部横剖图，其中部分断开，部分剖开，表示燃油泵的某些阀和燃油通道；
图5是图1的燃油泵的放大局部横剖图，其中部分断开，部分剖开，表示燃油泵的输送泵的出口止回阀；
图6是图2的改进的燃油泵的放大局部横剖图，其中部分断开，部分剖开，表示燃油供给泵的组合进口阀和减压安全阀；
图7是采用图2的改进燃油泵的燃油泵安装示意图；
图8是表示图1的燃油泵的输送泵和高压泵的工作循环的定时图。
在附图中使用相同的标号表示相同或相似的零部件。图1表示应用本发明一实施例的旋转凸轮环式燃油泵8。泵8是一个具有1994年6月7日、名称为“分配器式燃油喷射泵”的美国专利第5,318,001号所描述的那种分配系统的分配泵。这种泵8用于为燃油喷射直接地和按顺序地向有关内燃机(未画出)的燃油喷射器(未画出)输送高压燃油。
为了调节泵8的每次燃油添加的量和定时，设有一个电控阀9。电控阀9可设计成且用于提供1988年7月19日，名称为“调节燃油喷射的定时及量的方法和装置”的美国专利第4,757,795号描述的那种溢出-泵送-溢出工作方式或注入-溢出工作方式。所公开的泵8设计成且用于提供上述注入-溢出工作方式。
本说明书引作参考文献的美国专利第5,318,001号和第4,757,795号提供了对分配系统和注入-溢出工作方式的详细说明。
所公开的泵8设计成用于六缸发动机。泵8具有一个带有12个径向孔16的固定泵体。12个孔16布置成轴向间隔开的两排，每排具有6个等角距的径向孔16。在每排中的6个径向孔16与另一排的6个径向孔16在角度上对准。泵送柱塞14装在每个孔16中形成6对对准的柱塞14，为每个发动机喷油嘴设置一对柱塞14。
柱塞孔16从泵体12的外圆柱面22向内伸至泵体12中一中心共轴通孔23。一个共轴内环25连接径向孔16的内端形成一个高压泵送腔20。泵体12和柱塞14是由耐磨合金钢制成的，具有很精确的配合。
构成泵壳26一部分的一个固定的外头部40具有一个接纳和支承泵体12的圆孔41。头部40是由钢制成的，而多部件的泵壳26的其余部分最好由铝制成。泵体12压配合在头部40中密封其圆筒形界面以防泄漏。头部40形成一个外分配头部42和一个内滚子蹄块毂部44。分配头部42具有6个等角距分配出口45，每个燃油喷射器一个。毂部44具有6个等角距的径向槽46，每个槽为一对对准的柱塞14支承一个滚子蹄块48。
泵驱动轴24在其内端具有一扩大的整体式凸缘50。圆锥滚子轴承52安装在内端凸缘50和泵体12之间。第二圆锥滚子轴承54设在驱动轴24和泵壳26之间。因此，驱动轴24是与固定的泵体12共轴地，可转动地安装的。泵8适于安装在有关的发动机上，使泵驱动轴被发动机转动，其转速一般为发动机转速的一半。
环形凸轮环60借助6个角度上间隔开来的螺钉61固定在驱动轴24的内端凸缘50上。凸轮环60围绕泵体12和毂部44。凸轮环60提供了一个内环状凸轮60，其内凸轮面带有5个完整的凸轮凸部64(即，比柱塞对的数目少一个)，以及一个分配斜面65。这6个凸轮部分64，65具有与6对柱塞14和有关的柱塞驱动滚子66相同的角节距。在轴24转动期间凸轮凸部64周期地向内驱动滚子66，滚子蹄块48和柱塞14。
往复式高压泵70是由固定的泵体12、旋转凸轮、柱塞14、滚子蹄块48和滚子66构成的。在高压泵70的每个工作循环期间，一个柱塞14被用作将泵送腔20连接于有关分配出口45的分配阀。在凸轮62的每转中，6对柱塞14被内凸轮62定位及驱动，以便按顺序将高压燃油加添量送至6个分配出口45。滚子66、滚子蹄块48和内凸轮66的轴向宽度大于两排柱塞14的总轴向宽度。柱塞直径和行程的形成使由高压泵70输送的最大燃油量的柱塞行程最佳化。
发动机润滑油在高压下从发动机润滑油系统送至泵以便使壳腔72部分地注有润滑油。过多的润滑油通过外轴轴承54返回发动机润滑油槽。因此，润滑油通过壳腔循环以便向凸轮62、滚子66和滚子蹄块48提供飞溅润滑(下文称为输送泵150的运动零件的飞溅润滑)。内部润滑油系统保持与内部燃油系统完全分开，无需专门的密封来防止润滑油的燃油污染。在泵送柱塞14和孔16之间泄漏的燃油通过包围孔16的低压环74及通过在泵体12上钻出的将环74连接于泵体12的外端的低压端腔80的通道76,78返回燃油箱。在分配头部42上设有钻出的通道(未画出)，以便使燃油从端腔80返回燃油箱。
电控阀9具有一个操纵阀的电磁线圈82和装在通孔23中长形阀件100。燃油通过一条在分配头部42和泵体12中径向延伸的燃油入口通道102并通过阀件100送至泵送腔20以迫使柱塞机构(包括柱塞14、滚子蹄块48和滚子66)向外抵靠凸轮62。电控阀9通过使电磁线圈82通电而一般在凸轮62的吸入相结束之前被定时闭合。在电控阀9闭合前送至泵送腔20的燃油量由凸轮62的轮廓确定。
阀9保持闭合直至在随后的凸轮62的泵送相中燃油的高压输送之后。在泵送相中，柱塞机构中的间隙首先被消除，然后凸轮62向内驱动泵送柱塞14，以便从泵送腔20以高压输送燃油添加量。阀的电磁线圈82一般在泵送相结束之前断电，以便打开电控阀9并从泵送腔20溢出燃油，从而终止燃油的高压输送。在分配头部42上钻出的通道106将燃油入口通道102连接于返回管线接头110，以便使溢出的燃油返回燃油箱(未画出)。在接头110中的压力调节器，即减压安全阀112打开以便当溢出压力达到显著高于输送泵150提供的最大输送或入口压力的一预定最佳值(例如500磅/英寸2)时使溢出的燃油返回燃油箱。
输送泵(“TP”)150用于在往复移动的柱塞14的高频率下(例如，对于最大速度为3,500转/分的四冲程六缸发动机，以175cps的最大频率)间歇地向泵送腔20输送燃油。输送泵150具有轻的、中间TP柱塞152，装在分配头部42的径向TP孔154中(在一对分配出口45之间)。TP孔154的内端直接连接于靠近阀件100的燃油入口通道102，以减小TP孔154和高压腔20之间燃油柱的长度和惯性，从而减小在凸轮62的进气期开始时问泵腔20送油的反应时间。另外，TP柱塞152的直径和燃油进口通道102的直径制得较大以减小反应时间。
在TP孔154的进口管线170中设有一个单向，进口止回阀156。因此，TP柱塞152形成单向、正位移输送柱塞，其用于将燃油在压力下送往高压泵腔20。在TP孔154的内端设有一个单向、出口止回阀158，以便限制燃油从高压泵腔20向TP孔154的回流。出口止回阀包括一个圆形阀件160和一个向外偏压阀件160使其与一个由拼回保持环164形成的阀座接合的压簧162。如图5所示，拼合环164的端部166分开以便在阀件160抵靠环164时形成旁通口168，而在阀件160中也可设置一旁通口作为替代。旁通口168用于抑制电控阀9最初打开时从高压泵腔20传来的高压尖峰。旁通口168也用于向TP孔154返回部分从高压泵腔20溢出的燃油。通过向TP孔154返回溢出的燃油，需要通过TP进口管线170向TP孔154供给的燃油量被减小，从而延长进口燃油滤清器172的寿命。在每个泵送循环中，向TP孔返回的燃油量随发动机转速变化(例如，从在发动机怠速时的40％的溢出量变化至最大速度时的10％)。每分钟向TP孔返回的溢出量在发动机整个速度范围内基本保持恒定，其形成时使返回的热燃油不致引起任何过热。
TP柱塞152被一轻的TP杠杆176向内驱动，杠杆176一端借助枢销180可摆动地装在泵壳26上。TP杠杆176具有一底部177，以及一对形成刚性的U形的、相对的直立侧部178。在TP杠杆176的外自由端上形成一个凸的圆柱形支承面182，其与TP柱塞152的外平端面接触，以容纳TP杠杆176和TP柱塞152的相对运动。在这个公开的实施例中，TP杠杆176的枢轴垂直于轴24的轴线，且与轴24的轴线径向偏置。如果需要，输送泵150的定位和结构可使TP杠杆的轴线平行于上述轴的轴线。
TP杠杆176由一TP压簧186向内偏压，压簧186位于一个固定的弹簧支承毂部188和一个与TP杠杆176接合的止推垫圈190之间。弹簧支承毂部188安装在构成多部件泵壳26一部分的可卸盖192上的一径向螺孔中。TP弹簧186用于向内驱动TP杠杆176和TP柱塞152以便将燃油送至泵腔20。TP弹簧186的弹力和弹簧刚度和建立是考虑到TP柱塞152的由杠杆放大的行程。
凸轮环60提供了一个外环凸轮200，其外凸轮面用于操纵输送泵150。TP弹簧186定期地由TP凸轮200通过一挺杆或驱动销202压缩。挺杆202穿过TP杠杆176、止推垫圈190和TP弹簧186，并可往复移动地装在弹簧支承毂部188中的一个共轴孔204中。挺杆202内端上的扩大头部206用作可由TP凸轮200接合的挺杆头部即随动件。挺杆头部206具有一个上部的部分球面，其与止推垫圈190上相配合的内环面接合。TP凸轮200具有六个等间距的凸轮凸部210，它们定期地向外抵抗TP弹簧186的偏压而驱动挺杆202。因而挺杆202在驱动轴24的每转中被向外驱动6次，高压泵70的每个泵送循环一次。每个凸轮凸部210形成一个例如0.125英寸的最大挺杆升程和一个0.220英寸的相应的TP柱塞行程。在由TP凸轮200对挺杆202的每次向外驱动中，TP柱塞152和TP杠杆176被从TP进口管线170和泵腔20送至TP孔154的燃油向上驱动(缩回)。在TP杠杆176和TP柱塞152的每次这种缩回之后，输送泵150在随后的高压泵70工作的进气期中根据需要被装载以便向高压泵腔20输送燃油。
如上所述，内部润滑油系统为包括TP凸轮200、挺杆202、止推垫圈190、TP杠杆176和TP柱塞152的输送泵150的运动部件提供飞溅润滑。
图8表示输送泵150和高压泵70的工作循环的定时图。两个工作循环具有相同的频率和驱动轴转动的60°的期间。输送泵150与高压泵70成异相关系，与高压泵70同步(即，相位差大约为半个循环或驱动轴转动的30°)。(由凸轮200提供的)高压泵70工作的进气相主要在(由凸轮62提供的)高压泵70工作的泵送相中出现，输送泵150工作的输送相在高压泵70工作的进气相中出现。凸轮200稍许角度偏置，使凸轮200的进气相在凸轮62的进气相开始前几度(例如，驱动轴转动的5度)结束，使TP柱塞152被调节，以便在高压泵70工作的进气相开始前几度向泵腔20输送燃油。
输送泵150的容量大于高压泵70的容量(最好不大于大约10％)，从而使输送泵150可以在高压泵70的整个速度和供油量范围内完全满足高压泵70的间歇和变化的燃油需要。TP柱塞152的直径和行程的建立可提供需要的输送泵容量在所公开的泵8中，TP柱塞152的横截面积最好大致等于一个泵送柱塞14的横截面积的十倍(即大致等于10个泵送柱塞14的总横截面积)。另外，由TP凸轮200提供的TP柱塞的最大行程最好大致等于但稍许大于TP柱塞14的最大行程。
如图所示，输送柱塞152在高压泵70工作的吸入相开始时被完全加载，以便根据需要向高压泵70输送燃油。在该点上，TP弹簧186被完全压缩，产生最高的输送压力(例如200磅/英寸2)以克服系统的初始惯性。输送柱塞152的向内位移与送至高压泵腔20的燃油量直接有关。因此，TP弹簧186的随后压缩也与上述燃油量直接有关。因此，压缩TP弹簧186所需的能量被保持最小且在发动机怠速时显著地小于发动机最大负载时。因而操纵输送泵150需要较低的平均驱动转矩。另外，该平均驱动转矩也被从高压泵腔20返回至TP孔154的溢出燃油量减小。如图8所示，在高压泵70的输送相结束时返回TP孔154的燃油可将挺杆202抬离TP凸轮并且超过TP凸轮200所提供的压缩量而压缩TP弹簧186。
为了以需要的进口压力(例如在40至80磅/英寸2之间)向输送泵150供给燃油，设置有一个适当的燃油供给泵。为此目的，可将一个普通的往复式供给泵(未画出)装在有关的发动机上并由其驱动。如果不安装在发动机上，供给泵最好结合在燃油泵8中。
现参阅图2和7，一个供给泵组件250安装在泵壳26上以替代包括挺杆202、TP弹簧186、TP弹簧支承毂部188和止推垫圈190的挺杆分组件。组件250包括一个装在一个单独的组件外壳254上的径向孔中的类似的挺杆分组件。在挺杆202的外端上设置一个整体式供给泵(“SP”)260。供给泵260从燃油箱接受燃油并通过进口燃油滤清器172和进口止回阀156向TP孔154供给燃油。供给泵260具有一个装在长的弹簧支承毂部188上的外部共轴孔164中的轻的、中空的SP柱塞262。SP柱塞固定在挺杆202的外端且被挺杆202向外驱动以便向TP柱塞孔154供给燃油。SP柱塞262被挺杆202向内收缩以便在燃油从输送泵150送至高压泵70时再注SP孔264。供给泵260的容量最好大致等于但稍许大于输送泵150的容量。因此，SP柱塞262的横截面积充分地大于TP柱塞152的横截面积以便补偿TP柱塞152的较大行程。
形成进口止回阀和减压安全阀的一个组合阀270安装在中空的SP柱塞262中。进口止回阀是由一圆形阀件272形成的，它适于在SP柱塞262向内缩回时向外挠曲以充注SP孔264。该圆形阀件272适于被驱动以抵抗一个压簧，以便形成一个用于在SP压力超过预定最大压力(例如80磅/英寸2)时将燃油返回供给泵进口的减压安全阀。
本专业技术人员懂得，可以对前述公开的技术方案进行修改变化而并不超出本发明的范围。

Claims (11)

1．一种燃油泵(8)，它具有一根旋转驱动轴(24)；一个高压泵(70)，其泵体(12)带有一泵室(20)，泵室环形地布置多个从一凸轮轴线径向向外延伸的泵送柱塞孔(16)，在每个泵送柱塞孔(16)中装有一个往复移动的泵送柱塞(14)和一个凸轮环(60)，其包围泵体(12)并通过旋转驱动装置(24)可绕所述凸轮轴线转动，所述凸轮环(60)具有内环凸轮(62)，以便使每个泵送柱塞往复移动，从而以旋转驱动装置(24)转速决定的频率提供高压泵(70)工作的交替的吸入和输送相，从而分别接受燃油和在高压下从泵室(20)输送燃油；以及一个输送泵(150)，其用于在压力下输送燃油以便送至泵室(20)；输送泵(150)包括一个输送柱塞孔(154)，一个输送柱塞(152)装在输送柱塞孔(154)中作往复移动，以便提供输送泵(150)工作的交替的吸入和输送相，所述凸轮环(60)在与所述高压泵相同的频率下，并且在与所述高压泵预定的同步中操纵所述输送泵(150)，从而将燃油间歇地送至高压泵室(20)，其特征在于：所述凸轮环(60)具有用于操纵所述输送泵(150)的外环凸轮(200)。
2．根据权利要求1所述的燃油泵，其特征在于：所述输送泵还包括：
压簧(186)，它可在其一个方向上膨胀，以便在一个输送方向上驱动输送柱塞(152)，从而在压力下将燃油送至高压泵(70)，所述外环凸轮(200)定期地在相反的方向上缩回压簧(186)，以便为输送柱塞的所述驱动而使压簧(186)加载，以及
一根机械地连接在压簧(186)和输送柱塞(152)之间的摆动杠杆(176)，其受到压簧(186)在一个摆动方向上的偏压，以便在输送方向上偏压输送柱塞(152)；
其中，所述输送柱塞(152)在与高压泵(70)相同的频率下往复移动，以便在高压泵(70)工作的吸入相和输送泵(150)工作的输送相的过程中将燃油送至泵室(20)。
3．根据权利要求2所述的燃油泵，其特征在于：所述压簧(186)在输送方向上驱动输送柱塞(152)，以便与送至高压泵(70)的燃油量直接有关地将燃油在压力下送至高压泵(70)。
4．根据权利要求1,2或3所述的燃油泵，其特征在于：往复移动的输送柱塞(152)的最大排量大于高压泵(70)的最大排量。
5．根据权利要求1,2或3所述的燃油泵，其特征在于：往复移动的输送柱塞(152)的最大排量比高压泵(70)最大排量大不超过10％。
6．根据权利要求1所述的燃油泵，其特征在于：可选择性工作的阀门装置(9)用于在高压泵(70)工作的吸入相中将燃油从输送泵(150)送至高压泵(70)，并用于在高压泵(70)工作的输送相中使燃油从高压泵(70)溢出，所述输送泵(150)包括止回阀(158)，其提供从高压泵(70)至输送柱塞孔(154)的溢出燃油的有限逆流。
7．根据权利要求1或6所述的燃油泵，其特征在于还包括：一条连接输送泵(150)和高压泵(70)的燃油通道(102)，其用于将燃油从输送泵(150)送至高压泵(70)；有选择工作的阀门装置(9)，其用于在高压泵(70)工作的泵送相中使燃油从高压泵(70)溢入所述燃油通道(102)中，以及止回阀(158)，其提供从所述燃油通道(102)至输送柱塞孔(154)的溢出燃油的有限逆流。
8．如权利要求7所述的燃油泵，其特征在于还包括一个连接于所述燃油通道(102)以便限制在所述燃油通道(102)中的压力的阀(112)，所述止回阀(158)包括一个用于限制向着输送泵(150)的逆流的出口止回阀(158)和一个提供溢出燃油的向着输送柱塞孔(154)的所述有限逆流的旁通口(168)。
9．根据权利要求2所述的燃油泵，其特征在于：所述压簧(186)包括一根由所述旋转凸轮环(60)往复移动的挺杆(202)，以便在所述相反的方向上定期地缩回压簧(186)。
10．如权利要求9所述的燃油泵，其特征在于：还包括一个燃油供给泵(260)，它具有由挺杆(202)往复移动的燃油供给柱塞(262)，以便在输送泵(150)工作的吸入相中在压力下向输送泵(150)供给燃油。
11．如权利要求1所述的燃油泵，其特征在于：还包括一个分配头部(40)，其围绕泵体(12)并具有多个绕泵体(12)间隔分布且为从泵室(20)接受高压燃油顺序连接的分配出口(45)，所述输送柱塞孔(154)设在分配头部(40)中。
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