CN108533430B - 一种柴油机超高压燃油泵结构 - Google Patents
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Abstract
一种柴油机超高压燃油泵结构，包括柱塞、泵体、工作缸孔道、传压油缸孔道、自由活塞、环形润滑油槽、油道和进润滑油单向阀，其中传压油缸孔道的一端与泵腔贯穿，自由活塞装在传压油缸孔道内；自由活塞将传压油缸孔道分隔成为自由活塞一端与泵腔之间的传压腔及自由活塞另一端的润滑油腔；油道的一端与润滑油腔连通、另一端与环形润滑油槽相连通；该结构制造工艺性好、容易加工、能有效保证传压油缸孔道的加工精度、提高了生产效率、降低了制造成本，实现了无燃油或水泄漏、泵油压力达到2500bar以上；有效地保证柱塞的润滑，避免柱塞与缸孔道的直接接触，克服了柱塞与工作缸孔道的磨损问题，提高了工作可靠性与工作寿命。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机高压燃油泵，具体为一种柴油机的超高压燃油泵结构，属于机械领域。
背景技术
柴油机是广泛使用的发动机，为适应越来越严厉的排放法规与降低燃油消耗率的要求、以及燃用二甲醚、甲醇等低粘度替代燃料的市场需求，柴油机需要喷射压力更高并且适合喷射低粘度替代燃料的一种柴油机超高压燃油结构。
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，高压燃油泵的柱塞与柱塞套的滑动配合的微间隙依靠柴油润滑与密封，解决泄漏的方法是在与柱塞配合的柱塞套孔的孔壁上开一个环形的卸压回油槽，使泄漏的柴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。
为满足降低油耗与降低排放的要求，柴油机需要进一步提高燃油喷射的压力，但燃油泄漏量随压力升高而增大，高压燃油泵燃油过量泄漏导致难以建立超高压燃油压力的问题一直是柴油机高压燃油喷射系统研制中的技术难题；
如上所述，现有柴油机采用的柱塞式高压燃油泵的柱塞与柱塞套之间的滑动配合依靠柴油润滑与密封，喷射二甲醚与甲醇等低粘度替代燃料时，二甲醚与甲醇的液体粘度(分别为0.15mm2/s与0.6mm2/s)比柴油的液体粘度(3～8mm2/s)小很多，柱塞与柱塞套很快就磨损失效，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，专利号为ZL 20062 0127615.1，发明名称为《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，由于柴油机电控喷油系统的柱塞泵的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1600bar；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、堵喷油嘴的喷油孔的问题；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，出现精密配合的柱塞表面与柱塞套孔内表面磨损与燃料泄漏问题。
本申请人的发明专利，专利号为ZL 201010 5 27308.3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、压力同步升降的结构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柱塞泵存在的润滑与密封的问题。但结构较复杂、体积大，很难在现有柴油机上安装使用，消耗材料多、高精度零件多、制造成本较高。
本申请人的发明专利，专利号为ZL201110217136.4的《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》，省略了本申请人前一发明专利(ZL 2010 105 27308.3)《低压差液力密封式高压共轨燃油泵》的9项要素，减少了多件高精度零件，减小了泵的体积与原材料的消耗，降低了制造成本，并依然保持原有的全部功能；采用发明专利ZL201110217136.4《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》试生产的单缸柴油机多种燃料喷油泵，拆检四个泵，发现传压油缸孔道5与三通油道5.5相连接端的传压油缸孔道5的端部呈现出锥形，锥度大、越靠近连接端直径越小；如附图4所示，出现这个质量问题的原因是：加工传压油缸孔道5时需在传压油缸孔道5与油道5.3连通的一端先打工艺孔17.1，加工传压油缸孔道5的刀具从工艺孔17.1向下加工传压油缸孔道5，而刀具的头部因磨损形成小的锥面，随加工次数的增加、刀具头部磨损加大，导致传压油缸孔道5与三通油道5.5连接端传压油缸孔道5的孔壁的锥度加大、孔径变小；为保证自由活塞4在传压油缸孔5中可自由滑动并保证密封性，其配合间隙应控制在0.0015～0.0025mm范围内，依据柴油机喷油泵柱塞偶件技术条件JB/T7173.1要求自由活塞4与传压油缸孔道5的圆度应达到0.0005mm、锥度应小于20：0.0006mm；采用本申请人原发明专利ZL2011102171364《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》生产柴油机多种燃料喷油泵产品，在加工中为了保证传压油缸孔道的锥度符合国家标准规定的要求，只能不断地更换头部磨损的刀具，存在成本高、所加工的传压油缸孔道5的直径尺寸不稳定、生产效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是克服采用上述本申请人的原有发明、专利号为ZL201110217136.4的《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》生产的柴油机高压燃油泵，因传压油缸5的下端的“润滑油腔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”的复杂结构，导致难保证传压油缸孔道5与三通油道5.5联结端的传压油缸孔道5的孔壁的加工精度、制造成本高的问题，提供一种结构更简单、容易制造、容易保证加工精度、制造成本低、依然能有效保证柱塞的润滑与密封、泵油压力达到2500bar以上、可燃用多种燃料、工作可靠性好、柱塞工作寿命长的一种柴油机超高压燃油泵结构。
为实现上述本发明的目的，本申请人对本人原发明专利ZL201110217136.4《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》进一步进行“要素关系改变”、“要素省略”的创新，发明一种柴油机超高压燃油泵结构。
本发明采用如下技术方案：
一种柴油机超高压燃油泵结构，包括柱塞1、泵体2、工作缸孔道3、传压油缸孔道5、自由活塞4、环形润滑油槽6、油道6.1和进润滑油单向阀7，其中传压油缸孔道5的一端与泵腔3.1贯穿、自由活塞4装在传压油缸孔道5内；自由活塞4将传压油缸孔道5分隔成为自由活塞4一端与泵腔3.1之间的传压腔5.2及自由活塞4另一端的润滑油腔5.1；油道6.1的一端与润滑油腔5.1连通、另一端与环形润滑油槽6相连通；
其中进润滑油单向阀7与所述环形润滑油槽6连通；
其中泵腔3.1经传压腔5.2与自由活塞4的一端相连，自由活塞4的另一端经润滑油腔5.1、油道6.1与环形润滑油槽6相连通；
一种柴油机超高压燃油泵结构，包括柱塞1、泵体2、设在泵体2内的工作缸孔道3、传压油缸孔道5、油道6.1和进润滑油单向阀7，设在工作缸孔道3的孔壁上的环形润滑油槽6，自由活塞4装在传压油缸孔道5内、与传压油缸孔5呈精密的滑动配合，滑动配合间隙为0.0015～0.0025毫米的环形微间隙；柱塞1装在工作缸孔道3内，与工作缸孔道3之间为精密的滑动配合，其滑动配合间隙为0.0015～0.0025毫米的环形微间隙；柱塞1的上顶面与工作缸孔道3的上部构成泵腔3.1，设在工作缸孔道3孔壁上的环形润滑油槽6将柱塞1与工作缸孔道3之间的环形微间隙分隔为：从环形润滑油槽6向上至泵腔3.1的上柱塞环形微间隙9、从环形润滑油槽6向下至工作缸孔道3下端的下柱塞环形微间隙10；传压油缸孔道5的一端与泵腔3.1贯穿、自由活塞4装在传压油缸孔道5内；所述的自由活塞4将传压油缸孔道5分隔成：自由活塞4的一端与泵腔3.1之间形成的传压腔5.2及自由活塞4的另一端为润滑油腔5.1；其中油道6.1的一端与润滑油腔5.1连通、另一端与环形润滑油槽6相连通；进润滑油单向阀7与环形润滑油槽6连通；泵腔3.1经传压腔5.2与自由活塞4的一端相连通、自由活塞4的另一端经润滑油腔5.1、油道6.1与环形润滑油槽6连通；
在柱塞1上行泵油过程中，保持上柱塞环形微间隙9下端的环形润滑油槽6中的润滑油压PR1与上端的泵腔3.1中的燃油压PK1相等，PR1＝PK1，在柱塞1上行泵油的工作过程中有效地阻止了泵腔3.1中的超高压燃油进入上柱塞环形微间隙9，有效地克服了超高压燃油泄漏问题，从而保证了一种柴油机超高压燃油泵产生2500bar以上的超高压泵油压力；环形润润滑油槽6中的润滑油粘度随压力的增高粘度增大，由于下柱塞环形微间隙10对高粘度润滑油的截流作用，仅有少量润滑油经下柱塞微间隙10泄漏、经润滑油回油管16流回润滑油箱，下柱塞环形微间隙10中的润滑油膜使柱塞1在工作缸孔道3中浮动，避免了柱塞1与工作缸孔道3直接接触，有效地克服了柱塞1与工作缸孔道3的磨损失效问题，提高了工作可靠性与工作寿命。
该柴油机超高压燃油泵结构包括柱塞、泵体、传压油缸及装在传压油缸内的自由活塞；自由活塞将传压油缸分隔为传压腔与润滑油腔；环形润滑油槽将柱塞与工作缸孔之间的环形微间隙分隔为从环形润滑油槽向上至泵腔的上柱塞环形微间隙、从环形润滑油槽向下至工作缸孔的下端的下柱塞环形微间隙；在柱塞上行泵油时，泵腔中的超高压的燃油压力经传压腔、自由活塞、润滑油腔、油道传到环形润滑油槽，使泵腔中的燃油压力与环形润滑油槽中润滑油压力相等；少量润滑油从环形润滑油槽经下柱塞环形微间隙泄出，受泵腔中燃油压力的作用，自由活塞右行补充环形润滑油油槽经下柱塞环形微间隙泻出的润滑油，从而保持上柱塞环形微间隙下端环形润滑油槽中润滑油压力与上端泵腔中的燃油压力相等、阻止了泵腔中的燃油进入上柱塞环形微间隙，阻止了燃油从上柱塞环形微间隙泄漏；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，克服了柱塞与工作缸孔的磨损。
有益效果
1、本申请人对本人原发明专利ZL201110217136.4《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》进一步进行“要素关系改变”、“要素省略”的创新，省略了原发明专利中的油道5.3一个要素、改变要素传压油缸孔道5的位置，创新的传压油缸孔道5的一端与泵腔3.1贯通的结构，在加工传压油缸孔道5时，加工传压油缸孔道5的刀具的易磨损的刀头部可以越出传压油缸孔道5，从而保证了传压油缸孔道5的加工精度，有效地克服了本申请人原有发明专利ZL201110217136.4《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》中存在的难以保证传压油缸孔道5的加工精度、生产效率低、制造成本高的问题；本发明结构更简单、制造工艺性好、容易加工、特别是能有效的保证传压油缸孔道5的加工精度、提高了生产效率、降低了制造成本；
2、本发明省去本申请人原发明专利一项要素后，依然保持本申请人原有发明专利ZL201110217136.4《一种超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构》原有的全部功能：
(1)实现了无燃油或水泄漏、泵油压力达到2500bar以上；
(2)有效地保证了柱塞的润滑、避免了柱塞与缸孔道的直接接触、克服了柱塞与工作缸孔道的磨损问题、有效地提高了工作可靠性与工作寿命；
(3)结构更简单、制造成本更低。
该柴油机超高压燃油泵结构不仅提高了柴油机的高压油泵的泵油压力、使泵油压力达到2500bar以上，而且可使柴油机不仅烧柴油还可以烧甲醇等低粘度燃料；该柴油机超高压燃油泵结构还可用于超高压水泵、化工液体高压泵结构的实施。
附图说明
图1一种柴油机超高压燃油泵结构示意图；
图2一种柴油机超高压燃油泵结构实施方案在吸油时的结构示意图；
图3一种柴油机超高压燃油泵结构实施方案在泵油时的结构示意图；
图4现有技术超高压柱塞泵柱塞的密封润滑结构中的传压油缸孔道的下端在加工中产生锥度的示意图。
附图标记：
1、柱塞；2、泵体；3、工作缸孔道；3.1、泵腔；4、自由活塞；5、传压油缸孔道；5.1、润滑油腔；5.2、传压腔；5.4、环形微间隙；6、环形润滑油槽；6.1、油道；7、进润滑油单向阀；8、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；17、工艺孔；18、工艺孔堵塞；19、工艺堵塞；17.1、工艺孔；18.1、工艺孔堵塞；5.8、传压油缸孔道与三通油道连接端容易产生加工锥度的传压油缸孔道孔壁。
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。
如附图1所示，该柴油机超高压燃油泵主要包括柱塞1、泵体2、设在泵体2内的工作缸孔道3、传压油缸孔道5、油道6.1、进润滑油单向阀7、设在工作缸孔道3的孔壁上的环形润滑油槽6、装在传压油缸孔道5内的自由活塞4；其中柱塞1装在工作缸孔道3内，与工作缸孔道3之间为精密的滑动配合，其滑动配合间隙为0.0015～0.0025毫米的环形微间隙；柱塞1的上顶面与工作缸孔道3的上部构成泵腔3.1；设在工作缸孔道3的孔壁上的环形润滑油槽6将柱塞1与工作缸孔道3之间的环形微间隙分隔为：从环形润滑油槽6向上至泵腔3.1的上柱塞环形微间隙9、从环形润滑油槽6向下至工作缸孔3的下端的下柱塞环形微间隙10；自由活塞4装在传压油缸孔道5内，与传压油缸孔道5呈精密的滑动配合，其配合间隙为0.0015～0.0025毫米的环形微间隙5.4；传压油缸孔5的一端与泵腔3.1贯穿、自由活塞4装在传压油缸孔道5内、将传压油缸孔道5分隔为自由活塞4与泵腔3.1之间的传压腔5.2及自由活塞4另一端的润滑油腔5.1；油道6.1的一端与润滑油腔5.1连通、另一端与环形润滑油槽6相连通；进润滑油单向阀7与环形润滑油槽6连通；泵腔3.1经传压腔5.2与自由活塞4的一端相连接、自由活塞4的另一端经润滑油油腔5.1、油道6.1与环形润滑油槽6连通。
为实施在泵体2内加工连通润滑油腔5.1与环形润滑油槽6的油道6.1，在泵体上设置了加工油道6.1所必须要的工艺孔17，并在加工成油道6.1后在工艺孔17的孔端固定工艺孔堵塞18封闭工艺孔17，在加工完传压油缸孔道5后在孔端固定工艺堵塞19。
如附图2所示，进油管接口12内由燃油泵输送来的燃油压力为P1＝2bar，润滑油管接口8内的润滑油压力PR是从柴油机润滑油道输送来的润滑油压力PR，PR＝3bar～5bar；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及传压腔5.2内的压力PK2为负压，PK2小于大气压力P0，P0＝1bar，即0≤PK2≤1bar；燃油从进油管接口12经进油单向阀11进入泵腔3.1内，与此同时润滑油从润滑油管接口8经进润滑油单向阀7、环形润滑油槽6、油道6.1进入润滑油腔5.1，推动自由活塞4向左行至其左端面与出油单向阀13下端的外圆柱面接触停止左行为止，此时润滑油腔5.1内充满润滑油，润滑油腔5.1与油道6.1及环形润滑油槽6中油压为PR，进润滑油单向阀7关闭；在吸油过程中上柱塞环形微间隙9下端润滑油压PR与上端燃油油压PK2的最大压差为ΔP9＝PR-PK2；PR为3～5bar；0＜PK2≤1bar，PR＞PK2，ΔP9≤2bar～5bar；吸油过程中自由活塞4与传压油缸5之间的环形微间隙5.4的右端的润滑油油压与左端的燃油压压差ΔP5.4＝PR-PK2，即自由活塞4的环形微间隙5.4两端最大压差ΔP5.4＝/P9，试验证实：长度15毫米、间隙为0.0025毫米的环形微间隙两端的压差小于20bar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中的润滑油不会经环形微间隙5.4流入传压腔5.2；当柱塞1下行至下止点时泵腔3.1内充满燃油，进油单向阀11关闭。
如附图3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，泵腔3.1内的燃油压力PK1急剧升高，出油单向阀13开启，泵腔3.1内压力为PK1的超高压燃油经出油单向阀13、高压油管接口14及高压油管泵入喷油器；与同此时泵腔3.1内的超高压的燃油压PK1经传压腔5.2、自由活塞4、润滑油腔5.1、油道6.1传递到环形润滑油槽6，环形润滑油槽6内的超高压的润滑油压PR1等于泵腔3.1内的超高压的燃油压力PK1，PR1＝PK1，即柱塞1与工作缸孔道3之间的滑动配合的上柱塞环形微间隙9的下端的润滑油槽6内的超高压的润滑油压与上端泵腔3.1内超高压的燃油压相等，阻止了泵腔3.1内的超高压的燃油进入上柱塞环型微间隙9，实现了对于泵腔3.1内的超高压的燃油的密封、使泵油压力可达2500bar以上；自由活塞4与传压缸5之间的环形微间隙5.4的左端传压腔5.2内的超高压燃油压与右端润滑油腔5.1内的超高压润滑油压相等，阻止了超高压的燃油流入环形微间隙5.4；本发明有效地克服了在超高压泵油时燃油泄漏的问题、确保了喷油压力达到2500bar以上。
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作用，所以只有少量的超高压润滑油从环形润滑油槽6经下柱塞环形微间隙10泄漏、经润滑油回油管16流回润滑油箱；随环形润滑油槽6中的润滑油泄漏，泵腔3.1中的超高压燃油进入传压腔5.2推动自由活塞4向右行补充环形润滑槽6泄漏的润滑油，保持环形润滑油槽6中的超高润滑油油压力PR1等于泵腔3.1中的超高压燃油油压PK1，下柱塞环行微间隙10中的润滑油膜使柱塞1在工作缸孔3中浮动，避免了驻塞1与工作缸孔3直接接触，有效克服了柱塞1与工作缸孔3磨损失效的问题。
当柱塞1上行至上止点时，柱塞1上行的泵油过程结束，出油单向阀13关闭。
当挺杆滚轮组件及弹簧凸轮驱动机构15驱动柱塞1下行、又重复上述吸油、泵油过程。
本发明的柴油机超高压燃油泵结构，在柱塞1下行吸油过程中保持上柱塞环形微间隙9下端的环形润滑油槽6中的润滑油压PR比上端的泵腔3.1中的燃油压PK2高2～5bar；在柱塞1上行泵油过程中保持上柱塞环形微间隙9下端的环形润滑油槽6中的超高压的润滑油压PR1与上端的泵腔3.1中的超高压的燃油压PK1相等，PR1＝PK1；在柱塞1下行吸油与柱塞1上行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，有效地克服了超高压的燃油泄漏问题，从而保证了该柴油机超高压燃油泵结构产生2500bar以上的超高压泵油压力而无燃油泄漏；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的磨损失效问题，提高了工作可靠性与工作寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种柴油机超高压燃油泵结构，包括柱塞(1)、泵体(2)、工作缸孔道(3)、传压油缸孔道(5)、自由活塞(4)、环形润滑油槽(6)、油道(6.1)和进润滑油单向阀(7)，其特征在于：所述传压油缸孔道(5)的一端与泵腔(3.1)贯穿，在加工传压油缸孔道(5)时，加工传压油缸孔道(5)的刀具的刀头部可以越出传压油缸孔道(5)；自由活塞(4)装在传压油缸孔道(5)内；所述自由活塞(4)将传压油缸孔道(5)分隔成为自由活塞(4)一端与泵腔(3.1)之间的传压腔(5.2)及自由活塞(4)另一端的润滑油腔(5.1)；所述油道(6.1)的一端与所述润滑油腔(5.1)直接连通、另一端与所述环形润滑油槽(6)直接相连通；所述油道(6.1)是将润滑油腔(5.1)与所述环形润滑油槽(6)直接贯通油道，所述进润滑油单向阀(7)与环形润滑油槽(6)直接连通。
2.根据权利要求1所述的柴油机超高压燃油泵结构，其特征在于：所述泵腔(3.1)经传压腔(5.2)与自由活塞(4)的一端相连，所述自由活塞(4)的另一端经润滑油腔(5.1)、油道(6.1)与环形润滑油槽(6)相连通；润滑油从润滑油管接口(8)经进润滑油单向阀(7)、环形润滑油槽(6)、油道(6.1)进入润滑油腔(5.1)。
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