CN109209713B - 一种柱塞装置及内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞装置及内燃机，属于内燃机技术领域。本发明柱塞装置包括本体、第一柱塞、第二柱塞和推动组件，本体上设置有柱塞孔、待供送流体入口、待供送流体出口和润滑油入口，第一柱塞精密滑动配合于柱塞孔中，第一柱塞的第一端与柱塞孔的内壁之间形成待供送流体腔，待供送流体入口和待供送流体出口均与待供送流体腔连通；第二柱塞精密滑动配合于柱塞孔中，第一柱塞的第二端、第二柱塞的第一端和柱塞孔的内壁之间形成润滑油腔，润滑油入口通过第一单向阀与润滑油腔连通；推动组件用于给第二柱塞提供向靠近或远离第一柱塞方向运动的力。本发明的柱塞装置结构简单，能够在泵送高压流体时避免泄露和柱塞磨损问题。

Description

一种柱塞装置及内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种柱塞装置及内燃机。

背景技术

随着全球环保标准的不断提高，柴油机甚至直喷汽油机的喷射压力也一直在增加。更高的喷射压力，带来更好的燃油雾化效果，有利于混合气充分迅速地燃烧，从而提高内燃机的经济性，改善排放水平。

但是，随着内燃机喷射压力的不断提高，一方面，传统柱塞式喷油泵的泄露和磨损也变得越来越厉害。如果润滑油向燃油里泄露，容易导致内燃机积碳，排放变差，而如果燃油向润滑油里泄露，将会导致润滑油稀释，机件容易磨损失效。

另一方面，近年来，为了应对日益严苛的排放要求，甲醇、乙醇、二甲醚等代用燃料在内燃机上也获得了一定的研究和应用，并有迅速扩大的趋势。这些代用燃料以及包括汽油在内的这些低粘度流体，在使用传统的柱塞泵进行高压泵送时，因为粘度低，自润滑性能差，喷油泵的泄露和磨损比使用柴油时严重得多，影响内燃机的可靠性和耐用性。在另外一些场合，比如高压水切割、高压内胀成型、射流去毛刺等，一般也是采用水作为工作介质，同样因为水的粘度低，润滑性差，导致产生高压水的柱塞泵容易磨损失效。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、能够减轻泵油时的泄露与磨损问题的柱塞装置及内燃机。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种柱塞装置，包括：

本体，其上设置有柱塞孔、待供送流体入口、待供送流体出口和润滑油入口；

第一柱塞，其精密滑动配合于所述柱塞孔中，所述第一柱塞的第一端与所述柱塞孔的内壁之间形成待供送流体腔，所述待供送流体入口和所述待供送流体出口均与所述待供送流体腔连通；

第二柱塞，其精密滑动配合于所述柱塞孔中，所述第一柱塞的第二端、所述第二柱塞的第一端和所述柱塞孔的内壁之间形成润滑油腔，所述润滑油入口通过第一单向阀与所述润滑油腔连通；以及

推动组件，其用于给所述第二柱塞提供向靠近或远离所述第一柱塞方向运动的力。

进一步地，所述柱塞装置还包括第一柱塞复位组件，其用于给所述第一柱塞提供向靠近所述第二柱塞方向运动的力。

进一步地，所述第一柱塞复位组件包括：

第一钩合部，其设置于所述第一柱塞的第二端，以及

第二钩合部，其设置于所述第二柱塞的第一端，所述第二柱塞向远离所述第一柱塞方向运动时，所述第二钩合部与所述第一钩合部钩合并一同运动；所述第二柱塞向靠近所述第一柱塞方向运动时，所述第二钩合部与所述第一钩合部脱离。

进一步地，所述第一柱塞复位组件包括：第一弹性复位件，其位于所述第一柱塞的第一端和所述柱塞孔的内壁之间。

进一步地，所述柱塞装置还包括限位组件，所述限位组件用于限定所述第一柱塞在靠近所述第二柱塞方向的运动的极限点。

进一步地，所述限位组件包括所述柱塞孔的内壁和所述第一柱塞中的一者上设置的限位凸起、另一者上设置的用于与所述限位凸起抵接的限位面。

进一步地，所述待供送流体入口和所述待供送流体出口均通过电磁阀或者第二单向阀与所述待供送流体工作腔连通。

进一步地，所述推动组件包括：

凸轮，其用于给所述第二柱塞提供向靠近所述第一柱塞方向运动的力；及

第二弹性复位件，其用于给所述第二柱塞提供向远离所述第一柱塞方向运动的力。

进一步地，所述柱塞装置为柱塞泵或者柱塞喷油器。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种内燃机，包括上述任一项所述的柱塞装置。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的柱塞装置及采用了柱塞装置的内燃机结构简单、加工难度小、制造成本低；可以在泵送高压流体特别是低粘度流体时避免泄露和柱塞磨损问题，可以大幅提高泵送压力，延长柱塞泵寿命；第一柱塞和第二柱塞在运动过程中可以得到润滑油的润滑，提高了柱塞泵的耐久性和可靠性；且其中的第一柱塞与待供送流体直接接触，而第二柱塞不接触待供送流体，对于泵送腐蚀性的流体比如甲醇来说，第二柱塞不必采用昂贵的耐腐蚀材料，降低了制造成本。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的第一种柱塞泵处于吸油状态时的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的第一种柱塞泵处于泵油状态时的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的第二种柱塞泵处于吸油状态时的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的第二种柱塞泵处于泵油状态时的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的第三种柱塞泵处于吸油状态时的结构示意图。

附图标记：

1、本体；2、第一柱塞；3、第二柱塞；4、推动组件；5、待供送流体入口；6、待供送流体出口；7、润滑油入口；8、待供送流体腔；9、润滑油腔；10、第一单向阀；11、第一电磁阀；12、第一钩合部；13、第二钩合部；14、第一弹性复位件；15、限位凸起；16、限位面；17、第二单向阀；18、第三单向阀；41、凸轮；42、第二弹性复位件；43、传动架；44、滚轮；101、第一阀芯；102、第三弹性复位件；111、电磁线圈；112、衔铁；113、第二阀芯；114、第四弹性复位件。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明具体实施方式提供了一种柱塞装置，其优选但不局限为柱塞泵，也可以为柱塞喷油器等。柱塞泵优选但不局限为应用于内燃机，以为内燃机主体供送燃油、甲醇、乙醇、二甲醚等燃料。以下以柱塞装置为柱塞泵、待供送流体为燃油为例进行介绍。

请参阅图1和图2，其中，图1所示为本具体实施方式提供的一种柱塞泵在吸油刚结束时的结构示意图，图2所示为本具体实施方式提供的一种柱塞泵在泵油过程中的结构示意图。本具体实施方式提供的柱塞装置包括本体1、第一柱塞2、第二柱塞3和推动组件4。本体1上设置有柱塞孔、待供送流体入口5、待供送流体出口6和润滑油入口7。第一柱塞2和第二柱塞3均沿柱塞孔的轴向精密滑动配合设置于柱塞孔中。其中，精密滑动配合是指第一柱塞2和第二柱塞3的外径分别等于或者略小于柱塞孔的内径，在能满足第一柱塞2和第二柱塞3沿柱塞孔滑动的前提下，第一柱塞2和第二柱塞3与柱塞孔间的间隙尽可能小。第一柱塞2的轴线和第二柱塞3的轴线优选但不局限为共线。第一柱塞2的第一端与柱塞孔的内壁之间形成待供送流体腔8，待供送流体入口5和待供送流体出口6均与待供送流体腔8连通，第一柱塞2的第二端、第二柱塞3的第一端和柱塞孔的内壁之间形成润滑油腔9，润滑油入口7通过第一单向阀10与润滑油腔9连通。本具体实施方式中的各单向阀的结构可以相同也可以不同，以第一单向阀10为例进行介绍，各单向阀可以但不局限为包括第一阀孔(图中未标出)、第一阀芯101和第三弹性复位件102，第三弹性复位件102用于给第一阀芯101提供使其处于封堵第一阀孔的力，第一阀芯101可以在外界压力足够大时远离第一阀孔以开启单向阀。第一柱塞2和第二柱塞3与柱塞孔间的间隙尽可能小，可以避免润滑油和燃油间的相互泄露。推动组件4用于给第二柱塞3提供向靠近第一柱塞2方向运动的力。可以理解的是，在第一柱塞2的行程范围内，待供送流体腔8与润滑油腔9是不连通的。

待供送流体入口5和待供送流体出口6均优选但不局限为通过电磁阀或单向阀与待供送流体腔8连通。如图1和图2所示，本具体实施方式的一个实施例中，待供送流体入口5处设置有第一电磁阀11。第一电磁阀11包括电磁线圈111、衔铁112、第二阀孔(图中未标出)、第二阀芯113和第四弹性复位件114，第二阀芯113能够在打开第二阀孔的打开状态和关闭第二阀孔的关闭状态之间转换，第四弹性复位件114用于给第二阀芯113提供处于打开状态的力，电磁线圈111通电时能够通过衔铁112给第二阀芯113提供处于关闭状态的力。其中，第二阀孔优选为呈锥形，第二阀芯113的用于与第二阀孔配合的一端的形状与第二阀孔的形状相匹配。其他实施方式中，也可以令第四弹性复位件114给第二阀芯113提供处于关闭状态的力，电磁线圈111通电时能够通过衔铁112给第二阀芯113提供处于打开状态的力。

继续参阅图1和图2，推动组件4优选但不局限为包括凸轮41，凸轮41转动以改变其对第二柱塞3的作用力，进而使得第二柱塞3向靠近或者远离第一柱塞2的方向运动。为了利于吸油，推动组件4还包括第二弹性复位件42，其用于给第二柱塞3提供向远离第一柱塞2方向运动的力。第二弹性复位件42优选但不局限为弹簧。推动组件4还包括与第二柱塞3连接的传动架43，传动架43滑动设置于柱塞孔中且传动架43位于第二柱塞3的第二端和凸轮41之间，传动架43靠近凸轮41的一侧上设置有用于与凸轮41抵接的滚轮44。第二弹性复位件42设置于传动架43远离凸轮41的一侧与柱塞孔的内壁之间。第二弹性复位件42的轴线与第二柱塞3的轴线优选为共线。

继续参阅图1和图2，为了进一步保证柱塞泵能够有效吸油，柱塞装置还包括第一柱塞复位组件，第一柱塞复位组件用于给第一柱塞2提供向靠近第二柱塞3方向运动的力。在本具体实施方式的一个实施例中，第一柱塞复位组件包括第一钩合部12和第二钩合部13，第一钩合部12设置于第一柱塞2的第二端，第二钩合部13设置于第二柱塞3的第一端，第二柱塞3向远离第一柱塞2方向运动时，第二钩合部13与第一钩合部12钩合并一同运动，当第二柱塞3向靠近第一柱塞2方向运动时，第一钩合部12和第二钩合部13可以脱离钩合关系。

以下结合图1和图2，简要介绍本具体实施方式的工作原理：

如图1所示，吸油时，第一电磁阀11的电磁线圈111不通电，衔铁112和第二阀芯113被第四弹性复位件114推向左侧(远离第二阀孔的一侧)，第二阀芯113的锥形端与第二阀孔的锥面脱离，第一电磁阀11处于开启状态。且随着凸轮41的旋转，凸轮41顶点越过滚轮44后，第二弹性复位件42推动传动架43向下运动，传动架43牵引第二柱塞3下行，因为第一钩合部12和第二钩合部13的嵌合，第一柱塞2也被拉拽向下运动，待供送流体腔8容积扩大，进入吸油过程，低压燃油从待供送流体入口5进入待供送流体腔8。这时，润滑油腔9中的润滑油压力不高，低压润滑油可以从润滑油入口7推开第一单向阀10进入并充满润滑油腔9，以补充在泵油过程中微量泄露的润滑油。

如图2所示，泵油时，第一电磁阀11的电磁线圈111通电，衔铁112和第二阀芯113被电磁力吸向右边，使第二阀芯113的锥形端与第二阀孔的锥面压紧，第一电磁阀11关闭，待供送流体腔8与待供送流体入口5断开。且凸轮41通过传动架43推动第二柱塞3向上运动，挤压润滑油腔9的空间，因为第一单向阀10的单向密封作用，润滑油腔9里的润滑油压力升高，从而推动第一柱塞2向上运动，挤压待供送流体腔8的空间，燃油从待供送流体出口6泵出，完成高压燃油的泵送。另外，泵送过程中，如果电磁线圈111断电，第二阀芯113将会在第四弹性复位件114作用下迅速左移，使第一电磁阀11开启，待供送流体腔8里的油压瞬间就降为低压，第一电磁阀11的开启和关闭，可以改变高压燃油泵送的起始和终止时刻。

本具体实施方式提供的柱塞装置，包括上下设置的两个柱塞，且两个柱塞间限定出通过第一单向阀10与润滑油入口7连通的润滑油腔9，润滑油腔9内的润滑油压力可随待供送流体的压力变化而变化，以使得第一柱塞2的两个端面所承受的压力大致相等。具体地，泵油过程中，待供送流体腔8里的燃油压力越高，润滑油腔9中的润滑油压力也同样升高，作用在第一柱塞2的顶面(即第一柱塞2的第一端的端面)的燃油压力和作用在第一柱塞2的底面(即第一柱塞2的第二端的端面)的压力总是相等的，且由于第一柱塞2和柱塞孔精密配合，二者之间只有非常小环形间隙，理论上可以保证燃油不会向下往润滑油腔9中渗漏，润滑油也不会向上往待供送流体腔8中渗漏。且泵油过程中，润滑油腔9的压力很高，会导致润滑油从第二柱塞3与柱塞孔之间的环形间隙微量泄漏，可以对第二柱塞3进行良好润滑。当然，这也会导致润滑油腔9里的润滑油减少，但是因为润滑油的粘度大，第二柱塞3与柱塞孔配合间隙又非常小，所以即便是超高压力下，润滑油的泄漏量也是非常小的，减少的润滑油量可以在吸油过程中从润滑油入口7通过第一单向阀10进入润滑油腔9中进行补充，而从第二柱塞3泄漏出的微量润滑油流到机壳里重新进入低压润滑系统。另外，吸油过程中第一柱塞2下行，润滑油腔9内壁上残留的润滑油可以对第一柱塞2进行润滑，从而解决了高压下燃油的泄露和柱塞泵的磨损问题。

本具体实施方式提供的柱塞装置结构简单、加工难度小、制造成本低；可以在泵送高压流体特别是低粘度流体时避免泄露和柱塞磨损问题，可以大幅提高泵送压力，延长柱塞泵寿命；第一柱塞2和第二柱塞3在运动过程中可以得到润滑油的润滑，提高了柱塞泵的耐久性和可靠性；且其中的第一柱塞2与待供送流体直接接触，而第二柱塞3不接触待供送流体，对于泵送腐蚀性的流体比如甲醇来说，第二柱塞3不必采用昂贵的耐腐蚀材料，降低了制造成本。

需要说明的是，第一柱塞复位组件的结构并不局限于上述情况，在本具体实施方式的另一个实施例中，如图3和图4所示，第一柱塞复位组件包括第一弹性复位件14，其位于第一柱塞2的第一端和柱塞孔的内壁之间。第一弹性复位件14优选但不局限为弹簧。第一弹性复位件14的轴线与第一柱塞2的轴线优选为共线。

如图3和图4所示，柱塞装置还包括限位组件，限位组件用于限定第一柱塞2在靠近第二柱塞3方向运动时的极限点。限位组件的结构不限，为了简化结构，本具体实施方式中限位组件包括柱塞孔的内壁与第一柱塞2中的一者上设置的限位凸起15、另一者上设置的用于与限位凸起15抵接的限位面16。在本具体实施方式的一个实施例中，如图3和图4所示，限位凸起15为设置在柱塞孔内壁上的限位挡圈，第一柱塞2的第二端面为限位面16；或者也可以令第一柱塞2的中部或者下部形成台阶面，该台阶面作为限位面16。限位挡圈可以是可拆卸地安装在柱塞孔内壁上的凹槽中，限位挡圈也可以与柱塞孔的内壁为一体结构。在本具体实施方式的另一个实施例中，如图5所示，限位凸起15设置于在第一柱塞2的第一端面上，限位面16为设置在柱塞孔内壁上的台阶面。

限位组件使得第一柱塞2下行至极限点时不再继续向靠近第二柱塞3的方向运动，而此时第二柱塞3仍在向远离第一柱塞2的方向继续运动一微小距离才到达极限点，因而润滑油腔9的体积略微增加、压力降低，第一单向阀10打开以向润滑油腔9补充在泵油过程中泄露的润滑油。限位组件还可以有效避免第一柱塞2的用于与柱塞孔精密配合的部分与润滑油入口7连通的情况发生。需要说明的是，图1和图2所对应的实施例中，也可以设置限位组件以限定第一柱塞2的行程。

以下结合图3和图4，且以待供送流体入口5处设置有第二单向阀17和待供送流体出口6处设置有第三单向阀18为例再次简要介绍本具体实施方式的工作原理：

如图3所示，吸油时，随着凸轮41的旋转，凸轮41顶点越过滚轮44后，第二弹性复位件42推动传动架43向下运动，第二弹性复位件42牵引第二柱塞3下行，同时，第一柱塞2也在第一弹性复位件14的作用下向下运动，待供送流体腔8的容积扩大，低压燃油经待供送流体入口5处的第二单向阀17被吸入待供送流体腔8。第一柱塞2的第二端抵靠到限位挡圈上以后，第二柱塞3还继续下行一微小距离才到达最低点，这时，润滑油腔9的容积略微扩大，压力降低，低压润滑油可以从润滑油入口7推开第一单向阀10进入并充满润滑油腔9，以补充在泵油过程中微量泄露的润滑油。

如图4所示，泵油时，凸轮41通过传动架43推动第二柱塞3向上运动，挤压润滑油腔9的空间，因为第一单向阀10的单向密封作用，润滑油腔9里的润滑油压力升高，从而推动第一柱塞2向上运动，挤压待供送流体腔8的空间，第二单向阀17单向密封，燃油只能推开待供送流体出口6处的第三单向阀18泵出，从而完成高压燃油的泵送。

本具体实施方式还提供了一种内燃机，其包括上述柱塞装置。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柱塞装置，其特征在于，包括：

本体(1)，其上设置有柱塞孔、待供送流体入口(5)、待供送流体出口(6)和润滑油入口(7)；

第一柱塞(2)，其精密滑动配合于所述柱塞孔中，所述第一柱塞(2)的第一端与所述柱塞孔的内壁之间形成待供送流体腔(8)，所述待供送流体入口(5)和所述待供送流体出口(6)均与所述待供送流体腔(8)连通；

第二柱塞(3)，其精密滑动配合于所述柱塞孔中，所述第一柱塞(2)的第二端、所述第二柱塞(3)的第一端和所述柱塞孔的内壁之间形成润滑油腔(9)，所述润滑油入口(7)通过第一单向阀(10)与所述润滑油腔(9)连通；以及

推动组件(4)，其用于给所述第二柱塞(3)提供向靠近或远离所述第一柱塞(2)方向运动的力；

所述第一单向阀(10)包括第一阀孔、第一阀芯(101)和第三弹性复位件(102)，所述第三弹性复位件(102)用于给所述第一阀芯(101)提供使其处于封堵所述第一阀孔的力，所述第一阀芯(101)能够在外界压力足够大时远离所述第一阀孔以开启所述第一单向阀(10)。

2.根据权利要求1所述的柱塞装置，其特征在于，所述柱塞装置还包括第一柱塞复位组件，其用于给所述第一柱塞(2)提供向靠近所述第二柱塞(3)方向运动的力。

3.根据权利要求2所述的柱塞装置，其特征在于，所述第一柱塞复位组件包括：

第一钩合部(12)，其设置于所述第一柱塞(2)的第二端，以及

第二钩合部(13)，其设置于所述第二柱塞(3)的第一端，所述第二柱塞(3)向远离所述第一柱塞(2)方向运动时，所述第二钩合部(13)与所述第一钩合部(12)钩合并一同运动；所述第二柱塞(3)向靠近所述第一柱塞(2)方向运动时，所述第二钩合部(13)与所述第一钩合部(12)脱离。

4.根据权利要求2所述的柱塞装置，其特征在于，所述第一柱塞复位组件包括：第一弹性复位件(14)，其位于所述第一柱塞(2)的第一端和所述柱塞孔的内壁之间。

5.根据权利要求4所述的柱塞装置，其特征在于，所述柱塞装置还包括限位组件，所述限位组件用于限定所述第一柱塞(2)在靠近所述第二柱塞(3)方向的运动的极限点。

6.根据权利要求5所述的柱塞装置，其特征在于，所述限位组件包括所述柱塞孔的内壁和所述第一柱塞(2)中的一者上设置的限位凸起(15)、另一者上设置的用于与所述限位凸起(15)抵接的限位面(16)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的柱塞装置，其特征在于，所述待供送流体入口(5)和所述待供送流体出口(6)均通过电磁阀或者单向阀与所述待供送流体腔(8)连通。

8.根据权利要求1至6任一项所述的柱塞装置，其特征在于，所述推动组件(4)包括：

凸轮(41)，其用于给所述第二柱塞(3)提供向靠近所述第一柱塞(2)方向运动的力；及

第二弹性复位件(42)，其用于给所述第二柱塞(3)提供向远离所述第一柱塞(2)方向运动的力。

9.根据权利要求1至6任一项所述的柱塞装置，其特征在于，所述柱塞装置为柱塞泵或者柱塞喷油器。

10.一种内燃机，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的柱塞装置。