CN109563798A - 高压燃料泵 - Google Patents

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Abstract

高压燃料泵(22)包括泵壳体(30)，泵壳体(30)限定泵送室(32)、允许低压燃料进入泵送室(32)的燃料入口(38)、允许高压燃料离开泵送室(32)的燃料出口(40)、以及沿轴线(36)延伸并开通入泵送室(32)中的柱塞孔(34)。高压燃料泵(22)还包括泵送柱塞(42)，其在柱塞孔(34)内沿轴线(36)往复运动，使得柱塞孔(34)内的泵送柱塞(42)的往复运动增加和减小泵送室(32)的容积。泵送柱塞(42)包括与柱塞孔(34)同心的密封环槽(64)，密封环槽(64)中包括密封环(66)，密封环(66)与柱塞孔(34)以过盈配合接合。在泵送柱塞(42)和柱塞孔(34)之间设有大于12微米的直径间隙。

Description

高压燃料泵
技术领域
本发明涉及一种燃料泵，更具体地涉及一种高压燃料泵，其在高压下提供燃料用于直接喷射进内燃机的燃烧室中，甚至更具体地涉及这种具有泵送柱塞的燃料泵，泵送柱塞在泵壳体的柱塞孔内往复运动，以对在泵壳体中限定的泵送室内的燃料加压，并且甚至更具体地涉及这样的燃料泵：其中泵送柱塞包括环形密封环槽和在密封环槽内的密封环，密封环以过盈配合接合柱塞孔，以防止燃料在泵送柱塞和柱塞孔的界面之间逸出泵送室。
背景技术
用于现代内燃机的燃料系统通常采用以下两者中的任何一个：1)端口燃料喷射(PFI)，其中燃料在相对低的压力(通常低于约500kPa)下喷射到内燃机的进气歧管中并随后传递到内燃机的燃烧室；2)汽油缸内直喷(GDi)，其中燃料在相对高的压力(通常高于约14MPa)下直接喷射进内燃机的燃烧室中。在PFI系统中，燃料通常通过位于燃料系统的燃料箱中的电动燃料泵从燃料箱泵送到内燃机。然而，与电动燃料泵可以实现的压力相比，GDi系统需要额外的燃料泵来增加燃料的压力。为了将燃料压力升高到直接喷射所需的量值，通常采用由内燃机的凸轮轴驱动的活塞式高压燃料泵。
在通常的高压燃料泵中，泵壳体限定入口、出口、泵送室和开通入泵送室中的柱塞孔。泵送柱塞通过内燃机的凸轮轴在柱塞孔内往复运动，使得泵送柱塞的每个循环增加和减小泵送室的容积。当泵送柱塞沿增加泵送室的容积的方向(即进气冲程)移动时，入口阀选择性地打开，从而允许低压燃料进入泵送室。当泵送柱塞沿减小泵送室的容积的方向(即压缩冲程)移动时，由于容积减小，泵送室内的燃料的压力升高。当泵送室内的燃料压力达到预定阈值时，出口阀打开，从而允许高压燃料从出口排出。在Nakayama等人的美国专利第8,573,112号(以下称为Nakayama等人)中公开了这种高压燃料泵的一个例子并且其全部内容通过引用并入本文。
为了允许如上所述的高压燃料泵的有效运行，必须使泵送柱塞和柱塞孔之间的泄漏最小化。通常通过在泵送柱塞和柱塞孔之间提供紧密间隙来处理泵送柱塞和柱塞孔之间的泄漏的最小化。为了将泄漏保持在可接受的水平，间隙小于12微米。然而，重要的是泵送柱塞和柱塞孔之间的间隙不能太小，因为由于高压泵的运行产生的热量导致泵送柱塞径向向外膨胀到比柱塞孔膨胀更大的程度、由于泵送柱塞和柱塞孔之间的燃料间隙不足导致润滑不良以及由于泵送柱塞上的侧向载荷作用，存在泵送柱塞在运行期间可能卡在柱塞孔内的风险。作为结果，11微米加或减1微米的间隙可能是在泵送柱塞和柱塞孔的制造中通常可接受的公差。这种公差实施起来成本昂贵，并且可能需要在泵送柱塞和柱塞孔之间进行匹配珩磨，从而增加了制造工艺的时间和复杂性。此外，这种公差可能要求泵的燃料泵送能力增加，以适应所经受的低效率，特别是在内燃机的低速运行时。
需要的是一种最小化或消除上述缺点中的一个或多个的高压燃料泵。
发明内容
简而言之，高压燃料泵包括泵壳体，该泵壳体限定泵送室、允许低压燃料进入泵送室的燃料入口、允许高压燃料离开泵送室的燃料出口、以及沿轴线延伸并开通入泵送室中的柱塞孔。高压燃料泵还包括泵送柱塞，其在柱塞孔内沿轴线往复运动，使得柱塞孔内的泵送柱塞的往复运动增加和减小泵送室的容积。当容积增加时，低压燃料从燃料入口流到泵送室，并且当容积减小时，高压燃料通过燃料出口从泵送室排出。泵送柱塞包括与柱塞孔同心的密封环槽，并且密封环槽中包括密封环，密封环与柱塞孔以过盈配合接合。在泵送柱塞和柱塞孔之间设有大于12微米的直径间隙。
通过阅读下面借作为非限制性示例并参考附图给出对本发明的较佳实施例的详细描述中，本发明进一步的特征和优点将会显得更清楚。
附图说明
将参考附图来进一步描述本发明，其中：
图1是包括根据本发明的高压燃料泵的燃料系统的示意图；
图2是图1的部分的放大视图，示出了泵壳体的相应柱塞孔内的泵送柱塞的部分；以及
图3是图2的放大视图，示出了泵送柱塞的变型。
具体实施方式
根据本发明的较佳实施例并且参见图1，示出了用于内燃机12的燃料系统10。燃料系统10通常包括：燃料箱14，该燃料箱14保持一定容积的燃料以供给内燃机12用于其运行；多个高压燃料喷射器16，这些喷射器将燃料直接喷射到内燃机12的相应燃烧室(未示出)中；低压燃料泵20；以及高压燃料泵22，其中低压燃料泵20从燃料箱14抽取燃料并升高燃料的压力用于输送到高压燃料泵22，其中高压燃料泵22进一步升高燃料的压力用于输送到高压燃料喷射器16。借作为非限制性示例，低压燃料泵20可以将燃料的压力升高到大约500kPa或更低，并且高压燃料泵22可以将燃料的压力升高到高于约14MPa，在此处，40MPa的量级或更高压力是可预期的。虽然已经示出了四个高压燃料喷射器16，但是应该理解，可以设置更少或更多数量的高压燃料喷射器16。如图所示，低压燃料泵20可以设置在燃料箱14内，但是低压燃料泵20也可替代地设置在燃料箱14的外部。低压燃料泵20可以是电动燃料泵。低压燃料供应通道24提供从低压燃料泵20到高压燃料泵22的流体连通。高压燃料泵22将在以下段落中进行详细地描述。
高压燃料泵22包括泵壳体30，泵壳体30限定泵送室32和柱塞孔34，柱塞孔34开通入泵送室32中，使得柱塞孔34沿轴线36延伸。泵壳体30还包括燃料入口38，燃料入口38与低压燃料供应通道24流体连通，使得燃料入口38选择性地允许来自低压燃料泵20的低压燃料进入泵送室32，如将在后面更详细地描述的。泵壳体30还限定燃料出口40，燃料出口40选择性地允许高压燃料离开泵送室32，如将在后面更详细地描述的。虽然泵壳体30已示意性地示出为单件式构造，但应该理解的是，泵壳体30可包括两件或更多件，它们连结在一起以提供本文所述的特征。
高压燃料泵22还包括位于柱塞孔34内的泵送柱塞42，使得泵送柱塞42沿着轴线36在柱塞孔34内往复运动。仅作为非限制性示例，泵送柱塞42通过内燃机12的凸轮轴44，在柱塞孔34内往复运动。泵送柱塞42附接到凸轮从动件46(与凸轮从动件46接触)，凸轮从动件46遵循凸轮轴44的轮廓。凸轮从动件46在泵壳体30的凸轮从动件孔48内被轴向引导，使得复位弹簧50在泵壳体30和凸轮从动件46之间被轴向压缩以在凸轮轴44旋转时保持凸轮从动件46与凸轮轴44接触。虽然凸轮从动件46已被实施为在泵壳体30的凸轮从动件孔48内被引导，但是现在应该理解，凸轮从动件46可替代地在不在泵壳体30内的内燃机12的孔内被引导。当凸轮轴44、凸轮从动件46和复位弹簧50致使泵送柱塞42如附图中所示向下移动时，泵送室32的容积增加，从而带来进气冲程。相反，当凸轮轴44、凸轮从动件46致使泵送柱塞42如附图中所示向上移动时，泵送室32的容积减小，从而带来压缩冲程。尽管未示出，但应该理解的是，可以设置低压密封件以防止已经泄漏经过泵送柱塞42和柱塞孔34之间的间隙的燃料与润滑内燃机12的油混合。在上面先前引用的Nakayama等人示出了这种低压密封件的一种布置。
高压燃料泵22还包括入口阀52，入口阀52选择性地打开以允许燃料从低压燃料供应通道24进入泵送室32借作为非限制示例，入口阀52可以是由控制器54控制的电磁操纵阀。控制器54可接收来自压力传感器56的输入，该压力传感器提供指示供给至高压燃料喷射器16的燃料压力的信号。如图所示，压力传感器56可以布置成读取高压燃料轨58内的燃料压力，高压燃料轨58通过高压燃料供应通道60从燃料出口40接收高压燃料，使得高压燃料轨58将高压燃料分配给每个高压燃料喷射器16。然而，应该理解的是，压力传感器56可以定位在指示供应给高压燃料喷射器16的燃料压力的其它位置处。控制器54将信号发送给入口阀52，以根据需要打开和关闭入口阀52,从而在压力传感器56处实现可由当前和预期的发动机运行要求确定的期望燃料压力。当进气阀52打开同时泵送柱塞42移动以增加泵送室32的容积时，即当进气阀52如附图中所示向下移动时，来自低压燃料供应通道24的燃料被允许通过燃料入口38流入泵送室32。
高压燃料泵22还包括出口阀62，出口阀62选择性地打开以允许燃料离开泵送室32进入高压燃料供应通道60。出口阀62可以是弹簧偏置阀，其在当泵送室32和高压燃料供应通道60之间的压力差值大于预定阈值时打开。因此，当凸轮轴44和凸轮从动件46致使泵送柱塞42减小泵送室32的容积时，泵送室32内的燃料被加压。此外，当泵送室32内的压力足够高时，出口阀62被燃料压力推动打开，从而致使加压燃料通过燃料出口40、高压燃料供应通道60和高压燃料轨58供应到高压燃料喷射器16。
现在参考图2，其示出了图1的放大部分，更具体地，示出了泵壳体30和泵送柱塞42的一些部分的放大部分。为了提高效率，特别是在由内燃机12的低运行速度致使的凸轮轴44的低旋转速度下，并且为了允许泵送柱塞42和柱塞孔34之间的更大的环形间隙，圆柱形的泵送柱塞42设置有密封环槽64，密封环66位于该密封环槽64内。密封环槽64在形状上是环形的并且与泵送柱塞42和柱塞孔34同心，使得密封环槽64从泵送柱塞42的外周径向向内延伸。取决于低摩擦和耐燃料性能，密封环66较佳地由PTFE(聚四氟乙烯)制成，但是，也可以用其它材料代替。在安装期间，密封环66在泵送柱塞42上被弹性地拉伸并在泵送柱塞42的外周上滑动，直到密封环66与密封环槽64对齐。密封环66与密封环槽64对齐后，密封环66缩回到密封环槽64中。密封环66定尺寸为以过盈配合接合柱塞孔34。由于密封环66以过盈配合接合柱塞孔34，因此泵送柱塞42和柱塞孔34之间的直径间隙能大于12微米，从而消除了匹配珩磨泵送柱塞42和柱塞孔34的需要。较佳地，泵送柱塞42和柱塞孔34之间的直径间隙在13微米至30微米的范围内。此外，通过最小化泵送柱塞42和柱塞孔34之间的燃料泄漏，密封环66以过盈配合接合柱塞孔34，增加了高压燃料泵22的效率，特别是在凸轮轴44的低旋转速率下。密封环66也定尺寸使得当泵送柱塞42与密封环66安装在柱塞孔34内时，密封环66在柱塞孔34和泵送柱塞42之间被保持径向压缩。此外，密封环66被柱塞孔34和泵送柱塞42的径向压缩致使密封环66轴向膨胀，使得该密封环66在密封环槽64的上壁和下壁(如图中所定向的)之间被保持在轴向压缩。泵送柱塞42包括密封环66的另一附加益处是泵送柱塞42卡在柱塞孔34内的风险被最小化，因为泵送柱塞42和柱塞孔34之间的间隙能增加到一定程度，使得泵送柱塞42在使用中的热膨胀将不足以将泵送柱塞42结合在柱塞孔34内。
重要的是要注意，上面在背景技术部分中介绍的Nakayama等人公开了一种密封系统，其在Nakayama等人中以附图标记21标识，其保持汽油和发动机油之间的分离。然而，与本发明的密封环66不同，Nakayama等人的密封系统对提高燃料泵的效率没有任何作用，因为Nakayama等人的密封系统在泵送柱塞和柱塞孔的界面的低压侧。因此，Nakayama等人的燃料泵的效率取决于泵送柱塞和柱塞孔之间的间隙。
在运行中，在进气冲程期间，当由于凸轮轴44和复位弹簧50使泵送柱塞42增加泵送室32的容积时，入口阀52打开以允许燃料从燃料入口38流入泵送室32。进气阀52可以在进气冲程期间保持打开由控制器54确定的一段时间，这足以允许一定容积的燃料进入泵送室32，这将满足内燃机12的燃料需求。在压缩冲程期间，当进气阀52关闭时，泵送柱塞42由于凸轮轴44而减小泵送室32的容积。减小泵送室32的容积导致增加泵送室32内的燃料压力，高压燃料通过密封环66和柱塞孔34之间的过盈配合部分地容纳在泵送室32内。当泵送室32内的压力足够高时，出口阀62打开，从而允许高压燃料通过燃料出口40离开泵送室32并且与高压燃料轨58连通。
在图1和图2的变型中，图3示出了泵送柱塞42可包括两个密封环槽64，使得每个密封环槽容纳相应的密封环66，密封环66以先前关于图2所述的相同方式接合柱塞孔34和泵送柱塞42。现在应该理解，还可以包括附加的密封环槽64和密封环66。
现在应该显而易见的是，包括密封环槽64和密封环66提供了高压燃料泵22的更高效率。在对高压燃料泵进行的一个测试中，该高压燃料泵以另外的方式是相同的，包括密封环槽64和密封环66在高压燃料泵的所有运行速度下提供了增加的效率，在较低的运行速度下效率特别显著增加。因为高压燃料泵22不需要适应效率损失，特别是在内燃机12的低运行速度下，所以这种效率的增加可以允许高压燃料泵22在燃料泵送能力方面缩减，从而降低高压燃料泵22的成本。例如通过减小泵送柱塞42的直径来缩减高压燃料泵22的燃料泵送能力是重要的，因为排放法规不断制定得更加严格并且以更高的压力提供燃料的期望是更期望更好地雾化燃料，这有利于减少内燃机12的排放。减小泵送柱塞42的直径是限制内燃机12的气门机构上的过度负载的方式，但是这只能在高压燃料泵22的效率在较高压力下得到改善时才能实现。密封环槽64和密封环66的另一益处是在泵送柱塞42和柱塞孔34之间的间隙能够增加，从而消除了耗时且成本昂贵的制造技术的需要，例如泵送柱塞42和柱塞孔34的匹配珩磨。
尽管就本发明的实施例对本发明进行了说明，但本发明不意在被如此限制，而是意在下面权利要求书中阐释的范围。

Claims (8)

1.一种高压燃料泵(22)，包括：
泵壳体(30)，所述泵壳体(30)限定泵送室(32)、允许低压燃料进入所述泵送室(32)的燃料入口(38)、允许高压燃料离开所述泵送室(32)的燃料出口(40)、和沿轴线(36)延伸并开通入所述泵送室(32)的柱塞孔(34)；以及
泵送柱塞(42)，所述泵送柱塞(42)在所述柱塞孔(34)内沿所述轴线(36)往复运动，使得所述泵送柱塞(42)在所述柱塞孔(34)内的往复运动增加和减小所述泵送室(32)的容积，当所述容积增加时，低压燃料从所述燃料入口(38)流到所述泵送室(32)，并且当所述容积减小时，高压燃料通过所述燃料出口(40)从所述泵送室(32)排出；
其中所述泵送柱塞(42)包括与所述柱塞孔(34)同心的密封环槽(64)，所述密封环槽(64)中包括密封环(66)，所述密封环(66)以过盈配合接合所述柱塞孔(34)；以及
其中，在所述泵送柱塞(42)和所述柱塞孔(34)之间设有大于12微米的直径间隙。
2.如权利要求1所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述直径间隙在13微米至30微米的范围内。
3.如权利要求1所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述密封环(66)由所述泵送柱塞(42)和所述柱塞孔(34)保持在径向压缩。
4.如权利要求2所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述密封环(66)在所述密封环槽(64)内被保持在轴向压缩。
5.如权利要求1所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述密封环(66)在所述密封环槽(64)内被保持在轴向压缩。
6.如权利要求1所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述泵送柱塞(42)还包括：
第二密封环槽(64)，所述第二密封环槽(64)与所述柱塞孔(34)同心，所述第二密封环槽(64)中包括第二密封环(66)，所述第二密封环(66)与所述柱塞孔(34)以过盈配合接合。
7.如权利要求1所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述密封环槽(64)是环形的。
8.如权利要求7所述的高压燃料泵(22)，其特征在于，所述密封环(66)是环形的。
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