CN1096561C - 操作高压液压泵的方法和操作柴油机燃料泵系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种操作凸轮致动高压液压泵的方法，包括下列步骤：将预先计量的相继的燃料量从一容器输到正排量输送泵，然后致动该输送泵，以升高该相继的燃料量至少约100psi，最好200-300psi。将输送泵中增压的每份燃料量输送到一个高压泵送室，使得每个泵送孔在一个第一时间间隔内接受一定量的即预定的燃料量。然后同时致动相应泵送孔中的多个柱塞，以便在一个第二时间间隔内使泵送室中的压力增大到所要高压，最好是至少约15,000psi，并通过一高压排放阀排放燃料量。第二时间间隔的持续时间比第一时间间隔更长。结果，所需的燃料量可以在相当短的时间内输送到泵送室。因此，每个泵送柱塞可以在一相当长的时间内由一个双速率凸轮轮廓致动，使得在稳定态时该致动仅沿凸轮轮廓的相当浅的坡度发生，而当需要加速时，致动可沿一个较陡的轮廓更迅速地发生，然后沿相当浅的轮廓继续。

Description

操作高压液压泵的方法和操作柴油机燃料泵系统的方法
技术领域
本发明涉及高压液压泵，特别涉及操作高压液压泵的方法和操作柴油机燃料泵系统的方法。
背景技术
内燃机的柴油机燃料喷射系统中用的旋转式液压泵已众所周知好多年了。最近，希望改善燃料效率和废气排放控制，已引导汽车工业开发所谓共轨燃料喷射系统，由此使用一高压泵来建立和保持一个与各单个喷射器存在流体连通的储存箱中的燃料高压。单个喷射过程在喷射器处得到控制，以便产生内燃机各燃料室中的燃烧。这与更普通的分配式燃料喷射泵相反，后者燃料脉冲从泵内分配到单个分配路径，这些路径引向多个相应的喷射器。
共轨泵预计在约20,000psi下操作，而常规的分配式泵在小于约10,000psi下操作。该差别凸显出常规泵的某些缺点，如与泵送运动作相关联有过量的燃料遇到增压，以及受到压力泵送而实际上并未喷入燃烧室的燃料载带了过量的热量。
不幸的是，分配式泵在这方面的许多缺点已转移为试图改变分配式泵，以用于共轨系统。过量泵送和相关的热量产生问题特别在所谓泵一溢出、溢出一泵一溢出和充满一溢出技术中产生，如美国专利No.5,215,449和1995年6月2日提交申请的待审的美国申请书No.08/459,032中示范的。放弃此种溢出式泵的阻力在于，对泵的燃料输送要求根据下述条件而显著变化，这些条件例如是，泵是否从冷的状态下起动，泵是否在持续的稳定态条件下运行，和是否需要加速度来处理增大的负荷。使用溢出式泵，输送给泵的燃料量大于任何必需的量，以及在泵送期间，溢出控制被用于与瞬时要求一起力图匹配从泵排放的量。
其它技术试图与瞬时要求一起匹配输送到泵送室的燃料量，例如以通过电子控制装置(ECU)计算泵需求为基础的预先计量。该待装入泵送室的燃料量的预先计量通常受电磁阀的控制，该电磁阀响应从电子控制装置来的控制信号。电磁阀完成的预先计量的主要缺点是通过电磁阀计量有用的燃料量需要相当长的持续时间，以及按照发动机要求的广泛范围调整被计量的量的困难。在许多情况下，使用预先计量的泵送室操作的吸入相位，并不留下足够时间来利用一个浅到足以保证安静操作的凸轮泵送速率轮廓去实现泵送相位。即使利用双速率泵送轮廓，在一个周期的泵送相位期间，也没有足够的时间可以用来包括此种双重性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种操作高压液压泵的方法，该泵在操作的吸入相位期间尽可能减小泵送室中装入的燃料量，该泵在稳定态泵送操作期间其能量是高效的，但能迅速响应非稳定状态如加速状态。
本发明的另一个目的是该泵在稳定态操作期间提供安静的操作。
本发明的又一目的是，该泵具有与输入计量联系的液态效率的优点，但能获得超过20,000psi的高排放压力，同时利用一个相当简单而不贵的计量装置。
根据本发明的一种用于操作一个凸轮致动的高压液压泵的方法，包括：
在小于约20psi的压力下，预先计量从一容器到正排量输送泵的相继的燃料量；
致动该输送泵，以使该相继的燃料量的压力升高至少约100psi；
将输送泵中增压的每份燃料量输送到一个高压泵送室，该泵送室包括多个流体相互连通的高压泵送孔，使得每个孔在一个第一时间间隔内接受一定量的燃料；
同时致动多个柱塞进入相应的泵送孔，以便在一个第二时间间隔内使泵送室中的压力至少增大约15,000psi，并由此从该泵送室通过一高压排放阀排放所述燃料量；
其中每个柱塞是通过一个双速率凸轮泵送轮廓致动的，使得致动速率取决于所述燃料量的体积；以及
其中所述第二时间间隔比所述第一时间间隔的持续时间更长。
根据本发明的一种用于操作柴油机燃料泵系统的方法，该泵系统包括一个正排量输送泵和一个高压泵，它们整体形成为一个流体连通的共用燃料泵座，以便从一个容器接受低压的柴油机燃料源和排入共轨系统的高压柴油机燃料储存箱中，用于按照由发动机管理控制系统决定和控制的喷射要求将柴油机燃料从储存箱喷入内燃机的燃烧室中，包括：
根据从控制系统来的控制信号，预先计量从该容器到所述正排量输送泵的相继的燃料量；
致动该输送泵，以升高该相继的燃料量的压力至少约100psi；
将输送泵中增压的每份燃料量输送到一个高压泵送室，以便该室在一个第一时间间隔内接受一定量的与所述预先计量的量相当的燃料；
同时驱动多个柱塞到该泵送室中，以便在一个第二时间间隔内使泵送室中的压力增大到所述高压；
其中所述第二时间间隔的持续时间比所述第一时间间隔更长；以及
其中，在比所述第一时间间隔更长的吸入时间间隔期间，将每份预先计量的量输送到所述输送泵。
因此，根据本发明实施的泵的凸轮可以有一个长而浅(即小坡度)的高压泵送相位轮廓，由此尽可能减小液压噪声和声压噪声。泵送周期的较大部分可以分配给高压泵送，因为输送凸轮轮廓上的加料滑边可以较短而陡，原因是由外凸轮轮廓直接驱动的活塞式输送泵所产生的加料压力较高。
因此，在较长的高压泵送相位期间，输送泵室由预先计量的燃料量充满。预先计量的燃料量由电子控制装置计算，取决于所要的燃料输送和所要的储存箱压力。当柱塞辊到达和行进在凸轮鼻状部位上时，泵送过程结束。由于不存在溢出，该系统不需包括处理与溢出燃料伴随的热量的机构。总体积非常小，由此有助于尽可能减小收缩量，这有利于加载持续时间和泵的效率。在希望储存箱压力下降的时间内，不发生充满。
可以理解，由于输入计量，高的液压效率提供如下优点，就是在稳定态操作期间，只有所需的燃料量被装入泵送室，并增压到所要的储存箱压力水平。在泵处于操作中的时间的也许99％期间，此种状态占优势。仅仅在从高压到低压燃料要求的过渡状态期间(即例如在起动期间)，燃料会回卸到容器中，也仅仅是从储存箱回卸而不是从泵回卸。这与常规的泵相反，后者至少50％的增压燃料从泵回卸，刚巧维持稳定的储存箱压力。由于输入计量，较小体积的热燃料返回罐中，由此减小了燃料冷却问题。
因为计量装置本身不需要供给大于100psi的加料压力以在短时间内充满高压泵送室，所以可以使用相对不贵的计量装置，如普通的汽油喷射器。与加料过程相比，计量过程分布在相当长的时间内。因为泵是输入计量的，所以该泵可以具有显著的多余容量而不浪费能量。多余容量加料用的能量输入仅按需要消耗。
本发明的另一优点是，泵送力以平衡方式分配在若干泵送元件上。其次，输送泵致动过程和高压泵送致动过程可以在时间上分开，导致在旋转部件上的峰值转矩较低。如果需要，可以与发动机同步。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明的上述和其它目的和优点，图中：
图1是共用轨道燃料喷射系统的一部分的示意图，其中包括本发明的高压泵装置；
图2是在稳定态操作和恒定的储存箱压力期间最大燃料输送的正时用的输送泵和高压泵的相互作用的示意图；
图3是在过渡状态操作和储存箱压力同时增大期间最大燃料输送的正时用的输送泵和高压泵的相互作用的示意图；
图4是用于实现图1-3中示意示出的细部的共轨供给泵装置的纵向截面图；
图5是图4中所示泵的横截面图；以及
图6是图4中所示泵部件的加料操作的示意图。
具体实施方式
图1示意表示本发明的高压燃料供给系统10的操作原理本质。在例示的实施例中，系统10设置成供给高压流体如柴油机燃料到储存箱12，以便最终喷射到柴油机(未示出)中。在这样一种所谓共轨燃料喷射系统中，储存箱压力必须保持在约20,000psi，即使当燃料从储存箱12连续地注入多个(如4个、6个或8个)发动机汽缸中时也是如此。
高压燃料从泵送室18通过止回阀16经管线14输送。室18至少部分由孔20形成，孔中可以往复移动一个泵送柱塞22，其方式在该技术领域中熟知。该柱塞由具有凸轮轮廓26的转动凸轮24直接传动。当柱塞退回而由此扩大泵送室18中的可用容积时，燃料经入口通道28通过止回阀30供给。当柱塞22前进时，室18中的燃料输送到储存箱12中。
根据本发明，燃料通过正排量输送泵35以最好为约200-300psi范围的压力通过入口管道28供给到高压泵送室18中，输送泵35最好包括一个输送泵室32和相关的泵送柱塞或活塞34。实际上，如下更充分地描述的，系统10有一个由多个泵送柱塞及其相应的孔形成的高压泵送室18，但仅仅一个单独的输送泵室32适合于供给所有高压泵送孔。输送泵活塞34由具有凸轮轮廓36的转动凸轮38直接传动，凸轮轮廓36与凸轮轮廓26不同，但与后者具有预定的正时关系。
本发明的另一方面是，经通道42通过止回阀44供给到输送泵室32的燃料是例如用电磁线圈驱动阀40预先计量的。电磁铁46通过导线48激励或消激励，使阀部件50退回或前进，离开或对着阀座52。这允许或阻止燃料从低压供给管线56由燃料箱供给泵(未示出)通过通道54流入通道42。该燃料通常处于小于约20psi的压力，最好为10-15psi。在该低压下的燃料供给可以看作为一个储存容器。
阀40的操作较慢，但因此，可以对进入室32的燃料量计量得相当精确。从阀40来的计量燃料的量可以按照对发动机的要求(例如加速期间)以熟知方式调节。(例如通过在美国专利No.5,103,792“以燃料喷射控制系统为基础的处理器”中描述的ECU，其公开内容参考合并于此。)室32的容积和相关活塞返回弹簧58上的预负荷保证，可以在室32中接受任何可能想要的计量燃料的量，以便通过通道28输送。
根据本发明的另一优选方面，凸轮24和凸轮38彼此处于刚性的固定关系，形成一个致动杆60，该杆自动地协调柱塞22和活塞34之间关系的相位调整。此种相位调整可以参照图2和3来理解。图2和3的上部表示由凸轮轮廓36控制的输送泵室32和活塞34，而下部表示由凸轮轮廓26控制的高压泵送室18和柱塞22。
轮廓26上的点A对应于凸轮24的零转动角处的凸轮鼻或柱塞22的峰值排量，而轮廓36上的点B对应于凸轮38的零转动角处的活塞34的最小排量。沿零到100％的标度表示一个轮廓26的从A到A1和一个轮廓36的从B到B1的完全周期。当活塞34沿轮廓36的部分62的上坡行进时，室32中的燃料排放到室18中，因为当柱塞沿凸轮部分64的下坡行进时，柱塞22正在退回。输送到室18中的燃料量因此与到室32的预先计量的量相当(最好相等)。在稳定态操作期间，室32中的燃料量输送到室18的，仅仅部分充满室18，如40％标度处示出的。室18并不充分膨胀，而是到达约20％标度(点76)处的中间限度，并保持在该限度，直到超过60％的标度。由区段76至66、66至68和68至78限定的下坡、最低值和上坡部分不影响最终排入室18中的燃料体积。在点78，柱塞22通过室18前进，以积累输送到储存箱12用的高压。
当活塞34沿凸轮轮廓36的下坡部分61行进时，室32膨胀，以接受经过阀40的计量的燃料供给。该量在相当长的时间内输送，在此期间，由于轮廓26的部分上的上坡，高压柱塞22将燃料从室18输送到储存器。供给到室32的燃料量由车上计算机或调节器(未示出)计算，取决于所要的输送给发动机的燃料和所要的储存器压力。输送泵活塞34的最大排量稍小于高压柱塞22的最大排量(如少10％)，以便避免液压损失和保护泵的部件不受过大的机械应力。
从图1和图2可以理解，凸轮轮廓26的正常泵送率是相当低的(就是沿几乎40％标度的徐缓而相当长的上坡74)，这使液压噪声和声压噪声两者减至最小。这能够达到，因为必需的燃料量是在相当短的时间内(就是在陡的下坡64上小于约20％的标度期间)输送到泵送室18的。
本发明的一个重要方面是提供一种不贵的易于控制的输送泵配置，它能够在短时间内在高压下输送一个计量的量。该量可以利用一个不贵的阀40控制，因为计量该量使用的时间相当长，也即轮廓61的整个长度。但是该计量的量可以在例如200-300psi的压力下输送到增压室18，因此仅需一短的输送时间。这与常规的输送泵相反，后者通常在小于约15psi的压力下操作，因此需要相当长的时间来增压同样的量。
本发明在短时间期间(例如对于稳定态操作在凸轮26的约10-20％标度的转动内)使高压泵送室18增压的能力，不仅对高压柱塞22的驱动允许使用一个长的逐渐上升的轮廓74，而且还允许容纳一个双重上升速率。这示于图2中，在点68和72之间是一个短的快速上升的轮廓70，后面跟随较长的速率较低的部分74。轮廓部分70的坡度陡度最好至少为轮廓部分74的坡度陡度的两倍。在稳定态期间，室18并不完全充满，因此高速率部分70并不使用。这用点76和78之间延伸的虚线表示，由此，在约40％标度的持续时间内，柱塞22是“漂浮的”。
在需要伴有加速度的更快的储存箱压力增大期间，阀40允许更大量的燃料到室32，这对应于在轮廓26的部分64上的更长的持续时间，几乎到达点66，由此几乎充满室18。该情况相对于图3来说明。然后柱塞22沿66和68之间的“平面”过渡轮廓漂浮，随后沿部分70快速上升，然后沿点72和A1之间的“稳定态”坡度74继续泵送动作。用于加速的部分70最好跨越一个约10-15％标度的持续时间。即使在图3中表示过渡状态操作中，柱塞22在箭头处指示的油膜上漂浮约20％标度的持续时间。因此柱塞22释放给瓦116b加载的凸轮力一定时间，使辊116a能够再装满瓦内的油膜。最好是，进入室22的体积增加速率至少为50％，快于由凸轮轮廓部分70产生的加速泵送速率。
在点78处辊通过致动柱塞22开始在轮廓26上的向内泵送相位，该点78取决于从室32输入泵送室18的燃料体积。该体积与活塞34吸入冲程期间沿输送凸轮部分61通过阀40计量的燃料体积相当，最好与后者基本相等。沿凸轮部分62通过路径28由活塞输送的燃料量在泵送室内可以预定地分配，因此每个柱塞孔在增加期间接受近似相等的量。
图4和5表示用于实现上述发明特点的一个优选实施例100的纵向截面图和横向截面图。泵轴座102有一个中心腔104，其中支承用于转动的驱动轴106。一个静止的和转动式固定的体108部分位于座102内并与轴同轴地准直。固定头110固定在座102上并有一低压流体装卸部分112和一辊瓦支承毂部分114，低压流体装卸部分112包括低压供给和泄放通道112a和112b。毂114位于座102内，并支承体108。轴座102和头110一起可以看作限定泵装置的座体。
相联的辊装置116同心地位于凸轮环118内部，它由于固定在轴106上而转动。四个在体108内沿径向延伸的正交取向的孔20包括相应的四个往复式柱塞22，它们使相应的泵送容积扩大和缩小。泵送室18在体108的中心腔120中的四个孔20的交会处形成。高压输出接头122固定地支承在腔120内，而可以沿轴向滑动的控制阀124支承在接头122内。凸轮环118围绕泵送柱塞22，同时，以该领域中熟知的方式，一个沿该凸轮环内周面的凸轮泵送轮廓26与凸轮辊116a和相关的瓦116b配合，以便使柱塞22往复式移动。该总配置与1993年6月1日发布的美国专利5,215,449和1995年6月2日提交申请的美国申请书No.08/459,032中描述的相似(它们的公开内容参考合并于此)。
凸轮环118的外周面也提供一个凸轮轮廓36，用于保持与外辊126的滚动接触，这导致活塞34在输送泵35中往复移动。图5中示出的凸轮环可沿反时针方向转动，并被描绘成处于轮廓26的标度上转动角度为“零”的位置处，其中高压泵送辊116a在泵送轮廓的鼻状部位上，对应于图2中的点A。输送辊126处于如图2中所示的凸轮轮廓36的最低点B处。在点A1到达点A的从前位置之前，凸轮环的转动对应于一个泵送周期。对应于这样一个周期的总行程可以用多种等效方法表示，例如“一个泵送周期的100％”，或凸轮环118的角位移，该角位移在图示的实施例中为45度。显然，对于不同数目的柱塞或致动频率，一个泵送周期的100％可以对应于不同的角位移，如60度或90度。
在图4的实施例中，输送泵用的辊126与高压泵用的辊116a竖直对准，但这并非必需。其次，只有一个输送泵35为所有高压泵送孔20起作用。在泵送周期的一个相当短的部分期间燃料同时输送到所有泵送孔，然后在泵送周期的一个较长部分期间所有柱塞22同时受到向内驱动。
通常，可以在表1所示的参数范围内实现本发明的如上所述的相对于图1-5的有利的使用：
                  表1
       特点   标度持续时间    标号
   输送凸轮轮廓      100％     36
    吸入部分      ＞50％     61
    排放部分      ＜50％     62
  泵送凸轮轮廓      100％     26
    鼻子部分      ＜5％     A
    增压部分     20-30％     64
    平坦部分     10-30％    66至68
    加速部分     10-20％     70
   稳定态部分     30-60％     74
图6中示意示出输送泵35和控制阀124之间相互配合的优选实施方案，用于高压泵送室18的排放。输送泵35特别适合于将一定计量体积的燃料快速转移到入口止回阀132，以便在泵送柱塞22沿凸轮轮廓部分64退回的短时间内(例如在稳定态最大燃料输送期间＜20％标度)使泵送室增压。同时，在高压泵送发生之前，输送泵相位偏移和输送泵与高压室之间密封数目的减少使输送泵本身能够将储存箱初始增压到约200-300psi的压力。这能够显著减少起动时间和减少增压响应时间，无论何时这对冷发动机而言都是必须的。如图6中带有更大特殊性地示出的，输送泵辊126驱动输送活塞34，由此燃料经低压供给线112a输送到泵体108的外槽中，在那里燃料经入口通道130输送到止回阀132。在泵送操作的吸入相位期间，止回阀132打开，由此将燃料输入泵送室18中，随后，当柱塞(图6中未示出)沿径向向内驱动时，入口止回阀132关闭。控制阀124在正常情况下受弹簧偏压，以防止在吸入相位期间燃料通过高压通道134通过，但是在泵送相位期间，阀124打开，使高压燃料经高压通道134和阀腔136输送到排放口138(见图4)。

Claims (13)

1.一种用于操作一个凸轮致动的高压液压泵的方法，包括：
在小于约20psi的压力下，预先计量从一容器到正排量输送泵的相继的燃料量；
致动该输送泵，以使该相继的燃料量的压力升高至少约100psi；
将输送泵中增压的每份燃料量输送到一个高压泵送室，该泵送室包括多个流体相互连通的高压泵送孔，使得每个孔在一个第一时间间隔内接受一定量的燃料；
同时致动多个柱塞进入相应的泵送孔，以便在一个第二时间间隔内使泵送室中的压力至少增大约15,000psi，并由此从该泵送室通过一高压排放阀排放所述燃料量；
其中每个柱塞是通过一个双速率凸轮泵送轮廓致动的，使得致动速率取决于所述燃料量的体积；以及
其中所述第二时间间隔比所述第一时间间隔的持续时间更长。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于：
在稳定态操作期间，该相继的计量的量基本相同，而每个柱塞以较低的速率致动；以及
在过渡状态操作期间，该相继的计量的量而该增大，而每个柱塞以一个后随所述较低速率的初始的较高速率致动。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，该输送泵和高压泵是由一个共同的凸轮环直接致动的。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于，在预先计量步骤之前，根据一控制系统计算所要燃料输送量和所要储存箱压力来测定一个所要的预先计量的燃料加料量。
5.权利要求1所述的方法，其特征在于，输送泵有一最大排量，而高压泵有一比输送泵最大排量更大的最大排量。
6.权利要求1所述的方法，其特征在于，每个泵送柱塞是在高压泵送过程期间由一个沿凸轮泵送轮廓行进的辊驱动的，而当每个辊在一相应的轮廓上到达和行进经过一个鼻状部位时，该泵送过程结束而没有溢出。
7.权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述量输送到泵送孔的过程在时间上与高压泵送过程是分开的。
8.权利要求1所述的方法，其特征在于，该泵与一内燃机联接，而输送泵致动和高压泵致动与内燃机中的燃烧过程同步。
9.权利要求1所述的方法，其特征在于，输送泵和高压泵整体形成为一个流体连通的共用泵座，以便接受低压的柴油机燃料源和排入共轨系统的高压柴油机燃料储存箱中，用于按照由发动机管理控制系统决定和满足的喷射要求将柴油机燃料从储存箱喷入内燃机的燃烧室中，其中，预先计量步骤之前要根据所需燃料输送和所需储存箱压力的控制系统计算来决定所需的预先计量的燃料加料量。
10.权利要求1所述的方法，其特征在于，输送泵使所述燃料的压力升高200-300psi。
11.一种用于操作柴油机燃料泵系统的方法，该泵系统包括一个正排量输送泵和一个高压泵，它们整体形成为一个流体连通的共用燃料泵座，以便从一个容器接受低压的柴油机燃料源和排入共轨系统的高压柴油机燃料储存箱中，用于按照由发动机管理控制系统决定和控制的喷射要求将柴油机燃料从储存箱喷入内燃机的燃烧室中，包括：
根据从控制系统来的控制信号，预先计量从该容器到所述正排量输送泵的相继的燃料量；
致动该输送泵，以升高该相继的燃料量的压力至少约100psi；
将输送泵中增压的每份燃料量输送到一个高压泵送室，以便该室在一个第一时间间隔内接受一定量的与所述预先计量的量相当的燃料；
同时驱动多个柱塞到该泵送室中，以便在一个第二时间间隔内使泵送室中的压力增大到所述高压；
其中所述第二时间间隔的持续时间比所述第一时间间隔更长；以及
其中，在比所述第一时间间隔更长的吸入时间间隔期间，将每份预先计量的量输送到所述输送泵。
12.权利要求11所述的方法，其特征在于，该输送泵吸入间隔大于所述第二时间间隔。
13.权利要求11所述的方法，其特征在于，柱塞能够以可变速率受到致动，该可变速率取决于输送到泵送室的燃料量。
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