CN1177999A - 自点火内燃机燃油喷射装置 - Google Patents

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Abstract

在公知的2冲程船用柴油机的燃油喷射装置中,燃油只能以低于700巴的压力进入燃油压力罐。燃油从该压力罐中经计量阀进入喷油阀。这种燃油喷射装置在整体上具有复杂的电液控制安全装置和控制阀。本发明所述燃油喷射装置的特点是,具有非常紧凑的结构,可安装在已有的内燃机上替换常规燃油喷射装置。该燃油喷射装置具有高压泵10,燃油被送入供油罐11,燃油从该罐经计量阀16被送入喷油阀15、15′。高压泵10的控制是通过调节杆13实现的,后者可对高压泵10的具有斜边17的柱塞18进行调节。

Description

自点火内燃机燃油喷射装置
本发明涉及一种自点火内燃机燃油喷射装置，包括一根可转动地支承在曲轴箱内的曲轴，所述的曲轴上至少有一个带有活塞的连杆，所述的活塞可在被汽缸盖盖住的汽缸内运动，燃油喷射装置至少包括一个输送燃油的高压泵，该高压泵将燃油送入一个供油罐内，所述的供油罐通过至少一个计量阀与至少一个喷射阀相连。
这种类型的燃油喷射装置公开在MAN公司的产品手册《电子喷油保障未来的燃油质量》(1980年4月)中。该文献中描述的燃油喷射装置被设计成用于两冲程船用柴油发动机。该燃油喷射装置包括一个燃油压力罐，该罐内的燃油压力大致恒定保持在700巴，并通过电子控制装置输送给各个喷射阀。其中所有的控制装置的构成方式是，除了采用电子控制外，还采用一种液体形式的工作介质进行控制，该介质可控制各个气门和执行机构。所述的液压控制装置中至少以近似比例表示的部件“油缸单元和高压泵”相隔甚远，以致于与装在内燃机其他位置上的燃油压力罐之间需要较长的连接管道，用于输送压力燃油。所以整个系统的液压部分较弱，因此所采用的燃油喷射系统不能实现预期的优点。
本发明的目的是提供一种自点火内燃机燃油喷射装置，它具有刚性液压系统，而且结构紧凑。
为实现以上目的，本发明提出的解决方案是，高压泵安装在曲轴箱(3)内，并且高压侧设在汽缸附近的区域，驱动侧是由凸轮轴驱动的。该结构进一步改进了以上所述类型的燃油喷射装置，其喷射装置从凸轮轴的驱动机构和曲轴箱的结构及布置直到高压出口尽可能靠近喷射阀或插在中间或位于汽缸盖内的供油罐的结构，其整体上无论从机械方面还是从液压方面看，都具有足够的刚性，并且本发明所述的内燃机的喷射性能和已有技术相比也得到了改善。特别是其喷射特性可以精确地确定和调整，从而实现低油耗，也有利于降低内燃机尾气的有害物质排放量。在喷射装置的影响范围内，不仅减少了内燃机的尾气中的有害物质，也降低了内燃机的运转噪声。刚性液压系统的核心在于采用了供油罐，因为在该系统的每个工作循环中必须最精确地控制例如由预喷油量和主喷油量构成的总喷油量。而使用已有技术中的喷射系统，则会在此处造成很大的缺点。
在本发明的一种改进结构中，高压泵以无壳体的方式安装在曲轴箱内。该结构的优点是，一方面省去了高压泵的独立壳体，另一方面提高了整个系统的机械强度，因为去掉了独立的泵壳体，可赢得空间，从而能利用该空间加强曲轴箱。另外取消了独立的泵壳体后也无需采用泵壳体和曲轴箱之间必要的配合和连接，从而降低了加工成本。
在本发明的一种改进结构中，高压泵包括一个油缸和一个可在油缸内运动的泵活塞，所述的泵活塞具有用于流量控制的斜边。该结构利用了已经存在并经过验证的泵元件，它可以保证输送压力达到大约1400巴。斜边控制机构还可实现供油罐压力的精确和可靠的控制，而无需在供油系统内采用高成本的安全阀和控制阀。上述元件可以通过主动控制供油罐的充油压力而省略。
在本发明的一种改进结构中，凸轮轴具有交替控制气门的凸轮，并且通过唯一的齿轮副由曲轴驱动。该结构特别对直列式内燃机是有利的，因为可以省掉驱动高压泵的独立的凸轮轴。此外，凸轮轴最好具有以下结构：至少在凸轮轴的一部分区段布置3个直接靠在一起的凸轮段。而且2个凸轮段用于控制进、排气门(进气和排气)，第3个凸轮段用于控制高压泵。通过支承该段的轴承可进一步提高凸轮轴的刚性，所以基本上消除了凸轮轴发生弯曲或扭曲的危险。此外，轴颈部位和位于其中间的凸轮部分可以做成平滑过渡，即没有棱角的连接。该结构可使用最小的空间保证凸轮轴具有足够的刚性。通过唯一的齿轮副由曲轴驱动凸轮轴可以避免凸轮轴和曲轴之间的相对转动和峰值压力，并避免影响控制的精确性，而公知的凸轮轴驱动机构采用多个齿轮、齿形皮带或链条则不能避免以上缺陷。
在本发明的一种改进结构中，凸轮轴具有用于驱动高压泵的2个、3个或若干个分布在凸轮轴上的凸轮。该结构的优点是，凸轮轴每转一圈，高压泵便向供油罐多次输油。和喷射泵元件不同，高压罐的供油与对应的工作冲程无关，而喷射泵元件和喷射阀则必须根据工作冲程动作。此外，凸轮的工作面可以进行变化，使斜率大的面在喷射泵元件的位置上平缓，因为如上所述，高压泵没有很陡的压力升高，而喷射泵元件为提供规定的喷油量则必须有很陡的输油量。所以凸轮可以根据高压泵的负荷以及整个系统的负荷进行最佳化设计。凸轮轴上的凸轮数量和相应的内燃机参数有关(如气缸数量，高压泵尺寸等)。
在本发明的一种改进结构中，沿内燃机分布设置2个或若干个高压泵。该结构的优点也是如上所述，可按所述参数(如气缸数量，高压泵排量等)进行最佳化设计。
在本发明的一种改进结构中，供油罐至少沿着内燃机的一列汽缸布置。该结构和上述结构一起实现了高压泵靠近汽缸盖及其上面的喷射阀的结构和布置。其优点是提供了系统的刚性，因为该结构尽量减小了高压泵和供油罐以及供油罐和各个喷油阀之间的连接长度。根据本发明，在具有V型汽缸布置方式的内燃机中，在两列汽缸之间的V形空间内只设置唯一一个供油罐，所以该结构特别适用于V形角较小的结构，即两列汽缸相对较为靠近的结构。在本发明的范围内当然还可设置两条供油管，此时每列汽缸上设置一个供油罐。一种有利的结构是将供油罐集成在汽缸盖内。
在本发明的一种改进结构中，供油罐和高压泵的高压出口之间由一段短压力管相连，这种结构如上所述可基本避免较长的压力管中出现的压力损失和波动。并且本发明的另一种结构是，供油罐包括2个或若干个高压泵。该结构在例如在下述情况中是有利的，即有两个或三个高压泵沿内燃机设置，例如在每列汽缸的两端各设置一个，在中间设置一个，在该结构中，供油罐可直接固定在高压泵上。从而能避免采用供油罐和内燃机之间的附加固定件，此外例如还可预先装配好一体式高压泵和供油罐，并最终将其作为一个单元安装在内燃机上。
在本发明的一种改进结构中，计量阀安装在供油罐上，或在本发明的另一种改进结构中，计量阀直接安装在喷射阀上。这里选择的方案能最佳地满足各方面的要求。将喷油阀直接设置在计量阀上，可以非常精确地控制输送给喷油阀的燃油的数量和输送时间，因为在计量阀和喷油阀之间没有影响计量效果的管道。另一方面，将计量阀设置在供油罐上，也提供了一种非常紧凑的单元，它包括高压泵、供油罐和计量阀，该单元可预先制造和装配。此外，由于在气缸盖部分没有计量阀，所以降低了结构高度，而在许多应用情况下，结构高度的降低是很不容易的。在本发明所述的结构中，计量阀至少是一个电磁阀，它用在通常的电磁阀控制的喷射装置中(KHD公司的MV系统)。这里涉及的系统中，喷射泵单元与一种电磁阀相连，该阀控制输送给与喷射泵元件或电磁阀相连的喷油阀的燃油数量。计量阀的操纵也可以采用Piezo开关元件。
在本发明的一种改进结构中，通过作用在供油罐内的压力控制高压泵。该结构适用于上述具有斜边式柱塞的高压泵，该斜边与具有相应控制孔的调节杆相连。在本发明的改进结构中，作用在供油管中的压力经液压和/或电气传递作用在执行机构上，执行机构再控制调节杆调整斜边。其中的最简单的结构是供油管的端部与压力传递管相连，后者则进入作为压力转换器的执行机构，以控制调节杆对斜边进行调整，另一种结构是，通过电气方式，例如通过传感器测量供油罐内的压力，并用该测量值对调节杆进行控制。这里例如可采用一个适当的调节马达，如步进电机。同样也可以用电信号控制调节杆的液压调节装置。
在本发明的一种改进结构中，调节装置安装在内燃机的端部，特别是安装在调速器的位置上。这种结构的优点是，在内燃机上不需要增加安装调节装置的位置。内燃机在整体上可以选择采用常规的喷射系统或者采用上述电磁阀技术，或者采用本发明所述的具有供油罐的系统。
最后，在本发明的一种改进结构中，调节装置安装在曲轴箱的开孔内的喷射泵元件的位置上。如上所述，一般并不是所有通用内燃机上都有喷射泵元件的开孔，因为为了在供油罐内产生高压只需要少量的高压泵。所以调节装置可以安装在未使用的开孔上。该调节装置的结构原则上和高压泵相似，但它没有凸轮轴驱动装置。供油罐以液压和/或电气方式传递的压力作用在调节杆上，控制其他高压泵的输油量，该过程是以“准反馈方式”实现的。这种结构提供了一种特别紧凑的结构，而且该装置也作为上述结构中的供油罐的支座。
本发明所述的燃油喷射装置当然也可在普通的插入式高压泵上实现。其中喷射泵元件或高压泵安装在单独的泵体内。该泵体可完全安装在内燃机的曲轴箱内，或者部分安装在曲轴箱内，或者部分安装在其上，并有一个外部供油系统，但上述在曲轴箱内安装供油系统的结构更为有利。该结构的优点是，高压泵的高压室与共同作用的供油罐可靠近喷油阀安装。此外，还可避免外部供油系统中的燃油受热和曲轴箱内部的燃油泄漏。
下面根据附图所示的实施例对本发明的其他有利结构做进一步的说明。
图1表示一台内燃机的侧视图，上面装有本发明所述的燃油喷射装置；
图2表示一台内燃机的端部视图，上面具有燃油喷射装置，供油罐固定在气缸列上，并且计量阀设置在喷油阀上；
图3表示一台内燃机的端部视图，上面具有燃油喷射装置，供油罐固定在高压泵上，并且计量阀设置在供油罐上。
如图1所示，自点火式内燃机1例如具有6个气缸，它们布置成一直列。内燃机1基本上采用常规结构，包括一根曲轴2，它安装在曲轴箱3内(参见图2和图3)。此外，在曲轴箱3内还有一根凸轮轴4，该凸轮轴4经唯一的一对齿轮副由曲轴2驱动。在曲轴2和凸轮轴4的端部是齿轮5a和5b，其传动比可保证凸轮轴4以曲轴转速一半的速度转动。凸轮轴4上有对应于各个气缸的气门驱动凸轮6a、6b，其后面是凸轮7a、7b、7c，凸轮均以相同的轴向距离布置在凸轮轴4上(参见图2和图3)。气门凸轮6a、6b和凸轮7a、7b和7c由轴颈8a、8b连接，该轴颈直接连在气门凸轮6a和凸轮7a、7b、7c上。所以从轴颈8a、8b至各个凸轮之间没有过渡区，即凸轮轴4的各个凸轮段之间没有降低强度的沟槽。如图1所示，只有轴颈8a、8b之间的凸轮段对应一个气缸，同样曲轴2也只画出了一部分，两根轴当然是以所示的结构沿内燃机1的整个长度延伸的。
凸轮轴4的凸轮7a、7b、7c驱动高压泵10的滚轮挺杆9运动，挺杆驱动高压泵柱塞18运动，燃油经一根短压力管12进入沿内燃机1布置的供油罐(公用给油管)11内(参见图1和图2)。高压泵10的基本结构是一个具有斜边变量控制机构的喷射泵。上述高压泵柱塞18具有一个斜边17，它根据柱塞18的转动与控制孔共同作用。通过其转动可以在零供油量和最大供油量之间调节高压泵10的供油量。高压泵柱塞18的调整由调节杆13进行，该杆沿内燃机1延伸。
在内燃机工作过程中，高压泵10输出的燃油进入供油罐11。从该供油罐11上分别引出与内燃机1的气缸数量相对应的喷油管14、14’，该油管与喷油阀15、15’连通。根据图2所示的实施例，供油罐11被固定在曲轴箱3或气缸体上。从该供油罐11上引出的喷油管14进入喷射阀15上设置的计量阀16。该计量阀16例如是一个由电子控制单元控制的电磁阀，它根据操作参数控制喷油管14进入喷油阀15的燃油流量。
和图2所示的实施例不同，在图3所示的实施例中，供油罐11直接固定在高压泵10上。计量阀16则直接设置在所述供油罐11上，所以喷油管14’直接进入喷油阀15’。当然，在该实施例中也可将计量阀16直接布置在喷油阀15上。通过所示具有供油罐11的内燃机结构，在几乎所有运行条件下，供油罐内的燃油均能保持近乎相同的压力，该压力例如为1400巴，并且燃油可通过计量阀16以近乎任意的控制方式进入喷油阀15、15’。所以内燃机的运行状态，特别是尾气排放和噪音以及耗油量均得到了改善。
如上所述，高压泵10的供油量是通过具有斜边17的柱塞18实现的，柱塞受调节杆13的调节控制。该调节的方式是，调节杆13在调节装置的作用下沿轴向移动，该调节装置是一种压力转换器19，它如图1所示设置在内燃机的端部。该压力转换器19经控制管20与供油罐11连通。该系统的设计可保证，当供油罐11内的压力下降时，降低的压力经控制管20作用于压力转换器19上，该压力转换器19则相应地控制调节杆13，使高压泵10提高其供油量。这样便可以简单的方式自动调节供油罐11的压力。在本发明中还提供了一种结构，用压力传感器测量供油罐11内的压力，该压力信号作用于压力传感器19。该压力传感器19优先采用电动执行元件。如上所述，本发明还提供了一种结构，其中的执行机构是一个压力转换器19’，它和高压泵10类似，同样安装在内燃机的曲轴箱3上。该执行机构的形状和高压泵10类似，但是没有滚子挺杆9。由执行机构的控制管20’所传递的供油罐11的压力仅用于对调节杆13的调节。

Claims (17)

1、自点火内燃机燃油喷射装置，包括一根以可转动方式支承在曲轴箱内的曲轴，所述的曲轴上至少有一个带有活塞的连杆，所述的活塞可在被汽缸盖盖住的汽缸内运动，燃油喷射装置至少包括一个输送燃油的高压泵，该高压泵将燃油送入一个供油罐(公用给油管)内，所述的供油罐通过至少一个计量阀与至少一个喷射阀相连，本发明的特征是，高压泵(10)安装在曲轴箱(3)内，并且高压侧设在汽缸附近的区域，驱动侧是由凸轮轴(4)驱动的。
2、如权利要求1所述的燃油喷射装置，其特征是，高压泵(10)以无壳体的方式安装在曲轴箱(3)内。
3、如权利要求1或2所述的燃油喷射装置，其特征是，高压泵(10)包括一个油缸和一个可在油缸内运动的泵活塞，所述的泵活塞具有用于流量控制的斜边。
4、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，凸轮轴(4)具有交替控制气门的凸轮(6a、6b)，并且通过唯一的齿轮副由曲轴(2)驱动。
5、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，凸轮轴(4)具有用于驱动高压泵(10)的2个、3个或若干个分布在凸轮轴(4)上的凸轮(7a、7b、7c)。
6、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，沿内燃机(1)分布设置2个或若干个高压泵(10)。
7、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，供油罐(11)至少沿着内燃机(1)的一列汽缸布置。
8、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，供油罐(11)和高压泵(10)的高压出口之间由一段短压力管(12)相连，并且高压泵(10)各包括一个压力保持阀。
9、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，供油罐(11)包括2个或若干个高压泵(10)。
10、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，供油罐(11)安装在内燃机(1)的汽缸盖(3a)内。
11、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，计量阀(16)安装在供油罐(11)上。
12、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，计量阀(16)安装在喷射阀(15、15’)上。
13、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，通过作用在供油罐(11)内的压力控制高压泵(10)。
14、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，高压泵(10)与安装在曲轴箱(3)内的控制杆(13)相连接。
15、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，作用在供油罐(11)内的压力经一个液压和/或电气传动机构作用于调节装置(19)，该调节装置通过控制杆(13)控制高压泵(10)的斜边(17)。
16、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，调节装置(19)安装在内燃机(1)的端面上，特别是设置在调速器的位置上。
17、如上述权利要求之中任何一项所述的燃油喷射装置，其特征是，调节装置(19’)安装在曲轴箱(3)的开孔内的喷射泵元件的位置上。
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