CN202937392U - 燃料喷射泵 - Google Patents

Abstract

一种燃料喷射泵，包括泵主体；装配到所述泵主体中的驱动轴；装配到所述驱动轴上的活塞驱动的凸轮；以及一个或多个汽缸盖，每个汽缸盖包括插入汽缸腔膛内的泵活塞，其中所述泵活塞配有一个或多个全金属密封环；其中配有一个或多个全金属密封环的泵活塞的横截面积等于汽缸腔膛的横截面积，由此产生的内部泄露为零。在一个实施方式中，所述全金属密封环为盘绕交织密封件。

Description

燃料喷射泵

技术领域

本实用新型一般涉及柴油发动机，柴油发动机燃料喷射泵和相关的机械部件。更具体地，本实用新型涉及包括发动机活塞的机械构件的密封。 

背景技术

通常，柴油发动机燃料喷射泵的活塞不具有任何密封装置。通过柴油燃料的粘性结合活塞和汽缸腔膛内壁之间的精度约为几微米量级的最小间隙获得活塞的密封。技术进步使得在柴油发动机中使用共轨直喷(Common Rail DirectInjection，简称CRDI)的高压燃料喷射系统成为可能。 

以前的燃料喷射系统的平均压力为300巴(bar)。使用CRDI的新系统能产生将近3000bar的压力，其比大气压大3000倍，从而更好地燃烧在极高的压力下喷射的更精细的燃料液滴。因而极大地改进了柴油发动机的燃烧条件。在分离的喷射系统中极高的压力下喷射极其精细的燃料颗粒结合每个燃烧周期内多次燃料喷射而非单次燃料喷射，获得近乎完美的燃烧，该燃烧几乎不产生有毒废气。 

柴油发动机在引入CRDI系统之后明显好得多，但由于燃料喷射泵的活塞上缺少密封装置，实际上仍然无法节约燃料。 

当柴油发动机燃料喷射泵在将近3000bar的极高压下工作时，因为在如此高的压力下活塞上的总负载高达一公吨以上，所以活塞的直径必须尽可能地小。例如，当活塞直径为7mm时，在3000bar的内部压力下7mm的活塞上的总负载为1154kg。在泵中使用三个横截面直径为7mm的活塞，从活塞转移到轴上的总负载变为3462kg。当考虑50％的安全系数时，额定负载随后变为5293kg。泵中需要极大直径的轴和传动轴承。 

平常的3000cc的客车柴油发动机的燃料泵应当以300cc/分钟的速度泵送燃料以使汽车以60公里/小时的速度行驶。利用横截面直径为7mm并且横截面面积为0.385平方厘米的汽缸腔膛，泵冲程为7mm的三活塞泵在泵轴每次旋转时泵送0.81cc。泵轴以370rpm的转速旋转以泵送300cc/分钟。当燃料喷射泵的汽缸腔膛的横截面直径为7mm时，活塞的外直径不能超过6.98mm，活塞的外直径比汽缸腔膛的直径小0.02mm。活塞的横截面积等于0.382平方厘米。因而汽缸腔膛与活塞之间的间隙的面积为0.003平方厘米。该面积是汽缸腔膛的横截面积的0.8％。换句话说，即使泵闲置，大气压下汽缸腔膛与活塞之间仍有最小0.8％的内部泄露。当泵运行且施加3000bar的内部压力时，内部泄露能达到泵的总泵送流量的60％以上，这意味着将近60％的燃料泵送能量通过内部泄露损失。在泵的使用寿命期间，内部泄露速率进一步迅速增加。这是由于在燃烧周期中汽缸腔膛与活塞之间的间隙导致腔膛中的活塞振动，该振动逐渐拓宽间隙，从而逐渐增加内部泄露。 

典型的燃料喷射泵送系统包括蓄压器，该蓄压器用于在蓄压器中存储加压燃料以保持压力恒定，使压力波动尽可能小以燃烧均匀并且最小化发动机振动。燃料喷射泵必须泵送比发动机燃烧能力至少多40％的燃料，从而能在蓄压器中存储过多的加压燃料。由于内部泄露逐渐增加，当发动机长时间地保持运行而没有闲置的情况下，最终燃料喷射泵不能泵送足够的额外燃料以在蓄压器中积蓄加压燃料。从燃料泵供应到发动机的燃料少于用于燃烧以维持速度的燃料。此时，需要更换燃料喷射泵。该更换通常平均每年发生一次。因此，在柴油发动机的领域中通常需要找到更好的燃料喷射泵，特别是不会经常磨损的更好的燃料喷射泵。 

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种柴油发动机燃料喷射泵的设计方案，该柴油发动机燃料喷射泵能产生高压，内部泄露最少并且该内部泄露不会逐渐增加，耐久性更好并且制造的复杂性较低。本实用新型的另一个目的是提供使用 全金属密封环的这种设计方案。 

根据本实用新型的一个方面，提供了一种燃料喷射泵，其特征在于，包括：泵主体；装配到所述泵主体中的驱动轴；装配到所述驱动轴上的活塞驱动的凸轮；以及一个或多个汽缸盖，每个汽缸盖包括插入汽缸腔膛内的泵活塞，其中所述泵活塞配有一个或多个全金属密封环；其中驱动轴的旋转引起泵活塞的往复运动；以及其中配有一个或多个全金属密封环的泵活塞的横截面积等于汽缸腔膛的横截面积，由此产生的内部泄露为零。 

根据本实用新型的多个实施方式，全金属密封环用于密封柴油发动机燃料喷射泵的活塞和汽缸腔膛。具有活塞上的一个或多个全金属密封环的柴油发动机燃料喷射泵即使在例如20rpm的极低速度下，仍能产生绝对为零的内部泄露。 

横截面直径为18mm的燃料喷射泵的汽缸腔膛，其横截面积为2.55平方厘米。当所述一个或多个全金属密封环安装到活塞上时，活塞的外直径加上全金属密封环与汽缸腔膛的横截面直径完全相同，两者的横截面积也相同，使得泄漏面积为零。 

如果燃料喷射泵具有三个活塞并且如果活塞冲程为18mm(与活塞的横截面直径相同)，则每次旋转轴，泵的排量是13.77cc，从而以300cc/分钟泵送燃料所需的轴的旋转速度是21.8rpm。 

仅在确保零内部泄漏时，该低速泵送有实用性；否则在3000bar的压力下，内部泄露将近100％，因为在这样低的速度下活塞不能由柴油机燃料的粘度产生密封功能。 

但是，具有活塞上的全金属密封环的发动机燃料喷射泵中，低轴旋转速度是可能的，因为零泄漏密封不依赖于柴油机燃料粘度，而依赖于全金属密封环。低速运行发动机燃料喷射泵延长了泵的使用寿命并且确保泵在其整个使用寿命中的高性能不变，并且减轻了柴油发动机的振动，使车辆乘坐更加宁静、舒适。 

附图说明

下面参照附图更详细地描述本实用新型的各实施方式，其中： 

图1表示根据本实用新型的具有活塞上的全金属密封环的柴油发动机燃料喷射泵的横截面示图。 

图2表示可以用金属薄片冲压而成的部分环，其两端具有凸的和凹的燕尾形接头，以便在进一步接合时，使接合牢固。 

图3表示两个部分环被叠置在一起，以便将第一部分环的凸的燕尾插到另一个部分环的凹的燕尾中，以便进一步接合构成螺旋盘管。 

图4表示本实用新型的管状密封的坯料，它是金属带盘绕的螺旋管。 

图5是本实用新型的完整的动态密封的局部剖视图，该密封是通过研磨坯料的内径和外径从而密封中具有合适的功能而成的。 

图6表示具有辅助的虚部的部分环，用于解释本实用新型的动态旋转密封的原理。 

图7是使用本实用新型的完整的动态旋转密封的实施例的局部剖视图。 

图2-7中的标记的零部件的说明

1-用金属薄片冲压而成的部分环。 

2-C型部分环上燕尾接头的凸端。 

3-C型部分环上燕尾接头的凹端。 

4-燕尾接合线，这是C型部分环燕尾接合的结果。 

5-由数个C型部分环沿螺旋形轨迹进一步接合而构成的螺旋弹簧管。 

6-不接触轴的圆周，该圆周的直径做得比轴的直径略大，从而使它总是远离轴。 

7-接触轴的圆周，该圆周的直径做得比轴的直径略小，从而使它总是接触轴。 

8-接触壳体的圆周，该圆周的直径做得比壳体的内径略大，从而使它总是与壳体接触。 

9-不接触壳体的圆周，该圆周的直径做得比壳体的内径略小，从而使它总是远离壳体。 

10-壳体密封层，其外径是接触壳体的圆周，而其内径是不接触轴的圆周。 

11-位移吸收层，其外径是不接触壳体的圆周，而其内径是不接触轴的圆周。 

12-轴密封层，其外径是不接触壳体的圆周，而其内径是接触轴的圆周。 

13-轴。 

14-指示轴旋转方向的箭头。 

15-当轴密封环展开时指示环展开方向的箭头。 

16-假想的销，该销阻挡轴密封坏的旋转。 

17-壳体。 

18-壳体的内径。 

19-插在卡环槽内以保持定位环的卡环。 

20-保持密封坏组件的定位环。 

21-压缩环，该压缩环推动密封坏组件的源环以保持密封坏组件中所有的环彼此紧密接触，从而阻止各环之间泄漏。 

22-为压缩环提供压缩力的压缩弹簧。 

23-旋转轴的外径。 

24-完整的密封组件。 

25-卡环槽。 

具体实施方式

下面的说明中，具有活塞上的全金属密封环的发动机燃料喷射泵的设计方案作为优选实施例来说明。对本领域技术人员来说，显然只要不背离本实用新型的范围和思想，就可以做出各种改进，包括增加和/或替换。可以忽略特定的细节，以便不会使实用新型难以理解；但是公开内容写得能使本领域技术人员不需要过度试验即可实施这里的教导。 

根据本实用新型的多个实施方式，全金属密封环用于密封柴油发动机燃料喷射泵的活塞和汽缸腔膛。具有活塞上的一个或多个全金属密封环的柴油发动机燃料喷射泵即使在例如20rpm的极低速度下，仍能产生绝对为零的内部泄露。 

横截面直径为18mm的燃料喷射泵的汽缸腔膛，其横截面积为2.55平方厘米。当所述一个或多个全金属密封环安装到活塞上时，活塞的外直径加上全金属密封环与汽缸腔膛的横截面直径完全相同，两者的横截面积也相同，使得泄漏面积为零。 

如果燃料喷射泵具有三个活塞并且如果活塞冲程为18mm(与活塞的横截面直径相同)，则每次旋转轴，泵的排量是13.77cc，从而以300cc/分钟泵送燃料所需的轴的旋转速度是21.8rpm。 

仅在确保零内部泄漏时，该低速泵送有实用性；否则在3000bar的压力下，内部泄露将近100％，因为在这样低的速度下活塞不能由柴油机燃料的粘度产生密封功能。 

但是，具有活塞上的全金属密封环的发动机燃料喷射泵中，低轴旋转速度是可能的，因为零泄漏密封不依赖于柴油燃料的粘度，而依赖于全金属密封环。低速运行发动机燃料喷射泵延长了泵的使用寿命并且确保泵在其整个使用寿命中的高性能不变，并且减轻了柴油发动机的振动，使车辆乘坐更加宁静、舒适。 

参照图1，具有活塞上的全金属密封环的柴油发动机燃料喷射泵的实施方式包括：泵驱动轴31和偏心凸轮30，其中泵驱动轴31和偏心凸轮30被制造成为一个整体并且被组装在泵主体16中。三个连杆活塞驱动的凸轮28装配在偏心凸轮30上，由轴承29支持。三个汽缸盖17中的每一个包括排放阀22、排放端26和插入汽缸腔膛内的泵活塞19。汽缸盖17连接到泵主体16并且均匀地围绕圆形的泵主体定位。汽缸盖17进一步通过连接螺栓18固定到泵主体16。 

泵驱动轴31的旋转使得偏心凸轮30旋转，两者一起在活塞驱动的凸轮28上产生往复运动。活塞驱动的凸轮28将每个泵活塞19向上推动到其各自的汽缸腔膛。泵活塞19随后通过复位弹簧21的力返回。由活塞驱动的凸轮28引起的泵活塞19的往复运动产生泵送力、吸取力和压力。在泵活塞19往复运动期间，吸入阀23和排放阀22的动作导致液体燃料通过入口端24和泵活塞19内的孔25流入泵主体16。 

现有技术中，内部泄露是不可避免的，因为其由每个泵活塞19和其各自的汽缸腔膛之间的间隙产生。但是如图1所示的柴油发动机燃料喷射泵的每个泵活塞19配有全金属密封环20。配有全金属密封环20的泵活塞19完全消除了其自身与汽缸腔膛内壁之间的空隙。 

全金属密封环的一个实施方式是盘绕交织密封件(coiled felt seal，简称CFS)。CFS的一个示范性实施方式是螺旋弹簧管型动态旋转密封，它记载在第10-2006-0031762号韩国专利申请中。 

用C型部分环构成的螺旋弹簧管型动态旋转密封，这些C型部分环通过燕尾接合方法接合在一起。 

本实用新型的范畴落在泄漏的动态阻止技术中，当旋转压缩系统中的压力上升时，静止的壳体和旋转轴之间不可避免地会出现泄漏。 

用在螺杆型压缩系统上的动态旋转密封被称为“机械密封”。机械密封至少由六部分组成：定子体，转子体，定子盘，转子盘，转子盘弹簧和转子体盘密封。如果这些部件中任何一个出故障，整个密封功能就失效。定子盘和转子盘是在压力下通过接触摩擦旋转执行实际密封功能的部件。这两个部件必须兼具高耐磨性能和低摩擦力。它们必须能够以尽可能最快的速度散热。表面积可以调节，以便有小的接触面积，从而有小的摩擦热，但小的面积会导致更快地磨损。高耐磨材料具有高摩擦力，而低摩擦力材料具有低耐磨性。如果它们用高耐磨材料制造，以便有长的寿命，摩擦热就会影响相互接触的介质的质量，在某些情况下甚至导致火灾。 

机械密封中的两个接触面受到压力和经常的摩擦，因此它们在所有情况下都会有磨损，甚至是亚微米级的磨损，但是当亚微米磨损在各种情况下没有随着磨损得到补偿时，亚微米磨损间隙总是导致整个密封失效。 

换句话说，接触盘、旋转盘中的一个必须朝配套盘、静止盘移动，以补偿磨损。这意味着当旋转体旋转时，旋转盘必须沿轴向在旋转体上朝静止盘前进。旋转盘必须能够在旋转体上滑动，以不断地朝静止盘移动。因此在旋转盘和旋转体之间有另一个地方阻止泄漏。 

旋转盘在旋转体上因盘片磨损而造成的轴向移动的距离非常小，一年也就几毫米，因此旋转盘和旋转体之间的密封可以通过简单的橡胶O形环实现，这种方式更便宜，也可以通过金属波纹管实现，这种方式性能更佳。简而言之，现有技术中的旋转动态密封的实际问题在旋转盘和转子体之间的密封上，不仅仅是在接触盘上。 

插在旋转盘和转子体之间的橡胶O形环在高温介质中会弯曲，并且在高压介质下会被挤出，并且在腐蚀性介质中会被腐蚀，但没有办法忽略它。 

金属波纹管更贵，有时是整个机械密封的三倍，并且金属波纹管使得结构更复杂，这会妨碍薄而紧凑的设计，而这在精密机械中非常重要。 

最终的目标是生产单件式旋转动态密封，该密封紧凑，密封性能更高，更便宜，并且维护成本更低，而本领域的一般称为机械密封的旋转动态密封系统具有如此多的部件，因此不可避免地会有相互关联的复杂结构，生产成本昂贵，维护成本更高，并且寿命较短。 

图2展示了C型部分环1，它是本实用新型的基本的源环。部分环1必须通过压机冲压而成，或者利用薄板坯通过诸如激光切削或者电火花线切割之类的外形切削工艺制造，以使部分环1的完全平行的两个面。C型部分环1是环的一部分被切掉的环，以便让多个部分环通过在部分环1的两端上形成的凸燕尾2和凹燕尾3而进一步接合。切口角度的值应该根据直径相应确定。 

图3展示了两个部分环1通过第一部分环1的凸燕尾2和下一个部分环1的凹燕尾3而进一步接合的方法。 

图4展示了通过部分环1的进一步接合而成的完整的螺旋弹簧管5，并且这些燕尾接合线4必须在接合之后通过焊接或者铜焊永久固定。完整的螺旋弹簧管5上的起点展示了凸燕尾2，而终点展示了凹燕尾3。当螺旋弹簧管5由部分环1的进一步接合而构成时，燕尾接合线4应该错位地分布在该管表面上，错位和部分环1的切口角度一样大，因此燕尾接合线4会充分分布在管的表面上，避免不牢固的结合点重叠。 

图5展示了本实用新型的密封组件24的局部剖视图，该密封组件是完整实 用新型的密封坏。密封组件24通过研磨内径和外径制造出4个不同的直径而完成，两个直径在螺旋弹簧管5的内侧上，另两个直径在螺旋弹簧管5的外侧上。密封组件24的内径的较小的直径被称为接触轴的圆周7，该圆周做得比轴23的外径小约0.5％，以便当轴13被插到密封组件24内时，总是与轴13紧紧接触。密封组件24的内径的较大的直径被称为不接触轴的圆周6，该圆周做得比轴23的外径略大，以在任何时候都防止不接触轴的圆周6接触轴23的外径。密封组件24的外径的较大的直径被称为接触壳体的圆周8，该圆周做得比壳体18的内径大约0.5％，以便当密封组件24被组装到壳体17内时，保持接触壳体的圆周8与壳体18的内径总是紧紧接触。密封组件24的外径的较小的直径被称为不接触壳体的圆周9，该圆周做得比壳体18的内径略小，以在任何时候都防止不接触壳体的圆周9接触壳体18的内径。制造这4个不同直径的圆周的目的是在密封组件24内构造3个不同的功能层。第一层被称为壳体密封层10，它是壳体密封环的堆积，其外径是接触壳体的圆周8，而内径是不接触轴的圆周6。壳体密封层的功能是阻塞壳体18的内径和密封组件24之间的泄漏，而用于构造该层以使密封性能最佳的环的数目应该由设计者根据不同的尺寸确定。第二层被称为轴密封层12，它是轴密封坏的堆积，其外径是不接触壳体的圆周9，而内径是接触轴的圆周7。轴密封层的功能是阻塞轴23的外径和密封组件24之间的泄漏，而用于构造该层以使密封性能最佳的环的数目应该由设计者根据不同的尺寸确定。第三层被称为位移吸收层11，它是浮环的堆积，其外径是不接触壳体的圆周9，而内径是不接触轴的圆周6。位移吸收层11构造在壳体密封层10和轴密封层12之间，以吸收轴的偏心振动，还通过随着使用而磨损，从而吸收整个系统的尺寸变化。 

图6展示了本实用新型的密封原理。由于这3个不同的功能层构造在单根金属带上，因此施加到密封组件24任何一点上的任何力会立即影响整个密封组件24。当密封组件24被用力插到壳体17内时，密封组件24被紧紧地固定在壳体17内，因为密封组件24的最外侧直径是接触壳体的圆周8，该圆周比壳体18的内径大0.5％。当壳体密封层10被紧紧地固定到壳体17上时，整个密 封组件24被固定在壳体17内，轴密封层12也是如此。密封组件24的最内侧直径是轴密封层12的内径，也是接触轴的圆周7，该圆周做得比轴23的外径小约0.5％，因此如果轴13被用力插到轴密封层12内，那么整个轴密封层13肯定会紧紧地粘到轴13上。如果轴13开始旋转，那么轴密封层12也开始随轴13一起旋转，但被紧紧地固定在壳体17内的壳体密封层10会阻止轴密封层12旋转。 

这种情况与图6的情况相同，图6展示了轴密封层12的一个部分环通过轴13的旋转力将要开始旋转，通过假想的阻挡销展示了壳体密封层10的阻挡作用。接触轴的圆周7保持轴的直径23，但轴13开始向箭头14的方向旋转，同时阻挡销16阻止环12旋转，然后接触轴的圆周7和轴的直径23之间的摩擦力被转变成向箭头15的方向打开部分环12。当部分环12被箭头15方向的力打开时，环12和轴13之间的接触断开，换句话说，此时这里不再有接触。不再接触意味着没有摩擦力产生，因此环12的打开结束，并且弹回其原始位置。环12弹回其原始位置意味着环12和轴13的接触，并且接下来摩擦力再次打开环12。环12和轴13之间的开口可以是一毫米的百万分之一，因为开口被打开到无论开口值如何小，只要开口的距离足以消除接触即可。因此环12的开闭可以一秒钟发生百万次，换句话说，开口间隙也可以是一毫米的百万分之一，在百万分之一秒内通过该间隙不可能有泄漏。这种情况与普通橡胶O形环的静态密封相同，因为环12和轴13的接触在轴13的旋转过程中事实上从来不断开。这种状况是螺旋弹簧和插到弹簧内的旋转圆棒之间出现的独一无二的现象，这种情形应该称为接触非接触情形。这种接触非接触现象很久以前就被用在螺旋弹簧超限运转离合器上，但本实用新型第一次将该现象用在动态密封上。 

图7是典型的附图，它展示了使用密封组件24的完整的动态旋转密封的剖视图。必须有一些部件将密封组件24保持在汽缸17内，包括定位环20和插在卡环槽25内的卡环19。还设有压缩环21，用于将各源环推到一起，通过插到在压缩环21上构造的孔内的压缩弹簧22的弹簧力，阻止各源环之间的泄漏。 

本实用新型的上述说明是出于举例说明和说明的目的而提供的。不意味穷 举或者将本实用新型限制到所公开的精确的形式。许多改进和改变对本领域普通技术人员来说是显而易见的。 

选择和描述各实施方式是为了更好地解释本实用新型的原理和其实际应用，从而确保本领域其他普通技术人员能理解本实用新型的适合所想到的特定应用的各实施方式和各种改进。本实用新型的范围由所附的权利要求书和其等价形式来限定。 

Claims (2)

1.一种燃料喷射泵，其特征在于，包括：

泵主体；

装配到所述泵主体中的驱动轴；

装配到所述驱动轴上的活塞驱动的凸轮；以及

一个或多个汽缸盖，每个汽缸盖包括插入汽缸腔膛内的泵活塞，其中所述泵活塞配有一个或多个全金属密封环；

其中驱动轴的旋转引起泵活塞的往复运动；以及

其中配有一个或多个全金属密封环的泵活塞的横截面积等于汽缸腔膛的横截面积，由此产生的内部泄露为零。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射泵，其特征在于，所述全金属密封环为盘绕交织密封件。

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