用于机车发动机的共轨燃料系统的制作方法

专利名称：用于机车发动机的共轨燃料系统的制作方法
用于机车发动机的共轨燃料系统技术领域本发一般涉及铁路机车领域，且更一般涉及用于铁路机车的柴油发动机 的共轨燃料系统。
背景技术：
燃料喷射系统被广泛地用在内燃机上，包括用于汽车、卡车、船舶和固 定发动机的火花点火发动机和压缩点火(柴油)发动机。 一个这样的燃料喷射系统被描述于美国专利6357421中。共轨燃料系统使用燃料蓄能器(轨道), 其被一个或多个高压燃料泵保持高压(典型地1600-2000bar)。与发动机汽 缸相连的燃料喷射器从燃料轨道接收燃料，燃料的传输被设置在燃料轨道和 喷嘴之间的电磁阀控制。美国专利5394851描述了通常使用在本受让人提供的铁路机车的大排 量、涡轮增压的、中速柴油发动机上的燃料喷射系统。这样的发动机包括多 个组合动力配件，每个包括汽缸、汽缸头、凸轮驱动的进气门和排气门和燃 料喷射系统，该燃料喷射系统包括燃料泵、燃料喷射控制电磁线圈和燃料喷 嘴。每个燃料泵被位于各自的发动机凸轮轴上的燃料凸起驱动。


图1是合并有共轨燃料喷射装置的多汽缸柴油机车发动机的示意图 图2是使用在图1的发动机中的凸轮轴的透视图本发明的详细说明本发明人已认识到与使用高压共轨燃料系统相联系的某些好处，该系统 用于把燃料传输到机车应用中的多汽缸柴油发动机。这样的好处来自于比其 它系统更精确和灵活地控制燃料传输到每个汽缸的能力。然而，本发明人还 认识到现有技术的共轨燃料系统的某些限制，其对于机车应用是特别有问题 的。例如，燃料轨道通常被定位靠近其相联系的汽缸，以最小化在燃料喷嘴处的燃料压力波动。对于包括两排汽缸的发动机，例如对于机车发动机是常 见的，两个单独的轨道被典型地设置，以独立地供应燃料到两排汽缸，如在美国专利5133645中所示的。在不能供应到两排汽缸的任一个的情况下，这 样的发动机的一半汽缸不起作用，其还不被认为是现有技术的卡车应用中的 重要问题。然而，用于机车应用的已知的共轨燃料系统的应用将使机车易进 入故障模式，其可由于发动机不能提供足够的动力以保持列车沿倾斜的轨道 运动而使列车不能使用。这样的故障模式在轨道工业中是高度不受欢迎的。图1图示了改进的燃料喷射装置1,其有促进了在多排、多汽缸、柴油 机车发动机应用中的共轨供油技术的好处的开发。图1是包括12个汽缸12 的机车发动机10的示意图。每个汽缸12可以是动力组件的部分，该组件包 括汽缸、汽缸头、活塞、进气门和排气门和燃料流动控制装置14。燃料流动 控制装置14包括燃料喷嘴和控制燃料到燃料喷嘴的传输的电磁阀。汽缸12 被分成左排16和右排18。术语左排和右排作为发动机命名惯例通常在发动 机技术中使用，而不应在此处构成限制。燃料喷射装置左排共同燃料轨道20被设置在左排汽缸16附近且右排共 同燃料轨道22被设置在右排汽缸18附近。轨道20、 22被有利地如同实际 一样地定位靠近汽缸12,因此从各轨道20、 22传输高压燃料到流动控制装 置14的高压燃料供应管线24被保持如同实际一样短。低压燃料供应26包 括包含燃料30供应的燃料箱28,及低压燃料泵32，该泵将燃料30从油箱 28穿过流量控制阀36传输到一个或多个高压燃料泵34。燃料轨道20、 22 中的压力通过使用任意已知的闭环控制装置(未示出)控制燃料30穿过阀 36的传输而被保持在需要的压力范围。有利地，流体横向连接件38被设置，以在左排共轨20和右排共轨22 之间传输燃料30。虽然其它装置可被设想在其它实施例中，图l的3个高压 泵34都被设置靠近左共轨20且被连接，以经由高压供应管线40提供燃料 到左共轨20。本领域技术人员可认识到， 一个或多个高压泵34可被设置在 其它应用中，以传输燃料30到右共轨22。例如，在一个V-16柴油发动机应 用中，两个高压燃料泵可被用于提供燃料到左轨道及两个高压燃料泵可被用 于提供燃料到右轨道。在图l的实施例中，高压燃料经由横向连接件38被 从左共轨20提供到右共轨22。其它实施例可具有超过一个在燃料轨道之间 的流体横向连接，如希望优化燃料喷射装置1的机械和流体设计时。多个高压泵34和流体横向连接件38协同使得在其中一个高压泵34出现故障的情 况下，所有的汽缸12的燃料30的传输能够连续进行。橫向连接件38的位 置被示意性地示出在图1中，且本领域技术人员可认识到，其在其它实施例 中可被更靠近高压泵34定位。图1的燃料喷射装置1可被设计用于提供连续的全功率运行，或其中一 个高压泵34不起作用时的选择的降低功率水平的运行。例如，每个高压泵 34的流量可被选择为全功率运行时发动机燃料总流量需求的约50%。如此， 如果三个高压燃料泵34中的一个失灵，剩余的两个运行的泵34保持提供满 燃料流量到全功率运行条件下的所有汽缸12的能力。由于横向连接件38的 功能，通过全部提供燃料到仅左轨20的高压泵34，该能力存在，如图所示， 或如一个、两个或三个高压泵34提供燃料30到右轨22内的其它实施例。图1的燃料喷射装置可被安装做为新发动机IO上的原装置，或其可被 后安装进已存在的发动机中，其原先使用例如美国专利5394851中所示的燃 料喷射装置。这样的现有技术的系统包括安装在发动机的每个动力组件单元 的支架(安装托架)上的凸轮驱动的机械燃料泵。当改动这样的12汽缸发 动机以包括图1的改进的燃料喷射装置1时，12个原来的燃料泵被去除且三 个高压燃料泵34在三个原来的泵的位置被安装在各自的支架上。穿过没有 接收高压泵34的支架的开口可能需要密封。对于高压泵34被安装的那排汽 缸12，例如图1的左排16,凸轮轴的设计可能需要变化。 一些原来的凸轮 部分可被使用在改动的发动机中。本发明人已创新性地开发凸轮轴设计中的 改变的需求，以进一步拓展本燃料喷射装置1的优点，如参考图2的下面的 段落中的更全面的描述。图2是可用在图1的发动机10的一个实施例中的凸轮轴50、 52的透视 图。左凸轮轴50与汽缸12的左排16协同使用，且右凸轮轴52与汽缸12 的右排18协同使用。每个凸轮轴50、 52包括位于驱动端58的传动齿轮54、 56和相对的惰轮端60。扭矩从驱动齿轮54、 56被传递，以提供机械能量到 各自的气门凸起62,以推动每个动力组件的进气门和排气门(未示出)。扭 矩还被从驱动齿轮54传递，以提供机械能量到各自的燃料凸起，以驱动各 自的高压燃料泵34。凸轮轴50、 52通过连接多个凸轮段而被装配，每个凸 轮段被与发动机10的一个汽缸12/动力组件相联系。左凸轮轴50包括凸轮 段50a、 50b、 50c、 50d、 50e和50f。每个凸轮段包括气门凸起62，用于各自的动力组件的进气门和排气门。该凸轮段可选择地包括燃料凸起64或不 包括燃料凸起64。图1的凸轮段50a、 50b和50c包括燃料凸起64。凸起64 可被相对于彼此成角度地设置，例如在一个实施例中成40度角，以提供更 恒定的燃料供应压力到燃料轨道20。有利地，包括燃料凸起64的每个段50a、 50b和50c被定位靠近凸轮轴50的驱动端58,且没有不包括燃料凸起的凸 轮段被定位在驱动齿轮54和包括燃料凸起64的任意段之间。因此，最靠近 凸轮轴50的齿轮驱动端58的相邻的段可包括燃料凸起64，且离齿轮驱动端 58最远的相邻的段不包括燃料凸起64。如此，通过不包括燃料凸起64的段 50d、 50e和50f传递的扭矩数值小于通过包括燃料凸起64的凸轮段50a、 50b燃料凸起的段小的负载能力。这可以通过设计它们具有较d、的轴直径或使用 强度数值(如拉伸或剪切强度)比包括燃料凸起的凸轮段的材料的对应的强 度数值低的材料来实现。因此，制造不包括燃料凸起的段的成本可低于制造 包括燃料凸起的段的成本和/或低于包括燃料凸起的现有技术的凸轮轴段的 成本。对于使用图1的实施例的后安装应用，原来的右凸轮轴可被留在原位， 且仅仅与泵相连的左凸轮轴的凸轮段需要被替换，以装配图2的凸轮轴50。虽然本发明的各种实施例已被于此示出和描述，显而易见的是，这样的 实施例仅做为例子提供。各种变化、改变和置换可被做出而不离开本发明。 因此，本发明仅被所附的权利要求书的精神和范围限定。
权利要求
1.用于多汽缸柴油机车发动机的燃料喷射装置，该发动机包括左排汽缸和右排汽缸，所述燃料喷射装置包括被设置靠近所述左排汽缸的左排共轨；被设置靠近所述右排汽缸的右排共轨；低压燃料供应；多个高压燃料泵，其接收来自所述低压燃料供应的的低压燃料，且提供高压燃料到至少所述左排共轨和右排共轨中的一个；流体横向连接件，用于在所述左排共轨和右排共轨之间传递燃料；每个所述左排汽缸经由各自的燃料喷射控制装置接收来自所述左排共轨的燃料；和每个所述右排汽缸经由各自的燃料喷射控制装置接收来自所述右排共轨的燃料；所述多个高压泵和所述流体横向连接件一起使得在一个所述高压泵出现故障的情况下，所有的汽缸的燃料传输能够连续进行。
2. 如权利要求1所述的燃料喷射装置，还包括与每排汽缸相联系的凸轮轴，每个凸轮轴包括多个相邻段，所述相邻段 从齿轮驱动端延伸到各自的凸轮轴的相对的惰轮端，每个凸轮轴段可选择地 包括或不包括燃料凸起；每个高压泵被设置在各自的一个所述凸轮轴段上的各自的燃料凸起驱动；没有不包括燃料凸起的凸轮轴段被设置在各自的凸轮轴的各自的齿轮 驱动端和包括该各自凸轮轴的燃料凸起的凸轮轴段之间，使得通过不包括燃 料凸起的所述凸轮轴段传递的扭矩数值小于通过包括燃料凸起的所述凸轮 轴段传递的扭矩数值。
3. 如权利要求2所述的燃料喷射装置，还包括不包括燃料凸起的凸轮 轴段，其包括小于包括燃料凸起的凸轮轴段的轴直径的轴直径。
4. 如权利要求2所述的燃料喷射装置，还包括不包括燃料凸起的凸轮 轴段，其包括强度数值低于包括燃料凸起的凸轮轴段的材料的对应强度数值的材料。
5. 如权利要求2所述的燃料喷射装置，还包括所有的包括燃料凸起的 凸轮轴段，其靠近第一凸轮轴的所述齿轮驱动端，且第二凸轮轴不包括包括 有燃料凸起的凸轮轴段。
6. 如权利要求1所述的燃料喷射装置，其被使用在柴油机车发动机上， 该发动机包括六个左排汽缸和六个右排汽缸，所述燃料喷射装置还包括三个高压泵，其接收来自所述低压燃料供应的低压燃料，且提供高压燃 料到所述左排共轨和所述右排共轨中的至少 一个；和所述三个高压泵具有一尺寸，使得所述高压泵的任意两个能保持发动机 在第三高压泵不起作用的情况下处于全功率。
7. 如权利要求6所述的燃料喷射装置，还包括与左排和右排汽缸的第一个相联系的第 一凸轮轴，所述第 一凸轮轴包括 从所述第一凸轮轴的齿轮驱动端延伸到所述第一凸轮轴的相对的惰轮端的 六个邻接的段，最靠近所述第一凸轮轴的齿轮驱动端的三个邻接的段每个包 括燃料凸起，且离该第一凸轮轴的齿轮驱动端最远的所述三个邻接段不包括 燃料凸起；和与左排和右排汽缸的第二个相联系的第二凸轮轴，所述第二凸轮轴包括 从所述第二凸轮轴的齿轮驱动端延伸到所述第二凸轮轴的相对的惰轮端的 六个邻接的段，所述第二凸轮轴的所述段不包括燃料凸起。
8. 如权利要求6所述的燃料喷射装置，还包括不包括燃料凸起的凸轮轴 段，所述凸轮轴段包括小于包括燃料凸起的凸轮轴段的轴直径的轴直径。
9. 如权利要求6所述的燃料喷射装置，还包括不包括燃料凸起的凸轮轴 段，所述凸轮轴段包括强度数值小于包括燃料凸起的凸轮轴段的材料的对应 强度的材料。
10. 内燃才几，包4舌第一排汽缸； 第二排气缸；靠近所述第 一排汽缸设置的第 一共轨； 靠近所述第二排汽缸设置的第二共轨； 低压燃料供应；多个高压燃料泵，其接收来自所述低压燃料供应的低压燃料且提供高压燃料到所述第 一共轨和第二共轨中的至少 一个；与所述第一排的每个汽缸相联系的燃料流动控制装置，用于控制从所述 第 一共轨到所述第 一排的各自汽缸的燃料的流动；与所述第二排的每个汽缸相联系的燃料流动控制装置，用于控制从所述 第二共轨到所述第二排的各自汽缸的燃料的流动；流体横向连接件，用于在所述第一共轨和所述第二共轨之间传送燃料。
11. 如权利要求IO所述的发动机，还包括所有的传送燃料到所述第一共 轨的高压泵和从所述第一共轨传送燃料到所述第二共轨的所述流体横向连 接件。
12. 如权利要求IO所述的发动机，还包括与所述第一排汽缸相联系的第 一凸轮轴，包括从驱动端延伸到惰轮端的 多个邻接的段；与所述第二排汽缸相联系的第二凸轮轴，包括从驱动端延伸到惰轮端的 多个邻接的段；第一组的段，其每个段包括用于驱动各自的高压泵的燃料凸起，且每个 传递第一数值的扭矩；第二组的段，其不包括用于燃料凸起，且每个段传递比第一数值小的第 二数值的扭矩。
13. 如权利要求12所述的发动机，其中所述第二组的段的每个包括小于 所述第一组的段的轴直径的轴直径。
14. 如权利要求12所述的发动机，其中所述第二组的段的每个包括强度 数值低于所述第一组的段的对应的强度数值的材料。
15. 改进多排、多汽缸、柴油机车发动机以使用共轨燃料装置的方法， 该方法包括靠近所述发动机的每个排安装共轨；安装至少一个高压燃料泵，用于传输高压燃料到所述共轨的第一个； 在所述共轨之间安装流体横向连接件，用于把高压燃料从所述共轨的第一个传输到所述共轨的第二个；从靠近各自的排的汽缸的共轨传输高压燃料到与所述发动机每个各自的汽缸相联系的燃料喷射控制装置。
16. 如权利要求15所述的方法，还包括提供多个高压燃料泵，以传输高压燃料到所述共轨中的至少 一个； 选择所述多个高压燃料泵的每个的能力，使得所述发动机在所述多个高压燃料泵的一个不起作用时能通过提供燃料到所有汽缸而产生选择的动力水平。
17. 如权利要求16所述的方法，还包括 靠近一排汽缸安装所有的所述高压燃料泵；用替换凸轮轴替换所述发动机的两个原来的凸轮轴中的一个，该替换凸 轮轴包括位于驱动端的邻接的段，每个段包括燃料凸起用于驱动各自的一个 所述高压燃料泵；和不替换所述两个原来的凸轮轴的第二个。
18. 如权利要求15所述的方法，还包括用替换凸轮轴替换所述发动机的 原来的凸轮轴，所述替换凸轮轴包括位于驱动端的第一段，所述段包括燃料 凸起用于驱动所述高压燃料泵。
19. 如权利要求17所述的方法，还包括用所述驱动端的第一段和位于与 所述驱动端相对的惰轮端的第二段形成所述替换凸轮轴，所述第一段包括第 一轴直径且所述第二段具有比所述第 一轴直径小的第二轴直径。
20. 如权利要求17所述的方法，还包括用所述驱动端的第一段和位于与 所述驱动端相对的惰轮端的第二段形成所述替换凸轮轴，所述第一段包括第 一强度数值的第 一材料且所述第二段具有比所述第 一强度数值低的第二强 度数值的第二材料。
全文摘要
用于多排、柴油机车发动机(10)的共轨燃料喷射装置(1)。共轨(20，22)被设置靠近发动机汽缸(12)的每一排(20，22)，以提供高压燃料(30)到与各自的每个汽缸相联系的燃料流动控制装置(14)。多个高压燃料泵(34)提供高压燃料到至少一个共轨。流体横向连接件(38)被设置，以在两个共轨之间传输高压燃料，由此在一个高压燃料泵故障的情况下提供连续的燃料到所有汽缸。高压燃料泵被位于靠近凸轮轴(50)的齿轮驱动端(58)的凸轮轴段(50a，50b，50c)上的燃料凸起(64)驱动。靠近凸轮轴的惰轮端(60)的凸轮轴段(50d，50e，50f)传递的扭矩负荷低于具有燃料凸起的那些段传递的扭矩负荷且可由较低强度材料形成或可具有较小轴直径。
文档编号F02M55/02GK101223351SQ200680025616
公开日2008年7月16日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年7月14日
发明者乔斯·M·卡萨比安卡, 埃里克·R·迪伦, 肖恩·M·加拉格尔 申请人:通用电气公司