专利名称：利用包括具有共同构件的泵和轨道组件的共轨燃料系统的发动机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及共轨燃料系统，且更具体地涉及用于某些发动机的带有可互换构件的泵和轨道组件。
背景技术：
发动机制造商不断寻求降低成本的方式。一种可能的降低成本的方式可以是利用共同的可互换构件来产生规模经济。然而，当潜在的发动机应用的范围极宽时，这种策略尤其会是有问题的。例如，Peoria Illinois的卡特彼勒公司制造从小至4. 4升四缸发动机到106升20缸发动机和更大型的发动机的宽范围压燃式发动机。尽管这些发动机的尺寸、形状、构型和许多构件彼此不同，但它们拥有某些共同特征。这些共同特征尤其是使用相 同类型的蒸馏柴油燃料，并且发动机的共同点在于燃料系统代表发动机的大部分成本的事实。这些共同方面意味着获得潜在地为宽范围的发动机利用燃料系统中的共同构件的方式的机会。本发明针对上述问题中的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面，一种泵和轨道组件包括限定多个套管座(quill seat)的泵。输出轨道也限定多个套管座。多个套管中的每一个都具有与泵的套管座接触的一个端部和与输出轨道的套管座接触的相对端部。至少一个夹具定位成将套管压紧在泵与输出轨道之间。在另一方面，一种燃料系统包括带有多个套管的泵和轨道组件、定位在泵壳体中的多个泵送元件、以及输出轨道。第一喷射列(injection bank)包括与第一共轨流体连接的多个燃料喷射器。第二喷射列包括与第二共轨流体连接的多个燃料喷射器。第一和第二共轨中的每一者都与输出轨道流体连接。在再另一个方面，多个发动机具有不同数量的气缸但具有共同的构件。多个第一发动机的每一个都具有数量小的气缸和带有第一泵和轨道组件的第一燃料系统。多个第二发动机的每一个都具有数量大的气缸和带有第二泵和轨道组件的第二燃料系统。第一和第二泵和轨道组件的每一者都包括多个套管、定位在泵壳体中的多个泵送元件、以及输出轨道。用于第一和第二泵和轨道组件中的每一者的多个套管可互换但数量不同。用于第一和第二泵和轨道组件中的每一者的多个泵送元件可互换但数量不同。
图I是某些发动机的示意图；图2是用于图I中的发动机之一的燃料系统的示意图；图3是图2的燃料系统的泵和轨道组件的侧视剖面图；图4是贯穿图3的泵和轨道组件的一个泵送元件的局部剖视图；以及
图5是在一个泵送元件之上的图3的泵和轨道组件的一部分的分解图。
具体实施例方式参照图I，示出了不同的发动机示例。所有发动机都包括采用相似的泵和轨道组件的共轨燃料系统，但每个发动机的气缸数都不同。具体地，该范围的小端是发动机10，其中每一个发动机都包括四个气缸、共轨12以及带有两个泵送元件的燃料和泵组件13。接下来是具有五个气缸16的发动机15，该五个气缸16接收来自共轨17的燃料，共轨17与也包括两个泵送元件的泵和轨道组件18流体连接。接下来是发动机20，该发动机带有六个气缸21和接收来自包括三个泵送元件的泵和轨道组件23的加压燃料的共轨22。接下来的发动机是采用V8构型的发动机25，该发动机带有四个气缸26和连接至第一共轨29的一列以及连接至第二共轨28的第二组四个气缸27。第一共轨29和第二共轨28与泵和轨道组件30流体连接，所述泵和轨道组件30除了包括四个泵送元件外类似于前述的泵和轨道组件。接下来是发动机32，该发动机包括采用V型构型的十个气缸，其中第一组五个气缸33与第一 共轨34流体连接且第二组五个气缸35与第二共轨36流体连接。第一共轨34和第二共轨36接收来自包括五个泵送元件的泵和轨道组件37的加压燃料。接下来是发动机40，该发动机包括采用V型构型的十二个气缸，其中第一组六个气缸41与第一共轨42流体连接且第二组六个气缸43与第二共轨44流体连接。第一共轨42和第二共轨44接收来自包括成对地分组并且如图所示成一直线布置的六个泵送元件的泵和轨道组件45的加压燃料。接下来是采用V型构型的十六气缸发动机47，其中第一组八个气缸中的一半接收来自第一共轨49的燃料且另一半接收来自共轨50的燃料。第二列八个气缸具有接收来自第三共轨52的第一组四个气缸和从第四共轨53接收燃料的第二组四个气缸。第一共轨49、第二共轨50、第三共轨52和第四共轨53全部从泵和轨道组件54接收燃料，所述泵和轨道组件54包括成对地分组并成一直线布置的八个泵送元件。最后，二十气缸发动机56包括第一列十个气缸57，其中的每五个气缸接收来自相应的第一共轨58和第二共轨59的燃料。第二组十个气缸60包括从相应的第三共轨61和第四共轨62接收加压燃料的两组五个气缸。第一共轨58、第二共轨59、第三共轨61和第四共轨62接收来自泵和轨道组件63的加压燃料，所述泵和轨道组件63包括成对地分组并成一直线布置的十个泵送元件。用于图I所示范围的发动机的泵和轨道组件13、18、23、30、37、45、54和63可构造成包括许多可互换的构件，从而可为整个范围的发动机带来规模经济和相关的成本节省。下文说明与用于图I所示的发动机的泵和轨道组件的可互换构件有关的细节。现参照图2，燃料系统73将与图I的十六气缸发动机47相关。具体地，泵和轨道组件54包括泵75以及经由相应的高压燃料管91和92与第一喷射列70和第二喷射列71流体连接的输出轨道76。轨道49和52的入口与输出轨道76的出口流体连接，而轨道50和53的入口分别与轨道49和52的出口连接。第一喷射列70包括带有第一共轨49和第二共轨50，第一共轨49和第二共轨50的出口分别与四个燃料喷射器72流体连接。类似地，第二燃料喷射列71包括具有与第二组八个燃料喷射器72流体连接的出口的第三共轨52和第四共轨53。燃料系统73的运行由电子控制器65控制，所述电子控制器65经由通信线81向第一喷射列的燃料喷射器72传送控制信号，并经由通信线82向第二喷射列71中的燃料喷射器72传送控制信号。在该实施例中，电子控制器65通过控制输出轨道76中的燃料压力来控制共轨49、50、52和53中的燃料压力。具体地，在该实施例中，泵75配备有入口节流阀95，该入口节流阀95经由由电子控制器65产生并经由通信线83传送至入口节流阀95的控制命令来控制进入泵75中的燃料流量。电子控制器65可经由轨道压力传感器79接收输出轨道76中的压力信息，所述轨道压力传感器79安装在输出轨道76的一个端部并经由通信线80与电子控制器65通信。轨道压力控制阀72可被附装在输出轨道76的相对端部，并且可包括经由通信线78从电子控制器65接收控制命令的电致动器。燃料输送泵67具有与储罐流体连接的入口和与入口节流阀95流体连接的出口。现参照图3-5，更详细地示出了用于图2的燃料系统的泵和轨道组件54。泵和轨道组件54包括泵壳体100，泵壳体100带有可操作地联接至旋转凸轮轴97的八个相同的可互换泵送元件94，所述凸轮轴97可由发动机以常规方式直接驱动。每个泵送元件的入口都与泵壳体100中的公共通廊流体连接，所述通廊经由入口节流阀95被供给受控量的燃料。每个单独的泵送元件94的出口都经由单独的套管84与输出轨道76中的高压空间103流体连接。每个泵送元件都包括响应于凸轮轴97的旋转被驱动而往复运动的活塞。套管84被压紧在泵75的泵送元件94与输出轨道76之间。具体地，输出轨道包括多个套管座 108，该套管座108可采取常规圆锥形座的形式，并且每一个泵送元件94同样包括出口套管座109，该出口套管座也可具有常规的截顶圆锥形。每个套管都可具有球形端部，包括与输出轨道76的套管座108接触的第一端部85和与一个泵送元件94的相应套管座109接触的第二球形端部86。通过凸轮经由适当的夹固策略将单独的套管压紧在套管座108和109之间来完成密封套管84的相应端部，这在所示实施例中通过螺栓98完成。具体地，每个泵送元件94都包括泵送元件壳体112,该泵送元件壳体包括用于接纳套管夹固螺栓98的四个螺纹开口。通过朝容纳构件101向上拉动相应的泵送元件壳体112来完成夹固，如图4和5中最佳所示。输出轨道76定位在容纳构件101的泄漏收集腔106内，所述泄漏收集腔106充当泄漏容纳容器。当套管夹固螺栓98被拧紧时，泵送元件壳体112被向上拉引，以将输出轨道76推靠在泄漏收集腔106的上部内表面上。然后，进一步拧紧使套管84如图4所示被压紧在套管座108和109之间。泄漏容纳容器101自身可经由单独的装置诸如沿着泵壳体100的长度与每个泵送元件94相关的一对螺栓114被附装到泵壳体100上。本领域的技术人员应理解，图I所示用于不同发动机的泵和轨道组件的不同之处主要在于所包括的泵送元件94的数量和套管89的数量、输出轨道76的长度和相应泵壳体00的尺寸。在其它方面，轨道压力控制阀77、轨道压力传感器70和入口节流阀95以及套管84和单独的泵送元件94跨整个系列的发动机全部可以互换。工业实用性本发明的泵和轨道组件方面可潜在地用于任何应用中，但尤其潜在地应用在用于压燃式发动机的共轨燃料系统中。泵和轨道组件结构还潜在地应用于跨大范围的发动机系列。具体地，用于不同尺寸的发动机的不同的泵和轨道组件的泵速率、泵送元件的数量和相关的套管的数量以及壳体的尺寸可以不同。泵和轨道组件可类似地使用可互换的套管、可互换的泵送元件、从不同长度的类似基材形成的输出轨道，利用可互换的轨道压力传感器、轨道压力控制阀以及甚至入口节流阀。通过跨许多不同尺寸的发动机应用共同构件，可预期降低产品成本和开发成本，并通过跨许多应用调配共同的方案并通过在供应链内产生规模经济和品质而降低风险。
对于许多四、五和六气缸应用而言，本发明的泵和轨道策略规定泵具有两个或三个泵送元件，每个泵送元件都通过高压管连接至单个高压轨道。对于更大型的V型发动机应用而言，该方案可能更加复杂。这些应用中的燃料加注水平和气缸数量需要更大的泵容量。为了实现这一点，高压泵构型选择成具有从四个到十个的任何数量的泵送元件，视发动机构型而定。对于V型构型，两个或四个外侧高压轨道均定位成一个或两个都邻近一组气缸和它们相关的燃料喷射器。一个意味着经由高压管将高压泵输出连接至外侧轨道。通过利用本发明的中间轨道(输出轨道)概念，来自所有泵送元件的输出首先被收集在中间轨道中，随后经由相连的高压管流向适当的输出轨道，然后在发动机的点火次序序列中由燃料喷射器消耗。中间轨道也用作有效的液压缓冲器，从而缓冲从高压泵元件发出的压力脉冲。它还减小了外侧喷射器轨道之间Helmholtz共振和其它压力波交互的趋势。作为一个特定 示例，如果将图2中所示的系统与四个泵送元件供应共轨49和50且剩余四个泵送元件供应共轨52和53的相当的系统进行比较，则根据可能的现有技术构型，可以预期喷射器入口存在的轨道压力的变化的减小潜在地从约30MPa下降至约20MPa。本发明的中间输出轨道76也可用作用于降低堆叠公差的作用的装置。在相对端部上具有球形座的短的可互换套管84可被用在输出轨道36和泵送元件组件94中的互补圆锥形座108和109上，以提供所需的高压密封。通过对泄漏容纳容器101采用夹固策略，可捕获所发生的任何泄漏并使其返回储罐，符合海洋船级社(Marine ClassificationSociety)的规定。锥形接头设计上所选择的球体向泵送元件94和输出轨道36上的座之间的水平面中的未对准提供了良好的容差(tolerance)。关于圆锥形座108和109之间的竖直距离的差异，组件已被对准使得包括四个螺栓98的套管夹具抵靠在套管84的一个端部上拉动单独的泵送元件94，套管84的另一个端部抵靠在输出轨道76中的锥体上，该锥体又推靠在泄漏容纳容器101的内壁上。这封闭了负载路径并且提供了将每个泵送元件94密封于中间输出轨道76上的所需的预加载。因此，整个中间轨道/容纳容器/泵送元件子组件在每个泵送元件位置由两个附装螺栓114附装在泵壳体100上，从而使得当挺杆组件在它们响应于旋转的凸轮轴97移动时，对施加至泵送元件94的活塞的负载作出反应。输出轨道76的任一个端部可用作用于轨道压力控制阀77和轨道压力传感器79的连接点。在所示实施例中，示出了轨道压力控制阀77与电子控制器65控制通信。本发明的该方面旨在容纳低泄漏燃料喷射器72，该燃料喷射器可不漏流体使得轨道压力的降低诸如发动机从高负载状态降低到低负载状态在未实际上从输出轨道溢出一些燃料的情况下可能难以实现。因此，轨道压力控制阀77的电子方面是可选的。另外，轨道压力控制阀77可包括常规弹簧偏压的过压阀，该过压阀在输出轨道中的压力超过系统的一定预定最大压力的不太可能的事件中打开。泵和轨道组件13、18、23、30、37、45、54和63中的每一者都还可包括泵75内的燃料与燃料通廊受控制的可互换入口节流阀95，以控制从泵75的输出并因此控制输出轨道76中的压力。用于给定泵送轨道组件54的每一个泵送元件94都将从泵壳体100内的公共燃料入口歧管抽吸燃料。因此，所示实施例具有不论用于给定的泵和轨道组件应用的泵送元件的数量如何都采用单个入口节流阀95的优点。不过，本领域的技术人员应理解，可以采用替代的泵输出控制策略，诸如与每个泵送元件相关的单独的溢流阀。应该理解，以上说明仅出于举例说明的目的，绝非限制本发明的范围。例如，对于V型构型发动机25、32、40、47和56而言，泵送元件的总数量无需一定等于燃料喷射器的数 量。因此，本领域技术人员将会意识到，通过研究附图、所公开的内容以及所附的权利要求书，能得到本发明的其它方面。
权利要求
1.一种泵和轨道组件(13，18，23，30，37，45，54，63)，包括 限定多个套管座(109)的泵(75)； 限定多个套管座(108)的输出轨道(76)； 多个套管(84 )，所述套管(84 )中的每ー个都具有与所述泵(75 )的套管座(109 )中的一个接触的一个端部和与所述输出轨道(76)的套管座(108)中的ー个接触的相对端部； 定位成将所述多个套管(84)压紧在所述泵(75)与所述输出轨道(76)之间的至少ー个夹具(98)。
2.根据权利要求I所述的泵和轨道组件(13，18，23，30，37，45，54，63)，包括至少部分地限定泄漏收集腔(106)的泄漏容纳容器(101);并且 所述输出轨道(76)定位在所述泄漏收集腔(106)内。
3.根据权利要求I所述的泵和轨道组件(13，18，23，30，37，45，54，63)，其中，所述泵(75)包括定位在泵壳体(100)中的多个泵送元件(94);并且 所述至少一个夹具包括分别定位成将所述套管(84)中的一个压紧在所述泵送元件(94)中的ー个与所述输出轨道(76)之间的多个套管夹具(98)。
4.根据权利要求3所述的泵和轨道组件(13，18，23，30，37，45，54，63)，包括附装在所述输出轨道(76)上的轨道压力传感器(79)； 附装在所述输出轨道(76 )上的电致动轨道压カ控制阀(77 );以及 附装在所述泵壳体(100)上的入口节流阀(95)。
5.ー种燃料系统(73)，包括 泵和轨道组件(54，63)，其包括多个套管(84)、定位在泵壳体(100)中的多个泵送元件(94)、以及输出轨道(76)； 第一喷射列(70)，其包括与第一共轨(28，36，44，52，53，61，62)流体连接的多个燃料喷射器(72)； 第二喷射列(71 )，其包括与第二共轨(29，34，42，49，50，58，59)流体连接的多个燃料喷射器(72);并且 所述第一和第二共轨(12，17，22，28，29，34，36，42，44，49，50，52，53，58，59，61，62)中的每ー个都与所述输出轨道(76)流体连接。
6.根据权利要求5所述的燃料系统(73)，包括 电子控制器(65); 轨道压力控制阀(77)，其附装在所述泵和轨道组件(30，37，45，54，63)上并与所述电子控制器(65)控制通信； 轨道压力传感器(79 )，其附装在所述输出轨道(76 )上并与所述电子控制器(65 )通信；以及 入口节流阀，其附装在所述泵壳体(100)上并与所述电子控制器(65)控制通信。
7.根据权利要求6所述的燃料系统(73)，其中，所述轨道压カ控制阀(77)附装在所述输出轨道(76)的一个端部上； 所述轨道压カ传感器(79)附装在与所述轨道压カ控制阀(77)相対的所述输出轨道(76)的端部上；并且其中，泵送元件(94)的总数量等于所述第一喷射列(70)和所述第二喷射列(71)中的每ー者中的燃料喷射器(72)的总数量。
8.具有不同数量的气缸(11，16，21，26，27，33，35，41，43，48，51，57，60)但具有共同构件的多个发动机，包括 多个第一发动机，每个所述第一发动机都具有数量小的气缸(11，16，21)和带有第一泵和轨道组件(13，18，23)的第一燃料系统；多个第二发动机，每个所述第二发动机都具有数量大的气缸(26，27，33，35，41，43，47，51，57，60)和带有第二泵和轨道组件(30，37，45，54，63)的第二燃料系统； 所述第一和第二泵和轨道组件(13，18，23，30，37，45，54，63)的每ー个都包括多个套管(84)、定位在泵壳体(100)中的多个泵送元件(94)、以及输出轨道(76)； 用于所述第一和第二泵和轨道组件(13,18, 23, 30, 37,45, 54,63)中的姆一者的所述多个套管(84)可互换但数量不同；并且 用于所述第一和第二泵和轨道组件(13)中的每ー者的所述多个泵送元件(94)可互換但数量不同。
9.ー种运行共轨(12，17，22，28，29，34，36，42，44，49，50，52，53，58，59，61，62)燃料系统的方法，所述方法包括 经由与多个泵送元件(94)的単独的流体连接对中间轨道(76)进行加压； 缓冲所述泵送元件(94)与多个燃料喷射器(72)之间的压力波，通过 经由高压燃料管(91，92 )从所述中间轨道(76 )向喷射器轨道(49，50，52，53 )供应加压燃料；以及 经由単独的分支通路从所述喷射器轨道向所述多个燃料喷射器(72 )供应加压燃料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述缓冲步骤包括 经由第一和第二高压燃料管(91，92)从所述中间轨道(76)分别向第一和第二喷射器轨道(49，50，52，53)供应加压燃料；以及 经由单独的分支通路分别从所述第一和第二喷射器轨道(49，50，52，53)向第一和第二多个燃料喷射器(72)供应加压燃料。
全文摘要
泵和轨道组件(54)包括被压紧在泵(75)上的套管座(108，109)与输出轨道(76)之间的多个套管(84)。轨道压力控制阀(77)和轨道压力传感器(79)被附装在输出轨道(76)的相应端部上。入口节流阀(95)被附装在泵和轨道组件(54)的壳体(100)上。视应用而定，输出轨道(76)可向包括第一共轨(49，50)中的多个燃料喷射器(72)的第一喷射列(70)以及包括第二共轨(52，53)和多个燃料喷射器(72)的第二燃料喷射列供应燃料。具有不同数量的气缸(11，16，21，26，27，33，35，41，43，48，51，57，60)的不同发动机可使用相似的泵和轨道组件，每个所述泵和轨道组件都包括多个套管(84)、定位在泵壳体(100)中的多个泵送元件(94)以及输出轨道(76)。用于每一个不同的发动机应用的套管(84)可互换但数量不同。另外，每一个不同的发动机应用的泵送元件(94)也可互换但数量不同。
文档编号F02M61/14GK102782301SQ201180012538
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月1日 优先权日2010年3月5日
发明者S·F·谢弗, Z·李 申请人:卡特彼勒公司