专利名称：冷却高压柱塞的方法
技术领域：
本发明总的涉及用于流体的往复式活塞泵，且更具体地涉及供内燃发动机使用的 燃料泵。
背景技术：
具有包括在形成在筒中的孔腔内往复运动的柱塞的泵送元件的流体泵是公知的。 柱塞的往复运动通常是借助使用旋转的凸轮移动柱塞的机构来完成的。可供选择地，柱塞 可接触旋转斜盘的外部以提供受控的可变排量。流体泵可包括多个柱塞，这些柱塞对用于内燃发动机中的流体流加压，通常为油 或燃料。例如，燃料喷射器可使用来自泵的加压流体流喷射燃料或增强喷射到发动机中的 燃料的压力。现代燃料系统使用越来越高的喷射压力将燃料喷射到发动机内以提高发动机的 效率并潜在地减少排放。不过，问题出在当试图提高流体泵的工作压力时。例如，提高的工 作压力增加了分配至柱塞、孔腔表面和其它泵元件的热负荷。过去，由于各种泵送元件经历 的此类热效应，各种材料和设计局限通常已限制泵出口压力。达到越来越高的喷射压力的尝试和增加的热负荷处理由于消费者希望泵更小而 进一步受到约束。在更小的泵中处理热负荷是一项更为困难的任务，这是因为采用不同冷 却方案的空间太小。例如，在一些中等尺寸和更小的泵中，工程师已观察到随着压力提高而 出现热梯度。这些温度梯度可能引起不稳定的泵性能。例如，已操作至少40分钟的泵可见 100°C的跨泵孔腔温度梯度。在泵孔腔的一侧明显比另一侧更热的情况下，柱塞孔腔可能出 现弯曲。这种弯曲效应称为孔腔变形。当这种状况发生时，以大致竖直地往复运动的方式 在孔腔内移动的柱塞可能开始抵靠孔腔摩擦。此外，由于柱塞孔腔内的过量热量可能导致 柱塞热膨胀并使柱塞在孔腔内的环形间隙最小化，所以可能出现柱塞刮伤。刮伤是由于柱 塞与柱塞孔腔的侧面反复接触而造成的。柱塞刮伤可能引起泵故障。过去，工程师已使用多种泵设计来克服泵内的内部冷却问题。这些设计趋向于集 中在柱塞与泵筒之间的较大间隙上。但是，此类间隙会降低泵的泵送效率，增加泄漏并潜在 地升高离开泵的压缩燃料的温度。可供选择的冷却设计可利用柱塞孔腔周围的剩余空间来 形成环形储油器，其中冷却流体可能形成池并用于从柱塞和柱塞孔腔散热。但是，如前述那 样，较小的泵完全不具有内部空间来利用这些更复杂的冷却方案。例如，对于单独的柱塞筒 来说可能没有空间，更不用说其中的环形储油器。本发明的主题解决一个或多个前述问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，燃料泵包括壳体，该壳体限定具有纵向中心线的孔腔、进 入端口、排出端口、返回通路和与进入端口流体连通的进入通路。还包括至少部分设置在孔 腔内的柱塞，其中柱塞设置成在孔腔内往复运动。该燃料泵还包括至少部分地被限定在柱 塞一端与孔腔端部之间的加压腔，其中该加压腔适于在柱塞的加压冲程期间对通过进入通路供应并向排出端口提供的一定量的燃料加压。还包括被限定在柱塞的外表面与孔腔的内 表面之间的环形间隙，其中该环形间隙与加压腔流体连通。该燃料泵还包括围绕孔腔的内 表面被限定的渗出环，其中该渗出环围绕柱塞的一部分并与环形间隙流体连通。还包括由 壳体限定的冷却供应通道，该冷却供应流体连通进入通路和渗出环。该燃料泵还包括由壳 体限定的排放通道，其中该排放通道将燃料返回通道和渗出环流体连通。根据本发明的另一方面，一种发动机系统包括内燃发动机，该内燃发动机包括限 定多个发动机气缸的发动机壳体，并包括多个活塞，各活塞均可在相应的一个发动机气缸 内移动。还包括一种燃料系统，该燃料系统包括与多个燃料喷射器流体连通的燃料轨道，其 中各燃料喷射器与多个发动机气缸中的各气缸相关。该燃料系统还包括燃料源、与燃料源 流体连通的输送泵以及与输送泵和燃料轨道流体连通的高压泵。高压泵还包括壳体，该壳 体限定具有纵向中心线的孔腔、进入端口、排出端口、返回通路和与进入端口流体连通的进 入通路。还包括至少部分设置在孔腔内的柱塞，其中柱塞设置成在孔腔内往复运动。该高 压泵还包括至少部分地被限定在柱塞一端与孔腔端部之间的加压腔，其中该加压腔适于在 柱塞的加压冲程期间对通过进入通路供应并向排出端口提供的一定量的燃料加压。还包括 被限定在柱塞的外表面与孔腔的内表面之间的环形间隙，其中该环形间隙与加压腔流体连 通。该高压泵还包括围绕孔腔的内表面被限定的渗出环，其中该渗出环环绕柱塞的一部分 并与环形间隙流体连通。还包括由壳体限定的冷却供应通道，该冷却供应通道流体连通进 入通路和渗出环。该高压泵还包括由壳体限定的排放通道，其中该排放通道将燃料返回通 道和渗出环流体连通。根据本发明的另一方面，一种操作往复式柱塞流体泵的方法。该流体泵包括至少 一个孔腔。该孔腔以可往复运动的方式接纳柱塞，柱塞的往复运动包括加压冲程和重新填 充冲程。该方法包括在重新填充冲程期间允许一定量的流体进入加压室的步骤，其中加压 室至少部分地被限定在柱塞与孔腔之间。该方法还包括在加压冲程期间对流体加压的步 骤。还包括使一定量的流体从加压室并沿柱塞与孔腔之间的界面渗出的步骤。该方法包括 将渗出的流体量收集在渗出环中的步骤，其中该渗出环围绕柱塞的邻近孔腔的一部分被限 定在壳体中。还包括允许一定量的冷却流体经由冷却供应通道进入渗出环的步骤。该方法 设想将冷却流体流与从加压室渗出的流体混合。还包括经由排放通道将混合的流体从渗出 环导出的步骤。该方法还包括从柱塞散热的步骤。
图1是根据本发明的具有燃料泵的发动机系统的示意图；图2是根据本发明的流体泵的截面图；图3是示出根据本发明的冷却系统的一个实施例的流体泵的截面图；图4是流体泵的示意图，其示出根据本发明的冷却系统的一个实施例的并联回 路；图5是根据本发明的具有与其相关的高压燃料泵的发动机系统的框图。
具体实施例方式参照图1，其示出了根据本发明的发动机系统10的示意图。该发动机系统10包括多个喷射器12，各喷射器12均经由单独的分支通道16与高压燃料轨道14连接。高压燃料 轨道14被供应有来自高压泵18的高压燃料，该高压泵18由低压泵20供应压力较低的燃 料。高压泵18的高压泵壳体22限定与高压燃料轨道14流体连接的高压泵出口 M和经由 第一返回管线30与燃料箱观流体连接的返回管线出口 26。低压泵20的低压泵壳体32限 定与燃料箱观流体连接的低压泵进口 34，该燃料箱观还经由第二返回管线36与燃料喷射 器12流体连接。虽然本发明设想在单独壳体中的彼此分离的高压泵18和低压泵20，但在 所示实施例中，低压泵20和高压泵18 二者可包括在复合的泵组件27内。高压泵18的高 压泵壳体22可采用常规方式(例如通过使用螺栓)附接在低压泵20的低压泵壳体32上。 低压泵壳体32限定低压泵出口 38，该低压泵出口 38与由高压泵壳体22限定的高压泵入口 40流体连接。高压泵壳体22还限定润滑流体入口 42和润滑流体出口 44。润滑流体入口 42和润滑流体出口 44分别经由润滑供应管线48和润滑返回管线50与作为发动机油底壳 示出的润滑流体46源流体连接。泵(未示出)可设置成从润滑流体46源抽吸润滑流体并 对润滑流体加压以输送至润滑流体入口 42。发动机系统10的操作借助电子控制模块52以常规方式控制，该电子控制模块52 经由泵通信线M与高压泵18连接并经由通信线(未示出)与各燃料喷射器12连接。当 操作时，电子控制模块52所生成的控制信号判断强制使多少由高压泵18排出的燃料进入 高压燃料轨道14并且在什么时刻进入，以及燃料喷射器12在什么时间和多长时间(指示 燃料喷射量)操作。未传送至高压燃料轨道14的燃料可经由第一返回管线30再循环回到 燃料箱观。对于大部分零件而言，向高压泵18提供的燃料最终经由燃料喷射器12喷射到发 动机气缸(未示出)中或回到燃料箱观中。喷射的燃料经高压泵18被发送至加压室(未 示出)，其中燃料经由柱塞(未示出)加压并被提供给高压燃料轨道14。提供给高压泵18 的其它燃料最终回到燃料箱观。如以下更详细地描述的那样，该燃料或被用作冷却流体，藉 此其被引导通过高压泵内的冷却回路，或作为过剩物和/或泄漏物被收集，然后被送回燃 料箱观。在图2至图4中示出根据本发明的流体泵100的第一实施例的各种视图。图2是 泵100的局部截面图。在该图2以放大视图详细示出在其中限定流体通道的泵的壳体102 的一部分的内部视图。图3是泵送元件的一个实施例的截面图。本文提出的泵100设置成 用于将燃料泵送到共轨(未示出)，该共轨在发动机(未示出)运转期间将加压燃料供应至 一个或多个燃料喷射器(未示出)，并该泵100用于举例说明泵送元件的结构。如可以理解 的那样，本文所述的结构可有利地用在具有固定或可变排量的任何类型的流体泵上。泵100使用油来润滑各种运动零件。其它类型的泵可使用燃料进行润滑，或可供 选择地，可设置成泵送油而非燃料供增强的燃料系统或混合燃料系统使用。本文描述的泵 100只是为了进行说明而提出的且不应当被认为是进行限制。泵100包括基部或外部结构或壳体，在图中总体上被表示为102。壳体102可包括 形成封闭和支撑泵的各种内部构件的结构的一个或多个连接的部件。在此示例性图示中， 壳体102包括具有一个或多个偏心突齿(lobe) 106的凸轮或驱动轴。各突齿106对应于随 着轴104旋转而沿着各突齿106的外圈110往复移动的致动器108。各致动器108接触挺 柱(lifter) 112。挺柱112通过弹性元件或弹簧114的作用连续接触其相应外圈110。弹簧114将挺柱112推靠在致动器108上以确保在轴104旋转的同时将致动器108的往复运 动传递至挺柱112。柱塞116与挺柱112可操作地连接，以使得柱塞116可随着轴104旋转而往复运 动。柱塞116具有圆柱形形状，中心线118沿着该柱塞116的主要尺寸延伸。在泵100操 作期间，柱塞116在由壳体102限定的孔腔120内沿着其中心线118往复运动。孔腔120 设置成具有沿着该孔腔120轴向或纵向地延伸的中心线。孔腔的中心线与柱塞116的中心 线118基本上重合。在泵100操作期间，柱塞116在加压冲程期间的伸出位置A与填充冲 程期间的缩回位置B之间移动。进入端口 123允许燃料从泵100的进入通路IM进入加压室126。加压室1 至 少部分地被限定在柱塞116 (还参见图幻的远端128、壳体102的一部分130和出口止回阀 132之间。当柱塞116从缩回位置B移至伸出位置A时，加压室126中存在的燃料被加压。 一旦燃料的压力足够高，例如，介于1700巴与2200巴之间或更高，出口止回阀132就打开 以允许加压燃料经一个或多个相应开口 134离开加压室126。经各开口 134离开的加压燃 料被收集并输送至泵100的排出端口 136。如可以理解的那样，柱塞116与孔腔120之间需要适当的间隙，该间隙可密封它们 之间的界面以促进加压室126中的流体的适当加压，并吸纳柱塞116相对于壳体102的热 膨胀。总体上作为138示出的该环形间隙被限定在柱塞116的外表面140与孔腔120的内 表面之间。允许泵100更大的加压能力的更小的间隙对柱塞116在孔腔120内的运动自由 度和热膨胀有不利的影响。另一方面，更大的间隙导致泵效率的下降。此外，柱塞116在泵100操作期间的明显发热是由于从加压室126内的加压流体 的传热而出现的。容纳柱塞116的壳体102的详细截面在图3中示出。在柱塞116的加压 冲程期间经环形间隙138从加压室1 泄漏的流体被收集在渗出环144中。渗出环144是 围绕孔腔120的一部分形成在壳体102中的环形腔。渗出环144经环形间隙138与加压室 1 流体连通使得在环形间隙138内沿着柱塞116流动或渗出的流体被收集在渗出环144 中且不允许沿着柱塞116继续流动而最终在壳体102与柱塞116之间渗出。由于渗出的流 体起到在其接触的区域中加热柱塞的作用，所以在柱塞和壳体中在渗出环144上方和下方 形成温度梯度。渗出环144通过由壳体102限定的冷却通道146与进入通廊124中的燃料流体连 通。当柱塞116在填充冲程期间缩回时，渗出环144中可能形成局部真空。因此，来自进入 端口的燃料的一部分(其高于环境压力)经由冷却通道146流入渗出环144中。以这种方 式，来自进入通路124的较冷燃料与经由环形间隙138从加压室1 渗出到渗出环144中 的燃料混合。由于来自进入端口 144的燃料比来自加压室16的燃料冷，所以可缓和前述柱 塞与壳体之间的温度梯度。在柱塞116的加压冲程期间，渗出环内的压力升高。这种压力 升高仍低于进入端口 144中的燃料的大致环境压力，但高于返回通路148内的压力。返回 通路148通过由壳体102限定的排放通道150与渗出环144流体连通。因此，在加压冲程 期间，渗出环144内的燃料经排放通道150被泵送至返回通路148。燃料从这里离开泵100 并回到燃料箱(未示出)。本领域的技术人员将意识到，在一些实施例中，离开返回通路148 的燃料可被直接输送回进入通路1 而不回到燃料箱(未示出)。此类实施例并不脱离本 发明的范围。
如可以理解的那样，在泵操作期间在壳体102和柱塞116中都将存在热梯度。这 种热梯度是由于在加压室126中被加压的燃料的发热而形成的。从加压燃料传递的热量趋 向于加热壳体102和柱塞116环绕加压室126的部分。热量以传导方式经构件朝泵的燃料 与油界面传递。热梯度可能导致柱塞116与壳体102之间的不同程度的热膨胀，而不同程 度的热膨胀又可能在泵操作期间导致柱塞116与壳体102之间的尺寸间隙问题。当在紧邻 燃料与油界面的区域中——且更具体地在壳体102在渗出环144与燃料与油界面之间延伸 的部分中——存在时，这些问题变成与泵的操作相关。在图4中示出设置在流体泵的相应孔腔420中的两个相邻柱塞416的截面的流体 泵的示意图。此实施例的孔腔420在结构上类似于在图2和图3所示的第一实施例中说明 的孔腔。在此实施例中，总体上通过点划线箭头表示的冷却流体流409也经由冷却流体供 应通道446被供应到各渗出环444中。图4示出并联冷却回路连接，其中来自进入通路4 的液流经由冷却通道446被供应至渗出环444。被供应至渗出环444的液流对流地冷却孔 腔420。从孔腔420带走的热量增大了孔腔420与柱塞416之间的温差，该温差又增加了从 柱塞416流出的热量。从柱塞416流出的热量降低了柱塞的温度，这最终降低或消除了柱 塞416与孔腔420之间的温差。如图4所示，冷却流体流409然后经由排放通道450移至 返回通路448。燃料从这里经燃料出口 452——燃料可由此回到燃料箱(未示出)——离开 泵。可供选择地，在离开燃料出口 452后，燃料可被引导回到进入通路424。在备选实施例 中，冷却流体流409可在串联回路连接中被供应，其中它被依次供应至各相应孔腔。在泵操作期间，冷却燃料流经由低压泵20被提供给泵。此类燃料流可为被压缩并 被提供给燃料喷射器(例如，图5的图示)的流向泵的主燃料流的一部分，或可以可供选择 地作为包括燃料冷却器或其它装置的单独冷却回路的一部分提供。在包括超过一个泵送元 件的燃料泵的实施例中，冷却燃料流可依次经过并联的各泵送元件，如图4所示，或可以可 供选择地依次被提供给串联回路构造中的所有泵送元件。工业实用性本发明可应用于具有一个或更多个往复式柱塞的流体泵，所述柱塞可将流体加压 至以前使用公知泵送系统无法实现的水平。文中公开的实施例有利地适合用于能够在高压 瞬态和稳态条件下持久和可靠地操作的流体泵的实施方案。根据本发明的泵有利地能够实 现在1700至2200巴的范围内或更高的出口压力。这种有利地的操作是由于在泵送元件之 间传热的改进处理而实现的。此外，元件的主动冷却，例如对第二和第三实施例所示那样，进一步有助于降低柱 塞、筒和泵的其它构件的整体温度。此外，所提出的三个实施例的筒的整体质量的减小降低 了各筒的热容量，使得筒的温度跟随柱塞的温度，这在泵操作的瞬态变化期间特别有用。发动机系统500具有与其可操作地相关的高压(HP)燃料泵502，该发动机系统 500的框图在图5中示出。发动机系统500包括与HP泵502连接的内燃发动机504。发动 机504可为在运转期间将空气和燃料接收到多个燃烧室中的压缩点火或柴油发动机。低压 (LP)燃料从油箱或储油器506供应至HP泵502。储油器506与输送泵或低压泵508连接， 该低压泵508操作而将燃料从储油器506泵出并经HP泵502的供应进入端口 510将燃料 供应至HP泵502。HP泵502的返回排出端口 512与储油器506连接使得离开HP泵502的 LP燃料(例如如上所述离开HP泵502的环形储油器的燃料)返回储油器506。
在发动机504运转期间，从发动机504输出的功操作HP泵502。加压燃料(HP燃 料)流离开HP泵502并被传送至发动机504。例如，HP燃料流可被传送至与多个燃料喷 射器516(其与发动机504整体形成)连接的HP燃料轨道514。来自燃料喷射器516的未 使用的燃料流可返回储油器506。在此示例性图示中，HP泵502使用来自发动机504的润 滑油润滑内部运动构件，例如，接触HP泵502的驱动轴(未示出)的致动器和挺柱(未示 出)。为此，供应管线518结合油返回管线500起到使润滑油流在发动机504与HP泵502 之间循环的作用。如可以理解的那样，如文中所述的发动机系统500适合用于具有设置成 驱动车辆上的各种系统并对其供应动力的发动机504的车辆中。应该理解，前面的描述提供所公开的系统和技术的实例。然而，可以预期，本公开 内容的其它实施方案可在细节上不同于前面的实例。所有对本发明或其实例的说明旨在就 这一点说明具体实例且并非旨在更一般地对本发明的范围加以任何限制。对某些特征的区 别和贬低的所有语言旨在表示不优选这些特征，但并不将此类特征完全排除在本公开内容 的整体范围之外，除非另外指出。本文对数值范围的叙述仅旨在用作单独参考落在该范围内的各单独的数值的简 便方法，除非文中另外指出，并且将各单独的数值结合在说明书中，就如它在文中被单独叙 述一样。文中所述的所有方法可采用任何合适的次序执行，除非文中另外指出或另外明显 与上下文抵触。因此，此发明如适用的法律所允许的那样包括在此所附的权利要求中叙述的主题 的所有改型和等同物。此外，上述特征在其所有可能的变型中的任何结合为本发明所涵盖， 除非文中另外指出或另外明显与上下文抵触。
权利要求
1.一种燃料泵，包括壳体，该壳体限定具有纵向中心线的孔腔、进入端口、排出端口、返回通路以及与所述 进入端口流体连通的进入通路；至少部分设置在所述孔腔内的柱塞，所述柱塞设置成在所述孔腔内往复运动； 加压腔，该加压腔至少部分地被限定在所述柱塞的一端与所述孔腔的端部之间，所述 加压腔适于在所述柱塞的加压冲程期间对通过所述进入通路供应并向所述排出端口提供 的一定量的燃料加压；环形间隙，该环形间隙被限定在所述柱塞的外表面与所述孔腔的内表面之间，所述环 形间隙与所述加压腔流体连通；围绕所述孔腔的内表面被限定的渗出环，所述渗出环围绕所述柱塞的一部分，所述渗 出环与所述环形间隙流体连通；由所述壳体限定的冷却供应通道，该冷却供应通道将所述进入通路与所述渗出环流体 连通；由所述壳体限定的排放通道，该排放通道将燃料返回通道与所述渗出环流体连通。
2.根据权利要求1所述的燃料泵，其特征在于，用于燃料流的路径从所述冷却供应通 道开始，在所述返回通道终止，并延伸穿过所述渗出环。
3.一种发动机系统，包括内燃发动机，该内燃发动机包括限定多个发动机气缸的发动机壳体，并且包括多个活 塞，所述活塞均可在相应的一个所述发动机气缸内移动；燃料系统，该燃料系统包括与多个燃料喷射器流体连通的燃料轨道，其中各燃料喷射 器与所述多个发动机气缸中的每个气缸相关联，并且所述燃料系统还包括 燃料源；与所述燃料源流体连通的输送泵；与所述输送泵和所述燃料轨道流体连通的高压泵，所述高压泵还包括 壳体，该壳体限定具有纵向中心线的孔腔、进入端口、排出端口、返回通路以及与所述 进入端口流体连通的进入通路；至少部分设置在所述孔腔内的柱塞，所述柱塞设置成在所述孔腔内往复运动； 加压腔，该加压腔至少部分地被限定在所述柱塞的一端与所述孔腔的端部之间，所述 加压腔适于在所述柱塞的加压冲程期间对通过所述进入通路供应并向所述排出端口提供 的一定量的燃料加压；环形间隙，该环形间隙被限定在所述柱塞的外表面与所述孔腔的内表面之间，所述环 形间隙与所述加压腔流体连通；围绕所述孔腔的内表面被限定的渗出环，所述渗出环围绕所述柱塞的一部分，所述渗 出环与所述环形间隙流体连通；由所述壳体限定的出冷却供应通道，该冷却供应通道将所述进入通路与所述渗出环流 体连通；由所述壳体限定的排放通道，该排放通道将燃料返回通道与所述渗出环流体连通。
4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述高压泵内的燃料流的路径从 所述冷却供应通道开始，在所述返回通道终止，并延伸穿过所述渗出环。
5. 一种操作往复式柱塞流体泵的方法，所述流体泵包括至少一个孔腔，所述孔腔以可 往复运动的方式接纳柱塞，所述柱塞的往复运动包括加压冲程和重新填充冲程，所述方法 包括在所述重新填充冲程期间允许一定量的流体进入加压室，所述加压室至少部分地限定 在所述柱塞与所述孔腔之间；在所述加压冲程期间对所述流体加压；使一定量的流体沿着所述柱塞与所述孔腔之间的界面从所述加压室渗出； 将渗出的一定量流体收集在渗出环中，所述渗出环围绕所述柱塞的与所述孔腔相邻的 部分被限定在所述壳体中；允许一定量的冷却流体经由冷却供应通道进入所述渗出环； 将所述冷却流体流与从加压室渗出的流体混合； 经由排放通道将混合的流体从渗出环导出；以及 从所述柱塞散热。
全文摘要
本发明涉及一种用于对流体泵内的流体加压的泵送元件，包括可往复运动地设置于孔腔内的柱塞，该孔腔被限定在泵壳体中。柱塞和壳体至少部分地限定一加压室，流体在该加压室中被加压。在柱塞与孔腔之间限定有一流路，该流路允许流体在加压期间从加压室通过。在柱塞与孔腔之间形成有渗出环，该渗出环被设置成与孔腔相邻且作为用于泵送元件的冷却回路的一部分。壳体还限定经由渗出环互相流体连通的冷却通道和排放通道。当冷却流体经由冷却通道供应至渗出环并经由排放通道排放时，柱塞和孔腔被对流地冷却。
文档编号F02M59/10GK102102610SQ20101060095
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月18日
发明者A·R·斯托克奈尔, S·R·刘易斯, S·拉亚果帕兰, T·马亚万斯 申请人:卡特彼勒公司