具有机械单元泵的共轨系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于发动机的燃料系统。所述发动机可具有曲轴和多个气缸。所述燃料系统可具有分别连接至曲轴的多个柱塞和与所述多个气缸相关联的多个燃料喷射器。所述燃料系统还可具有设置成储存加压燃料的共轨。燃料系统可附加地具有多个第一管路，每个第一管路将与所述多个柱塞中的相应的一个相关联的筒体流体连接至所述共轨。燃料系统还可以具有多个第二管路，每个第二管路将所述共轨流体连接至所述多个燃料喷射器中的相应的一个。
【专利说明】具有机械单元泵的共轨系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料系统，更具体地，涉及用于具有机械单元泵的发动机的共轨燃料系统。
【背景技术】
[0002]机械单元泵由发动机曲轴驱动以将燃料从燃料储存器传送至不同的发动机气缸。在一些实例中，每个发动机气缸都与一个单独的机械单元泵相关联。在这种构型中，每个机械单元泵都流体连接至与发动机气缸中相应的一个相关联的单个的机械喷嘴。输送至各机械喷嘴的燃料响应于对应的机械单元泵的泵送冲程被直接喷入相关联的发动机气缸。
[0003]这些机械控制的燃料系统具有缺点。例如，由于每个机械喷射器被分别连接至仅一个机械单元泵，如果一个泵或喷射器失效，所述燃料系统将不可靠。例如，如果一个泵失效，相应的喷射器和发动机气缸不能接收燃料。如果喷射器失效，相关联的燃料泵将继续供给燃料，该燃料可能不喷入气缸中，使燃料压力增加到可能导致对发动机和燃料系统的额外损坏的程度。类似地，由于每次向不同气缸喷射燃料的正时和压力通过不同的机械单元泵控制，该燃料系统可在所有气缸上不一致。由于这些原因，当发动机性能条件改变时还难以满足不断变化的燃料需求。
[0004]替代的燃料系统已在于2011年5月31日授予Cinpinski等人的美国专利N0.7，950，371 ( “’ 371专利”)中公开。特别地，’ 371专利公开了一种具有向燃料轨道提供燃料的高压泵的燃料系统。燃料轨道连接在高压泵与多个燃料喷射器之间。此外，该燃料系统包括电控制高压泵和燃料喷射器的电子控制模块(ECM)。包括作为补偿模块的一部分的压力传感器以校准高压泵。
[0005]虽然’ 371专利的燃料系统可以提供一些与机械控制式燃料系统相比的优势，但仍达不到最佳。特别是，’371专利的燃料系统需要单独的高压泵以向轨道供给燃料。这对于改型应用达不到最佳，其中机械单元泵已经处于发动机上的位置。此外，虽然’ 371专利的燃料系统利用补偿模块来校准高压泵，它可能与现有发动机的机械单元泵不兼容。
[0006]本发明旨在克服上述问题和/或本领域其它问题的一个或多个。
【发明内容】
[0007]在一个方面，本发明涉及一种用于具有曲轴和多个气缸的发动机的燃料系统。所述燃料系统可包括分别连接至曲轴的多个柱塞和与多个气缸相关联的多个燃料喷射器。燃料系统还可包括设置成储存加压燃料的共轨。燃料系统还可包括多个第一管路，每个第一管路将与多个柱塞中的相应的一个相关联的筒体流体连接至共轨。燃料系统还可包括多个第二管路，每个第二管路将共轨连接至多个燃料喷射器中相应的一个。
[0008]在另一方面，本发明涉及将具有多个机械单元泵和多个气缸的现有发动机改型的方法。所述方法可包括将机械单元泵从现有被动机械喷射器流体断开。该方法还可包括通过共轨将多个机械单元泵的每个的输出流体连接在一起。该方法还可包括安装多个电子控制式燃料喷射器。该方法还可包括将共轨流体连接至多个电子控制式燃料喷射器的每个。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1不出了本发明的不例性的发动机系统；和
[0010]图2示出了本发明的示例性的可以与图1的发动机系统一起使用的机械单元泵。
【具体实施方式】
[0011]图1示出了与所公开的实施例一致的示例发动机系统10。发动机系统10可包括内燃发动机12和燃料系统14。为了本公开的目的，发动机12被不出和描述成六缸柴油发动机。但是，本领域技术人员将认识到，发动机12可以是任何其它类型的内燃发动机，例如汽油发动机。
[0012]发动机12可包括发动机缸体16，其限定了多个气缸18。活塞20可滑动地设置在每个气缸18内。发动机12还可包括与每个气缸18相关联的气缸盖22。气缸18、活塞20和气缸盖22—起可形成燃烧室24。在示例实施例中，发动机12包括六个燃烧室24。本领域技术人员将容易认识到，发动机12可包括更多或更少数量的燃烧室24，并且燃烧室24可设置成“直列”型、“V”型，或任何其它常规的构型。
[0013]图1还示出，发动机12可包括可转动地设置在发动机缸体16内的曲轴26。连杆28可以将每个活塞20连接至曲轴26。每个活塞20可联接至曲轴26，使得活塞20在各气缸18内的滑动运动导致曲轴26的转动。类似地，曲轴26的转动导致活塞20的滑动运动。
[0014]燃料系统14可将燃料引入每个燃烧室24以用于后续的燃烧和机械输出。燃料喷射到燃烧室24的正时可以与活塞20的运动是同步的。例如，可以在压缩冲程中当活塞20接近顶死点位置时喷射燃料以允许所喷射的燃料压燃燃烧。替代地，燃烧可以是火花点燃的。
[0015]燃料系统14可包括设置成协同工作以向发动机12供给燃料的泵送系统30、喷射系统32和控制系统34。泵送系统30可以向喷射系统32供给燃料以用于喷入燃烧室24。控制系统34可以电子调节泵送系统30和喷射系统32的一些部件，如下面更详细地描述。
[0016]泵送系统30可包括燃料储存器36、传送泵38和多个用于向喷射系统32供给燃料的机械单元泵40。燃料储存器36可以是构造成向传送泵38供给燃料的燃料储箱。传送泵38可以是设置成向每个机械单元泵40输送燃料的低压泵。传送泵38可以通过燃料管路42连接至每个机械单元泵40。每个机械单元泵40可以设置成从相应的燃料管路42接收燃料和将燃料加压以输送至喷射系统32。
[0017]为了本发明的目的，每个机械单元泵40可采用通常用于向单个发动机气缸输送燃料的常规单元泵的形式。例如，每个机械单元泵40可包括筒体44和在筒体44内往复运动的柱塞46，从而以本领域已知的方式对燃料加压。燃料进入筒体44后，柱塞46可以缩回到筒体44内并提高燃料的压力，使得一部分加压燃料被迫进入喷射系统32，用于随后向气缸18喷射。任何不进入喷射系统32的燃料可通过溢出通道48被发送至低压储存器，如燃料储存器36。虽然本文描述了具有筒体44和柱塞46的单元泵，应理解的是，机械单元泵40可各自具有不同的构型，如果需要的话。
[0018]每个柱塞46可被位于可操作地连接至曲轴26的泵驱动轴52上的凸轮50驱动以往复运动。泵驱动轴52可以通过任何对本领域技术人员显而易见的方式连接至曲轴26，曲轴26的转动将导致泵驱动轴52的相应转动。例如，泵驱动轴52可以通过齿轮系54连接至曲轴26。凸轮50的转动可以导致柱塞46的线性运动。虽然本文公开了凸轮50，但是可以设想，可以利用其它驱动元件以可操作地连接泵驱动轴52和柱塞46之间的转动，例如旋转斜盘、摇摆盘、电磁致动器、压电致动器、液压致动器、马达，或任何其它本领域已知的驱动装置。
[0019]如图2中最佳示出，凸轮50可包括设置成迫使柱塞46向上进入筒体44的凸部(lobe)90Ao当凸轮50仅包括一个凸部90A时，柱塞46可以设置成在一个完整的泵送循环中通过泵驱动轴52的每次旋转在筒体44内两个间隔开的位置之间移动(即每个发动机循环一次)。图2还示出了替代实施例，其中凸轮50包括凸部90A和第二凸部90B(由图2中虚线所示)。在本实施例中，柱塞46可以设置成在两个完整的泵送循环上通过泵驱动轴52的每次旋转在筒体44内两个间隔开的位置之间移动(即每个发动机循环两次)。因此，每个机械单元泵40可以设置成在每个发动机循环中对共轨70加压两次。这样，维持共轨70中所需的燃料压力的所需机械单元泵40的数量可以小于发动机12的气缸18的数量。例如，对于每个发动机循环一次的燃料被喷入六个气缸18中的每一个的发动机12，泵送系统30可以只需要三个机械单元泵40，每个机械单元泵在一个发动机循环中将燃料引入共轨70两次。这样，可以设想，对于给定的发动机12，用于燃料系统14的气缸18与机械单元泵的比值可以等于每个凸轮50的凸部的数目(S卩，凸轮50的每个完整旋转中泵循环的次数)。
[0020]每个机械单元泵40可以被机械控制，从而以本领域已知的常规方式改变输送至燃料喷射系统32的燃料量。例如，每个柱塞46可包括涡盘56，其基于柱塞46和涡盘56的转动位置限定柱塞46的有效冲程。该有效冲程可以限定在柱塞46的每个冲程中每个机械单元泵40输送至喷射系统32的燃料量。例如，柱塞46可以在第一方向转动以允许较长的有效冲程，增大在柱塞46的每个冲程中输送到喷射系统32的燃料量。类似地，柱塞46可以在第二方向转动以允许较短的有效冲程，从而减小输送到喷射系统32的燃料量。每个柱塞46可包括与齿条(rack) 58相互配合的齿轮或小齿轮57 (仅在图2中示出)。齿条58的线性运动可以通过各个齿轮57导致每个柱塞46转动。马达60(参见图1)可以设置成导致齿条58的线性运动，从而转动柱塞46直到达到所需的有效冲程。在一示例实施例中，马达60可以是能够通过离散的量(S卩，齿条设置)来调整齿条58的步进马达，但其它装置也是可能的(例如，液压或气动线性致动器)。
[0021]在具有机械单元泵40的常规燃料系统中，加压燃料从每个单独的机械泵单元40输送到单一的被动机械喷射器以喷射到一个发动机气缸内。为了本发明的目的，被动的机械喷射器指的是喷射喷嘴或其它不被电子控制或致动的装置。在所公开的燃料系统14中，每个机械单元泵40可以连接以将燃料输送到多个燃料喷射单元62而不显著修改机械单元泵40。
[0022]在图1的示例实施例中，各燃料喷射单元62可以是安装在现有的发动机12上以取代通常与机械单元泵40相关联的常规的被动式机械喷射器的改型部分。每个燃料喷射单元62可包括电子控制单元64和可操作以将一定量的加压燃料喷射到燃烧室24内的喷射喷嘴66。每个喷射喷嘴66可包括阀68，其可以选择性地关闭以防止燃料被喷射到各燃烧室24内和选择性地打开以用于喷射。每个阀68可以通常是关闭的，但也可以由相应的控制单元64例如基于来自控制系统34的信号而选择性地打开，从而将燃料喷射到燃烧室24内。
[0023]喷射系统32还可包括设置成存储由机械单元泵40为燃料喷射单元62加压的燃料的共轨70。共轨70可以安装在现有发动机上以利用现有的常规单元泵(S卩，机械单元泵40)。共轨70可以通过独立供给的管道72连接至单独的机械单元泵40。在一实施例中，供给管道72可以是最初将机械单元泵40连接至被动的机械喷射器(未示出)的现有燃料管道。共轨70也可以经由排放管道76连接至每个燃料喷射单元62。排放管道76可以是作为允许来自全部机械单元泵40的加压燃料在全部燃料喷射单元62之间共享的改型部件添加的高压管道。虽然共轨70被示出成将各供给管道72连接至全部排放管道76，可以设想，其它布置也是可能的。单独的轨道可以连接每套两个、每套三个等供给管道72，使得来自一些、而不是全部机械单元泵40的燃料与一些、而不是全部燃料喷射单元62共享。例如，供给管道72的每一个可以通过分开的共轨70流体连接至恰好一个其它供给管道72。
[0024]作为附加的改型部件，可以在机械单元泵40和共轨70之间的供给管道72中设置一个或多个止回阀78，以帮助防止燃料被引入共轨70后逆流返回机械单元泵40。由于燃料喷射装置62通常可通过阀68关闭和可以通过止回阀78防止燃料流回泵送系统30，当机械单元泵40将燃料引入到供给管道72时燃料压力可能在共轨70内累积。
[0025]控制系统34可包括设置成控制泵送系统30和喷射系统32的各个方面的部件。在示例实施例中，控制系统34可包括通过通信线路84连接到至感器82的控制器80。控制器80也可以分别通过通信线路86和88电子地连接至马达60和燃料喷射单元62的各控制单元64。控制器80可以设置成经由通信线路84从传感器82接收表征性能参数的信号，并经由通信线路86、88与马达60和燃料喷射单元62响应通信。
[0026]控制器80可以是电子控制模块(ECM)，其包括一个或多个计算装置，诸如一个或多个微处理器。例如，控制器80可以采用能够控制多个机器或发动机功能的通用的微处理器。控制器80还可包括运行应用程序所需的全部部件，例如，计算机可读存储器、辅助存储装置和处理器诸如中央处理单元或任何其它已知装置。包括调整装置和其它适当的电路的各种其它已知电路可以与控制器80相关联。
[0027]传感器82可以是设置成测量燃料压力并将压力读数经由通信线路84传送至控制器80的一个或多个压力传感器。在不例实施例中，传感器82可以定位成测量共轨70内的燃料压力。传感器82可定位于共轨70内或接近共轨70的任何位置(例如，供给管道72和/或共轨管路74)，在该位置可以确定整个共轨70中的平均燃料压力。控制器80可以设置成解释来自传感器82的表征压力的信号，并且确定是否有必要基于该信号调整泵送系统30和/或喷射系统32。
[0028]工业实用性
[0029]所公开的燃料系统14可以适用于任何新的或现有的发动机系统10。在新的发动机系统中，所公开的燃料系统14可适用于作为能自定义以包括任意数量的机械泵的共轨系统。在改型应用中，所公开的实施例特别适用于将具有常规单元泵的现有的发动机系统改造成共轨系统而不需要更换单元泵。用于将现有发动机改型成包括燃料系统14的示例方法在下面更详细地描述，然后是对燃料系统14的操作的描述。
[0030]为了在具有机械单元泵40的现有发动机上安装共轨系统，各机械单元泵40可以从现有的被动式机械喷射器断开。各被动机械喷射器可被移除并且由电子控制式燃料喷射单元62取代。接下来，将各机械单元泵40的输出连接至燃料喷射单元62。例如，供给管道72可通过共轨70连接在一起，共轨70可通过分开的排放管道76连接至各燃料喷射单元62。可以设想，供给管道72和/或排放管道76可以是现有部件或改型部件，这取决于现有发动机的构造。止回阀78可以安装在供给管道72中，以防止燃料逆流进入机械单元泵40。
[0031]除了上述改型部件以外，可以修改燃料系统14以调节泵送系统30的泵送策略。例如，泵驱动轴52上的凸轮50可以被修改或取代，以调整由柱塞46在凸轮50的每一转中进行的泵送循环的次数。如图2所示，具有一个凸部90A的现有的凸轮50可以用具有两个凸部90A和90B的凸轮50取代。这可以对某些或全部机械单元泵40进行，使得与每个发动机气缸具有一个机械单元泵40的现有发动机相比，用于向给定的发动机12供给燃料所需的机械单元泵40的数量可以减少。
[0032]此外，可以安装一些或全部控制系统34以控制改型泵送系统30和喷射系统32。控制器80可以安装在现有的发动机上并电子地连接至各燃料喷射单元62。传感器82可以定位成测量共轨70中的燃料压力并电子地连接至控制器80。控制器80也可以电子地连接至马达60，以建立用于调整机械单元泵40的通路。安装之后，现有发动机可随后与燃料系统14 一起操作以向气缸18供给燃料。
[0033]参见图1，当燃料系统14运行时，传送泵38可以从燃料储存器36向机械单元泵40供给燃料。当发动机12运行时，每个机械单元泵40可通过燃料对一个单独的供给管道72加压。机械单元泵40可以以本领域已知的任何常规的方式供给燃料。例如，凸轮50的转动会引起每个柱塞46在相应的筒体44内往复运动(例如，在包括进气冲程和泵送冲程的泵循环期间移动)。在柱塞46的进气冲程期间，流体可被抽入筒体44，到柱塞46上方。当柱塞46开始泵冲程时，增加筒体44内的流体压力可导致燃料进入供给管路72。燃料可继续进入供给管路72直到柱塞46揭开允许燃料进入溢出通路并流回燃料储存器36的溢出端口，该燃料储存器的压力比供给管路72的压力低。柱塞46的涡盘56的角度位置可确定在每个循环中何时揭开溢出端口。因此，柱塞46的角度位置可以至少部分地确定每个泵送循环(即，有效冲程)中进入供给管路72的燃料量。
[0034]在常规机械控制的燃料系统中，进入每个供给管路72的燃料可以经被动的机械喷射器立即喷射到相应的燃烧室24内。所公开的发动机12最初可包括这样的燃料系统，并被改型以包括共轨70、止回阀78、电子控制式燃料喷射单元62和控制器80。这样，被泵入供给管路72的燃料可被储存在共轨70中，直到燃料喷射单元62被选择性地收到信号以打开阀68并允许燃料被喷射到燃烧室24内。然而，虽然燃料系统14在本文描述为改型系统，应理解的是，发动机可最初构造成包括燃料系统14的一些或全部部件。
[0035]在用于控制燃料系统14的示例方法中，当发动机12的运行条件(例如，发动机的负荷、速度和/或停顿)变化时，控制器80可基于来自传感器82的反馈调整燃料系统14的一个或多个部件。通常，每个发动机循环中喷射到燃烧室24内的燃料量可以随着发动机负荷的增加而增大，反之亦然。因此，补偿共轨70中的燃料减少所需的燃料量可以根据操作条件而变化。由此可见，柱塞46的所需有效冲程也可以随发动机条件变化而改变(例如，更高的发动机负荷通常需要比较低发动机负荷更长的有效冲程)。
[0036]控制器80可以接收表征发动机性能(例如，发动机速度、负荷和/或停顿)的信号并相应地调整泵送系统30和喷射系统32以改变提供给各气缸18的燃料量。例如，如果控制器80确定发动机负荷正在增加，则控制器80可以经由通信线路86发送一个信号，以指示燃料喷射单元62来调整喷射正时，从而使阀68在每次喷射中打开较长的时间段。所喷射的燃料量的调整也可以通过增加共轨70种的燃料压力来实现，下面将更详细地描述。
[0037]传感器82可以测量共轨70中的平均压力，并向控制器80发送表征压力的信号。控制器80可以解释该信号，并确定是否必须调整机械单元泵40以达到共轨70内所需的燃料压力。在示例实施例中，所需的燃料压力可以对应于为了达到用于匹配一个或多个发动机条件的特定的燃料喷射量(对于给定的燃料喷射正时)所必需的期望燃料压力。此外，如果控制器80确定共轨70中的实际压力小于所需的压力，则控制器80可以调整机械单元泵40以增加每个泵送循环引入共轨70的燃料量，从而增加共轨70中的燃料压力。类似地，实际燃料压力大于所需压力的确定可以导致减少由机械单元泵40输送的燃料量的调整。
[0038]马达60可以用传统的方式辅助调整机械单元泵40。例如，控制器80可以经由通信线路86发送指示马达60移动齿条58的信号，从而通过齿轮57引起柱塞46在筒体44内转动。如已经描述的，柱塞46的转动改变了相关联的机械单元泵40的有效冲程。因此，控制器80可以控制引入共轨70的燃料量，因而通过向马达60发送信号来控制燃料压力，马达60可以相应地调整机械单元泵40的一个或多个的有效冲程。控制器80可以遵循控制图来确定调整齿条58的必要程度，以使共轨70中的实际燃料压力与所需燃料压力相匹配。这样，燃料系统14可利用控制系统34来控制泵送系统30和喷射系统32，以允许发动机12高效运行。
[0039]本发明的燃料系统14可通过允许发动机改造成包括共轨燃料系统，同时保持一些现有的燃料系统部件的使用而在不同的发动机系统、尤其是在那些包括机械单元泵的发动机系统中实施。这通过增加单向阀78和共轨管路70以允许燃料压力在供给管路72中累积、同时防止任何一个燃料喷射单元62过压来实现。此外，由于共轨70的设置在全部燃料喷射装置62中分享燃料压力，实现了改进整个气缸18中的燃料喷射的一致性和更好地控制燃料喷射。在改型发动机12中更好地控制燃料喷射可以产生改进的发动机性能，因为诸如发动机速度、负荷和停顿的参数的控制可以通过向燃料喷射单元62输入而更直接地控制(与经由机械单元泵40的调整而间接控制相反)。此外，包括控制器80和传感器82完成了向个电子控制的共轨系统转换，同时允许机械单元泵40被保持在适当位置，这可有助于避免高成本购买新泵。
[0040]附加的优点可以通过修改凸轮50的形状(例如，包括两个凸部90A、90B，如图2所示)以导致需要更少的机械单元泵以供给共轨70来实现。这可能会在新发动机应用中产生成本节约，因为需要包括较少的泵。在改型发动机应用中，可以获得附加的优点，因为泵可以被去除和用于其它目的(例如，作为替换件)或留在原地作为备用泵。
[0041]将对本领域技术人员显而易见的是，可以对本发明的燃料系统进行各种修改和变型而不脱离本发明的范围。通过考虑本文所公开的实施例的说明和实践，其它实施例将对本领域技术人员显而易见。说明书和实施例旨在仅被视为示例性的，本发明的实际范围由所附的权利要求表明。
【权利要求】
1.一种用于具有曲轴和多个气缸的发动机的燃料系统，所述燃料系统包括: 分别连接至所述曲轴的多个柱塞； 与所述多个气缸相关联的多个燃料喷射器； 设置成储存加压燃料的共轨； 多个第一管路，每个第一管路将与多个柱塞中相应的一个相关联的筒体流体连接至所述共轨；和 多个第二管路，每个第二管路将所述共轨连接至所述多个燃料喷射器中相应的一个。
2.根据权利要求1所述的燃料系统，其中，所述多个柱塞中的每个的转动位置确定在每个冲程中引入多个第一管路中相应的一个的燃料量。
3.根据权利要求2所述的燃料系统，还包括设置成调整所述多个柱塞的转动位置的马达。
4.根据权利要求3所述的燃料系统，还包括将马达可操作地连接至所述多个柱塞的齿条。
5.根据权利要求3所述的燃料系统，还包括: 传感器，所述传感器设置成产生用于表征共轨中的燃料压力的信号；和与所述马达和传感器通信的控制器，所述控制器设置成基于所述信号选择性地调整所述多个柱塞的转动位置。
6.根据权利要求1所述的燃料系统，其中: 所述多个柱塞中的每个通过具有至少一个凸部的凸轮与曲轴可操作地连接；和 所述多个气缸的数量与所述多个柱塞的数量的比例等于每个凸轮的至少一个凸部的数量。
7.—种将具有多个机械单兀泵和多个气缸的现有发动机改型的方法,包括: 将所述机械单元泵从现有被动机械喷射器流体断开； 通过共轨将所述多个机械单元泵的每个的输出流体连接在一起； 安装多个电子控制式燃料喷射器；和 将共轨流体连接至所述多个电子控制式燃料喷射器的每个。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述多个机械单元泵的每个的输出连接在一起包括通过所述共轨将多个供给管路连接在一起。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括将控制器电子地连接至所述多个电子控制式燃料喷射器的每个。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将控制器电子地连接至共轨中的压力传感器和将马达可操作地连接至机械单元泵。
【文档编号】F02M55/02GK104165111SQ201410205440
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2013年5月15日
【发明者】S·沙弗尔, S·田 申请人:卡特彼勒公司