专利名称：高压燃油泵及其凸轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及将燃油从油箱泵压到内燃机高压燃油喷射系统的高压燃油泵，该泵并能用溢流阀调节泵压的燃油量(输出的燃油量)，本发明还涉及高压燃油泵的凸轮。
相关的高压燃油泵例如在日本专利申请公报10-176618和10-176619等中都有说明。
如同这些公开的专利申请所说明的那样，在一典型的这种型式的高压燃油泵中，有一设置在泵筒内的柱塞被一凸轮驱使作往复运动，而凸轮是被内燃机转动的。在吸油行程中，由泵筒和柱塞界定的增压室的容积膨胀，因此燃油从油箱被抽吸到增压室内。在输油行程中，被抽吸到增压室内的燃油量被排出到燃油输出通道内，其时增压室的容积被压缩。在输油行程中，溢流阀(电磁溢流阀)的闭阀周期受到控制。在输油行程中，按照受控溢流阀的闭阀周期确定输油行程中输出燃料的基本量。即当溢流阀开启时即使在输油行程中也允许在增压室内被增压的燃油溢流到低压通道内。在燃油增压的过程中直到一个合适的时刻(定时)，溢流阀被关闭，才开始将燃油输出到输出通道内。然后在溢流阀重新被开启的定时，燃油开始溢流到低压通道内，致使燃油输出中断。用这种方式使用溢流阀，高压燃油泵可高度精确地调节燃油的输出量。
在高压燃油泵操作的输油行程中，随着柱塞沿减少增压室容积的方向移动，压力施加在增压室内的燃油上，并沿着阀门关闭的方向作用在溢流阀上。因此在燃油输油行程中，当溢流阀在某一定时被关闭时，燃油压力会使溢流阀的关闭速率加快，从而使阀门关闭时产生的冲击噪声增大。特别是当发动机处在低载荷的运转状态如空运转时，发动机产生的操作噪声比处在其他运转状态时都低，因此由高压燃油泵产生的操作噪声(冲击噪声)相对地说已升高到一个不容忽视的水平。
发明的概述因此，本发明的目的是要提供一种高压燃油泵，甚至当内燃机处在低载荷运转状态如空运转时，它能合适地降低与关闭溢流阀有关的操作噪声。
按照本发明的第一方面所提供的高压燃油泵有一柱塞，被设置在泵筒内并可被一凸轮驱使作往复运动，而凸轮是被内燃机转动的。在增压室容积增大的吸油行程中，燃油被自油箱被吸入到由泵筒和柱塞界定的增压室内。在增压室的容积减少的输油行程中，根据对溢流阀闭阀周期的控制而调节的燃油量从该增压室被输入到一输出通道内。该高压燃油泵包括一个速率改变装置，用来使在输油行程中增压室容积改变的速度比在吸油行程中小。
如上所述，当柱塞沿容积缩减的方向移动时在增压室内的燃油便被加压，这个压力沿着阀门关闭的方向作用在溢流阀上。这个压力的大小取决于输油行程中柱塞在容积减少的方向移动的速率，即增压室容积的改变(减少)速率或比率。因此，如果使增压室的容积改变速率在输油行程中比在吸油行程中小，那么沿着阀门关闭方向作用在溢流阀上的压力就能被减少，从而在溢流阀关闭时产生的冲击噪声也能被减少。这样，当内燃机处在包括空运转在内的低载荷运转状态时，其高压燃油泵的操作噪声便可有效地被减少。
在上述高压燃油泵中，速率改变装置可以是凸轮。凸轮可这样构造，使凸轮对输油行程和吸油行程具有不对称的廓线形状，从而使输油行程比吸油行程具有较大的凸轮角。
由于凸轮廓线的设置，使凸轮在输油行程中比在吸油行程中具有较大的转动角。这样，与吸油行程和输油行程配有对称的轮廓的凸轮相比，具有不对称廓线的凸轮能在输油行程中使增压室得到较小的容积改变速率，因此就能容易而可靠地得到操作噪声减小的效益。
凸轮的廓线形状还可这样被设置，使在至少一部分输油行程内，增压室相对于凸轮角度的容积改变速率基本恒定。
设置这样一个使增压室容积改变速率恒定的凸轮廓线部分在输油行程中会给燃油输出量带来线性的改变。因此，例如当从增压室输出的燃油量是用控制溢流阀的闭阀时间来调节时，便可能采用以简化的计算过程为依据的简化方式来完成溢流阀的闭阀周期控制。
按照本发明的第二方面，是要提供一个驱动高压燃油泵用的凸轮。该泵有一柱塞设置在泵筒内，并被凸轮驱使作往复运动，而该凸轮被内燃机转动。在吸油行程中，燃油从油箱被抽吸到由气缸和柱塞界定的增压室内，其时增压室的容积渐增。在输油过程中，根据对溢流阀的闭阀周期控制而调节的燃油量从增压室被排出到输出通道内，其时增压室的容积渐减。凸轮具有一个对输油行程和吸油行程不对称的凸轮廓线形状，其中输油行程的凸轮角大于吸油行程的凸轮角。
采用上述凸轮可在输油行程中减小增压室容积的改变(减少)速率，因此可减少溢流阀关闭时的冲击噪声而造成的高压燃油泵的操作噪声。
在上述凸轮中，凸轮廓线形状可被这样设置，使在至少一部分输油行程内，增压室容积相对于凸轮角的改变速率基本恒定。
这种凸轮轮廓可依据简化的计算过程使溢流阀的闭阀周期控制简化。
按照本发明的第三方面，包括利用上述结构在高压下泵压燃油的方法。
附图简要说明从下面结合附图对优先实施例所作说明，可以清楚地知道本发明的上述这些和其他一些目的、特征和优点。在各图中，相同的标号代表相同的元件。其中
图1为本发明的高压燃油泵的一个优先实施例的构造的方块略图；图2为在图1的实施例中采用的泵驱动凸轮外形的说明图；图3A为一曲线图，示出升程相对于图2中所示凸轮的凸轮角的变化；图3B为一曲线图，示出柱塞速率相对于凸轮角的变化；及图4为本发明的高压燃油泵的另一个实施例的构造的方块图。
优先实施例的详细说明下面结合附图对本发明的高压燃油泵的优先实施例详细说明。
图1为用来将高压燃油直接喷射到发动机(内燃机)15的每一气缸内的高压燃油喷射装置的略图，其中有一台本发明的高压燃油泵11、一个油箱13、一台低压供给泵14、一根蓄压管(如输出管、公用给油管等)55、和喷射器56等。
高压燃油泵11将燃油增压到高压，并将增压后的燃油泵压到蓄压管55。高压燃油泵11有一个泵筒20、一个可在泵筒20内往复移动的柱塞21、一个由泵筒20的内周表面和柱塞21的上端表面界定的增压室22、一个低压室42、和一个设在增压室22和低压室42之间的溢流阀(电磁溢流阀)41。
在如上构造的高压燃油泵11中，有一连接在柱塞21下端(图1)的随动件23，被一来自弹簧(未示出)的力抵压在凸轮25上。凸轮25设在驱动轴24上，而驱动轴24被连接到发动机15的曲轴或凸轮轴上。当凸轮25随着驱动轴24转动时，柱塞21在泵筒20内往复运动，不断改变增压室22的容积。在本实施例中，凸轮25对吸油行程和输油行程具有不对称的凸轮廓线形状。不对称的凸轮25将在下面结合图2详细说明。
增压室22通过溢流阀41和吸入通道30被连接到油箱13上。吸入通道30设有低压供给泵14和燃油滤清器32。低压供给泵14在控制发动机15运转的电子控制单元(今后被称为ECU)60的控制下被电力驱动。低压供给泵14从油箱13抽吸燃油并将燃油输送给高压燃油泵11。在输送燃油的过程中用燃油滤清器32将污染物去除。
在通过吸入通道30将燃油输送给高压燃油泵11后，燃油通过溢流阀41被引入到增压室22内。溢流阀41为一电磁阀，它可在ECU60的控制下按照是否对螺线管45充电将它控制在关闭状态或开启状态。更具体点说，溢流阀41是一个在正常情况下开启式的电磁阀，当螺线管45未被充电，从而定子(未示出)未被磁化时，它被保持在开启状态。在开阀状态下，溢流阀41的阀体47被来自弹簧49的力保持在离开增压室22孔部22a的地方。当定子被螺线管45磁化时，衔铁48克服来自弹簧49的力被移向定子，致使阀体47关闭孔部22a，这样便进入闭阀状态。
在低压供给泵14和燃油滤清器32之间延伸的一部分吸油通道30通过一条减压通道33被连接到油箱13上。在减压通道33上设有一个减压阀34。当在低压供给泵14和燃油滤清器32之间延伸的那部分吸油通道30内的燃油压力等于或大于一个预定值时，减压阀34便开启，这时燃油便从吸油通道30通过减压通道33回流到油箱13内。结果，从低压供给泵14输送给燃油滤清器32的燃油的压力可基本保持恒定。
在溢流阀41(低压室42)和油箱13之间延伸的溢流通道39上设有一个压力调节器50。当溢流阀41开启时，压力比压力调节器50的开阀压力高的燃油便通过溢出通道39流回到油箱13内。
蓄压管55通过一条输油通道35和一个止回阀36被连接到增压室22上。蓄压管55保持燃油的高压力，并将具有高压力的燃油分配到发动机15各个气缸所设的喷射器56内。每个喷射器56都根据ECU60的驱动信号来开、关，使它们按时分别将预定的燃油量直接喷射到相应的气缸内。设在输出通道35内的止回阀36使燃油只能在从增压室22到蓄压管55的方向上流动，并能阻止燃油从蓄压管55向增压室22回流。
蓄压管55通过一条设有减压阀37的减压通道38与油箱13连接。当蓄压管55内的燃油压力增加到或超过一个预定值时，减压阀37开启，燃油便通过减压通道38从蓄压管55流回到油箱13内。因此可防止在蓄压管55内的油压过分升高。蓄压管55内设有油压传感器61。在蓄压管55内的油压由油压传感器61检测，并由ECU60监控。ECU60包括一个微型计算机(未示出)，其上有CPU(中央处理单元)、RAM(随机存取存储器)、I／O(输入／输出)接口等。
在本实施例的高压燃油泵11中，用来使柱塞21往复运动的凸轮25，其廓线形状对吸油行程和输油行程是不对称的，其放大后的图像在图2中示出。
如图2所示，凸轮25具有为每一个吸油行程和输油行程用的两个部分。在凸轮25的这些部分中，与输油行程θ1相应的部分大于与吸油行程θ2相应的部分。更具体点说，相应于输油行程θ1的凸轮角大于相应于吸油行程θ2的凸轮角。因此，即使是在凸轮25的驱动轴24的转速恒定的情况下，在吸油行程中，增压室22容积的改变(膨胀)速率或比率，总是大于在输油行程中增压室22容积的改变(压缩)速率或比率。
下面结合图3A和3B说明本实施例的高压燃油泵的操作。
在图3A中，实线200和虚线100示出柱塞21的高度与凸轮25的角度的关系。与虚线100相关的虚线120和130分别示出在现有技术的高压燃油泵中溢流阀47的关闭和开启的时刻。而与实线200相关的虚线220和230分别示出在本发明中溢流阀47的关闭和开启的时刻。当发动机15开始运转时，凸轮25随着驱动轴24转动，从而使柱塞21在泵筒20内作沿垂直方向的往复运动。在高压燃油泵11的吸油行程中，当柱塞21开始从上止点(TDC)向下运动时，由低压供给泵14从油箱13供给的在吸油通道30内的燃油通过被设在开启状态的溢流阀41被引入到增压室22内。
在高压燃油泵11的输油行程中，当柱塞21开始从下止点(BDC)向上移动时，在增压室22内的一部分燃油量通过溢流阀41流动到溢流通道39内，并在溢流阀41的开阀时间内通过压力调节器50返回到油箱13内。那就是说，即使高压燃油泵11是在输油行程中，只要溢流阀(41)保持开启，燃油是不会从增压室22泵压到蓄压管55内的。
当溢流阀由于螺线管45的充电而被关闭的，在增压室22内的燃油被增压，增压的燃油通过输油通道35和止回阀36被泵压到蓄压管55内。
在这操作中，ECU60控制泵压到蓄压管55内的燃油量，使由燃油压力传感器检测到的在蓄压管55内的燃油压力等于一个预定的压力，办法是调节溢流阀41的闭阀时间，即调节螺线管开始充电和终止充电的定时。
通常，当溢流阀41关闭如虚线120所示时，会发生巨大的冲击噪声，因为除了上面提到的由于螺线管45的充电会有电磁力施加在溢流阀上以外，在增压室22内被增压的燃料还会有巨大的力沿着阀门关闭方向作用在溢流阀41上。特别是在发动机以低载荷运转时如空转时，由于发动机15本身的操作噪声在这种运转状态下变小，冲击噪声会相对地变大。
但在本实例中，如上所述，由于凸轮25对高压燃油泵的吸油行程和输油行程具有不同的凸轮角，因此柱塞21的高度按照另一个模式随着凸轮25的角度位置的变化而变化，如图3A中的实线200所示。与图3A中虚线100所示的对吸油行程和输油行程配有对称廓线的传统凸轮的升程变化特性相比可以看到，由凸轮25所提供的输油行程周期要比由传统凸轮提供的输油行程周期长。因此在本实施例的输油行程中，每单位凸轮角的升程的变化率，即柱塞的移动速率(或增压室22的容积的变化率)就被降低。本实施例的凸轮25和传统凸轮所造成的柱塞速率分别在图3B中示出。
在图3B中柱塞的速率对凸轮角的关系用实线210和虚线110示出。与虚线110相关的虚线120和130分别示出在现有技术的高压燃油泵中关闭和开启溢流阀47的时刻。在虚线120和130之间画有剖面线的面积300指出在发动机空转时蓄压管55所需要的并按照溢流阀41的闭阀周期来调节的输油量。与实线210相关的虚线220和230分别示出在本发明中关闭和开启溢流阀47的时刻。在虚线220和230之间画有剖面线的面积310指出在发动机空转时蓄压管55所需要的并按照溢流阀41的闭阀周期来调节的输油量。传统凸轮(110)和本实施例的凸轮25(210)的画有剖面线的面积300、310是相等的。但在关闭溢流阀的定时上，由本实施例的具有不对称廓线的凸轮25和具有对称廓线的传统凸轮所提供的柱塞速率却是不同的。如图3B所示，在关闭溢流阀41的定时上(虚线220)由凸轮25提供的柱塞速率(实线210)小于在关闭溢流阀的定时上(虚线120)由传统凸轮提供的柱塞速率。这个在关闭时刻柱塞速率的差异在图上用间隙320示出。因此，本实施例可降低在溢流阀41在关闭时所产生的冲击噪声。
从上面的说明中可以知道本发明具有下列优点。
由于凸轮相对于输油行程比相对于吸油行程具有较大的凸轮角，因此在输油行程中在溢流阀41即将关闭之前的柱塞速度可被降低，从而在溢流阀41关闭时产生能冲击噪声可被降低。
特别是当发动机以低载荷运转如空运转时，这时发动机15的操作噪声降低，溢流阀41关闭时的冲击噪声会相对地变大。因此这个冲击噪声的降低是值得高度评价的，可取得相当大的不扰人的效果。
本发明的高压燃油泵并不限于上述的实施形式，还可如下以各种其他形式实施。
在前面的实施例中，凸轮25的廓线形状使升程的变化成为正弦曲线或近似正弦曲线的模式。但也可用另一种凸轮廓线来更换，使在大部分输油行程中升高率的变化可用线性函数来表达，即该凸轮具有的廓线形状能在部分或整个输油行程中得到增压室的容积相对于凸轮角的恒定的变化率。采用这种凸轮能依据简化的计算过程简化对溢流阀41闭阀周期的控制。
在上面的实施例中，虽然凸轮25具有两个凸轮凸角，但也可能采用只有一个凸角或多于两个凸角的凸轮。
图4示出本发明的第二示范实施例。该装置有一个高压燃油泵11、一个油箱13、一个低压供给泵14、一个蓄压管(如输出管、公用给油管等)55和喷射器56等。
高压燃油泵11将燃油增压到高压，并将增压的燃油泵压到蓄压管55。高压燃油泵11有一个泵筒20、一个可在泵筒内往复移动的柱塞21，一个由泵筒20的内周表面和柱塞的上端表面界定的增压室22、一个高压室60、一个低压室42和一个设在增压室22和低压室42之间的溢流阀(电磁溢流阀)47。高压室60通过压力管35连接到增压室22上。
在如上构造的高压燃油泵11中，有一连接在柱塞21下端(图4)的随动件23被一来自弹簧(未示出)的力抵压在凸轮25上。凸轮25设在驱动轴24上，而驱动轴24被连接到发动机15的曲轴或凸轮轴上。当凸轮25随着驱动轴24转动时，柱塞21在泵筒20内往复运动，不断改变增压室22的容积。在本实施例中，凸轮25对吸油行程和输油行程具有不对称的廓线形状。不对称的凸轮25曾在上面结合图2详细说明。
增压室22通过止回阀31和吸油通道30被连接到油箱13上。吸油通道30设有低压供给泵14和燃油滤清器32．低压供给泵14在控制发动机15运转的电子控制单元(今后将被称为ECU)60的控制下被电力驱动。低压供给泵14从油箱13抽吸燃油并将燃油输送给高压燃油泵11。在输送燃油的过程中用燃油滤清器32去除燃油中的污染物。
在通过吸油通道30将燃油输送给高压燃油泵11后，燃油通过止回阀31被引入到增压室22内。设在吸入通道30内的止回阀31使燃油只能沿从油箱13到增压室22的方向流动，并能阻止燃油从增压室22向油箱13回流。
在低压供给泵14和燃油滤清器32之间延伸的一部分吸油通道30通过一条减压通道33被连接到油箱13上。在减压通道33上设有一个减压阀34。当在低压供给泵14和燃油滤清器32之间延伸的那部分吸油通道30内的燃油压力等于或大于一个预定值时，减压阀34便开启，这时燃油便从吸油通道30通过减压通道33回流到油箱13内。结果，从低压供给泵14输送到燃油滤清器32的燃油的压力可基本保持恒定。
设有一条在压力调节器50和油箱13之间延伸的溢流通道39。当燃油的压力高于阀门调节器50的阀门开启压力时燃油就通过这条通道回流到油箱13内。
还设有一条第二溢流通道39从溢流阀41通过减压阀40延伸到油箱13。当减压阀40开启时，燃油就从溢流阀41通过这条通道流回油箱13。
蓄压管55通过一条输油通道35和一个止回阀36被连接到增压室22上。蓄压管55保持燃油的高压力，并将具有高压力的燃油分配到发动机15各个气缸所设的喷射器56内。每个喷射器56都根据ECU60的驱动信号来开、关，使它们按时分别将预定的燃油量直接喷射到相应的气缸内。设在输油通道35内的止回阀36使燃油只能沿从增压室22到压力积聚管55的方向流动，并能阻止燃油从蓄压管55向增压室22回流。
蓄压管55通过一条设有减压阀37的减压通道38与油箱13连接。当蓄压管55内的压力增加或超过一个预定值时，减压阀37开启，燃油便通过减压通道38从蓄压管55流回到油箱13内。因此可防止在蓄压管55内的油压过分升高。蓄压管55内设有油压传感器61。在蓄压管55内的油压由油压传感器61检测，并由ECU60监控。ECU60包括一个微型计算机(未示出)，其上有CPU(中央处理单元)、RAM(随机存取存储器)、I／O(输入／输出)接口等。
在本实施例的高压燃油泵11中，用来使柱塞21往复运动的凸轮25，其轮廓形状对吸油行程和输油行程是不对称的，其放大后的图像在图2中示出。
在上述实施例中，柱塞在输油行程中移动速率的减少是由于相对于输油行程比相对于吸油行程设置较大凸轮角的原故，但这个速率的减少也可用其他手段来达到。按照本发明，只要高压燃油泵设有合适的速率改变措施，能在输油行程比在吸油行程达到较小的增压室容积改变率(较小的柱塞速率)即可。这种速率改变设施并不限于涉及凸轮外形的设施，也可以是任何其他设施。
虽然本发明已就优先实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于已公开的实施倒或构造。相反地，本发明要覆盖各种修改和等同结构。另外，本发明已公开的各种元件的各种组合和形状设计，只是示范性的，其他组合和形状设计，包括较多、较少或只是单个实施例，也都应包括在本发明的创意和范围内。
权利要求
1．一种高压燃油泵(11)用来将燃油自一燃油箱(13)泵压到内燃机(15)内，该燃油泵(11)有一个设在泵筒(20)内的柱塞(21)，该界定一增压室(22)的泵筒(20)，其容积在柱塞(21)的吸油行程中增大，而在柱塞(21)的输油行程中缩小，还有一个溢流阀(41)可调节在输油行程中从增压室(22)输出的燃油量，其特征为柱塞驱动器(25)，以某个加速度驱动该柱塞通过吸油和输油行程，输油行程的加速度小于吸油行程的加速。
2．按照权利要求1的高压燃油泵，其特征为，柱塞驱动器为一凸轮(25)，它相对输油行程和吸油行程具有不对称的凸轮廓线，输油行程的凸轮角大于对吸油行程的凸轮角。
3．按照权利要求2的高压燃油泵，其特征为，相应于输油行程的凸轮廓线使柱塞(21)的加速在一部分输油行程内恒定不变。
4．按照权利要求1的高压燃油泵，其特征为，凸轮(25)的廓线可这样设定，使在输油行程中增压室(22)容积的改变速率小于在吸油行程中增压室(22)容积的改变速率。
5．按照权利要求4所述的高压燃油泵，其特征在于将凸轮廓线这样设定，在喷油行程的至少一部分时间内使压力室容积相对于凸轮角的变化速率基本上保持恒定。
6．一种用来驱动高压燃油泵(11)的凸轮(25)，该燃油泵(11)可将燃油从油箱(13)泵压到内燃机(15)内，并在柱塞(21)在增压室(22)内的输油行程期间通过对溢流阀(41)的控制调节供给内燃机(15)的燃油量，该增压室由柱塞(21)和泵筒(20)界定，其内配置有柱塞(21)，其特征为凸轮(25)的廓线相应于输油行程和吸油行程是不对称的，对输油行程的凸轮角大于对吸油行程的凸轮角。
7．按照权利要求6的凸轮，其特征为，相应于输油行程的凸轮廓线使柱塞(21)的加速度在一部分输油行程内的恒定不变。
8．按照权利要求6的凸轮，其特征为，该凸轮廓线被这样设定，在至少一部分输油行程内使增压室(22)的容积相对于凸轮角的变速率基本恒定。
9．按照权利要求6的凸轮，其特征为，该凸轮(25)为一柱塞驱动凸轮，用于驱动柱塞(21)使它通过吸油行程和输油行程。
10．一种操作高压燃油泵(11)的方法，该燃油泵(11)用来将燃油从油箱(13)泵压到内燃机(15)内，该燃油泵(11)有一个由泵筒(20)和柱塞(21)界定的增压室(22)，柱塞(21)在泵筒(20)内往复运动，增压室(22)的容积在柱塞(21)的吸油行程中增大，而在柱塞(21)的输油行程中减小，燃油泵(11)还包括一个溢流阀(41)，在输油行程中它调节从增压室(22)输出的燃油量，该方法的特征为包括下列步骤以某一个加速度驱动该柱塞(21)通过吸油和输油行程，输油行程的加速度小于吸油行程的加速度。
全文摘要
一种用来驱动高压燃油泵的凸轮(25),其凸轮廓线对吸油行程和输油行程是不对称的。凸轮廓线被这样设定,使输油行程的凸轮角(θ
文档编号F04B9/04GK1282839SQ00122249
公开日2001年2月7日 申请日期2000年7月28日 优先权日1999年7月28日
发明者山崎大地, 杉山雅则, 仓田尚季 申请人:丰田自动车株式会社