帶有至少一個控制元件的陶瓷活塞的制作方法

帶有至少一個控制元件的陶瓷活塞的制作方法
【專利摘要】一種用于在燃料泵（100）的泵筒（71）中軸向運動和轉動的活塞（50），包括基本成形為柱形的由陶瓷材料制成的活塞軸（51）以及用于控制所述活塞（50）的轉動角度的至少一個控制元件（54）。所述至少一個控制元件（54）附裝到所述活塞軸（51）。
【專利說明】帶有至少一個控制元件的陶瓷活塞
【技術領域】
[0001 ] 本發明總體上涉及燃料泵，更具體地涉及使用活塞的燃料泵。
【背景技術】
[0002]如從例如EP2339166A1和DE4137224C1的現有技術中已知的，燃料泵殼可以具有活塞。具有活塞的燃料泵例如可以是高壓泵，它能夠用于船用發動機、建筑機械發動機或者其他的大型發動機。
[0003]燃料泵一般地具有泵殼，該泵殼包括共同界定泵腔的泵筒和活塞。此外，燃料泵具有根據當前負載條件調節從燃料泵供給到發動機的燃料供給量的控制機構。燃料泵能被機械地和電地、例如通過電子信號控制。
[0004]此外，燃料泵能以任意類型的燃料運行，包括用作柴油燃料(DF0)、輕燃油(LFO)和重燃油(HFO)的替代品的替代燃料或低硫燃料。
[0005]替代燃料包括第一代生物燃料(例如，棕櫚油，菜籽油，基于動物脂肪的油)和第二代生物燃料(例如，由非食品作物即廢棄生物質制成的油)。第二代生物燃料的示例包括由木材或農業廢料例如麥桿或玉米桿、草、木材、木屑、葡萄和甘蔗熱解得到的“熱解油”。
[0006]低硫燃料和諸如熱解油的替代燃料的化學組成和物理性能可能與DF0、LF0和HFO的組成和性能明顯不同，特別是水和氧的含量較高，酸性PH值處于大約例如2至3.5的范圍內，并且熱值相當低。此外，替代燃料和低硫燃料可能具有很差的潤滑能力或完全喪失潤滑能力，并且通常包含小尺寸例如0.1_5μπι范圍內的顆粒。另外，替代燃料和低硫燃料的使用溫度一般地比例如HFO的使用溫度低。對于熱解油而言，60°C的溫使用度一般可提供粘性，此溫度下的燃料適用于噴射到發動機的燃燒室中。
[0007]本發明旨在至少部分地改善或克服現有系統中的一個或多個缺點。

【發明內容】

[0008]根據本發明的第一方面，用于在燃料泵的泵筒中軸向運動和轉動的活塞(柱塞)包括由陶瓷材料制成的例如基本成形為柱形的活塞軸以及用于控制該活塞的轉動角度的至少一個控制元件。所述至少一個控制元件附裝到所述活塞軸。
[0009]根據本發明的第二方面，一種燃料泵包括活塞，該活塞具有由陶瓷材料制成的活塞軸以及用于控制該活塞的轉動角度的至少一個控制元件，所述至少一個控制元件附裝到所述活塞軸。
[0010]根據本發明的活塞可具有耐磨性能，例如可抵抗腐蝕性的替代燃料、低硫或無硫燃料。此外，可以通過機械控制可靠地控制使用這種活塞的燃料泵的燃料供給量。因此，使用根據本發明的活塞的燃料泵的使用壽命能夠延長，并且可以改善該燃料泵的燃料供給量的控制。
[0011]從下面的說明和附圖中，本發明的其他特征和方面將變得顯而易見。【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是燃料泵的正視圖；
[0013]圖2是圖1的燃料泵的俯視圖；
[0014]圖3是沿圖1的剖面線II1-1II截取的剖面圖；
[0015]圖4是沿圖2和圖5的剖面線IV-1V截取的剖面圖；
[0016]圖5是沿圖1、圖2和圖4的剖面線V-V的剖面圖；
[0017]圖6是根據本發明的第一實施例的活塞的側視圖；
[0018]圖7是根據第一實施例的活塞的另一側視圖，其部分地示出了沿圖6的剖面線VI1-VII的剖面圖；
[0019]圖8是沿圖6的線VII1-VIII截取的根據第一實施例的活塞的剖面圖；
[0020]圖9是根據本發明的第二實施例的活塞的側視圖；
[0021]圖10是根據第二實施例的活塞的另一側視圖，其部分地示出了沿圖9的線X-X的剖面圖；
[0022]圖11是沿圖9的線X1-XI截取的根據第二實施例的活塞的剖面圖。
【具體實施方式】
[0023]下面對本發明的典型實施例進行詳細說明。本文說明和在附圖中示出的典型實施例意圖說明本發明的原則，使得本領域中的普通技術人員能夠在不同的環境下和在不同的應用場景下使用本發明。因此，這些典型的實施例不試圖也不應該認為限定了專利保護的范圍。相反，專利保護的范圍應該由所附的權利要求來限定。
[0024]本發明涉及具有活塞的燃料泵。具體地講，本發明涉及具有這種活塞的燃料泵，即，該活塞能將燃料從燃料儲存器中供給到燃料噴射器中，其中，該活塞例如能夠借助于發動機的凸輪軸的旋轉運動在燃料泵的泵筒中軸向移動。
[0025]本發明基于如下的事實:以替代燃料或低硫燃料或甚至無硫燃料運行的發動機可能需要使用由諸如陶瓷的材料制成的活塞，從而抵抗腐蝕性的替代燃料以及腐蝕性的低硫或無硫燃料。然而，陶瓷燃料可能很易碎且很容易破裂。因此，由陶瓷材料一體地制成、例如由一體件制成的活塞限制了活塞的機械控制。這是為什么一般地從電學上控制由陶瓷材料制成的活塞的原因。然而，在控制技術方面機械控制可能需要更少的工作，并且可能比電學控制更加可靠。因此，本發明涉及也可能被機械控制的陶瓷活塞，例如由控制機構來進行機械控制，該控制機構包括用于使得活塞轉動的控制套管。因為使用活塞的燃料泵的機械控制更可靠且在控制技術上需要更少的工作，所以本發明的提案總體上能夠簡化使用活塞且以替代燃料或低硫燃料或無硫燃料運行的燃料泵的控制。特別地，本發明的提案可以簡化燃料泵從正常燃料向替代燃料的變換。
[0026]在下文中，接合圖1至圖5大體上描述具有活塞的燃料泵的典型實施例。接合圖6至圖11描述根據本發明的活塞的兩個典型實施例。因此，圖1至圖11描述陶瓷活塞，該陶瓷活塞可以允許借助于使控制套筒轉動的控制桿機械地控制燃料供給量，該控制桿與安裝在陶瓷活塞上的一對控制元件接合。
[0027]在下文中，“上”和“下”分別與圖1的向上的方向和向下的方向相對應。類似地，“右”和“左”分別與圖1的右向和左向相對應，并且“前”和“后”與從圖1的平面伸出的向前方向和伸入圖1的平面中的向后方向相對應。此外，“縱向”與圖1的上下方向上的燃料泵的延伸方向相一致，“橫向”與圖1的前后方向相對應。
[0028]圖1示出燃料泵100。燃料泵100可含有泵頭10，該泵頭10設置在圖1的上部部分中并且具有閥座11。也可設置有泵殼20，該泵殼20設置在泵頭10之下且具有設置在圖1的下部部分中的挺桿體座21和設置在泵頭10和挺桿體座21之間的上泵殼31。泵頭10可適用于連接到燃料噴射器(未示出)。泵殼20特別是挺桿體座21可適用于連接到發動機的曲柄軸(未示出)，其中燃料泵100將燃料供給到該發動機。
[0029]燃料泵100可以以不同類型的燃料運行，例如汽油、柴油、低硫燃料或無硫燃料以及其他任意礦物燃料，但也可以以替代燃料運行，例如棕櫚油、菜籽油、基于動物脂肪的油或者生物油如由非食品作物即廢棄生物質制成的油，例如由木材或農業廢料如麥桿或玉米桿、草、木、木屑、葡萄和甘蔗熱解得到的“熱解油”。
[0030]如圖1進一步所示，上泵殼31可以基本上形成為柱體，而閥座11和挺桿體座21可形成為帽狀。閥座11可通過螺釘14連接到上泵殼31。此外，閥座11可通過螺釘16連接到泵筒71 (圖1中未示出)。挺桿體座21可通過螺釘15連接到上泵殼31。也可使用附加的或替代性的固定元件來分別將閥座11和挺桿體座21連接到上泵殼31和泵筒71。
[0031]圖2示出了如圖1所示的燃料泵100的俯視圖。如圖2所示，閥座11可通過圍繞6個螺釘16的同心圓設置成一個同心圓的12個螺釘14連接到如圖1所示的上泵殼31。螺釘14可用于將泵頭10固定到上泵殼31。螺釘16可在泵頭10和泵筒71之間提供液壓密封。分別用于將閥座11連接到上泵殼31和泵筒71的螺釘14和螺釘16的數量可根據燃料泵100的尺寸改變。此外，圖2示出了均作為以下將說明的控制機構60的一部分的止動件63和控制桿62。
[0032]在圖3中，示出了控制機構60。控制機構60可設置在上泵殼31中且可具有控制套管61、控制桿62、止動件63、控制桿彈簧64和加壓氣口 65。
[0033]控制套管61可圍繞具有大致環形橫截面的泵筒71同心地設置。泵筒71也可圍繞具有基本圓形橫截面的活塞軸51同心地設置。在泵筒71和活塞50之間可存在很小的間隙，例如游隙。控制套管61、泵筒71和活塞50可在上下方向(垂直地通過圖3的平面向外的方向)上延伸。此外，控制套管61可以圍繞其外周面至少局部具有齒部。如圖3所示，控制套管61的外周面的大約一半(圖3的右半部分)可設置有齒部。
[0034]控制泵62在上泵殼31的一部分中可以在前后方向(圖3的上下方向)上布置，并因此垂直于控制套管61、泵筒71和活塞50。在下文中，上泵殼31的設置有控制桿62的部分稱為控制桿殼34。控制桿62可從控制桿殼34的一側(圖3中的下端)突出。控制桿62也可具有齒部。特別是控制桿62可以局部設置有齒部，例如在與控制套管61的齒部接觸的區域處，并且控制桿62的兩端不用設置有齒部。
[0035]止動件63可設直在控制桿殼34的后端(圖3的上端)。特別地，止動件63可設直在控制桿殼34這樣的端部處，即，該端部與控制桿殼34的其中控制桿62從控制桿殼34上突出的端部相反。在控制桿殼34中的止動件63所處的位置處，加壓氣口 65可延伸通過控制桿殼34。
[0036]控制桿彈簧64在控制桿殼34中可設置在止動件63和控制桿62之間。
[0037]圖4和圖5示出了燃料泵100的彼此之間移位90°的剖面圖。[0038]如已經參考圖1說明的，燃料泵100可具有位于泵頭10處的閥座11和位于泵殼20處的上泵殼31和挺桿體座21，上泵殼31設置在閥座11和挺桿體座21之間。
[0039]如圖4和5所示，閥座11可容納閥單元，該閥單元包括行程限制件13和閥12。
[0040]上泵殼31可以是中空柱，S卩，上泵殼31可具有通孔32。在上泵殼31的通孔32中，在從栗殼100的外側到內側的方向上，可設直有栗彈黃81 (在圖4和圖5中僅局部地不出)、控制套管61、泵筒71和活塞50。
[0041]泵彈簧81可以在上泵殼31的下部部分中沿燃料泵100的縱向圍繞控制套管61同心地設置。泵彈簧81的上端部分可抵接上閥盤82，泵彈簧81的下端部分可就座于下閥盤83。
[0042]控制套管61可以沿燃料泵100的縱向設置在上泵殼31的中間部分中并且圍繞泵筒71同心地設置。如圖4所示，控制套管61可接觸控制桿62。
[0043]泵筒71在上泵殼31的上部在燃料泵100的縱向上可圍繞活塞50同心地設置。如圖4所不,泵筒71可具有兩個端口 72 (在圖4中，一個位于泵筒71的右側,一個位于泵筒71的左側)，這兩個端口 72沿左右方向穿過泵筒71的上部部分形成，從而泵筒71的內側可與泵筒71的外側連通。
[0044]如圖4和圖5所示，活塞50可以幾乎在整個上泵殼31中延伸。活塞50可由陶瓷制成。陶瓷具有優良的耐磨性能、封閉的表面結構，并且由于降低的范德瓦爾斯力以及降低的粘滯力、例如約20mN/m，可以在燃料正從泵腔45中泄露出來的情況下防止燃料堆積，該泵腔將在下文中描述并且位于活塞50和泵筒71之間。或者，活塞50可由具有優良的耐磨性能、封閉的表面結構及降低的范德瓦爾斯力的其它材料制成，例如類陶瓷材料。
[0045]如圖4進一步地示出，兩個阻流體孔33 (—個位于圖4中上泵殼31的右側，一個位于左側)可以沿左右方向穿過上泵殼31的上部部分形成。
[0046]此外，如圖5所示，燃料入口 41、燃料進入通道43、燃料供給廊44、泵腔45、燃料排出通道47和燃料出口 48可形成在上泵殼31中。燃料進入通道43和燃料排出通道47可在前后方向(圖5的左右方向)上延伸。在燃料進入通道43中，可設置燃料入口節流螺釘42，在燃料排出通道47中，可設置燃料出口節流螺釘46。燃料供給廊44可以是圍繞泵筒71的上部部分同心地設置的環形空間。
[0047]泵腔45能夠設置在泵筒71的上部部分中。泵腔45能夠經由阻流體孔33連接到燃料供給廊44。燃料供給廊44也能夠分別經由燃料入口通道43和燃料出口通道47連接到燃料入口 41和燃料出口 48。此外，各個阻流體孔33可設置有阻流體49。
[0048]挺桿體座21可以是帽狀的。在挺桿體座21中，可設置具有凸輪軸引導結構23的挺桿體22。挺桿體座21可通過螺釘17連接到推力件24上。
[0049]如圖5所示，活塞50可具有活塞軸51、位于活塞軸51的上部部分的控制緣52和位于活塞軸51的下部部分的至少一個控制元件54。控制緣52能夠是形成在活塞50的上圓周面中的槽。如圖4和5所示，控制緣52能夠是彎曲的。控制緣52還可具有適于控制從燃料泵100供給到發動機的燃料的供給量的其他構型。
[0050]在如圖5所示的實施例中，活塞50能夠具有一對控制元件54。該對控制元件54能夠形成為垂直于活塞軸51的縱向設置的延伸體。該對控制元件54可附裝到活塞軸51上，以使該對控制元件54可以垂直于活塞軸51的縱向在前后方向(圖5的左右方向)上突出。各控制元件54的與活塞51接觸的面可稱為控制元件54的控制元件側接觸面。活塞51的安裝有該對控制元件54的面可稱為活塞側接觸面。
[0051]該控制元件54可與控制套管61相互作用。具體地講，控制套管61可具有兩個縱向狹槽(未示出)，該對控制元件54可分別利用它們的外端進入該縱向狹槽中。
[0052]圖6至圖8示出了根據本發明的活塞50的第一實施例。如圖6和7所示，活塞軸51可形成為大致柱形。此外，各個控制元件54可形成為垂直于活塞軸51突出的延伸體，例如平面延伸體。在如圖8所示的剖面圖中，各個控制元件54可形成為大致矩形，遠離活塞50的一側(圖8中的控制元件54的最右側或最左側)向外彎曲。
[0053]在活塞50的縱向上設置有該對控制元件54的位置處，活塞軸51的表面可被機加工、例如磨削和整平，從而活塞軸51可具有作為活塞側接觸面的兩個平行的側面。由于活塞軸51的平行的側面，各個控制元件54的與各控制元件54的彎曲側相對的平坦側可能以二維的方式接觸活塞軸51。
[0054]圖9至圖11示出了根據本發明的活塞50’的又一實施例。如圖9和10所示，活塞50’可具有大致形成為柱形的活塞軸51’。此外，活塞50’可具有一對控制元件54’。如圖10所示，各個控制元件54’可形成為垂直于活塞軸51’突出的延伸體。此外，如圖11所示，各個控制元件54’可形成為大致矩形，各控制元件的與活塞軸51’接觸的一側和與接觸活塞軸51’的一側相反的一側都是向外彎曲的，而另外兩側是直的和平行的，從而控制元件54’的彎曲側中的附裝到活塞50’的一側形成為凹形。
[0055]與活塞50相反，活塞50’的表面在布置該對控制元件54’的位置處可以不被磨削和整平，而是可以具有凸形形狀，例如圓形橫截面。因此，各個控制元件54’的凹形側具有與活塞軸51’的布置有各個控制元件54’的位置處的曲面形狀基本對應的彎曲形狀。
[0056]附加地或替代性地，控制元件54、54’可具有適于允許通過將控制套管61的轉動力傳遞到活塞50、50’而使活塞50、50’轉動的各種其他實施例。例如，控制元件54、54’可形成為三角形，例如直角三角形或包含鈍角或銳角的三角形。在該實施例中，三角形的接觸活塞軸51的一側可形成為平的或凹形的。此外，控制元件54、54’的與活塞軸51、51’接觸的一側可局部地形成為凹形的和平坦的。換句話說，控制元件54、54’的與活塞軸51、51’接觸的一側可具有平坦的邊緣部分和凹狀的中間部分，例如半圓或者三角凹面。也就是說，在控制元件54、54’的與活塞軸51、51’接觸的一側并非全都是凹面。
[0057]此外，活塞50、50’可僅設置一個控制元件54、54’或如上所述設置兩個以上的控制元件54、54’。特別地，活塞50、50’可以設置三個控制元件54、54’。在使用三個控制元件54、54’的情況下，控制元件54、54’可以圍繞活塞軸51、51’沿著活塞50、50’的縱向布置在相同位置，例如，彼此相隔120°。或者，三個控制元件54、54’可以成列對齊地或按一定角度隔開地沿著活塞50、50’的縱向設置在不同位置。或者，三個控制元件54、54’中的兩個可沿著活塞軸51、51’的縱向設置在相同位置處，這三個控制元件54、54’中的第三個在活塞軸51、51’的縱向上可設置在與其他兩個控制元件54、54’的位置不同的位置，該第三個控制元件54、54’與其他兩個控制元件54、54’中的一個對齊或者與其他兩個控制元件54、54’相隔特定的角度。類似地，可以在活塞50、50’上設置四個、五個、六個或更多的控制元件54、54’。換句話說，在使用兩個以上的控制元件54、54’的情況下，控制元件54、54’可以在活塞軸51、51’的縱向上的相同位置處成對地布置和/或至少部分地布置在沿著活塞軸51、51’的縱向的不同位置處。附加地或替代地，在此情況下，沿著活塞軸51、51’的縱向，控制元件54、54’可彼此對齊或者彼此間隔一定的角度，例如25°、50。、75。、90。或180。。
[0058]在上述實施例中，可通過一個螺釘55、55’將控制元件54、54’安裝到活塞軸51、51’。螺釘55、55’可以是精密螺釘。或者，可使用兩個或更多螺釘將控制元件54、54’安裝到活塞軸51、51’。例如，可以僅用一個精密螺釘55、55’將兩個控制元件54、54’附裝到活塞軸51、51’。換句話說，一個螺釘55、55’能夠與兩個或更多控制元件54、54’相互作用。螺釘55、55’的壓力可以垂直地作用于活塞側接觸面和控制元件接觸面。精密螺釘55、55’的壓力可以比使活塞50、50’轉動所需的力大。換句話說，能夠選擇螺釘55、55’的夾緊力或力矩從而使得一對控制元件54、54’分別抵抗當控制套管61使活塞50、50’轉動時由控制套管61施加的力和力矩，例如，從而當活塞50、50’轉動時，控制元件54、54’不會從活塞軸51、51’松開。例如，在由控制套管61施加的力根據燃料泵100的尺寸而定為約8到35牛頓(N)的情況下，螺釘55、55’的夾緊力可以大于8至35N。在使螺釘55、55’旋緊的力矩根據螺釘55、55’的尺寸而定為約4.2至10.6牛頓米(Nm)的情況下，當使活塞50、50’轉動時由控制套管61施加的力矩可以小于4.2至10.6。例如，由尺寸為M4的螺釘55、55’可實現4.2Nm的扭矩。例如，由尺寸為M5的螺釘55、55’可實現7.1Nm的扭矩。例如，由尺寸為M6的螺釘55、55’可實現10.6Nm的扭矩。然而，因為螺釘55、55’的尺寸取決于燃料泵100的尺寸，因此也可能使用其他尺寸的螺釘55、55’。
[0059]為了將控制元件54、54’夾緊到活塞軸51、51’，控制元件54、54’可設置有精密螺紋孔，而活塞軸51、51’可設置有精密孔腔。或者，活塞軸51、51’可具有精密螺紋孔或精密孔腔，精密螺紋襯套插入到該精密螺紋孔或精密孔腔中。在此情況下，控制元件54、54’可具有精密孔腔，該精密孔腔可以是或不是螺紋孔。精密孔腔和精密孔可分別形成在控制元件54、54’和活塞50、50’各自的接觸面中，并且可垂直于或以任意其他角度相對于控制元件54、54’和活塞50、50，各自的接觸面延伸。
[0060]此外，該對控制元件54、54’可由金屬材料或陶瓷材料制成。控制元件54、54’的表面可由涂層保護。涂層能夠降低控制元件54、54’和控制套管61之間的磨損和撕扯，因此可用于延長活塞50、50’的使用壽命。例如，控制元件54、54’可涂有氮化鉻(CrN)、氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、氮化鋁鈦鉻(AlTiCrN)、氮化鈦鉻(TiCrN)、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鈦鋁(TiAIN)、二氮化鈦(Ti02)或者IV-氮化鈦、碳化鎢涂層(WC/C，WCC)，也可能帶有CrN中間層、類金剛石碳涂層(DLC)。另一涂層可能是碳氮化鈦(TiCN)。或者，在控制元件54、54’和控制套管61之間可使用適于減小磨損的其他涂層或層狀材料。在金屬材料的情況下，該對控制元件54、54’能由具有較好的抗壓能力、抗拉能力、抗剪切能力的鋼制成。在陶瓷材料的情況下，該對控制元件54、54’可以通過燒結工藝以及附加地通過對成品控制元件54、54’進行熱等靜壓處理(HIP)而由陶瓷材料制成。利用HIP，可以生產無孔陶瓷材料，該無孔陶瓷材料具有高等級保護表面和較高的表面密度以用于技術挑戰性的應用場合。該對控制元件54、54’也可由足以抵抗施加的壓力載荷、拉伸載荷和剪切應力的任何其他材料制成。
[0061]在上述實施例中，活塞軸51、51’在位于控制元件54、54’之上的位置處具有比控制元件54、54’之下的位置處的直徑大的直徑。活塞軸51、51’的具有較大直徑的一側稱為燃料側，活塞軸51、51’的具有較小直徑的一側稱為控制側。
[0062]工業適用性
[0063]在燃料泵100的運行期間，儲存在燃料儲存器、例如儲箱(未示出)中的燃料可經由燃料入口 41進入燃料泵100，其中，可通過另一燃料泵(未示出)來壓迫燃料。
[0064]根據負載條件(加速運行、恒速運行、減速運行)，發動機可能需要不同的燃料供給量。因此，供給到燃料噴射器中的燃料量必須盡快隨著負載條件調整，因此，發動機負載發生改變。為了調整燃料供給量，活塞50、50’可設置有控制緣52，它可由在活塞的上端沿圓周傾斜地布置的槽形成，并且可與泵腔45和至少一個用于排出多余燃料的口 72連通。通過圍繞活塞50、50’的縱軸轉動活塞50、50’，該活塞50、50’的行程能夠發生變化，直到控制緣52可在泵腔45和至少一個用于排出多余燃料的口 72之間建立連通。為使活塞50、50’轉動，活塞50、50’可具有連接到控制套管61的至少一個控制元件54、54’,該控制元件通過經由齒部與控制套管61接合的控制桿62轉動。
[0065]燃料可經由燃料進入通道43從燃料入口 41進入到燃料供給廊44中，并且經由開口 72從燃料供給廊44流入到泵腔45中。燃料入口節流螺釘42和燃料出口節流螺釘46可用作燃料流量限制件，從而用于限制燃料流動速度以避免燃料的壓力變化。
[0066]在泵腔45中，可通過使活塞50、50’在泵腔45中往復運動將燃料加壓且經由閥12和行程限制件13向上供給到發動機的燃燒室(未示出)。活塞50、50’的往復運動可由發動機的凸輪軸(未示出)引起。特別地，泵彈簧81可經由凸輪軸輥(未示出)向下朝向凸輪軸偏壓和強制挺桿體22，該凸輪軸滾軸可設置在凸輪軸引導結構23中。一旦凸輪軸轉動，凸輪軸每一圈的轉動所引起的輥的向上運動可使挺桿體22和活塞50、50’向泵腔45的方向升高，并且可通過泵彈簧81的偏壓力使挺桿體22和活塞50、50’降低到其初始位置。
[0067]根據當前負載條件，發動機可能需要或多或少的燃料以響應有效負載變化。例如，當操作者增加發動機的負載時以及例如需要加速時，發動機可能需要比操作者選擇以恒定的速度和負載驅動發動機(穩定運行)時所需的燃料多的燃料。相反，當操作者降低負載或驅動速度時，發動機可能需要比當操作者保持發動機的穩定運行時所需的燃料少的燃料。
[0068]通過控制機構60控制從燃料泵100供給到發動機的燃燒室中的燃料量。例如，控制桿62可連接到管理器(未示出)，并且可以在操作者改變發動機的速度/負載的情況下被線性地操作。該管理器可以是發動機速度控制器，它通過將當前發動機速度與目標發動機速度進行比較來操作控制桿62。如果發動機停止，則可使用止動件63和控制桿彈簧64。在此情況下，可經由加壓氣口 65供給加壓空氣。加壓空氣可將控制桿62推至最遠位置，例如圖3中的最低位置，因此也就是控制桿62的初始位置。因為控制桿62可經由齒部與控制套管61接合，所以如果控制桿62線性移動則控制套管61旋轉。此外，因為活塞50、50’經由設置在控制套管61的兩個線性狹槽中的一對控制元件54、54’與控制套管61連接，所以活塞50、50’也可旋轉。
[0069]由于活塞50、50’的轉動，控制緣52可以朝向或遠離開口 72中的一個移動。通過控制緣52，多余的燃料(未供給到發動機)可經由開口 72中的至少一個、燃料供給廊44和燃料排出通道47排出到燃料出口 48且進入油箱(未示出)中。因為控制緣52可形成為彎曲槽，所以活塞50、50’的使燃料(過剩燃料)可從泵腔45流過控制緣52所需的行程可隨著活塞50、50’的轉動而改變。例如，在如圖6和9所示的活塞50、50’分別順時針轉動(從頂部觀察時)的情況下，與活塞50、50’逆時針轉動的情況相比，可將更多的燃料從燃料泵100供給到發動機的燃燒室中。換句話說，控制緣52越早與開口 72重疊、例如到達開口 72，供給到發動機的燃料就越少，反之亦然。
[0070]當控制緣52到達開口 72中的至少一個時，燃料供給廊44中的壓力可能減小。由于壓力減小，燃料供給廊44中的燃料以可能造成壓力波動和氣穴現象的高速度朝向燃料泵100的外部運動。為了吸收壓力波動的力，阻流體49可在燃料供給廊44中突出。如圖4所示，阻流體49可以是螺栓。然而，阻流體49也可以是構造為在燃料供給廊44內突出以便吸收上述壓力波動的力的任何其他類型的部件。未作為過剩燃料排出的燃料可在泵腔45中被加壓，并且被經由包括閥12和行程限制件13的閥單元供給，該閥單元作為防止燃料的壓力波動的流量限制件。
[0071]因為活塞50、50’可以由陶瓷制成，因此可以提高耐磨性能、抵抗低PH值燃料例如替代燃料或低硫燃料的能力、以及抵抗覆蓋活塞軸的表面的燃料堆積的能力。
[0072]特別地，就耐磨性能而言，活塞50、50’的控制緣52可建立成穩定的，并且可以不產生氣穴現象一即每次泵送操作過程中由于燃料泵100中的壓力驟減而產生的負壓所形成的氣孔。此外，活塞50、50’可具有自潤滑性能(良好的摩擦性能)，從而不需要額外的潤滑，由此避免在燃料泵100的泵筒71中卡住活塞50、50’，或避免使活塞50、50’的直徑顯著地減小。
[0073]此外，就抵抗燃料堆積的性能而言，控制元件54、54’可具有減小的范德瓦爾斯力，也就是減小的表面粘滯力，從而從泵腔45泄露到活塞50、50’和泵筒71之間的燃料較少地附著在活塞50、50’的表面上，從而減少了覆蓋活塞軸的表面并降低活塞在泵殼中的可移動性的燃料堆積(燃料的聚合)。此外，筒71和活塞50、50’之間的間隙可降低到最小值。該間隙減小可附加地顯著減小泄露到活塞50、50’和泵筒71之間的燃料的量。
[0074]除了陶瓷材料的優點之外，活塞50、50’的轉動可被機械地控制，因為控制元件、例如該對控制元件54、54’可由金屬或陶瓷材料制成，且可連接到活塞50、50’，從而由于活塞50、50’和控制元件54、54’分開制造，所以很容易制造活塞50、50’。活塞軸51、51’和控制元件54、54’之間的連接可以構造為使得該連接能抵抗在活塞50、50’的轉動操作期間由控制套管61加載到活塞50、50’上的力和扭矩。
[0075]因此，通過使用燃料泵100中的活塞50、50’，一方面，可延長和延伸活塞50、50’的
使用壽命以及因此燃料泵100的使用壽命，另一方面，燃料供給量的控制可以更容易和更可靠。
[0076]在一些實施例中，所述至少一個控制元件54、54’可由金屬材料或陶瓷材料制成。
[0077]在一些實施例中，所述至少一個控制元件54、54’可涂有碳基、鎢基、鈦基、鋁基或鉻基涂層，例如碳化鎢涂層或類金剛石碳涂層。
[0078]在一些實施例中，活塞50、50’和所述至少一個控制元件54、54’的接觸面可成形為至少局部是平面。
[0079]在一些實施例中，活塞50、50’和所述至少一個控制元件54、54’的接觸面可分別成形為至少局部是凸面以及至少局部是凹面。
[0080]在一些實施例中，活塞50、50’和所述至少一個控制元件54、54’的接觸面可圍繞活塞50、50，的圓周的至少25%、30%、35%、40%、45%或50%延伸。[0081]在一些實施例中，可以通過至少一個固定元件55、55’，例如精密螺釘來附裝所述至少一個控制元件54、54’，以將所述至少一個控制元件54、54’夾緊到活塞軸51、51’。
[0082]在一些實施例中，固定元件55、55’的扭矩可以比使活塞50、50’轉動的扭矩大，例如大于4Nm。
[0083]在一些實施例中，活塞50、50’可包括附加控制元件54、54’，從而形成附裝在活塞軸50、50’的相對兩側的一對控制元件54、54’。
[0084]在一些實施例中，至少一個固定元件55、55’能與該對控制元件54、54’相互作用，從而將該對控制元件54、54’夾緊到活塞軸51、51’。
[0085]在一些實施例中，活塞軸51、51’可具有至少一個控制緣52，該控制緣52例如是彎曲的。
[0086]在一些實施例中，控制緣52可形成為槽部。
[0087]在一些實施例中，活塞軸51、51’可具有在所述活塞軸51、51’的縱向上位于該活塞軸的不同位置的控制側和燃料側，所述至少一個控制元件54、54’可位于控制側，所述至少一個控制緣52、52’可位于燃料側。
[0088]在一些實施例中，活塞軸51、51’能夠以階梯的形式形成，活塞軸51、51’在燃料側的直徑比該活塞軸51、51’在控制側的直徑大。
[0089]在一些實施例中，至少一個控制元件54、54’可以具有至少一個螺紋，活塞軸51、51’具有至少一個孔腔，以用于通過至少一個固定元件55、55’將至少一個控制元件54、54’固定到活塞軸51、51’。
[0090]在一些實施例中，燃料泵100可包括活塞50、50’。
[0091]在本發明的一個方面，用于控制燃料泵100的燃料供給量的方法可包括如下步驟:根據負載條件線性地移動控制桿62，由此通過向附裝到活塞50、50’且與控制套管61接觸的控制元件54、54’施加力來使控制套管61和活塞50、50’轉動，利用發動機的凸輪軸線性地移動活塞50、50’，其中，當活塞50、50’的控制緣52到達燃料泵100的開口 72時，未供給到發動機的過剩燃料從泵腔45通過控制緣52到開口 72并且經由燃料供給廊44、燃料排出通道47和燃料出口 48排出到燃料泵100的外側。
[0092]一般而言，本文說明的活塞軸整體可由陶瓷材料制成，也就是，該活塞軸不是設置有陶瓷涂層，而是整體由陶瓷材料制成。附裝到陶瓷活塞軸的控制元件可以由與活塞軸相同的材料制成，或者可以由不同的材料制成。在這兩種情況下，控制元件可以不是與活塞軸一體的部件，但它可以附裝或安裝到活塞軸。
[0093]雖然本文已經說明了本發明的優選實施例，但在不脫離以下的權利要求所限定的范圍的情況下可包含多種改進和修改。
【權利要求】
1.一種用于在燃料泵(100)的泵筒(71)中軸向運動和轉動的活塞(50、50’)，所述活塞(50、50，)包括: 由陶瓷材料制成的活塞軸(51、51’)，以及 用于控制活塞(50、50’)的轉動角度的至少一個控制元件(54、54’)，其中，所述至少一個控制元件(54、54’)附裝到該活塞軸(51、51’)。
2.根據權利要求1所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述至少一個控制元件(54、54’)由金屬材料或陶瓷材料制成。
3.根據權利要求1或2所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述至少一個控制元件(54、54 ’)涂有碳基、鎢基、鈦基、鋁基或鉻基涂層，例如碳化鎢涂層或類金剛石碳涂層。
4.根據前述權利要求之一所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述活塞(50、50’)和所述至少一個控制元件(54、54’)的接觸面成形為至少局部是平面。
5.根據權利要求1至3之一所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述活塞(50、50’)和所述至少一個控制元件(54、54’)的接觸面分別成形為至少局部是凸面以及至少局部是凹面。
6.根據權利要求5所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述活塞(50、50’)和所述至少一個控制元件(54、54，)的接觸面圍繞該活塞(50、50，)的圓周的至少25%、30%、35%、40%、45%或50%延伸。
7.根據前述權利要求之一所述的活塞(50、50’)，其特征在于，通過至少一個固定元件(55、55’)例如精密螺釘來附裝所述至少一個控制元件(54、54’)，所述至少一個固定元件(55、55’)與所述至少一個控制元件(54、54’)相互作用以用于將所述至少一個控制元件(54、54，)夾緊到所述活塞軸(51、51’)。
8.根據前述權利要求之一所述的活塞(50、50’)，包括附加控制元件(54、54’)，從而形成附裝在所述活塞軸(50、50 ’)的相對的兩側的一對控制元件(54、54 ’)。
9.根據權利要求8所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述至少一個固定元件(55、55’)與所述一對控制元件(54、54’)相互作用，以用于將所述一對控制元件(54、54’)夾緊到所述活塞軸(51、51’)。
10.根據權利要求7至9之一所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述固定元件(55、55’ )具有比使活塞(50、50’ )轉動所需的力矩大的力矩，例如大于4Nm。
11.根據前述權利要求之一所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述活塞軸(51、51’)具有至少一個控制緣(52 )，該控制緣(52 )例如是彎曲的和/或形成為槽部。
12.根據權利要求11所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述活塞軸(51、51’)具有控制側和燃料側，所述控制側和所述燃料側在所述活塞軸(51、51’)的縱向上位于該活塞軸的不同部分， 所述至少一個控制元件(54、54’)位于所述控制側，所述至少一個控制緣(52)位于所述燃料側。
13.根據權利要求12所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述活塞軸(51、51’)以階梯的形式形成，所述活塞軸(51、51’)在所述燃料側的直徑比所述活塞軸(51、51’)在所述控制側的直徑大。
14.根據權利要求7至13之一所述的活塞(50、50’)，其特征在于，所述至少一個控制元件(54、54’)具有至少一個螺紋，所述活塞軸(51、51’)具有至少一個孔腔，以用于通過所述至少一個固定元件(55、55’)將所述至少一個控制元件(54、54’)附裝到所述活塞軸(51、.51，)。
15.一種燃料泵(100)，包括根據權利要求1至14之一所述的活塞(50、50’)。
【文檔編號】F04B15/04GK103717895SQ201280037756
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月11日 優先權日:2011年7月29日
【發明者】A·馮德奧斯滕-扎克 申請人:卡特彼勒發動機有限及兩合公司