專利名稱：用于高壓流體系統(tǒng)的低泄漏柱塞組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于流體系統(tǒng)的柱塞和套筒組件，其有效地4吏 通過(guò)柱塞和套筒組件之間的間隙的泄漏最小化。
背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師們一直在尋求提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的 改進(jìn)措施。提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的方式之一是提高燃料系統(tǒng)的運(yùn)行效 率。特別地，任何在燃料系統(tǒng)內(nèi)部的高壓燃料的泄漏均意味著能量 的損耗，這會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率。由于提高了注入壓力水平以致力于 如近期及即爿尋生效(upcoming)的立法所要求的才是高燃坤+經(jīng)濟(jì)性和 降低排放量，最近，高壓燃料的損失已經(jīng)成為更加嚴(yán)重的問(wèn)題。
燃料的不良泄漏通常發(fā)生在燃料系統(tǒng)的構(gòu)件中，該構(gòu)件具有諸 如閥件或燃料柱塞的元件，其可往復(fù)運(yùn)動(dòng)地安裝在形成于本體內(nèi)的 孔(bore)中，并且尺寸適于與本體內(nèi)表面形成緊密的滑動(dòng)配合以 在相鄰表面之間形成局部流體密^h隨著燃沖+壓力的增加，沿著元 件與形成孔的相對(duì)壁之間的密封帶(即間隙)的長(zhǎng)度產(chǎn)生壓力梯度。 流過(guò)間隙的泄漏的程度主要取決于壓力梯度的大小、配合長(zhǎng)度、操作間隙的尺寸以及流體粘度。才喿作間隙的尺寸受燃料壓力所導(dǎo)致的 形成孔的本體的膨脹或變形的量的影響。減少泄漏的方式之一是i殳 計(jì)構(gòu)件以獲得柱塞與套筒之間的更小的間隙。然而，要求更緊密公
差(clsoer tolerance )的實(shí)踐增力o 了制造成本。減少泄漏的另 一方法 是通過(guò)增加形成孔的本體或殼體的尺寸和/或強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)本體以才氐 抗由壓力導(dǎo)致的膨力長(zhǎng)。然而，這種方法不利地增加了構(gòu)件的尺寸和 重量，并且因此增加了燃沖+系統(tǒng)的尺寸和重量。
許多用于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)才幾的燃料系統(tǒng)包括可往復(fù)運(yùn)動(dòng)的安裝的燃 料增壓柱塞，其^皮應(yīng)用于，例如，如在美國(guó)第5072709號(hào)專利所7> 開的組合燃泮牛注入器(unit fuel injector),或是如在美國(guó)第4530335 號(hào)專利所公開的燃料泵組件。通常，每個(gè)柱塞或是以機(jī)械方式或是 以液壓方式運(yùn)行以給壓力室中的燃料加壓，使其注入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。 例如，美國(guó)第5096121號(hào)和5441027號(hào)專利中7>開的液壓驅(qū)動(dòng)加強(qiáng) 柱塞組件(hydraulically actuated intensification plunger assemblies )。 然而，這些參考資料都不能減少柱塞與相鄰的孔壁之間的泄漏，并 且因此，仍存在上面提到的缺點(diǎn)。
授予Loegel, Sr等人的美國(guó)第4991495號(hào)專利公開了一種抽吸 機(jī)構(gòu)，其包括安裝在孔中的柱塞，以及沿著柱塞連續(xù)地i殳置以便 密封柱塞與其殼體之間的間隙的多個(gè)插入件。這些插入件包括插件 (thrust)和密封環(huán)，其響應(yīng)由相鄰插入件施加的軸向流體壓力而變 形和徑向i也擴(kuò)張。
授予Kabai等人的美國(guó)第5038826號(hào)專利公開了一種三通閥， 其包括可滑動(dòng)地i殳置在閥體內(nèi)的活塞。通過(guò)形成在閥體和活塞內(nèi)的 對(duì)準(zhǔn)的口部將高壓燃料輸送至閥。對(duì)活塞或閥體的整體部分 (integral portion)施力口供應(yīng)燃泮牛壓力以減小活塞與閥體之間的間 隙，乂人而減少構(gòu)〗牛之間的泄漏。雖然整體部分的變形趨向于減小間 隙以減少泄漏，^旦由jt匕產(chǎn)生的緊密y〉差可能導(dǎo)致閥體或活塞增加的磨損(或者可能導(dǎo)致劃傷)，從而隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致過(guò)大的間隙。
對(duì)于Kabai等人的設(shè)計(jì)，過(guò)度磨損將最終導(dǎo)致需要更換整個(gè)活塞和/或閥體，從而導(dǎo)致不必要地增加成本。而且，整體部分不利地僅在
密封帶長(zhǎng)度上一段有限的局部提供了壓力梯度的減少，并因而不能以最佳方式將泄漏最小化。另外，整體部分是通過(guò)在閥體或活塞內(nèi)制作內(nèi)部通道而形成的，這不利i也增加了制造時(shí)間和成本。
授予Houser的美國(guó)第3954048號(hào)專利公開了 一種高壓自密封和自潤(rùn)滑的循環(huán)泵，其具有一3于汽缸(cylinder),該7十汽缸具有均一的薄壁、徑向有彈性、平行延伸入泵殼體的相鄰空腔中?；钊稍谄字谢瑒?dòng)。汽缸的外表面形成空腔內(nèi)的環(huán)形空間，空腔與可梯:作地連接至泵殼體的總管內(nèi)的壓力室連通。因泵內(nèi)的壓縮和抽吸導(dǎo)致的壓力變化使薄壁汽缸關(guān)于其各自的活塞收縮(colllapse)和膨脹，因此形成壓縮期間的高壓密封、以及抽吸期間自潤(rùn)滑汽缸。
最后，授予Tarr等人的美國(guó)第5899136號(hào)專利(其也屬于本發(fā)明的受讓人，并且其內(nèi)容結(jié)合于此作為參考)公開了一種柱塞，其可往復(fù)運(yùn)動(dòng)地安裝在形成于套筒內(nèi)的空腔中；并且一種泄流減少裝置安裝于空腔內(nèi)以減少柱塞周圍的流體泄流，因此增加了系統(tǒng)效率。該泄流減少裝置包括密封套，其可拆除地安裝在空腔內(nèi)位于柱塞與套筒之間。密封套包括孔，其用于可滑動(dòng)地容納柱塞以在柱塞與孔之間形成環(huán)形間隙。密封套^:計(jì)為響應(yīng)流體壓力而彈性彎曲(flex)以減小環(huán)形間隙，從而使通過(guò)環(huán)形間隙的流體泄漏最小化。密封套形成為獨(dú)立于套筒的單個(gè)零件，因此可以簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地更換。
但是，Houser與Tarr的參考資料都公開了 一種密封套，其在壓力作用下向內(nèi)偏斜(deflect)以減小柱塞與套筒之間的環(huán)形間隙，因此使得在柱塞的壓縮沖程期間經(jīng)過(guò)環(huán)形間隙的流體泄漏最小化。雖然使用這種向內(nèi)偏斜的密封套可以提供多種益處，但是仍存在進(jìn)一步改進(jìn)流體控制裝置的需求，該流體控制裝置高效地并最佳地佳_通過(guò)柱塞與套筒之間的間隙的流體泄漏最小化，同時(shí)4吏裝置的成本和尺寸最小化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種改進(jìn)的流體控制裝置，其能夠最優(yōu)化地使柱塞與套筒之間的燃料泄漏最小化，從而"t是高效率。
本發(fā)明的另 一優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種改進(jìn)的流體控制裝置，其能夠適用于閥或泵，以便有效地降低泵或閥件與其形成孔的本體之間的
流體泄漏。
本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種改進(jìn)的流體控制裝置，其能夠適用于燃料泵，包括組合燃料注入器和位于高壓燃料系統(tǒng)中的燃料注入器上游的往復(fù)柱塞式泵。
本發(fā)明的另 一優(yōu)點(diǎn)在于提出這樣一種改進(jìn)的流體控制裝置，其不需要增加其內(nèi)設(shè)有該流體控制裝置的裝置的封裝尺寸。
本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種改進(jìn)的流體控制裝置，其使得柱塞與套筒之間的才乘作間隙隨著燃?jí)毫Φ脑黾佣鴾p小。
本發(fā)明的另 一優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種改進(jìn)的流體控制裝置，其包括減漏帽，該減漏帽允許獨(dú)立于套筒選4奪帽的材料，以更好地滿足對(duì)構(gòu)件的潤(rùn)滑和結(jié)構(gòu)要求。
本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種改進(jìn)的流體控制裝置，其包括易于替換的彈性密封帽。本發(fā)明的再 一優(yōu)點(diǎn)在于提出 一種用于燃料泵的改進(jìn)的流體控制裝置，其提高了燃料系統(tǒng)的效率并使所需的抽吸容量最小化。
本發(fā)明的另一方面在于提出一種用于高壓燃料系統(tǒng)的燃料泵。
本發(fā)明的再 一 方面在于4是出 一 種用于減少高壓流體系統(tǒng)的流體控制裝置內(nèi)的燃^f牛泄漏的方法。
通過(guò)提出 一 種用于高壓流體系統(tǒng)的流體控制裝置而獲得本發(fā)
明的這些及其他優(yōu)點(diǎn)，該流體控制裝置包括具有空腔和高壓回路的裝置本體，定位成能夠在空腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞，以及安裝于柱塞用于減少流體泄流的減漏帽。才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，減漏帽包括位于裝置本體與柱塞之間的彈性部，并在減漏帽與裝置本體之間限定環(huán)形間隙。減漏帽的彈性部響應(yīng)流體壓力徑向向外彈性彎曲，以減小環(huán)形間隙，乂人而<吏通過(guò)環(huán)形間隙的泄流最小4匕。就此而言，減漏帽可由具有比制成裝置本體的材料彈性更高的材料制成。
才艮據(jù)另一實(shí)施例，減漏帽的彈性部包括內(nèi)環(huán)形表面，流體壓力直接作用于該內(nèi)環(huán)形表面以使彈性部徑向向外彎曲?？蓪p漏帽實(shí)現(xiàn)為在彈性部與柱塞之間限定環(huán)形室。減漏帽可進(jìn)一步包4舌至少部分地限定環(huán)形室的錐形部。錐形部可i殳置于彈性部的末端，并且至少部分地由減漏帽的彈性部的內(nèi)表面限定。柱塞可包括直徑減d、的區(qū)萃殳和凸出部，在運(yùn)4亍期間，減漏帽的彈性部的末端密封貼靠于該凸出部。
才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，減漏帽還包括彈性部得以延伸出的基座部，并且其尺寸適于在基座部與柱塞之間限定間隙。而且，基座部包括流道，其將高壓室與環(huán)形室流體連通，/人而4吏環(huán)形室中的流體壓力與高壓室中的壓力基本保持一致。另外，柱塞和裝置本體至少部分地限定高壓室。在這樣的實(shí)施例中，在運(yùn)4亍期間，在環(huán)形間隙內(nèi)的流體壓力沿遠(yuǎn)離高壓室的方向減小。才艮據(jù)另一實(shí)施例，減漏帽可實(shí)現(xiàn)為朝向彈性部的末端厚度增加。減漏帽可由比制成裝置本體的材料具有更高彈性的材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，減漏帽可由涂覆有類金剛石石友的鋼制成。
優(yōu)選地，本發(fā)明應(yīng)用于燃料泵以用于高壓流體系統(tǒng)，其中，在周期抽吸沖程中，可才乘作柱塞4吏之運(yùn)動(dòng)，以給形成于空腔內(nèi)的高壓燃料室內(nèi)的燃料加壓。因此，根據(jù)本發(fā)明的又一方面，用于高壓燃
料系統(tǒng)中的燃料泵包括套筒，其具有空腔和高壓燃料回路；高壓燃料室，設(shè)置于空腔中；柱塞，定位成能夠在空腔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并可操作使之在周期抽吸沖程中運(yùn)動(dòng)，以對(duì)高壓燃料室內(nèi)的燃料加壓；以及減漏帽，其安裝于;f主塞上以減少流體泄流，減漏帽包招^f立于套筒與柱塞之間的彈性部，并在減漏帽與套筒之間限定環(huán)形間隙，其中，減漏帽的彈性部響應(yīng)流體壓力而徑向向外彈性彎曲，以減小環(huán)形間隙，從而4吏通過(guò)環(huán)形間隙的流體泄流最小化。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，柱塞包括直徑減小的區(qū)段和凸出部，運(yùn)行期間，減漏帽的彈性部的末端密封貼靠于凸出部。在另一實(shí)施例中，減漏帽包括基座部，并且其尺寸適于在基座部與柱塞之間限定間隙，并在彈性部與一主塞之間限定環(huán)形室。
在又一實(shí)施例中，減漏帽還包括流道，其將高壓燃料室與環(huán)形室流體連通，從而使環(huán)形室中的流體壓力與高壓燃沖牛室中的壓力基本保持一致，并且在運(yùn)^f亍期間，在環(huán)形間隙中的流體壓力沿遠(yuǎn)離高壓燃料室的方向減小，/人而4吏減漏帽的彈性部徑向向外偏斜。在又一實(shí)施例中，減漏帽的彈性部包括位于彈性部末端的錐形部，其至少部分地形成環(huán)形室。
才艮據(jù)本發(fā)明的又 一 方面，用于減少高壓流體系統(tǒng)的流體控制裝置中的燃料泄漏的方法包括4是供裝置本體，該裝置本體包括空腔，在空腔中安裝有可往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞，其中，裝置本體和柱塞至少部
分地限定高壓室；將減漏帽安裝在柱塞上以減少流體泄流，其中，減漏帽包括位于裝置本體與柱塞之間的彈性部，并在減漏帽與裝置
本體之間限定環(huán)形間隙；以及通過(guò)^f吏減漏帽的彈'l"生部響應(yīng)流體壓力而徑向向外彈性彎曲乂人而減小環(huán)形間隙，4吏通過(guò)環(huán)形間隙的;克體泄
流最小化。
才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法還包括在彈性部與柱塞之間形成環(huán)形室。另外，減漏帽包括基座部，該基座部具有流道，該流道將高壓室與環(huán)形室流體連通，/人而4吏環(huán)形室中的流體壓力與高壓室中的壓力基本保持一致，從而在運(yùn)行期間，環(huán)形室中的流體壓力使得減漏帽的彈性部徑向向外偏斜。


本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)和特4i將在下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)描述中變得更加顯而易見(jiàn)。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)置有密封套的流體控制裝置的局部橫截面
圖2是包括根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的減漏帽的流體控制裝置
的橫截面圖3是具有圖2中的減漏帽的柱塞和套筒組件的橫截面圖，其上示出了流體壓力分布情況；
圖4是具有根據(jù)本發(fā)明的減漏帽的流體控制裝置的泄漏減小效果的圖表說(shuō)明，該效果是與未裝配減漏帽的組件相比較的；圖5是具有根據(jù)本發(fā)明的另 一 實(shí)施例的減漏帽的流體控制裝置
的局部才黃截面圖6A是安裝在柱塞上的圖5所示的減漏帽的》文大圖6B是密封貼靠于柱塞的凸出部的減漏帽的彈性部的末端的 進(jìn)一步放大圖。
具體實(shí)施例方式
提供圖1以便清晰地示出當(dāng)本發(fā)明的流體控制裝置應(yīng)用于燃料 泵時(shí)，其與其它使用已知的密封套的燃料泵相比較的主要區(qū)別。圖
1中所示的現(xiàn)有技術(shù)的柱塞和套筒組件被應(yīng)用于燃料泵30。燃料泵 30包括本體或套筒32，其內(nèi)形成有空腔34;柱塞36，定位成能 夠在空腔34中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；以及減漏裝置38，其安裝在柱塞36 與套筒32之間。減漏裝置38包括密封套40，該密封套具有用以容 納柱塞36的孔42和外圍部44，外圍部具有用以密去于i也緊貼形成于 套筒32上的3不形平臺(tái)(annular step ) 48的-不形臺(tái)F介(annular land ) 46。密封套40在軸向夾緊力50的作用下牢固地保持在空腔34中 的適當(dāng)位置。密封套40還包括內(nèi)部彈性部52,其內(nèi)部端部54終止 于與空腔34內(nèi)部端部間隔一定距離的位置處。柱塞36和孔42形 成高壓流體室56，通過(guò)高壓燃津+回^各58給高壓流體室供給燃泮+。
內(nèi)部彈性部52的尺寸適于形成環(huán)形室60，該玉不形室通過(guò)端部 間隙61與高壓室56連續(xù)流體連通。因此，在柱塞36的整個(gè)運(yùn)動(dòng) 期間，環(huán)形室60中的燃料壓力與高壓室56中經(jīng)受到的燃料壓力基 本一致。而且，在柱塞36的外表面與密封套40的內(nèi)表面之間形成 環(huán)形間隙62，以建立緊密的滑動(dòng)配合和局部流體密去于。在一主塞36 的壓縮沖考呈期間，當(dāng)高壓流體室56中的燃沖+壓力增加時(shí)，環(huán)形室 60中的燃沖十壓力大于環(huán)形間隙62的至少一部分中的燃#牛壓力，因而造成內(nèi)部彈性部52向內(nèi)偏斜、或彎曲從而減小了間隙62的尺寸。 相應(yīng)地，由于間隙62的尺寸減小，因此，通過(guò)那里的泄流也減少。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)例的流體控制裝置。如下所述， 流體控制裝置的功能在于使柱塞周圍的泄流最小化，從而提高燃料 系統(tǒng)的效率，并且降^f氐所需的抽吸容量，同時(shí)還在不增加組件的尺 寸的情況下允許柱塞的有效往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在這點(diǎn)上，在圖2中示出的 是本發(fā)明的流體控制裝置應(yīng)用于燃料泵130的情況。本發(fā)明的燃料 泵130能夠應(yīng)用于多種應(yīng)用，如集成入組合燃料注入器、或者安裝 于燃料注入器上游的高壓燃料系統(tǒng)內(nèi)的燃料泵。流體控制裝置還可 應(yīng)用于液壓驅(qū)動(dòng)強(qiáng)化泵裝置或另一種流體控制裝置，如高壓燃料 閥，其中4主塞用作閥^f牛，以與形成于^者如套筒上的閥座配合。
如圖2中清晰地示出，燃料泵130包括裝置本體或套筒132， 其內(nèi)形成有空月空134;和柱塞136，定位成能夠在空月空134中進(jìn)行 往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柱塞136可由任何合適的材津十制成，如鋼或陶瓷。圖示 實(shí)施例的柱塞136具有位于柱塞136端部直徑減小的區(qū),殳137,因 此在柱塞136上形成凸出部138。在這點(diǎn)上，直徑減小的區(qū)l殳137 i殳置在柱塞136的端部，其部分;也形成空腔134內(nèi)的高壓流體室 156。
在圖示的本發(fā)明的實(shí)施例中，在柱塞136的直徑減小的區(qū)段 137上安裝有減漏帽140。在運(yùn)4亍中，減漏帽140隨著柱塞136以 下面將進(jìn)一步描述的方式在空腔134內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。減漏帽140 優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)為可移除的，以便在維修過(guò)程中可進(jìn)行更換。減漏帽140 包括孔142,其尺寸適于容納柱塞136, 乂人而使減漏帽140能夠安 裝在柱塞136的直徑減小的區(qū),殳137上。減漏帽140包括具有允許 燃料從其中經(jīng)過(guò)的流道147的基座部146。減漏帽140還包括彈性 部148,在當(dāng)前的實(shí)施例中，該彈性部與基座部146—體形成。彈 性部148通常成形為圓柱形，并且其尺寸允許減漏帽140被套在柱
14塞136的端部上，如圖2中所清晰示出；也，彈性部148在套筒132 與柱塞136的直徑減小的區(qū)段137之間延伸。
減漏帽140的彈性部148的末端149 (與基座部146相對(duì))與 柱塞136的凸出部138貼靠4姿觸，因此將減漏帽140的外部與減漏 帽140的內(nèi)部密封隔開。減漏帽140的彈性部148具有足夠的長(zhǎng)度， 從而在基座部146與柱塞136的容納在減漏帽140內(nèi)的端部之間形 成間隙151，當(dāng)燃料泵130運(yùn)行時(shí)，間隙151內(nèi)填充有燃料。
在圖示實(shí)施例中，彈性部148的末端i殳置有4,形部150。 4,形 部150位于彈性部148內(nèi)部，以形成位于減漏帽140內(nèi)的內(nèi)環(huán)形室 160?！箵Q句詔-i兌，才是供4,形部150以4吏減漏帽140的彈'I"生部148的 內(nèi)徑朝著彈性部148的末端149的方向增加，因此在彈性部148與 柱塞136的直徑減小的部分之間形成內(nèi)環(huán)形室160。
柱塞136可往復(fù)運(yùn)動(dòng)地安裝在孔142內(nèi)，以在空腔134內(nèi)形成 高壓流體室156?？刹攀枪毫θ剂匣豝各以便向流體控制裝置供應(yīng)燃 料，用于通過(guò)諸如燃并+注入噴嘴組件(未示出)注入發(fā)動(dòng)才幾。在運(yùn) 行期間，柱塞136回退以增大高壓室156, 4姿著前進(jìn)以壓縮高壓室 156中的燃料。
為使柱塞136往復(fù)運(yùn)動(dòng)，適當(dāng)設(shè)置減漏帽140的外徑和套筒132 的空腔134的內(nèi)徑的尺寸以〗更形成小的環(huán)形間隙162,以〗更建立緊 密的滑動(dòng)配合和局部流體密封。優(yōu)選地，環(huán)形間隙162的徑向間隙 比4專纟充間隙的^圣向間隙大。由于通過(guò)環(huán)形間隙162的壓力泄漏，沿 著該環(huán)形間隙162的燃沖十壓力降4氐。特別地，在減漏帽140與套筒 132之間的環(huán)形間隙162中產(chǎn)生的局部流體密封趨向于產(chǎn)生節(jié)流效 應(yīng)，其降^氐了沿著環(huán)形間隙162的軸長(zhǎng)方向的壓力。如沖是到的，在柱塞136朝向高壓室156的向內(nèi)或前進(jìn)沖禾呈期間， 在高壓室156中的燃剩-4皮4主塞136壓縮。內(nèi)環(huán)形室160通過(guò)i殳置在 減漏帽140的基座部146上的流道147與高壓室156連續(xù)流體連通。 特別地，流道147允許高壓室156中的高壓燃料經(jīng)過(guò)基座部146在 減漏帽的彈性部148與柱塞136的直徑減小的區(qū)段137之間傳送， 然后進(jìn)入環(huán)形室160。因此，在柱塞136的整個(gè)運(yùn)動(dòng)期間，環(huán)形室 160中的燃料壓力與高壓室156中經(jīng)受到的燃料壓力基本一致。因 此，內(nèi)部彈性部148的末端149承受與高壓室156的燃料壓力基本 相同的燃料壓力。
作為結(jié)果，環(huán)形室160中的燃料壓力將大于環(huán)形間隙162的至 少一部分中的燃津+壓力，尤其是在朝向彈性部148的末端149的部 分。相應(yīng)地，這種壓力差別導(dǎo)致減漏帽140的彈性部148徑向向外 彎曲，乂人而減小間隙162的尺寸以及流經(jīng)其內(nèi)的泄流，因此加強(qiáng)了
流體控制裝置的密封。
減漏帽140的上述操作在圖3的橫截面圖中最清晰地顯示出 來(lái)，其示出了燃津+壓力分布情況。來(lái)自高壓室156的燃津+壓力用來(lái) 保持住安裝在柱塞136上的減漏帽140。特別地，來(lái)自高壓室156 的燃沖+壓力通過(guò)流道147流入減漏帽140與柱塞136的端部之間的 間隙151。如上所述，減漏帽140的彈性部148的末端149貼靠接 觸柱塞136的凸出部138,因此提供密封的接觸面。彈性部148的 末端149與柱塞136的凸出部138環(huán)形4妄觸的4妄觸點(diǎn)位于,人減漏帽 140的最外部邊緣略微徑向向內(nèi)的位置處。因此，為了使減漏帽140 保持安裝在柱塞136上而將燃^牛壓力施加于其上的減漏帽140的總 的表面區(qū)域略孩i地大于為了使減漏帽140分離而將燃料壓力施加于 其上的總的表面。這產(chǎn)生了將減漏帽140保持在其在柱塞136的端 部上的安裝位置上的凈力，如下面參照第二實(shí)施例的描述進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明的。如果減漏帽140略微地離開柱塞136而4吏得末端149不再才妾觸柱塞136的凸出部138,經(jīng)過(guò)流道147的燃津牛流允許減漏帽 140回到其安裝位置。
如圖3所示，在減漏帽140的彈性部148的內(nèi)徑與柱塞136的 直徑減小的區(qū)段137之間的基本不變的燃料壓力、以及環(huán)形室160 中的流體壓力用箭頭170示出。在減漏帽140的外徑與套筒132的 空腔134的內(nèi)徑之間形成的環(huán)形間隙162內(nèi)的逐漸減小的燃津牛壓力 由箭頭176示出。如圖中所看到的，環(huán)形間隙162中的壓力大小朝 向減漏帽140的末端149逐漸減小。
因此，徑向方向的最終結(jié)果是由于與環(huán)形間隙162相對(duì)的環(huán) 形室160中的燃料壓力保持在與高壓室156中的壓力基本相同的高 壓水平上，彈性部148的靠近于環(huán)形室160的內(nèi)表面經(jīng)受傾向于將 彈性部148的該部分徑向向外彎曲或彈'l"生變形的;克體壓力。因jt匕， 在流體壓力導(dǎo)致的、減漏帽140的向外彎曲的作用下，環(huán)形間隙162 也減小，乂人而導(dǎo)致通過(guò)環(huán)形間隙162的泄流率降^[氐。因此，對(duì)主塞和 套筒組件的密封和效率提高。
減漏帽140可由任何合適的材料制成，并且彈性部148由具有 允許向外彎曲或彈性變形(resiliency)的最佳量以獲得對(duì)于《會(huì)定應(yīng) 用來(lái)說(shuō)的增強(qiáng)的泄流減少效果的厚度得材料制成，例如由金屬、非 金屬或復(fù)合材料制成。在示出的實(shí)施例中，減漏帽140由涂覆有類 金剛石碳(DLC)的鋼制成，相比其它一般的材料，已發(fā)現(xiàn)這種材 料非常適合用于減漏帽140所處的環(huán)境。通過(guò)將彈性部148構(gòu)造為 獨(dú)立于本體或套筒的減漏帽140的部分，本發(fā)明的泄流減少裝置可 由更能使減漏帽140滿足其需求的材料制成，而獨(dú)立于用于套筒的 材泮十的選4奪。當(dāng)然，套筒部140理想的向外位移將耳又決于環(huán)形間隙 162的初始未負(fù)載徑向尺寸以及高壓室156中產(chǎn)生的燃^牛壓力。
17本發(fā)明的流體控制裝置具有比傳統(tǒng)高壓流體控制裝置明顯的 優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明有效地減少了在泵或閥元件與形成元件孔的本體之間 的泄流，從而提高了高壓流體系統(tǒng)的效率。在燃料泵應(yīng)用中，本發(fā) 明還起到了使燃料泵所需的抽吸容量最小化的作用。另外，由于減
漏帽140被保持在柱塞136的直徑減小的區(qū)段137上，這種性能上 的優(yōu)勢(shì)能夠在不象以前討論過(guò)的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備那樣增加燃料泵130 的尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)。因此，該裝置的封裝尺寸可以保持不變。
在運(yùn)行中，環(huán)形室160區(qū)域處的間隙162的徑向間隙在朝向減 漏帽140的末端149的方向上顯著減小。對(duì)此，圖4示出了圖表170,
其示出當(dāng)具有根據(jù)本發(fā)明的減漏帽140的柱塞和套筒組件^皮應(yīng)用于 高壓燃料泵時(shí)與沒(méi)有減漏帽的類似泵相比4交的減漏效果。如/人圖中 看到的，圖表170的X軸代表泵每分鐘的轉(zhuǎn)速(RPM),同時(shí)圖表 170的Y軸代表泵的輸出，以mg/注入沖程為單位。在獲取圖4中 所示的測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，燃料泵的輸出被相對(duì)于泵速來(lái)測(cè)量。具有本發(fā) 明的新減漏帽140的燃料泵的輸出由虛線172示出(具有方形塊)， 而使用約500小時(shí)后的輸出由實(shí)線174 (具有三角形塊)示出。本 文描述的沒(méi)有減漏帽的燃料泵的輸出由線178 (具有菱形塊)示出。
可以理解，與這種沒(méi)有減漏帽的燃并牛泵相比，具有如上所述的 減漏帽的本發(fā)明的流體控制裝置，在整個(gè)泵速范圍內(nèi)提供了大幅增 加的泵輸出。圖中示出的泵輸出方面的差距直接歸因于由裝備了減 漏帽140的泵實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)的密封效果。在實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)500小時(shí)的 使用后泵的輸出確實(shí)有所增加，這說(shuō)明減漏帽140達(dá)到最大密封效 果需要一定的磨合期。另外，雖然在約1000RPM時(shí)泵的^r出有約 10%的增力口， ^旦這種增力口隨著RPM的增力口而減少。相信這種減少 是由于隨著泵速的增加通過(guò)環(huán)形間隙的壓力損失減少所致?？紤]到上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)明確的是本發(fā)明的具有減 漏帽的流體控制裝置通過(guò)〗吏柱塞周圍的泄流降至最低而大幅增加了泵的輸出，這種泄流的減少是通過(guò)減漏帽的向外擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)的。因 此，燃料系統(tǒng)的效能得到提高，并且所需的抽吸容量減小。還應(yīng)當(dāng)
明確的是本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明的減漏帽140能夠方便地被 取下然后用新的減漏帽替換，因此實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單、快速且低成本的維護(hù)。
圖5至6B示出了具有根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的減漏帽的燃料 泵230的多個(gè)視圖。如圖5中清晰示出的，燃料泵230包括其內(nèi) 形成有空腔234的裝置本體或套筒232，以及可在空腔234內(nèi)往復(fù) 運(yùn)動(dòng)的柱塞236。柱塞236設(shè)置有直徑減小的區(qū)段237，因而形成 凸出部238。高壓流體室256形成在柱塞與套筒232之間。
減漏帽240安裝在柱塞236上的直徑減小的區(qū)段237上，并且 以前面參照?qǐng)D2的實(shí)施例描述的方式隨著柱塞236往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在這 方面，減漏帽240包括孔242，其尺寸適于容納柱塞236;以及 基座部246,其具有允許燃料/人中經(jīng)過(guò)的流道247。減漏帽240還 包4舌形成孑L 242的《單寸生4p 248, 單'1"生吾P 248在套筒232與沖主塞236 的直徑減小的區(qū),殳237之間延伸。
減漏帽240的彈性部248的末端249貼靠4妻觸柱塞236的凸出 部238，因此形成了密封的接觸面，如在圖6A和6B的放大圖中最 清晰地示出的。減漏帽240的彈性部248具有足夠的長(zhǎng)度，以在基 座部246與柱塞236的端部之間留有間隙251,當(dāng)燃坤+泵230運(yùn)刊-時(shí)，該間隙251 一皮燃津牛^真充。
減漏帽240的外徑與套筒232的空腔234的內(nèi)徑的尺寸這樣確 定， -使得存在小的環(huán)形間隙262以1更形成緊密的滑動(dòng)配合及局部流 體密封。如上所述，由于局部流體密封產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，該效應(yīng)減少 了沿著環(huán)形間隙262的軸向長(zhǎng)度上的壓力，因此沿著該環(huán)形間隙262 的燃沖+壓力減少。相專交于前面的在彈性部的末端i殳置有4,形部而形成內(nèi)環(huán)形室
的實(shí)施例，減漏帽240未設(shè)置這樣的錐形部。替代地，如圖6A中 最清晰示出的，減漏帽240被實(shí)現(xiàn)為使得彈性部248在朝向遠(yuǎn)離基 座部246的末端249的方向厚度實(shí)際上增加。然而，減漏帽240的 孔242的尺寸適于形成在彈性部248與柱塞236的直徑減小的區(qū)段 237之間延4申的環(huán)形室260 。
如前所述的實(shí)施例，在燃料泵230的運(yùn)行期間，減漏帽240受 到不同的壓力。特別地，內(nèi)環(huán)形室260內(nèi)的燃料壓力基本恒定，而 彈性部248臨近套筒232的外側(cè)的燃料壓力卻減少。相應(yīng)地，如前 面參照?qǐng)D3所述，越朝向彈性部248的末端249，壓力差越大。該 壓力差4吏減漏帽240的彈性部248徑向向外彎曲，以減小間隙262 的尺寸和經(jīng)過(guò)的泄流，因此增強(qiáng)了間隙262的密去;f^:果。由于朝向 彈性部248末端249的厚度增加，相較于前面所描述的實(shí)施例中會(huì) 發(fā)生的更為局部化的偏斜，在彈性部248與套筒232之間形成了更 寬的、面》t面的4妻觸。
還是如前所述，當(dāng)4主塞在套筒232內(nèi)^f主復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃泮牛壓力4吏 得減漏帽240保持安裝在柱塞236上。特別地，來(lái)自高壓室256的 燃料壓力通過(guò)流道247流入減漏帽240與柱塞236的端部之間的間 隙251。如圖6B的i文大一見(jiàn)圖中最清晰示出的，減漏帽240的彈性 魯卩248的末3耑249貝占靠4妄角蟲一主塞236的凸出部238,因;t匕形成了密 封的接觸面S。如圖所示，彈性部248的末端249與凸出部238環(huán) 形接觸處的密封接觸面S位于從減漏帽240的外周P略微地徑向向 內(nèi)的位置。因此，由燃料壓力施加至其上以保持減漏帽240安裝于 柱塞236上的減漏帽240的總表面區(qū)域比由燃料壓力施加至其上以 分離減漏帽240的總表面區(qū)域稍大。相應(yīng)地，這產(chǎn)生了凈力，其作 用是將減漏帽240保持在其在柱塞236端部的安裝位置，如圖所示?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)構(gòu)造彈性部248的末端249來(lái)控制由受壓燃利-施加的向下作用的力的程度。特別i也，通過(guò)將密封"l妾觸面S更靠近 于柱塞236的內(nèi)環(huán)形表面而i殳置，作用在減漏帽240上的〗吏其安裝 位置保持在柱塞236端部上的凈力增加。反之，通過(guò)將密封4秦觸面 S朝向減漏帽240的外周P而設(shè)置，作用在減漏帽240上的使其安 裝位置保持在柱塞236端部上的凈力減小。
另夕卜，通過(guò)改變密封^接觸面S的位置和末端249的幾<可形狀、 以及柱塞236的凸出部238,可調(diào)整減漏帽240的末端在響應(yīng)流體 壓力而徑向向外彈性彎曲的程度。對(duì)此，如圖6B所示，減漏帽240 的末端249與凸出部238可i殳置有與基本上的平面凸出部238 4妾觸 的倒角面，或者可以實(shí)iE見(jiàn)為具有不同的幾^f可形習(xí)犬。例如，減漏帽的 末端和柱塞的凸出部之間可實(shí)現(xiàn)為具有錐面對(duì)錐面、錐面對(duì)J求面， 或球面對(duì)3求面類型的接觸面。
應(yīng)該進(jìn)一步纟是到的是，盡管在上述實(shí)施例中，減漏帽的外徑基 本與柱塞的外徑相對(duì)應(yīng)，本發(fā)明的其它實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)為使得減漏 帽的外徑大于或小于柱塞的外徑。
盡管已經(jīng)示出并描述了才艮據(jù)本發(fā)明的多種實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解的
f務(wù)改及進(jìn)一步應(yīng)用。因此，本發(fā)明不限于前面示出并描述的細(xì)節(jié)， 而包4舌所有此類的變化和1奮改。
工業(yè)適用，I"生
包括減漏帽的本發(fā)明的流體控制裝置可應(yīng)用于需要有效地使 可移動(dòng)^主塞與相應(yīng)的^L之間的泄流實(shí)i見(jiàn)最小4b的"i午多高壓流體系 統(tǒng)。本發(fā)明對(duì)應(yīng)用于處于高壓燃料系統(tǒng)中的高壓燃料泵特別具有優(yōu) 勢(shì)，該高壓燃沖十系統(tǒng)i者如4壬^f可車輛或工業(yè)i殳備的內(nèi)燃才幾。
權(quán)利要求
1.一種用于高壓流體系統(tǒng)的流體控制裝置，包括裝置本體，具有空腔和高壓回路；柱塞，定位成能夠在所述空腔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；減漏帽，安裝于所述柱塞上以減少流體泄流，所述減漏帽包括位于所述裝置本體與所述柱塞之間的彈性部，并在所述減漏帽與所述裝置本體之間限定出環(huán)形間隙，其中，所述減漏帽的所述彈性部響應(yīng)流體壓力而徑向向外彈性彎曲，以減小所述環(huán)形間隙，從而使通過(guò)所述環(huán)形間隙的流體泄流最小化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽的所 述彈性部包括內(nèi)環(huán)形表面，所述流體壓力直接作用于所述內(nèi)環(huán) 形表面以 -使所述彈性部徑向向外彎曲。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽在所 述彈性部與所述柱塞之間限定出環(huán)形室。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽包括 至少部分i也限定所述環(huán)形室的4,形部。
5， 根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體控制裝置，其中，所述錐形部位于 所述彈性部的末端，并且至少部分地由所述減漏帽的所述彈性 部的內(nèi)表面限定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體控制裝置，其中，所述柱塞包括直 徑減小的區(qū)段和凸出部，在運(yùn)行期間，所述減漏帽的所述彈性 部的末端密封所述凸出部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽還包 括基座部，所述彈性部從所述基座部延伸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽的尺 寸形成為在所述基座部與所述柱塞之間限定出間隙。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽的所 述基座部包4舌流道，所述流道將所述高壓室流體連通至所述環(huán) 形室，乂人而4吏所述環(huán)形室中的流體壓力與所述高壓室中的壓力 基本保持一致。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體控制裝置，其中，所述柱塞與所述 裝置本體至少部分地限定高壓室。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的流體控制裝置，其中，在運(yùn)行期間， 所述環(huán)形間隙中的流體壓力沿遠(yuǎn)離所述高壓室的方向減小。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽的厚 度朝向所述彈性部的末端增加。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體控制裝置，其中，所述減漏帽由比 制成所述裝置本體的材料具有更高等級(jí)彈性的材料制成。
14. 一種用于高壓燃津牛系統(tǒng)的燃沖+泵，包4舌套筒，具有空腔和高壓燃料回路； 高壓燃料室，位于所述空腔內(nèi)；柱塞，定位成能夠在所述空腔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并可操 作使之在周期抽吸沖程中運(yùn)動(dòng)，以對(duì)所述高壓燃料室中的燃剩-力口壓；以及減漏帽，安裝于所述柱塞上以減少流體泄流，所述減漏 帽包括位于所述套筒與所述柱塞之間的彈性部，并在所述減漏 帽與所述套筒之間限定環(huán)形間隙，其中，所述減漏帽的所述彈 性部響應(yīng)流體壓力而徑向向外彈性彎曲，以減小所述環(huán)形間 隙，/人而^f吏通過(guò)所述環(huán)形間隙的流體泄流最小4匕。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料泵，其中，所述柱塞包括直徑減 小的區(qū)段和凸出部，在運(yùn)行期間，所述減漏帽的所述彈性部的 末端密封所述凸出部。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料泵，其中，所述減漏帽包括基座 部，所述減漏帽的尺寸形成為在所述基座部與所述柱塞之間限 定間隙，并在所述彈性部與所述^主塞之間限定環(huán)形室。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料泵，其中，所述減漏帽還包括流 道，所述流道將所述高壓燃料室流體連通至所述環(huán)形室，從而 使所述環(huán)形室中的流體壓力與所述高壓燃料室中的壓力基本 保持一致，并且在運(yùn)4亍期間，所述環(huán)形間隙中的流體壓力沿遠(yuǎn) 離所述高壓燃料室的方向減小，從而使所述減漏帽的所述彈性 部徑向向外偏名牛。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料泵，其中，所述減漏帽的所述彈 性部包括位于所述彈性部末端的錐形部，所述錐形部至少部分 地形成所述環(huán)形室。
19. 一種用于減少高壓流體系統(tǒng)的流體控制裝置中的燃料泄漏的 方法，所述方法包4舌提供裝置本體，所述裝置本體包括空腔，柱塞可往復(fù)運(yùn) 動(dòng)地安裝在所述空腔中，所述裝置本體與所述柱塞至少部分地 限定高壓室；^夸減漏帽安裝在所述4主塞上以減少流體泄流，所述減漏 帽包括位于所述裝置本體與所述柱塞之間的彈性部，并在所述減漏帽與所述裝置本體之間限定環(huán)形間隙；以及通過(guò)<吏所述減漏帽的所述彈性部響應(yīng)流體壓力而徑向向 外彈性彎曲，/人而減小所述環(huán)形間隙，l吏通過(guò)所述環(huán)形間隙的 流體泄流最小化。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括在所述彈性部與所述柱塞之 間形成環(huán)形室。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述減漏帽包括基座部， 所述基座部上具有流道，所述流道將所述高壓室與所述環(huán)形室 連通在 一起，/人而^f吏所述環(huán)形室中的流體壓力與所述高壓室中 的壓力基本^f呆持一致，A人而在運(yùn)4亍期間，所述環(huán)形室中的流體 壓力使得所述減漏帽的所述彈性部徑向向外偏斜。
全文摘要
一種用于高壓流體系統(tǒng)的流體控制裝置，該裝置包括具有空腔和高壓回路的裝置本體，定位成能夠在空腔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞，以及安裝于柱塞上以減少流體泄流的減漏帽。在一個(gè)實(shí)施例中，減漏帽包括位于裝置本體與柱塞之間的彈性部，并在減漏帽與裝置本體之間形成環(huán)形間隙。減漏帽的彈性部響應(yīng)流體壓力而徑向向外彈性彎曲，以減小環(huán)形間隙，從而使通過(guò)環(huán)形間隙的流體泄流最小化。
文檔編號(hào)F01B11/00GK101688445SQ200880013277
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者唐納德·J·本森, 戴維·L·巴克哈南, 斯科特·R·西蒙斯 申請(qǐng)人:康明斯有限公司