应用反向极性电动机的往复流体泵 有关案例参照考资料
只供美国使用，以下为2000年3月17日提交的美国专利序列号No.09/528,766的部分继续申请。
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及电气驱动的往复泵。更具体地说，本发明涉及由采用永久磁铁和电磁线圈的电磁线圈组件驱动的泵，用来在泵中产生压力变化并从而在泵中吸入和输出流体。本发明也涉及采用这样泵的燃料喷射系统、废气喷射和排放控制系统。
2.相关工艺的描述
曾经在广泛范围内开发利用电气驱动产生压力而转移流体的泵。例如，在某些喷射系统中，燃料通过往复泵组件转移，该组件由一个电源供应的电流驱动，典型地该电源为车辆的电气系统。在这类形式的一种燃料泵设计中，在电磁线圈壳体中设置磁阻空隙线圈，同时在壳体内安装可运动的电枢并固定于导向管。电磁线圈可以通电强制电枢趋向限定在电磁线圈周围的磁回路中磁阻空隙。导向管与电枢一起运动，在泵部分中进入和抽出。通过导向管进入和抽出泵部分，在运行中流体被抽入泵部分和从泵部分输出。
在上述类型的泵中，电枢和导向管在一个或多个偏压弹簧影响下典型地回到其原有位置。在以上设备中泵上连接燃料喷嘴，还有附加地偏压弹簧用来使喷嘴回到其原来位置。在线圈中电流中断时，诸偏压弹簧联合强制整个可活动的组件回到其原来的位置。所形成设备的循环时间是在电磁线圈通电过程中加压行程所需时间，和电枢及导管回到原来位置以便做下一加压行程所需时间之和。
当这样的泵使用在诸如内燃机的燃烧室中供应燃料或在废气流中喷射流体以减少排放之类的应用中，这些泵的循环时间可以极快。此外，在变化的运转条件下发动机性能最佳化过程中，泵行程循环开始和结束的可重复性和准确性非常重要。虽然循环时间可以通过加强用于使往复组件返回初始位置的弹簧而减少，这样的弹簧有不利的效果，即对于往复组件由于电磁线圈通电产生的力上(增加对抗力)。这样的力因此必须相应地用在电磁线圈通电中产生增加的力克服。不过，在某些问题上由于电气部件的限制为这些力所需要增加的电流水平是不适宜的，并且也由于电气损失所产生的附加热量。
因此在用于输送流体的线性往复流体泵需要一种改进的技术。特别需要在流体泵上提供迅速循环时间的改进技术而基本上不增加弹力和电气驱动部件需要的电流。
发明内容
本发明在设计符合这些要求的往复泵布置中提供一种用于输送流体的新颖技术。该技术特别适合于输送燃料进入燃烧室，用于燃烧室直接喷射，和用于在废气流中喷射燃料以便控制排放。不过，该技术并不限于这些应用，也可以在广大的技术领域中采用。泵驱动系统相比已知的布置提供显著的优点，包括减少循环时间，往复组件初始位置的可控制性，往复组件行程的可控制性，和每循环排量等等。
该技术根据一种采用至少一个永久磁铁和至少一个线圈组件的驱动系统。线圈组件循环地通电而产洛伦茨(Lorentz)力用于移动驱动件，而驱动件可直接连接于线圈。在驱动件的两个方向移动中，线圈组件的极性可以反转以便提供相反的洛伦茨力按需要用于阻尼移动。驱动件可以延伸进入泵部分，并通过在其往复移动中的进入和抽出泵部分而造成流体压力变化。在泵部分内诸如逆止阀一类的阀门受到压力变化的作用，使流体进入泵部分和由此输出。
附图简要说明
本发明以上及其它优点在阅读下列详细描述并参考附图以后将变得明显，其中：
图1A为应用于在内燃机中喷射燃料的一系列流体泵组件的图解；
图1B为排放控制系统的图解，其中水基流体喷射进入内燃机的废气中；
图1C为排放控制系统的图解，其中脲基流体喷射进入内燃机的废气中；
图2为按照本技术的有关方面示范性泵的部分剖面图，该泵用于在压力下输送流体，诸如图1A所示在内燃机燃烧室中喷射燃料；
图3为如图2所示的泵在运转的抽送时期中通电时的部分剖面图；
图4为按照本技术的有关方面流体泵驱动部分的可替代实施例的部分剖面图；
图5为泵驱动部分的另一可替代实施例的部分剖面图。
具体的实施方式
现在转向附图并首先参照图1A，图解阐明燃料喷射系统10，包括一系列在压力下为内燃机12输送燃料的泵。虽然本技术的流体泵可以在广泛种类的设备中采用，它们特别适合于燃料喷射系统，其中相对地较小量的燃料按照发动机要求功能周期性地加压喷射进入发动机的燃烧室。如在所阐明的实施例中可以在个别的燃烧室中采用这种泵，或者可以联合采用各种方法、如在燃料轨道、供给总管等等里加压定量的燃料。即使更一般地说，本抽送技术可以在燃料喷射以外的设备中采用，如以下所描述，用于响应使驱动组件通电的电器控制信号而在压力下输送流体。例如，抽送技术可以在排放控制系统中，如图1B和1C所示。
在图1A所示实施例中，燃料喷射系统10包括燃料贮存器14，诸如用作包含流体燃料储备的油箱。第一泵16从贮存器抽出燃料，并输送燃料到分离器18。虽然系统可以恰当地不用分离器18工作，如实施例中所示，分离器18用来保证下游的燃料喷射系统接受流体燃料，如相对于混合相燃料情况。第二泵20从分离器18抽出燃料并通过冷却器22输送燃料供给或进入总管24。冷却器22可以是任何适当形式的流体冷却器，包括空气和流体热交换器，散热器等等。
从供给总管24来的燃料可供喷射进入发动机12的燃烧室，如在以下将更完全地描述。设置返回总管26作为没有喷射进入发动机燃烧室的流体再循环之用。在所示的实施例中，在返回总管26中串联地放置压力调节阀28以便在返回总管内维持要求的压力。通过压力调节阀28返回的流体被再循环进入分离器18，在该处所示液相收集的燃料用参考数字30表示。燃料的气相成分，在图1A中以参考数字32表示，可从燃料表面升起并且根据分离器内液体燃料的水平，可以容许通过浮动阀34逸出。设置通气孔36供气体成分逸出，诸如供再压缩、再循环等等。
发动机12包括一系列燃烧室或气缸38供驱动输出轴(未示)旋转之用。本行业熟练人士将认识到，按照发动机设计，响应燃料在燃烧室内的点火，活塞(未示)在燃烧室中以往复运动方式被驱动。在燃烧室内活塞的行程将容许用于下一燃烧循环的新鲜空气进入室内，而从燃烧室内扫清燃烧产物。虽然本实施例采用直截了当二行程发动机设计，按照本技术的泵可适用于广泛种类的应用和发动机设计，包括二行程以外的发动机。
在所阐明的实施例中，往复泵40与各燃烧室联合，从供给总管24抽出加压燃料，并进一步加压燃料以便喷入各自的燃烧室。设置喷嘴42以便雾化各往复泵40下游的加压燃料。虽然本技术并不打算被任何特定喷射系统或喷射方案所限制，在所阐明的实施例中在液体燃料中建立的压力脉冲强迫在喷嘴出口形成燃料喷雾，作为直接气缸内的喷射。往复泵40的运转通过喷射控制器44受到控制。喷射控制器44，它将典型地包括编程微处理器或其它数字处理线路，和储存用作对泵提供控制信号程序的存储器，对泵施加通电信号促使其以广泛种类的方式(以下将更完全地描述)之一往复运动。
往复泵，诸如以下将详细描述，也可以在各种其它工业、汽车、或船舶中应用。例如，往复泵可以用来对发动机的废气流中喷射要求的液体以控制温度并促进其他排放控制措施，诸如通过对氧化氮(NOx)选择性催化还原(SCR)和碳化氢(HC)及一氧化碳(CO)的催化氧化。相应地，喷入废气中的具体流体可以有效地减少氧化氮、氧化硫、碳化氢和各种其它微粒物质和不受欢迎的污染物质。
图1B及1C阐明示范性排放控制系统44，用于处理从内燃机48来的废气46。内燃机48可以包括任何特定用途的二行程或四行程发动机，如汽车或船舶应用。如图所示，内燃机48具有在气缸52内可活动地设置的活塞50，它可在上死点54和下死点56之间移动，而活塞50上部形成可变化的燃烧室58。活塞50通过活塞杆62连接在曲轴组件60上，活塞杆使曲轴组件60随着在燃烧室中燃料-空气混合物的喷射、点火和燃烧而旋转。
燃料-空气混合物空气通过进气管64和燃料喷射系统66形成，喷射系统从燃料源68抽出要求的燃料混合物(如图1A所示)。要求的燃料混合物可包括汽油、柴油、氢基燃料或其它任何合适的燃料混合物。燃料喷射的定时可由专用的控制单元或由主控制单元(诸如控制单元70)控制，该控制单元也控制电火花点火系统72和流体泵74。相应地，控制单元70可保证适当的燃料量在正确的时间被喷射进入燃烧室58以促进燃料-空气在点火前混合。控制单元70然后命令火花点火系统在燃烧室58内点燃燃料-空气混合物，造成活塞50在气缸52内向下移动。活塞50的向下运动使曲轴旋转以提供要求的机械运动，诸如驱动轴对于汽车或船舶螺旋桨的运动。各种燃烧产物(即废气46)然后通过废气通道76从燃烧室58排出，废气通道可包括一个或多个排气孔、废气总管、废气集管、废气管、调谐管、催化转换器、消声器、尾管和其它废气控制设备。
如图1B所示，流体泵74从水源78抽水并把水喷入废气管46。水的喷射有利地减少排气的温度并减少从发动机48的废气排放。如图1C所示，流体泵74从脲源80抽出并把脲基流体喷入废气管46。该脲基流体的喷射对于柴油机中排放的减少特别有利。虽然在图1B和1C中假设特定的例子，流体泵74可以喷射任何合适的排放控制流体进入废气46。控制单元70也可以对流体喷射进入离开发动机48的废气脉冲进行定时。如以下参照图2-5所示，流体泵74可以包括一台泵和喷嘴组件100，而喷嘴组件配置为可建立废气处理喷雾，包括水、脲、氨、或任何其它要求的处理流体。
作为示范性往复泵组件，诸如在图1A中所示的燃料喷射系统类型或者图1B及1C中所示排放控制系统44类型，显示在图2及3中。具体地说，图2阐明一种泵和喷嘴组件100，它们综合按照本技术驱动的泵。组件100基本上包括驱动部分102和泵部分104。驱动部分的设计造成为响应施加在驱动部分中驱动线圈反向极性控制信号而在泵部分中发生抽吸作用，如在以下将更详细地描述。抽吸部分输出的特征这样可以通过改变施加于驱动部分的交变极性信号的波形而操纵。在当前考虑的实施例中，在图2中显示的泵和喷嘴组件100特别适合于应用在内燃机中，如图1A-1C中所显示的泵40和74。此外，在图2所示实施例中，喷嘴组件直接安装在泵部分的出口，这样使泵和喷嘴(例如图1A的泵40和喷嘴42)被综合在单独组件或单元以内。图1B和1C的泵74也可包括分离的或整体的喷嘴组件。如以上在图1A所示，在适当的应用中，在图2中所示的泵可以从喷嘴分开，诸如在对于流体在压力下对进气管或排气总管、燃料轨道、或任何其它下游部件的应用。
如图2所示，驱动部分102包括壳体106，在设计上可以密封地接受驱动部分部件和支持其运行。驱动部分还包括至少一件永久磁铁108，并且在所示较佳实施例中还有一对永久磁铁108和110。这些永久磁铁互相分开，并设置在用能够传导磁通量材料制成的中心磁芯112邻近。虽然磁铁108和110和磁芯112固定地支承在壳体106中，但点火线圈114仍可自由地相对这些部件纵向地滑动。就是说，点火线圈114处于磁芯112的中心，并可如图2中所示方位相对于磁芯向上和向下地滑动。在点火线圈114内缠绕线圈116而该线圈的端部连接于引线L以便接受通电控制信号，如图1A所示来自喷射控制器44的信号。点火线圈114还包括延伸部分118，它从点火线圈区域突出，其中安装线圈以便如下所说地驱动泵部分。虽然在图2中仅显示一个这样的延伸部分，应该理解点火线圈可包括一系列延伸部分，如布置在点火线圈周围的延伸部分2、3或4。最后，驱动部分102包括支承或隔壁120，它有助于支承永久磁铁和磁芯，并从泵部分隔开驱动部分。不过，应该注意在所阐明的实施例中，驱动部分的内部体积，包括其中设置线圈的体积，可能在运转时浸满流体，例如为冷却目的。
驱动件122通过延伸部分118固定于点火线圈114。在所阐明的实施例中，驱动件122形成具有中心孔供流体通过的、大致杯形圆板。驱动件的杯形有助于使柱塞124位于中心，该柱塞设置在驱动件的凹入部分。在头部区域128和泵部分下面部件之间压缩一个偏压弹簧130以便柱塞124、驱动件122、和点火线圈及线圈组件保持在向上或偏压位置。本行业熟练人士将认识到，柱塞124、驱动件122、延伸部分118、点火线圈114、和线圈116这样将形成一个往复组件，如在以下更完整的描述中它将在运行中被驱动作振荡运动。
驱动部分102和泵部分104的设计使其可以互相连接，较佳地容许分别制造和把这些部件作为分组件安装，并容许其按需要使用。在所阐明的实施例中，驱动部分102的壳体106在裙部132处终结，而裙部固定在泵部分104的外周壁134上。驱动和泵部分较佳地应加以密封，诸如用软密封圈136。可替换地这些壳体可以用螺纹接合或其它适当的技术连接。
泵部分104形成一个中心孔138，设计用来接受柱塞124。孔138也用作在设备的运行时引导柱塞的往复运动。环形凹槽140围绕孔138并接受偏压弹簧130，使偏压弹簧保持在中心位置以便进一步协助引导柱塞124。在所阐明的实施例中，头部区域128包括周围沟槽或凹槽142，接受偏压弹簧130在凹槽140对面的一端。
阀件144位于在柱塞以下的泵部分104。在所阐明的实施例中，阀件144在运行中形成柱塞124可分开的延伸部分，但当柱塞124如图2所示退缩时与柱塞124隔开空隙146。空隙146是通过限制阀件144的向上运动而形成的，例如约束在限定孔138的周围壁中。可以在这一位置设置沟槽(未示)以便当柱塞前进到其退缩位置时容许流体在阀件144周围流动。如以下更完全地描述，空隙146容许整个往复组件，包括柱塞124，在抽吸行程中接触阀件144之前获得动量以便压缩和从泵部分中排出流体。
阀件144位于泵室148内。泵室148从进口150接受流体。进口150包括流体通路152，通过该通路诸如加压燃料之类的流体被引入。逆止阀组件(一般标记为参考数字154)设置在通路152和泵室148之间，并且由设备的抽吸行程中泵室148内建立的压力所关闭。在所阐明的实施例中，流体通路156设置在进口通路152和设置驱动部件的体积之间。通路156可容许流体自由流入驱动部分，以维持驱动部分部件浸泡在流体中。相似地可使流体出口(未示)与驱动部分内部体积流体连通，以便容许流体从驱动部分再循环。
阀144由偏压弹簧158保持趋向空隙146的偏压位置。在所阐明的实施例中，偏压弹簧158被压缩在阀件和保持环160之间。
当由以上描述的部件所定义的泵用来直接喷射燃料或排放控制流体时，可以在泵组件的下部直接综合喷嘴组件162。如图2所示，一种示范性喷嘴包括密封地配合在泵部分上的喷嘴体164。提升阀166位于形成在阀体内的中心孔，并在如图2所示的退缩位置上压紧阀体密封。在提升阀166上端，设置保持件168。保持件168接触压缩在喷嘴体和保持件之间的偏压弹簧170以便维持提升阀处于喷嘴体内密封位置。流体可自由从泵室148进入围绕保持件168及弹簧170的区域。该流体进一步容许进入形成在喷嘴体内围绕提升阀166的通路172。细长环形流动通路174从通路172延伸到提升阀的密封端。本行业熟练人士将认识到，也可以在泵、喷嘴或驱动部分综合其它部件。例如，如果需要，在泵室148的出口可以设置出口逆止阀以边把下游部分从泵室隔离。
图3阐明图2中泵和喷嘴组件处于开动位置。如图3所示，当对线圈116通电时，线圈、点火线圈114、延伸部分和驱动件122向下位移。该向下的位移是由于施加电流而形成围绕线圈116的电磁场和由于永久磁铁108及110的磁场互相作用的结果。在较佳的实施例中，该磁场被加强并由磁芯112引导。当驱动件122由于这些磁场的互相作用(洛伦茨-力)，它接触柱塞124而强迫柱塞向下克服弹簧130的阻力。在该位移的初始阶段，柱塞124由于空隙146(见图2)自由地延伸进入泵室148而不接触阀件144。柱塞124这样就获得动量，并从而接触阀件144的上表面。柱塞124的下表面坐落并密封在阀件144的上表面，以便防止流体向上通过柱塞的通路126，或在泵部分的柱塞及孔138之间的通路。柱塞和阀件进一步向下的运动开始压缩在泵室148内的流体，并关闭进口逆止阀154。柱塞及阀件再进一步的运动产生向下游传递的压力波动或尖峰，如向喷嘴组件162。在所阐明的实施例中，该压力波动强迫提升阀166从喷嘴体离开座位，由于在保持件168和喷嘴体之间的弹簧170的压缩力而反抗喷嘴体向下运动。诸如燃料的流体这样就由喷嘴喷出或释放，例如直接进入内燃机燃烧室，如在以上参照图1A所描述。
如本行业熟练人士将会认识到，当施加于线圈116的驱动或控制信号的极性反转时，围绕线圈的电磁场将反转方位，造成由于该电磁场和磁铁108及110所产生的磁场的互相作用(即反方向的洛伦茨-力)而向线圈施加反方向力。该力将驱动线圈及其它往复组件的部件向原始位置返回。在所阐明的实施例中，当驱动件被驱动向上返回图1A所示位置时，弹簧130促使柱塞124向上回到其原始位置，并且弹簧158相似地促使阀件144返回其原始位置。空隙126重新建立起其如图1A所示的空隙126，并且可以开始新的抽吸循环。当设置如图2和3所示喷嘴，该喷嘴同样被弹簧170的力所关闭。在这一情况，以及没有这样喷嘴的情况，或者在泵室148出口设置出口逆止阀的情况，在泵室148内减低压力以便容许进口逆止阀154重新开启为随后的循环输入流体。
通过适当地配置施加于线圈116的驱动信号，本发明的设备可以用多种方式驱动。例如，在传统的抽吸应用中，可以对线圈施加成型的交变极性信号造成其在等于控制信号频率的频率下作往复运动。泵的排量和每循环的排量这样可以通过适当地配置控制信号(即，变化其频率和持续时间)予以控制。也可以在设备中使压力变化适应例如符合输出压力的需要。这可以通过改变控制型号的幅度提供由于驱动部分电磁场和永久磁铁磁场之间互相作用所造成更大或更小的力而完成。洛伦茨力和上述设备的相应运动也可以通过反转在运动中线圈极性而改变。例如，设备的运动可以在接近循环运动任何方向的途径终端予以阻尼以保护该设备并改变流体喷射特性。
上述构造可以进行各种适应和变化，特别是在线圈、点火线圈、永久磁铁构造和驱动部分的驱动部件配置方面。在图4和5中阐明两种驱动部分的可替换配置。如图4所示，在第一可替换的驱动部分176中，一种钟状壳体178具有下部螺纹区域180，设计用于配合泵部分的相似螺纹区域。此外，在图4的实施例中，在壳体中形成中心磁芯部分182以引导磁通量。内部环形体积184环绕磁芯部分182并支承一个或多个永久磁铁186和188。这些环形磁铁环绕点火线圈190，该线圈具有支承以便沿磁芯部分182做往复引导运动。在点火线圈上缠绕线圈192并如以上参照图2和3所描述，通过引线(未示)接受反向极性控制信号。点火线圈190的下面部分这样可以直接与适当地配置成为可保持相对于点火线圈处于中心的柱塞(见图2和3的柱塞124)互相连接。在施加反向极性控制信号中，在线圈192周围产生的电磁场与磁铁186和188建立的磁场互相作用而驱动线圈和点火线圈沿磁芯部分182作往复运动。该往复运动然后通过诸如以上参照图2和3描述的部件转化为抽吸作用。
在图5的可替代实施例(一般标记为参考数字194)中，导向柱或销子198位于泵部分壳体196内。壳体196可以用不同于导向柱198的材料制成。导向柱198较佳地用诸如铁磁材料的磁性材料形成，使导向柱至少在中心区域内形成引导磁通量的磁芯。设置一个或多个永久磁铁202和204产生的磁通量场这样一来被磁芯所引导。如图4所示，相似于点火线圈190的点火线圈206配合在并沿中心区域引导。在点火线圈206上缠绕线圈208，并在设备的运转时接受反向极性控制信号。与以前一样，由于施加控制信号产生的电磁场与磁铁102和104产生的磁场互相作用驱动线圈和点火线圈作往复运动，并通过以上参照图2和3描述的泵部件转化为抽吸作用。
虽然本发明易于进行各种变型和替代形式，特定的实施例已经通过图中的例子说明并在此详细描述。不过，应该理解，本发明并不打算限于所披露的特定形式。本发明应包括所有处于本发明精神和范围以内的、并且由以下所附权利要求定义的变型、等价形式和替代方案。