ТОПЛИВНЫЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
ELECTRONICALLY CONTROLLED HIGH-PRESSURE FUEL PUMP

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к форсированным среднеоборотным дизельным двигателям внутреннего сгорания с импульсной или аккумуляторной системами топливоподачи, работающим в широком диапазоне частот вращения и нагрузок.
Известны (например, из описаний к патентам РФ №2373422, 2009 г. и №2253031, 2005 г.) топливные насосы высокого давления (ТНВД) системы впрыска топлива для двигателя внутреннего сгорания, содержащие встроенные в корпус насоса электромагнитные управляющие клапаны (ЭМК), имеющие соединенный с якорем электромагнита нормально открытый затвор, в которых наполнение надплунжерного объема осуществляется из полости всасывания при возвратном ходе плунжера вниз через проходное сечение открытого затвора ЭМК. При подаче на катушку ЭМК электрического управляющего импульса затвор закрывается, разобщая полость всасывания и надплунжерный объем, и нагнетаемое плунжером топливо по каналу высокого давления подается к форсунке. Фаза подачи топлива (опережение впрыска) в них зависит от момента подачи управляющего электрического импульса на катушку ЭМК, что позволяет реализовать гибкое управление опережением подачи топлива. Однако в них не решена проблема создания остаточного давления в топливопроводе между ТНВД и форсункой, необходимого для улучшения межцикловой стабильности подач, а их использование для аккумуляторных систем топливоподачи невозможно из-за отсутствия нагнетательного клапана. К тому же принятая схема наполнения надплунжерного объема не обеспечивает стабильности его полного заполнения из-за отсутствия протока топлива через этот объем.
Известны топливные насосы высокого давления, в которых обеспечивается межцикловое остаточное давление в топливопроводе между насосом и форсункой, например ТНВД по патенту РФ №2009361 (1994 г.), содержащий корпус, состоящий из двух частей: верхней и нижней; размещенную в нижней части корпуса плунжерную пару с втулкой и плунжером, имеющим, продольный канал с обратным клапаном на выходе в надплунжерную полость; нагнетательный канал и размещенный в верхней части корпуса нагнетательный клапан. Наполнение надплунжерного объема в таком насосе происходит из полости всасывания при возвратном ходе плунжера вниз через обратный клапан плунжера. Недостаток этого аналога заключается в том, что для обеспечения гибкого управления фазой топливовпрыска (опережение впрыска относительно ВМТ поршня двигателя) такому ТНВД требуется значительная конструктивная доработка: в частности, необходимо дополнить его, к примеру, управляющим электромагнитным клапаном.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого решения определен ТНВД, содержащий корпус, плунжерную пару, включающую в себя втулку и плунжер, имеющий обратный клапан, продольный канал с выходом в надплунжерную полость и сообщающиеся с ним поперечные каналы, подключаемые к полости всасывания через соответствующие каналы, выполненные во втулке; нагнетательный канал, связывающий надплунжерную полость с полостью штуцера высокого давления, и управляющий электромагнитный клапан с нормально-открытым затвором, снабженным упором и пружиной, продольная ось которого расположена параллельно оси плунжерной пары с некоторым смещением относительно последней (патент РФ №2179259, 2002 г). Наполнение надплунжерного объема в прототипе осуществляется из полости всасывания сверху при открытом сечении затвора через каналы, выполненные в магнитопроводе и промежуточной между втулкой и магнитопроводом детали, и снизу через выполненные в плунжере и втулке сообщающиеся каналы при открытом клапане плунжера. Избыточная часть топлива из надплунжерной полости возвращается в ту же полость всасывания через верхние каналы.
В результате выполнения ЭМК в виде комплекса составляющих, разнесенных вдоль оси устройства (внутри корпуса размещены составной неподвижный магнитопровод катушки и якорь, являющийся подвижным затвором ЭМК, а разъем магнитопровода ЭМК - в прижимном фланце корпуса перпендикулярно оси плунжерной пары) и выполнения нагнетательного канала, связывающего надплунжерную полость с полостью штуцера высокого давления, по этой причине изогнутой формы, а также выполнения каждого из ряда топливных каналов, расположенных выше надплунжерной полости в нескольких сопрягающихся элементах, конструктив прототипа имеет сниженный уровень технологичности, что в силу вероятных при изготовлении и/или в процессе эксплуатации погрешностей, ведет к ухудшению условий наполняемости надплунжерного объема и является недостатком прототипа.
Задача, решаемая настоящим изобретением, направлена на создание ТНВД, конструкция которого обеспечивает повышенную точность дозирования за счет повышения межцикловой стабильности подач путем улучшения условий наполняемости надплунжерного объема и создания остаточного давления между насосом и форсункой, и эффективна при использовании как в системах питания импульсного действия, так и в аккумуляторных топливных системах типа COMMON RAIL.
Поставленная задача решается тем, что топливный насос высокого давления, содержащий корпус, плунжерную пару, включающую в себя втулку и плунжер, имеющий обратный клапан, продольный канал с выходом в надплунжерную полость и сообщающиеся с ним поперечные каналы, подключаемые к полости всасывания через соответствующие каналы, выполненные во втулке, нагнетательный канал, связывающий надплунжерную полость с полостью штуцера высокого давления, установленного на втулке сверху, и управляющий электромагнитный клапан с нормально-открытым затвором, согласно изобретению снабжен полостью, предназначенной для аккумулирования доли топлива, вытесняемой из надплунжерной полости на первоначальной части активного хода плунжера до подачи, электрического управляющего импульса на электромагнит управляющего клапана, и сбрасываемой избыточной части топлива по окончанию фазы активного нагнетания топлива, размещенной во втулке перед нагнетательным клапаном концентрично затвору управляющего электромагнитного клапана, подвижному по оси, перпендикулярной оси плунжерной пары, и при этом выполнен с возможностью наполнения надплунжерной полости одновременно из двух полостей: снизу из полости всасывания и сверху из полости аккумулирования и обеспечения межциклового остаточного давления в топливопроводе высокого давления посредством упомянутого нагнетательного клапана, установленного также во втулке между выходом нагнетательного канала и входом полости штуцера высокого давления, и отсекающего полость последнего по окончании управляющего электрического импульса.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого ТНВД (разрез); на фиг. 2 - вид сверху.
ТНВД содержит корпус 1 с установленными в нем роликовым толкателем 2, плунжерной парой с втулкой 3 и плунжером 4, в продольный осевой канал которого на выходе в надплунжерную полость встроен обратный клапан 5. В плунжере 4 имеются также поперечные каналы, сообщающие его продольный канал при движении плунжера 4 вниз с полостью всасывания А посредством выполненных во втулке 3 каналов В.
Управляющий электромагнитный клапан 6 расположен в верхней (по чертежу) части втулки 3 и содержит нормально открытый затвор 7, подвижный по оси, перпендикулярной оси плунжерной пары, при этом ход затвора 7 ограничен с одной стороны сердечником электромагнита ЭМК, и с другой - упором 8, регулируемым с помощью винта 9. Нагнетательный клапан 10 размещен также в верхней части втулки 3 на выходе нагнетательного канала, соединяющего надплунжерную полость с полостью штуцера высокого давления 11, связанного с топливопроводом системы. Движение плунжера 4 вверх, в сторону нагнетания, осуществляется роликовым толкателем 2 под действием топливного кулака, расположенного на распределительном валу двигателя (условно не показаны). Ролик толкателя зафиксирован в корпусе толкателя подпружиненным штифтом 13. Возвратное движение плунжера (вниз) осуществляется с помощью пружины 12. Щтуцер 11 прикреплен к втулке 3 сверху винтами 16, а сама втулка крепится к корпусу 1 насоса винтами 17 (фиг. 2.). Во втулке 3 по месту размещения затвора 7 и концентрично ему выполнена полость Б, предназначенная для аккумулирования доли топлива, вытесняемой из надплунжерной полости на первоначальной части активного хода плунжера до подачи электрического управляющего импульса на электромагнит управляющего клапана, а также сбрасываемой избыточной части топлива из надплунжерной полости по окончанию фазы активного нагнетания топлива, сообщающаяся с магистралью низкого давления системы. Для защиты от загрязнения штуцера высокого давления 11, клемм ЭМК 6 и штуцера низкого давления 18 при транспортировке насоса могут быть использованы защитные колпачки 19, 20 и 21.
Работает насос следующим образом.
В исходном состоянии, когда плунжер 4 движется вниз, а управляющий электрический сигнал на катушку ЭМК 6 еще не подан, происходит наполнение надплунжерного объема через открытое сечение затвора 7 ЭМК из аккумулирующей полости Б по нагнетательному каналу. Одновременно под действием возникающего разрежения обратный клапан 5, расположенный в плунжере 4, открывает доступ топливу из полости всасывания через канал В и продольный канал плунжера в надплунжерную полость. Таким образом наполнение надплунжерного объема осуществляется по двум направлениям одновременно из двух полостей: снизу из полости всасывания А и сверху из полости аккумулирования Б. Создаются улучшенные условия наполнения. При ходе плунжера 4 вверх (рабочий нагнетательный ход) клапан 5 в плунжере 4 перекрывает доступ топлива по каналу В и до подачи электрического управляющего импульса на катушку ЭМК часть топлива из надплунжерной полости вытесняется в полость Б. При подаче на катушку ЭМК 6 управляющего электрического импульса затвор 7, являясь частью якоря ЭМК, перекрывает слив топлива в полость Б, начинается фаза активного нагнетания топлива в полость высокого давления к форсунке через штуцер высокого давления 11 и топливопровод. При отключении управляющего электрического импульса затвор 7 ЭМК под действием возвратной пружины возвращается в исходное открытое состояние, и избыточное нагнетаемое топливо сбрасывается в полость Б. Нагнетательный клапан 10 под воздействием своей возвратной пружины и давления в объеме между клапаном 10 и форсункой садится на седло, перекрывая доступ топлива из топливопровода высокого давления в полость Б, за счет чего в топливопроводе перед форсункой обеспечивается требуемое остаточное давление.
Подвод топлива в надплунжерную полость при возвратном ходе плунжера одновременно из двух полостей по двум направлениям позволяет обеспечить ее стабильное наполнение, а разобщение объемов ТНВД и форсунки в период между нагнетаниями топлива плунжером посредством клапана 10 обеспечивает остаточное давление перед форсункой к моменту последующего впрыска. Оба указанных фактора способствуют повышению межцикловой стабильности подач и, как следствие, точности дозирования. К тому же наличие нагнетательного клапана 10 обеспечивает возможность использования предлагаемого ТНВД в аккумуляторных системах топливоподачи, где с помощью управления производительностью насоса можно управлять величиной давления топлива в аккумуляторе. Это особенно важно в двигателях большой размерности, где использование блочных многоплунжерных ТНВД весьма затруднительно.