РОТОРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ ТОПЛИВОПОДАЮЩИХ СИСТЕМ
ROTARY FUEL HIGH-PRESSURE PUMP FOR ACCUMULATOR FUEL FEED SYSTEMS

Заявляемое изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам топливоподачи дизелей.
Недостатками современных аккумуляторных топливоподающих систем являются импульсная подача и высокие механические напряжения в приводе ТНВД. Такими недостатками обладают ТНВД, используемые в аккумуляторных топливоподающих системах типа Comon Rail фирмы Bosch, а именно насосы СР-3 и СР-4 [Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Легион-Автодата, 2004. - 344 с.]. Другим важным недостатком таких систем является то, что значительная часть топлива, нагнетаемого в аккумулятор, сливается в бак, таким образом нагреваясь до высоких температур и понижая КПД двигателя. Этого недостатка можно избежать путем управления производительностью насоса от автономного электродвигателя.
Таким основным требованиям, как простота конструкции, высокая быстроходность и надежность, отвечают конструкции роторных насосов. Существуют различные типы роторных насосов, одним из общих недостатков которых является наличие нагруженных пар трения, контактирующих с перекачиваемой средой, что приводит к их взаимному износу и понижению надежности, а также не исключается возможность резкого разгона перекачиваемой среды в момент заполнения рабочей полости, что является предпосылкой для разрыва сплошности и возникновения кавитации.
В настоящее время насосы роторного типа не используются в серийных топливоподающих системах дизельных двигателей, несмотря на то, что обладают рядом качеств, позволяющих обеспечить стабильное давление нагнетания топлива, небольшую энергоемкость и удобство управления, а именно быстрый сброс и увеличение производительности при обеспечении привода от электродвигателя.
В качестве аналога может рассматриваться роторный насос по патенту US 1727081 A, F04C 2/32, 1929, 4 стр. Достоинством аналога является простота конструкции, высокая надежность за счет уменьшения нагрузки в парах трения, образующих рабочую полость. Недостатком аналога является то, что подобные конструкции роторных насосов не предназначены для работы при высоких давлениях.
Подобная кинематическая схема используется в ротационных компрессорах с катящимся ротором, в состав которых входит цилиндр, эксцентриковый вал, насаженный на него ротор и подпружиненная разделительная пластина, предназначенная для отделения друг от друга всасывающей и нагнетательной полостей. В связи с большим перепадом давления и нагнетательная, и всасывающая полости имеют соответственно нагнетательный и всасывающий клапаны. Процессы всасывания, сжатия и последующего нагнетания происходят одновременно в двух частях серповидной полости, разделенной ротором и пластиной за один оборот эксцентрикового вала [Бабакин Б.С., Выгодин В.А., Кулагин В.Н. Диагностика работы малых холодильных компрессоров: Учебное пособие. - Рязань. - «Узорочье», 2001. - 302 с.] (прототип).
Технической задачей заявляемого устройства является создание более простого, компактного и технологичного топливного насоса высокого давления для аккумуляторных топливных систем типа Common Rail с простой системой управления подачей топлива в аккумулятор, обеспечивающего возможность мобильного электронного управления этим процессом.
Поставленная задача решается тем, что секция заявляемого топливного насоса высокого давления для аккумуляторных топливных систем типа Common Rail представляет собой рабочую камеру, оснащенную впускными и выпускными отверстиями и составленную цилиндрическим корпусом с двумя неподвижно присоединенными к его торцам опорными шейками и цилиндрическим ротором, эксцентрично размещенным внутри цилиндрического корпуса и установленным на приводном валу, который размещен на подшипниках, установленных в опорных шейках, и разделенную разделительной пластиной на всасывающую и нагнетательную полости. Насосная секция дополнительно оснащена упорными шайбами и статором между ними, в которых имеется сквозной паз с жестко закрепленной в нем разделительной пластиной, причем цилиндрический ротор через подшипник посажен на кривошип приводного вала и оснащен специальным вырезом, через который обеспечивается контакт с разделительной пластиной, причем специальный вырез имеет такую форму, которая обеспечивает его перемещение относительно разделительной пластины без потери контакта с ней, а впускное и выпускное отверстия размещены в статоре с разных сторон относительно разделительной пластины.
Благодаря новой совокупности признаков заявляемого изобретения получаем компактный, нематериалоемкий, конструктивно простой и технологичный топливный насос высокого давления для аккумуляторных топливных систем типа Common Rail, который обеспечивает возможность создания высокого давления топлива в топливном аккумуляторе с минимальными энергозатратами. В этом состоят существенные отличия заявляемого изобретения от аналога.
Заявляемый насос имеет простую систему управления подачей топлива, обеспечивающую возможность электронного управления производительностью насоса. Это достигается тем, что в предлагаемом роторном насосе применяется привод от электродвигателя с регулируемой частотой вращения, а не от коленчатого вала. Такой привод дает возможность управлять подачей топлива в аккумулятор на всех режимах работы двигателя, сводя к минимуму потери, связанные с дросселированием топлива для регулирования давление подачи, вызывающего нагрев топлива и также энергетические потери. В этом состоит научная новизна предлагаемого изобретения.
На фиг.1 и 2 представлена конструкция заявляемого топливного насоса высокого давления для аккумуляторных топливных систем типа Common Rail, на фиг.3 - роторная секция, на фиг.4 - вал.
Конструкция заявляемого роторного насоса содержит цилиндрический корпус 1, закрытый с двух сторон передней 2 и задней 3 крышками соответственно. В цилиндрической полости корпуса 1 соосно с его внутренней поверхностью расположены опорные шейки 4, в которых жестко установлены подшипники скольжения 5. На опорных шейках 4 в подшипниках скольжения 5 установлен приводной эксцентриковый вал 6, имеющий коренные шейки 7 и эксцентрично размещенную относительно них роторную шейку 8.
В цилиндрической полости корпуса 1 соосно с его внутренней поверхностью расположены упорные шайбы 9 и статор 10 между ними, имеющие сквозной паз 11. Статор 10 оснащен впускным 12 и выпускным 13 окнами, которые сообщаются с впускными 14 и выпускными 15 каналами. В сквозном пазу 11 упорных шайб 9 и статора 10 жестко установлена разделительная пластина 16.
На роторной шейке 8 приводного вала 6 установлена с возможностью вращения втулка 17. На втулку 17 напрессован цилиндрический ротор 18, имеющий специальный вырез 19 такой формы, которая обеспечивает его перемещение относительно разделительной пластины 16 без потери контакта с ней. Внутренняя поверхность статора 10 и боковые поверхности упорных шайб 9 образуют рабочую полость, в которой перемещается цилиндрический ротор 18.
Опорные шейки 4, упорные шайбы 9 и статор 10 между ними жестко закреплены в корпусе 1 с помощью винтов 20. Слив утечек топлива осуществляется через сливной канал 21.
Схема работы данного роторного насоса представлена на фиг.5-8.
Заявляемый ТНВД работает следующим образом. При вращении приводного эксцентрикового вала 6 цилиндрический ротор 18, жестко установленный на втулке 17, перемещается по внутренней цилиндрической поверхности статора 10, обеспечивая плотный контакт, а с другой стороны между статором 10 и цилиндрическим ротором 18 образуется серповидная полость, изменяющаяся в зависимости от угла поворота ротора. Разделительная пластина 16, жестко установленная в упорных шайбах 9 и статоре 10 и входящая в контакт со специальным вырезом 19 цилиндрического ротора 18, препятствуя его свободному вращению вокруг роторной шейки 8, делит серповидную полость на две изолированные части. Одна из ее частей через впускное окно 12 связана с впускным каналом 14, проходящим через опорную шейку 4 и упорные шайбы 9. Другая часть через выпускное окно 13 связана с выпускным каналом 15. Процессы всасывания, сжатия и последующего нагнетания в насосе происходят одновременно в двух частях серповидной полости, разделенной пластиной 16, за один оборот эксцентрикового вала. Таким образом осуществляется рабочий процесс.
Возможные утечки топлива в месте сопряжения ротора и упорных шайб удаляются через сливной канал 21 в систему возврата топлива в бак (обратка), осуществляя при этом смазку деталей ТНВД.
Благодаря тому что цилиндрический ротор 18 кинематически связан со статором 10 через разделительную пластину 16, величина относительных перемещений и скорость взаимных перемещений деталей, образующих рабочую полость, мала даже при больших значениях угловой скорости вращения приводного вала 6, что является фактором, уменьшающим износ и повышающим надежность. Кроме этого, в заявляемой конструкции отсутствуют нагруженные пары трения среди деталей, контактирующих с перекачиваемым топливом, что позволяет расширить перечень применяемых конструкционных материалов и дополнительно повысить надежность.
Привод данного ТНВД может осуществляться от автономного электродвигателя, управляемого от электронного блока управления в зависимости от предусмотренных алгоритмов.
С целью применения предлагаемого ТНВД на дизелях с большей мощностью его производительность может быть увеличена за счет применения нескольких секций, размещенных в одном корпусе и работающих от одного приводного вала. Кроме того, применение двух и более секций обеспечивает более равномерную подачу топлива в аккумулятор топливоподающей системы.
Конструкция двухсекционного ТНВД приведена на фиг.9
Экономическую эффективность от использования предлагаемой конструкции следует ожидать в повышении надежности и уменьшении себестоимости конструкции, а также в увеличении КПД дизеля за счет уменьшения энергозатрат.