НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE FUEL PUMP

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к насосу высокого давления, прежде всего к радиально-поршневому или рядному поршневому насосу. Изобретение относится прежде всего к топливным насосам для систем впрыскивания топлива в двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с самовоспламенением от сжатия. Однако такой насос высокого давления может использоваться в качестве поршневого насоса и для нагнетания иных пригодных для перекачивания жидкостей.
Из DE 19515191 A1 известен топливный насос высокого давления. Такой топливный насос высокого давления имеет цилиндр, верхняя часть которого выступает наружу из являющейся частью корпуса двигателя крышки головки блока цилиндров. Остальная часть топливного насоса высокого давления размещена в отверстии, выполненном в крышке головки блока цилиндров. На распределительном валу смонтирован кулачок привода топливного насоса высокого давления, приводящий в действие всасывающий/нагнетательный клапан. Поскольку управление временной характеристикой, в соответствии с которой вытесняется находящееся под давлением топливо, осуществляется путем приведения в действие электромагнитного клапана, повышается далее точность, с которой регулируется подача топлива.
Известный из DE 19515191 A1 топливный насос высокого давления представляет собой задросселированный со стороны всасывания насос, обладающий многими недостатками. К таким недостаткам относятся высокий уровень шума, плохая регулируемость и появление механических колебаний из-за кавитации, возникающей в подводящих топливопроводах, ведущих к впускным клапанам. На работе подобного насоса отрицательно сказываются волны давления между дозатором и всасывающим клапаном.
Краткое описание сущности изобретения
Преимущество предлагаемого в изобретении насоса высокого давления, заявленного в п.1 формулы изобретения, состоит в усовершенствовании его конструкции, благодаря которой прежде всего достигаются возможность дозирования топлива и компактность. Предлагаемое в изобретении решение позволяет, в частности, отказаться от применения дозатора или аналогичного устройства, благодаря чему существенно снижаются производственные расходы.
В зависимых пунктах формулы изобретения приведены различные предпочтительные варианты выполнения насоса высокого давления, заявленного в п.1 формулы изобретения.
В отличие от насосов высокого давления с регулированием объемной подачи со стороны всасывания с помощью дозатора в сочетании с пружинными впускными клапанами, к недостаткам каковых насосов относятся отсутствие равномерной подачи при высокой частоте вращения вала насоса и выделение шумов при колебаниях давления в контуре низкого давления, преимущество предлагаемого в изобретении насоса состоит в возможности сокращения расходов благодаря исключению дозатора, в обеспечении равномерной подачи даже при высокой частоте вращения вала насоса и в снижении уровня шума благодаря предотвращению колебаний давления и возможной кавитации в контуре низкого давления.
В насосах традиционной конструкции, прежде всего в многоплунжерных насосах с тремя и более плунжерами, фазы всасывания перекрываются. В этом случае колебания давления приводят к особо высоким различиям в количестве подаваемой насосом жидкости. Предлагаемое в изобретении решение позволяет эффективно избежать подобных различий в количестве подаваемой насосом жидкости. При этом существует возможность исключить такие различия в предварительно запасенном количестве жидкости.
Особо высокая экономия на издержках достигается прежде всего применительно к насосу высокого давления, выполненному в виде одноплунжерного насоса. Однако и при выполнении насоса высокого давления в виде двухплунжерного насоса с еще одним приводом удается частично компенсировать дополнительные расходы благодаря сокращению количества отверстий в корпусе насоса. Существенное преимущество, связанное с непосредственным управлением, состоит в расширении диапазона частоты вращения вала насоса высокого давления и тем самым в повышении его коэффициента полезного действия.
Помимо этого интеграция впускного клапана в головку цилиндра позволяет существенно уменьшить конструктивные размеры насоса высокого давления. Сказанное справедливо и в отношении насосов, рассчитанных на создание исключительно высокого давления, которое составляет, например, 300 МПа (3000 бар) и которое может применяться в топливных системах транспортных средств для перевозки грузов, пассажиров и для нетранспортных работ.
В предпочтительном варианте впускной клапан выполнен в виде впускного клапана с электромагнитным управлением (электромагнитного впускного клапана). Предпочтителен далее вариант, в котором впускной клапан зафиксирован на головке цилиндра ввинченной в нее резьбовой заглушкой, которая выполнена из ферромагнитного материала. В соответствии с этим резьбовая заглушка может служить магнитопроводом, что повышает эффективность магнитной цепи и позволяет развивать высокую магнитную силу.
Предпочтителен, кроме того, вариант, в котором предусмотрена катушка, которая путем подачи на нее электрического тока обеспечивает возможность срабатывания впускного клапана и которая выполнена охлаждаемой проходящим через впускной клапан в надплунжерное пространство топливом. Тем самым охлаждение катушки и иных элементов магнитной цепи может обеспечиваться путем их обтекания топливом.
В еще одном предпочтительном варианте впускной клапан имеет корпус и взаимодействующий с ним с образованием герметичного седла шток, который прилегает к головке цилиндра, при этом предусмотрен приводимый в действие электромагнитом втягивающийся якорь, который при его приведении в действие электромагнитом для открытия герметичного седла, образованного между корпусом впускного клапана и его штоком, увлекает его с собой в движение. Тем самым магнитная (или подъемная) сила для срабатывания, или открытия, впускного клапана может создаваться втягивающимся якорем, при этом резьбовая заглушка эффективно служит магнитопроводом. Впускной клапан при этом при обесточенной катушке электромагнита в предпочтительном варианте закрыт, т.е. представляет собой нормально закрытый впускной клапан. При подаче электрического тока на катушку и при нахождении плунжера, например, в своей верхней мертвой точке впускной клапан в этом случае открывается. При полном наполнении надплунжерного пространства жидкостью впускной клапан остается открытым преимущественно вплоть до достижения плунжером своей нижней мертвой точки. При этом предпочтительно далее наличие установочной (или регулировочной) шайбы, предназначенной для выставления рабочего воздушного зазора и остаточного воздушного зазора для втягивающегося якоря. Благодаря этому возможна модульная конструкция, в которой путем установки установочной шайбы необходимой толщины возможно согласование насоса высокого давления с конкретными условиями его применения. Благодаря этому расширяется область применения насоса высокого давления с возможностью при этом простого его согласования с конкретными условиями его применения при практически неизменном его конструктивном исполнении.
Предпочтителен также вариант, в котором предусмотрена система управления срабатыванием впускного клапана в зависимости от перемещения плунжера насосного узла. При этом, с одной стороны, предпочтителен вариант, в котором система управления для уменьшения степени наполнения надплунжерного пространства насосного узла сокращает длительность нахождения впускного клапана в открытом состоянии в ее конце настолько, что впускной клапан переключается в закрытое состояние до достижения плунжером своей нижней мертвой точки, или увеличивает длительность нахождения впускного клапана в открытом состоянии в ее конце настолько, что впускной клапан переключается в закрытое состояние после достижения плунжером своей нижней мертвой точки. Таким путем длительность нахождения впускного клапана в открытом состоянии можно сокращать настолько, чтобы впускной клапан вновь закрывался перед достижением плунжером своей нижней мертвой точки, в результате чего уменьшается количество втекающего в надплунжерное пространство топлива. С другой стороны, добиться подобного эффекта можно также путем переключения впускного клапана в закрытое состояние лишь после достижения плунжером своей нижней мертвой точки, в результате чего находящееся в надплунжерном пространстве топливо при перемещении плунжера будет частично вытесняться им через впускной клапан в обратном направлении. В первом случае уменьшаются колебания давления со стороны низкого давления. Во втором случае удается эффективно избежать образования пузырей в рабочем цилиндре. В зависимости от конкретных условий применения можно специально выбирать тот или иной предпочтительный вариант. Еще одна возможность заключается в сокращении длительности нахождения впускного клапана в открытом состоянии в ее начале настолько, что впускной клапан переключается в открытое состояние только после достижения плунжером своей верхней мертвой точки. В соответствии с этим впускной клапан открывается не сразу по достижении плунжером своей верхней мертвой точки, в результате чего также уменьшается количество втекающего в надплунжерное пространство топлива. При этом система управления может также осуществлять управление впускным клапаном по разным вариантам в их приемлемом сочетании. Так, например, длительность нахождения впускного клапана в открытом состоянии можно сокращать и в ее начале, и в ее конце. Связанное с этим преимущество состоит в возможности эффективно варьировать степень наполнения надплунжерного пространства топливом в целях частичного заполнения им надплунжерного пространства. Помимо этого с помощью одного или более предусмотренных перед впускным клапаном дросселей можно уменьшать колебания давления по амплитуде и частоте. Кроме того, при этом можно положительно влиять на регулирование расхода. Таким путем удается также улучшить шумовые характеристики, на которые неблагоприятное влияние оказывают колебания давления в контуре низкого давления.
В еще одном предпочтительном варианте впускной клапан в целях обеспечить высокую динамику его закрытия оснащен закрывающей пружиной с высоким усилием ее предварительного сжатия.
Краткое описание чертежа
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемый к описанию единственный чертеж, на котором фрагментарно и схематично в продольном разрезе показан насос высокого давления, выполненный по одному из вариантов осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления изобретения
На прилагаемом к описанию чертеже фрагментарно и схематично в продольном разрезе показан насос 1 высокого давления, выполненный по одному из вариантов осуществления изобретения. Такой насос 1 высокого давления может быть выполнен прежде всего в виде радиально-поршневого или рядного поршневого насоса. Подобный насос 1 высокого давления наиболее пригоден для применения в качестве топливного насоса в системах впрыскивания топлива в ДВС с самовоспламенением от сжатия (дизельные двигатели). Предпочтительной областью применения насоса 1 высокого давления являются системы впрыскивания топлива с общей топливной магистралью высокого давления (системы "common rail"), в которой аккумулируется дизельное топливо под высоким давлением. Однако предлагаемый в изобретении насос 1 высокого давления пригоден и для применения в иных системах. Особо следует при этом отметить возможность применения насоса 1 высокого давления и в качестве поршневого насоса для нагнетания, соответственно подачи пригодных для перекачивания жидкостей, в том числе и жидкостей, отличных от топлива.
Насос 1 высокого давления имеет корпус, на котором смонтирована головка 2 цилиндра. Головка 2 цилиндра имеет выступ 3, который проходит в отверстие в корпусе насоса высокого давления. В выступе 3 при этом выполнено цилиндрическое отверстие 4, в котором с возможностью направленного перемещения вдоль оси 7 установлен плунжер 5 насосного узла 6.
Насос 1 высокого давления имеет, кроме того, приводной вал 8 с предусмотренным на нем кулачком 9. Кулачок 9 при этом может быть также выполнен в виде многопрофильного кулачка или может быть образован эксцентричным участком приводного вала 8. При работе приводной вал 8 вместе с кулачком 9 вращаются вокруг оси 10. Между плунжером 5 насосного узла 6 и кулачком 9 существует кинематическая связь 11, условно обозначенная двунаправленной стрелкой 11. Приводное усилие от кулачка 9 на плунжер 5 может передаваться, например, через опорный башмак и установленный в нем опорный ролик. Возврат плунжера 5 может происходить под действием его пружины приемлемой жесткости.
Таким путем обеспечивается приведение в действие насосного узла 6 от кулачка 9 приводного вала 8. В зависимости от конструктивного исполнения насоса 1 высокого давления кулачком 9 могут приводиться в действие и другие насосные узлы. Помимо этого на приводном валу 8 могут быть также предусмотрены другие кулачки, предназначенные для приведения в действие других насосных узлов. Тем самым в зависимости от конструктивного исполнения возможна реализация насоса 1 высокого давления в виде радиально-поршневого или рядного поршневого насоса.
Плунжер 5 ограничивает в цилиндрическом отверстии 4 надплунжерное пространство 12. Для подвода в него топлива служит подводящий канал 13, в который топливо подается топливоподкачивающим насосом. В этом подводящем канале 13 предусмотрены первый дроссель 14 и второй дроссель 15. Подводящий канал 13 ведет в полость 16 низкого давления, образованную выемкой 17 в головке 2 цилиндра.
Насос 1 высокого давления имеет впускной (или всасывающий) клапан 20. Полость 16 низкого давления является при этом частью такого впускного клапана 20. Впускной клапан 20 интегрирован в головку 2 цилиндра. Впускной клапан 20 расположен при этом в выемке 17 в головке 2 цилиндра. Выемка 17 закрыта резьбовой заглушкой 21. Тем самым и полость 16 низкого давления изолирована от окружающего пространства. Резьбовая заглушка 21 через клапанную деталь 22 воздействует на корпус 23 впускного клапана. Резьбовая заглушка 21 ввернута в головку 2 цилиндра и тем самым прижимает корпус 23 впускного клапана к выполненной в головке 2 цилиндра опорной поверхности 24. В соответствии с этим резьбовая заглушка 21, клапанная деталь 22 и корпус 23 впускного клапана 20 неподвижно зафиксированы в головке цилиндра. Помимо этого резьбовая заглушка 21 и клапанная деталь 22 выполнены из ферромагнитного материала.
В корпусе 23 впускного клапана установлен его направленно перемещающийся в этом корпусе шток 25. Шток 25 взаимодействует при этом по плотной посадке с образованной на корпусе 23 впускного клапана опорной, или уплотнительной, поверхностью 26 с образованием герметичного седла. При этом шток 25 усилием пружины 27 прижимается к опорной поверхности 26. Пружина 27 воздействует при этом через клапанный элемент 28 и установочную шайбу 29 на якорь 30. Якорь 30 выполнен в виде втягивающегося якоря 30. Втягивающийся якорь 30 соединен со штоком 25. Таким путем шток 25 впускного клапана нагружается усилием предварительного сжатия пружины 27. Шток 25, клапанный элемент 28, установочная шайба 29 и втягивающийся якорь 30 впускного клапана 20 являются подвижными элементами, которые при срабатывании впускного клапана 20 перемещаются для его открытия.
Впускной клапан 20 имеет, кроме того, электромагнит 31 с катушкой 32. Катушка 32 токопроводящими контактными штифтами 33, 34 электрически соединена с контактными штырьками 35, 36 штекерного разъема 37. Штекерный разъем 37 обеспечивает при этом возможность соединения с блоком 38 управления. Блок 38 управления служит в рассматриваемом варианте системой 38 управления. Такая система 38 управления может быть также интегрирована в центральный блок управления. С блоком 38 управления соединен датчик 39 угла поворота, регистрирующий мгновенный угол поворота приводного вала 8 и выдающий соответствующий сигнал в блок 38 управления. Между зарегистрированным углом поворота приводного вала и мгновенным положением плунжера 5 существует прямая связь. На основании угла поворота приводного вала можно прежде всего определять, находится ли плунжер 5 в своей верхней мертвой точке, в которой ход плунжера максимален, а объем надплунжерного пространства 12 минимален. Соответственно можно определять, находится ли плунжер 5 в своей нижней мертвой точке, в которой ход плунжера минимален, а объем надплунжерного пространства 12 максимален.
При подаче электрического тока на катушку 32 электромагнита создается магнитное поле. Такое магнитное поле исходит от электромагнита 31 и может при этом усиливаться ферромагнитой резьбовой заглушкой 21. Магнитная цепь проходит, кроме того, через клапанную деталь 22, втягивающийся якорь 30 впускного клапана 20 и при определенных условиях через другие ферромагнитные элементы обратно к резьбовой заглушке 21. Между втягивающимся якорем 30 и клапанной деталью 22 при этом предусмотрен зазор 40. Такой зазор 40, во-первых, обеспечивает подвижность втягивающегося якоря 30, а тем самым и возможность перемещения штока 25 для приведения в действие впускного клапана 20. Во-вторых, в качестве зазора 40 остается по меньшей мере остаточный воздушный зазор во избежание так называемого эффекта магнитного залипания втягивающегося якоря 30 на клапанной детали 22 во включенном состоянии электромагнита. Наличие такого остаточного воздушного зазора прежде всего позволяет при обесточивании катушки 32 электромагнита практически без задержки передавать усилие пружины 27 на шток и благодаря этому обеспечить практически мгновенное закрытие впускного клапана 20. Максимальная ширина зазора 40 определяется суммой из ширины требуемого рабочего воздушного зазора и ширины остаточного воздушного зазора. Регулировка ширины остаточного воздушного зазора и ширины рабочего воздушного зазора возможна путем надлежащего подбора клапанного элемента 28 и установочной шайбы 29. Путем прежде всего подбора толщины установочной шайбы 29 можно отрегулировать ширину рабочего воздушного зазора на требуемую. Толщиной установочной шайбы 29, таким образом, определяется ход штока 25. Таким путем при неизменной геометрии в зоне опорной поверхности 26 седла можно изменять проходное сечение щели, образующейся вблизи этой опорной поверхности 26 седла при открытии впускного клапана, а тем самым и регулировать возможный расход жидкости, поступающей в надплунжерное пространство 12 при открытом герметичном седле. Благодаря этому возможна настройка впускного клапана 20 под конкретные условия его применения.
Тем самым приведением в действие впускного клапана 20 можно подавать топливо из полости 16 низкого давления в надплунжерное пространство 12. Приведение в действие впускного клапана 20 происходит при этом при совершении плунжером 5 хода всасывания. При совершении плунжером 5 хода нагнетания впускной клапан 20 преимущественно закрыт. В результате находящееся под высоким давлением топливо через выпускной (или нагнетательный) клапан 41, который может быть выполнен в виде направляющего, соответственно обратного клапана, поступает в топливопровод 42 высокого давления. Топливопровод 42 высокого давления соединен, например, с общей топливной магистралью высокого давления.
В том случае, когда впускной клапан 20 открывается по достижении плунжером 5 положения, примерно соответствующего его верхней мертвой точке, и закрывается по достижении плунжером 5 своей нижней мертвой точки, обеспечивается возможность полного наполнения надплунжерного пространства 12 топливом. Однако управление впускным клапаном 20 со стороны системы 38 управления может происходить независимо от хода, соответственно от мгновенного положения плунжера 5 в фазе всасывания. Таким путем можно также реализовать частичное наполнение надплунжерного пространства топливом. Для этого существует несколько возможностей, которые при необходимости можно также комбинировать между собой.
Одна из таких возможностей заключается в сокращении длительности открытого состояния впускного клапана 20 настолько, чтобы он вновь закрывался перед достижением плунжером 5 своей нижней мертвой точки. В другом варианте длительность открытого состояния впускного клапана 20 можно также увеличивать настолько, чтобы он оставался открытым и после достижения плунжером своей нижней мертвой точки. Впускной клапан 20 в этом случае закрывается только после достижения плунжером своей нижней мертвой точки, и поэтому часть топлива при перемещении плунжера 5 в противоположном направлении вытесняется из надплунжерного пространства 20 обратно через впускной клапан 20. Другая часть топлива в этом случае нагнетается по топливопроводу 42 высокого давления. Тем самым уменьшается количество топлива, подаваемое в целом по топливопроводу 42 высокого давления за один ход плунжера.
Необходимо отметить, что при этом не происходит никакого перепуска топлива в бак или аналогичную емкость. Помимо этого таким путем при определенных условиях удается улучшить шумовые характеристики благодаря ослаблению пульсации давления. Соответствующая настройка при этом возможна с помощью дросселей 14, 15.
Еще одна возможность по обеспечению частичного наполнения надплунжерного пространства топливом заключается в открытии впускного клапана не сразу же по достижении плунжером 5 своей верхней мертвой точки. Таким путем обеспечивается совершение плунжером 5 определенного холостого хода, в результате чего уменьшается количество топлива, втекающего в целом в надплунжерное пространство 12 через проходное сечение щели, образующейся при открытом герметичном седле.
При этом с помощью одного или нескольких предусматриваемых перед впускным клапаном 20 дросселей 14, 15, соответственно демпфирующих объемов можно эффективно уменьшать колебания давления по амплитуде и частоте и положительно влиять на регулирование расхода. Дроссели обеспечивают при этом возможность значительного частичного отражения волн давления и разрежения и незначительного их гашения. Демпфирующие же объемы обеспечивают возможность частичного отражения волн давления и разрежения в меньшей степени и их гашения в большей степени. Степень частичного отражения волн давления и разрежения и степень их гашения зависят от геометрических параметров конкретного демпфирующего объема. При открытии и закрытии впускного клапана 20 или при определенных условиях нескольких выполненных соответственно ему впускных клапанов возникают волны давления и разрежения, распространяющиеся до топливоподкачивающего насоса, прежде всего до топливного электронасоса, и отражающиеся в этом месте. Отраженные волны могут вновь достигать впускного клапана 20 помимо прочего в процессе его открытия и тем самым дополнительно влиять на количество находящегося в надплунжерном пространстве топлива, что может приводить к колебаниям объемной подачи (или производительности) насоса высокого давления. Демпфирующие объемы и дроссели 14, 15 в подводящем канале 13 и их настройка позволяют подавлять такие волны давления настолько, что обеспечивается равномерная подача топлива насосом 1 высокого давления в определенных пределах допуска. Конструктивное исполнение и размеры зависят при этом от области применения насоса 1 высокого давления и от его привязки к топливоподкачивающему насосу.
Тем самым удается эффективным путем реализовать впускной клапан 20, который закрыт в обесточенном состоянии (нормально закрытый впускной клапан). Такой впускной клапан 20 интегрирован в головку 2 цилиндра. При этом может использоваться принцип втягивающегося якоря, благодаря чему удается добиться быстрого открытия и закрытия впускного клапана 20. Помимо этого дросселирование на линии всасывания может быть перенесено в рабочий цилиндр, в котором целенаправленно используется выделение воздуха. Необходимую динамику можно обеспечить, предусмотрев одно или несколько соединительных отверстий. Соответственно высокое усилие предварительного сжатия пружины 27 позволяет добиться достаточно высокой динамики закрытия впускного клапана. Охлаждение электромагнита 31 с его катушкой 32 можно обеспечить путем их обтекания топливом.
Изобретение не ограничено описанными выше вариантами его осуществления.