ТОПЛИВНЫЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE FUEL PUMP

Область техники
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к производству топливных насосов высокого давления (ТНВД), преимущественно для аккумуляторных топливных систем.
Предшествующий уровень техники
Известен ТНВД по патенту RU 2369767, состоящий из корпуса, в котором смонтированы кулачковый вал, толкатель, корпус секции с плунжерной парой и штуцером высокого давления, клапаны систем низкого и высокого давления, а также электромагнитного дозатора топлива. Клапан низкого давления (впускной клапан) смонтирован на боковой стороне корпуса секции, являющейся одновременно втулкой плунжера, а нагнетательный клапан размещен в верхней части втулки соосно с плунжером. Недостатком конструкции является наличие электромагнитного клапана управления производительностью и самого электромагнита, требующего дорогостоящего блока электронного управления.
Наиболее близким аналогом заявляемого ТНВД может считаться ТНВД системы Common Rail фирмы L'Orange GmbH серии 4000 (Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов / 2-е изд. - М.: Легион - Автодата, 2005, с.106), содержащий корпус, эксцентриковый вал с поворотными втулками, плунжеры, плунжерные втулки, клапан регулирования производительности с электромагнитом, аккумулятор топлива, впускные и выпускные клапаны, каналы и трубопроводы высокого и низкого давления. К недостаткам данной конструкции можно отнести наличие электронного управления электромагнитом клапана регулирования производительности, ограниченную жесткость приводного вала, а также значительную протяженность каналов высокого давления.
Задачей изобретения является отказ от электронного регулирования производительности ТНВД, уменьшение объема гидроаккумулятора, сокращение длины каналов высокого давления, увеличение жесткости привода.
Раскрытие изобретения
Указанная задача решена в топливном насосе высокого давления, содержащем корпус, плунжерную втулку, по меньшей мере один плунжер с возвратной пружиной, привод возвратно-поступательного движения по меньшей мере одного плунжера, нагнетательный клапан, полости и каналы высокого давления, образующие гидроаккумулятор топлива, а также полости и каналы низкого давления. Согласно изобретению ТНВД содержит золотник, установленный с возможностью сообщения и разобщения полости низкого давления и надплунжерной полости при его прямом и обратном перемещениях, при этом золотник подпружинен в сторону сообщения указанных полостей, а его торец со стороны полости высокого давления ограничивает объем, образующий пружинный гидроаккумулятор.
Пружина золотника выполнена с возможностью его страгивания при давлении топлива в пружинном гидроаккумуляторе, составляющем 0,85 - 0,95 от максимального, а при максимальном давлении - такое перемещение золотника, при котором происходит разобщение полости низкого давления и надплунжерной полости. Это позволяет обеспечить регулировку давления топлива в узком диапазоне. Нижний предел 0,85 от максимального давления выбран исходя из допустимой величины колебаний давления топлива в гидроаккумуляторе, а верхний предел 0,95 выбран исходя из допустимой чувствительности реакции золотника на рост и падение давления от цикла нагнетания и расхода топлива из гидроаккумулятора.
Предпочтительно пружина золотника выполнена с максимально пологой грузовой характеристикой. Это позволяет обеспечить максимальный объем пружинного гидроаккумулятора, который не требует восполнения при пуске двигателя и увеличивает плавность регулирования.
Каналы высокого давления, выполненные в плунжерной втулке, соединяют все плунжерные пары со всеми трубопроводами высокого давления и объемом пружинного гидроаккумулятора. Это позволяет объединить топливный насос с гидроаккумулятором, сократив при этом объем гидроаккумулятора.
Привод возвратно-поступательного движения по меньшей мере одного плунжера выполнен в виде по меньшей мере одного кулачка или по меньшей мере одного эксцентрика с поворотной втулкой. Для размещения мощной пружины гидроаккумулятора наиболее предпочтительно применение торцового кулачка.
Количество плунжеров и взаимодействующих с ними элементов привода выбрано из условия их кратности количеству цилиндров двигателя, для которого предназначен данный насос. Это позволяет уменьшить колебания давления топлива за счет совмещения цикла нагнетания и расходования топлива из гидроаккумулятора. При этом расходование топлива должно происходить в конце цикла нагнетания.
Предпочтительно топливный насос содержит стакан, запрессованный в плунжерную втулку и разделяющий полость низкого давления от остальной полости насоса, связанной со сливным трубопроводом. Это позволяет разгрузить уплотнения от давления топлива и уменьшить последствия их износа.
Предпочтительно топливный насос содержит тарелку пружины золотника, в которой выполнены калиброванные отверстия, при этом указанная тарелка образует со стаканом калиброванный зазор, выполняя функцию гидравлического демпфера.
Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из описания преимущественного варианта его осуществления со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен ТНВД, общий вид в разрезе;
на фиг.2 - ТНВД, вид слева.
Вариант осуществления изобретения
В корпусе 1 (фиг.1) на радиально-упорных подшипниках 2 смонтирован торцовый кулачок 3, связанный через шпонку 4 с приводным шкивом 5, закрепленным винтом 6. Рабочая поверхность 7 торцового кулачка 3 через ролики 8, установленные в подшипниках 9, связана с толкателями 10, расположенными в некруглых отверстиях 11 втулки 12. На боковых поверхностях толкателей 10 и некруглых отверстий 11 под них во втулке 12 выполнены сквозные пазы (не показаны) для перетекания топлива при возвратно-поступательном движении толкателей 10. Осевое смещение торцового кулачка 3 через радиально-упорные подшипники 2 в одну сторону ограничено корпусом 1, а в другую - разрезным гофрированным пружинным кольцом 13 и торцом втулки 12.
В плунжерной втулке 14 выполнены плунжерные отверстия 15, образующие с плунжерами 16 прецизионные пары. Со стороны высокого давления плунжерные отверстия 15 перекрыты плоскими нагнетательными клапанами 17 с пружинами 18.
Со стороны толкателя 10 торец плунжера 16 имеет возможность, выбрав зазор, упираться в плоскость толкателя 10. Возвратная пружина 19 плунжера 16 через скобу 20 и чашечку 21 удерживает плунжер 16 с определенным зазором от плоскости толкателя 10. От радиальной нагрузки плунжер 16 освобождается свободным расположением на плоскости толкателя 10.
В плунжерной втулке 14 установлен штуцер 22, сообщающийся с полостью 23 низкого давления посредством каналов 24, а также выполнены наклонные каналы 25, соединяющие полость 23 низкого давления ТНВД с надплунжерными полостями 26. Эти каналы могут быть частично или полностью перекрыты золотником 27 с конической частью 28, установленным в плунжерной втулке 14 и подпружиненным через тарелку 29 пружиной 30. Для прохода топлива к каналам 25 из полости 23 низкого давления ТНВД в тарелке 29 выполнены отверстия 31. Другой конец пружины 30 через регулировочную шайбу 32 опирается на стакан 33, установленный во втулке 12 и запрессованный в плунжерную втулку 14, отделяя полость 23 низкого давления от остальной полости 34 ТНВД. Полость 34 ТНВД через патрубок 35 и магистраль слива (не показана) связана с топливным баком. Золотник 27 разделяет полость 36 высокого и полость 23 низкого давления ТНВД, поэтому его сопряжение с плунжерной втулкой 14 выполнено прецизионно.
Тарелка 29 с калиброванными отверстиями 31 образует со стаканом 33 калиброванный зазор, выполняя функцию гидравлического демпфера.
Полость гидроаккумулятора состоит из полостей 36 высокого давления, каналов 37 высокого давления, выполненных в плунжерной втулке 14, каналов 38 высокого давления, выполненных в проставках 39, отверстий в трубопроводах 40 высокого давления, соединяющих ТНВД с каждой из форсунок, полостей высокого давления самих форсунок (не показаны), а также рабочей полости пружинного гидроаккумулятора. Пружинный гидроаккумулятор образован подпружиненным золотником 27 и отверстием под него в плунжерной втулке 14.
Штуцеры 41 прижимают трубопроводы высокого давления 40 к проставкам 39 и конусу 42 на плунжерной втулке 14, обеспечивая герметичность каналов высокого давления. Также в плунжерной втулке 14 устанавливается винт 43, который по конической поверхности герметизирует канал 37.
Втулка 12 зафиксирована от проворота относительно плунжерной втулки 14 двумя штифтами (не показаны). Корпус 1 и плунжерная втулка 14 стянуты четырьмя винтами 44 (см. фиг.2), а герметичность полости 34 обеспечивается уплотнительными кольцами 45 (фиг.1) и 46 и манжетой 47. Поскольку полость 34 отделена от полости 23 низкого давления, нарушение герметичности манжеты 47 не приводит к утечке топлива из системы низкого давления.
ТНВД работает следующим образом.
Вращение шкива 5 зубчатым ремнем газораспределительного механизма (не показан) приводит к вращению связанного с ним торцового кулачка 3. Толкатели 10, контактируя с нагнетательными участками рабочей поверхности 7 торцового кулачка 3, через ролики 8, установленные в подшипниках 9, перемещаются в некруглых отверстиях 11 втулки 12, перемещая плунжер 16. При проходе торцом плунжера 16 кромки топливного канала 25 начинается процесс сжатия топлива, и при достижении давлением в надплунжерной полости 26 величины, превышающей давление в гидроаккумуляторе, начинается нагнетание топлива в гидроаккумулятор. В конце хода плунжера 16 нагнетательный клапан 17 под действием пружины 18 садится на торец плунжера 16, вытесняя топливо из зазора между ними. При дальнейшем вращении торцового кулачка 3 возвратная пружина 19 через чашечку 21 и скобу 20 перемещает плунжер 16 вместе с толкателем 10. При этом нагнетательный клапан 17 под действием пружины 18 перемещается вместе с плунжером 16 до посадки на седло, выполненное в плунжерной втулке 14. Дальнейшее движение плунжера 16 отрывает его торец от клапана 17, увеличивая объем надплунжерной полости 26, в которой образуется разрежение до тех пор, пока торец плунжера 16 не пересечет кромку топливного канала 25. При этом топливо, нагнетаемое топливоподкачивающим насосом (не показан) через штуцер 22 и каналы 24 в полость 23 низкого давления, заполняет надплунжерную полость 26.
Поскольку при пуске двигателя давление в гидроаккумуляторе может быть примерно равным давлению в полости 23 низкого давления ТНВД, пружина 30 прижимает тарелку 29 к плунжерной втулке 14. При этом золотник 27 находится в крайнем левом (по фиг.1) положении, и его коническая часть 28 открывает максимальное проходное сечение.
Поскольку объем гидроаккумулятора всего на порядок больше объема топлива, вытесняемого за один цикл нагнетания, а сжимаемость топлива (при отсутствии в системе воздуха) составляет, например, 7% при давлении 200 МПа, то каждый цикл нагнетания увеличивает давление в гидроаккумуляторе примерно на 20%, и за время одного - двух оборотов зубчатого шкива 5 давление в гидроаккумуляторе будет достаточным для срабатывания электроуправляемых форсунок (не показаны) и запуска двигателя.
При достижении давлением в гидроаккумуляторе значения, близкого к рабочему, золотник 27, сжимая пружину 30, под действием этого давления перемещается в сторону перекрытия каналов 25 низкого давления. Это перемещение демпфировано перетеканием топлива через калиброванные отверстия 31 в тарелке 29 и через зазор между тарелкой 29 и стаканом 33. Уменьшение проходного сечения каналов 25 низкого давления в свою очередь уменьшит количество топлива, попадающего в надплунжерную полость 26 и, соответственно, вытесняемого из нее за цикл нагнетания, что снижает производительность ТНВД. Таким образом, производительность ТНВД автоматически регулируется золотником 27, подпружиненным пружиной 30, в зависимости от давления в гидроаккумуляторе, т.е. поддерживается величина давления топлива в заданном узком диапазоне независимо от расхода. Пологая грузовая характеристика пружины 30 обеспечивает плавность регулирования, а также максимальный объем пружинного гидроаккумулятора.
При нулевом расходе топлива из гидроаккумулятора золотник 27 займет положение, при котором каналы 25 низкого давления окажутся полностью перекрыты, и нагнетание топлива не будет происходить. Таким образом, ТНВД компенсирует расход топлива в гидроаккумуляторе без переливного клапана, расходуя минимальное количество энергии.
Выполнение рабочей поверхности 7 торцового кулачка 3 с двумя участками подъема позволяет примерно вдвое сократить ход плунжеров 16 и равномерно нагрузить радиально-упорные подшипники 2 с сохранением момента, необходимого для вращения шкива 5, поскольку уменьшаются углы подъема профиля торцового кулачка 3, но увеличиваются силы инерции от возвратно-поступательного движения толкателей 10 и плунжеров 16, что требует увеличения грузовой характеристики возвратных пружин 19 по сравнению с одним участком подъема на рабочей поверхности 7 торцового кулачка 3. Выбор количества участков подъема и количества плунжеров 16 определяется габаритами ТНВД, требуемой производительностью и необходимым ресурсом его работы, а также количеством цилиндров в двигателе для обеспечения цикла нагнетания при каждом впрыске топлива.
Наличие пружинного гидроаккумулятора позволяет сократить общий объем гидроаккумулятора, поскольку необходимость обеспечения нескольких впрысков топлива за счет гидроаккумулятора на переходных режимах определяет объем гидроаккумулятора, примерно в 100 раз больший, чем объем расходуемого за счет него топлива при допустимом падении давления в гидроаккумуляторе до 10%. Золотник 27, являясь плунжером пружинного гидроаккумулятора, при падении давления в гидроаккумуляторе до 10% вытесняет в него объем топлива, равный произведению площади поперечного сечения золотника на величину его перемещения. Уменьшение объема гидроаккумулятора позволяет сократить количество циклов нагнетания для повышения давления в гидроаккумуляторе до необходимого, что позволит сократить время поддержания высокого давления в системе при выключении двигателя до 1 с и менее.
Кроме этого описанная конструкция позволяет сократить время реагирования системы на падение или рост давления в гидроаккумуляторе и исключить электронное управление дозированием топлива, в котором нет необходимости при использовании форсунок с тремя независимо управляемыми иглами, уменьшить количество соединений трубопровода высокого давления, объединив ТНВД с гидроаккумулятором, сократить до минимума длину каналов высокого давления независимо от количества плунжерных пар и увеличить жесткость приводного вала.