ТОПЛИВОПОДКАЧИВАЮЩИЙ НАСОС ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FUEL FEED PUMP FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, более конкретно к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в устройствах, обеспечивающих подачу топлива к топливовпрыскивающей аппаратуре.
Известен топливоподкачивающий насос (далее ТПН) поршневого типа двойного действия, установленный на топливном насосе высокого давления (ТНВД) типа УТН-5 (А.А.Зарин, А.Э.Зарин, В.Е.Логинов, М.П.Пшеноков. Справочник слесаря по топливной аппаратуре двигателей. - М.: Машиностроение, 1990, с.144-145, рис.5.23). ТПН содержит корпус, в котором размещен нагнетающий поршень. Имеются линии подвода и нагнетания топлива с всасывающим и нагнетательным клапанами. Нагнетающий поршень с одной стороны поджат пружиной, а с другой стороны взаимодействует со штоком, который упирается в толкатель. ТПН снабжен насосом ручной прокачки топлива. ТНВД типа УТН-5 обычно применяют на тракторах. Топливные баки на тракторах в основном располагают выше ТНВД, поэтому топливо самотеком попадает на линию подвода ТПН. При такой компоновке ТПН всегда заполнен топливом и даже при сильном износе, с учетом того, что подача ТПН превышает в 10-25 раз фактическую подачу ТНВД на номинальном режиме, в состоянии подпитывать ТНВД. Однако, если установить ТНВД выше уровня топливного бака, возможен случай, когда топливо при остановке двигателя из ТПН стечет обратно в топливный бак. И для запуска двигателя каждый раз придется заполнить систему топливом вручную, при помощи узла ручной прокачки. Обусловлено это тем, что ТПН, установленный на ТНВД (типа УТН-5), имеет несовершенную систему уплотнения линий подвода и нагнетания топлива. На этом ТПН не предусмотрены седла, которые запрессовывались бы в корпус и имели бы отшлифованные рабочие торцы. Уплотнения производятся при помощи двух пластмассовых клапанов, которые своими рабочими торцевыми поверхностями, выполненными в виде плоских кольцевых поверхностей, прижимаются при помощи пружин к плоским поверхностям, выполненным в корпусе и соединенным с линиями подвода и нагнетания топлива. Уплотняющие поверхности в корпусе выполнены при помощи лезвийного режущего инструмента, поэтому не обладают должной чистотой и точностью. А клапана изготовлены методом литья на термопластавтомате, вследствие чего рабочие торцы выполнены с невысокой точностью. Необходимо учитывать и то, что ширина плоской кольцевой поверхности на торце пластмассового клапана, по которой происходит уплотнение, довольно велика по величине. В связи с этим велика вероятность попадания под кольцевую поверхность абразивных частиц, которые при остановке двигателя будут удерживать клапан приподнятым, и топливо будет стекать в бак. Другой существенный недостаток ТПН заключается в неравномерности подачи топлива, вследствие чего ухудшается наполнение ТНВД.
Наиболее близким к заявляемому является ТПН поршневого типа двойного действия (А.П.Пехальский, И.А.Пехальский. Устройство автомобилей. М.: Издательский центр «Академия», 2006, с.207-208, рис.9.2), установленный выше уровня бака на ТНВД двигателей ЯМЗ-236 и КамАЗ-740.10. ТПН содержит корпус с рабочей полостью, сообщенной с линиями подвода и нагнетания топлива через всасывающий и нагнетательный клапаны соответственно. На линиях подвода и нагнетания топлива запрессованы седла с чисто обработанными рабочими торцами. В рабочей полости размещен нагнетающий поршень, свободно сопряженный с одной стороны со штоком роликового толкателя, а с другой - с возвратной пружиной. ТПН содержит также крышку рабочей полости со стороны возвратной пружины и узел ручной прокачки топлива со штоком, поршеньком и элементами фиксации штока. ТПН обладает более совершенной системой уплотнения линий подвода и нагнетания топлива за счет запрессованных в корпус седел с чисто обработанными рабочими торцами, хотя пластмассовые клапана изготовлены с невысокой точностью. На этом насосе ширина плоской кольцевой поверхности седла, по которой контактирует клапан, меньше, чем на ТПН, установленных на ТНВД типа УТН-5, поэтому вероятность попадания абразивных частиц под клапан в момент остановки двигателя меньше. Однако ширина плоской кольцевой поверхности остается довольно большой, поэтому вероятность попадания абразивных частиц под клапан довольно высокая. Еще один недостаток ТПН - неравномерность подачи топлива. Это можно пояснить следующим образом. При ходе нагнетающего поршня под действием сжатой пружины теоретическая подача насоса равна
1
2
2
2
2
Q=1/4πDh-1/4πdh=1/47πh(D-d),
а при ходе нагнетающего поршня под действием кулачка вала ТНВД подача равна:
2
2
Q=1/4πDh,
1
где Q - подача ТПН под действием сжатой пружины;
2
Q - подача ТПН под действием кулачка вала ТНВД; D - диаметр нагнетающего поршня; d - диаметр штока роликового толкателя; h - ход нагнетающего поршня.
Далее
1
2
2
2
2
Q/Q=(D-d)/d.
1
2
Для ТПН двигателей ЯМЗ-236 и КАМАЗ-740.10, где D=20 мм, а d=6 мм, имеем: Q/Q=(400-36)/36=91/9, т.е. подача ТПН, когда нагнетающий поршень перемещается под действием сжатой пружины более чем в 10 раз, больше, чем под действием кулачка вала ТНВД. Неравномерность топливоподачи ТПН сильно сказывается на процессе наполнения надплунжерных объемов ТНВД, а это приводит к неодинаковой работе цилиндров дизеля и снижению его ресурса и других технико-экономических показателей. Равномерность подачи ТПН особенно важна для распределительных ТНВД, например НД-21/4, где за один оборот вала ТНВД плунжер совершает четыре возвратно-поступательных движения. Большая неравномерность подачи ТПН вынуждает конструкторов сильно завышать подачу ТПН, обычно подача ТПН превышает в 10-25 раз фактическую подачу ТНВД на номинальном режиме, это ведет к увеличению веса ТПН.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности ТПН за счет увеличения времени, в течение которого ТПН удерживает закаченное топливо, не пропуская его обратно в топливный бак, путем совершенствования системы уплотнения клапанов, а также уменьшения неравномерности подачи ТПН за счет обеспечения одинаковой подачи ТПН при перемещении нагнетающего поршня как под действием кулачка вала ТНВД, так и под воздействием сжатой пружины, и, как следствие, уменьшение веса ТПН.
2
2
Поставленная задача достигается тем, что ТПН для двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей полостью, сообщенной с линиями подвода и нагнетания топлива через всасывающий и нагнетательный клапаны соответственно, размещенный в рабочей полости нагнетающий поршень, свободно сопряженный с одной стороны со штоком роликового толкателя, а с другой - с возвратной пружиной, крышку рабочей полости со стороны возвратной пружины и узел ручной прокачки топлива со штоком, поршеньком и элементами фиксации штока. На рабочих торцах всасывающего и нагнетательного клапанов выполнены, по меньшей мере, два кольцевых выступа треугольной в сечении формы, расположенных концентрично, причем высота выступа большего диаметра больше высоты выступа меньшего диаметра. Диаметры нагнетающего поршня и штока роликового толкателя связаны соотношением: D=2d,
где D - диаметр нагнетающего поршня, a d - диаметр штока роликового толкателя.
Использование кольцевого выступа треугольной в сечении формы для уплотнения линий нагнетания и подвода позволяет многократно уменьшить ширину плоской кольцевой поверхности, по которой происходит контакт клапана и рабочего торца седла, фактически контакт уже происходит по острой кромке. А это приводит к тому, что вероятность попадания абразивных частиц при остановке двигателя под кольцевой выступ клапана многократно меньше, чем у прототипа, а значит, и выше надежность ТПН.
2
2
Применение двух и более кольцевых выступов, высота которых меньше по мере уменьшения диаметра кольцевого выступа, позволяет увеличить ресурс работы ТПН без ухудшения уплотняющей способности клапанов. Объясняется это тем, что по мере износа и ухудшения уплотняющей возможности кольцевого выступа большего диаметра, в контакт вступает кольцевой выступ меньшего диаметра, и кроме того, дополнительно возникает эффект лабиринтного уплотнения. Выполнение диаметра нагнетающего поршня и штока роликового толкателя по соотношению D=2d позволяет обеспечить одинаковую подачу ТПН при перемещении нагнетающего поршня как под действием кулачка валика ТНВД, так и в обратном направлении под воздействием сжатой пружины.
1
2
2
2
2
Действительно Q/Q=(D-d)/d=1.
Уменьшение неравномерности подачи ТПН позволяет уменьшить подачу топлива, и за счет этого снизить вес ТПН. Это можно сделать путем как уменьшения хода нагнетающего поршня, укоротив ТПН в осевом направлении, так и уменьшив диаметр нагнетающего поршня, соответственно уменьшив диаметр корпуса ТПН.
На фиг.1 изображен ТПН, продольный осевой разрез; на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1.
ТПН содержит рукоятку 1, связанную со штоком 2 и поршеньком 3. Пробка 4 имеет направляющее отверстие для штока 2 и резьбовую часть, куда заворачивается рукоятка 1. Поршенек 3 уплотнен резиновым кольцом 5 и перемещается по цилиндру 6. Всасывающий клапан 7, пружина 8 и нагнетательный клапан 9 с пружиной 10 предназначены для пропуска топлива в определенном направлении и уплотнении линии подвода и нагнетания топлива. Резиновая прокладка 11 предназначена для уплотнения ТПН и фиксации «стопорения» рукоятки 1. ТПН снабжен нагнетающим поршнем 12, который приводится в действие с одной стороны от кулачка валика ТНВД (не показано) через роликовый толкатель 13 и шток 14, а с другой стороны - пружиной 15. В корпус 16 прикручена крышка 17, снабженная направляющим отверстием, по которому перемещается нагнетательный клапан 9, а также запрессованы седла 18 с чисто обработанными рабочими торцами. На рабочем торце всасывающего 7 и нагнетательного клапана 9 выполнены кольцевые выступы треугольной в сечении формы большего диаметра 19 и меньшего диаметра 20. ТПН содержит две полости, это - А и Б. Полость А - это объем над нагнетающим поршнем 12, ограниченный клапанами 7 и 9. Полость Б - это объем под нагнетательным поршнем 12.
ТПН работает следующим образом. Для удаления воздуха из системы питания выворачивается рукоятка 1, связанная со штоком 2 и поршеньком 3 из пробки 4. Поршенек 3, уплотненный резиновым кольцом 5, перемещается вручную вверх, по цилиндру 6 при помощи рукоятки 1. При этом в полости А создается разрежение, и всасывающий клапан 7, преодолевая сопротивление пружиной 8, открывается, нагнетательный клапан 9 в это время закрыт, топливо из линии подвода поступает в полость А. При перемещении поршенька 3 вниз всасывающий клапан 7 закрывается, в полости А давление повышается, при этом нагнетательный клапан 9 открывается, преодолевая сопротивление пружины 10, и топливо выдавливается на линию нагнетания. После удаления воздуха рукоятка 1 ввинчивается в резьбовое отверстие пробки 4, при этом поршенек 3 прижимается к резиновой прокладке 11, происходит фиксация рукоятки 1 и уплотнение насоса. Во время работы двигателя нагнетающий поршень 12 приводится в действие с одной стороны от кулачка валика ТНВД (не показано) через роликовый толкатель 13 и шток 14, а с другой стороны - посредством сжатой пружины 15. При перемещении нагнетающего поршня 12 под действием пружины 15 в полости А корпуса 16 создается разрежение, и всасывающий клапан 7, преодолевая сопротивление пружины 8, открывается, нагнетательный клапан 9 в это время закрыт, топливо из линии подвода поступает в полость А. Одновременно из полости Б топливо вытесняется в линию нагнетания. Объем вытесняемого топлива определяется по формуле
1
2
2
Q=1/4πh(D-d)
2
2
При этом D - диаметр нагнетающего поршня и диаметр штока роликового толкателя d связаны соотношением D=2d.
При перемещении нагнетающего поршня 12 под воздействием кулачка валика ТНВД (не показано) происходит сжатие пружины 15, которая с одной стороны упирается в нагнетающий поршень 12, а с другой стороны - в крышку 21. При этом всасывающий клапан 7 закрывается, а нагнетательный клапан 9 открывается, приподнимаясь вверх по направляющему отверстию крышки 17, топливо из полости А частично перетекает в полость Б, а частично вытесняется в линию нагнетания.
2
1
2
2
Объем вытесняемого топлива при этом равен Q=1/4πdh, т.е. Q=Q.
Всасывающий 7 и нагнетательный 9 клапана в момент закрытия своими рабочими торцами прижимаются к седлам 18. При этом определенный промежуток времени уплотнение происходит по острой кромке кольцевого выступа большего диаметра 19, далее в процессе эксплуатации, по мере износа кольцевого выступа 19, в контакт вступает острая кромка кольцевого выступа меньшего диаметра 20 и уплотнение уже происходит по двум кольцевым выступам и дополнительно возникает эффект лабиринтного уплотнения. Затем, по мере износа, в контакт вступают кольцевые выступы еще меньших диаметров. Это позволяет ТПН в течение длительного времени не терять уплотняющей способности. Оптимальным является выполнение клапанов с тремя кольцевыми выступами.
Когда давление в линии нагнетания больше, чем давление, развиваемое пружиной 15, нагнетающий поршень 12 сожмет ее и зависнет, а шток 14 будет перемещаться, не воздействуя на поршень 12, подача ТПН начнет снижаться.