ПОРШНЕВОЙ НАСОС ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ
PISTON LIQUID SUPPLY PUMP

Изобретение относится к поршневому насосу со служащим для подачи жидкости поршнем, выполненным с электромагнитным приводом, опирающимся на возвратную пружину, а также с амортизатором ударов, выполненным из эластомера, для амортизации удара поршня в конце фазы подачи, а также с находящимся напротив поршня центральным фланцем, причем между поршнем и центральным фланцем имеется зазор, который зависит от положения поршня.
Поршневые насосы используются, например, для обеспечения жидким топливом автомобильной системы нагрева. Они могут подавать за единицу времени точно отмеренное количество жидкости, например топлива. Благодаря этому при использовании в автомобильной системе нагрева достигается стабильная эксплуатация при одновременной отдаче желаемого количества тепла.
Внутри поршневого насоса поршень движется в осевом направлении периодически возвратно-поступательно и с каждым периодом подает точно отмеренное количество жидкости, например топлива. Из-за осциллирующего поршня при ударе в его конечных положениях возникает «лязгающий» шум удара, отчего современные поршневые насосы оптимизированы не только под точное дозирование количества подачи, но и относительно возникающих рабочих шумов. При достижении соответствующего осевого конечного положения поршня шум удара уменьшается благодаря так называемым амортизаторам ударов, причем эти амортизаторы ударов поглощают кинетическую энергию поршня. Эти амортизаторы ударов выполнены обычно из эластомера.
Недостатком при этом является то, что эластомеры при температурах, ниже их температуры перехода в стеклообразное состояние, затвердевают, вследствие чего усиливается шум ударов поршня, так как его энергия удара поглощается не так хорошо.
DE 1966459 A описывает насос для подачи жидкости, в котором амортизаторы ударов реализуются благодаря использованию сжимаемости гидравлических буферов (подушечного слоя) поданной жидкости.
DE 102005025505 A1 описывает приспособление для амортизации конечного упора гидравлического цилиндра гидравлическим буфером.
Такая амортизация, которая сама по себе эффективна и при низких температурах, требует, тем не менее, сравнительно дорогостоящих конструктивных мер, так что в основном стремятся придерживаться принципа амортизации эластомерами.
Задача изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать поршневые насосы данного типа таким образом, что вышеуказанная проблема будет устранена, и малошумящая подача жидкости будет возможна также при температурах, ниже температуры перехода в стеклообразное состояние амортизатора ударов.
Эта задача решается за счет признаков независимых пунктов формулы изобретения.
Преимущественные варианты реализации и варианты развития изобретения следуют из зависимых пунктов.
Поршневой насос согласно изобретению основывается на уровне техники данного типа за счет того, что кинетическая энергия поршня во время раннего интервала подачи фазы подачи поглощается в основном возвратной пружиной и подачей жидкости и что кинетическая энергия поршня во время позднего интервала подачи фазы подачи поглощается в основном благодаря гидравлической амортизации жидкости, имеющейся в зазоре. Если температура внутри поршневого насоса лежит ниже температуры перехода в стеклообразное состояние амортизатора ударов, то эластичность амортизатора ударов сильно ограничена. В этом состоянии амортизатор ударов не может более поглощать кинетическую энергию поршня в конце фазы подачи. Поданная жидкость может быть использована, чтобы поглощать часть кинетической энергии поршня в позднем интервале подачи фазы подачи с помощью гидравлического буфера, который тормозит движение поршня в поршневом насосе. Гидравлический буфер оказывает при этом гидравлическую амортизацию на поршень и создает свое амортизирующее воздействие идеальным образом только незадолго перед достижением конечного упора, чтобы не влиять отрицательно на рабочий цикл поршневого насоса. Гидравлический буфер возникает, когда в позднем интервале подачи фазы подачи жидкость между поршнем и центральным фланцем незадолго перед достижением конечного положения сжимается. Это означает, что амортизатор ударов из эластомера должен поглощать меньше кинетической энергии поршня, так как часть кинетической энергии поршня поглощается благодаря гидравлической амортизации жидкости, имеющейся в зазоре между поршнем и центральным фланцем. Это приводит к явному уменьшению шума ударов осциллирующего поршня при низких температурах и является простой экономичной конструктивной мерой, для которой не требуются никакие дополнительные конструктивные элементы.
Оптимизация обтекаемости может успешно происходить вследствие того, что имеющийся между центральным фланцем и поршнем зазор минимизируется, чтобы создать гидравлическую амортизацию для торможения поршня перед касанием амортизатора ударов при его конечном упоре в конце фазы подачи. Минимизация означает снижение величины зазора до значения, которое еще предотвращает касание поршня и центрального фланца при соблюдении производственных допусков. Обычно между центральным фланцем и поршнем в каждом положении поршня имеется заполненный жидкостью зазор, который предотвращает геометрическое замыкание между поршнем и центральным фланцем. Минимальное расстояние между центральным фланцем и поршнем в конце фазы подачи рассчитывается с запасом, что дает преимущество большому производственному допуску. Если размер зазора уменьшается, то необходим меньший производственный допуск. Если поршень движется к центральному фланцу, то поршень вытесняет имеющуюся в этой области жидкость. Вытесненная жидкость должна течь через зазор между центральным фланцем и поршнем, который при достижении конечного упора в конце фазы подачи достигает своего минимального размера. С уменьшением площади поперечного сечения зазора в плоскости, перпендикулярной направлению движения поршня, при этом создается возрастающая гидравлическая амортизация, которая преобладает над поглощением кинетической энергии поршня во время позднего интервала подачи фазы подачи, когда зазор становится достаточно узким. В частности, следует заметить, что эффект гидравлической амортизации зависит, среди прочего, от вязкости жидкости и поэтому увеличивается с понижением температуры.
Выгодным образом может быть предусмотрено, что для амортизации ударов поршня в конце фазы подсоса предусмотрен выполненный из эластомера амортизатор ударов. По конструктивным причинам поршень при его осциллирующем движении достигает две конечные упорные точки. Упор поршня в конце фазы подсоса также способствовал бы нежелательному возникновению шумов поршневого насоса, если бы поршень не амортизировался. Поэтому в точке упора в конце фазы подсоса ставится выполненное из эластомера круглое уплотнительное кольцо достаточного размера, служащее для амортизации ударов, которое может поглощать энергию ударов поршня. В этой точке удара поршневого насоса имеется больше рабочего пространства, вследствие чего может быть использован больший по размеру амортизатор ударов, который и при температурах, ниже температуры перехода в стеклообразное состояние эластомера, поглощает достаточное количество кинетической энергии, чтобы гарантировать малошумную работу поршневого насоса.
Предпочтительно может быть предусмотрено, что для амортизации производимых поршневым насосом пульсаций в подающем трубопроводе предусмотрен амортизирующий элемент, содержащий эластомер. За счет осциллирующего движения поршня и связанной с этим пульсирующей подачи могут возникнуть нежелательные пульсации в подающем трубопроводе. В экстремальном случае они могут даже воспрепятствовать стабильной эксплуатации приборов, снабжаемых подающей жидкостью, например автомобильной системы нагрева.
Чтобы использовать эффект гидравлического демпфирования, целесообразным образом предусмотрено, что ширина зазора между поршнем и центральным фланцем в радиальном направлении перпендикулярно осевому направлению движения поршня в конце фазы подачи лежит в пределах от 1,0 до 0,1 мм. Так как с уменьшением ширины зазора возрастает величина гидравлической амортизации, то более узкий зазор создает предпосылки для более сильной гидравлической амортизации. Нижняя граница ширины зазора устанавливается при этом как следствие разбросов, возникающих во время производства, так как следует избегать геометрического замыкания между поршнем и центральным фланцем. Разумная верхняя граница ширины зазора задается требуемой силой гидравлической амортизации и находится под влиянием соответствующей конструкции поршневого насоса. Например, при различных конструкциях важной является различная масса поршня.
Предпочтительно предусмотрено, что ширина зазора между поршнем и центральным фланцем в радиальном направлении перпендикулярно осевому направлению движения поршня в конце фазы подачи лежит в пределах от 0,5 до 0,3 мм.
Поршневой насос может быть выгодным образом предусмотрен в подающем трубопроводе автомобильной системы нагрева для подачи жидкого топлива.
Предпочтительный вариант реализации изобретения поясняется ниже в качестве примера, на основании чертежей.
На них показано следующее:
Фиг.1: схематичный разрез поршневого насоса,
Фиг.2: блок-схема, которая делает наглядной автомобильную систему нагрева, содержащую поршневой насос согласно изобретению.
Представленный на фиг.1 поршневой насос 16 предназначен для того, чтобы подавать жидкость, например топливо, в направлении, указанном стрелкой, от впускного устройства 18, соединенного с резервуаром, к выпускному устройству 20, обычно соединенному с подающим трубопроводом. Далее, под словом «слева» на фиг.1 понимается выходная сторона, а под словом «справа» - входная сторона поршневого насоса.
Поршневой насос 16 содержит возвратную пружину 26, обмотку 22, электрический присоединительный элемент 42, клапан 32 подсоса, подающую камеру 30, насосную камеру 56, два амортизатора 46, 48 ударов из эластомера, амортизирующий элемент 34 в элементе 44 корпуса с эластомером 36, камерой 38 и множеством равномерно распределенных вокруг продольной оси поршневого насоса 16 отверстий 40, а также поршень 24 со штоком 52, образующим его центральную продольную ось, с трубкой 54, которая охватывает шток 52 на правой стороне поршня, а также с обратным клапаном 28, который расположен на правом конце трубки 54. Отдельные составные части поршня 24 жестко соединены друг с другом, только обратный клапан 28 обычно содержит подвижные части. Трубка 54 имеет, далее, отверстие 58, которое соединяет объем внутри трубки с объемом в области центрального фланца 50 и, таким образом, обеспечивает соединение между подающей камерой 30 и насосной камерой 56, когда открыт обратный клапан 28.
Цикл подачи поршневого насоса 16 может быть разделен на фазу подачи и фазу подсоса, причем фиг.1 представляет собой состояние к началу фазы подачи. К электрическому присоединительному элементу 42 соответствующим образом подается напряжение, вследствие чего по обмотке 22 проходит ток. Обмотка 22 создает магнитное поле, и электромагнитная сила перемещает поршень 24 вправо. При этом поршень сжимает имеющуюся в подающей камере 30 жидкость, а обратный клапан 28 открывается по причине повышающегося давления. Жидкость внутри подающей камеры может течь только через внутреннее пространство трубки 54 и имеющееся в трубке отверстие 58 в область центрального фланца 50. Одновременно поршень 24 имеет на левой стороне открытым выпускное устройство 20, через которое вытесненный в подающей камере 30 поток жидкости может быть вытолкнут из поршневого насоса 24. Поршень двигается до своей правой упорной точки на амортизаторе 46 ударов, причем имеющийся в подающей камере 30 объем жидкости полностью подается в насосную камеру 56, и фаза подачи заканчивается. В фазе подачи из выхода 20 не выталкивается никакая жидкость.
Фаза подсоса начинается с окончанием подачи тока на обмотку 22. Возвратная пружина 26 давит на поршень 24 влево. По причине возникающего в подающей камере 30 разрежения обратный клапан 28 закрывается, а клапан 32 подсоса открывается, вследствие чего новая подаваемая жидкость всасывается через впускное устройство 18 и заново заполняет подающую камеру. В этой фазе жидкость выталкивается на выпускном устройстве 20, так как объем насосной камеры 54 во время фазы подсоса уменьшается вследствие движения поршня 24. Фаза подачи заканчивается, когда поршень 24 снова достиг своего показанного исходного положения и подающая камера полностью заполнена. Кинетическая энергия поршня 24 в конце фазы подсоса поглощается амортизатором ударов из эластомера 48.
В зависимости от температуры можно различить два разных случая. Если температура лежит выше температуры перехода в стеклообразное состояние выполненного из эластомера амортизатора 46 ударов, то амортизатор 46 ударов может с небольшим шумом поглотить энергию удара поршня 24 в конце фазы подачи. Амортизация шумов поршневого насоса 16 происходит известным образом.
Если, однако, температура лежит ниже температуры перехода в стеклообразное состояние выполненного из эластомера амортизатора 46 ударов, то он уже не может полностью самостоятельно поглотить энергию ударов поршня 24 по причине его пониженной эластичности. Без оптимизации согласно изобретению это становится заметным по явно более громкому шуму от удара поршня 24. Оптимизация может происходить, в частности, за счет уменьшения ширины зазора, который имеется в конце фазы подачи между центральным фланцем 50 и поршнем 24. Под шириной зазора понимается расстояние между центральным фланцем 50 и поршнем 24 в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Чтобы иметь пользу от эффекта гидравлической амортизации, ширина зазора в радиальном направлении между поршнем 24 и центральным фланцем 50 в конце фазы подачи должна составлять порядка 1,0-0,1 мм, предпочтительно между 0,5 и 0,3 мм.
За счет магнитного поля обмотки 22 к поршню 24 подводится энергия, которая частично накапливается в возвратной пружине 28, частично присутствует в виде кинетической энергии поршня, а частично расходуется при подаче жидкости. Вследствие движения поршня 24 расстояние между центральным фланцем 50 и поршнем 24 во время фазы подачи непрерывно уменьшается. В позднем интервале фазы подачи, незадолго перед окончанием фазы подачи, жидкость должна быть выдавлена через очень узкий зазор. Вследствие этого в этой области возникает гидравлическое давление, которое поглощает другую часть кинетической энергии поршня 24 и преобразует в тепло. Гидравлическое давление создается за счет вытеснения жидкости из области между центральным фланцем 50 и поршнем 24 через поршень 24. Гидравлический буфер образуется между поршнем 24 и центральным фланцем 50, что дополнительно тормозит движение поршня 24 к возвратной пружине. В создание гидравлического буфера особенно вносит вклад та часть жидкости, которая подается в конце фазы подачи из камеры 30 подачи в насосную камеру 56 и при этом выходит через отверстие 58 из трубки 54 в область центрального фланца 50. Величина этого гидравлического давления и, тем самым, поглощенное количество энергии сильно зависит от ширины зазора в плоскости перпендикулярно направлению движения поршня 24 и от вязкости жидкости. При подходящем выборе размера зазора может быть достигнуто то, что в позднем интервале фазы подачи кинетическая энергия поршня преобразуется в тепло в основном за счет гидравлического давления. В поршневом насосе без оптимизации согласно изобретению, также и в позднем интервале фазы подачи гидравлическое давление не является преобладающим, и поглощается меньше кинетической энергии. Гидравлическая амортизация разгружает таким образом амортизатор 46 ударов, который должен поглощать меньше кинетической энергии. Шум ударов поршня по амортизатору ударов гасится, таким образом, также при низких температурах. В частности, возрастает интенсивность гидравлической амортизации с понижением температуры, в то время как амортизатор 46 ударов из эластомера может поглотить меньше кинетической энергии, так как он затвердевает.
Гидравлическая амортизация, которая тормозит поршень 24, не мешает работе поршневого насоса, так как она сильно зависит от вязкости жидкости и может принять существенное значение только незадолго перед тем, как будет достигнут конечный упор в конце фазы подачи.
Нежелательные пульсации в подающем трубопроводе могут быть уменьшены за счет амортизирующего элемента 34, который содержит эластомер 36. Если, например, жидкое топливо выходит через отверстие 40 и вступает в контакт с эластомером 36, то эластомер 36 расширяется в соседнюю камеру 38, предусмотренную в элементе 44 корпуса. Для этого требуется только определенное противодавление жидкого топлива. Пульсации в трубопроводе могут быть амортизированы за счет эластичности эластомера 36.
Фиг.2 показывает блок-схему, содержащую автомобильную систему нагрева, включающую в себя поршневой насос согласно изобретению. Представленная автомобильная система 10 нагрева может быть, например, дополнительной или штатной системой нагрева. Топливо подается из топливного бака через поршневой насос 16 на горелку / блок теплообменника 14.
Раскрытые в предыдущем описании и чертежах, а также в формуле изобретения признаки изобретения могут быть существенны для осуществления изобретения как по отдельности, так и в любой комбинации друг с другом.
Список обозначений:
10 - Автомобильная система нагрева.
12 - Топливный бак.
14 - Горелка/блок теплообменника.
16 - Поршневой насос.
18 - Впускное устройство.
20 - Выпускное устройство.
22 - Обмотка.
24 - Поршень.
26 - Возвратная пружина.
28 - Обратный клапан.
30 - Подающая камера.
32 - Клапан подсоса.
34 - Амортизирующий элемент.
36 - Эластомер.
38 - Камера.
40 - Отверстие.
42 - Электрический присоединительный элемент.
44 - Элемент корпуса.
46 - Амортизатор ударов из эластомера.
48 - Амортизатор ударов из эластомера.
50 - Центральный фланец.
52 - Шток.
54 - Трубка.
56 - Насосная камера.
58 - Отверстие.