Топливный насос высокого давления автомобильного дизеля

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к топливным насосам высокого давления автомобильных дизелей. Изобретение позволяет повысить экономические и экологические показатели автомобильных дизелей. Топливный насос высокого давления автомобильного дизеля содержит двухплунжерные насосные секции, плунжеры которых кинематически связаны с управляющими рейками и установлены во втулках с возможностью поворота вокруг собственной оси и перемещения вдоль нее под воздействием кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления, полость низкого давления, соединенную с выпускными отверстиями втулок, и надплунжерные рабочие полости. Топливный насос высокого давления автомобильного дизеля дополнительно оснащен электромагнитными исполнительными устройствами, имеющими электромагнитную связь с управляющими рейками. Надплунжерные рабочие полости каждой двухплунжерной насосной секции соединены между собой и через общий нагнетательный клапан связаны с линией высокого давления системы топливоподачи. Причем один из плунжеров каждой двухплунжерной насосной секции оснащен верхней винтовой кромкой, а втулка, в которой установлен другой плунжер с отсечной кромкой, оснащена отсечным отверстием, связанным с полостью низкого давления. Соотношение взаимного расположения впускных отверстий таково, что при синхронном рабочем движении плунжеров обеспечивается возможность приоритетного перекрытия впускного отверстия во втулке плунжера с отсечной кромкой. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливным насосам высокого давления систем подачи топлива автомобильных дизелей.

Известны топливные насосы высокого давления, каждая секция которых содержит по две плунжерных пары [1, стр.52; 2, стр.74], применяемых, например, с целью обеспечения предварительной и основной подач [1, стр. 52] или с целью повышения интенсивности впрыска [3] путем создания начальной скорости топлива в линии высокого давления топлива перед очередным циклом впрыскивания.

Применение двухплунжерных топливных насосов высокого давления по сравнению с одноплунжерными расширяет возможности управления процессом подачи топлива, например, позволяет изменять интервал между предварительной и основной подачами за счет выполнения наполнительных отверстий разных диаметров и различного их размещения по высоте. Величину цикловой подачи регулируют традиционным способом по концу подачи, кроме того, каждая секция независимо одна от другой может быть отрегулирована по геометрическому началу подачи топлива. Однако с целью управления моментом начала впрыскивания топлива одной из секций, а окончание подачи - другой секцией отдельно от первой такие насосы не применялись.

Необходимость осуществления управления моментом начала подачи не только в зависимости от частоты вращения, но и от нагрузки дизеля заставляет исследователей либо применять специальные электронно-управляемые муфты, либо топливные насосы с двумя рейками, либо системы с быстродействующими клапанами аккумуляторного типа, либо с индивидуальными насосами высокого давления.

Однако каждая из названных систем имеет свои недостатки. Так электронно-управляемые муфты, как правило, сложны по конструкции, имеют большое наименование деталей и элементов, включая иногда автономные гидро- или пневмосистемы. Стремление обойтись без таких муфт привело исследователей к созданию двухреечных топливных насосов высокого давления. Но существенным недостатком таких конструкций является сложность основного прецизионного механизма - подвижной в осевом направлении управляемой втулки, что не позволяет обеспечить надлежащую жесткость конструкции, ее надежность. Однако существующая тенденция необходимости повышения давления нагнетаемого топлива приводит к увеличению и жесткости и надежности всех конструкций системы подачи топлива.

Перечисленных недостатков можно избежать, если применить двухплунжерный топливный насос высокого давления (ТНВД), допускающий раздельное управление началом и концом впрыскивания.

Наиболее близкий по конструкции к предлагаемому изобретению является ТНВД, представленный в системе [1, стр.52, прототип].

Он содержит двухплужерные насосные секции, плунжеры которых кинематически связаны с управляющими рейками и установлены во втулках с возможностью поворота вокруг собственной оси и перемещения вдоль нее под воздействием кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления; полость низкого давления, соединенную с впускными отверстиями втулок и надплунжерные рабочие полости.

Недостатком данной конструкции является то, что имеющиеся потенциальные возможности конструкции обеспечить надлежащую жесткость и надежность при нагнетании топлива под повышенным давлением (до 150 МПа) невозможно использовать в достаточной мере в современных системах подачи топлива, так как в известных конструкциях таких ТНВД не обеспечена возможность регулирования момента начала подачи топлива с учетом сразу двух факторов: частоты вращения коленчатого вала дизеля и нагрузки.

Наиболее простой путь обеспечения регулирования момента начала подачи топлива с учетом двух факторов - это применение электронного управления.

Итак, целью изобретения является повышение топливной экономичности и экологических показателей автомобильных дизелей, на которые возможна установка двухплунжерного ТНВД, допускающего возможность раздельного электронного управления моментом начала подачи топлива и моментом окончания.

Указанная цель достигается тем, что топливный насос высокого давления автомобильного дизеля дополнительно оснащен электромагнитными исполнительными устройствами, имеющими электромагнитную связь с управляющими рейками, а надплунжерные рабочие полости каждой двухплунжерной насосной секции соединены между собой и через общий нагнетательный клапан связаны с линией высокого давления системы топливоподачи, причем один из плунжеров каждой двухплунжерной насосной секции оснащен верхней винтовой кромкой, а втулка, в которой установлен другой плунжер с отсечной кромкой, оснащена отсечным отверстием, связанным с полостью низкого давления, при этом соотношение взаимного расположения впускных отверстий таково, что при синхронном рабочем движении плунжеров обеспечивается возможность приоритетного перекрытия впускного отверстия во втулке плунжера с отсечной кромкой.

Однако двухплунжерный ТНВД, оба плунжера всех секций которого приводятся в действие от одного кулачкового вала, имеет увеличенные габаритные размеры по оси кулачкового вала. В этом случае, во-первых, по условиям компоновки, во-вторых, по причине недостаточной жесткости кулачкового вала применение предлагаемого ТНВД может оказаться ограниченным.

В связи с этим может быть предложена конструкция двухплунжерного насоса высокого давления автомобильного дизеля, который дополнительно оснащен кулачковым валом, кулачки которого состыкованы с толкателями плунжеров, оснащенных верхними винтовыми кромками, и вращение которого синхронизировано с вращением другого кулачкового вала параллельно данному.

Кроме того, одним из недостатков предлагаемых схем двухплунжерных ТНВД является повышенный остаточный объем надплунжерной рабочей полости. Этого недостатка можно избежать, если скомпоновать двухплунжерный ТНВД таким образом, чтобы оба плунжера каждой насосной секции были расположены с возможностью согласованного перемещения вдоль одной оси, а рабочие полости соединены в одну.

Таким образом, суть изобретения состоит в том, что использованы возможности конструкции двухплунжерного ТНВД сохранять достаточную для создания высокого давления жесткость и надежность, а также возможность увеличить объемную скорость нагнетания топлива без увеличения скорости перемещения плунжера.

Конструкция предлагаемого ТНВД соответствует критерию “существенные отличия”, поскольку появилась возможность его оснащения электромагнитным управлением обеих реек: как для регулирования момента начала подачи топлива, так и для регулирования момента окончания подачи топлива, поскольку надплунжерные рабочие полости соединены между собой или даже объединены в одну, закрытую общим нагнетательным клапаном, причем управление моментами начала и окончания подачи топлива может осуществляться не только с помощью различных плунжеров, но и от разных кулачковых валов, а расположение плунжеров для обеспечения минимального объема надплунжерной рабочей полости может быть соосным с возможностью их встречного рабочего движения.

На фиг.1 показан разрез ТНВД поперек оси вращения кулачкового вала; на фиг.2 - вид двухплунжерной рабочей секции; на фиг.3 - компоновка ТНВД с двумя кулачковыми валами.

Топливный насос высокого давления автомобильного дизеля состоит из следующих элементов.

В корпусе 1 ТНВД размещены двухплунжерные насосные секции 2 (фиг.1), которые содержат плунжер 3 (фиг.2), оснащенный верхней винтовой кромкой 4, плунжер 5, оснащенный винтовой кромкой 6, кинематически соединенные с управляющими рейками соответственно 7 и 8, причем плунжер 3 установлен во втулке 9, имеющей впускное отверстие 10, а плунжер 5 - во втулке 11, имеющей впускное отверстие 12 и отсечное отверстие 13. Плунжеры 3 и 5 через проставки 14 и толкатели 15 опираются на кулачки 16 кулачкового вала, причем толкатели 15 для надежности контакта с профилем кулачков 16 поджаты пружинами 17. Надплунжерные рабочие полости 18 и 19 соединены каналами 20 и 21 и закрыты общим нагнетательным клапаном 22.

В компоновке ТНВД, оснащенном двумя кулачковыми валами 23, возможен вариант (фиг.3), когда плунжеры 3 и 5 расположены с возможностью перемещения вдоль одной оси, а надплунжерные рабочие полости объединены в одну - 24.

Топливный насос высокого давления автомобильного дизеля работает следующим образом. При повороте кулачкового вала кулачок 16 (фиг.1) перемещает толкатель 15 и плунжер 5 вверх, сжимая пружину 17. Одновременно с плунжером 5 перемещается плунжер 3. Расположение впускных отверстий 10 и 12 (фиг.2) таково, что плунжер 5 первым перекрывает впускное отверстие 12 и топливо из надплунжерной полости 19, вытесняемое плунжером 5, перетекает через каналы 21 и 20 и надплунжерную рабочую полость 18 во впускное отверстие 10 до момента, когда последнее перекроется верхней винтовой кромкой 4 плунжера 3. В результате дальнейшего перемещения плунжеров 3 и 5 вверх в надплунжерных рабочих полостях 18 и 19, соединенных каналами 20 и 21, повысится давление топлива до тех пор, пока усилие, развиваемое от него на нагнетательном клапане 22, не сравняется с усилием предварительной затяжки его пружины, клапан 22 открывается и топливо нагнетается в линию высокого давления до тех пор, пока нижняя винтовая кромка 6 не откроет отсечное отверстие 13. Давление топлива в надплунжерных рабочих полостях 18 и 19 и соединительных каналах 20 и 21 резко снижается и нагнетательный клапан 22 закрывается. Таким образом, момент начала подачи топлива определяется моментом перекрытия отверстия 10 верхней винтовой кромкой 4 плунжера 3, а момент окончания подачи топлива (т.е. отсечки) определяется фактом открытия отверстия 13 во втулке 11 нижней винтовой кромкой 6 плунжера 5, причем управление моментом начала подачи топлива осуществляется путем поворота плунжера 3 управляющей рейкой 7, приводимой в действие одним из электромагнитов по команде электронной системы управления на основании информации о частоте вращения коленчатого вала дизеля и о нагрузке. Управление моментом отсечки (а значит, величиной цикловой подачи) топлива осуществляется путем поворота плунжера 5, оснащенного нижней винтовой кромкой 6, управляющей рейкой 8, приводимой в действие другим электромагнитом.

Управление началом и окончанием топливоподачи в конструкциях, оснащенных двумя кулачковыми валами, осуществляется аналогично описанному. Например, процесс начала нагнетания топлива начнется после перекрытия впускного отверстия 10 (фиг.3) верхней винтовой кромкой 4 плунжера 3 (предварительно перекрывается отверстие 12 плунжером 5), причем оба плунжера и 3 и 5 движутся навстречу друг другу под воздействием кулачков 16 кулачковых валов 23, кинематически связанных между собой и приводимых во вращение с одинаковой угловой скоростью от коленчатого вала дизеля. При этом давление топлива в общей надплунжерной рабочей полости 24 возрастает настолько, чтобы открылся нагнетательный клапан 22. Управление изменением момента начала подачи и моментом окончания подачи осуществляется с помощью управляющих реек 7 и 8 аналогично описанному выше.

Таким образом, экономическая эффективность от внедрения данного топливного насоса высокого давления состоит в уменьшении вредных выбросов в атмосферу и увеличении топливной экономичности, в том числе и за счет уменьшения путевого расхода топлива.

Источники информации

1. Фомин Ю.Я. Топливная аппаратура судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1975, с.52 (прототип).

2. Чиркин А.П., Резник И.И. Дизельная топливная аппаратура. Справочник. - М.: Машгиз, 1963, с.170.

3. А.с. СССР 1624196. Система топливоподачи. Патрахальцев Н.Н., Камышников О.В., Олесов И.Ю. и др.

Формула изобретения

1. Топливный насос высокого давления автомобильного дизеля, содержащий двухплунжерные насосные секции, плунжеры которых кинематически связаны с управляющими рейками и установлены во втулках с возможностью поворота вокруг собственной оси и перемещения вдоль нее под воздействием кулачков кулачкового вала топливного насоса высокого давления, полость низкого давления, соединенную с выпускными отверстиями втулок, и надплунжерные рабочие полости, отличающиеся тем, что топливный насос высокого давления автомобильного дизеля дополнительно оснащен электромагнитными исполнительными устройствами, имеющими электромагнитную связь с управляющими рейками, а надплунжерные рабочие полости каждой двухплунжерной насосной секции соединены между собой и через общий нагнетательный клапан связаны с линией высокого давления системы топливоподачи, причем один из плунжеров каждой двухплунжерной насосной секции оснащен верхней винтовой кромкой, а втулка, в которой установлен другой плунжер с отсечной кромкой, оснащена отсечным отверстием, связанным с полостью низкого давления, при этом соотношение взаимного расположения впускных отверстий таково, что при синхронном рабочем движении плунжеров обеспечивается возможность приоритетного перекрытия впускного отверстия во втулке плунжера с отсечной кромкой.

2. Топливный насос высокого давления по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен кулачковым валом, кулачки которого состыкованы с толкателями плунжеров, оснащенных верхними винтовыми кромками, и вращение которого синхронизировано с вращением другого кулачкового вала, параллельно данному.

3. Топливный насос высокого давления по п.2, отличающийся тем, что оба плунжера каждой насосной секции расположены с возможностью согласованного перемещения вдоль одной оси, а рабочие полости соединены в одну.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3