Шестеренный насос, прежде всего для топливных насосов высокого давления
Изобретение может быть использовано в качестве топливоподающего насоса для топливного насоса высокого давления. Шестеренный насос имеет корпус (18), две шестерни (14, 16), которые расположены в указанном корпусе и которые находятся во взаимном зацеплении, и по меньшей мере одну канавку (22), выполненную в корпусе насоса на его стороне нагнетания. Канавка имеет первый участок (24), который проходит, начиная от стороны нагнетания, и на котором дно канавки (22) находится на расстоянии (s) от вершин зубьев (20) шестерни, и второй участок (26), который примыкает к первому участку и на котором дно канавки (22) находится на расстоянии (t) от вершин зубьев, которое больше того же расстояния (s) на первом участке. Угловая или окружная протяженность (α) первого участка меньше угловой или окружной протяженности второго участка, а общая угловая протяженность (α, β) канавки превышает окружной шаг двух зубьев (20). Обеспечивается высокая объемная подача, предотвращаются кавитационные разрушения при высоких частотах вращения. 8 з. п.ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к шестеренному насосу, имеющему корпус, две шестерни, которые расположены в указанном корпусе и которые находятся во взаимном зацеплении, и по меньшей мере одну канавку, выполненную в корпусе насоса на его стороне нагнетания.
Подобный шестеренный насос, аналог которого описан в GB 2306354, может главным образом применяться в качестве топливоподающего насоса для топливного насоса высокого давления (ТНВД), при этом он повышает давление подводимого топлива примерно до 6 бар. После этого ТНВД повышает давление топлива до уровня, который может достигать порядка 1800 бар, что необходимо для так называемых систем впрыскивания типа "common rail".
Шестерни шестеренного насоса приводятся во вращение с той же частотой, что и вал ТНВД, при этом шестеренный насос должен обеспечивать подачу достаточного количества топлива уже при пусковой частоте вращения вала двигателя. По этой причине необходимо, чтобы шестерни вращались с минимально возможным зазором относительно корпуса, а угол обхвата обеих шестерен корпусом насоса, т.е. угловой или окружной участок, который расположен между стороной всасывания и стороной нагнетания шестеренного насоса и на котором впадины между зубьями, заполненные подаваемым топливом, перекрыты стенкой корпуса, имел максимально возможную величину. Однако при максимальной частоте вращения вала двигателя шестеренный насос не должен подавать слишком большое количество топлива. Поэтому вместо использования для регулирования расхода топлива сравнительно сложного клапанного распределения на стороне всасывания обычно применяют дроссель, ограничивающий этот расход, соответственно производительность насоса. В результате по достижении определенной объемной подачи впадины между зубьями заполняются топливом не полностью.
Когда такая впадина, не полностью заполненная топливом, выходит из корпуса в расположенную на стороне нагнетания насоса нагнетательную полость, возникает опасность кавитационного разрушения или повреждения боковых поверхностей зубьев или корпуса. Во избежание подобных повреждений предусмотрена канавка, которая должна обеспечивать максимально плавное повышение давления в не полностью заполненной топливом впадине между зубьями. При этом канавка работает по типу дросселя, обеспечивающего контролируемое обратное перетекание топлива со стороны нагнетания насоса во впадину между зубьями, находящуюся в зоне канавки.
Недостаток известных топливных насосов состоит в том, что для предотвращения кавитационного разрушения, в том числе и при высоких частотах вращения, канавка должна иметь сравнительно большую угловую протяженность. Однако с увеличением угловой протяженности канавки уменьшается угол обхвата шестерни стенкой корпуса, что приводит к снижению объемной подачи при более низких частотах вращения.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать шестеренный насос указанного в начале описания типа таким образом, чтобы и при низких частотах вращения обеспечить высокую объемную подачу и одновременно предотвратить кавитационные разрушения при высоких частотах вращения.
Для решения этой задачи предлагается усовершенствование шестеренного насоса рассмотренного выше типа, заключающееся в том, что выполненная в корпусе канавка имеет первый участок, который проходит начиная от стороны нагнетания и на котором дно канавки находится на одном расстоянии от вершин зубьев шестерни, и второй участок, который примыкает к первому участку и на котором дно канавки находится на другом расстоянии от вершин зубьев, которое больше соответствующего расстояния на первом участке, при этом угловая или окружная протяженность первого участка меньше угловой или окружной протяженности второго участка, а общая угловая протяженность канавки превышает окружной шаг двух зубьев.
В предлагаемом в изобретении шестеренном насосе канавка образует своего рода форкамеру, которая через сравнительно узкий зазор, образованный на первом участке между дном канавки и вершинами зубьев шестерен, сообщается со стороной нагнетания. При высоких частотах вращения этот узкий зазор в сочетании с перепускным сечением, образованным в зоне второго участка канавки, обеспечивает плавное и непрерывное повышение давления во впадине между зубьями, которая в этот момент начинает сообщаться с канавкой. Вся канавка занимает сравнительно небольшой по угловой протяженности сектор, благодаря чему обеспечивается большой угол обхвата шестерни стенкой корпуса, что предпочтительно для поддержания необходимой объемной подачи на низких частотах вращения.
В частных вариантах конструкции насоса на первом участке канавка может иметь контур с постоянным поперечным сечением, а на втором участке - контур с уменьшающимся поперечным сечением. Таким контуром второго участка может быть параболический контур. В этом случае на втором участке с дальней от первого участка стороны контур канавки может проходить в радиальном направлении относительно оси вращения соответствующей шестерни.
В предпочтительном варианте применения предлагаемый шестеренный насос предусмотрен для топливного насоса высокого давления, при этом расстояние между вершинами зубьев и дном канавки на втором участке по меньшей мере приблизительно равно эффективному сечению потока в канавке, деленному на ширину зубчатого колеса, а расстояние между вершинами зубьев шестерни и дном канавки на первом участке по меньшей мере приблизительно составляет одну треть соответствующего расстояния на втором участке. В частности, расстояние между вершинами зубьев и дном канавки на втором участке может по меньшей мере приблизительно составлять 0,7 мм, а расстояние между вершинами зубьев шестерни и дном канавки на первом участке - 0,2 мм. При этом угловая или окружная протяженность первого участка канавки может по меньшей мере приблизительно составлять 5°, а второго участка - 36°.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительного варианта его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичное изображение в разрезе шестеренного насоса в сочетании с ТНВД,
на фиг.2 - схематичное изображение в разрезе фрагмента известного шестеренного насоса и
на фиг.3 - схематичное изображение предлагаемого в изобретении шестеренного насоса в виде, аналогичном виду по фиг.2.
На фиг.1 показан топливный насос 5 высокого давления (ТНВД), плунжерная пара 7 которого позволяет повышать давление топлива до высокого уровня, достигающего порядка 1800 бар. Топливо подводится к плунжерной паре шестеренным насосом 10, который кинематически связан с приводным валом 12 плунжерной пары 7.
Шестеренный насос 10 имеет две шестерни 14, 16 (см.фиг.2), которые находятся во взаимном зацеплении и расположены в корпусе 18. При вращении в указанном стрелкой направлении шестерни 14, 16 подают топливо со стороны всасывания, т.е. низкого давления (НД), к стороне нагнетания, т.е. высокого давления (ВД), за счет перемещения топлива во впадинах между смежными зубьями 20 шестерен.
На фиг.2 показана канавка 22, которая выполнена в корпусе и проходит начиная со стороны нагнетания. Функция этой канавки 22 состоит в том, чтобы создавать максимально равномерное, контролируемое повышение давления во впадинах между двумя соседними зубьями шестерен, когда в таких впадинах на выходе из корпуса 18 и переходе на сторону нагнетания давление ниже, чем на стороне нагнетания, и когда эти впадины не полностью заполнены топливом. Если в этом состоянии произойдет скачкообразное повышение давления, то содержащиеся в топливе газовые пузырьки захлопнутся, что может привести к кавитационному разрушению корпуса и боковых поверхностей зубьев 20. Такому разрушению подвержены прежде всего материалы, чувствительные к кавитации. При обычном, показанном на фиг.2 выполнении канавки 22 уравнивание давления во впадинах между зубьями при высокой частоте вращения происходит достаточно быстро, что приводит к появлению ударной волны, которая, с одной стороны, вызывает интенсивные колебания давления, а с другой стороны, приводит к высокой скорости захлопывания кавитационных пузырьков во впадине между зубьями.
На фиг.3 показана выполненная в соответствии с изобретением канавка 22. При этом такая канавка состоит из первого участка 24, угловая (окружная) протяженность которого равна углу α, и второго участка 26, угловая (окружная) протяженность которого равна углу β, причем угол α существенно меньше угла β. В угловом диапазоне α расстояние (зазор) s между вершинами зубьев и дном канавки 22 имеет сравнительно малую величину и составляет, например, порядка 0,2 мм, тогда как максимальное расстояние (зазор) t между вершинами зубьев и дном канавки 22 на втором участке существенно больше и составляет порядка 0,7 мм. На первом участке дно канавки 22 проходит примерно концентрично оси вращения шестерни 14, а на втором участке дно канавки 22 проходит начиная от первого участка примерно по параболе. На втором участке канавка имеет такой контур, что она на своем дальнем от первого участка конце переходит примерно в радиальном направлении в тот участок корпуса, который практически вплотную примыкает к вершинам зубьев. В показанном на чертеже варианте выполнения угол α составляет примерно 5°, а угол β равняется примерно 36°. Эти углы взаимно согласованы с окружным шагом зубьев 20 шестерни таким образом, чтобы общая угловая протяженность α, β канавки 22 была несколько больше окружного шага (углового расстояния) двух зубьев шестерни. В результате удается получить большой угол обхвата γ, т.е. большой по угловой протяженности участок, на котором впадины между зубьями перекрыты стенкой корпуса 18 между стороной всасывания и стороной нагнетания. Преимущество, связанное с большим углом обхвата γ, состоит в снижении потерь с перетоком при низких частотах вращения, т.е. в увеличении производительности насоса.
Благодаря особому выполнению канавки 22 обеспечивается непрерывное повышение давления во впадинах между зубьями при переходе каждой из них с участка, на котором стенка корпуса практически вплотную обхватывает зубья шестерен, на участок, расположенный на стороне нагнетания. В начале этого повышения давления, т.е. когда шестерня 14 находится в показанном на фиг.3 положении, в котором расположенный перед соответствующей впадиной 28 зуб 20 шестерни достигает второго участка 26 канавки 22, между корпусом и соответствующим зубом образуется сравнительно узкий зазор, благодаря чему топливо сравнительно медленно втекает из зоны повышенного давления во впадину 28. При этом поток движется в радиальном направлении, перемещаясь вдоль боковой поверхности зуба к его основанию. Подобное движение потока обеспечивается благодаря наличию у канавки 22 специального контура в этой зоне. По мере перетекания топлива в заполняемую им впадину между зубьями давление в предыдущей впадине между зубьями снижается, что в свою очередь компенсируется за счет перетекания топлива через узкий зазор между вершиной зуба и дном канавки на ее первом участке 24. При дальнейшем вращении шестерни в обозначенном стрелкой направлении увеличивается не только живое сечение потока между первым участком 24 канавки 22 и расположенной напротив нее вершиной зуба, но и живое сечение потока между следующим зубом шестерни и концом канавки 22. Тем самым обеспечивается в полной мере уравнять давление во впадине 28 между зубьями перед выходом на сторону нагнетания. Благодаря этому предотвращается кавитационное разрушение зубьев шестерен и корпуса шестеренного насоса.
Очевидно, что описанную выше канавку 22 можно предусмотреть также для второй шестерни 16 с целью предотвратить кавитационные разрушения и в этой зоне.
Расчет поперечного профиля канавки 22 выполняют с учетом следующих зависимостей:
1/(N·Z)≥Tf.
Tf=Vd/Vp,
АN=Vp/w,
где Tf - время заполнения впадины между зубьями поступающим из канавки топливом,
N - частота вращения шестерни,
Z - число зубьев шестерни,
Vd - объем газа или пара во впадине между зубьями,
Vp - объемный расход топлива, поступающего через канавку во впадину между зубьями,
w - скорость потока в канавке,
АN - эффективное сечение потока в канавке.
1. Шестеренный насос, имеющий корпус (18), две шестерни (14, 16), которые расположены в указанном корпусе и которые находятся во взаимном зацеплении, и по меньшей мере одну канавку (22), выполненную в корпусе насоса на его стороне нагнетания, отличающийся тем, что канавка имеет первый участок (24), который проходит, начиная от стороны нагнетания, и на котором дно канавки (22) находится на расстоянии (s) от вершин зубьев (20) шестерни, и второй участок (26), который примыкает к первому участку и на котором дно канавки (22) находится на расстоянии (t) от вершин зубьев, которое больше расстояния (s) на первом участке, при этом угловая или окружная протяженность (α) первого участка меньше угловой или окружной протяженности второго участка, а общая угловая протяженность (α, β) канавки превышает окружной шаг двух зубьев (20).
2. Шестеренный насос по п.1, отличающийся тем, что на первом участке канавка (22) имеет контур с постоянным поперечным сечением.
3. Шестеренный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что на втором участке канавка (22) имеет контур с уменьшающимся поперечным сечением.
4. Шестеренный насос по п.3, отличающийся тем, что на втором участке канавка (22) имеет параболический контур.
5. Шестеренный насос по п.4, отличающийся тем, что на втором участке (26) с дальней от первого участка (24) стороны контур канавки проходит в радиальном направлении относительно оси вращения соответствующей шестерни.
6. Шестеренный насос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он предусмотрен для топливного насоса (5) высокого давления, при этом расстояние (t) между вершинами зубьев и дном канавки на втором участке по меньшей мере приблизительно равно эффективному сечению потока в канавке, деленному на ширину зубчатого колеса, а расстояние (s) между вершинами зубьев шестерни (14, 16) и дном канавки (22) на первом участке по меньшей мере приблизительно составляет одну треть этого же расстояния на втором участке.
7. Шестеренный насос по п. 6, отличающийся тем, что расстояние (t) между вершинами зубьев и дном канавки на втором участке по меньшей мере приблизительно составляет 0,7 мм.
8. Шестеренный насос по п.6, отличающийся тем, что расстояние (s) между вершинами зубьев шестерни (14, 16) и дном канавки (22) на первом участке по меньшей мере приблизительно составляет 0,2 мм.
9. Шестеренный насос по п.6, отличающийся тем, что угловая или окружная протяженность первого участка (24) канавки (22) по меньшей мере приблизительно составляет 5°, а второго участка (26) по меньшей мере приблизительно составляет 36°.
