ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F02M59/12 F04C2/02 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам топливоподачи дизелей.

Известная система топливоподачи дизеля с аккумуляторным впрыском, содержащая последовательно соединенные топливопроводами топливный бак, фильтр грубой очистки, насос высокого давления, фильтр тонкой очистки и аккумулятор (А. С. Лышевский. Питание дизелей. Новочеркасск, 1974, с. 80, рис. 8).

В качестве насоса высокого давления в известной схеме использован топливный насос плунжерного типа.

Известная схема содержит аккумулятор большой емкости и имеет сложные и малонадежные запорные и распределительные органы, находящиеся под высоким давлением, что удорожает систему и усложняет ее обслуживание.

В системах топливоподачи с многоплунжерными насосами, как известно, быстро нарушается равномерность подачи топлива к его цилиндрам и изменяется угол опережения впрыска, в результате чего ухудшаются показатели рабочего процесса в отдельных цилиндрах дизеля. Постоянные регулировки топливного насоса высокого давления этих систем усложняют техническую эксплуатацию дизеля и его обслуживание. Кроме того, стоимость изготовления многоплунжерных насосов довольно высокая. По каталожным данным, затраты на изготовление плунжерных пар и других прецизионных деталей составляют не менее 25-30% всех затрат на производство топливной аппаратуры.

Эти обстоятельства вынуждают вести работы по созданию систем с минимальным количеством плунжерных пар. К таким системам относятся системы распределительного типа, основным элементом которых является распределительный насос высокого давления, использующий одну плунжерную прецизионную пару для обслуживания нескольких, а иногда и всех цилиндров дизеля. Эти системы имеют следующие недостатки.

Большая частота возвратно-поступательного и вращательного движений плунжера вызывает увеличенный износ плунжерных пар и сокращает срок их службы.

Большая цикличность работы насоса вызывает появление в отсечной и дополнительной магистрали системы интенсивных колебательных движений, нарушающих нормальное протекание рабочих процессов системы, в частности, ухудшающих наполнение рабочей полости насоса и равномерность подачи по отдельным цилиндрам.

Большая цикличность работы нагнетательного клапана вызывает, с одной стороны, износ его трущихся и посадочных поверхностей, а с другой, приводит к возникновению в нагнетательных трубопроводах интенсивных колебаний топлива, нарушающих нормальное протекание впрыска.

Уязвимым местом распределительных топливных насосов является толкатель. Из-за большой цикличности растут силы инерции, увеличиваются общие суммарные нагрузки на поверхностях профиля кулачка и толкателя, сильно повышаются контактные напряжения, обуславливающие износ деталей и срок их службы.

Создание надежных и долговечных систем питания с повышенным моторесурсом как самой системы топливоподачи, так и двигателя в целом, является задачей, на решение которой направлено данное изобретение.

Сущность изобретения заключается в том, что система топливоподачи дизеля (1 вариант) содержит последовательно соединенные топливопроводами топливный бак, фильтр грубой очистки, насос высокого давления, фильтр тонкой очистки, пневмогидроаккумулятор. В качестве топливного насоса высокого давления использован шестеренный насос, нагнетательная полость которого соединена с жидкостной полостью пневмогидроаккумулятора, причем последняя через дозатор-регулятор соединена с форсункой.

Предлагаемая система топливоподачи дизеля предназначена для роторного дизеля. Для обеспечения рабочего цикла во всех камерах за один оборот ротора имеется одна форсунка.

Использование в системе топливоподачи дизеля в качестве насоса высокого давления шестеренного насоса позволяет устранить наличие значительного количества прецизионных плунжерных пар (от 4 до 12 пар), работающих в весьма тяжелых условиях, обеспечить высокую унификацию, сократить расходы на изготовление насоса, повысив надежность и долговечность системы питания и самого двигателя за счет обеспечения хорошего наполнения, равномерности подачи топлива в цилиндры с нормальным процессом впрыска топлива.

Система топливоподачи дизеля (вариант 2) предназначена для поршневого дизеля. Отличие ее состоит в том, что жидкостная полость пневмогидроаккумулятора соединена с форсунками через дозатор-регулятор и распределитель топлива. Поршневые двигатели не имеют подвижных камер и состоят из различного числа по разному расположенных цилиндров. В каждом цилиндре совершается рабочий цикл. Каждый цилиндр имеет форсунку. Для осуществления рабочего цикла двигателя в целом необходимо в соответствии с порядком работы двигателя подавать топливо к соответствующим форсункам. Такая особенность подачи топлива требует наличия распределителя топлива.

Предлагаемый шестеренный насос с измененным профилем зубьев шестерен и внутренней поверхностью корпуса в продольной плоскости может найти широкое применение в качестве масляных насосов (основное его применение), но с более высоким объемным КПД за счет устранения утечек и мертвого объема.

Известен шестеренный насос, содержащий пару зацепляющихся шестерен, помещенных в плотнообхватывающий корпус (Т. М. Башта. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М. Машиностроение, 1974, рис. 115а).

Известные шестеренные насосы содержат пару зацепляющихся цилиндрических шестерен.

Недостатком известных шестеренных насосов являются большие объемные потери, обусловленные при нормальном (номинальном) режиме работы в основном утечками жидкости через радиальный зазор между дуговой поверхностью корпуса и внешней цилиндрической поверхностью шестерен, а также через торцовый зазор между боковыми стенками корпуса и торцами шестерен. Шестеренные насосы пригодны для работы при самовсасывании на рабочих жидкостях (маслах) с вязкостью от 10 до 800 сСт и выше.

В дизелях используется дизельное топливо с вязкостью 1,5-8 сСт (при 20^oC). При такой величине вязкости дизельного топлива шестеренные насосы, имеющие утечки при большой вязкости масел, практически невозможно применять. Резко падает объемный КПД насоса, происходит перегрев насоса, т.к. дросселирование топлива через радиальный зазор, вызывает значительное повышение температуры, приводящее к испарению части топлива, к дополнительным затратам энергии и к понижению всех рабочих показателей насоса.

К объемным потерям относятся и потери на всасывании, которые определяются в основном и в особенности при высоких частотах вращения, полнотой заполнения жидкостью рабочих камер (впадин между зубьями) при переходе ими зоны всасывания. Эти потери снижают подачу насоса как при работе на высоких, так и низких давлениях. Неполное заполнение камер жидкостью приводит к понижению объемного КПД насоса, а также к возникновению пульсации давления на выходе, которые обусловлены тем, что при соединении такой камеры с полостью нагнетания возникает обратный поток жидкости из полости в камеру, который вызывает гидравлический удар.

Создание дешевого, небольшого по габаритам насоса, работающего на жидкостях с низкой вязкостью с высоким объемным КПД, повышающего надежность и долговечность системы питания и самого двигателя, является задачей на решение которой направлено данное изобретение.

Сущность изобретения (часть целого объекта) заключается в том, что шестеренный насос содержит пару зацепляющихся шестерен, помещенных в плотнообхватывающий корпус. Профиль зубьев шестерен и внутренней поверхности корпуса в продольной плоскости имеет тороидальные поверхности, центры образования которых лежат на осях вращения шестерен, причем радиусы окружностей, образующих наружную тороидальную поверхность профиля зубьев и внутреннюю поверхность корпуса, равны, а центры их лежат в торцовой поверхности шестерен. Профиль впадин зубьев шестерен в продольной плоскости имеет тороидальные поверхности, центры образования которых лежат на осях вращения шестерен, а центры окружностей, образующих тороидальные поверхности? лежат в торцовой плоскости шестерен.

Такое выполнение шестеренного насоса позволяет устранить радиальный зазор на наружной поверхности зуба и по торцовой плоскости, обеспечивая повышение объемного КПД насоса.

Выполнение профиля впадин зубьев шестерен в виде тороидальной поверхности с необходимым зазором как для обычных зубчатых передач обеспечивает полноту заполнения топливом рабочих камер (впадин между зубьями), что повышает объемный КПД насоса.

На фиг. 1 изображена система топливоподачи дизеля (1-й вариант); на фиг. 2 система топливоподачи дизеля (2-й вариант); на фиг. 3 шестеренный насос, продольный разрез; на фиг. 4 разрез по А-А на фиг. 3; на фиг. 5 узел I на фиг. 3.

Система топливоподачи дизеля (вариант 1) содержит последовательно соединенные топливопроводами топливный бак 1, фильтр 2 грубой очистки, шестеренный насос 3, содержащий пару зацепляющихся шестерен 4, помещенных в плотнообхватывающий корпус 5, фильтр 6 тонкой очистки.

Нагнетательная полость насоса 3 соединена с жидкостной полостью 7 пневмогидроаккумулятора 8, имеющего подвижный поршень 9 и воздушную полость 10. Жидкостная полость 7 пневмогидроаккумулятора 8 через дозатор-регулятор 11 соединена с форсункой 12. Топливный бак 1 связан через предохранительный клапан 13 с топливопроводом.

Система топливоподачи дизеля (вариант 2) содержит последовательно соединенные топливопроводами топливный бак 1, фильтр 2 грубой очистки, шестеренный насос 3, содержащий пару зацепляющихся шестерен 4, помещенных в плотнообхватывающий корпус 5, фильтр 6 тонкой очистки. Нагнетательная полость насоса 3 соединена с жидкостной полостью 7 пневмогидроаккумулятора 8, имеющего подвижный поршень 9 и воздушную полость 10. Жидкостная полость 7 пневмогидроаккумулятора 8 через дозатор-регулятор 11 и распределитель 12 топлива соединена с форсунками 13. Топливный бак 1 связан через предохранительный клапан 14 с топливопроводом.

Шестеренный насос 1 (часть целой системы) содержит пару зацепляющихся шестерен 2, помещенных в плотнообхватывающий корпус 3 с камерами всасывания 4 и нагнетания 5. Наружный профиль 6 зубьев шестерен 2 и внутренней поверхности 7 корпуса 3 в продольной плоскости имеет тороидальные поверхности, центры образования которых лежат на осях вращения шестерен 2, причем радиусы окружностей, образующих наружный тороидальный профиль 6 зубьев и внутреннюю поверхность 7 корпуса 3, равны, а центры их лежат в торцевой плоскости шестерен 2. Профиль впадин 8 зубьев шестерен 2 в продольной плоскости имеет тороидальные поверхности, центры образования которых лежат на осях вращения шестерен 2, а центры окружностей, образующих тороидальные поверхности, лежат в торцовой плоскости шестерен 2.

Работает система топливоподачи дизеля (вариант 1) следующим образом. Топливо из топливного бака 1 поступает в фильтр 2 грубой очистки, затем в полость низкого давления шестеренного насоса 3, а затем в результате отсутствия радиального зазора шестерен 4, выполненных с тороидальным профилем зубьев, топливо без утечек внутри насоса 3, под высоким давлением поступает на фильтр 6 тонкой очистки. В случае значительного повышения сопротивления прохождения топлива в фильтре 6 тонкой очистки для устранения поломок имеется предохранительный клапан 13, который соединен с топливопроводом высокого давления и топливным баком 1. Топливо из фильтра 6 тонкой очистки поступает в жидкостную полость 7 пневмогидроаккумулятора 8, имеющего подвижный поршень 9, разделяющий внутреннюю полость его на жидкостную 7 и воздушную 10 полости. При работе двигателя на малых и средних нагрузках, когда цикловая порция незначительна, в жидкостной 7 полости гидроаккумулятора 8 повышается давление топлива и поршень 9, перемещаясь, сжимает воздух воздушной полости 10. Пневмогидроаккумулятор 8 постоянно поддерживает определенное давление впрыска. Затем топливо поступает в дозатор-регулятор 11 и изменяет цикловую подачу топлива в зависимости от нагрузки на коленчатом валу двигателя. Дозированная порция топлива поступает к форсунке 12.

Система топливоподачи дизеля (вариант 2) работает следующим образом. Топливо из топливного бака 1 поступает в фильтр 2 грубой очистки, затем в полость низкого давления шестеренного насоса 3, а затем в результате отсутствия радиального зазора шестерен 4, выполненных с тороидальным профилем зубьев, топливо без утечек внутри насоса 3 под высоким давлением поступает на фильтр 6 тонкой очистки. В случае значительного повышения сопротивления прохождения топлива в фильтре 6 тонкой очистки для устранения поломок имеется предохранительный клапан 14, который соединен с топливопроводом высокого давления и топливным баком 1. Топливо из фильтра 6 тонкой очистки поступает в жидкостную полость 7 пневмогидроаккумулятора 8, имеющего подвижный поршень 9, разделяющий внутреннюю полость его на жидкостную 7 и воздушную 10 полости. При работе двигателя на малых и средних нагрузках, когда цикловая порция 1 незначительна, в жидкостной 7 полости пневмогидроаккумулятора 8 повышается давление топлива и поршень 9, перемещаясь, сжимает воздух воздушной полости 10. Пневмогидроаккумулятор 8 постоянно поддерживает определенное давление впрыска. Затем топливо поступает в дозатор-регулятор 11, а из него под высоким давлением топливо поступает к распределителю топлива 12, и согласно порядку работы двигателя к форсункам 13 соответствующих цилиндров.

Шестеренный насос 1 работает следующим образом. При вращении шестерни 2 наружный профиль 6 зубьев контактирует с внутренней поверхностью 7 корпуса 3, и топливо, заключенное во впадинах 8 зубьев, переносится из камеры всасывания 4 в камеру нагнетания 5, которая образована корпусом 3 насоса 1 и зубьями шестерен 2. Тороидальные поверхности зубьев, омываемые топливом под давлением, без потерь вытесняют при вращении шестерен 2 больше жидкости, чем может поместиться в пространстве, освобождаемом зацепляющими зубьями 4. Разность объемов, описываемых рабочими поверхностями зубьев 4, вытесняется в нагнетательную линию насоса.

Использование: двигателестроение, в частности системы топливоподачи дизелей. Сущность изобретения: в качестве насоса высокого давления использован шестеренный насос, нагнетательная полость которого соединена с жидкостной полостью пневмогидроаккумулятора, причем последняя через дозатор-регулятор соединена с форсункой. Шестеренный насос содержит пару зацепляющихся шестерен, помещенных в плотно охватывающий корпус. Наружный профиль зубьев шестерен и внутренняя поверхность корпуса в продольной плоскости имеет тороидальные поверхности, центры образования которых лежат на осях вращения шестерен, причем радиусы окружностей, образующих наружную тороидальную поверхность профиля зубьев и внутреннюю поверхность корпуса, равны, а центры их лежат в торцовой поверхности шестерен. Профиль впадин зубьев шестерен в продольной плоскости имеет тороидальные поверхности. 5 ил.

Шестеренный насос, содержащий корпус, пару шестерен, размещенных в корпусе с образованием полостей всасывания и нагнетания и кинематически связанных между собой, отличающийся тем, что профили наружной поверхности зубьев, впадин шестерен и внутренней поверхности корпуса выполнены тороидальными, радиусы окружностей, образующих профили наружной поверхности зубьев и внутренней поверхности корпуса, расположены в торцевой плоскости шестерен, радиусы вращения окружностей, образующих тороидальные поверхности наружного профиля зубьев и внутренней поверхности корпуса, расположены на осях вращения шестерен, причем профили наружной поверхности зубьев и внутренней поверхности корпуса выполнены сопряженными.