ТОПЛИВОПОДАЮЩИЙ УЗЕЛ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02M59/44 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, преимущественно к топливным насосам высокого давления (ТНВД), в частности дизельных двигателей.

Вопросы улучшения экологических характеристик дизелей в настоящее время выдвигаются на первый план. Особо жесткие требования к составу отработавших газов предъявляются к дизельным транспортным средствам, в том числе к грузовым автомобилям для условий городской езды, магистральным автомобилям, автобусам и др.

Процентное содержание в отработавших газах дизеля окислов углерода, углеводородов, окислов азота, твердых частиц несгоревшего топлива и др. в значительной мере обусловлено процессом подачи топлива в камеру сгорания дизеля. Оптимизация управления моментом начала подачи топлива позволяет существенно снижать процентное содержание токсичных составляющих компонент отработавших газов двигателя, а также изменять их соотношение.

Автоматическое управление моментом начала подачи топлива в настоящее время обеспечивается в дизелях с топливными насосами высокого давления, как правило, за счет применения автоматических устройств опережения впрыска топлива. Такие устройства с центробежными или гидравлическими чувствительными элементами разворачивают кулачковый вал или кулачковую шайбу топливного насоса высокого давления по заданному закону в зависимости от текущего значения частоты вращения вала дизеля. В данном случае управление началом подачи топлива осуществляется по одному контролируемому параметру частоте вращения дизеля.

Оптимальное управление началом подачи топлива требует учитывать не только частоту вращения дизеля, но и ряд других параметров. К их числу следует отнести давление наддува, вид топлива, температуру охлаждающей жидкости, температуру отработавших газов, параметры окружающей среды и др. В связи с этим ряд фирм, в том числе Р. Бош (Германия); Катерпиллар (США); Дизель Кики (Япония), разработали электрогидравлические устройства управления началом подачи топлива, устанавливаемые на кулачковом валу топливного насоса высокого давления и управляемые от электронного блока с учетом различных параметров дизеля и внешних условий. Один из примеров технического решения электрогидравлического устройства управления началом подачи топлива для рядного топливного насоса высокого давления фирмы "Ниппонденсо" (Япония) описан в журнале "SAE Technical Paper Series" [1]
Следует отметить, что электрогидравлические устройства чувствительны к низким температурам, вследствие чего стабильность их характеристик, в особенности при пуске в зимних условиях, недостаточна. Особенность конструкций электрогидравлических устройств состоит в том, что они основаны на принципе разворота между собой двух полумуфт с самотормозящимся косозубым шлицевым соединением или косыми пазами, причем одна из полумуфт установлена на кулачковом валу топливного насоса высокого давления, а другая на валу, связанном с валом дизеля. Повышенное давление впрыска топлива 100 200 МПа, характерное для современных дизелей, вызывает повышенную реакцию кулачков насоса, что в ряде случаев влечет за собой понижение эффективности самоторможения полумуфт и, как следствие, снижение требуемого максимального давления впрыска. Для повышения эффективности самоторможения полумуфт требуется усложнение конструкции электрогидравлического устройства и увеличение давления подводимой к нему жидкости. Следует учитывать также, что существующие насосы высокого давления требуют значительных энергозатрат на их вращение и на управление углом разворота полумуфт. Это в конечном итоге снижает эффективность работы дизеля с электрогидравлическим устройством управления началом подачи топлива.

Известны также технические решения, связанные с установкой на линии нагнетания топливного насоса электроуправляемого запорного клапана для управления началом подачи топлива.

Применение электроуправляемого клапана на линии нагнетания топливного насоса высокого давления пока не позволяет решить поставленную задачу в связи с необходимостью высокого быстродействия клапана, наличием значительного паразитного объема топлива в надплунжерном пространстве и утечками через золотник электроклапана, что снижает эффективность впрыска топлива. Кроме того, для каждого дизеля требуется наличие нескольких электроклапанов в соответствии с числом цилиндров дизеля и синхронизация их работы по отношению к положению вала дизеля.

Перечисленные выше проблемы заставляют фирмы, изготавливающие топливную аппаратуру дизелей, искать новые пути управления началом подачи топлива.

В последние годы ряд фирм, в том числе Р. Бош (Германия); Катерпиллар (США); Мицубиси и Дизель-Кики (Япония) и др. проводят работы по созданию ТНВД нового типа. Эти насосы, разработанные на базе трехэлементного топливоподающего узла, как правило, содержат два топливорегулирующих органа, управляющих началом подачи топлива в цилиндры дизеля и концом (дозированием) подачи топлива. Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому изобретению является топливоподающий узел, входящий в состав рядного топливного насоса высокого давления, примененный фирмой "Мицубиси" (Япония) и описанный в журнале "SAE Technical Paper Series" [2]
Топливоподающий узел высокого давления описанного ТНВД содержит неподвижную втулку с окном, плунжер с косой кромкой, на котором установлена внутри окна неподвижной втулки с возможностью перемещения подвижная втулка и отсечное отверстие. Хвостовик плунжера связан с первой рейкой ТНВД. При ее перемещении плунжер разворачивается вокруг своей оси относительно подвижной втулки и изменяет конец подачи топлива, то есть дозирует порцию топлива, впрыскиваемую в камеру сгорания дизеля.

Подвижная втулка связана со второй рейкой топливного насоса высокого давления. При ее перемещении подвижная втулка передвигается вдоль плунжера внутри окна неподвижной втулки, в результате чего изменяется начало подачи топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания дизеля.

Таким образом, описанный выше топливоподающий узел ТНВД предоставляет возможность с помощью двух реек, оснащенных собственными электроприводными устройствами, вести независимое управление началом и концом подачи топлива от электронного блока с учетом выбранных контролируемых параметров. Определяющая габарит по высоте ТНВД длина описанного трехэлементного топливоподающего узла существенно превосходит длину состоящего из плунжера и неподвижной втулки традиционного двухэлементного топливоподающего узла. Это связано с тем, что в описанном узле подвижная втулка размещается внутри окна неподвижной втулки. Высота окна неподвижной втулки выбирается, исходя из хода подвижной втулки в пределах требуемого изменения начала подачи топлива и ее высоты. Причем для эффективного использования хода плунжера в рабочем диапазоне профиля кулачка вала насоса высота подвижной втулки должна быть, как минимум, не менее двух высот косой кромки плунжера. При этом условии косая кромка плунжера в пределах его полного хода не должна выходить за пределы верхней плоскости подвижной втулки для любых ее положений. Подвижная втулка в процессе нагнетания топлива запирает косую кромку плунжера до наступления момента взаимодействия косой кромки с отсечным отверстием, расположенным на подвижной втулке.

Серийно выпускаемые топливные насосы высокого давления с традиционными топливоподающими узлами имеют устоявшиеся за длительный период времени ограниченные габариты по высоте, поэтому для приближения к заданным габаритам топливных насосов с трехэлементными топливоподающими узлами необходимо стремиться к уменьшению длины самого узла.

Как было отмечено выше, габарит топливоподающего узла зависит от высоты окна неподвижной втулки и высоты подвижной втулки, размер которой определяется наклоном кромки плунжера. Поэтому разработчик, чтобы уложиться в выделенные ТНВД габариты, вынужден уменьшать высоту косой кромки и тем самым увеличивать угол ее наклона по отношению к оси плунжера.

Однако данное конструктивное мероприятие, направленное на увеличение угла наклона косой кромки, снижает стабильность характеристик впрыска ТНВД. Это связано с тем, что при сложившихся уровнях технологий производства насосы, имеющие увеличенный угол наклона косой кромки по отношению к оси плунжера, более чувствительны по характеристикам впрыска к погрешностям изготовления деталей топливоподающего узла.

Интенсификация процесса впрыска топлива требует перехода на увеличенный радиус начальной окружности кулачка ТНВД. В то же самое время, поскольку существуют жесткие ограничения габарита топливного насоса по высоте, потребуется еще большее сокращение длины топливоподающего узла за счет дальнейшего уменьшения высоты косой кромки плунжера и увеличения угла ее наклона по отношению к оси плунжера.

Таким образом, повышение стабильности характеристик впрыска ТНВД с рассмотренным трехэлементным топливоподающим узлом должно предусматривать в условиях крупносерийного производства насосов применение специального технологического оборудования особо высокого уровня точности, что не всегда осуществимо.

Следует также отметить, что в описанном трехэлементном топливоподающем узле для обеспечения его работоспособности должна быть строгая фиксация углового положения втулки, исключающая ее разворот вокруг оси. В рассматриваемом случае для исключения разворота подвижной втулки используется специальный штифт, одним концом закрепленный неподвижно, а другим концом введенный в продольный паз подвижной втулки. Наличие устройства, фиксирующего угловое положение подвижной втулки, усложняет конструкцию топливоподающего узла и топливного насоса в целом.

В основу заявляемого изобретения положена задача создать такой топливоподающий узел, который при прочих равных основных конструктивных показателях в сравнении с прототипом имел бы меньшую длину и более простую конструкцию.

Задача решается тем, что топливоподающий узел высокого давления содержит неподвижную втулку с окном, плунжер с косой кромкой, на котором установлена внутри окна неподвижной втулки с возможностью перемещения подвижная втулка и отсечное отверстие, которое согласно изобретению выполнено на неподвижной втулке.

Расположение косой кромки плунжера в зоне взаимодействия с отсечным отверстием неподвижной втулки топливоподающего узла дает возможность существенно уменьшить высоту подвижной втулки. В отличие от прототипа, где для обеспечения работоспособности топливоподающего узла высота подвижной втулки должна быть (как минимум) не менее двух высот косой кромки плунжера, в предлагаемом изобретении высота подвижной втулки должна быть всего лишь не менее одной высоты косой кромки плунжера, что является исключительно важным фактором. Кроме того, в предлагаемом изобретении (в отличие от прототипа) конструкция топливоподающего узла более проста, поскольку не требуется фиксирующего устройства, исключающего угловой поворот подвижной втулки.

На чертеже показана конструкция топливоподающего узла.

Топливоподающий узел содержит плунжер 1 с прорезанной на нем косой кромкой 2 для отсечки топлива. Плунжер 1 расположен в неподвижной втулке 3, устанавливаемой в корпусе топливного насоса 4 с полостью 5 низкого давления топлива. На плунжере 1 установлена подвижная втулка 6, которая размещена внутри окна 7 неподвижной втулки 3. Подвижная втулка 6 имеет возможность перемещения вдоль плунжера 1, ограничиваемого высотой окна 7. Неподвижная втулка 3 имеет отсечное отверстие 8, размещенное в зоне надплунжерного пространства 9 топливоподающего узла. Неподвижная втулка 3 имеет отверстие 10, сообщенное с трубопроводом высокого давления ТНВД. В плунжере 1 высверлены поперечные отверстия 11 и 12 и продольное отверстие 13. Отверстие 11 высверлено на длину, позволяющую отверстию 13 сообщаться с косой кромкой 2. Плунжер 1 замыкается на кулачок 14 и имеет возможность разворота в направлении, указанном на чертеже, с помощью втулки 15, связанной с первой рейкой ТНВД. Высота надплунжерного пространства 9 в рассматриваемом случае равна полному ходу плунжера 1, равному разнице максимального радиуса R и радиуса r начальной окружности кулачка 14. Подъем подвижной втулки 6, имеющей кольцевую проточку, обеспечивается кривошипом 16, связанным со второй рейкой ТНВД.

На чертеже показано исходное состояние элементов топливоподающего узла, при котором подвижная втулка 6 находится в крайнем нижнем положении, соответствующем раннему углу начала подачи топлива. Плунжер 1 находится в нижнем положении, соответствующем моменту начала его движения вверх по закону, обусловленному профилем кулачка 14.

Топливоподающий узел работает следующим образом.

При повороте кулачка 14 против часовой стрелки плунжер 1, скользя по его профилю, движется вверх и топливо, находящееся в надплунжерном пространстве 9, начинает вытесняться через отверстия 8, 12 и 13 в полость 5. При дальнейшем подъеме плунжера 1 отверстие 8 перекрывается торцом плунжера 1, а отверстие 11 торцом подвижной втулки 6. Участок хода плунжера во время перекрытия отверстий 8 и 12 является пассивным ходом плунжера, а момент полного перекрытия этих отверстий является моментом начала нагнетания топлива через отверстие 10 и трубопровод высокого давления в камеру сгорания двигателя. Нагнетание топлива идет до тех пор, пока косая кромка 2 плунжера 1 не достигнет отверстия 8. При дальнейшем движении плунжера 1 вверх топливо из надплунжерного пространства 9 через отверстия 13 и 11, косую кромку 2 и отверстие 8 начинает вытесняться в полость 5 низкого давления, в результате чего нагнетание топлива в отверстие 10 прекратится. Ход плунжера 1 от момента перекрытия обоих отверстий 8 и 12 до момента, при котором надплунжерное пространство 9 начинает сообщаться с полостью 5 низкого давления, соответствует активному ходу плунжера 1.

На чертеже показано крайнее положение угла разворота плунжера 1, при котором обеспечивается максимальный активный ход плунжера и соответственно максимальная цикловая подача топлива.

При развороте плунжера 1 в направлении, показанном стрелкой, величина активного хода плунжера 1 уменьшается вплоть до нулевого, то есть до полного отключения подачи топлива. Таким образом, изменение угла разворота плунжера 1 обеспечивает изменение величины подачи топлива.

При подъеме подвижной втулки 6 вверх с помощью кривошипа 16 величина участка хода плунжера 1, при котором происходит перекрытие отверстия 12, увеличивается. В результате этого момент начала нагнетания топлива или момент начала подачи топлива в дизель соответствует более позднему углу разворота кулачка 14.

При обратном ходе плунжера 1, после того, как торец плунжера откроет отверстие 8 или отверстие 12 выйдет за нижний торец подвижной втулки 6, начинается заполнение топливом надплунжерного пространства 9, которое поступает из полости 5 низкого давления топливного насоса. Заполнение надплунжерного пространства 9 топливом идет вплоть до выхода плунжера 1 на начальную окружность кулачка 14 радиусом r.

Предлагаемое изобретение имеет преимущество перед прототипом при прочих равных с ним показателях, таких как диаметр и полный ход плунжера, объем надплунжерного пространства, геометрические размеры, высота и наклон косой кромки плунжера, диаметры отверстий в плунжере, диаметр начальной окружности, профиль и высота кулачка, активный и пассивный ходы плунжера. Уменьшенная благодаря предлагаемому техническому решению высота подвижной втулки дает возможность уменьшить соответствующим образом высоту окна неподвижной втулки, длину плунжера и, как следствие, длину топливодозирующего узла, определяющую в конечном итоге габарит топливного насоса высокого давления по его высоте. Уменьшенный габарит по высоте ТНВД на базе заявляемого топливоподающего узла позволяет в более полной мере обеспечить его взаимозаменяемость по габаритно-присоединительным размерам с традиционными серийно выпускаемыми ТНВД двухэлементными топливоподающими узлами, что практически не потребует переработки конструкции дизеля.

В случае использования габарита топливного насоса по высоте в допустимых для прототипа пределах появляется возможность существенно увеличить радиус начальной окружности кулачка, в результате чего достигаются повышенная интенсивность нарастания давления впрыска топлива и улучшенные экологические характеристики состава отработавших газов дизеля.

Подвижная втулка уменьшенной высоты имеет соответственно уменьшенную массу. Этот фактор является немаловажным, поскольку понижение масс подвижных втулок и деталей механизма привода, управляющего с помощью рейки началом подачи топлива, повышает возможность увеличения его быстродействия, что позволяет при минимальном энергопотреблении обеспечить высокие динамические характеристики привода рейки.

Сокращение длины неподвижной втулки и плунжера в сравнении с прототипом упрощает технологию их серийного изготовления, поскольку снижаются колебания производственных отклонений геометрических размеров прецизионных поверхностей упомянутых деталей от заданных.

В заявляемом изобретении подвижная втулка может разворачиваться вокруг своей оси, не нарушая работоспособности топливоподающего узла. В связи с этим (в отличие от прототипа) не требуется применения специального фиксатора, предотвращающего разворот подвижной втулки вокруг своей оси. Кроме того, отсутствие фиксации исключает нежелательное трение между пазом подвижной втулки и штифтом.

Предлагаемый топливодозирующий узел позволяет создавать для перспективных двигателей насосы-форсунки новой концепции с двумя электроприводными топливорегулирующими органами, имеющими независимое управление началом подачи и дозированием топлива. Данное направление, являясь альтернативным по отношению к управляемому впрыску топлива с электромагнитными форсунками, позволяет более простым образом и с требуемой точностью, быстродействием и малым энергопотреблением управлять фазами впрыска топлива в двигатель.

Таким образом, предлагаемое изобретение обладает рядом преимуществ перед известными техническими решениями и позволяет (в случае его применения в сочетании с электроприводным управлением началом подачи топлива и его дозированием) улучшить экологические характеристики состава отработавших газов теплового двигателя.

Сфера применения заявляемого изобретения распространяется на массово выпускаемые и вновь разрабатываемые дизели, различающиеся по типу, мощности и назначению, которые устанавливаются в легковых автомобилях, грузовиках и автобусах, в магистральных грузовых автомобилях, тягачах, карьерных самосвалах, сельскохозяйственных машинах и тракторах, в промышленных тракторах и комбайнах, в строительно-дорожных машинах, дизель-генераторных и стационарных установках, в тепловозах, судовых дизелях и других машинах с дизелями, оснащенными топливными насосами высокого давления или насосами-форсунками.

Использование: двигателестроение, в частности топливная аппаратура дизельных двигателей. Сущность изобретения: топливоподающий узел высокого давления двигателя внутреннего сгорания, преимущественно для топливного насоса высокого давления дизеля, содержит неподвижную втулку с окном, плунжер и рамещенную внутри окна с возможностью перемещения подвижную втулку, причем отсечное отверстие расположено на неподвижной втулке. 1 ил.

Топливоподающий узел высокого давления, содержащий неподвижную втулку с окном, плунжер с косой кромкой, на котором установлена внутри окна неподвижной втулки с возможностью перемещения подвижная втулка и отсечное отверстие, отличающийся тем, что отсечное отверстие выполнено на неподвижной втулке.