ПЛУНЖЕРНАЯ ПАРА ТОПЛИВНОГО НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК F02M59/24 F02D1/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к производству топливных насосов высокого давления для систем питания тракторных двигателей.

Известены: патент на изобретение №2273764 (http://www.fips.dll/ru?tu=29&docjd=02273764), патент на изобретение №2161720 (http://www.fips.ru/cdfi/fips.dll/ru?tu=29&docid=02161720), а так же патент DE 4441113, от 04.04.1996 г. (Robert Bosch GmbH), в которых изложены современные направления в производстве топливной аппаратуры для дизельных двигателей. Однако, при всем совершенстве этих разработок, промышленность продолжает производство топливных насосов для тракторных двигателей по классическому варианту и причин для этого несколько: электронный впрыск при всех его достоинствах в условиях сельскохозяйственного производства и том уровне кадров механизаторов не обеспечивает надлежащей надежности. Кроме того, он очень дорог для сельского хозяйства, а сложная по своему устройству разработка Коломенских тепловозостроителей (патент №2161720) уместна и эффективна для двигателей более высокой, чем тракторные, мощности двигателей.

Предлагаемое изобретение может устранить проблемы несовершенства тракторной топливной аппаратуры и довести качество работы тракторных топливных насосов до состояния, близкого к качеству работы систем электронного впрыска.

Проанализируем работу плунжерных пар топливного насоса высокого давления по учебнику «Автомобильные и тракторные двигатели», ч. 1, под редакцией профессора И.М. Ленина, для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы», издательство «Высшая школа», 1976 г., параграф 125, стр. 332.

На фиг. 1 изображена плунжерная пара описанного в учебнике насоса высокого давления. Здесь: 1 - плунжер, 2 - втулка плунжера, 3 - отверстие, подающее топливо, 4 - отсечное отверстие, отводящее топливо, 5 - вертикальный паз холостого хода, 6 - дозирующая кромка на теле плунжера. Плунжерные пары выполняют и по другому варианту, когда вместо вертикального бокового паза холостого хода - 5, в плунжере выполняют осевое сверление - 7, пересекающееся с радиальным сверлением - 8, а выфрезерованный на боковой поверхности плунжера участок холостого хода - 9, заменяют спиральным пазом. По последнему варианту конструкции выполняются плунжерные пары фирмой «Materpal», чешского производства, поставляющей свою продукцию на российские заводы, производящие топливную аппаратуру для Минского тракторного завода. Такая плунжерная пара работает следующим образом: при положении плунжера, соответствующем изображенному на фиг. 1, т.е., когда канал холостого хода 5 совпадает с положением отводящего отверстия 4 либо при отсутствии такого паза и наличии осевого сверления, плунжер повернут в крайнее положение, участок холостого хода 9 или спиральная канавка, его заменяющая, совпадает с отводящим топливо отверстием 4, положение плунжера соответствует остановке двигателя и топливо в форсунки при перемещении плунжера вверх не подается, перетекает в зону подачи либо через паз 5, либо через осевое и радиальное сверление 7 и 8 и то же отверстие 4. При повороте плунжера (глядя сверху) по часовой стрелке, впускное отверстие 3 будет расположено чуть выше торца плунжера при его нижнем положении, а отводящее отверстие 4 будет перекрыто телом плунжера. Впрыск начнется с момента перекрытия телом плунжера подводящего топливо отверстия 3. Объем впрыскиваемого топлива будет определяться ходом плунжера, до момента касания верхней части дозирующей кромки - 6 отсечного отверстия - 4, и чем больше угол поворота плунжера, тем больше объем впрыска.

Таким образом, система подачи топлива устроена так, что начало впрыска топлива на любом режиме нагрузок всегда происходит фиксированно, в соответствии с установленным углом опережения впрыска. Этот угол опережения впрыска в разных моделях двигателей зависит от частоты вращения коленчатого вала и колеблется от 23 до 30 градусов до верхней мертвой точки по ходу поршня на такте сжатия. Он определяется заводскими инструкциями для каждой модели двигателя. В ряде моделей двигателей угол опережения впрыска корректируется центробежными регуляторами, устанавливаемыми на валах привода топливного насоса, однако эти углы корректировки впрыска в зависимости от оборотов не изменяют заложенного в конструкцию насоса несоответствия момента подачи топлива на малых и средних оборотах, требуемому моменту подачи топлива, в зависимости от фактического положения поршней от верхней мертвой точки. При режиме полных нагрузок это обстоятельство не создает ощутимых помех в работе двигателя, но, как только двигатель переходит на режим холостого хода, такая подача топлива становится существенной помехой в работе двигателя. Продолжительность впрыска разных объемов топлива протекает на протяжении разной продолжительности движения плунжера по отношению к углу поворота коленчатого вала двигателя. И малые объемы впрыска, соответствующие малым оборотам, протекают в течение малых углов с очень большим опережением. Если началом впрыска будет угол 29-30 градусов до прихода поршня в верхнюю мертвую точку и продолжается всего лишь на протяжении 5-ти градусов, то малая порция топлива, сгорая с таким опережением, не разгоняет, а лишь останавливает коленчатый вал двигателя и регулятор топливного насоса для поддержания оборотов двигателя вынужден увеличивать подачу топлива. Отсюда для дизельных двигателей привычная частота вращения на малых оборотах холостого хода - это 800-900 оборотов в минуту. Для работы на малых оборотах характерна повышенная дымность и токсичность выхлопных газов. При попытках снизить частоту вращения холостого хода сразу же ощущается высокая жесткость в работе двигателя, которая может привести к поломкам деталей двигателя.

Все перечисленные проблемы в работе двигателя могут быть очень легко устранены видоизменением плунжерных пар. Ведь если еще раз проанализировать порядок впрыска топлива в известных насосах высокого давления, в любом из них можно увидеть зеркальную перевернутость фаз начала и конца впрыска от желательного состояния этих фаз впрыска. В любых насосах: многоплунжерных, одноплунжерных распределительного типа - везде просматривается эта ошибка, заложенная в конструкцию плунжерных пар, начиная с самых первых моделей топливной аппаратуры.

Предлагается два варианта конструкции плунжерных пар.

Целью предлагаемого изобретения является устранение фактора перевернутости фаз начала и конца впрыска топлива и обеспечение, через изменение конструкции плунжерных пар, строгого соответствия угла опережения впрыска фактическому положению хода поршня, когда малым объемам впрыска топлива на малых оборотах и малых нагрузках будет соответствовать более позднее начало впрыска и будет снят, таким образом, фактор самоторможения двигателя.

Вариант первый.

На фиг. 2 изображена плунжерная пара, где 1 - плунжер, 2 - втулка плунжера, 3 - позиция отверстия во втулке плунжера, подводящего топливо, 4 - позиция отверстия во втулке плунжера, отводящего топливо, 5 - паз холостого хода на боковой поверхности плунжера. Как вариант, функцию вертикального бокового паза 5 на стенке плунжера может выполнять осевое сверление 7 в плунжере , доходящее до позиции 8 радиального сверления в плунжере; 9 - участок холостого хода, выполняемый на боковой поверхности плунжера методом радиально-торцевого фрезерования или каким-либо иным методом удаления слоя металла, огибающий боковую поверхность плунжера, одна сторона которого является продолжением бокового паза холостого хода 5, второй стороной является радиальная отсечная кромка 10, по длине соответствующая рабочему углу поворота плунжера, и третьей стороной является дозирующая кромка 6. Подводящее 3, и отводящее 4, отверстия в стенке втулки размещают так, что отводящее отверстие 4, располагают во втулке плунжера в зоне пересечения паза холостого хода 5 и радиальной отсечной кромки 10 на боковой стенке плунжера в его нижнем положении. Подводящее отверстие 3 размещают соосно отводящему над торцом плунжера. Изображенные на фиг. 2 элементы боковой поверхности плунжера выполняются строго симметрично с двух боковых сторон плунжера с целью недопущения бокового давления плунжера топливом на стенку втулки и их интенсивного износа по причине большого трения.

Топливные насосы высокого давления традиционно выполняют так, что втулка плунжера фиксированно устанавливается в корпусе насоса с неизменным расположением впускного и отсечного отверстий в боковых поверхностях втулки. Плунжеры, как правило, также имеют фиксированные установочные позиции, строго связанные с зубчатым сектором рейки, управляющей подачей топлива, но при работе двигателя они имеют разное угловое положение по отношению к подающим и отводящим топливо отверстиям в стенках втулок. Предлагаемую плунжерную пару устанавливают в исходное положение так, что позицию паза холостого хода 5 на плунжере совмещают с вертикальной линией положения подающего и отводящего топливо отверстий 3 и 4 в стенке втулки (на фиг. 2 они показаны условно, как элементы, относящиеся к телу втулки), перемещение плунжера на впрыск, при этом, не запирает топливо в надплунжерном пространстве, и впрыска не будет. Поворот рейкой плунжера против часовой стрелки (глядя сверху) и движение плунжера вверх - перекрывает подающее отверстие 3 и топливо через паз холостого хода 5 либо через заменяющее его осевое сверление 7 и радиальное сверление 8, с надплунжерного пространства будет вытесняться вниз до момента перекрытия дозирующей кромкой 6 отводящего отверстия 4. С этого момента надплунжерный объем топлива будет в замкнутом пространстве и будет вытесняться плунжером через отсечной клапан и трубопровод высокого давления к форсунке. В момент касания радиальной отсечной кромкой 10 на плунжере зоны подводящего отверстия 3 происходит отсечка впрыска топлива. Поворот плунжера на разные углы, в пределах длины радиальной отсечной кромки 10, обеспечивает впрыск разных объемов топлива, в зависимости от положения дозирующей кромки 6 относительно отводящего отверстия 4, а радиальная отсечная кромка 10 обеспечивает отсечку впрыска на любом угле поворота плунжера, но, в отличие от производимых насосов, начало впрыска всегда будет разным и соответствовать объему подаваемой порции топлива, а конец впрыска всегда будет фиксированным и совпадать с моментом касания отсечной кромкой 10 зоны подводящего отверстия 3 перед концом хода плунжера, что обеспечивает переменный угол опережения впрыска так, что малому объему топлива будет соответствовать более поздний впрыск, а большому - наоборот. Этим устраняют фактор самоторможения двигателя на малых оборотах и обеспечивают мягкий и экономичный режим работы двигателя на малых и небольших нагрузках. Для четкой отсечки впрыска топлива и недопущения нагарообразования на распылителях форсунок подача топлива должна обрываться еще на быстром перемещении плунжера, а не в момент его остановки.

Второй вариант.

На фиг. 3 изображена плунжерная пара в верхнем положении плунжера, где 1 - плунжер, 2 - втулка плунжера, 3 - отверстие в стенке втулки, подводящее топливо, 4 - отверстие, отводящее топливо, 5 - вертикальный паз, 6 - дозирующая кромка плунжера, которую выполняют радиальным фрезерованием или иным методом так, что с боковой поверхности плунжера от нижней точки вертикального паза 5 удаляют небольшой слой металла, так что линия удаления металла уходит от вертикального положения под углом к торцу на величину угла рабочего поворота плунжера. С оставшейся боковой поверхности образовавшегося участка холостого хода 9, слой металла также удаляют; 7 - осевое сверление плунжера, 8 - радиальное сверление плунжера, пересекающееся с осевым, 10 - отсечная кромка, которую на плунжере выполняют в виде радиальной проточки на уровне отводящего отверстия 4 во втулке плунжера.

Для исключения боковых давлений плунжера на стенки втулки все изложенные выше элементы плунжера также выполняются с двух сторон боковой поверхности плунжера, строго симметрично относительно вертикальной оси.

Такой вариант плунжерной пары работает следующим образом: установочная позиция плунжера соответствует совмещению вертикального паза холостого хода 5 с позицией отверстия 3. Перемещение плунжера на впрыск при этом положении будет холостым ходом и в форсунки топливо подаваться не будет, так как топливо через отверстие 3 перетекает в зону низкого давления, что соответствует прекращению подачи топлива. При повороте плунжера по часовой стрелке (глядя снизу) в пределах рабочего угла вращения дозирующая кромка 6 перекрывает подающий канал 3 и топливо при движении плунжера на впрыск из надплунжерного пространства вытесняется в форсунки до момента касания отсечной кромкой 10 отводящего отверстия 4 и через осевое сверление 7, радиальное сверление 8, перетекает в зону низкого давления. Так же, как и в первом варианте, отсечную кромку располагают так относительно отводящего отверстия 4 в стенке втулки, чтобы впрыск обрывался на участке еще быстрого перемещения плунжера вверх, а не на режиме его остановки. Таким образом такая плунжерная пара обеспечит четкую подачу разных объемов топлива с переменными углами начала впрыска в зависимости от объема впрыска, заданного углом поворота плунжера, исключая непомерно ранний впрыск на малых оборотах и нагрузках, обеспечивая каждому объему впрыска свой угол опережения.

Сущность изобретения заключена в следующем: для устранения фактора перевернутости фаз начала и конца впрыска топлива и обеспечения точной подачи топлива в цилиндры двигателя в соответствии с фактическим положением поршней в первом варианте плунжерных пар симметрично расположенные относительно вертикальной оси боковые дозирующие кромки плунжера выполняют так, что на плунжере, при наличии вертикальных пазов холостого хода на боковой поверхности плунжера, вертикальные пазы начинаются с торца плунжера и доходят до выфрезерованных на боковой поверхности плунжера участков холостого хода, вертикальные стороны которых являются продолжением пазов холостого хода, а вторые стороны образуют радиальные отсечные кромки, продолжающиеся по окружности на величину рабочего угла поворота плунжера, и переходящие в огибающие плунжер дозирующие кромки, и под углом доходящие до линий вертикальных пазов, при этом подающее и отводящее отверстия в боковой стенке втулки плунжера выполняют так, что их размещают на линии вертикального паза холостого хода, причем отводящее отверстие соответствует позиции пересечения отсечной радиальной кромки и продолжения паза холостого хода в нижнем положении плунжера, а подающее отверстие расположено над торцом плунжера, в том угловом положении плунжера, когда его осевое перемещение не запирает топливо в надплунжерном пространстве, а если вместо вертикальных пазов на боковой поверхности плунжера выполняют осевое и радиальное сверление, то радиальное сверление плунжера, пересекающееся с осевым, выполняют на стыке вертикальной стороны участка холостого хода и дозирующей кромки.

Второй вариант плунжерных пар выполняют так, что боковые дозирующие кромки плунжера, симметрично размещенные относительно вертикальной оси, выполняют так, что от торцевой части плунжера по линии размещения подающего и отводящего топливо отверстий в стенке втулки плунжера на глубину хода плунжера в нем выполняют вертикальные пазы, переходящие в нижней точке в наклонные дозирующие кромки, огибающие плунжер и под углом поднимающиеся к торцу плунжера в пределах рабочего угла поворота плунжера, а с поверхности плунжера - в пределах, охваченных дозирующими кромками и вертикальными пазами участков холостого хода, металл удаляют, при этом, на расстоянии рабочего хода плунжера от его нижнего положения, на плунжере выполняют кольцевую проточку, отсечную кромку которой размещают в зоне отводящего топливо отверстия в стенке втулки, а по оси плунжера в нем выполняют сверление до зоны кольцевой проточки, которое пересекается с радиальным сверлением в зоне этой проточки.

Экономичность и качество работы двигателя во многом зависит от продолжительности угла впрыска топлива и качества распыления топлива. Этим определяется время горения топлива. Чем короче угол впрыска топлива, чем точнее он соответствует фактическому положению поршня и чем выше качество распыления, тем выше полнота сгорания топлива, тем меньше уровень потерь энергии топлива при рабочем ходе. Для достижения этих целей желательно применение короткоходовых плунжерных пар, которые обеспечивали бы быстрый впрыск на коротких углах поворота коленчатого вала. Сочетание предлагаемых плунжерных пар с такой конструкцией топливных насосов позволит обеспечить качество работы дизельных двигателей, вполне сопоставимое с электронным впрыском, но с многократно меньшей себестоимостью, при этом для переналадки заводского оборудования на выпуск таких модернизированных плунжерных пар потребуется всего лишь несколько дополнительных дней работы технологов, не более. Конструкция же насоса не потребует существенных изменений. Изменятся обороты холостого хода. Двигатель вполне устойчиво сможет работать в пределах 400-500 оборотов минуту.

Изобретение может быть использовано в топливных насосах высокого давления (ТНВД). Предложена плунжерная пара ТНВД, состоящая из втулки 2 с подающим 3 и отводящим 4 топливо отверстиями, плунжера 1, имеющего две боковые симметрично размещенные относительно вертикальной оси дозирующие кромки 6. В одном варианте выполнения на боковой поверхности плунжера выполнены пазы холостого хода 5, доходящие до участков холостого хода 9, ограниченных вертикальными сторонами, являющимися продолжением пазов холостого хода, радиальными отсечными кромками 10 и дозирующими кромками 6. Вместо вертикальных пазов на боковой поверхности плунжера могут быть выполнены осевое 7 и радиальное 8 сверления. В другом варианте выполнения в плунжере выполняют вертикальные пазы 5, переходящие в наклонные дозирующие кромки 6, огибающие плунжер, и под углом доходящие до торца плунжера и образующие участки холостого хода 9. На плунжере также выполняют кольцевую проточку, отсечную кромку 10 которой размещают в зоне отводящего топливо отверстия 4, а по оси плунжера 1 в нем выполняют сверление 7 до зоны кольцевой проточки, которое пересекается с радиальным сверлением 8 в зоне проточки. Техническое решение позволяет повысить качество работы плунжерных ТНВД. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плунжерная пара топливного насоса высокого давления, состоящая из втулки с подающим и отводящим топливо боковыми отверстиями, плунжера, имеющего две боковые симметрично размещенные относительно вертикальной оси дозирующие кромки, отличающаяся тем, что при наличии вертикальных пазов холостого хода на боковой поверхности плунжера вертикальные пазы начинаются с торца плунжера и доходят до выфрезерованных на боковой поверхности плунжера участков холостого хода, вертикальные стороны которых являются продолжением пазов холостого хода, а вторые стороны образуют радиальные отсечные кромки, продолжающиеся по окружности на величину рабочего угла поворота плунжера и переходящие в огибающие плунжер дозирующие кромки, и под углом доходящие до линий вертикальных пазов, а если вместо вертикальных пазов на боковой поверхности плунжера выполняют осевое и радиальное сверление, то радиальное сверление плунжера, пересекающееся с осевым, выполняют на стыке вертикальной стороны участка холостого хода и дозирующей кромки, при этом подающее и отводящее отверстия в боковой стенке втулки плунжера выполняют так, что их размещают на линии вертикального паза холостого хода, причем отводящее отверстие соответствует позиции пересечения отсечной радиальной кромки и продолжения паза холостого хода в нижнем положении плунжера, а подающее отверстие расположено над торцом плунжера, в том угловом положении плунжера, когда его осевое перемещение не запирает топливо в надплунжерном пространстве.

2. Плунжерная пара топливного насоса высокого давления, состоящая из втулки с подающим и отводящим топливо боковыми отверстиями, плунжера, имеющего две боковые, симметрично размещенные относительно вертикальной оси дозирующие кромки, отличающаяся тем, что боковые дозирующие кромки плунжера, симметрично размещенные относительно вертикальной оси, выполняют так, что от торцевой части плунжера по линии размещения подающего и отводящего топливо отверстий в стенке втулки плунжера на глубину хода плунжера в нем выполняют вертикальные пазы, переходящие в нижней точке в наклонные дозирующие кромки, огибающие плунжер и под углом поднимающиеся к торцу плунжера в пределах рабочего угла поворота плунжера, а с поверхности плунжера - в пределах, охваченных дозирующими кромками и вертикальными пазами участков холостого хода, металл удаляют, при этом на расстоянии рабочего хода плунжера от его нижнего положения на плунжере выполняют кольцевую проточку, отсечную кромку которой размещают в зоне отводящего топливо отверстия в стенке втулки, а по оси плунжера в нем выполняют сверление до зоны кольцевой проточки, которое пересекается с радиальным сверлением в зоне этой проточки.