ТОПЛИВНЫЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F02M59/10 F02M59/44 F04B9/04 

Область техники

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к топливоподающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизелей.

Уровень техники

Известны топливные насосы высокого давления (ТНВД), в которых привод плунжеров осуществляется от кулачкового вала с помощью центрального роликового толкателя, содержащего корпус в форме стакана, размещенную в нем ось и ролика на ней (например, рис. 2.14 в учебнике Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2004. - 344 с.).

Применительно к аккумуляторным топливным системам (также называемым Common-Rail, сокр. CR) такой привод не обеспечивает работоспособность ТНВД.

Известны конструкции привода ТНВД, где ролик размещен в корпусе толкателя без оси (например, рис.1 в патенте ФРГ № DE2712450 (опубликовано 1978-09-28)). Благодаря использованию гидравлического клина сопряжение “ролик-толкатель” имеет большую несущую способность. Но и она недостаточна.

Известна конструкция толкателя, оснащенного шаровой опорой (Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. - М.: Машиностроение, 1987). Благодаря опоре обеспечивается равномерное распределение нагрузки по ширине ролика толкателя, устранение перекосов и повышение несущей способности.

Недостатком решения является дополнительное усложнение группы движущихся деталей.

Известны насосы с толкателями в форме стакана, взаимодействующими с эксцентриком вала, причем контактная поверхность скошена относительно оси толкателя (Патент США № US4430047A (опубликовано 1984-02-07)). Такие толкатели с осью, смещенной относительно оси вала (т.е. образующими так называемый дезаксиальный механизм) благодаря скосам при работе обеспечивают два перекашивающих момента: в одну сторону от наличия скосов, в другую – от дезаксиала. В результате снижается вероятность заклинивания толкателя от перекашивающих его моментов.

Однако, работоспособность привода остается низкой в по причине трения толкателя о эксцентрик.

В ТНВД CR получили распространение толкатели, приводимые в движение от эксцентрика через промежуточную втулку с лысками (рис. 3.10 в учебнике (Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2004. - 344 с.).

Недостаток конструкции – ограничение нагруженности из-за трения толкателя о лыску промежуточной втулки.

Известен ТНВД CR с промежуточной втулкой на эксцентрике, взаимодействующей с толкателем или торцем плунжера (рис. 3.10 в учебнике Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во Легион-Автодата, 2004. - 344 с.). Конструкция выгодно отличается от ранее рассмотренных благодаря возможности обкатывания без проскальзывания промежуточной втулкой (лишенной лысок) контактной поверхности толкателя. То есть скольжение заменено качением в наиболее уязвимом сопряжении.

Недостаток конструкции: нарушение нормальной работы, заедание в подшипнике “промежуточная втулка - эксцентрик”, контактные перегрузки при неточном изготовлении деталей, даже в пределах допусков. В таком случае линейный контакт в сопряжении “втулка-толкатель” превращается в точечный. Вероятность возникновения такого дефекта велика из-за большого числа погрешностей изготовления различных деталей: корпуса ТНВД, эксцентрика, втулки, толкателя и др. Кроме того, эксцентриковый механизм, выполненный по простейшей схеме толкателя с донышком, перпендикулярным оси толкателя, отличается наличием момента, перекашивающего толкатель в корпусе, например, проиллюстрированном на фигуре 1.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в обеспечении работоспособности, повышении ресурса деталей привода насоса, технологичности насоса и несущей способности привода плунжеров ТНВД CR.

Данная задача решается за счет того, что топливный насос высокого давления для аккумуляторной топливной системы двигателя внутреннего сгорания имеет корпус с размещенным в нем эксцентриковым валом и насосными секциями. В корпусе между насосной секцией с плунжером и эксцентриковым валом установлен толкатель в форме стакана с опорной торцевой поверхностью. Торцевая поверхность при этом имеет скос относительно плоскости, перпендикулярной оси толкателя. Кроме того, толкатель в тангенциальном направлении установлен меньшей высотой толкателя навстречу вращению эксцентрикового вала. Скос толкателя по всей его ширине образуется цилиндрической поверхностью таким образом, что у диаметра толкателя скос равен нулю с образованием прямого угла между донышком и осью толкателя, а при удалении от диаметра на величину эксцентриситета угол скоса увеличивается до максимальной величины. При этом выполняется условие, что из любой точки контакта с эксцентриковым валом, линии, перпендикулярные скосу, пересекаются с осью толкателя в одной точке, расположенной на оси толкателя.

В частном случае точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя расположена на половине отрезка, расположенного на оси толкателя, от проекции на ось толкателя верхней точки кромки толкателя до проекции точки контакта толкателя с эксцентриковым валом на ось толкателя, а максимальная величина угла скоса имеет величину, вычисляемую по формуле: а_мах=arcsin(ε/(h’’+Rp), где:

ε – эксцентриситет эксцентрикового вала;

h’’=h/cos(α);

h – половина отрезка, расположенного на оси толкателя, от проекции на ось толкателя верхней точки кромки толкателя до проекции точки контакта толкателя с эксцентриковым валом на ось толкателя;

α –угол скоса наклона торцевой поверхности толкателя;

Rp – радиус ролика эксцентрикового вала.

В частном случае точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя расположена на половине длинны проекции на ось цилиндрической поверхности отверстия корпуса где расположен толкатель отрезка от верхней точки толкателя до верхней точки нижней части толкателя (или нижней точки отверстия корпуса где расположен толкатель, в случае, если верхняя точка нижней части толкателя расположена ниже верхней точки нижней части толкателя), а максимальная величина угла скоса имеет величину, вычисляемую по формуле:

а_мах=arcsin(ε/(h’’+Rp), где:

ε – эксцентриситет эксцентрикового вала;

h’’ – расстояние от точки контакта толкателя с эксцентриковым валом до точки пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя, зависящее от диаметра толкателя;

Rp – радиус ролика эксцентрикового вала.

В частном случае топливный насос высокого давления имеет толкатель, установленный в корпусе с дезаксиалом относительно эксцентрикового вала.

В частном случае топливный насос высокого давления имеет эксцентриковый вал, снабженный промежуточной втулкой, одетой на эксцентрик и образующей с эксцентриковым валом подшипник скольжения или подшипник качения, например, игольчатый.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение работоспособности и повышение несущей способности привода плунжеров ТНВД CR.

Сущность изобретения поясняется графическими изображениями и чертежами. Чертежи не охватывают весь объем притязаний данного технического решения, а являются иллюстрирующими материалами нескольких частных случаев исполнения.\

Перечень фигур

Фигура 1 - схема толкателя с донышком, перпендикулярным оси толкателя;

Фигура 2 – схема толкателя со скосом;

Фигура 3 - частный случай решения, когда точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя расположена на половине длины проекции на ось цилиндрической поверхности отверстия корпуса, где расположен толкатель отрезка от верхней точки толкателя до верхней точки нижней части толкателя;

Фигура 4 - в верхней мертвой точке толкатель с боковой силой N и перекашивающим моментом М;

Фигура 5 - толкатель со скосом переменного угла наклона;

Фигура 6 - дезаксиал толкателя относительно вала для больших величин эксцентриситета;

Фигура 7 – циклограмма осевой ориентации толкателя.

Осуществление изобретения

На фигуре 2 поясняется, когда толкатель снабжается скосом, при этом величина угла скоса может быть определена из условия отсутствия момента (М=0), перекашивающего толкатель в корпусе.

При M=0 угол наклона скоса α_max=аrcsin(ε/(h”+Rр)), где

ε – эксцентриситет эксцентрикового вала;

h’’=h/cos(α);

h –половина отрезка А¹В¹. Точки А¹ и В¹ являются проекциями точек А и В на ось толкателя. Точка А – точка контакта эксцентрика с толкателем, а точка В – точка верхней кромки толкателя;

α –угол скоса наклона торцевой поверхности толкателя;

Rp – радиус ролика эксцентрикового вала.

На фигуре 3 частный случай решения, когда точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя расположена на половине длины проекции на ось цилиндрической поверхности отверстия корпуса, где расположен толкатель отрезка от верхней точки толкателя до верхней точки нижней части толкателя (или нижней точки отверстия корпуса где расположен толкатель, в случае, если верхняя точка нижней части толкателя расположена ниже верхней точки нижней части толкателя), а максимальная величина угла скоса имеет величину, вычисляемую по формуле:

α_max=аrcsin(ε/(h”+Rр)), где

ε – эксцентриситет эксцентрикового вала;

h’’ – расстояние от точки контакта толкателя с эксцентриковым валом до точки пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя, зависящее от диаметра толкателя – А1В1. Точки А1 и В1 являются проекциями точек А и В на ось толкателя. Точка А – верхняя точка нижней части толкателя (или нижняя точка отверстия корпуса где расположен толкатель, в случае, если верхняя точка нижней части толкателя расположена ниже верхней точки нижней части толкателя), а точка В – точка верхней кромки толкателя;

Rp – радиус ролика эксцентрикового вала.

Однако, если в верхней мертвой точке, даже такой толкатель испытывает боковую силу N и перекашивающий момент М (фигура 4).

По этим причинам лучшим решением является толкатель со скосом переменного угла наклона (фигура 5).

На фигуре 5 точки О^А, О^Б, О^В – точки положения центров окружности эксцентрика вала по мере его вращения.

Наконец, возможно дополнение предлагаемого технического решения использованием дезаксиала толкателя относительно вала. Такое решение может быть целесообразно также для больших величин эксцентриситета (фигура 6).

Для решения с дезакциалом максимальная величина угла скоса находится из уравнения:

ε_э=Rр·sinα+h·tgα, где

ε_э – сумма эксцентриситета а и дезакциала в;

Rp – радиус ролика эксцентрикового вала.

α –угол скоса наклона торцевой поверхности толкателя;

h – точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя, которая может быть найдена в соответствии с фигурой 2 или фигурой 3.

Утверждение, что толкатель автоматически самоустанавливается, в том числе, с компенсацией погрешностей изготовления всех контактирующих деталей, иллюстрируется циклограммой, сделанной при на полуразобранном насосе с ручным поворотом вала. Факт самоустановки толкателя подтверждается анализом действующих сил и прямыми результатами испытаний, результаты которых схематически представлены на фигуре 7.

На фигуре 7 изображена циклограмма осевой ориентации толкателя, где схематически показаны: 1 – толкатель, 2 – корпус топливного насоса высокого давления, 3 – эксцентриковый вал, стрелка – ориентация толкателя, А0…А5 рассматриваемые этапы циклограммы, х0…х5 – число оборотов эксцентрикового вала. По циклограмме можно видеть, что после некоторого числа оборотов (на фигуре 7 для наглядности показано 4 оборота) толкатель самоустанавливается и сохраняет установившееся положение.

Таким образом, поставленная задача достигается использованием малого скоса контактной поверхности толкателя, обеспечивающего неперпендикулярность этой поверхности осям толкателя и плунжера.

Благодаря скосу есть возможность скомпенсировать практически любую погрешность изготовления (погрешность формы и взаимного расположения поверхностей) деталей привода и корпуса ТНВД. Это обеспечивается самоустановкой толкателя путем поворота вокруг своей оси, в результате которой точечный контакт в паре “втулка-толкатель” превращается в линейный, т.е. равномерный и не приводящий к перекосу толкателя в корпусе. В отсутствии погрешностей или их малости, избыточность скоса компенсируется самостоятельным разворотом толкателя в направлении большего выступания контактной поверхности в направлении обкатывания промежуточной втулкой.

Изобретение, охарактеризованное совокупностью вышеперечисленных признаков, является новым, т.к. предложенная совокупность признаков не описана в известных источниках информации, использованных для определения уровня технического развития топливоподающей аппаратуры дизелей.

Кроме того, предлагаемая совокупность существенных признаков не является очевидной, поскольку не следует непосредственно из уровня технического развития топливоподающей аппаратуры дизелей. При этом, предлагаемое техническое решение осуществимо в промышленных условиях.

Изобретение может быть использовано в топливных насосах высокого давления (ТНВД) для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно дизелей. Изобретение позволяет обеспечить работоспособность, повысить ресурс деталей привода насоса, технологичность насоса и несущую способность привода плунжеров ТНВД. Предложенный ТНВД для аккумуляторной топливной системы ДВС имеет корпус с размещенным в нем эксцентриковым валом и насосными секциями. В корпусе между насосной секцией с плунжером и эксцентриковым валом установлен толкатель в форме стакана с опорной торцевой поверхностью. Торцевая поверхность при этом имеет скос относительно плоскости, перпендикулярной оси толкателя. Кроме того, толкатель в тангенциальном направлении установлен меньшей высотой толкателя навстречу вращению эксцентрикового вала. Скос толкателя по всей его ширине образуется цилиндрической поверхностью таким образом, что у диаметра толкателя скос равен нулю с образованием прямого угла между донышком и осью толкателя, а при удалении от диаметра на величину эксцентриситета угол скоса увеличивается до максимальной величины. При этом выполняется условие, что из любой точки контакта с эксцентриковым валом, линии, перпендикулярные скосу, пересекаются с осью толкателя в одной точке, расположенной на оси толкателя. 4 з.п. ф-лы. 7 ил.

1. Топливный насос высокого давления для аккумуляторной топливной системы двигателя внутреннего сгорания, имеющий корпус, размещенные в нем эксцентриковый вал, насосная секция с плунжером, толкатель в форме стакана с опорной торцевой поверхностью, имеющей скос относительно плоскости, перпендикулярной оси толкателя и установленный в корпусе между плунжером и эксцентриковым валом, отличающийся тем, что толкатель в тангенциальном направлении установлен меньшей высотой толкателя навстречу вращению эксцентрикового вала, а скос толкателя по всей его ширине образуется цилиндрической поверхностью таким образом, что у диаметра толкателя скос равен нулю с образованием прямого угла между донышком и осью толкателя, а при удалении от диаметра на величину эксцентриситета угол скоса увеличивается до максимальной величины, при этом выполняется условие, что из любой точки контакта с эксцентриковым валом, линии, перпендикулярные скосу, пересекаются с осью толкателя в одной точке, расположенной на оси толкателя.

2. Топливный насос высокого давления по п.1, отличающийся тем, что точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя расположена на половине отрезка, расположенного на оси толкателя, от проекции на ось толкателя верхней точки кромки толкателя до проекции точки контакта толкателя с эксцентриковым валом на ось толкателя, а максимальная величина угла скоса имеет величину, вычисляемую по формуле:

, где:

ε – эксцентриситет эксцентрикового вала;

;

– половина отрезка, расположенного на оси толкателя, от проекции на ось толкателя верхней точки кромки толкателя до проекции точки контакта толкателя с эксцентриковым валом на ось толкателя;

α – угол скоса наклона торцевой поверхности толкателя;

– радиус ролика эксцентрикового вала.

3. Топливный насос высокого давления по п.1, отличающийся тем, что точка пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя расположена на половине длинны проекции на ось цилиндрической поверхности отверстия корпуса, где расположен толкатель отрезка от верхней точки толкателя до верхней точки нижней части толкателя или нижней точки отверстия корпуса, где расположен толкатель, в случае, если верхняя точка нижней части толкателя расположена ниже верхней точки нижней части толкателя, а максимальная величина угла скоса имеет величину, вычисляемую по формуле:

, где:

ε – эксцентриситет эксцентрикового вала;

– расстояние от точки контакта толкателя с эксцентриковым валом до точки пересечения линии, перпендикулярной скосу, и оси толкателя, зависящее от диаметра толкателя;

– радиус ролика эксцентрикового вала.

4. Топливный насос высокого давления по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что толкатель установлен в корпусе с дезаксиалом относительно эксцентрикового вала.

5. Топливный насос высокого давления по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что эксцентриковый вал снабжен промежуточной втулкой, одетой на эксцентрик и образующей с эксцентриковым валом подшипник скольжения или подшипник качения, например, игольчатый.