Топливный насос высокого давления

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливоподающей аппаратуре. Изобретение позволяет обеспечить снижение суммарных выбросов окислов азота и окислов углерода во всем диапазоне рабочих режимов среднеоборотного транспортного дизеля для локомотива. Насос содержит корпус, нагнетательный клапан, втулку плунжера с выполненными в ней перпендикулярно оси двумя симметричными соосными конусными отверстиями, сужающимися внутри втулки, плунжер-золотник с четырьмя попарно симметричными отсечными кромками, двумя пазами, выполненными на рабочих поверхностях золотниковой части перпендикулярно оси плунжера. Верхняя и нижняя отсечные кромки плунжера-золотника выполнены нелинейными и очерчены дугами двух или более винтовых линий, сопряженных радиусом постоянной либо переменной кривизны. Профиль поперечного сечения пазов выполнен в виде клина со скругленной зауженной частью, направленной к оси плунжера, расстояние от верхнего торца плунжера до верхней кромки паза составляет 1,2 - 1,4 диаметра всасывающих окон. Наибольшая ширина паза, измеренная по поверхности плунжера Б 0,5 - 0,6 диаметров всасывающих окон, а протяженность паза, измеренная по поверхности золотниковой части плунжера перпендикулярно его оси, выполнена таким образом, чтобы на режимах от 0,85 до 1,0 от номинальной подачи было обеспечено двухфазное впрыскивание. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: двигателестроение, в частности топливоподающая аппаратура.

Ужесточение предельно допустимых норм токсичности выхлопных газов двигателей требуют непрерывного совершенствования качества процесса смесеобразования, которое в значительной степени определяется процессом подачи топлива. По принятым в настоящее время отечественным и зарубежным методам количественная оценка эмиссий производится по комплексным удельным показателям, рассчитанным по результатам испытаний двигателя в установленном диапазоне рабочих режимов. Результаты исследования рабочего процесса показывают, что на режимах, близких к номинальной мощности, в общем количестве токсичных компонентов выхлопа преобладают окислы азота (NO_x), а на режимах частичных нагрузок окиси углерода (CO), поэтому для снижения комплексных показателей токсичности в первом случае эффективны мероприятия, уменьшающие содержание NO_x (например, уменьшение максимальной температуры цикла), а во втором случае, снижающие CO (например, повышение температуры цикла). Вместе с тем известно, что снижение температуры цикла приводит к ухудшению индикаторного КПД двигателя, а следовательно, и к ухудшению экономичности. Для исключения этого явления требуется коррекция фазы тепловыделения при одновременном снижении скорости нарастания давления в цилиндре. Таким образом для снижения суммарного количества вредных выбросов во всем диапазоне работы двигателя необходимо управление фазой и законом топливовыделения, которые в основном являются функциями фазы и закона подачи топлива. Наиболее эффективным способом управления законом тепловыделения является организация двухфазного, ступенчатого и однофазного впрыскиваний с одновременной коррекцией опережения подачи топлива при переходе одного закона к другому.

Известны конструкции ТНВД, обеспечивающие двухфазную подачу топлива (например, патент РФ N 2059098, или патент ФРГ N 736684) путем перепуска топлива на части активного хода в полость всасывания, либо в надыгольчатую полость форсунки. Перепуск топлива осуществляется путем комбинаций взаимного положения специальных окон втулки и плунжера.

Недостатками указанных конструкций являются обеспечение только двухфазной подачи во всем поле рабочих характеристик, либо релейный переход с одной на две фазы подачи, отсутствие коррекции опережения впрыскивания при смене закона подачи, невозможность обеспечения высокой точности дозирования первой порции подачи из-за того, что разделение фаз осуществляется несколькими геометрическими элементами, отклонение взаимного положения которых растет по мере увеличения их количества.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции топливного насоса высокого давления, обеспечивающей снижение суммарных выбросов окислов азота и окислов углерода во всем диапазоне рабочих режимов среднеоборотного транспортного дизеля для локомотива путем формирования двухфазной, однофазной двухступенчатой, либо однофазной одноступенчатой подачи топлива с одновременной коррекцией фазы впрыскивания.

Задача заявленного изобретения достигается за счет того, что в известном топливном насосе высокого давления, содержащем корпус, нагнетательный клапан, втулку плунжера с выполненными в ней перпендикулярно оси двумя симметричными соосными конусными отверстиями, сужающимися внутрь втулки, плунжер-золотник с четырьмя попарно симметричными отсечными кромками, из которых две определяют начало, и две - конец нагнетания, и двумя пазами, выполненными на рабочих поверхностях золотниковой части перпендикулярно оси плунжера, соединенными с отсечными каналами между втулкой и плунжером, во всем поле рабочих режимов по мере увеличения мощности последовательно реализуются однофазный, ступенчатый и двухфазный импульсы впрыскивания, для чего верхняя и нижняя отсечные кромки плунжера-золотника выполнены нелинейными и очерчены дугами двух или более винтовых линий, сопряженных радиусом постоянной либо переменной кривизны, причем шаг винтовых линий может быть как одинаковым, так и различным, профиль поперечного сечения пазов, расположенных на золотниковой части перпендикулярно оси плунжера, выполнен в виде клина со скругленной зауженной частью, направленной к оси плунжера, расстояние от верхнего торца плунжера до верхней кромки паза составляет от 1,2 до 1,4 диаметра всасывающих окон, наибольшая ширина паза, измеренная по поверхности плунжера Б, от 0,5 до 0,6 диаметров всасывающих окон, а протяженность паза, измеренная по поверхности золотниковой части плунжера перпендикулярно его оси, выполнена таким образом, чтобы на режимах от 0,85 до 1,0 от номинальной подачи было обеспечено двухфазное впрыскивание.

Пазы на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, могут быть выполнены в виде двух симметричных сегментов.

Пазы на золотниковой части в плунжере в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, могут быть выполнены в виде двух асимметричных сегментов, разность длин хорд которых составляет не более половины диаметра всасывающего отверстия.

Пазы на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, выполнены в виде двух симметрично расположенных криволинейных сегментов, образованных дугами окружностей с большим и меньшим радиусами.

Пазы на золотниковой части плунжера в полости, перпендикулярной оси плунжера, могут быть выполнены в виде двух асимметричных криволинейных сегментов, разность длин хорд которых составляет не более половины диаметра всасывающего отверстия.

Топливный насос высокого давления (фиг. 1), содержащий корпус 1, нагнетательный клапан 5 с корпусом 4, втулку плунжера 2 с выполненными в ней перпендикулярно оси двумя симметричными соосными конусными отверстиями 3 и 7, сужающимися внутрь втулки, плунжер-золотник 10 с четырьмя попарно симметричными отсеченными кромками, из которых две верхних 6 определяют начало, а две нижних 9 конец нагнетания, и двумя смещенными относительно верхнего торца пазами 8, расположенными перпендикулярно оси плунжера.

Поставленная цель достигается комбинацией взаимного расположения элементов, образующих конфигурацию верхней и нижней отсечных кромок плунжера с элементами, образующими конфигурацию его поперечных пазов, и относительным положением всасывающе-отсечных окон втулки плунжера. Наибольший эффект достигается при нелинейных отсечных кромках, очерченных дугами двух или более винтовых линий, сопряженных радиусом постоянной либо переменной кривизны, причем шаг винтовых линий может быть как одинаковым, так и различным. При этом профиль поперечного сечения пазов, расположенных на золотниковой части, может быть выполнен в виде клина со скругленной зауженной частью, направленной к оси плунжера, либо в виде двух симметричных сегментов, либо в виде двух асимметричных сегментов, разность длин хорд которых составляет не более половины диаметра всасывающего отверстия, либо в виде двух симметрично расположенных криволинейных сегментов, образованных дугами окружностей с большим и меньшим радиусами, либо в виде двух асимметричных криволинейных сегментов, разность длин хорд которых составляет не более половины диаметра всасывающего отверстия.

На фиг. 2 представлена развертка золотниковой части плунжера с элементами, образующими конфигурацию кромок и пазов. Положение 13 отсечных окон втулки соответствует нулевой подачи насоса. Симметричное расположение элементов развертки относительно оси плунжера позволяет исключить радиальные усилия, возникающие под действием давления топлива в случае асимметрии золотниковой части плунжера. При работе насоса в области режимов холостого хода и частичных нагрузок до 0,5 P_{е ном} (положение отсечных окон в зоне А, фиг. 2) реализуется однофазная одноступенчатая подача топлива. Начало подачи в этом диапазоне определяется элементами 3 и частично 2 верхних управляющих кромок. Управление опережением подачи осуществляется благодаря наклону элементов 3.

При работе насоса в области нагрузок от 0,5 до 0,86 P_{е ном} (участок Б, фиг. 2) реализуется однофазная двухступенчатая подача топлива, причем с ростом мощности амплитуда первой ступени снижается. Одновременно с изменением закона подачи происходит интенсивное увеличение опережения впрыскивания за счет криволинейных участков 2 управляющих кромок, что компенсирует потерю индикаторного КПД двигателя, которая была бы неизбежной, поскольку прирост длительности впрыскивания превалирует над приростом величины цикловой подачи из-за образования импульса ступенчатой формы.

Ступенчатая форма импульса впрыскивания обеспечивается с момента перехода отсечных отверстий в зону Б, где на участке активного хода осуществляется сброс небольшой части топлива из надплужерного пространства в полость всасывания через щель, образованную участками 7 и 8 и кромками отсечного отверстия. Окончание подачи регламентируется элементами 6 нижних кромок. Увеличение первой ступени по мере увеличения мощности обусловлено наклоном элементов 7 и 8.

При переходе на режимы, близкие к полной мощности (0,85 до 1,0 номинальной подачи, зона В фиг. 2), реализуется двухфазная подача топлива. Величина первой фазы обеспечивается подбором соотношения расстояния между элементами 9, 14 и диаметром всасывающих окон. Пауза между первой и второй фазами обеспечивается определенным соотношением ширины паза (расстояние между элементами 9 и 10) и диаметра всасывающих окон. Наилучший результат обеспечивается, когда расстояние между элементами 9 и 14 составляет от 1,2 до 1,4, а между элементами 9 и 10 от 0,5 до 0,6 диаметра всасывающих окон. Протяженность паза, измеренная по поверхности золотниковой части плунжера перпендикулярно его оси, должна быть выбрана таким образом, чтобы на режимах от 0,85 до 1,0 номинальной подачи было обеспечено двухфазное впрыскивание.

Взаимное положение элементов 7 и 8, обеспечивающих начало формирования и изменения формы импульсов ступенчатой подачи, достигается выбором элементов R; h₁; h₂ и α фиг. 3.

Примеры конфигурации пазов 8 фиг. 1 на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, показаны на фиг. 4.

Формула изобретения

1. Топливный насос высокого давления, содержащий корпус, нагнетательный клапан, втулку плунжера с выполненными в ней перпендикулярно оси двумя симметричными соосными конусными отверстиями, сужающимися внутрь втулки, плунжер-золотник с четырьмя попарно симметричными отсечными кромками, из которых две определяют начало, а две - конец нагнетания, и двумя пазами, выполненными на рабочих поверхностях золотниковой части перпендикулярно оси плунжера, соединенными с отсечными каналами между втулкой и плунжером, отличающийся тем, что во всем поле рабочих режимов по мере увеличения мощности последовательно реализуются однофазный, ступенчатый и двухфазный импульсы впрыскивания, для чего верхняя и нижняя отсечные кромки плунжера-золотника выполнены нелинейными и очерчены дугами двух или более винтовых линий, сопряженных радиусом постоянной либо переменной кривизны, причем шаг винтовых линий может быть как одинаковым, так и различным, профиль поперечного сечения пазов, расположенных на золотниковой части перпендикулярно оси плунжера, выполнен в виде клина со скругленной зауженной частью, направленной к оси плунжера, расстояние от верхнего торца плунжера до верхней кромки паза составляет 1,2 - 1,4 диаметра всасывающих окон, наибольшая ширина паза, измеренная по поверхности плунжера Б 0,5 - 0,6 диаметров всасывающих окон, а протяженность паза, измеренная по поверхности золотниковой части плунжера перпендикулярно его оси, выполнена таким образом, чтобы на режимах от 0,85 до 1,0 от номинальной подачи было обеспечено двухфазное впрыскивание.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что пазы на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, выполнены в виде двух симметричных сегментов.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что пазы на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, выполнены в виде двух симметричных сегментов, разность длин хорд которых составляет не более половины диаметра всасывающего отверстия.

4. Насос по п.1, отличающийся тем, что пазы на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, выполнены в виде двух симметрично расположенных криволинейных сегментов, образованных дугами окружностей с большим и меньшим радиусами.

5. Насос по п.1, отличающийся тем, что пазы на золотниковой части плунжера в плоскости, перпендикулярной оси плунжера, выполнены в виде двух асимметричных криволинейных сегментов, разность длин хорд которых составляет не более половины диаметра всасывающего отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4