DK176162B1 - Brændstofpumpe til forbrændingsmotorer, især store langsomtgående marinedieselmotorer - Google Patents

Description

i DK 176162 B1

Den foreliggende opfindelse angår en brændstofpumpe til forbrændingsmotorer, især store, langsomtgående marine-dieselmotorer, og til levering af en variabel mængde brændstof til en i motorens arbejdscylinder placeret indsprøjt-, 5 ningsdyse med en i dyseåbningen placeret fjederbelastet nål, hvilken pumpe omfatter en pumpecylinder, hvori et stempel * med en overkant, der er dannet mellem stemplets ende- og si deflade, og i det mindste en i skrueform forløbende styrekant, der afgrænser en via en aksial kanal med stemplets en-10 deflade forbundet udskæring i stemplets sideflade, er bevægeligt, og hvor pumpecylinderen, der i sin væg har i det mindste ét afskæringshul, er i forbindelse med et omgivende forsyningskammer indeholdende brændstoffet under moderat tryk, hvilket mindst ene hul ved pumpestemplets vandring fra 15 bund- til topstilling tildækkes af stempelsiden under overkanten og senere frilægges af styrekanten til bortledning af overskydende brændstof ved afslutning af det effektive pumpeslag.

Ved traditionelle brændstofpumper er der for hver 20 styrekant et hul gennem pumpecylinderens væg, og pumpestemplet er således udformet, at dette hul ved begyndelsen af pumpestemplets vandring tildækkes af stemplets overkant, og det samme hul frilægges senere af styrekanten, når den indstillede brændstofmængde er afgivet til indsprøjtningsdyser-25 ne. Et sådant arrangement har virket upåklageligt i mindre og mellemstore motorer, men ved store, langsomtgående dieselmotorer har der vist sig problemer, der kan føres tilbage til de store dimensioner af pumperne og til forholdsregler, der må træffes for at dæmpe tryksvingninger i indsprøjt-30 ningssystemet ved indledningen og afslutningen af det virksomme pumpeslag. Problemerne kan vise sig som erosion på pumpestemplets sideflader hidrørende fra kavitation i hullerne på grund af stor strømningshastighed i disse. En forøgelse af tværsnittet i hullerne kan imidlertid ikke umid-35 delbart foretages, fordi hullerne, når de frilægges af styrekanten, skal virke forsinkende på trykaflastningen ved at udvise en vis modstand mod gennemstrømning. Denne forsinkelse er nødvendig for at forhindre kavitation i dyserne og i 2 DK 176162 B1 indtrækning af cylindergas i indsprøjtningsdyserne. Det er tillige ønskeligt, om muligt, at opnå en forholdvis stor bæreflade mellem pumpestempel og cylinder i området ved stemplets overkant for at formindske risikoen for rivninger i 5 dette område, når der anvendes brændsel med specielt ringe smøreevne.

I tysk fremlæggelsesskrift nr. 25 32 205 er der be- * skrevet en brændstofpumpe, hvor et pumpestempel ved vandring fra bund- til topstilling tildækker og senere frilægger et 10 aflastningshul i pumpecylinderen til bortledning af overskydende brændstof til et ringrum, og hvor der i returledningen fra ringrummet er indsat flere blænder med det formål at reducere risikoen for kaviationsskader.

Den ovenfor beskrevne teknik er omtalt som mindre ef-15 fektiv i us-A-5 015 160, hvori der anvises et arrangement, der under tildækningen af aflastningshullet sørger for opbygning af et tryk på 50 bar i et ringrum omkring pumpecylinderen. Trykket vedligeholdes ved hjælp af en kontraventil i en sugekanal og en fjederbelastet trykventil i en returka-20 nal. Arrangementet er kompliceret og er med de mange dele muligvis vanskeligt at vedligeholde.

Formålet med opfindelsen er at tilvejbringe en brændstofpumpe, hvor der med enkle og pålideligt fungerende midler opnås en effektiv forhindring af erosion af stemplet i 25 området ved dets overkant.

Dette formål tilgodeses ifølge opfindelsen ved, at brændstofpumpen har de karakteristiske træk, der er angivet i den kendetegnende del af krav 1.

Ved brændstofpumpen ifølge opfindelsen findes de 30 strømningsbegrænsende organer i selve afskæringshullerne i pumpecylinderens væg. Der opbygges derved i mellemrummet mellem stemplet og det strømningsbegrænsende organ, der blot består af en blænde, et kraftigt forøget tryk, der effektivt forhindrer kavitationsdannelser ved stemplet-s overkant uan-35 set, at der forekommer momentant høje strømningshastigheder.

Selvom det forhøjede tryk aflastes gennem blænden, i hvilken der også hersker store strømningshastigheder, har forholdsreglerne, der i forhold til den kendte teknik er overordent DK 176162 B1 3 lig enkle, vist sig effektive, enten ved at selve kavitatio-nen elimineres eller ved, at den forekommer i andre områder, hvor den ikke fremkalder erosion.

Opfindelsen er især anvendelig ved brændstofpumper, 5 hvor initiering og afslutning af det effektive pumpeslag styres af separate hulsæt. Ifølge opfindelsen placeres blænden i det pumpeslaget initierende hulsæt.

I henhold til opfindelsen har blænden en sådan lysning, at det statiske tryk i afskæreingshullet foran blænden 10 udgør 10-20% af pumpens leveringstryk. Det har vist sig, at en kraftig drøvling af det bortledte brændstof ikke påvirker trykopbygningen forud for indsprøjtningen ugunstigt.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken: 15 Fig. 1 viser et aksialsnit gennem en brændstofpumpe cylinder ifølge opfindelsen, fig. 2 viser udsnit af et tværsnit gennem cylindervæggen langs linien II-II ifølge fig. 1, fig. 3 viser et diagram for trykforløbet i pumpen 20 ifølge opfindelsen under en brændstofindsprøjtning, og fig. 4a, 4b og 4c viser skematisk udformninger af afskæringshuller set i længdesnit.

Den på fig. 1 i aksialsnit viste brændstofpumpecylinder 1 omfatter en cylinderbøsning 2, hvori et pumpestempel 3 25 er bevægeligt. Cylinderbøsningen 2 er indrettet til at blive indbygget i et pumpehus af konventionel opbygning og indeholdende et forsyningskammer, der omslutter cylinderbøsningens midterste del og hvortil overskydende brændstof kan udledes og hvorfra der under dele af stemplets returslag kan 30 tilføres brændstof til pumpecylinderen. Pumpestemplet 3 omfatter en overkant 4, der dannes mellem pumpestemplets ende-og sideflade. Pumpestemplet omfatter tillige en udskæring 5, der i retning mod stemplets endeflade er afgrænset af en i skrueform langs stemplets sideflade forløbende styrekant 6.

35 Styrekanten 6 dækker en vinkel på eksempelvis 120°, og normalt er et stempel forsynet med to modsat hinanden placerede styrekanter 6. Stemplet 2 er forsynet med koblingsorganer 7 til en drejemekanisme, hvormed stemplet kan drejes til ind- DK 176162 B1 4 stilling af leveringsmængden, og med koblingsorganer 8 til et rullestyr, der er indrettet til at bevæge stemplet aksi-alt. Disse mekanismer er ikke en del af opfindelsen og kan udformes konventionelt. Pumpestemplet 2 omfatter tillige en 5 aksial kanal 9, der forbinder udtagningen 5 med rummet 10 over stemplets endeflade 4.

Pumpen er indrettet til at levere en variabel mængde brændstof til en dieselmotors indsprøjtningsdyser i arbejds-cylinderne. Leveringsmængden indstilles ved drejning af 10 stemplet 3. Pumpens virksomme pumpeslag indledes ved, at afskæringskanten ved pumpestemplets endeflade 4 ved sin passage opefter tildækker et sæt timings- og afskæringshuller 11 i pumpens cylinderbøsning 2, og det virksomme pumpeslag afsluttes, når styrekanten 6 frilægger et sæt afstrømningshul-15 ler 12, hvorved trykket i pumpekammeret over stemplets endeflade 4 aflastes gennem den aksiale kanal 9, udtagningen 5 og afskæringshullerne 12 til forsyningskammeret, som omgiver cylinderbøsningen 2.

Ved brændstofpumper til store, langsomtgående diesel-20 motorer, f.eks. til marinebrug, opstår der på grund af de store dimensioner af pumpen og de høje tryk, hvormed brændstoffet indsprøjtes, særlige problemer, der lader sig løse ved den beskrevne pumpe gennem anvendelsen af separate, særligt udformede timingshuller og afstrømningshuller til hen-25 holdsvis indledning og afslutning af det virksommme pumpeslag. Ved anvendelsen af separate hulsæt kan timingshullerne udformes, så kavitationsfænomener hidrørende fra brændstof, som udpresses med stor hastighed, effektivt imødegås, afstrømningshullerne udformes, så en passende dæmpning af det 30 bortledte brændstof opnås, indtil risikoen for tryksvingninger, der kan føre til indtrækning af cylindergas i indsprøjtningdyserne, er overstået, eller så kavitation i indsprøjtningsdyserne undgås. Tillige kan bærefladen mellem stemplets øverste del og cylindervæggen gives en forsvarlig 35 størrelse gennem en passende dimensionering af den aksiale afstand mellem hullerne 11 og 12.

Traditionelt udformes timingshullerne med større tværsnit end afstrømningshullerne 12. Kavitationen kan imid- DK 176162 B1 5 lertid ifølge opfindelsen særlig effektivt forebygges ved anbringelse af en blænde 13 ved timingshullets udløb til forsyningskammeret som vist på fig. 2. Blænden gives en sådan åbning, at trykket i timingshullet foran blænden væsent-5 ligt overstiger trykket i forsyningskammeret umiddelbart før afskæringshullet tildækkes ved passagen af kanten ved stemplets endeflade 4. Strømningsmodstanden i blænden fører til en sådan forsinket nedbrydning af trykket ved stempelsiden, at kavitation ikke opstår.

10 Afstrømningshullerne 12, der frilægges af styrekanten 6, udformes normalt med et som en diffusor udformet længdeprofil og med det mindste tværsnit ved cylindervæggen. Det lille tværsnit ved cylindervæggen er ønskeligt for at opnå en hurtig frilægning af hullet 12 og dermed et veldefineret 15 forløb af trykaflastningen i indsprøjtningssystemet.

Diagrammet i fig. 3 viser trykforløbet i en brændstofpumpe ifølge opfindelsen afsat som funktion af krumtapvinklen. Den fuldtoptrukne kurve angiver trykket i pumpekammeret 10. Kurven viser, at trykket i pumpekammeret begynder 20 at stige, så snart pumpestemplet 3 bevæges opefter, men den egentlige stigning påbegyndes ved 14, hvor timingshullerne 11 tildækkes af stemplet under dets overkant 4. Ved 15 åbnes indsprøjtningsdyserne, og ved det videre pumpeslag indsprøjtes den indstillede mængde brændstof i motorens arbejdscy-25 linder. Ved 16 frilægges afskæringhullerne 12, hvorefter trykket i pumpekammeret falder med et dæmpet forløb, der modvirker tryksvingninger i indsprøjtningssystmet og derved sikrer korrekt lukkefunktion af nålene i indsprøjtningsdyserne. En punkteret linie 17 viser trykforløbet i kammeret 30 mellem blænden og stempelsiden, hvor dette er forsynet med en passende dimensioneret blænde 13. Det ses, at der kan opnås et gradvist trykfald, som effektivt modvirker kavitation i hulområdet, som støder op mod stempelsiden.

Opfindelsen er ikke begrænset til brændstofpumper med 35 separate timings- og afskæringshuller i pumpecylindervæggen, men kan med samme udbytte anvendes i brændstofpumper, hvor antallet af afskæringshuller er det samme som antallet af styrekanter på stemplet, dvs. hvor initiering og afslutning DK 176162 B1 6 af indsprøjtning sker ved hjælp af de samme huller i cylindervæggen. Ved denne pumpeudformning udgør det strømningsbegrænsende organ både midlet til forebyggelse af kavitation samt den dermed forbundne erosion af stemplet og det middel, 5 som i hovedsagen styrer tryknedbrydningen under afstrømning ved afslutning af det effektive pumpeslag.

Fig. 4a, 4b og 4c viser skematisk udformninger af af- t skæringshuller set i længdesnit. Fig. 4a viser således en udformning, hvor det strømningsbegrænsende organ i form af 10 en blænde 21 er placeret i et afskæringshul 20 tæt ved dets udmunding 22 i forsyningskarameret. Ved denne udformning opnås maksimal størrelse af det ved afskæring og afstrømning tryksatte kammer og følgelig det størst mulige volumen i kammeret mellem blænde og indløb og dermed den bedst mulige 15 trykholdefunktion. Blænden kan være udformet med flere kanaler eller med en gennemstrømningsretning for kanalerme under en vinkel i forhold til afskæringshullets akse. En fordel ved at kanalerne danner en vinkel med afskæringshullets akse er, at den udstrømmende væske ikke rammer vinkelret på en 20 modstående forsyningskammervæg, og at risikoen for erosion af denne reduceres. Kammeret mellem cylindervæggen og blænden kan tillige have en ikke-cylindrisk form. Det kan f.eks. være konisk, således at afskæringsåbningen i cylindervæggen er noget mindre end diameteren af kammeret, hvor blænden er 25 isat. Herved fordeles den strømningsregulerende effekt på hullet i cylindervæggen og på blænden, hvilket kan være fordelagtigt, dersom der ikke er separate separate timings- og afskæringshuller.

På fig. 4b er blænden 23 placeret tilnærmelsesvis 30 midt i hullet 20, hvilket resulterer i et mindre kammer, men tillige i en større afstand fra blænden 23 til den modstående væg i forsyningskammeret, hvor den ud fra blænden strømmende væske kan forårsage erosion.

Fig. 4c viser en foretrukken udformning for et med 35 blænde udført afskæringshul 20. Blænden 24 er placeret tilnærmelsesvis i midten af afskæringshullet, der i retning mod udmundingen 22 til forsyningskammeret er udformet som en diffusor 25. Diffusoren 25 har til formål at reducere den DK 176162 B1 7 fra blænden udgående stråles hastighed. Gennem en passende dimensionering af blænden 21, 23 eller 24 kan der dels opnås en sådan trykopbygning foran blænden ved afskæringen, når afskæringshullet tildækkes, at kavitationsrisikoen elimine-5 res, dels opnås en sådan dæmpning af afstrømningen, at tryknedbrydningen kan ske uden væsentlige tryksvingninger. En supplerende dæmpning kan om ønsket etableres ved en passende udformning af den aksiale kanal i stemplet.

10

Claims (3)

1. Brændstofpumpe til forbrændingsmotorer, især store, 5 langsomtgående marinedieselmotorer, og til levering af en variabel mængde brændstof til en i motorens arbejdscylinder placeret indsprøjtningsdyse med en i dyseåbningen placeret fjederbelastet nål, hvilken pumpe omfatter en pumpecylinder, hvori et stempel med en overkant, der er dannet mellem 10 stemplets ende- og sideflade, og i det mindste en i skrueform forløbende styrekant, der afgrænser en via en aksial kanal med stemplets endeflade forbundet udskæring i stemplets sideflade, er bevægeligt, og hvor pumpecylinderen, der i sin væg har i det mindste ét afskæringshul, er i forbin-15 deIse med et omgivende forsyningskammer indeholdende brændstoffet under moderat tryk, hvilket mindst ene hul ved pumpestemplets vandring fra bund- til topstilling tildækkes af stemplets sideflade under overkanten og senere frilægges af styrekanten til bortledning af overskydende brændstof ved 20 afslutning af det effektive pumpeslag, og hvor der er midler til under en del af pumpestemplets vandring at tilvejebringe et forøget statisk tryk i i det mindste ene afskæringshul, kendetegnet ved, at midlerne til forøgelse af det statiske tryk er en i afskæringshullet placeret blænde med 25 en sådan i forhold til afskæringshullet reduceret lysning, at der forud for og under afskæringen opstår en trykopbygning i afskæringshullet foran blænden.

2. Brændstofpumpe ifølge krav 1, og hvor initiering og afslutning af det effektive pumpeslag styres af separate 30 hulsæt, kendetegnet ved, at blænden er placeret i det pumpelslaget initierende hulsæt.

3. Brændstofpumpe iføgle krav 2, kendetegnet ved, at blænden har cn sådan lysning, 35 at det statiske tryk ved afskæringen udgør 10-20 % af pumpens leveringstryk.