ITBO20010625A1 - Pompa ad alta pressione a portata variabile - Google Patents

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ITBO20010625A1
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IT
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pressure pump
valve
high pressure
fuel
hydraulic piston
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IT2001BO000625A
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English (en)
Inventor
Alberto Bastia
Gioia Rita Di
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Magneti Marelli Powertrain Spa
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione è relativa ad una pompa ad alta pressione a portata variabile.
In particolare, la presente invenzione è relativa ad una pompa ad alta pressione a portata variabile per motori diesel con sistema di alimentazione del carburante tipo "common rail", a cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità.
Come è noto, il sistema di alimentazione "common rail" richiede l'utilizzo di una pompa ad alta pressione che sia in grado di inviare carburante ad altissima pressione ad un contenitore di accumulo del carburante in pressione, interposto tra la pompa ad alta pressione e gli iniettori carburante, con una portata variabile in modo tale da poter regolare in tempo reale la quantità di carburante inviata al contenitore di accumulo in funzione delle condizioni di funzionamento del motore.
Le pompe ad alta pressione attualmente conosciute ricevono il carburante da una pompa di bassa pressione, e normalmente comprendono un pistone, il quale è montato assialmente scorrevole all'interno di una cavità cilindrica ricavata nel corpo della pompa in modo tale da definire una camera di pompaggio a volume variabile atta ad essere riempita di carburante, ed una coppia di valvole di non ritorno atte a regolare il flusso di carburante da e verso la camera di pompaggio, durante le variazioni del volume della camera di pompaggio indotte dal movimento alternato del pistone all'interno della cavità cilindrica.
Più in dettaglio, la camera di pompaggio è collegata al contenitore di accumulo del carburante in pressione attraverso una prima valvola di non ritorno, orientata in modo tale da permettere il flusso del carburante dalla camera di pompaggio al contenitore di accumulo, ed è collegata alla mandata della pompa di bassa pressione attraverso una seconda valvola di non ritorno, orientata in modo tale da permettere il flusso del carburante dalla pompa di bassa pressione alla camera di pompaggio.
Le due valvole di non ritorno sono normalmente posizionate all'interno del corpo della pompa, lungo i due condotti di collegamento attraverso cui il carburante entra e esce dalla camera di pompaggio, e comprendono un corpo otturatore, montato assialmente scorrevole all'interno di una cavità cilindrica ricavata lungo un tratto del condotto di collegamento, ed un elemento elastico il quale è disposto all'interno della cavità cilindrica in modo tale da mantenere il corpo otturatore in battuta contro una sede di tenuta ricavata in corrispondenza di una delle due estremità assiali della cavità cilindrica, in modo tale da chiudere a tenuta di fluido l'apertura ricavata in corrispondenza di tale apertura. La cavità cilindrica è, infatti, in comunicazione con l'esterno attraverso due aperture ricavate in corrispondenza delle due estremità assiali della cavità stessa.
Con questa disposizione è evidente che il carburante può fluire liberamente attraverso la cavità cilindrica della valvola di non ritorno solamente quando penetra all'interno della cavità stessa attraverso l'apertura posta direttamente affacciata al corpo otturatore, ossia quando penetra all'interno della cavità attraverso l'apertura atta ad essere ostruita dal corpo otturatore.
Per regolare la quantità di carburante convogliata verso il contenitore di accumulo del carburante durante ogni corsa del pistone, ossia la portata della pompa, le pompe ad alta pressione attualmente conosciute sono inoltre provviste di un attuatore lineare elettromagnetico in grado, a comando, di interferire con il normale funzionamento della valvola di non ritorno interposta tra la camera di pompaggio e la pompa di bassa pressione, in modo tale da permettere che il carburante possa fluire liberamente attraverso la valvola anche in una direzione opposta a quella normalmente prevista.
Più in dettaglio, l'albero di uscita dell'attuatore lineare elettromagnetico è in grado, a comando, di scalzare e mantenere sollevato il corpo otturatore della valvola dalla propria sede di tenuta, in modo tale da permettere il passaggio del carburante attraverso la cavità cilindrica anche quando proviene dall'apertura disposta direttamente affacciata all'elemento elastico, ossia dalla parte opposta del corpo otturatore rispetto all'elemento elastico stesso.
Mantenendo aperta la valvola di non ritorno disposta in corrispondenza della bocca di aspirazione della pompa quando la camera di pompaggio inizia a ridursi di volume, è infatti possibile far defluire parte del carburante che ha precedentemente riempito la camera di pompaggio, nuovamente verso la pompa di bassa pressione anziché verso il contenitore di accumulo del carburante in pressione, permettendo quindi di regolare accuratamente la quantità di carburante convogliata verso il contenitore di accumulo durate la parte terminale della corsa del pistone, quando cessa l'azione dell'attuatore lineare elettromagnetico e la valvola torna a funzionare normalmente.
Purtroppo, il sistema di regolazione della portata realizzato tramite l'attuatore lineare elettromagnetico mal si presta ad essere implementato su pompe ad alta pressione provviste di due o più pistoni: in questo caso, infatti, la pompa ad alta pressione dovrebbe essere equipaggiata con un attuatore lineare elettromagnetico per ciascuna camera di pompaggio, con i problemi di pilotaggio degli attuatori e di consumi di energia elettrica che questo comporta.
Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare una pompa ad alta pressione con un sistema di regolazione della portata che possa essere facilmente utilizzato anche con pompe provviste di due o più pistoni .
Secondo la presente invenzione viene realizzata una pompa ad alta pressione a portata variabile comprendente almeno un pistone di pompaggio, montato assialmente scorrevole ed a tenuta di fluido all'interno di una cavità cilindrica ricavata nel corpo della pompa in modo tale da definire una camera di pompaggio a volume variabile atta ad essere riempita di un generico liquido, almeno una valvola di aspirazione ed una valvola di mandata atte a permettere il flusso unidirezionale del liquido, rispettivamente, in ingresso ed in uscita dalla camera di pompaggio; la valvola di aspirazione essendo costituita da una valvola di non ritorno comprendente un corpo otturatore il quale è mobile da e verso una posizione di chiusura in cui impedisce il passaggio del liquido attraverso la valvola stessa; la pompa ad alta pressione comprendendo inoltre mezzi di regolazione della portata in grado di interferire con il normale funzionamento della detta valvola di aspirazione, in modo tale da permettere al liquido di fluire liberamente attraverso la valvola stessa anche in una direzione opposta a quella normalmente prevista; la detta pompa di alta pressione essendo caratterizzata dal fatto che i detti mezzi di regolazione della portata comprendono un pistone idraulico selettivamente atto ad impedire il ritorno del detto corpo otturatore nella posizione di chiusura.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento al disegno annesso, che ne illustra in modo schematico un esempio di attuazione non limitativo.
Con riferimento alla figura allegata, con il numero 1 è indicata nel suo complesso una pompa ad alta pressione a portata variabile che può essere vantaggiosamente utilizzata nei motori diesel con sistema di alimentazione del carburante tipo "common rail", per inviare carburante ad altissima pressione ad un contenitore di accumulo del carburante in pressione interposto tra la pompa medesima e gli iniettori carburante (non illustrati).
La pompa 1 è provvista di una bocca di mandata la, che nell'esempio illustrato è atta ad essere collegata al contenitore di accumulo del carburante in pressione, di seguito indicato con il numero 2, tramite una prima tubazione di collegamento, e di una bocca di aspirazione 1b, che nell'esempio illustrato è atta ad essere collegata alla mandata di una pompa di bassa pressione, di seguito indicata con il numero 3, tramite una seconda tubazione di collegamento.
Il contenitore 2 di accumulo del carburante in pressione e la pompa 3 di bassa pressione sono dispositivi già ampiamente conosciuti nel settore e non verranno quindi ulteriormente descritti.
La pompa 1 ad alta pressione comprende almeno un pistone 4 di pompaggio, montato assialmente scorrevole ed a tenuta di fluido all'interno di una cavità cilindrica 5 ricavata nel corpo 6 della pompa in modo tale da definire una camera di pompaggio 7 a volume variabile atta ad essere riempita di carburante.
Il pistone 4 di pompaggio è mobile di moto alternato all'interno della cavità cilindrica 5 tra una prima posizione operativa, normalmente chiamata "punto morto inferiore", in cui il cielo del pistone 4 si trova alla massima distanza dal fondo della cavità cilindrica 5 ed il volume della camera di pompaggio 7 assume il valore massimo, ed una seconda posizione operativa, normalmente chiamata "punto morto superiore", in cui il cielo del pistone 4 si trova alla minima distanza dal fondo della cavità cilindrica 5 ed il volume della camera di pompaggio 7 assume il valore minimo.
Con riferimento alla figura allegata, la pompa 1 ad alta pressione è provvista inoltre di una coppia di valvole di non ritorno 8 e 9, che sono atte a regolare il flusso di carburante da e verso la camera di pompaggio 7, durante le variazioni del volume della camera indotte dal movimento alternato del pistone 4 all'interno della cavità cilindrica 5.
Più in dettaglio, le due valvole di non ritorno 8 e 9 sono disposte lungo i condotti di collegamento che mettono in comunicazione la camera di pompaggio 7 con la bocca di mandata la e, rispettivamente, con la bocca di aspirazione lb della pompa 1, e sono orientate in modo tale che la valvola di non ritorno 8 disposta lungo il condotto che termina in corrispondenza della bocca di mandata la - chiamata anche valvola di mandata - possa permettere il flusso del carburante solamente in uscita dalla camera di pompaggio 7, mentre la valvola di non ritorno 9 disposta lungo il condotto che termina in corrispondenza della bocca di aspirazione lb - chiamata anche valvola di aspirazione - possa permettere il flusso del carburante solamente in ingresso alla camera di pompaggio 7.
In altre parole, la valvola di mandata 8 permette unicamente il flusso del carburante dalla camera di pompaggio 7 verso il contenitore di accumulo 2, mentre la valvola di aspirazione 9 permette unicamente il flusso del carburante dalla pompa di bassa pressione 3 verso la camera di pompaggio 7.
Le valvole di non ritorno 8 e 9 sono sostanzialmente di tipo noto, e comprendono un corpo otturatore 10 di forma preferibilmente, ma non necessariamente, sferica il quale è montato assialmente scorrevole all'interno di una cavità cilindrica 11 ricavata lungo un tratto del condotto di collegamento che porta alla bocca di aspirazione lb o di mandata la della pompa 1. La cavità cilindrica 11 è ovviamente in comunicazione con l'esterno attraverso due aperture ricavate in corrispondenza delle due estremità assiali della cavità stessa.
Le valvole di non ritorno 8 e 9 sono inoltre provviste di un elemento elastico 12 atto a mantenere il corpo otturatore 10 in una posizione di chiusura, in cui esso è disposto in battuta contro una sede di tenuta ricavata in corrispondenza di una delle due estremità assiali della cavità cilindrica 11, in modo tale da chiudere a tenuta di fluido l'apertura presente in quel punto .
Nell'esempio illustrato, in particolare, l'elemento elastico 12 è costituito da una molla elicoidale 12 disposta coassiale all'asse della cavità cilindrica 11 in modo tale da presentare una prima estremità in battuta sul corpo otturatore 10 ed una seconda estremità in battuta contro una delle due estremità assiali della cavità cilindrica 11.
È evidente che una siffatta geometria costruttiva permette al carburante di fluire attraverso la valvola di non ritorno 8, 9 solamente quando entra all'interno della cavità cilindrica 11 della valvola stessa attraverso l'apertura che viene normalmente chiusa dal corpo otturatore 10, vincendo la spinta dell'elemento elastico 12. In questo caso, infatti, la differenza di pressione esistente tra i due lati del corpo otturatore 10 è in grado di vincere la forza resistente dell'elemento elastico 12, allontanando il corpo otturatore 10 stesso dalla sua posizione di chiusura.
Nel caso opposto, invece, la differenza di pressione tra i due lati del corpo otturatore 10 si aggiunge alla forza resistente dell'elemento elastico 12 per mantenere ancora più saldamente il corpo otturatore 10 nella posizione di chiusura.
In una diversa forma di implementazione non illustrata, le valvole di non ritorno 8 e 9 sono invece prive dell'elemento elastico 12, e lo spostamento assiale del corpo otturatore 10 da o verso la citata posizione di chiusura avviene esclusivamente grazie alla differenza di pressione che si instaura tra i due lati del corpo otturatore 10, quando il carburante fluisce attraverso la cavità cilindrica 11 della valvola stessa.
Con riferimento alla figura allegata, la pompa 1 ad alta pressione è infine provvista di un dispositivo di regolazione della portata 13 della pompa, il quale è in grado di interferire, a comando, con il normale funzionamento della valvola di aspirazione 9, in modo tale da permettere al carburante di fluire liberamente attraverso la valvola stessa anche in una direzione opposta a quella normalmente prevista, così da poter regolare la quantità di carburante convogliata verso la bocca di mandata la durante la corsa di ritorno del pistone 4 verso il punto morto superiore.
Il dispositivo di regolazione della portata 13 comprende un pistone idraulico 14 a singolo effetto, il quale è atto ad essere alimentato da un fluido in pressione vantaggiosamente costituito da una parte del carburante proveniente dalla pompa di bassa pressione 2, ed è in grado di spostare assialmente il corpo otturatore 10 all'interno della cavità cilindrica 11 in modo tale da allontanarlo dalla posizione di chiusura, così da permettere il libero passaggio del carburante attraverso la valvola di non ritorno 9.
Per comandare il pistone idraulico 14, il dispositivo di regolazione della portata 13 comprende inoltre una valvola di scarico 15 ad azionamento elettrico, la quale è selettivamente atta a provocare una caduta di pressione nel fluido che viene alimentato al pistone idraulico 14, ovvero il carburante proveniente dalla pompa di bassa pressione 3, in modo tale impedire qualsiasi spostamento del pistone idraulico 14, ed una centralina elettronica di comando 16 atta a pilotare la valvola di scarico 15 in modo tale da controllare in tempo reale l'intervallo temporale in cui la valvola di aspirazione 9 è disabilitata, così da poter regolare la quantità di carburante convogliata nuovamente verso la bocca di mandata la durante la corsa di ritorno del pistone 4 verso il punto morto superiore e, quindi, la quantità di carburante inviata al contenitore di accumulo del carburante 2 durante ciascuna corsa del pistone 4.
Nell'esempio, in particolare, il pistone idraulico 14 è provvisto di un albero di uscita 14a il quale è in grado di disporsi con la punta in battuta contro il corpo otturatore 10, e poi di spostare assialmente il corpo otturatore 10 all'interno della cavità cilindrica 11 in modo tale da impedire il ritorno del corpo otturatore 10 nella posizione di chiusura, così da permettere il libero passaggio del carburante attraverso la cavità cilindrica 11 della valvola. Nella fattispecie, l'albero di uscita 14a del pistone idraulico 14 si estende coassiale all'asse longitudinale della cavità cilindrica 11, dalla parte opposta dell'elemento elastico 12 rispetto al corpo otturatore 10, ed è mobile assialmente tra una posizione ritratta ed una posizione estratta in cui è in grado di bloccare il corpo otturatore lontano dalla posizione di chiusura.
La valvola di scarico 15 è invece posizionata in derivazione lungo un condotto 17 di collegamento che porta il carburante proveniente dalla pompa di bassa pressione 3 al pistone idraulico 14, in modo tale da poter mettere a comando il condotto 17 in comunicazione diretta con il circuito di ricircolo 18 del carburante, che collega, in modo noto, la mandata della pompa di bassa pressione 3 con il serbatoio del carburante 19 del veicolo tramite l'interposizione di una valvola di non ritorno 20 di tipo noto.
Più in dettaglio, la valvola di non ritorno 20 serve a deviare gli eccessi di portata della pompa di bassa pressione 3 nuovamente a monte della bocca di aspirazione della pompa di bassa pressione 3, ed è orientata in modo tale da permettere al carburante di fluire in modo unidirezionale dalla mandata della pompa di bassa pressione 3 verso il serbatoio del carburante 19, e non viceversa, producendo una caduta di pressione di valore prestabilito, e la valvola di scarico 15 è in grado di mettere il condotto 17 in comunicazione diretta con il circuito di ricircolo 18 del carburante immediatamente a valle della suddetta valvola di non ritorno 20.
Nell'esempio illustrato, infine la pompa 1 ad alta pressione è provvista di una seconda valvola di non ritorno 21, disposta lungo il condotto 17 di collegamento che porta il carburante proveniente dalla pompa di bassa pressione 3 al pistone idraulico 14, e di una valvola di strozzamento 22 disposta immediatamente a monte della bocca di aspirazione lb della pompa 1.
La valvola di non ritorno 21 è posizionata a monte del punto in cui la valvola di scarico 15 si innesta sul condotto 17, ed è orientata in modo tale da permettere al carburante di fluire dalla mandata della pompa di bassa pressione 3 verso il pistone idraulico 14 e la valvola di scarico 15 stessa, producendo una caduta di pressione di valore prestabilito; mentre la valvola di strozzamento 22 è atta a produrre una caduta di pressione di valore prestabilito nel carburante in pressione che fluisce verso la bocca di aspirazione lb della pompa.
Il funzionamento della pompa 1 ad alta pressione verrà ora descritto supponendo che il pistone 4 sì trovi inizialmente nel punto morto superiore, e che la valvola di scarico 15 sia chiusa permettendo quindi al carburante in pressione di raggiungere il pistone idraulico 14.
Quando inizia la discesa del pistone 4 verso il punto morto inferiore, la valvola di aspirazione 9 si apre a causa della differenza di pressione ed il carburante inizia a fluire all'interno della camera di pompaggio 7 della pompa 1.
Quando il pistone 4 raggiunge il punto morto inferiore ed inverte la corsa, la camera di pompaggio 7 comincia a ridurre il suo volume spingendo il carburante (liquido e quindi incomprimibile) nuovamente al di fuori della camera stessa.
A questo punto però la valvola di aspirazione 9 tenderebbe a chiudersi in modo tale da costringere il carburante a defluire dalla camera di pompaggio 7 attraverso la valvola di mandata 8, ma l'albero 14a di uscita del pistone idraulico 14 impedisce il ritorno del corpo otturatore 10 nella posizione di chiusura, per cui il carburante inizia ad uscire dalla camera di pompaggio 7 attraverso la valvola di aspirazione 9. In questa fase, infatti, il pistone idraulico 14 è ancora alimentato dal carburante in pressione proveniente dalla pompa di bassa pressione 3, ed il suo albero di uscita 14a è quindi in posizione estratta, impedendo il ritorno del corpo otturatore 10 nella posizione di chiusura.
È opportuno precisare inoltre che, in questa fase, la pressione del carburante all'interno della camera di pompaggio 7 non è sufficiente ad aprire la valvola di mandata 8 della pompa, per cui il carburante non può in alcun modo fluire verso il contenitore di accumulo del carburante in pressione 2.
Il trafilamento del carburante attraverso la valvola di aspirazione 9 continua durante la risalita del pistone 4, fino a quando la quantità di carburante contenuta all'interno della camera di pompaggio 7 non ha raggiunto il valore desiderato. A questo punto, la centralina elettronica 16 attiva la valvola di scarico 15 in modo tale da scaricare il carburante in pressione contenuto all'interno del pistone idraulico 14, permettendo al corpo otturatore 10 della valvola di aspirazione 8 di tornare in posizione di chiusura sotto la spinta dell'elemento elastico 12 e della differenza di pressione che si instaura sui due lati del corpo otturatore 10 durante il passaggio del carburante.
Non appena cessa l'azione del pistone idraulico 14, la valvola di aspirazione 9 si chiude e la pressione del carburante all'interno della camera di pompaggio 7 si impenna fino a raggiungere un valore sufficientemente elevato da provocare l'apertura della valvola di mandata 8, ed il conseguente scarico del carburante verso il contenitore di accumulo del carburante in pressione 2.
I vantaggi della pompa 1 ad alta pressione sopra descritta ed illustrata sono evidenti: una valvola di scarico 15 ha consumi di corrente elettrica sensibilmente inferiori a quelli degli attuatori lineari elettromagnetici attualmente impiegati.
Un ulteriore vantaggio della pompa 1 ad alta pressione è che una sola valvola di scarico 15 può comandare contemporaneamente uno o più pistoni idraulici 14, semplificando enormemente la realizzazione di pompe ad alta pressione a portata variabile equipaggiate con più pompanti.
È opportuno precisare, infine, che la pompa 1 ad alta pressione va contro a quelle che sono le attuali tendenze costruttive che impongono, ove possibile, l'utilizzo degli attuatori lineari elettromagnetici in sostituzione di qualsiasi altro tipo di attuatore lineare idraulico e similare.
Risulta infine chiaro che alla pompa 1 ad alta pressione sopra descritta ed illustrata possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (7)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Pompa (1) ad alta pressione a portata variabile comprendente almeno un pistone (4) di pompaggio, montato assialmente scorrevole ed a tenuta di fluido all'interno di una cavità cilindrica (5) ricavata nel corpo (6) della pompa in modo tale da definire una camera di pompaggio (7) a volume variabile atta ad essere riempita di un generico liquido, almeno una valvola di aspirazione (9) ed una valvola di mandata (8) atte a permettere il flusso unidirezionale del liquido, rispettivamente, in ingresso ed in uscita dalla camera di pompaggio (7); la valvola di aspirazione (9) essendo costituita da una valvola di non ritorno (9) comprendente un corpo otturatore (10) il quale è mobile da e verso una posizione di chiusura in cui impedisce il passaggio del liquido attraverso la valvola stessa; la pompa (1) ad alta pressione comprendendo inoltre mezzi di regolazione della portata (13) in grado di interferire con il normale funzionamento della detta valvola di aspirazione (9), in modo tale da permettere al liquido di fluire liberamente attraverso la valvola stessa anche in una direzione opposta a quella normalmente prevista; la detta pompa (1) di alta pressione essendo caratterizzata dal fatto che i detti mezzi di regolazione della portata (13) comprendono un pistone idraulico (14) selettivamente atto ad impedire il ritorno del detto corpo otturatore (10) nella posizione di chiusura.
  2. 2. Pompa ad alta pressione secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto pistone idraulico (14) è alimentato dal liquido in pressione convogliato in ingresso alla bocca di aspirazione (lb) della pompa stessa.
  3. 3. Pompa ad alta pressione secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che i detti mezzi di regolazione della portata (13) comprendono una valvola di scarico (15) ad azionamento elettrico, la quale è selettivamente atta a provocare una caduta di pressione nel fluido che viene alimentato al pistone idraulico (14), in modo tale da bloccare l'azione del suddetto pistone idraulico (14).
  4. 4. Pompa ad alta pressione secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che i detti mezzi di regolazione della portata (13) comprendono una centralina elettronica di comando (16) atta a pilotare la detta valvola di scarico (15) in modo tale da controllare l'intervallo temporale in cui la valvola di aspirazione (9) è disabilitata.
  5. 5. Pompa ad alta pressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il detto pistone idraulico (14) è un pistone idraulico a singolo effetto.
  6. 6. Pompa ad alta pressione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la detta valvola di aspirazione (9) è costituita da una valvola di non ritorno (9) che comprende un elemento elastico (12) atto a mantenere il detto corpo otturatore (10) nella detta posizione di chiusura; il detto pistone idraulico (14) essendo atto ad impedire il ritorno del corpo otturatore (10) nella posizione di chiusura, vincendo la resistenza del detto elemento elastico (12).
  7. 7. Sistema di alimentazione del carburante ad un motore a scoppio caratterizzato dal fatto di comprendere una pompa ad alta pressione (1) realizzata secondo quanto rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti .
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