PL233347B1 - Podciśnieniowy układ uszczelnienia sekcji tłoczącej wysokociśnieniowej pompy paliwowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest podciśnieniowy układ uszczelnienia sekcji tłoczącej wysokociśnieniowej pompy paliwa do silników o zapłonie samoczynnym.

Układy wtrysku paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym stanowią istotny element sterujący pracą silnika. Ich nieustanny rozwój jest determinowany poprzez coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin. Nowoczesne układy wtryskowe silników o zapłonie samoczynnym muszą zapewniać cichą pracę, spełnienie wymagań odnoszących się do poziomu produkowanych zanieczyszczeń oraz zapewnić niskie zużycie paliwa. Ze względu na korzystne parametry użytkowe w obecnie produkowanych konstrukcjach stosuje się zasobnikowe układy wtryskowe typu common rail. Ich niewątpliwą zaletą w odniesieniu do innych układów będących na rynku jest uniezależnienie procesu tłoczenia paliwa od wtrysku, co oznacza, że niezależnie od prędkości obrotowej wału korbowego ciśnienie może być regulowane w zasobniku, a wydatek pompy jest dynamicznie dostosowywany do chwilowego zapotrzebowania. W odniesieniu do układów wtryskowych należy uwzględnić szczególnie dużą rolę pomp wysokiego ciśnienia. Obecnie pompy wysokociśnieniowe są pompami tłokowymi wyporowymi. Taka specyfika budowy, w połączeniu z niezwykle niską tolerancją wymiarową pozwala na uzyskiwanie wysokich ciśnień, osiągających nawet 300 MPa. Dostępne na rynku rozwiązania różnią się mechanizmem odpowiedzialnym za napęd tłoczka i sprężaniem paliwa w sekcji tłoczącej, jednak w każdym przypadku można wyróżnić jako podstawowy układ krzywka - zespół tłoczka. Analiza istniejących konstrukcji doprowadziła do wniosku, że w każdym z przypadków, szczególnie w warunkach niedoboru paliwa jako czynnika smarującego para trybologiczna jest szczególnie narażona na uszkodzenia.

W strukturze pomp typu common rail należy wyróżnić kilka podstawowych układów. Promieniowe pompy tłoczkowe typu common rail posiadają zazwyczaj jeden do trzech cylindrów zamkniętych głowicami z układem zaworów, w których tłoczek porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym. Tłoczek ten jest wprawiany w ruch pośrednio, poprzez tzw. szklankę, która w niektórych przypadkach współpracuje z rolką. Ruch posuwisto-zwrotny determinuje centralnie osadzony w bloku pompy ecentryczny wałek. Na wałku tym może być również osadzona mechaniczna pompa podająca, będąca pompą łopatkową lub zębatą. Służy ona do wytworzenia podciśnienia w przewodach paliwowych zasilających pompę oraz do wstępnego zwiększenia ciśnienia do ok. 5 bar. Wspólną i istotną cechą tych pomp jest fakt, iż paliwo trafiając do pompy przepływa najpierw przez pompę podającą, następnie trafia do elementów mechanizmu napędowego smarując je, a potem jest tłoczone do sekcji, gdzie jest sprężane i przetłaczane dalej do zasobnika. Oznacza to, że każdy pracujący element pompy jest smarowany wyłącznie z wykorzystaniem paliwa. Dodatkowo, w bloku pompy może być zabudowany zawór regulacji wydatku, umieszczony w kanale prowadzącym paliwo z korpusu do sekcji tłoczącej. Działa on na zasadzie zmniejszenia czynnego przekroju kanału, dławiąc tym samym dolot.

Problematyka smarności paliw, w kontekście uszkodzenia pomp lub przedwczesnego ich zużycia dotyczy zasadniczo każdej pompy, przy czym należy zauważyć, iż są konstrukcje, w których zastosowane rozwiązania techniczne, w połączeniu z niską smarnością paliw znacznie przyspieszają zjawiska prowadzące do zniszczenia elementów pomp. Dodatkowo, czynnikiem negatywnie wpływającym na trwałość pomp jest również jakość stosowanego paliwa. Wszelkie zanieczyszczenia stałe, czy też zawartość wody w paliwie prowadzą do przyspieszenia procesów erozyjnych, zapychania kanalików o małej średnicy i zacierania zaworów. Przykładem rozwiązań szczególnie podatnych na uszkodzenia przy zastosowaniu paliw niskiej jakości mogą być łopatkowe pompy przetłaczające, stosowane w starszych rozwiązaniach pomp, których łopatki w wyniku obecności zanieczyszczeń blokują się, powodując spadek wydatku pompy i tym samym niedostateczne smarowanie układu napędu tłoczków ze względu na niedobór paliwa. Paliwo o niewystarczającej smarności przyczynia się bezpośrednio do uszkodzenia elementów układu napędu sekcji promieniowych pomp tłoczkowych. Zwiększone tarcie w połączeniu z występującą w mimośrodowym mechanizmie krzywkowym siłą boczną prowadzą do niszczenia powierzchni krzywki, szklanki oraz przenoszą siłę boczną na współpracującą powierzchnię cylinderek-tłoczek, degradując tym samym powierzchnie pary precyzyjnej, co skutkuje obniżeniem szczelności i spadkiem wydatku pomp.

Problematyka smarności paliw oraz wynikających z niej uszkodzeń pomp jest znana producentom układów paliwowych, więc szczególnie w pojazdach ciężarowych, gdzie prognozowany okres zdatności podzespołów jest dłuższy poszukuje się rozwiązań, które zminimalizują ryzyko zużycia i uszkodzenia pomp. Prostym i skutecznym sposobem jest zastosowanie smarowania olejem silnikowym lub przekładniowym. Oleje te charakteryzują znacznie bardziej korzystne parametry wpływające

PL 233 347 B1 na ochronę współpracujących powierzchni. Zapewnienie stałej, stabilnej warstwy filmu olejowego dla współpracujących elementów umożliwia zminimalizowanie zużycia par ciernych oraz zwiększenie odporności na jakość stosowanego paliwa.

Rozwiązanie pomp smarowanych z wykorzystaniem oleju było wdrożone do produkcji seryjnej, jednak praktyka eksploatacyjna wykazała, iż pompy te mają wspólną, bardzo niekorzystną cechę. Ze względu na wysokie ciśnienia panujące w komorze spiętrzającej paliwo pompy te charakteryzował bardzo duży przeciek paliwa do mechanizmów smarowanych z wykorzystaniem oleju. Medium smarujące, w połączeniu z paliwem w dużej mierze traciło swoje właściwości i nie zapewniało właściwej ochrony współpracujących elementów. Zjawisko to było szczególnie niekorzystne w pompach, które wykorzystywały obieg olejowy silnika spalinowego. W konsekwencji nieszczelność sekcji pompy prowadziła do rozrzedzania oleju silnikowego, zwiększając jego objętość i wymuszając tym samym konieczność jego wymiany. W przypadku zaniedbań codziennej obsługi pojazdu, w której skład wchodzi m.in. kontrola poziomu oleju mogło dojść nawet do uszkodzenia silnika samochodu.

Istotne złagodzenie tej wady można uzyskać poprzez zastosowanie właściwego systemu uszczelnienia sekcji tłoczącej wraz z odprowadzeniem ewentualnych przecieków z przestrzeni uszczelniającej. Spośród dostępnych rodzajów uszczelnienia, uwzględniając bardzo wysokie ciśnienia, jedynym możliwym do wykorzystania jest uszczelnienie liniowe, przy zachowaniu bardzo wysokiej tolerancji wykonania cylindra i tłoczka. Układ uszczelnienia liniowego nie zapewnia jednak braku przecieku, gdyż zgromadzone w kanaliku paliwo może za sprawą sił spójności przylgnąć do bocznej powierzchni tłoczka i zostać przetransportowane w dół poza obszar uszczelniający i tym samym trafić do przestrzeni wału napędowego tłoczków. Dlatego też układ ten powinien być wspomagany poprzez odprowadzenie zebranych przecieków z wykorzystaniem drenażu, na którym osadzony jest przewód, który połączony jest z układem o ciśnieniu niższym od atmosferycznego, generując tym samym podciśnienie w obszarze kanałów uszczelniających.

Objętość paliwa stanowiąca przeciek jest ściśle związana z chwilowym wydatkiem pompy, ciśnieniem spiętrzania oraz prędkością obrotową jej wału. Podczas suwu tłoczenia paliwo jest wyciskane do objętości wynikającej z różnicy średnicy pomiędzy tłoczkiem a cylinderkiem. Podczas wzniosu tłoka przemieszczaniu się paliwa w dolny obszar przestrzeni przeciwdziała jego ruch, wprawiając cząstki paliwa za pomocą sił spójności w ruch ku górze. Po przejściu przez górny zwrotny punkt tłoka paliwo, wykorzystując takie samo zjawisko zaczyna być transportowane w dół gładzi cylindrycznej. Aby zapobiec jego przeciekowi do mechanizmu napędu sekcji pompy stosuje się uszczelnienie liniowe, które stanowi zagłębienie w postaci rowka utworzonego na płaszczyźnie gładzi cylinderka sekcji.

W klasycznym układzie uszczelnienia liniowego podczas ruchu tłoka w dół przeciek paliwa jest gromadzony w szczelinie uszczelniającej, natomiast ruch ku górze powoduje zabranie paliwa z krawędzi i przetłoczenie go ponownie w obszar tłok-cylinder. Wadą tego rozwiązania jest fakt, iż objętość przetłaczanego paliwa do uszczelnienia jest wypadkową wielu czynników i jest ona zmienna dla poszczególnych cykli tłoczenia. W przypadku, gdy objętość paliwa przekroczy pojemność pierścienia uszczelniającego nadmiar paliwa jest transportowany w dolny obszar tłoka, skąd trafia do mechanizmu napędowego tłoczka. Z tego względu korzystne jest zastosowanie mechanizmu odsysania, który w praktyce uniemożliwia przekroczenie maksymalnej objętości rowka uszczelniającego, poprzez odprowadzanie z niego zgromadzonego paliwa. Istotne jest, aby w rowku uszczelniającym panowało podciśnienie pozwalające na pokonanie sił spójności, oraz sił zabierających paliwo podczas ruchu tłoka.

Uzyskanie podciśnienia w układzie paliwowym, poza zastosowaniem pompy próżniowej jest możliwe poprzez wykorzystanie zwężki Venturiego w przewodzie przelewowym wtryskiwaczy. Rozwiązanie to jest bardzo proste, a jednocześnie daje możliwość, poprzez odpowiednie modelowanie geometrii zwężki uzyskania pożądanego zakresu podciśnienia. Zmieniając stosunek powierzchni przekroju przewodu zasilającego do minimalnej średnicy zwężki uzyskuje się, zgodnie z prawem Bernoulliego właściwą wartość podciśnienia. Korzystną cechą zwężki Venturiego jest to, że wspomniany zakres podciśnienia, dla stałej jej geometrii będzie zmieniał się wraz ze zmianą szybkości przepływu masy paliwa. Im wyższe podciśnienie będzie uzyskane w przewodzie podciśnieniowym, tym większy strumień paliwa będzie mógł być odebrany z obszaru uszczelnienia. Zwiększenie strumienia paliwa w przewodzie przelewowym będzie wzrastało wraz ze zwiększaniem obciążenia, czyli zwiększeniem dawki paliwa oraz jego ciśnienia. Jak wspomniano wcześniej, te same czynniki wpływają na zwiększenie przecieku sekcji tłoczących, wobec czego można stwierdzić, że naturalna charakterystyka pracy zwężki Venturiego odpowiada charakterowi zmian przecieku w sekcji.

PL 233 347 B1

Wadą mechanizmu odsysania przecieku paliwa jest fakt, iż w znaczący sposób zmniejszona jest objętość paliwa tworząca film smarny w obszarze tłoczek-cylinderek. Zmniejszenie ilości czynnika smarującego wpływa na pogorszenie warunków współpracy pary precyzyjnej, wobec czego istotne jest wprowadzenie zmian, które zredukują zużycie współpracujących elementów. Poprawę warunków pracy pary T-C można uzyskać poprzez zastosowanie ceramiki inżynierskiej na powierzchni współpracujących elementów. Znaczne zwiększenie powierzchniowej twardości materiału korzystnie wpływa na redukcję procesu zużycia. Szczególnie korzystne wydaje się być zastosowanie tego materiału w pompach, w których napęd sekcji nie generuje siły normalnej do kierunku tłoczenia paliwa, umożliwiając tym samym zwiększenie trwałości napylonej warstwy ceramiki.

Istotą wynalazku jest podciśnieniowy układ uszczelnienia sekcji tłoczącej wysokociśnieniowej pompy paliwowej, w postaci obwodowych uszczelnień liniowych utworzonych na powierzchni cylindra sekcji tłoczącej, które są połączone kanałem zbiorczym, który stanowi drenaż, który jest połączony z przewodem połączonym z układem generującym podciśnienie, umożliwiającym odprowadzenie przecieków paliwa z uszczelnień liniowych.

Korzystnym jest, gdy w ściance cylindra sekcji utworzone są co najmniej dwa uszczelnienia liniowe, połączone ze sobą kanałem odprowadzającym.

Korzystnym jest, gdy uszczelnienia liniowe połączone są co najmniej jednym kanałem odprowadzającym, mającym połączenie z układem podciśnieniowym.

Szczególnie korzystnym jest, gdy przewód odprowadzający jest połączony z układem przelewowym wtryskiwaczy, w którym zabudowana jest zwężka Venturiego, będąca generatorem podciśnienia.

Przykładem realizacji wynalazku jest jak przedstawiono na fig. 1 układ składający się z przewodu odsysającego P2 będącego przewodem przelewowym wtryskiwaczy. W przewodzie tym umieszczona jest zwężka Venturiego ZV do której podłączony jest przewód podciśnieniowy P1 mający bezpośrednio połączenie z drenażem D kanału zbiorczego K odprowadzającego przecieki z uszczelnienia liniowego UL. Układ ten jest zabudowany w cylindrze C sekcji tłoczącej w której przemieszcza się tłok T.

Przedstawiony układ pozwala na sprawne i skuteczne odprowadzenie przecieków paliwa, a wykorzystując korzystną cechę podłączenia przewodu ciśnieniowego do przewodu paliwowego uzyskuje się minimalizację niezbędnych elementów i brak konieczności stosowania dodatkowej pompy podciśnieniowej. W rozwiązaniu tym w istotny sposób zostało zredukowane zjawisko przetłaczania paliwa do korpusu pompy.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Podciśnieniowy układ uszczelnienia sekcji tłoczącej wysokociśnieniowej pompy paliwa posiadający uszczelnienie, korzystnie liniowe wykonane obwodowo na powierzchni gładzi cylindra wyposażonego w tłok, znamienny tym, że uszczelnienie (UL) posiada zabudowany w cylindrze kanał zbiorczy (K) połączony za pomocą drenażu (D) z przewodem podciśnieniowym (P1), który jest połączony za pomocą elementu wytwarzającego podciśnienie (ZV) z przewodem paliwowym (P2).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada co najmniej jeden kanał zbiorczy (K) dla każdej sekcji tłoczącej pompy.
3. 3. Układ według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że posiada zwężkę Venturiego (ZV) w przewodzie paliwowym (P2) odsysającym, korzystnie przewodzie przelewowym wtryskiwaczy.
4. 4. Układ według zastrz. 1 i 2 i 3, znamienny tym, że posiada co najmniej dwa uszczelnienia liniowe (UL) na wewnętrznym obwodzie cylindra sekcji, połączone z kanałem (K) drenu (D).
5. 5. Układ według zastrz. 1 i 2 i 3 i 4, znamienny tym, że tłok (T) jest pokryty warstwą ceramiki inżynierskiej.