Возвратно-поступательные (поршневые) насосы

ВПН ( возвратно-поступательныенасосы) имеют два отличия, которые во многом определяют их свойства и параметры. Первым из них является неподвижность рабочей камеры относительно корпуса насоса. Второе отличие – наличие впускного и выпускного клапанов, которое служит для соединения рабочей камеры с полостями всасывания и нагнетания.

В ВПН силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в неподвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания за счет впускного и выпускного клапанов.

В качестве рабочего органа (вытеснителя) в ВПН используются поршень, плунжер или гибкая диафрагма. Поэтому такие насосы подразделяются на поршневые, плунжерные и диафрагменные.

По способу привода ВПН подразделяются на прямодействующие и вальные. Привод прямодействующего насоса осуществляется за счет возвратно-поступательного воздействия непосредственно на вытеснитель. Вальный насос приводится за счет вращения ведущего вала, которое преобразуется в возвратно-поступательное движение при помощи кулачкового или КШМ (кривошипно-шатунного механизма.).

На рис. 2.2,а приведена схема ПН (поршневого насоса) однократного действия с вальным приводом с помощью КШМ. Приводной вал 7 через кривошип 6 радиусом r и шатун 5 приводит в движение поршень 3 площадью S, который движется возвратно-поступательно в корпусе (цилиндре) 4. Насос имеет два подпружиненных клапана: впускной 1 и выпускной 2. Рабочей камерой данного насоса является пространство слева от поршня, ограниченное корпусом 4 и крайними положениями поршня 3 (на рис. затемнено). При движении поршня 3 вправо РЖ через впускной клапан 1 заполняет рабочую камеру, т.е. обеспечивается всасывание. При движении поршня влево РЖ нагнетается в напорный трубопровод через выпускной клапан 2.

Рис. 2.2. Насосы возвратно-поступательного движения:

а – поршневой; б – плунжерный; в – диафрагменный; 1 - впускной клапан; 2 – выпускной клапан; 3 – поршень; 4 – корпус (цилиндр); 5 – шатун; 6 – кривошип; 7 – вал; 8 – впускная проточка; 9 - плунжер; 10 – пружина; 11 – кулачок; 12 – диафрагма; 13 – шток

Рассматриваемый насос имеет одну рабочую камеру (z=1), и за один оборот вала 7 поршень 3 совершает один рабочий ход, т.е. это насос однократного действия (k=1). Рабочий ход l поршня 3 равен двум радиусам кривошипа 6 - l = 2r. Рабочий объем насоса равен объему рабочей камеры и составляет q = 2r S.

Насосы с поршнем в качестве вытеснителя являются самыми распространенными из ВПН. Они могут создавать значительные давления (до 30-40 МПа). Также выпускаются насосы, рассчитанные на значительно меньшие давления (до 1-5 МПа). Скоростные параметры этих насосов (число рабочих циклов в единицу времени) во многом определяется конструкцией клапанов, так как они являются наиболее инерционными элементами. Насосы с подпружиненными клапанами допускают до 100-300 рабочих циклов в минуту. Насосы с клапанами специальной конструкции позволяют получать до 300-500 циклов в минуту.

В поршневых насосах существуют все три вида потерь: объемные, гидравлические и механические. Объемные КПД η_о большинства поршневых насосов составляют 0,85-0,98. Гидравлические КПД η_г, определяемые потерями в клапанах, находятся в пределах 0,8-0,9: а механические КПД η_м – 0,94-0,96. Полный КПД η_п для большинства ПН составляет 0,75-0,92.

Значительно реже применяют насосы с плунжером в качестве вытеснителя. У этих насосов существенно больше поверхность контакта между корпусом и вытеснителем, что позволяет значительно лучше уплотнить рабочую камеру. Плунжерные насосы обычно изготавливают с высокой точностью, поэтому они являются весьма дорогими, но позволяют получать очень большие давления – до 150-200 МПа.

На рис. 2.2,б приведена схема плунжерного насоса с кулачковым приводом. Ведущий вал приводит во вращение кулачок 11, который воздействует на плунжер 9, совершающий возвратно-поступательные движения в корпусе (цилиндре) 4, причем движение плунжера влево обеспечивается кулачком 11, а ответный ход – пружиной 10. Данный насос имеет только один клапан – выпускной 2. Отсутствие впускного клапана является особенностью насосов, используемых на дизелях. Их топливные системы обычно имеют вспомогательные топливно-подкачивающие насосы, и заполнение рабочей камеры плунжерного насоса обеспечивается через впускную проточку 8.

Основной областью использования плунжерных насосов являются системы топливоподачи дизелей - секции ТНВД (топливного насоса высокого давления) /8/.

На рис. 2.3 показана работа секции ТНВД двигателя ЯМЗ-236. Плунжер 3 и втулка 2 (гильза) являются основными деталями отдельной секции насоса. Соединенные вместе они образуют плунжерную пару. Плунжер имеет диаметр 9 мм и ход 10 мм. Для создания высокого давления (18 МПа) зазор между плунжером и гильзой не должен превышать 0,0015-0,0020 мм (прецизионная сборка). Плунжер может перемещаться внутри гильзы в вертикальном направлении и поворачиваться в зависимости от положения рейки ТНВД.

Все секции ТНВД работают одинаково. Топливо поступает из фильтра тонкой очистки и при нижнем положении плунжера 3 (см. рис. 2.3, а, схема I) через впускное отверстие 1 подается внутрь втулки 2, заполняет надплунжерное пространство 4 (см. схемы I, VI) и проходит через осевое 14 и диаметральное 15 (см. схему V) отверстия к спиральным канавкам 11 (см. схемы II, IV).

Рис. 2.3. Плунжерные пары:

а) схемы работы секции насоса; б) схемы изменения количества подаваемого топлива: I – впуск топлива; II – начало подачи; III – конец подачи; IV – максимальная подача; V – половинная подача; VI – отсутствие подачи; 1 – впускное отверстие; 2 – втулка (гильза) плунжера; 3 – плунжер; 4 – надплунжерное пространство; 5 – разгрузочный поясок нагнетательного клапана; 6 – нагнетательный клапан; 7 – седло нагнетательного клапана; 8 – штуцер; 9 – пружина нагнетательного клапана; 10 – канал подвода топлива; 11 – спиральная канавка на плунжере; 12 – канал отвода топлива; 13 – перепускное отверстие; 14 – осевое отверстие в плунжере; 15 – диаметральное отверстие в плунжере

При подъеме плунжера 3 (см. рис. 2.3, схема II) топливо вначале вытесняется из надплунжерного пространства 4 через впускное отверстие 1 обратно в топливо подводящий канал 10. Когда плунжер перекроет это отверстие, давление в надплунжерном пространстве возрастает, нагнетательный клапан 6 открывается, сжимая пружину 9, пропускает топливо из надплунжерного пространства 4 в штуцер 8 и через топливопровод высокого давления – к форсунке.

Впрыск топлива форсункой в камеру сгорания продолжается до тех пор, пока отсечная кромка спиральной канавки 11 движущегося вверх плунжера 3 не начнет открывать перепускное отверстие 13 (рис. 2.3, схема III), соединяющее надплунжерное пространство 4 с топливо отводящим каналом 12. Давление в надплунжерном пространстве резко снижается и нагнетательный клапан 6 (см. схему I) под действием давления топлива и пружины 9 садится на седло 7 (см. схему II). В топливопроводе остается избыточное давление 8-10 МПа, что обеспечивает стабильность при малой подаче топлива.

Режим работы дизеля зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндры секциями насоса за один ход плунжера. При повороте плунжера 3 изменяется количество подаваемого топлива.

Если смотреть на плунжер 3 сверху, то его поворот против часовой стрелки сопровождается увеличением количества подаваемого топлива (рис. 2.3, схема IV). В этом случае расстояние А от отсечной кромки плунжера 3 до перепускного отверстия 13 будет наибольшим.

При повороте плунжера по часовой стрелке количество подаваемого топлива снижается (рис. 2.3, схема V), так как перепускное отверстие 13 открывается раньше.

Подача топлива прекращается при совмещении диаметрального отверстия 15 плунжера с перепускным отверстием 13 (рис. 2.3, схема VI), так как при движении плунжера вверх надплунжерное пространство 4 сообщается сначала с отверстием 13, а затем с отверстием 1.

Таким образом, при повороте плунжера изменяется момент окончания подачи и, следовательно, количество подаваемого топлива, а момент начала подачи топлива насосом остается неизменным /11/.

Диафрагменные насосы, в отличие от насосов, рассмотренных ранее, достаточно просты по устройству и в изготовлении и поэтому дешевы. На рис. 2.2,в приведена схема прямодействующего диафрагменного насоса. В корпусе 4 закреплена гибкая диафрагма 12, прикрепленная к штоку 13. Насос имеет два подпружиненных клапана: впускной 1 и выпускной 2. Рабочей камерой является объем внутри корпуса 4, расположенный слева от диафрагмы 12. Рабочий процесс диафрагменного насоса не отличается от рабочего процесса ПН.

Диафрагменные насосы не могут создавать высокое давление, так как оно ограничено прочностью диафрагмы (мембраны). Его максимальное значение в большинстве случаев не превышает 0,1-0,3 МПа.

Диафрагменные насосы нашли применение в топливных системах карбюраторных двигателей. На рис. 2.4 показан топливный насос двигателя автомобиля. Отлитые из цинкового сплава корпус 2, головка 7 и крышка 6 соединены между собой винтами. Края мембраны 3 зажаты между корпусом и головкой насоса. В центральной части мембраны закреплен шток 10. В головке 7 насоса смонтированы клапаны: два всасывающих 4 и один нагнетательный 8. Над всасывающими клапанами размещен сетчатый фильтр 5. Рычаг 1 ручной подкачки закреплен неподвижно на валике 11 и удерживается в нижнем положении пружиной, установленной на валике между рычагом и корпусом насоса.

В корпусе 2 на оси 14 установлен рычаг 13, прижимаемый пружиной 12 к эксцентрику распределительного вала двигателя. Вильчатым концом рычаг 13 охватывает шток 10 мембраны 3, которая отжимается вверх пружиной 9. Когда рычаг 13, сжимая пружину 9, перемещает через шток 10 мембрану 3 вниз, над ней создается разрежение, под действием которого топливо поступает в полость над мембраной, проходя сетчатый фильтр 5 и всасывающие клапаны 4.

Рис. 2.4. Топливный насос двигателя автомобиля:

1 – рычаг ручной подкачки; 2 – корпус; 3 – мембрана; 4 - всасывающий клапан; 5 – фильтр; 6 – крышка; 7 – головка; 8 – нагнетательный клапан; 9 – пружина мембраны; 10 – шток; 11 – валик рычага ручной подкачки; 12 – пружина рычага; 13 – рычаг; 14 – ось

Вверх мембрана перемещается под действием пружины 9, когда рычаг 13 не удерживает шток 10. Под давлением топлива открывается нагнетательный клапан 8 (всасывающие клапаны 4 при этом закрыты), и топливо поступает в головку 7 и затем в трубопровод, идущий к карбюратору.

Для снижения неравномерности подачи применяют два способа. Первый – применение многокамерных насосов, предпочтение следует отдавать насосам с нечетным числом камер. Второй – установка на выходе насосов гидравлических аккумуляторов. Вместо термина «гидроаккумулятор» в литературе используется также термин «воздушный колпак» /8/.