Топливный насос высокого давления (ТНВД)

Устройство топливного насоса

Топливный насос высокого давления (ТНВД) дизельного двигателя является одним из наиболее сложных узлов системы топливоподачи дизелей.

Топливные насосы предназначены для подачи в цилиндры дизеля под определенным давлением и в определенный момент точно отмеренных порций топлива, соответствующих данной нагрузке. По способу впрыска различают топливные насосы непосредственного действия и с аккумуляторным впрыском. В топливном насосе непосредственного действия осуществляется механический привод плунжера, а процессы нагнетания и впрыска протекают одновременно. В каждый цилиндр секция топливного насоса подает необходимую порцию топлива. Требуемое давление распыливания создается движением плунжера насоса.

У топливного насоса с аккумуляторным впрыском привод рабочего плунжера осуществляется за счет сил давления сжатых газов в цилиндре двигателя или с помощью специальных пружин. На мощных тихоходных дизелях применяют аккумуляторные топливные насосы с гидравлическими аккумуляторами.

В системах с гидравлическими аккумуляторами процессы нагнетания и впрыска протекают раздельно. Предварительно топливо под высоким давлением нагнетается насосом в аккумулятор, из которого поступает к форсункам. Эта система обеспечивает качественное распыливание и смесеобразование в широком диапазоне нагрузок дизеля, но из-за сложности конструкций такой насос широкого распространения не получил.

Топливные насосы высокого давления могут быть рядными (многосекционными) и распределительными. В рядных ТНВД насосные секции располагаются друг за другом, и каждая подает топливо в определенный цилиндр двигателя. В распределительных ТНВД, которые бывают одноплунжерными и двухплунжерными, одна насосная секция подает топливо в несколько цилиндров двигателя.

Устройство распределительного ТНВД:

    редукционный клапан; всережимный регулятор; дренажный штуцер; корпус насосной секции высокого давления в сборе с плунжерной парой и нагнетательными клапанами; топливоподкачивающий насос; лючок регулятора опережения впрыска; корпус ТНВД; электромагнитный клапан выключения подачи топлива; кулачково-роликовое устройство привода плунжера.

Подачу топлива из бака в ТНВД обеспечивает топливоподкачивающий насос (5), а редукционный клапан (1) поддерживает стабильное давление на входе в насосную секцию ТНВД, которая расположена в корпусе (4).

Плунжерная пара насосной секции представляет собой золотниковое устройство, регулирующее количество впрыскиваемого топлива и распределяющее его по цилиндрам дизеля в соответствии с порядком их работы. Всережимный регулятор (2) обеспечивает устойчивую работу дизеля в любом режиме, задаваемом водителем с помощью педали акселератора, и ограничивает максимальные обороты коленчатого вала, а регулятор опережения впрыска топлива (6) изменяет момент подачи топлива в цилиндры в зависимости от частоты вращения коленвала.

Топливоподкачивающий насос подает в ТНВД топливо в гораздо большем объёме, чем требуется для работы дизеля. Излишки возвращаются в бак через дренажный штуцер (3). Что касается электромагнитного клапана (8), то он предназначен для остановки дизеля. При повороте ключа в замке зажигания в положение «выключено» электромагнитный клапан перекрывает подачу топлива к плунжерной паре, а значит, и в цилиндры дизеля, это и требуется, чтобы заглушить силовой агрегат.

    — М (4…6 цилиндров, давление впрыска до 550 бар) — А (2…12 цилиндров, давление впрыска до 950 бар) — P3000 (4…12 цилиндров, давление впрыска до 950 бар) — P7100 (4…12 цилиндров, давление впрыска до 1200 бар) — P8000 (6…12 цилиндров, давление впрыска до 1300 бар) — P8500 (4…12 цилиндров, давление впрыска до 1300 бар) — R (4…12 цилиндров, давление впрыска до 1150 бар) — P10 (6…12 цилиндров, давление впрыска до 1200 бар) — ZW (M) (4…12 цилиндров, давление впрыска до 950 бар) — P9 (6…12 цилиндров, давление впрыска до 1200 бар) — CW (6…10 цилиндров, давление впрыска до 1000 бар) — H1000 (5…8 цилиндров, давление впрыска до 1350 бар)

ЧЕРТЁЖ — СХЕМА ОДНОПЛУНЖЕРНОГО ТНВД

Принципиальная схема системы топливоподачи дизельного двигателя с одноплунжерным ТНВД с торцевым кулачко­вым при­водом плунжера

Принципиальная схема системы топливоподачи дизельного двигателя с одноплунжерным ТНВД: 1 – топливопровод низкого давления; 2 – тяга; 3 – педаль подачи топлива; 4 – ТНВД; 5 – электромагнитный клапан; 6 – топливопровод высокого давления; 7 – топливопровод сливной магистрали; 8 – форсунка; 9 – свеча накаливания; 10 – топливный фильтр; 11 – топливный бак; 12 – топливоподкачивающий насос (применяется при магистралях большой протяженности; 13 – аккумуляторная батарея; 14 – замок «зажигания»; 15 – блок управления временем включения свечей накаливания

Топливо из бака 11 прокачивается по топливо­проводу низкого давления в топливный фильтр тонкой очистки топлива 10, откуда засасывается топливным насосом низкого давления и затем направляется во внутреннюю полость корпуса ТНВД 4, где создается давление порядка 0,2 … 0,7 МПа. Далее топливо поступает в насосную секцию высокого давления и с помощью плунжера — распреде­лителя в соответствии с порядком работы цилиндров подается по топливопроводам высокого давления 6 в форсунки 8, в результате чего осуществляется вспрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля. Избыточное топливо из корпуса ТНВД, форсунки и топливного фильтра (в некоторых конструкциях) сливается по топливо­проводам 7 обратно в топливный бак. Охлаждение и смазка ТНВД осуществляются циркулирующим в системе топливом. Фильтр тонкой очистки топлива имеет важное значение для нормальной и безаварийной работы ТНВД и форсунки. Поскольку плунжер, втулка, нагнетательный клапан и элементы форсунки являются деталями прецизионными, топливный фильтр должен задерживать мельчайшие абразивные частицы размером 3…5 мкм. Важной функцией фильтра является также задержание и выведение в осадок воды, содержащейся в топливе Попадание влаги во внутреннее пространство насоса может привести к выходу последнего из строя по причине образования коррозии.

Топливный насос подает в цилиндры дизеля строго дози­рован­ное количество топлива под высоким давлением в определенный момент времени в зависимости от нагрузки и скоростного режима, поэтому характеристики двигателей существенно зависят от работы ТНВД.

Схема и общий вид распределительного насоса

роторно-лопастной топливный насос низкого давления с регулирующим перепускным клапаном

блок высокого давления с распределительной головкой и дозирующей муфтой

автоматический регулятор частоты вращения с системой рычагов и пружин

электромагнитный запирающий клапан, отключающий подачу топлива

автоматическое устройство (автомат) изменения угла опережения впрыскивания топлива

Схема топливного насоса: 1 – вал привода насоса; 2 – перепускной клапан регулирования внутреннего давления; 3 – рычаг управления подачей топлива; 4 – грузы регулятора; 5 – жиклер слива топлива; 6 – винт регулировки полной нагрузки 7 – передаточный рычаг регулятора; 8 – электромагнитный клапан остановки двигателя; 9 – плунжер 10 – центральная пробка; 11 – нагнетательный клапан; 12 – дозирующая муфта; 13 – кулачковый диск; 14 – автомат опережения впрыска топлива; 15 – ролик; 16 – муфта; 17 – топливоподкачивающий насос низкого давления

Дополнительные устройства распределительного ТНВД

Распределительный ТНВД VE может также быть оснащен различными дополнительными устройствами, например, кор­рек­торами топ­ливоподачи или ускорителем холодного пуска, которые позволяют индивидуально адаптировать ТНВД к особенностям данного дизеля.

Вал привода 1 топливного насоса расположен внутри корпуса ТНВД, на валу установлен ротор 17 топливного насоса низкого давления и шестерня привода вала регулятора с грузами 4. За валом 1 неподвижно в корпусе насоса уста­новлено кольцо с ро­ли­ками и штоком привода автомата опережения впрыски­вания топлива 14. Привод вала ТНВД осу­ществляется от колен­чатого вала дизеля, шесте­ренчатой или ременной передачей. В че­тырехтактных двигателях час­тота вращения вала ТНВД составляет половину от частоты вращения коленчатого вала, и работа распределительного ТНВД осуществляется таким образом, что поступательное движение плунжера синхронизировано с движением поршней в цилиндрах дизеля, а вращательное обеспечива­ет распределе­ние топлива по цилиндрам. Поступательное движение обеспечивается кулачковой шай­бой, а враща­тельное – валом топливного насоса.

Автоматический регулятор частоты вращения включает в себя центробежные грузы 4, которые через муфту регулятора и систему рычагов воз­действуют на дози­рующую муфту 12, изменяя таким образом величину топливоподачи в зависимости от скоростного и на­грузочного режимов дизеля. Корпус ТНВД закрыт сверху крышкой, в которой установлена ось рычага управления, связанного с педалью акселератора.

Автомат опережения впрыскивания топлива является гидравлическим устройством, работа которого определяется давлением топлива во внутренней по­лости ТНВД, создаваемым топливным насосом низкого давления с регулирующим перепу­скным клапаном 2.

Фирмами Bosch, Diesel Kiki и Nippon Denso раз­работан ряд систем электронного управления топливоподачей на базе топливного насоса VЕ, которые обеспечили дальнейшее совершенствование процесса топливоподачи – повышение точности дозирования топлива в отдельные цилиндры, уменьшение межцикловой нестабильности процесса сгорания, уменьшения неравномерности работы дизеля на режимах холостого хода. В отдельных системах устанавливается быстродействующий клапан, который позволяет разделить процесс впрыска на две фазы, что уменьшает жесткость процесса сгорания.

Точное регулирование не только способствует контролю за выбросом токсичных веществ, но и обеспечивает увеличе­ние мощности и более плавную работу двигателя. Некоторые модели имеют электронное регулирование ре­циркуляции отработавших газов.

В электронных системах применяются топливные насосы распределительного типа, с дополнением управляемых ис­полнительных устройств для регулирования положения до­затора и клапана автомата опережения впрыскивания топ­лива.

Электронный блок управления получает сигналы от множе­ства датчиков, таких как положения педали акселератора, частоты вращения вала двигателя, температуры охлаж­дающей жидкости и топлива, подъема иглы форсунок, ско­рости движения автомобиля, давления наддува и темпера­туры воздуха на впуске и др.

Эти сигналы обрабатываются в электронном блоке управле­ния. Результирующий выходной сигнал посылается в ТНВД, обеспечивая подачу оптимального количества топлива к форсункам и оптимальный угол опережения впрыскивания в соответствии с эксплуатационными условиями. Если подключается дополнительная нагрузка (например, вклю­чают кондиционер воздуха), то в электронный блок управления приходит соответствующий сигнал, и дополнительная нагрузка компенсируется увеличением подачи топлива. Электронный блок управления также контролирует работу свечей накаливания в трех стадиях – период накаливания, установившийся режим работы свечей накаливания и пери­од после накаливания, в зависимости от температуры.

В отличие от механических, в электронно-управляемых ТНВД повышенная частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, определяется управляющей диафрагмой. Приводимый диафрагмой тросик уп­равляет рычагом повышенной частоты вращения на топливном насосе. При неработающем двигателе рычаг находится в по­ложении повышенной частоты вращения. Во время запуска двигателя в диафрагменном бло­ке создается разрежение, управляемое электронным блоком управления посредством элек­тромагнитного клапана. По мере прогрева двигателя электрон­ный блок открывает клапан, в диаф­рагменном блоке создается разрежение, вследствие чего рычаг повышенной частоты вращения с помощью тросика возвращается в нормаль­ное положение холостого хода.

В целях снижения выбросов оксидов азота ТНВД с электронным управлением оборудованы системой рециркуляции отработавших газов. Отбор части отработавших газов во впус­кной тракт управляется электронным блоком управления посредством клапанов системы рециркуляции. Вакуумным насосом в клапане рециркуляции создается разре­жение, которое зависит от частоты вра­щения двигателя, нагрузки и высоты над уровнем моря.

Упрощенная схема электронного регулирования одноплунжерного топливного насоса типа VE фирмы Bosch дизельного двигателя приведена на рисунке.

Схема системы электронного управления одноплунжерного ТНВД:

1 – датчик начала впрыска; 2 – датчик ВМТ и частоты вращения коленчатого вала; 3 – расходомер воздуха; 4 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 5 – датчик положения педали подачи топлива; 6 – блок управления; 7 – исполнительное устройство ускорителя пуска и прогрева двигателя; 8 – исполнительное устройство управления клапаном рециркуляции отработавших газов; 9 – исполнительное устройство управления углом опережения впрыска; 10 – исполнительное устройство привода дозирующей муфты; 11 – датчик хода дозатора; 12 – датчик температуры топлива; 13 – ТНВД

Основным регулирующим элементом системы является электромагнитное исполнительное устройство 10, которое пе­ремещает дозирующую муфту ТНВД.

Управление процессами топливоподачи осуществляется с помощью блока управления 6. В блок управления поступает информация от различных датчиков: начала впрыска 1, установленного в одной из форсунок впрыска топлива; верхней мертвой точки и частоты вращения коленчатого вала 2; расходомера воздуха 3; температуры охлаждающей жидкости 4; положения педали топлива 5 и др. В соответствии с заданными в памяти блока характеристиками управления и полученной информацией от датчиков блок управления выдает выходные сигналы на исполнительные механизмы управления цикловой подачей и углом опережения впрыска топлива. Таким образом, регулируется величина цикловой подачи то­плива от холостого хода до режима полной нагрузки, а также во время холодного пуска.

Потенциометр исполнительного устройства посылает сигнал обратной связи в электронный блок управления, определяя точное положение дозирующей муфты. Угол опережения впрыскивания топлива регулируется по­добным же образом.

Электронный блок управления формирует сигналы, обеспечивающие протекание регуляторных характеристик, стабилизацию частоты вращения холостого хода, рециркуляцию ОГ, сте­пень которой определяется по сигналам датчика массового расхода воздуха. При этом в блоке управления сопоставляются реальные сигналы датчиков со значениями в запрограммированных полях характеристик, в результате чего на сервомеханизм исполнительных устройств передается выходной сигнал, обеспечивающий требуемое положение дозирующей муфты с высокой точностью регулирования.

В систему заложена программа самодиагностики и отработки аварийных режимов, что позволяет обеспечить движение автомобиля при большинстве неисправностей, кроме выхода из строя микропроцессора.

В большинстве случаев для одноплунжерных насосов распределительного типа в качестве исполнительного устройства, регулирующего цикловую подачу. используется электромагнит 6 с поворотным сердечником, конец которого соединен через эксцентрик с дозирующей муфтой 5. При прохождении тока в обмотке электромагнита сердечник поворачивается на угол от 0 до 60°, соответственно перемещая дозирующую муфту 5, с помощью которой происходит изменение цикловой подачи.

Управление автоматом опережения впрыска осуществляется быстродействующим электромагнитным клапаном 2, который регулирует давление топлива, действую­щего на поршень автомата. Клапан работает в импульсном режиме «открыт — закрыт», модулируя давление в зависимости от частоты вращения вала двигателя. Когда клапан открыт, давление уменьшается, и угол опережения впрыскивания также уменьшается. Когда клапан закрыт, давление увеличивается, перемещая поршень автомата в сторону увеличения угла опережения впрыска. Отношение импульсов определяется электронным блоком в зависимости от режима работы и температурного состояния двигателя. Для определения момента начала впрыска одна из форсунок имеет индукционный датчик подъема иглы.

В качестве исполнительных механизмов, воздействующих на органы, управляющие подачей топлива в ТНВД, применяются пропорциональные электромагнитные, моментные, линейные или шаговые электродвигатели, которые служат в качестве непосредственного привода дозатора топлива в насосах распределительного типа.

В качестве примера на рисунке приводится исполнительный механизм, управляющий подачей топлива, в котором используется электромагнит 2 с поворотным сердечником, конец которого соединен через эксцентрик с дозирующей муфтой 3. При прохождении тока в обмотке электромагнита сердечник поворачивается на угол от 0 до 60°, соответственно перемещая дозирующую муфту. Контроль за ее перемещение производится с помощью датчика 1.

Рис. Электромагнитный исполнительный механизм ТНВД распределительного типа:

1 – датчик хода дозатора; 2 – исполнительное устройство (электромагнит); 3 – дозирующая муфта; 4 – клапан изменения угла начала впрыска с электромагнитным приводом

Проблемы дизелей автомобилей имеющих ТНВД фирм R. BOSCH, DIESEL-KIKI

Дымит черным дымом при больших нагрузках и частотах вращения коленчатого вала. Интенсивность дымления растет постепенно. Возможные причины. Увеличено сопротивление воздушного фильтра; чрезмерная подача топлива; чрезмерно уменьшилось давление начала подъёма иглы (для дизелей с разделёнными камерами сгорания меньше ЮМПа или 100кгс/см), если дизель с наддувом неудовлетворительная работа турбокомпрессора или корректора ТНВД по наддуву.

Извлеките фильтрующий элемент из корпуса воздушного фильтра, установите крышку фильтра на место, и во время движения автомобиля проверьте, насколько сильно уменьшилось дымление. Дымление уменьшится обязательно т.к. фильтрующий элемент владельцы автомобилей меняют редко — пытаются его почистить, продуть, не задумываясь над тем, что при этом его можно повредить и вывести из строя дизель. Если дымление уменьшилось незначительно, установите фильтрующий элемент на место, возьмите ключ «на 13», отвёртку, ослабьте контргайку винта номинальной подачи топлива и слегка (на 1/4 оборота) выверните, винт и затяните контргайку. Частота вращения коленчатого вала несколько уменьшится — восстановите её с помощью винта, в который упирается рычаг на режиме холостого хода.

Дымление обязательно уменьшится, но может уменьшиться и мощность дизеля. Добейтесь того, чтобы дымление было минимальным, но и мощность уменьшилась незначительно. Такая регулировка поможет Вам и в том случае, когда турбокомпрессор (если дизель с наддувом) не подаёт достаточное количество воздуха. Примечание: в насосах фирм «Lucas CAV» и «Roto Diesel» тяга регулировки номинальной подачи расположена под крышкой, поэтому описанную выше регулировку провести нельзя. Если перечисленные выше мероприятия малоэффективны, извлеките форсунки и проверьте их работоспособность. Неисправна форсунка, ТНВД, клапанный механизм или поршневая группа. Извлеките форсунку, ослабьте гайку крепления трубопровода высокого давления, к штуцеру ТНВД, поверните трубопровод в сторону от цилиндра и затяните гайку на штуцере ТНВД. Подсоедините форсунку к трубопроводу так, чтобы распылитель был хорошо виден, запустите дизель и наблюдайте за струёй топлива, выходящего из распылителя: если впрыскивание чёткое, без пропусков или искажений формы топливного факела, то форсунка и ТНВД исправны.

Нужно проверять зазоры в приводе клапанов или состояние гидрокомпенсаторов теплового зазора, а также измерять компрессию в неисправном цилиндре. Если впрыскивание нестабильно от цикла к циклу, нужно проверять форсунку и, если форсунка исправна, нагнетательный клапан ТНВД.

Дизель запускается и через несколько секунд глохнет. Вероятно, до предела увеличено сопротивление выпускной системы дизеля. Такая неисправность возникает при ремонте глушителя, при наличии фильтра — сажеуловителя, при наличии постороннего предмета в выпускном патрубке за глушителем шума. Извлеките из любого цилиндра форсунку, извлеките теплоизолирующую прокладку из отверстия для распылителя форсунки в головке блока и запустите дизель на оставшихся включёнными цилиндрах. Если он перестал глохнуть, но очень сильно дымит, (дым идёт через отверстие под форсунку, которую Вы удалили из головки блока), не увеличивает частоту вращения коленчатого вала, работает неустойчиво, то диагноз о забитом глушителе подтверждается. Окончательно убедиться в этом Вам поможет вывешивание форсунки. Если впрыскивание через вывешенную форсунку чёткое (без пропусков подач), то ослабьте крепления приёмной трубы выпускной системы у коллектора или глушителя так, чтобы газы могли свободно выходить, и запустите дизель.

Если дизель заработал нормально, удалите забитый фильтр — сажеуловитель (если он есть) или прочистите глушитель. Примечание: на автомобилях фирмы «Mercedes» с вакуумным клапаном выключения подачи топлива такая неисправность может быть вызвана поломкой «ключа зажигания». Выяснить это Вам поможет вывешивание форсунки вне двигателя.

Дизель запускается и через минуту или чуть больше самопроизвольно теряет частоту, почти глохнет, а затем снова набирает частоту до нормальной и процесс повторяется. Забит фильтр тонкой очистки топлива. Его проходного сечения не хватает для устойчивой работы дизеля на режиме холостого хода и под нагрузкой. Возьмите ёмкость объёмом 1,5. 2 л из небьющегося материала, заполните её на 3/4 чистым, отстоянным в течение 48 часов топливом, отсоедините трубопровод, идущий от фильтра тонкой очистки топлива к ТНВД и опустите его в ёмкость с топливом. Запустите дизель. Если он нормально работает на любой частоте вращения коленчатого вала, то смените фильтрующий элемент, и продуйте трубопровод, идущий от фильтра (или подкачивающего насоса первой ступени, если он есть) к баку. Если работа дизеля не изменится, то нужно проверять подвижность дозатора ТНВД.

Если изучать двигатели надоело, то самое время расслабиться, посмотреть фотографии и почитать про автомобили новости, статьи. Особенно приятно читать заметки про новые модели авто с прилагаемыми к ним фотографиями концептов. Быть в курсе автоновостей всегда хорошо.

Источники:

http://dieselauto.ru/toplivnyy-nasos-vysokogo-davleniya-tnvd/

http://folis-nn.ru/node/279