Характеристика одно из топливного насоса дизельного двигателя

Устройство, принцип работы и виды ТНВД

Топливный насос высокого давления (ТНВД) – одна из самых специфичных и сложных комплектующих современного дизельного двигателя. Данные агрегаты используются не только в дизельных моторах, но и силовых агрегатах инжекторного типа, где подача топлива организована непосредственно в цилиндры без промежуточных стадий.

Топливный насос – не только сложный по конструкции, но и дорогостоящий элемент мотора. Это связано с особенностями производства и необходимостью пользоваться высокоточным оборудованием. От слаженной и качественной работы ТНВД зависит, насколько эффективно функционирует двигатель. Это объясняется тем, что топливный насос отвечает не только за нагнетание топливной смеси, но и за дозирование порций, их подачу к распылителям в нужный момент рабочего цикла.

Устройство и принцип работы ТНВД

На сегодняшний день есть несколько разных видов ТНВД, но все они имеют схожую конструкцию и функционируют по одинаковому принципу.

Топливный узел высокого давления состоит из следующих деталей:

• сопряженный со втулкой плунжер (плунжерная пара);
• приводной вал с кулачками (вращение узла обеспечивает ремень ГРМ);
• штуцер подачи горючего к плунжерной паре;
• возвратная и толкательная пружины плунжера (одна обеспечивает давление поршня на кулачковый вал, а вторая возвращает его на место);
• впускной и перепускной клапаны;
• ролики.

Принцип действия ТНВД немного похож на механизм работы двигателя внутреннего сгорания:

1. При запуске двигателя ремень ГРМ начинает вращаться и передает крутящий момент на кулачковый вал.
2. Кулачки начинают поддавливать толкательную пружину, продвигая поршень к цилиндру (при этом увеличивается давление).
3. При увеличении давления приподнимается нагнетательный клапан и производится впрыск горючего.

Воздушно-топливная смесь поступает к форсункам строго дозированными порциями, а излишки горючего отправляются в сливные клапаны. Подача топлива обеспечивается центробежной муфтой.

Необходимый объем впрыскиваемой смеси определяет всережимный регулятор. При увеличении давления на рычаг газа поступление горючего увеличивается, а при ослаблении нажатия – уменьшается.

Согласованность работы всех частей ТНВД обеспечивает:

• дозирование горючего с учетом нагрузки на двигатель;
• повышение давления воздушно-топливной смеси перед поступлением в форсунки;
• определение точного момента подачи топлива в цилиндры.

Благодаря топливному насосу увеличивается КПД силового агрегата и экономится горючее.

От механики к электронике

Механические насосы постепенно вытесняются агрегатами с электронной начинкой. Устройство и принцип работы узлов отличается тем, что все происходящие в ТНВД процессы регулируются электроникой. Здесь обеспечение максимально точного количества смеси, моментальная реакция на малейшее изменение динамики. Механическим насосам такие параметры недоступны. Электроника позволила снизить циклы нестабильного сгорания топлива, уменьшить нестабильность работы дизеля на холостом ходу.

Следующий шаг — двухфазный впрыск топлива, обеспечивающий полноту сгорания. Следствие — уменьшение выброса в атмосферу токсичных продуктов и увеличение КПД двигателя. При этом система контролирует:

• положение педали газа;
• частоту вращения распредвала двигателя;
• температуру двигателя (охлаждающей жидкости);
• скорость движения;
• величину подъема иглы форсунки;
• давление наддува воздуха;
• температуру воздуха на впуске;
• работу свечей накаливания.

ТНВД с электронными блоками управления снабжены программами самодиагностики, значительно расширяющими возможности использования насосов. Так, при возникновении ряда отказов система будет работать, обеспечивая движение транспортного средства. Полный отказ происходит при выходе из строя микропроцессоров.

Возможные неисправности и методы их устранения

Некорректная работа ТНВД дизельного двигателя может выражаться в следующих признаках:

• Отклонение показателя расходования горючего от нормы;
• Появление отработавших газов черного цвета;
• Повышенный уровень шума при работе силовой установки;
• Потеря мощности;
• Плохой запуск силовой установки.

Основной причиной возникновения неисправностей является плохое качество солярки. В рабочей смеси плохого качества присутствуют мелкие абразивные частицы. Они негативно влияют на нагнетательные элементы и распылители двигателя внутреннего сгорания.

Некорректная работа ТНВД может быть вызвана неправильной регулировкой узла. Для выявления неисправностей потребуется провести диагностику. Самостоятельно диагностировать неисправности невозможно. Для этого необходимо специализированное оборудование и технические знания. После правильной настройки ТНВД двигатель будет отвечать всем необходимым требованиям.

Для устранения неисправностей необходимо заменить изношенные части. Замену комплектующих осуществляют квалифицированные специалисты. Устройство устанавливают на предусмотренный для этого стенд. После чего осуществляют диагностику и выполняют все необходимые регулировки.

Неполадки могут возникнуть в результате сбоя в электронной системе управления. Для устранения потребуется прошить электронный блок управления. При прошивке программируется процессор электронного блока управления. Для этого используется специализированное программное обеспечение.

ВАЖНО: Прошивку электронного блока управления следует доверить высококвалифицированным специалистом. Неправильно проведенная процедура может привести к выходу устройства из строя и необходимости его полной замены.

Топливные плунжерные насосы высокого давления (ТНВД)

Используются исключительно в дизельных двигателях для создания высокого напора топлива в форсунках.

Все ТНВД имеют механический привод от вспомогательного вала двигателя. Со стороны привода смонтирован регулятор момента впрыска.

Плунжерные пары — по числу форсунок — работают от общего эксцентрикового вала. Система клапанов обеспечивает всасывание топлива и дозированную подачу его к каждой форсунке по отдельному трубопроводу.

Напор, развиваемый ТНВД, достигает 200 бар. Производительность регулируется изменением хода плунжеров зубчатой рейкой.

В дизелях типа «коммон рэйл», где топливо под давлением подаётся в общий для всех форсунок и цилиндров резервуар-аккумулятор, применяются двухплунжерные ТНВД, конструкция которых позволяет несколько сглаживать импульсный характер потока.

Загрязнённое горючее вызывает повышенный износ плунжерных пар, низкие смазывающие свойства «солярки» могут повлечь задиры на сопрягаемых поверхностях и выход ТНВД из строя.

Насосы высокого давления – сложные агрегаты, ремонт их возможен только на специализированных предприятиях. Зачастую дешевле приобрести новый или контрактный, чем отремонтировать «старый» ТНВД.

Типы топливных насосов высокого давления

Существует три типа ТНВД, они имеют разное устройство, но одно предназначение:

• рядный;
• распределительный;
• магистральный.

В первом из них, топливо в каждый цилиндр нагнетает отдельная плунжерная пара, соответственно, количество пар равно количеству цилиндров. Схема распределительного топливного насоса высокого давления, в значительной мере отличается от схемы рядного. Отличие заключается в том, что горючее нагнетается ко всем цилиндрам посредством одной или нескольких плунжерных пар. Магистральный насос нагнетает топливо в аккумулятор, из которого оно в последствии распределяется по цилиндрам.

В авто с бензиновыми двигателями, с системой непосредственного впрыска, горючее качает электрический топливный насос высокого давления, однако оно (давление) там в разы меньше.

Рядный топливный насос высокого давления

Как уже было сказано, он имеет плунжерные пары по числу цилиндров. Его устройство довольно просто. Пары размещены в корпусе, внутри которого имеются подводные и отводные топливные каналы. В нижней части корпуса находится кулачковый вал с приводом от коленвала, плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам пружинами.

Принцип работы такого топливного насоса не отличается большой сложностью. Кулачок при вращении набегает на толкатель плунжера, заставляя его и плунжер двигаться вверх, сжимая горючее, находящееся в цилиндре. После перекрытия выпускного и впускного каналов (именно в такой последовательности), давление начинает подниматься до значения, после которого открывается нагнетательный клапан, после чего дизтопливо подается к соответствующей форсунке. Данная схема напоминает работу газораспределительного механизма двигателя.

Для регулирования количества поступающего топлива, и момента его подачи, применяется либо механический способ, либо электрический (такая схема предполагает наличие управляющей электроники). В первом случае количество подаваемого горючего изменяется поворотом плунжера. Схема очень проста: на нем имеется шестерня, она находится в зацеплении с рейкой, которая, в свою очередь, связана с педалью акселератора. Верхняя поверхность плунжера имеет наклон, благодаря чему изменяется момент закрытия впускного отверстия в цилиндре, а значит, и количество горючего.

Момент подачи топлива нужно менять при изменении величины оборотов коленвала. Для этого на кулачковом валу имеется центробежная муфта, внутри которой расположены грузики. С ростом оборотов они расходятся, и кулачковый вал поворачивается относительно привода. В результате, при повышении оборотов, топливный насос обеспечивает более ранний впрыск, а с уменьшением – более поздний.

Устройство рядных ТНВД обеспечивает им весьма высокую надежность и неприхотливость. Поскольку смазывание происходит моторным маслом из смазочной системы силового агрегата, это делает их пригодными для работы на низкокачественном дизтопливе.

Устанавливаются рядные ТНВД на средние и тяжелые грузовики. На легковые автомобили их полностью перестали устанавливать в 2000 году.

Распределительный топливный насос высокого давления

В отличие от топливного насоса рядного, распределительный имеет только одну или две плунжерных пары, которые снабжают топливом все цилиндры. Основные преимущества подобных топливных насосов – меньшая масса и размеры, а также более равномерная подача топлива. Главный минус один – их срок службы намного меньше из-за большой нагруженности, поэтому их применяют только на легковых автомобилях.

Существует три типа распределительных ТНВД:

1. с торцевым кулачковым приводом;
2. с внутренним кулачковым приводом (роторные насосы);
3. с внешним кулачковым приводом.

Устройство первых двух типов насосов обеспечивает им больший срок эксплуатации, по сравнению с последним, ведь силовых нагрузок на узлы приводного вала, от давления топлива, в них нет.

Схема работы распределительного топливного насоса первого типа выглядит следующим образом. Основной элемент – плунжер-распределитель, который, помимо поступательно-возвратного движения, вращается вокруг своей оси, и тем самым нагнетает и распределяет горючее между цилиндрами. В действие он приводится кулачковой шайбой, обегающей по роликам неподвижное кольцо.

Количество поступающего топлива регулируется как механическим путем, при помощи вышеописанной центробежной муфты, так и посредством электромагнитного клапана, на который подается электрический сигнал. Опережение впрыска топлива определяется поворотом неподвижного кольца на определенный угол.

Роторная схема предполагает несколько иное устройство распределительного топливного насоса. Условия работы такого насоса несколько отличается от того, как работает ТНВД с торцевым кулачковым приводом. Горючее нагнетается и распределяется, соответственно, двумя противолежащими плунжерами и распределительной головкой. Вращением головки обеспечивается перенаправление топлива к соответствующим цилиндрам.

Магистральный ТНВД

Магистральный топливный насос гонит горючее в топливную рампу и обеспечивает более высокое давление, по сравнению с рядным и распределительным насосами. Схема его работы несколько иная. Топливо может нагнетаться одним, двумя или тремя плунжерами, приводимыми в действие кулачковой шайбой или валом.

Подача горючего регулируется электронным дозирующим клапаном. Нормальное состояние клапана – открытое, когда поступает электрический сигнал, он частично закрывается и тем самым регулирует количество топлива, попадающего в цилиндры.

В таблице 4.1 приведены основные параметры насоса высокого давления.

Тип насоса: рядный, многоплунжерный, с собственным кулачковым валом, золотниковым способом дозирования топлива, размерности «А»

Диаметр плунжера, мм

Ход плунжера, мм

Направление вращения кулачкового вала (со стороны привода)

Геометрическое начало подачи секцией от верхнего положения плунжера, мм

Диаметр нагнетательного клапана, мм

Разгрузочный объем нагнетательного клапана, мм 3

Частота вращения кулачкового вала насоса при номинальной цикловой подаче, мин –1

Диаметр поршня топливоподкачивающего насоса, мм

Ход поршня топливоподкачивающего насоса, мм

Насос высокого давления – рядный, многоплунжерный. Количество подаваемого топлива регулируется поворотом плунжера (отсечкой в конце подачи).

На режиме номинальной мощности при частоте вращения 1 400 мин -1 подача топлива за цикл должна быть 60± мм 3 . На режиме максимального крутящего момента при частоте вращения вала насоса 800 мин -1 подача топлива за цикл должна соответствовать 60-64мм 3 . начало действия регулятора должно происходить при частоте вращения 1 450 мин -1 , а полное выключение подачи топлива – при 1 550 мин -1 .

Корпус насоса — монолитный, изготовленный из алюминиевого сплава (рис. 4.1, в). Нагнетательные секции размещены в гнездах верхней части корпуса 17 насоса. Их гильзы 9 фиксируются штифтами. Топливо к гильзам подводится и отводится через продоль­ный канал, просверленный по всей длине корпуса насоса. С одной стороны этого канала ввернут штуцер для подвода топлива, с другой — перепускной клапан.

Свободный конец рейки, выходящий из корпуса насоса, соединен регулировочным болтом 4 (рис. 4.2,а) с кулисой 6 регулятора частоты вращения ТНВД. Корпус регулятора привернут к торцевой стенке корпуса насоса. Плунжер поворачивается рейкой 13 (см. рис. 4.1, в), находящейся в зацеплении с зубчатым сектором 12, закрепленным на гильзе плунжера. При движении рейки в сторону регулятора подача топлива уменьшается, при движении к насосу — увеличивается. Равномерность подачи топлива по секциям регулируется поворотом плунжера 8 относительно гильзы 9, т. е. изменением положения винтовой отсечной кромки плунжера относительно нижнего отверстия гильзы. В нижней перегородке корпуса насоса есть гнезда для установки роликовых толкателей 16. От проворачивания толкатели удерживаются удлиненными осями роликов, которые входят в вертикальные пазы в гнездах. Равномерность начала подачи топлива между секциями регулируют, подбирая толщину регулировочной прокладки 14.

Кулачковый вал насоса установлен на двух шариковых подшипниках 19 и 26 и на одном подшипнике скольжения. В крышке переднего подшипника 26 находится уплотнительная манжета 27. Жесткость вала повышает средняя опора 23, которая крепится двумя болтами к корпусу насоса. На кулачковом валу есть несколько кулачков тангенциального профиля (по числу нагнетательных секций) и эксцентрик для привода топливоподкачивающего насоса 25. Концы кулачкового вала в виде конусов со шпоночными пазами и резьбовыми хвостовиками служат для установки с одной стороны автоматической муфты 29 опережения впрыска топлива (через нее приводится в действие ТНВД), а с другой — крестовины 18 (см. рис. 4.2,а), которая закреплена гайкой 19.

Современные насосы высокого давления выпускаются с корректором по наддуву (рис. 4.2). Корректор увеличивает подачу топлива пропорционально повышению давления наддува. Давление воздуха, действуя на мембрану, перемещает шток. При этом поворачивается ограничитель хода рейки насоса в сторону увеличения подачи топлива.

Рис. 4.1. Система питания автомобиля ЗИЛ – 4331:

а – схема системы питания автомобиля:

1 – форсунка; 2 – топливопровод высокого давления; 3 и 11 – сливные топливопроводы; 4 – топливный насос высокого давления; 5 – топливный бак;

6 – пробка наливной горловины; 7 – фильтр грубой очистки топлива;

8 – топливоподкачивающий насос; 9 – топливный бак подогревателя;

10 – насос ручной подкачки топлива; 12 – фильтр тонкой очистки топлива

б – насос ручной подкачки топлива:

1 – цилиндр; 2 – рукоятка насоса с поршнем; 3 и 5 – штуцера; 4 – корпус;

6 – пружина; 7 – нагнетательный клапан; 8 – пластинчатая пружина;

9 – всасывающий клапан

в – топливный насос высокого давления:

1 – рычаг корректора пусковых подач; 2 и 10 – винт выпуска воздуха;

3 – инструкцион­ная табличка; 4 – вытеснитель топлива; 5 – штуцер топливного насоса; 6 – пружина нагнетательного клапана; 7 – нагнетательный клапан; 8 – плунжер; 9 – гильза плунжера; 11 – поворотная втулка плунжера; 12 – зубчатый сектор; 13 – зубчатая рейка; 14 – регулировочные прокладки;

15 – пружина; 16 – толкатель; 17 – корпус насоса; 18 – ролик толкателя; 19 – шарикоподшипник; 20 – кулачковый вал; 21 – крышка насоса; 22 – место отвода масла; 23 – опора кулачкового вала; 24 – место подвода масла;

25 – топливоподкачивающий насос; 26 – шарикоподшипник;

27 – уплотнительная манжета; 28 – крышка подшипника; 29 – муфта опережения впрыска топлива; 30 – муфта привода насоса

Рис. 4.2. Насос высокого давления с корректором по наддуву воздуха

Масло, поступающее из системы смазки дизеля, заполняет полость кор­пуса насоса и регулятора до уровня подшипников вала. Из этой полости оно перепускается в картер двигателя.

Со стороны крепления топливоподкачивающего насоса низкого давления на корпусе ТНВД по всей его длине сделан люк, закрываемый съемной крышкой 21 (см. рис. 4.1, в). Он предназначен для удобства регулировки равномерности цикловой подачи топлива плунжерными парами.

В торце насоса высокого давления со стороны муфты опережение впрыска топлива установлен корректор пусковых подач. Изменение положения рычага 1 этого корректора вызывает перемещение зубчатой рейки ТНВД на большую величину и тем самым обеспечивает необходимую цикловую подачу топлива для пуска дизеля. Изменение положения рычага корректора пусковых подач обеспечивается с помощью рукоятки, расположенной в кабине водителя.

На ТНВД устанавливается двухрежимный регулятор центробежного типа (см. рис. 4.3, а). Он состоит из трех основных частей: привода механического чувствительного элемента, исполнительного механизма и механического чувствительного элемента.

Привод механического чувствительного элемента состоит из демпфера 17, сглаживающего упругие колебания, и крестовин 16 и 18 регулятора. Механический чувствительный элемент состоит из двух частей, симметрично расположенных относительно оси вращения на крестовине. Каждая часть элемента включает в себя грузик 15, корректор 3, регулировочную прокладку 7, главную пружину 24, пружину холостого хода 23, угловой рычаг 12, тарелку пружин 25 и седло пружин 21. Исполнительный механизм состоит из перемещающейся оси кулисы 10 с установленным на ней ползуном 9, направляющего пальца ползуна 8, рычага управления и кулисы 6 регулятора, соединенной с рейкой. Перемещение рейки в зоне низких частот вращения кулачкового вала насоса регулируется корректором пусковых подач.

Рис. 4.3. Элементы системы питания дизеля ЗИЛ–645:

а – регулятор частоты вращения:

1 – насос высокого давления; 2 – верхняя крышка; 3 – корректор; 4 – регулиро­вочный болт; 5 – крышка регулятора; 6 – кулиса; 7 – регулировочная прокладка корректора; 8 – палец направляющего ползуна; 9 – ползун нижний; 10 – ось кулисы; 11 – ползун углового рычага; 12 – угловой рычаг регулятора; 13 – корпус регулятора; 14 – ось груза; 15 – грузик; 16 – крестовина; 17 – демпфер; 18 – крестовина; 19 – гайка фиксации крестовины; 20 – упорная шайба; 21 – седло пружин регулятора; 22 – ось крестовины; 23 – пружина холостого хода регулятора; 24 – главная пружина регулятора; 25 – тарелка пружин регулятора; 26 – резиновое уплотнение

б – форсунка:

1 – корпус форсунки; 2 – фильтр форсунки; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – тарелка пружины; 5 – пружина; 6 – проставка; 7 – распылитель форсунки; 8 – гайка распы­лителя; 9 – игла; 10 – штифт; 11 – регулировочный винт

Для корректирования внешней скоростной характеристики применяется корректор, размещенный внутри обоймы грузов регулятора. Необходимая коррекция обеспечивается прогибом корректора, представляющего собой плоскую пружину, на величину толщины регулировочной шайбы, установленной под корректор.

Принцип работы регулятора основан на действии центробежных сил грузов, которые через рычаги и шарнирное соединение воздействуют на перемещение рейки топливного насоса высокого давления. В диапазоне от минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя (600 мин –1 ) до максимальной (2800 mиh –1 ) изменение подачи топлива производится водителем посредством педали подачи топлива. При частоте вращения выше частоты, которую ограничивает регулятор (2850 мин –1 ), центробежные силы грузов преодолевают сопротивление предварительно поджатых пружин и передвигают рейку топливного насоса, резко уменьшая подачу топлива. В результате — частота вращения коленчатого вала снижается.

Топливный насос высокого давления оснащен автоматической муфтой изменения угла опережения впрыска топлива в цилиндры двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля. Момент впрыска изменяется вследствие дополнительного поворота кулачкового вала насоса во время работы в ту или другую сторону относительно вала привода насоса.