Топливные насосы высокого давления (ТНВД) классифицируются по конструктивному исполнению, методу дозирования подачи топлива и числу секций.
По конструктивному исполнению топливные насосы бывают золотниковые (плунжерные) и клапанные. Чаще всего на двигатели устанавливают топливные насосы плунжерного типа, в которых необходимое давление создается работой плунжерной пары (плунжер —гильза).
По методу дозирования топлива, или изменения цикловой подачи, различают насосы с отсечкой и с дросселированием на впуске. Наибольшее применение имеют насосы первого типа, в которых плунжер нагнетает топливо и управляет закрыванием и открыванием наполнительного и отсечного отверстий гильзы.
Топливные насосы бывают многосекционные и распределительные.
Многосекционные насосы имеют число секций, равное числу цилиндров; секции могут быть расположены в одном корпусе в один ряд или, как например плунжерные секции в насосах двигателей КамАЗ-740, в два ряда под углом 75° одна к другой. Секции приводятся в действие от общего кулачкового вала, получающего вращение через шестеренный привод от распределительного вала двигателя.
Распределительные насосы имеют одну или две секции (кратное числу цилиндров). Каждая секция может подавать топливо в несколько цилиндров двигателя.
Наибольшее применение находят многоплунжерные топливные насосы с золотниковым регулятором цикловой подачи топлива и постоянным ходом плунжера. Такой насос состоит из корпуса 18 (рис. 2.47), плунжерных секций, кулачкового вала 16, регулятора частоты вращения и муфты опережения впрыска. Каждая секция насоса имеет гильзу 7 с движущимся внутри нее плунжером 8. Гильзы установлены в расточках корпуса насоса и фиксируются в нем стопорными винтами.
Рис. 2.47. Многоплунжерный топливный насос с золотниковым регулятором цикловой подачи топлива и постоянным ходом плунжера:
1 — нажимной штуцер; 2 — пружина нагнетательного клапана; 3 — нагнетательный клапан; 4 — прокладка; 5 — головка топливного насоса; 6 — седло нагнетательного клапана; 7 — гильза; 8 — плунжер; 9 — пружина плунжера; 10 — колпак рейки; 11— тарелка пружины плунжера; 12 — регулировочный болт толкателя; 13 — фланец; 14 — букса топливного насоса; 15 — подшипник кулачкового вала; 16 — кулачковый вал; 17 — роликовый толкатель плунжера; 18 — корпус топливного насоса; 19 — промежуточная опора кулачкового вала; 20 — пробка сливная; 21 — манжета; 22 — втулка шестерни; 23 — шестерня кулачкового вала; 24 — резиновые элементы; 25 — шестерня валика регулятора; 26 — крестовина грузов; 27— упорный шариковый подшипник; 28— груз регулятора; 29— валик регулятора; 30, 31 — пружины регулятора наружная и внутренняя; 32 — винт-упор; 33 — шариковый подшипник регулятора; 34 — корпус регулятора; 35 — муфта; 36 — регулировочный винт; 37 — вилка тяги регулятора; 38 — призма обогатителя; 39 — тяга рейки; 40 — фланец регулятора; 41 — рейка топливного насоса; 42 — хомутик; 43 — топливопровод высокого давления; 44 — валик обогатителя; 45 — пружина валика обогатителя; 46 — палец; 47 — рычаг регулятора; 48— крышка; 49— валик; 50— кронштейн; 51 — поводок; 52— двойная пружина; 53 — ось
Сверху к гильзе прилегает седло нагнетательного клапана 3, которое прижимается к торцевой поверхности гильзы нажимным штуцером 1, ввернутым в корпус насоса. К штуцеру присоединен нагнетательный трубопровод высокого давления.
Плунжеры всех секций приводятся в движение от общего кулачкового вала 16. Кулачок действует на плунжер 8 через роликовый толкатель 17, который постоянно прижимается к кулачку пружиной 9. Под действием этой пружины, опирающейся на тарелки 11, плунжер движется вниз. Поворачиванию толкателя препятствует ось ролика, которая имеет выступы, входящие в пазы на расточках корпуса. Для регулировки момента начала подачи топлива в роликовый толкатель 17ввернут регулировочный болт 12, фиксируемый контргайкой.
Принцип работы секции топливного насоса следующий. Каждая секция состоит из нагнетательного клапана 8 (рис. 2.48, а) и плунжерной пары (рис. 2.48, б). В плунжерную пару входит плунжер 13 и гильза 14. Нагнетательный клапан состоит из седла 9 (см. рис. 2.48, а), которое устанавливается непосредственно на верхний торец гильзы, и собственно клапана 8. Клапан имеет конусную фаску 21, цилиндрический разгрузочный поясок 22 и направляющую часть с пазами для прохода топлива. Сверху клапан прижимается к седлу пружиной 6.
Рис. 2.48. Устройство и работа секции топливного насоса:
а — секция топливного насоса; б — плунжерная пара; в — процесс впуска топлива в плунжерную пару; г — начало нагнетания топлива в магистраль; д — процесс перепуска топлива; 1 — кулачковый вал; 2 — выемка с винтовой кромкой; 3 — головка топливного насоса; 4, 11 — продольные каналы в головке; 5 — перепускное отверстие; 6 — пружина нагнетательного клапана; 7— штуцер; 8 — нагнетательный клапан; 9 — седло нагнетательного клапана; 10 — впускное отверстие; 12— стопорный винт; 13— плунжер; 14— гильза; 15— пружина; 16 — тарелка плунжера; 17— регулировочный болт; 18— контргайка; 19 — толкатель; 20 — ролик толкателя; 21 — конусная фаска; 22 — цилиндрический разгрузочный
поясок нагнетательного клапана; 23, 24 — осевое и радиальное отверстия; 25 — поводок; → — направление движения топлива; А — направление приложения усилия к поводку
На наружной цилиндрической поверхности плунжера выполнена канавка кольцевой формы и выемка 2 с винтовой кромкой, которая при помощи осевого 23 и радиального 24 отверстий сообщается с пространством над плунжером.
Цилиндрическая верхняя часть плунжера входит в гильзу, которая имеет два радиальных отверстия: верхнее 10 — является впускным, а нижнее 5 — перепускным. Эти отверстия соединены с продольными каналами 4, 11 в головке топливного насоса, в которые топливо поступает от подкачивающей помпы.
Детали плунжерной пары, изготовленные с высокой точностью из легированных сталей, индивидуально подбирают одну к другой, обеспечивая зазор между соприкасающимися поверхностями примерно 0,0015 мм. Разукомплектовывать плунжерные пары нельзя, так как от точности изготовления и сборки зависит плотность плунжерной пары и давление впрыска топлива.
Кроме возвратно-поступательного движения плунжер может поворачиваться в гильзе при приложении усилия к поводку по стрелкам А (см. рис. 2.48, б).
Работа насосной секции осуществляется следующим образом. При движении плунжера 13 вниз топливо через впускное отверстие 10 (рис. 2.48, в) за счет разрежения засасывается в полость над плунжером. Нагнетательный клапан 8 закрыт под действием пружины 6. При ходе плунжера вверх вначале перекрывается впускное отверстие 10 (рис. 2.48, г). В изолированной полости над плунжером топливо сжимается, и при определенном давлении нагнетательный клапан 8 открывается и топливо по трубопроводу высокого давления поступает к форсунке. Подача топлива будет продолжаться до тех пор, пока винтовая кромка выемки 2 на плунжере не откроет перепускное отверстие продольного канала 4 (рис. 2.48, д). Давление в полости над плунжером при этом резко снижается. Нагнетательный клапан под действием упругости пружины закрывается. При этом в седло 9 (см. рис. 2.48, б) входит вначале цилиндрический поясок 22, который, действуя как поршень, отсосет топливо из топливопровода высокого давления, а затем на седло садится конусная фаска 21. Это приведет к быстрому падению давления в топливопроводе и к резкому прекращению впрыска топлива в камеру сгорания.
Количество подаваемого в цилиндр дизеля топлива определяется ходом Н (рис. 2.49) нагнетания плунжера от момента перекрытия впускного канала 5 до момента открывания винтовой кромкой 6 (точка К') перепускного канала 2 в гильзе. В свою очередь момент открывания перепускного отверстия винтовой кромкой зависит от угла поворота плунжера α. При повороте плунжера за поводок 7 против часовой стрелки винтовая кромка плунжера позднее открывает перепускное отверстие в гильзе (угол КК' увеличивается). В результате количество топлива, подаваемого в цилиндр двигателя, увеличивается. Возрастает и мощность двигателя. При повороте плунжера по часовой стрелке произойдет обратная картина (угол КК' уменьшается). В результате чего подача топлива будет уменьшаться, что приведет к снижению мощности дизеля.
Рис. 2.49. Схема изменения подачи топлива с помощью винтовой кромки плунжера:
1 — плунжер; 2 — перепускной канал; 3 — гильза; 4 — канал в плунжере; 5 — впускной канал; 6 — винтовая кромка; 7 — поводок; Н — ход нагнетания плунжера; К К' — угол поворота плунжера, соответствующий ходу Н нагнетания плунжера; α — угол поворота плунжера за поводок
Поворот всех плунжеров в топливном насосе осуществляется одновременно при перемещении рейки 41 (см. рис. 2.47) с хомутиками 42, в каждом из которых подвижно расположен цилиндрический палец поводка 25 (см. рис. 2.48, б) соответствующего плунжера. У ряда дизелей вместо поводков установлены зубчатые секторы.
Момент начала подачи топлива определяется положением торца плунжера относительно верхней кромки впускного отверстия в гильзе. Момент подачи топлива плунжерной парой может быть изменен при помощи регулировочного болта 17 (см. рис. 2.48, а) (с контргайкой 18) толкателя 19. При вывертывании болта плунжер поднимается, перекрывает впускное отверстие и начинает подачу топлива. При ввертывании регулировочного болта все происходит наоборот.
Форсунка предназначена для впрыска в цилиндр тонкораспыленного топлива и равномерного распределения его по объему камеры сгорания. Различают форсунки открытые и закрытые.
В открытых форсунках полости камеры сгорания и магистрали высокого давления постоянно соединены между собой.
Открытые форсунки находят ограниченное применение на автотракторных двигателях. Основными недостатками таких форсунок являются нестабильность давления впрыска от рабочих режимов двигателя, которое не регулируется; плохое распыливание топлива при малой частоте вращения коленчатого вала; подтекание топлива через форсунку в цилиндр.
В закрытых форсунках эти полости разъединены запорным устройством и сообщаются только в момент впрыска топлива.
Закрытые форсунки по сравнению с открытыми имеют ряд преимуществ: период впрыска топлива значительно короче и качество распыливания лучше, особенно при работе двигателя на малых частотах и нагрузках; отсутствие подтекания топлива; проще регулировка давления. В закрытых форсунках применяют распылители штифтовые и бесштифтовые.
Закрытые форсунки с бесштифтовыми распылителями и гидравлическим управлением обычно устанавливают в неразделенных камерах сгорания. Такая форсунка состоит из стального корпуса 2 (рис. 2.50, а), к которому гайкой 15 присоединен корпус распылителя 16. В корпусе распылителя установлена игла 17. В нижней части распылителя имеются сопловые отверстия для впрыска топлива. В хвостовик иглы упирается конец штанги 1, верхняя часть которой служит опорой для возвратной пружины 9.
Рис. 2.50. Закрытая форсунка: а — с бесштифтовым распылителем; б — расположение цилиндрического штифта в сопловом канале распылителя; 1 — штанга; 2 — корпус форсунки; 3 — регулировочный винт; 4 — болт поворотного угольника; 5 — трубка слива; 6 — контргайка; 7 — колпак форсунки; 8 — гайка пружины; 9 — пружина; 10 — штуцер; 11 — уплотнение; 12 — трубопровод высокого давления; 13 — предохранительный фильтр; 14 — прокладка; 15 — гайка распылителя; 16— корпус распылителя; 17 — игла; 18 — стаканчик форсунки; 19 — медная прокладка; 20 — штифт; А — каналы; Б — кольцевая полость вокруг иглы распылителя
Давление впрыска регулируется винтом 3 который осуществляет сжатие пружины 9. Топливо подается к форсунке по трубопроводу 12 высокого давления. Пройдя предохранительный фильтр 13, топливо попадает во внутренние каналы А форсунки, а также в кольцевую полость Б вокруг иглы.
Впрыск происходит, когда давление топлива, создаваемое насосом, превысит усилие пружины 9, в результате игла поднимется и откроет проход для топлива к сопловым отверстиям распылителя. За счет высокого давления
впрыскивания и малого диаметра отверстия топливо интенсивно распыляется. После прекращения подачи топлива насосом давление в кольцевой полости снижается и под действием упругости пружины 9 игла опустится и плотно закроет
доступ топлива к сопловым отверстиям распылителя. Этот момент соответствует окончанию впрыска топлива.
Наиболее важным элементом форсунки является распылитель, носок его с отверстиями выступает в камеру сгорания и подвержен воздействию высоких температур. Количество и направление сопловых отверстий распылителя зависят от формы камеры сгорания и способа смесеобразования. Число отверстий колеблется от 4 до 6, их диаметр 0,15…0 ,35 мм.
Закрытые форсунки со штифтовыми распылителями используют в разделенных камерах сгорания. Такая форсунка имеет принципиально такую же конструкцию, что и форсунка с бесштифтовым распылителем, отличается лишь конструкцией сопловой части. Сопловое отверстие образуется цилиндрическим штифтом (рис. 2.50, б) иглы распылителя, входящим в сопловый канал. Конец штифта имеет заточку в виде двух конусов.
При посадке иглы на седло нижний конец штифта образует сопловый кольцевой канал переменного сечения. При впрыске топлива игла поднимается, и площадь поперечного сечения соплового канала изменяется в зависимости от подъема иглы. Факел топлива, впрыскиваемого через штифтовой распылитель, имеет форму полого конуса, вследствие чего увеличивается поверхность его соприкосновения с воздушным зарядом.
Штифтовые форсунки обеспечивают более мелкое распыливание топлива, чем бесштифтовые, поэтому давление впрыска топлива в них ниже, чем в последних. Они также малочувствительны к засорению.
В неразделенной системе питания дизелей устанавливаются насос-форсунки (см. рис. 2.43, в), применяемые для получения высокого давления впрыска, превышающего 100 МПа.
Насос-форсунка объединяет в одном агрегате насосную секцию и распылитель форсунки. Это позволяет избежать применения толстостенных трубопроводов высокого давления. Насос-форсунки устанавливаются непосредственно в крышке цилиндра и имеют индивидуальный привод.
Топливо поступает в насос-форсунку через штуцер 5 (рис. 2.51) с предохранительным щелевым фильтром 6. Омывая внутренние детали форсунки, топливо охлаждает их, а затем отводится в систему через штуцер 4. В крайнем верхнем положении плунжера топливо, протекая через впускное А и отсекающее Б отверстия втулки, заполняет полость под плунжером.
Рис. 2.51. Насос-форсунка дизеля:
1 — привод; 2 — возвратная пружина; 3 — нагнетательный клапан; 4, 5 — штуцеры; 6 — предохранительный щелевой фильтр; А и Б — впускное и отсекающее отверстия втулки; В, Г, Д — каналы; → — движение топлива
При движении плунжера вниз под действием привода 1 нижняя кромка плунжера перекрывает сначала отсекающее Б, а затем впускное А отверстия. При дальнейшем движении вниз топливо сжимается как в подплунжерной полости, так и в каналах В, Г, Д (после открывания нагнетательного клапана 3), а также и в полости под запорным конусом иглы форсунки. При рабочем давлении игла форсунки поднимается, пропускает топливо к сопловым отверстиям и происходит впрыск топлива в камеру сгорания. Когда при движении вниз отсечная кромка плунжера открывает отсечное отверстие втулки, давление в подплунжерной полости падает, и нагнетательный клапан 3 садится на седло, прекращая поступление топлива к сопловым отверстиям.
При движении под действием возвратной пружины 2 плунжера вверх с момента перекрывания отверстий А и Б втулки верхней кромкой плунжера до момента открывания впускных отверстий нижней кромкой плунжера создается разрежение и топливо всасывается, после чего цикл повторяется.