Топливные насосы высокого давления (ТНВД)

Топливный насос высо­кого давления дозирует топливо в соответствии с рабочим режи­мом двигателя и подает топливо к форсунке. При этом одна нагнетательная секция топ­ливного насоса может подавать топливо только в один цилиндр ди­зеля. Поэтому число нагнетательных секций соответствует количеству цилиндров. Если нагнетательные секции размещаются в одном корпусе, то такой топливный насос называют многосекционным. Другой тип ТНВД— распре­делительные насосы одно- или двухсекционные, а также роторные. У этих насосов каждая нагнетательная секция подает топливо в не­сколько цилиндров двигателя (до шести цилиндров). Многосекцион­ные и распределительные насосы широко применяют на дизелях строительных машин.

Топливные насосы высокого давления различаются также по ме­тодам дозирования топлива. На дизелях дорожных машин, трактор­ных и автомобильных в основном применяют два способа измене­ния цикловой подачи: отсечкой у насосов золотникового типа и дросселированием на впуске – у насосов распределительного типа. Рассмотрим принцип работы нагнетательной секции топливного насоса золотникового типа. На рис. 2 стрелками показаны направления движения плунжера и топлива во втулке при работе нагнетательной секции такого насоса.

Рис. 34. Схема работы топливного насоса высокого давления золотникового типа.

При движении плунжера 3 во втулке 2 происходит: 1) вытесне­ние топлива (рис.34, а) из объема V_н во втулке насоса через впускное отверстие 1 в подводящий канал в корпусе насоса; 2) по­дача топлива (рис.34, б) плунжером при перекрытом отверстии 1, после открытия нагнетательного клапана 5, в объем V'_н штуцера 4насоса. При этом резко нарастают давления р_н и р'_н; 3) отсечка и перепуск топлива (рис. 34, в)через отверстия 6и 7 в отводящий канал. При отсечке давления р_н и р'_н снижаются, а нагнетательный клапан под действием пружины и перепада давлений р'_н — р_к са­дитсяна седло. Подача может происходить одновременно с вытес­нением топлива в подводящий канал или с перепуском. Заполнение объема во втулке топливом осуществляется при дви­жении плунжера вниз вначале через отверстие 7, а затем через от­верстие 1 (рис. 34,г).Таким образом плунжер подает топливо и управляет закрытием и открытием впускных и выпускных окон втулки, т. е. выполняет роль золотника, поэтому топливные насосы с такой плунжерной парой называют золотниковыми.

Геометрические начало и конец подачи топлива соответствуют момен­там полного перекрытия торцовой кромкой плунжера впускного от­верстия 1 и начала открытия отсечной кромкой 8отверстия 7. При этом плунжер совершает активный ход S_а и описывает объем во втулке, который называют геометрической подачей насоса

V_гп = ƒ _пл S_а

где ƒ _пл — площадь плунжера.

Из приведенного выражения следует, что подачу насоса можно изме­нять, уменьшая или увеличивая величину активного хода или пло­щадь плунжера. У плунжерной пары (рис. 34) для изменения S_а отсечную кромку выполняют в форме винтовой линии. При поворо­те плунжера изменяются активный ход, геометрическая и действи­тельная цикловые подачи топлива. Одновременно при уменьшении V_ц изменяются и фазы впрыска: момент начала подачи остается примерно постоянным, конец подачи наступает раньше, продолжи­тельность впрыска сокращается. Можно выполнить по винтовой ли­нии кромку, определяющую момент закрытия впускного окна, со­хранив при этом начало отсечки постоянным. С уменьшением V_ц впрыск наступает позже. Наконец, обе кромки можно выполнить по винтовой линии так, чтобы с уменьшением V_ц начало впрыска за­паздывало, а конец впрыска наступал-раньше. В последнем случае усложняется конструкция плунжерной пары и повышается стои­мость ее изготовления. Из-за технологичности изготовления,как правило, применяют золотниковые насосы с плунжерными пара­ми, показанными на рис. 34 (постоянное геометрическое начало и

и переменный конец подачи).

У насосов распределительного типа ре­гулирование подачи топлива осуществляется изменением наполнения топливом объема V_н во втулке. Для этого в канале, подводящем топливо к плунжер­ным парам, устанавливают специальное дроссели­рующее устройство. Схематически секция на­соса с дросселированием на впуске показана на рис. 35.

Рис. 35. Схема работы ТНВД распределительного типа.

При движении плунжера 1 вниз в объ­еме V_н втулки 2происходит частичное испарение топлива. Объем заполняется парами, имеющими давление р_п (рис. 35, а). При открытии торцом плунжера впускного отверстия во втулке в объ­ем V_н через проходные сечения ƒ_др дроссельного золотника 3и окна ƒ_ок во втулке 2 начинает по­ступать топливо (рис. 35, б). Скорость втекания определяется постоянным перепадом давлений р_вп - р_п. В начале хода нагнетания происходит конденсация паров топлива; давление в объеме V_н при этом не повышается (рис. 35, в).Подача нагнетательной секцией начинается, когда все пространство во втулке окажется заполненным топливом (рис. 35, г).

По мере перекрытия сечения ƒ_др или снижения давления р_вп, ве­личину которого можно менять, перепуская часть топлива из поло­сти всасывания в бак, уменьшается количество топлива, поступив­шего в объем V_н, и соответственно цикловая подача. При этом с уменьшением V_ц впрыск начнется позже, а конец подачи изменит­ся незначительно.

При изменении цикловой подачи дросселированием на впуске плунжер не имеет быстро изнашивающихся отсечных кромок и отверстий,

что обеспечивает стабильность регулировочных парамет­ров насоса. Топливоподающие системы с такими насосами, обеспечивают лучшее протекание скоростных характеристик подачи по сравнению с насосами дроссельного типа.

Для перемещения плунжера в топливных насосах применяют кулачки с различной формой профиля, от которой зависит величи­на и характер изменения скорости плунжера на участке активного хода. Наиболее широко в топливных насосах дизелей рассматрива­емого класса используют тангенциальный и выпуклый профили ку­лачков, что объясняется более простой технологией их изготовления. В случае применения тангенциального профиля по сравнению с вы­пуклым повышается скорость движения плунжера и сокращается геометрическая и действительная продолжительности подачи топ­лива.

5.1.2. Нагнетательный клапан. Между плунжерной парой и нагнетательным топливопроводом устанавливают нагнетательный клапан, который обеспечивает по­лучение идентичных условий в объемах нагнетательного штуцера V_н, топливопровода V_т и форсунки V_ф перед началом каждого впрыска и оказывает существенное влияние на величину остаточно­го давления в этих объемах. Он разъединяет также объемы V'_н, V_т и V_ф с объемом во втулке V_н, препятствуя обратному перетека­нию топлива при возвратном ходе плунжера и проникновению воз­духа в нагнетательный штуцер, топливопровод и форсунку. С по­мощью нагнетательного клапана можно, как будет показано далее, корректировать скоростные характеристики подачи топлива.

Рис.36. Конструкции нагнетательных клапанов ТНВД.

В топливоподающей аппаратуре рассматриваемых дизелей при­меняют нагнетательные клапаны различной конструкции. Нагнета­тельный клапан грибкового типа (рис. 36, а) в верхней части имеет грибок 4 и разгрузочный поясок 3, в нижней — хвостовик 2 с четырьмя канавками для прохода топлива. В начале движения от седла клапан занимает часть объема штуцера, вытесняя топливо. Давление в штуцере повышается и топливо перетекает в нагнета­тельный топливопровод.

Топливо из объема V_н начинает поступать в объем V'_н после выхода пояска 3 из канала седла 1. При отсечке давление р_н умень­шается и величина р'_н станет больше р_н, поэтому топливо будет пе­ретекать обратно в объем во втулке, а клапан — двигаться к седлу.

По мере опускания нагнетательного клапана с момента, когда цилиндрический поясок 3 нижней кромкой войдет в направляющий канал седла 1 и до посадки на седло, в штуцере насоса освобожда­ется объем, называемый разгрузочным

V_раз = ƒ_кл·h_кл

где ƒ_кл — площадь поперечного сечения разгрузочного пояска кла­пана; h_кл — разгрузочный ход нагнетательного клапана.

При этом давление р'_н в штуцере резко снижается и подача топлива насосом прекращается. Увеличение объема V_раз ведет к большему снижению давления р'_н и тем самым к уменьшению ос­таточного давления р_т.о в полости штуцера, нагнетательного топ­ливопровода и форсунки. В некоторых случаях при больших вели­чинах объема V_раз остаточное давление снижается до давления уп­ругости паров топлива, что приводит к разрывам сплошности в рас­сматриваемых полостях линии нагнетания. При этом образуются свободные объемы, заполненные парами и выделившимся из топ­лива воздухом.

На рис. 36, б показан клапан грибкового типа, имеющий цент­ральное 5 и радиальное 6 отверстия для прохода топлива, минуя разгрузочный поясок. Нагнетательный клапан такого типа называ­ют корректирующим. Роль отверстий может выполнять и зазор между поверхностями разгрузочного пояска и направляющего от­верстия седла.

Кроме грибковых клапанов применяют двойные нагнетатель­ные клапаны (рис. 36, в). В процессе подачи под действием дав­ления р_н клапан 10 поднимается от седла 9, сжимая пружину 11. Между торцом клапана и седлом образуется зазор, через который топливо проходит из объема V_н в объем V'_н. Дополнительный кла­пан 8 остается прижатым к торцу клапана 10 пружиной 7. После отсечки и посадки клапана 10 на седло 9 дополнительный клапан 8 открывается под действием давления р'_н, которое снижается в ре­зультате обратного перетекания топлива. Этот же эффект может иметь место и при подходе к штуцеру волны давления, отраженной от форсунки. Двойные нагнетательные клапаны применяют в топ­ливных насосах распределительного типа.

Перетекание топлива через нагнетательный клапан влияет на цикловую подачу V_ц; и величину остаточного давления. Цикловая подача определяется алгебраической суммой количеств топлива, поступившего из объема V_н в объем V'_н и перетекших обратно через нагнетательный клапан за время его движения в процессе подачи топлива у насоса.

5.1.3. Нагнетательный топливопровод обеспечивает передачу энергии в виде волны давления от насоса к форсунке с минимальными потерями. Время движения волны от насоса до форсунки τ_в зависит от длины нагнектательного топливопровода и скорости движения волны (1200 – 1400 м/с) За это время колен­чатый вал двигателя повернется на угол

, Θ_з = 6n τ_в

где п — частота вращения, об/мин.

Увеличение длины нагнетательного топливопровода, приводит к большей затрате времени на движе­ние волны от насоса до форсунки. Поэтому стремятся устанавливать на дизеле короткие нагнетательные топливопроводы одинаковой длины. У рассматриваемых дизелей длина нагнетательного топли­вопровода обычно не превышает 1,5 м, а внутренний диаметр 1,5—3,0 мм.

Для повышения прочности нагнетательные топливопроводы вы­полняют из вязкой легированной стали с толщиной стенок 2 — 3 мм.

Внутренний объем V_т и гидравлическое сопротивление канала в топливопроводе оказывают влияние на параметры процесса впрыска. Поэтому для обеспечения идентичности подачи топлива по цилиндрам необходимо устанавливать топливопроводы с пример­но одинаковыми указанными параметрами.

5.1.4. Форсунки. Форсунка формирует окончательный вид характерис­тики впрыска и оказывает существенное влияние на распыливание топлива и распределение его по камере сгорания.

Рис.37. Конструкции распылителей закрытых форсунок.

На дизелях рассматриваемого класса применяются форсунки закрытого типа. Закрытые форсунки имеют в распылителе иглу (или клапан), нагруженную пружиной и открывающуюся под дей­ствием давления топлива. Такие форсунки называют форсунками с гидравлическим управлением.

Наиболее важный элемент форсунки — распылитель, носок ко­торого выступает в камеру сгорания и подвержен воздействию вы­соких температур.

На рис. 37, а показана конструкция закрытого многодырчатого распылителя, состоящего из корпуса 1 и иглы 2. Топливо, двигаясь в каналах распылителя, проходит два дроссели­рующих сечения ƒ_н и ƒс. Величина сечения ƒ_н изменяется при подъ­еме и опускании иглы. Распылители, показанные на рис. 5, а, применяют на дизелях с неразделенными камерами сгорания. Чис­ло распыливающих отверстий колеблется от 1 до 7, а их диаметр 0,15—0,6мм.

Штифтовый распылитель (рис. 37, б) имеет на конце иглы штифт, диаметр которого d_ш=1,0; 1,5 и 2,0 мм. Концевая часть штифта обычно имеет вид двух усеченных конусов, сложенных меньшими основаниями. Угол прямого конуса штифта |β_ш подбира­ют из условий наиболее эффективного протекания рабочего процес­са дизеля. Штифтовый распылитель имеет ряд дросселирующих се­чений, величина которых изменяется при перемещении иглы. Штиф­товые распылители используют в дизелях с разделенными камера­ми сгорания.

Подъем иглы (клапана) с седла в корпусе распылителя начи­нается под действием давления топлива р_ф в объеме V_ф, которое пре­одолевает усилие предварительной затяжки пружины форсунки. В случае иглы оно действует на диф­ференциальную площадку, которая образуется разностью попереч­ных сечений иглы по диаметру d_и и характерному диаметру d_х (рис. 37,б), соответствующему уплотняющей кромке. Макси­мальное перемещение иглы (клапана) в распылителе обычно огра­ничивают величиной 0,2—0,5 мм.

Характеристики форсунок и распылителей. Под характеристиками форсунок понимают зависимости давлений р_ф и р'_ф и перемещения иглы (клапана) у от секундного объемного расхода топлива через форсунку. Такие зависимости можно исполь­зовать для оценки и выбора конструктивных параметров форсунок по аналогии с известными прототипами. Характеристики форсунок позволяют также определять расход топлива через форсунку и дав­ление раепыливания в любой момент времени, если известно пере­мещение иглы (клапана).

Каждая точка характеристики форсунки соответствует усло­виям установившегося течения топлива и статически равновесного положения запирающего устройства. Однако в определенном диа­пазоне расходов игла (клапан), нагруженная пружиной, не имеет устойчивого положения статического равновесия и начинает совер­шать колебательные движения с высокой частотой. Это затрудняет экспериментальное определение характеристик форсунок, поэтому их применяют реже, чем характеристики распылителей.