Топливный насос высокого давления (сокращенное наименование – ТНВД) является одним из основных конструктивных элементов системы впрыска дизельного двигателя. Насос, выполняет, как правило, две основные функции:
нагнетание под давлением определенного количества топлива;
регулирование необходимого момента начала впрыскивания. С появлением
аккумуляторных систем впрыска функция регулирования момента впрыска
возложена на управляемые электроникой форсунки.
Основу топливного насоса высокого давления составляет плунжерная пара,
которая объединяет поршень (он же плунжер) и цилиндр (он же втулка)
небольшого размера. Плунжерная пара изготавливается из
высококачественной стали с высокой точностью. Между плунжером и втулкой
обеспечивается минимальный зазор – прецизионное сопряжение.
В зависимости от конструкции различают следующие виды топливных насосов высокого давления:
- рядный;
- распределительный;
- магистральный.
В рядном насосе нагнетание топлива в цилиндр
производится отдельной плунжерной парой. Распределительный насос имеет
один или несколько плунжеров, которые обеспечивают нагнетание и
распределение топлива по всем цилиндрам. Магистральные насосы
осуществляют только нагнетание топлива в аккумулятор.
Топливный насос высокого давления используется также в системе непосредственного впрыска бензинового двигателя, но его рабочее давление на порядок ниже аналогичной характеристики дизельного насоса.
Ведущими производителями топливных насосов высокого давления являются, в основном, зарубежные фирмы: Bosch, Lucas, Delphi, Denso, Zexel.
Рядный топливный насос высокого давления
Рядный ТНВД имеет плунжерные пары по числу цилиндров.
Плунжерные пары установлены в корпусе насоса, в котором выполнены каналы
для подвода и отвода топлива. Движение плунжера осуществляется от
кулачкового вала, который в свою очередь имеет привод от коленчатого
вала двигателя. Плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам с помощью
пружин.
При вращении кулачкового вала кулачок набегает на
толкатель плунжера. Плунжер двигается вверх по втулке, при этом
последовательно закрываются выпускное и впускное отверстие. Создается
давление, при котором открывается нагнетательный клапан, и топливо по
топливопроводу поступает к соответствующей форсунке.
Устройство рядного топливного насоса высокого давления
Регулирование количества подаваемого топлива и момента
его подачи может осуществляться механическим путем или с помощью
электроники. Механическое регулирование количества подаваемого топлива
осуществляется поворотом плунжера во втулке. Для поворота на плунжере
выполнена шестерня, которая соединена с зубчатой рейкой. Рейка связана с
педалью газа. Верхняя кромка плунжера имеет наклонную поверхность,
поэтому при повороте отсечка топлива и соответственно его количество
будет изменяться.
Изменение момента начала подачи топлива
требуется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Механическое регулирование момента подачи топлива производится с помощью
центробежной муфты, расположенной на кулачковом валу. Внутри муфты
находятся грузики, которые при увеличении оборотов двигателя расходятся
под действием центробежных сил и поворачивают кулачковый вал
относительно привода. При увеличении оборотов двигателя обеспечивается
ранний впрыск топлива, при уменьшении – поздний.
Конструкция рядных ТНВД обеспечивает высокую надежность.
Насосы смазываются моторным маслом системы смазки двигателя, поэтому
могут работать на топливе низкого качества. Рядные топливные насосы
высокого давления применяются на двигателях с раздельными камерами
сгорания и непосредственным впрыском средних и тяжелых грузовых
автомобилей. На легковых дизелях данный вид насоса применялся до 2000
года.
Распределительный топливный насос высокого давления
Распределительные топливные насосы высокого давления, в
отличие от рядного ТНВД, имеют один или два плунжера, обслуживающих все
цилиндры двигателя. Распределительные насосы обладают меньшей массой и
габаритными размерами, а также обеспечивают большую равномерность
подачи. С другой стороны их отличает сравнительно низкая долговечность
сопряженных деталей. Все это определяет область применения данных
насосов, в основном, на двигателях легковых автомобилей.
Конструкции распределительных топливных насосов высокого давления могут иметь различный привод плунжера:
- торцевой кулачковый привод (насосы Bosch VE);
- внутренний кулачковый привод (роторные насосы Bosch VR, Lucas DPC, Lucas DPS);
- внешний кулачковый привод (отечественные насосы НД-21, НД-22).
Предпочтительными в плане эксплуатации являются первые
два типа привода плунжеров, т.к. в них отсутствуют силовые нагрузки от
давления топлива на узлы приводного вала и, соответственно, выше
долговечность.
Устройство распределительного топливного насоса высокого давления
Основным элементом распределительного ТНВД с торцевым кулачковым приводом плунжера (Bosch VE) является плунжер-распределитель,
который совершает возвратно-поступательное и вращательное движение,
обеспечивая нагнетание и распределение топлива по цилиндрам.
Возвратно-поступательное движение плунжера происходит при вращении кулачковой шайбы,
которая обегает неподвижное кольцо по роликам. Шайба нажимает на
плунжер, за счет чего создается давление топлива. В исходное положение
плунжер возвращается с помощью пружины.
Вращение плунжера производится от приводного вала. При этом происходит распределение топлива по цилиндрам.
Регулирование величины подачи топлива
осуществляется автоматически с помощью механического или электронного
устройств. Механический регулятор включает центробежную муфту с грузами,
которая через систему рычагов воздействует на дозатор, изменяющий
величину топливоподачи. Электронный регулятор представляет собой
электромагнитный клапан.
Регулирование величины опережения впрыска топлива в распределительном насосе производится путем поворота неподвижного кольца на определенный угол.
Рабочий процесс распределительного насоса включает впуск
топлива в надплунжерное пространство, нагнетание и распределение в
соответствующие цилиндры.
Устройство распределительного насоса роторного типа
В распределительном насосе роторного типа
нагнетание и распределение топлива по цилиндрам осуществляются разными
устройствами плунжером и распределительной головкой. Нагнетание топлива
производится с помощью двух противолежащих плунжеров, расположенных на распределительном валу. Плунжеры через ролики обегают профиль кулачковой обоймы и совершают возвратно-поступательное движение.
При движении плунжеров навстречу друг другу происходит
рост давления топлива, после чего топливо по каналам распределительной
головки и нагнетательным клапанам доставляется к форсункам
соответствующих цилиндров.
Топливо к плунжеру (плунжерам) подается под небольшим давлением, которое создает топливоподкачивающий насос.
В распределительных насосах топливоподкачивающий насос установлен на
приводном валу в корпусе насоса. Конструктивно это может быть
роторно-лопастной насос, шестеренный насос с внешним или внутренним
зацеплением.
Смазка распределительного насоса высокого давления производится дизельным топливом, которое заполняет корпус насоса.
Магистральный топливный насос высокого давления
Магистральный топливный насос высокого давления используется в аккумуляторной системе впрыска топлива Common Rail,
где он выполняет функцию нагнетания топлива в топливную рампу.
Магистральные ТНВД обеспечивают более высокое давление топлива (в современных системах впрыска порядка 180 МПА и более).
Конструктивно магистральный насос может иметь один, два или три плунжера. Привод плунжеров осуществляется с помощью кулачкового вала или кулачковой шайбы.
Устройство магистрального топливного насоса высокого давления
При вращении кулачкового вала (эксцентрика кулачковой
шайбы) под действием возвратной пружины плунжер движется вниз.
Увеличивается объем компрессионной камеры и уменьшается давление в ней.
Под действием разряжения открывается впускной клапан, и топливо
поступает в камеру.
Движение плунжера вверх сопровождается ростом давления в
камере, впускной клапан закрывается. При определенном давлении
открывается выпускной клапан и топливо подается в рампу.
Управление подачей топлива производится в зависимости от потребности двигателя с помощью клапана дозирования топлива.
В нормальном положении клапан открыт. По сигналу электронного блока
управления клапан закрывается на определенную величину, тем самым
регулируется количество поступающего в компрессионную камеру топлива.