Клапаны топливных насосов высокого давления (ТНВД)

В топливных насосах высокого давления современных дизелей применяют следующие клапаны:

• всасывающие
• отсечные
• нагнетательные

Всасывающие клапаны

Всасывающие клапаны обеспечивают поступление топлива в полость насоса высокого давления из подкачивающего топливопровода и разобщение этой полости с топливопроводом при окончании процесса наполнения. Устанавливают клапаны с принудительным управлением и автоматические.

Рис. Конструкции клапанов:
а — всасывающих; б — отсечных; в — демпферного устройства, 1 — клапан; 2 — толкатели; 3 — гайка; 4 — корпус клапана; 5 — каналы подвода топлива; 6 — грибок; 7 — основной клапан; 8 — дросселирующие отверстия; 9 — поршень; 10 — канал отвода топлива

Во всасывающем клапане с принудительным открытием (рис. а) толкатель 2 клапана расположен в корпусе 4 клапана. Его прижимают конусными поверхностями к гнезду гайкой 3. Грибок 6 клапана разобщает каналы 5 подвода топлива с полостью насоса. При нажатии толкателя на торец клапана происходит его открытие и топливо поступает в полость насоса высокого давления. При отсутствии воздействия толкателя пружина плотно прижимает клапан к гнезду.

Отсечные клапаны

Отсечные клапаны обеспечивают управление концом подачи топлива. Конструкция их (рис. б) аналогична конструкции всасывающих клапанов с принудительным открытием. Они могут выполнять одновременно функции всасывания и отсечки. В дизелях с большими цикловыми подачами размеры этих клапанов значительны, поэтому в момент отсечки на тарелку такого клапана действуют большие силы, нагружающие детали привода. Тогда необходимо устанавливать регулятор с большим перестановочным усилием. С целью улучшения работы клапана его выполняют двойным. Толкатель вначале воздействует на внутренний клапан 1 с малыми размерами тарелки. Когда давление в полости насоса понизится, толкатель соприкасается с торцом основного клапана 7 и открывает его, обеспечивая получение большого суммарного сечения, через которое происходит последующая отсечка и наполнение полости насоса.

Вытекающее в момент отсечки топливо имеет высокое давление, поэтому в отсечной полости создаются интенсивные колебания. В случае соединения отсечной и наполнительной полостей эти колебания распространяются по линии наполнения и приводят к резкому ухудшению процесса наполнения. Чтобы устранить эти явления и стабилизировать давление в отсечной полости, на отсечном клапане или рядом с ним устанавливают специальные демпферы или амортизаторы (рис. в), которые воспринимают нагрузки от потока топлива и предотвращают возникновение резких колебаний. При подъеме отсечного клапана 1 топливо из полости высокого давления проходит через канал 5, дросселирующие отверстия 8 в нагруженном пружиной поршне 9 и поступает через канал 10 в нагнетательный топливопровод. В момент прохода топлива через дросселирующие отверстия и объем с пружинами происходит падение давления и гашение колебаний.

Нагнетательные клапаны

Нагнетательные клапаны выполняют следующие функции:

• в системах с открытыми форсунками препятствуют проникновению газов из рабочего цилиндра в полость насоса высокого давления;
• разъединяют топливопровод и полость насоса высокого давления в процессе всасывающего кода плунжера насоса, обеспечивая тем самым улучшение наполнения;
• способствуют получению резкого окончания впрыска и уменьшению подтекания форсунок;
• обеспечивают создание в системах с закрытыми форсунками остаточного давления в нагнетательном топливопроводе, что способствует в некоторых случаях лучшему управлению процессом впрыска и более строгому выдерживанию фаз впрыска;
• позволяют уменьшать остаточное давление (клапан с разгрузочным пояском) в нагнетательном топливопроводе и устранять таким образом колебания в нем после окончания нагнетания;
• дают возможность корректировать характеристику подачи, приближая ее к желательной.

По конструкции различают клапаны:

• грибовидные
• цилиндрические
• пластинчатые
• комбинированные
• двойные нагнетательные клапаны

Рис. Конструкции нагнетательных клапанов:
а—г — грибовидных, д, е — цилиндрических, 1 — гайка; 2 — ограничитель; 3 — пружина; 4 — клапан; 6 — корпус насоса; 7 — отсасывающий поясок; 7 — направляющая; 8 — корпус клапана, прокладка

Грибовидные клапаны

Грибовидные клапаны получили наибольшее распространение в дизелях В корпусе 8 (рис. а) расположен клапан 4 с отсасывающим пояском 6 и направляющей 7. Клапан прижимается к гнезду пружиной 3, а его подъем зависит от ограничителя 2. Гайка 1 прижимает через прокладку 9 корпус клапана к втулке насоса высокого давления. В процессе нагнетания топливо давит снизу на грибок клапана, вследствие чего он поднимается и открывает доступ к форсунке. При прекращении подачи пружина опускает клапан вниз, а затем плотно прижимает его к гнезду. При входе отсасывающего пояска в направляющую происходит увеличение объема нагнетательной линии и снижение давления в системе. Корпус клапана имеет резьбу, которая позволяет демонтировать соединение. Натравляющий стержень клапана имеет сечение, которое позволяет легко пропускать топливо в нагнетательный топливопровод.

Чаще всего на направляющей выполняют продольные шлицы, образующие продольные канавки, через которые подается топливо (рис. а, в). В клапанах-корректорах фирмы Бош канавки расширяются книзу (рис. г), а вверху они имеют форму острых тупиков. Таким образом, проходное сечение направляющей этого клапана изменяется от максимального в нижней части до нулевого в верхней. При подъеме клапана создается определенное проходное сечение в зависимости от величины подъема. В результате дросселирующего эффекта клапан поднимается тем выше, чем больше давление топлива, действующее на него со стороны полости насоса. Опускаясь с большей высоты, клапан отсасывает больше топлива, поэтому нагнетательный топливопровод разгружается интенсивнее, а остаточное давление в нем уменьшается. При последующем цикле доля активного хода плунжера затрачивается на заполнение системы, поэтому количество подаваемого в цилиндр дизеля топлива уменьшается.

С увеличением скоростного режима работы системы давление топлива в ней увеличивается, поэтому по указанной выше причине подача в цилиндр уменьшается. Это обстоятельство позволяет корректировать характеристику системы и приближать ее к желательной.

Демпфирующий клапан (см. в) предотвращает появление отраженной волны большой интенсивности. Резкая посадка нагнетательного клапана служит источником появления отраженной волны, которая при некоторых условиях может привести к нежелательному дополнительному впрыску. С целью предотвращения этого нежелательного явления грибок клапана располагают в цилиндре так. что между ним и внутренней поверхностью цилиндра создается малый кольцевой дросселирующий зазор. При посадке клапана и заходе его в цилиндр под грибком возникает амортизирующая гидравлическая подушка, уменьшающая скорость посадки клапана и амплитуды отраженной волны.

Грибовидные клапаны устанавливают в топливных насосах дизелей различного назначения. Они сравнительно просты, однако обусловливают наличие большого объема в штуцере, в котором размещают пружину, и имеют повышенную массу в насосах с большими цикловыми подачами. Грибовидные нагнетательные клапаны с принудительным открытием (см. рис. б) устанавливают например, в судовых дизелях.

Цилиндрические клапаны

Цилиндрические клапаны имеют форму стакана, в котором обычно располагают пружину. Внешняя поверхность стакана может иметь лыски, образующие проходы для топлива (рис. д), или строго цилиндрическую форму (рис. е). В последнем случае топливо поступает в нагнетательный топливопровод или через специальные боковые каналы, или через отверстия в самом клапане. Отсасывающий поясок может быть расположен вверху, (см. рис. д), внизу (см. рис. е), либо совсем отсутствовать. В последнем случае степень разгрузки системы определяется ходом клапана и скоростью его посадки, зависящей от затяжки пружины. Пружина клапана свободным концом упирается или в штуцер насоса (см. рис. д), или в специальную шайбу (см. рис. е), или в ограничитель подъема. Во всех случаях стремятся максимально облегчить стакан, чтобы уменьшить массу клапана, обусловливающую силу удара его о гнездо при посадке.

Масса цилиндрических клапанов по сравнению с грибовидными меньше. Они позволяют обеспечить заметное уменьшение объема штуцера.

Пластинчатые клапаны

Пластинчатые клапаны (рис. а) просты по устройству, обладают малой массой, поэтому малоинерционны. Пластина 3, имеющая вырезы для пропуска топлива, находится в нажимном корпусе-гайке 1 и нагружена пружиной 2, которая прижимает ее к пластине 5. При повышении давления поднимаются обе пластины. Когда нижняя пластина упирается в выступ гайки, верхняя продолжает передвигаться вверх и открывает доступ топливу к штуцеру.

Рис. Пластинчатые клапаны:
а—в — варианты конструкции, 1 — корпус гайка, 2 — пружина, 3, 5 — пластины, 4 — направляющая; 6, 7 — части клапана, соответственно внутренняя и наружная

Разгрузочный ход пластинчатого клапана определяется расстоянием между верхним торцом нижней пластины и выступом гайки. Пластинчатый клапан, представленный на рис. б, служит дополнением к сферическому клапану. Работает он аналогично предыдущему, но не нагружается пружиной.

Основным недостатком пластинчатых клапанов является то, что они не обеспечивают достаточную герметичность запирания. Уплотнение по плоскости осуществляется и в конструкции клапана, приведенного на рис. в. Клапан состоит из двух подвижных частей 6 и 7, каждая из которых нагружена собственной пружиной. Обе части клапана прижимаются к торцу седла клапана При повышении давления в надплунжерном пространстве сначала поднимается внутренняя часть 6 клапана, которая, двигаясь вверх, упирается в наружную часть 7 клапана, имеющую лыски на наружной поверхности для пропуска топлива. Отсасывание топлива производится внутренней частью клапана с момента посадки наружной части 7 на гнездо.

Наличие двух подвижных частей, составляющих прецизионный узел, а также необходимость уплотнения по двум поверхностям усложняют конструкцию клапана, его изготовление и эксплуатацию.

Шариковые клапаны еще проще по конструкции. Шарик обычно располагают или в специальном гнезде, или в специальном канале. Он может быть нагружен (устанавливают пружину) или не нагружен. Шариковые клапаны как и пластинчатые не создают надежного уплотнения поэтому применяют их сравнительно редко.

Комбинированные клапаны

Рис. Комбинированные клапаны:
а-в — варианты конструкции; 1, 2 — пластины; 3 — упор; 4, 5 — каналы; 5 — основной клапан

Комбинированные клапаны применяют для устранения колебаний в нагнетательном топливопроводе. При отсасывании топлива из системы столб жидкости, движущейся вслед за клапаном, внезапно останавливается, когда клапан садится на гнездо. Происходит резкое повышение давления у клапана, в результате чего образуется волна давления, распространяющаяся по трубопроводу к форсунке и служащая источником повторных открытий иглы и нежелательных дополнительных вспрысков. Для устранения этих явлений в топливные насосы ставят комбинированные или двусторонние клапаны.

Клапан (рис. а) состоит из двух пластин 1 и 2, одна из которых нагружена пружиной. При ходе нагнетания пластина 1 передвигается вверх и выступами упирается в корпус. Топливо проходит через отверстие в нижней пластине, обтекает верхнюю пластину и поступает в нагнетательный топливопровод. После отсечки давлением топлива верхняя пластина прижимается к нижней, разобщая топливопровод и насос высокого давления. При местном повышении давления у нагнетательного клапана в результате прихода отраженной от форсунки волны давления пластины 1 и 2, преодолевая силу пружины, перемещаются вниз до упора 3, а топливо поступает в штуцер клапана и из него через каналы 4 в полость насоса. Изменяя натяжение пружины, можно регулировать начало обратного открытия клапана. Недостатком этого клапана является наличие значительного сопротивления, создаваемого им на пути движения топлива. Поэтому коэффициент подачи насоса снижается на 8—12%. Ему присущи также недостатки, свойственные всем пластинчатым клапанам.

В клапане (рис. б) прямой поток топлива осуществляется через каналы 4 и сечение под пластиной 1, нагруженной пружиной.

При закрытом клапане отраженная волна давления у насоса действует через кольцевой зазор и каналы 5 на тарелку дополнительного клапана, нагруженного той же пружиной, что и основной пластинчатый клапан. Аналогично работает и клапан, конструкция которого приведена на рис. в. Прямой поток топлива, идущий от насоса к форсунке в процессе нагнетания, действует на основной клапан 6, нагруженный специальной пружиной. На наружной цилиндрической поверхности клапана имеются лыски, поэтому топливо поступает через сечение под запорным конусом в штуцер клапана, а затем в нагнетательный топливопровод. После отсечки клапан 6 садится на гнездо. При появлении отраженной волны повышенного давления топливо через каналы 5 поступает в полость корпуса клапана, действует на тарелку обратного клапана, нагруженного собственной пружиной, открывает его и проходит в полость насоса. Подъем обратного клапана и натяжение его пружины регулируют смещением специальной втулки с радиальными каналами 8 при помощи гайки. Контргайка фиксирует втулку в установленном положении. По сравнению с другими рассмотренными конструкциями клапанов конструкция этого клапана усложнена.

Двойные клапаны

Двойные клапаны устанавливают в ответственных тяжелых дизелях. Наличие двух последовательно расположенных клапанов обеспечивает большую надежность работы топливной системы, так как создается большая герметичность узла. Кроме того, в случае выхода из строя одного из них при заедании или попадании под конус твердых загрязнений другой продолжает самостоятельно выполнять функции разобщения трубопровода и насоса.

Рассмотренные основные конструкции далеко не охватывают все многообразие существующих нагнетательных клапанов. Однако они дают полное представление о их работе и принципах конструирования. Выполненный анализ позволяет более правильно подойти к выбору конструктивного варианта нагнетательного клапана для конкретной топливной системы.