Основные типы топливных насосов высокого давления (ТНВД)

Топливные насосы высокого давления предназначены для подачи топлива к форсункам. В процессе работы дизеля насосы высокого давления должны выполнять следующие функции:

• создавать высокое давление топлива у форсунки, необходимое для качественного его распиливания в камере сгорания;
• изменять количество топлива, подаваемого в камеру сгорания за цикл, в зависимости от нагрузочного режима работы дизеля;
• подавать топливо к форсунке в определенную фазу рабочего процесса дизеля и за сравнительно небольшой промежуток времени;
• подавать отмеренную порцию топлива в соответствии с характеристикой подачи, наиболее оптимальной для заданных условий протекания процесса сгорания;
• изменять начало и конец подачи топлива в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы дизеля;
• увеличивать цикловую подачу во время пуска дизеля для ускорения и облегчения этого процесса;
• обеспечивать подачу топлива к форсункам многоцилиндрового дизеля в строго одинаковых количествах и в последовательности, соответствующей принятому порядку работы каждой форсунки;
• увеличивать подачу топлива при уменьшении частоты вращения коленчатого вала дизеля;
• обеспечивать сохранение высоких давлений подачи топлива при снижении нагрузки и уменьшении частоты вращения коленчатого вала дизеля;
• обеспечивать устойчивую работу дизеля на минимальных скоростных и нагрузочных режимах.

Рис. Схемы топливных насосов с различными способами регулирования подачи:
а — с переменным ходом плунжера; б — с дросселированием на перепуске, в — с дросселированием на впуске; 1 — нагнетательный клапан; 2 — всасывающий клапан, 3 — плунжер; 4 — пружина, 5 — толкатель, 6, 10 — рычаги, 7 — кулачковая шайба; 9 — дросселирующая игла; 9 — регулируемый упор

Различные топливные насосы высокого давления выполняют перечисленные функции по-разному. Создать насос, который одинаково хорошо удовлетворял бы всем требованиям, затруднительно.

По способу дозирования цикловой подачи насосы высокого давления классифицируют на насосы:

• с переменным ходом плунжера
• с дросселированием на перепуске
• с дросселированием на всасывании
• с клапанным регулированием
• с золотниковым регулированием

Насосы перечисленных типов различаются по характеристикам подачи, конструкции.

Топливные насосы с переменным ходом плунжера

Топливные насосы с переменным ходом плунжера (рис. а) имеют подачу топлива на протяжении всего хода нагнетания, происходящего при набегании кулачковой шайбы 7 на ролик толкателя 5, который передает осевое усилие на плунжер 3. Топливо через нагнетательный клапан 1 поступает в форсунку и далее в камеру сгорания дизеля. Всасывающий ход происходит под действием пружины 4 при сбегании толкателя с кулачковой шайбы. Подачу топлива регулируют изменением хода плунжера при помощи конической кулачковой шайбы. При помощи рычага 6, связанного с регулятором, шайба 7 передвигается в осевом направлении. При перемещении шайбы вправо увеличивается ход плунжера, а поэтому и цикловая подача. Наоборот, при перемещении шайбы влево цикловая подача уменьшается.

В насосах этого типа отсечка топлива отсутствует, поэтому при крайнем верхнем положении плунжера в надплунжерном пространстве топливо находится под максимальным давлением. При обратном ходе плунжера доля хода затрачивается на расширение этого топлива, вследствие чего уменьшается поступление очередной порции из всасывающей полости насоса. С увеличением частоты вращения коленчатого вала дизеля максимальное давление топлива растет, поэтому возрастает потерянная доля хода на всасывании и уменьшается цикловая подача. Это уменьшение происходит тем интенсивнее, чем меньше нагрузка дизеля, так как увеличивается объем надплунжерного объема насоса, находящегося под максимальным давлением.

Насосы этого типа имеют гладкий плунжер, сравнительно простую конструкцию, удовлетворительную характеристику подачи. Однако им присущи и недостатки, препятствующие их распространению. Основные недостатки следующие:

• при работе насоса между шайбой и роликом толкателя возникает осевая составляющая суммарной силы, увеличивающая перестановочное усилие регулятора;
• осевая сила, действующая на роликовый толкатель, приводит к повышенному износу шайбы и ролика, ухудшает условия и работы;
• малые начальные скорости движения плунжера, обусловленные движением толкателя по первому участку профиля, вызывают плохое распиливание первых порций топлива, поступающих в камеру сгорания;
• отсутствие отсечки не позволяет заканчивать подачу при резком падении давления распыливания;
• уменьшение подачи сопровождается сокращением скорости плунжера и изменением фаз подачи, что в сильной степени сказывается на качестве смесеобразования.

Топливные насосы с дросселированием на перепуске

Топливные насосы с дросселированием на перепуске имеют постоянный ход плунжера при всех нагрузках дизеля, а регулирование подачи осуществляется перепуском части топлива на протяжении всего нагнетательного хода плунжера при помощи дросселирующей иглы 8 (рис. б). Движение плунжера 3 вверх при набегании толкателя 5 на кулачковую шайбу 7 приводит к сжатию топлива в надплунжерном пространстве, закрытию всасывающего клапана 2 и открытию нагнетательного клапана 1 и дросселирующей иглы 8. Перемещение иглы 8 ограничивается упором 9, установленным на винте, который поворачивается рычагом 10. Чем больше дросселирующее сечение под иглой 8, тем медленнее происходит нарастание давления в надплунжерном пространстве, тем позже начинается подача топлива в камеру сгорания дизеля. В многоцнлиндровых дизелях дросселирующие иглы устанавливают в каждой секции насоса, а привод рычагов 10 находится под воздействием регулятора. Равномерность подачи по отдельным цилиндрам осуществляется поворотом винта, предварительно освобождаемого от рычага 10.

Насосы с дросселированием на перепуске отличаются простой конструкцией плунжера и регулирующего устройства; к недостаткам этих насосов следует отнести:

• трудную регулировку равномерности подачи с помощью иглы по отдельным цилиндрам;
• резкое увеличение цикловой подачи при повышении частоты вращения коленчатого вала;
• небольшое давление и плохое распиливание в начале подачи, отсутствие отсечки, что не дает возможности получить резкий и четкий конец впрыска топлива;
• ухудшение распиливания топлива, резкое уменьшение давления подачи при снижении нагрузки (увеличением дросселирующего сечения);
• трудное регулирование фазы подачи при изменении скоростного и нагрузочного режимов работы насоса.

Топливные насосы с дросселированием на всасывании

Топливные насосы с дросселированием на всасывании имеют дросселирующую иглу 8 у всасывающего окна (рис. в). Игла связана с винтом, находящимся под воздействием регулятора дизеля. При помощи рычага 10 можно изменять дросселирующее сечение, а следовательно и наполнение полости насоса. Работа этого насоса происходит следующим образом. При движении плунжера вниз в надплунжерном пространстве возникает разрежение, которое заполняется парами топлива. После открытия плунжерам всасывающего отверстия это пространство заполняется топливом. Чем больше частота вращения вала, тем сильнее разрежение над плунжером, тем больше сопротивление дроссселирующего сечения проходящему топливу, тем меньше интервал времени, в течение которого остается открытым всасывающее окно, тем меньшее количество топлива поступит в полость насоса.

Скоростные характеристики этого насоса имеют гиперболический вид. При малых скоростных режимах топливо успевает заполнять надплунжерное пространство насоса, поэтому подача насоса увеличивается, а при большой частоте вращения вала уменьшение времени-сечения впускного окна и увеличение гидравлического сопротивления дросселирующего сечения обусловливают сокращение подачи.

Этот способ регулирования цикловой подачи используют главным образом для дизелей небольшой мощности и в насосах распределительного типа.

Насос отличается простотой конструкции плунжера и регулирующего устройства, имеет удовлетворительную скоростную характеристику подачи. К недостаткам насоса следует отнести:

• трудность регулирования равномерности подачи в многоцилиндровых дизелях, когда иглу устанавливают в каждой секции насоса;
• небольшие давления начала подачи и отсутствие четкой отсечки в конце подачи;
• уменьшение давления подачи при снижении нагрузки дизеля;
• значительное падение цикловой подачи при повышенных скоростных режимах;
• трудность регулирования фаз подачи при различных режимах работы дизеля.

Топливные насосы с клапанным регулированием

Топливные насосы с клапанным регулированием цикловой подачи топлива могут дозировать подачу изменением начала активного хода плунжера, его конца изменением начала и конца этого хода.

Рассмотрим наиболее общий случай, когда дозируют изменением начала и конца подачи. Такое регулирование называется смешанным. В насосе со смешанным регулированием при набегании кулачковой шайбы 15 на ролик толкателя 1 плунжер 2 поднимается и вытесняет топливо через открытый всасывающий клапан 6 в приемную магистраль насоса. Одновременно с толкателем поднимается и левый конец рычага 13, противоположный выступ которого находится в контакте с толкателем 12 стержня 10, управляющего всасывающим клапаном 8 Рычаг 13 вращается на эксцентриковой оси 14. Начало подачи топлива через нагнетательный клапан 4 к форсунке совпадает с моментом отхода стержня 10 от торца клапана 6 и посадки всасывающего клапана на гнездо. Подача продолжается до подхода стержня 9 к торцу перепускного клапана 3.

Рис. Клапанный топливный насос смешанного регулирования:
1 — толкатель; 2 — плунжер, 3 — перепускной клапан, 4 — нагнетательный клапан, 5—7 — колпачки-заглушку; 8 — всасывающий клапан, 9, 10 — стержни клапанных толкателей, 11 — регулировочные болты; 12 — Клапанные толкатели, 13 — рычаг, 14 — эксцентриковая ось коромысла, 15 — кулачковая шайба

Цикловая подача (активный ход) плунжера изменяется при повороте эксцентриковой оси 14. При повороте оси изменяется расстояние между осями эксцентрика и толкателей, поэтому меняется начало и конец подачи топлива. Привод эксцентриковой оси обычно связан с регулятором дизеля. Равномерность подачи топлива по отдельным цилиндрам регулируют изменением зазора между торцами толкателей и стержней при помощи болтов 11, ввертываемых в толкатели.

Преимуществами такого насоса являются простота конструкции плунжера, автоматическое изменение начала и конца подачи при изменении частоты вращения коленчатого вала дизеля, возможность использования одной и той же кулачковой шайбы для переднего и заднего хода, удовлетворительная характеристика цикловой подачи с изменением частоты вращения коленчатого вала дизеля. К недостаткам относится усложненная конструкция насоса вследствие наличия специальных устройств для регулирования всасывающего и перепускного клапанов.

Применение этих насосов в быстроходных дизелях затруднительно в результате наличия сложного привода клапанов, а также увеличенных масс подвижных деталей. При отсутствии перепускного клапана и детален его привода насос характеризуется регулированием подачи только по началу, а при отсутствии всасывающего клапана — только по концу подачи.

Рис. Клапанный топливный насос с одним регулирующим клапаном:
1 — всасывающий клапан, 2 — нагнетательный клапан, 3 — отсечной клапан, 4 — стержень клапана; 5 — регулировочное устройство; 6 — дополнительный рычаг; 7, 9 — эксцентриковые оси; 8 — регулировочный болт; 10 — основной рычаг

В топливном насосе начало и конец подачи регулируют одним и тем же клапаном. Насос имеет всасывающий 1, нагнетательный 2 и отсечной 3 клапаны. Отсечной клапан 3 приводится в движение основным рычагом 10, связанным с толкателем насоса через стержень 4 клапана. Кроме основного рычага 10 имеется дополнительный рычаг 6. Этот рычаг одним концом входит в специальное гнездо толкателя клапана, а другим упирается в регулировочный болт 8, установленный в выступе основного рычага 10 При движении плунжера насоса вверх перемещается и конец рычага 10, установленного на эксцентриковой оси 9. Тогда регулировочный болт 8 отходит от конца дополнительного рычага 6, а пружина отсечного клапана перемещает стержень 4 клапана вниз. Когда отсечной клапан при движении вниз достигает своего гнезда, утечки через него топлива прекращаются и начинается активный ход плунжера, в течение которого сжатое топливо поступает через нагнетательный клапан 2 к форсунке. При подходе основного рычага 10 к торцу стержня 4 отсечной клапан открывается и активный ход плунжера насоса прекращается. Изменением расстояний l1 и l2 при повороте эксцентриковых осей 9 и 7 меняют начало и конец подачи, а также количество впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива. При увеличении расстояния l1, отсечка наступает раньше и подача топлива уменьшается, а при увеличении расстояния l2 отсечной клапан садится на гнездо позже, поэтому активный ход запаздывает и цикловая подача уменьшается. Равномерность подачи по отдельным цилиндрам изменяют регулировочным устройством 5.

Несмотря на то, что насосы с клапанным регулированием имеют удовлетворительную характеристику, простую конструкцию плунжера (гладкий), их ограниченно применяют в дизелях вследствие конструктивной. сложности и наличия дополнительных элементов. В настоящее время стремятся заменять клепанные насосы насосами золотникового типа даже на тех дизелях, на которые клапанные насосы устанавливали раньше.

Топливные насосы с золтниковым регулированием

Топливные насосы с золтниковым регулированием получили наибольшее распространение. Особенность этих насосов состоит в том, что плунжер у них выполняет одновременно функции впрыска, дозирования и регулирования фаз. На верхней части плунжера сделаны выточки определенной формы, конфигурация которых обусловлена способом дозирования цикловой подачи. В топливном насосе золотникового типа с регулированием по концу подачи при сбегании толкателя 8 с кулачка 9 пружина 6 опускает плунжер 5 вниз, а освобождаемой плунжером объем насоса заполняется через окно 2 топливом. Обратное движение плунжера происходит при набегании кулачка на ролик толкателя. По мере перекрытия плунжером окна 2 в надплунжерном полости насоса давление увеличивается, в результате чего нагнетательный клапан 1 поднимается и пропускает топливо к форсунке. При полном перекрытии плунжером окна 2 начинается активный ход плунжера, в продолжение которого все топливо вытесняется в нагнетательный топливопровод. Когда винтовая кромка 3 плунжера начинает открывать окно 2, активный ход плунжера заканчивается, топливо начинает поступать в отсечную полость, давление в надплунжерной полости насоса резко падает и впрыск топлива в камеру дизеля прекращается. Количество впрыскиваемого топлива обусловлено длиной образующей плунжера между его торцом и винтовой кромкой по диаметру окна. Поворотным устройством 4 изменяют эту длину плунжера и тем самым регулируют подачу топлива в цилиндр дизеля. Начало подачи регулируют при помощи болта 7.

Рис. Секция топливного насоса с золотниковым регулированием:
1 — нагнетательный клапан, 2 — окно, 3 — кромка плунжера, 4 — поворотное устройство, 5 — плунжер, 6 — пружина, 7 — регулировочный болт, 8 — толкатель, 9 — кулачок

Насосы с золотниковым регулированием подачи отличаются простой конструкцией, небольшими габаритными размерами. Их удобно компоновать на дизеле. Они сравнительно просты в эксплуатации и надежны в работе. К недостаткам их относятся усложнение конструкции верхней части плунжера, повышенный износ винтовой кромки и неблагоприятная скоростная характеристика подачи. Однако недостатки не преобладают над преимуществами золотниковых насосов, поэтому они получили большое распространение, особенно в быстроходных дизелях.