Назначение, устройство и принцип работы топливного насоса высокого давления плунжерного типа. Виды форсунок, применяемых в дизельных двигателях, их устройство и работа.

Топливный насос высокого давления (ТНВД) дизельного двигателя (а также бензиновых двигателей, оснащенных системой непосредственного впрыска топлива) является одним из наиболее сложных узлов системы топливоподачи дизельных двигателей.

Топливные насосы предназначены для подачи в цилиндры дизеля под определенным давлением и в определенный момент точно отмеренных порций топлива, соответствующих данной нагрузке. По способу впрыска различают топливные насосы непосредственного действия и с аккумуляторным впрыском. В топливном насосе непосредственного действия осуществляется механический привод плунжера, а процессы нагнетания и впрыска протекают одновременно. В каждый цилиндр секция топливного насоса подает необходимую порцию топлива. Требуемое давление распыливания создается движением плунжера насоса.

Устройство и принцип действия топливных насосов высокого давления:

Основные части ТНВД: Корпус. Крышки. Всережимный регулятор. Муфта опережения впрыска. Подкачивающий насос. Кулачковый вал. Толкатели. Плунжеры с поводками или зубчатыми втулками, Гильзы плунжеров. Возвратные пружины плунжеров. Нагнетательные клапаны. Штуцеры. Рейка.

Внутри неподвижной гильзы помещен подвижной плунжер. Плунжер — это поршень, длина которого значительно превышает диаметр. Вместе эти детали —- гильза и плунжер — образуют плунжерную пару. Плунжер подобран к гильзе или притерт к ее стенкам так плотно, что утечки топлива между ними почти не происходит. Зазор между плунжером и гильзой не превышает обычно 1,5—4 мкм, что в 50—100 раз меньше диаметра волоса человека. Трубопровод, подходящий к окну А гильзы, всегда заполнен топливом.

Проследим, как плунжер такого насоса подает топливо. Когда плунжер находится в нижнем положении, топливо через окно А (отверстие в гильзе) заполняет пространство над плунжером. При вращении кулачкового вала привода топливного насоса кулачок набегает на ролик толкателя, плунжер начинает двигаться вверх и верхней кромкой а постепенно закрывает окно А. При этом нагнетательный клапан, прижатый к своему седлу пружиной, испытывает снизу давление топлива, вытесняемого плунжером, а сверху — усилие пружины и давление топлива, оставшегося в трубопроводе. Пока усилие на клапан, создаваемое давлением топлива, меньше усилия, создаваемого пружиной, клапан закрыт и часть топлива, не имея другого выхода, устремится из надплунжерного пространства обратно в окно 4. Когда плунжер кромкой а полностью закроет окно А, вытекание топлива через него прекратится. Примерно с этого момента при продолжающемся ходе плунжера вверх начнется нагнетание: давление топлива преодолеет усилие пружины нагнетательного клапана, он откроется, и топливо будет через трубопровод поступать в форсунку до тех пор, пока плунжер не достигнет своего крайнего положения. Когда плунжер начинает двигаться вниз, прекращается подача топлива. Нагнетательный клапан под действием пружины снова садится на свое седло. Сбегая с выступа кулачка, ролик вместе с толкателем и плунжером возвращается в первоначальное положение.

Форсунки

Другим важным элементом топливной системы является форсунка. Она вместе с ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе, а тип распылителя определяет форму факела топлива, которая имеет важное значение для процесса самовоспламенения и сгорания. Применяются обычно форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем. Форсунка на двигателе работает в очень тяжелых условиях: игла распылителя совершает возвратно-поступательные движения с частотой в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

4.2Форсунка непосредственно влияет на процесс сгорания в дизельном двигателе, и соответственно на лёгкость запуска, на мощность, динамику, расход топлива, а также на уровень вредных выбросов и шум.

Обычно, на практике, форсунка ассоциируется с хорошим распылением топлива в камере сгорания двигателя и плотным закрытием после окончания впрыска.

Именно эти параметры чаще всего контролируются дизельными сервисами.

Правильная оценка функций форсунки, это также и проверка: - внутренней плотности форсунки, влияющей на величину дозы топлива, впрыснутой в камеру сгорания; - плотности монтажа форсунки в головке блока цилиндров, обеспечивающей герметичность камеры сгорания.

Величину дозы топлива впрыснутой в камеру сгорания определяют количество и диаметр распыляющих отверстий распылителя, а также давление и время впрыска.

Максимальное давление топлива в распылителе во время впрыска, в зависимости от топливной системы и типа распылителя, составляет 120 - 200 МПа, а время впрыска около 1 - 2 миллисекунды.

От протекания впрыска топлива (насыщения вытекающего топлива в зависимости от оборота коленвала) зависит шумность работы двигателя, выбросы сажи, содержание окислов азота и углеводородов в выхлопных газах.

Типы форсунок

Форсунка со штифтовым распылителем в вихревой камере дизельного двигателя.

Форсунка со штифтовым распылителем в форкамере дизельного двигателя.

Форсунка с дырчатым распылителем в камере сгорания дизельного двигателя с непосредственным впрыском.

Форсунки со штифтовыми распылителями применяемые в легковых автомобилях:

(А) закрепляемая с помощью прижимного хомута;

(В) закручиваемая с термошайбой прижимаемой в отверстии головки блока;

(С) закручиваемая с термошайбой в экране размещённом под гайкой распылителя.

Форсунки различаются по конструкции корпуса, по типоразмеру применяемого распылителя и по способу управления открытием распылителя.

В зависимости от системы впрыска различают форсунки со штифтовыми распылителями, применяемыми в форкамерных двигателях, и с дырчатыми распылителями, применяемыми в двигателях с непосредственным впрыском топлива.

В зависимости от способа управления открытием распылителя: стандартные форсунки - с одной пружиной, форсунки двухпружинные, форсунки с датчиком положения иглы распылителя и форсунки, управляемые электромагнитным клапаном или пьезоэлектрическим элементом.

Кроме того, конструкция корпуса форсунки зависит от способа установки ее в головке блока: с помощью фланца, прижимного хомута, прижимной гайки или непосредственно, вворачивая корпус в отверстие головки блока.

Способы крепления форсунок в головке блока:

(А) с помощью прижимного хомута (1) либо фланца, форсунка (2) крепится к головке блока;

(В) непосредственное крепление - закручиванием по резьбе корпуса в головке блока;

(С) с помощью прижимной гайки (1) с пальцем (2) направляющим корпус - корпус типа KD;

Конструкция форсунок

Разнообразность конструкторских решений головок блока и камер сгорания требует применения различных конструкций форсунок, которые с точки зрения регулировки давления открытия можно разделить на три группы:

1 - форсунки с регулировкой давления открытия с помощью винта (т.н. форсунки с плавной регулировкой давления), применяемые в старых двигателях;

2 - форсунки с регулировкой давления открытия регулировочными шайбами;

4.3 3 - форсунки с электронной регулировкой давления открытия, например форсунки системы Common Rail.

Форсунки с регулировкой давления с помощью шайб

Современные форсунки это чаще всего форсунки с регулировкой давления с помощью шайб - пружина размешена в нижней части форсунки, возле распылителя. Такое решение существенно уменьшает размеры грибка форсунки, который одновременно выполняет роль опоры пружины, а также уменьшает размеры пружины, что уменьшает массу подвижных частей. Вверxy пружина соприкасается с шайбами, которые служат для регулировки давления открытия.

Впрыск происходит тогда, когда давление топлива преодолеет силу пружины и поднимет иглу распылителя.

Для штифтовых распылителей устанавливается 11 - 14 МПа (17,5 МПа для двигателей с турбонаддувом), а для дырчатых распылителей: 15 - 30 МПа.

Составные части форсунок с регулировкой давления с помощью шайб:

1 - корпус форсунки; 2 - регулировочная шайба; 3 - пружина; 4 - грибок; 5 - проставка; 6 - дырчатый распылитель; 7 - гайка распылителя; 8 - уплотнительная шайба

Очень важную роль в форсунках с регулировкой давления с помощью шайб выполняет проставка, находящаяся между корпусом форсунки и корпусом распылителя. Основные ее функции:

- ограничивает ход иглы распылителя,

- соединяет канал высокого давления в корпусе форсунки с топливным каналом в распылителе,

- закрывает камеру пружины,

- в форсунках с дырчатыми распылителями служит для расположения штырьков, определяющих положение распылителя в форсунке.

Поверхности проставки выполнены с высокой точностью и должны быть идеально плоскими, гладкими и параллельными.

Толщина проставки в форсунках с распылителями типоразмера „S" составляет 5-9 мм, а её меньший диаметр равен диаметру фланца распылителя - 17 мм (распылитель „S") или 14,3 мм (распылитель „Р").

Проставка имеет два штырька, изготовленных из стального прутка диаметром 1,8 - 3 мм, или так называемые распорные штырьки.

Наиболее распространённая конструкция форсунки - это конструкция, в которой корпус изготовлен из стального прутка, тянутого или точёного. Большинство форсунок изготавливается (согласно ISO 2699-1983 i ISO 3539-1975), в трёх типоразмерах, с диаметрами корпусов форсунок: 17,21 и 25 мм.

Форсунки со штифтовыми распылителями типоразмера „S" чаще всего имеют диаметр корпуса 21 мм, а с дырчатыми распылителями типоразмера „Р" - диаметр 17 или 21 мм.

В канале высокого давления в корпусе форсунки есть щелевой фильтр, задерживающий загрязнения в топливе.

Двухпружинные форсунки

Для снижения уровня шума в двигателях с непосредственным впрыском, особенно на холостом ходу, применяются двухпружинные форсунки со "слабой" пружиной, жёсткость которой определяет, так называемый, предварительный впрыск распылителя, и пружиной "мощной", которая определяет полное открытие распылителя. Во время впрыска, игла сначала приподнимается на небольшую высоту, даёт возможность впрыснуть небольшое количество топлива, а когда давление в распылителе увеличится, игла поднимается на полный ход и происходит впрыск основного количества топлива.

Двухпружинная форсунка:

1- корпус форсунки, 2 и 9- регулировочные шайбы, 3 - мощная пружина, 4 - грибок мощной пружины, 5 - шайба, направляющая толкатель форсунки, 6 - слабая пружина, 7 - толкатель 4.4форсунки, 8 - грибок слабой пружины, 10 - проставка, 11 - опорная втулка, 12 - игла распылителя, 13- гайка распылителя, 14 - распылитель;

Двухпружинные форсунки можно встретить на двигателях с форкамерами и с вихревыми камерами.

Форсунки с датчиком подъема иглы

С целью точного определения начала впрыска, определяющего оптимальную работу двигателя, в системах впрыска с электронным управлением применяются одно и двухпружинные форсунки с датчиком подъёма иглы. Этот индукционный датчик, питаемый током низкого напряжения, состоит из катушки, в которой размещён толкатель, являющийся продолжением грибка форсунки. Движение иглы, передаваемое через грибок форсунки, вызывает изменение магнитного потока и индуктирует сигнал, амплитуда которого зависит от скорости движения иглы.

Форсунка с датчиком подъёма иглы:

1 - датчик положения иглы, 2 - индукционная катушка, 3 - толкатель, 4 - кабель, 5 - разъём;

Форсунки Common Rail

В системах впрыска Common Rail применяются форсунки управляемые не давлением топлива, а электрическим импульсом с напряжением 80 В. Высокое напряжение позволяет увеличить скорость срабатывания электромагнитного клапана (время открытия около 0,3 миллисекунды), что повышает точность параметров впрыска.

Электрический сигнал непосредственно не поднимает иглу, а открывает шариковый клапан, что вызывает изменение давлений внутри форсунки - тогда сила действующая на управляющий поршень форсунки меньше чем давление топлива в камере давлений распылителя, действующего на пружину распылителя, что вызывает открытие распылителя и впрыск топлива.

Когда отсутствует электрический сигнал, игла распылителя удерживается в закрытом положении с помощью пружины. Давление топлива в камере давлений распылителя, стремящееся открыть распылитель, уравновешивается давлением действующим на управляющий поршень в форсунке. То есть, в форсунках Common Rail, инициация начала впрыска - электрическая, а движение иглы обеспечивается давлением топлива.

Схема действия форсунки в системе Common Rail:

(a) форсунка в закрытом состоянии - давление топлива в управляющей камере над управляющим поршнем выше чем давление в камере распылителя:

1 - катушка электромагнита, 2 - сердечник электромагнита, 3 - шариковый клапан, 4 - управляющая камера, 5 - игла распылителя, 6 - распыляющие отверстия;

(B) форсунка в открытом состоянии - открывание управляющего клапана после срабатывания электромагнита приводит к тому, что давление топлива в камере давления распылителя превышает давление в управляющей камере;

© фаза закрывания форсунки - прерывание электрического сигнала приводит к тому, что возрастает давление в упраляющей камере над управляющим поршнем.

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ