Топливный насос высокого давления. Рядный ТНВД

В предыдущем цикле статей об устройстве топливной системы бензинового двигателя не один раз затрагивалась тема топливного насоса высокого давления для дизельного мотора и бензиновых двигателей с прямым (непосредственным) впрыском топлива.

Данная статья представляет собой отдельный материал, который описывает конструкцию дизельного топливного насоса высокого давления, его назначение, потенциальные неисправности, схему и принципы работы на примере устройства такой системы топливоподачи для данного типа ДВС. Итак, давайте перейдем сразу к делу.

Что такое ТНВД?

Топливный насос высокого давления сокращенно называют ТНВД. Данное устройство является одним из наиболее сложных в конструкции дизельного двигателя. Основной задачей такого насоса становится подача дизельного топлива под высоким давлением.

Насосы обеспечивают подачу топлива в цилиндры дизельного мотора под определенным давлением, а также строго в определенный момент. Порции подаваемого топлива отмерены очень точно и соответствуют степени нагрузки на двигатель. Насосы ТНВД различают по способу впрыска. Бывают насосы непосредственного действия , а также насосы с аккумуляторным впрыском.

Топливные насосы непосредственного действия имеют механический привод плунжера. Процессы нагнетания и впрыска топлива протекают в одно время. В каждый отдельный цилиндр дизельного ДВС определенная секция ТНВД подает нужную дозу горючего. Давление, которое необходимо для эффективного распыления, создается движением плунжера топливного насоса.

ТНВД с аккумуляторным впрыском отличается тем, что на привод рабочего плунжера воздействуют силы давления сжатых газов в цилиндре самого ДВС или воздейсвие оказывается при помощи пружин. Встречаются топливные насосы с гидравлическим аккумулятором, которые нашли применение в мощных малооборотистых дизельных ДВС.

Стоит отметить, что системы с гидроаккумулятором характеризуются раздельными процессами нагнетания и впрыска. Горючее под высоким давлением нагнетается топливным насосом в аккумулятор, а уже затем поступает к топливным форсункам. Такой подход обеспечивает эффективное распыливание и оптимальное смесеобразование, которое подходит для всего диапазона нагрузок на дизельный агрегат. К минусам этой системы можно отнести сложность конструкции, что и стало причиной непопулярности такого насоса.

Современные дизельные установки используют технологию, которая основана на управлении электромагнитными клапанами форсунок от электронного блока управления с микропроцессором. Указанная технология получила название «Сommon Rail».

https://youtube.com/watch?v=6ATIW00VWc0

Виды ТНВД

Существует несколько типов дизельных топливных систем, имеющих разные конструктивные особенности. Это в свою очередь влияет на устройство ТНВД. Так, на дизелях могут использоваться насосы:

• рядные;
• распределительные;
• магистральные.

Системы впрыска дизельных двигателей

Несмотря на отличия в конструкции, во всех используется один и тот же основной рабочий узел – плунжерная пара. Именно она обеспечивает нагнетание давления.

Принцип и устройство ТНВД

Главные причины неисправностей

ТНВД является дорогостоящим устройством, которое очень требовательно к качеству топлива и смазочных материалов. Если автомобиль эксплуатируется на горючем низкого качества, такое топливо обязательно содержит твердые частицы, пыль, молекулы воды и т.д. Все это ведет к выходу из строя плунжерных пар, которые установлены в насосе с минимальным допуском, измеряющимся в микронах.

Низкокачественное топливо с легкостью выводит из строя форсунки, которые отвечают за процесс распыления и впрыска топлива.

Распространенные признаки неисправностей в работе ТНВД и форсунок представляют собой следующие отклонения от нормы:

• расход топлива заметно увеличен;
• отмечается повышенная дымность выхлопа;
• в процессе работы присутствуют посторонние звуки и шум;
• мощность и отдача от ДВС заметно падают;
• наблюдается затрудненный пуск;

Современные моторы с ТНВД оснащены электронной системой топливного впрыска. ЭБУ дозирует подачу топлива в цилиндры, распределяет этот процесс по времени, определяет нужное количество дизтоплива. Если владелец замечает малейшие перебои в работе двигателя, то это является безотлагательным поводом для немедленного обращения в сервис. Силовую установку и топливную систему тщательно исследуют при помощи профессионального диагностического оборудования. Во время диагностики специалисты определяют многочисленные показатели, среди которых первостепенными являются:

• степень равномерности подачи топлива;
• давление и его стабильность;
• частота вращения вала;

История создания механического ТНВД

Еще при конструировании первых стационарных силовых агрегатов Рудольф Дизель предположил, что для того, чтобы топливо самовоспламенялось, оно должно нагнетаться в цилиндры под высоким давлением. Дизель создал свою версию двигателя, работающего на основе принципа воспламенения. В системе впрыска он использовал громоздкий, но довольно мощный компрессор. Позже, в 20-е годы ХХ века, Роберт Бош создал первый надежный и в то же время компактный механический ТНВД. На серийных грузовых автомобилях Mercedes этот узел был опробован в 1927 году, а на легковых автомобилях появился только в 1936-м.

Эволюция устройства

Ужесточение экологических норм и требований касательно выбросов вредных веществ в атмосферу привело к тому, что механические топливные насосы высокого давления для дизельных автомобилей стали вытесняться системами с электронной регулировкой. Механический насос попросту не смог обеспечить дозирование топлива с необходимой высокой точностью, а также не был в состоянии максимально быстро реагировать на динамично меняющиеся режимы работы двигателя.

Всемирно известные производители Bosch, Nippon Denso и другие предложили системы электронного управления подачей топлива. Указанные разработки основывались на топливном насосе VЕ. Такие системы позволяли добиться повышения точности дозирования топлива в каждый цилиндр по отдельности.

Внедрение электронных систем обеспечивало уменьшение между циклами нестабильности процесса сгорания топливно-воздушной смеси, а также снижение неравномерностей в процессе работы дизельного двигателя на холостом ходу.

Некоторые системы имели в своей конструкции клапан быстрого действия, что позволило разделить процесс впрыска топлива на две фазы. Двухфазный впрыск привел к конечному уменьшению жесткости самого процесса сгорания смеси.

Полученная точность в процессе управления системой впрыска обеспечила снижение выбросов токсичных веществ благодаря более полному сгоранию топливно-воздушной смеси, а возросшая эффективность такого сгорания повысила КПД двигателя и увеличила итоговую мощность силовой установки.

Электронные системы получили топливные насосы распределительного типа. Такие насосы оборудованы управляемыми устройствами, которые осуществляют регулировку положения дозатора. Дополнительно имеется клапан для опережения впрыска горючего.

Частые неисправности

Несмотря на достаточно серьезные конструктивные различия между разновидностями топливных насосов высокого давления, их эксплуатация сопровождается необходимостью выполнение ряда обязательных требований. Первое и главное из них – использование топлива, соответствующего характеристикам конкретной модели насоса.

Второе необходимое условие – своевременное и регулярное техническое обслуживание агрегата. Третье требование – применение в процессе эксплуатации качественных смазочных материалов.

Невыполнение любого из перечисленных условий приводит к необходимости дорогостоящего и весьма трудоемкого ремонта, что связано со сложностью конструкции ТНВД и, как следствие, большим объемом работ по снятию плунжерной пары или других пришедших в негодность деталей. Наиболее частыми неисправностями топливного насоса высокого давления являются:

• увеличение количества образуемого в ходе выхлопа дыма;
• повышенный расход топлива;
• снижение мощности двигателя;
• возникновение посторонних шумов;
• трудности с запуском двигателя;
• скачки такого важного показателя, как количество оборотов.

Несмотря на внушительный перечень возможных неисправностей, необходимо отметить, что качественно изготовленный ТНВД при грамотной эксплуатации является надежным и долговечным устройством. Следование приведенным выше рекомендациям и правильное использование топливного насоса гарантирует экономичную и эффективную работу двигателя в течение всего нормативного срока службы.

Принцип работы системы

ЭБУ получает соответствующие сигналы от различных датчиков. Учитывается положение педали газа, частота вращения вала двигателя, температура охлаждающей жидкости и температура самого топлива. Электронный блок управления получает данные о подъеме иглы форсунок, скорости движения транспортного средства, давлении наддува воздуха и его температуре на впуске.

ЭБУ обрабатывает полученную от датчиков информацию, а затем посылает сигнал на ТНВД. Это обеспечивает подачу необходимого и оптимального количества топлива к форсункам. Дополнительно обеспечивается наилучший угол опережения впрыска с учетом конкретных условий работы двигателя. Любая дополнительная нагрузка сразу отмечается ЭБУ, на ТНВД приходит сигнал и происходит увеличение топливоподачи для компенсации возросших нагрузок.

Электронный блок управления осуществляет контроль за работой свечей накаливания. ЭБУ следит за периодом накаливания, режимом работы свечей накаливания и периодом после накаливания. Все это происходит с учетом зависимости от температуры.

Ниже приведена схема электронного регулирования одноплунжерного насоса VE от Bosch для дизельного мотора:

1. датчик начала впрыска;
2. датчик частоты вращения коленвала и ВМТ;
3. воздухорасходомер;
4. датчик температуры ОЖ;
5. датчик положения педали газа;
6. блок управления;
7. устройство ускорителя пуска и прогрева ДВС;
8. устройство для управления клапаном рециркуляции отработанных газов;
9. устройство для управления углом опережения топливного впрыска;
10. устройство для управления приводом дозирующей муфты;
11. датчик хода дозатора;
12. датчик температуры топлива;
13. топливный насос высокого давления;

Ключевым элементом в данной системе выступает устройство для перемещения дозирующей муфты ТНВД (10). Управляет процессами подачи топлива блок управления (6). Информация поступает в блок от датчиков:

• датчик начала впрыска , который установлен в одной из форсунок (1);
• датчик ВМТ и частоты вращения коленвала (2);
• воздухорасходомер (3);
• датчик температуры охлаждающей жидкости (4);
• датчик положения педали акселератора (5);

В памяти блока управления хранятся заданные оптимальные характеристики. Основываясь на информации от датчиков, ЭБУ посылает сигналы на механизмы управления цикловой подачей и углом опережения впрыска. Так происходит регулировка величины цикловой подачи топлива в различных режимах работы силового агрегата, а также в момент холодного запуска двигателя.

Исполнительные устройства имеют потенциометр, который посылает обратный сигнал в ЭБУ, благодаря чему определяется точное положение дозирующей муфты. Регулировка угла опережения впрыскивания топлива происходит по аналогичному принципу.

ЭБУ отвечает за создание сигналов, которые обеспечивают регулировку многочисленных процессов. Блок управления стабилизирует частоту вращения в режиме холостого хода, регулирует рециркуляцию отработанных газов с определением показателей по сигналам датчика массового расхода воздуха. Блок сопоставляет сигналы в реальном времени от датчиков с теми значениями, которые в нем запрограммированы в виде оптимальных. Далее происходит передача выходного сигнала от ЭБУ на сервомеханизм, который обеспечивает необходимое положение дозирующей муфты. При этом достигается высокая точность регулирования.

Данная система имеет программу самодиагностики. Это позволяет осуществлять отработку аварийных режимов для обеспечения движения транспортного средства даже при наличии ряда определенных неисправностей. Полный отказ происходит только при поломке микропроцессора ЭБУ.

Наиболее распространенным решением регулировки цикловой подачи для одноплунжерного насоса высокого давления распределительного типа является использование электромагнита (6). Такой магнит имеет поворотный сердечник, конец которого соединяется посредством эксцентрика с дозирующей муфтой (5). Электрический ток проходит в обмотке электромагнита, при этом угол поворота сердечника может быть от 0 до 60°. Так происходит перемещение дозирующей муфты (5). Данная муфта в итоге регулирует цикловую подачу ТНВД.

Принцип работы

Схема работы рассматриваемой модели топливного насоса напоминает эксплуатацию двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Она включает в себя несколько последовательно реализуемых этапов:

• Вращение кулачкового вала с оказанием давления на толкатели плунжера.
• Перемещение поршня по втулке.
• Увеличение давления топлива, в результате которого открываются нагнетательные клапаны.
• Поступление горючего к форсункам через открытые клапаны.

Важной особенностью ТНВД выступает попадание в форсунки не всей топливно-воздушной смеси, а только четко определенной дозы. Оставшееся топливо через специальные сливные клапаны возвращается в систему. Наличие центробежной муфты обеспечивает поступление горючего в нужный момент, а присутствие в конструкции всережимного регулятора обеспечивает точное определение необходимого объема смеси. В результате одновременной работы всех узлов топливного насоса высокого давления удается добиться продуктивной работы двигателя при минимально возможном расходе топлива.

Дальнейшего увеличения КПД двигателей, оснащенных ТНВД, позволяет добиться использование электронных систем управления работой топливного насоса. Современные высокоточные датчики контролируют все ключевые параметры системы, к числу которых относятся:

• изменение положения педали газа;
• количество оборотов распределительного вала;
• уровень температуры охлаждающей жидкости;
• скорость транспортного средства;
• уровень давления в системе наддува воздуха;
• изменение положения иглы форсунки и т.д.

Дополнительный плюс ТНВД с электронным блоком контроля и управления – наличие эффективных программ самодиагностики системы. Они позволяют быстро выявлять возникшие проблемы и обеспечивают работу двигателя даже в случае отказа отдельных узлов или деталей.

Одноплунжерный насос с электронным управлением

1. ТНВД;
2. электромагнитный клапан для управления автоматом опережения впрыска топлива;
3. жиклер;
4. цилиндр автомата опережения впрыска;
5. дозатор;
6. электромагнитное устройство изменения топливоподачи;
7. ЭБУ;
8. датчик температуры, давления наддува, положения регулятора топливоподачи;
9. рычаг управления;
10. возврат топлива;
11. топливоподача к форсунке;

Автомат опережения впрыска управляется электромагнитным клапаном (2). Данный клапан обеспечивает регулировку давления топлива, которое действует на поршень автомата. Для клапана характерна работа в импульсном режиме по принципу «открытие — закрытие». Это позволяет модулировать давление, что зависит от частоты вращения вала ДВС. В момент открытия клапана давление падает, а это влечет за собой уменьшение угла опережения впрыска. Закрытый клапан обеспечивает увеличение давления, которое перемещает поршень автомата в сторону, когда угол опережения впрыска будет увеличен.

Данные импульсы ЭМК определяются ЭБУ и зависят от режима работы и температурных показателей двигателя. Момент начала впрыска определяется при помощи того, что одна из форсунок оборудована индукционным датчиком подъема иглы.

Исполнительные механизмы, которые оказывают воздействие на элементы управления топливоподачей в ТНВД распределительного типа, являются пропорциональными электромагнитными, линейными, моментными или шаговыми электродвигателями, которые выступают в роли привода для дозатора топлива в указанных насосах.

Форсунка с датчиком подъема иглы

Электромагнитный исполнительный механизм распределительного типа состоит из датчика хода дозатора, самого исполняющего устройства, дозатора, клапана изменения угла начала впрыска, который оборудован электромагнитным приводом. Форсунка имеет в своем корпусе встроенную катушку возбуждения (2). ЭБУ подает туда определенное опорное напряжение. Это сделано для поддержания тока в электроцепи постоянным и независимо от температурных колебаний.

Форсунка, оборудованная датчиком подъема иглы, состоит из:

• регулировочного винта (1);
• катушки возбуждения (2);
• штока (3);
• проводки (4);
• электроразъема (4);

Указанный ток в результате обеспечивает создание вокруг катушки магнитного поля. В момент поднятия иглы форсунки сердечник (3) осуществляет изменение магнитного поля. Это вызывает изменение напряжения и сигнала. Когда игла находится в процессе подъема, тогда импульс достигает своего пика и определяется ЭБУ, который управляет углом опережения впрыска.

Полученный импульс электронный блок управления сравнивает с данными в своей памяти, которые соответствуют различным режимам и условиям работы дизельного агрегата. Затем ЭБУ осуществляет посылку возвратного сигнала на электромагнитный клапан. Указанный клапан соединен с рабочей камерой автомата опережения впрыскивания. Давление, воздействующее на поршень автомата, начинает изменяться. Результатом становится перемещение поршня под действием пружины. Так изменяется угол опережения впрыска.

Максимальным показателем давления, которое достигается при помощи электронного управления подачей топлива на основе топливного насоса VЕ, является показатель в 150 кгс/см2. Стоит отметить, что данная схема является сложной и устаревшей, напряжения в кулачковом приводе не имеют дальнейшей перспективы развития. Следующим этапом развития ТНВД являются схемы нового поколения.

Как происходит дозирование топлива. Электромагнитный клапан высокого давления

Электромагнитный клапан (клапан установки момента начала впрыска) состоит из таких элементов:

1. седло клапана;
2. направление закрытия клапана;
3. игла клапана;
4. якорь электромагнита;
5. катушка;
6. электромагнит;

За цикловую подачу и дозирование топлива отвечает указанный электромагнитный клапан. Указанный клапан высокого давления встроен в контур высокого давления ТНВД. В самом начале впрыска на катушку электромагнита (5) подается напряжение по сигналу блока управления. Якорь (4) осуществляет перемещение иглы (3) путем прижима последней к седлу (1).

Когда игла плотно прижата к седлу, тогда топливо не поступает. Давление топлива в контуре по этой причине быстро растет. Это позволяет открыть соответствующую форсунку. Когда нужное количество топлива оказалось в камере сгорания двигателя, тогда напряжение на катушке электромагнита (5) пропадает. Происходит открытие электромагнитного клапана высокого давления, что влечет за собой снижение давления в контуре. Понижение давления вызывает закрытие топливной форсунки и прекращение впрыска.

Вся та точность, с которой осуществляется данный процесс, напрямую зависит от электромагнитного клапана. Если попытаться объяснить еще подробнее, то от момента окончания работы клапана. Этот момент исключительно определяется отсутствием или наличием напряжения на катушке электромагнитного клапана.

Избытки нагнетаемого топливо, которое продолжает нагнетаться до момента прохождения роликом плунжера верхней точки профиля кулачка, осуществляют движение по особому каналу. Окончанием пути для горючего становится пространство за аккумулирующей мембраной. В контуре низкого давления имеют место скачки от высокого давления, которые демпфирует аккумулирующая мембрана. Дополнительным является то, что данное пространство сохраняет (аккумулирует) накопленное топливо для наполнения перед следующим впрыском.

Остановка двигателя осуществляется при помощи электромагнитного клапана. Дело в том, что клапан полностью блокирует нагнетание топлива под высоким давлением. Такое решение полностью исключает необходимость в дополнительном остановочном клапане, который применяется в распределительных ТНВД, где осуществляется управление регулирующей кромкой.

Процесс демпфирования волн давления при помощи нагнетательного клапана с дросселированием обратного потока

Данный нагнетательный клапан (15) с дросселированием обратного потока после завершения впрыска порции топлива препятствует следующему открытию распылителя форсунки. Это полностью исключает такое явление, как дополнительный впрыск, являющийся результатом волн давления или их производных. Указанное дополнительное подвпрыскивание повышает токсичность отработанных газов и является крайне нежелательным негативным явлением.

Когда начинается подача топлива, тогда конус клапана (3) открывает клапан. В этот самый момент топливо уже нагнетается через штуцер, проникает в магистраль высокого давления и направляется к форсунке. Окончание нагнетания горючего вызывает резкий спад давления. По этой причине возвратная пружина с силой прижимает конус клапана обратно к седлу клапана. При закрытии форсунки возникают обратные волны давления. Эти волны успешно погашаются дросселем нагнетательного клапана. Все эти действия предотвращают нежелательное подвпрыскивание топлива в рабочую камеру сгорания дизельного двигателя.

ТНВД распределительного типа (насос VE). Он же торцевой насос

Область применения данного типа насосов широка – легковой, грузовой, коммерческий транспорт, трактора, сельхоз техника и другие. Двигатели с данным типом насосов встречаются на 2, 3, 4 и 6 цилиндра с максимальной мощностью на рабочий цилиндр 20 кВт.

Основными производителями насосов данного типа являются фирмы: Bosch (Бош), Zexel (Зексель) и Denso (Денсо), однако существует и малоизвестная Diesel Kiki (Дизель Кики) в дальнейшем он же Zexel и Корейская Doowon, которая в свое время купила лицензию у Зексель на производство этих насосов.

Распределительный ТНВД типа VE поделен на 2 модификации:

• С механическим управлением;
• С электронным управлением.

Сначала предлагаю обратить внимание на принцип работы ТНВД распределительного типа (VE) на примере насоса Denso

1. Топливо накачивается из бака в топливный фильтр подкачивающим насосом (ТННД), фильтр удаляет из солярки воду и грязь.
2. Далее топливо подкачивается ТННД в корпус насоса высокого давления.
3. Топливо, находящееся в корпусе ТНВД нагнетается плунжером через нагнетательные клапана в форсунки и впрыскивается в камеру сгорания.
4. Часть топлива, поступающего на форсунки, используется для их смазки, затем возвращается в топливный бак.
5. Часть топлива, поступающего в корпус насоса высокого давления используется для смазки насоса и охлаждения его деталей, затем оно возвращается в топливный бак, через отверстие сливного болта

Устройство распределительного ТНВД VE Bosch, Zexel

Рассмотрим самые главные узлы одноплунжерного топливного насоса высокого давления распределительного типа (ВЕ). Предлагаю рассмотреть узлы, согласно принципу работы насоса, от насоса подкачки до нагнетательного клапана.

Топливный насос низкого давления (ТННД)

По мере вращения насоса 4 пластины (на фото их видно) закачивают топливо под давлением через фильтр в корпус насоса, по средствам регулирующего клапана давление изменяется в соответствии со скоростью вращения двигателя.

Плунжерная пара (плунжер насоса)

При работе плунжер совмещает вращение с обратно-поступательными передвижениями, тем самым он распределяет подачу дизельного топлива под высоким давлением ко всем форсункам по очереди.

Конструкция плунжера распределительного ТНВД VE:

При вращении ДВС, приводной вал ТНВД вращает кулачковую шайбу вместе с плунжером через муфту с одной и тойже скоростью. Вал топливного насоса вращается в дви раза медленнее чем двигатель.

• ролики насоса располагаются на роликовом кольце 2;
• кулачковая шайба 3 постоянно удерживается прижатой к нажимным роликам пружиной плунжера;
• при вращении кулачковой шайбы (волновой шайбы) 3, кулачки набегают на ролики 2, заставляя плунжер 4 осуществлять возвратно-поступательные движения;
• в кулачковой шайбе 3, число бугорков на ней (кулачков) кратно количеству цилиндров двигателя;
• плунжер насоса 4 распределяет топливо последовательно к форсункам за 1 оборот (на примере показан 4 цилиндровый ДВС);
• возвратно-поступательные движения плунжера насоса используются для забора топлива (канавка 6) и нагнетания его к форсункам под высоким давлением, через паз 8;
• Количество впрыска и подача (цикловая) регулируется путем изменения положения регулировочной втулки 5, под управлением механического регулятора.

Для наглядности работы плунжера прошу ознакомиться с видео работы задействованных элементов насоса.

Нагнетательные клапана

Располагаются в подводящих каналах и выполнены таким образом, что всасывают неиспользованное топливо обратно в корпус насоса, чтобы держать подводящие каналы, наполненные топливом. Количество этих клапанов зависит от количества цилиндров двигателя.

Принцип работы нагнетательного клапана ТНВД VE

• Когда давление топлива возрастает, оно открывает нагнетательные клапана и удерживает их открытыми;
• Когда впрыск топлива заканчивается, клапана толкаются обратно пружиной;
• Когда клапана возвращаются в нижнее положение, подводящие каналы перекрываются и топливо засасывается обратно;
• Давление в трубопроводах, идущих к форсункам, быстро падает, примерно на 20 кг/см2, чтобы предотвратить подтекание топлива из форсунок;
• В это же время, нагнетательный клапан плотно прилегает к седлу, перекрывая магистраль высокого давления от насоса.

Видео работы нагнетательного клапана

В этой статье мы рассмотрели самые основные рабочие органы ТНВД распределительного типа VE. В насосах данного типа ещё очень много других важнейших механизмах, о которых подробнее расскажем в следующих обозрениях.

Для наглядности количества задействованных элементов внутри насоса данного типа, приложу вырезку из каталога на примере насоса 104746-1342, он же 9460612334

Краткий список насосов BOSCH VE (боквенное обозначение R или L обозначает сторону вращения ТНВД):