Краткий обзор современных систем ТНВД

Основная задача топливных насосов высокого давления (ТНВД) - подача топлива через форсунки в камеру сгорания цилиндра под высоким давлением в нужном количестве в нужный момент.

История развития ТНВД началась с двадцатых годов прошлого столетия, а предпосылкой для их создания явилось бурное развитие высокоточных (прецизионных) технологий обработки материалов. В настоящее время существует большое количество конструкций ТНВД, которые условно можно разделить на четыре основных вида:

— ТНВД с механическим регулированием

— ТНВД с электронным регулированием

— Индивидуальные ТНВД и насос-форсунки

— ТНВД системы Common Rail

ТНВД с механическим регулированием

Рядные ТНВД (Рис.1) комплектуются плунжерными парами, состоящими из плунжера 4 и гильзы 1, по числу цилиндров двигателя. Плунжер смещается вверх, встроенным в ТНВД кулачковым валом 7, приводимым от двигателя. Возвратная пружина 5 отжимает плунжер обратно.

рис.1

Рис. 1. Принцип работы рядного ТНВД

a – стандартный рядный ТНВД типа PE

1. Гильза плунжера

2. Впускное окно

3. Регулирующая кромка плунжера

4. Плунжер

5. Возвратная пружина плунжера

6. Траектория поворотов плунжера вокруг своей оси (установка цикловой подачи)

7. Кулачковый вал привода плунжеров

10. Подача топлива к форсунке

X- активный ход плунжера

Когда верхний торец плунжера при движении наверх перекрывает впускное окно 2, давление начинает повышаться. Этот момент называется началом нагнетания. При дальнейшем движении плунжера вверх создается избыточное давление, которое открывает форсунку и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Когда регулирующая кромка плунжера 3 совмещается с окном 2, топливо начинает перетекать обратно, давление падает, и форсунка закрывается. Ход плунжера между открытием и закрытием впускного окна называется активным ходом плунжера — Х. Положение регулирующей кромки плунжера относительно впускного окна меняется поворотом плунжера 6 с помощью рейки ТНВД. Изменение активного хода позволяет регулировать величину цикловой подачи (необходимое количество топлива). Рейка управляется механическим регулятором.

Распределительные ТНВД, в отличие от рядных ТНВД оснащаются единым нагнетающим элементом высокого давления для всех цилиндров двигателя.

рис.2

Рис. 2. Принцип действия распределительного ТНВД с аксиальным движением плунжера и распределения топлива с помощью регулирующей кромки

1. Траектория поворотов роликового кольца

2. Ролик

3. Кулачковая шайба

4. Аксиальный плунжер-распределитель

5. Регулирующая втулка

6. Камера высокого давления

7. Подача топлива к форсунке

8. Распределительный паз

X- активный ход плунжера

Кулачковая шайба 3 (Рис.2), жестко соединенная с плунжером-распределителем 4, приводится во вращение от двигателя. Число кулачков, выполненных в виде выступов на рабочей поверхности шайбы, соответствует числу цилиндров двигателя. Шайба обкатывается по роликам 2, при наезде на которые кулачки приводят вращающий плунжер –распределитель в дополнительное возвратно- поступательное движение. По мере вращения приводного вала плунжер- распределитель совершает столько ходов, сколько требуется по числу цилиндров двигателя. При этом топливоподкачивающий насос нагнетает топливо в камеру 6 высокого давления, которое создается плунжером- распределителем. Вращаясь он открывает и закрывает распределительные отверстия, направляя топливо через распределительный паз 8 к отдельным форсункам. Продолжительность впрыскивания и цикловая подача изменяются путем перемещения регулирующей втулки 5, которая управляется механическим регулятором.

Роторные ТНВД или ТНВД с радиальным движением плунжеров (Рис.3) также снабжен кулачковой шайбой 3, только в отличие от распределительных насосов с аксиальным движением плунжера она имеет кольцевую форму. Кроме того, роторные ТНВД имеют от двух до четырех радиальных плунжеров 4, создающих высокое давление топлива. Данные ТНВД могут создавать более высокое давление топлива, чем аксиальные ТНВД.

рис.3

Рис. 3. Принцип работы роторного ТНВД

1. Регулировка момента впрыскивания сдвигом кулачковой шайбы

2. Ролик

3. Кулачковая шайба

4. Радиальный плунжер

5. Электромагнитный клапан высокого давления

6. Камера высокого давления

7. Подача топлива к форсунке

Регулировка момента впрыскивания может осуществляться сдвигом кулачковой шайбы. Момент начала впрыскивания и продолжительность впрыска у этих ТНВД регулируется электромагнитным клапаном.

Все вышеуказанные типы ТНВД имеют одно общее-встроенный механический регулятор частоты вращения. Он автоматически изменяет цикловую подачу топлива воздействуя на рейку рядного ТНВД или на регулирующую втулку распределительного насоса, поддерживая заданную частоту вращения коленчатого вала. Кроме того, регулятор ограничивает максимальную и поддерживает минимально устойчивую частоту вращения.

Регуляторы подразделяются на пневматические, гидравлические и центробежные. Наибольшее распространение получили центробежные регуляторы, которые имеют несколько разновидностей в зависимости от их предназначения.

Механические ТНВД в своем составе также имеют:

— топливный насос низкого давления (ТННД), предназначенный для подачи необходимого количества топлива с необходимым давлением к контуру высокого давления.

— механизм опережения впрыскивания служит для управления моментом начала подачи и для компенсации времени прохождения волны давления через магистраль высокого давления. Механизм изменяет угол опережения впрыска на более ранний, с ростом частоты вращения коленчатого вала.

— механические корректирующие устройства служат для изменения цикловой подачи топлива с целью оптимизации работы дизеля. Существуют корректоры по давлению во впускном трубопроводе, по атмосферному давлению, по нагрузке, корректоры холодного пуска и демпфирования впрыскивания.

ТНВД с электронным регулированием

В отличие от механических ТНВД, топливные насосы с электронными регуляторами реагируют не только на изменение частоты вращения в зависимости от нагрузки, но и на многие другие характеристики дизеля, что позволяет более точно формировать цикловую подачу на всех рабочих режимах. Наличие электронного блока управления (ЭБУ), датчиков и электромеханических исполнительных позволяет увеличить скорость регулирования, мощность двигателя, уменьшить расход топлива и эмиссию отработанных газов (ОГ).

рис.4

Рис.4. Системные блоки электронного управления работой дизеля

1. Датчики и задающие устройства (входные сигналы)

2. Электронный блок управления

3. Исполнительные механизмы

4. Взаимодействие с другими системами дизеля

5. Диагностика

Датчики и задающие устройства предназначены для регистрации условий эксплуатации, к ним относятся:

— Задающее устройство регулировок

— Индуктивный датчик частоты коленчатого вала (датчики оборотов)

— Датчик частоты распределительного вала и распознавания цилиндра двигателя

— Датчики температуры (охлаждающей жидкости, воздуха, топлива, масла)

— Датчик давления воздуха во впускном коллекторе

— Переключатель ограничения цикловой подачи и максимальной частоты коленчатого вала

— Датчик начала впрыскивания (датчик хода иглы распылителя)

ЭБУ обрабатывает сигналы датчиков и задающих устройств по определенным программам и алгоритмам управления. Он управляет исполнительными механизмами с помощью электрических выходных сигналов.

ЭБУ способен обрабатывать входные сигналы от датчиков в аналоговой, цифровой и импульсной формах, ограничивать их допустимыми напряжениями и проводить проверку на достоверность. ЭБУ рассчитывает момент начала и продолжительность впрыска топлива, учитывая параметры загруженных в него характеристик и сигналы датчиков. Затем расчетные величины преобразуются в выходные сигналы, которые генерируются в виде сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при помощи которых исполнительные механизмы приводятся в любое рабочее положение.

Рис.5 иллюстрирует принцип работы исполнительного механизма (ИМ) на основе ШИМ. Сигналы постоянной частоты с варьируемым временем включения имеют прямоугольную форму. Сила тока при подаче сигналов всегда постоянна. Эффективная же сила тока, влияющая на работу якоря ИМ, зависит от соотношения включенного и выключенного состояния электромагнита ИМ. Малое время включения создает меньшую эффективную силу тока, а большее время — большую.

рис.5

Рис.5. График сигнала широтно-импульсной модуляции

a) постоянная частота сигнала

b) переменное время включения

Исполнительные механизмы преобразуют выходные сигналы в действие электромеханических узлов, например, электромагнитов, передвигающих рейку ТНВД или регулирующую втулку в заданное положение.

На (Рис. 6) показан исполнительный механизм электронного регулятора частоты вращения рядного ТНВД.

рис.6

Рис.6. Исполнительный механизм электронного регулятора частоты вращения рядного ТНВД

1. Рейка ТНВД

2. Возвратная пружина

3. Контактное кольцо датчика пути регулирования

4. Электромагнит

5. Якорь электромагнита

6. Датчик частоты вращения

7. Импульсное кольцо датчика частоты вращения

8. Кулачковый вал ТНВД

В ТНВД, оснащенными подобными регуляторами величина цикловой подачи, определяется положением рейки ТНВД, которое зависит от частоты вращения коленчатого вала и от значений датчиков системы управления дизеля. Электромагнит 4 исполнительного механизма при подаче на него напряжения, перемещает якорь 5, преодолевая сопротивление возвратной пружины 2. С увеличением силы тока регулирования якорь сдвигает рейку 1 диагностика тнвд в направлении большей цикловой подачи. Таким образом происходит соответствующая установка рейки в любое необходимое положение — от нулевой до максимальной цикловой подачи.

Управление электромагнитом происходит на основе сигнала ШИМ.

Распределительные ТНВД с регулирующей кромкой и ЭБУ оснащаются исполнительным механизмом регулировки величины цикловой подачи и электромагнитным клапаном регулирования момента ее начала.

рис.7

Рис. 7. Электромагнитный исполнительный механизм распределительного ТНВД с ЭБУ

1. Полудифференциальный коротко-замкнутый кольцевой датчик

2. Электромагнитный поворотный исполнительный механизм регулировки цикловой подачи

3. Электромагнитный остановочный клапан

4. Плунжер-распределитель

5. Электромагнитный клапан регулирования момента начала подачи

6. Регулирующая втулка

Электромагнитный поворотный исполнительный механизм 2 (Рис.7) действует через валик на регулирующую втулку. Управляющий канал в зависимости от режима работы ТНВД может открываться раньше или позже.

Величина цикловой подачи постоянно изменяется в пределах между нулевым и максимальным значениями (например, при холодном пуске). Управление изменением этой величины происходит в зависимости от ширины сигналов ШИМ. В обесточенном состоянии возвратные пружины исполнительного механизма переводят его в «нулевое» положение. Угол поворота исполнительного механизма, и, следовательно, положения регулирующей втулки определяется датчиком 1. Его сигналы и частота вращения определяет необходимую цикловую подачу.

Давление внутри ТНВД, пропорциональное частоте вращения, действует на поршень установки момента начала подачи и регулируется электромагнитным клапаном5, который также управляется импульсными сигналами. При длительно открытом электромагнитном клапане, когда давление понижается, устанавливается более поздний момент подачи, а при закрытом клапане (повышение давления) более ранний.

Индивидуальные ТНВД и насос-форсунки

Индивидуальные ТНВД и насос-форсунки являются индивидуальными системами впрыска и комплектуются одной самостоятельной топливной системой высокого давления на каждый цилиндр.

В насос-форсунке ТНВД и форсунка объединены в одну конструкцию и встроены в головку блока непосредственно над каждым цилиндром.

Система индивидуальных ТНВД включает в себя индивидуальные насосы высокого давления (столбики), которые монтируются на дизеле как отдельные узлы, соединенные с форсунками короткими трубками высокого давления.

Благодаря этому облегчается компоновка этих агрегатов на двигателе и упрощается их обслуживание.

Именно эти факторы обеспечивают индивидуальным ТНВД широкое применение в дизелях от мелких строительных и сельхозмашин до тяжелых грузовиков, тепловозов и судов.

На (Рис.8) изображена схема расположения индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном на двигателе, управляемых общим ЭБУ.

рис.8

Рис. 8. Схема расположения индивидуальных ТНВД с ЭБУ на двигателе

1. Ступенчатый корпус форсунки

2. Камера сгорания двигателя

3. Индивидуальный ТНВД

4. Распределительный вал двигателя

5. Штуцер магистрали высокого давления

6. Магистраль высокого давления

7. Электромагнитный клапан

8. Возвратная пружина

9. Роликовый толкатель

Каждый индивидуальный ТНВД приводится в действие непосредственно от собственного кулачка на распределительном валу 4 двигателя. Связь с плунжером осуществляется через возвратную пружину 8 и роликовый толкатель 9. Все ТНВД крепятся через фланцы к блоку цилиндров.

На (Рис.9) изображена конструкция индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном.

рис.9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Конструкция индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном

1. Ступенчатый корпус форсунки

2. Штуцер магистрали высокого давления

3. Магистраль высокого давления

4. Накидная гайка ТНВД

5. Ограничитель хода иглы электромагнитного клапана

6. Игла электромагнитного клапана

7. Пластина

8. Корпус ТНВД

9. Камера высокого давления (в плунжерной паре)

10. Плунжер

11. Блок цилиндров дизеля

12. Ось роликового толкателя

13. Кулачок

14. Тарелка пружины

15. Пружина клапана

16. Корпус клапана с катушкой и магнитным сердечником

17. Пластина якоря

18. Проставка

19. Уплотнение

20. Канал подвода топлива (низкое давление)

21. Канал обратного слива топлива

22. Ловушка для возврата просачивающегося вокруг плунжера топлива

23. Пружина толкателя

24. Стакан толкателя

25. Тарелка пружины

26. Роликовый толкатель

27. Ролик толкателя

ТНВД системы Common Rail

Одной из самых перспективных систем впрыска является система Common Rail. Главное отличие этой системы от других систем-разделение процесса нагнетания давления и обеспечения впрыскивания топлива.

В данной системе ТНВД отвечает только за процесс нагнетания топлива, но он лишен распределительной функции и необходим лишь для создания резерва топлива и быстрого повышения давления в топливном аккумуляторе.

С момента создания системы Common Rail конструкции ТНВД претерпели многочисленные изменения и способны развивать огромное давление до 2500 bar.

В наиболее простой конструкции ТНВД СР-1 (Рис.10) три плунжера 3, радиально расположенные по окружности через 120 градусов, сжимают топливо внутри ТНВД. Три рабочих хода каждого плунжера за один оборот вала ТНВД позволяют обеспечить незначительную и равномерную нагрузку на вал привода 1 с эксцентриковыми кулачками 2.

Комментировать

Поиск
Доверительное управление квартирами и домами в Калининграде по сдаче в аренду на vk.com/dom39_kaliningrad.   Собственник отдыхает, а мы следим за его жильем и перечисляем ему арендную плату от арендаторов.
Магазин стройтоваров
Всегда под рукой Строй Товары
Свежие записи
Грузоперевозки, услуги грузчиков Калининград - vk.com/gruz39bb - Перевозка мебели, бытовой техники. Перевозим диваны, стиралки, холодильники, мелкие личные вещи.