Как работает плунжер тнвд

Устройство и принцип действия ТНВД механического типа

Стандартные рядные ТНВД

Рядные ТНВД относятся к классической аппарату ре впрыскивания дизельного топлива. Эти надежные агрегаты используются на дизелях с 1927 г. Рядные ТНВД устанавливаются на стационарные дизели, на двигатели грузовых автомобилей, строительных и сельскохозяйственных машин. Они позволяют получать высокие цилиндровые мощности у двигателей с числом цилиндров от 2 до 12. В сочетании с регуляторами частоты вращения коленчатого вала, устройствами для изменения угла опережения впрыскивания и различными дополнительными механизмами они обеспечивают потреби гелю возможность широкого выбора режимов эксплуатации. Рядные ТНВД для легковых автомобилей сегодня не производятся. Мощность дизеля существенно зависит от количества впрыскиваемого топлива. Рядный ТНВД всегда должен дозировать количество подаваемого топлива
в соответствии с нагрузкой. Для хорошей подготовки смеси ТНВД должен дозировать топливо максимально точно, впрыскивая его под очень высоким давлением в соответствии с процессом сгорания. Оптимальное соотношение расхода топлива, уровней шума работы и эмиссии вредных веществ в ОГ требует точности порядка 1° угла поворота коленчатого вала по моменту начала
впрыскивания. Для управления моментом начала впрыскивания и компенсации времени на проход волны давления топлива через подводящую магистраль в стандартном рядном ТНВД используется муфта 3 опережения впрыскивания см. на рис. ниже, которая с увеличением частоты вращения коленчатого вала изменяет момент начала подачи топлива в направлении «раньше». В особых случаях предусмотрено управление опережением впрыскивания в зависимости от нагрузки на двигатель. Нагрузка и частота вращения коленчатого вала регулируются изменением величины цикловой подачи топлива. Рядные ТНВД делятся на два типа: стандартные и с дополнительной втулкой.

1. Дизель
2. Стандартный рядный ТНВД
3. Муфта опережения впрыскивания
4. Топливоподкачивающий насос
5. Регулятор частоты вращения коленчатого вала
6. Установочный рычаг с тягой от педали газа
7. Ограничитель полной подачи, зависимый от давления наддува
8. Фильтр тонкой очистки топлива
9. Магистраль высокого давления
10. Форсунка о сборе
11. Магистраль обратного слива топлива

Конструкция и принцип действия

Рядные ТНВД серии РЕ имеют собственный кулачковый вал 14, который установлен в алюминиевом корпусе. Он
соединяется с двигателем либо непосредственно, либо через соединительный узел и муфту опережения впрыскивания.
Количество кулачков на кулачковом валу TНВД соответствует числу цилиндров двигателя. Над каждым кулачком находится роликовый толкатель 13 с тарелкой 12 пружины 11. Тарелка передает усилие от толкателя на плунжер 8, а пружина возвращает его в исходное положение. Гильза 4 плунжера является направляющей, в которой плунжер совершает возвратно-поступательное движение. Сочетание втулки и плунжера образует насосный элемент, или плунжерную пару.

1. Корпус нагнетательного клапана
2. Проставка
3. Пружина нагнета тельного клапана
4. Гильза плунжера
5. Конус нагнетательного клапана
6. Впускное и распределительное отверстия
7. Регулирующая кромка плунжера
8. Плунжер
9. Регулирующая втулка плунжера
10. Поводок плунжера
11. Пружина плунжера
12. Тарелка пружины
13. Роликовый толкатель

Конструкция плунжерной пары

П лунжерная пара состоит из плунжера 9 и гильзы 8. Гильза имеет один или два подводящих канала (при двух каналах один из них выполняет функции подводящего и перепускного), которые соединяют полость всасывания с камерой высокого давления плунжерной пары. Над плунжерной парой находится штуцер 5 с посадочным конусом 7 нагнетательного клапана. Двигающаяся в корпусе TНВД рейка 10 вращает зубчатый сектор 2, управляя тем самым регулирующей втулкой 3 плунжера. Перемещение самой рейки определяется регулятором частоты вращения коленчатого вала. Это позволяет точно дозировать величину цикловой подачи. Полный ход плунжера неизменен. Активный ход и связанная с ним величина цикловой подачи могут изменяться поворотом плунжера, который совершается при помощи регулирующей втулки.

1. Полость всасывания
2. Зубчатый сектор
3. Регулирующая втулка плунжера
4. Боковая крышка
5. Штуцер нагнетательного клапана
6. Корпус нагнета тельного клапана
7. Конус нагнетательного клапана
8. Гильза плунжера
9. Плунжер
10. Рейка ТНВД
11. Поводок плунжера
12. Возвратная пружина плунжера
13. Нижняя тарелка возвратной пружины
14. Регулировочный винт
15. Роликовый толкатель
16. Кулачковый вал ТНВД

Плунжер имеет наряду с продольной канавкой 2 еще и спиральную канавку 7. Получаемая таким образом косая кромка на поверхности плунжера называется регулирующей кромкой 6. Если величина давления впрыскивания не превышает 600 бар, то достаточно одной регулирующей кромки, для больших значений давления впрыскивания необходим плунжер с двумя регулирующими кромками, отфрезерованными с противоположных сторон плунжера. Их наличие снижает износ плунжерной пары, поскольку плунжер с одной регулирующей кромкой под давлением прижимается к одной стороне гильзы, увеличивая ее выработку.В гильзе плунжера размещены одно или два отверстия для подвода и обратного слива топлива.
Плунжер притерт к гильзе так плотно, что пара герметична без дополнительных уплотнений даже при очень высоких давлениях и низких частотах вращения коленчатого вала. Из-за этого замене могут подвергаться только комплектные плунжерные пары.
Величина возможной подачи топлива зависит от рабочего объема пары. Максимальное значение давления впрыскивания у форсунки может составлять, в зависимости от конструкции, 400. 1350 бар. Угловой сдвиг кулачков на кулачковом валу гарантирует точное совмещение впрыскивания с фазовым сдвигом процессов по цилиндрам двигателя в соответствии с порядком его работы.

а — гильза с одним подводящим каналом
b — гильза с двумя подводящими каналами

1. Подводящий канал
2. Продольная канавка
3. Гильза плунжера
4. Плунжер
5. Перепускном канал
6. Регулирующая кромка
7. Спиральная канавка
8. Кольцевая канавка для смазки

ПЛУНЖЕРНАЯ ПАРА С ПРИВОДОМ

а — НМТ плунжера
б — ВМТ плунжера

1. Кулачок
2. Ролик
3. Роликовый толкатель
4. Нижняя тарелка возвратной пружины
5. Возвратная пружина плунжера
6. Верхняя тарелка возвратной пружины
7. Регулирующая втулка плунжера
8. Плунжер
9. гильза плунжера

Принцип действия плунжерной пары

(последовательность фаз)
Вращение кулачкового вала ТНВД преобразуется непосредственно в возвратно-поступательное движение роликового толкателя, приводящего в действие плунжер Движение плунжера в направлении к его ВМТ называется ходом нагнетания.
Возвратная пружина возвращает плунжер к его НМТ. Пружина рассчитана так, что даже при максимальных частотах
вращения кулачкового вала ТНВД ролик не отходит от кулачка; отскок и вместе с ним удар ролика по кулачку при длительной эксплуатации привели бы к разрушению поверхностей кулачка или ролика. Плунжерная пара работает по принципу перетока топлива с управлением регулирующей кромкой 5. Этот принцип используется в рядных ТНВД серии РЕ и индивидуальных ТНВД серии PF. В НМТ плунжера подводящий канал 2 гильзы 3 и канал 6 слива топлива открыты. Благодаря им топливо может перетекать под давлением подкачки из полости впуска в камеру 1 высокого давления. При движении вверх плунжер закрывает отверстие подводящего канала своим верхним торцом. Этот ход плунжера называется предварительным. При дальнейшем движении плунжера вверх давление
растет, что приводит к открытию нагнетательного клапана над плунжерной парой. При применении нагнетательного клапана постоянного объема плунжер дополнительно совершает втягивающий ход. После открытия нагнетательного клапана топливо во время активного хода через магистраль высокого давления направляется к форсунке, которая впрыскивает точно дозируемое количество топлива в камеру сгорания двигателя. Когда регулирующая кромка плунжера открывает перепускной канал, активный ход плунжера завершается. С этого момента топливо в форсунку не нагнетается, поскольку во время остаточного хода оно через продольную и спиральную канавки из камеры высокого давления направляется в перепускной канал. Давление в плунжерной паре при этом падает. По достижении ВМТ плунжер меняет направление своего движения на противоположное. Топливо при этом через спиральную и продольную канавки поступает обратно из перепускного канала в камеру высокого давления. Это происходит до тех пор, пока регулирующая
кромка вновь не перекроет перепускной канал. При продолжении обратного хода плунжера над ним возникает область низкого давления. С освобождением подводящего канала верхним торцом плунжера топливо вновь поступает в камеру высокого давления. Цикл начинается снова.

Последовательность работы плунжерной пары

1. Камера высокого давления
2. Подводящий канал
3. Гильза плунжера
4. Плунжер
5. Регулирующая кромка
6. Перепускной капал А полный ход плунжера

Регулирование цикловой подачи

Величину цикловой подачи топлива можно регулировать изменением активного хода кромки. Для этого рейка 5 через регулирующую втулку плунжера поворачивает сам плунжер 3 таким образом, что регулирующая кромка 4 может изменять момент конца нагнетания и
вместе с тем величину цикловой подачи (регулирование по концу впрыскивания). В крайнем положении, соответствующем нулевой подаче (а), продольная канавка находится непосредственно перед перепускным каналом. Вследствие этого давление в камере высокого давления плунжерной пары во время всего хода плунжера равняется давлению в полости всасывания и нагнетания топлива не происходит. В это положение плунжер приводится, если двигатель должен быть остановлен. При средней подаче (Ь) плунжер устанавливается в промежуточное положение (по регулирующей кромке). Полная подача (с) становится возможной только при установке максимального активного хода плунжера. Передача движения от рейки на плунжер может производиться либо через
зубчатую рейку на зубчатый сектор , закрепленный на регулирующей втулке плунжера либо через рейку с направляющими шлицами на штифт или сферическую головку на регулирующей втулке плунжера .

а — нулевая подача
b — средняя подача
с — полная подача

Плунжерная пара

Под плунжерной парой понимается один из основных рабочих узлов ТНВД (топливного насоса высокого давления), широко применяемого в дизельных двигателях. Кроме того, аналогичные механизмы используются в различных гидромашинах, обычных насосах, гидрокомпенсаторах и другом подобном оборудовании. Популярность и востребованность плунжерной пары объясняется сочетанием впечатляющих эксплуатационных характеристик, в числе которых надежность, долговечность и простота конструкции.

Определение и история появления

Плунжерная пара представляет собой механизм, состоящий из двух элементов. Первый из них, давший наименование всему узлу, называется плунжер или поршень, а второй – так называемая гильза или втулка. Принцип работы пары основан на том, что плунжер совершает возвратно-поступательное движение внутри втулки. В результате, при помощи каналов, расположенных внутри механизма, топливо или другая рабочая жидкость под высоким давлением подается в пространство, расположенное над поршнем.

Необходимость в разработке ТНВД на основе одной или нескольких плунжерных пар появилась после изобретения дизельного двигателя, совершенного Рудольфом Дизелем. В число ключевых особенностей агрегата входила подача топлива в камеры внутреннего сгорания под давлением, что выступало обязательным условием его гарантированного самовоспламенения. На первых моделях для решения этой задачи использовался громоздкий и тяжелый компрессор, наличие которого заметно снижало общий КПД дизельного двигателя.

Разработка в 20-х годах прошлого века Робертом Бошем ТНВД, использующего в качестве основного рабочего узла плунжерную пару, позволило значительно сократить габариты дизельного двигателя, сохранив его впечатляющие эксплуатационные характеристики в виде экономичности, эффективности и высокого уровня мощности. Дальнейшее совершенствование плунжерной пары состояло в повышении качества изготовления поршня и гильзы, а также использовании более современных материалов.

Устройство и требования к изготовлению

Как уже было отмечено выше, плунжерная пара состоит из двух элементов, каждый из которых предназначен для выполнения четко определенных функций:

1. Плунжер. Изготавливается в виде металлического цилиндра, длина которого существенно превосходит диаметр. Основное назначение детали – возвратно-поступательное движение внутри втулки.
2. Втулка. Также изготавливается из высокопрочного металла в виде полого цилиндра. Внутри детали располагаются отверстия, предназначенные для подачи или отвода топлива (для ТНВД дизельного двигателя) или других рабочих жидкостей (для обычного насоса и различных гидромашин).

Ключевое требование к плунжерной паре состоит в обеспечении герметичности узла при одновременном свободном перемещении плунжера внутри поршня. Для решения задачи при изготовлении деталей требуется тщательно соблюдать геометрические размеры, а в дополнение к этому поверхности обоих элементов тщательно обрабатываются, благодаря чему достигается плотность примыкания друг к другу. Стандартным считается зазор между поршнем и втулкой составляющий 1-3 мкм. Сказанное объясняет, почему плунжерную пару нередко называют прецизионной, что буквально означает «высокоточная».

Эксплуатация рассматриваемого узла сопровождается высоким давлением и серьезным уровнем сопутствующих нагрузок. Поэтому, помимо герметичности, к плунжерной паре предъявляются серьезные требования в части прочности и устойчивости к различным физическим воздействиям. Как следствие – для изготовления узла применяются высокопрочные и износоустойчивые марки стали и современное оборудование, способное обеспечить нужную степень точности геометрических размеров деталей и необходимые технологии обработки металла. Долговечность и надежность плунжерной пары являются одним из ключевых факторов, благодаря которым обеспечиваются впечатляющие характеристики дизельного двигателя в целом.

Принцип работы и разновидности

Стандартная схема работы плунжерной пары выглядит следующим образом:

1. Стартовое положение плунжера – в нижней части гильзы. Оно достигается за счет действия пружин.
2. Кулачковый вал оказывает давление на поршень.
3. Плунжер перемещается по втулке в верхнее положение, что вызывает увеличение давления топлива в пространстве над поршнем, куда оно поступает через специальные каналы в гильзе.
4. Повышение уровня давления приводит к открыванию клапана, следствием чего выступает дальнейшее перемещение горючего через форсунки в камеры внутреннего сгорания.
5. Завершает рабочий цикл перемещение плунжера в стартовую позицию, осуществляемое за счет действия пружин.

Простота описанного принципа действия плунжерной пары выступает важным объяснением надежности и долговечности основного рабочего узла ТНВД. В настоящее время применяются две основные разновидности рассматриваемого механизма. Отличие между ними заключается в наличии в плунжере специальной кольцеобразной просечки. Она используется для сбора и возврата утечек горючего в основную магистраль топливного насоса. Изготовление плунжерной пары в этом случае требует несколько больших расходов, которые компенсируются повышением эффективности работы двигателя.

Область применения и функциональное назначение

Основной сферой применения плунжерной пары является ТНВД, используемый в дизельных двигателях. Функциональное назначение механизма в данном случае заключается в следующем:

• подача дизельного топлива к форсункам с одновременным нагнетанием давления;
• определение необходимого количества горючего, которое требуется переместить к форсункам;
• установление оптимального режима впрыска дизельного топлива в камеры сжигания двигателя.

Эффективное выполнение указанных функций достигается за счет совместной работы плунжерной пары и современных систем автоматизации и контроля, повсеместно используемых в ТНВД. Рабочий узел предназначен для физического воплощения в практической деятельности параметров и характеристик, определяемых при помощи автоматики.

Помимо дизельных двигателей, плунжерные пары часто применяются в различных по устройству и назначению насосах, а также гидромашинах и другом подобном оборудовании. Настолько широкое использование рассматриваемого механизма связано с сочетанием относительной простоты конструкции и принципа действия с надежностью, эффективностью и долговечностью узла.

Основные достоинства и недостатки

Появление ТНВД, использующего в качестве основного рабочего узла плунжерную пару, стало одной из ключевых причин стремительного роста популярности дизельных двигателей. Такое развитие событий стало возможным, благодаря впечатляющим эксплуатационным и техническим характеристикам агрегата, значительная часть которых является непосредственным результатом применения рассматриваемого механизма. Ключевыми достоинствами плунжерной пары в частности и ТНВД в целом выступают:

• надежность. Нередко именно это слово выступает в качестве первой ассоциации при упоминании дизельного двигателя. Данная характеристика вполне заслуженно считается одной из визитных карточек агрегата;
• универсальность. Наличие ТНВД и плунжерной пары позволяет разом решить многочисленные задачи, обеспечивающие эффективную работу дизельного двигателя. К ним относятся: подача топлива под высоким давлением, его дозировка и определение наиболее подходящего режима впрыска горючего для последующего сжигания;
• высокий КПД. Ключевое преимущество агрегатов на дизельном топливе, которое в сочетании с экономичностью приобретает в современных условиях особенно важное значение;
• экологичность. Двигатель внутреннего сгорания достаточно сложно назвать полностью безопасным для состояния окружающей среды механизмом. Тем не менее, современные дизельные агрегаты отвечают самым строгим экологическим стандартам, что достигается за счет полного сжигания топлива, его небольшого расхода и, как следствие, минимального количества вредных выбросов.

По сути, единственным существенным недостатком плунжерной пары в современном дизельном двигателе выступает износ механизма, связанный со сложными условиями его эксплуатации. Важно отметить, что качественное изготовление и использование высокопрочных марок стали позволяет существенно увеличить нормативный срок службы основного рабочего узла ТНВД. Тем не менее, полностью исключить износ, конечно же, невозможно.

Признаки неисправности

Возникновение проблем, вызванных износом плунжерной пары, обнаружить достаточно просто. Основными симптомами их появления становятся:

• трудности с запуском двигателя;
• уменьшение мощности агрегата или плавающее значение параметра, характеризующего количество оборотов;
• посторонние шумы при работе двигателя;
• повышенный расход горючего.

Частой причиной повышенного износа плунжерной пары становится использование некачественного топлива. При этом необходимо помнить, что своевременное выявление проблем и грамотно проведенный квалифицированными специалистами ремонт, который заключается в замене обоих элементов рабочего узла, могут обеспечить дальнейшую длительную и беспроблемную эксплуатацию дизельного двигателя. Главное при этом – обратиться к профессиональным и опытным специалистам. Такой подход является вполне оправданным, так как небольшая экономия на стадии диагностики и ремонта нередко оборачивается намного более серьезными финансовыми потерями в ближайшем будущем, связанными с необходимостью замены или полного перебора агрегата.

Плунжерная пара ТНВД: требования к эксплуатации, виды неисправностей и принцип работы

В последнее время все больше людей стали использовать дизельные автомобили. И на то есть свои причины. Так, это высокая степень сжатия, малый расход топлива, хорошая тяга на низких оборотах. Одна из главных составляющих топливной системы дизельного двигателя – это насос. В его конструкцию входит плунжерная пара ТНВД. Что это за деталь и для чего она нужна? Об этом поговорим в нашей сегодняшней статье.

Характеристика

В основе топливного насоса высокого давления лежит специальная насосная секция. Она включает в себя плунжер (поршень) и цилиндр, имеющий форму небольшой втулки. Эта пара деталей изготавливается из высокопрочных сталей, поскольку она работает под большим давлением.

Устройство

Данный узел состоит из двух канавок:

Сама пара включает в себя 4 гильзы и 5 плунжеров. В первой находятся 2 канала – перепускной и подводящий. Оба соединяются между собой с камерой сгорания. Над плунжерной парой находится штуцер с посадочным конусом.

Благодаря высокой точности обработки внутреннего цилиндра плунжерная пара ТНВД может работать под давлением до 200 Мпа. Характеристики таких насосов в разы превосходят показатели обычных поршневых ТНВД.

Плунжерная пара ТНВД имеет рейку в корпусе. Она приводит в движение зубчатый сектор. Благодаря этому управляется сама втулка (цилиндр). Рейку перемещает регулятор вращения коленвала. Так достигается дозировка цикловой подачи без изменения хода плунжера.

Принцип работы

Алгоритм действия механизма основывается на возвратно-поступательных движениях двух основных деталей. Это поршень цилиндрической формы и втулка. Во время возвратно-поступательных движений происходит всасывание топлива в насос. Нагнетание происходит через специальные отверстия на втулке. Отметим, что главная задача работы такого механизма, как плунжер, заключается в дозировке топлива и подаче его в цилиндры. Помимо точного объема, это горючее должно поступать в цилиндры лишь в определенный момент. Чтобы работа механизма осуществлялась без сбоев, к этой паре механизмов предъявляют высокие технические требования.

Требования к эксплуатации

Плунжерная пара ТНВД Bosch – это механизм, требующий особого внимания при эксплуатации. В частности, это касается качества используемого топлива. При работе плунжерной пары стоит исключить наличие воды и частиц пыли в горючем. Почему к этому механизму предъявляются такие высокие требования? Все очень просто. Когда вода попадает на рабочую поверхность плунжера и втулки, смазывающая пленка теряет свою целостность. В результате сила трения пары элементов увеличивается. Это приводит к нагреву и последующей деформации деталей.

Подробно о неисправностях

Частый дефект – заедание плунжера в цилиндре. Как диагностировать механизм? Для этого проверяют ход плунжера в разных положениях при установке пары под углом 45 градусов. Наличие на рабочей поверхности следов коррозии ведет к потере герметичности. Такая неисправность устраняется перекомплектовкой механизма. Как это делают? Втулку и плунжер притирают до шероховатости в 0,1 мкм. Допустимая конусность не должна превышать 0,4 мкм, а овальность – 0,2 мкм. Далее плунжерная пара ТНВД разбивается на размерные группы с интервалом в 4 мкм. Детали подбираются по соответствующим втулкам. После притирки механизм промывают в бензине и собирают обратно.

Следующий дефект – выкрашивание или скалывание у отверстий. Может сопровождаться царапинами, задирами и увеличением диаметра впускного окна. В данном случае измеряют износ рабочей поверхности втулки. Определяют конусообразность и овальность отверстия. Если параметр не соответствует норме, элемент подлежит замене. Выкрашивание или скалывание металла – это дефекты, которые не подлежат восстановлению.

Заключение

Итак, мы выяснили, что собой представляет плунжерная пара. Это неотъемлемая деталь топливных насосов дизельных двигателей, которая работает под большим давлением и дозирует горючее с высокой точностью. Основные требования к эксплуатации – это качественное топливо. На работу плунжера губительно влияет вода и грязь, которая ускоряет коррозионные процессы и приводит к появлению задиров.

Топливный насос высокого давления

Самым сложным и дорогим устройством системы питания дизеля является топливный насос высокого давления (ТНВД). При создании первых стационарных двигателей Рудольф Дизель выяснил, что для надежного самовоспламенения топлива оно должно подаваться в цилиндр под высоким давлением. В его конструкциях для этого использовался мощный и громоздкий компрессор. В 20-е годы. Роберт Бош разработал компактный и надежный ТНВД. Первый серийный ТНВД для грузового автомобиля был выпущен фирмой Bosch еще в 1927 году, а в 1936 был налажен выпуск ТНВД для легковых автомобилей.
ТНВД не только создает давление топлива, но и распределяет его по форсункам соответствующих цилиндров в соответствии с порядком работы двигателя. Форсунки соединяются с ТНВД трубопроводами высокого давления. Форсунки входят своей нижней частью — распылителями — в камеры сгорания. Распылители имеют очень маленькие отверстия, необходимые для того, чтобы топливо поступало в камеру сгорания в мелко распыленном виде и легко воспламенялось.
Момент времени впрыска топлива определяется углом опережения впрыска. Форсунки и ТНВД – устройства прецизионной точности. Штифты форсунок и плунжеры ТНВД смазываются дизельным топливом, которое поступает в процессе работы.

Регулирование подачи топлива в ТНВД с рядным расположением плунжерных пар:
1 — из топливного канала;
2 — к форсунке;
3 — втулка;
4 — плунжер;
5 — нижняя регулирующая спиральная выемка;
6 — вертикальная канавка

Первые ТНВД были похожи на миниатюрные рядные двигатели. Кулачковый вал, приводившийся в действие от коленчатого вала двигателя, с числом выступов, соответствующих числу цилиндров, воздействовал на серию плунжерных пар (поршневых насосов высокого давления). С 1960 г. дизели легковых автомобилей используют ТНВД роторного типа. Роторный ТНВД представляет собой устройство с вращающимся кулачковым валом, имеющим один выступ, который воздействует на плунжерные пары, расположенные радиально, число которых также соответствует числу цилиндров двигателя. Такие насосы называются распределительными. Они отличаются от рядных компактностью и меньшей себестоимостью в производстве. Механические устройства (а в последнее время электронные), встроенные в насос, регулируют момент впрыска, поворачивая вперед или назад кулачковый вал, и подачу топлива, с помощью отсечных клапанов, сбрасывающих давление, когда впрыснуто достаточное количество топлива. Следует отметить, что начало впрыскивания должно быть точно установлено по времени, в пределах ±1° поворота коленчатого вала, с целью поддержания оптимального расхода топлива и токсичности отработавших газов.

Плунжерная пара представляет собой поршень (плунжер) и цилиндр (втулка) небольшого размера. Плунжер и втулку изготавливают из высококачественной стали с высокой точностью и в процессе изготовления индивидуально притирают друг к другу, чтобы обеспечить минимальный зазор в сопряжении. Во втулке на разном уровне просверлены два отверстия. Через одно отверстие (впускное) топливо поступает, а через другое (выпускное) отводится. В многоплунжерном насосе число плунжерных пар равно числу цилиндров двигателя и каждая пара снабжает топливом определенный цилиндр.

Схема работы плунжерной пары:
I — впуск топлива (наполнение);
II — начало движения плунжера вверх;
III — момент начала нагнетания;
IV — момент отсечки подачи;
А — отсечная кромка;
Б — перепускное окно;
В — впускное окно;
Г — надплунжерное пространство;
Д — разгрузочный поясок;
Е — запорная часть клапана;
1 — кулачок;
2 — толкатель;
3 — плунжер;
4 — втулка плунжера;
5 — нагнетательный клапан;
6 — пружина клапана

Плунжерные пары установлены в корпусе ТНВД, в котором имеются каналы для подвода и отвода топлива. Каждый плунжер на боковой поверхности имеет специальную спиральную канавку — отсечную кромку. В нижней части корпуса ТНВД на подшипниках качения установлен кулачковый вал, который приводится от коленчатого вала двигателя. Все плунжеры с помощью пружин прижимаются к соответствующим кулачкам. При вращении кулачкового вала кулачки в определенной последовательности перемещают плунжеры внутри втулок. При движении плунжера вверх он сначала закрывает выпускное отверстие во втулке, а затем впускное.

Конструкция многодырчатой форсунки:
1 — корпус распылителя;
2 — игла;
3 — гайка;
4 — установочные штифты;
5 — проставка;
6 — штанга;
7 — корпус форсунки;
8 — уплотнительное кольцо;
9 — штуцер;
10 — фильтр;
11 — уплотняющая втулка;
12 — регулировочные прокладки;
13 — упорная прокладка;
14 — пружина

Под давлением топлива открывается нагнетательный клапан, находящийся сверху гильзы, и топливо поступает через трубопроводы высокого давления к соответствующим форсункам.
Внутри форсунки расположена игла, которая сверху поджимается пружиной и закрывает топливу проход к отверстиям распылителя. Под действием давления топлива игла приподнимается, сжимая пружину, и топливо начинает впрыскиваться через распылитель в камеру сгорания. Процесс впрыскивания прекращается в момент, когда канавка отсечной кромки плунжера совпадет с выпускным отверстием в гильзе. В этот момент происходит резкое падение давления топлива и игла форсунки закрывает распылитель, не допуская подтекания топлива.
Если поворачивать плунжер внутри гильзы, то из-за наклона отсечной кромки будет изменяться момент окончания подачи топлива, а следовательно, и количество этого топлива. Для поворота плунжеров на каждом из них закреплена шестерня, находящаяся в зацеплении с зубчатой рейкой. Рейка связана механическим приводом с педалью акселератора. Поэтому нажатие педали вызывает перемещение рейки, которая одновременно поворачивает все плунжеры и изменяет количество топлива, поступающего в цилиндры двигателя. Для того чтобы заглушить дизель, необходимо прекратить подачу топлива. В этом случае все плунжеры поворачиваются в положение, при котором отсечная кромка постоянно соединяется с выпускным отверстием. При изменении частоты вращения коленчатого вала необходимо изменять момент начала подачи топлива в цилиндры. С этой целью на кулачковом вале ТНВД установлена центробежная муфта опережения впрыскивания топлива. Внутри муфты имеются грузики, которые при увеличении оборотов коленчатого вала расходятся под действием центробежных сил и проворачивают кулачковый вал по фазе относительно привода. Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к более раннему началу впрыскивания, а уменьшение — к более позднему.

Распределительный ТНВД с аксиальным движением плунжера и компенсатором давления во впускном трубопроводе (LDA)

В одноплунжерных ТНВД используется только одна плунжерная пара, а подача порций топлива к форсункам различных цилиндров дизеля осуществляется с помощью специального вращающегося распределителя. Такие насосы называются также распределительными. Распределительные ТНВД более компактны, их масса меньше, но плунжеру приходится работать с большей частотой ходов и долговечность таких насосов ниже.

Разновидности, устройство и принцип работы ТНВД

Основной задачей топливного насоса высокого давления (ТНВД) является подача топлива к форсункам двигателя. В современном автомобилестроении он устанавливается для питания как бензиновых, так и дизельных моторов. Особенностью работы такого насоса является способность выполнять максимально точную дозировку горючего и подавать его в строго определенный момент времени.

ТНВД на бензиновом и дизельном двигателе

Изначально насосы, обеспечивающие высокое давление, использовались исключительно для питания дизельных моторов. В бензиновых системах такая конструкция получила применение только в ДВС с непосредственным впрыском, где наиболее важны давление и точность подачи.

Насосы высокого давления имеют крайне сложную конструкцию, работают с повышенными нагрузками и требуют бережной эксплуатации. Важную роль играет качество топлива и отсутствие в нем примесей воды и абразивных частиц (например, пыли). При использовании ТНВД на бензиновом двигателе нагрузка меньше, чем на дизеле, что относительно продлевает срок его службы.

Располагается насос высокого давления в подкапотном пространстве в непосредственной близости от мотора (либо может устанавливаться на двигатель). Для его питания используется дополнительный подкачивающий топливный насос низкого давления. В зависимости от марки и категории автомобиля могут применяться различные типы ТНВД.

ТНВД разных конструкций и основные узлы

Главным рабочим механизмом насоса является плунжерная пара. Она состоит из плунжера (поршня) и втулки (гильзы). При перемещении поршня в гильзе формируется очень высокое давление, а потому для обеспечения безопасности и корректной работы пары, детали должны иметь высокую точность изготовления.

В силу этой особенности плунжерная пара в профессиональной сфере получила наименование прецизионная. Принцип работы плунжерной пары прост: поршень выполняет возвратно-поступательные движения внутри втулки и обеспечивает всасывание, сжатие и подачу топлива в надплунжерное пространство.

Классификация и устройство ТНВД

Топливные насосы высокого давления классифицируются по ряду признаков. Прежде всего их разделяют по типу привода плунжеров: механические, пневматические и гидравлические системы. Их, в свою очередь, группируют как механизмы непосредственного действия и аккумуляторные.

В первом случае процессы нагнетания и впрыска рабочей жидкости происходят одновременно под действием плунжеров с механическим приводом. В конструкциях с аккумуляторным впрыском рабочие плунжеры приводятся в действие за счет двигателя посредством приводного вала.

Системы с механическим приводом в современном автомобилестроении применяются редко, поскольку они не обеспечивают необходимого уровня экологической безопасности.

По числу плунжеров топливные насосы высокого давления разделяются на многоплунжерные и распределительные.

Многоплунжерные ТНВД и особенности их конструкции

В многоплунжерных насосах для каждого цилиндра предусмотрен свой плунжер. Таким образом, каждая плунжерная пара обеспечивает подачу топлива в свой цилиндр. Конструктивно многоплунжерные насосы бывают двух типов:

• Рядные — плунжерные пары расположены рядом с друг другом в один ряд.
• V-образные — плунжерные пары расположены в два ряда и ориентированы друг к другу под углом от 75 до 120 градусов.

Принцип работы рядного ТНВД для дизельного двигателя заключается в том, что топливо движется по отдельным магистралям и направляется к форсункам мотора в заданном порядке. В классическом исполнении такие конструкции имеют механический привод кулачкового типа, соединенного с коленвалом двигателя.

Каждый кулачок приводит в движение соответствующий плунжер, заставляя его перемещаться внутри гильзы. Когда поршень перемещается вниз, происходит всасывание топлива. При движении вверх создается давление и открывается клапан нагнетательной магистрали.

В современных системах момент подачи топлива рассчитывается электронным блоком управления автомобиля, который получает сигналы от многочисленных датчиков. Это позволяет учесть такие факторы, как положение педали газа и частоту вращения коленчатого вала двигателя.

В ранних моделях автомобилей можно встретить механическое управление режимами работы рядного ТНВД. Для этого на кулачковом валу устанавливается специальная муфта с небольшими подвижными грузами. Под действием центробежных сил грузы смещаются вначале к внешним краям, а затем вновь к оси. Это, в свою очередь, провоцирует смещение кулачкового вала по отношению к приводу. Таким образом, чем больше частота вращения двигателя, тем раньше происходит впрыск.

Насосы V-образной формы работают по следующему принципу: специальный механизм поворота плунжеров соединен с рейками, воздействующими на втулки. Такая конструкция в сравнении с рядной отличается компактностью. Это позволяет повысить жесткость, укоротить кулачковый вал и добиться более высокого давления впрыска.

Как работают распределительные ТНВД?

В распределительных насосах один или два (у более мощных автомобилей) плунжера, которые подают топливо сразу в несколько цилиндров. Количество цилиндров в таких моторах может быть от 4 до 12. Подобные механизмы устанавливаются преимущественно на легковых автомобилях, поскольку относительно быстро изнашиваются. Именно этот тип ТНВД можно встретить в бензиновых двигателях.

Среди преимуществ распределительных насосов высокого давления можно назвать не только большую компактность в сравнении с многоплунжерными, но и большую точность подачи горючего. Главный недостаток — быстрый износ плунжеров.

Привод плунжера распределительного ТНВД представляет собой кулачковый механизм, который бывает трех видов:

Распределительный ТНВД

• роторные;
• торцевые (аксиальные);
• с внешним приводом.

Наиболее часто встречаются торцевые приводы распределительных ТНВД. Такая конструкция предполагает только одну плунжерную пару. Она выполняет функцию распределителя, осуществляя подачу топлива к заданной форсунке мотора. Поршень при этом одновременно и перемещается вдоль втулки, и вращается вокруг своей оси.

Для этого в конструкции предусмотрена кулачковая шайба с роликами, которая прижимается роликами к неподвижному кольцу с пазами. В процессе вращения ролики входят в пазы кольца и приводят в движение шайбу. Последняя, в свою очередь, воздействует на плунжер, провоцируя его вращение. Движение поршня вдоль гильзы выполняет сжатие рабочей жидкости, тогда как вращение обеспечивает открытие и закрытие топливных каналов, соединенных с форсунками.

Системы с внешним приводом практически не применяются, поскольку не отличаются надежностью работы.

Привод роторного типа также называют внутренним кулачковым. Он имеет всего одну топливную секцию и от 2 до 4 плунжерных пар, расположенных радиально. В основе конструкции кулачковая шайба с пазами, внутри которой находится распредвал с плунжерами. Они приводятся в движение роликовыми башмаками, контактирующими с шайбой.

Особенностью этой конструкции является то, что втулки как самостоятельные элементы отсутствуют. Они представляют собой отверстия в распредвале насоса. Плунжеры движутся навстречу друг к другу, увеличивая и уменьшая общее надплунжерное пространство.

Принцип работы роторного привода схож с торцевым: вращение вала обеспечивает перемещение башмаков по поверхности шайбы, и они вдавливаются в пазы, толкая поршни и сжимая топливо. Затем под давлением топливо подается на распределитель и далее к форсункам.

Магистральные ТНВД системы Common Rail

Топливные насосы высокого давления магистрального типа применяются в системах Common Rail. Последняя предполагает аккумуляцию топлива в рампе перед его подачей к форсункам. Конструктивно этот тип насосов может иметь до 3 плунжеров, что позволяет достигать высоких уровней давления.

Движение плунжеров обеспечивается за счет воздействия кулачковой шайбы (вала), совершающей вращательные движения, а также специальной пружины. В заданный момент времени под действием кулачка пружина перемещает поршень вниз, что приводит к расширению надплунжерного пространства.

При этом воздух в камере разряжается, провоцируя раскрытие обратного клапана всасывающей магистрали и подачу топлива в камеру. Когда давление в камере увеличивается, клапан закрывается и поршень начинает обратное движение, сжимая топливо. При достижении нужного уровня давления открывается клапан нагнетательного канала и топливо поступает в рампу.

Способы дозирования топлива в ТНВД

Помимо основных классификаций, автомобильные насосы высокого давления разделяют по принципу дозирования топлива. Существуют три типа регулирования цикловой подачи:

• с отсечкой в конце подачи топлива;
• с дросселированием на впуске;
• комбинированный.

Для дизельных систем клапанного типа основным способом регулирования цикловой подачи является перепуск топлива при нагнетательном движении поршня. При этом изменяется геометрический активный ход плунжера. В такой системе в начале нагнетательной магистрали устанавливается перепускной клапан, который срабатывает при превышении заданного уровня давления и отправляет часть топлива обратно в бак.

В распределительных насосах преимущественно выполняется дросселирование на впуске, при котором часть рабочей жидкости из контура высокого давления перенаправляется во всасывающую полость. В системах с торцевым приводом количество подаваемого топлива регулируется центробежной муфтой или электромагнитным клапаном, которые перемещают неподвижное регулировочное кольцо в заданное положение.

Исходя из типа привода аккумуляторные системы ТНВД могут использовать несколько способов регулировки цикловой подачи:

• механическое, или электронное регулирование времени срабатывания дозирующего устройства (иглы распылителя, клапана);
• пружинное запирание дозатора.

В современных магистральных системах количество топлива регулируется электронным блоком управления, раскрывающим дозирующий клапан на строго рассчитанную величину.

Какой уровень давления обеспечивают ТНВД?

Поскольку основной задачей ТНВД является точное дозирование и своевременная подача топлива, его рабочие характеристики во многом зависят от требуемых для конкретного автомобиля режимов работы. Следует понимать, что каждый насос имеет некоторый диапазон рабочего давления, а не одну конкретную величину. Так, например, рядные ТНВД для дизельных моторов, в зависимости от модели, могут создавать максимальное давление до 55-135 МПа. При этом в отдельной модели минимальный показатель на холостом ходу может быть 15 МПа, а максимум при полной нагрузке — 130 МПа.

Магистральные насосы системы Common Rail достигают максимальных показателей до 135-200 МПа и каждое последующее поколение увеличивает не только верхний, но и нижний порог диапазона. Для примера, самые первые системы Bosch CP1 предполагают работу в диапазоне от 17 до 135 МПа, тогда как системы четвертого CP4 поколения способны развивать от 23 до 200 МПа.

Для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива (системы GDI) достаточно обеспечить давление в диапазоне 3-11 МПа.

Основные неисправности насосов высокого давления

Устройство любого топливного насоса высокого давления представляет собой сложную конструкцию, значит и потенциальных неисправностей у этого механизма достаточно много. Главной причиной возможных неполадок является плохое качество топлива, что относится как к дизельным системам, так и к бензиновым. Наибольшему износу подвержены плунжеры, и если при осмотре насоса будут установлены потертости на их поверхности, то это первый сигнал о некорректной работе.

Симптоматика поломки ТНВД во многом сходна с неисправностью мотора и системы охлаждения, а потому для более точной диагностики всегда необходимо обращаться в сервисный центр, где будет выполнена проверка на стенде. В бытовых условиях определить возможные нарушения работы насоса можно по следующим проявлениям:

• увеличение расхода топлива;
• нестабильная работа мотора в режиме низких оборотов;
• сложности с запуском;
• повышение температуры узла и перегрев двигателя;
• протечки топлива;
• снижение уровня мощности;
• дым на выхлопе;
• шумы и посторонние звуки в двигателе.

Топливный насос высокого давления можно назвать уникальным агрегатом, который пока не имеет достойных альтернативных решений. Эволюция этого устройства за последние десятилетия затрагивает исключительно совершенствование отдельных деталей и повышение точности их изготовления без внесения кардинальных изменений в общий принцип работы.