Топливный насос высокого давления (ТНВД)

Использование ТНВД для моторов на лёгком и тяжёлом топливе

Прямой впрыск ранее применялся только на дизельных моторах, по крайней мере в автомобильной технике. Но успехи такого метода подачи топлива в авиации заставили разработать аналогичные системы и для массового автостроения. Особенно после начала глобальной борьбы за экономию и экологию. Сейчас принципы работы двигателей на разных видах топлива постепенно сближаются. Становится общепринятой для всех подача горючего непосредственно в цилиндр с использованием тонких механизмов распыления, многократного дозирования за один такт, аэродинамически сложного завихрения смеси и послойного воспламенения. Это требует высокого давления впрыска и быстродействующей топливной аппаратуры.

Функции подачи жидкого топлива обычно распределяются по двум насосам. Один подкачивает его из бака, а второй создаёт высокое давление. Соответственно и размещаются они в разных местах автомобиля, подкачивающий устанавливается в баке или около него, а ТНВД непосредственно на двигателе. Хотя случаются и исключения, особенно в последних поколениях. Для ТНВД требуется значительная мощность привода, а часто и точная синхронизация с системой газораспределения. Момент впрыска для дизеля имеет то же значение, что и опережение зажигание в случае бензомотора. Топливо воспламеняется сразу же во время впрыска в раскалённый после интенсивного сжатия газ. Если опоздать, то оно не успеет отдать всю свою энергию, а чрезмерное опережение вызовет жёсткую работу и снизит КПД мотора.

Виды ТНВД

Топливные системы бывают трех типов:

Моновпрыск. Это самая первая модификация. Представителем изначально был карбюратор. В его полости подготавливалась топливно-воздушная смесь и подавалась во впускной коллектор. Чуть позже такие системы вместо карбюратора получили одну форсунку, которая производит впрыск топлива во впускной коллектор, где происходит смешивание его с воздухом;
Многоточечный впрыск. Это уже разновидность инжекторной системы. Для каждого цилиндра на впускном коллекторе устанавливается индивидуальная форсунка. Впрыск производится тоже во впускной коллектор, только максимально близко к впускному клапану;
Непосредственный впрыск. Как следует из названия системы, топливо распыляется непосредственно в цилиндры в момент, когда воздух в них уже сжат поршнем.

Всего существует три вида подобных механизмов, которые могут использоваться в данных типах топливных систем:

Рядный;
Распределительный;
Магистральный.

Рядный ТНВД

Рядный тнвд состоит из нескольких насосов, заключенных в один корпус. Каждый из них обслуживает отдельную форсунку. Данная модификация использовалась в старых дизельных моторах. Работа всего механизма жестко зависит от привода ГРМ.

Рядная модификация используется уже достаточно длительный период. Даже некоторые современные автомобили (грузовики) оснащены такими насосами. Причина – их высокая надежность и неприхотливость к качеству дизеля.

Работает рядная система следующим образом. Плунжерная пара приводится в движение благодаря повороту коленвала. Один оборот кулачкового вала насоса соответствует двум оборотам коленчатого вала мотора.

Плунжерный механизм через клапан отсечки топлива тнвд отделяет часть горючего от общей магистрали и сжимает ее в напорной части системы. Объем порции регулируется зубчатой планкой, связанной с педалью газа. В машинах с ЭБУ она регулируется сервоприводом, реагирующим на сигналы от блока управления.

Момент впрыска определяется частотой вращения коленвала. В механизме установлены две полумуфты, которые разделены пружинами. Когда обороты мотора повышаются, пружины сжимаются, благодаря чему вал насоса немного проворачивается, что приводит к изменению угла опережения впрыска.

ТНВД распределительного типа

В отличие от предыдущей модификации данная модель имеет меньшие размеры. Также он отличается стабильностью работы. Существует несколько модификаций распределительных насосов. Бывают плунжерные и роторные виды. Также они различаются между собой типами привода – внутреннее, торцевое или внешнее расположение кулачков.

Привод с внешним расположением кулачков не отличается стабильность и надежностью. Поэтому если есть возможность, то лучше остановиться на двух других типах.

Такие насосы быстрее изнашиваются, так как один плунжерный механизм в них обслуживает все форсунки группы. В этом отношении у рядных аналогов есть преимущества. Благодаря небольшим размерам распределительные тнвд устанавливаются в топливных системах легковых автомобилей и небольших грузовиков.

Магистральный ТНВД

В отличие от двух предыдущих модификаций магистральный насос создает напор в единой магистрали – так называемая топливная рейка. Она служит аккумулятором, в котором поддерживается постоянное давление топлива.

Благодаря меньшему количеству распределительных механизмов данная модификация зарекомендовала себя, как самая надежная. Ремонт тнвд магистрального типа не отличается особой сложностью. Объем порции регулирует электромагнитный дозирующий клапан. Такие насосы стоят в системах топливной рейки Common Rail.

Порядок разборки

вывернуть винты крепления задней крышки регулятора частоты вращения и снять крышку в сборе с насосом низкого давления;
снять автоматическую муфту опережения впрыска топлива, используя приспособление И-801.16.000. Сначала отвернуть гайку 2 (рис. а) крепления муфты. Для этого вставить отвертку 4 в паз гайки и, удерживая муфту 1 от вращения, ключом 3 отвернуть гайку. Затем, вворачивая в муфту съемник 5 (рис. б), снять муфту;

Рис.2 – Снятие муфты

распломбировать и вывернуть винты крепления защитных кожухов секций ТНВД и снять кожуха;
распломбировать и вывернуть болты крепления верхней крышки регулятора и снять крышку;
вынуть ось рычага регулятора и снять рычаг регулятора с рычагом муфты грузов, муфтой, пружиной регулятора и рычагом пружины;
снять стопорное кольцо и державку грузов в сборе;
вывернуть пробки реек, вынуть втулки реек, затем сами рейки, предварительно расстопорив их;
отвернуть гайки крепления секций ТНВД, снять стопорные шайбы штуцеров секций и вынуть секции ТНВД и толкатели плунжеров;
расшплинтовать и отвернуть гайки и, используя съемник И-801.26.000, снять эксцентрик привода насоса низкого давления, ведущую шестерню регулятора и промежуточную шестерню;
снять второй подшипник с оси промежуточной шестерни;
выбить шпонки с носка и хвостовика кулачкового вала, снять крышку заднего подшипника, вынуть кулачковый вал в сборе с подшипниками и снять крышку переднего подшипника;
используя съемник И-801.30.000, снять подшипники с кулачкового вала;
секции ТНВД и топливоподкачивающий насос низкого давления разобрать в приспособлении И-801.20.000. Для выпрессовки нагнетательного клапана секции ТНВД использовать приспособление И-801.21.000.

Удаление воздуха из системы впрыска топлива

Пузырьки воздуха в топливе могут ухудшать работу ТНВД или даже делают ее невозможной. В связи с этим устройства, которые устанавливаются впервые или временно отключаются, должны быть избавлены от воздуха.

Если топливоподкачивающий насос снабжен ручным насосом, то он используется для заполнения магистрали, топливного фильтра и ТНВД топливом. При этом винты для вентиляции (1) на крышке фильтра и на ТНВД должны остаться открытыми, пока выходящее топливо не будет содержать пузырьков. Удаление воздуха должно производиться каждый раз, когда заменяется топливный фильтр или производятся какие-либо работы на системе.

При работе в реальных условиях из системы впрыска воздух удаляется автоматически через клапан перетока (2) на топливном фильтре (постоянная вентиляция). Вместо клапана может использоваться ограничитель, если насос не имеет клапана перетока.

Принцип работы ТНВД дизеля — Спецтехника

Одним из основных составляющих системы питания дизельной силовой установки является насос, обеспечивающий подачу топлива под высоким давлением на форсунки.

Полное название – топливный насос высокого давления (аббревиатура – ТНВД).

Помимо дизельных моторов такой насос применяется и в бензиновых агрегатах с инжекторной системой, у которой подача бензина осуществляется непосредственно в цилиндры.

Этот узел системы питания имеет достаточно сложную конструкцию, поскольку в его задачу входит не только нагнетание дизтоплива, но еще и подача его на форсунки в строго определенные моменты. В общем, от его работы напрямую зависит функционирование силовой установки.

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.

Потеря производительности бензонасоса

Но, безусловно, самую главную роль в питании двигателя 1.5 играет ТНВД – топливный насос высокого давления. Из названия отчетливо понятно, что насос имеет достаточно высокую производительность чтобы накачать высокое давление в рампу. Но очень часто в работе инжектора случается так, что этот, казалось бы безотказный элемент питания двигателя теряет свою производительность – вследствие чего у двигателя начинают плавать обороты и возникают серьезные проблемы с тягой. Помимо этого, достаточно часто бензонасос попусту сгорает, поэтому без его замены не обойтись в этом случае. И последняя причина, почему автолюбители меняют насос – это необходимость увеличения производительности двигателя 1.5. При установке дополнительного тюнинга (турбокомпрессор, изменение параметров распредавала, увеличенный дроссель) требуется большая производительность ТНВД. Следовательно, необходима установка нового, более мощного насоса.

Классификация и устройство ТНВД

Насосные секции, обеспечивающие высокое давление топлива для дизельного двигателя, бывают трех типов:

Рядные механизмы – плунжерные пары на каждый цилиндр;
Распределительные, для легковых авто, более компактные;
Магистральные, применяются в системах снабжения топливом.

Последний тип ТНВД относится к системам нового поколения, управляется компьютером. Не стоит путать инжекторный двигатель с топливным насосом высокого давления, так как это прежде всего система впрыска.

По виду плунжерного привода топливные насосы бывают пневматические, гидравлические и механические.

Типы топливных насосов

Для начала следует разобраться с видами ТНВД для дизельных автомобилей, так как у каждого из них свои типовые особенности и поломки. Однако у всех насосов, независимо от разновидностей, есть один главный узел, а именно плунжерные пары (поршни и цилиндры).

ТНВД разделены на типы по принципу работы впрыска:

непосредственного действия с механическим приводом плунжера;
аккумуляторного впрыска.

Кроме этого у насосов высокого давления существует разделение еще и на классы по устройству:

Рядный – рабочие сегменты установлены в ряд, впрыск солярки идет по очереди во все цилиндры.
Распределительный – топливо из одной секции подается на несколько цилиндров. Бывают как одноплунжерными, так и двухплунжерными.
Многосекционный – более известен как V-образный либо гидравлический аккумулятор. Устанавливаются на двигателях с высокой мощностью, но с малыми оборотами.

На ТНВД непосредственного впрыска нагнетание и подача проходит одновременно, посредством механического привода плунжера. На аккумуляторных типах подача топлива идет по раздельным циклам – вначале нагнетается в аккумулятор насоса, а затем в форсунки. У современных моделей весь процесс управляется электроникой.

ТНВД устанавливаются и на бензиновых автомобилях. Применяются на двигателях с непосредственным впрыском. Насос необходим для подачи топлива в камеру цилиндра под высоким давлением, а уже в нем образуется горючая смесь, которую поджигает свеча зажигания.

Электронная система управления распределительными топливными насосами с дозирующим электромагнитным клапаном

При использовании таких насосов (рис. «Аксиально-поршневой распределительный топливный насос высокого давления с управлением при помощи электромагнитного клапана«) количество подаваемого топлива дозируется электромагнитным клапаном высокого давления, который перекрывает камеру насосного элемента. Это дает еще большую гибкость дозирования топлива и возможность регулирования момента начала впрыска топлива. Кроме того, за счет уменьшения нерабочих объемов повышается потенциал рабочего давления насоса.

Основными узлами насоса являются электромагнитный клапан высокого давления, электронный блок управления и инкрементный датчик угла поворота для управления электромагнитным клапаном.

Закрытие электромагнитного клапана определяет начало подачи топлива, которая продолжается до момента открытия клапана. Количество впрыскиваемого топлива зависит от времени, в течение которого клапан остается закрытым. Управление при помощи электромагнитного клапана позволяет быстро открывать и закрывать камеру насосного элемента независимо от частоты вращения коленчатого вала. Такой метод обеспечивает быстрое регулирование подачи топлива независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя, улучшение герметизации полостей высокого давления и в конечном итоге увеличение эффективности насоса.

Насос снабжен собственным блоком управления для точной установки момента начала подачи топлива и его дозирования. В памяти ЭБУ хранится программа работы конкретного насоса и информация о данных его калибровки.

Электронный блок управления работой двигателя определяет начало впрыска топлива и его подачу на основе рабочих характеристик двигателя и отправляет эту информацию по каналу связи в блок управления насоса. С использованием такой системы можно управлять как моментом начала впрыска, так и началом нагнетания.

Блок управления насоса также получает сигнал о количестве впрыскиваемого топлива через шину данных. Этот сигнал затем обрабатывается в блок управления двигателя в соответствии с сигналами, поступающими от педали подачи топлива, и другими параметрами, определяющими потребное количество топлива. В блок управления насоса сигналы о количестве впрыскиваемого топлива и скоростном режиме работы насоса на момент начала подачи топлива принимаются в качестве входных переменных для диаграммы рабочих характеристик насоса, на основании которых соответствующий период срабатывания сохраняется в виде угла поворота кулачковой шайбы.

И наконец, момент срабатывания электромагнитного клапана высокого давления и продолжительность его закрытия определяются по данным угла поворота датчика, интегрированного в топливный насос распределительного типа (VE). Этот датчик используется для регулирования по углу поворота/времени. Датчик состоит из магниторезистивного сенсора и кольцевого элемента, обладающего магнитным сопротивлением и имеющего метки, расставленные через 3°, для каждого цилиндра двигателя. Датчик с высокой точностью определяет угол поворота приводного вала, при котором электромагнитный клапан открывается и закрывается. Это позволяет блок управления насоса преобразовывать данные по моменту начала подачи топлива в данные по соответствующему этому моменту углу поворота кулачкового вала и наоборот.

Мягкое протекание процесса подачи топлива в начале впрыскивания, которое зависит от конструктивных особенностей насоса распределительного типа, еще больше реализуется при использовании форсунки с двумя пружинами. При работе прогретого двигателя с турбонаддувом такое протекание топливоподачи позволяет снизить уровень шума работающего двигателя.

Предварительный впрыск

Обеспечивает дальнейшее снижение шума от сгорания топлива без ухудшения работоспособности всей системы, которая должна обеспечивать максимальную эффективную мощность при минимально возможном эксплуатационном расходе топлива. Для получения предварительного впрыска дополнительных конструктивных изменений не требуется. В течение нескольких миллисекунд ЭБУ заставляет срабатывать электромагнитный клапан дважды. Электромагнитный клапан с высокой точностью и быстродействием регулирует количество впрыскиваемого топлива. Типичные значения количества впрыскиваемого топлива составляют 1,5 мм3.

Распределительный ТНВД двигателя

Распределительный насос состоит из одного или двух плунжеров, которые способны обеспечить необходимую силу давления топлива. Устройство ТНВД дизельного двигателя определяется конструкцией модели авто, где установлен конкретный нагнетающий механизм. В данных механизмах конструкторы не выделяют для каждого топливного цилиндра свою плунжерную пару. Движение солярки к распыляющим отверстиям форсунок производится по топливным каналам.

Основные преимущества топливных насосов ТНВД распределительного типа:

Сравнительно небольшие размеры и вес ТНВД. Благодаря этому, производители современных легковых транспортных средств чаще всего устанавливают на выпускаемых моделях топливные насосы именно распределительного типа.
Равномерное распределение горючего по всем цилиндрам, вне зависимости от того, в каком режиме функционирует ДВС, благодаря настройкам электронной системы управления.

Среди немногочисленных недостатков данной конструкции можно отметить короткий эксплуатационный срок оборудования. Это объясняется тем, что плунжерная пара теперь работает одна в условиях повышенных нагрузок.

Устройство опережения впрыскивания топлива

Наиболее благоприятно процесс сгорания, равно как и лучшая отдача дизеля по мощности, протекает только в том случае, когда момент начала сгорания соответствует определенному положению коленчатого вала или поршня в цилиндре Задачей устройства опережения впрыскивания является увеличение угла начала подачи топлива при повышении частоты вращения коленчатого вала. Это устройство, состоящее из датчика угла поворота приводного вала ТНВД, блока управления и электромагнитного клапана установки момента начала впрыскивания, обеспечивает оптимальный момент начала впрыскивания соответственно условиям эксплуатации двигателя, чем компенсирует временной сдвиг, определяемый сокращением периода впрыскивания и воспламенения при увеличении частоты вращения.

Устройство опережения впрыскивания, оснащенное гидравлическим приводом, встроено в нижнюю часть корпуса ТНВД поперек его продольной оси.

Кулачковая шайба 1 входит своей шаровой цапфой 2 в поперечное отверстие плунжера 3 так, что поступательное движение последнего превращается в поворот кулачковой шайбы. В середине плунжера находится регулировочный клапан 5, который открывает и закрывает управляющие отверстия в плунжере. По оси плунжера 3 расположен нагруженный пружиной 10 управляющий поршень 12, который задает положение регулировочного клапана.

Поперек оси плунжера находится электромагнитный клапан 15 установки момента начала впрыскивания. Блок управления ТНВД воздействует на плунжер устройства опережения впрыскивания с помощью этого клапана (рис

5.50), на который непрерывно подаются импульсы тока постоянной частоты и переменной скважности. Клапан изменяет давление, действующее на управляющий поршень

Регулирование подачи топлива

Наиболее простым способом регулируется цикловая подача в аккумуляторных системах типа Common Rail. Электронное управление форсунками и их скорость открытия-закрытия позволяет не только определять, сколько горючего подаётся за один такт, но и осуществлять впрыск нескольким порциями. Например, на холостом ходу производится один или два импульса подачи для увеличения температуры в камере сгорания, после чего осуществляется впрыск основной дозы.

По мере роста нагрузки и оборотов от трёх импульсов система переходит к двум, а затем и подаёт весь заряд одной порцией. Под полной нагрузкой температуры и давления достаточно и без предварительного заряжания смеси. Исключение составляет режим регенерации сажевого фильтра, когда требуется увеличить температуру выхлопных газов для дожигания углерода. Для этого производится дополнительный импульс впрыска. Перерасход топлива становится платой за экологию. Но всё это дозирование не касается работы ТНВД, его работа заключается лишь в поддержании давления в рампе и отсечке лишнего топлива при помощи клапана на впуске. Излишки сливаются в обратную магистраль.

В распределительных насосах дозированием занимается соответствующий механизм в ТНВД. Это происходит за счёт изменения геометрии нагнетания, активный ход плунжера изменяется, происходит отсечка топлива. Изменение возможно как в начале, так и в конце подачи. При развороте плунжера он открывает или закрывает специальные отсечные отверстия, через которые происходит перепуск.

При наличии у насоса электронного регулирования отсечкой заполнения камеры занимается электромагнитный клапан распределителя. С его же помощью можно остановить двигатель, полностью перекрыв подачу.

Диафрагменные насосы подачи топлива.

В корпусе насоса, разделённом на две части, расположена гибкая диафрагма, совершающая возвратно-поступательные движения под действием рычага и возвратных пружин.

В нижнеклапанных безиновых моторах рычаг движется эксцентриком распределительного вала, в верхнеклапанных — эксцентриком вала привода вспомогательных агрегатов.

Бензин, засасываемый диафрагмой, проходит через тонкую сетку-фильтр и впускные клапаны, в карбюратор поступает через выпускные клапаны.

Диафрагменный устройства развивают давление до 2 бар, производительность их прямо пропорциональна частоте вращения двигателя и достигает 60 л/час.

Рабочая диафрагма может состоять из двух или трёх слоёв.

При превышении давления выпускной клапан «зависает» и топливо циркулирует в первичной камере насоса, не уходя в карбюратор.

Все типы диафрагменных насосов оборудованы рычагом ручной подкачки.

Работоспособность и долговечность диафрагменных типов устройств в большой степени зависит от стойкости клапанов и материала диафрагмы, изнашиваемых микрочастицами, содержащимися в топливе.

Срок службы диафрагменных насосов невелик и обычно не превышает 50-70 тыс. км пробега.