Информация о курсе
Топливные системы дизелей
1. Особенности рабочих процессов топливных систем дизелей
Топливные системы дизелей подразделяют на системы непосредственного впрыскивания и аккумуляторные. Они могут иметь как традиционные механические устройства управления, так и электрические с электронным управлением.
К топливным системам непосредственного впрыскивания относятся:
системы разделенного типа, у которых секции топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунки выполнены отдельно и соединены топливопроводом высокого давления. Такие системы получили наибольшее распространение;
системы с насос-форсунками, у которых секция насоса и форсунка выполнены в одном узле, а топливопровод высокого давления отсутствует.
Основными механизмами и узлами топливной аппаратуры дизелей являются топливный насос высокого давления, топливоподкачивающий насос низкого давления, муфта опережения впрыскивания топлива, форсунки, расположенные в головках цилиндров, топливный бак с фильтром грубой очистки топлива, фильтр тонкой очистки топлива, топливопроводы низкого и высокого давления, сливные топливопроводы.
Взаимодействие механизмов и узлов топливной аппаратуры
В системе разделенного типа топливо хранится в баке 14 (рис. 1.9.1.) и с помощью топливоподкачивающего насоса 12 подается по топливопроводам линии низкого давления (0,05...0,15 МПа) через фильтры грубой 10 и тонкой 9 очистки в топливный насос высокого давления (ТНВД) 8. Так как насос низкого давления подает больше топлива, это необходимо для работы дизеля, то часть топлива, не использованного в насосе высокого давления, через перепускной клапан по сливным топливопроводам отводится обратно в бак. Просочившееся через зазоры в деталях форсунок топливо сливается в бак по сливным топливопроводам. При этом неиспользованное топливо обеспечивает смазывание и охлаждение деталей насоса и форсунки. Избыток топлива сливается в бак по топливопроводу 15 или поступает по топливопроводам 11 или 13 в линию низкого давления. Линия высокого давления обеспечивает дозирование и впрыскивание топлива в цилиндры под давлением 30...150 МПа. Она включает топливный насос 8, топливопровод 7 и форсунки 6.
Важнейшей функцией топливной системы разделенного типа является дозирование топлива, подаваемого в цилиндры, так как в зависимости от режима работы дизеля цикловая подача изменяется в 6...15 раз, а ее минимальное значение может составлять 5...7 мм3.
—› - подача топлива; ---› - слив топлива
Рис.1.9.1. Схема топливной системы разделенного типа:
1 — кран; 2 — приемный фильтр; 3 — сливной кран; 4 — заливная горловина; 5 — фильтр заливной горловины; 6 — форсунка; 7 — топливопровод высокого давления; 8 — топливный насос высокого давления; 9 — фильтр тонкой очистки топлива; 10 — фильтр грубой очистки топлива; 11 — трубка отвода топлива к фильтру грубой очистки; 12 — топливоподкачивающий насос; 13 — трубка отвода топлива к топливоподкачивающему насосу; 14 — топливный бак; 15 — трубка отвода топлива в бак
Рассмотрим работу секции ТНВД с механическим приводом плунжера и дозированием топлива отсечкой. В начале подъема плунжера 3 (рис. 1.9.2, а) во втулке 2 насоса происходит вытеснение топлива из надплунжерной полости VH через впускное окно 1 в каналы низкого давления в корпусе насоса.
Рис. 1.9.2. Схема работы секции топливного насоса высокого давления:
а — вытеснение; б — впрыск (активный ход); в — отсечка; г — наполнение; 1 — впускное окно; 2 — втулка; 3 — плунжер; 4 — штуцер; 5 — нагнетательный клапан; 6 — отверстие; 7 — отсечное окно; 8 — отсечная кромка
Как только торец плунжера перекроет впускное окно, начинается активный ход плунжера и давление в надплунжерной полости повышается. При этом открывается нагнетательный клапан 5, топливо подается в объем Vн' (рис. 1.9.2, б) штуцера 4, а давление резко возрастает. В результате возникает прямая волна давления, которая перемещается по топливопроводу высокого давления со скоростью звука в топливе. Она вызывает нарастание давления топлива в корпусе форсунки и открывает запирающее устройство форсунки. В этот момент начинается впрыскивание топлива в цилиндр дизеля. Распыливающие отверстия форсунки имеют небольшое проходное сечение, поэтому происходит частичное отражение волны давления от форсунки к насосу. Наложение прямых и обратных волн давления вызывает сложный характер колебаний давления в топливопроводе. В определенных условиях отражение обратной волны от насоса после окончания активного хода плунжера может привести к тому, что вновь образованная прямая волна пойдет к форсунке и может вторично открыть ее запирающее устройство и произойдет нежелательное подвпрыскивание топлива.
Активный ход плунжера 3 завершается, когда его отсечная кромка открывает отсечное окно 7 втулки (рис. 1.9.2, в). Процесс завершения перетекания топлива через отверстие 6 и окно 7 в линию низкого давления называют отсечкой. При этом давление в надплунжерной полости резко падает, а нагнетательный клапан под действием пружины перемещается вниз.
Наполнение надплунжерной полости через впускное окно 7 происходит при движении плунжера вниз (рис. 1.9.2, г). Параметры впускного окна выбирают из условия обеспечения полного наполнения надплунжерной полости во всем диапазоне рабочих режимов топливной системы.
2. Топливные насосы высокого давления (ТНВД)
Классифицируют по следующим признакам:
по количеству плунжеров — многоплунжерные (на каждый цилиндр приходится один плунжер) и распределительного типа (секция подает топливо в несколько цилиндров);
по способу привода плунжера — с жестким (механическим) и с гибким (гидравлическим, газовым или пружинным) приводом;
по методам дозирования топлива — с регулированием цикловой подачи отсечкой и дросселированием на впуске (изменением наполнения топливом надплунжерного объема с помощью дросселирующего устройства в канале, подводящем топливо к впускному окну; применяется в распределительных насосах).
Распределительные ТНВД подразделяют на плунжерные и роторные. По типу привода плунжеров они бывают: с внешним цилиндрическим кулачковым профилем, торцовым кулачковым профилем (используют в плунжерных насосах) и внутренним цилиндрическим профилем (применяют в роторных насосах).
ТНВД аккумуляторных топливных систем бывают двух видов:
с аккумулятором большой емкости и постоянным давлением, в который топливо нагнетается под давлением одним или несколькими плунжерами и из него поступает к управляемым форсункам;
с аккумулятором малой емкости, в который топливо поступает в начале нагнетательного хода плунжера, а затем, после создания в аккумуляторе большого давления, подается к форсункам.
В аккумуляторных системах питания используют электронное регулирование. В настоящее время эти системы находят все более широкое применение.
Многоплунжерный топливный насос с механическим приводом и регулированием отсечкой (рис. 1.9.3). Плунжер 7 насоса вместе с толкателем 8 совершают возвратно-поступательное движение под воздействием кулачка 9 и пружины 1.
Активный ход плунжера, т. е. цикловая подача, изменяется при повороте плунжера вокруг оси, так как его отсечная кромка выполнена в виде винтовой линии. Для поворота плунжера служат рейка 2, которая перемещается с помощью зубчатой передачи, и поворотная втулка 3. Цикловая подача топлива регулируется за счет изменения конца подачи топлива, а момент начала подачи остается практически постоянным.
Нагнетательный клапан 5 в промежутках между впрыскиваниями топлива разъединяет линии высокого и низкого давления ТНВД, исключает обратное перетекание топлива из линии высокого давления и поддерживает стабильное остаточное давление в полостях штуцера насоса, топливопровода и форсунки перед началом следующего впрыскивания. Нагнетательный клапан может обеспечить корректирование скоростной характеристики подачи топлива.
Для предотвращения подвпрыскивания топлива нагнетательный клапан в верхней части имеет разгрузочный поясок. При насосном действии разгрузочного пояска клапана из объема штуцера отсасывается часть топлива, в штуцере падает давление, что вызывает выделение воздуха из топлива и обеспечивает демпфирование подошедшей к штуцеру насоса обратной волны.
Наиболее распространены в автотракторных дизелях.
Рис. 1.9.3. Многоплунжерный топливный насос высокого давления:
1 — пружина; 2 — рейка; 3 — поворотная втулка; 4 — втулка плунжера; 5 — нагнетательный клапан; 6 — штуцер; 7 — плунжер; 8 — толкатель; 9 — кулачок
Топливные насосы распределительного типа имеют наилучшие показатели по габаритам и массе и являются основным типом насосов в дизелях легковых автомобилей и на тракторах малой мощности.
Одноплунжерный насос с торцовым кулачковым профилем. Отличительной особенностью таких насосов является то, что в них оси приводного вала 1 (рис. 1.9.4) и плунжера 3 совпадают и вращаются с одинаковой угловой скоростью.
Давление топлива (от 0,2 до 0,8 МПа) в корпусе распределительного насоса обеспечивает топливоподкачивающий насос 8, установленный на приводном валу. Избыток топлива сливается через жиклер, расположенный в верхней части корпуса. Плунжер, перемещаясь к ВМТ (вправо) и преодолевая сопротивление пружины 5, совершает ход нагнетания при набегании выступов движущейся заодно с ним кулачковой шайбы 6 на ролики 7 с закрепленными осями. Для изменения цикловой подачи топлива служит дозатор 4, который управляется рычагом 2 регулятора.
При наличии четырех роликов плунжер обслуживает четыре форсунки, следовательно, за 1/4 поворота приводного вала полностью завершается рабочий цикл подачи топлива в один цилиндр.
Рис. 1.9.4. Распределительный одноплунжерный насос:
1 — приводной вал; 2 — рычаг регулятора; 3 — плунжер; 4 — дозатор; 5 — пружина; 6 — кулачковая шайба; 7 — ролик; 8 — насос
Рабочий цикл подачи топлива начинается с наполнения топливом надплунжерной полости Д (рис. 1.9.5, а) через впускное окно В и выточку Г в плунжере 3 при движении плунжера к НМТ (влево). Один из нагнетательных каналов Б в этот период через паз А, выточку на плунжере и окно Е соединен с полостью низкого давления. Плунжер при нахождении в НМТ, вращаясь, постепенно перекрывает наполнительное окно. Начинается активный ход плунжера (рис. 1.9.5, б). Топливо через центральный канал и распределительный паз А плунжера, нагнетательный канал Б корпуса 2 и нагнетательный клапан подается по топливопроводу к форсунке. Активный ход плунжера заканчивается отсечкой топлива через радиальные каналы Ж (рис. 1.9.5, в), ранее закрытые дозатором 1.
Цикловая подача топлива изменяется с помощью управляющего рычага регулятора, который перемещает дозатор 1 вдоль оси плунжера. При перемещении дозатора вправо активный ход плунжера и цикловая подача увеличиваются.
=> Движение плунжера —› Движение топлива
Рис. 1.9.5. Схема работы распределительного одноплунжерного насоса:
а — наполнение; б — активный ход; в — отсечка; 1 — дозатор; 2 — корпус; 3 — плунжер; А — распределительный паз; Б — нагнетательный канал; В — впускное окно; Г — выточка; Д — надплунжерная полость; Е — окно; Ж — радиальный канал
Роторные распределительные насосы. По сравнению с одноплунжерными имеют меньшие массу и габаритные размеры, однако создают меньшие давления впрыскивания. Ротор 1 (рис. 1.9.6) вращается во втулке 2, закрепленной в корпусе насоса. Наполнение топливом плунжерной полости происходит через впускное окно А (рис. 1.9.6, а), когда два плунжера 5 и два толкателя 4 прижаты центробежными силами к неподвижной кулачковой шайбе 3. В процессе вращения ротора под действием кулачковых выступов на шайбе 3 плунжеры сходятся и повышают давление топлива (рис. 1.9.6, б). При закрытом впускном окне А топливо через окно Б поступает под давлением к нагнетательному клапану и затем по топливопроводу к форсунке. Изменение цикловой подачи топлива осуществляют его дросселированием на впуске. Надежная работа данных насосов достигается тонкой фильтрацией топлива.
Рис. 1.9.6. Распределительный роторный насос:
а — наполнение; б — активный ход; / — ротор; 2 — втулка; 3 — кулачковая } шайба; 4 — толкатель; 5 — плунжеры; А и Б — окна
3. Форсунки
Обеспечивают подачу топлива в цилиндр дизеля, распыливание и распределение топлива по его камере сгорания.
|
|
Рис. 1.9.7. Закрытая форсунка с пружинным запиранием: 1 — штуцер; 2 — защитный фильтр; 3 — пружина; 4— игла распылителя; 5— корпус распылителя; 6 — корпус форсунки; А и Б — подводящий и отводящий топливные каналы
|
Рис.1.9.8. Распылители закрытых форсунок: 1 — корпус; 2 — игла; 3 — штифт
|
В автотракторных дизелях применяют закрытые форсунки, в которых проходное сечение распылителя между впрыскиваниями топлива закрывается иглой под действием пружины или давления жидкости (в гидрозапорных форсунках).
В форсунку (рис. 1.9.7) топливо поступает через штуцер 1 и защитный фильтр 2 по каналу А в корпус 5 распылителя. Под действием давления игла 4, преодолевая силу пружины 3, поднимается и пропускает топливо к распыливающим отверстиям, через которые оно впрыскивается в цилиндр. Во время отсечки топлива в ТНВД давление топлива в форсунке резко снижается, а игла под действием пружины опускается, закрывая отверстия в распылителе.
Закрытый многоструйный распылитель (рис. 1.9.8, а) состоит из корпуса и иглы. Перемещающееся в каналах распылителя топливо проходит через дросселирующие сечения под иглой и распыливающие отверстия. Распылитель применяется на дизелях с неразделенными камерами сгорания. В зависимости от типа камеры он имеет от 1 до 10 распыливающих отверстий диаметром от 0,15 до 0,6 мм. Носок распылителя, выступающий в камеру сгорания, подвергается воздействию высоких температур.
Штифтовой распылитель (рис. 1.9.8, б) в отличие от многоструйного на конце иглы снабжен штифтом, который состоит из верхней цилиндрической части и двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями. Распылитель обеспечивает впрыскивание топлива через кольцевую щель между корпусом распылителя и штифтом в виде конуса. Такие распылители используются в дизелях с разделенными камерами сгорания.
4. Насосы-форсунки
Позволяют получить высокие давления впрыскивания (до 120...160 МПа) благодаря отсутствию топливопроводов высокого давления и малому объему сжимаемого при впрыскивании топлива.
Привод насосов-форсунок осуществляется от дополнительного кулачкового вала. Дозирование топлива выполняется методом отсечки или клапанным регулированием. При дозировании отсечкой работа регулятора частоты вращения существенно затруднена из-за сложности установки реек насосов-форсунок в одинаковое положение.
При клапанном регулировании управление цикловой подачей и углом опережения впрыскивания осуществляется изменением момента закрытия дозирующего клапана. При открытом дозирующем клапане топливо вытесняется в полость низкого давления. Когда клапан, управляемый электромагнитом, закрыт, топливо будет подаваться в цилиндр дизеля.
5. Механизмы и узлы магистрали низкого давления (на примере автомобиля МАЗ)
В магистраль низкого давления входят топливный бак, фильтры грубой и тонкой очистки топлива, топливоподкачивающий насос низкого давления, насос для ручной подкачки топлива и топливопроводы.
Топливный бак. У автомобилей МАЗ-5335, -5432 топливный бак изготовлен из листовой стали, установлен на кронштейн рамы с правой стороны и закреплен хомутами. Заправочный объем бака — 200 л. Бак имеет выдвижную заливную горловину с фильтрующей сеткой и герметичной пробкой. Пробка имеет двойной клапан для впуска и выпуска воздуха. В баке устанавливается фильтр предварительной (грубой) очистки топлива и датчик указателя уровня топлива. В нижней части бака имеется сливное отверстие, закрываемое пробкой.
Фильтр грубой очистки топлива. Фильтр грубой очистки топлива предназначен для предварительной очистки топлива. В автомобилях семейства МАЗ фильтр размещается в топливном баке и состоит из корпуса с топливозаборной трубкой, крышки и фильтрующего элемента, представляющего собой металлический каркас с отверстиями, на который навит хлопчатобумажный шнур. Насосом низкого давления топливо из топливозаборной трубки подается к фильтрующему элементу и, пройдя его, через штуцер поступает в топливопровод низкого давления.
В отличие от дизелей ЯМЗ топливные фильтры грубой очистки дизелей КамАЗ-740 и ЗИЛ-645 имеют следующие конструктивные особенности. Фильтр грубой очистки не имеет специального (хлопчатоматерчатого) фильтрующего элемента, а очистка топлива происходит при помощи фильтрующей сетки со специальным успокоителем, которые установлены в корпусе-стакане и прикреплены у автомобилей КамАЗ к лонжерону рамы, а у автомобилей ЗИЛ-4331 — к кронштейну топливного бака.
Фильтр тонкой очистки топлива. Фильтр тонкой очистки служит для окончательной очистки топлива перед поступлением его в топливный насос высокого давления. Он состоит из корпуса, крышки и фильтрующего элемента. Крышка с корпусом соединена болтом, который ввертывается в стержень. Герметичность соединения обеспечивается уплотнительной прокладкой.
На входе в фильтр имеется жиклер, через который часть (избыток) топлива отводится по сливному топливопроводу помимо фильтрующего элемента. Это предотвращает излишнее загрязнение фильтра и способствует непрерывной циркуляции топлива в магистрали низкого давления, что исключает попадание воздуха в магистраль высокого давления.
Сменный фильтрующий элемент выполнен в виде стального каркаса, имеющего большое число отверстий. Каркас обмотан слоем ткани, поверх которой располагается слой фильтрующей массы, пропитанной специальным связывающим веществом, наружная поверхность фильтрующего элемента обмотана марлевой лентой. К крышке фильтрующий элемент поджимается пружиной. При работе насоса высокого давления топливо через жиклер подается к фильтрующему элементу, проходит через него и попадает в полость между каркасом и стержнем, откуда поднимаясь вверх через канал в крышке, по топливопроводу поступает к насосу высокого давления. Для выпуска воздуха, попавшего в топливо при заполнении и прокачивании системы питания, служит отверстие в крышке, закрываемое пробкой. Отстой из фильтра выпускается через нижнее отверстие с резбовой пробкой.
Топливный фильтр тонкой очистки дизелей КамАЗ-740 и ЗИЛ-645 имеет следующие особенности. Фильтр тонкой очистки расположен выше других приборов системы питания, что способствует концентрации в нем воздуха, проникающего в фильтр при циркуляции топлива, и облегчает сбрасывание в бак по сливному топливопроводу через жиклер с дополнительно установленным в нем клапаном, открывающимся при избыточном давлении 0,15...0,17 МПа.
Для повышения качества очистки топлива фильтр тонкой очистки снабжен двумя параллельно работающими сменными фильтруюшими элементами, изготовленными из пакета специальной бумаги и установленными в одном сдвоенном корпусе.
Топливоподкачивающий насос низкого давления. Насос предназначен для подачи топлива из топливного бака к насосу высокого давления. Топливоподкачивающий насос поршневого типа приводится в действие от эксцентрика кулачкового вала насоса высокого давления. На входе и выходе топлива в корпусе 1 (рис. 1.9.9, а) насоса установлены впускной 13 и выпускной 15 клапаны с пружинами 14 и 16. Поршень 19 приводится в движение через роликовый толкатель 3, состоящий из ролика 2, штока 5 и пружины 4, которая прижимает толкатель к эксцентрику 23 (рис. 9).
При движении поршня 19 вверх под давлением предварительно поступившего в насос топлива впускной клапан 13 закрывается, а выпускной клапан 15 открывается. При этом топливо из полости А через перепускной канал 22 поступает в полость Б, объем которой вследствие перемещения поршня вверх увеличивается.
При движении поршня 19 вниз (рис. 1.9.9, в) выпускной клапан закрывается и топливо из полости Б нагнетается к выходному отверстию насоса, откуда через выпускной штуцер 17 поступает в фильтр тонкой очистки и затем к насосу высокого давления.
При этом из-за увеличения объема в полости А возникает разрежение, под действием которого открывается впускной клапан (см. рис. 9, б) и в эту полость через отверстие впускного штуцера (см. рис. 1.9.9, а) поступает новая порция топлива, и цикл работы насоса повторяется.
При различных режимах работы дизеля постоянное давление перепускном канале 22 (см. рис. 1.9.9, б) достигается переменным ходом поршня 19, обеспечиваемым специально подобранной пружиной 18. На режимах частичных нагрузок дизеля при малых ходах топлива в полости Б возникает давление и поршень 19 не совершает своего полного хода, поэтому шток 5 (см. рис. 1.9.9,а) толкателя частично перемещается вхолостую, вследствие чего подача топлива уменьшается.
Рис. 9. Топливоподкачивающий насос низкого давления дизелей семейства ЯМЗ:
а - устройство; 6 — схема перепуска топлива; в — схема всасывания и нагнетания; 1 - корпус; 2 — ролик; 3 — толкатель; 4, 14, 16, 18 — пружины; 5, 9 — штоки; 6 — дренажный канал; 7, 17 — штуцеры; 8, 19 — поршни; 10 — рукоятка; 11 - цилиндр; 12— прокладка; 13, 15— соответственно впускной и выпускай клапаны; 20 — направляющая втулка; 21 — хвостовик; 22 — перепускной канал; 23 — эксцентрик; А, Б — нагнетательные полости
Для предотвращения разжижения масла в картере насоса высокого давления топливо, просочившееся между штоком 5 и стенками отверстия его направляющей втулки 20, поступает обратно в полость впускного клапана 13 через дренажный канал 6.
На корпусе насоса низкого давления установлен насос ручной подкачки топлива, который служит для заполнения системы питания топливом и удаления из нее воздуха после проведения ремонтно-профилактических работ или длительной стоянки автомобиля. Насос состоит из цилиндра 11, поршня 8 со штоком 9 и рукоятки 10.
Для ручной подкачки топлива отвертывают рукоятку 10 с резьбового хвостовика 21 (см. рис. 9, в) и, действуя ею, как штоком в обычном поршневом насосе, нагнетают в магистраль топливо или удаляют из нее воздух. После окончания ручной подкачки рукоятку 10 навертывают на хвостовик 21 до плотного прилегания поршня к прокладке 12 (см. рис.9, а), чтобы не допустить подсоса воздуха в систему питания через насос ручной подкачки.
![](https://eoistver.ru/pluginfile.php/154439/course/overviewfiles/%D0%B4%D0%B8%D0%B7%20%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C.jpg)