Устройство системы питания дизельного двигателя

 

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 V_H 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.