Распределительный ТНВД серии VR с радиальным движением плунжеров

1.Общие сведения

В корпусе распределительного ТНВД серии VR (рис. 1) объединены следующие узлы:

•лопастной топливоподкачивающий насос 2 с двумя клапанами: регулирования давления и дросселирования перепуска;

•ТНВД 5 с радиальным движением плунжеров, валом-распределителем и нагнетательным клапаном;

•электромагнитный клапан 7 высокого давления;

•устройство опережения впрыскивания с электромагнитным клапаном установки момента начала впрыскивания;

•датчик 3 угла поворота приводного вала ТНВД;

•блок 4 управления ТНВД.

Объединение этих узлов в компактный агрегат подразумевает очень точное изготовление отдельных узлов и четкую их связь при совместной работе. Таким образом, в полном объеме могут выполняться жестко заданные параметры функционирования, в том числе мощностные.

Рисунок 1 – Узлы распределительного ТНВД с радиальным расположением плунжеров:

1 – приводной вал ТНВД; 2 – лопастной топливоподкачивающий насос; 3 – датчик угла поворота приводного вала ТНВД; 4 – блок управления ТНВД; 5 – ТНВД с радиальным движением плунжеров; 6 – вал-распределитель; 7 – электромагнитный клапан высокого давления; 8 - нагнетательный клапан

Лопастной топливоподкачивающий насос с клапанами регулирования давления и дросселирования перепуска

Мощный вал привода ТНВД от дизеля работает с одной стороны в подшипнике скольжения, а с другой — качения. На этом же валу установлен топливоподкачивающий насос, который подает топливо под давлением из топливного бака к ТНВД.

ТНВД с радиальным движением плунжеров

Такой ТНВД приводится в действие от приводного вала, общего с топливоподкачивающим насосом. ТНВД создает давление, необходимое для впрыскивания топлива в цилиндр, и распределяет топливо по отдельным форсункам двигателя.

Передача крутящего момента с приводного вала на вал-распределитель ТНВД обеспечивается с помощью соединительной муфты.

Электромагнитный клапан высокого давления

Располагается по оси корпуса ТНВД, причем игла клапана входит в вал-распределитель и вращается синхронно с ним. Клапан открывается и закрывается с переменной периодичностью, зависящей от сигналов блока управления ТНВД. Продолжительность закрытого положения клапана определяет длительность нагнетания топлива в магистрали высокого давления, чем с высокой точностью регулируется величина цикловой подачи топлива.

Устройство опережения впрыскивания

Подобное устройство с электромагнитным клапаном и рабочим поршнем, расположенным поперек оси ТНВД, находится на нижней стороне ТНВД. Оно приводится в действие гидравлической системой, поворачивающей кулачковую шайбу в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала в положение, соответствующее требуемому моменту начала подачи. Этот момент регулируется электромагнитным клапаном установки момента начала впрыскивания. Устройство опережения впрыскивания называют также электронным регулятором впрыскивания.

Датчик угла поворота приводного вала

Состоит из установленного на приводном валу инкрементного колеса (колеса датчика угловых отметок), держателя и датчика угловых сигналов. Датчики служат для измерения угла взаимного расположения приводного вала и кулачковой шайбы во время вращения. Зная величину этого угла, можно вычислить действительную частоту вращения, положение устройства для изменения угла опережения впрыскивания и угловое положение коленчатого вала.

Блок управления ТНВД

На верхней крышке ТНВД крепится его блок управления, или комбинированный блок управления работой ТНВД и дизеля. В любом варианте блок оснащен ребрами охлаждения. В зависимости от информации, полученной от датчика угла поворота и блока управления работой дизеля, блок управления ТНВД формирует управляющие сигналы для электромагнитных клапанов высокого давления и установки момента начала впрыскивания.

2.Конструкция и привод ТНВД

Распределительный ТНВД с радиальным движением плунжеров закреплен непосредственно на дизеле. Чтобы при подсоединении магистралей высокого давления не перепутать их соответствие определенным цилиндрам двигателя, штуцеры отвода топлива от насоса обозначены буквами А, В ... F. ТНВД такого типа применяются на дизелях с числом цилиндров не более шести.

На приводной вал ТНВД передается крутящий момент непосредственно с коленчатого вала двигателя. Конструкция механизма передачи зависит от конструкции двигателя, а синхронность вращения валов дизеля и ТНВД обеспечивается использованием привода с зацеплением — роликовой цепи, шестерен, зубчатого ремня или зубчатой муфты. На четырехтактных дизелях частота вращения приводного вала ТНВД составляет половину частоты вращения коленчатого вала и соответственно равна частоте вращения распределительного вала.

3.Контур низкого давления

Важнейшими узлами контура являются топливоподкачивающий насос, а также клапаны регулирования давления и дросселирования перепуска топлива (рис. 2).

Рисунок 2 – Контур низкого давления:

1 – лопастной топливоподкачивающий насос; 2 – клапан регулирования давления; 3 – клапан дросселирования перепуска

Топливоподкачивающий насос размещен вокруг приводного вала. Между внутренней стенкой корпуса насоса и колесом-крестовиной располагается приемная втулка с эксцентрически профилированной внутренней поверхностью. Во внутренней стенке корпуса имеются два паза — подводящий и отводящий, обеспечивающие перекачку топлива к ТНВД.

Внутри приемной втулки вращается колесо-крестовина, на шлицах посаженное на приводной вал. В направляющих канавках этого колеса-крестовины находятся подпружиненные шиберы (заслонки), которые вследствие значительных центробежных сил и усилий пружины прижаты к приемной втулке. Пространство, представляющее собой внутреннюю камеру, образовано следующими элементами:

•внутренняя стенка корпуса;

•колесо-крестовина;

•эксцентрически профилированная внутренняя поверхность приемной втулки;

•внешняя поверхность колеса-крестовины;

•два соседних шибера.

Топливо через подводящий паз попадает во внутреннюю камеру, по которой движется к отводящему пазу под действием лопастей колеса. Поскольку объем внутренней камеры, ограниченный двумя шиберами, уменьшается по мере их поворота из-за изменения профиля внутренней поверхности приемной втулки, топливо сжимается. В результате к моменту попадания в отводящий паз давление топлива увеличивается.

Из этого паза через внутренние каналы в корпусе топливо подается к различным узлам, в том числе и к клапану давления. В ТНВД серии VR требуемый уровень давления по сравнению с другими видами распределительных ТНВД довольно высок, и колесо-крестовина с шиберами вращается с относительно высокой скоростью. Шиберы насоса при его работе прилегают к внутренней поверхности приемной втулки под действием центробежных сил и усилия внутренних пружин.

Для того чтобы компенсировать интенсивный износ торцевой части шиберов и внутренней поверхности приемной втулки, в торцах шиберов выточены углубления. Таким образом, уменьшается площадь контакта шибера и внутренней поверхности приемной втулки.

Клапан регулирования давления

Давление топлива, создаваемое топливоподкачивающим насосом на стороне нагнетания, зависит от частоты вращения колеса насоса. В то же время это давление при возрастании частоты вращения увеличивается непропорционально. Клапан регулирования давления (нагруженный пружиной щелевой клапан) располагается в непосредственной близости от топливоподкачивающего насоса и соединяется с отводящим пазом через отверстие. Клапан изменяет давление нагнетания, создаваемое топливоподкачивающим насосом, в зависимости от требуемого расхода топлива. Если создаваемое давление топлива превышает определенную величину, торцевая кромка поршня открывает отверстия, расположенные радиально, и через них поток топлива сливается по каналам насоса к подводящему пазу. Если давление топлива слишком мало, эти радиальные отверстия закрыты вследствие преобладания сил пружины. Предварительный натяг пружины определяет, таким образом, величину давления открытия клапана.

Клапан дросселирования перепуска

Для охлаждения топливоподкачивающего насоса и удаления из него воздуха топливо проходит через привинченный к корпусу насоса клапан дросселирования перепуска.

Этот клапан осуществляет отвод топлива к перепуску. В его корпусе находится нагруженный пружиной шарик, который позволяет вытекать топливу только по достижении определенной величины давления в канале.

Дроссель очень малого диаметра, связанный с линией отвода, расположен в корпусе клапана параллельно основному каналу отвода топлива. Он обеспечивает автоматическое удаление воздуха из насоса. Весь контур низкого давления ТНВД рассчитан на то, что в топливный бак через клапан дросселирования перепуска всегда перетекает некоторое количество топлива.

Топливный фильтр

Установка топливного фильтра, рассчитанного непосредственно на потребности данной системы впрыска, является условием нормальной работы топливного оборудования, поскольку загрязненное топливо может нанести вред элементам насосов, клапанов давления и форсунок.

Топливо может содержать воду в связанном (эмульсия) или несвязанном (например, конденсат, образующийся вследствие изменения температуры) состоянии. Если вода попадет в систему впрыска, может начаться коррозия.

Рассматриваемая система впрыска требует, как и иные подобные системы, наличия топливного фильтра с бумажным фильтрующим элементом и водосборником, откуда через определенные промежутки времени необходимо через специальную пробку сливать скопившуюся воду.

4.Контур высокого давления

В контур высокого давления (рис. 3) входят ТНВД, а также узел распределения и регулирования величины и момента начала подачи с использованием только одного элемента — электромагнитного клапана высокого давления.

Рисунок 3 – Контур высокого давления:

1 – блок управления; 2 – распределительный ТНВД с радиальным расположением плунжеров; 3 – вал-распределитель; 4 – электромагнитный клапан высокого давления; 5 – нагнетательный клапан

Насосная секция ТНВД с радиальным движением плунжеров создает требуемое для впрыскивания давление величиной до 1000 бар. Она приводится через вал и включает в себя (рис. 4):

•соединительную шайбу;

•башмаки 4 с роликами 2;

•кулачковую шайбу 1;

•нагнетающие плунжеры 5;

•переднюю часть  (головку) вала-распределителя 6.

Рисунок 4 – Примеры расположения радиально движущихся плунжеров распределительного ТНВД:

а – для четырех или шести цилиндров; b – для шести цилиндров; c – для четырех цилиндров

1 – кулачковая шайба; 2 – ролик; 3 – направляющие пазы приводного вала; 4 – башмак ролика; 5 – нагнетательный плунжер; 6 – вал-распределитель; 7 – камера высокого давления

Крутящий момент от приводного вала передается через соединительную шайбу и шлицевое соединение непосредственно на вал-распределитель.

Направляющие пазы 3 служат для того, чтобы через башмаки 4 и сидящие в них ролики 2 обеспечить работу нагнетающих плунжеров 5 сообразно внутреннему профилю кулачковой шайбы 1. Количество кулачков на шайбе соответствует числу цилиндров двигателя. В корпусе вала-распределителя нагнетающие плунжеры расположены радиально, что и дало название этому типу ТНВД. На восходящем профиле кулачка плунжеры совместно выдавливают топливо в центральную камеру высокого давления. В зависимости от числа цилиндров двигателя и условий его применения существуют варианты ТНВД с двумя, тремя или четырьмя нагнетающими плунжерами (рис. 8а, b, с).

Распределение топлива с помощью корпуса-распределителя

Корпус-распределитель (рис. 5) состоит из:

•фланца 6;

•пригнанной к нему распределительной втулки 3;

•расположенной в распределительной втулке задней части вала-распределителя 2;

•запирающей иглы 4 электромагнитного клапана 7 высокого давления;

•аккумулирующей мембраны 10, разделяющей полости подкачки и слива;

•штуцера 16 магистрали высокого давления с нагнетательным клапаном 15.

Рисунок 5 – Корпус-распределитель:

а – фаза наполнения; b – фаза нагнетания

1 – плунжер; 2 – вал-распределитель; 3 – распределительная втулка; 4 – запирающая игла электромагнитного клапана высокого давления; 5 – канал обратного слива топлива; 6 – фланец; 7 – электромагнитный клапан высокого давления; 8 – канал камеры высокого давления; 9 - кольцевой канал впуска топлива; 10 – аккумулирующая мембрана; 11 – полость за мембраной; 12 – камера низкого давления; 13 – распределительная канавка; 14 – выпускной канал; 15 - нагнетательный клапан; 16 – штуцер магистрали высокого давления

В фазе наполнения (рис. 9а) на нисходящем профиле кулачков радиально движущиеся плунжеры 1 перемещаются наружу, к поверхности кулачковой шайбы. Запирающая игла 4 при этом находится в свободном состоянии, открывая канал впуска топлива. Через камеру низкого давления 12, кольцевой канал 9 и канал иглы топливо направляется от топливоподкачивающего насоса по каналу 8 вала-распределителя и заполняет камеру высокого давления. Излишек топлива вытекает через канал 5 обратного слива.

В фазе нагнетания (рис. 9b) плунжеры 1 при закрытой игле 4 перемещаются на восходящем профиле кулачков к оси вала-распределителя, повышая давление в камере высокого давления.

Благодаря этому топливо под высоким давлением движется по каналу 8 камеры высокого давления. Затем топливо через распределительную канавку 13, которая в этой фазе соединяет вал-распределитель 2 с выпускным каналом 14, штуцер 16 с нагнетательным клапаном 15, магистраль высокого давления и форсунку поступает в камеру сгорания двигателя.

Дозирование топлива с помощью электромагнитного клапана высокого давления

Электромагнитный клапан 7 (рис. 5) высокого давления по сигналу блока управления ТНВД перекрывает какал подачи топлива, смещая запирающую иглу 4 к седлу. Закрытие клапана соответствует моменту начала подачи топлива. Одновременно блок управления начинает отсчет времени нагнетания. Дозирование подачи топлива определяется интервалом между моментом начала подачи и моментом открытия электромагнитного клапана и называется продолжительностью подачи. Продолжительность закрытия электромагнитного клапана определяет, таким образом, величину цикловой подачи топли-ва. С открытием этого клапана заканчивается подача топлива под давлением.

Избыточное топливо, которое нагнетается вплоть до прохождения роликом плунжера верхней точки профиля кулачка, направляется через специальный канал в пространство за аккумулирующей мембраной. Скачки высокого давления, которые при этом возникают в контуре низкого давления, демпфируются аккумулирующей мембраной. Кроме того, это пространство сохраняет аккумулированное топливо для процесса наполнения перед последующим впрыскиванием.

Для останова двигателя с помощью электромагнитного клапана полностью прекращается нагнетание под высоким давлением. Следовательно, не требуется дополнительный остановочный клапан, как это имеет место в распределительных ТНВД с управлением регулирующей кромкой.

5.Устройство опережения впрыскивания

При неизменном моменте начала впрыскивания и повышающейся частоте вращения коленчатого вала увеличивается угловое смещение по коленчатому валу между моментами начала впрыскивания и сгорания, так что процесс сгорания не начинается в нужный момент (по отношению к положению поршня в цилиндре).

Наиболее благоприятно процесс сгорания, равно как и лучшая отдача дизеля но 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 (рис. 6).

Рисунок 6 – Устройство опережения впрыска с электромагнитным клапаном:

1 – кулачковая шайба; 2 – шаровая цапфа; 3 – плунжер установки угла опережения впрыскивания; 4 – подводной/ отводной канал; 5 – регулировочный клапан; 6 – лопастной топливоподкачивающий  насос; 7 – выход из топливоподкачивающего насоса; 8 – вход в топливоподкачивающий насос; 9 – подвод от топливного бака; 10 – пружина управляющего поршня; 11 – возвратная пружина; 12 – управляющий поршень; 13 – кольцеобразная камера гидравлического упора; 14 – дроссель; 15 – электромагнитный клапан установки момента начала впрыскивания

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 (на рис. 6 условно повернут в плоскость устройства опережения впрыскивания). Он влияет на давление, действующее на управляющий поршень, принимая сигнал от блока управления ТНВД.

Регулирование начала впрыскивания

В зависимости от условий эксплуатации двигателя (нагрузка, частота вращения коленчатого вала, температура охлаждающей жидкости) блок управления работой дизеля предписывает установку необходимого угла опережения впрыскивания, который определяется соответствующим полем характеристик. В соответствии с этим управляется электромагнитный клапан высокого давления. Для того чтобы ТНВД начал нагнетание в нужное время, кулачковая шайба должна быть повернута сообразно требуемому моменту начала впрыскивания.

Регулятор начала впрыскивания в блоке управления ТНВД постоянно сравнивает действительное значение момента начала впрыскивания с заданным. Если различие этих сигналов выше допустимого, регулятор изменяет момент начала впрыскивания с помощью электромагнитного клапана установки момента начала впрыскивания. Информацию о действительном моменте начала впрыскивания передает сигнал датчика угла поворота приводного вала ТНВД или, в качестве альтернативы, сигнал датчика подъема иглы распылителя форсунки.

Установка раннего опережения впрыскивания

На неработающем двигателе плунжер 3 установки угла опережения впрыскивания (рис. 6) благодаря возвратной пружине 11 устанавливается на позднее впрыскивание. При работающем двигателе давление топлива внутри ТНВД изменяется клапаном регулирования давления в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Давление топлива, проходящего через дроссель 14 в кольцеобразную камеру 13 гидравлического упора, сдвигает при закрытом электромагнитном клапане 15 управляющий поршень 12 в направлении положения «раньше» (на рис. 6 — вправо), преодолевая силу пружины 10 поршня. Благодаря этому на «раньше» сдвигается и регулировочный клапан 5, открывая канал 4, ведущий к камере за плунжером 3.

Топливо, поступая через этот канал, может давить на плунжер, перемещая его в направлении положения «раньше». Осевое перемещение плунжера 3 преобразуется через шаровую цапфу 2 в поворот кулачковой шайбы 1 относительно вала привода ТНВД, что ведет к более раннему набеганию роликов на кулачки и обеспечивает более раннее начало впрыскивания. Возможность установки более раннего угла опережения впрыскивания составляет до 20° угла поворота кулачковой шайбы (соответственно 40° угла поворота коленчатого вала).

Установка позднего опережения впрыскивания

Электромагнитный клапан 15 установки момента начала впрыскивания открывается, если он воспринимает тактовый сигнал от блока управления ТНВД. При его открытии снижается управляющее давление в кольцеобразной камере 13 гидравлического упора.

Управляющий поршень 12 перемещается силой пружины 10 в направлении положения «позже» (на рис. 6 — влево).

Плунжер 3 при этом остается на месте. Топливо может вытекать из полости за плунжером 3, только если регулировочный клапан 5 откроет управляющее отверстие, соединенное с каналом 4. Сила пружины 11 и реактивный момент на кулачковой шайбе 1 давят теперь на плунжер 3 в направлении положения «позже», т. е. к исходному положению.