Устройство и принципы работы распределительных ТНВД: осевые и радиальные конструкции

Распределительный ТНВД (топливный насос высокого давления) является второй по распространенности компактной конструкцией после рядных насосов. Данный агрегат включает в себя насос низкого давления, секцию высокого давления, устройство опережения впрыска и регулятор частоты вращения. Конструктивно насосы высокого давления подразделяются на осевые (аксиальные) и радиальные поршневые механизмы. В состав системы также входят различные механические и электрические компоненты для прецизионного управления подачей.

Рис. 12-32. Аксиально-поршневой распределительный ТНВД Bosch с кромковым управлением и электромагнитным актуатором. 1 — распределительный плунжер; 2 — электромагнитный клапан опережения; 3 — регулирующая втулка; 4 — устройство опережения впрыска; 5 — кулачковая шайба; 6 — подкачивающий насос; 7 — электрический позиционер количества топлива с датчиком обратной связи; 8 — исполнительные механизмы; 9 — электромагнитный запорный клапан; 10 — держатель нагнетательного клапана; 11 — роликовое кольцо.

На рисунке 12-32 представлен аксиально-поршневой насос с регулировкой по кромке и электромагнитным исполнительным механизмом. В отличие от рядных систем, здесь используется всего один нагнетательный элемент для всех цилиндров двигателя. Частота хода плунжера синхронизирована с частотой зажигания ДВС, а не с работой отдельного цилиндра. При этом распределительный плунжер совершает вращательное движение со скоростью распределительного вала.

Подача топлива осуществляется за счет осевого хода плунжера, а его вращение обеспечивает распределение горючего по цилиндрам. Такая схема позволяет использовать насос в двигателях с числом цилиндров до шести включительно. Основной сферой применения являются высокооборотные дизели легковых и малотоннажных коммерческих автомобилей. В некоторых модификациях давление впрыска на стороне форсунки достигает значений 1200–1300 бар.

Важным преимуществом является интеграция устройства опережения впрыска, управляемого электромагнитным клапаном. Это делает систему оптимальной для силовых агрегатов с широким диапазоном рабочих оборотов. В старых конструкциях вместо электроники применялись инерционные механизмы для перемещения регулирующей втулки. Дальнейшая эволюция привела к созданию систем с электронным управлением временем подачи.

Рис. 12-33. Аксиально-поршневой распределительный насос Bosch с управлением по времени (с электромагнитным клапаном).

В насосах с управлением по времени (Рис. 12-33) электромагнитный клапан в зоне высокого давления регулирует наполнение и момент подачи. Минимизация «мертвого объема» в гидравлической части позволяет достигать давления около 1500 бар. На корпусе установлен электронный блок управления (ECU), который активирует клапаны дозирования и опережения. Данные для корректной работы поступают от внутреннего датчика угла поворота вала насоса.

Сигнал формируется датчиком на триггерном колесе приводного вала, положение которого меняется вместе с роликовым кольцом. Синхронизация хода нагнетания с сигналом ВМТ (верхней мертвой точки) коленчатого вала обеспечивает точность без датчика подъема иглы. ECU насоса соединяется со вторым контроллером — блоком управления двигателем — или может полностью объединять их функции. Привод и механизмы опережения здесь идентичны насосам с кромковым регулированием.

В распределительных насосах с радиально-поршневой схемой функции создания давления и его распределения четко разделены. Поршни, создающие давление, расположены радиально относительно оси вращения вала, что отражено в названии типа. Дозирование топлива может осуществляться как по профилю кулачка, так и по времени с помощью клапанов. Эти системы конструктивно близки к продвинутым аксиальным моделям с электронным управлением.

Рис. 12-34. Радиально-поршневой распределительный ТНВД с электронным управлением ходом. 1 — держатель нагнетательного клапана; 2 — вал распределителя зажигания; 3 — башмаки; 4 — возвратная пружина; 5 — подкачивающий насос; 6 — клапан поддержания давления; 7 — устройство опережения; 8 — электромагнитные клапаны (опережение, возврат); 9 — электромагнитные клапаны (отсечка, зарядка); 10 — датчик осевого положения ротора.

На рисунке 12-34 показан насос с регулировкой по профилю кулачка, где величина хода меняется осевым смещением вала. Положение вала фиксируется индуктивным датчиком, что служит мерой объема подаваемого топлива. Как и аксиальные аналоги, такие устройства применяются преимущественно в легковом сегменте. Для достижения экстремальных давлений была разработана модификация с повышенной скоростью подачи.

Рис. 12-35. Радиально-поршневой насос с временным управлением через электромагнитный клапан. 1 — лопастной подкачивающий насос с клапаном регулировки давления; 2 — датчик угла поворота; 3 — ЭБУ насоса; 4 — радиально-поршневой насос высокого давления с валом распределителя; 5 — устройство опережения с клапаном; 6 — электромагнитный клапан высокого давления.

Система, изображенная на рисунке 12-35, способна развивать давление впрыска до 1800–1900 бар. Кулачковое кольцо с внутренним профилем передает усилие через ролики на радиальные плунжеры. Количество и диаметр плунжеров напрямую определяют производительность насоса по топливу. Короткий путь передачи усилия обеспечивает высокую жесткость системы, необходимую для создания сверхвысокого давления.

Распределение топлива осуществляется через вращающийся вал, в центре которого находится игла управляющего клапана. Сам электромагнитный актуатор неподвижен и расположен в головке распределителя, что требует разделения иглы на две части. Магнитное усилие передается от внешней части к вращающейся внутренней детали клапана. В обесточенном состоянии клапан открыт пружиной, позволяя контуру низкого давления наполнять рабочие полости.

При подаче тока клапан закрывается, и начинается фаза нагнетания высокого давления в цилиндры. Механизм опережения впрыска конструктивно повторяет аксиальные модели, но адаптирован под возросшие нагрузки. Управление дозированием и моментом начала впрыска осуществляется ЭБУ (ECU) на основе сигналов углового положения. Благодаря высокой скорости подачи, система обычно остается открытой, не требуя герметичной отсечки между впрысками.

Рис. 12-36. Реализация предварительного впрыска (предвпрыска) радиально-поршневым ТНВД совместно с двухпружинным держателем форсунки.

В отличие от старых механических моделей, системы с электромагнитными клапанами позволяют реализовать предварительный впрыск. На рисунке 12-36 виден график хода иглы форсунки при использовании двухпружинного держателя. Многократное переключение клапана на разных скоростях обеспечивает формирование оптимальной кривой разряда. Это существенно улучшает процесс сгорания топлива и снижает шумность работы дизельного двигателя.

Ключевой особенностью всех распределительных ТНВД является смазка их движущихся частей исключительно самим топливом. В рядных насосах и индивидуальных ТНВД кулачковые механизмы смазываются моторным маслом, что делает их менее уязвимыми. Следовательно, используемое дизельное топливо должно строго соответствовать стандартам смазывающей способности. Эти требования были законодательно закреплены в европейском стандарте DIN EN 590 еще в 1990-х годах.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.