Военное образование в России

7.2.4 Приборы топливной системы высокого давления

К приборам питания магистрали высокого давления дизелей относятся топливный насос высокого давления, форсунки и топливопроводы.

Топливный насос высокого давления служит для точного дозирования топлива и подачи его в определенный момент под высоким давлением к форсункам. Каждая секция топливного насоса обеспечивает работу одного из цилиндров двигателя, поэтому число секций топливного насоса определяется числом его цилиндров.

На дизеле КамАЗ-740.11 (рисунок 7.24) устанавливают V-образный, а на ЯМЗ-238 (рисунок 7.25) рядный насос высокого давления. Они располагаются в развале блока цилиндров и приводятся в действие от коленчатого вала через шестеренный привод. В корпусе насоса 1 (рисунок 7.22) установлен механизм поворота плунжеров 20, соединенный с правой и левой рейками, которые действуют на плунжеры нагнетательных секций, расположенных в два ряда. В каждом ряду расположено по четыре нагнетательных секции.

1 – корпус насоса; 2 – ролик толкателя; 3 – толкатель; 4 – пята толкателя; 5 – тарелка пружины толкателя; 6 – поворотная втулка; 7 – пружина; 8 – шайба; 9 – плунжер; 10, 11, 16 – уплотнительные прокладки; 12 – штифт; 13 – рейка насоса; 14 – гильза; 15 – корпус секции; 17 – нагнетательный клапан; 18 – рычаг; 19 – всережимный регулятор; 20 – механизм поворота плунжеров; 21 – ручной топливоподкачивающий насос; 22 – топливоподкачивающий насос

Рисунок 7.22 - Топливный насос высокого давления с V-образным расположением секций

1 – корпус насоса; 2 – клапан; 3 – рейка; 4 – ограничительный винт; 5 – ведомая часть автоматической муфты опережения впрыска топлива; 6 – ведущая часть автоматической муфты опережения впрыска топлива; 7 – пружина; 8 – гайка; 9 – палец; 10 – регулировочная прокладка; 11 – сальник; 12 – уплотнительное кольцо; 13 – шариковый подшипник; 14 – кулачковый вал; 15 – крышка; 16 – корпус регулятора числа оборотов; 17 – маслоизмерительныи стержень; 18 – крышка; 19 – верхняя тарелка пружины толкателя; 20 – стяжной винт; 21 – винт крепления втулки плунжера; 22 – пробка выпуска воздуха; 23 – пробка (сапун): 24 – штуцер; 25 – упор клапана; 26 – колпачковая гайка; 27 – соединительный ниппель; 28 – пружина нагнетательного клапана; 29 – нагнетательный клапан; 30 – седло нагнетательного клапана; 31 – втулка плунжера; 32 – зубчатый венец; 33 – стопорный винт; 34 – плунжер, 35 – нижняя тарелка пружины толкателя; 36 – регулировочный болт; 37 – толкатель плунжера; 38 – ролик толкателя; 39 – опора кулачкового вала; 40 – дренажная трубка

Рисунок 7.23 - Топливный насос высокого давления

Каждая секция насоса состоит из корпуса 15, гильзы 14 с плунжером 9, поворотной втулки 6, нагнетательного клапана 17. Положение гильзы 14 относительно корпуса 15 фиксируется штифтом 12. В нижней части гильза, и корпус уплотняются прокладками 10 и 11.

Топливные секции насоса плунжерного типа с постоянным ходом плунжера. Плунжер приводится в движение от кулачкового вала насоса через ролик толкателя 2, ось которого крепится в сухаре 3. Пружина 7 в верхней части упирается в шайбу 8, а через тарелку 5 постоянно прижимает ролик 2 к кулачку. Толкатель от поворота фиксируется сухарем 3, выступ которого входит в паз корпуса насоса.

Управление подачей топлива осуществляется из кабины водителя педалью, воздействующей с помощью тяг и рычага 18 на всережимный регулятор частоты вращения коленчатого вала 19, расположенный в развале топливного насоса. На крышке регулятора 19 закреплен топливный насос низкого давления 22 и насос ручной подкачки топлива 21.

Работа насоса высокого давления плунжерного типа состоит из наполнения надплунжерного пространства топливом с частичным его перепуском, подачи топлива под высоким давлением к форсункам, отсечки и перепуска его в сливной трубопровод. При работе двигателя рейка топливного насоса перемещается в соответствии с изменением подачи топлива, при этом одновременно поворачиваются плунжеры всех секций.

При движении плунжера 1 (рисунок 7.24, а) вниз внутреннее пространство гильзы 12 наполняется топливом, и одновременно оно подается насосом низкого давления в подводящий канал 10 корпуса насоса 11. При этом открывается впускное отверстие 9 и топливо поступает в надплунжерное пространство 8. Затем под действием кулачка плунжер начинает подниматься вверх (рисунок 7.26,б), перепуская топливо обратно в подводящий канал 10 до тех пор, пока верхняя кромка плунжера 1 не перекроет впускное отверстие 9 гильзы. После перекрытия этого отверстия давление топлива резко возрастает и при 1,2-1,8 МПа топливо, преодолевая усилие пружины 5, поднимает нагне-тательный клапан 6 и поступает в топливопровод.

а – впуск (всасывание); б – начало подачи; в – конец подачи

Рисунок 7.24 - Схема работы секции топливного насоса

высокого давления

Дальнейшее перемещение плунжера вверх вызывает повышение давления до 17 МПа, превышающее давление, создаваемое пружиной форсунки, в результате чего игла форсунки приподнимается и происходит впрыскивание топлива в камеру сгорания. Подача топлива продолжается до тех пор, пока винтовая кромка 13 (рисунок 7.24, в) плунжера не откроет выпускное отверстие 3 в гильзе, в результате чего давление над плунжером резко падает, нагнетательный клапан 6 под действием пружины закрывается и надплунжерное пространство разъединяется с топливопроводом высокого давления. При дальнейшем движении плунжера вверх топливо перетекает в сливной канал 4 через продольный паз 2 и винтовую кромку плунжера 13.

Нагнетательный клапан 6 разгружает топливопровод высокого давления, так как он снабжен цилиндрическим разгрузочным пояском 7, который при посадке клапана на седло обеспечивает увеличение объема топливопровода примерно на 70-80 мм³. Этим достигается резкое прекращение впрыскивания топлива и устраняется возможность его подтекания через распылитель форсунки, что улучшает процесс смесеобразования и сгорания рабочей смеси, а также повышает надежность работы форсунки.

Изменение количества топлива, подаваемого секцией за один цикл, происходит в результате поворота плунжера 1 зубчатой рейкой. При различных углах поворота плунжера благодаря винтовой кромке смещаются моменты открытия выпускного отверстия. При этом, чем позднее открывается выпускное отверстие, тем большее количество топлива может быть подано к форсункам.

Рисунок 7.25 - Схема изменения подачи топлива

На рисунке 7.25 показаны следующие положения винтовой кромки плунжера за цикл работы топливной секции:

положение А – максимальная подача топлива и наибольший активный ход плунжера 1. В этом случае расстояние h от винтовой кромки плунжера 5 до выпускного отверстия 2 будет наибольшим;

положение Б – промежуточная подача, так как при повороте плунжера по часовой стрелке расстояние h уменьшается и выпускное отверстие открывается раньше;

положение В – нулевая подача топлива. Плунжер повернут так, что его продольный паз 3 расположен против выпускного отверстия 2 (h = 0), в результате чего при перемещении плунжера вверх топливо вытесняется в выпускной канал, подача топлива прекращается и двигатель останавливается.

Регулятор частоты вращения коленчатого вала (рисунок 7.26) изменяет количество топлива, подаваемого в цилиндры в зависимости от нагрузки, поддерживая заданную частоту вращения коленчатого вала.

Двигатель КамАЗ-740.11 имеет регулятор всережимный, механический прямого действия, который установлен в развале корпуса топливного насоса высокого давления. На кулачковом валу насоса установлена ведущая шестерня, в развале корпуса установлена на двух шариковых подшипниках ведомая шестерня, которая выполнена заодно с державкой грузов.

При вращении державки 15 грузы 14 (рисунок 7.26), качающиеся на осях, под действием центробежных сил расходятся и через упорный подшипник перемещают муфту регулятора, которая, упираясь в палец, в свою очередь, перемещает рычаги 3, 9 и 10 регулятора (рисунок 7.26), преодолевая усилие пружины 6. Рычаг 3 через штифт соединен с правой рейкой топливного насоса 4. Правая рейка через рычаг реек 8 связана с левой рейкой 12.

1 – корпус топливного насоса высокого давления со снятой крышкой регулятора; 2 – штифт; 3 – рычаг рейки; 4, 12 – рейки; 5 – рычаг стартовой пружины; 6 – главная пружина регулятора; 7 – стартовая пружина; 8 – рычаг реек; 9 – рычаг регулятора; 10 – рычаг муфты грузов; 11 – ось; 13 – обратный корректор; 14 – грузы; 15 – державка грузов

Рисунок 7.26 - Регулятор частоты вращения коленчатого вала

Схема работы регулятора частоты вращения показана на рисунке 7.27.

1 – рейка топливного насоса высокого давления; 2 – рычаг муфты грузов; 3 – пружина обратного корректора; 4 – рычаг рейки; 5 – державка грузов; 6 – регулировочный болт подачи топлива; 7 – корректор подачи топлива по давлению наддувочного топлива; 8 - мембрана; 9 - рычаг регулятора; 10 – пружина прямого корректора; 11 – рычаг реек; 12 – рычаг пружины; 13 – пружина регулятора; 14 – рычаг стартовой пружины; 15 – стартовая пружина; 16 – рычаг управления регулятором

Рисунок 7.27 - Схема работы регулятора частоты вращения

Рычаг 16 управления регулятором жестко связан с рычагом 12. К рычагу 12 присоединена пружина регулятора 13, а к рычагам 14 и 11 - стартовая пружина 15.

Во время работы регулятора центробежные силы грузов уравновешены усилием пружины 13. При увеличении частоты вращения коленчатого вала грузы, преодолевая сопротивление пружины 13, перемещают рычаги 2, 4 и 9, а вместе с ними и рейки топливного насоса высокого давления – подача топлива уменьшается. При понижении частоты вращения коленчатого вала центробежная сила грузов уменьшается, и рычаги с рейкой топливного насоса высокого давления под действием усилия пружины перемещаются в обратном направлении – подача топлива и частота вращения коленчатого вала увеличиваются.

При упоре рычага регулятора 9 в болт 6 и частоте вращения коленчатого вала менее 1800 мин^-1 пружина 10 прямого корректора перемещает рейки насоса (через рычаги 2 и 4) в сторону увеличения подачи топлива, обеспечивая требуемую величину максимального крутящего момента двигателя.

Пружина обратного корректора 3 при частоте вращения менее 1400 об/мин перемещает рычаг 4 с рейками в сторону уменьшения подачи топлива, ограничивая максимальную дымность отработавших газов двигателя.

Подача топлива прекращается поворотом рычага 5 (рисунок 7.28) останова двигателя до упора в болт 6. При этом рычаг 5, преодолев усилие пружины 6 (рисунок 7.26), через штифт 2 повернет рычаги 3, 9 и 10, рейки переместятся до полного прекращения подачи топлива.

1 – рычаг управления регулятором (рейкой топливного насоса); 2 – болт ограничения минимальной частоты вращения; 3 – болт регулировки пусковой подачи; 4 – цилиндр пневматический останова двигателя; 5 – рычаг останова двигателя; 6 – болт ограничения хода рычага останова; 7 – болт ограничения максимальной частоты вращения

Рисунок 7.28 - Верхняя крышка топливного насоса высокого давления

Всережимный регулятор частоты вращения коленчатого вала ЯМЗ-238 монтируется на торце топливного насоса высокого давления и приводится от кулачкового вала посредством шестерен. Ведущая шестерня 4 (рисунок 7.29) снабжена демпфирующим устройством, которое необходимо для плавной передачи усилия на шестерню 1 валика державки 29 грузов 6. Демпфирующее устройство состоит из четырех резиновых сухарей 3, передающих усилие от втулки 2 к ведущей шестерне 4. Ведомая шестерня 1 приводит во вращение валик грузов 6, которые при увеличении оборотов под действием центробежной силы расходятся и воздействуют на муфту 8. Муфта через упорный подшипник 7 и пяту 11 передает усилие на рычаг 12.

На оси пяты 11 качается рычаг рейки 12, один конец которого соединен с кулисой 13, а второй посредством тяги соединен с рейкой топливного насоса 28. Режим двигателя устанавливается наружным рычагом регулятора, который посредством тяг связан с педалью управления подачи топлива. При увеличении силы нажатия на педаль наружный рычаг поворачивается на некоторый угол, и натяжение пружины 24 увеличивается.

1 – шестерня валика державки грузов; 2 – втулка ведущей шестерни; 3 – сухарь; 4 – ведущая шестерня; 5 – фланец втулки ведущей шестерни; 6 – грузы; 7 – шариковый подшипник; 8 – муфта грузов; 9 – вал рычага; 10 – серьга регулятора; 11 – упорная пята; 12 – рычаг рейки; 13 – кулиса; 14 – регулировочный винт; 15 – скоба; 16 – корректирующее устройство; 17 – регулировочный болт номинальной подачи; 18 – корпус буферной пружины; 19 – буферная пружина; 20 – рычаг регулятора; 21 – регулировочный винт; 22 – крышка смотрового люка; 23 – двуплечий рычаг; 24 – пружина регулятора; 25 – рычаг пружины, 26 – пружина рычага рейки; 27 – тяга рейки; 28 – рейка; 29 – державка грузов; 30 – болт минимальных оборотов холостого хода; 31 – болт ограничения максимальных оборотов

Рисунок 7.29 - Всережимный регулятор числа оборотов

Ввиду увеличения натяжения пружины рейка насоса перемещается в сторону увеличения подачи топлива и частота вращения вала двигателя возрастает, причем обороты вала двигателя будут возрастать до тех пор, пока центробежная сила грузов не уравновесит силу натяжения пружины. При уменьшении нагрузки на двигатель топливо продолжает поступать в цилиндры в прежнем количестве, ввиду этого обороты коленчатого вала двигателя возрастают. При возрастании оборотов грузы 6 под действием центробежной силы расходятся и, действуя через систему рычагов, перемещают рейку в сторону уменьшения подачи топлива до момента, пока не наступит равновесие усилия, развиваемого центробежной силой грузов, и усилия, развиваемого пружиной. При увеличении же нагрузки на двигатель при неизменной подаче топлива обороты вала двигателя начинают уменьшаться, ввиду этого центробежная сила грузов также уменьшается, и пружина, воздействуя через систему рычагов на рейку, увеличивает подачу топлива до момента наступления равновесия усилия центробежной силы грузов и усилия пружины. Таким образом осуществляется регулирование скоростного режима работы двигателя. Пружина 26 служит для удержания рейки насоса высокого давления в положении подачи при пуске двигателя, при этом обеспечивается автоматическое обогащение рабочей смеси в цилиндре двигателя при пуске.

Для того чтобы остановить двигатель, необходимо скобу 15 выключения подачи топлива повернуть вниз; при этом связанная со скобой кулиса 13 и нижний конец рычага рейки 12 перемещаются влево, рейка выдвигается до упора вправо, подача топлива прекращается.

Для получения устойчивой работы двигателя на частоте вращения холостого хода в регуляторе имеется буферная пружина 19 с регулируемым корпусом 18.

Минимальная частота вращения холостого хода регулируется болтом 6 (рисунок 7.29), а максимальная ограничена болтом 5.

Автоматическая муфта опережения впрыскивания топлива изменяет начало подачи топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

На дизелях КамАЗ-740.11 (рисунок 7.30) и ЯМЗ-238 (рисунок 7.31) устанавливается автоматическая муфта опережения впрыскивания топлива центробежного типа.

Ведомая полумуфта 13 (рисунок 7.30) закреплена на конической поверхности переднего конца кулачкового вала топливного насоса шпонкой и гайкой с шайбой, ведущая полумуфта 1 – на ступице ведомой (может поворачиваться на ней). Между ступицей и полумуфтой установлена втулка 3. Грузы 11 качаются на осях 16, запрессованных в ведомую полумуфту, в плоскости, перпендикулярной оси вращения муфты. Проставка 12 ведущей полумуфты упирается одним концом в палец груза, другим – в профильный выступ. Пружина 8 стремится удержать груз на упоре во втулке 3 ведущей полумуфты.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала грузы под действием центробежных сил расходятся, вследствие чего ведомая полумуфта поворачивается относительно ведущей в направлении вращения кулачкового вала, что вызывает увеличение угла опережения впрыскивания топлива. При уменьшении частоты вращения коленчатого вала грузы под действием пружин сходятся, ведомая полумуфта поворачивается вместе с валом насоса в сторону, противоположную направлению вращения вала, что вызывает уменьшение угла опережения впрыскивания топлива.

1 – полумуфта ведущая; 2 и 4 – манжеты; 3 – втулка ведущей полумуфты; 5 – корпус; 6 – регулировочные прокладки; 7 – стакан пружины; 8 – пружина; 9 и 15 – шайбы; 10 – кольцо; 11 – груз с пальцем; 12 – проставка с осью; 13 – полумуфта ведомая; 14 – кольцо уплотнительное; 16 – ось грузов

Рисунок 7.30 - Автоматическая муфта опережения впрыскивания топлива КамАЗ-740.11

Форсунки. Предназначены для впрыскивания и распыливания топлива, а также для распределения его частиц по объему камеры сгорания. Основным конструктивным элементом форсунки является распылитель, имеющий несколько выходных (сопловых) отверстий, формирующих факел впрыскиваемого топлива. В четырехтактных дизелях применяют форсунки закрытого типа, сопловые отверстия которых в процессе между впрыскиванием топлива закрываются запорной иглой.

Форсунки закрытого типа по конструкции запорного устройства распылителей делятся на бесштифтовые и штифтовые. У бесштифтовых форсунок (рисунок 7.32) конец запорной иглы 2 представляет собой конус, отделяющий сопловые отверстия от топливопровода высокого давления. Распылители 1 таких форсунок обычно имеют несколько сопловых отверстий, расположение которых зависит от формы камеры сгорания. Бесштифтовые форсунки с несколькими сопловыми отверстиями устанавливаются обычно на дизелях с неразделенными камерами сгорания (ЯМЗ, КамАЗ и др.).

а – детали; б – разрез; 1 – сальник; 2 – винт; 3 – шайба; 4 – корпус муфты; 5 – ведущая полумуфта; 6 – сальник ведущей полумуфты; 7 – втулка ведущей полумуфты; 8 – уплотнительное кольцо; 9 – груз муфты; 10 – ведомая полумуфта; 11 и 12 – регулировочные прокладки; 13 – пружина; 14 и 15 – пальцы

Рисунок 7.31 - Автоматическая муфта опережения впрыска топлива двигателя ЯМЗ-238

а – общее устройство; б – схема работы форсунки

Рисунок 7.32 - Форсунка дизеля ЯМЗ-238

1 – корпус распылителя; 2 – гайка распылителя; 3 – проставка; 4 – установочные штифты; 5 – штанга; 6 – корпус; 7 – уплотнительное кольцо; 8 – штуцер; 9 – фильтр; 10 – уплотнительная втулка; 11 и 12 – регулировочные шайбы; 13 – пружина; 14 – игла распылителя

Рисунок 7.33 - Форсунка дизеля КамАЗ-740

На дизелях КамАЗ-740.11 применяются форсунки закрытого типа с гидравлическим управлением подъема иглы и фиксированным распылителем. Все детали форсунки собраны в корпусе 6 (рисунок 7.33). К нижнему торцу корпуса форсунки гайкой 2 присоединены проставки 3 и корпус распылителя 1, внутри которого находится игла 14. Корпус и игла распылителя составляют прецизионную пару (индивидуально и с высокой точностью подобранные). Распылитель имеет четыре сопловых отверстия. Проставка 3 и корпус 1 зафиксированы относительно корпуса 6 штифтами 4. Пружина 13 одним концом упирается в штангу 5, которая передает усилие на иглу распылителя, другим – в набор регулировочных шайб 11. Топливо к форсунке подается под высоким давлением через штуцер 8, в котором установлен сетчатый фильтр 9. Далее по каналам корпуса 6, проставки 3 и корпуса распылителя 1 топливо поступает в полость между корпусом распылителя и иглой 14 и, отжимая ее, впрыскивается в цилиндр. Просочившееся через зазор между иглой и корпусом распылителя топливо отводится через каналы в корпусе форсунки. Форсунка установлена в головке цилиндра и закреплена скобой. Торец гайки распылителя уплотнен от прорыва газов гофрированной шайбой. Уплотнительное кольцо 7 предохраняет полость между форсункой и головкой цилиндров от попадания пыли и воды.

Топливопроводы. Подразделяются на топливопроводы низкого давления – 0,4-2 МПа и высокого давления – более 2 МПа. Топливопроводы высокого давления изготовлены из стальных трубок, концы которых выполнены конусообразными, прижаты накидными гайками через шайбы к конусным гнездам штуцеров топливного насоса и форсунок. Во избежание поломок от вибрации топливопроводы закреплены скобами и кронштейнами.