Насос высокого давления

Насос высокого давления

 

Насос высокого давления является устройством сопряжения между ступенями высокого и низкого давления. Его функцией является обеспечение си­стемы впрыска топлива достаточным количеством топлива под давлением при любых условиях ра­боты двигателя. Насос должен бесперебойно рабо­тать на протяжении всего срока службы двигателя. Насос высокого давления также должен обеспечивать запас топлива, требуемый для быстрого пуска двигателя и бы­строго повышения давления в топливной рампе. Вот о том, каким бывает насос высокого давления на дизельном двигателе, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Конструкция насосов высокого давления

 

Насос высокого давления создает в системе постоянное давление, которое поддерживается аккумулятором высокого давления (топливной рампой) независимо от процесса впрыска то­плива. В отличие от обычных систем впрыска топливо во время впрыска не сжимается.

В качестве насосов высокого давления для легковых автомобилей используются трех, двух- и одноплунжерные радиально-поршневые на­сосы. На коммерческих автомобилях устанавли­ваются также двух-плунжерные рядные насосы.

Как правило, насос высокого давления уста­навливается на дизельном двигателе в том же месте, что и обычный распределительный топливный насос. Привод насоса осуществля­ется от двигателя при помощи соединительной муфты, зубчатой передачи, цепной передачи или зубчатого приводного ремня. Поэтому скорость вращения насоса жестко связана с частотой вращения коленчатого вала фикси­рованным передаточным отношением.

На легковых и коммерческих автомобилях при­меняются насосы высокого давления различных конструкций. В настоящее время производитель­ность насосов высокого давления составляет 50-260 л/ч, а рабочее давление 1350 -2200 бар. Планируется довести рабочее давление насосов следующего поколения до 2500 бар.

 

 

Трех-плунжерный радиально-поршневой насос

 

По центру корпуса насоса высокого давления установлен приводной вал (см. рис. «Трех-плунжерный радиально-поршневой насос» ). Насосные элементы расположены радиально по отношению к приводному валу и смещены от­носительно друг друга на 120°. Многоугольное кольцо, установленное на эксцентрике приво­дного вала, находится в контакте с плунже­рами и во время вращения вала вызывает их возвратно-поступательное движение.

 

Трехплунжерный радиально-поршневой насос

 

Усилия передаются от эксцентрика к плунже­рам при помощи скользящего многоугольного кольца, установленного на эксцентрике при­водного вала, и опорных подушек плунжеров.

 

Подача и сжатие топлива в трех-плунжерном радиально-поршневом насосе

 

Подача топлива в насос высокого давление осуществляется предварительным насосом низкого давления (электрический или шесте­ренчатый топливный насос) через фильтр и водоотделитель. На легковых автомобилях с шестеренчатым топливным насосом, устанав­ливаемым на фланце насоса высокого давле­ния, впускной канал находится внутри насоса. Конструкция дозирующего устройстваЗа впускным каналом расположен предохра­нительный клапан. Если давление подачи на­соса низкого давления превышает давление открытия предохранительного клапана (на 0,5-1,5 бар), топливо вытесняется через огра­ничительное отверстие предохранительного клапана в контур смазки и охлаждения насоса высокого давления. Эксцентрик приводного вала перемещает плунжеры насоса вверх-вниз в соответствии с величиной подъема эксцен­трика. Через впускной клапан насоса высокого давления топливо поступает в камеру насосного элемента, и плунжер насоса начинает движение в сторону приводного вала (ход всасывания).

После прохождения плунжером нижней мертвой точки впускной клапан закрывается, и топливо, находящееся в камере, изолируется. Теперь оно может быть сжато до давления, значительно превышающего давление подачи насоса низкого давления. Как только давление достигает требуемого уровня давления в то­пливной рампе, открывается выпускной клапан. Сжатое топливо выпускается в контур высокого давления. Штуцеры высокого давления трех насосных элементов соединены внутри корпуса насоса таким образом, что к топливной рампе идет только одна линия высокого давления.

Плунжер насоса продолжает подачу топлива до тех пор, пока не достигнет верхней мертвой точки (ход нагнетания). Затем давление падает, и плунжер насоса начинает движение вниз.

Когда давление в камере насосного эле­мента падает ниже разности давления подачи насоса низкого давления и давления открытия впускного клапана, впускной клапан открыва­ется, и процесс повторяется.

 

Передаточное отношение в насосе высокого давления

 

Производительность насоса высокого давле­ния пропорциональна его скорости вращения. В свою очередь скорость вращения насоса за­висит от частоты вращения коленчатого вала. Передаточное отношение между двигателем и насосом определяется в процессе адаптации системы впрыска топлива к двигателю с тем, чтобы ограничить избыточное количество подаваемого топлива. В то же время пере­даточное отношение должно быть выбрано таким, чтобы насос обеспечивал потребность двигателя в топливе при любых условиях работы. Диапазон возможных передаточных отношений между коленчатым валом и приво­дным валом насоса составляет от 1:2 до 5:6.

 

 

Производительность насоса высокого давления

 

Поскольку насос высокого давления рассчитан на высокие значения расхода, во время работы двигателя на холостом ходу или при низкой нагрузке имеет место подача избыточного количества топлива под давлением. В системах первого поколения избыточное топливо возвращается в топливный бак через клапан регулирования давления, установленный на топливной рампе или фланце насоса. При рас­ширении сжатого топлива происходит потеря энергии сжатия. Это приводит к снижению общего к.п.д. системы. Сжатие и расширение топлива также вызывает его нагрев.

 

Модификации трех-плунжерных радиально-поршневых насосов

 

Повышение энергетического к.п.д. системы воз­можно за счет регулирования расхода топлива на стороне всасывания насоса высокого давления. Количество топлива, поступающего в насосные элементы, дозируется при помощи регулируе­мого электромагнитного клапана (дозирующего устройства), установленного на насосе высокого давления (см. рис. «Конструкция дозирующего устройства» ). Этот клапан регулирует расход топлива, подаваемого в топливную рампу, в соответствии с потребностями системы. Пере­мещаясь под действием электромагнитной силы, плунжер дозатора открывает дозирующее от­верстие в зависимости от положения прорезей в плунжере. Управление электромагнитным кла­паном осуществляется посредством широтно-­импульсной модуляции (ШИМ).

Такое регулирование подачи топлива не только снижает требования к рабочим характеристикам насоса высокого давления, но также позволяет снизить максимальную температуру топлива.

 

Одно- и двух-плунжерные радиально-­поршневые насосы

 

Во время работы трех-плунжерного насоса имеют место пульсации давления в топливной рампе, что вызывает колебания количества впрыски­ваемого топлива. В связи со все более строгими требованиями к снижению токсичности отрабо­тавших газов большую важность приобретает точность впрыска топлива с минимальными ко­лебаниями количества впрыскиваемого топлива. Одноплунжерные и двух-плунжерные радиально-­поршневые насосы позволяют осуществлять синхронную с впрыском подачу топлива, т.е. ходы нагнетания плунжера (плунжеров) насоса синхронизируются с тактами впуска цилиндров двигателя. Таким образом, подача топлива для каждого цилиндра осуществляется при одном и том же угле поворота коленчатого вала.

При помощи одноплунжерных или двух-плун­жерных насосов можно осуществлять синхрон­ную с впрыском подачу топлива на двигателях с количеством цилиндров от трех до восьми. При этом передаточное отношение между двигате­лем и насосом составляет от 1:2 до 1:1.

 

 

Конструкция одно- и двух-плунжерных радиально-­поршневых насосов

 

Насос высокого давления представляет собой радиально-поршневой насос с повышением давления изнутри наружу, с одним или двумя плунжерами. Основные компоненты включают (см. рис. «Одноплунжерный радиально-поршневой насос» ):

 

  • Алюминиевый корпус, в который подается топливо только под низким давлением;
  • Один или два насосных элемента со стой­кими к высокому давлению стальными головками цилиндров, со встроенным клапаном и штуцером высокого давления;
  • Кулачковый узел привода с роликовым тол­кателем, преобразующим вращательное дви­жение распределительного вала в возвратно-­поступательное движение плунжера в головке цилиндра (двойной кулачок со смещением рабочих выступов на 180°). Кулачковый вал установлен в монтажном фланце и корпусе в двух подшипниках скольжения.

 

Одноплунжерный радиально-поршневой насосВысокое давление создается в насосном эле­менте. В зависимости от рабочего объема дви­гателя и количества цилиндров применяются одноплунжерные или двух-плунжерные насосы. Двух-плунжерные насосы устанавливаются на двигателях с большим рабочим объемом. В двух-плунжерном варианте насосные элементы устанавливаются в соответствии с V-образной конфигурацией, под углом 90° друг к другу.

Благодаря большому перекрытию по длине между стенкой цилиндра и плунжером насоса, потери утечки во время сжатия топлива низки. С другой стороны, короткое время утечки за счет высокой частоты подачи топлива (два рабочих хода плунжера на один оборот) и не­большой рабочий объем в головке цилиндра дают возможность дальнейшей оптимизации и, следовательно, снижения расхода топлива.

V-образная конфигурация головок цилин­дров под углом 90° в двух-плунжерном насосе означает отсутствие перекрытия тактов всасы­вания. Следовательно, обеспечивается иден­тичность нагнетания двух насосных элементов (т.е. равномерность подачи).

Штуцер высокого давления соединяется с то­пливной рампой одной (в случае одноплунжерного насоса) или двумя (в случае двух-плунжерного насоса) линиями высокого давления. При этом высокое давление не аккумулируется в корпусе, а направляется из головки цилиндра наружу. От­сюда следует, что корпус насоса не требует особой прочности и стойкости к высоким давлениям.

 

Контур низкого давления в топливном насосе высокого давления

 

Все топливо, подаваемое насосом низкого давле­ния (электрическим или шестеренчатым топлив­ным насосом, установленным на фланце насоса высокого давления), поступает к перепускному клапану и дозирующему устройству. Поэтому объем топлива, используемого для смазки и охлаждения, больше, чем на насосах предыдущих версий.

Перепускной клапан осуществляет предва­рительное регулирование низкого давления, тем самым, обеспечивая определенный пере­пад давления между двумя подшипниками, что обеспечивает надлежащую смазку и предот­вращает разрежение в подшипниках вплоть до высоких частот вращения вала.

За счет больших сечений имеет место низ­кое сопротивление потоку во всем тракте низ­кого давления, что обеспечивает заполнение насосных элементов топливом даже при высо­ких частотах вращения коленчатого вала. До­зирование объема осуществляется на стороне низкого давления дозирующим устройством.

 

Контур высокого давления в топливном насосе высокого давления

 

Поступающее во время фазы всасывания то­пливо из дозатора проходит через впускной клапан в камеру насосного элемента, сжима­ется во время последующей фазы нагнетания и через обратный клапан поступает по линии высокого давления в топливную рампу.

 



 

Двух-плунжерный рядный поршневой насос

 

Этот смазываемый маслом регулируемый насос высокого давления, рассчитанный на давления в топливной рампе до 1600 бар, используется только на коммерческих авто­мобилях. Это двух-плунжерный насос рядной конструкции, т.е. два насосных элемента рас­положены рядом с друг другом (см. рис. «Двух-плунжерный рядный поршневой насос» ).

Постоянный контакт между роликовым тол­кателем и плунжером насоса обеспечивается пружиной плунжера. Вращательное движе­ние распределительного вала преобразуется в возвратно-поступательное движение плун­жеров насоса при помощи кулачков. Возврат плунжера осуществляется пружиной. В верх­ней части насосного элемента находится ком­бинированный впускной/выпускной клапан.

 

Двухплунжерный рядный поршневой насос

 

На конце распределительного вала установ­лен шестеренчатый насос низкого давления с высоким передаточным отношением. Его функцией является забор топлива из топлив­ного бака и подача топлива через впускной и выпускной каналы в фильтр тонкой очистки. Оттуда топливо поступает в дозирующее устройство, находящееся в верхней части на­соса высокого давления.

Смазочное масло подается непосредственно через монтажный фланец насоса или боковое впускное отверстие. Через крышку переднего подшипника масло возвращается в масляный поддон двигателя.

 

Принцип действия двух-плунжерных рядных поршневых насосов

 

 

Когда плунжер насоса перемещается из верх­ней мертвой точки к нижней мертвой точке, за счет давления топлива (давления предвари­тельной подачи) открывается впускной клапан. В результате движения плунжера вниз топливо всасывается в камеру насосного элемента. Выпускной клапан закрыт пружиной клапана.

Когда плунжер насоса начинает переме­щаться вверх, впускной клапан закрывается, и топливо, заключенное в камере, сжимается. По достижении уровня давления, равного давлению в топливной рампе, открывается выпускной кла­пан, топливо через штуцер высокого давления поступает в топливную рампу. Это приводит к повышению давления в топливной рампе, со­провождающемуся пульсациями давления. Дав­ление в топливной рампе измеряется датчиком Давления, по сигналу которого электронная си­стема управления дизельным двигателем (EDC) вычисляет сигнал управления (ШИМ) дозирую­щим устройством. Дозирующее устройство осу­ществляет регулирование количества топлива, подаваемого для сжатия, в соответствии с те­кущими потребностями двигателя.

 

Перспективы развития топливных насосов высокого давления

 

В настоящее время на стадии разработки нахо­дятся рядные двух-плунжерные, смазываемые маслом насосы для коммерческих автомоби­лей с рабочим давлением до 2500 бар. О других разновидностях топливных насосов высокого давления вы можете прочитать здесь.

 

 

Топливная рампа

 

Функцией топливной рампы является поддер­жание высокого давления топлива. Топливная рампа также служит в качестве аккумулятора, сглаживающего пульсации давления, генери­руемые насосом и возникающие в процессе впрыска топлива. Это обеспечивает под­держание давления впрыска на постоянном уровне при открытии форсунок. С одной стороны, для выполнения этого требования объем аккумуляторной рампы должен быть достаточно большим. С другой стороны, для обеспечения достаточно быстрого повышения давления при пуске двигателя он должен быть достаточно малым.

Кроме функции аккумулятора давления топливная рампа также осуществляет рас­пределение топлива по форсункам.

 

Применение топливной рампы

 

Конструкция трубчатой топливной рампы мо­жет варьироваться в зависимости от различ­ных ограничений, которые определяют, каким образом она устанавливается на двигателе. Топливная рампаНа рампе имеются соединители для установки датчика давления и ограничителя давления или клапана регулирования давления.

Топливо поступает в топливную рампу из насоса высокого давления по топливопроводу высокого давления. Из топливной рампы оно распределяется по отдельным форсункам.

Давление топлива измеряется датчиком давления в топливной рампе и, в зависимо­сти от системы, регулируется до требуемой величины клапаном регулирования давления. Иногда, в зависимости от требований к си­стеме, вместо клапана регулирования давле­ния используется клапан сброса давления. Его функцией является ограничение давления в топливной рампе до максимального допусти­мого значения. Из топливной рампы сжатое до высокого давления топливо поступает в фор­сунки по трубопроводам высокого давления.

Полость топливной рампы непрерывно заполняется находящимся под давлением топливом. Для достижения аккумуляторного эффекта используется сжимаемость топлива под высоким давлением. Когда топливо вы­пускается из топливной рампы для впрыска в цилиндры, давление в топливной рампе остается практически неизменным даже при впрыске больших количеств топлива.

В следующей статье я расскажу о насос-форсунках для дизельных машин.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *