1. Общие сведения

Топливоподающая аппаратура дизелей должна обеспечивать:

1)впрыск топлива в цилиндр под высоким давлением в период, когда это необходимо для наиболее эффективного протекания процесса сгорания и образования факела топлива, соответствующего форме камеры сгорания;

2)мелкое распиливание топлива и смешивание его с воздухом;

3)подачу такого количества топлива, какое требуется для того, чтобы дизель мог развить мощность, необходимую для работы автомобиля на заданном режиме; при изменении режима работы автомобиля и соответственно нагрузки дизеля топливоподающая аппаратура должна в наикратчайшее время изменить количество впрыскиваемого в цилиндр топлива в соответствии с изменившейся нагрузкой;

4)подачу одинакового количества топлива во все цилиндры.
Топливоподающая аппаратура состоит из следующих основных

элементов:

1)топливного бака, топливопроводов низкого давления, подкачивающего насоса и фильтров;

2)топливного насоса высокого давления, имеющего устройство для регулирования момента впрыска и количества подаваемого топлива;

3)форсунок;

4)регулятора.

В автомобильных дизелях применяют две наиболее распространенные схемы топливоподающей аппаратуры: 1) топливо от отдельного насоса высокого давления по топливопроводам высокого давления поступает в форсунки и 2) топливный насос высокого давления и форсунка соединены в один прибор, называемый насос-форсункой, при этом топливопровод высокого давления отсутствует.

Излишек топлива проходит через насос и, преодолевая усилие пружины редукционного клапана, по топливопроводу 11 сливается в бак.

В системе установлены четыре фильтра для очистки топлива от механических примесей до его поступления в форсунку.

Аналогичную схему топливной системы имеет двигатель Д-12А.

В топливоподающей аппаратуре четырехтактных дизелей ЯМЗ и Д-12А применяется форсунка закрытого типа.

На двухтактных автомобильных дизелях ЯАЗ установлена топливоподающая аппаратура неразделенного типа. В насос-форсунке имеетсяклапанно-сопловой распылитель.

2. Топливный насос высокого давления

Устройство насоса. Топливный насос высокого давления является одним из наиболее сложных приборов системы питания дизелей. Он предназначен для подачи топлива одинаковыми порциями через форсунки во все цилиндры двигателя в количестве, соответствующем его нагрузке.

Топливные насосы высокого давления могут быть многосекционные и распределительные.

У многосекционных насосов каждая рабочая секция подает топливо только в один цилиндр двигателя. У распределительных насосов, которые могут быть одноплунжерными или двухплунжерными, одна рабочая секция подает топливо в несколько цилиндров двигателя.

На автотракторных дизелях наибольшее распространение получили многосекционные топливные насосы золотникового типа, у которых изменение количества топлива, подаваемого в цилиндр двигателя, осуществляется плунжерной парой при неизменном полном ходе плунжера и практически постоянном заполнении надплунжерного объематопливом.

Подъем плунжера осуществляется толкателем 8, который поднимается кулачком 9, выполненным как одно целое с валом топливного насоса. Возвратное движение плунжера происходит при сбегании ролика толкателя с кулачка под воздействием пружины 5.

На гильзе 1 плунжера установлена свободно вращающаяся поворотная втулка 10.

В верхней части корпуса топливного насоса в седле 14 установлен нагнетательный клапан 15.

Два выступа 4 в нижней части плунжера служат для его соединения с поворотной втулкой, а выточка с буртиком 5 предназначенадляустановкинижнейтарелки возвратной пружины.

Поворотная втулка имеет паз 7, в который выступами 4 входит плунжер. Стяжной винт 8 крепит зубчатый венец 10, который находится в зацеплении с рейкой 9 топливного насоса.

Действие насосной секции. Работу насосной секции можно разделить на три процесса: наполнение, нагнетание и перепуск.

Надплунжерное пространство в гильзе наполняется топливом при движении плунжера внизи открытии его торцовой плоскостью впускного отверстия. С этого момента топливо под небольшим давлением, создаваемым подкачивающим насосом, поступает в надплунжерное пространство и одновременно через канал 2 — в винтовые канавки 3 на плунжере .

При движении плунжера вверх вначале через впускное окно в гильзе происходит обратный перепуск топлива в топливопод-водящий канал. Перепуск топлива прекращается тогда, когда торцовая плоскость плунжера перекроет впускное окно гильзы (схема 3). При дальнейшем движении плунжера вверх давление в надплунжерном пространстве резко возрастает, вследствие чего нагнетательный клапан 15 поднимается и топливо по топливопроводу высокого давления поступает к форсунке.

Подача топлива насосом продолжается до тех пор, пока винтовая кромка плунжера не откроет доступ топлива к перепускному окну в гильзе (схема 4), и при дальнейшем движении плунжера вверх топливо перепускается в топливоотводящий канал. В результате этого давление над плунжером резко снижается, нагнетательный клапан под действием пружины и остаточного давления в штуцере насоса опускается на седло, и подача топлива насосом к форсунке прекращается.

Ход плунжера Saс момента закрытия впускного отверстия до момента открытия перепускного окна в гильзе называют активным. Умножив активный ход на площадь плунжера /п, получим объем топлива, вытесняемого плунжером за время активного хода (теоретическую подачу секции насоса).

Действительное количество топлива, подаваемое в цилиндр двигателя за один впрыск (цикловая подача), отличается от теоретического. Это объясняется наличием утечек топлива через зазоры плунжерной пары и распылителя, а также сжимаемостью топлива и другими явлениями, возникающими в процессе топливо-подачи. Различие между действительной и теоретической цикловыми подачами учитывается коэффициентом подачи t]H.

На режиме полной мощности цн = 0,75 -ь 0,9.

С изменением нагрузки двигателя должно изменяться и количество топлива, подаваемое в цилиндр. В рассматриваемом насосе полный ход плунжера остается постоянным независимо от условий работы двигателя.

Для регулирования количества подаваемого топлива поворачивают плунжер, вследствие чего изменяется его активный ход.

Момент начала подачи топлива при данной конструкции плунжера изменяется незначительно.

При наибольшей для данного двигателя подаче топлива насосом открытие перепускного окна винтовой кромкой плунжера происходит позже, чем при всех других цикловых подачах, и активный ход плунжера имеет наибольшее значение. Это положение кромки показано на схеме 5.

Для уменьшения количества подаваемого в цилиндр топлива рейку выдвигают, поворачивая тем самым плунжер. Тогда при движении плунжера вверх винтовая кромка раньше открывает перепускное окно гильзы (схема 6), активный ход плунжера уменьшается и в цилиндр поступает меньше топлива.

Впрыск топлива в цилиндр прекращается при полностью выдвинутой рейке. В этом случае плунжер повернется так, что перепускное окно будет открываться винтовой кромкой раньше, чем торец плунжера закроет впускное окно (схема 7). В результате этого объем над плунжером будет все время сообщаться с топливо-подводящим или топливоотводящим каналами и топливо к форсунке подаваться не будет.

Рейка при изменении нагрузки двигателя передвигается автоматически регулятором или водителем через педаль управления подачей топлива.

Ограничение наибольшей подачи топлива достигается ограничением продвижения рейки или рычага управления на регуляторе путем соответствующей установки ограничителя.

Имеющаяся на плунжере вторая винтовая канавка необходима для уравновешивания бокового давления, создаваемого топливом, заполняющим канавки. Кромка этой винтовой канавки является нерабочей, поэтому поворот плунжера на 180° при его установке во втулку не допускается.

При положении рейки, соответствующем полной подаче, повышение числа оборотов приводит к некоторому увеличению цикловой подачи (кривая 1). При меньших нагрузках цикловая подача растет более интенсивно с увеличением числа оборотов (кривые 2 и 3).

В момент прекращения подачи топлива необходимо, чтобы давление в топливопроводе высокого давления быстро снизилось. В противном случае не будет резкой отсечки подачи топлива и в конце впрыска возможно подтекание топлива в виде крупных капель, поступающих в камеру сгорания. Эти капли нераспыленного топлива в цилиндре не сгорают, а коксуются.

Для того чтобы быстро разгрузить топливопровод и обеспечить резкую отсечку подачи топлива, в топливном насосе устанавливают нагнетательный клапан. Этот клапан, будучи закрыт при движении плунжера вниз, отключает также магистраль высокого давления от надплунжерного пространства п тем самым препятствует отсасыванию топлива из топливопровода высокого давления.

В топливных насосах отечественных автотракторных дизелей применяют нагнетательные клапаны грибкового типа . В верхней части нагнетательный клапан имеет грибок 1 с уплотнительным Конусом и разгрузочный поясок 2, а в нижней — хвостовик 3 с четырьмя канавками для прохода топлива.

В процессе наполнения топливом рабочего объема над плунжером нагнетательный клапан плотно прижат к седлу 4 пружиной и остаточным давлением в топливопроводе высокого давления. При движении плунжера вверх, когда давление топлива снизу на клапан превысит усилие, прижимающее клапан к седлу, он начинает подниматься вверх, вытесняя топливо пз штуцера в топливопровод высокого давления. Как только разгрузочный поясок выйдет из седла, топливо из надплунжерной полости начнет поступать в штуцер топливного насоса п далее по топливопроводу в форсунку.

В конце впрыска при открытии перепускного окна давление над плунжером падает и нагнетательный клапан под действием сил пружины и давления топлива в штуцере васоса начнет опускаться в седло. При движении клапана вниз до его посадки на седло разгрузочный поясок войдет нижней кромкой в направляющее отверстие. С этого момента топливопровод высокого давления отключается от надплунжерного пространства. По мере дальнейшего движения клапана вниз в штуцере 16 (см. рис. 117) освобождается объем, в результате чего давление в топливопроводе между насосом и форсункой резко падает. Этим достигается более четкая отсечка подачи и устраняются возможные повторные впрыски топлива. С увеличением этого объема уменьшается остаточное давление в топливопроводе.

Клапан и седло клапана изготовляют в комплекте и заменяют их в случае необходимости также комплектно.

Топливный насос дизеля ЯМЗ-236. Шесть насосных секций размещены в гнездах верхней части корпуса 14 насоса. Гильзы плунжеров фиксируются стопорными винтами 11. На уровне отверстий в гильзах вдоль всего корпуса проходят два горизонтальных канала: по каналу 3 топливо подводится в полость топливных секций, а по каналу 15 — оно отводится от секции после отсечки.

Сбоку вдоль всего корпуса проходит канал, в котором установлена на втулках рейка 12 насоса, находящаяся в зацеплении с зубчатыми венцами каждой секции.

Под гнездами для гильз в корпусе насоса имеются углубления для зубчатых венцов 13 поворотной втулки. В нижней части этих углублений сделаны посадочные пояски, на которые опираются верхние тарелки пружин.

В перегородке корпуса, отделяющей полость насосных секций от полости кулачкового вала, расточены гнезда для установки толкателей 8.

Кулачковый вал 23 насоса имеет шесть кулачков с тангенциальным профилем и эксцентрик. Кулачки приводят в действие толкатели, а эксцентрик приводит в движение подкачивающий поршневой насос.

На кулачковом валу насоса установлена муфта 20 опережения впрыска, с противоположной стороны на нем крепится ступица ведущей шестерни 25 привода регулятора, который укреплен на корпусе насоса.

Порядок работы секций топливного насоса 1—4—2—5—3—6 при вращении кулачкового вала по часовой стрелке, если смотреть со стороны муфты 20 опережения впрыска. Ходы нагнетания у секций чередуются через 45 и 75° угла поворота кулачкового вала насоса соответственно чередованию рабочих ходов в четырехтактном шестицилиндровом V-образном дизеле с углом между блоками цилиндров 90°.

Максимальная производительность одной секции топливного насоса составляет 111—113 мм3 за цикл.

На восьми — и двенадцатицилиндровых дизелях ЯМЗ, а также на дизелях Д-12А применяются насосы, такой же конструкции.

В рассмотренном топливом насосе число нагнетающих секций соответствует числу цилиндров двигателя. В последние годы стали применять насосы распределительного типа, в которых одна секция последовательно подает топливо в два-шесть цилиндров. В этих насосах за один оборот кулачкового вала число совершенных плунжером ходов, соответствует числу цилиндров, обслуживаемых насосы. При шести-восьми цилиндрах в таких насосах устанавливают две секции.

3. Форсунки

Форсунки делятся на два основных типа: открытые и закрытые.

Закрытые форсунки в зависимости от конструкции распылителя могут быть клапанно-сопловыми, бесштифтовыми и штифтовыми.

Впрыск топлива через открытую форсунку начинается в тот момент, когда давление в полости распылителя будет выше, чем в цилиндре. Разность в давлении должна быть достаточной, чтобы преодолеть сопротивление, возникающее в дросселирующем сечении, каким являются сопловые отверстия распылителя.

В распылителе имеется пластинчатый клапан 6. Когда давление в полости распылителя меньше, чем в цилиндре, то под действием давления газов клапан прижимается к гнезду и газы насос-форсунки. Для уменьшения подтекания топлива, характерного для открытых форсунок в конце впрыска, в распылителе имеется контрольный клапан 5 с ограничителем хода 3 и пружиной 4, открывающийся при давлении 40—65 бар (кГ/см?). Поскольку это давление существенно меньше давления впрыска, часто форсунку такого типа называют открытой.

Особенностью закрытой форсунки является наличие в ней запорного органа — иглы 7 , которая в период между впрысками топлива в цилиндр отделяет топливоподающую магистраль высокого давления от камеры сгорания.

Топливо из кольцевой канавки 6 на верхнем торце корпуса 3 распылителя по каналам 4 поступает во внутреннюю полость 8. Под действием пружины 5, имеющей предварительную затяжку, игла 7 конусом 1 прижимается к седлу в корпусе распылителя. При поступлении топлива из насоса давление в топливо-проводе, а также во внутренней полости распылителя резко возрастает. Когда это давление, действующее на коническую поверхность 2 иглы, становится выше давления, создаваемого пружиной, игла поднимается, и топливо через сопловые отверстия 9 поступает в камеру сгорания под высоким давлением и с большой скоростью.

После отсечки подачи топлива в топливном насосе давление в топливопроводе, а также во внутренней полости корпуса распылителя снижается и становится меньше давления, создаваемого пружиной. Вследствие этого игла под действием пружины плотно прижимается к гнезду и поступление топлива в цилиндр прекращается.

Чтобы предотвратить подтекание топлива в цилиндр в конце впрыска и закоксование отверстий распылителя, необходима резкая посадка иглы в гнездо в момент прекращения подачи топлива, что обеспечивается действием разгрузочного нагнетательного клапана.

Давление впрыска топлива, а следовательно, и скорость его протекания через сопловые отверстия можно изменять, регулируя предварительную затяжку пружины иглы форсунки, которую выбирают в зависимости от типа и формы камеры сгорания дизеля.

В существующих конструкциях форсунок иглу распылителя и корпус делают удлиненными, что увеличивает срок их службы и улучшает условия работы иглы.

Распылители, применяемые в форсунках для быстроходных дизелей, различаются устройством запорной части иглы и сопла. Сопло распылителя может иметь одно или несколько отверстий, соединяющих полость распылителя с камерой сгорания.

Распылители, имеющие 4—10 отверстий диаметром 0,15— 0,45 мм, применяют в форсунках для однополостных неразделенных камер сгорания.

В разделенных, а также в некоторых однополостных неразделенных камерах сгорания устанавливают распылители с одним отверстием. В ряде случаев эти распылители кроме запорного конуса имеют штифт в виде двух сходящихся конусов. Такие распылители называются штифтовыми. При подъеме иглы меняется площадь сечения, через которое протекает топливо, что обеспечивает устойчивый режим работы форсунки почти при всех нагрузках дизеля. Штифт при движении иглы очищает сопловое отверстие распылителя от нагара. Угол конуса штифта может быть 4—45°. Диаметр соплового отверстия принимают равным 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Ход иглы во всех рассмотренных выше закрытых распылителях равен 0,3—0,45 мм, зазор между иглой и корпусом распылителя 2,5 мкм; угол конуса седла 59—60°, а угол конуса иглы делают соответственно на 1° больше.

К корпусу 1 форсунки стяжной гайкой 2 крепится распылитель 3 с иглой 4, которая прижимается к седлу толкателем 6 с пружиной 8. Нижний конец пружины опирается на тарелку 7, а верхний — на регулировочный винт 9, ввернутый в стакан 10 и фиксируемый контргайкой 11. Между колпаком 12, навертываемым на стакан 10, и корпусом имеется прокладка 13. Регулировочным винтом можно менять предварительную затяжку пружины.

Топливо к форсунке поступает через штуцер 15 с фильтром 14, состоящим из ряда проволочных сеток. По наклонному каналу в корпусе форсунки топливо подается в кольцевую канавку и далее-по каналам распылителя — к выточке у запорного конуса, а при подъеме иглы — к сопловым отверстиям.

Топливо, просочившееся между иглой и корпусом распылителя,, отводится в сборную магистраль черезштуцер,установленный в резьбовом отверстии.

Форсунка крепится к головке цилиндров скобой, опирающейся на буртики колпака 12.

На подводящий штуцер надета резиновая втулка 16, предназначенная для уплотнения в месте выхода его из головки двигателя.

Четыре сопловые отверстия диаметром 0,34 мм неравномерно расположены на распылителе для лучшего использования воздуха в камере сгорания. Распылитель по отношению к камере сгорания установлен в корпусе форсунки в строго определенном положении, которое фиксируется двумя штифтами 5. Подъем иглы в распылителе, равный 0,28—0,38 мм, ограничивается упором ее в торцовую плоскость корпуса форсунки. Затяжка пружины иглы форсунки должна быть такой, чтобы давление пружины на иглу было равно 150 + 5 бар (кГ/см2).

На двухтактных дизелях ЯАЗ применяют насос-форсунки, которые представляют собой объединенные в один агрегат насос высокого давления золотникового типа и форсунку с кла-панно-сопловым распылителем.

Плунжер насос-форсунки в отличие от рассмотренного выше плунжера насоса двигателя ЯМЗ имеет две рабочие винтовые кромки, из которых одна (верхняя) управляет моментом начала впрыска топлива в зависимости от положения рейки насос-форсунки, а другая (нижняя) — моментом конца впрыска топлива.

Наличие двух винтовых кромок на плунжере насос-форсунки приводит к тому, что одновременно с изменением количества подаваемого топлива при повороте плунжера меняются также и моменты начала и концавпрыска.Приэтомунасос-форсунки АР-20А3 с уменьшением количества подаваемого топлива начало подачи наступает позднее, смещаясь ближе к в. м. т. Одновременно происходит более раннее окончание впрыска. Поэтому по мере уменьшения подачи топлива не ухудшается эффективность сгорания и, следовательно,— экономичность двигателя на режимах средних и малых нагрузок.

Подачу топлива изменяет водитель, воздействуя на педаль управления, которая через систему рычагов и тяг связана с рейкой насос-форсунок. Изменение количества подаваемого топлива может производиться автоматически центробежным двухрежим-ным регулятором.

4. Совместная работа топливного насоса высокого давления и форсунки

При рассмотрении действия топливного насоса было установлено, что активный ход плунжера, в течение которого топливо подается к форсунке, происходит от момента перекрытия окон торцом плунжера до отсечки подачи топлива, когда винтовая кромка откроет перепускное окно.

Такое предположение действительно для случая, когда плунжер топливного насоса движется медленно и топливо вытесняется из надплунжерного пространства в среду, где нет дополнительных сопротивлений. В действительности явления, происходящие в топливной системе, усложняются из-за ряда обстоятельств, вследствие чего начало и конец впрыска топлива в цилиндр не совпадают с моментом начала и конца активного хода.

При начальном движении плунжера от крайнего нижнего положения до закрытия окон происходит холостой ход плунжера, в течение которого топливо из надплунжерной полости перетекает обратно в топливоподводящий канал топливного насоса. На графике, где по оси абсцисс отложен угол поворота вала топливного насоса <рк, а по оси ординат ход hnи скорость движения vnплунжера, холостой ход плунжера соответствует участку от начала координат до точки 1. В течение этого периода кулачок топливного насоса повертывается на угол Афх, плунжер проходит путь Ahtи скорость его движения при соответствующем выборе профиля кулачка вала топливного насоса возрастает от 0 до vx.

С момента закрытия окон начинается подъем нагнетательного клапана. В первый период его подъема до момента выхода разгрузочного пояска из направляющего канала седла клапана, топливо не поступает из плунжерной полости в штуцер нагнетательногоклапана.Конец этогопериодахарактеризуется точкой 2.

Следовательно, от точки 1 до точки 2 происходит дополнительный ход плунжера А/^, в течение которого вал топливного насоса повертывается на угол Дф2, а скорость плунжера увеличивается до v2.

При положении плунжера в точке 2, когда разгрузочный поясок нагнетательного клапана полностью выходит из направляющей седла, топливо начинает поступать в топливопровод высокого давления. Поступление топлива прекращается в момент открытия винтовой кромкой перепускного окна, что соответствует точке 3 на кривой хода плунжера hn. За этот период кулачковый вал повернется на угол Лфз, а скорость плунжера изменится от и2 до t>3-Положение точки 3 зависит от количества подаваемого топлива.

Следует отметить, что в действительности разгрузочный поясок под действием создаваемого в надплунжерной полости давления выходит несколько раньше из направляющей седла нагнетательного клапана и поэтому поступление топлива в штуцер начинается не в точке 2, а раньше. Конец подачи будет значительно позже точки 3 из-за дросселирования потока топлива в отсечном окне гильзы плунжера. Общая продолжительность подачи будет большей. Давление в надплунжерной полости зависит от конструктивных особенностей насоса высокого давления и форсунки, а также от режима работы топливной системы.

Характеристика впрыска топлива через форсунку определяется разностью давлений перед сопловым отверстием распылителя рс и в цилиндре рц в период впрыска, т. е. рвп = рс — р .

Для закрытой форсунки горизонтальная штриховая линия, оставшееся от предыдущего цикла, после посадки разгрузочного пояска нагнетательного клапана. Точка 1 характеризует момент начала повышения давления топлива, находящегося в топливопроводе, вследствие подъема нагнетательного клапана. В точке 2 повышение давления оказывается достаточным, чтобы преодолеть силу затяжки пружины и обеспечить отрыв иглы форсунки от седла. С этого момента через открывшееся отверстие распылителя начинается впрыск топлива, что приводит вначале к небольшому снижению давления от точки 2 до точки 3.

На этом участке развитие процесса впрыска зависит от скорости движения плунжера. При его небольшой скорости давление в распылителе рф может уменьшиться настолько, что игла начнет перемещаться обратно к седлу. Точка 3 соответствует моменту, когда разгрузочный поясок клапана полностью вышел из направляющей седла и топливо начинает поступать из плунжерной полости насоса. При соответствующей скорости движения плунжера на последующем этапе впрыска давление рф возрастает.

В точке 4 происходит отсечка подачи топлива, давление в плунжерной полости резко снижается, нагнетательный клапан начинает двигаться к седлу. С момента посадки разгрузочного пояска в направляющую седла (точка 5) происходит разобщение полости топливопровода от надплунжерного пространства и быстрое падение давления рф. В течение некоторого периода (до точки 6),

несмотря на то, что произошла отсечка подачи, топливо, находящееся в топливопроводе, впрыскивается через форсунку в цилиндр. В точке 6 игла форсунки садится на место, и дальнейшее понижение Рф происходит только вследствие действия нагнетательного клапана.

Изменение давления реп при применении открытой форсунки также показано на рис. 127 (кривая Б). Поскольку в форсунке нет запорного органа, конец впрыска затягивается и происходит при невысоком давлении, что приводит к резкому ухудшению рас-пыливания топлива.

Приведенный выше характер совместного действия топливного насоса и форсунки предполагает, что изменение давлений в топливном насосе и в сопле форсунки происходит одновременно. В действительности процесс впрыска по времени не совпадает с периодом подачи топлива насосом.

Суммирование количества топлива, характеризуемого кривой 1, показывает общее количество топлива g4, впрыснутого в цилиндр за соответствующий угол поворота кулачкового вала (кривая 2).

Как видно из графика, начало и конец впрыска происходят позже соответствующих фаз подачи топлива насосом.

Увеличение продолжительности впрыска зависит от числа оборотов вала насоса, давления затяжки пружины иглы форсунки, длины топливопровода, площади проходных сечений сопловых отверстий и увеличения количества подаваемого топлива. При применении насос-форсунки характеристика впрыска (особенно его начало) более всего соответствует характеристике подачи топлива насосом. Соответствие указанных характеристик наблюдается и у топливных систем разделенного типа при коротком топливопроводе высокого давления.

В большинстве топливных насосов, устанавливаемых на многоцилиндровых дизелях, подача топлива на цикл возрастает с увеличением числа оборотов коленчатого вала. Для изменения характеристики и приведения ее в соответствие с требованиями эксплуатации в таких системах применяют специальные корректоры.