Одноплунжерные распределительные топливные насосы высокого давления Лукас
Топливные насосы без электронного управления Лукас
Система топливоподачи с ТНВД Lucas DPS. Производством роторных ТНВД распределительного типа DPA, DPC и DPS и ТНВД с электронным управлением EPIC занимается фирма Lucas CAV (Англия). Роторные распределительные ТНВД фирмы Lucas CAV широко используются для дизелей легковых автомобилей, микроавтобусов и лёгких грузовиков рабочим объёмом до 2,5 л, преимущественно на четырёхцилиндровых двигателях. В топливных насосах DPC используется механизм с внутренним кулачковым профилем, применяемый во всех ТНВД Lucas ряда DP.
Ниже рассматривается базовая конструкция ТНВД Lucas DPS, другие модели ряда DP имеют аналогичную конструкцию и отличаются дополнительными устройствами.
Общая схема системы топливоподачи с топливным насосом Lucas DPS показана на рис.5.51. Топливо из бака 1 проходит через топливный фильтр 2 и подаётся на вход топливного насоса низкого давления 3 роторно-лопастного типа, откуда через электромагнитный клапан выключения подачи 5 поступает к дозирующему клапану 6. Низкое давление в системе поддерживается регулирующим клапаном 4. Дозирование топлива осуществляется по принципу дросселирования на впуске путём поворота дозирующего клапана 6, находящегося под воздействием автоматического регулятора частоты вращения 13. Топливо от дозирующего клапана 6 поступает в гидравлическую головку и далее в нагнетательную секцию 7, в которой используется механизм с внутренним кулачковым профилем и радиально перемещающимися плунжерами.
В ходе нагнетания топливо через нагнетательный клапан и линию высокого давления 8 соответствующего цилиндра подаётся к форсунке 9.
Рис. 5.51. Общая схема системы топливоподачи с топливным насосом Lucas DPS:
1 – топливный бак; 2 – топливный фильтр с ручным подкачивающим насосом; 3 – ТНВД; 4 – регулирующий (редукционный) клапан низкого давления; 5 – электромагнитный клапан включения подачи топлива; 6 – дозирующий клапан; 7 – нагнетательная секция; 8 – линия высокого давления; 9 – форсунка; 10 – автомат опережения зажигания; 11 – клапан, предотвращающий запирание автомата опережения впрыскивания; 12 – клапан давления в полости кулачкового механизма нагнетательной секции; 13 – регулятор частоты вращения; 14 – клапан опережения впрыскивания на малых нагрузках; 15 – дифференциальный клапан; 16 – корректор по давлению наддува; 17 – поступление воздуха от турбокомпрессора; 18 – поршни пускового обогатителя; 19 – пусковая пружина
Автомат опережения впрыска 10 регулирует момент начала впрыска топлива в зависимости от скоростного режима двигателя. Кроме автомата опережения впрыска в топливной системе Lucas предусматриваются дополнительные устройства опережения впрыска.
В дизелях с турбонаддувом устанавливается корректор по давлению наддува 16, обеспечивающий согласование расхода топлива и воздуха на режимах разгона.
Общее устройство ТНВД Lucas DPS. Общий вид топливного насоса высокого давления Lucas DPC показан на рис.5.52, а его схема в разрезе на рис. 5.53.
Рис 5.52. Общий вид Lucas DPC:
1 – ступица привода; 2 – рычаг регулятора частоты вращения; 3 – рычаг холостого хода; 4 – пружина регулятора частоты вращения; 5 – автомат опережения впрыскивания; 6 – рычаг управления; 7 – дозирующий клапан; 8 – электромагнитный клапан выключения подачи; 9 – насос низкого давления; 10 – штуцер нагнетательного клапана; 11 – поршень повышенной подачи топлива; 12 – кольцо с внутренними кулачками; 13 – грузы регулятора частоты вращения; 14 – держатель грузов регулятора
Рис. 5.53. Схема продольного разреза ТНВД Лукас:
1 – дифференциальный клапан; 2 – поршни пускового обогатителя; 3 – толкатель (башмак); 4 – пластина-ограничитель максимальной подачи; 5 – возвратная пружина; 6 – муфта регулятора; 7 – вал привода; 8 – обойма грузов регулятора; 9 – пружина холостого хода; 10 – рычаг регулятора; 11 – рабочая пружина; 12 – автомат опережения впрыска; 13 – рычаг управления; 14 – тяга; 15 – дозирующий клапан
Роторно-лопастной насос низкого давления. Роторно-лопастной насос низкого давления служит для создания в корпусе ТНВД низкого давления, величина которого зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Топливо от насоса низкого давления подается к нагнетательной секции. От давления развиваемого насосом зависит также положение автомата опережения впрыска.
Топливный насос низкого давления установлен на конце ротора - распределителя ТНВД и состоит из ротора 1 (рис.5.54), эксцентриковой шайбы 3 и двух жёстких лопастей 2, которые перемещаются по профилю внутренней поверхности эксцентриковой шайбы.
Рис. 5.54. Насос низкого давления:
а) схема работы; б) детали насоса; 1 – ротор; 2 – лопасти; 3 – эксцентриковая шайба
Насос низкого давления относится к насосам объёмного типа. При вращении ротора 1 подвижные лопасти 2 под действием возникающей центробежной силы перемещаются по пазам ротора и прижимаются к внутренней полости эксцентриковой шайбы 3. С помощью подвижных лопастей обеспечивается уплотнение между дисковым ротором и эксцентриковой шайбой и подача топлива со стороны всасывания в сторону нагнетания.
Устройство выключения подачи топлива. Остановка двигателя осуществляется путем прекращения поступления топлива в ротор-распределитель. Для этой цели в системе между каналом поступления топлива от лопастного насоса и каналом подвода топлива к дозирующему клапану установлен электромагнитный клапан 8 (рис.5.52). При включенном «зажигании» шток клапана под воздействием электромагнитного поля приподнимается и открывает канал подачи топлива к дозирующему клапану. При выключении «зажигания» шток занимает исходное положение и подача топлива в ротор-распределитель прекращается.
Нагнетание и распределение топлива. Для нагнетания и распределения топлива служит гидравлическая головка (рис. 5.55).
Рис. 5.55 Распределительная головка:
1 – кулачковое кольцо; 2, 8 – каналы; 3 – корпус головки; 4 – поршень; 5 – регулирующий клапан; 6 – регулировочный винт; 7 – отверстия; 9 – нагнетательный клапан; 10 – ротор-распределитель; 11 – ролик; 12 – плунжеры; 13 – корпус ТНВД; 14 – вал привода; 15 – пробка
Она состоит из ротора-распределителя 10, регулирующего клапана 5, нагнетательных клапанов 9, количество которых определяется числом цилиндров и электромагнитного клапана выключения подачи. Ротор-распределитель включает в себя нагнетательный элемент, состоящий из двух, трех или четырех радиально движущихся плунжеров 12 с толкателями (башмаками), кольца с внутренним кулачковым профилем 1, роликов 11. Кулачковый профиль выполнен с высокой степенью точности. Форма кулачкового профиля определяет закон перемещения плунжеров, продолжительность фазы сжатия и стабильность подачи топлива в каждом цикле. Кольцо с кулачковым профилем может поворачиваться на небольшой угол через винт-поводок под воздействием автомата опережения впрыска.
Регулирующий клапан предназначен для поддержания определенного низкого давления, зависящего от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки (количества топлива потребляемого на данном режиме работы двигателя). Клапан состоит из корпуса 5, в котором размещены поршень 4 и пружина. Усилие пружины, а значит и низкого системного давления, регулируется винтом 6. Пружина удерживает поршень в исходном положении. Заполнение клапана топливом происходит при перемещении поршня 4, который сжимает пружину и обеспечивает таким образом соединение каналов 2 и 8. При увеличении частоты вращения ротора насоса низкое давление увеличивается, поршень 4 перемещается и последовательно открывает отверстия 7, регулируя, таким образом, величину давления.
Топливо под низким давлением поступает к впускному каналу 8 в гидравлической головке, эффективное сечение которого определяется положением дозирующего клапана 6 (позиция 6 на рис.5.51), управляемого автоматическим регулятором частоты вращения.
Вал привода через шлиц приводит во вращение ротор-распределитель. Внутри ротора-распределителя имеется один центральный канал, два сквозных канала впуска 8 (рис. 5.56) и под углом 90° к центральному каналу, канал нагнетания топлива 7.
Рис. 5.56. Схема подачи и нагнетания топлива в распределительной головке:
1 – кольцо с кулачковым профилем; 2 – ролик; 3 – толкатель (башмак); 4 – плунжер; 5 – впускное отверстие; 6 – канал нагнетания топлива головки; 7 – канал нагнетания топлива ротора-распределителя; 8 – каналы впуска ротора-распределителя
Во время фазы впуска один из впускных каналов 8 ротора совпадает с впускным отверстием 5 в головке 9 (рис. 5.56, а). В это время плунжеры 4 с толкателями 3 и роликами 2, прижимаемые центробежными силами и на некоторых режимах силами давления топлива к кулачковому профилю кольца расходятся, вследствие этого в центральном канале создается разрежение, и топливо попадает во внутренние полости ротора и между плунжерами.
По мере вращения ротора-распределителя впускные отверстия в роторе и гидравлической головке разъединяются, и фаза впуска прекращается. При дальнейшем вращении ротора-распределителя канал нагнетания 7 (рис. 5.56, б) соединяется с одним из каналов нагнетания 6 в гидравлической головке для подачи топлива под высоким давлением к форсунке соответствующего цилиндра.
Во время хода нагнетания роликовые толкатели 3 в соответствии с профилем противоположно расположенных внутренних кулачков заставляют плунжеры 4 перемещаться навстречу друг другу, в результате чего происходит нагнетание топлива. Когда ролики 2 оказываются на вершине кулачков, процесс сжатия топлива прекращается и начинается следующий цикл наполнения нагнетательного элемента.
Пусковая подача топлива. Для облегчения пуска двигателя в топливном насосе DPC предусмотрен пусковой обогатитель, который обеспечивает увеличенную подачу топлива при пуске и при работе на пусковой частоте вращения. Пусковой обогатитель состоит из плунжеров 2, толкателя (башмака) 3, пластины-ограничителя максимальной подачи 4, возвратной пружины 5 (см. рис. 5.53). На внешней поверхности толкателей и в пластине - ограничителе максимальной подачи 4 выполнены прорези, как показано на рис. 5.57 (позиции на рис. соответствуют позициям рис.5.53).
Рис. 5.57 Схема регулирования расстояния между плунжерами:
2 – плунжер (поршень); 3 – толкатель (башмак); 4 – пластина-ограничитель максимальной подачи; а – положение плунжера при пусковой подаче; б – положение плунжера при минимальной подаче; h1, h2 – ход плунжера
При перемещении толкателей 3 выступы толкателя входят в зацепление с прорезями в пластине-ограничителе максимальной подачи 4, максимальное расстояние между плунжерами 2 увеличивается на величину h, которая зависит от глубины паза в толкателях. Прорези в платине и выступы в толкателе с одной стороны выполнены под углом, что позволяет изменять ход плунжеров. Увеличение подачи осуществляется путём увеличения расстояния между плунжерами в ходе впуска. Вследствие большего расстояния между плунжерами, объем вытесняемого топлива увеличивается. Совместное перемещение ролика и толкателя осуществляется с помощью поршней 2 обогатительного механизма, на которые может воздействовать низкое давление топлива при открытом дифференциальном клапане 1 (см. рис. 5.53). Обратное перемещение роликов и толкателей происходит под воздействием возвратной пружины 5. Величина перемещения поршней зависит от давления, определяемого дифференциальным клапаном 1.
В более поздних конструкциях ТНВД Лукас вместо прорезей в пластине и выступов в толкателе, пластина и толкатель выполнены под углом (рис. 5.58), что позволяет при перемещении пластины изменять расстояние между плунжерами.
Рис. 5.58. Схема корректора наддува:
1 – поршень; 2 – плунжер; 3 – возвратная пружина; 4 – пластина-ограничитель максимальной подачи; 5 – толкатель
Дифференциальный клапан, работающий под действием низкого давления, размещён в корпусе, который одновременно прикрепляет гидравлическую головку к корпусу ТНВД. Для регулировки давления, воздействующего на поршни пускового обогатителя в корпусе клапана предусмотрен винт, изменяющий натяжение пружины клапана.
Давление, создаваемое лопастным насосом низкого давления и зависящее от скоростного режима двигателя, подводится к клапану через кольцевую канавку. При закрытом положении клапана 1 (см. рис. 5.53) давление на поршни пускового обогатителя не действует и за счет пружины 5 последний увеличивает подачу топлива. При открытом клапане, давление топлива под низким давлением поступает к поршням пускового обогатителя, в результате чего действие последнего прекращается.
Автоматические регуляторы частоты вращения коленчатого вала двигателя. Автоматические регуляторы частоты вращения служат для поддержания на заданном уровне частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Детали всережимного регулятора частоты вращения показаны на рис. 5.53. Рычаг управления 13, связанный с педалью акселератора, при своём повороте воздействует на рабочую пружину регулятора 11, изменяя её предварительную затяжку и устанавливая таким образом регулируемый скоростной режим двигателя. Пружина регулятора одним концом соединена с валом рычага управления и вторым концом с рычагом регулятора 10, который в свою очередь соединён тягой с дозирующим клапаном 15. Обойма грузов регулятора 8 закреплена на валу привода 7, в обойме установлены несколько грузов, движение которых передаётся через муфту 6 регулятора рычагу 10.
Схема работы центробежного регулятора показана на рис. (рис. 5.59 а, б, в, г)
Рис. 5.59. Схема работы регулятора частоты вращения Лукас:
1 – рычаг управления; 2 – рабочая пружина; 3 – грузы; 4 – муфта регулятора; 5 – пружина холостого хода; 6 – винт регулировки минимальной частоты вращения коленчатого вала; 7 – рычаг регулятора; 8 – ось вращения; 9 – тяга; 10 – дозирующий клапан; 11 – винт регулировки максимальной частоты вращения коленчатого вала
При работе двигателе на минимальной частоте вращения коленчатого вала (рис. 5.59, а) равновесие с центробежной силой грузов обеспечивается пружиной холостого хода 5. В случае увеличения скоростного режима работы двигателя пружина сжимается и воздействует на тягу 9, управляющую дозирующим клапаном 10, поддерживая таким образом стабильную частоту вращения.
На режимах частичной и полной нагрузок пружина холостого хода не работает и положение тяги 9, управляющей дозирующим клапаном 10, зависит от усилия натяжения рабочей пружины 2, т. е. от положения педали акселератора. На частичных нагрузках грузы 3 (рис. 5.59, б) центробежного регулятора расходятся, передвигая при этом муфту 4 и последняя, воздействуя на рычаг 7, перемещает тягу 9. Дозирующий клапан при этом устанавливается в положение небольшой подачи.
При увеличении нагрузки (рис. 5.59, в) частота вращения коленчатого вала начинает падать. Грузы при этом сходятся, муфта передвигается влево, рычаг регулятора 7 передвигая тягу 9, устанавливает дозирующий клапан 10 в положение большей подачи.
В случае превышения максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя, установленной для него, вследствие большого расхождения грузов регулятора, дозирующий клапан устанавливается в положение уменьшения подачи топлива (рис. 5.59, г) и частота вращения коленчатого вала уменьшается до допустимой.
В ТНВД Лукас могут применяться как двухрежимные, так и всережимные регуляторы. В двухрежимных регуляторах в отличие от всережимных, устанавливается пластинчатая пружина холостого хода, вместо обычной пружины. Рычаг управления при этом связан с рычагом регулятора и дозирующим клапаном не через рабочую пружину, а непосредственно напрямую с дозирующим клапаном. Двухрежимный регулятор осуществляет регулирование только максимального и минимального скоростных режимов.
Регулирование угла опережения впрыска топлива. Автомат опережения впрыска расположен в верхней части корпуса ТНВД и связан механически с кулачковым кольцом. Устройство автомата опережения впрыска показано на рис. (рис. 5.60).
Рис. 5.60. Автомат опережения впрыска топлива:
1 – резьбовая пробка; 2 – камера давления; 3 – поршень автомата опережения; 4 – пружина; 5 – кольцо с внутренним кулачковым профилем; 6 – винт-поводок кулачкового кольца; а – запаздывание впрыска; б – опережение впрыска
Поршень 3 автомата, перемещающийся во втулке, расположенной в корпусе ТНВД, посредством винта-поводка 6 соединяется с кулачковым кольцом 5. Пружина 4 контролирует перемещение поршня, когда он находится под воздействием низкого давления топлива.
При неработающем двигателе дифференциальный клапан дополнительной подачи топлива на режиме пуска закрыт, давление на поршень автомата опережения не действует. Поршень под действием пружины 4 прижимается к пробке 1. Таким образом, система находится в положении подготовки к пуску. При запуске двигателя открывается дифференциальный клапан, и топливо от роторно-лопастного насоса поступает в камеру 2. Поршень под действием давления топлива перемещается, полностью сжимая пружину запаздывания. Система при этом находится в положении так называемого «нулевого опережения». При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя давление в камере 2 увеличивается и когда сила давления превысит усилие пружины 4, поршень начнёт перемещаться, а связанное с ним кулачковое кольцо поворачиваться в сторону, противоположную направлению вращения вала ТНВД, увеличивая угол опережения впрыска. При снижении частоты вращения двигателя пружина толкает поршень автомата обратно, уменьшая угол опережения.
Корректор по давлению наддува. Корректор по давлению наддува предназначен для регулирования величины подачи топлива в зависимости от изменения давления наддува, создаваемого турбокомпрессором.
В топливных насосах DPC для корректирования подачи топлива на дизелях с турбонаддувом применяется модифицированное устройство управления цикловой подачей при пуске. На рабочих поверхностях пластины-ограничителя подачи и толкателей (башмаков) выполнены наклонные пазы, позволяющие изменять подачу топлива при перемещении этого узла вдоль оси ротора.
Корректор по давлению наддува (позиция 16 на рис.5.51) установлен между дифференциальным клапаном пускового обогатителя и устройством корректирования подачи. Корректирование цикловой подачи топлива в зависимости от давления наддува осуществляется путём изменения давления топлива на поршни (позиции 18 на рис.5.51), перемещающие узел регулирования подачи в направлении возвратной пружины (позиции 19 на рис.5.51).
Корректор по давлению наддува состоит из корпуса, в котором размещён поршень 15 (рис. 5.61), упирающийся в распорную втулку 10. С обеих сторон распорной втулки располагаются две диафрагмы 9 и 11 разного размера. Давление от турбокомпрессора подаётся в камеру между диафрагмами через входной штуцер 14.
Рис. 5.61. Схема корректора наддува:
1 – поршень; 2 – плунжер; 3 – возвратная пружина; 4 – пластина-ограничитель максимальной подачи; 5 – толкатель; 6 – редукционный клапан низкого давления; 7 – канал слива топлива; 8 – сливная трубка; 9 – малая диафрагма; 10 – распорная втулка; 11 – большая диафрагма; 12 – камера атмосферного давления; 13 – пружина; 14 – штуцер подвода давления наддува; 15 – поршень корректора наддува
При работе двигателя с малой частотой вращения топливо через редукционный клапан 6 поступает к поршням 1 пускового обогатителя, перемещая узел подачи топлива в положение, при котором ход плунжеров не является увеличенным.
При увеличении давления наддува, происходящем с повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя, диафрагмы 9 и 11 прижимаются к пружине 13. За счёт этого поршень 15 постепенно открывает канал сливного трубопровода 7, через которое топливо выходит на слив, в результате чего давление за поршнями 1 снижается, и узел подачи топлива под действием возвратной пружины 3 сдвигается в сторону увеличения хода плунжеров и, следовательно, увеличения цикловой подачи топлива.