Принцип действия и особенности исполнения ТНВД разных типов

Главной спецификой использования топливных насосов высокого давления (ТНВД) автомобильных двигателей является срабатывание форсунок на впрыск в конце такта сжатия в цилиндре. Современные моторы имеют высокую степень сжатия, особенно это касается дизелей, поэтому преодолеваемое давление само по себе велико, а ещё надо обеспечить значительный перепад, позволяющий тонко распылить топливо. Следовательно, давление на выходе ТНВД обязано достигать столь высокого уровня, насколько это вообще достижимо без неприемлемых затрат на оборудование.

Использование ТНВД для моторов на лёгком и тяжёлом топливе

Прямой впрыск ранее применялся только на дизельных моторах, по крайней мере в автомобильной технике. Но успехи такого метода подачи топлива в авиации заставили разработать аналогичные системы и для массового автостроения. Особенно после начала глобальной борьбы за экономию и экологию. Сейчас принципы работы двигателей на разных видах топлива постепенно сближаются. Становится общепринятой для всех подача горючего непосредственно в цилиндр с использованием тонких механизмов распыления, многократного дозирования за один такт, аэродинамически сложного завихрения смеси и послойного воспламенения. Это требует высокого давления впрыска и быстродействующей топливной аппаратуры.

Функции подачи жидкого топлива обычно распределяются по двум насосам. Один подкачивает его из бака, а второй создаёт высокое давление. Соответственно и размещаются они в разных местах автомобиля, подкачивающий устанавливается в баке или около него, а ТНВД непосредственно на двигателе. Хотя случаются и исключения, особенно в последних поколениях. Для ТНВД требуется значительная мощность привода, а часто и точная синхронизация с системой газораспределения.  Момент впрыска для дизеля имеет то же значение, что и опережение зажигание в случае бензомотора. Топливо воспламеняется сразу же во время впрыска в раскалённый после интенсивного сжатия газ. Если опоздать, то оно не успеет отдать всю свою энергию, а чрезмерное опережение вызовет жёсткую работу и снизит КПД мотора.

Различные конструктивные исполнения ТНВД

Общим для всех типов является наличие плунжерных пар. Это с высокой точностью подогнанные к цилиндрам поршни – плунжеры. На них оказывается жёсткое давление со стороны механизмов привода, а они в свою очередь передают его на топливо, минимальные зазоры обеспечивают значительное сжатие, нужное для качественного распыления. На топливную аппаратуру, включающую в основном ТНВД и форсунки с трубопроводами высокого давления, возлагаются три главные функции:

• обеспечение максимально возможного давления впрыска;
• регулирование количества подаваемого топлива в зависимости от режима работы двигателя (цикловая подача);
• синхронизация момента впрыска в цилиндр или форкамеру.

Конструктивно это можно исполнить различными способами. Тот или иной выбирается в зависимости от поколения развития топливной аппаратуры и экологического класса, а также от предназначения двигателя.

Индивидуальные плунжеры на каждую форсунку

ТНВД многоплунжерной конструкции имеет схематически простое устройство. В нём имеется приводной кулачковый вал, через толкатели связанный с плунжерами. Надплунжерное пространство в каждом из цилиндров связано топливопроводом с форсунками. Каждому плунжеру соответствует своя форсунка одного из цилиндров двигателя.

Вращение кулачкового вала синхронизировано с двигателем таким образом, что перед впрыском происходит ход плунжера вниз, гильза цилиндра заполняется топливом, а затем кулачок с силой подаёт плунжер вверх. Давление нарастает, открывается нагнетательный клапан, порция топлива под напором впрыскивается через форсунку в цилиндр.

Дозирование подачи осуществляется зубчатой рейкой, которая поворачивает плунжеры, изменяя объём надплунжерного пространства, а значит и количество впрыскиваемой жидкости. Рейка связана с педалью акселератора. Регулирование момента впрыска достигается центробежной муфтой в приводе кулачкового вала.

Плунжеры насоса могут располагаться в один ряд или в два, образуя V-образную конфигурацию. Она компактней, более жёсткая, а значит позволяет повысить давление впрыска.

Группирование форсунок на общий плунжер с распределителем

Насос можно сделать более компактным, если создавать давление одним плунжером сразу на несколько форсунок, распределяя топливо между ними специальным устройством. Распределитель может быть очень сложным, использовать электронное управление моментом впрыска и количеством топлива, но в простейшем случае это узел золотникового типа, синхронное вращение которого поочерёдно передаёт давление на нагнетательные клапаны форсунок.

Управление плунжерами может быть торцевого или роторного типа. В первом случае на плунжеры воздействует кулачковая шайба, профилированная с торца, во втором – шайба охватывает ротор с плунжерами по окружности, воздействуя на них через ролики. Разница не принципиальная, важнее организация распределения и управления моментом впрыска.

Подобные насосы для легковых дизелей первыми стали применять электронное управление. Появился и многофазный впрыск, поскольку компактность ТНВД позволила увеличить давление и быстродействие. Блок управления получил в своё распоряжение такие исполнительные механизмы, как регулятор опережения впрыска, клапан управления подачей, дополнительные регуляторы пуска и прогрева. Для работы он учитывает сигналы многочисленных датчиков, принимая во внимание температуру воздуха и топлива, скорость вращения, степень нажатия педали, давление турбонаддува и даже сигнал от датчика иглы форсунки. Без всего этого чистоту выхлопа обеспечить затруднительно.

Работа насоса на общую магистраль

Наиболее совершенно выглядят системы типа Common Rail, где роль насоса сводится к созданию и поддержанию давления в аккумулирующей рампе, от которой питаются все форсунки двигателя. Каждая из них является быстродействующим электрогидравлическим клапаном, открывающимся и закрывающимся по команде блока управления. Точность дозирование обеспечивается временем нахождения форсунок в открытом состоянии.

Управление всей топливной аппаратурой, включая насос, производится электронным блоком, собирающим информацию с датчиков. В частности, контролируется давление в топливной рампе. Чтобы поддерживать его на требуемом уровне, несмотря на переменный расход со стороны форсунок, в ТНВД магистрального типа вводится клапан дозирования, ограничивающий наполнение надплунжерного пространства при впуске топлива.

Устроен насос приблизительно так же, как и прочие плунжерные конструкции. Вал содержит кулачки, которые при вращении через ролик давят на плунжер. Для заполнения камеры топливом при открытом дозирующем клапане пружина перемещает плунжер к кулачковому валу. Далее жидкость сжимается и выдавливается плунжером через напорный клапан в рампу.

В зависимости от требуемой производительности насос может иметь один или несколько плунжеров. Вместо кулачкового вала — использоваться шайба радиального или торцевого типа.

Регулирование подачи топлива

Наиболее простым способом регулируется цикловая подача в аккумуляторных системах типа Common Rail. Электронное управление форсунками и их скорость открытия-закрытия позволяет не только определять, сколько горючего подаётся за один такт, но и осуществлять впрыск нескольким порциями. Например, на холостом ходу производится один или два импульса подачи для увеличения температуры в камере сгорания, после чего осуществляется впрыск основной дозы.

По мере роста нагрузки и оборотов от трёх импульсов система переходит к двум, а затем и подаёт весь заряд одной порцией. Под полной нагрузкой температуры и давления достаточно и без предварительного заряжания смеси. Исключение составляет режим регенерации сажевого фильтра, когда требуется увеличить температуру выхлопных газов для дожигания углерода. Для этого производится дополнительный импульс впрыска. Перерасход топлива становится платой за экологию. Но всё это дозирование не касается работы ТНВД, его работа заключается лишь в поддержании давления в рампе и отсечке лишнего топлива при помощи клапана на впуске. Излишки сливаются в обратную магистраль.

В распределительных насосах дозированием занимается соответствующий механизм в ТНВД. Это происходит за счёт изменения геометрии нагнетания, активный ход плунжера изменяется, происходит отсечка топлива. Изменение возможно как в начале, так и в конце подачи. При развороте плунжера он открывает или закрывает специальные отсечные отверстия, через которые происходит перепуск.

При наличии у насоса электронного регулирования отсечкой заполнения камеры занимается электромагнитный клапан распределителя. С его же помощью можно остановить двигатель, полностью перекрыв подачу.

Роль давления в работе мотора

Создаваемое насосами давление росло по мере технического развития топливной аппаратуры. Простые механические насосы создавали давление порядка 500-1000 бар. При этом оно сильно зависело от режима работы мотора из-за чисто механического привода без регуляторов и обратной связи.

Помимо непостоянства давления, в механических насосах оказалось очень сложным подавление пульсаций. Сам принцип работы насоса подразумевает нарастание давление с последующим его спадом и всё это во время одной и той же фазы впрыска топлива. Если мощность и крутящий момент ещё можно было повысить простым увеличением количества горючего, благо дизель не так критичен к составу смеси, как бензиновый мотор, то об экологии и экономичности тут говорить не приходится. Старые дизели известны своим чёрным дымом во время переходных и мощностных режимов.

Попытки увеличить давление впрыска привели к появлению распределённых ТНВД в виде насос-форсунок или пьезоинжекторов, когда за уменьшение объёма в камере нагнетания отвечал кулачок распредвала или кристалл, изменяющий свои размеры под воздействием импульса электрического напряжения. Головки блоков дизельных моторов стали громоздкими и ненадёжными.

Некоторый рост давления обеспечили распределительные насосы с электронным управлением последних поколений. Они могли выдавать 1300-1500 бар. Но качественный скачок произошёл с внедрением системы Common Rail. Её насосы позволяли 1500 бар уже в начале 21 века, а через десять лет развивали до 2200 бар. Сейчас и 2500 бар не выглядят пределом, хотя определённые технические ограничения заметны. Да и особого смысла в дальнейшем повышении этого когда-то главного параметра нет. Важнее дополнительные средства снижения токсичности, которыми современный дизельный мотор увешан в изобилии. К тому же сомнения в необходимости совершенствования вызывает появление электромобилей и заявленный отказ ряда стран от разработки новых двигателей внутреннего сгорания в обозримом будущем вообще.

Обеспечение надёжности и диагностика неисправностей

Практически все проблемы дизелей связаны с ТНВД и форсунками. В свою очередь, топливная аппаратура страдает также от вполне определённых болезней, связанных с чистотой дизельного топлива. Прецизионная техника несовместима с водой, серой и абразивами, особенно мельчайшими, не удерживаемыми даже самыми совершенными фильтрами. Которые тоже быстро становятся несовершенными при работе с некачественным топливом.

Проявляется неисправность ТНВД довольно традиционно для любой системы питания ДВС. Пропадает мощность, растёт расход, мотор трудно запустить в горячем или холодном состоянии. Обычно это связано с потерей давления на плунжерах.

Возможны и иные неисправности, особенно в конструктивно сложных ТНВД. Не выдерживает управляющая электроника, изнашиваются и страдают от коррозии клапаны, деградируют уплотнения, стареют и ломаются пружины.

К сожалению, ремонт и настройка ТНВД возможны лишь в условиях специализированных станций, располагающими соответствующей аппаратурой. Если старый механический ТНВД ещё можно было перебрать самостоятельно при наличии определённых знаний и навыков, то сложный современный агрегат требует квалифицированного подхода. Иначе теряется надёжность, растёт дымность выхлопа, и в целом дизель начинает оправдывать свою репутацию, что вся его экономичность – лишь кредит с высокими процентами.

Но повысить надёжность и долговечность можно профилактическими мерами:

• применять только качественное, проверенное топливо;
• следить за состоянием фильтров, вовремя их обслуживать и заменять;
• соблюдать сезонность использования сортов солярки;
• не ездить с пустым баком, где активно конденсируется вода;
• использовать антигели и смазывающие присадки, если есть сомнения в топливе;
• периодически промывать топливную систему.

Всё сказанное можно отнести и к насосам высокого давления бензиновых моторов с прямым впрыском. За исключением величин давления, там оно значительно ниже, для бензина не так критично тонкое распыление.