Разновидности, устройство и принцип работы ТНВД

Основной задачей топливного насоса высокого давления (ТНВД) является подача топлива к форсункам двигателя. В современном автомобилестроении он устанавливается для питания как бензиновых, так и дизельных моторов. Особенностью работы такого насоса является способность выполнять максимально точную дозировку горючего и подавать его в строго определенный момент времени.

ТНВД на бензиновом и дизельном двигателе

Изначально насосы, обеспечивающие высокое давление, использовались исключительно для питания дизельных моторов. В бензиновых системах такая конструкция получила применение только в ДВС с непосредственным впрыском, где наиболее важны давление и точность подачи.

Насосы высокого давления имеют крайне сложную конструкцию, работают с повышенными нагрузками и требуют бережной эксплуатации. Важную роль играет качество топлива и отсутствие в нем примесей воды и абразивных частиц (например, пыли). При использовании ТНВД на бензиновом двигателе нагрузка меньше, чем на дизеле, что относительно продлевает срок его службы.

Располагается насос высокого давления в подкапотном пространстве в непосредственной близости от мотора (либо может устанавливаться на двигатель). Для его питания используется дополнительный подкачивающий топливный насос низкого давления. В зависимости от марки и категории автомобиля могут применяться различные типы ТНВД.

ТНВД разных конструкций и основные узлы

Главным рабочим механизмом насоса является плунжерная пара. Она состоит из плунжера (поршня) и втулки (гильзы). При перемещении поршня в гильзе формируется очень высокое давление, а потому для обеспечения безопасности и корректной работы пары, детали должны иметь высокую точность изготовления.

В силу этой особенности плунжерная пара в профессиональной сфере получила наименование прецизионная. Принцип работы плунжерной пары прост: поршень выполняет возвратно-поступательные движения внутри втулки и обеспечивает всасывание, сжатие и подачу топлива в надплунжерное пространство.

Классификация и устройство ТНВД

Топливные насосы высокого давления классифицируются по ряду признаков. Прежде всего их разделяют по типу привода плунжеров: механические, пневматические и гидравлические системы. Их, в свою очередь, группируют как механизмы непосредственного действия и аккумуляторные.

В первом случае процессы нагнетания и впрыска рабочей жидкости происходят одновременно под действием плунжеров с механическим приводом. В конструкциях с аккумуляторным впрыском рабочие плунжеры приводятся в действие за счет двигателя посредством приводного вала.

Системы с механическим приводом в современном автомобилестроении применяются редко, поскольку они не обеспечивают необходимого уровня экологической безопасности.

По числу плунжеров топливные насосы высокого давления разделяются на многоплунжерные и распределительные.

Многоплунжерные ТНВД и особенности их конструкции

В многоплунжерных насосах для каждого цилиндра предусмотрен свой плунжер. Таким образом, каждая плунжерная пара обеспечивает подачу топлива в свой цилиндр. Конструктивно многоплунжерные насосы бывают двух типов:

• Рядные – плунжерные пары расположены рядом с друг другом в один ряд.
• V-образные – плунжерные пары расположены в два ряда и ориентированы друг к другу под углом от 75 до 120 градусов.

Принцип работы рядного ТНВД для дизельного двигателя заключается в том, что топливо движется по отдельным магистралям и направляется к форсункам мотора в заданном порядке. В классическом исполнении такие конструкции имеют механический привод кулачкового типа, соединенного с коленвалом двигателя.

Каждый кулачок приводит в движение соответствующий плунжер, заставляя его перемещаться внутри гильзы. Когда поршень перемещается вниз, происходит всасывание топлива. При движении вверх создается давление и открывается клапан нагнетательной магистрали.

В современных системах момент подачи топлива рассчитывается электронным блоком управления автомобиля, который получает сигналы от многочисленных датчиков. Это позволяет учесть такие факторы, как положение педали газа и частоту вращения коленчатого вала двигателя.

В ранних моделях автомобилей можно встретить механическое управление режимами работы рядного ТНВД. Для этого на кулачковом валу устанавливается специальная муфта с небольшими подвижными грузами. Под действием центробежных сил грузы смещаются вначале к внешним краям, а затем вновь к оси. Это, в свою очередь, провоцирует смещение кулачкового вала по отношению к приводу. Таким образом, чем больше частота вращения двигателя, тем раньше происходит впрыск.

Насосы V-образной формы работают по следующему принципу: специальный механизм поворота плунжеров соединен с рейками, воздействующими на втулки. Такая конструкция в сравнении с рядной отличается компактностью. Это позволяет повысить жесткость, укоротить кулачковый вал и добиться более высокого давления впрыска.

Как работают распределительные ТНВД?

В распределительных насосах один или два (у более мощных автомобилей) плунжера, которые подают топливо сразу в несколько цилиндров. Количество цилиндров в таких моторах может быть от 4 до 12. Подобные механизмы устанавливаются преимущественно на легковых автомобилях, поскольку относительно быстро изнашиваются. Именно этот тип ТНВД можно встретить в бензиновых двигателях.

Среди преимуществ распределительных насосов высокого давления можно назвать не только большую компактность в сравнении с многоплунжерными, но и большую точность подачи горючего. Главный недостаток – быстрый износ плунжеров.

Привод плунжера распределительного ТНВД представляет собой кулачковый механизм, который бывает трех видов:

Распределительный ТНВД

• роторные;
• торцевые (аксиальные);
• с внешним приводом.

Наиболее часто встречаются торцевые приводы распределительных ТНВД. Такая конструкция предполагает только одну плунжерную пару. Она выполняет функцию распределителя, осуществляя подачу топлива к заданной форсунке мотора. Поршень при этом одновременно и перемещается вдоль втулки, и вращается вокруг своей оси.

Для этого в конструкции предусмотрена кулачковая шайба с роликами, которая прижимается роликами к неподвижному кольцу с пазами. В процессе вращения ролики входят в пазы кольца и приводят в движение шайбу. Последняя, в свою очередь, воздействует на плунжер, провоцируя его вращение. Движение поршня вдоль гильзы выполняет сжатие рабочей жидкости, тогда как вращение обеспечивает открытие и закрытие топливных каналов, соединенных с форсунками.

Системы с внешним приводом практически не применяются, поскольку не отличаются надежностью работы.

Привод роторного типа также называют внутренним кулачковым. Он имеет всего одну топливную секцию и от 2 до 4 плунжерных пар, расположенных радиально. В основе конструкции кулачковая шайба с пазами, внутри которой находится распредвал с плунжерами. Они приводятся в движение роликовыми башмаками, контактирующими с шайбой.

Особенностью этой конструкции является то, что втулки как самостоятельные элементы отсутствуют. Они представляют собой отверстия в распредвале насоса. Плунжеры движутся навстречу друг к другу, увеличивая и уменьшая общее надплунжерное пространство.

Принцип работы роторного привода схож с торцевым: вращение вала обеспечивает перемещение башмаков по поверхности шайбы, и они вдавливаются в пазы, толкая поршни и сжимая топливо. Затем под давлением топливо подается на распределитель и далее к форсункам.

Магистральные ТНВД системы Common Rail

Топливные насосы высокого давления магистрального типа применяются в системах Common Rail. Последняя предполагает аккумуляцию топлива в рампе перед его подачей к форсункам. Конструктивно этот тип насосов может иметь до 3 плунжеров, что позволяет достигать высоких уровней давления.

Движение плунжеров обеспечивается за счет воздействия кулачковой шайбы (вала), совершающей вращательные движения, а также специальной пружины. В заданный момент времени под действием кулачка пружина перемещает поршень вниз, что приводит к расширению надплунжерного пространства.

При этом воздух в камере разряжается, провоцируя раскрытие обратного клапана всасывающей магистрали и подачу топлива в камеру. Когда давление в камере увеличивается, клапан закрывается и поршень начинает обратное движение, сжимая топливо. При достижении нужного уровня давления открывается клапан нагнетательного канала и топливо поступает в рампу.

Способы дозирования топлива в ТНВД

Помимо основных классификаций, автомобильные насосы высокого давления разделяют по принципу дозирования топлива. Существуют три типа регулирования цикловой подачи:

• с отсечкой в конце подачи топлива;
• с дросселированием на впуске;
• комбинированный.

Для дизельных систем клапанного типа основным способом регулирования цикловой подачи является перепуск топлива при нагнетательном движении поршня. При этом изменяется геометрический активный ход плунжера. В такой системе в начале нагнетательной магистрали устанавливается перепускной клапан, который срабатывает при превышении заданного уровня давления и отправляет часть топлива обратно в бак.

В распределительных насосах преимущественно выполняется дросселирование на впуске, при котором часть рабочей жидкости из контура высокого давления перенаправляется во всасывающую полость. В системах с торцевым приводом количество подаваемого топлива регулируется центробежной муфтой или электромагнитным клапаном, которые перемещают неподвижное регулировочное кольцо в заданное положение.

Исходя из типа привода аккумуляторные системы ТНВД могут использовать несколько способов регулировки цикловой подачи:

• механическое, или электронное регулирование времени срабатывания дозирующего устройства (иглы распылителя, клапана);
• пружинное запирание дозатора.

В современных магистральных системах количество топлива регулируется электронным блоком управления, раскрывающим дозирующий клапан на строго рассчитанную величину.

Какой уровень давления обеспечивают ТНВД?

Поскольку основной задачей ТНВД является точное дозирование и своевременная подача топлива, его рабочие характеристики во многом зависят от требуемых для конкретного автомобиля режимов работы. Следует понимать, что каждый насос имеет некоторый диапазон рабочего давления, а не одну конкретную величину. Так, например, рядные ТНВД для дизельных моторов, в зависимости от модели, могут создавать максимальное давление до 55-135 МПа. При этом в отдельной модели минимальный показатель на холостом ходу может быть 15 МПа, а максимум при полной нагрузке – 130 МПа.

Магистральные насосы системы Common Rail достигают максимальных показателей до 135-200 МПа и каждое последующее поколение увеличивает не только верхний, но и нижний порог диапазона. Для примера, самые первые системы Bosch CP1 предполагают работу в диапазоне от 17 до 135 МПа, тогда как системы четвертого CP4 поколения способны развивать от 23 до 200 МПа.

Для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива (системы GDI) достаточно обеспечить давление в диапазоне 3-11 МПа.

Основные неисправности насосов высокого давления

Устройство любого топливного насоса высокого давления представляет собой сложную конструкцию, значит и потенциальных неисправностей у этого механизма достаточно много. Главной причиной возможных неполадок является плохое качество топлива, что относится как к дизельным системам, так и к бензиновым. Наибольшему износу подвержены плунжеры, и если при осмотре насоса будут установлены потертости на их поверхности, то это первый сигнал о некорректной работе.

Симптоматика поломки ТНВД во многом сходна с неисправностью мотора и системы охлаждения, а потому для более точной диагностики всегда необходимо обращаться в сервисный центр, где будет выполнена проверка на стенде. В бытовых условиях определить возможные нарушения работы насоса можно по следующим проявлениям:

• увеличение расхода топлива;
• нестабильная работа мотора в режиме низких оборотов;
• сложности с запуском;
• повышение температуры узла и перегрев двигателя;
• протечки топлива;
• снижение уровня мощности;
• дым на выхлопе;
• шумы и посторонние звуки в двигателе.

Топливный насос высокого давления можно назвать уникальным агрегатом, который пока не имеет достойных альтернативных решений. Эволюция этого устройства за последние десятилетия затрагивает исключительно совершенствование отдельных деталей и повышение точности их изготовления без внесения кардинальных изменений в общий принцип работы.

Устройство ТНВД

Одним из основных составляющих системы питания дизельной силовой установки является насос, обеспечивающий подачу топлива под высоким давлением на форсунки. Полное название – топливный насос высокого давления (аббревиатура – ТНВД). Помимо дизельных моторов такой насос применяется и в бензиновых агрегатах с инжекторной системой, у которой подача бензина осуществляется непосредственно в цилиндры.

Этот узел системы питания имеет достаточно сложную конструкцию, поскольку в его задачу входит не только нагнетание дизтоплива, но еще и подача его на форсунки в строго определенные моменты. В общем, от его работы напрямую зависит функционирование силовой установки.

Виды ТНВД

Существует несколько типов дизельных топливных систем, имеющих разные конструктивные особенности. Это в свою очередь влияет на устройство ТНВД. Так, на дизелях могут использоваться насосы:

Несмотря на отличия в конструкции, во всех используется один и тот же основной рабочий узел – плунжерная пара. Именно она обеспечивает нагнетание давления.

Основной рабочий узел

Состоит эта пара из двух частей – поршня (он же плунжер) и гильзы (втулки). Поскольку в узле создается высокое давление, то утечки между составными элементами не допускаются. Поэтому рабочие поверхности поршня и гильзы имеют высокую степень обработки, поэтому не редко пару называют прецизионной.

Суть работы пары построена на возвратно-поступательном перемещении плунжера внутри втулки. При этом посредством каналов или клапанов обеспечивается попадание топлива в надплунжерную полость и отвод его после сжатия.

Работа плунжерной пары

Работает все так: при перемещении поршня вниз открывается канал или клапан подачи (зависит от устройства ТНВД), и топливо закачивается в полость. При передвижении вверх подача прекращается (канал или клапан закрывается) и плунжер начинает сжимать дизтопливо. При достижении определенного значения давления открывается нагнетательный клапан и дизтопливо (уже находящееся в сжатом состоянии) выходит в магистраль, ведущую к форсункам.

В общем, работа самой плунжерной пары очень проста, но существует множество нюансов и особенностей, в том числе и конструктивных, которые влияют на функционирование этого узла. Поэтому принцип работы ТНВД следует рассматривать отдельно по каждому из указанных видов.

Особенности конструкции и принцип функционирования рядного ТНВД

Рядный вид является «родоначальником» насосов высокого давления, поскольку именно эти ТНВД использовались на первых дизельных установках и применение он, хоть уже и ограниченное, находит и сейчас.

Особенность его заключается в том, что для каждой форсунки предусмотрена своя топливная секция (с одной рабочей парой). Все секции размещены в ряд, отсюда и название типа ТНВД. Разновидностью его является V-образный насос, у которого секции располагаются в два ряда. Также стоит отметить, что он полностью механический, и только в последних модификациях стали использовать электромеханические регуляторы момента подачи топлива.

В нем плунжеры приводятся в действие от кулачкового вала, который получает вращение посредством привода от коленвала. При этом кулачки воздействуют на поршни секции не напрямую, а через роликовые толкатели. Возвратное передвижение плунжера обеспечивается пружиной.

Интересно в этом типе ТНВД организована регулировка количества топлива, подающегося на форсунки после сжатия. Для этого в гильзе проделано два отверстия – впускное и выпускное, причем первое находится ниже второго. Также на рабочей поверхности поршня сделана винтовая проточка. За счет проворота гильзы относительно плунжера и удается регулировать порции топлива.

А работает все так: при движении вверх, поршень перекрывает оба отверстия, и начинается сжатие топлива. Но при поднятии до определенного уровня, проточка на поршне соединяется со сливным отверстием, из-за чего давление падает, поскольку топливо начинает стекать по проточке, и нагнетательный клапан закрывается, прекращая его закачку в магистраль. За счет изменения расположения сливного отверстия относительно плунжера можно регулировать уровень совпадения его с проточкой.

К примеру, при работе мотора под нагрузкой необходимо обеспечить подачу большего количества топлива. Для этого втулка поворачивается так, чтобы отверстие с проточкой совпало как можно позже, тем самым порция дизтоплива, которая пройдет через нагнетательный клапан, будет увеличена.

Для проворота втулки используется рейка, которая имеет постоянное зацепление с зубчатым сектором, установленным на внешней поверхности гильзы. Причем эта рейка воздействует на все топливные секции одновременно, что обеспечивает синхронность регулирования дозировки.

Как уже отмечено, ТНВД помимо сжатия обеспечивает еще и соблюдение момента впрыска. Причем в рядном типе это организовано очень просто – плунжерная пара срабатывает точно на конце такта сжатия. Но здесь имеется очень важный момент – чем крупнее порция впрыскиваемого топлива, тем больше времени нужно, чтобы его подать. То есть, при работе мотора под нагрузкой, впрыск должен начаться раньше.

И это обеспечивает регулятор опережения момента впрыска. В полностью механическом насосе в его качестве выступает центробежная муфта, установленная на кулачковом валу насоса.

В конструкцию этой муфты входят подпружиненные грузики, которые за счет центробежной силы могут расходиться, преодолевая усилие пружин. Это расхождение приводит к тому, что кулачковый вал меняет угол (проворачивается) относительно своего привода. То есть, чем выше скорость вращения этого вала, тем на больший угол грузики его провернут. В результате кулачок будет раньше набегать на толкатель плунжера и момент начала впрыска изменяется.

Также в конструкции используется электромеханический регулятор момента подачи топлива. В такой конструкции электроника посредством датчиков отслеживает параметры работы силовой установки и на их основе через исполнительные механизмы управляет углом начала подачи дизтоплива.

Механический регулятор момента подачи топлива

Насосы рядного типа отличаются высокой надежностью и неприхотливостью к качеству топлива. Но из-за ряда недостатков, среди которых значительные габаритные размеры и сравнительно медлительное реагирование на изменение режимов работы мотора, использование этого вида ТНВД сейчас ограничено. Он пока еще применяется на тяжелой технике, что же касается автомобильного транспорта, то его вытеснили другие типы насосов.

Распределительный тип ТНВД

Следующим этапом в развитии дизельных систем питания стало использование насосов распределительного типа.

Особенность этого вида ТНВД заключается том, что в конструкции используется только одна топливная секция, которая обеспечивает подачу на все форсунки. Примечательно, что секция только одна, но в ней может использоваться разное количество плунжерных пар – от 1 до 4.

Существует несколько типов распределительных ТНВД, отличающихся между собой по особенностям работы прецизионных пар и их приводом. В целом, все насосы этого типа делятся на:

• торцевые;
• роторные;
• с внешним приводом (кулачковым).

Отметим, что последний тип из-за низких показателей надежности особого распространения не получил.

Торцевой тип

Насосы с этим приводом – достаточно распространенный вариант и выпускаются они многими именитыми производителями топливной аппаратуры для дизелей.

Топливный насос высокого давления

Устройство топливного насоса высокого давления с этим видом привода подразумевает наличие только одной прецизионной пары, которая одновременно выполняет и роль распределителя – направляет сжатое топливо к требуемой форсунке.

ТНВД торцевого вида

Особенность работы заключается в том, что поршень выполняет не только возвратно-поступательное перемещение, он еще при этом и вращается. Чтобы обеспечить одновременное выполнение нескольких движений, в конструкции используется специальная кулачковая шайба с закрепленными на ней роликами.

Суть работы очень проста – эта шайба за счет воздействия пружин находится поджатой к неподвижному кольцу (упирается в него роликами). В кольце проделаны выемки под ролики. При вращении ролики периодически попадают в имеющиеся выемки, что приводит к возвратно-поступательному движению самой шайбы, которая связана с плунжером, при этом она его сразу же и вращает.

Схема питания дизельного двигателя

При ходе поршня внутри втулки происходит сжатие дизтоплива, а его вращение обеспечивает открытие того или иного канала, по которому топливо под давлением движется к требуемой форсунке.

Процесс работы плунжера ТНВД

Блок высокого давления

Это была описана только работа топливной секции. Но в конструкцию этого насоса входит еще ряд дополнительных элементов:

• топливоподкачивающий насос (роторно-лопастной);
• регулятор опережения момента подачи;
• дозирующее устройство (механическое или электромагнитное);

Если рассматривать все эти дополнительные устройства, то принцип их работы – не сложен.

Подкачивающий насос располагается на валу ТНВД и представляет он собой ротор, с установленными в нем роликами. Вращается этот ротор в статоре, на внутренней поверхности которого проделаны специальные пазы.

Главный рабочий механизм ТНВД

В качестве регулятора опережения впрыска выступает неподвижное кольцо (к которому поджата шайба с роликами). Проворачивая ее вокруг оси можно менять угол проворота вала, при котором срабатывает рабочая пара. В движение это кольцо приводится исполнительными механизмами электронного блока управления ТНВД.

Дозировка топлива механическим регулятором выполняется за счет срабатывания специальной муфты. В электромагнитном типе роль дозатора выполняет специальный запорный клапан, который по сигналу от блока управления перекрывает подачу топлива в магистраль.

Роторный тип

Еще один ТНВД распределительного вида, получивший неплохое распространение, имеет так называемый роторный привод (он же – внутренний кулачковый). В этом насосе тоже имеется только одна топливная секция, в которой может использоваться 2, 3 или 4 плунжерные пары.

Пары в этом типе насоса расположены радиально. Плунжеры при этом совершая поступательное перемещение, двигаются навстречу друг другу. Надплунжерные пространства объединены в единую полость – камеру высокого давления. Втулки в плунжерных парах, как таковые – отсутствуют. Их роль выполняют отверстия в валу-распределителе насоса.

В целом, конструкция топливной секции включает кулачковую шайбу, с проделанными пазами на внутренней поверхности. Внутри этой шайбы размещен вал-распределитель с установленными в нем плунжерами. В движение поршни приводятся через специальные роликовые башмаки, ролики которых постоянно контактируют с рабочей поверхностью шайбы.

Кулачковый двухплунжерный ТНВД

Суть работы секции такова: при вращении вала, башмаки повторяют форму поверхности шайбы. Попадание на выступ поверхности приводит к вдавливанию башмаков внутрь вала, при этом они толкают плунжеры (происходит поступательное движение). Попавшее ранее в камеру высокого давления топливо сжимается и подается на распределитель, где и перенаправляется на требуемые форсунки.

Но это только принцип работы топливной секции. В конструкцию ТНВД помимо нее входят топливоподкачивающий насос (роторного типа), регуляторы дозировки и момента впрыска, электронный блок управления, который регулирует работу насоса в зависимости от режима работы силового агрегата.

Насосы распределительного типа отличаются компактными размерами и достаточно высоким создаваемым давлением. Но есть и недостатки, главным из которых является короткий срок службы плунжерных пар.

ТНВД системы Common Rail

Несколько иной тип насосов высокого давления применяется в топливной системе Common Rail. На конструкции ТНВД здесь сказываются особенности работы самой системы.

Одноплунжерный ТНВД Common Rail

В этой системе впрыск контролируется и управляется ЭБУ, поэтому дозировка и момент впрыска топлива в задачу насоса не входят. У него только одна функция – нагнетать топливо в рампу (аккумулятор).

Поэтому конструкция ТНВД сильно упрощена. По сути, насос состоит только из вала, плунжерных пар (от 1 до 3) и клапанов – впускных и нагнетательных. Регуляторы здесь отсутствуют за ненадобностью.

Двухплунжерный насос высокого давления

Здесь все просто – вал вращается от привода и плунжеры постоянно нагнетают топливо в рампу. Это и все, что требуется от ТНВД.

Насосы низкого давления (топливоподкачивающие)

Выше рассматривались ситуации, когда топливо уже находится в ТНВД. Но к нему оно еще должно поступить, причем пройдя несколько этапов очистки. И это выполняет топливный насос низкого давления (топливоподкачивающий).

Они бывают как внешними, так и внутренними, механическими или электрическими.

В топливных системах с рядными ТНВД обычно используются внешние механические подкачивающие насосы поршневого типа. Привод его осуществлялся от эксцентрика вала насоса высокого давления.

Механический топливоподкачивающий насос

Конструктивно он очень прост. Внутри его корпуса имеется поршень со штоком, контактирующим с эксцентриком и двумя клапанами – впускным и выпускным.

При движении поршня вниз, топливо за счет разрежения через впускной клапан закачивалось в надпоршневое пространство. Движение же его вверх сопровождается закрытием впускного клапана и открытием выпускного, через который поршень выдавливает дизтопливо далее – к фильтру тонкой очистки.

Принцип работы ТННД

Поскольку его производительность больше, чем требуется для работы мотора, конструктивно предусмотрен сброс излишков обратно в бак.

В ТНВД распределительного типа уже используется внутренний механический подкачивающий насос роторного типа.

Нередко вместо механических узлов используются электрические, которые могут устанавливаться на корпусе ТНВД, в магистралях низкого давления или же непосредственно в баке. Они зачастую используются и в системе безопасности, которая при аварии подает сигнал на его отключение для прекращения подачи топлива в магистрали.

Электрический топливный насос

Принципиальных изменений в конструкции ТНВД давно уже не было, автопроизводители используют проверенные временем механизмы лишь дорабатывая отдельные детали и системы управления.