Система питания дизеля обеспечивает его работу при изменяющейся частоте вращения коленчатого вала и различных нагрузках. В соответствии с рабочим циклом дизеля приборы системы питания осуществляют: впрыскивание топлива в цилиндры двигателя в конце такта сжатия; распыливание топлива в объеме камеры сгорания и образование рабочей смеси при испарении и перемешивании его с воздухом; регулирование водителем количества впрыскиваемого топлива; автоматическое изменение угла опережения впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя; изменение дозировки впрыскиваемого топлива в соответствии с изменившейся нагрузкой.
На автомобильных дизелях раньше широко применяли систему питания с раздельным исполнением насоса высокого давления и форсунок, служащих для впрыскивания топлива в каждый цилиндр двигателя. В общем виде система питания дизеля может быть представленной из двух магистралей — низкого и высокого давления. Приборы первой магистрали подают топливо из бака к насосу высокого давления, а приборы второй осуществляют непосредственное впрыскивание топлива в цилиндры двигателя.
Схема системы питания двигателя грузового автомобиля ЯМЗ-236 представлена на рис. 7.95. Дизельное топливо содержится в баке 1, который связан всасывающим топливопроводом через фильтр 10 грубой очистки с топливоподкачивающим насосом 3. Топливо очищается от крупных взвешенных частиц и поступает и насос, из которого под избыточным давлением около 4 кгс/см2 (0,4 МПа) по топливопроводу 5 оно подается к фильтру 6 тонкой очистки. На входе в фильтр имеется жиклер, через который часть топлива отводится в сливной трубопровод 4. После тонкой очистки в фильтре 6 топливо подводится к насосу 8 высокого давления, сжимается в нем до давления около 150 кгс/см2 (15 МПа) и по топливопроводам 7 поступает в соответствии с порядком работы двигателя к форсункам 2. Неиспользованное топливо от насоса высокого давления отводится по сливному трубопроводу 4 обратно в бак. Небольшое количество топлива, остающееся в форсунках после окончания впрыскивания, отводится по сливному трубопроводу 9 в топливный бак.
Насос высокого давления приводится в действие от коленчатого вала двигателя через муфту опережения впрыскивания, вследствие чего осуществляется автоматическое изменение момента впрыскивания при изменении частоты вращения. Кроме того, насос высокого давления конструктивно связан с всережимным регулятором частоты вращения коленчатого вала, изменяющим количество впрыскиваемого топлива в зависимости от нагрузки двигателя. Ручной подкачивающий насос служит для заполнения магистрали низкого давления топливом при неработающем двигателе.
К приборам питания магистрали низкого давления дизелей грузовых автомобилей ЯМЗ относятся фильтры грубой и тонкой очистки топлива, топливоподкачивающий насос и топливопроводы.
Топливоподкачивающий насос (рис. 7.96) подает топливо под давлением около 4 кгс/см2 (0,4 MПа) к насосу высокого давления. В корпусе 3 насоса размещены поршень 5 со штоком 4 и роликовым толкателем 2, впускной 12 и нагнетательный 6 клапаны. Поршень прижимается к штоку пружиной 7, которая другим концом упирается в пробку. В корпусе имеются также каналы, соединяющие подпоршневую и над поршневую полости с клапанами и сверлениями насоса, служащими для подсоединения его к магистрали. В верхней части корпуса над впускным клапаном 12 расположен ручной подкачивающий насос, состоящий из цилиндра 9 и поршня 10, связанного с рукояткой 8.
При работе двигателя эксцентрик 1 набегает на роликовый толкатель 2 и поднимает его вверх. Перемещение толкателя через шток 4 передается поршню 5, который занимает верхнее положение, вытесняя топливо из надпоршневого пространства сжимая при этом пружину 7. Когда эксцентрик сходит с толкателя, поршень 5 под действием пружины 7 опускается. При этом в подпоршневой полости создается разрежение, впускной клапан 12 открывается и топливо поступает в надпоршневое пространство. Затем эксцентрик опять поднимает поршень и поступившее топливо вытесняется через нагнетательный клапан 6 в магистраль. Частично оно перетекает по каналу в подпоршневую полость, а при опускании поршня опять вытесняется в магистраль, чем достигается более равномерное нагнетание топлива. При малом потреблении топлива в подпоршневой полости создается некоторое избыточное давление, которое пружина 7 не в состоянии преодолеть. В результате при вращении эксцентрика поршень 5 не доходит до своего нижнего положения, и подача топлива насосом автоматически уменьшается.
При работе насоса часть топлива из подпоршневой полости может просочиться по направляющей штока 4 в картер насоса высокого давления и вызвать разжижение масла. Для предотвращения этого в корпусе топливоподкачивающего насоса просверлен дренажный канал 13, по которому просочившееся топливо отводится из направляющей штока во всасывающую полость насоса.
При необходимости прокачки магистрали низкого давления с целью удаления воздуха отвертывают рукоятку 8 с цилиндра ручного подкачивающего насоса и делают ею несколько качков. После того как топливо заполнит магистраль, рукоятку насоса опускают в нижнее положение и плотно навертывают на цилиндр. При этом поршень прижимается к уплотнительной прокладке 11, обеспечивая герметичность ручного насоса.
Топливопроводы низкого давления соединяют между собой приборы магистрали низкого давления. К ним относятся также сливные трубопроводы системы питания, свернутые из стальной ленты с медным покрытием, или пластмассовые трубки. Для соединения топливопроводов с приборами питания применяют накидные наконечники с полыми болтами или штуцерные соединения с латунной муфтой и соединительной гайкой.
К приборам питания магистрали высокого давления двигателей ЯМЗ относятся топливный насос высокого давления, форсунки и топливопроводы.
Топливный насос высокого давления подает в каждый цилиндр двигателя строго дозированные порции топлива в соответствии с порядком работы и заданным режимом. В грузовых автомобилях привод насоса шестеренчатый. Управление работой насоса (рейкой) осуществляется педалью подачи топлива с места водителя и автоматически корректируется всережимным регулятором частоты вращения коленчатого вала в зависимости от нагрузки двигателя. Регулятор встроен в конструкцию насоса и связан с приводом управления им.
Основными частями насоса высокого давления (рис. 7.97) являются корпус 14, кулачковый вал 1 и нагнетательные секции, число которых равно числу цилиндров двигателя. Основными деталями каждой нагнетательной секции являются плунжер 16 и гильза 15. Нагнетательные секции размещены в гнездах верхней части корпуса 14 насоса, и их гильзы крепятся стопорными болтами. Топливо к гильзам подводится и отводится через продольные каналы, просверленные по всей длине корпуса насоса.
Сбоку от нагнетательных секций в продольном сверлении корпуса размещена зубчатая рейка 12, зацепленная с зубчатыми секторами 13 каждого плунжера. Ход рейки зависит от ограничителя 11. Свободный конец рейки, выходящий из корпуса насоса, соединен серьгой с регулятором частоты вращения коленчатого вала, который управляет количеством подаваемого топлива. В нижней перегородке корпуса имеются гнезда для установки роликовых толкателей 2. От проворачивания толкатели удерживаются удлиненными осями роликов, которые входят в вертикальные пазы, выполненные в гнездах.
Кулачковый вал насоса установлен на двух шариковых подшипниках 4, которые уплотнены самоподжимными резиновыми сальниками. На кулачковый вал насажены кулачки 3 (по числу нагнетательных секций) и эксцентрик для привода топливоподкачивающего насоса. Свободные концы вала заканчиваются хвостовиками: передний служит для крепления муфты опережения впрыскивания, через которую осуществляется привод насоса; на заднем закреплена шестерня привода регулятора 21 частоты вращения коленчатого вала.
Устройство нагнетательной секции насоса. Основой каждой нагнетательной секции (рис. 7.98) является плунжерная пара, состоящая из плунжера 12 и гильзы 11. Эти детали подбирают селективно друг к другу с зазором 0,001…0,002 мм и в процессе эксплуатации их разукомплектовывать нельзя. Нижним концом плунжер упирается в регулировочный винт 14, ввернутый в корпус роликового толкателя 15. Для предупреждения самопроизвольного вывертывания винта 14 служит контргайка.
Плунжер насоса перемещается вверх при набегании кулачка 16 на роликовый толкатель. Обратное перемещение плунжера происходит за счет пружины 4, которая упирается через тарелку в плунжер. На гильзу 11 свободно надета поворотная втулка, имеющая в верхней части зубчатый сектор 5, соединенный с рейкой, а в нижней — два паза, в которые входят шлицевые выступы плунжера. Таким образом, плунжер оказывается соединенным с зубчатой рейкой 13. Над плунжерной парой расположен нагнетательный клапан 9, который состоит из седла и собственно клапана, закрепленных в посадочном отверстии корпуса с помощью штуцера и пружины. Внутри пружины установлен ограничитель подъема клапана.
Принцип работы секции насоса заключается в следующем. При движении плунжера 1 (рис. 7.99, а) вниз внутреннее пространство гильзы 12 наполняется топливом, и одновременно оно подается насосом низкого давления в подводящий канал 10 корпуса11 насоса.
При этом открывается впускное отверстие 9, и топливо поступает в надплунжерное пространство 8. Затем под действием кулачка плунжер начинает подниматься вверх (рис. рис. 7.99, б), перепуская топливо обратно в подводящий канал 10 до тех пор, пока верхняя кромка плунжера 1 не перекроет впускное отверстие 9 гильзы. После перекрытия этого отверстия давление топлива резко возрастает и при рабочем давлении топливо, преодолевая усилие пружины 5, поднимает нагнетательный клапан 6 и поступает в топливопровод.
Дальнейшее перемещение плунжера вверх вызывает повышение давления, превышающее давление, создаваемое пружиной форсунки, в результате чего игла форсунки приподнимается и происходит впрыскивание топлива в камеру сгорания. Подача топлива продолжается до тех пор, пока винтовая кромка 13 (рис. рис. 7.99, в) плунжера не откроет выпускное отверстие 3 в гильзе, в результате чего давление над плунжером резко падает, нагнетательный клапан 6 под действием пружины закрывается и надплунжерное пространство разъединяется с топливопроводом высокого давления. При дальнейшем движении плунжера вверх топливо перетекает в сливной канал 4 через продольный паз 2 и винтовую кромку 13 плунжера.
Нагнетательный клапан 6 разгружает топливопровод высокого давления, так как он снабжен цилиндрическим разгрузочным пояском 7, который при посадке клапана на седло обеспечивает увеличение объема топливопровода. Этим достигается резкое прекращение впрыскивания топлива и устраняется возможность его подтекания через распылитель форсунки, что улучшает процесс смесеобразования и сгорания рабочей смеси, а также повышает надежность работы форсунки.
Перемещение плунжера во втулке с момента закрытия впускного отверстия до момента открытия выпускного отверстия называется активным ходом плунжера, который в основном и определяет количество подаваемого топлива за цикл работы топливной секции.
Изменение количества топлива, подаваемого секцией за один цикл, происходит в результате поворота плунжера зубчатой рейкой 5 (рис. 7.100). При различных углах поворота плунжера благодаря винтовой кромке смещаются моменты открытия выпускного отверстия. При этом, чем позднее открывается выпускное отверстие, тем большее количество топлива может быть подано к форсункам.
На рис. 7.100 показаны следующие положения винтовой кромки плунжера за цикл работы топливной секции:
положение а – нулевая подача топлива. Плунжер 3 повернут так, что его продольный паз расположен против выпускного отверстия, в результате чего при перемещении плунжера вверх топливо вытесняется в сливной канал, подача топлива прекращается и двигатель останавливается.
положение б – промежуточная подача, так как при повороте плунжера 3 по часовой стрелке объем вытесненного топлива уменьшается так как выпускное отверстие открывается раньше;
положение в – максимальная подача топлива и наибольший активный ход плунжера 3. В этом случае расстояние от винтовой кромки 4 плунжера до выпускного отверстия будет наибольшим.
Регуляторы частоты вращения. В отличие от бензинового двигателя дизельные двигатели не имеет во впускном трубопроводе дроссельной заслонки, позволяющей четко регулировать частоту вращения коленчатого вала за счет изменения подачи воздуха с одновременным изменением подачи топлива. У дизельного двигателя не существует положения управляющей рейки, которое бы позволило двигателю поддерживать определенную частоту вращения коленчатого вала двигателя без помощи регулятора. Например, при запуске холодного двигателя и его работе на холостом ходу, потери на трение кривошипно-шатунного, газораспределительного и других механизмов и приводимых от двигателя агрегатов начинают снижаться, а количество подаваемого топлива будет постоянным. При отсутствии регулятора частота вращения будет увеличиваться и может достичь критической точки, при которой может произойти разрушение двигателя (работа вразнос). Регулятор частоты вращения коленчатого вала двигателя устанавливаются на насосе высокого давления и приводится в действие от кулачкового вала. Его работа основана, как и в автоматической муфте опережения впрыска, на использовании центробежных сил. Например, при заданном положении педали управления подачи топлива и возникновении дополнительного сопротивления движению (на подъеме) частота вращения коленчатого вала двигателя будет уменьшаться, а скорость автомобиля падать. Чтобы ее поддержать на заданном уровне, необходимо повысить крутящий момент двигателя. Это может быть достигнуто увеличением количества топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя. Регулятор воспринимает снижение частоты вращения коленчатого вала и автоматически увеличивает подачу топлива насосом высокого давления, благодаря чему скорость автомобиля восстанавливается до заданного значения.
Аналогичным образом регулятор изменяет подачу топлива при уменьшении нагрузки на двигатель, только в этом случае управляющее воздействие регулятора сводится к уменьшению количества впрыскиваемого топлива. В результате при снижении нагрузки на двигатель происходит уменьшение скорости движения и доведение ее до заданного уровня. Таким образом, регулятор автоматически изменяет подачу топлива при изменении нагрузки на двигатель и обеспечивает установку любого выбранного скоростного режима при отклонениях от него в пределах – 10…20%.
В ТНВД грузовых автомобилей применяется центробежный регулятор (рис. 7.101), который представляет собой систему, состоящую из вращающихся грузов, пружин и рычагов, связанных с рейкой топливного насоса высокого давления, управляющей цикловой подачей топлива.
Особенность регулятора этого типа заключается в отсутствии непосредственной связи рейки топливного насоса с педалью акселератора.
На вращающемся валу 9 регулятора, который при помощи шестерен связан с кулачковым валом топливного насоса, закреплена крестовина 6. В проушинах крестовины на пальцах 7 установлены качающиеся грузы 8 с лапками, которые упираются в подвижную муфту10, надетую на вал регулятора. С другой стороны, в муфту упирается основной вильчатый рычаг 2, установленный на оси 11 и соединенный с пружиной 3 и рейкой 1 топливного насоса высокого давления. Другой конец пружины соединен с рычагом 4, жестко связанным общей осью с рычагом 5 управления регулятором, который размещен с наружной стороны корпуса регулятора.
Система находится в равновесии, когда составляющие центробежной силы вращающихся грузов и силы пружины, действующие на подвижную муфту, равны между собой. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя и связанного с ним вала регулятора, происходящем при уменьшении нагрузки, центробежная сила грузов увеличивается, заставляя их раздвинуться и переместить подвижную муфту, вильчатый рычаг и связанную c ним рейку топливного насоса в сторону уменьшения подачи топлива. В случае понижения частоты вращения, происходящем при увеличении нагрузки дизеля, центробежная сила грузов уменьшается и пружина, воздействуя на вильчатый рычаг, перемещает рейку топливного насоса в сторону увеличения подачи топлива. Частоту вращения изменяют натяжением пружины, связанной с рычагом управления регулятором, причем для повышения частоты вращения коленчатого вала необходимо увеличить натяжение пружины.
Муфта опережения впрыска топлива. В дизельных двигателях топливо впрыскивается в нагретый сжатием воздух, имеющий температуру 450…550 °С и давление 30…40 кгс/см2 (3…4 МПа). Подача топлива начинается до ВМТ и может заканчиваться как до, так и после ВМТ (рис. 7.102).
Началом подачи топлива считается начало впрыска топлива ТНВД. Подача топлива начинается в точке А. Угол поворота коленчатого вала между началом впрыска и В.М.Т. называют углом опережения впрыска.
В течение некоторого времени после начала впрыска горение еще не поступает. Давление в этот период изменяется из-за продолжающегося сжатия, причем вначале несколько снижается температура, а соответственно и давление сжимаемого воздуха вследствие затраты теплоты на нагревание и испарение поданного топлива. В течение указанного периода развиваются предпламенные реакции, возникают первые очаги самовоспламенения, и давление начинает повышаться в результате выделения теплоты сгорания.
Точку В, в которой линия повышения давления вследствие сгорания отрывается от линии сжатия при его отсутствии, условно принимают за начало сгорания, а интервал времени, (в градусах поворота коленчатого вала) между точками Аи В– за период задержки воспламенения или период индукции. В результате сгорания значительной части испарившегося топлива, образовавшего с воздухом за этот период горючую смесь, а также вследствие сгорания продолжающего поступать через форсунку топлива давление и температура на участке А–В быстро повышаются.
Подача топлива в цилиндры двигателя зависит от его режима работы и может изменяться.
Для опережения впрыскивания топлива в цилиндры дизеля в зависимости от частоты вращения его коленчатого вала в передней части насоса установлена центробежная муфта.
Автоматическую муфту изменения угла опережения впрыскивания топлива (рис. 7.103) устанавливают на носке кулачкового вала насоса высокого давления на шпонке. Она состоит из двух полумуфт: ведущей 1 и ведомой 5. На ведомую полумуфту навернут корпус 4, объединяющий детали муфты. Полумуфты распираются пружинами 9, которые воздействуют на них через пальцы 6 и 8. Пальцы 8 установлены в ведомой полумуфте и на них свободно надеты грузы 7. В профильные вырезы грузов под действием пружин 9 упираются пальцы 6, закрепленные в ведущей полумуфте. Таким образом, полумуфты оказываются связанными между собой.
1,5 — ведущая и ведомая полумуфты; 2, 3 — фетровый и самоподжимный сальники; 4 — корпус; 6, 8 — пальцы; 7 — грузы; 9 — пружины
При малой частоте вращения коленчатого вала грузы находятся в сведенном состоянии, и ведомая полумуфта занимает определенное положение относительно ведущей. Как только частота вращения коленчатого вала начинает превышать 1000 об/мин, возникающие центробежные силы грузов 7 становятся больше усилия предварительного сжатия пружин 9. Вследствие этого грузы начинают расходиться, сжимая пружины и поворачивая ведомую полумуфту относительно ведущей по направлению вращения. Это приводит к более раннему впрыскиванию топлива, т. е. к увеличению его угла опережения.
С понижением частоты вращения вала двигателя уменьшается центробежная сила грузов муфты и они сходятся под действием пружин. При этом происходит поворот ведомой полумуфты, а вместе с ней и кулачкового вала насоса в направлении, противоположном направлению вращения вала насоса и угол опережения впрыскивания топлива уменьшается.
Форсунка служит для впрыскивания и распиливания топлива, подаваемого насосом высокого давления в цилиндр двигателя. На четырехтактных дизелях грузовых и легковых автомобилей применяют форсунки закрытого типа с запорной иглой распылителя. Между впрыскиваниями топлива запорная игла перекрывает проходное сечение распылителя. Открывается форсунка только в момент впрыскивания, когда топливо начинает поступать к ней от насоса высокого давления. Основными деталями форсунки закрытого типа грузового автомобиля (рис. 7.104, а) являются корпус 5 и игла 2, которая входит в распылитель. В нижней части распылителя имеются сопловые отверстия, доступ топлива к которым перекрывается запорной иглой. Сопряженные поверхности иглы и распылителя выполняют с высокой точностью обработки. Зазор между иглой и направляющей поверхностью распылителя не превышает 2…5 мкм. Для надежного уплотнения запорный конус седла в распылителе выполняют под углом 59°, а конус иглы — под углом 60°. Такое исполнение уплотняющих поверхностей иглы и распылителя позволяет обходиться без их взаимной притирки.
Запорная игла прижимается к седлу распылителя через шток 6пружиной 8. Усилие пружины передается на шток опорной шайбой 7. Верхний конец пружины опирается на регулировочный винт 9, который ввернут в стакан пружины и удерживается в заданном положении контргайкой 10. На стакан сверху навернут колпачок 11, служащий для отвода топлива из внутренней полости форсунки и ограничивающий доступ к регулировочному винту. Винтом 9 устанавливают натяг пружины, определяющий давление впрыскивания. Топливо к форсунке подводится через штуцер 14, который ввернут в резьбовое отверстие корпуса форсунки. Для фильтрации топлива между подводящим штуцером и корпусом установлен сетчатый фильтр 12. В корпусе форсунки имеется наклонный канал 15, который соединяет входное топливное отверстие и кольцевую камеру 3.
При работе насоса высокого давления, нагнетающего топливо к цилиндрам, давление в топливопроводе и внутренней полости распылителя форсунки резко возрастает. Топливо, распространяясь в кольцевой камере 3, передает давление на коническую поверхность иглы. Когда значение давления превысит силу предварительного натяга пружины 8, игла поднимется, а топливо через отверстия в распылителе впрыскивается в камеру сгорания цилиндра. В момент окончания подачи топлива насосом давление в кольцевой камере 3 форсунки снижается, и пружина 8 опускает иглу, прекращая впрыскивание и закрывая форсунку.
Форсунка легкового автомобиля (рис. 7.104, б) имеет конструкцию аналогично описанной.
Топливопроводы высокого давления представляют собой толстостенные стальные трубки с высоким сопротивлением разрыву и деформациям. Наружный диаметр трубок 7 мм, внутренний — 2 мм. Трубки применяют в отожженном состоянии, что облегчает их гибку и очистку от окалины.
Топливопроводы на концах имеют высадки в форме конуса. Заплечики конусной высадки используются для крепления накидной гайкой. Соединение топливопроводов со штуцерами форсунки или насоса высокого давления осуществляется непосредственно накидной гайкой, которая при навертывании на штуцер плотно прижимает топливопровод к посадочной поверхности последнего. Гнезда в штуцерах имеют коническую форму, что обеспечивает плотную посадку топливопровода. Для выравнивания гидравлического сопротивления длину топливопроводов к разным форсункам стремятся делать одинаковой.