Топливная система дизельного двигателя; Устройство и принцип работы
Топливная система дизельного двигателя — Устройство и принцип работы
Автомобили, оснащенные дизельными двигателями, наиболее чувствительны к качеству горючего материала. Топливная система дизельного двигателя занимает одно из центральных мест в конструкции силового агрегата. Операции по ремонту и восстановлению работоспособности системы отличаются сложностью и высокой стоимостью. Конструктивно система питания дизеля состоит из двух контуров – низкого и высокого давления. Из первого отсека подготовленная солярка поступает в следующий контур для непосредственного впрыска в камеру сгорания.
Устройство
Дизели используют свойство солярки воспламеняться при высоком давлении. Именно поэтому особенностью устройства топливной системы у дизелей является наличие необходимости поддерживания высокого давления в системе.
При этом такие силовые агрегаты не имеют классических свечей накаливания, которые в бензиновых моторах воспламеняют смесь в цилиндрах.
Устройство топливной системы состоит из следующих элементов:
- Фильтр грубой и тонкой очистки;
- Топливный бак;
- Подкачивающий насос;
- Топливный насос высокого давления;
- Форсунки.
В зависимости от конкретной модификации силового агрегата топливная система дизельного двигателя может иметь различные дополнительные элементы. Автовладельцу лишь необходимо знать какая компрессия должна быть в моторе его автомобиля.
Устройство системы питания у дизельного двигателя отличается простотой.
Принцип работы следующий:
- Из бака топливо при помощи топливного насоса высокого давления и дополнительного подкачивающего насоса помпового или шестеренчатого типа заканчивается в систему, проходя первоначально через фильтр грубой очистки, в котором из топливной смеси удаляются крупные включения.
- Непосредственно перед топливным насосом располагается уже фильтр тонкой очистки.
- Топливо через форсунки попадает в цилиндры, где под действием высокого давления, которое возникает за счет движения поршней, воспламеняется, что и приводит в движение поршни и коленвал.
За создание в системе колоссального давления отвечает ТНВД. Для начала разберем, что такое ТНВД. Большинство модификаций таких топливных насосов высокого давления приходит в движение от вращающегося вала, который связан с распредвалом. Конструкция топливного насоса высокого давления состоит из нескольких секций, число которых соответствует количеству цилиндров.
Подобная сложная конструкция этого узла обуславливает высокую стоимость этой запчасти. Поэтому ремонт ТНВД приводит к существенным затратам автовладельца.
Непосредственно за подачу топлива в ТНВД отвечает подкачивающий насос, который забирает солярку из топливного бака. За дополнительное увеличение давления в системе отвечает специальный плунжер, который конструктивно находится за насосом высокого давления. Этот плунжер нагнетает топливо в форсунки, которые распыляют мельчайшие частички солярки внутри камеры сгорания.
Следует сказать, что использование сразу нескольких фильтрующих элементов обусловлено зависимостью долговечности и беспроблемности эксплуатации силового агрегата от качества используемого топлива. Именно поэтому вопросам качества используемой солярки необходимо уделить должное внимание.
Сегодня не редкость изготовление топлива с большим содержанием серы. Удалить из топлива такую серу с помощью фильтрующих элементов невозможно. Тогда как такая сера в солярке приводит к появлению нагара в топливной системе дизельного двигателя.
Схема устройства системы питания дизельного ДВС
Система питания дизельного двигателя состоит из следующих базовых элементов:
- топливный бак;
- фильтры грубой очистки дизтоплива;
- фильтры тонкой очистки топлива;
- топливоподкачивающий насос;
- топливный насос высокого давления (ТНВД);
- инжекторные форсунки;
- трубопровод низкого давления;
- магистраль высокого давления;
- воздушный фильтр;
Дополнительными элементами частично становится электронасосы, выпуск отработанных газов, сажевые фильтры, глушители и т.д. Систему питания дизельных ДВС принято делит на две группы топливной аппаратуры:
- дизельная аппаратура для повода топлива (топливоподводящая);
- дизельная аппаратура для подвода воздуха (воздухоподводящая);
Топливоподводящая аппаратура может иметь различное устройство, но сегодня наиболее распространена система разделенного типа. В такой системе топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки реализованы в виде отдельных устройств. Топливо подается в дизельный двигатель по магистралям высокого и низкого давления.
Дизельное топливо хранится, фильтруется и подается к ТНВД под невысоким давлением посредством магистрали низкого давления. В магистрали высокого давления ТНВД поднимает давление в системе для осуществления подачи и впрыска строго определенного количества топлива в рабочую камеру сгорания дизельного двигателя в заданный момент.
В системе питания дизеля присутствуют сразу два насоса:
- топливоподкачивающий насос;
- топливный насос высокого давления;
Топливоподкачивающий насос обеспечивает подачу топлива из топливного бака, прокачивает горючее через фильтр грубой и тонкой очистки. Давление, которое создает топливоподкачивающий насос, позволяет осуществить подачу топлива по топливопроводу низкого давления к топливному насосу высокого давления.
ТНВД реализует подачу топлива к форсункам под высоким давлением. Подача происходит в соответствии с порядком работы цилиндров дизельного мотора. Топливный насос высокого давления имеет определенное количество одинаковых секций. Каждая из таких секций ТНВД соответствует определенному цилиндру дизельного двигателя.
Данные моторы работают жестко и шумно, имеют небольшой срок службы. В конструкции их системы питания отсутствуют топливопроводы магистрали высокого давления. Указанный тип ДВС не имеет большого распространения.
Вернемся к массовой конструкции дизельного мотора. Дизельные форсунки располагаются в головке блока цилиндров (ГБЦ) дизельного двигателя. Основной их задачей становится точное распыление горючего в камере сгорания двигателя. Топливоподкачивающий насос подает к ТНВД большое количество топлива. Получившиеся избытки горючего и проникающий в систему топливоподачи воздух возвращаются в топливный бак по специальным трубопроводам, которые называются дренажными.
Инжекторные дизельные форсунки бывают двух видов:
- дизельная форсунка закрытого типа;
- дизельная форсунка открытого типа;
Четырехтактные дизельные моторы преимущественно получают форсунки закрытого типа. В таких устройствах сопла форсунки, которые представляют собой отверстие, закрываются особой запорной иглой.
Получается, что внутренняя полость, расположенная внутри корпуса распылителей форсунок, сообщается с камерой сгорания только во время открытия форсунки и в момент впрыска дизельного топлива.
Ключевым элементом в конструкции форсунки выступает распылитель. Распылитель получает от одного до целой группы сопловых отверстий. Именно эти отверстия и образуют факел топлива в момент впрыска. От их количества и расположения зависит форма факела, а также пропускная способность форсунки.
Схема, устройство и принцип работы для дизельного двигателя
Системы подачи дизельного топлива имеют свои особенности. Различают три типа конструкций:
- Сommon rail (или аккумуляторная);
- С насос-форсунками;
- Разделенные.
Common rail
Наиболее популярная топливная система для дизелей – аккумуляторная (или common rail). Она соответствует более высоким экологическим стандартам. Это обеспечивается благодаря независимости процессов впрыскивания дизеля от режимов работы двигателя.
Конструктивно система питания дизеля common rail имеет два основных контура:
- Участок низкого давления – состоит из топливного бака, насоса низкого давления, трубопроводов и фильтра.
- Участок высокого давления – состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД), трубопровода, рампы (аккумулятора) и форсунок.
Принцип работы топливной системы дизеля представляет собой следующую последовательность:
- Насос низкого давления нагнетает дизель из топливного бака в трубопровод.
- Проходя по трубопроводу через фильтры грубой и тонкой очистки дизель подается в насос высокого давления.
- ТНВД подает топливо в форсунки, с помощью которых происходит впрыск в цилиндры.
- Одновременно с впрыском топлива происходит подача воздуха.
Разделенная и насос-форсунка
Разделенная топливная система состоит из топливного бака, трубопроводов, ТНВД и форсунок. При этом насос и форсунки соединены длинными трубопроводами, рассчитанными на высокое давление. Разделенная схема активно применяется в отечественном автомобилестроении, поскольку отличается низкой стоимостью и простотой конструкции.
В свою очередь, насос-форсунка – устройство, одновременно создающее нужный уровень давления и производящие впрыск топлива. Она располагается в головке блока цилиндров и приводится в действие кулачковым механизмом. Прямая и обратная магистрали при этом реализованы как каналы, находящиеся непосредственно в головке блока.
Рабочее давление при такой схеме составляет до 2 200 бар.
Этот способ имеет важный недостаток – он характеризуется зависимостью давления от режима работы двигателя.
Резюме
Хотя многие любители автомобилей знают о существовании дизельных двигателей, они не знают о том, как они устроены, а многие даже не знают о том, что дизель — это обычная солярка. Для того, чтобы узнать о том, как работает ДВС, нужно прочитать определенные статьи и подробно рассмотреть схему работы. Во время работы, мотор существенно нагревается, и для того, чтобы снизить температуру, существует система охлаждения двигателя. Все системы в автомобиле взаимосвязаны между собой. Сегодня производители автомобилей постоянно придумывают новые устройства для своих машин, которые будут помогать вождению автомобиля.
Регулировка топливной аппаратуры
Этот процесс заключается в том, чтобы диагностировать и отремонтировать форсунки, а также ТНВД. Выполнить такую процедуру в домашних условиях очень сложно, ведь она не только требует определенных умений и навыков – для ее выполнения могут понадобиться специальные инструменты.
Диагностировав систему своевременно, можно предостеречь себя от столкновения с проблемами различного рода. Только после нахождения «слабого звена» можно начинать выполнение и других действий.
Конечно, некоторые операции по ремонту топливной системы можно попытаться осуществить самостоятельно. Однако в таком случае возможен риск повреждения деталей, а значит, усугубления ситуации. Да и вообще, для этого процесса нужно специальное дорогостоящее оборудование, которое не целесообразно покупать только для одного единичного случая.
Система подачи топлива (ступень низкого давления)
Система подачи топлива включает следующие основные компоненты (см. рис. «Топливная система автомобиля с системой впрыска топлива с общей топливной магистралью» ): топливный бак, фильтр грубой очистки (не для системы насос-форсунок легковых автомобилей), предварительный насос (опция, на легковых автомобилях может устанавливаться в топливном баке), топливный фильтр, насос подачи топлива (низкого давления), клапан регулирования давления (перепускной клапан), охладитель топлива (опция) и топливопроводы низкого давления.
Отдельные компоненты могут быть объединены в функциональные узлы (например, насос подачи топлива с ограничителем давления). В осевых и радиально-поршневых распределительных насосах и, частично, в системе общей топливной магистрали, насос подачи топлива встроен в насос высокого давления.
Системы подачи топлива значительно различаются в зависимости от используемой системы впрыска топлива, см. рис. «Топливная система автомобиля с системой впрыска топлива с насос-форсунками для легковых автомобилей» ) и «Топливная система автомобиля с системой впрыска топлива с радиально — поршневым топливным насосом высокого давления» (системы с общей топливной магистралью, с насос-форсунками и с радиально-поршневым ТНВД, соответственно).
Назначением насоса подачи топлива в ступени низкого давления (предварительного насоса) является снабжение компонентов высокого давления достаточным количеством топлива при любых условиях работы, с низким уровнем шума, под требуемым давлением и на протяжении всего срока службы автомобиля. В зависимости от области применения, используются насосы различных типов.
Электрические топливные насосы
Электрические топливные насосы (см. рис. «Одноступенчатый электрический топливный насос» ) различных типов применяются для двигателей с искровым зажиганием. Для дизельных двигателей обычно применяются роторные роликовые насосы.
- В качестве дополнительного насоса для распределительного топливного насоса (только в случае длинных топливопроводов или большой разницы по высоте между топливным баком и топливным насосом);
- В системах впрыска топлива с насос- форсунками (для легковых автомобилей);
- В системах впрыска топлива с общей топливной магистралью (для легковых автомобилей).
Шестеренчатый насос
Шестеренчатый насос устанавливается прямо на двигателе или, в случае общей топливной магистрали, встраивается в топливный насос высокого давления. Он приводится во вращение механически, посредством муфты, зубчатой передачи или зубчатого ремня.
Основными компонентами насоса являются два входящих в зацепление друг с другом зубчатых колеса, вращающихся в противоположных направлениях (см. рис. «Шестеренчатый топливный насос» ), которые подают топливо во впадины между зубьями со стороны всасывания в сторону нагнетания. Линия контакта зубчатых колес обеспечивает уплотнение между сторонами всасывания и нагнетания, что предотвращает обратный поток топлива.
Производительность насоса приблизительно пропорциональна частоте вращения коленчатого вала. Поэтому подача топлива регулируется при помощи ограничителей на стороне всасывания или перепускного клапана на стороне нагнетания.
- В системах с одноцилиндровыми насосами высокого давления на коммерческих автомобилях (системы с насос-форсунками или отдельным топливным насосом высокого давления);
- Частично, в системах с общей топливной магистралью (для коммерческих, легковых и внедорожных автомобилей).
Лопастной насос подачи топлива
Лопастной насос подачи топлива (см. рис. «Лопастной насос» ) устанавливается на приводном вале в распределительном топливном насосе высокого давления. На приводном вале на сегментной шпонке установлено рабочее колесо. Эксцентриковое кольцо, установленное в корпусе, окружает рабочее колесо.
Под действием центробежных сил, создаваемых во время вращения, четыре лопасти рабочего колеса прижимаются к эксцентриковому кольцу. Топливо, находящееся между обратной стороной лопастей и рабочим колесом, способствует выдвижению лопастей наружу.
Топливо проходит через впускной канал и серпообразную полость в пространство, образуемое рабочим колесом, лопастью и эксцентриковым кольцом. Силы вращательного движения вытесняют топливо, находящееся между лопастями, в верхнюю серпообразную полость и далее в выпускной канал.
Пример использования: в качестве насоса предварительной подачи топлива, встраиваемого в распределительный насос высокого давления.
Роторный насос с запорными лопастями
В роторном насосе с запорными лопастями (см. рис. «Роторный насос с запорными лопастями» ), две лопасти прижимаются пружинами к ротору. По мере поворота ротора объем на стороне всасывания увеличивается, и топливо засасывается в две камеры. На стороне нагнетания объем уменьшается, и топливо вытесняется из камер. Роторный насос с запорными лопастями осуществляет подачу топлива с очень низкой скоростью.
Пример использования: на легковых автомобилях, совместно с системами впрыска топлива с использованием насос-форсунок.
Сдвоенный топливный насос
Сдвоенный топливный насос (см. рис. «Сдвоенный топливный насос» ) представляет собой узел, состоящий из насоса подачи топлива и вакуумного насоса для усилителя тормозов. Он встраивается в головку блока цилиндров и приводится во вращение от распределительного вала двигателя.
Сам топливный насос представляет собой роторный насос с запорными лопастями или шестеренчатый насос, и даже при низких скоростях вращения (вовремя проворота двигателя стартером) подает топливо в количестве, достаточном для надежного пуска двигателя. Подача топлива пропорциональна скорости вращения.
Насос содержит ряд клапанов и дросселирующих каналов. Максимальное количество подаваемого топлива ограничивается дросселирующим каналом на стороне всасывания. Максимальное давление в ступени высокого давления ограничивается клапаном сброса давления. Пузырьки паров топлива уничтожаются в дросселирующем канале линии возврата топлива. В случае попадания в топливную систему воздуха (например, при полном опорожнении топливного бака) клапан регулирования низкого давления остается закрытым. Воздух вытесняется из топливной системы через перепускной канал давлением топлива.
Пример использования: на легковых автомобилях, совместно с системами впрыска топлива с использованием насос-форсунок.
Клапан регулирования низкого давления
Клапан регулирования низкого давления (см. рис. «Клапан регулирования давления» ), также называемый перепускным ограничителем, устанавливается в линии возврата топлива. Он обеспечивает требуемое рабочее давление в ступени низкого давления в системе впрыска топлива с насос-форсунками при любых рабочих условиях и равномерное наполнение насос-форсунок топливом.
Плунжер аккумулятора клапана открывается при давлении 300-350 кПа (3-3,5 бар). Небольшие колебания давления в объеме аккумулятора компенсируются пружиной. При давлении 4-4,5 бар открывается уплотнение, что вызывает заметное увеличение расхода. Для установки значения давления открытия служат два регулировочных винта.
Охладитель дизельного топлива
Высокое давление в форсунках в системах впрыска топлива с насос-форсунками для легковых автомобилей и в некоторых системах с общей топливной магистралью вызывает столь интенсивный нагрев топлива, что перед его возвратом в топливный бак требуется охлаждение. Топливо, возвращаемое из форсунок в топливный бак, проходит через охладитель (теплообменник) и отдает тепло охлаждающей жидкости, циркулирующей в контуре охлаждения топлива.
Этот контур отделен от системы охлаждения двигателя, поскольку при нормальной рабочей температуре двигателя температура жидкости в системе охлаждения двигателя слишком высока для охлаждения топлива. Контур охлаждения топлива соединяется с системой охлаждения двигателя у расширительного бачка. Бачок обеспечивает заполнение контура охлаждения топлива охлаждающей жидкостью и компенсирует любые изменения, вызванные колебаниями температуры (см. рис. «Контур охлаждения топлива» ).
Схема системы питания
Схема системы питания дизельного двигателя включает в себя основные компоненты, в число которых входят:
- Бак для топлива;
- Фильтры очистки топлива (грубой и тонкой);
- Насос топливный, подкачивающий;
- Насос топливный, создающий высокое давление (ТНВД);
- Форсунки;
- Трубопровод для перекачки топлива под низким давлением;
- Трубопровод высокого давления;
- Фильтр воздушный
Схема топливной системы имеет вспомогательные компоненты, к которым можно отнести электрические насосы, детали выпуска отработанных газов, фильтры очистки от сажи, глушители и т.п. Общее устройство системы питания предполагает деление топливной аппаратуры на две группы:
- Аппаратура, подводящая топливо;
- Аппаратура, подводящая воздух.
Топливная аппаратура дизельных двигателей может иметь различное устройство, система разделённого типа, на сегодняшний день является наиболее распространенной. Для этой системы характерно разделение ТНВД и форсунок на отдельно функционирующие устройства.
Топливо проходит путь по путепроводам высокого и низкого давления. Проверка шлангов подачи топлива является обязательным условием эксплуатации силовой установки.
Хранение, фильтрация и подача к ТНВД происходит при невысоком давлении. После чего, топливный насос поднимает давление в системе для правильного дозирования и подачи порции топлива в камеру сгорания в нужный момент.
Систему питания дизельного мотора обслуживает два насоса:
- Насос, создающий высокое давление;
- Насос, подкачки топлива.
Насос подкачки топлива осуществляет подачу солярки из бака к фильтрам грубой и тонкой очистки и дальше к насосу, создающему высокое давление. Этот путь жидкость проходит с относительно невысоким показателем давления.
Проходя ТНВД, давление топлива нагнетается до высокого уровня. Порядок работы цилиндров определяет подачу рабочей смеси. Насос, создающий высокое давление имеет несколько секций, каждая из которых отвечает за определённый цилиндр двигателя.
Устройство системы питания дизельного двигателя, осуществляющего два такта, может иметь неразделённый тип. Для таких систем применяется специальное устройство, насос-форсунка. Это своего рода объединение топливного насоса, создающего высокое давление и форсунки в один прибор.
Такие моторы имеют небольшое распространение, поскольку срок службы изделия намного меньше, работа происходит жестко, с большим шумом. Конструкция не предусматривает наличие магистрали высокого давления.
Конструктивный принцип работы системы питания дизельного двигателя, получившего наибольшее распространение, предусматривает расположение форсунок в головке блока цилиндров. Основная задача такого расположения, точное распыление топлива в камере сгорания. К ТНВД, поступает большой объём солярки, её излишки отводятся обратно в бензобак по дренажным трубам.
Форсунки могут быть двух типов:
- Закрытого типа;
- Открытого типа.
Более широкое применение имеют форсунки закрытого типа. В устройстве таких форсунок есть специальная запорная игла, которая закрывает отверстие подачи топлива. Поэтому, полость форсунки соединяется с камерой сгорания только при открытии отверстия и впрыске жидкости.
Эффективным средством повышения мощности является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и в результате увеличивается мощность. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала — «турбоямы».
Турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные с надежностью работы турбокомпрессора. Так, его ресурс существенно меньше ресурса самого двигателя и не превышает 150 тыс. км. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Подробнее в статье: что такое турбокомпрессор.
Система Common-Rail. Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями. Сначала поступает крохотная, всего около миллиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно.