ТНВД: как устроены и почему ломаются

Что такое ТНВД?

Топливный насос высокого давления сокращенно называют ТНВД. Данное устройство является одним из наиболее сложных в конструкции дизельного двигателя. Основной задачей такого насоса становится подача дизельного топлива под высоким давлением.

Насосы обеспечивают подачу топлива в цилиндры дизельного мотора под определенным давлением, а также строго в определенный момент. Порции  подаваемого топлива отмерены очень точно и соответствуют степени нагрузки на двигатель. Насосы ТНВД различают по способу впрыска. Бывают насосы непосредственного действия , а также насосы с аккумуляторным впрыском.

Топливные насосы непосредственного действия имеют механический привод плунжера. Процессы нагнетания и впрыска топлива протекают в одно время. В каждый отдельный цилиндр дизельного ДВС определенная секция ТНВД подает нужную дозу горючего. Давление, которое необходимо для  эффективного распыления, создается движением плунжера топливного насоса.

ТНВД с аккумуляторным впрыском отличается тем, что на привод рабочего плунжера воздействуют силы давления сжатых газов в цилиндре самого ДВС или воздейсвие оказывается при помощи пружин. Встречаются топливные насосы с гидравлическим аккумулятором, которые нашли применение в мощных малооборотистых дизельных ДВС.

Стоит отметить, что системы с гидроаккумулятором  характеризуются  раздельными процессами нагнетания и впрыска. Горючее под высоким давлением нагнетается топливным насосом в аккумулятор, а уже затем поступает к топливным форсункам. Такой подход обеспечивает эффективное распыливание и оптимальное смесеобразование, которое подходит для всего диапазона нагрузок на дизельный агрегат. К минусам этой системы можно отнести сложность конструкции, что и стало причиной непопулярности такого насоса.

Современные дизельные установки используют технологию, которая основана на управлении электромагнитными клапанами форсунок от электронного блока управления с  микропроцессором. Указанная технология получила название «Сommon Rail».

Классификация

  1. Рядные. Наиболее простая и надежная конструкция, предусматривающая наличие нескольких ниш или секций, каждая из которых предназначена для подачи топлива в одну форсунку двигателя. При этом плунжерные пары размещаются в ряд, что и дало название агрегату. Сегодня такая разновидность ТНВД применяется исключительно на грузовых автомобилях, что объясняется надежностью и низким уровнем требований к качеству топлива. Однако, из-за больших габаритов и невысокого, по сравнению с альтернативными вариантами, КПД, установка на легковые авто прекращена в 2000 году.
  2. Распределительные. Данная разновидность насоса предполагает наличие одного или двух плунжеров, количество которых определяется объемом двигателя. Благодаря особенностям конструкции, этого оказывается вполне достаточно для обслуживания цилиндров, число которых варьируется в пределах от 4 до 12. В результате, достигается уменьшение массы и размеров ТНВД, что позволяет использование на двигателях легковых авто. Основной минус – сравнительная недолговечность насосов распределительного типа.
  3. Магистральные. ТНВД этого типа предусматривает систему подачи топлива Common Rail, которая стала в последние годы одной из наиболее востребованных. Главная особенность – накапливание топлива перед поступлением к форсункам в специальной рампе. Основное достоинство магистральных ТНВД – высокий уровень давления (свыше 180 МПа), благодаря которому достигается более эффективное сжигание горючего, обеспечивающее рост КПД при снижении расхода топлива.

Дозировка топлива в ТНВД

При изучении ТНВД двигателя необходимо учитывать особенности узла с позиции подачи горючей смеси. По принципу дозированияони бывают:

  • с отсечкой на завершающей стадии;
  • обеспечивающие дросселирование на подаче;
  • смешанные.

На дизельных моторах, как правило, применяется первый тип дозирования с отсечкой и использованием перепускного клапана. Последний работает после повышения давления выше определенного уровня с отправкой определенной части горючего в основной бак.

В ТНВД распределительного типа применяется второй вариант с дросселированием. Здесь некоторый объем смеси из основного контура направляется во всасывающую емкость. Количество горючего контролируется муфтой или ЭМ-клапаном, перемещающим фиксированное кольцо, находящееся в определенном положении. Регулировка подачи горючего бывает:

  1. механической / электронной;
  2. пружинной (с закрытием дозатора).

В новых авто для снижения расхода топлива используется ЭБУ, контролирующий настройки насоса и выдающий ошибки в случае сбоев в работе.

В его функции входит расчет дозировки для каждого клапана. После ремонта ТНВД данные аннулируются, что может потребовать новую настройку. Регулировка должна выполняться с помощью специальных стендов и с привлечением специалистов.

Одноплунжерный насос с электронным управлением

  1. ТНВД;
  2. электромагнитный клапан для управления автоматом опережения впрыска топлива;
  3. жиклер;
  4. цилиндр автомата опережения впрыска;
  5. дозатор;
  6. электромагнитное устройство изменения топливоподачи;
  7. ЭБУ;
  8. датчик температуры, давления наддува, положения регулятора топливоподачи;
  9. рычаг управления;
  10. возврат топлива;
  11. топливоподача к форсунке;

Автомат опережения впрыска управляется электромагнитным клапаном (2). Данный клапан обеспечивает регулировку давления топлива, которое действует на поршень автомата. Для клапана характерна работа в импульсном режиме по принципу «открытие — закрытие». Это позволяет модулировать давление, что зависит от частоты вращения  вала ДВС. В момент открытия клапана давление падает, а это влечет за собой уменьшение угла опережения впрыска. Закрытый клапан обеспечивает увеличение давления, которое перемещает поршень автомата в сторону, когда угол опережения впрыска будет увеличен.

Данные импульсы ЭМК определяются ЭБУ и зависят от режима работы и температурных показателей двигателя. Момент начала впрыска определяется при помощи того, что одна из форсунок оборудована индукционным датчиком подъема иглы.

Исполнительные механизмы, которые оказывают воздействие на элементы управления топливоподачей в ТНВД распределительного типа, являются пропорциональными электромагнитными, линейными, моментными или шаговыми электродвигателями, которые выступают в роли привода для дозатора топлива в указанных насосах.

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

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

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.

Магистральные топливные насосы

Большинство современных дизелей оснащены аккумуляторным впрыскивающим устройством Common Rail, в которое включен магистральный насос ТНВД. Перед входом в полости цилиндров, солярка здесь аккумулируется в специальном резервуаре под названием топливная рампа. Для улучшения управляемости процессами повышения напора и качества впрыска, эти операции выполняются последовательно.

Конструкция ТНВД магистрального типа включает в себя различное количество плунжерных пар (от 1 до 3). Плунжер начинает движение под воздействием специальных пружинных деталей, сжатого кислорода или через гидравлический привод. Согласно алгоритму работы узлов и деталей насоса, дозирующие клапаны цилиндров срабатывают и производится впрыск дисперсной топливной смеси в нужную камеру сгорания в точное время.

Магистральные топливные насосы ТНВД, в комплекте с аккумулирующей рампой, являются наиболее совершенными и пользуются повышенной популярностью среди современных автопроизводителей. Благодаря управлению при помощи электронных элементов, магистральные насосы обеспечивают напор топлива, силой, превышающей 1500 бар.

Важно: При использовании насосов ТНВД магистрального вида рекомендуется применять дизтопливо самого лучшего качества, т. к. рабочие элементы данного устройства быстро приходят в негодность при работе с несоответствующей соляркой.

Конструкция насоса высокого давления

Существует большое разнообразие модификаций тнвд бензинового двигателя, а также дизельного аналога. Однако в большинстве случаев основными элементами механического насоса являются:

  • На входе перед насосом установлен фильтр;
  • Плунжерный поршень, размещенный в цилиндре – т.наз. плунжерная пара;
  • Корпус, в котором сделаны углубления – по ним подается топливо в плунжерную пару;
  • Вал с кулачком и центробежной муфтой. Данный элемент соединен со шкивом газораспределительного механизма при помощи ременной передачи;
  • Толкатели привода плунжерной пары;
  • Пружины, которые возвращают обратно плунжерный поршень;
  • Клапаны нагнетателя;
  • Регулятор режимов – связан с педалью газа;
  • Клапан обратки тнвд (через него в обратку подается лишнее топливо);
  • Насос низкого давления (подкачивает в насос топливо).

Как уже было сказано, на смену механических насосов постепенно приходят электронные модификации по причине их экономичности и эффективности. Сам механизм сложно ремонтировать и регулировать. Электронные насосы оснащаются собственным блоком управления, а также несколькими электронными клапанами и датчиками.

Большинство электронных тнвд имеют собственную систему диагностики, благодаря чему устройство адаптируется под возникшие неисправности и ошибки. Это позволяет устройству исправно работать даже при выходе из строя одного из датчиков. Полностью такой насос перестает работать только в случае поломки микропроцессора.

Устройство

Различают несколько видов топливных насосов высокого давления. Несмотря на существенные конструктивные различия, основным рабочим узлом ТНВД является так называемая плунжерная пара. Основной ее задачей является нагнетание давления в топливной системе.

Устройство плунжерной пары включает две детали – поршень или плунжер, давший название рабочему узлу, и втулка или гильза. Принцип работы устройства основан на возвратно-поступательном движении, которое плунжер осуществляет внутри втулки. При этом каналы и клапаны, расположенные внутри ТНВД обеспечивают подачу горючего в полость, размещенную над плунжером, а также его отвод после сжатия и нагнетания давления.

Узел может эффективно работать только при обеспечении высокого уровня герметичности. Для этого рабочие поверхности и поршня, и втулки тщательно обрабатываются, что дало еще одно название плунжерной пары – прецизионная, то есть высокоточная. Еще одно обязательное требование к поршню и втулке – изготовление из крайне прочных марок стали, способной выдержать серьезные нагрузки.

Наличие других конструктивных элементов, деталей и узлов топливного насоса высокого давления зависит от конкретной разновидности устройства. Конструкция наиболее простого и широко распространенного рядного ТНВД предусматривает присутствие следующих деталей:

  • плунжерная пара, подробно описанная выше;
  • специальные канавки, назначение которых – подача горючего к плунжерной паре;
  • кулачковый вал, оснащенный центробежной муфтой, который вращается при помощи ремня ГРМ;
  • толкатели плунжера, передающие энергию, поступающую от кулачкового вала;
  • пружины, предназначенные для возврата плунжера в исходное положение;
  • нагнетательные клапаны, обеспечивающие движение топлива в нужном для эксплуатации двигателя направлении;
  • зубчатые рейки, штуцеры и так называемый всережимный регулятор, активируемый педалью газа.

Некоторые особенности других разновидностей ТНВД описываются ниже. Но независимо от различий в конструкции, принцип работы любых топливных насосов высокого давления примерно одинаков.

Принцип работы

Схема работы рассматриваемой модели топливного насоса напоминает эксплуатацию двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Она включает в себя несколько последовательно реализуемых этапов:

  1. Вращение кулачкового вала с оказанием давления на толкатели плунжера.
  2. Перемещение поршня по втулке.
  3. Увеличение давления топлива, в результате которого открываются нагнетательные клапаны.
  4. Поступление горючего к форсункам через открытые клапаны.

Важной особенностью ТНВД выступает попадание в форсунки не всей топливно-воздушной смеси, а только четко определенной дозы. Оставшееся топливо через специальные сливные клапаны возвращается в систему. Наличие центробежной муфты обеспечивает поступление горючего в нужный момент, а присутствие в конструкции всережимного регулятора обеспечивает точное определение необходимого объема смеси. В результате одновременной работы всех узлов топливного насоса высокого давления удается добиться продуктивной работы двигателя при минимально возможном расходе топлива.

Дальнейшего увеличения КПД двигателей, оснащенных ТНВД, позволяет добиться использование электронных систем управления работой топливного насоса. Современные высокоточные датчики контролируют все ключевые параметры системы, к числу которых относятся:

  • изменение положения педали газа;
  • количество оборотов распределительного вала;
  • уровень температуры охлаждающей жидкости;
  • скорость транспортного средства;
  • уровень давления в системе наддува воздуха;
  • изменение положения иглы форсунки и т.д.

Дополнительный плюс ТНВД с электронным блоком контроля и управления – наличие эффективных программ самодиагностики системы. Они позволяют быстро выявлять возникшие проблемы и обеспечивают работу двигателя даже в случае отказа отдельных узлов или деталей.

История разработки и совершенствования

Разработчиком ТНВД считается Роберт Бош. Активное использование рассматриваемой разновидности топливного насоса на легковых автомобилях началось во второй половине 30-х годов прошлого века.

Изначально топливный насос высокого давления предназначался исключительно для дизельных двигателей. Однако, в настоящее время ТНВД применяется и для бензиновых агрегатов, оборудованных инжекторной системой, обеспечивающей впрыскивание топлива непрямую в цилиндры.

Постоянный рост требований в части охраны труда и соблюдения экологических стандартов объясняет еще одно важное направление улучшения ТНВД. В современных условиях произошло вытеснение механических топливных насосов устройствами, оснащенными электронной регулировкой подачи горючего. Второй вариант системы впрыска топлива намного экономичнее и сводит к минимуму количество вредных выбросов в атмосферу.

Уровень давления и коэффициент сжатия

Эффективность работы топливного насоса зависит от правильной дозировки, корректности расчета времени при подаче горючего в камеру сгорания и создания нужного давления. Здесь выделяются следующие параметры для разных ТНВД:

  • Рядные — 55-135 МПа, в редких случаях от 15 МПа.
  • Магистральные — до 135-200 МПа. Давление увеличивалось с развитием технологии и появлением новых поколений. Например, системы 1-го поколения работали с давлением 17-135 МПа, а последнего (4-го) — 23-200 МПа.
  • На бензиновых моторах — 3-11 МПа.

Важным моментом в работе дизельного мотора является и степень сжатия.

При расчете коэффициента учитывается отношение между объемом цилиндра (максимальным параметром) и размером камеры при нахождении поршня в самом вверху. В среднем степень сжатия находится между 18:1 и 22:1. Эти показатели учитываются в комплексе с давлением ТНВД и другими параметрами силового агрегата.

Виды ТНВД

В машиностроении используются следующие виды ТНВД:

  • рядные;
  • распределительные;
  • магистральные.

По принципу действия ТНВД делят:

  • непосредственного действия с механическим приводом плунжера;
  • с аккумуляторным впрыском.

Конструкция агрегатов различна, но неизменным является основной рабочий узел — плунжерная пара.

Рядные ТНВД используются на тяжелых и средних грузовиках, активно применяются в машиностроении. Неоспоримое преимущество — способность функционировать на топливе низкого качества. Простота конструкции — это надежность и неприхотливость в обслуживании. В рядных моделях количество плунжерных пар соответствует количеству цилиндров. Недостаток — громоздкость.

В распределительных насосах одна или две плунжерны

В распределительных насосах одна или две плунжерные пары (зависит об объема двигателя) обслуживают все цилиндры. Такая схема позволяет значительно уменьшить габариты и массу узла и обеспечивает равномерную подачу топливной смеси. Применяют агрегаты этого типа на легковых автомобилях. Популярные модели — Bosch, Lucas. Распределительные ТНВД различаются по исполнению кулачкового привода: торцевой, внутренний или внешний. Последний вариант практически не производится. Недостаток распределительных насосов — недолговечность.

Магистральные ТНВД имеют отличную от предыдущих ва

Магистральные ТНВД имеют отличную от предыдущих вариантов схему. Нагнетание топлива производится плунжерами (от одного до трех), приводимыми в движение кулачковой шайбой либо валом. Дозирующий клапан отвечает за регулировку подачи топлива. Открытие и закрытие клапана обеспечивается электроникой. Агрегаты этого типа используются в топливной системе Common Rail.

Главные причины неисправностей

ТНВД является дорогостоящим устройством, которое очень требовательно к качеству топлива и смазочных материалов. Если автомобиль эксплуатируется на горючем низкого качества, такое топливо обязательно содержит твердые частицы, пыль, молекулы воды и т.д. Все это ведет к выходу из строя плунжерных пар, которые установлены в насосе с минимальным допуском, измеряющимся в микронах.

Низкокачественное топливо с легкостью выводит из строя форсунки, которые отвечают за процесс распыления и впрыска топлива.

Распространенные признаки неисправностей в работе ТНВД и форсунок представляют собой следующие отклонения от нормы:

  • расход топлива заметно увеличен;
  • отмечается повышенная дымность выхлопа;
  • в процессе работы присутствуют посторонние звуки и шум;
  • мощность и отдача от ДВС заметно падают;
  • наблюдается затрудненный пуск;

Современные моторы с ТНВД  оснащены электронной системой топливного впрыска. ЭБУ дозирует подачу топлива в цилиндры, распределяет этот  процесс по времени, определяет нужное количество дизтоплива. Если владелец замечает малейшие перебои в работе двигателя, то это является безотлагательным поводом для немедленного обращения в сервис. Силовую установку и топливную систему  тщательно исследуют при помощи профессионального диагностического оборудования. Во время диагностики специалисты определяют многочисленные показатели, среди которых первостепенными являются:

  • степень равномерности подачи топлива;
  • давление и его стабильность;
  • частота вращения вала;

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.

Плунжерная пара

Плунжерная пара

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

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.

Классификация

Для классификации ТНВД применяется несколько признаков. По принципу работы различают топливные насосы непосредственного действия и системы, предусматривающие аккумуляторный впрыск. Первая разновидность также делится на два типа – с механическим и пневматическим приводом. Она обеспечивает одновременное осуществление процессов нагнетания давления и впрыска, а потому проще и намного чаще применяется на практике.

Вторая разновидность – топливный насос с гидроаккумулятором – разделяет выполнение накачки топливно-воздушной смеси и ее впрыска в форсунки. Сначала горючее собирается в специальном хранилище, который и называется аккумулятором, после чего передается для сжигания. В результате повышается эффективность работы двигателя, но при этом заметно усложняется конструкция ТНВД. Последний аргумент стал главной причиной того, что насосы с гидроаккумулятором не относятся к числу популярных.

Второй классифицирующий признак – конструктивные особенности насоса. В соответствии с ними принято различать три типа ТНВД:

  • Рядные. Наиболее простая и надежная конструкция, предусматривающая наличие нескольких ниш или секций, каждая из которых предназначена для подачи топлива в одну форсунку двигателя. При этом плунжерные пары размещаются в ряд, что и дало название агрегату. Сегодня такая разновидность ТНВД применяется исключительно на грузовых автомобилях, что объясняется надежностью и низким уровнем требований к качеству топлива. Однако, из-за больших габаритов и невысокого, по сравнению с альтернативными вариантами, КПД, установка на легковые авто прекращена в 2000 году.
  • Распределительные. Данная разновидность насоса предполагает наличие одного или двух плунжеров, количество которых определяется объемом двигателя. Благодаря особенностям конструкции, этого оказывается вполне достаточно для обслуживания цилиндров, число которых варьируется в пределах от 4 до 12. В результате, достигается уменьшение массы и размеров ТНВД, что позволяет использование на двигателях легковых авто. Основной минус – сравнительная недолговечность насосов распределительного типа.
  • Магистральные. ТНВД этого типа предусматривает систему подачи топлива Common Rail, которая стала в последние годы одной из наиболее востребованных. Главная особенность – накапливание топлива перед поступлением к форсункам в специальной рампе. Основное достоинство магистральных ТНВД – высокий уровень давления (свыше 180 МПа), благодаря которому достигается более эффективное сжигание горючего, обеспечивающее рост КПД при снижении расхода топлива.