Топливный насос высокого давления

Назначение и устройство. Насос (рис. 43) предназначен для подачи топ­лива через форсунку в цилиндры ди­зеля под высоким давлением в опреде­ленном количестве и в строго опреде­ленный момент. На дизеле установле­ны шесть одинаковых топливных на­сосов плунжерного типа, каждый че­рез бобышку прикреплен четырьмя болтами к верхнему горизонтальному листу отсека распределительного вала.

Все детали насоса размещены в пу­стотелом корпусе 23, отлитом из спе­циального магниевого чугуна. В верх­ней части корпуса нарезана резьба М48 иод нажимной штуцер 11. Ниже сделаны несколько расточек различ­ного диаметра, образующих полость для топлива и кольцевой борт под гильзу 16. В стенке корпуса имеется отверстие г с резьбой М22 под штуцер 25, а в боковом приливе просверлено горизонтальное отверстие д диамет­ром 16 мм под зубчатую рейку 6. Внизу корпус имеет прямоугольный фланец б с четырьмя отверстиями и цилиндри­ческий выступ а диаметром 85 мм, обеспечивающий центровку насоса с бобышкой 13 (см. рис. 44). Над флан­цем б (см. рис. 43) в корпусе насоса расположено контрольное окно в, ис­пользуемое при ремонте.

Сверху в корпус вставляют сталь­ную гильзу 16, уплотняя ее алюмини­евым кольцом 7. От проворота гильзу фиксируют штифтом 18, запрессован­ным в корпус, для чего на ее наружной поверхности, имеющей диаметр 40 мм, профрезерована канавка р. Верхняя часть гильзы утолщена (наружный ди­аметр 45 мм, а внутренний 20 мм), так как в ней при работе насоса создается высокое давление топлива. Два ради­альных отверстия с диаметром 6 мм с коническими расточками по концам служат для прохода топлива внутрь гильзы.

Сверху на торец гильзы устанавли­вают с притиркой корпус 8 вместе с притертым к нему нагнетательным кла­паном 9. В нижней части нагнетатель­ный клапан имеет четыре направляю­щих пера е, цилиндрическая поверх­ность которых притерта к корпусу 8, а в верхней части - два пояска. Кониче­ский поясок з притерт к седлу, а цилин­дрический ж, являющийся разгрузоч­ным, - к корпусу 8 клапана.

Нагнетательный клапан прижат к седлу корпуса 8 пружиной 14, установ­ленной в расточке нажимного штуце­ра 11, ввернутого в корпус насоса. Между штуцером 11 и корпусом 8 ста­вят стальное уплотнительное кольцо 15, а относительно корпуса штуцер уплотняют резиновым кольцом 10, ус­тановленным в канавке на его наруж­ной поверхности.

Вверху штуцер имеет хвостовик с резьбой М22 под накидную гайку 12 для крепления трубопровода высокого давления 13.

Снизу в гильзу вставлен притер­тый к ней плунжер 22, который пред­ставляет собой цилиндрический стер­жень, изготовленный из высококаче­ственной стали и термически обработанный. На верхней части плунжера (головке), имеющей диаметр 20 мм, профрезерован вертикальный паз к шириной 4 мм. Сверху от паза к до кольцевой выточки и сделан винтовой вырез, образующий отсечную кромку л. Торцовая и спиральная кромки плунжера должны быть острыми. На направляющей части м плунжера про­точена лабиринтная канавка н шири­ной 2 мм, уменьшающая просачивание топлива по плунжеру. В нижней части плунжер имеет выступы о и заканчива­ется цилиндрическим хвостовиком п.

Гильза вместе с плунжером образует прецизионную пару, обработанную с высокой степенью точности (зазор между сопрягаемыми деталями 1,5 — 2,5 мкм). В случае неисправности гильзы или плунжера замене подле­жит комплект в сборе.

Снизу на гильзу с зазором надева­ют поворотную втулку 19, в верхней части которой нарезан зубчатый ве­нец т, входящий в зацепление с зуб­чатой рейкой 6, установленной в кор­пусе насоса. На цилиндрической по­верхности рейки сделан паз ф под сто­порный винт 5, ограничивающий продольное перемещение рейки и ис­ключающий ее поворот. Винт 5 ввер­нут в наклонное отверстие корпуса насоса. Поворотная втулка в нижней части имеет прорези, в которые входят выступы о плунжера. Таким образом, поворотная втулка позволяет плунже­ру совершать возвратно-поступатель­ное движение и одновременно повора­чивает его при перемещении рейки.

Для перемещения плунжера вниз служит пружина 3, зажатая между двумя тарелками. Верхняя тарелка 20 надета на поворотную втулку 19 и удерживается разрезным стопорным кольцом 4, установленным в проточке корпуса. Нижняя тарелка 2 имеет ра­диальную прорезь и надевается на нижнюю часть плунжера, упираясь в его хвостовик п.

Снизу в корпус насоса вставляют стальной стакан 21, передающий уси­лие от толкателя топливного насоса на плунжер. Перемещение стакана ог­раничивается разрезным стопорным кольцом 1, установленным в канавке корпуса насоса. На наружной поверх­ности стакана сделана кольцевая рис­ка, используемая при проверке мо­мента начала подачи топлива, а в до­нышке — четыре отверстия у диамет­ром 10 мм для слива просочившегося топлива.

Толкатель топливного насоса (рис. 44, а) передает усилие от кулачка рас­пределительного вала на плунжер топливного насоса. Толкатель 19 изго­товлен из качественной стали и имеет цилиндрическую форму. На его на­ружной поверхности проточены три кольцевые канавки в, соединенные двумя вертикальными пазами а, что обеспечивает смазывание толкателя при перемещении его в корпусе 18. В нижней части толкателя сделана про­резь под ролик, свободно установлен­ный на пальце 20.

Пустотелый палец 20 по конструк­ции и установке не отличается от пальца толкателя привода клапанов. Ролик состоит из двух колец — внут­реннего 25 и внешнего 24, между кото­рыми имеется зазор 0,02 — 0,06 мм. На внутренней поверхности кольца 25 проточена канавка з, из которой по четырем радиальным отверстиям и диаметром 3,5 мм масло выходит на смазывание контактной поверхности обоих колец. Такая конструкция ро­лика обеспечивает ему повышенную прочность в условиях высоких скоро­стей движения толкателя топливного насоса, что обусловлено геометриче­ской формой топливного кулачка рас­пределительного вала.

Сверху в толкатель ввернут регу­лировочный болт 16. Шестигранник б на цилиндрическом стержне болта по­зволяет вворачивать или выворачи­вать болт, регулируя момент начала подачи топлива. После регулировки положение болта фиксируют контр­гайкой 17. Регулировочный болт про­ходит через центрального отверстие бобышки 13, отлитой из алюминиево­го сплава. Своим цилиндрическим вы­ступом диаметром 80 мм бобышка входит в отверстие верхнего горизон­тального листа 6 отсека распредели­тельного вала.

Сверху на регулировочный болт навернута цилиндрическая отража­тельная гайка 12, образующая вместе с выступом е бобышки лабиринт, пре­дотвращающий попадание топлива в масло. Кроме того, просачиванию топ­лива по болту препятствует сальник 15, установленный снизу в расточке бобышки и укрепленный в ней стопор­ным кольцом 23. Для крепления гайки 12 на ее наружной поверхности сдела­ны четыре глухих отверстия под вы­ступы специального ключа.

Просочившееся в бобышку топли­во по отверстию ж и трубке 14 отво­дится в сливной коллектор чистого топлива. Труба 14 развальцована в планке 21, которая прикреплена к бо­бышке двумя болтами 22. В случае засорения трубки 14 топливо из бо­бышки стекает через два боковых от­верстия д на верхний лист 6, попадает в канавку г и отводится из нее в гря­зесборник топливного бака.

Работа топливного насоса. Коль­цевая полость А (см. рис. 43) между корпусом 23 насоса и гильзой 16 по­стоянно соединена с топливным кол­лектором через трубку 24 и штуцер 25, а следовательно, заполнена топливом под давлением 0,20 — 0,25 МПа (2,0 — 2,5 кгс/см2). При движении плунжера вниз под действием возвратной пру­жины 3 топливо из коллектора через два радиальных отверстия с в гильзе поступает в надплунжерное простран­ство.

При набегании топливного кулачка 3 (см. рис. 44, а) распределительного вала 2 на ролик толкатель 19 начинает двигаться вверх и своим регулировоч­ным болтом 16 воздействует через ста­кан 8 на плунжер 9 топливного насоса. Ход плунжера при любой частоте вра­щения коленчатого вала дизеля одина­ков и равен 20 мм, так как зависит толь­ко от размеров кулачка 3. Профиль ку­лачка обеспечивает значительное уско­рение движущегося плунжера. Часть хода плунжера (30 — 40 %) затрачива­ется на его разгон, сопровождающийся вытеснением некоторого количества топлива из надплунжерного простран­ства обратно в коллектор через отвер­стия с (см. рис. 43).

При скорости 0,4 — 0,8 м/с плун­жер своей торцовой кромкой перекры­вает оба отверстия с в гильзе. Так как при дальнейшем движении плунжера объем надплунжерного пространства быстро уменьшается, то давление топлива в нем резко возрастает. Когда усилие, создаваемое давлением топ­лива над плунжером, становится боль­ше усилий пружины 14 и остаточного давления в нагнетательном трубопро­воде, клапан 9 открывается и топливо нагнетается в трубопровод высокого давления 13. Нагнетание топлива про­исходит до тех пор, пока кромка л плунжера не откроет одно отверстие в гильзе и не сообщит тем самым надплунжерное пространство с топлив­ным коллектором.

Давление топлива над плунжером резко падает, несмотря на продолжа­ющееся движение плунжера вверх. Нагнетательный клапан 9 закрывает­ся. Как только нижняя кромка цилин­дрического разгрузочного пояска ж клапана входит в корпус 8, прекраща­ется сообщение трубопровода высоко­го давления 13 с камерой над плунже­ром. При дальнейшей посадке клапа­на до упора коническим пояском з в седло происходит некоторая разгруз­ка трубопровода 13 от высокого оста­точного давления из-за освобождения небольшого объема при посадке кла­пана.

Выход топлива из надплунжерного пространства через радиальное отвер­стие с в полость А в конце хода нагне­тания происходит с очень большой скоростью, что приводит к местным кавитационным разрушениям корпу­са насоса. Поэтому против отверстия с гильзы в корпус 23 ввертывают стальную сменную пробку 77.

Количество подаваемого насосом топлива зависит от длительности на­гнетания его плунжером, что опреде­ляется ходом нагнетания, т. е. рассто­янием между торцовой и спиральной кромками плунжера, измеряемым по оси отверстия с. Регулирование по­дачи топлива осуществляется объеди­ненным регулятором дизеля, который, перемещая рейки, заставляет втулки 19 поворачивать плунжеры 22 насосов высокого давления.

На рис. 44, б показаны три различ­ных положения плунжера 9 относи­тельно гильзы 26. В положении I (ну­левая подача топлива) ход нагнетания равен нулю, т. е. надплунжерное про­странство постоянно соединено с от­верстием в гильзе через вертикальный паз на головке плунжера. В положе­нии II (средняя подача топлива) плун­жер повернут на некоторый угол и имеет ход нагнетания. В положении III (максимальная подача топлива) плунжер повернут на наибольший угол, т. е. ход нагнетания максималь­ный.

Соединение реек топливных насо­сов с валом управления (рис. 45). Вал управления 1 рейками топливных на­сосов состоит из трех частей, жестко соединенных друг с другом. Выступ в на торце одной части вала при сборке вставляют в торцовый паз г другой части, после чего обе части вала до­полнительно закрепляют хомутом 11, стянутым двумя болтами 9. Вал уста­новлен на семи стойках 13, каждая из которых зафиксирована двумя штиф­тами и закреплена двумя болтами на верхнем горизонтальном листе 12 от­сека распределительного вала. В рас­точки стоек запрессованы шариковые подшипники 7, укрепленные стопор­ными кольцами 8. Передний конец ва­ла 1 проскальзывающей тягой соеди­нен с объединенным регулятором ди­зеля, а с противоположной стороны вал зубчатой муфтой соединен с пре­дельным регулятором.

Против каждого насоса на валу ук­реплены два хомутика. Правый хому­тик 14 пружиной 15, работающей на скручивание, связан с поводком 4, сво­бодно установленным на валу. Ото­гнутые концы пружины входят в от­верстия поводка 4 и хомутика 14. По­водок при помощи пальца 22 шарнирно соединен с зубчатой рейкой 21 топливного насоса, для чего верхний конец поводка выполнен в виде вилки. Палец 22 вместе с рейкой 21 вставля­ют сверху в вырезы вилки. Плоские срезы на концах пальца не позволяют ему смещаться вдоль оси. В нижней части поводок имеет выступ а с отвер­стием под регулировочный болт 16.

Левый хомутик 18, так же как и правый, жестко укреплен на валу при помощи стяжного болта 17. Хомутик 18 имеет цилиндрический выступ б с двумя плоскими срезами на наружной поверхности. В расточку выступа вставляют пружину 20 и фиксатор 5, на резьбовой конец которого наверты­вают гайку 19 для крепления головки 2. Для удобства пользования цилинд­рическая поверхность головки выпол­нена рифленой.

Под действием пружины 20 фикса­тор 5 выходит из хомутика 18 и опира­ется на торец регулировочного болта 16, который должен быть отрегулиро­ван так, чтобы при неработающем ди­зеле выход рейки был равен размеру "Стоп", выбитому на корпусе топлив­ного насоса. Пружина 15 при регули­ровке скручивается. Положение регу­лировочного болта фиксируют гайкой, после чего пломбируют.

Когда объединенный регулятор дизеля поворачивает вал на увеличе­ние подачи топлива, левый хомутик 18 через фиксатор 5 давит на регулиро­вочный болт 16, поворачивая поводок 4, выдвигающий рейку 21 топливного насоса. При повороте вала в другую сторону правый хомутик 14 через пру­жину 15 воздействует на поводок 4, передвигая рейку 21 на уменьшение подачи топлива. Затяжка пружины 15 и в том, и в другом случае не меняется, так как пружина поворачивается вме­сте с укрепленными на валу хомути­ками 14 и 18.

Для отключения насоса фиксатор 5 с помощью головки 2 отводят от ре­гулировочного болта 16, преодолевая усилие пружины 20, и поворачивают на угол 90°. В таком положении голо­вка упирается в торец выступа б, удер­живая фиксатор. Освобожденный по­водок под действием пружины 15 пе­ремещает рейку топливного насоса на нулевую подачу топлива. В дальней­шем поворот вала никакого переме­щения рейки не вызывает.

Форсунка

Назначение и устройства Форсун­ка предназначена для впрыска топли­ва в цилиндр. Она установлена в крышке цилиндра и прикреплена к ней при помощи фланца и трех шпи­лек (см. рис. 22). Уплотнение форсунки в крышке обеспечивается медной про­кладкой 17 (рис. 46), толщина которой подбирается с таким расчетом, чтобы выход носка распылителя был равен 3±0,5 мм. На дизеле K6S310DR при­менены форсунки закрытого типа, ко­торые посредством иглы распылителя периодически отсоединяют трубопро­вод высокого давления от камеры сго­рания.

Форсунка имеет стальной корпус 13, к которому снизу при помощи на­кидной гайки 15 прикреплен распыли­тель, представляющий собой прецизионную пару. Распылитель состоит из корпуса 16 и иглы 21, притертых друг к другу. Игла 21 имеет цилиндрическую направляющую часть диаметром 8 мм и два конических пояска — верхний ж (большой конус) и нижний е (малый ко­нус). Коническим пояском е игла при­терта к коническому седлу корпуса рас­пылителя, а большой конический поя­сок ж является поверхностью, на кото­рую действует давление топлива, создавая подъемную силу.

На торце корпуса распылителя сделана кольцевая канавка и, соеди­ненная с полостью под большим кони­ческим пояском ж тремя наклонными каналами к. Снизу корпус распылите­ля заканчивается сферическим носи­ком, в котором имеются восемь отвер­стий диаметром 0,42 мм, предназна­ченных для распыления топлива. Рас­положение отверстий обеспечивает хорошее перемешивание топлива с воздухом.

Корпус 16 и игла 21 изготовлены из высококачественной стали и тер­мически обработаны. Уплотнение между корпусом 16 распылителя и корпусом 13 форсунки осуществляет­ся притиркой их торцовых поверхно­стей.

В центральное отверстие корпуса 13 форсунки вставлена штанга 14, опирающаяся своим нижним концом на иглу распылителя. Цилиндриче­ский выступ з иглы диаметром 4 мм входит в расточку штанги, чем обеспе­чивается их соосность, необходимая для нормальной работы форсунки. На верхний конец штанги надевают та­релку 12 и устанавливают пружину 11, затяжку которой производят регули­ровочным штуцером 10, ввернутым в корпус форсунки.

После регулировки форсунки на стенде [начало впрыска должно про­исходить при давлении топлива 30 МПа (300 кгс/см2)] положение штуце­ра 10 фиксируют контргайкой 8, под которую ставят медное уплотнитель­ное кольцо 9. На выступающий конец штуцера 10 навернута колпачковая гайка 6, уплотненная медным кольцом 7. К колпачковой гайке штуцером 5 прикреплена сливная трубка 20 для отвода чистого топлива в бак.

Сверху в корпус форсунки ввернут штуцер 4, уплотнение которого обес­печивается медным кольцом 2. Верти­кальным отверстием в штуцер 4 сое­динен с каналом в корпусе форсунки, образованным двумя наклонными сверлениями а и б. Конец сверления б заглушён пробкой 1. В отверстие шту­цера вставлен щелевой фильтр 3, представляющий собой цилиндриче­ский стержень, на поверхности кото­рого профрезерованы шесть продоль­ных тупиковых канавок. Три канавки д начинаются от верхнего торца филь­тра, а три канавки г — от нижнего торца. При работе форсунки щелевой фильтр создает сопротивление на пу­ти движения топлива, так как переход его из одних канавок в другие возмо­жен только через зазор 0,02 мм между фильтром и штуцером.

К верхнему концу штуцера 4, име­ющему резьбу М22, при помощи кол­пачковой гайки 19 крепят трубку вы­сокого давления 18. Стальная толсто­стенная трубка 18 (наружный диаметр ее 10 мм, внутренний — 3 мм) служит для соединения форсунки с топлив­ным насосом. К концам ее приварены конусные наконечники, один из кото­рых притерт к штуцеру 4 форсунки, а другой — к штуцеру 11 топливного насоса (см. рис. 43). Обе трубки 18 и 20 (см. рис. 46) проходят через вырез кла­панной коробки. Для уменьшения вибрации трубки уплотнены резино­вой проставкой 23, зажатой между двумя стальными пластинами 22 и 24.

Работа форсунки. При работаю­щем дизеле трубопровод высокого давления (т. е. полость над нагнета­тельным клапаном топливного насоса, трубка высокого давления 18, штуцер 4, канал в корпусе форсунки, кольце­вая канавка и, три наклонных канала к и полость под иглой в корпусе рас­пылителя) постоянно заполнен топли­вом под давлением, которое меняется в зависимости от положения плунже­ра топливного насоса в пределах от 20 до 40 МПа (200 — 400 кгс/см²). Если давление топлива в трубопроводе ни­же 30 МПа (300 кгс/см2), то под дейст­вием пружины 11 игла 21 прижата к коническому седлу корпуса распыли­теля, т. е. форсунка закрыта.

Когда плунжер топливного насоса торцовой кромкой перекрывает отвер­стия в гильзе, начинается нагнетание топлива в трубопровод, т. е. давление топлива возрастает. При достижении давления 30 МПа (300 кгс/см²) сила, действующая со стороны топлива на большой конический поясок иглы, преодолевает усилие пружины 11 и поднимает иглу (форсунка открыта). Высота подъема иглы (0,4 — 0,7 мм) ограничена торцом корпуса форсунки. Малый конический поясок иглы от­крывает путь топливу в цилиндр через отверстия в носке распылителя. Как только плунжер топливного насоса от­крывает спиральной кромкой отвер­стие в гильзе, давление топлива в тру­бопроводе резко падает и под действи­ем пружины игла вновь садится на свое место (форсунка закрыта).

Часть топлива из полости под иг­лой просачивается между корпусом распылителя и иглой, обеспечивая смазывание трущихся поверхностей, проходит по центральному каналу в корпусе форсунки, по отверстию в штуцере 10 и через штуцер 5 попадает в сливную трубку 20. Конец сливной трубки 20 входит в выступ л, прива­ренный к общей сливной трубе 27, со­единенной со сливным коллектором. Выступ л имеет окно м для контроля за сливом топлива из форсунки при работающем дизеле (допускается кап-лепадение топлива, но не течь).

 

VIII. Регуляторы дизеля

Мощность любого двигателя внут­реннего сгорания зависит от его кон­струкции (диаметр цилиндра, ход пор­шня, число цилиндров и тактность), давления газов в цилиндре и частоты вращения коленчатого вала. Давле­ние газов в цилиндре во время рабоче­го хода поршня зависит от количества топлива, подаваемого насосом высо­кого давления через форсунку. Поэто­му изменение мощности дизеля осу­ществляется за счет изменения пода­чи топлива насосом путем передвиже­ния его рейки (см. с. 85). Рейки всех топливных насосов соединены с об­щим валом, которым управляет спе­циальный регулятор. Дистанционное управление дизелем с помощью конт­роллера машиниста позволяет полу­чить восемь ступеней мощности от 73,5 до 993 кВт (от 100 до 1350 л. с).

Все дизели по характеру своей ра­боты очень чувствительны к измене­нию нагрузки. Увеличение нагрузки на дизель вызывает снижение частоты вращения коленчатого вала ("просад­ку оборотов"), что может привести к остановке дизеля, а уменьшение на­грузки сопровождается резким возра­станием частоты вращения вала, т. е. дизель может пойти "в разнос".

Основным потребителем мощно­сти дизеля на тепловозе является тя­говый генератор, который за счет сис­темы автоматического регулирования сю мощности обеспечивает постоян­ную нагрузку на дизель в основном диапазоне скоростей движения тепло­воза (11,4 — 65 км/ч).

В то же время примерно 10 % мощности дизеля расходуется на при­вод вспомогательных потребителей компрессор, главный вентилятор, двухмашинный агрегат и два вентиля­тора охлаждения тяговых электродви­гателей), которые не могут обеспечить постоянную нагрузку на дизель, так как компрессор и главный вентилятор автоматически включаются и выклю­чаются, а мощность, потребляемая двухмашинным агрегатом, постоянно меняется. Переменная мощность этих потребителей вызывает изменение частоты вращения коленчатого вала.

Для поддержания постоянной час­тоты вращения вала в условиях пере­менной нагрузки на дизель нужен спе­циальный регулятор, автоматически управляющий топливными насосами.

Дизель на тепловозе должен быть защищен от перегрузки, которая мо­жет возникнуть при движении тепло­воза с тяжелым составом на низкой скорости (0 — 11,4 км/ч), так как сис­тема автоматического регулирования в этом диапазоне скоростей не обеспе­чивает постоянства мощности тягово­го генератора из-за большого тока в силовой цепи. Кроме того, дизель нуж­дается в защите от перегрузки, когда он по ряду причин (неудовлетвори­тельное состояние топливной аппара­туры, отключение одного из насосов, засорение воздушных фильтров тур­бонагнетателя, неблагоприятные по­годные условия и т. д.) не развивает расчетной мощности.

Установленный на дизеле K6S310DR центробежный всережимный регулятор непрямого действия за­щищает его от перегрузки, выполняя функции регулятора мощности. Так как этот регулятор является одновре­менно регулятором частоты вращения коленчатого вала и мощности дизеля, то он называется объединенным.