Топливная аппаратура является одной из наиболее ответственных и сложных систем дизельного двигателя, определяющей его мощностные, экономические и экологические показатели. Среди множества регулируемых параметров особое место занимает давление открытия форсунки – давление топлива, необходимое для преодоления сопротивления пружины, удерживающей иглу распылителя в закрытом положении, и инициирующее начало впрыска. В механических системах впрыска, где регулировка давления открытия выполняется подбором регулировочных шайб или изменением натяжения пружины, точность настройки каждой форсунки напрямую влияет на качество смесеобразования и сгорания.
Особую актуальность проблема точной настройки давления открытия приобретает для дизелей, оборудованных распределительным топливным насосом высокого давления (ТНВД). В отличие от рядных ТНВД, где каждая секция насоса обслуживает отдельную форсунку, в распределительных ТНВД используется единый плунжер, обеспечивающий подачу топлива ко всем цилиндрам двигателя. Такая конструктивная особенность создаёт взаимосвязь между параметрами работы форсунок: изменение момента открытия одной форсунки влияет на момент открытия остальных, что может приводить к перераспределению цикловой подачи и неравномерности работы цилиндров. В связи с этим возникает вопрос о допустимых пределах разброса давления открытия форсунок в пределах одного цилиндра и о последствиях нарушения этих пределов [1].
В конструкциях дизельных двигателей MAN на протяжении длительного периода применяется общий распределительный ТНВД. В процессе эволюции плунжерный ТНВД был заменён на бустер с гидравлическим приводом и электронным управлением, однако принцип распределения топлива от единого плунжера ко всем цилиндрам сохранился. Данное конструктивное решение предъявляет повышенные требования к точности настройки форсунок, в частности к давлению их открытия [2].
Инструкция по эксплуатации двигателя MEC устанавливает диапазон допустимых значений давления открытия форсунок от 300 до 380 бар. В пределах этого диапазона, при наличии трёх форсунок на цилиндр, теоретически допускается настройка каждой из них на различные значения давления, например 320, 340 и 380 бар соответственно. Однако экспериментальные данные, полученные в ходе испытаний дизельного двигателя MAN VT2BF 180, свидетельствуют о недопустимости такого подхода [3].
Двигатель VT2BF 180 представляет собой шестицилиндровый крейцкопфный двухтактный дизель с диаметром цилиндра 840 мм и второй степенью наддува, предназначенный для судовой эксплуатации. В ходе испытаний, проведённых с целью установления зависимости параметров работы дизеля от давления открытия форсунки, на одной из трёх форсунок одного цилиндра давление открытия было намеренно увеличено со стандартных 240 до 300 бар. Результаты испытаний показали снижение среднего индикаторного давления в этом цилиндре почти на 5 процентов. Таким образом, цилиндр оказался недогруженным на 5 процентов исключительно из-за завышенного давления открытия одной форсунки из трёх [3].
Данная закономерность носит симметричный характер: при занижении давления открытия форсунки относительно номинального значения соответствующий цилиндр оказывается перегруженным. В этом случае, помимо нарушения равномерности распределения нагрузки по цилиндрам, возникает дополнительная негативная тенденция – значительно более высокая скорость износа сопел форсунки. Через форсунку с заниженным давлением открытия проходит более 40 процентов всей цикловой подачи топлива, что приводит к интенсивному эрозионному износу сопловых отверстий и снижению ресурса распылителя [2].
Физическая причина описанного явления кроется в конструкции распределительного ТНВД. В малом объёме топливной системы, где все форсунки питаются от единого плунжера, раннее открытие одной форсунки изменяет гидродинамическую обстановку в системе и влияет на момент открытия остальных форсунок. Перераспределение топлива между форсунками происходит вследствие того, что форсунка с более низким давлением открытия начинает впрыск раньше и «отбирает» часть топлива, предназначенного для других форсунок того же цилиндра. Аналогичным образом форсунка с завышенным давлением открытия задерживает начало впрыска, что приводит к недополучению топлива соответствующим цилиндром [1].
Процесс настройки давления открытия форсунок в механических системах сопряжён с определёнными технологическими трудностями. Основную работу по созданию усилия закрытия иглы выполняет пружина, а финальная настройка осуществляется с помощью специальных регулировочных шайб. Для достижения высокой точности требуется многократная разборка и сборка форсунки с последовательной заменой шайб различной толщины. Данная операция является трудоёмкой и требует высокой квалификации исполнителя, однако она необходима для обеспечения минимального разброса давления открытия форсунок в пределах одного цилиндра [2].
На основе анализа экспериментальных данных, полученных в ходе испытаний дизельного двигателя MAN VT2BF 180, установлено, что отклонение давления открытия одной форсунки от номинального значения в пределах одного цилиндра приводит к перераспределению цикловой подачи топлива между форсунками и изменению среднего индикаторного давления цилиндра. Увеличение давления открытия одной форсунки на 60 бар (с 240 до 300 бар) вызывает снижение среднего индикаторного давления в цилиндре на 5 процентов. При занижении давления открытия возникает перегрузка цилиндра и ускоренный износ сопловых отверстий форсунки.
В дизельных двигателях с распределительным ТНВД, где все форсунки питаются от единого плунжера, разброс давления открытия форсунок в пределах одного цилиндра должен быть сведён к минимуму. Технологически это достигается путём многократной регулировки с подбором шайб необходимой толщины. Пренебрежение данным требованием приводит к неравномерности распределения нагрузки по цилиндрам, снижению эффективной мощности и сокращению ресурса топливной аппаратуры.
