Система впрыска дизельного двигателя в линию

Открыть модель

В этом примере показана поточная многоэлементная система впрыска дизельного топлива. Он состоит из кулачкового вала, подъемного насоса, четырех рядных насосов впрыска и четырех инжекторов.

Модель

Описание системы впрыска

Система впрыска дизельного топлива, смоделированная этой моделью, показана на схеме ниже.

Рис. 1. Принципиальная схема системы впрыска

Структура системы воспроизводится из H. Heisler, Vehicle and Engine Technology (второе издание), 1999, и классифицируется как поточная многоэлементная система впрыска. Состоит из следующих основных единиц:

Кулачковый вал
Подъемный насос
Рядный насос впрыска с четырьмя насосными элементами, по одному элементу на цилиндр двигателя
Инжекторы

Кулачковый вал несет пять кулачков. Первым является эксцентриковый кулачок для приведения в действие подъемного насоса. Остальные четыре приводят в действие плунжеры нагнетательного насоса. Кулачки установлены таким образом, что насосные элементы подают топливо в порядке выстрела и в нужный момент в цикле работы двигателя. Подъемный насос подает топливо на вход элементов насоса впрыска. Каждый элемент нагнетательного насоса состоит из плунжера с кулачковым приводом, нагнетательного клапана и узла регулятора. Целью регулятора является регулирование объема топлива, подаваемого плунжером в цилиндр двигателя.

Целью моделирования является изучение всей работы системы. Цель определяет степень идеализации каждого компонента в системе. Все системные блоки будут описаны более подробно в следующих разделах.

Примечание.Модель системы не представляет какой-либо конкретной системы впрыска. Все параметры рабочей области были назначены на основе практических соображений и не представляют каких-либо конкретных параметров производителя.

Подсистема кулачкового вала

Модель кулачкового вала построена из пяти кулачковых моделей. Имеются четыре параболических профильных кулачка и один эксцентриковый кулачок. Этот профиль движения вычисляется как функция угла вала, полученного интегрированием угловой скорости вала. Кулачок, приводящий в движение плунжер нагнетательного насоса, имеет параболический профиль, под которым толкатель перемещается назад и вперед с постоянным ускорением. Описывается следующим набором уравнений:

$x = 2 s \left(\frac{\theta - \theta_E}{\alpha}\right)^2, \quad \textrm{if} \quad \theta_E \le \theta < \theta_E + \frac{\alpha}{2}$

$x = s \left[1 - 2 \left(1 - \frac{\theta - \theta_E}{\alpha}\right)^2 \right], \quad \textrm{if} \quad \theta_E + \frac{\alpha}{2} \le \theta < \theta_E + \alpha$

$x = s, \quad \textrm{if} \quad \theta_E + \alpha \le \theta < \theta_R$

$x = s \left[1 - 2 \left(\frac{\theta - \theta_R}{\beta}\right)^2 \right], \quad \textrm{if} \quad \theta_R \le \theta < \theta_R + \frac{\beta}{2}$

$x = 2 s \left(1 - \frac{\theta - \theta_R}{\beta}\right)^2, \quad \textrm{if} \quad \theta_R + \frac{\beta}{2} \le \theta < \theta_R + \beta$

где

- положение толкателя
- штрих толкателя
$\theta$ - угол кулачка (с учетом фазового угла)
$\theta_E$ - начало угла растяжения
$\alpha$ - угол растяжения
$\theta_R$ - начало угла уборки
$\beta$ - угол уборки

В результате в начале угла растяжения толкатель начинает движение вверх и достигает своего верхнего положения после поворота вала на дополнительный угол растяжения. Толкатель начинает обратный ход в начале угла втягивания, и для завершения этого движения требуется угол втягивания. Разность между концом выпуска и началом уборки задает угол пребывания в полностью выдвинутом положении. Профиль реализован в файле языка Simscape ParabolicCam.ssc с помощью блока «Компонент Simscape».

Каждый из четырех параболических кулачков смещен друг относительно друга на фазовый угол. Соответствующие положения плунжера нагнетательного насоса также смещены друг от друга. Для достижения этого, в течение короткого периода initialization_time после начала моделирования на каждый параболический кулачок посылается соответствующая скорость инициализирующего вала, чтобы повернуть его до правильного фазового угла. После initialization_timeначинается основная часть моделирования системы впрыска топлива.

На следующем графике показано расширение каждого нагнетательного насоса при вращении кулачкового вала. Когда удлинение равно нулю, все топливо выкачивается из насоса. Порядок стрельбы цилиндров двигателя - 1-3-4-2.

Профиль эксцентрикового кулачка вычисляется по формуле

$x = \varepsilon \left( 1 - \cos \theta \right)$

где $\varepsilon$ - эксцентриситет. Уравнение реализуется с использованием физических сигнальных блоков в библиотеке Simscape Foundation Library.

Лифтовая насосная подсистема

Модель подъемного насоса, представляющего собой насос поршнево-диафрагменного типа, построена из блока однонаправленного привода (IL) и двух блоков обратного клапана (IL). Обратные клапаны моделируют впускные и выпускные клапаны, установленные с обеих сторон подъемного насоса (см. рисунок 1). Контакт между роликом штока насоса и кулачком представлен блоком поступательного жесткого останова. Блок поступательной пружины моделирует две пружины в насосе, которые поддерживают постоянный контакт между роликом и кулачком.

Подсистема нагнетательного насоса

Поточный нагнетательный насос представляет собой четырехэлементный насосный агрегат. Каждый элемент подает топливо в форсунку, которая выбрасывает топливо в цилиндр своего двигателя. Все четыре элемента идентичны по конструкции. Подсистема насоса впрыска представляет плунжер насоса и механизм управления насосом, в то время как подсистема инжектора моделирует инжектор, установленный непосредственно на цилиндре двигателя (см. рис. 1).

Плунжер насоса совершает колебания внутри цилиндра насоса, приводимого в действие кулачком (см. рисунок 1). Плунжер моделируется как блок однонаправленного привода (IL). При движении плунжера вниз полость плунжера заполняется топливом под давлением, создаваемым подъемным насосом. Топливо поступает через два отверстия, входное отверстие и сливное отверстие (см. рисунок 2 ниже).

Рис. 2: Взаимодействие плунжера с контрольными отверстиями в цилиндре

Модель механизма управления плунжером основана на следующих допущениях:

1. В цепи управления имеется три переменных отверстия, смоделированных блоками золотниковой диафрагмы (IL): входное отверстие, сливное отверстие и отверстие, образованное спиральной канавкой и сливным отверстием. Отверстия впускного и сливного отверстий зависят от движения плунжера, в то время как отверстие отверстия спиральной канавки является функцией движения плунжера и вращения плунжера. Для простоты смещение, создаваемое вращением плунжера, представлено в виде источника линейного движения, которое объединено со смещением плунжера.

2. На рисунке ниже показаны все размеры, необходимые для параметризации блоков золотниковой диафрагмы (IL):

Рис. 3: Схема размеров плунжера впрыска

где условные обозначения и соответствующие имена параметров рабочего пространства

$D_{in}$ - диаметр отверстия входного отверстия (inlet_orifice_diameter)
- диаметр отверстия сливного отверстия (spill_orifice_diameter)
- ход плунжера (plunger_stroke)
$h_{in}$ - расстояние между входным отверстием и положением верхнего плунжера (-plunger_stroke + safety_gap + inlet_orifice_diameter + inlet_offset)
$h_{s}$ - расстояние между отверстием сливного отверстия и положением верхнего плунжера (-plunger_stroke + safety_gap + spill_orifice_diameter)
$h_{hg}$ - расстояние между отверстием сливного отверстия и верхним краем спиральной канавки;

Впускное отверстие обычно расположено выше, чем сливное отверстие. Это представлено параметром рабочей области inlet_offset.

3. При параметризации отверстий верхнее положение плунжера принимается за начало координат, а движение в направлении вверх рассматривается как движение в положительном направлении. Поэтому отверстия впускного и сливного каналов должны открываться с отрицательным смещением золотника, в то время как отверстие винтовой канавки должно открываться с положительным смещением золотника, так как оно открывается, когда плунжер движется вверх.

4. Эффективный ход плунжера - plunger_stroke - safety_gap - inlet_orifice_diameter - inlet_offset. Расстояние между отверстием сливного отверстия и верхним краем спиральной канавки $h_{hg}$ можно регулировать вращением плунжера. Эта регулировка моделируется путем смещения сигнала положения плунжера на отверстие винтовой канавки посредством управляющего сигнала. Чем больше управляющий сигнал, тем раньше открывается отверстие спиральной канавки, что уменьшает объем топлива, подаваемого в цилиндр. Максимальное значение управляющего сигнала равно эффективному такту. При этом значении отверстие спиральной канавки постоянно остается открытым.

Инжекторная подсистема

Модель инжектора основана на блоке однонаправленного привода (IL) и блоке игольчатого клапана (IL). Игольчатый клапан обычно закрывается силой, создаваемой предварительно нагруженной пружиной. Когда сила, развиваемая в камере исполнительного механизма, преодолевает силу пружины, игольчатый клапан открывается и позволяет впрыскивать топливо в цилиндр двигателя.

Результаты моделирования из областей

Результаты моделирования из журнала Simscape

На этом графике показаны положения и расход потока на выходе нагнетательного насоса 1 и инжектора 1. Эффект профиля кулачка показан при перемещении нагнетательного насоса 1. Во время второй половины хода кулачка топливо выходит из насоса впрыска и проходит в инжектор. Топливо выходит из форсунки через игольчатый клапан. Инжектор моделируется как камера привода с предварительно нагруженной пружиной, которая действует для временного хранения топлива из насоса впрыска и более плавного выталкивания его из инжектора.

Документация