В этом примере показана поточная многоэлементная система впрыска дизельного топлива. Содержит кулачковый вал, подъемный насос, 4 рядных нагнетательных насоса и 4 инжектора.
Система впрыска дизельного топлива, смоделированная этой моделью, показана на схеме ниже.
Рисунок 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
Поточный инжекционный насос с четырьмя насосными элементами, по одному элементу на цилиндр
Инжекторы
Кулачковый вал несет пять кулачков. Первым является эксцентриковый кулачок для приведения в действие подъемного насоса. Остальные четыре предназначены для привода плунжеров насоса. Кулачки установлены таким образом, что насосные элементы подают топливо в порядке выстрела и в нужный момент в цикле работы двигателя. Подъемный насос подает жидкость во впускной патрубок насосных элементов инжектора. Каждый элемент насоса состоит из плунжера с кулачковым приводом, нагнетательного клапана и узла регулятора. Целью регулятора является регулирование объема топлива, подаваемого плунжером в цилиндр. Она достигается вращением плунжера со спиральной канавкой относительно сливного отверстия. Все системные блоки будут описаны более подробно в следующих разделах.
Целью моделирования является изучение всей работы системы. Цель диктует степень идеализации каждой модели в системе. Если бы целью было, например, нагнетательный клапан или исследование инжектора, количество учитываемых факторов и объем рассматриваемого элемента были бы разными.
Примечание.Модель системы не представляет какой-либо конкретной системы впрыска. Все параметры были назначены на основе практических соображений и не представляют каких-либо конкретных параметров производителя.
Модель кулачкового вала построена из пяти кулачковых моделей. Имеются четыре параболических профильных кулачка и один эксцентриковый кулачок. Каждый кулачок содержит маскированную подсистему Simulink ®, которая описывает профиль кулачка и генерирует профиль движения для источника положения, который построен из Simscape™ блоков.
Моделирование профиля кулачка
Профиль движения генерируется как функция угла вала, который измеряется блоком «Датчик угла» из библиотеки «Насосы и двигатели». Датчик преобразует измеренный угол в значение в диапазоне от нуля до 2 * pi. После определения угла цикла он передается в подсистему Simulink IF, которая вычисляет профиль. Кулачок, приводящий в движение плунжер насосного элемента, должен иметь параболический профиль, под которым толкатель перемещается назад и вперед с постоянным ускорением следующим образом:
В результате при начальном угле растяжения толкатель начинает движение вверх и достигает своего верхнего положения после поворота вала на дополнительный угол растяжения. Толкатель начинает обратный ход при начальном угле отвода и для завершения этого движения требуется угол отвода. Разница между начальным углом втягивания и (начальный угол растяжения + угол растяжения) устанавливает угол затягивания в полностью выдвинутое положение. Профиль реализован в подсистеме Simulink IF.
Последовательность стрельбы для моделируемого дизеля принимается равной 1-3-4-2. Последовательность операций кулачка показана на рисунке ниже. Углы удлинения и возврата установлены в pi/4. Угол пребывания с полностью удлиненным толкателем устанавливается равным 3 * pi/2 рад.
Профиль эксцентрикового кулачка вычисляется по формуле
где e - эксцентриситет.
Источник позиции
Модель источника положения, которая генерирует положение в механическом поступательном движении после сигнала Simulink на входе, построена из блока источника идеальной поступательной скорости, блока PS усиления и блока датчика поступательного движения, установленного в отрицательной обратной связи. Передаточная функция источника позиции:
где
T - постоянная времени, равная 1/Gain,
Коэффициент усиления - коэффициент усиления блока PS.
Коэффициент усиления устанавливается равным 1e6, что означает, что сигналы с частотами до 160 кГц проходят практически без воздействия.
Модель подъемного насоса, являющегося поршнево-диафрагменным насосом, построена из блока гидроцилиндров одинарного действия и двух блоков обратных клапанов. Обратные клапаны имитируют 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 имитирует две пружины в насосе, которые должны поддерживать постоянный контакт между роликом и кулачком.
Поточный нагнетательный насос представляет собой четырехэлементный насосный агрегат. Каждый элемент подает топливо в свой цилиндр. Все четыре элемента идентичны по конструкции и параметрам и моделируются с помощью одной и той же модели, называемой элементом нагнетательного насоса. Каждая модель элемента нагнетательного насоса содержит две подсистемы, названные Насос и Инжектор соответственно. Насос представляет собой плунжер насоса и механизм управления насосом, а инжектор имитирует инжектор, установленный непосредственно на цилиндре двигателя (см. рисунок 1).
Плунжер насоса совершает колебания внутри цилиндра насоса, приводимого в действие кулачком (см. рисунок 1). Плунжер моделируется блоком однонаправленного гидроцилиндра. Блоки поступательного жесткого стопора и массы представляют контакт между плунжерным роликом и массой плунжера соответственно. Контакт поддерживается пружиной TS.
При движении плунжера вниз полость плунжера заполняется топливом под давлением, создаваемым подъемным насосом. Жидкость заполняет камеру через два отверстия, названных входным отверстием и сливным отверстием (см. рис. 2, а ниже).
Рисунок 2. Взаимодействие плунжера с контрольными отверстиями в цилиндре
После того как плунжер перемещается к своему верхнему положению достаточно высоко, чтобы отрезать оба отверстия от входной камеры, давление на выходе начинает увеличиваться. При определенном подъеме инжектор в цилиндре двигателя принудительно открывается, и топливо начинает впрыскиваться в цилиндр (рис. 2, b).
Впрыск прекращается, когда спиральная канавка, образованная на боковой поверхности плунжера, достигает отверстия разлива, которое соединяет верхнюю камеру с камерой низкого давления через отверстие, просверленное внутри плунжера (рис. 2, с). Можно управлять положением спиральной канавки относительно порта разлива, вращая плунжер с помощью вилки управления, регулируя, таким образом, объем топлива, впрыскиваемого в цилиндр.
Модель механизма управления плунжером основана на следующих допущениях:
1. В контуре управления имеются три переменных отверстия: 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 желобка-сливного отверстия 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 отверстий:
- Диаметр отверстия входного отверстия
- Диаметр отверстия сливного отверстия
- Ход плунжера
- Расстояние между входным отверстием и положением верхнего плунжера
- Расстояние между отверстием сливного отверстия и положением верхнего плунжера
- Расстояние между отверстием сливного отверстия и верхней кромкой спиральной канавки
3. При назначении начальных отверстий и ориентации отверстий верхнее положение плунжера принимается за начало координат, а движение в направлении вверх рассматривается как движение в положительном направлении. Другими словами, ось X направлена вверх. В соответствии с этими допущениями, направления отверстия впускного и сливного отверстий должны быть установлены в положение Открывается в отрицательном направлении, в то время как отверстие отверстия канавок-сливных отверстий должно быть установлено в положение Открывается в положительном направлении, так как оно открывается, когда плунжер движется вверх. В таблице ниже приведены значения, назначенные начальным отверстиям и диаметрам отверстий.
Notation Name in parameter file Value Remarks S stroke 0.01 m D_in inlet_or_diameter 0.003 m D_s spill_or_diameter 0.0024 m h_in -stroke + inlet_or_diameter + 0.001 The inlet orifice is shifted upward by 1 mm with respect to the spill orifice h_s -stroke + spill_or_diameter h_hg spill_or_diameter The spill orifice is assumed to be fully opened at the top plunger position
4. Эффективный ход плунжера равен
Впускное отверстие обычно расположено выше, чем сливное отверстие. В данном примере это расстояние равно 1 мм. Вращая плунжер, вы изменяете начальное отверстие отверстия канала для разлива канавок. Поскольку начальное отверстие является параметром и не может быть динамически изменено, сдвиг начального отверстия моделируется добавлением эквивалентного линейного смещения элемента управления отверстием. Чем больше эквивалентный сигнал, тем раньше открывается разливное отверстие, таким образом уменьшая объем топлива, подаваемого в цилиндр. Максимальное значение эквивалентного сигнала равно эффективному такту. При этом значении отверстие разлива постоянно остается открытым.
Модель инжектора основана на блоке однонаправленного гидроцилиндра и блоке игольчатого клапана. Игольчатый клапан закрывают в исходном положении силой, создаваемой предварительно нагруженной пружиной. Когда сила, создаваемая цилиндром, преодолевает силу пружины, инжектор открывается и позволяет впрыскивать топливо в цилиндр. В данном примере инжектор установлен открытым на 1000 бар.
На приведенных ниже графиках показаны положения и расход потока на выходе инжекционного насоса 1 и инжектора 1. Эффект профиля кулачка показан при перемещении инжекционного насоса 1. Во время второй половины хода кулачка топливо выходит из инжекционного насоса и проходит в инжектор. Топливо выходит из форсунки через игольчатый клапан. Инжектор имеет камеру с предварительно нагруженной пружиной, которая действует для временного хранения жидкости из насоса и более плавного выталкивания ее из инжектора.
