Модель

Описание системы закачки

Система закачки дизельного топлива, моделируемая данной моделью, показана на принципиальной схеме ниже.

Фигура 1. Принципиальная схема системы закачки

Структура системы воспроизводится H. Heisler, Vehicle and Engine Technology (второе издание), 1999 год, и классифицируется как линейная многоэлементная система впрыска. Он состоит из следующих основных модулей:

Кулачковый вал содержит пять кулачков. Первый - 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 срабатывания и в правильный момент в цикле операции двигателя. Подъемный насос подает жидкость на вход элементов насоса инжектора. Каждый элемент насоса состоит из кулачкового плунжера, нагнетательного клапана и блока регуляторов. Цель регулятора состоит в том, чтобы контролировать объем топлива, подаваемого плунжером в цилиндр. Это достигается вращением плунжера со спиральной канавкой относительно отверстия разлива. Все системные модули будут описаны более подробно в следующих разделах.

Цель симуляции состоит в том, чтобы исследовать всю операцию системы. Цель диктует степень идеализации каждой модели в системе. Если бы целью были, например, клапан подачи или исследование инжектора, количество учитываемых факторов и возможности рассматриваемого элемента были бы различными.

Примечание: Модель системы не представляет какую-либо конкретную систему впрыска. Все параметры были назначены на основе практических факторов и не представляют конкретных параметров производителя.

Кулачковый вал

Модель кулачкового вала построена из пяти кулачковых моделей. Имеется четыре кулачка параболического профиля 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.

Симуляция профиля кулачка

Профиль движения генерируется как функция от угла вала, который измеряется блоком Angle Sensor из библиотеки Pumps and Motors. Датчик преобразует измеренный угол в значение в области значений от нуля до 2 * pi. После определения угла цикла он передается в подсистему Simulink IF, которая вычисляет профиль. Кулачок, который управляет плунжером насосного элемента, должен иметь параболический профиль, под которым последующий элемент движется вперед и назад при постоянном ускорении, следующим образом:

В результате при начальном угле удлинения последующий элемент начинает движение вверх и достигает своего верхнего положения после поворота вала на дополнительный угол удлинения. Последующий двигатель запускает обратный штрих в начале угла отвода, и для завершения этого движения требуется угол отвода. Различие между начальным углом отвода и (начальный угол удлинения + удлинение угла) устанавливает угол падения в полностью расширенное положение. Профиль реализован в подсистеме Simulink IF.

Последовательность включения для моделируемого дизеля принята равной 1-3-4-2. Последовательность операции кулачка показана на рисунке ниже. Углы удлинения и возврата заданы равными pi/4. Угол dwell с полностью удлиненным последующим устройством устанавливается на 3 * pi/2 рад.

Профиль эксцентрикового кулачка вычисляется формулой

где e - эксцентриситет.

Источник позиции

Модель источника положения, которая генерирует положение в механическом поступательном движении после сигнала Simulink на своем входе, построена из Идеального Источника Поступательной Скорости, блока PS Gain и блока Translational Motion Sensor, установленного в отрицательной обратной связи. Передаточная функция источника положения:

где

T - константа времени, равная 1/Gain,

Усиление - Усиление блока PS Усиление.

Коэффициент усиления установлен на 1e6, что означает, что сигналы с частотами до 160 кГц передаются практически не затронутыми.

Подъемный насос

Модель подъемного насоса, которая является насосом поршневого и диафрагменного типа, построена из блока Гидравлического Цилиндра Одностороннего Действия и двух блоков Запорного Клапана. Обратные клапаны моделируют входной и выходной клапаны, установленные с обеих сторон подъемного насоса (см. Фигуру 1). Контакт между роликом штока насоса и кулачком представлен блоком Translational Hard Stop. Блок Поступательная Пружина моделирует две пружины в насосе, которые должны поддерживать постоянный контакт между роликом и кулачком.

Нагнетательный насос

Линейный нагнетательный насос является насосным модулем с четырьмя элементами. Каждый элемент подает топливо в свой цилиндр. Все четыре элемента идентичны по проекту и параметрам и моделируются с той же моделью, называемой элементом насоса впрыска. Каждая модель элемента Injection pump element Injection pump содержит две подсистемы, названные Pump и Injector, соответственно. Насос представляет поршень насоса и механизм управления насосом, в то время как Инжектор моделирует инжектор, установленный непосредственно на цилиндре двигателя (см. Фигуру 1).

Поршень насоса колеблется внутри цилиндра насоса, управляемого кулачком (см. Фигуру 1). Плунжер моделируется блоком Гидравлического Цилиндра Одностороннего Действия. Блоки Translational Жёсткий Упор и Mass представляют контакт между валиком плунжера и массой плунжера, соответственно. Контакт поддерживается пружина TS.

Когда плунжер движется вниз, ёмкость заполняется топливом под давлением, развиваемым подъемным насосом. Жидкость заполняет ёмкость через два отверстия, названные входным портом и портом разлива (см. Фигуру 2, ниже).

Фигура 2. Взаимодействие плунжера с отверстиями управления в стволе

После того, как плунжер переходит к своему верхнему положению, достаточно высокому, чтобы отрезать оба отверстия от входной ёмкости, давление на выходе начинает расти. При определенном подъеме форсунка в цилиндре двигателя вынуждена открываться и топливо начинает впрыскиваться в цилиндр (рисунок 2, b).

Впрыск прекращается, когда спиральная канавка, образованная на боковой поверхности плунжера, достигает порта разлива, который соединяет верхнюю ёмкость с ёмкостью низкого давления через отверстие, просверленное внутри плунжера (рис. 2, с). Можно управлять положением спиральной канавки относительно порта Разлива, вращая плунжер с помощью вилки управления, таким образом регулируя объем топлива, впрыскиваемого в цилиндр.

Модель механизма управления плунжером основана на следующих допущениях:

1. В цепи управления имеются три отверстий переменного сечения: входной порт, порт разлива и отверстие, образованное спиральной канавкой и портом разлива. Отверстия входного отверстия и отверстия разлива зависят от движения плунжера, в то время как открытие отверстия порта разлива канавки является функцией движения плунжера и вращения плунжера. Для простоты перемещение, создаваемое вращением плунжера, представлено как источник линейного движения, который объединяется с перемещением плунжера.

2. На рисунке ниже показаны все размерности, необходимые для параметризации отверстий:

- Диаметр отверстия входного порта

- Диаметр отверстия порта разлива

- штрих плунжера

- Расстояние между входным отверстием и положением верхнего плунжера

- Расстояние между отверстием порта разлива и верхним положением плунжера

- Расстояние между отверстием порта разлива и верхним ребром спиральной канавки

3. При присвоении начальных отверстий и ориентации отверстия верхнее положение плунжера принимается за источник, а движение в восходящем направлении рассматривается как движение в положительном направлении. Другими словами, ось X направлена вверх. При этих предположениях направление входного отверстия и отверстия порта разлива должно быть установлено равным Открывается в отрицательном направлении, в то время как отверстие порта разлива канавки должно быть установлено равным Открывается в положительном направлении, поскольку оно открывается, когда плунжер движется вверх. В таблице ниже показаны значения, присвоенные начальным открытиям и диаметрам отверстия.

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 штрих плунжера равен

Входное отверстие обычно расположено выше, чем отверстие разлива. В примере это расстояние устанавливается на 1 мм. Вращая плунжер, вы изменяете начальное открытие отверстия порта разлитой канавки. Поскольку начальное открытие является параметром и не может быть динамически изменено, сдвиг начального открытия моделируется сложением эквивалентного линейного перемещения поршня управления отверстием. Чем больше эквивалентный сигнал, тем раньше открывается отверстие разлива, таким образом уменьшается объем топлива, подаваемого в цилиндр. Максимальное значение эквивалентного сигнала равно эффективному штриху. При таком значении отверстие разлива остается открытым все время.

Инжектор

Модель инжектора основана на блоке Гидравлический Цилиндр Одностороннего Действия и блоке Игольчатый Клапан. Игольчатый клапан закрывается в исходном положении силой, развиваемой предварительно нагруженной пружиной. Когда сила, развиваемая цилиндром, преодолевает упругую силу, форсунка открывается и позволяет впрыскивать топливо в цилиндр. В этом примере инжектор должен быть открыт на уровне 1000 бар.

Результаты симуляции из Simscape Logging

На графиках ниже показаны положения и скорости потока жидкости инжекторного насоса 1 и инжектора 1 на выходе. Эффект профиля кулачка показан в перемещении насоса 1 инжектора. Во время второй половины штриха кулачка топливо выходит из насоса форсунки и переходит в форсунку. Топливо выходит из форсунки через игольчатый клапан. Форсунка имеет ёмкость с предварительно нагруженной пружиной, которая действует, чтобы временно хранить жидкость от насоса и более плавно выталкивать ее из форсунки.