Насос форсунка дизельного двигателя: Перевірка браузера, будь ласка, зачекайте…

Изучаем вместе, как работают насос-форсунки

С развитием и распространением дизельных двигателей, к ним начали выдвигать все большие и большие требования, выражающиеся в увеличении удельной мощности мотора, увеличении давления впрыска и улучшении процесса смесеобразования. Немаловажным фактором также являются компактные размеры самого устройства и соблюдение экологических норм. Все это, вместе с бурным развитием электроники, поспособствовало созданию индивидуальных насос-форсунок и отдельных насосных секций для каждого цилиндра дизельного двигателя, оборудованного электронным блоком, который и управляет его работой.

• 1. Как работает насос-форсунка?
• 2. Типичные неисправности насос-форсунок, их диагностика и устранение
• 3. Преимущества и недостатки насос-форсунок

1. Как работает насос-форсунка?

Система впрыска топлива, снабженная насос-форсунками, устанавливается на дизельных двигателях внутреннего сгорания и была разработана еще в конце 30-х годов ХХ века. Впервые такую систему применили на морских, железнодорожных и грузовых дизельных моторах, характеризующихся сравнительно низкой скоростью.

Главной особенностью таких силовых агрегатов является наличие отдельного впрыскивающего топливного насоса, использующегося для каждого цилиндра мотора и обладающего очень короткими напорными линиями к форсунке. В движение такие насосы приводятся механическим путем, при помощи толкателя и буферов.

В корпусе насос-форсунки объединены насос высокого давления, сама форсунка, дозирующий клапанный узел и силовой привод, благодаря которым данный элемент имеет преимущества в сокращении продолжительности движения топливной жидкости, находящейся под высоким давлением, а также в увеличении гидравлической эффективности и уменьшении своей массы.

Представители последнего поколения насос-форсунок обладают большим рабочим давлением впрыска (до 2500 бар) и способны мгновенно реагировать на команды управляющего блока, в задачу которого входит сбор и анализ текущей информации, поступающей от внешних датчиков.

Именно эти данные определяют требуемые количественные и временные характеристики впрыска топлива, что дает возможность получения оптимальных значений мощности при заданном режиме работы, существенно экономит топливную жидкость, обеспечивает минимальные выбросы в атмосферу и способствует снижению уровня шумности от работающего силового агрегата. Кроме того, насос-форсунка достаточно компактна, за счет чего в головке двигателя образуется дополнительное свободное пространство, использующееся для установки других деталей двигателя.

Конструкция насос-форсунки позволяет обеспечить эффективное образование топливно-воздушной смеси, для чего в процессе впрыска предусмотрены фазы предварительного, основного и дополнительного впрыска топлива. Предварительный впрыск помогает достичь плавности сгорания смеси в ходе основного впрыска, обеспечивающего качественное смесеобразование при разных рабочих режимах мотора, а дополнительный служит для очистки сажевого фильтра от накопленных отложений сажи (процесс регенерации).

Процесс работы насос-форсунки проходит следующим образом:

1) Кулачок распредвала посредством коромысла перемещает плунжер вниз, и топливо начинает перетекать по каналам форсунки. В момент закрытия клапана топливо как бы отсекается, и его давление начинает возрастать, а при достижении показателя в 13 мПа игла распылителя преодолевает усилие пружины, вследствие чего происходит предварительный впрыск топлива.

2) Как только клапан открывается, предварительный впрыск прекращается, а топливо переходит в питающую магистраль, и его давление снижается. В зависимости от рабочих режимов силового агрегата, может производиться один или два предварительных впрыска.

3) При продолжении движения плунжера вниз происходит основной впрыск. Клапан опять закрывается, и давление топлива снова возрастает. Достигнув значения в 30 мПа, игла распылителя преодолевает силу давления топлива, и усилие пружины поднимается вверх, вызывая основной впрыск. Чем выше будет давление, тем большее количество топлива сожмется, а значит, в итоге получится больший впрыск в камеру сгорания. Наибольшее количество топлива (что способствует максимальной мощности двигателя) впрыскивается при давлении в 220 мПа. Завершение этапа основного впрыска происходит с открытием клапана, причем давление топлива падает, а игла распылителя закрывается.

4) Дополнительный впрыск топлива происходит при дальнейшем движении плунжера вниз, а принцип действия устройства на этом этапе аналогичен основному впрыску и обычно производится в два захода.

2. Типичные неисправности насос-форсунок, их диагностика и устранение

Автовладельцам, на автомобилях которых установлена описанная система впрыска топлива, наверняка не раз приходилось иметь дело с проблемами, относящимися к следующим группам: проблемы с запуском мотора или полный рабочий отказ агрегата, перерасход топливной жидкости, нестабильная работа мотора, повышенный уровень «дымности» выхлопных газов и потеря мощности. Все эти признаки указывают на нарушения работы в EUI или EUP-секциях – наиболее распространенных видах насос-форсунок в странах Европы и СНГ (в том числе и Украины).

Среди причин нарушения точной работы указанных элементов можно выделить несколько наиболее частых, а чтобы лучше понять их, надо сказать, что составляющие элементы механической части управления насос-форсункой – это отдельные «родственники» деталей газораспределительного механизма, который функционирует в головке блока двигателя внутреннего сгорания. Разница только в природе рабочего тела, в роли которого, в данном случае, выступает не воздушная смесь, а дизельное топливо, находящееся под высоким давлением и обладающее определенными физическими свойствами.

К наиболее типичным неисправностям электронной насос-форсунки относят неисправности клапанного узла (встречаются примерно в 63% случаев), проблемы в работе распылителя (примерно 30% случаев), поломки электромагнитной части (5%) и выход из строя плунжера, пружины или корпуса (2%).

Другими словами, наиболее частой причиной неисправности насос-форсунок есть разрушение клапанного механизма и его механические повреждения. Этой причине следует уделять особое внимание, так как клапан при закрытии отсекает топливо, то есть на седло клапана и отсекающую кромку тарелки клапана создается достаточно большая нагрузка. Однако, надо сказать, что указанный механизм отличается достаточно высоким уровнем надежности, конечно, при условии применения качественного топлива. Точность изготовления элементов описанного механизма может достигать 0,25 мкм, с зазорами прецизионных узлов в 1,5-2 мкм, а чтобы лучше представить себе данную величину, достаточно отметить, что толщина волоса человека составляет около 50 мкм.

На следующем месте по частоте выхода из строя находится распылитель, нарушения в работе которого сказываются на «дымности» двигателя, существенном увеличении расхода топлива и общем ухудшении экологических показателей. Зачастую, проблемы с распылителем не влияют на мощностные характеристики силового агрегата, а замена этой составляющей не составит особой сложности.

Далее, в списке характерных причин поломки насос-форсунок находятся неполадки в электромагнитной части управления работой механизма. Поломка данного узла вызывает неточности в работе насос-форсунки на определенном рабочем режиме мотора, вплоть до полного прекращения его деятельности. Правда, благодаря надежности деталей этой части и при соблюдении водителем требований производителя относительно применяемого топлива, поломки такого рода встречаются достаточно редко.

На последнем месте по частоте проявления находятся неполадки в работе плунжера, связанные с механическими разрушениями, а также разрушение пружины и корпуса детали. В принципе, ничего сложного в восстановлении работоспособности форсунки нет, ведь так же, как и капитальный ремонт силового агрегата, капремонт указанной детали основывается на восстановлении рабочих поверхностей всех трущихся элементов и уплотняющих фасок, но вот только допуски и посадки всех деталей насос-форсунок измеряются в микронах.

Все виды ремонтных работ принято начинать с диагностики ремонтируемого устройства, и насос-форсунка в этом вопросе не исключение. После ее демонтажа проводится соответствующее тестирование детали на специальном стенде. Для осуществления процесса, на форсунку устанавливают новый распылитель, а затем стенд «гоняет» ее на разных рабочих режимах силового агрегата: на холостом ходу, номинальном режиме (условное передвижение транспортного средства с крейсерской скоростью) и при разгоне.

Если установка нового распылителя будет способствовать «недоливу» положенной порции топлива (до 10%), значит, клапан и плунжерная пара пока находятся в нормальном состоянии, и можно будет обойтись лишь заменой распылителя, что позволит автомобилю спокойно ездить еще 100 000 километров. Более 10% «недолива» свидетельствуют о критическом износе клапана

, а при самом худшем варианте развития событий неисправной может оказаться еще и плунжерная пара (когда клапан не держит те самые 1500 кг/кв.см, в результате чего цилиндр недополучает топливо). В таком случае, избежать капитального ремонта форсунки уже не получится.

Восстановление работоспособности пары трения клапан-втулка выполняется следующим путем. Втулку расшлифовывают до следующего ремонтного размера (принятые стандарты подразумевают увеличение диаметра на 50 мкм, чего более чем достаточно для удаления всей выработки). Сам клапан покрывают хромом, после чего его шлифуют до нужного размера. Вместе с ним шлифовке поддаются и поверхности втулки и клапана. Аналогичным образом восстанавливается и плунжер, но только он покрывается не хромом, а нитратом титана, путем вакуумного напыления. Нитрат титана обладает вдвое меньшим коэффициентом трения по стали, нежели сама сталь и вдвое большей микротвердостью поверхности. Таким же составом покрывается и клапан.

3. Преимущества и недостатки насос-форсунок

Среди преимуществ использования насос-форсунок выделяют следующие:

1) Данные элементы позволяют впрыскивать топливо под давлением больше 2000 бар, благодаря чему распыление топливной жидкости выполняется более эффективно, а значит, и сгорает полнее. Поэтому моторы с установленными на них насос-форсунками отличаются высокими мощностными характеристиками и экономичностью.

2) Кроме того, учитывая, что давление в системе с насос-форсункой и давление впрыска регулируется при помощи кулачкового механизма распредвала, энергия привода должна применяться только по отношению к области впрыска. Такие системы являются более отказоустойчивыми, нежели их аналоги без насоса и без рампы, поэтому появление проблем в работе насос-форсунок совсем не означает остановку двигателя.

3) Наличие высокого давления гарантирует более тонкое распыление топливной жидкости, а небольшие капли означают меньший объем по отношению к площади поверхности, что само по себе может вызвать появление меньшего количества сажи.

4) Дизельный мотор, обустроенный насос-форсунками, обеспечивает наиболее «горизонтальную» полку крутящего момента.

5) Помимо этого, моторы с такой системой впрыска работают значительно тише аналогичных устройств с механическими форсунками и гораздо компактнее их.

Однако, в описанной системе есть и свои минусы. Основной из них – это необходимость использования качественного топлива, так как любые примеси в виде воды, грязи или использование суррогатного топлива для нее губительны. Вторым серьезным недостатком является высокая стоимость самой насос-форсунки, а ремонт данного узла практически невозможен в «домашних условиях», из-за чего автовладельцам приходится сразу покупать новые детали.

Также стоит учитывать тот факт, что кулачковая зависимость чаще всего вызывает впрыск лишь тогда, когда кулачок задействует насос, а значит, диапазон возможных моментов впрыска обусловлен определенным диапазоном вокруг ВМТ (верхней мертвой точки), что не может обеспечить плавность хода. Поскольку момент и количество впрыска не могут постепенно меняться, то такой процесс является ограниченным. Более того, для соблюдения стандартов EURO 4, температуру выхлопных газов также не получится быстро изменить.

Если резко выполнить восстановление давления в системе впрыска с насос-форсункой, то необходимая при этом движущая энергия будет применяться только лишь в области впрыска. Соответственно, высокие динамические нагрузки, возникающие в результате роста давления, требуют определенного размера распредвала и соответствующую конструкцию его привода. Привод должен быть оборудован широким зубчатым ремнем или цилиндрическим зубчатым колесом, так как высокая жесткость на растяжение и низкая демпфирующая способность цепных приводов в условиях предельных нагрузок часто приводят к их разрыву.

Насос-форсунка дизельного двигателя: устройство и принцип работы

Требования, которые предъявляются к современным дизельным моторам в отношении мощности, экономичности и экологичности, становятся все выше. Чтобы эти требования удовлетворить, следует обеспечить хорошее смесеобразование. Для этого моторы оснащаются современными и эффективными системами впрыска топлива. Они способны не только обеспечить мельчайший распыл за счет более высокого давления, но также с высокой точностью регулируют момент впрыска и количество подаваемого в цилиндры горючего. Такая система существует и полностью удовлетворяет всем тем высоким требованиям. Это насос-форсунка дизельного двигателя. Представляет собой отдельный элемент впрыска для каждого цилиндра в двигателе. Деталь управляется электронным блоком.

Идеи Дизеля

О создании узла, в котором бы объединялась форсунка и топливный насос, задумывался сам создатель этих двигателей – Рудольф Дизель.

Это позволило бы уйти от топливных магистралей и трубопроводов высокого давления, тем самым повысив впрысковое давление. Но во времена Дизеля еще не существовало таких возможностей, которые есть сегодня.

Описание системы

Насос-форсунка дизельного двигателя – это насос для подачи горючего и форсунка, которая объединена в одном узле. Как и в ТНВД с форсунками, впрыск на базе этих элементов может выполнять определенные задачи. Система создает достаточное давление, подает определенную порцию топливной смеси в нужный момент. Для каждой камеры сгорания предназначен отдельный насос. Именно поэтому сейчас можно встретить двигатели, где отсутствуют топливные магистрали высокого давления, что есть на силовых агрегатах с ТНВД.

Исторические факты

Эта система впрыска – не новая разработка. Насос-форсунка дизельного двигателя устанавливалась на автомобили в конце 30-х годов. Впервые конструкция была опробована на дизельных двигателях для железнодорожной, морской, а также грузовой техники. Всю эту технику объединяло одно – небольшая скорость. Особенности этих двигателей — в наличии отдельного насоса на каждый цилиндр и в коротких напорных линиях, которые идут к форсунке. Приводом для элементов служат толкатели и буферы.

Серийно стали применять такие системы на грузовиках с 1944 года. На легковых авто – с 1988 года. В 1938 году компанией «Детройт-Дизель», которая принадлежала тогда концерну «Дженерал Моторс», был создан первый такой агрегат, в котором и применялась система питания дизельного двигателя с насос-форсунками. Несмотря на то, что устройство было разработано в США, конструкции такого типа разрабатывались также и в СССР.

Первые моторы ЯАЗ-204 оснащались такими форсунками уже в 1947 году. Но производились эти узлы по лицензии «Детройт-Дизель». Этот силовой агрегат, а затем и модифицированный шестицилиндровый двигатель производился до 1992 года.

В 1994 году устройство и работа насос-форсунки дизельного двигателя были замечены инженерами «Вольво». Компания выпускает первое грузовое авто Fh22 с форсунками такого типа. Затем такими же узлами начнут оснащать свои грузовики «Скания» и «Ивеко».

Среди легковых автомобилей впервые эту систему начали использовать на «Фольксвагенах». Насос-форсунка дизельного двигателя «Фольксваген» появилась в 1998 году. В конце 90-х моторы с такой системой заняли 20 % автомобильного рынка.

Устройство

Итак, рассмотрим, что представляет собой насос-форсунка дизельных двигателей. Устройство ее чрезвычайно просто. В корпусе узла находится непосредственно форсунка, дозирующий узел, а также силовая часть. Благодаря этому силовому приводу насос-форсунка имеет определенные преимущества перед традиционными системами. Так, значительно сокращается время движения горючей жидкости под высоким давлением. Также увеличивается гидравлическая эффективность и уменьшается масса.

Форсунки последнего поколения оснащены насосами, способными выдавать достаточно высокое давление (до 2 500 бар). Они могут мгновенно реагировать на команды ЭБУ, который собирает и анализирует текущую информацию от внешних датчиков. По этим данным и определяется необходимое количество смеси и время впрыска. Это дает возможность получить оптимальные значения по мощности при заданных рабочих режимах. Кроме этого, узлы помогают экономить дизельное топливо, что позволяет снизить до минимума вредные выбросы в атмосферу и способствуют снижению шума от работающего мотора. Ну и наконец устройство очень компактно и может размещаться в ГБЦ. Туда же можно установить другие детали и узлы.

Форсунка создана таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное смесеобразование. Для этого инженеры предусмотрели фазы – это предварительный, основной и дополнительный впрыск. Предварительный дает плавное сгорание в момент основной фазы, когда обеспечивается качественное образование рабочей смеси в разных режимах работы двигателя. Дополнительный необходим для регенерационных процессов в сажевом фильтре.

Принцип действия механической форсунки

Насос-форсунка дизельного двигателя установлена непосредственно в ГБЦ. На распредвале имеется четыре специальных кулачка. Они служат для запуска привода форсунок. При помощи коромысел усилие передается на насос-форсунки посредством плунжеров.

Приводной кулачок имеет специальный профиль, который обеспечивает резкий подъем вверх, а затем медленное опускание коромысла. Когда последнее поднимется, плунжер быстро прижимается вниз. За счет этого создается нужное давление. При медленном опускании коромысла вниз, плунжер идет вверх. Благодаря этому горючее попадает в камеры с высоким давлением без пузырьков воздуха.

Сам процесс впрыска проходит тогда, когда будет подано управляющее напряжение от ЭБУ на электромагнитный клапан.

Фазы впрыска

Разберем подробней принцип работы насос-форсунки дизельного двигателя. Когда под воздействием коромысла плунжер двигается вниз, горючая смесь перетекает по каналам в форсунки. Когда клапан закрывается, поток дизеля отсекается. Давление начинает расти. Когда оно достигнет уровня в 13 мПа, распылительная игла преодолеет усилие пружины. После этого начнется предварительная фаза впрыска.

Как только клапан начнет открываться, предварительная фаза заканчивается, а топливная смесь направляется по питающей магистрали. Давление начинает падать. В зависимости от режима работы двигателя, может выполняться одна либо две предварительных фазы.

Когда плунжер движется вниз, начинается такт основного впрыска. Клапан вновь закрывается, давление горючего снова растет. При достижении уровня в 30 мПа, распылительная игла преодолеет силу давления и поднимается вверх, тем самым запуская процесс впрыска. Чем выше поднимается давление, тем больше горючего будет сжато. Количество дизеля и воздуха, которое сможет попасть в цилиндр, увеличивается.

Максимальная подача (а она осуществляется при работе мотора в режиме пиковой мощности), выполняется при давлении в 220 мПа. Завершает этап основного впрыска открытие клапана. Давление падает, игла закрывается.

Дополнительная фаза впрыска выполняется, когда плунжер далее двигается вниз. Принцип работы устройства на этом этапе такой же, как и основной впрыск. Чаще алгоритм выполняется в два этапа.

Если рассмотреть устройство насос-форсунки дизельного двигателя ТДИ, то она может оснащаться датчиком, следящим за подъемом иглы. Положение иглы нужно блоку управления, где топливные насосы также управляются электроникой.

Преимущества

Тогда как в системе «Коммон рейл» применяется аккумуляторный впрыск, насос-форсунка осуществляет подачу топливной смеси под более высоким давлением за счет отсутствия длинных магистралей.

Они часто могут разрушаться в процессе эксплуатации автомобиля. Это слабое звено в классических системах питания. Насос-форсунка позволяет подать в камеру сгорания больше топлива. При этом распыление будет эффективней. Моторы, оснащенные такими узлами, отличаются большей мощностью.

Кроме этого, двигатели с таким впрыском работают менее шумно, чем их аналоги. Но с «Коммон рейл» или ТНВД насос-форсунка все равно будет компактней.

Недостатки

Но существуют и недостатки. Самый серьезный минус – высокая требовательность к качеству горючего. Достаточно малейшего засора, чтобы система прекратила свою работу. Второй минус – это цена.

Ремонтировать этот точный узел вне заводских условий практически невозможно. Еще одни недостаток – при воздействии большого давления эти узлы частенько разбивают посадочные гнезда в блоке двигателя.

Как обслуживать насос-форсунки

Как видно, эти узлы очень требовательны к качеству дизеля, а оно в нашей стране и в СНГ далекое от высокого. Чтобы не пришлось часто менять этот дорогостоящий элемент, рекомендуется регулярно менять топливные, воздушные и все прочие фильтры, приобретать оригинальные расходные материалы.

О промывках

Нередко автовладельцы интересуются, как промыть насос-форсунки на дизельном двигателе. Специалисты промывать не рекомендуют – это нехорошо для любой форсунки. Лучше заменить фильтры и заправляться на проверенных заправках.

Промывка на стенде подойдет, если есть некачественное распыление – неустойчивый холостой ход и похожие проблемы. Промывать в УЗ ванне допускается при полном залипании иглы. Если форсунка льет, то здесь уже ничего не поможет. Для промывки можно использовать популярные сейчас средства «ЛАВР» и «ВИНС».

В целом, если форсунка не работает, лучше провести ТО и выполнить замену деталей, которые вышли из строя. Промывка помогает лишь в случае, если узел хоть как-нибудь, но работает.

Заключение

Итак, мы выяснили, что собой представляет насос-форсунка дизельного двигателя и каково ее устройство. Как видите, это неотъемлемый элемент системы питания дизельных ДВС. Он имеет более технологичную конструкцию, однако очень требователен к качеству топлива.

Знай свой автомобиль: 4 типа дизельных топливных насосов

На каждые 100 автомобилей, проданных в США, приходится один автомобиль с дизельным двигателем. Если вы относитесь к этой группе пользователей дизельных двигателей, убедитесь, что вы знаете, какой тип дизельного топливного насоса у вас есть.

1. 1. ТНВД Common Rail.  Электронная система подачи дизельного топлива, этот насос был разработан в соответствии со строгими нормами 21-го века по выхлопным газам. Он состоит из подкачивающего насоса, общей топливной рампы, форсунок с электронным управлением, различных датчиков для определения состояния работы двигателя и компьютера, который управляет всеми этими устройствами. Двигатель приводит в действие насос подачи, который производит топливо под высоким давлением. Common Rail распределяет топливо к форсункам, которые установлены на каждом цилиндре двигателя.
   2. Распределитель (роторный) ТНВД.  Этот дизельный топливный насос также управляется электронным способом с помощью различных датчиков, электронного блока управления и исполнительного механизма. Подобно насосу Common Rail, датчики определяют состояние работы двигателя и отправляют сигналы на блок управления. Привод контролирует количество впрыскиваемого топлива и время его впрыска в соответствии с сигналами, которые он получает от блока управления. Блок управления определяет, какие сигналы он посылает, вычисляя оптимальные уровни для условий работы двигателя.
   3. Рядный ТНВД.  Одна из двух дизельных топливных систем с механическим управлением, рядный топливный насос высокого давления соответствует количеству цилиндров двигателя в их механизмах давления топлива. Этот насос в основном используется для средних и больших грузовиков и строительной техники. Распределительный вал приводит в действие механизмы контроля давления топлива и количества впрыскиваемого топлива внутри корпуса насоса. Элементы в этом корпусе следуют порядку впрыска для подачи топлива в каждый цилиндр двигателя.
   4. Распределительный ТНВД.  Также дизельный топливный насос с механическим управлением, ТНВД-распределитель имеет только один механизм подачи топлива, несмотря на количество цилиндров двигателя, которое может быть у автомобиля. Распределитель предназначен для следования порядку впрыска для распределения топлива под давлением по каждому цилиндру. В корпусе насоса находятся все его компоненты, включая регулятор, таймер и питающий насос. Благодаря своей компактности этот насос легкий и может работать на высоких скоростях, что делает его идеальным для небольших двигателей.

Важно знать точный тип дизельного топливного насоса вашего автомобиля на случай, если появятся признаки необходимости замены, которые могут включать внезапные скачки скорости, повышение температуры автомобиля, снижение расхода топлива и многое другое. Если у вас есть какие-либо из этих индикаторов, обратитесь к производителям дизельных насосов или производителей топливных насосов, чтобы узнать, нужна ли вам замена сегодня.

← Почему вашему дизельному двигателю может быть полезен подъемный насос вторичного рынка Дизельные топливные системы: все, что вам нужно знать →

Будьте в курсе

FASS R&D

Исследования и разработки

Узнать больше

Система впрыска дизельного двигателя

в линию — MATLAB и Simulink

Открытая модель

В этом примере показана рядная многоэлементная система впрыска дизельного топлива. Он содержит кулачковый вал, подкачивающий насос, 4 встроенных насоса форсунок и 4 форсунки.

Модель

Описание системы впрыска

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

Рисунок 1. Схематическая диаграмма системы впрыска

Структура системы воспроизведена из H. Heisler, Vehicle and Engine Technology (второе издание), 1999 г., и классифицируется как рядная многоэлементная система впрыска. Он состоит из следующих основных узлов:

Кулачковый вал несет 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 зажигания и в нужный момент рабочего цикла двигателя. Подкачивающий насос подает жидкость на вход насос-форсунок. Каждый элемент насоса состоит из плунжера с кулачковым приводом, нагнетательного клапана и узла регулятора. Назначение регулятора — контролировать объем топлива, подаваемого плунжером в цилиндр. Это достигается вращением плунжера с винтовой канавкой относительно сливного отверстия. Более подробно все системные блоки будут описаны в следующих разделах.

Целью моделирования является исследование работы всей системы. Цель определяет степень идеализации каждой модели в системе. Если бы целью было, например, исследование нагнетательного клапана или форсунки, количество учитываемых факторов и объем рассматриваемого элемента были бы другими.

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

Кулачковый вал

Модель кулачкового вала состоит из пяти моделей кулачков. 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, построенного из блоков Simscape™.

Моделирование профиля кулачка

Профиль движения создается как функция угла вала, который измеряется блоком Angle Sensor из библиотеки Pumps and Motors. Датчик преобразует измеренный угол в значение в диапазоне от нуля до 2*pi. После определения угла цикла он передается подсистеме Simulink IF, которая вычисляет профиль. Предполагается, что кулачок, приводящий в движение плунжер насосного элемента, имеет параболический профиль, под которым толкатель движется вперед и назад с постоянным ускорением следующим образом:

В результате при начальном угле выдвижения толкатель начинает движение вверх и достигает своего верхнего положения после поворота вала на дополнительный угол выдвижения . Толкатель начинает обратный ход при начальном угле отвода , и для завершения этого движения требуется угол отвода . Разница между начальным углом отвода и ( начальный угол выдвижения + угол выдвижения ) устанавливает угол задержки в полностью выдвинутом положении. Профиль реализован в подсистеме Simulink IF.

Последовательность запуска моделируемого дизельного двигателя предполагается следующей: 1-3-4-2. Последовательность работы кулачка показана на рисунке ниже. Углы выдвижения и возврата установлены равными пи/4. Угол задержки с полностью выдвинутым толкателем установлен на 3*pi/2 рад.

Профиль эксцентрикового кулачка рассчитывается по формуле

, где e — эксцентриситет.

Источник положения

Модель источника положения, которая генерирует положение в механическом поступательном движении в соответствии с сигналом Simulink на его входе, состоит из блока Ideal Translational Velocity Source, блока PS Gain и установленного блока датчика поступательного движения. в отрицательном отзыве. Передаточная функция источника положения равна

где

T — Постоянная времени, равная 1/Усиление,

Усиление — Усиление блока PS Gain.

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

Подъемный насос

Модель подъемного насоса поршнево-мембранного типа состоит из блока гидравлических цилиндров одностороннего действия и двух блоков обратных клапанов. Обратные клапаны имитируют впускной и выпускной клапаны, установленные с обеих сторон подъемного насоса (см. рис. 1). Контакт между роликом штока насоса и кулачком представлен блоком Translational Hard Stop. Блок Translational Spring имитирует две пружины в насосе, которые должны поддерживать постоянный контакт между роликом и кулачком.

Нагнетательный насос

Рядный нагнетательный насос представляет собой четырехэлементный насосный агрегат. Каждый элемент подает топливо в свой цилиндр. Все четыре элемента идентичны по конструкции и параметрам и смоделированы с помощью одной и той же модели, называемой элементом впрыскивающего насоса. Каждая модель элемента впрыскивающего насоса содержит две подсистемы с именами «Насос» и «Инжектор» соответственно. Насос представляет собой плунжер насоса и механизм управления насосом, а Инжектор имитирует форсунку, установленную непосредственно на цилиндре двигателя (см. рис. 1).

Плунжер насоса колеблется внутри корпуса насоса, приводимый в движение кулачком (см. рис. 1). Плунжер моделируется блоком гидравлического цилиндра одностороннего действия. Блоки Translational Hard Stop и Mass представляют контакт между роликом плунжера и массой плунжера соответственно. Контакт поддерживается пружиной TS.

При движении плунжера вниз камера плунжера заполняется топливом под давлением, создаваемым подкачивающим насосом. Жидкость заполняет камеру через два отверстия, называемых входным портом и портом разлива (см. рис. 2, а ниже).

Рисунок 2. Взаимодействие плунжера с контрольными отверстиями в цилиндре

После того, как плунжер перемещается в свое верхнее положение, достаточно высокое, чтобы перекрыть оба отверстия от впускной камеры, давление на выходе начинает нарастать. При некотором подъеме форсунка в цилиндре двигателя принудительно открывается, и в цилиндр начинает впрыскиваться топливо (рис. 2,б).

Впрыск прекращается при достижении винтовой канавки, образованной на боковой поверхности плунжера, сливного отверстия, которое через отверстие, просверленное внутри плунжера, соединяет верхнюю камеру с камерой низкого давления (рис. 2, в). Положением винтовой канавки относительно сливного отверстия можно управлять, вращая плунжер с вилкой управления, тем самым регулируя объем впрыскиваемого в цилиндр топлива.

Модель механизма управления плунжером основана на следующих допущениях:

1. В схеме управления имеется три регулируемых отверстия: входное, сливное и отверстие, образованное винтовой канавкой и сливным отверстием. Отверстия впускного и сливного отверстий зависят от движения плунжера, а открытие отверстия канавки-сливного отверстия зависит от движения плунжера и вращения плунжера. Для простоты смещение, создаваемое вращением плунжера, представлено как источник линейного движения, объединенного со смещением плунжера.

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

— Диаметр отверстия впускного отверстия

— Диаметр отверстия сливного отверстия

— Ход плунжера

— Расстояние между впускным отверстием и верхним положением плунжера

— Расстояние между отверстием сливного отверстия и верхним положением плунжера

— Расстояние между отверстием сливного отверстия и верхним краем винтовой канавки

3. При назначении начальных отверстий и ориентации отверстий плунжер 9Верхнее положение 0057 принимается за начало координат , а движение вверх рассматривается как движение в положительном направлении. Другими словами, ось X направлена ​​вверх. При этих предположениях направления отверстия впускного и выпускного отверстий должны быть установлены на Открывается в отрицательном направлении , а отверстие желобка-сливного отверстия должно быть установлено на Открывается в положительном направлении , поскольку оно открывается при движении плунжера вверх. В таблице ниже показаны значения, присвоенные начальным отверстиям и диаметрам отверстий.

 Обозначение Имя в файле параметров Значение Примечания
S ход 0,01 м
D_inlet_or_diameter 0,003 м
D_s разлив_или_диаметр 0,0024 м
h_in -stroke + inlet_or_diameter + 0,001 Впускное отверстие смещено вверх на 1 мм относительно выпускного отверстия
h_s -ход + разлив_или_диаметр
h_hg Spill_or_diameter Предполагается, что выпускное отверстие полностью открыто в верхнем положении плунжера 

4. Эффективный ход плунжера равен

Впускное отверстие, как правило, расположено выше выпускного отверстия. В примере это расстояние равно 1 мм. Вращением плунжера вы изменяете начальное отверстие канавки-разливного отверстия. Поскольку начальное отверстие является параметром и не может быть динамически изменено, смещение начального отверстия моделируется добавлением эквивалентного линейного смещения элемента управления отверстием. Чем больше эквивалентный сигнал, тем раньше открывается сливное отверстие, тем самым уменьшая объем топлива, подаваемого в цилиндр. Максимальное значение эквивалентного сигнала равно эффективному ходу. При этом значении переливное отверстие все время остается открытым.

Форсунка

Модель форсунки основана на блоке гидравлического цилиндра одностороннего действия и блоке игольчатого клапана. Игольчатый клапан закрывается в исходном положении усилием, развиваемым предварительно нагруженной пружиной. Когда усилие, развиваемое цилиндром, превышает усилие пружины, форсунка открывается и позволяет впрыскивать топливо в цилиндр.