Исследование влияния профиля кулачка привода насос-форсунки с электромагнитным клапаном на параметры ее процесса топливоподачи с использованием математического моделирования

Проектирование, изготовление и доводка насос-форсунок является достаточно трудоемким и дорогостоящим процессом. Значительно сократить время и стоимость разработок позволяет применение математического моделирования процесса топливоподачи в них. Кроме того, это позволяет проводить

быструю оптимизацию параметров процесса топливоподачи.

Для насос-форсунки с электромагнитным клапаном (см. рис. 1) математическое описание процесса впрыскивания содержит три уравнения.

Уравнение баланса топлива в насос-форсунке:

6 n ( в V ф + к- ) d ^= cf - ц u f ^| v Р ф - Р с -

— ^Ц 0 f 0 12 ^ ^рф — p ec — ^Ц c^fc 12 ^p c — Р ц — ⁶ n ⁽ f u — f u j dy^ , ⁽¹⁾

где β – коэффициент сжимаемости топлива; C_n – скорость плунжера; f_n – площадь плунжера; V_ф – объем топлива сжимаемого в камерах распылителя; n – частота вращения кулачкового вала; ϕ – угол поворота кулачкового вала; p_ф – давление в камере распылителя; ρ – плотность топлива; k_np – коэффициент деформации привода; µ _и – коэффициент расхода проходного сечения под запирающим конусом иглы; µ ₀ – коэффициент расхода всасывающих окон форсунки; f₀ – площадь проходного сечения всасывающего окна; µ _с – коэффициент расхода через суммарное проходное сечение сопловых отверстий распылителя; f_c – суммарная площадь сопловых отверстий распылителя; p_вc – давление в подающей (сливной) магистрали; f_u – площадь сечения иглы форсунки по диаметру ее прецизионной части; f _и ^' – площадь сечения иглы форсунки по посадочному диаметру; y_u – текущее перемещение иглы; р_ц – давление газов в цилиндре двигателя; р_с – давление в сопловом канале распылителя.

Рис. 1. Расчетная схема насос-форсунки:

1 – кулачок привода насос-форсунки; 2 – плунжер;

3 – пружина; 4 – камера высокого давления; 5 – игла клапана; 6 – камера электромагнитного клапана;

7 – канал подвода топлива; 8 – канал отвода топлива;

9 – катушка электромагнита

Уравнение расхода топлива через распылитель:

• ⁶ n ^{( в} V ' ) dN = ^Ц u ^f u Ц ^р ф - р с —

• ^{- Ц} c f c

  
  

  ' Р с — Р ц — ⁶ nf U ^dyL , d ϕ

  
  

Уравнение перемещения иглы форсунки:

⁶ nMdiyir ^{+ 8} У и = ( ^fu - ^fu )( Р ф - Р ф 0 ) ⁺ fP ’ (3)

где М – масса подвижных частей форсунки; δ – жесткость пружины форсунки; р_ф0 – давление над торцом иглы.

Процесс топливоподачи разбивается на шесть этапов, для каждого из которых уравнение баланса (1) будет иметь свой вид. Скорость плунжера C _п рассчитывается в зависимости от участка профиля на каждом шаге интегрирования процесса топливоподачи и зависит от параметров кулачка привода насос-форсунки, которые вводятся в модель.

Представленная математическая модель насос-форсунки с электромагнитным клапаном управления подачей топлива была реализована в системе компьютерного программирования С#.

С помощью представленной модели было исследовано влияние некоторых параметров профиля кулачка на показатели процесса впрыскивания. Например, на рисунке 2 показаны расчетные зависимости давления впрыскивания топлива и расхода через сопловые отверстия от угла поворота кулачкового вала при варьировании параметров тангенциального профиля кулачка. Из представленных зависимостей наиболее оптимальный профиль получается при значениях R ₀= 30 мм и R ₁ = –100 мм, при которых удовлетворяются ограничения по контактным напряжениям между кулачком и толкателем, по оптимальному углу давления профиля и достигаются высокие максимальные давления впрыскивания топлива – 148 МПа. Данный профиль обеспечивает резкий подъем плунжера на первом участке и более плавный подъем на втором участке, что позволяет получить пологий передний фронт нарастания давления впрыскивания и способствует снижению жесткости и шумности работы и выбросов NO_x.

а)

б)

Рис. 2. Зависимости давления впрыскивания Р_ф (а) и расхода топлива через сопловые отверстия Δ Q (б) от угла поворота кулачка ϕ при варьировании радиуса начальной окружности R ₀ (мм) и радиуса кривизны первого участка профиля R ₁ (мм)