基于AMESim的电控天然气喷嘴仿真设计.pdf

2 0 1 2年 7月 第4 O卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUU CS J u 1 ．2 01 2 Ve 1 ． 4 0 No ． 1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 3 ． 0 4 4 基于 A M E S i m的电控天然气喷嘴仿真设计 吴聿东，孙仁云，陈勇，陈德刚 西华大学交通与汽车工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 9 摘要为研究天然气喷嘴结构参数对喷射特性和喷射效果的影响，利用 A ME S i m软件建立了平口型阀门的天然气喷嘴 仿真模型，并对该模型进行详细介绍。模拟了喷嘴一个完整的喷射过程 ，得到了该喷嘴喷射特性曲线和阀门运动的相关数 据 ，将计算流量和实验流量数据进行对比，验证了系统模型的准确性，可为电控天然气喷嘴的设计提供参考。 关键词天然气喷嘴；平口型阀门；仿真 中图分类号T H1 3 8 ． 5 21 文献标识码A 文章编号1 0 0 1～ 3 8 8 1 2 0 1 2 1 31 5 2 3 S i mu l a t e d De s i g n o f a n El e c t r o n i c Na t u r a l Ga s No z z l e B a s e d o n AM ES i m W U Yu d o n g ，S UN R e n y u n，C HE N Yo n g ，C HEN De g a n g S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ，X i h u a U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 l 0 0 3 9 ．C h i n a Ab s t r a c t T o r e s e a r c h t h e i n fl u e n c e o f g a s n o z z l e s t r u c t u r e p a r a me t e r s t o s p r a y c h a r a c t e r i s t i c s a n d e ffe c t ，t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f n a t u r a l g as n o z z l e o f v a l v e w i t h p l a i n s e a t wa s b u i l t b a s e d o n AMES i m，a n d t h i s mo d e l W a S i n t r o d u c e d i n d e t a i l ．T h e e n t i r e n o z z l e ’ S s p r a y p r o c e s s w a s s i mu l a t e d t o g e t t h e n o z z l e ’ s c h ara c t e r i s t i c s p r a y p a t t e r n s a n d t h e mo v e me n t d a t a o f t h e v alv e ．Th e c o mp a ri s o n o f c a l c u l a t e d fl o w d a t a a n d e x p e r i me n t al fl o w d a t a w a s ma d e t o v e r i f y t h e s y s t e m mo d e l ’S a c c u r a c y ．I t c a n p r o v i d e r e f e r e n c e d a t a f o r t h e d e s i g n o f e l e c t r o n i c n o z z l e ． Ke y wo r d s N a t u r al g a s n o z z l e ；Va l v e wi t h p l a i n s e a t ；S i mu l a t i o n 天然气喷嘴是天然气发动机实现燃气喷射的重要 部件。喷嘴直接影响发动机空燃 比的控制精度，进而 影响发动机各工况下的性能。深入分析天然气喷嘴结 构参数 ，可为电控天然气喷嘴的设计提供理论依据。 1 电控天然气喷嘴工作原理 平 口型阀门天然气喷嘴主要包括喷嘴体 ，电磁 线圈，滑动轴承，复位弹簧，衔铁 ，橡胶圈，阀座， 喷孔等，如图 1所示。发动机 E C U根据曲轴传感器 和凸轮轴传感器所反馈的信号进行处理和计算，发送 P WM波信号控制电磁线圈的通断电。在整个机构中， 当电磁线圈通电时产生一个磁场，衔铁在电磁力的作 用下，克服天然气背压和复位弹簧的预紧力而升起， 打开喷嘴 阀门 ，天然 气 喷出 。衔 铁在 未 达到 最大 升 程前，由于流通面积的不断增大 ，引起喷孔处压力 降低 ，导致了喷嘴环形腔因压力波动而使气体不稳 定流动 ，直到衔铁由于机械限位挡板作用达到最大 升程，喷嘴环形腔内气体流动趋于稳定。当电磁线 圈断电后 ，衔铁所受 电磁力也立 即消失，并在复位 弹簧和天然气背压的作用下，落 回并压紧阀座 ，切 图 1 电控天然气喷嘴结构图 2 电控天然气喷嘴建模 根据建模过程 ，将电控天然气喷嘴主要 分为 电 磁模块单元 ，平口型阀门喷嘴单元等。 2 ． 1 电磁模 块控 制模 型 依靠电磁元件良好稳定的工作，喷嘴能达到稳定 的喷射特性和良好的喷射效果。电磁模块关键部件是 气隙的合理选择 ，其数学模型如下 收稿 日期 2 0 1 1 0 51 8 基金项目国家 8 6 3计划项 目 2 0 0 8 A A 1 1 A I 6 6 ；四川省省属高校科研创新团队建设资助项目 K Y T D 2 0 1 0 0 3 作者简介 吴聿东 1 9 8 6 一 ，男 ，硕 士研究 生 ，主要研 究方 向为柴 油机 高压共 轨燃 油喷射 系统 等。Em a i l w u y u d o n g - g u a i g u a i 1 6 3 ． c o rn。通信作者孙仁云，Em a i l 3 7 6 5 3 7 3 5 6 q q ． e o m。 第 l 3期 吴聿东 等基于 A ME S i m的电控天然气喷嘴仿真设计 1 5 3 警 } ． 警 l d t 2 d t 面 i 。 一 ’ 币 警 1 式中F为电磁铁对喷嘴挡板的吸附力， 为气隙距 离， b 为磁通量，R 为磁阻。 气隙端口模型变量见 图 2。 - 二] d ． ． 一 dt ，一 二] dx ‘ 一 d t 图 2 气隙端口模型变量 2 ． 2 平 口型阀门喷嘴模 型 喷嘴是依靠电磁铁吸附衔铁从而开启或者关闭阀 门的一维运动部件。在建模过程中，对应 A M E S i m气 动设计库中的平口阀控制模型。其结构参数如图3 。 图 3 平 口型阀门简 图 端口3所受压力由端 口4压力和挡板所受气体压 力决定 ，其计算公式为 p _【I1“口 2 一 p a 2 一 d 2 端口2流量计算公式 Q AC C 3 ，』 当天然气流动是亚音速时，流动参数 C 是喷嘴 出口压力P 与喷嘴进气压力 P 的一个函数 ；当天然 气流动为音速时，此时 c 为常值。气体流动为音速 还是亚音速由压力比 p 和临界压力比p 。 之间 的关系决定 时 南 4 如 果 p cr， 那 么 天 然 气 流 动 为 亚 音 速 ， 此 C [ r 一1 5 如 果f 1 p Jt l ／4 ． 然 气 流 动 为 超 音 速， 此时 ＼ P ， c √ 手 √ 6 此次仿真P 在0 ． 2 1 ～ 0 ． 2 4 M P a内， P 为大气压 力， 约0 ． 1 0 1 3 M P a ， 因 此f l p 天 然 气 流动 为 、 P u， 超音速 ，所以c 为常值。 端 口2的平均流速计算公式 厂 ■二 _ ⋯ “ ，＼／ T u L ， ， 平 口阀流通 面积 A 1 T d i 8 式中 是比热率 ，r 是喷孔半径 ， 为进气温度， 为端口4所受电磁吸附力 ， p 为进气压力 ， P 为出 口压力， 为喷嘴挡板直径， 为连接杆 内径， 为连接杆外径，C 。 为流量系数 ，G 为流动参数，P 为进气压力，A为气体流 通面积，Q为气体流量， V m a x 为气体流速， 为阀门升程。 2 ． 3 电控天然气平口阀门喷嘴 的建模 此次建模是依据电控天然气喷嘴的物理模型和工 作原理，分别从 A ME S i m的电磁库、信号库 、机械 库、气动库、气动元件设计库中选择合适 的图形模 块 ，搭建仿真系统。模型具体介绍如下 1 电磁驱动模型。元件 1 、2 、3 、7 、8 、9组 成整个电控天然气喷嘴的执行器部分。其中元件 1 、 2 模拟 E C U脉冲信号，控制驱动电路 3的开闭来控制 电磁线圈8的通电和断电。为增加电磁铁磁性，引入 铁芯7 。磁力作用在气 隙 9上，气隙一端位移被 限 制 ，另一端产生位移，此位移作用在喷嘴阀门 1 3上。 因此改 变元件 1 的参 数即可改变电磁线 圈通 电时 间进 而改变喷嘴喷射时间，达到电控喷射的目的。 2 喷嘴模 型。元 件 1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 6 、 1 7 组成了喷嘴本体。元件 1 0模拟复位弹簧，复位弹 簧的预紧力和刚度决定阀门能否在一个合理的时间内 关闭。元件 l 2 、1 4分别模拟了阀门所受天然气背压 和进气歧管处大气压力。元件 1 3 模拟喷嘴阀芯和阀 座，应合理设置其参数，因其关系到此次仿真的正确 性。需要说明的是考虑到喷孔结构特性，增设了元件 1 6和 1 7来模拟喷孔处的体积和节流作用。 总之 ，以上模型未考虑气体泄漏、部件传热、管 路实际长度等，模型理想化 ，但在实际使用过程中， 以上因素均为次要因素，可以忽略。 厢 苦 鲁 一 一 1 5 4 机床与液压 第 4 0卷 l P wM坡占空比 2 一 斗wM波 3 一驱动 电路 4 一天然气特征参数 5 一电磁特性参数 6 一重力参数 7 一铁芯 8 一电磁线圈 9 一气隙 1 O 一复位弹簧 l l 一限位档板 1 卜 高压腔l 卜 天然气喷嘴阀门 1 4 一 低 压腔l 5 一 理想 气源1 6 一 喷 孔体 积l 卜 节 流 孔1 8 一燃烧 室 图4 电控天然气喷嘴模型 3 模型仿真与分析 此次仿真采用恒温恒压 C H 气源 ，压力为0 ． 2 l MP a 。仿真时间设为一个完整的喷射周期，具体包括 天然气喷嘴阀门开启时间、喷射持续时间和阀门关闭 时间。喷射脉宽为 1 ． 2～4 ． 2 m s ，发动机转速设 为 3 o 0 0 r ／ m i n 。最后得到了不同脉宽 P WM波下，天然 气喷嘴 的喷射量 。 由图 5平 口阀 的升 程 曲 线 可 知 在 上 升 过 程 中 ，平 口 阀 能 满 足 1 m s 左右快速升起 的要 求 ， 动态响应性好 ，而 降低 复位弹簧预 紧力、刚度 或者增加 电磁铁吸附力 均能提高喷嘴动态响应 性；在下 降过程 中，平 口阀平稳快速地回落到阀 生，从而避免了因二次喷 耗率增加等不 良后果 。 图 6为平 口阀的速度 ， ． 2 ． ． 屉0 ． ．2． L 一_i 图6 平口阀运动速度 图7 平H阀运动加速度 由图 6中可 以看 出平 口阀先加速上升 ，在达到 最上端时，由于受到机械挡板的限位作用，此时平口 阀会受到一个瞬时冲击作用，加速度波动并很快因达 到最大升程而停止。在一定时间的稳定喷射后 ，平口 阀在复位弹簧和天然气背压的作用下加速回落，部分 燃气的回流受到平 口阀的挤压作用，从而引起流速的 波动 以及平 口阀的速度波动等。 图8为单个脉冲下，电控天然气喷嘴的喷射量。 图 9为从 t 1 ． 2 m s 到 t 4 ． 2 m s 阀 门开启 时间 内 ， 电控天然气喷嘴喷射流量与实验流量数据的对比。从 图中可以看出喷射特性曲线符合喷嘴工作规律 ，同 时实验差 也在一定范 围内，验证 了此 次建模仿真 的正 确性 。 ． 面 。 ． 篓t 0 5 1 0 1 5 时间／ ms 图8 单个脉冲下喷嘴的 喷射特性曲线 0 1 ． 5 2 ．0 2 ． 5 3 ． 0 3 ． S 4 ． 0 4 ． 5 时 间， s 图9 计算流量与实 验流量的对 比 4结束语 目前在电控天然气发动机中，电控天然气喷嘴是 其关键部 件。喷 嘴的作用 在于 根据发 动机 E C U的控 制信号精确地控制天然气的喷射开始时刻、喷射持续 时间等，达到精确控制不同工况下天然气发动机所需 的燃气流量的 目的。 作者利用高级工程软件 A M E S i m，建立 了平 口 型阀门的电控天然气喷嘴模型。平 口阀作为一维运 动部 件 ，不 但 具 有低 惯 性 、响应 灵 敏 、耐 磨 性 好 、 不易堵塞和寿命长等优点，同时又能达到普通喷嘴 的喷射特性要求 ，因此具有一定创新性。通过对仿 真结果的深入分析 ，可以更好地研究电控天然气喷 嘴工作 过程 ，为 电控天然 气 喷嘴 的优 化设计 提 供重 要 的参 考依据 。 参考文献 【 l 】 周龙保． 内燃机学[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】 M e C l o y D ， M a r t i n H ． C o n t r o l o f F l u i d P o w e r A n a l y s i s a n d d e s i g n [ M] ． 2 n d e d ． E l l i s H o r w o o d L i mi t e d ， 1 9 8 0 ． 【 3 】 陈飞， 孙仁云． 基于 A M E S i m的 C N G 发动机高压减压阀 建模与分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 9 1 9 5 2 0 0 ． 【 4 】苏民， 陈伦军． 基于 A ME s i m的电磁高速开关阀动静态 特性研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 2 6 8 7 2 ． 【 5 】曾东建， 杨建军， 黄海波， 等． 基于 A M E S i m的喷射器工 作过程模拟[ J ] ． 小型内燃机与摩托车， 2 0 0 7 7 58 ． 【 6 】 沈睿， 孙跃东， 张振东， 等． 基于 A M E S i m的电控汽油喷 射器喷射仿真研究[ J ] ． 内燃机与配件， 2 0 1 0 1 57 ． 【 7 】 李书泽 ， 张武高， 黄震． 天然气发动机燃料供给系统研究 现状[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 5 2 1 2 61 3 0 ． 0 0 0 O O 0 0 7 6 5 4 3 2 l 一 1． 盏 邑、 咖煺