基于AMESim的電控天然氣噴嘴模擬分析

汪科任，孫仁云，吳聿東，陳德剛

（西華大學(xué) 交通與汽車工程學(xué)院，四川成都610039）

天然氣進(jìn)入燃燒室后，噴射器針閥應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)快速動作，但與汽油燃料比較，針閥的動作會有較短時(shí)間的延遲。采用電磁閥式噴射器可有效降低這種延遲，提高噴射器的靈敏度，維持噴射的噴射高峰。本文采用AMESim進(jìn)行仿真，得到天然氣噴射時(shí)的仿真數(shù)據(jù)，為深入分析天然氣噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)打下基礎(chǔ)，為天然氣噴嘴設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 天然氣噴嘴工作原理

天然氣噴射器由電磁閥、控制室、針閥偶件組成，其工作原理如圖1所示。發(fā)動機(jī)ECU接受經(jīng)過濾波、整形、放大后的前向電路中的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器（在順序噴射中需要該傳感器）所測得的模擬信號，經(jīng)過處理與計(jì)算，判斷出符合該工況的噴射正時(shí)與噴射脈寬，發(fā)送PWM波信號控制電磁線圈的通斷電，其中通電時(shí)刻決定噴射正時(shí)，而通電時(shí)間的長短則決定該工況下的噴氣量。在整個機(jī)構(gòu)中高壓天然氣經(jīng)過減壓與調(diào)壓后進(jìn)入噴射器中分為兩部分，一部分氣體進(jìn)入噴射針閥，一部分氣體則進(jìn)入噴射器氣腔中，當(dāng)進(jìn)入噴射氣體的壓力和流量較小的時(shí)候電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。氣體進(jìn)入了噴射器氣腔，由于控制活塞上的面積大于噴射器針閥的作用面積，加上針閥彈簧的作用力，使得噴射器的噴射針閥處于關(guān)閉狀態(tài)。而當(dāng)電磁線圈通電時(shí)產(chǎn)生一個磁場，頂桿（銜鐵）在電磁力的作用下，克服天然氣背壓和復(fù)位彈簧的預(yù)緊力而升起，打開噴嘴閥門，天然氣噴出。頂桿在未達(dá)到最大升程前，由于流通面積不斷增大，引起噴孔處壓力降低，導(dǎo)致了噴嘴環(huán)形腔因壓力波動而使氣體不穩(wěn)定流動，直到頂桿（銜鐵）由于機(jī)械限位擋板的作用達(dá)到最大升程，噴嘴環(huán)形腔內(nèi)氣體流動趨于穩(wěn)定。當(dāng)電磁線圈斷電后，頂桿（銜鐵）所受電磁力也立即消失，并在復(fù)位彈簧和天然氣背壓的作用下，落回并壓緊閥座，切斷噴氣動作，從而可以根據(jù)該原理對天然氣這一特殊燃料的噴射機(jī)理進(jìn)行研究，以期發(fā)現(xiàn)天然氣的噴射規(guī)律，改進(jìn)噴射方式。

圖1 電控天然氣噴嘴結(jié)構(gòu)

2 電控天然氣噴嘴的計(jì)算機(jī)模型

本文采用系統(tǒng)工程高級建模和仿真軟件AMESim對噴射器的工作過程進(jìn)行仿真，該軟件包括了流體動力和內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)模塊，為仿真提供完善的仿真環(huán)鏡和靈活的解決方案，在建模過程中根據(jù)模型單元的相關(guān)特性將電控天然氣噴嘴主要分為電磁模塊單元、針口閥門控制單元、管道控制單元等。

2.1 電磁模塊控制模型

依靠電磁元件良好穩(wěn)定的工作，噴嘴能達(dá)到穩(wěn)定的噴射特性和良好的噴射效果。電磁模塊的核心是氣隙的合理選擇，其將和電磁力的大小有直接的關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型如式（1）：

其中

式中：F為電磁鐵對噴嘴擋板的吸附力；x為氣隙距離；R（x）為磁阻；Φ為間隙間的磁通量；u0為自由空間參透性參數(shù)，u0＝4×3.14192×0.1 VS/AM；d是圓柱氣隙的直徑；α是半錐角的大小。氣隙模型圖見圖2。

圖2 氣隙端口模型

2.2 針口閥閥門噴嘴模型

噴射器的噴嘴部分，是依靠電磁鐵吸附頂桿（由銜鐵構(gòu)成）從而開啟或則關(guān)閉閥門的一維運(yùn)動部件，通過設(shè)定針口閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以準(zhǔn)確的反應(yīng)噴嘴的情況，AMESim中氣動設(shè)計(jì)庫中的針口閥控制模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 針口型閥門簡圖

針閥流通面積為

針閥升程為

端口2平均流速為

端口1平均流速為

端口2流量為

端口1流量為

端口4收到向上的力為

式中：x0為針閥初始的位置；x4為端口4的位移；v為天然氣流動的平均速度；p2為端口2的壓力；q10和q20分別為針閥升程0時(shí)刻端口1和端口2的天然氣流量；q4為端口4的流量；f3為端口3受到的向上的力；fjet為流動阻力；dq為端口1～2的流量變化率，其余參考圖3。

2.3 容積腔控制模型

天然氣流過噴射器的壓力室時(shí)，壓力室的容積及壓力都會發(fā)生變化，容積的變化是由于針閥的上升或降落引起的，而壓力的變化則是由于天然氣的流動，壓力室的變化可由式（9）得到：

式中：B（p）為當(dāng)前壓力下的有效體積彈性模量；q（p）為當(dāng)前壓力下的流量；V0為容器的初始容積；V為壓力室容積變化；ρ為當(dāng)前壓力下的氣體密度。AMESim中容積的計(jì)算參數(shù)為實(shí)時(shí)仿真參數(shù)，能準(zhǔn)確的反應(yīng)計(jì)算結(jié)果，從而有效的提高計(jì)算精度，這點(diǎn)是其強(qiáng)大之處。

2.4 電控天然氣針口閥門噴嘴的建模

該模型在依據(jù)天然氣噴嘴的物理模型和工作原理的的理論指導(dǎo)下，分別從AMESim的電磁庫、信號庫、機(jī)械庫、氣動庫、氣動元件設(shè)計(jì)庫等中選擇合適的圖形模塊，來模擬噴射器的實(shí)際噴射過程，從而搭建出仿真系統(tǒng)。模型具體的構(gòu)成如下：

1）電磁驅(qū)動模型元器件 4、6、8～9、11 構(gòu)成了天然氣噴嘴的驅(qū)動部分，原理是當(dāng)部件8發(fā)射高脈沖信號給部件10時(shí)，其對應(yīng)的三極管導(dǎo)通，從而整個驅(qū)動部分的電路導(dǎo)通，當(dāng)有電流流過部件11時(shí)，其將產(chǎn)生電流，電流又會產(chǎn)生磁場，該磁場會在部件4產(chǎn)生一個向上的拉力，從而使質(zhì)量塊7拉動噴嘴的針口閥克服彈簧預(yù)緊力和天然氣背壓向上移動，從而使噴嘴開啟，噴射氣體，但由于限位擋板（部件7）的作用，針閥有一個最大升程。改變元件8的參數(shù)即可迅速改變電磁線圈的通電時(shí)間進(jìn)而改變噴嘴的噴射時(shí)間，從而改變噴射脈寬，達(dá)到電控噴射的控制目的。

2）噴嘴模型元件 7、12～16、19組成了噴嘴本體，元件5模擬了復(fù)位彈簧，復(fù)位彈簧的預(yù)緊力和剛度決定了閥門能否在一個合理的時(shí)間內(nèi)打開與關(guān)閉，它的合理選擇將決定針閥的開啟速度與關(guān)閉速度。元件18、14分別模擬了閥門所受天然氣背壓和進(jìn)氣歧管處的大氣壓力，考慮到噴孔的結(jié)構(gòu)特性，增設(shè)了元件 19、16來模擬噴孔處的體積和節(jié)流作用，而元件15模擬了容積式因針閥升起導(dǎo)致的容積變化。

由于氣體泄漏，部件傳熱與管路設(shè)計(jì)長度等在實(shí)際使用過程中對噴射的影響是很小的，為了方便建模，同時(shí)考慮到實(shí)際情況，均把它們作為理想化的模型處理。圖4為電控天燃?xì)獾腁MESim模型。

圖4 電控天然氣噴嘴模型

3 模型仿真與分析

本文選擇的噴射器的基本參數(shù)：長型，孔式，最大噴孔直徑為10mm，起噴壓力為0.3MPa，針口閥升程為0.015mm，彈簧剛度為10000N·m-1，仿真時(shí)間設(shè)置為18ms，仿真步長設(shè)置為0.01ms。仿真包括一個完整的噴射周期，具體包括天然噴嘴閥門的開啟時(shí)間、噴射持續(xù)時(shí)間、噴射關(guān)閉時(shí)間。發(fā)動機(jī)工況為穩(wěn)定工況，轉(zhuǎn)速為3500r·min-1。表1為不同的彈簧預(yù)緊力與開啟針閥開啟響應(yīng)時(shí)間快慢與關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間快慢的關(guān)系，圖5為AMESim仿真的針口閥升程。

由表1可知，當(dāng)預(yù)緊力過小，雖然能保證針口閥迅速開啟（開啟時(shí)間大約1.1ms），但是關(guān)閉時(shí)間過長，為3ms,可知斷氣不夠迅速，不符合理想的噴射要求。而彈簧預(yù)緊力增大，雖然能保證噴射結(jié)束時(shí)響應(yīng)迅速，但是開啟時(shí)間又會隨著預(yù)緊力的增加而增加，開啟滯后時(shí)間過長，響應(yīng)不夠靈敏，也不符合理想的噴射要求。而彈簧預(yù)緊力達(dá)到120N左右時(shí)，會因?yàn)轭A(yù)緊力過大導(dǎo)致噴嘴沒法開啟，考慮到彈簧預(yù)緊力在90N左右附近，結(jié)束噴射時(shí)，關(guān)閉時(shí)間在一定范圍內(nèi)保持不變，所以選擇75N的彈簧預(yù)緊力（降低彈簧鋼度，或則增加電磁鐵的吸附力均能提高噴嘴的動態(tài)響應(yīng)，但實(shí)踐證明本論文所采用的方法是最經(jīng)濟(jì)也是最簡潔的方法），這樣既能保證噴嘴的動態(tài)響應(yīng)性（1ms左右快速升起與關(guān)閉），又能保證在下降過程中，針口閥快速平穩(wěn)的回到閥座，并無再次升起的現(xiàn)象發(fā)生，從而有效的避免了因二次噴射引起的燃?xì)庀穆试黾雍投螄娚洮F(xiàn)象發(fā)生。

表1 彈簧預(yù)緊力與噴嘴針口閥開關(guān)的響應(yīng)關(guān)系

圖5 不同彈簧預(yù)緊力下的針口閥升程曲線

圖6為針口閥在75N彈簧預(yù)緊力下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r·min-1,啟噴壓力為0.3MPa的速度曲線，圖7為加速度曲線（其模擬條件與圖6一樣）。

圖6 針口閥運(yùn)動速度

圖7 針口閥運(yùn)動的加速度

由圖6～7分析可知：針口閥先加速上升，在達(dá)到限位擋板最上端時(shí)，由于受到限位擋板的限位作用，此刻針口閥會受到一個很大的瞬時(shí)沖擊作用，針閥加速度在該作用力下瞬間變?yōu)?，而針閥也因達(dá)到最大升程而停止。在一定時(shí)間的穩(wěn)定噴射后，電磁閥斷電，針口閥在復(fù)位彈簧和天然氣被壓的作用下加速回落。

圖8為一定占空比的脈沖下，電控天然氣噴嘴的噴射量。由圖8的電控天然氣噴射特性曲線可知：當(dāng)針口閥開啟后整個噴射過程比較平穩(wěn)，針閥開啟與結(jié)束時(shí)刻與針閥反應(yīng)的情況一致。天然氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的平均密度R1為0.000712g·cm-3,空氣密度R2為1.29kg·m-3,根據(jù)該發(fā)動機(jī)參數(shù)，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r·min-1時(shí)，進(jìn)入發(fā)送機(jī)的空氣質(zhì)量約為0.7 g，在10 ms的噴射時(shí)間內(nèi)共噴氣大約0.038g，符合大約17∶1空燃比，滿足該工況的噴射需求，符合噴射規(guī)律。

4 結(jié)束語

噴射器是電控天然氣發(fā)動機(jī)中實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈬娚涞年P(guān)鍵部件，可燃混合氣的良好形成于與噴射器有直接關(guān)系，噴射器與電控天然氣發(fā)動機(jī)直接的匹配也十分關(guān)鍵，在新產(chǎn)品的研制過程中，往往需要對噴射器做大量的標(biāo)定與調(diào)試，才能達(dá)到符合電控天然氣發(fā)動的設(shè)計(jì)指標(biāo)，噴射器的精確開啟時(shí)刻與天然氣的噴射脈寬，與斷氣時(shí)刻均與噴嘴性能的好壞有密不可分的關(guān)系，本文利用電控天然氣發(fā)送機(jī)上常用的針口型噴嘴閥門，設(shè)計(jì)出了噴嘴復(fù)位彈簧的最佳預(yù)緊力，并在該預(yù)緊力下模擬了一個完整的噴氣過程，得到了該噴射器的相關(guān)特性結(jié)果。

通過對仿真結(jié)果的分析比較可以看出，針閥升程，針閥運(yùn)動情況，循環(huán)噴氣量等與實(shí)際的情況比較符合，符合在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定3500 r·min-1時(shí)的噴射要求與噴射規(guī)律，很好的展示了針口型閥門的噴氣特性，針口閥與平口閥門相比具有更低的慣性和更長的使用壽命，而且其更大的優(yōu)點(diǎn)在于具有更大而通暢的流道，能最大限度的減少或消除阻塞現(xiàn)象，特別適合于側(cè)面開孔的噴射器，同時(shí)又能達(dá)到普通噴嘴的噴射要求，具有一定的適用性。本文為針口閥噴射器與電控天然氣發(fā)動機(jī)的匹配以及噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

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