基于AMESIM/SIMULINK的天然氣噴射器仿真研究

周斌

（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，西昌615013）

基于AMESIM/SIMULINK的天然氣噴射器仿真研究

周斌

（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，西昌615013）

運(yùn)用AMESIM/SIMULINK仿真軟件對(duì)天然氣噴射器進(jìn)行聯(lián)合仿真，再現(xiàn)了噴射器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、噴射體積和時(shí)間的關(guān)系、噴射流量和時(shí)間的關(guān)系，對(duì)天然氣和汽油兩種燃料的噴射過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：天然氣噴射會(huì)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，通過(guò)改變控制電路可以有效地避免噴射延遲現(xiàn)象的出現(xiàn)。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)AMESIM/SIMULINK聯(lián)合仿真噴射器

1 概述

天然氣進(jìn)入燃燒室后，噴射器的針閥應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)快速動(dòng)作。但與傳統(tǒng)的汽油燃料相比，采用天然氣燃料時(shí)，針閥的動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)延遲，這樣會(huì)導(dǎo)致燃料在燃燒室內(nèi)不能及時(shí)發(fā)生燃燒，而出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象[1]。為了避免這種延遲，日本本田公司設(shè)計(jì)的氣體噴射器采用電磁式噴射器，這種噴射器可以提高噴射器的靈敏度，并維持噴射器的噴射高峰。為了研究此噴射器的噴射規(guī)律及相關(guān)參數(shù)，本文運(yùn)用AMESIM/SIMULINK對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合仿真。這種聯(lián)合仿真充分運(yùn)用了AMESIM建立模型和SIMULINK數(shù)據(jù)分析的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)仿真分析得到天然氣噴射控制時(shí)的仿真數(shù)據(jù)，開發(fā)出天然氣噴射器的控制電路，結(jié)合臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，以縮短開發(fā)周期。

2 天然氣噴射器的工作原理

天然氣噴射器由電磁閥、控制室、氣腔、針閥偶件組成[2,3]，其工作原理如圖1所示。高壓天然氣經(jīng)過(guò)減壓閥進(jìn)入噴射器后分成2部分，一部分氣體進(jìn)入噴射針閥，一部分氣體進(jìn)入噴射器氣腔中。當(dāng)進(jìn)入噴射器氣體的壓力和流量較小時(shí)，電磁閥處于關(guān)閉的狀態(tài)，氣體進(jìn)入噴射器氣腔，并且由于控制活塞上的作用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)氣體的壓力和流量足夠大時(shí)，電磁閥處于開啟狀態(tài)，噴氣速率遠(yuǎn)大于進(jìn)氣的速率，這時(shí)控制活塞上升，噴射器的針閥體打開開始噴氣。根據(jù)這個(gè)工作原理，如果噴射器中加入控制電路就可以根據(jù)天然氣噴射的流量和壓力大小來(lái)調(diào)節(jié)電磁閥的開度，從而進(jìn)行有效噴射，進(jìn)而避免噴射延遲。

本文根據(jù)噴射器的這一原理。在AMESIM下搭建機(jī)械模型，并且在SIMULINK下搭建控制模型。從而根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對(duì)天然氣這一特殊的燃料的噴射機(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)噴射器的控制方式。

圖1 噴射器工作示意圖

3 仿真模型的建立

AMESIM仿真軟件在氣壓系統(tǒng)的仿真計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用，它專門為氣壓系統(tǒng)建立了標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)和基本元件庫(kù)。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要建立自己的模型[4]。

在建模過(guò)程中，根據(jù)氣體噴射的特點(diǎn)選用容器類型的模型。容器內(nèi)的壓力可以變化，并主要是由于噴射器內(nèi)氣腔容器容積和容器流量變化所引起的。而容器的容積變化是由噴射器中的柱塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，流量的變化主要是由氣孔和節(jié)氣孔開度的變化引起。

AMESIM中容器壓力變化計(jì)算見(jiàn)公式(1)和(2)：

式中，

B(p)——當(dāng)前壓力下的有效體積模量

q(p)——當(dāng)前壓力下的流量

v——容器容積的變化

v0——容器的初始容積

ρ——當(dāng)前壓力氣體密度

而AMESIM中還有電磁模塊，這些電磁模塊中電磁力和電磁匝數(shù)的計(jì)算見(jiàn)公式（3）和（4）：

式中，

F——電磁作用力

B——磁通密度

A——吸力接觸面

μ0——自由空間的磁導(dǎo)率

式中，

N——線圈匝數(shù)

i——電流

L——空氣間隙長(zhǎng)度

通常如何選擇N及i是存在矛盾的。較理想的做法是盡量減少線圈數(shù)N，增大電流值i。這樣即可在較小的時(shí)間常數(shù)下獲得所需要的作用力，不過(guò)大電流需要較粗的電線及昂貴的元件，同時(shí)還要考慮復(fù)雜的繞線工藝。

為了使天然氣噴射器針閥開關(guān)動(dòng)作響應(yīng)快，需配用驅(qū)動(dòng)器，如電容放電驅(qū)動(dòng)器。由(4)式求得的B代人(3)式中，可知作用力F決定于i。因此為了使燃料噴射器響應(yīng)動(dòng)作快，必須使電流盡快地增加。電流與電壓之間的關(guān)系可用下式表示：

式中，

L——線圈的電感

R——線圈的電阻

由式(5)可知，可以通過(guò)增加電流來(lái)增加作用力所帶來(lái)的初始速率，從而增加燃料噴射器的響應(yīng)速度[2]。

在SIMULINK中包含很多控制模塊，如：脈沖信號(hào)以及由脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)所合成的信號(hào)。根據(jù)以上的物理原理可以在AMESIM和SIMULINK下分別建立以下模型，如圖2和圖3所示[5～7]。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上面所搭建的模型，采用汽油作為噴射介質(zhì)時(shí)，可以得到汽油噴射器在正常噴射的仿真數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖中可以看出，從噴油開始時(shí)刻，噴油量程線性逐漸增大，大概在1.8 ms時(shí)噴油量達(dá)到最大值420 cm3，是較理想的噴油規(guī)律。

將噴射介質(zhì)改為天然氣，采用同樣的噴油脈沖進(jìn)行控制，得到天然氣噴射的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6中可以看出，把噴射燃料改用天然氣后，噴射流量在5.2 ms時(shí)開始出現(xiàn)噴射較大值，并且噴射過(guò)程存在階躍變化的過(guò)程，出現(xiàn)了噴射的延遲現(xiàn)象。這是因?yàn)闅怏w燃料和液體燃料相比，存在較多物理性能的差異，尤其是氣體燃料的可壓縮性，因此會(huì)出現(xiàn)延遲和階躍變化的現(xiàn)象。

圖2 天然氣噴射器AMESIM機(jī)械圖

圖3 天然氣噴射器SIMULINK電控圖

圖4 汽油噴射體積和時(shí)間的關(guān)系圖

圖5 天然氣噴射流量和時(shí)間的關(guān)系圖

圖6 天然氣噴射體積和時(shí)間的關(guān)系圖

5 改進(jìn)建議

為了避免出現(xiàn)上述的噴射延遲和階躍現(xiàn)象，在SIMULINK電控電路輸入處增加輸出函數(shù)為y=eu的數(shù)字電路增益環(huán)節(jié)。通過(guò)該增益產(chǎn)生大電流，進(jìn)而產(chǎn)生大的電磁力，使針閥提前開啟，避免噴射延遲，從而避免出現(xiàn)延遲和階躍變化的現(xiàn)象。改變后的噴射器仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)AMESIM軟件和SIMULINK軟件建立電磁噴油器的物理模型，并對(duì)電磁噴油器的工作過(guò)程進(jìn)行聯(lián)合仿真。

（2）通過(guò)對(duì)汽油和天然氣2種燃料的噴射過(guò)程的研究，分析了天然氣噴射器產(chǎn)生噴射延遲和階躍現(xiàn)象的原因。

（3）通過(guò)分析，提出了對(duì)天然氣噴射器的改進(jìn)建議并進(jìn)行仿真研究，結(jié)果顯示，改進(jìn)后的噴射器能有效地改善天然氣噴射延遲和階躍現(xiàn)象。

圖7 改進(jìn)后天然氣噴射流量和時(shí)間的關(guān)系圖

圖8 改進(jìn)后天然氣噴射體積和時(shí)間的關(guān)系圖

1劉誠(chéng)誠(chéng)，彭憶強(qiáng)，馬永富．天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射系統(tǒng)研制[J]．中國(guó)測(cè)試，2001（1）：77-80．

2黃海波．然氣汽車結(jié)構(gòu)原理與維修[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

3陳家瑞．汽車構(gòu)造[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

4秦家升，游善蘭.AMESim軟件的特征及應(yīng)用[J].微機(jī)應(yīng)用與智能化：2005（12）：6-9．

5趙中杰．汽車電氣設(shè)備[M]．北京：人民交通出版社，2000．

6管寶玉，袁寶良.共軌噴射器參數(shù)的分析研究[J]．小型內(nèi)燃機(jī)，2004（5）：30-32．

7張建新，施光林，胡林峰.高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油量的研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2003（2）：1-6．

Simulation Study on Gas Injector Based on AMESIM/SIMULINK

Zhou Bin
（School of Agricultural Sciences of Xichang College,Xichang 615013,China）

A numerical simulation is made by simulation software AMESIM and SIMULINK of the injection process of gas injector to reconstruct the fluid flow process,the relationship of injection volume and time,and,relationship of injection flow and time,as well as to compare the processes of gas injection and gasoline injection.The results show that injection of natural gas will be delayed,and change control circuit can effectively prevent injection delay.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.004

來(lái)稿日期：2012-05-23

周斌（1981-），男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)新型燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。