基于AMESim的电控天然气喷嘴模拟分析

汪科任，孙仁云，吴聿东，陈德刚

（西华大学 交通与汽车工程学院，四川成都610039）

天然气进入燃烧室后，喷射器针阀应在极短时间内快速动作，但与汽油燃料比较，针阀的动作会有较短时间的延迟。采用电磁阀式喷射器可有效降低这种延迟，提高喷射器的灵敏度，维持喷射的喷射高峰。本文采用AMESim进行仿真，得到天然气喷射时的仿真数据，为深入分析天然气喷嘴结构参数打下基础，为天然气喷嘴设计提供理论依据。

1 天然气喷嘴工作原理

天然气喷射器由电磁阀、控制室、针阀偶件组成，其工作原理如图1所示。发动机ECU接受经过滤波、整形、放大后的前向电路中的曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器（在顺序喷射中需要该传感器）所测得的模拟信号，经过处理与计算，判断出符合该工况的喷射正时与喷射脉宽，发送PWM波信号控制电磁线圈的通断电，其中通电时刻决定喷射正时，而通电时间的长短则决定该工况下的喷气量。在整个机构中高压天然气经过减压与调压后进入喷射器中分为两部分，一部分气体进入喷射针阀，一部分气体则进入喷射器气腔中，当进入喷射气体的压力和流量较小的时候电磁阀处于关闭状态。气体进入了喷射器气腔，由于控制活塞上的面积大于喷射器针阀的作用面积，加上针阀弹簧的作用力，使得喷射器的喷射针阀处于关闭状态。而当电磁线圈通电时产生一个磁场，顶杆（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。顶杆在未达到最大升程前，由于流通面积不断增大，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，直到顶杆（衔铁）由于机械限位挡板的作用达到最大升程，喷嘴环形腔内气体流动趋于稳定。当电磁线圈断电后，顶杆（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，切断喷气动作，从而可以根据该原理对天然气这一特殊燃料的喷射机理进行研究，以期发现天然气的喷射规律，改进喷射方式。

图1 电控天然气喷嘴结构

2 电控天然气喷嘴的计算机模型

本文采用系统工程高级建模和仿真软件AMESim对喷射器的工作过程进行仿真，该软件包括了流体动力和内燃机的相关模块，为仿真提供完善的仿真环镜和灵活的解决方案，在建模过程中根据模型单元的相关特性将电控天然气喷嘴主要分为电磁模块单元、针口阀门控制单元、管道控制单元等。

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。电磁模块的核心是气隙的合理选择，其将和电磁力的大小有直接的关系，其数学模型如式（1）：

其中

式中：F为电磁铁对喷嘴挡板的吸附力；x为气隙距离；R（x）为磁阻；Φ为间隙间的磁通量；u0为自由空间参透性参数，u0＝4×3.14192×0.1 VS/AM；d是圆柱气隙的直径；α是半锥角的大小。气隙模型图见图2。

图2 气隙端口模型

2.2 针口阀阀门喷嘴模型

喷射器的喷嘴部分，是依靠电磁铁吸附顶杆（由衔铁构成）从而开启或则关闭阀门的一维运动部件，通过设定针口阀的结构参数可以准确的反应喷嘴的情况，AMESim中气动设计库中的针口阀控制模型结构参数如图3所示。

图3 针口型阀门简图

针阀流通面积为

针阀升程为

端口2平均流速为

端口1平均流速为

端口2流量为

端口1流量为

端口4收到向上的力为

式中：x0为针阀初始的位置；x4为端口4的位移；v为天然气流动的平均速度；p2为端口2的压力；q10和q20分别为针阀升程0时刻端口1和端口2的天然气流量；q4为端口4的流量；f3为端口3受到的向上的力；fjet为流动阻力；dq为端口1～2的流量变化率，其余参考图3。

2.3 容积腔控制模型

天然气流过喷射器的压力室时，压力室的容积及压力都会发生变化，容积的变化是由于针阀的上升或降落引起的，而压力的变化则是由于天然气的流动，压力室的变化可由式（9）得到：

式中：B（p）为当前压力下的有效体积弹性模量；q（p）为当前压力下的流量；V0为容器的初始容积；V为压力室容积变化；ρ为当前压力下的气体密度。AMESim中容积的计算参数为实时仿真参数，能准确的反应计算结果，从而有效的提高计算精度，这点是其强大之处。

2.4 电控天然气针口阀门喷嘴的建模

该模型在依据天然气喷嘴的物理模型和工作原理的的理论指导下，分别从AMESim的电磁库、信号库、机械库、气动库、气动元件设计库等中选择合适的图形模块，来模拟喷射器的实际喷射过程，从而搭建出仿真系统。模型具体的构成如下：

1）电磁驱动模型元器件 4、6、8～9、11 构成了天然气喷嘴的驱动部分，原理是当部件8发射高脉冲信号给部件10时，其对应的三极管导通，从而整个驱动部分的电路导通，当有电流流过部件11时，其将产生电流，电流又会产生磁场，该磁场会在部件4产生一个向上的拉力，从而使质量块7拉动喷嘴的针口阀克服弹簧预紧力和天然气背压向上移动，从而使喷嘴开启，喷射气体，但由于限位挡板（部件7）的作用，针阀有一个最大升程。改变元件8的参数即可迅速改变电磁线圈的通电时间进而改变喷嘴的喷射时间，从而改变喷射脉宽，达到电控喷射的控制目的。

2）喷嘴模型元件 7、12～16、19组成了喷嘴本体，元件5模拟了复位弹簧，复位弹簧的预紧力和刚度决定了阀门能否在一个合理的时间内打开与关闭，它的合理选择将决定针阀的开启速度与关闭速度。元件18、14分别模拟了阀门所受天然气背压和进气歧管处的大气压力，考虑到喷孔的结构特性，增设了元件 19、16来模拟喷孔处的体积和节流作用，而元件15模拟了容积式因针阀升起导致的容积变化。

由于气体泄漏，部件传热与管路设计长度等在实际使用过程中对喷射的影响是很小的，为了方便建模，同时考虑到实际情况，均把它们作为理想化的模型处理。图4为电控天燃气的AMESim模型。

图4 电控天然气喷嘴模型

3 模型仿真与分析

本文选择的喷射器的基本参数：长型，孔式，最大喷孔直径为10mm，起喷压力为0.3MPa，针口阀升程为0.015mm，弹簧刚度为10000N·m-1，仿真时间设置为18ms，仿真步长设置为0.01ms。仿真包括一个完整的喷射周期，具体包括天然喷嘴阀门的开启时间、喷射持续时间、喷射关闭时间。发动机工况为稳定工况，转速为3500r·min-1。表1为不同的弹簧预紧力与开启针阀开启响应时间快慢与关闭响应时间快慢的关系，图5为AMESim仿真的针口阀升程。

由表1可知，当预紧力过小，虽然能保证针口阀迅速开启（开启时间大约1.1ms），但是关闭时间过长，为3ms,可知断气不够迅速，不符合理想的喷射要求。而弹簧预紧力增大，虽然能保证喷射结束时响应迅速，但是开启时间又会随着预紧力的增加而增加，开启滞后时间过长，响应不够灵敏，也不符合理想的喷射要求。而弹簧预紧力达到120N左右时，会因为预紧力过大导致喷嘴没法开启，考虑到弹簧预紧力在90N左右附近，结束喷射时，关闭时间在一定范围内保持不变，所以选择75N的弹簧预紧力（降低弹簧钢度，或则增加电磁铁的吸附力均能提高喷嘴的动态响应，但实践证明本论文所采用的方法是最经济也是最简洁的方法），这样既能保证喷嘴的动态响应性（1ms左右快速升起与关闭），又能保证在下降过程中，针口阀快速平稳的回到阀座，并无再次升起的现象发生，从而有效的避免了因二次喷射引起的燃气消耗率增加和二次喷射现象发生。

表1 弹簧预紧力与喷嘴针口阀开关的响应关系

图5 不同弹簧预紧力下的针口阀升程曲线

图6为针口阀在75N弹簧预紧力下，发动机转速为3500r·min-1,启喷压力为0.3MPa的速度曲线，图7为加速度曲线（其模拟条件与图6一样）。

图6 针口阀运动速度

图7 针口阀运动的加速度

由图6～7分析可知：针口阀先加速上升，在达到限位挡板最上端时，由于受到限位挡板的限位作用，此刻针口阀会受到一个很大的瞬时冲击作用，针阀加速度在该作用力下瞬间变为0，而针阀也因达到最大升程而停止。在一定时间的稳定喷射后，电磁阀断电，针口阀在复位弹簧和天然气被压的作用下加速回落。

图8为一定占空比的脉冲下，电控天然气喷嘴的喷射量。由图8的电控天然气喷射特性曲线可知：当针口阀开启后整个喷射过程比较平稳，针阀开启与结束时刻与针阀反应的情况一致。天然气在标准大气压下的平均密度R1为0.000712g·cm-3,空气密度R2为1.29kg·m-3,根据该发动机参数，在发动机转速为3500r·min-1时，进入发送机的空气质量约为0.7 g，在10 ms的喷射时间内共喷气大约0.038g，符合大约17∶1空燃比，满足该工况的喷射需求，符合喷射规律。

4 结束语

喷射器是电控天然气发动机中实现燃气喷射的关键部件，可燃混合气的良好形成于与喷射器有直接关系，喷射器与电控天然气发动机直接的匹配也十分关键，在新产品的研制过程中，往往需要对喷射器做大量的标定与调试，才能达到符合电控天然气发动的设计指标，喷射器的精确开启时刻与天然气的喷射脉宽，与断气时刻均与喷嘴性能的好坏有密不可分的关系，本文利用电控天然气发送机上常用的针口型喷嘴阀门，设计出了喷嘴复位弹簧的最佳预紧力，并在该预紧力下模拟了一个完整的喷气过程，得到了该喷射器的相关特性结果。

通过对仿真结果的分析比较可以看出，针阀升程，针阀运动情况，循环喷气量等与实际的情况比较符合，符合在发动机稳定3500 r·min-1时的喷射要求与喷射规律，很好的展示了针口型阀门的喷气特性，针口阀与平口阀门相比具有更低的惯性和更长的使用寿命，而且其更大的优点在于具有更大而通畅的流道，能最大限度的减少或消除阻塞现象，特别适合于侧面开孔的喷射器，同时又能达到普通喷嘴的喷射要求，具有一定的适用性。本文为针口阀喷射器与电控天然气发动机的匹配以及喷嘴的优化设计打下良好的基础，同时提供了重要的参考依据。

[1]周龙宝.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]McCloy D，Martin H.Control of Fluid Power：Analysis and design[M].2nd ed.Ellis Horwood Limited，1980.

[3]曾东健，杨建军，黄海波，等.基于AMESim的喷射器工作过程模拟[J].小型内燃机与摩托车，2007（7）：5-8.

[4]陈飞，孙仁云.基于AMESim的CNG发动机高压解压阀建模与分析[J].机床与液压，2007,35（9）：195-200.

[5]MAGINE S.A.AMESim4 User Mamnua[K].France：IMANGINWE Ltd，2006.