基于AMESIM/SIMULINK的天然气喷射器仿真研究

周斌

（西昌学院汽车与电子工程学院，西昌615013）

基于AMESIM/SIMULINK的天然气喷射器仿真研究

周斌

（西昌学院汽车与电子工程学院，西昌615013）

运用AMESIM/SIMULINK仿真软件对天然气喷射器进行联合仿真，再现了喷射器内流体的运动过程、喷射体积和时间的关系、喷射流量和时间的关系，对天然气和汽油两种燃料的喷射过程进行了对比，结果表明：天然气喷射会出现延迟现象，通过改变控制电路可以有效地避免喷射延迟现象的出现。

天然气发动机AMESIM/SIMULINK联合仿真喷射器

1 概述

天然气进入燃烧室后，喷射器的针阀应在极短时间内快速动作。但与传统的汽油燃料相比，采用天然气燃料时，针阀的动作会出现延迟，这样会导致燃料在燃烧室内不能及时发生燃烧，而出现敲缸现象[1]。为了避免这种延迟，日本本田公司设计的气体喷射器采用电磁式喷射器，这种喷射器可以提高喷射器的灵敏度，并维持喷射器的喷射高峰。为了研究此喷射器的喷射规律及相关参数，本文运用AMESIM/SIMULINK对其进行联合仿真。这种联合仿真充分运用了AMESIM建立模型和SIMULINK数据分析的优点，通过仿真分析得到天然气喷射控制时的仿真数据，开发出天然气喷射器的控制电路，结合台架实验，以缩短开发周期。

2 天然气喷射器的工作原理

天然气喷射器由电磁阀、控制室、气腔、针阀偶件组成[2,3]，其工作原理如图1所示。高压天然气经过减压阀进入喷射器后分成2部分，一部分气体进入喷射针阀，一部分气体进入喷射器气腔中。当进入喷射器气体的压力和流量较小时，电磁阀处于关闭的状态，气体进入喷射器气腔，并且由于控制活塞上的作用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。而当气体的压力和流量足够大时，电磁阀处于开启状态，喷气速率远大于进气的速率，这时控制活塞上升，喷射器的针阀体打开开始喷气。根据这个工作原理，如果喷射器中加入控制电路就可以根据天然气喷射的流量和压力大小来调节电磁阀的开度，从而进行有效喷射，进而避免喷射延迟。

本文根据喷射器的这一原理。在AMESIM下搭建机械模型，并且在SIMULINK下搭建控制模型。从而根据仿真数据对天然气这一特殊的燃料的喷射机理进行研究，以期发现天然气的喷射规律，改进喷射器的控制方式。

图1 喷射器工作示意图

3 仿真模型的建立

AMESIM仿真软件在气压系统的仿真计算中得到了广泛的应用，它专门为气压系统建立了标准元件库和基本元件库。用户可以根据实际需要建立自己的模型[4]。

在建模过程中，根据气体喷射的特点选用容器类型的模型。容器内的压力可以变化，并主要是由于喷射器内气腔容器容积和容器流量变化所引起的。而容器的容积变化是由喷射器中的柱塞运动产生，流量的变化主要是由气孔和节气孔开度的变化引起。

AMESIM中容器压力变化计算见公式(1)和(2)：

式中，

B(p)——当前压力下的有效体积模量

q(p)——当前压力下的流量

v——容器容积的变化

v0——容器的初始容积

ρ——当前压力气体密度

而AMESIM中还有电磁模块，这些电磁模块中电磁力和电磁匝数的计算见公式（3）和（4）：

式中，

F——电磁作用力

B——磁通密度

A——吸力接触面

μ0——自由空间的磁导率

式中，

N——线圈匝数

i——电流

L——空气间隙长度

通常如何选择N及i是存在矛盾的。较理想的做法是尽量减少线圈数N，增大电流值i。这样即可在较小的时间常数下获得所需要的作用力，不过大电流需要较粗的电线及昂贵的元件，同时还要考虑复杂的绕线工艺。

为了使天然气喷射器针阀开关动作响应快，需配用驱动器，如电容放电驱动器。由(4)式求得的B代人(3)式中，可知作用力F决定于i。因此为了使燃料喷射器响应动作快，必须使电流尽快地增加。电流与电压之间的关系可用下式表示：

式中，

L——线圈的电感

R——线圈的电阻

由式(5)可知，可以通过增加电流来增加作用力所带来的初始速率，从而增加燃料喷射器的响应速度[2]。

在SIMULINK中包含很多控制模块，如：脉冲信号以及由脉冲信号经过数学函数所合成的信号。根据以上的物理原理可以在AMESIM和SIMULINK下分别建立以下模型，如图2和图3所示[5～7]。

4 仿真结果分析

根据上面所搭建的模型，采用汽油作为喷射介质时，可以得到汽油喷射器在正常喷射的仿真数据，如图4所示。从图中可以看出，从喷油开始时刻，喷油量程线性逐渐增大，大概在1.8 ms时喷油量达到最大值420 cm3，是较理想的喷油规律。

将喷射介质改为天然气，采用同样的喷油脉冲进行控制，得到天然气喷射的仿真结果如图5和图6所示。

从图5和图6中可以看出，把喷射燃料改用天然气后，喷射流量在5.2 ms时开始出现喷射较大值，并且喷射过程存在阶跃变化的过程，出现了喷射的延迟现象。这是因为气体燃料和液体燃料相比，存在较多物理性能的差异，尤其是气体燃料的可压缩性，因此会出现延迟和阶跃变化的现象。

图2 天然气喷射器AMESIM机械图

图3 天然气喷射器SIMULINK电控图

图4 汽油喷射体积和时间的关系图

图5 天然气喷射流量和时间的关系图

图6 天然气喷射体积和时间的关系图

5 改进建议

为了避免出现上述的喷射延迟和阶跃现象，在SIMULINK电控电路输入处增加输出函数为y=eu的数字电路增益环节。通过该增益产生大电流，进而产生大的电磁力，使针阀提前开启，避免喷射延迟，从而避免出现延迟和阶跃变化的现象。改变后的喷射器仿真结果如图7和图8所示。

6 结论

（1）通过AMESIM软件和SIMULINK软件建立电磁喷油器的物理模型，并对电磁喷油器的工作过程进行联合仿真。

（2）通过对汽油和天然气2种燃料的喷射过程的研究，分析了天然气喷射器产生喷射延迟和阶跃现象的原因。

（3）通过分析，提出了对天然气喷射器的改进建议并进行仿真研究，结果显示，改进后的喷射器能有效地改善天然气喷射延迟和阶跃现象。

图7 改进后天然气喷射流量和时间的关系图

图8 改进后天然气喷射体积和时间的关系图

1刘诚诚，彭忆强，马永富．天然气发动机电控喷射系统研制[J]．中国测试，2001（1）：77-80．

2黄海波．然气汽车结构原理与维修[M]．北京：机械工业出版社，2002．

3陈家瑞．汽车构造[M]．北京：机械工业出版社，2005．

4秦家升，游善兰.AMESim软件的特征及应用[J].微机应用与智能化：2005（12）：6-9．

5赵中杰．汽车电气设备[M]．北京：人民交通出版社，2000．

6管宝玉，袁宝良.共轨喷射器参数的分析研究[J]．小型内燃机，2004（5）：30-32．

7张建新，施光林，胡林峰.高压共轨喷油器结构参数对喷油量的研究[J].现代车用动力，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.

gas engine,AMESIM/SIMULINK,numerical simulation,gas injector

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.004

来稿日期：2012-05-23

周斌（1981-），男，硕士，主要研究方向为内燃机新型燃料、发动机设计。