基于AMESim的天然气发动机电控调压器仿真研究_陈德刚

收稿日期： 2011 － 05 － 09 基金项目： 国家 863 计划项目 （ 2008AA11A166 ） ； 四川省省属高校科研创新团队建设项目 （ KYTD201003 ） 作者简介： 陈德刚 （ 1987 —） ，男，硕士研究生，主要研究方向为发动机电控系统。 E － mail： chendegangwind@ sin. com。 通 信作者： 孙仁云，E － mail： 358176394@ qq. com。
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，具有相当强的实用性 。模型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(
槡 )槡
ρg ρa
pa － pd pg － pd
（3）
图3
电控调压器 AMESim 模型
根 据 电 控 调 压 器 物 理 模 型 和 工 作 原 理， 利 用 AMESim 中的电磁库 、气动库 、 机械库中的部分子模 型，建立了电控调压器的一 、二 、三级减压器模型和 电磁执行器模型。另外还增加了天然气气源和可控阀 门，能对调压器的静态和动态特性进行模拟计算 。以 下是模型详细说明： （ 1 ） 理 想 气 源 。 在 建 模 过 程 中，部 件 22 、23 、 24 形成理想恒温天然气源，293. 15 K，气源压力可 以根据需要设置在 1 20 MPa。 （ 2 ） 减压器模型 。 以部件 35 、19 、16 模拟 一 、 二、三级阀门，以部件 33 、34 、15 模拟一 、 二 、 三 级杠杆。由于 AMESim 中没有膜片这个子模型，而减 压器在实际使用中采用了压板结构，因而建模时以一
Environment for Performing Simulations of Engineering System ） 软件建模，AMESim 为流体及气体动力 、 机 械、电磁等控制系统提供了一个优越 、完善的方针环 境及灵活的解决方案 如图 3 所示 。
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气和天然气的密度 （ kg / m ） 。 这样，混合气的空燃比即为： α= q Va Ca Aa = q Vg Cg Ag
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法为例，如图 2 所示。 设混合气前空气压力 为 p a ，调压器出口处天然 气压力为 p g ，空气与天然 气混合处的压力为 p d ，近 似按不可压缩流体的伯努 利方程，可写出空气和天 然气 的 体 积 流 量 公 式 ［1 ］ 为 ： q Va = C a A a
机床与液压
第 40 卷
陈德刚，孙仁云，陈勇，吴聿东
（ 西华大学交通与汽车工程学院，四川成都 610039 ）
摘要： 在现有的某型号天然气发动机电控调压器基础上，建立电控调压器的 AMESim 模型，对该模型进行了详细的说 明，并进行了静态和动态仿真 。从仿真结果可以看出，该模型在动态下反应时间较短 。 通过燃气压力和流量实验验证了该 模型的准确性。针对南充 NQ120 天然气发动机对燃气压力和流量的需求，对原调压器结构参数进行优化，得到能够满足需 要的调压器结构参数。 关键词： 天然气发动机； 电控调压器 （ EPR） ； 仿真 中图分类号： TH138. 52 + 1 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2012 ） 11 － 109 － 4
第 11 期
陈德刚 等： 基于 AMESim 的天然气发动机电控调压器仿真研究
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工况下燃气流通截面变化 。比例式混合气是一个连续 供气装置，在发动机从一个工况向另一个工况转变 时，流通面积从一个状况变化到另外一个状况，时间 很短，可以用一个阶跃信号模拟 。 （ 4 ） 执行器模型 。 部件 4 、5 组成一个可调电流 源，电流流经线圈产生磁力，磁力作用在气隙 8 上， 气隙一端位移被限制，另一端产生位移，此位移推动 三级杠杆 15 。 为增强电磁铁磁性，增加了铁芯部件 7 。当需要改变调压器出口压力时，只需要通过改变 部件 4 的参数即可以改变电流源电流的大小进而改变 电磁铁磁力。 以上模型没有考虑传热 、 泄漏 、 管路长度等因 素，因而模型较为理想化 。 但是在实际使用过程中， 以上因素占次要地位，所以该模型可以用于模拟调压 器的物理模型。
发动机工作时，混合器入口处的空气压力 p a 和 空气与天然气混合处的压力 p d 经压力传感器测得并 传递给 ECU， ECU 根据目标空燃比 α 计算出调压器 出口处天然气压力 p g 并发出压差指令 （ 调压器出口 处天然气压力 p g 和混合器入口处的空气 压 力 p a 之 差） 给调压器内部芯片
个活塞子模型代替，以部件 27 、31 、10 模拟一 、 二 、 三级膜片，活塞的直径相当于膜片的直径，高压气体 作用在膜片上的力将推动杠杆，控制阀门开度 。以部 件 25 、30 、9 模拟一 、二、三级弹簧和阻尼板，这几 个部件对减压器的工作起着至关重要的作用，弹簧的 预紧力和刚度决定了该级别加压器的减压能力，而阻 尼板的阻尼作用是快速削弱弹簧的振幅，决定该级减 压器出 口 压 力 能 否 快 速 达 到 平 衡 。 以 部 件 28 、32 、 11 模拟 该 减 压 器 一 、 二 、 三 级 阀 门 及 杠 杆 的 质 量， 各运动部件的摩擦力和位移都可以通过这 3 个部件的 参数进行设置 。 （ 3 ） 工 况 设 置 。 部 件 12 、 13 构 成 一 个 可 调 阀 门，可以模拟调压器与比例式混合器使用时，在不同
天然气发动机燃料供给系统中，减压器是个至关 重要的部件 。电子控制减压器出口的压力，可以达到 精确控制空燃比的目的，称之为电控调压器 （ EPR） 。
第三级时通过大功率执行器件，调整三级阀门的开 度，将气 体 压 力 稳 定 在 所 需 的 范 围 （ 变 化 不 超 过 200 300 Pa） 。 在初始状态下，一级阀门处于开启状态，高压气 体由入口 1 流经一级阀门 2 ，进入一级减压腔 4 后迅 速膨胀，使一级膜片 8 发生变形并克服弹簧 7 的预紧 力作用向上移动，带动一级杠杆 3 产生运动，使得一 级阀门出口气体流通面积变小甚至关闭，使高压气体 从 20 MPa 降低至 1 MPa 左右 。 阻尼板 5 的作用是为 了迅速消减一级弹簧的震动，避免气体压力长时间的 大幅波动 。 气体经一级减压后从二级阀门 9 进入二级减压腔 15 ，二级减压的原理与一级减压相同 。二级减压能使 气体压力从 1 MPa 降至 0. 2 0. 4 MPa。 与前两级减压不同的是，三级阀门在初始状态下 处于关闭状态，气体需要克服三级弹簧 25 的预紧力 推开三级阀门 21 ，经过三级阀门后的气体再次减压 膨胀，然后经出口 17 流出 。 此时的膜片不处于自由
图5 电控调压器动态特征
从图 5 可以看出： 由于混合器阀芯位置变化后燃 气流通面积减小，气体压力产生了一个瞬间高压，这 是由于气流惯性和阀门关小时对气流的挤压作用产生 的； 大约 0. 2 s 后系统达到一个新的平衡状态，此时 压力高于原先状态 。0. 2 s 体现了调压器的动态响应 能力，时间越短，表示响应越快，对发动机工作的影 响越小 。 事实表明： 0. 2 s 的响应时间是足 够 快 的， 不会对发动机工作产生太大影响 。 从流量图可以看 出： 流通截面减小后，调压器出口流量相应减小，大 约保持在 2 g / s。 （ 3 ） 气源压力影响 。 为了研究气源压力变化对 调压器工作性能的影响，采用 AMESim 的 批 处 理 功
2012 年 6 月 第 40 卷 第 11 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Jun. 2012 Vol. 40 No. 11
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2012. 11. 033
基于 AMESim 的天然气发动机电控调压器仿真研究
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电控调压器的建模
电控 调 压 器 采 用 AMESim （ Advanced Modeling
3 式中： q Va 、q Vg 分别是空气流量和天然气流量 （ m / s ）； C a A a 、C g A g 分别是空气和天然气的有效流通面积； A 2 为通路面积 （ m ） ； C 为流量系数； ρ a 、 ρ g 分别是空
图4 电控调压器静态特征
从图 4 可以看出： 天然气在阀门打开后出现一个 瞬间高压，经过大约 0. 5 s 的波动后逐渐达到平衡， 稳定在 0. 102 MPa 左右，波动范围大约 200 300 Pa， 符合前文所提及的压力波动范围要求 。0. 5 s 即系统 的响应时间，此时间主要取决于各级阀门的质量大 小、摩擦因数 、弹簧的刚度和阻尼板的阻尼系数 。如 果想要让系统在更短的时间内达到平衡，可以采取减
轻阀门质量 、选用摩擦因数小的材料 、增加阻尼板的 阻尼系数等方法 。图 5 还显示了三级阀门流量随时间 的变化情况 。 系统稳定后，流量保持在 3 g / s 左右 。 其规律与压力变化规律一致，符合实际情况 。 （ 2 ） 动态特性 。 部件 13 的参数作如下设置： 将 Value After Step 改为 0. 5 ，Step Time 改为 3 s，表示在 t = 3 s 时，部件 13 阀门开度变为原来的一半，以此 来模拟发动机在工况发生变化时 （ 如负荷减小） ，比 例式混合器阀芯下降，使燃气流通面积减少到原来的 一半 。所得仿真结果如图 5 所示 。
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电控调压器工作原理
电控调压器结构如图 1 所示。
图1
电控调压器结构图
该电控调压器主要有两大作用： （ 1 ） 将高压气 体经过三级减压后达到所需要的压力范围； （ 2 ） 在
膨胀状态而要受控于调 压 器 上 的 大 功 率 执 行 器 23 ， 调压器依靠执行器对气体压力进行精确调节，从而达 到精确控制混合气的空燃比 α 的目的 。 以比例混合器天然气发动机的空燃比 α 计算方
图2 简单混合器原理图
［2 ］
，同时调压器内部的压差
传感器检测这一压差的实际值，并把这个压差传递给 ECU，同时驱动内部的大功率执行器调节三级杠杆和 膜片，以调节调压器出口压力 。
2 （ pa － pd ） / ρa 槡 q Vg = C g A g 槡 2 （ pg － pd ） / ρg
（1） （2）
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模型仿真
（ 1 ） 静态特性 。 在 AMESim 参数模式 （ Parameter Mode ） 下，将 部 件 4 、 13 、 24 控 制 信 号 的 Step Time 参数设置为 0 ，表示没有阶跃信号产生，调压器 工作在稳定状态。然后在运行模式 （ Run Mode ） 下， 打开 Run Parameter，设置仿真时间为 6 s，采样时间 为 0. 001 s，然后打开 Start Run，仿真开始 。 待仿真 完成后，绘制三级阀门 16 的出口压力和流量图，如 图 4 所示。
Simulation of the EPR for the CNGengine Based on AMESim
CHEN Degang，SUN Renyun，CHEN Yong，WU Yudong （ School of Vehicle ＆ Transportation Engineering，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039 ，China）
Abstract： The model of EPR for CNGengine was built based on AMESim． The static and dynamic performances of the EPR were simulated． It is shown that the dynamic response time is shorter． The accuracy of the model was verified by experiment． To meet the needs of pressure and mass flow rate of NQ120 CNGengine，the original parameters were optimized． Keywords： CNGengine； EPR； Simulation