同濟大學 齊亞騰 鄧鈺才 胡 標 林立春 馮 良

燃氣比例閥的數(shù)學建模和動態(tài)特性研究

同濟大學 齊亞騰 鄧鈺才 胡 標 林立春 馮 良

為了提高燃氣比例閥的性能以便于更好地對其進行推廣應用，使用AMESIM軟件對燃氣比例閥進行仿真建模，并結合動態(tài)特性試驗對影響比例閥性能的因素進行研究，結果表明操作閥下方至針閥閥口流動通道(18)直徑、腔室 q1體積、燃氣入口調節(jié)器的彈簧剛度和主切斷閥閥口面積對燃氣比例閥動態(tài)性能的影響較為明顯，但是其他的因素也不可以忽略。在模型正確的基礎上，針對這些影響因素進行仿真分析，并對原燃氣比例閥模型進行改進。仿真結果表明，改進后的模型在性能優(yōu)于原模型。

燃氣比例閥 全預混燃燒 AMESIM 動態(tài)特性 空燃比

0 引言

當前，燃氣行業(yè)迅猛發(fā)展，全預混燃燒技術的應用日趨廣泛，為提高燃氣燃燒設備熱效率、降低污染物排放量，越來越多的新技術、新產品需要使用燃氣比例閥來合理控制空燃比，例如恒溫數(shù)碼熱水器等。為了更好地推廣應用比例閥，就需要相關的理論知識作為技術指導。但就目前的研究狀況來看，國內外對于燃氣比例閥的理論研究甚少，現(xiàn)有的研究主要局限于比例控制方法、工作原理等方面，而對于影響燃氣比例閥性能因素的研究十分有限；要改進燃氣比例閥的性能，就必須研究各個元件對整體性能的影響，以及在不同元件參數(shù)組合下燃氣比例閥所呈現(xiàn)出來的性能特性。

本文以西門子VGU8系列燃氣比例閥為研究對象，提出了一種合理的研究方法，并對原模型性能特性進行優(yōu)化。

1 燃氣比例閥的結構及工作原理

1.1 燃氣比例閥的內部結構

燃氣比例閥的內部結構圖見圖1。

圖1 燃氣比例閥內部結構

1.2 工作原理

1.2.1 開啟

當燃氣比例閥通入電流時，主切斷閥和操作閥打開，此時，燃氣由腔室 q0流入燃氣比例閥的腔室q1，再通過操作閥2的閥口流入腔室q2和q3，腔室q3內的壓力增加，氣壓作用在主隔膜6上，推動調節(jié)螺栓7打開燃氣入口調節(jié)器的閥口，燃氣就從腔室q1通過閥口流向腔室q2，最后通過流量調節(jié)閥15流向出氣口。

1.2.2 穩(wěn)壓

當流量調節(jié)閥前的壓力pg(14處的壓力)增加時，伺服膜片下的壓力隨即增加，伺服膜片在壓差(Δp=pg-pa)作用下向上動作，空燃比調節(jié)器處的針閥的開度增大，則由K1處流向伺服膜片下的燃氣流量增加，根據(jù)流量的連續(xù)性原理，由K2處流向腔室q3的燃氣流量減少，q3室的壓力相應地減少，主隔膜6在上下表面壓差的作用下帶動調節(jié)螺栓向下動作，燃氣入口調節(jié)器的閥口減小，通過閥口流向腔室q2的流量減少，腔室q2的壓力pg也隨之減小，當 pg=pa壓力達到穩(wěn)定狀態(tài)。當壓力減少時，調節(jié)原理與之類似。

2 燃氣比例閥建模

2.1 AMESIM建模

為了對影響比例閥性能的因素進行研究，首先用AMESIM軟件對模型進行模擬仿真。模型分為四個主要部分，分別為燃氣比例閥的主切斷閥(one)、操作閥(two)、燃氣入口關調節(jié)器(three)和針閥(four)等。

圖2為燃氣比例閥系統(tǒng)的AMESIM模型。

圖2 燃氣比例閥系統(tǒng)的AMESIM模型

2.2 試驗研究燃氣比例閥的動態(tài)特性

為了驗證模型的正確性，同時也為了測試該比例閥的性能，搭建燃氣比例閥的性能測試平臺，利用該試驗平臺對燃氣比例閥的動態(tài)特性進行測試。圖3為燃氣比例閥性能測試臺示意圖。

圖3 燃氣比例閥性能測試臺示意

為了實現(xiàn)試驗所需的數(shù)據(jù)采集和控制功能，系統(tǒng)采用高速壓力及流量傳感器，利用PCI-1710板卡和LabVIEW設計了相應的壓力、流量采集和噴射器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)壓力、流量的高速采集、控制噴射器的打開/關斷時間及風機出口風壓的改變等，并將所采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示和存儲。

在不同的風機出口壓力(不同負荷)下，測試燃氣比例閥的動態(tài)性能曲線，風機出口壓力分別為0.50 kPa、0.80 kPa，仿真曲線與試驗曲線的比較分別如圖4、圖5：

圖4 風機出口壓力為0.5 kPa時的動態(tài)性能曲線

圖5 風機出口壓力為0.8 kPa時的動態(tài)性能曲線

從圖4、圖5中可以看出，模擬曲線和試驗曲線在燃氣比例閥出口壓力的整體變化趨勢上具有較好的一致性，模型能夠較為真實地反映燃氣比例閥的實際運行情況，證明所建立的燃氣比例閥AMESIM模型是基本正確的。

3 基于AMESIM模型的仿真分析及優(yōu)化

在模型正確的基礎上，利用該模型對影響燃氣比例閥動態(tài)性能的主要參數(shù)進行仿真分析。

分析結果表明：操作閥下方至針閥閥口流動通道(18)直徑、腔室q1體積、燃氣入口調節(jié)器的彈簧剛度和主切斷閥閥口面積對燃氣比例閥動態(tài)性能的影響較為明顯，但是其他的因素也不可以忽略，燃氣比例閥的動態(tài)性能的改善是各個因素共同作用的結果，應該綜合考慮。

根據(jù)仿真分析得到的規(guī)律對模型進行改進，原參數(shù)和改進后的參數(shù)如下表所示：

表1 模型參數(shù)對比

圖6為模型參數(shù)改進后燃氣比例閥的動態(tài)性能曲線。

圖6 模型參數(shù)改進后燃氣比例閥的動態(tài)性能曲線

比較兩次模擬結果可以看出，參數(shù)改進后燃氣比例閥的動態(tài)性能有明顯提高，主要表現(xiàn)為壓力超調量大大減少，燃氣比例閥的出口壓力波動幅度降低，過渡時間也有一定程度的減少。

3 結語

(1)研究中使用了系統(tǒng)仿真軟件AMESIM，利用該軟件所建立的模型和研究方法對于其它氣動元件的研究具有一定的參考意義，可以擴展該模型的應用。

(2)在條件允許的情況下，可以改變燃氣比例閥的結構參數(shù)，并進行進一步的實際研究，這樣既可以進一步驗證模型的有效性和正確性，也可以為仿真軟件的優(yōu)化提供一定的指導作用。

Research on the Mathematics Modeling and Dynamic Characteristics of Gas Proportional Valves

Tongji University Qi Yateng Deng Yucai Hu Biao Lin Lichun Feng Liang

To improve the characteristics of the gas proportional valve and for a better application, simulation modeling with AMESIM software has been introduced to find the factors affecting its properties, and measures have been made to improve its characters, and results show that the performance of the new gas proportional valve improved is better than the old one.

gas proportional valve, premix combustion, AMESIM, dynamic characteristics, air-gas ratio