同济大学 齐亚腾 邓钰才 胡 标 林立春 冯 良

燃气比例阀的数学建模和动态特性研究

同济大学 齐亚腾 邓钰才 胡 标 林立春 冯 良

为了提高燃气比例阀的性能以便于更好地对其进行推广应用，使用AMESIM软件对燃气比例阀进行仿真建模，并结合动态特性试验对影响比例阀性能的因素进行研究，结果表明操作阀下方至针阀阀口流动通道(18)直径、腔室 q1体积、燃气入口调节器的弹簧刚度和主切断阀阀口面积对燃气比例阀动态性能的影响较为明显，但是其他的因素也不可以忽略。在模型正确的基础上，针对这些影响因素进行仿真分析，并对原燃气比例阀模型进行改进。仿真结果表明，改进后的模型在性能优于原模型。

燃气比例阀 全预混燃烧 AMESIM 动态特性 空燃比

0 引言

当前，燃气行业迅猛发展，全预混燃烧技术的应用日趋广泛，为提高燃气燃烧设备热效率、降低污染物排放量，越来越多的新技术、新产品需要使用燃气比例阀来合理控制空燃比，例如恒温数码热水器等。为了更好地推广应用比例阀，就需要相关的理论知识作为技术指导。但就目前的研究状况来看，国内外对于燃气比例阀的理论研究甚少，现有的研究主要局限于比例控制方法、工作原理等方面，而对于影响燃气比例阀性能因素的研究十分有限；要改进燃气比例阀的性能，就必须研究各个元件对整体性能的影响，以及在不同元件参数组合下燃气比例阀所呈现出来的性能特性。

本文以西门子VGU8系列燃气比例阀为研究对象，提出了一种合理的研究方法，并对原模型性能特性进行优化。

1 燃气比例阀的结构及工作原理

1.1 燃气比例阀的内部结构

燃气比例阀的内部结构图见图1。

图1 燃气比例阀内部结构

1.2 工作原理

1.2.1 开启

当燃气比例阀通入电流时，主切断阀和操作阀打开，此时，燃气由腔室 q0流入燃气比例阀的腔室q1，再通过操作阀2的阀口流入腔室q2和q3，腔室q3内的压力增加，气压作用在主隔膜6上，推动调节螺栓7打开燃气入口调节器的阀口，燃气就从腔室q1通过阀口流向腔室q2，最后通过流量调节阀15流向出气口。

1.2.2 稳压

当流量调节阀前的压力pg(14处的压力)增加时，伺服膜片下的压力随即增加，伺服膜片在压差(Δp=pg-pa)作用下向上动作，空燃比调节器处的针阀的开度增大，则由K1处流向伺服膜片下的燃气流量增加，根据流量的连续性原理，由K2处流向腔室q3的燃气流量减少，q3室的压力相应地减少，主隔膜6在上下表面压差的作用下带动调节螺栓向下动作，燃气入口调节器的阀口减小，通过阀口流向腔室q2的流量减少，腔室q2的压力pg也随之减小，当 pg=pa压力达到稳定状态。当压力减少时，调节原理与之类似。

2 燃气比例阀建模

2.1 AMESIM建模

为了对影响比例阀性能的因素进行研究，首先用AMESIM软件对模型进行模拟仿真。模型分为四个主要部分，分别为燃气比例阀的主切断阀(one)、操作阀(two)、燃气入口关调节器(three)和针阀(four)等。

图2为燃气比例阀系统的AMESIM模型。

图2 燃气比例阀系统的AMESIM模型

2.2 试验研究燃气比例阀的动态特性

为了验证模型的正确性，同时也为了测试该比例阀的性能，搭建燃气比例阀的性能测试平台，利用该试验平台对燃气比例阀的动态特性进行测试。图3为燃气比例阀性能测试台示意图。

图3 燃气比例阀性能测试台示意

为了实现试验所需的数据采集和控制功能，系统采用高速压力及流量传感器，利用PCI-1710板卡和LabVIEW设计了相应的压力、流量采集和喷射器控制系统，实现压力、流量的高速采集、控制喷射器的打开/关断时间及风机出口风压的改变等，并将所采集的数据进行实时显示和存储。

在不同的风机出口压力(不同负荷)下，测试燃气比例阀的动态性能曲线，风机出口压力分别为0.50 kPa、0.80 kPa，仿真曲线与试验曲线的比较分别如图4、图5：

图4 风机出口压力为0.5 kPa时的动态性能曲线

图5 风机出口压力为0.8 kPa时的动态性能曲线

从图4、图5中可以看出，模拟曲线和试验曲线在燃气比例阀出口压力的整体变化趋势上具有较好的一致性，模型能够较为真实地反映燃气比例阀的实际运行情况，证明所建立的燃气比例阀AMESIM模型是基本正确的。

3 基于AMESIM模型的仿真分析及优化

在模型正确的基础上，利用该模型对影响燃气比例阀动态性能的主要参数进行仿真分析。

分析结果表明：操作阀下方至针阀阀口流动通道(18)直径、腔室q1体积、燃气入口调节器的弹簧刚度和主切断阀阀口面积对燃气比例阀动态性能的影响较为明显，但是其他的因素也不可以忽略，燃气比例阀的动态性能的改善是各个因素共同作用的结果，应该综合考虑。

根据仿真分析得到的规律对模型进行改进，原参数和改进后的参数如下表所示：

表1 模型参数对比

图6为模型参数改进后燃气比例阀的动态性能曲线。

图6 模型参数改进后燃气比例阀的动态性能曲线

比较两次模拟结果可以看出，参数改进后燃气比例阀的动态性能有明显提高，主要表现为压力超调量大大减少，燃气比例阀的出口压力波动幅度降低，过渡时间也有一定程度的减少。

3 结语

(1)研究中使用了系统仿真软件AMESIM，利用该软件所建立的模型和研究方法对于其它气动元件的研究具有一定的参考意义，可以扩展该模型的应用。

(2)在条件允许的情况下，可以改变燃气比例阀的结构参数，并进行进一步的实际研究，这样既可以进一步验证模型的有效性和正确性，也可以为仿真软件的优化提供一定的指导作用。

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