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基于AMESim的CNG发动机高压减压阀建模与分析(二)

3 模型仿真
为得到本论文关心的天然气高压减压阀的静态特性、动态特性。利用AMESim 软件提供的AMESim Design exploration module功能模块对天然气高压减压阀模型进行了研究。
为了得到天然气高压减压阀的静态特性,首先,在AMESim export module中设定input parameters和simple output parameters,然后,运行design exploration,新建一个DOE项目,而后,设定controls和responses运行参数,最后,绘出main effect diagram图。
静态特性可以综合描述阀门的活动灵敏性、密封性以及设计的合理性,这些问题所反映出的设计是否合理,最终均可反映在气体减压阀的出口压力偏差大小上。通过设置输出节流口的孔径为1mm其到限流圈的作用,改变天然气气源的工作压力(5-25Mpa)得到输出节流口上游的压力变化,从而绘制出其静态特性曲线如图3,从图中可看出同设定值之差极小。图3中的下降趋势说明,流量下降同时压力也下降。

图3 天然气高压减压阀静态特征

动态特性是主要描述天然气高压减压阀工作稳定性,如果设计不合理,天然气高压减压阀在工作过程中会出现不稳定的振动现象,表现在出口压力产生大幅波动,并伴有严重噪音,甚至使零部件失效。通过设置模拟开关的阶跃时间(3S之后),可以得到输出节流口上游由于气源压力突变时的响应如图4。从图中可见,由于在活塞质量中加入了比较大的阻尼,从而减小了阀芯的振动。图5为阻尼较小情况下输出口压力产生剧烈的振动。图中需说明是在2S之前出现的下降趋势,是由于AMESim在进行数值计算时为了加快运算的速度,人为的将计算静态工作点的功能关掉所致。不会影响整体的计算精度。在图4和图5中,在3S之后出现的一个缓坡是由于在输出节流口上游存在一个小的封闭体积,在压力突变来到之后,会在这个区域内产生短暂的压力降低。

图4 天然气高压减压阀动态性能(大阻尼)
图5 天然气高压减压阀动态性能(小阻尼)

实际上,天然气高压减压阀在静态特性曲线上的表现,要陡峭的多,在模型中因为忽略了相当多的实际的影响因素,比如阀内的泄漏等,所以模型在特性曲线上要理想的多;在动态特性上,出现较大的超调,因为在模型当中对一些小的扰动忽略掉,只考虑了比较简单的库仑摩擦,故而在曲线的振动上与实际有些区别,但不大。

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