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基于AMESim的CNG发动机高压减压阀建模与分析(一)

预混合式天然气发动机工作所需要的天然气为低压天然气,必须经过多级减压过程,天然气高压减压阀就是将高压气瓶输出的天然气减压到较安全的中低压,以降低对其后各机构和管路系统密封性及零部件需压强度的要求。一般经过高压减压后的天然气一般在0.5-1.2Mpa范围内。
1 减压阀工作原理
天然气高压减压阀主要包括:阀芯、阀座、阀体、橡胶膜片、平衡弹簧、调节弹簧、顶杆等如图1。整个机构中压力调节弹簧、橡胶膜片通过顶杆作用在阀芯上的力、平衡弹簧作用于阀芯上的力,三者保持平衡,并由这些元件构成一个闭环调节系统。当进入气体减压阀的高压气体压力和流量发生变化时或当输出气气体压力和输出流量发生变化时,阀芯受力平衡被破坏,在橡胶膜片、调节弹簧和平衡弹簧的作用下上下移动,改变阀芯与阀座之间的节流面积,从而保持出口压力的稳定。

图1 天然气高压减压阀

2 天然气高压减压阀的建模
天然气高压减压阀采用AMESim软件(Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System)进行建模,AMESim为流体动力(流体及气体)、机械、热流体和控制系统提供了一个完善、优越的方针环境及最灵活的解决方案。相对于基于传统的流量连续性方程、力平衡构建的模型来说,AMESim软件建模更加精确,实用性更强。模型如图2所示。
此模型包括AMESim中的气压、机械模型库中的子模型。依据天然气高压减压阀的具体的物理结构、工作原理、研究时关心的现象等选择尽量简化的数学模型。模型具体情况介绍如下:
在模型中提供部件1、2、3形成理想的气源和开关阀,通过设定气源的工作压力能在5-25Mpa范围内变化,提供绘制静态特性曲线的压力源;通过改变3的阶跃时间可以提供绘制动态特性曲线的阶跃的压力源。部件13在整个实验当中提供限定流量作用。部件5、6、8、9、10、11组成整个天然气高压减压阀的本体。部件5模拟从低压腔B到平衡腔C的通道的节流作用;部件6模拟平衡弹簧和与顶杆形成的封闭平衡腔C;部件8模拟阀的运动部件质量块和彼此之间的摩擦作用(包括静摩擦、动摩擦);部件9模拟阀的低压腔B(包括橡胶膜片和顶杆);部件10模拟阀芯和阀座组合(包括高压腔A)通过设定节流口的尺寸可以准确地改变整个装置的节流效果;部件11模拟压力调节弹簧的调节减压压力的作用,本论文中将其调整到1.17Mpa。
需要说明的是增设部件5、6的作用在于模拟平衡腔的作用,实际天然气高压减压阀主弹簧的弹簧力存在不稳定性,致使减压阀工作时出口端静压复位的重复精度较差,且在额定大流量供气情况下减压阀的出口压力波动较大。在实际的天然气高压减压阀中调节弹簧采用的是复合弹簧,为简化模型将部件11的调节弹簧的参数设置为与复合弹簧相同的一个独立弹簧;部件9中的橡胶膜片在AMESim软件的模型库中是没有相似模型的,但是由于实际天然气高压减压阀中采用了压板式的结构,在建模时将橡胶膜片简化为一个活塞部件;部件10由于阀芯与阀座之间存在着一块密封材料,而且阀座存在坡口结构,在模型中并未考虑,它们之间的泄漏现象被忽略,密封是理想的。
总之,在本模型中未考虑气体的泄漏、部件的传热特性、管路的实际长度等,使整个模型理想化。设置仿真计算时间步长设为0.001S。气源采用恒温恒压CH4源,温度为303.15K.大气压为0.1013MPa。

图2 天然气高压减压阀模型
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