基於AMESim的CNG發動機高壓減壓閥建模與分析—新聞中心—3D動力網-中國3D門戶

06-21

基於AMESim的CNG發動機高壓減壓閥建模與分析【3D動力網】建立了天然氣發動機高壓減壓閥的AMESim模型。對該模型的建立過程進行了詳細的闡述,並且進行了靜態和動態模擬，通過模擬得到了靜態特性曲線和動態特性曲線，同時通過對這些曲線的分析,闡釋了模型與實際天然氣高壓減壓閥在靜態和動態特性上的差異。這種差異主要表現在對實際的天然氣高壓減壓閥建模時的理想化上,但是這些存在的差異並未改變其總體的態勢。模擬結果表明這個模型是可以接受的。　預混合式天然氣發動機工作所需要的天然氣為低壓天然氣，必須經過多級減壓過程，天然氣高壓減壓閥就是將高壓氣瓶輸出的天然氣減壓到較安全的中低壓，以降低對其後各機構和管路系統密封性及零部件需壓強度的要求。一般經過高壓減壓後的天然氣一般在0.5-1.2Mpa範圍內。

　　1減壓閥工作原理

　　天然氣高壓減壓閥主要包括：閥芯、閥座、閥體、橡膠膜片、平衡彈簧、調節彈簧、頂桿等如圖1。整個機構中壓力調節彈簧、橡膠膜片通過頂桿作用在閥芯上的力、平衡彈簧作用於閥芯上的力，三者保持平衡，並由這些元件構成一個閉環調節系統。當進入氣體減壓閥的高壓氣體壓力和流量發生變化時或當輸出氣氣體壓力和輸出流量發生變化時，閥芯受力平衡被破壞，在橡膠膜片、調節彈簧和平衡彈簧的作用下上下移動，改變閥芯與閥座之間的節流面積，從而保持出口壓力的穩定。

　　2天然氣高壓減壓閥的建模

　　天然氣高壓減壓閥採用AMESim軟體（AdvancedModelingEnvironmentforPerformingSimulationsofEngineeringSystem）進行建模，AMESim為流體動力（流體及氣體）、機械、熱流體和控制系統提供了一個完善、優越的方針環境及最靈活的解決方案。相對於基於傳統的流量連續性方程、力平衡構建的模型來說，AMESim軟體建模更加精確，實用性更強。模型如圖2所示。

　　此模型包括AMESim中的氣壓、機械模型庫中的子模型。依據天然氣高壓減壓閥的具體的物理結構、工作原理、研究時關心的現象等選擇盡量簡化的數學模型。模型具體情況介紹如下：

　　在模型中提供部件1、2、3形成理想的氣源和開關閥，通過設定氣源的工作壓力能在5-25Mpa範圍內變化，提供繪製靜態特性曲線的壓力源；通過改變3的階躍時間可以提供繪製動態特性曲線的階躍的壓力源。部件13在整個實驗當中提供限定流量作用。部件5、6、8、9、10、11組成整個天然氣高壓減壓閥的本體。部件5模擬從低壓腔B到平衡腔C的通道的節流作用；部件6模擬平衡彈簧和與頂桿形成的封閉平衡腔C；部件8模擬閥的運動部件質量塊和彼此之間的摩擦作用（包括靜摩擦、動摩擦）；部件9模擬閥的低壓腔B（包括橡膠膜片和頂桿）；部件10模擬閥芯和閥座組合（包括高壓腔A）通過設定節流口的尺寸可以準確地改變整個裝置的節流效果；部件11模擬壓力調節彈簧的調節減壓壓力的作用，本論文中將其調整到1.17Mpa。

　　需要說明的是增設部件5、6的作用在於模擬平衡腔的作用，實際天然氣高壓減壓閥主彈簧的彈簧力存在不穩定性，致使減壓閥工作時出口端靜壓複位的重複精度較差，且在額定大流量供氣情況下減壓閥的出口壓力波動較大。在實際的天然氣高壓減壓閥中調節彈簧採用的是複合彈簧，為簡化模型將部件11的調節彈簧的參數設置為與複合彈簧相同的一個獨立彈簧；部件9中的橡膠膜片在AMESim軟體的模型庫中是沒有相似模型的，但是由於實際天然氣高壓減壓閥中採用了壓板式的結構，在建模時將橡膠膜片簡化為一個活塞部件；部件10由於閥芯與閥座之間存在著一塊密封材料，而且閥座存在坡口結構，在模型中並未考慮，它們之間的泄漏現象被忽略，密封是理想的。

　　總之，在本模型中未考慮氣體的泄漏、部件的傳熱特性、管路的實際長度等，使整個模型理想化。設置模擬計算時間步長設為0.001S。氣源採用恆溫恆壓CH4源，溫度為303.15K.大氣壓為0.1013MPa。

　　3模型模擬

　　為得到本論文關心的天然氣高壓減壓閥的靜態特性、動態特性。利用AMESim軟體提供的AMESimDesignexplorationmodule功能模塊對天然氣高壓減壓閥模型進行了研究。

　　為了得到天然氣高壓減壓閥的靜態特性，首先，在AMESimexportmodule中設定inputparameters和simpleoutputparameters，然後，運行designexploration，新建一個DOE項目，而後，設定controls和responses運行參數，最後，繪出maineffectdiagram圖。

　　靜態特性可以綜合描述閥門的活動靈敏性、密封性以及設計的合理性，這些問題所反映出的設計是否合理，最終均可反映在氣體減壓閥的出口壓力偏差大小上。通過設置輸出節流口的孔徑為1mm其到限流圈的作用，改變天然氣氣源的工作壓力（5-25Mpa）得到輸出節流口上游的壓力變化，從而繪製出其靜態特性曲線如圖3，從圖中可看出同設定值之差極小。圖3中的下降趨勢說明，流量下降同時壓力也下降。