（载运工具运用工程专业论文）压缩天然气汽车减压器建模与仿真.pdf

摘要随着石油资源供给与消费矛盾的f l 趋加剧，汽车排放对环境污染的影响增大，世界各国从能源战略和环境保护出发，积极探求发展石油替代燃料，其中天然气作为代用燃料在汽车上已得到了广泛推广和应用。天然气汽车简称n g v ( 即以压缩天然气弋n g 、液化天然气一l h g 为燃料的车辆) 由于它排放性能好，可调整汽车燃料结构，运行成本低、技术成熟、安全可靠，所以被世界各国公认为理想的替代燃料汽车。调压器是压缩天然气汽车燃料供给系统中非常重要的组成部分，它的主要功能是将高压天然气逐级减压至发动机允许的气体燃料压力范围。目前国内在调压器的结构设计工作中，较多是从实际试验着手确定和调整其设计参数，而从数学建模角度分析减压器各参数对其工作性能影响以及参数优化方面较为不足。为了掌握减压器的结构参数对其性能的影响，本文采用了理论分析和模型建立相结合的方法进行了研究，减压器内部气体状态变化和阀门可运动部件分别建立了物理模型和数学模型，利用m a t l a b 数学分析仿真软件结合系统控制原理中评价系统稳定性和速度响应能力的性能指标要求，针对模型中改变减压器结构参数带来的影响进行了减压室内压力变化曲线仿真和结构参数性能分析，并基于所建模型给出参数选取的合理范围。研究结论对今后减压器设计工作中优化结构参数，提高工作效率有一定的参考价值。关键词：天然气汽车，减压器，建模，仿真a b s t r a c ti nr e c e n ty e a r s ，g o v e r n m e n t so fc o u n t r i e so ft h ew h o l ew o r l dh a v eb e e ns e e k i n gf o ras o l u t i o nt ot h ed il e m m ab e t w e e nt h ea i rp o l l u t i o nr e s u l t e df r o mr e p a i dg r o w t ho fv e h i c l ep o s s e s s i v eq u a n t i t ya n dt h ec h a n g eo fv e h i c l ef u e ls t r u c t u r e ，f o rw h i c hn a t u r a l g a s d r i v e nv e h i c l ei sb e i n ge n c o u r a g e dg r e a t l yi nm o s tc o u n t r i e s n a t u r a l g a s d r i v e nv e h i c l ei sg e n e r a l l ya b b r e v i a t e da sn g v ( n a m e l ys u c hv e h i c l ei sd r i v e nb yp u r e l yc o m p r e s s e dn a t u r a lg a s c n g ,l i q u e f i e dn a t u r a lg a s l h g ) f o ri t sb e t t e re m i s s i o np e r f o r m a n c e ，n g vi sg o o df o rr e f o r m i n gc u r r e n tv e h i c l ef u e ls t r u c t u r ew i t hl o w e rr u n n i n gc o s t ，r i p et e c h n o l o g ya n ds t a b l ef u n c t i o n ，s ot h a ti th a sb e e na c c e p t e da st h eb e s tc h o i c ef o rs u b s t i t u t et og a s o l i n e - d r i v e nv e h i c l e d e c o m p r e s s o ri sam o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ef u e ls u p p l ys y s t e mo fc n g v , w h o s em a j o rf u n c t i o ni sl e v e lb yl e v e lt od e c o m p r e s st h eh i g h l yc o m p r e s s e dn gt oad e g r e ef o rg a sf u e lp r e s s u r ed e g r e et h a ti sa c c e p t a b l ef o rt h ee n g i n e h o w e v e r , a st ot h ed e c o m p r e s s o rs t r u c t u r ed e s i g ni nc h i n a ，i ti sr a r et oa n a l y z et h ee f f e c to fd e c o m p r e s s o r ss t r u c t u r ep a r a m e t e ro ni t sp e r f o r m a n c ei nt h ev i e w p o i n to fm a t h e m a t i c sm o d e l i n g ，r a t h e rt h a nd e t e r m i n ea n dr e g u l a t et h ed e c o m p r e s s o r ss p e c i f i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e rt h r o u g hp r a c t i c a lt r y o u t i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ee f f e c to ft h ed e c o m p r e s s o r ss t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ni t sa c t u a lw o r k i n gp e r f o r m a n c e ，t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e st h em e t h o do fc o m b i n i n gt h e o r ya n dm o d e l i n ga n a l y s i st ot h es t u d y , s e t su pp h y s i c a la n dm a t h e m a t i cm o d e l sr e s p e c t i v e l yf o rt h et r a n s f o r m a t i o no fi n n e rg a sa n dt h em o v a b l ep a r t so fv a l v e si nt h ed e c o m p r e s s o r , a n dt h r o u g hu s i n gt h em a t l a bm a t h e m a t i ca n a l y s i se m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt a k i n gs u c hp e r f o r m a n c ei n d e xr e q u i r e m e n ta sf o re v a l u a t i n gt h es y s t e m a t i cs t a b i l i t ya n dt h ev e l o c i t y si n f l u e n c ec a p a b i l i t yo fs y s t e m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l ei n t oc o n s i d e r a t i o n ，m a k e sp r e s s u r ev a r i a t i o nc u r v ee m u l a t i o na n ds t r u c t u r ep a r a m e t e rp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rt h ee f f e c tf r o mc h a n g i n gt h ed e c o m p r e s s o r ss t r u c t u r ep a r a m e t e ri nt h em o d e l s ，t h e nb a s e do nt h em o d e l se s t a b l i s h e d ，r e c o m m e n d sar e a s o n a b l er a n g ef o rt h eo p t i o no fp a r a m e t e r t h ec o n c l u s i o no ft h es t u d yi naw a yc a ns e r v ea sar e f e r e n c ef o ro p t i m i z i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ra n di m p r o v i n gw o r ke f f i c i e n c yo ft h ed e c o m p r e s s o ri nf u t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：n g v , d e c o m p r e s s o r , m o d e l i n g ，e m u l a t i o n论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文l ，不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。敝作者虢蝴中肿厂月目论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)敝作者虢旅贰卞导师签名：习蟋沙妙年厂月日哺夕年6 月z 同 = = 安人学硕卜学化论义第一章绪论弟一早珀i 匕1 1 天然气汽车概述世界范围内石油资源短缺和生态环境恶化是2 1 世纪人类面临的主要问题，能源的短缺将直接影响各国经济的持续发展，而环境污染则直接威胁着人类的健康和生存环境。天然气是当今世界能源的重要组成部分，它与煤炭、石油并列为世界能源的三大支柱。掘研究资料显示，按世界汽车保有量发展趋势测算，世界己探明的石油储量，按汽车现在消耗的速度，还能支撑4 0 - - 7 0 年。而己探明的天然气储量已达1 4 0 万亿立方米，可供全世界使用1 5 0 年以上。从这个意义上讲，世乔上很多国家的能源专家称，2 l 世纪是天然气的世纪，天然气汽车是2 l 世纪汽车工业发展的一个重要方向。1 1 1 天然气的基本物理性质天然气以甲烷为主要成分，是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的可燃气，是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。天然气的主要物理性质和车用天然气的标准要求如下。( 1 ) 天然气的密度：天然气的密度是指单位体积天然气的质量，以k g m 3 表示。天然气是多组分的混合物，各组分的密度也不相同。在地而标准状态下，天然气混合物的密度一般为o 7 o 7 5 k g m 3 ，密度随重烃含量增多而增大。某些油f 日伴生气的密度可达1 5 k g m 3 。密度随压力增高而增大，随温度增高而变小。( 2 ) 天然气的粘度：粘度足指气体分子内部质点发生相对运动时的摩擦阻力，是研究气体的运移、评价开采、运输条件的重要参数，常用动力粘度( 绝对粘度) 表示，单位采用p a s o 粘度大小与化学组成及其所处环境有关。在标准状况下，分子量增加，天然气粘度变小，而随着温度升高，其粘度则增大，粘度越大，阻力越大，从而导致气体流动性不佳。在低压下和高压下粘度变化规律各不相同，在气体压力接近大气压的情况f ，气体的粘度与压力几乎无关，气体的粘度随温度的升高而增大，随相对分子量的增大而降低，而高压状态则有较大的不同，随压力的升高而增大，随温度的升高而减小，随相对分子量的增加而增加。( 3 ) 天然气的压缩性和溶解性：天然气是可压缩的，同体积的天然气，在地面与地下密度不同，重量也不同。天然气可溶于水和石油，但易于与石油互溶而与水不易互溶。如甲烷，在原油中的溶解系数为0 3 ，而在水中的溶解系数仪为0 0 3 3 ，两者可相差达一个数量级。影响天然气溶解性的主要因素是压力，而温度对天然气的溶解性的影响第一章绪论则比较复杂。( 4 ) 天然气的压缩因子：在一定温度和压力条件下，一定质量的天然气体实际占有体积与在相同条件下作为理想气体占有的体积之比，称为天然气的压缩因子。天然气的压缩因子随气体组成、温度和胍力的变化而变化，工程上运用对应状态原理证实：在相同的对应状态下( 拟对比参数棚等) ，任何天然气的压缩因子几乎相等。天然气压缩因子的确定方法有查表法，通过取气样用实验方法来测定和利用相关计算公式用计算机计算确定的方法。1 1 2 我国天然气工业的发展天然气在自然界贮存于地壳的岩石圈中、煤层中或以水合物形式臧于地层和海洋深处，是资源量比石油还丰富的石化能源。随着我国经济持续快速增长，各类能源消费成倍增长，我国己成为仅次于美国的第二大能源消费国，但是天然气在能源消耗中所占比重较低，仅为全球平均水平的十分之一。加大我国天然气的利用，替代或部分替代石油燃料，缓解我国石油供需矛盾，具有深远的能源战略意义。2 0 世纪初中国一直被认为是油气资源匮乏的国家，经过半个多世纪的努力，对这一论断终于有了根本的改变，中国发现了大量的油气资源【2 】。虽然在世界天然气资源量和可开采量中我国占有比率不占据前列，但我国仍然属于天然气资源比较丰富的国家之列。我国常规天然气资源量为4 0 万亿立方米，另外，还有丰富的非常规天然气资源，如煤层气和天然气水合物等。其中陆上占7 9 ，海上占2 1 。特别是“八五”以来，中国天然气储量快速增长，但由于我国石油资源已经不能满足经济发展的需要，我国己成为油品进口国，并且进口比重在不断上升。由于天然气具有良好的发展前景，中国和世界许多国家一样，大力开发利用天然气资源，并把开发利用天然气作为能源发展战略的重点之一；2 0 0 1 年中国天然气产量达3 0 3 0 2 亿立方米，较上年有大幅增长，增幅达1 1o 6 0 ；2 0 0 2 年继续高速增长，达到3 2 8 1 4 亿立方米，较上年增长8 2 9 0 6 0 。但在世界各国天然气产量的排名中，由于阿联酋的产量猛增，中国从第1 5 位降至第1 6 位( 世界天然气储量分布见图1 1 ) ；2 0 0 3 年，中国天然气产量约为3 4 1 2 8 亿立方米；2 0 0 4 年中国天然气产量保持稳定增长态势，全年产量达到3 5 6 亿立方米，创历史最高纪录。2 0 0 5 年，全国累计探明天然气可采储量达到3 5 万亿立方米，比2 0 0 4 年增长了2 5 。2 0 0 5 年，中国天然气产量约为4 9 9 5 亿立方米，比2 0 0 4 年增加9 1 亿立方米，增长幅度约2 2 。2 0 0 6年，全国累计探明天然气可采储量为3 8 4 万亿立方米，比2 0 0 5 年增长了1 0 。截止到2 0 0 6 年底，全国剩余天然气可采储量约为3 0 9 万亿立方米，比2 0 0 5 年增加o 2 4 万亿立2长安人学硕i ：学位论义方米，增长幅度约为8 4 。2 0 0 6 年，中国天然气工业产量为5 8 5 5 3 亿立方米，比2 0 0 5年增加8 6 0 3 亿立方米，增长约1 7 2 。2 0 0 6 年，全国天然气销售量为4 9 1 亿立方米，比2 0 0 5 年增长2 1 8 。在2 0 1 5 年前后，预计将达到1 0 以j ：【3 】。近2 0 多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在2 左右，专家预计2 0 2 0 年其在世界能源组成中的比重将会增加到3 0 左右。2 1 世纪天然气在世界能源结构中的比重将超过石油，成为世界第一大能源。未来2 0 年我国天然气需求增长速度将明显超过煤炭和石油，到2 0 1 0 年，天然气在能源需求总量中所占比重将从1 9 9 8 年的2 1 增加到6 ，到2 0 2 0 年将进一步增至1 0 ，届时我国天然气需求量估计将分别达到9 3 8 亿立方米和2 0 3 7 亿立方米。图1 1 世界天然气储量图1 1 3 天然气汽车天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车，按照天然气的化学成分和形态，主要分为压缩天然气( c n g ) 、液化天然气( l n g ) 、吸附天然气( a n g ) 燃料汽车。天然气的甲烷含量一般在9 0 以上，是一种很好的汽车发动机燃料。而天然气在发动机中燃烧的好、废气排放污染低，价格又便：宦，目前，天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料，天然气汽车已在我国和世界其他国家得到了广泛应用。由于气体燃料的能量密度较小，即单位体积燃料所含的能量较小。为了提高气体燃料的能量密度，考虑实际应用中天然产e 使用和贮备的方便性，一般足通过加压的方式充入气瓶中，根据瓶内压力和温度不同，分为压缩天然气和液化天然气，而装置两种燃料的汽车即为c n g ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ) 汽车和l n g ( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ) 汽车。根第一章绪论据j l 使用方式，压缩天然气汽车分为单燃料专用汽车、两用燃料汽车和双燃料汽车。天然4e 汽车的分类如图1 2 所示。图1 2 各种类型不同的天然气汽车( 1 ) 单燃料汽车：此类汽车的发动机以压缩天然气或液化天然气为单一燃料，不再使用其他燃油或代用燃料的汽车，此类车辆的发动机在燃料供给系统、工作循环参数、配气机构参数等方面都针对c n g 或l n g 的物化特性进行了专门设计，因此热效率较高、经济性较好。使整体性能大大提高。( 2 ) 两用燃料汽车：一般是指具有两套燃料供给系统，一套供给c n g 或l n g ，另一套供给c n g 或l n g 之外的燃料。两套燃料供给系统可分别供给燃料，但不可共同向发动机供给燃料的汽车，使用中可以在两种燃料之问进行灵活切换。此类汽车与单一燃料汽车相比，由于要兼顾两种燃料的物化特性，发动机结构参数几乎不做改造。因此在燃用天然气时热效率不高、经济性较差。( 3 ) 双燃料汽车：一般是指具有两套燃料供给系统，两套燃料供给系统按预定的酉己比向气缸供给燃料，在缸内混合燃烧的汽车。如c n g 一柴油双燃料汽车和l n g 一柴油双燃料汽车。此类车辆燃料用c n g ( 或l n g ) 为主燃料，柴油起引燃作用。此类发动机结构参数也几乎不作改动，可以在单纯燃烧柴油和天然气与柴油同时混烧两种工况灵活切换【4 1 。与作为民用燃料不同，天然气在作为车用燃料时，其燃烧条件苛刻，因此对气质的要求也很高。主要表现在：车用压缩天然气中对甲烷的纯度有要求( 对于专门设计的天然气汽车，甲烷成分不得低于9 0 、乙烷不得高于4 、丙烷不得高于1 7 、其他高碳烃系的成分综合不得高于0 7 ) ，同时要控制含水量( 以免形成水合物) 、硫含量( 主要用于控制颗粒物排放，一般不得大于1 0 p g g ) 、烯烃含量( 防止结焦堵塞喷嘴) 。表1 1是中国石油天然气总公司制定的汽车用压缩天然气技术要求的行业标准。4l ：1 友人学颂i ：学位论迁表1 1汽车用压缩天然气技术标准项目质量指标试验方法高热值( m j m 3 ) 3 1 4g b 厂rl1 0 6 2 1 9 9 8硫化氢含量( m g m 3 ) 2 0g b 厂r 11 0 6 0 1 1 9 9 8 或g b 1 1 0 6 0 2 1 9 9 8总硫含量( 以硫计) ( m g m 3 ) 2 7 0g b 厂rl1 0 6 l 一1 9 9 7二氧化碳含鼙( v 3 v 3 ) 3 0s y 厂r7 5 0 6 1 9 9 6低丁最高操作压力卜最水露点s y 厂r7 5 0 7 1 9 9 7 ( 计算确定)低环境温度5 0 c注：为确保压缩天然气的使用安全，压缩大然气应具有特殊气味，必要时加入适量臭剂，保证大然气的浓度在空气中达剑爆炸卜限的2 0 前能被察觉。气体体积在1 0 1 3 2 5 k p a 、2 0 0 c 状态卜的体积。1 2 天然气汽车的应用状况与特点1 2 1 国外应用情况为保护环境减少污染，许多国家政府颁布了一系列法规及出台一些鼓励性政策，促进燃气汽车发展，如制定更严格的汽车尾气排放标准，在天然气供应、汽车购置税费，在设备供给、加气站建设等方面给予资金、税收优惠政策。美国联邦政府1 9 9 2 年颁布的能源政策法，对于购买或改装代用燃料汽车及加气站的建设减免税做出详细规定，同时还颁稚了使用天然气的减税政策，并免征天然气公司的汽车燃料销售税。有4 0 多个州根据联邦政府的政策、法律，制定了本州有关强制和鼓励使用c n g 等清洁燃料汽车的政策和措施，推动了c n g 汽车发展和加气站建设。全世界已有4 0 多个国家拥有燃气汽车，主要分布在天然气资源丰富的意大利、新西兰、阿根廷、巴西等国家和环保法规严格的美国、同本等国。到2 0 0 5 年止，全世界已拥有天然气汽车5 1 5 万辆，天然气汽车在7 0 多个国家得到广泛推广和利用。一些国家的天然气汽车以惊人的速度发展。阿根廷在1 9 9 0 年天然气汽车还只有几十辆，到现在已发展到4 0 多万辆的规模，目前正以每月5 0 0 0 辆的速度发展。据有关部门预测，到2 0 2 0 年，世界天然气汽车将达到5 0 0 0 力辆。欧洲c n g 加气站和汽车的数量约占世界的一半。欧洲有1 1 家汽车厂生产2 2 种型号的c n g 汽车，另外有6 家发动机厂生产c n g 发动机。加气站的设备技术先进，产品遍及世界各地，但价格较贵。美国目前约有9 0 0 0 0 辆c n g 汽车，1 0 0 0 多辆l n g 汽车。公交车中c n g 汽车占7 ( 约6 3 0 0 辆) ，机场客货车也大量改用c n g 汽车。今后5 年内，将有5 0 的出租车改为单燃料c n g 汽车。在美国本土的4 8 个州中，4 6 个州都有c n g 加气站，其中仅加州就有c n g 加气站约l o o 座。美国的天然气汽车保有量正以每年5 一1 0 第一章绪论的速度增长。德国市场上车用天然气价格比车川汽油便宜近5 0 ，比车用柴油便。f j ：近3 5 ，这极人的鼓励了发展天然气汽车产业。巴西2 0 0 2 年有2 3 万辆c n g 汽车分析j 于全国1 5 个州的首府，有c n g 加气站2 8 4 座。日本现有c n g 汽车近万辆，c n g 加气站1 1 6座，c n g 汽车主要用于公交车、出租车及送货上门的服务车辆。欧美日等能源消耗大国均为研究j f ：发和推广天然气汽车投入了巨额资金，处于天然气汽车发展的前列。国际天然气车辆协会等相关机构极大的推动了各国天然气汽车的发展和应用，使天然气汽车有更好的发展前景。1 2 2 我国应用情况在我国，环境问题日益受到重视，国家对发展天然气汽车也给予了极大地关注和支持。2 0 世纪8 0 年代中期，我国引进了部分c n g 加气站设备，在四川建立了我国第一个c n g 加气站；1 9 9 3 年中国石油天然气总公司系统引进国外相关技术并于1 9 9 6 年将加气站装置和汽车改装部件引进技术国产化、技术标准规范化。1 9 9 9 年全国清洁汽车行动协调领导小组成立，启动了北京、天津、上海、西安、深圳等1 2 个试点城市地区的清洁能源推广应用工作，在c n g 汽车的推广应用和加气站建设方面取得了前所未有的成效。根据有关部门统计数字，2 0 0 5 年，我国有2 1 个省市在丌发天然气汽车、液化石油气汽车，全国拥有天然气汽车1 7 万辆，截至2 0 0 6 年底全国的天然气汽车已超过2 4万辆，加气站7 2 0 座。从发展趋势可以预计，中国今后天然气汽车新增量将达到l o 万2 0 力辆年。在国家相关政策的支持与鼓励下，随着天然气应用技术的不断完善，市场逐渐规范，加之国内其他城市供气系统和全国范围内的加气站网络建设的完善，天然气汽车必将得到大力推广，天然气汽车行业的市场空间极为广阔。1 2 3 天然气汽车的优点与缺点天然气作为车用燃料的优点主要体现在以下几个方面：( 1 ) 改善环境：机动车尾气是城市大气污染主要来源之一，其中主要有害成分是氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 、颗粒物( p m ) 等。天然气汽车比常规燃料车辆更环保。天然气是一种清洁能源，具有热值高、效率高、污染小等特点，燃烧比较完全，不易积碳，c o 、n o x 和p m 的排放量均低于汽油，并且排放尾气中不含硫化物和铅。因此可以减少污染，改善大气环境。天然气和汽油排放污染物对比见表1 2 。可以看出使用天然气作为汽车燃料与汽油作燃料相比可以大幅度减少排放，对改善6长安人学顾i j 学f t 论文城市环境有显著作用。表1 2 不同燃料排放污染物【4 】天然气比汽油汽油天然气少排放颗粒杂质( g l ( r n )0 1 20 0 74 1 6 7 i 卜e f 烷烃类( 5 1 72 4 45 2 8 0 n o x ( g l ( m )1 0 5 27 2 23 1 3 7 c o ( g & m )4 3 80 4 58 9 7 3 h c ( g , k m )2 1 0 46 3 07 0 ( 2 ) c n g 汽车有较高的安全性：天然气爆炸下限为5 ，比汽油( 爆炸下限为1 )高，甲烷燃点为6 4 5 0 c ，比汽油燃点高2 1 8 0 c ，相比不易点燃。甲烷密度低，相对密度为o 5 5 左右，泄漏的气体会很快在空气中散发，住自然环境中难以形成遇火爆燃的条件，一旦压缩天然气从储罐或管路中泄漏，泄漏点周围会立即形成低温区，使天然气燃烧困难。因此c n g 是一种比较安全的汽车燃料。天然气汽车的钢瓶是高压容器( 2 0 m p a ) ，其材质及制造、检验试验在各国均有严格的规程控制，在我国有汽车用压缩天然气钢瓶标准( g b l 7 2 5 8 - - 1 9 9 8 ) 。钢瓶安装有防爆设施、减压器、阀门等设备，严密度标准高，供气系统安全可靠，不会因汽车碰撞或翻覆造成失火或爆炸，而汽油汽车的油箱系非压力容器，着火后容易爆炸。、( 3 ) 使用天然气汽车有利于缓解能源紧张的供需矛盾：我国经济正处于高速发展阶段，汽车数量以1 0 0 力辆年以上的速度递增，对汽油资源需求随之大量增加，我国每年需要进口大量原油、成品油和l p g 。使用燃气汽车可优化汽车燃料供应结构，改变了汽车燃料只有汽油、柴油的格局，既缓解了汽油供应紧张的问题又满足交通事业发展的需要。( 4 ) 可延长发动机寿命：天然气容易扩散，以气态进入发动机，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全；可以提高热循环效率，加快燃烧速度，充分利用燃烧热能；同时c n g 辛烷值高，抗暴性能好，使用时不需要添加抗暴剂，不会稀释润滑油，因而使发动机气缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。( 5 ) 有较高的经济效益：天然气汽车与燃油汽车相比能源费用可节省3 9 7 - - 5 8 5 维修费用年均降低5 0 以上，大大降低了运行成本和保养费用，具有明显的经济效益。( 6 ) 有利于改善我国能源结构：我国以天然气替代石油具有巨大的现实发展空间。预计到2 0 1 0 年，天然气在我国能源消费结构中的比重，将由目前的2 提高到8 左7第一章绪论右。目前，全国汽车年耗油量约1 1 亿吨，占石油消耗量的4 0 。如果将2 0 的汽车改为c n g 燃料，每年耗用天然气约2 4 2 亿立方米，可替代历i 油2 2 0 0 万吨，占我国目前石油年消耗量的7 5 ，占年石油进口量的2 2 ，对国家能源结构调整战略贡献巨大【4 1 。然而天然气作为车刚燃料也有一些缺点：( 1 ) 由于气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油车短。由于气体燃料在气缸中的可燃混合气旱占有一定的容积( 汽油机气缸中流体燃料所占容积忽略不计) ，在同样的气缸工作容积下，用天然气作燃料时作的功少。而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，因而汽油汽车在改用天然气后功率往往会下降1 0 - - - 2 0 _ 1 1 右。一般柴油汽车如果用“双燃料”方式改装燃用天然气，则不会出现这种现象，但改装件的结构较为复杂。( 2 ) 由于目前的天然气汽车大多是在原来的汽油车或柴油车的基础上改装的，原来汽油机或柴油机的燃料系统大多保留。这样，要在原汽车的增加天然气燃料系统，特别是气瓶使汽车的有效空间减少，本身的自重也增加了。( 3 ) 天然气是气态燃料，不容易储存和携带。为此，需要加压或液化以便装瓶，还需要建造比汽油、柴油加油站投资都大的加气站，并形成一定的网络，一次性投资较大。( 4 ) 将现有的汽车改用天然气作燃料时，需增加发动机燃料系统的部件，如储气瓶、减压阀、混合器等，需要一定的改车投资h 4 1 。虽然天然气作为车用燃料有以上的不足之处，但从总的经济和社会效益分析，用天然气作为汽车燃料还是利大于弊，天然气汽车在社会生活和工业生产中将会得到广泛应用。1 3 研究背景和现状由于石油价格近年来屡创新高，代用燃料越来越受到我国重视。天然气储量大，能保证燃料长期稳定供应，而且燃烧洁净，排放有害物质低，因而是诸类代用燃料中最有前景的一种。为缓解天然气供需矛盾，优化天然气使用结构，促进节能减排工作，国家发展改革委研究制定的天然气利用政策于2 0 0 7 年8 月3 0 同正式颁布实施。天然气利用政策中提到天然气汽车( 尤其是双燃料汽车) 被列为优先发展项目。但是近几年我国天然气汽车的发展一直处于“不温不火”的平淡状态。现在天然气利用政策明确支持发展天然气汽车，预示着我国会逐渐加大对天然气汽车应用的研究，然而，天然气在汽车上的应用技术尚不完善，特别是天然气汽车的r长安人学硕l ：学位论文核心部件一减压器结构参数的设计和优化还不能满足实际应用要求。对于发展天然气汽车实际中遇到的一些问题，经过查阅相关文献发现我国1 1 j 前尚缺乏针对天然气汽车减压器内部气体状态变化的数学分析模型，也没有深入探究减口i 器结构参数的改变对气体的状态变化影响。目前的方法多是通过反复试验来获得较理想的减压器工作特性。这给减压器设计工作带来一定的难度，主要体现在设计过程中因为没有适用的模型分析而造成大量人力、物力、时间的无谓消耗，而且很多实际产品并不能很好的满足发动机实际运行中针对不同工况条件下的需求。1 4 主要研究内容本文旨在结合流体力学、发动机燃料供给系统、系统建模、m a t l a b 软件等相关知识针对不同的结构参数对减压器的工作状态的影响建立数学分析模型，希望能够通过模型可以给减压器的实际设计工作提供理论依据。本文主要内容主要包括以下几个方面。( 1 )介绍我国天然气工业发展和国内外天然气汽车应用情况；( 2 ) 天然气汽车减压器的结构和工作原理；( 3 ) 介绍建模过程中应用到的理论知识并建立减压器模型；( 4 ) 根据减压器结构和工作条件提出假设条件，利用流量方程、连续性方程、气体状态方程、动力学方程建立描述减压器动念特性的微分方程组：( 5 ) 基于m a t l a b 软件，将数学模型转化为仿真模型；( 6 ) 结合系统控制理论分析改变减压器结构参数对减压器性能的影响；9第_ 二章胩缩天然气汽车发动机的燃料供给系统第二章压缩天然气汽车发动机的燃料供给系统2 1 混合气预混供给系统的组成汽油压缩天然气两用燃料发动机是当前应用较广泛的一种气体燃料发动机。目前，气体燃料预混合供给形式有两大类：混合器预混合供给系统和电控喷射混合供给系统，随着汽车电控技术的不断发展，电控喷气技术将会成为未来的首选供气方式。混合器预混合供气方式结构示意如图2 1 所示。图2 1进气道混合器预混两用燃料发动机供给系统示意图如图2 1 所示，天然气( 额定工作压力2 0 m p a ) 从高压气瓶内通过供气阀到达天然气切断电磁阀处，充气瓶口处是一个单向充气阀，可以与加气站的充气枪对接对气瓶进行充气，同时汽油经油泵从油箱中泵送到达汽油切断电磁阀处。燃料的供给选择则由油气转换丌关控制，当开关处于“气”的位置时，汽油电磁阀将汽油通路切断，同时天然气电磁阀打开，于是天然气就通过供气阀、电磁阀、多级减压器和混合器进入进气管，与空气混合。供气阀是一个手动截止阀，供气总系统要依靠该阀门来控制。压力表则用来显示此时储气瓶内的天然气压力，装在车辆驾驶室表盘上的气量显示器可以显示气瓶的剩余气量，以提示驾驶员是否需要充气，发动机运行过程中依靠减压器和混合器的配合来满足不同工况对混合气浓度的要求。由于天然气具有较高的辛烷值，并且着火延迟期较长，为了更好地发挥天然气的优势，以提高发动机功率，需要加大发动机的点火提前角，所以还有一个点火时刻转换装置( 图中未画出) ，其作用是在断油通气时和断气通油时自动相应的改变点火提散角以适应当前燃料的燃烧特性。电控喷射预混合燃料供给系统如图2 2 所示，该供气方式是将气体喷射器布置在进1 0长安人学硕i ：学位论文气歧管进7 阀自订方，可实现对发动机每一缸的定时定量供气，通常称之为电控多点气体喷射系统。它可以减轻和消除由于气门重叠角存在造成的燃气直接逸出、排放恶化和燃料浪费等不良影响。进气阀处喷射由于可以由软件严格控制气体喷射时间与进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现定时定量供气和分层进气。根据发动机转速和负荷，更准确地控制发动机功率、效率和废气排放有重要影响的空燃比指标，实现稀薄混合气燃烧，更进一步提高发动机的动力性、经济性，以及更进一步改善排放特性。进气阀处喷射的高速电磁阀是基本部件，同时配置有电控单元e c u 实施控制。燃气喷射器的结构和工作原理均与汽油喷射系统的电磁喷射器类似，通过对喷射器的电磁线圈的通断电来控制阀门的开断。图2 2电控喷射预混两用燃料发动机供给系统示意图2 2 减压器结构和功能介绍2 2 1 结构分类减压器按阀芯的作用方式、加载方式、输出精度、敏感元件形式以及是否卸荷可以分为以下几类：( 1 ) 按阀芯的作用方式和是否卸荷分j 下向式减压器：即高压气体的流动方向与阀芯开启的方向一致。其结构简单，阀片上直接受高、低压腔压力作用，具有单调下降的工作特性，当进口压力变化大时低压压力偏差大，适用于小流量和稳压精度不高的情况。反向式减压器：即高压气体的流动方向与阀芯的开启方向相反。其结构简单，具有先第二章压缩天然气 ，i 1 发动机的燃料供给系统上升历下降的特性，适用于大流量的减压器。当阀芯面积与敏感元件面积之比很小时，也可达到较高的稳压精度。卸荷萨向式减压器：为了维持被调压力不变而达到稳定流量的能力，减压器设计成控制流量 的方式，增加了高压的卸荷装置。其阀芯的开启方式同正向式减压器，具有精度高、流量大的特点，但是结构复杂。卸荷反向式减压器：为了维持被调压力不变而达到稳定流量的能力，减压器设计成控制流量的方式，增加了高压卸荷装置。其阀芯的开启方式同反向式减压器，具有精度高、流量大的特点，但是结构复杂。( 2 ) 按加载方式分弹簧加载减压器：加载元件为弹簧，结构简单，适用于精度要求不高的情况。气压加载减压器：设置了专门的加载腔，通过稳定加载腔的压力获得较高的稳压精度，结构复杂。恒压加载式的减压器是气压加载减压器的一种。( 3 ) 按敏感元件分膜片式：适用于低压、小流量的工况。膜盒式：适用于大流量，低出口压力的工况。枉塞式：适用于高压、大流量的工况。减压调节器是天然气汽车燃料供给系统中核心及关键部件，其对压力的调节对供气系统与发动机的匹配具有重要影响，它的性能优劣，将直接影响整车的性能。本文中所讨论的减压器为卸荷正向式。2 2 2 减压器工作原理和性能( 1 ) 减压器工作原理：减压器工作原理简图如图2 3 所示，不考虑温度变化的理想气体状态方程，当气体质量不变时，p l v l = p 2 v 2 ，即气体体积增大，气体压力减小，二者成反比。根据这个原理设计了减压器，每级减压器由进气阀、减压室、阀门丌闭调节装置和出气阀等组成。前一级出气阀为下一级减压室的进气阀。高压气体由进气阀进入减压室，体积膨胀，当气体作用于膜片的推力与调节弹簧的弹力合力大于进气阀门丌启力时，进气阀门又被关闭。使减压室内压力不再增高，当气体从出气阀流出时，减压室内压力降低，气体作用于膜片的推力与调节弹簧的弹力合力小于进气阀门开启力时，进气阀又被打开，如此周而复始，使本级减压器减压室内压力稳定在额定压力，以达到减压的目的。减压器的：作原理实质是，调节进入减压室内的气体流量。使气体体积膨胀增大，来达到降低气体1 2长安人学坝i ：学位论文压力的i j 的。弹簧p 。下图2 3 减压器工作原理简图膜片( 2 ) 减压器的功能：1 ) 减压功能将高压天然气减压变成o 1 1 3 k p a 的低压天然气，使用文丘里管要求减压器输出压力为负压，而使用比例调节混合器时要求减压器输出压力为o 1 1 3 k p a 。；2 ) 流量调节功能减压器输出流量随发动机工况变化而变化，应能够提供足够的天然气，目前国内外大多数车用燃气的调节装置都是根据发动机吸力变化而调节流量变化。发动机转速高吸力大时，减压器各阀门开度变大，反之则减小。3 ) 加热天然气功能由于天然气减压时气体体积膨胀，就必然会产生吸热现象，使气体周刚温度降低。若天然气中水露点较高，就会在阀口周f 罚产生冰堵，严重时会损坏阀门。因此减压器为了使天然气加热稳定性好，大多数采用发动机循环热水加热减压器壳体，克服阀口冰堵现象。4 ) 保护功能由于减压器最高输入压力达到2 0 m p a ，为防止阀口出现内泄漏，使减压室内压力过高而引起壳体爆裂，所以在一级减压室设置安全保护装置，该装置应在超过减压室设定压力一定程度后，丌始工作，泻出超压气体，以便保证减压器的安全。安全阀一般采用弹簧式，在减压室内压力大于安全泄漏阀口的关闭弹簧力时，使弹簧压缩，推丌阀门，开始泄压，压力低于弹簧力时，弹簧力又使阀门重新关闭。减压器在正常工作过程中其主要功能就是减压和稳压，就是使经过减压器减压的天然气压力接近于大气压力并且保持基本稳定的压力，从而保证天然气与空气混合气的空第一二章胩缩天然气汽车发动机的燃 ：i 给系统燃比基本稳定，减j k 调节器按结构分为组合式和分体式两种。2 2 3 分体式单级减压器的结构和特性单级减压器的简单原理图如图2 4 所示。减压器的：i = 作过程是随着发动机的运行工况的持续变化而发q i 变化的。当发动机停车时，橡胶膜片下方减压室中的气压p 2 应大于大气压力p 。，以免天然气自然外泄。这时弹簧力和减压室内气体压力的合力对杠杆的作用力矩应该大于减压器前进气口压力通过阀门对杠杆的作用力矩，并且足以保证阀门关闭。阀门缴孔图2 4 单级减压器结构原理简图当发动机工作时，由于减压中的部分气体通过出气口流向混合器，导致p 2 小于大气压力，减压室内压力减小，此时膜片上下产生了压力差，减压器进气压力与该压力差的方向相同。这个合力克服了弹簧的弹力作用，使杠杆旋转，将迸气阀门开启，气瓶内的高压天然气进入减压室，随着阀门开度的变化，腔室内p 2 升高，当p 2 达到预设压力时，进气阀门关闭。发动机持续工作时，减压室气体压力的变化主要体现在阀门开启时间的长短和丌启高度的变化，也就是天然气入口的通道面积的变化。至于阀门开启高度主要受减压室弹簧的刚度、橡胶膜片的面积、阀门可运动部件质量和阀门截面积的影响，当然杠杆的长短臂的选取也是一个影响冈素，本文所建立的模型主要是讨论针对减压室弹簧的刚度、橡胶膜片的面积、阀门可运动部件质量和阀门截面积变化对减压室压力变化的影响。1 4k 安人学硕i ：学位论足减压室内爪力p 2 随着进气压力p l 的减小而减小，随着天然气的不断消耗，气瓶内天然的压力由2 0 m p a 减d , n1 m p a 时，p 2 就会发生明显的变化，这就不能满足减压器出口天然气压j 基本保持稳定的要求，解决的办法就足采用多级减压器结构，先将第一级天然气压力减到0 4 - - - - 0 5 5 m p a ，这已经大大缩小了压力的变化范围，再经过一级或者两级减压最终可以达到p 2 的变化范围较小，出口天然气压力基本保证在大气压力值附2 2 4 分体式两级串联减压器的结构和特性要得到多级减压的目的，可以把几个单独的单级减压器串联起来实现多级减压，如图2 5 所示，第二级减压器的结构同上图中单级减压器是一样的，第一级减压器的结构则不同，关键的不同点在于第一级减压器并不是通过杠杆机构来操控进气阀门的。当气瓶的供气阀门打了l ：同时发动机未启动时，第一级减压室的进气口处于开启状态，高压天然气可以进入到膜片下方的一级减压室内，级减压室内的气压p 2 逐渐提高，压力高于膜片上方的大气压时，膜片在平衡弹簧和p 2 作用下上移，一级减压室的进气阀门关闭。进气压力在一级减压室的膜片一弹簧机构的作用下，高压天然气进行了第一次减压过程。天然气与发动机的通断靠二级减压室进气阀门来控制，当发动机开始运行时，天然气从二级减压室出气口流入到混合器中，随着二级减压室内天然气的流出减压室内压力降低，在阀门一膜片机构和由一级减压室来流气体的合力作用下将二级减压室的进气阀门打开，此时一级减压室内的气体就可以流入到二级减压室内，二级减压室内气压达到一定程度时再次将二级减压室的进气阀门封闭。因此在发动机停机时，两个减压室的阀门都处于关闭状态，发动机启动时，二级减压室内气压降低，进气阀门丌启，一级减压室内的压力平衡状态随之打破，膜片就会下移打开一级进气阀门。此后随着发动机运行的不同工况，减压器阀门开度不断变化，持续控制着减压室内天然气的压力变化。通常在高压减压器上还会设置一个安全阀也称卸荷装置，其作用是防止停车时p 2 因高压减压器的阀门关闭不严而升高到能迫使第二级减压器阀门开启的程度，从而避免天然气的泄露。安全阀门在气压p 2 还未达到打丌第二级减压器阀门时开启，将天然气排出。当然它是有一定的压力开启