【《氢气汽车供气系统分析概述》2900字】

氢气汽车供气系统分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u12329氢气汽车供气系统分析概述 1303721.1供气系统工作原理 1296141.2储气瓶 1321471.3减压阀 3178031.3.1减压阀种类 3170481.3.2减压阀的主要性能参数 3314241.3.3基本方程组 4311811.4阀门驱动装置 596741.5管接头 6高压储氢瓶和高压减压阀是氢气汽车供气系统的两个重要元件，本章首先对储氢瓶的技术现状进行概述；对比研究不同减压阀的性能特点，归纳减压阀的主要性能参数和气体基本方程；最后对阀门驱动装置和管接头进行概述。1.1供气系统工作原理氢气汽车供气系统是氢气汽车动力系统重要的子系统之一，氢气汽车供气系统主要由储气瓶、减压阀、安全阀、流量计、压力表等组成，如图2-1所示。氢气由储气瓶释放出，经流量计检测气体流量参数是否达到所设计的要求，当气体流量达到设计范围内之后，氢气经过两级减压阀将35MPa的压力减至0.8MPa的压力，气体通过减压阀后的压力表检测压力值是否在所设计的范围内，通过压力表对减压阀进行压力调节，维持稳定的减压能力。达到工作压力的氢气通过供气管路输送至氢气发动机，再由电磁阀控制的喷嘴将氢气喷入气缸与氧气混合进行工作。图2-1氢气汽车供气系统示意图1.2储气瓶氢气的储存是储气瓶的主要难点。储气瓶需要拥有高重量密度和体积密度，低吸附温度和传热，良好的可逆性，加上快速反应动力学和低成本储气特性[18]。当前在储气材料方面，使用最多的是多孔二维材料，如二氧化硅、金属有机骨架、二氧化硅、碳基材料等。使用多孔二维材料储氢主要是利用其物理吸附原理，以石墨烯为例，氢原子与石墨烯原子之间发生化学吸附的可能性很小，并且温度越低，氢原子在石墨烯内部的扩散性能越好[19]。1-锻压铝合金；2-碳纤维强化树脂层1-高密度树脂；2-碳纤维强化树脂层3-玻璃纤维强化树脂层3-玻璃纤维强化树脂层图2-2III型储氢瓶结构图图2-3IV型储氢瓶结构图目前储氢瓶主要有I型纯钢制金属瓶、II型钢制内胆纤维缠绕瓶、III型铝内胆纤维缠绕瓶及IV型塑料内胆纤维缠绕瓶四类，如图2-2、2-3所示。在实际应用过程中，I型、II型储氢瓶存在密度低、氢脆的问题，无法达到车载质量储氢密度要求而被淘汰。III型、IV型储气瓶的内胆由碳纤（玻纤）强化树脂层制成，降低了储氢瓶重量的同时提高了单位质量储氢密度。III型储气瓶的储气压力主要由35MPa和70MPa两种，依照GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》进行生产。目前国内主要使用35MPa的III型储气瓶，70MPa的III型瓶的使用率较低，表2-1中材成都铝内胆碳纤维全缠绕三型氢气瓶参数[20]型号容积(L)气瓶外径(mm)公称重量(kg)公称长度(mm)工作压力(Mpa)储氢体积(M3)储氢重量(KG)重量储氢密度(%)CHG3-C-322-55-35T.A55350349503515.41.384.0CHG3-C-322-100-35T.A100561535281.52CHG3-C-352-60-35T.A603803788016.81.51CHG3-C-352-120-35T.A12069152533.63.02CHG3-C-352-140-35T.23.52CHG3-C-370-74-35T.A744004393020.71.86CHG3-C-370-128-35T.A12871146535.83.22CHG3-C-370-162-35T.A16288180045.34.07CHG3-C-406-80-35T.A804404590521.41.01CHG3-C-406-140-35T.23.52CHG3-C-370-165-35T.A16589180046.24.11国内当前有部分厂家生产III型储气瓶，例如中材成都所生产的铝内胆碳纤维全缠绕三型氢气瓶，如表2-1所示，IV型储气瓶的工作压力在70MPa，IV型储气瓶在瓶身强度方面的要求更高，更对于整体做了轻量化处理，使其在拥有大容量结构的同时降低了自身的重量，保证了整体的经济性。挪威Hexagon公司生产的IV型储气瓶由全碳纤维制成，如图2-4所示，该储气瓶具有良好的抗腐蚀和抗疲劳特性。图2-4Hexagon生产的IV型储气瓶1.3减压阀1.3.1减压阀种类减压阀按压力调节方式可以分为直动式减压阀和先导式减压阀，直动式减压阀通过对调压弹簧施加压力，改变阀芯开度来控制出口压力的大小。当减压阀的输入压力较高时，调压弹簧开启阀门所需的力过大，导致弹簧刚度过大，而当发生流量变化时，阀内的压力波动较大，直动式减压阀无法有效进行快速稳定的调节。故直动式适用于压力较小的场合。先导式减压阀利用先导级部分的调压腔压力变化来控制主阀芯的开度，这种无级变化能够实现出口压力的快速变化，又提高了减压阀的稳压精度。由于先导式减压阀的调节弹簧数量比直动式减压阀多，在较高的输入压力下，弹簧刚度不至于过大，故先导式减压阀适用于高压力的场合。本次设计的减压阀输入压力较高，故选用先导式减压阀结构。1.3.2减压阀的主要性能参数（1）调压范围指减压阀出口压力的可调范围，在此范围内，要求达到规定的调压范围。一般进口压力应在出口压力的80%范围内使用。调压精度主要与调压弹簧的刚度和膜片的有效面积有关。（2）流量特性在氢气系统供气系统中，减压阀的出口气体流量与出口压力之间存在一个函数关系，当出口氢气流量增加，则出口压力降低。（3）压力特性当减压阀的氢气流量为定值时，由进口压力波动引起的出口压力变化。压力特性和流量特性是减压阀性能好坏的主要依据。1.3.3基本方程组气体流动时会在一定程度上发生状态上的变化，这些变化需要遵守能量守恒与转化定律、质量守恒定律、牛顿第一定律、牛顿第二定律等其他定律。运用上述定律建立各种数学公式计算气流的速度、压力、温度等参数[21]。（1）连续性方程可压缩性气体在流管内作定常流动，由于其任意截面的质量流量都相等，则有连续性方程[21]： (1)微分形式： (2)式中 qm——质量流量（kg/s）； A——管道的截面积（m2）； u——气体运动速度（m/s）； ρ——气体的密度（kg/m3）。（2）伯努利方程根据能量守恒定律，可压缩气体在管道内定常等熵流动，在流管的任意截面上，推导出的伯努利公式[22]： (3)式中 ——单位质量气体的动能； ——单位质量气体的压强能。由热力学可知：，则有： (4)式中 e——单位质量气体的内能。 Cp——定压比热； Cv——定容比热。单位质量气体的内能与压强能之和CpT=h，h在热力学中被称为焓，代入式(3)得： (5)（3）动量方程动量方程是把牛顿第二定律和动量定律应用于运动流体所得的数学表达式，其微分形式为[21]： (6)式中 p——气体的压力（Pa）。1.4阀门驱动装置阀门驱动装置按驱动结构可分为手动驱动、电动驱动、气动驱动、液动驱动和联动驱动。电动驱动装置不易受到环境温度的干扰，适用性强；其输出转矩的范围广，能够采用直流、交流、脉冲等信号完成放大、记忆、逻辑判断和计算等工作，并且可实现超小型化；但是它的机械效率仅在25%~60%的范围之间，且易被电源电压、频率变化的干扰。液动装置的输出力大，能够实现无级变速，并且具有自润滑性能和防锈性能。但是液动装置容易受到环境温度的影响，它的液压元件和管道容易发生渗漏，且不对各种信号进行运算。气动装置具有较高的开关速度，能够实现远距离的自由控制；由于气体的压缩性大，关闭时有弹性，能够减少零件之间的冲击和磨损。气动装置因其气体的可压缩性，导致其不适用与高压力的阀门。由于本次所设计的是先导式高压减压阀，并且通过主阀压力出口端安置的压力传感器检测压力信号，将压力信号反馈至驱动装置，驱动装置调节弹簧座位置改变施加力，综合以上因素考虑，本次设计将采用电动驱动的方式进行。1.5管接头管接头有连接管路、改变管路方向等作用，在管路中起到承接作用。管接头采用螺纹连接时以外径为基准，各压力工况下的管接头的外形尺寸与钢管外径尺寸均相同。壁厚及内径的尺寸则与压力存在联系，低压时管壁薄，内径尺寸较大；高压时管壁厚，内径尺寸较小。在同一流量时，高压时流速则比低压时稍高一些。高压