王文彪，談樂斌，潘孝斌

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

目前，我國工業(yè)化進程進入中后期階段，資源短缺、環(huán)境污染成為制約工業(yè)發(fā)展的主要瓶頸［1］。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的汽車保有量已突破1.2億輛，傳統(tǒng)汽車在消耗大量石油資源的同時，其排放的尾氣也成為大氣的主要污染源之一。

氣動汽車以壓縮氣體作為動力源，壓縮氣體可由電能制得，且其在行駛過程中無有毒氣體排放。為了延長氣動汽車的行駛路程并減小占用空間，采用高壓儲氣罐儲存氣體，儲氣罐內(nèi)的氣壓高達30 MPa，而氣動執(zhí)行元件的工作氣壓為1 MPa左右，所以氣體從儲氣罐到氣動執(zhí)行元件有一個減壓過程［2］。常規(guī)的節(jié)流減壓通過使高壓氣體在流動過程中產(chǎn)生摩擦功耗來實現(xiàn)的，會產(chǎn)生不可逆的能量損失［3－6］。為了減小減壓過程中的能量損失，使高壓氣體通過自由膨脹來減小壓力，其理論依據(jù)是:在氣體質(zhì)量不變的情況下，其容積增大后，壓力會降低。儲氣罐內(nèi)氣體的壓力在使用過程中會逐漸降低，為了使減壓后的氣體維持在一定范圍內(nèi)波動，采用分級減壓的方式，隨著儲氣罐內(nèi)氣體壓力的變化通過控制器調(diào)整總降壓比。另外，在減壓過程中使氣體從外界環(huán)境中吸收熱量，根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，氣體的溫度和壓力將升高，可使發(fā)動機輸出更多的機械能［7］。

作者針對氣動汽車的減壓特征提出一種高壓氣體減壓系統(tǒng)，并利用AMESim作為仿真平臺對該系統(tǒng)進行仿真分析［8］。在AMESim中建立減壓系統(tǒng)仿真模型，通過仿真驗證了仿真模型的正確性，并展開進一步的仿真研究，研究模型中的參數(shù)變化對減壓系統(tǒng)的影響。

1 建立減壓系統(tǒng)仿真模型

圖1所示為減壓系統(tǒng)的原理圖。

結(jié)合圖1說明減壓系統(tǒng)的工作過程:氣缸3、電磁感應(yīng)器6、電磁感應(yīng)器9和電磁開關(guān)閥12組成第一減壓系統(tǒng)。在第一減壓系統(tǒng)參與減壓的過程中，氣缸的有桿腔始終與儲氣罐保持聯(lián)通，在工作時，隨著無桿腔內(nèi)氣體的排出，活塞向左移動，當(dāng)氣體快排凈，活塞移至左端時，電磁開關(guān)9被激發(fā)，并傳出信號將氣體開關(guān)閥開啟，儲氣罐內(nèi)的高壓氣體快速進入無桿腔并，由于活塞兩側(cè)的工作面積差，推動活塞移動，同時有桿腔內(nèi)的高壓氣體回流至氣罐，當(dāng)活塞移動一段距離時，激發(fā)電磁開關(guān)6，傳出信號將氣體開關(guān)閥關(guān)閉，無桿腔內(nèi)的氣體通過自由膨脹減壓并將有桿腔中的氣體壓回至氣罐，假設(shè)兩端受壓面積比為2∶1，則平衡后無桿腔內(nèi)氣體壓力下降接近至儲氣罐內(nèi)氣體壓力的一半，即達到了減壓目的，此后將減壓過的氣體導(dǎo)出再進行做功減壓后的氣體導(dǎo)入下一級，如此循環(huán)。根據(jù)該原理，減壓后的氣體壓力與容積膨脹率、活塞兩側(cè)工作面積比及氣體溫度等參數(shù)相關(guān)，通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使減壓后的氣體達到預(yù)設(shè)的壓力。在減壓過程中，氣體通過電磁換向閥后進入減壓系統(tǒng)進行減壓，或是直接進入下個電磁換向閥。圖中連接狀態(tài)為三級減壓系統(tǒng)串聯(lián)，儲氣罐內(nèi)的氣體依次經(jīng)過第一減壓系統(tǒng)、第二減壓系統(tǒng)、第三減壓系統(tǒng)進行三級減壓后導(dǎo)出。

圖1 減壓系統(tǒng)工作原理圖

主要元件的初始參數(shù)設(shè)置:(1)氣缸3缸徑100 mm、桿徑70.71 mm，氣缸4缸徑100 mm、桿徑81.65 mm，氣缸5缸徑100 mm、桿徑89.44 mm，氣缸行程0.2 m;(2)儲氣罐容積20 L，初始壓力24 MPa;(3)執(zhí)行氣缸缸徑62 mm，桿徑12 mm，氣缸行程0.2 m。

在平衡狀態(tài)下無桿腔與有桿腔的壓力關(guān)系為

式中:p1為有桿腔氣體壓力;p2為無桿腔氣體壓力;k為氣缸的減壓比;D1為減壓氣缸缸徑;D2為活塞桿桿徑。

由初始參數(shù)可得第一減壓系統(tǒng)、第二減壓系統(tǒng)、第三減壓系統(tǒng)的減壓比分別為1/2、1/3、1/5。

儲氣罐內(nèi)的壓力會隨著氣體的排出而逐漸減小，在減壓過程中壓力傳感器將壓力信號傳到控制器，控制器通過電磁換向閥來控制回路的切換。如:當(dāng)壓力在18～24 MPa時，控制器將三個電磁閥切換到右位;當(dāng)壓力為9～18 MPa時，控制器將電磁換向閥15切換到左位，其余右位。

2 系統(tǒng)仿真與分析

由于儲氣罐內(nèi)氣體的壓力會隨著氣體的排出逐漸減小，所以在減壓過程中通過控制器控制電磁換向閥切換，改變各個氣缸的連接。不同壓力下氣缸的連接狀況如表1所示。

表1 不同壓力下氣缸的連接狀態(tài)

當(dāng)儲氣罐內(nèi)壓力＜2 MPa時，關(guān)閉氣體開關(guān)閥。

設(shè)置仿真時間為400 s，仿真間隔為0.1 s。

圖2所示為在AMESim中建立的減壓系統(tǒng)的仿真模型。

圖2 減壓系統(tǒng)仿真模型

2.1 減壓系統(tǒng)的減壓效果

圖3所示為絕熱條件下儲氣罐和各級氣缸無桿腔出氣口壓力隨時間的變化。

圖3 儲氣罐與各級氣缸出氣口壓力隨時間的變化曲線

可以看出在儲氣罐內(nèi)氣體壓力不斷減小的過程中，最終減壓后的氣體壓力都維持在0.6～1.2 MPa。

2.2 與外界環(huán)境的熱交換對減壓系統(tǒng)的影響

高壓氣體在膨脹過程中溫度會降低，通過與外界環(huán)境的熱交換可以提高氣體內(nèi)能，增加氣體可用功，但由于一般作為執(zhí)行元件的氣動發(fā)動機由于其轉(zhuǎn)速較高，換熱時間很短，因此可以吸收的能量很少［9］。

在作者提出的高壓氣體減壓系統(tǒng)中，所利用的往復(fù)式活塞氣缸的運動周期較長，有較為充足的換熱時間，如圖4所示為第一氣缸活塞的位移曲線。

圖4 第一氣缸活塞的位移變化曲線

為了驗證減壓過程中與外界環(huán)境的熱交換對氣體溫度與能量的影響，改變仿真模型參數(shù)，分別設(shè)置氣缸的熱交換系數(shù)h為0 W/(m2·K)、50 W/(m2·K)、200 W/(m2·K)，仿真得到減壓系統(tǒng)出氣口氣體溫度，如圖5所示。在仿真模型中通過減壓系統(tǒng)末端的能量感應(yīng)器與積分器檢測排出氣體的機械能，如圖6所示。

圖5 減壓系統(tǒng)出氣口氣體溫度的變化曲線

圖6 減壓系統(tǒng)末端氣體機械能的變化曲線

通過仿真結(jié)果可以看出相比絕熱減壓過程，充分的與外界環(huán)境進行熱交換可以提高減壓后氣體的溫度，增加氣體的可用功。

2.3 氣缸缸徑的改變對減壓結(jié)果的影響

為了使減壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、減小空間占用，所以需要盡可能減小氣缸尺寸，改變減壓氣缸的直徑，取缸徑為25 mm，并根據(jù)減壓比選擇相應(yīng)的桿徑，取桿徑分別為17.68 mm，20.41 mm，22.36 mm，氣缸行程0.2 m，取熱交換系數(shù)h=200 W/(m2·K)。

比較仿真結(jié)果，如圖7、8所示。

圖7 減壓系統(tǒng)出氣口氣體壓力的變化曲線

圖8 減壓系統(tǒng)出氣口排出的氣體機械能的變化曲線

通過仿真曲線可以看出，在于外界環(huán)境有充足熱交換的情況下，減壓氣缸缸徑的變化對減壓系統(tǒng)的減壓效果影響較小。

3 結(jié)論

利用AMESim對容積式高壓氣體減壓系統(tǒng)進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得出如下結(jié)論:

(1)利用容積式高壓氣體減壓系統(tǒng)對儲存在儲氣罐內(nèi)的氣體進行減壓，隨著儲氣罐內(nèi)的氣體不斷排出、氣體壓力逐漸減小的情況下，減壓后的氣體都能維持在一定范圍內(nèi)。

(2)氣體在膨脹減壓后溫度會降低，在減壓過程中使氣體通過氣缸與外界進行熱交換，可以提高氣體溫度，增加氣體的可用功。

(3)通過仿真研究，可以為合理的設(shè)計減壓系統(tǒng)的元件提供理論依據(jù)。

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［7］丁衛(wèi)華.氣動汽車動力系統(tǒng)能耗分析［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

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