天然气喷射阀设计与性能研究

发布时间：2020-08-09 14:21

【摘要】：天然气喷射阀作为天然气发动机燃气供给系统中的关键执行部件,其性能的优劣对喷气定时、喷射持续期、喷射质量流率等喷射特性具有显著的影响,喷射阀响应特性决定了喷气定时、喷射持续期等的控制精度以及燃气供给的动态响应,喷射阀燃气流动特性对燃气质量流率、出口天然气混合程度等将产生重要影响,进而影响天然气发动机的经济性、动力性等。因此,本文开展天然气喷射阀结构设计及工作特性研究,对天然气喷射阀的设计及系统匹配具有重要意义。首先,对天然气喷射阀的结构进行了概念设计,根据天然气喷射阀的设计目标及其工作边界条件,通过气动理论推导确定了阀芯与阀座环带相关结构参数,同时结合相关的电磁理论公式对电磁驱动组件的结构参数进行了确定,并依照阀内各组件所确定的结构参数,利用Ansoft Maxwell与ANSYS Simplorer软件分别建立静态电磁仿真模型、瞬态联合仿真模型,利用ICEM CFD与FLUENT软件建立流体仿真模型。其次,针对喷射阀的响应特性,着重分析了电磁组件的结构参数、相关的驱动电路参数以及机械参数对阀芯静态电磁力特性、响应特性的影响,确定了电磁组件相关参数的具体数值,保证喷射阀具有良好的响应特性;针对喷射阀内部燃气的流动特性,分析了阀内流域中心截面上压力场、流速场的基本分布,对比了阀芯不同开度下压力场、流速场变化情况;探究了阀座出口处的天然气质量流率在不同的入口压力、入口温度与阀芯不同响应速度下的变化规律,着重分析了阀芯维持阶段以及阀芯响应各时刻对应的质量流率在不同条件下的变化,并拟合出了阀座出口在单位时间内的平均质量流率随阀芯持续期在不同条件下的变化公式,结果表明存在某一确定的阀芯开度,其作为阀座出口质量流率变化斜率在不同阀芯开度下的转折点,综合考虑阀座出口质量流率大小与尽量避免阀座出气环带节流状况,将此阀芯开度作为阀芯的最大升程;最后,研究了阀体内部及阀座出口处天然气湍流的基本分布,对比了阀芯不同开度下的阀体内部及阀座出口处湍流的变化情况,并探究了出口处平均湍流强度与入口压力、入口温度之间的变化规律,结果表明湍流强度与天然气入口压力、入口温度均成正相关。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK433
【图文】：

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第1章绪论3方式，可以根据发动机不同的实际工况，灵活的调整进气总管内天然气与空气的供给量、混合比例等，但混合过程中天然气依旧占据一部分空气充量，充气效率依然较低。图1.1进气总管混合器供气方式原理示意图2、进气道燃气喷射供气方式进气道燃气喷射供气方式也称准缸内混合方式，是一种较进气道混合器预混合供气方式更进一步的供气方式，其供气过程为：在天然气发动机各个进气歧管处安装有天然气喷射装置，整个供气过程一般由多个小流量的天然气喷射阀配合使用，依照各气缸的发火顺序，采用交替喷射的方式实现对各个气缸的定时定量供气，通常可以将此种供气方式称为电控多点喷射供气方式[17]。具体工作过程为：根据天然气发动机的实际工况，例如：转速、负荷，由电控单元ECU采用电磁驱动方式来控制各个进气歧管处天然气喷射阀的开闭，从而交替地向各个气缸供给定量的天然气。此种供气方式减小了因气阀重叠角造成的天然气逸出、恶化排放及浪费等情况；应用电控单元ECU控制各个进气歧管的天然气喷射阀，根据天然气发动机的实际需求，组织混合气的气流流动状况，准确控制天然气喷射量、喷射定时以及进、排气阀同活塞运动的相位关系，能够更准确地控制对发动机功率、效率及排放有显著影响的空燃比指标，合理改善了燃烧状况，进一步地改善了发动机的动力性、经济性及排放性，目前此种供气方式在天然气发动机中应用最为广泛。此外，尽管进气道燃气喷射供气方式降低了天然气对空气充量的影响程度，但天然气的供给仍会导致一定的空气充量下降。

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哈尔滨工程大学硕士学位论文6天然气喷射控制装置实现天然气的一定量喷射后，线圈断电，阀芯在弹簧预紧力作用下返回燃气通路上的导气孔上方并将其再次密封，此时燃气通路切断且天然气停止喷射。图1.2直动式天然气喷射阀的结构示意图2、先导式天然气喷射阀图1.3为先导式天然气喷射阀的结构示意图。相比于直动式天然气电磁阀通过电磁驱动来直接控制阀座上密封阀芯的运动，从而直接决定天然气是否喷射，先导式天然气喷射阀采取控制先导阀芯的开启与关闭的方式来实现先导孔的通断，从而影响主阀芯上下燃气腔室的压力，借助主阀芯上下燃气压差的作用实现主阀芯的开启与关闭，最终完成对天然气的喷射控制[28-31]。其具体的工作过程是：线圈未通电时，辅助阀芯即动铁芯在弹簧的作用下压紧先导孔面，并配合密封圈实现对先导孔的密封，此时燃气由进气口进入，首先通过节流孔流入活塞的上下腔室并充满整个空间，此时活塞上下压力差为零；线圈通电后，动铁芯被吸合并上移，先导孔被打开，活塞上方腔室中的燃气迅速通过先导孔流入出口，上方腔室内燃气压力迅速下降，当活塞上下腔室的压力差达到一定值时，活塞在燃气压差的作用下向上移动，燃气通道被打开，天然气由进气口沿燃气通路流出出气口并最终流入气缸实现供气；天然气供给一定量后，线圈断电，动铁芯在复位弹簧弹力的作用下重新返回先导孔上方并将其重新密封，燃气通过旁通孔及节流孔迅速进入活塞上方腔室，形成活塞上高下低的压力差，在燃气压力差的作用下，活塞回到初始位置重新切断燃气通路，燃气供给结束。先导式天然气喷射阀体积孝功率低、压力波动小，可用于高压力或者大流量的场合。

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第1章绪论7图1.3先导式天然气喷射阀的结构示意图3、分布直动式天然气喷射阀分布直动式天然气喷射阀可看成是一种将直动式和先导式二者思想相融合而形成的一种天然气阀，图1.4为分布直动式天然气喷射阀的结构示意图。在实际应用中，主阀芯的运动同时借助了电磁力、天然气介质的压差力的作用，改善了主阀芯的动态响应特性，但相比于直动式天然气喷射阀和先导式天然气喷射阀，分布直动式天然气喷射阀的结构最为复杂、功率较大、成本相对高[32-33]。其具体的工作过程是：线圈未通电时，天然气由进气口流入，通过节流孔流入主阀芯上方腔室并充满整个空间；线圈通电后，动铁芯被吸合并向上运动，动铁芯向上移动一小段距离后，动铁芯与主阀芯表面接触并带动主阀芯一同向上运动，此过程原本由动铁芯密封的卸压孔打开，主阀芯上方腔室的燃气经由卸压孔流入燃气出口，主阀芯在上移过程中，上下腔室压差减小，所受燃气压差阻力降低，主阀芯响应速度提高，主阀芯上移后燃气通道接通，天然气由气阀进气口流入、随后流出阀体，最终流入气缸。天然气喷射一定量后，线圈断电，动铁芯在复位弹簧的作用下重新密封卸压孔，天然气流入主阀芯上方腔室重新建立高压，主阀芯在弹簧和天然气上下压差的作用下回到初始位置，燃气通路被切断，天然气供给结束。分布直动式天然气喷射阀内部还安装有信号反馈器，用以输入控制分布直动式天然气电磁阀的开闭信号。此种结构的分布直动式天然气喷射阀采用不锈钢活塞，改进了阀自身承压

【参考文献】