高压气动减压理论及其在气动汽车上应用的关键技术研究

发布时间：2020-04-10 21:34

【摘要】：以高压空气作为工作介质的高压气动系统因其独有的功率密度高、瞬间膨胀性大、爆发 力强、温度适应范围广等特性而在航天航空、武器装备和气动汽车等领域中得到应用,但目 前对高压气动系统的元件和控制系统进行系统、深入研究的却很少。高压或超高压压缩空气 是气动汽车的动力源,从高压气源到低压尾气,是高压气体的能量转换和利用过程,是气动 汽车将压力能转变成动能的过程。本文以国家自然科学基金—福特基金资助项目“气动汽车 发动机探索性研究”为依托,以高压气动系统在气动汽车上的应用为背景,详细分析了高压 气动系统的能量转换和利用特性,系统、深入地研究了高压气动系统的减压机理和控制方法, 为气动汽车能量转换、利用和控制以及动力系统优化设计提供理论基础和实验数据,这对高 压气动系统的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。论文的主要内容如下: 第一章综述了气动技术和高压气动系统及元件的研究现状和发展趋势;阐述了研究和开 发气动汽车的目的和意义;概括了本文的主要研究内容。 第二章对高压气动容积减压的新概念进行了定义;利用热力学的能分析法和(火用)分析法,推 导出了对应节流减压和容积减压的能量特性方程和(火用)损失表达式,为减压过程中能量计算提供 了有效工具;计算表明高压气动采用容积减压方式比节流减压方式有明显的节能效果。分析 了定容充分吸热补偿分级减压和定压充分吸热补偿分级减压的能量特性;得出分级减压级数 越多,能量利用率越高的结论。 第三章研究了高压气体容积减压系统的关键控制元件——高压大流量气动开关阀;详细 介绍了高压大流量气动开关阀的结构设计特点和工作原理。提出对高压气动开关阀的开启和 关闭操作过程进行动态研究的细分理论:以定容积过程和变容积过程为单元,以控制腔转折 点气体压力为标志,将主阀开启和关闭过程细分为定容积、变容积和余隙容积三个不同的放 气和充气过程,并对每一分过程单独建模,再通过标志点压力将整个过程联系成整体来进行 研究。根据细分理论建立了反映高压气动开关阀的工作机理的数学模型和仿真模型,研究了 高压大流量气动开关阀的动态特性;得出了主阀芯的几何参数是影响高压气动开关阀动态特 性的主要因素。为高压气动开关阀的设计提供了理论和技术基础。 第四章详细介绍了高压气动容积减压系统的组成及工作原理;通过机理分析方法建立了 高压气动容积减压系统的数学模型。仿真研究结果表明:Bang-Bang控制方法简单可靠,压力 控制调节范围大;PID控制方法在一定压力控制范围内能够实现所需的控制精度;预测PID控 制方法控制精度较高;Fuzzy控制方法具有和PID控制基本相同的控制效果,但比常规PID控 制的应用范围要大。研究了高压气动分级减压方法,指出分级减压的末级输出压力稳定性比
【图文】：

}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}膨膨膨膨胀腔腔液氮真空罐图1一3美国华盛顿大学研制的液氮气体发动机原理图国外已有压缩空气发动机的发明专利，它是直接用压缩空气作动力驱动输出轴做功，可以应用于飞机、汽车和舰船等移动设备上183】。法国MDI公司于1998年推出了第一台压缩空气动力汽车(A-riP0weerdvehicleee-APv)样车1841。该公司设计的名为“ToP”(T白xlez心Pollution)的压缩空气动力出租车的外形及主要部件如图1一4和图1一5所示。该型号汽车储存体积.03m，、压力30Mpa的压缩空气作为动力源，预计可以行驶Zookm，最大时速达1ookmh/。MDI公司的气动汽车已计划在法国的巴黎，意大利的威尼斯，，南非的约翰内斯堡

舀....:‘舀....图6一1高压气动开关阀控制腔动态压力测试原理图1.高压气源.2压力表3.高压截止阀4.高压气动开关阀5.缓冲罐.6截止阀7.消声器.8动态压力传感器9.电荷放大器匕匕」」图6一2高压气动容积减压控制系统组成1.高压气源2.高压压力传感器及显示仪表3.高压截止阀4.高压气动开关阀5.减压容器入口压力传感器及仪表.6控制器.7容积减压容器.8减压容器出口压力传感器及仪表9.高压气体流量传感器1.0低压截止阀11.测功机12.消声器扩展容积减压实验台为分级(二级)减压试验台，进行高压气动系统的分级减压控制实验研究，对比一级减压控制与二级减压控制之间的特性;检验所用控制方法的实用性和可靠性。实验原理如图6一3所示。图6一3高压气动分级减压控制系统组成1.高压气源2.高压压力传感器及显示仪表3.高压截止阀.4一级高压气动开关阀5一级减压入口压力传感器及显示仪表6.数据采集与控制系统.7一级减压容器.8一级减压出口压力传感器及显示仪表.9二级高压气动开关阀10.二级减压入口压力传感器及显示仪表11.二级减压容器1.2二级减压出口压力传感器及显示仪表13.高压气体流量传感器14.低压截止阀15.消声器(4)高压气动系统实验装置的研制开发根据实验内容的要求，研制开发了高压气动系统实验装置，系统实际组成如图6一4所示，系统中应用的主要设备、仪表和元件由表6一1列出。72
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TH138

【引证文献】

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本文编号：2622732