氫氣汽車供氣系統(tǒng)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12329氫氣汽車供氣系統(tǒng)分析概述 1303721.1供氣系統(tǒng)工作原理 1296141.2儲氣瓶 1321471.3減壓閥 3178031.3.1減壓閥種類 3170481.3.2減壓閥的主要性能參數(shù) 3314241.3.3基本方程組 4311811.4閥門驅(qū)動裝置 596741.5管接頭 6高壓儲氫瓶和高壓減壓閥是氫氣汽車供氣系統(tǒng)的兩個重要元件，本章首先對儲氫瓶的技術(shù)現(xiàn)狀進行概述；對比研究不同減壓閥的性能特點，歸納減壓閥的主要性能參數(shù)和氣體基本方程；最后對閥門驅(qū)動裝置和管接頭進行概述。1.1供氣系統(tǒng)工作原理氫氣汽車供氣系統(tǒng)是氫氣汽車動力系統(tǒng)重要的子系統(tǒng)之一，氫氣汽車供氣系統(tǒng)主要由儲氣瓶、減壓閥、安全閥、流量計、壓力表等組成，如圖2-1所示。氫氣由儲氣瓶釋放出，經(jīng)流量計檢測氣體流量參數(shù)是否達到所設(shè)計的要求，當(dāng)氣體流量達到設(shè)計范圍內(nèi)之后，氫氣經(jīng)過兩級減壓閥將35MPa的壓力減至0.8MPa的壓力，氣體通過減壓閥后的壓力表檢測壓力值是否在所設(shè)計的范圍內(nèi)，通過壓力表對減壓閥進行壓力調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定的減壓能力。達到工作壓力的氫氣通過供氣管路輸送至氫氣發(fā)動機，再由電磁閥控制的噴嘴將氫氣噴入氣缸與氧氣混合進行工作。圖2-1氫氣汽車供氣系統(tǒng)示意圖1.2儲氣瓶氫氣的儲存是儲氣瓶的主要難點。儲氣瓶需要擁有高重量密度和體積密度，低吸附溫度和傳熱，良好的可逆性，加上快速反應(yīng)動力學(xué)和低成本儲氣特性[18]。當(dāng)前在儲氣材料方面，使用最多的是多孔二維材料，如二氧化硅、金屬有機骨架、二氧化硅、碳基材料等。使用多孔二維材料儲氫主要是利用其物理吸附原理，以石墨烯為例，氫原子與石墨烯原子之間發(fā)生化學(xué)吸附的可能性很小，并且溫度越低，氫原子在石墨烯內(nèi)部的擴散性能越好[19]。1-鍛壓鋁合金；2-碳纖維強化樹脂層1-高密度樹脂；2-碳纖維強化樹脂層3-玻璃纖維強化樹脂層3-玻璃纖維強化樹脂層圖2-2III型儲氫瓶結(jié)構(gòu)圖圖2-3IV型儲氫瓶結(jié)構(gòu)圖目前儲氫瓶主要有I型純鋼制金屬瓶、II型鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶、III型鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶及IV型塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶四類，如圖2-2、2-3所示。在實際應(yīng)用過程中，I型、II型儲氫瓶存在密度低、氫脆的問題，無法達到車載質(zhì)量儲氫密度要求而被淘汰。III型、IV型儲氣瓶的內(nèi)膽由碳纖（玻纖）強化樹脂層制成，降低了儲氫瓶重量的同時提高了單位質(zhì)量儲氫密度。III型儲氣瓶的儲氣壓力主要由35MPa和70MPa兩種，依照GB/T35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》進行生產(chǎn)。目前國內(nèi)主要使用35MPa的III型儲氣瓶，70MPa的III型瓶的使用率較低，表2-1中材成都鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞三型氫氣瓶參數(shù)[20]型號容積(L)氣瓶外徑(mm)公稱重量(kg)公稱長度(mm)工作壓力(Mpa)儲氫體積(M3)儲氫重量(KG)重量儲氫密度(%)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國內(nèi)當(dāng)前有部分廠家生產(chǎn)III型儲氣瓶，例如中材成都所生產(chǎn)的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞三型氫氣瓶，如表2-1所示，IV型儲氣瓶的工作壓力在70MPa，IV型儲氣瓶在瓶身強度方面的要求更高，更對于整體做了輕量化處理，使其在擁有大容量結(jié)構(gòu)的同時降低了自身的重量，保證了整體的經(jīng)濟性。挪威Hexagon公司生產(chǎn)的IV型儲氣瓶由全碳纖維制成，如圖2-4所示，該儲氣瓶具有良好的抗腐蝕和抗疲勞特性。圖2-4Hexagon生產(chǎn)的IV型儲氣瓶1.3減壓閥1.3.1減壓閥種類減壓閥按壓力調(diào)節(jié)方式可以分為直動式減壓閥和先導(dǎo)式減壓閥，直動式減壓閥通過對調(diào)壓彈簧施加壓力，改變閥芯開度來控制出口壓力的大小。當(dāng)減壓閥的輸入壓力較高時，調(diào)壓彈簧開啟閥門所需的力過大，導(dǎo)致彈簧剛度過大，而當(dāng)發(fā)生流量變化時，閥內(nèi)的壓力波動較大，直動式減壓閥無法有效進行快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。故直動式適用于壓力較小的場合。先導(dǎo)式減壓閥利用先導(dǎo)級部分的調(diào)壓腔壓力變化來控制主閥芯的開度，這種無級變化能夠?qū)崿F(xiàn)出口壓力的快速變化，又提高了減壓閥的穩(wěn)壓精度。由于先導(dǎo)式減壓閥的調(diào)節(jié)彈簧數(shù)量比直動式減壓閥多，在較高的輸入壓力下，彈簧剛度不至于過大，故先導(dǎo)式減壓閥適用于高壓力的場合。本次設(shè)計的減壓閥輸入壓力較高，故選用先導(dǎo)式減壓閥結(jié)構(gòu)。1.3.2減壓閥的主要性能參數(shù)（1）調(diào)壓范圍指減壓閥出口壓力的可調(diào)范圍，在此范圍內(nèi)，要求達到規(guī)定的調(diào)壓范圍。一般進口壓力應(yīng)在出口壓力的80%范圍內(nèi)使用。調(diào)壓精度主要與調(diào)壓彈簧的剛度和膜片的有效面積有關(guān)。（2）流量特性在氫氣系統(tǒng)供氣系統(tǒng)中，減壓閥的出口氣體流量與出口壓力之間存在一個函數(shù)關(guān)系，當(dāng)出口氫氣流量增加，則出口壓力降低。（3）壓力特性當(dāng)減壓閥的氫氣流量為定值時，由進口壓力波動引起的出口壓力變化。壓力特性和流量特性是減壓閥性能好壞的主要依據(jù)。1.3.3基本方程組氣體流動時會在一定程度上發(fā)生狀態(tài)上的變化，這些變化需要遵守能量守恒與轉(zhuǎn)化定律、質(zhì)量守恒定律、牛頓第一定律、牛頓第二定律等其他定律。運用上述定律建立各種數(shù)學(xué)公式計算氣流的速度、壓力、溫度等參數(shù)[21]。（1）連續(xù)性方程可壓縮性氣體在流管內(nèi)作定常流動，由于其任意截面的質(zhì)量流量都相等，則有連續(xù)性方程[21]： (1)微分形式： (2)式中 qm——質(zhì)量流量（kg/s）； A——管道的截面積（m2）； u——氣體運動速度（m/s）； ρ——氣體的密度（kg/m3）。（2）伯努利方程根據(jù)能量守恒定律，可壓縮氣體在管道內(nèi)定常等熵流動，在流管的任意截面上，推導(dǎo)出的伯努利公式[22]： (3)式中 ——單位質(zhì)量氣體的動能； ——單位質(zhì)量氣體的壓強能。由熱力學(xué)可知：，則有： (4)式中 e——單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能。 Cp——定壓比熱； Cv——定容比熱。單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能與壓強能之和CpT=h，h在熱力學(xué)中被稱為焓，代入式(3)得： (5)（3）動量方程動量方程是把牛頓第二定律和動量定律應(yīng)用于運動流體所得的數(shù)學(xué)表達式，其微分形式為[21]： (6)式中 p——氣體的壓力（Pa）。1.4閥門驅(qū)動裝置閥門驅(qū)動裝置按驅(qū)動結(jié)構(gòu)可分為手動驅(qū)動、電動驅(qū)動、氣動驅(qū)動、液動驅(qū)動和聯(lián)動驅(qū)動。電動驅(qū)動裝置不易受到環(huán)境溫度的干擾，適用性強；其輸出轉(zhuǎn)矩的范圍廣，能夠采用直流、交流、脈沖等信號完成放大、記憶、邏輯判斷和計算等工作，并且可實現(xiàn)超小型化；但是它的機械效率僅在25%~60%的范圍之間，且易被電源電壓、頻率變化的干擾。液動裝置的輸出力大，能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速，并且具有自潤滑性能和防銹性能。但是液動裝置容易受到環(huán)境溫度的影響，它的液壓元件和管道容易發(fā)生滲漏，且不對各種信號進行運算。氣動裝置具有較高的開關(guān)速度，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的自由控制；由于氣體的壓縮性大，關(guān)閉時有彈性，能夠減少零件之間的沖擊和磨損。氣動裝置因其氣體的可壓縮性，導(dǎo)致其不適用與高壓力的閥門。由于本次所設(shè)計的是先導(dǎo)式高壓減壓閥，并且通過主閥壓力出口端安置的壓力傳感器檢測壓力信號，將壓力信號反饋至驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)彈簧座位置改變施加力，綜合以上因素考慮，本次設(shè)計將采用電動驅(qū)動的方式進行。1.5管接頭管接頭有連接管路、改變管路方向等作用，在管路中起到承接作用。管接頭采用螺紋連接時以外徑為基準(zhǔn)，各壓力工況下的管接頭的外形尺寸與鋼管外徑尺寸均相同。壁厚及內(nèi)徑的尺寸則與壓力存在聯(lián)系，低壓時管壁薄，內(nèi)徑尺寸較大；高壓時管壁厚，內(nèi)徑尺寸較小。在同一流量時，高壓時流速則比低壓時稍高一些。高壓