車(chē)載LNG氣瓶系統(tǒng)中組合電控閥塊的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與應(yīng)用

黃銀剛(西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

目前行業(yè)內(nèi)大部分車(chē)載LNG 氣瓶供氣系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“供氣系統(tǒng)”)管路布置沿用最早的結(jié)構(gòu)，即根據(jù)管路使用狀態(tài)分離布置，氣瓶分配器周?chē)嬖诤芏嗪附狱c(diǎn)和螺紋連接處。此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致管路系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)，容易出現(xiàn)干涉，互相影響使用效果的弊端。同時(shí)，隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)提倡產(chǎn)品智能化，而傳統(tǒng)的供氣系統(tǒng)依舊使用機(jī)械閥門(mén)，需要人為操作?；诖藘牲c(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了組合電控閥塊，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的集成和供氣系統(tǒng)的智能化。

1 組合電控閥塊設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)分析

首先需確定閥塊的原理圖，再根據(jù)目前供氣系統(tǒng)的安裝尺寸確定閥塊的大小，其次根據(jù)供氣系統(tǒng)受力分析確定閥塊重量，最后需考慮閥塊的密封結(jié)構(gòu)[1]。閥塊的原理圖是根據(jù)供氣系統(tǒng)的使用流程圖和需集成的管路范圍確定，如：將分配器周?chē)倪^(guò)流閥、截止閥、經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、液位傳感線(xiàn)路等集成于銅塊閥門(mén)中。閥塊的大小是根據(jù)目前市場(chǎng)上應(yīng)用的供氣系統(tǒng)及集成后外部管路布置范圍確定。如目前市場(chǎng)上的供氣系統(tǒng)均自帶保護(hù)圈裝置，根據(jù)保護(hù)圈的直徑及外部管路必須安裝的零件尺寸確定閥塊大小，同時(shí)結(jié)合集成管路的分布確定最小的閥塊尺寸。閥塊重量是根據(jù)氣瓶型式試驗(yàn)氣瓶分配器受力、閥塊材質(zhì)的耐低溫性能和切削性能確定，如：可使用銅件或者鋁合金材料，降低閥塊重量。此設(shè)計(jì)關(guān)鍵還在于零件之間的密封性，由于供氣系統(tǒng)使用介質(zhì)為L(zhǎng)NG，LNG 溫度為-162 ℃，因此冷態(tài)下必須密封，如可采用導(dǎo)向孔加密封墊進(jìn)行密封。

1.2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1)在閥塊設(shè)計(jì)中要避免深孔、斜孔等異形角度的孔位；(2)同時(shí)在分層設(shè)計(jì)時(shí)，注意每層的通路布置，防止相鄰層面通路壁厚較薄，不能滿(mǎn)足使用要求；(3)不同層面與主回路的連通，層面較多，容易造成混亂，可編制不同層面回路介紹原理圖以防出錯(cuò)；(4)各零件的配合尺寸必須嚴(yán)格控制，閥芯與閥塊的裝配尺寸應(yīng)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，給定公差值，保證配合無(wú)泄漏；(5)閥塊與瓶體配合時(shí)，還需保證一定的粗糙度，保證接觸面無(wú)泄漏。

2 電控閥門(mén)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)分析

首先根據(jù)電控閥的工作原理，選擇閥門(mén)的型式[2]和控制系統(tǒng)，再根據(jù)整車(chē)的配電及控制系統(tǒng)確定閥門(mén)線(xiàn)圈。閥門(mén)選擇使用先導(dǎo)式。當(dāng)線(xiàn)圈通電時(shí)，產(chǎn)生的磁力使動(dòng)鐵芯和靜鐵芯吸合，導(dǎo)閥口打開(kāi)，介質(zhì)流向出口，此時(shí)主閥芯上腔壓力減少，低于進(jìn)口側(cè)的壓力，形成壓差克服彈簧阻力而隨之向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)啟主閥口的目的，介質(zhì)流通。當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，磁力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧力作用下復(fù)位關(guān)閉先導(dǎo)口，此時(shí)介質(zhì)從平衡孔流入，主閥芯上腔壓力增大，并在彈簧力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉主閥口[3-4]。氣瓶使用變送器作為控制系統(tǒng)，根據(jù)供氣系統(tǒng)使用狀態(tài)，編制了控制邏輯，從而控制閥門(mén)的啟閉。同時(shí)變送器將氣瓶運(yùn)行參數(shù)上傳到云端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢(xún)跟蹤，可查詢(xún)氣瓶壓力，液位計(jì)運(yùn)行軌跡，更換變送器可遠(yuǎn)程下載原氣瓶信息，降低售后維護(hù)難度。

2.2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1)由于電控閥對(duì)電壓特別敏感，緊急情況下先導(dǎo)閥不能切斷介質(zhì)倒流，因此電控閥末端需增加過(guò)流閥，作為開(kāi)關(guān)，防止介質(zhì)倒流；(2)電控閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行反向壓力測(cè)試，防止壓差太小，導(dǎo)致閥門(mén)不能正常開(kāi)啟；(3)電控閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)由于需整車(chē)配電，因此功率不得大于20 W；(4)所有的電控裝置均需考慮其防水、防爆、電磁兼容等性能。

2.3 設(shè)計(jì)方案流程圖

設(shè)計(jì)方案流程圖如圖1 所示。

3 組合電控閥塊的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定相應(yīng)的試驗(yàn)大綱，主要驗(yàn)證性能：(1)各回路通道是否能夠正常使用；(2)冷態(tài)時(shí)閥塊是否能夠密封；(3)控制裝置能否滿(mǎn)足供氣系統(tǒng)的正常使用；(4)整車(chē)進(jìn)行路試，供氣系統(tǒng)能夠保證在整個(gè)試運(yùn)行過(guò)程中正常使用。

圖1 設(shè)計(jì)方案流程圖

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程

3.2.1 各回路通道是否能夠正常使用

(1)加液回路。氣瓶?jī)?yōu)先加滿(mǎn)液，通過(guò)加液軟管連接閥塊進(jìn)液接頭，同時(shí)打開(kāi)氣瓶放空回路，關(guān)閉其余閥門(mén)，驗(yàn)證閥塊內(nèi)部加液回路?，F(xiàn)象：氣瓶正常充裝40 min。結(jié)論：閥塊內(nèi)部加液管路暢通。

(2)增壓管路。

①打開(kāi)氣瓶上增壓出液截止閥、組合閥塊上增壓回氣和回氣截止閥、氣瓶上放空截止閥，關(guān)閉其余閥門(mén)，觀察壓力表壓力?，F(xiàn)象：升壓至0.96 MPa，停止增壓。結(jié)論：閥塊內(nèi)部增壓賄賂暢通。

②在步驟①的基礎(chǔ)上，關(guān)閉回氣電控閥和氣瓶增壓出液截止閥，拆除閥體連接的回氣軟管和空溫增壓管路，刷肥皂水檢測(cè)閥體上的回氣接頭、增壓回氣接頭末端是否有氣流?，F(xiàn)象：回氣接頭有氣流，增壓回氣接頭無(wú)氣流。結(jié)論：回氣回路暢通，同時(shí)驗(yàn)證回氣電控閥可控制增壓回氣管路。

③在步驟②的基礎(chǔ)上，連接回氣軟管，打開(kāi)回氣電控閥(截止閥)，刷肥皂水檢測(cè)增壓回氣接頭末端是否有氣流?，F(xiàn)象：增壓回氣接頭有氣流。結(jié)論：回氣電控閥回路暢通。

④在進(jìn)行步驟②、③的基礎(chǔ)上，刷肥皂水檢測(cè)閥體進(jìn)、出液口是否有氣流?，F(xiàn)象：接頭處無(wú)氣流。結(jié)論：閥體內(nèi)部管路無(wú)串聯(lián)。

(3)出液管路。打開(kāi)氣瓶上出液截止閥、組合閥塊上出液截止閥和出液電控閥/截止閥，關(guān)閉其余閥門(mén)，觀察閥塊出液接頭、增壓回氣和回氣接頭是否有氣流?，F(xiàn)象：出液接頭末端有液體流出，其余接頭無(wú)氣流。結(jié)論：說(shuō)明閥體出液回路暢通、管路無(wú)串聯(lián)。

(4)主安全閥。

①僅保留系統(tǒng)中閥塊上的主安全閥，其余全部更換為副安全閥，驗(yàn)證閥塊上的主安全閥。打開(kāi)氣瓶放空截止閥、組合閥塊上的增壓回氣和回氣截止閥，關(guān)閉其余閥門(mén)，從閥塊進(jìn)液口對(duì)氣瓶打壓至1.9 MPa 左右，觀察主安全閥是否起跳?，F(xiàn)象：主安全閥正常起跳，起跳后壓力降至1.8 MPa 左右。結(jié)論：閥體內(nèi)部主安全閥回路暢通。

②氣瓶的單向進(jìn)液閥閥芯拆除，打開(kāi)氣瓶上的出液截止閥、組合閥塊上的出液截止閥和出液電控閥/截止閥，關(guān)閉其余閥門(mén)。使閥體結(jié)冰，主安全閥冰堵，觀察主安全閥是否起跳?，F(xiàn)象：氣瓶壓力為1.9 MPa 左右時(shí)，主安全閥未起跳。使用工具敲除冰塊后，主安全閥正常起跳。氣瓶壓力降至1.8 MPa 左右。結(jié)論：主安全閥排氣口在冰堵的情況下不能正常排氣，因此必須增加安全閥引出管，保證管路末端可正常通氣。

(5)經(jīng)濟(jì)回路。在氣瓶閥體結(jié)霜的情況下，氣瓶壓力為1.8 MPa左右時(shí)，打開(kāi)組合閥塊上的增壓回氣和回氣截止閥、氣瓶上的放空截止閥、組合閥塊上的出液截止閥和出液電控閥/截止閥，關(guān)閉其余閥門(mén)，使氣瓶壓力緩慢下降，高出的氣體可從閥塊的出液接頭排放?，F(xiàn)象：壓力下降過(guò)程中，閥塊上的出液接頭處有氣流，待壓力降低至1.1 MPa 以下時(shí)，出液接頭無(wú)氣流。結(jié)論：經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)閥正常工作，閥體經(jīng)濟(jì)回路暢通。

3.2.2 冷態(tài)時(shí)閥塊是否能夠密封

閥塊密封性：連接閥塊和分配器后，進(jìn)行氣密檢測(cè)。對(duì)連接處通過(guò)刷肥皂水，檢測(cè)是否有氣流?，F(xiàn)象：連接處無(wú)氣流。結(jié)論：密封可靠。

3.2.3 控制裝置能否滿(mǎn)足供氣系統(tǒng)的正常使用

控制策略檢測(cè)項(xiàng)目如表1 所示。

表1 控制策略檢測(cè)項(xiàng)目

3.3 供氣系統(tǒng)試驗(yàn)

供氣系統(tǒng)試驗(yàn)示意圖如圖2 所示。

圖2 供氣系統(tǒng)試驗(yàn)示意圖

4 組合電控閥塊在車(chē)載LNG 供氣系統(tǒng)的應(yīng)用

組合電控閥為車(chē)載LNG 供氣系統(tǒng)提供了管路布置的新思路，也提高了產(chǎn)品的智能化。將閥門(mén)進(jìn)行組合后，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢(xún)跟蹤，更換氣瓶時(shí)可下載原有氣瓶信息，形成過(guò)程記錄，降低售后難度，同時(shí)組合電控閥為車(chē)載LNG 供氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化提供了依據(jù)。