车载LNG气瓶系统中组合电控阀块的设计、试验与应用

0 引言

目前行业内大部分车载LNG 气瓶供气系统(以下简称“供气系统”)管路布置沿用最早的结构，即根据管路使用状态分离布置，气瓶分配器周围存在很多焊接点和螺纹连接处。此结构导致管路系统复杂时，容易出现干涉，互相影响使用效果的弊端。同时，随着现代社会的发展，各行各业提倡产品智能化，而传统的供气系统依旧使用机械阀门，需要人为操作。基于此两点，设计开发了组合电控阀块，实现阀门的集成和供气系统的智能化。

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1 组合电控阀块设计方案

1.1 设计分析

首先需确定阀块的原理图，再根据目前供气系统的安装尺寸确定阀块的大小，其次根据供气系统受力分析确定阀块重量，最后需考虑阀块的密封结构[1]。阀块的原理图是根据供气系统的使用流程图和需集成的管路范围确定，如：将分配器周围的过流阀、截止阀、经济调节阀、压力传感器、液位传感线路等集成于铜块阀门中。阀块的大小是根据目前市场上应用的供气系统及集成后外部管路布置范围确定。如目前市场上的供气系统均自带保护圈装置，根据保护圈的直径及外部管路必须安装的零件尺寸确定阀块大小，同时结合集成管路的分布确定最小的阀块尺寸。阀块重量是根据气瓶型式试验气瓶分配器受力、阀块材质的耐低温性能和切削性能确定，如：可使用铜件或者铝合金材料，降低阀块重量。此设计关键还在于零件之间的密封性，由于供气系统使用介质为LNG，LNG 温度为-162 ℃，因此冷态下必须密封，如可采用导向孔加密封垫进行密封。

1.2 设计注意事项

(1)在阀块设计中要避免深孔、斜孔等异形角度的孔位；(2)同时在分层设计时，注意每层的通路布置，防止相邻层面通路壁厚较薄，不能满足使用要求；(3)不同层面与主回路的连通，层面较多，容易造成混乱，可编制不同层面回路介绍原理图以防出错；(4)各零件的配合尺寸必须严格控制，阀芯与阀块的装配尺寸应按照统一标准执行，给定公差值，保证配合无泄漏；(5)阀块与瓶体配合时，还需保证一定的粗糙度，保证接触面无泄漏。

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2 电控阀门设计方案

2.1 设计分析

首先根据电控阀的工作原理，选择阀门的型式[2]和控制系统，再根据整车的配电及控制系统确定阀门线圈。阀门选择使用先导式。当线圈通电时，产生的磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口打开，介质流向出口，此时主阀芯上腔压力减少，低于进口侧的压力，形成压差克服弹簧阻力而随之向上运动，达到开启主阀口的目的，介质流通。当线圈断电时，磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下复位关闭先导口，此时介质从平衡孔流入，主阀芯上腔压力增大，并在弹簧力的作用下向下运动，关闭主阀口[3-4]。气瓶使用变送器作为控制系统，根据供气系统使用状态，编制了控制逻辑，从而控制阀门的启闭。同时变送器将气瓶运行参数上传到云端，通过网络实现数据的查询跟踪，可查询气瓶压力，液位计运行轨迹，更换变送器可远程下载原气瓶信息，降低售后维护难度。

2.2 设计注意事项

(1)由于电控阀对电压特别敏感，紧急情况下先导阀不能切断介质倒流，因此电控阀末端需增加过流阀，作为开关，防止介质倒流；(2)电控阀门设计时需进行反向压力测试，防止压差太小，导致阀门不能正常开启；(3)电控阀门设计时由于需整车配电，因此功率不得大于20 W；(4)所有的电控装置均需考虑其防水、防爆、电磁兼容等性能。

2.3 设计方案流程图

设计方案流程图如图1 所示。

3 组合电控阀块的试验

3.1 试验要求

根据设计方案确定相应的试验大纲，主要验证性能：(1)各回路通道是否能够正常使用；(2)冷态时阀块是否能够密封；(3)控制装置能否满足供气系统的正常使用；(4)整车进行路试，供气系统能够保证在整个试运行过程中正常使用。

图1 设计方案流程图

3.2 试验验证过程

3.2.1 各回路通道是否能够正常使用

(1)加液回路。气瓶优先加满液，通过加液软管连接阀块进液接头，同时打开气瓶放空回路，关闭其余阀门，验证阀块内部加液回路。现象：气瓶正常充装40 min。结论：阀块内部加液管路畅通。

(2)增压管路。

①打开气瓶上增压出液截止阀、组合阀块上增压回气和回气截止阀、气瓶上放空截止阀，关闭其余阀门，观察压力表压力。现象：升压至0.96 MPa，停止增压。结论：阀块内部增压贿赂畅通。

②在步骤①的基础上，关闭回气电控阀和气瓶增压出液截止阀，拆除阀体连接的回气软管和空温增压管路，刷肥皂水检测阀体上的回气接头、增压回气接头末端是否有气流。现象：回气接头有气流，增压回气接头无气流。结论：回气回路畅通，同时验证回气电控阀可控制增压回气管路。

③在步骤②的基础上，连接回气软管，打开回气电控阀(截止阀)，刷肥皂水检测增压回气接头末端是否有气流。现象：增压回气接头有气流。结论：回气电控阀回路畅通。

④在进行步骤②、③的基础上，刷肥皂水检测阀体进、出液口是否有气流。现象：接头处无气流。结论：阀体内部管路无串联。

(3)出液管路。打开气瓶上出液截止阀、组合阀块上出液截止阀和出液电控阀/截止阀，关闭其余阀门，观察阀块出液接头、增压回气和回气接头是否有气流。现象：出液接头末端有液体流出，其余接头无气流。结论：说明阀体出液回路畅通、管路无串联。

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(4)主安全阀。

①仅保留系统中阀块上的主安全阀，其余全部更换为副安全阀，验证阀块上的主安全阀。打开气瓶放空截止阀、组合阀块上的增压回气和回气截止阀，关闭其余阀门，从阀块进液口对气瓶打压至1.9 MPa 左右，观察主安全阀是否起跳。现象：主安全阀正常起跳，起跳后压力降至1.8 MPa 左右。结论：阀体内部主安全阀回路畅通。

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②气瓶的单向进液阀阀芯拆除，打开气瓶上的出液截止阀、组合阀块上的出液截止阀和出液电控阀/截止阀，关闭其余阀门。使阀体结冰，主安全阀冰堵，观察主安全阀是否起跳。现象：气瓶压力为1.9 MPa 左右时，主安全阀未起跳。使用工具敲除冰块后，主安全阀正常起跳。气瓶压力降至1.8 MPa 左右。结论：主安全阀排气口在冰堵的情况下不能正常排气，因此必须增加安全阀引出管，保证管路末端可正常通气。

(5)经济回路。在气瓶阀体结霜的情况下，气瓶压力为1.8 MPa左右时，打开组合阀块上的增压回气和回气截止阀、气瓶上的放空截止阀、组合阀块上的出液截止阀和出液电控阀/截止阀，关闭其余阀门，使气瓶压力缓慢下降，高出的气体可从阀块的出液接头排放。现象：压力下降过程中，阀块上的出液接头处有气流，待压力降低至1.1 MPa 以下时，出液接头无气流。结论：经济调节阀正常工作，阀体经济回路畅通。

3.2.2 冷态时阀块是否能够密封

2.1 术后病理结果 手术病理结果显示，176例甲状腺结节中，恶性结节48例，其中：甲状腺乳头状癌43例，髓样癌2例，未分化癌1例，甲状腺滤泡状腺癌2例。良性结节128例，其中：结节性甲状腺肿83例，甲状腺腺瘤41例，甲状腺炎4例。

蟋蟀在堂，岁聿其莫。 今我不乐，日月其除。 无已太康，职思其居。 好乐无荒，良士瞿瞿。 (莫，暮。 职，应该。)

阀块密封性：连接阀块和分配器后，进行气密检测。对连接处通过刷肥皂水，检测是否有气流。现象：连接处无气流。结论：密封可靠。

3.2.3 控制装置能否满足供气系统的正常使用

控制策略检测项目如表1 所示。

表1 控制策略检测项目

试验项目 控制策略 控制策略是否正常是否合格供液策略剩余液量≤5%，供液电磁阀不工作 是 是整车上电后且发动机未启动，燃气压力≤0.5 MPa，供液电磁阀开启，至燃气压力≥1.2 MPa 时供液电磁阀关闭是 是发动机启动，供液电磁阀开启，发动机关闭后，供液电磁阀关闭 是 是

3.3 供气系统试验

供气系统试验示意图如图2 所示。

第一，执法职权不明确。例如，当面临转运货物、过境的执法问题时，海关是否是其知识产权执法的主体，当前我国的相关法律和政策均未有明确规定。

图2 供气系统试验示意图

4 组合电控阀块在车载LNG 供气系统的应用

组合电控阀为车载LNG 供气系统提供了管路布置的新思路，也提高了产品的智能化。将阀门进行组合后，可通过网络实现数据的查询跟踪，更换气瓶时可下载原有气瓶信息，形成过程记录，降低售后难度，同时组合电控阀为车载LNG 供气系统实现全面自动化提供了依据。