（动力机械及工程专业论文）二甲醚电控单体泵供油系统仿真及控制策略的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 二甲醚电控单体泵供油系统仿真及控制策略的研究 动力机械及工程专业 研究生杨建军指导教师黄海波教授 二甲醚十六烷值高，喷雾特性好，可从煤或天然气中制取，在柴油机上推 广使用二甲醚，能有效地解决能源危机和环境污染。但是二甲醚的弹性模量小， 易压缩；常温常压下为气态等决定了它在柴油机上应用，需要选择一种适合该 燃料应用的喷射系统，并对选用的喷射系统进行改造。 同时电控单体泵结构简化、喷油量和喷油正时控制灵活，喷射压力高，定 时波动较小。这些特点有利于二甲醚的应用，因此，为了减少和加快今后对该 系统的工程改造和e c u 开发工作，本文将结合计算机仿真技术和油泵实验研究， 探讨应用二甲醚的电控单体泵的喷射特性，提出对该系统的改进建议和控制策 略。 本文首先介绍了二甲醚的物化特性，分析了目前应用二甲醚的各喷射系统 的研究情况，总结了这些系统应用二甲醚时的优缺点。然后针对电控单体泵喷 射系统，讨论了该系统的工作原理和重要的结构参数，结合物理模型建立了它 的数学模型，编制完成了基于s i m u l i n k 软件的仿真程序。 根据仿真软件，得到了不同工况的仿真结果。这些仿真结果包括泵端压力 波曲线、喷油器针阀升程曲线、循环供油量、高度电磁阀电流变化曲线、阀芯 升程曲线等。结果表明：在仅改变起喷压力的条件下，同在电控单体泵上应用 柴油的喷射特性相比，二甲醚的喷射压力峰值降低，循环供油量减少；针阀升 程曲线呈三角形，上升和下降速度变慢，高速电磁阀阀杆在开启后的维持阶段 不稳定，电压在l i o v 和2 0 v 之间跳动较大；当燃料同为二甲醚时，分别改变面 积比、脉宽和凸轮轴转速，其喷射特性都有较大变化；要改善二甲醚在电控单 体泵上应用的喷射特性，可通过改变这些参数值。同时，利用华中科技大学张 西华大学硕士学位论文 煜盛等人在机械泵上的实验数据绘制了泵端和喷油器嘴端压力波曲线，并与仿 真结果进行了对比分析，根据该试验的结论和仿真结果设计了应用二甲醚的电 控单体泵油泵试验的内容和方法。 最后根据前几章的研究结论提出了应用二甲醚的电控单体泵基于曲轴转角 的控制策略，讨论了不同工况运行模式的控制思想和方法，这些工况包括起动 工况、怠速工况、瞬态工况以及发动机保护工况等，并给出了喷油定时的控制 m a p 和喷油量的脉普图标定。 关键词：二甲醚电控单体泵喷射系统仿真控制策略 西华大学硕士学位论文 a s t u d yo i ls i m u l a t i o na n dc o n t r o la l g o r i t h mo fe l e c t r o n i c u n i tp u m pf o r d i m e t n y le t h e r a b s t r a c t d m ei st h eo p t i m a ls u b s t i t u t ef o rd i e s e lt ob u mi nd i e s e le n g i n e ，w h i c hc a n s o l v ee f f e c t i v e l yt h ec r i s i so fe n e r g yr e s o u r c ea a dt h ep o l l u t i o no fe n v i r o m n e n t d m ei so f h i g hc e t a n e v a l u e ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o rb u m i n gb yp r e s s i n g ，a n dg r e a t p e r f o r m a n c eo fe m i s s i o n a l t h o u g ht h e r ea r es o n 2 ep r o b l e m st ob es o l v e di fw ew a n t t oa p p l yt h ed m eo nd i e s e le n g i n e a l lt h ep r o b t e m ss u m m e du pa r eh o wt oc h o o s e i n j e c t i o ns y s t e m ，c o n s i d e r i n gt h em e r i t so ft h ed m ea sw e l la sh o wt om o d u l a t e c o n s t r u c tp a r a m e t e r so f t h es y s t e mt oa d a p tt ot h ef u e l a tt h es a m et i m e ，s t r u c t u r eo fe u pa r es i m p l i f i e d ，a n di ti sf l e x i b l et oc o n t r o l t h e f u e l 画e c t e da n di n j e c t i o nt i m i n gw h i l ef l u c t u a t i o no ft i m i n gi si m p r o v e d c o n s e q u e n t l ym 1t h e s em e r i t sa r eh e l p f u lf o rt h ea p p l i c a t i o no fd m eo nd i e s e l e n g i n e s o ，i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ep r o c e s so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p i n go fn e w s y s t e mt h ec h a r a c t e r so ft h ei n j e c t i o ns y s t e m ，w h e nt h ef u e li sd m e ，s h o u l db e d i s c u s s e d ，w i t hc o m b i n i n gs i m u l a t i o nt e c h n i c a la n dp u m pt e s tb e n c h r e f o r m i n g a d v i c e sa n dc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e si ng e n e r a la r ea l s op u tf o r w a r do nr e s e a r c h i n g r e s u l t s a tf i r s t ，t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lm e r i t so fd m ea r ei n t r o d u c e d ，v a r i o u so f i n j e c t i o ns y s t e mf o r d m ea r ea n a l y z e da n dp a r a m e t e r so f c o n s t r u c to f n e e d i n gt ob e c h a n g e dw h e nw ea p p l ) t h ef u e lo nt h e s es y s t e m sa r es u m m e du p t h e nb o t ho f t h e m a t h e m a t i cm o d eo fe u pr e f e r r i n gt ot h ep h y s i c a lm o d eo ft h es y s t e ma n d s i m u l a t i o np r o g r a mo ft h es y s t e mb yu s i n gt h em a t l “s i m u l i n ka r es e tu pw h e n w o r k i n gp r i n c i p l ea n di m p o r t a n tp a r a m e t e r so f e u p h a v eb e e nd i s c u s s e d w h e ns i m u l a t i o np r o g r a mh a v eb e e nr u n n i n g ，o nt h ec o n d i t i o no fa l t e r i n gt h e s t a r t i n gi n e c t i o np r e s s u r ew h e nd i e s e li ss u b s t i t u t e db yd m e ，i ti se a s yt og e tt h e 3 西华大学硕士学位论文 r e s u l t so fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw h i c hi si n c l u d i n gp r e s s u r ew a v eo fp u m p ， n e e d l el i f ti n 蝎e c t o ra n df u e ld e l i v e r yp e rc y c l e ，e t c t h es t u d yd e m o n s t r a t e s t h a t w h i l ec o m p a r i n gw i t l lt h er e s u l t sb yu s i n gd i e s e li ne u p , b o t ho ft h em a x i m u m i n j e c t i o np r e s s u r ea n df u e ld e l i v e r yp e rc y c l ed e c r e a s el a r g e l y ；t h ec u r v eo fn e e d l e l mi ni n j e c t o ri ss i m i l a rt ot h es h a p eo fl r i a n g l eo fw h i c ht h er a t eo fu pa n dd o w ni s l o w e rw h e nf u e li sd m 哐；i f t h ef u e li sa l w a y st h ed m e ，t h e r ea r eo b v i o u sc h a n g i n g o fi n j e c t i o nc h a r a c t e rw h e nd i v e r s i f y i n gt h er a t eo fa r e ab e t w e e np u m pa r e aa n d i n j e c t i o no r i f i c eo rt h ew i d t ho fp u l s et ob ei n p u tt h es o l e n o i d v a l v eo rt h es p e e do f c a m s h a f t ；w h e nw a n t i n gt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi n j e c t i n gp r o c e s st h e s e p a r a m e t e r ss h o u l db ec h a n g e d w ea l s oc o m p a r et h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw i t ht h e t h ep u m pt e s tb e n c ht a k e nb yz h a n gy u s h e n gi n h u a n g z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y i na d d i t i o nt h ep u m pt e s tb e n c ho fe u pw i t l la p p l i c a t i o nf o rd m e a r ed e s i g n e d a tl a s t w em a k eu pa l g o r i t h mo fe u p 、析1a p p l i c a t i o nf o rd m ei n c l u d i n g c o n t r o l l i n gm e t h o d si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n si n c l u d i n gs t a r t i n g ，i d l i n g ， v a r i a b l e w o r k i n gc o n d i t i o nt o g e t h e rw i t h t h ep r o t e c t i n g - c o n d i t i o no fe n g i n e a c c o r d i n ga s t h ed i s c u s s e dr e s u l t sb o t ho ft h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t ，a n d h o wt oc a l c u l a t ef u e l d e l i v e r yp e rc y c l ea n df u e li n j e c t i o nt i m i n gi n d i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m et h em _ a po f _ f u e ld e l i v e r yp e tc y c l ea n d i n j e c t i n gt i m i n ga r ea l s op a r t l ym a n i f e s t e d k e y w o r d s ：d m e ，e u p , i n j e c t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o n ，c o n t r o l a l g o r i t h m 4 西华大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 柴油机电控系统发展概况 1 1 1 国外柴油机电控系统发展概况 柴油机在经历了十九世纪二十年代采用机械泵式燃油喷射系统，五十年代 发明增压技术，七十年代电子控制技术的引入三个阶段之后，其各项性能指标 达到了较高水平。进入上个世纪八十年代，由于工业技术的发展，柴油机电控 技术得到了很大的提高，从控制方式来说，己从位置控制式发展到了现在的时 间控制式；从结构原理看，时间控制式又由最初的柱塞脉冲式喷射系统发展到 现在与之共存的高压共轨式喷射系统。 位置控制式电控燃油喷射系统的特点是保留了传统的泵一管一嘴结构以及 齿条齿圈、滑套、螺旋槽等机械式传动机构，仅对齿条的位置由原来的机械调 速器改用电子调速器，通过电控执行器实现对喷油量和喷油正时的控制。直列 泵位置控制系统有日本电装( n i p p o n d e n s o ) 公司的e c d p 3 系统，日本z e x e l 公 司的c o p e c 系统和t i c s 系统，德国b o s c h 公司的e d r 系统等。分配泵位 置控制系统在欧美等发达国家有许多成熟的产品，如德国b o s c h 公司的e d c 系统，英国l u c a s 公司的e p i c 系统和日本电装公司的e c d 系列电控系统以 及美国s t a n d y n e 公司的p c f 系统等。位置控制式系统生产继承性强，安装方便， 作为执行器的电磁阀和旋转电磁铁等技术容易过关，是目前国外商品化程度最 高的产品。 时间控制式电控燃油喷射系统的特点是利用安装在高压油路中的高速、强 力电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量，与汽油机的电控喷油系统原理相 似。不同点在于，它还可通过实时变更电磁阀升程或改变高压油路来实现喷油 率和喷油压力的控制。它具有每缸一阀( 直列泵) 、能分缸调控和响应快等优点， 已成为当前柴油机电控喷射系统的主要发展方向。 时间控制式柱塞泵脉冲喷射系统仍保持传统的柱塞往复运动脉冲供油方式， 直接由电磁溢流阀控制油量和定时，柱塞只起加压、供油作用，没有油量调节 功能。1 9 8 5 年美国底特律柴油机公司首先研制并生产了d d e c l 型电控泵一 西华大学硕士学位论文 喷嘴式喷油系统，1 9 8 7 年研制成功d d e c 一2 型系统。英国卢卡斯公司研制的 电控泵一喷嘴系统( e u l ) ，采用高速大功率电磁阀作为执行器，由于这一电磁阀 驱动力大，响应快，故能采用更大的旁通溢流阀直径和阀流通面积来保证高压 喷射的迅速切断。德国b o s c h 公司研制的电控泵一喷嘴喷油系统p d e 2 7 和 p d e 2 8 用于排量为每缸1 2 l 的卡车柴油机上，其电磁旁通阀被设计成高低压 平衡式、可以减小动态压力变化的影响，工作稳定性好，最高喷油压力可达到 1 6 0 m p a 。 时间控制式共轨喷射系统具有公共控制油道( 共轨油道) ，油泵并不是直接 控制喷油，而是向共轨油道供油以维持所需要的共轨燃油压力，供油过程与燃 油计量过程完全分开，通过控制共轨燃油压力来控制喷油压力，采用压力时 间式燃油计量方式。根据共轨燃油压力情况以及在共轨油道后是否采用燃油增 压机构，可将电控共轨式喷油系统分为电控高压共轨式喷射系统和电控中压共 轨式喷射系统。由于共轨油道具有蓄压功能，所以电控共轨式喷射系统通常又 称为电控蓄压式喷射系统。 图1 1 所示为日本电装公司开发的e c d - - u 2 电控高压共轨式喷射系统，它 的特点是能高度灵活地控制喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油率，最高喷油 压力已达到l2 0 m p a ，并且具备了达到1 5 0 m p a 的潜力。1 9 9 5 年，日野公司在 中型卡车的j 1 0 8 c 柴油机上采用了e c d u 2 电控喷油系统。 西华大学硕士学位论文 f i g 1 e c e ：5 2s y s t e m 图i 1e c 0 u 2 系统 2 0 世纪9 0 年代，德国的b o s c h 公司也开发了电控高压共轨式喷油系统， 在卡车上采用直列式高压泵以产生共轨压力、在轿车上采用径向式柱塞泵以产 生共轨压力，最大共轨燃油压力可达到1 4 0 m p a ，控制用的高速电磁阀为两位 两通阀结构，电磁阀的开启响应时间小于0 2 5 m s 。美国b k m 公司s e r v o j e t 中 压共轨电控蓄压式燃油高压喷射系统利用液体压缩原理，在喷油器中有一个大 的蓄压腔，从而降低了对电磁阀的要求。 1 1 2 国内柴油机电控系统发展概况 我国自“七五”期间开始发动机电子控制技术研究，先后有上海内燃机研 究所、大连理工大学、北京理工大学等进行柴油机喷油量和喷油定时研究。北 京理工大学先后进行了电子液压式提前器与6 v 1 5 0 柴油机匹配研究、大功率车 用柴油机电控增压系统的开发研究、直列泵位置电控系统研究、高速柴油机电 控分配式喷油系统研究、高压共轨式电控喷油系统研究、中压共轨电控蓄压式 燃油高压喷射系统研究、柴油天然气双燃料发动机电控多点顺序喷射系统研究 等工作。 2 0 世纪9 0 年代以来，清华大学的p p v i 系统研究工作己取得一定的进展， 并进行了装机试验工作。在发动机试验台架上验证了电控柴油机分缸独立闭环 控制的可行性、可靠性和精度，该控制可以有效地改善柴油机经济性、烟度承 西华大学硕士学位论文 怠速性能。一汽集团长春汽车研究所在直列泵上进行控制系统研究工作，并装 备在载重汽车上进行应用。天津大学与山东龙口油泵油嘴股份有限公司合作以 斯太尔六缸水冷增压柴油机为研究对象，首创了一种新型共轨蓄压式电控喷射 系统( p a i r c u l ) ，该系统具有预喷射和快速停油功能。一汽集团无锡油泵油嘴研 究所引进b k m 公司技术，开发出了六缸柴油机的s e r v o j e t 型电控喷射系统， 并在6 “o 进行了配机试验。东风汽车集团公司进行了东风e q 一1 4 5 电控柴油 车开发，它属于第一代位置控制式电控燃油喷射系统，研制的样车经过了大量 的台架及道路试验，具有较好的性能并具备投产能力。 值得一提的是在2 0 0 5 年5 月举行的上海国际发动机及制造技术展览会上， 成都威特电喷公司展出了新研制的电控直列泵技术。电控直列泵也就是电控组 合泵，是针对我国柴油发动机企业的实际情况、老机型的欧i i 升级改造确定的 技术路线：满足欧对喷油系统的最低要求，可靠性高，价格低，机械接口与 p 型泵相同，安装方便，系统标定过程简单。这种电控组合泵不同于电装公司 曾经生产过的电控直列泵e c d p ，后者是所谓位置横置，即根据e c u 的指令 驱动齿杆调整曲轴与凸轮轴之间的相位差，达到对喷油定时实现控制。北京理 工大学的赵长禄“3 等的论文“电控单体泵式( e u p ) 柴油机喷油系统的研究”， 认为电控单体泵喷油系统是一种能够自由灵活调整喷油量和喷油正时、具有高 喷射压力的新型燃油喷射系统。 1 1 3 电控柴油机的最新发展趋势及问题 国内外研究深层次的发展主要有设计新型的喷射系统，使用更高的喷射压 力，开发新的执行机构，各种系统的最佳配机选择等。柴油机喷射系统的未来 发展趋势，时间控制式应该是主流，其中包括共轨、泵喷嘴和单体泵。 现代柴油机是以降低n o 。和颗粒排放、降低噪声和降低油耗为其追求的目 标。但就喷射系统的要求而言则是：在实现喷油量的精确控制的前提下，实现 可独立于喷油量和发动机转速而加以选择的高压喷射，同时实现对喷油正时的 柔性控制和对喷油速率的优化控制。柴油机特别是电控喷射系统的发展的主要 西华大学硕士学位论文 问题是实现这些目标的影响和制约因素太多，而且相互关系复杂，往往互相矛 盾。如提高燃烧压力和温度可改善柴油机的经济性，但会导致n o 。排放的增加； 为适应日益严格的排放法规，必须在抑制n o ，排放的同时降低颗粒排放。此外， 柴油机燃烧过程的好坏其关键在于燃油喷射系统、燃烧室形状及燃烧室中空气 运动三者之间是否相互配合。但就喷射系统而言，必须按照柴油机各工况的需 要将定量的燃油、用合适的喷油压力、喷油正时、喷油速率和合理的空间形态 实行有效控制。 1 2 柴油机电控喷射系统的组成和功能 1 2 1 电控喷射系统的组成及作用 电控燃油喷射系统主要产品有电控分配泵、电控直列泵、电控泵喷喷嘴、 电控单体泵以及电控共轨系统。虽然这些产品之间有很大的差异，但基本来说， 有下列几部分组成：传感器、控制器( e c u 电子控制单元) 和执行器。对 于电控燃油喷射系统来说，这三部分的作用分别是： 传感器实时检测柴油机、车辆运行状态及使用者的操作意图等信息， 并将这些信息进行各类处理送给控制器。基本传感器有：发动机转速传感器、 喷油提前角传感器、加速踏板传感器及油温、水温传感器等。 控制器负责处理所有信息、执行程序，并将运行结果作为控制指令输 出到执行器。 执行器根据控制器送来的执行指令驱动执行机构，实现喷油定时及喷 油量控制，从而调节柴油机的运行状态。 西华大学硕士学位论文 一- _ 电子控制单元e c ” 毫 jj f i g1 , 2i n j e c t i o ns y s t e mo f d i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 图1 2 柴油机电控喷射系统示意图 1 2 2 电控燃油喷射系统的功能 1 2 2 1 喷油量控制 电控燃油喷射系统根据各传感器的信息，由e c u 计算出目标喷油量，同时 将目标喷油量转换成喷油装置的供喷油时间，并向驱动单元发送驱动信号；根 据e c u 送来的驱动信号，使喷油装置中的电磁阀开启或关闭，从而可以通过控 制喷油装置供油开始和供油结束的时间间隔来控制喷油的多少。 在电控燃油喷射系统中，目标喷油量需要通过大量的标定工作将其特性数 值化，构成三维图形，即我们通常所说的供油m a p 图。 喷油量的控制的具体内容有：基本喷油量控制、怠速转速控制、起动喷油 量控制、加速喷油量控制、不均匀油量补偿控制以及定车速控制。 1 2 2 2 喷油正时控制 e c u 根据各个传感器的信息，在演算单元中计算出目标喷油时间；e c u 再 根据凸轮轴信号得到参考脉冲，并计算出在此脉冲后多少时间内向喷油装置中 的电磁阀发出到驱动信号，从而达到提前或延迟喷射来控制喷油时间。同样地， 目标喷油时间也是标定成为三维图形固化在e c u 中。 为了实现发动机中的最佳燃烧，必须根据运行工况和环境条件经常地调节喷 油时间，即根据发动机的转速决定基本喷油时间，同时，还要根据发动机的负 荷、冷却水温、进气压力等对基本进气时间进行修正，决定目标喷油时间。 6 西华大学硕士学位论支 喷油时间控制的具体内容包括基本喷油时间控制、起动喷油时间控制和低 温时喷油时间控制。 1 2 2 3 喷油压力控制 喷油压力控制并不是针对每一类电控燃油喷射系统而言的。在某些喷射系 统中喷油压力控制是通过调节起喷压力达到小幅度的调节功能，但并不能进行 较大范围的喷油压力控制。 另一方面，对某些系统比如共轨系统就能根据装在共轨上的压力传感器的 信号，由e c u 计算出实际喷油压力，并将其值与目标压力值比较，然后发出命 令控制喷油泵，升高或者降低压力。 1 2 2 4 喷油率控制 喷射率控制特别是预喷射的控制过程是：发动机压缩行程中，需要若干次 驱动喷油装置的电磁阀才能完成，根据传感器的信息，e c u 计算出喷油参数。 喷射参数中最重要的是：预喷射油量和预喷射时间问隔。这些参数值根据发动 机的运行情况具有对应的最佳值，其具体数值表示在三维图形中。 1 2 2 5 其他功能 包括自我故障诊断功能、故障应急功能等。 1 3 电控柴油机喷射系统与机械式喷射系统的比较 1 3 1 机械式喷射系统的基本组成和工作原理 机械式燃油喷射系统的基本功能模块有：喷油压力调节机构，喷油量调节 机构，喷油时间调节机构和喷射机构。 典型的喷油泵总成由喷油泵、调速器、提前器和输油泵组成。 喷油泵中装有泵油机构和喷油量调节机构，按照喷油顺序向喷油器供油。 调速器和喷油泵的油量调节机构连在一起，按照驾驶员的意愿调节喷油量。提 西华大学硕士学位论文 前器的作用是根据柴油机的工况调节喷油时间，它安装在喷油泵的凸轮轴上。 输油泵安装在喷油泵上，由凸轮轴驱动，将油箱中的燃油供入喷油泵低压腔中。 机械式喷射系统的工作原理是：燃油自低压油腔经由燃油滤清器，被吸入 并充满泵腔，在柱塞自下死点上移的过程中，起初有一部份燃油被从泵腔挤回 低压油腔，直到柱塞上部的圆柱面将两个油孔完全封闭时为止。此后，柱塞继 续上升，柱塞上部的燃油压力顿时增高到足以克服出油阀弹簧的作用力，出油 阀即开始上升。当出油阀上的圆柱形环带离开出油阀座时，高压燃油便自泵腔 通过高压油管流向喷油器。当柱塞再上移到某一位置时，斜槽同油孔开始接通， 于是泵腔内的燃油便经柱塞中央的孔道、斜槽和油孔流向低压油腔，这时泵腔 中油压迅速下降，出油阀在弹簧压力作用下立即回位，喷油泵供油即行停止。 此后柱塞仍继续上行，直到上止点为止，但不再泵油。 从上述泵油过程可以看出，喷油泵每次泵出的油量取决于有效行程的长短。 1 3 2 电控柴油机喷射系统与机械式喷射系统的比较 传统机械式喷射系统无法对柴油机进行高精度、全工况的优化控制。而电 控柴油机喷射系统不仅能完成这项工作，而且控制精度高、响应速度快、控制 策略灵活、适应性强等。 与传统的机械式燃油喷射系统相比较，电控燃油喷射系统具有如下优越性： ( 1 1 排气污染降低，经济性提高。高压喷射可提高燃油经济性，显著地减 少微粒和烟度；合理地控制喷油定时和喷油量；可减少q 和h c 排放；电控 燃油喷射系统能根据发动机工作要求实现喷油量、喷油定时、喷油压力以及喷 油速率的综合控制，在满足排放法规的同时获得最佳的经济性。 ( 2 1 操作控制自动化。电控系统将驾驶员的要求转换成相应的控制信号， 借助于各种传感器和执行器自动地实现发动机的管理。如可实现怠速自动控制、 过渡工况最佳控制等。 ( 3 ) 改善可靠性。电控柴油机具有智能化自诊断、故障保护和备用功能， 能实现故障诊断和处理，电控柴油机还能根据发动机的运行状况进行相关标定 西华大学硕士学位论文 参数的自我修正，以保证发动机在整个工作寿命内始终处于良好的工作状态。 1 4 二甲醚应用研究的发展概况 二甲醚研究属于新能源研究，由于它无论在喷射特性、燃烧特性还是排放特 性方面都具有优良的表现，因此，二甲醚成为替代柴油的首选燃料，而对它在 柴油机上的应用研究也已成为近年来的研究热门，关于对二甲醚的国内外研究 状况，将在第2 章做详细的讨论。 1 5 计算机仿真技术在喷射系统模拟计算方面的发展 这方面的研究，最早是将图解水锤法应用到喷射系统中，对油管中的流动 建立了简化的线性模型，随后在1 9 7 1 年w y l i e 等人首次使用特征线法对高压油 管进行了模拟计算“，1 9 7 3 年将瞬交流理论应用到喷射系统中，从而考虑了可 能引起后喷的残余压力波动现象，在1 9 7 6 年m a t s u o k a “”在对喷射系统提出了 一系列的假设的基础上建立了系统的数学模型，进行了全面的模拟计算。随着 电控喷射系统的发展，进入9 0 年代后，模拟计算主要围绕电控燃油喷射系统展 开。l a f o r g i a “”用一维流动理论和两相气液混合物研究研究泵和喷嘴间的高压 油管中燃油的非定常流动。2 0 0 0 年w i c k m a n “”使用f i s 模拟程序对喷油系统 进行了一维模拟，同时结合k i v a 程序对气缸内的湍流雾化燃烧现象进行了三 维模拟，并将两者结合讨论，其中对喷油系统中的泄漏现象首次使用二维、准 稳态、层流、雷诺方程。 在国内如江苏大学、无锡油泵油嘴研究所对喷射系统的计算和研究也做了 开创性的工作。其中，如江苏大学的高宗英等“3 的论文“柴油机喷油系统变密 度变声速模拟计算的研究”建立了变密度变声速情况下一维管内流动基本方 程。首次引进了当量燃油密度的概念，严格地推导了变密度变声速情况下带内 插的特征线计算公式，边界计算采用了精度级较高的四阶龙格一库达法，确立了 油管与边界采用两种计算步长的方法。 喷射系统模拟计算的发展趋势主要有：从数理模型的假设入手，使所建的 9 西华大学硕士学位论文 模型能逼近真实系统内的实际过程；由于现代电控喷射系统的发展，其喷射压 力已经愈来愈高，应该在传统的模拟计算方法的基础上，引入热力学方法，根 据液力系统的能量平衡来计算喷油系统中燃油温度的分布；将喷油系统的模拟 计算主要集中在对喷油压力和喷油定时的灵活控制上面并将喷射系统模拟计算 同燃油雾化相结合。 1 6 课题背景 本课题来源于四川省车辆工程重点学科建设项目二甲醚燃烧特性及喷 射系统开发，是课题组开展二甲醚清洁能源开发的第阶段工作。研究采用二 甲醚为燃料，结合课题需要，在对国内外的电控柴油枫系统发展状况充分调研 的基础上，选择了电控单体泵作为喷射系统，这主要是考虑到这种系统控制方 便，压力波动小，喷射能力好，从而为将来二甲醚大量的替代柴油寻找一种最 合适的喷射系统进行一些前瞻性的工作。 仿真工作的实质是为试验提供一套可行的结构参数调整方面的理论支持， 该项工作的完成需要在充分熟悉二甲醚燃料的物化性质和电控单体泵的工作原 理和结构参数的情况下，才能正确地建立系统的数学模型，并且能够利用 m a t l a b s i m u li n k 软件建立仿真软件。仿真结果的正确与否关系到系统的实际 改进工作，因此，需要通过油泵试验加以验证，同时，仿真的另一目的是在得 到该燃料的供油规律后，建立系统的控制策略，才能保证e c u 的j 孵j j 开发。 1 7 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 对二甲醚的物化特性展开了研究；对燃用二甲醚的喷射系统如何进行 改造进行了介绍和讨论； ( 2 ) 详细讨论了电控单体泵喷射系统各部分的结构和功用，并针对物理模 型，分析了电控单体泵的结构参数和工作原理；根据物理模型建立了电控单体 泵喷射系统的数学模型； 西华大学硕士学位论文 ( 3 )结合二甲醚的物化特性和电控单体泵的数学模型编制了基于 m a t l a b s i m u l i n k 的喷射系统仿真模型；对不同工况的仿真结果进行了讨论和分 析； ( 4 ) 利用华中科技大学张煜盛等人在机械泵上的实验数据绘制了泵端和喷 油器嘴端压力波曲线，并与仿真结果进行了对比分析；根据该试验的结论和仿 真结果设计了应用二甲醚的电控单体泵油泵试验的内容和方法； ( 5 ) 根据二甲醚的物化特性和电控单体泵喷射系统，提出了总的设计要求， 较详细地讨论了该系统的控制策略，并使用m a n ，a b s i m u l i n k 软件建立了 控制逻辑的仿真模块。 西华大学硕士学位论文 第2 章二甲醚燃料的物化特性及研究状况 2 1 二甲醚的物理和化学特性 根据各类资料和数据表明，促使人们不断寻找新的替代能源的原因，归纳 起来主要有钱源危机、排放要求苛刻、采用传统方法改进内燃机的技术已经无 法大幅度提高动力性、经济性和排放等。多年研究表明，二甲醚是替代柴油的 最好燃料，它的辛烷值不高，而十六烷值却很大；弹性模量较小，压缩性好， 适于作为柴油机的代用燃料；燃烧特性好；在排放方面最显著的特点是其碳烟 ( p m ) 排放几乎为零。下面就二甲醚的这些物化性质展开讨论。 如表2 - 1 所示，是二甲醚与其他内燃机燃料的物化特性比较。 表2 - 1 不同燃料的物化性质 t a b2 - 1p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f v a r i o u sf u e l s 二甲醚 柴油 分子式c h 3 一o c h3c 。h 。 分子量4 6 0 7】9 0 2 2 0 液态密度( ，) 0 6 6 80 8 4 c m 。 液态粘度( x 1 0 4p a s ) 0 1 55 3 5 62 8 低热值( 噘一 2 8 4 3 4 2 5 着火温度( 。c )2 3 5 2 5 0 十六烷值5 5 6 04 0 5 5 汽化潜热( ) 4 1 0 ( 一2 0o c )2 5 0 碳含量( )5 2 2 8 6 氧含量( )3 4 8 0 西华大学硕士学位论文 从上表可以看出： ( 1 ) 二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，简写为d m e ) 的分子式为c 2 h 6 0 ，其分子结 构为c h 3 o c h 3 ，即两个甲基中间夹一个氧原子，不存在碳原子和碳原子 的直接结合，因而从结构上来说，燃烧时不会产生碳烟。这正是柴油机一直希 望的理想结果。 ( 2 ) 二甲醚的十六烷值为5 5 ，比柴油机的相应值要高，因而，其自燃温度 低( 2 3 5 。c ) ，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于高速发动机使用，而 且由于本身的分子结构的决定，不会因为高的十六烷值造成排气过程中的碳烟。 ( 3 ) 二甲醚的分子式中氧的百分含量为3 4 8 ，有利于燃烧的完全进行，可 以大大改善发动机的排放性能。 ( 4 ) 二甲醚的汽化潜热为4 1 0 ( - 2 0o c ) ，大约相当于柴油的两倍，因而， 在缸内燃烧时，有利于降低缸n 温度，抑制n o x 的生成。 ( 5 ) 由于二甲醚的蒸发压力低( 5 3 k p a ) ，使得它极易液化( 常温时可在0 3 m p a 下液化) ，这一点同l p g 极为相似( i 。p g 在6 9 0 k p a 时即可液化) ，这就表明d m e 适于贮存、运输。因此同c n g 相比，d m e 在车用发动机上使用前景更为广阔。 ( 6 ) 二甲醚可以通过石油提取，也可以从煤，植物和生活垃圾中提取，此 意义重大。 ( 7 ) 二甲醚在常温下为无色无味的气体，无腐蚀性，无毒性，对人体几乎 没有伤害。 同时，在另一方面，由于二甲醚的某些固有的物化性质，造成了其在柴油 机上的使用存在许多需要解决的问题： ( 1 ) 二甲醚的密度为6 6 7k g m 3 ，而柴油机的密度为8 3 1k g m 3 ，因而在相同 的质量下，其体积要比柴油多，二甲醚的低热值为2 8 4 3 ，约为柴油机( 4 2 5k j k g ) 的7 0 ，因而，和柴油机相比，行驶相同的距离所需的燃油要比柴油多，所以 一般情况下，二甲醚的燃油箱要大得多：为了达到相同的功率，二甲醚的喷油 量要比柴油要多。 f 2 ) 二甲醚的弹性模量为6 3 7 1 0 8 ，比柴油小，大约为柴油的o 4 2 倍，因 西华大学硕士学位论支 而，在传统的泵一管线一喷嘴系统中，其喷油定时有波动，必须对其供油系统进 行改造。 ( 3 ) 二甲醚在常温常压下，其蒸气压为o 5 3m p a ，而且，随着温度的升高， 其值也将升高，为了避免产生气阻，二甲醚发动机的供油系统的压力要高于柴 油燃料的发动机。 ( 4 ) 二甲醚的粘性系数较小( 运动粘度数值为：小于l ，量纲：l 2 t 。1 ) ， 而柴油机的粘性系数较大，其运动粘度大约为：3 量纲：l 2 t ，故二甲醚使用 柴油机的高压供油系统时，泵体和柱塞之间的缝隙较大，燃料泄漏现象较严重。 2 2 应用二甲醚燃料的柴油机的喷射系统改造 2 2 1 概述 目前，国内外有多家研究机构对二甲醚的喷射特性和燃烧特性进行研究， 比如，国内有西安交通大学【“ 1 1 1 ，天津大学翻等，国外有d e n m a r k 大学 5 】，a v l 公司【7 l 等。这些研究机构采取的研究方式如下： f 1 ) 对柴油机不进行任何改动，然后利用高速摄像技术，拍摄喷孔喷油图 像，分析二甲醚和柴油机在喷雾锥角，喷雾贯穿距离，动力性方面的差别，以 为改装提供试验依据。 f 2 ) 对柴油机只进行为了保证正常燃烧的必要改造就燃用二甲醚。如丹麦 大学的研究人员的改造如下：在供油系统中增加一氮气瓶，目的是为了避免产 生气阻，添加调压装置使喷油器回路中保持一定压力，使二甲醚保持液态，将 喷油压力降低。结果显示，排放性能得到了大大的改善，特别是n o x 只有原机 的1 4 ，噪声降低了4 1 0 d b ，几乎达到了无烟排放，只是c o 和i - i c 和原机的指 标相差不多。 ( 3 ) 将柴油机新技术应用到柴油机上，这些新技术包括，共轨式燃料喷射 系统，增压系统，废气再循环技术，然后研究其缸内压力，滞燃期等燃烧特性， 排放和燃油消耗情况。比如，将废气再循环技术在柴油机上研究，讨论在不同 的e g r 率下二甲醚的燃烧情况的好坏。对于增压技术，研究其在不同的负荷和 西华大学硕士学位论文 不同的增压程度下，其燃烧和排放的好坏。 2 2 2 二甲醚在发动机上的应用方式 2 2 2 1 作为着火促进剂 即d m e 作为部分燃料先期进入柴油机气缸，可以从进气道与空气同时进 入，也可以采用其他方式，如t i c ( t o r c hi g n i t i o nc h a m b e r ) 方案。要解决甲醇发 动机的压燃问题，可以将一鄙分甲醇通过催化作用而改质成二甲醚。由于d m e 的自燃温度为2 3 5 。c ，所以可以像一般柴油那样压燃。d m e 的生成反应方程 如下： 2 c h 3 0 h c h 3 0 c h 3 + h 2 0 + q 放热 ( 2 - 1 ) 上述改质反应可利用排气废热，在催化反应器中完成，生成的d m e 可阻 从进气管与新鲜空气混合后供入气缸，也可以通过一个设置在气缸盖中的阀供 入副室。d m e 被压燃以后即可以起点火的作用将主喷入气缸的甲醇引燃。日本 北海道大学村山正研究室正在从事这方面的研究。试验发动机为一台四行程直 喷柴油机，缸径行程为1 0 0 m m x1 0 5 m m ，该试验装置可从事两种方式研究， 即吸入式和点火式。d m e 罐主要是为了供起动时使用。 以吸入式为对象的实际运转试验研究表明，使用甲醇部分改质的方法能有 效地实现甲醇发动机的压燃，在很宽的工况范围内能平稳地运转。在燃用甲醇 的柴油机上以d m e 为助燃物质的研究表明：从进气道引入少量d m e ，柴油机 的性能和排放有了不同程度的改善。柴油机的冷起动性能由于d m e 的引入而 明显改善。原来柴油机燃用甲醇必须由火花塞点燃，且在小负荷时运转不稳定， 容易出现失火现象，而以d m e 作为点火促进物质后，由于d m e 的自燃性好， 且可以形成良好的可燃混合气，能够缩短着火延迟期，迅速点燃喷入气缸的甲 醇，因而，在无火花塞的情况下，减少了失火现象的发生，改善了小负荷运转 的稳定性。 西华大学硕士学位论文 通过改变d m e 进入气缸的方式，采用t i c 方案，一方面可以减少稳定运 行所需的d m e 量，同时可降低c o 、h c 、h c h o 和未燃d m e 等的排放量， 热效率也有所提高。如果进一步优化t i c 的几何形状和在气缸盖上的位置，柴 油机的排放和性能会进一步提高。 2 2 2 2 单纯以d m b 做柴油机燃料 这是一种直接由燃料喷射装置向气缸内喷射液态d i v i e 的方式。t h e o f l c i s c h 等人在一台n a v i s t a r 7 3 lv 一8 t 4 4 4 e 直喷式涡轮增压柴油机上进行了 燃用d m e 的研究i 6 j 。在未改变原有h e u l ( h y d m u l i ce l e c t r o n i cu n i t e c t o r s ) 供油系统的情况下，就可获得低的n o 排放和彻底的无烟运行，在所有的工况 点，p