（动力机械及工程专业论文）一种新型电控泵轨阀嘴燃料喷射系统的研究.pdf

一 一种新型的电控泵轨一阀嘴燃料喷射系统的研究 摘要 环境和能源是关系到人类社会生存和发展的重要问题，尤其是 环保意识的加强，对限制发动机的有害排放提出了越来越高的要 求。清洁液化燃料作为解决上述问题的一个重要途径，所受到的重 视程度与日俱增但液化代用燃料在发动机应用最大的困难是与常 规泵管嘴喷射系统的不匹配。 本文针对比较有应用前景的代用燃料二甲醚( d m e ) 的特点， 设计了一种新型的电控泵轨阀嘴燃料喷射系统。结合实验需要， 开发了电控燃料喷射系统，用于燃料的缸内喷射研究，该系统功能 较强，工作可靠，具有抗干扰能力。 通过本系统在油泵实验台的实验研究，基本摸清了新系统的喷 越圭里鱼以及系统各组件对系统噬拉蛙篮的影响。装有本系统的4 9 5 发动机台架实验结果表明本系统的设计是成功的。本系统的基本性 质使得它适合二甲醚、液化石油气、醇类燃料等多种液化代用燃料 在迷过扭、迓韭衄上的篁凼嚏挝 a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n th a v eb e e nt h em o s ti m p o r t a n tt o p i c s i nr e s e n t y e a r s w i t h t h e i n c r e a s i n g c o n c e r n so nh e a l t ha n d e n v i r o n m e n t ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l db r i n gf o r w a r di n c r e a s i n g l y t i g h t e n i n gr e g u l a t i o n f o r r e d u c i n ge m i s s i o n a s a s o l u t i o n ，c l e a n l i q u e f i e df u e l sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t d i m e t h y le t h e ri sa p r o m i s i n g a l t e r n a t i v ef u e li n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h eo r i g i n a l p u m p - l i n e - - n o z z l ei n j e c t i o ns y s t e mw a sf o u n dt ob en o tw e l ls u i t e dt o a l t e r n a t i v ef u e l s t h i s p a p e r i n t r o d u c e san o v e l e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d p u m p r a i l v a l v e i n j e c t o rf u e li n j e c t i o ns y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h e p r o g r a m s ，a r te l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e mh a sb e e n d e v e l o p e d t oc o n t r o l t h e i n j e c t i o n o ff u e l si n c y l i n d e r s t h e e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h i ss y s t e mw a s p o w e r f u l ，r e l i a b l e ，a n d h a sh i g ha b i l i t yt or e s i s td i s t u r b a n c e t h eb e n c h t e s t i n gt e l l su st h es y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c so fi n j e c t i o n a r es u i t a b l et oi n j e c t i o no fc l e a nl i q u e f i e df u e l s w ek n o wt h ed a r t so f s y s t e mw i l li n f l u e n c et h es y s t e m sf u n c t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so f a4 9 5 e n g i n es h o w e d t h a tt h es y s t e mi ss u c c e s s f u i t h e s y s t e m sb a s i c c h a r a c t e r i s t i c sa l s om a k ei ts u i t a b l ef o rd i r e c ti n j e c t i o no f d i m e t h y l e t h e ri n c o m p r e s s i o n i g n i t i o ne n g i n e s ，a n dd i r e c ti n j e c t i o no fl i q u i d p r o p a n e a n dm e t h a n o l & e t h a n o li ns p a r k - i g n i t i o n e n g i n e s 致谢 本科题的研究工作是在导师左承基教授的悉心指导下完成的。 左老师严谨的治学态度、渊博的知识和丰富的科研工作经验将使我 终生受益。 在两年多的时间里，左老师在生活方面也给予我无微不至的关 怀，从左老师身上学到的不只是科学知识，同时也学到了为人处世 的道理，这对我来说同样是一份宝贵的财富，会对我的一生产生重 要的影响。在论文完成之际，谨向左老师致以最衷i l , 的感谢和深深 的敬意! 本文的实验工作是在合肥工业大学内燃机实验室进行的。实验 中得到了谈建老师的无私帮助，谈老师丰富的实践经验和辛勤劳 动，保证了实验的顺利进行，也使我受益非浅。在此向谈老师致以 最衷心的感谢! 衷心感谢滕勤老师在电子控制系统和工作生活方面给予的关 心、支持! 衷心感谢徐天玉老师在系统测试方面给予的帮助。 衷心感谢路苏君老师在系统加工方面给予的帮助。 衷心感谢赵俊华、黄飞、郭威、汪胜聪、顾红兰等同学在诸多 方面给予的帮助。 感谢我的父母、姐姐、姐夫，及其他亲人从经济和精神上对我 的莫大支持。 最后，要感谢在论文工作过程中所有曾经支持和帮助过我的老 师和朋友们! i i 引言 第一章绪论 人类社会的发展面临着能源短缺，环境恶化和人口过剩三大问题的困扰。其 中能源短缺、环境恶化是与汽车工业的发展密切相关的。 常规的汽车发动燃用汽油、柴油这两种石油燃料，随着工业的发展，石油燃 料的生产已逐渐不能满足需求，并且石油是一种不可再生的能源，按照目前的消 耗水平，在今后的几十年内可能会消耗殆尽，这迫使人们必须开发新的代用燃料。 另一方面，汽车工业的迅猛发展也使生态环境受到了严重的污染。汽车排放 物中的c o 。能够引起“温室效应”、n o x 和s 0 。与大气中的臭氧结合可形成酸雨或 烟雾、微粒中的苯并芘是致癌物质等等。这些环境污染的加剧使得世界各国的排 放法规越来越严格，在一些发达国家更是提出了超低排放法则，甚至对车辆提出 了零排放的要求。表卜】是美国加里福尼亚州轻型汽车排放的标准的排放限值。 表卜1加里福尼亚i 、1 4 轻型汽车排放的标准的排放限值 5 0 0 0 0 m i l e 以内( g m i l e ) 标准 c on m o gn o 微粒甲醛 1 9 9 33 4o 2 5 ( 1 )0 4o 0 8 t l e v3 40 1 2 50 4o 0 60 0 1 5 t l e v ( 3 )3 40 0 7 502o 0 80 0 1 5 t l e v ( 4 )1 70 0 4o 20 0 40 0 0 8 1 0 0 0 0 0 m i l e 以内( g m i l e ) 标准c on m o gn o微粒甲醛 1 9 9 34 2o 3 1 ( 1 )1 o0 0 8 t l e v ( 2 )4 2o 1 5 60 6o 0 8o 0 1 8 t l e v ( 3 )4 20 0 9 00 30 0 80 0 1 8 t l e v ( 4 )2 10 0 5 50 30 0 4o 0 “ 注：n m o g 无甲烷有机气体( n o n m e t h a n eo r g a n i cg a s e s ) 1 9 9 3 年加里福尼亚排放标准是n m h c t l e v ：过渡性低排放汽车 l e v ：低排放汽车 u l e v ：超低排放汽车 为满足日益严格的排放法规的要求，对各种可能的方案进行了研究，如优化 燃烧系统的结构参数：采用电控喷射、高压喷射、利用废气在循环、采用稀燃技 术、对排气进行后处理措施( 如过滤再生、催生转化) 。_ 3 “。同时从燃料本身也 采取了多项措施，包括使用燃油添加剂、含氧燃料、无铅汽油、重组燃油“。， 其中一个重要的途径是采用燃烧比较洁净的代用燃料。 l - 2 柴油机的有害排放控制技术 柴油机由于其高的热效率，应用范围已不仅仅局限于重负荷车辆，在轿车上 的应用也越来越广泛。因而，对柴油机的排放控制具有重要的意义。 柴油机的排放主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和微粒排放物。由 于影响柴油机的有害排放因素很多，对有害排放物的控制技术是一项系统工程， 从大的方面可分为机内净化、排气后处理和燃料改质及代用燃料三个相互结合的 局面。 1 2 1 机内净化 机内净化的核心是优化燃烧过程，达到使发动机高效、低污染的目的。 燃烧过程的优化，归根结底是油、气、室的良好配合。 燃油系统是对燃烧系统进行优化的核心。提高喷油压力和减小喷孑l 直径可以 明显降低微粒中碳的排放，但为了达到与n o 排放的折衷，要求降低涡流、提高 压缩比和可变燃油喷射正时与其相适应，同时要求燃烧室的匹配，以避免过多的 壁面激冷产生大量的h c 排放。特别是电喷技术的发展和成熟，通过喷油正时及 喷油规律的控制和优化，不但使有害排放大幅度降低，而且使发动机的经济性得 到了改善。 缸内的气流运动同样是一个重要的优化因素。与油束配合适当的涡流强度、 充足的进气充量有助于形成良好的混合气，从而对排放产生正面的影响。目前已 被采用的多气门和可变气门正时技术，是改善发动机性能和排放的重要途径。如 采用四气门技术，发动机可以采取中央布置的燃烧室结构，喷油器也可以中心布 置，改善了燃烧室内燃油和空气的分布，使油、气混合均匀，有效降低了微粒和 h c 排放。增压中冷也是目前被普遍采用的技术之一，不但显著提高了发动机的平 均有效压力，降低排放和噪声，而且提高了燃油经济性，降低了对进气涡流的要 求，减少滞燃期内与空气混合的燃油量，因而减少了n o 的生成。 从燃烧室的结构形状看，主要也是寻求与油束、气流运动的配合，从而改进 燃烧室的质量，使排放相应得到改善。从这个角度看，虽然目前燃烧室的型式已 有很多种，但仍不断有新的型式出现。如m i t s u r uk o n n o 等人提出的燃烧过程产 生强紊流的新型燃烧系统( c o m b u s t i o nc h a m b e rf o rd i s t u r b a n c e ，c c d 燃烧系 统) ，通过紊流延长燃烧持续期，使放热值后移，在低负荷采用e g r ，高负荷使用 加水的乳化油，可有效降低微粒和n o 排放量。- 。 1 2 2 排气后处理措旖 主要有氧化催化转化器，微粒过滤器和n 0 催化器“。”1 。 氧化催化器 主要用来消除柴油机排气中的可燃气体和可溶性有机成分，如h c ，c o 和微 粒中的s o f 。但氧化催化器一般适用于柴油含硫量较低的情况，否则会由于硫的 氧化而额外增加微粒物的排放。 微粒过滤及再生技术 柴油机排放的重要特点之一是微粒物的排放较高，因此，微粒过滤器的研究 直是柴油机机外净化的重要研究课题。 柴油机微粒过滤器的再生方式有很多种，如靠涂在过滤器载体上的催化剂或 燃油中的添加剂降低微粒氧化活化能的催化再生；以及加入外界能量的再生方 式，如喷油助燃再生、电加热再生、微波再生等。再生方式的选择要根据发动机 的特点来确定。 n 0 催化转化器 n 0 排放较高是柴油机排放的另一重要特点，并且机内控制较为困难，为抑制 n o 生成的措施往往导致微粒排放的增加。从机外净化看，近年来n o 催化转化技 术得到一定的发展，对降低n 0 的排放有较明显的效果。 1 2 3 燃油的改质及代用燃料“ 燃料的成分对柴油机排放的影响是众所周知的。如硫份对柴油机微粒排放的 影响，一方面在燃烧过程中会生成硫酸盐，这是微粒的一部分；另一方面，硫份 也限制了氧化催化剂的使用。另外，芳烃成分和十六烷值也是影响排放的燃油品 质。现在一般所采取的方案是降低含硫量、减少芳烃成分、适当提高十六烷值、 燃油氧化等。 代用燃料也是解决污染问题的重要途径之一。在环境保护的压力下，某些代 用燃料由于其污染物排放少的特点，进一步受到关注。美国最新的排放标准规定 的在特殊地区必须使用的清洁燃料中，包括天然气、液化石油气、氢及醇类等。 1 3 常用的柴油机代用燃料的特点和应用状况简介 由于石油资源总是有极限的，代用燃料一直是内燃机研究和燃料研究的热点 之一。早期的研究目的主要是侧重于能源问题，既为终将消耗的石油燃料( 主要 指柴油和汽油) 寻求替代品，而随着环境问题被提升到前所未有的高度，并且一 些代用燃料在排放方面具有传统燃料所不具备的优点，寻求清洁燃料、降低有害 排放就成为代用燃料研究的重点。 同上述寻求相适应，发动机的代用燃料除了具有可以替代或部分替代汽油或 柴油等发动机的常规燃料，从而缓解能源紧张的局面外，它必须具备的另一个条 件就是燃料清洁、对环境的污染低。 柴油机由于其应用范围越来越广泛，无论从能源还是环境的角度考虑，进行 柴油机洁净代用燃料的研究意义都是十分重大的。 下面的表卜2 列出了一些被认为比较有应用前景的柴油机代用燃料。它们主 要包括醇类、天然气、液化石油气、氢气、二甲醚( 其中二甲醚是本课题研究的 内容，单独放到下一节介绍) 等。 表卜2 柴油和一些代用燃料的主要性质比较”7 燃料柴油 d m e 甲醇乙醇 l p gc n g 性质 低热值( m j k g ) 4 2 52 7 61 9 52 5 04 6 35 0 0 沸点( ) 1 8 0 - 3 7 02 06 57 8- 4 2 11 6 2 十六烷值4 0 5 55 5 6 0 58 自燃温度( ) 2 5 02 3 54 5 04 2 04 7 06 5 0 理论空燃比1 4 6 9 06 59 o1 5 61 7 2 1 3 1 醇类 主要包括甲醇和乙醇。在现有的发动机上使用醇类燃料时，不需作较大的改 动。 1 甲醇 甲醇的分子结构是c h 。一o h ，制作发动机的代用燃料的主要的优点是： 资源丰富：可通过多种途径制取，既可由煤、天然气等原料合成，也可利用 太阳能、水能或原子能产生的电能电解得到氢，再将氢和c 0 2 合 成甲醇。 排放洁净：在燃用甲醇的发动机的排气中不含碳烟和微粒物，采用氧化催化 剂可将c o 和h c 排放降到很低的水平。 常温下甲醇是液体，储运方便，并且于传统的发动机技术有继承性，发动机 结构变化不大。 缺点是：热值低，燃料的用量增加；十六烷值低，不能压缩着火，作为柴油 机的燃料需十六烷值增加剂或辅助点火才能正常运转：排放中甲醛含量较高：并 且甲醇对人体有害，易挥发，火焰无色，安全性不好。 2 乙醇 乙醇的分子式是c h 。c h 。一0 h ，与甲醇有着类似的特性，毒性略小于甲醇。乙醇 作为发动机燃料时，生成碳烟的倾向也较小，但在冷启动方面要更困难一些。由 于乙醇能从城市垃圾和渣物中提炼，所以有希望成为种可再生的燃料。 1 3 2 天然气和液化石油气 天然气的主要成分是甲烷，主要以压缩天然气和液化天然气的形式在发动机 上燃用。发动机燃用天然气的最为显著的优越性是污染低。据资料显示，天然气 c o 排放量是汽油车的1 1 5 ，h c 排放量是汽油车的1 5 ，形成酸雨的s 0 ：排放量是 汽油车的1 1 0 ，导致温室效应的c o 。排放量是汽油车的4 5 。柴油机燃用天然气 时优点更为明显，能够明显降低微粒物和n o x 排放量，彻底消除排气黑烟，并且 由于天然气中不合苯和芳香烃，也减少了致癌物质的排放。发动机燃用天然气时 积碳少，减少了对发动机的磨损，可以延长发动机的寿命，降低机油的消耗，并 且冷启动性得到了改善。从经济性考虑，由于天然气的资源丰富，成本低，发动 机的燃料费用能够大大降低。 发动机燃用天然气所存在的问题主要是： ( 1 ) 燃料的储存。常态下为气体，需要钢瓶等耐压容器加高压储存， 费用较高。 ( 2 ) 功率损失，这主要是容积效率损失造成的。发动机燃用气体燃料 时功率损失一般为1 0 2 0 ，因而必须寻求功率恢复的途径。 ( 3 ) 点火问题。用于柴油机时，由于天然气的十六烷值低，着火温度 高，靠压缩不能实现点火，必须采取辅助措施。 由于发动机燃用天然气成本低，排放效果好，得到了较广泛的应用，目前在 加拿大、美国、日本、澳大利亚、新西兰等国家拥有一定数量的天然气汽车 1 2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 62 7 液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ，简称l p g ) 是以丙烷和丁烷为主体 的碳氢化合物的混合物，来源于油井气、石油加工的副产品和用煤制取液体燃料 时的副产品。l p g 作为汽车燃料有许多优点，既可代替汽油，又可代替柴油。它 作为发动机的燃料，具有低热值高、抗爆性好、且不含铅、硫等特点。l p 6 与空 气混合均匀、燃烧完全、n o x 排放低，尤其是碳烟的排放与柴油机相比降低到了 非常低的水平。虽然与柴油相比也存在储运的问题，但所需压力较低，在这一点 上比天然气要简便一些。 1 3 3 氢气 氢气虽然难于携带，不安全，但从长远观点看最有利之处是零排放。就发动 机而论，预混合方式虽然存在爆燃和快速燃烧的问题，但这些问题用向缸内直接 喷射的方法和用稀薄燃烧便可以解决。储藏除了用高压瓶外，还有液态氢和金属 氢化物储存方法。 】4 二甲醚( d m e ) 的特点和研究状况“。” 1 4 1 二甲醚的简介 近年来，在国外的些论文中，较多地出现了二甲醚应用于柴油机的介绍。 d m e 之所以成为引起许多研究者关注的柴油机代用燃料，是与其性质特点密切相 关的。主要特点如下： d m e 的化学分子式为c h 。一o - c h 。，是一种最简单的醚结构。它的分子式中没有 c c 键，而且有一个氧原子( 分子中氧的质量百分比为3 4 8 ) 。无c c 键的分子 减少了微粒的形成，分子中较大的氧比例一方面对实现无烟燃烧有利；另一方面 允许高比例的e g r ，从而有利于降低n o 。排放。 d m e 的十六烷值为5 5 - 6 0 ，高于柴油( 4 0 5 5 ) 和其它代用燃料的十六烷值， 这意味着d m e 具有十分好的自点燃性能；同时d m e 沸点较低，能够快速形成良好 的混合气，从而缩短着火延迟，使柴油机具有较好的冷启动性，比较适合于压燃 点火的工作方式。从表卜2 可以看出o m e 与柴油及其它代用燃料性质比较。 d m e 主要以煤、天然气、木材、等为原料制取，生产过程比较简单。通常采 取先制取甲醇然后通过甲醇脱水制取d m e 小规模生产工艺。h a l d o rt o p s o e 已开 发出了一种新的大规模的d m e 生产工艺，这种工艺可以直接由合成气体一步便可 得到d m e ，其成本相当低廉。 1 4 2 柴油机燃用d b l e 的研究现状 从目前国外的研究状况来看，d m e 在柴油机的应用方式有两种：一是以d m e 作为点火促进物质，二是柴油机单纯燃用液态d m e 。 ( 1 ) 即d m e 作为部分燃料先期进入柴油机气缸，可以从进气管与空气同时 进入，也可以采用其它方式。作为点火促进物质主要是考虑d m e 的十六烷值高、 自燃性好，因而使少量的d m e 在进入气缸，在压缩行程后期先行燃烧，使得气缸 内温度升高，从而会对主燃料的着火起促进作用，并且对柴油机的性能和排放也 会有一些影响。在燃用甲醇的柴油机上以d m e 为助燃物质的研究表明：从进气管 引入少量d m e ，柴油机的性能和排放有了不同程度的提高。 柴油机的冷启动性能、小负荷的稳定性有明显的提高，从示功图和放热率曲 线看，柴油机运行平稳，总的碳氢排放大幅度降低。 ( 2 ) 单纯以d m e 做柴油机燃料 6 这是一种直接由燃料喷射装置向气缸内喷射液态d m e 的方式。根据t b e o f 1 e i s c h 等人的研究，未改变原有h e t j i ( h y r a u l i c e l e c t r o n i c u n i t - i n j e c t o r s ) 供油系统的情况下，就可获得低的n o x 排放和彻底的无烟燃烧，在所有的工况点， p m 排放为零。就经济性而言，能量的消耗与燃用柴油时相当。在改进了喷油器， 安装了中冷器以限制进气温度后，在各种转速和负荷下，甚至在过量空气系数小 于1 的情况下，柴油机实现无p m 排放。由于d m e 沸点低，良好的可燃混合气容 易形成，d m e 的喷射压力不高，实验中采用峰值为2 2 m p a 的压力即可获得无烟运 行等好的排放指标。燃油消耗在任意给定的n o x 排放水平均低于燃用柴油。 对含有少量水和甲醇等杂质的d m e 的研究表明，仍可满足u l e v 法规。 s c s o r r e n s o n 及p a u lk a p u s 等人的研究同样证实了d m e 作为柴油机代用燃料 满足未来排放法规的巨大潜力。 由d m e 的特点所决定，在柴油机上应用时也存在一些需要解决的问题，包括 燃料的储存、发动机的润滑以及喷射系统的选择等，但主要问题还是喷射系统的 选择。 发动机改燃代用燃料时，我们希望对发动机的改动越少越好，并能保持原机 的优点，克服其不足之处，这样才有利于代用燃料的推广应用，有利于降低改造 成本，提高代用燃料发动机的经济性。故国外在率先开展燃用纯d m e 的实验研 究时，大多数也只是对柴油机的供油系统作必要的调整，并没有涉及到整个供油 系统的优化改造。d e n m a r k 大学的s o r e n s o n 等人曾在一台非增压直喷小型单缸机 作了燃用d m e 的实验，他们对供油系统的改造，目的也只是为了能让d m e 正 常工作，并没有刻意对这些措施进行优化改进。这些措施包括：为防止d m e 在 油路中汽化发生汽堵现象，系统中增加了一个稳压用的氦气瓶；喷油器回路中也 保持了一定的压力，使d m e 保持液态，并将它导入喷油泵的入口：降低d m e 喷嘴压力。供油系统如图1 1 示。实验结果显示，当d m e 的喷嘴压力为8 m p a ， 而柴油为2 0 m p a 时燃用二甲醚和燃用柴油的效率相同，燃烧噪音也比原机小， h c 和c o 排放两者相差不多，但是d m e 的n o 。排放只有原机的1 4 ，烟度非常 小，几乎是无烟燃烧，并且在利用e g r 降低n o 。排放时，发动机的热效率和烟 度不受影响，因此s o r e n s o n 等人认为在对小型单缸直喷机经过改造燃用d m e 是 可行的，改造费用也十分低廉。 为了进一步了解d m e 在柴油机上的燃用情况，s o r c n s o n 等人又在一多缸非 增压直喷柴油机上作了实验，其供油系统仍是常规的泵管嘴形式，但也作了少 许改动，系统如图( 1 - 2 ) 所示。实验结果显示，通过组织合理的喷油定时、降低 喷嘴压力及采用e g r ，可使其n o 。排放降低7 0 ，微粒排放只相当于原机的1 0 。 试验中，在d m e 的喷射压力为1 0 m p a ，柴油的喷射压力为2 3 m p a 时，测得油管 内的压力如图( 1 3 ) 所示。从图中我们可以看出，由于d m e 分子的可压缩性较 大，这使得在高压喷射时，d m e 分子积聚了相当的能量，而当喷射结束时，d m e 还没有完全释放出能量，剩余能量的释放导致了泵嘴之间油管的压力波动，虽然 这种波动会最终消失，但它导致了油管内d m e 较高的剩余压力，引起d m e 的 二次喷射，这也可以从实测的放热率曲线看出。为此s o r e n s o n 等人又在常规喷射 系统上作了d m e 的喷射特性实验，也发现d m e 的二次喷射机率非常大。 s o r e n s o n 等人证实，d m e 的二次喷射虽然对碳烟的生成没有太大的影响，但引 起了热效率的急剧下降，也增加了其h c 和c o 排放水平。因此他们认为常规的 泵管嘴形式的喷射系统不适合d m e 。 高压油路 一 低压油路 图1 - 1燃用二甲醚的系统布置图 泵 图卜2 供油系统图 油 管 压 力 m p a o - 4 0 - 2 002 04 06 08 01 0 0 曲轴转角。c a 图1 - 3 柴油和d m e4 工况实验时油管压力曲线 1 5 本课题选题意义和主要内容 醚 石油资源是汽车用常规燃料，具有能量高、安全性好、储运方便等优点，但 石油资源是有限的。随着汽车保有量的增长和石油资源的消耗，据预测，到 2 0 2 0 2 0 3 0 年会出现石油供给不足，价格高涨；另一方面通过石油燃料的燃烧， 产生的排放污染物会破坏人类生存的环境。因此加快汽车代用能源的开发、使用 越来越显得重要。而且我国的石油资源不是很丰富，而天然气、煤层气等资源较 丰富，所以对于我国来说，研究开发代用燃料具有重要意义。但是由于各代用燃 料与柴油、汽油的性质不同，现有的常规泵一管一嘴机械式喷射系统并不能完全发 挥出代用燃料的优越性，喷射系统的改造避不可免，研制开发新型燃油喷射系统 具有实际意义。 在众多代用燃料中，d m e 作为一种新兴的代用燃料，其特殊的物理、化学性 质，使得它被认为二十一世纪理想的柴油机代用燃料。近几年，国外对柴油机的 燃用二甲醚的研究较深入，已开发出专用的润滑剂、油嘴、并提出了一些适合二 甲醚的喷射系统，但整体上还处在研究开发阶段。国内所做的研究较少，还处在 研究探索阶段。天津大学、西安交通大学等院校所做实验研究，大都是利用单缸 机对二甲醚的燃烧特点、排放特性进行实验研究，没有涉及二甲醚特殊的喷射机 理和电子控制，也没涉及二甲醚在多缸机的应用。 本课题来源于高等学校骨干教师资助计划项目多缸二甲醚车用发动 机的燃料喷射机理及工作特性研究。 本课题的主要内容包括： 1 共轨式燃料喷射系统设计。在对二甲醚燃料特性进行分析的基础上，在 国内首先提出了一种新型的适合二甲醚喷射的电控泵一轨一阀一嘴( 简称 p r v i ) 燃料喷射系统的模型，进行了零部件的设计和选型。 2 电子控制系统设计。提出了一种用于四缸二甲醚车用发动机的控制系统， 硬件选用型号为m c 6 8 h c 7 1 1 k 4 单片机，其系统时钟频率为4 m h z ，带有专 门的脉宽调制端口。软件程序分别进行前台控制电磁阀的开或关，以及 后台程序管理工作。 3 电控p r v i 燃料喷射系统的实验研究。以柴油作为燃料，模拟二甲醚的工 作。在油泵实验台进行了机液装置、控制系统的联合调试，标定及喷油 量均匀性、喷射特性的研究。 4 电控p r v i 发动机台架初步实验。考察了发动机起动，怠速，稳定工况， 变速，变负荷的运行情况。验证了本系统实际运行的可行性。 第二章共轨式燃料喷射系统的设计 环境和能源是关系到人类社会生存和发展的重要问题。随着环保意识的增强， 人们对发动机的有害排放提出了越来越高的要求。在这种情况下，降低有害排放 己成为发动机燃料研究的主要目的。清洁燃料作为解决上述问题的重要途径，取 得了不少研究成果。柴油机由于其效率高、h c 和c o 排放量低的优点，而获得 了广泛使用。但柴油机的n o 。和颗粒排放量高，烟度大，限制了其使用范围1 4 j ， 所以在对柴油机代用燃料的研究上，我们既要保持原机优点，又要降低其有害排 放( 主要是颗粒和n o 。) 。我国的石油资源不是很丰富，而天然气、煤层气等资 源较丰富，可以低廉地转化为清洁地二甲醚燃料，所以对于我国来说，研究开发 柴油代用燃料具有重要意义。但是由于二甲醚与柴油的性质不同，现有的常规泵 一管一嘴机械式喷射系统并不能完全发挥出其优越眭，喷射系统的改造避不可免， 研制开发新型燃油喷射系统具有实际意义。 在国内首先提出了一种电控共轨式燃料喷射系统( 或称泵一轨一阀嘴喷射系 统，简称p r v i 系统) ，主要是以二甲醚作为应用燃料，也顾及了其他各种代用燃 料的性质和使用要求，因此可以满足多种代用燃料在柴油机和汽油机上喷射要 求。 2 1 二甲醚( d b i e ) 对喷射系统的要求。”。” 为了寻找适合d m e 的喷射系统，国内外研究者作了大量的研究工作。作者 在仔细比较了d m e 和柴油的性质特点后，认为d m e 喷射系统应着重解决以下 几个问题： 1 d m e 的沸点低，室温下汽化，故油路中要加压以防止发生汽堵现象； 2 d m e 的热值和密度较柴油低，为保持原机的动力性不变，必须增加d m e 的供油量； 3 为了降低n o 。排放和燃烧噪音，着火延迟时的喷油量要少。由于着火延迟 角与发动机的负荷有关，因此新系统喷射初期的喷油速率要可调； 4 因为d i m e 的微粒生成少，汽化温度低，所以喷射压力不需要太高。因为发 动机缸内最高压力随负荷增加，这样可调的喷射压力有利于减少发动机的 额外消耗功，增加发动机的经济性，因此喷射压力最好可调。 5 二甲醚粘度低且对橡胶有腐蚀作用，要考虑油路的密封件的选择。 根据d m e 对喷射系统的要求，我们对现有各种喷射系统作了全面分析，并 结合国内外研究者的成果，发现共轨式燃料喷射系统比较适合柴油机燃用d m e ， 主要原因如下： ( 1 ) 共轨系统对d m e 分子的高弹性不甚敏感，而常规系统中利用柱 塞泵计量d m e 的喷油量非常困难。 ( 2 )喷油压力和喷油速率灵活可变，可根据发动机的转速、负荷灵活 控制d m e 的喷射以达到最佳运行效果。 ( 3 ) 所需的喷油压力不需要增压措施即可满足缸内喷射要求。 ( 4 ) 共轨系统的应用可在现有柴油机上进行改造后实现，避免了发动 机主要部件的改动，降低了系统制造成本。 2 2 共轨喷射系统的整体设计 基于以上的设想，我们提出了一个新型的电控共轨式喷射系统( 见图2 1 ) 。 新系统一个显著特点是对常规喷油器回油的处理。由于大多数液化( 或液态) 代 用燃料的粘度非常低，使用常规喷油器存在一定的困难，主要问题使常规喷油器 回油十分严重，使得高压油泵的效率变低。考虑到系统的成本和继承性问题，对 常规喷油器进行了改造将喷油器原有回油道切断，而在喷油器的入口处增加 了一回油叉道。回油叉道将喷油器的回油通过三通连接器导入中压共轨，同时在 三通连接器通向中压共轨的一侧装有节流孔，并在中压共轨上装了调节阀以调节 喷油器的基础压力。 整个系统的工作原理是这样的：当燃料经燃料罐流出后，调压阀将整个系统 回路的压力维持在一定值上，保持燃料为液态，受凸轮驱动的高压泵源源不断的 将二甲醚泵入高压共轨，高压共轨中聚集了大量的高压燃料，当高压共轨和喷油 器之间的电磁阀受电控单元指令打开时，高压共轨中的高压燃料流向三通连接 器，三通连接器中的节流孔受突然升高的油压作用，发生节流效应，燃料不能经 过节流孔流回中压共轨，高压燃油使喷油器开启喷油：当电磁阀关闭时，高压油 管中的压力下降，燃料经节流孔流回中压共轨，喷油器停止喷油。新系统解决了 低粘度燃料的喷油器泄漏问题，同时由于系统中的中压共轨压力可调，这样在喷 嘴压力一定时，改变中压共轨的压力，就可调节喷油器的初期喷油速率，这有利 于对发动机的工作性能进行优化。新系统的连接部分的密封问题也是我们重点考 虑的问题。在实际应用时，我们用紫铜垫代替常用的橡胶密封垫，效果不错。 2 3 电控p r v i 燃料喷射系统的电子控制 柴油机采用电子控制燃油喷射系统，是提高发动机动力性、经济性以及改善 排放等性能的有效手段。电喷从开始应用至今，已先后推出了三代电喷系统。本 系统采用先进的蓄压器+ 时间控制方式( 又称共轨系统) ，可提高代用燃料发动机 的经济性和动力性，降低发动机的有害排放。在本系统中电子控制单元的主要工 作是： 2 3 1 喷油定时和喷油量的控制 电控p r v i 喷射系统的电控单元根据各传感器( 转速传感器、油门传感器) 的信号，经存储在单元内部中的m a p 图计算出最优的喷油参数( 喷油起始角、喷 油持续时间) ，并由单片机发出控制脉冲，驱动电路按脉冲要求给电磁阀通电流， 喷油器开始喷油，当喷油持续时间达到预定值时，电磁阀的通电电流被切断，喷 油器停止喷油。所以电磁阀的通电时刻决定了喷油定时，通电时间的长短决定了 喷油量。 2 3 2 喷射压力控制 发动机的工况不一样，最优的喷油压力也是不同的，故系统的喷射压力要能 够随工况调节。我们通过安装在高压共轨上的电子调压阀和压力传感器来调节高 压共轨的压力。当电控单元依据传感器信号，计算出最优喷油压力后，再供给电 子调压阀相应的电压，使共轨压力维持在最优压力上。 2 4 电控p r v i 燃料喷射系统零部件设计及选型 电控p r v i 燃料喷射系统可分为机液装置和控制单元，而这两大部分之间的 接口为高速电磁阀。从图2 1 中可以知道系统的机液装置可分为高压泵6 、共轨 组件9 和1 9 、三通连接器1 6 、低压多通连接器3 等；控制单元部分包括发动机 电控单元的硬件和软件。本章着重介绍系统的机液装置，对各组件的结构设计和 工作原理进行了分析和说明。 2 4 1 高压共轨 高压共轨9 的作用储存高压燃油，并向各个气缸上的喷油器分配燃油。高压 共轨的容积要大些，这样可使高压泵和喷油器引起的压力波动小，燃油计量准确， 另一方面容积又不能太大，以保证发动机在热起动时能快速建立起适宜的共轨压 力。一般取发动机循环喷油量的4 0 0 倍左右。高压共轨上装有一精确的、稳定的 压力传感器1 1 和电子调压阀1 0 来调节高压共轨的压力，使得本系统既能用于喷 射压力高的发动机，如燃用柴油、二甲醚、植物油等；又可用于喷射压力低的发 动机，如燃用汽油、l p g 、l n g 、醇类燃料等。为防止系统出现故障时，高压共 轨的压力过高，在高压共轨上设计了限压阀1 3 。 图2 - i电控共轨式喷射系统总布置 1 燃料罐2 调压阀3 低压多通连接器4 压力表5 滤清器6 高压泵7 高压泵驱动机构 8 光电编码器9 高压共轨1 0 电子调压阀1 1 压力传感器1 2 压力表1 3 限压阀 1 4 溢流缓冲器1 5 电磁阀1 6 三通连接器 1 7 电控单元1 8 压力调节阀1 9 中压共轨 2 0 压力表2 1 喷油器2 2 发动机2 3 油门传感器 1 4 圈2 2 渡皖缝冲嚣时物示意圈 a a 2 4 蠖冲器本忙2 5 密封阀褒2 5 复位弹链2 t 密封阔芯 共轨式喷射系统最难解 决问题是每个喷油器开启 和关闭时引起的压力脉冲 会反馈至共轨中，会影响随 后喷油器的喷油计量和定 时功能。为此在高压共轨的 每个出口增加了液流缓冲 器1 4 ，以消除压力脉冲的影 响。 流缓冲器的结构示意图 如图2 - 2 所示。其工作原理是 这样的：正常工作时，高压燃 油由进口流入，再由出口流向 喷油器，而当有足以影响油量 计量和定时的压力脉冲从进 口反馈至液流缓冲器时，缓冲 器的密封阀芯2 7 受压关闭油 道，压力波不能进入共轨腔 中。当压力脉冲消失时，密封阀芯在复位弹簧2 6 的作用下打开油道，高压共 轨向喷油器正常供油。 2 4 2 中压共轨 中压共轨1 9 的作用是汇集各喷油器的回油，调节喷油器的基础压力。在设 计新系统时，考虑到许多代用燃料的粘度很低，常规喷油器不适合用于它们的喷 射，主要问题是喷油器的泄漏严重使得油泵的容积效率变低。考虑到系统成本和 继承性问题，我们对常规喷油器作了少许改动切断喷油器的原有回油道，而 在喷油器的入口处增加个回油岔道( 见图1 中1 6 ) ，并通过三通连接器中的节 流孔将未喷燃油导入中压共轨，这样喷油器的开启速率就和中压共轨的压力有 关。通过安装在中压共轨上的压力调节阀1 8 调节不同的中压共轨压力，就可以 得到不同的喷油初期速率，以便对发动机的性能进行优化。 2 4 3 三通连接器 三通连接器将高压共轨、喷油器及中压共轨连接在一起。在它通向中压共轨 的油路中装有一节流孔( 节流孔的结构示意图如图所示) ，由上面的叙述可知， 通向喷泊器 f - - 、- - - - - - - - - 一 嚣 图3 节流孔结构示意图 喷油器的入口处与中压共轨相连，若它们之间没有节流孔，那么当电磁阀通电打 开时，高压燃油会直接进入中压共轨，喷油器中建立不起喷油压力。在三通连接 器装上节流孔，其作用是在喷油期间，可利用它的节流效应建立喷油器的开启压 力，而喷油结束后利用它进行回油。 2 4 4 高压泵 高压泵的结构为五柱塞轴向式斜盘定量泵。其排量为0 8 m l 转，额定转速为 5 0 0 0 r m i n ，额定压力为1 2 o m p a 。最大驱动功率小于1 k w 。其性能见下表1 。在 本系统中，高压泵用一个电动机驱动。同时用变频器来调节电动机的转速，模拟 发动机的不同工况。 表2 - 1 高压泵性能参数表 速 流量w m i n 刈。i 。 蜥力 m a p1 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 00 6 41 9 22 53 1 5 1 3 9 3 m a p0 5 71 6 92 2 52 9 0 2 4 5 低压多通连接器 低压多通连接器实际只是个多通接头，它是系统中限压阀、电子调压阀及中 压共轨回油的总汇集之处。我们在上面也安装了压力表，可以实时观察燃料罐的 出口或高压泵入口的压力情况。 2 4 6 电子调压阀 电控共轨式喷射系统选用的调压阀是贵州红林机械厂生产的直流、常开型 p h s v l 5 0 电子调压阀。出厂数据如表2 表2 - 2 电子调压阀数据 i 电压v d c 024681 0 i 压力m p a1 5 23 568 51 0 5 2 4 7 高速电磁阀 高速电磁阀也是贵州红林机械厂生产的。它的工作电压为1 2 v d c ，用航空煤 油实验其静态油量为2 3 5 l m i n ( i o m p a 的压差) 。 2 4 8 限压阀和压力调节阀 限压阀和压力调节阀选用台湾油顺公司生产，其性能如表3 所示。 表2 - 3 限压阀和压力调节阀数据 l 型式号码最高使用压力压力调整最大流量 重量 ( 座垫型)k g f c m 2范围 】m i nk g lr v 一0 2 g2 1 03 5 - 2 1 01 6 1 5 2 4 9 转速传感器 作为发动机电子控制的基本传感器之一，选用了臼本o m r o n 公司的光电编码 器，该编码器在旋转过程中发出两种脉冲，一是每旋转1 度发出一个脉冲，一是 3 6 0 度发出一个脉冲。 2 4 1 0 油门传感器 作为发动机电子控制的基本传感器之一，选用滑动电阻模拟油门开度。 第三章电子控制系统的设计 控制系统是实验研究的基本工具，开发出使用方便、功能强大的电子控制系 统，能给我们进行机液系统的调试以及喷射系统整体性能的测试带来极大的方 便。 3 1 电子控制系统的设计要求 根据喷射系统的调试要求，我们开发p r v i 燃料喷射系统的电子控制系统。 对于系统的要求，一方面根据实验的需要能够精确控制燃料的喷射脉宽和喷射正 时，另方面要求能对各控制参数进行实时显示和调整。 具体的功能和设计要求如下： 】根据系统调试的要求，控制系统的控制方式应有多种形式，如油泵实验 台的实验、发动机台架实验及其它控制方式： 2 根据发动机运行的实际需要精确控制喷射的起始时刻和喷射量； 3 发动机控制参数的实时显示和调整功能； 4 对于控制系统的整体要求是：使用方便、可靠，具有较强的抗干扰能力； 图3 - 1e c u 的总体结构 3 2 电子控制系统的硬件设计”3 ”2 3 ，2 1 电子控制单元( b c u ) 总体结构 e c u 的总体结构如图3 - 1 所示。 3 2 2 传感器配置 对于车用p r v i 电控系统，其传感器有凸轮轴位置转速传感器、油门踏板传 感器等。其中最重要的是凸轮轴的位置转速传感器。 e c u 通过它计量凸轮轴啦轴的位置，同时测量凸轮轴或曲轴的瞬时转速，直 接为喷射过程服务。目前使用的传感器为光电传感器，该传感器每转一圈出一个 参考脉冲和3 6 0 个转角脉冲，如图3 2 所示。传感器与凸轮轴通过橡胶的弹性联 轴节相联，油门踏板传感器采用可变电阻模拟。 参考脉p | i 几 转角脉冲 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 0 1 1 1 1 l i l l l l l f l l l l l l l l 0 1 1 1 图3 - 2 转角传感器输出特性 3 2 3 单片机 e c u 采用m c 6 8 h c 7 11 k 4 增强型8