（动力机械及工程专业论文）二甲醚电控喷油器的仿真及实验研究.pdf

二甲醚电控喷油器的仿真及实验研究 r e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n to f e l e c t r o n i cc o n t r o ld m e i n j e c t o r 学科专业：动力机械及工程 研究生：陈昆 指导教师：汪洋教授 天津大学机械工程学院 二零零八年五月 中文摘要 日益严格的排放法规，要求降低柴油发动机氮氧化物和微粒排放的同时，兼 顾燃油经济性，这是发动机研究领域内的一个技术难题。柴油机电控共轨喷射系 统和清洁代用燃料技术因此受到广泛的关注。 二甲醚是新出现的柴油机含氧代用燃料，被认为是新世纪最有前途的柴油机 清洁代用燃料。但低粘度导致的喷射系统磨损和泄漏问题一直无法解决，严重地 阻碍其发展。为此，课题曾自行设计了一套喷油系统，包括一款全新的喷油器和 一个压力转换器，本文在此基础上，对喷油器进行了一系列改进，包括：可变自 由升程及有效升程结构；修改了针阀密封面；增加了针阀的导向装置，以保证其 线性运动。 对喷油器喷油规律的研究，是本文的另一个工作重点。并自行设计了一套装 置用于测量喷油规律。对试验和仿真数据进行对比，分析了对喷油器响应时间、 油量特性等产生影响的主要因素及原因，主要得到以下结论： 喷油器响应时间主要受三个因素影响：一是驱动电压，电压越大，响应越 迅速；二是自由升程，升程越小，喷油器开启越早，但开启的速率较慢；三是有 效升程，有效升程越大，针阀落座越晚。 喷油速率主要受共轨压力的影响。压力越大，针阀打开后的喷油速率越高。 此外，自由升程对喷油前期的喷油速率有所影响；而有效升程对喷油后期的喷油 速率有所影响。 影响油量特性的因素较多，包括：共轨压力、自由升程、有效升程、预喷 射及驱动电压。其中驱动电压的影响最为明显。通过上述分析，由试验方法确定 了喷油器的优化设计参数：自由升程0 2 5 m m ，有效升程0 3 5 m m ，可以得到线性 较好的油量特性 关键词：电控喷油器二甲醚喷油规律实验 a b s t r a c t i nt h ec u r r e n te n g i n er e s e a r c ha r e a ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt or e d u c et h ee m i s s i o n o fn o xa n dp mw i t h o u td e c r e a s i n gf u e le c o n o m yi s d i f f i c u l tt oa c h i e v ee s p e c i a l l y w i t h t h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s o fe m i s s i o n r e g u l a t i o n h e n c e t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l l e dc o m m o n r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e ma n dc l e a na l t e r n a t i v ef u e l t e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l yc o n c e r n e d a b o u t d m e ，an e wa l t e r n a t i v ef u e l ，i sb e l i e v e d t ob et h em o s tp r o m i s i n gc l e a n a l t e r n a t i v ef u e lt ot h ed i e s e le n g i n ei nt h en e wc e n t u r y b u tt h ew e a ra b r a s i o na n d l e a k a g ep r o b l e mc a u s e db yl o wv i s c o s i t yi nt h ei n j e c t i o ns y s t e mh a so b s t r u c t e dt h e d e v e l o p m e n to f t h ed m e h e n c e ，an e wi n j e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dp r e v i o u s l yi n t h i sp r o j e c t ，i n c l u d i n gan e wi n j e c t o ra n dap r e s s u r e e x c h a n g e r b a s e do nt h i sd e s i g n ， t h i sr e p o r ti sa i m e di m p r o v et h es t r u c t u r eo fi n j e c t o rs u c ha sv a r i a b l ef r e el i f ta n d e f f e c t i v el i f t , m o d i f i c t e dt h es e a l c o n t a c tf a c e ，a d d e dag u i d ec o m p o n e n tf o rn e e d l e v a l v et og u a r a n t e ei t ss t r a i g h tm o v e m e n t a n o t h e ra i mo ft h i sr e p o r ti st oi n v e s t i g a t et h ei n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n da l s oa m e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d b yc o m p a r i n gt h ed a t af r o ms i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t ，a n a l y z i n gt h ef a c t o r sa n dc a u s a t i o n sw h i c ha f f e c t i n gt h er e s p o n s et i m e a n do i lm a s sc h a r a c t e r i s t i c so fi n j e c t o r ，s o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nf o u n da sf o l l o w s ： t h er e s p o n s et i m eo fi n j e c t o ri sa f f e c t e db yt h r e em a i nf a c t o r s ：h i g h e rd r i v i n g v o l t a g el e a d st ol e s sr e s p o n s et i m e ；s m a l l e rf r e el i rm a k e s t h ei n j e c t o ro p e n i n ge a r l i e r a n dl o n g e re f f e c t i v el i f tm a k e si tc l o s i n gl a t e r s p r a ys p e e di sa f f e c t e dm o s t l yb yt h ec o m m o nr a i lp r e s s u r e w h e nn e e d l ev a l v e o p e n e d ，t h eh i g h e rp r e s s u r ec a u s e df a s t e rs p r a ys p e e d f u r t h e r m o r e ，t h e r ea r es o m e o t h e ra f f e c t i o n sf r o mf r e el i f ti nt h ee a r l i e ri n j e c t i o ns t a g ew h i l ee f f e c t i v el i f ta f f e c t i n g t h el a t e rs t a g e o i lm a s sc h a r a c t e r i s t i ci sr e l a t e d t os e v e r a lf a c t o r s i n c l u d i n gc o m m o nr a i l p r e s s u r e ，f r e el i f t ，e f f e c t i v el i f e ，p r e - i n j e c t i o na n de s p e c i a l l y t h ed r i v ev o l t a g e a c c o r d i n gt oa b o v ef a c t o r s ，w es e l e c tao o t i m i z a t i o n a lp a r a m e t e ro fi n j e c t o rs t r u c t u r e t h a tf r e el i f ti s0 2 5 m mw b i l ee f f e c t i v el i f ti s o 3 5 m m 、，h i c hh a sab e t t e rl i n e a ro i ! m a s sc h a r a c t e r i s t i c k e yw o r d s ：e l e c t r o l i cc o n t r o li n j e c t o r , d m e ，i n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 莹昆 签字日期：汐哆年乡月7 夕同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：骼昆 导师签名： 签字日期，沙；年f 月矽同 签字日期：f 皋f少 0 月 圣f r 、 年 y0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从第一台内燃机问世以来，已经过了一百多年的发展，被广泛地应用于 工业、农业、交通、军事等各个领域，在人类社会的经济发展中扮演着越来越重 要的角色。 在内燃机的发展过程中，特别是在当今现存可利用能源面临严重短缺甚至即 将告罄，大气污染、温室效应给全球气候和人类健康带来严重损害之时，内燃机 的研究和设计遇到了前所未有的挑战。一方面，内燃机的排气污染问题日益严重， 成为大气环境的主要污染源，相继发生的一系列严重的污染事件迫使人们重新认 识排放问题，各国相继制定了越来越严格的排放法规。另一方面更为严峻的现实 是，2 0 世纪7 0 年代发生的两次能源危机，曾一度引起发达国家的恐慌。面对石 油产地集中在少数国家，具有很大的地区垄断性，使各个国家不得不审视自己国 家能源安全问题，同时爆发了国际性的有恃无恐的能源争夺。能源和环境的可持 续发展已经成为汽车发动机面临的根本问题，【1j 现代内燃机的研究重点已经转移 到节约能源和降低排放上来。内燃机工业能否延续百年辉煌，还是被其他动力装 置所取代，内燃机动力将何去何从已经与排放和能源因素的制约紧密地联系在一 起l 】1 4 】【9 】。 1 2 柴油机技术的发展及面临的问题 1 2 1 柴油机技术的发展【2 】【5 】【7 1 1 2 1 柴油机在它发展的1 0 0 多年历程中，有三次重大的技术突破，使柴油机技术 达到了今天的水平。但是，其中两次却是和燃油系统直接相关，这也足以说明燃 油系统在柴油机技术中的地位。 机械式燃油系统是柴油机的第一次技术飞跃。狄塞尔发动机初期采用煤粉作 为燃料，采用高压空气喷射。由于空气压缩机和每循环将少量的燃料准确地供入 气缸中技术难题无法解决，开发出来的机型只是低转速、低指标的范畴，不能迅 速发展，不能推广应用。1 9 2 7 年德国b o s c h 公司研制出壹列式台或泵。奠定了 机械式泵管嘴型燃油系统的基础，力柴油机的高速化、改善燃烧、提高性能创造 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 了条件。其后，一些公司开发出的单体柱塞泵、泵喷嘴以及分配式燃油喷射泵， 为轿车和轻型车用柴油机的发展开辟了广阔的前景。 涡轮增压中冷技术是柴油机的第二次技术飞跃，为柴油机带来了强大的生命 力。增压技术是提高柴油机燃油经济性的基本手段之一。2 0 世纪5 0 年代中期，以 美国为中心，柴油机增压技术迅速发展起来。1 9 5 4 年，沃尔沃公司首先将增压技 术应用到汽车柴油机上。2 0 世纪6 0 年代，中冷技术在欧美开发应用，大大推动了 涡轮增压技术的发展，使柴油机比功率成倍提高的同时，改善了柴油机的综合性 能，显示出巨大的发展潜力。此后，增压器技术迅速进步，增压柴油机设计方面 也积累了丰富的经验，生产出了可靠性非常高的增压柴油机。近半个世纪以来， 柴油机增压技术取得了巨大的进步，特别是在基本性能指标方面。 电控燃油喷射技术是柴油机的第三次技术飞跃。自2 0 世纪5 0 年代中期开始， 汽车的排放物对大气的污染日趋严重，特别是出现石油危机以后，石油价格持续 高涨，对柴油机燃油装置来说，仅仅根据发动机转速控制燃油喷射量和燃油喷射 时刻已远远不能满足要求了。而是需要根据实时转速和实际负荷进行特殊形式的 控制，或者根据温度、进气压力、运行状态等进行综合控制。对于这些新要求， 机械式燃油系统己不能满足要求，传统的控制方法再也不适应时代的要求，而电 子控制方式具有巨大的优势可以满足上述要求。 柴油机电控燃油喷射技术作为柴油机电控技术的重要组成部分，业已成为未 来柴油机技术的主要研究方向之一。 1 2 2 柴油机技术所面临的问题f 2 2 】1 2 3 1 2 4 1 【2 5 】 柴油机的排放问题是内燃机发展过程中的首要问题。鉴于其有害排放对生态 环境、人类健康和经济发展带来的负面影响，人们对柴油机的有害排放限制提出 了越来越严格的法规要求。美国、日本和欧洲等许多国家都制定了极为严格的排 放法规。对重型车用柴油机，在欧洲1 9 9 2 年开始实行欧i 排放法规，2 0 0 5 年已开 始实行欧排放法规，今年还将实行更为苛刻的欧v 排放法规( 见表1 1 ) 。近年 来直喷式柴油机先进的涡轮增压技术、共轨喷射技术，以及柴油机尾气后处理技 术的快速发展和成功应用，在技术发达的国家已经使传统的柴油机能够达到欧v 排放标准。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 限筑 敬溯执行碍1 圜执 标准等级检测方法 c oh cn o xp m 时嘲行时问 欧if 8 5 k w )4 51 18 0o 3 6e c e r - 4 9 4 o1 17 0o 2 5e c e r - 4 91 9 9 6 经 欧 2 0 0 4 年 4 01 1 7 o0 1 5e c e r 一4 91 9 9 8 簏 l 。5o 2 52 。o0 0 2e s c & e l r1 9 9 9 磊 欧m2 0 0 8 锥 2 10 6 65 0o 1 0e s c & e l r2 0 0 0 镪 欧1 50 4 63 5o ，0 2 e s c e l r2 0 0 5 镪 欧v1 50 4 62 oo 0 2e s c & e l r2 0 0 8 传 表1 - 1 欧洲重型柴油机排放标准( 单位：g k w h ) 1 2 5 1 与世界上汽车工业发展先进的国家相比，我国车用柴油机仍然面临着许多问 题。目前国产柴油机性能和柴油的品质尚不能满足欧洲号的排放要求。许多先 进的技术还没有采用，实现柴油机的技术进步不仅是“十五”计划期间汽车行业的 重要任务，更是关系到未来中国汽车工业发展的关键之一。 2 5 1 随着我国汽车保有量的持续增长，我国也已经实行苛刻的欧i i i 排放标准。因 此，减少内燃机有害气体排放，同时提高燃油经济性，发展新一代超清洁超高效 的内燃机，成为我国二十一世纪汽车行业的重点研究课题和未来方向。【2 4 】 在这样的现实条件下，清洁代用燃料的采用，以及一些全新概念的燃料燃烧 组织模式，开始崭露头角。一些技术也取得了良好的效果。目前提高柴油机性能 改善柴油机排放主要采用的最新技术有：电控共轨式喷射系统，清洁化代用燃料 及燃料设计，高效的燃烧组织技术，先进的增压和中冷技术，冷却废气再循环， 先进的排气后处理技术。 归纳起来，就是从提高燃油品质、改善燃烧过程和采取排气后处理三个方面， 全面提高柴油机的综合性能。由于柴油机的有害排放物是在缸内的燃烧过程中产 生的，改善燃烧过程是提高燃油经济性和降低排放的根本途径。而柴油机的燃烧 过程是否完善，取决于缸内的气体流动、燃油喷射、燃烧室结构形状三者之间的 匹配。因此，能否实现理想的燃油喷射过程，获得较为理想的燃油喷射规律，是 改善柴油机的燃烧过程，提高经济性和降低有害排放的关键之一。1 2 2 1 2 3 1 而对于电控共轨喷射技术和清洁代用燃料，目前研究得最为广泛，效果最 为明显，也是本文研究的重点。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 柴油机电控燃油喷射技术的发展与应用 1 3 1 国外柴油机电控燃油喷射技术的发展【1 2 】【2 0 】1 3 9 】 国外柴油机电控燃油喷射技术的开发研究始于7 0 年代末，自8 0 年代以来，由 于微电子技术的迅速发展和汽油机电控技术的日趋成熟，柴油机电控燃油喷射技 术发展也非常迅速。进入9 0 年代后，电控燃油喷射系统的发展更快、更完善，且 使用范围进一步扩大。除了在燃油喷射系统硬件上不断完善和进步外，在控制理 论和方法上也取得了许多令人鼓舞的成果。【l2 j 控制方法从过去的查表法、p i d 控 制法等经典控制理论方法发展到以状态空间、多变量最优控制、自适应控制等现 代控制理论为主导的技术。近年来，神经网络控制、模糊控制等智能控制技术的 应用也日趋活跃。1 9 9 5 年欧洲约有5 0 的车用柴油机采用电控燃油喷射系统，美 国卡车柴油机已全部采用了电控燃油喷射系统。 国外柴油机电控燃油喷射系统的开发已经历了四代。 第一代电控燃油喷射系统是位置控制式。位置控制系统的特点是不仅保留了 传统的“燃油喷射泵一高压油管一喷嘴”系统，而且还保留了油泵中齿条、齿圈、 滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或滑套的运动 位置，由原来的机械调速器控制改为电子控制，使控制精度和响应速度得以提高。 柴油机的结构几乎无需改动，故生产继承性好，便于对现有机型进行升级改造。 第二代电控燃油喷射系统是时间控制式。所谓时间控制，就是利用高速电磁 阀直接控制高压燃油的适时喷射。这种系统可以是保留原来的“燃油喷射泵一高 压油管一燃油喷射嘴”系统，也可以是采用新型的产生高压的燃油系统。用高速 电磁阀直接控制高压燃油的喷射，一般情况下，电磁阀关闭，执行燃油喷射；电 磁阀打开，燃油喷射结束。燃油喷射始点取决于电磁阀关闭时刻，燃油喷射量则 取决于电磁阀关闭时间的长短。因此既可实现燃油喷射量控制又可实现燃油喷射 定时的控制。时间控制系统的控制自由度更大。 在分配泵上实施时间控制的系统主要有：日本z e x e l 公司的m o d e l - i 电控喷 射系统、日本电装公司的e c d - v 3 系统：1 9 8 5 年，德国b o s c h 公司首次将v e 型分配 式油泵应用在柴油机上，1 9 9 5 年底，该公司又研制了一种新的高压电磁阀控制的 分配式油泵：美国s t a n a d y n e 公司的d s 型和r s 型电控分配式油泵，d s 型电控分配泵 己用于美国g m 公司的1 9 9 4 年型6 s l 增压柴油机上，r s 型分配泵已用于美国g m 公司 客货两用车和轻型越野车：2 0 世纪9 0 年代初，英国l u c a s d i e s e l s y s t e m 开发的 e p i c - 8 0 和e p i c - 7 0 电控分配式油泵；日本丰田公司岛, o e c o - 2 电控分配泵。 电控泵喷嘴系统主要有德国b o s c h 公司研制的电控单体泵。 第三代电控燃油喷射系统是时间一匿力控靠! 式即电控共统式燃油喷射系 天津大学硕士学位论文第一章绪论 统。这是国外于2 0 世纪9 0 年代中期开始推向市场的一种新技术。它摒弃了以往传 统使用的“泵一管一嘴”脉动供油的形式，代之用一个高压油泵在柴油机的驱动 下，以一定的速比连续将高压燃油输送到高压存储器( 共轨) 内，高压燃油再由共 轨送入各缸喷油器。在这里，高压油泵并不直接控制燃油喷射，而仅是向共轨供 油以维持所需的共轨压力，并通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力 一时间式燃油计量原理，用高速电磁阀控制喷射过程。燃油喷射压力、燃油喷射 量及燃油喷射定时由电控单元e c u 灵活控制。 共轨燃油喷射系统可分为高压共轨燃油喷射系统和中压共轨燃油喷射系统。 高压共轨燃油喷射系统的特点是：高压油泵直接输出高压燃油到共轨容器，压为 可达1 2 0 m p a 以上，因此整个系统从高压输油泵到喷油器均处于高压状态：中压共 轨燃油喷射系统中，输油泵输出的燃油是中、低压油，压力为1 卜3 0 肝a ，此压 力燃油进入共轨，然后进入喷油器，喷油器中有液压放大结构( 即增压器) ，燃油 在此被加压到1 2 0 忡a 以上，然后再喷入气缸。因此中压共轨燃油喷射系统中，高 压区域仅限制在喷油器中。 目前国外已开发出许多共轨燃油喷射系统，其中比较典型的有：美国b k m 公司 的s e r v o j e t 系统，这是一种典型的中压共轨式电控燃油喷射系统( 共轨蓄压式电 控燃油喷射系统) ：日本电装公司的e c d - u 2 高压共轨燃油喷射系统：德国b o s c h 公 司的高压共轨式燃油喷射系统。 3 9 1 【4 3 】 4 4 1 1 4 5 第四代电控燃油喷射系统是b o s c h 公司研制的压电直接控制式燃油喷射系统。 如图1 1 所示： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 i 压电式喷油器工作原理f 删 在博世压电直接控制式喷油器中，燃油喷射嘴针阀是由一个伺服阀来控制 的，燃油喷射量则由其控制持续期决定。实现喷油器功能的主要组件是压电执行 罂、液压接杆、伺服阀和燃油喷射嘴针阀。 压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭。高压范围和低压范 国相互隔断。此时，液压接杆补偿可能存在( 例如由于热膨胀所引起) 的间隙，燃 油喷射嘴借助于紧挨着控制室的共轨压力保持关闭状态。 压电执行器起作用时就将伺服阀打开，从而使控制室中的压力降低，燃油喷 射嘴开启。若伺服阀关闭，控制室中的压力随之增大，燃油喷射嘴针阀也随之关 闭。 这种压电聩油器设计，没有机械力通过推杆作用在燃油喷射嘴针阀上， 因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和燃油喷射误差比传统的燃 油喷射系统明显改善。伺服阀与燃油喷射嘴针阀的紧罾连接使得钟螺列压电执仁 器的动作能直接迅速做出反应，控制始点与燃油喷射始点之间的延迟时间总菩约 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 0 u s ，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小燃油喷射量。同时，这 种燃油喷射系统还能实现很短的喷射间隔。 1 3 2 国内柴油机电子控制技术的发展【8 】p o 1 3 1 国内柴油机电控方面的研究开发着手较晚。2 0 世纪九十年代初清华大学对 时间控制式的“泵一管一嘴”系统进行了研究，并开发了“泵一管一阀燃油喷 射嘴系统；贵航集团红林机械公司与美国e k m 公司合作，已批量生产了中低压 力的高速电磁开关阀和斜盘式柱塞泵；无锡油泵油嘴研究所购买了美国k m 公司 s e r v o j e t 系统的专利技术，针对6 1 1 0 型柴油机开发了中压共轨蓄压式燃油喷射系 统：一汽集团与吉林工业大学进行了电控“泵一喷嘴”系统的研究开发工作；天 津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开发了一种中压共轨式系统，设计了具有双 蓄压室和燃油喷射规律控制阀的电液控制共轨式单体喷油器，实现了燃油预喷射 和燃油喷射末期的快速停顿；天津大学还与山东龙口油泵油嘴股份有限公司合 作，以斯太尔6 缸水冷增压柴油机为对象，升发了s e r v o j e t 七型电控燃油喷射系 统，该系统具有预喷射和快速停油功能；北京理工大学在1 9 9 6 年自行开发了带单 级阀的蓄压式共轨系统，目前正着手于高压共轨式电控燃油喷射系统的研发； 1 9 9 9 年，武汉交通科技大学建立了共轨燃油喷射系统的数学模型并对电磁阀的特 性进行了仿真计算。另外，上海交通大学、大连理工大学、贵州柴油机厂以及山 东工业大学也做了相应的工作。 我国的柴油机电控水平与国外有较大的差距，目前还主要集中在对柴油机 电控喷射系统的研究与开发上，还没有达到产品化和产业化的水平。 1 4 新型代用燃料二甲醚的发展状况 1 4 1 二甲醚的物理参数及各类特性 作为最有应用前景的柴油机代用燃料，二甲醚具有无可比拟的优良特性，如表 1 2 所示： 物理参数二甲醚柴油 摩尔质量( k g m 0 1 ) 4 818 3 奇碳量( 叭) 5 2 1 78 6 5 7 含氢量( 叭) 1 3 0 4 1 3 4 3 含氧量( w t ) 3 4 5 7o 氢碳比h c 3i 8 6 临界压力( b a r ) 5 3 7 3 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 临界温度( ) 1 2 74 3 5 平均沸点( ) 2 4 92 6 5 表面张力 2 0 。c ( n m ) o 0 1 20 0 2 7 潜热 2 0 ( k j k g ) 4 0 42 5 4 液态密度 2 0 c ( k g m 3 ) 6 6 08 4 0 蒸汽压 2 0 。c ( b a r ) 5 3 1 0 理想空燃比 9 01 4 6 火焰传播下限( v 0 1 ) 3 4o 6 火焰传播上限( v 0 1 ) 2 8 6 5 十六烷值 6 84 0 叫5 低热值( m j k g ) 2 8 9 4 3 自然温度( ) 3 5 03 5 0 3 8 0 表1 - 2 二甲醚一柴油的特性对比【3 0 】 如表所示，与柴油相比，二甲醚主要具有以下特点：【2 9 】 1 、二甲醚是最简单的醚类化合物，分子式为c h 3 0 c h 3 。二甲醚分子结构中 只有c h 键和c 一0 键，没有c c 键。此外它是含氧燃料，有利于减少燃烧生成的 烟度和微粒；同时，它可以使用更大的排气再循环率( e g r ) ，降低n o x 的排放。 2 、由于二甲醚的含氧量达到3 4 8 ，其热值较低，低热值只是柴油的6 4 7 。 是l p g 的6 1 ，为了达到柴油机的动力性，必须增大二甲醚的循环供油量，相同能 量的d m e 的喷射体积是柴油的1 8 倍。 3 、二甲醚的十六烷值为6 8 ，高于柴油( 4 0 - - - 5 5 ) 和其它代用燃料的十六烷 值，同时，d m e 自燃温度低于柴油，这意味着d m e 具有非常好的自燃性能，同时d m e 沸点较低，能够快速形成良好的混合气，从而缩短点火延迟，使柴油机具有较好 的冷起动性，比较适合于压燃点火的柴油机，不需要添加助燃装置。 4 、二甲醚在常温常压下的饱和蒸汽压为0 5 m p a ，随着温度的升高，其饱和 蒸汽压增大。为防止气阻现象发生，燃料供给系统的压力远高于柴油机燃料供给 系统。液化石油气的基础设施完全可用于d m e ，长途运输可用油槽、油罐车，也 可用低压管道。 5 、二甲醚的汽化潜热几乎是柴油的两倍，由于蒸发吸热降低缸内混合气温 度，有利于抑管矗l j n 0 x 的生成。 6 、二甲醚的粘度低( 为柴油的0 0 7 5 - - - 0 0 3 7 倍) ，使高压供油系统中二甲 醚容易泄漏，也使偶件容易发生早期磨损。对金属无腐蚀，对普通橡胶、塑料有 腐蚀作用。 7 、d m e 即使直接进入大气中也不会发生光化学反应，不会形成二次污染，对 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 人体无害，只有当d i d e 的体积含量占n 1 0 时才对人体有轻微的麻醉作用。因 此，d m e 相对于其它的替代燃料而言对环境保护的压力几乎没有。 国内外的研究表明：柴油机采用直接向气缸内喷射二甲醚的方式在各种工况 都可获得低的n o x 排放和彻底的无烟运行，排放效果十分理想，在不采用排气后 处理措施的情况下，就能满足加里福尼亚中型车超低排放法规( u l e v ) ，通过改 进燃油系统匹配，废气再循环及采取其他一些措施，现行的各种苛刻的排放法规 都有望得到满足，从燃油经济性的角度考虑与燃用柴油时相当( 按等能量计) 。 1 2 2 二甲醚另外一种应用方式，是作为一些难于压燃的燃料如甲醇的点火促进物 质，这主要是因为其十六烷值高、自燃性好并且沸点低，很容易与空气混合形成 良好的可燃混合气，使少量二甲醚在进气行程进入气缸，在压缩行程后期先行燃 烧，提高了气缸内的温度，可以促进主燃料的点火，同时对发动机的性能和排放 也有一定的作用。燃用甲醇的发动机以二甲醚作为点火促进物的研究表明：发动 机的冷起动性能、低负荷稳定性得到了明显改善，通过进一步的优化有望进一步 提高性能和改进排放，生产二甲醚的主要原料为天然气、煤等资源比较丰富，计 划中的大规模生产最终用户成本略高于柴油，但比汽油要低一些。 2 2 1 而且，d m e 具有醇类燃料、压缩天然气( c n g ) 等代用清洁燃料无可比拟的许 多突出优点。例如，醇类燃料的十六烷值太低，难于在一般柴油机上压缩自燃，因 此需加入着火改善剂或增加辅助点火装置，另外甲醇毒性大，对安全不利；甲醇 燃料和乙醇燃料腐蚀金属能力强；甲醇燃烧会产生大量苯类、甲醛、乙醛等致癌 污染物。燃用纯c n g 的发动机需增加火花塞点燃系统，以及气体燃料与空气混合的 混合器等，火花点燃发动机的油耗要比压燃式发动机高，此外燃用c n g 的发动机 功率下降导致其动力性差；发动机燃烧室部件甚至曲轴明显腐蚀；气门、活塞环 和气缸早期磨损的问题严重。柴油机燃用d m e ，只需对燃油系统及其与燃烧室的 匹配进行必要的改装和调整，即可实现发动机的高效洁净燃烧，使之满足现在及 将来严格的欧洲货车排放标准。d m e 所具有的诸多优点，大大提高了人们对节能 型车用发动机，即直喷式车用柴油机上实现超低排放的信心。 1 4 2 二甲醚的发展历程【2 3 l l9 9 5 年，丹麦大学的s o r e n s o n 等人在一台排量为0 2 7 3l 非增压直喷式柴油 机上进行了燃用纯d m e 的试验研究。对燃油系统采取了较小的改造措施：为防 止d m e 在油路中气化发生气阻现象，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 为液态，并将它导入供油泵的入口；降 低喷嘴处的压力，目的只是为了能让d m e 能够在传统自专柴油杌呈实现正常燃 烧。二甲醚燃料供应系统简图如图1 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 略 图1 2 二甲醚燃料供应系统简图 为了迸一步了解d m e 在柴油机上的燃用情况，s o r e n s o n 等人3 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“泵一管一嘴”的形式， 但也作了少许改动。实验结果显示，通过组织合理的燃油喷射定时、降低喷嘴压 力及采用e g r ，可使其n o x 排放降低7 0 ，微粒排放只相当于原机的10 。 【3 l 】 实验表明：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 能量还没有完全释放，剩余能量 的释放导致了泵、嘴之间油管的压力波动，引起d m e 的二次喷射。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，发现d m e 的二次喷射机 率非常大。研究证实，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h c 和c o 排放量。因此他们认为常规的 “泵一管一嘴”形式的喷射系统不适合d m e 。为此，a v l 公司的j a m e s 等人对 已有的各种喷射系统作了全面分析，发现共轨式喷射系统比较适合d m e 燃料， 主要原因如下：【2 6 】【2 7 】1 2 8 1 ) 共轨系统对d m e 分子的高弹性不是很敏感； 2 ) 燃油喷射压力和燃油喷射速率灵活可变，可根据发动机的转速、负荷灵活 地控制d m e 的喷射以达到最佳运行效果； 3 ) 所需的燃油喷射压力不需要增压措施即可达到，已有的液压柱塞泵经改造 后即可用于d m e ，降低了系统成本； 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。 1 4 3 国内发展状况【3 2 在国外研究人员的经验指导一国内的天津太掌、西安交逦j ：学、合e 里工业大 学等高等院校的科研，、员玄二翠醚瓮动机喷射系统的研究也戢每了一定i j 避 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 展。 西安交通大学的王贺武等人在一台单缸、四冲程、水冷、非增压直接喷射式柴 油机上进行二甲醚的燃烧实验，其燃料供给简图如图1 3 所示。 图1 3 二甲醚燃油系统简图 1 高压氦气；2 d m e 燃料箱；3 燃油流量计；4 d m e 输送泵；5 调压器：6 蓄 能器；7 高压泵；8 喷嘴 如图，高压氮气用来使d m e 在储气罐和流量计及燃料供应系统中保持液体 状态。安装在燃油喷射泵之前的低压泵提高了进入高压泵的燃料的压力，以避免 喷射系统发生气阻现象。压力调节器和缓冲器可用来保持供油压力和消除压力波 动。在燃烧研究中，为改善润滑情况，在d m e 中加入了2 5 的蓖麻油。 实验结果表明，由于在d m e 液体中声速较低，d m e 燃油喷射延时比柴油短 很多，从而导致较低的最大爆发压力和n o x 的排放，最大的压力升高率与汽油 机相当；扩散燃烧比柴油要快很多，d m e 分子中的氧降低了碳烟、碳氢化合物 及一氧化碳的排放。 左承基等人提出一种电控共轨式燃料喷射系统即p r v i ，并以柴油为燃料在 台架上进行了初步的试验。结果表明，该系统可以满足多种液化代用燃料在柴油 机和汽油机上的喷射要求，但试验时只考虑了有限的工况。 1 4 4 二甲醚在柴油机应用上的主要问题1 2 6 【2 7 】【2 8 】 1 、润滑问题，该问题导致柱塞偶件或其它动密封付快速磨损失效； 2 、密封问题，该问题导致泵和喷油器中燃料的泄漏量增大，影响容积效率； 3 、磨损问题，主要由于二甲醚没有自润滑性，导致泵在加压过程中，磨损 严重； 4 、低弹性模量，采用传统“泵一管一嘴”喷射系统时，不可避免地存在二 次喷射现象，由于二甲醚燃烧是无烟的，因此发生此现象不会导致碳烟排放，但 会使油耗升高； 5 、气阻问题，导致发动机热启动困难： 6 、有机材料的溶胀问题，导致密封圈，胶管的失效。 上述问题中，溶胀问题可以采罨氟基橡胶或塑料解决：气理问题可以通过泣 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 箱加压( 如采用l p g 隔层) 或在高压泵上游布置电动低压泵来解决；低弹性模量 问题，最有效的解决方法是采用共轨技术，此时低弹性模量将成为优点，同时采 用共轨技术还具有喷射定时、喷射压力、燃油喷射规律灵活可调的优点。 1 5 本文的主要研究内容 越来越严格的排放法规对内燃机特别是柴油机提出了更高的要求，总的看 来，电控共轨燃油喷射系统由于其在喷射压力和喷射时间上的柔性控制，可以精 确地控制燃油喷射率，进而组织比较理想的燃烧过程，改善柴油机的燃烧和排放 性能，已成为现代柴油机发展的趋势。对电控共轨燃油喷射技术的研究在国外已 经趋于成熟，并且在实际应用中也取得了较大的成功，国内对共轨式电控喷射系 统的研究开发工作起步较晚，基本上还处于实验室阶段，尚未有具有独立知识产 权的成熟产品走向市场。因此，加快发展共轨式电控喷射系统的研究势在必行。 同时发展清洁代用燃料也不容忽视。好的代用燃料不仅可以大幅度地降低排 放，满足现代柴油机排放法规的要求，还可以有效地利用能源。二甲醚由于其良 好的综合特性，极有望取代柴油而成为二十一世纪的清洁代用燃料。本文正是基 于上述发展和研究现状进行研究，工作主要内容如下： 1 、对自行设计的喷油器作进一步改进，以更好地解决使用二甲醚燃料所带 来的润滑和密封问题； 2 、改善并优化了二甲醚共轨燃油喷射系统的仿真模型，对喷油器的各种影 响因素进行了系统的仿真和分析。 3 、为研究喷油器的喷油规律，自行设计了一套喷油规律仪，包括硬件的设 计及采集软件的编写。并将测得的数据与仿真数据进行对比。 4 、对比仿真与实验结果，对喷油器的参数进行进一步优化 天津大学硕士学位论文第二章仿真模型及试验台架介绍 第二章仿真模型及试验台架介绍 2 1 二甲醚喷油器工作原理 如前所述，二甲醚的发展一直受到密封和磨损问题的困扰。针对该问题，本 课题提出了一种新的工作原理，独立设计出一种新型电控喷油器。在前期成功试 验的基础上，对该电控喷油器进行了一些改进，进一步提高其响应速度，密封性， 及耐磨性。其工作原理如图2 1 ，2 2 ： 总 井 程 自 由 升 程 图2 1 电控喷油器原型图2 2 修改后电控喷油器原理图 如图所示，喷油器有一个进油口和出油口，工作时电磁阀首先拉动t 型质量 块，质量块在上升过程中有一段自由升程，作用是存储动能，然后以撞击的形式 拉动针阀，使其打开；关闭落座时依靠弹簧力将针阀复位。其特点是：t 型质量 块在撞击前有自由升程，然后拉动针阀至总升程，总升程减去自由升程，就是针 阀的开度，我们称之为有效升程；有燃料的入口和燃油喷出的喷孔，没有回油口。 其优点是：针阀利用撞击打开，针阀开启时刻与缸内压力和共轨压力无关； 喷油器内没有精密偶件没有孽封和磨损问题：没有回油暖，不浪费能量。 上图中两个喷油器的工作厩墨是完全一样自0 。新的颐油器主要教了掘下修改： ( 1 ) 喷油器原型图中，针阁埋过顶端小钢球的圆弧面与锥面进行密封。愿型设 天津大学硕士学位论文第二章仿真模型及试验台架介绍 计中的钢球和杆之间通过激光焊接而成，很难保证同心度。在新喷油器中， 采用了传统的锥面密封，有效地解决上述问题。 ( 2 ) 原喷油器中，针阀的位置是“悬浮”的，这很难保证其在上下运动时，在 同一轴心线上。多次燃油喷射以后，钢珠密封面的磨损是不均匀的，这将 影响到座面的密封性。因此，在新喷油器中，在针阀下端增加了一个用于 导向的装置。 ( 3 ) 为了便于实验研究，本次设计采用升程可调机构。自由升程和有效升程可 通过螺纹灵活可调。 ( 4 ) 在新设计中采用了新型软磁合金，提高了电磁铁的响应速度。从仿真的试 验的数据来看，对喷油器响应特性有明显的提高。 2 2 燃油喷射系统及仿真模型介绍 2 2 1 燃油喷射系统的工作原理 图2 - 3 二甲醚共轨系统原理图 如图2 3 所示，该系统可以分为以下四个部分： 一、液压源部分，该部分负责产生压力可调、流向可变的高压机油。其主 要包括以下数个部件： 1 、机油箱，储存工作机油，并且在油泵的进油口端部安装有一个机油滤清 器。机油箱自身带有一个0 8 0 。c 的温度表可以用来随时监控机油温度： 2 、斜盘式轴向柱塞泵，局子嬲压机漕，型号为：2 蚤：c y l 4 1 b ，转运 1 5 0 0 r m i n ，最高产生压力3 2 m p a ； 天津大学硕士学位论文第二章仿真模型及试验台架介绍 3 、三相异步电机，用于带动轴向柱塞泵加压机油用，额定功率3 0 k w ，标 定转速为1 4 3 0r m i n ，为四级电机； 4 、溢流阀，用来调节出油压力，其理论最大可调油压为3 5m p a ； 5 、电磁式二位四通阀，驱动电压为直流2 4 v 电压，它与溢流阀、阀块三者 都具有一进二出一回的油路结构，三者可以组合使用，电磁式二位四通阀被叠加 到溢流阀上面，再通过螺栓连同溢流阀一起被固定在阀块上面；它可以使溢流阀 的两个出油口变为一个出高压油，一个进低压油即回油并且可以随时互换； 6 、耐震压力表，测量范围为0 4 0m p a ，由此可以得到溢流阀的出油压力。 系统工作原理如下：通过机油管将机油从油箱中输送给轴向柱塞泵，通过电 机驱动的机油泵将机油加压，再将高压机油输送到阀块的进油口；溢流阀设定好 需要达到的输出机油压力，若超过了设定压力，则通过从回油口泄走部分机油降 低到设定压力；通过给电磁式二位四通阀通断电确定阀块上哪个出油口输出高压 油，哪个出油口负责回流低压油；阀块上两个出油口有两根高压机油管通向压力 转换器。总之，液压站的职能就是根据单片机的要求按一定的方式输出一定压力 高压机油并回流低压机油。 该套液压站理论上最大输出机油压力为3 2 m p a ，为了系统的长期稳定运行， 另外考虑到喷射二甲醚所需的压力并不高，2 0 m p a 左右就可以了，我们实验时选 择的机油最高压力未超过