（光学工程专业论文）二甲醚发动机燃料供给系统的电子控制.pdf

一 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名：，鸯翟舨一 日期 眇l o b 罗 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期： 西华大学硕士学位论文 摘要 随着人类社会的进步和经济的快速发展，人类在创造大量物质财富和精神文明的同 时，也带来了日益紧张的能源危机和环境的日益恶化等问题，严重的影响了人类的可持 续发展，而汽车行业是能源消耗的大户和环境污染的主要来源。 为了应对能源危机和环境污染的挑战，人类在积极的研究发动机新技术，并取得了 大量的成果：如高压共轨燃油喷射技术、排放控制技术等。同时也在寻求代用燃料。 经研究表明，d m e 具有十六烷值高，燃烧性能好，能够显著降低发动机的排放特 别是碳烟和n o x 排放，是柴油机理想的代用燃料。由于共轨系统对d m e 分子的高弹性 不是很敏感，同时在常规柱塞偶件中，利用柱塞泵计量d m e 的喷射量也很困难；共轨 喷射系统的喷射压力和喷射速率灵活可变，可以根据发动机的转速和负荷，灵活的控制 d m e 的喷射量以达到最佳运行效果等，所以最适合d m e 的燃料供给系统是共轨燃油喷 射系统。二者的结合，使d m e 发动机具有d m e 良好的燃烧特性以及共轨准确的、灵 活的控制等优点。 本文在综述了国内外研究二甲醚的研究现状和分析了共轨燃油喷射系统原理的基 础上，开展了如下工作： ( 1 ) 在流体热物理性质的基础上，对d m e 液体和蒸汽的热物理性质进行了计算，利 用m a t l a b 求解了g t 状态方程的各项系数；针对z s l1 0 0 柴油机的技术参数建立了柴 油机燃用d m e 的发动机模型； ( 2 ) 利用g t f u e l 建立了共轨燃油喷射系统模型，并在g t f l o w 中将共轨燃油喷 射系统模型和发动机模型进行耦合。仿真并分析了喷油器的主要结构参数对喷油规律的 影响，分析了不同的喷油规律对燃烧放热规律以及柴油机性能的影响； ( 3 ) 利用仿真模型，分析了共轨压力、喷油定时对喷油规律、放热规律以及d m e 柴 油机性能的影响； ( 4 ) 制定了一套适合d m e 共轨燃油喷射系统的控制策略，利用s i m u l i n k 建立了控 制单元，并对控制策略进行了仿真研究。 关键词：d m e ；柴油机；共轨；控制策略 二甲醚发动机燃料供给系统的电子控制 a b s t r a c t w i mt h ep r o g r e s so f h u m a nb e i n g ss o e i t ya n dt h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，h u m a n b e i n gh a v ec r e a t e dal o to f m a t e r i a lw e a l t ha n ds p i r i t u a le i v i l i z a t i o n , b u ta l s oh a v eb r o u g h tt h e i n c r e a s i n g l yt e n s ee n e r g yc r i s i sa n de n v i o r m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，w h i c hh a v es e r i o u s l ya f f e c t e d t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f h u m a nb e i n g a tt h es a m et i m e ，t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi so n e o ft h e l a r g e s ti n d u s t r yo fc o n s u m i n ge n e r g ya n dt h em a i ns o u r c eo fe n v i o r m e n t a lp o l l u t i o n i nr e s p o n s et ot h ec h a l l e n g eo f e n e r g ec r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，h u m a nb e i n g h a v ea c t i v e l yr e s e a r c h e dd i e s e le n g i n et e c h n o l o g y ，a n dh a v em a d el o t so f r e s u l t s ：h i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i li n j e c t i o nt e c h n o l o g y , e m i s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds oo n a tt h es a m et i m e h u m a n b e i n gh a v eb e e ns e e k i n gf o rt h eo t h e ra l t e r n a t i v ef u e l s t h es t u d i e ss h o wt h a t ，d m ew i 也l l i 曲c e t a n en u m b e ra n de x c e l l e n tc o m b u s t i o np r o p e r i e s c a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ee m i s s i o n s ，e s p e c i a l l yt h en o xa n ds o o t ，i sa ni d e a la l t e r n a t i v ef u e l f o rd i e s e le n g i n e a st h ec o m m o nr a i ls y s t e mi sn o tv e r ys e n s i t i v et ot h eh i g hf l e x i b i l i t yo f d m e m o l e c u l a r ，t h ec o n v e n t i o n a lp l u n g e ra n db a r r e la s s e m b l yi sv e r yd i f f i c u l tt om e a s u r et h e d m e i n j e c t i o nm a s sb yp i s t o n ；t h ei n j e c t i o nr a t ea n di n j e c t i o np r e s s u r eo fc o m m o nr a i l i n j e c t i o ns y s t e mc a l lv a r y i n gf l e x i b i l i t ya c c o r d i n gt ot h ee n g i n es p e e da n dl o a d ，f l e x i b l e c o n t r o lo fi n j e c t i o no ft h ed m ec a na c h i e v et h eb e s to p e r a t i n gr e s u l t i n g s s ot h em o s ts u i t a b l e d m ef u e ls u p p l ys y s t e mi st h ec o m m o nr a i lf u e ls y s t e m c o m b i n a t i o no ft h et w o ，t h ed m e c o m m o nr a i le n g i n eh a v et h ea d v a n t a g e so ft h ee x c e l l e n tc o m b u s t i o no ft h ed m e a n dt h e a c c u r a t e ，f l e x i b l ec o n t r o lo ft h ec o m m o nr a i ls y s t e m a tf i r s t ，t h er e s e a r c ha c t u a l i t yi nd o m e s t i ca n da b r o a do fd m ea n dc o m m o nr a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e mw a si n t r o d u c e d n l es p e c i f i cw o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e ra st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nt h et h e r m o p h y s i e a lp r o p e r t i e so fl i q u i d ，t h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so f b o t h d m e l i q u e i da n di t sv a p o rw e r ew o r k e do u t t h ee n g i n em o d e lw a se s t a b l i s h e df u e l e dw i t h d m e a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so fz s110 0 t h es i m u l a t i o n sd a t aw a sc o m p a r a e dw i t ht h e e x p e r m e n t a l sd a t a t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o e f f i c i e n ti ng ta n dt h ee n g i n em o d e lw e r e c o r r e c ta n dr e a s o n a b l e ( 2 ) o na n a l y s i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e so fc o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o n s y s t e m ，i t sm o d e l w a se s t a b l i s h e di ng t f u e l t h ec o m m o nr a i lf u e li n je c t i o nm o d e la n dt h e e n g i n em o d e l w e r ec o u p l e di ng t f l o w t h ei n f l u e n c eo f t h em a i np a r a m e t e r so f i n j e c t o ro n i n j e c t i o nr a t ew a si n v e s t g a t e d a n dt h e na n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo fc o r r e s p o n d i n gi n j e c t i o ni a t e o nh e a tr e l e a s er a t e ，e n g i n ep e r f o r m a n c e i i 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) b 嬲e do ns i m u l a t i o nm o d e l t h ea u t h o rs i m u l a t e da n da n a l y s i s e dt h ei n f l u e n c eo fi n j e c t i o n t i m i n ga n d r a i lp r e s s u r eo ni n j e c t i o nr a t e h e a tr e l e a s er a t e ，a n de n g i n ep e r f o e m a n c e ( 4 ) t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a ss e tu pf o rd m ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m t 1 l ec o n t r o lu n i t w a se s t a b l i s h e di ns i m u l l n k , a n dt h e n 也ec o n t r o ls t r a t e g yw a ss i m u l a t e d t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yw a sc o l t e c ta n dr e a s o n b l e k e yw o r d s ：d m e ；d i e s e le n g i n e ；c o m m o nr a i l ；c o n t r o ls t r a t e g y r r l 摘 要一i a b s t r a c t i i 1 引言1 1 1 前言l 1 2 二甲醚发动机的研究现状3 1 2 1二甲醚的性质和特点3 1 2 2 国内外二甲醚发动机研究现状4 1 3 柴油机燃油喷射系统发展及现状6 1 4d m e 发动机共轨燃料喷射系统的研究现状7 1 5 本论文研究的主要内容8 2 仿真软件简介及仿真模型的建立1 0 2 1 仿真软件简介1 0 2 1 1g t p o w e r 简介1 2 2 1 2 g t f u e l 简介1 2 2 2 发动机模型的建立：1 3 2 2 1 进、排气门模块。1 3 2 2 2曲柄连杆模块。15 2 2 3 气缸模块15 2 3共轨系统的主要结构分析和模型的建立1 6 2 3 1 电控喷油器1 7 2 3 2 共轨管l8 2 3 3高压油泵- 2 0 2 4 各子模型的数学模型2 l 2 4 1喷油器2 l 2 4 2 共轨管2 3 2 4 3 柴油机模拟计算的数学模型2 3 2 4 4 排放的数学模型2 6 。 2 4 5 控制算法2 8 2 5 模型的耦合。3 0 2 5 1 共轨系统和发动机模型的耦合3 0 i v 西华大学硕士学位论文 2 5 2 g t 和s i m u l i n k 耦合31 2 6 本章小结。3 5 3 二甲醚物性参数和g t 中状态方程系数的计算。3 6 3 1二甲醚物性参数的计算3 6 3 1 1液态二甲醚的传输特性3 6 3 1 2 二甲醚蒸汽的传输特性。3 6 3 2g t 中各状态方程系数的计算3 7 3 2 1 燃料密度的状态方程3 7 3 2 2 液态燃料焓的状态方程3 8 3 2 3 气态燃料焓的状态方程3 8 3 3 发动机模型及其二甲醚参数的验证3 8 3 4 本章小结- 4 0 4 共轨燃油喷射系统仿真结果及分析4 2 4 1 喷孔数和孔径的影响4 2 4 1 1 对喷油规律的影响4 2 4 1 2 对燃烧过程的影响。4 3 4 1 3 对发动机经济性、动力性的影响4 3 4 1 4 对发动机排放的影响4 4 4 2 控制室容积的影响。4 5 4 2 1 对喷油规律的影响4 5 4 2 2 对发动机经济性、动力性的影响。4 6 4 2 3 对排放的影响4 7 4 3 针阀质量的影响4 8 4 。3 1 对喷油规律的影响4 8 4 3 2 对发动机经济性、动力性的影响4 8 4 3 2 对排放的影响4 9 4 4 回油节流孔的影响5 0 4 4 1对喷油规律的影响5 0 4 4 2 对发动机经济性、动力性的影响5 0 4 4 3 对排放的影响：5 2 4 5 进油节2 赢孔的影响5 2 4 5 1 对喷油规律的影响5 3 v 5 5 1 共轨压力的影响6 3 5 1 1 对喷油规律的影响6 3 5 1 2 对燃烧过程的影响6 4 5 1 3 对发动机经济性、动力性的影响6 5 5 1 4 对排放的影响6 5 5 2 喷油提前角的影响6 6 5 2 1 对燃烧过程的影响一6 6 5 2 2 对发动机经济性、动力性的影响6 7 5 2 3对排放的影响k 6 7 5 3 本章小结6 8 6 控制策略的研究和仿真计算6 9 6 1电控系统控制方式。6 9 6 2 控制策略7 0 6 2 1 共轨压力控制策略7 0 6 2 2 转速的控制策略7 0 西华大学硕士学位论文 6 2 3 喷油量控制策略7 1 6 2 4 喷油定时控制策略7 l 6 3 控制策略仿真分析。7 2 6 3 1 转速的控制策略仿真分析。7 2 6 4 本章小结。7 3 7 、结论与展望7 4 7 1 结论7 4 7 2 展望7 5 参考文献7 6 攻读硕士学位期间发表学术论文情况o 7 9 致 射8 0 v 1 3 0 0 0 万辆。内燃机消耗石油占了我国总产量很大一部分比重。我国是个贫油的国家， 每年需要进口大量的石油。据海关总署统计，2 0 0 9 年我国进口原油达到2 0 3 8 亿吨，较 上年增长1 3 9 ；但是2 0 0 9 年中国产原油1 8 9 4 9 亿吨，同比下降0 4 ，石油进口占比 ( 石油对外依存度) 已经达到5 1 3 。一方面石油的需求量在不断增长，据国际石油资 源网的数据显示：2 0 1 0 2 0 1 5 年我国石油需求年均增4 。9 ；另一方面受石油资源的限制， 我国原油的增长缓慢。另外战争、恐怖袭击、国际政治局势的动荡等不确定因素，都将 给我国石油的供应产生影响。因此，我国对石油资源的需求建立在进口基础上是不安全 的和不可靠的，必须执行多元化能源政策以使我国的经济发展处于不败之地。如何充分 开发和利用新能源减少对石油资源的依赖是一项意义十分重大的课题【l 】【2 1 2 7 1 。 随着人们对环境污染的重视程度的提高，世界各国对发动机排放限制也日益严格。 美、日、欧各国既是世界工业的先驱，同时也在尾气排放的控制处于世界领先地位。美 国自从上世纪4 0 年代加州的洛杉矶光化学烟雾事件以后，首先认识到汽车内燃机是城 市空气污染的主要来源之一。1 9 6 4 年加州通过了“汽车污染控制法令 限制c o 、h c 的排放量。1 9 6 3 年美国联邦政府以此为依据制定了“大气交货法 。日本受美国排放限 制的影响，在1 9 6 5 年就着手调查本国的大气污染情况，并逐步制定出排放标准和检测 方法，并于1 9 6 6 年7 月制定了汽车排放污染物标准，对c o 进行了限制；1 9 7 0 年起增 加了对h c 的限制；1 9 7 3 年又增加了n o 的限制；8 0 年代中期与美国相对应日本亦公 布了重型车辆严格的微粒和n o x 排放标准。1 9 7 0 年，欧共体( e e c ) 带u 定了限制卡车排放 _ - q 3 醚发动机燃料供给系统的电子控制 标准。1 9 8 9 年起对柴油轿车的微粒也作了限制。图1 1 、图1 2 分别给出了欧洲、我国 汽车尾气排放标准【2 l 】【2 3 1 。 e u r oie u roi ie u r ol i le u r ol 、 e u r o 、i 1 9 9 21 9 9 82 0 0 02 0 0 52 0 0 8 图i 1 欧洲重型车排放标准 f i g u r e1 1e m i s s i o n ss t a n d a r do fh e a v yd u 哆v e h i c l ei ne u r o p e 。， “- _ 一。r 。+ 。a 7 7 ， 。：” 、 。：j ：口r n 1o f ，h - h ，霸 = ，、。：- 一，i ，1 ，t 。oi i h c x lo ( , k il i ，錾 萋 ，； ，蹦譬j ，_ ：o n o x 1 0 ( t k w h ) 蠢毒| t e 、e ：ij ，。，7 岛o j 盘 孳：，x - o p t ( 】c w h ) p ，。 ；： 、， 。 i 一鬟 縻 - j 罄巷i 灞| ?i 爱毫盗：7 ：j 叠 _ 攀 鋈 ： 霪 雾 j 蕤鬻繁毫-：羹誉i 1 嚣、。：拳：? ! 曩；簿t 霪 l 蘩霆 薹 姻。 囊：澈 潮篙 ： 蕊i 豢鬟i瞄 阶段1玲殴2输3跨寝4输& 5 2 0 0 0 2 0 0 32 0 0 72 0 1 02 0 12 图1 2 中国车用柴油机排放标准 f i g u r e l 2 e m i s s i o ns t a n d a r d sf o rd i e s e le n g i n ei nc h i n a 为了面对日益严格的排放法规，各国汽车生产厂商以及研究机构投入了大量的人力 和财力来降低车用柴油机的排放。已经开始从过去的只关注经济性，转而对经济性和排 放兼顾。目前改善柴油机的经济性和降低排放的途径有以下几个途径u 6 j ： ( 1 ) 电控技术 电控技术是实现柴油机全工况范围内性能优化的重要手段，已经实现电控喷油、电 控废气再循环、电控管理等。但是我国关键零部件开发研究水平还不够，材料以及制造 勺丑工工艺的落后严重影响了我国电控技术的发展。 ( 2 ) 高压喷射和共轨技术 2 西华大学硕士学位论文 燃油系统是柴油机的心脏，高压喷射和电控喷射技术是目前国内外降低排放和改善 柴油机经济性的重要措施。高压喷射和电控喷射技术的采用可以使燃油充分雾化，提高 发动机的热效率，从而降低柴油机的排放和改善其经济性。 ( 3 ) 增压、中冷和多气门技术 柴油机能燃烧的燃料量取决于气缸的进气量，为此车用柴油机上广泛采用了增压和 中冷技术，大大提高了柴油机的动力性、经济性。大型船用与机车柴油机一般采用4 气 门结构，缸径大于1 0 0 毫米以上的车用柴油机优先采用4 气门结构，优点是不仅增大了 进排气流通面积，还可以将喷油器布置在中央，提高燃油经济性和降低排放。对于缸径 小于1 0 0 毫米的车用柴油机，有采用4 气门的、也有采用2 气门的。 1 2 二甲醚发动机的研究现状 1 2 1 二甲醚的性质和特点 为了面对日益严峻的能源危机，人们在努力的寻找代用燃料，比如：生物柴油、天 然气、二甲醚等，二甲醚以其独有的优点，在解决能源危机以及排放问题等方面发挥着 重要的作用。 二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，d m e ) 在常温常压下为气体，在中等压力下( 0 5 m p a ) 为液 体。可以利用天然气、煤、生物能源为原料进行合成，而我国的天然气、煤资源比较丰 富的，因此从资源方面说，我国有条件进行二甲醚的生产和研究。研究和开发二甲醚代 用燃料非常适合我国的能源结构，也顺应了我国能源优化和环保技术发展的大方向。表 1 1 列出了二甲醚、柴油及其它代用燃料性质对比。 表1 1 二甲醚、柴油及其它代用燃料性质对比 t a b l e l 1d m e ，d i e s e la n do t h e ra l t e r n a t i v ef u e l sp r o p e r t i e sc o m p a r e 从表1 1 中可以看出，二甲醚作为柴油机代用燃料有如下优点【2 3 】【2 7 】【3 9 1 ： 二甲醚发动机燃料供给系统的电子控制 ( 1 ) 二甲醚分子结构中没有c c 键，而且还是富氧燃料，有利于减少燃烧生成的碳烟 和微粒，不需要外加尾气排放后处理装置就能够实现尾气的超低排放，满足欧洲i 和美 国加利福利亚的超低排放车辆( u l e v ) 标准； ( 2 ) - - 甲醚的十六烷值高，远高于其它代用燃料，更适合在压燃式发动机上应用，因 此可以直接在柴油上燃用二甲醚，不像甲醇、乙醇那样需要助燃措施；并且高的十六烷 值可缩短着火滞燃期，可以降低n o x 排放； ( 3 ) - - 甲醚的沸点低，使d m e 迅速汽化，其油束的雾化特性将明显优于柴油，因此 有可能在低喷射压力下就能满足燃烧要求；同时与缸内空气混合均匀，能够形成高质量 的混合气，燃烧品质比柴油好，从而能够提高发动机的经济性能； ( 4 ) 二甲醚的汽化潜热几乎是柴油的两倍，蒸发降低了缸内混合气温度，有利于抑制 n o x 的形成； ( 5 ) 燃料的混合速度快，滞燃期短，使得燃烧时燃烧放热率峰值比较小，从而降低了 噪声和振动。 虽然二甲醚作为柴油机的代用燃料有着巨大的潜力，但是要推广使用二甲醚发动 机，经研究发现需要解决以下技术问题f 2 7 】【3 4 】【3 9 】： ( 1 ) - - 甲醚的粘度只有柴油的0 0 5 , - , 0 1 倍，这使得柴油机上依靠燃油润滑的柱塞副、 出油阀与出油阀座、针阀与针阀座极易因润滑不良而造成严重的磨损和泄漏。因此，必 须在二甲醚中添加润滑剂以增强二甲醚的润滑能力，以保证柴油机的耐久性和可靠性： ( 2 ) - - 甲醚的低沸点( 2 0 ) ，极易使其汽化，为使高压油路的燃油为液态，必须 使低压供油系统保持1 5 m p a 以上的压力，因此，其低压供油系统的供油压力高于柴油； ( 3 ) 二甲醚的热值相对较低，约为柴油的0 6 6 8 ，为了达到原机的动力水平需要加大 每循环的供油量( 为柴油的1 5 1 8 倍) 。虽然二甲醚的热值低于柴油，但是由于其分 子内部氧元素的含量高于柴油，因此二甲醚燃烧时所需理论空气量相对较少，其理论混 合气的热值与柴油相当。从热值上讲，燃用二甲醚对发动机的功率影响并不大。问题的 关键在于使用二甲醚时，必须增加二甲醚燃料的供给量； ( 4 ) 由于二甲醚的可压缩性很大，且温度和压力变化很大，因此在高温大负荷下，很 难对喷油量进行精确控制。同时油管中的气泡使喷油系统不能形成稳定的喷射。 1 2 2 国内外二甲醚发动机研究现状 二甲醚的研究开始于上世纪6 0 年代，石油危机使欧美等发达国家积极研究由二甲 醚合成其它燃料。早期二甲醚在柴油机上主要作为甲醇助燃剂。近年来关于二甲醚的应 用研究主要集中在直喷式柴油机燃用二甲醚方面。自上世纪9 0 年代以来，国内外的大 学和研究机构对二甲醚应用于柴油机的喷射特性、燃烧特性、发动机性能、燃料供给系 4 图1 3 二甲醚燃油供给系统简图 f i g u r e1 3 d m ef u e ls u p p l ys y s t e md i a g r a m a v l 公司的j a m e s 等人对已有的各种喷射系统做了全面分析后，设计了二甲醚高压 共轨燃油喷射系统，采用高压油泵使油轨的压力为3 0 m p a 。整个系统的工作原理为：当 共轨单元和喷油器之间的电磁阀受电控单元的指令打开时，共轨中的高压二甲醚流向喷 油器，节流孔受突然升高的油压作用，发生节流效应，二甲醚不能经过节流孔流回低压 油路，喷油器打开喷油；当电磁阀关闭时，回油道中的压力下降，二甲醚经节流孔流回 低压回路，喷油器停止喷油。为了防止泄露，添加了漏气收集管等装置。j a m e s 等人在 油泵试验台上对该系统的喷射特性作了全面试验，结果显示系统完全适合二甲醚的喷 射，但是发现液压柱塞泵的磨损比较严重，同时此系统结构复杂，制造成本高【5 5 】。 国内的多所大学和科研机构从上世纪9 0 年代陆续开始了二甲醚发动机的研究工作。 西安交通大学在f o r d 资金的资助下，进行了二甲醚喷雾特性和柴油机燃用二甲醚 的实验研究得出了二甲醚喷雾特性比柴油好、n o x 与烟度排放比柴油机少的结果。2 0 0 0 年9 月，西安交通大学、一汽集团公司、大连柴油机厂联合研制了以二甲醚为燃料的清 洁汽车。 二甲醚发动机燃料供给系统的电子控制 天津大学在国家自然科学基金的资助下，进行了二甲醚喷雾混合特性和在柴油机上 燃用二甲醚的实验研究。结果表明，二甲醚滞燃期和燃烧持续期比柴油短、喷雾锥角大、 贯穿距小、混合质量比柴油好。 上海交通大学和上汽集团公司联合研发的首批d m e 汽车已经上了国家发改委的第 1 6 6 批车辆生产企业及产品公告，通过了国家认监委的三期认证，并颁发了证书，为 d m e 汽车的市场推广迈出了重要一步。 归纳起来，柴油机燃用d m e 的研究主要集中在以下几个方面p 5 j ： ( 1 ) 二甲醚理化性质不同于柴油，易汽化能够形成高质量的混合气等特点，因此需要 探索适合于二甲醚燃料特点的新型燃烧方式，使二甲醚发动机具有清洁高效等特点； ( 2 ) - - 甲醚发动机燃料供给系统的设计与参数优化。由于二甲醚的弹性模量小，容易 引起气阻现象、加剧了供给系统中精密偶件的磨损，导致严重的泄漏，这对喷油规律影 响比较大； ( 3 ) 优化和匹配二甲醚发动机的燃油系统、进气系统和燃烧系统的参数，合理组织燃 烧过程，进一步提高发动机的效率，降低排放。 1 3 柴油机燃油喷射系统发展及现状 柴油机电控喷油技术的研究从上世纪7 0 年代开始，到目前为止，经历了三代，即 位置控制式、时间控制式和时间一压力控制式。进入8 0 年代，由于电子技术的发展， 柴油电子控制技术得到了很大的提高，从控制方式来说，已从位置控制式发展到了现在 的时间控制式：从结构原理上来看，时间控制式又由最初的柱塞脉冲式喷射系统发展到 了现在与之共存的高压共轨式喷射系统。燃油喷射系统在降低排放和改善柴油机的性能 等方面都发挥了重要的作用。 第一代电控喷油系统是位置控制式。该系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵一高 压油管一喷油嘴系统，而且还保留了喷油泵中齿条、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，将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到提高。柴油机的结构几乎无需改动，故生产继 承性好，便于对现有的结构机械升级。其缺点是控制自由度小，控制精度比较差，喷油 率和喷射压力难于控制，而且不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，也很难大幅度提 高喷射压力。位置控制式喷油主要是在直列泵和分配泵上进行改进。 第二代电控喷油系统是时间控制式。它的特点是利用安装在高压油路中的高速电磁 阀来直接控制喷油始点和喷油量。它可通过变更电磁阀升程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。但是这种喷油系统的 6 西华大学硕士学位论文 喷油压力依1 日利用脉动柱塞供油，因此其对发动机转速的依赖性很大。在低速、低负荷 时，其喷油压力不高，而且难以实现多次喷射，极不利于降低柴油机的噪声和振动。 第三代电控喷油系统是时间一压力控制式，即电控共轨式喷油系统。该系统主要有 以下优剧6 】【1 1 】【1 8 】： ( 1 ) 可以实现高压喷射，目前喷射压力达到2 0 0 m p a 。高压喷射，可以改善进气和燃 油的混合，从而可以更好的合理组织燃烧、降低柴油机的颗粒排放； ( 2 ) 能方便、灵活的进行预喷射和后喷射，调节喷油速率，实现理想的喷油规律。预 喷射可降低柴油机的噪声和n o y 排放，后喷射可降低柴油机的h c 、c o 和n o x 排放； ( 3 ) 压力基本上可以保持恒定而且不受柴油机转速和负荷的影响，可以改善柴油机在 低速与低负荷时的喷雾品质； ( 4 ) 喷油压力的产生和喷油过程互相独立，喷油正时和燃油喷射量由电控单元( e c u ) 进行灵活控制； ( 5 ) 无需对柴油机进行重大改动，该系统可以被轻易的安装到各类不同的发动机中。 虽然电控共轨式喷油系统有着许多突出的优点，该系统也有待改进之处： ( 1 ) 如果分段喷射量不合理，高喷射压力会使得柴油机的噪声、n o x 、h c 排放增加； ( 2 ) 喷嘴针阀的头部密封一直处于高压作用下，为了防止泄露，提高了对喷嘴的加工 工艺的要求： ( 3 ) 由于共轨式喷射系统，在小负荷、小喷油量工况下，对电磁阀的响应速度要求非 常高，因此增加了电磁阀的设计难度。 由于高压共轨燃油喷射系统是集机械、液力和电磁于一体的的产品，高压共轨燃油 喷射系统是一个各种参数的复杂作用、相互影响的控制系统，其关键技术在于【3 7 】： ( 1 ) 高压油泵、共轨管、喷油器设计参数优化以及相关基础问题的研究； ( 2 ) 系统各部件的制造工艺； ( 3 ) 系统总成，包括：高压油泵、电控喷油器、e c u 及各种传感器和执行器的选型， 匹配、优化和标定； ( 4 ) 控制单元的硬件设计、制造和软件的控制策略和控制算法； ( 5 ) 喷油器喷孔长径比、喷射角度和燃烧室的匹配和优化问题。 1 4 d m f 发动机共轨燃料喷射系统的研究现状 目前，进行二甲醚试验的柴油机采用的燃料供给系统一般有两种，即传统的泵一管 一嘴燃料供给系统和共轨燃料供给系统。经研究表明，由于传统的泵一管一嘴燃料供给 系统使用常规柱塞式燃油泵存在严重的燃料泄漏、运动零部件的磨损以及气阻等问题， 7 二甲醚发动机燃料供给系统的电子控制 所以共轨燃料供给系统比较适合d m e 燃料。其主要原因如下【4 】【2 1 】f 5 5 】： ( 1 ) 共轨系统对d m e 分子的高弹性不是很敏感，而常规系统中利用柱塞泵计量d m e 的喷射量也非常困难； ( 2 ) 喷射压力和喷射速率灵活可变，可根据发动机的转速、负荷灵活的控制d m e 的 喷射量以达到最佳运行效果； ( 3 ) 所需的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的柴油机进行改造后实现，避免了发动机主要部件的改 动。 b y e o n g i la n ，y o s h i os a t o 等在一台重载单缸机上，用一套高压共轨系统，使其共轨 压力分别为2 0 、2 5 、3 0 、3 5 m p a 的条件下分别进行了d m e 的燃烧和燃料喷射试验。试 验结果表明，随着喷射压力的增大，会出现以下结果【2 1 】： ( 1 ) 燃油的消耗率下降，而这种趋势在高负荷工况更为明显，在高速、高负荷的工况 下，使用d m e 的燃料经济性可以达到柴油机水平； ( 2 ) 燃烧滞后变化很小，喷射时间和燃烧持续期大大缩小； ( 3 ) n o x 排放在相同转速下随着喷射压力的提高而升高，但是对于柴油，在低转速下， n o x 是减少的，而随着转速的升高，n o x 有超过柴油的趋势，这是由于喷油延迟阶段， 大量的d m e 喷入气缸促进了预混合燃烧造成的； ( 4 ) 随着喷射压力的提高，d m e 油束贯穿度增加，油滴的雾化和蒸发更加活跃； ( 5 ) 随着喷射压力的提高，发动机的输出功率显著提高，甚至可以达到和柴油相同的 水平，但是燃油消耗率可能会变高。 h o f n e r 等人设计的高压共轨燃料喷射系统，采用高压泵保持油轨压力为3 0 m p a ， 为防止泄露，设置了漏气收集罐等装置，使整个燃料供给系统的结构复杂，制造成本高， 故障检测和维修较为困难，因此更有效、更合理地控制d m e 燃料系统泄露和耦件磨损 的手段，对二甲醚的开发应用意义十分重大，有关这方面的研究才刚刚开始，国内还未 见文献报道【3 引。 1 5 本论文研究的主要内容 本文以z s l1 0 0 柴油机为研究对象，围绕电控共轨，将做如下工作： ( 1 ) 基于流体热物理性质，通过编程和g t - s u i t e 自带的f u e l p r o p e r t i e s x l s 、 g a s p r o p e r t i e s x l s 、l i q u i d p r o p e r t i e s x l s 计算出二甲醚的物性参数；合理选用g t 的状态方 程，根据已有的d m e 数据，利用m a t l a b 计算出各方程的待定系数； 8 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 选用g t s u i t e 软件中的g t f u e l 液压系统模块建立电控喷油器和共轨管的模 型；根据z s l1 0 0 柴油机的技术参数，在g t p o w e r 中建立柴油机模型；并将共轨模 型和柴油机模型在g t f l o w 中实现了耦合； ( 3 ) 仿真分析电控喷油器的关键结构参数对喷油规律的影响，进而分析对d m e 柴油 机的燃烧过程、经济性、动力性以及排放的影响；分析共轨压力、喷油定时对d m e 发 动机工作过程影响，包括：喷油规律、柴油机的燃烧过程、柴油机的经济性、动力性以 及排