（机械电子工程专业论文）二甲醚发动机低压共轨喷射过程试验及仿真.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 汽车工业的飞速发展在改善人们的生产生活条件的同时，也使全世界能源短缺和环境 污染等方面的压力不断增大。柴油机技术不断向低污染、低油耗、高比功率发展，清洁型 替代燃料的开发也是其重要研究方向之一。 二甲醚以其清洁高效的燃烧性能、日趋成熟的制取技术以及与柴油的某些相似性等优 势，成为一种理想的替代燃料。但其自身的一些特殊性，又使它在柴油机上的应用仍存在 不少问题，其中关键就是燃油喷射系统的设计。 本文在阅读了大量关于二甲醚代用燃料研究和发动机燃油喷射系统开发等文献的基 础上，综述了二甲醚燃料的性能、二甲醚发动机喷油系统的关键技术、燃油系统研究的意 义等相关问题，并以低压共轨燃油系统为对象，开展了燃油喷射过程的仿真及试验研究。 本文通过对二甲醚发动机低压共轨燃油系统的合理简化，提出了喷油泵、共轨及电磁 阀的替代模型，以单位时间的流量守恒和偶件运动的数学方程为依据在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下建立了燃油喷射过程的仿真模型，借助该模型对二甲醚发动机燃油喷射过程进行仿真 研究，获得电磁阀供电控制脉冲和针阀升程曲线，并在油泵试验台上进行了喷射试验，综 合分析了该系统的喷射性能。仿真及试验结果表明，该系统有效的解决了二甲醚用于柴油 机所遇到的一些问题，满足基本的柴油机喷射特性要求；系统稳定可靠。 关键词：二甲醚发动机，低压共轨燃油系统，喷射特性，仿真研究 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，t h ep r o d u c i n ga n dl i v i n gc o n d i t i o n so f a 1 1t h ep e o p l ei nt h ew o r dh a v eb e e ni m p r o v e dg r a d u a l l y a tt h es a m et i m e ，t h ep r e s s u r e so f e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v eb e e nc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g a u t o m o b i l e p o w e rt e c h n o l o g yw a sb e i n gd e v e l o p e df o r t h eo b j e c t so fl o w e rp o l l u t i o n , l o w e rf u e le x h a u s t i o n a n dh i g hp o w e rp e rw e i g h t ，a n dt h ee x p l o i t a t i o no fc l e a nf u e l sa l s oi sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no f i t a si t sc l e a na n de f f i c i e n tc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e , t h em a t u r ep r o d u c t i o nt e c h n i q u ea n d s o m es i m i l a r i t yc h a r a c t e r i s t i c sw i t hd i e s e lf u e l ，d m e ( d i m e t h y le t h e r ) b e c o m e sap o t e n t i a l a l t e r n a t i v ef u e l t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m st h a tb ea p p l i e dt od i e s e le n g i n e sb e c a u s eo fi t s s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ed e s i g no fd m ei n j e c t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n ta s p e c ti na l lo f p r o b l e m s b a s e do nt h ee x t e n s i v el i t e r a t u r e sr e a d i n g , s o m ei n t e r r e l a t e dp r o b l e m ss u c ha st h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fd m e ，t h em a i nt e c h n o l o g yi nd m ei n j e c t i o ns y s t e ma n dt h es i g n i f i c a n c eo f s t u d y i n go nl o w - p r e s s u r ec o n l l l o n r a i li n j e c t i o ns y s t e ma r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h e e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ns t u d yo ft h ei n j e c t i o np r o c e s sb a s e do nl o w - p r e s s u r ec o m m o n r a i l i n j e c t i o ns y s t e mh a v ea l s ob e e nd o n e i nt h i sp a p e r , t h ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e mi sr e a s o n a b l ys i m p l i f i e d s u b s t i t u t i o n m o d e l so fp u m p ，c o m m o nr a i la n de l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea r eg i v e n t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e i n j e c t i o np r o c e s si nm a t l a b s i m u l i n ki s b u i l ta c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a le q u a t i o na b o u tf l o w c o n s e r v a t i o np e ru n i tt i m ea n dc o u p l ep a r t sm o t i o n w i t ht h i sm o d e l ，t h ei n j e c t i o np r o c e s si s r e s e a r c h e da n dt h ec u r v e so ft h en e e d l el i f ta r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n to fi n j e c t i o np r o c e s si s a l s od o n eb a s e do no i lp u m pe x p e r i m e n t a lw o r k b e n c h f r o mt h e s ed a t a , i t si n j e c t i o np e r f o r m a n c e i s s y n t h e t i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e l o w p r e s s u r ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e me f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e m sa p p l y i n go fd m e t o d i e s e le n g i n e ，i tm e e t st h ed e m a n do fb a s i ci n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fad i e s e le n g i n e ，a n dt h e s y s t e mi sr e l i a b l e k e yw o r d s ：d i m e t h y le t h e re n g i n e , l o w - p r e s s u r ec o n l n l o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m ，i n j e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，s i m u l a t i o ns t u d y 武汉科技大学 研究生学位论文创额性声明 本人郑重声噶：所呈交的学位论文是本人在导炜指导下，独立进行研 究所取褒，的成暴。除了文中已经洼臻引用的内容或属合作研究共同完成的 互作外。本论文不包含任何其缝个人或集体已经发表或撰写过鲍作品成果。 对本文的研兖徽出熏娶贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 中滔学位论文写资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文俸者签名：鬈蹲日期：三蛐 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉辩技大学所有，其研究悫容不得以其它攀位 的名，戈发丧。本人完全了箭武汉科技大学有关保留、使鲻学位论文的规怒， 睡意学校保留辫l 趣有关部门送交论文麓复印俘和电予版本，允许沦文被壹 阍翱借阗，同意学校梅本论文的全部或部分内容编入有关数据库避行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 瓤逊尘圣一 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景 第一章绪论 汽车的诞生，改变了人类生产、生活方式，极大的推动了生产力的发展，给人类社会 带来了历史性的变革。在我国，随着经济的发展和人们生活水平的提高，汽车作为大宗消 费品在居民家庭逐渐普及。据有关资料显示【l 】，目前我国的汽车保有量已达到3 8 0 0 万辆， 并以每年9 o 左右的速度递增，预计2 0 1 0 年增长到5 8 0 0 万辆，2 0 2 0 年可达1 1 0 0 0 万辆。 汽车消费的热潮强烈刺激着汽车设计、生产、维修保养等相关行业的发展，汽车产业成为 推动国民经济持续发展的重要主导产业【2 1 。 迄今为止，除为数不多的电动汽车及其他形式的动力汽车外，汽车发动机都是热能动 力装置，借助工质的状态变化将燃料燃烧产生的热能转变为机械能。这里的燃料，其主要 来源，便是石油。作为不可再生资源的石油，随着不断的开采和消耗，储存量已极其有限。 据英国石油公司( b p ) 的统计【3 】，截至2 0 0 4 年底，世界石油探明储量约1 1 8 8 6 亿桶( 即1 6 1 9 亿吨) ，预计可开采年限为4 0 5 年。我国石油资源最终可采储量占世界石油可采储量( 4 5 6 3 亿吨) 3 左右，2 0 0 3 年我国进口石油直逼l 亿吨，超过日本成为全球第二大石油净进口 国，当前，我国超过4 0 的石油依靠进口，到2 0 1 0 年中国石油对外依赖度将达到6 0 ， 给我国经济的安全运行造成了严重影响【4 】【5 】。 汽车给人们的生活提供了快捷和方便，也给人类带来了诸如噪声、污染物排放和交通 事故等许多严重的问题。汽车尾气的主要成分有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、光 化学烟雾及微粒等。长期吸入含有害物质的气体会导致各种疾病【6 】。空气中的氧化氮和氧 化硫与水发生反应形成酸雨；二氧化碳被公认为是导致温室效应的主要元凶，地球上二氧 化碳气体的增加，除工业生产带来的废气以外，汽车的排放已经成为主要因素之一。 为缓解汽车工业的发展给环境造成的压力，世界各国都颁布了汽车排放法规来控制机 动车辆排放物中有害成分的含量。代表性的排放法规有3 个，分别属于美国、欧洲和同本。 不论哪个法规，对汽油机均要求控制废气中的一氧化碳、碳氢和氮氧化合物的含量；而对 柴油机，则主要控制微粒及氮氧化合物。表1 1 列出了欧洲针对柴油车所制定的标准和实 施年限的情况【j ”。3 大体系中，欧洲法规在标准的松严程度、道路交通情况等方面与我国 相近，所以我国在充分吸收其经验的基础上，分别于2 0 0 0 年1 月、2 0 0 4 年7 月起实施了 相当于欧i 、欧i i 标准的排放法规，等效于欧i i i 标准的排放法规也于2 0 0 5 在北京率先实 施。随着汽车保有量的大幅增加，我国也必将实行更为苛刻的欧、欧v 标准。 随着越来越严厉的汽车排放法规的实施，仅仅从发动机改造和排气净化等方面着手来 满足人们对美好生活、生态环境的要求，显然是远远不够的。石油资源必将枯竭，能源危 机同益加重，人们越来越清楚的认识到，找到一种新的清洁燃料来代替现有的石油化工产 品，才是解决问题的最好办法。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 1 欧洲柴油车排放法规各阶段限值 欧洲水平 c oh c n o 。 p m 烟度m 1实施年份 e ui4 51 18 o 0 3 6 ( 对于功率小于或等于8 5 k w 的发动 1 9 9 3 机该值为0 6 1 ) e u i i4 01 17 0o 1 51 9 9 7 0 1 0 ( 对于每气缸扫气容积小于0 7 5 e u i2 10 6 65 0d m 3 、额定功率时转速大于3 0 0 0 r m i n 的0 82 0 0 0 发动机该值为0 1 3 ) e u 1 50 4 63 5o 0 20 52 0 0 5 e u v1 50 4 62 00 0 20 52 0 0 8 注：l 、除烟度外，其余所有单位均为g k w h ； 2 、本表适用于装备压燃式发动机或燃用天然气、液化石油气的点燃式发动机，总质量超过 3 5 t 的m 1 类车辆，所有m 2 、m 3 、n 1 、n 2 、n 3 类车辆。 1 2 新能源汽车研究现状 相对于传统动力汽车来说，利用汽油和柴油以外的能源提供动力的汽车均可称为新能 源汽车。目前正在开发的汽车新能源主要有氢气、天然气、液化石油气、醇类、二甲醚和 电能等。 氢气来源非常丰富，热值高，几乎无污染。但成本较高，体积能量密度低，不利于储 运，要作为汽车燃料使用，还需要开发专门的发动机，目前该燃料仍处于基础研究阶段。 天然气和液化石油气资源都非常丰富，辛烷值高，污染小，价格较低。但建加气站网络投 资强度大，气态时能量密度小，动力性低，储带有所不便。醇类主要有甲醇和乙醇，其中 应用较多的是乙醇。乙醇来源广，制取技术成熟，几乎无污染，是较为理想的替代燃料。 目前醇类主要是与汽油或柴油以一定的比例掺合使用，适当增大喷射量以后，不影响发动 机的动力性能，能有效的减少污染物的排放。 电能驱动的汽车主要有三种【8 】：蓄电池电动汽车( b e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 和 混合动力汽车( h e v ) 。其的共同特点是汽车完全或部分由电力驱动，能够实现低排放甚 至零排放。蓄电池作为汽车动力出现最早，但目前的各种驱动电池要么动力性差，要么成 本偏高，且都需要有一定的充电时间及相应的充电设备，使用场合受到了限制。燃料电池 具较高的能量利用率，低排放低噪声，动力性能好，但成本高仍是制约其产业化的瓶颈。 混合动力汽车融合了传统内燃机汽车和电动汽车的优点，发展迅速，已实现产业化和商业 化，但最终没有摆脱对石油产品的依赖。 二甲醚替代燃料是本文的主要研究内容，其性能、特点及研究现状将在后面重点介绍。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 3 二甲醚发动机的研究现状概述 1 3 1 二甲醚的物理化学性质及燃烧特性 二甲醚( d i m e t h y le t h e r ) ，简称d m e ，化学分子式为c h 3 0 c h 3 ，是一种无色、略带醚 香味的含氧燃料。d m e 沸点底，常温常压下为气态，蒸汽压力为0 5 1 m p a ，具有与液化石 油气相似的物性和优良的可压缩性能；无腐蚀无毒性，相对无活性，长期和空气接触不会 被氧化；分子结构中没有c c 键的直接相连，氧气含量高达3 4 8 ，故其在燃烧时几乎无 炭烟生成，从源头上减少了燃烧后微粒物的形成；分子中含氧比例较大，既有利于实现无 烟燃烧，又允许高比例的废气可循环率，有利于降低n o 。的排放：其十六烷值大于5 5 ，具 有良好的自燃性，可有效的缩短着火延迟时间，降低有害物的排放，减轻工作噪音，是较 为理想的柴油机代用燃料0 1 。表1 2 列出了二甲醚与柴油等一些燃料的物理化学特性对比 情况【1 1 1 。 表1 2 二甲醚与柴油等其他燃料的物理化学特性参数比较 二甲醚柴油 汽油 天然气液化气 甲醇乙醇 液态密度瓜g m 。3 0 6 6 7o 8 2 o 8 80 7 0 0 7 80 4 4 50 5 0 10 7 9 60 7 9 0 质量低热值m j k 9 1 2 8 9 4 2 5 4 3 5 5 0 04 6 41 9 6 62 6 7 7 体积低热值m j m 3 5 9 53 5 6 63 2 1 23 6 o9 1 31 5 7 72 1 2 6 十六烷值 5 5 6 04 5 5 5o 1 0 l o 1 0 58 辛烷值 一2 09 0 1 0 01 2 71 1 0l1 4l1 l 理论空燃比l 【g k 9 1 9 o1 4 61 4 2 1 5 11 7 31 5 36 49 o 汽化潜热k g 。1 4 6 7 72 5 0 3 0 03 l o 3 4 05 1 0 04 2 6 0 1 1 0 99 0 4 沸点 一2 4 91 7 5 3 6 03 0 2 0 01 6 24 26 4 87 8 5 自燃温度 2 3 52 5 02 2 0 - 2 6 06 5 04 7 04 5 0 4 2 0 空气中着火界限3 4 1 7o 6 6 51 4 7 64 7 1 5 2 1 9 46 7 3 64 3 1 9 动力黏度( 2 0 。c ) c p o 1 52 - 40 2 8 0 5 9o 1 5o 6 01 2 基于以上所列的优良物化特性及燃烧性能，国内外针对二甲醚替代柴油所进行的一些 的车用试验也取得非常好的效果【1 2 】。美国一些机构对d m e 替代柴油做了大量工作，进行 了燃烧性能对比。在中型载货汽车上的试验研究结果显示，d m e 和柴油在热效率、碳氢化 合物c h 的排放上是具有可比性的，其氮氧化物的排放量比柴油约低2 5 ，排放指标符合 美国加州标准，接近美国修订后的载客小汽车的排放标准。 西安交通大学能源与动力工程学院汽车工程系在美国福特汽车公司和国家自然科学 基金委员会的资助下，进行了大量研究工作，采用d m e 代替柴油，实现了柴油机超低排放， 与柴油机相比，燃用d m e 后，柴油机完全消除碳烟排放，氮氧化物、未燃碳氢和c o 的 排放分别降低5 0 7 0 、3 0 和2 0 ，排放指标不仅满足欧洲i i i 和美国加州超低排放 车辆标准( u l e v ) 标准，并有潜力达到欧洲排放标准【i 孓1 4 】，具体参数见表1 3 、表1 4 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 3 欧洲标准与二甲醚发动机试验结果 排放物欧洲标准二甲醚发动机试验结果 t h c ( 总碳氢) 0 6 00 2 0 c o2 o2 1 7 n o , 5 o3 8 5 p m ( 微粒) o 1 0 o 0 5 e c er 4 9 比排放量 g ( k w h ) 】 表1 4u l e v 标准与二甲醚发动机试验结果 排放物u l e v 标准 二甲醚发动机试验结果 n m h c ( 非甲烷碳氢) 1 7 7 0 2 8 c o7 7 94 3 5 n o ，+ h c 3 43 2 6 p mo 0 7 0 0 4 5 h c h o ( 甲醛)0 0 3 4o 0 3 8 r ：况瞬态循环模拟试验结果 ( k w h ) 】 1 3 2 二甲醚制取技术简介 工业上可以天然气、煤、煤层气和生物原料等通过反应先生成甲醇，然后通过甲醇脱 水法来获得d m e ，也可由上述原料通过一步反应直接合成d m e 1 5 】。比较起来，一步法工 艺具有流程短、投资省、能耗低等优点，而且可获得较高的单程转化率。国外开发此技术 的公司主要有美国的空气产品和化学公司、丹麦的托普索( t o p s p e ) 公司等，且已经有一步 法合成二甲醚工业装置建成的报道。在国内，由兰化研究院等单位开发的一步法n - 甲醚 工艺已通过原中石化总公司组织的技术鉴定，目前在做工业放大工作：西南化工研究院也 成功开发该技术并建设了多套工业装置，规模已达到万吨级；由浙江大学开发的合成气一 步法生产d m e 技术已在湖北田力公司建成1 5 0 0 t a ( 吨年) 的工业化装置 1 6 1 。目前全球 d m e 的生产能力约为1 5 0 k t a ，产量约1 0 0 k t a 。h a l d o rt o p s o e a s 公司经比较研究认为， 现有技术条件下，当燃油的价格高于2 0 美元桶时，d m e 的应用成本便与柴油相当，具有 经济性好的优势【1 7 】。我国的天然气和煤炭资源丰富，有利于d m e 的大规模生产和应用， 现阶段我国的d m e 生产能力约1 0 k t a ，尚有很大的发展空间。由于二甲醚物性与现用液化 石油气相似，用现有的液化石油气罐盛装即可，储运安全。生产和储运技术的逐步成熟以 及良好的经济性，为二甲醚替代柴油方面的研究提供了很好的前提条件。 1 3 3 国内外二甲醚发动机研究现状 1 3 3 1 国外的研究现状简述 二甲醚柴油发动机替代燃料的想法、大规模制造d m e 的可能性以及其首次的发动机试 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 验情况，最早由a m o c o 公司、h a l d o rt o p s o ea s 公司、n a v i s t a r 公司和a v l 公司联合 发表于1 9 9 5 年的底特律s a e 年会【1 8 之0 1 。随后s o r e n s o n 等人在不同排量( 0 2 7 3 l 7 3 0 0 l ) 和型 式( 增压和非增压) 直喷式柴油机上进行了燃用纯d m e 的试验研究 2 1 - 2 3 j 。结果表明，只需对 燃油系统做较小的改进，即可获得与柴油相同的热效率和性能、较低的噪声和n o 。排放以 及实现极低或无烟燃烧。通过对发动机的进一步优化，可以在不使用排放后处理条件下， 满足1 9 9 8 年d i ：l n 福尼亚u l e v 排放标准。因此，d m e 是一种理想的柴油机代用燃料。 随着关于二甲醚燃料的研究的不断增多和深入，人们对其基本的物理化学性能以及与 柴油相比在排放上的优越性也有了更为清晰的认识，研究目标逐渐转移到d m e 在柴油机上 喷射性能和燃烧机理上来。 d m e 具有低粘性、易汽化等特点，其喷雾特性和传统燃料柴油有很大的区别。为了认 识、分析和优化其燃烧过程，韩国高新科技协会在一套共轨系统中对喷射压力为4 0 m p a 和 2 5 m p a ，环境压力为常压和3 m p a 条件的d m e 和柴油的喷雾特性进行了对比研究【2 4 。2 6 】。结 果表明，在环境压力为常压时，d m e 的喷雾锥角比柴油大，贯穿度比柴油小，但在3 m p a 的环境压力下，这种差别明显减小。同时还发现在不同的环境压力下，d m e 喷雾的各孔均 匀性都比柴油好。 二l 本i b a r a k i 大学用光学高速摄像法对压燃式发动机中d m e 的燃烧过程进行了试验研 究【27 1 ，试验装置及喷雾着火模型分别如图1 1 、图1 2 所示。其记录的图象显示，柴油从喷 嘴附近开始着火，然后在油束中间出现多点着火，随后火焰到达喷雾前端，燃油在涡流区 扩散燃烧。d m e 在雾束晕的某一点着火，然后火焰迅速发展到涡流区，并没有出现多点着 火，其燃烧持续期比柴油短1 5 。c a 左右。d m e 没有在喷嘴附近首先着火，主要是因为d m e 一旦喷出后迅速汽化，使得喷嘴端附近温度相对较低。 为探讨d m e 燃烧过程中n o 的生成机理，m i t s u r uk o n n o 等人建立了一个简单的模型怛引。 他们从计算结果中发现，与柴油相比，扩散燃烧过程中d m e 与空气混合相对较慢，高温驻 留时间较长，这是导致d m e 运行时n o 排放相对较高的主要原因。采用高湍流燃烧室系统， 加速d m e 和空气的混合过程，可以显著降低n o 的生成。 燃觏纯熬 鳜缀缀纯燧 隧 图1 1 喷雾燃烧特性研究装置图1 2d m e 喷雾着火模型 h 本氢能研究中心和m u s a s h i 科技研究所通过试验，研究了在d m e 中加入h 2 和c o 对 h c c i 燃烧方式的影响。结果表明【2 9 】，h 2 和c o 对二阶段放热的推迟都有积极作用，但h 2 的 作用更明显，原因是其阻止了一阶段放热并推迟了第一放热阶段的温度升高。调整h 2 的比 例对h c c i 中d m e 自燃着火进行有效的控制，可使_ 次放热的时问达到最佳，获得较高的 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 热效率。 h i d e y u k i 等人开展了在二甲醚h c c i 发动机上使用着火抑制剂的研究f 3 0 1 ，研究表明：各 种着火抑制剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、氢气和甲烷，在以二甲醚为主要燃料的h c c i 发动机上直接喷入，实现了着火时刻的控制和工况范围的拓宽，在宽广范围内实现了超低 的n o 。排放和无碳烟排放燃烧。着火抑制剂降低了低温氧化速率，进而延迟了高温氧化的 发生。在对几种抑制剂的试验中，甲醇对燃烧过程的影响最为明显。 由于d m e 理化特性和柴油有一定的区别，因此，要在实际应用中使发动机获得更好的 性能，就要开发相应的燃料供给系统。a v l 公司经过多年的研究，成功开发出了一套车用 d m e 发动机共轨电控系统，并获得了很好的试验性能【3 1 1 。宾夕法尼亚州立大学开发了一套 用柴油做粘性润滑添加剂的d m e 燃料供给系统，并成功应用在校园往返公交车上【3 2 】。 1 3 3 2 国内研究现状简述 近年来，我国的研究机构也相继开展了一些关于二甲醚燃料发动机技术的研究，也取 得一定的成绩。 上海交通大学1 9 9 7 年承担了我国首项有关二甲醚燃料的国家项目“新型低排污二甲醚 燃料喷雾特性和燃烧机理研究 ，对二甲醚燃料喷射和燃烧过程及二甲醚发动机可靠性进 行了深入系统的研究【3 粥4 1 ，揭示了二甲醚燃料在发动机喷射特性、燃烧机理与排放特性方 面的一些规律。 黄震、乔信起等人在一台d 6 11 4 z l q b 车用增压柴油机进行了针对d m e 的燃烧及排 放特性的一系列研究 3 5 - 3 8 】，研究结果表明：二甲醚发动机的外特性转矩特别是低速转矩比 柴油机高；二甲醚喷油延迟角比柴油大，最高爆发压力、最大压力升高率、燃烧噪声比柴 油低；二甲醚扩散燃烧速率比柴油快，燃烧持续期比柴油短。和柴油机相比，欧洲稳态测 试循环( e s c ) 的n o x 排放降低4 1 6 ，全工况范围内碳烟排放为零，微粒排放仅为欧i i i 标 准的5 0 。在一系列研究的基础上，该校与上海汽车工业总公司等单位合作研制的我国第 一辆以d m e 为燃料的城市客车于2 0 0 5 年5 月亮相上海街头。张亮、黄震、周校平等人对 该车能量消耗的研究显示【3 9 ，其单位里程能量消耗较柴油车最高可降低2 4 。 近年来，西安交通大学以c a 4 9 8 a 高速柴油机为研究平台，开展了适合于低黏度、低 沸点二甲醚发动机的高低压燃料供给系统、燃烧系统参数优化、提高动力性及降低排放等 方面的研究 4 0 羽】，自主开发了适合二甲醚燃料的等压出油阀喷油泵、二甲醚发动机低涡流 气缸盖等关键部件。2 0 0 5 年7 月，由该校、一汽集团大连柴油机厂和无锡油泵油嘴研究所 等合作完成的高速二甲醚城市中巴车通过国家科技部验收。此二甲醚汽车样车己累计行驶 超过4 5 0 0 k m ，经济性和动力性良好。经噪声检测，发动机燃烧噪声和整车的加速行驶车外 噪声与原柴油机车相比有明显降低，排放满足欧i i i 标准的二甲醚汽车样车。 华中科技大学的张煜盛等人在一台z s l 9 5 型单缸、水冷直喷式柴油机上进行了发动机 燃用0 号柴油和d m e 时的喷射过程及特性参数变化的对比性试验【4 4 1 ，该试验d m e 喷射系统 的结构如图1 3 所示，图1 4 给出在转速为2 2 0 0 r m i n 、供油提前角为2 6 。c a 时两种输出功率、 燃用两种燃料的嘴端压力波实测值的对比情况。试验结果表明，二甲醚较高的可压缩性致 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 使其泵端与嘴端压力上升及下降都较柴油缓慢，压力上升始点延迟，实际喷油始点滞后， 嘴端油管压力峰值较低，高压油管中的残余压力较高，较易出现二次喷射现象。 此外，太原理工大学、上海内燃机研究所等科研院所也都在各自的研究领域取得了一 定的成绩【4 5 4 7 】。以上研究结果都表明，d m e 的物理化学性能决定其在替代柴油作为发动机 燃料方面具有绝对优势和很大潜力，经过对现有柴油机燃油系统适当的改进，二甲醚作为 一种新的清洁能源在包括车辆在内的各个领域的广泛应用，具有极为光明的前景。 图1 3i ) m e 燃料喷射系统的结构 1 4 车用柴油机技术的发展及趋势 1 4 1 柴油机的产生及发展 = 、 钆 l o1 8 0抛2 2 0 凸轮轴转角，。 图1 4 燃用柴油与i ) m e 的嘴端压力波对比 l 一7 2 3 k w ，柴油： 2 4 7 6 k w ，柴油； 3 7 2 3 k w ，d m e ；4 _ 4 7 6 k w ，d m e 。 最初的柴油机原型，是18 9 7 年鲁道夫狄塞尔( r u d o l f d i e s e l ) 设计完成的以碳粉为燃 料的压缩点火发动机。纵观柴油机诞生以来的1 0 0 多年历史，三次重大的技术突破机 械式燃油系统技术、增压和中冷技术及电控喷油技术，有力的推动了柴油机技术的向前发 展【4 8 】。这三次突破中，有两次和柴油机的燃油系统直接有关，这充分说明了燃油系统在柴 油机技术中的重要地位。在当前环境污染、能源紧缺以及人们对生活环境质量要求不断提 高的情况下，不断降低排放、提高发动机的动力性和经济性成为人们的普遍共识，喷油系 统的不断改进，仍被认为是我们需要努力的主要方向。2 0 世纪8 0 年代以来，德国博世公 司、奔驰汽车公司、英国卢卡斯公司及美国的康明斯公司等都竞相开发新产品投放市场以 适应需求，先后出现了电控喷油泵技术、电控喷油嘴技术和电控共轨燃料喷射技术。相对 于其他燃油技术来说，具有结构简单、安装灵活、适应性强、喷射压力可控等优点的共轨 燃料系统具有极大的优越性。 1 4 2 柴油机共轨燃料喷射系统简介 共轨喷油系统属于蓄压式燃油喷射系统。它由高压泵将燃油泵入并高压蓄存在一根共 用的燃油轨道中而得名。电控共轨喷油系统作为新一代高压喷油系统的典型，代表了燃油 喷射系统的发展方向，对柴油机技术的发展有着重大的影响。较为典型的有以下两种系统。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 ) 德团博世( r o b e r tb o s h ) 公司的c r 系统 德国b o s h 公司的高压共轨电控燃油系统如图1 5 所示【4 叽5 0 】。其高压油泵为带有电控压 力调节器的径向柱塞泵，可实现部分停缸控制，因此低压时的功率消耗可以降低，轨道内 压力在1 5 41 4 0 m p a 范围内自由调节，能成功的实现低的喷油率、预喷射和多次喷射。电 磁阀的响应时问很短，外启与闭合时l 、【i j 之和小于0 2 7 m s 。因为共轨系统为高压系统，从高 压油泵到喷油嘴的针阀，整个系统都持续处于高压作用下，因此系统的密封要求十分严格。 匝； 图1 5b o s h 公司开发的共轨系统示意图 2 ) f 1 本电装公司( n i p p o nd e n s o ) 丌发的e c d u 2 系统 n 本电装公司开发的e c d u 2 系统如图1 6 所示。高握泵是电磁阀控制的2 缸凸轮的 直列泵。柴油经高压油泵进入共轨管，共轨管有为e c u 提供反馈信号的高压传感器，e c u 控制油泵上的控制阀，将共轨门i 力稳定在所需要的值。轨道压力可达1 0 0 m p a 以上。电磁 阀关闭h - j ，三通阀的进油口打开，泄油口关闭，共轨中的柴油既进入喷油嘴，又进入液压 活塞卜方，活塞卜行，针阀受压关闭喷油嘴。丌启时，二通阀的进油口关闭，泄油口扣丌， 液压活塞上方压力降低，针阀在共轨压力作用下抬起，喷油丌始。为形成所需的喷油率， 在液压活塞上方设计了1 个单向阀和节流孔，使油压逐步f 降，由于活塞面积比针阀面积 大得多，凶此能以很大的液j ：i , u s 来关闭针阀，实现快速停油。喷油定时由三通阀的定时来 控制，喷油量由三通阀接通的持续时日j 来控制。三通阀和喷油器是关键部件。e c d u 2 系 统已被证明拥有良好的性能 5 l 5 引。 除以一l ：两种比较典型共轨系统的外，还有很多公司jf ：发了自己的产品，如美国 c a t e r p i l l a r 公司的h e u i 系统【5 引、b k m 公司的s e r v o j e t 系统1 5 6 j 及c u m m i n s 公司的h p i 系 统【5 7 】，意人利_ _ f 亚特( f i a t ) 集团的u n i j e t 系统 4 9 等。网内也有一止电机构在丌展柴油机苁 轨燃油系统的丌发，如大津大学、无锡油泵油嘴研究所、一j ：海交通火学等单位都进行了一 些试验和理论性研究，但起步较晚，一般都还处f 试验研究的阶段，尚无成熟的产品投产。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 e 1 5 本课题选题意义 图1 6e c i d u 2 系统示意图 鉴于二甲醚优良的燃烧及环保性能，世界各国越来越多的研究人员和机构对其可作为 车用替代燃料的潜能加以重视。二甲醚生产工艺的逐渐成熟及大规模生产基础条件的具 备，也为d m e 用作柴油机的代用燃料提供了基础条件。目前，进行二甲醚代用燃料试验 的柴油机采用的燃料供给系统有两种，即传统的泵一管一嘴燃料系和高压共轨燃料系【5 引。 对于泵一管一嘴燃料喷射系统，由于使用常规柱塞式燃油泵存在严重的燃料泄漏、运动零 部件的磨损及容易出现气阻等问题，因此，此类燃料系统的耐久性能有待进一步提高。而 现有的高压共轨燃料系统，一般都采用高压泵使其油轨压力保持在一个非常高的值o j ，为 防止因轨道压力太高而引起的泄漏加重，通常设置漏气收集罐等装置，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。更为合理有效地控制d m e 燃料 系统燃料泄漏和偶件磨损的手段，对超低排放二甲醚替代燃料的开发应用意义十分重大， 有关这方面的研究才刚刚开始，国内还鲜见文献报道。低压电控燃料系统是解决上述问题 的有效途径之一。本文在提出低压电控燃料系统设想及已有一定程度的初步研究论证的基 础上【5 9 舵】，对低压共轨电控燃料系统的喷射过程进行试验和仿真研究，以便更为清晰和深 入的认识二甲醚燃料在该系统中的喷射规律，为现有系统的改进和完善提出试验依据，为 下一步丌展更深入更全面的研究提供理论和试验基础。 1 6 本文研究的内容及课题来源 本文在现有的低压共轨燃料系统及e c u 控制程序的基础上，对二甲醚低压共轨电控 燃料系统的喷射过程进行试验和仿真研究。具体内容如下： ( 1 ) e c u 控制中心硬件的改进和控制程序的调试。对现有的e c u 控制中心硬件电路 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 进行检修和必要的改进；对控制电磁阀工作的程序进行必要的调试和修改，以达到完成试 验的目的。 ( 2 ) 低压共轨燃油系统喷射过程的模拟仿真分析。对共轨系统物理模型提出合理的 简化和假定，给出相应的简化模型；根据系统的数学模型及边界条件，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对系统的喷射过程建立仿真数学模型，模拟分析其喷射过程。 ( 3 ) 低压共轨燃系统燃料喷射过程的试验研究。以柴油代替d m e ，在油泵试验台上 模拟d m e 燃料系统的工作，数据采集仪、针阀升程仪等仪器采集不同工况下的试验数据， 从而对低压共轨燃料系统的燃料喷射过程进行试验研究。 本课题的来源： ( 1 ) 湖北省自然科学基金( 批号：2 0 0 5 a b a 0 1 7 ) ： ( 2 ) 武汉科技大学校重点科研基金项目( 批号：2 0 0 4 x z l l ) 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第二章二甲醚发动机低压共轨燃油系统的模拟计算 2 1 低压共轨燃油系统模型的基本组成 本课题所针对的低压共轨燃油系统主要由高压供油泵、共轨管、电控单元( e c u ) 、高 速电磁阀、喷油器及各种传感器等组成，如图2 1 所示。共轨管四个接口分别连接进油管、 压力表、溢流阀和出油管，压力表和溢流阀配合调节共轨管内压力。燃油经高压柱塞泵输 送到共轨管中，再经电磁开关阀进入喷油器实现喷油。各部件间由高压油管相连。 柱塞泵曛油嚣 图2 1 低压共轨系统示意图 高压供油泵用来产生高压燃油供给整个油路。共轨管通过高压油管与供油泵和喷油器 相连，起到积蓄和稳定压力的作用。共轨管容积的大小对油路压力的波动和响应速度都有 影响，容积大，油泵供油和喷油器喷射所产生的压力波动就小；另一方面，轨道容积太大， 又无法保证热起动时油路压力的形成和快速响应。故其容积大小应根据这两个方面来综合 考虑。溢流阀用来调节轨道内压力，如果轨道压力超过溢流阀设定的压力，溢流阀打开并 开始分流，否则，溢流阀关闭。电控单元包括单片机，接口电路、电磁阀驱动电路和控制 程序。电控单元对电磁阀的控制原理是：根据柴油机转速和负荷参照由发动机和整车试验 得出的m a p 图来选择喷油量和喷油正时等控制量的目标值，然后对其进行诸如大气压力、 油温、冷却水温等各种补偿，从而得到较优的喷油量和喷油正时，据此向电磁阀发送驱动 信号。电磁阀的初始位置是常闭的，此时燃油无法通过电磁阀到达喷油嘴腔。喷油时刻到 来后，驱动电路给电磁阀施加一驱动电流，电磁阀打开，油路开通，燃油在压力作用下进 入喷油器。喷油结束时，驱动电路切断电流，电磁阀关闭，油路切断，喷油器完成一次喷 射过程。 第1 2 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 2 系统及数学计算的简化假定 2 2 1 系统各部分特性简介 在燃油系统油路中，共轨管容积远大于油管、喷油器腔等部件总容积。在适当的供油 泵凸轮转速和共轨管容积以及装配于轨道上的溢流阀配合下，共轨能在较小程度影响系统 响应特性的前提下，起到积蓄和稳定供油压力的作用，大大减小油路的压力波动，为喷油 器的燃油喷射提供较为稳定的燃油及压力源。 电控技术作为进一步提高柴油机的燃油经济性、动力性和运行可靠性，满足日益严格 的排放限制的一个有效手段，已成为当代柴油机发展的一个主要方向。电控柴油机的核心 部分是电控燃油喷射系统。电控燃油技术发展至今，已先后推出了位置控制式、时间控制 式和压力时间控制式三代产品。在时间控制式电控柴油喷射系统和压力时间控制的共轨式 柴油喷射系统中，燃油喷射的控制都要通过电磁阀来实现。尤其在时间控制式电控柴油喷 射系统中，喷射定时和喷油量都由所应用的高速强力电磁阀决定。因此，电磁阀的动态响 应特性直接影响到燃油喷射压力的建立及喷射后期燃油压力的卸载速度等喷射特性，影响 到发动机的燃烧状况。 某种高低压平衡式高速强力电磁阀的结构如图2 2 所示。在工作过程中，根据喷射控 制的要求，电控单元在特定时刻发出控制脉冲给电磁阀的驱动模块。驱动模块提供高的峰 值驱动电压，使线圈产生电磁力，当电磁吸力大于回位弹簧预紧力时，电磁阀阀杆向上运 动，快速关闭阀口。电磁阀完全闭合后，驱动模块提供低的维持驱动电压，线圈电流降低 到使电磁阀产生的作用力维持阀杆不动，阀口可靠闭合。此时，喷油泵柱塞的上升运动使 喷射系统中燃油压力急剧升高，当嘴端压力高于喷嘴开启压力时，针阀打开，喷射开始。 当控制脉冲终止、驱动电压切断、电磁阀失电后，电磁作用力迅速消失，在回位弹簧的作 用下，阀杆向下运动，直到电磁阀完全打开。在开启过程中，高压燃油经阀口快速泄流， 喷射终止【6 3 1 。 由工作原理可知，电磁阀是通过自身阀门的开启、关闭来控制油路的通断以达到对燃 油喷射的控制的。因此，缩短电磁阀的关闭和开启过程响应时问是提高电磁阀动态响应特 性、实现电控喷射系统良好性能的关键。电磁阀的动态响应速度主要取决于驱动电压、回 位弹簧预紧力和维持电流等因素。对电磁阀关闭时间影响最大的因素是驱动电压；而对电 磁阀开启时间影响最大的因素是回位弹簧的预紧力。由此可知，通过分阶段提供不同大小 的激励电流和恰当的弹簧预紧力设置，可以