（轮机工程专业论文）lpg柴油机械式单体双燃料喷油器的仿真计算和结构设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本研究提出了一种l p g 柴油机械式单体双燃料喷油器。在h y d s i m 软件平 台构建了该双燃料喷油器的计算模型；进行了双燃料喷油过程的模拟计算分析， 在p r o e 软件平台上完成了双燃料喷油器的初步结构设计。 所提出的l p g 柴油机械式单体双燃料喷油器，能够以少量柴油引燃喷入缸 内的l p g 燃料；利用柴油机原有的喷油泵提供压力源，通过双燃料喷油器中的 增压泵提高l p g 燃料的压力；提出了一种独特设计的四通阀，控制引燃柴油和 l p g 燃料的定时定量喷射；所设计的双燃料喷油器保持了原型机喷油器相同的 外形安装尺寸，其内部主要结构包括有双针阀和双油路、l p g 燃料增压泵和四 通阀。所提出的l p g 柴油机械式单体双燃料喷油器，已经取得国家实用新型专 利授权。 所构建的双燃料喷油器的计算模型能够较好的模拟复杂的双燃料结构特点 和工作过程；采用模块组合的方法构造了四通阀和增压泵等新组件；采用估算 的方法，确定了计算分析的初步参数：并对双燃料喷油器的计算模型进行了验 证、调试和改进。 模拟计算分析表明：双燃料喷油器的结构设计方案基本合理，能够实现预 先设想的双燃料喷油过程：通过改进结构的模拟仿真分析，进一步完善了双燃 料喷油器结构设计；通过分析各种因素对喷射过程的影响，能够比较精确地辅 助确定各个重要的结构尺寸和结构设计参数：计算分析结果进一步验证了所构 建的双燃料喷油器计算模型的合理性和正确性。 采用p r o 甩软件平台完成的双燃料喷油器初步结构设计，借助模拟计算分 析完成了结构方案的改进设计，确定了各个重要的结构尺寸和结构设计参数：完 成了各个零部件的三维实体造型和三维实体装配；初步完成了各个零部件的工 程图和工程装配图。 关键词：双燃料， 喷油器，喷射过程 亟堡望三查堂堕主堂竺堡壅 a b s t r a c t ad u e l f u e l ( u ? o d i e s e l ) i n j e c t o r 丽mm e c h a n i c a l l y c o n t r o l 戤l dm o n o m e ri s p r e s e n t e d o nb a s i so fh y d s i ms o f h a r e ，n l ec a l c m a t i n gm o d e lf o rt l l i 8d u c l f i l c l i i l i e c t o rh a sb e e nb u i l tf o rs i m u l a t i n gt l l ed u e l f u e l e c t i o n ；a n db ym e a l l so ft h e p r o es o m a r e ，m ei n i t i a ld e s i g n0 nm ed u e l f i 王e li h j e c t o r h a sb e e nc o n d u c t e d i nt 1 1 i si i l j e c t o r ，l p gf u e l ，w h i c hi s 两e c t e di n t o 龇c y l i n d e r sd i r e c t l y c a nb e i g l l i t e db yv e r yl i t t l ed i e s e l 缸l ；a n d 血ep r e s s l l r eo fl p g 如e l i sh i 曲l yi n c r e a s e db y u s i n g ab o o s tp u m pi n s i d et h ei n j e c t o r ；姐daf o u r - 、a yv 鲥v ew i mas p e c i a ld e s i g ni s i n t r o d u c e dt 0c o m m l 也et i m i n go ft h et w o 如e l s ；a n dt 1 1 ee x t c d o ro u t l i r l eo fm e d u e l m e li n j e c t o rk e e p st 1 1 es a m ea st 1 1 a to ft l l ep r o t o t y p e ，a n dm ei n t e r i o rs t m c t u r e s m a i n l yi n c l u d ed u e l - n e e d l ev a l v e s 谢t ht l l ed u e l 一如e lp i p e sa n dt h eb o o s tp u m pf o r l p gf u c l ，a n dt h cf b u r - w a yv a l v e ap a t e mh a sb e e nl i c e n s e df o rm ed u e l 一舭i i i l j e c t o rm c h i n a t h ec a l c u l a 土i n gm o d e lc a ns i m u l a t em es m j c t u r e sa i l dt l l ew o 越n gp m c e s so f n l ei 坷e c t o ln e ws u b - m o d e l sf o rm ef o u r - w a yv a l v ea i l dm eb o o s tp u m ph a v eb e e n c r e a t e db yc o m b i n e dm o d e l s t h ei i l i t i a lp a m m e t e r sf o rm ec a l c m a t i n ga n a l y s i sw e r e d e t e n i n e da tar o u g he s t i l n a t e t h em o d e l 王l a sa l s ob e e nt e s t e d ，m o d i f i e da i l d i m p r o v e d t i l es i m u l a t i n ga n a i y s i sh 鹊s h o w nt h a t 吐l ed e s i 朗矗wt 1 1 ed u e l - m e l i n j e c t o ri s r e 弱o n 曲l ea n dc a np e r f o n n e dt 1 1 ed u e l f u e ii i l j e c t i o n 舔w e l l ；a n d 鼬m c t u r a ld e s i g i lo f t h ei n j e c t o rh a sb e e nm n h e ri m p r o v e db ym e a n so ft h es h n u l a t i o n ；a n dt 1 1 e d i m e n s i o n so fm ea 1 1h p o n a 呲s m 】c t u r e sh a wb e c nd e t e m i n e db ya n a l y z i n g 妇 e 舒e c t so f m a n yf 如t o r so n 也ed u d f h e li n j e c t i o n ；a n d 国er c s u l t so f c a l c u i a t i o nh a v e v 谢f i e dm er e a s o n a b i l i t ya f l dv a l i d i 吼 t h ep r o es o r w a r ew a su s e df o rm ei n i t i a ls 协l c t l l r a ld e s i g no n 血ed u e l m e l 圳e c t o lb yr r l c a n so fs i m u l a t m gc a l c u l a t i o n s ，t l l ec o r r e c t i o no fi 坷e c t o rh a sb e e n c a r r i e do u ta n dm a i l yi m p o r t 趾td i m e n s i o l l sw e r eo b t a i n e d 3 dm o d e l so fa 1 1t 1 1 e p a n sa 1 1 d3 da s s e m b l i e sh a v eb e e nb l l i h e n 百n e e 血gd r a 谢n g so fa l l t h ep a n s 衄d e n g i n e e r i n ga s s e m b l i e sh a v eb e e np e f f b n e d k e yw o r d s ：d u e l - f u e l ，i n j e c t 0 t ，划e c t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 气体燃料( 主要指天然气和液化石油气) 是继煤和石油之后的第三大能源。 环境和能源是关系到人类社会生存和发展的重要问题，尤其是现在对环境保护 的日益加强以及能源危机对人类生存和发展的威胁，使人们更加清楚的认识到 节约能源的重要性和寻找新的替代能源的迫切性。开发利用内燃机的代用燃料 被认为是解决当前石油危机和环境污染的重要途径之一。经过长期不懈的努力， 许多代用燃料正逐渐被应用到内燃机( 包括柴油机和汽油机) 上，如天然气、 液化石油气( l p g ) ，生物燃料等。在诸多的代用燃料中，液化石油气以其来源 可靠、技术可行、便于储存和运输。燃料排放低而受到世界各国的重视和推广 。特别是在交通密集的大城市，推广使用天然气和液化石油气汽车，不仅可 以节约石油资源，降低燃料费用，而且作为一种“清洁燃料”，可大大降低城 市污染。据调查，意大利、荷兰、饿罗斯等国液化气汽车均超过7 0 万辆，日本 的出租车有9 6 使用液化石油气。在我国，至2 0 0 3 年底全国各主要城市的l p g 加气站近3 0 0 座，l p g 汽车保有量达到1 0 万辆翻。 l p g 俗称丙烷气，主要成分除丙烷外还育丁烷、丙烯、丁烯等气体混合物。 其来源是原油炼制汽油、柴油中的副产品，也可从油田伴生气或天然气中获得 9 j 。纯净的l p g 在常温常压下为无色无味的气体，在冷却加压后易液化，加热 减压后又易气化。发热量为1 2 0 0 0 k c a l k g ，常压下l p g 不易着火( 着火温度为 4 9 0 5 5 0 ) ，较稳定h 。 由于l p g 燃料与汽油有相似的燃烧特性，将汽油机改装成燃烧l p g 燃料 的发动机较为方便，并且这种技术也比较成熟，目前l p g 在汽油机上已经得到 了广泛的应用【”。 l p g 燃料应用于柴油机存在较大的技术难度。这主要是因为l p g 燃料与柴 油的着火方式和燃烧方式不同，需要重新考虑发动机的点火方式与燃料供给系 统。目前l p g 在柴油机上的应用主要有以下三种方式1 6 】= ( 1 ) 单一燃料发动机。 改装成为气体发动机，用火花塞点火。( 2 ) 两用燃料发动机。采用自然吸气方 武汉理工大学硕士学位论文 式掺烧l p g 或者天然气燃料。( 3 ) 双燃料发动机。l p g 高压直喷入缸，用少 量柴油引燃。 将柴油机改为单一燃料发动机，是燃烧单一气体燃料，燃料在进气冲程中 喷入进气管，与空气充分混合后进入气缸，在压缩上止点附近用火花塞点燃混 合燃气。这种方式需要另外增加一套点火系统，同时必须大幅度降低压缩比。 这种方式的缺点是降低柴油机功率和热效率。事实上，随着气体发动机的发展， 这种改装方式已经很少采用。 柴油机掺烧l p g 燃料是目前应用最为广泛的方式，优点是改装量小，应用 方便。气体燃料通过进气管在进气冲程吸入气缸，柴油在压缩上止点附近喷入 气缸，引燃l p g 混合气。这种方式在高负荷下燃烧好，功率能够达到甚至超过 原柴油机的功率。但由于l p g 燃料着火温度高，气化吸热大，在燃烧时点火延 迟，并且燃烧中混合气同时燃烧，会使得燃烧的最高爆压增大，n o x 排放高。 而在低负荷下又可能会点火不好，造成h c 排放高。虽然这种方式改装工作量 较小，但是随负荷变化时l p g 掺烧 量的控制具有一定的技术难度，低负 荷性能下降，同时掺烧量受到最高爆 压限制。图1 1 为一种可以根据发动 机负荷自动调节l p 0 掺烧量的l p g 柴油双燃料供给系统简图，该系统采 用一种独特设定的型板，能够实现预 先设定的控制。可根据发动机工况变 化，在整个负荷范围内优化柴油几p g 供给量比例。这种l p g ，柴油双燃料 供给系统目前实际应用在中国四川、 山东、广东、东北等地区、还实际应 用在缅甸和孟加拉国【7 j 。 1 气瓶2 垃滤器3 压力表 4 减压器5 调节器6 混合器 t 高压表8 型板9 油量限位 1 0 高压油泵 图l 一1 双燃料供给系统 采用少量柴油引燃直接喷入缸内的l p g 燃料，能够保持压燃式发动机热效率 高的优点，还可以使l p g 燃料达到总燃料量的9 0 9 5 ，而且能够大幅减少n o x 、 h c 和微粒排放。但是采用气体燃料缸内直喷的方式的柴油机通常需要在缸盖上 安装双喷油器，使改装复杂，同时会加剧喷油偶件磨损，存在喷射系统寿命和 可靠性的问题【”。姒n 公司在一种分隔式燃烧室柴油机上采用双喷油器分别向缸 内喷射少量柴油和l p g ，由柴油引燃l p g 。这种双喷油器方式需对柴油机的结构 2 武汉理工大学硕士学位论文 进行较大改动网。美国康明斯公司和加拿大的w e s t p o r t 公司开发的双燃料喷油器 较好的解决了这个问题，这种双燃料喷油器采用电子控制，能够同时喷射两种 燃料，基本不改变柴油机的结构，代表了当今最先进的水平和发展方向。但是 这种电控的双燃料喷油器造价昂贵，结构复杂，不适合应用于目前大量的非电 控柴油机1 9 。而目前中国国内的大量柴油机都是采用机械式喷射系统，这种电控 双燃料喷油器在中国不能得到普及应用。 比较上述l p g 在柴油机上的三种应用方式。单一燃料发动机只能燃用单一 代用燃料，并且为了避免爆震，需要减小压缩比，会造成功率下降，热效率降 低，失去了柴油机原本的优势。从进气管混合掺烧的方式，会造成最高爆压增 大，限制了掺烧量。柴油引燃l p g 缸内直喷的方式，能够达到较高的替代率， 同时燃烧过程好、排放好。但是这种方式改装量较大。 在此基础上提出用于压燃式发动机的机械式单体柴油l p g 双燃料喷油器， 能够得到双燃料发动机掺烧比高、排放好、燃烧过程好的优势，并且采用单体 机械式的喷油器，使得改装方便，改装成本也降低，可广泛应用于非电控柴油 机。此外采用单体的喷油器，柴油与代用燃料都要从这个喷油器喷出，解决了 冷却与润滑的问题。因此在柴油机上采用此单体式柴油几p o 双燃料喷油器，能 在得到双燃料发动机优点的同时，解决使用双喷油器的双燃料发动机所带来的 问题。 1 2 前期相关工作 针对所提出的用于压燃式发动机的单体式柴油几p g 双燃料喷油器，本研 究做了相关的前期工作，主要有： 1 ) 参加了低负荷工况时柴油机掺烧气体燃料试验研究； 试验采用台架试验方法测量了低负荷工况时柴油机掺烧气体燃料的h c 排 放，测取了缸内气体压力，试验研究中考虑了气体燃料掺烧比例、喷油提前角、 喷油压力、喷孔直径的影响。 柴油机l p g 双燃料发动机的原型机为东风柴油机公司生产的6 1 0 2b 0 四 冲程非增压六缸车用柴油机，额定功率额定转速为1 0 3 k w 3 0 0 0 r p m ，最大扭矩 转速为3 7 2 n m 2 0 0 0 r p m ，压缩比1 7 5 ：1 。柴油机，c n g 双燃料发动机的原型机为 广西玉柴生产的y c 4 1 1 2 z q 四冲程增压柴油机，额定功率额定转速为 1 0 5 k w 2 4 0 0 r p m ，最大扭矩转速为5 0 0 n 耐1 6 0 0 r p m ，压缩比1 7 5 ：1 1 0 】。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 所示在2 0 0 0r m i n 、2 5 负荷时，低负荷下l p g 掺烧比例不同的气 缸压力。低负荷下掺烧l p g 使得燃烧滞后，气缸压力下降；并且随着l p g 掺 烧比例增加，缸内压力进一步下降。图1 3 所示为2 5 负荷时掺烧l p g 的能耗 测量结果。l p g 掺烧比例约为2 0 ，l p g 消耗量按照热值换算成为当量柴油耗 量。低负荷工况掺烧l p g ，能耗略有增加【1 “。 曲轴转角( 度) 图1 22 0 0 0 r 血n ，2 5 负荷时的气缸压力 转建r ，m i n 图卜32 5 负荷工况自耗对比 图1 4 所示为十三工况h c 的排放对比情况。从图中可以看出：掺烧l p g 后与原机相比，h c 的排放量普遍升高，且当转速一定时随着负荷的增大，h c 排 放量的增幅上升，至5 0 时达到最大值。柴油机掺烧c n g 的低负荷特性与掺烧 l p g 的低负荷特性基本相同【1 2 】。 图1 5 是掺烧c n g 前后在低负荷工况下的能耗测量结果。低负荷工况时， 掺烧c n g 后经济性没有改善，这是由于低负荷时掺烧c n g 燃烧缓慢所致。 三竺， 一 转逍r ，。i 。 图1 41 3 工况下h c 排放对比图卜5 低负荷工况亍器烧j n g 能耗对比 图l 一6 所示，发动机在2 0 0 0r ，m i n ，5 0 额定负荷的状态下，c n g 的替代量 为3 8 和5 7 。与纯柴油的缸内示功图比较，发现替代量大的最高燃烧压力很 低，与纯柴油的最高燃烧压力相差甚远，而且掺烧越多越滞后。 4 武汉理工大学硕士学位论文 曲轴转角( 度) 图l 一6 不同掺烧量与纯柴油示功图比较 2 ) 设计和进行了压缩比对柴油机掺烧气体燃料影响的试验： 试验中通过增大气缸垫的厚度改变压缩比，气缸垫的厚度由3 m m 改变为 4 5 n l i l l 。对比气缸垫的厚度改变前后的试验结果，研究压缩比对发动机低负荷 性能的影响。试验工况分别为5 0 、2 5 、2 0 、1 5 、1 0 。 图1 7 为改变压缩 b 前后，在低负荷工况下的能耗测量结果。由图可见， 压缩比减小后，各工况下的燃油消耗均有增加。 图1 8 是2 5 工况时改变压缩比前后的缸内压力变化。双燃料发动机的压 缩比减小后，着火点延迟，压力值下降。其他各工况的压力变化情况基本相同。 只是随着负荷的增加，着火点延迟相应减少。 工配费捌，角。 图卜t 掺烧c n g 能耗对比 蟊卜8 压缩比改变莆后2 5 工况压力 图1 9 双燃料发动机的压缩比改变前后爆压的比较。压缩比减小后，各工 况的爆压值均有所下降。 图1 一l o 表示双燃料发动机压缩比改变前后纯压缩线的比较。压缩比减小之 后，停油后的缸内压力下降较大。 武汉理工大学硕士学位论文 图l 一9 双燃料发动机爆压 图卜1 0 压缩比改变前后纯压缩封l 比较 3 ) 参与弹性活塞的结构方案设计： 为了改善双燃料发动机低负荷工况，提出了一种弹性活塞结构方案设计。 作为发明人之一，申报了内燃机弹性活塞的实用新型专利【l ”。 弹性活塞包括活塞顶，弹性元件，活塞本体，压板( 或者压套) ，衬套和垫 片等。当内燃机气缸内的气体压力达到或者超过弹性元件预先设定的初始压力， 利用弹性元件随缸内气体压力盼变形，自动调节内燃机的压缩容积。可以改善 内燃机的低负荷工况特性，提高内燃机低负荷时的经济性，减少未燃h c 排放。 高负荷工况时，能够控制气缸内工质的最高压力和温度，提高内燃机的工作可 靠性，抑制n o x 生成。结构简单，成本低。适用于各类内燃机。 4 ) 归纳总结前期相关工作，发表论文柴油机掺烧气体燃料的低负荷性能 的试验研究。 1 3 研究方案 1 3 1 研究目标 1 ) 建立l p g 柴油双燃料喷油器的计算模型 计算模型要能够真实反映双燃料喷油器的结构特点和真实模拟双燃料的喷 射过程；双燃料喷油器包括四通阀、增压泵和双针阀双油路等新的特殊部件， 需要建立这些新的特殊部件的计算模型；采用适当的方法调试和验证各个部件 计算模型和系统计算模型。 2 ) l p g 柴油双燃料喷油器的喷射过程的分析研究 通过对双燃料喷油器的喷射过程的分析研究，验证双燃料喷油器结构方案 6 武汉理工大学硕士学位论文 的可行性和计算模型的合理性；分析各种因素对喷射过程的影响；辅助确定双 燃料喷油器的结构参数，为进一步的结构设计和试验研究提供理论依据和指导。 3 ) 单体式柴油l p g 双燃料喷油器的结构方案设计和初步改进设计 结构方案设计大致确定初步计算参数和各零部件的形状与位置关系，采用 p m e 完成各个零件的3 d 建模和工程图，完成3 d 装配图和工程装配图。初步 改进设计中利用计算分析确定双燃料喷油器的结构参数，完成初步结构改进设 计及其相应的图纸。 1 3 2 主要研究内容 1 ) 完成双燃料喷油器的结构方案设计。 针对采用代用燃料直接喷入缸内，由少量的柴油引燃的燃烧方式的双燃料 发动机。设计一种单体机械式l p g 柴油双燃料喷油器，能够先向缸内喷射少量 柴油作为引燃油，然后通过喷油器中的增压泵提高l p g 燃料的压力，将l p g 燃料高压喷入缸内，从而能够同时喷射柴油和l p g 燃料。由于是机械式单体双 燃料喷油器，能够在保留双燃料发动机优点的同时，解决使用双喷油器的双燃 料发动机所产生的问题。完成双燃料喷油器的结构设计，并申报专利。 2 ) 学习掌握p ，e ，初步完成双燃料喷油器的三维零件建模。 完成双燃料喷油器的结构设计后，初步确定双燃料喷油器的结构尺寸，学 习掌握p r 0 e 软件，应用p r o e 软件建立双燃料喷油器的三维模型，便于观察零 件的形状尺寸与装配关系。 3 ) 学习掌握h y d s i m ，建立原型柴油机燃油系统的计算模型，计算分析 原型柴油机的喷射过程。 要确定双燃料喷油器的参数，必须研究双燃料喷油器的喷射过程，分析选 取的参数对喷射过程的影响，又需要建立燃油系统的计算模型。本文使用 d s i m 软件来建立燃油系统计算模型，为了学习掌握此软件，并检验用此软 件建立的计算模型是否准确，以6 2 0 0 g z c 柴油机为研究对象，建立了原型机燃 油系统的计算模型，并将所得出的计算结果与实验结果相比较，以此验证此软 件能较为准确模拟出计算结果，适合用来建立燃油系统计算模型。 4 ) 建立单体机械式l p g 柴油双燃料喷油器的喷射过程的计算模型，确定 其边界条件。 学习运用h y d s i m 软件建立了原型机燃油系统计算模型后，建立双燃料喷油 武汉理工大学硕士学位论文 器计算模型。由于双燃料喷油器的结构与工作过程与原型机喷油器存在很大区 别，有一些自制部件，不能用传统喷油器的基本模块表示。因此在建立模型的 过程中，要先分析这些部件的结构与作用，然后采用拼接基本模块的方法来表 示这些自制部件，再与喷油器中的传统部件模块连结，组合成双燃料喷油器模 型。新部件包括四通阀部件、增压泵部件、l p g 供给部件和双针阀部件等。 5 ) 对双燃料喷油器模型进行验证调试，确定初始参数。 在建立了计算模型并初步确定初始参数后，就可以对建立的计算模型进行 验证。在输入参数计算前对计算模型进行验证是必不可少的，可以检验模型是 否正确，并初步验证选取的一些初始参数是否合适。验证计算模型可以通过设 置特殊值，在验证某个部分时屏蔽掉其他部分，考虑单一因素的影响，把整个 模型分成几个部分来分别验证，最后再整体验证。 验证后输入初始参数进行计算分析，通过不断的调试修改得到模型的初步 改进参数，基本达到预期计算结果。 6 ) 对喷射过程有重要影响的参数进行分析，研究双燃料喷油器的重要结构 参数对喷射过程的影响趋势。 通过调试分析找出几个对喷射过程的影响比较显著的因素加以对比分析， 观察各个影响因素对喷射过程的影响趋势，研究对喷射过程有重大影响的参数 和其影响趋势。 7 ) 利用计算分析结果，辅助确定双燃料喷油器的重要结构参数和改进双燃 料喷油器的结构设计。 通过对重要影响参数的计算分析，找出各个重要参数对喷射过程的影响趋 势，以此为理论指导依据，进一步确定优化双燃料喷油器的重要结构参数，改 进双燃料喷油器的结构设计。 8 ) 利用p m e 完成双燃料喷油器的结构改进设计。 最终确定双燃料喷油器的结构参数后，利用p | o ，e 建立双燃料喷油器的三 维模型。用p r o e 建立的三维模型不仅直观方便，还能观察各个零件的装配关 系，能够迸一步验证结构参数是否合理。 1 3 3 技术路线 为完成上述的研究目标和主要研究内容，采用的技术路线如下( 图卜1 1 ) ： 研究中采用p r o e 软件建立喷油器的实体三维模型，采用h y d s i m 软件建 8 垫堡望三查兰堡圭堂堡丝塞 立喷油器的数学计算模型。将p r o e 和h y d s i m 软件有效地结合运用。 图1 一1 1 技术路线圉 首先，通过提出结构设计思路和方案，运用p r o ，e 完成单体式柴油，l p g 双 燃料喷油器的结构方案设计，利用实体三维模型确定各部件之间的相互关系和 初始结构尺寸。 其次，较准确地确定结构尺寸参数需要分析研究双燃料喷油器的喷射过程， 建立双燃料喷油器的计算模型并确定模型的边界条件可达到此目的，这是研究 双燃料喷油器的喷射过程的关键和重点。采用以下步骤：( 1 ) 运用h y d s i m 软 件建立原型机燃油系统的计算模型，完成其喷射过程分析。( 2 ) 对比分析原型 机喷油器和双燃料喷油器，确定双燃料喷油器中不能利用h y d s i m 的基本组件 表达的部件。( 3 ) 采用模块拼接的方法构建新组件( 例如四通阀、增压泵、双 针阀结构等) 。( 4 ) 初步确定模型的边界条件和初始参数，以及确定边界条件和 初始参数的方法。( 5 ) 组合拼装双燃料喷油器的计算模型系统，验证双燃料喷 油器计算模型的方法。 双燃料喷油器的喷射过程计算分析中，采用以下步骤：( 1 ) 制定计算分析 方案和基本分析方法。( 2 ) 调整的边界条件和初始参数，验证双燃料喷油器结 构方案和计算模型的合理性。( 3 ) 多方案计算分析，找出对喷射过程有重要影 9 武汉理工大学硕士学位论文 响的因素。 最后，再次运用p r o e 软件进行双燃料喷油器的结构改进设计。利用喷射 过程的计算分析来辅助确定各部件之间的相互关系和初始结构尺寸；通过优化 改进设计最终确定双燃科喷油器的结构参数。 采用p r o e 软件建立的双燃料喷油器的物理三维模型，可以确定部件的结 构和参数的大致范围，并在模型制作的同时生成模型质量等重要数据，在装配 后计算容腔体积，为下一步数学模型搭建提供必要条件。采用h y d s i m 软件建 立双燃料喷油器的数学计算模型，模型中的部分结构参数，使用p r o e 软件建 模中生成的参数。对双燃料喷油器计算模型进行计算分析，找出重要影响参数 对喷射过程的影响趋势，优化参数最终确定双燃料喷油器的结构参数。最后用 p r o 厄软件再次建立双燃料喷油器的三维模型，进一步验证确定双燃料喷油器的 结构参数。p r o e 和h y d s i m 软件地结合运用是合适的、有效的，能够用来完 成双燃料喷油器的初步结构设计。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章单体机械式l p g 柴油双燃料喷油器的结构设计 针对提出的设计目标，完成单体机械式l p g 柴油双燃料喷油器的结构设计。 所提出的l p g 柴油机械式单体双燃料喷油器，能够以少量柴油引燃直接喷入缸 内的l p g 燃料；利用柴油机原有的喷油泵提供压力源，通过双燃料喷油器中的 增压泵提高l p g 燃料的压力；提出了一种独特设计的四通阀，控制引燃柴油和 l p g 燃料的定时定量喷射；所设计的双燃料喷油器保持了原型机喷油器相同的 外形安装尺寸，其内部主要结构包括双针阀双油路、l p g 燃料增压泵和四通阀。 2 1 结构描述m 1 图2 1 单体机械式l p g 柴油双燃料喷油器 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 。 双燃料喷油器( 图2 一1 ) 主要由双针阀双油路、增压泵和四通阀组成。喷 油器下部是柴油针阀偶件和l p g 针阀偶件，喷油器壳体的中部装配有柴油针阀 弹簧9 和l p g 针阀弹簧1 0 及其相关部件，喷油器壳体3 的尾部装配有l p g 燃料 增压泵，l p g 燃料增压泵的上部安装有四通阀。 图2 一l ( a ) 中：1 柴油针阀，2 l p g 针阀，3 针阀体，4 l p g 燃料油道，5 柴油油道，6 l p g 针阀弹簧，7 l p g 针阀弹簧调节螺钉，8 柴油针阀弹簧下座， 9 柴油针阀弹簧，1 0 喷油器壳体，1 1 柴油针阀弹簧调节螺钉。1 2 上盖螺帽， 1 3 增压泵体，1 4 增压泵低压腔，1 5 增压泵增压腔，1 6 增压泵活塞，1 7 四通 阀活塞，1 8 四通阀体，1 9 l p g 燃料管接头，2 0 四通阀活塞弹簧，2 1 柴油回 油孔，2 2 高压柴油进油孔，2 3 单向阀，2 4 高压柴油管接头，2 5 引燃柴油油 孔，2 6 引燃柴油油孔，2 7 柴油回油槽孔。 引燃柴油 ”g 阀结构图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 双针阀双油路结构由柴油针阀偶件、l p g 针阀偶件以及相应的油路组成( 图 2 2 ) ，包括有1 柴油针阀，2 l p g 针阀，3 针阀体，4 l p g 燃料油道，5 柴油 油道，6 l p g 针阀弹簧，7 。l p g 针阀弹簧调节螺钉，8 柴油针阀弹簧下座，9 柴油针阀弹簧，1 0 喷油器壳体，1 1 柴油针阀弹簧调节螺钉。 l p g 针阀2 同时是柴油针阀1 的套筒，柴油针阀l 与l p g 针阀2 的内腔构 成一对偶件，l p g 针阀2 的外圆柱表面与针阀体3 构成另一对偶件。l p g 针阀2 内设有柴油油道5 ，针阀体3 内设有柴油油道5 和l p g 燃料油道4 ，l p g 针阀弹 簧调节螺钉7 、柴油针阀弹簧调节螺钉1 l 和针阀体3 之间用螺纹连接。l p g 针 阀2 亦作为l p g 针阀弹簧6 的下支承座，l p g 针阀弹簧6 安装在l p g 针阀弹簧 调节螺钉7 下，紧贴l p g 针阀2 的尾部。柴油针阀弹簧9 则通过连接在其两端 的柴油针阀弹簧调节螺钉1 1 和柴油针阀顶杆8 安装在针阀体3 的上方。柴油针 阀弹簧9 通过柴油针阀顶杆8 作用在柴油针阀l 上。 图2 3l p g 燃料增压泵 l p g 燃料增压泵( 图2 3 ) 包括有1 3 增压泵体，1 4 增压泵低压腔，1 5 增 压泵增压腔，1 6 增压泵活塞。 增压泵体1 3 和安装在其内的增压泵活塞1 6 通过上盖螺帽1 2 和喷油器壳体 1 0 上部的外螺纹连接，增压泵体1 3 被固定在针阀体3 的上部。增压泵活塞1 6 将增压泵体1 3 的内腔分隔为增压泵低压腔1 4 和增压泵增压腔1 5 。增压泵体1 3 上设置的柴油油道5 与针阀体3 内的柴油油道5 相通，增压泵体1 3 上设置的 l p g 燃料油道4 同时与增压泵增压腔1 5 和针阀体3 内的l p g 燃料油道4 相通。 从三维结构图中可以清楚看见环形槽和油道分布。 武汉理工大学硕士学位论文 高压桨油 图2 4 四通阀结构图 四通阀( 图2 4 ) 包括有1 7 四通阀活塞，1 8 四通阀体，2 0 四通阀活塞 弹簧，2 1 柴油回油孔，2 2 高压柴油进油孔，2 4 高压柴油管接头，2 5 引燃柴 油油孔，2 6 引燃柴油油孔，2 7 柴油回油槽孔。 四通阀体1 8 和安装在阀体内的四通阀活塞1 7 和四通阀弹簧2 0 。四通阀活 塞1 7 的中间设有环状浅槽，此环状浅槽与四通阀体1 8 形成环状空腔并将四通 阀活塞1 7 分成上下两段。四通阀活塞弹簧2 0 安装在四通阀活塞1 7 的下方。四 通阀体1 8 上设置的柴油油道5 和l p g 燃料油道4 分别与增压泵体1 3 上的柴油 油道5 和l p g 燃料油道4 相通。四通阀体1 8 上还安装有l p g 燃料管接头1 9 、 高压柴油管接头2 4 ，以及引燃柴油管接头和柴油回油管接头( 图中未示出) 。 l p g 燃料管接头1 9 处设置有一单向阀2 3 ，l p g 燃料通过单向阀2 3 进入l p g 燃 料油道4 及增压泵增压腔1 5 。高压柴油管接头2 4 与四通阀活塞1 7 的上平面相通。 阀体1 8 上还开有五个油孔2 1 、2 2 、2 5 、2 6 、2 7 ，其中：高压柴油进油孔 2 2 与四通阀活塞1 7 的上平面配合，控制高压柴油与增压泵低压腔1 7 之间的开 闭。柴油回油孔2 1 、柴油回油槽孔2 7 与四通阀活塞1 7 的下平面配合，柴油回 油槽孑l2 7 的高度大于柴油回油孔2 1 的直径，柴油回油孔2 l 用来控制柴油回油 管与增压泵低压腔1 5 之间的开闭，柴油回油槽孔2 7 用来控制柴油回油管与引 燃柴油油孔2 6 的开闭。引燃柴油油孔2 5 、2 6 与四通阀活塞1 7 和四通阀体1 8 所形成的环状空腔配合，控制引燃柴油管与柴油油道5 之间的开闭。 1 4 2 2 工作原理埘 双燃料喷油器以少量柴油引燃喷入缸内的l p g 燃料，利用高压油泵压力油 作为压力源，通过喷油器内置的增压泵提高l p g 燃料的压力，采用一种独特设 计的四通阀定时定量控制柴油和l p g 两种燃料。双燃料喷油器的工作过程可分 成充油、引燃油喷射、l p g 燃料增压和喷射、回油四个阶段。( 双燃料喷油器结 构参见图2 1 ) 1 ) 充油阶段 高压油泵没有工作，柴油针阀l 和l p g 针阀2 落座并关闭柴油油道5 和l p g 燃料油道4 的出口。四通阀活塞1 7 在活塞弹簧2 0 的作用下，使得l p g 燃料增 压泵的增压泵压力油腔1 4 与两个柴油回油孔2 1 、2 7 相通，增压泵压力油腔1 4 中充满柴油。并且，四通阀活塞1 7 与四通阀体1 8 形成的环状空腔使得两个引 燃柴油油孔2 5 、2 6 相通，高压油管内的柴油进入喷油器中的各个柴油油道5 ， 充满其内部空间。同时，l p g 燃料通过单向阀2 3 进入增压泵的l p g 燃料增压腔 1 5 和喷油器中的各个l p g 燃料油道4 ，充满其内部空间。 2 ) 引燃油喷射阶段 高压油泵开始工作，出油阀开启。由高压油泵出来的柴油一路作为引燃油， 经由引燃油孔2 5 、环状空腔和引燃油孔2 6 进入喷油器中的各个柴油油道5 ，并 作用在柴油针阀1 的锥面上，克服柴油针阀弹簧9 的预紧力，引燃油压力升高 到超过柴油针阀的启阀压力p 时，使柴油针阀l 升起，向缸内开始喷射柴油。 引燃油的喷射与原型柴油机的柴油喷射过程基本相同。 3 ) l p g 燃料增压喷射阶段 引燃油喷射的同时，由高压油泵出来的另一路柴油作为压力油进入四通阀， 作用在四通阀活塞1 7 上方，四通阀活塞克服活塞弹簧2 0 的弹簧力下行。四通 阀活塞下行首先关闭压力油道的回油孔2 1 ，但此时通往回油道的回油孔2 7 仍 然开启，以使得四通闽活塞下行挤压的柴油能够进入回油道。 四通阀活塞在压力油的作用下继续下行一段距离h 后，开启压力油进油孔 2 2 ，高压柴油进入增压泵低压腔1 4 ，推动增压泵活塞1 6 下行。同时，由于单 向阀2 3 的作用，增压泵增压腔1 5 与l p g 燃料油道4 中的l p g 燃料压力升高， 克服l p g 针阀弹簧6 的弹力，使l p g 针阀2 升起，向缸内开始喷射l p g 燃料。 这个阶段也包括了柴油与l p g 的衔接喷射阶段。几乎在l p g 开始喷射的同 武汉理工大学硕士学位论文 时，四通阀活塞切断环状空腔中两个相通的引燃柴油油孔2 5 、2 6 之间的联系， 停止向喷油器中的各个柴油油道5 供油。此时，由于四通阀活塞下行，引燃柴 油油孔2 6 与通往回油道的回油孔2 7 相通，作用在柴油针阎1 锥面上的柴油压 力迅速下降。由于l p g 针阀和柴油针阀l 是两个不同直径的同心圆柱体，结构 上保证了l p g 针阀的开启就是柴油针阀1 的关闭。同时因为柴油针阀锥面上的 柴油压力迅速下降，使得l p g 针阀的开启更加迅速和柴油针阀1 的关闭更加可 靠。柴油针阀1 落座后，停止喷射柴油。在压力油的作用下，增压腔内的l p g 压力继续上升，此时l p g 燃料继续喷射。 4 ) 回油阶段 当高压油泵停止供油，作用在四通阀活塞1 7 上方的压力油的压力下降，四 通阀活塞开始上行，首先是引燃柴油油孔2 6 与通往回油道的回油孔2 7 相通被 切断，然后引燃柴油油孔2 5 、2 6 和四通阀的环状空腔之间恢复相通，引燃油重 新进入喷油器中的各个柴油油道5 。此时的引燃油压力远不足以开启柴油针阀， 柒油针阀仍然保持关闭。同时，作用在增压活塞上的压力油的压力也开始下降， 由于压力传递滞后的原因，l p g 燃料继续喷射直至l p g 针阀落座。 四通阀活塞继续上行，关闭压力油进油孔2 2 ，然后压力油道的回油孔2 1 与回油孔2 7 相通，喷射系统恢复到非喷射状态。 2 3 双燃料喷油器的特点 与传统机械式喷油器相比，此双燃料喷油器结构独特，其工作过程与控制 原理有很大的不同，综合分析本方案设计的喷油器具有以下特点： 1 ) 单体式 该双燃料喷油器采用单体的喷油器，通过一个喷油器喷射两种燃料，需要 在喷油器中设置柴油和l p g 两套管路，不改变原型机喷油器外形结构。这样做 的好处是通过更换一个喷油器，在改装量很小的情况下，可以把柴油机改装成 双燃料发动机。 这就要求该双燃料喷油器中设有双油路，分别供应柴油与l p g 燃料，两种 燃料必须分隔开不能混合，因此要考虑两条管路的布置与密封性能。同时在喷 油器中设有两个针阀，两种燃料通过各自的针阀喷射。 2 ) 机械式 双燃料喷油器采用原型机的机械式喷油泵，由喷油泵控制燃料的整体喷射 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 量与喷射时间，由设计的四通阀控制柴油停止喷射的时间和l p g 开始喷射的时 间，实现两种燃料的定时定量喷射。双燃料喷油器能够应用于非电控柴油机， 在中国有较大的市场。 同时双燃料喷油器利用柴油机原有的喷油泵为压力源，通过喷油器中的增 压泵给l p g 燃料增压，使l p g 燃料能够顶开针阀，喷射入缸。 3 ) 四通阀 双燃料喷油器设计一个四通阀来控制柴油和l p g 的定时定量喷射，利用四 通阎活塞的运动，在不同位移时活塞开关不同的油孔，起到控制喷射的作用。 具体的控制作用如下： 从喷油泵出来的柴油分成两路( 引燃油与压力油) ，引燃柴油直接通过喷油 器内部管道，作用于针阀，顶开针阀向缸内喷射柴油。压力柴油作用在四通阀 活塞上，推动四通阀活塞下行。四通阀活塞运动到一定位置时切断引燃油的供 应，柴油停止喷射。因此引燃柴油开始喷射时间与传统喷油器一样由喷油泵控 制，但是结束喷射的时间是由四通阀来控制的。几乎在同时压力油进入增压泵 低压腔，作用在增压泵活塞上推动其下行，压缩l p g 使其能够顶开针阀向缸内 喷射。四通阀活塞继续下行，会打开引燃柴油回油孔，使引燃油油路的压力迅 速降低，保证柴油针阀迅速落座。 4 ) 增压泵 由于l p g 在常温下的液化压力较低，从供气瓶中出来的l p g 压力很低，需 要对l p g 增压使其能高压喷入缸内。一般对l p g 增压都需要在喷油器外部增 加专门的增压装置，会造成改装量很大。该双燃料喷油器中内部设计了一个增 压泵，尽管这样会使得喷油器的结构更加复杂，但是增压泵放在喷油器内部， 能够通过更换喷油器解决l p g 的增压问题，对柴油机的改装量较小。 5 ) 双针阀 双燃料喷油器的单体式结构要求喷油器具有双针阀结构，两种燃料从各自 的针阀喷射入缸。两个针阀相互间是用套简装配起来，并且l p g 针阀对柴油针 阀有控制作用，当l p g 针阀启阀时会自动切断引燃油油路，并且会带动柴油针 阀一起运动，此时两个针阀的运动相同。 综上所述，该双燃料喷油器结构独特。在一个喷油器中设置双油路和双针 阀结构，使得喷油器结构复杂；喷油器中两种燃料不能混合，要仔细考虑位置 关系与密封问题；喷油器内部设计了一个压力泵，利用喷油泵本身的压力为压 力源，对低压的l p g 增压，带来了结构与控制的问题；保留原有的机械式喷油 武汉理工大学硕士学位论文 泵，设计一个四通阀，由四通阀与喷油泵综合控制两种燃料的定时定量喷射。 整体的喷射过程( 喷射时间与喷射持续期) 由喷油泵控制，柴油与l p g 各自的 喷射时间、喷射量以及相互间的衔接关系由四通阀来控制。 2 4 存在的问题 在完成双燃料喷油器的结构设计后，能够从理论上论证该双燃料喷油器的 工作过程，但是无法对喷射过程作进一步的验证，这需要解决几个结构设计中 的问题，主要有： 1 ) 设计的结构能否实现双燃料喷射 根据设计的方案，双燃料喷油器能够先向缸内喷射少量柴油作为引燃油， 然后将l p g 燃料喷入缸内燃烧，有效地实现两种燃料的依次衔接喷射。但是在 实际结构中，不知道该双燃料喷油器的喷射过程到底如何，能否实现双燃料喷 射，这需要做进一步的研究工作。 2 ) 设计的部件能否起到设计的作用 由于双燃料喷油器是全新的结构，存在许多设计的部件，例如四通阀、增 压泵等。在设计中这些部件对喷射过程有重要的影响，需要做进一步的研究工 作，来验证这些部件能否起到设计的作用， 3 ) 各个参数如何确定 双燃料喷油器中的许多部件的结构参数难以确定。一些结构参数可以通过 经验公式估算确定大致选取范围，但仍有一些参数无法确定，只能根据喷油器 的外形尺寸随意选