（动力机械及工程专业论文）二甲醚柴油机燃油供给系统的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 二甲醚柴油机燃油供给系统的设计 动力机械及工程专业 研究生田维指导老师魏远文黄海波 二甲醚( d m e ) 是一种新型的、清洁的柴油机代用燃料，可以达到美国加州 超低排放车辆标准( u l e v ) 。在柴油机上燃用二甲醚，从长远来看可以缓解能 源危机，从近来看则可以改善汽车捧气污染。目前，二甲醚在柴油机上应用 还处于研究阶段。 。 二甲醚的十六烷值高、蒸发潜热大、分子结构中没有c _ c 键、雾化质量 好等特点决定了它是目前柴油最优良的替代燃料；但是它的粘度值低、弹性 模量小、分子小、饱和蒸汽压力大、液态密度小等性质对传统柴油机供给系 统提出了新的挑战，影响了其良好发展势头。本文针对二甲醚在柴油机上燃 用的不宜条件进行了详细研究，借助a m e s i m 仿真软件，设计出了适合于二甲 醚发动机的燃料供给系统并进行了验证。 a m e s i m 是目前国际上比较先进的液压系统仿真软件。借助该软件，本文 建立了二甲醚发动机燃料供给系统的a m e s i m 模型，其中主要包括油泵模型、 出油阀模型和喷油器模型。以z s i l 0 0 为样机模型进行适当的参数设置，对原 柴油机燃用柴油的情况进行了计算机仿真，结果良好再用原机参数进行了 原机燃用二甲醚情况下的仿真，从结果中发现：原机未经改动情况下直接燃 用二甲醚时，其供油量不足、泄漏大大增加、最高喷射压力下降、喷油延迟 增加、喷油量下降、高压油管剩余压力变高，完全不能满足二甲醚对燃料供 给系统的要求，必须进行改进。本文根据二甲醚的性质，以恢复原机动力性 为原则进行了参数和系统结构的调整。仿真结果表明，为了恢复原机动力性 能必须调整柱塞直径( 加大供油量) 、出油阀尺寸、油管直径、喷油孔直径、 针阀升程限位等结构参数 本文利用a m e s i m 强大的批处理功能，对二甲醚发动机供给系统进行了变 西华大学硕士学位论文 参数仿真研究。变参数研究主要是针对影响比较大的参数：启喷压力、喷油 孔直径、喷油孔数、发动机转速。仿真结果表明：启喷压力会影响喷油持续 时阃、最高喷射压力、二次喷射、喷油量等，喷孔会影响喷油量、最高喷射 压力针阀升程等，转速主要是影响了喷油延时。上述研究结论为进一步研究 二甲醚发动机提供了方向性指导。 关键词：二甲醚发动机供给系统a m e s i m 变参数研究 西华大学硕士学位论文 d e s i g no fd m ee n g i n ef u e lt n j e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t d i m e t h y le t h e r ( d m e ) i so n ek i n do fn e w l ya p p e a r a n c ea n dc l e a na l t e r n a t i v e f u e l sf o rd i e s e le n g i n e t h ed m e e n g i n ec a na c h i e v ec a l i f o r n i au l t r al o we m i s s i o n v e h i c l es t a n d a r d i nl o n gr u n ，d m eu s e do nd i e s e le n g i n ec a ns l o wd o w nt h e e n e r g yc r i s i sa n di ns h o r ts i g h ti tc a na m e l i o r a t et h ev e h i c l ee x h a u s te m i s s i o n a t p r e s e n t ，t h eu n i v e r s a lu s eo fd m e o nd i e s e le n g i n ei si np r o c e s s t h ec e t a n ev a l u ea n dh e a to fe v a p o r a t i o no fd m ei sl a r g e rt h a nd i e s e lo i l ，t h e s p r a yi sb e t t e r , a n di sn o tc o n t a i nc cb o n di nd m em o l e c u l e ，s ot h a td m e i st h e b e s ta l t e r n a t i v ef u e lo fd i e s e lo i l a tt h es a m et i m e i t sv i s c i d i t y , l i q u i ds t a t ed e n s i t y a n de l a s t i c i t ym o d u l ei ss m a l l b u ts a t u r a t i o nv a p o rp r e s s u r ei sl a r g e t h o s e d i s a d v a n t a g e sl i s t e di nf r o n tc h a l l e n g et h et r a d i t i o n a l 蛔e c t i o ns y s t e mo fd i e s e l e n g i n ea n d b l o c kt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s t h i s d i s s e r t a t i o n s t u d y t h o s e d i s a d v a n t a g ea n dd e s i g ns u i t a b l es u p p l ys y s t e mf o rd m ee n g i n eu n d e rt h eh e l po f a m e s i m ，a n du s ee x p e r i m e n t a t i o nt ov a l i d a t ei t a m e s i mi st h eb e s ta d v a n c e dh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ei nt h e w o r l d t h i sd i s s e r t a t i o nu s ci tt os e tu pt h ed m e e n g i n ei n j e c t i o ns y s t e mm o d e l i n c l u d ep u m pm o d e l ，d e l i v e r yv a l v em o d e la n di n j e c t o rm o d e la n ds i m u l a t et h e s i t u a t i o no fz s i l 0 0b u r n i n gd i e s e lo i la n db u r n i n gd m e s e p a r a t e l y , t h er e s u l ti s r i g h ta n di n d i c a t et h a tt h eo r i g i n a le n g i n es y s t e mi sn o ts u i t a b l ef o rd m e s ow e c h a n g et h ep i s t o nd i a m e t e r , d e l i v e r yv a l v ed i m e n s i o n , p i p ed i a m e t e r , s p r a yh o l e s d i a m e t e ra n dp o p p e tl i f te t c t om e e tt h ep o w e r c a p a b i l i t yr e q u i r e m e n t t h ed i s s e r t a t i o nu s et h eb a t c hd i s p o s a lf u n c t i o nt oi n v e s t i g a t et h eb e h a v i o ro f t h ei n j e c t i o ns y s t e mw h e nc h a n g et h ep a r a m e t e r , s u c ha so p e np r e s s u r e ，h o l e d i a m e t e ra n de n g i n e s p e e d o fi t n er e s u l ts h o w st h a tt h eo p e np r e s s u r e i n f l u e n c e st h ei n j e c t i o nd u r a t i o nt i m e , h i g h e s ts p r a yp r e s s u r e ，叫e c t i o nq u a n t i t y e t c ，t h ed i a m e t e ri n f l u e n c e st h ei n j c c t i o nq u a n t i t ya n d p o p p e tl i f te t c , a n dt h e e n g i n es p e e di n f l u e n c e st h ei n j e c t i o nd e l a y t h o s er e s u l t sc a nb et h eg u i d ef o rl a t e r r e s e a r c h i i i 西华大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：d m ee n g i n e ；s u p p l ys y s t e m ；a m e s i m ；v a r i a b l ep a r a m e t e rs t u d y i v 两华大学硕士学 ；) ：论文 申明 本人申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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得西华大学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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：p 新。7 年，月，矿日 翩鹳爨渤少r 月陟日 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着国民经济的发展、社会的进步以及我国汽车工业的迅速发展，汽车保 有量不断增长，导致汽车燃料供需矛盾以及汽车排放污染物对生态环境危害的 加剧。同时人民生活水平和环保意识逐渐提高，人类对能源的需求日益增长， 特别对清洁燃料的需求更为迫切。能源短缺、环境污染和生态失衡已成为人类 社会严重的、迫切需要解决的三大问题 人类在用能源的9 0 是不可再生能源，石油占主要份额。汽车燃料主要是从 石油中提炼出来的柴油和汽油。据世界能源大会数据表明，我国煤的保有量约 占世界的3 0 a 5 ，可开采达数百年：石油的保有量仅占世界的2 4 1 9 9 3 年起我国 已成为石油纯进口国，预澳t j 2 0 1 0 年我国石油总需求的4 7 需要进口，我国石油的 供应将严重不足n 1 1 。另一方面，我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主 要污染源。 随着人们对环境污染重视程度的提高，世界各国对发动机排放的限制也日 益严格。美、日、欧各国既是世界汽车工业的先驱，同时也在控制汽车排放方 面居世界领先地位。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。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，早在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 仉的限制。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 , 排放标准。1 9 7 0 年，欧共体( e e c ) 制定了限制卡车排放的标准。1 9 8 9 年 起对柴油轿车的微粒也作了限制。 汽车发动机的排放控制主要有三条途径：其一是发动机改造技术，其二是 排气后处理技术，其三是燃油技术。对汽油发动机而言，通过对汽油进行无铅 化、电控喷射和排气三元催化技术处理，或采用目前已较成熟的液化石油气、 天然气以及醇类替代燃料技术，汽油机的有害排放已能降低到很低程度目前 西华大学硕士学位论文 的主要问题是如何解决广泛使用的柴油机的有害排放。长期以来，世界各国研 究者提出了许多措施，如高压喷射、延迟喷油、喷油率控制、废气再循环及排 气后处理等来降低排放。但由于柴油机主要有害排放微粒和n o x 的生成条件各 异，影响微粒生成的因素可归结为3 t ，即时阿( t i m e ) ，温度( t e m p e r a t u r e ) 和 湍流( t u r b u l e n c e ) 0 1 。温度越高，停留时间越长，湍流混合越好，促使h c 和微 粒的氧化，则总微粒的排放将减少，但同时n o x 的生成将增加。这就是直喷柴油 机中著名的“微粒n o x 权衡曲线”( p a r t i c u l a t e n o 。) 。如何兼顾经济性和降低 柴油机的氮氧化物与微粒的排放，一直是世界发动机研究的一个技术难题。 二甲醚( o i m e t h y le t h e r ，d m e ) 燃料是国际上近年来新出现的很有发展前 景的超低排放替代燃料。在柴油机上燃用二甲醚，从长远来看，可以解决石油 资源减少的问题；从近期考虑，则能够改善排气污染，它为解决能源危机和环 境污染两大难题开辟了一条现实可靠的道路。 d m e 作为一种薪型的清洁替代燃料，近年来引起了研究者的广泛关注。研究 表明，二甲醚十六烷值高、容易着火，非常适合作为柴油机的替代燃料，由于 它实现洁净燃烧，有望满足未来严格的排放法规。 由于二甲醚可用天然气、煤、生物能源为原料进行合成，因此具有广泛的 原料来源，但是目前二甲醚只应用于喷雾推进剂，需求量很少，相应的产量也 很有限。在生产二甲醚数量较小的情况下，多数采用甲醇脱水制造，相应制造 成本较高。9 0 年代国外开发了天然气生产二甲醚的工艺，大大降低了成本，为 其成为柴油机替代燃料打下了基础。据分折天然气生产二甲醚的销售价格大约 为柴油机的9 0 - 1 3 5 。我国西部地区蕴藏了丰富的天然气，而且“西气东输”工 程已经完成，从国内看，西气东输管线为将来连接中国陆上的塔里木、柴达木、 长庆和川渝等四大气区创造了条件，完全可以成为中国天然气骨干管网。在我 国煤炭资源丰富的地区，由于煤炭价格低，生产二甲醚成本约2 0 0 0 元吨( 以 二步法制二甲醚计成本) ，如二甲醚作为汽车燃料，生产批量大幅提高，那么成 本还会降低，从而为二甲醚燃料推广创造条件。因此，无论从我国能源前景考 虑，还是从改善能源结构及保护大气环境考虑，二甲醚汽车都将是清洁燃料汽 车的一个重要方向。尤其城市公交车、中巴车及各种运输车辆，将是二甲醚最 适宜使用的对象。 2 西华大学硕士学位论文 根据我国自然条件和能源资源特色，如何在后石油时代，逐步改变汽车能 源结构，发展汽车清洁替代燃料，在发动机上实现高效、低污染的燃料，控制 汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响。已成为我国 能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。 1 2 国内外对二甲醚的研究现状 早期二甲醚在柴油机上主要作为甲醇助燃剂，即二甲醚作为部分燃料先期 进入到气缸，可以从进气道与空气同时进入。这主要是考虑d m e 的十六烷值高、 自燃性好，因而使少量b m e 在进气行程进入气缸。在压缩行程后期先行燃烧，使 得气缸温度升高，从而会对甲醇的着火起促进作用，并且对柴油性能和排放也 会有一些作用m 。 在上个世纪9 0 年代，丹麦大学、h a r d o r 、t o p s o e 、a s 、a v l 、n a v i s t a r 、 a m o c o c 等在柴油机上燃用二甲醚燃料，仅对原机的燃油系统进行了一些改进， 在保证原机高热效率和同样的输出功率、转矩及燃油经济性的前提下，不用任 何废气再循环系统和废气处理装置，n o ，的排放就能大幅降低同时，碳烟挥放 为零，没有任何加速烟度，微粒排放也大幅度降低，排放仅来自少量的润滑油。 并且n o , 与碳烟排放控制的矛盾不再存在了。这些研究表明二甲醚燃料可实现清 洁燃烧，实现柴油发动机超低排放，被称为2 1 世纪柴油机十分理想的替代燃料 l i a v l 公司在a v l l e a d e r 柴油机上燃用d m e 结果表明，在全负荷范围p q d m e 的消 耗率大致与用柴油的消耗率相当，噪声比用柴油低l o d b ( a ) ，噪声水平接近汽油 机m 。 二甲醚燃料技术已引起西方发达国家，政府和专家高度重视，近几年来欧 美日。韩等发达国家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷 展开二早醚燃料发动机与汽车的研究和开发。在欧溯v o 乙v o 汽车公司研制出燃用 二甲醚燃料的大客车样车，用于试车与示范，在日本n k k 公司和日本交通公害研 究所分别研制出了燃用二甲醚燃料的卡车样车，五十铃汽车公司研制了二甲醚 燃料城市客车样车。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。在中型货车上的试验研究结果显示。删e 和柴油在热效率、碳氢化合物 移韵排放上具有可比性。 3 西华大学硕士学位论文 在国内，二甲醚燃料发动机的研究始于上个世纪9 0 年代中期，相继有天津 大学，西安交大，上海交大，太原理工大学等，他们各自开展了二甲醚燃料喷 雾和燃烧特性的研究，以及在柴油机上燃用二甲醚时发动机的动力性，经济性 和尾气排放等方面的试验研究，都取得了一定的成果。 西安交通大学在福特基金的资助下，对直喷式柴油机燃用二甲醚的燃烧特 性进行了研究，测量了示功图，计算了燃烧特性并与燃用柴油进行了比较。结 果表明，与柴油相比，发动机燃用二甲醚时滞燃期缩短，最高爆发压力和最大 压力升高率均低于柴油机。西安交通大学与一汽集团公司、大连柴油机厂联合 研制了以二甲醚为燃料的清洁汽车。 天津大学在国家自然科学基金的资助下，近几年来对柴油机燃用二甲醚基 础理论也做了相应的研究。在定容燃烧弹试验装置中用背景散射光成像法对比 研究二甲醚的喷雾特性，结果发现，二甲醚的着火滞燃期比柴油短，着火位置 比柴油更靠近喷嘴一边，二甲醚火焰亮度比柴油小，其火焰温度比柴油低，在 燃烧过程中无碳烟生成。 上海交通大学燃烧与排放控制研究室在国家自然科学基金和国家教委重点 科技项目资助下。针对城市大气污染日趋严重的情况，以解决柒油车黑烟的闯 题为目标，正在对二甲醚燃料的喷射和燃烧机理进行研究，开发高效能、低噪 声、越低排污的燃用二甲醚燃料车用柴油机样机。样机的排放指标为零碳烟排 放，n 0 ，和微粒排放达到超低排放标准。 太原理工大学在1 9 9 9 年进行了二甲醚与柴油不同比例混合，在柴油机上的 应用磨合期研究。柴油粘度高，且本身就是柴油机的燃料，二甲醚和柴油的二 元混合燃料有利于提高二甲醚的粘度。并且对高压油泵进行了润滑和密封的试 验研究。经台架试验，二甲醚柴油二元燃料在柴油上的燃用，动力性优于柴油 机，尾气排放n o x 比原机降低7 0 ，烟皮下降9 0 ，噪声降i 氏5 d b ，发动机可靠运 行2 0 0 4 , 时，在应用技术上已有突破。1 。 1 3 课题来源及研究的目的和意义 本论文研究的内容来源于四川省车辆工程重点学科建设项目二甲醚燃 烧特性及喷射系统开发。 结合我国及四川地区的特点：我国的天然气资源十分丰富，有条件进行二 4 西华大学硕士学位论文 甲醚的生产和研究。四川省是中国的贫油大省，一个生产二甲醚的基地在四川 泸州形成。在汽车上推广应用二甲醚，能合理利用四川地方企业的生产资源， 推动地方经济的发展，为四川经济持续发展开拓能源之路。 研究表明，占我国柴油机总量近9 0 的非增压柴油机，不进行排气后处理， 只依赖柴油机自身的改进是很难满足日益严格的排放法规，而排气后处理装置 还不是十分成熟。通过燃用二甲醚有望让一些小型柴油机达到国家规定排放标 准，使其在市场占有一席之地，这对我国的柴油机厂家和用户都有重大意义。 从经济角度来看，当天然气的价格低于1 美元g j ，原油价格高于1 8 美元 捅2 0 美元桶时，d m e 是很有竞争力的瞪“1 。 1 4d m e 发动机有待解决的问题 二甲醚作为柴油机的替代燃料有着实际应用的巨大潜力。可是二甲醚的一 些性质限制了在现有柴油机上直接燃用。d m e 理化性质与柴油的差异决定了现有 的柴油机设备不得不加以改进以适应燃用二甲醚的需要。因此。要推广使用二 甲醚仍有许多工作要做，特别是以下的几个问题嘲： ( 1 ) 目前，需要进行技术改造的内容主要集中在柴油机燃油供给系统方面 二甲醚在常温下为气体，低沸点( - 2 0 ) 使其容易变成气态，为使高压供油为液 态，必须使低压供油系统具有一定的压力，使d m e 保持液态。如图卜l 所示，二 甲醚的蒸汽压力随温度的升高丽升高，为防止供油系统低压部分管路产生气阻， 系统低压部分的压力将远高于柴油燃料的供给压力。 5 4 芒3 崔 2 1 0 4 0 - 2 002 04 0 6 08 01 0 01 2 0 t f i g 1 11i q u i dd 艇t e m p e r a t u r e p r e s s u r ed i a g r m s 图1 - 1 保持二甲醚为液态的温度和压力曲线 5 两华大学硕士学位论文 ( 2 ) 二甲醚的低热值只有柴油的6 6 8 。为了达到原柴油机的动力水平，则 必须增大二甲醚的循环供油量( 达到原柴油机的1 5 一l8 倍) 。在试验中我们可 以采取加大喷油泵中柱塞直径和柱塞有效行程等方法来提高发动机的循环供油 量，以期达到发动机原有的动力性。虽然二甲醚的热值比柴油低，但其燃烧时 所需理论空气量少，其理论混合气的热值相当。因而从热值上讲，燃用二甲醚 并不影晌发动机的功率。问题的关键在于，使用二甲醚时必须增加燃料的供给 量。因此，在柴油机上燃用二甲醚时，应对发动机供油系统进行技术改造，力求 满足原机功率所需供油量要求。 ( 3 ) 二甲醚的粘度只有柴油的0 o s 0 1 倍，在高压油泵的柱塞偶件及喷油 器的针阀偶件等地方容易造成较大的泄漏，这就使得d m e 的润滑能力也比较差， 与d m e 相接触的运动部件都必须考虑到润滑问题。柴油机上柱塞副、出油阀与出 油阀座、针阀与针阀体三大相对运动的精密偶件容易因为润滑不好而产生磨损 。大部分的发动机都使用润滑添加剂去改善燃油的润滑性。因此，必须在二 甲醚中加入润滑剂，增加燃料的润滑性能，以保证柴油机的可靠性与耐久性。 1 5 本论文主要研究工作 本课题以z s l l 0 0 柴油发动机改为二甲醚发动机为研究目的，将作以下几 点相关研究： 1 ) 建立z s l1 0 0 发动机的燃油供给系统a m e s i m 模型并进行仿真； 2 ) 设计出一套适合燃用d m e 的燃料供给系统； 3 ) 对燃油供给系统进行变参数仿真研究； 4 ) 建立试验台架，通过试验来验证设计和仿真结果。 6 西华大学硕士学位论文 第二章二甲醚发动机供给系统设计 2 1 二甲醚的性质 二甲醚( d m e ) 是一种最简单的醚类化合物，分子式为c h ，o c k ，在常温常压 下为气体，在中等压力( 0 5 m p a ) 下为液体。液体二甲醚看似水，无色、几乎 无臭、无毒、不致癌、不致变、腐蚀性小；在大气中不会发生光化学反应，因 而不会对臭氧层造成伤害；在空气中存在一般不会超过二十四小时就会降解， 对环境无污染。d m e 基本无毒性，因其无活性，长期同空气接触不会被进一步 氧化。 对柴油机来说，燃料的自燃着火能力和低温流动性最为重要，燃料的自燃 着火能力用十六烷值来衡量，十六烷值越高的燃料其自燃着火能力越强，着火 温度更低( 二甲醚的自燃着火温度比柴油低1 5 c ) 。高十六烷值的燃料滞燃期相 对较短，有利于发动机的冷起动。d u e 的十六烷值较高( 5 5 - 6 0 ) ，因此它很适 合在压燃式发动机上燃用，尤其适用于高速柴油机。表2 - 1 列出了二甲醚与柴油 及其它内燃机替代燃料的一些理化特性对比。 从表2 - 1 中可以看出，二甲醚作为柴油机燃料有如下优点： ( 1 ) - - 甲醚分子结构中只有c - h 和c - o 键，没有c - c 键，此外它还是富氧( 3 8 ) 燃料，有利于减少燃烧生成的碳烟和微粒，几乎可以达到零碳烟排放汹1 同时 它可以使用更大的废气再循环( e g r ) 率，降低n o ；排放“小“1 。 ( 2 ) 二甲醚的十六烷值高，远高于其它替代燃料，更适合在压燃式发动机 上应用，因此可以直接在柴油机上燃用二甲醚，不像甲醇、乙醇、l p g 和天然气 那样需要助燃措施；而且高的十六烷值可缩短着火滞燃期，降低n o , 排放。 ( 3 ) 二甲醚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n n 嘎的形成。 ( 4 ) 二甲醚的沸点低，喷入气缸后的雾化速度比柴油快得多，与缸内空气混 合均匀，燃烧品质比柴油好。 二甲醚作为柴油机替代燃料的突出优点已经引起世界各国的高度重视，自 1 9 9 6 年以来国际能源署( i e a ) 每年都要在欧洲主持召开一次d m e 专题讨论会，并 于1 9 9 7 年l o 月正式启动一项旨在推动d m e 的应用研究和新技术开发、促进北美和 7 西华人学硕士学位论文 欧洲成员国之间的全面合作和交流的行动计划。 表2 1 二甲醚与柴油及其它燃料理化特性对比“1 t a b l e l 4b 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 s p h y s i c o c h e m i c a lc o m p a r e 比较内容 d m e 柴油 l p gc n g甲醇 一 化学分子式 e h ，o c 限c x h i 瓠c 矗kc f c m o h 分子最4 6 0 7 1 9 0 2 2 04 41 63 2 0 4 沸点( )一2 4 9 1 8 0 3 6 04 2 11 6 26 5 液态密度k g 一 6 6 88 4 05 9 0 6 l o7 9 0 理论空燃比9 ，o1 4 61 5 7 1 7 。26 5 十人烷值5 5 - 6 6 4 0 - 5 5 5 汽化潜热k j k g 4 1 02 5 0 3 7 0 3 5 81 1 1 0 低热值k j k g 2 7 6 0 0 4 2 5 0 04 6 5 0 05 0 0 0 01 9 5 0 0 爆炸极限3 ，4 1 7o 6 _ 6 5z 4 9 5 5 一1 55 5 - 2 6 臼燃温度( c )2 3 5 2 5 04 8 l6 5 04 5 0 粘度( c p )0 1 5 3 1 1 0 o 1 80 7 6 8 c ( 重餐) 5 2 28 6 o8 1 8 7 5 03 7 5 h ( 重量) 1 3 ，01 4 01 8 22 5 o 1 2 5 0 ( 重量)3 4 8 0oo5 0 蒸汽压( k p a )5 1 2 1o 3 2 2 2 问题的提出 表2 - 1 给出了d m e 与柴油的理化特性对比。从表中可以看出，d m e 与柴油 在某些性质上比较接近，但是影响发动机供给系统的几个关键性质却存在比 较大差异。 ( 1 ) 液态密度和低热值。 彬v p x h u 。仉 2 1 8 西华大学硕士学位论文 其中：彬表示发动机指示功；v 表示喷入燃料的体积：p 表示燃料密度； h u 表示燃料低热值；吼表示指示热效率。 发动机喷油泵循环供油量是根据燃料体积来进行计量的，而发动机对外 输出功的大小要以每一循环喷入到燃烧室的燃料的总热值来衡量。从公式2 1 可以看出，发动机的指示功与喷入燃料的体积、密度、低热值成正相关。而 二甲醚的密度和低热值均比柴油低，根据公式2 i 计算得出，若要保证每次 泵入d m e 的总热值与柴油相当，则泵入d m e 的体积约为柴油的i 8 倍。因此， 如果沿用原有的柴油供给系统燃用二甲醚将不可能达到原机的动力水平。 ( 2 ) 沸点与蒸汽压 从表2 - i 中可以看出，d m e 的沸点和蒸汽压与柴油有很大的差别，这对 d m e 系统的气密性提出了要求。另外，d m e 的低沸点和高蒸汽压是d m e 供给系 统产生气阻的一个重要影响因素。 ( 3 ) 汽化潜热与弹性模量 d m e 的弹性模量比柴油小，约为柴油的1 2 0 。从公式2 2 中可以看出， 如果要d m e 与柴油达到同样的压力，那么d m e 的压缩量要比柴油大，也就是 说柱塞升程要比柴油大，如果用原柴油机的供给系统，那么d m e 的喷油时刻 必然会比柴油要迟。 e 一竺矿2 2 y 基中：e 表示弹性模量：a p 表示压力变化量；a 矿表示体积变化量；y 表示液体原始体积。 以上两点说明，d m e 的供给系统供油提前角要比柴油大。 ( 4 ) 粘度 粘度是影响供给系统润滑和泄漏的重要因素。d m e 的粘度只有柴油的1 2 0 ， 因此，燃用d m e 时对供给系统的润滑和泄漏将是一个严峻的问题。 综上所述，将柴油机改为燃用d m e 需要对供给系统进行较大的改进。 2 3 设计目的及要求 2 ，3 1 设计目的 9 西华大学硕士学位论文 为了利用二甲醚的有利因素同时克服二甲醚与柴油在理化性质上的差别并 获得良好的动力性、经济性、可靠性和排放性能。在将柴油机改装为二甲醚发 动机时，供给系统的改进是一个必然的环节。 2 3 2 设计要求 改进后的二甲醚发动机供给系统应满足以下要求： ( 1 ) 应正确地供给与二甲醚发动机负荷相适应的二甲醚量： ( 2 ) 应能在正确的时刻( 曲轴转角) 供给二甲醚； ( 3 ) 当发动机负荷和转速发生变化时，供给系统应有足够的响应速度，提 供所需的燃料。 ( 4 ) 能够充分利用二甲醚良好的雾化特性，与原有燃烧室进行很好的匹配， 使发动机获得最佳的燃烧过程。 ( 5 ) 结构简单、工作可靠、使用维护方便。 2 4 二甲醚发动机供给系统的功用 ( 1 ) 在适当的时刻，将一定量的洁净二甲醚增压后以适当的规律喷入到燃 烧室。喷射压力、喷注雾化质量及其在燃烧室内的分布与燃烧室类型相适应。 ( 2 ) 根据发动机负荷的变化自动调节循环供油量，保证发动机稳定运转， 尤其是稳定怠速，限制超速“。 2 5 二甲醚发动机供给系统的组成 二甲醚发动机供给系统包括喷油泵、喷油器、调速器、输送泵、过滤器、 保压装置、二甲醚存贮罐和高、低压油管等装置。 图2 一l 所示为装有直列柱塞式喷射泵的单缸二甲醚发动机燃料供给系统。直 列柱塞式喷射泵8 由发动机曲轴定时齿轮驱动。二甲醚输送泵由专门的电动装置 驱动。当发动机工作时，输送泵从二甲醚罐2 中吸出二甲醚，经由二甲醚过滤器 6 除去其中的杂质，然后送入喷射泵8 。在喷射泵内，二甲醚经过增压和计量之 后，经高压油管1 0 供入喷油器将二甲醚喷入燃烧室。喷射泵顶部的回油均经由 回油管1 1 返回n - - 甲醚存贮罐。 由图卜1 可知，二甲醚在常温常压下为气体，为了保持二甲醚在常温下为液 态，必需保持二甲醚的压力在0 5 m p a 左右，所以必需在前端加一个保压氮气瓶。 西华大学硕士学位论文 考虑到喷射泵的温升。必需加大保压的压力值。综合考虑，保压压力一般为 1 5 m p a 。机械式单体喷射泵没有附带输送泵，为增强二甲醚的流动性，需要在 低压管路上加一个专门的输送泵。从氮气瓶开始的压力值相对于柴油一直比较 大，所以这一段的管路均采用了铜管。从喷射泵出来过后，压力上升到一个很 大的值，所以这一段采用钢管。 卜h i g l lp r e s s u r en i t r o g e ng a s ；2 - 1 ) m ef u e lt a n k ；3 - l o wp r e s s u r ep i p e ； 4 - t r a n s p o r t a t i o np u m p ；5 。7 一m i d d l ep r e s s u r ep i p e ；6 - d m ef i l t e r ；8 - m e c h a n i c a lu n i t i n j e c t i o np u m p ；9 - i n j e c t o r ；1 0 h i g hp r e s s u r ep i p e ；l l - r e c y c l ep i p e ；1 2 。h i g h p r e s s u r en i t r o g e ng a sp i p e 卜氮气瓶2 一d 旺存贮罐3 一低压管 输送泵5 ，7 - 中压管6 一过滤器 8 一机械式单体喷射泵9 喷油器l o 高压管1 1 一回油管1 2 一氮气输送管 f i g 2 - 1s u p p l ys y s t e mo fs i n g l ec y l i n d e rd i 暇e n g i n ew i t hi n l i n ep i s t o np u m ps k e t c h 、m a p 图2 一i 柱塞式喷射泵单缸二甲醚发动机燃料供给系统示意图 2 5 1 晰e 存贮罐 d m e 存贮罐是二甲醚发动机供给系用于存贮燃料的部件，它的设计必须满足 二甲醚性质上对容器的要求，所存贮燃料能够让二甲醚发动机输出与原柴油机 水平相当的功。 设计要点：1 ) 二甲醚的热值和密度都比柴油要小，如果要装与柴油相等热 l l 西华大学硕士学位论文 值的二甲醚，那么d m e 存贮罐的容积需要达到柴油油箱容积的两倍以上2 ) 为 了保证整个供给系统的正常工作，二甲醚存贮罐内的压力一直要保持为1 5 m p a 左右。所以二甲醚存贮罐必须要保证密封，并且还要能承受一定的压力。3 ) 为 了方便地为发动机补充燃料，在d m e 存贮罐上需要一个快速充装口。4 ) 存贮罐 材料必须能抗二甲醚腐蚀。5 ) 存贮罐必须要有安全阀，当压力和温度超过一定 值过后，存贮应能自动泄压。 2 5 2d m e 过滤器 过滤器是供给系统用于清洁燃料，保持供给系统长期稳定工作的重要部件。 它主要是用于去除燃料中本身所带的杂质和存贮罐所产生的杂质。如果没有过 滤器，杂质就有可能随着二甲醚一起流入到喷射泵和喷油器内，这很有可能造 成喷油泵柱塞偶件、喷油器偶件等的严重磨损和划伤，堵塞喷油孔，缩短其使 用寿命，甚至造成偶件卡死，使整个系统不能使用。 二甲醚对很多材料都具有腐蚀性和溶解能力。比如：它对橡胶就具有溶胀 能力，对纸等具有溶解能力，所以最好是选用具有较强抗腐蚀能力的金属或陶 瓷等材料来做，密封材料也要注意选择。另外，设计过滤器时还要考虑过滤能 力和流通面积，不能给输送过程造成过大的流动损失。 2 6 喷油泵 喷油泵的功用是按照柴油机的运行工况和气缸工作顺序，以一定的规律适 时、定量地向喷油器输送高压燃油。 喷油泵种类很多，在汽车柴油机上得到广泛应用的有直列柱塞式喷油泵和 转子分配泵。此外，还有泵喷嘴等。本文主要讨论柱塞式喷油泵。 柱塞式喷油泵分为a 、b 和p 系列。a 、b 型喷油泵的基本结构相同，均为直列 柱塞式喷油泵的传统结构。它包括泵油机构、供油量调节机构、驱动机构和喷 油泵体等。 泵油机构包括柱塞套、柱塞、柱塞弹簧座、出油阀、出油阀座、出油阀弹 簧和出油阀紧座等零件。 2 6 1 柱塞偶件 柱塞和柱塞套构成喷油泵中最精密的偶件，称作柱塞偶件。正是由于柱塞 西华大学硕士学位论文 偶件的精密配合及调整运动，才得以实现对燃油的增压。 1 柱塞偶件尺寸与计算， 由于本论文所讨论的是将z s l l 0 0 柴油机改为燃用二甲醚( d m e ) ，因此柱 塞偶件尺寸的计算必须与原机的参数结合起来，力求达到对原机改动较少并 且要求有良好的性能。柴油机原机参数见表2 - 1 。 表2 一lz s l l 0 0 柴油机主要技术参数 t a b l e 2 一lz s l l o od i e s e le n g i n et e c h n o l o g yp a r a m e t e r 性能参数指标 缸径行程m m1 0 0 1 1 5 排量l0 9 0 3 压缩比2 0 ：1 标定功率转速( k ( r m i n - 1 ) ) 1 0 3 2 0 0 0 喷嘴开启压力职a 1 8 供油提前角( c a 啪c ) 1 8 喷孔数直径m 4 o 3 2 柱塞直径l 中8 5 设计柱塞偶件关键点在于：1 ) 对供油量的影响；2 ) 供油量变化范围，即 是最大供油量值；3 ) 泄漏量大小。由于本论文是改进设计，为了尽量地减少 改动，因此本文只改柱塞直径，而不改柱塞行程。 为了恢复原机动力性能，那么就必须保证d m e 最大供油量的热值与柴油 最大供油量热值相当。 根据彬o c v p x h u 仉，假设燃用d m e 时与燃用柴油时的不变，那么影 响形的因素一共有v 、p 、h u 三个。根据表2 - 1 中d m e 和柴油的值。 形d t d em 彤删 ， 2 3 即：p x 胁一胁m 2 4 m x 6 6 8 x 2 7 6 0 0 = “x 8 4 0 x 4 2 5 0 0 2 5 t ， 二尘缝一1 82 6 吃耐 上述各公式中：彬指示功；指示热效率；v 卅嚷料的体积；p 燃 1 3 西华人学硕士学位论文 料的密度；h u 燃料的低热值。 在不改变柱塞行程( 凸轮最大升程) 的情况下，那么d m e 与柴油的柱塞截 面积之比就应该为1 9 。 原机的柱塞直径为8 5 m m ，则d m e 柱塞直径就为： 等一，。一瓜以埘 z ， 式中：s 柱塞截面积。 将柴油机原柱塞直径代入公式2 7 ，可得： d d 一1 1 4 综合考虑启喷压力、d m e 弹性模量、油管直径等各方面因素，将柱塞直径 定为l l m m 。 进油孔直径d 。主要取决于柱塞直径，并在一定程度上与喷油泵转速、凸 轮型面及迸油压力等因素相关。一旦柱塞直径确定后，进油孔的尺寸就可以 基本确定了。 2 螺旋槽的尺寸计算“” 喷油泵在额定负荷时每循环的供油量为： q ；上生 2 8 6 0 n p p 詈 z 9 将已知条件代入到式2 8 和2 9 中可以得出： s p 一2 9 2 6 m m 根据船用柴油机手册，取： s 么m 3 2 1 0 贼s 一等一9 7 5 3 圆整为l o m m 。 式中：q 一循环供油量( c 神；只额定功率；良燃油消耗率；n p 额 定转速；p 燃料密度；d - - r 塞直径；s ，一柱塞有效供油行程；s 柱塞 全行程。 同时，还应该考虑因油阀卸载容积所增加的柱塞附加行程s 。柱塞最大 1 4 西华大学硕士学位论文 供油量就大于最大负荷供油量的1 2 5 1 3 倍，所以柱塞相应的 s ，。苫( 1 2 5 _ 1 3 ) s p 一 根据螺旋环槽导程t 与柱塞升程关系曲线，可得： t 。3 5 m m 柱塞螺旋角 卢一a r c t g 七 2 1 1 嬲 将已知条件代入式2 1 1 可得： 芦一4 5 螺旋槽基准尺寸a 和尺寸b 分别为： 砖吲t + 南) 叭2 a 5 2 m m b - s s + d o + s ：。 2 1 3 b a 6 9 m m 柱塞的转动角度口o 、口，、口，和窿p 。分别为： ，a r c s i n 皂 2 1 4 a s s a f s 3 6 0 。 口，2 s _ f e _ p 3 6 0 。 口。羔竺3 6 0 口p 一 一3 6 0 。 2 1 5 2 1 6 2 1 7 调节齿杆相应的位移工。、t 、l ，和工，。分别根据柱塞的转动角度口。、 “，、a ，和a ，。来进行计算。 2 6 2 出油阀 西华大学硕士学位论文 出油阀与出油阀座是喷油泵中另一个精密偶件，称出油阀偶件。出油阀安 装在出油阀帽内，它在柱塞吸油行程中起止回阀作用，防止燃油从高压油管中 倒流，并便于排除系统中的空气。通过选用不同形式的出油阀和不同风度的弹 簧，可以控制喷射结束后高压油管中的剩余压力的修正供油特性，并可消除怠 速的不稳定喷射、全速时的二次喷射及滴漏。 按照出油阎的卸载方式可分为等容卸载和等压卸载两类。 ( 1 ) 等容卸载式出油阀这种出油阀的特点是在喷射结束时，由于出油阀 落座而产生的附加空问同高压油管的容积连通，使受压的燃油得以膨胀，达到 卸载目的。 ( 2 ) 等压卸载式出油阀出油阀内有一限压阀弹簧控制，完成喷射过后高 压油管中燃油的压力大于预设值时，管中的高压燃油就会将限压阀打开，并流 回到柱塞腔内，达到卸载目的。 除高压油管极短的喷油泵外，几乎各种类型喷油泵的出油阀都有适当的卸 载容积，以控制喷射特性。 出油阀的卸载客积v 。的最佳值与喷射系统结构参数及运转参数有关，其值 可按公式2 1 8 计算。 珞；糕+ 万如t + d ，) 2 一d ? 】， z s 式中：y 一出油阀接头内燃油体积、高压油管中容积和喷油器高压油道内 燃油容积的总和；p ，一柱塞截油时的压力；p ：一剩余压力