（动力机械及工程专业论文）低粘度燃料发动机燃料供给系统精密偶件润滑的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 低粘度燃料发动机燃料供给系统精密偶件润滑的研究 摘要 随着我国经济的快速发展，汽车工业将长期面临能源危机和环境保护 带来的挑战，汽车代用燃料的研究与应用无疑具有重大现实意义。 低粘度代用燃料在压燃式发动机上应用时，因其粘度过低而引发燃油 供给系统精密偶件的磨损和泄漏等问题，直接影响到发动机的喷油过程。 本文通过摩擦润滑的理论研究，提出了一种技术措施，即从结构上改进精 密偶件，依靠发动机的润滑油对其表面润滑，并达到密封的效果，以延缓 精密偶件磨损，有效地促进代用燃料在汽车领域的应用。 本文应用流体润滑理论和环形缝隙液流理论，分析了压燃式发动机精 密偶件的燃油密封与润滑机理；研究了柱塞横向运动时，精密偶件间隙内 油膜的压力分布与柱塞位移的关系；推导出柱塞偶件在实际工作发生偏心 时，燃油经环形缝隙泄漏的一般方程。 论文基于环形均压槽原理设计了带有强制润滑的新型柱塞偶件和针阀 偶件，通过在精密偶件中加设润滑油道，将发动机润滑油以一定的压力引 入偶件间隙中，在偶件表面形成有效的润滑油膜，起到润滑和密封作用； 并对其润滑油的理论泄漏量进行了计算，得到燃油供给系统的润滑油消耗 量低于国家标准值，满足使用要求。利用有限元软件，在柱塞腔达到最大 燃油压力时，对柱塞偶件进行应力和应变仿真计算，得到了柱塞偶件的配 合间隙变化情况和偶件的应力分布云图。结果表明：离柱塞腔越近，偶件 的变形量越大，应力也较大，柱塞发生弹性变形，柱塞套满足强度要求。 太原理工大学硕士研究生学位论文 在本文设计、搭建的低粘度燃料供油系统运行试验台上，经过1 0 0 h 的 耐久性试验，对喷油压力，供油系统的泄漏等进行了分析研究；通过喷油 泵柱塞偶件与喷油器针阀偶件的表面质量变化，分析其磨损程度。结果表 明：喷油压力在运行的1 0 0 h 内稳定；随着试验运行时间的增长，泵端压力 峰值逐渐下降，然后趋于稳定，高转速压力峰值降低较明显，低转速曲线 比较平缓；喷嘴端压力峰值相对比较稳定；随着运行时间的增长，润滑油 泄漏至燃油中的泄漏量逐渐增大；试验后，柱塞头部表面质量变差，表面 粗糙度增加，出现了明显的划痕；柱塞裙部因润滑良好，表面质量变化不 明显；柱塞套上靠近进回油口附近的表面因受到燃料冲刷，表面质量下降 明显，靠近润滑油道附近的表面质量变化较小；针阀导向面因受到良好润 滑，表面粗糙度几乎不变。 关键词：精密偶件，低粘度燃料，强制润滑，环形缝隙，燃料供给，压燃 式发动机 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nt h el u b i u c a t i o n0 fp i 也c i s i o np a i r si nt h e f u l es u p p i ys y s t e mo fc ie n g i n e so p e r a t i n gw i t h l o wv i s c o s i t yf u e l s a b s t r a c t a sm ew o r l de n e 啦7c r i s i s 吼de n v 的1 1 1 1 1 e n t a l p r o t e 以o ni s s u e sh a v e b e c o m ei n c r e a s i n g l y 如e l sf b ra u t o m o b i l e s i ti sm o r es i 印i f i c a n tt o d e v e l 叩a l t e m a t i v e w h e n 也e1 0 wv i s c o s 毋m e l sa r eu s e di i lc i e n g m e s ，也ep r e c i s i o np a r t si n t l l e 血e 1s u p p l ys y s t e mh a sf o u l l dt oh a v em ei s s u e sw i mf 奴w e 痂ga n dh e n c e i n t e m a l l e a k a g e s i n0 r d e rt or e d u c e 也e 、v e a ro n 也ep r e c i s ep a dp a r t s ，t h i s t h e s i sp r e s e m san e wt e c h n i c a lm e a s u r et oa c l l i e v es w f a c el u b r i c a t i o n u s i l l g e n g i n e1 u b r i c a n t sb a s e do nat 1 1 e o r e t i c a la 1 1 a l y s i so ft 1 1 el u b r i c a t i o np r o c e s so f t 1 1 e p 叭s b a s e do nf l u i dl u b r i c a t i o n 廿l e o r ya l l d 眦u l a rg 印f l o w m e o 巧i i lt h i sa r t i c l e ， m em e c h 砌s mo fm e ls e a l i n ga n dl u b r i c a t i o ni n p r e c i s i o np a n si nm e 血e l s u p p l ys y s t e mi su n d e r s t o o df o rd e v e l o p 洫gab a s i cm e o 巧a n da n a j y t i c a lm e t l l o d i nt 1 1 em e 觚t i i l l e ，t h er e l a t i o n s m pb e 觚e e n p r e s s u r ed i s 仃i b u t io no fl u b r i c a n tf i l m i nt l l eg 印o f p r e c i s i o np a n sa n dt 1 1 ed i s p l a c e m e mo fp l u n g e rw i t l lm e1 a t e r a l m o v e m e n to fm ep l u n g e ri s 锄a l y z e dt oo b t a i nt l ：屺g e n e r a l e q u a t i o no f 向e l 1 e a k a g et 1 1 r o u 曲 m e黜u l a r g 印c o n s i d e r i n g t h a t p l u i l g e r h a s p o s s i b l e i i i e c c e n t r i c i t yd w 噎n go p e r a t i o n 晰m也e u 1 1 d e r s 协幽go ft 1 1 e1 u b r i c a t i o nc h a r a c t e 枷c s ， at h en e w s t r u c t u r eo f p l u l l g e rp 柏a n dn e e d l ev a l v ep a n st of o r c e1 u b r i c a t i o ni sd e s i g l l e d b a s e do np r i n c i p l eo fm e 锄u 1 2 u rp r e s s u r e t r o u g h e n g i n el u b r i c a t i n go i li s i n t r o d u c e di 1 1 t om ec l e a r a n c eb e t w e e np f e c i s i o np a i r s w i mc e r t a i l lp r e s s u r e u g ha d d al u b r i c a t i n go i lp 弛o n p r e c i s ep a r t s ，w h i c hc a nf o me 恐c t i v e o i lf i l mo nm es u r ：f a c eo fm a t c h i n gp 甜sa n dp l a yar 0 1 e i 1 11 u b r i c a t i n ga 1 1 d s e a l i l l g c t i o n s ，n l er e s i d u a l 1 e a k a g eo fl u b r i c a n t sc a i lm e e tt h e o p e r a t i o n r e q u l r e r n e n t sb e c a u s et h el u 晰c a t i n go i lc o n s u m p t i o no f 如e 1s u p p l ys y s t e mi s i n u c hl o w e r 也a nm en a t i o n a ln o n l l a lv a l u eb yt 1 1 e 协e o r e t i c 甜c a l c u l a t i o n a n u m e r i c 酊s i m m a t i o nh a sb e e n 胁e rp e r f o m e di i l o r d e rt o e s t i m a t et h e i n n u e n c eo fs 仃e s sa 1 1 ds 蛐o f p l m 培e rp 缸sa tm em a x i m u mm e lp r e s s w eo f t h ep l u n g e rc a v i t yu s i i l gf i i l i t ee l e m e n ts o f 时a r e t h er e s u l t so b t a i l l e d 抒o m t 1 1 e c h a n g eo fm a t c h i n gc l e 跏c ea n dc l o u dc h 眦o ft h es 讹s sd i 嘶b u t i o ni n d i c a t e m a tm ed e f o m a t i o na n ds 仃e s so f p l u n g e rp 吼sn e a r e rt ot 1 1 ep l u l l g e rc a v i 够i s 1 a r g e r t h ep l u r 培e rh a st 1 1 ee l a s t i cd e f o n l l a t i o n ，a n d 也ec 0 1 啪ns l e e v es a t i s 6 e s m ei 1 1 t e n s i t yr e q u e s t f i n a l l y ，t 1 1 ee n d u r 锄c et e s th a sb e e np e r f 0 1 1 工l e do n a 如l l ye q u i p p e di 坷e c t i o n p u m pt e s tb e dw h j c hw a sd e s i 盟e d f o ra 叩e r a t i n gp e r i o do f1o oh o u r s ，t 1 1 e i n je c t i o np r e s s u r ea n dl e a k a g eo fm e 如e ls u p p l ys y s t e mw e r es t u d i e da 1 1 dd e g r e e o fw e a rw a sd e t e m i n e db ym e a s u r i l l gs u r 白c e r o u g h n e s sp a r a m e t e r so ft l l e p l u l l g e ru s i l l gam i c r o s c 叩e t h er e s u l ts h o w st h a t 硒e c t i o np r e s s u r ec a nb e m a i n t a i l l e da tt h er e q u i r e d1 e v e lf o r1o oh o u r s t h ep u m ps i d ep r e s s u r e p e 狄 r e d u c e sa t6 r s tt 1 1 e ns t a b i l i z e sw i t h 也ei n c r e a s eo fm 加i n gt i m e ，a 1 1 d t h e b e h a v i o ri sm o r eo b v i o u s l ya th i g hs p e e d ，b u tc u r v ei s r e l a t i v e l yn a ta t1 0 w s p e e d ；t h ec u r v eo f 蝎e c t o rs i d ep r e s s u r ep e a ki s r e l a t i v e l yn a t i ti s a l s o v e r i f i e dt 1 1 a t 也e 锄o u mo fl u b r i c a n to i l l e a k i n gt 0 向e 1i 1 1 c r e a s e sg r a d u a l l yw i m t t l ei 1 1 c r e a s eo fr u 曲gt i m ea n dm e g r o w m r a t eo fo i l1 e a k a g ei 1 1 c r e a s e sw i t l lt l l e i n c r e a s eo f 锄o u n to fw e 眈1 1 1 ew o r s e n i l l go fm es u r f a c eq u a l i 够o fm e p l l g e r h e a db e e nr e s u h e di 1 1t l l ee m e r g e n c eo fs o m es l i 出g r o o v e s ，n l es u r f a c eq u a l 时 o fp l u n g e rs k i r td o e sn o tc h 舭g es i 印i 矗c a r i t l yb e c a u s eo f 9 0 0 d1 u b r i c a t i o n 1 1 1 e s 删随c eq u a l 毋o f p l u i l g e rs l e e v ec l o s et o 砒e td e c r e a s e ss i 嘶f i c 眦l yb e c a u s eo f 旬e 1e r o s i o n ，a n ds u 血c eq u a l 毋o f p l u i l g e rs l e e v ec l o s et ol u b r i c a n t sr o a dh a s s m a l lc h a n g e s d u et og o o dl u b r i c a t i o n ，m es u r f a c er o u 皇皿m e s so fn e e d l ev a l v e o r i e n t e ds u 【i f a c ei sa j m o s tn o ti 1 1 n u e n c e d k e y w o i m s ：p r e c i s ep 砒s ，1 0 wv i s c o s i 锣m e l ，f o r c e dl u b r i c a t i o n ，锄u l a rg 印， 血e 1s u p p l y ，c ie n g i n e v 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 二二二= = ：二_ 兰二= = _ 一 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源是人类活动的物质基础，是经济发展、社会进步的生命之血。进入新世纪以来， 我国经济得到快速发展，汽车行业带动内燃机行业，我国己成为世界内燃机制造大国。 2 0 1 1 年我国的内燃机产量约7 7 0 0 万台，总功率突破1 4 亿千瓦，消耗汽柴油和燃料成品 油2 7 7 亿吨，占我国2 0 1 1 年石油消耗量的5 9 2 7 【1 1 。因此国内的石油生产早已无法满 足国民生产的需要，石油进口量逐年增长。2 0 1 0 年，我国石油进口量突破2 亿吨，我国 原油对外依存度已超过国际规定的警戒线，达到5 1 3 ，2 0 2 0 年我国原油消费量将达到 4 5 5 亿吨，对外依存度将超过6 5 f 2 】。而由机动车排放造成的环境污染也是十分严重的， 近年来北京、上海等大城市机动车排放的污染物已占大气污染负荷的6 0 以上，特别是 p m 2 5 的排放主要来自于内燃机的贡献。传统石化车用燃料正面临着日益严峻的能源危 机和环境保护双重压力。 1 2 能源危机与环保压力 中国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，煤炭是我国的主要能源。从能源消费总 量来看，我国仅次于美国成为世界第二大能源生产与消费国，世界第一大煤炭生产与消 费国，世界第二大石油消费国。国家发展改革委员会的统计表明，中国汽油消费量的 9 7 5 和柴油消费量的5 2 1 用于供应各种交通工具，2 0 1 0 年，中国民用汽车大约将消 费汽油6 5 0 0 万吨，柴油7 6 0 0 万吨，到2 0 2 0 年这两个数字将分别增加到1 1 2 0 0 万吨和 1 2 6 0 0 万吨 3 1 。2 0 1 0 年中国汽车销售量突破1 8 0 0 万辆，汽车保有量逾8 5 0 0 万辆。以1 0 的增长率计算，到2 0 2 0 年的时候将会突破1 亿7 0 0 0 万辆。随着我国经济的迅速发展和 汽车保有量的高速增长，原油进口依存度的大幅度提高，对我国的能源安全构成了一定 的威胁。汽车工业作为我国的发展工业，则更需要积极寻找清洁能源来缓解现有的能源 供应紧张的状态。 随着汽车保有量的增加，汽车排放污染物已是城市大气环境中的主要污染源。对环 境和人类健康影响最大的排放污染物是一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、碳氢化合物 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 和微粒( p m ) 。在中国城市，由机动车排放造成的空气污 染的分担率呈现上升趋势，多数城市c o 、h c 的分担率超过5 0 ，大城市甚至达9 0 以上【4 1 ，对市民的健康影响越来越大。同时随着柴油机技术的发展和应用，车用柴油机 产量大幅度增长，2 0 1 0 年产量为3 9 3 6 万台，商用车以柴油机为动力的比例增长到 7 5 8 【5 1 ，而柴油机燃烧排出大量的氮氧化合物和微粒。c 0 和h c 是不完全燃烧的产物， c o 会降低人体血液的输氧能力，h c 中的苯和多环烃物质目前被证明是致癌物质；n o x 与h c 作用会发生光化学反应产生低空臭氧和光化学烟雾，它也是酸雨的重要来源，此 外，还会引起人呼吸系统和免疫系统的疾病；而p m 2 5 会通过呼吸沉积在人的肺部，加 重呼吸系统疾病，并且由于其表面经常吸附许多有毒物质而具有很大的危害性。2 0 1 0 年各类能源消费增长强劲，其中化石燃料消费增长表明能源使用导致的全球二氧化碳排 放的增长速度达到了1 9 6 9 年以来的最高水平【6 1 。 近年来，世界各国相继制定了严格的汽车排放法规来限制汽车污染物排放。世界典 型的三大汽车排放法规有美国排放法规( e p a ) 、欧洲排放法规( e c e ) 和日本排放法规 ( 厄s ) 。表1 1 为欧洲重型货车( 柴油机) 排放标准。 表1 1 欧洲重型柴油机排放标准m t a b 1 1e l 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 e si i le l o p e ( g 傲w h ) 【7 】 法规实施年份 c o ( g k w h )h c ( g k w h )n 0 | ) ( ( g ，k w h )p m ( 删h ) e u r 0 2 1 9 9 8 1 04 o1 17 0o 1 5 e u r o3 2 0 0 0 1 02 1o 6 65 o 0 1 0 e u r o4 2 0 0 5 1 01 5o 4 63 。50 0 2 e u r o5 2 0 0 8 1 01 50 4 62 5 o 0 2 表1 2 中国采用的重型车排放限值标准8 1 t 曲1 - 2e m i s s i o n sr e g u l a t i o n s 五泔h e a v y d u 够咖c ki 1 1c h i l l a 【8 1 一氧化碳( c o )碳氢化合物( h c )氮氧化物( n o x )颗粒物( p m )烟度 阶段 删h删hg k w h删m m 。l 2 10 6 65 o o 1 0 0 1 3 ( 1 ) 0 ：8 1 50 4 63 5o 0 20 5 v1 5o 4 62 oo 0 2o 5 ( 1 ) 对每缸排量低于o 7 5 l 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m 遗的发动机。 我国的排放法规采用了欧洲排放标准体系，表1 2 为中国采用的重型车排放限值标 准。国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2 0 0 5 年5 月3 0 日发布了车用 压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法( 中国、 v 阶段) ，简称国、国、国v 标准。按照国家政策法规，2 0 1 0 年1 月1 日开始在全 国实施国标准，目标要与世界接轨。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 压燃式发动机和代用燃料 1 3 1 压燃式发动机 自1 8 9 3 年德国工程师鲁道夫狄塞尔首次提出内燃机压燃的原理，并于1 8 9 7 年试 制成功以来，压燃式发动机( 柴油机) 已经有近1 2 0 年的发展。在各种车用发动机中， 压燃式发动机因其动力强劲、热效率高、经济性好、使用寿命长、操作方便、工作可靠 等优点而被广泛应用们。 虽然压燃式发动机在动力性和经济性方面具有相当的优势，但其尾气污染物也不容 忽视。压燃式发动机的尾气污染物主要有c 0 、h c 、n o x 和p m ( 微粒) 。由于压燃式 发动机负荷的调节主要通过改变喷入气缸燃油量，即采用改变混合气浓度的质调节方式 来实现，所以是富氧燃烧，尾气排放的c o 和h c 相对于点燃式发动机来说要少得多； 但由于不均匀燃烧( 扩散燃烧) ，排放中n o x 与点燃式发动机在同一数量级，而微粒p m 的排放要比点燃式发动机多几十倍【1 0 1 ，同时n o x 和p m 排放之间具有仃a d e o 西关系： 若提高循环最高温度以提高热效率就会使n o x 排放大幅度增加；相反，若降低循环最 高温度，在n o x 降低的同时微粒p m 排放增加。因此，控制压燃式发动机尾气污染物排 放的重点就是n o x 和p m ，在兼顾n o x 和p m 排放控制的同时，也应考虑燃油消耗率 和功率输出，才有实用价值。 随着近年来国家对控制车辆排放日趋严格法规的实施，压燃式发动机进入电控时 代。为了全面满足不同阶段机动车排放标准，压燃式发动机必须使用电控高压共轨或单 体泵燃料供给技术，而这些核心技术都被国际零部件巨头控制，关键零部件也多从国外 进口，而且价格昂贵。在这样的技术壁垒下，对于相对落后的我国内燃机行业来说，要 在短时间内赶上国际水平很困难。而我国在传统的泵管嘴燃料供给系统方面已积累了 长期制造和匹配的经验，量大面广的车用柴油机目前也大多采用这种系统。因此，通过 在现有成熟的压燃式发动机上燃用代用燃料降低汽车的污染物排放，达到日趋严格的排 放标准，是摆脱对国外技术依赖的可行技术路线【1 1 】 试验证明，低粘度代用燃料二甲醚直接在传统的压燃式发动机上应用就可以达到无 烟燃烧，并同时降低n o x 的排放。这对于还大量使用传统压燃式发动机的我国来说， 通过代用燃料在压燃式发动机上的应用既可以摆脱对国外技术的依赖，又使排放水平满 足越来越严格的排放法规，同时对于优化我国能源结构，缓解石油资源紧缺的矛盾，具 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 有很大意义。目前，就代用燃料在压燃式发动机上的应用研究而言，国内外研究水平相 当，因此，不管从技术层面，还是从国家能源安全和环境保护方面来讲代用燃料都是应 该大力发展的。 1 3 2 代用燃料 作为压燃式发动机的代用燃料，有生物质燃料或由非石油资源( 如煤) 提炼的矿物 燃料两大类【1 2 - 1 3 1 。 1 ) 醇类燃料 醇类燃料主要指甲醇( c h 3 0 h ) 和乙醇( c 2 h 5 0 h ) 。甲醇可由煤、天然气及生物质 制取，乙醇由生物质制取，它们都是含氧的液体燃料，但它们饷热值低( 分别是 2 0 2 6 m 朋【g 和2 7 2 0 m j 蚝) ，沸点低( 分别都是6 4 7 和7 8 ) ，辛烷值高 ( r o n 一1 0 8 1 1 1 ) ，十六烷值低( c n = 3 8 ) ，粘度低( 2 0 时的运动粘度约为0 7 删n 2 s ) 。 醇类燃料的理化性质表明，它们虽然可以在内燃机中掺烧或者全部烧醇，但也有一定的 局限性。总的来说，由于它们的辛烷值很高，挥发性好，较易与汽油混溶，因此更适合 于作为汽油机的替代燃料。迄今为止的研究表明：醇类燃料的着火极限比柴油宽得多， 但由于醇类燃料含氧，化学计量空燃比又比柴油的小得多，所以醇类燃料比柴油更适合 稀薄燃烧。 在压燃式发动机上应用时，由于醇类燃料十六烷值较低，而且难于和柴油相溶和乳 化，所以在实际应用中需要采用一些必要的措施。主要有以下三种措施【1 4 1 5 1 ：第一、在 发动机进气管加装喷醇装置，采用进气道喷醇法，柴油通过喷油器直接喷入燃烧室点燃 醇类燃料，可实现一定比例醇类燃料的燃烧；第二、混合法，即加入一定比例的着火促 进剂( 十六烷值改进剂) 和助溶剂，使醇类燃料与柴油形成稳定互溶的液态混合燃料； 第三、在发动机上加装电热塞或者火花塞，采用强制点火的方式，适用于纯甲醇( 乙醇) 发动机。 2 ) 二甲醚 二甲醚( d i m e m y le m e r ，缩写为d m e ) 化学式为c h 3 o c h 3 ，是最简单的醚类化 合物1 6 1 。表1 3 为二甲醚和柴油的主要理化特性对比。二甲醚在常温常压下是一种无色 略带气味的气体，无腐蚀性、几乎没有毒性，不存在c c 键，长期同空气接触不易被进 一步氧化。在环境温度下二甲醚的饱和蒸气压为o 5 1 御a ，能迅速雾化、汽化，其物理 性能类似l p g ，与新鲜空气能形成良好的混合气，缩短着火延迟，使发动机具有较好的 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 冷启动性能。二甲醚的十六烷值大于5 5 ，比柴油高，因此具有良好的自燃特性，非常适 用于压燃式发动机。二甲醚是一种含氧的清洁燃料，柴油机燃用二甲醚后，烟度与n o x 的排放均可以大大降低【1 7 1 9 1 。 表1 3 二甲醚和柴油主要物化特性对比 1 曲1 - 3p h y s i c a la 1 1 dc h e m i c a 】p r o p e n i e so f d m ea 1 1 dd i e s e l 煤 天然气 煤层气 生物质 重油 合成气 r 同接法i 擢萋一| ：r 1 鹱雠茎蚋； 1啐 嗵不了 图1 - 1 二甲醚的制备路线 f 适1 - 1m e t l l o do fp r o d u c i n gd l 衄 二甲醚既可以由煤、天然气、煤层气来制取，也可以利用非石油矿物资源的生物有 机物等为原料来制取，其燃料来源广泛【2 0 】。二甲醚的制备方法分为直接法与间接法，如 图1 1 所示。我国煤炭资源十分丰富，利用煤制取二甲醚的方法已成熟应用。与传统柴 油路线相比，煤基二甲醚路线的优势不仅体现在车辆使用阶段的燃料消耗、标准排放物 与温室气体排放方面，而且也体现在全生命周期的原油消耗和标准排放物方面，在全生 命周期原油的消耗比传统柴油路线低2 4 ，污染物排放明显减少【2 。因此，使用煤基 二甲醚，既能够有效缓解能源安全问题和减少环保压力，又能够促进清洁煤燃烧技术的 发展，乃是一举多得的好方法。目前更为先进的是以c 0 2 和氢替代以c o 、h 2 为主少量 s 太原理工大学硕士研究生学位论文 c 0 2 组成的合成气，同样使用甲醇合成及脱水催化剂组成的双功能催化剂，在三相淤浆 床中直接合成二甲醚。由于该方法采用的原料是地球上最丰富的碳资源1 0 2 ，同时c 0 2 能引起全球温室效应，所以该方法引起很多研究者的关注。 3 ) 合成油 合成油主要分成两类：一类是将煤炭、天然气和生物质等含碳资源气化成c o 和 h 2 后用f t ( f i 9 c h e r - t r o p s c h ) 合成法转化成液体燃料，用这种方法制成的合成柴油， 简称为f t 油【2 2 】；另一类是将含碳资源在高温高压下直接加氢转化为液体燃料。合成油 的十六烷值可达7 0 以上，低硫( 低于1 0 p p m ) ，低芳烃，密度比柴油小，但低热值比柴 油高，可以和普通柴油以任何比例互溶，成为混合油。压燃式发动机上燃用合成油可以 降低n o x 和碳烟颗粒的硫化物成分，同时提高三元催化转化器的转化效率并延长其寿 命。这种合成油的制造成本较高，耗费的水资源也比较多，目前尚未得到广泛应用。 4 ) 植物油和生物柴油 植物油是可再生的生物质燃料，目前已知的可作为内燃机使用的植物油有3 0 多种， 例如菜籽油、豆油、花生油、葵花籽油及棕榈树油等。由于植物油的热值比柴油低，密 度比柴油高，容积热值和柴油接近，着火性能也较好( 十六烷值c n = 3 5 5 0 ) ，可以任意 比例和柴油混合，一般含氧，对燃烧有利，因此比较适合作为压燃式发动机的代用燃料。 若将植物油直接用于压燃式发动机，由于其粘度高( 2 0 时的运动粘度高达4 0 8 0 础一s ， 为同温度下柴油的几十倍) ，并易于结焦和积炭，影响喷雾特性和冷启动性能，必须对 发动机及其燃料供给系统做适当的改造( 如加温、滤清以及增加改善冷启动的辅助装置 措旖，等等) ，也就是用发动机来适应燃料的需求。反过来，也可以用改造燃料的性质 来适应发动机的需要，这就导致了生物柴油的出现。 生物柴油 10 ，1 2 j 印是指用于压燃式发动机，来自于可再生的脂类，如植物油和动物油 脂肪的长链脂肪酸单脂( m o n o e s t e r ) ，学名是脂肪酸甲酯，即f f 心伍( f 狮a c i dm e t l l y l e s t e r ) 。植物油和动物油脂的主要成分为甘油三酯，为了改善植物油的性能，与醇类( 甲 醇和乙醇) 在酸或碱的催化作用下进行酯交换，产生甘油和脂肪酸脂，后者即为生物柴 油。经过酯化处理的生物柴油和原植物油相比，相对分子质量、粘度、密度和表面张力 均有大幅度下降，十六烷值提高，着火性能改善，含碳量下降，含氧量增加，灰分和残 炭大大减少，低热值略低。但是浊点、凝点或冷滤点较高，导致低温流动性差；残炭含 量仍较高，发动机容易形成积炭，导致磨损，发动机烟度排放增加，并对燃烧室、喷油 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 嘴产生严重污染，严重时导致喷油器喷孔积炭堵塞等问题。由于生物柴油的原料多样性， 性能也与柴油难免有所差异，为了避免使用生物柴油后对于发动机性能产生不利影响， 目前国际上许多国家已经制定了生物柴油质量标准，如欧盟e n l 4 2 1 4 ：2 0 0 3 ，德国d 烈v 5 1 6 0 6 和美国a s t md 6 7 5 1 0 7 b 生物柴油燃料标准。 5 ) 液化石油气 液化石油气( l i q u e f i e dp e 廿o l e u mg a s ，简称l p g ) 的主要成分是丙烷( c 3 h 8 ) 和丁 烷( c 4 h l o ) ，此外还含有少量的丙烯、丁烯，产地不同，l p g 的组分也略有不同。液化 石油气是一种清洁、高效的代用燃料，其理化性质与二甲醚相似。石油气在常温常压下 为气体，环境温度下，0 2 o 6 m p a 的压力就可使其液化，它与空气混合的均匀性优于汽 油，有利于燃料的完全燃烧，且排放低；l p g 的辛烷值高，抗爆性能优于汽油；与压缩 天然气相比它的液化压力低，储存和运输安全，并且它的生产设旖与分销网络齐全，因 此推广液化石油气发动机是可行的。 l p g 在压燃式发动机上的应用方式主要有两种：l p g 牒油双燃料模式和纯l p g 。 l p 酬柴油双燃料供应模式又可分为两种方式：一种是l p g 在进气管与空气混合后进入 发动机气缸，其突出的优点是容易转运和装车使用，加气比天然气容易；另一种是l p g 经加压后以液态形式在高压油管中与柴油混合。当燃用纯l p g 时需对发动机进行必要 的改造，如加装储存l p g 的储液罐、改进供油系统、改变喷油系统参数等。 6 ) 天然气 天然气( n a 白l r a 】g a s ，缩写n g ) 的主要成分是甲烷( c 出) ，此外还含有少量的h 2 、 c o 、h 2 s 可燃气和n 2 、c 0 2 、h e 等惰性气体，它的存储方式主要有两种，一是直接以 气体方式储存，即将其压缩至特制的容器中( 压力为2 0 3 0 a ) ，称为压缩天然气 ( c o q ) r e s s e dn a n 瑚1g a s ，缩写c n g ) ，再经减压器减压后供给发动机。另一种是以液 体方式储存，由于甲烷的临界温度低，通常采用低压( 或略高于常压) 和低温( 1 6 0 0 c 左右) 下液化后储存，成为液化天然气( l n g ) ，储存要求高，相应的成本也高。 天然气的辛烷值比汽油高，抗爆性好，在火花点火发动机使用时可以提高压缩比。 天然气本身是一种清洁燃料，它与空气很容易生成均匀混合气，高负荷时n 0 1 ) ( 、c 0 、 h c 排放减少，在发动机运行范围内几乎没有黑烟，颗粒物排放也较少。天然气的自燃 温度高于汽油和柴油，达到自燃点着火的可能性要比汽油、柴油小的多；另外，天然气 比空气轻，稍有泄漏，就很快扩散到大气中，要形成着火极限浓度比汽油难得多，所以 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 天然气作为汽车燃料是安全的。同时，由于天然气资源较丰富，天然气汽车具有广阔的 发展前景。但是，天然气中含有微量硫化合物( 硫化氢等) ，会引起气缸壁、气门以及 气门座的腐蚀和磨损，使发动机使用寿命和大修期缩短；天然气发动机相对于液态发动 机进气温度较高，燃烧室零件的热负荷较高，气门、气门座均需用耐热材料制造。 在压燃式发动机上应用方式有两种，一种是采用缸外混合、柴油引燃工作模式的柴 油c n g 双燃料发动机，根据引燃量多少，又可分为常规柴油c n g 双燃料发动机和微引 燃c n g 发动机；这种预混合柴油引燃方式可以不改变柴油机结构，只要增加一套气体 燃料供给系统和燃料转换机构即可。另一种根据气体燃料的特点，采取缸内喷射、强制 点火或柴油引燃方式，实现质调节和稀薄燃烧；但需要解决在气缸盖上如何布置喷油器 或火花塞等问题。目前应用以第一种为主。 1 4 低粘度燃料在压燃式发动机上应用存在的问题 代用燃料因其具有良好的燃油经济性和排放特性在传统结构的压燃式发动机上得 到了广泛应用，但大部分都是低粘度燃料，使用中存在一些问题。 1 4 1 甲醇 甲醇在压燃式发动机上应用主要存在以下问题【1 3 - 1 5 】： 1 ) 甲醇的十六烷值仅为3 左右，远远低于柴油，自燃温度却高达4 7 0 ，因此着火 性能差，难以实现压燃，应用纯甲醇时，需要有助燃措施。 2 ) 甲醇的汽化潜热大，是汽油或柴油的3 倍多，直接导致了发动机燃烧的滞燃期 加长、冷起动困难、冒白烟等问题。因此需要特殊的技术措施，促使甲醇汽化。 3 ) 甲醇的粘度低，润滑性能差，应用纯甲醇时，直接使用原有的燃油供给系统， 会造成系统精密偶件和其他零件的磨损，从而影响发动机的可靠性和耐久性。其磨损主 要出现在喷油泵柱塞偶件和喷油器主体的滑动接触区域( 柱塞和柱塞套、阀座和针阀杆 的接触表面) ；另外甲醇燃料喷油泵的柱塞偶件和喷油器的针阀偶件还存在着粘结现象。 此外，甲醇还对有色金属、橡胶等有强烈的腐蚀作用。 1 4 2 二甲醚 二甲醚在应用于压燃式发动机时存在的主要问题是【1 0 】： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ) 二甲醚是一种很强的溶剂，虽然对金属没有腐蚀性，但是与天然橡胶不能兼容， 其燃油供给系统的橡胶部件、橡胶油封和垫片会因溶胀等原因损坏，需要采用新型二甲 醚的橡胶( 氟醚橡胶等) 或高分子材料( 如聚四氟乙烯) 等。 2 ) 二甲醚的粘度很低【2 3 】，常温常压下约为柴油的1 2 0 。二甲醚润滑性能很差，容 易造成喷油泵柱塞和喷油器针阀等精密偶件的磨损、泄漏及卡死。由于通常发动机燃油 供给系统中精密偶件靠燃料润滑，而偶件间隙极小，主要是边界润滑 2 4 】。在此种润滑形 式中，起主要润滑作用的是燃料中极性的长链分子，二甲醚是无极性的短分子，对偶件 润滑效果弱。 3 ) 二甲醚在常温常压下为气态，饱和蒸气压随温度升高而急剧升高，其在发动机 上应用时供油系统内的燃料必须为液态。由于发动机燃油供给系统靠近发动机缸体，当 发动机工作时，其表面温度可达6 0 7 0 左右，在此温度下d 姬的饱和蒸气压为 1 7 1 8 m p a 。因此，需增加燃料供给系统的供油压力，避免产生气阻【2 5 1 。 1 4 3 合成油 合成油应用于压燃式发动机存在的主要问题是【l o ，1 2 】： 1 ) 低温特性较差，合成油的闪点和滤清器阻塞点的温度都比较高，不适宜在寒冷 地区使用；同时合成油中含有大分子支链烷烃石蜡，易在低温时析出，使合成油的 流动和喷雾困难，冷启动性能恶化。 2 ) 润滑性较差，通常硫和芳香烃含量较低的燃料都存在润滑性较差的缺点，合成 油的粘度处在美国2 号轻柴油的下限，高频往复试验台( 卸? i 浪) 试验值超标，改进的 方法是在燃料中应用润滑添加剂，如亚油酸、亚麻酸等。 3 ) 对浸油弹性体有影响，通常若燃油芳香烃含量较高，浸油弹性体( 常用的有氟 化橡胶) 会有较大膨胀，而合成油芳香烃较低，有可能使弹性体收缩，产生漏油现象， 需添加橡胶增容剂。 1 4 4 液化石油气 液化石油气应用于压燃式发动机存在的主要问题是： 1 ) 液压石油气需要钢瓶等耐压容器加高压储存，费用较高。 2 ) 常温下加压液化后的粘度比较低，对供油系统精密偶件造成磨损、泄漏等问题口6 1 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 5 低粘度燃料共同存在的问题 从前几小节内容可以看出，低粘度燃料在压燃式发动机上应用，都会引发燃油供给 系统喷油泵柱塞偶件和喷油器针阀偶件的磨损和泄漏等问题，将对供油过程和喷油过程 产生直接影响，易导致偶件卡死或供油量不足而失效。试验研究表明【2 7 1 ，应用纯二甲醚 在压燃式发动机上，运行数小时后，一套喷油泵柱塞偶件锁死；并且随着精密偶件的磨 损，发动机的c o 、h c 和n o x 排放将同时增加。 。柴油机精密偶件的润滑方式采用柴油本身润滑，柴油既是燃料又是润滑剂，利用柴 油在高压下的少量泄漏，在偶件表面之间形成有限的润滑油膜，延缓偶件的磨损。而低 粘度燃料的粘度低，有的几乎毫无润滑性。粘度低的燃料容易从柱塞与柱塞套之间的间 隙泄漏到喷油泵的润滑油中，稀释了润滑油，导致喷油泵的柱塞偶件、油泵凸轮轴及输 油泵的一些零件过早磨损，严重时会导致燃料供给系统的供油量、供油压力快速下降， 甚至排放恶化。 目前，解决低粘度燃料润滑性能差的主要方法就是在其燃料中添加润滑剂。如在二 甲醚中掺入一定比例的蓖麻油、抗磨剂或者润滑添加剂；合成油中添加亚油酸或者亚麻 酸；等等。此方法可起到一定的作用，但添加量太大或者太小，或是使用的润滑添加剂 不合适时，同样会引起偶件的磨损、排放的恶化以及成本的增加【2 8 。3 2 1 。这些润滑添加剂 在金属表面具有很强的吸附力，长时间使用会使精密偶件间隙中的吸附量增大，最终填 满间隙，导致柱塞和针阀偶件咬死而无法正常工作。有的润滑添加剂使用过程中，若发 动机搁置不使用，长时间还会导致添加剂结胶硬化，再次启动时会造成发动机精密偶件 卡死等现象。 太原理工大学车辆工程实验室通过在柴油机上掺烧低粘度燃料，将二甲醚和柴油、 甲醇和柴油、二甲醚和非标柴油混合形成二元混合燃料在压燃式发动机进行试验研究， 研究表明在达到同等动力性的条件下，排放均低于原柴油机【3 3 。3 7 】。但掺烧比例小，对柴 油的替代性低，高比例的低粘度燃料仍会带来偶件的严重磨损和泄漏等问题。 在压燃式发动机上应用低粘度燃料是被证明可行的，但在实际应用过程中经常遇到 粘度低造成燃油供给系统精密偶件磨损和泄漏的问题，虽然使用添加剂或者运用掺烧方 法可以改善润滑性能，但效果并不理想，这也是低粘度燃料不能广泛推广的一个原因。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 课题的提出 “十二五”期间，我国汽车发展总体上将采用一种双重战略，也是一种过渡战略、 转型战略。未来5 1 0 年乃至更长一段时间内，我国将采用内燃机汽车和新能源汽车两 条腿走路发展战略，一方面继续优化现有车用能源动力系统，发展节能型内燃机汽车； 另一方面，开发新一代车用能源系统，发展新能源汽车，两者共同发展，形成良性互助 例。代用燃料汽车无疑是内燃机汽车发展重点，特别是二甲醚汽车。加快推进代用燃料 在汽车领域应用的首要问题，就是解决在发动机上应用的关键技术难题。 在压燃式发动机上应用低粘度燃料，从长远来看，可