基于PTC材料的喷油器喷雾研究.doc

1. 绪论1.1. 选题的意义内燃机自诞生以来，由于其高的热效率、良好的适应性以及宽广的功率范围等特点，已广泛应用于国民经济的各个领域和国防部门，它所发出的总功率占全世界所有动力装置总功率的90，但同时也是环境的最大污染源之一1。内燃机有分柴油机和汽油机两种。相比较而言，柴油机比汽油机有更好的经济性，其热效率可达45%，是当今各种动力机械中热效率最高的一种。此外，柴油机可靠性好，有害排放物总体比汽油机低。先进的柴油机即便不采用任何机外处理措施，其有害气体的排放量也可以达到带有三元催化反应器并采用闭环控制系统的汽油机的排放指标。这些优点使得柴油机被选为各种运输工具的动力源。船舶动力装置中，使用柴油机作为动力的占95%以上，在车用范围内，装甲车辆几乎都用柴油机作为动力，并且己逐步进入小客车的使用领域。我国的车用内燃机也逐渐向着柴油机化这一趋势发展2-3。随着柴油机应用领域的不断扩大，也同时带来了一系列问题。能源危机、排放和噪声日益为人们所重视，尤其是对排放的呼声越来越高。现在全世界每年生产上千万台柴油机，大约有一半装在公路交通车上，目前全球车辆保有量己超过7亿辆。美国大气中82%的CO，98%的NOx和58%的HC来自汽车排出的废气。在日本，99%的CO，98%的NOx和36%的HC来自汽车排放4-6。世界各国对机动车排污控制高度重视，相继以不同的方式制定了控制汽车污染物的法规和标准。欧美日等发达国家，纷纷制定日趋严格的内燃机排放法规，平均每3、4年就要更新一次，并且将今后几年要推出的新法规的预案提前公布。苛刻的排放法规在这些国家得以认真贯彻，他们的内燃机行业也在不断研究降低排放的新技术，并迅速地应用到产品上去。美国、日本及欧洲各国认识到汽车发动机是城市空气污染的主要来源，从六十年代起相继制定了车用发动机的排放污染物控制标准7。所以柴油机性能的研究，一直是以低油耗、低排放和高比功率为目标，在未来的柴油机发展中，降低排放，特别是减少氮氧化物和颗粒排放，提高燃油经济性仍占据着重要位置，是今后一段时间内的发展目标。目前低速柴油机的油耗率己达到150160g/Kwh，高速柴油机也能达到200g/Kwh左右的水平。柴油机的喷油压力达到140160MPa，而且有不断提高的趋势。发动机的排放指标的发展趋势在最近十年NOx平均要下降50%，而颗粒排放要下降到现在的10%20%的水平。所以在这样的背景下，为了最大限度地满足对柴油机动力性、经济性和排放要求，就要求对柴油机的冷启动过程加以研究和改进8-11。为了解决柴油机的冷启动问题，国内外学者进行了深入的研究，对冷启动过程中的着火、燃烧及其影响因素的研究取得了可喜的成果。研究表明：柴油机可靠起动必须具备三个基本条件：一是燃油与空气混合成一定数量的可燃混合气体；二是可燃混合气达到一定的温度：三是着火温度的保持时间必须足够长。影响柴油机可靠起动的因素主要有：环境温度、进气温度、压缩比和燃烧室形状、可燃混合气的数量和质量、柴油机的瞬时转速、残余废气成分和温度、漏气损失和传热损失等。在此基础上人们提出了改善冷起动性能的多种措施(如增加压缩比和提高进气温度、进排气节流、安装电热塞、轨式引燃塞、采用电控多段喷油系统、提高十六烷值和采用添加剂、加入辅助燃料等)。试验结果表明，增大压缩比和提高进气温度，是改善柴油机冷起动性能和减少起动时出现蓝、白烟最有效的措施。就柴油的温度而言，依我国目前的实际情况，内燃机的冷启动排放仍然较高，不能满足越来越低的排放标准的要求。燃油温度不仅对改善柴油机燃烧和排放有着明显的影响,而且对燃油系统的性能也有较大的影响。因此如何有效、实用的提高柴油温度就有了非常实际的意义。本课题就柴油温度对燃油系统性能的影响进行研究。这对改善冷启动性能，进而改善发动机的燃烧和排放有很重要的意义。1.2. 国内外研究现状1.2.1. 柴油机冷启动的国内外研究状况由于柴油机冷起动性能的重要性，许多科技工作者对其进行了大量的基础和试验研究。20世纪50年代末，A.E.W.Austen和W.T.Lyn12通过测量柴油机冷启动时气缸内的温度和压力，得出了着火因素与压力、温度以及准备着火时间有关的着火规律，建立了一个能反映着火延迟和冷启动的相互关系的简单着火模型。深泽用化学的方法探讨了柴油机冷启动时的着火机理，他通过排气分析，提出了冷启动时的燃烧是一种“低温域的燃烧模型”的设想，并指出燃烧室内燃料在压缩行程中的焰前反应能促进着火。E.Mayer13采用直径为0.0008英寸(0.02mm)的热电偶测量出不同发动机压缩循环(不着火循环)的最高温度，他指出，最高压缩温度随启动时间和转速而增加，S.W.Jorgensen等对测量技术深入讨论后也得到了类似的试验数据。R.Phatak和T.Nakamnva阐明了压缩比和燃烧室设计对冷启动性能的影响。他们发现，当进气量由273K降至253K时，随着压缩比的提高和启动时间的延长，最低启动温度减小，从而得出结论：初始温度占支配地位。G.F.Schmidt等人的研究发现，柴油机中燃油的及时着火和燃烧，必须具备两个基本条件：一是燃油和空气混合成一定数量的可燃混合气，二是可燃混合气达到一定的温度，即具有一定的混合状态和热状态。在此之前，W.T.Lyn还提出了第三个基本条件，即着火温度的保持时间必须足够长，以便着火顺利地进行，这常常被人忽略的一个条件。这个保持时间说明了为什么有时和高的启动转速也并不是无条件的就能使发动机着火。因为着火保持时间太短时，即使提高压缩温度也不能补偿。G.R.French和W.M.Scort14对一台非直喷式柴油机冷启动进行研究后得出类似的结论：影响启动性的两个做重要的参数时能达到的压缩温度和与之有关的着火延迟期。但是着火不一定自持(自持指柴油机着火后达到平稳地自动运转)。K.Komiyama等14人通过测量柴油机启动期间地水温和油温随时间地变化，认为着火以后自持与否取决于燃烧所产生的压力(燃烧能)是否可以克服柴油机的摩擦阻力。李德桃、朱章宏等对柴油机冷起动时的摩擦阻力进行了较系统的研究，并对一种减小摩擦阻力的装置进行了分析和实验验证。Akio Kobayashi等14利用高速摄影对直喷式柴油机在冷启动条件下的燃烧进行观测，分析了燃烧特性，弄清了获得较好的启动性能所必备的条件。Steven. G.Fritz等采用高速摄影技术，检测在附装火花塞的柴油机上改善所用燃油馏分的可行性，确定冷启动条件下燃油着火和燃烧过程。Yoshiuki.Asou等则利用高速摄影找到了冷启动时排出的蓝白烟与燃烧现象的之间的关系。R.Phatak,W.Huhun,Steven,Tsunemoto等人14还分别通过试验发现，在冷启动过程中，前一个不着火或着火而不自持的循环滞留下来的燃油蒸发，会改变下一个循环的燃油/空气比，这会导致燃油/空气比产生循环变动。N.A.Henein通过实验表明，由于冷起动时瞬时转速和燃油粘度的影响，每个循环的喷油量也有所不同，这也导致燃油/空气比的循环变动。近10多年来，李德桃等人14-21和Henein等人22-23分别对柴油机冷启动时的非稳态燃烧及其影响因素，进行了全面的研究，结果发现：除环境温度和可燃混合气的数量和质量外，瞬时转速，上一个循环积累的燃油及其状态，残余废气成分和温度，漏气损失和传热损失，都对冷启动燃烧的不稳定性有较大的影响。石谷博美等人对柴油机非稳态燃烧过程冒蓝、白烟的机理进行了开创性研究。朱亚娜、李德桃、杨文明建立了冷起动过程非稳态燃烧理论模型，并对不同起动条件下的不同燃烧形式的放热规律进行了详细的分析。Manual.A.Gonzalez对直喷式柴油机冷起动过程进行了多维计算。通过对柴油机的冷启动过程拍摄高速摄影，测录连续示功图，压缩温度，燃烧室温度和排放成分等基础试验研究以及通过理论分析和计算24-27，大体上搞清了该过程的着火和燃烧现象及其特性，火焰形态，蓝，白烟形成机制，发热规律，从而为进一步的试验研究，理论分析和预测，为改善和控制这一过程奠定了坚实的基础。在理论分析和试验研究的基础上，人们提出了多种改善柴油机冷启动性能的措施，表1.1列出了几种措施的对比情况。表1.1 各种冷起动措施性能比较冷起动措施优点不足增加压缩比(传统方法)可以提高压缩终了的温度，有效改善柴油机的冷起动性能。实施容易。压缩比增加后，使柴油机的工作压力、温度和压力升高比增加，使柴油机的机械和热负荷增加，工作粗暴。进气预热通过进气预热可以提高进气温度，改善柴油机的起动性能。在进气支管内的燃烧器会加热支管、气缸盖及进气，会引起充量密度下降和缸内可用氧气的减少。安装电热塞电热塞是一种简单、廉价和有效的起动辅助装置。在分隔室式车用柴油机中得到普及应用。电热寨加热时要消耗较多的蓄电池能量，使蓄电池冬季亏电问题雪上加霜；电热塞的安装位置和寿命有待研究提高。采用电控多段喷油系统能高度灵活地电控喷油压力、喷油量和喷油规律，从而大缩短冷起动时间，降低有害物质的排放。控制系统和控制规律复杂，不易实施。造价高昂。提高十六烷值和采用添加剂提高燃料的十六烷值可改善柴油机的起动性能。刚起动后的蓝、白烟也可同时得到改善。当燃料的十六烷值过高时，正常工况时的比油耗和排烟状况会急剧恶化。而添加剂比较昂贵。加热冷却液提高冷却液的温度可以增加从燃烧室壁传给缸内工质的热，同时可使整机升温，减少运动件的摩擦与摩损。需要有地面电源，预热时间较长，影响柴油机的机动性。消耗一定的电能。向气缸内喷入机油增加压缩比增加压缩比、减少漏气损失，有效改善起动性能。不影响柴油机正常工况的工作性能。消耗少量的机油，对起动过程中排放性能的影响有待进一步研究。1.2.2. 柴油温度对燃油系统性能影响的国内外研究现状燃油喷射系统是决定发动机性能的关键因素，它的功能是根据柴油机工作要求定时、定量地将雾化质量良好的燃油按一定的规律喷入气缸，并使其与空气迅速而充分地混合燃烧，它对柴油机的性能起着决定性作用。由于它在柴油机中占有举足轻重的地位，所以多年来一直是人们努力研究的重点。影响喷射系统性能的因素有很多，如凸轮型线、喷嘴参数以及高压油管的尺寸等主要结构参数。当以上参数确定，柴油的温度和压强对喷射系统性能的影响最为突出。就燃油温度而言，当其加热到一定的温度,其喷雾会发生闪急沸腾。Oza等在总结前人研究的基础上对过热柴油的喷雾进行了详细研究28。Yamazaki等研究了多种燃料的过热燃油喷雾特性,认为燃油温度升高,雾化效果更好,预混燃烧增加,可缩短燃烧期,对发动机性能产生明显的影响29。许峰等研究了在不同温度和背压下4种燃料喷雾的宏观特性,研究表明,轻柴油达到160时发生闪急沸腾现象；不同燃料发生闪急沸腾的临界温度不同；闪急沸腾喷雾能改善柴油机高负荷时的经济性和烟度30。张煜盛等在一台涡流室柴油机上研究了过热燃油闪急沸腾喷雾对燃烧和排放等的影响,表明在一定燃油温度范围内，柴油机油耗和排放会降低31。1.3. 本课题研究内容本课题为基于PTC材料的喷油器喷雾研究。通过查阅大量文献资料，熟悉PTC材料的特性、应用以及喷油器的工作原理；并提出一种新的方法加热柴油，即利用PTC材料加热柴油；通过建立柴油喷射系统模型，模拟对比了用PTC材料加热柴油前后的不同现象。因此，具体来讲，本课题有以下几个方面的研究内容： (1) 搜索并阅读大量的文献资料，熟悉PTC材料的特性、应用领域以及效应的理论基础； (2) 了解并熟悉与喷油器相关的各方面理论知识及其喷雾原理； (3) 熟悉并学会使用AVL 公司开发的 HYDSIM软件，并以之为仿真工具，进行模拟分析。确定燃油喷射系统各参数，建立燃油喷射系统的数学仿真模型，模拟计算用PTC材料加热柴油温度对喷射系统的影响。即随着温度的升高喷射系统各个参数的变化，其中包括喷射压力、喷嘴腔压力、油滴平均直径、柴油贯穿距离和喷雾锥角等因素。 2. PTC材料概述2.1. 正温度系数(PTC)材料2.1.1. PTC材料简介PTC是英文Positive Temperature Coefficient的缩写，中文意思是正温度系数电阻，也常用来泛指一般具有正温度系数的现象或材料，它具有电阻率随温度升高而增大的特性。PTC材料的基本特性可用电阻温度特性、伏安特性、电流时间特性和耐压特性来表征，其中电阻温度特性是PTC材料最基本的特性。电阻温度特性又称阻温特性，是指在规定电压下PTC热敏电阻的零功率电阻值与电阻体温度之间的关系。零功率是指在某一规定温度下测量PTC热敏电阻值时，保证功耗低到因功率引起的阻值的变化可以忽略的程度。BaTiO3基PTC热敏电阻器的阻温特性示意曲线如图2.1所示，R25为额定零功率电阻，Rmin最小零功率电阻，相应温度为Tmin；Rb为开关电阻，相应温度Tb为开关温度，开关温度是电阻产生阶跃增大时的温度，与居里温度相对应；Rmax为最大零功率电阻，相应温度为Tmax。最大电阻与最小电阻之比Rmax/Rmin为升阻比，是表征PTC效应的重要参数。表征阻温特性的另一重要参数电阻温度系数t(%/)，定义为:.(2.1)图2.1PTC材料阻温特性曲线由上图可得出结论，对于PTC材料而言，温度系数越大,电阻温度曲线越陡峭，PTC特性就越好。PTC材料的特点是：它的电阻率在某个一定的温度范围内时基本保持不变或仅有很小的变化，而当温度达到材料的居里温度附近时，材料的电阻率会在较窄的温度范围内迅速增大103109数量级，接近绝缘体。 2.1.2. PTC材料发展及应用概况早在1942年BaTi03陶瓷的铁电性能就己为人们所发现，由于其性能优良、工艺简单，很快就被应用做介电、压电元件。BaTi03陶瓷是一种典型的铁电陶瓷，常温下由于BaTi03的禁带宽度(Eg=3.lev)较宽，其电阻率大于1012，相对介电常数高于104，常用来制作陶瓷电容器。1955年荷兰飞利浦公司的海曼(Heyman)等人，在BaTi03材料中渗入稀土元素，如Sb, La, Sm, Ga, Ho, Y, Nb等时，发现其常温电阻率会下降到102104。与此同时，当材料自身温度超过居里温度时，在几十度的范围内，电阻率会增大410个数量级，既存在所谓的PTC效应32。从此以后，探索这种现象的机理一直是引人瞩目的研究课题。近半个世纪以来，在世界众多科学工作者的努力下，许多方面均取得了重大突破。不仅使理论日臻成熟，而且不断扩大了材料的应用范围，使BaTi03基PTC热敏电阻元件己成为铁电陶瓷中继电容器及压电器件之后的第三大类应用产品。尽管在上世纪50年代初期在对BaTi03陶瓷控制化合价半导体化特性进行广泛研究的基础上发现了材料的PTC效应，但是自到1955年第一篇叙述PTC材料和工艺的论文发表后，人们才很快认识到这种材料的潜在应用，从而大力推动了BaTi03基半导体陶瓷的研究工作，并不断促进人们对PTC机理进行更深入的探讨。PTCR(Positive Temperature Coefficient Resistor)元件的实用化基本上是本世纪60年代初开始的。最早的应用是将这种材料用作感测温度、液面指示及流体流动的热敏电阻，紧接着出现的应用是用作二极管、三极管这类器件的温度补偿器，以及利用材料作为自身调节温度的发热元件。最早大批量应用的是1968年推广的电视机消磁器，如今PTC消磁器己广泛应用于彩色电视机及计算机彩色显示器中。随后的应用包括：自动电镇流器和早期的燃料汽化器、电机启动器、制冷和空调压缩机的曲轴箱加热器、电热器的启动程序延时继电器、头发干燥器和其他家用的加热器、烫发器、食物保温器以及电子应用方面的各种热敏电阻和限流器等。结构多样，品种繁多的PTC热敏元件，都是由它的特性用途所决定的。到70年代中期就得到了很大的发展，国内不少高校，科研机关及工厂都相继开展了研究上作，不仅使理论日臻成熟，而且不断扩大材料的应用范围，取得了极大的经济及社会效益。 PTC陶瓷材料的制造工艺和应用得到了较大发展，研制成了蜂窝状、口琴式发热体，单位面积的发热功率大幅度提高。如，一块40mm2的PTC片的功率由最初几瓦提高到了几百瓦。随着国民经济的发展，特别是随着彩电、冰箱、手机等高档家用电器的普及，对PTC元件的需求量在猛烈增长。生产PTC元件的工厂，车间如雨后春笋般涌现。进入80年代，我国高等院校、科研机构形成了对PTC陶瓷材料的研究热潮，并且PTC陶瓷材料的生产得到较大的发展，如发展了多孔PTC陶瓷材料，研制成居里点超过400的高温PTC陶瓷材料。开辟了在石油液化加热器、石油预热器等方面的新用途。现在PTC陶瓷材料已广泛应用于电子通讯、汽车工业、家用电器等各个领域。 最近几年，PTC陶瓷材料又取得长足的进展，其表现为一方面继续深入对PTC效应机理的研究，提出了解释PTC效应的新机理。另一方面通过对微粉工程和微观结构的研究，促进新材料、新器件和新结构的开发和应用。其中，在材料方面已开发出BaTiO3-TiO2系高温PTC陶瓷材料、具有PTC-NTC特性的V型PTC陶瓷材料、室温电阻率低于5cm的低阻PTC陶瓷材料以及金属PTC陶瓷复合材料等；新产品方面已研制成片式PTCR复合元件、多层结构(独石)PTCR、高可靠性PTCR等；在新结构方面已开发出翅片发热体结构，使发热效率得到明显改善，在家电产品上得到广泛应用。 半个世纪以来，对PTC陶瓷材料的研究取得了重大突破，PTC陶瓷材料的理论日趋成熟，应用范围不断扩大。从目前看，主要的发展方向有两点第一，PTC的居里温度向高温方向发展3335。高温PTC陶瓷是PTC陶瓷材料的一个重要部分，目前国内外已实用化的高温PTC陶瓷材料的居里温度约为300C，而实际应用中许多方面则需要更高居里温度的PTC陶瓷材料。第二，PTC陶瓷材料的电阻向低阻方向发展36。随着电子工业的发展，对热敏电阻的需求不断增加,性能要求也越来越高，如在彩电及监视器的消磁电路和马达启动中用的PTC陶瓷材料元件需要较大的起始电流，这就要求PTC陶瓷材料有足够低的常温电阻，因此，低阻化成为近年PTC陶瓷材料研究的主攻方向之一。从PTC陶瓷材料今后的市场需要和日益扩大的应用领域来看，对其性能的要求会愈来愈高，如：要求低阻、电阻温度系数大、耐压高、承受大电流和冲击电流能力强、长期使用稳定性好、精度高、寿命长、可靠性高、电阻温度特性的线性好等。PTC陶瓷材料今后的市场规模，一方面随着消费类产品的发展与产量的增长，将继续得到同步的增长；另一方面，随着PTC陶瓷材料在投资类和其它各个领域(包括军用、宇航用电子产品)内的推广应用，也将促进其市场规模进一步增长。据专家分析，今后几年内，国内PTC陶瓷产品需求量将以每年27%的速度增长，其中，应用于汽车、通讯、大家电等领域的高档产品市场潜力尤为巨大，特别是在汽车工业上的应用，将会成为今后较大的潜在市场。PTC陶瓷材料作为一种新兴的材料正逐渐被人们所关注。随着科学技术的发展及生产技术的提高， PTC陶瓷材料的性能将不断完善，其应用范围也将不断扩大。2.1.3. PTC 效应的理论模型37-40 如前所述，PTC 效应被发现已半个世纪，国内外的不少学者，至今仍在研究这一反常现象。解释 PTC效应的理论模型很多，经历了由表及里，由宏观到微观，认识逐步深化、完善的过程。具体如下： (1) 相变应力模型 Peria于1961年，率先提出了相变应力模型。他认为当铁电转变时，即当tc=120时，BaTiO3从四方相变为立方相，晶格参数发生变化，晶粒间出现应力，从而产生 PTC 效应。但也有人提出异议：BaTiO3陶瓷的另外两个相变点处，并未出现PTC效应。Goodman从1000开始降温，逐点测量电阻值，发现还未到120就已有 PTC 效应的倾向，这似乎也说明非相变应力所致。 1993年，Roseman证明，不同离子的半导掺杂，由于离子尺寸不同，将导致不同的应力，从而使畴结构与晶界偏析也不同。故他认为PTC效应不仅与的下降有关，也与应力释放、极化、畴结构等均有关。 Janega则认为：陶瓷内存在有较大的内应力，这使tc以下的很大，致使势垒下降。当相变为立方相时，内应力消失，下降，势垒突增，从而产生PTC效应。 (2) 表面势垒模型 Heywang认为PTC效应来源于陶瓷的晶界，晶界中存在一个与温度有关的双肖特基势垒，从而较好地解释了PTC效应，成为一个有广泛影响的模型。但也有不少人指出其缺点与不足，如不能解释ttc时，电阻的变化，以及1997年发现的陶瓷晶粒内存在明显的PTC效应等。Jonker则认为在ttc的温区内，BaTiO3存在自发极化；由其产生的电荷，部分抵消了晶界区的电荷势垒，从而构成低阻通道。因此，Roseman及Kulwicki 等认，PTC陶瓷的-t曲线可分成三段，各段的内控因素不同。1段可用Jonker 模型解释；2段用相变内应力模型解释；3段则用Heywang模型解释，如图2.2所示。图2.2 PTC热敏电阻器的-t特性(3) 显微物理模型南策文将半导体陶瓷，视为由晶粒相与晶界层第二相所组成的三维拓扑结构 复合体。把Heywang-Jonker模型与有效介质理论结合起来，提出了显微物理模型，并用其成功地解释了PTC陶瓷的许多实验结果。(4) 钟吉品模型为解释与施主加入量的关系，即半导化曲线，钟制备了两种样品，一种施主加入量小于其临界浓度；另一种则大于其临界浓度。结果表明：前者属电价补偿半导化机理；后者属氧挥发半导化机理。2.1.4. PTC材料的分类与特性 多样的PTCR热敏元件，其应用基础均取决于电阻温度特性、电压电流特性及电流时间特性。根据PTC热敏元件三大基本电气特性，可以将其应用划分为三类： (1) 以电流时间特性为基础的限流PTC热敏元件电流时间特性是指对PTC施加电压后，电流随时间而变化的特性。PTC常温下的电阻很小，所以刚施加电压时电流值很高；随着电压施加的时间延长，电阻体因发热温度上升，引起阻值的增大，使得电流减小。PTC的电流随时间按下式变化： .(2.2) 式中U0为所加的电压，Bp为PTC的材料常数，k为衰减系数，C为PTC电容量，R0为常温电阻。根据式(2.2)可以看出，施加电压越高，电阻温度系数越大，常温电阻越小及电容量越低，衰减系数k越大，电流随时间的衰减越快，其电流时间特性如下图2.3所示： IImaxABCU图2.4 PTC的静态伏安特性tK1K2K2 K1I 图2.3 PTC的电流-时间特性曲线以这种电流一时间特性为基础的PTC应用产品，主要包含彩电消磁、冰箱及空调压缩机启动、程控交换机及电流设备过电流保安器等三大类型的PTCR热敏元件。这些产品的主要性能有：低启动电阻、高耐电压、大电流通量以及规定温度范围内具有所需要的启动和恢复特性等。(2) 以静态电压电流特性为基础的PTC发热元件及加热器 PTC的静态伏安特性是它的另一个重要的特性，它表示在25的静止空气中PTC在和周围媒质处于热平衡时，加在它两端的电压和通过的电流的关系，其静态伏安特性如图2.4所示，从图可以看出PTC的静态伏安特性曲线分成三段，OA段为线性段，AB段为回升段。在OA段，由于所加电压不高，电流引起的温升不大，电压与电流近似为线性关系，AB段，电压增大导致PTC的温度越来越高，而温度升高引起电阻值的大幅增大，这使得流过PTC的电流下降，电压和电流的乘机大致为一常数；BC段，PTC进入负电阻温度系数区，电压继续增大时的电流开始回升。 以这类静态电压电流特性为基础的PTC应用产品，PTC发热元件的外形很多，以圆片状、环状、长方片状等为主。近几年，为了提高散热面积、改善热阻，相继推出的膜状、叠片状PTC发热元件。 (3) 以电阻温度特性为基础的PTC感温元件及传感器 PTC的电阻温度特性，简称阻温特性，是指在规定电压下，PTC的零功率电阻值与电阻体温度之间的关系。阻温特性是PTC最重要的特性，开关型PTC的阻温特性如下图2.5所示： 其中，在电阻值上升的温度范围内(如图2.5中Tc到Tp部分)，PTC的电阻值和温度的关系近似如下: .(2.3)Bp即为PTC的材料常数，但严格地说并不为常数，随温度而有些变化，材料常数越大，灵敏度越高。Bp可用下列公式计算： .(2.4) 以这类电阻温度特性为基础的应用产品，由于PTC元件特性的离散性进展不大，单点控温型感温元件及传感器仍占主导地位。这些产品主要用于电梯、水泵及上业生产中连续运转的电气设备、烘箱等，部分用于电热毯、电熨斗、电饭煲等家电产品。图2.5 PTC的电阻温度特性 3. 喷油器概述及其工作原理3.1. 喷油器简介喷油器是柴油机供给系中实现燃油喷射的重要部件，通常安装在进气歧管或汽缸盖上。其作用是按照发动机ECU计算出的喷射正时和脉宽(喷油量)，向进气歧管或气缸内喷射燃油，喷油器实际上是一个电磁阀，ECU通过控制其电磁阀线圈的电流通断(接地线的通断)来控制喷油器的工作。当有电流通过时，喷油器柱塞被吸引，针阀上升，即实现燃油喷射。为了保证喷油的精确度，喷油器的球阀或针阀与阀座都要求有很高的加工精度，而且阀体的升程微小，只有0.1mm左右。喷油器的一般结构如图3.1所示，它由针阀、针阀体、顶杆、喷油器体、调压弹簧、调压螺钉、进油管接头、回油管螺栓、喷嘴螺帽等组成。回油管螺栓进油管接头喷嘴螺帽喷油器体针阀针阀体顶杆调压弹簧调压螺钉图3.1 喷油器的结构3.2. 喷油器的分类 喷油器有四种不同的分类方式，不同的分类方式就有不同的喷油器种类，具体如下：(1) 根据电磁线圈的阻值不同，可分为低阻喷油器和高阻喷油器。低阻喷油器是指电磁线圈的电阻值为23的喷油器，它采用的电磁线圈匝数较少，导线直径较粗。较少的线圈匝数，减少了电感，加快了电磁线圈的磁化。因此喷油器具有良好的响应性。高阻喷油器是指电磁线圈电阻值为1316的喷油器，它采用的电磁线圈匝数较多，导线直径较细。高阻喷油器安装在车辆上不需串接附加电阻，使用成本较低，但响应性较差，只适用于三组喷射式和分缸喷射式的燃油喷射系统，而不适用于两组式燃油喷射系统。高阻的电磁线圈在工作过程中要产生感应电动势，因此在控制回路中需设计消弧电路。为区别高阻喷油器和低阻喷油器，电线接插件采用了不同颜色或形状。(2) 根据驱动形式不同，可分为电压驱动式和电流驱动式喷油器。电压驱动式适用于串有附加电阻的低阻喷油器和高阻喷油器。低阻喷油器串入附加电阻目的是减少喷油器电磁线圈的匝数，加粗导线直径，改善电流的通过状况，加快电磁线圈的磁化，提高柱塞的响应性。串入附加电阻，还可防止电磁线圈中的电流过大，减少电磁线圈发热量，延长使用寿命。电流驱动式适用于低阻喷油器，且不需要连接附加电阻。喷油器电磁线圈中的电流受电子控制单元(ECU)控制，吸引柱塞时采用较大的电流，以提高喷油器的响应特性。而在保持柱塞被吸引状态时，因所需要的电流很小，采用较小的电流，以减少电磁线圈的发热。与电压驱动式相比，电流驱动式耗电较少。(3) 根据结构不同，可分为轴针式、球阀式和片阀式电磁喷油器。轴针式电磁喷油器喷油时衔铁带动针阀从其座面上升约0.1mm，燃油从精密间隙中喷出。为使燃油充分雾化，针阀前端磨出一段喷油轴针。喷油器吸动及下降时间约为11.5ms。球阀式电磁喷油器中，其球阀的阀针质量轻，弹簧预紧力大，可获得更加宽广的动态流动范围。球阀具有自动定心作用，密封性好。同时，球阀简化了计量部分的结构，有助于提高喷油量精度。片阀式电磁喷油器中，质量轻的阀片和孔式阀座与磁性优化的喷油器结合起来，使喷油器不仅具有较大的动态流量范围，而且抗堵塞能力较强。(4) 根据供油位置不同，分下部供油式和上部供油式喷油器。上部供油式喷油器，进油口在喷油器的上部。工作时燃油从喷油器的上端流过喷油器体内，从下部喷口喷出。这种形式可以将电磁线圈工作时产生的热量带走，降低喷油器的工作温度，提高喷油器的使用寿命。下部供油式喷油器，进油口在喷油器下部的侧面。它是从喷油器的下部供给燃油的，所以称之为下部供油式喷油器。这种喷油器多用于单点式燃油喷射装置。3.3. 喷油器工作原理喷油器是柴油机喷油系统中将燃油雾化，并分布在燃烧室内与空气混合的部件。它主要由喷油嘴和喷油器体组成，它在缸盖上的安装位置与角度取决于燃烧室的设计。喷油器的喷雾特性包括雾化粒度、油雾分布、油束方向、射程和扩散锥角等。这些特性应符合柴油机燃烧系统的要求，以使混合气形成和燃烧完善，并获得较高的功率和热效率。喷油器分为开式和闭式两种。开式喷油器结构简单，但雾化不良，很少被采用。闭式喷油器广泛应用在各种柴油机上。柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高(一般为16-22)，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K(而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K)，大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。普通柴油机的供油系统是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。而现在已经愈来愈普遍采用的电控柴油机的共轨喷射式系统可以较好解决了这个问题。 共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元(ECU)和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。3.4. 应用PTC材料加热柴油由大量研究结果表明，柴油的温度对喷雾特性有较大的影响，随着柴油温度的适当增加可以使雾化颗粒更小、雾化效果更好、较低HC的排放，因此提高燃油或进气温度可以改善柴油机冷起动性能和冷起动排放。而燃油比进气质量少得多，只需较少热量就可以提高冷起动和暖机过程所需的燃油温度。在前一章中又介绍了PTC材料的阻温特性即电阻率在某一定的温度范围内时基本保持不变或仅有很小的变化，而当温度达到材料的居里温度附近时，材料的电阻率会在几度或几十度较窄的温度范围内迅速增大103109数量级，接近绝缘体。因此，笔者提出一个在喷油器内设置PTC电热材料加热柴油的方法。应用PTC材料加热柴油可以根据燃料选择不同居里点的PTC材料进行加热，保证喷油器内燃油在冷启动和暖机过程中的自限温加热，并且不会超过其沸点，可以有效避免燃油在喷油器内产生相变。因此通过内置PTC材料加热柴油，从而提高雾化质量，改善冷启动，这一想法具有一定的可行性。4. 柴油喷射系统模型的建立及结果分析4.1. HYDSIM软件介绍AVL HYDSIM软件是应用于流体液压系统和液力-机械系统动态分析的专业程序，尤其在发动机燃油喷射系统的开发中得到广泛运用，其计算结果对于分析燃油喷射过程有较好的定性及定量参考性。该软件以流体力学和多刚体系统动力学为理论基础，主要应用于发动机燃油喷射系统的模拟仿真计算。它是AVL软件环境集成工具之一，具有友好的图形用户界面和模块化的系统软件，是一款灵活的后处理软件。该软件的主要应用领域有：柴油发动机中的常规的泵管嘴喷射系统、泵喷嘴喷射系统、共轨喷射系统；汽油发动机中的直接喷射系统以及其他汽油喷油器。此外，还在低压液力系统、液力控制系统、液力测量装置、发动机润滑系统机油回路、汽车制动系统、电液阀及控制单元、缓冲器、液压减震器和液力机械驱动装置等其他领域有所应用。除了以上的应用外，HYDSIM软件中还设有MATLAB软件的M-function、simulink、dll单元接口，作为外部装置仪器输出、输入结果的自动控制接口单元。按结构和功能的不同，HYDSIM软件共有边界组、凸轮组、杠杆组、刚性质量组、活塞组、容积组、油管组、弯管组、油泵元件组、泄漏组、孔组、阀组、节流元件组、控制元件组、压电激励组、压力组、喷油嘴组、针阀组等19个功能组元及自定义组元。在每个组元中，还可以根据不同的结构特点和功能上的差别选择不同的元件，不同的元件都有输入、输出参数表及赋初始值。各元件之间的连接方式有机械连接、液力连接、特殊连接和信号连接等。可仿真并计算出来的结果有：压力波、流量、机械零件的运动、高压油管和喷油嘴中的起泡、喷油速率、针阀和活塞元件的泄漏、作用在运动零件上的液力和机械力、电磁阀的电磁力和喷雾计算(液滴大小、喷雾锥度和贯穿度)。此外还具有喷油器喷雾过程的三维动画演示功能。该软件以基本的数学和物理原理为基础主要包括流体运动学基础、多刚体系统动力学以及流体力学为理论基础。其中运用到的喷油器和喷油泵端边界条件包括：柱塞腔连续性方程，出油阀紧帽腔连续性方程，空腔容积方程，出油阀运动方程，出油阀升程方程，喷油器盛油腔连续性方程，喷油器压力室连续性方程，针阀运动方程，针阀升程等八个方程以及燃油在高压油管内运动的基本方程。 该软件主要用于计算流体系统的流速、压力、累积流量等，其中包括各个容积腔，节流孔，各种阀，油管内部压力波动效应、流速变化等。其中，软件中包括各种复杂程度不一样的类型，各组件在复杂程度考虑因素上存在不同类型，这也是该软件比较完善的地方。另外，软件中还有流体属性数据库也可以自己设定，可以在建模过程中直接调用。还有一点，设定任务时，可以设定显示动画功能，例如可以显示喷油特性，从视觉上看看是否有二次喷射现象，针阀开启时刻，喷油持续时间等，显示了仿真的效果。利用HYDSIM软件来建立实际燃油系统的计算模型，进行仿真模拟计算分析，其目的和意义在于： (1) 在喷油系统的开发初期，通过建模计算和实验结果可对系统的工作特性进行分析，还可以很详尽的分析系统的结构参数以及运行参数对系统的工作特性的影响程度； (2) 对实验所测数据以及建模仿真数据进行比较分析、一致性检查； (3) 仿真计算可针对原有系统结构中存在的可靠性问题进行分析与研究，可在不改变原有系统配置的基础上对它进行优化设计，然后再次通过实验结果与仿真计算的比较，可证明优化设计的可行性与正确性； (4) 通过喷油系统的仿真计算，可以得到某些无法通过实验获得的重要信息和数据，例如动态过渡过程、内部流动情况、针阀的运动以及喷雾特性等；(5) 通过喷油系统的动态仿真计算，可以有效的降低喷油系统的研究和开发成本，缩短喷油系统的研究和开发周期。4.2. 燃油喷射系统参数4.2.1. 柱塞直径通常柱塞直径按如下公式计算： .(4.1) 式中：Q1循环供油量(g/st)； Ne发动机有效功率(kW)； ge燃油消耗率(g/kWh)； np喷油泵图轮轴转速(r/min)； dp柱塞直径(mm)； i汽缸数。由于柱塞直径与行程之间有一定的比例关系，确定柱塞直径后整个喷油泵几个关键参数中有两个就已经确定，整个泵的设计即可以此为基础展开。同时，在系统优化过程中，柱塞直径是个重要的变量，因此最后该值还有可能调整。一般来说，如果计算或实验得到的供油量结果不能满足实际工况需要，则加大柱塞直径是有效解决方案之一，但同时会引起其他问题。4.2.2. 高压油管直径 高压油管内径的确定要考虑以下几方面因素，首先，该内径尺寸和喷油泵柱塞直径间有一定配套关系，其次，高压油管内径尺寸应尽可能小，以尽量减小高压部分容积，降低二次喷射发生的可能性。但同时要保证油管内流速不超过允许值，一般高速柴油机为25m/s，大型柴油机为15m/s。4.2.3. 柱塞升程根据柱塞直径和升程比来计算柱塞升程。通常的升程比为=0.82.54.2.4. 柱塞几何有效行程 (mm).(4.2) 式中：为20时燃油密度，对于柴油=0.80.88； 供油系数，对于高速机可取0.8。4.2.5. 出油阀尺寸 出油阀保证正常的喷射过程，其本质是一个液力自动阀，在柱塞产生的油压作用下自动开启，在出油阀弹簧和高压油管压力的作用下关闭。出油阀与阀座是燃油喷射系统中的一对重要偶件，它的结构参数决定了燃油在管路中压力开始上升的时间，直接影响到供油量并决定了残余压力的大小。出油阀的结构参数与喷油泵和喷油器等参数的良好匹配可以在很大程度上保证柴油机工作的经济性，提高柴油机的使用寿命。确定出油阀的结构参数也是本次模拟计算的重要内容之一。 由于设定的最高喷射压力比较高，高压油管内残余压力也比较高，为有效防止二次喷射的出现，决定采用等压出油阀。出油阀类型确定后，最重要的结构参数就是出油阀升程。出油阀升程对供油规律、对柱塞腔和出油阀腔的压力有重要影响。这是因为出油阀流通截面处的节流作用的大小受该截面面积大小的影响，而该处的截面大小又直接由出油阀升程所决定，同时这种节流作用还影响了燃料的初始压力，而初始压力在很大程度上决定了喷射的速度和喷射持续的时间以及循环供油量。改变出油阀升程限制值可以明显修正供油速度特性，特别是小供油量和低速工况时。出油阀的通道面积应保证燃油流动时阻力最小，一般为高压油管截面面积的两倍以上。采用如下公式计算： (mm2).(4.3) 式中：出油阀直径(mm)； 出油阀升程(mm)； 阀座锥面角(deg)。4.2.6. 凸轮型线 喷油泵凸轮的型线设计包括：凸轮最大升程、基圆直径、型线形状及尺寸参数。最大升程的大小主要由所需最大供油量决定。基圆直径决定于凸轮的刚度、强度和柱塞速度，在总体布置允许的情况下应尽可能大些。 凸轮型线是影响喷油特性的重要因素，由于泵腔压力很大程度上取决于喷射阶段的柱塞速度，所以由凸轮型线决定的凸轮速度特性就非常重要，特别是供油开始和供油结束点对应的速度曲线更重要，对了解喷油嘴的喷油过程有决定性意义。燃油系统的凸轮型线通常采用复合正弦抛物线凸轮、高次方凸轮等形式。对比国内外同类机型此处选择采用复合正弦抛物线函数凸轮型线。复合正弦抛物线凸轮的运动规律由以下几段函数组成：第一段，正加速度段，采用二分之一波的短周期大振幅的正弦函数；第二和第三段分别用四分之一波正弦函数和抛物线函数相衔接，构成负加速段，缓冲段采用余弦函数过渡。4.2.7. 喷油器偶件在闭式喷油器中，针阀受燃油压力作用而被打开。当针阀关闭时，承受油压的面积为，当针阀开启时，其作用面积增加，变为。针阀关闭和开启时承受燃油压力的比值称为针阀的承压比。其关系式为 .(4.4)根据针阀受力的平衡条件，可得出针阀在开启瞬时和即将关闭瞬时的受力平衡方程： .(4.5) 式中：S弹簧作用力(N)； 启阀压力(Pa)； 闭阀压力(Pa)； 针阀杆直径(mm)； 针阀密封带直径(mm)。采用较大的值时闭阀压力增加，对避免喷孔积碳起重要作用。因为在喷射末期燃