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498型二甲醚发动机燃料供给系统试验台的设计
一、二甲醚的应用及化学物理参数
（一）、二甲醚应用现状
目前，石油资源日趋减少，石油价格不断上涨，而且随着我国经济的迅猛发展， 汽车保有量快速增长，对能源的需求又大幅增加，同时汽车排放污染对环境质量的危害也日益凸显。 面对能源短缺和环境污染的双重挑战， 科研人员日益关注和深入研究内燃机的低排放、 高效率和开发利用新型替代燃料等问题。柴油作为传统燃料，由于柴油机 NOx 和颗粒排放量高，限制了使用范围。长期以来世界各国的研究者提出了许多解决措施，如：采取高压喷射系统，优化燃烧室结构，采用可变气门正时技术，采用增压中冷技术，采用废气再循环及尾气后处理装置，采用电子控制技术保证精确控制， 提出各种新型燃烧理论等。但要从根本上解决能源短缺和环境污染问题，开发新型替代燃料十分必要。 二甲醚经美国及欧洲等一些国家研究发现，将其作为柴油机的代用燃料，可使发动机具有良好的动力、 经济性能以及超低的排放特性，同时可以显著降低 NOx 排放，使排气烟度几乎能达到零，所以受到了广泛的关注。由于二甲醚与柴油在物化性质上存在许多差异对现有柴油机供油系统进行改造以适应二甲醚燃料仍是目前开发二甲醚发动机的关键。
(二)、DME和柴油的物理化学特性参数
表1 DME 和柴油的物理化学特性参数
|
特性 |
单位 |
DME |
柴油 |
|
碳含量 |
质量% |
52.2 |
86 |
|
氧含量 |
质量% |
34.8 |
0 |
|
临界压力 |
MPa |
5.37 |
3 |
|
液体密度 |
3 |
667 |
831 |
|
kg/m |
|||
|
液体粘度 |
-3 |
0.15 |
2~4 |
|
kg/m |
|||
|
十六烷值 |
大于 55 |
38~53 |
|
|
自然温度 |
K |
508 |
523 |
|
沸点 |
K |
248.1 |
450~643 |
|
气化潜热 |
kJ/kg |
467.13 |
300 |
|
燃烧热值 |
MJ/kg |
27.6 |
42.5 |
二甲醚，简称 DME（分子结构 CH3-O-CH3），能从天然气、原油、残油、煤和生物残骸等多种资源中制取，是一种无毒环境友好型燃料。二甲醚常温常压下为气态，在 0.5 MPa 下液化，易于存储和运输，作为柴油发动机的替代燃料， 由于其含氧量高 （ 近35%）、且在分子结构中没有 C-C 键的存在，所以几乎能实现无烟燃烧。 另外，DME 十六烷值高 （大于55），自燃性能好，可以应用在压燃式发动机上，而且能缩短着火延迟时间，降低 NOx 的排放和噪音。
二、油泵试验台总体结构
油泵试验台主要由动力调速系统、机械部分和测量部分组成。如图1所示，调速系统实现油泵转速的精确控制,油泵、高压油管及油嘴安装在试验台上,通过安装各种传感器实现油泵的性能测试。压力传感器用于泵端压力和嘴端压力的测量,一般采用压阻式传感器,输出信号经过放大器进入测试系统;其他传感器如针阀升程、长管压力传感器等输出的模拟量信号直接进入测试系统。为了实现精确的定角度采样,需要安装光电编码器,油泵每旋转一周编码器输出三路信号, 一路为单脉冲信号,用于始点定位, 另外两路为3600 个脉冲, 相位相差 90°,用于数据采集扫描时钟和转速的测量。霍耳传感器用于始点位置的标定,油泵试验台旋转到零度位置时霍耳传感器发出一个始点脉冲,用于确定试验台的零度位置。油泵性能测试系统对传感器信号进行调理, 通过高速采集卡进行数据采集,并对采集的数据进行处理。
1. 泵端压力传感器 2. 嘴端压力传感器 3. 针阀升程传感器
4.霍耳始点位置传感器 5. 光电编码器
图1 油泵试验台总体结构
（一）、喷油泵试验台自动量油技术
系统组成如图 1 所示 , 本系统主要由传感器 1 、传感器 2 、传感器 3 、hellip;hellip;传感器 n 、信号处理电路、89C51 单片机、微型计算机、存储器以及接口电路等组成。
图 2 系统组成
系统工作原理 :本系统利用传感器采集针阀升程、喷油压力、转速等信号, 传感器将信号转换为相应的电压信号输出 ,输出信号经信号处理电路处理后送入 89C51 单片机 ,在单片机内置程序及处理电路控制下生成相应的喷油量由微型计算机实时显示。
1、传感器的选择
传感器1 用于采集针阀升程。本系统选用非接触振动传感器, 该传感器可对钢铁类物质动态振动位移状况进行非接触测量, 且能够随振动频率和振幅大小输出相应振幅和频率的交流电压信号。当针阀动作引起挺杆产生位移时 , 该传感器检测到该位移信号, 输出相应的电压信号,因此传感器输出与针阀升程相对应的电压信号。
传感器 2 采集喷油压力信号, 本系统采用 BPR-39/300 型压力传感器。油压信号经信号处理电路处理后转换为数字量, 经过数据处理后得到油压值。
传感器 3 采集喷油泵转速信号 ,本系统采用 MJKN8 -05BL2 型磁电式转速传感器 。该传感器将转速的变化转变为相应的感应电势。传感器输出信号经信号处理电路处理后成矩形波送入 89C51 单片机, 单片机对标准脉冲进行采样计数,记录每秒的脉冲次数 n 即可求得转速值, 即 N =60n。
2、信号处理电路设计
测量系统信号处理电路由信号放大电路、A/ D 转换电路、接口电路等组成。本系统采用TLC2543 集成片对信号进行 A/D 转换。TLC2543是12 位 ADC ,使用开关电容逐次逼近技术,完成 A/D 转换过程,符合本研究对精度的要求。接口电路用于传感器的数据采集及当前值的随机显示。
3、单片机的选择
本系统采用89C51 单片机。该单片机有一个全双工的串口 ,具有 4 种工作方式:方式 0 串口为移位寄存器 I/O 方式;方式 1 串口被控制为 8 位的异步通信接口 ;方式 2 和 3 被定义为 9 位的异步通信接口。通过对片内的特殊功能寄存器 SCON 的设置可完成工作方式的选择。
4、计算机通信部分
本系统的信号采集是关键部分。其中, 针阀升程信号被转换为电压信号输出, 输出信号的动态变化相对较小,但频率很高 ,采用常规的信号采集器很难对输出信号进行准确读取, 因此采用微型计算机进行输出信号的显示及处理。
图3 硬件电路简图
- 软件部分
本系统的 89C51 单片机的程序采用汇编语言进行编程。计算机通信接口部分采用 visual basic 进行编程。单片机程序部分采用模块化结构 ,包括油量测量、转速测量等, 将各模块联机调试 ,最终由微型计算机进行喷油量的实时动态显示。转速测量模块的程序框图如图4所示。
图4 转速测量程序框图
三、二甲醚（DEM）发动机共轨燃料系统的实验研究
（一）、二甲醚泵—管—嘴燃料系统研究
Denmark 大学的 Sorenson 等人就对泵—管—嘴系统稍加改动，在一台非增压直喷小型单缸机（排量为 0.237 L）上作了燃用 DME 的试验。 改动目的主要是使 DME 能正常工作， 具体措施有增加了一个稳压用的氦气瓶，防止 DME 气化而产生气阻现象；喷油器回路中也保持了一定的压力， 使 DME 保持液态，并将它导入喷油泵的入口；适当降低 DME 的喷射压力。实验表明，对小型单缸直喷机经过改造后燃用 DME 是可行的，改造费用也十分低廉。 泵-管-嘴系统的组成可以充分利用传统柴油机供油系统，因此这也是它的一大优点。
Christensen 和 Denmark 大学的 Sorenson 等人也都采用普通的油泵—油管—油嘴系统，做过燃DME 和柴油的对比试验。 结果表明：由于二甲醚弹性模量较低，而且受温度和压力的响很大，所以，相同条件下，DME 的实际喷油始点较迟， 其喷油初期的油管压力波峰值和压力升高率均较低， 喷油持续期较长，残余压力较高，有明显的二次喷射现象发生。 另外，传统油泵存在燃料泄漏、柱塞偶件磨损以及易出现气阻等问题。 这样就导致了发动机耐久性差，且在高温大负荷下，很难精确控制喷油量和喷油定时， 因此传统的泵—管—嘴式的燃料喷射系统不适合 DME 发动机。 同样，转子式喷油泵和单体泵也存在类似的问题。另一方面，从最大喷射压力特性考虑，Tsuchiya 和 Sato［4］指出，在直列式喷油泵上配合使用簧压式针阀式喷油器可能比共轨系统更适合重型二甲醚发动机。
总之，传统的泵—管—嘴燃料系统应用在二甲醚发动机上虽然有优点，但需要进行相应的进，改造过程也相对较复杂， 因而来发展的主要方不是未向。
（二）、二甲醚共轨燃料系统研究
由于共轨式燃料供给系统的喷射压力独立于发动机的转速和负荷，可以优化喷油正时、喷油延迟、喷射速率等实现发动机高效率运行， 而且共轨系统对 DME 的低弹性模量不甚敏感，同时，省去传统高压油泵的柱塞结构， 这样解决了由于柱塞副磨损带来的配合间隙泄漏问题。 Ikeda 等［的研究也表明多次喷射（包括预喷和后喷）只有在使用共轨燃料喷射系统才能实现；同时，共轨燃料系统可以精确地实现所需要的喷射。因此，有针对性地设计的共轨式燃料喷射系统可能更适合二甲醚发动机。
共轨系统主要包括两个部分：燃料储存、供给部分和燃油喷射部分。对于燃料存储供给部分来说，由于二甲醚的物理性质和 LPG 相似，因此可以利用现有的 LPG 存储和运输方式。 另外，考虑到传统 LPG存储方式过于笨重不利于汽车使用，今年来 AVL 公司也利用丙烷和 DME 热力学性质不同开发出一种双流体热力学泵（结构如图5），原理是同温度下丙烷比 DME 的饱和蒸汽压稍高， 在燃料箱中用膜片将这两种物质隔开，丙烷先于二甲醚汽化，汽化吸热进而确保燃料箱内的二甲醚处于过冷状态， 减少燃油管中出现气阻现象的几率， 同时提供二甲醚流向喷油泵的压力。以改变喷油器的启喷压力。 实验表明此系统完全适合 DME 的喷射， 但同时发现液压柱塞泵的磨损较严重。 目前，AVL 公司也已经开发出了一种低压共轨燃油喷射系统， 同时也有电控单体泵燃油系统喷射系统的报道。
燃料箱
丙烷 控制
膜片
二甲醚
图5 双流体热力学泵
（三）、国内外共轨燃油系统研究概况
国内不少高校也都展开了二甲醚共轨燃料系统的研究。 天津大学的张晓、汪洋等进行了电控共轨喷油器的设计，设计的喷油器用 T 型块代替了液力柱塞，除去了回油口，用电磁铁直接驱动针阀喷射，解决了柱塞偶件间的磨损泄漏问题， 并且对喷油器的喷油规律等进行了仿真研究。 上海交通大学的周小鑫等建立了二甲醚发动机共轨喷油系统模型，通过对共轨管结构、 喷油始点以及共轨压力的仿真计算，提出了喷油系统的优化方案。由于二甲醚沸点较低、易汽化，所以供油压力不需要超过 25 MPa；另外二甲醚喷射压力不超过 30 MPa，AVL 公司的 James 等研究人员在全面分析了现有的各种 DME 供油系统 （ 包括共轨供油系和泵—管—嘴系统）后，提出了一种新型的燃料喷射系统，。这种系统是将喷油器的原有回油道堵住，然后在喷油器的人口处增加一个回油叉道，在回油叉道中安装节流孔和背压调节阀。 当受到电控单元指令时，共轨单元和喷油器间的电磁阀打开，共轨腔中的高压 DME 即流向喷油器， 此时节流孔由于压力的急剧升高而产生节流效应， 喷油器开始喷油；当电磁阀关闭后，高压油路压力迅速下降，节流孔失去节流效应，DME 则经节流孔回到低压油路，喷油器关闭，停止喷油。 此系统由于设有节流孔，可有效的避免二次喷射， 同时通过调节背压调节阀可以改变喷油器的启喷压力。 实验表明此系统完全适合 DME 的喷射， 但同时发现液压柱塞泵的磨损较严重。 目前，AVL 公司也已经开发出了一种低压共轨燃油喷射系统， 同时也有电控单体泵燃油系统喷射系统的报道
四、结语
国内外的研究成果充分表明二甲醚作为柴油替代燃料非常有潜力。 开发二甲醚燃料系统必须首先解决的是燃料泄漏，精密偶件的磨损和润滑问题；其次， 需要根据二甲醚高压缩性且压缩性随温度压力变化较大等特点，开发出相应的燃料供给装置。从各种供给系统的对比当中， 可以看出共轨式燃料系统较适宜于二甲醚发动机， 将来电控共轨式二甲醚燃料供给系统会是发展方向。 对于二甲醚发动机喷射系统的磨损和泄漏问题， 国内外也取得了一系列进展，随着研究的进一步深入，二甲醚发动机实用化将成为现实。
参考文献
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资料编号：[79897]
498型二甲醚发动机燃料供给系统试验台的设计
一、二甲醚的应用及化学物理参数
（一）、二甲醚应用现状
目前，石油资源日趋减少，石油价格不断上涨，而且随着我国经济的迅猛发展， 汽车保有量快速增长，对能源的需求又大幅增加，同时汽车排放污染对环境质量的危害也日益凸显。 面对能源短缺和环境污染的双重挑战， 科研人员日益关注和深入研究内燃机的低排放、 高效率和开发利用新型替代燃料等问题。柴油作为传统燃料，由于柴油机 NOx 和颗粒排放量高，限制了使用范围。长期以来世界各国的研究者提出了许多解决措施，如：采取高压喷射系统，优化燃烧室结构，采用可变气门正时技术，采用增压中冷技术，采用废气再循环及尾气后处理装置，采用电子控制技术保证精确控制， 提出各种新型燃烧理论等。但要从根本上解决能源短缺和环境污染问题，开发新型替代燃料十分必要。 二甲醚经美国及欧洲等一些国家研究发现，将其作为柴油机的代用燃料，可使发动机具有良好的动力、 经济性能以及超低的排放特性，同时可以显著降低 NOx 排放，使排气烟度几乎能达到零，所以受到了广泛的关注。由于二甲醚与柴油在物化性质上存在许多差异对现有柴油机供油系统进行改造以适应二甲醚燃料仍是目前开发二甲醚发动机的关键。
(二)、DME和柴油的物理化学特性参数
表1 DME 和柴油的物理化学特性参数
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