張光德，孫 敬，游彩霞，姚 強(qiáng)，侯忠海

（武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430081）

目前，石油資源日趨減少，石油價格不斷上漲，而且隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車保有量快速增長，對能源的需求又大幅增加，同時汽車排放污染對環(huán)境質(zhì)量的危害也日益凸顯。面對能源短缺和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，科研人員日益關(guān)注和深入研究內(nèi)燃機(jī)的低排放、高效率和開發(fā)利用新型替代燃料等問題。

柴油作為傳統(tǒng)燃料，由于柴油機(jī)NOx和顆粒排放量高，限制了使用范圍。長期以來世界各國的研究者提出了許多解決措施，如：采取高壓噴射系統(tǒng)，優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，采用可變氣門正時技術(shù)，采用增壓中冷技術(shù)，采用廢氣再循環(huán)及尾氣后處理裝置，采用電子控制技術(shù)保證精確控制，提出各種新型燃燒理論等。但要從根本上解決能源短缺和環(huán)境污染問題，開發(fā)新型替代燃料十分必要。二甲醚經(jīng)美國及歐洲等一些國家研究發(fā)現(xiàn)，將其作為柴油機(jī)的代用燃料，可使發(fā)動機(jī)具有良好的動力、經(jīng)濟(jì)性能以及超低的排放特性，同時可以顯著降低NOx排放，使排氣煙度幾乎能達(dá)到零，所以受到了廣泛的關(guān)注。由于二甲醚與柴油在物化性質(zhì)上存在許多差異，對現(xiàn)有柴油機(jī)供油系統(tǒng)進(jìn)行改造以適應(yīng)二甲醚燃料仍是目前開發(fā)二甲醚發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵。

表1給出了DME和柴油的物理化學(xué)特性參數(shù)。二甲醚，簡稱 DME（分子結(jié)構(gòu) CH3-O-CH3），能從天然氣、原油、殘油、煤和生物殘骸等多種資源中制取，是一種無毒環(huán)境友好型燃料。二甲醚常溫常壓下為氣態(tài)，在0.5 MPa下液化，易于存儲和運(yùn)輸，作為柴油發(fā)動機(jī)的替代燃料，由于其含氧量高 （近35%）、且在分子結(jié)構(gòu)中沒有C-C鍵的存在，所以幾乎能實(shí)現(xiàn)無煙燃燒。另外，DME十六烷值高 （大于55），自燃性能好，可以應(yīng)用在壓燃式發(fā)動機(jī)上，而且能縮短著火延遲時間，降低NOx的排放和噪音。

表1 DME和柴油的物理化學(xué)特性參數(shù)

1 二甲醚發(fā)動機(jī)燃油供給系研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外關(guān)于二甲醚發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)性能的研究有很多報道，因?yàn)閷τ诙酌寻l(fā)動機(jī)而言，噴油系統(tǒng)的改進(jìn)和提高是各種新燃燒技術(shù)開發(fā)降低排放，提高動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性的基礎(chǔ)。

二甲醚發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)主要有傳統(tǒng)的泵—管—嘴系統(tǒng)和新型的可變排量泵或者共軌系統(tǒng)。通常，在對可靠性要求不高的輕型車輛上，二甲醚燃料噴射系統(tǒng)就是在傳統(tǒng)的泵—管—嘴系統(tǒng)上稍加改動即可得到［1］。

1.1 二甲醚泵—管—嘴燃料系統(tǒng)研究

Denmark大學(xué)的 Sorenson等人［2］就對泵—管—嘴系統(tǒng)稍加改動，在一臺非增壓直噴小型單缸機(jī)（排量為0.237 L）上作了燃用DME的試驗(yàn)。改動目的主要是使DME能正常工作，具體措施有增加了一個穩(wěn)壓用的氦氣瓶，防止DME氣化而產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象；噴油器回路中也保持了一定的壓力，使DME保持液態(tài)，并將它導(dǎo)入噴油泵的入口；適當(dāng)降低DME的噴射壓力。實(shí)驗(yàn)表明，對小型單缸直噴機(jī)經(jīng)過改造后燃用DME是可行的，改造費(fèi)用也十分低廉。泵-管-嘴系統(tǒng)的組成可以充分利用傳統(tǒng)柴油機(jī)供油系統(tǒng)，因此這也是它的一大優(yōu)點(diǎn)。

Christensen和Denmark大學(xué)的 Sorenson等人［3］也都采用普通的油泵—油管—油嘴系統(tǒng)，做過燃用DME和柴油的對比試驗(yàn)。結(jié)果表明：由于二甲醚彈性模量較低，而且受溫度和壓力的影響很大，所以，相同條件下，DME的實(shí)際噴油始點(diǎn)較遲，其噴油初期的油管壓力波峰值和壓力升高率均較低，噴油持續(xù)期較長，殘余壓力較高，有明顯的二次噴射現(xiàn)象發(fā)生。另外，傳統(tǒng)油泵存在燃料泄漏、柱塞偶件磨損以及易出現(xiàn)氣阻等問題。這樣就導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)耐久性差，且在高溫大負(fù)荷下，很難精確控制噴油量和噴油定時，因此傳統(tǒng)的泵—管—嘴式的燃料噴射系統(tǒng)不適合DME發(fā)動機(jī)。同樣，轉(zhuǎn)子式噴油泵和單體泵也存在類似的問題。另一方面，從最大噴射壓力特性考慮，Tsuchiya 和 Sato［4］指出，在直列式噴油泵上配合使用簧壓式針閥式噴油器可能比共軌系統(tǒng)更適合重型二甲醚發(fā)動機(jī)。

總之，傳統(tǒng)的泵—管—嘴燃料系統(tǒng)應(yīng)用在二甲醚發(fā)動機(jī)上雖然有優(yōu)點(diǎn)，但需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，改造過程也相對較復(fù)雜，因而不是未來發(fā)展的主要方向。

1.2 二甲醚共軌燃料系統(tǒng)研究

1.2.1 共軌燃料系統(tǒng)特點(diǎn)及組成

由于共軌式燃料供給系統(tǒng)的噴射壓力獨(dú)立于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，可以優(yōu)化噴油正時、噴油延遲、噴射速率等實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高效率運(yùn)行，而且共軌系統(tǒng)對DME的低彈性模量不甚敏感，同時，省去傳統(tǒng)高壓油泵的柱塞結(jié)構(gòu)，這樣解決了由于柱塞副磨損帶來的配合間隙泄漏問題。Ikeda等［5］的研究也表明多次噴射（包括預(yù)噴和后噴）只有在使用共軌燃料噴射系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)；同時，共軌燃料系統(tǒng)可以精確地實(shí)現(xiàn)所需要的噴射。因此，有針對性地設(shè)計(jì)的共軌式燃料噴射系統(tǒng)可能更適合二甲醚發(fā)動機(jī)［6］。

共軌系統(tǒng)主要包括兩個部分：燃料儲存、供給部分和燃油噴射部分。對于燃料存儲供給部分來說，由于二甲醚的物理性質(zhì)和LPG相似，因此可以利用現(xiàn)有的LPG存儲和運(yùn)輸方式。另外，考慮到傳統(tǒng)LPG存儲方式過于笨重不利于汽車使用，今年來AVL公司也利用丙烷和DME熱力學(xué)性質(zhì)不同開發(fā)出一種雙流體熱力學(xué)泵［7］（結(jié)構(gòu)如圖1），原理是同溫度下丙烷比DME的飽和蒸汽壓稍高，在燃料箱中用膜片將這兩種物質(zhì)隔開，丙烷先于二甲醚汽化，汽化吸熱進(jìn)而確保燃料箱內(nèi)的二甲醚處于過冷狀態(tài)，減少燃油管中出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象的幾率，同時提供二甲醚流向噴油泵的壓力。

二甲醚共軌燃油噴射部分設(shè)計(jì)和柴油機(jī)共軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)的明顯不同在于二甲醚共軌系統(tǒng)所要承受的高壓不超過30 MPa就可以獲得良好的發(fā)動機(jī)性能，而柴油機(jī)可高達(dá)160 MPa。在燃料供給和噴射部分直接的高壓燃料泵也是共軌系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，由于二甲醚具有低粘度和高壓縮性的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的高壓泵并不適合，AVL公司已開發(fā)出了一種可變排量泵。

這種可變排量泵最大特點(diǎn)是通過改變進(jìn)油口的節(jié)流閥位置來改變進(jìn)油口的流通面積，使進(jìn)油口兩端的壓力差發(fā)生改變，從而達(dá)到改變油管中燃油質(zhì)量流量的目的；通過改變油泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)油泵的體積流量。因此，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥位置和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，就可以獲得發(fā)動機(jī)所需要的供油速率。

1.2.2 國內(nèi)外共軌燃料系統(tǒng)研究概況

國內(nèi)不少高校也都展開了二甲醚共軌燃料系統(tǒng)的研究。天津大學(xué)的張曉、汪洋等［8］進(jìn)行了電控共軌噴油器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的噴油器用T型塊代替了液力柱塞，除去了回油口，用電磁鐵直接驅(qū)動針閥噴射，解決了柱塞偶件間的磨損泄漏問題，并且對噴油器的噴油規(guī)律等進(jìn)行了仿真研究。上海交通大學(xué)的周小鑫等［9］建立了二甲醚發(fā)動機(jī)共軌噴油系統(tǒng)模型，通過對共軌管結(jié)構(gòu)、噴油始點(diǎn)以及共軌壓力的仿真計(jì)算，提出了噴油系統(tǒng)的優(yōu)化方案。由于二甲醚沸點(diǎn)較低、易汽化，所以供油壓力不需要超過25 MPa；另外二甲醚噴射壓力不超過30 MPa，本人所在科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)這些特點(diǎn)提出了二甲醚低壓共軌燃料系統(tǒng)的設(shè)想，并且仿真研究了此種燃油系統(tǒng)的噴射特性，開發(fā)了相應(yīng)的電控噴射系統(tǒng)［10］。

AVL公司的James等研究人員［11］在全面分析了現(xiàn)有的各種DME供油系統(tǒng) （包括共軌供油系和泵—管—嘴系統(tǒng)）后，提出了一種新型的燃料噴射系統(tǒng)，如圖2所示。這種系統(tǒng)是將噴油器的原有回油道堵住，然后在噴油器的人口處增加一個回油叉道，在回油叉道中安裝節(jié)流孔和背壓調(diào)節(jié)閥。當(dāng)受到電控單元指令時，共軌單元和噴油器間的電磁閥打開，共軌腔中的高壓DME即流向噴油器，此時節(jié)流孔由于壓力的急劇升高而產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，噴油器開始噴油；當(dāng)電磁閥關(guān)閉后，高壓油路壓力迅速下降，節(jié)流孔失去節(jié)流效應(yīng)，DME則經(jīng)節(jié)流孔回到低壓油路，噴油器關(guān)閉，停止噴油。此系統(tǒng)由于設(shè)有節(jié)流孔，可有效的避免二次噴射，同時通過調(diào)節(jié)背壓調(diào)節(jié)閥可以改變噴油器的啟噴壓力。實(shí)驗(yàn)表明此系統(tǒng)完全適合DME的噴射，但同時發(fā)現(xiàn)液壓柱塞泵的磨損較嚴(yán)重。目前，AVL公司［12］也已經(jīng)開發(fā)出了一種低壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，同時也有電控單體泵燃油系統(tǒng)噴射系統(tǒng)的報道。

2 二甲醚潤滑磨損研究

2.1 國外二甲醚潤滑磨損研究

由于二甲醚粘度較低，因此解決二甲醚發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)的磨損和潤滑問題是關(guān)鍵。有學(xué)者提出，將DME與其他燃料混合使用，比如柴油等；或者在DME中加入蓖麻油等添加劑來解決問題，但是這無疑會減少燃用DME的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在會產(chǎn)生碳煙排放；此外，添加劑或混合燃料與DME的比例關(guān)系如何確定也需要更進(jìn)一步研究。目前，主要的控制泄漏和磨損的技術(shù)措施包括：采用二甲醚—柴油二元燃料；降低噴射壓力；采用背壓控制泄漏；采用潤滑和密封裝置等。

在這些方面，技術(shù)相對成熟的是AVL公司和瑞典的VOLVO公司。AVL公司在上世紀(jì)90年代曾和美國FORD公司合作，在一臺DXATA四缸發(fā)動機(jī)上開展了研究。實(shí)驗(yàn)中，在油箱里增加了丙烷隔離層，然后利用其飽和蒸汽壓將二甲醚加壓10 bar，高壓油泵是由斜盤式液壓柱塞泵改裝而成，共軌和噴油器之間，有一個二位三通電磁閥，用來控制噴油器的噴射定時，噴油器的工作原理與傳統(tǒng)機(jī)械式噴油器類似，這種設(shè)計(jì)仍然沒有從根本上解決磨損和泄漏問題。瑞典的VOLVO公司也在2005年推出了共軌式二甲醚電控噴射系統(tǒng)，由于也采用柱塞泵直接對二甲醚燃料進(jìn)行加壓，所以柱塞副磨損問題依然存在［13］。

2.2 國內(nèi)二甲醚潤滑磨損研究

國內(nèi)許多高校也都進(jìn)行了二甲醚潤滑等方面的研究。西安交通大學(xué)的黃卓勇、胡鐵鋼等［14］進(jìn)行了改進(jìn)二甲醚燃料潤滑性能的研究，結(jié)果表明在二甲醚燃料中加入不同種類和配比的潤滑改進(jìn)劑后，可以在保證完全互溶的情況下使燃油系統(tǒng)獲得足夠潤滑；汪映、周龍保等［15］開展了潤滑添加劑對二甲醚發(fā)動機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明添加適合的潤滑添加劑可以保證二甲醚發(fā)動機(jī)清潔高效燃燒。太原理工大學(xué)的高建鵬［16］對二甲醚—柴油混合燃料對高壓油泵柱塞偶件的磨損進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了一種可有效改善高壓油泵柱塞偶件磨損的二甲醚—柴油混合燃料。

2.2.1 二甲醚發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)防磨損與泄漏策略

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對二甲醚發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的研究表明［17］，均值壓燃（HCCI）由于燃料適應(yīng)性較好，更適合二甲醚發(fā)動機(jī)。針對HCCI容易導(dǎo)致低負(fù)荷失火、高負(fù)荷爆燃等問題，本研究團(tuán)隊(duì)提出二甲醚可控預(yù)混合燃燒（CPC）概念，研制了由主燃燒室和預(yù)混合室（副燃燒室）組成的燃燒系統(tǒng)。一方面，之前的研究表明共軌式燃料系統(tǒng)較適宜于二甲醚發(fā)動機(jī)；另一方面，由于二甲醚揮發(fā)性好，且是在壓縮行程初期被噴入預(yù)混合室，因此可將噴射壓力控制在10 MPa左右，即形成低壓共軌系統(tǒng)。具體的防磨損與泄漏策略包括2個部分：用前面介紹的隔膜泵取代傳統(tǒng)噴油泵；開發(fā)了磨損自補(bǔ)償噴油器和獨(dú)立潤滑噴油器。

液壓隔膜泵目前一般用于石油化工、冶金、礦山、水泥等行業(yè)，若直接用于二甲醚發(fā)動機(jī)會有體積大、輸出壓力相對較低、壓力脈動較大等不足之處。因此為了滿足汽車供油泵的要求，本項(xiàng)目組開發(fā)出直列隔膜式燃料泵。該泵主要由動力傳動機(jī)構(gòu)、液壓油供給控制系統(tǒng)、泵頭機(jī)構(gòu)三大部分組成。工作原理是凸輪軸轉(zhuǎn)動，帶動柱塞作往復(fù)運(yùn)動；液壓油隨著柱塞的往復(fù)運(yùn)動，擠壓隔膜，依靠柔性隔膜片的來回鼓動達(dá)到吸入和排出液體介質(zhì)目的。

這種直列隔膜式燃料泵最大的特點(diǎn)在于將二甲醚和柱塞通過隔膜完全隔開，因此，用該泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)柱塞泵可以從根本上解決柱塞的磨損泄露問題，同時又利用了傳統(tǒng)柱塞式噴油泵運(yùn)行穩(wěn)定、頻率高的優(yōu)點(diǎn)。

噴油器是二甲醚發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的重要組成部件，噴油器性能的好壞直接影響發(fā)動機(jī)的整體性能［18］。項(xiàng)目組自主開發(fā)的磨損自補(bǔ)償噴油器和獨(dú)立潤滑噴油器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3。

磨損自補(bǔ)償噴油器取消了傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油器中的回油管道和精密偶件，閥芯的閥桿與閥體的接觸部分磨損不會產(chǎn)生燃油泄漏問題，閥芯錐面的磨損可以由閥芯彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行補(bǔ)償，確保密封錐面可靠密封。因此，從結(jié)構(gòu)原理上講，磨損自補(bǔ)償噴油器使用低粘度的二甲醚液體是完全可行的。

獨(dú)立潤滑噴油器在傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油器中增加一套獨(dú)立的強(qiáng)制潤滑裝置，在噴油器工作過程中，針閥偶件由外界提供的潤滑介質(zhì)強(qiáng)制潤滑。為確保相應(yīng)的潤滑效果，需防止二甲醚燃料由壓力室滲入到潤滑腔，故將潤滑腔的壓力調(diào)節(jié)為始終略高于二甲醚噴射壓力的狀態(tài)。

磨損自補(bǔ)償噴油器的模擬仿真實(shí)驗(yàn)表明，其噴油特性處于合理趨勢，但由于其涉及到新的噴射原理，因此其噴射規(guī)律、噴霧特性以及可靠性等有待進(jìn)一步研究。獨(dú)立潤滑噴油器的模擬仿真實(shí)驗(yàn)表明，其不僅能保證其針閥偶件的潤滑效果，而且更有利于根據(jù)工作需要選擇較為合適的潤滑介質(zhì)。該噴油器的針閥運(yùn)動狀況、噴油規(guī)律等特性合理；潤滑介質(zhì)的泄漏量很小，對噴油過程和針閥運(yùn)動的影響可以忽略不計(jì)。

3 總結(jié)

國內(nèi)外的研究成果充分表明二甲醚作為柴油替代燃料非常有潛力。開發(fā)二甲醚燃料系統(tǒng)必須首先解決的是燃料泄漏，精密偶件的磨損和潤滑問題；其次，需要根據(jù)二甲醚高壓縮性且壓縮性隨溫度壓力變化較大等特點(diǎn)，開發(fā)出相應(yīng)的燃料供給裝置。從各種供給系統(tǒng)的對比當(dāng)中，可以看出共軌式燃料系統(tǒng)較適宜于二甲醚發(fā)動機(jī)，將來電控共軌式二甲醚燃料供給系統(tǒng)會是發(fā)展方向。對于二甲醚發(fā)動機(jī)噴射系統(tǒng)的磨損和泄漏問題，國內(nèi)外也取得了一系列進(jìn)展，隨著研究的進(jìn)一步深入，二甲醚發(fā)動機(jī)實(shí)用化將成為現(xiàn)實(shí)。

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