姚強(qiáng) 張光德 王衛(wèi)華 游彩霞 張旺

摘要：介紹了隔膜泵的結(jié)構(gòu)和特性，討論隔膜泵替代二甲醚（DME）發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)噴油泵的可行性，建立隔膜泵膜片的有限元模型，利用有限元軟件對(duì)膜片進(jìn)行應(yīng)力分析，以獲得隔膜泵膜片的受力情況。結(jié)合隔膜泵的發(fā)展，分析各類隔膜泵的優(yōu)缺點(diǎn)，在二甲醚可控預(yù)混合燃燒和低壓噴射技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種適合作為二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油泵。

關(guān)鍵詞：DME發(fā)動(dòng)機(jī)；隔膜泵；可控預(yù)混合燃燒；低壓噴射

中圖分類號(hào)：U464.136 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）02-0001-05

DME Engine Design by Diaphragm Pump

YAO Qiang，ZHANG Guang-de，WANG Wei-hua，YOU Cai-xia，ZHANG Wang

（School of Automobile and Traffic Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract: This paper introduces the structure and characteristic of diaphragm pump，discusses the feasibility of using diaphragm pump engine instead of traditional injection pump engine，and establishes the diaphragm pump diaphragm finite element model. It uses finite element software the membrane stress analysis and to obtain the pump diaphragm stress situation. Combined with the development of various types of diaphragm pump and analysed the advantages and disadvantages of them.Bosedon DME controllable premixed combustion and low pressure injection technology，it designs a suitable as DME engine fuel injection pump.

Key words: DME engine；diaphragm pump；controllable premixed combustion；low pressure injection.

隨著石油資源短缺問題日益嚴(yán)重，尋找另一種代用燃料來解決石油短缺的問題顯得更加的迫切。二甲醚因?yàn)槠渲鹦院?、燃燒效率高、來源廣泛［1］等優(yōu)點(diǎn)，已成為柴油機(jī)比較有發(fā)展前途的清潔代用燃料之一。本文在二甲醚作為代用燃料的背景下設(shè)計(jì)出了一種新型噴油泵。

1 概述

從20世紀(jì)90年代初期開始，對(duì)DME在柴油機(jī)上應(yīng)用研究概括起來主要為兩條路徑：

1）將DME作為著火促進(jìn)劑使用。早期主要是將DME作為甲醇的著火促進(jìn)劑，旨在改善柴油機(jī)的著火性能和燃燒過程，作為甲醇的著火促進(jìn)劑時(shí)，DME占整個(gè)燃料質(zhì)量的25%~50%較合適。

2）DME單獨(dú)燃用或與柴油混合使用。目前國內(nèi)外對(duì)DME的研究則主要是將其單獨(dú)燃用，即以100%的液態(tài)DME燃用或與柴油按一定比例混合使用。有關(guān)試驗(yàn)研究表明，與燃燒柴油相比，100%燃用DME時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在全部轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)無煙排放，且NOx排放下降50%左右，CO和HC排放與柴油機(jī)相當(dāng)，將性能優(yōu)化后的DME發(fā)動(dòng)機(jī)裝車進(jìn)行行駛試驗(yàn)，該車的最高時(shí)速和加速性能都能達(dá)到原柴油車的水平。在柴油機(jī)上燃用DME和柴油的混合燃料時(shí)，也可以獲到很好的節(jié)能及環(huán)保效果。

隨著柴油機(jī)節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格，后一條研究路徑無疑會(huì)成為主流形式。其中，采用共軌結(jié)構(gòu)的100%燃用DME的發(fā)動(dòng)機(jī)尤為值得關(guān)注。燃用DME的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)（即完全燃用柴油，下同）柴油機(jī)相比，其差異主要體現(xiàn)在燃料供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上。圖1為一種典型的100%燃用DME并采用共軌結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖［1］。

對(duì)于完全燃用DME的柴油機(jī)而言，柴油機(jī)工作時(shí)，液態(tài)DME首先從DME存貯罐4中被吸出，經(jīng)加壓泵5加壓與濾清器6濾除雜質(zhì)后被送入共軌池7中，共軌池中的壓力根據(jù)需要由調(diào)壓溢流閥9設(shè)定。共軌池中的液態(tài)DME經(jīng)高壓油管供入帶有電磁閥的噴油器10中，再由噴油器噴入柴油機(jī)燃燒室內(nèi)，多余的DME經(jīng)回油管流回至加壓泵5入口前端（或DME存儲(chǔ)罐中）。

針對(duì)二甲醚低粘度、高蒸汽壓、易霧化等特性，基于均值壓燃（HCCI）理論［2］，提出了二甲醚可控預(yù)混合燃燒（Controllable Premix Combustion，簡(jiǎn)稱CPC）概念；設(shè)計(jì)了由主燃燒和混合室（副燃燒室）組成的燃燒系統(tǒng)，通過兩室之間設(shè)置的控制閥控制主、副兩個(gè)燃燒室間的能量、質(zhì)量與各組分的交換；試驗(yàn)研究表明，采用二甲醚可控預(yù)混合燃燒方式，可以實(shí)現(xiàn)超低NOx排放和無煙燃燒，二甲醚可控預(yù)混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)將有望發(fā)展成為一種高效、超低排放實(shí)用性發(fā)動(dòng)機(jī)［3］。

DME在常溫、常壓下是氣態(tài)的，沸點(diǎn)較低，粘度只有柴油的0.05~0.1倍。很明顯，如果直接將其在現(xiàn)有的柴油機(jī)上使用，將會(huì)帶來兩方面的問題：

1）其供油系統(tǒng)管路容易產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，柴油機(jī)供油系統(tǒng)的柱塞副、出油閥與出油閥座、針閥與針閥體三大相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精密偶件會(huì)因?yàn)闈櫥涣?，而加快磨損并引起泄露；

2）由于二甲醚的熱值低，必須加大噴油泵中柱塞直徑和柱塞的有效行程，加大噴油器中噴油孔直徑等方法來提高發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)供油量。

因此，要研究一種新型的噴油泵來加壓二甲醚。本文介紹了一種新型的噴油泵用來加壓二甲醚。

2 關(guān)于適用隔膜泵輸送DME的研究

2.1 隔膜泵的發(fā)展

上世紀(jì)70年代初，西德、荷蘭、美國先后研制成功了隔膜泵，因其具有使用壽命長、油耗低、產(chǎn)能大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故得到了廣泛應(yīng)用。隔膜泵是一種先進(jìn)的料漿輸送設(shè)備，隔膜把輸送的料漿和活塞分割開，活塞可避免被料漿磨損［4］。

隔膜泵是往復(fù)泵中較特殊的一種形式，它是依靠金屬制的柔性隔膜片（管）的來回鼓動(dòng)而吸入和排除液體的，由于被輸進(jìn)液體在泵缸內(nèi)被隔膜隔開，完全沒有液體泄漏的問題。同時(shí)隔膜還可選用耐磨與耐腐蝕的材料，所以它不僅可以輸送清水，而且還可輸送含有固體顆粒的液體、高濃度液體及酸、堿、鹽等液體。

因?yàn)镈ME的黏度較低，高壓供油系統(tǒng)中易泄漏，使偶件早期磨損，所以利用隔膜泵來輸送DME具有可行性。

2.2 隔膜泵的分類及其特點(diǎn)

隔膜泵主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及隔膜缸頭兩部分組成。傳動(dòng)部分是帶動(dòng)隔膜片來回鼓動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其傳動(dòng)形式主要有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)及氣壓傳動(dòng)。

2.2.1 氣壓隔膜泵

氣壓隔膜泵如圖2所示，它的傳動(dòng)系統(tǒng)是由空氣來驅(qū)動(dòng)膜片的。它有流量大、體積小、揚(yáng)程高等優(yōu)點(diǎn)，但很容易漏氣，達(dá)到的壓力比較小（最高為1.5 MPa）。由于車用的二甲醚噴油泵要求至少達(dá)到10 MPa的壓力，故不適合用于汽車上。

2.2.2 機(jī)械隔膜泵

機(jī)械隔膜泵的膜片是由一根桿連接來推動(dòng)膜片往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，有體積小、單位時(shí)間噴油量高等優(yōu)點(diǎn)，但它達(dá)到的壓力比較?。ㄗ罡邽?.0 MPa），并且膜片由于是用桿直接連接的，長時(shí)間使用后，膜片中心容易破裂。故也不適合應(yīng)用在汽車上。

2.2.3 液壓隔膜泵

液壓隔膜泵如圖3所示，比機(jī)械隔膜泵多了一個(gè)液壓室和一個(gè)液壓油杯，液壓油推動(dòng)膜片往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓油杯中有三個(gè)閥：（1）自動(dòng)補(bǔ)油閥：泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，柱塞泵密封處的泄漏是不可避免的，因而液壓室內(nèi)油量會(huì)逐漸減少，要及時(shí)地補(bǔ)充泄漏的油，以保證泵的正常工作；（2）放氣閥：在向液壓室灌油時(shí)，打開放氣閥，起到排出液壓腔內(nèi)氣體的作用；（3）安全閥：當(dāng)液壓室內(nèi)油量補(bǔ)得過多或在排出管路中發(fā)生異常的壓力升高時(shí)，安全閥起跳，可以保護(hù)隔膜和泵頭不致破壞［5］。

由于液壓隔膜泵能達(dá)到10 MPa以上的壓力，達(dá)到60 L/h的流量，所以把液壓隔膜泵運(yùn)用到汽車上是可行的。但由于液壓隔膜泵的體積很大，必須對(duì)液壓隔膜泵進(jìn)行設(shè)計(jì)才能達(dá)到車用化、小型化的效果［6］。

3 適于DME的噴油泵的設(shè)計(jì)

車用隔膜泵（如圖4）的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸正時(shí)齒輪，根據(jù)車況需要分配動(dòng)力。該裝置采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，蝸桿前端裝有齒輪，通過與正時(shí)齒輪的嚙合作用輸入動(dòng)力，經(jīng)蝸輪蝸桿減速增矩后，傳到偏心輪上，偏心輪驅(qū)使柱塞向右運(yùn)動(dòng)，柱塞向右運(yùn)動(dòng)到極限位置后，通過彈簧復(fù)位。柱塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使后腔內(nèi)油液產(chǎn)生脈動(dòng)力，推動(dòng)聚四氟乙烯膜片來回鼓動(dòng)，在閥的啟閉作用下達(dá)到吸排液體的目的［7］。

3.1 柱塞的設(shè)計(jì)

已知參數(shù)：泵頭輸出壓力P=10 MPa；輸出流量Q0=40 L/h；容積效率為η=0.93；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸正時(shí)齒輪輸出功率為P0=2 kW，轉(zhuǎn)速n=850~1 500 r/min。

由上述參數(shù)可知理論流量為Q=Q0 /η=43 L/h。

根據(jù)科宇機(jī)械公司車間現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步選擇的柱塞直徑D=30 mm，柱塞行程s=22 mm進(jìn)行驗(yàn)算。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=850 r/min時(shí)，Q1=0.25πD2sn=44 L/h>43 /h;

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=1 500 r/min時(shí)，Q2=0.25πD2sn=76 L/h>43 L/h滿足流量的要求，故確定柱塞直徑D=30 mm，柱塞行程s=22 mm。

3.2 渦輪蝸桿的設(shè)計(jì)

蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，關(guān)系到柱塞行程及最后的輸出壓力。其設(shè)計(jì)原則是在滿足強(qiáng)度和力矩的情況下，盡量縮小尺寸。其中i表示傳動(dòng)比，z1表示渦桿齒數(shù)，z2表示渦輪齒數(shù)，η表示傳動(dòng)效率。

1）選擇材料和加工精度

蝸桿選用45鋼，芯部調(diào)質(zhì)，表面滲碳淬火，硬度為45~55HRC；蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10PI，砂模鑄造；加工精度8級(jí)。

2）初選幾何參數(shù)

當(dāng)i=18，z2=iz1=18×2=36；

3）估算傳動(dòng)效率η

η=（100-3.25×i1/2）％=（100-3.5×181/2）％=85％

計(jì)算渦輪輸出轉(zhuǎn)矩T2：

T2=9550Pη/n2=9550Pηi/n1=9550×2×0.85×18/800 N·m=365 N·m

3.3 偏心軸的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的偏心軸由軸和偏心輪組成，為了裝配方便，將偏心輪和軸加工為一體。偏心軸的設(shè)計(jì)核心是依據(jù)偏心矩確定軸各段尺寸。η1表示傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率。

偏心距為柱塞行程的一半，即偏心距e=0.5s=11 mm；

則偏心輪上的轉(zhuǎn)矩T3=T2η1=365×0.95=346.8 N·m；

柱塞截面積S=0.25πD2=0.25×3.14×0.09=7.1×10-4 m2；

當(dāng)輸出的壓力為P=10 MPa時(shí)，柱塞輸出的力F=pS=107×7.1×10-4=7.1×103 N；

當(dāng)小輪與偏心輪上距軸心最遠(yuǎn)點(diǎn)接觸時(shí)，傳動(dòng)到柱塞上的力最小為Fmin。

按照設(shè)計(jì)要求，有Fmin=T3 /（e+R） ≥7.1×103 N（R為凸輪圓盤的半徑），解得R≤0.0404 m。

在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的凸輪半徑為35 mm；

3.4 泵頭的設(shè)計(jì)

根據(jù)膜理論：隔膜（如圖5）的厚度很薄，可以近似地把彎曲剛度視為零，即在彈性變形時(shí)彎曲對(duì)隔膜的平衡影響忽略不計(jì)。外載荷由作用在曲面中拉力來維持平衡，如同薄膜一樣，通常稱這種隔膜為絕對(duì)柔韌的（一般為橡膠或塑料等制造的）非金屬隔膜［8］。

對(duì)于絕對(duì)柔韌隔膜，隔膜離開中間位置向兩個(gè)方向彎曲時(shí)所包圍的容積為：

V=πR2W0（1）

式中：R為隔膜半徑，W0為隔膜中心撓度。

根據(jù)平板隔膜設(shè)計(jì)原則可知：平板隔膜行程應(yīng)小于等于隔膜直徑的10%（一般在7%~9%之間，取8%），即最大撓度變形量W0滿足：

2W0=8% Dm（2）

式中：Dm表示隔膜直徑。

柱塞一沖次所排出的液體容積為：

V1=s×0.25×π×302=4 950π mm3；

隔膜腔空積為：V2=πR2W0=πR3×0.08 mm3；

由于工作腔、液壓腔都充滿液體，而且液體不可壓縮，所以柱塞一沖次所排出的液體容積應(yīng)等于隔膜腔的容積。

即V1=V2，1 500π=0.08×π×R3；

求得R=45 mm，取隔膜直徑Dm=90 mm；

平板隔膜的最大偏移量W0=8%Dm/2=8%×90/2 mm=3.6 mm，滿足隔膜變形要求。

由此可以設(shè)計(jì)泵頭的尺寸。另外三閥裝置是直接采用J-X液壓力隔膜泵上的三閥。

4 對(duì)隔膜泵膜片進(jìn)行的有限元分析

在Ansys前處理模塊下，根據(jù)膜片的尺寸和厚度等參數(shù)，建立隔膜泵膜片的模型，其為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在Ansys軟件下通過GUI方式或者命令流方式建立簡(jiǎn)化模型，如圖6所示。

在建立完模型后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到膜片的結(jié)構(gòu)以及外形，采用mapped映射網(wǎng)格劃分類型，單元網(wǎng)格尺寸為10，如圖7所示。

對(duì)膜片施加位移約束和荷載，因?yàn)槟て坏淖钔鈬吘€被固定，故理想情況下，模型中外圍邊線上的所有結(jié)點(diǎn)在所有自由度上都被施加零位移約束，而其他線上所有結(jié)點(diǎn)施加荷載，并施加位移約束，如圖8所示。

圖9為施加位移和荷載以后計(jì)算的結(jié)果變形圖，其中虛線表示計(jì)算前的形狀及位置，對(duì)比計(jì)算前后可以看出，膜片在受到外力的作用后發(fā)生撓曲形變，膜片在Y方向上發(fā)生位移變化，膜片空間受到擠壓變形使得膜片腔內(nèi)壓強(qiáng)增加，體積縮小，從而使得膜片腔內(nèi)液體產(chǎn)生流動(dòng)。

5 結(jié)論與展望

通過計(jì)算及膜片的有限元分析，結(jié)合柴油機(jī)噴油泵的特性，采用二甲醚可控預(yù)混合燃燒的條件下，本文設(shè)計(jì)的隔膜泵是可以作為柴油機(jī)代用燃料噴油泵的。采用低壓噴射技術(shù)，可使用隔膜泵替代常規(guī)柴油機(jī)的高壓油泵作為燃料加壓泵。隔膜泵自身有潤滑系統(tǒng)，不需要依賴被加壓的介質(zhì)來潤滑，其柱塞偶件的潤滑也很容易實(shí)現(xiàn)；且隔膜泵的加壓部分和燃料被隔膜泵完全隔開，因此不存在燃料從柱塞偶件間隙泄漏的問題。但要實(shí)現(xiàn)DME隔膜式噴油泵走向?qū)嵱没€需要解決兩個(gè)基本問題：（1）柱塞及彈簧的彈力在設(shè)計(jì)中是忽略不計(jì)的，要通過建模、仿真來進(jìn)一步分析；（2）采用的是凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)的，在設(shè)計(jì)中采取了近似處理，要達(dá)到實(shí)用化的要求就要對(duì)凸輪扭矩的變化進(jìn)行理論計(jì)算及分析。

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