隔膜泵替代二甲醚發動機傳統噴油泵的可行性分析

摘要：簡述了近年來二甲醚發動機的發展動態，針對二甲醚自潤滑性能差等特點，分析了二甲醚對傳統柴油機噴油泵造成磨損與泄漏的問題。依據化工領域廣泛使用的隔膜泵的技術特點，提出用隔膜泵替代傳統柴油機噴油泵的設想，并探討了可行性。

關鍵詞：二甲醚發動機；磨損；噴油泵；隔膜泵

中圖分類號：TH323 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0014-04

Feasibility Analysis on the Replacement of Jerk Pump with

Diaphragm Pump in DME Engine

ZHANG Wang，ZHANG Guang-de，WANG Wei-hua，LI Meng，YAO Qiang

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

Abstract：The development of DME engine has been resumed in recent years. According to DME’s poor self-lubricate and other properties，the problems of abrasion and leak in traditional diesel jerk pump，which are caused by DME，have been analyzed. Diaphragm pumps are used widely in chemical industry field，on base of which，the assumption that diaphragm pump replaces traditional diesel jerk pump has been proposed and the feasibility has been researched.

Key words： DME engine；abrasion；jerk pump；diaphragm pump

隨著我國經濟的快速發展和汽車保有量的高速增長，對能源需求急劇增加，汽車排放污染對環境質量的危害日益顯現。因此，如何在發動機上實現高效的燃燒以低污染排放，開發利用新的替代石油的能源特別是再生能源，已迫在眉睫。

二甲醚（dimethyl ether，DME）作為一種適用于壓燃式內燃機的含氧清潔代用燃料，同柴油及其他多數代用燃料相比，具有高效、低排放、低噪音、無煙燃燒等優點。由于二甲醚具有低沸點（-24.9 ℃）、高蒸汽壓（常溫下為0.5 MPa左右）和低粘度（動力粘度為柴油1/10左右）等特性，要直接將它噴入發動機氣缸中，需進行液化處理和采取其他一系列特殊措施，例如：在二甲醚發動機實驗研究過程中，為了改善燃料的潤滑性能，采取添加潤滑劑的方法。但這樣不但會增加使用成本，潤滑劑也不能充分地燃燒，從而造成新的污染［1］。

針對二甲醚發動機燃料噴射系統亟待解決的理論和技術問題，在二甲醚低壓噴射系統的基礎上，對比隔膜泵與傳統的噴油泵的優缺點，構想采用化工領域中廣泛應用的隔膜泵取代二甲醚發動機傳統噴油泵。

1 隔膜泵結構與原理

1.1 隔膜泵基本部件

隔膜泵由四個基本部件組成：驅動機構、傳動減速機構、流量調節機構和泵頭。

驅動機構：即為原動機，采用三項交流異步電動機。

傳動減速機構：采用電動機與減速機構的蝸桿直接連接，經蝸輪減速并帶偏心輪作旋轉運動，滑塊來驅動柱塞作往復運動。柱塞每分鐘的往復次數等于蝸輪每分鐘的轉數。

流量調節機構：泵的流量調節通過改變柱塞行程長度或泵速來實現，行程可在0~100%范圍內的無級調節，運行和停止時均可進行。配上電控或氣控裝置后，可實現遠距離操作或自動化控制要求。配上交流變頻器或調速電機，可實現雙調或降低泵速適應各種工況的需要。

隔膜泵結構原理圖見圖1。

電機通過減速機構驅動柱塞，將旋轉運動變為直線運動，柱塞部件往復運動推進液介質使隔膜（如聚四氟乙烯）作周期性的往復運動：當隔膜向右運動時，隔膜室下端的進料閥打開而吸進燃料；當隔膜向左運動時，隔膜室上部的排料閥打開將燃料排除。在隔膜室腔內，燃料與推進液介質分隔開來，柱塞等運動部件不與燃料直接接觸，避免了燃料與部件的磨損，保證了這些運動部件的使用壽命。從隔膜泵的結構上看，可以保證較高的連續運轉效率和較低的運行成本［2］。

2 隔膜泵替代二甲醚發動機傳統噴油泵的可行性分析

2.1 二甲醚發動機傳統噴油泵特性

常規二甲醚發動機燃料噴射系統磨損與泄漏是目前制約清潔能源二甲醚推廣應用的瓶頸問題。此外，還有其他問題需要解決：針對二甲醚燃料的低粘性，燃料系統的潤滑、密封性和磨損問題要專門考慮；由于二甲醚燃料的密度和熱值低于柴油，要發出同等功率，在熱效率相等情況下，二甲醚的噴射量約是柴油的1.9倍（體積），因此對供油和噴射系統參數要作適當的調整。

由于DME粘度十分低，其動力粘度僅為柴油的1/10～1/20，為了改善燃料的潤滑性能，減緩二甲醚發動機噴射系統中噴油泵柱塞偶件的磨損，目前常采用在DME中添加潤滑劑的方法［3-5］。S. C. Sorenson等人［6-8］的研究表明如果不添加潤滑劑，燃料供給系統僅能正常運行500 h左右；超過590 h后，由于柱塞偶件的磨損，燃料泵不能建立起正常的壓力，噴油器針閥偶件的磨損會導致燃料泄漏大量增加，使噴霧不能正常進行。

實驗研究表明，純DME對供油系統偶件的潤滑作用很弱，在模擬發動機工況的供油系統耐久性測試實驗臺架上運行100 h后，柱塞偶件表面出現明顯的大劃痕和拉傷，磨損嚴重，從而解釋了燃用純DME時偶件容易卡死或者供油量逐漸減小的原因。在DME中添加一定量柴油或者植物油等潤滑改進劑后，能夠從一定程度上減輕偶件磨損，但對燃燒和排放性能可能造成負面影響，當添加量超過一定比例后會明顯產生顆粒（PM）排放。

因此通過添加潤滑劑來改善二甲醚發動機噴射系統的磨損與潤滑問題的方法仍然存在諸多缺點：由于二甲醚燃料壓縮性相對較高，對柱塞泵式燃油系統會帶來一些問題，供油壓力必須達到2～3 MPa或者以上；針對二甲醚燃料的高蒸汽壓、低沸點、壓燃性好及混合氣形成容易的特性，可大大地降低噴射壓力。

2.2 隔膜泵特性

采用低壓噴射技術，可使用隔膜泵替代常規柴油機的高壓油泵作為燃料加壓泵。隔膜泵自身具有潤滑系統，不依賴被加壓的介質來潤滑，其柱塞偶件的潤滑也很容易實現。用隔膜泵替換常規柴油機高壓噴油泵作為燃料加壓泵，可以避免加壓環節處偶件的磨損和泄漏，隔膜泵柱塞偶件和被加壓介質完全被隔膜隔開，其摩擦副的潤滑由其獨立的潤滑系統來完成，也不存在介質從柱塞偶件間隙泄漏問題。二甲醚發動機的傳統高壓油泵的潤滑則依賴被加壓介質（具有較高粘度的柴油）來實現，所以不必另設潤滑系統。另外，隔膜泵的技術和原理比較成熟，在化工等領域已經被廣泛地應用。其自身具有獨立強制潤滑系統，不會產生泄漏且安全性高，計量輸送精確（流量可以從零到最大額定值范圍內任意調節），壓力可以從常壓到最大允許范圍內任意選擇，具有工作平穩、無噪聲、體積小、重量輕、維護方便等優點。因此，在二甲醚發動機噴射系統上采取隔膜泵替代傳統噴油泵可使柱塞偶件的潤滑與磨損問題得到徹底的解決。

3 隔膜泵的技術參數

隔膜泵的技術參數是指基本性能參數、連續運轉率及易損件壽命及運行工況參數等。

3.1 平均輸出流量

由于泵的柱塞在每個往復行程中排出的液體體積是相等的，所以隔膜泵的理論平均輸出流量是恒定的，其值為：

式中，k為作用數，單作用泵k=1，雙作用泵k=2；Q為在試驗泵速下的流量（m3／h）；V為在時間間隔t內注入容器的液體體積（L）；t為測量的時間間隔或測量的泵速對應的時間間隔（min）。

3.2 排出壓力

Pd=Gd+?籽gZs×10-3（2）

式中，Pd為排出壓力（相對壓力，單位為MPa）；Gd為泵出口處壓力表或傳感器讀數（MPa）；Zd壓力表中心至泵基準面的垂直距離（m）。

注：當用傳感器時，Zd為測壓點至泵基準面的垂直距離。當壓力表中心或傳感器側壓點低于基準面時，Zd為負值；g為重力加速度（m／s2）；取g=9.81 m／s2；立式泵基準面：包含柱塞（或活塞）行程中點的水平面；臥式泵基準面：包含液缸軸線的水平面。

3.3 吸入壓力

Ps=Gs+?籽gZs×10-3（3）

式中，Ps為吸入壓力（相對壓力，MPa）；Gs為泵進口處壓力表讀數（MPa）；Zs為壓力表中心至泵基準面的垂直距離（m）。

注：當壓力表中心低于基準面時，Zs為負值。

3.4 泵速

式中，n為實驗泵速；k為累計往復次數。

3.5 功率

已知原動機效率計算泵輸入功率：

3.7 性能曲線繪制

繪制額定泵速下流量、功率、泵效率與壓差關系曲線，同時繪制試驗工況下泵速與壓差的關系曲線見圖2。

上圖性能曲線中：泵速決定于電機，因此泵速整體趨于平穩；根據式（1），流量決定于泵速、作用次數以及在單位時間內注入容積的體積，所以流量整體也趨于平穩；隨著壓差的不斷上升，根據式（5），隔膜泵功率決定于電機功率，電機功率成線性增加。

3.8 連續運轉率及易損件的壽命

連續運轉率是隔膜泵的最主要的參數。隔膜泵易損件的壽命主要指隔膜、過流件中的閥橡膠及其他金屬閥件的壽命，這些參數是隔膜泵關鍵參數，它直接影響泵的連續運轉率。 隔膜泵的連續運轉率可以達到93%～95%。同時，其單臺流量可以達到300 m3/h，單臺最高壓力達到25 MPa。所以在眾多高磨蝕介質的輸送設備中，應用隔膜泵作為噴射系統中的輸送設備才能使噴油系統的運行可靠、經濟［9］。

4 需要進一步研究的問題

為了使隔膜泵更好地應用在汽車發動機燃料噴射系統中，考慮其在汽車上的應用所可能帶來的新問題并加以解決，需要進行以下研究：研究隔膜材料的力學性能；隔膜受力狀態的檢測；抗二甲醚溶脹性能、流量等諸因素對膜片的影響；隔膜與柱塞之間推進液介質液壓的調整；對隔膜泵主要參數進行調整和結構優化改造，設計出能夠適應各種工況的膜片，開發適用于二甲醚發動機燃料噴射系統的隔膜加壓泵。

后期開發可考慮采用由發動機直接驅動，原驅動方式需要消耗更多能源和占據更多的布置空間，因此可能需要重新設計驅動機構。

此外，車載ECU對傳感器、液壓元件的實時控制，控制系統是隔膜泵至關重要的技術關鍵，它能否靈敏、準確、可靠的工作直接影響隔膜的壽命，乃至影響整個隔膜泵的成敗；在制造方面，有隔膜的材質配方及制造工藝，檢測傳感器的精度及可靠性，液壓元件的精度及可靠性。無論是設計、制造、元器件的選型均影響隔膜的使用壽命，從技術角度而言，難度及復雜性都是很高的。影響隔膜泵能否正常工作的關鍵所在是隔膜材料的壽命長短和控制系統的靈敏及準確程度。

5 結語

二甲醚被認為是柴油機清潔替代能源，但燃料系統磨損和泄漏是制約二甲醚發動機實用化的瓶頸問題。在化工、食品等領域廣泛應用的隔膜泵，其原理和技術比較成熟，選用或者研制與二甲醚發動機相匹配的化工隔膜泵作為加壓泵，從理論上講是可行的。

參考文獻：

［1］ 汪映，周龍保，宋清雙，等. 潤滑添加劑對二甲醚發動機性能影響的試驗研究［J］. 西安交通大學學報，2005，39（11）：1173-1176.

［2］ 賈建軍，王仕成，盧澤軍. 關于隔膜泵幾個問題的探討［J］. 石油礦場機械，2001，30： 119-121.

［3］ Ion M. Sivebaek，J?準rgen Jakobse. The Viscosity of Dimethyl Ether［J］ . Tribology International. 2007，40（4）： 652-658.

［4］ 顧志敏，張武高，黃震. 車用二甲醚燃料潤滑性能的評定方法［J］. 上海交通大學學報，2008，42（1）： 142-146.

［5］ 李瑞波，紀紅兵，戴恩期. 一種二甲醚專用潤滑性改進劑的性能研究［J］ . 潤滑與密封，2007，32（12）： 115-117.

［6］ Rasmus Christensen，S. C. Sorenson，Michael G. Jensen，et al. Engine Operation on Dimethyl Ether in a Naturally Aspirated，DI Diesel Engine［J］ . SAE Paper 971665.

［7］ Spencer C. Sorenson，Michael Glensvig and Duane L. Abata. Dimethyl Ether in Diesel Fuel Injection Systems［J］. SAE Paper 981159.

［8］ S. C. Sorenson，Svend-Erick Mikkelsen. Performance and Emission of a 0.273 Liter Direct Injection Diesel Engine Fuelled with Neat Dimethyl Ether［J］ . SAE Paper 950064.

［9］ 凌學勤. 往復式活塞隔膜泵的技術參數及核心技術［J］ . 機電產品開發與創新，2006，19（5） ：45-48.