二甲醚發動機用隔膜泵的設計

姚強 張光德 王衛華 游彩霞 張旺

摘要：介紹了隔膜泵的結構和特性，討論隔膜泵替代二甲醚（DME）發動機傳統噴油泵的可行性，建立隔膜泵膜片的有限元模型，利用有限元軟件對膜片進行應力分析，以獲得隔膜泵膜片的受力情況。結合隔膜泵的發展，分析各類隔膜泵的優缺點，在二甲醚可控預混合燃燒和低壓噴射技術的基礎上，設計出了一種適合作為二甲醚發動機的噴油泵。

關鍵詞：DME發動機；隔膜泵；可控預混合燃燒；低壓噴射

中圖分類號：U464.136 文獻標志碼：A 文章編號：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。二甲醚因為其著火性好、燃燒效率高、來源廣泛［1］等優點，已成為柴油機比較有發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計出了一種新型噴油泵。

1 概述

從20世紀90年代初期開始，對DME在柴油機上應用研究概括起來主要為兩條路徑：

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

2）DME單獨燃用或與柴油混合使用。目前國內外對DME的研究則主要是將其單獨燃用，即以100%的液態DME燃用或與柴油按一定比例混合使用。有關試驗研究表明，與燃燒柴油相比，100%燃用DME時發動機在全部轉速和負荷范圍內都能實現無煙排放，且NOx排放下降50%左右，CO和HC排放與柴油機相當，將性能優化后的DME發動機裝車進行行駛試驗，該車的最高時速和加速性能都能達到原柴油車的水平。在柴油機上燃用DME和柴油的混合燃料時，也可以獲到很好的節能及環保效果。

隨著柴油機節能減排及環境保護法規的日益嚴格，后一條研究路徑無疑會成為主流形式。其中，采用共軌結構的100%燃用DME的發動機尤為值得關注。燃用DME的發動機和傳統（即完全燃用柴油，下同）柴油機相比，其差異主要體現在燃料供給系統的結構上。圖1為一種典型的100%燃用DME并采用共軌結構的發動機燃料供給系統的簡圖［1］。

對于完全燃用DME的柴油機而言，柴油機工作時，液態DME首先從DME存貯罐4中被吸出，經加壓泵5加壓與濾清器6濾除雜質后被送入共軌池7中，共軌池中的壓力根據需要由調壓溢流閥9設定。共軌池中的液態DME經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燃燒室內，多余的DME經回油管流回至加壓泵5入口前端（或DME存儲罐中）。

針對二甲醚低粘度、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混合燃燒（Controllable Premix Combustion，簡稱CPC）概念；設計了由主燃燒和混合室（副燃燒室）組成的燃燒系統，通過兩室之間設置的控制閥控制主、副兩個燃燒室間的能量、質量與各組分的交換；試驗研究表明，采用二甲醚可控預混合燃燒方式，可以實現超低NOx排放和無煙燃燒，二甲醚可控預混合燃燒發動機將有望發展成為一種高效、超低排放實用性發動機［3］。

DME在常溫、常壓下是氣態的，沸點較低，粘度只有柴油的0.05~0.1倍。很明顯，如果直接將其在現有的柴油機上使用，將會帶來兩方面的問題：

1）其供油系統管路容易產生氣阻現象，柴油機供油系統的柱塞副、出油閥與出油閥座、針閥與針閥體三大相對運動的精密偶件會因為潤滑不良，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動機每循環供油量。

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 關于適用隔膜泵輸送DME的研究

2.1 隔膜泵的發展

上世紀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、產能大、效率高等優點，故得到了廣泛應用。隔膜泵是一種先進的料漿輸送設備，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）的來回鼓動而吸入和排除液體的，由于被輸進液體在泵缸內被隔膜隔開，完全沒有液體泄漏的問題。同時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。

因為DME的黏度較低，高壓供油系統中易泄漏，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

隔膜泵主要由傳動機構及隔膜缸頭兩部分組成。傳動部分是帶動隔膜片來回鼓動的驅動機構。其傳動形式主要有機械傳動、液壓傳動及氣壓傳動。

2.2.1 氣壓隔膜泵

氣壓隔膜泵如圖2所示，它的傳動系統是由空氣來驅動膜片的。它有流量大、體積小、揚程高等優點，但很容易漏氣，達到的壓力比較小（最高為1.5 MPa）。由于車用的二甲醚噴油泵要求至少達到10 MPa的壓力，故不適合用于汽車上。

2.2.2 機械隔膜泵

機械隔膜泵的膜片是由一根桿連接來推動膜片往復運動的，有體積小、單位時間噴油量高等優點，但它達到的壓力比較小（最高為1.0 MPa），并且膜片由于是用桿直接連接的，長時間使用后，膜片中心容易破裂。故也不適合應用在汽車上。

2.2.3 液壓隔膜泵

液壓隔膜泵如圖3所示，比機械隔膜泵多了一個液壓室和一個液壓油杯，液壓油推動膜片往復運動。液壓油杯中有三個閥：（1）自動補油閥：泵在運轉過程中，柱塞泵密封處的泄漏是不可避免的，因而液壓室內油量會逐漸減少，要及時地補充泄漏的油，以保證泵的正常工作；（2）放氣閥：在向液壓室灌油時，打開放氣閥，起到排出液壓腔內氣體的作用；（3）安全閥：當液壓室內油量補得過多或在排出管路中發生異常的壓力升高時，安全閥起跳，可以保護隔膜和泵頭不致破壞［5］。

由于液壓隔膜泵能達到10 MPa以上的壓力，達到60 L/h的流量，所以把液壓隔膜泵運用到汽車上是可行的。但由于液壓隔膜泵的體積很大，必須對液壓隔膜泵進行設計才能達到車用化、小型化的效果［6］。

3 適于DME的噴油泵的設計

車用隔膜泵（如圖4）的動力來源于發動機曲軸正時齒輪，根據車況需要分配動力。該裝置采用蝸輪蝸桿減速機構，蝸桿前端裝有齒輪，通過與正時齒輪的嚙合作用輸入動力，經蝸輪蝸桿減速增矩后，傳到偏心輪上，偏心輪驅使柱塞向右運動，柱塞向右運動到極限位置后，通過彈簧復位。柱塞在缸體內往復運動，使后腔內油液產生脈動力，推動聚四氟乙烯膜片來回鼓動，在閥的啟閉作用下達到吸排液體的目的［7］。

3.1 柱塞的設計

已知參數：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；發動機曲軸正時齒輪輸出功率為P0=2 kW，轉速n=850~1 500 r/min。

由上述參數可知理論流量為Q=Q0 /η=43 L/h。

根據科宇機械公司車間現有的設計經驗，初步選擇的柱塞直徑D=30 mm，柱塞行程s=22 mm進行驗算。

當發動機的轉速為n=850 r/min時，Q1=0.25πD2sn=44 L/h>43 /h;

當發動機的轉速為n=1 500 r/min時，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 渦輪蝸桿的設計

蝸輪蝸桿減速機構設計是本設計的關鍵，關系到柱塞行程及最后的輸出壓力。其設計原則是在滿足強度和力矩的情況下，盡量縮小尺寸。其中i表示傳動比，z1表示渦桿齒數，z2表示渦輪齒數，η表示傳動效率。

1）選擇材料和加工精度

蝸桿選用45鋼，芯部調質，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。

2）初選幾何參數

當i=18，z2=iz1=18×2=36；

3）估算傳動效率η

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

計算渦輪輸出轉矩T2：

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

3.3 偏心軸的設計

設計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。偏心軸的設計核心是依據偏心矩確定軸各段尺寸。η1表示傳動軸的傳動效率。

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；

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

當小輪與偏心輪上距軸心最遠點接觸時，傳動到柱塞上的力最小為Fmin。

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

在設計中，設計的凸輪半徑為35 mm；

3.4 泵頭的設計

根據膜理論：隔膜（如圖5）的厚度很薄，可以近似地把彎曲剛度視為零，即在彈性變形時彎曲對隔膜的平衡影響忽略不計。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柔韌的（一般為橡膠或塑料等制造的）非金屬隔膜［8］。

對于絕對柔韌隔膜，隔膜離開中間位置向兩個方向彎曲時所包圍的容積為：

V=πR2W0（1）

式中：R為隔膜半徑，W0為隔膜中心撓度。

根據平板隔膜設計原則可知：平板隔膜行程應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。

由此可以設計泵頭的尺寸。另外三閥裝置是直接采用J-X液壓力隔膜泵上的三閥。

4 對隔膜泵膜片進行的有限元分析

在Ansys前處理模塊下，根據膜片的尺寸和厚度等參數，建立隔膜泵膜片的模型，其為軸對稱結構，在Ansys軟件下通過GUI方式或者命令流方式建立簡化模型，如圖6所示。

在建立完模型后對其進行網格劃分，考慮到膜片的結構以及外形，采用mapped映射網格劃分類型，單元網格尺寸為10，如圖7所示。

對膜片施加位移約束和荷載，因為膜片腔的最外圍邊線被固定，故理想情況下，模型中外圍邊線上的所有結點在所有自由度上都被施加零位移約束，而其他線上所有結點施加荷載，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算的結果變形圖，其中虛線表示計算前的形狀及位置，對比計算前后可以看出，膜片在受到外力的作用后發生撓曲形變，膜片在Y方向上發生位移變化，膜片空間受到擠壓變形使得膜片腔內壓強增加，體積縮小，從而使得膜片腔內液體產生流動。

5 結論與展望

通過計算及膜片的有限元分析，結合柴油機噴油泵的特性，采用二甲醚可控預混合燃燒的條件下，本文設計的隔膜泵是可以作為柴油機代用燃料噴油泵的。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。隔膜泵自身有潤滑系統，不需要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；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。但要實現DME隔膜式噴油泵走向實用化還需要解決兩個基本問題：（1）柱塞及彈簧的彈力在設計中是忽略不計的，要通過建模、仿真來進一步分析；（2）采用的是凸輪機構進行傳動的，在設計中采取了近似處理，要達到實用化的要求就要對凸輪扭矩的變化進行理論計算及分析。

參考文獻：

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