滑片泵在二甲醚發動機共軌燃料系統低壓回路中的應用

馬　駿，張光德，陳清楚，宋文鵬

(武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430081)

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滑片泵在二甲醚發動機共軌燃料系統低壓回路中的應用

馬駿，張光德，陳清楚，宋文鵬

(武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430081)

二甲醚發動機中，利用高壓氮氣罐可克服共軌燃料系統低壓回路中產生的氣阻，但其本身因體積較大等不利于小型化車載應用。本文提出用滑片泵替代高壓氮氣罐作為加壓裝置，并運用AMESim進行仿真，模擬滑片泵在低壓回路中的工作過程，確定其合理的參數。仿真結果表明，采用滑片泵作為加壓裝置，當取吸油區窗口幅角為(45°～155°)、壓油區窗口幅角為(230°～324°)時，該滑片泵單個腔體輸入壓力可保持在0.5 MPa之上，峰值輸出壓力為2 MPa，滿足二甲醚發動機共軌燃料系統低壓回路對供油壓力的要求；輸出流量的頻率隨轉子轉速的增大而變高，而與偏心距大小無關；增大滑片泵轉子轉速和偏心距均可有效增大滑片泵輸出流量及其波動幅度;該滑片泵的偏心距為1.5 mm、轉速為400 r/min時，其輸出流量更接近所需最大供油量4.56 L/min，且波動幅度較小。

二甲醚發動機；共軌燃料系統；低壓回路；加壓裝置；滑片泵; AMESim

隨著汽車行業節能減排要求的不斷提高，二甲醚(DME)因具有高效、無煙燃燒、低排放、來源廣泛等特點，成為一種理想的柴油機代用燃料。但是，當將二甲醚燃料直接用于傳統柴油機時，由于二甲醚在常溫常壓下是氣態，其飽和蒸氣壓約為0.5 MPa，且溫度越高飽和蒸氣壓越大，因此在供給過程中容易產生氣阻，影響二甲醚發動機工作的穩定性[1]。若要避免氣阻，發動機燃料系統低壓回路的供油壓力須達到2 MPa，才能最終實現液態噴射[2]。James等[3]利用丙烷和二甲醚熱力學性質的不同開發出一種雙流體熱力學泵，原理是同溫度下丙烷比二甲醚的飽和蒸氣壓稍高，在燃料箱中用膜片將這兩種物質隔開，丙烷先于二甲醚汽化，汽化吸熱進而確保燃料箱內的二甲醚處于過冷狀態，達到減少氣阻的目的，但該裝置結構復雜，不易維護。張光德等[4]提出利用高壓氮氣罐作為二甲醚發動機共軌燃料系統低壓回路的加壓裝置，該裝置可有效避免低壓回路中產生氣阻，但由于氮氣罐體積大、成本高、維護保養復雜，不利于車載應用。為此，本文擬采用滑片泵替代高壓氮氣罐作為二甲醚共軌燃料系統低壓回路的加壓裝置，并通過仿真分析確定滑片泵的參數，以為其實際車載應用提供依據。

1　系統結構及工作原理

本文提出的共軌燃料系統低壓回路的結構原理圖如圖1所示。其工作原理是：常溫下，約0.5 MPa的液態二甲醚經滑片泵初級加壓后，被輸送至隔膜泵進口端，再由隔膜泵進一步加壓，注入共軌管，最后由噴油器實現液態噴射。

圖1　結構和工作原理圖

2　滑片泵模擬裝置及仿真模型

2.1裝置簡圖及工作原理

根據二甲醚共軌燃料系統低壓回路加壓性能的要求，為模擬低壓回路中滑片泵工作過程，設計了如圖2所示的滑片泵模擬裝置。該裝置主要由DME儲液罐、驅動電機、滑片泵和彈簧液壓缸組成，其中液壓缸和滑片泵的主要技術參數分別如表1和表2所示。

1—驅動電機；2—電機轉速表；3—彈簧液壓缸；4—流量計；5—滑片泵；6—DME儲液罐

表1　液壓缸主要設計參數

表2　滑片泵主要結構參數

滑片泵模擬裝置的工作原理為：滑片泵入口連接壓力約為0.5 MPa的DME儲液罐，出口連接彈簧液壓缸，電機以某一轉速驅動滑片泵工作，滑片泵將0.5 MPa的DME從儲液罐中吸入，通過泵體內部容積腔體積的連續周期性變化，加壓到2 MPa后輸送至彈簧液壓缸左邊腔體，使左邊腔體的容積不斷變大，推動液壓缸活塞向右運動。

2.2仿真方法

為使滑片泵在共軌燃料系統中起到減少低壓回路流量波動、消除氣阻、保證供油量及供油效率等作用，有必要深入了解滑片泵的工作性能，研究相關參數對滑片泵流量輸出特性的影響。為此，本文在某滑片泵結構參數的基礎上，通過調節滑片泵轉子的轉速及偏心距，在分析該滑片泵滿足低壓回路流量供給要求的前提下，運用AMESim軟件進行仿真，計算其在不同轉速、偏心距工況下輸出流量的大小、波動幅度和頻率等輸出性能指標,以確定滑片泵的合理參數范圍。

2.2.1模型的簡化與假設

為使仿真研究更具針對性，對模型作如下簡化與假設：

(1)用恒壓為0.5 MPa的液壓源替代儲存有飽和蒸氣壓的二甲醚儲液罐，忽略裝置中入口出口油管結構因素(如油管的直徑、油管的長徑比等)引起的流量、壓力波動。

(2)由于每兩個相鄰的葉片與轉子、定子、配流盤組成的相對密封腔體的容積呈周期性變化，故忽略這些元件摩擦副間的泄漏。

(3)滑片泵壓力負載為2 MPa，由液壓缸活塞面積、彈簧預緊力和彈簧剛度確定。裝置運轉時，油缸活塞向右運動位移余量足夠。在數量級方面，活塞、活塞桿及彈簧剛度遠小于彈簧的預緊力。

(4)將裝置中的液壓介質設置為二甲醚，且假定在滑片泵工作過程中液態二甲醚無空泡現象。

2.2.2模型的建立

根據滑片泵的工作原理及其運動過程，從AMESim軟件的基本元件庫中選取滑片泵(含吸油區和壓油區)、彈簧活塞液壓缸、轉子角位移傳感器、偏心距位移傳感器等結構的相應模塊，并將這些模塊按照滑片泵工作裝置的結構和運動關系連接起來，建立滑片泵工作裝置的仿真模型，如圖3所示。滑片泵壓油區的示意圖如圖4所示。定義圖4中葉片1與水平線的夾角即其相位角為&，&∈(0°～360°)。

該滑片泵有5個葉片，它們將滑片泵內部分為5個獨立腔體，相鄰葉片的夾角為72°。由于AMESim滑片泵模型的特點是以葉片1與葉片2組成的腔體為研究對象，仿真可以直接得到單個腔體的流量和壓力在吸、壓油區隨時間變化的關系，但無法直接得到滑片泵整體輸出流量特性，因此在研究該滑片泵5個腔體在壓油區的輸出流量時，須在模型中對葉片1的相位角&進行批處理，取0°、72°、144°、216°和288° 共5個值，即表示5個腔體同步運行，這樣才可得到滑片泵壓油區連續輸出流量及壓力隨時間的變化情況。

圖3　滑片泵模擬裝置仿真模型

圖4　滑片泵壓油區示意圖

二甲醚的熱值僅為柴油熱值的64.7%，液態二甲醚密度為柴油密度的78%，為了達到原柴油機動力性，以體積計二甲醚供給量約為柴油供油量的1.9倍。以日本電裝公司的ECD-U2HP4為參照，其高壓泵的最大循環供油量為1500 mm3，最高循環次數為1600 次/min，換算可得以二甲醚體積計的高壓泵最大供油量約為4.56 L/min，即在二甲醚共軌燃料系統低壓回路中，滑片泵的輸出流量須不小于最大供油量4.56 L/min。

3　仿真結果與分析

3.1單個腔體周期壓力

滑片泵作為容積泵的一種，當它運行時，其中每個腔體的壓力和流量是呈周期性變化的，存在著兩個過渡階段壓力波動的現象：①腔體從困油區循環至吸油區，容積變大，葉片2掃入吸油區時，形成負壓，出現局部壓力低于0.5 MPa的現象；②腔體從吸油區循環至壓油區，體積先增大后減小，可能會出現腔體壓力低于0.5 MPa的現象。這兩個過程均可使腔體的壓力低于0.5 MPa，導致二甲醚汽化。

根據滑片泵結構參數，選取合理的配流盤吸油區窗口幅角和配流盤壓油區窗口幅角，可有效避免液態二甲醚汽化。經對滑片泵模型配流盤吸、壓油區窗口幅角進行多次調試，選取吸油區窗口幅角為(45°～155°)、壓油區窗口幅角為(230°～324°)，此時滑片泵單個腔體的周期壓力如圖5所示。由圖5中可見，此幅角下單個腔體的輸入壓力均居于0.5 MPa之上，呈周期變化；輸出壓力為2 MPa，滿足低壓回路對壓力的要求。可見滑片泵可以替代高壓氮氣罐，起到在二甲醚發動機共軌燃料系統低壓回路中增壓的作用。另外由于滑片泵具有體積小、重量輕的優點，有利于小型化車載應用。

圖5　單個腔體周期壓力

3.2單個腔體的輸出流量

從葉片2進入壓油區配流盤窗口開始，到葉片1離開壓油區配流盤窗口結束，在這段時間內，該腔體容積的變化量即為單個腔體壓油區的瞬時流量。

偏心距為2.5 mm，轉子分別以300、400、500 r/min 3個轉速運行時滑片泵單個腔體的輸出流量如圖6所示。由圖6可以看出，壓油區流量發生大幅波動前后，均出現流量變為階段性負值波動的現象，此現象與配流窗口參數有關，是由于配流盤窗口中燃油小幅回流至腔體中導致的；在一個周期內，流量發生波動的時間占半個周期，此時腔體處于吸油區，而腔體處于壓油區時流量無變化；轉子的轉速越高，單個腔體輸出流量的循環周期越短，輸出流量的峰值越大。

圖6　不同轉速下單個腔體的輸出流量

轉速為400 r/min、偏心距分別取1.5、2.5、3.5 mm時單個腔體的輸出流量如圖7所示。由圖7中可以看出，當轉速為400 r/min時，不同偏心距下單個腔體壓油區輸出流量的周期不變，而流量峰值則隨偏心距的增大而增大。

圖7　不同偏心距下單個腔體的輸出流量

3.3滑片泵的輸出流量

3.3.1不同轉速下滑片泵的輸出流量

偏心距為2.5 mm,轉子轉速分別為300、400、500 r/min 時滑片泵的輸出流量如圖8所示。由圖8中可知，偏心距一定時，滑片泵輸出流量的波動頻率隨轉子轉速的增大而變大。以300 r/min的轉速運行時，輸出流量為7.2～9 L/min，波動幅度為1.8 L/min；以400 r/min的轉速運行時，輸出流量為9.6～12 L/min，波動幅度為2.4 L/min；以500 r/min的轉速運行時，輸出流量為12～15 L/min，波動幅度為3 L/min，可見輸出流量及其波動幅度均隨轉子轉速的增大而變大。偏心距為2.5 mm時，轉速達到300 r/min時滑片泵的輸出流量即達到4.56 L/min的1.5倍以上，滿足流量要求且波動幅度相對最小，因此，偏心距為2.5 mm時，轉子轉速宜取為300 r/min。

(a)300 r/min

(b)400 r/min

(c)500 r/min

3.3.2不同偏心距下滑片泵的輸出流量

轉子轉速為400 r/min，偏心距分別為1.5、2.5、3.5 mm時滑片泵的輸出流量如圖9所示。由圖9中可見，偏心距為1.5 mm時滑片泵輸出流量為5.7 ～7.1 L/min，波動幅度為1.4 L/min；偏心距為2.5 mm時滑片泵輸出流量為9.5～12 L/min，波動幅度為2.5 L/min；偏心距為3.5 mm時滑片泵輸出流量為13.7～17 L/min，波動幅度為3.3 L/min，可見當滑片泵轉子轉速一定時，其輸出流量的波動幅度隨偏心距的增大而變大。轉子轉速為400 r/min時，偏心距為1.5 mm的滑片泵輸出流量已滿足流量要求且波動幅度相對最小，因此轉子轉速為400 r/min時，偏心距宜取為1.5 mm。

(a)偏心距為1.5 mm

(b)偏心距為2.5 mm

(c)偏心距為3.5 mm

由圖9中還可看出，轉子轉速一定時，滑片泵輸出流量的頻率與偏心距大小無關。

3.3.3參數的對比選擇

綜上所述，分別取偏心距為2.5 mm、轉速為300 r/min和偏心距為1.5 mm、轉速為400 r/min時，該滑片泵輸出流量大小均可滿足二甲醚發動機燃料供給的要求。進一步對比可知，偏心距為1.5 mm、轉速為400 r/min時滑片泵的輸出流量與所需最大供油量4.56 L/min更接近，且流量波動幅度更小，因此，該滑片泵參數取偏心距1.5 mm、轉子轉速400 r/min為宜。

4　結論

(1)在二甲醚發動機共軌燃料系統低壓回路中，采用滑片泵可以替代高壓氮氣罐起到增壓作用，且由于滑片泵體積小、成本低，利于車載應用。

(2)滑片泵的合理參數為吸油區窗口幅角為(45°～155°)、壓油區窗口幅角為(230°～324°)、偏心距為1.5 mm、轉速為400 r/min，此參數下該滑片泵單個腔體輸入壓力可保持在0.5 MPa之上，峰值輸出壓力為2 MPa，輸出流量與低壓回路所需最大供油量4.56 L/min更接近，且波動幅度更小。

[1]張光德，孫敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供給系統研究現狀及發展趨勢[J].汽車科技，2012(6):1-5.

[2]鄭安文，謝露，王衛華，等. DME發動機實用化燃料系統需解決的關鍵技術[J]. 拖拉機與農用運輸車，2011，38(5)：6-9.

[3]Mccandless J C,Teng H,Schneyer J B.Development of a liquid-DME fuel tank—a two-fuel themodynamic pump[C].SAE Technical Paper,2001-01-0651.

[4]張光德，李夢，謝露，等.二甲醚發動機低壓共軌系統軌壓特性研究[J].武漢科技大學學報，2012,35(3):211-214，218.

[責任編輯鄭淑芳]

Application of sliding vane pump in low pressure loop for DME engine

MaJun,ZhangGuangde,ChenQingchu,SongWenpeng

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

High pressure nitrogen gas tank used in dimethyl ether (DME) engine can eliminate air resistance in the low pressure loop; however, its large size is not conducive to miniaturization in automotive applications. In this study, the sliding vane pump was adopted as the pressure device instead of nitrogen tank. By using AMESim software, the working process of the sliding vane pump in the low pressure loop was simulated. The simulation results show that as a pressure device, the input pressure of a single chamber of the sliding vane pump can be kept above 0.5 MPa and the output peak pressure at 2 MPa by setting suction area window angle at (45°～155°) and the delivery area window angle at (230°～324°), which satisfies the requirement of the low pressure loop of DME common rail fuel system in oil supply pressure. The frequency of the output flow goes higher along with the increase of rotor speed yet it is not influenced by the eccentricity. By increasing the rotor rotating speed or eccentricity of the sliding vane pump, the flow rate and flow fluctuation of the sliding vane pump will significantly rise. When the eccentricity is 1.5 mm and the speed 400 r/min, the output flow of the sliding vane pump is closer to the largest required flow 4.56 L/min with less volatility.

DME engine; common rail fuel system; low pressure loop; pressure device; sliding vane pump; AMESim

2016-01-28

湖北省自然科學基金重點項目(2015CFA113)；汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室(湖北汽車工業學院)開放基金項目(ZDK201212)；“汽車零部件技術湖北省協同創新中心”研究平臺資助項目.

馬駿(1990-)，男，武漢科技大學碩士生.E-mail:503799367@qq.com

張光德(1964-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:gd-zhang@wust.edu.cn

TK46+4

A

1674-3644(2016)04-0278-06