二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪轉(zhuǎn)矩的研究

姚 強(qiáng)，張光德，王衛(wèi)華，游彩霞，張 旺

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

隨著石油短缺，迫切的需要尋找新型的代用燃料來(lái)解決石油短缺的問(wèn)題。二甲醚因其著火性好，燃燒效率高、來(lái)源廣泛等突出優(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［1］。但二甲醚的理化特性需對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油泵進(jìn)行改進(jìn)，凸輪作為二甲醚噴油泵推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)的重要部件，對(duì)流量、壓力的變化都有著直接影響。因此，需要研究凸輪扭矩隨所受力的變化規(guī)律。

1 概述

噴油泵是柴油機(jī)的一個(gè)重要組成部分，被視為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的”心臟”部件，它一旦出問(wèn)題整個(gè)柴油機(jī)將工作失常。

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(lái)兩方面的問(wèn)題：第一，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?rùn)滑不良加快磨損并引起泄漏的問(wèn)題；第二，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(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)供油量。

因此，必須對(duì)柴油機(jī)噴油泵進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)二甲醚噴油泵所能達(dá)到的壓力進(jìn)行精確計(jì)算，凸輪軸的扭矩大小起著關(guān)鍵的作用。

目前噴油泵凸輪扭矩測(cè)量主要有兩種方式：一是采用細(xì)長(zhǎng)彈性軸作傳感器，測(cè)量其扭轉(zhuǎn)角度位移（相位差法），或測(cè)量其表面的應(yīng)力（應(yīng)變法）；二是采用低慣量、大電流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)噴油泵，測(cè)量電機(jī)的瞬態(tài)功率和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，從而換算瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)扭矩。前一種方案測(cè)量平均扭矩比較有效，對(duì)測(cè)量瞬態(tài)扭矩往往響應(yīng)性不夠，測(cè)量結(jié)果不理想。后一種方案，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有采用此原理的專(zhuān)用設(shè)備。為了解噴油泵工作能力提高之后，其驅(qū)動(dòng)扭矩峰值的變化，本文采用測(cè)量泵端壓力和計(jì)算的方法求解噴油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩。噴油泵的泵端壓力采用壓阻式壓力傳感器測(cè)量。根據(jù)傳統(tǒng)柱塞噴油泵的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），若忽略摩擦阻力，豎直方向作用在滾輪中心的力主要有柱塞彈簧力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力和噴油泵的泵端壓力作用在柱塞上的壓力［3，4］。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪扭矩算法的推導(dǎo)

2.1 柱塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

柱塞在向上運(yùn)動(dòng)的全行程中，包括預(yù)備行程、減壓帶行程、有效行程和剩余行程。各行程如圖2所示。

（1）柱塞的預(yù)備行程h1：柱塞從下止點(diǎn)上升到其上端面將進(jìn)油孔完全關(guān)閉時(shí)所移動(dòng)的距離。

（2）柱塞的減壓帶行程h2：柱塞從預(yù)備行程結(jié)束到出油閥開(kāi)啟（減壓帶開(kāi)始離開(kāi)閥座的導(dǎo)孔）時(shí)所移動(dòng)的距離。

（3）柱塞的有效行程h3：柱塞從出油閥開(kāi)啟，到柱塞的螺旋線(xiàn)或斜槽上線(xiàn)打開(kāi)回油孔時(shí)移動(dòng)的距離。

（4）剩余行程h4：柱塞從有效行程結(jié)束（開(kāi)始回油），上升到上止點(diǎn)時(shí)移動(dòng)的距離。

2.2 簡(jiǎn)化模型

凸輪的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

彈簧力為Fsp；慣性力為Fm；泵端壓力作用力為Fp；運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為m；凸輪升程為h；彈簧剛度為k；彈簧預(yù)緊力為F0；凸輪轉(zhuǎn)速為n；泵端壓力為p；柱塞直徑為dp。

在圖3中，彈簧力為：

式中：F為沿柱塞運(yùn)動(dòng)方向向下加在滾輪上的力；F1為沿滾輪凸輪接觸面法向的作用力；F2為垂直于挺柱體導(dǎo)向孔的側(cè)向力；α為F1和F1之間的夾角，即F 的壓力角；對(duì)滾輪作受力分析［5，6］，如圖 1。

可以計(jì)算得到：

設(shè)凸輪的基圓半徑為r0；滾輪的半徑為r1；凸輪的升程為h（如果滾輪位于基圓上，則為0）；l=OC；則在三角形O1OC中可以得出：

由公式（1）~（10），可以計(jì)算出泵的驅(qū)動(dòng)扭矩，泵端壓力p可以通過(guò)測(cè)量得到，、可以從凸輪的線(xiàn)形設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算求得［7，8］。 公式（10）我們還可以從另外的一個(gè)方面去理解它。如果忽略摩擦力做的功，則豎直方向的力做的功由驅(qū)動(dòng)扭矩所作的功來(lái)克服，兩個(gè)功應(yīng)相等。如果泵轉(zhuǎn)速恒定，則兩個(gè)功應(yīng)相等，即M=。

3 凸輪模型的建立

3.1 ADAMS軟件簡(jiǎn)介

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Auto matic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）， 該軟件是美國(guó) MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。

ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶(hù)可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，其開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶(hù)進(jìn)行特殊類(lèi)型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。

3.2 ADAMS中凸輪模型的建立及仿真

仿真過(guò)程中，凸輪的質(zhì)量設(shè)定為1 kg，凸輪的轉(zhuǎn)速為60 r/min，滾珠的質(zhì)量忽略。

ADAMS中凸輪模型 （見(jiàn)圖4），其中左邊是凸輪，右邊為一個(gè)凸輪推動(dòng)的滾珠。

扭矩圖如圖5所示，在此仿真中，設(shè)定的周期為1 s，可以看出：（1）扭矩的變化是隨周期的變化而變化；（2）在凸輪向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，顯然凸輪的扭矩是隨著時(shí)間的變化而增大的，當(dāng)凸輪在向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸輪的扭矩是逐漸減少的，在接近與0.75周期時(shí)它達(dá)到最小。

如圖6所示，彈力在X，Y軸上均有一個(gè)分量，這是因?yàn)閺耐馆喥缴隙藭r(shí)推動(dòng)柱塞后，彈簧力沿Y軸時(shí)有一個(gè)向下的；凸輪偏到下端時(shí)推動(dòng)柱塞后，彈簧力沿Y軸有個(gè)向上的分量。從圖上可以看出，彈簧力在Y軸的分量有正負(fù)之分，并且隨著時(shí)間周期的變化，這是合理的。

而在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈簧始終處于壓縮的狀態(tài)，這樣，彈簧的彈力始終向左的。因此彈簧力在X軸上的分量始終是正的，并且周期變化，是合理的。

4 結(jié)論與展望

由于二甲醚的物質(zhì)特性，傳統(tǒng)的噴油泵是不能作為二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵的。通過(guò)對(duì)噴油泵凸輪進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，并結(jié)合噴油泵的結(jié)構(gòu)，在ADAMS中進(jìn)行凸輪模型的建立，得出凸輪扭矩，及柱塞彈簧力的變化特性，可以看出采用切線(xiàn)凸輪來(lái)設(shè)計(jì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵是可行的。

［1］鄧向斌，董紅義，周龍保，等.二甲醚（DME）在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用研究的新進(jìn)展［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（6）：11-14.

［2］ James C，McCandless，HoTeng，etc.Developmentof a liquid-DME Fuel Tank-A Two-Fluid Thermodynamic Pump［C］.SAE Paper 2001-01-0652.2001.Teng H，Madandless JC，Scheyer J B. Viscosity and Lubricity of （liquid）DimethylEcher-An Alternative Fuel for Compression-lgnition Engines［C］.SAE Paper 2002-01-0862.

［3］ Mita T，China Y，Kaku Y，et al.Two delay robust digital control and its applications：Avioding the problem on unstable limiting zeros ［J］.IEEE Trans on Automated Control，1990，35（8）：962-970.

［4］孫少軍，張俊紅，程曉鳴.基于計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)的凸輪軸應(yīng)力分析［J］.現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2005，（4）：14-18.

［5］陳錦華，王吉華，卓越.雙偏心式提前器數(shù)學(xué)模型研究［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2005，（1）：4-6.

［6］嚴(yán)兆大.內(nèi)燃機(jī)測(cè)試技術(shù)［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，1985.

［7］黃民備.一種共軌式電控噴油泵凸輪型線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法［J］.現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2004，（1）：34-36.