滑片泵在二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃料系統(tǒng)低壓回路中的應(yīng)用

馬　駿，張光德，陳清楚，宋文鵬

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

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滑片泵在二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃料系統(tǒng)低壓回路中的應(yīng)用

馬駿，張光德，陳清楚，宋文鵬

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

二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)中，利用高壓氮?dú)夤蘅煽朔曹壢剂舷到y(tǒng)低壓回路中產(chǎn)生的氣阻，但其本身因體積較大等不利于小型化車(chē)載應(yīng)用。本文提出用滑片泵替代高壓氮?dú)夤拮鳛榧訅貉b置，并運(yùn)用AMESim進(jìn)行仿真，模擬滑片泵在低壓回路中的工作過(guò)程，確定其合理的參數(shù)。仿真結(jié)果表明，采用滑片泵作為加壓裝置，當(dāng)取吸油區(qū)窗口幅角為(45°～155°)、壓油區(qū)窗口幅角為(230°～324°)時(shí)，該滑片泵單個(gè)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(mǎn)足二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃料系統(tǒng)低壓回路對(duì)供油壓力的要求；輸出流量的頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而變高，而與偏心距大小無(wú)關(guān)；增大滑片泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和偏心距均可有效增大滑片泵輸出流量及其波動(dòng)幅度;該滑片泵的偏心距為1.5 mm、轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，其輸出流量更接近所需最大供油量4.56 L/min，且波動(dòng)幅度較小。

二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)；共軌燃料系統(tǒng)；低壓回路；加壓裝置；滑片泵; AMESim

隨著汽車(chē)行業(yè)節(jié)能減排要求的不斷提高，二甲醚(DME)因具有高效、無(wú)煙燃燒、低排放、來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，成為一種理想的柴油機(jī)代用燃料。但是，當(dāng)將二甲醚燃料直接用于傳統(tǒng)柴油機(jī)時(shí)，由于二甲醚在常溫常壓下是氣態(tài)，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(guò)程中容易產(chǎn)生氣阻，影響二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性[1]。若要避免氣阻，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)低壓回路的供油壓力須達(dá)到2 MPa，才能最終實(shí)現(xiàn)液態(tài)噴射[2]。James等[3]利用丙烷和二甲醚熱力學(xué)性質(zhì)的不同開(kāi)發(fā)出一種雙流體熱力學(xué)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(zhì)隔開(kāi)，丙烷先于二甲醚汽化，汽化吸熱進(jìn)而確保燃料箱內(nèi)的二甲醚處于過(guò)冷狀態(tài)，達(dá)到減少氣阻的目的，但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護(hù)。張光德等[4]提出利用高壓氮?dú)夤拮鳛槎酌寻l(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃料系統(tǒng)低壓回路的加壓裝置，該裝置可有效避免低壓回路中產(chǎn)生氣阻，但由于氮?dú)夤摅w積大、成本高、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，不利于車(chē)載應(yīng)用。為此，本文擬采用滑片泵替代高壓氮?dú)夤拮鳛槎酌压曹壢剂舷到y(tǒng)低壓回路的加壓裝置，并通過(guò)仿真分析確定滑片泵的參數(shù)，以為其實(shí)際車(chē)載應(yīng)用提供依據(jù)。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出的共軌燃料系統(tǒng)低壓回路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。其工作原理是：常溫下，約0.5 MPa的液態(tài)二甲醚經(jīng)滑片泵初級(jí)加壓后，被輸送至隔膜泵進(jìn)口端，再由隔膜泵進(jìn)一步加壓，注入共軌管，最后由噴油器實(shí)現(xiàn)液態(tài)噴射。

圖1　結(jié)構(gòu)和工作原理圖

2　滑片泵模擬裝置及仿真模型

2.1裝置簡(jiǎn)圖及工作原理

根據(jù)二甲醚共軌燃料系統(tǒng)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(guò)程，設(shè)計(jì)了如圖2所示的滑片泵模擬裝置。該裝置主要由DME儲(chǔ)液罐、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(shù)參數(shù)分別如表1和表2所示。

1—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2—電機(jī)轉(zhuǎn)速表；3—彈簧液壓缸；4—流量計(jì)；5—滑片泵；6—DME儲(chǔ)液罐

表1　液壓缸主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2　滑片泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(chǔ)液罐，出口連接彈簧液壓缸，電機(jī)以某一轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)滑片泵工作，滑片泵將0.5 MPa的DME從儲(chǔ)液罐中吸入，通過(guò)泵體內(nèi)部容積腔體積的連續(xù)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(dòng)液壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。

2.2仿真方法

為使滑片泵在共軌燃料系統(tǒng)中起到減少低壓回路流量波動(dòng)、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(guān)參數(shù)對(duì)滑片泵流量輸出特性的影響。為此，本文在某滑片泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)滑片泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及偏心距，在分析該滑片泵滿(mǎn)足低壓回路流量供給要求的前提下，運(yùn)用AMESim軟件進(jìn)行仿真，計(jì)算其在不同轉(zhuǎn)速、偏心距工況下輸出流量的大小、波動(dòng)幅度和頻率等輸出性能指標(biāo),以確定滑片泵的合理參數(shù)范圍。

2.2.1模型的簡(jiǎn)化與假設(shè)

為使仿真研究更具針對(duì)性，對(duì)模型作如下簡(jiǎn)化與假設(shè)：

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

(2)由于每?jī)蓚€(gè)相鄰的葉片與轉(zhuǎn)子、定子、配流盤(pán)組成的相對(duì)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(fù)載為2 MPa，由液壓缸活塞面積、彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度確定。裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油缸活塞向右運(yùn)動(dòng)位移余量足夠。在數(shù)量級(jí)方面，活塞、活塞桿及彈簧剛度遠(yuǎn)小于彈簧的預(yù)緊力。

(4)將裝置中的液壓介質(zhì)設(shè)置為二甲醚，且假定在滑片泵工作過(guò)程中液態(tài)二甲醚無(wú)空泡現(xiàn)象。

2.2.2模型的建立

根據(jù)滑片泵的工作原理及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從AMESim軟件的基本元件庫(kù)中選取滑片泵(含吸油區(qū)和壓油區(qū))、彈簧活塞液壓缸、轉(zhuǎn)子角位移傳感器、偏心距位移傳感器等結(jié)構(gòu)的相應(yīng)模塊，并將這些模塊按照滑片泵工作裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系連接起來(lái)，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(qū)的示意圖如圖4所示。定義圖4中葉片1與水平線(xiàn)的夾角即其相位角為&，&∈(0°～360°)。

該滑片泵有5個(gè)葉片，它們將滑片泵內(nèi)部分為5個(gè)獨(dú)立腔體，相鄰葉片的夾角為72°。由于AMESim滑片泵模型的特點(diǎn)是以葉片1與葉片2組成的腔體為研究對(duì)象，仿真可以直接得到單個(gè)腔體的流量和壓力在吸、壓油區(qū)隨時(shí)間變化的關(guān)系，但無(wú)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(gè)腔體在壓油區(qū)的輸出流量時(shí)，須在模型中對(duì)葉片1的相位角&進(jìn)行批處理，取0°、72°、144°、216°和288° 共5個(gè)值，即表示5個(gè)腔體同步運(yùn)行，這樣才可得到滑片泵壓油區(qū)連續(xù)輸出流量及壓力隨時(shí)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(qū)示意圖

二甲醚的熱值僅為柴油熱值的64.7%，液態(tài)二甲醚密度為柴油密度的78%，為了達(dá)到原柴油機(jī)動(dòng)力性，以體積計(jì)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(huán)供油量為1500 mm3，最高循環(huán)次數(shù)為1600 次/min，換算可得以二甲醚體積計(jì)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(tǒng)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(jié)果與分析

3.1單個(gè)腔體周期壓力

滑片泵作為容積泵的一種，當(dāng)它運(yùn)行時(shí)，其中每個(gè)腔體的壓力和流量是呈周期性變化的，存在著兩個(gè)過(guò)渡階段壓力波動(dòng)的現(xiàn)象：①腔體從困油區(qū)循環(huán)至吸油區(qū)，容積變大，葉片2掃入吸油區(qū)時(shí)，形成負(fù)壓，出現(xiàn)局部壓力低于0.5 MPa的現(xiàn)象；②腔體從吸油區(qū)循環(huán)至壓油區(qū)，體積先增大后減小，可能會(huì)出現(xiàn)腔體壓力低于0.5 MPa的現(xiàn)象。這兩個(gè)過(guò)程均可使腔體的壓力低于0.5 MPa，導(dǎo)致二甲醚汽化。

根據(jù)滑片泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取合理的配流盤(pán)吸油區(qū)窗口幅角和配流盤(pán)壓油區(qū)窗口幅角，可有效避免液態(tài)二甲醚汽化。經(jīng)對(duì)滑片泵模型配流盤(pán)吸、壓油區(qū)窗口幅角進(jìn)行多次調(diào)試，選取吸油區(qū)窗口幅角為(45°～155°)、壓油區(qū)窗口幅角為(230°～324°)，此時(shí)滑片泵單個(gè)腔體的周期壓力如圖5所示。由圖5中可見(jiàn)，此幅角下單個(gè)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(mǎn)足低壓回路對(duì)壓力的要求。可見(jiàn)滑片泵可以替代高壓氮?dú)夤?，起到在二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃料系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，有利于小型化車(chē)載應(yīng)用。

圖5　單個(gè)腔體周期壓力

3.2單個(gè)腔體的輸出流量

從葉片2進(jìn)入壓油區(qū)配流盤(pán)窗口開(kāi)始，到葉片1離開(kāi)壓油區(qū)配流盤(pán)窗口結(jié)束，在這段時(shí)間內(nèi)，該腔體容積的變化量即為單個(gè)腔體壓油區(qū)的瞬時(shí)流量。

偏心距為2.5 mm，轉(zhuǎn)子分別以300、400、500 r/min 3個(gè)轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)滑片泵單個(gè)腔體的輸出流量如圖6所示。由圖6可以看出，壓油區(qū)流量發(fā)生大幅波動(dòng)前后，均出現(xiàn)流量變?yōu)殡A段性負(fù)值波動(dòng)的現(xiàn)象，此現(xiàn)象與配流窗口參數(shù)有關(guān)，是由于配流盤(pán)窗口中燃油小幅回流至腔體中導(dǎo)致的；在一個(gè)周期內(nèi)，流量發(fā)生波動(dòng)的時(shí)間占半個(gè)周期，此時(shí)腔體處于吸油區(qū)，而腔體處于壓油區(qū)時(shí)流量無(wú)變化；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，單個(gè)腔體輸出流量的循環(huán)周期越短，輸出流量的峰值越大。

圖6　不同轉(zhuǎn)速下單個(gè)腔體的輸出流量

轉(zhuǎn)速為400 r/min、偏心距分別取1.5、2.5、3.5 mm時(shí)單個(gè)腔體的輸出流量如圖7所示。由圖7中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，不同偏心距下單個(gè)腔體壓油區(qū)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(gè)腔體的輸出流量

3.3滑片泵的輸出流量

3.3.1不同轉(zhuǎn)速下滑片泵的輸出流量

偏心距為2.5 mm,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為300、400、500 r/min 時(shí)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(shí)，滑片泵輸出流量的波動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而變大。以300 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，輸出流量為7.2～9 L/min，波動(dòng)幅度為1.8 L/min；以400 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，輸出流量為9.6～12 L/min，波動(dòng)幅度為2.4 L/min；以500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，輸出流量為12～15 L/min，波動(dòng)幅度為3 L/min，可見(jiàn)輸出流量及其波動(dòng)幅度均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而變大。偏心距為2.5 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min時(shí)滑片泵的輸出流量即達(dá)到4.56 L/min的1.5倍以上，滿(mǎn)足流量要求且波動(dòng)幅度相對(duì)最小，因此，偏心距為2.5 mm時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為400 r/min，偏心距分別為1.5、2.5、3.5 mm時(shí)滑片泵的輸出流量如圖9所示。由圖9中可見(jiàn)，偏心距為1.5 mm時(shí)滑片泵輸出流量為5.7 ～7.1 L/min，波動(dòng)幅度為1.4 L/min；偏心距為2.5 mm時(shí)滑片泵輸出流量為9.5～12 L/min，波動(dòng)幅度為2.5 L/min；偏心距為3.5 mm時(shí)滑片泵輸出流量為13.7～17 L/min，波動(dòng)幅度為3.3 L/min，可見(jiàn)當(dāng)滑片泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其輸出流量的波動(dòng)幅度隨偏心距的增大而變大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，偏心距為1.5 mm的滑片泵輸出流量已滿(mǎn)足流量要求且波動(dòng)幅度相對(duì)最小，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時(shí)，滑片泵輸出流量的頻率與偏心距大小無(wú)關(guān)。

3.3.3參數(shù)的對(duì)比選擇

綜上所述，分別取偏心距為2.5 mm、轉(zhuǎn)速為300 r/min和偏心距為1.5 mm、轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，該滑片泵輸出流量大小均可滿(mǎn)足二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給的要求。進(jìn)一步對(duì)比可知，偏心距為1.5 mm、轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)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(dòng)幅度更小，因此，該滑片泵參數(shù)取偏心距1.5 mm、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速400 r/min為宜。

4　結(jié)論

(1)在二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)共軌燃料系統(tǒng)低壓回路中，采用滑片泵可以替代高壓氮?dú)夤奁鸬皆鰤鹤饔?，且由于滑片泵體積小、成本低，利于車(chē)載應(yīng)用。

(2)滑片泵的合理參數(shù)為吸油區(qū)窗口幅角為(45°～155°)、壓油區(qū)窗口幅角為(230°～324°)、偏心距為1.5 mm、轉(zhuǎn)速為400 r/min，此參數(shù)下該滑片泵單個(gè)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(dòng)幅度更小。

[1]張光德，孫敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供給系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)科技，2012(6):1-5.

[2]鄭安文，謝露，王衛(wèi)華，等. DME發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化燃料系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，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(mèng)，謝露，等.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)低壓共軌系統(tǒng)軌壓特性研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,35(3):211-214，218.

[責(zé)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA113)；汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院)開(kāi)放基金項(xiàng)目(ZDK201212)；“汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”研究平臺(tái)資助項(xiàng)目.

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

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

TK46+4

A

1674-3644(2016)04-0278-06