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新型二甲醚共轨系统的开发与研究

作　者: 张晓
导　师: 汪洋
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 二甲醚共轨喷射系统喷油器电磁力仿真喷油规律预喷射燃烧
分类号: TK403
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 98次
引　用: 1次
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内容摘要

二甲醚(DME)具有高十六烷值和无烟燃烧特性,是柴油机的理想替代燃料,但二甲醚低粘度所导致的喷射系统偶件的磨损和泄漏问题,已成为二甲醚车用技术的主要障碍。本文从供油和喷油两个方面,创新性地提出了一种适用于二甲醚燃料喷射的新型共轨式电控喷射系统的解决方案,有效地回避上述两个难题,从而达到彻底解决问题的目的。本文提出基于碰撞原理二甲醚共轨喷油器设计方案:衔铁在自由升程阶段蓄存电磁能并转化为动能,当衔铁与针阀发生撞击时,电磁力、撞击力联合作用在针阀上,确保针阀可靠快速打开。经过仿真计算和样机实验,喷油器的新型工作原理得到证实。研究表明:基于这种工作原理的共轨式电控喷油器具备如下特点:内部无偶件、无回油口、24V电压直接驱动,能灵活地实现预喷射。进一步的研究表明:存在最佳的自由升程,自由升程过大针阀开启响应滞后,过小则针阀开启困难。提出了利用压力转换器,将机油压力转换为二甲醚压力的供油系统方案。开发成功了活塞式和膜片蓄能器式两种压力转换器,成功地解决了二甲醚的加压问题,回避了目前技术中二甲醚油泵柱塞泄漏与磨损问题。针对二甲醚的物理特性和二甲醚喷射系统的特点,自主开发成功了二甲醚喷油规律测试系统,通过不同参数下喷油规律实验,对仿真模型研究的结果进行验证,实验结果表明系统的仿真模型具有较好的可信度。实际喷射系统的开启响应速度可达0.38ms,在PWM驱动下关闭响应速度达到0.68ms;喷射系统可以实现0.4ms间隔的预喷;合理匹配自由和有效升程及优化管路参数可以有效改善系统的喷油特性。根据二甲醚燃料及新型喷射系统的特点,建立了二甲醚燃料发动机的燃烧过程仿真模型,并预测了关键性控制参数对燃烧过程和发动机性能的影响规律,为下阶段的发动机台架实验作好理论准备。研究结果表明:采用25MPa喷射压力可以在满足经济性、动力性的前提下,获得较好NO排放和较低的压力升高率;合理的预喷射量及主喷提前角,可以有效降低NO排放和燃烧噪声,获得比单次喷射更好的NO-指示效率折衷曲线和压力升高率-指示效率折衷曲线。上述工作为二甲醚共轨技术的实用化打下了坚实的理论和技术基础。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-31
  1.1 引言  9-11
  1.2 柴油机排放法规日益严格  11-12
  1.3 内燃机替代燃料的发展与现状  12-15
  1.4 二甲醚—柴油机的优势替代燃料  15-30
    1.4.1 二甲醚的物理参数及特性  15-17
    1.4.2 车用二甲醚的发展现状  17-18
    1.4.3 二甲醚发动机燃油供给喷射系统  18-27
    1.4.4 二甲醚发动机研究中的技术难点问题  27-30
  1.5 本文的研究内容和意义  30-31
第二章新型二甲醚共轨喷射系统原理和数学模型的建立  31-54
  2.1 新型二甲醚喷油器工作原理  31-37
    2.1.1 常规机械喷油器  31-32
    2.1.2 共轨式电控喷油器  32-34
    2.1.3 新型二甲醚共轨喷油器工作原理的提出  34-37
  2.2 二甲醚共轨系统的原理和设计  37-40
    2.2.1 新型二甲醚共轨系统的工作原理  37-38
    2.2.2 压力转换器的设计原理及结构  38-40
  2.3 新型二甲醚喷油器喷射过程的计算模型  40-52
    2.3.1 喷油器喷射过程的动态模型的数学原理  41-45
      2.3.1.1 电路系统  41-42
      2.3.1.2 磁路系统  42
      2.3.1.3 机械运动系统  42-43
      2.3.1.4 液力系统  43-45
    2.3.2 二甲醚喷油器电磁阀三维电磁仿真建模  45-49
      2.3.2.1 电磁阀结构  45-47
      2.3.2.2 电磁场有限元建模  47-48
      2.3.2.3 三维电磁有限元计算模型  48-49
    2.3.3 二甲醚共轨系统的一维液力仿真建模  49-52
      2.3.3.1 二甲醚的热物性参数  49-50
      2.3.3.2 二甲醚共轨系统的模型假设  50-51
      2.3.3.3 二甲醚共轨系统一维液力计算模型  51-52
  2.4 本章小结  52-54
第三章二甲醚共轨喷射系统的仿真研究  54-80
  3.1 二甲醚喷油器的仿真研究  54-73
    3.1.1 二甲醚电控喷油器电磁仿真研究  55-65
      3.1.1.1 导磁材料对电磁阀响应特性的影响  55-58
      3.1.1.2 线圈匝数对电磁阀的响应特性的影响  58-59
      3.1.1.3 衔铁结构对电磁阀响应特性的影响  59-60
      3.1.1.4 主工作间隙和残余间隙对电磁阀响应特性的影响  60-63
      3.1.1.5 其它参数对电磁阀响应特性的影响  63-65
    3.1.2 二甲醚电控喷油器工作过程的液力仿真研究  65-73
      3.1.2.1 自由升程对喷油特性的影响  66-68
      3.1.2.2 有效升程对喷油特性的影响  68-70
      3.1.2.3 弹簧预紧力对喷油特性的影响  70
      3.1.2.4 衔铁质量对喷油特性的影响  70-71
      3.1.2.5 共轨压力和背压对喷油特性的影响  71-72
      3.1.2.6 预喷射对主喷的影响  72-73
  3.2 二甲醚共轨系统的一维流动仿真结果及分析  73-78
    3.2.1 共轨管内径的影响  74
    3.2.2 高压输油管内径和长度的影响  74-75
    3.2.3 高压喷油管内径的影响  75-76
    3.2.4 高压喷油管管长的影响  76-78
  3.3 本章小结  78-80
第四章二甲醚共轨喷射系统的喷油特性实验研究  80-96
  4.1 二甲醚喷油规律测试仪的开发  81-87
    4.1.1 喷油规律的测试原理  81-83
    4.1.2 测试装置容腔容积的参数确定  83-84
    4.1.3 二甲醚喷油规律测试系统设计  84-87
      4.1.3.1 测试系统的硬件配置及传感器  85-86
      4.1.3.2 测试系统的软件设计  86-87
  4.2 二甲醚喷射实验结果与分析  87-95
    4.2.1 二甲醚喷油特性的仿真和实验对比  87-89
    4.2.2 共轨压力及背压对喷油特性的影响  89-91
    4.2.3 自由升程对油量特性的影响  91
    4.2.4 有效升程对油量特性的影响  91-92
    4.2.5 预喷射的实验分析  92-95
  4.3 本章小结  95-96
第五章二甲醚共轨柴油机燃烧过程的多维数值模拟计算  96-110
  5.1 二甲醚发动机的多维数值模拟模型的建立  96-99
    5.1.1 几何模型及网格的建立  96-97
    5.1.2 计算初始参数及边界的确定  97-98
    5.1.3 计算模型的建立  98-99
  5.2 二甲醚与柴油的燃烧过程对比分析  99-102
  5.3 喷射压力和喷油提前角对二甲醚发动机燃烧过程的影响  102-106
  5.4 预喷射对二甲醚发动机燃烧过程的影响  106-108
  5.5 本章小结  108-110
第六章全文总结  110-112
参考文献  112-120
发表论文和科研情况说明  120-121
致谢  121

新型二甲醚共轨系统的开发与研究

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