二甲醚燃料供给系统研究现状及发展趋势

张光德，孙 敬，游彩霞，姚 强，侯忠海

（武汉科技大学 汽车与交通工程学院，武汉 430081）

目前，石油资源日趋减少，石油价格不断上涨，而且随着我国经济的迅猛发展，汽车保有量快速增长，对能源的需求又大幅增加，同时汽车排放污染对环境质量的危害也日益凸显。面对能源短缺和环境污染的双重挑战，科研人员日益关注和深入研究内燃机的低排放、高效率和开发利用新型替代燃料等问题。

柴油作为传统燃料，由于柴油机NOx和颗粒排放量高，限制了使用范围。长期以来世界各国的研究者提出了许多解决措施，如：采取高压喷射系统，优化燃烧室结构，采用可变气门正时技术，采用增压中冷技术，采用废气再循环及尾气后处理装置，采用电子控制技术保证精确控制，提出各种新型燃烧理论等。但要从根本上解决能源短缺和环境污染问题，开发新型替代燃料十分必要。二甲醚经美国及欧洲等一些国家研究发现，将其作为柴油机的代用燃料，可使发动机具有良好的动力、经济性能以及超低的排放特性，同时可以显著降低NOx排放，使排气烟度几乎能达到零，所以受到了广泛的关注。由于二甲醚与柴油在物化性质上存在许多差异，对现有柴油机供油系统进行改造以适应二甲醚燃料仍是目前开发二甲醚发动机的关键。

表1给出了DME和柴油的物理化学特性参数。二甲醚，简称 DME（分子结构 CH3-O-CH3），能从天然气、原油、残油、煤和生物残骸等多种资源中制取，是一种无毒环境友好型燃料。二甲醚常温常压下为气态，在0.5 MPa下液化，易于存储和运输，作为柴油发动机的替代燃料，由于其含氧量高 （近35%）、且在分子结构中没有C-C键的存在，所以几乎能实现无烟燃烧。另外，DME十六烷值高 （大于55），自燃性能好，可以应用在压燃式发动机上，而且能缩短着火延迟时间，降低NOx的排放和噪音。

表1 DME和柴油的物理化学特性参数

1 二甲醚发动机燃油供给系研究现状

国内外关于二甲醚发动机燃料喷射系统性能的研究有很多报道，因为对于二甲醚发动机而言，喷油系统的改进和提高是各种新燃烧技术开发降低排放，提高动力性、经济性和安全可靠性的基础。

二甲醚发动机燃料喷射系统主要有传统的泵—管—嘴系统和新型的可变排量泵或者共轨系统。通常，在对可靠性要求不高的轻型车辆上，二甲醚燃料喷射系统就是在传统的泵—管—嘴系统上稍加改动即可得到［1］。

1.1 二甲醚泵—管—嘴燃料系统研究

Denmark大学的 Sorenson等人［2］就对泵—管—嘴系统稍加改动，在一台非增压直喷小型单缸机（排量为0.237 L）上作了燃用DME的试验。改动目的主要是使DME能正常工作，具体措施有增加了一个稳压用的氦气瓶，防止DME气化而产生气阻现象；喷油器回路中也保持了一定的压力，使DME保持液态，并将它导入喷油泵的入口；适当降低DME的喷射压力。实验表明，对小型单缸直喷机经过改造后燃用DME是可行的，改造费用也十分低廉。泵-管-嘴系统的组成可以充分利用传统柴油机供油系统，因此这也是它的一大优点。

Christensen和Denmark大学的 Sorenson等人［3］也都采用普通的油泵—油管—油嘴系统，做过燃用DME和柴油的对比试验。结果表明：由于二甲醚弹性模量较低，而且受温度和压力的影响很大，所以，相同条件下，DME的实际喷油始点较迟，其喷油初期的油管压力波峰值和压力升高率均较低，喷油持续期较长，残余压力较高，有明显的二次喷射现象发生。另外，传统油泵存在燃料泄漏、柱塞偶件磨损以及易出现气阻等问题。这样就导致了发动机耐久性差，且在高温大负荷下，很难精确控制喷油量和喷油定时，因此传统的泵—管—嘴式的燃料喷射系统不适合DME发动机。同样，转子式喷油泵和单体泵也存在类似的问题。另一方面，从最大喷射压力特性考虑，Tsuchiya 和 Sato［4］指出，在直列式喷油泵上配合使用簧压式针阀式喷油器可能比共轨系统更适合重型二甲醚发动机。

总之，传统的泵—管—嘴燃料系统应用在二甲醚发动机上虽然有优点，但需要进行相应的改进，改造过程也相对较复杂，因而不是未来发展的主要方向。

1.2 二甲醚共轨燃料系统研究

1.2.1 共轨燃料系统特点及组成

由于共轨式燃料供给系统的喷射压力独立于发动机的转速和负荷，可以优化喷油正时、喷油延迟、喷射速率等实现发动机高效率运行，而且共轨系统对DME的低弹性模量不甚敏感，同时，省去传统高压油泵的柱塞结构，这样解决了由于柱塞副磨损带来的配合间隙泄漏问题。Ikeda等［5］的研究也表明多次喷射（包括预喷和后喷）只有在使用共轨燃料喷射系统才能实现；同时，共轨燃料系统可以精确地实现所需要的喷射。因此，有针对性地设计的共轨式燃料喷射系统可能更适合二甲醚发动机［6］。

共轨系统主要包括两个部分：燃料储存、供给部分和燃油喷射部分。对于燃料存储供给部分来说，由于二甲醚的物理性质和LPG相似，因此可以利用现有的LPG存储和运输方式。另外，考虑到传统LPG存储方式过于笨重不利于汽车使用，今年来AVL公司也利用丙烷和DME热力学性质不同开发出一种双流体热力学泵［7］（结构如图1），原理是同温度下丙烷比DME的饱和蒸汽压稍高，在燃料箱中用膜片将这两种物质隔开，丙烷先于二甲醚汽化，汽化吸热进而确保燃料箱内的二甲醚处于过冷状态，减少燃油管中出现气阻现象的几率，同时提供二甲醚流向喷油泵的压力。

二甲醚共轨燃油喷射部分设计和柴油机共轨系统设计的明显不同在于二甲醚共轨系统所要承受的高压不超过30 MPa就可以获得良好的发动机性能，而柴油机可高达160 MPa。在燃料供给和喷射部分直接的高压燃料泵也是共轨系统中的关键部件，由于二甲醚具有低粘度和高压缩性的特点，因此传统的高压泵并不适合，AVL公司已开发出了一种可变排量泵。

这种可变排量泵最大特点是通过改变进油口的节流阀位置来改变进油口的流通面积，使进油口两端的压力差发生改变，从而达到改变油管中燃油质量流量的目的；通过改变油泵的转速来调节油泵的体积流量。因此，只要适当调节节流阀位置和转速的关系，就可以获得发动机所需要的供油速率。

1.2.2 国内外共轨燃料系统研究概况

国内不少高校也都展开了二甲醚共轨燃料系统的研究。天津大学的张晓、汪洋等［8］进行了电控共轨喷油器的设计，设计的喷油器用T型块代替了液力柱塞，除去了回油口，用电磁铁直接驱动针阀喷射，解决了柱塞偶件间的磨损泄漏问题，并且对喷油器的喷油规律等进行了仿真研究。上海交通大学的周小鑫等［9］建立了二甲醚发动机共轨喷油系统模型，通过对共轨管结构、喷油始点以及共轨压力的仿真计算，提出了喷油系统的优化方案。由于二甲醚沸点较低、易汽化，所以供油压力不需要超过25 MPa；另外二甲醚喷射压力不超过30 MPa，本人所在科研团队根据这些特点提出了二甲醚低压共轨燃料系统的设想，并且仿真研究了此种燃油系统的喷射特性，开发了相应的电控喷射系统［10］。

AVL公司的James等研究人员［11］在全面分析了现有的各种DME供油系统 （包括共轨供油系和泵—管—嘴系统）后，提出了一种新型的燃料喷射系统，如图2所示。这种系统是将喷油器的原有回油道堵住，然后在喷油器的人口处增加一个回油叉道，在回油叉道中安装节流孔和背压调节阀。当受到电控单元指令时，共轨单元和喷油器间的电磁阀打开，共轨腔中的高压DME即流向喷油器，此时节流孔由于压力的急剧升高而产生节流效应，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭后，高压油路压力迅速下降，节流孔失去节流效应，DME则经节流孔回到低压油路，喷油器关闭，停止喷油。此系统由于设有节流孔，可有效的避免二次喷射，同时通过调节背压调节阀可以改变喷油器的启喷压力。实验表明此系统完全适合DME的喷射，但同时发现液压柱塞泵的磨损较严重。目前，AVL公司［12］也已经开发出了一种低压共轨燃油喷射系统，同时也有电控单体泵燃油系统喷射系统的报道。

2 二甲醚润滑磨损研究

2.1 国外二甲醚润滑磨损研究

由于二甲醚粘度较低，因此解决二甲醚发动机燃油供给系统的磨损和润滑问题是关键。有学者提出，将DME与其他燃料混合使用，比如柴油等；或者在DME中加入蓖麻油等添加剂来解决问题，但是这无疑会减少燃用DME的优势，具体表现在会产生碳烟排放；此外，添加剂或混合燃料与DME的比例关系如何确定也需要更进一步研究。目前，主要的控制泄漏和磨损的技术措施包括：采用二甲醚—柴油二元燃料；降低喷射压力；采用背压控制泄漏；采用润滑和密封装置等。

在这些方面，技术相对成熟的是AVL公司和瑞典的VOLVO公司。AVL公司在上世纪90年代曾和美国FORD公司合作，在一台DXATA四缸发动机上开展了研究。实验中，在油箱里增加了丙烷隔离层，然后利用其饱和蒸汽压将二甲醚加压10 bar，高压油泵是由斜盘式液压柱塞泵改装而成，共轨和喷油器之间，有一个二位三通电磁阀，用来控制喷油器的喷射定时，喷油器的工作原理与传统机械式喷油器类似，这种设计仍然没有从根本上解决磨损和泄漏问题。瑞典的VOLVO公司也在2005年推出了共轨式二甲醚电控喷射系统，由于也采用柱塞泵直接对二甲醚燃料进行加压，所以柱塞副磨损问题依然存在［13］。

2.2 国内二甲醚润滑磨损研究

国内许多高校也都进行了二甲醚润滑等方面的研究。西安交通大学的黄卓勇、胡铁钢等［14］进行了改进二甲醚燃料润滑性能的研究，结果表明在二甲醚燃料中加入不同种类和配比的润滑改进剂后，可以在保证完全互溶的情况下使燃油系统获得足够润滑；汪映、周龙保等［15］开展了润滑添加剂对二甲醚发动机性能影响的试验研究，试验表明添加适合的润滑添加剂可以保证二甲醚发动机清洁高效燃烧。太原理工大学的高建鹏［16］对二甲醚—柴油混合燃料对高压油泵柱塞偶件的磨损进行了试验研究，提出了一种可有效改善高压油泵柱塞偶件磨损的二甲醚—柴油混合燃料。

2.2.1 二甲醚发动机燃料喷射系统防磨损与泄漏策略

国内外相关学者对二甲醚发动机燃料喷射系统的研究表明［17］，均值压燃（HCCI）由于燃料适应性较好，更适合二甲醚发动机。针对HCCI容易导致低负荷失火、高负荷爆燃等问题，本研究团队提出二甲醚可控预混合燃烧（CPC）概念，研制了由主燃烧室和预混合室（副燃烧室）组成的燃烧系统。一方面，之前的研究表明共轨式燃料系统较适宜于二甲醚发动机；另一方面，由于二甲醚挥发性好，且是在压缩行程初期被喷入预混合室，因此可将喷射压力控制在10 MPa左右，即形成低压共轨系统。具体的防磨损与泄漏策略包括2个部分：用前面介绍的隔膜泵取代传统喷油泵；开发了磨损自补偿喷油器和独立润滑喷油器。

液压隔膜泵目前一般用于石油化工、冶金、矿山、水泥等行业，若直接用于二甲醚发动机会有体积大、输出压力相对较低、压力脉动较大等不足之处。因此为了满足汽车供油泵的要求，本项目组开发出直列隔膜式燃料泵。该泵主要由动力传动机构、液压油供给控制系统、泵头机构三大部分组成。工作原理是凸轮轴转动，带动柱塞作往复运动；液压油随着柱塞的往复运动，挤压隔膜，依靠柔性隔膜片的来回鼓动达到吸入和排出液体介质目的。

这种直列隔膜式燃料泵最大的特点在于将二甲醚和柱塞通过隔膜完全隔开，因此，用该泵代替传统柱塞泵可以从根本上解决柱塞的磨损泄露问题，同时又利用了传统柱塞式喷油泵运行稳定、频率高的优点。

喷油器是二甲醚发动机燃油喷射系统的重要组成部件，喷油器性能的好坏直接影响发动机的整体性能［18］。项目组自主开发的磨损自补偿喷油器和独立润滑喷油器的结构原理图如图3。

磨损自补偿喷油器取消了传统柴油机喷油器中的回油管道和精密偶件，阀芯的阀杆与阀体的接触部分磨损不会产生燃油泄漏问题，阀芯锥面的磨损可以由阀芯弹簧的预紧力进行补偿，确保密封锥面可靠密封。因此，从结构原理上讲，磨损自补偿喷油器使用低粘度的二甲醚液体是完全可行的。

独立润滑喷油器在传统柴油机喷油器中增加一套独立的强制润滑装置，在喷油器工作过程中，针阀偶件由外界提供的润滑介质强制润滑。为确保相应的润滑效果，需防止二甲醚燃料由压力室渗入到润滑腔，故将润滑腔的压力调节为始终略高于二甲醚喷射压力的状态。

磨损自补偿喷油器的模拟仿真实验表明，其喷油特性处于合理趋势，但由于其涉及到新的喷射原理，因此其喷射规律、喷雾特性以及可靠性等有待进一步研究。独立润滑喷油器的模拟仿真实验表明，其不仅能保证其针阀偶件的润滑效果，而且更有利于根据工作需要选择较为合适的润滑介质。该喷油器的针阀运动状况、喷油规律等特性合理；润滑介质的泄漏量很小，对喷油过程和针阀运动的影响可以忽略不计。

3 总结

国内外的研究成果充分表明二甲醚作为柴油替代燃料非常有潜力。开发二甲醚燃料系统必须首先解决的是燃料泄漏，精密偶件的磨损和润滑问题；其次，需要根据二甲醚高压缩性且压缩性随温度压力变化较大等特点，开发出相应的燃料供给装置。从各种供给系统的对比当中，可以看出共轨式燃料系统较适宜于二甲醚发动机，将来电控共轨式二甲醚燃料供给系统会是发展方向。对于二甲醚发动机喷射系统的磨损和泄漏问题，国内外也取得了一系列进展，随着研究的进一步深入，二甲醚发动机实用化将成为现实。

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