二甲醚发动机凸轮转矩的研究

姚 强，张光德，王卫华，游彩霞，张 旺

（武汉科技大学 汽车与交通工程学院，武汉430081）

随着石油短缺，迫切的需要寻找新型的代用燃料来解决石油短缺的问题。二甲醚因其着火性好，燃烧效率高、来源广泛等突出优点，已成为柴油机比较有发展前途的清洁代用燃料之一［1］。但二甲醚的理化特性需对传统柴油机喷油泵进行改进，凸轮作为二甲醚喷油泵推动柱塞运动的重要部件，对流量、压力的变化都有着直接影响。因此，需要研究凸轮扭矩随所受力的变化规律。

1 概述

喷油泵是柴油机的一个重要组成部分，被视为柴油发动机的”心脏”部件，它一旦出问题整个柴油机将工作失常。

DME在常温、常压下是气态的，沸点较低，粘度只有柴油的0.05~0.1倍。很明显，如果直接将其在现有的柴油机上使用，将会带来两方面的问题：第一，其供油系统管路容易产生气阻现象，柴油机供油系统的柱塞副、出油阀与出油阀座、针阀与针阀体三大相对运动的精密偶件会因为润滑不良加快磨损并引起泄漏的问题；第二，由于二甲醚的热值低，必须加大喷油泵中柱塞直径和柱塞的有效行程，加大喷油器中喷油孔直径等方法来提高发动机每循环供油量。

因此，必须对柴油机喷油泵进行改进，对二甲醚喷油泵所能达到的压力进行精确计算，凸轮轴的扭矩大小起着关键的作用。

目前喷油泵凸轮扭矩测量主要有两种方式：一是采用细长弹性轴作传感器，测量其扭转角度位移（相位差法），或测量其表面的应力（应变法）；二是采用低惯量、大电流电动机拖动喷油泵，测量电机的瞬态功率和瞬态转速，从而换算瞬态驱动扭矩。前一种方案测量平均扭矩比较有效，对测量瞬态扭矩往往响应性不够，测量结果不理想。后一种方案，由于实验设备比较昂贵，目前国内还没有采用此原理的专用设备。为了解喷油泵工作能力提高之后，其驱动扭矩峰值的变化，本文采用测量泵端压力和计算的方法求解喷油泵的驱动扭矩。喷油泵的泵端压力采用压阻式压力传感器测量。根据传统柱塞喷油泵的结构（见图1），若忽略摩擦阻力，竖直方向作用在滚轮中心的力主要有柱塞弹簧力、运动质量的惯性力和喷油泵的泵端压力作用在柱塞上的压力［3，4］。

2 发动机凸轮扭矩算法的推导

2.1 柱塞的运动过程

柱塞在向上运动的全行程中，包括预备行程、减压带行程、有效行程和剩余行程。各行程如图2所示。

（1）柱塞的预备行程h1：柱塞从下止点上升到其上端面将进油孔完全关闭时所移动的距离。

（2）柱塞的减压带行程h2：柱塞从预备行程结束到出油阀开启（减压带开始离开阀座的导孔）时所移动的距离。

（3）柱塞的有效行程h3：柱塞从出油阀开启，到柱塞的螺旋线或斜槽上线打开回油孔时移动的距离。

（4）剩余行程h4：柱塞从有效行程结束（开始回油），上升到上止点时移动的距离。

2.2 简化模型

凸轮的简化模型如图3所示。

弹簧力为Fsp；惯性力为Fm；泵端压力作用力为Fp；运动质量为m；凸轮升程为h；弹簧刚度为k；弹簧预紧力为F0；凸轮转速为n；泵端压力为p；柱塞直径为dp。

在图3中，弹簧力为：

式中：F为沿柱塞运动方向向下加在滚轮上的力；F1为沿滚轮凸轮接触面法向的作用力；F2为垂直于挺柱体导向孔的侧向力；α为F1和F1之间的夹角，即F 的压力角；对滚轮作受力分析［5，6］，如图 1。

可以计算得到：

设凸轮的基圆半径为r0；滚轮的半径为r1；凸轮的升程为h（如果滚轮位于基圆上，则为0）；l=OC；则在三角形O1OC中可以得出：

由公式（1）~（10），可以计算出泵的驱动扭矩，泵端压力p可以通过测量得到，、可以从凸轮的线形设计的数据计算求得［7，8］。 公式（10）我们还可以从另外的一个方面去理解它。如果忽略摩擦力做的功，则竖直方向的力做的功由驱动扭矩所作的功来克服，两个功应相等。如果泵转速恒定，则两个功应相等，即M=。

3 凸轮模型的建立

3.1 ADAMS软件简介

ADAMS，即机械系统动力学自动分析（Auto matic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）， 该软件是美国 MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的虚拟样机分析软件。

ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

3.2 ADAMS中凸轮模型的建立及仿真

仿真过程中，凸轮的质量设定为1 kg，凸轮的转速为60 r/min，滚珠的质量忽略。

ADAMS中凸轮模型 （见图4），其中左边是凸轮，右边为一个凸轮推动的滚珠。

扭矩图如图5所示，在此仿真中，设定的周期为1 s，可以看出：（1）扭矩的变化是随周期的变化而变化；（2）在凸轮向左运动时，显然凸轮的扭矩是随着时间的变化而增大的，当凸轮在向右运动时，凸轮的扭矩是逐渐减少的，在接近与0.75周期时它达到最小。

如图6所示，弹力在X，Y轴上均有一个分量，这是因为从凸轮偏到上端时推动柱塞后，弹簧力沿Y轴时有一个向下的；凸轮偏到下端时推动柱塞后，弹簧力沿Y轴有个向上的分量。从图上可以看出，弹簧力在Y轴的分量有正负之分，并且随着时间周期的变化，这是合理的。

而在整个运动过程中弹簧始终处于压缩的状态，这样，弹簧的弹力始终向左的。因此弹簧力在X轴上的分量始终是正的，并且周期变化，是合理的。

4 结论与展望

由于二甲醚的物质特性，传统的喷油泵是不能作为二甲醚发动机喷油泵的。通过对喷油泵凸轮进行简化计算，并结合喷油泵的结构，在ADAMS中进行凸轮模型的建立，得出凸轮扭矩，及柱塞弹簧力的变化特性，可以看出采用切线凸轮来设计二甲醚发动机喷油泵是可行的。

［1］邓向斌，董红义，周龙保，等.二甲醚（DME）在压燃式发动机上应用研究的新进展［J］.内燃机工程，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］孙少军，张俊红，程晓鸣.基于计算机辅助工程（CAE）技术的凸轮轴应力分析［J］.现代车用动力，2005，（4）：14-18.

［5］陈锦华，王吉华，卓越.双偏心式提前器数学模型研究［J］.山东内燃机，2005，（1）：4-6.

［6］严兆大.内燃机测试技术［M］.浙江：浙江大学出版社，1985.

［7］黄民备.一种共轨式电控喷油泵凸轮型线的设计方法［J］.现代车用动力，2004，（1）：34-36.