滑片泵在二甲醚发动机共轨燃料系统低压回路中的应用

马　骏，张光德，陈清楚，宋文鹏

(武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)



滑片泵在二甲醚发动机共轨燃料系统低压回路中的应用

马骏，张光德，陈清楚，宋文鹏

(武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)

二甲醚发动机中，利用高压氮气罐可克服共轨燃料系统低压回路中产生的气阻，但其本身因体积较大等不利于小型化车载应用。本文提出用滑片泵替代高压氮气罐作为加压装置，并运用AMESim进行仿真，模拟滑片泵在低压回路中的工作过程，确定其合理的参数。仿真结果表明，采用滑片泵作为加压装置，当取吸油区窗口幅角为(45°～155°)、压油区窗口幅角为(230°～324°)时，该滑片泵单个腔体输入压力可保持在0.5 MPa之上，峰值输出压力为2 MPa，满足二甲醚发动机共轨燃料系统低压回路对供油压力的要求；输出流量的频率随转子转速的增大而变高，而与偏心距大小无关；增大滑片泵转子转速和偏心距均可有效增大滑片泵输出流量及其波动幅度;该滑片泵的偏心距为1.5 mm、转速为400 r/min时，其输出流量更接近所需最大供油量4.56 L/min，且波动幅度较小。

二甲醚发动机；共轨燃料系统；低压回路；加压装置；滑片泵; AMESim

随着汽车行业节能减排要求的不断提高，二甲醚(DME)因具有高效、无烟燃烧、低排放、来源广泛等特点，成为一种理想的柴油机代用燃料。但是，当将二甲醚燃料直接用于传统柴油机时，由于二甲醚在常温常压下是气态，其饱和蒸气压约为0.5 MPa，且温度越高饱和蒸气压越大，因此在供给过程中容易产生气阻，影响二甲醚发动机工作的稳定性[1]。若要避免气阻，发动机燃料系统低压回路的供油压力须达到2 MPa，才能最终实现液态喷射[2]。James等[3]利用丙烷和二甲醚热力学性质的不同开发出一种双流体热力学泵，原理是同温度下丙烷比二甲醚的饱和蒸气压稍高，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，达到减少气阻的目的，但该装置结构复杂，不易维护。张光德等[4]提出利用高压氮气罐作为二甲醚发动机共轨燃料系统低压回路的加压装置，该装置可有效避免低压回路中产生气阻，但由于氮气罐体积大、成本高、维护保养复杂，不利于车载应用。为此，本文拟采用滑片泵替代高压氮气罐作为二甲醚共轨燃料系统低压回路的加压装置，并通过仿真分析确定滑片泵的参数，以为其实际车载应用提供依据。

1　系统结构及工作原理

本文提出的共轨燃料系统低压回路的结构原理图如图1所示。其工作原理是：常温下，约0.5 MPa的液态二甲醚经滑片泵初级加压后，被输送至隔膜泵进口端，再由隔膜泵进一步加压，注入共轨管，最后由喷油器实现液态喷射。

图1　结构和工作原理图

2　滑片泵模拟装置及仿真模型

2.1装置简图及工作原理

根据二甲醚共轨燃料系统低压回路加压性能的要求，为模拟低压回路中滑片泵工作过程，设计了如图2所示的滑片泵模拟装置。该装置主要由DME储液罐、驱动电机、滑片泵和弹簧液压缸组成，其中液压缸和滑片泵的主要技术参数分别如表1和表2所示。

1—驱动电机；2—电机转速表；3—弹簧液压缸；4—流量计；5—滑片泵；6—DME储液罐

表1　液压缸主要设计参数

表2　滑片泵主要结构参数

滑片泵模拟装置的工作原理为：滑片泵入口连接压力约为0.5 MPa的DME储液罐，出口连接弹簧液压缸，电机以某一转速驱动滑片泵工作，滑片泵将0.5 MPa的DME从储液罐中吸入，通过泵体内部容积腔体积的连续周期性变化，加压到2 MPa后输送至弹簧液压缸左边腔体，使左边腔体的容积不断变大，推动液压缸活塞向右运动。

2.2仿真方法

为使滑片泵在共轨燃料系统中起到减少低压回路流量波动、消除气阻、保证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，研究相关参数对滑片泵流量输出特性的影响。为此，本文在某滑片泵结构参数的基础上，通过调节滑片泵转子的转速及偏心距，在分析该滑片泵满足低压回路流量供给要求的前提下，运用AMESim软件进行仿真，计算其在不同转速、偏心距工况下输出流量的大小、波动幅度和频率等输出性能指标,以确定滑片泵的合理参数范围。

2.2.1模型的简化与假设

为使仿真研究更具针对性，对模型作如下简化与假设：

(1)用恒压为0.5 MPa的液压源替代储存有饱和蒸气压的二甲醚储液罐，忽略装置中入口出口油管结构因素(如油管的直径、油管的长径比等)引起的流量、压力波动。

(2)由于每两个相邻的叶片与转子、定子、配流盘组成的相对密封腔体的容积呈周期性变化，故忽略这些元件摩擦副间的泄漏。

(3)滑片泵压力负载为2 MPa，由液压缸活塞面积、弹簧预紧力和弹簧刚度确定。装置运转时，油缸活塞向右运动位移余量足够。在数量级方面，活塞、活塞杆及弹簧刚度远小于弹簧的预紧力。

(4)将装置中的液压介质设置为二甲醚，且假定在滑片泵工作过程中液态二甲醚无空泡现象。

2.2.2模型的建立

根据滑片泵的工作原理及其运动过程，从AMESim软件的基本元件库中选取滑片泵(含吸油区和压油区)、弹簧活塞液压缸、转子角位移传感器、偏心距位移传感器等结构的相应模块，并将这些模块按照滑片泵工作装置的结构和运动关系连接起来，建立滑片泵工作装置的仿真模型，如图3所示。滑片泵压油区的示意图如图4所示。定义图4中叶片1与水平线的夹角即其相位角为&，&∈(0°～360°)。

该滑片泵有5个叶片，它们将滑片泵内部分为5个独立腔体，相邻叶片的夹角为72°。由于AMESim滑片泵模型的特点是以叶片1与叶片2组成的腔体为研究对象，仿真可以直接得到单个腔体的流量和压力在吸、压油区随时间变化的关系，但无法直接得到滑片泵整体输出流量特性，因此在研究该滑片泵5个腔体在压油区的输出流量时，须在模型中对叶片1的相位角&进行批处理，取0°、72°、144°、216°和288° 共5个值，即表示5个腔体同步运行，这样才可得到滑片泵压油区连续输出流量及压力随时间的变化情况。

图3　滑片泵模拟装置仿真模型

图4　滑片泵压油区示意图

二甲醚的热值仅为柴油热值的64.7%，液态二甲醚密度为柴油密度的78%，为了达到原柴油机动力性，以体积计二甲醚供给量约为柴油供油量的1.9倍。以日本电装公司的ECD-U2HP4为参照，其高压泵的最大循环供油量为1500 mm3，最高循环次数为1600 次/min，换算可得以二甲醚体积计的高压泵最大供油量约为4.56 L/min，即在二甲醚共轨燃料系统低压回路中，滑片泵的输出流量须不小于最大供油量4.56 L/min。

3　仿真结果与分析

3.1单个腔体周期压力

滑片泵作为容积泵的一种，当它运行时，其中每个腔体的压力和流量是呈周期性变化的，存在着两个过渡阶段压力波动的现象：①腔体从困油区循环至吸油区，容积变大，叶片2扫入吸油区时，形成负压，出现局部压力低于0.5 MPa的现象；②腔体从吸油区循环至压油区，体积先增大后减小，可能会出现腔体压力低于0.5 MPa的现象。这两个过程均可使腔体的压力低于0.5 MPa，导致二甲醚汽化。

根据滑片泵结构参数，选取合理的配流盘吸油区窗口幅角和配流盘压油区窗口幅角，可有效避免液态二甲醚汽化。经对滑片泵模型配流盘吸、压油区窗口幅角进行多次调试，选取吸油区窗口幅角为(45°～155°)、压油区窗口幅角为(230°～324°)，此时滑片泵单个腔体的周期压力如图5所示。由图5中可见，此幅角下单个腔体的输入压力均居于0.5 MPa之上，呈周期变化；输出压力为2 MPa，满足低压回路对压力的要求。可见滑片泵可以替代高压氮气罐，起到在二甲醚发动机共轨燃料系统低压回路中增压的作用。另外由于滑片泵具有体积小、重量轻的优点，有利于小型化车载应用。

图5　单个腔体周期压力

3.2单个腔体的输出流量

从叶片2进入压油区配流盘窗口开始，到叶片1离开压油区配流盘窗口结束，在这段时间内，该腔体容积的变化量即为单个腔体压油区的瞬时流量。

偏心距为2.5 mm，转子分别以300、400、500 r/min 3个转速运行时滑片泵单个腔体的输出流量如图6所示。由图6可以看出，压油区流量发生大幅波动前后，均出现流量变为阶段性负值波动的现象，此现象与配流窗口参数有关，是由于配流盘窗口中燃油小幅回流至腔体中导致的；在一个周期内，流量发生波动的时间占半个周期，此时腔体处于吸油区，而腔体处于压油区时流量无变化；转子的转速越高，单个腔体输出流量的循环周期越短，输出流量的峰值越大。

图6　不同转速下单个腔体的输出流量

转速为400 r/min、偏心距分别取1.5、2.5、3.5 mm时单个腔体的输出流量如图7所示。由图7中可以看出，当转速为400 r/min时，不同偏心距下单个腔体压油区输出流量的周期不变，而流量峰值则随偏心距的增大而增大。

图7　不同偏心距下单个腔体的输出流量

3.3滑片泵的输出流量

3.3.1不同转速下滑片泵的输出流量

偏心距为2.5 mm,转子转速分别为300、400、500 r/min 时滑片泵的输出流量如图8所示。由图8中可知，偏心距一定时，滑片泵输出流量的波动频率随转子转速的增大而变大。以300 r/min的转速运行时，输出流量为7.2～9 L/min，波动幅度为1.8 L/min；以400 r/min的转速运行时，输出流量为9.6～12 L/min，波动幅度为2.4 L/min；以500 r/min的转速运行时，输出流量为12～15 L/min，波动幅度为3 L/min，可见输出流量及其波动幅度均随转子转速的增大而变大。偏心距为2.5 mm时，转速达到300 r/min时滑片泵的输出流量即达到4.56 L/min的1.5倍以上，满足流量要求且波动幅度相对最小，因此，偏心距为2.5 mm时，转子转速宜取为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输出流量

转子转速为400 r/min，偏心距分别为1.5、2.5、3.5 mm时滑片泵的输出流量如图9所示。由图9中可见，偏心距为1.5 mm时滑片泵输出流量为5.7 ～7.1 L/min，波动幅度为1.4 L/min；偏心距为2.5 mm时滑片泵输出流量为9.5～12 L/min，波动幅度为2.5 L/min；偏心距为3.5 mm时滑片泵输出流量为13.7～17 L/min，波动幅度为3.3 L/min，可见当滑片泵转子转速一定时，其输出流量的波动幅度随偏心距的增大而变大。转子转速为400 r/min时，偏心距为1.5 mm的滑片泵输出流量已满足流量要求且波动幅度相对最小，因此转子转速为400 r/min时，偏心距宜取为1.5 mm。

(a)偏心距为1.5 mm

(b)偏心距为2.5 mm

(c)偏心距为3.5 mm

由图9中还可看出，转子转速一定时，滑片泵输出流量的频率与偏心距大小无关。

3.3.3参数的对比选择

综上所述，分别取偏心距为2.5 mm、转速为300 r/min和偏心距为1.5 mm、转速为400 r/min时，该滑片泵输出流量大小均可满足二甲醚发动机燃料供给的要求。进一步对比可知，偏心距为1.5 mm、转速为400 r/min时滑片泵的输出流量与所需最大供油量4.56 L/min更接近，且流量波动幅度更小，因此，该滑片泵参数取偏心距1.5 mm、转子转速400 r/min为宜。

4　结论

(1)在二甲醚发动机共轨燃料系统低压回路中，采用滑片泵可以替代高压氮气罐起到增压作用，且由于滑片泵体积小、成本低，利于车载应用。

(2)滑片泵的合理参数为吸油区窗口幅角为(45°～155°)、压油区窗口幅角为(230°～324°)、偏心距为1.5 mm、转速为400 r/min，此参数下该滑片泵单个腔体输入压力可保持在0.5 MPa之上，峰值输出压力为2 MPa，输出流量与低压回路所需最大供油量4.56 L/min更接近，且波动幅度更小。

[1]张光德，孙敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供给系统研究现状及发展趋势[J].汽车科技，2012(6):1-5.

[2]郑安文，谢露，王卫华，等. DME发动机实用化燃料系统需解决的关键技术[J]. 拖拉机与农用运输车，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]张光德，李梦，谢露，等.二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究[J].武汉科技大学学报，2012,35(3):211-214，218.

[责任编辑郑淑芳]

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

湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA113)；汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室(湖北汽车工业学院)开放基金项目(ZDK201212)；“汽车零部件技术湖北省协同创新中心”研究平台资助项目.

马骏(1990-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail:503799367@qq.com

张光德(1964-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:gd-zhang@wust.edu.cn

TK46+4

A

1674-3644(2016)04-0278-06