基于HCCI二甲醚发动机燃料喷射系统防磨损与泄漏基础研究

发动机燃料喷射系统磨损与泄漏是目前制约清洁能源二甲醚推广应用的瓶颈问题。基于二甲醚易雾化物性和均质压燃（HCCI）理论，拟采取隔膜泵加压的低压喷射方案，采用独立强制润滑喷油器或磨损自补偿喷油器，设计低压电控燃料喷射系统，构建可控预混合燃烧（CPC）系统。研究隔膜泵的供油特性，建立隔膜泵、电控单元优化模型；研究喷射压力、时间、喷射量等对自补偿喷射过程的影响规律，建立喷雾数学模型，探索自补偿喷射规律与喷雾特性；重点研究润滑剂种类、压力、二甲醚渗入量等对针阀偶件摩擦表面微观结构的影响规律，建立摩擦副界面润滑剂压力和油膜厚度分布规律数学模型，揭示独立强制润滑机理。该方案可望从根本上解决磨损与泄漏难题，是对润滑理论和方法的贡献；可使可控预混合燃烧成为现实，从而克服均质压燃着火时刻难以控制的技术障碍，是对HCCI理论的发展与完善。研究成果为包括二甲醚在内的低粘性燃料发动机的研制提供基础数据和理论依据。

本项目依据均质压燃（HCCI）理论，设计了可控预混合燃烧系统，利用隔膜泵、自补偿喷油器或者独立润滑喷油器构建低压电控燃料喷射系统，用与国内外大多同行不同的途径解决了现有二甲醚燃料喷射系统的润滑与密封问题；且对隔膜泵特性、电控燃料喷射系统优化以及自补偿喷射规律进行了研究。研制了低压共轨喷射系统，并进行了系列的试验研究。分析了共轨压力、针阀升程和转速对燃料喷射过程的影响，揭示了低压共轨燃料喷射规律。设计开发出一种二甲醚发动机用直列隔膜式燃料泵。该泵采用发动机直接驱动和柱塞往复运动挤压隔膜的工作方案，结构简单。并对其凸轮机构进行了专门的设计。选用对心滚子直动从动件平面凸轮机构，建立了各阶段运动规律的数学模型，运用MATLAB软件得到了柱塞运动规律曲线及泵的瞬时流量曲线。研究表明，柱塞的运动规律能保证凸轮机构工作平稳，无冲击，能实现泵的流量脉动小，且能满足车用小型化的要求。对针阀导向段的实际磨损情况的研究后，提出了针阀导向段表面被磨损的主要原因之一是针阀动态失稳。由于动态失稳，针阀的轴线不能维持原有的直线平衡状态，针阀轴线上各点产生了垂直于轴向的位移，因此，它的外表面与阀体的内表面相接触，破坏了润滑油膜，使得运动中的针阀产生了磨损。因此，防止针阀的动态失稳就能在很大的程度上减少磨损。为防止针阀磨损提出了针阀动力稳定性的计算模型。针阀是一端固定、另一端自由并且两端作用着随时间而变化的轴向力S（t）的压杆。此外，还对压杆动态稳定性的经典公式进行了合理的改变，使它符合提出的计算模型，方便计算。它对预测和防止针阀磨损有良好实用价值。研究了磨损自补偿喷油器低压共轨燃料供给系统二甲醚供给压力、时间以及喷射量之间的变化规律，建立了数学模型，探讨了二甲醚燃料自补偿喷射规律和喷雾特性。利用AMESim软件仿真建模分析了独立润滑喷油器的泄漏特性。深入探讨了独立润滑喷油器的润滑机理，同时结合试验验证了独立润滑喷油器的可用性。研究表明，两种喷油器均有良好的工作特性；独立润滑喷油器的可靠性和实用性则更强。本研究提出的防磨损和泄漏策略，可使可控预混合燃烧成为现实，从而克服均质压燃着火时刻难以控制的技术障碍，为清洁燃料二甲醚发动机的实用化起到积极的推动作用，研究结论是对HCCI理论一个有益的补充。