柴油机上掺烧二甲醚的研究和系统毕业设计

《柴油机上掺烧二甲醚的研究和系统毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柴油机上掺烧二甲醚的研究和系统毕业设计（31页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 . 本科毕业设计(论文)题目名称：柴油机上掺烧二甲醚的研究和 系统设计 学 院：专业年级：学生：班级学号：指导教师：二XXX年六月十日摘要随着人们对环境污染重视程度的提高，世界各国对燃机排放的限制也日益严格。二甲醚燃料是国际上近年来新出现的很有发展前途的超低排污代用燃料。在各种柴油机上的试验结果表明，二甲醚能够实现柴油机高效、超低排放、柔和无烟燃烧。鉴于目前二甲醚的产量较低，且生产成与运输本也较高的现状，我们进行了柴油机上掺烧二甲醚的研究。这样充分利用二甲醚好的雾化特性和柴油好的润滑特性，不仅可以降低排放，而且解决了燃用纯二甲醚燃油系统磨损问题和泄漏问题。本文通过二甲醚现状、生产工艺、以与二

2、甲醚的特性的分析,对在柴油机上掺烧二甲醚进行了比较全面的研究,并对掺烧系统做了相关的设计。关键词：柴油机 二甲醚 掺烧 系统设计AbstractWith peoples increased attention to the environmental popllution,the emissions from the internal combustion ergine in conntries all over the world are also increasingly stringent restrictions.DME fuel which emerges internationll

3、y is the promising ultra-low-emissions alternative fuel.Its shown by the test result in all kinds of the diesel engines combustion efficient,ultra-low emission and soft smoke-free.Because of the current low production of DME,the high cost of the production and transport,we make a study about belendi

4、ng with DME in the diesel engine.By making full use of the dimethyl ethers good atomization and the diesel engines good characteristics of lubricating,emissions can be reduced and leakages problems of the burning pure DME fuel system can be solved.By analysing the DMEs status quo,production technolo

5、y and the DME characteristics, a comprehensive study and a system design about belending with DME in the diesel engine is made in this paperKeywords：DieselDimethyl etherDlended withSystem Design25 / 31目录摘要IAbstractII1 绪论51.1 引言51.2 课题研究的目的和意义52 二甲醚的现状62.1 二甲醚的特性62.2 国外对柴油机燃用二甲醚的研究现状73 国外二甲醚生产工艺技术的发展

6、93.1 二步法93.2 一步法93.3 两种生产方法的比较103.4 二氧化碳加氢直接合成二甲醚104 二甲醚氧化和燃烧的化学动力学机理124.1 二甲醚化学动力学模型124.2 二甲醚氧化机理124.3 二甲醚化学动力模型的应用135 柴油机上二甲醚掺烧方案研究和系统设计145.1 柴油机上二甲醚掺烧方案研究145.1.1 柴油机上掺烧代用燃料的方式145.1.2 柴油机上两种二甲醚的掺烧方案155.1.3 论文方案的选择175.2 机械部分的设计175.2.1 混合油箱的设计185.2.2 执行机构的选用225.3 电控测控系统组成225.3.1 主控单元235.3.2 传感器部分245

7、.3.3 输入信号调理模块和输出信号驱动模块246 二甲醚掺烧在柴油机中产生的问题256.1 二甲醚掺烧在柴油机中产生的问题256.2 结论257 总结与展望26参考文献27致28千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。1 绪论1.1 引言目前，全球发展面临着环境和能源两大挑战。据估计，从现在起全球的石油资源还可以用67年，天然气的储量也最多只可以使用123年，因此开发一种新型可再生能源显得尤其重要。由于压燃式发动机有较高的压缩比，因而它比火花点火式发动机具有更高的热效率，在工程机械、大型动力装置以与运输车辆上有广泛的应用，但由于其具有振动剧烈

8、、噪声较高、NO和PM排放很高的缺点，限制了它在乘用车上的普与和推广。为了保护环境，针对发动机的排放法规越来越严格，如何能同时降低NO和PM的排放是当前研究的一个重点。基于上面两个原因，早在20世纪80年代人们就相继开展了各种含氧燃料(许多是生物燃料)在柴油机上的研究与应用，特别是对甲醇和乙醇在柴油机和汽油机上的应用进行了研究。由于乙醇的十六烷值很低，不能实现自燃，在柴油机上应用需要一套点火装置，但是点火装置在柴油机工作条件下的可靠性受到了挑战。由于二甲醚有良好的着火性能，人们尝试将一定比例的二甲醚加入到甲醇或乙醇中作为助燃剂。1995年，Sorenson，AVL，AMOCO公司和Haldor

9、 Topsoe公司首次提出了将二甲醚作为柴油机的代用燃料，并实现了无烟化，达到了加州的ULEV标准。此后，各国研究人员对二甲醚作为柴油机代用燃料进行了广泛的研究。1.2 课题研究的目的和意义通过对国外柴油机汽车中掺烧二甲醚（DME）的调查研究和系统设计来提高自身专业知识水平，锻炼各种综合能力，并为二甲醚（DME）在柴油机中的应用不断发展作参考。2 二甲醚的现状2.1 二甲醚的特性二甲醚在工业上用作喷雾剂已有一段时间，主要以煤、天然气、生物有机物等为原料制取，首先制取甲醇，然后由甲醇脱水制成二甲醚。二甲醚(Dimethylether)，简称DME，化学分子式CH3OCH3，是结构最简单的醚类化合

10、物，它是一种含氧燃料，常温常压下为气态，常温时可在三个大气压下液化，具有与液化石油气相似的物性。液态二甲醚几乎无臭，无色、无毒，不致癌、不致变、不致畸，腐蚀性小。对环境友好，在对流层的半衰期很短(小于ld)，遇水和二氧化碳分解，不可能释放到同温层。表2-1列出了二甲醚、柴油与其它燃机代用燃料特性的对比。表2-1 二甲醚、柴油与其它燃机代用燃料有关燃烧特性的对比特性二甲醚柴油甲醇乙醇天然化学分子式CH3OCH3CxH1.8xCH3OHC2H5OHCH4沸点()-24.91803706578-162蒸汽压(kPa，20c)5.10.328.42.1密度(g/ml)0.660.840.790.81液

11、态粘度(104Pa/s)0.155.36.280.768低热值(MJ/kg)28.4342.519.525.050.0爆炸极限(空气中含量)3.4170.66.5636.5自燃温度()235250450420650十六烷值5560405558当量空燃比(kg/kg)9.014.66.59.017.2汽化潜热(kJ/kg,-20)410(20)501110904碳含量(%)52.286.037.552.275.0氧含量(%)34.8050.034.80氢含量(%)13.014.012.513.025.0但是，二甲醚作为柴油机燃料还必须解决如下问题:(1)二甲醚热值仅为柴油热值的66.8%，二甲醚

12、液体密度只有柴油密度的78.5%，为了达到原柴油机的动力性，以体积计二甲醚供给量约是柴油的1.9倍。(2)二甲醚在常温下的蒸发压力为0.3MPa，随着温度的升高，其蒸发压力也增大。在发动机运行条件下，为防止气阻现象发生，燃料供给系统的压力要大大高于柴油机燃料供给系统。(3)二甲醚的液态粘度不与柴油的3%，必须解决高压油泵柱塞副和喷油器针阀副的润滑问题和泄漏问题。2.2 国外对柴油机燃用二甲醚的研究现状早期二甲醚在柴油机上主要作为甲醇助燃剂，即二甲醚作为部分燃料先期进入柴油机气缸，可以从进气道与空气同时进入。这主要是考虑二甲醚的十六烷值高、自燃性好，因而使少量二甲醚在进气行程进入气缸，在压缩行程

13、后期先行燃烧，使得气缸温度升高，从而会对甲醇的着火起促进作用，并且对柴油机的性能和排放也会有一些作用。九十年代以来，Amoeo公司、Navstar公司和AVL公司等开始在柴油机上直接燃用纯二甲醚的研究，在一台涡轮增压柴油机上燃用纯二甲醚的试验结果是NOx排放为3.85g/kWh，颗粒排放为0.05g/kWh，均低于欧洲第阶段重型车排放限制标准和加州超低排放车辆(ULEV)中型车排放限制标准。AVL公司在AVL LEADER柴油机上燃用二甲醚结果表明，在全负荷围二甲醚的消耗率大致与用柴油的消耗率相当，噪声比用柴油约低l0dB(A)，噪声水平接近汽油机。日本广岛大学、茨木大学对二甲醚的喷雾特性与在

14、柴油机上的燃烧特性进行了研究，发现与纯柴油相比，二甲醚喷束的喷雾锥角大，贯穿距离短。日本NKK公司在一台由3.6L柴油机稍加改装后的发动机上燃用二甲醚，实验表明黑烟排量几乎为零，与柴油机相比NOx排放量约下降了25%，发动机在启动、加速、停机时的响应与柴油机一样快。在日本工贸部、交通部ACE计划支持下，Hino发动机公司进行了二甲醚(DME)汽车发动机的开发工作。美国APCI公司研究表明二甲醚可以和传统燃料以任何比例混合成高十六烷值的燃料或燃料添加剂，例如当二甲醚与柴油以15%的比例混合时，混合燃料的十六烷值可达到5060。国交通大学、交通大学等高校也正在进行有关研究。交通大学在Ford基金的

15、资助下，在直接喷射式柴油机上进行了燃用二甲醚的试验研究，取得了NOx与烟度均大幅下降的结果。2000年9月交通大学和一汽集团公司、柴油机厂联合研制了以二甲醚为燃料的清洁汽车。近几年来对柴油机燃用二甲醚的基础理论也做了相应的研究。在定容燃烧弹试验装置中用背景散射光成像法对比研究了二甲醚的喷雾特性:研究结果表明，二甲醚的喷雾贯串距离比柴油小，喷雾锥角几乎是柴油的2倍，喷雾过程有明显的蒸发现象，碰壁后反弹比例比柴油大。用火焰直接成像法研究了二甲醚的着火燃烧过程:结果发现，二甲醚的着火滞燃期比柴油短，着火位置比柴油更靠近喷嘴一边，二甲醚火焰亮度比柴油小，其火焰温度比柴油低，在燃烧过程中无碳烟生成。3

16、国外二甲醚生产工艺技术的发展从二甲醚物理化学特性来看,它的确是一种理想的替代能源，但能否得到广泛应用，关键在于它的生产成本。二甲醚的生产方法最早由高压甲醇生产中的副产品精馏后制得的，随着低压合成甲醇技术的广泛应用，副反应大大减少，之后，二甲醚的工业生产技术很快发展到甲醇脱水或合成气直接合成工艺。甲醇脱水法包括液相甲醇法和气相甲醇法。前者的反应在液相中进行，甲醇经浓硫酸脱水而制得，但因该法存在装置规模小、设备腐蚀、环境污染、操作条件恶劣等问题，逐步被淘汰。近年来，二甲醚的需求量增长较大，各国又相继开发投资省、操作条件好、无污染的新工艺。这主要包括二步法和一步法。二步法是先由合成气合成甲醇，然后再

17、脱水制取二甲醚；而一步法是指由合成气一次合成二甲醚；此外,CO2加氢直接合成二甲醚法已在开发研究之中。3.1 二步法该法是分两步进行的，采用两个截然不同的步骤，即先由合成气合成甲醇，甲醇在固体催化剂下脱水制二甲醚。国外多采用含制成的ZSM-5分子筛催化剂。在该反应中，其工艺条件对甲醇转化率与二甲醚选择性都有十分重要的意义。如以ZSM-5分子筛为催化剂，反应温度控制在150270，空速控制在1.01.5h-1，才能取得较好的结果。二步法因对其研究比较透彻，工艺成熟简单，而且ZSM-5分子筛催化剂性能优良，选择性好，故能制备出高纯度的二甲醚。1965年Mobil公司和Esso公司分别研究开发了利用

18、结晶硅酸铝作催化剂的甲醇气相法脱水制二甲醚。八十年代初Mobil公司和Esso公司又都对催化剂进行了改进，二甲醚选择性和甲醇转化率都有较大提高。1991年日本三井东京化学公司也开发了新型催化剂。3.2 一步法该法是由天然气经自热转化生成合成气， 然后合成气进入合成反应器，在反应器同时完成甲醇合成与甲醇脱水两个反应过程和变换反应，产物为甲醇与二甲醚的混合物，混合物经蒸馏装置分离得二甲醚，未反应的甲醇返回合成反应器。一步法多采用双功能催化剂，该催化剂一般由两类催化剂物理混合而成，其中一类为合成甲醇催化剂，另一类为甲醇脱水催化剂。合成甲醇催化剂包括：Cu-Zn-Al(O)基催化剂，如BASF、S3-

19、85和ICI-512等。甲醇脱水催化剂有：氧化铝、多孔SiO2-Al2O3、Y型分子筛、ZSM-5分子筛、丝光沸石等。一步法制二甲醚的反应可分为以下几步：CO+H2CH3OH(-H=90.7kj/mol) (1)2CH3OHCH3OCH3+H2O(-H=23.5kj/mol)(2)CO+H2OCO2+H2(-H=41.2kj/mol) (3)总反应式：3CO+3H2CH3OCH3+ CO2(-H=246.1kj/mol) (4)目前采用一步法工艺的国家主要有以天然气为原料的合成一步法二甲醚生产新工艺已在美国、日本、丹麦等国开发成功，开发中有代表性的公司有：丹麦Topse、美国Air Produ

20、cts和日本NKK公司。3.3 两种生产方法的比较二甲醚的这两种生产方法比较而言各有优势。一步法中由合成气生成的甲醇很快脱水生成二甲醚，抑制了甲醇逆反应的发生，式(2)中生成的水又进一步被CO所消耗，如式(3)所示，可推动平衡不断向甲醇和二甲醚方向迁移。因此一步法中CO的转化率远高于二步法CO的转化率。但在一步法中，由于式(1)、(2)、(3)反应必须同时发生，且三 个反应均为放热反应，这就要求所用的催化剂有很好的耐热性，在高温下具有高选择性。另外，由于反应的连续性，催化剂还必须具有适当的催化活性位分布。如采用一步法生产高纯度二甲醚，还需进一步分离提纯。一般一步法生产二甲醚主要用作醇醚燃料。在

21、二步法中，虽然转化率方面不如一步法，但因它生产工艺成熟，装置适应性广，后处理简单等特点，可直接建在甲醇生产厂，也可建在其它公用设施好的非甲醇生产厂，也很有广阔市场。3.4 二氧化碳加氢直接合成二甲醚该法作为合成二甲醚的一种新路径正处于探索阶段。CO2是地球上最丰富的碳资源，由它引起的温室效应已给人类生态平衡带来了巨大的损失。因此，以CO2为原料合成各种化学品来实现CO2的循环利用已引起各国研究者的兴趣。由于CO2加氢制甲醇受到热力学平衡的限制，使人们开始关注CO2加氢直接制二甲醚。这样就可打破CO2加氢制甲醇的热力学平衡，提高CO2的转化率。目前国外已有学者开发研究这一课题，并取得一定成绩。4

22、 二甲醚氧化和燃烧的化学动力学机理4.1 二甲醚化学动力学模型为了详细了解二甲醚实现无烟化燃烧的化学机理，以便在燃机燃烧模型中将化学动力学模型与流体力学模型有机结合，从而实现对二甲醚发动机动力性、经济性和排放进行准确预测，必须了解二甲醚在柴油机工作条件下的氧化和燃烧机理。Dagaut首先对二甲醚在JSB(Jet-Stirred Reactor)反应器中0.1 Mpa1MPa、当量比0.2-2.0、温度在800K1300K条件下的化学动力学机理进行了详细的研究，建立了43种产物、286步基元反应的化学动力学模型。随后，许多研究人员对二甲醚在不同压力、不同当量比和不同温度围的氧化与裂解机理进行了研

23、究。表4-1列出近年来二甲醚研究所采用的模型。表4-1二甲醚氧化机理研究所采用的模型研究者温度围(K)压力条件(MPa)当量比反映设备模型Dagaut80013000.110.22.0JSR43产物,286步反应Pfahl65013001.341激波管Edgar7818633.53.9CVA57产物,181步反应Curran65013000.11.12.02.5JSR,激波管78产物,336步反应Fischer85012000.250.323.4VPFR82产物,352步反应Curran5508501.21.80.74.2APFR82产物,352步反应Hidaka90019000.0830.2

24、9激波管94基元反应Daly2950.10.71.7定容弹77产物,351步反应4.2 二甲醚氧化机理根据分子反应动力学，化学反应过程可以归结为链起始反应、链传播反应、链分支反应以与链终止反应，反应的发生首先要建立根池。二甲醚氧化反应中链的起始可以由两种反应产生自由基；二甲醚的裂解和二甲醚脱H由于在混合气体中存在大量的OH，O以与H等自由基，因此链的起始反应-竞争性反应：CH3OCH3+M=CH3O+CH3+M, (1)CH3OCH3+R=CH3OCH1+RH, (2)式中：R为O，H，OH，CH3以与CH3O等自由基。反应(2)生成的甲氧基甲基根在整个氧化或裂解机理中影响很大，它与不同的分子

25、或自由基的反应决定了系统的产物，而不同温度条件下反应线路也不同。根据目前的研究，可以将二甲醚氧化反应分为低温区(800K)和温度区(800K)两个区域。在低温围，甲氧基甲基根与O分子发生加成反应，生成过氧化甲氧基甲基根，然后经历负温度系数区(NTC)。高温下二甲醚的消耗很简单，首先是单分子裂解为甲基根和甲氧基根二甲醚分子发生脱H反应生成甲氧基根，随后甲氧基甲基根经过裂解生成甲醛和甲基根，然后进行氧化。研究二甲醚氧化与裂解机理的同时可以考察二甲醚形成硝烟的趋势。由于多环芳香烃(PAH)是生成碳烟的先导产物，而PAH的形成主要是因为C3H4和AC3H4的裂解或CH，C2H2比和CH2合成C3H3，

26、而C3H3是形成苯的初始环节。因此如果在二甲醚的氧化或裂解产物中有较多的C3H4，AC3H4和C2H2，将可能产生碳烟。但是在低温和高温氧化产物中均很少发现C3H4，AC3H4和C2H2，因此二甲醚氧化的化学动力学研究证明了二甲醚能够实现无烟燃烧。4.3 二甲醚化学动力模型的应用尽管目前所研究的二甲醚氧化模型与柴油机实际工作条件有一定区别，但可将这些模型应用到实际发动机上，预测二甲醚发动机的着火滞后期，证明了二甲醚具有良好的着火性能；将二甲醚氧化模型、二甲醚喷雾模型以与燃烧模型相结合来预测二甲醚喷雾在容弹中的着火滞后期，建立柴油机工作条件下热力学化学动力学的3区模型，分析柴油机燃用二甲醚时的氮

27、氧化物生成特性。5 柴油机上二甲醚掺烧方案研究和系统设计5.1 柴油机上二甲醚掺烧方案研究代用燃料的研究是燃机领域的一个重要的研究方向。代用燃料在柴油机中的燃用方式主要包括部分燃用、全部燃用和改质(成气体后)燃用等方式。当前柴油机上使用较多的是以掺烧部分代用燃料为主要形式的部分燃用方式。5.1.1 柴油机上掺烧代用燃料的方式代用燃料在柴油机中的掺烧方式有很多种，可以分为以下几类：1) 按着火方式分：有压燃式、火花点燃式、热壁点燃和电热塞点燃式等。 2) 按代用燃料的供给方式分：有双喷嘴式、单喷嘴式、乳化式、与柴油互溶式、和进气管蒸发式等。 3) 按代用燃料的掺烧量分：有以柴油为主、代用燃料为辅

28、的掺烧式，有以代用燃料为主、柴油为辅，并以柴油作为引燃燃料式。 代用燃料压燃式掺烧方式主要有以下几种：1) 代用燃料从进气管中供入对于一些易气化的代用燃料或气体燃料，可在进气管中与空气混合后进入气缸。代用燃料从进入进气管方式来分，可分为两种:类化油器法和喷入法。a) 类化油器法这种供给法中柴油机原供油调节系统不变，只是在进气管上加装一个类似化油器的装置，该装置可利用化油器改装。代用燃料经过该装置时被减压蒸发，在进气管吸热汽化，和空气混合后进入气缸。同时柴油机仍然进行喷油、压缩着火、燃烧过程，只是喷油量随着代用燃料掺烧比的增加而减少。这种方式中先以柴油为主，直至以代用燃料为主，柴油仅作引燃燃料。

29、例如，CNG(天然气)可通过该方式在柴油机上进行掺烧。 b) 喷入法这种方法是在进气管上加装喷嘴，将代用燃料按时喷入进气管，从而使雾化了的代用燃料在进气管吸热蒸发，并与空气混合。此方法与上述方法相比的优点是由于没有类化油器对进气管的节流，使充量系数达到甚至超过一般柴油机的水平，这样发动机的最大功率和扭矩可比上述方法提高。例如，使用该方法可实现甲醇在柴油机的掺烧。2) 双喷嘴法在柴油机缸盖上加装一个供给代用燃料的喷油器，采用这种方法的柴油机必须较大，否则因气缸盖太紧凑而难以在气缸盖上布置两个喷油器。该方法的优点是两个喷油嘴可方便地调节各自的供油量。3) 乳化法与互溶法采用乳化剂或助溶剂将柴油和代

30、用燃料相混合制成混合燃料，此方法不需改变原柴油机的供油和进气系统，但必须有燃料混合装置。5.1.2 柴油机上两种二甲醚的掺烧方案柴油机上掺烧二甲醚主要是利用二甲醚良好的蒸发和雾化特性来达到降低排放的目的。(1) 从高压油管中掺入二甲醚系统构成原理示意图如图5-1所示。系统在结构上没有对柴油机进行大的改造，只是在原基础上加上一套二甲醚的机械供给装置，使二甲醚通过单向阀从高压油管中进入柴油机。二甲醚装于耐压密闭容器中，燃料出口位于容器底部。二甲醚燃料罐氮气瓶13喷油泵发动机柴油油箱24图5-1 系统构成原理示意图1.单向阀 2.供油泵 3.高压油管 4.喷油器 本方案中二甲醚是通过纯机械方式供入的

31、，二甲醚的供给原理为：柴油喷射过程结束后，出油阀在落座过程中，由于减压容积的作用，使高压油管中的压力迅速降低，造成高压油管中残余压力低于二甲醚燃料罐压力；残余压力与罐压力的压差可打开单向阀，将二甲醚压入高压油管中，使柴油与二甲醚在高压油管中混合。这种方案使二甲醚无需经过高压油泵，直接进入高压油管，避免了由于二甲醚粘度低而引起的高压油泵的润滑和漏泄问题。但是二甲醚的掺入量主要取决于高压油管残余压力与二甲醚燃料罐压力之差，同时还受到单向阀动态特性的影响，因此这种方案中二甲醚的掺烧量难以控制。而且山于二甲醚是在两次喷射之间动态的进入高压油管中，易形成异常喷射。尤其是在转速较高时，高压油管中低压的持续

32、时间很短，单向阀甚至可能来不与动作，造成二甲醚掺不进去。(2) 二甲醚与柴油在低压油路中混合系统构成原理示意图如图5-2所示。该方案是在柴油机高压油泵前加装一个混合油箱，柴油和二甲醚分别存储于高压密封容器中。当电磁阀开启后，在压差的作用下，柴油和二甲醚分别从各自的储存容器经电磁阀压入混合油箱中，以一定比例在混合油箱中预先混合。通过控制两个电磁阀的开启时间和开启次数，可分别控制进入混合油箱中的二甲醚和柴油量，从而实现对二甲醚掺烧比在一定围的控制和调节。在该方案中可以随时改变二甲醚的掺烧比，整个系统由ECU(EleetronicControlUnit:电控单元)来控制。气囊混合油箱喷油器DME油箱

33、过滤器过滤器电控单元ECU柴油油箱氮气控制信号控制信号控制信号回油管21喷油泵图5-2 系统构成示意图1. 柴油电磁阀 2.二甲醚电磁阀 本方案中掺烧比是由电磁阀1和2的控制脉冲的脉宽和周期所决定的，通过调节两列控制脉冲的脉宽和周期来调节掺烧比。系统控制过程为：当混合油箱中的压力到达下限值时，同时打开电磁阀1和2，分别供给它们不同周期和脉宽的脉冲，柴油和二甲醚同时进入混合油箱中，使箱压力增加；当压力达到上限压力时，同时关闭电磁阀1和2，截断柴油和二甲醚的供入；系统如此循环工作，箱压力值在上下限值之间不断变化。因此，要为系统选定合理的箱压力上下限值，箱压力由压力传感器测得。5.1.3 论文方案的

34、选择本文中选用的是第二套方案，主要是从以下几个方面来考虑的：(1)方案二中采用了电控技术，较机械式掺烧方式具更好的可靠性和可控性，能够实现二甲醚掺烧比的柔性控制，且电子控制比机械式控制的响应速度快、控制灵敏度高。(2)柴油机能够方便快速地在燃用柴油二甲醚混合燃料和纯柴油之间进行转换，且掺烧比可动态调整，这为以后掺烧比可随工况变化自动调节做了技术储备。(3)方案二中采用了混合油箱，使得柴油与二甲醚有充分的混合时间，保证二者混合的均匀性。(4)柴油和二甲醚的混合是在低压油路中进行的，电控系统工作过程受柴油机本身工作状况的影响较小。系统主要包括机械部分和电控测控两大部分。5.2 机械部分的设计机械部

35、分由柴油供给部分、二甲醚供给部分和混合油箱组成。由于二甲醚在常温常压下是气态，为保持二甲醚为液态，在常温下必须对其施加0.3MPa的压力。但随着温度的升高，二甲醚的蒸发压力也升高。因此，为防止二甲醚汽化而发生气阻，用压力为0.7MPa压缩氮气通入燃料罐。燃料罐为耐压容器，燃料出口位于容器底部，以保证二甲醚始终以液态流出。为了防止二甲醚气化，混合油箱要保持高压。因此要使柴油能够顺利流入混合油箱，柴油也要加压，柴油燃料罐也为耐压容器。柴油油箱也与压缩氮气相连，这样就使得柴油电磁阀和二甲醚电磁阀两端的压差一样。在本系统中柴油油路和二甲醚油路是对称布局的，两个电磁阀的型号也是一样的，这样就保证了流入混

36、合油箱的柴油和二甲醚的比例只与两个电磁阀的控制脉冲有关，减少了其它的影响因素。5.2.1 混合油箱的设计混合油箱在本系统中起到关键的作用，需要合理设计混合油箱。混合油箱的设计主要从以下几个方面来考虑。(1)为了缩短混合油箱中二甲醚掺烧比调整的过渡时间，应合理设计混合油箱容积，使容积在满足系统控制要求的前提下尽量减小，以提高控制系统的灵敏度。(2)为防止二甲醚汽化，混合油箱要保持高压，且油箱必须是一个密封的容器;但同时为了保证二甲醚和柴油的顺利进入，混合油箱压力应小于二甲醚储存罐和柴油油箱的压力。(3)混合油箱压力信号是控制过程的主要依据，应保证箱压力持续在上限值和下限值之间变化。要使压力按该规

37、律变化，首先要保证箱具有恒定量的可压缩气体。如果只是将该油箱设计成一个简单的封闭容器，则由于在每次向高压油泵供油的过程中，必然有一部分溶解在混合燃料的空气被消耗调，最终会造成箱空气的耗尽，从而导致箱压力趋于恒定。因此应该将混合油箱设计成气体和燃料相分离的形式。(4)混合油箱有两个进油口和一个出油口，设计油箱时应对这三个口进行合理布局，使柴油和二甲醚能迅速充分混合，保证燃料混合的均匀性。a) 混合油箱的结构在混合油箱的设计过程中发现液压系统中的气体加载式蓄能器可以实现气体和燃料的分离，且具有很好的密封性。但标准蓄能器在结构和尺寸上不能满足系统的要求，因此需按照系统的要求对蓄能器加以改造。蓄能器在

38、液压系统中的主要功能是储存能量、吸收脉动压力、吸收冲击压力等。蓄能器的种类很多，主要可分为重力加载式、弹簧加载式和气体加载式三大类。气体加载式蓄能器又有隔膜式、气囊式和活塞式等。根据系统的实际特点，我们选用的是气囊式蓄能器。气囊式蓄能器的优点是：气腔和油腔之间密封可靠，二者之间无泄漏；胶囊惯性小，反应灵敏；结构紧凑，尺寸小，重量轻；易于维护保养。进油阀壳体气囊充气阀图5-3 气囊式蓄能器结构气囊式蓄能器的结构如图5-3所示，混合油箱的大致结构与气囊式蓄能器的结构相似。但蓄能器只有一个进油口，而混合油箱需有两个进油口(二甲醚进油口和柴油进油口)和一个出油口，因此要在蓄能器上增加一个进油口和一个出

39、油口。这三个口都布局在油箱底部，如图5-4中(a)图所示，B和C为进油口，D为出油口。同时为了测量混合油箱的压力，需要在油箱中安装压力传感器。由于结构和空间尺寸的原因，压力传感器是通过引压管安装在混合油箱的底部，图5-4(b)为压力传感器的安装示意图，图5-4(a)中A为压力传感器的安装处。a) 油箱底部平面图b) 压力传感器安装示意图图5-4混合油箱结构图1.混合油箱底部 2.压力传感器 3.压引管b) 混合油箱性能参数的确定(1) 箱压力的确定为防止二甲醚在箱气化而造成气阻现象，箱最低工作压力要高于二甲醚常温下的蒸发压力，即0.3MPa。同时为了保证二甲醚和柴油的顺利进入，油箱最高压力应小

40、于二甲醚和柴油储存罐压力，即0.7MPa。控制过程是根据箱压力是否达到上下限值来控制对电磁阀的开启和关闭，我们将压力上限值定为0.6MPa，压力下限值定为0.4MPa。(2) 油箱容积的确定 气囊 V1 V2压力上限值时液位值时液位压力下限值时液位V0图5-5 箱容积分布示意图如图5-5所示，混合油箱气囊的容积为V0。混合油箱工作的有效容积为(V1+V2)，是燃料进入油箱后压缩气囊所让出的容积，该容积的大小决定了掺烧比调整的过渡时间。其中V1是箱压力从下限值达到上限值所需的混合燃料的容积。容积V2是预留容积，该部分混合燃料用来维持从压力达到下限值时至一定量的柴油和二甲醚进入混合油箱期间发动机的

41、运行。令气囊的预先充气压力为P0，箱压力下限值为P1，上限值为P2。根据气体状态方程：P0V0=P1（V0V2） 式(5-1)P0V0=P2(V0V1V2) 式(5-2)即可求得混合油箱的所有性能参数：气囊容积，油箱工作容积，箱压力上限值，箱压力下限值，气囊充气压力。(3) 掺烧比调整时间计算柴油 q1(ml/s)q2(ml/s) DMEVq(ml/s)图5-6 系统简化模型系统模型可简化为上图所示:柴油和二甲醚分别以平均流速和流入混合容器中，容器出口处平均流速为，该速度由发动机的负荷决定。假设出口流量和进口流量保持平衡，液面保持不变；二甲醚与柴油能够在瞬间完全混合。令初始时刻混合容器中二甲醚

42、体积掺烧比为vl，要将掺烧比调整到v2，需改变柴油和二甲醚的供油速度，以掺烧比为v2时的供油规律来供给。则有： 则得出： 式(5-3)设为时刻容器中二甲醚的浓度(，为容器中二甲醚的体积量)，为容器中混合溶液的容积，等同于混合油箱得工作容积。 为时刻容器中二甲醚体积掺烧比(，为容器中柴油的体积量)，则。在到的时段，可看做不变。可列出方程： 式（5-4）将初始条件带入，解此一阶线性微分方程。因此可得：掺烧比调整时间与混合油箱工作容积V以与q的大小有关。5.2.2 执行机构的选用电磁阀是系统中唯一的执行机构，其性能的好坏直接关系到系统的工作质量。为了确保系统能可靠地工作，电磁阀应该满足以下性能要求:

43、响应快、流量大和泄露少。例如红林生产的开关型高速电磁阀(HSV)，型号为HSV-3/02/1C/2，阀的主要性能参数如下：结构：螺纹插装阀，两通常闭额定压力：2MPa流量：49L/min泄漏：0电压：12V(DC)工作方式：连续通电、脉冲宽度调制、频率调制或脉宽和频率的混合调制脉宽围：20%80%工作频率：最大工作频率不大于200Hz最大功率：1050W平均功率：35W脉宽调制(常闭型)：开放时间3.5ms，关闭时间2.5ms连续通电(常闭型)：开放时间4.5ms，关闭时间6.5ms重复精度：0.05ms温度围：-40+135寿命：设计寿命不小于l109次，耐久性能试验己超过2109次5.3

44、电控测控系统组成电控测控系统由主控单元、传感器部分、输入信号调理模块、输出信号驱动模块四个部分组成。图5-7 电控测控系统的组成示意图目前的系统掺烧比是通过人为设置的方式来改变，但是现在许多专家已经对发动机的转速和负荷信号进行了采集，并将采集的信号显示出来，以监控发动机的运行状态。相信，随着系统的进一步完善，以后将实现掺烧比随着工况的变化自动调整。电控测控系统的主要功能是：1. 完成信号的采集工作，并对采集的信号进行处理，将输入信号转换成单片机可接受的信号。2. 将采集的信号以可视化的方式显示出来，以监控发动机的运行。3. 确定二甲醚的掺烧比，并计算出各控制参数。4. 输出控制执行信号，把弱信

45、号变成强执行驱动信号来驱动执行机构。5.3.1 主控单元主控单元是系统电控测控部分的核心，本系统主控单元由单片机和PC机两部分组成。考虑到柴油机的工作环境比较恶劣(温度高，振动和噪音大)，可选用体积小，坚固耐用且抗干扰性强的单片机来实现系统的现场控制。但单片机的交互能力较差，因此控制中采用PC机和单片机协同工作的方式:数据采集、控制输出部分由单片机来完成；掺烧比和控制脉冲的调节，以与控制输出量的计算由PC机完成。利用PC端的图形用户界面能方便地修改和设定掺烧比和控制参数，同时可在窗口中动态模拟显示出混合油箱压力以与柴油机转速和负荷的变化，以了解系统的工作情况。PC机和单片机通过串口来通信。单片

46、机将采集到的各信号传给PC机，PC机端将信号显示在屏幕上。同时PC机又检测操作人员的输入，计算输出控制量并传给单片机，以调整对电磁阀的控制脉冲。根据系统的特点，一般选用的是INTEL公司的MCS-51单片机80C31，并按照实际要求进行一些功能的扩展。单片机端是直接用MCS-51汇编语言进行编程。PC机采用的是PCPentium型计算机，PC机端软件是由C语言编写的。5.3.2 传感器部分传感器是电控测控系统的关键部件，主要进行信息收集任务。它能在规定的条件下感受外界信息，并将该信息按一定规律转换成与之有确定对应关系的电信号，再传送给电控单元。系统中所使用的传感器有转速传感器、负荷传感器和压力

47、传感器。(1)转速传感器：测量柴油机瞬态转速，系统采用电磁式转速传感器。(2)负荷传感器：测量柴油机的负荷，系统采用应变片式扭矩传感器。(3)压力传感器：检测混合油箱压力，系统采用电阻应变片式压力传感器。5.3.3 输入信号调理模块和输出信号驱动模块柴油机运转会附加很多干扰信号，因此，需要对输入信号进行滤波、整形、放大、隔离等预处理。输入信号调理模块提供转速信号、混合油箱压力信号和负荷模拟信号与单片机I/Q之间的接口等。驱动模块主要是将主控模块输出的控制信号加以放大，以实现对执行机构的驱动，本系统中输出信号驱动模块主要是指两个开关电磁阀的驱动电路。6 二甲醚掺烧在柴油机中产生的问题6.1 二甲

48、醚掺烧在柴油机中产生的问题二甲醚掺烧在柴油机中，对燃油系统需要做适当的修改，并且喷油系统会存在下面一些问题；(1)由于二甲醚的黏度很小，柱塞偶件的公差使得二甲醚泄漏量很大，泄漏的二甲醚很容易气化，因此凸轮轴腔或曲轴箱必须采用强制通风系统。(2)液态二甲醚的可压缩性很大，且随温度和压力的变化，它的变化也很大，因此在高温大负荷下很难对喷油量进行精确控制。(3)高压油管中的残余压力很大，高的残余压力产生振荡会引起二次喷射。从而使CO和HC排放大大高于原机。(4)油管中的气泡使喷油系统不能形成稳定的喷射。(5)黏度小，润滑性差，引起喷射系统磨损加剧，需要加润滑剂。(6)尽管二甲醚对金属没有腐蚀作用，但

49、对橡胶件有腐蚀，因此对油路中的橡胶密封件有影响。(7) 二甲醚的泄漏量较多。二甲醚泄漏量一般占总喷射量的810，而柴油的泄漏量仅占总喷射量的14。6.2 结论由于二甲醚掺烧在柴油机中还会出现以上的种种问题，因此在柴油机中掺烧二甲醚仍然需要进一步深入研究。目前的研究更多集中在对柴油机中掺烧二甲醚的排放的测试，这显然是不够的。二甲醚在柴油机中掺烧，虽然有很多优点，但也存在很多问题需要一定的政府行为来给予支持以使其产业化。7 总结与展望通过对柴油机上二甲醚的掺烧控制研究，主要从机械部分和电控测控系统对柴油机上二甲醚的掺烧控制系统作了较为深入的分析和设计。使自己对柴油机中掺烧二甲醚方面的知识有了更深的

50、理解，自己在研究的过程中也发现了自己对柴油机中掺烧二甲醚的系统设计还有不少地方需要完善，还需要做更多的研究工作，使其具有更加丰富的功能和更加理想的控制特性。我认为，具体可以从以下几个方面对系统加以改进：（1）目前，系统对掺烧比的调节是通过手动输入的方式来实现的，今后系统要实现根据发动机工况自动调整掺烧比，这需要通过大量的实验，找出在不同工况下，使排放最低的最佳掺烧比。（2）要进一步提高系统的控制精度，需要提高传感器的灵敏度和执行机构(电磁阀)的响应速度。（3）由于二甲醚的粘度低，润滑性能较差，导致二甲醚电磁阀的磨损很厉害，对电磁阀的寿命和工作性能有很大的危害，需要采取一定的润滑措施，如在二甲醚

51、中加入蓖麻油。 相信在不久的将来，柴油机中掺烧二甲醚的技术将会越来越成熟，越来越完美。参考文献1 德明.燃机燃烧与排放学M.：交通大学,2001.2 王贺武.直喷柴油机燃用二甲醚时性能和燃烧特性的试验与理论研究D.交通大学博士学位论文,2000-1-1.3 王利军.二甲醚在单缸直喷柴油机上的实验研究D.理工大学硕士学位论文,2003-4-1.4 于海生,欣,芦美秀.柴油机燃用二甲醚的现状与发展趋势的研究J.汽车,2004-4.5 煜盛,常汉宝.柴油机高效清洁燃料二甲醚(DME)的研究与其发展J.燃机工程,2001(1).6 德奇,晓霞,明,相伟.柴油替代燃料二甲醚的应用开发和发展概况J.化工,

52、2003(3).7 心存.二甲醚在柴油机上的应用与研究J.柴油机,2005(5).8 高建鹏,胡真,庆佛.二甲醚(DME)发动机供给系泄露和磨损的控制J.燃机,2005(3)：4850.9 生全,马志义,王贺武.一种汽油车用二甲醚混合燃料的开发研究J.汽车工程,2003(2)：133135.10 济美,郭英男,洪伟.代用燃料汽车技术(二)世界汽车技术发展跟踪研究(五)J.汽车工艺与材料,2002(12)：23.11 春德,云强.甲醇燃料在柴油机中的应用与发展J.小型燃机与摩托车,2004(1)：3739.12Heisch.21世纪的柴油机燃料DMEJ.柴油机设计与制造,1998(2)：917.

53、13 尊清,尧命发,汪洋.二甲醚均质压燃燃烧过程的试验研究J.燃烧科学与技术,2003(6)：561565.14 铃木孝.发动机的浪漫.：理工大学,1996.15 王铁军.生物质间接液化一步法合成燃料二甲醚J.煤炭转化,2003(10).16 淑雅.新型燃料对居室空气污染的检测与评价J.环境与健康杂志,1995(12).17 宏观经济研究院能源研究课题组.提高我国能源技术水平的战略设想J.宏观经济研究,2004(7).18 仇延生.代用燃料的应用与发展J.石油炼制与化工,2003(1).19汪映.车用柴油机燃用二甲醚排放特性研究J.交通大学学报,2004(1).20 德钢.二甲醚燃料均质压燃燃烧研究J.燃机学报,2005(3).21 王铁军.生物质气化重整合成二甲醚J.燃料化学学报,2004(6).致本论文是在导师XX老师的悉心指导下完成的。XX老师在我将近半年的毕业论文的撰写过程中，给予了大量的帮助和热忱的关怀。XX老师的远见卓识为我指明了方向，少走了弯路。XX老师博大精深的专业知识、严谨细致的治学作风、活跃的学术思想、正直善良的高尚人格，使我获益匪浅、受益终身。在此，谨向XX老师表示衷心的感并致以崇高的敬意!此处给出的模板仅供参考，记得不要超过200字。J千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。