低压共轨喷射系统二甲醚发动机的设计说明书正文

武汉科技大学本科毕业设计PAGE-摘要此次设计的是175型柴油机二甲醚隔膜泵喷射系统。作为汽车动力源之一的柴油机以热效率高，油耗和碳氢排放低越来越受到重视。柴油机排放中NO和微粒（炭粒和可溶性未燃碳氢）的排放是其主要的污染物，而同时降低柴油机NO和炭粒排放的措施往往存在矛盾。因此寻求新型柴油替代燃料，实现高效率超低污染燃烧，将是解决NO和炭粒排放矛盾的有效途径之一。可作为柴油机洁净燃料的主要有醇类（甲醇和乙醇），液化石油气和天然气，醚类，这些替代燃料各具特点。设计根据董敬《汽车拖拉机发动机》和陈家瑞《汽车构造（第五版）》，介绍发动机燃料系统设计流程展开，参考目前国内外的设计方法和设计成果，综合考虑国内各种发动的使用情况和排放水平，提出了更高的设计要求，先计算出各种零部件的结构参数和装配尺寸，最后采用AutoCAD绘制出装配图和零件图。此次设计包括对喷油器，喷油泵，燃料箱等相关部位进行大规模的改造，解决以前柴油发动机噪音大，排污等缺点。对燃油供给系统性能进行了进一步的优化，并确定了其结构和安装方法。本设计严格按照各种设计要求进行，计算严谨，各种参数选用合理，设计的各种零部件都能满足给定的使用条件和强度要求；基本上达到了既定的设计目标。关键词：二甲醚;共轨系统;隔膜泵AbstractThisdesignis175typedieselenginedimethyletherdiaphragmpumpinjectionsystem.Asoneofthepowerofdieselcarswithhighthermalefficiency,lowfuelconsumptionandhydrocarbondischargemoreandmoreattention.Nitricoxide(NO)andparticlesindieselemissions(carbongrainandsolubleunexplodedhydrocarbon)emissionsisthemainpollutant,butalsoreducethedieselengineNOandcharcoalgrainofemissionsincontradictiontothemeasureshavetendedto.Thereforeseekingnewdieselalternativefuels,realizehighefficiencylowpollution,willbeNOburningcharcoalgrainofemissionscontradictionwithoneoftheeffectiveways.Canbeusedasthemainenginecleanfuelaalcohols(methanolandethanol),liquefiedpetroleumgas(LPG)andgas,ethers,thesealternativefuelwithdifferentcharacteristics.DongJing"automobiledesignaccordingtotheChenGuRuitractorengine"andcarstructure(fifthedition)",Introducetheenginefuelsystem,referencedesignprocessathomeandabroadonthedesignmethodanddesignresults,Consideringtheuseofdomesticvariouslaunchandemissionlevels,putforwardhigherdesignrequirements,firstcalculatevariouspartsofthestructureparametersandassemblysize,thenusingAutoCADdrawingsanddrawthepartdrawingsThisdesignincludingtheinjector,injectionpumpsrelatedpartstankforlarge-scaletransformation,solvethedieselenginenoisebeforeshortcomings,suchas,thedrainageoffuelsupplyingsystemperformanceforfurtheroptimizationandidentifyitsstructureandinstallationmethodThisdesigninstrictaccordancewiththevariousdesignrequirementsforrigorous,thevariousparameters,calculation,thedesignofchoosingreasonablevariouspartscansatisfythegivenconditionsofuseandstrengthrequirement;Basicallyachievedestablisheddesigngoal.Keywords:dimethylether,commonrailsystems,fuelinjectionpump目录1绪论 11.1课题背景 11.2DME前景分析 21.3本课题选题意义 41.4本课题的研究内容 41.5国内外研究现状 52175型DME柴油机整体设计方案 72.1175F型柴油机改装方案 72.2175F型DME柴油机结构原理 73175F型DME柴油机燃料供给系统的设计 93.1二甲醚低压共轨燃料喷射系统整体设计 93.2隔膜泵的选取与设计 93.3共轨管的设计 153.4DME高压燃料箱的设计 174 175型DME柴油机喷射系统 234.1对喷射系统的要求 234.2喷油器的设计 244.3燃烧室的选取 254.4密封性能的改进 264.5辅助装置的选取 265总结与展望 275.1全文总结 275.2课题展望 27参考文献 29致谢 301绪论该课题主要研究参考175型柴油机，设计用隔膜泵加压、专门喷油器喷射的低压共轨燃料系统的新型二甲醚发动机，新型发动机隔膜泵用于配合新型燃料二甲醚，取代柴油发动机燃烧噪音，尾气排放等不足的情况，加之未来石油资源的枯竭。本课题从多个方面入手分析二甲醚的物理性质，化学性质，针对二甲醚的特性以175型发动机为基础改装设计出合理的新型发动机。先通过相关课本和书籍了解二甲醚的性能，拟定喷油泵，共轨系统以及燃料系统的设计方案。此次设计对熟悉运用设计手册，autocad软件，对以后工作有很大的帮助，也是对基本技能的一次实践机会。1.1课题背景汽车在现代生活中扮演着越来越重要的角色.人们用汽车来代步.用汽车来运送货物.用汽车来完成人力所不能完成的工作.汽车给人们带来了无可比拟的便捷,燃而.内燃机的广泛使用.也给人类社会会造成了前所未由的创伤.内燃机的使用对人类的生存环境和能然的可持续利用提出了巨大的挑战,根据统计资料表明.大气中60%的一氧化碳.69%的氮氧化合物.33%的二氧化碳.40%的悬浮颗粒和80%的噪音都是由内燃机的使用所造成的。在中国，有资料显示，2002年国内石油消耗总量为20589万吨，其中进口7046万吨，占总数的34.2％。按照这个速度发展下去，到2020年国内石油消耗量将达到惊人的4~5亿吨。其中进口份额将超过50％。为了进一步改善和解决环境和能燃问题，世界各国的科研人员欧在不断的努力。其中内燃机尾气净化和代用燃料的研究是下阶段汽车发展动力的主要任务。以醇类，生物柴油，二甲醚，天然气合成汽油为代用燃料的内燃机政处于研究发展阶段。柴油机具有高效率，低油耗，寿命长，使用可靠等有点。这些都是由柴油机的实际特性所决定的。相比汽油机而言。柴油机在作同等功时燃料消耗降低了45％到60％。而且相对于汽油高额的价格，相对低廉的价格也使得柴油作为燃料更容易被大众消费者所接受。凭借这些有点，柴油机的使用越来越广泛。并且逐渐由取代汽油机的趋势。在欧洲，柴油机的认知度更高，他们使用的商用车90％都是装备的柴油机，成用车也达到30％。尽管柴油机由如此多的潜在优点，但是柴油机的一些传统不足之处却严重的影响了柴油机的发展和大面积的推广使用。柴油机燃烧不充分，尾气中固体颗粒多，氮养化合物排放量高，噪音大的缺点，对环境和人们的生活造成的很多的不便。为了改善柴油机尾气排放的问题，提高柴油机的使用性能，研究人员从提高柴油品质，改善燃烧过程，进行尾气处理那个方面做了大量的试验和尝试。其中以改善燃烧过程和使用代用代用燃料量个方面的研究成果最引人注目。1.2DME前景分析1.2.1在柴油机的组多代用燃料中，以二甲醚（Dimethylether简称DME）最引人注目。DME分子式为-O-。DME具有优异的环境性能指标，对皮肤有轻微的刺激作用，没有毒害，在大气中能在短时间内分解为水和二氧化碳，不会对环境造成污染。二十世纪九十年代以来，丹麦技术大学，AMOCO公司，HALDORTOPSOEA/S公司，NAVISTAR公司和AVL公司等进行了柴油机上面燃用DME的研究，结果表明DME能够实现高效率，低排放，低噪音已经无烟燃烧。研究表明：无论从技术角度和商业角度来看二甲醚作为替代燃油都是可行的。DME为增压型和自然吸气型柴油机提供了一种发展超低排放发动机的新技术。AVL通过在多台发动机上用DME做实验得出了下面一些结论：二甲醚发动机保留了传统柴油机的优点：高热效——与直喷柴油机相当；压缩着火燃烧——最可靠的着火方式；发动机强劲和耐久——低速扭矩比较大，可以提供比较稳定的驾驶性能。DME发动机解决了一些传统的柴油机问题：彻底消除排烟，柴油机这一历史性的不足得以克服。随着专用燃烧和燃油喷射系统的发展，NOx排放能够降低到低于未来所期望的最严厉的法规（如加利福尼亚的超低排放车辆标准）的水平。与一般柴油机的水平相比，燃烧噪声可以降低15分贝之多。50～60的十六烷值和-25℃的沸点能使得油气快速混合；着火延迟时间较短；极佳的冷启动性能。34.8％的氧含量提供了无烟燃烧；较好的废气再循环承受性。当应用二甲醚技术时，由于本身结构决定的无烟燃烧则允许高比例的EGR比例，从而有利于进一步降低NOx的排放。实验已经证明采用EGR技术时能使NOx和颗粒全面降低。二甲醚可以从天然气、煤、煤层气和生物原料中制取[15]，先生成甲醇，然后通过甲醇脱水制取DME，或者直接从上述原料一步反应生成二甲醚。我国的天然气储量丰富，煤炭资源也极具有优势。二甲醚代用燃料的推广还可以推进我国“煤变石油”的战略发展，有助于解决我国能源问题。1.2.2二甲醚是一种简单的醚类，分子式是-O-。俗称DME，常温下是气体，在常压下是一种无色气体，具有轻微的醚香味。相对密度（20℃）0.666，熔点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温下蒸汽压力为0.5MPa,荣誉石油液化气相似。溶于水和乙醇，乙醚，丙酮，氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火光略带光亮，燃烧热（气态）为145KJ/mol。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀，无致癌作用，但在辐射或者加热的条件下可分解成甲烷，乙烷，甲醛等。环境性能指标优异。没有毒害，在空气中能够迅速的分解为水和二氧化碳，其半衰期为5天。以下是DME和其他燃料燃烧特性的比较。表1DME和其他燃料燃烧特性的比较DME柴油甲醇乙醇CNG(甲烷)化学分子结构-O-＿OH低热值MG/KG27.642.519.52550密度g/ml0.660.840.790.81_十六烷值50-6040-5558-自燃温度℃235250450420650辛烷值——111108130理论空燃比9146.59017.2沸点℃-25180-3706578-162气化潜在热ＫＪ／ＫＧ—25011109.4—爆炸极限（％空气中的燃气）3.4-180.6-6.55.5-263.5-155-15碳％52.28637.552.275氢％131412.51325氧％34.805034.80二甲醚的使用优点：1）二甲醚发动机保留了传统柴油机的优点。a.高热效——与直喷柴油机相当b.压缩着火燃烧——最可靠的着火方式c.发动机强劲和耐久——低速扭矩比较大，可以提供比较稳定的驾驶性能。2）DME发动机解决了一些传统的柴油机的问题a.彻底消除了排烟，柴油机这一历史性难题得到克服b.随着专用燃烧和燃油喷射系统的改进发展，氮氧化合物的排放能够降低到低于未来所期待的最严厉法规的水平。c.与一般柴油相比，按少噪音可以降低15分贝之多，3）50`60的十六烷值和-25℃的沸点使得a.油气混合快b.着火延迟时间较短c.极佳的冷启动性4）34.8%的氧含量提供了a.无烟燃烧b.较好的废气再循环承受性1.3本课题选题意义国内外对二甲醚在柴油机上的研究报道，充分显示了它作为柴油机上的清洁代用燃料的巨大优越性。DME生产原料极其丰富，可以从天然气、煤、煤层气和生物原料中制取，先生成甲醇，然后通过甲醇脱水制取DME，或者直接从上诉原料一步反应生成二甲醚。我国的天然气储量丰富，煤炭资源也极具有优势。因此，二甲醚发动机的应用对于改善环境污染、开发替代燃料缓解我国石油基燃料不足、带动二甲醚工业发展有着非常重大的意义。将纯二甲醚作为柴油机代用燃料的研究在国内外乃至国际上都是一个崭新的研究方向。国内的科研院校都还处于研究开发阶段。本文在深入了解二甲醚燃料燃烧特性的前提下，为了充分发挥二甲醚燃料的优点，使二甲醚发动机获得更好的性能，为二甲醚燃料的推广应用作先期应用基础研究。本文旨在对二甲醚燃烧性能了解的基础上，设计并实现DME燃料供给系统，对DME发动机的实用上作出一定的研究。1.4本课题的研究内容本文主要研究设计的内容是以175单缸柴油发动机（手扶拖拉机）基础，在保持大体参数不变的情况下，通过改善创新的方法，设计一种新型的适合于中压的DME燃料供给系统。通过改善，重新设计喷油器，高压共轨管道，燃料箱，喷油器等，使重新设计的供油系统能够使发动机正常运行，并且各项指标都要优于自之前的柴油机。175型柴油发动机实物样图1.5国内外研究现状针对于二甲醚的使用前景，国外有人曾在一台非增压型直喷小型单缸机上做了燃用DME的试验。该实验仅仅对供油系统做了改进。包括为防止DME在油路中发生气阻现象而在供油系统中增加了一个稳定压力用的氦气瓶。喷油器回路中也保持了一定的压力使DME呈液态，并将液态DME导入喷油泵的入口，降低DME喷有嘴的压力等措施。其供油系统简图如下：图1.1二甲醚供油系统简图试验结果辩明，当DME喷嘴压力以8MPa时，而柴油为20MPa时，燃烧二甲醚和燃烧柴油的效率相同，燃烧噪音也比柴油小HC和CO的排放则相差不大，但是NOX的排放仅有柴油的1/4，而且几乎是无烟燃烧。并且在利用EGR降低排放的时候，其效率和烟度不受影响，因此Sorenson等人认为在对小型单缸直喷机经过改造燃用DME是可行的，改造费用也十分低廉[19]。研究认为产生较好效果的主要原因是DME为含氧燃料，且无C-C键，燃用DME可使发动机烟度达到零排放；加之DME具有极好的着火性能，滞燃期短，燃烧过程中预混合气的燃烧比例相对较小，从而有利于抑制并显著降低NOＸ及燃烧噪声。我国在柴油机上燃用二甲醚的研究目前处于起步阶段，但初步的试验结果却是十分喜人的。上海交通大学动力机械与工程国家重点实验室在一台2135直喷柴油机上，对燃油供给系统进行了适当的改造，测试了燃用DME发动机的燃料喷射时刻、气缸压力和有害排放，计算分析了放热规律及滞燃期变化规律。研究结果表明，在供油提前角相同的情况下，DME的喷射延迟比柴油长而滞燃期比柴油短，着火时刻落后于柴油；DME的最大放热速率小，而燃烧持续期短；DME发动机接近无烟排放，NOx排放浓度显著低于柴油机[22]。西安交通大学在Ford基金的资助下，也进行了柴油直接燃用DME的研究工作，取得了NOx与烟度均大幅度下降的结果。武汉理工大学在YC108QC车用柴油机上进行了燃用不同比例的柴油-DME混合燃料的研究[24]。试验结果表明：燃用DME质量分数为20%的柴油-DME混合燃料时，除HC外，其余各项排放均可达到欧洲-Ⅰ排放标准，动力性与经济性与原机相当。以上对二甲醚燃烧研究的结果都表明，DME具有醇类燃料和压缩天然气(CNG)等代用清洁燃料无可比拟的许多突出优点。例如，醇类燃料的十六烷值太低，难于在一般柴油机上压缩自燃，因此需加入着火改善剂或增加辅助点火装置；燃用纯CNG的发动机需增加火花塞点燃系统，以及气体燃料与空气混合的混合器等；火花点燃发动机的油耗要比压燃式发动机高。柴油机燃用DME，只需对燃油系统及其与燃烧室的匹配进行必要的改装和调整，即可实现发动机的高效洁净燃烧，使之满足美国加州1998年的机动车排放标准，以及将来更加严格的欧洲货车排放标准。DME所具有的诸多优点大大提高了人们对节能型车用发动机，即直喷式车用柴油机上实现超低排放的信心。在上述研究中柴油机燃用DME时，发动机结构都没有作大的改动。但如沿用现有的供油设备，仅对供油参数作少量的调整，则难以取得令人满意的预期效果。因为DME粘度低（柴油5％～10％），柴油机的三套精密偶件容易磨损，为了解决这个问题，以往的方法都是往DME里面添加润滑油，这样的后果就是燃烧后尾气中的颗粒物几乎全部来自润滑油。2175型DME柴油机整体设计方案2.1175F型柴油机改装方案改装后的柴油机的工作原理与原175F发动机原理基本一致，改装原发动机的喷油器和燃料供给系统设计出新发动机。2.2175F型DME柴油机结构原理DME柴油机纵剖视图DME柴油机横剖视图3175F型DME柴油机燃料供给系统的设计二甲醚发动机供给系统包括隔膜泵，喷油器，调速器，输送泵，过滤器，保压装置，二甲醚存储罐和高低压油管等装置。3.1二甲醚低压共轨燃料喷射系统整体设计下图是DME共给系统的简图。该系统接简单，安装方便，适应性强，喷射压力可以控制等优点。图3.1二甲醚低压共轨燃料喷射系统简图高压氮气用来使DME在储气罐和流量计及燃料供应系统中保持液体状态。安装在喷油泵之前的低压泵提高了进入高压泵的燃料的压力，以避免喷射系统的气阻现象发生。压力调节器和缓冲器可用来保持供油压力和消除压力波动。在燃烧研究中，为改善润滑情况在DME中加入了2％～5％的蓖麻油。本文针对DME的特性，对喷油系统中的某些部件进行了改造或者重新设计，各部分的设计如下：3.2隔膜泵的选取与设计3.2.1概述燃用DME的发动机和传统（即完全燃用柴油，下同）柴油机相比，其差异主要体现在燃料供给系统的结构上。图1为一种典型的100%燃用DME并采用共轨结构的发动机燃料供给系统的简图[1]。图1二甲醚燃料共轨喷射系统简图1-氮气瓶2-压力表3-控制阀4-DME存储罐5-加压泵6-滤清器7-共轨管8-喷油电磁阀9-调压溢流阀10-（独立润滑系统）喷油器11-截止阀12-蓄能器（润滑油罐）对于完全燃用DME的柴油机而言，柴油机工作时，液态DME首先从DME存贮罐4中被吸出，经加压泵5加压与滤清器6滤除杂质后被送入共轨管7中，共轨管中的压力根据需要由调压溢流阀9设定。共轨管中的液态DME经高压油管供入带有电磁阀的喷油器10中，再由喷油器喷入柴油机燃烧室内，多余的DME经回油管流回至加压泵5入口前端（或DME存储罐中）。针对二甲醚低粘度、高蒸汽压、易雾化等特性，基于均值压燃（HCCI）理论[2]，提出了二甲醚可控预混合燃烧(ControllablePremixCombustion,简称CPC)概念；设计了由主燃烧和混合室（副燃烧室）组成的燃烧系统，通过两室之间设置的控制阀控制主、副两个燃烧室间的能量、质量与各组分的交换；试验研究表明，采用二甲醚可控预混合燃烧方式，可以实现超低NOx排放和无烟燃烧，二甲醚可控预混合燃烧发动机将有望发展成为一种高效、超低排放实用性发动机[3]。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：eq\o\ac(○,1).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露的问题；eq\o\ac(○,2).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。3.2.2隔膜泵的发展与分类2.1．隔膜泵的发展上世纪70年代初，西德、荷兰、美国先后研制成功了隔膜泵。隔膜泵是往复泵中较特殊的一种形式，依靠金属制的柔性隔膜片（管）得来回鼓动而吸入和排出液体，由于被加压液体在泵缸内由隔膜隔开，完全没有液体泄漏问题，同时隔膜还可选用耐磨与耐腐蚀的材料，所以可以输送含有固体颗粒的及酸、碱、盐等液体[4]。2.2．隔膜泵的分类及其特点隔膜泵主要由传动及隔膜缸头两部分组成。传动部分是带动隔膜片来回鼓动的驱动机构。其传动形式主要有机械传动、液压传动及气压传动。2.2.1气压隔膜泵（如图2）图2气动隔膜泵气压隔膜泵如图2所示，它的传动系统是由空气来驱动膜片的。它有流量大，体积小，扬程高等优点，但容易漏气，达到的压力比较小（最高为1.5MP）的缺点。由于车用的二甲醚喷油泵要求至少达到10MP的压力，故不适合用于汽车上。2.2.2机械隔膜泵机械隔膜泵的膜片是由一根杆连接，从而推动膜片往复运动的，它有体积小，单位时间喷油量高等优点，但它达到的压力比较小（最高为1.0MP），并且膜片由于用杆连接的，长时间使用后，膜片中心容易破裂。故也不适合应用在汽车上。2.2.3液压隔膜泵（如图3）图3液压隔膜泵液压隔膜泵如图3所示，比机械隔膜泵多了一个液压室和一个液压油杯，膜片是由液压油推动往复运动的。液压油杯中有三个阀：(1).自动补油阀：泵在运转过程中，柱塞泵密封处的泄漏是不可避免的，因而液压室内油量会逐渐减少，所以要及时地补充漏损的油，以保证泵的正常工作；(2).放气阀：在向液压室灌油时，打开放气阀，排出气体的作用；(3).安全阀：当液压室内油量补得过多或在排出管路中发生异常的压力升高时，安全阀起跳，可以保护隔膜和泵头不致破坏[5]。由于液压隔膜泵能达到10MP以上的压力，可以达到60L/h的流量，所以把液压隔膜泵运用到汽车上是可行的。但由于一般的液压隔膜泵的体积很大，必须对液压隔膜泵进行设计，才能达到车用化、小型化的效果。因为DME的黏度较低，高压供油系统中易泄漏，会使偶件早期磨损，所以利用隔膜泵来加压DME是合适的。由于DME的燃料低热值仅为柴油的66.8%，采用DME作为燃料的柴油机，则燃油箱容积需要相应增大；若装车，保持与柴油车同样的续驶里程其油箱容积应加大1.5-1.8倍[6]。3.2.3适于DME的喷油泵的设计图4DME喷油泵的总装图车用隔膜泵（如图4）的动力来源于发动机曲轴正时齿轮，根据车况需要分配动力。该装置采用蜗轮蜗杆减速机构，蜗杆前端装有齿轮，通过与正时齿轮的啮合作用输入的动力，经蜗轮蜗杆减速增矩后，传到偏心轴上的偏心轮上，偏心轮驱使柱塞向右运动，柱塞向右运动到极限位置后，通过弹簧复位。借助柱塞在缸体内往复运动，使后腔内油液产生脉动力，推动聚四氟乙烯膜片来回鼓动，在燃料进、出阀的启闭作用下达到吸排和增加液体压力的目的[7]。3.1．柱塞的设计已知参数：泵头输出压力P=10MP；输出流量Q0=40L/h；容积效率为η=0.93；发动机曲轴正时齿轮输出功率为P0=2kW，转速n=1200~1800r/min。由上述参数可知理论流量为Q=Q0/η=43L/min根据科宇机械公司车间的现有的设计经验，初步选择的柱塞直径D=26mm，柱塞行程s=22mm，进行验算。当发动机的转速为n=1200r/min时，当发动机的转速为n=1800r/min时，满足流量的要求，故确定柱塞直径D=30mm，柱塞行程s=22mm。3.2．偏心轴的设计设计的偏心轴由轴和偏心轮组成，为了装配方便，将偏心轮和轴加工为一体。偏心轴的设计核心是依据偏心矩确定轴各段尺寸。偏心距为柱塞行程的一半，即偏心距则偏心轮上的转矩柱塞截面面积当输出的压力位P=10MPa时，柱塞需输出的力当小轮与偏心上距轴心最远点接触时，传动到柱塞上的力最小为按照设计要求，有，（R为凸轮圆盘的半径）解得在设计中，设计的凸轮半径为35mm3.3．泵头的设计根据膜理论：隔膜（如图5）的厚度很薄，近似地可以把弯曲刚度视为零，也即是在弹性变形时弯曲对隔膜的平衡影响忽略不计。外载荷由作用在曲面中拉力来维持平衡，如同薄膜一样。通常称这种隔膜为绝对柔韧的，一般为橡胶或塑料等制造的非金属隔膜[8]。对于绝对柔韧隔膜，隔膜离开中间位置向两个方向弯曲时所包围的容积为：，其中R为隔膜半径，为隔膜中心挠度。图5隔膜变形简图根据平板隔膜设计原则可知：平板隔膜行程应小于等于隔膜直径的10%（一般在7%~9%之间，取8%），即最大挠度变形量满足：2=8%柱塞一冲次所排出的液体容积为：隔膜腔由于工作腔、液压腔都充满液体，而且液体不可压缩，所以柱塞一冲次所排出的液体容积应等于隔膜腔的容积。即，求得=45mm，取隔膜直径=90mm平板隔膜的最大偏移量满足隔膜变形要求。由此可以设计泵头的尺寸。另外三阀装置是直接采用J-X液压力隔膜泵上的三阀。3.3共轨管的设计首先必须选者一种能够适用于DME的喷射系统。在这方面。国外学者做了大量的研究工作。AVL公司的JAMES等人在仔细比较DME和柴油的性质特点以后，提出DME喷射系统应着重解决以下几个问题：=1\*GB2⑴DME沸点低，室温下容易气化，故油路中要加压以防止发生气阻现象。=2\*GB2⑵DME热值和密度低于柴油，为保持其动力性不变，必须增加DME的循环供油量。=3\*GB2⑶为了降低的排房和燃烧噪声，着火延迟的喷油量要少。由于着火延迟角与发动机的负荷有关，因此新的喷射初期的喷油率要可以调节。=4\*GB2⑷因为DME颗粒生成少，气化温度低，舞化性能好，所以DME喷射压力不需要太高。由于缸内最高压力随着负荷增加（增压式柴油机），这样可以调节的压力有利于减少额外消耗的功率，增加发动机的经济性。=5\*GB2⑸DME黏度极小，对喷油系统的偶件无润滑作用，所以要求供油系统有足够长的工作寿命。如下图所示，高压共轨装置是一个自建的容积为的圆柱形容器，由于在试验阶段，仅考虑了消除压力波动的因素，没有考虑快速建立高压，故将容积设计得比较大。在各个接头地方采用的是柴油机使用的高压油管的标准接头。试验表明这样可以很好解决燃油的密封问题。共轨管的设计，除了考虑与柴油机尺寸、汽缸配置以外，还必须特别注意泵的特性、调压阀和执行器工作所需压力以及对压力的脉动影响；此外，共轨管的尺寸也会影响整个共轨系统动态响应，例如在起动和负荷变化时，要求共轨提供不同的压力，如果要求压力调节响应快，那么就要求共轨管容积尽可能小。在只考虑安装尺寸及客积大小对压力脉动的影响共轨管的前提下设计出了高压共轨管。以下是分析和计算的过程。本文只考虑容积对压力脉动的影响，本文共轨管是用棒材掏空制作而成，材料为45号钢，共轨管尺寸见如图所示。共轨管容积为V＝346.656mL。因为共轨管长则承受很高的压力，为了确保系统的安全，需对共轨管的强度进行核验。 1)定工作压力共轨系统的工作工作压力应低于一定极限值，以保证安全：（3-8）式中：——共轨管材料屈服强度（MPa），45＃钢；D1——共轨管外径（mm）；D——共轨管内径（mm）；图3.5增压泵用共轨管尺寸示意图从图5.2上的尺寸计算式（5.1），额定工作压力Pn应低于66.11MPa。2）塑性变形的压力共轨系统的额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免发生塑性变形，共轨管共轨管筒发生完全塑性变形的压力可由下式计算：（3-9）式中：——共轨管筒发生完全塑性变形的压力;（3-10）对于共轨管应有。3）验算管筒的爆裂压力PE（3-11）式中：——共轨管材料的抗拉强度（MPa），45＃钢；因此，。从上述的验算可见设计的共轨管壁厚完全符合要求。4）验算端盖的厚度因为端盖为平面，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式通过近似计算求出：（3-12）式中：D——共轨管内径（mm）；P——管内最大工作压力（MPa），取23MPa；——共轨管材料许用应力，，——共轨管材料的抗拉强度（MPa），45＃钢；n——安全系数，通常取n＝5；因此，端盖厚度应大于8.66mm。5）共轨管焊接处强度因为本文设计的共轨系统需要承受一定的压力，故需要验算其焊接应力，焊接应力计算如下：（3-13）式中：F——共轨管内最大推力（N）：D1——共轨管外径（mm）；P——管内最大工作压力（MPa），取23MPa；——焊缝底径，本文取48mm；——焊接效率，取；——焊条材料的抗拉强度（MPa）；n——安全系数，取n＝5。由此得。可见焊接强度也达到要求。3.4DME高压燃料箱的设计因为DME（常温常压下呈气体状态）是在高压状态下贮存的，而且其物理化学特性不同，所以本文针对这些问题重新设计了燃料箱。为了保持燃料箱内压力的恒定，在燃料箱外部连接有一个高压氮气瓶，来稳定和检测燃料箱内的压力。要求燃料箱最大装载量不超过容积的3/4，工作压力为20MPa。=1\*GB3①材料的选取。材料选取16M钢。16M钢是345MPa级低合金钢，具有良好的综合性能，焊接性能，工艺性能以及低温冲击韧性。中温（450℃）及低温（-40℃以上）力学性能均优于Q235，15，20等碳素钢，是一种十分成熟的钢种，其质量稳定，可用在-40～400℃的场合。在石油，化工设备，锅炉，压力容器中，16M钢的板材，钢管以及锻件均有广泛的运用。其化学成分为(成分的%)：（GB3274～1988）C:0.12-0.20Si:0.20-0.55Mn:1.20-1.60S:0.045p:0.045表216M钢的力学性表厚度/mm抗拉强度/MPa屈服点(MPa)伸长率（%）冲击功/J冷弯不小于180°≦16510-6603452227＞16-25490-64032521＞25-36470-620315＞36-50470-620295＞50-100470-62027520表316Mn的物理性能物理量温度/℃20100200300400500600密度7.85比定压热容0.460.4810.5230.5570.6070.673线膨胀系数8.3110.9912.3113.2213.7113.94热导率4439.636弹性模量2.062.011.891.811.721.621.52切变弹性模量7.947.457.166.37泊松比0.30临界点736849-867②燃料箱尺寸的选择：厚度。其他尺寸见图。图3.3燃料箱尺寸如图=3\*GB3③燃料箱的强度校核。根究第四强度理论即即便能密度理论进行校核。该理论认为畸变能密度是引起屈服的因素，即认为无论什么状态下，只要畸变能密度达到与材料性质有关的某一极限值，材料酒会发生屈服。碳钢，铜，铝等塑性材料，通常以屈服形式失效，宜按第四强度理论校核。对于塑性材料，去安全系数。许用应力。其中指的就是屈服极限。查表得。取。所以所选用的16MN钢许用应力。第四强度理论的强度条件为：（3-1）进行受力分析：图3.4燃油箱受力分析图沿轴线作用于容器底的总压力为：。（3-3）横截面上的应力为：。（3-4）用想距为ｌ的两个横截面和包含直径的纵向平面，从容器上面截取一部分。若筒壁上纵向截面应力为，则内力为：。（3-5）在该部分圆筒内壁微分面积上。压力为。在Y方向的投影为。通过积分求得投影总和为：。（3-6）由平衡方程得：。（3-7）将，，代入，得按照关于主应力记号的规定得：将，，代入强度公式进行校核：

所以该燃料箱的选材能满足要求。④箱盖的设计为了保证在高压状态下给油箱加入二甲醚必须采用单向阀的原理（可以参考液化气罐开关设计）。箱盖示意图螺纹口尺寸相关尺寸见前面油箱设计。

175型DME柴油机喷射系统4.1对喷射系统的要求喷射系统对柴油机的混合气形成和燃烧的质量，进而对柴油机性能的好坏有着重要的作用，特别时直喷式柴油机对喷射系统的要求较高，一般应尽可能的满足以下要求：1）避免出现不正常的喷射现象和穴蚀破坏，这是对喷射系统的嘴基本的要。车用柴油机在很大的转速和符合工况范围内工作，要保证在任一情况下都不出现不正常的喷射现象往往是较为困难的，而且值得注意的是，一些消除不正常喷射现象的措施往往会促成穴蚀破坏的产生。这就需要在喷射系统的调整和匹配过程中，考虑到各种工况，同时兼顾各方面的要求。2）可以根据不同的转速和符合进行调整，在最佳的喷油时刻，精确提供所需要的燃油，为此，需要实现喷油提前角随不同转速和负荷进行调整。对多缸柴油机，应保证各缸的均匀一致型，为此希望各缸的高压油管长度尽可能一致。3）为改善柴油机的经济性，动力性,有害排放和噪声水平,应尽可能的实现理想的喷油规律.一方面,更高的喷射压力和喷油书率以及更短的喷持续时间已经是技术发展的一个明显趋势.例如,对中，小型的直喷式柴油机,希望将喷油储蓄时间控制在25度曲轴转角或者1ms内.此外,特别希望在低速工况下能有较高的喷射压力和喷油速率,以改善雾化质量。另一方面,为避免柴油机工作过于粗暴,又希望实现先缓后急的喷油规律。为保证先缓后急的喷油规律,已经开发所谓的分级喷射的方法,即实现第一次喷入少量的燃油,第二次再喷入其余大部分的燃油.下图就是对于直接喷射柴油机在不同的转速和负荷下教为理想的喷油规律示意图.由图可见:图2.1理想的喷油规律希望喷油速率在喷射初期（即滞燃期内）较小，然后迅速家大。随着转速的增大，这一转变更为迅速，这主要是为避免高转速时过长的喷射持续时间。随着负荷的下降，喷射持续时间相应的缩短，这主要是喷油量减少的原应。随着转速的的下降，希望通过提高喷射压力来使喷油速率提高，喷射持续时间也相应的缩短，这是要保证低转速时的雾化质量。此外，在所有的工况下都希望在喷射结束阶段尽可能的迅速结束喷射，以避免低的喷射压力或者低的喷射速率使雾化质量边差。实际上，这样较为理想的喷油规律用常规喷射系统是难以实现的，而只可能通过电控喷射系统来实现。4）良好的油束特性能毛组具体燃烧室的要求，油束的集合形状和雾化质量能使燃油喷射，气流运动与燃烧室形状的配合达到最佳。特别是直喷式柴油机，对喷射系统要求较高，希望有合适的贯穿率，油粒细小，分布尽可能均匀。5）对于喷射系统的强化，应采取相应的措施来保证有关零部件的强度和刚度，提高西听的工作可靠性和寿命，同时注意降低喷射系统的噪音与振动。4.2喷油器的设计喷油器是柴油机燃油共给系统中实现燃油喷射的重要部件。其功用是根据柴油机混合气的形成特点，将燃油雾化成细小的油滴，并将其喷射到燃烧室特定的部位。根据DME的特性设计喷油器如下图3.6所示：图3.6DME喷油器示意图4.3燃烧室的选取燃烧室的形式很多，根据混合气的形成以及燃烧室的结构特点，大致可以分为以下几种：图3.7燃烧室的类型燃烧室的选择不仅关系到整机的性能指标，而且在很大程度上也决定了汽缸盖和活塞顶部的结构。燃烧室的选型主要依据是缸径，转速以及使用要求，并且充分考虑到当前的制造和维护水平。不同的燃烧室使用于不同的缸径和转速，只有在他的适用范围内，其优点才能充分的发挥出来。根据燃烧室的优缺点和发展方向，选型原则如下：=1\*GB2⑴，的大型增压柴油机几乎都选用开式燃烧室。=2\*GB2⑵，的高速柴油机，以降低油耗，改善起动性能,有广泛采取直接喷射式燃烧室的趋向。其中以采用4孔喷射的形燃烧室居多，其他组织强涡流的直接喷射式燃烧室，由于测试，制造要求高等原因，目前只用在少数几种机型上面。=3\*GB2⑶分开式燃烧室具有多转速不敏感，高速性好，噪音及排气污染低等特点，在的小型高速柴油机上仍有广泛的使用。其中涡流室的高速性比预燃室稍佳，涡流室柴油机转速最高可达5000rpm，在的小型车用柴油机上涡流室应用的较多。=4\*GB2⑷在的增大功率柴油机上，直接喷射式和预燃式均有应用。直接喷射式经济性好，热负荷抵，但是和排气污染高，燃油系统耐久性差；预燃式的和排气污染抵，燃油系统耐久性好，但是热负荷抵，经济性差，为此需综合考虑才能合理选用。因为该发动机为直接喷射式，综合考虑，选用形的燃烧室。4.4密封性能的改进液化石油气和二甲醚对普通的橡胶具有腐蚀性，为了解决发动机的密封问题，经查找有关的资料分析橡胶在二甲醚中的溶胀的化学机理并对不同的橡胶材料在液化石油气与二甲醚中进行对比试验最终确定采用丁基橡胶解决防腐蚀和溶胀问题。4.5辅助装置的选取=1\*GB3①辅助装置的作用输出油泵的功用是保证有足够数量的柴油自燃烧油箱输送稻喷油泵，并维持一定的供油压力，以克服管路及燃油滤清器阻力，使柴油在低压管路中循环。输出泵的输油量一般为柴油机全负荷需要量的3-4倍。燃油滤清器。燃油的清洁程度对燃油系统，尤其使对喷油泵和喷油器中精密偶件的工作的可靠性和使用寿命有很大的关系。柴油在运输和贮存过程中，不可避免的会混入飞尘，水分和金属容器表面的锈蚀等杂质。长期贮存之后，柴油还可能氧化变质而结焦。燃油滤清器的作用使是滤除柴油中的任何杂质。对滤清器的要求是阻力小，寿命长，过滤效率高。=2\*GB3②辅助装置的选取。由于DME发动机对上述装备的要求不是很苛刻，所以本文设计的喷射系统辅助装置直接沿用原来发动机上的即可。

5总结与展望5.1全文总结二甲醚是一种新出现的含氧清洁代用燃料，适用于压燃式内燃机。同柴油相比二甲醚能够实现内燃机高效、低排放、低噪音以及无烟燃烧。二甲醚可以通过天然气或煤转化得到，来源广泛。二甲醚发动机的应用有利于解决我国环境污染和能源紧张问题，同时也可以充分发挥我国煤炭资源丰富的优势。然而DME本身的物理化学性质与柴油的区别决定了DME不能直接应用到柴油发动机上面。本文针对DME的特性，在原柴油机的基础之上，重新设计了发动机的燃料箱和共轨管道，并且对喷油器进行了设计改动。开发二甲醚发动机是目前我国一项重大的研究项目。本文所完成的工作是：1）由于二甲醚在常压下是气态，所以需要增压贮存。因此本文设计料专