二甲醚發動機凸輪轉矩的研究

姚 強，張光德，王衛華，游彩霞，張 旺

（武漢科技大學 汽車與交通工程學院，武漢430081）

隨著石油短缺，迫切的需要尋找新型的代用燃料來解決石油短缺的問題。二甲醚因其著火性好，燃燒效率高、來源廣泛等突出優點，已成為柴油機比較有發展前途的清潔代用燃料之一［1］。但二甲醚的理化特性需對傳統柴油機噴油泵進行改進，凸輪作為二甲醚噴油泵推動柱塞運動的重要部件，對流量、壓力的變化都有著直接影響。因此，需要研究凸輪扭矩隨所受力的變化規律。

1 概述

噴油泵是柴油機的一個重要組成部分，被視為柴油發動機的”心臟”部件，它一旦出問題整個柴油機將工作失常。

DME在常溫、常壓下是氣態的，沸點較低，粘度只有柴油的0.05~0.1倍。很明顯，如果直接將其在現有的柴油機上使用，將會帶來兩方面的問題：第一，其供油系統管路容易產生氣阻現象，柴油機供油系統的柱塞副、出油閥與出油閥座、針閥與針閥體三大相對運動的精密偶件會因為潤滑不良加快磨損并引起泄漏的問題；第二，由于二甲醚的熱值低，必須加大噴油泵中柱塞直徑和柱塞的有效行程，加大噴油器中噴油孔直徑等方法來提高發動機每循環供油量。

因此，必須對柴油機噴油泵進行改進，對二甲醚噴油泵所能達到的壓力進行精確計算，凸輪軸的扭矩大小起著關鍵的作用。

目前噴油泵凸輪扭矩測量主要有兩種方式：一是采用細長彈性軸作傳感器，測量其扭轉角度位移（相位差法），或測量其表面的應力（應變法）；二是采用低慣量、大電流電動機拖動噴油泵，測量電機的瞬態功率和瞬態轉速，從而換算瞬態驅動扭矩。前一種方案測量平均扭矩比較有效，對測量瞬態扭矩往往響應性不夠，測量結果不理想。后一種方案，由于實驗設備比較昂貴，目前國內還沒有采用此原理的專用設備。為了解噴油泵工作能力提高之后，其驅動扭矩峰值的變化，本文采用測量泵端壓力和計算的方法求解噴油泵的驅動扭矩。噴油泵的泵端壓力采用壓阻式壓力傳感器測量。根據傳統柱塞噴油泵的結構（見圖1），若忽略摩擦阻力，豎直方向作用在滾輪中心的力主要有柱塞彈簧力、運動質量的慣性力和噴油泵的泵端壓力作用在柱塞上的壓力［3，4］。

2 發動機凸輪扭矩算法的推導

2.1 柱塞的運動過程

柱塞在向上運動的全行程中，包括預備行程、減壓帶行程、有效行程和剩余行程。各行程如圖2所示。

（1）柱塞的預備行程h1：柱塞從下止點上升到其上端面將進油孔完全關閉時所移動的距離。

（2）柱塞的減壓帶行程h2：柱塞從預備行程結束到出油閥開啟（減壓帶開始離開閥座的導孔）時所移動的距離。

（3）柱塞的有效行程h3：柱塞從出油閥開啟，到柱塞的螺旋線或斜槽上線打開回油孔時移動的距離。

（4）剩余行程h4：柱塞從有效行程結束（開始回油），上升到上止點時移動的距離。

2.2 簡化模型

凸輪的簡化模型如圖3所示。

彈簧力為Fsp；慣性力為Fm；泵端壓力作用力為Fp；運動質量為m；凸輪升程為h；彈簧剛度為k；彈簧預緊力為F0；凸輪轉速為n；泵端壓力為p；柱塞直徑為dp。

在圖3中，彈簧力為：

式中：F為沿柱塞運動方向向下加在滾輪上的力；F1為沿滾輪凸輪接觸面法向的作用力；F2為垂直于挺柱體導向孔的側向力；α為F1和F1之間的夾角，即F 的壓力角；對滾輪作受力分析［5，6］，如圖 1。

可以計算得到：

設凸輪的基圓半徑為r0；滾輪的半徑為r1；凸輪的升程為h（如果滾輪位于基圓上，則為0）；l=OC；則在三角形O1OC中可以得出：

由公式（1）~（10），可以計算出泵的驅動扭矩，泵端壓力p可以通過測量得到，、可以從凸輪的線形設計的數據計算求得［7，8］。 公式（10）我們還可以從另外的一個方面去理解它。如果忽略摩擦力做的功，則豎直方向的力做的功由驅動扭矩所作的功來克服，兩個功應相等。如果泵轉速恒定，則兩個功應相等，即M=。

3 凸輪模型的建立

3.1 ADAMS軟件簡介

ADAMS，即機械系統動力學自動分析（Auto matic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）， 該軟件是美國 MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發的虛擬樣機分析軟件。

ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。

3.2 ADAMS中凸輪模型的建立及仿真

仿真過程中，凸輪的質量設定為1 kg，凸輪的轉速為60 r/min，滾珠的質量忽略。

ADAMS中凸輪模型 （見圖4），其中左邊是凸輪，右邊為一個凸輪推動的滾珠。

扭矩圖如圖5所示，在此仿真中，設定的周期為1 s，可以看出：（1）扭矩的變化是隨周期的變化而變化；（2）在凸輪向左運動時，顯然凸輪的扭矩是隨著時間的變化而增大的，當凸輪在向右運動時，凸輪的扭矩是逐漸減少的，在接近與0.75周期時它達到最小。

如圖6所示，彈力在X，Y軸上均有一個分量，這是因為從凸輪偏到上端時推動柱塞后，彈簧力沿Y軸時有一個向下的；凸輪偏到下端時推動柱塞后，彈簧力沿Y軸有個向上的分量。從圖上可以看出，彈簧力在Y軸的分量有正負之分，并且隨著時間周期的變化，這是合理的。

而在整個運動過程中彈簧始終處于壓縮的狀態，這樣，彈簧的彈力始終向左的。因此彈簧力在X軸上的分量始終是正的，并且周期變化，是合理的。

4 結論與展望

由于二甲醚的物質特性，傳統的噴油泵是不能作為二甲醚發動機噴油泵的。通過對噴油泵凸輪進行簡化計算，并結合噴油泵的結構，在ADAMS中進行凸輪模型的建立，得出凸輪扭矩，及柱塞彈簧力的變化特性，可以看出采用切線凸輪來設計二甲醚發動機噴油泵是可行的。

［1］鄧向斌，董紅義，周龍保，等.二甲醚（DME）在壓燃式發動機上應用研究的新進展［J］.內燃機工程，2004，25（6）：11-14.

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