摘要：介绍了隔膜泵的结构和特性，讨论隔膜泵替代二甲醚（DME）发动机传统喷油泵的可行性，建立隔膜泵膜片的有限元模型，利用有限元软件对膜片进行应力分析，以获得隔膜泵膜片的受力情况。结合隔膜泵的发展，分析各类隔膜泵的优缺点，在二甲醚可控预混合燃烧和低压喷射技术的基础上，设计出了一种适合作为二甲醚发动机的喷油泵。
关键词：DME发动机；隔膜泵；可控预混合燃烧；低压喷射
中图分类号：U464.136文献标志码：A文章编号：1005-2550（2012）02-0001-05
DME Engine Design by Diaphragm Pump
YAO Qiang，ZHANG Guang-de，WANG Wei-hua，YOU Cai-xia，ZHANG Wang
（School of Automobile and Traffic Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）
Abstract: This paper introduces the structure and characteristic of diaphragm pump，discusses the feasibility of using diaphragm pump engine instead of traditional injection pump engine，and establishes the diaphragm pump diaphragm finite element model. It uses finite element software the membrane stress analysis and to obtain the pump diaphragm stress situation. Combined with the development of various types of diaphragm pump and analysed the advantages and disadvantages of them.Bosedon DME controllable premixed combustion and low pressure injection technology，it designs a suitable as DME engine fuel injection pump.
Key words: DME engine；diaphragm pump；controllable premixed combustion；low pressure injection.
随着石油资源短缺问题日益严重，寻找另一种代用燃料来解决石油短缺的问题显得更加的迫切。二甲醚因为其着火性好、燃烧效率高、来源广泛［1］等优点，已成为柴油机比较有发展前途的清洁代用燃料之一。本文在二甲醚作为代用燃料的背景下设计出了一种新型喷油泵。
1概述
从20世纪90年代初期开始，对DME在柴油机上应用研究概括起来主要为两条路径：
1）将DME作为着火促进剂使用。早期主要是将DME作为甲醇的着火促进剂，旨在改善柴油机的着火性能和燃烧过程，作为甲醇的着火促进剂时，DME占整个燃料质量的25%~50%较合适。
2）DME单独燃用或与柴油混合使用。目前国内外对DME的研究则主要是将其单独燃用，即以100%的液态DME燃用或与柴油按一定比例混合使用。有关试验研究表明，与燃烧柴油相比，100%燃用DME时发动机在全部转速和负荷范围内都能实现无烟排放，且NOx排放下降50%左右，CO和HC排放与柴油机相当，将性能优化后的DME发动机装车进行行驶试验，该车的最高时速和加速性能都能达到原柴油车的水平。在柴油机上燃用DME和柴油的混合燃料时，也可以获到很好的节能及环保效果。
随着柴油机节能减排及环境保护法规的日益严格，后一条研究路径无疑会成为主流形式。其中，采用共轨结构的100%燃用DME的发动机尤为值得关注。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］。
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池7中，共轨池中的压力根据需要由调压溢流阀9设定。共轨池中的液态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（Controllable Premix Combustion，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：
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，而加快磨损并引起泄露；
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。
因此，要研究一种新型的喷油泵来加压二甲醚。本文介绍了一种新型的喷油泵用来加压二甲醚。
2关于适用隔膜泵输送DME的研究
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，因其具有使用寿命长、油耗低、产能大、效率高等优点，故得到了广泛应用。隔膜泵是一种先进的料浆输送设备，隔膜把输送的料浆和活塞分割开，活塞可避免被料浆磨损［4］。
隔膜泵是往复泵中较特殊的一种形式，它是依靠金属制的柔性隔膜片（管）的来回鼓动而吸入和排除液体的，由于被输进液体在泵缸内被隔膜隔开，完全没有液体泄漏的问题。同时隔膜还可选用耐磨与耐腐蚀的材料，所以它不仅可以输送清水，而且还可输送含有固体颗粒的液体、高浓度液体及酸、碱、盐等液体。
因为DME的黏度较低，高压供油系统中易泄漏，使偶件早期磨损，所以利用隔膜泵来输送DME具有可行性。
2.2隔膜泵的分类及其特点
隔膜泵主要由传动机构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
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，但很容易漏气，达到的压力比较小（最高为1.5 MPa）。由于车用的二甲醚喷油泵要求至少达到10 MPa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来推动膜片往复运动的，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1.0 MPa），并且膜片由于是用杆直接连接的，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
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，液压油推动膜片往复运动。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，要及时地补充泄漏的油，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，起到排出液压腔内气体的作用；（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10 MPa以上的压力，达到60 L/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［6］。
3适于DME的喷油泵的设计
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动力，经蜗轮蜗杆减速增矩后，传到偏心轮上，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。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，在阀的启闭作用下达到吸排液体的目的［7］。
3.1柱塞的设计
已知参数：泵头输出压力P=10 MPa；输出流量Q0=40 L/h；容积效率为η=0.93；发动机曲轴正时齿轮输出功率为P0=2 kW，转速n=850~1 500 r/min。
由上述参数可知理论流量为Q=Q0 /η=43 L/h。
根据科宇机械公司车间现有的设计经验，初步选择的柱塞直径D=30 mm，柱塞行程s=22 mm进行验算。
当发动机的转速为n=850 r/min时，Q1=0.25πD2sn=44 L/h>43 /h;
当发动机的转速为n=1 500 r/min时，Q2=0.25πD2sn=76 L/h>43 L/h满足流量的要求，故确定柱塞直径D=30 mm，柱塞行程s=22 mm。
3.2涡轮蜗杆的设计
蜗轮蜗杆减速机构设计是本设计的关键，关系到柱塞行程及最后的输出压力。其设计原则是在满足强度和力矩的情况下，尽量缩小尺寸。其中i表示传动比，z1表示涡杆齿数，z2表示涡轮齿数，η表示传动效率。
1）选择材料和加工精度
蜗杆选用45钢，芯部调质，表面渗碳淬火，硬度为45~55HRC；蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10PI，砂模铸造；加工精度8级。
2）初选几何参数
当i=18，z2=iz1=18×2=36；
3）估算传动效率η
η=（100-3.25×i1/2）％=（100-3.5×181/2）％=85％
计算涡轮输出转矩T2：
T2=9550Pη/n2=9550Pηi/n1=9550×2×0.85×18/800 N·m=365 N·m
3.3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。η1表示传动轴的传动效率。
偏心距为柱塞行程的一半，即偏心距e=0.5s=11 mm；
则偏心轮上的转矩T3=T2η1=365×0.95=346.8 N·m；
柱塞截面积S=0.25πD2=0.25×3.14×0.09=7.1×10-4 m2；
当输出的压力为P=10 MPa时，柱塞输出的力F=pS=107×7.1×10-4=7.1×103 N；
当小轮与偏心轮上距轴心最远点接触时，传动到柱塞上的力最小为Fmin。
按照设计要求，有Fmin=T3 /（e+R） ≥7.1×103 N（R为凸轮圆盘的半径），解得R≤0.0404 m。
在设计中，设计的凸轮半径为35 mm；
3.4泵头的设计
根据膜理论：隔膜（如图5）的厚度很薄，可以近似地把弯曲刚度视为零，即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：
V=πR2W0（1）
式中：R为隔膜半径，W0为隔膜中心挠度。
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W0满足：
2W0=8% Dm（2）
式中：Dm表示隔膜直径。
柱塞一冲次所排出的液体容积为：
V1=s×0.25×π×302=4 950π mm3；
隔膜腔空积为：V2=πR2W0=πR3×0.08 mm3；
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V1=V2，1 500π=0.08×π×R3；
求得R=45 mm，取隔膜直径Dm=90 mm；
平板隔膜的最大偏移量W0=8%Dm/2=8%×90/2 mm=3.6 mm，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。
4对隔膜泵膜片进行的有限元分析
在Ansys前处理模块下，根据膜片的尺寸和厚度等参数，建立隔膜泵膜片的模型，其为轴对称结构，在Ansys软件下通过GUI方式或者命令流方式建立简化模型，如图6所示。
在建立完模型后对其进行网格划分，考虑到膜片的结构以及外形，采用mapped映射网格划分类型，单元网格尺寸为10，如图7所示。
对膜片施加位移约束和荷载，因为膜片腔的最外围边线被固定，故理想情况下，模型中外围边线上的所有结点在所有自由度上都被施加零位移约束，而其他线上所有结点施加荷载，并施加位移约束，如图8所示。
图9为施加位移和荷载以后计算的结果变形图，其中虚线表示计算前的形状及位置，对比计算前后可以看出，膜片在受到外力的作用后发生挠曲形变，膜片在Y方向上发生位移变化，膜片空间受到挤压变形使得膜片腔内压强增加，体积缩小，从而使得膜片腔内液体产生流动。
5结论与展望
通过计算及膜片的有限元分析，结合柴油机喷油泵的特性，采用二甲醚可控预混合燃烧的条件下，本文设计的隔膜泵是可以作为柴油机代用燃料喷油泵的。采用低压喷射技术，可使用隔膜泵替代常规柴油机的高压油泵作为燃料加压泵。隔膜泵自身有润滑系统，不需要依赖被加压的介质来润滑，其柱塞偶件的润滑也很容易实现；且隔膜泵的加压部分和燃料被隔膜泵完全隔开，因此不存在燃料从柱塞偶件间隙泄漏的问题。但要实现DME隔膜式喷油泵走向实用化还需要解决两个基本问题：（1）柱塞及弹簧的弹力在设计中是忽略不计的，要通过建模、仿真来进一步分析；（2）采用的是凸轮机构进行传动的，在设计中采取了近似处理，要达到实用化的要求就要对凸轮扭矩的变化进行理论计算及分析。
参考文献：
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