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1、武汉科技大学硕士学位论文二甲醚发动机独立润滑喷油器环带油膜形成机理及关键技术研 究姓名：姜烽申请学位级别：硕士专业：机械制造及自动化指导教师：谢剑刚2010-10-10武汉科技大学武汉科技大学 硕士学位论文 第 I 页 摘摘 要要 二甲醚（DME）在常温常压下是一种无色、无毒、对环境友好的化合物。可以从煤、石油和天然气等多种资源中提取合成。二甲醚作为一种新型清洁能源在替代石油燃料方面非常具有发展潜力。 二甲醚作为石油替代燃料主要表现在两个方面，一是在液化石油气中掺烧，二是替代柴油在汽车发动机上燃烧。二甲醚作为柴油替代燃料对于中国未来能源战略具有重要意义。二甲醚的物理化学性质与柴油相比存在较大的
2、区别，无法直接应用于普通的柴油机。本文针对二甲醚的特性，对传统的柴油机喷油器进行了重新设计改造，使其能较好的适用于二甲醚，并采用实验对设计中的新观念进行了验证。 在现有的柴油机P系列喷油器的基础上，设计了一种新型的适合二甲醚燃料的喷油器，在喷油器中增加了强制润滑装置，解决了由于二甲醚粘度低带来的针阀偶件磨损问题和二甲醚的泄漏问题。同时对喷油器的喷油嘴进行了改进，增加了喷孔的数量，加大了喷孔的直径，解决了二甲醚的热值比柴油低带来的问题，保证了二甲醚与柴油燃料有同样良好的动力性。 采用了实验的方法对偶件缝隙处的环带油膜进行了研究，对实验的数据采用MATLAB进行了最优化拟合，找出了油膜破裂压强和油
3、膜破裂极限半径之间的关系曲线，并测定了油膜破裂的因子表面张力，对环带油膜能否长期存在的条件进行了分析。 采用流体力学公式，建立层流流动模型，分析了带压润滑油通过缝隙处的泄漏量，将其泄漏量与喷油器的喷油量进行了定量的对比。采用FLUENT流体工程仿真软件对偶件缝隙处流体的流动进行建模仿真，分析了理论计算与软件仿真之间的误差所在。 根据缝隙流动的流量公式以及柴油与带压润滑油粘度之间的关系，初步对强制润滑的压力进行了优化。 关键词：关键词：二甲醚； 喷油器； 强制润滑； 偶件磨损； 泄漏量 第 II 页 硕士学位论文 武汉科技大学武汉科技大学 Abstract Dimethyl ether (DME
4、) is a colorless, non-toxic and environment-friendly compound at normal temperature and pressure. It can be extracted and synthesized from coal, oil and gas and other resources. DME as a new clean alternative energy that replace of oil fuel is of greatest development potentiality. DME as alternative
5、 energy in replacement of oil fuel mainly performances in two areas. One is combustion with LPG. The other is replacing diesel combustion in automobile engine. DME as a substitute fuel for diesel has an important influence for the future energy strategy of china. The physical and chemical property o
6、f DME is very different with diesel. It can not be used in general automobile engine. According to the characteristics of DME, Traditional diesel fuel injector has been redesigned. DME can be best burning for this redesign. It also verified by experiment. A new injector was designed for the DME, whi
7、ch based on the general one. The lubrication device is added to the fuel injector, which would lower the leakage of the DME and reduce couples abrasion. Injector nozzle has also been improved, increasing the number of nozzle and the diameter of nozzle. The problem that calorific value of DME is lowe
8、r than the diesel fuel was solved. In this way, DME engine can apply dynamic as well as diesel engine. When the gap of couples is filled with lubrication oil, Rim film will appear. A research about when the rim film broken was done by an experiment method. Used the software MATLAB to analysis the ex
9、periment data, and discovered the relationship between the pressure and the radius of oil film. The factors of film rupture - surface tension was determined. We also studied whether the rim film will be keeping a long-term. Fluid mechanics formula was adopted, and laminar flow model was also establi
10、shed, to analysis lubrication oil leakage through the couples. Compared with the injection quantity of DME, the leakage was so small. Software FLUENT was also taken to analysis the fluid flow between the couples. Made a comparison between the theoretical calculation and simulation calculation .we al
11、so had an analysis of the error. According to the viscosity relationship between lubrication oil and the DME, and the formula for the flow in traffic gap, we preliminary designed the proper pressure for the lubrication. Key words: DME; injector; lubrication; couples abrasion; leakage 武汉科技大学武汉科技大学 硕士
12、学位论文 第 1 页 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 人口、资源、环境与健康已经成为了21世纪人类面临的四大难题。20世纪以前，人们对能源这个术语的谈论还很少，直到1973年和1979年发生了两次石油危机以后，能源才开始成为人们议论的焦点。世界经济的发展与能源的供应是息息相关的，能源是人类赖以生存的物质基础，现如今百分之九十的运输能量是依靠石油获得的，石油运输方便，能量密度大，因此石油成为了各种运输行业的首要驱动能源。 1石油工业是世界经济发展的命脉，它不仅关系着一个国家的国计民生，而且还成为国际社会的一个重要变数，油价的每一次波动都会影响到世界经济的脉搏。因此，石油工业还
13、被视为是世界经济发展好坏的晴雨表。伴随着人类日复一日的开采，石油的已探明储量正在快速递减。据资料显示，2007年全球的已探明石油储量为1.261万亿桶，到了2008年，这个数字就已经下降到了1.258万亿桶。按照目前的开采速度来计算，全球拥有的石油储量最多还可以开采42年。如果以同样的方式计算，现有的天然气储量最多还能再开采60年，煤炭储量最多还能再开采122年。 23与世界上其他的一些国家相比，我国的石油储量并不丰富，不及世界平均水平的1/6。80年代中国每年有1/4的石油用于出口。1993年以前，中国外汇的主要来源是依靠石油出口换来的。1991年以后，伴随着国民经济的飞速发展，中国石油消费
14、进入了快速增长时期，石油消费量也由1991年的1.18亿吨，增长到了2003年的2.67亿吨。据资料显示：2010年中国的石油消费量可能达到3.5亿吨左右，其中国内生产石油量为1.8亿吨，还有50%的石油需要从国外进口。预计到2020年，中国最低石油需求估计为4.5亿吨，国内生产保守估计仍会持续在1.8亿吨左右，有2.7亿吨的石油需要进口，对外依存度为60%。如果中国经济继续保持现有的速度增长，到了2030年至2040年，中国石油储量大概能剩下1亿吨左右，国内最低石油需求将达到6亿吨，需要进口的石油达5亿吨之多，对外依存度将达到83.3%，这是一个比较危险的信号。当一个国家石油对外依存度越大，
15、那么这个国家所面临的国际风险也将越大。这种国际风险一旦升级，就可能导致大规模的能源争夺战，海湾战争就是一个鲜明的例子。为了保持我国经济持续、快速、健康的发展，发展石油替代品已经成为我国能源战略的一项刻不容缓的任务。 4石油的储量正在急剧减少， 但是石油的消耗量却在与日俱增。 伴随着经济的飞速发展，人们的生活质量也得到了显著的提高，家用轿车在普通百姓的生活中越来越普及，中国汽车的私人拥有率正逐步提高。中国在2007年已经成为了仅次于美国的全球第二大汽车消费国。据资料显示，截止到2009年6月底，中国机动车保有量为176551129辆，比2008年底5第 2 页 硕士学位论文 武汉科技大学武汉科技
16、大学 增长了4.65%。其中汽车数量为69626031辆，摩托车91226621辆，挂车1035036辆，上道路行驶的拖拉机14641767辆，其他机动车21674辆。上述车辆都是石油消费的重要组成部分。然而有研究报告表明，中国正处在并将长期处于汽车消费时代，未来五年，中国的汽车销量还会迎来一个爆发式的增长。我国目前的柴油供需矛盾已经十分突出，在有些地方甚至多次出现过有钱加不到油的现象。为了解决目前出现的柴油供需矛盾，寻找柴油替代品的研究工作具有重大意义。 机动车辆所带来的环境污染问题也是不容忽视的，汽车排放的尾气一直以来都是环境污染的一个重要来源。据科学分析发现，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，
