丹東黃?？蛙嚜毩⒉膳到y(tǒng)設計,丹東黃?？蛙嚜毩⒉膳到y(tǒng)設計,丹東,黃海,客車,獨立,采暖系統(tǒng),設計 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 第1章 緒 論 1.1 課題研究前景 隨著社會的不斷發(fā)展，人們對乘坐汽車的舒適性、安全性要求越來越高，作為獨立熱源的加熱器得到了越來越廣泛的應用。在我國東北和西北寒帶地區(qū)，冬季室外溫度一般會達到零下十幾度甚至零下幾十度。在這樣的低溫下，入進車后會感到很不適，人們往往會啟動汽車讓發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)來進行取暖。然而隨著燃油價格和燃油稅的大幅度上升，人們不得不考慮減少燃油消耗，特別是減少發(fā)動機不必要的怠速運轉(zhuǎn)。車用燃油加熱器正好滿足了這一需求，無論是在駐車發(fā)動機關閉期間還是在行車期間加熱器均可為車輛提供適宜的溫度。車用加熱器不僅可以在冬季或寒冷地區(qū)進行車內(nèi)取暖，還可以對汽車駕駛室前窗玻璃進行除霜，并且在汽車低溫冷起動時預熱發(fā)動機等。加熱器的取暖、除霜功能提高了乘車的舒適性和行車安全性。低溫環(huán)境下預熱發(fā)動機，則解決了低溫起動難、起動慢的問題，同時還能有效地降低低溫冷起動過程的排放，減少發(fā)動機冷起動磨損、延長發(fā)動機使用壽命、提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性等?；谝陨戏N種優(yōu)點，加熱器得到了迅猛發(fā)展。目前，歐美日等發(fā)達國家生產(chǎn)的各種汽車以加熱器作為必備的附屬系統(tǒng)。夏天開空調(diào)，冬天就供暖氣。我國加熱器市場雖未完全成熟，但有越來越多的公交車、中高檔客車、甚至轎車都裝配了加熱器產(chǎn)品。 目前國內(nèi)加熱器的市場狀況，仍然是以客車和城市公交車以及軍事用車配套為主。在此領域內(nèi)，對加熱器熱功率的要求呈越來越大的趨勢，熱功率在15KW以上的加熱器訂貨量大幅上升。當功率超過15KW時，由于油量比較大，霧化不良就會出現(xiàn)冒黑煙和集油網(wǎng)燒損嚴重等問題，離心霧化式和蒸發(fā)霧化式加熱器已不能滿足大功率加熱器的技術要求。噴霧霧化式加熱器由于燃油跟空氣混合充分，燃燒完全，熱效率高，有害排放少，所以要重點研究噴霧霧化加熱器來滿足大功率加熱的需要。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1國外加熱器研究現(xiàn)狀 在歐美發(fā)達國家，車用加熱器已成為汽車的標準配置?，F(xiàn)在國外的加熱器技術已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。德國、美國、日本等都有專業(yè)的加熱器公司及系列產(chǎn)品。例如德國Eberspacher公司和Webasto公司，日本的三國等。 德國的Webasto公司是一家具有百年歷史的跨國企業(yè)，是世界汽車零部件百強企業(yè)之一。Webasto公司自1952年設計發(fā)明第一臺用于客車發(fā)動機的獨立的汽車采暖系統(tǒng)后，l961年發(fā)明了用于轎車上的泊車加熱(parking heater)，1999年又推出了應用于卡車上的加熱器／空調(diào)系統(tǒng)。Webasto公司加熱器自動化程度很高，其Scholastic系列產(chǎn)品采用單片機集中控制，可以實現(xiàn)自動換檔和自動診斷檢測，從而可以提高乘坐舒適性，降低駕駛員疲勞。在產(chǎn)品的小巧美觀方面Webasto也取得了突破，其研制的Air Top 2000 S氣暖加熱器的外型尺寸僅317×l2l×120mm，外殼由塑料制成，輕巧別致。 德國Eberspacher公司是一家以發(fā)動機尾氣處理與汽車采暖系統(tǒng)為主的跨國企業(yè)，也是世界汽車零部件百強企業(yè)之一。其早在1993年就與國內(nèi)的河北宏業(yè)公司合作，共同開發(fā)了一系列加熱器產(chǎn)品。目前已擁有AIRTRONIC、D5／8 L、HYDRONIC等多個系列十幾種加熱器產(chǎn)品。作為世界領先的車用加熱器生產(chǎn)廠，Eberspacher和Webasto都建有專門的研究中心，在燃燒技術，噪音控制，溫度自動化控制及排放水平等方面具有很多成熟的經(jīng)驗和成果。 1.2.2國內(nèi)加熱器研究現(xiàn)狀 我國的車用燃油加熱器與歐美相比起步較晚，1965年才開始國內(nèi)第一臺加熱器的研制。由于我國汽車工業(yè)整體技術水平較低，生產(chǎn)廠家對加熱器技術的投入較少，因此在技術方面長期落后于發(fā)達國家。國內(nèi)企業(yè)為了提高自身的技術水平和研發(fā)能力，不斷地開展與國內(nèi)高校的合作，共同進行車用加熱器的開發(fā)與研究。其中河北宏業(yè)與山東大學合作，北京京威與長安大學合作。 長安大學在降低加熱器工作噪音、提高點火性能以及排放水平等方面進行了相關的研究。長安大學與北京京威還合作開發(fā)出了CNG液體型車用加熱器以及積燃料加熱器。山東大學與河北宏業(yè)經(jīng)過多年的研制開發(fā)目前已成功開發(fā)了小功率的蒸發(fā)霧化式燃油加熱器、大功率的噴霧霧化式液體型燃油加熱器。其中具有自主知識產(chǎn)權的YJQ.5小型液體加熱器填補了國內(nèi)在轎車、微型車及工程車等汽車上應用的空白。該加熱器設計水平為國際先進,國內(nèi)首創(chuàng)。 雖然現(xiàn)階段我國的車用加熱器市場還遠沒有成熟，市場規(guī)模也遠沒有歐洲市場大。但各中外加熱器廠家已開始末雨綢繆，積極布局中國市場。目前我國國內(nèi)生產(chǎn)加熱器的廠家主要有河北宏業(yè)、北京京威、河北南風三家企業(yè)。和外資品牌相比，國產(chǎn)車用加熱器產(chǎn)品性價比高．在本土市場具有比較大的價格比較優(yōu)勢。河北宏業(yè)公司依托多年的技術積累，憑借價格優(yōu)勢，逐漸開始在市場上發(fā)力。據(jù)統(tǒng)計河北宏業(yè)占據(jù)了國內(nèi)加熱器市場65％--70％的份額，擁有中通、宇通和黃海汽車加熱器l00％的訂單，蘇州金龍加熱器80％的訂單，廈門金龍加熱器60％的訂單。除此之外，河北宏業(yè)還積極拓展海外市場，連續(xù)三年參展俄羅斯車展，越來越多的加熱器出口到俄羅斯、新西蘭等國家。價格是把“雙刃劍”，國內(nèi)加熱器廠家依靠價格優(yōu)勢取得了市場的成功。但價格優(yōu)勢不等于核心競爭力，國產(chǎn)加熱器的定價已經(jīng)偏低，有些型號的產(chǎn)品利潤率甚至降到了1％，再降價空間不大，甚至有可能隨著原材料價格的上漲而上漲。目前中國產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性還沒有得到國際市場的普遍認可，中國企業(yè)應該居安思危，在技術創(chuàng)新上下苦功，進一步提高自身的核心競爭力。 1.2.3國內(nèi)外的技術差距 (1)控制系統(tǒng)方面：國外的控制電路的集成化程度較高，且防護措施較好．德國韋巴斯托公司研制的加熱器的控制電路扳全部采用集成電路，且外面有一個防水涂層，可靠性較高。而國內(nèi)某些產(chǎn)品的控制電路仍然采用了很多接插件，結(jié)構較復雜，不便于拆裝，可靠性也較差。在控制系統(tǒng)的智能化方面，也有待提高。應該采用先進的傳感器技術和電子信息技術，進一步提高加熱器的自動化水平。 (2)結(jié)構布置方面：與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)產(chǎn)品在結(jié)構的簡單緊湊和輕巧方面還有很大的發(fā)展空間。應該不斷采用新型輕質(zhì)材料如合成塑科等，盡量用整體壓鑄部件代替裝配件和焊接件。這些要求將隨著我們的機械制造水平的提高而得以實現(xiàn)。 (3)燃燒排放方面：國內(nèi)研制的加熱器總體排放不高，但部分產(chǎn)品（尤其是蒸發(fā)霧化式）存在燃燒室積炭的現(xiàn)象，熱效率也有一定的提高空間。今后需要在助燃空氣流動組織和燃油霧化方面不斷改進，如合理高效的助燃空氣導流結(jié)構，各級進氣孔的布置方案，研究新的燃油霧化方法等。 (4)另外還可以改進換熱器的結(jié)構，通過提高高溫燃氣與換熱介質(zhì)（水或者空氣）的換熱效率來提高加熱器的總體熱效率。換熱器的結(jié)構改進主要包括換熱片的形狀和布置方式，但燃氣在其中的流動阻力不能太大，否則排氣不暢，導致燃燒惡化。 總之，提高燃燒器的燃燒效率和降低排放關鍵要在燃燒器結(jié)構和燃油霧化混合上做文章，以上各方面有望借助于新興的數(shù)值模擬技術結(jié)合先進的試驗手段較快地實現(xiàn)，本次的汽車加熱器燃燒器設計和燃燒霧化結(jié)構分析及改進就是遵循這樣一種思路完成的。 1.3 課題主要研究內(nèi)容 本設計基于河北宏業(yè)YJP-Q系列燃油加熱器為研究對象。首先對加熱器進行了原理分析，并對黃?？蛙囓噹麩嶝摵捎嬎愫侠砥ヅ浼訜崞?，以摸清這些因素對加熱器性能的影響，合理選擇水泵、高壓油泵、合理的進風量，然后對加熱器進行了尺寸調(diào)研分析，換熱管的方案分析；設計了不同規(guī)格的尾氣換熱器并進行了試驗；對不同情況的加熱器安裝方案進行分析；對油嘴分別進行了不同噴油角度、不同噴油錐體、不同噴油量的分析，優(yōu)化它們對加熱器性能的最佳影響情況。最后對加熱器所產(chǎn)生的燃燒污染物進行分析處理提出建議。 第2章 車用加熱器簡介 車用加熱器歷經(jīng)近百年的發(fā)展，經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段，從最初的余熱式到現(xiàn)在的獨立燃燒式，產(chǎn)品種類越來越豐富，技術也越來越先進。汽車供暖設備按所使用的熱源可分為：非獨立式供暖系統(tǒng)和獨立式供暖系統(tǒng)。非獨立式供暖系統(tǒng)也稱余熱式供暖系統(tǒng)，熱量來自于汽車發(fā)動機的冷卻熱水或廢氣。獨立式供暖系統(tǒng)（即汽車加熱器）的工作獨立于發(fā)動機，有自己單獨的供風、供油和控制裝置。目前，國內(nèi)加熱器也逐漸成熟，形成了多個品牌，多種系列的產(chǎn)品。 2.1車用加熱器工作原理 車用加熱器主要由五部分組成，包括：控制系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、配風系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的功能是通過著火傳感器、水溫傳感器等各種傳感器的信號，控制加熱器的點火、熄火過程，實現(xiàn)加熱器的過熱保護，并控制受熱體、燃燒室及換熱介質(zhì)的溫度． 燃料供給系統(tǒng)的作用是通過油泵將燃料以噴霧或燃油蒸汽的形式提供到燃燒室中。 配風系統(tǒng)主要由風扇和電機組成，其作用是配合燃燒室的形狀以及燃料燃燒方式，提供助燃空氣，使空氣在進入燃燒室時具有一定的速度和紊流度來優(yōu)化組織燃燒，保證燃燒的穩(wěn)定性和連續(xù)性。 燃燒系統(tǒng)是燃料和空氣混合并燃燒的場所，由燃燒室和點火裝置組成。燃燒室的結(jié)構及大小因功率和燃料供給方式的不同而不同．點火裝置（一般是點火電極）的作用是在加熱器起動時迅速點燃可燃混合物。 換熱系統(tǒng)作為加熱器的重要組成部分，其作用是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞到換熱介質(zhì)中。換熱介質(zhì)再通過管路將熱量釋放到應用場合。 工作過程：加熱器啟動時，風扇電機和水泵電機接通電源，帶動助燃空氣風扇和循環(huán)水泵轉(zhuǎn)動，同時油泵開始給加熱器供油，油在燃燒室進口處霧化并與從助燃空氣進口進入的空氣混合，由點火電極點火燃燒，著火傳感器將信號傳遞給控制器，加熱器開始正常工作，產(chǎn)生的高溫燃氣在燃燒室尾端折返180度后進入熱交換體與燃燒器之間所形成的環(huán)形空間，與熱交換體中換熱介質(zhì)換熱。若是空氣加熱器，則空氣吸熱后直接進入車廂供暖：而對于液體加熱器，熱水還要進入另外的換熱器將熱量傳遞給空氣后供車廂取暖和除霜用。整個加熱器的運行過程由單片機內(nèi)設定的控制程序控制。 加熱器控制：針對加熱器實際運行中的各種工況，設定了單片機中的加熱器控制程序。加熱器的運行控制包括開機程序、過熱保護、故障停機和正常關機四個方面。 (1)開機程序 按下開機按鈕，加熱器啟動，風扇和水泵工作，控制器檢測各元件工作是否正常，如發(fā)現(xiàn)任何故障則點火過程停止，并通過燃燒指示燈報警，用戶可根據(jù)指示燈閃爍的情況對照說明書對加熱器故障進行判斷并予以排除。如若點火成功且著火傳感器探測到火焰穩(wěn)定后，點火電極停止跳火，燃燒指示燈亮，加熱器進入正常工作狀態(tài)。 (2)過熱保護 加熱器正常工作時，對于液暖加熱器，通過安裝在水腔中的溫度傳感器對加熱器進行過熱保護．一般情況下設定水溫不超過800℃，當水溫超過這一數(shù)值時，溫度傳感器將信號傳遞給控制器，加熱器停機，而當水溫低于650℃時加熱器又會自動重新啟動。如果因為水路循環(huán)不暢而引起加熱器過熱，過熱傳感器動作，供油中斷，加熱器故障停機。 (3)故障停機 加熱器運行過程中出現(xiàn)故障自動熄火，控制程序會自動重新點火；當加熱器的工作電壓偏離正常范圍（一般為24V）時，加熱器會停機并報警；加熱器運行時如果控制器檢測到某一元件不正常時，也會自動停機并通過故障指示燈報警． (4)正常關機 在需要停機時按下關機開關，首先是油泵停止供油，而風扇電機和水泵繼續(xù)運行，帶動風扇繼續(xù)供風和水路循環(huán)，直到加熱器冷卻后，系統(tǒng)徹底停止運行，燃燒指示燈熄滅，整個延時過程大約持續(xù)3分鐘。 2.2車用加熱器的分類 (1)按燃燒燃料分 按照加熱器使用的燃料可將加熱器分為燃油加熱器、燃氣加熱器、燃油燃氣雙燃料加熱器。燃油加熱器主要以汽油或柴油為主，燃氣加熱器主要以壓縮天然氣或液化石油氣為燃料。 (2)按換熱介質(zhì)分 車用加熱器按照換熱介質(zhì)的不同可以分為氣暖加熱器和液暖加熱器兩類。液暖加熱器主要以循環(huán)水作為換熱介質(zhì)，水暖式加熱器與發(fā)動機的冷卻水管路、空調(diào)中的暖風芯子的水路相通，不僅可作為車廂采暖除霜用，而且可以預熱發(fā)動機、潤滑油，有利于低溫條件下的發(fā)動機起動；氣暖加熱器一般采用空氣作為換熱介質(zhì)，氣暖加熱器的換熱器結(jié)構比水暖加熱器的復雜，內(nèi)表面和外表面均布滿翅片狀的換熱片，可將被加熱的空氣直接送往受暖區(qū)域，其最大特點是供暖迅速及時，可適用于野外作業(yè)取暖之用。氣暖加熱器主要用于對空氣分布質(zhì)量要求不高的商用車輛如中巴車、卡車、貨車、工程車，尤其是長途貨運車等。 (3)按燃燒室燃油霧化方式分 按照燃油霧化方式，又可將加熱器分為蒸發(fā)霧化式、離心霧化式和噴霧霧化式三類。 噴霧式采用高壓油泵通過噴嘴將燃油以油霧的形式噴入燃燒室，霧化后的細小液滴通過蒸發(fā)擴散參與燃燒。與其他霧化方式相比，噴霧霧化的燃燒速度快，效率高，因此噴霧霧化式主要應用在大功率的加熱器上，目前國外的汽車加熱器多采用這種方式。缺點是小流量高壓油泵制造困難且噴油孔過細容易堵塞，同時加熱器的體積、重量和成本也會因此增加。 離心式采用低壓油泵將燃油滴落到高速旋轉(zhuǎn)的甩油盤上，利用離心力將燃油霧化并與空氣混合燃燒。離心式加熱器由于離心霧化油滴較大，且部分油滴先甩到甩油盤外圍的石棉網(wǎng)上，再蒸發(fā)參與燃燒，因此其燃燒室單位體積的熱功率會低于噴霧式加熱器，離心式適合于12一24kW的中等熱功率的加熱器。同時油滴直徑受到甩油盤的轉(zhuǎn)速影響，容易隨電機轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生波動，從而導致加熱器的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，存在低溫啟動困難和排放較高等問題，應用較少。 蒸發(fā)霧化式加熱器的結(jié)構比較簡單，一般采用流量很小的低壓電磁泵將燃油輸送到燃燒室頭部的燃油吸附網(wǎng)上，燃油受熱蒸發(fā)后被助燃空氣卷吸進燃燒室參與燃燒。缺點是熱功率較小，同時由于蒸發(fā)混合不均勻，局部燃油過濃，容易將燃油吸附網(wǎng)堵死并導致燃燒室積炭。 2.3車用加熱器的用途 (1)低溫起動 柴油發(fā)動機在低溫環(huán)境中冷起動比較困難，在-20℃時采用常規(guī)手段幾乎不能起動，而裝配加熱器后可保證發(fā)動機在-40℃低溫環(huán)境下順利可靠地起動，這對于冬季或高原嚴寒地區(qū)的車輛起動具有重要的意義。發(fā)動機經(jīng)加熱器預熱后，可提高氣缸、活塞、活塞環(huán)及各摩擦副和機油溫度，由此能大大降低啟動阻力。例如在-40℃時，M520B型發(fā)動機預熱后其發(fā)動機的熱態(tài)啟動阻力矩為220N．m，而進行冷啟動時的阻力矩則為323N.m，熱態(tài)啟動時發(fā)動機的阻力矩下降32%，啟動轉(zhuǎn)速增加20r/min，因被預熱的機體對所進冷空氣也有一定的加熱作用，從而提高了缸內(nèi)氣體壓縮終了的溫度和壓力：另外，加熱器還可以加熱蓄電池，從而提高蓄電池的輸出功率，以增加起動電機的啟動力矩，提高發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速?？傊?，裝配加熱器對發(fā)動機預熱后，發(fā)動機在低溫條件下的啟動較為容易。 (2)采暖 采暖是加熱器的主要用途，是加熱器研制的初衷，在低溫或潮濕陰冷環(huán)境中，車輛運行時需要向車廂內(nèi)供暖，一些專用運輸車也需配置保溫設施，由于加熱器的體積小，結(jié)構緊湊，熱效率高，因此采用獨立式燃油加熱器是最佳選擇。目前加熱器主要用于轎車，客車，以及花卉、鮮活魚類等的運輸車。此外，可結(jié)合特殊用途的需要，將加熱器應用到軍事滅菌車、救護車等車輛上，同時還可為野外帳篷供暖，由于體積小適合單兵攜帶，因此在軍事上有著廣泛的應用前景。 (3)除霜 冬季當環(huán)境溫度較低時，車內(nèi)由于人呼吸等原因產(chǎn)生的溫度相對較高的水蒸汽容易使汽車駕駛室前風擋玻璃處結(jié)霜，影響司機視線，導致交通事故的發(fā)生。加熱器提供的熱氣可以使前風擋玻璃處形成一道熱風幕，防止霜的形成，提高駕駛的安全性。 (4)減少機件之間的摩擦力，延緩零件損壞 發(fā)動機啟動磨損主要由分子機械磨損和腐蝕機械磨損引起。分子機械磨損指金屬表面相互接觸，發(fā)生相當運動時在金屬零件表面發(fā)生的類似于金屬切削的磨損。腐蝕一機械磨摜是指發(fā)動機在低熱狀態(tài)工作，水蒸汽凝結(jié)在氣缸壁上，其中溶有的酸氣引起的磨損．發(fā)動機預熱后，能夠縮短形成油膜潤滑所需的時間，使分子機械磨損量減小。另一方面，對發(fā)動機進行預熱后，可以縮短發(fā)動機溫度升高所需的時間，從而減少了腐蝕機械磨損量。 (5)降低汽車冷起動時的有害排放 發(fā)動機冷起動時由于氣缸壁和燃燒室壁面溫度低，燃油霧化質(zhì)量差以及多個循環(huán)后才著火等一系列因素，使得發(fā)動機起動后及隨后一段時間內(nèi)排氣中有害物CO、HC和微粒的捧放濃度比正常工作時高出幾十倍，而采用加熱器預熱后，能夠提高缸壁溫度，改善霧化質(zhì)量，減少著火前的空循環(huán)次數(shù)，顯著降低上述污染物的排放量。 2.4加熱器在汽車上的安裝 如圖2-1是客車中的加熱器安裝布置示意圖。水暖式加熱器有兩種布置方式：串聯(lián)式和獨立式。串聯(lián)方式不僅可以對發(fā)動機進行預熱，又可以利用發(fā)動機的余熱，具有節(jié)能優(yōu)勢。獨立方式不能對發(fā)動機進行預熱，但是控制較為簡單。具體安裝方案詳見圖紙。 圖2-1加熱器安裝布置示意圖 2.5加熱器的發(fā)展趨勢 當前國內(nèi)外燃油加熱器的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面: (l)燃料方面不再是單一的燃油加熱器，開始采用排放低、經(jīng)濟性好的壓縮天然氣和液化石油氣作燃料。目前己成功開發(fā)出燃氣加熱器及燃氣燃油兩用加熱器，但相關技術還未成熟，所以產(chǎn)品還沒有投入市場． (2)燃燒與換熱方面燃燒系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)是加熱器最為重要的部分，因此提高加熱器的燃燒效率與換熱效率是提高加熱器整體熱效率的最有效的兩種途徑。在提高燃燒效率方面，預蒸發(fā)燃燒是一種較為先進的燃燒方式。熱交換器方面，現(xiàn)在大多數(shù)加熱器均采用螺旋式水腔進行換熱，因加熱器結(jié)構尺寸的限制使該類換熱器換熱面積受到制約，熱量損失較大，加熱器熱效率較低，因此提高熱交換器換熱效率是很有意義的工作． (3)控制系統(tǒng)方面國內(nèi)加熱器控制電路集成化程度低，而且防護措施不到位，因此研制結(jié)構簡單，操作方便，便于拆裝，可靠性高的控制系統(tǒng)十分重要。通過引入單片機為控制核心，目前加熱器控制器已成功集成了遠程遙控啟動、工作過程中對進、出水溫度和捧氣溫度的實時監(jiān)控等一系列功能。但是隨著電路集成化程度的進一步提高，應該采用先進的傳感器技術和電子信息技術，進一步提高加熱器的自動化水平，目前國外加熱器廠商在這方面做了許多研究。 (4)數(shù)值模擬技術的應用起初在加熱器的研制的過程中往往采用經(jīng)驗與試驗相結(jié)合的方法，先憑借經(jīng)驗設計試制出樣機，然后再對樣機進行試驗，根據(jù)試驗的情況再做迸一步改進，最后確定新產(chǎn)品的結(jié)構、尺寸等各項技術指標。這種研發(fā)模式成本高，并且設計周期長，一旦樣機出現(xiàn)問題較多，就要對其進行大幅度的改動，甚至要重新制作樣機，延長了產(chǎn)品從設計到問世的時間，不利于加熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展和進步，數(shù)值模擬技術在各個工程技術領域得以應用，對新產(chǎn)品的設計和完善有重要的指導意義。采用數(shù)值模擬技術結(jié)合試驗的方法可以大大降低新產(chǎn)品研發(fā)的成本，縮短設計周期。 第3章 黃海客車加熱器功率的匹配計算 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，為解決冬季汽車發(fā)動機的冷起動和司乘人員的取暖問題，降低起動與暖機過程中的排放，實現(xiàn)車窗除霜、車內(nèi)取暖，目前加裝獨立式燃油加熱器的車輛越來越多。如何給車輛匹配一臺合適的加熱器，是我們首先考慮的問題。 3.1 車內(nèi)空氣升溫所需加熱器的功率 當環(huán)境溫度較低，車輛發(fā)動機的余熱不能滿足取暖空間的要求時，需要汽車加熱器為車輛提供熱能，以保證車內(nèi)合適的溫度。下面為丹東黃海某車型參數(shù)（表3.1），確定加熱器功率的計算方法。 表3.1 丹東黃?？蛙嚰夹g參數(shù) 丹東黃?？蛙? 項 目 單 位 指 標 外形尺寸 mm 7990×2350×3240 軸距 mm 3800 額定乘員（含駕駛員） 人 19~33 車廂內(nèi)高 mm 1920 最高車速 Km/h 發(fā)動機型號 YC4112ZLQ 額定功率 kw/r 132/230 最大扭矩 Nm/r 660/1400 噪聲 dB 115 質(zhì)量 Kg 400 3.1.1 一般車輛加熱器功率的計算方法 按交通部JT/T325-2002《營運客車類型劃分及等級評定》，乘客人均采暖量>1880千焦/小時。 丹東黃?？蛙囶~定乘員（含駕駛員）19-33人，則所需加熱器發(fā)熱量Qmax=33×1880=62040千焦/小時=17.2kW。 3.1.2汽車加熱器功率的計算方法 由于車輛散熱部位較多，外部環(huán)境差別較大，熱量損失的計算比較復雜，國內(nèi)廠家在為車輛選配加熱器時，往往根據(jù)國外類似車型配備加熱器功率的大小或按客車等級評定人均取暖量要求，估計確定。由于實際車輛在車速范圍、車廂保溫材料以及車廂密封情況等的差別，往往會造成加熱器選配不合理、不科學的問題，因此通過計算分析，得出不同車輛配備加熱器的通用公式，將是極有意義的。 車輛運行時，加熱器主要為加熱車廂中的空氣提供熱量，要在克服通過車輛外表向外界環(huán)境散熱的同時，使車廂內(nèi)空氣溫度保持在一個合理的范圍內(nèi)，這時的熱平衡關系可表示為： Wkt- Cpm△T=KF△Tt (3—1) 其中：Wk為加熱器功率(Kw) Cp為空氣的定壓比熱（KJ/KgK) m是客車內(nèi)部的空氣質(zhì)量（Kg) △T為客車的內(nèi)外溫差（K) F為當量散熱面積，F(xiàn)= （3—2） Fn和Fw分別為車廂的內(nèi)外散熱面積（㎡） t是加熱時間（s） K是廂體的總傳熱系數(shù)（W/㎡·K) 廂體的總傳熱系數(shù)K由下式計算： K=K0+Kμ （3—3） K0是車廂的傳熱系數(shù)，公式為： （3—4） 式中αn為廂體內(nèi)壁散熱系數(shù)，αn60KJ/(㎡·h·℃)， αw為廂體外壁散熱系數(shù)，與車速有關， 當車速為40㎞/h,αw146KJ/(㎡·h·℃)， n為汽車廂體隔熱材料厚度（m）， n為汽車廂體隔熱材料傳熱系數(shù)（W/㎡·K） Kμ代表因車廂漏氣而影響散熱量所對應的傳熱系數(shù) Kμ=（0.2-0.6）K0 （3—5） 由以上關系可確定加熱器功率Wk。 表3.2計算參考參數(shù) 丹東黃?？蛙? 外形尺寸（車外） mm 7990×2350×3240 外形尺寸（車內(nèi)） mm 6990×2200×1920 外部散熱面積Fw ㎡ 105 內(nèi)部散熱面積Fn ㎡ 66 玻璃窗面積F玻 ㎡ 18 內(nèi)外最大溫差△T K 55 加熱時間t min 30 車速 ㎞/h 40 3.1.3車窗玻璃散熱量 Q1=K?！?！ぁ鱐·t (3-6) 式中 K玻一玻璃窗的傳熱系數(shù)（一般取K玻=23KJ/h·㎡·K） F玻一玻璃窗的面積(㎡) △T-車內(nèi)外最大溫差(K) t-加熱時間(h) 將表3.2中所給值代入式(3-6)計算得W1=11385 kJ 3.1.4車壁散熱量 車壁散熱量Q2的計算式為Q2=K·F·△T·t (3-7) 為計算方便可將全部壁面都簡單地按多層均勻平壁計算 由表3.2和式(3-2)可得當量散熱面積（不包括車窗玻璃）， F= =64.6 ㎡ 己知所選隔熱材料聚苯乙烯泡沫塑料的厚度 n為0. 04m，n為0.1254 KJ/h·m·℃ 由前面己知廂體內(nèi)壁散熱系數(shù)αn≈60 KJ/(㎡·h·℃)；在車速40km/h時取廂體外壁散熱系數(shù)αw≈146KJ/(㎡·h·℃)將以上已知數(shù)值代入式(3—4)可得車廂的傳熱系數(shù)為 K0=l/(0.024+0.32)=2.91KJ/h·㎡·℃ 再將K0值代入式(3—3)得廂體總傳熱系數(shù)為 K=K0+Kμ=l.4 K0=4.07KJ/h·㎡·℃ 車壁散熱損失為 Q2=K·F·△T·t=7230·36kJ 3.1.5室內(nèi)空氣溫升所需熱量 Q3= Cp·m·△T (3-8) 式中Cp為空氣比熱，1.005KJ/(kg·K)； m為車內(nèi)空氣質(zhì)量，kg； △T為溫差，K； 其中車內(nèi)空氣質(zhì)量m用密度l.205kg/m3與體積的乘積計算， 考慮新風換熱，每人所需新風量為llm3/h， 總空氣體積為V=V1+V2 Vl為車室內(nèi)空氣體積29.5m3； V2為新風量，30分鐘的進風量為V2=11×33/2=181.5m3 V=V1+V2=29.5+181.5=211m3,將以上各值代入式(3-8)得 Q3= Cp·m·△T=1.005×211×1.205×55=14054KJ 則所需熱量為Q需=Q1+Q2+Q3=32669kJ 若需要30分鐘加熱到設定溫度，其所需加熱器功率為 WK=Q需/t=32669/1800=18.15 KW 3.1.6小結(jié) 以上給出了車內(nèi)空間加熱的加熱器功率選擇的計算方法，實際計算結(jié)果比按《營運客車類型劃分及等級評定》計算出的結(jié)果較大，《營運客車類型劃分及等級評定》選擇的加熱器功率并不能滿足車輛取暖要求，實際加熱時間要大于30分鐘，在實際應用中需要等待溫升的時間較長，因此汽車加熱器的選擇需要根據(jù)具體車輛的具體情況進行詳細計算。 3.2 發(fā)動機冷起動斫需加熱器的功率 自從利用汽車加熱器對發(fā)動機預熱以來，雖然各種發(fā)動機的材料和結(jié)構各有不同，但可根據(jù)發(fā)動機的基本情況確定選用多大功率的加熱器，以便對發(fā)動機預熱時間進行計算，這對于軍用車輛在低溫下迅速進入戰(zhàn)備狀態(tài)有積極意義。 發(fā)動機冷起動時，燃油加熱器的發(fā)熱量主要用來加熱冷卻液和發(fā)動機機體。一般車輛發(fā)動機要求在30分鐘以內(nèi)將發(fā)動機機體溫度升高到指定的溫度水平(+40℃以上)，即可輕松起動成功。加熱器所需功率可采用以下計算方法： 加熱循環(huán)系統(tǒng)冷卻液所需熱量 Ql=Cp1·m1·△T1 (3-9) 式中Cpl為冷卻液的比熱，4.2KJ/(kg·K)； △T1是冷卻液加熱前后溫差，K； m1為冷卻液的質(zhì)量，kg。 假設水溫同樣升高55K，冷卻液容積30升，密度l000 kg/m3， 則Q1= 4.2×1000×0.03×55=693 kJ 預熱發(fā)動機機體所需熱量 Q2=Cp2·m2·△T2 (3-10) 式中Cp2為發(fā)動機材料的比熱，0.47KJ/(kg·K)； △T2是加熱前后材料的溫差，K; 考慮到發(fā)動機缸體不能全部加熱到設定溫度，溫差按中間值選取 m1為發(fā)動機的質(zhì)量，kg。 Q2=0.47×400×55/2=5170 kJ 加熱器的熱功率 WF=(Q1+Q2)/t （3-11） 式中t為加熱到設定溫度所需時間（秒） 將計算所得Q1、Q2值代入式（3-11）得 WF=(Q1+Q2)/t=3.26kw 3.3 加熱器功率的確定 根據(jù)上述計算關系，可確定與客車相匹配的加熱器熱功率 W=max (Wk，WF) 取空氣加熱和發(fā)動機預熱所需加熱器功率的最大值，為18.15kw。根據(jù)以上計算分析本次設計的加熱器功率為20Kw。 3.4 冷起動所需時間的計算和驗證 選好加熱器功率后，即可計算出發(fā)動機低溫起動加熱到設定溫度所需時間。 按發(fā)動機從-25℃升到+45℃ Q1=Cpl·m1·△T1 =4.2×1000×0.010×70=2940 kJ Q2=Cp2·m2·△T2 =0.47×400×70/2=6580kJ QF=Q1+Q2=9520kJ 所需加熱時間t=QF/W加6580/20=476s8min 3.5 本章小結(jié) 實際測試結(jié)果和計算值誤差在2%之內(nèi)，說明采用這種計算方法對于發(fā)動機低溫起動的計算具有一定的實際意義。 這種方法在實際中另一次應用是，原印度產(chǎn)NT743 Cummius發(fā)動機，在青海錫鐵山二礦安裝了16kW的液體加熱器，從-2℃加熱到78℃自動停機，用時29分鐘。加熱器停機時發(fā)動機外表溫度在40℃左右。其發(fā)動機內(nèi)裝18升防凍液，凈重1190kg，按上面的計算方法所需時間為29.6分鐘。說明該方法是有效的。 第4章 加熱器燃燒室配風及水泵、油泵的選取 一個完整的燃燒過程包括著火、燃燒和燃盡三個階段。三個階段沒有明顯的界限，但是在整個燃燒過程均需要合理的配風，以強化混合和燃燒。合理的配風對各次配風量和空氣的流動方式均有嚴格的要求，以達到著火快速，燃燒充分的目的。 ４.1 燃燒室配風原則 （1）總供風量分多次進入燃燒室，即多次供風。為了避免結(jié)構過于復雜，通常采用一、二次風的兩次供風方式。一次風也稱為根部風，位于噴霧錐的根部，目的是在噴霧著火前強化燃油和空氣的混合。一次風約占總風量的１５％～３０％，風量太大可能破壞著火條件。視燃油密度大小取得恰當?shù)闹担缛羧加弥赜蛻∩舷拗怠? （2）在燃燒的前期和后期均需要達到燃料和空氣的強烈混合。燃燒前期，除了一次風外的其他供風應在燃燒室前端就能與燃油噴霧均勻而強烈的混合，空燃比滿足燃料的可燃極限。氣流的擴散角度應小于燃油霧化角度，以使空氣能夠切入油霧，與燃油摻混。要達到這一目的，通常采用氣流與噴霧射流交叉流動或者組織旋流“卷吸”燃料。在燃燒后期的火焰擴展過程中，燃料與空氣的混合也應該強烈，以保證燃燒充分，這也要求較高的二次或三次風流速。 （3）在距離噴嘴一定距離處應該組織一個高溫燃氣的回流區(qū)，以使火焰穩(wěn)定。該回流區(qū)的流速應該與火焰?zhèn)鞑ニ俣认噙m應才能既保證穩(wěn)焰又不將火焰吹滅，因此通常為低速回流區(qū)。 ４.2 燃燒穩(wěn)焰原理及措施 為了使火焰穩(wěn)定，必須有一個穩(wěn)定的著火熱源。燃燒室內(nèi)部必須要有一個低速區(qū)，該區(qū)域的氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏?，才能確?；鹧娣€(wěn)定燃燒。氣體流速過高會造成脫火，即火焰被吹滅；反之，會造成回火凹引。因此，任何一種燃燒裝置都需要設計相應的穩(wěn)焰結(jié)構。穩(wěn)焰措施如下： （1）直流環(huán)狀射流穩(wěn)焰：即在燃燒筒內(nèi)放置一塊擋板使氣流在擋板后形成低速回流區(qū)，其流場為環(huán)狀噴出流束包圍著的一個負壓區(qū)，氣流呈渦旋狀態(tài)。此種類型的穩(wěn)焰器有平板型和錐型。 （2）旋轉(zhuǎn)環(huán)狀射流穩(wěn)焰：是由于流束中心位置的誘導流股不足，而產(chǎn)生負壓環(huán)流區(qū)。該形式的旋流可以通過蝸殼式配風器或切向葉片旋流器產(chǎn)生，而且可以通過改變旋流器的旋度而形成不同大小和旋度的回流區(qū)。 （3）同軸射流穩(wěn)焰：它是在環(huán)形射流內(nèi)側(cè)，中心射流外側(cè)，兩股射流邊界層的連接處，產(chǎn)生兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流。同軸射流產(chǎn)生的關鍵是兩股射流要有速度差。 （4）反向射流穩(wěn)焰：是由兩股逆向射流形成低速回流區(qū)。但是反向射流穩(wěn)焰技術尚處于試驗研究階段，還未推廣使用。 4.3 助燃空氣調(diào)整 （1）在允許的范圍內(nèi)增加一次風供風量有助于縮短火焰，這是因為增加了燃燒初期參與燃燒的燃料的比重，縮短了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。這可以通過增大一次風進氣孔或者增加孔數(shù)來實現(xiàn)。 （2）增強助燃空氣的旋流度是非常有效的縮短火焰長度的措施，這可以通過改變切向進氣孔的布置來實現(xiàn)。不過助燃空氣旋流程度也不能太大，否則氣流擴張角過大，不利于與燃油噴霧的混合，還會造成過大的壓力損失。 綜上所述：本設計采用助燃空氣進口是一個210°的扇形氣口，氣口開度的大小是由180°扇形調(diào)風板調(diào)節(jié)，其可調(diào)開口范圍為30°-180°，最大開口180°的有效進氣面積為2682.5m㎡。選用的風扇轉(zhuǎn)速4400r/min、120°開度向下，脫開機頭時空氣流量為140.9Kg/h。 4.4 水泵的選擇原則 泵選型的的主要內(nèi)容是根據(jù)是根據(jù)工程所需要的揚程、流量及其變化規(guī)律，確定合適的泵類型，選型的依據(jù)是根據(jù)規(guī)劃設計中確定的設計參數(shù)。泵的選型是配套的動力機、傳動及輔助設備的主要依據(jù)，必須十分重視。 泵選型的基本原則： （1）、必須根據(jù)生產(chǎn)的需要，充分滿足生產(chǎn)過程中流量和揚程的要求。 （2）、選用性能良好，并與工程要求的流量、揚程變化具有較強的適應性與保證性的泵型。 （3）、應盡量使所選用泵在其高效區(qū)范圍內(nèi)即設計工況點附近運行。 （4）、所選泵在長期運行中平均裝置效率較高，能量消耗低，運行費用較低。 （5）、所選泵的型號是整個系統(tǒng)的投資最省。 （6）、易于操作，便于運行、管理和維護。 水泵的型號有很多，在設計當中，要選擇無論在經(jīng)濟還是效率上都能充分體現(xiàn)價值的水泵，所以，我選擇離心泵。水泵的泵水量1400L/h，加熱器中至少同水量500L/h。 4.5 油泵的選取原則 齒輪油泵選型的基本原則，應根據(jù)工藝流程，給排水要求，從五個方面加以考慮，既液體輸送量、裝置揚程、液體性質(zhì)、管路布置以及操縱運轉(zhuǎn)前提等 （1）、流量是選齒輪油泵的重要機能數(shù)據(jù)之一，它直接關系到整個裝置的的出產(chǎn)能力和輸送能力。 如設計院工藝設計中能算出齒輪油泵正常、最小、最大三種流量。選擇齒輪油泵時，以最大流量為依據(jù)，兼顧正常流量，在沒有最大流量時，通?？扇≌Ａ髁康?.1倍作為最大流量。 （2）、裝置系統(tǒng)所需的揚程是選齒輪油泵的又一重要機能數(shù)據(jù)，一般要用放大5%—10%余量后揚程來選型。 （3）、液體性質(zhì)，包括液體介質(zhì)名稱，物理性質(zhì)，化學性質(zhì)和其它性質(zhì)，物理性質(zhì)有溫度c密度d，粘度u，介質(zhì)中固體顆粒直徑和氣體的含量等，這涉及到系統(tǒng)的揚程，有效氣蝕余量計算和合適齒輪油泵的類型：化學性質(zhì)，主要指液體介質(zhì)的化學侵蝕性和毒性，是選用齒輪油泵材料和選用那一種軸封型式的重要依據(jù)。 （4）、 裝置系統(tǒng)的管路布置前提指的是送液高度送液間隔送液走向，吸如側(cè)最低液面，排出側(cè)最高液面等一些數(shù)據(jù)和管道規(guī)格及其長度、材料、管件規(guī)格、數(shù)目等，以便進行系梳揚程計算和汽蝕余量的校核。 （5）、 操縱前提的內(nèi)容良多，如液體的操縱T飽和蒸汽力P、吸入側(cè)壓力PS（絕對）、排出側(cè)容器壓力PZ、海拔高度、環(huán)境溫度操縱是間隙的仍是連續(xù)的、齒輪油泵的位置是固定的仍是可移的。 綜上所述本設計選取河北宏業(yè)公司生產(chǎn)齒寬為2.5mm轉(zhuǎn)子油泵，油泵壓力10bar以上。以下是具體參數(shù)： 齒廓曲線：變態(tài)擺線 嚙合方式：內(nèi)嚙合 齒 寬：2.5mm 小齒輪數(shù)：6 大齒輪數(shù): 7 大齒輪外圓：21.4 大小齒輪齒頂嚙合間隙：0.02-0.03 大齒輪外圓徑向間隙：0.065 轉(zhuǎn)速：3800-4400r/min 4.6 本章小結(jié) 經(jīng)過查閱相關資料得出上述結(jié)論，但是由于本人知識有限尚不能做出最合理的選擇，希望老師給予指點建議。此外，本設計采用的濾清器為CX0606型專用旋裝式柴油濾清器。 第5章 噴油嘴參數(shù)確定及點火方式分析 5.1 噴油嘴的幾種類型 本次設計所采丹佛斯(Danfoss)產(chǎn)0.75USgal/h，0 85USgal/h和1.OO USgal/h三種油量的單路噴嘴；其噴油錐角有45°、60°和80 °三種；而油霧錐體是實心，半實心和空心三種。 5.2 不同噴油嘴的性能對比 (1) 0.75USgal/h、80°、空心噴油嘴在調(diào)風板較小的開度（45。左右）下有最大熱功率，此后隨著調(diào)風板開度的增大，熱功率和熱效率均呈下降趨勢，可能是由于燃燒室內(nèi)風量加大，低溫助燃空氣吸熱耐火焰的冷卻作用加強，使燃燒內(nèi)溫度下降，使換熱溫差減小，影響了換熱量，同時因燃氣流量增大使其流速升高，導致高溫燃氣與換熱器之間的熱交換時間縮短，導致功率、效率下降。 (2) 0.85 USgal/h、60°、空心噴油嘴在調(diào)風板較小開度下因供氣不足排氣口出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，故試驗從大于60°開始做起。開始時功率較小，隨著調(diào)風板開度的加大功率迅速上升，但開度選120°后因供氣量隨開度的增大增量很小而使功率上升變緩，至最大開度1 80°時功率仍無最大值出現(xiàn)。結(jié)果知，0.85 USgal/h嘴的實際供油量（實際供油量平均值3.17kg/h）比0.75USgal/h嘴(實際供油量平均值2.74kg/h)高15.7%，但最大功率卻僅高12.3%，而排氣溫度反而高15.5%。 (3) 1.00 USgal/h、80°、實心噴油嘴的供油量（實際供油量平均值3.36kg/h）比0.85 USgal/h嘴的實際供油量高6%，然而二者的功率在開度達120°后卻幾乎相當，甚至還略低于0.85 USgal/h嘴。即便是調(diào)風板全開達到180°，其功率Pe和熱效率ne仍呈上升趨勢而無最大值出現(xiàn)，且整個曲線上升緩慢，還低于0.75USgal/h嘴和0 85USgal/h嘴許多?？梢娂訜崞鞯墓╋L量和熱交換器的吸熱能力對I.OO USgal/h嘴均有所不足，從而造成燃燒不充分排氣煙度高，致使熱效率較低。 綜上所述：初選0.75 USgal/h型噴油嘴較為適宜。 5.3 不同噴油椎體、噴油椎角對比 單路壓力霧化噴嘴又稱為簡單離心式噴嘴，它是利用噴嘴內(nèi)旋流件產(chǎn)生液體旋轉(zhuǎn)，在收斂通道內(nèi)加速噴出空心擴散錐狀油膜，利用液體與外界空氣的高速差而破碎、霧化(4l。所謂噴霧錐體就是垂直噴霧錐的截面上燃油分不同，大體上可以區(qū)分為實心(或稱彌散型)、半實心和空心三種。不同的噴霧方式與供油量、噴霧錐角要求有關，有的與點火、燃燒噪音及污染性能有關。一般空心噴霧的火焰短，實心的火焰長。實心錐形霧化區(qū)的液滴均勻的分布在一個設定的錐形區(qū)域內(nèi)：空心錐形霧化區(qū)的液滴大多集中在一個環(huán)形霧化帶中：而半實心形則介入二者之間（如圖5-1所示）。試驗中選用噴油量0.75USgal/h，噴油錐角80°，實心、半實心和空心三種油霧錐體形式的油嘴進行了性能對比分析。 圖5-1不同形式噴霧椎體示意圖 噴霧錐角的定義有兩種規(guī)定：一是將噴嘴出口中心點到噴霧距外包絡線的兩條切線之間的夾角定義為霧化角：另一種工程上常用的表示法是以噴口為中心，在距噴嘴端面與噴霧曲面的交點連線的夾角成為條件霧化角，為了與配風系統(tǒng)相匹配，油嘴所噴油霧不僅具有上述不同形式的油霧錐體，同時還具有各種不同的噴油錐角（如圖5-2所示）以滿足不同場合的需求，噴嘴的噴霧質(zhì)量除了人們熟知的霧滴尺寸及其分布外，還包括霧滴速度，霧滴數(shù)密度，液霧體積流量，渡霧體積通量等。噴霧的不均勻度會導致燃燒室內(nèi)油氣比分布失調(diào)，局部富油會增大排氣冒煙，過于貧油則不利燃燒穩(wěn)定性，兩者均會惡化出口溫度場品質(zhì)和降低燃燒效率。大型燃燒室所用油嘴的噴油錐角為90° -120°。小型燃燒室噴嘴的噴油錐角為50°-80°。 圖5-2不同噴油椎角示意圖 相關實驗表明燃燒室內(nèi)的溫度基本上是80°實心油嘴的最高，且更靠近導流體大端，即更接近噴油嘴，這或許是80°噴油錐角的油氣混合、燃燒速度更快些所致。增大噴霧錐角可以使燃燒火焰縮短，不過噴霧錐角的增大也受燃燒室空間結(jié)構的限制，應該避免嚴重的噴霧撞壁現(xiàn)象，否則會導致霧化不良，使燃燒情況惡化，產(chǎn)生冒黑煙的現(xiàn)象。 5.4 點火方式分析 電阻絲點火塞點燃式（通稱為熾熱物點火），這種形式結(jié)構簡單、運行可靠，但是點火性能差，供油不迅速導致在使用過程中會出現(xiàn)點火失效或勉強燃燒后產(chǎn)生濃煙。 此外，熾熱物點燃可燃混合氣最低溫度750℃左右，通常在溫度達到1250℃以上均能點燃可燃混合氣。由于電阻絲點火塞的材料為金屬材料，所以通常不能達到足夠高的溫度（1000℃），且耐腐蝕度也較低，采用電阻絲點火會出現(xiàn)以下問題： (1)因電阻絲占用整體空間較大，升溫速度慢，當燃燒室預熱不夠充分．電阻絲附近油霧過濃時，因油霧蒸發(fā)而吸收大量的熱量，致使點火塞的表而溫度急劇下降而出現(xiàn)點火失效。 (2)由于電阻絲點火塞在點火過程中，需燃燒室內(nèi)有一定量的已預熱的可燃燃混合氣，因此在預熱前需提前向燃燒室供油。但提前供油量的大小很難控制，過多將造成燃燒室積油過多，燃油蒸發(fā)時需吸收大量的熱量，從而導致點火失效，或勉強點火而產(chǎn)生滾滾濃煙且滴油嚴重． (3)在實際使用中，由于操作不當或電壓過低，則點火塞的表而溫度僅有600℃左右。因此電阻絲點火塞操作要求較高。 為此，采用全陶瓷點火塞裝機進行了多種工況試驗。結(jié)果證明使用全陶瓷點火塞可避免上述不足，其原因如下： (1)全陶瓷點火塞升溫迅速(在4s內(nèi)能達到1 000℃)且表而溫度最高可達1300℃。只要在運行前預熱燃燒室壁和點火塞體，當霧化器產(chǎn)生的油霧散布到灼熱的燃燒室內(nèi)壁、點火塞體附近后，會迅速蒸發(fā)成一定濃度的可燃混合氣并被點火塞順利點燃，火焰在很短時間內(nèi)即可波及整個燃燒室，完成點火過程。 (2)因在運行前無須提前供油，所以操作簡單方便。且?guī)缀鯖]有滴油現(xiàn)象，不會出現(xiàn)因操作不當而點火失效或濃煙滾滾。 5.5 本章小結(jié) 通過燃油加熱器上對噴油量0.75USgal/h嘴、O.85USgal/h嘴和1.00USgal/h嘴配機分析看，供油量0.75USgal/h、80°、實心的油嘴基本適合于現(xiàn)用加熱器，O.85USgal/h嘴較勉強，1.00USgal/h的油嘴因供氣不足和熱交換器吸熱能力不夠而不適合配用，應另配熱變換器。油嘴的噴油錐體形式及噴油錐角，對現(xiàn)用加熱器用結(jié)構形式的燃燒器性能影響不大，其排放指標也相差無幾。 由于條件原因不能做出上述實驗，導致分析的數(shù)據(jù)誤差較大。 第6章 燃燒污染物的生成機理及防護措施 6.1 主要污染物及危害 汽車加熱器的主要作用之一是降低汽車冷啟動階段的排放，但是它自身也會產(chǎn)生少量的有害排放物，不到發(fā)動機排放量的５％。汽車加熱器的有害排放物主要是HC、CO和NOx，他們產(chǎn)生的主要原因是局部高溫和混合不均勻。這些有害排放物造成的空氣污染能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境和人類健康帶來很大危害。因此，如何在合理利用能源的同時降低有害物的排放一直是能源科技領域的重要課題。 （1）HC包括未燃和未完全燃燒的燃油及其裂解和部分氧化的產(chǎn)物，包括烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等數(shù)百種成分。其中的烯烴經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化會變成對基因有毒的環(huán)氧衍生物。烯烴與氮氧化物一起在太陽光的紫外線作用下能夠引起光化學煙霧。芳香烴對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害。醛類是刺激性物質(zhì)，對眼、呼吸道、血液有害。 （2）CO是無色無味的有毒氣體，它與血液中氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的240倍?？諝庵蠧O的體積分數(shù)超過0.1％時，就會導致人體中毒；超過0.3％時可在30分鐘內(nèi)致命。 （3）NOx的絕大部分是NO，少量是NO2。NO是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中能被緩慢氧化成NO2。NO2呈褐色，具有強烈的刺激性氣味，對肺和心肌有很強的毒害作用。NOx還參與了從大氣平流層消除臭氧的鏈鎖反應，能引起臭氧層空洞。 （4）炭煙粒子中直徑小于0.1μm的為可吸入顆粒，容易沉積在人的肺部，對健康危害很大；直徑介于0.1～１μm之間的則可降低能見度；直徑大于１μm的為可沉降顆粒，危害較小。 6.2 污染物生成機理 6.2.1 HC生成機理 一般情況下，ＨＣ化合物的形成是由于局部火焰熄滅。造成熄火的主要原因有三種：一是火焰拉伸，二是在壁面或縫隙處的熄火。另外，可燃混合物的局部過濃或過稀也會引起熄火。 （1）火焰拉伸引起熄火與氣體的混合過程有關。強湍流引起的火焰鋒面的過度拉伸將引起火焰的局部熄滅，若混合物不能被重新點燃，滯留在反應區(qū)的燃料就不會燃燒，這對貧油和富油混合物非常重要。 （2）火焰在壁面和縫隙處熄火，是由于熱量傳遞冷卻了反應區(qū)及表面反應引起反應介質(zhì)的減少。當火焰放出的熱量小于壁面散出的熱量并最終導致可燃混合氣的溫度降到其自燃溫度以下，火焰就會熄滅。當縫隙小到一定程度，火焰就無法在其中傳播，碳氫燃料進入時就會停留在里面。如果這部分混合氣不能被氧化，就會造成高的HC排放。 （3）如果可燃混合物的濃度在燃料的可燃極限附近，也會造成火焰不穩(wěn)定，容易熄火而產(chǎn)生較高的HC排放。 6.2.2 CO生成機理 一般認為，燃料分子經(jīng)高溫燃燒生成CO要經(jīng)歷如下步驟： RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO 式中：R代表碳氫根。 CO在火焰中的初始濃度可以接近平衡濃度，其值取決于局部溫度、壓力和空燃比?；鹧嫠傻腃O在以后的氧化過程中由于受化學動力學因素的控制，其濃度會偏離平衡值，因此即使稀燃混合物仍有CO排出。 CO在火焰中及火焰后的主要氧化反應為： CO+OHóCO2+H CO的產(chǎn)生與燃燒不完全直接相關，例如：在燃燒室中可燃混合物進入靠近壁面的冷卻層，或者過早進入摻混降溫空氣中，使化學反應淬熄，均會產(chǎn)生CO。降低CO排放主要應該提高燃燒效率。 6.2.3 NOx生成機理 通過深入研究NOx生成的化學動力學機理以及化學動力學與流體力學的相互作用，到目前為止已經(jīng)建立了四種NOx生成模型，分別是熱力型、瞬發(fā)型、燃料型和通過N2O生成NO。 （1） 熱力型 研究表明NO生成反應明顯滯后于燃燒放熱反應，NO的生成主要在焰后區(qū)。前蘇聯(lián)科學家澤爾道維奇提出了熱NO生成的鏈鎖反應模型。影響NO生成的主要因素是焰后區(qū)溫度、氧原子濃度和反應時間。 （2） 瞬發(fā)型 瞬發(fā)型NOx一般發(fā)生在燃燒火焰中。它的生成機理是：燃料中的CH或者C與空氣中的N反應生成氫氰酸（HCN）、N或CN，再進一步反應生成NOx。瞬發(fā)反應機理在火焰溫度較低的濃混合物下成立。 （3） 燃料型 這種NO的生成主要是指固化在燃料中的N在燃燒中轉(zhuǎn)化成NO，主要出現(xiàn)在煤的燃燒中。實驗表明，燃料中氮的氧化特征時間與燃燒放熱反應的特征時間處于同一數(shù)量級。因此難以用使反應系統(tǒng)激冷或稀釋的方法降低NO的生成量。燃料中的氮在火焰面處快速轉(zhuǎn)化為CN，然后又瞬變?yōu)榘鳖愇镔|(zhì)NH。氧原子濃度成為反應發(fā)生的主導因素，因此對溫度較低的稀混合物NO生成量仍較大。 （4） 通過N2O生成NO 在氧原子與氮氣的反應中，隨著第三種分子M的出現(xiàn)，造成了N2O的生成。由N2O生成NO的反應機理如下： N2+O+M→N2O+M N2+O→NO+NO 由于上述反應的NO生成量較少，所以經(jīng)常被忽略。然而對于貧油條件CH的生成較少進而減少瞬發(fā)型NO產(chǎn)生，低溫條件也會抑制熱力型NO產(chǎn)生，此時通過N2O生成NO就變得比較重要。因此對于貧油預混情況通過N2O是生成NO的主要來源。 6.2.4 炭煙生成機理 碳煙是燃油在高溫、高壓、缺氧的環(huán)境下發(fā)生裂解、脫氫而形成的，它經(jīng)歷成核、表面增長、凝聚、集聚和氧化等一系列過程，分為氣相析出型和殘?zhí)啃蛢煞N生成方式。氣相析出型是已蒸發(fā)的燃料蒸汽在高溫缺氧情況下發(fā)生氣相分解產(chǎn)生的，在氣、液、固體燃料的燃燒過程中都會產(chǎn)生。殘?zhí)啃褪且后w燃料燃燒時，油滴在低于蒸發(fā)溫度下由于燃燒室內(nèi)高溫或者油滴周圍火焰的傳熱而分解形成的炭煙。炭煙的生成有一個冒煙極限，超過該極限就會產(chǎn)生炭煙。炭煙再進一步吸附未燃燒或不完全燃燒的碳氫化合物，就會形成排氣微粒。 6.3 污染物減排措施 針對以上各污染物的生成機理，總結(jié)出幾條降低污染物生成及排放的措施。由形成機理不難看出，降低HC、CO排放和同時降低NOx排放存在矛盾，但是隨著技術進步也出現(xiàn)了幾種可以同時降低以上幾種排放物的措施。 （1）設計形狀緊湊的燃