客車(chē)獨(dú)立采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科學(xué)位論文

PAGEPAGE31哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1第1章緒論1.1課題研究前景隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)乘坐汽車(chē)的舒適性、安全性要求越來(lái)越高，作為獨(dú)立熱源的加熱器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)東北和西北寒帶地區(qū)，冬季室外溫度一般會(huì)達(dá)到零下十幾度甚至零下幾十度。在這樣的低溫下，入進(jìn)車(chē)后會(huì)感到很不適，人們往往會(huì)啟動(dòng)汽車(chē)讓發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行取暖。然而隨著燃油價(jià)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(dòng)機(jī)不必要的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。車(chē)用燃油加熱器正好滿(mǎn)足了這一需求，無(wú)論是在駐車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉期間還是在行車(chē)期間加熱器均可為車(chē)輛提供適宜的溫度。車(chē)用加熱器不僅可以在冬季或寒冷地區(qū)進(jìn)行車(chē)內(nèi)取暖，還可以對(duì)汽車(chē)駕駛室前窗玻璃進(jìn)行除霜，并且在汽車(chē)低溫冷起動(dòng)時(shí)預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)等。加熱器的取暖、除霜功能提高了乘車(chē)的舒適性和行車(chē)安全性。低溫環(huán)境下預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，則解決了低溫起動(dòng)難、起動(dòng)慢的問(wèn)題，同時(shí)還能有效地降低低溫冷起動(dòng)過(guò)程的排放，減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)磨損、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性等。基于以上種種優(yōu)點(diǎn)，加熱器得到了迅猛發(fā)展。目前，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的各種汽車(chē)以加熱器作為必備的附屬系統(tǒng)。夏天開(kāi)空調(diào)，冬天就供暖氣。我國(guó)加熱器市場(chǎng)雖未完全成熟，但有越來(lái)越多的公交車(chē)、中高檔客車(chē)、甚至轎車(chē)都裝配了加熱器產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)加熱器的市場(chǎng)狀況，仍然是以客車(chē)和城市公交車(chē)以及軍事用車(chē)配套為主。在此領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)加熱器熱功率的要求呈越來(lái)越大的趨勢(shì)，熱功率在15KW以上的加熱器訂貨量大幅上升。當(dāng)功率超過(guò)15KW時(shí)，由于油量比較大，霧化不良就會(huì)出現(xiàn)冒黑煙和集油網(wǎng)燒損嚴(yán)重等問(wèn)題，離心霧化式和蒸發(fā)霧化式加熱器已不能滿(mǎn)足大功率加熱器的技術(shù)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(diǎn)研究噴霧霧化加熱器來(lái)滿(mǎn)足大功率加熱的需要。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外加熱器研究現(xiàn)狀在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，車(chē)用加熱器已成為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置?，F(xiàn)在國(guó)外的加熱器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。德國(guó)、美國(guó)、日本等都有專(zhuān)業(yè)的加熱器公司及系列產(chǎn)品。例如德國(guó)Eberspacher公司和Webasto公司，日本的三國(guó)等。德國(guó)的Webasto公司是一家具有百年歷史的跨國(guó)企業(yè)，是世界汽車(chē)零部件百?gòu)?qiáng)企業(yè)之一。Webasto公司自1952年設(shè)計(jì)發(fā)明第一臺(tái)用于客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)立的汽車(chē)采暖系統(tǒng)后，l961年發(fā)明了用于轎車(chē)上的泊車(chē)加熱(parkingheater)，1999年又推出了應(yīng)用于卡車(chē)上的加熱器／空調(diào)系統(tǒng)。Webasto公司加熱器自動(dòng)化程度很高，其Scholastic系列產(chǎn)品采用單片機(jī)集中控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔和自動(dòng)診斷檢測(cè)，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AirTop2000S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(guó)Eberspacher公司是一家以發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理與汽車(chē)采暖系統(tǒng)為主的跨國(guó)企業(yè)，也是世界汽車(chē)零部件百?gòu)?qiáng)企業(yè)之一。其早在1993年就與國(guó)內(nèi)的河北宏業(yè)公司合作，共同開(kāi)發(fā)了一系列加熱器產(chǎn)品。目前已擁有AIRTRONIC、D5／8L、HYDRONIC等多個(gè)系列十幾種加熱器產(chǎn)品。作為世界領(lǐng)先的車(chē)用加熱器生產(chǎn)廠，Eberspacher和Webasto都建有專(zhuān)門(mén)的研究中心，在燃燒技術(shù)，噪音控制，溫度自動(dòng)化控制及排放水平等方面具有很多成熟的經(jīng)驗(yàn)和成果。1.2.2國(guó)內(nèi)加熱器研究現(xiàn)狀我國(guó)的車(chē)用燃油加熱器與歐美相比起步較晚，1965年才開(kāi)始國(guó)內(nèi)第一臺(tái)加熱器的研制。由于我國(guó)汽車(chē)工業(yè)整體技術(shù)水平較低，生產(chǎn)廠家對(duì)加熱器技術(shù)的投入較少，因此在技術(shù)方面長(zhǎng)期落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)企業(yè)為了提高自身的技術(shù)水平和研發(fā)能力，不斷地開(kāi)展與國(guó)內(nèi)高校的合作，共同進(jìn)行車(chē)用加熱器的開(kāi)發(fā)與研究。其中河北宏業(yè)與山東大學(xué)合作，北京京威與長(zhǎng)安大學(xué)合作。長(zhǎng)安大學(xué)在降低加熱器工作噪音、提高點(diǎn)火性能以及排放水平等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。長(zhǎng)安大學(xué)與北京京威還合作開(kāi)發(fā)出了CNG液體型車(chē)用加熱器以及積燃料加熱器。山東大學(xué)與河北宏業(yè)經(jīng)過(guò)多年的研制開(kāi)發(fā)目前已成功開(kāi)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(shí)產(chǎn)權(quán)的YJQ.5小型液體加熱器填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在轎車(chē)、微型車(chē)及工程車(chē)等汽車(chē)上應(yīng)用的空白。該加熱器設(shè)計(jì)水平為國(guó)際先進(jìn),國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。雖然現(xiàn)階段我國(guó)的車(chē)用加熱器市場(chǎng)還遠(yuǎn)沒(méi)有成熟，市場(chǎng)規(guī)模也遠(yuǎn)沒(méi)有歐洲市場(chǎng)大。但各中外加熱器廠家已開(kāi)始末雨綢繆，積極布局中國(guó)市場(chǎng)。目前我國(guó)國(guó)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(fēng)三家企業(yè)。和外資品牌相比，國(guó)產(chǎn)車(chē)用加熱器產(chǎn)品性?xún)r(jià)比高．在本土市場(chǎng)具有比較大的價(jià)格比較優(yōu)勢(shì)。河北宏業(yè)公司依托多年的技術(shù)積累，憑借價(jià)格優(yōu)勢(shì)，逐漸開(kāi)始在市場(chǎng)上發(fā)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)河北宏業(yè)占據(jù)了國(guó)內(nèi)加熱器市場(chǎng)65％--70％的份額，擁有中通、宇通和黃海汽車(chē)加熱器l00％的訂單，蘇州金龍加熱器80％的訂單，廈門(mén)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(chǎng)，連續(xù)三年參展俄羅斯車(chē)展，越來(lái)越多的加熱器出口到俄羅斯、新西蘭等國(guó)家。價(jià)格是把“雙刃劍”，國(guó)內(nèi)加熱器廠家依靠?jī)r(jià)格優(yōu)勢(shì)取得了市場(chǎng)的成功。但價(jià)格優(yōu)勢(shì)不等于核心競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)產(chǎn)加熱器的定價(jià)已經(jīng)偏低，有些型號(hào)的產(chǎn)品利潤(rùn)率甚至降到了1％，再降價(jià)空間不大，甚至有可能隨著原材料價(jià)格的上漲而上漲。目前中國(guó)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性還沒(méi)有得到國(guó)際市場(chǎng)的普遍認(rèn)可，中國(guó)企業(yè)應(yīng)該居安思危，在技術(shù)創(chuàng)新上下苦功，進(jìn)一步提高自身的核心競(jìng)爭(zhēng)力。1.2.3國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距(1)控制系統(tǒng)方面：國(guó)外的控制電路的集成化程度較高，且防護(hù)措施較好．德國(guó)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(gè)防水涂層，可靠性較高。而國(guó)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(gòu)較復(fù)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(yīng)該采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)，進(jìn)一步提高加熱器的自動(dòng)化水平。(2)結(jié)構(gòu)布置方面：與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單緊湊和輕巧方面還有很大的發(fā)展空間。應(yīng)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(jī)械制造水平的提高而得以實(shí)現(xiàn)。(3)燃燒排放方面：國(guó)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(dòng)組織和燃油霧化方面不斷改進(jìn)，如合理高效的助燃空氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，各級(jí)進(jìn)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(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高高溫燃?xì)馀c換熱介質(zhì)（水或者空氣）的換熱效率來(lái)提高加熱器的總體熱效率。換熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要包括換熱片的形狀和布置方式，但燃?xì)庠谄渲械牧鲃?dòng)阻力不能太大，否則排氣不暢，導(dǎo)致燃燒惡化?？傊?，提高燃燒器的燃燒效率和降低排放關(guān)鍵要在燃燒器結(jié)構(gòu)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(shù)結(jié)合先進(jìn)的試驗(yàn)手段較快地實(shí)現(xiàn)，本次的汽車(chē)加熱器燃燒器設(shè)計(jì)和燃燒霧化結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)就是遵循這樣一種思路完成的。1.3課題主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)基于河北宏業(yè)YJP-Q系列燃油加熱器為研究對(duì)象。首先對(duì)加熱器進(jìn)行了原理分析，并對(duì)黃?？蛙?chē)車(chē)廂熱負(fù)荷計(jì)算合理匹配加熱器，以摸清這些因素對(duì)加熱器性能的影響，合理選擇水泵、高壓油泵、合理的進(jìn)風(fēng)量，然后對(duì)加熱器進(jìn)行了尺寸調(diào)研分析，換熱管的方案分析；設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的尾氣換熱器并進(jìn)行了試驗(yàn)；對(duì)不同情況的加熱器安裝方案進(jìn)行分析；對(duì)油嘴分別進(jìn)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(duì)加熱器性能的最佳影響情況。最后對(duì)加熱器所產(chǎn)生的燃燒污染物進(jìn)行分析處理提出建議。第2章車(chē)用加熱器簡(jiǎn)介車(chē)用加熱器歷經(jīng)近百年的發(fā)展，經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，從最初的余熱式到現(xiàn)在的獨(dú)立燃燒式，產(chǎn)品種類(lèi)越來(lái)越豐富，技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。汽車(chē)供暖設(shè)備按所使用的熱源可分為：非獨(dú)立式供暖系統(tǒng)和獨(dú)立式供暖系統(tǒng)。非獨(dú)立式供暖系統(tǒng)也稱(chēng)余熱式供暖系統(tǒng)，熱量來(lái)自于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻熱水或廢氣。獨(dú)立式供暖系統(tǒng)（即汽車(chē)加熱器）的工作獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)，有自己?jiǎn)为?dú)的供風(fēng)、供油和控制裝置。目前，國(guó)內(nèi)加熱器也逐漸成熟，形成了多個(gè)品牌，多種系列的產(chǎn)品。2.1車(chē)用加熱器工作原理車(chē)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(fēng)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(guò)著火傳感器、水溫傳感器等各種傳感器的信號(hào)，控制加熱器的點(diǎn)火、熄火過(guò)程，實(shí)現(xiàn)加熱器的過(guò)熱保護(hù)，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(guò)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(fēng)系統(tǒng)主要由風(fēng)扇和電機(jī)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(jìn)入燃燒室時(shí)具有一定的速度和紊流度來(lái)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(chǎng)所，由燃燒室和點(diǎn)火裝置組成。燃燒室的結(jié)構(gòu)及大小因功率和燃料供給方式的不同而不同．點(diǎn)火裝置（一般是點(diǎn)火電極）的作用是在加熱器起動(dòng)時(shí)迅速點(diǎn)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(guò)管路將熱量釋放到應(yīng)用場(chǎng)合。工作過(guò)程：加熱器啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)和水泵電機(jī)接通電源，帶動(dòng)助燃空氣風(fēng)扇和循環(huán)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)油泵開(kāi)始給加熱器供油，油在燃燒室進(jìn)口處?kù)F化并與從助燃空氣進(jìn)口進(jìn)入的空氣混合，由點(diǎn)火電極點(diǎn)火燃燒，著火傳感器將信號(hào)傳遞給控制器，加熱器開(kāi)始正常工作，產(chǎn)生的高溫燃?xì)庠谌紵椅捕苏鄯?80度后進(jìn)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(jìn)入車(chē)廂供暖：而對(duì)于液體加熱器，熱水還要進(jìn)入另外的換熱器將熱量傳遞給空氣后供車(chē)廂取暖和除霜用。整個(gè)加熱器的運(yùn)行過(guò)程由單片機(jī)內(nèi)設(shè)定的控制程序控制。加熱器控制：針對(duì)加熱器實(shí)際運(yùn)行中的各種工況，設(shè)定了單片機(jī)中的加熱器控制程序。加熱器的運(yùn)行控制包括開(kāi)機(jī)程序、過(guò)熱保護(hù)、故障停機(jī)和正常關(guān)機(jī)四個(gè)方面。(1)開(kāi)機(jī)程序按下開(kāi)機(jī)按鈕，加熱器啟動(dòng)，風(fēng)扇和水泵工作，控制器檢測(cè)各元件工作是否正常，如發(fā)現(xiàn)任何故障則點(diǎn)火過(guò)程停止，并通過(guò)燃燒指示燈報(bào)警，用戶(hù)可根據(jù)指示燈閃爍的情況對(duì)照說(shuō)明書(shū)對(duì)加熱器故障進(jìn)行判斷并予以排除。如若點(diǎn)火成功且著火傳感器探測(cè)到火焰穩(wěn)定后，點(diǎn)火電極停止跳火，燃燒指示燈亮，加熱器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。(2)過(guò)熱保護(hù)加熱器正常工作時(shí)，對(duì)于液暖加熱器，通過(guò)安裝在水腔中的溫度傳感器對(duì)加熱器進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)．一般情況下設(shè)定水溫不超過(guò)800℃，當(dāng)水溫超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，溫度傳感器將信號(hào)傳遞給控制器，加熱器停機(jī)，而當(dāng)水溫低于650(3)故障停機(jī)加熱器運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障自動(dòng)熄火，控制程序會(huì)自動(dòng)重新點(diǎn)火；當(dāng)加熱器的工作電壓偏離正常范圍（一般為24V）時(shí)，加熱器會(huì)停機(jī)并報(bào)警；加熱器運(yùn)行時(shí)如果控制器檢測(cè)到某一元件不正常時(shí)，也會(huì)自動(dòng)停機(jī)并通過(guò)故障指示燈報(bào)警．(4)正常關(guān)機(jī)在需要停機(jī)時(shí)按下關(guān)機(jī)開(kāi)關(guān)，首先是油泵停止供油，而風(fēng)扇電機(jī)和水泵繼續(xù)運(yùn)行，帶動(dòng)風(fēng)扇繼續(xù)供風(fēng)和水路循環(huán)，直到加熱器冷卻后，系統(tǒng)徹底停止運(yùn)行，燃燒指示燈熄滅，整個(gè)延時(shí)過(guò)程大約持續(xù)3分鐘。2.2車(chē)用加熱器的分類(lèi)(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?xì)饧訜崞鳌⑷加腿細(xì)怆p燃料加熱器。燃油加熱器主要以汽油或柴油為主，燃?xì)饧訜崞髦饕詨嚎s天然氣或液化石油氣為燃料。(2)按換熱介質(zhì)分車(chē)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(lèi)。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(dòng)機(jī)的冷卻水管路、空調(diào)中的暖風(fēng)芯子的水路相通，不僅可作為車(chē)廂采暖除霜用，而且可以預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油，有利于低溫條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)；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(gòu)比水暖加熱器的復(fù)雜，內(nèi)表面和外表面均布滿(mǎn)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(diǎn)是供暖迅速及時(shí)，可適用于野外作業(yè)取暖之用。氣暖加熱器主要用于對(duì)空氣分布質(zhì)量要求不高的商用車(chē)輛如中巴車(chē)、卡車(chē)、貨車(chē)、工程車(chē)，尤其是長(zhǎng)途貨運(yùn)車(chē)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(lèi)。噴霧式采用高壓油泵通過(guò)噴嘴將燃油以油霧的形式噴入燃燒室，霧化后的細(xì)小液滴通過(guò)蒸發(fā)擴(kuò)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(yīng)用在大功率的加熱器上，目前國(guó)外的汽車(chē)加熱器多采用這種方式。缺點(diǎn)是小流量高壓油泵制造困難且噴油孔過(guò)細(xì)容易堵塞，同時(shí)加熱器的體積、重量和成本也會(huì)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(pán)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(pán)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(huì)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(shí)油滴直徑受到甩油盤(pán)的轉(zhuǎn)速影響，容易隨電機(jī)轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致加熱器的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，存在低溫啟動(dòng)困難和排放較高等問(wèn)題，應(yīng)用較少。蒸發(fā)霧化式加熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(jìn)燃燒室參與燃燒。缺點(diǎn)是熱功率較小，同時(shí)由于蒸發(fā)混合不均勻，局部燃油過(guò)濃，容易將燃油吸附網(wǎng)堵死并導(dǎo)致燃燒室積炭。2.3車(chē)用加熱器的用途(1)低溫起動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境中冷起動(dòng)比較困難，在-20℃時(shí)采用常規(guī)手段幾乎不能起動(dòng)，而裝配加熱器后可保證發(fā)動(dòng)機(jī)在-40℃低溫環(huán)境下順利可靠地起動(dòng)，這對(duì)于冬季或高原嚴(yán)寒地區(qū)的車(chē)輛起動(dòng)具有重要的意義。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)加熱器預(yù)熱后，可提高氣缸、活塞、活塞環(huán)及各摩擦副和機(jī)油溫度，由此能大大降低啟動(dòng)阻力。例如在(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(chē)輛運(yùn)行時(shí)需要向車(chē)廂內(nèi)供暖，一些專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)也需配置保溫設(shè)施，由于加熱器的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，熱效率高，因此采用獨(dú)立式燃油加熱器是最佳選擇。目前加熱器主要用于轎車(chē)，客車(chē)，以及花卉、鮮活魚(yú)類(lèi)等的運(yùn)輸車(chē)。此外，可結(jié)合特殊用途的需要，將加熱器應(yīng)用到軍事滅菌車(chē)、救護(hù)車(chē)等車(chē)輛上，同時(shí)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(yīng)用前景。(3)除霜冬季當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，車(chē)內(nèi)由于人呼吸等原因產(chǎn)生的溫度相對(duì)較高的水蒸汽容易使汽車(chē)駕駛室前風(fēng)擋玻璃處結(jié)霜，影響司機(jī)視線，導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。加熱器提供的熱氣可以使前風(fēng)擋玻璃處形成一道熱風(fēng)幕，防止霜的形成，提高駕駛的安全性。(4)減少機(jī)件之間的摩擦力，延緩零件損壞發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)磨損主要由分子機(jī)械磨損和腐蝕機(jī)械磨損引起。分子機(jī)械磨損指金屬表面相互接觸，發(fā)生相當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)在金屬零件表面發(fā)生的類(lèi)似于金屬切削的磨損。腐蝕一機(jī)械磨摜是指發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)預(yù)熱后，能夠縮短形成油膜潤(rùn)滑所需的時(shí)間，使分子機(jī)械磨損量減小。另一方面，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱后，可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高所需的時(shí)間，從而減少了腐蝕機(jī)械磨損量。(5)降低汽車(chē)?yán)淦饎?dòng)時(shí)的有害排放發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)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(gè)循環(huán)后才著火等一系列因素，使得發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后及隨后一段時(shí)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(shí)高出幾十倍，而采用加熱器預(yù)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(chē)上的安裝如圖2-1是客車(chē)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(dú)立式。串聯(lián)方式不僅可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，又可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)。獨(dú)立方式不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，但是控制較為簡(jiǎn)單。具體安裝方案詳見(jiàn)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(shì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外燃油加熱器的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(l)燃料方面不再是單一的燃油加熱器，開(kāi)始采用排放低、經(jīng)濟(jì)性好的壓縮天然氣和液化石油氣作燃料。目前己成功開(kāi)發(fā)出燃?xì)饧訜崞骷叭細(xì)馊加蛢捎眉訜崞?，但相關(guān)技術(shù)還未成熟，所以產(chǎn)品還沒(méi)有投入市場(chǎng)．(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(yù)蒸發(fā)燃燒是一種較為先進(jìn)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(jìn)行換熱，因加熱器結(jié)構(gòu)尺寸的限制使該類(lèi)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(guó)內(nèi)加熱器控制電路集成化程度低，而且防護(hù)措施不到位，因此研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)引入單片機(jī)為控制核心，目前加熱器控制器已成功集成了遠(yuǎn)程遙控啟動(dòng)、工作過(guò)程中對(duì)進(jìn)、出水溫度和捧氣溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控等一系列功能。但是隨著電路集成化程度的進(jìn)一步提高，應(yīng)該采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)，進(jìn)一步提高加熱器的自動(dòng)化水平，目前國(guó)外加熱器廠商在這方面做了許多研究。(4)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用起初在加熱器的研制的過(guò)程中往往采用經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，先憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)試制出樣機(jī)，然后再對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)的情況再做迸一步改進(jìn)，最后確定新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。這種研發(fā)模式成本高，并且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，一旦樣機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題較多，就要對(duì)其進(jìn)行大幅度的改動(dòng)，甚至要重新制作樣機(jī)，延長(zhǎng)了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到問(wèn)世的時(shí)間，不利于加熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)在各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域得以應(yīng)用，對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和完善有重要的指導(dǎo)意義。采用數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合試驗(yàn)的方法可以大大降低新產(chǎn)品研發(fā)的成本，縮短設(shè)計(jì)周期。第3章黃海客車(chē)加熱器功率的匹配計(jì)算隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，為解決冬季汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)和司乘人員的取暖問(wèn)題，降低起動(dòng)與暖機(jī)過(guò)程中的排放，實(shí)現(xiàn)車(chē)窗除霜、車(chē)內(nèi)取暖，目前加裝獨(dú)立式燃油加熱器的車(chē)輛越來(lái)越多。如何給車(chē)輛匹配一臺(tái)合適的加熱器，是我們首先考慮的問(wèn)題。3.1車(chē)內(nèi)空氣升溫所需加熱器的功率當(dāng)環(huán)境溫度較低，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱不能滿(mǎn)足取暖空間的要求時(shí)，需要汽車(chē)加熱器為車(chē)輛提供熱能，以保證車(chē)內(nèi)合適的溫度。下面為丹東黃海某車(chē)型參數(shù)（表3.1），確定加熱器功率的計(jì)算方法。表3.1丹東黃?？蛙?chē)技術(shù)參數(shù)丹東黃?？蛙?chē)項(xiàng)目單位指標(biāo)外形尺寸mm7990×2350×3240軸距mm3800額定乘員（含駕駛員）人19~33車(chē)廂內(nèi)高mm1920最高車(chē)速Km/h發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)YC4112ZLQ額定功率kw/r132/230最大扭矩Nm/r660/1400噪聲dB115質(zhì)量Kg4003.1.1一般車(chē)輛加熱器功率的計(jì)算方法按交通部JT/T325-2002《營(yíng)運(yùn)客車(chē)類(lèi)型劃分及等級(jí)評(píng)定》，乘客人均采暖量>1880千焦/小時(shí)。丹東黃?？蛙?chē)額定乘員（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(shí)=17.2kW。3.1.2汽車(chē)加熱器功率的計(jì)算方法由于車(chē)輛散熱部位較多，外部環(huán)境差別較大，熱量損失的計(jì)算比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)廠家在為車(chē)輛選配加熱器時(shí)，往往根據(jù)國(guó)外類(lèi)似車(chē)型配備加熱器功率的大小或按客車(chē)等級(jí)評(píng)定人均取暖量要求，估計(jì)確定。由于實(shí)際車(chē)輛在車(chē)速范圍、車(chē)廂保溫材料以及車(chē)廂密封情況等的差別，往往會(huì)造成加熱器選配不合理、不科學(xué)的問(wèn)題，因此通過(guò)計(jì)算分析，得出不同車(chē)輛配備加熱器的通用公式，將是極有意義的。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，加熱器主要為加熱車(chē)廂中的空氣提供熱量，要在克服通過(guò)車(chē)輛外表向外界環(huán)境散熱的同時(shí)，使車(chē)廂內(nèi)空氣溫度保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，這時(shí)的熱平衡關(guān)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(chē)內(nèi)部的空氣質(zhì)量（Kg)△T為客車(chē)的內(nèi)外溫差（K)F為當(dāng)量散熱面積，F(xiàn)=（3—2）Fn和Fw分別為車(chē)廂的內(nèi)外散熱面積（㎡）t是加熱時(shí)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(jì)算：K=K0+Kμ（3—3）K0是車(chē)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(chē)速有關(guān)，當(dāng)車(chē)速為40㎞/h,αw146KJ/(㎡·h·℃)，n為汽車(chē)廂體隔熱材料厚度（m），n為汽車(chē)廂體隔熱材料傳熱系數(shù)（W/㎡·K）Kμ代表因車(chē)廂漏氣而影響散熱量所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)Kμ=（0.2-0.6）K0（3—5）由以上關(guān)系可確定加熱器功率Wk。表3.2計(jì)算參考參數(shù)丹東黃海客車(chē)外形尺寸（車(chē)外）mm7990×2350×3240外形尺寸（車(chē)內(nèi)）mm6990×2200×1920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△TK55加熱時(shí)間tmin30車(chē)速㎞/h403.1.3車(chē)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(chē)內(nèi)外最大溫差(K)t-加熱時(shí)間(h)將表3.2中所給值代入式(3-6)計(jì)算得W1=11385kJ3.1.4車(chē)壁散熱量車(chē)壁散熱量Q2的計(jì)算式為Q2=K·F·△T·t(3-7)為計(jì)算方便可將全部壁面都簡(jiǎn)單地按多層均勻平壁計(jì)算由表3.2和式(3-2)可得當(dāng)量散熱面積（不包括車(chē)窗玻璃），F(xiàn)==64.6㎡己知所選隔熱材料聚苯乙烯泡沫塑料的厚度會(huì)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)油氣比分布失調(diào)，局部富油會(huì)增大排氣冒煙，過(guò)于貧油則不利燃燒穩(wěn)定性，兩者均會(huì)惡化出口溫度場(chǎng)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(guān)實(shí)驗(yàn)表明燃燒室內(nèi)的溫度基本上是80°實(shí)心油嘴的最高，且更靠近導(dǎo)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(guò)噴霧錐角的增大也受燃燒室空間結(jié)構(gòu)的限制，應(yīng)該避免嚴(yán)重的噴霧撞壁現(xiàn)象，否則會(huì)導(dǎo)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(diǎn)火方式分析電阻絲點(diǎn)火塞點(diǎn)燃式（通稱(chēng)為熾熱物點(diǎn)火），這種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，但是點(diǎn)火性能差，供油不迅速導(dǎo)致在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火失效或勉強(qiáng)燃燒后產(chǎn)生濃煙。此外，熾熱物點(diǎn)燃可燃混合氣最低溫度750℃左右，通常在溫度達(dá)到1250℃以上均能點(diǎn)燃可燃混合氣。由于電阻絲點(diǎn)火塞的材料為金屬材料，所以通常不能達(dá)到足夠高的溫度（1000℃），且耐腐蝕度也較低，采用電阻絲點(diǎn)火會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：(1)因電阻絲占用整體空間較大，升溫速度慢，當(dāng)燃燒室預(yù)熱不夠充分．電阻絲附近油霧過(guò)濃時(shí)，因油霧蒸發(fā)而吸收大量的熱量，致使點(diǎn)火塞的表而溫度急劇下降而出現(xiàn)點(diǎn)火失效。(2)由于電阻絲點(diǎn)火塞在點(diǎn)火過(guò)程中，需燃燒室內(nèi)有一定量的已預(yù)熱的可燃燃混合氣，因此在預(yù)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(guò)多將造成燃燒室積油過(guò)多，燃油蒸發(fā)時(shí)需吸收大量的熱量，從而導(dǎo)致點(diǎn)火失效，或勉強(qiáng)點(diǎn)火而產(chǎn)生滾滾濃煙且滴油嚴(yán)重．(3)在實(shí)際使用中，由于操作不當(dāng)或電壓過(guò)低，則點(diǎn)火塞的表而溫度僅有600℃左右。因此電阻絲點(diǎn)火塞為此，采用全陶瓷點(diǎn)火塞裝機(jī)進(jìn)行了多種工況試驗(yàn)。結(jié)果證明使用全陶瓷點(diǎn)火塞可避免上述不足，其原因如下：(1)全陶瓷點(diǎn)火塞升溫迅速(在4s內(nèi)能達(dá)到1000℃)且表而溫度最高可達(dá)1300℃。只要在運(yùn)行前預(yù)熱燃燒室壁和點(diǎn)火塞體，當(dāng)霧化器產(chǎn)生的油霧散布到灼熱的燃燒室內(nèi)壁、點(diǎn)火塞體附近后，會(huì)迅速蒸發(fā)成一定濃度的可(2)因在運(yùn)行前無(wú)須提前供油，所以操作簡(jiǎn)單方便。且?guī)缀鯖](méi)有滴油現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)因操作不當(dāng)而點(diǎn)火失效或濃煙滾滾。5.5本章小結(jié)通過(guò)燃油加熱器上對(duì)噴油量0.75USgal/h嘴、O.85USgal/h嘴和1.00USgal/h嘴配機(jī)分析看，供油量0.75USgal/h、80°、實(shí)心的油嘴基本適合于現(xiàn)用加熱器，O.85USgal/h嘴較勉強(qiáng)，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(yīng)另配熱變換器。油嘴的噴油錐體形式及噴油錐角，對(duì)現(xiàn)用加熱器用結(jié)構(gòu)形式的燃燒器性能影響不大，其排放指標(biāo)也相差無(wú)幾。由于條件原因不能做出上述實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致分析的數(shù)據(jù)誤差較大。第6章燃燒污染物的生成機(jī)理及防護(hù)措施主要污染物及危害汽車(chē)加熱器的主要作用之一是降低汽車(chē)?yán)鋯?dòng)階段的排放，但是它自身也會(huì)產(chǎn)生少量的有害排放物，不到發(fā)動(dòng)機(jī)排放量的５％。汽車(chē)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(lèi)健康帶來(lái)很大危害。因此，如何在合理利用能源的同時(shí)降低有害物的排放一直是能源科技領(lǐng)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(huì)變成對(duì)基因有毒的環(huán)氧衍生物。烯烴與氮氧化物一起在太陽(yáng)光的紫外線作用下能夠引起光化學(xué)煙霧。芳香烴對(duì)血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害。醛類(lèi)是刺激性物質(zhì)，對(duì)眼、呼吸道、血液有害。（2）CO是無(wú)色無(wú)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。空氣中CO的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.1％時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致人體中毒；超過(guò)0.3％時(shí)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(wú)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(qiáng)烈的刺激性氣味，對(duì)肺和心肌有很強(qiáng)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(yīng)，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(duì)健康危害很大；直徑介于0.1～１μm之間的則可降低能見(jiàn)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(jī)理6.2.1HC生成機(jī)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(guò)濃或過(guò)稀也會(huì)引起熄火。（1）火焰拉伸引起熄火與氣體的混合過(guò)程有關(guān)。強(qiáng)湍流引起的火焰鋒面的過(guò)度拉伸將引起火焰的局部熄滅，若混合物不能被重新點(diǎn)燃，滯留在反應(yīng)區(qū)的燃料就不會(huì)燃燒，這對(duì)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(yīng)區(qū)及表面反應(yīng)引起反應(yīng)介質(zhì)的減少。當(dāng)火焰放出的熱量小于壁面散出的熱量并最終導(dǎo)致可燃混合氣的溫度降到其自燃溫度以下，火焰就會(huì)熄滅。當(dāng)縫隙小到一定程度，火焰就無(wú)法在其中傳播，碳?xì)淙剂线M(jìn)入時(shí)就會(huì)停留在里面。如果這部分混合氣不能被氧化，就會(huì)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(huì)造成火焰不穩(wěn)定，容易熄火而產(chǎn)生較高的HC排放。6.2.2CO生成機(jī)理一般認(rèn)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?xì)涓?。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(guò)程中由于受化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素的控制，其濃度會(huì)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(yīng)為：CO+OHCO2+HCO的產(chǎn)生與燃燒不完全直接相關(guān)，例如：在燃燒室中可燃混合物進(jìn)入靠近壁面的冷卻層，或者過(guò)早進(jìn)入摻混降溫空氣中，使化學(xué)反應(yīng)淬熄，均會(huì)產(chǎn)生CO。降低CO排放主要應(yīng)該提高燃燒效率。6.2.3NOx生成機(jī)理通過(guò)深入研究NOx生成的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)與流體力學(xué)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(guò)N2O生成NO。熱力型研究表明NO生成反應(yīng)明顯滯后于燃燒放熱反應(yīng)，NO的生成主要在焰后區(qū)。前蘇聯(lián)科學(xué)家澤爾道維奇提出了熱NO生成的鏈鎖反應(yīng)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(yīng)時(shí)間。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(jī)理是：燃料中的CH或者C與空氣中的N反應(yīng)生成氫氰酸（HCN）、N或CN，再進(jìn)一步反應(yīng)生成NOx。瞬發(fā)反應(yīng)機(jī)理在火焰溫度較低的濃混合物下成立。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(shí)驗(yàn)表明，燃料中氮的氧化特征時(shí)間與燃燒放熱反應(yīng)的特征時(shí)間處于同一數(shù)量級(jí)。因此難以用使反應(yīng)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?lèi)物質(zhì)NH。氧原子濃度成為反應(yīng)發(fā)生的主導(dǎo)因素，因此對(duì)溫度較低的稀混合物NO生成量仍較大。通過(guò)N2O生成NO在氧原子與氮?dú)獾姆磻?yīng)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(yīng)機(jī)理如下：N2+O+M→N2O+MN2+O→NO+NO由于上述反應(yīng)的NO生成量較少，所以經(jīng)常被忽略。然而對(duì)于貧油條件CH的生成較少進(jìn)而減少瞬發(fā)型NO產(chǎn)生，低溫條件也會(huì)抑制熱力型NO產(chǎn)生，此時(shí)通過(guò)N2O生成NO就變得比較重要。因此對(duì)于貧油預(yù)混情況通過(guò)N2O是生成NO的主要來(lái)源。6.2.4炭煙生成機(jī)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(zhǎng)、凝聚、集聚和氧化等一系列過(guò)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(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生。殘?zhí)啃褪且后w燃料燃燒時(shí)，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?chē)鹧娴膫鳠岫纸庑纬傻奶繜?。炭煙的生成有一個(gè)冒煙極限，超過(guò)該極限就會(huì)產(chǎn)生炭煙。炭煙再進(jìn)一步吸附未燃燒或不完全燃燒的碳?xì)浠衔?，就?huì)形成排氣微粒。6.3污染物減排措施針對(duì)以上各污染物的生成機(jī)理，總結(jié)出幾條降低污染物生成及排放的措施。由形成機(jī)理不難看出，降低HC、CO排放和同時(shí)降低NOx排放存在矛盾，但是隨著技術(shù)進(jìn)步也出現(xiàn)了幾種可以同時(shí)降低以上幾種排放物的措施。（1）設(shè)計(jì)形狀緊湊的燃燒室，加速混合燃燒過(guò)程，這有利于降低上述各種污染物的生成?？焖倩旌夏軌虮苊饩植窟^(guò)濃或過(guò)稀現(xiàn)象，從而降低污染物生成。這需要能使燃油快速蒸發(fā)霧化和合適的燃燒室內(nèi)部空氣流動(dòng)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如采用高壓或超高壓噴霧結(jié)合燃燒室內(nèi)較強(qiáng)的渦流或滾流來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）安裝排氣催化轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)化器可有效地同時(shí)轉(zhuǎn)化CO、CH和NOx三種污染物。另外，排氣催化轉(zhuǎn)化器還可以作為一個(gè)傳感器檢測(cè)排氣中的O2濃度，結(jié)合ECU控制系統(tǒng)可以使燃燒在化學(xué)恰當(dāng)比下進(jìn)行。但是催化轉(zhuǎn)化傳感器在富氧環(huán)境下靈敏度不高。（3）內(nèi)燃機(jī)燃燒中采用增壓中冷技術(shù)，可以在提高的同時(shí)降低進(jìn)氣溫度。提高有利于降低HC、CO、炭煙和瞬發(fā)型NOx生成，降低進(jìn)氣溫度能夠降低最高燃燒溫度有利于減少熱力型NOx生成。（4）通過(guò)向燃料中摻混一定比例的水制成乳化油，或者向燃燒室中引入少量水蒸氣，來(lái)降低有害排放，尤其是NOx和炭煙。一方面水的沸點(diǎn)很低只有100℃，水蒸發(fā)時(shí)能夠促進(jìn)油滴的霧化；另一方面水和水蒸氣的比熱容較大，且又不參與燃燒放熱，能夠降低最高燃燒溫度，從而減少熱力型NOx的形成。6.4本章小結(jié)綜上所述，混和氣過(guò)濃或過(guò)稀會(huì)使燃燒火焰不穩(wěn)定，都容易產(chǎn)生大量的CO和HC，有一個(gè)最佳空燃比的范圍。高溫富氧容易導(dǎo)致產(chǎn)生大量的熱力型NOx，高溫缺氧則會(huì)造成炭煙排放的升高。低溫的濃混合物燃燒火焰還能產(chǎn)生較高的瞬發(fā)型NOx排放?？梢?jiàn)，降低污染物排放需要從空燃比、燃油空氣的混合均勻程度、燃燒火焰的快速穩(wěn)定傳播及最高燃燒火焰溫度幾方面入手第7章車(chē)用加熱器的改進(jìn)與提高尾氣換熱器加熱器排放的尾氣溫度比較高，一般在三四百度左右，有的機(jī)器高達(dá)五六百度，高溫尾氣帶走了大量的熱量，造成燃料的浪費(fèi)，本設(shè)計(jì)旨在利用高溫尾氣的熱量加熱換熱介質(zhì)，提高熱效率。尾氣換熱器的設(shè)計(jì)方案折流板管殼式尾氣換熱器示意圖圖7-1折流板管殼式尾氣換熱器示意圖1-熱電偶座2-燃?xì)膺M(jìn)出管3-外殼4-封頭5-管板組合6-支架7-水進(jìn)出管折流板管殼式尾氣換熱器是將尾氣通過(guò)里面的熱交換管，把熱量傳輸回加熱介質(zhì)當(dāng)中?？赏ㄟ^(guò)改變折流板的數(shù)目來(lái)合理優(yōu)化此款尾氣換熱器。可以利用它預(yù)熱加熱器進(jìn)氣、蓄電池或者重復(fù)預(yù)熱加熱器里的循環(huán)介質(zhì)，當(dāng)然此方案有待于改進(jìn)提高。目前，國(guó)外一些國(guó)家研制出一種溫差電池，可以利用在尾氣的循環(huán)利用上。此種設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)尚不完善，此處不做過(guò)多說(shuō)明。7.3尾氣換熱器對(duì)加熱器產(chǎn)生的影響分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明在加裝尾氣換熱器后，加熱器的熱功率和熱效率都有了明顯的提高，熱效率最高可達(dá)到94%以上，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的不斷加大，在水流量2000kg/h的時(shí)，加熱器的熱功率、熱效率變化均不大，隨著水流量的增大，進(jìn)氣量對(duì)加熱器熱功率的影響加大，基本呈不斷下降的趨勢(shì)。在同一進(jìn)氣量下，隨著水流量的加大，加熱器熱功率、熱效率不斷加大，在水流量為3600kg/h時(shí)熱效率最高，比水流量2000kg/h時(shí)提高了5.7%。加熱器排氣溫度趨勢(shì)及換熱管排氣溫度趨勢(shì)與熱功率熱效率變化趨勢(shì)正好相反，呈不斷下降趨勢(shì)．在過(guò)量空氣系數(shù)約為1.4左右的時(shí)候，單管程4折流板尾氣換熱器的熱功率、熱效率最高，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，熱功率、熱效率呈下降趨勢(shì)，可能是隨著進(jìn)氣量加大，空氣的冷卻作用加強(qiáng)，隨流量增大，在流通截面不變的情況下流速增大，縮短了換熱時(shí)間，使其下降。7.4換熱管的設(shè)計(jì)與改進(jìn)分析熱交換器作為加熱器的重要組成部分之一，其換熱效率的高低對(duì)加熱器的熱效率以及其它性能有重要的影響。目前，液體型燃油加熱器一般采用螺旋式水腔進(jìn)行換熱，水腔中有螺旋導(dǎo)流片或者導(dǎo)流肋。但是由于加熱器體積有限使該類(lèi)換熱器的換熱面積受到制約，故換熱效率不高，熱量損失較大，從而影響了加熱器的功率、效率，因此設(shè)計(jì)一種換熱效率高的加熱器十分重要。本次設(shè)計(jì)了一種換熱效率更高的帶換熱管的燃油加熱器用熱交換器。該種熱交換器不僅可以明顯節(jié)約燃油，而且可滿(mǎn)足安裝空間小、熱功率需求高的受熱設(shè)備。換熱管的具體設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖紙說(shuō)明，此處不在過(guò)多敘述。7.5本章小結(jié)(1)經(jīng)過(guò)有效試驗(yàn)尾氣換熱器以4折流板單管程尾氣換熱器性能最好，對(duì)加熱器的功率、效率有較大的提高；同時(shí)它還可以用來(lái)加熱助燃空氣，下一步可以考慮其應(yīng)用。(2)加熱器配粗U形換熱管時(shí)較細(xì)換熱管效果更為明顯，較普通熱交換器具有更高的換熱效率，不僅可以顯著節(jié)約能源，而且可滿(mǎn)足安裝空間小、熱功率需求高的受熱設(shè)備。第8章結(jié)論本次設(shè)計(jì)工作總結(jié)經(jīng)過(guò)了這段時(shí)間的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，通過(guò)書(shū)籍、網(wǎng)絡(luò)上的查閱和在老師的指導(dǎo)下，總結(jié)了以下結(jié)論：⑴在以往的學(xué)習(xí)中涉及很少有關(guān)燃油加熱器方面的知識(shí)，加上燃油加熱器相對(duì)而言是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，在書(shū)籍和網(wǎng)絡(luò)上有很少的相關(guān)資料，從陌生到熟悉，我遇到了很多困難，經(jīng)過(guò)了大量的市場(chǎng)調(diào)查，和有關(guān)廠商的交流，我學(xué)到了不少知識(shí)，對(duì)燃油加熱器有了初步的了解，但是在落實(shí)到設(shè)計(jì)上時(shí)，依然覺(jué)得儲(chǔ)備的知識(shí)不足以能夠?qū)⑵潴w現(xiàn)在圖紙上，后來(lái)老師告訴我：“不落筆永遠(yuǎn)不知道自己錯(cuò)在哪”，我開(kāi)始了我的設(shè)計(jì)。⑵在設(shè)計(jì)中，我逐漸的學(xué)習(xí)，逐漸的完善，將燃油加熱器不理想的地方進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，主要是將燃油加熱器的燃燒室進(jìn)行改進(jìn)，安裝方案的布置，尾氣的利用，尾氣的排放措施等并對(duì)客車(chē)車(chē)廂的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也對(duì)水泵、油泵的選取行改進(jìn)，讓其滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，提高工作效率，聯(lián)系實(shí)際情況，結(jié)合自己的想法，在老師的指導(dǎo)下完成設(shè)計(jì)。⑶畢業(yè)設(shè)計(jì)雖已完成了，但由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)缺乏，知識(shí)水平的局限，加上時(shí)間較倉(cāng)促，實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限。設(shè)計(jì)中還存在很多不足之處，有許多地方需要改進(jìn)，在此感謝老師的批評(píng)指導(dǎo)，并給出有關(guān)意見(jiàn)和建議。⑷經(jīng)歷了這段時(shí)間的設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何在生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如何去解決問(wèn)題，如何讓自己在遇到困難時(shí)，保持冷靜，用一顆清醒的頭腦去正視問(wèn)題，最終達(dá)到解決的目的，一切的成長(zhǎng)，來(lái)源于生活，來(lái)源于你身邊的人的感化，所以，我要感謝我的指導(dǎo)老師吳柏宇，他讓我明白了，沒(méi)有落實(shí)的想法，永遠(yuǎn)只是想法，只有勇于嘗試，才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，才會(huì)解決問(wèn)題。不足與展望由于時(shí)間和設(shè)備所限，本次設(shè)計(jì)所做的工作也存在一些不足，有許多大量的后續(xù)工作可做，總結(jié)如下：（1）、由于實(shí)驗(yàn)條件有限，燃燒室的尺寸只能根據(jù)現(xiàn)有的加熱器進(jìn)行分析選取尺寸，不能過(guò)通過(guò)良好的實(shí)驗(yàn)來(lái)最合理的設(shè)計(jì)尺寸。（2）、對(duì)于水泵、油泵、燃燒室的配風(fēng)量的分析，也只是根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，不能夠令人折服，總體來(lái)說(shuō)還是實(shí)驗(yàn)條件有限。（3）、本設(shè)計(jì)只進(jìn)行了三種噴霧錐角的計(jì)算對(duì)比，可以進(jìn)行更加具體的噴霧參數(shù)計(jì)算對(duì)比，如相同噴霧錐角下不同噴霧形式如實(shí)心、半實(shí)心、空心的噴霧燃燒計(jì)算對(duì)比。（4）、有關(guān)換熱管的計(jì)算缺乏，只是設(shè)想出幾種換熱管的方案，不能夠具體的計(jì)算其尺寸規(guī)格。此外，采用較大的換熱管，加熱器的功率和效率有所提高，但是如果采用更大的換熱管是否還可以提高、是否會(huì)對(duì)燃燒室的燃燒溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。致謝在設(shè)計(jì)完成之際，我要感謝我的指導(dǎo)教師吳柏宇老師，在這段時(shí)間里，他對(duì)我們盡心的指導(dǎo)，在我盲目沒(méi)有目標(biāo)的時(shí)候，他該我希望，教我如何去了解，去布圖，如何從生活中，找出解決的方法，在我遲遲不該落筆畫(huà)圖時(shí)，在我害怕出現(xiàn)錯(cuò)誤，害怕積累的知識(shí)不足以把設(shè)計(jì)體現(xiàn)在圖紙上時(shí)，老師的一番話，點(diǎn)醒了我，同時(shí)也對(duì)我在以后的工作中產(chǎn)生深刻的影響，他說(shuō)“沒(méi)有落實(shí)的想法，永遠(yuǎn)只是想法