（光学工程专业论文）汽车空气燃油加热器燃烧排放控制研究.pdf

摘要 摘要 汽车空气燃油加热器作为客车车室、货车驾驶室和工程车辆的取暖装置 以及预热发动机的主要设备，已被国内外广泛采用。但随着环保要求的提高， 原来不被注意的燃烧排放问题也开始引起人们的重视。为了使加热器的燃烧 排放性能更加完善，充分满足用户的使用要求和未来汽车环保要求发展的需 要，本论文以国产大型客车广泛使用的q n 7 0 0 型空气燃油加热器为研究对象 ( 其燃烧结构和工作原理具有一定的典型性) ，针对这一典型的国产空气燃油 加热器的燃烧过程、排放特性以及工作原理进行理论分析和试验研究，找出 主要污染源及其产生机理，并在此基础上根据现有的结构提出有效的改进方 案。 通过对样机的试验分析和研究表明，汽车空气燃油加热器在整个工作过 l ! ，圳，其排放存在以下三个问题：一、开机和关机两个阶段的排放问题，t 重， 废气中h c 和c o 的浓度值及烟度测量值都很高；二、因点火系统和燃烧结构 的缺陷而导致开机后一段时间内有油滴从滴油管滴落；三、在点火过程中， 会出现因操作不当雨点火失效的现象。 本研究采取主动措施，根据污染物的生成机理、传热学、燃烧理论等， 针对浚设备的部分结构进行了合理改进，并按照用户使用要求的变化以及国 外的发展状况，提出了在国产汽车燃油加热器上采用微型计算机控制的技术 方案。改进后的最终试验结果表明，开机和关机过程中的排放明显减轻，点 火可靠性显著增强。所以，改进的措施是有效和成功的。 通过本次研究，q n 7 0 0 型国产汽车空气燃油加热器的燃烧排放问题得到 了较好的解决，达到了预期的目标，并为进一步改进提供了理论根据和较为 切实可行的构想，可供生产厂家改进该产品的性能和其它型号燃油加热器的 性能时参考。 本研究的部分成果，已在生产厂家的该型产品改进中得到应用。 关键词：汽车空气燃油加热器燃烧废气分析排放控制研究 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧排放控制研究 i a b s t r a c t a sa ne q u i p m e n tf o rh e a t i n gb u s ，t r u c ka n de n g n e e r i n gv e h i c l ec h a m b e ra n d p r e h e a t i n ge n g i n e ，o i l h e a t e r sh a v e b e e n l a r g e l y u s e da l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r ，w i t ht h ed e m a n df o re n v i r o n m e n t a lp r e t e c t i o ni n h a n c i n g ，t h ee m i s s i o n w h i c hh a dn o tb e e nt a k e ni n t oa c c o u n ti sn o t i c e dn o w i no r d e rt oi r e p r o v eh e a t e r e m i s s i o na n dp e r f o r m a n c ea n dt om e e tt h ef u l ln e e d so fu s e r sa n dt h ed e v e l o p m e n t o ff u t u r e la u t o m o b i l ee n v i r o n m e n tp r e t e c t i o n ，t h ep a p e rw h i c hu s e sq n 7 0 0a i r o i l h e a t e ra st h er e s e a r c ho b j e c t i v e ，t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e s ，e x p e r i m e n t a l l yd o r e s e a r c h e s ，s e a r c h e s f o rt h em a i ne m i s s i o ns o u r c e ，a n d b r i n g su p e f f i c i e n t i m p r o v i n gm e t h o d sb a s e do nt h ep r o c e s so fc o m b u s t i o n 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e x h a u s t 、t h ep r i n c i p l eo f o p e r a t i o n a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a l d a t ai n d i c a t e st h a tt h e r ee x i s ts e v e r a l f o l l o w i n g p r o b l e m sd u r i n gt h ew h o l eo p e r a t i o n ：f i r s t ，t h ee m i s s i o ni ss e r i o u sa n dt h ed e n s i t y o fh ca n dc os m o k ei sv e r yh i g ha to na n do f fp e r i o d s e c o n d t h e r ei so i l d r i p p i n gf r o mt h ed r i p p i n gv i t t a a sar e s u l to ft h ef a u l to fi g n i t i o ns y s t e ma n d c o m b u s t i o ns t r u c t u r e t h e1 a s t ，t h e r em i g h tb ea c c i d e n t so fd i s a b l e di g n i t i o n r e s u l t e df r o mt h ei m p r o p e r o p e r a t i o na tt h eb e g i n n i n g t h ep a p e ra d o p t sa c t i v em e a s u r e ，r e c o n s t r u c t sp a r t so nt h e e q u i p m e n t ，a n d c o m eu pw i t hm i c r o - c o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hw i l lb eu s e do nt h e d o m e s t i co i lh e a t e r s t a k i n gj n t oa c c o u n tt h ec h a n g eo fu s e r s n e e d sa n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o na l lo v e rt h ew o r l d ，b a s e do nm a c h a n i s mo fe m i s s i o np r o d u c i n ga n d t h e o r i z i t i o no fc o m b u s t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e c r e a s eo ft h ee m i s s i o na t o na n do f f p e r i o da n d t h ei m p r o v e m e n to f 也e r e l i a b i l i t yo fi g n i t i o na r eo b v i o u s s o t h e s er e c o n s t r u c t i v em e a s u r e sa r ee f f c c l i v e t h er e s e a c hw h i c hr e a c h e st h ei n t e n d e d a i m s ，s u c c e s s f u l l y r e s o v l e st h e p r o b l e m o fe m i s s i o no nt h ed e m o c r a t i co i lh e a t e r a n dc o n c e i v e sf u t u r e l d e v e l o p m e n t w h i c hc a nb ear e f e r e n c et om a n u f a c t u r e r s t h ec o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c hh a v eb e e na d o p t e do nt h ei m p r o v e m e n to f t h i st y p eo f p r o d u c t sb yt h em a n u f a c t u r e s k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ea i ro i lh e a t e r , c o m b u s t i o n ，a n a l y s i so fe x h a u s t ，t h e r e s e a r c ho fe m i s s i o nc o n t r o l l i n g 长安大学硕士论文汽车空气端油加熟器燃烧排放控制研究 i i “ 绪论 绪论 第一节大气污染 人类从环境中获取物质和能量，创造了人类所需要的物质和财富，同 时也将污染物还给环境，造成对环境的污染和生态系统的破坏，这就是环 境问题。在诸多环境问题中，大气污染是一个十分严重的问题，而大气又 是人类生存不可缺少的最基本条件。随着大气污染日趋严重，人类赖以生 存的大气反而给人类带来灾难。1 9 5 2 年1 2 月“伦敦硫酸烟雾事件”、 1 9 5 5 年洛杉矶“光化学烟雾事件”等重大事故的发生，其罪魁祸首就是汽 车尾气。面对问题的臼趋严竣，西方工业国家投入大量的人力、物力、财 力，经过几十年有步骤的科学治理，使汽车排放得到严格控制，汽车排放 污染物的浓度己降到较低水平，目前正向超低污染、零污染发展。 近二十年来，随着人们对汽车乘坐舒适性越来越高的要求，多数寒冷 地区使用的客车和对车室气候要求较高的客车，以及部分货车均将汽车燃 油加热器作为标准装备，一方面用于车室供暖，另一方面用于预热发动机， 以减少发动机的怠速运转和提高冷启动性能。燃油加热器作为汽车不可缺 少的附加设备，在解决汽车运行的相关问题的同时，也带来不可忽略的环 境问题即排气对大气污染的影响。但目前对汽车燃油加热器排放的控制和 研究相对较少，只有部分欧洲发达国家开始有涉及此类问题研究的零星报 道，国内则尚未开展该方面的研究。随着零污染时代的到来，汽车燃油加 热器的排放污染问题将逐渐受到有关部门的重视。 各种燃烧设备的排气污染，反映在运行过程中产生的各种废气的浓度 和总容积。要想真正实现对燃烧设各排气污染的有效控制，就必须在弄清 废气产生机理的基础上，根据现有的技术条件和特定的设备结构以及工作 原理，设计或选择有效的试验方法，找出其排放规律和特点，以及结构的 缺陷，然后根据现有的条件提出改进方法和措施。由于这些试验研究过程 涉及的知识较广泛，不仅需要掌握燃烧动力学、火焰传播学以及与燃烧排 放控制相关的汽车排气污染控制技术、锅炉的燃烧控制技术等理论知识， 而且还要深入地掌握设备的工作原理、工作性能和结构特点，甚至对组成 设备零件的制造工艺、加工精度、采用材料等具体细节都要有详细的了解。 长安大学硕士论文； 汽丰空气燃油加熟器燃烧摊放控制研究- i 丝一堡一 最后在此基础上通过合适的试验方法，找出各种废气的形成规律并根据其 产生的机理，探索出比较有效的降低排污的措施。由此可见，燃油如热器 燃烧性能与排放控制研究不仅是一个综合性的课题，而且也是一个难度较 高的课题。 本文在分析研究国产汽车燃油加熬器中，大型客车广泛使用的具有代 表性结构的q n 7 0 0 型空气燃油加热器排放规律的基础上，利用燃烧理论对 其结构进行分析比较，找出影晌排放的关键阁题，然后有针对性地解决这 些问题，提出减少汽车燃油加热器排气污染的措施，并在现有的技术基础 上设亡 了改善国产汽车空气燃油加热器燃烧控制的方案。 第二节本课题的研究目的、内容、方法和过程 国产汽车空气燃油加热器是八十年代初在德国和日本技术的基础上， 针对国内实际情况加以改进而发展起来的，在我国北方及长江流域以北地 区使用的客车上褥到了普遍应用。随着装车使用的广泛、人们环保意识的 增强以及汽车装备技术要求的提高和排放法规限制的日趋严格，汽车燃油 加热器的排放开始逐步受到人们的重视。各种用户反馈信息充分显示了该 类型设备存在严重的排放间题。在国外，由于大多采用高性能燃烧结构和 全自动控制，其排放污染降到了最低程度。但在国内，自汽车燃油加热器 诞生以来，由于多方面的原因。无论制造厂家还是研究单位对汽车燃油加 热器的燃烧和排放性能都缺乏深入、系统的试验分析和理论研究，致使燃 烧性能和排放控制等问题没有得到有效处理。近年来，随着使用要求的提 高和环保要求的严格，以下两个问题变得更加突出： 加热器在点燃初期和关机阶段烟度过大，c o 、c h 的浓度过高： q 不能实现多档控制，难以满足经济性和舒适性的要求。 因此，本课题针对这些问题对国产燃油加热器的燃烧排放及其控制进 行了较深入的试验研究。以期改进加热器的燃烧排放及其控制性能，缩短 与国外加热器之间的差距，这也是广大加热器生产厂家、客车制造厂商和 用户所迫切希望解决的问题。 长安大学硕士论文：汽车空气搽油加热嚣璐烧拂放控制研究- 2 绪论 一、研究目的 本课题的主要研究目的是通过对q n 7 0 0 型汽车空气燃油加热器燃烧 排放性能的试验研究，对其燃烧规律加以分析，寻求根本解决加热器燃烧 性能的途径和通过局部改进来改善其燃烧性能的方法。一方面，找出加热 器在燃油燃烧过程中存在的缺陷，从而就国内具有相同结构的加热器提出 改进方案，并尽可能做较完善的对比试验，得出结论。另一方面，结合国 内外加热器技术的发展，根据国情，提出一套适用各种类型国产燃油加热 器的微机控制系统的初步构想，以供生产厂家参考。 二、研究内容 本课题模拟汽车空气燃油加热器的装车条件设计了试验装置，通过试 验研究、分析废气成分，并结合发动机和燃油锅炉的燃烧排放控制方法， 提出控制措施。 q n 7 0 0 型汽车空气燃油加热器废气成分测定： 燃油供给系统供油压力、供油连续性等问题的分析研究： 利用燃烧理论和发动机燃烧排放控制理论对燃油供给系统和点火 系统进行改进。 三、研究方法 本课题主要采用理论分析法和试验对比分析法进行研究。 本课题所采取的主要研究方案有： 通过提高供油压力( 主要采取改变供油管出口截面积的措施) 以 期提高燃油供给可靠性和连续性，从而改善燃油的雾化性能： 通过提高点火塞的耐高温、抗腐蚀强度和发热功率，以期提高点 火能量、点火可靠性和着火界限； 通过改进供油系统的供油油路、提高供断油速度来实现减少或消 除开机和关机过程的废气排放。 四、研究过程 废气排放控制的研究过程主要包括三部分：废气产生机理及其分析、 废气排放浓度的测定和燃烧排放性能的控制。其中，废气产生机理及其分 析、废气排放浓度的测定是分析控制的基础。只有利用燃油燃烧理论和测 试结果找出该类设备的燃烧特性和结构缺陷，才能有的放矢，提出合理的 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧排效控制研究- 3 绪论 控制措施。在不同的研究阶段，可根据汽车燃油加热器的燃烧结构特点， 借鉴内燃机的排放控制和分析方法或燃油锅炉的燃烧排放控制研究方法 ( 至今，我国尚未制定出较完善的燃油加热器排放试验方法) ，以达到有效 地控制排放污染的目的。燃烧排放控制的研究过程见图o 一1 。 燃烧排放控 c o 的产生机理及其分析 h c 的产生机理及其分析 废气产生机理及其分析 n o x 的产生机理及其分析 可见物的产生机理及其分析 微粒的产生机理及其分析 c 0 排放浓度的测试分析 h c 排放浓度的测试分析 废气排放浓度的测定 n o x 排放浓度的测试分析 可见物排放浓度的测试分析 微粒的测试分析 提高燃油雾化性能 提高点火装置的点火性能 燃烧排放性能的控制措施 增大混合气的着火界限 提高火焰传播速度 提高燃油供断油的可靠性 图0 - 1o n 7 0 0 型汽车空气燃油加热器燃烧捧放控制研究过程 长安大学礤士论文： 汽车空气燃油加热暑瓣晓瓣敢拄制研究4 。 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 第一节汽车采暖装置的现状与发展及 国内外燃油加热器研究的现状 一、汽车空调及其采暖装置的现状和发展“删陋” 1 、 汽车空调技术的现状和发展 汽车空调的发展历史并不长，但其发展速度是惊人的。它经历了由低 级到高级，由功能简单到多功能的发展过程，归纳起来可分为五个阶段： 0 单一取暖阶段。即采用房间取暖的供暖方式。1 9 2 7 年美国率先推 出利用汽车冷却水通过加热器取暖的方法，它包括一个加热器、一套通风 系统和个空气滤清器。目前，在寒冷的北欧，亚潲北部等地区，汽车空 调仍然使用单一供暖系统。 9 单一冷气瞬段。1 9 3 9 年，亩美国通用汽车桷克公司( p a c k a r d ) 首 先在轿车上安装采用机械制冷降温的空调嚣，成为汽车空调的先驱。目前。 此方法仍然在热带，亚热带地区广泛使用。 冷暖一体化阶段。1 9 5 4 年，通用汽车公司将第一台冷暖一体化整 体式空调设备安技到纳传( n a s h ) 牌轿车上。至此汽车窆漏才基本上具有 调节控制车内温度、湿度的功能。这种方式目前仍然在大量的经济型轿车 上使用。 固自动控温阶段。为减少驾驶人员的劳动强度，并提高空气调节的 控制质量，自动温控空调于1 9 6 4 年首次安装在凯迪莱克( c a d i l l a c ) 轿车 上。目前。大部分的中高级轿车、中高档客车都安装有自动空调装置。 微型计算机控制。1 9 7 9 年，美国和日本共同推出采用微机控制的 空调系统。通过微机控制，实现了空调运行和汽车运行的相关统一，极大 的提高了制冷效果，节约了燃料，提高了汽车的整车性能并获得了最佳的 乘坐舒适性。 将制冷、采暖、通风、除霜、空气净化等功能集于一体的全自动空调 系统是未来汽车空调系统发展的总趋势、总方向。这种全自动空调系统采 用多台计算机控制各装置工作，计算机之间用光纤通信，能根据车内外温 度、湿度、空气洁净度、太阳辐射强度、乘员要求以及车辆工况等信号， 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧摊放控制研究 - 5 一 蔓二兰整奎墨堕茎萋量垫圭墅堡垄垦塑垫 。 自动调节车内气候，使之始终保持最佳状态。 2 、汽车空调采暖装置的现状和发展 作为汽车空调系统重要组成部分的汽车采暖装置是汽车冬季运行时 供乘员取暖的设备，是一种将新鲜空气送入热交换器，吸收其中某种热源 的热量，从而提高空气的温度并将热空气送入车室供乘员取暖的装置和配 套设备的总称。一般根据热源的不同分为以下几种型式： 0 水暖式采暖装置。直接利用水冷式发动机冷却水的热量加热空气， 供车室取暖。这种采暖装置经济、可靠、温度适宜、散热均匀，缺点是只 有在发动机的冷却水达到一定的温度时才能工作，而且在刚启动和停车时 供热不足。所以该装置多用于对采暖要求不高( 在长江流域及其以南地区 使用) 的客车。 0 废气余热式采暖装置。利用发动机排气系统排出的废气热量加热空 气。供车室取暖。该装置多用于车窗除霜和部分要求不高的客车采暖，其 虽然使用成本低，但对发动机功率影响较大，而且难以保证采暖工况的空 气质盈，所以采用较少。近年来，利用废气余熟的热管式采暖装置已在部 分客车上开始采用。 独立燃烧式采暖装置。有空气燃油加热器和液体燃油加热器两种型 式亦统称燃油加热器。这种采暖装置是利用燃料( 柴油或煤油) 在专门 燃烧加热机构中燃烧所产生的热量直接加热空气，或通过介质( 一般为水) 吸收后再加热空气的装置。高档豪华客车多选用液体燃油加热器，中档及 普通客车和长江漉域以南使用的客车多选用空气燃油加热器。 综合预热式采暖装置。既利用水冷式发动机的冷却水热量，又装有 燃烧预热器的采暖装置。该装置可解决严寒地区大客车的采暖和发动机的 预热问题，经济性较好。 在上述四种型式的采暖装置中，水暖式和废气式又统称为余热式采暖 装置。中小型客车需要的采暖热量较小，一般采用余热式采暖装置即可满 足使用要求。独立燃烧式采暖装置虽然结构较为复杂且消耗燃料，但它具 有不受汽车使用工况的影响、采暖迅速、可以满足较高热负荷的要求等特 点，所以在对采暖有较高要求的豪华大中型客车上得到广泛应用。 以上几种采暖形式目前在客车上均有采用，其发展趋势除完善性能、 提高零部件的使用寿命和可靠性外还有以下方面： 长安大学硕士论文： 汽车空气搽油加热器燃烧排就拉4 研究 - 6 - 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 a ) 选用低排放或无排放燃料，如天然气、液化石油气等，以减少对环 境的污染； b ) 采用微型计算机技术、电子技术、光纤通讯技术等实现自动控温、 控湿技术，实现车内均匀温度场，满足不同客户和乘员的需求； c ) 采用热交换性好、耐腐蚀、抗高温材料的热交换器，以此提高热效 率和安全性，降低油耗并使燃料充分燃烧，实现减少燃烧残留物、消除积 炭等目标。 二、独立式汽车燃油加热器及其技术的发展历史和现状。盯 汽车燃油加热器最早出现于四十年代的欧洲，主要用来在冬季预热发 动机或供卡车驾驶室( 图卜1 ) 和客车车室取暖( 图i - 2 ) 。从其诞生开始， 这项技术和相关产品就倍受用户青睐，产品遍布欧洲和北美市场。燃油加 热器的使用和迅速发展受两个方面因素的影响；一是燃料价格，由于在 2 0 世纪的7 0 8 0 年代，燃料价格和燃油税比率大幅度上升，迫使欧美运输 业不得不考虑减少燃料消耗，特别是减少发动机不必要的怠速运转：二是 环保，因为怠速运转会产生大量的h c 和c 0 ，为此，e p a ( 美国联邦环境 保护局) 在七十年代便制订了严格的反怠速法规，以尽量减少发动机怠速 运转。由于这些因素，使得原来大量采用水暖式采暖设备的客车和卡车取 暖受到极大的限制，促使燃油加热器在八十年代得到飞速发展。统计和试 验数据表明使用加热器预热发动机、供卡车驾驶室和客车车室取暖，在燃 图i - i 卡车驾驶室取暖示意图图1 2 客车取暖示意图 料经济性、降低噪声、排放和减少发动机磨损等方面具有许多优点。 国产燃油加热器在2 0 世纪8 0 年代初由河北泊头仪表厂仿制德国产品 率先投产弗推出了f j 系列空气燃油加热器，随后北京京威汽车设备有限 公司在消化吸收国内外技术的基础上推出了y j 、q n 系列燃油加热器。上 长安大学硕士论文 汽车空气端油加热器燃烧神教控制研究 7 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 述两个厂家所生产的系列燃油加热器基本满足了当时国产客车和其他车 辆的采暖需求并占据了国内绝大部分的市场份额。但随着社会的发展和科 学技术的进步，人们对乘坐舒适性的要求更为严格，加上客车技术迅速提 高，特别是客车空调系统技术条件等行业标准的制定，具有噪声较大 ( 尤其是装用轴流式风扇的加热器) 、体积大、热流量受限等缺陷的空气燃 油加热器己满足不了高档豪华客车的使用要求，而独立燃烧式液体加热器 则具有明显优势。随着客车行业引进技术的加快，国外液体加热器开始进 入我国市场。面对这一优势明显的高端产品，国内相关生产厂家力图对该 产品进行国产化。但因其技术较复杂、工艺要求高，特别是液体加热器中 的高压喷油装置制造困难，致使国产化进程缓慢。根据市场的需求，加热 器生产厂家的技术人员与客车生产厂及使用部门密切合作，在原国产y j 系列甩油雾化式液体加热器基础上，吸收国外新机型的优点，研制开发出 一系列在技术性能和经济指标方面适合我国国情的液体加热器，即y j - q 系列液体加热器。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着环保法规的日趋严格和乘员对乘举舒 适性要求的提高，汽车法规中的空调技术指标对燃油加热器的燃烧控制、 排放控制以及噪声控制提出了更高的要求。为了满足新的需要，大量的新 技术如电子控制、发动机燃烧控制、排放控制和噪声控制等技术在燃油加 热器上开始得到应用。美国的p h i l i p s & t h e r m o 公司于1 9 9 6 年推出了 z e r o s t a r t 加热器。该产品的恒温控制部分具有一个程序化的计时器，可 在驾驶舱2 4 小时监控系统工作；美国俄亥俄州的h u n t e r 制造公司生产的 f a l c o n a i r e 加热器可使用丙烷或天然气作为燃料；德国w e b a s t o 公司不仅 在h i r t o p 和t h e r m o 系列产品的点火塞和热交换器上采用耐腐蚀、耐热材 料，而且实现了使燃烧残留物充分汽化，消除了积炭，且点火电流仅4 5 a ， 寿命是普通点火塞1 0 倍的目标。近年该公司又推出w e b a s t os c h 0 1 a s t i c 系列新产品，该产品采用电子点火、燃油高压喷射和微型计算机集中控制 等新技术。作为美国最大韵燃油加热器制造企业e s p a r 公司也不示弱，在 其系列加热器上采用微型计算机控制技术实现了根据车室温度自动换档 控制，它不仅提高了乘员的乘坐舒适性，而且减轻了驾驶员的劳动强度、 提高了燃油经济性。 匦对加热器技术的迅猛发展，我国生产企业也开发了一些适合国情的 长安大学硕士论文：汽车空气魅油加热嚣燃烧排放控制研究 - 8 - 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 新产品，但与国外相比其技术水平和生产工艺要落后得多。笔者认为我国 燃油加热器技术落后的主要原因是产品的燃油供给观念没有根本转变，一 直沿用传统离心式雾化装置的结果。这种雾化装置虽然具有结构简单、故 障少等优点，但存在雾化性能受转速变化影响较大、供油和断油不迅速等 致命弱点，通常只能工作在强档才具有较好的性能。近年来，国内不少厂 家也尝试引进燃油喷射技术，但由于投入的技术力量和资金有限并且改型 要冒很大的经济风险，一直没有取得实质性的进展。 总的来说，当前国内外燃油加热器技术的发展趋势主要表现在以下几 点： 1 、燃料方面开始采用低排放、经济性好的天然气和液化石油气作 燃料。 2 、电气方面采用微型计算机控制技术、电子技术、遥控技术等实 现自动控制： 利用自动速度控制器和电子技术中的斩波嚣技术，保证电机平稳起 动且实现多级调速，从而达到减轻零部件负载和满足多工况需求的目标； 采用无刷电机，降低电机噪声； 利用微型计算机技术实现集中控制： 固采用热敏电阻和氧传感器检测出口温度和排气浓度，当超过限值 时，信号传给仪表盘上的控制单元，以音响或灯光信号提醒操作者的注意； 计算机控制的程序化计时器可最多在7 天前设定起动时间和温度： 点火塞和火焰探测器结合在一起，封装在陶瓷外壳内，通过热敏电 阻来决定其动作； 0 通过微型计算机和温度传感器可根据用户设定的车室温度来自动 选择档位实现操作自动化。 3 、其它 去掉点火塞，采用电子点火； 用耐磨抗高温材料制造热交换器，使燃料充分燃烧，减少燃烧残留 物，消除积炭； 大量采用铸件或冲压件，便于装配和维修。 长安大学硕士论文 汽车空气燃油加热嚣燃烧排放控制研究 - 9 - 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 第二节汽车空气燃油加热器的结构和工作原理 汽车空气燃油加热器一般由燃料供给系统、助燃空气系统、冷却系 统、点火系统和热交换系统等六部分构成。 1 、燃料供给系统燃油加热器的燃料供给系统通常有低压和高压两 种类型。低压供油系统( 图1 - 3 ) 一般由吸油管、进油管、电磁阀、油泵 图1 - 3 低压燃油供给系统图卜4 高压燃油供给系统 和出油管等部分组成。这种供油系统通常与离心式甩油杯配合使用，因此 结构简单、工作可靠，但燃油雾化效果差，随工况变化很大。高压供油系 统( 图卜4 ) 主要由吸油管、进油管、燃油过滤器、高压油泵、电磁控制 阀、燃油喷嘴、旁通阀和回油管等组成。这种结构通常与电弧点火装置配 合使用，其雾化性能好、燃烧充分且易于实现多档控制和全自动控制，能 满足多工况的使用要求。 2 、助燃空气系统该系统因加热器结构的不同而差异较大，通常包 括风扇、d c 马达和进气空腔等部分。 3 、冷却系统 冷却介质通常是水或空气。以水为冷却介质的冷却系 统由循环水泵、温度传感器等部分组成；以空气为介质的冷却系统包括风 扇、温度传感器等。 4 、点火系统主要有电阻丝点火和电弧点火两种点火方式。 5 、控制系统控制系统因加热器使用的目的和汽车的档次不同而差异 很大，目前主要有延时继电器控制、电路板集中控制和微型计算机智能化 控制等几种控制形式。 6 、热交换系统由燃烧室、续燃室外壳、回转夹层和风道等组成，可 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧艚赦拄4 研宽- i o - 第一章汽车采暧装置与汽车环保发展趋势 将燃油燃烧释放出的热量传给冷风，使其变为热风，供取暖用。这种冷流 体与热流体被壁面隔开，热量通过壁面传递的装置成为表面式换热器。 e s p a r 公司生产的d i l c 型燃油加热器结构见图卜5 ，京威q n 7 0 0 型燃 油加热器的结构见图卜6 。 图卜5e s p a r 公司的d i l c 型燃油加热器结构示意图 图卜6京威q n 7 0 0 燃油加热器的工作原理图 电机；2 - 油泵：3 - 点火塞；4 - 甩油碗：s - 热交换器；6 - 热保险：7 - 大风扇 8 - 排气管；9 - 热控件：i o - 助燃进气管 】4 - 导风盘；1 5 - 甩油盖；1 6 - 热风出r n 卜进油管：i 2 - ，j 、风轮：l3 - 滴油管 7 ，油泵出油管：】8 - 滤油电礁阀 在图卜6 中，直流电机带动轴上的油泵2 、大风扇7 、小风轮1 2 和雾 长安大学硕士论文： 汽车空气燃曲加热嚣蛙烧辩放拉劓研究1 1 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 化器一起旋转。在油泵2 作用下，燃油被从油箱吸出，经过滤油电磁阀1 8 、 进油管l l 进入雾化器被甩成雾状，与小风轮1 2 从助燃风进1 ：3l o 吸入的 新鲜空气相混合，由点火塞3 将其点燃，并在燃烧室内充分燃烧。燃烧产 生的废气经热交换器5 内壁夹层环形通道从排气口8 排出。大风扇高速旋 转所吸入的冷空气通过热交换器5 吸走绝大部分热量后，从热风出口1 6 排出热风，经管道及散热孔送入取暖区域。 图卜7 为q n t 0 0 型空气燃油加热器的电器工作原理图。开关k 1 扳到 “运行”提前供油约0 5 分钟后，将开关k l 扳到“预热”运行约2 分钟， 再将开关k 1 扳到“运行”完成开机操作；约运行1 分钟后，热控件膨胀， 使热控开关k k 与8 点闭合，红灯灭绿灯亮，整机正常工作：k l 扳回“停 止”，约两分钟后，热控件收缩使k k 断开，整机停止工作。 图1 - 7q n 7 0 0 型空气燃油加热器电器原理图 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧持斌拄制研充- 1 2 - 笙二童塑主墨矍茎星量堕主堑堡垄星望塑 一 第三节国内外汽车排放法规及排放限值 对燃油加热器的影响“蚍 大气环境是人类生存所不可缺少的基本条件。随着人类活动的增加、 人口数量的增多以及工业生产的飞速发展，对大气环境产生了极大的影 响，人类在大量攫取环境资源的同时开始遭受环境的报复。1 9 5 2 年1 2 月 震惊世界的“伦敦硫酸烟雾事件”，1 9 5 5 年洛杉矶出现的“光化学烟雾事 件”，以及许多大城市长时间面对灰暗天空韵可怕情景，这一切都归结于 人类对大气环境肆意破坏的结果。城市大气环境遭受破坏的因素很多，其 中汽车尾气是最重要的影响因素之一。汽车尾气中的c o 、s o ：、n o 。、微粒、 烟雾等对大气环境产生极大的影响，给城市居民的身体健康带来极大的损 害。当c o 的浓度达到一定程度时，可以使血液的输氧能力大大降低，轻度 寸使中枢神经受损，严重时则将使人窒息死亡：虽然h c 中的饱和烃危害 不大，但不饱和烃的危害却很大，浓度在l p p m 时会对眼、鼻有刺激作用， 浓度超过2 5 p p m 时，会引起头晕、呕吐等症状，若超过1 0 0 0 p p m 时就能使 人窒息死亡：n 0 ，是由多种氮氧化合物组成，当浓度达到一定程度讨。会 使植物枯萎，使人发生肺水肿甚至置人于死地；微粒则是强致癌物质。此 外，汽车尾气中的c 0 ：能引起温室效应，使全球温度升高，导致海平面上 升、城市淹没、物种灭绝等严重后果。 以上各种事实表明，随着汽车保有量的增多，限制汽车排放、开发 低排放甚至零排放的汽车是当前汽车技术发展的当务之急。汽车上除发动 机所产生的废气是严重的污染源外，空调系统中的制冷剂以及取暖用的燃 油加热器的尾气也是重要的污染源。因此，为了减轻对臭氧层的破坏，联 合国已禁止在汽车上采用氟里昂制冷剂，其代用物是采用一种新的a h 1 3 4 制冷剂，以减轻对大气臭氧层的破坏。欧美一些发达国家为了提高燃 油加热器的燃油经济性，已将先进的电子技术应用到独立式燃油加热器 上，以提高其雾化性能使燃油充分燃烧，从而间接降低废气排放。 世界各国为了保护环境纷纷根据各自的国情制定相应的汽车排放法 规和尾气测试方法。其中欧、美、日三大摊放标准体系最具有代表性。汽 车排放的测试方法目前主要有车辆工况法、发动机台架工况法、密闭室 ( s h e d ) 蒸发物测定法、柴油机烟度测试法、怠速法等。 长安大学硕士论文 汽车空气燃油加热器燃烧排放控制研究- 1 3 - 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 一、国外汽车排放法规及限值“虻啡2 埘”1 美国加州最早提出控制汽车排放，而且其标准也是世界上最严格的汽 车排放标准，表i = 1 为美国加州1 9 9 4 年制定并立即实施的l e v ( 低排放汽 车) 时间计划表。其他工业国家也是如此，都在采用尽可能严格的汽车排 放标准，以改善本国的大气环境状况。表卜2 、表卜3 分别为欧洲联盟轻 表1 - 1 美国加州轿车排放标准f t p ( g m i l e ) 车辆5 00 0 0 m i l e1 0 00 0 0 m i ie 类别n m o gh c h oc on o ，徽粒n m o gh c h oc o n o x 徽粒 0 3 9 19 9 17 00 40 0 8 0 4 l 1 9 9 30 2 53 ，40 4o 0 803 l4 21 0 t l e v l 9 9 4 0 1 2 50 0 l53 40 40 1 5 60 0 1 84 20 60 0 8 l e v1 9 9 70 0 7 50 0 153 40 20 0 9 0o 0 1 84 20 30 0 8 u l e v l 9 9 70 0 4 00 0 0 81 70 20 0 5 50 0 1 12 10 30 0 4 z e v00o00 oo000 注：t l e v 一一过渡低捧放汽车 l e v 一一低排放汽车 u l e v 一超低捧放车辆 z e v 一一零捧放车辆 表1 - 2 欧洲联盟轻型载货车的排放限值 ( g l k m ) 法一规 基准质量( r e ) k g r m 1 2 5 01 2 5 0 r m l7 0 0r m l7 0 0 c o2 7 25 176 9 0 耿洲i h c + n o x0 9 71 4 01 7 0 p m0 1 4 0 1 90 2 5 c o 汽油2 24 05 0 柴油1 01 2 51 5 欧洲2 h c + n o x 汽油0 50 6o 7 柴油0 71 01 2 p m 0 0 80 120 17 ( 1 ) 包括乘员数超过6 人( 古驾驶员) 和最大总质量超过2 5 0 0 k 的乘用车 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧柚被控制研究1 4 - 型载货车排放限值和轻型汽车的排放标准限值，图卜8 为美国、欧洲、日 本的排放演变示意图。这些数据表明，对汽车排放的控制将愈来愈严并最 终实现零排放。 表1 3歇洲联盟轻型汽车的排放限值( g k i n ) 汽油车 生效 标准 c oh c + n o t标准 生效日期c oh cn o x 日期 欧洲11 9 9 22 7 20 9 7欧洲32 0 0 02 3o 20 15 欧堋21 9 9 5z 20 5欧i | i i42 0 0 51 00 10 0 8 柴汕车 生效生效 标准c oh c + n 0 1微粒 标准c oh cn o x微粒 日期日期 欧洲11 9 9 22 7 209 70 14 欧洲32 0 0 00 ，6 40 5 60 5 00 0 5 欧洲2 “】9 9 51 00 7o 0 8 欧洲42 0 0 50 5 003 002 500 3 欧洲2 1 00 901 闯接喷射式；”点接喷射式 ， 图卜8 美国、欧洲、日本的捧放演变 长安大学硕士论文： 汽奉空气蠼油加热嚣燃烧排教撞i 研究1 5 珊， 霄 k、阳的z。与蔓劬曲拳-橹峙， 雠吖惴-蕾n：冒毒野_的群年惰曲 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 二、中国汽车排放法规及限值“们。们。”。则。朝 我国汽车排放法规的制定起步较晚，但发展速度很快，要求逐年严格。 从1 9 8 4 年的仅规定单一、简单工况排放限值的排放法规，发展到等效采用 1 9 9 5 年7 月2 日生效的e c er 8 3 0 2 的按发动机对燃料的要求类别就污 染物对车辆认证的规则( o a l 4 7 6 1 1 9 9 9 ) ，以及等效于欧洲e c e r 9 4 0 2 法 规的压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气污染物限值及测试方 法( g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 ) ，只有1 5 年的时间。从排放限值和测试方法来看，我 国排放法规的要求与欧洲l 法规等效。图1 9 为中国、美国和欧洲对轻型 汽车排放控制的进程示意图，从中可以看出中国在排放控制上的进度和与 发达国家之间的差距。 图卜9 轻型车排放控制的进程示意图 三、汽车排放法规及限值对燃油加热器的影响“们”儿”， 汽车排放法规不仅限制汽车运行排放，而且限制汽车的使用方法。例 如e p a ( 美国联邦环境保护局) 在七十年代便制订了严格的反怠速法规， 这一法规的诞生推动了汽车燃油加热器的迅速发展。主要原因是因为在停 车或等候乘客时，大型卡车或客车的发动机为了驾驶室或车室取暖而怠速 运行，此时不仅产生大量的c o 、h c 等污染物，而且燃油消耗量要比使用 燃油加热器时大得多。因此，出于经济性和排放性能的考虑，在欧洲和北 美地区，燃油加热器在卡车和客车上的装用率很高。但随着排放法规对汽 车排放的要求日益严格，一些发达国家开始注重燃油加热器的燃烧排放性 能，并且开始寻求一种新的取暖方式，为汽车实现零排放作准备。 而我国由于经济和技术相对落后，汽车燃油加热器主要用于客车车室 取暖和除霜，以提高乘坐舒适性和驾驶安全性。其生产技术和生产工艺仍 长安大学硕士论文： 汽车空气燃油加热嚣燃烧持羲挂稍研兜1 6 第一章汽车采暖装置与汽车环保发展趋势 停留在欧洲八十年代的技术水平，特别是在燃油喷射技术和自动控制技术 方面，我国极其落后。但笔者认为，当发动机排放限值达到一定程度后， 加热器的排放将对整车捧放的贡献比重增大，必将引起世人注意并制定相 应的法律加以限制。而广泛应用于国产大客车的空气燃油加热器，在开机 和关机过程中产生的烟气对停车场站局部区域空气质量造成较大负面影 响已开始引起人们的关注。汽车燃油加热器的排放数据与部分法规限值的 比较见表1 4 。由此可见，降低现有加热器的排放，研究开发低排放和超 低排放加热器是非常必要的。 表i - 4 汽车燃油加热器的捧放数据与部分法规限值的比较 c oc h烟度 项目备注 ( ) ( p p m )( o p a c ) 法规2 0 5 2 5 1 5 5 0 ” ( 1 ) 整陶煎跫节捧放蛀飙( i 鲫1 ) ； ( 2 ) 汽车发动帆息蔗工况正常范围； ( 3 ) o n t 0 0 空气燃袖加热嚣开机过程i 怠速“o 5 3 0 创 划 强 d1 舅掣 番5 ， i 、， 档 藿 ，o j 奢 烟n 度 口0，d羽柏 123456 时闽革位：1 时何单位：1 8 曲 ，耋1 0 飞星 线 舅、泸 耋5 弱 瘤 ， ， y 。、 。 2 时高单位? ，1 。5 6 档 。01 02 04 0 时阿簟位i1 长安大学硕士论文z 汽车空气燃油加热器燃烧排献艘4 研究- 3 4 第四章样机试验和试验结果分析 3 、稳定燃烧阶段 ( 1 ) 使用燃料为煤油时，不同电源电压下的排放情况见表4 3 。 表4 - 3以煤油为燃料在不同电源电压下稳况工作的排放数据 烟度燃烧室废气 c oc h xn 0 x空气 鬯趴o p a c温度 电压( h ( v 0 1 ) ( p p m v 0 1 )( p p m v 0 1 ) 系数 ( )( o c ) 0 0 51 218o o2 3 5 7 o 0 51 42 1o o2 3 5 4 2 69 2 0 o 0 51 3180 02 3 0 2 o 0 51 31 9o o2 3