（动力机械及工程专业论文）yjpq系列燃油加热器的试验研究.pdf

山东人学硕十学何论文 摘要 车用加热器是低温条件下发动机冷起动，车厢供暖，挡风玻璃除霜的 重要辅助装置。目前国内加热器的市场状况，仍然是以客车和城市公交车 以及军事用车配套为主。此领域内以l5 k w 以上的大、中功率加热器为主。 喷射雾化式加热器由于燃油跟空气混合充分，燃烧完全，热效率高，有害 排放少，所以要重点研究喷雾雾化加热器来满足大功率加热的需要。本文 针对目前国内使用较多的y j p q 系列喷射雾化式液体燃油加热器进行了性 能摸底试验，掌握了其基本工作规律，并对其进行了相应的改进提高。 供油系统作为加热器的重要组成部分，其工作性能的好坏对加热器有 重要影响。本文对y j p q 系列燃油加热器所用供油系统进行了台架摸底试 验。分析了油泵转速特性；油压特性；喷油嘴特性；进、回油管长度及管 径的影响；油泵距油面高度的影响；燃油滤清器的影响。试验发现：油泵 油压一定时，泵油量随转速升高而增大；油泵转速一定时，泵油量随油压 增大而减小：油管过长，内径过细，会使油泵流量和容积效率下降，并使 泵前真空和噪声大大上升；燃油泵泵油量随油泵距油面高度的增大而降低； 所用滤清器有效过滤面积偏小，原始阻力约为行业标准的2 5 倍，从而导 致油泵进油口真空升高，噪音加剧。 另外，对y j p q 系列加热器进行了一系列性能试验，为进一步改进加 热器提供了理论依据。试验发现存在一个最佳空燃比使加热器热功率、热 效率最高；且通过试验得出了0 7 5 u s g a l h 、0 8 5 u s g a l h 、1 0 0 u s g a l h 三 种常用喷嘴对应的最佳进气量调节板开度范围；试验证明了加热器进水温 度对热功率、热效率有很大的影响，二者随进水温度上升而迅速降低；试 验发现在某一水流量加热器热效率最大；同时，试验还发现受换热器结构 尺寸及供气量的制约，同一系列加热器并不是油嘴喷油量越大加热器热功 率、热效率越高，对喷油量较大的油嘴需配用更大的热交换体及风量( 风 压) 更大的风扇。 根据市场需求在现有技术和产品的基础上对y j p q 系列燃油加热器进 行了各系统尺寸的优化设计。试验发现：燃烧筒在一定长度范围内长度越 长，加热器热功率、热效率越高；而小筒则在一定长度范围内长度越短， 山东大学硕十学伊论文 加热器热功率、热效率越高；存在一最佳尺寸锥形罩使加热器热功率、热 效率最高；燃烧筒和小筒的双层燃烧室设计起到了很好的防止通过热辐射 使热量流失的作用；建议导流体轴向辅助进气孔孔径缩小为5 5 m m 。 目前大多数液体型燃油加热器均采用螺旋式水腔进行换热，因该类换 热器的换热面积受到制约，故热量损失较大。我们加热器课题组针对现有 燃油加热器热交换器所存在的不足，设计了一种换热效率更高的带换热管 的燃油加热器用热交换器。此热交换器的换热管位于燃烧器火焰筒中，一 方面可以增加加热器的换热面积，充分吸收高温燃气的热能；另一方面， 由于换热管直接与燃烧火焰接触，会在管内产生泡态沸腾，从而强化换热， 提高加热器整体的热效率。试验结果表明新设计的热交换器对提升加热器 热效率有一定效果，但由于时间及试验条件的限制试验结果并不甚理想， 有待条件成熟后做进一步的试验。 关键词：车用加热器；转子燃油泵；性能试验；换热管；改进提高 i i 山东大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t v e h i c l eh e a t e ri sa ni m p o r t a n ta s s i s t a n tf a c i l i t yu s e df o rc o l dc o n d i t i o n e n g i n es t a r t ，c a r r i a g eh e a t i n ga n dw i n d s h i e l dh o a r f r o s tr e m o v i n g a tp r e s e n t ， i nd o m e s t i cm a r k e th e a t e r sm a i n l ys e r v ef o rp a s s e n g e rc a r s ，b i gb u s e sa n d m i l i t a r yv e h i c l e s i nt h i sd o m a i n ，b i gh e a t e r sw i t hm o r et h a n 15k wh e a t o u t p u ta r ep o p u l a r b e c a u s es p r a y t y p eh e a t e r sh a v em a n yv i r t u e s ，s u c ha s ， f u l lm i x e do ff u e la n da i r ，c o m p l e t ec o m b u s t i o n ，h i g ht h e r m a le f f i c i e n c y ， l o w e rh a r m f u le m i s s i o n s ，w es h o u l df o c u so ns p r a y t y p eh e a t e rt om e e tt h e n e e d so fh i g h - p o w e rh e a t i n g p e r f o r m a n c et e s t sw e r ec a r r i e do u to nt h ey j p q s e r i e ss p r a y - t y p ev e h i c l eh e a t e rg r a s p e dt h eb a s i cr u l e so ft h e i rw o r ka n dd i d c o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t st ot h eh e a t e r f u e lp u m p ，a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fv e h i c l eh e a t e r ，i t sq u a l i t yh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eh e a t e r e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u to n t h ef u e lp u m p ，w h i c hi su s e do nt h ey j p - qs e r i e ss p r a y - t y p eh e a t e r i t a n a l y z e d t h er o t a t i o n a l s p e e dc h a r a c t e r i s t i c o ff u e lp u m p ；f u e lp r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c ；f u e li n j e c t i o nn o z z l ec h a r a c t e r i s t i c ；t h ei n f l u e n c eo ff u e li n l e t a n dr e t u r nt u b ea n di t si n t e r i o rd i a m e t e r ；t h ei n f l u e n c eo ft h eh e i g h tt h a tf r o m f u e lp u m pt of u e ls u r f a c e ；a n dt h ei n f l u e n c eo ff u e lf i l t e r r e s u l t so ft h e e x p e r i m e n ts h o wt h a t ：t h ef l u xo ff u e lp u m pi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s e o fr o t a t i o n a ls p e e dw h e nt h ef u e lp r e s s u r ei sc o n s t a n t ；t h ef l u xo fp u m p d e c r e a s e sa l o n gw i t hi n c r e a s eo ff u e lp r e s s u r ew h e nt h er o t a t i o n a ls p e e di s c o n s t a n t i tw i l lm a k ef l u xo ff u e lp u m pa n dv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yd r o p ，a l s o m a k ev a c u u mb e f o r ef u e lp u m pa n dt h en o i s er i s ei ft h ef u e lt u b ei st o ol o n g ， a n di n t e r i o rd i a m e t e ri st o os m a l l ；b e c a u s et h ee f f e c t i v ef i l t e r i n ga r e ao ff u e l f i l t e ri st o os m a l l ，t h eo r i g i n a lr e s i s t a n c ei sa b o u tt w oa n dah a l ft i m e sa sg r e a t a st h ei n d u s t r i a ls t a n d a r d s ，i tc a u s e sv a c u u mi nt h ep u m pr i s e ，a n dm a k en o i s e w 0 r s e m o r e o v e r ，m a n ye x p e r i m e n t s w e r em a d ew i t ht h ey j p qs e r i e s s p r a y t y p ev e h i c l eh e a t e ri no r d e rt op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e r i i i 山东大学硕十学位论文 i m p r o v e m e n to fh e a t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sa no p t i m a la i r f u e lr a t i o w h i c hm a k et h eh e a t e rr e a c hi t sh i g h e s tt h e r m a lp o w e ra n de f f i c i e n c y b e s i d e s ， t h r o u g ht e s tt h eo p t i m a lo p e n i n go fa i ri n t a k ea d ju s t a b l ep l a t ew e r ef o u n d c o r r e s p o n d i n gt oo 7 5 u s g a l h 、0 8 5 u s g a l h 、1 0 0 u s g a l ht h r e ec o m m o n l y u s e dn o z z l e i tp r o v e st h a tt h ee n t e r i n gw a t e rt e m p e r a t u r eh a sag r e a ti m p a c t t ot h eh e a t e rt h e r m a lp o w e ra n de f f i c i e n c y ，w h i c h s h a r pd e c r e a s e w i t h r e d u c t i o no fw a t e rt e m p e r a t u r e w i t ht h ei n c r e a s e dp u m pf l u x ，h e a t e rt h e r m a l e f f i c i e n c yf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s m e a n w h i l e ，i ta l s of i n dt h a tt o t h ey j p qs p r a y t y p eh e a t e r ，i t sn o tt h eg r e a t e rt h ef u e lc h a r g eo fn o z z l e ，t h e h i g h e rt h eh e a t e rt h e r m a lp o w e ra n de f f i c i e n c y ，i n s t e a dt h e r ei s a no p t i m a l f u e lc h a r g ev a l u eb e c a u s eo fh e a te x c h a n g e re f f i c i e n c yc o n s t r a i n t a c c o r d i n gt om a r k e td e m a n d ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u t o nt h ey j p - qs e r i e ss p r a y t y p eh e a t e rt oo p t i m i z et h es y s t e mc o r es i z eb a s e d o nt h ee x i s t i n gt e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t s t h er e s u l t ss h o w ：t h el o n g e rt h e l e n g t ho ft h ec o m b u s t i o nt u b e ，t h eh i g h e rt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fh e a t e r ；t h e s h o r t e rt h el e n g t ho ft h es m a l lt u b e ，t h eh i g h e rt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fh e a t e r ； t h e r ei sa no p t i m a ls i z eo fc o n e - s h a p e ds h i e l dw h i c hm a k et h eh e a t e rr e a c hi t s h i g h e s tt h e r m a lp o w e ra n de f f i c i e n c y ，t h ed o u b l e l a y e rc h a m b e rd e s i g no f c o m b u s t i o nt u b ea n ds m a l lt u b eh a sp l a y e dag o o dr o l et op r e v e n th e a tl o s s ； s u g g e s t i n gt oa d ju s tt h ea p e r t u r eo ft h eb a f f l ea x i a la u x i l i a r ya i ri n l e ti n t o m 5 5 m m a tp r e s e n t ，t h em a jo r i t yl i q u i dh e a t e r su s es p i r a lw a t e rc h a m b e rt o e x c h a n g eh e a t i th a sm a s sh e a tl o s sb e c a u s eo ft h eh e a te x c h a n g ea r e a c o n s t r a i n t u n d e rt h ee n d e a v o ro fo u rt e a m ，w ed e v i s eam o r ee f f i c i e n th e a t e r e x c h a n g e r w h i c hh a sh e a t e x c h a n g et u b e s ，i nl i g h t o ft h e e x i s t i n g s h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n te x c h a n g e r t h eh e a te x c h a n g et u b e sa r el o c a t e di n t h ef l a m ec h a m b e r ，o nt h eo n eh a n d ，t h i sc a ni n c r e a s e st h eh e a tt r a n s f e ra r e a o fh e a t e r ，a n df u l l ya b s o r bt h eh i g h - t e m p e r a t u r eg a sh e a t ，o nt h eo t h e rh a n d ， b e c a u s et h eh e a te x c h a n g et u b ed i r e c tc o n t a c tw i t ht h ec o m b u s t i o nf l a m e ，t h i s w i l lg e n e r a t eb u b b l eb o i l i n g ，t h u se n h a n c i n gh e a tt r a n s f e r ，i m p r o v i n gt h e i v 山东大学硕七学伊论文 o v e r a l lt h e r m a le f f i c i e n c yo ft h eh e a t e r t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wd e s i g n o fh e a te x c h a n g e rh a sac e r t a i ne f f e c tt oe n h a n c et h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e h e a t e r ，b u tt h et e s tr e s u l t sa r eu n s a t i s f a c t o r yd u et ot i m ea n dt e s tc o n d i t i o n s c o n s t r a i n t s k e y w o r d s ：v e h i c l eh e a t e r ；i n t e r n a lg e a rf u e lp u m p ；p e r f o r m a n c et e s t ；h e a t e x c h a n g et u b e ；i m p r o v e m e n t v 山东大学硕十学何论文 符号说明 时间，s q 密度，k g m 3 n 电流，a u 功率，w f 长度，m l a 比焓，k j k g s 比定压热容，k j ( k g k ) r 热力学温度，k v 摩尔气体常数k j ( k m o l k ) k 摩尔质量，k g k m o l 冯卡曼常数 r e 燃油体积流量，l h f 油泵油压，m p aa p f p p 泵前真空，k p a q f 泵油量，l h 1 nv容积效率， p 。热功率，k w a t 水水温差， t 水进水温度， m a水泵流量，k g h 1 过量空气系数 转速，r m in 叫 电压，v 内摩擦力，n 流体的粘性系数，p a s 面积，m 2 动力粘度，p a s 动量扩散率，m 2 s 湍动能，m 2 s 2 湍动能耗散率，m 2 s 3 雷诺数 剪应力，n m 2 滤清器阻力，k p a 滤前真空，k p a 一转泵油量，m l r 1 喷油量，k g h 。1 热效率， 排气温度， 进气量调节板开度，。 v i i ，r l ， p p l 办 丁 r 砌 r q p 幸 l f 坤 e ，| l 耽 啦 蛐 化 t a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式说 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 丑蕴恳 e l 期： 2 互兰：丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑皿导师签名：盈盈亟日期：理三妄：易 山东人学硕十学位论文 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 随着社会的不断发展，人们对乘坐汽车的舒适性、安全性要求越来越 高，作为独立热源的加热器得到了越来越广泛的应用。在我国东北和西北 寒带地区，冬季室外温度一般会达到零下十几度甚至零下几十度【lj 。在这 样的低温下，入进车后会感到很不适，人们往往会启动汽车让发动机怠速 运转来进行取暖。然而随着燃油价格和燃油税的大幅度上升，人们不得不 考虑减少燃油消耗，特别是减少发动机不必要的怠速运转【2 】。车用燃油加 热器正好满足了这一需求，无论是在驻车发动机关闭期间还是在行车期间 加热器均可为车辆提供适宜的温度。车用加热器不仅可以在冬季或寒冷地 区进行车内取暖，还可以对汽车驾驶室前窗玻璃进行除霜，并且在汽车低温 冷起动时预热发动机等。加热器的取暖、除霜功能提高了乘车的舒适性和 行车安全性。低温环境下预热发动机，则解决了低温起动难、起动慢的问题， 同时还能有效地降低低温冷起动过程的排放，减少发动机冷起动磨损、延长 发动机使用寿命、提高发动机燃油经济性等。基于以上种种优点，加热器得 到了迅猛发展。目前，欧美日等发达国家生产的各种汽车以加热器作为必 备的附属系统。夏天开空调，冬天就供暖气。我国加热器市场虽未完全成 熟，但有越来越多的公交车、中高档客车、甚至轿车都装配了加热器产品。 目前国内加热器的市场状况，仍然是以客车和城市公交车以及军事用 车配套为主。在此领域内，对加热器热功率的要求呈越来越大的趋势，热 功率在15 k w 以上的加热器订货量大幅上升( 3 】。当功率超过15 k w 时， 由于油量比较大，雾化不良就会出现冒黑烟和集油网烧损严重等问题，离 心雾化式和蒸发雾化式加热器已不能满足大功率加热器的技术要求。喷雾 雾化式加热器由于燃油跟空气混合充分，燃烧完全，热效率高，有害排放 少，所以要重点研究喷雾雾化加热器来满足大功率加热的需要。 1 2 车用加热器简介 汽车加热器是一种在低温环境下利用燃料( 如汽油、柴油、天然气等) 在燃烧器中燃烧产生热量，通过传热介质( 空气或水) 吸收燃料燃烧产生 山东大学硕士学位论文 的热量，然后为汽车供热的独立加热装置。它已成为现代汽车采暖系统的 重要组成部分。 1 2 1 车用加热器的工作原理 图1 1 为山东大学加热器课题组所研制的车用小型气暖加热器的结构 图。如图所示，车用加热器主要由燃料供给系统、配风系统、燃烧系统、 热交换系统和控制系统五部分组成【4 1 。 冷风热风 1 供热风扇2 风扇电机3 前罩4 风温传感器5 控制器护罩6 控制器7 进气负压腔盖板8 中 间体9 助燃风扇1 0 电热塞1 1 燃烧器锥盖1 2 进气分流片1 3 进气导流筒1 4 过热传感器i5 上导流罩1 6 级燃烧室17 上隔热定位片1 8 外散热片1 9 二级燃烧室2 0 内散热片2 1 热交换 体2 2 尾罩2 3 下导流罩2 4 着火传感器2 5 下隔热定位片2 6 排气1 ：32 7 迸气正压腔2 8 燃油 管2 9 进气口3 0 进气负压腔3 1 橡胶密封圈 图l 。1车用小型气暖加热器结构图 燃料供给系统的作用是将燃料以喷雾或燃油蒸汽的形式提供到燃烧室 中。 配风系统的作用是配合燃烧室的形状以及燃料燃烧方式，提供燃烧所 需的空气，使空气在进入燃烧室时具有一定的速度和紊流度来优化组织燃 烧，保证燃烧的稳定性和安全性。 燃烧系统是燃料和空气混合并燃烧的场所，由燃烧室和点火装置组成。 2 【f 【东大学硕士学伊论文 燃烧室的结构及大小因功率和燃料供给方式的不同而不同。点火装置的作 用是在加热器起动时迅速点燃可燃混合物。 换热系统的作用是将燃料燃烧产生的热量传递到换热介质中。换热介 质再通过管路将热量释放到应用场合。 控制系统的功能是通过各种传感器的信号，控制加热器的点火、熄火 过程，实现加热器的过热保护，并控制加热场合、燃烧室及换热介质的温 度。 加热器的工作原理是【5 】：起动时，控制器控制风扇电机以较低的转速 驱动助燃风扇给燃烧器供气( 因供热风扇处于同一电机故亦同时旋转) ， 其助燃空气经由进气口到进气负压腔至进气正压腔进入燃烧器中；燃烧器 中的电热塞被通电加热，来自车用油箱中的燃油由电磁燃油泵( 图中未画 出) 以较低的频率经燃油管向燃烧器内供油，所供燃油喷在燃烧器锥盖内 锥面的燃油吸附网上；燃油经电热塞加热蒸发并与吹入的助燃空气混合燃 烧。当控制器由着火传感器判断加热器已正常着火稳定后，便使电热塞断 电，并使助燃风扇和电磁燃油泵分别以正常的转速和频率送风、供油。工 作过程中，少量助燃空气由进气正压腔经燃烧器锥盖上的切向进气孔进入 一级燃烧室，并与燃油蒸气混合燃烧形成稳定的火焰，该火焰与从进气正 压腔由进气分流片经进气导流筒、一级燃烧室上的3 层进气孔所进入的空 气进一步混合燃烧。高温燃气经二级燃烧室的尾部折转l8 0 0 ，流经热交换 体内壁面与燃烧器外壁面之间的空腔，由底部的排气口排出。高温燃气在 流出的过程中，其热量被热交换体内壁面和内壁面散热片吸收传至热交换 体外表面和外散热片，供热风扇将车箱中欲加热的空气由前罩吸入导流罩， 从热交换体吸热后经尾罩送回车箱内。控制器通过着火传感器、过热传感 器和车箱内的温度传感器等所提供的信号，可对燃油加热器的整个工作过 程进行全程自动控制。 1 2 2 车用加热器的分类 ( 1 ) 按载热介质分 车用加热器按照传热介质的不同可以分为液暖加热器和气暖加热器两 类。液暖加热器以水作为热交换介质，可并入发动机的冷却水循环管路， 山东大学硕十学位论文 预热发动机：气暖加热器采用空气作为热交换介质，可将被加热的空气直 接送往受暖区域，其最大特点是供暖迅速及时，可适用于野外作业取暖之 用。 ( 2 ) 按燃烧燃料分 按照加热器使用的燃料可将加热器分为燃油加热器、燃气加热器、燃 油燃气双燃料加热器。燃油加热器主要以汽油或柴油为主，燃气加热器主 要以压缩天然气或液化石油气为燃料。燃油加热器是目前加热器市场上的 绝对主流，不过随着气体发动机的拓展和应用，气体加热器甚至双燃料加 热器也将取得相应的发展和壮大。 ( 3 ) 按燃烧室燃油雾化方式分 针对燃油雾化方式，又可将加热器分为喷雾雾化式、离心雾化式和蒸 发雾化式三类。喷雾式采用高压油泵( 压力lo b a r 以上) 通过喷嘴将燃油 喷入燃烧室，雾化后的细小液滴通过蒸发扩散参与燃烧【6 1 。目前国外的汽 车加热器多采用这种方式。相对其它两种加热器，虽然喷雾式加热器中燃 烧室单位体积释放的热功率最高，但因小流量高压油泵制造困难及喷油过 细容易堵塞等原因，而使该类加热器的热功率一般在l5 k w 以上。离心式 采用低压油泵将燃油滴落到高速旋转的甩油盘上，通过离心力作用将燃油 雾化并与空气混合燃烧。离心式与喷雾式加热器的燃烧方式类似，也是扩 散燃烧，但是由于离心雾化油滴较大，且部分油滴先甩到甩油盘外围的石 棉网上，再蒸发参与燃烧，因此其燃烧室单位体积的热功率会低于喷雾式 加热器。离心式适合于中等热功率的加热器( 热功率在9 2 4 k w ) ，不过 由于此类加热器存在低温启动困难和排放较高等问题，所以在国外这种产 品已基本淘汰。蒸发式适合于小热功率的加热器( 热功率12 k w 以下) ， 一般采用流量很小的低压电磁泵将燃油输送到燃烧室头部的燃油吸附网 上，受热迅速挥发并与空气混合燃烧。图1 2 为喷雾雾化式加热器的剖视 图，图1 3 为蒸发雾化式加热器的剖视图。 4 图1 2 蒸发雾化式加热器 图i3 喷雾雾化式加热器 i _ 2 3 车用加热嚣的主要用途 车用加热器的作用有如下几个方面”1 ： ( 1 ) 冬季或寒冷地区车内取暖 在低温或潮湿阴冷环境中车辆运行时需要向车厢内供暖，一些专用 运输车( 如花卉、鲜活鱼类等的运输车) 也需配置保温设施，由于加热器 的体积小，结构紧凑，熟效率高因此采用独立式燃油加热器是最佳选择。 此外，可结合特殊用途的需要，将加热器应用到军事灭菌车、救护车等车 辆上或者为野外帐篷供暖。 ( 2 ) 除霜 当环境温度较低时，汽车驾驶室前窗挡风玻璃处，容易结霜，影响司 机视线，造成安全隐患。加热器提供的热气可以使前宙挡风玻璃处形成一 道熟风幕，阻止霜的形成，提高驾驶的安全性。 ( 3 ) 低温冷起动 实现上车即驶 冬季我国北方寒冷地区车辆普遍存在冷启动难的问题。车辆加装加热 器后，启动车辆之前可以通过遥控或定时装置提前启动加热器对发动机进 行预热，实现上车启动即驶。柴油发动机在5 环境中冷起动就比较困难， 在2 0 ( 2 时采用常规手段几乎不能起动。采用加热器后可保证发动机在- 4 0 低温环境下顺利可靠地起动，这对于冬季或高原严寒地区的车辆起动具 有重要的意义。总之，经过加热器预热后，发动机在低温条件下的启动不 再成为难题。 降低汽车冷起动过程的有害排放 山东大学硕士学位论文 发动机冷起动时由于进气、缸壁和燃烧室壁面温度低，燃油雾化质量 差以及多个循环后才着火等一系列因素使得发动机起动后及随后一段时 间内排气中c o 、h c 和微粒的排放浓度比正常工作时高出几十倍。采用加 热器预热后，能够提高缸壁温度，改善雾化质量，减少着火前的空循环次 数，显著降低上述污染物的排放水平i b 】i ”。 减少机件之间的摩擦力，延缓零件损坏 由于低温条件下发动机油底壳中的机油粘度大，这样在启动之后的一 段时问内，发动机气缸与气缸曲轴上的各个摩擦点处的给油要求难以满足， 这会加速发动机的磨损。据有关资料显示，发动机在零下5 摄氏度启动一 次，气缸的磨损量相当于汽车正常行驶三百公里的磨损量。发动机预热后， 能够缩短形成油膜润滑所需的时间，使分子一机械磨损量减小。另一方面， 对发动机进行预热后，可以缩短发动机温度升高所需的时间，从而减少了 腐蚀一机械磨损量。 车用加热嚣作为一种方便，清洁、高效的独立热源，除了用在汽车上， 还有其它一些前景很好的用途，倒如在农产品温室种植及干燥、小型特色 食品生产、服装加工等方面均可有所作为。 1 2 4 加热量在汽车上的安差布置 图14 是客车中的加热器系统示意圈。水暖式加热器有两种布置方式： 与发动机冷却系统串联和独立式【1 0 l 。串联方式既可以对发动机进行预热， 又可以利用发动机的余热，具有节能优势。独立方式无法对发动机进行预 热，但是控制较为简单1 川。 图l4 加热嚣安装布置示意图 山东大学硕十学伊论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外加热器研究现状 在欧美发达国家，车用加热器已成为汽车的标准配置。现在国外的加 热器技术已经发展到较高的水平。德国、美国、日本等都有专业的加热器 公司及系列产品。例如德国e b e r s p a c h e r 公司和w e b a s t o 公司，日本的三 国等。 德国的w e b a s t o 公司是一家具有百年历史的跨国企业，是世界汽车零 部件百强企业之一。w e b a s t o 公司自19 5 2 年设计发明第一台用于客车发动 机的独立的汽车采暖系统后，l9 61 年发明了用于轿车上的泊车加热器 ( p a r k i n gh e a t e r ) ，19 9 9 年又推出了应用于卡车上的加热器空调系统【1 2 】。 w e b a s t o 公司加热器自动化程度很高，其s c h o l a s t i c 系列产品采用单片机集 中控制，可以实现自动换档和自动诊断检测，从而可以提高乘坐舒适性， 降低驾驶员疲劳【”】。在产品的小巧美观方面w e b a s t o 也取得了突破，其研 制的a i rt o p2 0 0 0s 气暖加热器的外型尺寸仅317 l2 l 12 0 r a m ，外壳由 塑料制成，轻巧别致【1 4 1 。 德国e b e r s p a c h e r 公司是一家以发动机尾气处理与汽车采暖系统为主 的跨国企业，也是世界汽车零部件百强企业之一。其早在19 9 3 年就与国内 的河北宏业公司合作，共同开发了一系列加热器产品。目前已拥有 a i r t r o n i c 、d 5 8l 、h y d r o n i c 等多个系列十几种加热器产品。 作为世界领先的车用加热器生产厂，e b e r s p a c h e r 和w e b a s t o 都建有专 门的研究中心，在燃烧技术，噪音控制，温度自动化控制及排放水平等方 面具有很多成熟的经验和成果【1 5 】。 1 3 2 国内加热器研究现状 我国的车用燃油加热器与欧美相比起步较晚，19 6 5 年才开始国内第一 台加热器的研制。由于我国汽车工业整体技术水平较低，生产厂家对加热 器技术的投入较少，因此在技术方面长期落后于发达国家。国内企业为了 提高自身的技术水平和研发能力，不断地开展与国内高校的合作，共同进 行车用加热器的开发与研究。其中河北宏业与山东大学合作，北京京威与 山东大学硕士学位论文 长安大学合作。 长安大学在降低加热器工作噪音( 1 6 1 、提高点火性能1 以及排放水平”i 等方面进行了相关的研究。长安大学与北京京威还合作开发出了c n g 液体 型车用加热器【”l 以及积燃料加热器 2 0 l 。山东大学与河北宏业经过多年的研 制开发也取得了丰硕的成果，获得了多项发明专利。目前已成功开发了小 功率的蒸发雾化式燃油加热器【2 “、大功率的喷雾雾化式液体型燃油加热 器。其中具有自主知识产权的y j q 5 小型液体加热器填补了国内在轿车、 微型车及工程车等汽车上应用的空白【2 “。该加热器设计水平为国际先进 国内首创。在多次低温玲启动试验中经受住了检验，成功在5 0 c 环境f 顺 利启动，从众多参与检验的同型号产品中脱颖而出。自投放市场以来取得 了良好的经济效益和社会效益。近年来，越来越多的城市公交车和出租车 采用了经济性和排放性更好的气体燃料，对于车用燃油加热器来说改用气 体燃料也势在必行。近期山东大学成功开发了燃气加热器【2 ”，而考虑到有 些地区常常供气不足，我们又开发了燃气燃油两用加热器【2 “。另外山东大 学还开发了用于喷雾式加热器的摆线转子泵【2 ”，该泵运转平稳，噪音小， 解决了喷雾式加热器供油系统的一个技术难题。此外，山东大学设计了国 内第一个车用燃油加热器性能试验台 2 6 1 2 ”、车用加热器燃油泵试验台 2 9 l 。 目前河北老业已形成了f j 、y j 两大系列加热器产品共计3 0 余种规格。 謦讯9 意捌翻 图l _ 5y j q5 小型液体加热器图1 6y j p q 0 35 2 型液体加热器 虽然现阶段我国的车用加热器市场还远没有成熟，市场规模也远没有 欧洲市场大。但各中外加热器厂家已开始末雨绸缪，积极布局中国市场。 目前我国国内生产加热器的厂家主要有河北宏业、北京京威、河北南风三 家企业。和外资品牌相比，国产车用加热器产品性价比高在本土市场具 有比较大的价格比较优势。河北宏业公司依托多年的技术积累，凭借价格 山东大学硕十学何论文 优势，逐渐开始在市场上发力。据统计河北宏业占据了国内加热器市场 6 5 - - 7 0 的份额，拥有中通、宇通和福田汽车加热器l0 0 的订单，苏州 金龙加热器8 0 的订单，厦门金龙加热器6 0 的订单【2 引。除此之外，河北 宏业还积极拓展海外市场，连续三年参展俄罗斯车展，越来越多的加热器 出口到俄罗斯、新西兰等国家。价格是把“双刃剑”，国内加热器厂家依 靠价格优势取得了市场的成功。但价格优势不等于核心竞争力，国产加热 器的定价已经偏低，有些型号的产品利润率甚至降到了1 ，再降价空间 不大，甚至有可能随着原材料价格的上涨而上涨。目前中国产品的可靠性、 稳定性还没有得到国际市场的普遍认可，中国企业应该居安思危，在技术 创新上下苦功，进一步提高自身的核心竞争力。 1 3 3 车用加热器发展趋势 当前国内外燃油加热器的发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 燃料方面开始采用排放低、经济性好的压缩天然气和液化石油气 作燃料。目前国内已成功开发出燃气加热器及燃气燃油两用加热器，但相 关技术远未成熟，还有大量的工作需要去做。 ( 2 ) 燃烧与换热方面提高加热器的燃烧效率与换热效率是提高加热器 热效率的最有效的两种途径。在提高燃烧效率方面，预蒸发燃烧是一种较 为先进的燃烧方式b 引。同传统燃烧方式相比，预蒸发燃烧具有燃烧效率高、 噪声低、排放低等优点。热交换器设计方面，目前大多数加热器均采用螺 旋式水腔进行换热，该类换热器因换热面积受到制约，热量损失较大。从 目前加热器试验数据来看，正常工作状态下加热器排气温度维持在5 0 0 左右，排温较高，热量流失严重，因此提高热交换器换热效率是很有意义 的工作。 ( 3 ) 控制系统方面通过引入单片机为控制核心，目前加热器控制器已 成功集成了远程遥控启动、工作过程中对进、出水温度和排气温度的实时 监控等一系列功能。随着电路集成化程度的进一步提高，加热器控制系统 的智能化也有待提高，应该采用更先进的传感器技术，进一步提高加热器 的自动化程度和控制的多样性。目前国外加热器厂商在这方面做了许多有 益的尝试。例如，改进控制器使加热器风机可单独工作，夏天时将加热器 9 山东大学硕十学1 ：奇= 论文 作为通风风扇使用；改进控制器使其可接收手机发出的控制信号，实现控 制方式的多样性；在控制器中集成g p s 模块，实现对车辆的全球定位。 ( 4 ) 数值模拟技术的应用以往加热器的研制往往采用经验与试验相结 合的方法，先设计试制出样机，然后根据样机试验进一步改进和确定新产 品的各项技术指标。这种研发模式存在成本高，周期长的不足。随着计算 机技术的不断发展和进步，数值模拟技术也日趋完善，在各个工程技术领 域发挥着越来越重要的作用，指导着新产品的设计和完善。采用数值模拟 技术结合试验的方法可以大大降低新产品研发的成本，缩短设计周期1 。 1 4 课慝的内容 本文以大功率加热器领域应用较多的河北宏业y j p q 系列燃油加热器 为研究对象。首先对y j p q 系列燃油加热器所用转子燃油泵进行台架摸底 试验，摸清燃油泵油压特性、转速特性、喷油嘴特性等基本运行规律，并 找出油管长度及管径、油泵距油面高度、燃油滤清器等因素对加热器性能 可能造成的影响。另外，本文对加热器进行一系列性能试验，为进一步改 进加热器提供理论依据。本文试图通过试验的方式对加热器核心部件尺寸 进行优化设计与定型，包括燃烧筒、小筒、锥形罩的尺寸，导流体轴向辅 助进气口孔径，喇叭筒处进气槽尺寸等。最后，针对现有加热器热交换器 存在的不足，在现有技术和产品的基础上设计一种换热效率更高的加热器 用热交换器，并通过试验对其进行相关的验证。 1 0 山东大学硕十学位论文 第二章y j p q 系列燃油加热器供油系统试验研究 转子式燃油泵是汽车加热器供油系统的核心部件之一，其工作性能的 好坏、寿命的长短对整个加热器的性能指标、工作可靠性和寿命均有重要 影响。选择一个结构上和性能上都较为完善的燃油泵，不仅可以为加热器 提供足够的供油量，还有利于提高燃油的喷雾质量，提高燃油燃烧效率【3 2 1 。 河北宏业公司y j p q 系列喷射雾化式加热器过去一直使用德国进口的 燃油齿轮泵，后来也采用过日本生产的电磁燃油泵，但这两种燃油泵较高 的价格不但提高了加热器的整体成本，也给日后的使用和维护带来了不便。 转子式燃油泵具有结构紧凑，体积小，磨损少，运转平稳，噪声低， 寿命长等优点，成为小体积、大流量使用环境下的最佳选择。并且采用粉 末冶金大大简化了加工工艺，成本可大大降低，提高了市场竞争力【3 3 1 。 山东大学加热器课题组为河北宏业公司开发设计了具有自主知识产权 的摆线转子泵( 专利号为0 2 2 1 4 1 9 4 4 ) 【25 1 ，投入生产并装机后取得了良好 的社会和经济效益，但同时在使用过程中也暴露出了一些问题。为了更好 的掌握实际应用中转子泵的各种工作性能，全面了解摸清转子泵的各种运 行规律，包括速度特性，油压特性，油泵距油面高度及进、回油管长度、 管径对油泵的影响等，使转子泵与加热器更好地匹配，本文针对目前国内 使用较多的y j p q 系列喷射式液体燃油加热器燃油泵进行了摸底试验。 2 1 油泵试验台简介 图2 1 为山东