（动力机械及工程专业论文）车用燃油加热器的优化设计与计算.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着人们对乘车舒适性要求的提高，加热器在寒冷地区的行车上得到了越 来越多的应用。但由于国内关于加热器内气体流动和燃烧方面的研究很少，这 就严重制约了加热器性能的提高。同国外产品相比，国内加热器尚存在着许多 问题，如工作性能差、燃烧效率低、排放水平较高等本文在借鉴国内外先进 技术的基础上，利用f i r e 软件进行了加热器燃烧室内的气体流动、雾化及燃 烧过程的数值模拟计算和分析 在加热器中作为供油系统核心部件的转子式齿轮泵，对加热器的工作性能 有着至关重要的影响。本文利用v b 6 0 及c a d 的a u t o l i s p 软件建立了一套转 子式齿轮泵的外形尺寸、工作性能及动态运行模拟的程序 本文做的另外一部分工作是加热器燃烧室内的气体流动、雾化及燃烧过程 的数值模拟计算和分析通过对德国5 k w 机型、我们课题组为河北宏业集团所 设计的5 k w 在用机型及在该机型基础上进一步探索的数种气流组织方案的模 拟计算和分析，为燃烧室内流场组织的改进提供了依据，总结出加热器燃烧室 的气流组织对其燃烧效率，排放物的生成及温度场的分布的影响及其变化规律。 在此基础上提出在对加热器外部结构及加热器燃烧室内部外形尺寸不进行修改 前提下，通过利用合理的气流组织来达到提高加热器工作性能、提高燃油利用 率和降低排放的方法。 这种改进方法不仅可以较大地节省现有机型的改进设计成本，而且也为新 机型的设计开发提供了有益的探讨和规 磬总结，为提高加热器的性能指明了方 向 关键词：加热器、燃烧室、模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do nt h ec o m f o r to ft h ea u t o m o b i l e s 。t h eh e a t e ri s c o m m o n l ya p p l i e do nt h e m b u tt h ei m p r o v e m e n to ft h eh e a t e ri sh o l db a c kd u et o t h es c a r c eo fr e a s e r c ho nt h ef l u e n ta n dc o m b u s t i o n c o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g n a d v a n c e dh e a t e r ，t h ed o m e s t i c sh a v eal o to fs h o r t c o m i n g s ，s u c ha sb a dw o r k i n g p e r f o r m a n c e ，l o wc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g h e rd i s c h a r g e i nt h i st e x t ，b a s eo n t h ea d v a n c e da b r o a dd e v e l o p e dt e c h n o l o g y , t h ef l u e n ta n dc o m b u s t i o no fh e a t e r c h a m b e r w a ss i m u l a t e da n da n a l y s e db yu t i l i z i n gc f ds o f t w a r e - f i l i 正 a st h em o s ti m p o r t a n ta p a r t m e n t ，p e r f o r m a n c eo ft h e p u m ph a se s s e n t i a l i n f l u e n c eo nf u e ls u p p l ys y s t e m i nt h i sp a p e r , m sv b 6 0a n dc a d a u t o l i s pw e r e u s e dt o s e t u pas u i to fs o f t w a r e s ，w h i c hc a nn o to n l y c a l c u l a t et h ee x t e r n a l d i m e n s i o n so f p u m p ，b u ta l s os i m u l a t et h eo p e r a t i o no f i t t h eo t h e rp a r to f t h i sw o r ki st h es i m u l a t a t i o no f t h ec o m b u s t i o ns y s t e m i nt h i s p a r t ，t h es i m u l a t i o no fg a sf l u e n ta n dc o m b u s t i o no fc h a m b e ra r ed o n e t h r o u g ht h e c o m p a r a t i o na n da n a l y s et h er e s u l t so fd i f f e r e n ts t r u c t u r es c h e m e so fs i m u l a t i o na n d c a l c u l a t i o n ，t h er e g u l a r sa n dd i f f e r e n c e so ft h e mc a nb eg o t w i t ht h er e g u l a r s ，w e k n o wt h a tt h ef l o ws t r u c t u r e sc a l li n f l u e n tn o to n l yo nt h ep e r f o r m a n c eo fh e a t e r , b u t a l s od i s c h a r g e s s oap e r f e c tf l o ws t r u c t u r ei se s s e n t i a lf o raw o n d e r f u lh e a t e r e n h a n c i n gt h ep e r f o r m e ro fh e a t e ra n dr e d u c i n gt h ed i s c h a r g eb ym e a n so f r e f o r m i n gt h ef l o ws t r u c t u r e ，i sv e r yu s e f u la n de c o n o m i c a l a l lt h ei n f o r m a t i o nt h a t w eg e tf r o mt h es i m u l a t i o n sc a nb eg r e a tu s e f u li nd e s i g n i n gs o m en e wh e a t e r s k e yw o r d s ：t h eh e a t e r ，c h a m b e r 、c f d 山东大学硕士学位论文 主要符号表 一角度 一温度 一质量 一距离 一面积 一流量 一运动粘度 一雷诺数 一传动比 一蒸汽浓度 一层流粘性系数 一有效粘性系数 t p p 一 玎一 力一 c p _ 一 九一 k d i ：一 l 一 鸬一 时间 s 功率k w 密度 k g m 3 效率 转速 r r a i n 偏心距mm 燃油蒸汽的饱和压力p a 宽径比 短幅系数 燃油扩散系数 湍流扩散系数 湍流粘性系数 m 尽 蚝m m o ， o m ， o q p 耻，q 所锄 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标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 楚) 逸鸯 日 期：丛。f 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：亟峨导师签名：丝鳖出= 日 期：丝皇： 垃 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 1 1 i 汽车加热器简介 加热器的工作原理 我国地处温带及亚热带地区，地理纬度跨度大，这就意味着在华北尤其是 东北地区冬季气候比较寒冷，因此要求汽车需要加热装置来保持车室内一定的 温度以保证驾乘人员的舒适性，及预热发动机以确保汽车的易启动性和降低汽 车的排放水平，另外保持汽车温度还可以减少发动机摩擦副的磨损，延长发动 机的使用寿命。因此性能良好的加热装置对汽车工业来讲不仅有较高经济效益， 其社会效益也意义深远。汽车加热器就是在低温环境下通过消耗燃油为汽车供 热的加热装簧汽车加热器由供油系统、燃烧系统、配风系统、热交换系统和 控制系统五部分组成f l 】供油系统的作用是将燃料以喷雾或燃油蒸汽的形式提 供到燃烧室中燃烧系统是燃油和空气混合及燃烧的场所，由燃烧室和点火系 统组成。燃烧室的大小因功率和供油方式的不同而不同。点火系统的作用是在 加热器起动时点燃可燃混合物。配风系统的作用是为加热器提供燃烧所需的空 气，使空气进入燃烧室时有一定的紊流度和速度，并且配合燃烧室的形状、燃 烧方式来优化组织燃烧，保证燃烧的稳定性和完全性换热系统的作用是将燃 烧产生的热量传递到换热介质中去换热介质将热量传递到应用场合控制系 统的功能是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水平【2 1 以我们课题组为河北宏业集团所设计的5 k w 汽车液体式加热器为例来说 明其工作过程吲，如图1 1 示 1 、燃油泵供给的燃油经燃油吸附饼蒸发后与主电机带动助燃风扇转动所 提供的助燃空气混合在电热塞的作用下被点燃，火焰在燃烧室内充分燃烧后 产生的热气，经过热交换体内壁的散热片，将热量传给热交换器夹层中的冷却 夜介质，被加热的冷却夜介质在水泵的作用下，在整个系统中循环，达到加热 的目的。燃烧的废气由排气口排出 2 、水泵由单独的电机驱动，冷却液介质由水泵进口吸入，经联接管进入 加热器，经加热器加热后进入主循环系统 山东大学硕士学位论文 i 热交换器2 ，中问体3 ，上体4 ，燃烧室5 ，水泵6 ，燃油泵7 、风扇座s 风扇电帆9 ，助燃风 崩i o 、挖制组件l i 、热交换体1 2 ，热交换体外尧1 3 水温传感器1 4 排气i c l1 5 ，进水管1 6 i t l 水口1 7 联接管1 8 避水n1 9 助燃风进1 2 12 0 进油管2 i 盖奉体2 2 隔热垫2 3 燃油吸附饼 2 4 ，点火f 感器2 5 j 2 i 气旨洫筒2 6 燃烧简2 7 u 热每2 8 风扇座体2 9 、进气岢漉片 幽1 1 加热器结构 就加热介质柬分汽车加热器可以分为液体式加热器和气体加热器两种 液体加热器由水作为热交换介质，气体式加热器用空气作为热交换介质。水暖 式加热器又有两种布置方式：与发动机冷却系统串连( 图1 2 ) 和独立式( 图1 3 ) 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。 独立式加热器无法对发动机进行预热，但是控制较为简单，无需控制图中的阀 山东大学硕士学位论文 门进行管路流动的切换 1 循环水2 加热器3 发动机散热器i 循环水2 加热器3 水箱和放气口 4 发动机5 车内散热器6 阀门4 车内教热器5 阀门 图1 2 汽车加热器系统布置图1 3 汽车加热器系统布置 汽车加热器的采暖系统由加热器、管路、除霜器散热器( 水暖式) 或热风 口( 风暖式) 组成。作为为汽车除霜器提供热量的主要来源，汽车加热器一般 是与除霜器串联在一起的，除霜装置一般是在水暖是暖风装置的出风口处引出 风管，装上除霜喷头而成喷嘴装于风挡玻璃的下部冬季时，除霜喷口喷出 的暖风将覆盖于风挡玻璃上的霜融化，图1 4 为除霜示意图。 i 加热器2 暖风口3 发动机 图1 4 除霜示意图 1 2 汽车加热器的研究意义和现状 从汽车车内采暖的角度来讲，发动机冷却水和发动机高温排气也可以作为 热源，但易受汽车的运行工况影响。而汽车加热器作为独立热源既不受气候， 路况等外在环境制约，也不受车辆运行等内在因素干扰，所以可以视为理想的 热源。汽车加热器不仅可以对车室内的空气进行加热来提高驾乘人员的舒适性， 又可对发动机进行启动预热以解决冷启动困难和低温启动排放高、磨损严重等 问题。 山东大学硕士学位论文 采用独立加热器来解决冷启动问题有多方面的优点： 1 容易启动：发动机经加热器预热后，气缸、活塞、活塞环及各种摩擦副 和机油温度得以提高后可以大大降低启动摩擦阻力例如在- 4 0 0 时，m 5 2 0 b 型发动机预热后其发动机的热态启动阻力矩为2 2 0 n m ，而进行冷启动时的阻 力矩则为3 2 3 n m ，热态启动时发动机的阻力矩下降3 2 ，启动转速增加 2 0 r m i n ，从而提高了压缩终了的温度和压力；因预热机油粘稠度降低阻力减少； 加热器还可以加热蓄电池提高输出功率，增加启动力矩，提高发动机转速 2 减少机件之间的摩擦力，延缓零件损坏发动机启动磨损主要由分子一 机械磨损和腐蚀一机械磨损引起。分子机械磨损指金属表面相互接触，发生相 当运动时在金属零件表面发生的类似于金属切削的磨损腐蚀一机械磨损是指 发动机在低热状态工作( 低于7 8 ( 2 ) ，水蒸汽凝结在气缸壁上，其中溶有的酸 气引起的磨损。发动机预热后，能够缩短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。 3 节省能源降低排放随排放标准的提高( 补充加热器在启动降排放方 面的作用和配合三元催化转化装置上不俗表现) 社会效益显著 正是由于车用独立式加热器具有独特的优点，以前只配备于低温环境军用 越野车的加热器伴随着汽车采暖的普及日益被越来越多的汽车应用。 加热器作为一种方便、清洁、高效的热源，除了用在汽车采暖之外还有其 它一些i j i 景很好的用途 加热器在农产品干燥方面，小型特色食品、服装加工行业及小型快速燃油 加热器有很广泛的应用前景 在国外，利用发动机冷却水作为采暖热源已经有相当长的历史了，其历史 可以追溯到1 9 2 7 年f 4 j 例到了1 9 4 0 年利用发动机冷却水的采暖装置已成为许 多高档车的标准设备随着重型载重车及卡车的发展在上个世纪七十年代发动 机冷却水采暖装置也开始在卡车上广泛应用但是因其受车辆本身工况及供暖 功率不足等缺点的限制使其难以满足用户的更高需求而后废气式采暖装置又 孕育而生，废气式采暖装簧同水冷式采暖装置一样，可以节约能源，降低运行 成本但是这种采暖装置需要在排气管上安装特殊的热交换器进行废气与空气 的热量交换，也存在着很大的不足：性价比不高是其主要缺陷，众所周知换热 器的结构复杂，体积较大不便于安装和使用于路用车辆上；其次采用废气式 山东大学硕士学位论文 采暖方式使发动机排气阻力相应增大，影响了发动机的动力性和经济性同样， 采暖温度也受工况的影响。由于以上两种采暖装置本身固有的缺陷使人们不得 不寻求另一种高效、稳定的车用采暖装置，因此独立式燃烧加热器诞生了。此 种采暖方式不受车辆的运行工况限制，即使在停车的时候也可以提供车辆所需 的热量，更重要的是这种采暖方式可以从根本上解决在北方地区汽车冷启动的 问题。 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、意大 利等都有拥有自主知识产权的加热器公司德国埃贝斯佩歇公司和日本的三国 公司是其中两个较强的公司，而埃贝斯佩歇公司产品是目前全球处于领先位置 的埃贝斯佩歇公司早在2 0 世纪4 0 年代就开始加热器的研制开发与生产。气 体燃油加热器以空气作为热媒，结构紧凑、热效率高、杂质少、使用方便。液 体系列燃油加热器是采用冷却水作热媒通过燃烧换热原理加热循环冷却水的燃 油加热器。两个系列的产品都有手动和自动两种控制方式，6 5 以下可以自动 起动，8 0 上可以自动停止，可单独与散热器、除霜器等组成循环系统【6 】。两 个系统加热器在4 0 以下环境下均能正常使用目前国外普遍采用燃烧数值模 拟、分析来进行加热器的设计优化改进，由此达到加热器高效率、低排放的目 + 茸 的。 我国的汽车燃油加热器与欧洲和北美相比发展较晚。2 0 世纪中下叶，河北 泊头仪表厂和武汉车身附件研究所仿制德国产品先后投产并推出系列空气燃油 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，这些产品基本满足了当时国产客车和其他车辆的 采暖要求并占据了绝大部分市场。进入9 0 年代以后，随着国外环保法规的日趋 严格以及乘客乘坐舒适性要求的提高，汽车法规中的空调技术对燃油加热器的 燃烧控制、排放控制以及噪声控制等提出了更高的要求，推进了国外汽车燃油 加热器的技术进步我国在技术方面与发达国家相比存在较大差距 表l 是河北宏业汽车加热器公司y j p q 2 5 2 和德国埃贝公司j h y d r o n i c 3 0 1 7 j 的性能对比，从其中不难看出其以下几方面的差距f 6 】f 7 】= ( 1 ) 燃油供给系统方面( 2 ) 助燃空气系统方面( 3 ) 点火系统方面( 4 ) 热交换系 统方面( 5 ) 控制系统方面( 6 ) 排放性能方面 探究国内加热器落后于国外产品的缘由可以发现，国内投入加热器的研究 不足和加热器设计理论不足是两个重要原因改进和提高国产加热器的性能不 山东大学硕士学位论文 仅可以提高汽车工业的竞争力，也是提高坦克和战车战斗性能的一个重要环节： y j p q 2 5 2 h y d r o n i c 3 0 耗油置( k 趴k w h ) ) 0 1 2 2 1 6 o 1 0 4 4 7 二氧化碳 8 3 l o 1 0 一氧化碳( p p m ) 5 2 1 6 4 捧烟温度( 。c ) 3 7 4 3 1 6 烟度( 波许)3 i 空气过置系数 1 “ i 1 表1 iy j p q 2 5 2 加热器和h y d r o n i c 3 0 加热器性能对比l ” 因此，总结加热器设计的一般方法和步骤有重要的现实意义研究采用以计算 为主与实验相结合的方式在计算工作中，采用常规的近似计算和数值模拟技 术常规的近似计算可以从总的方向上确定加热器设计的重要参数。数值模拟 技术可以模拟加热器部件的工作性能，并进行部件设计参数及运行工况的优化。 1 3 研究现状 ： 1 3 1 燃烧室尺寸和配风 在燃烧设备中，燃油锅炉与燃气轮机燃烧室和加热器比较相近在燃油 锅炉中，炉膛的容积根据燃烧和传热的要求来确定，即保证燃料在炉膛中有足 够的燃烧时日j 和保证炉膛内合理的温度场分布燃料的燃烧时间根据油滴在湍 流状态下的燃烧速度进行计算【9 1 合理的配风是保证燃烧性能的基本条件之一， 在锅炉中一般的配风原则是有四条【1 0 l ，即：( 1 ) 必须有根部风对燃油进行先期混 台，避免热裂解产生碳烟( 2 ) 油雾、空气的早期混合要强烈，保证油、气的混 合质量( 3 ) 应当有一个大小，位置适当的回流区保证着火顺利、燃烧稳定和 燃烧品质。( 4 ) 后期混合强烈，使大油滴能够完全燃烧燃气轮机燃烧室和加热 器燃烧室也有相似之处燃气轮机燃烧室设计中通过下面三个条件保证燃烧的 完全和稳定：( i ) 燃料和空气的配合比适当，在火焰区保持良好的燃料与空气混 合物的浓度( 2 ) 燃烧区有较高的温度水平( 3 ) 保持燃烧区合适的气流速度通 常可以采用气体分流或使用火焰稳定器两种方法柬满足上面的三个要求【根 掘上面的设计原则、燃气轮机运行条件和设计任务书专门规定设计具体燃烧室 其中，根掘燃烧效率或者压力损失的要求选择燃烧室的参考面积v u 初步确定 6 山东大学硕士学位论文 燃烧室的尺寸之后，还要分配进气流量， 的空气流量和后期燃烧的空气流量之比， 处于合理的水平 1 3 2 着火稳定性 以提高燃烧性能。主要是确定燃烧区 保证燃烧性能，同时使燃烧室的壁温 火焰的稳定性及其稳定方法一直是燃烧过程的重要研究课题。根据气流速 度，火焰的稳定分为低速下的火焰稳定和高速下的火焰稳定两种情况1 1 2 1 根据 燃料和空气的混合方式的不同可将火焰稳定分成预混火焰的稳定和扩散火焰的 稳定不同的燃烧形式有各自不同的特点和稳定方法，预混燃烧火焰的常用方 法是利用钝体稳焰，其实质是在钝体下游产生了高温的回流区此外，回流热 气体稳定火焰、蜂窝驻留稳焰 1 3 】、金属棒( 丝、环) 稳定火焰和直板火焰稳焰方 法也是预混火焰的稳焰方法 1 3 3 效率方面 提高加热器的燃烧效率和换热效率是提高加热器效率的两种最有效的方 法在提高燃烧效率方面，预蒸发燃烧是一种较为先进的、可以利用的燃烧技 术。预蒸发式加热器燃烧的原理是：分离液体燃料的蒸发气化过程和燃烧过程， 燃料的蒸发过程先于燃烧过程发生。在燃烧前燃料已完全蒸发并以气态形式实 现了和空气的均匀混合，燃烧速度为气体化学反应的动力速度同传统燃烧方 式相比，预蒸发燃烧具有燃烧效率高、噪声低、排放低和宜于调节等优点实 现预蒸发燃烧的关键是在燃料的着火延迟期和冷焰过程中使燃料完全蒸发 区别于液体燃料的传统方式，在理想条件下液体燃料的预蒸发燃烧中，因 燃烧时燃料为气态，燃烧过程中不存在喷雾产生的“液核”p 4 ，所以不存在液 滴燃烧时出现的析炭现象：同时因实现了均相反应，避免了燃烧时出现局部高 温而产生热力n o 。 1 5 l 。降低了有害气体排放实验中测的燃料在4 9 0 k 一7 5 0 k 时 在细致纤维的网面上的蒸发速度最快【l 们，液滴在高温空气环境下随压力增加而 蒸发加快：而在低温空气环境下蒸发速度随压力提高而降低【7 1 ( 图1 5 是液 体燃料预蒸发式燃烧模型1 9 1 ，图1 6 是传统扩散燃烧方式【伸】目前。已有的预 蒸发方法有f 1 3 jp o 1 2 1 j ：直接蒸发式、利用热惰性气体加热方式、废气蒸发式、 热壁加热式和应用冷焰加热式等方式，如图1 7 所示实现预蒸发燃烧，技术 上需要解决的主要问题是【b l ：( 1 ) 提供燃油蒸发所需的能量，实现轻油在燃烧 前的完全蒸发；( 2 ) 防止燃油完全蒸发前的先期着火燃烧 山东大学硕士学位论文 图1 5 预蒸发燃烧技术原理简图 图1 6 扩散燃烧技术原理简图 实现燃油在燃烧前的完全蒸发和防止燃油完全蒸发前的着火燃烧似乎是 一对矛盾：为实现燃油的完全蒸发，往往需要提供较高的温度和一定的能量， 但这却使燃油在完全蒸发前可能已超过自身的理论着火温度而着火燃烧特别 是当燃油中的重组份尚未蒸发前，其轻组份可能已先期着火燃烧，使得燃油未 能在着火前完全蒸发，实现预蒸发燃烧目前，虽然不存在燃油完全蒸发前的 先期着火技术上的问题，但因需有专门的配套加热系统，增加了设备投资及运 行费用根据文献目前利用精确计算着火延迟时间、利用冷焰燃烧现象来实现 燃油的预蒸发【2 甜 在换热器的设计方面，效率和单元数法的设计过程是较为常用的方法从 表1 1 国内外两种产品的排温水平来看。国内产品的排气温度还有5 0 多下降空 日j 根据加热器一般的燃烧温度1 8 0 0 k 左右来计算这部分降温可以将加热器 的热效率提高2 7 。因此，提高加热器的换热效率是很有现实意义的工作 山东大学硕士学位论文 直接蒸发懈匡习 盟 燃油c 令臣塑 = 爿站燃 在热惰性气俸中蒸发燃科j圈圉 o8 热惰性气体c = ) 垂垂 = = 锢c = 堋烧 c 壹接在热空气 拿燃烧 图1 7 预蒸发燃烧的方式 1 4 数值模拟技术的应用 由于工程装胃几何形状的复杂性，流动和燃烧一般都是三维湍流单相或两 相流动和燃烧在两相流动中，两相及两相内部始终存在质量、动量和能量的 传递j 下因为这种复杂的流动，要发展工程设备的严密的科学设计方法，仅仅 依靠经典的分析法是不行的，以大型计算机为基础的数值模拟方法是解决这类 问题的唯一途径数值模拟方法就是建立各种条件下的基本守恒方程组，利用 各种方法加以封闭，用数值方法直接求解方程组的离散解从六十年代数值 模拟技术开始以来，湍流模型一直是主要的封闭技术目前，湍流模型的应 用经验己经相当丰富早期的模拟模型有零维模型、一维模型和零维加一维 的板块模型现在，工程中得到广泛应用的模型是多维模型多维模型建立在： 计算流体力学，计算传热学、计算燃烧学的原理之上用数值计算技术直接求 解质量、动量、能量守恒的偏微分方程组，能够给出流动、传热、燃烧过程的 细节，即气粒两相流中各变量的时空分布因此可以用于工程设备的优化1 1 5 本课题的任务 本课题主要做了两个方面的工作第一是齿轮式转子燃油泵的系统设计， 归纳整理了一套实用的齿轮式转子泵几何尺寸和外形齿型坐标的计算程序，用 山东人学硕士学位论文 于指导和改进齿轮式转子泵的设计和研究。第二是用数值模拟技术模拟加热器 燃烧室内的流动、燃烧过程，并且通过改进气流组织的方法以达到优化燃烧、 提高燃油利用率和降低排放的目的 山东大学硕士学位论文 第二章转子式燃油泵的设计以及设计计算程序的开发 在加热器的整体设计中，燃油供给系统是一项十分重要和关键的部件，其 工作性能和工作稳定性直接影响甚至决定到加热器燃烧室内的燃烧质量。所以， 在进行加热器的设计过程中要着重考虑到供油系统。 2 1 转子式齿轮泵的特点 河北宏业集团液体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虽然这两种燃油泵工作性能较好，但是较高的 价格不但提高了加热器整体价位，而且还花费大量的外汇转子式燃油泵以其 体积小、效率高、出油流量均衡、油压波动小等特点成为小体积、大流量使用 环境下的最佳选择。目前，国产齿轮泵都因的供油量过大而不适合汽车加热器 的使用。因此，设计合适流量的转予泵，便成为了一个迫切的课题 2 2 转子结构参数相互关系 ( a ) 内转予 ( b ) 外转子 ( c ，啮合关系 l 玺i2 1 转子示意幽 图2 1 ( a ) ( b ) 为内、外转子的结构示意图，图2 1 ( c ) 为内、外转予啮合 山东大学硕七学位论文 一一 关系，其内、外转子各参数的含义以及各参数之间的关系如下： p 偏心距 n 内转子齿顶圆半径( 亦称长半径) 岛内转子齿根圆半径( 亦称短半径) ，l 内转子节圆半径( r l ；z l p l 2 3 ) b 外转子节圆半径( ，i ；z 2 e 2 3 1 ) z i 内转子齿数 z 2 外转子齿数( z 2 = z t + 1 ) 口外转子齿形圆半径 月创成圆( 外转子齿形均布圆) 半径 ，外转子齿顶( 内切) 圆半径 外转子齿根圆( 亦称限制圆) 半径 另有参数 d 外转子外径 氏内转子驱动轴孔径 6 内转子最小壁厚( 6 印蝴) p = ( 届一p 2 ) 2 月= 口+ p l p = 口+ p 2 + e = 口, 4 - l 一2 e = 口+ r l = p + e = 岛+ 3 e ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 3 转子泵内外齿廓的形成 2 3 1 摆线的基本概念 所谓摆线是当一半径为r | 的滚圆( 也称为动圆、发生圆或生成圆) 沿着一 条定直线( 如图2 2 中的z 轴) 作纯滚动时，其滚圆圆周上某一点e 所画出的 一 1 2 d q假怕 = = = 山东人学硕+ 学位论文 平面曲线称之为摆线，也叫作普通摆线或平线等时线和最速降线是摆线的两 条最著名性质 半径为r 窖的滚圆上的点e 由起点0 开始滚动一周便产生一拱摆线，其拱宽 为2 a r g ，而拱高( 或称幅高) h = 2 ，量如果将产生摆线的点到滚圆圆心0 3 的距 离设为p ，显然对于普通摆线有e = r s 。若e 2 r g ) 长于普通摆线的 幅高，故该摆线叫做长幅普通摆线。短幅和长幅普通摆线亦称作次摆线。 长幅普通摆线普通摆线 y 一二 o vi 一 2 l r i 线 圈2 2 定直线上各种摆线的形成 如果将滚圆沿一半径为r 的基圆( 也称定圆或导圆) 的圆外侧滚动，便会 产生如图2 3 所示的各种( 圆) 外摆线。长幅与短幅外摆线也称为外次摆线 以上的各种次摆线还统称为变态摆线。 2 3 2 齿轮泵内转子齿廓的形成 如图2 4 所示，取一半径为r s 的滚圆，在其半径为，：，的基圆外滚动， y一 f ：l n。堋? 3 | 垒l2 3 外滚法各种外捏线的形成 图2 4 内转子齿廓的形成 山东大学硕+ 学位论文 使滚圆由图中0 3 位置以顺时针方向滚动一个滚圆周长到z 轴位置：此时，该滚 圆内距其滚圆圆心仍为c 的点( d 4 ) 便画出了一拱幅高为2 e 的外次摆线，沿 外次摆线上取若干点为圆心0 4 ，并以a 为半径画若干圆( 即为外齿轮齿形圆) ， 用这些圆的内侧包络线。即外次摆线内等距线作为油泵内齿轮的齿廓形线( 其 仍即为内齿轮的中心) ，而以距滚圆中心轨迹圆为f 的等半径( r ) 圆g 作为油 泵外齿轮众齿形圆心的轨迹，欲满足齿廓啮合基本定律而使其成为另一齿轮的 共轭曲线，其相应油泵外齿轮圆心为仍，不难看出，口即为外齿轮轮齿廓半径 当在基圆上产生z ，拱外次摆线内等距线时，亦即意味着油泵内齿轮具有z ， 个齿可以证明，圆心为d ，与内齿轮圆心o j 具有偏心p 的外齿轮的齿数z ，= z ，+ 1 根据图2 4 可得外次摆线的方程为： x n = r c o s f l + e c o s ( ，：r - a - 国 = r c o s p e c o s ( o + 历 = r c o s p e c o s ( 2 ；p + 历 = r c o s , b e s z , j s y n = r s i n f l + e s i n ( u - u - 国 = r s i n f l - e c o s ( c t + 历 = r s i n f l e s i n z 2 ( 2 4 ) 以外次摆线上任一点n 为圆心的外齿轮齿形圆方程为： ( x - - x ) 2 + ( y - h ) 1 = 口2( 2 5 ) 式中x ，y 为外齿轮齿形圆圆周上的点的坐标不难理解，外齿轮齿形圆与内齿 轮齿廓线的啮合点不仅在该圆上，且同时还在外次摆线的n 点的法线上，其 法线方程为： 努( 卜咖貉训= o ( 2 _ 6 ) 联立方程( 2 5 ) ( 2 6 ) 得： j = h y = y n 年 。 山东大学硕十学位论文 将式( 2 4 ) 代入式( 2 7 ) 整理可得外齿轮齿形圆包络线的直角坐标参数方 程式为： x = ( r c o s p e c o s z ：) y 2 c r 豇n f l - e s i n z j ，千了妻；兰墓曼s 事端 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中，上面的一组正、负号表示外齿轮齿形圆外侧的包络线方程式， 而下面的一组负、正号则表示外齿轮齿形圆内侧包络线的方程式，亦即为内齿 轮的工作齿廓曲线方程式，因而其内齿轮齿廓曲线的直角坐标参数方程式为： x = r c o s f l - e e o s z z p 一 例s n p - e s i n z 2 f l 一声篆筠 一旦选定乃，p ，r a 等结构参数后，便可由式( 2 9 ) 算出任一声角时相应 w 点的x ，y 直角坐标值，从而得到内齿轮的齿廓曲线 2 。4参数的确定 以下着重讨论一下转子式齿轮泵的设计过程及各项参数确定的影响因素。 2 4 i几何流量 油泵的最大供油量应是设计油泵时已知的。该值确定后便可由下式估算出几 何流量： 9 0 = q i , 7 ，- x ( p , 2 一p2 ) b n j l 0 ( 2 1 0 ) 式中岛几何流量，l m i n q 实际流量，l m i n 玑容积效率 n 长半径，m m p 2 短半径，m i l l 口转子宽度，i n m 山东大学硕七学位论文 啊内转子转速，r m i n 容积效率町，约为o 8 0 0 9 0 ，j 7 ，的高低受工作油压、油温( 粘度) 、转速、 制造精度等诸多因素的影响可根据最大工作油压、油温、转速等预估口，值，其 原则是高压、高温、低速、低精度取小值，反之取大值 2 4 2转速 油泵转速可根据发动机驱动情况而定，如无特殊要求，转速可适当高些，这 是因为流量函与内转子的转速万，成正比，在同样的q d 值下，通过提高一，可减小 转子的几何尺寸使油泵体积缩小同时，在同样的转子配合间隙下，刀，提高会因 节流作用的加强而使泄漏减弱，有利于容积效率的提高当然，若油腔设计不合 理或进油管道阻力较大，在行，高到一定数值后，会因充不进油液而有可能使容积 效率下降甚至产生较大的噪声故一般油液流速应控制在1 5 2 5 r i d s 之内对于 流量大的泵可适当高些，但也不宜超过3 5 m s 聊】过高进油流速还有可能引起“空 穴”现象，故石油类流体进油侧真空度一般不宜超过1 7 k p a 2 卯另外还可通过雷 诺数r e 生型；( o 7 5 0 8 8 ) ( 2 1 3 ) e r ( 1 0 ( 2 0 、 、 式中j 传动比 ( f = z i z 2 = 丹2 n i ) 初步确定了尺之后可通过式( 2 _ 2 ) 求出齿形圆半径a ，然后再代入下式川进 ， 行判定： 厂广一 口 0 5 r a m 当选择了适当的，值后，便可将 甲= 1 8 0 。，( 翮) 代入下式求出，o 值 。 ，：2arcos(q+a。f)+l2-a2-92 ” 2 l + a r c o s ( 、f + 甲) 】( 2 - - 1 7 ) 确定了三、，0 后，在确保强度及径向密封带宽度的前提下，以使油泵具 有最小外廓尺寸为原则，确定其外转子外径d 的尺寸 2 5 转子式齿轮泵计算设计程序的意义 一 由以上介绍可知，转子式齿轮泵的设计工作是一项非常系统、要综合考虑 的过程，不仅如此，由于在材料和设计上尚存的问题使目前转子式燃油泵的应 用还不是十分广泛。因为转予泵自身内、外齿的外形型线复杂造成的巨大计算 工作量，经验计算公式中对流量和效率计算的不准确，甚至既是对于同样体积 要求的转子式齿轮泵进行多种不同参数的对比设计、性能比较的时候也是比较 困难和不便的，而且在反复计算过程中还要耗费大量的人力物力。导致了人们 对转予式齿轮泵的利用望而却步，因此进行转子式齿轮泵的通用外形设计和图 形自动绘制的软件是一项非常有意义的工作 2 6 转子式齿轮泵计算程序 2 6 1 转予式齿轮泵通用计算程序 由上述的公式( 2 9 ) 可知转子式齿轮泵的几何坐标计算非常复杂，在进 行设计计算时工作量比较大。但是通过编写通用计算程序就可以得到一劳永逸 得解决方案了。在知道必要的几何参数后便可以方便地求解出各项设计尺寸、 运行参数和圆周3 6 0 。转子式齿轮泵内外转子的几何坐标位置了 下面具体介绍通用计算程序。下图2 6 为转子式齿轮泵通用计算程序的界 面，在本课题中采用的是v b 6 0 作为绘图程序的开发平台本程序包括两部分： 第一部分通过计算程序的初始参数赋值区给转子式齿轮泵赋原始结构参数，其 1 9 山东大学硕士学位论文 中包括：内转了出数z l 、凶顶圆半径p 卜齿报圆半径助、外转子直径d 、外转 子齿形圆半径a 、内转子驱动轴的孔径、外转子厚度，还有转子式齿轮泵的运 行参数转速一。利用本计算程序，通过以上参数的赋值可以非常方便的计算出 外转子的齿数乃、创成圆半径足、外转子齿顶内切圆半径，、外转子齿根圆半 径厶通过这些参数检验所设计出地转子式齿轮泵的结构是否满足要求，而且 通过计算出的内转子最小壁厚占，和外转子最小壁厚玉的尺寸可以考察所设 计的转子式齿轮泵的强度是否合理第二部分计算出内、外转子的周向坐标： 将圆周分为3 6 0 0 份，每一份为o 1 度，利用式( 2 9 ) 内、外转子的坐标求解 公式。计算出内、外转子的坐标值，并且建立数组库文件拌ln e i d a t ，# 2 w a i d a t 来储存坐标位置数组。( 程序源代码见附录1 ) 图2 6 转子泵通用计算辟序截面 2 6 2 转子式齿轮泵的绘图及模拟运行程序 为了可以直观的评估转子泵的设计外形，转子式齿轮泵的绘图及模拟运行 程序也是必不可少的本课题是采用a u t o c a d 中的内嵌编程工具a u t o l i s p 来编写的在运行中只要在加载后运行本程序名n z ，c a d 界面就会出现的信 息化埘话窗t j 必需要将j n 在2 6 1 节我们i t - g 出的滚圆半径，l 、内转子齿数 山东大学硕士学位论文 z i 、外转子齿形圆半径a 和偏心距口在信息化对话窗口对应赋值，就可以顺利 的得到内外转予的图形通过按回车键内、外转子会同时转动来模拟实际的运 行情况。这样我们在得到不同的计算设计方案后就可以直观的进行设计结果的 评估了，图2 7 为模拟绘制出的转子泵外形( 原代码见附录2 ) 圈2 7 转子泵动态模拟图 2 7 计算程序在工程中实际使用情况 本计算程序在实际的计算中得到了很好的应用。在山东宏德某车用机油泵的 改进设计计算和全椒某型柴油机机油泵的改进设计计算中不论计算时间还是计 算结构的精度都比以前有了很大的提高不仅节约了时问，而且降低了设计成 本 。 2 8 本章小节 本章较详细地介绍了转子泵内外转子齿廓形线的形成原理、各种参数 的选择判定原则，分析了外转子齿根圆和齿面的过渡圆弧与齿面相切之 点所应处的位置，并推导出过渡圆弧半径，o 的求解公式，防止了，o 选择 的随意性。从而避免了吒选择过小而降低圆弧过渡效果，或选择过大而 出现干涉等不良后果。 介绍了提高转子泵设计效率的通用计算程序和转予泵绘图及动态模 拟程序，以期为摆线转子泵转子的设计起到积极作用 2 1 山东大学硕士学位论文 第三章燃烧系统的数值模拟 燃烧系统作为发生燃烧化学反应的主要场所是加热器五大系统中最关键 部分，利用计算流体力学模拟软件对其进行数值模拟计算，对优化燃烧室内的 燃烧、改进加热器整体性能有深远的理论指导意义本课题所选用的c f d 模拟 计算软件是a v ll i s t 公司的f i r e 。首先通过对德国同类机型、我们课题组为 宏业集团所设计的在产机型及为获得最佳燃烧而对燃烧室进气孔改动方案的数 值模拟计算结果的对比，归纳出以上方案的变化趋势、总结出优化燃烧和气流 组织的方案。为最终确定较理想的燃烧室结构进行理论和试验准备 燃烧系统的数值模拟是将加热器的燃烧室及相关的流动区域分离出来进 行专门的数值模拟计算这其中主要包括两部分模拟计算，即冷态时加热器燃 烧室内的流动模拟( 冷机流动模拟) 和燃烧时的热态流动模拟( 热机流动模拟) 3 1 计算流程和边界条件的设定 3 i 1 燃烧室几何模型 ： 燃烧室几何模型如图3 1 所示，燃烧室由一级燃烧室顶部气体流动空腔折 算容积2 、一级燃烧室8 、二级燃烧室1 0 组成。在加热器工作时，气流由进气 口l 切向流入一级燃烧室顶部容积2 内形成环形气流。部分气流通过一次进气 孔3 ( 第一层进气孔) 首先流入一级燃烧室内配合燃油吸附饼4 ，组织燃油蒸发 更多的空气则是经进气分流片1 l 后，由一级燃烧室第二、三、四层进气孔( 5 、 6 、7 ) 流入一级燃烧室内参与燃油蒸气的混合和燃烧，燃烧的高温混合气在流 经一，二级燃烧室之自j 的缩口9 时，部分混合气形成回流，为蒸发燃油吸附饼 上的后续燃烧燃油提供蒸发热量，大部分由此进入二级燃烧室进行更充分的燃 烧。因此，在不改变进气分流片几何尺寸的情况下。要达到优化加热器的工作 过程、提高燃烧效率的目的就主要得从改进一级燃烧室的气流组织方而入手。 即从优化一至四层气流孔的分布及孔径来进行解决 山东大学硕士学位论文 i 进气n2 一级燃烧室顶部折算容积3 一次进气孔( 第一层进气孔) 4 燃油吸附饼5 = 层进气孔 、 6 三层进气孔7 四层进气孔8 一级燃烧室9 缩ul o 二级燃烧室i i 进气分流片 图3 1 燃烧室几何模拟 3 1 2 计算流程 1 几何模型的建立：在j f 式计算之前，先要将燃烧窀的流动区域绘制出柬。 木算倒是采，玎p r o e 三维绘图软件进行实体绘制的。首先，对加热器上体( 加 热器盖) 进气腔与燃烧室顶部所构成的不太规则的气体流动空腔，采用折合计 算法处理：即将该流动空腔的体积折算为圆柱式流动空腔体积其具体方法是 先对该不规则气体流动空腔用水测量出精确体积，然后在保持流动空腔当量半 径不变的前提下计算出折合高度。其次，为了能真正模拟出加热器工作时的