（光学工程专业论文）qct《汽车燃气加热器》标准的研究与制定.pdf

摘要 汽车燃气加热器是以车用燃气为燃料的车载独立燃烧式加热设备，主要用于燃气客 运车辆的采暖、除霜( 雾) 和发动机预热等。汽车燃气加热器以车用燃气为燃料，不仅 可以与燃气汽车的动力能源相匹配，而且还可以解决现有燃油加热器使用时对环境污染 较大的问题，进而满足燃气客车发展的需求。为此，国内部分汽车加热器生产厂家已开 始研发此类产品，其中长安大学与北京京威汽车设备有限公司联合研究开发的车用燃气 加热器己投入小批量生产。 汽车燃气加热器为安全性产品，产品质量直接关系到乘员的乘坐舒适性和财产的安 全，而其工作性能则直接决定了车辆的采暖效果及车室内各种环境因素。为规范行业生 产和严格产品监督，经全国汽车标准化委员会和国家发展和改革委员会授权，长安大学 和北京京威汽车设备有限公司联合承担了制定行业标准q c t 汽车燃气加热器项目。 该标准全面规定了以车用天然气或液化石油气为燃料的汽车燃气加热器的术语和定义、 分类及型号表示方法、技术要求、试验方法、检测规则、产品标识和包装等内容，是燃 气加热器生产厂家在产品设计、制造、测试时确保产品质量以及国家技术监督部门进行 质量监督必不可少的指导性标准规范。 本论文主要分析了国内外汽车燃气加热器及相应标准的发展现状，研究了国内外同 类标准的内容、范围、主要技术条款和制定依据，并从燃气特性入手，利用燃烧理论分 析了燃气燃烧特性和燃烧器的设计思路，论述了该标准的制定依据及制定过程，解释了 标准中主要技术要求及相应测试方法，最后通过样机试验验证了标准中技术指标及测试 方法的科学性及适用性。 关键词：汽车燃气加热器；标准：技术要求；测试方法；车辆采暖；天然气； 液化石油气 a b s t r a c t f a d d e nw i t hg a sf o rv c h i c l e ，g a sf i r e dh e a t e rw a sa ni n d 印e n d e n th e a t i n ge q u i p m e n t ， w b i c hc o u l dp r o v i d eh e a t i n g ，w i n d s h i e l dd e f b g g i n g ，e n g i n ep r e h e a t i n gc a p a b i l i t yi ng a s f i r e d v e h i c l e s u s i n g 也ec n go rl p gf o rv e h i c l ea st h ef i l e lo ft h eh e a t e rn o to n l yc o u l d c o o p e r a t e dw i t hm ef i l e lo fn g v o rl p g v ，b u ta l s oc c o u l dr c d u c e 也ee n v i m m e n tp 0 1 1 u t i o n c o m p 盯c dw i 也也eo i l 血e dh e a t e ls oi tc o u l dm e e tt h en e e d so f t h ed e v e l o p m e n to f t h en g v 0 fl p g vs o m ec o m p a n i e sh a db e 母mt d d e v e 】o pt h e i ro w ng a sm e dh e a t e rf o rv c h i c 】e ， e s p e c i a l l yt h ep m d u c tw b i c hw a sd e v e l 印e db yc h a n g a i lu n i v e r s 时a n db e ij i n gm g w e i v e h i c l ee q u i p m e mc o l t d h a d b e e np u ti i l t op r o d u c t i o n b e c a u s eg a sf i r e dh e a t e rw a sas e c u r i t ) rp m d u c t ，i t sq u a l i 哆a 矗 e c t e dt h ep a s s e n g 哪 c o m 如n ，1 i v e sa n dp o s s e s s i o n sd i r c c t ly a n di t sw o r k i n gp c r f o r n l a n c ed e t e 珊抽e dt h eh e a t i l 唱 e 虢c t sa n dm ee n v i m n m c n ti nt h ev e h i c l e h lo r d e r t os p e c i f ya i l ds u p e r v i s et h em a n u f a c t i l r 。e a i l dp r o d u c tq u a i 咄c h a l l g a 1 1u n i v e r s 时a n db e ij i n gm g 、e iv e h i c i ce q u i p m e n tc 0 l t d h a dl a i dd o w nt h ev e h i c l ei i l d u s 廿ys t a i l d 盯do fg a sf i r e dh e a t e rf o rv e h i c l e ，w h i c hw a s a u t h o r i z e db yv e h i c l es t a n 捌i z a t i o nc o r m n i t t e ea i l d d e v e l o p m e n t 锄dr e f o n n a t i o n c o n l i i l i 他e 砸ss t a i l d a r ds p e c i f i e dt e r r n sa i l dd e 丘i l i t i o n ，t c c h n i c a lc h 啦c t e r i s t i c s t e s t s ， r e g u l a t i o n so fd e t c r i l l i i l a t i o n ，m a r k i n g ，p a c k a 百n go ft b ep m d u c t i tw a sa ni n d i s p e n s a b l e s t a n d a r dd u r i n gt h ec o u r s eo ft h ed e s i g n i i l g ，m a n u f 犯t i l r i n g ，t e s t i i l ga n dq u a l i 够i i l s p e c t i o ni n t h eg a sf i i _ e dh e a t c ri n 血b 自毗 1 1 1 i sp a p c ra i l a l y z e dt h ed e v e l o p m e n to ft h eg a sf i r e dh e a t e rf o rv e h i c l e ，r e s e a r c h e d 也e s c o p e ，c o n t c n t s ，a i l dt h em a i nt e c h l l i c a lr e q u i r c m e n t si nt h es i m i l a ri n t e m a t i o n a ls t a i l d a r d s ， a i l a l y z e dt h et h eg a sc o m b u s t i o np e r f b 肌a i l c ea n d 山ed e s i 印i 1 1 9p m c e d l l r eo ft h eb 啪e rb y m e a n so ft h eg a sc o m b u s t i o nt h e o r e t i c s ，d i s s c n a t e d 也el a y i n gd o w n 酉s t ，t h em a i nt e c h i l i c a l r e q u i r m e n t sa n d 也e i rt e s tm e t h o d so ft h i ss t a n d a r d a tl a s t 也et e s tr e p o np r o v e dt h e a p p l i c a b i l i t ya n dm t i o n a l i t yo f t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n d 也e i rt e s t si i l 山es t a i l d a r d k e yw o r d s ：g 嬲f i r e dh e a t e r ；s t a n d a r d ；t e c h l l i c a lr e q u i r e m e n t ； t e s t ；h e 妇g i nv e h i c l e n g ：l p g ： i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：剃多，年月。日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：别夕 纱年月一日 铷戤p 千捌“肭日 第一章绪论 1 1 课题来源 据有关报道，截至2 0 0 4 年底全世界在用天然气车辆和液化石油气车辆已分别超过 1 0 0 万辆和5 0 0 万辆“1 。我国自1 9 9 8 年开始大力发展燃气车辆以来，其保有量已达2 1 万辆0 1 。随着经济的快速发展，我国对石油的需求越来越大，但石油探测储量的增量远 赶不上需求的增长。近年来国际油价不断上涨，并长期处于较高水平，严重影响了世界 经济的发展。我国石油资源短缺的现象将长期存在，而天然气探测储量的不断增加以及 国家对环境监管力度的加强，燃气车辆以其节能、高效、安全、燃烧充分、污染小等优 点在我国将会有更大的发展空间。1 。为了与车用动力燃料相匹配，部分加热器生产厂家 已开始研发适用于燃气车辆使用的燃气加热器。其中，长安大学与北京京威汽车设备有 限公司联合研究开发的车用燃气加热器已投入小批量生产。 由于汽车燃气加热器是近年来刚开发的新产品，我国还没有针对这一产品的标准法 规，各企业只能参照其它相关的国家标准或行业标准进行产品的定型或测试。对于特定 的加热器，若用不同标准去衡量，便会有不同的测试方法和不同的测试指标。使用不同 的测试方法会得到不同的测试结果，而不同的测试指标又很难对同类产品进行比较。这 就使得国家无法对产品进行监管，必将造成汽车燃气加热器质量参差不齐，给用户带来 极大的不便。 汽车燃气加热器为安全性产品，产品质量直接关系到汽车冬季采暖的舒适性和乘员 生命财产安全。随着燃气车辆的不断增加，该产品也必然会有更快的发展。因此，制定 统一的汽车燃气加热器行业标准就变得十分必要。 经全国汽车标准化委员会和国家发展和改革委员会批准，由长安大学和北京京威汽 车设备有限公司共同承担了制定汽车行业标准q c t 汽车燃气加热器项目。 1 2 课题的目的和意义 该标准为汽车燃气加热器的基础性标准，主要为汽车燃气加热器生产厂家提供产品 设计、制造中的汽车燃气加热器技术条件和与之相应的试验方法。本课题研究的目的和 意义为： 1 为汽车燃气加热器的设计及生产提供统一有效的依据，进而规范产品设计和生 产，使国内刚发展起来的汽车燃气加热器产品在技术上少走弯路，进而降低设计和开发 成本。 2 提出汽车燃气加热器产品统一的技术指标和测试方法，利用这些技术指标和测 试方法可以保证产品性能，规范并实现产品的全面测试，既有利于产品质量的监管又可 以实现同类型产品间的比较，从而促进该类产品在有效竞争下健康快速发展。 3 按照标准的制定原则，在制定过程中参考了大量国外燃气加热器的先进标准和 技术指标，从中了解了国外同类标准和产品现状及发展趋势，找出了国内外标准和产品 的差距，从而有针对性地提出适合我国自己产品的标准规范，尽量与国外标准看齐，使 国产燃气加热器技术尽快接近或达到国际先进水平。 1 3 本课题需要解决的关键性技术问题 本课题的研究目标是制定我国第一部汽车燃气加热器标准。由于是首次制定，加之 汽车燃气加热器又是近年来刚开发的新产品，市场用户少，制造和使用经验不足，国内 几乎没有可供参考的资料。要完成标准制定，提出一套科学、合理、先进的技术指标和 操作性强的试验规范，必须解决如下关键性技术问题： 1 广泛搜集国内外资料 首先，必须了解国外工业发达国家车用燃气加热器标准的制定原则、制定思路、技 术指标的涵盖范围及依据，研究相应试验方法的内容及制定依据；其次，必须充分掌握 国产加热器产品的结构特点、技术性能、生产工艺条件和用户使用情况，为制定标准做 好充分的前期准备。 2 技术指标的选取 任何工业产品标准都应有全面的技术指标。要规范产品性能，如何选择技术指标和 选用什么样的技术指标便成为制定标准的另一个关键性技术问题。技术要求太少不能规 范产品性能，太多又会对产品限制过死，不利产品的创新和发展。由于汽车燃气加热器 为安全性产品，直接关系到公众的生命及财产安全，经认真讨论和广泛征求意见，课题 组主要从安全、性能、结构和实际使用出发，对加热器提出了较为全面的技术要求。 1 ) 从安全角度看，燃气供给系统及燃烧线路不应有较大泄漏，在出现意外时，燃 气供给应被及时切断；加热器工作时不应因温度过高而损害周围部件结构或烫伤测试人 员等。为此，标准严格规范了密封性、安全时间、安全设备、温升等技术要求。 2 ) 加热器的工作性能主要表现在放热量、热效率、排放和噪声等方面，其直接关 系到运行经济性、环保和用户的使用效益，必须制定符合国家节能标准和环境保护要求 的有关指标值。 3 ) 加热器的结构应与安全和性能要求相适应。为此，标准应从外观、材料、阀门 及控制部件和进排气口等几方面规范加热器的结构要求。 4 ) 从实际使用情况看，加热器经常处于振动、长时问工作和频繁开、停机等状态， 2 所以标准应提出加热器的工作稳定性、可靠性、耐用性和耐振性要求。 3 测试方法选择 技术指标确定后如何测试是制订本标准又一必须解决的问题。在满足精度要求的前 提下，测试方法应科学、合理、便于实现。本课题以燃烧学、工程热力学、燃气燃烧理 论、噪声学等理论为基础，在全面调查研究国内外加热器和燃气用具标准，以及车用加 热器的实际使用环境后，通过技术及成本比较确定本标准的测试方法。 4 指标值的确定 在确定指标值时，课题组以国产汽车燃气加热器样机试验结果为依据，以国内外先 进标准值为参考，在严格执行国家有关强制性标准的前提下确定本标准的技术要求，以 保证标准的先进性和适用性。 1 4 本课题主要创新点 我国汽车燃气加热器是近两年才刚刚开发的新产品，目前国内还没有相应的标准和 规范，本课题的完成将填补国内标准的空白。与国外同类标准相比，本课题主要有以下 技术创新： 1 从环境保护角度出发，严格规范了燃气加热器的排放性能及测试方法。 国外标准只规定了过量空气系数为l 时，燃气加热器废气中c o 的含量限值要求， 本标准从汽车排放出发，对废气中h c 和n o 。含量提出相应要求。在沿用国外指标的同时， 提出了废气中有害物比排量限值要求，并通过测试确定了相应指标值。 2 规范了加热器工作噪声限值及测试方法。 国外标准中并未对加热器工作噪声作明确规定，而我国有关标准对汽车内外噪声都 有较严格的要求。为保证装备加热器后汽车整车工作噪声不超过国家有关法规限值，课 题组通过测试，提出了加热器工作噪声限值及测试方法。 3 从安全角度出发，对加热器火焰监控装置提出更加严格的要求。 通过规范点火系统安全时间限制热电式火焰保护装置的使用，促进火焰离子检测器 和光电火焰检测器等新型火焰检测设备在加热器中的应用，使国产加热器在工作安全性 方面有一个较高的起点。 4 其他。 由于国内外产品在结构和性能上的部分差异，决定了本标准与国外标准在同类技术 指标上的差异。因此，不能照抄照搬国外标准，只能根据国产燃气加热器的结构和性能 特点，提出适应其技术水平的指标及测试方法。具体内容见本论文第5 章。 第二章汽车燃气加热器概述 2 1 燃气车辆概况 1 环境、能源与汽车 汽车的发展已有1 2 0 年的历史。在这1 2 0 年里汽车不仅给人类生活带来了极大的便 利，更促进了社会的飞速发展。但另一方面，又严重地污染了环境和消耗了大量的能源。 据有关资料显示，全球2 0 的大气污染和城市7 0 的大气污染都来源于汽车尾气。 随着汽车保有量的增加，汽车尾气对大气造成的污染日益严重。 我国的情况也不容乐观。据环保部门提供的数据，汽车排放已成为我国城市大气污 染的一个主要污染源，而大气污染给我国造成的损失每年高达1 1 0 0 亿人民币。上海市 作为我国最大的城市和金融中心，全市机动车每年排放的c 0 、n 删c 和n 0 ，分别由1 9 9 0 年的1 1 4 万吨、2 7 2 万吨和3 0 3 万吨增加到1 9 9 6 年的3 8 万吨、1 0 万吨和8 1 5 万吨。 若不采取有效措施，到2 0 1 0 年机动车在上海市中心城区的c o 、n 删c 和n 0 】【排放将在1 9 9 6 年的基础上分别增大2 2 倍、2 1 倍和2 9 倍，c 0 、n c 和n n 的污染分担率将升高到 9 5 、8 1 和9 8 ( 见表2 1 ) “1 ，西方工业发达国家三十年前发生的恶性大气污染事件将 在我国重演。 表2 1 上海市中心城区机动车污染物排放量及污染分担率变化情况 数据 c on 删cn o x 排放量分担率排放量分担率排放量分担率 年劈 ( 万吨年)( )( 万吨年)( )( 万吨年) ( ) 1 9 9 51 6 0 8 33 8 44 63 3 39 6 1 9 9 61 9 68 64 7 75 64 9 69 6 2 0 0 03 4 69 27 8 17 21 1 59 7 2 0 0 54 8 9 9 4 1 1 17 71 5 39 8 2 0 1 06 4 2 9 51 4 88 l1 9 1 9 8 世界能源危机同环境问题一样严峻。1 9 7 3 年的中东战争触发了许多国家潜伏已久 的能源危机，向人们揭示出地球上石油资源匮乏的严酷事实。据有关资料表明，按目前 人类消耗石油的速度，全球已探明的石油储量仅能支撑到本世纪中叶。表2 2 列出了我 国原油供给现状及发展趋势8 1 。由表2 2 可以看出，我国也面临着十分严峻的的原油供 给问题。 为此，世界各国相继把能源开发和节约列为重要国策。面对日益枯竭的石油资源， 世界各国特别是西方工业发达国家投入了大量的人力、物力致力于汽车新能源的研究与 探索。根据作为汽车燃料所必备的基本条件：来源丰富、价格低廉、污染小、能量密度 高、储运性能好等要求，经过多年的研究和使用证明，电能、天然气、石油液化气、氢 4 气、甲醇、乙醇等有望成为汽车的替代能源。其中，燃气汽车的发展前景最为广阔。 表2 2 我国原油供给现状及发展趋势单位：亿吨 年份 1 9 9 5 年 1 9 9 7 年1 9 9 9 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 5 年2 0 1 0 年2 0 1 5 年 国内原油需求量( 亿吨) 1 6 4 2 519 6 4 020 7 7 02 3 8 7 02 4 5 732 33 1 2 3 7 9 国内原油生产量( 亿吨) 1 5 3 3 0l6 0 4 01 5 8 8 01 6 4 9 01 6 8 91 8 81 7 51 8 5 原油进口量( 亿吨) 0 1 0 9 5 o 3 6 0 0 o 4 8 9 00 7 3 8 0o 7 6 81 3 61 3 71 9 4 进口依存度( ) 6 6 7 1 83 3 2 3 5 43 0 9 23 1 2 64 2 9 4 3 95 1 1 9 2 燃气汽车发展前景 2 1 燃气汽车的优越性 与燃油车辆相比，使用n g 和l p g 的汽车有如下优点”1 ： 1 ) 尾气排放中不含铅和苯，硫含量极微。与使用汽油相比，h c 减少6 0 一7 0 ，c 0 减少8 0 9 0 ，n 0 x 减少3 0 一4 0 ，c 0 。减少2 0 3 0 ，噪音降低4 0 ，因而大大减轻 了对环境的污染，故当之无愧地被称为“洁净能源”。 2 ) 抗爆震性好。燃气辛烷值达1 0 3 1 1 0 ，远高于汽油，有利于增大燃气压缩比， 提高发动机的动力性能。 3 ) 燃料以气态进人气缸，燃烧较充分，热效率高，积炭少，从而可使发动机的大 修期延长3 0 一4 0 ，润滑油更换周期延长5 0 ，降低了维护费用和运行成本。 4 ) 由于在设计和生产时采取了多项有效技术措施和装备了多项安全设备，使燃气 在完全密闭的系统中运行，比使用汽油安全。如l p g 汽车从投入使用至今未见爆炸记录。 5 ) 比使用汽油便宜。具体经济指标须视当地天然气或l p g 供应价与汽油价格之差 而定。以l p g 为例，大体可使汽车用户节省1 0 9 6 _ 1 5 的燃料费。而对于l p g 充气站的 投资者来说，大约1 年半就能收回全部投资。因此，推广l p g 汽车是一项可以得到回报 的投资行为，并不象附加尾气净化器或增加电喷反馈控制功能那样是单纯的消费支出， 增加购置成本而无回收机会。 通常使用液化石油气( l p g ) 、压缩天然气( c n g ) 和液化天然气( l n g ) 的汽车统 称燃气汽车。其中l p g 汽车以其技术成熟、安全可靠性好、能量密度大( 一次充气的行 程与汽油接近) 、供应方便等优势日益受到行业青睐。 2 2 世界燃气车辆发展趋势 为适应汽车能源变革的大趋势，各国政府将应用推广n g 和l p g 汽车作为能源战略 措施立为国策，制订了发展计划并通过制订法规来实施，同时，又配套制定了各项优惠 和补贴措施进行鼓励。在政策、法规和优惠措施的推动下，各汽车制造商纷纷投资开发 燃气汽车。美国计划到2 0 1 0 年代用燃料汽车将占美国在用车辆的3 0 ，俄罗斯计划2 0 0 5 年前1 8 的小汽车、4 0 的公共汽车实现燃气化，德国宝马公司从1 9 9 4 年1 1 月份起按 年产2 0 0 0 辆天然气汽车投产等等。据有关报道，目前已有6 0 0 多万辆燃气汽车行驶在 意大利、美国、荷兰、澳大利亚、法国、日本、新加坡、新西兰、印尼等十多个国家， 其中近5 0 0 万辆是l p g 汽车。由此可以看出“以气代油”，在全球范围内已形成一股 现实的潮流【l 】【7 1 。 3 我国燃气车辆的发展 3 1 燃气车辆在我国发展的可行性 发展燃气汽车对加速我国国民经济发展有着重要的推动作用。 首先，有利于能源的合理利用。随着经济和社会的发展，我国已成为能源消耗大国， 而且自1 9 9 3 年起，就已成为了石油净进口国，预计2 0 1 5 年的缺口将达l - 9 4 亿吨以上 ( 表2 2 ) 。此外，我国又是天然气资源比较丰富的国家，据评价天然气总资源量为4 7 2 3 万亿立方米，目前己探明储量3 8 万亿立方米。1 。所以，发展燃气车辆可以缓解我国原 油供给现状和能源结构。 其次，发展天然气汽车十分有利于环境的改善。多年来，汽车界在汽( 柴) 油车上 采取了许多措施，并制定了日益严格的排放法规，虽然在抑制汽车大气污染方面收效很 大，但是每前进一步，都要付出艰巨的努力。相比之下，使用燃气汽车可以使排放降到 很低的水平，甚至接近于零，大大有利于环境的改善。 此外，发展天然气汽车可以形成新的产业链，促进相关产业的发展。随着天然气汽 车保有量的增加，天然气加气站、天然气汽车改装与维修等行业必将得到蓬勃发展。 3 2 我国燃气车辆现状 我国在上世纪5 0 年代就开展了有关天然气汽车的研究，6 0 年代已有两辆天然气汽 车完成了2 5 万公里的运行试验和其他试验。近年来，国家十分重视发展燃气汽车，成 立了国家清洁燃料汽车领导小组，确定北京、重庆等1 2 个城市、地区为燃气汽车试点 城市。到2 0 0 4 年底，我国燃气汽车保有量已超过2 l 万辆0 1 ，而且各试点城市正进一步 要求出租车和公交车尽快实现燃气化。表2 3 列出了近几年我国燃气汽车的发展情况。 表2 319 9 9 2 0 0 4 年我国燃气汽车饱有量统计单位：辆 时间 类别、 1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年 液化石油气汽车( l p g v ) 3 8 5 3 56 1 0 0 08 4 6 7 39 6 0 0 01 1 4 3 1 91 1 4 6 0 0 压缩天然气汽车( c n g v ) 4 1 6 91 5 0 0 02 4 8 5 05 7 0 0 07 8 9 5 31 0 1 0 0 0 2 2 汽车采暖系统概述 1 概述 汽车采暖系统是将介质( 空气、水等) 送入加热器，吸收其中某种热源的热量 提高介质的热能后，将其送入车室内进行热量交换，从而提高车室内温度的装置和 配套设备的总称。作为汽车空调的重要组成部分，它是汽车冬季运行取暖和车窗玻 璃除霜、除雾的主要设备。般根据热源的不同可将采暖系统分为以下几种类型“3 ： 1 1 水暖式 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，而且在汽车刚起动和停车时供热不足。所以，该装置多用 于对采暖要求不高的客车和轿车中。 1 2 废气余热式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。这种装置虽然使用成本低，但 对发动机功率影响较大，且难以保证采暖工况的空气质量，所以采用较少。近年来， 利用废气余热的热管式采暖装置已在部分客车上使用。 1 3 独立燃烧式这种装置是利用燃料( 柴油、煤油或气体燃料) 在专门的燃 烧加热机构中燃烧，产生的热量被介质( 空气或水) 吸收后，送入车室内与空气进 行热交换。独立燃烧式采暖装置虽然结构较为复杂，消耗燃料，但因不受汽车行驶 工况的影响，且采暖迅速，可以满足较高热负荷的要求，所以在客车上得到广泛采 用。该装置的核心部件是独立燃烧式加热器。这种加热器根据热介质的不同可分为 空气燃油加热器和液体燃油加热器两种型式，高档豪华客车多选用液体燃油加热 器，中档及普通型客车和长江流域以南使用的客车多选用空气燃油加热器。 1 4 综合预热式既利用发动机冷却水的热量，又装有独立燃烧加热器的采暖 系统。该系统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。 上述四种采暖装置中，水暖式和废气式又统称为余热式采暖装置，独立燃烧式 和综合预热式又统称为独立热源采暖装置。 2 客车采暖系统的发展现状 2 1 独立燃烧式采暖系统 2 1 1 国外独立燃烧式加热器的发展 由于独立燃烧式加热器采暖迅速，热效率高，不受汽车行驶工况的影响，因此在豪华大、 中型客车上得到广泛采用。根据传热介质的不同，可分为空气加热器和液体加热器；根据燃 料的不同又可分为燃油加热器和燃气加热器。 汽车燃油加热器最早出现于四十年代的欧洲，主要用于冬季预热发动机或供卡车驾驶室 图2 1 卡车车室取暖示意图 图2 2 客车车室取暖示意图 ( 图2 1 ) 和客车车室取暖( 图2 2 ) 。从其诞生之日起，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，因为发动机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) 从七十年代开始便陆续制订了不断严格的反怠速法规“，以尽量减少发动机怠速 运转对环境造成的污染。统计和试验数据表明，使用独立的加热器预热发动机和供车室 取暖，在燃料经济性，降低噪声、排放和减少发动机磨损等方面具有许多优点“o “2 瑚“1 ， 因此，燃油加热器在2 0 世纪八十年代得到了飞速发展。 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坐舒适性要求的提 高，汽车法规中的空调技术指标对燃油加热器的燃烧、排放以及噪声控制提出了更高的 要求。为了适应这一变化，电子控制、燃烧控制、排放控制和噪声控制等技术逐渐在加 热器上得到应用。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。德 国伟巴斯托( w e b a s t o ) 公司的a i r t o p 和t h e r m o 系列产品可使燃烧残留物充分汽化，既 消除了积炭，又减少了排放。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，这 种产品采用了电子点火、燃油高压喷射和微型计算机集中控制等新技术“”“。 在2 0 世纪末期，随着全球石油储量的减少，燃气车辆保有量不断增加，各加热器 生产厂家纷纷研发了与燃气车辆能源相匹配的c n g 或l p g 加热器，其中w e b a s t o 公司 于1 9 9 9 年研发的以天然气或液化石油气为能源的n g w 3 0 0 、l g w 3 0 0 ，以及美国h i l l l t e r 公司生产的f a l c o n a i r c 型加热器已广泛应用于国外燃气车辆中“”。 2 1 2 我国独立燃烧式加热器的发展 国产汽车燃油加热器在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 并推出了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，并在短短几年内成为了国内最大的汽车 燃油加热器生产企业。上述两个厂家所生产的系列燃油加热器基本满足了客车和其他车 辆的采暖需求，并占据了国内绝大部分的市场份额。随着社会的发展和人民生活水平的 提高，客车乘坐舒适性的要求也逐渐提高，特别是j t t 2 1 6 客车空调系统技术条件 等行业标准的制定，对客车加热器提出了更加严格的要求。根据市场需求，国内加热器 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 系列离心雾化式 和挥发雾化式液体加热器基础上，吸收国外先进技术，研发出了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“”“”。新技术的应用使国产加热器的工作性能得 到了很大改善，主要表现在： 1 ) 电控燃油喷射系统应用 目前，我国的车用加热器大多已采用电子燃油喷射系统。该系统由电子控制单元、 油泵、喷油嘴、电磁阀、火焰探测器和管道等部件组成。燃油在油泵的作用下经输油管 被送至电磁阀，然后以较大压力从喷油嘴排出，最后再与助燃空气混合。与传统离心雾 化和挥发雾化相比，该系统主要有以下优点： 燃烧效率大大提高。高压喷射出的燃油液滴直径大大减小，从而提高了燃油蒸 发、与助燃空气混合和燃烧速度，使得燃油能够更充分的燃烧，进而提高了燃烧效率。 排放性能提高。燃烧充分使得废气的烟度及有害气体大大减小。 工作安全性提高。该系统装配了火焰监控装置，旦出现熄火等故障，电控组 件可在火焰探测器信号作用下关闭燃油供给。 2 ) 热面点火器的应用 点火系统按点火方式分为小火点火、炽热物点火，电火花点火三种类型。目前，国 产加热器普遍采用电火花点火方式。为更进一步提高点火安全性，我国少数加热器产品 的点火装置已改用工作更为稳定的全陶瓷热面点火。与原有电火花点火相比，全陶瓷热 面点火具有温升快( 在2 4 v 电压下2 秒内温度可达1 0 0 0 ) 、使用寿命长、耐振性好、 耐腐蚀、电磁干扰小、结构简单、强度高、外表面不易脱落等优点。 3 ) 新能源的应用 目前，我国燃气车辆已达2 l 万辆。为满足北方地区燃气车辆冬季采暖需求，长安 大学与北京京威汽车设备有限公司于2 0 0 3 年联合开发了我国第一台以c n g 为燃料 的y j t q 1 4 型车用燃气加热器，填补了国内燃气加热器产品的空白。此后，又相继开发 出以天然气和柴油为燃料的双燃料加热器y j d c q 3 4 和以天然气为燃料的车用加热器 y j t q 2 0 。自2 0 0 4 年起y j t q 2 0 已投入小规模生产中。 2 2 非独立热源式车辆采暖系统 我国的非独立热源式加热器主要利用客车发动机废气热量加热热介质实现车辆采 暖功能。非独立热源式加热器根据加热方式不同可分为以下两种形式 导热金属板 ff jj 卜热空气管；2 一热管；3 一热空气风扇；4 一密封隔板；5 一地板 图2 3 热管加热器工作原理及在车内的安装示意图 2 2 1 热管式加热器 热管技术是近几年来刚应用于车辆的换热技术，工作原理及在客车内的布置如图 2 3 所示。其主要结构为装有l 3 体积容积工作液体( 水、氨、乙醇、r 1 3 等) 的真空 封闭金属管( 热管) 。当发动机废气进入热管下部( 加热端) 时加热工作液体，加热后 的工作液体在吸收热量后沸腾变为气相，由于这种气相介质相对比重较轻而上升，到热 管上部( 放热端) 时将热量再传给待加热空气，而自身则由于放热而冷凝，冷凝后的液 体在自身重力作用下沿管壁流入热管下部，再吸热沸腾成为气相，如此反复进行，不断 将下部尾气热量传至上部待加热空气。此类加热器工作性能可靠、效率高，在8 m 车上 工作时，客车内外温差可达3 0 。但由于空气质量较差，只适用于普通型车辆。 2 2 2 废气水暖式 近几年来市场中出现了一种利用发动机尾气加热水，然后将热水送入车室散热器的 废气水暖式加热器。由于此类加热器具有无需消耗别的能源、无污染、可降低发动机工 作噪声等优点，受到运输行业关注。但由于以下原因限制了其在北方寒冷地区特别是公 交车辆中的应用“。 1 ) 实际使用时放热量不足，无法满足车辆采暖需求 此类加热器标定的放热量通常是发动机处于最大工况时加热器的放热量。但在实际 使用时客车发动机经常处于启动、加速、减速、怠速等变工况，加热器的实际放热量随 着发动机工作状态的变化而变化，故而常用的放热量远小于标定值。此外，由于我国的 高等级车辆或大城市的公交车辆大多选用进口发动机，而此类发动机本身效率很高，废 气加热器可以再利用的热量己十分有限。特别是城市公交车辆由于自身保温能力差以及 频繁的停车、开门等现象，使得客车散热量加大，这就更加剧了废气加热器实际热输入 变小和车室内热需求加大的矛盾。所以从实际使用看，这类加热器并不适于北方寒冷地 区的客车特别是公交车辆使用。 2 ) 易产生积碳，降低发动机寿命 客车在加装废气加热器后，发动机排气阻力和排气温度都相应增加，使得充气效率 和空然比减小，最终使得不能充分燃烧的燃料增多。未燃烧的部分燃料在高温和氧的作 用下形成胶质，粘附在发动机内部到出烟口的所有零件表面上，再经过高温作用形成积 碳。发动机工作产生积碳是不可避免的，但是当积碳在发动机内过多时就会造成发动机 工作不良，产生不同的故障现象。若燃烧室内的积碳过多时，会使发动机的压缩比增加 形成许多炽热面，引起早燃和爆燃，缩短发动机的使用寿命，使发动机的动力性和经济 性都大大降低。排气口处积碳过多，便会增加排气阻力，又促进了积碳的产生，从而形 成恶性循环。有些尾气水暖加热器虽然已装配自动除碳装置，但除碳位置仅限于尾气加 热器内部，根本无法解发动机内部的积碳问题。特别是城市公交车辆经常处于走走停停 的工作状态，发动机不能高转速运转，本来燃料充分燃烧率就差，若再加装废气加热器 更会加剧积碳的产生。所以从发动机使用寿命看，城市车辆不宜使用废气采暖装置。 3 ) 发动机排放增加 如上节分析可知，加装尾气加热器后，发动机空燃比会减小，从而促进尾气中c 0 及h c 含量增加。至于增加多少、是否超过相关标准值还有待权威部门的测试。 4 ) 实际使用经济型下降 尾气加热器不消耗能源，与燃油加热器相比具有高经济性优势，但这只是表面现象。 加装尾气加热器后，为了满足采暖需求又增加了发动机不必要的怠速几率，而且由于排 气压力增加及燃烧室内积碳增多等原因使发动机油耗增加。在实际使用中，据有的司机 反应，公交车辆加装尾气加热器后的油耗与原来相比增加了l o 。再者，通过以上分析 可知，这种提高经济性的方式是以减少发动机寿命和增加发动机维修成本为代价的。 2 3 汽车燃气加热器的发展现状 1 国外汽车燃气加热器现状 1 1 燃气加热器在燃气车辆中的应用“ 以w e b 船t o 公司的n g w 3 0 0 为例，在实际使用时燃气加热器与车辆发动机共用来 自高压气瓶的燃气( 如图2 4 ) ，燃气经管道和调压器后进入加热器燃烧，燃烧放出的热 量经热交换器传递给热介质( 防冻液) ，热介质在循环水泵的作用下流向散热器，流经 散热器时热介质将热量传给流经散热器表面的空气，被加热的空气在风扇的作用下流向 车室，实现采暖功能。 i 一侧围强制散热器；2 一车室内散热器：3 燃气加热器：4 循环水泵：5 一顶置散热器； 6 一燃气发动机；7 一驾驶区采暖系统：8 一控制板：9 气瓶：1 0 一调压器：l l 一进气隔删 图2 4 燃气加热器采暖系统在客车中的布置 此外，将加热器的进出水口与除霜器相连，可实现除霜功能。而将加热器出水口与 发动机膨胀水箱相连，便可实现综合采暖功能及发动机预热功能。 1 2 国外燃气加热器的基本性能 由于国外燃气加热器发展较早，技术已趋于成熟，与燃油加热器相比实现了节能、 高效( 加热器热效率以达9 0 以上) 、低排放、低噪声等目标。此外，大量电子设备的 应用使其工作安全性迸一步提高。表2 4 列出了n g w 3 0 0 和l g w 3 0 0 两类燃气加热器的主 要技术参数。 表2 4n g w 3 0 0 和l g w 3 0 0 加热器主要技术参数 项目 n g w 3 0 0l g w 3 0 0 放热量( k w ) 3 03 0 燃料 c n gl p g 耗气量( k g h ) 3 1 52 9 耗电量( 水泵除外) ( w ) 1 1 01 0 0 加热器入口处供气压力( k p a ) 0 2 5o 2 5 调压器进出口压力( k p a ) 2 2 0 0 0 8 0 03 0 0 0 1 5 0 工作压力( k p a ) 0 0 4 0 2o 0 4 o 2 热交换室容积( l ) 1 81 8 废气中c 0 2 体积含量( ) 8 5 1 0 5l o 1 2 ( 7 5 3 ) 时断开( 7 5 3 ) 时断开 恒温器工作温度 ( 6 8 3 ) 时接通( 6 8 3 ) 时接通 此类加热器由控制组件、燃气供给系统、点火系统、燃烧室、热交换器、安全保护 装置、水泵等部件组成。 1 ) 燃气供给系统由车用燃气瓶、高压截止阀、高压压力表、调压阀、高低压电 磁阀、流量控制阀、控制单元和传感器等部件构成，系统布置如图2 5 所示： 卜加热器主机；1 卜助燃空气入1 2 一烟气出口；1 3 一控制电路板；1 | 4 一燃气入口；1 5 一热介质入口 1 6 一过热开关；1 7 一温度控制器：1 8 一热介质出口；2 一调压器；3 一恒温器； 4 一t 形管：5 一水泵 6 一参考压力管道：7 _ 热介质管道： 8 一燃气管道； 9 一通风管道：1 0 一电磁阀； l l 一调压阀 图2 5n g w 3 0 0 燃气供给系统示意图 燃气经调压阀、电磁阀和管道后进入燃气混合器，在混合器内燃气与一次空气混合 后从喷嘴喷出，由点火电极点燃后燃烧，然后再与由鼓风机送入的二次风混合，实现充 分燃烧。 此外，为了保证燃气供给系统能正常工作，w e b a s t o 公司还专门在n g w 3 0 0 和l g w 3 0 0 中开发了综合式调压设备，该设备具有以下功能： 调压功能 调压阀加热功能 由图2 5 可知，部分热介质从热交换器流出后通过调压阀再流入加热器热交换系 统，以实现加热调压阀的功能。此项功能主要防止产生燃气中水分冷凝结冰而引起的调 压不稳或漏气现象。 控制燃气供给功能 由图2 6 可以看出，调压阀自身装备有两个电磁阀，在实际使用时这两个电磁阀分 别受两个独立的电路控制，可根据加热器实际工况，实现控制中断和安全中断功能。 2 1 燃气出口；2 一热水入口：3 热水出口；4 一安全阀； 5 一高压燃气入口；6 一电磁阀( 2 个) ； 7 一泄流阀 图2 6 集成式调压阀结构图 2 ) 点火系统 由于燃气加热器着火温度较高，因此n g w 3 0 0 选用点火迅速、稳定、 可靠性高的全自动点子点火系统。电子点火系统装有火焰检测器，在点火失败或意外熄 火时，便会产生一个电信号并将其送入电控组件，电控组件随之产生相应动作，以实现 再点火或安全中断功能。在国外，光电式或火焰离子式火焰检测器已广泛应用在加热器 火焰监控系统中。 3 ) 燃烧系统燃烧系统由助燃空气管道、助燃空气风机、燃烧室、废气管道和废 气排出口等部件组成。在加热器工作时，助燃空气的一小部分作为一次风进入燃气混合 器与燃气混和后从喷口喷出，绝大部分则作为二次风在风机作用下进入燃烧室后再与燃