【正文】 1 第 1 章 緒 論 課題研究前景 全套圖紙，加 153893706 隨著社會的不斷發(fā)展，人們對乘坐汽車的舒適性、安全性要求越來越高，作為獨立熱源的加熱器得到了越來越廣泛的應用。在 我國東北和西北寒帶地區(qū)，冬季室外溫度一般會達到零下十幾度甚至零下幾十度。在這樣的低溫下，入進車后會感到很不適，人們往往會啟動汽車讓發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)來進行取暖。然而隨著燃油價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)動機不必要的怠速運轉(zhuǎn)。車用燃油加熱器正好滿足了這一需求，無論是在駐車發(fā)動機關(guān)閉期間還是在行車期間加熱器均可為車輛提供適宜的溫度。車用加熱器不僅可以在冬季或寒冷地區(qū)進行車內(nèi)取暖，還可以對汽車駕駛室前窗玻璃進行除霜，并且在汽車低溫冷起動時預熱發(fā)動機等。加熱器的取暖、除霜功能提高了乘 車的舒適性和行車安全性。低溫環(huán)境下預熱發(fā)動機，則解決了低溫起動難、起動慢的問題，同時還能有效地降低低溫冷起動過程的排放，減少發(fā)動機冷起動磨損、延長發(fā)動機使用壽命、提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性等?；谝陨戏N種優(yōu)點，加熱器得到了迅猛發(fā)展。目前，歐美日等發(fā)達國家生產(chǎn)的各種汽車以加熱器作為必備的附屬系統(tǒng)。夏天開空調(diào)，冬天就供暖氣。我國加熱器市場雖未 2 完全成熟，但有越來越多的公交車、中高檔客車、甚至轎車都裝配了加熱器產(chǎn)品。 目前國內(nèi)加熱器的市場狀況，仍然是以客車和城市公交車以及軍事用車配套為主。在此領域內(nèi)，對加熱器熱功率的要求 呈越來越大的趨勢，熱功率在 15KW 以上的加熱器訂貨量大幅上升。當功率超過 15KW時，由于油量比較大，霧化不良就會出現(xiàn)冒黑煙和集油網(wǎng)燒損嚴重等問題，離心霧化式和蒸發(fā)霧化式加熱器已不能滿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，所以要重點研究噴霧霧化加熱器來滿足大功率加熱的需要。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外加熱器研究現(xiàn)狀 在歐美發(fā)達國家，車用加熱器已成為汽車的標準配置?，F(xiàn)在國外的加熱器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。德國、美國、日本等都有專業(yè)的加熱 器公司及系列產(chǎn)品。例如德國 Eberspacher 公司和 Webasto 公司，日本的三國等。 德國的 Webasto 公司是一家具有百年歷史的跨國企業(yè)，是世界汽車零部件百強企業(yè)之一。 Webasto 公司自 1952 年設計發(fā)明第一臺用于客車發(fā)動機的獨立的汽車采暖系統(tǒng)后， l961 年發(fā)明了用于轎車上的泊車加熱 (parking heater)， 1999 年又推出了應用于卡車上的加熱器／空調(diào)系統(tǒng)。 Webasto 公司加熱器自動化程度很高，其 Scholastic 系列產(chǎn)品采用單片機集中控制，可以實現(xiàn)自動換檔和自動診斷檢測，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 Air Top 2020 S 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 Eberspacher 公司是一家以發(fā)動機尾氣處理與汽車采暖系統(tǒng)為主的跨國企業(yè)，也是世界汽車零部件百強企業(yè)之一。其早在 1993 年 3 就與國內(nèi)的河北宏業(yè)公司合作，共同開發(fā)了一系列加熱器產(chǎn)品。目前已擁有 AIRTRONIC、 D5／ 8 L、 HYDRONIC 等多個系列十幾種加熱器產(chǎn)品。作為世界領先的車用加熱器生產(chǎn)廠， Eberspacher和 Webasto 都建有專門的研究中心，在燃燒技術(shù)，噪音控制，溫度自動化控制及排放水平等方面具有很多成熟的經(jīng)驗和成果。 國內(nèi)加熱器研究現(xiàn)狀 我國的車用燃油加熱器與歐美相比起步較晚， 1965 年才開始國內(nèi)第一臺加熱器的研制。由于我國汽車工業(yè)整體技術(shù)水平較低，生產(chǎn)廠家對加熱器技術(shù)的投入較少，因此在技術(shù)方面長期落后于發(fā)達國家。國內(nèi)企業(yè)為了提高自身的技術(shù)水平和研發(fā)能力，不斷地開展與國內(nèi)高校的合作，共同進行車用加熱器的開發(fā)與研究。其中河北宏業(yè)與山東大學合作，北京京威與長安大學合作。 長安大學在降低加熱器工作 噪音、提高點火性能以及排放水平等方面進行了相關(guān)的研究。長安大學與北京京威還合作開發(fā)出了 CNG 液體型車用加熱器以及積燃料加熱器。山東大學與河北宏業(yè)經(jīng)過多年的研制開發(fā)目前已成功開發(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。其中具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 小型液體加熱器填補了國內(nèi)在轎車、微型車及工程車等汽車上應用的空白。該加熱器設計水平為國際先進 ,國內(nèi)首創(chuàng)。 雖然現(xiàn)階段我國的車用加熱器市場還遠沒有成熟，市場規(guī)模也遠沒有歐洲市場大。但各中外加熱器廠家已開始末雨綢繆，積極布局中國市場。目前我 國國內(nèi)生產(chǎn)加熱器的廠家主要有河北宏業(yè)、北京京威、河北南風三家企業(yè)。和外資品牌相比，國產(chǎn)車用加熱器產(chǎn)品性價比高．在本土市場具有比較大的價格比較優(yōu)勢。河北宏業(yè)公司依托多年的技術(shù)積累，憑借價格優(yōu)勢，逐漸開始在市場上發(fā)力。據(jù)統(tǒng)計河北宏業(yè)占據(jù)了國內(nèi)加熱器市場 65％ 70％的份額，擁有中通、宇通和黃海汽車加熱器 l00％的訂單，蘇州金龍加熱器 80％的訂單，廈門金龍加 4 熱器 60％的訂單。除此之外，河北宏業(yè)還積極拓展海外市場，連續(xù)三年參展俄羅斯車展，越來越多的加熱器出口到俄羅斯、新西蘭等國家。價格是把“雙刃劍”，國內(nèi)加熱器廠 家依靠價格優(yōu)勢取得了市場的成功。但價格優(yōu)勢不等于核心競爭力，國產(chǎn)加熱器的定價已經(jīng)偏低，有些型號的產(chǎn)品利潤率甚至降到了 1％，再降價空間不大，甚至有可能隨著原材料價格的上漲而上漲。目前中國產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性還沒有得到國際市場的普遍認可，中國企業(yè)應該居安思危，在技術(shù)創(chuàng)新上下苦功，進一步提高自身的核心競爭力。 國內(nèi)外的技術(shù)差距 (1)控制系統(tǒng)方面：國外的控制電路的集成化程度較高，且防護措施較好．德國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，且外面有一個防水涂層，可靠性較高。而國內(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。應該采用先進的傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)，進一步提高加熱器的自動化水平。 (2)結(jié)構(gòu)布置方面：與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)的簡單緊湊和輕巧方面還有很大的發(fā)展空間。應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械制造水平的提高而得以實現(xiàn)。 (3)燃燒排放方面：國內(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組織和燃油霧化方面不斷改進，如合理高效的助燃空氣導流結(jié)構(gòu)，各級進氣孔的布置方案，研究新的燃油霧化方法等。 (4)另外還可以改進換熱器的結(jié)構(gòu)，通過提高高溫燃氣與換熱介質(zhì)（水或者空氣）的換熱效率來提高加熱器的總體熱效率。換熱器的結(jié)構(gòu)改進主要包括換熱片的形狀和布置方式，但燃氣在其中的流動阻力 5 不能太大，否則排氣不暢，導致燃燒惡化。 總之，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)合先進的試驗手段較快地實現(xiàn)，本次的汽車 加熱器燃燒器設計和燃燒霧化結(jié)構(gòu)分析及改進就是遵循這樣一種思路完成的。 課題主要研究內(nèi)容 本設計基于河北宏業(yè) YJPQ 系列燃油加熱器為研究對象。首先對加熱器進行了原理分析，并對黃?？蛙囓噹麩嶝摵捎嬎愫侠砥ヅ浼訜崞?，以摸清這些因素對加熱器性能的影響，合理選擇水泵、高壓油泵、合理的進風量，然后對加熱器進行了尺寸調(diào)研分析，換熱管的方案分析；設計了不同規(guī)格的尾氣換熱器并進行了試驗；對不同情況的加熱器安裝方案進行分析；對油嘴分別進行了不同噴油角度、不同噴油錐體、不同噴油量的分析，優(yōu)化它們對加熱器性能的最佳影響 情況。最后對加熱器所產(chǎn)生的燃燒污染物進行分析處理提出建議。 6 第 2 章 車用加熱器簡介 車用加熱器歷經(jīng)近百年的發(fā)展，經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段，從最初的余熱式到現(xiàn)在的獨立燃燒式，產(chǎn)品種類越來越豐富，技術(shù)也越來越先進。汽車供暖設備按所使用的熱源可分為：非獨立式供暖系統(tǒng)和獨立式供暖系統(tǒng)。非獨立式供暖系統(tǒng)也稱余熱式供暖系統(tǒng)，熱量來自于汽車發(fā)動機的冷卻熱水或廢氣。獨立式供暖系統(tǒng)（即汽車加熱器）的工作獨立于發(fā)動機，有自己單獨的供風、供油和控制裝置。目前，國內(nèi)加熱器也逐漸成熟，形成了多個 品牌，多種系列的產(chǎn)品。 車用加熱器 工作原理 車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)的功能是通過著火傳感器、水溫傳感器等各種傳感器的信號，控制加熱器的點火、熄火過程，實現(xiàn)加熱器的過熱保護，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。 配風系統(tǒng)主要由風扇和電機組成，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，使空氣在進入燃燒室時具有一定的速度和紊流度來優(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所，由燃燒室和點火裝置組成。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 7 火裝置（一般是點火電極）的作用是在加熱器起動時迅速點燃可燃混合物。 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)再通過管路將熱量釋放到應用場合。 工作過程：加熱器啟動時，風扇電機和水泵電機接通電源，帶動助燃空氣風扇和循環(huán)水泵轉(zhuǎn)動，同時油泵開始給加熱器供油，油在燃燒室進口處霧化并與從助燃空氣進口進入的空氣混合，由點火電極點火燃燒，著火傳感器將信號傳遞給控制器，加熱器開始正常工作，產(chǎn)生的高溫燃氣在燃燒室尾端折返 180 度后進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入車廂供暖：而對于液體加熱器，熱水還要進入另外的換熱器將熱量傳遞給空氣后供車廂取暖和除霜用。整個加熱器的運行過程由單片機內(nèi)設定的控制程序控制。 加熱器控制：針對加熱器實際運行中的各種工況，設定了單片機中的加熱器控制程序。加熱器的運行控制包括開機程序、過熱保護、故障停機和正常關(guān)機四個方面。 (1)開機程序 按下開 機按鈕，加熱器啟動，風扇和水泵工作，控制器檢測各元件工作是否正常，如發(fā)現(xiàn)任何故障則點火過程停止，并通過燃燒指示燈報警，用戶可根據(jù)指示燈閃爍的情況對照說明書對加熱器故障進行判斷并予以排除。如若點火成功且著火傳感器探測到火焰穩(wěn)定后，點火電極停止跳火，燃燒指示燈亮，加熱器進入正常工作狀態(tài)。 (2)過熱保護 加熱器正常工作時，對于液暖加熱器，通過安裝在水腔中的溫度傳感器對加熱器進行過熱保護．一般情況下設定水溫不超過 800℃，當水溫超過這一數(shù)值時，溫度傳感器將信號傳遞給控制器，加熱器停機， 8 而當水溫低于 650℃時加熱器 又會自動重新啟動。如果因為水路循環(huán)不暢而引起加熱器過熱，過熱傳感器動作，供油中斷，加熱器故障停機。 (3)故障停機 加熱器運行過程中出現(xiàn)故障自動熄火，控制程序會自動重新點火；當加熱器的工作電壓偏離正常范圍（一般為 24V）時，加熱器會停機并報警；加熱器運行時如果控制器檢測到某一元件不正常時，也會自動停機并通過故障指示燈報警． (4)正常關(guān)機 在需要停機時按下關(guān)機開關(guān)，首先是油泵停止供油，而風扇電機和水泵繼續(xù)運行，帶動風扇繼續(xù)供風和水路循環(huán)，直到加熱器冷卻后，系統(tǒng)徹底停止運行，燃燒指示燈熄滅，整個延時過程大 約持續(xù) 3 分鐘。 車用加熱器的分類 (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、燃氣加熱器、燃油燃氣雙燃料加熱器。燃油加熱器主要以汽油或柴油為主，燃氣加熱器主要以壓縮天然氣或液化石油氣為燃料。 (2)按換熱介質(zhì)分 車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。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)動機的冷卻水管路、空調(diào)中的暖風芯子的水路相通，不僅可作為車廂采暖除霜用，而且可以預熱發(fā)動機、潤滑油，有利于低溫條件下的發(fā)動機起動；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)比水暖加熱器的復雜，內(nèi)表面和外表面均布滿翅片狀的換熱片，可將被加熱的