（動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)論文）車用yjtq30液體天然氣加熱器的性能試驗(yàn)研究.pdf

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著汽車保有量的高速增長(zhǎng)，環(huán)境污染和石油資源短缺問題日趨 嚴(yán)重。為此，世界各國(guó)積極開展新能源汽車的研發(fā)工作。其中，天然 氣汽車以其排放低、抑制溫室效應(yīng)和擺脫對(duì)石油依賴三大特性，正在 世界范圍內(nèi)得到普及和推廣。在我國(guó)，不少城市公交和出租車有大量 燃油車已經(jīng)改用或者正在改用壓縮天然氣( c n g ) 或液化石油氣( l p g ) 。 作為一種獨(dú)立的供熱裝置，燃油加熱器已被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶等 各種運(yùn)載機(jī)械在低溫環(huán)境下取暖、化霜、冷啟動(dòng)等。隨著我國(guó)燃?xì)馄?車保有量的迅速增多，開發(fā)與之相匹配的燃?xì)饧訜崞饕矂?shì)在必行。本 文針對(duì)國(guó)產(chǎn)y j t q 3 0 液體天然氣加熱器進(jìn)行了性能摸底試驗(yàn)，掌握了 其工作規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了性能的改進(jìn)與提高試驗(yàn)，取得了較 顯著的效果。 首先，使用高壓空氣對(duì)加熱器的天然氣噴射器進(jìn)行了流量特性試 驗(yàn)。對(duì)影響噴射器供氣性能的各影響因素，包括噴射器噴頭的孔徑、 孔數(shù)一噴射器座量孔及流道的孔徑，供氣管路的管徑和管長(zhǎng)，均做了 流量隨供氣壓力而變的試驗(yàn)研究。并通過相關(guān)的流量修正公式，找出 滿足天然氣加熱器功率要求的天然氣供氣量與供氣壓力的關(guān)系。 然后，進(jìn)行y t - q 3 0 天然氣加熱器的臺(tái)架性能試驗(yàn)研究。由于氣 態(tài)燃料極易與空氣混合燃燒，故不易在熱交換器內(nèi)壁產(chǎn)生積炭和煙灰， 使天然氣加熱器熱效率比燃油加熱器高1 0 以上，且燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，其 效率差值會(huì)越大。為了減少高溫燃?xì)庖蛄鲃?dòng)短路而造成的熱損失，進(jìn) 行了在熱交換器燃?xì)獬隹诙嗣嬖黾尤細(xì)饩鳝h(huán)試驗(yàn)。另外，為了削弱 熱輻射及傳導(dǎo)所造成的熱損失，還做了在燃燒室外加裝遮熱筒試驗(yàn)， 其試驗(yàn)效果顯著。 此外，本文通過自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，對(duì)國(guó)產(chǎn)y j t - q 系列加熱器 和德國(guó)同類型加熱器的助燃風(fēng)扇做了風(fēng)扇前端面距風(fēng)扇罩不同間隙時(shí) 的額定電壓流量特性、額定轉(zhuǎn)速流量特性、以及轉(zhuǎn)速特性等對(duì)比試驗(yàn)， 并對(duì)加熱器助燃風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)和風(fēng)壓特性等進(jìn)行了理論分析。 在汽車加熱器的換熱系統(tǒng)中，循環(huán)水泵是保證液體式加熱器正常 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 供熱的重要組成部分。因此最后，本文自行搭建了試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)國(guó)產(chǎn)y j t - o 系列車用加熱器和德國(guó)同類型加熱器所用的循環(huán)水泵進(jìn)行了工作特性 的試驗(yàn)對(duì)比分析。 關(guān)健詞：天然氣加熱器；性能試驗(yàn)；燃?xì)鈬娚淦鳎恢硷L(fēng)扇；循環(huán)水 泵 a b s t r a ct w i t ht h er a p i dg r o w t ho ft h en u m b e ro fr e t a i n e dm o t o rv e h i c l e s ，t h e p r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds h o r t a g eo fo i lr e s o u r c e si s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y s e r i o u s i nv i e wo ft h is ，c o u n t r i esa r o u n dt h e w o r l da r e c o m m i t t e dt ot h e w o r ko f n e w e n e r g y v e h i c l e s t h e r e f o r e ，n a t u r a lg a sv e h i c l esa r ep o p u l a ra n dp r o m o t e di nt h ew o r l d b e c a u s eo fi t s l o w e m i s s i o n ，i n h i b i t i o no ft h e g r e e n h o u s ee f f e c ta n d i n d e p e n d e n c eo fo i l i nm a n yc i t i e so fc h i n a ，l o t so ff u e lb u s s e sa n d t a x i e sh a v es w i t c h e do ra r es w i t c h i n gt o c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ( c n g ) o r l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) a sak i n do fi n d e p e n d e n th e a t i n gd e v i c e ， f u e l h e a t e r sh a v eb e e n w i d e l y u s e d b y a u t o m o b i l e s ，s h i p s a n d o t h e rt r a n s p or tm a c h i n e r yi nt h ec o l dc o n d i t i o nf o rh e a t i n g ，d e f r o s t ，c o l d s t a r ta n ds oo n i ti si n e v i t a b l et o d e v e l o pg a sh e a t e r st om a t c ht h eg a s v e h i c l e s ，w i t ht h en u m b e r o f g a s c a ri nc h i n a i n c r e a s i n gr a p i d l y 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 t o nt h ed o m e s t i cy j t q 3 0 l i q u i d n a t u ra l g a sh e a t e r a c c o r d i n gt ot h er u le so b t a i n edf r omt h et e s t ， c o r r e s p on d i n gi m p r o v e m e n t sw e r em a d eo u tt o t h eh e a t e r ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eo b v i o u s f i r s t ，s o m ee 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 nt h eg a s - j e t s u s e di nn a t u r a lg a sh e a t e rw i t hh i g h p r e s s u r ea i r t h e r ea r em a n yf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n ceo fg a sj e tu s e di ng a sh e a t e r ，s u c ha s ， d i f f e r e n tp o r es i z ea n dp o r en u m be ro ft h en o z z l e ，s i z eo fm e t e r i n gj e ta n d f l o wc h a n n e l ，d i a m e t e ra n dl e n g t ho fg a s - s u p p l y p i p ea n d s oo n t h e a b o v ea s p e c t sw e r ea l lc h a n g eda n dc o m bi n edw i t ht h er e s e a r c hi nm a n y w a y si n o u rr e s e a r c h a n dt h e n ，t h el a w sw e r e f o u n do u tw h i c hs h o w e d n a t u ra lg a sf l o wc h a n g edw i t ht h e g a s - s u p pl yp r e s s u r et h r o u g hr e l a t e d m o d i f i e df o r m u l a ，w h i c hw i l lm e e tt h e p o w e rr e q u i r e m e n t so fn a t u r a l g a sh e a t e r n e x t ，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 nt h e y j t q 30 i r 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 n a t u ra lg a sh e a t e r s i n c eg a s eo u sf u e lm i x e dw i t ha i ri se a s yt ob u r n ，l i t t l e o fc a r b o nd i s t r i b u t i o ni sp r o d u c e di nt h e i n t e r i o ro fh e a t e re x c h a n g e r ，a n d t h et h e r m a le f f i c i e n c yo fg a sh e a t e rc a nb ei m p r o v e db ym o r et h a n1o c o m p a r e dw i t hf u e lh e a t e r i no r d e rt or e d u c et h et h e r m a ll o s s e s b e c a u s e o fh o tg a sf l ow i n gi nas h o r tw a y ，ag a sc u r r e n t - s h a r i n gh o o pw a sa d d e d o nt h e e x i to fh e a t e re x c h a n g e rr i b i na d d i t i o n ，ah e a t - p r o t e c t i o nt u b ew a s i n s t a l l e do u to ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs ot h a tt h et h e r m a ll o s t d u r i n g t h e p r o c e s s o f h e a tr a d i a t i o na n d h e a t e x c h a n g e w a sd i m i n i s h e d o b v i o u s l y m o r e o v e r ，t h ep e r f o r m a n c er e s e a r c h e s a b o u td i f f e r e n ta s s e m b l i n g c l e a r a n c eb e t w e e nt h er o t o rb l a d ea n df a nc o v e ro fd o m e s t i cy j t qa n d g e r m a n yh e a t e rf a n sa r ec a r r i e do u to nt h es e l f - m a d ee x p e r i m e n td e v i c e ， i n c l u d i n gt h et e s t so ft h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i co fr a t e dv o l t a g ea n d r a t e d s p e e d ，a n dt h es p e e dc h a r a c t e r i s t i c a n dt h e ni ta n a l y z e dt h er o t o r b l a d es t r u c t u r ea n dw i n d p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c so f c o m b u s t i o n - i m p r o v i n gf a no nv e h i c l eh e a t e rt h e o r e t i c a l l y s i n c et h ew a t e rc i r c u l a t i n gp u m pi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eh e a t t r a n s f e rs y s t e mi nv e h i c l eh e a t e r ，t oe n s u r en o r m a lh e a t i n gf o rl i q u i dt y p e h e a t e r a tl a s t ，t h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t e s ta n dt h e c o m p a r a t i v e a n a l y s i s o nt h ec i r c u l a t i n gp u m p so fd o m e s t i cy j t 。0 3 0h e a t e ra n dt h e s a m et y p eh e a t e ro fg e r m a nw e r ec a r r i e do u to nt h es e l f - m a d ee x p e r i m e n t d e v i c e k e y w o r d s ： n a t u r a l g a sh e a t e r ；p e r f o r m a n ce t e s t ； g a s j e t ； c o m b u s t i o n - i m p r o v i n gf a n ；w a t e rc i r c u l a t i n gp u m p i v 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 _m_n 時(shí)間，s 密度，k g l m 3 電流，a 功率，w 長(zhǎng)度，m 重力加速度，m s 2 沿程阻力，m 熱力學(xué)溫度，k 符號(hào)說明 氣體修正體積流量，m 3 h 。l 相對(duì)速度，m s 燃?xì)鉁囟龋?噴頭腔壓力。p a 噴射器空氣流量，m 3 h 。1 熱功率，k w 出水溫度， 進(jìn)水溫度， 過量空氣系數(shù) 轉(zhuǎn)速，r m i n q 電壓，v 風(fēng)機(jī)全壓，p a 面積，m 2 風(fēng)機(jī)泵進(jìn)口靜壓，p a 風(fēng)機(jī)，泵出口靜壓，p a 風(fēng)扇間隙，衄 湍動(dòng)能耗散率，m 2 s 3 雷諾數(shù) 風(fēng)機(jī)葉片安放角，。 牽連速度，m s 絕對(duì)速度，m s 熱效率， 排氣溫度， 進(jìn)氣量調(diào)風(fēng)板開度，。 水平均定壓比熱容，k j k g k 1 1 比轉(zhuǎn)速 天然氣質(zhì)量低熱值，k 1 k ga 。歐拉全壓，p a 天然氣流量，k g h 體積流量，m 3 h 。1 排放儀測(cè)過量空氣系數(shù) 水溫差， a k h h 風(fēng)機(jī)理論全壓，p a 減功系數(shù)相對(duì)渦流系數(shù) 水泵揚(yáng)程，m 水位，m m v r l 2 ； 一 q n 眥 s 網(wǎng) 肚 6 e 貼 阻 u y m h a ， s ( i f r ， p 。 p l g 矽 丁 恙 渺 t 融 馳 氏 n n 唧 凰 m 知 入 們 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 課題提出的背景和意義 2 0 世紀(jì)6 0 年代后，全世界經(jīng)歷了三次重大的石油危機(jī)，同時(shí)，環(huán) 境污染日益加劇，嚴(yán)重威脅著人類的健康和生命安全，因此，石油資 源的匱乏、全球環(huán)境的惡化已成為世界兩大難題。眾所周知，汽車是 用油大戶，隨著汽車保有量的激增，機(jī)動(dòng)車尾氣排放已逐漸成為城市 空氣的主要污染源之一。車用燃油加熱器最初裝配在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期的坦克、 裝甲車等軍事車輛上，用于解決低溫冷啟動(dòng)和取暖的難題。2 0 世紀(jì)9 0 年代以來，隨著人們對(duì)乘車舒適性要求的提高，加熱器開始在民用車 上應(yīng)用。之后，隨著燃料價(jià)格和燃油稅的大幅上升，以及環(huán)保法規(guī)的 加強(qiáng)，車用加熱器得到了進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。民用車裝備加熱器能夠 有效解決低溫環(huán)境下的冷起動(dòng)問題，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命，特別是能 夠顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和怠速暖機(jī)過程中的有害排放物排放水平， 對(duì)于環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，意義重大【l 】。 隨著石油資源的逐漸枯竭，世界各國(guó)把能源節(jié)約和開發(fā)列為重要 國(guó)策，積極開展新能源汽車的研究與探索工作。電動(dòng)汽車、醇類燃料 汽車、天然氣汽車、太陽(yáng)能汽車和混合動(dòng)力汽車等應(yīng)運(yùn)而生，其中， 天然氣汽車以其排放低、抑制溫室效應(yīng)和擺脫對(duì)石油依賴三大特性， 正在世界范圍內(nèi)得到普及和推廣，成為2 l 世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重 要方向【2 】。 天然氣主要由甲烷構(gòu)成，甲烷燃燒后基本無污染，以c n g ( 壓縮 天然氣) 汽車為例，與汽油車相比，n m h c ( 非甲烷碳?xì)? 排放可下降 7 0 左右，n o x 排放下降4 0 5 0 ，c o 排放下降2 0 以上【3 】。天然 氣不含鉛、苯等致癌有害物質(zhì)，無腐蝕性，它是一種易燃范圍窄、高 燃點(diǎn)的輕量氣體，在通常的溫度和壓力下比汽油更安全，即使泄漏也 不會(huì)對(duì)土地或水形成威脅。從3 0 年代天然氣汽車出現(xiàn)至今，相對(duì)于汽 油車而言，它從未發(fā)生過重大燃燒或爆炸事故。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 我國(guó)是一個(gè)石油消耗大國(guó)，但是石油燃料的短缺卻非常嚴(yán)重，2 0 0o 年我國(guó)石油凈進(jìn)口原油近7 0 0 0 萬噸，成品油2 0 0 0 多萬噸，支付外匯近 25 0 億美元，進(jìn)口石油已超過國(guó)內(nèi)需求總量的3 0 以上【3 】。2 0 0 9 年，我 國(guó)汽車保有量達(dá)到6 2 0 0 萬輛，消耗了13 4 8 0 萬噸成品油，占全國(guó)汽柴 油總產(chǎn)量的6 3 2 。據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)未來石油的缺口將越來越大。石油 危機(jī)對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的影響已經(jīng)引起高度重視，當(dāng)今世界國(guó)際原油市場(chǎng)動(dòng) 蕩劇烈，研發(fā)節(jié)能汽車和新能源汽車已經(jīng)迫在眉睫。我國(guó)是天然氣資 源豐富的國(guó)家，四川、鄂爾多斯、塔里木、準(zhǔn)噶爾、南海盆地等地已 探明的天然氣儲(chǔ)量相當(dāng)豐富。據(jù)有關(guān)資料預(yù)計(jì)，至2 0 20 年中國(guó)天然氣產(chǎn) 量將達(dá)9 7 0 1 2 0 0 億立方米，我國(guó)國(guó)內(nèi)天然氣產(chǎn)量可滿足全國(guó)需求量的 5 5 6 7 【4 】。因此，充分開拓天然氣市場(chǎng)，合理開發(fā)燃?xì)庑峦緩?，?duì)于 緩解我國(guó)嚴(yán)重污染的城市生態(tài)環(huán)境壓力、促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定的可 持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的意義。 近年來，隨著氣體燃料開采量的增大和遠(yuǎn)距離輸送、凈化脫水及 儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的提高，氣體燃料液化技術(shù)和液化氣體燃料電控噴射技術(shù)的 發(fā)展，特別是隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)排放指標(biāo)要求的日益嚴(yán)格，加之石油資源 的匱乏，氣體燃料在內(nèi)燃機(jī)上的使用又進(jìn)入了新的時(shí)期【3 1 。 隨著燃油的日益緊缺和大氣污染的日益嚴(yán)重，世界各國(guó)不少汽車 改用經(jīng)濟(jì)性和排放性能更好的氣體燃料。在我國(guó)，隨著“西氣東輸 、 “海氣上岸 工程的實(shí)施，天然氣市場(chǎng)出現(xiàn)了新的蓬勃發(fā)展局面。汽 車領(lǐng)域里，城市公交和出租車等大量燃油車已經(jīng)改用或者正在改用壓 縮天然氣或液化石油氣。對(duì)于車用加熱器來說開發(fā)與之匹配的氣體燃 料加熱器亦成為必然。 1 2 汽車加熱器系統(tǒng)簡(jiǎn)介 汽車加熱器產(chǎn)生于2 0 世紀(jì)4 0 年代，作為汽車的重要附屬系統(tǒng)它已 被廣泛的用于汽車、船泊等各種運(yùn)載機(jī)械在低溫環(huán)境下取暖、化霜、 冷起動(dòng)等，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，車用加熱器已成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。 2 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 1 汽車加熱器的工作原理 汽車加熱器是一種在低溫環(huán)境下，利用燃料( 如柴油、天然氣等) 在燃燒器中燃燒產(chǎn)生熱量，通過傳熱介質(zhì)( 空氣或水) 使用該熱量為 汽車供熱的裝置( 如圖1 - 1 為汽車加熱器系統(tǒng)在車輛上的簡(jiǎn)單示意圖) ， 主要由控制系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、配風(fēng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng) 五部分組成1 5 】。 1 定時(shí)器2 遙控器3 加熱器4 捧氣消音器5 計(jì)量油泵6 水循環(huán)泵7 進(jìn)氣消音器 圖1 。1 汽車加熱器系統(tǒng)示意 在汽車加熱器的工作運(yùn)行過程中【1 】，其控制系統(tǒng)根據(jù)各種傳感器的 信號(hào)，控制加熱器的點(diǎn)火及熄火過程和燃燒室及換熱介質(zhì)的溫度，并 使加熱器具有過熱保護(hù)功能。燃料供給系統(tǒng)主要將燃料以噴霧、燃油 蒸汽或氣體的形式提供到燃燒室中。配風(fēng)系統(tǒng)主要配合燃燒室的形狀 以及燃料燃燒方式，提供助燃空氣，優(yōu)化燃燒。燃燒系統(tǒng)由燃燒室和 點(diǎn)火裝置組成，是燃料和空氣混合并燃燒的場(chǎng)所。換熱系統(tǒng)的作用是 將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞到換熱介質(zhì)中，再由換熱介質(zhì)將熱量釋放 到應(yīng)用場(chǎng)合。作為一種獨(dú)立熱源，車用加熱器可以不受發(fā)動(dòng)機(jī)的約束， 在任何情況下全天候提供熱源，隨著科技發(fā)展和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，其 結(jié)構(gòu)、性能設(shè)計(jì)日趨成熟，以控制系統(tǒng)為例，當(dāng)前較先進(jìn)的加熱器控 制方式主要有：預(yù)設(shè)數(shù)字定時(shí)啟動(dòng)方式、無線遙控啟動(dòng)方式和移動(dòng)電 話啟動(dòng)方式。為提高效率，如圖1 - 2 所示，目前在車輛上使用較多的是 固 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和獨(dú)立式加熱器的聯(lián)合方式【6 】，即將加熱器采暖系統(tǒng)串聯(lián) 到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)管路中。在起動(dòng)汽車前，先起動(dòng)加熱器預(yù)熱發(fā)動(dòng) 機(jī)，可解決低溫冷起動(dòng)困難問題，并縮短起動(dòng)時(shí)間，同時(shí)可降低起動(dòng) 過程的尾氣排放和減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損。汽車正常行駛時(shí)，便可利用發(fā)動(dòng) 機(jī)冷卻系統(tǒng)攜帶的熱量取暖，降低加熱器的負(fù)荷和汽車采暖成本。 圖1 - 2 加熱器在客車的安裝工作示意圖 1 2 2 汽車加熱器的分類及發(fā)展趨勢(shì) 車用加熱器從最初的余熱式到現(xiàn)在的獨(dú)立燃燒式，經(jīng)歷了幾個(gè)不 同發(fā)展階段，產(chǎn)品種類越來越豐富，技術(shù)也越先進(jìn)，目前的汽車加熱 器都有自己?jiǎn)为?dú)的供風(fēng)、供油系統(tǒng)和控制裝置，可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作。 車用加熱器按換熱介質(zhì)的不同可分為液體加熱器( 以水作為換熱 介質(zhì)) 和氣體加熱器( 以空氣作為換熱介質(zhì)) 兩類。按照燃料不同， 加熱器可分為燃油( 主要是柴油或汽油) 加熱器、燃?xì)? 主要是c n g 或l p g ) 加熱器及燃油燃?xì)怆p燃料加熱器。其中，燃油加熱器根據(jù)燃燒 室燃油霧化方式不同又可分為噴霧霧化式、離心霧化式和揮發(fā)霧化式 三類【l 】，分別適合于熱功率較大( 1 5 k w 以上) 、中等( 9 2 4 k w ) 和較 小( 1 2 k w 以下) 的加熱器。噴霧霧化方式加熱器采用高壓油泵通過噴 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 嘴將燃油以油霧的形式噴入燃燒室，霧化后的細(xì)小液滴通過蒸發(fā)擴(kuò)散 參與燃燒【7 】；離心霧化式加熱器通過低壓油泵將燃油滴落到一高速旋轉(zhuǎn) 的甩油盤上，通過離心力作用將油霧化；揮發(fā)霧化方式采用油量小的 低壓電磁泵，油被滴落到燃燒室頭部的金屬絲網(wǎng)上受熱揮發(fā)并與空氣 混合燃燒t 1 】。 當(dāng)前車用加熱器各系統(tǒng)技術(shù)都在向更為先進(jìn)的方向發(fā)展，控制系 統(tǒng)以加入單片機(jī)為核心，成功集成了遙控啟動(dòng)及運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)監(jiān) 控功能，隨著電路集成化程度的提高，加熱器的自動(dòng)化一定會(huì)達(dá)到新 的高度。數(shù)值模擬技術(shù)已逐步廣泛應(yīng)用于加熱器的設(shè)計(jì)及研制過程中， 比原先單純的經(jīng)驗(yàn)加試驗(yàn)方式大大縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了開發(fā)成本 同時(shí)，以排放低、經(jīng)濟(jì)性好的壓縮天然氣( c n g ) 和液化石油氣( l p g ) 為燃料的燃?xì)饧訜崞骷叭細(xì)馊加碗p燃料加熱器，也隨著燃?xì)馄嚤Ｓ?量的增加而投入市場(chǎng)，改變了原先僅有燃油加熱器的局面。 汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展所造成的能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重， 世界各國(guó)共同關(guān)注的焦點(diǎn)便是尋找汽車代用燃料，開發(fā)新能源汽車。 石油短缺現(xiàn)象在我國(guó)將長(zhǎng)期存在，而我國(guó)的天然氣探測(cè)儲(chǔ)量在不斷增 加，同時(shí)，國(guó)家對(duì)環(huán)境的監(jiān)管力度也在不斷加強(qiáng)，燃?xì)馄囈云涔?jié)能、 高效、燃燒充分、污染小等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)將呈現(xiàn)新的發(fā)展局面和廣闊空 間【8 】。目前，隨著燃?xì)馄? 主要是c n g 、l p g 汽車) 保有量的不斷增 加，各國(guó)生產(chǎn)汽車加熱器的企業(yè)也瞅準(zhǔn)商機(jī)，紛紛加大投資力度開發(fā)、 生產(chǎn)與之相配套的氣體燃料加熱器，相信隨著天然氣探測(cè)技術(shù)的不斷 發(fā)展，天然氣汽車將展現(xiàn)新的局面，車用加熱器領(lǐng)域亦將因?yàn)槿細(xì)饧?熱器技術(shù)的不斷成熟而拓寬自己的發(fā)展空間。 1 3 汽車加熱器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 汽車加熱器在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，在歐洲汽 車實(shí)行歐i i i 和歐i v 排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)后，不僅是在有害排放指標(biāo)上更加 嚴(yán)格，而且測(cè)試方法上也有了顯著調(diào)整，對(duì)冷啟動(dòng)過程排放權(quán)重的加 強(qiáng)使得采用加熱器成為汽車達(dá)標(biāo)的一項(xiàng)重要措施【9 】。隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)加熱器的市場(chǎng)也得到了快速發(fā)展。改革開放以來， 中國(guó)市場(chǎng)與世界市場(chǎng)的融合與交流不斷加深，以河北宏業(yè)和北京京威 為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)利用其產(chǎn)品成本低的巨大優(yōu)勢(shì)正在積極地開拓國(guó)際 市場(chǎng)。 目前，隨著石油資源的短缺和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，天然氣作為 一種新的清潔能源，日益受到各國(guó)的重視h o 。天然氣汽車以其低排放、 燃燒效率高等特性，備受世界各國(guó)的青睞，正在世界范圍內(nèi)得到普及 和推廣。在我國(guó)已經(jīng)成立了“國(guó)家清潔燃料汽車領(lǐng)導(dǎo)小組，大力推廣 燃?xì)馄嚒?1 3 1 國(guó)外加熱器發(fā)展現(xiàn)狀 汽車加熱器的研發(fā)和應(yīng)用在世界汽車工業(yè)技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家 ( 如德國(guó)、美國(guó)、意大利和日本) 已經(jīng)比較成熟，其中，比較著名的 企業(yè)有德國(guó)的w e b a s t o 公司和e b e r s p a c h e r 公司以及日本的三國(guó)等【l l 】。 他們生產(chǎn)的加熱器以低油耗、高效能、結(jié)構(gòu)小巧緊湊、易于操作等優(yōu) 勢(shì)備受世界各汽車用戶的青睞。 w e b a st o 是一家主要生產(chǎn)汽車天窗、汽車供暖系統(tǒng)及其他車用產(chǎn)品 的品牌公司，該公司于1 9 5 2 年設(shè)計(jì)發(fā)明了第一臺(tái)用于客車發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú) 立采暖系統(tǒng)，長(zhǎng)期致力于車用加熱器的技術(shù)創(chuàng)新、深度國(guó)產(chǎn)化及一流 的品質(zhì)管理。其推出的w e b a s t0s c h o la s tic 系列產(chǎn)品采用電子點(diǎn)火、 微型計(jì)算機(jī)集中控制等新技術(shù)；a i r t o p 和t h e r m o 【1 2 】系列產(chǎn)品可使燃燒 殘留物充分汽化，既消除積碳提高換熱效率，又減輕排放。目前w e b a s t0 公司新推出的t h e r m ot o p 中，由于采用了新型燃燒室和陶瓷噴嘴，以及 新的換熱器材料和結(jié)構(gòu)，不僅使加熱器的啟動(dòng)時(shí)間由原來的9 0 s 縮短到 不足3 0 s ，而且其熱效率達(dá)到了7 5 以上【1 2 】 1 3 】【1 4 1 。如圖1 - 3 是w e b a st0 公司推出的a i rt o p 系列的高效能產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外高檔車中得到了廣泛 使用。作為一個(gè)大型跨國(guó)企業(yè)，e b e r s p a c h e r 公司主要研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣 處理和汽車供暖系統(tǒng)，目前主要擁有h y d r o ni c 、a i r t r o n i c 、d 5 8l 等多個(gè)系列的加熱器產(chǎn)品【1 5 】。 6 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖卜4 河北宏業(yè)噴霧燃油加熱器 2 0 世紀(jì)末期，燃?xì)廛囕v( 主要是c n g 、l p g 汽車) 保有量不斷增多， 各加熱器生產(chǎn)廠家開始生產(chǎn)推出與之相匹配的車用燃?xì)? 主要是c n g 或l p g ) 加熱器。其中，w e ba st0 公司研發(fā)的以c n g 、l pg 為燃料的n g w 3 0 0 、 l g w 300 燃?xì)饧訜崞?，已?jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用【1 6 】。瑞士研制成的2 4 60 型水循環(huán)燃?xì)饧訜崞鳎摦a(chǎn)品以丙烷為氣體燃料，由換熱器、氣噴嘴 及自動(dòng)保險(xiǎn)裝置組成，拓寬了氣體燃料加熱器的開發(fā)領(lǐng)域【1 7 】。 1 3 2 國(guó)內(nèi)加熱器發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)汽車工業(yè)整體技術(shù)水平較低，生產(chǎn)廠家在加熱器的研發(fā)上投 資較少，因此技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。近年來，我國(guó)汽車保有量大 大增加，中國(guó)市場(chǎng)與世界市場(chǎng)的合作不斷加深，國(guó)內(nèi)加熱器產(chǎn)業(yè)也加 強(qiáng)與高校的合作，積極開展加熱器產(chǎn)品的開發(fā)與研究，取得了良好的 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前國(guó)內(nèi)加熱器主要供應(yīng)本國(guó)的客車、公交車 以及軍事用車配套等，主要生產(chǎn)和銷售廠家有河北宏業(yè)、北京京威和 河北南風(fēng)。河北宏業(yè)生產(chǎn)的f j 、y j 系列燃油加熱器及系列c s ( s r ) 除 霜器和北京京威生產(chǎn)的y j 系列液體加熱器和q n 系列暖風(fēng)機(jī)，其技術(shù)水 平和生產(chǎn)工藝比國(guó)外相對(duì)落后，但基本滿足了國(guó)產(chǎn)客車和其他車輛的 需求【1 8 】【1 9 】。圖1 - 4 是河北宏業(yè)生產(chǎn)的噴霧燃油液體加熱器，在國(guó)內(nèi)客 車中備受青睞。另外，河北宏業(yè)與山東大學(xué)合作開發(fā)了一系列產(chǎn)品： 5 k w 風(fēng)冷和水冷蒸發(fā)霧化式加熱器【2 0 1 、氣液雙燃料及氣體燃料加熱器 7 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 等，其中噴霧霧化式液體型汽車加熱器的技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先 進(jìn)水平【9 】。北京京威與長(zhǎng)安大學(xué)合作開發(fā)出的c n g 液體型汽車加熱器 【2 l 】，已投入小批量生產(chǎn)。同時(shí)，在降低加熱器工作噪音【2 2 1 、提高點(diǎn)火 性能【2 3 】以及排放水平 2 4 】方面，長(zhǎng)安大學(xué)也有一定的研究。在轎車領(lǐng)域， 外國(guó)車型不斷引進(jìn)( 歐洲汽車制造商廣泛安裝汽車加熱器) ，w e b a st o 公司生產(chǎn)的汽車加熱器已經(jīng)做為國(guó)產(chǎn)奧迪a 4 、a 6 的出廠選裝配置，而 且，隨著人們對(duì)乘車舒適性要求的提高，出廠選裝加熱器配置的車型 也在不斷增加，主要應(yīng)用于中高檔轎車中，如：奔馳e 級(jí)、寶馬3 系、 寶馬5 系等。 目前，我國(guó)客車冬季采暖的主要設(shè)備是燃油加熱器，主要以柴油 或汽油作為燃料，由于國(guó)產(chǎn)加熱器結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制系統(tǒng)自身 的原因，在使用過程中還存在一些很難克服的缺陷，如開、關(guān)機(jī)過程 煙度過大，c o 、h c 排放濃度過高；燃燒室積碳嚴(yán)重，長(zhǎng)期使用后嚴(yán)重 降低熱效率；控制單元可靠性差，很難實(shí)現(xiàn)加熱器的多工況運(yùn)行等。 同國(guó)外的同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)加熱器產(chǎn)品主要存在燃燒效率低、產(chǎn)品 著火穩(wěn)定性差和噪聲高的缺點(diǎn)【2 4 】，因此還有大量的改進(jìn)工作需要去做。 1 3 3 國(guó)內(nèi)燃?xì)饧訜崞骱?jiǎn)介 燃?xì)馄嚰夹g(shù)在我國(guó)起步晚，技術(shù)裝備比較落后，產(chǎn)品質(zhì)量差， 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家的法律、法規(guī)、政策滯后，與國(guó)外相比有很大差距。 但是只要在技術(shù)裝備和配套設(shè)施上加大開發(fā)力度，形成規(guī)范化和產(chǎn)業(yè) 化，天然氣汽車就會(huì)因其排放低、高效能和擺脫對(duì)石油依賴的優(yōu)勢(shì)， 以規(guī)?；陌l(fā)展數(shù)量進(jìn)入市場(chǎng)。為了與天然氣汽車相配套，目前國(guó)內(nèi) 已成功開發(fā)出燃?xì)饧訜崞骷叭細(xì)馊加蛢捎眉訜崞鳎c國(guó)外相比相關(guān) 技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，還未投入大批量生產(chǎn)。 為了保證工藝?yán)^承性和節(jié)約成本，我國(guó)的汽車燃?xì)饧訜崞骶窃?技術(shù)相對(duì)成熟的燃油加熱器基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，主要將原來的電控燃油 供給系統(tǒng)改為電控燃?xì)夤┙o系統(tǒng)， 燃?xì)饧訜崞饕才溆悬c(diǎn)火熄火保護(hù)、 其他系統(tǒng)改變并不大【2 5 1 。同時(shí)國(guó)產(chǎn) 過熱保護(hù)及煙道堵塞檢測(cè)等安全保 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 i nii ni lil iia m i li l l 護(hù)裝置，可以滿足汽車的采暖及安全性要求。 1 4 課題主要研究?jī)?nèi)容 本文以河北宏業(yè)提供的車用y j t q 3 0 液體天然氣加熱器為研究對(duì) 象。首先，通過高壓空氣的流量特性試驗(yàn)及相關(guān)換算公式，找出滿足 天然氣加熱器功率要求的天然氣供氣量與供氣壓力的關(guān)系。然后，進(jìn) 行y j t - q 30 天然氣加熱器的臺(tái)架性能試驗(yàn)研究，根據(jù)加熱器隨各影響因 素的變化規(guī)律，采取相應(yīng)措施，改進(jìn)和提高天然氣加熱器的工作性能， 包括設(shè)計(jì)并加工了加裝在熱交換器燃?xì)獬隹诙嗣娴姆娇准皥A孔均流 環(huán)；同時(shí)，為減輕燃燒室的熱損失，還設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的遮熱筒。最 后，對(duì)天然氣加熱器的風(fēng)機(jī)和水泵分別搭建試驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行了相關(guān)的 性能試驗(yàn)研究。 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章天然氣噴射器性能試驗(yàn) 在天然氣加熱器的燃料供給系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的裝置之一是氣體噴 射器，它的性能優(yōu)劣直接影響燃料的噴射質(zhì)量，從而影響到加熱器的 整體工作性能。天然氣噴射器與燃油噴射器的最大差別是其需要較大 的流通截面，以保證大氣流的通過能力。有很多因素影響燃?xì)鈬娚淦?的性能，如噴射器噴頭的孔徑和孔數(shù)、噴頭座量孔及流道的孔徑，供 氣管路的管徑和管長(zhǎng)等。為了避免用天然氣測(cè)試噴射器可能帶來的危 險(xiǎn)和浪費(fèi)，本章節(jié)中，作者利用壓縮空氣，對(duì)若干天然氣噴射器，作 了天燃?xì)饬鞯?、噴頭噴孔等不同幾何參數(shù)對(duì)天燃?xì)饬髁坑绊懙脑囼?yàn)研 究，同時(shí)還做了輸氣管路不同管長(zhǎng)與不同管徑對(duì)天燃?xì)饬髁坑绊懙男?能對(duì)比試驗(yàn)。最后分析了這些影響因素的主次，找到了氣體流量與供 氣壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 2 1 天然氣噴射器試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 1 0 1 空氣壓縮機(jī)2 浮子流量計(jì)壓差計(jì)3 噴射罌供氣壓力表4 天然氣噴頭腔壓力計(jì) 5 天然氣噴頭6 天然氣噴頭座7 電磁閥8 l z b - 15 浮子流量計(jì)9 y q y - 12 減壓器 圖2 1 天然氣噴射器性能試驗(yàn)臺(tái)架示意圖 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 一l 為天然氣噴射器試驗(yàn)裝置示意圖。該試驗(yàn)裝置包括空氣壓縮 機(jī)、y q y 一12 減壓器、l z b - l5 玻璃錐管浮子流量計(jì)、壓力計(jì)和燃?xì)鈬娚?器等。其中，y q y - i2 減壓器的作用是將壓縮天然氣瓶中的高壓氣體調(diào) 節(jié)降為低壓氣體，并保持輸出氣體的壓力和流量自始至終穩(wěn)定不變。 l z b 一15 玻璃錐管浮子流量計(jì)的測(cè)量范圍是o 6m 3 h 6 m 3 h ，壓力損失 小，精度較高，符合試驗(yàn)條件要求。 試驗(yàn)過程中使用空氣壓縮機(jī)提供高壓氣體，通過調(diào)節(jié)y q y - l2 減壓 器，改變噴射器供氣壓力來調(diào)整不同流量。每個(gè)流量測(cè)點(diǎn)待工況穩(wěn)定 后迅速讀取各壓力計(jì)與流量計(jì)等測(cè)試儀表顯示值，然后繪制壓力特性 曲線圖。 2 2 天然氣噴射器試驗(yàn)方案 23 1 天然氣噴頭體2 天然氣噴頭帽3 天然氣噴孔 圖2 2 天然氣噴頭示意圖 天然氣噴射器由天燃?xì)鈬婎^、天然氣噴頭座、天然氣進(jìn)氣管及電 磁閥等組成。圖2 2 為天然氣噴頭結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，噴頭由噴頭 體與噴頭帽焊接而成，其噴頭帽上均布有若干天然氣噴孔。本文對(duì)1 5 孔o(hù) 2 0m m 、1 2 孔o(hù)2 0m m 和1 5 孔1 8m m 三種天然氣噴孔的噴 頭做了性能對(duì)比試驗(yàn)。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 為試驗(yàn)所用的天然氣噴頭座結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)際工作時(shí)，電 磁閥將天然氣量孔打開，使從供氣管進(jìn)入的天然氣，通過天然氣量孔 經(jīng)安裝在噴頭座上的天然氣噴頭噴入燃燒室中與空氣混合燃燒。本章 節(jié)對(duì)噴頭座天燃?xì)饬鞯啦煌瑤缀纬叽缱隽藟毫μ匦詫?duì)比試驗(yàn)。噴頭座 不同幾何參數(shù)組合如表2 一l 所示。 1 天然氣供氣管連接孔2 天然氣噴頭腔測(cè)壓管3 天然氣噴頭連接孔 4 天然氣量孔5 電磁閥連接孔6 工藝孔鉚釘 圖2 3 天然氣噴射器座 表2 - 1 天然氣噴頭座燃?xì)饬鞯缼缀螀?shù)( m i l l ) 編號(hào) d 1d 2d 3d 4d 5d 6 0 # o3 8 33 02 9中613 1 #o3 8o3 3 01 5西6o13 2 # 3 8中43 51 96o13 3 #o3 8 44 001 9西6o13 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 此處需要說明的是，表中各天然氣噴頭座量孔尺寸d 4 ，均為基礎(chǔ) 直徑。為了比較天然氣量孔不同直徑d 4