车用燃油加热器燃烧性能的试验研究

　　摘要：对车用燃油加热器燃烧室进气孔径（流通面积）、孔的分布、孔的方向等几何参数和进排气压力对加热器燃烧性能的影响进行了试验研究。研究表明，燃烧室进气孔的孔径、孔数、孔的分布及方向等均对燃烧性能影响很大；斜孔所产生的旋转进气，虽具有强化燃气混合、消除死区和回流稳焰的作用，但回流过度会使燃烧室及排温过高；保证进排气系统流动阻力（压力）的一致性，有助于保证加热器性能稳定。

　　关键词：燃油加热器，燃烧室，进气孔，燃烧性能

　　一、前言

　　车用燃油加热器是一种独立热源，装车后通过燃用车用燃油为汽车供热，可用于寒冷季节或寒冷地区的车内取暖，驾驶室前窗玻璃除霜及发动机预热启动等。

　　基于车用加热器可提供适宜的车内环境温度，解决发动机低温起动的困难，缩短低温暖机时间，减少摩擦副磨损，降低启动过程的排污等作用，车用加热器的市场需求也越来越大，尤其是随着环保法规日益严格，愈加彰显出加热器用于冷启动的重要性。

　　山东大学近几年已为厂家研发了数种燃油加热器，为进一步优化加热器燃烧室的燃烧，作者就某车用小型液体式汽油加热器燃烧室一级燃烧筒上的进气孔径、孔数、进气孔方向和进、排气压力等几何参数对燃烧性能的影响进行了研究。

　　二、试验装置

　　试验所用加热器额定热流量为5kW，其燃油雾化形式为蒸发雾化式。试验是在作者自行设计建立的试验台架上进行的。台架以一台离心式风机为风源，并通过阀门1、2、22的适当调整获得所需进气压力p进；选用2台涡街式流量计，分别测量加热器的进气流量和循环水流量；燃油消耗的测量选用FC2210Z智能油耗仪；尾气排放测量采用Delta2000CD烟气分析仪。

　　三、试验分析

　　（一）几何参数

　　作者对加热器燃烧室一级燃烧筒进气孔的孔径、孔数、气孔方向及其分布等设计了3种不同方案，如表1所示。方案1各层进气孔的总面积A1=144.9mm2，方案2 A2=173.9mm2，方案3 A3=162.2mm2。

　　加热器正常工作时，助燃风扇在直流电机的驱动下吸入助燃空气；吸入加热器上体进气腔18内的空气经分气导流片15由一级燃烧筒7上的4层气孔2、3、4、5进入一级燃烧室；燃油吸附饼16上所吸附的燃油被紧靠燃油吸附饼的电热塞（启动着火后断电）加热蒸发，与第1层气孔2进入的一次风混合生成可燃混合气，被电热塞引燃后与第2、3、4层气孔所进空气进一步混合燃烧，并在燃烧室缩口13的燃气回流稳焰作用下形成持续稳定的燃烧过程。考虑到上体进气腔空气的流动惯性，将进气导流片上的进气孔偏向一侧，而方案1中各层气孔也与之对应为非均布和部分均布。试验发现，在气孔间隔较大的燃烧室内壁处，由于空气不易到达，被甩入的燃油蒸气热解后会产生固体碳，有时所形成的碳黑厚度达5～8mm。

　　为了便于了解进气流场分布情况，作者采用AVL公司开发的商用软件Fire进行了数值模拟计算。进气孔为非完全均布的方案1，其气涡中心偏向一侧，再加上进气孔较少，使得在燃烧筒内壁面出现较大的死区，因此易产生积碳，这与实际拆机观察结果是吻合的。

　　为了减少死区，方案2增加了第2层进气孔的孔数，并将直孔改为均布斜孔，旨在燃烧筒内壁形成旋流，起清扫内壁和加强紊流混合作用。由图3可看出，方案2的流线分布均匀，死区小，经试验，积碳少于方案1，其内壁挂碳情况得以改善。

　　在方案2的基础上，方案3将第3层孔也改为均布斜孔，以试图加强清扫作用。而将第4层孔由非均布改为均布，但仍保持为径向直孔，以产生扰流，使其湍流燃烧，提高燃烧系统单位容积的能源产出率。从图3（b）第3层孔的流线分布可看出，方案3好于方案2。二者燃烧室内壁上的积碳分布情况无明显差异，但其共同的特点是，燃油吸附饼周向的大块积碳明显少于方案1，这可能是斜孔的旋流作用加强了燃气回流所致。

　　（二）进气压力

　　试验所用燃油加热器是一种小型加热器。从结构简单考虑，其进气量是不可调的。加热器一旦工作，助燃风扇便以一公称转速运转。但因其存在制造散差，会使风扇转速和进气通道阻力有所不同，从而使空燃比存在差异，为了探索对加热器性能影响的程度，作者通过图1的试验装置人为地改变进气压力，以找出其影响规律。

　　随进气压力的增大，3个方案的过量空气系数λ均增大，但因总进气面积A2>A3>A1，故其过量空气系数也是λ2>λ3>λ1。由于总进气面积增大使进气阻力减小，从而使上体进气腔压力p腔存在相反关系，即p腔2

　　3个方案在λ>112后，CO出现最小值且基本稳定不变；NOx也在λ>1105后随空燃比的增大而下降，但方案2、3因混合气稀于方案1而整条曲线均在方案1之下，然而排温曲线均在方案1之上，这可能是燃烧室缩口13的燃气回流作用与方案2、3斜孔旋流所产生的回流叠加后过强，使大量高温燃气回流过度，被加热的前端混合物温度过高所致。

　　由于方案3在方案2的基础上将第3层孔也加工成斜孔，所以方案3的旋流回流加热作用大于方案2，故方案3的排温曲线在方案2之上。

　　进气压力p进对加热器性能的影响计算所得燃烧室纵剖面等温线图也显示方案3温度最高，方案2次之。但方案3燃烧室内温度最高处也仅在1400K以下，远低于NOx冻结温度（1800K），所以方案2、3虽空燃比大于方案1，但其NOx排放曲线仍在方案1之下。

　　（三）排气压力

　　随着排气背压p排的增大，加热器上体进气图5 排气压力p排对加热器性能的影响腔压力p腔也在增大，但因排气不畅使过量空气系数呈下降趋势，其NOx也随之降低，而CO却因缺氧的加剧而大大上升。

　　四、结论

　　（1）加热器燃烧室进气孔孔数、孔径（流通面积）、孔的分布及方向等均对燃烧性能影响很大，设计时应兼顾彼此，通盘考虑。

　　（2）斜孔进气所产生的旋转气流，虽具有增加紊流、强化混合、消除死区和回流稳焰的作用，但若回流过度会使燃烧室及排气温度过高。

　　（3）对该蒸发式扩散燃烧加热器而言，综合考虑其过量空气系数λ控制在112～114之内为宜，λ过大会使排温过高，加大排气热损失。

　　（4）进排气压力对加热器性能有影响，生产中尽量保证加热器进排气系统流动阻力的一致性。