揮發(fā)霧化式燃油加熱器CO氣體排放的影響因素研究

1 引言

汽車(chē)燃油加熱器是一種汽車(chē)空調(diào)舒乘系統(tǒng)，主要功能是可獨(dú)立加熱發(fā)動(dòng)機(jī)或駕駛室。過(guò)去主要解決發(fā)動(dòng)機(jī)怠速熱車(chē)慢，低溫啟動(dòng)困難或怠速熱車(chē)時(shí)汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境重度污染的問(wèn)題。近年來(lái)，商用車(chē)的長(zhǎng)途輔助供暖和休息供暖，旅游車(chē)輛的住宿供暖，燃油加熱器由于其不用啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就可以獨(dú)立加熱的便利性和燃油經(jīng)濟(jì)性，日益得到普及和發(fā)展。隨著新能源汽車(chē)的普及，汽車(chē)燃油加熱器完全可以采用可再生的燃料如甲醇、生物乙醇，在滿足碳中和的國(guó)家能源政策要求的前提下，提供更經(jīng)濟(jì)有效的空調(diào)熱源。

汽車(chē)燃油加熱器核心部件是燃燒器，其是燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)對(duì)熱效率，排放，容熱強(qiáng)度等主要性能有根本性的影響。按照燃燒器對(duì)燃料霧化的方式主要可分為離心式、噴射式、揮發(fā)式幾種，其中揮發(fā)式又叫蒸發(fā)式，是一種比較先進(jìn)的燃燒技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，噪音小，排放好，適合應(yīng)用在中小功率型的燃油加熱器中。由于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)乘用車(chē)、商用車(chē)幾乎都采用蒸發(fā)式燃燒的燃油加熱系統(tǒng)。但使用中出現(xiàn)了冒煙，熄火，排放不達(dá)標(biāo)等燃燒方面的很多問(wèn)題，甚至發(fā)生了多起CO中毒導(dǎo)致司乘人員傷亡的意外事故。除了換熱器殼體泄露以及密封不達(dá)標(biāo)以外，燃燒器在工作過(guò)程中出現(xiàn)了過(guò)量的CO成分，也是主要的原因。針對(duì)燃油加熱器安全性方面的法規(guī)，目前我國(guó)沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)以歐盟對(duì)燃油加熱器的安全性認(rèn)證ECE-R122法規(guī)為例：其要求燃油加熱器最大功率穩(wěn)定工作時(shí)，尾氣CO的組分體積百分比不得超過(guò)0.1%，在此基礎(chǔ)上表壓50Pa的整個(gè)系統(tǒng)的氣體泄漏量不得大于30L/h。本文針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合外環(huán)腔進(jìn)氣蒸發(fā)式燃燒器為例，依據(jù)燃燒物理理論，劃分了蒸發(fā)式燃燒器燃燒過(guò)程的不同功能區(qū)域，依據(jù)燃燒化學(xué)動(dòng)力理論對(duì)各區(qū)域分別描述了CO產(chǎn)生的影響機(jī)制，并基于此改進(jìn)燃燒器進(jìn)氣射流結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)氣射流速度場(chǎng)和靜壓場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該改進(jìn)對(duì)改善CO排放的積極影響，對(duì)低排放蒸發(fā)式燃燒器的設(shè)計(jì)研究提供一定的參考價(jià)值。

2 燃燒反應(yīng)CO生成的一般機(jī)理

如文獻(xiàn)[1]，根據(jù)燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，燃料燃燒時(shí)CO形成過(guò)程可以描述成：

RH→ R→ RCHO→ RCO → CO

(1)

其中R代表碳?xì)湓訄F(tuán)。在合適的條件下，CO會(huì)氧化CO

氧化反應(yīng)路徑如下：

CO + OH <=> CO

+ H

(2)

CO + H

O <=> CO

+ H

(3)

CO + 0.5O

<=> CO

(4)

在較寬的溫度范圍內(nèi)(2)式反應(yīng)比較強(qiáng)烈，低溫的時(shí)候(3)式反應(yīng)比較明顯。如(4)式在一定壓力的高溫下，反應(yīng)將CO

向裂解為CO方向逆轉(zhuǎn)。CO的形成速度一般比CO氧化反應(yīng)速度更快,因此氧化反應(yīng)時(shí)間不足夠的條件下，CO更容易形成并大量累積。

3 蒸發(fā)式燃燒器CO的生成機(jī)理

下面結(jié)合蒸發(fā)式燃燒器的結(jié)構(gòu)，依據(jù)燃燒狀態(tài)的不同劃分各功能區(qū)域并闡述CO生成的過(guò)程。如下圖1所示：

揮發(fā)霧化結(jié)構(gòu)一般采用圓形金屬蒸發(fā)氈外環(huán)腔進(jìn)氣或環(huán)形金屬蒸發(fā)氈內(nèi)腔進(jìn)氣的方式。以外環(huán)腔進(jìn)氣為例，燃油在一定壓力下噴入金屬氈后表面，金屬氈具有很強(qiáng)的燃油侵潤(rùn)能力，燃油可迅速進(jìn)入擴(kuò)散狀態(tài)，在電熱塞較高的溫度作用下強(qiáng)迫點(diǎn)火形成火源，燃油不斷蒸發(fā)并與摻混空氣燃燒形成穩(wěn)定火焰。這里可把燃燒可分成蒸發(fā)霧化過(guò)程(一)、預(yù)燃燒過(guò)程(二)、湍流燃燒過(guò)程(三)和回流續(xù)燃過(guò)程(四)個(gè)階段。如下圖2所示：

其中(一)階段蒸發(fā)霧化過(guò)程在蒸發(fā)預(yù)燃區(qū)燃油氈表面發(fā)生，(二)階段預(yù)燃燒過(guò)程在燃?xì)饣亓鲄^(qū)上游開(kāi)始發(fā)生，(三)階段湍流燃燒在回流區(qū)下游的主燃區(qū)發(fā)生，(四)階段續(xù)燃在縮口下游的尾氣回流區(qū)發(fā)生。針對(duì)(一)(二)階段，即燃料的蒸發(fā)和與預(yù)燃燒階段，主要是按(1)式反應(yīng)，燃料中的C元素以碳?xì)湓訄F(tuán)的方式呈現(xiàn)，產(chǎn)生含醛基化合物后脫氫繼續(xù)氧化生成CO。CO作為中間產(chǎn)物，大量的存在于油氈和回流區(qū)之間的區(qū)域并開(kāi)始燃燒，由于這個(gè)區(qū)域溫度相對(duì)不高，大約在700度以下，因此生成的CO主要與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如(3)式所示，生成CO

和氫氣。在(三)階段主燃區(qū)位置，空氣流和燃?xì)鈸交毂容^強(qiáng)烈，是溫度最高的區(qū)域，此時(shí)在恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)當(dāng)量比情況下，CO主要與O

發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如(2)和(4)式所示，被氧化成大量的CO

成分。如果摻混氣流穿透率不夠，或者空氣量不足導(dǎo)致局部區(qū)域富油，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)(5)式的逆反應(yīng)，產(chǎn)生CO

的的熱分解過(guò)程，從而部分又生成CO。由于還有個(gè)類(lèi)似凹槽的回流結(jié)構(gòu)，在(四)階段區(qū)域會(huì)使煙氣中的一部分CO氣體回流到火焰焰鋒繼續(xù)燃燒，從而使尾氣排放CO含量進(jìn)一步降低。

相對(duì)于1#，有豁口的2#燃燒器由于旋流中心產(chǎn)生相對(duì)的負(fù)壓，使油氈附近的靜壓強(qiáng)變得更小，低壓區(qū)域分布更廣，層次梯度更大，實(shí)際燃燒過(guò)程中2#結(jié)構(gòu)可使回流煙氣更加充分，總體延長(zhǎng)了燃料燃燒反應(yīng)時(shí)間，降低了最終CO的生成率。另外截面為矩形的增強(qiáng)進(jìn)氣射流,形成較強(qiáng)的強(qiáng)制渦流，霧化能力更強(qiáng)。從而可以有效減小燃油顆粒的SMD，進(jìn)而降低燃燒CO、UHC等的污染排放量，使燃燒器綜合的性能都得以良好提升。

1、在當(dāng)量比發(fā)生變化的時(shí)候，低于和高于理論值較多時(shí)，都會(huì)發(fā)生CO排放的增加。

所謂經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，是指企業(yè)因經(jīng)營(yíng)上的原因而導(dǎo)致利潤(rùn)變動(dòng)造成的風(fēng)險(xiǎn)。如產(chǎn)品市場(chǎng)需求、產(chǎn)品售價(jià)、固定成本占總成本的比重。由上述公式可看出，在當(dāng)其他因素不變的情況下，固定成本越高，經(jīng)營(yíng)杠桿系數(shù)越大，企業(yè)必須獲得高于固定成本的邊際收入才能盈利，否則就陷入虧損。故經(jīng)營(yíng)杠桿與經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)正相關(guān)。

2、燃料霧化的顆粒大小也對(duì)CO 的產(chǎn)生有較大的影響，文獻(xiàn)[1]描述如圖3。減小SMD，燃油顆粒的蒸發(fā)時(shí)間會(huì)顯著減小，從而增大了反應(yīng)時(shí)間，減低CO的生成量。

3、在冷車(chē)啟動(dòng)的時(shí)候，CO含量的增加跟壁面火焰淬熄有關(guān)。此時(shí)燃燒器壁面溫度較低，進(jìn)入的摻混冷空氣也容易使火焰的末端急速致冷，導(dǎo)致CO燃燒的反應(yīng)終止，從而導(dǎo)致大量的CO積累。

綜上所述，為進(jìn)一步降低加熱器尾氣中CO的產(chǎn)生幾率，蒸發(fā)式燃燒器主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮擴(kuò)大回流區(qū)域；增強(qiáng)霧化能力，減小燃料SMD，以上措施可以延長(zhǎng)單位體積燃?xì)馊紵幕瘜W(xué)反應(yīng)時(shí)間，使CO有充分的氧化過(guò)程，最終以CO

方式排出。增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流可以有效的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)霧化，擴(kuò)大回流區(qū)域。

2008年美國(guó)因?yàn)榉康禺a(chǎn)市場(chǎng)泡沫破裂而出現(xiàn)大規(guī)模金融危機(jī)，對(duì)實(shí)體經(jīng)濟(jì)也產(chǎn)生了很大的影響。究其原因，一是因?yàn)槊绹?guó)居民超前的消費(fèi)意識(shí)，二是對(duì)于金融創(chuàng)新尚未有完善的監(jiān)管機(jī)制，于是產(chǎn)生危機(jī)。最終房地產(chǎn)市場(chǎng)泡沫被緊縮的財(cái)政和貨幣政策刺破，危機(jī)進(jìn)一步擴(kuò)大并傳導(dǎo)至實(shí)體經(jīng)濟(jì)。

4 旋轉(zhuǎn)射流的數(shù)學(xué)模型

從圖5和圖6的Z方向靜壓強(qiáng)剖面來(lái)看，2#帶四個(gè)豁口結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)呈現(xiàn)較寬的錐形壓力梯度投影，是渦旋氣流呈現(xiàn)的截面形狀。梯度層次呈現(xiàn)4層，層間壓差6Pa左右，中心壓力2018Pa，形成了較大的回流區(qū)并延伸到周?chē)娜紵鞅诿妫?#沒(méi)有豁口的結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)呈現(xiàn)也是錐形壓力梯度投影，梯度層次呈現(xiàn)4層，層間壓差4Pa左右，中心壓力2021Pa，僅分布在燃燒器軸心附近的較小部分區(qū)域，沒(méi)有形成較大的回流區(qū)。

其中：

是常數(shù)，隨著速度的增大渦流的中心壓力會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于外圍環(huán)境壓力的負(fù)壓，從而吸引煙氣回流，產(chǎn)生回流區(qū)。

4.1 增強(qiáng)型回流區(qū)的數(shù)值仿真

為驗(yàn)證以上方案中氣流組織改進(jìn)前后對(duì)CO尾氣排放實(shí)際的影響，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

4.2 仿真結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)室中通常把少量鈉保存在煤油中,原因是:①鈉極易與空氣中的O2、水蒸氣反應(yīng);②鈉不與煤油反應(yīng);③鈉的密度比煤油大,沉于底部。

4.3 流場(chǎng)分析結(jié)論

經(jīng)分析研究，以上是蒸發(fā)式燃燒器正常燃燒工作時(shí)CO形成的原理與過(guò)程。是在理想的當(dāng)量比條件下的情況，還有其他影響因素不容忽視。

建立組織機(jī)構(gòu)，明確職責(zé)，確保工作的實(shí)效性。借助關(guān)工委、工會(huì)和保衛(wèi)處等各方面力量關(guān)心學(xué)生的成長(zhǎng)，幫扶心理困難學(xué)生。利用巡回實(shí)習(xí)檢查和畢業(yè)跟蹤調(diào)查時(shí)機(jī)，對(duì)重點(diǎn)學(xué)生進(jìn)行家訪，發(fā)揮家庭的情感優(yōu)勢(shì)，便于出現(xiàn)危機(jī)事件時(shí)，家長(zhǎng)能及時(shí)給予學(xué)生心理疏導(dǎo)、理解、安慰與支持，預(yù)防危機(jī)事件的發(fā)生。

5 試驗(yàn)

作為改進(jìn)的設(shè)計(jì)，燃燒器金屬氈上方環(huán)壁上，均布了四個(gè)長(zhǎng)度 寬度 斜向豁口，豁口互成 分布，作為2#燃燒器結(jié)構(gòu)方案(見(jiàn)文獻(xiàn)[3])，原來(lái)沒(méi)有豁口的作為1#燃燒器結(jié)構(gòu)方案。為觀察旋轉(zhuǎn)射流對(duì)回流區(qū)域的速度和壓力的影響，進(jìn)行了氣流的有限元分析仿真。燃燒器用Creo三維幾何建模，采用CFD軟件將邊界條件設(shè)為：湍流k-epsilon模型，湍流層流粘性比取100，湍流度取0.04，空氣進(jìn)氣流量2.46L/s，出口壓力2kPa。迭代步數(shù)為500,時(shí)均收斂曲線斜率0.03，劃分268835個(gè)流體單元。

電子文檔在管理過(guò)程中出現(xiàn)這些問(wèn)題的原因主要有：①部分文檔保存工作者的思想認(rèn)識(shí)和工作能力不到位。落后的觀念，導(dǎo)致工作中對(duì)電子文檔的開(kāi)發(fā)積極性不高，意識(shí)不到電子文檔管理的重要性。②圖書(shū)館電子文檔搜集內(nèi)容的局限性。管理員只搜集本部門(mén)的電子文檔，忽視了跨業(yè)務(wù)部門(mén)或者圖書(shū)館聯(lián)盟中兄弟院校圖書(shū)館的電子文檔保存和搜集。③圖書(shū)館缺少與相關(guān)部門(mén)合作，信息較封閉，不能及時(shí)的掌握學(xué)習(xí)和科研等相關(guān)部門(mén)需求，致使信息脫節(jié)。想切實(shí)的改變這些問(wèn)題，圖書(shū)館的文檔保存部門(mén)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

The application of HWENO-LW scheme and immersed boundary method

5.1 試驗(yàn)方案

在海拔高度200米，環(huán)境溫度25℃靜止工況下，用92#乙醇汽油作為燃料，ECU單元調(diào)節(jié)供油頻率和供氣電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使空燃當(dāng)量比保持在14.7±0.3，用SUMMIT-714煙氣分析儀分別檢測(cè)采用上述1#和2#結(jié)構(gòu)5kW熱功率加熱器尾氣的燃燒效率和CO濃度，試驗(yàn)原理如圖7所示：

在同樣的供油量的情況下，相比較1#結(jié)構(gòu)，2#結(jié)構(gòu)在每個(gè)供油檔位上均呈現(xiàn)了較低的CO排放濃度，說(shuō)明2#結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物中CO燃燒更加充分，尾氣中的CO含量更低，在供油速度最大值為0.7L/h時(shí)，CO濃度減少超過(guò)50%。在低供油量時(shí)，濃度相差不大，可能由于風(fēng)量較低，強(qiáng)制渦旋在有豁口2#的結(jié)構(gòu)里形成回流的能力并不明顯導(dǎo)致。試驗(yàn)表明，燃燒器回流能力的增加可以有效延長(zhǎng)新鮮混合氣和已燃煙氣的滯留時(shí)間并充分混合，從而增加CO的氧化反應(yīng)時(shí)間，降低尾氣排放里的含量。

5.2 試驗(yàn)條件

為模擬不同功率下排放情況，把最大供油速度分別設(shè)為0.3L/h、 0.4 L/h、0.5 L/h、0.6 L/h和0.7 L/h共計(jì)5個(gè)檔，在每個(gè)檔讓加熱器穩(wěn)定燃燒十分鐘后開(kāi)始測(cè)量燃?xì)獬煞郑^察煙氣分析儀的CO含量和燃燒效率，并保證燃燒效率不得低于90%下進(jìn)行，否則調(diào)整當(dāng)量比直至燃燒效率達(dá)到90%以上重新測(cè)量。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2中的孔徑尺寸加工試件，在試件的一面壓裝壓鉚螺母，從另一面擰對(duì)應(yīng)尺寸的螺釘，與板件保持一定的間距。然后，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣件進(jìn)行壓縮，如圖5所示。試驗(yàn)機(jī)后臺(tái)記錄的最大壓力就是壓鉚連接的推出力。

6 結(jié)論

根據(jù)文中以上對(duì)蒸發(fā)式燃燒器CO生成機(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)分析，可采取以下措施降低燃油加熱器CO排放的濃度，從而滿足法規(guī)排放要求，甚至更好。

① 冷車(chē)啟動(dòng)后小火焰預(yù)熱充分后再進(jìn)入正常額定功率；

② 減小燃油顆粒SMD值；

不同反應(yīng)時(shí)間制備樣品技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。表4數(shù)據(jù)顯示，反應(yīng)時(shí)間分布在60～300 min之間，制備樣品的鉬含量分布在42.23%～52.67%之間，氨不溶鉬分布在0.35%～1.68%之間，其他雜質(zhì)含量隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)均有不同程度的降低。

③ 提高空燃當(dāng)量比控制的精度，使當(dāng)量比接近理論值；

④ 提高燃燒混合氣的均勻度；

⑤ 增加CO的燃燒化學(xué)反應(yīng)時(shí)間。

以上5個(gè)方面，對(duì)于①和③項(xiàng)可以通過(guò)燃燒控制程序優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)；②和⑤項(xiàng)可以改進(jìn)燃燒器的結(jié)構(gòu),通過(guò)增強(qiáng)霧化能力，擴(kuò)大回流區(qū)來(lái)提高效果；對(duì)于④項(xiàng)可通過(guò)調(diào)整主燃區(qū)的摻混孔的流量系數(shù)，優(yōu)化摻混孔的排列方式，提高摻混氣流的滲透力，來(lái)改善CO的氧化條件。

[1]黃勇,主編. 燃燒與燃燒學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[2]周力行,燃燒理論和化學(xué)流體力學(xué)[M].北京:北京科學(xué)出版社,1986.

[3]李國(guó)瑩, 平蓋平縮口外螺旋進(jìn)氣的揮發(fā)霧化式駐車(chē)加熱器用燃燒器中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 ZL20122187427.3.

[4]Yar., W.M., Lin, T.F. “Combined heat and mass transfer in natural convection between vertical parallel plates with film evaporation”,Int.J.Heat Mass Transfer,Vol.33,No.3,pp. 529-541,1990