挥发雾化式燃油加热器CO气体排放的影响因素研究

1 引言

汽车燃油加热器是一种汽车空调舒乘系统，主要功能是可独立加热发动机或驾驶室。过去主要解决发动机怠速热车慢，低温启动困难或怠速热车时汽车尾气对环境重度污染的问题。近年来，商用车的长途辅助供暖和休息供暖，旅游车辆的住宿供暖，燃油加热器由于其不用启动发动机就可以独立加热的便利性和燃油经济性，日益得到普及和发展。随着新能源汽车的普及，汽车燃油加热器完全可以采用可再生的燃料如甲醇、生物乙醇，在满足碳中和的国家能源政策要求的前提下，提供更经济有效的空调热源。

汽车燃油加热器核心部件是燃烧器，其是燃料燃烧化学反应的场所，其结构对热效率，排放，容热强度等主要性能有根本性的影响。按照燃烧器对燃料雾化的方式主要可分为离心式、喷射式、挥发式几种，其中挥发式又叫蒸发式，是一种比较先进的燃烧技术，由于结构简单，成本低，噪音小，排放好，适合应用在中小功率型的燃油加热器中。由于上述优点，近年来乘用车、商用车几乎都采用蒸发式燃烧的燃油加热系统。但使用中出现了冒烟，熄火，排放不达标等燃烧方面的很多问题，甚至发生了多起CO中毒导致司乘人员伤亡的意外事故。除了换热器壳体泄露以及密封不达标以外，燃烧器在工作过程中出现了过量的CO成分，也是主要的原因。针对燃油加热器安全性方面的法规，目前我国没有明确标准。现以欧盟对燃油加热器的安全性认证ECE-R122法规为例：其要求燃油加热器最大功率稳定工作时，尾气CO的组分体积百分比不得超过0.1%，在此基础上表压50Pa的整个系统的气体泄漏量不得大于30L/h。本文针对以上问题，结合外环腔进气蒸发式燃烧器为例，依据燃烧物理理论，划分了蒸发式燃烧器燃烧过程的不同功能区域，依据燃烧化学动力理论对各区域分别描述了CO产生的影响机制，并基于此改进燃烧器进气射流结构，对进气射流速度场和静压场进行了数值仿真，并通过试验验证了该改进对改善CO排放的积极影响，对低排放蒸发式燃烧器的设计研究提供一定的参考价值。

2 燃烧反应CO生成的一般机理

如文献[1]，根据燃烧化学反应动力学，燃料燃烧时CO形成过程可以描述成：

RH→ R→ RCHO→ RCO → CO

(1)

其中R代表碳氢原子团。在合适的条件下，CO会氧化CO

氧化反应路径如下：

CO + OH <=> CO

+ H

(2)

CO + H

O <=> CO

+ H

(3)

CO + 0.5O

<=> CO

(4)

在较宽的温度范围内(2)式反应比较强烈，低温的时候(3)式反应比较明显。如(4)式在一定压力的高温下，反应将CO

向裂解为CO方向逆转。CO的形成速度一般比CO氧化反应速度更快,因此氧化反应时间不足够的条件下，CO更容易形成并大量累积。

3 蒸发式燃烧器CO的生成机理

下面结合蒸发式燃烧器的结构，依据燃烧状态的不同划分各功能区域并阐述CO生成的过程。如下图1所示：

挥发雾化结构一般采用圆形金属蒸发毡外环腔进气或环形金属蒸发毡内腔进气的方式。以外环腔进气为例，燃油在一定压力下喷入金属毡后表面，金属毡具有很强的燃油侵润能力，燃油可迅速进入扩散状态，在电热塞较高的温度作用下强迫点火形成火源，燃油不断蒸发并与掺混空气燃烧形成稳定火焰。这里可把燃烧可分成蒸发雾化过程(一)、预燃烧过程(二)、湍流燃烧过程(三)和回流续燃过程(四)个阶段。如下图2所示：

其中(一)阶段蒸发雾化过程在蒸发预燃区燃油毡表面发生，(二)阶段预燃烧过程在燃气回流区上游开始发生，(三)阶段湍流燃烧在回流区下游的主燃区发生，(四)阶段续燃在缩口下游的尾气回流区发生。针对(一)(二)阶段，即燃料的蒸发和与预燃烧阶段，主要是按(1)式反应，燃料中的C元素以碳氢原子团的方式呈现，产生含醛基化合物后脱氢继续氧化生成CO。CO作为中间产物，大量的存在于油毡和回流区之间的区域并开始燃烧，由于这个区域温度相对不高，大约在700度以下，因此生成的CO主要与水蒸气发生化学反应如(3)式所示，生成CO

和氢气。在(三)阶段主燃区位置，空气流和燃气掺混比较强烈，是温度最高的区域，此时在恰当的化学当量比情况下，CO主要与O

发生化学反应如(2)和(4)式所示，被氧化成大量的CO

成分。如果掺混气流穿透率不够，或者空气量不足导致局部区域富油，此时会出现(5)式的逆反应，产生CO

的的热分解过程，从而部分又生成CO。由于还有个类似凹槽的回流结构，在(四)阶段区域会使烟气中的一部分CO气体回流到火焰焰锋继续燃烧，从而使尾气排放CO含量进一步降低。

相对于1#，有豁口的2#燃烧器由于旋流中心产生相对的负压，使油毡附近的静压强变得更小，低压区域分布更广，层次梯度更大，实际燃烧过程中2#结构可使回流烟气更加充分，总体延长了燃料燃烧反应时间，降低了最终CO的生成率。另外截面为矩形的增强进气射流,形成较强的强制涡流，雾化能力更强。从而可以有效减小燃油颗粒的SMD，进而降低燃烧CO、UHC等的污染排放量，使燃烧器综合的性能都得以良好提升。

1、在当量比发生变化的时候，低于和高于理论值较多时，都会发生CO排放的增加。

所谓经营风险，是指企业因经营上的原因而导致利润变动造成的风险。如产品市场需求、产品售价、固定成本占总成本的比重。由上述公式可看出，在当其他因素不变的情况下，固定成本越高，经营杠杆系数越大，企业必须获得高于固定成本的边际收入才能盈利，否则就陷入亏损。故经营杠杆与经营风险正相关。

2、燃料雾化的颗粒大小也对CO 的产生有较大的影响，文献[1]描述如图3。减小SMD，燃油颗粒的蒸发时间会显著减小，从而增大了反应时间，减低CO的生成量。

3、在冷车启动的时候，CO含量的增加跟壁面火焰淬熄有关。此时燃烧器壁面温度较低，进入的掺混冷空气也容易使火焰的末端急速致冷，导致CO燃烧的反应终止，从而导致大量的CO积累。

综上所述，为进一步降低加热器尾气中CO的产生几率，蒸发式燃烧器主体结构设计时，可以考虑扩大回流区域；增强雾化能力，减小燃料SMD，以上措施可以延长单位体积燃气燃烧的化学反应时间，使CO有充分的氧化过程，最终以CO

方式排出。增强旋转射流可以有效的实现增强雾化，扩大回流区域。

2008年美国因为房地产市场泡沫破裂而出现大规模金融危机，对实体经济也产生了很大的影响。究其原因，一是因为美国居民超前的消费意识，二是对于金融创新尚未有完善的监管机制，于是产生危机。最终房地产市场泡沫被紧缩的财政和货币政策刺破，危机进一步扩大并传导至实体经济。

4 旋转射流的数学模型

从图5和图6的Z方向静压强剖面来看，2#带四个豁口结构的压强呈现较宽的锥形压力梯度投影，是涡旋气流呈现的截面形状。梯度层次呈现4层，层间压差6Pa左右，中心压力2018Pa，形成了较大的回流区并延伸到周围的燃烧器壁面；1#没有豁口的结构的压强呈现也是锥形压力梯度投影，梯度层次呈现4层，层间压差4Pa左右，中心压力2021Pa，仅分布在燃烧器轴心附近的较小部分区域，没有形成较大的回流区。

其中：

是常数，随着速度的增大涡流的中心压力会产生相对于外围环境压力的负压，从而吸引烟气回流，产生回流区。

4.1 增强型回流区的数值仿真

为验证以上方案中气流组织改进前后对CO尾气排放实际的影响，进行如下试验。

4.2 仿真结果：

实验室中通常把少量钠保存在煤油中,原因是:①钠极易与空气中的O2、水蒸气反应;②钠不与煤油反应;③钠的密度比煤油大,沉于底部。

4.3 流场分析结论

经分析研究，以上是蒸发式燃烧器正常燃烧工作时CO形成的原理与过程。是在理想的当量比条件下的情况，还有其他影响因素不容忽视。

建立组织机构，明确职责，确保工作的实效性。借助关工委、工会和保卫处等各方面力量关心学生的成长，帮扶心理困难学生。利用巡回实习检查和毕业跟踪调查时机，对重点学生进行家访，发挥家庭的情感优势，便于出现危机事件时，家长能及时给予学生心理疏导、理解、安慰与支持，预防危机事件的发生。

5 试验

作为改进的设计，燃烧器金属毡上方环壁上，均布了四个长度 宽度 斜向豁口，豁口互成 分布，作为2#燃烧器结构方案(见文献[3])，原来没有豁口的作为1#燃烧器结构方案。为观察旋转射流对回流区域的速度和压力的影响，进行了气流的有限元分析仿真。燃烧器用Creo三维几何建模，采用CFD软件将边界条件设为：湍流k-epsilon模型，湍流层流粘性比取100，湍流度取0.04，空气进气流量2.46L/s，出口压力2kPa。迭代步数为500,时均收敛曲线斜率0.03，划分268835个流体单元。

电子文档在管理过程中出现这些问题的原因主要有：①部分文档保存工作者的思想认识和工作能力不到位。落后的观念，导致工作中对电子文档的开发积极性不高，意识不到电子文档管理的重要性。②图书馆电子文档搜集内容的局限性。管理员只搜集本部门的电子文档，忽视了跨业务部门或者图书馆联盟中兄弟院校图书馆的电子文档保存和搜集。③图书馆缺少与相关部门合作，信息较封闭，不能及时的掌握学习和科研等相关部门需求，致使信息脱节。想切实的改变这些问题，图书馆的文档保存部门应该从以下几个方面进行改进。

The application of HWENO-LW scheme and immersed boundary method

5.1 试验方案

在海拔高度200米，环境温度25℃静止工况下，用92#乙醇汽油作为燃料，ECU单元调节供油频率和供气电机的转速，使空燃当量比保持在14.7±0.3，用SUMMIT-714烟气分析仪分别检测采用上述1#和2#结构5kW热功率加热器尾气的燃烧效率和CO浓度，试验原理如图7所示：

在同样的供油量的情况下，相比较1#结构，2#结构在每个供油档位上均呈现了较低的CO排放浓度，说明2#结构的燃烧产物中CO燃烧更加充分，尾气中的CO含量更低，在供油速度最大值为0.7L/h时，CO浓度减少超过50%。在低供油量时，浓度相差不大，可能由于风量较低，强制涡旋在有豁口2#的结构里形成回流的能力并不明显导致。试验表明，燃烧器回流能力的增加可以有效延长新鲜混合气和已燃烟气的滞留时间并充分混合，从而增加CO的氧化反应时间，降低尾气排放里的含量。

5.2 试验条件

为模拟不同功率下排放情况，把最大供油速度分别设为0.3L/h、 0.4 L/h、0.5 L/h、0.6 L/h和0.7 L/h共计5个档，在每个档让加热器稳定燃烧十分钟后开始测量燃气成分，观察烟气分析仪的CO含量和燃烧效率，并保证燃烧效率不得低于90%下进行，否则调整当量比直至燃烧效率达到90%以上重新测量。

5.3 试验结果

5.4 试验结果分析

根据表2中的孔径尺寸加工试件，在试件的一面压装压铆螺母，从另一面拧对应尺寸的螺钉，与板件保持一定的间距。然后，使用万能试验机对样件进行压缩，如图5所示。试验机后台记录的最大压力就是压铆连接的推出力。

6 结论

根据文中以上对蒸发式燃烧器CO生成机理的理论和实验分析，可采取以下措施降低燃油加热器CO排放的浓度，从而满足法规排放要求，甚至更好。

① 冷车启动后小火焰预热充分后再进入正常额定功率；

② 减小燃油颗粒SMD值；

不同反应时间制备样品技术指标见表4。表4数据显示，反应时间分布在60～300 min之间，制备样品的钼含量分布在42.23%～52.67%之间，氨不溶钼分布在0.35%～1.68%之间，其他杂质含量随着反应时间延长均有不同程度的降低。

③ 提高空燃当量比控制的精度，使当量比接近理论值；

④ 提高燃烧混合气的均匀度；

⑤ 增加CO的燃烧化学反应时间。

以上5个方面，对于①和③项可以通过燃烧控制程序优化来实现；②和⑤项可以改进燃烧器的结构,通过增强雾化能力，扩大回流区来提高效果；对于④项可通过调整主燃区的掺混孔的流量系数，优化掺混孔的排列方式，提高掺混气流的渗透力，来改善CO的氧化条件。

[1]黄勇,主编. 燃烧与燃烧学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[2]周力行,燃烧理论和化学流体力学[M].北京:北京科学出版社,1986.

[3]李国莹, 平盖平缩口外螺旋进气的挥发雾化式驻车加热器用燃烧器中华人民共和国国家知识产权局 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