揮發霧化式燃油加熱器CO氣體排放的影響因素研究

1 引言

汽車燃油加熱器是一種汽車空調舒乘系統，主要功能是可獨立加熱發動機或駕駛室。過去主要解決發動機怠速熱車慢，低溫啟動困難或怠速熱車時汽車尾氣對環境重度污染的問題。近年來，商用車的長途輔助供暖和休息供暖，旅游車輛的住宿供暖，燃油加熱器由于其不用啟動發動機就可以獨立加熱的便利性和燃油經濟性，日益得到普及和發展。隨著新能源汽車的普及，汽車燃油加熱器完全可以采用可再生的燃料如甲醇、生物乙醇，在滿足碳中和的國家能源政策要求的前提下，提供更經濟有效的空調熱源。

汽車燃油加熱器核心部件是燃燒器，其是燃料燃燒化學反應的場所，其結構對熱效率，排放，容熱強度等主要性能有根本性的影響。按照燃燒器對燃料霧化的方式主要可分為離心式、噴射式、揮發式幾種，其中揮發式又叫蒸發式，是一種比較先進的燃燒技術，由于結構簡單，成本低，噪音小，排放好，適合應用在中小功率型的燃油加熱器中。由于上述優點，近年來乘用車、商用車幾乎都采用蒸發式燃燒的燃油加熱系統。但使用中出現了冒煙，熄火，排放不達標等燃燒方面的很多問題，甚至發生了多起CO中毒導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標以外，燃燒器在工作過程中出現了過量的CO成分，也是主要的原因。針對燃油加熱器安全性方面的法規，目前我國沒有明確標準。現以歐盟對燃油加熱器的安全性認證ECE-R122法規為例：其要求燃油加熱器最大功率穩定工作時，尾氣CO的組分體積百分比不得超過0.1%，在此基礎上表壓50Pa的整個系統的氣體泄漏量不得大于30L/h。本文針對以上問題，結合外環腔進氣蒸發式燃燒器為例，依據燃燒物理理論，劃分了蒸發式燃燒器燃燒過程的不同功能區域，依據燃燒化學動力理論對各區域分別描述了CO產生的影響機制，并基于此改進燃燒器進氣射流結構，對進氣射流速度場和靜壓場進行了數值仿真，并通過試驗驗證了該改進對改善CO排放的積極影響，對低排放蒸發式燃燒器的設計研究提供一定的參考價值。

2 燃燒反應CO生成的一般機理

如文獻[1]，根據燃燒化學反應動力學，燃料燃燒時CO形成過程可以描述成：

RH→ R→ RCHO→ RCO → CO

(1)

其中R代表碳氫原子團。在合適的條件下，CO會氧化CO

氧化反應路徑如下：

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(2)式反應比較強烈，低溫的時候(3)式反應比較明顯。如(4)式在一定壓力的高溫下，反應將CO

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

3 蒸發式燃燒器CO的生成機理

下面結合蒸發式燃燒器的結構，依據燃燒狀態的不同劃分各功能區域并闡述CO生成的過程。如下圖1所示：

揮發霧化結構一般采用圓形金屬蒸發氈外環腔進氣或環形金屬蒸發氈內腔進氣的方式。以外環腔進氣為例，燃油在一定壓力下噴入金屬氈后表面，金屬氈具有很強的燃油侵潤能力，燃油可迅速進入擴散狀態，在電熱塞較高的溫度作用下強迫點火形成火源，燃油不斷蒸發并與摻混空氣燃燒形成穩定火焰。這里可把燃燒可分成蒸發霧化過程(一)、預燃燒過程(二)、湍流燃燒過程(三)和回流續燃過程(四)個階段。如下圖2所示：

其中(一)階段蒸發霧化過程在蒸發預燃區燃油氈表面發生，(二)階段預燃燒過程在燃氣回流區上游開始發生，(三)階段湍流燃燒在回流區下游的主燃區發生，(四)階段續燃在縮口下游的尾氣回流區發生。針對(一)(二)階段，即燃料的蒸發和與預燃燒階段，主要是按(1)式反應，燃料中的C元素以碳氫原子團的方式呈現，產生含醛基化合物后脫氫繼續氧化生成CO。CO作為中間產物，大量的存在于油氈和回流區之間的區域并開始燃燒，由于這個區域溫度相對不高，大約在700度以下，因此生成的CO主要與水蒸氣發生化學反應如(3)式所示，生成CO

和氫氣。在(三)階段主燃區位置，空氣流和燃氣摻混比較強烈，是溫度最高的區域，此時在恰當的化學當量比情況下，CO主要與O

發生化學反應如(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，或者空氣量不足導致局部區域富油，此時會出現(5)式的逆反應，產生CO

的的熱分解過程，從而部分又生成CO。由于還有個類似凹槽的回流結構，在(四)階段區域會使煙氣中的一部分CO氣體回流到火焰焰鋒繼續燃燒，從而使尾氣排放CO含量進一步降低。

相對于1#，有豁口的2#燃燒器由于旋流中心產生相對的負壓，使油氈附近的靜壓強變得更小，低壓區域分布更廣，層次梯度更大，實際燃燒過程中2#結構可使回流煙氣更加充分，總體延長了燃料燃燒反應時間，降低了最終CO的生成率。另外截面為矩形的增強進氣射流,形成較強的強制渦流，霧化能力更強。從而可以有效減小燃油顆粒的SMD，進而降低燃燒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、在當量比發生變化的時候，低于和高于理論值較多時，都會發生CO排放的增加。

所謂經營風險，是指企業因經營上的原因而導致利潤變動造成的風險。如產品市場需求、產品售價、固定成本占總成本的比重。由上述公式可看出，在當其他因素不變的情況下，固定成本越高，經營杠桿系數越大，企業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。故經營杠桿與經營風險正相關。

2、燃料霧化的顆粒大小也對CO 的產生有較大的影響，文獻[1]描述如圖3。減小SMD，燃油顆粒的蒸發時間會顯著減小，從而增大了反應時間，減低CO的生成量。

3、在冷車啟動的時候，CO含量的增加跟壁面火焰淬熄有關。此時燃燒器壁面溫度較低，進入的摻混冷空氣也容易使火焰的末端急速致冷，導致CO燃燒的反應終止，從而導致大量的CO積累。

綜上所述，為進一步降低加熱器尾氣中CO的產生幾率，蒸發式燃燒器主體結構設計時，可以考慮擴大回流區域；增強霧化能力，減小燃料SMD，以上措施可以延長單位體積燃氣燃燒的化學反應時間，使CO有充分的氧化過程，最終以CO

方式排出。增強旋轉射流可以有效的實現增強霧化，擴大回流區域。

2008年美國因為房地產市場泡沫破裂而出現大規模金融危機，對實體經濟也產生了很大的影響。究其原因，一是因為美國居民超前的消費意識，二是對于金融創新尚未有完善的監管機制，于是產生危機。最終房地產市場泡沫被緊縮的財政和貨幣政策刺破，危機進一步擴大并傳導至實體經濟。

4 旋轉射流的數學模型

從圖5和圖6的Z方向靜壓強剖面來看，2#帶四個豁口結構的壓強呈現較寬的錐形壓力梯度投影，是渦旋氣流呈現的截面形狀。梯度層次呈現4層，層間壓差6Pa左右，中心壓力2018Pa，形成了較大的回流區并延伸到周圍的燃燒器壁面；1#沒有豁口的結構的壓強呈現也是錐形壓力梯度投影，梯度層次呈現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域，沒有形成較大的回流區。

其中：

是常數，隨著速度的增大渦流的中心壓力會產生相對于外圍環境壓力的負壓，從而吸引煙氣回流，產生回流區。

4.1 增強型回流區的數值仿真

為驗證以上方案中氣流組織改進前后對CO尾氣排放實際的影響，進行如下試驗。

4.2 仿真結果：

實驗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;②鈉不與煤油反應;③鈉的密度比煤油大,沉于底部。

4.3 流場分析結論

經分析研究，以上是蒸發式燃燒器正常燃燒工作時CO形成的原理與過程。是在理想的當量比條件下的情況，還有其他影響因素不容忽視。

建立組織機構，明確職責，確保工作的實效性。借助關工委、工會和保衛處等各方面力量關心學生的成長，幫扶心理困難學生。利用巡回實習檢查和畢業跟蹤調查時機，對重點學生進行家訪，發揮家庭的情感優勢，便于出現危機事件時，家長能及時給予學生心理疏導、理解、安慰與支持，預防危機事件的發生。

5 試驗

作為改進的設計，燃燒器金屬氈上方環壁上，均布了四個長度 寬度 斜向豁口，豁口互成 分布，作為2#燃燒器結構方案(見文獻[3])，原來沒有豁口的作為1#燃燒器結構方案。為觀察旋轉射流對回流區域的速度和壓力的影響，進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，空氣進氣流量2.46L/s，出口壓力2kPa。迭代步數為500,時均收斂曲線斜率0.03，劃分268835個流體單元。

電子文檔在管理過程中出現這些問題的原因主要有：①部分文檔保存工作者的思想認識和工作能力不到位。落后的觀念，導致工作中對電子文檔的開發積極性不高，意識不到電子文檔管理的重要性。②圖書館電子文檔搜集內容的局限性。管理員只搜集本部門的電子文檔，忽視了跨業務部門或者圖書館聯盟中兄弟院校圖書館的電子文檔保存和搜集。③圖書館缺少與相關部門合作，信息較封閉，不能及時的掌握學習和科研等相關部門需求，致使信息脫節。想切實的改變這些問題，圖書館的文檔保存部門應該從以下幾個方面進行改進。

The application of HWENO-LW scheme and immersed boundary method

5.1 試驗方案

在海拔高度200米，環境溫度25℃靜止工況下，用92#乙醇汽油作為燃料，ECU單元調節供油頻率和供氣電機的轉速，使空燃當量比保持在14.7±0.3，用SUMMIT-714煙氣分析儀分別檢測采用上述1#和2#結構5kW熱功率加熱器尾氣的燃燒效率和CO濃度，試驗原理如圖7所示：

在同樣的供油量的情況下，相比較1#結構，2#結構在每個供油檔位上均呈現了較低的CO排放濃度，說明2#結構的燃燒產物中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，CO濃度減少超過50%。在低供油量時，濃度相差不大，可能由于風量較低，強制渦旋在有豁口2#的結構里形成回流的能力并不明顯導致。試驗表明，燃燒器回流能力的增加可以有效延長新鮮混合氣和已燃煙氣的滯留時間并充分混合，從而增加CO的氧化反應時間，降低尾氣排放里的含量。

5.2 試驗條件

為模擬不同功率下排放情況，把最大供油速度分別設為0.3L/h、 0.4 L/h、0.5 L/h、0.6 L/h和0.7 L/h共計5個檔，在每個檔讓加熱器穩定燃燒十分鐘后開始測量燃氣成分，觀察煙氣分析儀的CO含量和燃燒效率，并保證燃燒效率不得低于90%下進行，否則調整當量比直至燃燒效率達到90%以上重新測量。

5.3 試驗結果

5.4 試驗結果分析

根據表2中的孔徑尺寸加工試件，在試件的一面壓裝壓鉚螺母，從另一面擰對應尺寸的螺釘，與板件保持一定的間距。然后，使用萬能試驗機對樣件進行壓縮，如圖5所示。試驗機后臺記錄的最大壓力就是壓鉚連接的推出力。

6 結論

根據文中以上對蒸發式燃燒器CO生成機理的理論和實驗分析，可采取以下措施降低燃油加熱器CO排放的濃度，從而滿足法規排放要求，甚至更好。

① 冷車啟動后小火焰預熱充分后再進入正常額定功率；

② 減小燃油顆粒SMD值；

不同反應時間制備樣品技術指標見表4。表4數據顯示，反應時間分布在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，其他雜質含量隨著反應時間延長均有不同程度的降低。

③ 提高空燃當量比控制的精度，使當量比接近理論值；

④ 提高燃燒混合氣的均勻度；

⑤ 增加CO的燃燒化學反應時間。

以上5個方面，對于①和③項可以通過燃燒控制程序優化來實現；②和⑤項可以改進燃燒器的結構,通過增強霧化能力，擴大回流區來提高效果；對于④項可通過調整主燃區的摻混孔的流量系數，優化摻混孔的排列方式，提高摻混氣流的滲透力，來改善CO的氧化條件。

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

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

[3]李國瑩, 平蓋平縮口外螺旋進氣的揮發霧化式駐車加熱器用燃燒器中華人民共和國國家知識產權局 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