客车独立采暖系统设计本科学位论文Word下载.docx
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德国Eberspacher公司是一家以发动机尾气处理与汽车采暖系统为主的跨国企业，也是世界汽车零部件百强企业之一。
其早在1993年就与国内的河北宏业公司合作，共同开发了一系列加热器产品。
目前已拥有AIRTRONIC、D5／8L、HYDRONIC等多个系列十几种加热器产品。
作为世界领先的车用加热器生产厂，Eberspacher和Webasto都建有专门的研究中心，在燃烧技术，噪音控制，温度自动化控制及排放水平等方面具有很多成熟的经验和成果。
1.2.2国内加热器研究现状
我国的车用燃油加热器与欧美相比起步较晚，1965年才开始国内第一台加热器的研制。
由于我国汽车工业整体技术水平较低，生产厂家对加热器技术的投入较少，因此在技术方面长期落后于发达国家。
国内企业为了提高自身的技术水平和研发能力，不断地开展与国内高校的合作，共同进行车用加热器的开发与研究。
其中河北宏业与山东大学合作，北京京威与长安大学合作。
长安大学在降低加热器工作噪音、提高点火性能以及排放水平等方面进行了相关的研究。
长安大学与北京京威还合作开发出了CNG液体型车用加热器以及积燃料加热器。
山东大学与河北宏业经过多年的研制开发目前已成功开发了小功率的蒸发雾化式燃油加热器、大功率的喷雾雾化式液体型燃油加热器。
其中具有自主知识产权的YJQ.5小型液体加热器填补了国内在轿车、微型车及工程车等汽车上应用的空白。
该加热器设计水平为国际先进,国内首创。
虽然现阶段我国的车用加热器市场还远没有成熟，市场规模也远没有欧洲市场大。
但各中外加热器厂家已开始末雨绸缪，积极布局中国市场。
目前我国国内生产加热器的厂家主要有河北宏业、北京京威、河北南风三家企业。
和外资品牌相比，国产车用加热器产品性价比高．在本土市场具有比较大的价格比较优势。
河北宏业公司依托多年的技术积累，凭借价格优势，逐渐开始在市场上发力。
据统计河北宏业占据了国内加热器市场65％--70％的份额，拥有中通、宇通和黄海汽车加热器l00％的订单，苏州金龙加热器80％的订单，厦门金龙加热器60％的订单。
除此之外，河北宏业还积极拓展海外市场，连续三年参展俄罗斯车展，越来越多的加热器出口到俄罗斯、新西兰等国家。
价格是把“双刃剑”，国内加热器厂家依靠价格优势取得了市场的成功。
但价格优势不等于核心竞争力，国产加热器的定价已经偏低，有些型号的产品利润率甚至降到了1％，再降价空间不大，甚至有可能随着原材料价格的上涨而上涨。
目前中国产品的可靠性、稳定性还没有得到国际市场的普遍认可，中国企业应该居安思危，在技术创新上下苦功，进一步提高自身的核心竞争力。
1.2.3国内外的技术差距
（1）控制系统方面：
国外的控制电路的集成化程度较高，且防护措施较好．德国韦巴斯托公司研制的加热器的控制电路扳全部采用集成电路，且外面有一个防水涂层，可靠性较高。
而国内某些产品的控制电路仍然采用了很多接插件，结构较复杂，不便于拆装，可靠性也较差。
在控制系统的智能化方面，也有待提高。
应该采用先进的传感器技术和电子信息技术，进一步提高加热器的自动化水平。
（2）结构布置方面：
与国外产品相比，国内产品在结构的简单紧凑和轻巧方面还有很大的发展空间。
应该不断采用新型轻质材料如合成塑科等，尽量用整体压铸部件代替装配件和焊接件。
这些要求将随着我们的机械制造水平的提高而得以实现。
（3）燃烧排放方面：
国内研制的加热器总体排放不高，但部分产品（尤其是蒸发雾化式）存在燃烧室积炭的现象，热效率也有一定的提高空间。
今后需要在助燃空气流动组织和燃油雾化方面不断改进，如合理高效的助燃空气导流结构，各级进气孔的布置方案，研究新的燃油雾化方法等。
（4）另外还可以改进换热器的结构，通过提高高温燃气与换热介质（水或者空气）的换热效率来提高加热器的总体热效率。
换热器的结构改进主要包括换热片的形状和布置方式，但燃气在其中的流动阻力不能太大，否则排气不畅，导致燃烧恶化。
总之，提高燃烧器的燃烧效率和降低排放关键要在燃烧器结构和燃油雾化混合上做文章，以上各方面有望借助于新兴的数值模拟技术结合先进的试验手段较快地实现，本次的汽车加热器燃烧器设计和燃烧雾化结构分析及改进就是遵循这样一种思路完成的。
1.3课题主要研究内容
本设计基于河北宏业YJP-Q系列燃油加热器为研究对象。
首先对加热器进行了原理分析，并对黄海客车车厢热负荷计算合理匹配加热器，以摸清这些因素对加热器性能的影响，合理选择水泵、高压油泵、合理的进风量，然后对加热器进行了尺寸调研分析，换热管的方案分析；
设计了不同规格的尾气换热器并进行了试验；
对不同情况的加热器安装方案进行分析；
对油嘴分别进行了不同喷油角度、不同喷油锥体、不同喷油量的分析，优化它们对加热器性能的最佳影响情况。
最后对加热器所产生的燃烧污染物进行分析处理提出建议。
第2章车用加热器简介
车用加热器历经近百年的发展，经历了几个不同的发展阶段，从最初的余热式到现在的独立燃烧式，产品种类越来越丰富，技术也越来越先进。
汽车供暖设备按所使用的热源可分为：
非独立式供暖系统和独立式供暖系统。
非独立式供暖系统也称余热式供暖系统，热量来自于汽车发动机的冷却热水或废气。
独立式供暖系统（即汽车加热器）的工作独立于发动机，有自己单独的供风、供油和控制装置。
目前，国内加热器也逐渐成熟，形成了多个品牌，多种系列的产品。
2.1车用加热器工作原理
车用加热器主要由五部分组成，包括：
控制系统、燃料供给系统、配风系统、燃烧系统和热交换系统。
控制系统的功能是通过着火传感器、水温传感器等各种传感器的信号，控制加热器的点火、熄火过程，实现加热器的过热保护，并控制受热体、燃烧室及换热介质的温度．
燃料供给系统的作用是通过油泵将燃料以喷雾或燃油蒸汽的形式提供到燃烧室中。
配风系统主要由风扇和电机组成，其作用是配合燃烧室的形状以及燃料燃烧方式，提供助燃空气，使空气在进入燃烧室时具有一定的速度和紊流度来优化组织燃烧，保证燃烧的稳定性和连续性。
燃烧系统是燃料和空气混合并燃烧的场所，由燃烧室和点火装置组成。
燃烧室的结构及大小因功率和燃料供给方式的不同而不同．点火装置（一般是点火电极）的作用是在加热器起动时迅速点燃可燃混合物。
换热系统作为加热器的重要组成部分，其作用是将燃料燃烧产生的热量传递到换热介质中。
换热介质再通过管路将热量释放到应用场合。
工作过程：
加热器启动时，风扇电机和水泵电机接通电源，带动助燃空气风扇和循环水泵转动，同时油泵开始给加热器供油，油在燃烧室进口处雾化并与从助燃空气进口进入的空气混合，由点火电极点火燃烧，着火传感器将信号传递给控制器，加热器开始正常工作，产生的高温燃气在燃烧室尾端折返180度后进入热交换体与燃烧器之间所形成的环形空间，与热交换体中换热介质换热。
若是空气加热器，则空气吸热后直接进入车厢供暖：
而对于液体加热器，热水还要进入另外的换热器将热量传递给空气后供车厢取暖和除霜用。
整个加热器的运行过程由单片机内设定的控制程序控制。
加热器控制：
针对加热器实际运行中的各种工况，设定了单片机中的加热器控制程序。
加热器的运行控制包括开机程序、过热保护、故障停机和正常关机四个方面。
（1）开机程序
按下开机按钮，加热器启动，风扇和水泵工作，控制器检测各元件工作是否正常，如发现任何故障则点火过程停止，并通过燃烧指示灯报警，用户可根据指示灯闪烁的情况对照说明书对加热器故障进行判断并予以排除。
如若点火成功且着火传感器探测到火焰稳定后，点火电极停止跳火，燃烧指示灯亮，加热器进入正常工作状态。
（2）过热保护
加热器正常工作时，对于液暖加热器，通过安装在水腔中的温度传感器对加热器进行过热保护．一般情况下设定水温不超过800℃，当水温超过这一数值时，温度传感器将信号传递给控制器，加热器停机，而当水温低于650℃时加热器又会自动重新启动。
如果因为水路循环不畅而引起加热器过热，过热传感器动作，供油中断，加热器故障停机。
（3）故障停机
加热器运行过程中出现故障自动熄火，控制程序会自动重新点火；
当加热器的工作电压偏离正常范围（一般为24V）时，加热器会停机并报警；
加热器运行时如果控制器检测到某一元件不正常时，也会自动停机并通过故障指示灯报警．
（4）正常关机
在需要停机时按下关机开关，首先是油泵停止供油，而风扇电机和水泵继续运行，带动风扇继续供风和水路循环，直到加热器冷却后，系统彻底停止运行，燃烧指示灯熄灭，整个延时过程大约持续3分钟。
2.2车用加热器的分类
（1）按燃烧燃料分
按照加热器使用的燃料可将加热器分为燃油加热器、燃气加热器、燃油燃气双燃料加热器。
燃油加热器主要以汽油或柴油为主，燃气加热器主要以压缩天然气或液化石油气为燃料。
（2）按换热介质分
车用加热器按照换热介质的不同可以分为气暖加热器和液暖加热器两类。
液暖加热器主要以循环水作为换热介质，水暖式加热器与发动机的冷却水管路、空调中的暖风芯子的水路相通，不仅可作为车厢采暖除霜用，而且可以预热发动机、润滑油，有利于低温条件下的发动机起动；
气暖加热器一般采用空气作为换热介质，气暖加热器的换热器结构比水暖加热器的复杂，内表面和外表面均布满翅片状的换热片，可将被加热的空气直接送往受暖区域，其最大特点是供暖迅速及时，可适用于野外作业取暖之用。
气暖加热器主要用于对空气分布质量要求不高的商用车辆如中巴车、卡车、货车、工程车，尤其是长途货运车等。
（3）按燃烧室燃油雾化方式分
按照燃油雾化方式，又可将加热器分为蒸发雾化式、离心雾化式和喷雾雾化式三类。
喷雾式采用高压油泵通过喷嘴将燃油以油雾的形式喷入燃烧室，雾化后的细小液滴通过蒸发扩散参与燃烧。
与其他雾化方式相比，喷雾雾化的燃烧速度快，效率高，因此喷雾雾化式主要应用在大功率的加热器上，目前国外的汽车加热器多采用这种方式。
缺点是小流量高压油泵制造困难且喷油孔过细容易堵塞，同时加热器的体积、重量和成本也会因此增加。
离心式采用低压油泵将燃油滴落到高速旋转的甩油盘上，利用离心力将燃油雾化并与空气混合燃烧。
离心式加热器由于离心雾化油滴较大，且部分油滴先甩到甩油盘外围的石棉网上，再蒸发参与燃烧，因此其燃烧室单位体积的热功率会低于喷雾式加热器，离心式适合于12一24kW的中等热功率的加热器。
同时油滴直径受到甩油盘的转速影响，容易随电机转速而产生波动，从而导致加热器的工作状态不稳定，存在低温启动困难和排放较高等问题，应用较少。
蒸发雾化式加热器的结构比较简单，一般采用流量很小的低压电磁泵将燃油输送到燃烧室头部的燃油吸附网上，燃油受热蒸发后被助燃空气卷吸进燃烧室参与燃烧。
缺点是热功率较小，同时由于蒸发混合不均匀，局部燃油过浓，容易将燃油吸附网堵死并导致燃烧室积炭。
2.3车用加热器的用途
（1）低温起动
柴油发动机在低温环境中冷起动比较困难，在-20℃时采用常规手段几乎不能起动，而装配加热器后可保证发动机在-40℃低温环境下顺利可靠地起动，这对于冬季或高原严寒地区的车辆起动具有重要的意义。
发动机经加热器预热后，可提高气缸、活塞、活塞环及各摩擦副和机油温度，由此能大大降低启动阻力。
例如在-40℃时，M520B型发动机预热后其发动机的热态启动阻力矩为220N．m，而进行冷启动时的阻力矩则为323N.m，热态启动时发动机的阻力矩下降32%，启动转速增加20r/min，因被预热的机体对所进冷空气也有一定的加热作用，从而提高了缸内气体压缩终了的温度和压力：
另外，加热器还可以加热蓄电池，从而提高蓄电池的输出功率，以增加起动电机的启动力矩，提高发动机启动转速。
总之，装配加热器对发动机预热后，发动机在低温条件下的启动较为容易。
（2）采暖
采暖是加热器的主要用途，是加热器研制的初衷，在低温或潮湿阴冷环境中，车辆运行时需要向车厢内供暖，一些专用运输车也需配置保温设施，由于加热器的体积小，结构紧凑，热效率高，因此采用独立式燃油加热器是最佳选择。
目前加热器主要用于轿车，客车，以及花卉、鲜活鱼类等的运输车。
此外，可结合特殊用途的需要，将加热器应用到军事灭菌车、救护车等车辆上，同时还可为野外帐篷供暖，由于体积小适合单兵携带，因此在军事上有着广泛的应用前景。
（3）除霜
冬季当环境温度较低时，车内由于人呼吸等原因产生的温度相对较高的水蒸汽容易使汽车驾驶室前风挡玻璃处结霜，影响司机视线，导致交通事故的发生。
加热器提供的热气可以使前风挡玻璃处形成一道热风幕，防止霜的形成，提高驾驶的安全性。
（4）减少机件之间的摩擦力，延缓零件损坏
发动机启动磨损主要由分子机械磨损和腐蚀机械磨损引起。
分子机械磨损指金属表面相互接触，发生相当运动时在金属零件表面发生的类似于金属切削的磨损。
腐蚀一机械磨掼是指发动机在低热状态工作，水蒸汽凝结在气缸壁上，其中溶有的酸气引起的磨损．发动机预热后，能够缩短形成油膜润滑所需的时间，使分子机械磨损量减小。
另一方面，对发动机进行预热后，可以缩短发动机温度升高所需的时间，从而减少了腐蚀机械磨损量。
（5）降低汽车冷起动时的有害排放
发动机冷起动时由于气缸壁和燃烧室壁面温度低，燃油雾化质量差以及多个循环后才着火等一系列因素，使得发动机起动后及随后一段时间内排气中有害物CO、HC和微粒的捧放浓度比正常工作时高出几十倍，而采用加热器预热后，能够提高缸壁温度，改善雾化质量，减少着火前的空循环次数，显著降低上述污染物的排放量。
2.4加热器在汽车上的安装
如图2-1是客车中的加热器安装布置示意图。
水暖式加热器有两种布置方式：
串联式和独立式。
串联方式不仅可以对发动机进行预热，又可以利用发动机的余热，具有节能优势。
独立方式不能对发动机进行预热，但是控制较为简单。
具体安装方案详见图纸。
图2-1加热器安装布置示意图
2.5加热器的发展趋势
当前国内外燃油加热器的发展趋势主要表现在以下几个方面:
（l）燃料方面不再是单一的燃油加热器，开始采用排放低、经济性好的压缩天然气和液化石油气作燃料。
目前己成功开发出燃气加热器及燃气燃油两用加热器，但相关技术还未成熟，所以产品还没有投入市场．
（2）燃烧与换热方面燃烧系统和换热系统是加热器最为重要的部分，因此提高加热器的燃烧效率与换热效率是提高加热器整体热效率的最有效的两种途径。
在提高燃烧效率方面，预蒸发燃烧是一种较为先进的燃烧方式。
热交换器方面，现在大多数加热器均采用螺旋式水腔进行换热，因加热器结构尺寸的限制使该类换热器换热面积受到制约，热量损失较大，加热器热效率较低，因此提高热交换器换热效率是很有意义的工作．
（3）控制系统方面国内加热器控制电路集成化程度低，而且防护措施不到位，因此研制结构简单，操作方便，便于拆装，可靠性高的控制系统十分重要。
通过引入单片机为控制核心，目前加热器控制器已成功集成了远程遥控启动、工作过程中对进、出水温度和捧气温度的实时监控等一系列功能。
但是随着电路集成化程度的进一步提高，应该采用先进的传感器技术和电子信息技术，进一步提高加热器的自动化水平，目前国外加热器厂商在这方面做了许多研究。
（4）数值模拟技术的应用起初在加热器的研制的过程中往往采用经验与试验相结合的方法，先凭借经验设计试制出样机，然后再对样机进行试验，根据试验的情况再做迸一步改进，最后确定新产品的结构、尺寸等各项技术指标。
这种研发模式成本高，并且设计周期长，一旦样机出现问题较多，就要对其进行大幅度的改动，甚至要重新制作样机，延长了产品从设计到问世的时间，不利于加热器产业的发展。
近年来，随着计算机技术的不断发展和进步，数值模拟技术在各个工程技术领域得以应用，对新产品的设计和完善有重要的指导意义。
采用数值模拟技术结合试验的方法可以大大降低新产品研发的成本，缩短设计周期。
第3章黄海客车加热器功率的匹配计算
随着汽车工业的发展和人民生活水平的提高，为解决冬季汽车发动机的冷起动和司乘人员的取暖问题，降低起动与暖机过程中的排放，实现车窗除霜、车内取暖，目前加装独立式燃油加热器的车辆越来越多。
如何给车辆匹配一台合适的加热器，是我们首先考虑的问题。
3.1车内空气升温所需加热器的功率
当环境温度较低，车辆发动机的余热不能满足取暖空间的要求时，需要汽车加热器为车辆提供热能，以保证车内合适的温度。
下面为丹东黄海某车型参数（表3.1），确定加热器功率的计算方法。
表3.1丹东黄海客车技术参数
丹东黄海客车
项目
单位
指标
外形尺寸
mm
7990×
2350×
3240
轴距
3800
额定乘员（含驾驶员）
人
19~33
车厢内高
1920
最高车速
Km/h
发动机型号
YC4112ZLQ
额定功率
kw/r
132/230
最大扭矩
N
m/r
660/1400
噪声
dB
115
质量
Kg
400
3.1.1一般车辆加热器功率的计算方法
按交通部JT/T325-2002《营运客车类型划分及等级评定》，乘客人均采暖量>
1880千焦/小时。
丹东黄海客车额定乘员（含驾驶员）19-33人，则所需加热器发热量Qmax=33×
1880=62040千焦/小时=17.2kW。
3.1.2汽车加热器功率的计算方法
由于车辆散热部位较多，外部环境差别较大，热量损失的计算比较复杂，国内厂家在为车辆选配加热器时，往往根据国外类似车型配备加热器功率的大小或按客车等级评定人均取暖量要求，估计确定。
由于实际车辆在车速范围、车厢保温材料以及车厢密封情况等的差别，往往会造成加热器选配不合理、不科学的问题，因此通过计算分析，得出不同车辆配备加热器的通用公式，将是极有意义的。
车辆运行时，加热器主要为加热车厢中的空气提供热量，要在克服通过车辆外表向外界环境散热的同时，使车厢内空气温度保持在一个合理的范围内，这时的热平衡关系可表示为：
Wk
t-Cp
m
△T=K
F
△T
t（3—1）
其中：
Wk为加热器功率（Kw）
Cp为空气的定压比热（KJ/Kg
K）
m是客车内部的空气质量（Kg）
△T为客车的内外温差（K）
F为当量散热面积，F=
（3—2）
Fn和Fw分别为车厢的内外散热面积（㎡）
t是加热时间（s）
K是厢体的总传热系数（W/㎡·
厢体的总传热系数K由下式计算：
K=K0+Kμ（3—3）
K0是车厢的传热系数，公式为：
（3—4）
式中αn为厢体内壁散热系数，αn
60KJ/（㎡·
h·
℃），
αw为厢体外壁散热系数，与车速有关，
当车速为40㎞/h,αw
146KJ/（㎡·
n为汽车厢体隔热材料厚度（m），
n为汽车厢体隔热材料传热系数（W/㎡·
Kμ代表因车厢漏气而影响散热量所对应的传热系数
Kμ=（0.2-0.6）K0（3—5）
由以上关系可确定加热器功率Wk。
表3.2计算参考参数
丹东黄海客车
外形尺寸（车外）
外形尺寸（车内）
6990×
2200×
外部散热面积Fw
㎡
105
内部散热面积Fn
66
玻璃窗面积F玻
18
内外最大温差△T
K
55
加热时间t
min
30
车速
㎞/h
40
3.1.3车窗玻璃散热量
Q1=K玻·
F玻·
△T·
t（3-6）
式中
K玻一玻璃窗的传热系数（一般取K玻=23KJ/h·
㎡·
F玻一玻璃窗的面积（㎡）
△T-车内外最大温差（K）
t-加热时间（h）
将表3.2中所给值代入式（3-6）计算得W1=11385kJ
3.1.4车壁散热量
车壁散热量Q2的计算式为Q2=K·
F·
t（3-7）
为计算方便可将全部壁面都简单地按多层均匀平壁计算
由表3.2和式（3-2）可得当量散热面积（不包括车窗玻璃），
F=
=64.6㎡
己知所选隔热材料聚苯乙烯泡沫塑料的厚度
会导致燃烧室内油气比分布失调，局部富油会增大排气冒烟，过于贫油则不利燃烧稳定性，两者均会恶化出口温度场品质和降低燃烧效率。
大型燃烧室所用油嘴的喷油锥角为90°
-120°
。
小型燃烧室喷嘴的喷油锥角为50°
-80°
图5-2不同喷油椎角示意图
相关实验表明燃烧室内的温度基本上是80°
实心油嘴的最高，且更靠近导流体大端，即更接近喷油嘴，这或许是80°
喷油锥角的油气混合、燃烧速度更快些所致。
增大喷雾锥角可以使燃烧火焰缩短，不过喷雾锥角的增大也受燃烧室空间结构的限制，应该避免严重的喷雾撞壁现象，否则会导致雾化不良，使燃烧情况恶化，产生冒黑烟的现象。
5.4点火方式分析
电阻丝点火塞点燃式（通称为炽热物点火），这种形式结构简单、运行可靠，但是点火性能差，供油不迅速导致在使用过程中会出现点火失效或勉强燃烧后产生浓烟。
此外，炽热物点燃可燃混合气最低温度750℃左右，通常在温度达到1250℃以上均能点燃可燃混合气。
由于电阻丝点火塞的材料为金属材料，所以通常不能达到
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