馮偉東徐文李國(guó)瑩

揮發(fā)霧化式燃油加熱器霧化系統(tǒng)積碳問(wèn)題的研究

馮偉東1徐文1李國(guó)瑩2

1、吉林工商學(xué)院生物工程學(xué)院2、吉林長(zhǎng)春威貝車輛技術(shù)有限公司

汽車燃油加熱器霧化系統(tǒng)是燃燒器的關(guān)鍵裝置，工程設(shè)計(jì)上需要有足夠的霧化能力來(lái)滿足燃燒功率，同時(shí)還需避免產(chǎn)生大量積碳，以滿足加熱器長(zhǎng)期使用和免維護(hù)的要求。本文通過(guò)仿真燃燒器進(jìn)氣射流速度場(chǎng)和靜壓場(chǎng)，從燃燒器穩(wěn)焰燃燒原理的角度，分析了霧化裝置產(chǎn)生積碳的機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)給出了滿足工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)，對(duì)燃燒器霧化裝置的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

燃油加熱器；旋轉(zhuǎn)射流；霧化器積碳；冷焰燃燒

1引言

避免汽車燃油加熱器出現(xiàn)燃燒積碳問(wèn)題，是燃燒器開(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)。燃燒器是液體燃料霧化、著火、火焰穩(wěn)定及熄火過(guò)程的整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是決定著加熱器的功率、廢氣排放成分甚至噪音的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在加熱器的長(zhǎng)期使用中，產(chǎn)品容易出現(xiàn)積碳甚至燃油焦化的問(wèn)題，導(dǎo)致霧化裝置失效，進(jìn)而引起難于點(diǎn)火、污染排放、燃燒效率下降等諸多不良問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)一種不容易出現(xiàn)積碳和燃油焦化的高可靠性的霧化器，探究其中的設(shè)計(jì)原理，是非常重要的工程問(wèn)題。

2穩(wěn)焰燃燒問(wèn)題的提出

因?yàn)榧纫┙o霧化器熱量來(lái)提高燃油的溫度，以滿足足夠的蒸發(fā)率，又要避免供給過(guò)多的熱量防止燃油過(guò)早燃燒使燃油沒(méi)有氣化就直接燒結(jié)，阻塞油氈的進(jìn)油毛細(xì)通路，就需要在霧化區(qū)域施以合適的能量來(lái)持續(xù)供給一定的溫度。

實(shí)際上，這種解決方式是靠煙氣回流產(chǎn)生的燃燒來(lái)持續(xù)供給霧化器熱量的，而煙氣回流燃燒的高溫中心相對(duì)于霧化器蒸發(fā)油氈上燃油層的距離非常關(guān)鍵，熱量主要通過(guò)熱輻射來(lái)預(yù)蒸發(fā)油氈上的燃油，這種原理和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的T型管主要靠傳導(dǎo)傳遞蒸發(fā)所需熱量的原理不同。

由于燃燒器上霧化器壁設(shè)計(jì)較薄，又有外面冷空氣的高速流動(dòng)換熱，因此由燃燒高溫區(qū)域?qū)φ舭l(fā)器的傳導(dǎo)的熱量是次要的，而主要是通過(guò)內(nèi)部空間直接輻射來(lái)完成熱量的傳遞。為了分析一下這些能量的來(lái)源，先從汽車加熱器點(diǎn)燃過(guò)程來(lái)考慮。

首先，在加熱器燃燒器著火階段，燃燒采用了強(qiáng)迫點(diǎn)火的方式，如圖1所示。

圖1　燃燒器的強(qiáng)迫點(diǎn)火

圖中所示，采用陶瓷電熱塞通電發(fā)熱來(lái)霧化燃料并使燃料混合物達(dá)到著火臨界條件，即合適的當(dāng)量比、合適的著火壓力和著火溫度。燃料著火后，關(guān)閉電熱塞電源，此時(shí)局部的燃燒反應(yīng)會(huì)沿著燃燒器內(nèi)部有規(guī)律地傳播，并通過(guò)一定方式穩(wěn)定火焰使燃燒過(guò)程持續(xù)下去，如圖2所示。

圖2　燃燒器的穩(wěn)焰燃燒

穩(wěn)焰是指保持燃燒反應(yīng)速率為定常，使一部分火焰在燃燒器的某個(gè)空間位置駐定燃燒，從而維持整個(gè)燃燒火焰的存在，這是持續(xù)燃燒的前提。

燃油加熱器的揮發(fā)霧化式燃燒一般在燃燒室內(nèi)采用氣流的旋轉(zhuǎn)射流方式來(lái)穩(wěn)定火焰。

3旋轉(zhuǎn)射流的數(shù)學(xué)模型

強(qiáng)旋流的一個(gè)重要參數(shù)是旋流強(qiáng)度［1］，旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度用無(wú)因次量Ω來(lái)表示：

式中：L0為流體進(jìn)入霧化室時(shí)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)量矩；K0為出口斷面的平均動(dòng)量；d為出口斷面水力直徑，旋轉(zhuǎn)射流示意圖［3］由圖3來(lái)表示。

圖3　旋轉(zhuǎn)射流示意圖

在不同的Ω下無(wú)因次流量Qv/Qv0的關(guān)系式［1］為：

式中：Qv0是噴口出口斷面上流量；Qv為沿著射流縱軸x所在的截面流量回流流量，公式［1］為：

圖4為無(wú)因次回流流量Qv/Qv0沿著x/d的變化情況［1］。

圖4　無(wú)因次回流流量變化圖

從圖中4中可以看出，隨著Ω增大，回流流量顯著增大，并且不管Ω如何變化，最大的無(wú)因次回流流量都出現(xiàn)在x/d=0.5處，實(shí)驗(yàn)表明燃燒高溫中心一般就在最大回流量的附近。

4數(shù)值仿真

4.1幾何建模

空氣在燃燒器內(nèi)的流動(dòng)可以用Pro/E軟件對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)幾何建模，用CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格有限元仿真分析。這里采用湍流k-epsilon模型，其模型方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍流能量方程和耗散方程。仿真的目的是看到旋轉(zhuǎn)射流引起靜壓強(qiáng)的分布以及射流的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5　燃燒器幾何建模的剖面圖

4.2邊界條件

設(shè)定邊界條件為：采用湍流k-epsilon模型，湍流層流粘性比為100，湍流度為0.04，湍流系數(shù)ce1=1.44，系數(shù)ce2=1.92，系數(shù)cmu=0.09，空氣進(jìn)氣流量為2.46L/s，出口壓力為2KPa，迭代步數(shù)為650，瞬時(shí)收斂曲線斜率為0.001，時(shí)均收斂曲線斜率為0.03。劃分網(wǎng)格單元數(shù)1197564個(gè)。

圖6　燃燒器幾何模型的網(wǎng)格劃分

4.3仿真結(jié)果

在x=20mm垂直x軸截面A排進(jìn)氣孔形成的旋轉(zhuǎn)氣流仿真圖形如圖7、圖8。

圖7　x=20mm橫截面的速度矢量圖

圖8　x=50mm旋轉(zhuǎn)射流軌跡圖x=20mm位置垂直x軸截面靜壓強(qiáng)分布仿真圖形如圖9。

圖9　x=20mm處橫截面靜壓強(qiáng)分布圖

圖10　通過(guò)x軸y=0方向

截面的靜壓強(qiáng)分布圖由圖10可知中心淡藍(lán)色的部分靜壓強(qiáng)要比周圍氣流壓強(qiáng)要低?？梢?jiàn)，強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)射流產(chǎn)生的離心力改變了燃燒區(qū)域內(nèi)部靜壓強(qiáng)分布，出現(xiàn)了從射流軸線沿徑向至射流邊界的壓強(qiáng)降低，低壓中心吸入射流前方高溫?zé)煔猓谏淞鲀?nèi)部形成了高溫?zé)煔獾幕亓鳌?/p>

5試驗(yàn)

根據(jù)公式（3）和圖4所示，并且不管Ω如何變化，最大的無(wú)因次回流流量都出現(xiàn)在x/d=0.5處，因此我們可以根據(jù)控制強(qiáng)旋流最大回流量的位置，來(lái)設(shè)計(jì)旋流孔的位置，從而使燃燒高溫中心相對(duì)油氈的調(diào)整到合適的距離，以滿足合適的蒸發(fā)溫度的需要。

5.1試驗(yàn)方案

我們以油氈平面處為x=0的起始點(diǎn)，直徑3mm的A排圓孔陣列在射流燃燒室距離邊緣20mm處，B排在30mm處，C排在40mm處，改變A排位置為不同的x值，來(lái)制作了不同位置進(jìn)氣圓孔陣列的燃燒筒，B位置和C位置相對(duì)A位置不變，x0的值分別取12，20，30。分布如圖11所示。

圖11　射流燃燒室孔的位置分布

以x=20mm為例，用k型熱電偶從進(jìn)氣通道伸入并綁定在測(cè)量x=40mm位置1和蒸發(fā)器油氈表面位置2，測(cè)量這兩個(gè)位置在燃料93#汽油燃燒10min穩(wěn)定時(shí)的溫度，重復(fù)測(cè)試5次取平均值，每次燃燒20min來(lái)觀察蒸發(fā)霧化器的積碳情況。

5.2試驗(yàn)結(jié)果

表1　A組進(jìn)氣孔不同位置陣列參數(shù)

表2　積碳試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

5.3試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在熱電偶2點(diǎn)處的溫度在250～350℃時(shí)，蒸發(fā)器積碳情況良好，熱電偶1點(diǎn)溫度始終保持在1100～1300℃，x0=20mm基本可以保證熱電偶1點(diǎn)的溫度范圍在理想范圍，積碳情況如圖12、圖13。

圖12　x0=12mm位置的積碳圖片

圖13　x0=20mm位置的積碳圖片

從燃燒火焰的區(qū)域來(lái)看，熱電偶2至x=12mm位置側(cè)，為油蒸發(fā)的空間，而另一側(cè)熱偶1的位置至外側(cè)x=40mm則是湍流燃燒的空間，火焰為明亮的黃色，溫度在1250℃左右，x=20mm位置到油氈表面火焰為淡藍(lán)色，這里是揮發(fā)油氣摻混后在500℃以下的冷焰燃燒區(qū)域。

圖14　x0=20mm實(shí)際燃燒情況

通過(guò)組織氣流影響回流中心位置，進(jìn)而調(diào)整高溫區(qū)域與油氈的距離，使高溫中心和油氈之間能形成一個(gè)燃油揮發(fā)和燃油冷焰燃燒的區(qū)域。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以找到導(dǎo)致蒸發(fā)器高溫?zé)狗e碳的主要原因，從而也可以找到保證燃油蒸發(fā)質(zhì)量的正確方法，正確設(shè)計(jì)進(jìn)氣旋流孔位置，這是揮發(fā)霧化式燃燒器霧化器避免積碳的重要設(shè)計(jì)思想。

6結(jié)論

（1）強(qiáng)旋流可產(chǎn)生高強(qiáng)度的流向渦，形成負(fù)壓中心，吸引火焰回流，穩(wěn)定火焰燃燒。

（2）可以利用穩(wěn)焰燃燒的回流位置來(lái)控制輻射熱量的大小，構(gòu)造500℃以下的低溫冷焰燃燒區(qū)域。

（3）油氈部位溫度在250～350℃，霧化效果良好，少有積碳現(xiàn)象。

（4）低溫燃燒是自燃燃燒，是蒸發(fā)的較高濃度的油氣在x=20mm位置被旋流空氣吸引并在回流煙氣輻射下共同作用的結(jié)果。

利用以上結(jié)論，可以使霧化裝置的油氈蒸發(fā)和湍流燃燒區(qū)域劃分明晰，較好地避免燃油高溫裂解結(jié)積碳的不良問(wèn)題。

［1］龍?zhí)煊?，蔡增?流體力學(xué)［M］.第一版，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］寧榥，高歌.燃燒室空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社.1997.

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

［4］李國(guó)瑩.平蓋平縮口外螺旋進(jìn)氣的揮發(fā)霧化式駐車加熱器用燃燒器.中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局ZL20122187427.3.2012.