挥发雾化式燃油加热器雾化系统积碳问题的研究

2016-08-16冯伟东徐文李国莹

河北农机 2016年1期

冯伟东徐文李国莹

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1、吉林工商学院生物工程学院2、吉林长春威贝车辆技术有限公司

汽车燃油加热器雾化系统是燃烧器的关键装置，工程设计上需要有足够的雾化能力来满足燃烧功率，同时还需避免产生大量积碳，以满足加热器长期使用和免维护的要求。本文通过仿真燃烧器进气射流速度场和静压场，从燃烧器稳焰燃烧原理的角度，分析了雾化装置产生积碳的机理，并通过试验给出了满足工程应用的数据，对燃烧器雾化装置的设计具有一定的参考价值。

燃油加热器；旋转射流；雾化器积碳；冷焰燃烧

1引言

避免汽车燃油加热器出现燃烧积碳问题，是燃烧器开发的技术难点。燃烧器是液体燃料雾化、着火、火焰稳定及熄火过程的整个化学反应的场所，是决定着加热器的功率、废气排放成分甚至噪音的关键环节。在加热器的长期使用中，产品容易出现积碳甚至燃油焦化的问题，导致雾化装置失效，进而引起难于点火、污染排放、燃烧效率下降等诸多不良问题，因此设计一种不容易出现积碳和燃油焦化的高可靠性的雾化器，探究其中的设计原理，是非常重要的工程问题。

2稳焰燃烧问题的提出

因为既要供给雾化器热量来提高燃油的温度，以满足足够的蒸发率，又要避免供给过多的热量防止燃油过早燃烧使燃油没有气化就直接烧结，阻塞油毡的进油毛细通路，就需要在雾化区域施以合适的能量来持续供给一定的温度。

实际上，这种解决方式是靠烟气回流产生的燃烧来持续供给雾化器热量的，而烟气回流燃烧的高温中心相对于雾化器蒸发油毡上燃油层的距离非常关键，热量主要通过热辐射来预蒸发油毡上的燃油，这种原理和航空发动机上的T型管主要靠传导传递蒸发所需热量的原理不同。

由于燃烧器上雾化器壁设计较薄，又有外面冷空气的高速流动换热，因此由燃烧高温区域对蒸发器的传导的热量是次要的，而主要是通过内部空间直接辐射来完成热量的传递。为了分析一下这些能量的来源，先从汽车加热器点燃过程来考虑。

首先，在加热器燃烧器着火阶段，燃烧采用了强迫点火的方式，如图1所示。

图1　燃烧器的强迫点火

图中所示，采用陶瓷电热塞通电发热来雾化燃料并使燃料混合物达到着火临界条件，即合适的当量比、合适的着火压力和着火温度。燃料着火后，关闭电热塞电源，此时局部的燃烧反应会沿着燃烧器内部有规律地传播，并通过一定方式稳定火焰使燃烧过程持续下去，如图2所示。

图2　燃烧器的稳焰燃烧

稳焰是指保持燃烧反应速率为定常，使一部分火焰在燃烧器的某个空间位置驻定燃烧，从而维持整个燃烧火焰的存在，这是持续燃烧的前提。

燃油加热器的挥发雾化式燃烧一般在燃烧室内采用气流的旋转射流方式来稳定火焰。

3旋转射流的数学模型

强旋流的一个重要参数是旋流强度［1］，旋转射流的旋转强度用无因次量Ω来表示：

式中：L0为流体进入雾化室时相对于旋转轴的动量矩；K0为出口断面的平均动量；d为出口断面水力直径，旋转射流示意图［3］由图3来表示。

图3　旋转射流示意图

在不同的Ω下无因次流量Qv/Qv0的关系式［1］为：

式中：Qv0是喷口出口断面上流量；Qv为沿着射流纵轴x所在的截面流量回流流量，公式［1］为：

图4为无因次回流流量Qv/Qv0沿着x/d的变化情况［1］。

图4　无因次回流流量变化图

从图中4中可以看出，随着Ω增大，回流流量显著增大，并且不管Ω如何变化，最大的无因次回流流量都出现在x/d=0.5处，实验表明燃烧高温中心一般就在最大回流量的附近。

4数值仿真

4.1几何建模

空气在燃烧器内的流动可以用Pro/E软件对燃烧器结构几何建模，用CFD软件进行网格有限元仿真分析。这里采用湍流k-epsilon模型，其模型方程包括连续方程、动量方程、湍流能量方程和耗散方程。仿真的目的是看到旋转射流引起静压强的分布以及射流的运动轨迹。

图5　燃烧器几何建模的剖面图

4.2边界条件

设定边界条件为：采用湍流k-epsilon模型，湍流层流粘性比为100，湍流度为0.04，湍流系数ce1=1.44，系数ce2=1.92，系数cmu=0.09，空气进气流量为2.46L/s，出口压力为2KPa，迭代步数为650，瞬时收敛曲线斜率为0.001，时均收敛曲线斜率为0.03。划分网格单元数1197564个。