超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴設(shè)計(jì)陳玉榮

1、超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：陳玉榮 侯劍波（蘭州理工大學(xué),XXX，蘭州，730050）摘要：基于一維振動(dòng)理論設(shè)計(jì)了一種超聲振動(dòng)汽油噴油嘴，并使用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)霧化器進(jìn)行了仿真分析，最后對(duì)制作的超聲振動(dòng)霧化器樣機(jī)進(jìn)行了汽油霧化的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該超聲振動(dòng)汽油霧化器的霧化效果。該設(shè)計(jì)可提高汽油燃料的利用率，減少有害氣體的排放，對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的推廣具有一定的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng)，汽油噴油嘴，霧化1作品背景（國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀）自20 世紀(jì)80 年代末和90 年代初以來，超聲霧化作為一項(xiàng)新型霧化技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注。由于超聲霧化能夠在很低的液體傳輸速度下獲得極佳的霧

2、化質(zhì)量（霧滴尺寸細(xì)小均勻，霧化效果容易控制），所以在各個(gè)領(lǐng)域有著普遍的應(yīng)用。目前，超聲霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空氣加濕、藥劑霧化治療、半導(dǎo)體刻蝕、電子產(chǎn)品鹽霧試驗(yàn)以及光譜分析等方面。近年來，以超聲霧化為代表的氣溶膠制備材料技術(shù)，如噴霧干燥、噴霧熱解、液相氣相化學(xué)沉積以及熔融液滴沉積等，日益引起人們的關(guān)注。超聲霧化在汽車上的運(yùn)用成果尚少，目前國內(nèi)外也有很多學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行研究。北京理工大學(xué)的榮吉利等人在原有的單點(diǎn)單噴噴油嘴的基礎(chǔ)上6，在節(jié)氣門閥體處加了一個(gè)超聲霧化器，噴出的汽油霧滴沾附在霧化器前端，利用超聲振動(dòng)再次霧化汽油噴入缸體。其缺點(diǎn)在于要改變節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)，并且體積較大，不宜安裝。超聲霧化在其他

3、領(lǐng)域的應(yīng)用： 在工業(yè)應(yīng)用上，主要集中在用于制備SiO2、TiO2以及Al2O3等材料上，在制備電子陶瓷薄膜和粉體、光學(xué)材料、貴金屬及其他材料方面也顯示較明顯的優(yōu)勢(shì)。 在醫(yī)學(xué)方面，超聲霧化吸入療法的應(yīng)用非常普遍，各種治療疾病的霧化吸入設(shè)備市場(chǎng)上到處可見。超聲霧化吸入療法適用于各種急慢性呼吸道疾病、鼻炎、哮喘以及慢性阻塞性肺部疾病等的治療。醫(yī)學(xué)上用于制霧的超聲頻率一般在1M3MHz 之間，制取的霧滴直徑為18m。霧滴越小越易進(jìn)入氣管深部，如5m大小的霧滴可達(dá)到細(xì)支氣管，3m 霧滴可達(dá)肺泡導(dǎo)管，1m 霧滴則可進(jìn)入肺泡。具有藥效大、療效高、用藥少的特點(diǎn)。 在工業(yè)粉末冶金方面，研究超聲霧化的目的是為了生

4、產(chǎn)具有快速冷凝效果的微細(xì)粉末。該霧化技術(shù)提高了氣流的速度，霧化效率得到了有效提高。但該技術(shù)只能在金屬液流直徑小于5mm 的情況下才具有較好的效果，因此適用于鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末的生產(chǎn)，而對(duì)高熔點(diǎn)金屬僅限于試驗(yàn)階段。該技術(shù)已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用，據(jù)報(bào)導(dǎo)美國坩堝公司已引進(jìn)了該技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。在石油化工方面，利用超聲波燃油霧化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，減少煙氣中的煙塵和氮氧污染物的排放。研究結(jié)果表明:超聲波燃燒器的霧化性能一般要優(yōu)于其它類型燃燒器，其霧化粒徑較小(在100m以下)，霧化液滴的均勻性較好，其均勻性指數(shù)N都大于2，而普通燃燒器的N 值在1.11.7 之間(N為R-R 分布函數(shù)的指數(shù))。在農(nóng)產(chǎn)品加工

5、方面，超聲霧化在大米拋光著水處理上有一定的應(yīng)用。超聲波發(fā)生器是霧化著水裝置的核心。利用超聲波霧化著水可達(dá)到定量性、均勻性、水霧粒度細(xì)密等工藝參數(shù)的要求，且著水系統(tǒng)的可控性好，自動(dòng)化程度高。2 超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴理論設(shè)計(jì)2.1超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴的工作原理設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴如圖1所示，一次霧化噴頭安裝在超聲振動(dòng)汽油霧化器的前端，二次霧化面設(shè)置在霧化器變幅桿前端，當(dāng)霧化器振子的電極片接入超聲波電信號(hào)后，霧化器振子部分就會(huì)產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，變幅桿前端把超聲振動(dòng)的振幅放大，次級(jí)霧化輻射面產(chǎn)生一定幅值的超聲振動(dòng)。具有一定壓力的燃油經(jīng)過送液管道流到變幅桿前端，經(jīng)過一次霧化噴頭的微孔噴出，轉(zhuǎn)

6、變?yōu)槠F，并噴向二次霧化輻射面，一次霧化的小直徑汽霧在二次霧化輻射面的超聲振動(dòng)作用下，產(chǎn)生二次霧化，從而獲得更好的霧化質(zhì)量，霧滴直徑更加細(xì)小均勻。圖1 超聲振動(dòng)汽油霧化器結(jié)構(gòu)示意圖1一次霧化噴頭 2二次霧化輻射面 3霧化器變幅桿 4-進(jìn)液口 5霧化器振子 6霧化器電極2.2 超聲振動(dòng)霧化噴油嘴的頻率設(shè)計(jì)超聲振動(dòng)霧化的特性，即超聲振動(dòng)的頻率越高，超聲噴油嘴的霧化效果越好。但與此同時(shí)其霧化液體的量也將減少，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)所需油量和油滴直徑兩方面的要求，采用索特直徑（SMD）的計(jì)算方法來分析霧滴直徑與振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。SMD近似公式計(jì)算： SMD= （1）其中T為汽油表面張力系數(shù)，T=0.025；

7、為汽油密度=0.7×103kg/m3；f為超聲振動(dòng)頻率；=0.3；根據(jù)所需直徑的范圍預(yù)選頻率為55kHz。其霧化后的索特直徑約為19.9µm，與傳統(tǒng)噴油器霧化的油滴直接相比縮小了23倍，即燃油霧滴與空氣的接觸面積增大了49倍。2.3 超聲振動(dòng)霧化噴油嘴的功率設(shè)計(jì)由于霧化器需進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)工作，應(yīng)采用PZT-8發(fā)射型壓電陶瓷材料，因?yàn)榇瞬牧系膱?chǎng)強(qiáng)介電損耗低，介電損耗和機(jī)械損耗在高壓和高溫度情況下變化小。壓電陶瓷片的功率計(jì)算公式： （2）ue為陶瓷片的電功率容量，一般為23w/cm3，為了在設(shè)計(jì)中留有余量，我們?nèi)e=2 w/cm3，ve為壓電陶瓷片體積（R為外徑，r為內(nèi)徑，

8、l為厚度），f為振動(dòng)頻率，為了滿足霧化器的徑向尺寸的要求，這里選取的壓電陶瓷片規(guī)格為20×10×4mm，帶入數(shù)據(jù)得到pe=259w。由于該霧化器的前端負(fù)載很小，因此振子縱向振動(dòng)電功率也很小，擬定為100w。因?yàn)閾Q能器的壓電陶瓷片的數(shù)目一般為偶數(shù)，以便換能器的前后蓋板與同一極性的電極相連，所以這里取兩片。2.4 噴油嘴的換能器設(shè)計(jì)為了滿足汽油的霧化，設(shè)定振子的諧振頻率為55kHz，則所設(shè)計(jì)的半波長縱向復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)（如圖2）的諧振頻率也為55kHz，即：f=55kHz。為了滿足大功率輸出的同時(shí)減小結(jié)構(gòu)空間，中央壓電陶瓷堆選用兩片壓電陶瓷，壓電陶瓷的內(nèi)、外徑和厚度分別為：10

9、mm、20mm和4mm，其密度2=7650kg/m3，聲速c2=3600m/s。因?yàn)殡姌O片的厚度很薄，所以可以忽略不計(jì)，可得出壓電陶瓷堆的長度l3=8mm。前蓋板選用的材料為LY-12，后蓋板選用的材料為45號(hào)鋼，其密度分別為1=2700kg/m3，3=7840kg/m3，聲速分別為c1=5060m/s，c3=5160m/s，前后蓋板的外徑均為20mm，即前后蓋板的面積S1=S3。圖2 換能器結(jié)構(gòu)示意圖前蓋板的長度：mm后蓋板的長度： 計(jì)算得：l3=9mm。半波長縱向復(fù)合壓電換能的設(shè)計(jì)結(jié)果為：前蓋板長度l1為23mm，壓電陶瓷堆長度l2為8mm，后蓋板長度l3為9mm。2.5 噴油嘴的變幅桿設(shè)

10、計(jì)超聲變幅桿（如圖3）是將換能器的輸出振幅放大，而換能器與變幅桿作為一個(gè)整體，兩者應(yīng)處在同一諧振頻率點(diǎn)，所以變幅桿的計(jì)算諧振頻率應(yīng)與換能器相同，即f=55KHz。變幅桿的材料選用的是LY-12，其參數(shù)為：密度4=2700kg/m3，聲速c4=5060m/s。變幅桿大端面的直徑與換能器輸出端直徑相同，即D=20mm。小圓柱端面為液體霧化端面，根據(jù)振幅所需放大的倍數(shù)，取d=9mm。圖3 變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖由于大端圓柱長度為四分之一波長，即變幅桿大端長度：mm指數(shù)過渡段的長度：。mm變幅桿小端長度：mm應(yīng)用上述方法半波長階梯形指數(shù)過渡復(fù)合變幅桿的設(shè)計(jì)結(jié)果為，變幅桿全長為46mm長，各段的長度分別為：l

11、4=23mm，l5=13mm，l6=10mm。為了減小超聲能量在傳輸中的損耗，將變幅桿與換能器的前蓋板制作成一個(gè)整體，則超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴的整體結(jié)構(gòu)如表1所示。名稱后蓋板壓電陶瓷片前輻桿大端過度圓弧半徑小端尺寸/mm94/2片4411.511.5材料45號(hào)鋼P(yáng)ZT8YL12表1 超聲振動(dòng)噴油嘴的結(jié)構(gòu)尺寸表2.6 其他系統(tǒng)超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴的電路可以向超聲設(shè)備公司直接購買，價(jià)格較便宜。3超聲振動(dòng)汽油霧化器的有限元分析有限元分析法（FEM）是一種用于求解連續(xù)介質(zhì)的物理問題的數(shù)值方法,適用范圍廣泛，可解決各種復(fù)雜的力學(xué)和耦合場(chǎng)等工程問題。利用有限元分析軟件ANSYS中的動(dòng)力學(xué)耦合場(chǎng)分析模塊，

12、對(duì)所設(shè)計(jì)的霧化器進(jìn)行模態(tài)分析，利用Block Lanczos模態(tài)提取方法，可以得到霧化器在55kHz頻率時(shí)短路狀態(tài)的縱向振動(dòng)模態(tài)如圖4所示，其諧振頻率為55765Hz，從圖中可以看出在霧化器的振幅在一次霧化噴頭和二次霧化面達(dá)到最大，而在法蘭處的振幅最小，接近于零，和設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果一致。 圖4 霧化器振動(dòng)模態(tài)圖 對(duì)所設(shè)計(jì)的霧化器進(jìn)行諧響應(yīng)分析，通過ANSYS的POST26后處理器還可以得出霧化器縱向振動(dòng)振子的導(dǎo)納分量G、B曲線（圖5）、導(dǎo)納圓曲線（圖6），這些數(shù)據(jù)曲線對(duì)超聲電源和超聲振動(dòng)汽油霧化器之間的的電路諧振匹配具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。 圖5 導(dǎo)納分量G、B曲線 圖6導(dǎo)納圓曲線4 超聲振

13、動(dòng)汽油霧化器霧化的霧滴直徑試驗(yàn)研究以汽油為霧化介質(zhì)進(jìn)行超聲振動(dòng)霧化實(shí)驗(yàn)，采用影像反求測(cè)定比較法來測(cè)量汽油霧滴的直徑5,試驗(yàn)測(cè)量具體步驟如下：（1）采樣：將一定的水放入一個(gè)培養(yǎng)皿中，霧化器和超聲波發(fā)生器相連接，霧化器汽油入口通入一定壓力的97#汽油，使換能器在一定時(shí)間霧化的汽油噴入水中；（2）顯微鏡觀察：將采集的汽油霧滴樣品放置在顯微鏡下，放大至一定倍數(shù)，進(jìn)行觀察，并測(cè)量其中一個(gè)液滴直徑；（3）拍照、照片掃描：以測(cè)量的某一汽油霧滴為中心拍照，并將照片掃描至計(jì)算機(jī)；（4）標(biāo)定測(cè)量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算：用AutoCAD打開照片，根據(jù)前面測(cè)量的汽油霧滴的尺寸，按比例標(biāo)出所有霧滴尺寸。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，將每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)

14、據(jù)輸入至Excel表格中，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（5）得出霧滴的實(shí)際尺寸分布與霧滴的直徑大小，霧化后油滴直徑為2030um；利用公式算出汽油在此頻率下的索特直徑，得到理論直徑與實(shí)際直徑的關(guān)系。5 經(jīng)濟(jì)可行性分析圖7 近年油價(jià)走勢(shì)圖圖7為今年來北京93#汽油的價(jià)格走勢(shì)圖，可以看出93#汽油的價(jià)格一直呈走高趨勢(shì)。目前北京93#汽油價(jià)格為7.8元/升。普通噴油嘴超聲振動(dòng)噴油嘴油耗8L/100km6.8L/100km油價(jià)7.8元/L路程10000km一年油費(fèi)6240元5304元表2 普通噴油嘴與超聲振動(dòng)噴油嘴油耗對(duì)比由表2可知，以普通家庭汽車一年行駛10000公里來計(jì)算，利用超聲振動(dòng)噴油嘴的汽車可比普通汽車一年

15、節(jié)省近1000元的油費(fèi)。6 實(shí)物圖 霧化器零件圖 霧化器裝配圖 霧化實(shí)驗(yàn)裝置 霧化效果圖7 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)1） 超聲振動(dòng)汽油霧化噴油嘴是將超聲霧化器與汽油霧化噴油嘴相結(jié)合而設(shè)計(jì)制作，可提高燃油的利用率，減少有害氣體的排放。2） 該超聲振動(dòng)汽油霧化噴油采用二次霧化原理，可有效的減小燃油霧滴直徑，增大汽油霧滴與空氣的接觸面積，使汽油燃燒更充分。3）設(shè)計(jì)的超神振動(dòng)汽油霧化噴油嘴的結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)汽油噴嘴的相近，在進(jìn)行電路匹配后可與傳統(tǒng)噴油嘴直接替換。應(yīng)用前景隨著汽車擁有量的不斷提高，石油儲(chǔ)量的減少，汽油等燃料價(jià)格急劇上漲，此設(shè)計(jì)可為廣大車主減少油費(fèi)，同時(shí)又能節(jié)能環(huán)保，減少有害氣體的排放，因此具有很廣的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)1 孫曉霞.超聲波霧化噴嘴的研究進(jìn)展J.工業(yè)爐，2004.26：19-32