超声振动汽油雾化器设计研究

陈玉荣 崔祥 潘强 孙道明 王广勋 殷振

摘 要:基于一维振动理论设计了一种超声振动汽油雾化器,并使用有限元分析软件对设计的超声振动雾化器进行了仿真分析,最后对制作的超声振动雾化器样机进行了汽油雾化的实验研究,验证了该超声振动汽油雾化器的雾化效果。

关键词:超声振动汽油雾化器有限元

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(a)-0003-02

环境保护与能源的高效利用已成为当今世界的热门话题,据统计,85%的大气污染来源于汽车的尾气,如何提高燃油的利用率,是实现环境和能源可持续发展的首要问题。而燃油雾化雾滴的直径是判定雾化器雾化效果的重要指标,为了降低汽车尾气中汽油不能完全燃烧所造成的污染,提高燃油的雾化效果,本文设计了一种超声振动汽油雾化器,利用汽油的超声振动雾化来降低汽油雾化的雾滴直径,从而提高汽油雾粒与空气接触的面积,进而提高燃油的利用率[123]。

1 超声振动汽油雾化器的结构设计

根据一维弹性振动理论,在谐振条件下,可知变截面杆纵向振动波动方程为[4]:

(1)

式中:—质点位移函数,;S—杆的横截面积函数,S=S(x);—为波数,,为圆频率;—纵波在细棒中的传播速度,。

根据超声振动汽油雾化器的边界条件可得其纵向振动频率方程:

(2)

式中:为杆的特性阻抗,为杆的密度,为杆中纵波声速,S—杆的横截面积函数,为杆的长度,—为波数;

根据设定的谐振频率55kHz,拟定雾化器振子纵向振动电功率为100w,选取低介电损耗15×10×5PZT-8发射型压电陶瓷两片,前盖板选用LY12,后盖板选用45钢,设计的超声振动汽油雾化器如图1所示,一次雾化喷头安装在超声振动汽油雾化器的前端,二次雾化面设置在雾化器变幅杆前端,当雾化器振子的电极片接入超声波电信号后,雾化器振子部分就会产生纵向超声振动,变幅杆前端把超声振动的振幅放大,次级雾化辐射面产生一定幅值的超声振动。具有一定压力的燃油经过送液管道流到变幅杆前端,经过一次雾化喷头的微孔喷出,转变为汽雾,并喷向二次雾化辐射面,一次雾化的小直径汽雾在二次雾化辐射面的超声振动作用下,产生二次雾化,从而获得更好的雾化质量,雾滴直径更加细小均匀。

2超声振动汽油雾化器的有限元分析

有限元分析法(FEM)是一种用于求解连续介质的物理问题的数值方法,适用范围广泛,可解决各种复杂的力学和耦合场等工程问题。利用有限元分析软件ANSYS中的动力学耦合场分析模块,对所设计的雾化器进行模态分析,利用Block Lanczos模态提取方法,可以得到雾化器在55KHz频率时短路状态的纵向振动模态如图2所示,其谐振频率为55765Hz,从图中可以看出在雾化器的振幅在一次雾化喷头和二次雾化面达到最大,而在法兰处的振幅最小,接近于零,和设计预期结果一致。

对所设计的雾化器进行谐响应分析,通过ANSYS的POST26后处理器还可以得出雾化器纵向振动振子的导纳分量G、B曲线、导纳圆曲线,这些数据曲线对超声电源和超声振动汽油雾化器之间的的电路谐振匹配具有一定的指导作用和参考价值。

3超声振动汽油雾化雾粒索特直径的计算

根据参考文献3的计算方法,采用索特直径(SMD)的计算公式来计算超声振动汽油雾化雾滴的直径。

SMD= (3)

其中T 为汽油表面张力系数,T =0.025;为汽油密度=0.7×103kg/m3;f 为超声振动频率;=0.3;根据所需直径的范围预选频率为55kHz。帶入数据得出汽油雾化后的索特直径约为19.9um,其雾粒直径仅为传统喷油器雾化的油滴直径的1/3,即汽油雾滴与空气的接触面积提高为传统喷油器雾化油滴直径的9倍。

4 超声振动汽油雾化器雾化的雾滴直径试验研究

以汽油为雾化介质进行超声振动雾化实验,采用影像反求测定比较法来测量汽油雾滴的直径[5],试验测量具体步骤如下:

(1)采样:将一定的水放入一个培养皿中,雾化器和超声波发生器相连接,雾化器汽油入口通入一定压力的97#汽油,使换能器在一定时间雾化的汽油喷入水中;

(2)显微镜观察:将采集的汽油雾滴样品放置在显微镜下,放大至一定倍数,进行观察,并测量其中一个液滴直径;

(3)拍照、照片扫描:以测量的某一汽油雾滴为中心拍照,并将照片扫描至计算机;

(4)标定测量、统计计算:用AutoCAD打开照片,根据前面测量的汽油雾滴的尺寸,按比例标出所有雾滴尺寸。进行多次实验,将每次实验的数据输入至Excle表格中,进行统计分析;

(5)得出雾滴的实际尺寸分布与雾滴的直径大小,雾化后油滴直径为20～30um;利用公式算出水在此频率下的索特直径,得到理论直径与实际直径的关系。

5 结语

通过对制作的超声振动汽油雾化器的实验研究,得出了超声振动汽油雾化器正常工作后汽油雾化雾滴的直径大小和雾滴的分布情况,验证了该超声振动汽油雾化器的雾化效果。为提高燃油燃烧利用率提供了一种新的途径,对环境保护和能源的高效利用具有重要的意义。

参考文献

[1] 孙晓霞.超声波雾化喷嘴的研究进展[J].工业炉,2004,26:19～32.

[2] 马其良,张松涛.超声雾化喷油嘴雾化性能的试验研究[J].工业炉,2000,22:6～7.

[3] 王宝亮,孙志远,龚允怡.液体燃料颗粒测量技术的研究[j].小型内燃机,1999,28:35～39.

[4] 林书玉.超生换能器的原理及设计[M].北京:科学出版社,2004,6.

[5] 商庆清,张沂泉,郑建冬,孙志武,赵博光.雾滴直径影像反求测定法研究[N].工程图学学报,2006(6):78～81.