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1、1超声振动汽油雾化喷油嘴设计说明书设计者：陈玉荣 侯剑波（兰州理工大学,XXX，兰州，730050）摘要：基于一维振动理论设计了一种超声振动汽油喷油嘴，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。该设计可提高汽油燃料的利用率，减少有害气体的排放，对节能减排技术的推广具有一定的促进作用。关键词：超声振动，汽油喷油嘴，雾化1 作品背景（国内外相关研究现状）自 20 世纪 80 年代末和 90 年代初以来，超声雾化作为一项新型雾化技术逐渐引起人们的关注。由于超声雾化能够在很低的液体传输速度下获
2、得极佳的雾化质量（雾滴尺寸细小均匀，雾化效果容易控制） ，所以在各个领域有着普遍的应用。目前，超声雾化技术已广泛应用于空气加湿、药剂雾化治疗、半导体刻蚀、电子产品盐雾试验以及光谱分析等方面。近年来，以超声雾化为代表的气溶胶制备材料技术，如喷雾干燥、喷雾热解、液相气相化学沉积以及熔融液滴沉积等，日益引起人们的关注。超声雾化在汽车上的运用成果尚少，目前国内外也有很多学者在此领域进行研究。北京理工大学的荣吉利等人在原有的单点单喷喷油嘴的基础上 6，在节气门阀体处加了一个超声雾化器，喷出的汽油雾滴沾附在雾化器前端，利用超声振动再次雾化汽油喷入缸体。其缺点在于要改变节气门的结构，并且体积较大，不宜安装。
3、超声雾化在其他领域的应用：在工业应用上，主要集中在用于制备 SiO2、TiO2 以及 Al2O3 等材料上，在制备电子陶瓷薄膜和粉体、光学材料、贵金属及其他材料方面也显示较明显的优势。在医学方面，超声雾化吸入疗法的应用非常普遍，各种治疗疾病的雾化吸入设备市场上到处可见。超声雾化吸入疗法适用于各种急慢性呼吸道疾病、鼻炎、哮喘以及慢性阻塞性肺部疾病等的治疗。医学上用于制雾的超声频率一般在 1M3MHz 之间，制取的雾滴直径为 18m。雾滴越小越易进入气管深部，如 5 m 大小的雾滴可达到细支气管，3m 雾滴可达肺泡导管，1m 雾滴则可进入肺泡。具有药效大、疗效高、用药少的特点。在工业粉末冶金方面，
4、研究超声雾化的目的是为了生产具有快速冷凝效果的微细粉末。该雾化技术提高了气流的速度，雾化效率得到了有效提高。但该技术只能在金属液流直径小于 5mm 的情况下才具有较好的效果，因此适用于铝等低熔点金属粉末的生产，而对高熔点金属仅限于试验阶段。该技术已进入工业化应用，据报导美国坩埚公司已引进了该技术进行工业化生产。在石油化工方面，利用超声波燃油雾化技术来实现低氧燃烧，减少烟气中的烟尘和氮氧污染物的排放。研究结果表明:超声波燃烧器的雾化性能一般要优于其它类型燃烧器，其雾化粒径较小(在 100m 以下)，雾化液滴的均匀性较好，其均匀性指数 N 都大于 2，而普通燃烧器的 N 值在 1.11.7 之间(
5、N 为 R-R 分布函数的指数)。在农产品加工方面，超声雾化在大米抛光着水处理上有一定的应用。超声波发生器是雾化着水装置的核心。利用超声波雾化着水可达到定量性、均匀性、水雾粒度细密等工艺参数的要求，且着水系统的可控性好，自动化程度高。2 超声振动汽油雾化喷油嘴理论设计22.1 超声振动汽油雾化喷油嘴的工作原理设计的超声振动汽油雾化喷油嘴如图 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
6、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。图1 超声振动汽油雾化器结构示意图1 一次雾化喷头 2二次雾化辐射面 3雾化器变幅杆 4-进液口 5雾化器振子 6雾化器电极2.2 超声振动雾化喷油嘴的频率设计超声振动雾化的特性，即超声振动的频率越高，超声喷油嘴的雾化效果越好。但与此同时其雾化液体的量也将减少，为了满足发动机所需油量和油滴直径两方面的要求，采用索特直径（SMD）的计算方法来分析雾滴直径与振动频率之间的关系。SMD 近似公式计算：S
7、MD= （1）3128fT其中 T 为汽油表面张力系数，T=0.025； 为汽油密度 =0.7103kg/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。其雾化后的索特直径约为 19.9m，与传统喷油器雾化的油滴直接相比缩小了 23 倍，即燃油雾滴与空气的接触面积增大了49 倍。2.3 超声振动雾化喷油嘴的功率设计由于雾化器需进行长时间的连续工作，应采用 PZT-8 发射型压电陶瓷材料，因为此材料的场强介电损耗低，介电损耗和机械损耗在高压和高温度情况下变化小。压电陶瓷片的功率计算公式：（2）lfrRufvpee24ue为陶瓷片的电功率容量，一般为 23w/cm3
8、，为了在设计中留有余量，我们取 ue=2 w/cm3，v e为压电陶瓷片体积（R 为外径，r 为内径， l 为厚度） ，f 为振动频率，为了满足雾化器的径向尺寸的要求，这里选取的压电陶瓷片规格为 20104mm，带入数据得到pe=259w。由于该雾化器的前端负载很小，因此振子纵向振动电功率也很小，拟定为 100w。因为换能器的压电陶瓷片的数目一般为偶数，以便换能器的前后盖板与同一极性的电极相连，3所以这里取两片。2.4 喷油嘴的换能器设计为了满足汽油的雾化，设定振子的谐振频率为 55kHz，则所设计的半波长纵向复合式换能器结构（如图 2）的谐振频率也为 55kHz，即：f =55kHz。为了满
9、足大功率输出的同时减小结构空间，中央压电陶瓷堆选用两片压电陶瓷，压电陶瓷的内、外径和厚度分别为：10mm、20mm 和 4mm，其密度 2=7650kg/m3，声速 c2=3600m/s。因为电极片的厚度很薄，所以可以忽略不计，可得出压电陶瓷堆的长度 l3=8mm。前盖板选用的材料为 LY-12，后盖板选用的材料为 45 号钢，其密度分别为 1=2700kg/m3， 3=7840kg/m3，声速分别为c1=5060m/s，c 3=5160m/s，前后盖板的外径均为 20mm，即前后盖板的面积 S1=S3。图 2 换能器结构示意图前盖板的长度：mm23540611fcl后盖板的长度： 32322
10、32)tan()t(ScflcflZk计算得：l 3=9mm。半波长纵向复合压电换能的设计结果为：前盖板长度 l1为 23mm，压电陶瓷堆长度 l2为8mm，后盖板长度 l3为 9mm。2.5 喷油嘴的变幅杆设计超声变幅杆（如图 3）是将换能器的输出振幅放大，而换能器与变幅杆作为一个整体，两者应处在同一谐振频率点，所以变幅杆的计算谐振频率应与换能器相同，即 f=55KHz。变幅杆的材料选用的是 LY-12，其参数为：密度 4=2700kg/m3，声速 c4=5060m/s。变幅杆大端面的直径与换能器输出端直径相同，即 D=20mm。小圆柱端面为液体雾化端面，根据振幅所需放大的倍数，取 d=9m
11、m。4图 3 变幅杆结构示意图由于大端圆柱长度为四分之一波长，即变幅杆大端长度：mm2354064fcl指数过渡段的长度：。 mm.1845fckl变幅杆小端长度：mm5.46lfcl应用上述方法半波长阶梯形指数过渡复合变幅杆的设计结果为，变幅杆全长为 46mm 长，各段的长度分别为：l 4=23mm，l 5=13mm，l 6=10mm。为了减小超声能量在传输中的损耗，将变幅杆与换能器的前盖板制作成一个整体，则超声振动汽油雾化喷油嘴的整体结构如表 1 所示。前辐杆名称 后盖板 压电陶瓷片 大端 过度圆弧半径 小端尺寸/mm 9 4/2 片 44 11.5 11.5材料 45 号钢 PZT8 Y
12、L12表 1 超声振动喷油嘴的结构尺寸表2.6 其他系统超声振动汽油雾化喷油嘴的电路可以向超声设备公司直接购买，价格较便宜。3 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4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，5接近于零，和
13、设计预期结果一致。 图 4 雾化器振动模态图 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（图 5）、导纳圆曲线（图 6），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。图 5 导纳分量 G、B 曲线 图 6 导纳圆曲线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
14、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 Excel 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 2030um；利用公式算出汽油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 经济可行性分析6图 7 近年油价走势图图
15、 7 为今年来北京 93#汽油的价格走势图，可以看出 93#汽油的价格一直呈走高趋势。目前北京 93#汽油价格为 7.8 元/升。普通喷油嘴 超声振动喷油嘴油耗 8L/100km 6.8L/100km油价 7.8 元/L路程 10000km一年油费 6240 元 5304 元表 2 普通喷油嘴与超声振动喷油嘴油耗对比由表 2 可知，以普通家庭汽车一年行驶 10000 公里来计算，利用超声振动喷油嘴的汽车可比普通汽车一年节省近 1000 元的油费。6 实物图雾化器零件图7雾化器装配图雾化实验装置8雾化效果图7 创新点及应用创新点1） 超声振动汽油雾化喷油嘴是将超声雾化器与汽油雾化喷油嘴相结合而设
16、计制作，可提高燃油的利用率，减少有害气体的排放。2） 该超声振动汽油雾化喷油采用二次雾化原理，可有效的减小燃油雾滴直径，增大汽油雾滴与空气的接触面积，使汽油燃烧更充分。3）设计的超神振动汽油雾化喷油嘴的结构尺寸与传统汽油喷嘴的相近，在进行电路匹配后可与传统喷油嘴直接替换。应用前景随着汽车拥有量的不断提高，石油储量的减少，汽油等燃料价格急剧上涨，此设计可为广大车主减少油费，同时又能节能环保，减少有害气体的排放，因此具有很广的市场和应用前景。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 ：19-322 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，2000.22：6-73 王宝亮.孙志远，龚允怡.液体燃料颗粒测量技术
