超聲振動汽油霧化器設計研究

陳玉榮 崔祥 潘強 孫道明 王廣勛 殷振

摘 要:基于一維振動理論設計了一種超聲振動汽油霧化器,并使用有限元分析軟件對設計的超聲振動霧化器進行了仿真分析,最后對制作的超聲振動霧化器樣機進行了汽油霧化的實驗研究,驗證了該超聲振動汽油霧化器的霧化效果。

關鍵詞:超聲振動汽油霧化器有限元

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0003-02

環境保護與能源的高效利用已成為當今世界的熱門話題,據統計,85%的大氣污染來源于汽車的尾氣,如何提高燃油的利用率,是實現環境和能源可持續發展的首要問題。而燃油霧化霧滴的直徑是判定霧化器霧化效果的重要指標,為了降低汽車尾氣中汽油不能完全燃燒所造成的污染,提高燃油的霧化效果,本文設計了一種超聲振動汽油霧化器,利用汽油的超聲振動霧化來降低汽油霧化的霧滴直徑,從而提高汽油霧粒與空氣接觸的面積,進而提高燃油的利用率[123]。

1 超聲振動汽油霧化器的結構設計

根據一維彈性振動理論,在諧振條件下,可知變截面桿縱向振動波動方程為[4]:

(1)

式中:—質點位移函數,;S—桿的橫截面積函數,S=S(x);—為波數,,為圓頻率;—縱波在細棒中的傳播速度,。

根據超聲振動汽油霧化器的邊界條件可得其縱向振動頻率方程:

(2)

式中:為桿的特性阻抗,為桿的密度,為桿中縱波聲速,S—桿的橫截面積函數,為桿的長度,—為波數;

根據設定的諧振頻率55kHz,擬定霧化器振子縱向振動電功率為100w,選取低介電損耗15×10×5PZT-8發射型壓電陶瓷兩片,前蓋板選用LY12,后蓋板選用45鋼,設計的超聲振動汽油霧化器如圖1所示,一次霧化噴頭安裝在超聲振動汽油霧化器的前端,二次霧化面設置在霧化器變幅桿前端,當霧化器振子的電極片接入超聲波電信號后,霧化器振子部分就會產生縱向超聲振動,變幅桿前端把超聲振動的振幅放大,次級霧化輻射面產生一定幅值的超聲振動。具有一定壓力的燃油經過送液管道流到變幅桿前端,經過一次霧化噴頭的微孔噴出,轉變為汽霧,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作用下,產生二次霧化,從而獲得更好的霧化質量,霧滴直徑更加細小均勻。

2超聲振動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介質的物理問題的數值方法,適用范圍廣泛,可解決各種復雜的力學和耦合場等工程問題。利用有限元分析軟件ANSYS中的動力學耦合場分析模塊,對所設計的霧化器進行模態分析,利用Block Lanczos模態提取方法,可以得到霧化器在55KHz頻率時短路狀態的縱向振動模態如圖2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到最大,而在法蘭處的振幅最小,接近于零,和設計預期結果一致。

對所設計的霧化器進行諧響應分析,通過ANSYS的POST26后處理器還可以得出霧化器縱向振動振子的導納分量G、B曲線、導納圓曲線,這些數據曲線對超聲電源和超聲振動汽油霧化器之間的的電路諧振匹配具有一定的指導作用和參考價值。

3超聲振動汽油霧化霧粒索特直徑的計算

根據參考文獻3的計算方法,采用索特直徑(SMD)的計算公式來計算超聲振動汽油霧化霧滴的直徑。

SMD= (3)

其中T 為汽油表面張力系數,T =0.025;為汽油密度=0.7×103kg/m3;f 為超聲振動頻率;=0.3;根據所需直徑的范圍預選頻率為55kHz。帶入數據得出汽油霧化后的索特直徑約為19.9um,其霧粒直徑僅為傳統噴油器霧化的油滴直徑的1/3,即汽油霧滴與空氣的接觸面積提高為傳統噴油器霧化油滴直徑的9倍。

4 超聲振動汽油霧化器霧化的霧滴直徑試驗研究

以汽油為霧化介質進行超聲振動霧化實驗,采用影像反求測定比較法來測量汽油霧滴的直徑[5],試驗測量具體步驟如下:

(1)采樣:將一定的水放入一個培養皿中,霧化器和超聲波發生器相連接,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,進行觀察,并測量其中一個液滴直徑;

(3)拍照、照片掃描:以測量的某一汽油霧滴為中心拍照,并將照片掃描至計算機;

(4)標定測量、統計計算:用AutoCAD打開照片,根據前面測量的汽油霧滴的尺寸,按比例標出所有霧滴尺寸。進行多次實驗,將每次實驗的數據輸入至Excle表格中,進行統計分析;

(5)得出霧滴的實際尺寸分布與霧滴的直徑大小,霧化后油滴直徑為20～30um;利用公式算出水在此頻率下的索特直徑,得到理論直徑與實際直徑的關系。

5 結語

通過對制作的超聲振動汽油霧化器的實驗研究,得出了超聲振動汽油霧化器正常工作后汽油霧化霧滴的直徑大小和霧滴的分布情況,驗證了該超聲振動汽油霧化器的霧化效果。為提高燃油燃燒利用率提供了一種新的途徑,對環境保護和能源的高效利用具有重要的意義。

參考文獻

[1] 孫曉霞.超聲波霧化噴嘴的研究進展[J].工業爐,2004,26:19～32.

[2] 馬其良,張松濤.超聲霧化噴油嘴霧化性能的試驗研究[J].工業爐,2000,22:6～7.

[3] 王寶亮,孫志遠,龔允怡.液體燃料顆粒測量技術的研究[j].小型內燃機,1999,28:35～39.

[4] 林書玉.超生換能器的原理及設計[M].北京:科學出版社,2004,6.

[5] 商慶清,張沂泉,鄭建冬,孫志武,趙博光.霧滴直徑影像反求測定法研究[N].工程圖學學報,2006(6):78～81.