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。
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1M～3MHz 之间，制取的雾滴直径为1～8μm。雾滴越小越易进入气管深部，如5μm大小的雾滴可达到细支气管，3μm 雾滴可达肺泡导管，1μm 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，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100μm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1.1～1.7 之间(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
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2.1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：
?8?T? SMD=????f2?? （1）
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其中T为汽油表面张力系数，T=0.025；ρ为汽油密度ρ=0.7×103kg/m3；f为超声振动频率；α=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19.9μm，与传统喷油器雾化的油滴直接相比缩小了2～3倍，即燃油雾滴与空气的接触面积增大了4～9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：
? pe?uevef?ueR2?r2lf （2）
4ue为陶瓷片的电功率容量，一般为2~3w/cm3，为了在设计中留有余量，我们取ue=2 w/cm3，ve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Ф20×Ф10×4mm，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，所以这里取
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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ρ2=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ρ1=2700kg/m3，ρ3=7840kg/m3，声速分别为c1=5060m/s，c3=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：
l1?后盖板的长度：
?14?c15060??23mm 4f4?55tank2l2tank3l3?Z2Z32?fl22?fl3?2c2S2tan()tan()?c2c3?3c3S3
计算得：l3=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ρ4=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=9mm。
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