超声高效气化燃油的研究

Technology & Economy in Areas of Communications交通科技与经济超声高效气化燃油的研究秦进平',乔爽”,盛程潜?(1.黑龙江工程学院教务处,黑龙江哈尔滨150050; 2.黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江哈尔滨150050)摘要:目前,人们对城市 空气质量以及地球石油资源危机等问题日益重视。利用浸于液体中的超声换能器产生震动的原理,将燃油破碎成极其徽小的油滴,使其气化,提高燃油的利用效率,大大减少环境污染程度,因此具有极广泛的市场前景和应用价值。针对超声波气化原理、超声气化燃油装置、超声换能器及超声波发生器与换能器的匹配问题进行了讨论。关键词:超声换能器;气化燃油;匹配;燃油装置中图分类号:U464.136文献标识码:A文章编号:1008 - 5696(2007)04 - 0067 - 03Research on effective supersonic gasified fuelQIN Jin- ping'，QIAO Shuang2 , SHENG Cheng qian2(1. Educational Administration Office, Heilngiang Institute of Technology, Harbin 150050, China;2. Dept. of Electronic Engineer-ing ,Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)Abstract:Nowadays, people are attaching importance to the air quality of city , energy sources crisis and so on.The paper applies the principle that the ultrasonic transducer can produce vibration in liquid. The technologybreaks fuel into extremely small oil drips and causes its gasification, which enhances the fuel efficiency. Thetechnology simultaneously greatly reduces the environmental pollution. Therefore it has the extremely wide-spread market prospect and the application value. This article describes the ultrasonic wave gasification princi-ple, the supersonic gasified fuel equipment, the ultrasonic transducer，the ultrasonic generator. The transducermatch question has carried on discussion.Key words: ultrasonic transducer; gasified fuel;match; fuel device近年来,随着人们生活水平的日益提高,越来越多的轿车1超声气化原理进入寻常百姓家庭,同时对汽车燃油的需求量也在同步急剧增长。传统的汽油汽车发动机中,汽油是经过化油器后和空早在1927年汗伍德及智梅斯就曾指出,当一束强超声气混合而进入气缸的,化油器是安装在发动机进气通路上的波自浸于液体中的换能器朝向液面发出后,液面上将出现一-种装置,它的作用是把汽油和空气自动地按-定比例混合层薄雾。薄雾的浓淡与超声波的强度有关，而雾滴的大小则及进行雾化,但由于汽油和空气的混合比例无法准确,使燃油与超声波的频率及液体的表面张力有关。在超声作用下,液不能充分燃烧,从而造成燃料消耗多,排放超标，即不经济,又体在气相中分散并在液体表面形成细雾飞逸的过程称超声不利于环保。随着汽车技术的发展,燃油喷射装置正在逐步雾化或气化。其空化作用是超声成雾的主要原因。取代传统化油器式供油系统。但是这种燃油喷射系统对燃料现已证明,雾滴直径稍小于表面波的半波长,这使得人的利用率和空燃比的调配也存在一-定的缺陷。而超声技术是们倾向于认为雾滴是表面波在波峰处的喷出物。超声雾化以超声能量使物体或物性某些状态变化的应用技术。它对提所采用的频率-般从40 kHz至几兆赫不等，这取决于所要高产品质量、降低生产成本、防治环境污染、提高生产效率具求的雾滴的大小，一般雾滴的尺度为120~ 30 prm。雾滴平均有特殊的潜在能力,广泛应用于机械电子、环保、化工能源等直径的大小与超声波频率成函数关系,频率高则雾细,其数许多重要领城。超声波技术又是以物理、机械振动、电子、材学表达式为料等学科为基础的高新技术之一。所以超声气化燃油具有很d = (mr)"/(4pf)U .(1)好的雾化效果和极高的效率,利用超声气化可使燃油充分分式中:d为超声波雾化雾滴的平均直径，pm;π为圆周率.解成微小粒子,使汽油充分燃烧,既节省了燃料又可延长发动3.1416;r为被雾化液体的表面张力,J/cm?;p为被雾化汽油机使用寿命,减小有害气体排放。液体密度,g/am' ;f为超声波频率,kHz。将汽油r=29x 10~ J/am2 ,p=0.7X10' g/cm'代人式(1)经过超声振动频率计算多组数据,画在坐标系内如图1收稿日期:2007-03-04基金项目:黑龙江省教育厅科研项目(10551260)所示。其中d=22 pum时,f= 55 kHz;d= 16 pm时,f= 85作者简介:榮近平(1963~ ),男,教授，研究方向:计算机控制技术.kHz。虽然频率越高,雾化后的油滴直径越小，雾化效果越理交通科技与经济第9卷想,但同时燃油量也越小,所以选择中间值f= 60 kHzo在超声处理的另一些应用中。例如超声加工，则不但需要大功率,而且需要较高的声强或振动幅度,才能达到良好的处理效果,在这种情况下,换能器的辐射端面常常连接-20种变幅杆(聚能器),将换能器辐射端面的微小位移振幅(一15般几微米)加以放大，或者说把超声能量集中在较小的截面上,然后通过工具或直接对敏处理对象进行处理加工。3超声波发生器与换能器53.1超声波发生器超声波发生器,通常称为超声波功率源，即超声波电源。f MHz它的作用是把通常的市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。发生器的原理是首先由信号发生器来产團1根据公式计算的超声频率和雾滴直径关系曲线生一个特定频率的信号,这个信号是脉冲信号，这个特定频2超声气化燃油装置简介率就是换能器的频率。超声波发生器电路分脉冲产生电路和发射电路两部分,脉冲产生电路的主要任务是产生脉冲电本装置是将喷油器喷出的燃油与气体按--定比例混合，压。它由与非门和电阳电容构成振荡电路,如图3所示。在气化室内被超声波换能器雾化(见图2)。低频用的超声雾完善的超声波发生器还配有回馈环节,主要提供两个回化装置由于常用于燃油燃烧制取,因此,功率要求大,除了提馈信号:高单个换能器的功率容量以外，还时常采用多个换能器联1)提供输出功率信号。当发生器的供电电源电压大小合工作来获得大功率的超声。发生变化时,发生器的输出功率也会发生变化,这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小,不稳定。因此需要稳定输气体气化室出功率,通过功率回馈信号相应调整功率放大器,使得功率>化懋放大稳定。|喷油器油输出2)提供频率跟踪信号。当换能器工作在谐振频率点时其效率最高,工作最稳定,而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化而改变,当然这种改变的频率只是漂移,超声功率源|变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号发生器,使信号图2超声气化燃油装原理示意圈发生器的频率在-定范围内跟踪换能器的谐振频率点,使发生器工作在最佳状态。901205K置-∩3RT40-16门200GND0114主。? TRANSS[SKNAND门100K圈3超声波气化电路團缩状态(见图4),以防止破碎,即换能器有机械偏压。将其应3.2超声换能器用于高强度超声的场合,属于低频率工作范围。系统的谐振1)换能器结构。功率超声换能器是本装置的重要组成频率 与金属块的厚度、特性阻抗和压电材料厚度有关。超声部分，也是功率超声产生的基础。目前我国功率超声换能器气化燃油装置通过陶瓷雾化片的谐振将液态分子结构打散有3种形式,其中功率超声中应用最广的换能器是压电换能而产生自然飘逸的雾状物。器,尤其是夹心式压电换能器。不过压电陶瓷材料的抗张强2)换能器幅频、相频特性曲线与效率的关系。根据计算度较低，当它用于高强度工作场合时,在振动相位是使压电机仿真得到的换能器幅频及相频特性曲线可以看出(见图陶瓷处于拉伸状态时,它很容易破碎。然而压电陶瓷抗压强5) ,相位最小的点对应的阻抗不是阻抗最小的点，换能器在度较高,因而可用一抗张螺栓使其夹心结构处于永久的被压这一点工作时虽然效率最高,但是等效电路的动态支路表现第4期秦进平等:超声高效气化燃油的研究●69●不是纯电阻。从推导出的公式(B- C&w)2 + (G-1/R。-1/输出电压和电流有一定相位差,从而使输出功率得不到期望2R)2 = (1/2R)*可以看出,只有在电纳B等于Cw时，动态;的最大输出,使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端支路才表现为纯电阻。即电导最大点对应的频率才是换能并上或串上一个相反的阻抗，使发生器负载为纯电阻，也即器工作的真正谐振点,并在此点换能器进行电端匹配。调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。4结论超声波燃油雾化是利用高频率高振幅的超声本身将非常强的声波压力作用在燃油上，以及燃油内的空化作用使燃目油雾化;另- -方面是高频振动的气流所具有的剧烈素脉动将油膜拉成细丝,破碎成油滴而在气动力作用下进一步雾化成细雾。超声波雾化燃油还有一个起作用的因素是高频率、高振幅的气流具有线性运动动能,在与油滴碰撞时,将能量传1-金属块2- 压电陶瓷环片3- 抗张螺栓递给油滴，使其获得非常大的能量后,破碎成更细小雾滴,因图4夹心式压电超声换能器结构此又接近气动筹化。多种因素的作用使超声波雾化喷嘴可以获得微小的雾滴，因此燃烧充分，可节约燃油。使用超声波对燃油雾化，目前国际国内均未使用过。由于超声换能器70030-具有极高的功率转换效率,能将燃油分子气化到极微小的颗-600粒状态,这种状态有利于燃油的充分燃烧，同时可大大降低50-E 60-阻抗-500 9有害气体的产生,势必成为未来的发展趋势。70--40080-参考文献.90t 相位一[1]袁易全.近代超声原理与应用[M].南京:南京大学出版社,1996.100200[2]荣吉利. 492Q单点电喷汽油机燃油超声雾化换能器[J].兵工学i9600200002040020800212000报,2001 ,2(4).f/Hz[3]马其良.超声波雾化油喷嘴雾化性能的试验研究[J].工业炉，2000,22(2).圈5换能器幅频及相频特性曲线[4]李春明.汽车发动机燃油喷射技术[M].北京:北京理工大学出版社,2005.3)超声波发生器与换能器的匹配。①通过匹配使发生[S]宿凤明.超声雾化喷嘴的实验及理论研究[D].天津:河北工业大器向换能器输出额定的电功率,这是由于发生器需要一个最学,2002.佳的负载才能输出额定功率所致,把换能器的阻抗变换成最[6]孙波功率超声换能器导纳特性检测及电端匹配研究[J].振动、佳负载，也即阻抗变换作用。②邇过匹配使发生器输出效率测试与诊断2002,22(4).最高,这是由于换能器有静电抗的原因,造成工作频率上的[责任编辑:王欣]