Technology & Economy in Areas of Communications交通科技與經(jīng)濟(jì)超聲高效氣化燃油的研究秦進(jìn)平',喬爽”,盛程潛?(1.黑龍江工程學(xué)院教務(wù)處,黑龍江哈爾濱150050; 2.黑龍江工程學(xué)院電子工程系,黑龍江哈爾濱150050)摘要:目前,人們對城市 空氣質(zhì)量以及地球石油資源危機(jī)等問題日益重視。利用浸于液體中的超聲換能器產(chǎn)生震動的原理,將燃油破碎成極其徽小的油滴,使其氣化,提高燃油的利用效率,大大減少環(huán)境污染程度,因此具有極廣泛的市場前景和應(yīng)用價值。針對超聲波氣化原理、超聲氣化燃油裝置、超聲換能器及超聲波發(fā)生器與換能器的匹配問題進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞:超聲換能器;氣化燃油;匹配;燃油裝置中圖分類號:U464.136文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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近年來,隨著人們生活水平的日益提高,越來越多的轎車1超聲氣化原理進(jìn)入尋常百姓家庭,同時對汽車燃油的需求量也在同步急劇增長。傳統(tǒng)的汽油汽車發(fā)動機(jī)中,汽油是經(jīng)過化油器后和空早在1927年汗伍德及智梅斯就曾指出,當(dāng)一束強(qiáng)超聲氣混合而進(jìn)入氣缸的,化油器是安裝在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通路上的波自浸于液體中的換能器朝向液面發(fā)出后,液面上將出現(xiàn)一-種裝置,它的作用是把汽油和空氣自動地按-定比例混合層薄霧。薄霧的濃淡與超聲波的強(qiáng)度有關(guān)，而霧滴的大小則及進(jìn)行霧化,但由于汽油和空氣的混合比例無法準(zhǔn)確,使燃油與超聲波的頻率及液體的表面張力有關(guān)。在超聲作用下,液不能充分燃燒,從而造成燃料消耗多,排放超標(biāo)，即不經(jīng)濟(jì),又體在氣相中分散并在液體表面形成細(xì)霧飛逸的過程稱超聲不利于環(huán)保。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,燃油噴射裝置正在逐步霧化或氣化。其空化作用是超聲成霧的主要原因。取代傳統(tǒng)化油器式供油系統(tǒng)。但是這種燃油噴射系統(tǒng)對燃料現(xiàn)已證明,霧滴直徑稍小于表面波的半波長,這使得人的利用率和空燃比的調(diào)配也存在一-定的缺陷。而超聲技術(shù)是們傾向于認(rèn)為霧滴是表面波在波峰處的噴出物。超聲霧化以超聲能量使物體或物性某些狀態(tài)變化的應(yīng)用技術(shù)。它對提所采用的頻率-般從40 kHz至幾兆赫不等，這取決于所要高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、防治環(huán)境污染、提高生產(chǎn)效率具求的霧滴的大小，一般霧滴的尺度為120~ 30 prm。霧滴平均有特殊的潛在能力,廣泛應(yīng)用于機(jī)械電子、環(huán)保、化工能源等直徑的大小與超聲波頻率成函數(shù)關(guān)系,頻率高則霧細(xì),其數(shù)許多重要領(lǐng)城。超聲波技術(shù)又是以物理、機(jī)械振動、電子、材學(xué)表達(dá)式為料等學(xué)科為基礎(chǔ)的高新技術(shù)之一。所以超聲氣化燃油具有很d = (mr)"/(4pf)U .(1)好的霧化效果和極高的效率,利用超聲氣化可使燃油充分分式中:d為超聲波霧化霧滴的平均直徑，pm;π為圓周率.解成微小粒子,使汽油充分燃燒,既節(jié)省了燃料又可延長發(fā)動3.1416;r為被霧化液體的表面張力,J/cm?;p為被霧化汽油機(jī)使用壽命,減小有害氣體排放。液體密度,g/am' ;f為超聲波頻率,kHz。將汽油r=29x 10~ J/am2 ,p=0.7X10' g/cm'代人式(1)經(jīng)過超聲振動頻率計算多組數(shù)據(jù),畫在坐標(biāo)系內(nèi)如圖1收稿日期:2007-03-04基金項目:黑龍江省教育廳科研項目(10551260)所示。其中d=22 pum時,f= 55 kHz;d= 16 pm時,f= 85作者簡介:榮近平(1963~ ),男,教授，研究方向:計算機(jī)控制技術(shù).kHz。雖然頻率越高,霧化后的油滴直徑越小，霧化效果越理交通科技與經(jīng)濟(jì)第9卷想,但同時燃油量也越小,所以選擇中間值f= 60 kHzo在超聲處理的另一些應(yīng)用中。例如超聲加工，則不但需要大功率,而且需要較高的聲強(qiáng)或振動幅度,才能達(dá)到良好的處理效果,在這種情況下,換能器的輻射端面常常連接-20種變幅桿(聚能器),將換能器輻射端面的微小位移振幅(一15般幾微米)加以放大，或者說把超聲能量集中在較小的截面上,然后通過工具或直接對敏處理對象進(jìn)行處理加工。3超聲波發(fā)生器與換能器53.1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器,通常稱為超聲波功率源，即超聲波電源。f MHz它的作用是把通常的市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。發(fā)生器的原理是首先由信號發(fā)生器來產(chǎn)團(tuán)1根據(jù)公式計算的超聲頻率和霧滴直徑關(guān)系曲線生一個特定頻率的信號,這個信號是脈沖信號，這個特定頻2超聲氣化燃油裝置簡介率就是換能器的頻率。超聲波發(fā)生器電路分脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路兩部分,脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生脈沖電本裝置是將噴油器噴出的燃油與氣體按--定比例混合，壓。它由與非門和電陽電容構(gòu)成振蕩電路,如圖3所示。在氣化室內(nèi)被超聲波換能器霧化(見圖2)。低頻用的超聲霧完善的超聲波發(fā)生器還配有回饋環(huán)節(jié),主要提供兩個回化裝置由于常用于燃油燃燒制取,因此,功率要求大,除了提饋信號:高單個換能器的功率容量以外，還時常采用多個換能器聯(lián)1)提供輸出功率信號。當(dāng)發(fā)生器的供電電源電壓大小合工作來獲得大功率的超聲。發(fā)生變化時,發(fā)生器的輸出功率也會發(fā)生變化,這時反映在換能器上就是機(jī)械振動忽大忽小,不穩(wěn)定。因此需要穩(wěn)定輸氣體氣化室出功率,通過功率回饋信號相應(yīng)調(diào)整功率放大器,使得功率>化懋放大穩(wěn)定。|噴油器油輸出2)提供頻率跟蹤信號。當(dāng)換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時其效率最高,工作最穩(wěn)定,而換能器的諧振頻率點(diǎn)會由于裝配原因和工作老化而改變,當(dāng)然這種改變的頻率只是漂移,超聲功率源|變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號發(fā)生器,使信號圖2超聲氣化燃油裝原理示意圈發(fā)生器的頻率在-定范圍內(nèi)跟蹤換能器的諧振頻率點(diǎn),使發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)。901205K置-∩3RT40-16門200GND0114主。? TRANSS[SKNAND門100K圈3超聲波氣化電路團(tuán)縮狀態(tài)(見圖4),以防止破碎,即換能器有機(jī)械偏壓。將其應(yīng)3.2超聲換能器用于高強(qiáng)度超聲的場合,屬于低頻率工作范圍。系統(tǒng)的諧振1)換能器結(jié)構(gòu)。功率超聲換能器是本裝置的重要組成頻率 與金屬塊的厚度、特性阻抗和壓電材料厚度有關(guān)。超聲部分，也是功率超聲產(chǎn)生的基礎(chǔ)。目前我國功率超聲換能器氣化燃油裝置通過陶瓷霧化片的諧振將液態(tài)分子結(jié)構(gòu)打散有3種形式,其中功率超聲中應(yīng)用最廣的換能器是壓電換能而產(chǎn)生自然飄逸的霧狀物。器,尤其是夾心式壓電換能器。不過壓電陶瓷材料的抗張強(qiáng)2)換能器幅頻、相頻特性曲線與效率的關(guān)系。根據(jù)計算度較低，當(dāng)它用于高強(qiáng)度工作場合時,在振動相位是使壓電機(jī)仿真得到的換能器幅頻及相頻特性曲線可以看出(見圖陶瓷處于拉伸狀態(tài)時,它很容易破碎。然而壓電陶瓷抗壓強(qiáng)5) ,相位最小的點(diǎn)對應(yīng)的阻抗不是阻抗最小的點(diǎn)，換能器在度較高,因而可用一抗張螺栓使其夾心結(jié)構(gòu)處于永久的被壓這一點(diǎn)工作時雖然效率最高,但是等效電路的動態(tài)支路表現(xiàn)第4期秦進(jìn)平等:超聲高效氣化燃油的研究●69●不是純電阻。從推導(dǎo)出的公式(B- C&w)2 + (G-1/R。-1/輸出電壓和電流有一定相位差,從而使輸出功率得不到期望2R)2 = (1/2R)*可以看出,只有在電納B等于Cw時，動態(tài);的最大輸出,使發(fā)生器輸出效率降低，因此在發(fā)生器輸出端支路才表現(xiàn)為純電阻。即電導(dǎo)最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率才是換能并上或串上一個相反的阻抗，使發(fā)生器負(fù)載為純電阻，也即器工作的真正諧振點(diǎn),并在此點(diǎn)換能器進(jìn)行電端匹配。調(diào)諧作用。由此可見匹配的好壞直接影響著功率超聲源的產(chǎn)生和效率。4結(jié)論超聲波燃油霧化是利用高頻率高振幅的超聲本身將非常強(qiáng)的聲波壓力作用在燃油上，以及燃油內(nèi)的空化作用使燃目油霧化;另- -方面是高頻振動的氣流所具有的劇烈素脈動將油膜拉成細(xì)絲,破碎成油滴而在氣動力作用下進(jìn)一步霧化成細(xì)霧。超聲波霧化燃油還有一個起作用的因素是高頻率、高振幅的氣流具有線性運(yùn)動動能,在與油滴碰撞時,將能量傳1-金屬塊2- 壓電陶瓷環(huán)片3- 抗張螺栓遞給油滴，使其獲得非常大的能量后,破碎成更細(xì)小霧滴,因圖4夾心式壓電超聲換能器結(jié)構(gòu)此又接近氣動籌化。多種因素的作用使超聲波霧化噴嘴可以獲得微小的霧滴，因此燃燒充分，可節(jié)約燃油。使用超聲波對燃油霧化，目前國際國內(nèi)均未使用過。由于超聲換能器70030-具有極高的功率轉(zhuǎn)換效率,能將燃油分子氣化到極微小的顆-600粒狀態(tài),這種狀態(tài)有利于燃油的充分燃燒，同時可大大降低50-E 60-阻抗-500 9有害氣體的產(chǎn)生,勢必成為未來的發(fā)展趨勢。70--40080-參考文獻(xiàn).90t 相位一[1]袁易全.近代超聲原理與應(yīng)用[M].南京:南京大學(xué)出版社,1996.100200[2]榮吉利. 492Q單點(diǎn)電噴汽油機(jī)燃油超聲霧化換能器[J].兵工學(xué)i9600200002040020800212000報,2001 ,2(4).f/Hz[3]馬其良.超聲波霧化油噴嘴霧化性能的試驗研究[J].工業(yè)爐，2000,22(2).圈5換能器幅頻及相頻特性曲線[4]李春明.汽車發(fā)動機(jī)燃油噴射技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.3)超聲波發(fā)生器與換能器的匹配。①通過匹配使發(fā)生[S]宿鳳明.超聲霧化噴嘴的實(shí)驗及理論研究[D].天津:河北工業(yè)大器向換能器輸出額定的電功率,這是由于發(fā)生器需要一個最學(xué),2002.佳的負(fù)載才能輸出額定功率所致,把換能器的阻抗變換成最[6]孫波功率超聲換能器導(dǎo)納特性檢測及電端匹配研究[J].振動、佳負(fù)載，也即阻抗變換作用。②邇過匹配使發(fā)生器輸出效率測試與診斷2002,22(4).最高,這是由于換能器有靜電抗的原因,造成工作頻率上的[責(zé)任編輯:王欣]