碰撞和孔徑對(duì)噴嘴噴霧特性影響的試驗(yàn)研究

孫元，王鳳輝，李楚橋，郎明志

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，在節(jié)能減排的大環(huán)境下，液體霧化應(yīng)用越發(fā)廣泛。在柴油機(jī)中，柴油霧化質(zhì)量決定汽車(chē)動(dòng)力性和排放性的好壞，而在汽車(chē)尾氣處理的過(guò)程中，SCR技術(shù)里用噴嘴噴射尿素來(lái)降低氮氧含量是技術(shù)關(guān)鍵，因此，研究噴嘴霧化是很有必要的。

在之前的研究中可以知道，影響霧化效果的因素主要有噴嘴結(jié)構(gòu)、液體物理性質(zhì)、工作條件等三大類(lèi)[1]，在對(duì)液體物理性質(zhì)，即粘度、表面張力、液體密度對(duì)霧化效果影響的研究中已經(jīng)有大量的研究結(jié)果，而帶碰撞則研究較少[2-5]，本文主要從孔徑和帶碰撞這兩種改變噴嘴結(jié)構(gòu)因素出發(fā)研究其對(duì)噴霧效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)說(shuō)明

本試驗(yàn)是在噴霧試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，噴霧試驗(yàn)臺(tái)主要包括了水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)四大部分。其中，水路系統(tǒng)包括了水罐、耐壓水管、濾清器、液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)；氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、耐壓氣管、空氣濾清器、氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)、氣體壓力調(diào)節(jié)閥；噴射系統(tǒng)包括噴嘴閥體和噴嘴；測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)宏觀(guān)特性的高分辨率單反相機(jī)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量微觀(guān)特性的馬爾文粒度分析儀測(cè)試系統(tǒng)。

1.1 噴嘴簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)所用噴射器主要由閥體和噴嘴兩部分組成，且本試驗(yàn)中用到的噴嘴有三個(gè)，編號(hào)分別為 1、2、3號(hào)噴嘴。1號(hào)噴嘴為不帶碰撞的噴嘴，其孔徑為1mm；2號(hào)噴嘴為帶碰撞的噴嘴，其孔徑為1mm；3號(hào)噴嘴為帶碰撞的噴嘴，其孔徑為 2mm。實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過(guò)程中，將水壓固定在 0.3MPa，氣壓也固定在 0.3MPa下，分別測(cè)量此時(shí)霧場(chǎng)的噴霧錐角的大小，以及不同軸向距離處?kù)F場(chǎng)的索特平均直徑的大小，測(cè)錐角時(shí)測(cè)三次，以平均值為最終結(jié)果，且誤差在10%以?xún)?nèi)，測(cè)量索特平均直徑的誤差在8%以?xún)?nèi)。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

高分辨率單反相機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由數(shù)碼單反照相機(jī)組成，該相機(jī)用于拍攝噴霧錐角的相關(guān)照片，相機(jī)型號(hào)為日本佳能EOS30D數(shù)碼單反照相機(jī)，800萬(wàn)像素，高分辨率CCD，照相機(jī)鏡頭原配標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

馬爾文粒度分析儀測(cè)試系統(tǒng)是基于大量運(yùn)動(dòng)液滴對(duì)單色平行光的多源夫瑯和費(fèi)衍射的基本原理，其所連接的計(jì)算機(jī)根據(jù)能量譜分布計(jì)算液滴的尺寸分布和平均直徑，并實(shí)時(shí)顯示液滴的尺寸分布柱形曲線(xiàn)圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)SMD的影響

圖1所示為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下霧場(chǎng)索特平均直徑(SMD)的變化圖，圖中指出在距離噴嘴出口較近的軸向位置處，同一孔徑下，帶碰撞的噴嘴所獲得的霧場(chǎng) SMD稍大于不帶碰撞的噴嘴，而才距離噴嘴出口較遠(yuǎn)處，兩者基本重合；在都帶碰撞的噴嘴中，大孔徑下所得噴霧的 SMD明顯大于小孔徑下所獲得的噴霧場(chǎng)，且距離噴嘴出口越遠(yuǎn)，其直徑越大。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因如下，首先在同一孔徑下，近噴孔位置處，帶碰撞的噴嘴會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)霧化好的液滴產(chǎn)生碰撞聚合，從而使得霧場(chǎng)的 SMD稍有增大，而在距離噴口位置較遠(yuǎn)處，碰撞帶來(lái)的影響已經(jīng)削減，所以SMD變化不大；而在帶撞擊的噴嘴中，噴嘴孔徑越大，同一噴射壓力下，所產(chǎn)生的液滴直徑也越大，可以看出帶碰撞使得霧化效果稍有變差，孔徑變大也使得霧化效果變差。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧錐角的影響

圖2所示為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下霧場(chǎng)噴霧錐角的變化圖，圖中說(shuō)明同一孔徑下，不帶碰撞時(shí)，噴霧錐角較小，而帶撞擊時(shí)噴霧錐角變大；在帶碰撞的噴嘴中，孔徑越大，所得噴霧錐角越大。上述結(jié)果說(shuō)明在噴霧粒徑變化不大的條件下，帶碰撞可以使得霧場(chǎng)范圍明顯變大，這點(diǎn)說(shuō)明帶碰撞適用于需要較大范圍霧化的應(yīng)用中，而增大碰撞噴嘴的孔徑會(huì)明顯增大噴霧錐角，使得霧化范圍增大，從而使霧場(chǎng)覆蓋到更大的面積，但是以犧牲霧化效果為代價(jià)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)高分辨率單反相機(jī)和馬爾文粒度分析儀來(lái)測(cè)量了不同孔徑和是否帶碰撞噴嘴的宏觀(guān)和微觀(guān)霧化特性，來(lái)研究孔徑和碰撞對(duì)噴嘴霧化效果的影響，通過(guò)對(duì)比不同軸向距離處?kù)F場(chǎng)的SMD和不同噴嘴的噴霧錐角，得出以下結(jié)論：

（1）同一孔徑下，帶碰撞噴嘴的霧化效果與不帶碰撞的霧化效果相差不大，而帶碰撞噴嘴的噴霧錐角明顯大于不帶碰撞的噴嘴，說(shuō)明帶碰撞可以增大霧化范圍。

（2）在都帶碰撞的噴嘴中，增大噴嘴孔徑會(huì)使噴霧錐角明顯增大，但是噴霧場(chǎng)的 SMD也明顯增大，說(shuō)明孔徑變大會(huì)增大噴霧范圍，但會(huì)犧牲霧化效果。

[1] 曹建明.液體噴霧學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2013.

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[3] Lefebvre A H, Whitelaw J H. Gas turbine combustion[J]. Interna-tional Journal of Heat & Fluid Flow, 1984, 5(4):228-228.

[4] Whitlow J D, Lefebvre A H. Effervescent atomizer operation and spray characteristics[J]. Atomization & Sprays, 1993:137-155.

[5] 朱輝,曹建明,郭廣祥等.空氣助力改善氣化爐激冷室噴嘴特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].潔凈煤技術(shù),2012,18（4）:109-113.