碰撞和孔徑對噴嘴噴霧特性影響的試驗研究

孫元，王鳳輝，李楚橋，郎明志

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

引言

隨著汽車行業的不斷發展，在節能減排的大環境下，液體霧化應用越發廣泛。在柴油機中，柴油霧化質量決定汽車動力性和排放性的好壞，而在汽車尾氣處理的過程中，SCR技術里用噴嘴噴射尿素來降低氮氧含量是技術關鍵，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構、液體物理性質、工作條件等三大類[1]，在對液體物理性質，即粘度、表面張力、液體密度對霧化效果影響的研究中已經有大量的研究結果，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構因素出發研究其對噴霧效果的影響。

1 實驗系統說明

本試驗是在噴霧試驗臺上進行，噴霧試驗臺主要包括了水路系統、氣路系統、噴射系統和測試系統四大部分。其中，水路系統包括了水罐、耐壓水管、濾清器、液體轉子流量計；氣路系統包括空氣壓縮機、耐壓氣管、空氣濾清器、氣體轉子流量計、氣體壓力調節閥；噴射系統包括噴嘴閥體和噴嘴；測試系統包括測宏觀特性的高分辨率單反相機測試系統和測量微觀特性的馬爾文粒度分析儀測試系統。

1.1 噴嘴簡介

本試驗所用噴射器主要由閥體和噴嘴兩部分組成，且本試驗中用到的噴嘴有三個，編號分別為 1、2、3號噴嘴。1號噴嘴為不帶碰撞的噴嘴，其孔徑為1mm；2號噴嘴為帶碰撞的噴嘴，其孔徑為1mm；3號噴嘴為帶碰撞的噴嘴，其孔徑為 2mm。實驗在進行過程中，將水壓固定在 0.3MPa，氣壓也固定在 0.3MPa下，分別測量此時霧場的噴霧錐角的大小，以及不同軸向距離處霧場的索特平均直徑的大小，測錐角時測三次，以平均值為最終結果，且誤差在10%以內，測量索特平均直徑的誤差在8%以內。

1.2 測試系統簡介

高分辨率單反相機測試系統主要由數碼單反照相機組成，該相機用于拍攝噴霧錐角的相關照片，相機型號為日本佳能EOS30D數碼單反照相機，800萬像素，高分辨率CCD，照相機鏡頭原配標準鏡頭。

馬爾文粒度分析儀測試系統是基于大量運動液滴對單色平行光的多源夫瑯和費衍射的基本原理，其所連接的計算機根據能量譜分布計算液滴的尺寸分布和平均直徑，并實時顯示液滴的尺寸分布柱形曲線圖。

2 實驗結果與分析

圖1 噴嘴結構對SMD的影響

圖1所示為不同結構參數下霧場索特平均直徑(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 SMD稍大于不帶碰撞的噴嘴，而才距離噴嘴出口較遠處，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，且距離噴嘴出口越遠，其直徑越大。產生上述結果的原因如下，首先在同一孔徑下，近噴孔位置處，帶碰撞的噴嘴會導致已經霧化好的液滴產生碰撞聚合，從而使得霧場的 SMD稍有增大，而在距離噴口位置較遠處，碰撞帶來的影響已經削減，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 噴嘴結構對噴霧錐角的影響

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

3 結論

本文通過高分辨率單反相機和馬爾文粒度分析儀來測量了不同孔徑和是否帶碰撞噴嘴的宏觀和微觀霧化特性，來研究孔徑和碰撞對噴嘴霧化效果的影響，通過對比不同軸向距離處霧場的SMD和不同噴嘴的噴霧錐角，得出以下結論：

（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，增大噴嘴孔徑會使噴霧錐角明顯增大，但是噴霧場的 SMD也明顯增大，說明孔徑變大會增大噴霧范圍，但會犧牲霧化效果。

[1] 曹建明.液體噴霧學[M].北京:北京大學出版社,2013.

[2] Negeed E S R, Hidaka S, Kohno M, et al. Experimental and analy-tical investigation of liquid sheet breakup characteristics[J]. Interna-tional Journal of Heat & Fluid Flow, 2011, 32(1):95-106.

[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驗研究[J].潔凈煤技術,2012,18（4）:109-113.