CN114352382A - 一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法，属于排气系统减阻技术领域，本发明通过加热低温冷却介质，提高冷却介质到达雾化喷头时的温度，进而提高雾化液滴进入高温气流时的初始温度，促进液滴蒸发和排气温度降低，从而提高排气系统喷雾冷却减阻性能；排气管内表面沿周向均匀分布脊微结构，使排气管内表面具有超疏水效应，促进撞击到排气管内表面上的液滴弹离表面，可提高喷雾冷却减阻效果；采用具有最佳减阻效果的雾化喷头布置方式，雾化喷头周向环布斜喷，进一步提高排气系统喷雾冷却减阻性能。
Description
技术领域
本发明属于发动机排气系统减阻技术领域，具体涉及一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法。
背景技术
发动机排气系统作为发动机重要附件，对发动机性能有着重要影响。排气系统排气阻力过大将导致泵气损失增加、机械效率降低、发动机输出功率降低以及燃油经济形恶化；降低排气系统排气阻力可以有效提高发动机输出功率，改善扭矩特性和尾气排放。
排气系统减阻技术一直是研究者十分关注的问题，排气系统减阻研究主要集中在改变排气管结构、形状、长度，排气管内表面设计微结构等；然而上述减阻技术仅在一定程度上降低排气阻力，无法满足特种军用车辆大幅度减阻的需求。
喷雾冷却减阻作为一种新型减阻方式具有优秀的减阻潜力，可用于特种军用车辆排气系统减阻，然而排气系统喷雾冷却减阻研究较少，高温气流中雾化液滴不能充分利用、排气系统喷雾冷却减阻性能有限等问题尚未得到解决。针对排气系统喷雾冷却减阻性能有限的问题，本发明提出了一种提高排气系统喷雾冷却减阻的方法，该方法可以有效解决冷却介质不能充分利用的问题，进而可以大幅度提高排气系统喷雾冷却减阻性能，在重型两栖装甲车辆上具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法。该方法主要是利用排气管高温壁面加热低温冷却介质，提高冷却介质到达雾化喷头时的温度，进而提高雾化液滴进入高温气流时的初始温度，从而促进液滴的蒸发和排气温度的降低，提高喷雾冷却减阻性能；排气管内表面沿周向均匀分布脊微结构，采用喷涂方式构筑超疏水涂层，使排气管内表面具有超疏水效应，促进撞击到排气管壁上的液滴弹离排气管内表面；采用具有最佳减阻效果的雾化喷头布置方式，雾化喷头周向环布斜喷，来进一步提高排气系统喷雾冷却减阻性能。
一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法，包含以下步骤：
1.排气管内表面加工沿周向均匀分布的脊微结构，脊微结构的脊宽度为30-40μm，高度为50-60μm；以纳米二氧化硅和硅树脂作为原料，采用喷涂方式构筑超疏水涂层，使表面具有超疏水效应，使撞击到排气管内表面上的液滴快速弹离表面；
2.排气管表面加工3个沿周向均匀分布、轴线方向与气流方向成45°夹角的螺纹孔，雾化喷头与排气管通过螺纹孔连接，实现雾化喷头环布斜喷；
3.利用高压水泵对冷却介质进行加压，获得水压为35-40bar的高压水流；
4.加热管路表面和排气管外表面均匀涂抹导热硅脂，同时使用夹紧装置使两者紧密贴合，减小加热管路与排气管之间的热阻；
5.高压水流通过加热管路，低温冷却介质通过对流换热方式吸收大量热量，冷却介质被加热至60-90℃；
6.雾化喷头雾化高温冷却介质，得到高温雾化液滴；
7.高温雾化液滴喷射进入高温气流，雾化液滴相变蒸发吸收大量热量，快速冷却高温排气，降低排气系统排气阻力。
本发明的有益效果是：
本发明通过提高雾化液滴进入高温气流时的初始温度，排气管内表面加工脊微结构以及合理布置雾化喷头，可以显著提高排气系统喷雾冷却减阻性能和冷却介质的利用率，可以有效解决重型装甲车辆排气系统排气阻力过大问题，因此，该方法具有十分重要的经济价值以及军事价值。
附图说明
图1为排气管道内表面脊微结构示意图；
图2为图1中的A处放大示意图；
图3为液滴被高温气流加热时，液滴温度随时间变化曲线图，液滴粒径与气流温度分别为100μm和500℃。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法，其包括以下步骤：
1.在排气管内表面加工沿周向均匀分布的脊微结构，脊微结构的脊宽度a为30-40μm，脊高度b为50-60μm，以纳米二氧化硅和硅树脂作为原料，采用喷涂方式构筑超疏水涂层，使表面具有超疏水效应，可使撞击到排气管内表面上的液滴快速弹离表面；
2.排气管表面加工3个沿周向均匀分布、轴线方向与气流方向成45°夹角的螺纹孔，雾化喷头与排气管通过螺纹孔连接，实现雾化喷头环布斜喷；
3.使用高压水泵对冷却介质进行加压，获得水压为35-40bar的高压水流，用于产生粒径范围为80-100μm的雾化液滴；
4.加热管路表面与排气管表面均匀涂抹优良导热性能的导热硅脂，同时使用夹紧装置使加热管路与排气管路紧密贴合，减小加热管路与排气管之间的热阻；
5.高压水流通过加热管路，加热管路用于加热冷却介质，低温冷却介质通过对流换热方式吸收大量热量，低温冷却介质可被加热至60-90℃；
6.高温冷却介质到达雾化喷头，雾化喷头雾化高温冷却介质，形成粒径范围80-100μm的高温雾化液滴；
7.高温雾化液滴进入排气管高温气流中，高温雾化液滴相变蒸发吸收大量热量，快速降低排气温度，降低排气系统排气阻力。
本发明实现原理：
如图3所示，低温雾化液滴进入高温气流后经历以下两个过程：液滴稳定加热过程、液滴相变蒸发过程，稳定加热阶段通过温升吸热降低排气温度，而相变蒸发阶段则通过相变吸热降低排气温度，1kg冷却介质(水)由25℃加热至100℃可吸收315kj热量，而1kg冷却介质相变蒸发则可吸收2257.2kj热量，通过上述数据可知，相变蒸发潜热量是温升吸热量的7倍。
雾化液滴进入高温气流后，在气流曳力的作用下，液滴的运动速度快速增加，液滴在气流中的运动时间有限；试验发现高温气流(500℃)中的低温冷却液滴，由25℃加热至90℃至少3-4s，高温气流中低温冷却液滴主要通过温升吸热方式降低排气温度，低温冷却液滴降低排气温度的能力有限，进而制约了喷雾冷却减阻效果；通过提高雾化液滴进入高温气流时的初始温度，可以使液滴跳过温升吸热阶段，直接进入相变蒸发阶段，从而显著提高雾化液滴降低排气温度能力，进而提高排气系统喷雾冷却减阻效果。
Claims (1)
1.一种提高排气系统喷雾冷却减阻性能的方法，其包括以下步骤：
1)在排气管内表面加工沿周向均匀分布的脊微结构，脊微结构的脊宽度a为30-40μm，脊高度b为50-60μm，以纳米二氧化硅和硅树脂作为原料，采用喷涂方式构筑超疏水涂层，使表面具有超疏水效应，可使撞击到排气管内表面上的液滴快速弹离表面；
2)排气管表面加工3个沿周向均匀分布、轴线方向与气流方向成45°夹角的螺纹孔，雾化喷头与排气管通过螺纹孔连接，实现雾化喷头环布斜喷；
3)使用高压水泵对冷却介质进行加压，获得水压为35-40bar的高压水流，用于产生粒径范围为80-100μm的雾化液滴；
4)加热管路表面与排气管表面均匀涂抹优良导热性能的导热硅脂，同时使用夹紧装置使加热管路与排气管路紧密贴合，减小加热管路与排气管之间的热阻；
5)高压水流通过加热管路，加热管路用于加热冷却介质，低温冷却介质通过对流换热方式吸收大量热量，低温冷却介质可被加热至60-90℃；
6)高温冷却介质到达雾化喷头，雾化喷头雾化高温冷却介质，形成粒径范围80-100μm的高温雾化液滴；
7)高温雾化液滴进入排气管高温气流中，高温雾化液滴相变蒸发吸收大量热量，快速降低排气温度，降低排气系统排气阻力。
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