CN101263296B - 用于生成柴油-水微乳液并将该乳液喷射入柴油机的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成柴油-水微乳液并将所述乳液喷射到柴油机内的装置。本发明的目的是产生这样一种装置，其能在机动车辆内制备用于柴油机的柴油燃料-水乳液。所述目的是通过以下事实实现的，即，来自柴油燃料箱(11)的柴油燃料和来自水箱(15)的水在静态混合系统(28MI)内预混合，从而获得原乳液，然后将该原乳液引导到包括三个高压缸(1，2，3)的装置内。第一高压缸(1)以及第二高压缸(2)的进口连接到水/柴油燃料原乳液混合系统(28MI)，第一高压缸(1)和第二高压缸(2)的出口连接到均质阀(13)，第三高压缸(3)的进口连接到所述均质阀(13)的出口，而第三高压缸(3)的出口连接到柴油机(24)。所述三个高压缸(1，2，3)的三个活塞是增压器的一部分，该增压器的驱动活塞(4K)在连接到液压驱动单元(7)的驱动缸(4)内被引导。

Description

用于生成柴油-水微乳液并将该乳液喷射入柴油机的设备 
技术领域
本发明涉及一种用于生成柴油/水微乳液并将所述乳液喷射入柴油机的设备。 
背景技术
尝试着采用柴油/水的混合物来驱动柴油机并进行测试。已经证明，与采用纯柴油作为燃料相比，用所述类型的乳液可实现更加清洁的燃烧。能根据乳液中水的比例而将尾气中的诸如颗粒物、煤烟颗粒和NOx的污染物降低到最小值。然而，柴油/水乳液的缺点在于不是非常稳定。如果不通过添加剂(即所谓的乳化剂)使该两相物保持稳定，那么它们会在非常短的时间后分离。 
为了广泛地使用柴油/水乳液作为燃料，必须在大型设施中通过添加乳化剂而预先制成稳定的乳液，并将其存放在大的容器设施内。此外，加油站必须配备附加的装填装置。其投资成本巨大，在当前经济状况下是不可行的。 
从DE 696 03 823 T2公知一种用于柴油内燃机的液体燃料供应设备，所述液体燃料供应设备具有混合器，燃料和水被供应到该混合器内，这样形成的燃料/水的混合物随后输送到发动机的喷射泵。尽管所述设备能直接安装在机动车辆上，但是不能通过这样的设备获得稳定的柴油/水乳液。 
从DD 228 594 A1公知一种用于两种不可混合的燃料(例如柴油燃料和酒精)的燃料系统。燃料被保持在两个分开的燃料容器内，并被供应到混合计量泵以进行混合和计量，然后从该处输送到燃料供给泵。 
从DE 199 48 464 A1公知一种用于内燃机的共轨式燃料喷射系统，所述共轨式燃料喷射系统具有为多个喷射器供应燃料的高压燃料储存 器，所述多个喷射器用来将燃料喷射入内燃机的燃烧室。这里，该高压燃料储存器通过液压助力装置液压联接到低压储存器上。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决方案以在机动车辆自身内制备用于柴油机的柴油/水乳液。 
通过介绍中所述类型的设备实现所述目的，所述设备具有三个高压缸，第一高压缸和第二高压缸的进口连接到水/柴油原乳液的预混合系统，第一高压缸和第二高压缸的出口连接到均质阀，而第三高压缸的进口连接到该均质阀的出口，第三高压缸的出口连接到柴油机，所述三个高压缸的三个活塞是增压器的组成部件，该增压器的驱动活塞在连接至液压驱动单元的驱动缸内被引导。 
通过根据本发明的设备，可在机动车辆自身内制备柴油/水乳液。这里，仅仅需要具有计量泵的小型辅助水箱，所述计量泵以受控方式根据密度对进入柴油箱和所述设备之间的柴油供应线路中的水进行计量，所述两种液体在供应线路内的静态混合器中进行混合，从而形成水/柴油原乳液。 
高压均质化(压力大小在2000bar的量级)可简单描述为通过降压使两种液体均匀混合。通过首先从所述两种液体生成原乳液，然后在高压下迫使所述原乳液通过狭窄的间隙，这导致压能转化为流动能，从而提供降压。剪切和空化效应产生非常小的液滴，在高均质化的压力作用下，液滴的大小在nm范围内。狭窄的间隙可由阀门形成，或布置在相应的喷嘴内。所产生的两种液体的nm尺寸的液滴混合物称之为微乳液。微乳液整体上具有相对较大的液滴表面积，活性相对较高，从而能确保高效的燃烧。 
仅仅需要一简单的增压器来获得所需的高压，在该增压器内，高压缸内的三个直径相对较小的活塞被具有相对较大活塞直径的液压驱动缸同时同步地线性驱动，先前生成的水/柴油原乳液以大约相等的量被泵送到第一高压缸和第二高压缸的均质阀。第三缸构成喷射泵，所形成的柴 油/水乳液通过该喷射泵被供给到柴油机的高压配送器。 
在特别优选的实施方式中，设置了三个高压缸，这三个高压缸呈排串联布置，并与驱动缸共用公共的单部件或多部件活塞杆。从而所述设备的所有缸布置成一排或一行。它们同步地升高或降低。结果，在合适的情况下，如果活塞和缸之间的游隙足够狭窄，且压力从一个缸到下一缸仅略微下降，则甚至可以省去活塞密封件。这里，从一个缸到另一缸的微小泄露是可接受的，这是因为总是要形成混合物，所以液体的掺混并不重要。 
而且可选的是，所述三个高压缸彼此相邻地并联布置。然后所述增压器具有一类板，所述三个高压缸的三个并联活塞杆布置在所述板的一侧，而所述驱动缸的活塞杆布置在所述板的另一侧。 
为了能以特别简单的方式在所述三个高压缸内提供大约2000bar的所需高压，将所述驱动活塞的横截面设置成显著大于所述三个高压缸的活塞的横截面之和。例如，所述三个高压缸的活塞直径可为12.6mm、17.8mm和21.8mm，而驱动活塞的直径为70mm。于是驱动活塞和从动活塞之间的活塞面积或环形面积的比值约为1∶8.0。于是为了在所述三个高压缸内获得约2000bar的所需压力，液压驱动单元仅仅需要提供约250bar的压力。 
在另一实施方式中，在所述均质阀的出口和所述第三高压缸的进口之间布置第一缓冲储存器。所述缓冲储存器用于缓存在均质阀内生成的乳液，并旨在均衡任何压力波动。 
还设置了连接到第三高压缸的出口的第二缓冲储存器，该第二缓冲储存器用作对在从喷射泵(第三高压缸)输送到发动机配送器时已经处在约2000bar高压下的乳液进行缓存，并均衡系统的压力波动。 
优选的是，借助于所述柴油机的加速器踏板在调节阀的作用下通过所述液压驱动单元流向所述驱动缸的液压油的质量流量而实现对所述驱动活塞的控制。 
为了驱动液压单元，优选将液压驱动单元设置成具有用于提供至机动车辆曲轴的连接的力矩传递元件。因而可省去用于液压单元的单独驱 动器。 
在另一特别有利的实施方式中，将均质阀实施为逆流阀。这里，从液压缸1和2供应的两种原乳液流在逆流中进行混合和均质化。每个阀侧优选由具有圆锥形阀锥的主轴构成，所述阀锥都插入到中央的尖缘筒形座内。 
以液压方式调节主轴。所述座缩入到块中。所述主轴形成在连接到液压缸的开口管道内。液压调节缸的活塞连接到阀的主轴上，通过弹簧挤压所述主轴，使锥体进入座的筒形孔腔内。由增压器增大的压力压靠活塞的底侧，该活塞压靠预加载弹簧。这里，锥体从阀座提升一定程度，使得不管质量流量如何总是在同样的压力下进行均质化。所述两种液体通过阀锥和座边缘之间的狭窄间隙而分层高速反向流动。压力迅速从2000bar降低到约100bar，通过剪切和空化效应而减少的液滴以高湍流度混合。 
为了尽可能地使所述设备的安装尺寸最小，特别优选的是所述三个高压缸、驱动缸和/或所述两个缓冲储存器实施为公共外壳块(housingblock)内的孔腔。 
附图说明
以下将基于附图以实施例的方式更加详细地描述本发明。在单幅图中，所述附图是对根据本发明的设备的图示说明。 
具体实施方式
首先，根据本发明的用于生成柴油/水微乳液并用于将所述乳液喷射到柴油机内的设备具有三个高压缸，具体为用于水/柴油原乳液的第一高压缸1、第二高压缸2以及用于水/柴油微乳液的第三高压缸3。还设置有双重作用的驱动缸4。 
在所示出的特别优选的实施方式中，所述三个高压缸1、2、3和驱动缸4成排串联布置，并实施为增压器。此外，在示出的实施方式中，所有三个高压缸1、2、3和驱动缸4共用公共的单部件或多部件活塞杆， 该活塞杆的各部分根据缸而表示为2KS、1KS、3KS和4KS。 
例如，第一高压缸1的活塞直径为17.8mm，活塞杆的直径为12.6mm，从而环形面积为124.16mm2，第二高压缸2的活塞直径为12.6mm，横截面为124.69mm2，第三高压缸3的活塞直径为21.8mm，活塞杆的直径为17.8mm，从而环形面积为124.40mm2。因此三个高压缸1、2、3的全部横截面为373.25mm2。 
驱动缸4的活塞直径例如为70mm，活塞杆4KS的直径为21.8mm，从而环形面积为2996.30mm2。 
这样使得驱动缸4与从动高压缸1、2、3之间的面积比为8.0。 
因此为了能在三个高压缸1、2、3中的每个缸内获得2000bar的高压，在驱动缸4内需产生大约250bar的压力。 
所述四个缸的单部件或多部件的公共活塞杆呈阶梯状，也就是说，直径从缸2经由缸1到缸3到缸4逐渐增加。如所示的那样，所述公共活塞杆在较小高压缸2和1内优选同时用作高压缸1和2的活塞，同时在相对较大的缸内，活塞杆3KS支撑附加活塞3K，而在驱动缸内，活塞杆4KS支撑附加活塞4K。在各个缸内，该活塞杆在具有密封件的套筒B内被引导。 
所有的缸1、2、3、4都优选实施为公共外壳块内的孔腔。 
驱动缸4经由液压线路5、6连接到液压驱动单元7，具体而言，在它们之间连接有调节阀8和伺服阀9。驱动单元7和/或液压泵优选通过带驱动器(未示出)连接到将要配备本设备的车辆的曲轴上。 
高压缸1、2、3的连接如下实施： 
所述两个高压缸1和2的进口经由线路26和27，并分别通过止回阀连接到用于生成原乳液的静态混合器(28MI)上。所述两个高压缸1和2的用于原乳液高压供应的出口经由高压线路12和25并分别通过另一止回阀R连接到均质阀13。 
柴油箱11经由线路10连接到静态混合器28MI。用于生成原乳液的水由计量泵29PI从水箱15计量出，并经由线路14流入静态混合器上游的线路10中。计量泵29PI是可控制的，并根据所测量的柴油密度和预 定的混合比来计量水量。由于例如在释放安全阀33SV的压力时或在从发动机区域回收过量的微乳液时将乳液回收到柴油箱内，使柴油内水的比例增加，从而所述柴油的密度发生变化。结果，必须连续地测量从箱中抽出的柴油的密度，从而为了生成原乳液而调节水的供应。 
通过控制器32CO控制计量泵29PI，该控制器32CO接受来自柴油供应线路10内的密度传感器30DS和来自位于均质阀下游的微乳液线路17内的密度传感器31DS的测量值，并且还接受来自发动机控制器的信号，而且在串级控制操作中对所述测量值和信号进行处理。 
在由于排放减少而使原乳液线路26和27内压力增加的情况下，打开线路10内的安全阀33SV，并经由线路34将过量的原乳液引导回柴油箱11。 
均质阀13实施为逆流阀，其中从两个高压缸1和2供给的处在大约2000bar的高压下的两种原乳液在逆流中进行混合和均质化。均质阀13的每一阀侧都具有带锥形阀锥的主轴，这些阀锥都插入到中央的尖缘筒形座内。通过液压控制缸16调节主轴。该座缩入到块中。该主轴在连接到液压控制缸16的开口管道内被引导。液压筒16的活塞连接到阀的主轴上，并通过弹簧挤压主轴，使锥体进入座的筒形孔腔内。由增压器增大的压力压靠活塞的底侧，该活塞压靠预加载弹簧。这里，锥体从阀座提升一定程度，使得不管质量流量如何总是在同样的压力下进行均质化。柴油和水的两种液体流通过阀锥和座边缘之间的狭窄间隙而在超音速下彼此撞击。压力迅速从约2000bar降低到100bar，通过碰撞、剪切和空化效应而减少的液滴以高湍流度混合，从而形成微乳液。 
所述微乳液经由高压线路17供应到缓冲储存器18。所述缓冲储存器18实施为在其内引导活塞18K的缸，拉簧18F作用在该活塞18K上。缓冲储存器18的出口经由两个高压管道19并分别经由一个止回阀R在双重作用的活塞3K的两侧连接到高压缸3上。保持止回阀R的孔腔内的塞由S表示。 
高压缸3的出口经由具有止回阀R的两个高压线路20通过高压线路22连接到另一缓冲储存器21上，并连接到高压配送器23上，该高压配 送器23待连接到车辆的柴油机24上。 
缓冲储存器21以与缓冲储存器18相同的方式构造而成。所述缓冲储存器21实现为一缸，在该缸内，活塞21K在拉簧21F的载荷作用下被引导。 
所有三个高压缸1、2、3和缓冲储存器18、21优选作为非连续孔腔一起布置在一个外壳块内。高压缸1、2、3内的活塞密封件优选由受专用弹簧挤压的塑料密封件提供，或由金属密封件提供。所述密封件通过压力螺钉保持在合适位置。 
设置在每个高压缸1、2、3的进口和出口处的止回阀R用来防止吸入的液体在高压下回流到进口管道内，并在吸入冲程的过程中防止已经泵送为高压的液体回流到缸内。 
来自柴油箱11和水箱15的柴油和水在静态混合器内混合从而形成原乳液，然后被供应到高压缸1和2。在吸入冲程中，所述两种介质流入到缸空间内，并在压力冲程中分别经由高压线路12和25被供给到均质阀13。所述两种液体经由所述阀锥和所述阀座的边缘之间的狭窄间隙而彼此反向地高速流动。压力迅速从2000bar下降到约100bar，由于剪切和空化效应减少的液滴以高湍流度混合。 
在离开均质阀13之后，所形成的柴油/水微乳液经由高压线路17而流向缓冲储存器18，乳液在缓冲储存器18中保持在10bar的压力下。缓冲储存器18经由高压线路19连接到第三高压缸3。结果，高压缸或喷射缸3的活塞3K为双重作用，即，从缸的一侧到另一侧分别交替进行吸入冲程和压力冲程。在活塞3K的往复运动中供应的乳液量对应于从均质阀13供应到缓冲储存器18的量。在吸入冲程的过程中，乳液在10bar的压力下被从缓冲储存器18挤压到第三高压缸3内。在高压管道19中，止回阀R防止高压乳液在压力冲程的过程中回流到缓冲储存器18内。一破裂板(rapture plate)(未详细示出)具有向外布置到高压线路17内的开口，该破裂板旨在当止回阀R发生故障时在过压的情况下保护缓冲储存器18。 
在压力冲程的过程中，乳液在大约2000bar的压力下通过高压线路 20从第三高压缸3流向柴油机24。缓冲储存器21同样通过线路22连接至高压缸3的出口。所述缓冲储存器21均衡由于机动车辆速度的波动而产生的压力波动。 
同样在高压缸3和缓冲储存器21的连接之间的高压线路20中设置止回阀R，所述止回阀R防止回流从缓冲储存器21流入高压缸3。 
当然，本发明不限于所示出的示例性实施方式。在不偏离基本概念的情况下其他实施方式也是可行的。从而，作为所示出的优选实施方式的可选方式，还可将所述三个高压缸1、2、3设置为不是串联布置，而是彼此并联布置。 

Claims (13)

1.一种用于生成柴油/水微乳液并用于将所述乳液喷射入柴油机的设备，其特征在于，
三个高压缸(1，2，3)，两个所述高压缸(1)和(2)的进口连接到静态的原乳液预混合器(28MI)，所述两个高压缸(1)和(2)的出口连接到均质阀(13)，所述第三高压缸(3)的进口连接至所述均质阀(13)的出口，而所述第三高压缸(3)的出口连接至所述柴油机(24)，所述三个高压缸(1，2，3)的三个活塞为增压器的组成部件，所述增压器的驱动活塞(4K)在连接至液压驱动单元(7)的驱动缸(4)内被引导。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三个高压缸串联布置，并与所述驱动缸(4)共用公共的单部件或多部件活塞杆(4KS，3KS，1KS，2KS)。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三个高压缸(1，2，3)彼此相邻地并联布置。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述驱动活塞(4K)的横截面显著大于所述三个高压缸(1，2，3)的活塞的横截面之和。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述均质阀(13)的出口和所述第三高压缸(3)的进口之间布置第一缓冲储存器(18)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，设置有连接到所述第三高压缸(3)的出口的第二缓冲储存器(21)。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，借助于所述柴油机的加速器踏板在调节阀(8)的作用下通过所述液压驱动单元(7)流向所述驱动缸(4)的液压油的质量流量而实现对所述驱动活塞(4K)的控制。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液压驱动单元(7)具有力矩传递元件，用于提供至机动车辆曲轴的连接。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述均质阀(13)实施为逆流阀。 
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三个高压缸(1，2，3)、所述驱动缸(4)和/或所述两个缓冲储存器(18，21)实施为公共外壳块内的孔腔。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述柴油箱与所述两个高压缸(1)和(2)的进口线路(26，27)之间的线路(10)中安装有用于生成水/柴油原乳液的所述静态混合器(28MI)。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述水箱和至所述柴油线路(10)的连接之间的线路(14)中安装有可控制的计量泵(29PI)。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，一串级控制装置包括控制单元(32CO)和安装在柴油线路(10)内的密度传感器(30DS)以及安装在所述微乳液线路(17)内的密度传感器(31DS)，该串级控制装置安装有在所述传感器和所述控制单元之间的信号线，以及在所述控制单元和所述计量泵之间的信号线，用于控制所述计量泵，并用于调节所述微乳液的水/柴油比。 
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