CN1026664C - 制备油-水乳化液的方法和装置 - Google Patents

Abstract

制备油-水乳化液的方法和装置，装置包括带切向进口和收缩的轴向出口2的旋转对称的涡流室1。涡流室顶部周围设同轴环形通道7，通道经切向槽9连通涡流室，进油通道8切向进入通道，电磁喷水嘴10通入涡流室顶部。出口2经扩口3通入泵室12内径向叶轮5的吸入室4，泵室出口通道13连接通向喷射泵的传送管和通向乳化液进口通道15的再循环管。吸入通道16通入吸入室并接有返回管。制成的乳化液呈稳定的胶态，水滴尺寸小于1000毫微米。

Description

本发明涉及制备油-水乳化液的方法和装置，该装置包括一个旋转对称的涡流室，此涡流室带有一个切向进口和一个收缩的轴向出口。另外，本发明还涉及可由该方法制备的油-水乳化液。

人们已经知道，向柴油中加水可降低发动机的工作温度以及排气中的一氧化氮和烟灰的含量。这个结论对于燃油炉来说也是有效的。然而要实现这一目的，关键的是要将柴油和水转变成使尽可能小的水滴悬浮在柴油中的乳化液。为此，已经提出了这样一种方案：将预先混合的油和水的混合物沿切线方向引入一个旋转对称的第一涡流室中。第一涡流室朝其轴向出口连续收缩，一条沿流动方向收缩的通道通过一个阶形扩口与该出口相连，该通道通向一个大致为梨形的第二涡流室。第二涡流室的轴 线垂直于第一涡流室的轴线，而且第二涡流室朝向出口收缩并通到一个泵轮的吸入侧，液体混合物由此被输送到一个围绕第一涡流室的补偿室，然后再从此经过位于第一涡流室通向其出口的过渡区上的切向入口送回第一涡流室中。这种液体混合物至少要沿此路经循环10次，才能获得使悬浮在油中的水滴的平均尺寸为3-6微米的乳化液。相当一部分的乳化液在第二涡流室的最大周边区从该循环中分出并送到柴油机的喷射泵，而新添的预混合的油和水以及没被喷射泵用尽的剩余的乳化液被引入位于泵轮的吸入侧的系统中去。

本发明的一个目的就是提供一种制备油-水乳化液的方法以及由此方法制备的油-水乳化液，在此乳化液中，均匀分布着细小的水滴。

本发明的另一个目的是提供一种用于制备上述乳化液的装置，此装置的设计简单，但效率高。

这种制备油-水乳化液的方法包括：将定量的水和油送入围绕一轴线旋转的涡流中，并在涡流中混合水和油，由此获得沿所述轴线加速的混合物;此后，将所述旋转的混合物突然减速，随后使之再循环到所述涡流中。根据本发明，将水和油分别地送入所述涡流中，其中水是以高压喷雾的形式送入涡流中的，并且在使所述混合物减速之后和再循环之前，在一个循环泵中对其进行压缩。

根据本发明，在由本方法制备的不含乳化剂的油-水乳化液中，水滴分散在燃油中，且乳化液中含水量的体积百分比为5～35%，这是一种含有尺寸为1000毫微米或更小的水滴的稳定的胶体。

另外，具有如本说明书开始部分所述结构的本发明装置的特征在于：在涡流室的背离其出口的轴向端部周围设有一个环形通道，该环形通道相对于涡流室同轴或成螺旋形设置，且通过输入槽与涡流室连通，所述输入槽相对于涡流室来说至少是近似地沿切线方向布置的，并有一条进油通道切向地通入环形通道中;一个电磁控制的喷水嘴通入环形通道中，或者最好通入涡流室进口侧的端部;涡流室的出口通过一个扩口通向一个设置在泵室中的径向叶轮的吸入室，该泵室在径向叶轮的周边区域内具有一条出口通道，其上连接着一条通向消耗装置或储罐、特别是通向柴油机的喷射泵的传送导管和一条通向乳化液进口通道的再循环导管，所述乳化液进口通道也切向地通入环形通道中;设置了一条通向径向叶轮的吸入室的吸入通道，其上可连接一条引自消耗装置或储罐的返回导管。

因此，在本发明的装置中，新添的水并不与燃油预先混合，而是送到压力较高的（例如5.5-6.5巴）喷射泵，并从此以喷雾形式喷入环形通道中，或最好直接喷入涡流室。这样，水就被破碎成较小的水滴，这些水滴由于在进入吸入室处和在径向叶轮的泵送液流中所发生的膨胀而导致其尺寸在旋转涡流中进一步减小，并分布在燃油中。从泵室的出口通道流出的大部分混合物回送进环形通道并由此进入涡流室，用于对乳化液产生均化作用。同时，未被喷射泵用尽的那部分乳化液通过径向叶轮的吸入室又重新被吸到乳化液回路中。

由于存在着利用油泵将燃油输送进环形通道而形成的燃油压力，以及用径向叶轮重新泵送进环形通道中的部分乳化液的压力，因而进一步推动了旋转的涡流。因此，如果适当地选择泵的压力，就能获得损耗较小的强烈的涡流。另外，由于根据本发明的建议，不是将新添燃油和再循环的部分乳化液直接送到径向叶轮的吸入侧，而是供入涡流室内涡流的头部，所以，从涡流室流出而膨胀的乳化液的吸入压力（该压力受涡流室出口设计的影响）不会受到干扰，因此，径向叶轮可通过设计使其具有较高的出口压力和吸入压力之间的压力比，以促进乳化液的形成。

利用本发明的装置，借助于传动部分的设计和流动横截面的设计，能使乳化液中的水滴的平均尺寸达到1000毫微米，甚至达到100-200毫微米，由此获得的乳化液呈现稳定的胶体状态，利用超倍显微镜可观察到其中的胶粒表现出活泼的布朗运动;同时，由于存在着延德尔（Tyndal）现象，进一步稳固了乳化液的胶体状态。

喷水嘴的喷口在环形通道或涡流室内的位置应使喷出的水实现尽可能细的雾化。由于涡流室内的涡流处于压力状态下，因此最好让喷水嘴的喷口朝向涡流的轴线，当然也可以适当地使喷水嘴的喷射方向相对于涡流的轴线倾斜一个角度。

另外，也可使径向叶轮的轴线与涡流室内的涡流的轴线成一个角度。然而在这里，最好将径向叶轮以及其旋转对称的吸入室与涡流室同轴设置，以便借助于径向叶轮的旋转运动来推动涡流。

在径向叶轮吸入室中入口处的扩口最好设计成 阶形，以便从此离开涡流室的流体能产生最强烈的膨胀和扰动。

旋转对称的涡流室本身可大体设计成空心圆柱体，或使其轴向截面呈中空的心形体，不过最好是将涡流室设计成空心的梨形。还有，最好将泵室的出口通道设置成与径向叶轮的轴线相平行，因此这样离开径向叶轮的流体的运动方向将会发生剧烈的变化，从而有助于产生匀细的乳化液。

最好使喷水嘴继续地操作，这样可加强喷出的水的雾化程度和雾化水滴与油的混合程度。

根据本发明，由于是利用一个受机电控制的喷水嘴将水喷入燃油中的，就有可能根据发动机的工作状态来控制喷水量，从而控制送入发动机喷射泵的乳化液中水的份额。事实上，一定的惯性会使这种控制通过多次乳化循环才起作用。然而，可通过选择涡流室进口和出口间的高的压力比，将这种控制惯性保持在很小的程度上，由此可缩短再循环的周期。考虑到只采用纯燃油而不加水的柴油机的工作状态，还提供了这样一种可能性，即：通过设置旁路导管和受控电磁阀，在柴油进入环形通道之前将柴油分流到柴油机的喷射泵中去，由此使乳化液循环脱离开喷射泵。

如果使喷水嘴继续地操作，就可通过控制喷水嘴打开的时间长度和间隔来控制乳化液中的含水量，而保持阀针的行程不变，发动机的转速最好是可调的变量，不过最好将发动机的载荷状态用作附加的调节变量，发动机的载荷状态是由车辆的加速踏板的实际位置或喷射泵的控制杆的位置、外界的大气压力和（或）所用燃油的比重来决定的。大气压力是由气压计测定的，如果大气压力高，气压计就向电子控制装置发出指令，以喷出较多的水;反之，大气压力低时，就喷出较少的水。这样，就可以防止由于燃油中含水量过高而引起发动机性能下降。所用燃油的比重可由插进供油管中的比重计予以测定。使用高比重燃油时的喷水量比使用低比重燃油时的喷水量要大。

最好使用高压泵将水从单独的水箱中输送到喷水嘴，这样就能使与喷水嘴相连的循环水系统具有高的流量，例如120升/小时。返回到水箱中的水量也是非常大的，因为即使是最大的发动机，在其工作时，每小时所用的水量也不会超过40升。因此，最好将由发动机的冷却水所加热的换热器安置在循环水系统的回水分路中，这样，就可对返回到水箱中的水进行加热，而水的加热又在车辆运行期间用作为防冻措施。

下面借助于本发明装置的一个最佳实施例，对本发明加以详细说明，此装置能产生油-水乳化液。

在附图中：

图1为本发明装置的轴向剖视图;

图2为图1中A-A剖面图，其比例稍有放大。

本装置由多个彼此用螺栓紧固起来的箱壳组成。在装置内形成一个旋转对称的空心梨形涡流室1，涡流室1具有一个按指数律收缩的出口2，出口2经过一个阶形扩口3通入径向抽吸叶轮5的吸入室4，径向叶轮5由一个电动马达6驱动。在涡流室1的梨形头部的周围设有一个环形通道7，进油通道8沿环形通道7的切线方向进入其中，而环形通道7本身又经过相对于涡流室1切向布置的输入槽9通入涡流室1。在空心梨形涡流室1的凸顶处，沿其轴线设置一个喷水嘴10，喷水嘴10由电磁铁11控制，使供入的水以雾化形式间断地喷入涡流室1的涡流中。

涡流室1、圆柱形吸入室4和径向叶轮5彼此同轴地设置，内装径向叶轮5的泵室12在径向叶轮5的周边区域内设有通向出口通道13的开口，出口通道13是平行于叶轮5的轴线设置的，它侧向连通到用于连接T形接头的连接孔14。T形接头的一个分支通向柴油机的喷射泵。而另一个分支通过一条再循环导管连通乳化液进口通道15，通道15也是沿切向通入环形通道7中的。喷射泵的回流导管连到一条侧向连通吸入室4的吸入通道16。

在本装置工作过程中，油泵根据车辆的类型以1.5-3.0巴的压力将燃油通过进油通道8输送到环形通道7中，再由此通过输入槽9供入涡流室1并赋予环形螺旋运动。利用高压泵，特别是一个齿轮高压泵将水供到喷水嘴10。高压泵可由发动机电力或机械驱动，并产生例如10巴的压力，此压力由减压阀根据发动机的情况减小到5.5-6.5巴。这样，喷水嘴10将水以雾化形式喷射到涡流室1内产生的涡流中。喷水嘴10是机电操纵的。当电磁铁11的电磁线圈不通电时，喷水嘴10中的喷针 由一个螺旋弹簧压在针座上。当向电磁线圈施以电流脉冲时，喷针可从针座上提起，例如提升大约0.1毫米。此时，水通过喷针与针座间形成的环形缝隙，在例如1-1.5毫秒的时间内，从喷水嘴10喷出。为了使水更好地雾化，喷针上可装备一个雾化针。

旋转的涡流在涡流室1的收缩出口2内被加速，由此导致压力相应地下降。其流动状态最好作如下调节：使在出口2进入吸入室4的出口处的压力不致完全达到蒸汽压力，从而使涡流尽可能接近但又不致达到涡空状态。由于存在阶形扩口3，流体转入吸入室4时将发生膨胀。然后由径向叶轮5吸入并在其中径向向外膨胀。因为径向叶轮5与涡流室1是同轴设置的，所以利用径向叶轮5的抽吸压力可进一步推动涡流室1中的旋转涡流。径向叶轮5最好由电动马达6以恒定转速驱动，例如转速为3000转/分。由径向叶轮5组成的离心泵的工作能力在吸程高度为1.5米时为每小时240升。

乳化液通过出口通道13和连接孔14离开泵室12，此后由T形接头分成两部分，其中一部分送到喷射泵，而另一较大部分则通过再循环导管和乳化液进口通道15重新引入环形通道7，并由此进入涡流室1。没有被喷射泵用尽的那部分乳化液，由径向叶轮5通过吸入通道16再吸到循环回路中。

乳化液的形成主要发生在涡流室1中的旋转涡流内，不过由喷水嘴10产生的水的喷射和雾化作用以及由径向叶轮5引起的流动状态，实质上也促进了乳化液的形成。

由于可以按照本发明形成乳化液，所以不仅可以显着地降低柴油机排气中的一氧化氮和烟灰的含量，而且能减小排气中尘粒的尺寸。另外，也明显地改善了排气的气味，也就是说排气的难闻气味比通常柴油机的排气要轻得多。

Claims (12)

1、一种制备特别是供柴油机的喷射泵使用的油-水乳化液的装置，包括一个旋转对称的涡流室(1)，涡流室(1)具有一个切向进口和一个收缩的轴向出口(2)，

其特征是：

在涡流室(1)的些须离其出口的轴向端部周围设有一个环形通道(7)，环形通道(7)相对于涡流室(1)同轴或成螺旋形设置，且通过输入槽(9)与涡流室(1)连通，输入槽(9)相对于涡流室(1)至少近似地成切向布置，一条进油通道(8)切向通入环形通道(7)中，

一个电磁控制的喷水嘴(10)通往环形通道(7)中，或者最好通入涡流室(1)进口侧的端部，

涡流室(1)的出口(2)通过一个扩口(3)通向一个设置在泵室(12)中的径向叶轮(5)的吸入室(4)，泵室(12)在径向叶轮(5)的周边区域内具有一条出口通道(13)，出口通道(13)连接着一条通向乳化液进口通道(15)的再循环导管，乳化液进口通道(15)也切向通到环形通道(7)中。

2、根据权利要求1的装置，其特征是：喷水嘴（10）同轴地通到涡流室（1）的吸入侧的端部。

3、根据权利要求1的装置，其特征是：径向叶轮（5）以及它的旋转对称形的吸入室（4）相对于涡流室（1）同轴地设置。

4、根据权利要求1的装置，其特征是：位于径向叶轮（5）的吸入室（4）的进口处的扩口（3）为阶形。

5、根据权利要求1的装置，其特征是：涡流室（1）为空心的梨形。

6、根据权利要求1的装置，其特征是：泵室（12）的出口通道（13）平行于径向叶轮（5）的轴线。

7、根据权利要求1的装置，其特征是：喷水嘴（10）与一个循环水系统相连，在循环水系统的返回分支中，设置了由发动机的冷却水进行加热的换热器。

8、一种用权利要求1的装置制备油-水乳化液的方法，包括以下步骤：

将定量的水和油送入绕一轴线旋转的涡流中，并在涡流中混合水和油，以获得沿所述轴线加速的混合物，

此后，使所述旋转的混合物突然减速，随后使其再循环到所述涡流中，

其特征是：

将水和油分别送入所述涡流中，其中水是用一喷水嘴（10）以高压喷雾的形式送进所述涡流中的，

在对所述混合物进行减速之后，在使之再循环之前，在一个循环泵中对所述混合物进行压缩。

9、根据权利要求8的方法，其特征是：喷水嘴（10）继续地操作。

10、根据权利要求9的方法，其特征是：根据发动机的转速对喷水嘴（10）打开的时间长度和间隔进行控制，而保持喷水嘴（10）中的喷针的行程不变。

11、根据权利要求9的方法，其特征是：根据加速踏板或喷射泵的控制杆的位置、外界的大气压力和（或）燃油的比重，对打开喷水嘴（10）的时间长度和间隔进行控制。

12、一种可由权利要求8所述方法制备的不含乳化剂的油-水乳化液，水滴被分散在油中，乳化液中含水量的体积百分比为5-35%，其特征是：具有含尺寸为1000毫微米或更小的水滴的稳定的胶体状态。

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