CN1084950A - 液态燃料的高压雾化装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种特别是用喷雾嘴对液态燃料进行高压雾化 的配置，其中有带压的燃料。在喷雾嘴前面的燃料管 道32中设有至少带有一个超声波振荡器(26)的反 应器(10)。反应室(10)中最好填充氧富集空气、液态 燃料和水。在反应室(10)中可以设置一个用于使混 合成分变均匀的机械空化元件。该空化元件最好由 一个快速转动的圆形盘构成，圆盘上带有轴向孔。如 果使用氧富集空气，则因为不会生成一氧化碳，从而 使腔体(10)中形成的燃料混合物的微小泡沫的形式 高效率地燃烧。

Description

本发明涉及一种液态燃料的高压雾化配置，特别是一种用喷雾嘴进行高压雾化的配置，其中有带压的燃料，以及与该配置有关的方法。

液态燃料的高压雾化在采暖技术和汽车技术中是已知的。燃烧的效率除了取决于其它参数，例如除了所形成的燃料雾点的大小之外，还取决于燃烧过程中可供使用的足够量的氧气。但是对火焰的加气处理基本上受到在火焰周围形成的氮气层的限制，氮气层在一定程度上隔离了燃烧区。

为了改善燃烧或雾化的效率，在已有技术中已经使用了陶瓷超声波振荡器。用这种振荡元件来代替过去的喷雾嘴。振荡元件通常由一个压电元件构成，该压电元件挂在一个振幅放大金属件上。使送到金属件中心的燃料在端面上进行雾化。

超声波雾化与传统的高压雾化相比有一定的优点。燃料雾的特点是平均雾滴的尺寸小。燃料供应通过一个在常压下工作的配料泵完成，这比在压力喷雾器中必须具备的带有压力调节器的高压泵要简单和便宜。最后，可以通过超声波振荡器的频率对作为燃料粘度函数的雾滴大小进行调节（陶瓷杂志单行本（29）Nr.1/11977“利用压电陶瓷超声波振荡器进行液体雾化”）。

和通常的高压雾化一样，在使用超声波雾化器时的燃烧效率同样也存在着由于燃烧也就是说火焰体不能得到足够量的空气或氧气而使燃烧效率受到限制。

本发明的任务是，特别是利用喷雾嘴来提高液态燃料高压雾化的效率以及特别解决如何向燃烧的火焰体输送更多空气和氧气的问题。

权利要求1-18给出了该任务的解决方案而且由从属权利要求进一步构成了本发明的优点。

本发明利用了一个用确定频率激励的元件，特别是一个压电或磁致伸缩超声波振荡器，将液态燃料转变成一种泡沫。在这些关系中，振荡器的作用不是在液-气临界面上形成传统的雾滴，而是在一定程度上的相反过程，在该过程中将微小的空气体积带入液体。如何用界面波理论解释这种现象在此没有太大的意义。重要的是，用本发明的配置或方法能使空气的核心到达液态燃料。首先说明泡沫型空气-燃料混合的浓度。

用常规方式在压力下将这种燃料泡沫送入一个特制的喷雾嘴并使其以常规方式在此雾化和燃烧。借助于火焰体中自身释放的空气可以极大地提高燃烧效率，测得的火焰体内的温度达2000℃。由于在高温下实际上并没有产生水蒸汽，因此在汽车发动机中产生的有害的一氧化氮能够减少80%以上。因此本发明的配置或方法特别适合于柴油机，它的喷射量由于使用了本发明而下降的如此之大，以致于可以不再需要催化剂转换器。由于液体所包含的水气泡存在于压力之下，所以出口处的液态燃料完全不受喷雾嘴中膨胀作用的影响而进入大气中。这种雾化首先依赖于所包含的小气泡的内压。其结果是可以不再设置特殊的喷雾嘴。如果来自管道出口的泡沫进入自由空间或燃烧室，这种喷雾嘴对于确定的应用场合就足够了。

对本发明来说重要的是应认识到，振荡元件或超声波振荡器不是用来进行原来的雾化，而是处于一种全新的关系中，即，用于产生燃料泡沫，该泡沫携带燃烧所需的氧气并将氧气直接送入火焰室中。所以使用压电陶瓷超声波振荡器来进行液体雾化并不对本发明产生促进作用。

本发明的另一种优选结构，是将一个振幅变换器与处于腔内的自由振荡元件尤其是压电陶瓷元件相连。该振幅变换器是一个例如套管形部件，该部件设在腔体外壳的管形附件上。在套管的外包层上切有螺旋线形槽，空气-燃料混合物可以通过该槽输送。压电陶瓷元件激励振幅变换器产生谐振。从而也使振幅变换器周围所包含的空气产生弥散并使泡沫进一步趋于均匀。

在特定的情况下可以不用振幅变换器而是用设在反应室中的机械空化作用元件来代替。该空化元件涉及一个快速旋转的圆形盘，圆形盘上设有多个轴向孔。由于伯努利作用而使得，燃料能通过这些孔产生流动并由此使空气/燃料混合体趋于均匀。

已经证明，使用带富氧的空气是很有效的。空气的氧富集是通过在压力下将大气带过吸氮和沸石而完成的。

为了防止氧气/燃料混合物在反应室中自燃，还需在反应室中引入水。相对于油量，水的部分约占30和50Mol%。

在机械空化作用元件和超声能量的作用下水分子分裂成原子团，从而能进一步提高燃烧的效率和进一步改善废气值;该过程实际上只产生二氧化碳和水蒸汽。

下面将参照附图对本发明作举例性说明。

图1表示与喷雾嘴串联的高压雾化配置的示意性剖面图;和

图2表示高压雾化配置的另一种结构形式的示意性剖面图。

在图1所示的结构形式中，腔体10形成罐形而且其上设有一个管形附件12。在管形附件12中插有一个套管形部件14。套管形部件14上有一个内孔16，该孔的一端通向腔体10而另一端与压缩空气输送管道18相连。在套管形部件14的外周上切有螺旋线，螺旋线与管形附件12的内壁共同作用形成通道，该通道从腔体10的内室通向出料室20，出料室20设在管形附件12的上端套管形部件14的后部。从出料室20引出一个管子22至喷雾嘴。

压缩空气输送管18密封地穿过出料室20，用密封压盖24将管形附件12的端部相对于空气输送管18密封。

将套管形部件14外壁上的螺旋线形通道设置成多头螺纹，该螺纹的螺距是液态燃料的粘度和套管14长度的函数。在一个实施例中，该螺距为7毫米。燃料的粘度越低，在套管形部件14外壁上刻的螺纹头数越多。

振幅变换器或套管形部件14最好由高于6000米/秒音速的陶瓷材料例如Al₂O₃构成。由于这种材料具有很高的谐振频率和特别好的硬度因而是特别合适的，在出现空化现象时仅需要少量的这种材料。

在腔体10的内部设有一个盘形压电陶瓷元件26。将该元件这样固定在一个管形支架27上，即使其能够在液体内部自由振动。为此，用一根柔性电缆（未示）将该元件与电极28相连，并将电极28进一步与频率发生器30电连接。根据变为泡沫的燃料的粘度，还可以设置一个磁致伸缩振荡器。

超声波振荡器的频率发生器是公知的。它的结构已经在例如欧洲专利申请0340470和德国公开说明书3625149中有所描述。在目前的情况下唯一重要的是，发动机电路是这样构成的，即可以在振荡元件上标上不同的频率。该频率取决于压电陶瓷元件的几何结构，取决于液态燃料的粘度并最终取决于空气成份的理想选择-在空气中通常存在的每一种气体成份都有另一个能使其“溶解”的最佳频率。

在壳体10上设有一个液态燃料输送管32。燃料在确定的压力作用下送至腔体10，其中空气输送管18中的压力比燃料输送管32中的压力大约高出几个毫巴。

腔体10的外壳最好由不锈铬镍钢制成。可以将外壳10置于一个用散热筋构成的支架中。

上述配置的工作原理如下。

将液态燃料填入燃料室10。通过空气管道18将空气在略高于大气压下通过套管形部件14的内孔16压入腔体10中。在腔体10的内部形成一种在液体和空气之间有分界层的气泡36。

在超声波振荡器受激励时，由于一种相反的毛细波作用而在分界层上使最小的空气体积卷入液体中并且由于出口22和入口32之间的压力差使其通过振幅变换器14外壁上的螺旋形通道向上送入出料室20。在振幅变换器14的螺旋形通道中使所形成的液态泡沫进一步变均匀，也就是说，使所包含的空气体积进一步变小和弥散。

在一个实施例中，是将2，3毫克空气“溶解”在20毫升液态燃料中。将这种燃料泡沫从出料室20通过管道22送至喷雾嘴，在喷雾嘴中使燃料泡沫雾化和燃烧。由于燃料在火焰中自身释放氧气从而极大地提高了燃烧效率，燃烧温度可达到大约2000℃。

压电陶瓷元件的材料可以选用锆钛酸铅陶瓷，其它的陶瓷材料，如钛酸钡陶瓷等也同样适用。

上述的超声波振荡器的配置仅仅是一个例子也可以使用其它形式的压电陶瓷元件，在图1所示的实例中，压电陶瓷元件在腔体10的内部呈自由振荡的设备，如果燃料是粘度特别低的液体，另一种配置也可在外壳的壁上。同样，振荡元件的几何结构不是很重要，这里所示的圆盘也可以用其它的形状代替。

压电陶瓷元件也可以使用电磁激励或磁激励的振荡元件代替。

图2所示的实施例与图1所示实施例的区别首先在于，将在图1中连接的振幅变换器代之以在燃料室40内设置一个机械空化元件42。在燃烧室或反应室的壁设有两个相互对着的超声波振荡器44和46。该振荡器的结构与图1所述实施例的结构关系相对应。也可以选用其它的配置来代替上述配置，但该配置必须至少具有一个振荡器。

反应室40的上面设有一个压缩机48，压缩机将空气压缩并在高压下，例如40bar下使空气受压通过沸石移动床。在沸石床中，因其吸收了大气氮，使空气中的氧气含量提高到60%至92%。这种氧富集空气通过相应的确定尺寸的毛细管50送入反应室中。沸石移动床和空气输送管在图2中没有示出。在配置中并入压缩机48有这样的优点，即所需的空气是一开始就可以根据压缩机的转数提高或降低。驱动装置的马达用52表示。马达驱动机械空化元件42和压缩机48的轴。

充入氧气后的燃料通过管道54输送。燃料特别是油的一部分到达压电元件的背面附近，由于所输送的油的良好绝缘性从而能改善压电元件的效率和作用。而另一部分油直接送入反应室40中。相应的支撑用56表示。

通过毛细管58输送水，其中输送管的压力和直径是这样确定的，即使水的含量大约是油量的30-50Mol%。

空化元件42的上表面和下表面设计成弯曲形。最好是上表面弯曲度比下表面大，下表面可以设计成比较平的外形。在圆盘形空化元件中设有多个轴向孔（未示出），该孔可以使液体流从元件的下表面流向上表面。空化元件的周边呈刀刃状，以便象飞机的机翼那样，防止可能出现的环流。

如果空化元件以每分钟大约3000至8000转的速度转动，则会产生这样的效果，即，在上表面和下表面之间形成压力差，该压力差使得孔的轴向穿流增强。由此而导致的穿流如此之强，以致于在最短的时间内形成了由水、油和富氧空气构成的均匀悬浮体。通过超声波振荡器的作用和由此产生的声佛这反应可以使悬浮体进一步均匀和核化（nukleisiert）。在反应室中形成的油泡沫通过管道60抽出并送入例如一个燃烧器或一个喷雾嘴。由于具有很高的燃烧温度，所以燃料效率非常好。由于几乎没有形成一氧化碳，所以可以在例如汽车上不使用废气净化催化剂。

Claims (25)

1、一种特别是用喷雾嘴对液态燃料进行高压雾化的配置，其中有带压的燃料，其中在喷雾嘴前面的燃料管道上设有至少带有一个振荡器(26，44，46)的腔体(10，40)，振荡器在确定的频率范围内振荡，空气管道(18，50)通到腔体(10，40)中，其特征在于，工作时将液态燃料装入腔体(10，40)，并向腔体(10，40)输入具有一定压力的空气，该压力至少与液态燃料的压力相当，在腔体(10，40)中，在输入的空气和液态燃料之间形成一个分界面而且将振荡器(26，44，40)设置成使其能在液态燃料中自由振荡并且由液态燃料全方位包围。

2、如权利要求1所述的配置，其特征在于，振荡器是压电超声波振荡器（26）。

3、如权利要求1或2所述的配置，其特征在于，紧接着空腔（10）设置一个振幅变换器，该变化器上至少设有一条螺旋线形通道，该通道应该能使所形成的燃料-空气混合物穿过。

4、如权利要求3所述的配置，其特征在于，振幅变换器由套管形部件（14）构成，该部件密封地插在腔体（10）的管形壳体部件（12）中，其中在套管形部件（14）的外壁上切有螺纹槽，该螺纹槽与管形壳体部件（12）的内壁共同作用形成输送燃料-空气混合物和螺旋线形通道，而且其中通过套管形部件（14）的内孔将空气送至腔体（10）。

5、如权利要求3或4所述的配置，其特征在于，振幅变换器由套管形部件（14）构成，该部件密封地插在腔体（10）的管形壳体部件（12）中，其中在套管形部件（14）的外壁上切有螺纹槽，该螺纹槽与管形壳体部件（12）的内壁共同作用形成输送燃料-空气混合物的螺旋线形通道，而且其中通过套管形部件（14）的内孔将空气送至腔体（10）。

6、如权利要求5所述的配置，其特征在于，螺旋形通道在管形壳体部件（12）顺流端通入出料室（20）中，藉此将燃料-空气混合物送至喷雾嘴。

7、如权利要求6所述的配置，其特征在于，空气管道（18）密封地穿过出料室（20）并且通到套管形部件（14）的内孔（16）。

8、如权利要求1-7之一所述的配置，其特征在于，超声波振荡器（26）设置在腔体（10）的内部而且位于超声波振荡器（26）对面的管形壳体部件（12）与腔体（10）连通。

9、如权利要求1-8之一所述的配置，其特征在于，超声波振荡器（26）是由压电陶瓷材料构成的圆盘，借助于管形支架将该圆盘设置在腔体（10）中大约中间的位置上。

10、如权利要求9所述的配置，其特征在于，超声波振荡器（26）与设在腔体（10）外部的频率发生器（30）相连。

11、如权利要求1-10之一所述的配置，其特征在于，超声波振荡器（26）由锆钛酸铅陶瓷制成。

12、如权利要求1或2所述的配置，其特征在于，在腔体（40）中设有一个快速转动的空化元件（42）。

13、如权利要求12所述的配置，其特征在于，空化元件（42）是一个具有不同弯曲度并带有轴向孔的圆形盘。

14、如权利要求12或13所述的配置，其特征在于，通过空化元件（42）的轴驱动压缩机（48），该压缩输送到腔体（40）中的空气。

15、如权利要求12-14所述的配置，其特征在于，在腔体（40）的壁上至少设有两个相对设置的振荡器（44，46）。

16、如权利要求15所述的配置，其特征在于，将引入腔体（40）的燃料最好是油的一部分送至圆盘形振荡器（44，46）的后面。

17、如权利要求2-14所述的配置，其特征在于，输水毛细管（58）与腔体（40）连通，其中毛细管（58）的直径是这样确定的，即腔体（40）内的水含量相对于液态燃料的量为30-50Mol%之间。

18、用设在腔体中的至少一个振荡器（26，44，46），最好是超声波振荡器对液体燃料进行高压雾化的方法，其特征在于，燃料包围振荡器的各个面而且在至少与液态燃料相同的压力下将空气输入腔体（10，40）并由此使燃料处于振荡状态，以致于使其中的空气增多并雾化成泡沫型燃料-空气混合物。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，在用燃料填充的腔体（10，40）内的压缩空气和液态燃料之间形成一个分界面，而且振荡器（26，44，46）是自由振荡的并且由液态燃料全方位包围。

20、如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，使燃料-空气混合物受压通过最好是一个振幅变换器的螺旋线形通道，该振幅变换器在谐振中同超声波振荡器（26，44，46）一起振动。

21、如权利要求18-20之一所述的方法，其特征在于，燃料上载有氧富集空气。

22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，空气中的氧含量在60%和90%之间。

23、如权利要求18-22之一所述的方法，其特征在于，在腔体（10，40）中输入附加的水。

24、如权利要求23所述的方法，其特征在于，水的含量相对于液态燃料的量为30和50Mol%之间。

25、如权利要求18-24之一所述的方法，其特征在于，当借助超声波振荡器（26，44，46）产生附加声化学反应时，在腔体（10，40）中通过快速转动的空化元件（42）使混合成份趋于均匀。

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