DE69312308T2

DE69312308T2 - Mechanischer öl/wasser emulgator

Info

Publication number: DE69312308T2
Application number: DE69312308T
Authority: DE
Inventors: Liu Erh; Xie Door Zhi-Qiang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: GR3025025T3; MX9306561A; TW275044B; EP0665767B1; EP0665767A4; PH31475A; JPH0724283A; KR100295984B1; CN1066916A; CA2147278A1; WO1994009892A1; BR9307279A; EP0665767A1; DE69312308D1; KR950704028A; AU694409B2; AU5452694A; US5399015A; GB2271725A; GB2271725B

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Emulgieren von Wasser und Öl im Dienste des Verbrennungswirkungsgrades und insbesondere eine mechanische Emuiervorrichtung, bei der keine Chemikalien eingesetzt werden und die keine sich bewegenden Teile aufweist und die mit Spiralumkehr des Ölstroms nach dem Wassereinspritzen arbeitet, um eine vorübergehende Emulgierung zu erreichen.

2. Beschreibung verwandter Technik

Wasser/Öl-Emulsionen verbessern die Verbrennung. Die Öltröpfchen zerplatzen in Mikroexplosionen, wenn sich erhitztes Wasser zu Dampf ausdehnt. Die zerplatzten Öltröpfchen weisen eine größere Oberfläche zur Verdampfung auf, die zum Verbrennen erforderlich ist. Wasser/Öl-Emulsionen machen normalerweise chemische Zusätze oder sich bewegende Mischeinrichtungen erforderlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine mechanische Emulgiervorrichtung zur Herstellung von Öl/Wasser-Emulsionen ohne Chemikalien. Öl wird bei einem Nenndruck axial in einen Emugierstapel abwechselnd gerichteter gegenläufiger Spirascheiben mit Abscheiderscheiben gepumpt. Öl und Wasser werden in den Emulgierstapel gegenläufiger Spiralscheiben-Paare an einem Eingangsende eingeleitet. Bei schwerem Öl tritt das Wasser von der Seite mit einem Druck ein, der höher ist als der Öldruck, um in den Ölstrom hineinzuscheren. Der Wasserstrom dringt in den Ölstrom ein und erzeugt einen gemischten Strom. Der gemischte Strom folgt einem gegenläufigen Spiralstromweg durch den Emulgierscheibenstapel. In jede Scheibe ist ein spiralförmiger Weg entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn geschnitten. Die gegenläufigen Spiralscheiben wechseln einander im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn ab und weisen integrale Abscheider auf. An dem Abscheider besteht ein abrupter rechtwinkliger Umkehrübergang von Scheibe zu Scheibe. Der Mischstrom aus Öl und Wasser, die lediglich teilweise emulgiert werden, wenn der Wasserstrom in den Ölstrom hineinschert, trifft auf den durch die erste Spiralscheibe gebildeten Winkel, der etwas größer ist als ein rechter Winkel, auf, folgt dann der Spirale, bis der zusammengesetzte Strom auf den Übergang an dem ersten Abscheider auftrifft, wo sich die Spiralwege umkehren. Dieser plötzliche Spinumkehrstrom wird zunächst im Uhrzeigersinn geführt, vollführt dann eine virtuelle rechtwinklige Wendung und folgt dem nächsten Spiralweg, wobei es am Übergang von der Spirale im Uhrzeigersinn zu der Spirale entgegen dem Uhrzeigersinn zu erheblicher Verwirbelung kommt. Das Öl-und-Wasser-Gemisch wird während der mehrfachen Spinumkehr mehr und mehr emulgiert, wenn der Flüssigkeitsstrom durch den Stapel hindurchtritt. Beim Austritt aus dem Stapel wird die Öl-Wasser-Emulsion sehr schnell in eine Verbrennungskammer hinein zerstäubt, bevor es letztendlich zur Schichtung bzw. Auftrennung in Öl und Wasser kommt. Dadurch ergeben sich Kraftstoffeinsparungen, verbesserter Wärmeübergang, Rußverringerung und geringere verschmutzende Emulsionen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mechanische Emulgierung von Öl/Wasser mit eleganter Form ohne chemische Zusätze und ohne komplizierte Mischsysteme zu schaffen.
Ein Merkmal der Erfindung ist ein Emulgierscheibenstapel mit einer linearen Gruppe abwechselnder gegenläufiger-Spiralscheiben. Jedes Paar bildet einen gegenläufigen Spiralweg mit einem virtuellen rechten Winkel an der Position, an der die Spirale im Uhrzeigersinn auf die Spirale entgegen dem Uhrzeigersinn auftrifft, und umgekehrt. Dadurch wird ein komplexer Spinumkehr-Spiralweg für den Ölstrom geschaffen, in den der Wasserstrom mit höherem Druck eindringt, so daß ein Öl/Wasser-Emulgier-Wirbelstrom entsteht. Dieser Öl/Wasser-Emulsions-Wirbelstrom gelangt direkt zu der Brennerdüse, wo er als Strahl einer Öl/Wasser-Emulsion austritt, die mit Hochdruckdampf oder Luft zur Verbrennung zerstäubt wird.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Patentbeschreibung und den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachdüsensystems eines Öl/Wasser-Emulsions-Ölbrenners.
Fig. 2 ist eine weggeschnittene Seitenansicht des Emulgierstapeis aus plötzliche Spinumkehr bewirkenden Spiralscheibenpaaren.
Fig. 3 ist eine Ansicht eines Düsenabscheiders.
Fig. 4 ist eine weggeschnittene Teilseitenansicht des Emugierstapels.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer Spiralscheibe im Uhrzeigersinn mit Abscheider.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer Spiralscheibe entgegen dem Uhrzeigersinn mit Abscheider.
Fig. 7 ist ein Schema eines Emulgierstapels mit Wasserdosierung für einen Dieselmotor.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Fig. 1 zeigt die Erfindung in einem Mehrfachdüsensystem. Öleinlaßrohr 1 führt einem Emulgierstapel 2 Kraftstofföl (bei einem mittleren Druck) zu. Wassereinlaß-Schieberventil 3 leitet Wasser mit hohem Druck aus Wasserleitung 4 zu jedem Emulgierstapel 2. Der Wasserdruck muß höher sein als der Öldruck, wenn der Ölstrom und der Wasserstrom in den Emulgierstapel 2 eintreten. Bei leichtem Öl, wie beispielsweise Kraftstofföl Nr.2 (Dieselöl), kann der Differenzdruck des Wassers minimal sein.
Wasser wird Wasserleitung 4 von Wasserpumpe 5 zugeführt, bei der es sich um eine Gleichdruckpumpe handelt. Wasserpumpe 5 führt Wasser über Absperrventil 6 und Rückschlagventil 7 sowie Schieberventil 3 jeder Emulgierkammer 2 zu. Emulgierkammer 2 führt Strahldüse 8 über das flexible Auslaßrohr 9 einen Öl/Wasser-Emulsions- Strom zu. Pumpe 5 bezieht ihre Wasserzufuhr über das Wasserzufuhrrohr 10 aus der Wasserzufuhr 11. Bei leichtem Öl kann eine relativ einfache Schwimmerregelungs- Wasserquelle mit konstantem Druck statt einer Gleichdruckpumpe eingesetzt werden.
Fig. 2 zeigt weggebrochen den mechanischen Emulgierstapel (2, Fig. 1). Dem Emulgierstapel zugeführtes Wasser tritt über eine Nadelventilbaugruppe 12-14 ein, die Wasserstromregulierung im Bereich des Wasser-Öl-Verhältnisses von 0-15 % ermöglicht, und zwar manuell oder mit einem von mehreren bekannten automatischen Verfahren. Reguliergriff 12 ermöglicht das Einstellen von Nadel 13, die durch O-Ring-Dichtung 14 gegen Undichtigkeit abgedichtet ist. Der Emugierstapel umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 15. Ein Abscheider 16 in Form einer Scheibe mit einem Ausschnitt leitet das Öl/Wasser-Gemisch axial durch das zylindrische Gehäuse 15. Zylinder 17 schraubt sich in die Öffnung des konzentrischen Verbinders/Anschlußstücks 18 hinein. Anschlußstück 18 dichtet die Öffnung des Emulgierstapels ab und hält den Stapel von abwechselnden gegenläufigen Spiralscheiben 25-26 und dazwischen befindlichen Abscheidern 16 zusammen. Rohr 19 führt Wasser bei einem Druck, der je nach der Viskosität des Öls geringfügig bis erheblich höher ist als der Druck des Öls, zu dem Emulgierstapel 2. Wasserrohrverbinder 20-23 vervollständigen die Wasserzufuhr zu dem Emulgierstapel. Der Emulgierstapel enthält bei der dargestellten Ausführung acht einzelne Spiralscheiben 25-26 zur abrupten Spinumkehr, die abwechselnd im Uhrzeigersinn (26) und entgegen dem Uhrzeigersinn (25) angeordnet sind, mit Abscheidem 16 im Körper des Emulgierstapelzylinders 17. Wenn der Öl/Wasser-Strom von jeder gegenläufigen Spiraischeibe 25 oder 26 über einen Abscheider 16 zur nächsten gegenläufigen Spiralscheibe hindurchtritt, kommt es zu einer 90-Grad-Wendung.
Dieser Aufbau gewährleistet optimalen Wirbelstrom des Wassers in dem Emulgierstapel. Das Öl/Wasser-Gemisch trifft hart genug auf jede 90-Grad-Wende auf, um Emulgierung zu bewirken. Der Wirbelstrom erzeugt aufgrund der verschiedenen Viskositäten, Geschwindigkeiten, Dichten und Oberflächenspannungen von Öl und Wasser eine Scherkraft. Dadurch wird Emulgierung mechanisch bewirkt, ohne daß Mischeinrichtungen oder Chemikalien erforderlich sind.
Die Ölzufuhr wird mit einem herkömmlichen Rohr 24 mit herkömmlichen Mitteln ermöglicht, wobei, dort wo erforderlich, dosiert wird.

FUNKTION

Fig. 1 zeigt, wie die Öl/Wasser-Emulsion in einem Mehrfachstrahldüsensystem eingesetzt wird. Jede Strahidüse 8 ist bereit, Öl/Wasser-Emulsion zum Verbrennen in ihre Düse zu pumpen.
Fig. 2 wählt eine Stromgröße für das Öl mit einer nicht dargestellten Einrichtung aus. Die Wasserzufuhr wird an jeder Brennerdüse ausgewählt, indem das Nadelventil 13 eingestellt wird. Das Wasser weist konstanten Druck auf, und so werden die Kraftstoffölzufuhr und die Wasserzufuhr in Abhängigkeit von der Zufuhr von Öl/Wasser-Emulsion zu der dazugehörigen Brennerdüse aneinander angepaßt. Spiralscheiben 25 und 26 sind jeweils entgegen dem Uhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn ausgerichtet und abwechselnd in dem Stapel angeordnet, wobei ihre Öffnungen so aufeinander ausgerichtet sind, daß ein Weg mit starkem Aufprall an der Wendung von ungefähr 135 Grad über die Öffnung um den Abscheider herum zu der komplementären Spirale geschaffen wird. Die zwei Segmente bilden einen kompakten, komplexen Fluidweg, in dem es an jedem Spiralscheibenübergang zu einer Umkehr kommt. Das Öl/Wasser-Gemisch trifft auf eine virtuelle Abflachung des Stegs der entgegengesetzten Spirale auf, so daß es zu einer abrupten Umkehr des Fluidstroms am entfernten Ende des spiralförmigen Weges durch die erste Scheibe kommt, wobei es an der Abflachung in momentane Verwirbelung abspritzt und dann erneut Fluidstrom weiter auf dem Weg zur Emulgierung stattfindet.

Mechanismus

Fig. 3 zeigt den Düsenabscheider 16, der den Strom des gemischten (noch nicht emulgierfen) Öl/Wasser-Stroms durch den Stapel 17 beginnt. Die Düsenöffnungen lösen einen Wirbelstrom von Tröpfchen an der Achse des Stapels 17 entlang aus.
Fig. 4 zeigt Stapel 17 mit Düsenabscheider 16, der Spirale 25 im Uhrzeigersinn mit ihrem integralen Abscheiderabsatz, der dem Strom zugewandt ist, der Spirale 26 entgegen dem Uhrzeigersinn, der zweiten Spirale 25 im Uhrzeigersinn, der zweiten Spirale 26 entgegen dem Uhrzeigersinn ... und dem abschließenden Paar 25'/26' im Uhrzeigersinn/entgegen dem Uhrzeigersinn.
Fig. 5 zeigt ein Detail der Spirale 25 im Uhrzeigersinn mit ihrem dem Strom zugewandten Abscheider.
Fig. 6 zeigt ein Detail der Spirale 26 entgegen dem Uhrzeigersinn mit ihrem dem Strom zugewandten Abscheider.
Die Spiralscheiben lassen sich leicht mit automatischen Drehautomaten herstellen, die die Spirale im Uhrzeigersinn bzw. die Spirale entgegen dem Uhrzeigersinn schneiden können und den Abscheiderabschnitt an einem Abschluß herstellen können, an dem Grate das Zusammensetzen zu dem Stapel nicht beeinträchtigen würden. Die Spiralscheiben können auch aus Kunststoff spritzgegossen werden. Die Spiralscheiben können, wenn geeignet, in gegenläufige Spiraischeibenpaare geschnitten oder geformt werden, oder in Stapeln, die sich leicht montieren und kostengünstig herstellen lassen. Die Herstellung in Stapeln verringert die Notwendigkeit, die Scheiben gegen Drehung zu fixieren, auf ein Minimum oder macht sie überflüssig. Wenn einzelne Scheiben verwendet werden, kann es vorteilhaft sein, ein rechteckiges Mittelloch einzusenken, im allgemeinen können die Scheiben jedoch durch Preßpassung gegen Drehung fixiert werden.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung zum Einsatz mit einem Dieselmotor.
Es ist anzumerken, daß der Dieselmotor aufgrund seines Wärmezyklus und der hohen Verdichtung, und nicht aufgrund seiner effektiven Verbrennung von Kraftstoff sehr hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein Beweis dafür ist der schwarze rußige Rauch, der aus dem Dieselauspuff austritt. Wassereinspritzung dient nicht vorwiegend dazu, den Nachverbrennungs-Funktionswirkungsgrad des Motors zu verbessern, obwohl die dadurch entstehende Dampfausdehnung in dem Zylinder einen begrüßungswerten Effekt haben kann. Der emulgierte Öl/Wasser-Kraftstoff verbessert den Verbrennungswirkungsgrad. Die Mikrotröpfchen von Wasser, die in den Tröpfchen aus Kraftstofföl verteilt sind, führen zu einer großen Anzahl von Mikroexplosionen von Dampf, wenn die Kraftstoff/Wasser-Emulsion während des abschließenden Teils des Verdichtungshubes erhitzt wird und durch Verbrennung erhitzt wird, sowie durch die entstehende zusätzliche Verdichtung während des anfänglichen Abschnitts des Arbeitshubes, wenn benachbarter Öl/Wasser-Emulsions-Kraftstoff verbrannt wird. Diese Dampfmikroexplosionen in den emulgierten Kraftstoff-Wasser-Tröpfchen zerreissen die Tröpfchen und erzeugen eine erheblich vergrößerte Oberfläche für die Oxidation bei der Verbrennung. Diese vergrößerte oxidierbare Oberfläche erhöht die Vollständigkeit der Verbrennung, und verringert die Emission von unverbrannten Öl, Rauch sowie die Menge an verschwendetem unverbranntem Kraftstoff erheblich.
Kraftstofföl tritt in den aktiven Bereich an Ölrohr 24 ein, der sich zwischen dem Kraftstoffeinspritzwahlmechanismus und der Zylinderzufuhr 8 befindet. Emulgierstapel 17 nimmt die in komplementären Paaren angeordneten Spiralscheiben 25/26 auf. Emulsionswasser wird von einem Mechanismus 30 mit geringem Verbrauch zugeführt, der Wasser in den Kraftstoffölstrom mit einem ungefähr linearem Anstieg bei zunehmendem Ölstrom in Reaktion auf Bedarf an Leistung oder Drehzahl dosiert. Der Mechanismus 30 mit geringem Verbrauch unterbricht den Wasserstrom, wenn der Bedarf unter den Schwellenwert des Bedarfs fällt, der dem "Leerlauf" des Dieselmotors entspricht, bzw., um genauer zu sein, auf den Schwellenwert des niedrigen Bedarfs, bei dem der Dieselmotor Kraftstofföl ohne Wasserzusatz benötigt, um weiterzulaufen. Obwohl die Theorie nicht gesichert ist, wird davon ausgegangen, daß die beim Umwandeln der Wassermikrotröpfchen in Dampf absorbierte Energie die Zündung nachteilig beeinflußt, so daß Wassereinspritzung bei Leerlaufdrehzahl nachteilig wirkt. So kann beispielsweise ein typischer Dieselmotor bei Drehzahlen über 800 U/min sehr gut mit Öl/Wasser-Emulsion laufen, und so die Energieausnutzung und die Vollständigkeit der Verbrennung verbessert werden, jedoch bei weniger als 800 U/min zum Stillstand kommen.
Wassereinspritzmechanismus mit geringem Verbrauch
Der Wassereinspritzmechanismus mit geringem Verbrauch enthält die folgenden Elemente, die in Fig. 7 halbschematisch dargestellt sind:
31 Wasservorratbehälter
32 Wasserleitungsanschluß
33 Kraftstoff/Wasser-Emulsions-Leitungsanschluß
34 Schwimmerventilmechanismus
35 Sollwasserpegelmarkierung
36 Nadelventil
37 Nadelentilfeder
38 Nadelventilsitz
39 Nadelventil-Kraftstoffstrom-Ansprechmembran
40 Kraftstoff-Venturi-Strahldüse
Wenn der Kraftstoffstrom aus der Kraftstoff-Venturi-Strahldüse 40 über dem Bedarfschwellenwert schwankt, andert sich die Wassereinspritzung in einem Verhaltnis, das sich einer linearen Zunahme nähert, um ein Standard-Wasser/Kraftstofföl-Verhältnis beizubehalten, das in Stapel 17 unmittelbar vor der Zufuhr zu der Zylindereinlaß- Strahldüse 18 vorübergehend emulgiert wird. Nadelventil 36 verändert die Wasserzufuhr, wenn es von der Nadelventil-Kraftstoffstrom-Ansprechmembran 39 gegen den Druck von Nadelventilfeder 37 bewegt wird. Wenn der Kraftstoffbedarf unter den Schwellenwert fällt, schließt sich Nadelventil 36 an dem Nadelventilsitz 38 und unterbricht die Wassereinspritzung, wie dies bei der Drehzahl unter dem Schwellenwert (z.B. 800 U/min) geringfügig über der Grundleerlaufdrehzahl für den Motor erforderlich ist.
Obwohl die Erfindung vorzugsweise in Form eines Kraftstoffemulgators dargestellt wurde, ist für den Fachmann klar, daß die beschriebenen Abwandlungen und andere Alternativen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Mechanischer Emulgator für wassereingespritztes Kraftstofföl mit einem steuerbaren Kraftstofföleingang, einem steuerbaren Wassereingang, einem Wasser-in-Kraftstofföl- Strömungskanal und einem Ausgang für den Wasser-in- Kraftstofföl-Strom, der umfaßt:

a) ein Stapelgehäuse (17) mit Anschlüssen für den Kraftstofföleingang, für den Wassereingang und für den Ausgang, wobei das Stapelgehäuse den Fluidströmungskanal für den Wasser-in-Kraftstofföl-Strom umschließt;

b) einen Stapel abwechselnd im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn geschnittener, plötzlich umkehrender Spiralspinumkehr-Durchflußregelungs- Spiralscheiben (25, 26), die in dem Stapelgehäuse entlang des Fluidströmungskanals in im Uhrzeigersinn/entgegen dem Uhrzeigersinn komplementären Paaren angeordnet sind;

c) wobei jede der Spiralscheiben einen spiralförmig geschnittenen Abschnitt mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite hat, wobei spiralförmige Stege und spiralförmige Rinnen in dem Stapelgehäuse einen spiralförmigen Fluidströmungskanal von der ersten Seite zu der zweiten Seite mit einem charakteristischen Spiralspin des Wasser-in-Kraftstofföl-Stroms bilden;

d) eine Reihe von Abscheideabsätzen, die sich zwischen Spiraischeiben in dem Stapel befinden;

so daß der Wasser-in-Kraftstofföl-Strom, der den charakteristischen Spiralspin in der Rinne aufweist, seinen Spin plötzlich umkehrt, wenn der Wasser-in-Kraftstofföl- Strom einen dazugehörigen Abscheideabsatz passiert, auf den entgegengesetzt geschnittenen spiralförmigen Steg der nächsten Spiralscheibe auftritt und in die entgegengesetzt geschnittene spiralförmige Rinne der nächsten Spiralscheibe eintritt, wobei die plötzliche Umkehr des Wasser-in-Kraftstofföl-Stroms einen Umschlag mit ausreichender Turbulenz für die schrittweise Emulgierung des Wasser-in-Kraftstofföl-Stroms bewirkt, der beim Durchgang durch den Stapel zu einer kumulativen Emulgierung führte

2. Mechanischer Emulgator nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Abscheideabsätze integral mit einer der Spiralscheiben ausgebildet ist.

3. Mechanischer Emulgator nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der Abscheideabsätze und eine Vielzahl der Spiralscheiben zusammen als eine Einheit ausgebildet sind.

4. Mechanischer Emulgator nach Anspruch 1, der des weiteren umfaßt:

a) eine Wassereinspritz-Dosiereinrichtung mit geringem Verbrauch, die mit dem Wassereingang in Verbindung steht und Wasser in das Kraftstofföl einspritzt, wobei die Wassereinspritz-Dosiereinrichtung mit geringem Verbrauch das Wasser in Mengen in das Kraftstofföl einspritzt, die in Beziehung zu einem Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors oberhalb einer stillstandsfreien Nenndrehzahl des Dieselmotors stehen; und

b) wobei die Wassereinspritzeinrichtung mit geringem Verbrauch eine Einrichtung (36, 37) enthält, die die Wassereinspritzung in das Kraftstofföl unterbricht,

wobei die Unterbrechungseinrichtung die Wassereinspritzung in das Kraftstofföl unterhalb der stillstandsfreien Nenndrehzahl des Dieselmotors unterbricht.

5. Dieselmotor mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Wasser-Öl-Emulsions-Kraftstoff, der einen mechanischen Emulgator nach Anspruch 4 umfaßt.