JP2009521634A - ディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョン生成およびディーゼルエンジン内エマルジョン噴射のための装置 - Google Patents

ディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョン生成およびディーゼルエンジン内エマルジョン噴射のための装置

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Abstract

本発明は、ディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョンを生成し、またこのマイクロエマルジョンをディーゼルエンジン内に噴射するための装置に関するものである。本発明の目的は、ディーゼルエンジン用のディーゼル燃料/水のエマルジョンを自動車内で得ることを可能とする装置を創出することである。この目的は、ディーゼル燃料タンク(11)からのディーゼル燃料および水タンク(15)からの水を、静的混合システム(28MI)内で予混合して粗製エマルジョンを生じ、この粗製エマルジョンを3個の高圧シリンダ(1,2,3)を有する装置に導入することにより、達成される。第1高圧シリンダ(1)および第2高圧シリンダ(2)の入口は、水/ディーゼル燃料の粗製エマルジョン混合システム(28MI)に接続し、第1高圧シリンダ(1)および第2高圧シリンダ(2)の出口は均質化弁(13)に接続し、第3高圧シリンダ(3)の入口は均質化弁(13)の出口に接続し、第3高圧シリンダ(3)の出口はディーゼルエンジン(24)に接続する。3個の高圧シリンダ(1,2,3)の3つのピストンは圧力ブースタの一部であり、この圧力ブースタの駆動ピストン(4K)を油圧駆動ユニット7に接続した駆動シリンダ4内で案内する。代案として、3個のピストンを自動車のクランクシャフトに連結したカムシャフトまたは電動モータによって駆動することができる。

Description

本発明は、ディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョンを生成し、またこのマイクロエマルジョンをディーゼルエンジン内に噴射するための装置に関するものである。
ディーゼル燃料/水の混合物は、ディーゼルエンジン駆動用に開発され、検査されている。ここにおいて、純粋なディーゼル燃料に比べて、このタイプのエマルジョンを燃料として使用すれば、非常にきれいな燃焼が行えることが分かってきている。排気ガス中の粒子状物質、すす粒子、およびNOxのような汚染物質は、エマルジョンにおける水の比率の関数として最小値まで軽減することができる。しかし、ディーゼル燃料/水のエマルジョンはそれ程安定的でないという欠点がある。いわゆる乳化剤のような添加剤により安定状態に保たれていなければ、ごく短時間のうちに2相に分離してしまう。
燃料としてディーゼル燃料/水のエマルジョンの使用を広めるには、安定したエマルジョンを、大型の設備内で乳化剤を加えて予め生成し、大型タンク設備内に貯蔵しておく必要がある。さらに、給油所には、追加の給油デバイスを装備する必要がある。これに伴う設備投資費用は莫大であり、現在の経済状況下では実現不可能である。
ディーゼル内燃機関用の液体燃料供給装置は、特許文献1(独国特許第69603823号)に記載されており、この液体燃料供給装置は、燃料および水を供給するミキサを有し、このミキサで形成された燃料/水の混合物をエンジンの噴射ポンプに送給する。この装置は自動車に直接搭載することができるが、この装置では安定したディーゼル燃料/水のエマルジョンを得ることができない。
例えばディーゼル燃料とアルコールのような、2つの混合不可能な燃料用の燃料システムは、特許文献2(旧東独国特許出願公開第228 594号)に記載されている。この場合、燃料は2個の個別の燃料容器に保存し、混合および計量のために混合・計量ポンプに供給し、そこから燃料供給ポンプに送給する。
内燃機関用の共通レール燃料噴射システムは、特許文献3(独国特許出願公開第19948464号)に記載されており、この共通レール燃料噴射システムは、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための、多数の噴射器に供給するための高圧燃料容器を有する。この場合、高圧燃料容器は、油圧ブースタデバイスにより低圧容器に油圧的に結合する。
独国特許第69603823号明細書 旧東独国特許出願公開第228594号明細書 独国特許出願公開第19948464号明細書
本発明の目的は、ディーゼルエンジン用のディーゼル燃料/水のエマルジョンが自動車自体に装備するソリューションを提供することにある。
この目的は、冒頭に説明したタイプの装置において、3個の高圧シリンダを有し、これら3個の高圧シリンダのうち第1および第2の高圧シリンダの入口を水/ディーゼル燃料の粗製エマルジョンの予混合システムに接続し、第1および第2の高圧シリンダの出口を均質化弁に接続し、第3高圧シリンダの入口を均質化弁の出口に接続し、第3高圧シリンダの出口をディーゼルエンジンに接続し、3個の高圧シリンダのピストンは、圧力ブースタの部分をなし、この圧力ブースタの駆動ピストンを油圧駆動ユニットに接続した駆動シリンダ内で案内する構成とした装置によって達成する。
本発明装置によれば、ディーゼル燃料/水のエマルジョンを自動車自体に装備することが可能となる。この場合、計量ポンプを有する小形の補助水タンクのみが必要である。この計量ポンプは、ディーゼル燃料タンクと装置との間におけるディーゼル燃料供給ラインに、濃度の関数として制御して水を計量供給し、2種類の液体を供給ライン上の静的ミキサ内で混合し、水/ディーゼル燃料の粗製エマルジョンを生成する。
高圧均質化(2000バールのオーダーの圧力)は、2種類の液体の圧力放出による均質混合として簡潔に説明できる。圧力放出は、2種類の液体からまず生成される粗製エマルジョンにより生ずる。この粗製エマルジョンは高圧で狭いギャップを強制的に通過することで、結果として圧力エネルギーが流速エネルギーに変換される。せん断効果およびキャビテーション効果により、極めて微細な液滴が生成され、この液滴サイズは均質化圧力の下でナノメートルのオーダーとなる。狭いギャップは弁により形成するか、または対応するノズル内に設ける。このような2種類の液体におけるナノメートルサイズの液滴混合は、マイクロエマルジョンと称される。マイクロエマルジョンは、比較的大きな液滴総表面積を有し、比較的反応性が高く、それゆえに効率的な燃焼が保証される。
要求される高圧を得るためには、単純な1個の圧力ブースタのみが必要である。圧力ブースタ内では、高圧シリンダ内における比較的小さな直径の3個のピストンを、直径の大きな油圧駆動シリンダにより、同時かつ同期して線形的に駆動し、予め生成した水/ディーゼル燃料の粗製エマルジョンをほぼ同量ずつ、第1高圧シリンダおよび第2高圧シリンダ内の均質化弁にポンプ送給する。第3シリンダは噴射ポンプを構成し、この噴射ポンプにより生成したディーゼル燃料/水のエマルジョンは、ディーゼルエンジンの高圧分配器に供給する。
とくに極めて好ましい実施形態においては、3個の高圧シリンダを1列に直列配置し、共通の単一部分構成または複数部分構成のピストンロッドを駆動シリンダと共有する。したがって、装置の全シリンダは1列に配列され、同期して上下動する。この結果、ピストンとシリンダとの間における遊びの瞬間が十分に短く、あるシリンダから次のシリンダにいたる圧力損失が僅かしかない場合、適切であれば、ピストンシールを省くことさえ可能である。この場合、あるシリンダから別のシリンダへの僅かな漏れは容認できる。すなわち、液体の混合は臨界的ではなく、どのようであれ混合物を生成することが目的であるからである。
代案として、3個の高圧シリンダを互いに近接して並列する形態とすることもできる。この場合、圧力ブースタはある種のプレート形式とし、3個の高圧シリンダにおける3個の並列ピストンロッドをプレートの一方の側面に配列し、駆動シリンダのピストンロッドをプレートの他方の側面に配列する。
とくに簡便な方法で、3個の高圧シリンダ内で約2000バールの必要とされる高圧を得ることができるようにするためには、駆動ピストンの断面積を、3個の高圧シリンダにおけるピストン断面積の総和よりもはるかに大きいものとする。例えば、3個の高圧シリンダのピストン直径をそれぞれ12.6、17.8、および21.8mmとするとき、駆動ピストン直径を70mmとする。このとき、駆動ピストンおよび被駆動ピストンの、ピストン断面積もしくは環状断面積の比はおよそ1:8.0である。従って、3個の高圧シリンダ内で約2000バールの必要とされる圧力を得るためには、約250バールの圧力を生ずる油圧駆動ユニットのみが必要となる。
他の実施形態においては、第1バッファ容器を、均質化弁の出口と第3高圧シリンダの入口との間に配置する。このバッファ容器は均質化弁内で生成したエマルジョンのバッファとして働き、圧力変動を平滑化するためのものである。
第3高圧シリンダの出口に接続した第2バッファ容器を設けることができ、この第2バッファ容器は、噴射ポンプ(第3高圧シリンダ)からエンジン分配器に送給されるとき、約2000バールの高圧になるエマルジョンのバッファとして作用し、システムの圧力変動を平滑化する。
駆動ピストンの制御を、ディーゼルエンジンのアクセルペダルによる調整弁による、駆動シリンダへの油圧駆動ユニットの油圧オイル流量の作用により行うようにすると好適である。
油圧ユニットを駆動するために、油圧駆動ユニットは、自動車のクランク軸に連結するためのトルク伝達素子を有する構成とすると好適である。
さらに、とくに有利な実施形態においては、均質化弁を対向流弁として実現する。この場合、油圧シリンダ1および2から供給される2つの粗製エマルジョンの流れが混合し、対向流内で均質化する。各弁側面を、円錐形の弁コーンを有するスピンドルにより構成し、これらスピンドルを中心の鋭利端縁付き円筒形弁座内に挿入すると好適である。
スピンドルは油圧により調整される。弁座はブロック内に絞り込む形状にする。スピンドルは油圧シリンダに接続した開放ダクト内に形成する。油圧調整シリンダのピストンは弁のスピンドルに連結し、ばねによって、スピンドルのコーンを弁座における円筒形ボア内に押し込む。圧力ブースタにより上昇した圧力は予負荷ばねに圧着するピストン下面を押圧する。ここでコーンは、弁座から持ち上がり、この持ち上がりの量は、流量に係わらず常に同一圧力で均質化を生ずる程度にする。2種類の液体は互いに対向して流れ、弁コーンと弁座端縁との間で、狭いギャップを経て高速で衝突する。このとき、圧力は2000バールから約100バールまで急速に低下し、せん断効果およびキャビテーション効果により微細化した液滴は、激しい乱流により混合する。
装置の設置サイズを可能な限り最小化するために、とくに、3個の高圧シリンダ、駆動シリンダおよび/または2個のバッファ容器を、共通のハウジングブロック内のボアとして実現すると好適である。
本発明について、例示として実施形態を図面につき、以下に詳述する。
ディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョンを生成し、このマイクロエマルジョンをディーゼルエンジン内に噴射するための本発明装置は、初期的に3個の高圧シリンダ、すなわち水/ディーゼル燃料の粗製エマルジョン用の第1高圧シリンダ1および第2高圧シリンダ2、および水/ディーゼル燃料のマイクロエマルジョン用の第3高圧シリンダ3を有する。さらに、2重作動(複動)駆動シリンダ4も設ける。
図示のとくに好適な実施形態においては、3個の高圧シリンダ1,2,3および駆動シリンダ4を直列に配列し、圧力ブースタを構成する。さらに、図示の実施形態において、3個の高圧シリンダ1,2,3および駆動シリンダ4は全て、共通の単一部分構成または複数部分構成のピストンロッドを共有し、その区分を、各シリンダに基づいて2KS,1KS,3KS,4KSの符号で示す。
例えば、第1高圧シリンダ1は、17.8mmのピストン直径および12.6mmのロッド直径を有し、したがって、124.16mm2 の環状断面積を有する。第2高圧シリンダ2は、12.6mmのピストン直径および124.69mm2 の断面積を有し、第3高圧シリンダ3は、21.8mmのピストン直径および17.8mmのロッド直径を有しそれゆえに124.40mm2 の環状断面積を有する。それゆえ3つの高圧シリンダ1,2,3の総断面積は373.25mm2 になる。
例えば、駆動シリンダ4はピストン直径70mmであり、ピストンロッド4KSは21.8mmの直径を有し、それゆえ2996.30mm2 の環状断面積を有する。
このように駆動シリンダ4と被駆動高圧シリンダ1,2,3との面積比は8.0である。
したがって、3個の高圧シリンダ1,2,3のそれぞれに2000バールの高圧を得ることを可能にするために、約250バールの圧力を駆動シリンダ4内で発生することが必要である。
4つのシリンダの単一部分または複数部分構成の、共通ピストンロッドは段差付きとする、すなわち、第2シリンダから第1シリンダを経て第3シリンダおよび第4シリンダへ向かって直径が大きくなるように形成する。この共通ピストンロッドは図示したように、高圧小シリンダ2および1内の高圧シリンダ1および2のピストンとして同時に機能することが望ましいとともに、比較的大きなシリンダ内で、ピストンロッド3KSは付加的なピストン3Kを支持し、駆動シリンダ内で、ピストンロッド4KSは付加的なピストン4Kを支持する。ピストンロッドを、各シリンダ内におけるそれぞれシールを有するスリーブBにより案内する。
シリンダ1,2,3,4はすべて、共通ハウジングブロック内のボアとして実現するとよい。
駆動シリンダ4は、油圧ライン5,6を介して油圧駆動ユニット7に接続し、とくに、調整弁8およびサーボ弁9を介在させて接続する。駆動ユニット7および/または油圧ポンプは、ベルト駆動(図示されていない)により、その装置を備える乗り物のクランクシャフトに接続することが望ましい。
高圧シリンダ1,2,3の接続は以下のように実施する。すなわち、
2個の高圧シリンダ1,2の入口を、ライン26および27を介して接続され、それぞれ、粗製エマルジョン生成のために逆止め弁により静的ミキサ28MIに接続する。粗製エマルジョンの高圧供給のための2個の高圧シリンダ1および2の出口は、高圧ライン12および25を介して接続され、それぞれ、他の逆止め弁Rにより、均質化弁13に接続される。
ディーゼル燃料タンク11を、ライン10を介して静的ミキサ28MIに接続する。粗製エマルジョンを生成するための水を、計量ポンプ29PIにより計量して水タンク15から、静的ミキサの上流にあたるライン10内に、ライン14を介して供給する。計量ポンプ29PIは制御可能で、ディーゼル燃料の測定した密度および所定の混合比の関数として、水量を計量する。ディーゼル燃料タンク内にエマルジョンを再循環させることで、例えば安全弁33SVの圧力を釈放するとき、または過剰のマイクロエマルジョンをエンジン領域から再循環させるとき、ディーゼル燃料に対する水の割合を増加し、ディーゼル燃料の濃度を変化させる。この結果、タンクから抽出されるディーゼル燃料の濃度は、粗製エマルジョン生成のための水供給を適合させるために、連続的に測定しなければならない。
計量ポンプ29PIは、コントローラ32COにより制御し、このコントローラ32COは、ディーゼル燃料供給ライン10内の濃度センサ30DSおよびマイクロエマルジョンライン17内の濃度センサ31DSの両センサから測定値を受信し、またエンジンコントローラからの信号を受信し、これら測定値および信号を順次の制御動作により処理する。放出が減少したことに起因する粗製エマルジョンライン26および27内での圧力上昇の発生時に、ライン10内の安全弁33SVを開き、過剰な粗製エマルジョンがライン34からディーゼル燃料タンク11内へ戻るよう案内する。
均質化弁13は対向流弁として実現し、この場合、約2000バールの高圧で、2個の高圧シリンダ1および2から供給される2種類の粗製エマルジョンを、対向流内で混合し均質化する。均質化弁13の各弁側面に、円錐形の弁コーンを有するスピンドルを設け、双方のスピンドルを中心の鋭利端縁付きの円筒着座部に挿入する。このスピンドルを、油圧制御シリンダ16により調整する。弁座部はブロック内部に絞り込む。これらスピンドルを、油圧制御シリンダ16に接続した開放ダクト内に案内する。油圧シリンダ16のピストンを、弁のスピンドルに連結し、またばねにより、コーンを有するスピンドルを着座部の円筒形のボア内に押し込む。圧力ブースタにより上昇した圧力は、予負荷ばねに圧着するピストン下面を押す。このときコーンが弁座から上昇し、この上昇は、流量に無関係に同一圧力で均質化が起こる程度とする。ディーゼル燃料および水の2つの流れは、弁コーンと弁座の端縁との間における狭いギャップを経て超音速で互いに衝突する。圧力は約2000バールから約100バール程度まで急速に低下し、衝突効果、せん断効果およびキャビテーション効果により微粒化した液滴は、激しい乱流により混合され、マイクロエマルジョンを生成する。
このマイクロエマルジョンは、高圧ライン17を介してバッファ容器18に供給される。このバッファ容器18は、ピストン18Kを案内するシリンダとして実現し、このピストン18Kには張力ばね18Fが作用する。バッファ容器18の出口は、2個の高圧ダクト19および、各高圧ダクト19における1個の逆止弁Rを介して、複動ピストン3Kの両側で、高圧シリンダ3に接続する。逆止弁Rを保持するボア内の止栓をSで示す。
高圧シリンダ3の出口を、逆止弁Rを有する2個の高圧ライン20および、高圧ライン22を介して、他のバッファ容器21に接続し、また乗り物のディーゼルエンジン24に接続される高圧分配器23に接続する。
バッファ容器21は、バッファ容器18と同様に形成する。バッファ容器21は、ピストン21Kを張力ばね21Fの負荷下で案内するシリンダとして実現する。
3個の高圧シリンダ1,2,3およびバッファ容器18,21のすべてを、1個の格納ブロック内に不連続ボアとして共に配置すると好適である。高圧シリンダ1,2,3内のピストンシールは、特別なばねまたは金属シールにより応力を受けるプラスチックシールにより設けると好適である。シールは、圧力調整ねじにより所定位置に保持する。
各高圧シリンダ1,2,3の入口および出口に設ける逆止弁Rは、高圧で入口ダクト内へ吸い込んだ液体が逆流すること、および高圧に汲み上げられた液体が吸い込み行程中にシリンダ内へ逆流することを防ぐためのものである。
ディーゼルタンク11および水タンク15からのディーゼル燃料および水を、静的ミキサ内で粗製エマルジョンを生成するために混合し、次いで高圧シリンダ1および2に供給する。吸い込み行程中および圧縮行程中に、シリンダ空間内の2つの媒介流は、高圧ライン12および25のそれぞれを介して、均質化弁13に供給する。2個の流れは、弁コーンと弁座の端縁との間で狭いギャップを経て、互いに高速で衝突する。圧力は2000バールから約100バールまで急速に低下し、せん断効果およびキャビテーション効果により微細化した液滴は、激しい乱流により混合する。
均質化弁13を通過した後、形成されたディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョンは、高圧ライン17を介してバッファ容器18に流入し、このバッファ容器18内でエマルジョンは10バールの圧力に保持される。バッファ容器18は、高圧ライン19を介して第3高圧シリンダ3に接続する。結果として、高圧シリンダまたは噴射シリンダのピストン3Kは複動作動し、シリンダの一方の側と他方の側とでそれぞれ吸い込みおよび圧縮が交互に行われる。ピストン3Kの往復運動中に供給されるエマルジョンの量は、均質化弁13からバッファ容器18へ供給される量に一致する。吸い込み行程中、エマルジョンはバッファ容器18から第3高圧シリンダ3内へ、10バールの圧力で押し出される。高圧ダクト19内では、逆止弁Rにより、圧縮行程中に、高圧エマルジョンがバッファ容器18内に逆流するのを防止する。高圧ライン17に向かうよう外部へ向けて配置した出口を有する破断プレート(詳細に図示されていない)は、逆止弁Rの故障の際に過剰圧力が生じないように、バッファ容器18を保護するためのものである。
圧縮行程中、エマルジョンは、第3高圧シリンダ3からディーゼルエンジン24に、約2000バールの圧力で高圧ライン20を経て、流入する。バッファ容器21は、ライン22を介して、高圧シリンダ3の出口へ同様に接続する。このバッファ容器21は、自動車の速度変化により発生する圧力変動を平滑にする。
逆止弁Rを、高圧ライン20内で、高圧シリンダ3とバッファ容器21の接続部との間で同様に設け、この逆止弁Rにより、バッファ容器21から高圧シリンダ3への逆流を防ぐ。
本発明は無論、図示の例示的な実施形態に限定するものではない。本発明の基本概念から逸脱することなく他の実施形態もまた可能である。それゆえ、図示の望ましい実施形態の代替として、3個の高圧シリンダ1,2,3を、直列でなく互いに並列に配置することもできる。
本発明装置の線図的説明図である。 本発明装置の線図的説明図である。

Claims (13)

  1. ディーゼル燃料/水のマイクロエマルジョンを生成し、またこのマイクロエマルジョンをディーゼルエンジン内に噴射するための装置において、
    3個の高圧シリンダ(1,2,3)のうち、2個の高圧シリンダ(1)および(2)の入口を静的粗製エマルジョンプリミキサ(28MI)に接続し、2個の高圧シリンダ(1)および(2)の出口を均質化弁(13)に接続し、第3高圧シリンダ(3)の入口を均質化弁(13)の出口に接続し、第3高圧シリンダ(3)の出口をディーゼルエンジン(24)24に接続し、3個の高圧シリンダ(1,2,3)の3個のピストンは圧力ブースタの部分をなし、この圧力ブースタの駆動ピストン4Kを、油圧駆動ユニット(7)に接続した駆動シリンダ(4)内で案内する構成とした
    ことを特徴とする装置。
  2. 請求項1に記載の装置において、
    3個の高圧シリンダを直列に配列し、共通の単一部分構成または複数部分構成のピストンロッド(4KS,3KS,1KS,2KS)を、駆動シリンダ(4)と共に共有する構成とした
    ことを特徴とする装置。
  3. 請求項1に記載の装置において、
    3個の高圧シリンダ(1,2,3)を互いに近接して並列に配置した
    ことを特徴とする装置。
  4. 請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の装置において、
    駆動ピストン(4K)の断面積を、3個の高圧シリンダ(1,2,3)のピストンの断面積の合計よりも十分大きいものとした
    ことを特徴とする装置。
  5. 請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の装置において、
    第1バッファ容器(18)を、均質化弁(13)の出口と第3高圧シリンダ(3)の入口との間に配置した
    ことを特徴とする装置。
  6. 請求項5に記載の装置において、
    第3高圧シリンダ(3)の出口に接続した第2バッファ容器(21)を設けた
    ことを特徴とする装置。
  7. 請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の装置において、
    前記駆動ピストン(4K)の制御を、ディーゼルエンジンのアクセルペダルによる調整弁(8)による、駆動シリンダ(4)への油圧駆動ユニット(7)の油圧オイルの流量の作用により行う
    ことを特徴とする装置。
  8. 請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の装置において、
    油圧駆動ユニット(7)は、自動車のクランク軸に連結するためのトルク伝達素子を有する構成とした
    ことを特徴とする装置。
  9. 請求項1〜8のうちいずれか一項に記載の装置において、
    前記均質化弁(13)を対向流弁として実現した
    ことを特徴とする装置。
  10. 請求項1〜9のうちいずれか一項に記載の装置において、
    3個の高圧シリンダ(1,2,3)、駆動シリンダ(4)および/または2個のバッファ容器(18,21)を、共通のハウジングブロック内のボアとして実現した
    ことを特徴とする装置
  11. 請求項1〜10のうちいずれか一項に記載の装置において、
    水/ディーゼル燃料の粗製エマルジョンを生成するための、前記静的ミキサ(28MI)を、前記ディーゼル燃料タンクと、前記2個の高圧シリンダ(1)および(2)の入口ライン(26,27)との間でライン10内に設置した
    ことを特徴とする装置。
  12. 請求項1〜11のうちいずれか一項に記載の装置において、
    制御可能計量ポンプ(29PI)を、前記水タンクと前記ディーゼル燃料ライン(10)への接続部との間で、ライン(14)内に設置した
    ことを特徴とする装置。
  13. 請求項1〜12のうちいずれか一項に記載の装置において、
    計量ポンプの制御およびマイクロエマルジョンの水/ディーゼル燃料の混合比調整のために、制御ユニット(32CO)、ディーゼル燃料ライン(10)に設置した濃度センサ(30DS)、およびマイクロエマルジョンライン(17)に設置した濃度センサ(31DS)を有する順次制御デバイスを、センサと制御ユニットとの間における信号ライン、および制御ユニットと計量ポンプとの間における信号ラインと共に設けた
    ことを特徴とする装置。
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