УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МИКРОЭМУЛЬСИИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА/ВОДЫ И ДЛЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ЭТОЙ ЭМУЛЬСИИ В ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DEVICE TO PREPARE EMULSION OF DIESEL FUEL/WATER AND TO INJECT SAID EMULSION INTO DIESEL ENGINE

Изобретение относится к устройству для приготовления микроэмульсии дизельного топлива/воды и для впрыскивания этой эмульсии в дизельный двигатель.
x
Смеси дизельного топлива/воды являются испытанными и проверенными видами топлива для дизельных двигателей. Причем установлено, что гораздо более чистое сгорание обеспечивается с эмульсией упомянутого типа в качестве топлива по сравнению с чисто дизельным топливом. Наличие таких загрязнителей, как макрочастицы, частицы сажи и NO в выхлопных газах, можно свести к минимуму в зависимости от пропорции воды в эмульсии. Недостаток этих эмульсий дизельного топлива/воды заключается в том, что они не очень стабильные. Эти две фазы отделяются друг от друга за очень короткое время, если их не стабилизировать присадкой, например эмульгатором.
Для широкого применения эмульсии дизельного топлива/воды в качестве топлива необходимо в громоздких установках обеспечивать предварительное приготовление стабильных эмульсий с эмульгаторными присадками и хранить их в крупных резервуарах. Помимо этого, заправочные станции нужно будет оборудовать дополнительными заправочными устройствами. Для этого потребуются очень значительные капиталовложения, невозможные в данной экономической ситуации.
Устройство подачи жидкого топлива для дизельного двигателя внутреннего сгорания известно из документа DE 69603823 T2; причем это устройство подачи жидкого топлива содержит смеситель, в который поступают топливо и вода, и полученная в нем топливо-водяная смесь затем идет во впрыскивающие насосы двигателя. Несмотря на то, что это устройство можно установить непосредственно в автомобильном двигателе, при помощи этого устройства невозможно получить стабильную эмульсию дизельного топлива/воды.
Топливная система для двух несмешивающихся видов топлива, например дизельного топлива и спирта, известна из документа DD 228594 A1. Эти виды топлива содержатся в двух отдельных топливных емкостях и подаются в смесительный и дозировочный насос для их смешивания и дозирования, и оттуда идут в топливоподкачивающий насос.
Унифицированная система впрыскивания топлива для двигателя внутреннего сгорания известна из документа DE 19948464 A1 и имеет накопитель топлива высокого давления для запитывания нескольких инжекторов, впрыскивающих топливо в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Причем накопитель топлива высокого давления гидравлически связан с накопителем низкого давления посредством гидроусилителя.
Задачей настоящего изобретения является разработка технического решения, с помощью которого будет обеспечена возможность приготовления эмульсии дизельного топлива/воды для дизельного двигателя в самом автомобиле.
Эта задача решается посредством создания устройства для приготовления микроэмульсии дизельного топлива/воды и для впрыскивания упомянутой микроэмульсии в дизельный двигатель. Устройство согласно изобретению содержит статический предварительный смеситель исходной эмульсии; клапан гомогенизации, имеющий выпускное отверстие; первый, второй и третий цилиндры высокого давления, имеющие впускные линии, выпускные отверстия и поршни, причем впускные линии первого и второго цилиндров высокого давления соединены со статическим предварительным смесителем исходной эмульсии, и выпускные отверстия первого и второго цилиндров высокого давления соединены с клапаном гомогенизации, при этом впускная линия третьего цилиндра высокого давления соединена с выпускным отверстием клапана гомогенизации, и выпускное отверстие третьего цилиндра высокого давления соединено с дизельным двигателем; гидропривод; и нагнетатель давления, имеющий рабочий поршень, который соединен с гидроприводом, при этом три поршня цилиндров высокого давления являются составляющими компонентами нагнетателя давления, и нагнетатель давления имеет рабочий цилиндр, причем рабочий поршень направляется по рабочему цилиндру.
Предпочтительно, первый, второй и третий цилиндры высокого давления расположены последовательно и совместно используют общий цельный или многосоставной поршневой шток с рабочим цилиндром.
Предпочтительно, первый, второй и третий цилиндры высокого давления расположены рядом друг с другом параллельно.
Предпочтительно, поперечное сечение рабочего поршня значительно превышает сумму поперечных сечений поршней первого, второго и третьего цилиндров высокого давления.
Предпочтительно, между выпускным отверстием клапана гомогенизации и впускной линией третьего цилиндра высокого давления расположен первый промежуточный накопитель.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит второй промежуточный накопитель, который соединен с выпускным отверстием третьего цилиндра высокого давления.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит регулирующий клапан, расположенный между рабочим цилиндром и гидроприводом, причем рабочий поршень регулируется посредством массового потока смазочного масла гидропривода в рабочий цилиндр регулирующим клапаном при помощи педали управления дроссельной заслонкой дизельного двигателя.
Предпочтительно, рабочий гидропривод имеет элемент передачи крутящего момента для обеспечения соединения с коленчатым валом автомобиля.
Предпочтительно, клапан гомогенизации выполнен в виде противоточного клапана.
Предпочтительно, первый, второй и третий цилиндры высокого давления, рабочий цилиндр и/или первый и второй промежуточные накопители выполнены в виде расточенных отверстий в общем корпусе.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит первую линию, расположенную между баком дизельного топлива и впускными линиями первого и второго цилиндров высокого давления, причем статический смеситель для приготовления исходной эмульсии воды/дизельного топлива установлен в указанной первой линии.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит вторую линию, расположенную между водяным баком и первой линией, при этом регулируемый дозировочный насос установлен в указанной второй линии.
Предпочтительно, устройство содержит линию микроэмульсии; и каскадное управляющее устройство, которое содержит управляющий блок, первый датчик плотности, установленный в первой линии и соединенный с управляющим устройством, и второй датчик плотности, установленный в линии микроэмульсии и соединенный с управляющим устройством, при этом управляющее устройство принимает сигналы от первого датчика плотности и от второго датчика плотности и дополнительно соединено с дозировочным насосом - для управления дозировочным насосом для регулирования соотношения воды/дизельного топлива в микроэмульсии.
Устройство согласно изобретению обеспечивает возможность приготовления эмульсии дизельного топлива/воды в самом автомобиле. Причем для этого требуется только небольшой вспомогательный водяной бак с дозировочным насосом, причем дозировочный насос дозирует воду в подводящий трубопровод дизельного топлива между баком дизельного топлива и устройством регулируемым образом в зависимости от плотности; причем две жидкости смешиваются в статическом смесителе на подводящем трубопроводе с получением исходной эмульсии воды/дизельного топлива.
Гомогенизацию под высоким давлением (значения давления порядка 2000 бар) можно вкратце охарактеризовать как гомогенное смешивание двух жидкостей за счет сброса давления. Сброс давления осуществляется за счет того, что исходную эмульсию сначала приготавливают из двух жидкостей, и упомянутую исходную эмульсию принудительно пропускают под высоким давлением через узкий зазор, в результате чего энергия давления преобразуется в энергию течения. Эффекты сдвига и кавитации создают очень мелкие капли, размер которых - при гомогенизирующем давлении - находится в нанометровом диапазоне. Узкие зазоры можно сформировать клапанами, или их можно выполнить при помощи соответствующих форсунок. Получаемые при этом нанометровых размеров капли двух жидкостей именуются термином «микроэмульсия». Микроэмульсии имеют относительно большую общую площадь поверхности и обладают относительно высокой реакционноспособностью, и по этой причине обеспечивают достаточное сгорание.
Для получения требуемых значений высокого давления нужен только один простой нагнетатель для повышения давления, в котором три поршня относительно небольшого диаметра в цилиндрах высокого давления одновременно синхронно и линейно приводятся в действие рабочим гидроцилиндром, имеющим большой диаметр поршня; при этом заранее приготовленная исходная эмульсия воды/дизельного топлива закачивается в клапан гомогенизации в первом цилиндре высокого давления и втором цилиндре высокого давления приблизительно в одинаковых количествах. Третий цилиндр образует впрыскивающий насос, при помощи которого приготовленная эмульсия дизельного топлива/воды подается в распределительное устройство цилиндров дизельного двигателя.
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения: три цилиндра высокого давления расположены последовательно в ряд и совместно используют цельный или многосоставной поршневой шток с рабочим цилиндром. Все цилиндры устройства поэтому расположены в ряд или в линию. Они поднимаются и опускаются синхронно. Поэтому даже обеспечивается возможность, в уместных случаях, не применять уплотнения поршня, если зазор между поршнями и цилиндрами достаточно узкий, и значения давления только ненамного уменьшаются от одного цилиндра к следующему. При этом небольшая утечка от одного цилиндра к другому приемлема, т.к. перемешивание жидкостей не имеет особо важного значения, поскольку смесь так или иначе действительно формируется.
Можно, как вариант, предусмотреть расположение трех цилиндров высокого давления рядом друг с другом параллельно. Нагнетатель для повышения давления при этом имеет некоторую пластину, причем три параллельных поршневых штока трех цилиндров высокого давления расположены на одной стороне упомянутой пластины, и поршневой шток рабочего цилиндра расположен на другой стороне упомянутой пластины.
Для обеспечения требуемого высокого давления около 2000 бар в трех цилиндрах высокого давления особо простым образом: выбирают поперечное сечение рабочего поршня, существенно превышающее сумму поперечных сечений поршней трех цилиндров высокого давления. Например, три цилиндра высокого давления могут иметь диаметры поршня величиной 12,6; 17,8; 21,8 мм, с диаметром рабочего поршня в 70 мм. Приблизительное соотношение площадей поршней или площадей кольцевых участков между рабочими и ведомыми поршнями: 1:8,0. Поэтому гидропривод нужен только для обеспечения давления около 250 бар, чтобы обеспечивать нужные значения давления около 2000 бар в трех цилиндрах высокого давления.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предусмотрен первый промежуточный накопитель между выпускным отверстием клапана гомогенизации и впускным отверстием третьего цилиндра высокого давления. Упомянутый промежуточный накопитель предварительно накапливает приготовленную в клапане гомогенизации эмульсию и предназначен для уравнивания колебаний давления.
Также обеспечен второй промежуточный накопитель, соединенный с выпускным отверстием третьего цилиндра высокого давления и служащий для промежуточного накопления эмульсии, давление которой повышено до значения около 2000 бар во время ее прохождения от впрыскивающего насоса (третий цилиндр высокого давления) в распределительное устройство цилиндров двигателя, и уравнивающий колебания давления системы.
Управление рабочим поршнем предпочтительно осуществляется за счет массового расхода смазочного масла гидропривода в рабочий цилиндр, регулируемого регулирующим клапаном при помощи педали управления дроссельной заслонкой дизельного двигателя.
Для осуществления приведения гидропривода в действие: гидропривод имеет передающий крутящий момент элемент для соединения с коленчатым валом автомобильного двигателя. В отдельном приводе для гидропривода нет необходимости.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения клапан гомогенизации выполнен в виде противоточного клапана. Причем два потока исходной эмульсии из гидроцилиндров 1 и 2 смешиваются и гомогенизируются в противотоке. Каждая сторона клапана предпочтительно состоит из золотника с коническим конусом тарелки клапана, причем оба входят в центральное имеющее острые края цилиндрическое седло.
Золотник регулируется гидравлическими средствами. Седло установлено, с усадкой, в корпус. Золотники сформированы в открытых каналах, соединенных с гидроцилиндрами. Поршни регулирующих гидроцилиндров соединены с золотниками клапана и, при помощи пружин, прижимают золотники с конусами в цилиндрическое отверстие седла. Создаваемое нагнетателем давление давит на нижнюю сторону поршня, которая прижимается к предварительно напряженной пружине. При этом конус поднимается из седла клапана настолько, чтобы всегда происходила гомогенизация при одинаковом давлении независимо от массового потока. Две жидкости текут навстречу друг другу в слоях с высокой скоростью через узкий зазор между конусами клапана и краем седла. Давление быстро снижается с 2000 бар до приблизительно 100 бар, и капли жидкости, уменьшившиеся под действием эффектов сдвига и кавитации, смешиваются с высокой степенью турбулентности.
Для наиболее возможного уменьшения монтажного габарита устройства особо предпочтительно, чтобы три цилиндра высокого давления, рабочий цилиндр и/или два промежуточных накопителя были выполнены в виде расточенных отверстий в общем корпусе.
Изобретение более подробно описано далее со ссылкой на чертежи, которые схематически показывают устройство согласно изобретению.
Устройство согласно изобретению для приготовления микроэмульсии дизельного топлива/воды и для впрыскивания упомянутой эмульсии в дизельный двигатель, как первый вариант, имеет три цилиндра высокого давления: первый цилиндр 1 высокого давления и второй цилиндр 2 высокого давления для исходной эмульсии воды/дизельного топлива, и третий цилиндр 3 высокого давления для микроэмульсии воды/дизельного топлива. Также имеется рабочий цилиндр 4 двойного действия.
В поясняемом предпочтительном варианте осуществления изобретения три цилиндра 1, 2, 3 высокого давления и рабочий цилиндр 4 расположены последовательно в ряд и выполнены как нагнетатели для повышения давления. Помимо этого, в поясняемом варианте осуществления изобретения все три цилиндра 1, 2, 3 высокого давления и рабочий цилиндр 4 имеют общий цельный или многосоставной поршневой шток, секции которого в зависимости от цилиндра обозначены как 2KS, 1KS, 3KS, 4KS.
2
2
2
2
Первый цилиндр 1 высокого давления имеет, например, следующие размеры: диаметр поршня - 17,8 мм, диаметр штока - 12,6 мм, так что площадь сечения кольцевого канала составляет 124,16 мм; второй цилиндр 2: диаметр поршня - 12,6 мм, поперечное сечение - 124,69 мм; третий цилиндр 3 высокого давления: диаметр поршня - 21,8 мм, диаметр штока - 17,8 мм; так что площадь сечения кольцевого канала составляет 124,40 мм. Полное поперечное сечение трех цилиндров 1, 2, 3 высокого давления равно 373,25 мм.
2
Например, диаметр поршня рабочего цилиндра 4 составляет 70 мм; диаметр поршневого штока 4KS - 21.8 мм, так что площадь сечения кольцевого канала равна 2996,30 мм.
Приводимые выше значения дают соотношение 8,0 между рабочим цилиндром 4 и ведомыми цилиндрами 1, 2, 3 высокого давления.
Поэтому необходимо создавать давление около 250 бар в рабочем цилиндре 4, чтобы можно было получить высокое давление в 2000 бар в каждом из цилиндров 1, 2, 3 высокого давления.
Цельный или многосоставной общий поршневой шток четырех цилиндров выполнен ступенчатым, т.е. имеет возрастающие диаметры от цилиндра 2 через цилиндр 1 к цилиндру 3 и к цилиндру 4. Упомянутый общий поршневой шток предпочтительно также служит, как показано на чертеже, в качестве поршней цилиндров 1 и 2 высокого давления в цилиндрах 2 и 1 менее высокого давления, при этом в относительно крупных цилиндрах поршневой шток 3KS несет дополнительный поршень 3К, и в рабочем цилиндре поршневой шток 4KS несет дополнительный поршень 4К. Поршневой шток направляется в уплотненных гильзах В, в каждом из отдельных цилиндров.
Все цилиндры 1, 2, 3, 4 предпочтительно выполнены в виде расточенных отверстий в общем корпусе.
Рабочий цилиндр 4 соединен посредством гидравлических линий 5, 6 с гидроприводом 7, в частности с регулирующим клапаном 8 и с промежуточно соединенным сервоклапаном 9. Гидропривод 7 и/или гидравлический насос предпочтительно соединены посредством ременного привода (не показан) с коленчатым валом автомобиля, оснащаемого заявляемым устройством.
Соединения цилиндров 1, 2, 3 высокого давления выполнены следующим образом.
Впускные отверстия двух цилиндров 1 и 2 высокого давления соединены по линиям 26 и 27, и в каждом случае соединены обратным клапаном со статическим смесителем (28М) для получения исходной эмульсии. Выпускные отверстия двух цилиндров 1 и 2 высокого давления для снабжения исходной эмульсии под высоким давлением соединены через линии 12 и 25 высокого давления, и в каждом случае соединены также обратными клапанами R с клапаном 13 гомогенизации.
Бак 11 дизельного топлива соединен со статическим смесителем 28MI по линии 10. Вода для получения исходной эмульсии дозируется дозировочным насосом 29PI из водяного бака 15 в линию 10 перед статическим смесителем по линии 14. Дозировочный насос 29PI выполнен регулируемым, и дозирует количества воды в зависимости от измеряемой плотности дизельного топлива и заданного соотношения компонентов смеси. Например, за счет циркуляции эмульсий в бак дизельного топлива во время сброса давления предохранительного клапана 33SV или во время циркуляции излишней микроэмульсии из двигателя пропорция воды в дизельном топливе повышается, и плотность упомянутого дизельного топлива изменяется. В результате этого плотность выводимого из бака дизельного топлива необходимо постоянно измерять, чтобы регулировать подачу воды для получения исходной эмульсии.
Дозировочный насос 29PI регулируется контроллером 32СО, в который поступают измеряемые значения и от датчика 30DS плотности в подводящем трубопроводе 10 дизельного топлива, и от датчика 31DS плотности в линии 17 микроэмульсии после клапана гомогенизации, и который также принимает сигналы от контроллера двигателя, и каскадным методом обрабатывает упомянутые измеряемые значения и сигналы.
В случае меньшего повышения давления в линиях 26 и 27 исходной эмульсии в результате сброса: предохранительный клапан 33SV на линии 10 открывается, и излишняя исходная эмульсия направляется назад в бак 11 дизельного топлива по линии 34.
Клапан 13 гомогенизации выполнен в виде противоточного клапана, в котором две исходные эмульсии находятся под высоким давлением около 2000 бар и подаются из двух цилиндров 1 и 2 высокого давления, и смешиваются и гомогенизируются в противотоке. Каждая сторона гомогенизирующего клапана 13 имеет золотник с коническим конусом тарелки клапана, причем оба входят в центральное имеющее острые края цилиндрическое седло. Золотник регулируется гидроцилиндрами 16 регулирования. Седло установлено, с усадкой, в корпус. Золотники сформированы в открытых каналах, соединенных с гидроцилиндрами 16. Поршни гидроцилиндров 16 соединены с золотниками клапана и посредством пружин прижимают золотник с конусом в цилиндрическое отверстие седла. Создаваемое нагнетателем давление давит на нижнюю сторону поршня, которая прижимается к предварительно напряженной пружине. При этом конус поднимается из седла клапана настолько, чтобы всегда происходила гомогенизация при одинаковом давлении независимо от массового потока. Две жидкости текут навстречу друг другу в слоях с высокой скоростью через узкий зазор между конусом клапана и краем седла. Давление быстро снижается с 2000 бар приблизительно до 100 бар, и капли жидкости, уменьшившиеся под действием эффектов сдвига и кавитации, смешиваются с высокой степенью турбулентности и формируют микроэмульсию.
Упомянутую микроэмульсию подают по линии 17 высокого давления в промежуточный накопитель 18. Упомянутый промежуточный накопитель 18 выполнен в виде цилиндра, в котором ходит поршень 18К, причем на упомянутый поршень 18К действует пружина 18F растяжения. Выпускное отверстие промежуточного накопителя 18 соединено - через два канала 19 высокого давления и, в каждом случае, через один обратный клапан R - с цилиндром 3 высокого давления по обеим сторонам поршня ЗК двойного действия. Пробки в отверстиях, на которых крепятся обратные клапаны R, обозначены ссылочной позицией S.
Выпускное отверстие цилиндра 3 высокого давления соединено посредством двух линий 20 высокого давления с обратными клапанами R, и по линии 22 высокого давления, и далее через промежуточный накопитель 21 - с распределителем 23 высокого давления, соединяемым с дизельным двигателем 24 автомобиля.
Промежуточный накопитель 21 выполнен так же, как и промежуточный накопитель 18. Упомянутый промежуточный накопитель 21 выполнен в виде цилиндра, в котором поршень 21К направляется под нагрузкой пружины 21F натяжения.
Все три цилиндра 1, 2, 3 высокого давления и промежуточные накопители 18, 21 предпочтительно расположены совместно в одном корпусе в виде несплошных отверстий. Уплотнения поршня в цилиндрах 1, 2, 3 высокого давления предпочтительно выполнены в виде пластмассовых уплотнений, которые подвергаются механическому напряжению особой пружиной, или в виде металлических уплотнений. Уплотнения крепятся на месте нажимными винтами.
Обратные клапаны R на впускном и выпускном отверстиях каждого цилиндра 1, 2, 3 высокого давления предотвращают обратный ток впущенной жидкости обратно во впускные каналы под высоким давлением и предотвращают обратный ток жидкости, закаченной до высокого давления обратно в цилиндр во время такта впуска.
Дизельное топливо и вода из бака 11 дизельного топлива и из водяного бака 15 смешиваются в статическом смесителе с получением исходной эмульсии, и затем эта эмульсия поступает в цилиндры 1 и 2 высокого давления. Во время такта впуска две упомянутые среды поступают в объемы цилиндров, и во время рабочего такта поступают в клапан 13 гомогенизации по линиям 12 и 25 высокого давления, соответственно. Эти две жидкости текут навстречу друг другу с высокой скоростью по узкому зазору между конусом клапана и краем седла клапана. Давление быстро снижается с 2000 бар до приблизительного значения 100 бар, и капли жидкости, уменьшившиеся вследствие эффектов сдвига и кавитации, смешиваются с высокой степенью турбулентности.
После клапана 13 гомогенизации сформировавшаяся микроэмульсия дизельного топлива/воды течет по линии 17 высокого давления в промежуточный накопитель 18, в котором эмульсия находится под давлением 10 бар. Промежуточный накопитель 18 соединен по линиям 19 высокого давления с третьим цилиндром 3 высокого давления. При этом поршень 3К цилиндра высокого давления, или цилиндра 3 впрыскивания, является поршнем двойного действия, и впуск и сжатие в каждом случае чередуется от одной стороны цилиндра к другой. Количество эмульсии, подаваемое во время возвратно-поступательного движения поршня 3К, соответствует количеству, которое подается из клапана 13 гомогенизации в промежуточный накопитель 18. Во время такта впуска эмульсия сжимается под давлением 10 бар из промежуточного накопителя 18 в третий цилиндр 3 высокого давления. В канале 19 высокого давления обратные клапаны R предотвращают обратный ток эмульсии высокого давления в промежуточный накопитель 18 во время рабочего такта. Отражательная пластина (подробно не показана) с выпускным отверстием, направленным в линию 17 высокого давления, защищает промежуточный накопитель 18 в случае избыточного давления, если не сработает обратный клапан R.
Во время рабочих тактов эмульсия течет из третьего цилиндра 3 высокого давления в дизельный двигатель 24 по линиям 20 высокого давления под приблизительным давлением 2000 бар. Промежуточный накопитель 21 аналогичным образом соединен по линии 22 с выпускным отверстием цилиндра 3 высокого давления. Упомянутый промежуточный накопитель 21 уравнивает колебания давления, возникающие из-за изменений скорости автомобиля.
Обратные клапаны R аналогично установлены на линии 20 высокого давления между цилиндром 3 высокого давления и соединением промежуточного накопителя 21, и упомянутые обратные клапаны R предотвращают обратный ток из промежуточного накопителя 21 в цилиндр 3 высокого давления.
Изобретение не ограничивается раскрытым вариантом его осуществления. В рамках идеи изобретения также возможны другие варианты его осуществления. Например, в качестве альтернативы предпочтительному варианту осуществления, три цилиндра 1, 2, 3 высокого давления можно расположить не последовательно, а параллельно друг другу.