专利名称：配制一种水—燃油乳剂的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷入柴油机汽缸内的一种水-燃油乳剂的配制方法和设备。
众所周知将水加入柴油可以降低发动机的工作温度及减少排气中的一氧化氮含量以及油烟含量。然而为了做到这一点，就要将柴油和水变成形式为尽可能地均匀并且在其中燃油内悬浮着最小的水滴的乳胶。
为了配制该种乳剂，众所周知(在EP0392545A1中)利用一个具有一个切向入口和一个圆锥形的轴向出口的空的梨形式的旋转对称的涡流腔，涡流腔由一个环形通道所围绕，在切向方向有通入该通道的入油口，并且通过切向的进口槽依次与涡流腔相连。通过一个喷水咀将水喷入到环形腔或涡流腔。涡流腔的圆锥形出口通过其逐渐扩大的部分开向在泵腔内包括一个径向叶轮的径向泵的吸入腔，并且乳剂的出口通道与叶轮的轴平行的方向伸展并且引导配制的乳剂进入喷射泵并进入再循环进口通道，该通道也切向地通入环形通道。通过乳化剂进入涡流腔的再循环以及涡流腔的出口的突然增大和通过变化径向叶轮出口处流体的方向来达到这一点即形成平均点滴尺寸为2至4微米的乳剂，从而产生很好地适用于柴油发动机的细微和均匀的乳剂。通过利用电磁喷水咀，根据柴油发动机的工作状态可以控制乳剂的含水量。
然而，由于乳剂的再循环，在乳剂的含水量适应于一个变化的柴油机工作状态而变化到一个新的所需值之前经过一段响应时间。另外，一段时间之后燃油的含水量可以引起喷射泵腐蚀和磨损，从而影响喷射泵的正常运行。
因而，德国DE3237305A1文件中建议利用一个分开的高压喷水泵向在喷油泵和相应的喷咀之间的柴油管路喷射水。
本发明的目的是提供一种用于柴油机的配制水-燃油乳剂的方法和装置，其根据水与柴油的混合比率能够对发动机的工作状态的变化快速反应，从而保证形成均匀的水-燃油乳剂并且减小了乳剂形成装置的结构上的技术手段。
根据本发明，提供了一种在柴油机中形成水-油乳剂的方法，通过在喷咀的两次喷射周期之间的时间间隔内向位于喷油泵和柴油机的汽缸喷油咀之间的涡流腔内的中压柴油喷入预定投配量的水，并且旋转涡流腔中的油-水混合物以及通过从高压下的喷油泵供出的柴油切向地导入涡流腔的喷油咀的喷油过程中，使油-水混合物供入喷油咀。
通过图中所示的最佳实施例的下述描述，进一步解释了本发明。
图1示出乳化燃油供给装置的最佳实施例的示意图。
图2是图1所示的乳剂形成装置的剖视图。
图3是图1所示的计量装置的剖面示意图。
图4是用于说明图1所示的计量装置工作的说明图。
图5是用于说明图1所示计量装置工作的说明图。
图1是乳剂供给装置整体的示意图。在本说明书引导部分所述的现有技术实施例中，乳剂形成装置放在燃油泵和喷油泵之间，一套乳剂形成装置将燃油供入所有汽缸。然而，根据本发明，一组乳剂形成装置100放在喷油泵和汽缸的每个喷油咀之间，每个乳剂形成装置100分别安装在每个汽缸的燃油喷咀102上。
在图1中，序号10代表喷油泵，序号106代表将在后边描述的喷射水的计量装置。该实施例中的乳剂形成装置100可以与喷油咀102的燃油进口部分相连而不改变原有的喷油咀102。从图1中可以理解，乳剂形成装置100具有将由喷油泵104向入喷油咀102供出的高压燃油与由计量装置106供出的高压水混合的功能，其形成燃油和水的乳剂，并且由每个喷油咀将其喷入汽缸。
图2是乳胶形成装置100的纵向的剖视图。乳剂形成装置100包括一个能够经得起燃油的喷射压力的耐压壳体111，和一个入口腔如涡流腔112，并且相应于前述实施例的入口腔37被限定在壳体111的内部。涡流腔112是旋转对称形状且具有渐缩的喷咀形的所谓“梨”形形状，在该实施例中涡流腔由其上部通过增大的直径部分，其直径逐渐减小。涡流腔112的下部喷咀出口114通过一个陡沿114a开向一个直径超过喷咀出口114的螺纹孔113。喷油咀102的燃油进口紧紧地拧入螺纹孔，从而离开涡流腔112的乳剂燃料供入到喷咀102。涡流腔112在其增大的直径部分被一个环形通道115所围绕。在壳体111内部形成的并且与喷油泵104相连的通道117在切向方向通入到环形通道115。围绕着涡流腔112的周向均匀颁的三个开口116在涡流腔112增大的直径部分以切向方向开通在涡流腔112的壁面上。在改进的实施例(未示出)中，环形通道115可以省略。在该实施例中，通道117将以近似涡流腔112的壁面的切向方向通过一个陡沿直接通入涡流腔112。
一个形状如提升阀118的单向阀通常通过一外弹簧118a在阀关闭方向上偏压。注水口120通过水管与计量装置106相连。当从计量装置106供入喷水口120的水压超过预定值(例如30巴)时，提升阀118被水压推动并且逆着弹簧118a的力打开阀，从而水从注水口120喷入到涡流腔112。提升阀118具有阀体头形状从而水能够在涡流腔112内部以伞形均匀地喷出。
在该实施例中，在两个连续的高压燃油供入周期和相关的喷油咀102把燃油喷入汽缸的周期之间的中间点，水喷入涡流腔112(例如，在四循环发动机中，在该点完成燃油喷射之后曲柄角转过360°)并且在该点涡流腔112内的燃油压力降到例如3到10巴，并且喷油咀102关闭。水在大约例如35巴的压力下以投配剂量喷入涡流腔112。由水喷入涡流腔112而产生的压力增加的太小以至于不能打开喷油咀112。被喷射的水排出的燃油通过供油管上的安全阀(未示出，但就在喷油泵处以便在喷射周期完了降低供油管线的压力)通过供油管线返回喷射泵104，并且其被收集在一个特殊的容器中(未示出)。喷射水的量至少比存在于供油管和涡流腔的燃油量少三倍，水决不进入喷射泵。
当水喷入涡流腔112之后到达喷油定时时，高压燃油从燃油喷射泵104供入涡流腔112并且从涡流腔112下面的喷咀出口114流入喷油咀102。由于该燃油由切向方向喷入涡流腔112，在高压燃油供应过程中，引起涡流腔112内部的乳剂高速转动。在高压燃油压力作用下，喷油咀打开，并且当喷油咀喷射的过程中当乳剂流出涡流腔112进入喷油咀102的开口喷咀时，强大的涡流在涡流腔内部产生。在涡流乳剂流出过程中，涡流腔112的锥形部分处流体的压力减小。在流体通过陡沿114a之后由于在进入喷咀的入口孔113的流体横截面积突然增大，流体的压力又增大。由于这些情况，水微粒的细小粒子首先雾化进入涡流腔112并且有效地均匀与燃油混合。据此，均匀的燃油和水的乳剂由喷咀出口104供入喷油咀102并且由喷油咀102的喷咀喷入各个汽缸。
另外，由于喷水咀118设计为具有加大的阀盘的提升阀结构，在高的燃油喷射压力作用下，阀118密封从而阀的反回弹簧可以设计为一个小的弹簧力。
由于前边描述的乳剂形成装置100的工作情况，涡流腔内的乳剂由仅在高压油供应周期内被切向进入的压力油所驱动旋转，并由喷油泵所控制，且在两个连续的高压油供应间隔时间内在实际上降低的中间压力的作用下空转。在降低压力的这些时间间隔内喷入水，从而水供应的时间和油供应的时间相互交替进行。通过将水喷入涡流腔配制成水-油乳剂，并且由喷油泵供应的高压油排入喷咀的过程中，产生涡动出去的流体制成水-油乳剂。另外，除了在现有技术实施例中，不需要将制成的乳剂再循环入涡流腔，使得原理上能够单独调节每个汽缸的每个喷射周期的喷入汽缸燃油的水容量。
下面，将解释将高压水供入每个汽缸的乳剂形成装置的计量装置106(见图1)。如上所述，计量装置106根据由充水判断/调节回路2得来的发动机燃烧状态，接收充水量信号并且向每个汽缸的乳剂形成装置100在预定的计时时间内供应预定量的水。
在该实施例中，计量装置106包括一个高压水泵(在图中未示出)，该泵由发动机输出轴驱动并且从水箱108中吸水，以及将水在例如大约35巴的压力下供到每个乳剂形成装置。内装的高压水泵的容量最好大大地大于喷射水量的最大值(例如，大约是最大充水量的三倍)，并且多余的水最好从高压水泵出口通过循环管路(在图中未示出)返回到水箱108。
图3到图5示出了计量装置106的结构和工作原理示意图。
如图3所示，计量装置106包括一个圆柱形的外壳体121，一个套筒(内壳体)123压入并且固定到该外壳体121上，并且一个转子125在该套筒123内部转动。在外壳体121上配置有一个由高压泵而来的入水口121a和每个汽缸的乳胶形成装置100的排水口121c，121d(二缸发动机的该排水口的位置在图3至图5中示出)。套筒123带有与由套筒123和外壳体之间限定的供水通道121d相通的入水口123a，123b并且还带有与外壳体127的排出口121c121d相通的排出口123c，123d，转子125在其中心开有一个开口125a以及在径向方向与该开口125a相通的开口125c，125d。当转子125转动时，开口125c交替地与套筒的开口123a，123c相通，而当转子转动时，开口125d交替地与套筒的开123b，123d相通。
开口123a，123c，开口123b，123d和转子的开口125c，125d以相互对称180°的位置配置。
转子125由发动机曲轴通过一个齿状的皮带或类似物以1/2的曲轴速度同步地驱动转子125。
活塞127和可动的挡块129可滑动地装在转子125的孔125a中并且通过转动凸轮110可以从外边在轴向方向调节可动挡块129的位置。在孔125a内的端部相对可动挡块129形成一个静止的挡块125e。
在该实施例中，当转子125转动时，转子125的开口125c交替地与套筒的开口123a，123c相通并且转子的开口125d交替地与套筒的开口123b，123d相通，从而活塞127在孔125a内往复运动并且交替地从排出口123c(121c)和123d(121d)中排出高压水。
此后，该功能将参照图4和图5解释。
首先，当转子125转动并且开口125c如图4所示与套筒的开口123a相通时，由高压泵而来的水从开口123a流入图中活塞127左边的孔125a。因而，活塞127被推到图的右边。在此状态下，在活塞127右边的开口125d与套筒123的排出口123d相通。从而，当活塞127移到右边时，活塞127右边的孔125a内的水被活塞117推后并从开口123d流出。从开口123d流出的水供入乳剂形成装置之一，并且该水的供入压力实际基本上等于作用于活塞127上左端的水的压力的排出压力(大约为35巴)即高压水泵的排出压力(大约35巴)。当活塞127移到右端并且撞击转子125的静止的挡块125e时，停止从开口123d排出水。另外，当转子125进一步转动并且到达如图13所示的位置时，开口125d与套筒123的进口123b相通并且开口125c与排出口123c相通。从而，高压水从开口123b以与图2相反的方式流入到活塞127的右端，并且将活塞127推到左边。结果，在活塞117左边上的也125a内部的水从开口123c排入到另一个乳剂形成装置。在此，当活塞127撞击移动的挡块129时，也停止了从开口123c中的排水。用此种方式，活塞127在静止的挡块125e和移动的挡块129之间往复运动，并且供应相应于其冲程的投配量的水进入每个汽缸的乳剂形成装置。
如上所述，供应入每个乳剂形成装置的水的量由计量装置106的活塞127的往复冲程即静止挡块125e和移动挡块129之间的间隙所决定。在该实施例中，可以从外面通过转动凸轮110调节可移动的挡块129的位置。因而，如果安置一个适当的驱动器如一个步进马达并且凸轮被转动到由充水判断/调节回路2所设定的充水量，调节供入每个汽缸的乳胶形成装置的水量以及根据发动机的燃烧条件来调节乳剂燃料的含水量是可能的。
另外，图4和图5示出了当冲程最大(最大充水量)时凸轮的位置，并且图3示出了当冲程是零(充水停止)时凸轮的位置。
虽然图3至图5解释了两缸发动机的计量装置，但这种计量装置通过改变转子125和套筒113的开口的数目可以容易地安装到4缸、6缸和8缸发动机上。例如在六缸发动机的情况下，六个开口以与转子的转动轴成60°角的方向安置。另一方面，虽然最好通过一个电控制的步进马达或其它合适的驱动器来调节计量装置的凸轮位置，但如图1中的点划线所示，借助于凸轮与喷油泵的调节杆相连，调节喷油泵104来机械地控制凸轮的位置也是可能的。
在上述的实施例中，通过利用该计时装置由曲轴同步地驱动转子125达到预定的曲柄角来调节每个汽缸的乳剂形成装置的充水计时。然而，当根据每个汽缸的燃烧状态分别地变化乳化燃油的含水量时，由高压泵而来的水通过为每个汽缸设置的电磁阀而不是用计量装置分别供入每个乳剂形成装置(涡流腔112如图2所示)。例如，通过一个压力传感器来探测每个汽缸的燃烧压力以决定充水量，将充水量信号传感给电磁控制器，并且通过该电磁控制器来调节控制的开/关时间，来分别改变供入到每个汽缸的乳化燃油的含水量是可能的。
根据本发明的乳化燃油的供给装置，根据发动机的燃烧状态，含有适量水的乳化燃油可以供入到每个汽缸。因而，每个汽缸内的燃烧温度总可以保持在一个适当的范围，并且可以有效地减小在排气中的NOx，HC，CO等的排出量。
权利要求
1.一种在柴油机中形成水-油乳剂的方法，通过在两次喷咀(102)喷射周期之间向位于喷油泵(104)和柴油机的汽缸喷油咀(102)之间的涡流腔(112)中的中压的柴油喷入预定的投配量的水，并且旋转涡流腔中的油-水混合物；以及通过将高压下的喷油泵供出的柴油切向地导入涡流腔的喷油咀(102)的喷油过程中使油-水混合物处于转动状态，同时将高压下的旋转的油-水混合物供入喷油咀(102)。
2.一种油-水燃油乳剂形成装置，包括一个具有转动对称形状的并且具有一个与柴油机的汽缸的喷油咀(102)的进口部分相连的乳剂出口通道(114)的涡流腔(112)，一个与柴油机的喷油泵(104)的出油口相连的进油通道(117)以切向方向通入所述涡流腔;一个喷水喷咀(118，118a)在涡流腔的端部相对所述的喷咀(102)以轴向方向通入所述涡流腔;并且一个在所述喷咀(102)的两次喷射周期之间的间隔中将水供入喷水咀(118，118a)的计量装置(106)。
3.一个水-油乳剂形成装置，其中涡流腔(112)逐渐变细地接近乳剂出口通道(114)并且在涡流腔(112)的出口端部形成一个具有陡沿(114a)的乳剂出口通道(114)。
4.一种水-油乳剂形成装置，其中所述的喷射阀(118)设计为一个提升阀。
全文摘要
配制柴油机中水—油燃油乳剂的方法和装置，通过在两次喷嘴(102)喷射周期之间向位于喷油泵(104)和柴油机的气缸喷油嘴(102)之间的涡流腔(112)中的中压柴油喷入预定投配量的水，并且旋转涡流腔中的油—水混合物以及通过将高压下的喷油泵供出的柴油切向地导入涡流腔的喷油嘴(102)的喷油过程中，使油—水混合物处于转动状态，同时将高压下的旋转的油—水混合物供入喷油嘴(102)。
文档编号F02B47/02GK1080207SQ93102080
公开日1994年1月5日 申请日期1993年1月23日 优先权日1992年1月23日
发明者A·凯斯勒 申请人:Hdc股份公司