專利名稱：用水混合燃料的方法、實(shí)施該方法的設(shè)備和燃料-水乳液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用水混合燃料，包括柴油或其它熱推進(jìn)劑，從而獲得燃料乳液的方法，其中水對于燃料量的體積比范圍為5%到35%，燃料和水以此范圍比率被注入到一個(gè)封閉空間，并強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)以獲得物理混合。本發(fā)明也涉及一種燃料-水乳液，其中通過機(jī)械混合方法將水微滴精細(xì)地分布在燃料中，最后，本發(fā)明還涉及到提供這種乳液的設(shè)備。
很長時(shí)間以來，人們已經(jīng)知道，在柴油或其它加熱燃料中加入少量水可以減少柴油機(jī)和加熱系統(tǒng)中廢氣的有害成分。關(guān)于制造燃料和水之乳液，用以在柴油機(jī)中替代純柴油燃料，在加熱系統(tǒng)中替代純加熱燃料的方法，提出了許多種設(shè)想。一種解決方案涉及到使用一種可以獲得穩(wěn)定乳液的特定乳化劑。但到目前為止，這種乳液未能得到廣泛應(yīng)用，主要是由于其造價(jià)過高和一些局限性。
另一種解決方案是不使用任何乳化劑而使兩種成分物理混合，主要問題在于水和燃料不易混合，而且制成這種乳液需要很高的能量。國際專利公開號Wo83/01210涉及了一種高能量乳化劑，其中被混合的成分在非常高的壓力作用下，通過一個(gè)小孔而汽化。這種方法能量損耗極大。
美國專利4，087，862涉及另一種混合裝置，其中被混合的成分成圓錐形地旋轉(zhuǎn)通過錐形室和膨脹室。
在柴油燃料中使用一定的水可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的操作溫度，也可以減少一定的有害廢氣。但人們同時(shí)還已知道，這些成分的減少是以增加其它不利的成分作為代價(jià)的，所以使用這種乳液的好處，不能補(bǔ)償其造價(jià)過高以及與之應(yīng)用有關(guān)的問題。這也是之所以到目前為止這些乳液沒有能夠得到廣泛應(yīng)用的原因。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種燃料-水乳液，它在內(nèi)燃機(jī)或加熱系統(tǒng)中使用，能夠提高效率，減少廢氣的有害成分，而且不是明顯地以增加其它成分作為代價(jià)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于提供一種生產(chǎn)這種乳液的方法。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的還在于提供一種實(shí)施此種方法的設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種獲得燃料乳液的方法，其中水對于燃料量的體積比范圍為5%到35%，燃料和水以此范圍內(nèi)之比率被送入一封閉空間強(qiáng)烈混合，并在一封閉環(huán)路中再循環(huán)，其中還提供了一個(gè)反應(yīng)空間，液體流在此反應(yīng)空間內(nèi)被強(qiáng)制繞反應(yīng)空間旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)、并沿其軸線方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，反應(yīng)空間液體流動(dòng)方向末端的剖面為錐形，因而沿軸線和指向軸的徑向的壓力都連續(xù)減小，使得繞軸線旋轉(zhuǎn)的液體流在離開反應(yīng)空間時(shí)逐漸被制動(dòng)結(jié)束第一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而繞與該第一個(gè)軸線成某一角度的第二個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)，再循環(huán)液體部分以這樣的流束方式流出環(huán)路，即平均所有流體粒子在其離開環(huán)路之前，至少完成了十整周運(yùn)動(dòng)，由此形成一種乳液，其中水微滴獲得均勻粒徑分布，燃料發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化。
最好是使第二個(gè)軸線垂直于第一個(gè)軸線。
在第一個(gè)實(shí)施方案中，從反應(yīng)空間流出的液體流切向流入渦旋室，形成繞渦旋室軸線的渦旋流。
在第二個(gè)實(shí)施方案中，從反應(yīng)空間流出的液體流被導(dǎo)向繞第二軸線設(shè)置的螺旋通道。
本發(fā)明提供的燃料-水乳液，包括其體積占5%到35%的水，由原燃料和水通過機(jī)械混合而制成，乳液中燃料成分的結(jié)構(gòu)與原燃料不同，它比原燃料具有更高的熱值。
乳液的進(jìn)一步特征在于水具有均勻的粒徑分布，平均粒徑在3至6微米之間。
還提供了用于混合燃料和水的設(shè)備，它包括一個(gè)再循環(huán)泵，泵的輸出端和輸入端之間的再循環(huán)路徑，安插在此路徑中起靜電混合器作用的反應(yīng)室，在此路徑上提供燃料和水混合液的裝置和提供乳液的輸出口，其中反應(yīng)室的形狀為圍繞第一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)對稱，而且最好是其剖面輪廓近似于心形，在反應(yīng)室的前部，繞其周沿帶有若干切向進(jìn)料孔，與圍繞此周沿確定的環(huán)道連通，從泵處得到原料供應(yīng)，反應(yīng)室具有與輸出口相連的錐形部分，還提供了一個(gè)其中心軸線垂直于反應(yīng)室軸線的螺旋通道，輸出口與螺旋通道的周沿部分連通，與再循環(huán)路徑相連的螺旋通道的中心部分處確定了一個(gè)鏜孔。
最好是在再循環(huán)路徑上插入一個(gè)偏壓回轉(zhuǎn)閥。
如果漸細(xì)錐形部分具有指數(shù)輪廓，則可以獲得最佳效果。
在一最佳實(shí)施方案中，用于提供燃料和水混合液的裝置包括，一個(gè)具有軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)桿的電磁體，分離的燃料泵和水泵的活塞分別安裝在活動(dòng)桿上，各泵分別具有輸入和輸出閥門，輸出閥的液體輸出口與連接于再循環(huán)路徑的乳液通道連通。
可取的是，水泵上具有一個(gè)由彈簧偏拉的活塞部件以便使其與活動(dòng)桿能夠依照乳液通道中的主向壓力的變化聯(lián)動(dòng)，即在通道中壓力增加到超出預(yù)定限值的時(shí)候，減少或停止泵水。
一個(gè)較好的使用情況是，液體輸出口通過回送管實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)燃料噴油泵的耦合，回送管另一端反饋到再循環(huán)路徑。本設(shè)備包括根據(jù)乳液中水含量調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)，以補(bǔ)償能量之損失的裝置。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案導(dǎo)致了一種獨(dú)特新穎的乳液出現(xiàn)，就有效地減少廢氣中的有害成分而言，它具有優(yōu)異性能，明顯地優(yōu)于已知乳液，其生產(chǎn)不需要很高的能量，它能用于柴油機(jī)或者作為供熱系統(tǒng)的熱推進(jìn)劑。
現(xiàn)在結(jié)合附圖和最佳實(shí)施例來描述本發(fā)明，在圖中

圖1表示本發(fā)明設(shè)備的上部分，圖2.表示圖1所示設(shè)備的下部分，圖3.是圖1中渦旋罩6沿縱軸9的一法線平面切開的剖視圖，圖4.是圖1中沿第一單元1內(nèi)赤道平面切開的剖視圖，圖5.表示第二個(gè)實(shí)施例中的再循環(huán)泵，圖6.表示該實(shí)施例的反應(yīng)室部分，圖7.表示燃料和水泵部分，圖8.表示螺旋通道53的頂視圖，圖9.是活塞部件77的放大剖視圖，圖10.表示燃料流率控制的傳動(dòng)示意圖，圖11.表示抽樣液滴粒徑分布情況，圖1-4表示本發(fā)明的混合設(shè)備的第一個(gè)實(shí)施例，其上部由第一單元或主金屬單元1、第二單元2和第三盒式單元3組成。第三單元3通過螺栓穿過第二單元2連接到第一單元1的右側(cè)，這三個(gè)單元形成了一個(gè)剛性機(jī)械整體。第三單元3有一個(gè)大中心圓柱形空腔4，其邊緣頂端中部有一圓形套孔5。渦旋罩6通過擰入套孔5的雙頭螺栓7和嵌入第二單元2圓形凹槽的凸緣8安裝在空腔4內(nèi)。
渦旋罩6是一個(gè)具有水平旋轉(zhuǎn)軸9的長形對稱旋轉(zhuǎn)機(jī)件。渦旋罩6的外輪廓線是大致與空腔4形狀一致的軸向曲面，從而圍繞渦旋罩6形成了一個(gè)環(huán)形壓力室。渦旋罩6確定了一個(gè)橢球形渦旋室10，它具有一個(gè)漸細(xì)的頸部11，此頸部形成在第二單元2上。頸部11的輪廓是一反彎曲面，其開口12在第二單元2的左表面上，在頸部11和橢球體中部之間處的渦旋罩6罩壁上提供了八個(gè)分布均勻的進(jìn)料口13(如圖3所示)。每一進(jìn)料口13都由其軸線略朝橢球體端頭軸向傾斜的噴油口14和與相應(yīng)噴油口14連通的埋頭孔15組成。軸向傾斜角約為15～20°。如圖3所示，噴油口14的軸線也傾斜于軸9的法線平面，相對于相應(yīng)半徑的傾斜角約為15°，埋頭孔15的軸線大致垂直于渦旋罩6的罩表面。
第一單元1確定了第二個(gè)渦旋室16，其形狀類似于汽球，具有垂直旋轉(zhuǎn)軸線17。第二渦旋室16有一個(gè)大致為球體的上部18、形狀為旋轉(zhuǎn)雙曲線面且向下漸細(xì)的中部19和一個(gè)短圓柱頸20。
輸出口21設(shè)計(jì)在球體部分18的赤道面上，其軸線與第一渦旋室10的軸線9為一條直線。輸出口21通向第一單元1的左面壁，輸出管(圖中未示出)的端口可以插入其中。空氣排放孔22做在第一單元1的上壁，使第二渦旋室16能夠排氣。第三單元3的上壁也有一個(gè)空氣排放孔23，以供腔體4排氣。
在第一單元1中，提供了一個(gè)傾斜圓錐形輸送管24，延伸在第一渦旋室10的開口12和第二渦旋室16之間。如圖4所示，管24的軸線25與第二渦旋室16赤道面上確定的水平軸線26大約成20°角。向內(nèi)漸細(xì)的管24之錐角亦約為20°。管24外口27的直徑大于第一渦旋室10的開口12，開口12在口27的中心部分，二者同心。管24在兩個(gè)渦旋室10和16之間，提供了一個(gè)準(zhǔn)切向通路。
圖2表示圖1的設(shè)備之下部。在第一單元1內(nèi)的第二個(gè)渦旋室16開口頸20的延長區(qū)域中，形成了一個(gè)豎向的圓形鏜孔30，鏜孔30在底部開口，通過此口，回送管可以與未用的(多余的)燃料-水混合液相通。在第一單元1內(nèi)設(shè)有一輸入孔31與鏜孔30連通。輸入孔31有一個(gè)管道連接裝置，通過它可以與預(yù)混合柴油燃料和水的進(jìn)料管相連接。
泵馬達(dá)32安裝在第三單元3上，它有一個(gè)水平桿33，插入并密封于第二單元2的一個(gè)孔中。泵輪34裝在桿33的內(nèi)端。在第一單元1和第二單元2之間提供了一個(gè)圓柱形空腔35，輪34安裝于其中。在輪34中心部分的前端，腔體35與豎向孔30的擴(kuò)寬部分連通。徑向于上述腔體35，在第2單元2和第三單元3中提供了一個(gè)水平通道36，通向渦旋罩6外圍的環(huán)形空腔4。
本設(shè)備較好的使用情況是，將柴油機(jī)或加熱器燃燒室的燃料給進(jìn)輸送管線引入本設(shè)備中。在第一種情況下，輸出開口21可與噴油泵的燃料輸入口相連接。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備所產(chǎn)生的乳液。其流出速率是相對穩(wěn)定的，而柴油機(jī)的燃料消耗量卻是變化的，過量的燃料乳液可以回收。噴油泵的回送管與豎向孔30的底端口(此端口打開)相連接。過量乳液回送到循環(huán)流之中，進(jìn)一步改善了乳液的均勻度。
這種操作需要壓敏材料作為燃料和水給入裝置，以保證乳液流出速率總是與回和供料速率的總和相等。在泵速率為3000l/h，并帶有回送管的典型實(shí)施例中，系統(tǒng)內(nèi)壓力分布如下泵輪34的進(jìn)料端為1.1巴，壓力調(diào)節(jié)空腔4中為3.3巴，第二渦旋室16的赤道面周圍上為2.2巴。
根據(jù)本發(fā)明之混合設(shè)備的第二個(gè)實(shí)施例在圖5至8中以這樣的方式表示，即將此設(shè)備分為緊接的三部分37、38、39。中間部分38示于圖6，左部分37示于圖5，右部分39示于圖7。此設(shè)備具有一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)外罩40，在外罩40的上下端都裝有冷卻肋幫助散熱。主通道41沿外罩40底部平行延伸，但在附圖平面中是分開示出的。箭頭41a、41b、41c及41d表示通道41中流體的方向。中間部分38由3個(gè)金屬塊42、43、44組成。塊42和43確定了反應(yīng)室45，其輪廓類似于心型符號且繞軸46旋轉(zhuǎn)對稱。反應(yīng)室45有前部或稱進(jìn)料部分47和與流出口49相連的指數(shù)性衰減部分48。圍繞前部47一周有一個(gè)環(huán)道50，二者由若干切向進(jìn)料孔51連接起來。進(jìn)料孔51位置和方向的設(shè)計(jì)與第一個(gè)實(shí)施例中的進(jìn)料孔13相同，所以圖3也表示了第二個(gè)實(shí)施例。
在塊42中，提供了一個(gè)進(jìn)流通道52，它與環(huán)道50連通，壓縮乳液則通過它流向環(huán)道。第三塊44包括螺旋通道53，其頂視圖如圖8所示。螺旋通道53沿反應(yīng)室的軸線46平面水平延伸，寬度均勻，螺旋通道53在其中心部分與一個(gè)其軸54垂直于螺旋通道平面的豎向孔連通。如圖8所示，反應(yīng)室45的流出口49沿螺旋通道53徑向延伸。沿垂直于圖6所示平面延伸的乳液流出管道55與螺旋通道53連通，用于最終引導(dǎo)乳液至燃料噴油泵或油料燃燒室供其使用。如圖8所示，管道55沿螺旋通道切向延伸。另一替換實(shí)施例中，反應(yīng)室到通道的輸入口可以設(shè)計(jì)為沿切線方向，乳液輸出管道則可以從通道52分支而出。繞垂直軸54延伸的豎向孔之下底端，與彈簧承載型回轉(zhuǎn)閥56相連接，當(dāng)來自孔方向作用于其上的壓力至少為1.2巴時(shí)，閥門開啟?；剞D(zhuǎn)閥56的另一端與主通道41連通。
兩個(gè)排氣部件57和58分別安裝在中間部分上(圖6)，以便在操作開始之前，排除掉腔體內(nèi)的空氣。
圖5所示的左面部分37，大體上是一個(gè)再循環(huán)泵，如箭頭41d所示，該泵從主通道41吸進(jìn)乳液，并將乳液抽回到中間部分38進(jìn)流通道52。再循環(huán)泵60包括由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)的葉輪61。典型地、泵60的流率為3000l/h。主通道41的端口，在再循環(huán)泵60的進(jìn)料口端與豎向孔62連通。提供了一個(gè)進(jìn)料管道63用以接納來自噴油泵的回送管，它與豎向孔62連通。
示于圖7的右面部分39是燃料供應(yīng)泵65，用來將柴油燃料和水的混合液輸送到主通道41內(nèi)，并保持兩種成分的比率在一預(yù)定值。泵65包括振蕩頻率在3HZ至7HZ之間的電磁體66和振幅約為5mm的軸向往復(fù)移動(dòng)的活動(dòng)桿67。
柴油進(jìn)料通道68，提供在39的左面，與燃料進(jìn)料管道連通。形成燃料抽壓泵的包括兩對彈簧承載閥門，一對是彈簧承載進(jìn)料閥門69，70，其偏壓約為0.9巴，進(jìn)料端與通道68相連，輸出端與汽缸腔體71連通，由安裝在活動(dòng)桿67上的活塞72分開;另一對是彈簧承載輸出閥門73，74，其偏壓為1.5巴，在汽缸71壓力增加的作用下開啟。輸出閥門的流出端與連接于主通道41的乳液通道75連通。
分立的水泵在活動(dòng)桿的下底端提供，由偏置壓力為0.28巴的彈簧承載。進(jìn)水閥76，汽缸活塞部件77，第二個(gè)汽缸78，偏壓為1.5巴的彈簧承載輸出閥79組成。進(jìn)水閥76的進(jìn)水端與水輸入通道80連通，輸出閥79的流出口與乳液通道75連通。可以根據(jù)所需要的燃料與水之比例，通過選用其它不同直徑的部件替代活塞部件77來改變?nèi)剂虾退谋壤?br> 在另一水泵替換實(shí)施例中，可以較好地做到，如果發(fā)動(dòng)機(jī)空載，則不向柴油燃料中加更多的水，甚至可以減少加水量。由于伴隨于發(fā)動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)的是噴油泵輸入端口壓力的增加，因而能夠基于這一實(shí)際壓力值的變化實(shí)現(xiàn)控制。噴油泵輸入端口是與本設(shè)備的乳液輸出管55(圖8)相連的，相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)載時(shí)此端口的典型壓力為2.2巴，空載壓力為2.7巴。如果，比如在往復(fù)活動(dòng)桿67的低端與活塞部件77之間建立某種特定聯(lián)系，如圖9所示，這種控制就能夠?qū)崿F(xiàn)?；钊考?7中心的圓柱孔，由一個(gè)螺紋封密環(huán)在外端鎖閉。圓盤81在圓柱孔中介高度內(nèi)連于活動(dòng)桿上，盤簧82，83分別壓在圓盤81的兩側(cè)。如果繞活塞部件77周圍水容器的壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一致，盤簧82，83所提供的壓力足夠高到可以保證活塞部件77與活動(dòng)桿67之間的牢固連接。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空載時(shí)，乳液通道75的壓力值大約增加到2.7巴。如果內(nèi)部壓力能夠打開水輸出閥門79，則供水可以進(jìn)行，而這只有當(dāng)作用于活塞部件77上的壓力足夠高時(shí)才能做到?？梢詫⒈P簧82，83的偏置壓力調(diào)整到這樣一個(gè)值，即使得這時(shí)活塞部件77不能隨活動(dòng)桿67往復(fù)運(yùn)動(dòng)，取而代之的是圓盤81在固定不動(dòng)的活塞部件77內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)。此種設(shè)計(jì)能夠有效地在空載條件下切斷供水。還可以做到當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)接近空載條件時(shí)，逐漸降低活塞部件的運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)減少供水量。
圖10是描述當(dāng)水體積含量超出10%時(shí)，如何增加燃料供應(yīng)，以防止其能量因?yàn)樗煞值脑黾佣档偷氖疽鈭D。
柴油機(jī)機(jī)車的油門踏板，通過聯(lián)動(dòng)裝置84與軸向運(yùn)動(dòng)的控制桿85相連接?？刂茥U85通過一定的耦合部件與控制齒輪傳動(dòng)裝置86相連接，傳動(dòng)裝置86調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵燃料供應(yīng)速率。如果預(yù)置水量的極限值為，比如，20%，且與負(fù)載無關(guān)，則能夠通過預(yù)定控制桿85向前位移量獲得補(bǔ)償。如果在標(biāo)準(zhǔn)柴油工作情況下，燃料供應(yīng)空轉(zhuǎn)時(shí)為16mm3/s，最大負(fù)荷時(shí)為56mm3/s，則將導(dǎo)致相當(dāng)于增加量為8mm3/s的線性增加位移，即分別增加至24mm3/s和64mm3/s。誠然，同樣可能的是若控制桿85的位置決定了水量的增加，則根據(jù)乳液中水對于燃料的實(shí)際比值可以相對于標(biāo)準(zhǔn)供料增加燃料供應(yīng)。這一條件可以由，例如齒輪傳動(dòng)裝置86的非線性設(shè)計(jì)獲得。
圖1至4所示的根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第一個(gè)實(shí)施例的操作過程如下。
預(yù)混合柴油燃料或加熱推進(jìn)劑和預(yù)定比例的水，通過進(jìn)料孔31提供給系統(tǒng)。在正常操作開始以前，須排出腔體內(nèi)之空氣。這可以通過兩個(gè)排氣孔22、23來完成。首先假設(shè)沒有回送管連到豎向孔30的底端且此底端暫時(shí)封閉。泵馬達(dá)32開始運(yùn)轉(zhuǎn)，泵在一封閉回路內(nèi)循環(huán)混合液。泵輪34的抽吸端連在豎直孔30處，壓出端連在通道36處。泵所提供的流率約為1100至3300l/h，較好約為3000l/h，輪34兩端之間的壓差約為1至3巴，在流率為3000l/h時(shí)，約為2.1巴。
液體將充滿渦旋罩6周圍的環(huán)形腔體4，通過進(jìn)料孔13的切向噴油口14產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)力流。由于噴油口14和第一個(gè)渦旋室10的特定的尾部形狀及切向性，在其中便產(chǎn)生了一個(gè)如第一個(gè)渦旋室10內(nèi)的螺旋箭頭28所表征的渦旋流。旋轉(zhuǎn)液體流的邊緣區(qū)域流向橢球體空間的閉塞頂端，在圍繞軸9的中心區(qū)域又被從頂端向漸細(xì)的頸部11反射。在中心區(qū)域圍繞軸9出現(xiàn)了強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，壓力減小，在開口12的區(qū)域達(dá)到最小，此處液體流速最大。
眾所周知，在先有技術(shù)中，柴油燃料具有一定的壓縮系數(shù)，即燃料的體積隨壓力不同會(huì)有所變化。相對于燃料而言，水實(shí)際上是不可壓縮的。由于渦旋混合液沿漸細(xì)頸口部分流動(dòng)，所以其壓力將減小，并在開口處變?yōu)樽钚?。由于室壁的制?dòng)作用，指向軸9的徑向壓力減小。當(dāng)液體離開開口12進(jìn)入向前漸細(xì)錐形管24時(shí)，由于管24的橫截面遠(yuǎn)大于開口12的橫截面，所以此處壓力增加。燃料的體積隨壓力的變化而有些微改變，而水的體積卻保持不變。燃料彈性體積的增加和減少與繞軸9的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)一起有助于兩種物質(zhì)的特定混合的形成，這將在本說明書的后面解釋。液體從管道24被沿切線方向在其赤道平面處噴射到第二個(gè)渦旋室16內(nèi)，在此渦旋室內(nèi)將完成雙倍渦旋運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閲娚涞牧黧w繞其流向軸旋轉(zhuǎn)，也由于第二個(gè)渦旋室的形狀和切向輸入，形成了圍繞垂直軸17的旋轉(zhuǎn)。泵的抽吸作用導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)液體的豎向流動(dòng)。
第二渦旋室16的漸細(xì)形狀保證了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和在垂直軸17附近速率增大。這一速率之分布類似于旋風(fēng)口處的分布情況。
混合液將被泵再次吸入，在下一周期內(nèi)這一過程又被重復(fù)。燃料和水的再循環(huán)混合液，其分布將越來越均勻，即水微滴的粒徑分布將變得均勻，到大約第十周期結(jié)束時(shí)，旋轉(zhuǎn)乳液壓力中的強(qiáng)度發(fā)生變化，相隨力的作用可能引起燃料結(jié)構(gòu)上的變化，這對乳液的燃料性能很有影響。
如果混合液最多以第十次再循環(huán)的流率離開系統(tǒng)，則可以連續(xù)獲得性能獨(dú)特的混合液。如果泵提供1500l/h的流體，則混合液的輸出速率至多可以達(dá)到150l/h?？扇〉氖?，如果輸出速率更小，比如60l/h，則意味著平均每一流體微粒在離開系統(tǒng)之前參考了25周循環(huán)。數(shù)值25是通過兩速率相除而得到的即1500∶60＝25。當(dāng)然如果流率增加到3000l/h，則其循環(huán)圈數(shù)值將增加至50。
液體從何處離開系統(tǒng)是相當(dāng)關(guān)鍵的。液體的流出應(yīng)不影響兩個(gè)渦旋室內(nèi)和其連接通路上的壓力分布。圖1至4所示的實(shí)施例中，最合適的地方是第二渦旋室16的赤道平面，在此處有一個(gè)液體輸出開口21。
乳液的性能很大程度上不依賴于系統(tǒng)中絕對壓力值的大小。在孔30內(nèi)(泵抽吸端)的主向壓力絕對值可以高達(dá)5巴。實(shí)驗(yàn)已證明，當(dāng)壓力增加到6巴以上時(shí)，乳液質(zhì)量有所下降。泵所提供的壓差更為關(guān)鍵。在附圖所示的情況下，1到2.2巴的壓力增加可能最適度，此差值可以高達(dá)3巴。本設(shè)備的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對于絕對和相對壓力值而言，均允許有一大公差范圍。
圖5至8所示的根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的操作過程如下。
在操作中，再循環(huán)泵60以大約為3000l/h的流體率向進(jìn)流通道52(在圖6的左上方部分)提供乳液。液體流進(jìn)環(huán)道50，并且從此處切向流入反應(yīng)室45的前端部分47。液體將繞軸46強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，并流向輸出開口49。在漸細(xì)部48內(nèi)，液體中的壓力沿指向軸46的徑向減小，旋轉(zhuǎn)速度則沿相反方向減小，即旋轉(zhuǎn)速度在室壁處最小。軸向速度沿輸出開口49的方向增大，軸向流動(dòng)分量沿背離軸線徑向減小。可以證明，壓力是沿軸向朝開口方向逐漸下降的，應(yīng)該注意的是，指數(shù)衰減的形狀很有用，因?yàn)檫@樣沿軸向的壓力下降及其基本流體分布與實(shí)際流率關(guān)系不大，指數(shù)造形的特性在聲學(xué)領(lǐng)域內(nèi)是已知的，在聲學(xué)領(lǐng)域，利用指數(shù)曲線型喇叭可以在很寬的頻率范圍內(nèi)提供一個(gè)非常均勻的聲壓。
可以相信，在流動(dòng)的液體內(nèi)，根據(jù)其內(nèi)部之間不同的速度和壓差會(huì)形成不同的液體層，這些層彼此之間將相對滑動(dòng)，因而會(huì)產(chǎn)生分子切變力。這些力可以達(dá)到一個(gè)高于燃料中水微滴的表面張力的值。結(jié)果是水微滴被分裂，這些粒子與燃料分子進(jìn)行碰撞。通常這些分子很長，包括一些相互之間存在低能級親合力的區(qū)段。在反應(yīng)中，較長的碳?xì)浞肿訉l(fā)生部分分裂。
繞其軸強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的液體進(jìn)入螺旋通道53后，在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上產(chǎn)生了一個(gè)加速度。這一縱向速度變化率和液體的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了強(qiáng)烈混合的繼續(xù)和液體微滴的分裂過程，從而獲得了微滴尺寸分布極其均勻的乳液。
就這一點(diǎn)而言，圖1至4所示的第一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二渦旋室內(nèi)也發(fā)生著類似的情況。
乳液從豎向孔通過主通道41被再循環(huán)到再循環(huán)泵60的抽吸端端，泵提高壓力，使乳液再向反應(yīng)室45流動(dòng)。使用回轉(zhuǎn)閥56是為了在泵60開動(dòng)之前，防止液體循環(huán)。當(dāng)泵60旋轉(zhuǎn)時(shí)，其壓力足夠高到可以開啟回轉(zhuǎn)閥56。
通過乳液輸出管道55流向噴油泵的乳液，其輸出速率由噴油泵進(jìn)料口的主向壓力和圖7所示的燃料和水供應(yīng)泵提供的壓敏供應(yīng)速率一起調(diào)節(jié)。電磁體66引起桿67周期性上下運(yùn)動(dòng)，從而兩個(gè)泵中的活塞分別交替運(yùn)動(dòng)，以預(yù)定比率向乳液通道75中輸送燃料和水。如果系統(tǒng)中的壓力增加，則作用于泵上的制動(dòng)力將相應(yīng)增加，電磁體的沖程將減小。通過適當(dāng)?shù)挠?jì)算，可以使泵提供所需要的乳液量。如果供應(yīng)量高于噴油泵的需要，則過剩的乳液能夠通過進(jìn)料管道63回送到系統(tǒng)中。圖5至8所示的實(shí)施例，能夠提供大約60l/h的乳液。其典型的再循環(huán)速率為3000l/h。
應(yīng)該注意的是，需要用來保持再循環(huán)的能量，即再循環(huán)泵60和電磁體66所需要的能量與大多數(shù)已知的靜電混合器所需的非常高的能量比較起來是非常少的。這一優(yōu)點(diǎn)歸功于乳液再循環(huán)路徑上對流體的阻力相當(dāng)小。
第二個(gè)實(shí)施例優(yōu)于第一個(gè)實(shí)施例的長處在于大致上減小了再循環(huán)乳液的體積，從而縮短了在發(fā)動(dòng)機(jī)起始階段或者如果在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程期間水成分變化時(shí)所需的響應(yīng)時(shí)間。
在發(fā)動(dòng)機(jī)典型負(fù)載情況下噴油泵進(jìn)料口的壓力為2.4巴，在此負(fù)載時(shí)，幾個(gè)壓力值如下-再循環(huán)泵66的壓力端為3巴，-乳液輸出管道55的出口處為2.4巴。
-回轉(zhuǎn)閥56下半部分為1.8巴，這一壓力在泵66的進(jìn)料端和乳液通道75內(nèi)持續(xù)。
混合液中水對于燃料的比率可以在很寬范圍內(nèi)變化。誠然，在通常使用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，從水量的增加超過10%時(shí)起，馬達(dá)的熱效率明顯下降。如果需要，這種能量損失能夠通過重新調(diào)整噴油泵的柴油噴射量來加以補(bǔ)償。這種再調(diào)整能夠由圖10提出的裝置做到，使用它可以向發(fā)動(dòng)機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)能量。水對于燃料最合適的百分比在大約10%到20%之間，而5%到10%之間和20%到25%之的范圍也是較好的。低于或高于此極限值也可以接受，但它們不能象較好范圍內(nèi)時(shí)那樣提供明顯優(yōu)勢。當(dāng)水成分在5%以下時(shí)，顯示不出使用本裝置對于改善廢氣成分方面的顯著益處。
在各種型號和尺寸(大約從1800cc到14285cc)的包括自然進(jìn)氣和透平進(jìn)氣的實(shí)際柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了一些初步測試。對于廢氣的分析表明，氧化氮(簡示為NOx)的含量。在使用水含量為10%(體積)的柴油液體時(shí)，至少被減少15%，而在水含量增至體積的22%時(shí)，則這些成分減少高達(dá)40%。黑煙及油煙量，從水體積含量為10%時(shí)減少30%到水體積含量為22%時(shí)減少60%。粒子團(tuán)塊在水體積含量為10%時(shí)減少大約12%，在水體積含量為22%時(shí)約減少40%。這些值是通過進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)ECER49測試周期用DNYD測量系統(tǒng)測定的。該系統(tǒng)由ECER49測試所規(guī)定的儀器組成。此處提到的減少值表示由幾次測試。每次都使用ECER49周期的十三個(gè)步驟而獲得結(jié)果的平均數(shù)。表1至3分別代表了用無水柴油燃料、水體積含量為15.83%和水體積含量為23.64%三種條件下進(jìn)行的典型測試記錄。
應(yīng)當(dāng)注意除表1-3的內(nèi)容之外，還進(jìn)行了其他的測試。在下表中各欄的標(biāo)志符號不需要特殊解釋。最后一欄“SZ”代表用Bosch方法進(jìn)行的黑煙及油煙測量。
至于碳?xì)浠衔铮枰右哉f明的是，與文獻(xiàn)和用其它種類乳液的測試結(jié)果相反，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠在高旋轉(zhuǎn)條件下減少烴的漏出，這是相當(dāng)值得注意的。在全負(fù)載和2000Rpm的情況下，28%的HC和75%油煙的減少，將相當(dāng)于50%的粒子減少。

表1至3中記錄的是關(guān)于第一個(gè)實(shí)施例的測試，我們也曾對圖5至8所示的第三個(gè)實(shí)施例進(jìn)行過相當(dāng)快速的測試，獲得了類似或稍好些的結(jié)果。
為了證明根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的乳液的獨(dú)特性能;還進(jìn)行了一些進(jìn)一步的測試實(shí)驗(yàn)。包括用顯微鏡對預(yù)定其粒徑及粒徑分布的燃料中的水微滴進(jìn)行分析。乳液是這樣制成的，即用中性顏料將使用的水著為蘭色，蘭光可以防止在顯微鏡檢測期間樣品中微滴溫度升高。在璃環(huán)板之間保持20微米的距離，以防止樣品變形。在板上覆蓋一層石蠟薄膜，從而消除微滴著敷于玻璃板上的可能。圖11表示水體積含量15%的乳液中水微滴粒徑分布情況。縱軸給出了樣品中有關(guān)粒徑時(shí)的微滴數(shù)。
從圖11中可以看到，其分布近乎于一個(gè)平均粒徑約為4.5微米的高斯曲線。其粒徑分布不同于一般粒徑均勻的情況，因?yàn)楦鶕?jù)各種文獻(xiàn)資料，此分布曲線差異相當(dāng)大，常常有幾個(gè)在不同粒徑時(shí)的峰值。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的乳液有一個(gè)特點(diǎn)，即其顏色略微不透明，在濃淡程度上也與其所含燃料的顏色不同。
為了測定根據(jù)本發(fā)明的混合過程是否確實(shí)引起了燃料結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)行了一個(gè)熱值序列測試。作為第一步，首先做出了水體積含量為15%的乳液。用于制造乳液的水被著色為可鑒別的蘭色。從用來制造乳液的柴油燃料中抽樣。用離心法在3000kpm持續(xù)10分鐘的條件下將水從乳液中分離出來。從乳液中所留下的燃料成分中提取樣品。用作對比的柴油燃料也經(jīng)過離心分離。
然后將原燃料和經(jīng)過分離的燃料樣品在一精密量熱計(jì)中進(jìn)行量熱測試。試驗(yàn)材料和對比材料的熱值，都被測量過三次。
測試值如下原柴油燃料從乳液中分離出的燃料熱值(C.V.)(焦耳/克)熱值(C.V)(焦耳/克)142，88643，070243，10743，028342，97843，061平均值42，99043，053從這些數(shù)據(jù)中可以看出，乳液中所含的燃料的熱值比原燃料高出63焦耳/克。差別幾乎為千分之1.5，如果我們認(rèn)為輕質(zhì)烴的熱值僅僅比重質(zhì)氫化碳的熱值略高的話，則這個(gè)差別已經(jīng)是很顯著的值了。不過這種測量通常用于區(qū)分各種烴餾分，它是很可靠的。
如果假設(shè)水的分離不夠理想，則殘留水的存在，將導(dǎo)致測量值的下降，因此，與上述值相比，實(shí)際熱值與之不同之處只能是其值更高。
這一結(jié)果表明，在摻水過程中燃料結(jié)構(gòu)肯定發(fā)生了變化，這一不同的結(jié)構(gòu)說明了為什么根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的乳液情況下的廢氣成分與使用一般情況不同。換句話說，除此以外，對比和被測燃料之間在廢氣和熱值兩方面都存在的區(qū)別，沒有其它別的解釋可以給出。
權(quán)利要求
1.用水混合燃料獲得燃料乳液的方法，在該乳液中，水量為燃料的5%至35%(體積)，在該方法中，燃料和水按照上述范圍內(nèi)的比率，被送入一個(gè)封閉空間內(nèi)，并在一閉合回路中劇烈運(yùn)動(dòng)及循環(huán)，其特征在于，在上述閉合回路內(nèi)提供了一個(gè)反應(yīng)空間(10，45)，在此空間內(nèi)，液體流被強(qiáng)迫繞此空間的旋轉(zhuǎn)軸線(第一個(gè)軸線)(9，46)旋轉(zhuǎn)，并沿該旋轉(zhuǎn)軸向前運(yùn)動(dòng)，此空間的后部沿液體流動(dòng)方向的剖面為漸細(xì)錐形，因而沿旋轉(zhuǎn)軸方向和指向旋轉(zhuǎn)軸的徑向壓力連續(xù)減小，當(dāng)繞上述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的液體離開該空間時(shí)，第一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逐漸被制動(dòng)和停止，并使得液體流繞與前述第一個(gè)軸成一定角度的第二個(gè)軸線(17，54)旋轉(zhuǎn)，循環(huán)液體的一部分以這樣的方式從回路中流出，即在離開回路之前，平均所有液體粒子都至少參與了十個(gè)整周期的運(yùn)動(dòng)，從而形成一種微滴粒徑分布均勻，燃料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的乳液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二個(gè)軸線(17，54)垂直于第一個(gè)軸線(9，46)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中從反應(yīng)空間(10)流出的流體切向進(jìn)入一個(gè)渦旋室(16)，繞第二個(gè)軸線形成渦旋流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中從反應(yīng)空間(45)流出的液體，被導(dǎo)向到繞所述第二個(gè)軸(54)設(shè)置的螺旋通道(53)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中循環(huán)流的壓力，通過安裝在回路中的泵(60)，至少增強(qiáng)0.8巴，至多增強(qiáng)3巴。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述燃料的柴油，乳液流入柴油機(jī)的噴油泵，柴油機(jī)帶有一個(gè)反饋到循環(huán)回路的回送管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于所述回路中的一般壓力保持在6巴以下。
8.一種燃料-水乳液該乳液包括5%～35%(體積)的水，它由原始燃料和水機(jī)械混合制成，其特征在于乳液中燃料成分的結(jié)構(gòu)不同于原燃料，比原燃料具有更高的熱值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料-水乳液，其中所述水具有均勻粒徑分布，且平均粒徑在3至6微米之間。
10.實(shí)施權(quán)利要求3之方法的設(shè)備，其特征在于循環(huán)回路包括一個(gè)泵，一個(gè)渦旋罩(6)，一個(gè)圍繞在與泵之壓出端相連的渦旋罩周圍的壓力調(diào)節(jié)室(4)，一個(gè)長橢球形且?guī)в袧u細(xì)頸部和縱向軸線(9)的第一渦旋室(10)，若干個(gè)在靠近渦旋室頸部一側(cè)的渦旋罩邊緣上所確定的切向進(jìn)料孔(13)(進(jìn)料孔13的軸線傾斜于橢園體與頸部相對的頂端口)，一個(gè)與頸部開口(12)連通的管道(24)，其旋轉(zhuǎn)軸線(17)大致垂直于第一渦旋室軸線(9)的第二渦旋室(16)，第二渦旋室(16)具有球體形上部(18)，向下漸細(xì)的雙曲面中部(20)和頸部(24)，管道(24)大致在球體部分(18)的赤道面上切向地連到第二渦旋室，一個(gè)將第二渦旋室頸口(20)連向泵抽吸端的通道(30)，水和燃料的輸入通道與此通道連通，液體輸出口(21)則設(shè)計(jì)在第二渦旋室壁上，大致位于球體部分的赤道面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所說的壓力調(diào)節(jié)室(4)是一個(gè)環(huán)繞渦旋罩(6)的環(huán)形腔體，每一進(jìn)料孔(13)包括其軸線大致垂直于渦旋罩(16)的罩面的埋頭孔和其軸線向第一渦旋室(10)的尾部切向傾斜的噴油口(14)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其特征在于輸出開口(21)通過回送管與柴油機(jī)燃料噴油泵聯(lián)結(jié)起來，回送管反饋到前述第二渦旋室頸口與泵抽吸端之連接通道(30)。
13.用于混合燃料和水的設(shè)備，包括一個(gè)再循環(huán)泵(60)，泵的進(jìn)油口和出油口之間的循環(huán)路徑、插入此路徑中起靜電混合器作用的反應(yīng)室(48)，用于在路徑上提供燃料和水混合液的裝置和提供乳液的輸出口，其特征在于，所述反應(yīng)室(45)的形狀繞第一個(gè)軸線(46)旋轉(zhuǎn)對稱，該反應(yīng)室的前部(47)帶有若干切向進(jìn)料孔(51)，繞其外沿與一環(huán)道(50)連通，環(huán)道繞前述外沿形成并從循環(huán)泵(60)獲得原料供給，反應(yīng)室還具有一個(gè)帶有輸出開口(49)的漸細(xì)區(qū)域(48)，提供了一個(gè)其中心軸線(54)垂直于反應(yīng)室(45)的軸線(46)的螺旋通道(53)，反應(yīng)室的輸出開口與螺旋通道(53)的外周沿部分連通，在與循環(huán)路徑相連的螺旋通道(53)的中心部分處確定了一個(gè)鏜孔。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中在循環(huán)路徑上插入了一個(gè)偏壓回轉(zhuǎn)閥。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述反應(yīng)室的漸細(xì)區(qū)域具有指數(shù)輪廓。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中用于提供燃料和水混合液的裝置包括一個(gè)帶有軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)桿(67)的電磁體(66)，分別具有活塞的燃料泵和水泵安裝在此活動(dòng)桿(67)上，各泵分別具有輸入和輸出閥門，輸出閥門(73，74，79)的輸出端口與連接于再循環(huán)路徑的乳液通道(75)連通。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其中水泵有一個(gè)由彈簧偏壓的活塞部件(7)，以便使其與活動(dòng)桿(51)連接能夠依照乳液通道(75)內(nèi)的主向壓力來控制其運(yùn)行，即在該通道(75)內(nèi)的壓力增加到大于預(yù)定閾限值時(shí)，減少或停止泵水。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任何權(quán)項(xiàng)的設(shè)備，其中輸出開口(55)通過回送管與柴油機(jī)燃料噴油泵相結(jié)合，回送管另一端反饋到再循環(huán)路徑，該設(shè)備包括用于根據(jù)乳液中水的含量調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)，以補(bǔ)償其能量損失的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中反應(yīng)室(45)的剖面輪廓近似于心形。
全文摘要
用水混合液體燃料以獲得一種燃料乳液，其中水對燃料的體積含量比為5％至35％，燃料和水被送入一封閉空間，并在閉合回路中劇烈運(yùn)動(dòng)并循環(huán)，液體流在反應(yīng)室內(nèi)被強(qiáng)迫繞反應(yīng)室軸線(第一軸)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，反應(yīng)室尾部沿流向剖面漸細(xì)，故沿軸向和向軸的徑向壓力連續(xù)減小。離開此空間的液體繞與第一軸成一角度的第二軸線旋轉(zhuǎn)，在離開回路之前，平均所有的液體粒子至少參與了十整周期運(yùn)動(dòng)，乳液中燃料成分結(jié)構(gòu)與原燃料不同，其熱量值更高。
文檔編號F02B3/06GK1033832SQ8810733
公開日1989年7月12日 申請日期1988年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月23日
發(fā)明者威爾納·佐赫, 羅蘭德·斯弟米爾, 皮特·考塔, 米歇爾·蘭托斯, A.凱斯勒 申請人:哈里爾醫(yī)學(xué)和技術(shù)設(shè)備銷售有限公司