Способ и устройство эксплуатации дизельного двигателя на эмульсионном топливе варьируемого состава
Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания. Изобретение предлагает способ и эмульгирующее устройство для эксплуатации дизельного двигателя на эмульсии вода-дизтопливо, в которой фракция воды изменяется в зависимости от режима работы двигателя, и/или эмульгирующего устройства, и/или участков инжекционной линии, которые промываются чистым дизельным топливом при остановке двигателя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к способу управления двигателем внутреннего сгорания с эмульсией топлива вода в дизельное топливо. Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству для подготовки топливной эмульсии вода-дизель для дизеля, а также предоставленной им дизельного двигателя.
Предпосылки создания изобретения
Дизельный двигатель внутреннего сгорания характеризуется инжекцией самовоспламеняющегося топлива под очень высоким давлением через инжекционную форсунку в образованную поршнем камеру сгорания. После распыления и испарения топлива в сжигаемый воздух, нагретый до высокой температуры с помощью компрессии, происходит смешивание уже испаренных компонентов топлива со сжигаемым воздухом. Такая карбюрация достигается с одной стороны путем распределения топлива посредством 6-8-дырочных инжектирующих форсунок, а с другой стороны посредством завихрения воздуха, создаваемого во впускных каналах. Химическое превращение топливно-воздушной смеси далее происходит путем разрушения относительно длинных молекул топлива и образования активных радикалов. Если концентрация активных радикалов достаточно высока, то самовозгорание топливно-воздушной смеси происходит как цепная реакция. Время, необходимое для физических и химических процессов карбюрации (смесеобразования) называют временем задержки воспламенения. Из-за короткого периода времени, доступного для карбюрации при прямом впрыске топлива, происходит остаточное сгорание топливно-воздушной смеси с локально неоднородным распределением топлива. Фаза зажигания этой «неоднородной» топливно-воздушной смеси характеризуется возникновением «ядер зажигания» в уже готовых к воспламенению областях смеси. По мере горения, сначала реагируют капли топлива, которые достигли сжатого горячего сжигаемого воздуха с начала впрыска топлива и для которых возможно сравнительно длительное время для образования смеси. В результате относительно быстрой реакций горения, эта фаза сгорания, которая еще называется сгоранием «предварительно приготовленной» смеси, и характеризуется более высокими температурами сгорания и, таким образом большим термическим образованием оксида азота и меньшим образованием сажи. Однако, в течение этой первой фазы сгорания, сгорает лишь некоторая часть топливно-воздушной смеси, определяемая продолжительностью задержки воспламенения. Оставшееся количество смеси, которое еще не воспламенилось в момент начала сгорания и, которое зависит от требуемой нагрузки двигателя, обрабатывается первой поскольку, процесс сгорания продолжается с резким повышением температуры газа и интенсивным обеспечением движения, а затем сгорает при частичном недостатке воздуха и относительно низкой скорости горения. Эта фаза сгорания, которую также называют "диффузно-управляемым" сгоранием, характеризуется началом образования сажи, возникающей в результате локального дефицита воздуха и последующего неполного после окисления сажи с одновременным снижением образования оксидов азота.
Различные фазы процесса сгорания и соответствующие механизмы формирования загрязнителей определяют соотношение между оксидом азота и выбросами сажи, которое типично для сгорания в дизельном двигателе и также известно как компромисс NOx частиц. Такая взаимосвязь NOx частиц означает, что, если рабочие параметры двигателя (например, момент впрыска) регулируются для низких выбросов NOx, то неизбежно одновременно возрастают выбросы частиц сажи.
В целях соблюдения загрязняющих выбросов, предписанных законом для дизельных двигателей, необходимо принимать меры как внутри двигателя, так и снаружи в виде процессов обработки выхлопных газов. Наиболее важной из мер применяемых в двигателях для улучшения образования топливно-воздушной смеси заключается в использовании систем впрыска высокого давления, которые допускают давление впрыска свыше 200 МПа. Улучшенное дробление впрыскиваемого аэрозоля с более мелкими капельками топлива, достигнутое на этом пути приводит к улучшению смешивания топлива с сжигаемым воздухом и, таким образом, уменьшает количество богатых смесью зон и, соответственно, существенно более низких выбросов сажи и частиц. Из-за более высоких температур горения, интенсифицированная таким образом карбюрация приводит к повышенным выбросам NOx, которых следует избегать путем увеличения избытка давления воздуха и оптимизированных кривых количества впрыскивания. Еще одной мерой является система рециркуляции отработанных газов (EGR), которая также все шире используется в тяжелых промышленных двигателях транспортных средств. Однако, скорость возврата отработанных газов, а также возможное снижение NOx путем уменьшения содержания кислорода в сжигаемом воздухе опять ограничивается увеличением выбросов сажи и частиц.
Поскольку описанные меры, применяемые в двигателях, для уменьшения выброса загрязняющих веществ являются недостаточными для снижения выбросов ниже пределов выхлопных газов, DeNOx каталитических конвертерных систем с мочевиной, в качестве восстановителя и, независимо от дизельных двигателей, известных систем фильтрации частиц, которые используются на пассажирских транспортных средствах, должны использоваться на новых, утвержденных, промышленных автомобильных двигателях, удовлетворяющих требованиям Евро 5 и Евро 6 категориям по загрязнениям. Для достижения целевых выбросов, поведение собственных выбросов дизельного двигателя должно быть адаптировано к используемым системам обработки выхлопных газов. Например, у типичных Евро-5 дизелей, выбросы частиц приводятся к соответствующим нормам благодаря гибко перестраиваемым Common Rail (CR) системам (системам впрыска с общей магистралью), с давлением впрыска от 160 до 180 МПа, тогда как выбросы оксидов азота, как правило, в достаточной степени уменьшаются за счет использования систем DeNOx на основе мочевины. Иногда, выбросы NOx также уменьшаются за счет сочетания рециркуляции отработанных газов и последующей системы DeNOx. Какое экономически обоснованное сочетание методов, используется, существенно зависит от собственных выбросов дизеля. В дизельных двигателях с уровнем выбросов Евро 6, использование дополнительных оптимизированных систем впрыска с давлением впрыска от 200 МПа и выше требуется для того, чтобы еще больше снизить выбросы частиц, а также более эффективные комбинации систем EGR-DeNOx. В частности, необходимо использование систем рециркуляции выхлопных газов (EGR) с существенно более высокими показателями EGR и систем DeNOx с коэффициентом конверсии NOx до 90 процентов. Если предельные значения выбросов NOx не могут быть достигнуты с помощью описанного использования EGR и DeNOx систем, то неизбежно дополнительное использование системы фильтрации частиц с соразмерно адаптированной настройкой ERG и системы DeNOx.
Поэтому следует отметить, что нормы выбросов Евро 5 и особенно Евро 6, применительно к тяжелым промышленным двигателям транспортных средств могут быть достигнуты только при значительных дополнительных технических и экономических затратах. Благодаря обусловленному каталитическими конвертерами увеличению обратного давления выхлопных газов и адаптации процесса сгорания, которые могут потребоваться, можно ожидать деградацию показателя расхода топлива для всех комбинаций методов для сокращения выбросов NOx и частиц. Однако, рассмотренные здесь принципы выбросов NOx частиц двигателя, являются минимально возможными, так как они сокращают затраты на обработку выхлопных газов.
Кроме мер по внутренней части двигателя и использованию систем очистки выхлопных газов, состав модифицированного топлива также представляет собой привлекательную принципиальную возможность уменьшения выбросов вредных веществ дизельных двигателей. Особый интерес уже давно существует, к добавлению воды и других компонентов, например алкоголя, в дизельное топливо поскольку компромисс оксид азота - сажа, на этом пути, может иметь благоприятное воздействие, ср Bach, F., Luft, М., Bartosch, S., Spicher, U.: Einfluss von Diesel-Ethanol-Wasser-Emulsionskraftstoffen auf die Dieselmotor-Emissionen [Influence of diesel-ethanol-water emulsion fuels on diesel engine emissions]. MTZ 05/2011, pp. 408-414.
При использовании эмульсии вода-в-дизтопливе как топлива, либо когда готовая к использованию вода-дизтопливо эмульсия впрыскивается в камеру сгорания вместо чистого дизельного топлива с использованием эмульгирующих добавок или эмульсии, приготовленной на борту транспортного средства в самой существующей системе впрыска. Приготовление эмульсии на транспортном средстве, имеет то преимущество, что фракция воды в смешанном топливе может быть выбрана относительно свободно с точки зрения технических пределов горения по отношению к максимальному снижению загрязняющих веществ.
В принципе, помимо использования эмульсий вода-в-дизтопливе, можно также использовать выгодные характеристики воды, чтобы понизить температуру сгорания путем впрыска воды в засасываемый воздух и непосредственным впрыском воды в камеру сгорания. Из-за высокой энтальпии испарения воды, когда ее добавляют через впускную трубу и особенно когда она вводится непосредственно, достигается существенное охлаждение всасываемого воздуха или воздуха в камере сгорания или сжигаемого воздуха в цилиндре, следовательно, и снижение выбросов оксидов азота до 50 процентов. Из-за относительно небольшого смешивания дизельного топлива с водой в камере сгорания и, как следствие меньшей гомогенизации дизельного топлива в камере сгорания по сравнению с эмульсионным топливом, тем не менее, снижение выбросов сажи заканчивается; ср. DE 102009048223 А1. Поэтому эмульсионное топливо предложенное, в дополнение к более простому использованию на серийных двигателях, имеет более высокий потенциал для снижения критических вредных компонент в выхлопных газах дизельных двигателей.
Эмульсии вода-дизель можно рассматривать как дисперсные многофазные системы, как смесь, по меньшей мере, двух нерастворимых жидкостей, в которой вода рассматривается как внутренняя, дисперсная фаза. Соответственно, дизельное топливо представляет собой внешнюю фазу, диспергатор. Эмульсии вода-дизель термодинамически не стабильны и разделяются после относительно короткого времени выдержки. Благодаря использованию эмульгирующих добавок, так называемых эмульгаторов, можно, в принципе, преобразовать эмульсию вода-дизель в термодинамически стабильную форму. Одним из критериев, который важен для пригодности эмульсии в качестве топлива для дизельных двигателей является то, что капли воды распределяются тонко, насколько это возможно в дизельном топливе. Эмульсии, полученные на транспортном средстве с использованием эмульгатора или, если не используется эмульгатор, с использованием соответствующего перемешивающего устройства пригодны для мобильного применения. Эмульсии, произведенные за пределами автомобиля, такие например как, те, которые доступны на заправочных станциях, имеют постоянный состав, не приспособленный к требованиям работы двигателя и, следовательно, не позволяет обеспечить полный потенциал с точки зрения сокращения выбросов и потребления.
Влияние эмульсий вода-дизель состоит, с одной стороны, в снижении температуры, происходящее во время испарения воды а, с другой стороны, в снижении температур сгорания в результате возросшей фракции инертного газа в виде водяного пара. Оба фактора приводят к удлинению физической задержки воспламенения, что приводит к более равномерному (однородному) распределению топлива в камере сгорания и, таким образом, сгоранию к большей части "предварительно приготовленной" смеси. Полученная интенсифицированная однородная смесь в сочетании с тонким распределением капель воды по эмульсии приводит к снижению высокообогащенных топливом областей в смеси, которые, по существу ответственны за возникновение сажи в процессе сгорания. Уменьшение выбросов оксидов азота можно отнести к значительному снижению температуры вспышки, как результат высокой энтальпии испарения воды, так и связанного с водой меньшему локальному удельному выделению тепла в зоне горения; ср Pittermann, R., Hinz, М., Kauert, L: Einfluss von 
und Kraftstoff-Wasser-Emulsion auf Verbrennungsablauf und Schadstoffbildung im Dieselmotor [Influence of exhaust gas recirculation and fuel-water emulsion on combustion process and pollutant formation in the diesel engine]. MTZ 60(1999)12, pp. 812-818. Рециркуляция выхлопных газов (EGR) часто используется для снижения выбросов NOx, что также приводит к более низким температурам вспышки в соответствии с увеличением фракции инертного газа. Тем не менее, увеличение выбросов сажи происходит при более высоких скоростях EGR, которых можно избежать в комбинации с эмульсионным топливом вода-дизель. Использование эмульсионного топлива вода-дизель, тем самым увеличивает толерантность EGR и, следовательно, возможность снижения содержания NOx и сажи.
Еще одним требованием к оптимальному использованию эмульсионного топлива является необходимость адаптации водной фракции эмульсии к различным условиям работы двигателя и выключения и запуска двигателя даже после длительного нерабочего периода.
На этапе запуска дизельного двигателя, надежный и легкий пуск, и быстрый прогрев двигателя, могут быть достигнуты только при работе на чистом дизельном топливе, так как стабильное сгорание достигается уже после нескольких тактовых циклов. При использовании эмульсии вода-дизель на начальной фазе, также увеличивается количество тактовых циклов без сгорания в результате ухудшения собственной воспламеняемости эмульсии, с соразмерным увеличением выбросов несгоревшего топлива. После прогрева двигателя, водная фракция в эмульсии может увеличиваться в ходе прогрева.
В случае преимущественно стационарной работы двигателя и высокой производительности, более значительная часть воды может содержаться в эмульсии вследствие, более высоких температур в камере сгорания для достижения процесса горения, который является наиболее эффективным при одновременном значительном снижении выбросов NOx и частиц. При малой нагрузке и соразмерно низких температурах в камере сгорания, снижение фракции воды в эмульсии необходимо для того, чтобы предотвратить чрезмерное охлаждение зон воспламенения и соответствующих выбросов несгоревшего топлива. Преимущественно стационарная работа двигателя с относительно медленными изменениями нагрузки и оборотов двигателя не требует использования динамических систем эмульгирования.
В принципе, полное использование потенциала эмульсии вода-дизель для уменьшения выбросов NOx и сажи возможно только, если фракция воды как можно ближе соответствует техническому пределу сгорания, зависящему от режима эксплуатации. В динамическом режиме, в котором обычно эксплуатируются автомобили, это означает, что абсолютно необходимо, иметь очень быструю адаптацию водной фракции к мгновенной температуре камеры сгорания и к содержанию кислорода, доступного для сжигания при использовании рециркуляции выхлопных газов. Чем быстрее адаптация водной фракции к мгновенному рабочему состоянию двигателя, тем больше снижение выбросов. Это тем более важно, учитывая, что определение параметров выбросов дизельных двигателей делается для грузовых автомобилей и мобильных рабочих машин, использующих циклы контроля переходных выхлопных газов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способ получения микро-эмульсии, описанный в DE 102009048223 А1, в котором дизельное топливо и воду разделяют с помощью двух систем впрыска с общей топливной магистралью и подают под высоким давлением в смесительную камеру, расположенную между магистралями высокого давления для дизельного топлива и воды, и форсункой впрыска. Именно в этой смесительной камере, с эмульгатором уже содержащимся в дизельном топливе, образуется микро-эмульсия. Такое расположение относительно небольшой смесительной камеры на небольшом расстоянии перед инжектором и благодаря доступным малым объемам смесительной камеры и инжекционных линий дает возможность быстрой адаптации водной фракции эмульсии, которая подается в форсунки, к рабочему режиму дизельного двигателя всего лишь за несколько тактовых циклов. Этот метод требует использования специальных эмульгаторов, которые позволяют очень быстрое образование эмульсии вода-дизель.
Известно устройство от DE 102005044046 В4, которое обеспечивает питание водой и топливом посредством механически или гидравлически управляемого ступенчатого поршня под давлением до 200 МПа для противотока эмульсионной форсунки высокого давления. Полученную эмульсию вода-дизель удерживают доступной в нескольких подпружиненных промежуточных резервуарах, которые еще имеют функцию амортизатора, и подают ее через распределительную трубу в инжекторы по мере необходимости. Следовательно, принципиально это устройство, представляет собой комбинированный эмульгирующий насос высокого давления, величина которого сравнима с дизельным насосом высокого давления традиционной системы впрыска в общем распределителе. Относительно большие объемы топлива магистралей насоса высокого давления и распределительной линии к форсункам не позволяют быструю адаптацию эмульсионной композиции в течение нескольких тактовых циклов. В частности, работа на чистом дизеле или работа с малыми фракциями воды требуется при запуске двигателя и на фазе прогрева, поэтому необходим соответствующий предварительный запас топлива, например, связанный со сливным устройством из распределительной линии высокого давления и линии впрыска, который не предусмотрен в опубликованном устройстве.
Еще одной проблемой является опасность коалесценции в результате относительно длительного времени пребывания эмульсии в магистралях и линии впрыска, в частности при низкой нагрузке двигателя, и связанное с ним разделение фаз эмульсии вода-дизель.
Способ и устройство для управления подачи дизельного топлива и эмульсии вода-дизель в магистральных инжекционных насосах, известен из DE 4412965 А1, в котором, в зависимости от состояния нагрузки двигателя, различные составы эмульсии приготовляются в системе смешивания, а затем подаются в топливный насос или предусмотрена работа исключительно на дизельном топливе. Для сокращения времени реакции между изготовлением измененной эмульсии и инжекции этой эмульсии, так называемая камера насоса низкого давления промывается надлежащим образом в соответствии с желаемым увеличением или уменьшением фракции воды в эмульсии, получаемой из эмульсионной или дизтопливной магистрали. Кроме того возможен, переход от работы на эмульсии к работе на чистом дизтопливе в зависимости от режима работы. В частности, двигатель должен работать на чистом дизельном топливе, на холостом ходу, в то время как работа на эмульсии применяется при больших нагрузках. Влияние этого мертвого времени между образованием эмульсии и поступлением ее в инжектор на работу и поведение выбросов в значительной степени зависит от объема системы в области производства эмульсии и объема топлива, подлежащего замене в области высоких давлений системы впрыска. В любом случае, адаптация к динамическим условиям эксплуатации происходит относительно медленно.
Ни один из способов и устройств, представленных выше, не предлагает решение для промывки всей области высокого давления инжекционных устройств дизельным топливом после выключения двигателя во избежание зажигания и, следовательно проблемы выбросов, когда двигатель запускается снова или для предотвращения коррозии и/или износа, которые могли бы возникнуть в системе впрыска.
ПРОБЛЕМА.
Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для эксплуатации дизельного двигателя на эмульсии дизтопливо-вода, приготовляемой на самом транспортном средстве, и динамически меняющую фракцию воды в зависимости от нагрузки и скорости двигателя.
ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Указанная выше цель достигается с помощью способа по п. 1 или устройства по п 8. Предпочтительные варианты являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В частности, изобретение включает приготовление топливно-водной смеси, особенно предпочтительно, эмульсии вода-дизтопливо, с помощью механического эмульгирующего устройства предпочтительно расположенного в области высокого давления системы впрыска и/или между топливной магистралью и форсункой впрыска и/или вентилем впрыска или инжектором.
Кроме того, изобретение относится к смесительному устройству, предназначенному для подмешивания воды в области высокого давления общей системы впрыска топливной магистрали с гидравлически управляемой эмульгирующей системой высокого давления, в которой раздельно подают дизельное топливо и воду для первичного смешивания в механическом предварительном смесителе, а затем подают во внутренний цикл рециркуляции или контур рециркуляции для получения достаточно однородной и стабильной эмульсии вода-дизтопливо.
Эмульсию предпочтительно получают с помощью механического эмульгирующего устройства - без использования эмульгаторов.
В способе, реализующем изобретение, предпочтительны компактные механические эмульгирующие системы высокого давления расположенные в инжекционной линии между магистралью дизельного топлива высокого давления с обычной системой впрыска и общей топливной магистралью и соответствующим инжектором, которые расположены как можно ближе к инжектору при рассмотрении условий установки на современных дизельных двигателях с общей топливной магистралью. Благодаря такой минимизации объемов инжекционной линии, при изменении режима работы двигателя, соответствующая адаптация фракции воды в эмульсии сразу же приводит к инжекции соответствующей эмульсии за несколько тактовых циклов (Фиг. 1). Очень короткое время реакции между изменением состава эмульсии и инжекцией этой эмульсии, достигаемое таким образом, при высоких нагрузках на двигатель является важным условием для получения водной фракции, которая как можно ближе соответствует техническому пределу сгорания даже при динамической работе двигателя. Таким образом, достигается максимально возможное снижение NOx и выбросов сажи.
Кроме того, изобретение позволяет требуемое переключение с эмульсии на чистое дизельное топливо при выключении двигателя, так что процесс пуска двигателя происходит на чистом дизельном топливе. В частности, становятся приемлемыми результаты тестов выбросов выхлопных газов холодного старта и прогрева, которые поддерживается на уровне обычных дизельных двигателей и предотвращается коррозия в системе впрыска в течение длительного простоя.
В частности, предложено компактное эмульгирующее устройство высокого давления, которое может быть интегрировано в существующую общую магистраль или магистральную систему впрыска дизтоплива с целью получения стабильной микро-эмульсии вода-дизтопливо с точки зрения наименьших возможных объемов магистрали необходимых для динамической работы.
Изображенное расположение системы цилиндров по принципу цилиндр за цилиндром особенно удачно для уменьшения объемов линии впрыска между эмульгирующим устройством и инжектором. В двигателях, у которых, из-за их малой конструкционной длины и более благоприятной прокладке инжекционной линии, требуются меньшие объемы инжекционной линии между эмульгирующим устройством и инжектором, также принципиально возможно уменьшить количество эмульгирующих устройств при наличии единого эмульгирующего устройства, питающего два и более инжекторов.
Эмульгирующие системы питающиеся дизельным топливом от топливной магистрали с количеством воды, необходимым для эмульсионной композиции зависящей от режима работы, которое обеспечивается гидравлически управляемым дозирующим насосом высокого давления, с помощью водораспределительной трубы высокого давления. Дозирование воды осуществляется на основе потребления дизельного топлива, определяемого по счетчикам в системе подачи и возврата топлива. В частности, по показаниям счетчиков объема, путем вычисления водной фракции эмульсии, по значениям характеристик двигателя, хранящихся в дополнительном устройстве управления в форме характеристик двигателя в зависимости от температуры охлаждающей воды и/или давления в топливной магистрали двигателя измеренного датчиком давления и посредством подачи этих значений характеристик двигателя в качестве управляющего сигнала дозирующему насосу высокого давления.
В связи с тем, что количество теплоты в эмульсионном топливе уменьшается при увеличении фракции воды, длительность впрыска топлива в камеру сгорания двигателя должна быть увеличена, для того, чтобы достичь производительности в соответствии с основной работой дизеля. В идеале, для этой цели требуется адаптация характеристики впрыскиваемого количества в устройстве управления системой впрыска. Альтернативно, однако, инъекционные сигналы инжекции могут также быть соответственно удлинены дополнительным устройством управления. Однако, из-за задержки процесса сгорания в цикле расширения и связанной с ним, деградации термического КПД двигателя, существуют пределы удлинения продолжительности впрыска для адаптации к снижению количества теплоты эмульсии. Если удлинение продолжительности впрыска не является достаточным для получения номинальной мощности двигателя, в системах с общей магистралью впрыска существует возможность правильно адаптировать объем впрыска, путем увеличения давления в магистрали дизтоплива.
Еще одна особенность способа в соответствии с изобретением состоит в обеспечении, в зависимости от режима работы двигателя, работы на эмульсии или работы на дизтопливе, в частности, работы в режиме на чистом дизельном топливе.
Двигатель при нормальной рабочей температуре, как правило, работает с эмульсией вода-дизтопливо, которая адаптирована к состоянию нагрузки. Здесь, максимально возможное снижение NOx и выбросов сажи за счет фракции воды в эмульсии достигает 50 процентов при высоких нагрузках на двигатель и соразмерно высокому сгоранию и температуры двигателя. Количество водной фракции ограничено деградацией теплоотдачи из-за замедления процесса горения, а также увеличения выбросов окиси углерода и сажи. Из-за малости объемов топливной магистрали, адаптированной к коротким временам запаздывания между образованием эмульсии вода-дизтопливо заданного характеристикой двигателя и поступлением этой эмульсии в инжектор, достигается достаточно быстрая адаптация водной фракции к моментальной нагрузке двигателя, даже при динамической работе двигателя.
При уменьшении нагрузки и соразмерного снижения температуры в камере сгорания, снижение фракции воды в эмульсии необходимо для того, чтобы поддерживать процесс сгорания термодинамически выгодным. Для стабильных и низких уровней выбросов на холостом ходу, это может даже означать переход к работе на чистом дизельном топливе. В этом случае, вода больше не подается в эмульгирующее устройство, например, путем выключения дозирующего насоса, но эмульсия все еще присутствует в инжекционной линии и будет израсходована в течение от 5-10 секунд.
На этапе запуска дизельного двигателя, быстрый запуск и быстрый нагрев двигателя в первой фазе прогрева возможны только в режиме на дизельном топливе, потому что, при использовании эмульсии вода-дизтопливо, происходит значительная деградация характеристик зажигания при холодном запуске, и соответствующему заметному увеличению выбросов несгоревшего топлива. Именно поэтому необходимо, заменить топливную эмульсию, содержащуюся в эмульгирующем устройстве и в соответствующих областях инжекционной линии с дизельным топливом при отключении двигателя. Это может быть достигнуто с помощью сливного вентиля, расположенного между эмульгирующим устройством и инжектором, который открывает соединение с обратной утечкой при отключении двигателя, при этом дизельное топливо поступает от дизтопливной магистрали высокого давления через эмульгирующее устройство, вытесняя эмульсию. Открытие сливного вентиля возможно в течение последних оборотов коленчатого вала до нерабочего состояния. Продолжительность открытия сливного вентиля подобрана так что, при соответствующих давлениях, существующих в топливной магистрали, объем эмульсии вымывается полностью.
Для осуществления описанного способа работы дизельного двигателя на эмульсии вода-дизтопливо, необходимо интегрировать устройство для приготовления эмульсионного топлива в систему дизеля с общей магистралью или системой магистрального впрыска.
В эмульгирующем устройстве в соответствии с изобретением, дизельное топливо, находится под давлением дизтопливной магистрали и необходимая для эмульсии фракция воды подается через сквозное отверстие от дозирующего насоса высокого давления и предварительно смешиваются в смесительной трубке и/или турбулентном смесителе. Затем наличествующая порция смеси, удаляется из него, гидравлически управляемым поршнем и снова подается в течение следующего хода подачи через эмульгирующую диафрагму или эмульгирующую дроссельную заслонку в проходной канал и/или основной канал. Поршень загружается с обеих сторон. Во время хода удаления, это также приводит к одновременному прохождению смеси через эмульгирующий дроссель.
Особенно предпочтительно, также адаптировать циркуляцию объема эмульсии к количеству эмульсии необходимому для работы двигателя путем управления частотой хода эмульгирующего поршня. Здесь, также, объем циркуляции эмульсии выбирают таким образом, чтобы он был в 2-3 раза больше объема эмульсии, потребляемой двигателем за тот же промежуток времени.
Топливо, подлежащее эмульгированию, проводится в контур рециркуляции, который имеет минимально возможный объем. При работе в полную нагрузку, в рабочей камере, особенно во второй насосной камере, эмульгирующий цилиндр, заполняется в 2-3 раза большим максимального впрыскиваемого количества, что является достаточным, при максимальной частоте хода эмульгирующего поршня 5 с-1 питания непрерывно обеспечивая двигатель тонкой эмульсией предварительно накопленной в сквозном отверстии или в главном канале.
В очень специальном предпочтительном варианте осуществления системы рециркуляции, подача производится так, что объем смешанного топлива удаляются эмульгирующим поршнем из основного отверстия и выбран таким образом, чтобы быть в 2-3 раза больше, количества выпускаемого инжектором для обеспечения подачи эмульсии к форсунке впрыска, одновременно сохраняя коротким время реакции на изменение эмульсионных композиций. Эта адаптация рабочего объема эмульгирующего цилиндра может быть достигнута путем изменения хода поршня. Соответственно, ступенчатый поршень гидравлической стороны снабжен системой датчиков перемещения для регулировки положения поршня. Другой предпочтительный вариант системы рециркуляции обеспечивает подачу так, что количество эмульсии, удаляемой за единицу времени из основного канала и подаваемой снова регулируется величиной хода и/или частотой перемещения поршня или эмульгирующего поршня. При более низкой нагрузке на двигатель, например, меньшее количество эмульсии извлекают из основного канала за единицу времени и подают в него снова путем уменьшения хода, и/или частоты перемещения поршня. Циркулирующий объем эмульсии, т.е., объем эмульсии, которую удаляют за единицу времени из основного канала и подают снова, выбирается таким, чтобы быть в 2-3 раза больше количества эмульсии инжектируемой за тот же временной интервал, таким образом, обеспечивается подача в инжектор эмульсии достаточно хорошего качества.
Во время используемой здесь гомогенизации под высоким давлением, образуется однородная смесь двух несмешивающихся жидкостей с очень быстрым выравниванием давления, например, через дроссель под действием напряжений сдвига и кавитации. В настоящей конфигурации, разность давлений превышает 100 МПа и создается эмульгирующим поршнем. Микро-эмульсия, полученная таким образом, имеет очень тонкое распределение крайне малых капель воды с кривой распределения диаметров в нм диапазоне. Эмульсии с соразмерно однородным распределением водной фракции имеют преимущество для процесса сгорания с максимально возможным отношением предварительно смешанных и таким образом гомогенизированных областей смеси с соразмерным уменьшением выбросов NOx и сажи.
Высокие давления перед эмульгирующим дросселем необходимые для эмульгирования, создаются ступенчатым поршнем выполненным в виде усилителя давления, который предназначен для повышения давления, сделанного по принципу выравнивания давления, по отношению к давлению магистрали дизельного топлива, преобладающего в основном канале, т.е. давления дизельного топлива в магистрали. Поршень приводится в действие гидравлическим поршнем со стороны низкого давления ступенчатого поршня. Из-за выравнивания давления, со стороны высокого давления эмульгирующего поршня, будет действовать сила, которая будет прилагаться гидравлическим поршнем и необходимая лишь для создания эмульгирующего давления.
Движение по ходу эмульгирующего поршня контролируется взаимной загрузкой гидравлического поршня рабочей жидкостью, которая доступна из гидравлического узла, который предпочтительно содержит варьируемый насос. Гидравлический узел приводится в движение непосредственно двигателем, чтобы улучшить общую эффективность. Регулирование хода эмульгирующего поршня выполняется для всех эмульгирующих систем благодаря надлежащему управлению коллекторным вентилем привода поршня. Коллекторный вентиль предпочтительно управляется контрольным устройством.
Для того чтобы сохранить трение поршневых уплотнений в эмульсионном цилиндре и на выходе гидравлического привода минимальным и, таким образом достичь того же перемещения эмульгирующего поршня, трубка цилиндра снабжена CLD покрытием, которое имеет очень низкие коэффициенты трения в сочетании со специальными механическими уплотнениями. Механическое уплотнение предпочтительно, PTFE механическое уплотнение. Такая конструкция эмульсионного цилиндра имеет преимущество позволяя хорошее уплотнение поршня на стенке цилиндра или трубы цилиндра и обеспечивая малый износ поршневых уплотнений и направляющих.
Преимущества способа согласно изобретению для эксплуатации дизельного двигателя заключаются в том, что, при интеграции механической эмульгирующей системы в систему впрыска дизтоплива с общей магистралью или магистралью, эмульсия вода-дизтопливо, при динамически изменяемой фракции воды может быть получена простым и экономичным способом. Эмульгаторы здесь не требуется, так как эмульгирование высокого давления выполняется в контуре или процессе рециркуляции, использующем эмульгирующую диафрагму при давлении эмульгирования свыше 100 МПа, что дает достаточно стабильную микро-эмульсию. Количество эмульгированного топлива определяется в соответствии с потреблением эмульсии путем адаптации объема хода эмульгирующего цилиндра и/или частоты хода плунжера насоса эмульгирующего устройства. Соответственно, это приводит к преимущественной адаптации энергии, необходимой для процесса эмульгирования к фактическому расходу топлива.
Еще одно преимущество предлагаемого способа состоит в возможности обеспечения работы с безводным дизельным топливом, просто прерывая дозирование воды в критических режимах двигателя, например, на малых оборотах холостого хода и прогреве после холодного старта. В дополнение к дозированному прерыванию воды, движение эмульгирующего поршня преимущественно может быть прекращено. Путем прекращения движение эмульгирующего поршня, топливо больше не течет через первую и вторую камеры насоса или ответвленный канал из основного канала к первой камере насоса и соединительный канал между двумя насосными камерами. Это приводит к ускорению снижения фракции воды в дизельном топливе.
Работа на дизельном топливе, необходима в процессе холодного пуска, чтобы избежать увеличения выбросов несгоревших углеводородов по сравнению с базовой работой дизеля. Такая работа достигается путем замены, эмульсионного топлива, которое все еще присутствует в системе линии и в эмульгирующем устройстве, посредством сливного устройства, в ходе выполнения процесса предыдущей остановки двигателя. Удаленная эмульсия возвращается через систему утечки после отделения в сепараторе воды от дизтоплива, в баки для дизтоплива и воды. Поэтому нет необходимости в дополнительной эмульсионной промежуточной магистрали.
В соответствии с изобретением, способ и эмульгирующее устройство могут быть использованы не только в общих магистралях или инжекционных магистралях систем, но и в обычных системах насосных инжекционных линий. Системы насосных инжекционных линий понимаются ниже, также как системы, имеющие нагнетательный насос, в которых насос и инжектор размещены в общем корпусе.
В насосную систему такого рода инжекционные линии (далее также система PLD), целесообразно, интегрировать эмульгирующую систему в контур подачи низкого давления топливного насоса.
Возможность быстрого изменения концентрации воды в эмульсии вода-дизтопливо остается, практически без изменений. Работа на чистом дизтопливе, которая является предпочтительной для процессов остановки и запуска может быть достигнута с помощью процессов смыва в области низкого давления системы.
Дизельные двигатели, которые уже оснащены эмульгирующим устройством в соответствии с изобретением и/или эмульгирующими устройствами в соответствии с изобретением могут также использоваться и для работы с другими эмульсионными топливами. Дизельное топливо, биодизельное топливо и/или синтетическое дизельное топливо может содержаться в эмульсионном топливе. Другой компонент, который не смешивается с вышеупомянутым компонентом(ами), может содержаться в эмульсионном топливе как еще один компонент эмульсионного топлива. Другим компонентом могут предпочтительно выступать вода или водно-спиртовые смеси.
Предпочтительно, чтобы водная фракция в эмульсии вода-дизтопливо регулировалась устройством управления. Предпочтительно дополнительное устройство управления для управления эмульгирующим устройством. Регулировку предпочтительно осуществляют в зависимости от нагрузки двигателя, скорости вращения двигателя и/или температуры охлаждающей воды. Кроме того, в качестве альтернативы или в дополнение к регулировке водной фракции в эмульсии вода-дизтопливо, замена топливной эмульсии вода-дизтопливо с использованием дизельного топлива, например, в процессе промывки при отключении двигателя, могут регулироваться этим устройством управления.
В соответствии с первым объектом изобретения, предложен способ эксплуатации дизельного двигателя (1) натопливной эмульсиивода-в-дизтопливе. При этом дизельное топливо и вода подаются в основной канал (30, 139), предпочтительно в пропорции, задаваемой режимом работы, и при варьируемом давлении, задаваемом дизельной топливной магистралью (5), и предварительно перемешиваются гидродинамическим способом, при котором смесь вода-дизтопливо высасывается из основного канала (30, 139) в первую камеру насоса (33, 142) и одновременно поступает назад в основной канал (30, 139), предпочтительно с помощью гидравлически управляемого поршня (27, 136), через эмульгирующее отверстие или дроссель (28, 137) преимущественно, из второй камеры насоса (36, 145).
Согласно одному из вариантов, дизельное топливо и воду смешивают как можно ближе к инжектору (6, 104) или инжекционному вентилю или форсунке впрыска, предпочтительно, в части высокого давления системы впрыска (3), предпочтительно, для улучшения или минимизации времени реакции между изменением водной фракции в эмульсии и поступлением ее на выход инжектора (6, 104) и/или форсунке впрыска.
Согласно одному из вариантов, при выключении дизельного двигателя (1), во время фазы впрыскивания перед его остановкой, топливная эмульсия вода-в-дизтопливе, присутствующая в эмульгирующем устройстве (2, 101) и/или в инжекционной линии, предпочтительно,
в инжекционной линии (4, 103) между эмульгирующим устройством (2, 101) и инжектором (6, 104),
в инжекторе (6, 104) или вентиле впрыска и/или форсунке впрыска,
последовательно заменяется текущим дизельным топливом, предпочтительно, в результате открытия сливного вентиля (20, 124).
Согласно одному из вариантов, утечки топлива, которые происходят в результате утечек инжекторов (6, 104) или инжекционных вентилей и/или форсунок впрыска, и/или эмульсионное топливо, которое должно быть слито при промывке эмульгирующего устройства (2, 101) и соответствующих инжекционных линий впрыска (4, 103), выводятся в линию утечки (38, 125, 156), в которой эта утечка разделяется в сепараторе воды (21, 126) на обезвоженное дизельное топливо и воду и предпочтительно подается обратно в соответствующие баки (7, 14).
Согласно одному из вариантов, в больших и/или многоцилиндровых дизельных двигателях (1) топливная эмульсия вода-в-дизтопливе приготавливается в эмульгирующем устройстве (2, 101) перед каждым инжектором (6, 104) или вентилем впрыска и/или каждой форсункой впрыска, причем мертвый объем, в частности объем топливной линии, между эмульгирующим устройством (2, 101) и инжектором (6, 104) или вентилем впрыска и/или форсункой впрыска составляет менее половины максимального объема, впрыскиваемого за каждый рабочий цикл.
Согласно одному из вариантов, фракция воды в эмульсии вода-дизтопливо регулируется, предпочтительно, дополнительным устройством управления (22, 130), предпочтительно в зависимости от состава эмульсии вода-дизтопливо, присутствующей в циркуляционном трубопроводе (155), нагрузки на двигатель (М), частоты вращения двигателя (D) и/или температуры охлаждающей воды (TK), и/или тем, что замена эмульсии вода-дизтопливо дизельным топливом регулируется предпочтительно дополнительным устройством управления (22, 130).
Согласно одному из вариантов, в первом рабочем цикле эмульгирующего устройства (2, 101) эмульсия вода-дизтопливо всасывается в первую камеру насоса (33, 142) и передается из второй камеры насоса (36, 145) в основной канал (30, 139), и во втором рабочем цикле эмульгирующее устройство транспортирует эмульсию вода-дизтопливо из второй камеры насоса (36, 145) в первую камера насоса (33, 142).
В соответствии со вторым объектом изобретения, предложено эмульгирующее устройство (2, 101) для подготовки топливной эмульсии вода-в-дизтопливе, предпочтительно для дизельного двигателя (1). При этом эмульгирующее устройство (2, 101) выполнено таким образом, что дизельное топливо и воду в пропорции, преимущественно задаваемой режимом работы, подают в основной канал (30, 139), предпочтительно при переменном давлении, заданном дизельной топливной магистралью (5), и предварительно перемешивают гидродинамическим способом, при котором смесь вода-дизтопливо высасывают из основного канала (30, 139) в эмульгирующий цилиндр и/или первую камеру насоса (33, 142) и одновременно она поступает назад в основной канал (30, 139), предпочтительно с помощью гидравлически управляемого поршня (27, 136), через эмульгирующее отверстие или дроссель (28, 137) преимущественно, из второй камеры насоса (36, 145).
Согласно одному из вариантов, объем второй насосной камеры (36, 145) не более чем в три раза и/или по меньшей мере в два раза превышает объем эмульсии вода-дизтопливо, который максимально впрыскивается в каждом рабочем цикле, и/или частота циклов эмульгирующего устройства (2, 101), предпочтительно поршня (27, 136), может регулироваться в зависимости от
инжектированного количества эмульсии вода-дизтопливо, причем
объем топливной эмульсии вода-дизтопливо, проходящей через эмульгирующий дроссель (28, 137) за период времени, превышает по меньшей мере в два раза и/или, но не более чем в три раза объем топливной эмульсии вода-дизтопливо, который впрыскивается за тот же период времени.
Согласно одному из вариантов, в эмульгирующем дросселе (28, 137) создается давление не менее 100 Мпа для эмульгирования смеси вода-дизтопливо.
Согласно одному из вариантов, с целью улучшения скорости реакции между изменением фракции воды в эмульсии и доставкой эмульсии эмульгирующее устройство (2, 101) располагается как можно ближе к инжектору (6, 104) или инжекционному вентилю и/или форсунке впрыска.
Согласно одному из вариантов, сливной вентиль (20, 124) предпочтительно расположен непосредственно перед инжектором (6, 104) или инжекционным вентилеми/или форсункой впрыска и может быть открыт при выключении дизельного двигателя (1) во время фазы впрыскивания перед его остановкой, так что эмульсия вода-дизтопливо, присутствующая в эмульгирующем устройстве (2, 101) и инжекционной линии (4, 103), последовательно заменяется поступающим дизельным топливом.
Согласно одному из вариантов, эмульгирующее устройство (2, 101) имеет ответвляющийся канал (31, 14 0) для высасывания эмульсии вода-дизтопливо из основного канала (30, 139) в первую камеру насоса (33, 142) и/или соединительный канал (34, 143) для подачи эмульсии вода-дизтопливо из первой камеры насоса (33, 142) и второй камеры насоса (36, 145), предпочтительно оснащенный невозвратным вентилем (35, 144), который предотвращает обратный ток эмульсии вода-дизтопливо из второй камеры насоса (36, 145) в первую камеру насоса (33, 142) и/или невозвратный вентиль (32, 141), который предотвращает обратный ток эмульсии вода-дизтопливо из первой камеры насоса (33, 142) в основной канал (30, 139).
Согласно одному из вариантов, первая камера насоса (33, 142) и вторая камера насоса (36, 145) механически соединены, предпочтительно с помощью поршня (27, 136), так, что сумма объемов первой камеры насоса (33, 142) и второйкамеры насоса (36, 145) всегда остается постоянной во время работы эмульгирующего устройства.
Согласно одному из вариантов, поршень (27, 136) имеет механические уплотнения (151), изготовленные из PTFE, и/или контактные поверхности цилиндра, взаимодействующие с поршнем (27, 136), имеют CLD покрытие.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение поясняется ниже на примерных эскизах на основе фигур.
Фиг. 1 показывает схему системы с 6-цилиндровым двигателем и эмульгирующим устройством, связанным с каждым отдельным цилиндром,
Фиг. 2 показывает схему системы с 6-цилиндровым двигателем и эмульгирующими устройствами, каждое из которых связанно с двумя цилиндрами,
Фиг. 3 показывает схематическое представление эмульгирующего устройства в соответствии с изобретением,
Фиг. 4 показывает схематическое представление другого эмульгирующего устройства в соответствии с изобретением для систем, работающих по принципу впрыска насос-линия-форсунка, и
Фиг. 5 показывает схему системы для системы впрыска, работающей по принципу впрыска насос-линия-форсунка.
На чертежах одинаковые или подобные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и соответствующими характеристиками и преимуществами, возникающими, даже если их повторное описание опущено для простоты.
Фиг. 1 дает схематическое представление предлагаемого дизельного двигателя 1 конкретно, с несколькими предложенными эмульгирующими устройствами 2, которые предпочтительно интегрированы в систему впрыска 3 дизельного двигателя 1 или связанны с ним.
В частности, эмульгирующие устройства 2 конкретно использованы или интегрированы в линии высокого давления или впрыска 4 между дизтопливной магистралью или коллектора магистралей 5 и форсунок, нагнетательных вентилей или форсунок 6. Предлагаемый дизельный двигатель 1 может работать с эмульсией вода-дизтопливо переменного состава вплоть до дизельного топлива.
Двигатель 1 и/или система впрыска 3 предпочтительно имеют дизельный топливный бак 7, а дизельный нагнетательный насос 8, топливный фильтр 9, топливный счетчик 10, в частности, счетчик объема топлива, и/или топливный насос высокого давления 11 в линию подачи и в коллектор магистралей 5. Топливный насос высокого давления 11 и/или коллектор магистралей 5 предпочтительно может иметь контроль высокого давления 112 и/или возврат топлива 113 в топливный бак 7. Преимущественно датчик давления 111 интегрирован в дизельную магистраль и выдает измеренные сигналы текущего давления дизельного топлива в магистрали в устройство управления 22.
Линия утечки или возврата 12 ведет из коллектора магистралей 5 и/или от топливного насоса высокого давления 11 через топливный счетчик 13 обратно в топливный бак 7.
Каждое эмульгирующее устройство 2 может быть предпочтительно снабжено топливом, в частности, дизельным топливом, а также компонентами для смешивания в нем, в данном случае воды.
В изображенном примере, двигатель 1 и/или система впрыска 3 предпочтительно содержит водяной бак с водой 14, водяной нагнетательный насос 15, фильтр воды 16 и/или дозирующее устройство 17, в частности дозирующий насос и/или насос высокого давления, для обеспечения или подачи воды к дозирующим устройствам 2.
Двигатель 1 и/или система впрыска 3 и/или соответствующее эмульгирующее устройство 2 и/или дозирующее устройство 17 предпочтительно содержат гидравлический привод, в частности, насос переменной производительности 18 и/или вентиль 19, в частности, для обеспечения или подачи воды или другой гидравлической жидкости при изменении и/или регулировке давления.
Особенно предпочтительно, чтобы эмульгирующее устройство обеспечивалось параллельно водой и/или соединялось параллельно дозирующему блоку 17.
В изображенном примере, отдельное или специальное эмульгирующее устройство 2 предпочтительно было связано с каждым цилиндром и/или каждым инжектором 6. Однако несколько нагнетательных вентилей и/или инжекторов 6 также могут быть подключены к общему эмульгирующему устройству 2, как будет объяснено более подробно ниже в отношении другого варианта исполнения согласно Фиг. 2.
Двигатель 1 и/или система впрыска 3 предпочтительно содержит сливные вентили 20 соответственно связанные с эмульгирующим устройством 2 и, в частности, соответственно, размещаются в линии впрыска 4 между соответствующим эмульгирующим устройством 2 и соответствующим инжектором 6.
Сливные вентили 20 и/или линии утечки 38 инжекторов 6 предпочтительно подключены к сепаратору воды 21. Когда сливные вентили 20 открыты, эмульгирующие устройства 2 и линии впрыска 4 могут быть промыты дизельным топливом, остаточные количества дизельного топлива и воды выводятся через сепаратор воды 21 и разделяется на дизельное топливо и воду. Отделенное дизельное топливо подается обратно через возвратный трубопровод 12 в топливный бак 7. Отделенная вода подается обратно через соответствующий обратный трубопровод в водяной бак 14.
Двигатель 1 предпочтительно имеет устройство управления 22, преимущественно при работе на эмульсии, которое управляет или регулирует фракцию воды, предпочтительно, в зависимости от рабочих параметров и/или режима работы двигателя, особенно преимущественно, в зависимости от нагрузки на двигатель М, частоты вращения двигателя D, и/или температуры охлаждающей жидкости K причем водную фракцию смешивают с дизельным топливом с помощью эмульгирующих устройств 2.
В частности, ввод фракции воды в эмульсионное топливо вода-в-дизтопливе возможен благодаря соответствующему эмульгирующему устройству 2, которое таким образом, изменяет или варьирует или приспосабливает ее в зависимости от режима работы двигателя.
На Фиг. 1 прерывистыми линиями показаны соответствующие предпочтительные и/или дополнительные соединения сигналов, линии управления и линии устройства управления 22 с соответствующими компонентами.
Эмульгирующие устройства 2 предпочтительно работают механически.
Подобные иллюстрации на рис. 2 показывают дизельный двигатель 1 в соответствии с другим вариантом исполнения, инжекторы 6 соединены попарно с общим эмульгирующим устройством 2. В остальном, эти замечания и пояснения по отношению к варианту согласно Фиг. 1 применяются соответственно или дополнительно.
Фиг. 3 показывает схематическое представление в разрезе предпочтительного варианта исполнения предлагаемого эмульгирующего устройства 2.
Эмульгирующее устройство 2 предпочтительно имеет входное отверстие 23 для дизельного топлива и впускное отверстие 24 для воды, а также выпускное отверстие 25 для топливной эмульсии вода-в-дизтопливе.
Эмульгирующее устройство 2 предпочтительно имеет механический предварительный эмульгатор 26. Однако это необязательно. Предварительный эмульгатор предпочтительно представляет собой турбулентный смеситель.
Эмульгирующее устройство 2 предпочтительно имеет смесительное устройство, в частности с гидроприводом или подвижным поршнем 27 и/или эмульгирующий дроссель 28 для механического эмульгирования.
Эмульгирующее устройство 2, необязательно имеет демпфер 29 перед выходным отверстием 25. Колебания давления перед инжектором могут достигать поршня 27 и уменьшаются демпфером 29.
Эмульгирующее устройство 2 имеет основной канал 30, через который дизельное топливо и вода, поступают через впускные отверстия 23 и 24, и протекают к выпускному отверстию 25 через дополнительный предварительный эмульгатор 26 и опциональный демпфер 29.
Поршень 27 и связанный с ним эмульгирующий дроссель 28 образуют механическое перемешивающее устройство для смешивания воды и дизельного топлива. Это смесительное устройство, частично, подключено к каналу 30, особенно предпочтительно, между предварительным эмульгатором 26 и демпфером 29.
Устройство смешивания предпочтительно работает механически и, преимущественно, с гидравлическим приводом.
В частности, поршень 27 образует поршневой насос, который обеспечивает поток через или перекачивает воду и дизельное топливо для смешивания в эмульгирующий дроссель 28, в частности, отверстие с малым поперечным сечением предпочтительно приблизительно 0,2 мм. Предпочтительно, эмульгирующий дроссель 28 имеет отверстие дросселя с диаметром от 0,15 мм до 0,25 мм. Предпочтительна разность давлений на дросселе не менее 100 МПа.
Предпочтительно, эмульгирующее устройство 2 и/или смесительное устройства имеет ответвленный канал 31, невозвратный вентиль 32, расположенный в ответвленном канале 31, первую камеру насоса 33, соединительный канал 34, невозвратный вентиль 35, расположенный в соединительном канале 34 и/или вторую камеру насоса 36.
Ответвленный канал 31 отходит от основного канала 30 и соединяет главный канал 30 и первую камеру насоса 33.
Канал связи 34 соединяет первую камеру насоса 33 и вторую камеру 36 насоса.
Поршень 27 который предпочтительно выполнен в виде ступенчатого поршня, выполнен так, что может перемещаться назад и вперед с помощью соответствующего привода, предпочтительно, гидравлическим приводом, в частности, через соразмерный установленному в рабочем цилиндре 37, в результате чего поршень 27 попеременно увеличивает и уменьшает размер обоих рабочих камер 33 и 36 для того, чтобы вывести дизельное топливо и воду через ответвленный канал 31 из основного канала 30 и, наконец, перекачивать их через эмульгирующий дроссель 28 обратно в основной канал 30. Таким способом, образуется система с замкнутым контуром в котором объем смеси удаляемый через ответвленный канал 31 за единицу времени точно соответствует объему эмульсии, подаваемой снова в течение того же времени через эмульгирующий дроссель 28 в главный канал 30.
Предпочтительно, чтобы рабочий цилиндр 37 соответствующим образом заполнялся от варьируемого насоса 18 сжатой гидравлической жидкости, такой как гидравлическое масло или вода, для того чтобы осуществить желаемое приведение в действие поршня 27. Однако, возможны также и другие конструктивные исполнения.
Фракция воды в топливной эмульсии вода-в-дизтопливе, выходящей из эмульгирующего устройства 2, преимущественно зависит от количества воды, которое подается через впускное отверстие 24. Эта фракция воды задается дозирующим насосом или дозирующим устройством 17. Предпочтительно также, чтобы оно было с гидравлическим приводом и/или предпочтительно регулировалось с помощью устройства 22 управления.
Частота движения поршня 27 предпочтительно контролируется с помощью устройства 22 управления. Предпочтительно также предусмотреть, измерительную систему перемещения поршня 150. Измеряя частоту движения поршня 27 и/или хода поршня, можно контролировать и/или регулировать объем эмульсии вводимой через эмульгирующий дроссель 28 в основной канал 30.
Преимущественно, это может быть достигнуто путем контроля и/или мониторинга частоты поршня 27 и/или хода поршня 27, поскольку, эмульсия не может покидать насосные камеры 33 и 36 каналы 31 и 34 и попадает в основной канал 30, а из него в инжектор 6, во время промывки основного канала 30 и/или инжекционной линии 4, ведущей к инжектору. Это улучшенный мониторинг и управление поршнем 27 во время промывок основного канала 30 является преимущественным, особенно, при выключении двигателя и/или во время пуска двигателя.
Преимущественно, контактные поверхности цилиндра и эмульгирующего поршня 27 снабжены CLD покрытием. Альтернативно или в дополнительно, предпочтительно, чтобы поршень имел 27 PTFE механические уплотнения 151. Это делает возможным низкие коэффициенты трения при одновременно высокой герметичности. Преимущественно, канал возврата 152, через который проходят утечки эмульсии, т.е. утечки эмульсии, которые проникают через механические уплотнения 151, могут выводиться из эмульгирующего устройства 2. Преимущественно эти утечки эмульсии подают в сепаратор воды 21. Это особенно выгодно в этом отношении отводить эти утечки эмульсии к сепаратору воды 21 через линию утечки.
Другой вариант предлагаемого способа и предлагаемого эмульгирующего устройства и предлагаемого дизельного двигателя поясняется ниже более подробно на основе других чертежей, предыдущие замечания и объяснения применяются частично, аналогично или в дополнение, даже если это четко не описывается. Кроме того, отдельные признаки и аспекты различных вариантов осуществления также могут быть скомбинированы друг с другом или же быть реализованы отдельно друг от друга.
На Фиг. 4 показано другое эмульгирующее устройство 101 в соответствии с изобретением. Оно имеет поршень 136. Частота движения поршня 136 предпочтительно контролируется с помощью устройства управления 130. Предпочтительно, чтобы также была предусмотрена система измерения движения поршня 150. Измеряя частоту перемещения поршня 136 и/или ход поршня, можно контролировать и/или регулировать объем эмульсии вводимый через эмульгирующий дроссель 137 в главный канал 139.
Преимущественно, это может быть обеспечено путем контроля и/или мониторинга частоты поршня 136 и/или хода поршня 136, что бы эмульсия не могла, выходить из камер насоса 142 и 145 и каналов 140 и 143, и попадать в основной канал 139, и следовательно, к инжектору 104 при промывке основного канала 139 и/или инжекционной линии 127, ведущей к инжектору. Этот преимущественный мониторинг и контроль поршня 136 при промывке основного канала 139 является особенно выгодным при выключении двигателя и/или пуске двигателя.
Предпочтительно, чтобы контактные поверхности цилиндра эмульгирующего поршня 136 были снабжены CLD покрытием. Альтернативно или в дополнение, предпочтительно, чтобы поршень 136 имел PTFE механические уплотнения 151. Что делает возможным низкие коэффициенты трения при одновременно высокой герметичности. Преимущественно, наличие канала возврата 152, через который выводятся утечки эмульсии, которые проникают через механические уплотнения 151, и могут выгружаться из эмульгирующего устройства 101. Преимущественно, эти утечки эмульсии подают в сепаратор воды 126. Это особенно выгодно в отношении подачи утечки эмульсии к сепаратору воды 126 через линию утечки 125 (для объединения линии 125 утечки и сепаратора воды 126, см. Фиг. 5).
Эмульгирующее устройство 101 показано на Фиг. 4, особенно подходит для использования в дизельных системах впрыска с кулачковым приводом насосных элементов. Это схематично показано на насосе 157 на Фиг. 5. Насос 157 питает инжектор или форсунку инжектора 104. Насос 147 питается от циркуляционного трубопровода 155 дизтопливом и/или эмульсионным топливом. Циркуляционный трубопровод 155 имеет регулятор давления топлива 158. В циркуляционный трубопровод 155, топливо и/или топливная эмульсия подается циркуляционным насосом 154.
Кроме того, циркуляционный трубопровод 155 имеет датчики 153 для мониторинга содержания воды в эмульсионном топливе. Датчики 153 также используются для управления сливным вентилем 124. При открывании сливного вентиля 124, эмульгирующее устройство 101 и/или циркуляционный трубопровод 155 могут быть промыты дизельным топливом. Это происходит частично во время остановки и/или при пуске дизельного двигателя. Топливная эмульсия накопления в течение этих процессов промывки и/или отмеривания количества топлива, накапливающегося в регуляторе подачи давления 158 и/или утечки инжектора 104, может подаваться по трубопроводу утечки 125 к сепаратору воды 126. Сепаратор воды 126 используется для разделения дизельного топлива и воды. Вода отделяется от дизельного топлива и подается через линию возврата воды 129 в бак для воды 116. Дизельное топливо отделяется от воды, и подаются через дизельную линию возврата 128 для дизельного топлива в дизельный бак 105.
Чтобы выполнить интеграцию в циркуляционный трубопровод 155, эмульгирующее устройство, схематически изображенное на Фиг. 4, имеет дополнительный впуск 159. Этот дополнительный впуск 159 подключен к циркуляционной линии 155. Выход 134 эмульгирующего устройства 101 также подключен к циркуляционной линии 155. В результате, основной канал 139 эмульгирующего устройства 101 образует часть контура, образованного циркуляционной линией 155. Эмульгирующее устройство 101 также имеет вход 131 для впуска дизельного топлива и вход 132 для впуска воды. Величины и/или количество потоков подаваемых через входы 131 и/или 132 предпочтительно могут управляться устройством управления 130, преимущественно способом, основанным на характеристиках. Предпочтительно, чтобы входное отверстие 132 для впуска воды имело невозвратный вентиль 133, который предотвращает обратный поток воды.
Предложены способ и эмульгирующее устройство для работы дизельного двигателя на топливной эмульсии вода-в-дизтопливе, водная фракция варьируется в зависимости от режима работы двигателя и/или эмульгирующего устройства и/или частями инжекционной линии, промываемыми чистым дизельным топливом при выключении двигателя.
Перечень ссылочных символов:
| 1 | дизельный двигатель | 30 | основной канал |
| 2 | эмульгирующее устройство | 31 | ответвленный канал |
| 3 | система впрыска | 32 | невозвратный вентиль |
| 4 | инжекторная линия | 33 | первая камера насоса |
| 5 | коллектор магистралей | 34 | соединительный канал |
| 6 | инжектор | 35 | невозвратный вентиль |
| 7 | бак с дизельным топливом | 36 | вторая камера насоса |
| 8 | нагнетательный насос дизельного топлива | 37 | рабочая камера или цилиндр |
| 9 | топливный фильтр | 38 | линия утечки |
| 10 | счетчик топлива (линии подачи) | 101 | эмульгирующее устройство |
| 103 | линия впрыска | ||
| 11 | топливный насос высокого давления | 104 | инжектор |
| 105 | бак с дизельным топливом | ||
| 12 | линия возврата | 106 | нагнетательный насос дизельного топлива |
| 13 | топлива счетчик (линии возврата) | ||
| 107 | топливный фильтр | ||
| 14 | водяной бак | 108 | счетчик дизельного топлива (линии подачи) |
| 15 | водяной насос высокого давления | ||
| 111 | датчик 111 давления | ||
| 16 | фильтр воды | 112 | управление высоким давлением |
| 17 | дозирующий блок (воды) | ||
| 18 | варьируемый насос | 113 | возврат топлива |
| 19 | вентиль | 116 | водяной бак |
| 20 | сливной вентиль | 117 | водяной насос высокого давления |
| 21 | водяной сепаратор вода | ||
| 22 | устройство управления | 118 | фильтр воды |
| 23 | вход (дизельное топливо) | 119 | дозирующий блок (вода) |
| 24 | вход (вода) | 120 | варьируемый насос |
| 25 | выход | 121 | вентиль |
| 26 | предварительный эмульгатор | 122 | гидравлическая система (блока эмульгации) |
| 27 | поршень | 123 | гидравлическая система (дозирующего устройства) |
| 28 | эмульгирующий дроссель | ||
| 29 | демпфера | 124 | сливной вентиль |
| 125 | линия утечки | линии) | |
| 126 | сепаратор воды | 155 | циркуляционная линия |
| 128 | возвратная линия дизельного топлива | 156 | линия утечки |
| 157 | насос | ||
| 129 | возвратная линия 129 воды | 158 | регулятор давления топлива |
| 130 | устройство 130 управления | ||
| 131 | ввод (дизельное топливо) | 159 | вход |
| 132 | ввод (вода) | D | скорость двигателя |
| 133 | невозвратный вентиль (подачи воды) | TK | температура охлаждающей воды |
| 134 | впрыск | M | нагрузка двигателя |
| 135 | предварительный эмульгатор | ||
| 136 | поршень | ||
| 137 | эмульгирующий дроссель | ||
| 138 | заслонка | ||
| 139 | основной канал | ||
| 140 | ответвленный канал | ||
| 141 | невозвратный вентиль | ||
| 142 | первая камера насоса | ||
| 143 | соединительный канал | ||
| 144 | невозвратный вентиль | ||
| 145 | вторая камера насоса | ||
| 146 | гидравлический поршень | ||
| 147 | рабочая камера | ||
| 148 | соединительный канал (гидравлическая система) | ||
| 149 | соединительный канал (гидравлической системы) | ||
| 150 | датчик положения поршня | ||
| 151 | механические уплотнители | ||
| 152 | возвратный канал | ||
| 153 | датчики | ||
| 154 | насос (циркуляционной |
1. Способ эксплуатации дизельного двигателя (1) на топливной эмульсии вода-в-дизтопливе, отличающийся тем, что дизельное топливо и вода подаются в основной канал (30, 139), предпочтительно в пропорции, задаваемой режимом работы, и при варьируемом давлении, задаваемом дизельной топливной магистралью (5), и
предварительно перемешиваются гидродинамическим способом, при котором смесь вода-дизтопливо высасывается из основного канала (30, 139) в первую камеру насоса (33, 142) и одновременно поступает назад в основной канал (30, 139), предпочтительно с помощью гидравлически управляемого поршня (27, 136), через эмульгирующее отверстие или дроссель (28, 137) преимущественно, из второй камеры насоса (36, 145).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
дизельное топливо и воду смешивают как можно ближе к инжектору (6, 104) или инжекционному вентилю или форсунке впрыска, предпочтительно, в части высокого давления системы впрыска (3), предпочтительно, для улучшения или минимизации времени реакции между изменением водной фракции в эмульсии и поступлением ее на выход инжектора (6, 104) и/или форсунке впрыска.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при
выключении дизельного двигателя (1), во время фазы впрыскивания перед его остановкой, топливная эмульсия вода-в-дизтопливе, присутствующая в эмульгирующем устройстве (2, 101) и/или в инжекционной линии, предпочтительно,
в инжекционной линии (4, 103) между эмульгирующим устройством (2, 101) и инжектором (6, 104),
в инжекторе (6, 104) или вентиле впрыска и/или форсунке впрыска,
последовательно заменяется текущим дизельным топливом, предпочтительно, в результате открытия сливного вентиля (20, 124).
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что
утечки топлива, которые происходят в результате утечек инжекторов (6, 104) или инжекционных вентилей и/или форсунок впрыска, и/или эмульсионного топлива, которое должно быть слито при промывке эмульгирующего устройства (2, 101) и соответствующих инжекционных линий впрыска (4, 103),
выводятся в линию утечки (38, 125, 156), в которой эта утечка разделяется в сепараторе воды (21, 126) на обезвоженное дизельное топливо и воду и предпочтительно подается обратно в соответствующие баки (7, 14).
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в больших и/или многоцилиндровых дизельных двигателях (1) топливная эмульсия вода-в-дизтопливе
приготавливается в эмульгирующем устройстве (2, 101) перед каждым инжектором (6, 104) или вентилем впрыска и/или каждой форсункой впрыска, причем мертвый объем, в частности объем топливной линии, между эмульгирующим устройством (2, 101) и инжектором (6, 104) или вентилем впрыска и/или форсункой впрыска составляет менее половины максимального объема, впрыскиваемого за каждый рабочий цикл.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что
фракция воды в эмульсии вода-дизтопливо
регулируется, предпочтительно, дополнительным устройством управления (22, 130), предпочтительно в зависимости от
состава эмульсии вода-дизтопливо, присутствующей в циркуляционном трубопроводе (155),
нагрузки на двигатель (М),
частоты вращения двигателя (D) и/или
температуры охлаждающей воды (TK), и/или
тем, что замена эмульсии вода-дизтопливо дизельным топливом регулируется предпочтительно дополнительным устройством управления (22, 130).
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что
в первом рабочем цикле эмульгирующего устройства (2, 101) эмульсия вода-дизтопливо всасывается в первую камеру насоса (33, 142) и передается из второй камеры насоса (36, 145) в основной канал (30, 139), и
во втором рабочем цикле эмульгирующее устройство транспортирует эмульсию вода-дизтопливо из второй камеры насоса (36, 145) в первую камеру насоса (33, 142).
8. Эмульгирующее устройство (2, 101) для подготовки топливной эмульсии вода-в-дизтопливе, предпочтительно для дизельного двигателя (1), отличающееся тем, что
эмульгирующее устройство (2, 101) выполнено таким образом, что дизельное топливо и воду в пропорции, преимущественно задаваемой режимом работы, подают в основной канал (30, 139), предпочтительно при переменном давлении, заданном дизельной топливной магистралью (5), и
предварительно перемешивают гидродинамическим способом, при котором смесь вода-дизтопливо высасывают из основного канала (30, 139) в эмульгирующий цилиндр и/или первую камеру насоса (33, 142) и одновременно она поступает назад в основной канал (30, 139), предпочтительно с помощью гидравлически управляемого поршня (27, 136), через эмульгирующее отверстие или дроссель (28, 137), преимущественно, из второй камеры насоса (36, 145).
9. Эмульгирующее устройство по п. 8, отличающееся тем, что
объем второй насосной камеры (36, 145) не более чем в три раза и/или по меньшей мере в два раза превышает объем эмульсии вода-дизтопливо, который максимально впрыскивается в каждом рабочем цикле, и/или частота циклов эмульгирующего устройства (2, 101), предпочтительно поршня (27, 136), может регулироваться в зависимости от
инжектированного количества эмульсии вода-дизтопливо, причем
объем топливной эмульсии вода-дизтопливо, проходящей через эмульгирующий дроссель (28, 137) за период времени, превышает по меньшей мере в два раза и/или, но не более чем в три раза объем топливной эмульсии вода-дизтопливо, который впрыскивается за тот же период времени.
10. Эмульгирующее устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что в эмульгирующем дросселе (28, 137) создается давление не менее 100 МПа для эмульгирования смеси вода-дизтопливо.
11. Эмульгирующее устройство по п. 10, отличающееся тем, что с целью улучшения скорости реакции между изменением фракции воды в эмульсии и доставкой эмульсии эмульгирующее устройство (2, 101) располагается как можно ближе к инжектору (6, 104) или инжекционному вентилю и/или форсунке впрыска.
12. Эмульгирующее устройство по п. 11, отличающееся тем, что сливной вентиль (20, 124) предпочтительно расположен непосредственно перед инжектором (6, 104) или инжекционным вентилем и/или форсункой впрыска и может быть открыт при выключении дизельного двигателя (1) во время фазы впрыскивания перед его остановкой, так что эмульсия вода-дизтопливо, присутствующая в эмульгирующем устройстве (2, 101) и инжекционной линии (4, 103), последовательно заменяется поступающим дизельным топливом.
13. Эмульгирующее устройство по п. 12, отличающееся тем, что эмульгирующее устройство (2, 101) имеет ответвляющийся канал (31, 140) для высасывания эмульсии вода-дизтопливо из основного канала (30, 139) в первую камеру насоса (33, 142) и/или соединительный канал (34, 143) для подачи эмульсии вода-дизтопливо из первой камеры насоса (33, 142) и второй камеры насоса (36, 145), предпочтительно оснащенный невозвратным вентилем (35, 144), который предотвращает обратный ток эмульсии вода-дизтопливо из второй камеры насоса (36, 145) в первую камеру насоса (33, 142) и/или невозвратный вентиль (32, 141), который предотвращает обратный ток эмульсии вода-дизтопливо из первой камеры насоса (33, 142) в основной канал (30, 139).
14. Эмульгирующее устройство по п. 13, отличающееся тем, что первая камера насоса (33, 142) и вторая камера насоса (36, 145) механически соединены, предпочтительно с помощью поршня (27, 136), так что сумма объемов первой камеры насоса (33, 142) и второй камеры насоса (36, 145) всегда остается постоянной во время работы эмульгирующего устройства.
15. Эмульгирующее устройство по п. 14, отличающееся тем, что поршень (27, 136) имеет механические уплотнения (151), изготовленные из PTFE, и/или контактные поверхности цилиндра, взаимодействующие с поршнем (27, 136), имеют CLD покрытие.
