CN103080524B - 偶极摩擦电喷射器喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料喷射器构造，其利用强电场和可选的磁场处理诸如汽油燃料的介电流体，以形成用于在内燃机中燃烧的均质带电燃料或燃料/空气混合物。电场由摩擦电偶极提供，磁场由永磁体提供。产生小带电燃料颗粒，该小带电燃料颗粒比未处理的颗粒更加容易燃烧。增大了燃料效率，并且降低了排放。

Description

偶极摩擦电喷射器喷嘴

本申请要求2010年8月10日提交的美国临时专利申请No.61/372,292的优先权。该临时申请整体以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于内燃机的燃料喷射器/化油器喷嘴的领域。

背景技术

为了形成小燃料颗粒的目的已经进行了许多的努力，小燃料颗粒形成更容易在内燃机中燃烧的均质混合物。一个值得主动研究的领域是自由基活化燃烧（RAC）。在这种构造中，燃料自由基被引入到燃烧室中，以增强燃烧。这样的状态的成功范例在两循环发动机中已经得到证实。两循环气缸保持自由基不进行前燃烧循环，并且在没有火花塞作为点火源的情况下发生燃烧。气缸在起作用时充满了许多在气缸中引发燃烧的“火花塞”。

另一种发动机类型被称为均质混合气压燃发动机（HCCI）。该发动机试图以类似的均质汽油混合物形成柴油状的构造。在从低负荷到高负荷的整个完整范围内，引发燃烧的手段对于该发动机而言都存在问题。

柴油发动机中烟灰的形成主要出现在将燃料引入到气缸内热的压缩空气中的第一阶段。柴油发动机中消除烟灰形成的进展已经集中于通过将燃料喷射器的压力增大到极高的压力来产生小燃料颗粒。所得到的燃料供应系统在现代柴油发动机中可能高达发动机总成本的35%。但是仅仅获得了增加的结果，而现代“清洁的”柴油需要再生的颗粒捕集器和氮氧化物捕集器。政府颁布的排放要求越来越严格。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有喷嘴的燃料喷射器，该喷嘴中形成有电场，并且可选地形成有磁场，以改善用于燃烧的燃料和燃料/空气混合物的状态。

附图说明

图1为如本文所述的用于燃料喷射器的偶极喷嘴的实例的透视图。

图2为图1所示的偶极喷嘴的前视图。

图3为如本文所述的包括喷嘴的化油器系统的示意图。

图4为如本文所述的具有喷嘴的电子燃料喷射器的示意图。

具体实施方式

以最简单的术语，本发明描述了一种燃料喷射器，其利用电场和可选的磁场来处理流体，例如内燃燃料或燃料/空气混合物。通过使这些燃料经受电场和磁场，能够获得均质带电燃料或燃料/空气混合物以用于内燃机中的燃烧。通过摩擦电偶极产生电场，并且由永磁体提供磁场。由此处理所得到的带电燃料颗粒比未处理的燃料颗粒更加容易燃烧。在燃料喷射器中进行燃料或燃料/空气混合物的这种处理，具体是在燃料喷射器的喷嘴中，在该燃料或燃料/空气混合物进入燃烧气缸中的进气口处或附近。

为了本公开的目的，术语喷射器被宽泛地用来涵盖例如用于直喷式汽油发动机或常规喷射发动机的燃料喷射器和用来将燃料进给到化油器中的化油器喷嘴。这些喷射器和喷嘴可以在工程上设计为由初始设备制造者使用，或者用于已有车辆的零部件需要。

当与诸如介电燃料的流动材料接触时，某些材料（尤其是介电塑料表面）将带电。电荷可以是正的或负的。电荷的符号通过将材料放置在摩擦电标度上而示出。以下的表1中列出了摩擦电序中的部分材料列表。

表1

应该指出的是，多种金属在摩擦电序中是相同的。这些金属通常不如例如包括玻璃和各种聚合物（塑料）的列表中的介电材料那么有效。金属通常具有高的导电性，将快速地耗散所形成的摩擦电电荷。另一方面，介电材料将能够更好地保持电荷，因此产生较强的电场。

具有相反电荷的带电材料在彼此平行地定位时形成偶极，该偶极包括电子电压强度，该电子电压强度取决于相反的场强度的差。两者的电压强度将会是加成的，并且可以为数千伏。离开喷嘴且被充电至瑞利极限的带电颗粒在所谓的泰勒区域中变形为锥形形状。流体在该区域的末端处分散为大量的亚微米液滴。结果是形成均质燃料混合物。

参见摩擦电表，正或负等级的任何材料都将产生偶极。评定在正电荷标度的高端上的玻璃的表面将会与标度上接近最强负电荷的特氟隆良好匹配。相反的电场的强度是加成的，并且场强度与到带电表面的距离成反比。在偶极的情况下，越靠近表面，电场将会越高。相反的电场极性产生多个力线和最强的场。

流体流动速度是使燃料流体带电的重要因素。速度越高，产生的电荷越多。燃料路径以及对应的小排出孔口的面积越小，则电荷越少。这些电荷通常用这些相对术语表示，原因是由于许多动态变量而难以量化电荷。

仅仅已知的摩擦电带电商业应用是粉末涂料涂覆。通过喷枪出口处的任一高压电晕放电，粉末喷枪使涂料颗粒带电，或者喷枪内表面可以是通过接触使凸轮颗粒带电的单个摩擦电表面（例如特氟隆）。这是单个场带电机构，而不是如本文所述的处理液体的摩擦电偶极电场。

摩擦电偶极的一个实例将会是，Pyrex玻璃（派瑞克斯玻璃，耐热玻璃）作为正表面，特氟隆作为负表面。这两者都处于摩擦电标度上其各自标度电荷的高端处。此外，这两种材料都可以承受超过400°F的温度，这在内燃机设定中是有利的。

虽然偶极构造中的确切电场难以测量，但是单个表面摩擦电表面测量为处于或超过1,000伏。在一个实例中，电场强度为从大约200到10,000伏/米，或者从大约500到5000伏/米。在偶极构造中，两个电压（每个都为单独的1,000伏）将按照上述电力线进行加成，并且将产生在超过10,000伏/米的范围内的电场，尤其是在小间隔距离处。在另一个实例中，场强度为从大约200到20,000伏/米，或者从大约3000到5000伏/米。

磁场分量也施加到离开喷嘴的颗粒。磁场越强，效果越好。磁场强度随着距离呈指数下降。因此，期望的是，与流体流和喷嘴出口孔口位置具有最小磁体距离。永磁体的磁体强度可以从大约400高斯到15,000高斯，或者从大约1000到10,000高斯，或者从大约5000到8000高斯。

高强度的稀土永磁体串联地放置成靠近一位置，在该位置处，它们的磁场覆盖带电燃料颗粒从喷嘴离开的出口孔口处的流动。这些磁体具有与摩擦电喷嘴表面的端部处的电场垂直的优选取向。垂直的电场和磁场的垂直取向设置是有利的。当电场和磁场彼此垂直时，产生与这些场垂直的洛仑兹力。该力以泵送动作作用在燃料颗粒上。该文字描述指的是如“磁等离子流体动力推进器”这样的构造，以在颗粒上产生推力。当喷嘴用于喷嘴压降仅仅取决于大气压力的汽化式吸气发动机时，该推力将会是尤其有用的。结果形成动态泵-喷嘴。

当使用两个磁体时，它们定位在喷嘴孔口的大致相对的两侧上。它们相对于彼此以相反的极性取向，以在它们之间获得最大磁场强度。当以相反的极性取向时，获得加成的磁场强度。

磁体或多个磁体可以插入到凹陷部或凹槽中，该凹陷部或凹槽在端部处或者靠近喷嘴孔口而机加工到喷嘴中。或者，安装喷嘴的特定部位可以允许其它的机构结构，其中磁体可以定位成靠近喷嘴的孔口/端部。磁体或多个磁体与喷嘴的出口孔口的示例性距离可以为大约0.05到1.0英寸；或者可以为大约0.1到0.5英寸。该距离可以根据所使用的磁体的强度而变化。对于强度为大约4000高斯的磁体，与出口孔口的安装距离可以为大约0.1到1.5英寸。

以下参数被认为是与使得摩擦电喷嘴对流动和离开喷嘴的介电流体的非热等离子处理的影响最大化相关。该列表是非限制性的，全部参数之外额外的参数或者比全部参数少的参数可以应用于各种情况。

1.为了最大化电场强度，形成偶极材料的正、负材料在摩擦电标度上的间距应当最大化。

2.摩擦电材料之间应当构造最小距离，以用于最大化电场强度。电场强度可以为200-15,000伏/米，或者为1000到5000伏/米。

3.最小流动路径体积产生最大流动速度，以在介电燃料上获得最多的积聚电荷。根据可允许的压降，孔口深度应当为0.001英寸和以下的范围。孔口范围可以为0.001-0.060英寸，或者为0.005到0.01英寸。

4.永磁体的最大磁性强度应当在400高斯到15,000高斯的范围内。稀土磁体选自包括钐-钴、钕-铁-硼的两个组。

5.在流动排出点处极性相反的磁体之间的最小距离是有利的。

6.来自喷嘴的燃料和燃料/空气流的最大可允许压降是有利的。

7.对于相应的喷嘴位置，应当相对于操作的温度和压力状态优化在发动机内的位置。因为发动机状态可能是热的，所以可能有利的是使用Pyrex玻璃，其能够承受超过600°F的温度，特氟隆能够承受的温度为400°F，钐稀土磁体能够承受的温度为350°C。

实例

设定实验性单缸测试发动机，以测试结合有如本文所述的喷嘴的化油器。该发动机为6.5HP的单缸Briggs&Stratton发动机。化油器为具有两个空气流区段的实验性设计之一。一个是包含文丘里区段的初级空气流，其中实验性喷射器将被设置在文丘里空气流中，并且对应的流动真空通过喷口将来自汽油供给路线的燃料提升并且排出到初级空气供应装置中。次级空气流被供应到超过文丘里喷口的混合室，以便在整个气流通过吸入的方式进入气缸之前与额外的空气混合。一系列阀能够操纵空气流，以找到最佳的状态。

阀利用深度为0.003英寸的燃料递送孔口允许发动机在其超过3500RPM的整个操作范围内进行操作。在化油器进给点处的发动机气缸进气口的审查显示，在进气歧管中发生的燃烧明显是合适的。这表明期望的是，延迟发动机正时，以便使得气缸中发生的所有燃烧都是合适的。如果已经出现期望的均质电荷，那么这种观察将是期望的。期望的是，在上止点之后（ATDC）发生做功冲程，以最大化传递给曲轴的功率。

这种研究的成功在于，仅仅具有一个喷口（喷嘴）的极小孔口可以为发动机提供全RPM操作。证明了摩擦电偶极喷嘴的可行性。

现在转到附图，图1和2示出了喷嘴，该喷嘴具有的构造包括偶极通路，燃料和燃料/空气混合物可以穿过该偶极通路。喷嘴10包括铝支撑圆筒15，该铝支撑圆筒15具有贯穿的圆形孔16。沿着穿过铝圆筒15的孔16的内表面涂覆有聚合物涂层20。在这个实例中，涂层为聚四氟乙烯（PTFE或特氟隆）。孔16内侧定位有玻璃管状插入件25。在这个实例中，玻璃插入件25由Pyrex制成。或者，玻璃插入件25具有特氟隆膜20，该特氟隆膜收缩缠绕该玻璃插入件，然后插入到孔16中。总之，两种不同的摩擦电材料限定燃料流过的凹槽/通路37。Pyrex25的外径22与特氟隆涂层20的内径相同，或者稍稍小于特氟隆涂层20的内径。Pyrex插入件25还包括凹槽37，该凹槽沿着插入件25的纵向长度定位。凹槽37限定了开口或孔口35。燃料和燃料/空气混合物在该凹槽37中流动、然后从孔口35流动，而从喷嘴10流动。如图所示，凹槽37具有基本上平的底部38。

在这个实例中，孔口35的深度为0.003英寸。也就是，Pyrex插入件25的底部38与带涂层的孔16的内径部分39基本上平行，并且与该内径部分39相距.003英寸。孔口35的宽度为0.06英寸。

如图1和2所述，在喷嘴10中具有单个孔口35。当然，可以具有多个孔口，这些孔口可以在工程上被设计成围绕插入件25的周边。同样，单个凹槽37示出为处于插入件25中。或者，另一个凹槽或多个凹槽可以在工程上形成为处于涂层20中。另外，凹槽37可以是部分凹槽处于插入件25中，而部分凹槽处于涂层20中。

孔口35应当较窄，从而孔口的相对两侧上的摩擦电材料的表面将靠拢。这使得在燃料和燃料/空气流过通路和流出孔口35期间能够形成较好的阵列和较佳的电场。孔口和通路的深度可以为从大约0.001到0.1。或者，孔口和通路的深度可以为从大约0.002到0.01。

如图所示，插入件25由Pyrex（玻璃）制成，涂层20由聚合物特氟隆制成。或者，涂层20可以由玻璃制成，而插入件25由特氟隆制成。事实上，可以使用可选的材料。如上所述，最好是孔口和通路的相对两侧上的相应的材料将带上不同的电荷，如摩擦电序标度中所示。孔口和通路的一侧将是取自带正电电序的材料，而孔口和通路的另一侧将是选自带负电摩擦电序的材料。

现在转到图3，其示出了用于化油器50的系统内的喷嘴55。喷嘴55设定在燃料碗60中，并且将燃料吸入到化油器50的文丘里区段62中。初级空气流65与穿过喷嘴55的燃料混合，并且与次级空气流70混合。然后，燃料/空气混合物通过发动机进气口75进给到燃烧室中。喷嘴55具有孔口57，燃料碗60中的燃料从该孔口57被喷射到空气流65中。还如图3所示，磁体58成对地设置在空气和燃料/空气流的每一侧上，以靠近喷嘴55的孔口57形成磁场。

图4为燃料喷射器80的示意图。燃料81穿过喷射器，并且穿过喷嘴85，而从孔口87离开。如图所示，磁体90定位成靠近喷射燃料81的孔口87。

在说明书的教导下，本发明的其它实施例对于本领域技术人员而言将会是明显的。说明书和附图应当被认为仅仅是示例性的，本发明的真实范围和精神由以下的权利要求表示。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的燃料喷射器，所述喷射器包括：

喷嘴，所述喷嘴具有贯通的通路，燃料适于穿过所述通路；

其中所述通路由两个或更多个壁限定，第一壁由带正电的摩擦电序中的第一材料构成，第二壁由带负电的摩擦电序中的第二材料构成；以及

孔口，所述孔口处于所述通路的端部处，所述孔口为一开口，燃料适于从所述开口离开所述喷嘴。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述第一壁和所述第二壁基本上处于所述通路的相对两侧上。

3.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其中所述第一壁和所述第二壁每个都包括基本上平行的部分，所述第一壁和所述第二壁的平行的部分之间的距离为从0.001到0.06英寸。

4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中所述第一壁和所述第二壁每个都包括基本上平行的部分，所述第一壁和所述第二壁的平行的部分之间的距离为从0.001到0.01英寸。

5.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述第一材料选自包括玻璃、石英、尼龙、铅和铝的组。

6.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述第二材料选自包括丙烯酸类树脂、聚苯乙烯、橡胶、镍、铜、银、金、铂、醋酸酯、聚酯、苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、硅、特氟隆和硅树脂的组。

7.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其包括第一磁体，所述第一磁体靠近所述孔口安装在所述喷嘴上，由此穿过所述孔口的燃料经受来自所述磁体的磁场。

8.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其还包括第二磁体，所述第二磁体靠近所述孔口且在所述孔口的与所述第一磁体相对的一侧上安装在所述喷嘴上。

9.根据权利要求8所述的燃料喷射器，其中所述第一磁体和所述第二磁体中每个的磁体强度均为从400高斯到15,000高斯。

10.根据权利要求8所述的燃料喷射器，其中所述第一磁体和所述第二磁体中每个的磁体强度均为从1000到10,000高斯。

11.根据权利要求8所述的燃料喷射器，其中所述磁体为选自包括钐-钴和钕-铁-硼磁体的组的永磁体。

12.一种用于内燃机的燃料喷射器，所述喷射器包括：

喷嘴，所述喷嘴具有贯通的通路，燃料适于穿过所述通路；

圆形的孔，所述孔穿过所述喷嘴，所述孔上具有第一材料的涂层，该带涂层的孔限定了第一内径，

第二材料的圆形横截面的插入件，所述插入件的外径与该带涂层的孔的内径相同或稍小于该带涂层的孔的内径，其中所述插入件定位在所述孔中，

其中所述插入件的表面中具有纵向的凹槽，

其中所述凹槽和所述孔上的涂层的相邻表面形成穿过所述喷嘴的所述通路，

其中该第一材料的涂层由摩擦电序中的材料构成，所述插入件由摩擦电序中的第二材料构成，所述涂层和所述插入件在摩擦电序中具有相反的电荷，以及

孔口，所述孔口处于所述通路的端部处，所述孔口为一开口，燃料适于从所述开口离开所述喷嘴。

13.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中所述插入件中的所述凹槽包括底部表面，所述底部表面与所述孔的涂层的表面基本上平行，并且所述底部表面和所述孔的涂层的表面之间的距离为从0.001到0.06英寸。

14.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中所述插入件中的所述凹槽包括底部表面，所述底部表面与所述孔的涂层的表面基本上平行，并且所述底部表面和所述孔的涂层的相邻表面之间的距离为从0.001到0.01英寸。

15.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中所述插入件的所述孔的涂层的材料选自包括玻璃、石英、尼龙、铅和铝的组。

16.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中所述插入件的所述第二材料选自包括玻璃、石英、尼龙、铅和铝的组。

17.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中所述孔的涂层的材料选自包括丙烯酸类树脂、聚苯乙烯、橡胶、镍、铜、银、金、铂、醋酸酯、聚酯、苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、硅、特氟隆和硅树脂的组。

18.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中所述插入件的所述第二材料选自包括丙烯酸类树脂、聚苯乙烯、橡胶、镍、铜、银、金、铂、醋酸酯、聚酯、苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、硅、特氟隆和硅树脂的组。

19.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其包括第一磁体，所述第一磁体靠近所述孔口安装在所述喷嘴上，由此穿过所述孔口的燃料经受来自所述磁体的磁场。

20.根据权利要求19所述的燃料喷射器，其还包括第二磁体，所述第二磁体靠近所述孔口且在所述孔口的与所述第一磁体相对的一侧上安装在所述喷嘴上。