CN105473841B - 相干结构燃料处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

燃烧发动机的燃料效率通过在将燃料输送到发动机的燃烧室中之前于反应室中处理燃料而得到提高。方法包括使废气流以第一流动模式向上游通过反应器室的步骤。方法还包括使燃料流以第二流动模式向下游通过反应器室的步骤，其中，第一流动模式和第二流动模式中的至少一个包括结构化紊流流动。

Description

相干结构燃料处理系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年4月25日提交的美国专利申请No.13/870,106的权益，所述美国专利申请要求2013年2月7日提交的美国临时申请No.61/762099的优先权。这和本文讨论的所有其它非固有材料在此全文并入作为参考。在通过参考并入的参考中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义不一致或相反的情况下，本文提供的该术语的定义被认为是控制性的。
技术领域
本发明的领域是燃烧发动机系统，更具体地说是用于燃烧发动机的燃料处理系统。
背景技术
以下的描述包括可用于理解本发明的信息。不被承认的是，本文提供的任何信息是现有技术或与当前要求保护的发明相关，或者被明确或含蓄地参考的任何公布是现有技术。
内燃机从第十九世纪早期以来已出现。即使随着混合动力或电动汽车的日益普及，内燃机仍然是大部分当前车辆的主要驱动力。
在内燃机(ICE)系统中，燃料(例如，汽油)与气体(例如，氧)的混合物被喷射到燃烧室中。在点燃时，混合物在非常高的温度下燃烧并产生气体(通常包含蒸汽、二氧化碳和其它化学物质)。当气体由于高温而膨胀的时候，它们产生驱动发动机的移动零件(例如，活塞)的力。简而言之，ICE系统通过将储存在燃料空气混合物中的化学能量转变成热能量来产生功率。
然而，即使ICE已存在很长一段时间，它们也从未达到高的效率水平。实际上，今天生产的汽车中的大部分ICE仅只有大约25％到30％的效率(总的热效率)。ICE的低效率通常由燃料的不完全燃烧所引起，这还导致诸如二氧化碳和烟尘的有害气体的排放。同样地，ICE效率的改善将降低燃料消耗和空气污染。
过去已做出努力，以改善ICE系统的效率。包括2008年6月17日提交的名称为“EGRSystem with Dedicated EGR cylinders”的授予Francis等的美国专利8,291,891、2010年12月14日提交的名称为“Internal Combustion Engine”的授予Christmann的美国专利公布2012/0266594和2011年5月10日提交的名称为“Intake Manifold Assembly forDedicated Exhaust Gas Recirculation”的授予Hayman等的美国专利公布2012/0285426等的多个专利文献公开了废气再循环(EGR)技术的使用，以减少热能量的损失并减少燃烧系统内有害气体的形成。
在更加复杂的努力中，2008年2月21日提交的名称为“Pre-ignition FuelTreatment System”的授予Lee的美国专利7,487,764公开了一种预燃燃料处理系统，其改善通过使反应器容器中的燃料在进入燃烧室之前裂化并离子化所产生的副产物的可燃性和降低。另外，Lee还公开了发动机的废气的高温高压环境的使用，以产生其中使燃料的碳氢分子裂化的反应区。
然而，即使采用EGR和预燃燃料处理技术，ICE的效率仍然还没有达到最优水平。因而，仍然需要改善现有的ICE系统，以进一步提高效率并减少有害副产物的排放。
本文的所有公布通过参考被并入以达到如每个单独的公布或专利申请被具体并且单独地指示为通过参考并入的相同程度。在并入的参考中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义不一致或相反的情况下，本文提供的该术语的定义适用，并且参考中的该术语的定义不适用。
在一些实施例中，用于描述并要求保护本发明的某些实施例的表示诸如浓度、反应状况的成分的量、特性等的数值应被理解为在某些情况下通过术语“大约”被改变。因此，在一些实施例中，在书面描述和所附权利要求中陈述的数值参数是取决于寻求通过特定的实施例获得的期望特性能改变的近似值。在一些实施例中，数值参数应根据报告的有效数字的数值并通过应用普通的四舍五入技术解释。尽管陈述本发明的一些实施例的宽广范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能精确地报告在特定示例中陈述的数值。在本发明的一些实施例中提出的数值可包含必定由在它们相应的测试测量中找到的标准偏差引起的某些误差。
如在本文的描述并贯穿以下的权利要求所使用地，除非上下文另有明确指示，否则“一(a,an)”和“该(the)”的意义包括复数参考。此外，如本文的描述中所使用地，除非另有明确指示，否则“在…中(in)”的意义包括“在…中(in)”和“在…上(on)”。
本文的值的范围的列举仅旨在用作单独指出落入范围内的每个单独的值的速记方法。除非本文另有指示，否则每个单独的值如同其在本文被单独列举一样被并入说明书。除非本文另有指示或者以另外的方式被上下文明确推翻地，否则本文描述的所有方法能以任何合适的顺序进行。相对于本文的某些实施例提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不对以另外的方式要求保护的本发明的范围构成限制。在说明书中没有语言应被解释成指示对本发明的实践必不可少的任何不要求保护的元素。
本文公开的本发明的替代性的元素或实施例的分组不应被解释成限制。每组成员能单独地或以与在本文中找到的组的其它成员或其它元素任何组合的方式被参考并要求保护。组中的一个或多个成员能为了便利和/或专利性的原因被包括在组中或从组被删除。当任何这样的包括或删除出现时，说明书在本文被认为包含如修改的组，因而满足用于所附权利要求中的所有马库什组的书面描述。
发明内容
发明主题提供其中燃料在燃烧发动机中的点燃之前被处理的设备、系统和方法，以便改善发动机的效率。在本发明的一个方面中，提出了一种用于发动机的预燃燃料处理系统。系统包括使废气流通过燃料流的反应器。反应器包括使燃料流以第一流动模式移动的第一结构。反应器还包括使废气流以第二流动模式移动的第二结构，其中，第一流动模式和第二流动模式中的至少一个包括相干结构紊流。
在一些实施例中，预燃燃料处理系统的第一结构包括使得燃料流能够以第一流动模式移动的波导。波导具有多个特性。第一，波导具有包括特征图案的表面拓扑结构。特征图案能包括选自特征组的特征，该特征组包括：凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形。
在一些实施例中，表面拓扑结构中的特征图案被构造为引起第一流动模式内的旋转运动。另外，一些实施例的表面拓扑结构被构造为引起第一流动模式内的燃料流的微旋转。
一些实施例的波导还具有形状。波导的形状能够是棒形、蛋形、球形或椭圆形。另外，波导还能具有选自由铁(Fe)、钛(Ti)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、锌(Zn)和铬(Cr)组成的元素组的表面催化剂。此外，在一些实施例中的表面拓扑结构限定以针叶雌球果模式设置的多个鳞片。
在一些实施例中，波导还具有至少包括磁性材料或抗磁材料的芯。
除波导之外，第一结构还包括壳体。在一些实施例中，壳体具有入口和出口，并且入口与出口中的至少一个具有带有基于φ的比例和尺寸的流动形式。在一些实施例中，壳体的内壁还具有表面拓扑结构，所述表面拓扑结构包括选自由凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形组成的组的特征图案。此外，壳体的内壁或外壁(或两者)具有表面催化剂，所述表面催化剂包括选自由铁(Fe)、钛(Ti)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、锌(Zn)和铬(Cr)组成的组的元素中的至少一个。
一些实施例的第二结构还具有壳体。第二结构的壳体包括入口和出口，并且壳体的入口或出口(或两者)具有带有基于φ的比例和尺寸的流动形式。在一些实施例中，第二结构的壳体的内壁表面具有使废气流在壳体内以相干动态流动模式移动的表面拓扑结构。
在一些实施例中，第一结构和第二结构设置为使得第一流动模式包括燃料气体漩涡，并且第二流动模式包括废气漩涡。在这些实施例中的一些实施例中，燃料气体漩涡在废气漩涡内移动。
在一些实施例中，反应器还包括被构造为将外部离子化场应用于燃料流的至少一部分的激励线圈。另外，反应器还能包括被构造为从燃料流、废气流或波导的动作接收电能量的能量拾取线圈。
除反应器之外，一些实施例的预燃燃料处理系统还包括将燃料流的至少20的重量百分比(wt％)以汽态引入到反应器中的结构。在这些实施例中，反应器被构造为在将燃料输送至发动机的燃烧室之前将至少一些燃料流从汽化状态转变成等离子体状态。
在一些实施例中，反应器被构造为使废气流的至少一部分与燃料流的至少一部分混合以形成混合流。在这些实施例中的一些实施例中，混合流中的至少10wt％源自废气流。替代性地，燃料流通过屏障与废气流完全分开。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于为燃烧发动机改善燃烧效率的方法。燃烧发动机被设计成燃烧燃料，以产生功率和废气。方法包括使燃料流以第一流动模式向下游通过反应器室的步骤。方法还包括使废气流以第二流动模式向上游通过反应器室的步骤，其中，第一流动模式和第二流动模式中的至少一个包括结构化紊流流动。
在一些实施例中，方法还包括将外部离子化场应用于燃料流的至少一部分的步骤。
另外，一些实施例的方法还包括在反应器室处接收燃料流的步骤，其中，燃料流的至少50wt％处于汽化状态。方法包括将燃料流从汽化状态转变成等离子体状态的步骤。方法还包括将转变的燃料流引导至发动机的燃烧室的步骤。
在一些实施例中，方法还包括使燃料流的至少一部分与废气流的至少一部分混合的步骤。在这些实施例中的一些实施例中，方法还包括使燃料流通过作为反向旋转漩涡的废气流。
与其中相同的附图标记代表相同的部件的附图一起，发明主题的各种目的、特征、方面和优点将从优选实施例的以下详细描述变得更加明显。
附图说明
图1是具有预燃燃料处理系统的发动机的示意图。
图2A-2B示出了一些实施例的示例激励线圈。
图3A-3C示出了由一些实施例的波导引起的示例流动模式。
图4描绘了波导上的表面特征和电荷的“松球”布置的示例。
图5-6示出了由一些实施例的波导引起的示例磁场。
图7是具有基于φ的比例的入口室的示意图。
图8是用于影响废气流的一些实施例的离子发生器的示意图。
图9A-9B是燃料与废气混合物的相对反向旋转流动的图表。
图10示出了一些实施例的表面特征的示例。
具体实施方式
以下的讨论提供发明主题的示例实施例。尽管每个实施例代表发明元件的单个组合，但发明主题被认为包括公开元件的所有可能组合。因而，如果一个实施例包括元件A、B和C，并且第二实施例包括元件B和D，则即使未明确公开，发明主题也还被认为包括A、B、C或D的其它剩余组合。
如本文所使用地，并且除非上下文另有指示，否则“联接至”确定为包括直接联接(在所述直接联接中，彼此联接的两个元件彼此接触)和间接联接(在所述间接联接中，至少一个附加的元件位于两个元件之间)。因此，术语“联接至”和“与…联接”被同义地使用。
发明主题提供其中燃料在燃烧发动机中的点燃之前被处理的设备、系统和方法，以便改善发动机的燃料效率。在本发明的一个方面中，提出了一种用于发动机的预燃燃料处理系统。系统包括使废气流通过燃料流的反应器。反应器包括使燃料流以第一流动模式移动的第一结构。反应器还包括使废气流以第二流动模式移动的第二结构，其中，第一和第二流动模式中的至少一个包括相干结构紊流。
图1图示了根据本发明的方面的预燃燃料处理系统100的示例。如所示，预燃燃料处理系统100包括燃料箱120、空气进气装置125、反应器单元130和燃烧发动机105。
燃烧发动机105具有进气歧管110和排气歧管115。在一些实施例中，燃烧发动机105被设计成使燃料(例如，诸如汽油等的碳氢燃料)和穿过进气歧管的空气混合物燃烧，以产生功率和废气(例如，二氧化碳等)。
将储存在燃料和氧内的化学能量变成热能的燃烧发动机的工作在本领域中是众所周知的，并且在此不详细描述。简而言之，发动机105允许一定量的燃料与空气(带有氧)的混合物经由进气歧管110进入发动机105的燃烧室。发动机105于是点燃燃料空气混合物，以启动燃烧过程。燃料和空气变成非常高温高压的气体，所述非常高温高压的气体膨胀以驱动发动机105的移动零件(例如，活塞)。燃烧过程的副产物、诸如二氧化碳被共同地称为废气。发动机105于是将废气从室释放到排气歧管115中。
在图1中，燃料箱120和空气进气125通过反应器单元130连接至发动机。在一些实施例中，来自燃料箱的燃料和来自空气进气的空气合并，以在进入反应器单元130之前形成燃料/空气混合物。另外，一些实施例的预燃燃料处理系统100包括将至少一些燃料在与空气混合并进入反应器单元130之前转变成蒸汽形式的机构(在图中未示出)。在一些实施例中，进入反应器单元130的燃料的至少20wt％以蒸汽形式(例如，汽化燃料180)。
一些实施例的反应器单元130构造为在将燃料/空气混合物发送至发动机105之前处理燃料/空气混合物。如所示，一些实施例的反应器单元130包括：反应器壳体135，燃料/空气混合物流在达到发动机105的进气歧管110之前流过所述反应器壳体135；和波导140，其位于反应器壳体135内。
如2007年8月10日提交的名称为“Pre-ignition Fuel Treatment System”的授予Lee的美国专利7,487,764所公开地，研究表明，燃料在燃烧之前的离子化允许燃料更有效地燃烧。因而，根据本发明的一些实施例，反应器单元130包括一个或多个离子化装置(在图中未示出)，用于将离子化场应用于燃料的至少一部分。
为了有助于燃料的离子化，反应器单元130包括在反应器壳体135中的离子化催化剂。合适的催化剂元素包括铁(Fe)、钛(Ti)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、锌(Zn)和铬(Cr)。这些元素在高温状况下被氧化，所述这些元素在离子化过程中能用作催化剂。这些催化剂能安置在波导140的表面上或者能沿着反应器壳体135的内壁安置。
为了进一步促进离子化过程，反应器单元130还能包括在反应器壳体135中的激励线圈(在图中未示出)，以将外部离子化场应用于穿过反应器壳体135的燃料的至少一部分。在一些实施例中，激励线圈还能安置在反应器壳体135内或围绕反应器壳体135安置。
图2A和图2B图示了合适的激励线圈构造的示例。在图2A中，上线圈240和下线圈250以蛤壳构造包围波导230。图2B示出了利用单个环形激励线圈280的实施例，所述单个环形激励线圈280围绕在反应器壳体235内的波导260。
为了更进一步促进离子化过程，反应器单元130能包括作为波导140的芯的磁性材料或抗磁材料。在一些实施例中，波导140可围绕与反应器壳体135的细长长度平行的轴线(诸如图1中的轴线175)旋转。在这些实施例中，波导140的旋转运动产生电磁场。另外，当离子化燃料分子围绕/沿着波导移动的时候，它们使波导140进一步磁化。当波导在其旋转中加速并且其磁场加强的时候，波导140使燃料分子进一步离子化。
燃料分子的更快的运动继而加强波导140的磁化。因而，离子化燃料分子和波导140产生最终驱使至少一些燃料变成等离子体状态的正反馈环。因此，在将燃料/空气混合物输送至发动机105之前，反应器单元130将至少一些燃料从液态/汽态变成等离子体状态。
该离子化过程的一个目的是在将燃料输送至发动机105之前使反应器单元130内的尽可能多的燃料分子离子化(并将它们转变成等离子体状态)。当燃料/空气混合物以层流穿过反应器壳体135时，仅一部分燃料分子能与波导140上的催化剂或反应器壳体135的内壁上的催化剂接触。设想的是，使燃料/空气混合物流以包括相干结构紊流的流动形式通过反应器壳体135允许更多的燃料分子接触波导140和反应器壳体135的内壁上的催化剂。另外，相干结构紊流流动形式还迫使燃料/空气混合物比否则如果它们以层流方式移动更长时间段地暴露于催化剂。已表明的是，这两个因素显著提高燃料分子的离子化水平。
不同的实施例提供不同的实施以引起燃料/空气混合物以相干结构紊流流动形式移动。在一些实施例中，反应器单元130能包括引起相干结构紊流流动形式的特定形状(例如，棒形、蛋形、球形或椭圆形)的波导140。另外，波导140能在其表面上包括特征图案(即，具有表面拓扑结构)，以引起燃料/空气混合物以相干结构紊流流动形式流过反应器壳体。能被选择用于波导表面的特征包括但不限于凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形。
在这些实施例中的一些实施例中，波导140的表面拓扑结构被构造为引起流动形式内的旋转运动。在一些实施例中，表面拓扑结构被构造为引起流动形式内的微旋转。此外，表面拓扑结构还能被构造为引起流动形式内的漩涡。这些旋转运动、微旋转和漩涡能添加以改善燃料分子的离子化。
还设想的是，模拟生物系统(例如，松球、针叶鳞片和苞片、海贝等)的波导设计在引起的相干结构紊流中能非常有效。因而，在一些实施例中，设想的是，波导140在表面上能包括鳞片、瓦或角(共同地被称为“鳞片”)，以引起结构紊流。在这些实施例中的一些实施例中，鳞片以针叶雌球果模式设置在波导的表面上。
图3A、3B和3C示出了由一些实施例的波导300引起的示例流动模式。如所示，波导300在其表面上包含模拟针叶雌球果上的鳞片的鳞片。出入鳞片的多个箭头代表当混合物遇到波导300时的燃料/空气混合物的示例流动。如所示，当燃料/混合物流过波导的时候，波导上的鳞片能有效地引起旋转运动，并且有时能有效地引起微旋转运动。在一些实施例中，这些旋转运动和微旋转运动在反应器单元130的反应器壳体135内产生相干结构紊流。图3C示出了当混合物经过波导300的鳞片305和310时的燃料/空气混合物的示例流动的详细图示。
为了进一步促进燃料/空气混合物的流动形式，反应器壳体135的内壁同样具有引起相干结构紊流的表面拓扑结构。在一些实施例中，与波导的表面拓扑结构相似，壳体内壁的表面拓扑结构同样具有以下特征中的至少一个：凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形。图10示出了这些特征的示例。在一些实施例中，反应器壳体内壁的表面拓扑结构和波导的表面拓扑结构被构造为彼此互补，以促进相干结构紊流流动形式。
在发明概念的一些实施例中，可旋转的波导的表面模式成形能够适用于诸如电荷或磁极性的特性。以上情形的示例在图4的下部中示出，所述图4示出了带有正电荷405和负电荷410的花卉或“松球”模式的波导400。尽管示出了花卉或松球模式，但应注意的是，如上所述的其它模式能够是合适的。这样的模式成形能用于使燃料/空气混合物的流动内的磁荷或电荷响应种类的流动形成模式。替代性地，这样的电或磁特性的模式成形能用于增强在模式成形的表面上通过的燃料/空气混合物的流动内的种类的变型(例如，离子化或“裂化”)。在一些实施例中，波导是可旋转的。
图5示出了同样是磁场源的蛋形波导500。在该图中所示的箭头示出了由波导500引起的磁场的方向，当燃料/空气混合物围绕波导400经过的时候，所述波导500将帮助使所述燃料/空气混合物离子化。图6示出了蛋形波导的替代性实施例。在该图中，波导600包括用于引起燃料/空气混合物的流动模式的表面模式605。
返回参考图1，反应器壳体135具有：入口145，其联接至燃料箱120和空气进气125以用于接收燃料/空气混合物；和出口150，其联接至发动机105的进气歧管110以用于将处理的燃料/空气混合物发送至发动机105。在一些实施例中，入口145和出口150还能被构造成促进引起通过反应器单元130的燃料/空气混合物的相干结构紊流流动模式。
设想的是，入口145和出口150中的一个或两者具有带有基于φ的比例和尺寸的流动形式。图7图示了具有带有基于φ的流动形式的入口705和出口710的示例反应器单元700。如所示，入口705包括符合将气体引导到反应器室中的φ级数的曲线。已长期观察到的是，流体和气体就其本质而言倾向于以螺旋或漩涡移动。这些螺旋或漩涡通常符合被称为黄金分割比或φ的数学级数。这些运动就使由摩擦或阻力所引起的废能最少而言被很好地理解为是最有效的。在2004年6月29日提交的授予Harman的国际公布No.WO2005/003616中能找到关于流体和气体的φ级数的更多细节。入口145和出口150中的这些形式和比例的使用允许：1)输送至反应器单元130的热能和动能的最大化；和2)将螺旋运动赋予气体流，导致废气与进气之间的反向旋转关系。
应指出的是，燃料分子的离子化是高吸热反应，这为了离子化的发生需要大量的热能。已设想的是，将来自废气的热用作用于反应器单元130的热能源。
返回参考图1，反应器单元130包括排气壳体155。如所示，排气壳体155从发动机105的排气歧管115接收废气，使排气通过反应器单元130，并在排气壳体155的另一端释放排气。
如图所示，一些实施例的排气壳体155封装反应器壳体135，使得来自废气的热能有效地传递至反应器壳体135中的燃料/空气混合物。为了进一步促进从废气到燃料/空气混合物的热传递，设想的是，一些实施例的排气壳体155能被构造为使废气以相干结构紊流流动形式(例如，相干动态流动模式、漩涡、结构化旋转、旋转漩涡等)流动。有很多益处的是，代替分层形式(如Lee所描述地)，使废气在排气壳体155内以相干结构紊流流动形式移动。益处之一是，旋转流动形式迫使废气具有暴露于反应器壳体135的较长的时段，使得更多的热能从废气传递至燃料/空气混合物。在一些研究中，当出现现有系统达到明显较低的温度时，该流动形式允许反应器壳体135的中心达到450摄氏度的温度。
为了引起相干结构紊流，排气壳体155的内壁包括诸如凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形的特征图案，所述特征图案以某一流动模式引导废气的流动。图10示出了这些特征的示例。
如图1所示，排气壳体155具有将废气引导到排气壳体155中的入口165和从排气壳体155引导出废气的出口170。为了进一步引起废气以相干结构紊流流动形式移动并在废气与进气之间产生反向旋转关系，入口165和出口170同样具有带有与图7所图示的入口/出口相似的基于φ的比例和尺寸的流动形式。
离子化燃料当其穿过反应器单元130的时候产生磁场。相似地，废气当其穿过反应器单元130的时候还产生另一磁场。已设想的是，两个反向磁场之间的相互作用增强燃料中的等离子体形成。因而，在这些实施例中的一些实施例中，排气壳体155和反应器壳体135被构造为使废气和燃料/空气混合物在相反的方向中旋转，如由排气壳体155内的箭头和反应器壳体135内的箭头所示，以产生反向磁场。
由于废气中相对低的正离子数量，能将离子发生器(例如，电极)集成到一些实施例的预燃燃料处理系统100中。在一些实施例中，离子发生器能够突出到反应器室和/或排气壳体中，或齐平安装，以便使进气和废气预先适应并离子化。
图8图示了这样的离子发生器的示例实施例。在该图中，离子发生器包括燃料喷射器805和高压电极810。燃料喷射器405将水雾或其它类型的燃料喷射到废气流中。电极将水分子变成离子化电荷载体，所述离子化电荷载体继而帮助废气的离子化。燃料喷射器805和高压电极810能安置在反应器单元130的上游、中间和/或下游。
除旋转运动之外，排气壳体155和反应器壳体135被构造为使废气和燃料/空气混合物以漩涡移动，以进一步增强磁场与两种流之间的相互作用。尽管在该图中未示出，但除旋转之外，燃料/空气混合物或废气(或两者)能以相干结构紊流的其它形式(例如，漩涡)流动。
图9A和9B示出了废气与燃料/空气混合物的示例流动模式。具体地，图9A示出了从反应器单元的横截面的角度来看的废气与燃料/空气混合物的旋转运动。在该示例中，废气通过排气壳体进入附图，并且燃料/空气混合物通过反应器壳体离开附图。如所示，燃料/空气混合物在废气的旋转运动内旋转。另外，燃料/空气混合物与废气在相反的方向中旋转(在废气在顺时针方向中旋转的同时，燃料/空气混合物在逆时针方向中旋转)。
图9B示出了废气与燃料/空气混合物如何流过反应器单元130的三维模拟。如所示，在燃料/空气混合物在中心旋转通过反应器单元130的同时(如由箭头910所示)，废气在外侧旋转通过反应器单元(如由箭头905所示)。如由该图所图示地，燃料/空气混合物的至少一部分在穿过反应器单元130之后被引起以微漩涡流动(如由箭头915所示)。
应指出的是，带电颗粒自然进入磁场，并取决于其电荷(即，带正电或带负电)展现左自旋或右自旋的螺旋运动。在一些实施例中，电感和电容耦合能用于影响在反应器的进气和排气中存在的离子和电子的固有自旋，这在较长时期内维持颗粒的电荷。燃料空气和废气流内的高的带电颗粒比例有助于等离子体反应。在一些实施例中，颗粒的螺旋运动由来自旋转的波导的磁场、旋转的波导与燃料/空气流之间的相互作用和由外部激励线圈产生的磁场赋予。
能够改变(增强或削弱)等离子体场内的固有不稳定性允许对于更加合乎需要的等离子体反应的“调谐”，导致更高的效率。在静电场存在的情况下，纵波产生离子回旋等离子体不稳定性，并且在带有EGR的二相流动的剪切的情况下(在燃料流与EGR的紊流相互作用中)，剪切流动速度能够产生能够在极光、银河臂和脉冲星的表面流动上看到的带状电子注不稳定性。在一些实施例中，剪切流动由波导和反应器的内壁的表面特征补充。
在以下的专利文献中能找到关于反向旋转的带电颗粒的益处和效果的更详细的信息：1958年6月19日提交的名称为“Pinched Plasma Reactor”的授予Phillips等的美国专利2,991,238；2001年11月16日提交的名称为“System and Method for Generating aTorsion Field”的授予Pavlenko等的美国专利6,548,752；和2012年3月5日提交的名称为“Plasma Flow Interaction Simulator”的授予Haramein的美国专利公布2012/0223643。
返回参考图1，还设想的是，由废气的流动、燃料/空气混合物的流动和波导的旋转产生的磁场能转变成用于其它用途的功率。因此，在一些实施例中，反应器单元130还包括将磁场转变成电流的能量拾取线圈(在图中未示出)。在一些实施例中，上述能量拾取线圈和激励线圈能够是相同的线圈(但不是必需的)。
实施例的以上示例描述了废气在排气壳体中与燃料/空气混合物分开地流动。在一些实施例中，燃料/空气混合物通过屏障(例如，反应器壳体的壁)与反应器单元内的废气完全分开。然而，还设想有一些益处的是，使废气流的至少一部分与燃料/空气混合物的一部分混合。两种成分之间的直接干扰允许更有效的气体交换。因而，在一些实施例中，反应器壳体壁允许废气的至少一部分通过排气壳体进入反应器壳体(如图1中的箭头185所示)。在一些实施例中，反应器壳体内的混合物的至少10wt％源自废气流。
对本领域的技术人员应显而易见的是，在不偏离本文的发明概念的情况下，可能有除已描述的之外的许多更多的变型。因此，除根据所附权利要求的精神之外，不应限制发明主题。此外，在解释说明书和权利要求中，所有术语应以与上下文一致的可能最宽广的方式解释。尤其地，术语“包括”应被解释成以非排他的方式参考元素、部件或步骤，以指示参考的元素、部件或步骤可存在，或利用，或与未明确参考的其他元素、部件或步骤组合。在说明书要求参考选自由A、B、C……和N组成的组的某事物中的至少一个的情况下，下面应被解释成从组仅需要一个元素，而不是A加N或B加N等。

Claims (27)

1.一种用于发动机的预燃燃料处理系统，所述发动机燃烧燃料以产生功率和废气，并且所述系统具有使废气流通过燃料流的反应器，所述系统包括：
第一结构，其包括带有具有相干表面特征的内壁表面的第一壳体，所述第一壳体具有用于接收燃料流的燃料入口和用于将处理的燃料流发送至所述发动机的燃料出口，其中所述第一结构使来自所述燃料入口的燃料流在所述第一壳体内以第一流动模式移动；
第二结构，其包括带有具有相干表面特征的内壁的第二壳体，所述第二壳体具有接收来自所述发动机的废气流的排气入口和从所述第二壳体引导出废气流的排气出口，所述第二结构使来自所述排气入口的废气流在所述第二壳体内以第二流动模式移动，其中所述第二壳体封装所述第一壳体；
其中，所述第一流动模式和第二流动模式包括围绕所述第一壳体的相干结构紊流，并且其中，所述第一壳体的所述内壁上的所述相干表面特征包括选自由凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形组成的组中的特征图案。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一结构包括具有表面拓扑结构的波导，所述表面拓扑结构包括选自由凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形组成的组中的特征图案。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述波导具有选自由棒形、蛋形、球形和椭圆形组成的组中的形状。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述波导具有选自由Fe、Ti、Ni、Pd、Pt、Cu、Zn和Cr组成的元素组中的表面催化剂。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述波导具有包括磁性材料和抗磁材料中的至少一种的芯。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述特征图案被构造成引起所述第一流动模式内的旋转运动。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述表面拓扑结构被构造为引起所述第一流动模式内的微旋转。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述表面拓扑结构限定多个鳞片。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述多个鳞片以针叶雌球果模式设置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述燃料入口和所述燃料出口中的至少一个具有带有基于φ的比例和尺寸的流动形式。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二壳体的内壁上的所述相干表面特征包括选自由凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形组成的组中的特征图案。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一壳体的内壁与外壁中的至少一个具有表面催化剂，所述表面催化剂包括选自由Fe、Ti、Ni、Pd、Pt、Cu、Zn和Cr组成的组中的至少一种元素。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，并且所述排气入口和所述排气出口中的至少一个具有带有基于φ的比例和尺寸的流动形式。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述第二壳体的内壁表面上的所述相干表面特征使所述废气流在所述第二壳体内以相干动态流动模式移动。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一结构和第二结构设置成使得所述第一流动模式包括燃料气体漩涡，并且所述第二流动模式包括废气漩涡，并且所述燃料气体漩涡在所述废气漩涡内移动。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反应器还包括被构造成将外部离子化场应用于至少一部分燃料流的激励线圈。
17.根据权利要求2所述的系统，其中，所述反应器还包括被构造为从所述燃料流、所述废气流和所述波导的动作中的至少一个接收电能量的能量拾取线圈。
18.根据权利要求1所述的系统，还包括将所述燃料流的至少20wt％以汽态引入到所述反应器中的机构。
19.根据权利要求中1所述的系统，其中，所述反应器被构造为在将所述燃料输送至所述发动机的燃烧室之前将至少一些燃料流从汽化状态转变成等离子体状态。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反应器被构造为使得所述废气流的至少一部分与所述燃料流的至少一部分混合，以形成混合流。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述混合流中的至少10wt％源自所述废气流。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述燃料流通过屏障与所述废气流分开。
23.一种改善发动机燃烧效率的方法，所述发动机燃烧燃料以产生功率和废气，所述方法包括：
使燃料流在第一壳体内以第一相干漩涡流动模式移动，所述第一壳体具有用于接收燃料流的燃料入口和用于将处理的燃料流发送至所述发动机的燃料出口；以及
使废气流在第二壳体内以第二相干漩涡流动模式移动，所述第二壳体具有接收来自所述发动机的废气流的排气入口和从所述第二壳体引导出废气流的排气出口，所述第二壳体封装所述第一壳体，所述第二壳体封装所述第一壳体，
其中，所述第一壳体的内壁包括选自由凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形组成的组中的相干表面特征。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括将外部离子化场应用于所述燃料流的至少一部分。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括：
在所述第一壳体处接收所述燃料流，其中，所述燃料流的至少50wt％处于汽化状态；
将所述燃料流从所述汽化状态转变成等离子体状态；以及
将转变的燃料流引导至所述发动机的燃烧室。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括使所述燃料流的至少一部分与所述废气流的至少一部分混合。
27.根据权利要求23所述的方法，还包括使所述废气流的至少一部分与所述燃料流的至少一部分混合以形成混合流。
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