CN105829694A - 燃料系统和部件 - Google Patents

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Abstract

燃料系统包括内燃发动机、燃料装置和热交换器。内燃发动机接收空气/燃料混合物并且产生加热的排气。燃料装置接收新鲜空气并且提供由内燃发动机接收的空气/燃料混合物。热交换器接收来自内燃发动机的加热的排气和新鲜冷空气、将热能从加热的排气转移到新鲜冷空气并且向燃料装置提供新鲜空气。提供的新鲜空气是已经接收热能的新鲜冷空气。

Description

燃料系统和部件
背景
用于内燃发动机的燃料系统(比如汽车中的那些)典型地被设计来消除热量。这是因为一般所接受的是，更冷的空气更致密，由此增加燃料密度并且允许更大的能量生成。
燃料也可以被热裂解。在这种途径中，燃料被加热。然而，过去的途径要求低效率的加热器来加热燃料并且没有可获得的商业上实用的实施方式。
简要说明
根据本公开的一个实施方案的燃料系统一般包括内燃发动机、燃料装置和热交换器。燃料装置被耦合于燃料供应器来接收燃料并且进一步被耦合于新鲜空气摄入器来从新鲜空气摄入器接收新鲜空气。燃料装置还被耦合于内燃发动机来向发动机提供空气/燃料混合物，结果是发动机产生加热的排气(exhaustair)。热交换器被耦合于内燃发动机来接收来自内燃发动机的加热的排气并且将热能从加热的排气转移到新鲜冷空气，新鲜冷空气在通向燃料装置途中通过热交换器。
在本公开的另一个实施方案中，热交换器包括第一部分、第二部分、第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器。第一部分将热能从第二气流转移到第一气流，而第二部分将热能从第三气流转移到第一气流。第一隔离器被设置在第一和第二气路通道之间，而第二隔离器被设置在第一和第三气路通道之间。第三隔离器被设置在第二和第三气路通道之间。第三隔离器的热传导性低于第一或第二隔离器的热传导性。
附图简要说明
实施方案在附图中通过实施例的方式被图示说明，其中相同的参考数字指代相似的部分，并且其中：
图1是示例性燃料系统的模块图；
图2是示例性燃料系统的模块图；
图3是示例性燃料系统的模块图；
图4是示例性燃料系统的模块图；
图5是示例性热交换器的立体视图；
图6A和图6B是示例性热交换器的横截面视图；
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F是示例性热交换器的立体视图；以及
图8是示例性热交换器的立体视图。
详细说明
比如汽车燃料的碳氢化合物可以被裂解来将复杂的有机分子减小为更简单的分子。以这些更简单的分子为内燃发动机提供动力可以导致增加的燃烧效率。用于裂解燃料的一个途径是使其受到高温并且可以被称为热裂解。至少部分地因为在获得提供热裂解的必要温度方面的困难，热裂解还没有被广泛使用在内燃发动机中。在加热燃料中所使用的能量必须少于提供效率上的净增加的性能增益。
图1图示说明根据本公开的一个实施方案的示例性燃料系统的模块图。燃料系统10包括新鲜空气摄入器12，新鲜空气摄入器12可以是摄入管或各种各样类型的空气过滤器中的一个。新鲜冷空气(一般指的是从周围环境取得的空气)经由新鲜冷空气通道14行进到热交换器16。热交换器16加热进入新鲜空气通道14来向加热的新鲜空气通道18提供加热的新鲜空气，加热的新鲜空气转而被提供到燃料装置20。在一个实施方案中，燃料装置20可以类似于美国专利No.7,510,171中所描述的燃料装置，美国专利No.7,510,171通过引用被并入本申请。燃料装置20经由耦合于燃料供应器24的一个或更多个燃料注入器22来接收燃料。因此，燃料装置20沿加热的空气/燃料混合物通道26将加热的空气/燃料混合物传送到节流阀本体28，节流阀本体28可以被设置在空气/燃料混合物通道26的终点端并且邻接于发动机30。加热的空气/燃料混合物通道26中的气可以包括被热裂解的燃料。节流阀本体28向发动机30提供加热的空气/燃料混合物作为燃烧气。发动机30将排气喷出，排气分别经由排气通道34a和排气通道34b行进通过排出歧管32a和排出歧管32b到热交换器16。排气向热交换器16提供热能，因此将新鲜冷空气通道14加热。然后排气经由排出端口36a和排出端口36b离开。燃料系统10的示例性应用包括汽车和飞行器。
图2图示说明根据本公开的示例性燃料系统100的模块图，所述燃料系统包括一些部件，所述部件类似于关于燃料系统10所描述的那些。这些类似部件与图1的实施方案分享共同的标号并且其描述为了简明而被省略。燃料系统100包括分流阀38、分流阀44a和分流阀44b。分流阀38将新鲜空气通道14分隔来提供沿新鲜空气通道14a的新鲜空气和沿冷新鲜摄入通道14b的冷新鲜空气。分流阀38因此允许经由冷新鲜摄入通道14b将来自新鲜空气通道14的新鲜冷空气提供到节流阀本体28。这样的布置允许对摄入空气温度和/或供应到节流阀本体28的空气/燃料混合物的精细控制。分流阀44a和分流阀44b(例如，排出阀)因此可以控制提供到热交换器16的排气的量，这允许经由加热的新鲜空气通道18供应到燃料装置20的空气温度被控制和/或允许热交换器16的内部温度被控制，以控制操作温度并且防止过热情况。
图3图示说明根据本公开的又一个实施方案的示例性燃料系统200的模块图。燃料系统200包括一些部件，所述部件类似于关于燃料系统10所描述的那些。那些类似部件与图1的实施方案分享共同的标号并且其描述为了简明而被省略。燃料系统200包括一对热交换器16a和16b，热交换器16a和热交换器16b分别与排出歧管32a和排出歧管32b对应。新鲜空气通道14可以被提供到串联或并联的热交换器16a和热交换器16b以提供加热的新鲜空气通道18。向并联的热交换器16a和热交换器16b提供新鲜空气通道14可以允许加热的新鲜空气通道18中更高的空气温度并且可以减少被要求来提供空气流通道的管道系统。
图4图示说明根据本公开的又一个实施方案的示例性燃料系统200的模块图。燃料系统300包括一些部件，所述部件类似于关于燃料系统10所描述的那些。那些类似部件与图1的实施方案分享共同的标号并且其描述为了简明而被省略。燃料系统300包括一对热交换器16a和16b，热交换器16a和热交换器16b分别靠近于、邻接于或集成于排出歧管32a和排出歧管32b而被定位。在达到组合排出流的收集器前，来自发动机30的汽缸的排气可以被直接提供到热交换器16a和热交换器16b。因此，来自各自汽缸的排出流可以被保持分离，直到在热交换器16a和热交换器16b之内被组合或在排气通过热交换器16a和热交换器16b后被组合。提供靠近于、邻接于或集成于排出歧管32a和排出歧管32b的热交换器16a和热交换器16b，可以允许对在加热的新鲜空气通道18上行进的空气的更高的加热以及具有优势(比如更低的花费、更容易的安装和更不复杂的管道系统)的更紧凑的安装。
参照图5和图6A，示例性热交换器400可以接收第一气流402、第二气流404和第三气流406。在一些实施方案中，热交换器400是可以被使用于热交换器16的热交换器实施例。气流402、气流404和气流406独立于彼此并且被隔离器分离。在一些实施方案中，气流402、气流404和气流406可以是完全孤立的，并且因此被分别封闭。然而，在其他实施方案中，由于制造公差或为了其他目的，在气流之间(例如，在气流404和气流406之间)可能有少量的交叉流。在更进一步的实施方案中，第一气流402独立于第二气流404和第三气流406中的每个，以致在像燃料系统10这样的燃料系统中，没有新鲜摄入空气和排出气体的混合。
气流402分别通过隔离器408和隔离器410热耦合于气流404和气流406。隔离器可以由波状起伏或褶皱的热传导材料(比如铝)提供，并且隔离器可以被定向以致气流不被阻碍。例如，隔离器408a和隔离器410a可以具有在气流402的方向上基本上光滑的表面，并且隔离器408a和隔离器410b可以具有在气流404和气流406的方向上基本上光滑的表面。
气流404与热交换器400的下部分对应，而气流406与热交换器400的上部分对应。气流404和气流406被隔离器412分离。隔离器412具有比隔离器408和隔离器410低的热传导性并且因此提供气流404和气流406之间的热绝缘。事实上，对隔离器412而言，与隔离器408和隔离器410相比较，更低的热传导性可以由相同材料的更厚的部分提供。或者更低的热传导性可以通过使用用于隔离器408和隔离器410的不同类型的相同材料来提供。例如，隔离器408和隔离器410可以由标准铝(例如，6061)形成，而隔离器412可以由航空铝(例如，7075)形成。对隔离器412而言，与隔离器408和隔离器410相比较，更低的热传导性还可以通过使用不同材料来提供。例如，隔离器412可以由碳钢、不锈钢或陶瓷形成，而隔离器408和隔离器410可以由铝形成。
在比如图1中所示出的燃料系统10的应用中，气流402可以与新鲜空气摄入对应，并且气流404和气流406可以与排气对应。排气温度可以是极其高的。于是，为了防止过热，来自内燃发动机中的每个汽缸排的排气可以被分离地输送通过热交换器400。排气流可以不是连续的，而可以是热排气的一系列的爆发(burst)。例如，汽缸点火模式可以在汽缸排之间交替，由此以交替模式经由气流404和气流406向热交换器400提供一系列的热空气爆发。由于与气流404和气流406相关联的热交换器的部分未被暴露于排气的全部，以分离的气流404和气流406向热交换器400提供排出流因此可以准许热交换器避免过热的情况。在未过热的同时，热交换器400可以向气流402提供热量转移。
图6B图示说明具有可替代的隔离器412b的示例性热交换器的横截面视图。隔离器412b可以由空气间隔提供。空气间隔，比如封闭的空气间隔，可以在气流404和气流406之间提供热绝缘。作为另一个实施方案，隔离器412b可以由液体提供，所述液体可以由热交换器404封装或被封闭在热交换器404中，所述液体被提供在气流404和气流406之间。
图7A-图7F图示说明用于制造热交换器(比如热交换器400)的示例性过程。参照图7A和图7B，热交换器坯件500的块被提供，所述块可以被分割成两个更小部分502和504。可替换地，热交换器坯件的较小部分502，504可以被直接提供。参照图7C，具有比部分502和部分504内部更高的热传导性的隔离器506被设置在部分502和部分504之间。然后，部分502和部分504可以被焊接到隔离器506来提供类似于热交换器400的热交换器。可替换地，隔离器506可以不被使用，而部分502和部分504可以被焊接在一起。在一些实施方案中，部分504的顶板或部分502的底板可以被焊接来提供独立的气流以及将部分502和部分504分离的不同热传导性的区域。焊缝可以将部分502和部分504分离来提供分离的气流，并且还可以封闭热交换器坯件的一部分，由此创建闭合的空气间隔，所述闭合的空气间隔提供与热交换器坯件的其他部分中不同的热传导性。焊缝材料本身也可以提供隔离器。如同另一个可替换的实施方案，如图7D中所示出的间隔器508可以被提供作为隔离器而不是像隔离器506的板状隔离器。如同又一个可替换的实施方案，如图7E中所示出的，外部板510a-510d(被提供为分离的板、组装的套或部分组装的套)可以被固定(例如通过焊接)到部分502和部分504外部。图7F图示说明像图7E的分解立体视图中那样的组装的热交换器。
参照图8，端盖602、端盖604和端盖606可以被固定(例如通过焊接)到比如热交换器400的热交换器。端盖602可以与气流402对应，端盖604可以与气流404对应，端盖606可以与气流406对应。为了便利用于内燃发动机的排出系统之内的连接，端盖602、端盖604和端盖606可以分别包括凸缘组件608、凸缘组件610和凸缘组件612。在一些实施方案中，凸缘组件608、凸缘组件610和凸缘组件612可以是2英寸的v形夹具组件并且可以被焊接到端盖602、端盖604和端盖606。
尽管以上已描述了根据本文公开的原理的各种实施方案，应理解这些实施方案仅以实施例的方式被提出，而非限制。例如，虽然节流阀本体28被描绘为邻接于发动机30，将被领会的是，节流阀本体可以被定位在燃料系统之内的其他位置，比如图1和图2的实施方案中在热交换器16之前以及图3和图4的实施方案中在热交换器16a和热交换器16b之前。因此，所述一个或多个发明的宽度和范围不应受任何上述的示例性实施方案限制，而应仅根据本公开公布的权利要求以及它们的等同物来限定。而且，以上优点和特征提供在所描述的实施方案中，但不应将这些公布的权利要求的应用限制为实现以上优点的任一或全部的方法和结构。
此外，本文的章节标题是被提供来与37CFR1.77的建议一致，或者用于提供结构线索。这些标题不应限制或特征化可以从该公开公布的任何权利要求中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以实施例的方式，“背景技术”中的技术的描述不是要被解读为承认某项技术是该公开中的任意一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不是要被认为是在公布的权利要求书中所阐述的一个或多个发明的特征描述。另外，该公开中对单数的“发明”的任何引用不应被用于证明在该公开中仅有一个新颖点。根据从该公开公布的多个权利要求的限定，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地定义了由其保护的一个或多个发明，以及它们的等同物。在所有例子中，这些权利要求的范围根据该公开按照这些权利要求本身的实质来理解，而不应被本文所陈述的标题限制。

Claims (21)

1.一种燃料系统，所述燃料系统包括：
内燃发动机，所述内燃发动机接收空气/燃料混合物并且产生加热的排气；
燃料装置，所述燃料装置接收新鲜空气并且提供由所述内燃发动机接收的所述空气/燃料混合物；以及
热交换器，所述热交换器
接收来自所述内燃发动机的所述加热的排气和新鲜冷空气，
将热能从所述加热的排气转移到所述新鲜冷空气，并且
向所述燃料装置提供所述新鲜空气，所述提供的新鲜空气是已经接收所述热能的所述新鲜冷空气。
2.如权利要求1所述的燃料系统，其中所述热交换器包括两个气路通道，所述两个气路通道是独立的。
3.如权利要求2所述的燃料系统，其中在所述独立的气路通道中分别流动的气体不混合。
4.如权利要求2所述的燃料系统，其中所述热交换器包括三个气路通道。
5.如权利要求4所述的燃料系统，其中第一气路通道对应于提供到所述燃料装置的所述新鲜空气，第二气路通道对应于第一加热的排气通道，并且第三气路通道对应于第二加热的排气通道。
6.如权利要求5所述的燃料系统，其中所述三个气路通道是独立的。
7.如权利要求5所述的燃料系统，其中在所述第一气路通道和第二气路通道中流动的气体不混合。
8.如权利要求7所述的燃料系统，其中在所述第一气路通道和第三气路通道中流动的气体不混合。
9.如权利要求5所述的燃料系统，其中
所述热交换器包括在所述第一气路通道和第二气路通道之间的第一隔离器、在所述第一气路通道和第三气路通道之间的第二隔离器以及在所述第二气路通道和第三气路通道之间的第三隔离器，并且
所述第三隔离器的热传导性低于所述第一或第二隔离器的热传导性。
10.如权利要求1所述燃料系统，进一步包括第二热交换器，所述第二热交换器接收来自所述内燃发动机的所述加热的排气和新鲜空气、将热能从所述加热的排气转移到所述新鲜冷空气并且向所述燃料装置提供所述新鲜空气，所述提供的新鲜空气是已经接收所述热能的所述新鲜冷空气。
11.如权利要求10所述的燃料系统，其中所述第一热交换器和第二热交换器关于所述新鲜空气流被串联布置。
12.如权利要求10所述的燃料系统，其中所述第一热交换器和第二热交换器分别被设置在汽缸排出输出端口和将来自两个或更多个汽缸的排出流组合的收集器之间。
13.如权利要求1所述燃料系统，进一步包括一个或更多个分流阀，所述一个或更多个分流阀选择性地将加热的排气输送到所述热交换器。
14.一种热交换器，所述热交换器包括：
第一部分，所述第一部分将热能从第二气流转移到第一气流；
第二部分，所述第二部分将热能从第三气流转移到所述第一气流；
第一隔离器，所述第一隔离器设置在所述第一气路通道和第二气路通道之间；
第二隔离器，所述第二隔离器设置在所述第一气路通道和第三气路通道之间；以及
第三隔离器，所述第三隔离器设置在所述第二气路通道和第三气路通道之间，所述第三隔离器的热传导性低于所述第一或第二隔离器的热传导性。
15.如权利要求14所述的热交换器，其中所述第一气路通道、第二气路通道和第三气路通道是独立的。
16.如权利要求14所述的热交换器，其中在所述第一气路通道和第二气路通道中流动的气体不混合。
17.如权利要求14所述的热交换器，其中在所述第一气路通道和第三气路通道中流动的气体不混合。
18.如权利要求14所述的热交换器，其中所述第三隔离器由气隙提供。
19.如权利要求14所述的热交换器，其中所述第三隔离器由焊缝提供。
20.如权利要求14所述的热交换器，其中
所述第一气流被耦合于内燃发动机的摄入气路通道，并且
所述第二气流和第三气流分别被耦合于由所述内燃发动机提供的排气。
21.如权利要求14所述热交换器，进一步包括一对v形夹具组件，所述v形夹具组件分别与所述第一气流、第二气流和第三气流中的每个相关联。
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