СИСТЕМА РАСПЫЛЕНИЯ ТОПЛИВА ПРИ СОДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
SYSTEM OF FUEL SPRAY FACILITATED BY ELECTRIC FIELD AND METHOD OF ITS USE

Предпосылки изобретения
Технология впрыска топлива используется в большинстве систем сгорания, таких как двигатели внутреннего сгорания или нефтяные горелки. Известно, что распыление играет важную роль в эффективности сгорания и количестве испускания загрязняющих веществ, в частности более тонкий топливный туман обеспечивает более эффективное сгорание топлива, приводящее к увеличению отдаваемой мощности и уменьшению вредных выбросов. Это связано с тем фактом, что сгорание начинается от поверхности раздела между топливом и воздухом (кислородом). Если размер капель топлива уменьшается, полная площадь поверхности для начала процесса горения увеличивается, повышая эффективность сгорания и улучшая выбросы.
Один способ уменьшения размера капель топлива состоит в использовании топливного инжектора, в котором используется высокое давление, такое как до 200 бар (20000 кПа) для бензина для уменьшения размера капель топлива до 25 мкм в диаметре. Такой инжектор, однако, требовал бы существенных изменений в топливопроводах в транспортных средствах, поскольку существующие топливопроводы для бензина могут поддерживать давление топлива меньше чем 3 бар (300 кПа).
Другой известный способ уменьшения размера капель топлива представляет собой электростатическое распыление, которое сообщает всем каплям топлива отрицательный заряд. Размер капли мал, если плотность заряда капель высока. Кроме того, так как капли с отрицательным зарядом отталкивают друг друга, агломерации не происходит. Данная технология электростатического распыления требует специальных топливных инжекторов с очень высоким напряжением, прямо прилагаемым к форсунке каждого инжектора. Эмиттерный катод испускает отрицательные заряды для прохождения топлива к аноду и не опускается для закрывания сопла, чтобы остановить распыление. Использование такого инжектора требует существенных изменений в существующих топливных системах транспортных средств.
Существует потребность в получении способа генерирования более тонкого топливного тумана от топливного инжектора, чем производится в настоящее время, для получения более чистого сгорания, более высокой выходной мощности и более высокой топливной экономичности.
Сущность изобретения
Кратко, настоящее изобретение обеспечивает получение способа уменьшения размера частиц топлива, впрыскиваемых инжектором. Способ включает этапы обеспечения потока топлива в топливопроводе; воздействия на жидкость электрическим полем, достаточным для снижения вязкости жидкости при передаче от топливопровода в инжектор; передачи жидкости от топливопровода в инжектор; и впрыска жидкости из инжектора.
Настоящее изобретение также обеспечивает получение устройства для уменьшения размера частиц топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. Устройство содержит топливопровод, первую металлическую сетку, расположенную в пределах топливопровода, и вторую металлическую сетку, расположенную в пределах топливопровода перед или после первой металлической сетки. Средство электропитания электрически соединено с первой металлической сеткой и второй металлической сеткой. Работа средства электропитания производит электрическое поле между первой металлической сеткой и второй металлической сеткой. Топливный инжектор расположен на конце топливопровода после металлической сетки.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает получение способа улучшения топливной экономичности транспортного средства, способа увеличения выходной мощности от двигателя внутреннего сгорания и способа улучшения выбросов из двигателя внутреннего сгорания благодаря прохождению топлива по топливопроводу; способ включает приложение электрического поля к топливу в пределах топливопровода в направлении, параллельном направлению топливного потока, для снижения его вязкости; и выпуск топлива, имеющего пониженную вязкость, сквозь топливный инжектор в камеру сгорания для сгорания.
Таким образом, согласно изобретению приложен способ уменьшения размера частиц топлива, впрыскиваемого из инжектора, содержащий этапы:
a) обеспечения потока топлива по топливопроводу;
b) воздействия на топливо электрическим полем, достаточным для уменьшения вязкости топлива при передаче из топливопровода в инжектор;
с) передачи топлива из топливопровода в инжектор; и
а) впрыска топлива из инжектора.
Предпочтительно этапы а) и b) содержат обеспечение потока топлива в направлении, параллельном направлению электрического поля.
Предпочтительно этапы а) и b) содержат обеспечение потока топлива в направлении, противоположном направлению электрического поля.
Предпочтительно этап b) содержит воздействие на жидкость электрическим полем, имеющим силу между приблизительно 800 В/мм и приблизительно 1500 В/мм.
Предпочтительно этап b) содержит воздействие на жидкость электрическим полем в течение приблизительно от 5 секунд до приблизительно 15 секунд.
Также согласно изобретению предложено устройство для уменьшения размера частиц топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, содержащее: топливопровод; первую металлическую сетку, расположенную внутри топливопровода; вторую металлическую сетку, расположенную внутри топливопровода, перед первой металлической сеткой; средство электропитания, электрически соединенное с первой металлической сеткой и второй металлической сеткой, причем работа средства электропитания производит электрическое поле между первой металлической сеткой и второй металлической сеткой; и топливный инжектор, расположенный на конце топливопровода после первой металлической сетки.
Предпочтительно электрический источник содержит источник постоянного тока.
Предпочтительно первая металлическая сетка содержит анод.
Предпочтительно первая металлическая сетка расположена на расстоянии от второй металлической сетки, достаточном для движения топлива в топливопроводе приблизительно от 5 секунд до приблизительно 15 секунд между первой сеткой и второй сеткой.
Также согласно изобретению предложен способ улучшения топливной экономичности транспортного средства, содержащий:
a) прохождение топлива по топливопроводу;
b) приложение электрического поля к топливу внутри топливопровода для снижения его вязкости; и
c) выпуск топлива, имеющего сниженную вязкость, через топливный инжектор в камеру сгорания для сгорания.
Также согласно изобретению предложен способ увеличения выходной мощности от двигателя внутреннего сгорания, содержащий:
a) прохождение топлива по топливопроводу;
b) приложение электрического поля к топливу внутри топливопровода для снижения его вязкости; и
c) выпуск топлива, имеющего сниженную вязкость, через топливный инжектор в камеру сгорания для сгорания.
Также согласно изобретению предложен способ улучшения выбросов из двигателя внутреннего сгорания, содержащий:
a) прохождение топлива по топливопроводу;
b) приложение электрического поля к топливу внутри топливопровода для снижения его вязкости; и
c) выпуск топлива, имеющего сниженную вязкость, через топливный инжектор в камеру сгорания для сгорания.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены сюда и составляют часть данного описания, иллюстрируют вариант осуществления изобретения и совместно с общим описанием, данным выше, и подробным описанием, данным ниже, служат для пояснения признаков изобретения. На чертежах:
фиг.1 - схематический чертеж схемы проверки с использованием системы впрыска при содействии электрического поля согласно типичному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - форма распыления капель топлива на пластину с использованием системы впрыска, показанной на фиг.1;
фиг.3 - диаграмма, показывающая размер капель дизельного топлива после прохождения системы впрыска топлива при содействии электрического поля относительно процентного отношения всех капель;
фиг.4 - диаграмма, показывающая размер капель бензина, смешанного с 20% этилового спирта, после прохождения системы впрыска топлива при содействии электрического поля относительно процентного отношения всех капель;
фиг.5 - блок-схема последовательности операций, показывающая способ использования системы, показанной на фиг.1; и
фиг.6 - вид в перспективе топливной системы транспортного средства, показывающий типичный вариант выполнения топливной системы впрыска топлива при содействии электрического поля, установленной в топливной системе транспортного средства.
Подробное описание изобретения
В нижеследующем описании используется некоторая терминология, которая применена только для удобства и не вносит ограничений. Терминология включает слова сверх определенно упомянутых, их производные и слова подобного значения. Вариант осуществления изобретения, показанный ниже, не предусмотрен как исчерпывающий или ограничивающий изобретение точной описанной формой. Этот вариант осуществления изобретения выбран и описан для лучшего пояснения принципов изобретения и его применения, практического использования и предоставления возможности другим специалистам в данной области техники лучшим образом использовать изобретение.
Настоящее изобретение используется для снижения вязкости топлива, когда топливо проходит сквозь электрическое поле в топливопроводе до входа в топливный инжектор для впрыска в камеру сгорания. Когда вязкость топлива снижается, размер впрыскиваемых распыляемых капель топлива также снижается, приводя к более эффективному сгоранию топлива. Изобретение находит применение в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания, таких как автомобили, самолеты и суда, а также в неподвижных вариантах применения, таких как генераторы. Хотя настоящее изобретение направлено на уменьшение размера капель топлива, впрыскиваемого из топливного инжектора, специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено топливом как жидкостью, но может использоваться также для других жидкостей для снижения вязкости жидкости и, таким образом, размера частиц распыляемых капель. Например, технология, воплощенная в настоящем изобретении, может использоваться в других вариантах применения, требующих малых распыленных капель, таких как распылители краски.
Система 100 впрыска топлива при содействии электрического поля согласно типичному варианту осуществления настоящего изобретения схематически показана на фиг.1. Система 100 впрыска включает топливопровод 110, по которому проходит топливо "F". Как показано на фиг.1, топливо F проходит слева (со стороны выше по потоку) вправо (к стороне ниже по потоку). Топливо F проходит из топливопровода 110 в топливный инжектор 120, который впрыскивает топливо F в камеру сгорания (не показана) для сгорания.
Находящаяся ниже по потоку сетка 112 вставлена в топливопровод 110. Находящаяся выше по потоку сетка 114 также вставлена в топливопровод 110 перед находящейся ниже по потоку сеткой 112. Сетки 112, 114 электрически изолированы от любого другого металла, включая топливопровод 110, и формируют конденсатор в пределах топливопровода 110. Находящаяся выше по потоку сетка 114, предпочтительно, может быть расположена между приблизительно 0,5 и 2 сантиметрами от находящейся ниже по потоку сетки 112. Кроме того, находящаяся ниже по потоку сетка 112, предпочтительно, может быть расположена приблизительно в 10-30 сантиметрах от топливного инжектора 120. Сетки 112, 114 могут быть выполнены из меди или некоторого другого электропроводного металла. Предпочтительно, электропроводный металл, из которого выполнены сетки 112, 114, химически не взаимодействует с топливом F, которое течет в топливопроводе 110 и проходит сетки 112, 114. Сетки 112, 114 имеют достаточно крупный размер ячеек для того, чтобы не оказывать неблагоприятного влияния на поток топлива F по топливопроводу 110 в топливный инжектор 120.
Источник 130 напряжения электрически соединен и с находящейся ниже по потоку сеткой 112, и с находящейся выше по потоку сеткой 114 для генерирования электрического поля между находящейся ниже по потоку сеткой 112 и находящейся выше по потоку сеткой 114. Положительная клемма 132 средства 130 электропитания соединена с находящейся ниже по потоку сеткой 112, делая находящуюся ниже по потоку сетку 112 анодом, и отрицательная клемма 134 средства 130 электропитания соединена с находящейся выше по потоку сеткой 114, делая находящуюся выше по потоку сетку 114 катодом. Такое устройство генерирует электрическое поле в направлении, параллельном, но противоположном направлению топливного потока F. Диаметр и размер ячеек сеток 112, 114 могут быть отрегулированы согласно расходу топлива.
В другом варианте осуществления изобретения (не показан) электрическое поле генерируется конденсатором, к которому прилагается электрическое поле в направлении, отличном от направления потока топлива F. Предусматривается, что электрическое поле может прилагаться в почти любом выполнимом направлении поперек потока и все же с достижением снижения вязкости.
Источник 130 напряжения может быть источником постоянного тока, хотя может использоваться источник переменного тока, который производит электрическое поле, имеющее низкую частоту. При применении электрического поля переменного тока частота прилагаемого поля находится в диапазоне приблизительно от 1 до приблизительно 3000 Гц, например приблизительно от 25 Гц до приблизительно 1500 Гц. Это поле может прилагаться в направлении, параллельном направлению потока жидкости, или оно может прилагаться в другом направлении, отличном от направления потока жидкости.
Источник 130 напряжения достаточно мощен для генерирования электрического поля приблизительно между 100 В/мм и 2500 В/мм между сетками 112, 114. Подбор конкретного значения в пределах этой амплитуды, как ожидается, будет зависеть от состава жидкости, желательной степени снижения вязкости, температуры жидкости и периода, в течение которого должно прилагаться поле. Будет понятно, что если напряженность поля слишком низка или период приложения слишком короткий, это не приведет к какому-либо существенному изменению вязкости. Наоборот, если сила электрического поля слишком высока или период приложения слишком продолжительный, вязкость жидкости может фактически увеличиться.
Из-за малого количества топлива F, которое расходуется в каждом цикле впрыска топливного инжектора 120, промежуток времени для топлива F для прохождения между сетками 112, 114 может быть таким большим, как 120 секунд. Один фактор, который влияет на это время прохождения, представляет собой коэффициент расхода топлива F. Например, ускорение транспортного средства (не показано), в котором используется система 100 впрыска, будет потреблять топливо F быстрее, чем холостой ход того же самого транспортного средства. Следовательно, на топливо F будет воздействовать электрическое поле, генерируемое между сетками 112, 114, в течение меньшего количества времени в течение ускорения, чем при холостом ходе. С целью учета этих факторов, время присутствия топлива как жидкости в пределах электрического поля может изменяться, например, между 0,1 и 120 секундами.
Блок-схема на фиг.4 поясняет способ использования системы 100. В ходе этапа 160 поток топлива F подается по топливопроводу 110. В ходе этапа 162 топливо F подвергается воздействию электрического поля, достаточного для снижения вязкости топлива F от передачи из топливопровода 110 в инжектор 120. Электрическое поле проходит в направлении, параллельном, но противоположном направлению потока топлива F. В ходе этапа 164 топливо F передается из топливопровода 110 в инжектор 120. В ходе этапа 166 топливо F впрыскивается из инжектора 120 в камеру сгорания для сгорания. Система 100 может использоваться для уменьшения размера частиц топлива, улучшения топливной экономичности транспортного средства, увеличения выходной мощности от двигателя внутреннего сгорания и улучшения выбросов из двигателя внутреннего сгорания.
Примеры
Экспериментальная установка с использованием системы 100 впрыска показана на фиг.1. Топливный инжектор 120, который использовался в ходе эксперимента, представлял собой инжектор Accel™ с высокий индуктивностью, изготовленный Mr. Gasket Co. в Кливленде, Штат Огайо.
В ходе эксперимента топливу F потребовалось приблизительно 15 секунд для прохождения электрического поля, произведенного между сетками 112, 114. Каждый факел топлива от топливного инжектора 120 продолжался приблизительно 4 миллисекунды, генерируя капли 122 топлива из топливного инжектора 120. Капли 122 были собраны на пластине 140, которая была накрыта слоем окисленного магния. Пластина 140 представляла собой квадрат приблизительно 10 сантиметров на 10 сантиметров, который достаточно велик для сбора всех капель 122 при распылении. Пластина 140 была расположена приблизительно в 10 сантиметрах от выхода топливного инжектора 120. Типичная регистрация собранных капель 122 показана на фиг.2.
Как только капли 122 были собраны, пластина 140 была исследована сканером высокого разрешения (не показан), и распределения по размерам капель были проанализированы программным обеспечением отображения. Хотя этот способ медленнее и более трудоемкий, чем известные способы оптического рассеяния, представляется, что этот способ более достоверен, чем любые другие способы. Каждая капля 122 в распыле была зарегистрирована и физически измерена.
Топливо F, которое было испытано в соответствии с этой схемой проверки, было дизельным топливом, а также бензином с 20% этилового спирта. Испытания проводились без использования системы 100 впрыска для задания базиса и затем с использованием системы 100 впрыска для определения преимуществ над базисными результатами. Статистические результаты для дизельного топлива показаны на фиг.3, в то время как результаты для бензина с 20% этилового спирта показаны на фиг.4. Результаты усреднены по многочисленным испытаниям. На основе обеих фигур ясно, что сильное электрическое поле уменьшает размер капель 122 в процессе распыления.
Пример 1
Для эксперимента с дизельным топливом давление топлива составляло 200 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 1380 кПа), электрическое поле было около 1,0 кВ/мм. Топливо F проходило приблизительно 15 секунд через электрическое поле. Эффект для дизельного топлива очень существенен. Например, количество капель 122 с радиусом меньше 5 мкм было увеличено от 5,3% (базис) до 15,3% с троекратным коэффициентом увеличения. На фиг.3 также видно, что электрическое поле произвело большинство капель 122 с радиусом меньше 40 мкм. Если система 100 впрыска применяется для дизельного транспортного средства, оценивается, что топливная экономичность будет увеличена на 15-30% и что выбросы будут также значительно улучшены.
Пример 2
При эксперименте с бензином (с 20% этилового спирта) давление топлива составляло 110 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 760 кПа), электрическое поле было 1,2 кВ/мм и топливо F проходило приблизительно за 15 секунд через электрическое поле. Эффект для бензина также существенен. Например, количество капель 122 с радиусом 10 мкм было увеличено с 17,6% (базис) до 20,7%, то есть с увеличением на 20%. Если система 100 впрыска применяется в бензиновом транспортном средстве, оценивается, что топливная экономичность будет увеличена на 5-10% и что выбросы будут также значительно улучшены.
Пример 3
Дорожные испытания проводились с использованием системы 100 впрыска в топливной системе транспортного средства 200 Mersedes Benz 300D, как показано на фиг.6. Система 100 установлена в транспортном средстве 200 таким образом, что топливо проходит через систему 100 вертикально от основания до верхней части системы 100.
Использование системы 100 увеличило топливную экономичность транспортного средства от пробега приблизительно 30 миль на галлон (приблизительно 12,75 километров на литр) без использования системы 100 до приблизительно 36 миль на галлон (приблизительно 15,3 километров на литр) с использованием системы 100, при этом увеличение составило приблизительно 20%. В этом примере сила электрического поля была между приблизительно 800 В/мм и приблизительно 1500 В/мм, при этом время прохождения потока топлива между сетками 114, 112 составляло приблизительно 5 секунд.
Дополнительно представляется, что и для дизельного топлива, и для бензина система 100 впрыска выдает более высокую выходную мощность на единицу топлива в результате меньшего размера капель 122 благодаря более низкой вязкости топлива F, впрыскиваемого для сгорания.
Хотя изобретение показано и описано здесь со ссылками на конкретные варианты конструкции, изобретение не ограничено показанными деталями. Скорее, различные модификации могут быть сделаны в деталях в пределах объема и диапазона эквивалентов формулы изобретения без отхода от изобретения.