具有核態沸騰熱交換器的可變噴霧噴射器的制造方法
【專利摘要】位于用于可變噴霧燃料噴射系統的噴射器內的熱交換器(16)使用核態沸騰來使從被加熱的金屬到燃料的熱通量最大化，其中核態沸騰沿控制表面出現，其特征在于有助于促進生成脫離氣泡來在蒸氣通量中傳遞熱能的特征。熱通量的源可以是感應加熱器線圈(16)，其被磁性地聯接至適當的損耗部件(19)，從而使得燃料部件內的燃料被加熱至所需溫度。
【專利說明】具有核態沸騰熱交換器的可變噴霧噴射器
[0001]相關申請的交叉引用
本申請是2011年4月22日提交的題為“具有核態沸騰熱交換器的可變噴霧噴射器，，(Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger)的美國臨時專利申請序列號61/478，404的非臨時申請并要求它的優先權,該申請的全部內容通過引用并入本文。
[0002]并且，本申請與跟本申請同日提交的以下美國非臨時專利申請有關:
由Perry Czimmek發明且標識為代理人卷號2011P00689US01的“具有腿部感應器的同步全橋接功率振蕩器(Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with LegInductors)” ；
由Perry Czimmek發明且標識為代理人卷號2011P00690US01的“同步全橋接功率振蕩器(Synchronous Full-Bridge Power Oscillator)，，；
由Perry Czimmek和Mike Hornby發明且標識為代理人卷號2011P00691US01的“同步陣列橋接功率振蕩器(Synchronized Array Bridge Power Oscillator)”；
由Perry Czimmek和Mike Hornby發明且標識為代理人卷號2011P00692US01的“具有腿部感應器的同步陣列功率振蕩器(Synchronized Array Power Oscillator with LegInductors) ” ；和
由Perry Czimmek發明且標識為代理人卷號2011P00694US01的“適應性電流限制振蕩器起動器(Adaptive Current Limit Oscillator Starter)，，。
【背景技術】
[0003]本發明的實施例總體涉及加熱末端燃料噴射器，并且更特別地涉及感應加熱燃料噴射器中的熱傳遞。
[0004]對改善內燃發動機的排放質量存在持續的需求。同時，存在壓力來在維持最大的燃料經濟性的同時使發動機曲柄搖轉時間(crank times)和從接通到開走的時間最小化。那些壓力適用于由比如乙醇等替代燃料供給燃料的發動機以及由汽油供給燃料的發動機。
[0005]在低溫發動機起動期間，常規的火花點火內燃發動機的特征在于高的碳氫化合物排放以及差的燃料點火和燃燒性。除非發動機已經在停止和熱浸泡之后處于高溫，曲柄搖轉時間可能會過長，或者發動機可能完全不起動。在較高的速度和載荷下，操作溫度升高并且燃料霧化和混合改善。
[0006]在實際的發動機冷起動期間，實現起動所必需的濃縮(enrichment)留下非化學計量比的燃料供給，其物化為高排氣尾管碳氫化合物排放。最糟的排放是在發動機操作的前幾分鐘，之后催化劑和發動機接近操作溫度。關于由乙醇供給燃料的車輛，隨著燃料的乙醇百分數增大至100%，冷起動的能力逐漸變低，導致一些制造商去包括雙燃料系統，在其中發動機起動是由常規汽油供給燃料，而發動機運行是由乙醇品位供給燃料。這種系統是昂貴且多余的。
[0007]對于冷起動排放和低溫時的起動困難的另一解決方案是將燃料預加熱至這樣一種溫度，在該溫度，燃料在被釋放至歧管或者大氣壓時快速地蒸發或者立即蒸發(“閃急沸騰”)。就燃料狀態而言，預加熱燃料復現了熱發動機。
[0008]若干預加熱方法已經被提出，其大部分涉及在燃料噴射器中預加熱。燃料噴射器被廣泛用于定量供應燃料到汽車發動機的進氣歧管或者氣缸中。燃料噴射器一般包括:容納一定體積的加壓燃料的殼體、燃料入口部分、容納針閥的噴嘴部分和比如電磁螺線管、壓電致動器或者用于致動針閥的另一機構等電動機械致動器。當針閥被致動時，加壓燃料通過閥座中的孔口噴出并進入發動機中。
[0009]在預加熱燃料中已經使用的一種技術是以隨時間變化的磁場來感應地加熱包括燃料噴射器的金屬元件。具有感應加熱的示例性燃料噴射器在美國專利N0.7，677，468以及美國專利申請 N0.20070235569、20070235086、20070221874、20070221761 和20070221747中公開，它們的內容在此通過弓I用整體并入本文。該能量在適于在幾何結構和材料上被通過隨時間變化的磁場誘發的磁滯和渦電流損耗加熱的部件內被轉換成熱量。
[0010]感應燃料加熱器不但有利于解決與汽油系統相關聯的上述問題，而且還有利于預加熱乙醇品位燃料，用以在沒有多余汽油燃料系統的情況下實現成功的起動。
[0011 ] 一旦有用的加熱方法可獲得后，下一挑戰就是將來自適當的損耗部件的熱量傳遞至待加熱的燃料。常規方法包括從選擇性地受到加熱的金屬部件到燃料的對流和傳導熱傳遞。這些常規方法受到由所涉及材料的熱傳導性和表面面積施加的限制。如果某人嘗試簡單地通過增加選擇性地受到加熱的部件的溫度來增加進入給定體積的流體中的熱通量，則結果是對于那個新的較高溫度常常超過燃料的蒸氣壓力，并且產生蒸發燃料的壁膜，即膜態沸騰模態(regime)，其于是降低熱傳導性，因為向氣體中傳遞熱量不如向液體中傳遞熱量有效。
[0012]本發明的實施例提供改善了的熱傳遞、克服與替代解決方案相關聯的困難并且避免產生膜態沸騰。
【發明內容】
[0013]本發明的實施例改善超出自由對流和傳導熱傳遞熱交換器方法的可變噴霧噴射器的熱傳遞。依據本發明的一個或多個實施例，選擇性地受到加熱的部件可以具有通過核態沸騰使熱傳遞最大化的表面。
[0014]眾多的試驗研究已尋求通過對流以及傳導來使熱傳遞最優化，在所述對流中湍流、混合和流體運動被增強，在所述傳導中表面面積被最大化并且流體在該表面上的停留時間被最大化。在對流和傳導被最大化的同時，呈沸騰形式的相變的產生被仔細地避免，用以防止由于氣體分量而在流動中發生的明顯的定量供應質量流量變動，以及在膜態沸騰生成蒸氣的隔離表面的情況下的熱傳導的下降。
[0015]依據本發明的實施例，沸騰未被避免。相反，沸騰被增強、促進并局限于核態沸騰，由此有利地加快熱傳遞。此外，在所謂的過冷核態沸騰中，甚至在流體的蒸氣壓力以下，核態沸騰都可以被促進。本發明的一個或多個實施例特意地生成溫度梯度和成核場所，用于有利地產生蒸氣氣泡，從而使得相對較小蒸氣氣泡的相對較大量的產生和脫離生成比正常自由對流和傳導熱通量的相變熱通量更大的相變熱通量。【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是示出示例性的被感應加熱的可變噴霧燃料噴射器的圖。
[0017]圖2a和2b示出了依據本發明的實施例的示例性成核加熱器表面。
[0018]圖3a_3c示出了依據本發明的實施例的原理核態沸騰。
[0019]圖4是基于大約1934年的“拔山沸騰曲線(Nukiyama Boiling Curve) ”示出原理沸騰模態的簡化版本的圖形。
[0020]圖 5 是基于日本2OO7年的“About Pool Boiling CHF in Different WettabilityLiquids”的作者Park(樸)、Fukuda(福田)和Liu(劉)的測量數據在兩種壓力下的乙醇原理沸騰模態的圖形。
【具體實施方式】
[0021]本發明的實施例在這里被描述為在具有感應加熱損耗部件的可變噴霧燃料噴射器中實施。參見圖1，其是一種感應加熱可變噴霧燃料噴射器，基本配置包括對燃料供給源的密封方法，即O形圈10，其位于供給源與燃料入口管14結構之間。電連接器12提供一種手段來將電能傳導至螺線管閥線圈13和感應加熱器線圈16。適當的損耗部件，其表面18將提供用于核態沸騰熱傳遞的控制表面，被繞線筒(bobbin) 15圍繞，但是通過熱屏障或者隔離體與損耗部件分開。加熱器線圈16被放置在繞線筒上，并被限制在繞線筒與殼體或者外殼17之間。內燃發動機的進氣歧管通過一種密封方法比如O形圈11得以密封至噴射器。
[0022]參見圖2a，圖2a中的適當的損耗部件19具有控制表面，該控制表面包括適于實現核態沸騰的構造(texture)。在圖2a中，該構造由三角形形成，所述三角形被重復以使成核場所最多化，并具有從波谷20跨越至波峰21的幅度。該構造可以由任意適當類型的形狀形成，包括但不限于正方形、彎曲的、或者隨機的或者改變損耗部件19的厚度的任何其它形式的構造。厚度的變化允許出現溫度梯度，從而使得成核現象被促進更靠近波谷20出現，并且由核態沸騰形成的蒸氣氣泡將由于與波谷深度的一些關系而尺寸受限。此外，使用適當損耗部件的感應加熱方法通過電磁趨膚效應增強從波峰21到波谷20的梯度。
[0023]在另一實施例中，參見圖2b，構造通過箔片或者簾柵屏蔽22得到增強，所述箔片或者簾柵屏蔽(screen shield) 22生成空腔23，所述空腔23具有通向期望被加熱的燃料體積的流體和氣體連接。與圖2a所示的未屏蔽實施例相比，所述空腔允許存在更大的溫度梯度。參見圖3a_3c來描述依據本發明的實施例的核態沸騰熱傳遞，所述圖3a_3c包括圖2b所示實施例的空腔23的放大視圖。圖3a示出了由波峰21和屏蔽22限界的空腔23。圖3b示出了成核氣泡24，其由于浮力而使自身附著至頂部。
[0024]隨著成核氣泡24的生長，它從被選擇性地加熱的部件19吸收呈蒸發的潛熱形式的能量。體積受到約束的成核氣泡24膨脹穿過橫穿屏蔽22的流體和氣體管道，并且最終由表面張力效應夾斷成核氣泡24，從而使得孤立的氣泡25得以形成并攜帶存儲于蒸氣中的能量遠離空腔23并進入較冷的流體中，在較冷的流體中，熱量被釋放并且氣泡重新冷凝到液體，已通過熱通量比單獨的對流或者傳導更大的手段將能量傳遞至液體。
[0025]圖4示出了處于不同熱傳遞模態的熱通量，且圖5進入更多細節，使得核態沸騰的優點得以示出，特別是對于定量供應乙醇或者就燃料牌號而言被稱為E100的物質的可變噴霧噴射器。參見圖5，自然對流斜線具有最低的瓦特每平方米熱傳遞，而完全發展核態沸騰或者圖上的FDNB具有最高的瓦特每平方米熱傳遞。還應指出的是，圖5示出了在494kPa處獲得的FDNB模態，494kPa是高于101.3kPa的壓力，101.3kPa也可以被稱為環境大氣壓。這在以下情形中是有利的:可變噴霧噴射器以FDNB是有可能的定量供應壓力進行操作。核態沸騰熱傳遞直到臨界熱通量或者CHF時都是能維持的，在臨界熱通量處，接近膜態沸騰，從而使得關于壓力和溫度存在操作區域，該操作區域對于核態沸騰熱交換器來說可以被最佳化。
[0026]前述詳細描述應理解為在每一方面都是說明性和示例性的，而不是限制性的，并且本文所公開的發明的范圍不應從本發明的描述來確定，而是應該從權利要求書來確定，所述權利要求書應根據專利法所準許的最寬范圍來解釋。例如，雖然本發明的核態沸騰熱交換器在本文是對于采用了用于內燃發動機燃料噴射器中的加熱器的感應加熱器線圈的可變噴霧噴射器來描述的，但是本發明的實施例可以用于改善使用比如電阻熱量或者正溫度系數(“PTC”)加熱器等其它方法的可變噴霧噴射器的熱交換器。應該明白的是，本文所圖示和描述的實施例僅僅用于說明本發明的原理，并且本領域的技術人員可以在不背離本發明的范圍和精神的情況下實施各種變型。
【權利要求】
1.一種具有熱交換器的可變噴霧噴射器，包括: fe耗部件； 被配置成促進核態沸騰熱傳遞的表面；和 在待加熱流體與所述表面之間的流體和氣體聯接部。
2.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面被構造用以生成用于發展核態沸騰的成核場所。
3.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面被帶孔眼的箔片屏蔽。
4.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面被簾柵屏蔽。
5.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面被多孔材料屏蔽。
6.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面通過帶孔眼的箔片來構造。
7.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面通過簾柵來構造。
8.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面通過多孔材料來構造。
9.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述表面具有從第一表面形貌特征到第二表面形貌特征的溫度梯度。
10.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述損耗部件的溫度被維持在將在所述可變噴霧噴射器內被加熱的流體的沸騰臨界溫度以下。
11.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，所述損耗部件的溫度被維持在80°c以上且在200°C以下，用于加熱具有大于50%乙醇的成分的乙醇燃料。
12.如權利要求1所述的可變噴霧噴射器，其中，對于具有大于50%乙醇的成分的乙醇燃料來說，被供給的燃料壓力大于3巴絕對值但是小于60巴絕對值。
【文檔編號】F02M53/06GK103562538SQ201280019652
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月7日 優先權日:2011年4月22日
【發明者】P.齊梅克, H.薩亞 申請人:大陸汽車系統美國有限公司