Патент на изобретение №2228223

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

(57) Реферат:

Настоящее изобретение включает управляемое распыление жидкостей для различных применений, таких как: рассеивание частиц/капелек для измерений скорости потока, температуры и концентрации на основе использования лазеров; атомный анализ с использованием пламени и плазмы; производство порошка, имеющего нанометровые размеры частиц; распылительная сушка для создания частиц небольшого размера; пульверизаторы для создания капелек субмикронного размера, а также для распыления топлива для использования в камерах сгорания. В этих и других применениях распылителей управление размерами капелек и/или частиц является критическим. В некоторых применениях предпочтительны чрезвычайно маленькие капельки (меньше микрона), в то время как в других требуются диаметры капелек в масштабе нескольких микрон. Настоящее изобретение обладает такой гибкостью при формировании капелек в пределах определенного диапазона диаметров, при которой может быть настроен не только средний размер капелек, но также может быть настроен диапазон размеров. Распылитель имеет форму нагреваемой трубки, имеющей впускной торец и выпускной торец. По мере того как жидкость проходит по трубке, она нагревается, и при выходе из трубки и поступлении в область сниженного давления жидкость распыляется, образуя тонкоизмельченные капельки. Электрически нагревая трубку посредством пропускания через нее тока, можно выполнять регулирование нагревания “на лету”, позволяя осуществлять регулирование размера капелек во время работы распылителя. Раскрывается несколько различных вариантов воплощения устройств распыления. 10 с. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для распыления жидкостей. Более определенно, жидкость распыляется на выходе удлиненной трубки малого диаметра или камеры с небольшой площадью внутренней поверхности с помощью дополнительного устройства нагревания для непосредственного нагревания жидкости в пределах трубки или камеры. Распылительные устройства широко используются, включая, но не ограничиваясь: атомную спектроскопию с использованием пламени и плазмы; производство порошка, имеющего нанометровые размеры частиц; рассеивание частиц, капелек для диагностики потоков на основе использования лазеров; распылительную сушку для производства тонкоизмельченных порошков; пульверизаторы для ингаляции в подаче лечебного средства, а также для распыления топлива для использования в камерах сгорания.

Уровень изобретения

Распылители уже широко используются для создания тонкоизмельченных аэрозолей с однородным распределением размеров капелек. В то время как некоторые из распылителей согласно уровню техники по меньшей мере частично эффективны, все же имеется потребность в распылителе, который может производить тонко распыленную капельную пыль с управляемым и однородным распределением размеров капелек. В статье в журнале “Analytical Chemistry”, 1990-62, страницы 2745-2749, озаглавленной: “Conversion of an Ultrasonic Humidifier to a Continuous-Type Ultrasonic Nebulizer for Atomic Spectrometry”, принадлежащей Clifford и соавт., описаны наиболее часто используемые пульверизаторы растворов для атомной спектрометрии. В патенте США №4582731, принадлежащем Smith и опубликованном 15 апреля 1986 г., описано нанесение пленок молекулярным распылением с использованием жидкости, текущей в сверхкритическом режиме, а также способ формирования порошка. Генерация и рассеивание частиц в лазерной технике измерения скоростей описана James F. Meyers в серии лекций 1991-08, изданных Институтом изучения динамики текучих потоков: von Karman Institute for fluid dynamics. В этой ссылке также описано увеличение точности лазерных измерений в случае, когда используются частицы однородных размеров. Устройство пульверизатора для подачи лечебных препаратов описано Greenspan и соавт., в патенте США №5511726, опубликованном 30 апреля 1996 г. В устройстве используется пьезоэлектрический кристалл и схема управления для приложения напряжения к распыляемому раствору.

В дополнение к вышеупомянутым распылителям уровня техники в последние годы были разработаны различные способы и устройства для предварительного нагревания или распыления топлива. Несмотря на то что некоторые из этих устройств относительно эффективны, все же имеется потребность в распылителе, который может полностью обеспечить перевод топлива в парообразное состояние, а также повышение температуры топлива, чтобы избежать конденсации на выходе распылителя. Такая процедура особенно необходима в процессе холодного запуска и цикла прогрева двигателя внутреннего сгорания. После того как двигатель был охлажден значительно ниже рабочей температуры (так, например, на несколько минут после его выключения, в зависимости от погоды), а затем он был включен, топливо, поступающее в камеру сгорания, часто оказывается в парообразном состоянии, в виде больших капель и в виде жидкости. Значительная часть топлива, которая находится в виде капель или в виде жидкости, полностью не сгорает. Это приводит к уменьшению эффективности работы двигателя (использующего несгоревшее топливо), а также к росту выделения несгоревших углеводородов. Двигатель не только недостаточно нагрет для того, чтобы эффективно сжечь нераспыленное топливо, но и после переработки (то есть каталитического преобразователя) он является нерабочим в течение этого периода, создающего сильное загрязнение. Фактически, от семидесяти до восьмидесяти процентов всех выбросов углеводородов производятся до того, как начнет работать каталитический преобразователь. При уменьшении размеров капелек топлива и увеличении степени парообразования топлива, поступающего в камеру сгорания, процент топлива, которое сгорает, увеличивается, производя таким образом больше тепла и уменьшая время, необходимое для того, чтобы довести двигатель и каталитический преобразователь до рабочей температуры.

В патенте США №4011843, заявленном Feuerman и опубликованном 15 марта 1977 г., описан процесс испарения топлива для использования в двигателях внутренних сгорания. Распыляющий клапан для инжектированного топлива двигателя внутреннего сгорания описан в патенте США №4898142, опубликованном 6 февраля 1990 г. и принадлежащем Van Wechem и соавт. В патенте США №5118451, опубликованном 2 июня 1992 г. и принадлежащем Lambert, Sr. и соавт., описано другое устройство парообразования топлива. В патенте США №5609297, опубликованном 11 марта, 1997 г., заявленном Gladigow и соавт., описаны несколько вариантов воплощения устройств распыления топлива. Инжектор топлива с внутренним нагревателем описан в патенте США №5758826, опубликованном 2 июня 1998 г., и принадлежащем Nines. В патенте США №5778860, опубликованном 14 июля 1998 г., принадлежащем Garcia, описана система парообразования топлива. В публикации SAE Technical Paper Series #900261, озаглавленной: “The Effect of Atomization of Fuel Injectors on Engine Performance”, принадлежащая Kashiwaya и соавт., описано использование инжекторов с турбулентной конфигурацией. В публикации SAE Technical Paper Series #970040, озаглавленной: “Fuel Injection Strategies to Minimize Cold-Start HC Emissions”, принадлежащей Fisher и соавт., описано влияние изменения инжектора топлива и параметров управления на уровни выброса при холодном запуске. В публикации SAE Technical Paper Series #1999-01-0792, опубликованной Zimmermann и соавт., описано измерение влияния нагреваемых изнутри инжекторов топлива на выбросы углеводородов до того времени, пока двигатель не достигнет рабочей температуры.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение включает управляемое распыление жидкостей для различных применений, таких как: рассеивание частиц, капелек для измерений скорости потока, температуры и концентрации на основе использования лазеров; атомная спектроскопия с использованием пламени и плазмы; производство порошка, имеющего нанометровые размеры частиц; распылительная сушка для производства однородного порошка; химическая обработка (то есть фазовое превращение, диспергирование, катализ и преобразование топлива); пульверизаторы для ингаляционных применений, а также для распыления топлива для использования в камерах сгорания. В этих и других применениях распылителей управление размерами и однородностью капелек и/или частиц является критическим. В некоторых применениях предпочтительны чрезвычайно маленькие капельки (меньше микрона), в то время как в других требуются диаметры капелек в масштабе нескольких микрон. Однако в большинстве применений требуется тщательно диспергированная капельная пыль с достаточно однородными по размерам капельками (то есть монодиспергированными). В других применениях требуются чрезвычайно тонкоизмельченные капельки для обеспечения увеличенной площади поверхностного взаимодействия, для улучшения реакций, обеспечения скоростей теплового и химического равновесия, фазовых превращений и достижения однородности. Распылитель настоящего изобретения обладает такой гибкостью при формировании капелек с управляемыми размерами, при которой может быть обеспечен не только средний размер капельки, но также может быть обеспечен диапазон размеров. Способы использования распылителя описаны ниже со ссылками на специфические применения.

Использование лазерной технологии в сфере измерений существенно возросло в течение нескольких последних десятилетий, это использование продолжает расширяться все больше и больше по мере развития новой и улучшенной технологии. Преимущество лазерной технологии заключается в том, что излучение является неинтрузивным и неразрушающим, а сфокусированная интенсивность излучения, свойственная лазерным лучам, позволяет осуществлять очень точное восприятие очень маленьких частиц, производя очень незначительные изменения. Одним таким применением является использование лазерных лучей для того, чтобы осуществлять измерения скоростей, известное как лазерный доплеровский измеритель скоростей. Лазерный луч направляется на движущиеся частицы, и измеряется скорость частиц. Часто такой тип измерения используется для того, чтобы изучить скоростные характеристики газового потока, например воздуха, проходящего через трубопровод. Для того чтобы обеспечить мишень для лазерного луча, которая будет отражать луч как в воздухе, так и других газах, нужно вводить некоторую среду, которая является достаточно большой для того, чтобы ее можно было осветить. При демонстрационных измерениях подобная процедура обычно выполняется с дымом. Однако для таких измерений, как лазерное доплеровское измерение, обычно требуются несколько большие частицы, в диапазоне от субмикрона до нескольких микрон. В дополнение к чувствительности размеров отражающая среда может также изменять измеряемые параметры. Для того чтобы изучать скоростные характеристики газового потока, нужно “рассеять” газовый поток с достаточным количеством частиц от субмикронных размеров до размеров в несколько микрон, чтобы сделать измерения возможными, в то же самое время не оказывая воздействия на газовый поток или не вызывая его деградации. Такое требование рассеивания часто является наиболее трудновыполнимым требованием для того, чтобы достичь точных и надежных результатов лазерного доплеровского измерения скоростей. В настоящее время для рассеивания используются распылительные устройства, но они обычно не дают требуемого качества. Комбинация малого объема и неадекватного распыления приводит к слишком малому числу измерений за требуемый период времени. Например, чтобы провести быстродействующие измерения, нужно зарегистрировать несколько тысяч измерений на протяжении одной минуты. Затем эти измерения могут быть усреднены, чтобы обеспечить точные результаты.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству, которые способны генерировать капельную пыль с маленькими капельками, однородными по размерам, посредством сверхперегретого распылителя. Такой распылитель испытывали как устройство рассеивания частиц для лазерных доплеровских измерений, и было показано, что он обеспечивает значительное улучшение в числе отсчетов за минуту и отношений сигнала к шуму. Улучшение вызвано превосходной способностью распылителя тщательно распылять жидкость точными дозами посредством функционирования способа распыления, основанного на нагреве, в противоположность распылению, индуцированному воздухом. В сверхперегретом распылителе находящаяся под давлением жидкость нагревается до высокой температуры в распылительной форсунке, что приводит к нагретой капельной пыли, которая является более устойчивой к повторной конденсации. Такая устойчивость оказывается выгодной, поскольку распыленная капельная пыль проходит в измерительную часть без повторной конденсации. Ожидается, что улучшения рассеяния частиц для лазерных доплеровских измерительных систем, которые достигнуты с использованием настоящего изобретения, могут также улучшить выполнение измерений и в других системах, в которых используется рассеивание частиц, таких как испытания в аэродинамической трубе. В заключение, распылитель согласно настоящему изобретению испытывали относительно распыления жидкости со суспендированными частицами. Частицы, используемые в испытании, были частицами диоксида титана, имевшими размеры в диапазоне 3-5 микрон. Распылитель обеспечивал превосходное распыление и, таким образом, достигался равномерный захват частиц диоксида титана в воздушном потоке в отношение нулевой выталкивающей силы. Эти результаты испытаний показывают, что распылитель может использоваться в качестве устройства генерации дыма для испытаний в аэродинамической трубе. Стабильный, плотный, воспроизводимый и управляемый объемный поток дыма легко производился распылителем.

Было продемонстрировано, что распылитель согласно настоящему изобретению может достигать скоростей сбора данных, которые на два-три порядка величины выше, чем скорости сбора данных, доступные с использованием известных распылителей частиц. Оптимизируя расход жидкости и газа, а также входную мощность распылителя, можно получить дополнительное увеличение чувствительности для широкого диапазона материалов и частиц. Кроме того, использование распылителя в качестве рассеивателя частиц для измерений расхода позволит обеспечить прецизионное управление “на лету” размерами и плотностью капелек. В настоящее время твердые рассеиваемые частицы с фиксированным распределением размеров должны заменяться между циклами измерений с различными параметрами потока, для которых требуются различные размеры частиц. Коротко говоря, распылитель может управлять размером капелек и их пространственным распределением, а также оптимизировать уровни сигналов, уменьшая при этом взаимодействие частиц с полем потока.

Другое применение распылителя находится в области элементного анализа на основе использования пламени и плазмы. В патенте США №5997956, опубликованном Hunt и соавт. 7 декабря 1999 г. и озаглавленном: “Chemical vapor deposition and powder formation using thermal spray with near supercritical and super-critical fluid solutions”, описан в сочетании с процессом осаждения из газовой фазы с сжиганием один вариант воплощения распылителя. В таком процессе нанесения покрытия исходные вещества растворяются в растворителе, действующем в качестве сгорающего топлива. Этот раствор распыляется, чтобы образовать капельки субмикронных размеров, которые поток кислорода несет к пламени, где они воспламеняются. Тепло от пламени обеспечивает энергию, необходимую для того, чтобы и капельки, и исходные вещества испарялись для того, чтобы прореагировать и осесть на подложках. Посредством модификации осаждения из газовой фазы с сжиганием системы, могут быть выполнены измерения оптического излучения возбужденных в пламени образцов, и эти измерения могут быть проанализированы на предмет наличия микропримесей. Одно такое применение включает атомно-эмиссионную спектроскопию на основе пламени. Два из наиболее часто используемых аналитических методов для элементного анализа представляют собой атомную абсорбционную спектроскопию и ионно-циклотронно-плазменную атомно-эмиссионную спектроскопию. Приборы атомной абсорбционной спектроскопии являются относительно недорогими, но имеют несколько ограниченную чувствительность (предел детектирования). Ионно-циклотронно-плазменная атомно-эмиссионная спектроскопия имеет намного большую чувствительность, чем атомная абсорбционная спектроскопия, но и является намного более дорогостоящей. Было продемонстрировано, что распылитель настоящего изобретения может производить такие образцы пламени для атомно-эмиссионной спектроскопии, что измерения имеют чувствительность, сопоставимую с результатами, полученными атомной абсорбционной спектроскопией уровня техники. Такая чувствительность была достигнута без принципиальных модификаций существующей системы осаждения из газовой фазы с сжиганием установки, а результирующая система была далека от оптимума. Путем оптимизации расхода жидкости и газа, установки распылителя, расположения пламени, интегрирования сигнала и установки оптики может быть получено значительное увеличение чувствительности. Распылитель согласно настоящему изобретению будет обеспечивать качественные результаты ионно-циклотронно-плазменной атомно-эмиссионной спектроскопии, при этом такой прибор мог бы очень хорошо продаваться, находясь в ценовом диапазоне приборов атомной абсорбционной спектроскопии. В атомной спектрометрии эффективная пульверизация органических растворов и уменьшение среднего размера капель приводят к возрастанию чувствительности измерений и эффективности переноса анолита. Кроме того, кинетика процесса парообразования, которое возникает в измерительной камере, определяется фракцией больших аэрозолей, находящихся в камере, что непосредственно соотносится со средним диаметром капель первичного аэрозоля, производимых распылителем.

Потенциальная возможность использования такого распылительного устройства в эмиссионной спектроскопии пламени была установлена путем предварительных испытаний, используя толуоловые растворы с известными концентрациями натрия. Для того чтобы наблюдать интенсивность “D” линии натрия для растворов с различными концентрациями, использовался волоконно-оптический спектрометр. Самая низкая испытанная концентрация (1 часть на миллион) легко детектировалась, с линиями натрия, имеющими оцененное визуально отношение сигнала к шуму, намного большее, чем 10:1, даже при такой низкой концентрации. Было установлено, что система очень чувствительна к небольшим изменениям, обусловленным такими факторами, как однородность капельной пыли, положение форсунки и т.д. Система настоящего изобретения имеет чувствительность, которая могла бы конкурировать с ионно-циклонно-плазменными пределами детектирования по части стоимости аппаратуры. Кроме того, эта система может использовать растворы углеводородов. Для того чтобы уменьшить фоновые пики растворителя, настоящее изобретение может использоваться в ионно-циклонно-плазменной системе или с кислородно-водородным пламенем. Также могут использоваться другие типы плазмы, например, типа микроволновой и электродуговой плазмы. В таких плазменных системах увеличенная чувствительность будет достигаться при использовании настоящего изобретения из-за более тонкого распыления и из-за малого или отсутствующего растворения от распыляющих или распространяющихся газов.

Распылитель также может использоваться в производстве порошков, имеющих нанометровые размеры частиц (1-100 нм). Существует много технологий для производства тонкоизмельченных порошков, включая химическое осаждение из газовой фазы, осаждение с использованием пламени и плазменную обработку. Такие методы необходимы для производства гомогенного порошка с малым размером частиц, но они потребляют очень много энергии и потому дороги. По сравнению с этими методами настоящее изобретение обеспечивает значительное уменьшение стоимости обработки. Кроме того, процесс распыления также позволит производить многочисленные составы пыли с частицами нанометрового размера, которые не могут быть получены обычными методами. В способах конденсации паров сгорающей жидкости дешевые, не реагирующие с окружающими материалами несущие металл реактивы растворяются в растворителях, которые также служат в качестве горючего топлива. При использовании распылителя согласно настоящему изобретению этот раствор распыляется для того, чтобы образовать субмикронные капельки, которые затем воспламеняются в факеле, образуя пар. Образовавшиеся таким образом конденсируемые образцы гомогенно образуют зародыши в виде пыли аэрозоля с частицами нанометрового размера, которые затем собираются в дисперсионной среде или на твердом коллекторе. Предварительно смешанные растворы исходных веществ позволяют реализовать большую универсальность в синтезировании широкого разнообразия соединений пыли с частицами нанометрового размера с по существу равномерными размерами и составом. Посредством конденсации паров сгорающей жидкости способа можно получить порошки с частицами нанометрового размера, которые собираются в качестве коллоидных дисперсных систем, являющихся удобной формой для использования и последующей работы. Предпочтительное применение, обеспечивающее преимущества производства таких порошков с частицами нанометрового размера, включают производство керамики точной формы, порошковые покрытия и реологические текучие среды. Другие применения таких высококачественных, многокомпонентных порошков с частицами нанометрового размера включают электронные, оптические, магнитные, механические и каталитические применения. При газофазной химической обработке порошки или порошки с частицами нанометрового размера могут вводиться, чтобы реагировать или действовать в качестве катализаторов. Использование распылителя с конденсацией паров сжигающей жидкости приводит к простым и экономичным производственным процессам для получения разнообразных самых современных нанофазных порошков.

Еще одним применением настоящего распылителя является новейший пульверизатор для генерации капельной пыли с маленькими капельками. Распылитель, используя новаторскую комбинацию простых, надежных компонентов с умеренными требованиями по потребляемой мощности, позволяет производить очень тонкое распыление и испарение жидких растворителей и топлива, а также полное и быстродействующее управление распылением. Такие характеристики необходимы для введения образцов в пламя и для индукционно-возбуждаемой плазменной атомной спектроскопии, как пояснялось выше, а также во многих других таких же важных процессах, включая масс-спектрометрию и атомно-эмиссионную спектрометрию, подачу препарата, анализ и инжекцию топлива. В другом химическом технологическом применении опасные материалы могут быть более тонко и однородно разделены для того, чтобы позволить осуществить более безопасную и более полную переработку расщеплением посредством использования тепловой энергии, плазмы, пламени или других способов осуществления реакций.

Технология распылительной сушки используется при генерации частиц малых размеров. Распылитель позволяет осуществлять очень тонкое распыление и испарение жидких растворителей, а также полное управление степенью распыления. Такие характеристики полезны в процессах распылительной сушки для производства фармацевтических сухих порошков и распыления суспензий и смесей для пищевых и химических продуктов. Настоящее изобретение также может обеспечить более эффективное производство полимерных порошков с точными размерами частиц. В процессах распылительной сушки используют преобразование жидкости в частицы сухого порошка. Это достигается распылением текучей среды в камеру сушки, в которой жидкие капельки проходят через поток горячего воздуха и преобразуются в твердые частицы с помощью механизма, управляемого посредством локального тепла и условий переноса массы. Затем эти частицы собираются и хранятся для будущего использования. Основная задача распылителя состоит в том, чтобы произвести капельную пыль с высоким отношением поверхности к массе, капельки, которые могут быстро и однородно испарить воду или другие растворители. Этот шаг в процессе распылительной сушки определяет первичный размер капелек и поэтому существенно воздействует на качество произведенного порошка. В таких применениях, как подача протеина в легкие, а также пептидная терапия, препарат должен подаваться в виде частиц малых размеров, для того чтобы предотвратить выдыхание или осаждение в верхних дыхательных путях. Другие применения способа распылительной сушки, использующей распылитель согласно настоящему изобретению, включают керамические изделия и прессованные порошки для электронной техники, которые играют важную роль в развитии промышленного производства высококачественной (самой современной) керамики. Способность удовлетворять требованиям распределений размеров частиц, производить сферическую форму частиц и оперировать с абразивным сырьем для промышленности – важная причина для широко распространенного использования устройств распылительной сушки в керамических отраслях индустрии. Устройства распылительной сушки для химических отраслей промышленности также производят разнообразие порошкообразных, гранулированных и агломерированных продуктов в системах, которые минимизируют образование газообразных и жидких выбросов, а также выбросов в виде частиц. Высокоэффективные газоочистительные системы и высококачественные рукавные фильтры предотвращают выбросы порошка, в то время как перерабатывающие системы устраняют проблемы обработки растворителей, токсичности продукта и риски взрыва пламени. Продовольственные продукты, которые существуют в форме порошка или агломерата, такие как кофе/заменители кофе, пищевые красители, мальтодекстрин, суповые смеси, экстракты специй/трав, чай, томаты, овощные протеины, могут быть получены с помощью распылительной сушки. Такое применение распылителя является полезным, поскольку формирование этих продуктов, чувствительных к теплу, требует тщательного выбора системы и ее функционирования, для того чтобы сохранять порошки высокопитательных продуктов и качественные порошки точной спецификации.

Настоящее изобретение также относится к распылению топлива для подачи в камеры сгорания, для того чтобы увеличить сжигание этого топлива, тем самым увеличивая эффективность использования топлива и тепла, при одновременном снижении количества не выгоревших углеводородных загрязнений, полученных при сгорании. Описанные здесь способы и устройство необходимы тогда, когда они используются для обеспечения распыления топлива в процессе запуска и цикла прогрева при работе двигателя внутреннего сгорания, когда потребление топлива и производство загрязнителей окружающей среды достигает самого высокого уровня (однако должно быть понятно, что изобретение не ограничивается использованием какого-либо специфического топлива или камеры сгорания, а имеет широкий диапазон использования). До достижения нормальной рабочей температуры, когда двигатель уже функционирует (ситуация, которая является свойственной для всех двигателей, которые должны запускаться), внутренние поверхности двигателя, имеющие температуру окружающей среды (особенно впускная линия), препятствует процессу парообразования топлива и даже индуцирует смачивание этих поверхностей. Непарообразная фаза топлива не сгорает, таким образом, уменьшение парообразования топлива приводит к возрастанию потребления топлива, а также к производству загрязнителей окружающей среды (а именно, несгоревшего топлива), а также к уменьшению коэффициента полезного действия. Направляя топливо через маленький канал трубки или камеру и быстро нагревая топливо в трубке, с помощью настоящего изобретения обеспечивают тщательно распыленное нагретое топливо с капельками, имеющими размеры от субмикронного до микронного диапазона. Такое сильно распыленное топливо сгорает почти полностью, уменьшая уровни выбросов при холодном запуске и прогреве до уровней, подобных тем, которые производятся после того, как двигатель достиг рабочей температуры.

Обеспечивая нагретое, хорошо распыленное топливо, распылитель топлива согласно настоящему изобретению предотвращает смачивание и смазывание в топливном инжекторе, дроссельном клапане, впускных стенках, клапанах, ножках клапана, гнездах клапана, рельефе клапана, стенке цилиндра, головке цилиндра, свече зажигания, резьбе свечи зажигания, фасках поршня, поршневых зазорах, поршневых торцах, поршневых кольцах и других внутренних поверхностях двигателя. Жидкое топливо, которое собирается на этих поверхностях, не только увеличивает потребление топлива тем, что не сжигается, но также и действует в качестве теплоотвода, препятствуя таким образом передаче тепла двигателю и увеличивая время прогрева двигателя. Распылитель нагревает топливо посредством прямого контактирования топлива с нагревательным элементом в точке инжекции топлива в двигатель. Распылитель может использоваться для того, чтобы инжектировать топливо в нескольких различных местоположениях в двигателе, или в качестве дополнительного инжектора (то есть инжектора холодного запуска), или в качестве первичного топливного инжектора. Топливо может быть подано во всасывающий коллектор, отверстие или непосредственно в камеру сгорания, предварительную камеру или камеру стратификации. Кроме того, распылитель может быть скомпонован таким образом, чтобы работать в любой комбинации из этих местоположений, например, в качестве инжектора центрального отверстия, или в качестве отдельного компонента системы инжектирования с множеством отверстий, или же в качестве законченной системы подачи топлива с регулированием его расхода, или же в качестве дополнительной системы инжекции топлива, предназначенной для осуществления холодного запуска.

Следует отметить, что, в то время как примеры и данные, приведенные здесь, преимущественно относятся к сжиганию бензина в двигателе внутреннего сгорания, распылитель полностью приспособлен как для использования с любым устройством сжигания, так и с другими видами топлива. Примеры видов топлива включают: бензин, дизельное топливо, керосин, биотопливо, нагревательный мазут или газ, топливо типа A1, JP-5 и JP-8. Примеры применений включают двух- и четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, печи, турбины и нагреватели. Существует неограниченное число видов топлива и применений, к которым может быть применимо настоящее изобретение, и поэтому нет необходимости ограничивать распылитель топлива каким-либо специфическим применением. В заключение, термины “камера сгорания” и “топливо” использовались здесь для того, чтобы сослаться на любое устройство, которое сжигает топливо и может обеспечить преимущество из увеличенного распыления такого топлива. Однако одно из наиболее выгодных использований распылителя топлива вариантов воплощения настоящего изобретения заключается в том, чтобы уменьшить выбросы загрязнений и потребление топлива в процессе запуска двигателя внутреннего сгорания; это применение должно быть исследовано первым.

Распылитель согласно настоящему изобретению может быть выполнен в нескольких различных вариантах воплощения. В основном варианте воплощения распылитель представляет собой нагретую трубку или камеру. Способ нагревания трубки может быть выбран из множества различных способов, включая, но не ограничиваясь: прямым электрическим резистивным нагреванием (используя резистивную трубку или внутренний нагревательный элемент); нагреванием за счет теплопередачи (помещение трубки в блок из материала, а затем нагревание блока картриджным нагревателем) посредством пропускания нагретой текучей среды по блоку или через него, или другим средством нагревания); нагревание излучением, используя лазерное, инфракрасное, микроволновое излучение или другой источник(и) излучения энергии; горячими газами или жидкостями (масло, вода, гликоль), пламенем, направленным вокруг трубки; или любой комбинацией этих и других известных способов нагревания, способных обеспечить необходимую температуру жидкости. Предпочтительным является электрическое резистивное нагревание, поскольку оно обеспечивает большой диапазон управляемого нагревания на относительно небольшом пространстве. В базовом варианте воплощения с электрическим нагреванием используется электропроводная/резистивная трубка или камера. Термин “трубка” предназначен для того, чтобы показать конструктивную систему, имеющую внутреннюю площадь поверхности, которая является небольшой по сравнению с длиной системы. Это может быть лучше представлено путем введения отношения длины к характеристической внутренней ширине. Величина характеристической внутренней ширины может быть выражена как корень квадратный для среднего поперечного сечения внутренней площади камеры. Например, однородная трубка квадратного сечения со сторонами 3 мм имела бы среднюю площадь поперечного сечения 9 мм² и величину характеристической внутренней ширины, равную 3 мм. Если эта трубка была бы длиной 12 мм, то отношение длины к характеристической внутренней ширине было бы 4. Хотя некоторые системы могут работать с таким небольшим отношением длины к характеристической внутренней ширине, как 1, в большинстве случаев для создания надлежащего распыления жидкости требуется отношение длины к характеристической внутренней ширине, находящееся в пределах от 50 до 100. Более высокие отношения длины к характеристической внутренней ширине обычно обеспечивают более мелкие и более однородные капельки. Предпочтительными являются отношения даже более чем 1000. При более высоких отношениях длины к характеристической внутренней ширине возрастает обратное давление, которое может быть полезным в одних применениях или ограничивающим в других. Фактически, для специфического применения, требуемые площадь внутреннего поперечного сечения и длина зависят от расхода. Для расхода 25 мл/мин можно ожидать определенного отношения, порядка 100. Выпускной коллектор устройства распыления включает одно или более отверстий для подачи распыляемой жидкости в требуемое местоположение, которое зависит от специфического использования (дымовая камера, всасывающий коллектор и т.д.). В вариантах воплощения с электрическим нагревом электрод присоединяется как непосредственно к концу устройства, так и к соединительным стыкам или к любому проводящему объекту, находящемуся в электрическом контакте с участком нагревательного элемента распылителя. Через электроды подается напряжение, направляя электрический ток через материал вокруг камеры (или внутренний нагревательный элемент) для того, чтобы таким образом нагревать материал, который находится в прямом контакте с жидкостью внутри трубки. Когда жидкость проходит через устройство, ее температура быстро возрастает до уровня выше температуры кипения жидкости в условиях атмосферного давления. Однако, так как жидкость поддерживается при повышенном давлении, она остается в жидкой фазе внутри нагревательной камеры. Давление прокачки, используемое для перемещения жидкости через устройство, повышает температуру кипения жидкости, тем самым обеспечивая достижение температуры намного выше той, чем температура кипения жидкости в условиях атмосферного давления. После выхода из устройства нагретая жидкость находится в метастабильном состоянии и она быстро расширяется в окружающей атмосфере или в разреженном окружающем пространстве. Такое быстрое расширение горячей жидкости приводит к чрезвычайно тонкому распылению жидкости. Электрическая мощность, прикладываемая таким способом, может регулироваться, чтобы калибровать нагревание трубки так, чтобы обеспечить распыление для специфической жидкости и/или применения. Кроме того, такое регулирование может выполняться “на лету”, чтобы обеспечить возможность управляемого распыления различных жидкостей и/или комбинаций жидкостей, для которых имеются различные требования по распылению, или регулировать средний размер частиц и распределение размеров, необходимых для специфического использования. В то время как основной вариант воплощения, иллюстрируемый здесь, имеет прямую конфигурацию с круглым поперечным сечением, для того чтобы соответствовать требованиям использования, а также пространственным требованиям, могут использоваться другие формы камер, например, типа намотанной, согнутой, искривленной или др. Также не требуется, чтобы трубка или камера была круглой в поперечном сечении, она может быть квадратной, треугольной, эллиптической и т.д. Распылитель может быть изготовлен из широкого диапазона различных материалов в зависимости от требуемой резистивности, прочности, тепловых характеристик и т.д.

В дополнение к основному варианту воплощения далее описывается несколько модификаций. Следующий вариант воплощения имеет трубку или тело, которое изготовлено из неэлектропроводного материала, такого как керамика или стекло. Центральный нагревательный провод или элемент протягивается вдоль продольной оси керамической трубки, таким образом контактируя и нагревая жидкость по мере того, как она проходит через трубку вблизи нагревательного устройства. Керамическая трубка обеспечивает электрическую и тепловую изоляцию для нагревательного элемента, а также обеспечивает конструктивную прочность для нагревательного провода или элемента. Другие варианты воплощения включают спирально свитый нагревательный провод, который проходит по внутренней поверхности камеры, от одного конца до другого, или в пределах любого участка внутреннего пространства. Такая конфигурация обеспечивает дополнительную площадь поверхности нагревательного элемента на единицу длины камеры, что может требоваться при больших расходах жидкости или при увеличенном нагревании. Преимуществом керамического или изолированного варианта воплощения камеры является возможность использовать нагревательный элемент в виде провода, изготовленный из более эффективного, но все же потенциально менее надежного материала. Кроме того, изолирующий материал распылителя может быть электрически, так же как и термически, изолирующим, таким образом уменьшая переход теплоты к окружающим элементам и увеличивая эффективность. Как и в случае первого варианта воплощения, подающий торец керамической трубы может включать одно или более отверстий подачи жидкости.

Вышеописанные варианты воплощения могут также включать дополнительные модификации, разработанные для того, чтобы максимизировать полную эффективность устройства распыления и его специфического использования. Любой из вышеупомянутых распылителей может содержать множество, группу или параллельные трубки. Такие трубки могут иметь чередующиеся размеры, формы или поперечные сечения в зависимости от требований камеры сгорания или других факторов. Например, трубки или камеры могут иметь последовательно уменьшающийся диаметр с исходными трубками или камерами с намоткой, а конечные трубки – с прямой конфигурацией для направления жидкости после выхода из распылителя. Специфическая комбинация трубок, имеющих подобные или различные диаметры, поперечные сечения, длины, толщины, конфигурации (намотанная, согнутая, спиральная, многотрубчатая скрученная и т.д.), а также размеры форсунок, зависят от использования.

Дальнейшие модификации включают добавление материалов на внешнюю поверхность распылителя. Такие материалы могут быть интегрированы с главной трубкой и быть выполнены в форме увеличенной толщины трубки или же они могут быть в форме втулки или втулок, изготовленных из различных материалов (таких как материалы с положительным коэффициентом температурного расширения), покрывающих, связывающих или каким либо другим способом присоединенных к внешней поверхности распылителя. Функцией этих материалов может быть любая из комбинаций: добавление прочности всему распылителю, действие в качестве теплоотвода или термостата для стабилизации температуры и/или тепловая/электрическая изоляция. Общая форма и размеры распылителя могут быть оптимизированы для определенного использования.

Для того чтобы изготовить различные элементы распылителя жидкости согласно настоящему изобретению, может быть использовано множество различных материалов. Нагревательный элемент (провод, труба и т.д.) может быть любым термически/электрически проводящим/резистивным материалом, который не деградирует под действием жидкости или требуемого тепла и давления. Как хорошо известно из уровня техники, для поддержания специфической температуры могут использоваться материалы с положительным коэффициентом температурного расширения. В вариантах воплощения с электрическим нагреванием трубки нержавеющая сталь показала удовлетворительные результаты в отношении электропроводности, теплопередачи, прочности и стойкости к воздействию жидкости. В вариантах воплощения с электрически изолированной трубкой трубка может быть изготовлена из любого электрически изолирующего материала, который не чувствителен к воздействию распыляемой жидкости. Потери теплоты могут быть минимизированы посредством использования термоизоляционного материала или воздушного промежутка и/или увеличения толщины стенок трубки.

Для того чтобы управлять температурой и давлением жидкости, может использоваться множество способов управления мощностью распылителя, изменяя таким образом средний размер капелек, распределение размеров капелек и другие специфические факторы применения. В некоторых применениях может оказаться предпочтительным частичное кипение жидкости. При возрастании температуры жидкости размер капельки уменьшается, а доля газообразного и парообразного состояния жидкости возрастают. В зависимости от применения мас.% этих стабильных газов и паров может быть 1, 5, 10, 20 или даже достигать 40% от всей текучей среды, выходящей из камеры. Оптимальное термодинамическое состояние жидкости, выходящей из форсунки (температура и давление), выбирается на основе вышеупомянутых факторов. Уровень распыления и расход жидкости являются свойствами, непосредственно диктующими требования к мощности устройства. Как и в известных устройствах, требуемый уровень мощности определяется сравнительным анализом ввода – вывода мощности в устройство и уровнем распыления, который определяется средним размером капелек и однородностью для типа жидкости, а также способом нагревания, материалами, используемыми для того, чтобы изготовить распылитель, скоростью теплопередачи и другими факторами. Устройство может работать в большом диапазоне устанавливаемых мощностей. Установка очень низких значений мощности приводит к среднему распылению и капелькам, имеющим размеры в диапазоне 20-100 мкм. Однако высокие уровни мощности приводят к субмикронному распылению. Как описано выше, установка мощности может быть отрегулирована в процессе работы распылителя простым изменением напряжения, прикладываемого к материалу распылителя или нагревательному элементу. Установка мощности приводит к специфической максимальной температуре жидкости в пределах камеры (обычно тогда, когда жидкость выходит из камеры). Такая максимальная температура может поддерживаться в течение короткого интервала времени от долей миллисекунды до 0,01 или 0,1 секунды или может поддерживаться в течение одной секунды, 10 секунд или даже одной минуты в зависимости от свойств распыления жидкости, а также расхода через камеру. Давление жидкости, поступающей в камеру, также управляется (насосом, расположенным на входе или регулятором давления) для того, чтобы обеспечивать специфическое падение давления между входом и выходом камеры. Падение давления 10 фунт/кв. дюйм может быть адекватным; однако могут потребоваться падения давления 50 фунт/кв. дюйм, 100 фунт/кв. дюйм или даже 300 фунт/кв. дюйм. Для того чтобы реализовать требуемый расход и требуемое обратное давление, может использоваться изменение величины характеристической внутренней ширины, а также отношения длины к характеристической внутренней ширине. Некоторые из характеристик распыления жидкости, определяющих необходимые температуры и давления, включают соотношения между температурой и давлением жидкости и газа (такие как точка кипения), поверхностное натяжение, вязкость, а также степень и размеры каких-либо суспендированных твердых веществ, которые могут быть в жидкости.

Соответственно, основная задача изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ управляемого распыления жидкости для получения специфических средних размеров капелек и распределений размеров капелек в зависимости от определенного использования.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

на фиг.1 изображена объединенная принципиальная схема и вид в разрезе системы подачи жидкости и варианта воплощения распылителя жидкости соответственно, причем вид в разрезе изображает детали распылителя согласно настоящему изобретению,

на фиг.2 изображена схема системы подачи капельной пыли с использованием распылителя настоящего изобретения,

на фиг.3 изображен изометрический вид другого варианта воплощения распылителя жидкости настоящего изобретения,

на фиг.4 изображен изометрический вид еще одного варианта воплощения распылителя жидкости настоящего изобретения,

на фиг.5 изображена вертикальная проекция торца подачи распылителя жидкости,

на фиг.6 изображены результаты лазерного доплеровского измерения скоростей, полученные с использованием устройства распыления для рассеивания частиц, согласно уровню техники,

на фиг.7 изображены результаты лазерного доплеровского измерения скоростей, полученные с использованием устройства распыления для рассеивания частиц, согласно настоящему изобретению,

на фиг.8 изображено распределение размеров капелек для спирта при расходе 4 мл/мин для нескольких уровней входных мощностей в распылителе,

на фиг.9 изображено интегральное распределение размеров капелек для спирта при расходе 4 мл/мин для нескольких уровней входных мощностей в распылителе,

на фиг.10 изображено среднее распределение размеров капелек для изопропилового спирта при расходе 4 мл/мин для нескольких уровней входных мощностей в распылителе,

на фиг.11 изображено распределение размеров капелек для распыления воды вблизи края капельной пыли при высоком уровне распыления в различных осевых местоположениях,

на фиг.12 изображена картина, показывающая распыляемую капельную пыль, производимую с использованием распылителя настоящего изобретения,

на фиг.13 изображен график углеводородных выхлопов снабженного распылителем двигателя, работающего при низком установившемся числе оборотов в минуту под предельной нагрузкой, как функция электрической мощности, подаваемой в топливную форсунку, а также для сравнения графика углеводородных выхлопов из современной известной электронной системы инжекции топлива.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

На фиг.1 система подачи жидкости общего типа в целом обозначена ссылочным номером 2. Система 2 подачи включает источник 6 жидкости, который содержит подаваемую жидкость, причем специфическая используемая жидкость зависит от конкретного использования. Через трубопровод 8 подачи жидкости подается жидкость на вход насоса 12 через фильтр 10, установленный перед насосом. Насос 12 подает жидкость через фильтр 14, установленный после насоса, регулирующий клапан 16, расходомер 18 и, наконец, на вход 42 распылителя 4. Электронный блок 3 управления принимает входные сигналы от расходомера 18, а также другие сигналы обратной связи специального назначения. На основе этих сигналов обратной связи блок 3 управления определяет соответствующую мощность для подачи в насос 12 и в распылитель 4, чтобы управлять как расходом жидкости, так и уровнем распыления, что объясняется ниже. Кроме того, регулирующий клапан 16 может с помощью электроники регулироваться так, чтобы блок 3 управления мог управлять давлением “на лету”, как только это потребуется.

Особенно эффективный вариант воплощения распылителя жидкости показан на фиг.1 под ссылочным номером 4. Жидкость поступает в распылитель 4 на вход 42 впускного блока 56 и направляется в первый торец 48 керамической или стеклянной трубки 44. Внутри керамической трубки 44 находится намотанный нагревательный элемент 46, который проходит по длине керамической трубки 44 (следует отметить, что показана только часть нагревательного элемента 46). По мере того как жидкость проходит вниз по трубке 44, она прогрессивно нагревается до достижения необходимой температуры. Жидкость выходит из трубки 44 на другом торце 50 и продавливается через тоненький канал 52, находящийся в выпускном блоке 54. При поступлении в канал 52 давление жидкости уменьшается за счет потерь на трение в канале 52, а при выходе из канала 52 на выпускном отверстии 58 давление жидкости быстро понижается до окружающего давления, таким образом, распыляя жидкость и производя струю тонкоизмельченной капельной пыли. Впускной блок 56 и выпускной блок 54 выполнены из электропроводного материала и включают каналы 60 для вставки концов нагревательного элемента 46. Канал 60 может быть только внутренним глухим каналом, так чтобы устранять любую утечку, которая еще остается, и чтобы поддерживать конец намотанного нагревательного элемента 46 в контакте с впускным и выпускным блоками. Зажим 62 (показан здесь как винт в резьбовом отверстии, хотя можно использовать другие зажимы) соединяет электрические провода 64 и 66 с входным 56 и выходным 54 блоками соответственно. Следует отметить, что, хотя провод 64 показан присоединенным к “земле”, а провод 66 присоединенным к блоку 3 управления, можно использовать другие конфигурации. Например, может быть необходимо прикрепить управляющий провод к входному блоку 56 и иметь контактную систему с выпускным блоком 54, заземленную напрямую (например, на верхней части двигателя в применениях, связанных с инжекцией топлива).

Система 70 подачи топлива с использованием распылителя согласно настоящему изобретению схематически показана на фиг.2. Топливный бак 72 обеспечивает резервуар хранения для топлива (бензин, дизельное топливо, JP-8 или другие виды топлива), которое подается во впускное отверстие насоса 78 через топливный трубопровод 74 или фильтр 76 топлива. Топливный насос 78 подает топливо в регулятор 80, который возвращает лишнее топливо в топливный бак 72 через возвратный топливный трубопровод 82. Топливный расходомер обеспечивает сигнал, характеризующий расход топлива для распылителя 86. Блок управления 88 подает на распылитель мощность с учетом требуемого уровня распыления, типа топлива и других условий. Расходомер может подать в блок 88 управления сигнал для компенсации расхода топлива. Распылитель подает тонкоизмельченную капельную пыль 90 в камеру сгорания, всасывающий коллектор или другие места двигателя в зависимости от специфического применения или типа двигателя. Хотя насос 78 и блок управления 88, как показано, запитываются постоянным напряжением 12 В, должно быть понятно, что могут использоваться другие постоянные или переменные напряжения в зависимости от типа транспортного средства и подаваемых напряжений.

На фиг.3 изображен подробный вид более простого варианта воплощения распылителя. Этот вариант воплощения по сути представляет собой полую трубку 25 (показанную здесь с круглым поперечным сечением, хотя могут использоваться другие формы), имеющую длину L, внутренний диаметр D, толщину стенок Т, впускной торец 27 и выпускной торец 28. Трубка 25 может быть выполнена из любого электропроводного/резистивного материала, у которого увеличивается температура, когда по нему проходит электрический ток. Фактический используемый материал зависит от полного размера распылителя, от типа жидкости, от требований нагрева и других факторов, хотя удовлетворительной оказалась нержавеющая сталь. Пара электрических проводов 26 присоединена к трубке 25 посредством электрических контактов 23 и 24, по одному с каждого конца. Контакты 23 и 24 могут быть соединены с трубкой 25 посредством сварки, пайки или любым другим удобным способом. Как неотъемлемая часть устройства проверки или производства частиц выпускной торец 28 может контактировать с металлической частью устройства, чтобы таким образом обеспечить заземляющий контакт на выпускном торце трубки 25. В такой конфигурации требуется только одно электрическое соединение 23 на впускном торце 27. В другом варианте воплощения оба соединения 23 и 24 присоединены к земле, а центральное соединение 37 обеспечивает потенциал напряжения. Центральное соединение 37 может быть расположено ближе к соединению 24, увеличивая таким образом сопротивление между соединениями 37 и 23 и при этом уменьшая сопротивление между соединениями 37 и 24. Это приводит к большему току, текущему между соединениями 37 и 24, и двум уровням нагрева. При нагревании жидкости до более высокого уровня ближе к выпускному торцу 28 вероятность широкого кипения жидкости в трубке снижается. Физическую установку трубки 25 можно обеспечить посредством внутренних или внешних резьбовых участков трубки 25, запрессовывания трубки или любым другим способом, который обеспечивает адекватную прочность, при этом обеспечивая свободное протекание жидкости по трубке.

В процессе работы жидкость поступает на впускной торец распылителя 20. Электрический ток проходит через трубку 25 распылителя, тем самым нагревая материал трубки, и также жидкость в трубке, которая находится в прямом контакте с внутренними стенками трубки 25. Пока жидкость следует через трубку 25, она остается в жидкой форме, при этом ее температура увеличивается. При выходе из выпускного торца трубки 25 давление жидкости быстро понижается, приводя к распылению жидкости. Полученная таким образом распыленная жидкость состоит из чрезвычайно маленьких капелек (порядка нескольких микрон), и ее температура повышается, что снижает вероятность конденсации на внутренних поверхностях испытываемого устройства. Необходимо отметить, что температура может быть увеличена до такой точки, в которой может возникнуть двухфазовый поток (жидкость и газ), или даже при более высоких температурах жидкость может полностью превратиться в пар, приводя к выходу газа. Хотя могут существовать применения, в которых это желательно, но главное преимущество распылителя согласно настоящему изобретению состоит в способности управлять размером капелек. Способность эта утрачивается как только жидкость превратилась в пар, образуя атомы или молекулы конкретного материала. Также, растворенные материалы с большей вероятностью будут осаждаться на трубке при температурах парообразования и изменять поток жидкости через трубку. Втулка 29 из дополнительного материала может быть установлена по всей длине трубки 25 или только по части трубки 25. Втулка 29 просто может добавлять конструктивную прочность распылителю 20 или может обеспечивать электрическую и/или тепловую изоляцию между распылителем 20 и другими компонентами устройства.

На фиг.4 изображен дополнительный вариант воплощения распылителя 30 согласно настоящему изобретению. Как и в основном варианте воплощения, распылитель выполнен в виде полой трубки 31, имеющей впускной торец 32 и выпускной торец 33. Однако в этом варианте воплощения трубка 31 предпочтительно выполнена из неэлектропроводного материала, например, такого как керамика. Размещенный по центру нагревательный элемент 35 протягивается вдоль центральной оси трубки 31 (хотя в некоторых конфигурациях нагревательный элемент 35 может быть смещен от центра). Мощность подается к нагревательному элементу 35 через электрические провода 34, которые подключены к каждому концу нагревательного элемента. Любой конец элемента 35 может быть присоединен к металлическому участку устройства, чтобы обеспечить заземление. Концы нагревательного элемента 35 могут поддерживаться выступами самой трубки 31 или приспособлениями, которые поддерживают трубку 31. При размещении нагревательного элемента 35 внутри трубки 31 жидкость полностью окружает нагревательный элемент 35, тем самым увеличивая эффективность нагревательного элемента 35 по сравнению с нагреванием всей трубки, которая контактирует с жидкостью только внутри. Трубка 31 обеспечивает конструктивную прочность нагревательному элементу 35, при этом изолируя нагревательный элемент 35 от электропроводных элементов устройства. На фиг.4 также показано альтернативное нагревательное средство 98. Нагревательное средство 98 может содержать любое число излучающих, проводящих или других нагревательных средств, описанных выше. В зависимости от требований нагрева эти источники 98 тепла могут использоваться в сочетании с вышеописанными резистивными нагревательными средствами или вместо них.

На фиг.5 изображено несколько отверстий для выпускного торца для любого из вышеописанных вариантов воплощения распылителя. Хотя для чрезвычайно маленьких диметров трубок выпускной торец может быть полностью открытым, в трубках большего диаметра выпускной торец является закрытым и включает набор отверстий 92, 94 подачи жидкости. В вариантах воплощения, в которых трубка представляет собой нагревательный элемент, выполнение отверстий 92 вдоль внешнего участка выпускного торца 50 приводит к разделению жидкости по температуре, при этом жидкость, которая является самой близкой к нагревательному элементу, имеет, следовательно, более высокую температуру, чем жидкость в центре трубки. В некоторых вариантах воплощения может быть выполнено одно расположенное по центру отверстие 94, в то время как в других вариантах воплощения местоположение, число и конфигурация отверстий может регулироваться так, чтобы максимизировать эффективность распылителя. В применениях, в которых жидкость включает суспендированные частицы, эти отверстия 92 и 94 выполняют с диаметрами по меньшей мере вдвое больше диаметров частиц, чтобы избежать засорения.

Для измерения скорости всасывания воздуха во всасывающем роторе автомобильного двигателя использовались коммерчески доступное устройство распыления уровня техники и современная система лазерного доплеровского измерения. Измерения скорости выполнялись в соответствии с положением коленчатого вала двигателя. В течение одной минуты выполняли 78 измерений. Результаты показаны на фиг.6, причем каждое пятнышко показывает одну из 78 точек данных. Эти результаты показывают неадекватность использования устройства распыления уровня техники для рассеивания.

В системе такой же конфигурации испытаний с лазерным доплеровским измерением, как и для распылителя уровня техники, показанной на фиг.6, проверяли распылитель согласно настоящему изобретению. Результаты показаны на фиг.7. С использованием распылителя согласно настоящему изобретению в качестве устройства рассеивания за период испытания в одну минуту было получено 10000 измерений. Такое увеличившееся число измерения показательно для большого количества частиц подходящего размера, подаваемых в поток воздуха. Только частицы подходящего размера отражают лазерный свет так, чтобы обеспечить измерения данных, при этом не влияя на сам поток воздуха.

Были проведены измерения размеров капелек с использованием органических растворителей и использованием воды. Измерения с органическими растворителями выполнялись с использованием дифракционной лазерной системы, работающей на дифракции Фраунгофера (типа Malvem Instruments Model 2600с), тогда как для одновременного определения распределения размеров капелек и их скорости для экспериментов с водой использовали лазерный доплеровский фазовый анализатор. На фиг.8 показано, что распределение размеров капелек может управляться посредством регулировки входной мощности распылителя. Для экспериментов, показанных на фиг.8-10, 100% мощности распылителя равно 40 ваттам, хотя должно быть понятно, что для того, чтобы обеспечить требуемое распыление, могут использоваться уровни мощности выше 40 ватт.

Также в отношении фиг.8-10 следует отметить следующее:

на фиг.8 вертикальная шкала представляет собой объем, выраженный в %, для частиц определенного размера и

горизонтальная шкала представляет собой размеры частиц в микронах;

на фиг.9 вертикальная шкала представляет собой объем, выраженный в %, для всех частиц с размерами ниже определенного размера, а

горизонтальная шкала представляет собой размеры частиц в микронах (так, для входной мощности 100% (40 ватт) все частицы размером ниже 4 микронов); и

на фиг.10 вертикальная шкала представляет собой средний размер капелек в микронах, и

горизонтальная шкала представляет собой входную мощность в %.

Эта гибкость в выборе размеров капелек важна во многих применениях, таких как, например, распылительная сушка, покрытие частицами, производство порошка с частицами нанометрового размера и сгорание жидкого топлива. Чрезвычайно маленькие капельки (большинство из которых находится в субмикронном диапазоне, ниже предела детектирования) могут быть созданы в диапазоне более высоких входных мощностей устройства распыления. Для очень низкой входной мощности (20%) распределение размеров капелек показывает два выраженных пика (ниже 30 мкм), сопровождаемые более широким пиком при размерах капелек более 100 микрометров. Когда мощность устройства распыления увеличивается до 60%, пики сдвигаются в сторону меньших размеров капелек и главный пик центрируется в окрестности 4 мкм. При таких рабочих условиях более 40% (объемных) аэрозоля имели диаметры капелек меньше 4 микрометров (фиг.9), несмотря на тот факт, что не прикладывалось никаких усилий для того, чтобы исправить ошибочные данные, полученные для размеров капелек ниже 1,2 мкм. Было обнаружено, что распределение размеров капелек сдвигается от больших капелек (20-40 микрон) для низких входных мощностей, к меньшим капелькам (2-10 микрон) при умеренных входных мощностях. Для более высоких входных мощностей большинство капелек находится в субмикронном диапазоне, и аппаратура типа Malvem Instruments Model 2600с была неспособна должным образом зарегистрировать распределение размеров капелек. Результаты, представленные здесь, показывают, что аэрозоль, полученная с помощью устройства распыления согласно настоящему изобретению, распределяется по очень узкому диапазону размеров капелек, и что при более высоких уровнях мощности большинство капелек находится в субмикронном диапазоне (ниже порога детектирования инструмента).

Средний размер капелек уменьшается с увеличением входной мощности; таким образом, рабочие характеристики распылителя можно оптимизировать для различного расхода и требований к распылительной камере. Результаты показывают, что средний размер капелек уменьшается экспоненциально с увеличением входной мощности (фиг.10). Измерения среднего размера капельки для различных расходов растворителя (1-5 мл/мин) показывают, что меньшие первичные капельки получаются вследствие увеличения расхода. Предварительные результаты показывают, что распределение размеров капелек является более узким, чем в известных пневматических и ультразвуковых пульверизаторах. Даже при субоптимальных рабочих условиях распределение размеров капелек, полученное с использованием распылителя согласно настоящему изобретению, ограничены несколькими микронами. На фиг.11 изображено распределение размеров капелек для воды при самой высокой установке режима распылителя (входная мощность = 40 ватт) на центральной линии струи капельной пыли. Вертикальная шкала представляет собой отсчет частиц, в то время как горизонтальная шкала представляет собой размер капельки в микронах. Следует отметить, что для всех осевых положений распределение размеров капелек очень узкое. Средний диаметр капельки сосредоточен между 1 и 3 микронами, и имеется очень немного капелек размером больше 5 микронов. Средний диаметр по Sauter (отношение третьего и второго момента распределения размеров капелек) возрастает приблизительно с 1 мкм под углом 0,5″ от форсунки до 2,5 мкм под углом 1,5″ от форсунки.

Вышеупомянутые описанные результаты испытаний показывают, что, кроме результатов простого увеличения распыления, достигнутых с распылителем согласно настоящему изобретению, можно реализовать превосходное управление средним размером капелек и распределением размеров капелек. Можно варьировать входную мощность распылителя, а также расход текучей среды (жидкостей, суспензий и их комбинаций), чтобы достичь результатов, требуемых для конкретного применения. Как описано ранее, размер и число распылителей или отверстий используемого распылителя могут быть приспособлены для конкретной жидкости или применения. Например, в дымовых камерах, используемых для аэродинамического испытания, можно использовать набор распылителей, чтобы показывать воздушный поток вдоль различных участков испытуемого изделия. В испытаниях потока текучей среды меньшего масштаба может быть использован один распылитель. Когда испытуемые потоки изменяются от точки к точке, можно использовать распылители различных размеров в различных положениях, чтобы обеспечить наиболее эффективные распределения частиц. В производстве порошков нанометрового размера все параметры: размер, расход, входная мощность и размер выпускного отверстия могут регулироваться так, чтобы производить средний диаметр порошка и требуемое распределение размеров.

Способность различных вариантов воплощения распылителя согласно настоящему изобретению производить чрезвычайно маленькие капельки наглядно иллюстрируется фотографией, показанной на фиг.12. Для того чтобы показать распыляемую жидкость в контрасте с темным фоном, распыленная струя капельной пыли, выходящая из распылителя, была освещена. В правой части фотографии распыляемая жидкость рассеялась до появления “дыма”, который особенно полезен в ряде вышеописанных применений.

Испытание основного варианта воплощения распылителя для использования в распылении топлива проводилось с использованием полностью укомплектованного двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с верхним эксцентриком, подключенного к измерителю тяги двигателя. Для того чтобы смоделировать прогрев двигателя, использовали водопроводную воду для его охлаждения в процессе установившегося функционирования до тех пор, пока температура воды, выходящая из блока, не достигла 20С. Хотя прогрев двигателя является неустановившимся процессом, проводимые испытания справедливы для какого-то момента времени в течение цикла прогрева. В испытании было проведено сравнение между выхлопами углеводородов для стандартного инжектора и распылителя для двигателя, работающего со скоростью 1200 оборотов в минуту с относительно высокой нагрузкой (19 фунт-сила-футов). Электрическая мощность, подаваемая в трубку распылителя, изменялась в диапазоне приблизительно 90-215 ватт. Результаты испытания можно видеть на фиг.13. Вертикальная шкала показывает уровни углеводородов в частях на миллион (ppm), а горизонтальная шкала показывает входную мощность распылителя в ваттах. Для электронного топливного инжектора измеренные уровни углеводородов составили 10100 частей на миллион. Когда в трубку распылителя подавалась мощность чуть более 90 ватт, измеренные уровни выхлопов составили приблизительно 8900 частей на миллион. По мере того как мощность, подаваемая в распылитель, увеличивалась, выхлопы углеводородов значительно снижались вплоть до мощности распылителя приблизительно 180 ватт. В этой точке измеренные уровни углеводородов составили приблизительно 7100 частей на миллион, и существенно не снижались, когда мощность распылителя была увеличена выше 180 ватт. Должно быть понятно, что это испытание проводилось в установившемся режиме на слегка теплом двигателе. Однако наиболее существенное уменьшение выхлопов углеводородов может ожидаться во время по существу холодного запуска двигателя в первые несколько минут его работы.

Должно быть понятно, что используемая здесь терминология предназначена только для цели описания специфических вариантов воплощения, но не для ограничения. Следует отметить, что используемые в описании и в формуле изобретения артикли единственного числа включают множественные варианты, если контекст явно не предписывает другое.

Во всем описании, где упоминаются публикации, раскрытия этих публикаций включены посредством ссылки в настоящее описание, чтобы полнее описать состояние уровня техники, к которому относится настоящее изобретение.

Формула изобретения

1. Способ распыления жидкости, включающий следующие этапы: (a) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры; (с) нагревание жидкости в камере и (d) управление давлением и температурой жидкости на выходе камеры так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом в камере возникало частичное кипение.

2. Способ по п.1, в котором жидкость включает твердые частицы, суспендированные в ней, причем твердые частицы рассеивают посредством распыления жидкости.

3. Способ по п.1, в котором средний размер капелек составляет менее 20 мкм.

4. Способ по п.1, в котором упомянутый шаг обеспечения камеры содержит обеспечение камеры, в которой второй торец камеры выполняют закрытым, причем он включает множество отверстий.

5. Способ распыления жидкости, включающий следующие этапы: (а) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры; (с) нагревание жидкости в камере и (d) управление давлением и температурой жидкости на выходе камеры так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, в котором средний размер 1 – 20 мкм.

6. Способ распыления жидкости, включающий следующие этапы: (a) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры; (c) нагревание жидкости в камере и (d) управление давлением и температурой жидкости на выходе камеры так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом жидкость нагревают посредством пропускания электрического тока через материал, окружающий камеру, нагревая таким образом жидкость в камере.

7. Способ распыления жидкости, включающий следующие этапы: (a) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры; (c) нагревание жидкости в камере и (d) управление давлением и температурой жидкости на выходе камеры так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом жидкость на выходе камеры находится в форме капелек жидкости, а также в форме паров и газов, образовавшихся из жидкости, а стабильные газы и пары на выходе камеры состоят, по меньшей мере, из 1 мас.% распыляемой жидкости.

8. Способ по п.7, в котором стабильные газы, находящиеся на выходе камеры, состоят, по меньшей мере, из 5 мас.% распыляемой жидкости.

9. Способ по п.7, в котором стабильные газы и пары, находящиеся на выходе камеры, состоят, по меньшей мере, из 20 мас.% распыляемой жидкости.

10. Способ распыления жидкости, включающий следующие этапы: (а) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры; (с) нагревание жидкости в камере и (d) управление давлением и температурой жидкости на выходе камеры так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом жидкость на первом торце камеры находится под первым давлением, а на выходе камеры находится под вторым давлением, причем первое давление выше второго давления, по меньшей мере, на 10 фунт/кв.дюйм.

11. Способ по п.10, в котором первое давление выше второго давления, по меньшей мере, на 50 фунт/кв.дюйм.

12. Способ по п.10, в котором жидкость включает твердые частицы, суспендированные в ней, причем эти твердые частицы рассеивают посредством распыления жидкости.

13. Способ по п.10, в котором второй торец камеры выполняют закрытым, который включает множество отверстий.

14. Способ распыления жидкости, включающий следующие этапы: (a) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры; (c) нагревание жидкости в камере и (d) управление давлением и температурой жидкости на выходе камеры так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом жидкость на выходе камеры имеет определенную температуру, а жидкость внутри камеры принимает такую же температуру или выше этой температуры менее чем на 1 мин.

15. Способ по п.14, в котором жидкость на выходе камеры имеет определенную температуру, а жидкость внутри камеры принимает такую же температуру или выше этой температуры менее чем за 0,01 с.

16. Устройство для распыления жидкости, содержащее (a) камеру, имеющую первый торец и второй торец; (b) средство для нагревания жидкости в камере, в котором жидкость подается под давлением в первый торец и распыляется, когда она выходит из второго торца камеры, и (c) средство для управления давлением и температурой жидкости так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом средство для нагревания жидкости включает первое электрическое соединение с камерой, второе электрическое соединение с камерой, разнесенное от первого электрического соединения, а также источник электрической мощности, предназначенный для обеспечения напряжения на электрических соединениях, причем напряжение на соединениях индуцирует электрический ток через материал, окружающий камеру, нагревая таким образом жидкость внутри камеры.

17. Устройство для распыления жидкости, содержащее (a) камеру, имеющую первый торец и второй торец; (b) средство для нагревания жидкости в камере, в котором жидкость подается под давлением в первый торец и распыляется, когда она выходит из второго торца камеры, и (c) средство для управления давлением и температурой жидкости так, чтобы средний размер капелек и распределение размеров капелек распыляемой жидкости поддерживались в пределах требуемого диапазона, при этом жидкость на первом торце камеры находится под первым давлением, а на выходе камеры находится под вторым давлением, причем первое давление выше второго давления, по меньшей мере, на 10 фунт/кв. дюйм.

18. Устройство по п.17, в котором второй торец камеры выполнен закрытым и включает множество отверстий, обеспечивающих выход жидкости из второго торца камеры.

19. Способ распыления топлива, включающий следующие этапы: (a) обеспечение камеры, имеющей первый торец и второй торец, а также отношение длины к характеристической внутренней ширине, равное по меньшей мере 10; (b) направление находящейся под давлением жидкости в первый торец камеры и (c) непосредственное нагревание топлива в камере, при этом топливо распыляют, когда оно выходит из второго торца камеры.

20. Способ по п.19, в котором камера имеет отношение длины к характеристической внутренней ширине, по меньшей мере, 20.

21. Способ по п.19, в котором камера имеет отношение длины к характеристической внутренней ширине, по меньшей мере, 50.

22. Устройство распыления топлива, содержащее (a) камеру, имеющую первый торец и второй торец и отношение длины к характеристической внутренней ширине более 10 и (b) средство для непосредственного нагревания топлива в камере, при этом топливо подается под давлением в первый торец и распыляется, когда оно выходит из второго торца камеры.

23. Устройство по п.22, в котором второй торец камеры выполнен закрытым и включает множество отверстий, обеспечивающих выход топлива из второго торца камеры.

РИСУНКИ