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1、(10)申请公布号 CN 103562538 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103562538 A (21)申请号 201280019652.9 (22)申请日 2012.03.07 61/478,404 2011.04.22 US F02M 53/06(2006.01) (71)申请人 大陆汽车系统美国有限公司 地址 美国密执安州 (72)发明人 P. 齐梅克 H. 萨亚 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 李涛 杨炯 (54) 发明名称 具有核态沸腾热交换器的可变喷雾喷射器 (57) 摘要 位于用于可变喷雾燃料喷射系统的喷射器内 。
2、的热交换器 (16) 使用核态沸腾来使从被加热的 金属到燃料的热通量最大化， 其中核态沸腾沿控 制表面出现， 其特征在于有助于促进生成脱离气 泡来在蒸气通量中传递热能的特征。热通量的源 可以是感应加热器线圈 (16)， 其被磁性地联接至 适当的损耗部件 (19)， 从而使得燃料部件内的燃 料被加热至所需温度。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.10.22 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/028002 2012.03.07 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/145086 EN 2012.10.26 (51)Int.Cl. 权。
3、利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103562538 A CN 103562538 A 1/1 页 2 1. 一种具有热交换器的可变喷雾喷射器， 包括 ： 损耗部件 ； 被配置成促进核态沸腾热传递的表面 ； 和 在待加热流体与所述表面之间的流体和气体联接部。 2. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面被构造用以生成用于发展核 态沸腾的成核场所。 3. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面被带孔眼的箔片屏蔽。 4. 如权。
4、利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面被帘栅屏蔽。 5. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面被多孔材料屏蔽。 6. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面通过带孔眼的箔片来构造。 7. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面通过帘栅来构造。 8. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面通过多孔材料来构造。 9. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述表面具有从第一表面形貌特征到 第二表面形貌特征的温度梯度。 10. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述损耗部件的温度被维持在将。
5、在 所述可变喷雾喷射器内被加热的流体的沸腾临界温度以下。 11. 如权利要求 1 所述的可变喷雾喷射器， 其中， 所述损耗部件的温度被维持在 80 以上且在 200以下， 用于加热具有大于 50% 乙醇的成分的乙醇燃料。 12. 如权利要求1所述的可变喷雾喷射器， 其中， 对于具有大于50%乙醇的成分的乙醇 燃料来说， 被供给的燃料压力大于 3 巴绝对值但是小于 60 巴绝对值。 权 利 要 求 书 CN 103562538 A 2 1/4 页 3 具有核态沸腾热交换器的可变喷雾喷射器 0001 相关申请的交叉引用 本申请是 2011 年 4 月 22 日提交的题为 “具有核态沸腾热交换器的可。
6、变喷雾喷射 器” (Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger) 的美国临时专 利申请序列号 61/478,404 的非临时申请并要求它的优先权， 该申请的全部内容通过引用 并入本文。 0002 并且， 本申请与跟本申请同日提交的以下美国非临时专利申请有关 ： 由 Perry Czimmek 发明且标识为代理人卷号 2011P00689US01 的 “具有腿部感应器 的同步全桥接功率振荡器 (Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with Leg Inductors)” ；。
7、 由Perry Czimmek发明且标识为代理人卷号2011P00690US01的 “同步全桥接功率振荡 器 (Synchronous Full-Bridge Power Oscillator)” ； 由Perry Czimmek和Mike Hornby发明且标识为代理人卷号2011P00691US01的 “同步 阵列桥接功率振荡器 (Synchronized Array Bridge Power Oscillator)” ； 由 Perry Czimmek 和 Mike Hornby 发明且标识为代理人卷号 2011P00692US01 的 “具 有腿部感应器的同步阵列功率振荡器 (Sync。
8、hronized Array Power Oscillator with Leg Inductors)” ； 和 由Perry Czimmek发明且标识为代理人卷号2011P00694US01的 “适应性电流限制振荡 器起动器 (Adaptive Current Limit Oscillator Starter)” 。 背景技术 0003 本发明的实施例总体涉及加热末端燃料喷射器， 并且更特别地涉及感应加热燃料 喷射器中的热传递。 0004 对改善内燃发动机的排放质量存在持续的需求。同时， 存在压力来在维持最大的 燃料经济性的同时使发动机曲柄摇转时间 (crank times) 和从接通到开走。
9、的时间最小化。 那些压力适用于由比如乙醇等替代燃料供给燃料的发动机以及由汽油供给燃料的发动机。 0005 在低温发动机起动期间， 常规的火花点火内燃发动机的特征在于高的碳氢化合物 排放以及差的燃料点火和燃烧性。除非发动机已经在停止和热浸泡之后处于高温， 曲柄摇 转时间可能会过长， 或者发动机可能完全不起动。 在较高的速度和载荷下， 操作温度升高并 且燃料雾化和混合改善。 0006 在实际的发动机冷起动期间， 实现起动所必需的浓缩 (enrichment) 留下非化学 计量比的燃料供给， 其物化为高排气尾管碳氢化合物排放。最糟的排放是在发动机操作的 前几分钟， 之后催化剂和发动机接近操作温度。 。
10、关于由乙醇供给燃料的车辆， 随着燃料的乙 醇百分数增大至 100%， 冷起动的能力逐渐变低， 导致一些制造商去包括双燃料系统， 在其中 发动机起动是由常规汽油供给燃料， 而发动机运行是由乙醇品位供给燃料。这种系统是昂 贵且多余的。 0007 对于冷起动排放和低温时的起动困难的另一解决方案是将燃料预加热至这样一 说 明 书 CN 103562538 A 3 2/4 页 4 种温度， 在该温度， 燃料在被释放至歧管或者大气压时快速地蒸发或者立即蒸发 (“闪急沸 腾” )。就燃料状态而言， 预加热燃料复现了热发动机。 0008 若干预加热方法已经被提出， 其大部分涉及在燃料喷射器中预加热。燃料喷射器。
11、 被广泛用于定量供应燃料到汽车发动机的进气歧管或者气缸中。燃料喷射器一般包括 ： 容 纳一定体积的加压燃料的壳体、 燃料入口部分、 容纳针阀的喷嘴部分和比如电磁螺线管、 压 电致动器或者用于致动针阀的另一机构等电动机械致动器。当针阀被致动时， 加压燃料通 过阀座中的孔口喷出并进入发动机中。 0009 在预加热燃料中已经使用的一种技术是以随时间变化的磁场来感应地加热包括 燃料喷射器的金属元件。具有感应加热的示例性燃料喷射器在美国专利 No. 7,677,468 以 及 美 国 专 利 申 请 No. 20070235569、 20070235086、 20070221874、 200702217。
12、61 和 20070221747中公开， 它们的内容在此通过引用整体并入本文。 该能量在适于在几何结构和 材料上被通过随时间变化的磁场诱发的磁滞和涡电流损耗加热的部件内被转换成热量。 0010 感应燃料加热器不但有利于解决与汽油系统相关联的上述问题， 而且还有利于预 加热乙醇品位燃料， 用以在没有多余汽油燃料系统的情况下实现成功的起动。 0011 一旦有用的加热方法可获得后， 下一挑战就是将来自适当的损耗部件的热量传递 至待加热的燃料。 常规方法包括从选择性地受到加热的金属部件到燃料的对流和传导热传 递。这些常规方法受到由所涉及材料的热传导性和表面面积施加的限制。如果某人尝试简 单地通过增加选。
13、择性地受到加热的部件的温度来增加进入给定体积的流体中的热通量， 则 结果是对于那个新的较高温度常常超过燃料的蒸气压力， 并且产生蒸发燃料的壁膜， 即膜 态沸腾模态 (regime)， 其于是降低热传导性， 因为向气体中传递热量不如向液体中传递热 量有效。 0012 本发明的实施例提供改善了的热传递、 克服与替代解决方案相关联的困难并且避 免产生膜态沸腾。 发明内容 0013 本发明的实施例改善超出自由对流和传导热传递热交换器方法的可变喷雾喷射 器的热传递。依据本发明的一个或多个实施例， 选择性地受到加热的部件可以具有通过核 态沸腾使热传递最大化的表面。 0014 众多的试验研究已寻求通过对流以。
14、及传导来使热传递最优化， 在所述对流中湍 流、 混合和流体运动被增强， 在所述传导中表面面积被最大化并且流体在该表面上的停留 时间被最大化。 在对流和传导被最大化的同时， 呈沸腾形式的相变的产生被仔细地避免， 用 以防止由于气体分量而在流动中发生的明显的定量供应质量流量变动， 以及在膜态沸腾生 成蒸气的隔离表面的情况下的热传导的下降。 0015 依据本发明的实施例， 沸腾未被避免。 相反， 沸腾被增强、 促进并局限于核态沸腾， 由此有利地加快热传递。此外， 在所谓的过冷核态沸腾中， 甚至在流体的蒸气压力以下， 核 态沸腾都可以被促进。本发明的一个或多个实施例特意地生成温度梯度和成核场所， 用于。
15、 有利地产生蒸气气泡， 从而使得相对较小蒸气气泡的相对较大量的产生和脱离生成比正常 自由对流和传导热通量的相变热通量更大的相变热通量。 说 明 书 CN 103562538 A 4 3/4 页 5 附图说明 0016 图 1 是示出示例性的被感应加热的可变喷雾燃料喷射器的图。 0017 图 2a 和 2b 示出了依据本发明的实施例的示例性成核加热器表面。 0018 图 3a-3c 示出了依据本发明的实施例的原理核态沸腾。 0019 图 4 是基于大约 1934 年的 “拔山沸腾曲线 (Nukiyama Boiling Curve)” 示出原理 沸腾模态的简化版本的图形。 0020 图5是基于日。
16、本2007年的 “About Pool Boiling CHF in Different Wettability Liquids” 的作者 Park( 朴 )、 Fukuda( 福田 ) 和 Liu( 刘 ) 的测量数据在两种压力下的乙醇 原理沸腾模态的图形。 具体实施方式 0021 本发明的实施例在这里被描述为在具有感应加热损耗部件的可变喷雾燃料喷射 器中实施。参见图 1， 其是一种感应加热可变喷雾燃料喷射器， 基本配置包括对燃料供给源 的密封方法， 即 O 形圈 10， 其位于供给源与燃料入口管 14 结构之间。电连接器 12 提供一 种手段来将电能传导至螺线管阀线圈 13 和感应加热器线。
17、圈 16。适当的损耗部件， 其表面 18 将提供用于核态沸腾热传递的控制表面， 被绕线筒 (bobbin)15 围绕， 但是通过热屏障或 者隔离体与损耗部件分开。加热器线圈 16 被放置在绕线筒上， 并被限制在绕线筒与壳体或 者外壳 17 之间。内燃发动机的进气歧管通过一种密封方法比如 O 形圈 11 得以密封至喷射 器。 0022 参见图2a， 图2a中的适当的损耗部件19具有控制表面， 该控制表面包括适于实现 核态沸腾的构造 (texture)。在图 2a 中， 该构造由三角形形成， 所述三角形被重复以使成 核场所最多化， 并具有从波谷 20 跨越至波峰 21 的幅度。该构造可以由任意适当。
18、类型的形 状形成， 包括但不限于正方形、 弯曲的、 或者随机的或者改变损耗部件 19 的厚度的任何其 它形式的构造。厚度的变化允许出现温度梯度， 从而使得成核现象被促进更靠近波谷 20 出 现， 并且由核态沸腾形成的蒸气气泡将由于与波谷深度的一些关系而尺寸受限。 此外， 使用 适当损耗部件的感应加热方法通过电磁趋肤效应增强从波峰 21 到波谷 20 的梯度。 0023 在另一实施例中， 参见图 2b， 构造通过箔片或者帘栅屏蔽 22 得到增强， 所述箔片 或者帘栅屏蔽(screen shield)22生成空腔23， 所述空腔23具有通向期望被加热的燃料体 积的流体和气体连接。与图 2a 所示的。
19、未屏蔽实施例相比， 所述空腔允许存在更大的温度梯 度。参见图 3a-3c 来描述依据本发明的实施例的核态沸腾热传递， 所述图 3a-3c 包括图 2b 所示实施例的空腔 23 的放大视图。图 3a 示出了由波峰 21 和屏蔽 22 限界的空腔 23。图 3b 示出了成核气泡 24， 其由于浮力而使自身附着至顶部。 0024 随着成核气泡 24 的生长， 它从被选择性地加热的部件 19 吸收呈蒸发的潜热形式 的能量。体积受到约束的成核气泡 24 膨胀穿过横穿屏蔽 22 的流体和气体管道， 并且最终 由表面张力效应夹断成核气泡 24， 从而使得孤立的气泡 25 得以形成并携带存储于蒸气中 的能量远。
20、离空腔 23 并进入较冷的流体中， 在较冷的流体中， 热量被释放并且气泡重新冷凝 到液体， 已通过热通量比单独的对流或者传导更大的手段将能量传递至液体。 0025 图4示出了处于不同热传递模态的热通量， 且图5进入更多细节， 使得核态沸腾的 优点得以示出， 特别是对于定量供应乙醇或者就燃料牌号而言被称为 E100 的物质的可变 说 明 书 CN 103562538 A 5 4/4 页 6 喷雾喷射器。参见图 5， 自然对流斜线具有最低的瓦特每平方米热传递， 而完全发展核态沸 腾或者图上的FDNB具有最高的瓦特每平方米热传递。 还应指出的是， 图5示出了在494kPa 处获得的 FDNB 模态，。
21、 494kPa 是高于 101.3kPa 的压力， 101.3kPa 也可以被称为环境大气压。 这在以下情形中是有利的 ： 可变喷雾喷射器以FDNB是有可能的定量供应压力进行操作。 核 态沸腾热传递直到临界热通量或者 CHF 时都是能维持的， 在临界热通量处， 接近膜态沸腾， 从而使得关于压力和温度存在操作区域， 该操作区域对于核态沸腾热交换器来说可以被最 佳化。 0026 前述详细描述应理解为在每一方面都是说明性和示例性的， 而不是限制性的， 并 且本文所公开的发明的范围不应从本发明的描述来确定， 而是应该从权利要求书来确定， 所述权利要求书应根据专利法所准许的最宽范围来解释。例如， 虽然本。
22、发明的核态沸腾热 交换器在本文是对于采用了用于内燃发动机燃料喷射器中的加热器的感应加热器线圈的 可变喷雾喷射器来描述的， 但是本发明的实施例可以用于改善使用比如电阻热量或者正温 度系数 ( “PTC” ) 加热器等其它方法的可变喷雾喷射器的热交换器。应该明白的是， 本文所 图示和描述的实施例仅仅用于说明本发明的原理， 并且本领域的技术人员可以在不背离本 发明的范围和精神的情况下实施各种变型。 说 明 书 CN 103562538 A 6 1/7 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 7 2/7 页 8 图 2a 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 8 3/7 页 9 图 2b 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 9 4/7 页 10 图 3a 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 10 5/7 页 11 图 3b 图 3c 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 11 6/7 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 12 7/7 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 103562538 A 13 。