JP2010508464A - 電場補助燃料霧化システム及び使用方法 - Google Patents

Abstract

燃焼チャンバーに噴射される燃料粒子の寸法を減少させるための装置（１００）が開示されている。装置は燃料ライン（１１０）、燃料ライン（１１０）内に配置された第１金属メッシュ（１１４）及び、燃料ライン（１１０）内の第１金属メッシュ（１１４）の上流又は下流に配置された第２金属メッシュ（１１２）を含む。電気供給（１３０）は、電気的に、第１金属メッシュ（１１４）及び第２金属メッシュ（１１２）に結合されている。電気供給（１３０）の作用は、第１金属メッシュ（１１４）と第２金属メッシュ（１１２）との間に電場を生成する。燃料インジェクター（１２０）は燃料ライン（１１０）の端、第１金属メッシュ（１１４）の下流に配置されている。燃料粒子の寸法を減少させ、乗物の燃費を改善し、燃焼エンジンからのパワー出力を増大させ、燃焼エンジンの排出を改善させる方法も提供されている。

Description

本願出願は、２００６年１０月３１日に提出された米国仮特許出願第６０／８５５，６４６の優先権を主張している。

燃料噴射技術は、ほとんどの燃焼システム、例えば、内燃エンジン又はオイルバーナーで採用されている。霧化が燃焼効率及び汚染物質排出において重要な役割を果たしており、特に、より微細な燃料霧は、より効率的な燃料の燃焼を可能にし、よりパワーのある出力かつより少ない有害物質の排出という結果をもたらすということが良く知られている。これは、燃焼が、燃料と空気（酸素）との間の界面で始まることに起因する。燃料滴の寸法が小さくなれば、燃焼行程を開始するための全体的な表面領域が増大して、燃焼効率を増大し、かつ、排出を改善する。燃料滴の寸法を減少する１つの方法は、例えばガソリンについては２００バール（２０，０００ＫＰａ）までの高い圧力を利用する燃料噴射を備え、直径で２５μｍに燃料滴を減少させることである。しかしながら、現行のガソリン燃料ラインは、３バール（３００ＫＰａ）よりも低い燃料圧を支えることしかできないので、そのような噴射は、乗物の燃料ラインに大幅な変更を必要とするものになり得る。燃料滴の寸法を減少させる別の知られた方法は、静電気霧化であり、すべての燃料滴は負に帯電される。滴の電荷密度が高ければ、滴寸法は小さい。加えて、負に帯電された滴は、互いに反発するので、塊状にならない。現行の静電気霧化技術は、各インジェクターのノズルに非常に高い電圧を直接に印加する特別な燃料インジェクターを必要とする。エミッターのカソードは、負電荷を放出し、燃料をアノードに受け渡し、下に動いてスプレーを止めるためにノズルを閉じることはない。そのようなインジェクターの使用には、現存の乗物燃料システムに大幅な修正を要する。

よりクリーンな燃焼で、高いパワーの出力、及びより高い燃料効率をもたらす、現在生成されているものよりもより細かい燃料霧を燃料インジェクターから生成する方法を提供することの必要性が存在する。

簡潔には、本願発明は、インジェクターにより噴射される燃料粒子の寸法を減少させる方法を提供する。前記方法は、燃料ラインを通じた燃料の流れを提供するステップ、燃料ラインからインジェクターへの伝送からの流体の粘度を下げるために十分な電場を前記流体にかけるステップ、燃料ラインからインジェクターに流体を伝送するステップ、及びインジェクターから流体を噴射するステップを備える。

また、本願発明は燃焼チャンバーに噴射される燃料粒子の寸法を減少させるための装置を提供する。この装置は、燃料ライン、燃料ライン内に配置された第１金属メッシュ、及び燃料ライン内の第１金属メッシュの上流又は下流に配置された第２金属メッシュを備える。電源供給部は、電気的に、第１金属メッシュ及び第２金属メッシュに結合されている。電源供給部の作動は、第１金属メッシュと第２金属メッシュとの間に電場を生成する。燃料インジェクターは燃料ラインの端部であって、金属メッシュの下流に配置されている。

さらに、本願発明は、乗物の燃費効率を改善する方法、燃焼エンジンからのパワー出力を増加させる方法、及び燃料ラインを通じて流れる燃料により燃焼エンジンからの排出を改善する方法であって、燃料ライン内の燃料に燃料の流れの方向に平行な方向に電場を印加し、燃料の粘性を減少させるステップ、及び減少した粘性を有する燃料を燃焼のための燃焼チャンバーに燃料インジェクターを通じて放出するステップを提供する。

添付の図面は、ここに組み込まれ、この明細書の一部を構成するものであり、発明の実施形態を示し、上記の一般的な記載及び下記の詳細な説明とあわせて、本発明の特徴を説明することに役立つものである。

本願発明の典型的な実施形態により電場補助燃料インジェクターシステムを使用したテストの状況を概略的に示す図である。 図１のインジェクターシステムを使用したプレート上への燃料滴のスプレーパターンを示す図である。 電場補助燃料インジェクターシステムを通して通過した後のディーゼル燃料の滴の寸法に対する総滴中のパーセントを示すグラフである。 電場補助燃料インジェクターシステムを通過した後の２０％エタノールが混ぜられたガソリンの滴の寸法に対する総滴中のパーセントを示すグラフである。 図１に示されたシステムを使用する方法を示すフローチャートである。 乗物燃料システムに設置された電場補助燃料噴射システムの典型的な実施形態を示す乗物燃料システムの斜視図である。

所定の用語は便宜のためのみに以下の記載に使用され、限定するものではない。その用語は、上述にはっきりと言及された単語、それの派生語および似た趣旨の単語を含む。以下に示す実施形態は、網羅的であること又は開示した正確な形態に発明を限定することを意図したものではない。この実施形態は、本発明の原理及びその応用及び実際的な使用を最高に説明するため、及び当業者が発明を最高に利用することを可能にするために選ばれて記載されている。

本願発明は、燃料の粘性を減少させるために、燃料が燃焼チャンバーへの噴射のための燃料インジェクターに入る前の燃料ラインの内側の電場を通過させるようにして使用される。燃料の粘性が減少する際に、スプレーされ吐出される燃料滴の寸法は同様に減少し、より効率的な燃料の燃焼をもたらす。本発明は、燃焼エンジンを備えた乗物、例えば自動車、航空機、及び船のような乗物への応用、のみならず、発電機のような非乗物への応用に供される。本願発明が燃料インジェクターから吐出された燃焼滴の寸法の減少に向けられる一方、当業者は本願発明が流体のような燃料に限られておらず、流体の粘性及びそのようにスプレーされる滴の粒子寸法を減少させるために、良好に他の流体に使用しうる。例えば、本願発明で具体化された技術は、塗装スプレーのような、小さなスプレー滴を要する他の応用に使用しうる。
本願発明の典型的な実施例による電場補助燃料噴射システム１００は、図１に概略的に示される。噴射システム１００は、燃料“Ｆ”が流れる燃料ライン１１０を含む。図１に示されているように、燃料Ｆは、左（上流側）から右（下流側）に流れる。燃料Ｆは燃料ライン１１０から燃料インジェクター１２０に流れ、燃焼インジェクター１２０は燃料Ｆを（図示されていない）燃焼のための燃焼チャンバーに噴射する。

下流メッシュ１１２は燃料ライン１１０に挿入される。また、上流メッシュ１１４は燃料ライン１１０中であって、下流メッシュ１１２の上流に挿入される。メッシュ１１２、１１４は、燃料ライン１１０を含む、すべての他の金属から、電気的に絶縁されており、燃料ライン１１０内でコンデンサーを形成する。上流メッシュ１１４は望ましくは下流メッシュ１１２からおよそ０．５〜２センチメーターに配置するのがよい。さらに、下流メッシュ１１２は望ましくは燃料インジェクター１２０からおよそ１０〜３０センチメーターに配置するのがよい。メッシュ１１２、１１４は銅若しくは他の電気的に伝導性を有する金属から構成しうる。望ましくは、メッシュ１１２、１１４が構成される電気的に伝導性を有する金属は、燃料ライン１１０及びメッシュ１１２、１１４を通過して流れる燃料Ｆと化学的に反応しない。メッシュ１１２、１１４は、燃料Ｆの燃料ライン１１０を通って燃料インジェクター１２０に向かう流れに負の影響をもたらさないように、十分に粗いメッシュ寸法を有する。電圧供給部１３０は、下流メッシュ１１２及び上流メッシュ１１４の間に電場を生成するために、各下流メッシュ１１２及び上流メッシュ１１４に電気的に結合される。電気的供給部１３０の正端子１３２は、下流メッシュ１１２に結合され、下流メッシュ１１２をアノードにし、並びに電気的供給１３０の負端子１３４は、上流メッシュ１１４に結合され、上流メッシュ１１４をカソードにする。そのような配置は、燃料流れＦの方向に平行であるが逆の方向に電場を生成する。メッシュ１１２、１１４の直径及びメッシュの寸法は、燃料の流量に従って調節しうる。

（図示されていない）別の実施形態において、電場はコンデンサーにより生成され、コンデンサー中で電場は燃料流れＦの方向と異なる方向に生成される。電場は殆ど全ての実現可能な方向の流れに渡り生成することができ、依然として粘性の減少を実現する。

電圧供給部１３０は、直流（ＤＣ）電源でよいが、低周波の電場を生成する交流（ＡＣ）電源を使用してもよい。ＡＣ電場を印加する際には、印加された場の周波数は、約１〜約３０００Ｈｚ、例えば約２５Ｈｚ〜約１５００Ｈｚの範囲である。この場は、流体の流れの方向と平行な方向に生成するか、又は流体の流れの方向と異なる方向に生成することができる。

電圧供給部１３０は、メッシュ１１２、１１４の間に約１００Ｖ／ｍｍ〜２５００Ｖ／ｍｍの電場を生成するのに充分な強さである。この範囲内の特別な値の選択は、流体の組成、好ましい粘性の減少の程度、流体の温度、及び電場が印加されるべき期間に依存することが予測される。場の強さが低すぎたり、印加期間が短すぎれば、粘性の有意義な変化が起こらないことが理解されるであろう。反対に、もし電場の強さが強すぎたり、印加期間が長すぎれば、流体の粘性が実際には増加しうる。

燃料インジェクター１２０の各噴射サイクルで消費される少ない量の燃料Ｆのために、燃料Ｆがメッシュ１１２、１１４の間を移動する時間は、１２０秒の大きさとすることができる。この移動時間に重大な効果をもたらす１つの要因は、燃料Ｆの消費率である。例えば、噴射システム１００が用いられる（図示されていない）乗物が加速する場合、同じ乗物のアイドリング時よりも燃料Ｆの消費は早くなる。結果的に、燃料Ｆはメッシュ１１２、１１４で生成された電場によりアイドリング時よりも加速中には少ない時間作用される。これらの要因についても当然考慮して、電場内の流体としての燃料の滞在時間が、例えば０．１〜１２０秒の間で変わりうる。

図４のフローチャートはシステム１００を使用する方法を図示する。ステップ１６０において、燃料Ｆの流れが燃料ライン１１０を通じて供給される。ステップ１６２において、燃料Ｆは、燃料ライン１１０からインジェクター１２０への伝送から燃料Ｆの粘性を下げるのに十分な電場がかけられる。電場は燃料Ｆの流れに平行な方向に移動するが、燃料Ｆの流れは逆である。ステップ１６４において、燃料Ｆは燃料ライン１１０からインジェクター１２０に伝送される。ステップ１６６において、燃料Ｆはインジェクター１２０から、燃焼のために燃焼チャンバーに噴射される。システム１００は燃料粒子の寸法を減少させ、乗物における燃費を改善し、燃焼エンジンからのパワー出力を増大させ、燃焼エンジンからの排出を改善するために使用できる。

実施例
インジェクションシステム１００を使用する実験装置が図１に示されている。実験に使用される燃料インジェクター１２０は、オハイオ州クリーブランドのＭｒ． Ｇａｓｋｅｔ Ｃｏ．により製造されたＡｃｃｅｌ（登録商標）高インピーダンス燃料インジェクターである。実験において、燃料Ｆはメッシュ１１２、１１４の間に生成された電場を通過するのに約１５秒間かかった。インジェクター１２０からの各燃料スプレーは約４ミリ秒の間続き、燃料インジェクター１２０から燃料滴１２２を生成した。滴１２２は酸化マグネシウムの層で覆われたプレート１４０により集められた。プレート１４０は正方形であり、約１０センチメートルＸ１０センチメートルであり、スプレーの全ての滴１２２を集めるのに十分な大きさである。プレート１４０は、燃料インジェクター１２０の放出から約１０センチメートルに置かれた。集められた滴１２２の典型的な記録が図２で示される。

一旦、滴１２２が収集されると、プレート１４０は（図示されていない）高解像度スキャナーでスキャンされ、次に滴寸法分配がイメージングソフトウェアにより分析される。この方法は遅く、既知の光学的散乱技術よりも時間をより消費するが、この方法はどんな方法よりも信頼できると信じられている。スプレーの全ての滴１２２は記録され、物理的に測定される。

このテスト装置に従ってテストされた燃料Ｆはディーゼル燃料及び２０パーセントエタノールを有するガソリンであった。テストは、ベースラインをセットするためにはインジェクションシステム１００を使用しないで行われ、次にインジェクションシステム１００を使用して行われ、ベースライン結果より上の利点を測定した。ディーゼル燃料に対する統計的な結果が図３に示され、２０パーセントエタノールを有するガソリンについての結果が図４に示される。両方の図から、強い電場は霧化ステップで滴１２２の寸法を減少させることが明らかである。

ディーゼル燃料での実験のために、燃料圧を２００ｐｓｉ（約１，３８０ＫＰａ）とし、電場を約１．０ｋＶ／ｍｍとした。燃料Ｆは電場を通過するのに１５秒かかった。ディーゼル燃料における効果は非常に顕著である。例えば、５μｍ未満の半径の滴１２２の数が５．３％（ベースライン）から１５．３％に増大し、３倍の増加となった。電場が、滴１２２の殆どを４０μｍの半径を有するようにすることも図３から明らかである。噴射システム１００がディーゼル乗物に応用された場合、燃費は１５〜３０％増大し、排気も非常に改善されることが見込まれる。

ガソリン（２０％エタノール）での実験において、燃料圧は１１０ｐｓｉ（約７６０ＫＰａ）であり、電場は１．２ｋＶ／ｍｍであり、燃料Ｆが電場を通過するのに１５秒かかった。ガソリンにおける効果もまた顕著である。例えば、１０μｍ未満の半径滴１２２の数が１７．６％（ベースライン）から２０．７％に増大し、２０％の増加となった。噴射システム１００がガソリン力乗物に応用された場合、燃費は５〜１０％増大し、排気も非常に改善されることが見込まれる。

図６に示すように、メルセデス ベンツ ３００Ｄ 乗物２００の燃料システムにおいて噴射システム１００を使用したロードテストが行われた。システム１００は、燃料がシステム１００を通じてシステムの底部から頂部に向けて垂直に流れるように、乗物２００に設置された。

システム１００を使用することにより、乗物の燃費は、システム１００を使用しない場合の約３０マイル／ガロン（約１２．７５キロメートル／リットル）からシステム１００を使用した場合の約３６マイル／ガロン（約１５．３キロメートル／リットル）に増加した。この実施例では、メッシュ１１４と１１２の間の燃料流れ時間が約５秒間である場合に、約８００Ｖ／ｍｍ〜約１５００Ｖ／ｍｍであった。

さらに、ディーゼル及びガソリン燃料について、噴射システム１００は、燃焼のために噴射される燃料Ｆの低粘性による滴１２２のより小さな寸法の結果として、燃料単位につきより高い馬力出力を生じさせる。

本発明は、図示され、ここで特定の実施形態を参照して記載されているが、本発明はここで示された詳細に限定されることを意図していない。むしろ、様々な変更が請求の範囲及びその均等の範囲内の詳細において本発明から離れることなく使用することができる。

１００ 噴射システム
１１０ 燃料ライン
１１２ メッシュ
１１４ メッシュ
１２０ 燃料インジェクター
１２２ 燃料滴
１３０ 電圧供給
１３２ 正端子
１３４ 負端子
１４０ プレート
１６０ ステップ
１６２ ステップ
１６４ ステップ
１６６ ステップ
２００ 乗物

Claims (12)

1. ａ）燃料ラインを通じて燃料の流れを供給するステップ；
   ｂ）前記燃料の粘性を下げるのに十分な電場を前記燃料ラインからインジェクターへ伝送される前記燃料にかけるステップ；
   ｃ）前記燃料ラインから前記インジェクターに前記燃料を伝送するステップ；及び
   ｄ）インジェクターから前記燃料を噴射するステップ；
   を備えるインジェクターから噴射される燃料粒子の寸法を減少させる方法。
2. ステップａ）及びｂ）が、前記電場の方向に平行な方向に前記燃料の流れを供給するステップを備える請求項１に記載の方法。
3. ステップａ）及びｂ）が、前記電場の方向と逆方向に前記燃料の流れを供給するステップを備える請求項１に記載の方法。
4. ステップａ）及びｂ）が、前記流体に約８００Ｖ／ｍｍ〜約１５００Ｖ／ｍｍの強さを有する前記電場をかけるステップを備える請求項１に記載の方法。
5. ステップａ）及びｂ）が、前記流体に約５秒〜約１５秒間前記電場をかけるステップを備える請求項１に記載の方法。
6. 燃料ライン；
   前記燃料ライン内に配置される第１金属メッシュ；
   前記燃料ライン内の第１金属メッシュの上流に配置される第２金属メッシュ；及び
   前記第１金属メッシュおよび前記第２金属メッシュに電気的に結合される電源供給部、
   を備える燃焼チャンバーに噴射される燃料粒子の寸法を減少するための装置であって、
   電源供給部の作動が前記第１金属メッシュ及び前記第２金属メッシュの間の電場を生成し；
   燃料インジェクターが、前記第１金属メッシュの下流の、前記燃料ラインの端に配置される、
   ことを特徴とする装置。
7. 前記電源が直流電源を備えることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第１金属メッシュがアノードを備えることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記第１金属メッシュが、前記燃料ラインの燃料が第１メッシュと第２メッシュの間を約５秒間〜約１５秒間移動することを要するのに十分に前記第２金属メッシュから離れていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. ａ）燃料を、燃料ラインを通じて流すステップ；
    ｂ）電場を前記燃料ライン内の前記燃料に印加し、その粘性を減少させるステップ；及び
    ｃ）減少した粘性を有する前記燃料を、燃料インジェクターを通じて燃焼のための燃焼チャンバーに放出するステップ；
    を備える乗物の燃費を改善する方法。
11. ａ）燃料を、燃料ラインを通じて流すステップ；
    ｂ）電場を前記燃料ライン内の前記燃料に印加し、その粘性を減少させるステップ；及び
    ｃ）減少した粘性を有する前記燃料を、燃料インジェクターを通じて燃焼のための燃焼チャンバーに放出するステップ；
    を備える燃焼エンジンからのパワー出力を増大させる方法。
12. ａ）燃料を、燃料ラインを通じて流すステップ；
    ｂ）電場を前記燃料ライン内の前記燃料に印加し、その粘性を減少させるステップ；及び
    ｃ）減少した粘性を有する前記燃料を、燃料インジェクターを通じて燃焼のための燃焼チャンバーに放出するステップ；
    を備える燃焼エンジンからの排出を改善する方法。

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