Способ и устройство распыления жидкости

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 р