相干结构燃料处理系统和方法
【专利说明】相干结构燃料处理系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年4月25日提交的美国专利申请N0.13/870，106的权益，所述美国专利申请要求2013年2月7日提交的美国临时申请N0.61/762099的优先权。这和本文讨论的所有其它非固有材料在此全文并入作为参考。在通过参考并入的参考中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义不一致或相反的情况下，本文提供的该术语的定义被认为是控制性的。
技术领域
[0003]本发明的领域是燃烧发动机系统，更具体地说是用于燃烧发动机的燃料处理系统。
【背景技术】
[0004]以下的描述包括可用于理解本发明的信息。不被承认的是，本文提供的任何信息是现有技术或与当前要求保护的发明相关，或者被明确或含蓄地参考的任何公布是现有技术。
[0005]内燃机从第十九世纪早期以来已出现。即使随着混合动力或电动汽车的日益普及，内燃机仍然是大部分当前车辆的主要驱动力。
[0006]在内燃机(ICE)系统中，燃料(例如，汽油)与气体(例如，氧)的混合物被喷射到燃烧室中。在点燃时，混合物在非常高的温度下燃烧并产生气体(通常包含蒸汽、二氧化碳和其它化学物质)。当气体由于高温而膨胀的时候，它们产生驱动发动机的移动零件(例如，活塞)的力。简而言之，ICE系统通过将储存在燃料空气混合物中的化学能量转变成热能量来产生功率。
[0007]然而，即使ICE已存在很长一段时间，它们也从未达到高的效率水平。实际上，今天生产的汽车中的大部分ICE仅只有大约25%到30%的效率(总的热效率)<JCE的低效率通常由燃料的不完全燃烧所引起，这还导致诸如二氧化碳和烟尘的有害气体的排放。同样地，ICE效率的改善将降低燃料消耗和空气污染。
[0008]过去已做出努力，以改善ICE系统的效率。包括2008年6月17日提交的名称为“EGRSystem with Dedicated EGR cylinders” 的授予Francis等的美国专利8，291,891、2010年12月14日提交的名称为“Internal Combust1n Engine”的授予Christmann的美国专利公布2012/0266594和2011 年5月10 日提交的名称为 “Intake Manifold Assembly forDedicated Exhaust Gas Recirculat1n” 的授予Hayman等的美国专利公布2012/0285426等的多个专利文献公开了废气再循环(EGR)技术的使用，以减少热能量的损失并减少燃烧系统内有害气体的形成。
[0009]在更加复杂的努力中，2008年2月21日提交的名称为“Pre-1gnit1n FuelTreatment System”的授予Lee的美国专利7 ,487，764公开了一种预燃燃料处理系统，其改善通过使反应器容器中的燃料在进入燃烧室之前裂化并离子化所产生的副产物的可燃性和降低。另外，Lee还公开了发动机的废气的高温高压环境的使用，以产生其中使燃料的碳氢分子裂化的反应区。
[0010]然而，即使采用EGR和预燃燃料处理技术，ICE的效率仍然还没有达到最优水平。因而，仍然需要改善现有的ICE系统，以进一步提高效率并减少有害副产物的排放。
[0011]本文的所有公布通过参考被并入以达到如每个单独的公布或专利申请被具体并且单独地指示为通过参考并入的相同程度。在并入的参考中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义不一致或相反的情况下，本文提供的该术语的定义适用，并且参考中的该术语的定义不适用。
[0012]在一些实施例中，用于描述并要求保护本发明的某些实施例的表示诸如浓度、反应状况的成分的量、特性等的数值应被理解为在某些情况下通过术语“大约”被改变。因此，在一些实施例中，在书面描述和所附权利要求中陈述的数值参数是取决于寻求通过特定的实施例获得的期望特性能改变的近似值。在一些实施例中，数值参数应根据报告的有效数字的数值并通过应用普通的四舍五入技术解释。尽管陈述本发明的一些实施例的宽广范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能精确地报告在特定示例中陈述的数值。在本发明的一些实施例中提出的数值可包含必定由在它们相应的测试测量中找到的标准偏差引起的某些误差。
[0013]如在本文的描述并贯穿以下的权利要求所使用地，除非上下文另有明确指示，否贝Γ一(a，an)”和“该(the)”的意义包括复数参考。此外，如本文的描述中所使用地，除非另有明确指示，否则“在…中(in)”的意义包括“在…中(in)”和“在…上(on)”。
[0014]本文的值的范围的列举仅旨在用作单独指出落入范围内的每个单独的值的速记方法。除非本文另有指示，否则每个单独的值如同其在本文被单独列举一样被并入说明书。除非本文另有指示或者以另外的方式被上下文明确推翻地，否则本文描述的所有方法能以任何合适的顺序进行。相对于本文的某些实施例提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不对以另外的方式要求保护的本发明的范围构成限制。在说明书中没有语言应被解释成指示对本发明的实践必不可少的任何不要求保护的元素。
[0015]本文公开的本发明的替代性的元素或实施例的分组不应被解释成限制。每组成员能单独地或以与在本文中找到的组的其它成员或其它元素任何组合的方式被参考并要求保护。组中的一个或多个成员能为了便利和/或专利性的原因被包括在组中或从组被删除。当任何这样的包括或删除出现时，说明书在本文被认为包含如修改的组，因而满足用于所附权利要求中的所有马库什组的书面描述。
【发明内容】
[0016]发明主题提供其中燃料在燃烧发动机中的点燃之前被处理的设备、系统和方法，以便改善发动机的效率。在本发明的一个方面中，提出了一种用于发动机的预燃燃料处理系统。系统包括使废气流通过燃料流的反应器。反应器包括使燃料流以第一流动模式移动的第一结构。反应器还包括使废气流以第二流动模式移动的第二结构，其中，第一流动模式和第二流动模式中的至少一个包括相干结构紊流。
[0017]在一些实施例中，预燃燃料处理系统的第一结构包括使得燃料流能够以第一流动模式移动的波导。波导具有多个特性。第一，波导具有包括特征图案的表面拓扑结构。特征图案能包括选自特征组的特征，该特征组包括:凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形。
[0018]在一些实施例中，表面拓扑结构中的特征图案被构造为引起第一流动模式内的旋转运动。另外，一些实施例的表面拓扑结构被构造为引起第一流动模式内的燃料流的微旋转。
[0019]—些实施例的波导还具有形状。波导的形状能够是棒形、蛋形、球形或椭圆形。另外，波导还能具有选自由铁(Fe)、钛(Ti)、镍(Ni)、钯(Pd)、铀(Pt)、铜(Cu)、锌(Zn)和络(Cr)组成的元素组的表面催化剂。此外，在一些实施例中的表面拓扑结构限定以针叶雌球果模式设置的多个鳞片。
[0020]在一些实施例中，波导还具有至少包括磁性材料或抗磁材料的芯。
[0021 ]除波导之外，第一结构还包括壳体。在一些实施例中，壳体具有入口和出口，并且入口与出口中的至少一个具有带有基于Φ的比例和尺寸的流动形式。在一些实施例中，壳体的内壁还具有表面拓扑结构，所述表面拓扑结构包括选自由凸起、凹痕、空腔、隆起、凹槽和楔形组成的组的特征图案。此外，壳体的内壁或外壁(或两者)具有表面催化剂，所述表面催化剂包括选自由铁(Fe)、钛(Ti)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、锌(Zn)和铬(Cr)组成的组的元素中的至少一个。
[0022]—些实施例的第二结构还具有壳体。第二结构的壳体包括入口和出口，并且壳体的入口或出口(或两者)具有带有基于Φ的比例和尺寸的流动形式。在一些实施例中，第二结构的壳体的内壁表面具有使废气流在壳体内以相干动态流动模式移动的表面拓扑结构。
[0023]在一些实施例中，第一结构和第二结构设置为使得第一流动模式包括燃料气体漩涡，并且第二流动模式包括废气漩涡。在这些实施例中的一些实施例中，燃料气体漩涡在废气漩涡内移动。
[0024]在一些实施例中，反应器还包括被构造为将外部离子化场应用于燃料流的至少一部分的激励线圈。另外，反应器还能包括被构造为从燃料流、废气流或波导的动作接收电能量的能量拾取线圈。
[0025]除反应器之外，一些实施例的预燃燃料处理系统还包括将燃料流的至少20的重量百分比(wt%)以汽态引入到反应器中的结构