专利名称：用于制备和输送燃料的设备和方法
技术领域：
本发明涉及燃料的制备和输送。更详细地说，按照本发明的一种设备和方法提供至少一个用于气化燃料的被加热的毛细流动通道。
产生细原子化流体喷雾的能力有利于许多各不相同的用途，包括制造工业用的衬底、给内燃机和外燃机加燃料的燃烧系统加燃料、用于生产药物产品的直径均匀的微粒的生成、用作试验标准和电子工业中各种用途的小微粒的生产，其中薄膜沉积技术常用于形成电阻器、电容器和其它元件。
通常，液体燃料燃烧的完全性和洁净程度取决于燃料/空气比、燃烧室的机械和空气动力学设计、燃料种类、燃料喷射器设计和燃料液滴粒径分布。最近几年燃烧系统设计的主要驱动力是减少燃烧产生的排出物。这已用于范围广泛的用途，从住户加热设备到汽车内燃机到燃气轮机到工业炉和多用炉。液体燃料制备方法对最终排出物特别是一氧化碳(CO)、未燃烧的碳氢化合物(HC)和烟灰产生非常显著的影响。因此，在从液体燃料燃烧装置连续减少排出物的工作中，已有很多努力指向发展简单而成本效益好的方法来输送气化燃料或极细的燃料液滴。
在任何给定的液体燃料燃烧用途中，减小液滴直径能提供若干好处，包括改善点火特性、减少液滴对室壁的撞击、更快地蒸发液滴、减少CO、HC或烟灰排放，以及能用低挥发性(或较重的)液体燃料操作。虽然液滴形式的燃料可以输向燃烧室，但在燃料成分能与燃烧空气中氧反应之前该液体必须蒸发。大的液滴蒸发缓慢，在流出燃烧室之前不可能完全蒸发和反应，从而产生较高的排出物。
特别是，在尺寸非常小的燃烧系统(如小于1020kg-m/sec(10KW)热量释放)的情况下，获得小的液滴直径的重要性更为关键，特别对低挥发性的燃料如柴油或喷气发动机燃料。此外，这些小尺寸的系统需要不使用大量动力来制备燃料的简单的燃料输送系统。因此，许多传统的燃料输送方法(如压力雾化、双流体或双联雾化、超声雾化)不能用于小尺寸系统，因为流动速率太大；液滴太大；需要的供应压力太大或需要额外的雾化液体。因此，许多小尺寸的燃料系统对气态液料是限用的。
已经提出许多减小输送的燃料喷雾的粒径的方法。例如，美国专利No.5,127,822中公开了一种用超声雾化装置雾化燃料的燃烧装置。按照该专利，提出的雾化器中燃料以细雾滴形式供应到燃烧室，以加速燃料的气化和减少燃料稳定燃烧所需的时间。
美国专利No.5,127,822描述了一种装置，其中燃料预期以5cc/min供应，据说燃料雾化成Sauter平均直径(SMD)为40μm的液滴。美国专利No.6,095,436和No.6,102,687中提出了其它雾化技术。美国专利No.4,986,248中提出了一种预期用于向内燃机供应燃料的超声雾化器。
美国专利No.4,013,396提出了一种燃料气溶胶化的设备，其中将碳氢化合物燃料(如汽油、燃料石油、煤油等)配送入冷凝区而形成气溶胶燃料，据说产生粒径小于1μm的相当均匀的液滴。该气溶胶化的燃料预期与空气混合而提供一种所要的空气-燃料比并在燃烧器的燃烧区内燃烧。提出一种热交换器来将热量从燃烧的燃料输送到一种载带热量的介质如空气、气体或液体。
在美国专利No.5,472,645中，提出了一种燃料气化装置来解决与内燃机中燃料气溶胶的不完全燃烧有关的某些问题。按照美国专利No.5,472,645，因为气溶胶燃料液滴不点燃和在内燃机中燃烧不完全，所以未燃烧的燃料残滓作为污染物如碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和与氮氧化物(NOx)伴生的乙醛而从发动机中排出。美国专利No.5,472,645提出，通过将液体燃料破碎为气化的或气相元素的空气和流体流而改善气溶胶燃料的燃烧。据说这些元素包含某些高分子量的碳氢化合物的非气化的气溶胶，据说较轻的燃料成分迅速蒸发为气相，与空气混合而送往内燃机。据说，较重的燃料部分在其能流出一个旋风器涡流装置而进入发动机的吸气歧管之前被转变为气相的气化状态。
美国专利No.4,344,404提出了一种设备，用于向内燃机或燃烧器供给与空气混合的气溶胶化的燃料液滴，据说这些燃料液滴的粒径为0.5～1.5μm。气溶胶形式的液体燃料与空气混合，空气-燃料比为约18∶1，目的是降低发动机的排放值CO、HC和NOx。
若干专利公开了用于气化液体的技术。例如，共同转让的美国专利No.5,743,251和No.6,234,167公开了在一加热的毛细管中气化液体的气溶胶发生器；Takeuchi的美国专利No.6,155,268公开了利用毛细管作用通过流动通道将液体香料供给到置于该流动通道端部的加热器而气化该液体香料；Young的美国专利No.5,870,525公开了利用毛细管作用通过一供应芯线将液体从液池通向锅炉芯线，其中将液体加热而变为蒸汽；Horie等人的美国专利No.6,195,504公开了在一流动通道内加热液体而产生蒸汽。
美国专利No.3,716,416公开了一种预期用于燃料电池系统的燃料计量装置。该燃料电池系统预期是自动调节的，在一预定电平产生电力。该提议的燃料计量系统包括一个毛细流动控制装置，用于根据燃料电池的电力输出而节制燃料流量，而不是提供用于其后燃烧的改进的燃料制备。相反，燃料预期送入燃料电池而转换成H2。在一优选的实施例中，该毛细管用金属制成而毛细管本身用作与燃料电池的电力输出成电接触的电阻器。因为蒸汽的流动阻力大于液体的流动阻力，所以当电力输出增大时，流量受到节制。建议使用的燃料包括通过加热易于从液体变成汽相且能自由地流过毛细管的任何液体。气化似乎以在汽车发动机中产生蒸汽锁的方式达到。
美国专利No.6,276,347提出了一种用于达到液体的雾化和气化的超临界或近超临界的雾化器和方法。据说美国专利No.6,276,347的超临界雾化器能够将重燃料用于点燃通常燃烧汽油的小型轻量的低压缩比的火花点火的活塞发动机。该雾化器预期通过将燃料移向其超临界温度和将燃料释放到与燃料有关的相图中的气体稳定区上的低压区内而从液体产生细雾滴的喷雾，从而造成燃料的细雾化或气化。公开的用途例如有内燃机、科学设备、化学处理、废料处置控制、清除、蚀刻、昆虫控制、表面改性、增湿和气化。
为了尽可能减小分解，美国专利No.6,276,347建议将燃料保持在超临界温度以下，直到通过用于雾化的限流器的远端。对于某些用途，需要仅仅加热限流器的尖端来尽可能减小化学反应或沉淀的可能性。这就是说，减小否则会从溶液中析出的燃料流中的杂质、反应物或物质有关的问题。在或接近超临界压力处进行工作建议该燃料供应系统在21.1～56.2kg/cm2(300～800psig)的范围内操作。虽然使用超临界压力和温度可能减小雾化器的堵塞，但似乎需要使用一个更加相当昂贵的燃料泵以及能够在这些升高压力下操作的燃料管线、配件等。
在一方面，本发明指向一种用于气化从液体燃料源引来的液体燃料的设备，该设备包括(a)至少一个有一入口端部和出口端部的毛细流动通道；(b)一个流体控制阀，用于使所述至少一个毛细流动通道的所述入口端部与液体燃料源成流体连通并引导基本上液态的液体燃料；(c)一个沿所述至少一个毛细流动通道设置的热源，所述热源可以操作而将所述至少一个毛细流动通道中的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态变为气态的水平，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部输送一股基本上气化的燃料流；以及(d)用于清除在操作该设备期间形成的沉积物的机构。
在另一方面，本发明指向一种气化燃料的方法，包括以下步骤(a)向至少一个毛细流动通道供应液体燃料；(b)通过加热该至少一个毛细流动通道中的液体燃料而使一股基本上气化的燃料流通过该至少一个毛细流动通道的出口；以及(c)定期地清除该至少一个毛细流动通道中的沉积物。
现在参照附图作为不起限制作用的例子描述本发明的不同的实施例，附图中
图1是部分省略的能够原位清除沉积物的单个毛细管燃料喷射器；图2表示一种能够用于实施图4中所示的系统的多毛细管装置；图3表示图2中所示装置的端视图；图4表示一种按照本发明的能够用于氧化多毛细管装置中的沉积物的系统的细部，该装置能用于输送气化燃料；图5表示一种将燃料和任选的氧化气体输送到一毛细流动通道的控制系统的示意图；图6表示一种利用燃烧热预热液体燃料的装置的示意图；图7是部分省略的能够通过擦去其中形成的沉积物而原位清除的另一种单个毛细管燃料喷射器；图7A是图7的毛细管燃料喷射器的放大的截面图；图8表示一种无添加剂的汽油的燃料流动速率对时间的图线，表明氧化清除的优点；图9是一种商品级汽油的燃料流动速率对时间的图线；图10是比较各种汽油的燃料流动速率对时间的图线；图11是比较喷气发动机燃料和No.2柴油燃料的燃料流动速率对时间的图线；图12是一种无添加剂的柴油燃料的燃料流动速率对时间的图线，表明氧化清除的效果；以及图13是比较一种无添加剂的柴油燃料和一种含抗污垢添加剂的柴油燃料的燃料流动速率对时间的图线。
现在参考图1～13中所示的实施例，图中相同标号用于表示相同部件。
本发明提供一种燃料输送装置，该装置实际上用于任何需要一股雾化的或气化的液体燃料的用途。该液体燃料可以是任何种类的碳氢化合物燃料，如喷气发动机燃料、汽油、煤油或柴油燃料，以及氧化剂如甲醇、乙醇、甲基叔丁基醚以及碳氢化合物燃料和氧化剂的混合物。该燃料输送装置包括至少一个毛细流动通道，该通道能加热液体燃料如气化燃料或气化燃料和任选的另一流体的混合物，它们能提供给后续燃料的用途。或者是，该气化燃料可以任选地与任一流体如水或蒸汽混合而供给重整炉或燃料处理器。有利的是，本发明的燃料制备和输送设备能用低功率和极短的预热时间操作。
当起动使用传统燃料系统的发动机时，因为只有相当少的液体燃料气化，所以必须向该用途提供过量的液体燃料，以便获得易于点火的空气-燃料混合物。过分供给燃料通常导致不希望有的废气排出物，包括一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。在较低的发动机起动温度下，通常会提高过分供给燃料的程度，从而加重在起动期间产生的废气排放。
本发明的设备和方法能直接或间接地向发动机输送已基本上气化的燃料以用于后续的燃烧，从而减少或消除了在冷起动和预热状态期间过分供给燃料的需要。此外，在发动机的正常操作温度下，可以控制空气/燃料混合物，使得实际上有效地燃烧全部燃料，从而减少排出物。
在一个优选的实施例中，本发明的设备与一个供应液体燃料的液体燃料源一起使用，该液体燃料源连接至少一个毛细流动通道，沿该至少一个毛细流动通道设置一热源。该热源可以操作而充分地加热该至少一个毛细流动通道，从而输送一股可以任选地包含少量尚未气化的加热液体燃料。该燃料气化装置优选地受到操作而将一股气化燃料输送到该用途。
本发明也提供一种将燃料输送到一种用途以供后续燃烧的方法，包括的步骤有将液体燃料供给至少一个毛细流动通道，以及充分地加热该至少一个毛细流动通道中的液体燃料，使得一股基本上气化的燃料被输送到该用途。
按照本发明的一种燃料气化系统包括至少一个毛细管尺寸的流动通道，液体燃料在输送到该用途而用于燃烧之前先通过该毛细流动通道。沿毛细流动通道外加热量，使得进入该流动通道的液体燃料的至少一部分当其沿该通道行进时被转化为蒸汽。该燃料作为蒸汽而流出毛细通道，该蒸汽可以任选地包含少量尚未气化的加热的液体燃料。“基本上气化”指至少50％的液体燃料被热源气化，优选地为至少70％，最优选地为至少80％的液体燃料。该气化燃料可以与空气混合而形成气溶胶，其液滴平均直径为25μm或更小，优选地为10μm或更小，最优选地为5μm或更小。
该毛细管尺寸的流动通道最好在一毛细管主体如单独的或多层的金属、陶瓷或玻璃主体中形成。该通道有一个向一入口和一出口开孔的封闭体积，入口和出口之一可以向毛细管主体的外部开口，或者可以连接在同一主体或另一主体体内的另一通道上或配件上。因为最优选地是尽可能减小热惯量，所以该加热器可以通过该主体的一部分如一段不锈钢管而形成，或者该加热器可以是包括在该毛细管主体内或其上的分立的电阻加热材料的层或丝。该流体通道可以是具有向一入口和一出口开孔并可以通过其流动流体的封闭体积的任何形状。该流体通道可以有任何所要的截面，优选的截面为直径均匀的圆形。毛细管流体通道的其它截面包括非圆形，如三角形、方形、矩形、椭圆形或其它形状，该流体通道的截面不必是均匀的。该流体通道可以沿直线延伸，或者不成直线，可以是单个流体通道或多路径流体通道。在毛细管通道为金属毛细管的情况下，其内径可以为0.01～3mm，优选地为0.1～1mm，最优选地为0.15～0.5mm。或者是，该毛细通道可以由其横截面积限定，该面积可以为8×10-5～7mm2，优选地为8×10-3～8×10-1mm2，更优选地为2×10-3～2×10-3mm2。单个或多个毛细管、各种压力、各种毛细管长度、加到毛细管上的各种热量、以及不同的形状和截面积，将适用于一种给定的用途。
该毛细管还有一个特性是具有低的热惯量。“低的热惯量”指该被加热的主体(毛细管)的质量足够低，以致只需极少的时间来加热到操作温度。优选地是，毛细流动通道可以极快地带到气化燃料所需的温度，优选地在2.0秒内，更优选地在0.5秒内，最优选地在0.1秒内，这在达到所要温度时不希望延迟的情况如冷起动和预热的状态期间的用途中是有利的。此外，低的热惯量在一种用途的正常操作期间能提供好处，例如改善该用途对动力需求的突然变化的响应。
在一个实施例中，本发明提供对液体燃料燃烧用途的燃料制备方法和设备。一种燃烧用途是与该用途相关的非常低的液体燃料流动速率如小于0.1克/秒，此时其它燃料制备装置如传统的压力涡旋雾化或鼓风雾化已证明不希望采用或不合适。该装置能够在几十至几千瓦的化学能范围内的流动速率下产生具有极小液滴直径的燃料蒸汽和/或燃料气溶胶。可以使用平行的多个毛细管来增大总化学能输出，以便用于较大的燃烧用途。该装置能产生超细的燃料气溶胶和/或蒸汽，它们对于制备用于紧凑的燃烧系统中洁净、有效的燃烧的均匀的燃料/空气混合物是理想的，并呈现优越的点火特性。
有利的是，本发明的设备能在低的燃料供应压力(7.0kg-m/sec(100psig)或更低)下操作，从而不需要在或接近燃料的超临界压力下供应燃料所需的高成本的重的耗费动力的高压泵。同样，本发明的设备不需要较高的空气供应压力，从而不需要重的耗费动力的鼓风机。该设备可以用于提供炉子、热水器等用的液体燃料做动力的领航信号灯，并用于各种各样的非传统的液体燃料用途。
按照本发明的设备的一个优点是其点火能量需求的特性。最小的点火能量是一个用于描述通常用一点火器如火花点火器能够点燃一种雾化的燃料/空气混合物的容易程度的术语。本发明的装置能够提供具有其Sauter平均直径(SMD)小于25μm，优选地小于10μm而更优选地小于5μm的液滴的气化燃料和/或气溶胶，这样的细气溶胶能用于改进燃气轮机和其它燃烧用途中的起动特性和火焰稳定性。此外，对于具有SMD等于或小于25μm的燃料，最小点火能量可以产生非常显著的减小。例如，如Lefebvre的《燃气轮机燃烧》(半球出版公司，1983年)的第252页中讨论的，当SMD减小时，与可以点燃雾化的燃料/空气混合物的容易程度有关的术语Emin显示出尖锐地减小。最小点火能量粗略地正比于气溶胶中燃料液滴的Sauter平均直径(SMD)的立方，SMD是其表面对体积比等于整个喷雾的表面对体积比的液滴的直径并与该喷雾的质量转移特性有关。在Lefebvre一书中示出，对于各种燃料，Emin和SMD之间的关系粗略地近似于下述关系LogEmin＝4.5(logSMD)+k；其中Emin以mJ测量，SMD以μm测量，而k为与燃料种类有关的常数。
按照Lefebvre的书，重燃料油在115μm的SMD有约800mJ的最小点火能量，而在50μm的SMD有约23mJ的最小点火能量。异辛烷在90μm的SMD有约9mJ的最小点火能量，而在40μm的SMD有约0.4mJ的最小点火能量。对于柴油燃料，当SMD等于100μm时，Emin为约100mJ。SMD减少约30μm，Emin减少约0.8mJ。可以理解，对于小于25μm的SMD值，点火系统的要求显著减小。
已经确定，液体燃料通过毛细流动通道的质量流动速率依赖于进入毛细流动通道的液体燃料压力和加在毛细流动通道上的热量。如下所述，燃料的蒸汽量和液滴粒径也依赖于这两个变量，以及依赖于气化燃料流进入的热环境。本发明的燃料气化装置能够通过改变毛细流动通道的长度、毛细流动通道的截面积、所用毛细流动通道的数目、供给毛细流动通道的燃料压力和/或供给毛细流动通道的热量而适用于需要一股基本上气化的燃料流的实际上所有的用途。该技术的专业人员可以理解，利用经验改变这些变量将产生一种适用于实际上任何需要一热源的用途。可以认为，小于7.0kg-m/sec(100psig)和各种压力或甚至小于3.5kg-m/sec(50psig)或更小的压力可以施加到该液体燃料源上。或者是，对于利用重力输送的用途，可以不必对该液体燃料源施加外部的压力源。
在其中燃料-空气混合物在接近燃料气化装置的出口处点火的用途中，燃烧的排出物特性敏感于燃料液滴粒径分布的品质。高品质的细喷雾促进燃料蒸发并增强混合，从而减小富燃烧的倾向以及相关的烟和灰的产生。已知小液滴既迅速蒸发又极好地遵循流动的流线，因此不易撞击燃烧器壁。相反，大液滴不易遵循流动流线并能撞击燃烧器壁，从而产生CO和碳氢化合物排出物及碳沉积物(焦化)。这个问题在火焰高度受限制的系统中更值得注意。因此，本发明的燃料气化装置在这些用途中是有利的，因为它们能产生一股气化燃料流和/或极细液滴的气溶胶，后者不易撞击燃烧器壁。
在其中燃料通过一空气流如利用一歧管而引向燃烧室的用途中，已经发现，液滴直径太大的气溶胶将被空气流载带，直到该空气流被一表面如歧管壁转向，在这些点上滴管撞击表面而被聚集在壁上。取决于燃料种类，大于25μm的液滴可以在偏转的表面上撞击。因为一些燃料被聚集在流动通道的表面上，所以必须喷射额外的燃料以便将足够的燃料蒸汽输送到该用途中以产生点火。最终，该聚集的燃料作为未燃烧的燃料和污染物而燃烧不完全并排放。相反，按照本发明的毛细流动通道能提供一种具有显著量的小直径液滴的气溶胶，这是有利的，因为不管流动路径如何，小直径的气溶胶液滴能被空气流载带入该用途中而大大减少排出物地高效燃烧。
在一加热的毛细管通道中气化液体燃料期间，碳和/或重碳氢化合物的沉积物能累积在毛细管壁上而可以严重地限制燃料流，这可能最终导致堵塞毛细流动通道。这些沉积物累积的速率是毛细管壁温度、燃料流动速率和燃料种类的函数。相信燃料添加剂可用于减小此类沉积物。但是，如果堵塞发展，可以通过氧化沉积物来清除堵塞。
图1表示一种按照本发明的用于气化从液体燃料源引来的液体燃料的设备10。设备10包括一个有一入口端部14和一出口端部16的毛细流动通道12。流体控制阀18用于使毛细流动通道12的入口端部14与液体燃料源F成流体连通，并将基本上液态的液体燃料引入毛细流动通道12。优选的是，流体控制阀18可用电磁线圈28操作。热源20沿毛细流动通道12设置。最优选的是，热源20是通过用一根电阻材料的管子形成毛细流动通道而提供的，当在管子的接头22和24处连接电源以便在其间传送电流时，该一部分毛细流动通道12形成一个加热器元件。可以理解，然后热源20可以操作而将毛细流动通道12中的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态变为气态的水平，并从毛细流动通道的出口端部16输送一股基本上气化的燃料流。
设备10还包括用于清除在操作设备10期间形成的沉积物的机构。图1中示出的用于清除沉积物的机构包括流体控制阀18、热源20和用于使毛细流动通道12与氧化剂源C成流体连通的氧化剂控制阀26。可以理解，该氧化剂控制阀可以安置在毛细流动通道12的任一端部处或其附近，或者做成与毛细流动通道12的任一端部成流体连通。如果该氧化剂控制阀安置在毛细流动通道12的出口端部16处或其附近，那么它用于使氧化剂源C与毛细流动通道12的出口16成流体连通。在操作中，热源20用于将毛细流动通道12中的氧化剂C加热到足以氧化在加热液体燃料F期间形成的沉积物的水平。在一个实施例中，为了从加燃料方式切换到清除方式，氧化剂控制阀26用于在将液体燃料F和将氧化剂C引入毛细流动通道12之间交替，而当将氧化剂引入所述至少一个毛细流动通道中时，能够原位清除毛细流动通道中的沉积物。
一种氧化沉积物的技术包括使空气或蒸汽通过该毛细管。在清除操作期间最好加热该流动通道，使得能起动和支持该氧化过程，直径沉积物耗散。为了增强该清除操作，可以利用一种催化物质，或者作为毛细管壁的涂层，或者作为管壁的成分，以降低完成清除所需的温度和/或减少时间。为了连续地操作该燃料输送系统，可以使用多于一个的毛细流动通道，使得当例如用传统感器检测到堵塞状态时，可以将燃料流转向另一毛细流动通道而起动氧化剂流通过待清除的堵塞的毛细流动通道。作为例子，一个毛细管主体中可以包括多个毛细流动通道，并可设置一阀装置来向每个流动通道选择地供给液体燃料或空气。
或者是，可以从一毛细流动通道转换燃料流而以预定的间隔起动氧化剂流。可以用一控制器来影响燃料向毛细流动通道的输送。例如，该控制器可以驱动燃料输送一个预定的时间，而后在该预定的时间后停止燃料输送。该控制器也可根据一个或多个感知的条件而影响液体燃料的压力和/或供给毛细流动通道的热量的调整。这些感知的条件尤其可以包括燃料压力；毛细管温度；以及燃料-空气混合物。该控制器也可以控制附着于该用途的多个燃料输送装置。该控制器也可以控制一个或多个毛细流动通道，以便从其清除沉积物或堵塞物。例如，通过对毛细流动通道加热和对毛细流动通道供应氧化剂流，就可以清除该毛细流动通道的沉积物。
该清除技术也可以用于需要连续操作的燃料气化装置。在这种情况下，可以使用多个毛细流动通道。图2和3中例示本发明的一种示范的多个毛细流动通道燃料气化装置。图2示出一种整体结合到一个单独装置94中的多个毛细管组件的示意图。图3示出装置94的端视图。如图所示，该装置可包括三根毛细管82A、82B、82C和一根由实心不锈钢杆制成的正电极92。这些毛细管和钢杆可以支承在电绝缘材料的主体96内，可以通过配件98对毛细管和钢杆供电。例如，可以将直流电供给到一或多根毛细管的上游端部，而在毛细管下游端部处的接头95可以形成一个通过杆91的电流的返回路径。
现在参照图4，其中多个毛细管系统80包括毛细管82A～82C、燃料供应管线84A～84C、氧化剂源管线86A～86C、氧化剂控制阀88A～88C、动力输出管线90A～90C以及共用地线92。系统80能够清除一个或多个毛细管的沉积物，而让一个或多个另外的毛细管输送燃料。例如，在清除毛细流动通道82A期间能够通过毛细流动通道82B和82C燃烧燃料。通过中断向毛细管82A供给燃料而向该管82A供给空气并足够地加热而氧化毛细流动通道中的沉积物，可以完成毛细流动通道82A的清除工作。因此，在连续地输送燃料的同时可以清除一个或多个毛细流动通道的沉积物。最好在清除过程中通过一个电阻加热器或从该用途反馈的热量而加热该一个或多个待清除的毛细流动通道。再一次，对于任何给定的毛细流动通道，各次清除之间的时间或者可以根据由实验确定的已知的堵塞特性而固定，或者按照需要可以利用一传感和控制系统来检测沉积物的积累而起动该清除过程。
可以用一控制器来控制向一毛细流动通道的燃料输送。例如，当该用途的操作开始而在一预置时间后停止燃料输送时或当接收一信号而停止起动该用途时，该控制器能驱动向一用途输送燃料，该用途例如是火花点燃的内燃机、柴油发动机、燃烧器、斯特林发动机、燃气轮机发动机等。该控制器也可根据一个或多个感知的条件而调整该液体燃料的压力和/或供应到该毛细流动通道的热量。这些感知的条件尤其可以包括歧管压力；燃料压力；毛细管温度；该用途的温度；以及废气出口处的燃料-空气混合物。该控制器也可控制附接在该用途上的多个燃料气化装置。该控制器可以控制一个或多个毛细流动通道而从通道清除沉积物或堵塞。例如，该控制器可控制多于一个的毛细流动通道以从通道清除沉积物或堵塞物而连续地操作该用途。该控制器可以从一个部分堵塞的毛细流动通道将燃料流转向到一或多个另外的毛细流动通道，并向该部分堵塞的毛细流动通道起动氧化气流和热量，直到该毛细流动通道清除掉沉积物。
图5表示一个按照本发明的控制系统的示范示意图，该控制系统用于操作一个燃烧系统，该燃烧系统包括一个氧化气体源，用于清除堵塞的毛细通道。该控制系统包括一个控制器100，可以操作地连接在燃料源102上，后者向一流动通道如毛细管104供给燃料和可以任选的空气。该控制器也可以操作地连接电源106上，后者向一电阻加热器或直接向金属毛细管104输送电力，以便将该毛细管充分地加热而气化燃料。如果需要，该燃烧系统可以包括多个流动通道和可操作地连接在控制器100上的加热器。控制器100可以操作地连接在一个或多个信号输送装置如通断开关、热电偶、燃料流动速率传感器、空气流动速率传感器、动力输出量传感器、蓄电池充电传感器等，由此，控制器100可以根据由输送信号的装置输出到控制器的信号来编制程序而自动控制燃烧系统的操作。
在操作中，本发明的装置可以做成反馈在燃烧期间产生的热量，使得液体燃料当其通过毛细管时被加热到足以使液体燃料气化，从而减少或免去或补充用电力或其它方法加热毛细流动通道的需要。例如，该毛细管可以做得更长，以增大其输送更多热量的表面积，该毛细管可以做成通过燃烧的燃料，可以设置一个热交换器来利用从燃烧反应来的废气，以预热燃料等。
图6以简化形式表示毛细流动通道64如何可以设置成使通过其间的液体燃料能够被加热到高温而减少燃料气化加热器的电力需求。如图所示，管子的一部分66包括通过燃烧的燃料的火焰68的毛细流动通道。为了最初的起动，可以使用一个包括由连接到电源如蓄电池74上的电线70、72加热的一段管子或独立的电阻加热器的电阻加热器来最初地气化液体燃料。在用合适的点火装置对气化燃料点火后，可以用燃烧的热量预热管子的一部分66，以减少否则为了用电阻加热器连续气化燃料而需要的电力。因此，通过预热该管子可以气化管子中的燃料而不需利用电阻加热器，由此可以节省电力。
可以理解，图1～6中示出的用于制备和输送燃料的设备和系统也可以用于与本发明的另一装置。再参照图1，用于清除沉积物的机构包括流体控制阀28和一个用于使毛细流动通道12与一溶剂成流体连通的溶剂控制阀26(原先的利用氧化清除的实施例中的氧化剂控制阀26)，该溶剂控制阀26安置在毛细流动通道12的一端处。在利用溶剂清除的设备的一个实施例中，该溶剂控制阀在将液体燃料和将溶剂引入毛细流动通道12之间交替，使得当将溶剂引入毛细流动通道12中时，能够原位清理毛细流动通道12。虽然使用了各种各样的溶剂，但该溶剂可以包括从液体燃料源来的液体燃料。当这种情况时，不需要溶剂控制阀，因为不需要在燃料和溶剂之间交替，而该热源应当在清理毛细流动通道12期间随时间而中断或停止驱动。
图7提供本发明的另一示范的实施例。设备200有一将液体燃料F输送给一种用途的加热的毛细流动通道212。图7A例示输送燃料用的毛细流动通道212的细部。如图中所示，毛细流动通道212内部安置一根可沿轴向移动的杆232。毛细流动通道212的出口端部216是扩口的，而杆232的端部是锥形的，两者形成一个阀，其中杆232的轴向移动打开和关闭该阀。管子内部还设置刷子234，用于当刷子在毛细流动通道212内往复移动时清除轴向移动的杆232上的沉积物。
按照本发明的另一实施例，该燃料气化装置输送能与被引至该用途的燃烧室中的空气供给通道内的环境温度下的空气混合的基本上气化的燃料。或者是，该气化燃料可以与已经例如用一热交换器预热的空气混合，该热交换器用从该用途的燃烧室移出的废气的热量预热该空气。如果需要，该空气在与气化燃料混合之前可以例如用一鼓风机增压。
如果需要，本发明的燃料气化方法和装置可以用于需要一股气化燃料的任何用途或设备中。例如，此类用途包括(但不限于)热水器和炉子、便携式加热器、能量转换装置、内燃机、冰箱、燃料处理器或重整炉、外燃机、燃气轮机、燃料电池、直接热转换装置等。本发明也可用于其中需要液体燃料的更洁净燃烧的用途。
例子例子1通过用微隔板泵系统在恒压下将燃料供给到加热的毛细通道中而气化JP8喷气发动机燃料，从而进行试验。在这些试验中，使用了不同直径和长度的毛细管。这些毛细管用长度2.5～7.6cm(1～3英寸)的304号不锈钢管制成，其内径(ID)和外径(OD)用cm(英寸)表示如下0.025ID/0.046OD(0.010ID/0.018OD)，0.033ID/0.083OD(0.013ID/0.033OD)和0.043ID/0.064OD(0.017ID/0.025OD)。气化液体燃料的热量是利用电流通过金属管的一部分而产生的。利用一个由Malvern公司制造的喷雾技术激光衍射系统测量液滴的粒径分布。液滴的Sauter平均直径(SMD)为1.7～4.0μm。SMD是一个其表面/体积比等于整个喷雾的表面/体积比的液滴的直径，与喷雾的质量转移特性有关。
例子2利用一种已知产生高水平沉积物的无添加剂的无硫汽油来进行了试验来证明在加热的毛细流动通道上的氧化清除技术的优点。这些试验用的毛细流动通道是用内径0.058cm(0.023英寸)的不锈钢管制成的长5.08cm(2.0英寸)的加热的毛细管。燃料压力保持在0.7kg/cm2(10psig)。给毛细管供电来达到各种水平的R/R0，其中R是加热的毛细管电阻，而R0是环境条件下毛细管的电阻。
图8表示燃料流动速率对时间的图线。如图所示，对于这种不含去垢剂添加物的汽油，在非常短的时间内遇到显著的堵塞，在少到10分钟内观察到50％的流动速率损失。
在遇到显著的堵塞后，燃料流中断而代之以0.7kg/cm2(10psig)的空气。在此期间进行加热，在少到1分钟之后，达到显著的清除，流动速率恢复到原有水平。
例子3该例子表明，当利用一种采用有效的添加剂包装的商品级汽油时，在例子2的加热的毛细流动通道中堵塞要轻得多。如图9中所示，在运行该装置近4个小时后燃料的流动速率遇到小于10％的降低。
例子4为了比较各种汽油和去垢剂添加物对堵塞的影响，在例子2的加热的毛细流动通道中运行5种试验燃料。这些试验的燃料包括含300ppm硫的无添加剂汽油、不含硫的无添加剂汽油、带商用的上市后添加剂(添加剂A)的无硫汽油以及带另一商用的上市后添加剂(添加剂B)的无硫汽油。
如图10中所示，有添加剂的燃料行为相似，而无添加剂的燃料在小于1小时的操作中遇到严重的堵塞。
例子5该例子比较了在一种同样为内径0.036cm(0.014英寸)而长5.1cm(2英寸)的毛细流动通道中比较无添加剂的喷气发动机燃料(JP-8)和无添加剂的No.2柴油燃料的随时间的操作。燃料压力为1.1kg/cm2(15psig)。对毛细管供电而获得R/R0＝1.19的水平；其中R为加热的毛细管电阻，而R0为环境条件下的毛细管电阻。
如图11中所示，在最初的10分钟操作期间，这些燃料性能相似，而其后柴油燃料遇到更严重的堵塞。
例子6利用已知产生高水平沉积物的无添加剂的No.2柴油燃料来进行试验而评估在加热的毛细流动通道上氧化清除技术的效率。这些试验所用的毛细流动通道是一根用内径0.036cm(0.014英寸)的不锈钢管制成的2英寸长的加热毛细管。燃料压力保持在1.1kg/cm2(15psig)。向该毛细管供电而达到R/R0＝1.19的水平；其中R为加热的毛细管电阻，而R0为环境条件下的毛细管电阻。
图12表示燃料流动速率对时间的图线。如图所示，对于这种无去垢剂添加物的燃料，在极短时间内遇到严重的堵塞，在约35分钟的连续操作中观察到50％的流动速率损失。
在第二次运行中，在操作5分钟以后，中断燃料流而代之以5分钟的0.7kg/cm2(10psig)的空气。在此期间也进行加热。该程序每5分钟重复一次。如图12中所示，实际上每种情况下该氧化清除过程都增大燃料流动速率并倾向于随时间而减慢燃料流动速率的总下降斜度。但是，该过程的效率稍许小于如例子2中所述的用无添加剂汽油得到的效率。
例子7进行试验来评估了加热的毛细流动通道中与例子6的No.2柴油燃料混合的商品级抗污垢去垢剂添加物对随时间的燃料流动速率的效率。这些试验用的毛细流动通道为内径0.036cm(0.014英寸)的不锈钢管制成的长5.1cm(2英寸)的加热的毛细管。燃料压力维持在1.1kg/cm2(15psig)，并向毛细管供电而达到R/R0＝1.19的水平。
图13表示对有添加剂的No.2柴油燃料和无添加剂的柴油燃料的燃料流动速率对时间曲线的比较。如图所示，对不含去垢剂添加物的燃料，在极短时间内遇到严重的堵塞，在约35分钟的连续操作中观察到50％的流动速率损失，而含有去垢剂的同一燃料在长时间内堵塞要小得多。
虽然已经示出和描述了各例示的实施例，但在上述公开内容中可以考虑各种各样的修改、变化和替代，而在某些情况下，可以利用该实施例的某些特点而不必相应地利用其它特点。因此，将所附权利要求书广泛地认作与本文所公开的各种实施例的范围相符合是合适的。
权利要求
1.一种用于气化从一液体燃料源引出的液体燃料的设备，包括(a)至少一个有一入口端部和一出口端部的毛细流动通道；(b)一个流体控制阀，用于使所述至少一个毛细流动通道的所述入口端部与该液体燃料源成流体连通，并引入基本上液体的液体燃料；(c)一个沿所述至少一个毛细流动通道设置的热源，所述热源可以操作而将所述至少一个毛细流动通道内的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态变为气态的程度，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部输送一股基本上气化的燃料流；以及(d)用于清除在操作该设备期间形成的沉积物的机构。
2.权利要求1的设备，其特征在于，所述用于清除沉积物的机构包括所述流体控制阀、所述热源和一个用于使所述至少一个毛细流动通道与一氧化剂成流体连通的氧化剂控制阀，所述热源也可以操作而将所述至少一个毛细流动通道中的氧化剂加热到足以氧化在加热该流体燃料期间形成的沉积物的程度。
3.权利要求2的设备，其特征在于，所述用于使所述至少一个毛细流动通道与一氧化剂成流体连通的氧化剂控制阀在将液体燃料和将氧化剂引入所述毛细流动通道之间交替，从而当将该氧化剂引入所述至少一个毛细流动通道时能够就地清除所述毛细流动通道中的沉积物。
4.权利要求2或3的设备，其特征在于，所述至少一个毛细流动通道包括多个毛细流动通道，每个所述毛细流动通道与一个燃料源和一个氧化气体源成流体连通。
5.权利要求2、3或4的设备，其特征在于，该氧化剂包括空气、废气、蒸汽及其混合物。
6.权利要求1的设备，其特征在于，所述用于清除沉积物的机构包括用于擦去在操作该设备期间形成的沉积物的机构。
7.权利要求7的设备，其特征在于，所述用于擦去沉积物的机构包括沿所述阀杆安置的清理剂。
8.权利要求1的设备，其特征在于，所述用于清除沉积物的机构包括所述流体控制阀和一个用于使所述至少一个毛细流动通道与一溶剂成流体连通的溶剂控制阀，所述溶剂控制阀被安置在所述至少一个毛细流动通道的一端处。
9.权利要求1的设备，其特征在于，所述用于清除沉积物的机构包括所述流体控制阀，所述流体控制阀可以操作而使所述至少一个毛细流动通道与一溶剂成流体连通，当该溶剂被引入所述至少一个毛细流动通道时，能够就地清理所述毛细流动通道。
10.权利要求8或9的设备，其特征在于，该溶剂包括来自该液体燃料源的液体燃料，其中在清理所述毛细流动通道期间该热源是被中断的。
11.任一上述权利要求的设备，其特征在于，所述流体控制阀控制来自该液体燃料源的液体燃料的流动速率。
12.任一上述权利要求的设备，其特征在于，所述至少一个毛细流动通道包括至少一个毛细管。
13.权利要求12的设备，其特征在于，所述热源包括一段由通过其间的电流加热的所述毛细管。
14.任一上述权利要求的设备，其特征在于，所述热源包括一个电阻加热元件。
15.任一上述权利要求的设备，其特征在于，还包括一个燃料源，所述燃料源能够在100psig或更小的压力下将增压的液体燃料输送到所述至少一个毛细流动通道中。
16.任一上述权利要求的设备，其特征在于，还包括至少一个与所述至少一个毛细流动通道的所述出口端成流体连通的燃烧室，所述至少一个燃烧室可以操作而燃烧来自所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部的燃料流，其中所述至少一个毛细流动通道的至少一部分被安置成为被所述至少一个燃烧室产生的燃烧产物所加热。
17.一种气化燃料的方法，包括以下步骤(a)向至少一个毛细流动通道供给液体燃料；(b)通过加热该至少一个毛细流动通道中的液体燃料而使一股基本上气化的燃料流通过该至少一个毛细流动通道的出口；以及(c)定期地清除该至少一个毛细流动通道中的沉积物。
18.权利要求17的方法，其特征在于，所述定期地清除的步骤包括(i)停止通往该至少一个毛细流动通道的液体燃料流；(ii)向该至少一个毛细流动通道供给一种氧化剂；以及(iii)加热该至少一个毛细流动通道，从而氧化该至少一个毛细流动通道中形成的沉积物。
19.权利要求17的方法，其特征在于，所述毛细管清除沉积物的步骤包括擦去在所述加热液体燃料期间形成的沉积物。
20.权利要求17的方法，其特征在于，所述定期地清除步骤包括(i)中断该至少一个毛细流动通道的所述加热；(ii)向该至少一个毛细流动通道供应一种溶剂，从而除去该至少一个毛细流动通道中形成的沉积物。
全文摘要
用于气化液体燃料的设备和方法。该设备包括至少一个有一入口端部和一出口端部的毛细流动通道(12)；一个用于使该至少一个毛细流动通道(12)的入口与液体燃料源成流体连通并引导基本上液态的液体燃料的流体控制阀(18)；一个沿该至少一个毛细流动通道(12)安置的热源(20)，该热源可以操作而将该至少一个毛细流动通道中的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态变为气态的水平，并从该至少一个毛细流动通道的出口端部输送一股基本上气化的燃料流；以及用于清除在操作该设备期间形成的沉积物(18，20，26)。该流动通道可以是一根用电阻加热器加热的毛细管，或一段由通过其间的电能加热的管子。该液体燃料可以在任何所要压力下供给到该流动通道，取决于该用途所要的质量流动速率。该气化燃料可以与空气混合而形成一种液滴平均直径为25μm或更小的气溶胶，以尽可能减小燃料－空气混合物的点火能量，促进空气流中的燃料流通，以及高效而洁净地燃烧该液体燃料。
文档编号F02M69/00GK1656312SQ03811417
公开日2005年8月17日 申请日期2003年3月24日 优先权日2002年3月22日
发明者R·O·佩利扎里 申请人:克里萨里斯技术公司