在内燃机的设计中人们很早就认识到实现燃料/空气的最优混合比 是提高效率的主要因素。然后燃料尽可能地完全燃烧。很明显，燃料 的完全燃烧可使单位质量的燃料产生最多的能量同时降低了内燃机废 气中的未燃或者部分燃烧的燃料的比重，而大部分污染物则源于上述 未燃或者部分燃烧的燃料。
过去，化油器以及燃料喷射器通常是提供雾状或者蒸汽的形式的 燃料/空气混合物。这些混合物具有像水蒸汽一样悬浮在空气中的非常 小的燃料液滴。在现有的化油器或者燃料喷射器很少会产生纯气态燃 料。人们在设计化油器和燃料喷射器时总是试图让燃料/空气混合物中 的燃料液滴更小和分布更为均匀。然而，随着液滴直径的变小，液滴 表面张力逐渐变大，这样就很难达到具有混合的燃料分子与空气分子 的真实气体状态。
因此本领域技术人员已经认识到需要提供一种纯气态或者过热形 式的内燃机燃料。例如Clen Furr等人的公开日为1978年4月11日的 美国专利4,083,340就披露了一种使汽油过热的方法。在上述方法中， 利用内燃机冷却系统的热量在高压下将燃料室中的汽油加热到正常沸 点之上。当压力降低时，汽油将转变为气态和液态燃料。气态燃料被 送入到内燃机的进入口，而液态燃料将被返回到燃料压力室。然而上 述在高压下对高可燃性燃料进行加热会存在明显的危险。因此，本发 明的一个目的在于提供一种产生纯气态或气体混合物形式的内燃机燃 料而无需加热的方法和装置，其中上述燃料的液滴非常细小，是不可 见的。
本领域技术人员所熟知的是对内燃机的进气歧管进行加热，这样 雾化的燃料混合物即可被扩散，当燃料进入到内燃机的燃烧室时，其 更像真实气体。然而此时必须加热进气歧管。因此本发明的另一个目 的在于提供一种将雾化的燃料转化为气态而不必加热的方法和装置， 即在内燃机的入口处的过热燃料是气态的或者接近气态的，而无需过 热燃料容器。因为内燃机和本发明的气化装置可同时启动，所以气化 装置在内燃机的点火之前是处于最佳速度的。
在现有技术中，Conrad K.Warren的公开日为1985年5月7日的 美国专利4,515,134公开了一种“分子扩散器装置”，其中利用热敏电 阻型加热器/蒸发器来加热燃料中的挥发组分。当大部分蒸发完之后， 燃料被引入到文丘里管中以便将其扩散到从文丘里管流过的空气流 中。然后空气流被输送到内燃机的燃烧室中。本发明的另一个目的是 在将燃料或雾化的燃料输送到内燃机的燃烧室中之前避免对其进行加 热。
在现有技术中，人们作出了很大的努力来降低内燃机的排放，在 这些有害的排放物中有未燃的碳氢化合物以及氮氧化物。除了催化转 换器之外，当人们想降低这些排放物并取消先期点火时，通常是为内 燃机配备一个废气再循环阀门(EGR)。另一种方法是将水喷入雾化的 燃料/空气混合物中。这些现有的方法和装置需要对水或废气进行复杂 的阀门调节、供应和输送。因此本发明的另一个目的是提供一种降低 有害燃烧产物排放的装置和方法，其中不需要喷水并且废气再循环的 需求降至最低。
还有许多现有技术都试图来成功地对燃料进行过热或气化从而使 内燃机的效率更高同时也降低有害物的排放，而利用下述本发明新颖 的方法和装置即可达到所有这些目的。

本发明一方面提供了一种对由燃料喷射器或者化油器产生的雾化 蒸汽中的燃料滴进行机械粉碎的方法，其利用了机械扰动力来克服燃 料滴的表面张力。上述机械扰动力由超高速转子和定子部件提供的， 其中雾化燃料混合物穿过上述转子和定子而进入到内燃机的燃烧室 中。
本发明另一方面提供了一种机械气化液态燃料的装置，其包括一 个腔体；一个位于所述腔体之内的定子体，所述定子体的内表面具有 一组向内突出的销排；一个转子体，其具有一组从其外表面向外突出 的销排；所述转子销与定子销相交错，转子可高速旋转；一个驱动所 述转子高速旋转的驱动马达；一个适于对腔体的一端进行封装的第一 端盖或封盖，其还用于从喷射器接受雾化的燃料并将所述燃料传递到 所述腔体，这样雾化的燃料即可通过相交错的销；以及一个用来封装 所述腔体另一端的第二端盖或封盖，其用来将气体燃料导向到内燃机 的进气歧管或者进气阀门中，然后燃料进入到燃烧室或者活塞压燃室。
本发明的另一方面提供了一种机械地气化内燃机雾化燃料的方 法，其包括如下步骤：接受来自燃料喷射器、化油器、喷嘴或者其他 雾化装置的雾化燃料；将所述燃料传送通过交错的销排，在此处至少 一排销以高速进行旋转，这样所述雾化燃料中的燃料滴会猛烈地撞击 到销上从而破碎并变为气态或接近气态/细小液滴的状态；然后将所述 气态燃料传送到内燃机的燃烧室中。本发明包括一种将“定子”配置 成反向旋转的布置方式，这样可以显著提高销之间的相对速度。
概括而言，本发明可应用于内燃机的所有类型的液态燃料并且在 与汽油作为动力的活塞驱动发动机或者涡轮机、冶金炉、燃料通过喷 嘴导入的喷入型的炉膛或锅炉中使用时具有显著的优点。本发明用于 内燃机的特别优点在于具有较低的一氧化碳、氮氧化合物(NOx)排放 量并能提高二氧化碳(CO2)的排放率。氧气(O2)的排放量约为0。 而且通过阅读下述说明书和附图中所展示的优选实施例，本发明的优 点将变得更为明显。

下面给出的是附图并作为说明书的一部分：
图1为本发明的一个优选实施例的分解透视图，其展示了在燃料 喷射器和进气歧管之间的位置；
图2为图1中的部件被组装在一起后的正视剖面图，其展示了本 发明的一个实施例中雾化燃料通过相交错的转子和定子销的情形；
图2A为图2的部分放大示图，其展示了销的详细结构；
图2B为沿着图2中2B-2B剖面线剖视的另一种销结构的剖面图；
图2C为沿着图2中的线2C-2C剖视的具有类似扭转的螺旋桨的另 一种销结构的剖面图；
图3C为实施本发明一个实施例的步骤或者阶段的方块图；
图4类似于图2，但其展示了本发明的另一个实施例：该实施例包 括一个具有台阶型壁面的内表面的装置和具有相应各台阶长度的销；
图5为本发明的第二个实施例的剖面图，其可直接安装在进气歧 管或者防火壁上；
图6为从排放端看图5中实施例的透视图；
图7为图6中所示实施例的剖视图；
图8为本发明的四个气化装置的布置的正视透视图，其中气化装 置由内燃机原来的进气歧管进行支承，并且被定位安装在内燃机进气 阀门之上；以及
图9为图8中所示的布置的底部立体图。

在此使用的术语“气体”或者“气态的”意思是燃料滴的直径显 著减小并将其分解成自由分子状态。可以理解，“气体”或者“气态的” 包括燃料自由分子的混合以及超细微燃料滴的混合物。许多纯气体是 透明的，因此气态燃料的特征就在于其视觉透明性。即在气态下，当 液滴的数量不多时，产生可见的“雾”或者“蒸汽”，燃料看起来是透 明和“不可见的”。
在此还使用了与转子的旋转速度有关并以每分钟转数(rpm)衡量 的术语“高速”。“高速”指的是旋转速度在低于约10,000rpm到高于 约100,000rpm之间。
先看图3，其展示了汽车的汽油内燃机的优选布置的方块图。在典 型的现代汽车中，燃料由电动或者机械驱动的燃料泵从汽油箱泵入到 燃料轨(rail)中，上述燃料轨再将燃料分配到燃料喷射器中。内燃机 的每一个气缸都具有一个燃料喷射器。喷射器的类型可参见Mark Cerny等人于1993年9月21日公开的、属于Cherysler Corporation的 美国专利5,271,563。当燃料以雾化的状态离开喷射器之后，其就进入 到本发明的气化装置，该气化装置由一个转速为50,000rpm的超高速 马达驱动。该马达可由压缩空气或者废气或者优选地由电机驱动。离 开气化装置之后，被气化的燃料进入到进气歧管，在此燃料经阀门而 被吸入到燃烧室中进行燃烧。
参见图1，其展示了本发明气化装置的一个优选实施例。气化装置 1包括大致圆柱形的腔体7，该腔体7两端开口且其长度和直径能很容 易地将其安装在内燃机的燃料喷射器和进气歧管之间。一个定子6位 于腔体之内，该大致圆柱形定子被固定安装在腔体7的圆柱形腔内， 这样定子就不会旋转。腔体和定子是同轴心的。在定子的内表面上具 有向内突出的定子销4，在优选的实施例中定子内表面上分布有五排定 子销，每排有12个定子销。定子销的排数可根据内燃机的类型和大小 进行调整。
仍然参见图1，转子体定位在定子体之内进行旋转并具有相应的5 排转子销。当转子旋转时，五排转子销以及每排12个转子销均布置为 交错在定子销之间。端盖9封住腔体7的顶部，这样转子3和定子7 即被包围在其内。端盖9具有一个中心孔，马达8的驱动轴8a穿过上 述中心孔并与转子3相连，由此马达可驱动转子进行旋转。马达轴8a 穿过的端盖中心孔还包括一个轴承面，马达轴8a位于的轴颈与其接设 (图中为详细示出)。
在一个优选实施例中利用加利福尼亚Santa Ana的Micro Motor公 司(Micro Motor of Santa Ana)生产的MMF-5000型气动叶轮马达来驱 动转子。该马达的转速为50,000rpm。一种更为优选的马达是转速相同 或者更高的电动马达。然而，根据特定实施例和场合的不同，所需的 马达转速也会在50,000rpm左右变化。
端盖9具有一个适于容纳燃料喷射器2的喷射口的第二孔或开口， 上述喷射口可将雾化后的燃料喷出。在腔体7的另一端具有来封闭腔 体并将燃料输送到燃料收集室的进气管的底部端盖或者封盖7a，在燃 料收集室处当进气阀门打开时，气化的燃料将被吸入到内燃机的气缸 中。
图2示出了气化装置的部分剖视图，图中可见交错的销的布置形 式。转子体3由驱动轴8a和转子销5固定在其位置上，上述转子销从 其外表面向外突出并与定子销6相交叉配合，该定子销6从其内表面 向内突出。雾化的燃料19从燃料喷射器进入并穿过高速旋转的转子销。 当雾化的燃料混合物19穿过旋转销时发生气化作用，并作为气化的燃 料20离开。
表1中为单个装置的优选实施例的尺寸(单位：英寸)：
                 表1     转子的轴径   0.250″     销直径   0.0625″     转子销长度   0.3750″ 端到端(tip to tip)直径   1.00″     转子高度   1.25″     定子直径(内径)   1.040″     定子销长度   0.25″ 定子高度(底部到顶部)   1.00″
上述尺寸是用在测试的实施例上的。销与销之间的间隙为约0.01″ 到约0.060″。销的形状也是可变的，其截面可为椭圆形、方形、矩形 并且其厚度沿着长度方向也是可变的。图中所示的圆形截面被认为具 有如下优点：表面上沉积有害物质的可能性较小并且表面具有更好的 空气动力学特性，即该形状能以最小的气动阻力和最大的动能来撞击 燃料滴。
然而，其他形状的销也在本发明的范围之内。图2B和图2C中示 出了这些形状。在图2B中示出了一侧为平面而另一侧为圆形的销截 面，其中销5为转子销，销4为定子销。平面销的优点在于其表面可 以一定的角度撞击燃料滴，这样可施加最大的动量和能量并能减少“粗 略的”撞击。图2C中扭转的螺旋桨形可用来提高气化装置内的湍流度， 由此增加燃料滴和销之间撞击的次数，销5为转子销，销4为定子销。 最好以多种样式将此三种形状都设置在转子上，从而最大程度的增加 湍流度和减小燃料滴的尺寸。
                    第一优选实施例
在图4示出的第一优选实施例中，位于腔体内的定子体6′具有所 述定子销4a由其向内突出的表面6a；定子体6′从上到下是阶梯形的， 在其顶部具有较小直径的表面阶梯6a，这样可能凝结在该表面上的汽 油即会滴落并被转子销5a撞下去。即，在该实施例中不会有液体燃料 聚集的部位，因此燃料不能避开旋转销，所有的燃料均被气化。
本发明不由任何特定的气化理论所约束，我个人的观点认为燃料 喷射器喷入的雾化燃料滴被高速旋转销撞击多次，由于销的旋转速度 很大，因此燃料滴在经过气化装置的过程中都要经受销的反复撞击。 这些销具有足够的动能和动量，当撞击燃料滴的能量足够大时将会破 坏掉液滴的表面张力从而将其粉碎成更小的燃料滴。随着在每一次撞 击过程中燃料滴的分解，燃料分子也被释放出来且不会重新组合成燃 料滴，这是因为被传递来的运动阻止了分子再次组合的趋势。这样就 形成了包括自由移动的燃料空气和分子的真实气体。因此就无需使用 热能来产生气体动能。
进入到汽油内燃机内的燃料在每一个动力冲程都是无穷小的燃料 喷入。例如，1992 Honda Accord EX 2.2升的4气缸内燃机在正常负载 公路行驶、油耗为60英里/加仑的条件下大约为25英里/加仑。在此速 度下，内燃机的转速为2,200rpm且每秒平均点火73.33次，每分钟点 火4,400次或者每小时点火264,000次，每一个动力冲程(喷入)将要 消耗(2.4/264,000)0.00000909加仑汽油或者0.0000545磅。
每次喷入的燃料量很小，因此有可能利用由机械设备产生的高速 湍流将喷入的燃料从液态转化为过热状态或者气化状态。而且，可以 采用常规的进气歧管真空技术来辅助实现该过程。
                         实例1
在第一优选实施例的一个测试中，具有四个气缸的1992 Honda Accord燃料喷射内燃机配备有4个图1所示实施例的气化装置。这些 装置位于每一个气缸的燃料喷射器和进气歧管之间。在安装气化装置 之前，12英里的汽油里程测试表明汽油的消耗率为25英里/加仑。安 装上本发明的气化装置之后，在相同的条件下以相同的速度重复测试 表明汽油里程提高到35英里/加仑。而且随着内燃机对汽车的加速性能 的显著提高，内燃机的性能也明显提高。
在本发明的另一个实施例中，气化装置被分成若干阶段，第一阶 段中的转子、定子以及腔体的直径要小于第二阶段中相应部件的直径。 第一阶段直接进入到第二阶段并且当燃料气化时产生膨胀。
                   第二优选实施例
现参考图5、6、7，下面将讨论第二个优选实施例，其为一个用于 涡轮发动机、锅炉燃烧室、熔炉燃烧室或者其他任何燃烧系统的各种 类型的喷嘴的新颖的气化装置，在上述各种燃烧系统中燃料是由喷嘴 喷入的。气化装置21安装在燃烧室32的防火壁33之上。在此结构中， 气化装置21位于一个有压缩空气供入的封闭腔体(图中未示出)之内。 腔体与防火壁之间的间隙形成了一个压缩空气室。燃料通过喷嘴22、 22a由燃料喷射器喷入。
本实施例的马达28的转速非常高，其能将燃料滴进一步粉碎并且 无论在燃料喷射中产生的球形燃料滴的直径多么小都可将其气化。
驱动马达轴28a延伸出马达腔体28约1.5″以便承载转子套筒23， 上述转子套筒23上的孔能与轴28a的直径相匹配，这样转子套筒23 即可被按压和固定到轴28a的所需深度，在此处转子销每排的中心线 与定子销24每排的中心线相隔约0.1875″从而确保在运行期间不会接 触。该分隔间隙可能并且将随着本发明实施例的不同而改变。
转子上的转子销的排之间的分隔距离约为0.375″。定子上的固定 销排之间的距离也约为0.375″。可以理解，当机械以及组装公差允许 时，这些销之间的距离可以进一步变大或者缩小。
在销排的每一个连续台阶上，旋转销和固定销的长度从第一排到 第五排逐步增加约0.25″。这些销的长度、直径和形状会随着使用场合 的变化而变化。
旋转销从第一排到第五排的长度如下：
            第一排……………………0.825″
            第二排……………………1.075″
            第三排……………………1.325″
            第四排……………………1.575″
            第五排……………………1.825″
销末端和定子腔体之间的间隙在每一个台阶处优选地为0.05″和更 大，这样可以防止燃料滴脱离开转动销。
固定销从第一排到第五排的长度如下：
            第一排........................1.200″
            第二排........................1.450″
            第三排........................1.700″       
            第四排........................2.075″
            第五排.......(没有台阶).......2.075″
固定销和旋转套筒之间的间隙优选地为0.05″。这样小的间隙能确 保被旋转销撞击的燃料滴因两者之间的细小间隙而与固定销相接触。 这些固定销也能防止由旋转销引起的涡旋或者空穴现象的发生。以高 速从旋转销反弹回的或者被分解成更小液滴的燃料滴会撞击固定销， 这样会更进一步粉碎燃料滴。
该过程在所有这五组销排中重复进行，燃料离开第五以及最后一 排销时为气化燃料或者分子燃料，由此使每一个燃料分子暴露在空气 分子(氧化剂)之中从而使燃料完全燃烧。此时，燃料分子完全被氧 分子包围。气化或者过热的燃料为每一个燃料分子和氧分子的结合提 供了最大的可能性，这样使得燃料能基本上完全燃烧并释放出最大的 能量。
参见图5，马达和燃料喷嘴22的安装/转接板29具有72个1/16″ 的通孔以便空气以平行于燃料喷嘴22、22a喷出的燃料的方式从压缩 空气室进入到气化装置中，上述燃料喷嘴穿过安装板29并延伸到安装 板29下1/4″～3/8″处。
燃料和空气的混合物穿过气化装置的五个阶段，同时额外的空气 从定子26腔体前三个台阶中的36个附加孔30中进入(参见图6，其 展示了从气化装置的按钮或者排放端看去附加孔以及销交错在一起时 的状态。图7中示出了图6的剖面图)。
本领域熟练的技术人员可认识到涡轮发动机的固定销和旋转销的 排数可增减，入口可增加或不用，定子和转子的尺寸、形状以及旋转 速度可以减少或者变大，或者燃烧燃料的内燃机的燃烧室可增大或减 小。而且燃料和空气的体积、温度、压力均根据每个内燃机燃烧室的 不同而变化，制造所需材料的重量、类型以及形式均根据每个内燃机 的运行温度、位置高度、燃料类型和氧化剂的不同而变化。
在图5中所示的燃烧室32具有一个安装在防火壁33之上的气化 装置21，每一个燃料喷嘴22、22a均将液体燃料喷入到180°弧度范围 内，在旋转套筒23的每一侧边上具有半个圆锥形的燃料喷嘴。当将其 组合在一起时，喷嘴将提供整个360°的喷雾范围，这是一个放大的圆 锥形，是对定子锥形形状的补充(complimenting)。这样利用由定子销 所增强的转子销产生的涡流，燃料被彻底气化并与空气混合。
                   第三优选实施例
图8示出了位于四缸内燃机的进气口P和喷射器42之间具有四个 气化装置41的组件。安装板45固定气化装置43的下端并与内燃机头 部的阀头进气口P对齐。马达安装板46支承着马达48和进气腔49， 该进气腔围绕并保护马达48。这些腔体具有允许空气通过的开口或者 具有来自压缩机的压缩空气或强迫通风。原来的进气歧管44略作修改 以适应和固定安装板44。这使得燃料喷射器大致保持在其O.E.M.位置 上。此种布置可使要进入到气缸中的所有空气A均通过气化装置41， 同时在空气流进入到气化装置之前燃料将被喷射到其中。由此，在燃 料进入到阀头进气口P之前气化并同时与空气混合。
在此，气化装置成为空气/燃料混合过程中的一个一体部件，当混 合物进入到阀门进气室时，气化装置可提供出均匀的气化燃料混合物。 该布置方式能使EGR(废气再循环)阀门进行正常的工作。利用主空 气流中的气化装置，空气中的氧分子很容易与每一个气化燃料分子结 合从而在进入到燃烧室之前形成更为均匀的混合物。而且空气流中的 真空作用能通过降低燃料滴表面张力使其更容易地被破碎，从而进一 步增强燃料气化过程。
如果需要，可将空气流导流叶片插入在气化装置的出口处以便消 除气门头混合室中的涡旋或者气蚀。在该实施例中，气化装置的马达 安装在进气歧管的上游处。在该实施例中也可以使用空气马达。
在本发明中，气化装置是燃料/空气混合和输送过程的一体部件。 进气歧管以及气门头安装板将气化装置夹在中间。那些将O.E.M.(原 始设备制造厂家)的进气歧管固定在气门头口的现有螺栓经加长后有 助于以便将O.E.M.进气歧管安装板和位于板45和板46之间的气化组 件41固定在一起，由此对O.E.M.设备作出最小限度的改动或者不作改 动。
无论气缸数量的多少，也无论其用于船舶、飞机或者陆用内燃机， 本实施例均可在对气化装置进行较小改动的情况下进行使用并适应每 一个内燃机进气歧管的需求。该气化装置也可适于直线型、V型、星 形发动机。
本发明的气化装置使得燃料降低到分子水平，并且当每一个燃料 分子和空气分子混合时其基本上被空气分子所包围，因此燃烧更为完 全、输出功率更大、燃烧效率更高，而且由于燃料的完全燃烧使得燃 烧排放物更符合环保要求。
虽然在此对本发明的优选实施例进行了详细叙述，但是本领域技 术人员在阅读和理解了前述说明书之后可以开发出本发明的其他实施 例。因而，本发明仅由所附的权利要求书进行限定。