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CN100436806C - 在起动期间清洗来自燃料喷射器的燃料的系统和方法 - Google Patents

在起动期间清洗来自燃料喷射器的燃料的系统和方法 Download PDF

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CN100436806C CNB2004800148520A CN200480014852A CN100436806C CN 100436806 C CN100436806 C CN 100436806C CN B2004800148520 A CNB2004800148520 A CN B2004800148520A CN 200480014852 A CN200480014852 A CN 200480014852A CN 100436806 C CN100436806 C CN 100436806C
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Abstract

一种用于内燃机的包括多个燃料喷射器的燃料系统，每个喷射器包括：至少一个有一入口端和一出口端的毛细管流道；一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源可以运转而将该至少一个毛细管流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；一个用于计量通到内燃机的阀；一个控制供给到每个燃料喷射器的热源以获得一预定目标温度的控制器；一个用于测定发动机空气流的传感器；以及一个用于测量一指示内燃机的发动机加热程度的传感器。按照本发明的另一方面，一个最初的液体燃料脉冲受到燃料喷射器的清洗，而该进气阀处于基本上关闭的位置，从而在起动时进一步尽可能减少碳氢化合物排放物。

Description

在起动期间清洗来自燃料喷射器的燃料的系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃机中的燃料输送。
背景技术
按照今后几年内计划实施的始终严格的排放物规定，包括美国加里福尼亚州低排放车辆II(LEVII)、美国联邦EPA等级2和欧盟EU-IV，预催化剂发动机排出的HC排放物，特别在冷起动和暖机期间，在研究和发展方面的显著成就，正引入注意。这大部分是由于以下事实，即在联邦试验程度(FTP)期间由典型的现代轻型车辆产生的总碳氢化合物排放的多达80％可能是在试验的头120秒钟内产生的。
这些高排放值大部分归因于冷的发动机和排气部件的温度。具体地说，冷的发动机部件需要富燃料运转，其中，过量的燃料用于补偿已附着在进气系统和燃烧室壁上因而不易燃烧的燃料部分。此外，一种冷却的三向催化剂不能减少在冷起动期间流过发动机的大量的未燃烧的碳氢化合物量。结果，从尾管排放高浓度的未燃烧的碳氢化合物。可以理解，使用汽油蒸气而非液体汽油可以在冷起动期间消除与过量碳氢化合物排放有关的燃料过量供给的问题。
已经设计了各种系统来向发动机预热后工作得相当好的内燃机供给液体燃料细液滴和空气。这些系统或者是将燃料直接供入燃烧室(直接喷射)，或者是利用一个气化器或燃料喷射器将该混合物通过一进气歧管供入燃烧室(间接喷射)。在当前使用的系统中，通过雾化液体燃料而产生燃料/空气混合物并将其作为细液滴而供入空气流。
在利用孔口燃料喷射的传统的火花点燃的发动机中，喷射的燃料是通过将该液体燃料液滴引导到该进气口或歧管中的热部件处而气化的。在正常的运转状态下，液体燃料在热部件的表面上生成薄膜并随后气化。然后气化燃料和进入空气的混合物通过当进气阀打开而活塞移向下止点时产生的压力差而被引入气缸。为了保证可与现代发动机兼容的控制程度，这种气化技术通常被最优化而在小于一个发动机周期内发生。
在大多数发动机运转状态下，进气部件的温度足以快速气化撞击的液体燃料液滴。但是，如指出的，在诸如冷起动和暖机的状态下，燃料不会通过在相当冷的发动机部件上撞击而气化。相反，在这些状态下，发动机运转是通过供给过量的燃料使得在撞击冷的进气部件之前当其通过空气行进时有足够的比率通过热量和质量的传递而气化来保证的。通过该机制的气化速率是燃料性能、温度、压力、液滴和空气的相对速度及液滴直径的函数。当然，该途径在极端环境的冷起动下中断，此时燃料的挥发度不足以使蒸气与空气产生可点燃的浓度。
为了使燃烧在化学上是完全的，该燃料/空气混合物必须气化成为一种化学当量的或贫燃烧的气相混合物。一种化学当量的可燃混合物含有完全燃烧所需的正合适的空气(氧)和燃料的量。对于汽油，该空气/燃料比为约14.7∶1(重量)。一种不完全气化的也不是化学当量的燃料/空气混合物造成不完全燃烧并降低热效率。一种理想燃烧过程的产物是水(H2O)和二氧化碳(CO2)。如果燃烧不完全，那么有一些碳没有被完全氧化而产生一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)。
减少空气污染的规定已导致用多个燃料系统和发动机改进来补偿燃烧效率低下的尝试。如有关燃料制备和输送系统的现有技术所证明的，许多努力已针对减小液体燃料的液滴粒径、增加系统紊流和提供气化燃料的足够热量来获得更完全的燃烧。
但是，在较低的发动机温度下效率低下的燃料制备仍然是一个产生较多排放物、要求后处理和复杂的控制策略的问题。此种控制策略可以包括排放气体再循环、可变的阀定时、延迟点火定时、减小压缩比、使用碳氢化合物阱和封闭联接的催化转换器，以及喷射空气来氧化未燃烧的碳氢化合物和产生有利于催化转换器点火的放热反应。
假定起动期间排放的未燃烧的碳氢化合物的比率相当大，那末轻型车辆发动机运转这一方面已经是重要技术发展努力的焦点。其次，因为立法中制定了越来越严格的排放物标准而消费者仍然对价格和性能很敏感，所以这些发展努力仍然是头等重要的。
上述困难的一个特定的解决方案涉及使用毛细管通道来气化燃料。使用毛细管通道比起向内燃机供给气化燃料的其它技术来能产生许多明显的优点。特别是，毛细管通道的表面积/体积比高与毛细管结构的热质量相当低相结合，形成为获得所要的加热曲线所需要的快速的暖机时间(为少于0.5秒的量级)和最小的功率要求(为每个气缸15.3Kg-m/sec(150瓦)的量级)。毛细管通道与燃料气化相连接的又一优点是，毛细管设计可以与一种传统的燃料喷射器的功能性相结合而使得一个单独的喷射器能够供给液体燃料和气化燃料两者，这取决于所选择的排放物控制策略。
序号为10/284,180的美国专利申请中公开了一种以毛细管通道为基础的燃料气化器的形式，该专利申请书是本专利申请书的基础。在该申请中公开了一种用于内燃机的燃料系统，而一种优选形式包括多个燃料喷射器，每个喷射器包括：(i)至少一个有一入口端和一出口端的毛细管流道；(ii)一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源可以运转而在该至少一个毛细管流道中将一种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；以及(iii)一个安置在该至少一个毛细管流道出口端附近的用于计量通到内燃机的燃料的阀；一个与该多个燃料喷射器成流体连通的液体燃料供给系统；一个控制供给到该多个燃料喷射器中的每一个的热源上的电力以获得一预定目标温度的控制器，该预定的目标温度可以将一部分液体燃料转化为气态；用于测定内燃机的空气流的机构；以及一个用于测量一指示内燃机的发动机暖机程度的值的传感器，该传感器在运转上连接到该控制器；而且其中，转化为气态的那部分液体燃料参考感知的内燃机状态而受到控制，以便尽可能减少排放物。
发明内容
该专利申请中公开的作为本专利申请基础的燃料系统在减少发动机的冷起动和暖机排放物方面是有效的。当该基本上气化的燃料在空气中冷凝时，由于形成一种细粒径液滴的气溶胶而促进了有效的燃烧。在发动机冷起动和暖机期间，能将该气化燃料供到内燃机的燃烧室而减少排放物。
作为本专利基础的专利申请也公开了一种控制该燃料系统并将燃料输到内燃机的燃料系统的方法，该燃料系统包括：至少一个有至少一个毛细管流道的燃料喷射器；一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源能够将该至少一个毛细管流道中的液体燃料加热到一个足以将其至少一部分从液态变为气态的程度；以及一个用于计量通到内燃机的燃料的阀，该阀安置在该至少一个毛细管流道的出口端的附近。该方法包括以下步骤：测定内燃机的发动机空气流；测量一个指示发动机加热程度的值；利用这些测量值来测定由于该至少一个毛细管流道而被转化为气态的一部分液体燃料；控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源上的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将这样测得的那部分液体燃料转化为气态，并将该燃料输送到内燃机的燃烧室，而且其中该部分被转化为气态的液体燃料被测定，从而获得最小的排放物。
按照在该专利申请书中描述的一种优选形式，该毛细管流道可包括一毛细管，而该热源可包括一个电阻加热元件或一段由通过其间的电流加热的管子。该燃料源可以设置成将增压的或未增压的液体燃料输到该流道。该设备可以提供一股与空气混合的气化燃料并形成一种液滴平均粒径为25μm或更小的气溶胶。
即使利用毛细管通道来气化燃料，仍然存在一种对于燃料喷射器本身的与起动策略有关的固有的挑战。特别是，该喷射器最初将包含一定体积的在燃料流路径的非毛细管部分中的液体燃料。该段喷射器称为死体积。图1例示燃料喷射器10的死体积90。正是在该区域中在起动时通常存在上一次使用留下的燃料。
虽然流过毛细管的燃料在最初起动时将非常快地气化，但死体积90中的液体燃料将由于喷射器10的该部分相关的热惯量而不容易气化。结果，燃料喷射器10的最初的起动性能通常遇到大于所要粒径(即大于30微米)的液滴粒径。如图2中所示，当燃料喷射策略涉及在进气阀打开下喷射燃料时，在该粒径范围内的液体燃料液滴的最初喷射能导致富燃料的峰值50。相对于一次设有富燃料峰值时形成的另一种起动，在起动时这些富燃料的峰值50会移入未燃烧的碳氢化合物而增加发动机的排放物。
在一个方面，本发明指向一种用于控制一燃料系统并将燃料输到内燃机的方法，该燃料系统包括：至少一个有至少一个毛细管流道的燃料喷射器；一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源能够将该至少一个毛细管流道中的液体燃料加热到一个足以将其至少一部分从液态变为气态的程度；以及至少一个进气阀，用于选择地打开和关闭一个从所述至少一个燃料喷射器到所述内燃机中的一燃烧室的通道，该方法包括测量一个指示发动机预热程度的值，其特征在于，该方法还包括下列步骤：
(a)控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将一部分液体燃料转化为气态；以及
(b)与步骤(a)同时，当所述至少一个进气阀处在基本上关闭的位置时从所述至少一个燃料喷射器喷射一个最初的燃料脉冲。
在另一方面，本发明针对一种用于控制一个燃料系统并将燃料输送到内燃机的方法，该燃料系统包括：至少一个具有至少一个毛细管流道的燃料喷射器；一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源能够将至少一个毛细管流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程度；以及至少一个进气阀，该阀用于选择地打开和关闭一个从所述至少一个燃料喷射器到所述内燃机中的一燃烧室的通道，该方法包括测量发动机空气流量和一个指示发动机加热程度的值，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
(a)测定由该至少一个毛细管流道转化为气态的一部分液体燃料，所述测定步骤利用所测量的发动机空气流量的值和一个指示发动机加热程度的值；
(b)控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源上的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将一部分液体燃料转化为步骤(a)中测定的气态；
(c)与步骤(b)同时，从所述至少一个燃料喷射器喷射一个最初的燃料脉冲，而所述至少一个进气阀处于基本上关闭的位置；以及
(d)在所述热源达到所述预定的目标温度时，将燃烧输送到内燃机的燃烧室；
其中该部分将被转化为气态的液体燃料被测定而获得最少的废气排放物。
在又一方面，本发明针对一种用于内燃机的燃料系统，该燃料系统包括多个燃料喷射器，每个燃料喷射器包括一个用于计量通到该内燃机的燃料的阀，该燃料系统的特征在于：
(a)每个喷射器包括：(i)至少一个有一入口端和一出口端的毛细管流道；(ii)一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，所述热源可以操作而将所述至少一个毛细管流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程度；以及(iii)该阀置于所述至少一个毛细管流道的所述出口端的附近；
(b)一个控制器，用于控制供给到所述多个燃料喷射器中每个的所述热源上的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将一部分液体燃料转化为气态；以及
(c)所述控制器可以运转而从所述至少一个燃料喷射器喷射一最初的燃料脉冲，而在达到所述预定目标温度之前，所述进气阀处在基本上关闭的位置。
该燃料系统在减少内燃机的冷起动和暖机的排放物方面是有效的。通过当基本上气化的燃料在空气中冷凝时形成细粒径液滴的气溶胶而促进了有效的燃烧。在发动机的冷起动和暖机期间该气化燃料可以供给到内燃机的燃烧室，并可以减少排放物。
按照本发明，还通过设计而提供一种在起动时消除富燃料峰值的方法，在该设计中在起动时从喷射器清洗最初的液体燃料，使得能尽可能减少未燃烧的碳氢化合物。该方法要求调整喷射定时，使得当发动机开动和毛细管加热时对着关闭的进气阀喷射最初的燃料脉冲。
附图说明
现在作为例子参照附图参考本发明的优选形式而更详细地描述本发明。附图中：
图1是例示其中的死体积和起动时液体燃料的位置的燃料喷射器的示意图；
图2是例示在先有技术喷射器中产生的富燃料峰值的曲线图，该图对应于利用一种打开进气阀喷射的起动策略；
图3以部分截面图例示一种按照一优选形式的包括于一个改型的传统侧输孔口燃料喷射器上游有的一电热毛细管的在线加热的喷射器；
图4以部分截面图表示另一种有一电热毛细管的蒸气-液体在线加热的喷射器，能够按照另一优选形式而同时提供一股液体燃料流；
图5是按照又一优选形式的燃料喷射器的另一实施例的截面图；
图6是同时表示一个处于关闭位置的阀的加热毛细管燃料喷射器和传统的燃料喷射器两者的侧视图；
图7是反映本发明的起动燃料喷射策略的空气/燃料踪迹；
图8是例示按照本发明说明的直接比较作为喷射结束的函数的最小空气/燃料比的曲线图；
图9是其中一个独立的蒸气燃料喷射器与一传统的燃料喷射器联合使用的燃料输送和发动机/控制器系统的示意图；以及
图10是其中通过一个双重(高/低)电源来控制通到该喷射器的电力的蒸气/液体燃料喷射器控制算法。
具体实施方式
现在参照图1～10中例示的实施例，各图中相同的标号表示相同的部件。
本发明提供一种用于内燃机的冷起动、加热和正常运转的燃料系统及其控制方法。该燃料系统包括一个有一毛细管流道的燃料喷射器，能够加热液体燃料，从而将基本上气化的燃料供应到发动机气缸中。与传统的燃料喷射器系统相比，该基本上气化的燃料燃烧时排放较少。而且，该燃料系统需要的电力较少，其加热时间比其它气化技术短。此外，该燃料系统的运转在起动时使用一种调整的燃料喷射定时方法来消除富燃料峰值信号。
通常，汽油在低温下不易气化。在冷起动和暖机期间，液体燃料蒸发相当少。这样，为了获得将会燃烧的空气/燃料混合物，需要对发动机的每个气缸提供过量的液体燃料。在点燃从过量的液体燃料产生的燃料蒸气时，从气缸排放的燃烧气体包括未燃烧的燃料和不希望有的气体排放物。但是，在达到正常的运转温度时，液体燃料易于气化，因此为了获得易于燃烧的空气/燃料混合物，只需较少的燃料。有利的是，在达到正常的运转温度时，空气/燃料混合物可以在或接近化学当量比时受到控制，由此减少未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放。此外，当在或接近化学当量比处控制加燃料时，为了同时氧化未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳与减少三向催化剂(TWC)上的氮氧化物，在排放气流中只利用足够的空气。
本发明的系统和方法将已经基本上气化的燃料喷入进气流道或直接喷入发动机气缸，由此在发动机的起动和加热期间不需要过量燃料。燃料优先地以化学当量的或贫燃料的混合物形式与空气或空气和稀释剂一起输入发动机，因此在冷起动和暖机期间实际上所有燃料都被燃烧。
利用传统的孔口燃料喷射，为了保证发动机快速可靠地起动，需要加入过量燃料。在富燃料的状态下，当催化剂加热时，到达三向催化剂的排放气流并不包含足够的空气来氧化过量的燃料和未燃烧的碳氢化合物。解决该问题的一种途径是在催化转换器的上游利用一个空气泵向排放气流供应额外的空气。其目的是产生一股化学当量的或稍许贫燃料的排放气流，一旦催化剂达到其点火温度，该气流就能在催化剂表面上方起反应。相反，本发明的系统和方法能使发动机在冷起动和暖机期间在化学当量或甚至稍许贫燃料的状态下运转，因而不需要过量的燃料和额外的排放空气泵，由此减少了处理系统后排气的费用和复杂性。
另一种处理冷起动和暖机期间催化剂加热问题的途径是在该期间谨慎地运转非常富燃料的发动机。利用一台排放空气泵将空气供应到该富燃料排放气流中，可以产生一种易燃的混合物，该化合物或者通过自动点火或者通过催化转换器上游或其中的某个点火源而燃烧。由于此种氧化过程而产生的放热显著地加热该排放气体，而当排放气体通过催化剂时该热量大部分传递到催化转换器。利用本发明的系统和方法，可以控制发动机而交替地运转富燃料和贫燃料的气缸，从而获得同样的效果，但不需要空气泵。例如，利用一台四气缸发动机，两个气缸可以在冷起动和暖机期间富燃料地运转而在排气中产生未燃烧的碳氢化合物。其余两个气缸将在冷起动和暖机期间贫燃料地运转而在排放气流中提供氧。
按照本发明的一种燃料系统包括至少一个毛细管尺寸的流道，受增压的燃料在被喷入发动机供燃烧之前先通过该通道而流动。可以提供一种毛细管尺寸的流道，其液力直径优选地小于2mm，更优选地小于1mm，最优选地小于0.5mm。液力直径用于计算通过一流体载带元件的流体流量。液力半径定义为该流体载带元件的流通面积除以与该流体接触的固体边界的周长(通常称为“润湿”周长)。在圆形截面的流体载带元件的情况下，当该元件充满地流动时，液力半径为(πD2/4)/πD＝D/4。对于流体在非圆形的流体载带元件中的流动，使用液力直径。从液力半径的定义看，具有圆形截面的流体载带元件的直径是其液力半径的四倍。因此，液力直径定义为液力半径的四倍。
沿毛细管通道加热，因此当液体燃料沿该通道行进时，其至少一部分进入通道而转化为蒸气。燃料流出毛细管通道时基本上气化，其中任意地含少量尚未气化的热的液体燃料。基本上气化指液体燃料体积的至少50％被热源所气化，更优选的为至少70％，最优选的为至少80％。虽然由于产生复杂的物理效应而可能难以达到100％的气化，但希望能完全气化。这些复杂的物理效应包括燃料沸点的变化，因为沸点与压力有关，而压力在毛细管流道中能够变化。因此，虽然大家相信在毛细管流道中加热时大部分燃料达到了沸点，但一些液体燃料可能没有加热到足以完全气化，结果是一部分液体燃料与已气化的流体一起通过毛细管流道的出口。
该毛细管尺寸的流体通道最好是在一个诸如单层或多层金属、陶瓷或玻璃体的毛细管主体中形成的。该通道具有通向入口和出口的周围封闭的体积，出入口之一或两者可向毛细管主体的外部开口，或者可以连接到同一主体或另一主体内的另一通道上或配件上。加热器可以由主体的一部分如一段不锈钢管制成，或者加热器可以是毛细管主体中或其上包括的分立的电阻加热材料层或丝。该流体通道可以是包括一个通向入口和出口而其中可通过流体的周围封闭的体积。该流体通道可以有任何想要的截面，最好是直径均匀的圆形截面。毛细管流体通道的其它截面包括非圆形的形状，如三角形、正方形、矩形、椭圆形或其它形状，而通道截面不需要均匀。该流体通道可以直线地或非直线地延伸，可以是单个通道或多路通道。在毛细管通道为金属毛细管时，毛细管内径可以为0.01～3mm，优选地为0.1～1mm，最优选地为0.15～0.5mm。或者是，毛细管通道可以由其横截面积限定，该面积可以是8×10-5～7mm2，优选地为8×10-3～8×10-1mm2，更优选地为2×10-2～2×10-1mm2。单个或多个毛细管、各种压力、各种毛细管长度、各种外加到毛细管上的热量和不同的截面积的许多组合，均适合于给定的用途。
液体燃料可以在至少0.7kg/cm2(10psig)最好是至少1.4kg/cm2(20psig)的压力下供给到毛细管流道。在毛细管通道为内径约0.051cm(0.020英寸)而长约15.2cm(6英寸)的不锈钢管时，燃料最好在7kg/cm2(100psig)或以下的压力下供给到毛细管通道，以获得一台典型尺寸的汽车发动机气缸的化学当量起动所需的质量流动速率(100～200mg/s量级)。该至少一个毛细管通道提供足够的基本上气化的燃料流，以保证可以在发动机的气缸内被点火和燃烧的化学当量的或近化学当量的燃料和空气混合物而不会产生高水平的未燃烧的碳氢化合物或其它排放物。该毛细管的特征也在于具有低的热惯量，因而该毛细管通道可以非常快速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，这在包括发动机冷起动在内的用途中是有利的。在发动机正常运转期间这种低的热惯量也有好处，如改善了燃料输送对发动机功率需求的突然变化的响应程度。
在加热的毛细管通道中气化液体燃料期间，可能在毛细管壁上积累碳和/或重碳氢化合物的沉积物，从而可能严重地限制了燃料的流动，这可能最终导致毛细管流道的堵塞。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类型的函数。据信，燃料添加剂对减少此类沉积物可能有用。但是，如果堵塞发生，可以通过氧化沉积物来清除堵塞。
图3表示一种用于按照本发明来气化从液体燃料源引出的液体燃料的燃料喷射器10。喷射器10包括一个有一入口端14和一出口端16的毛细管流道12，入口端14与液体燃料源F成流体连通，以便将基本上液态的液体燃料引入毛细管流道12。
最好是，一个针阀组件18由电磁线圈28运转。电磁线圈28具有连接到电连接器30上的线圈绕组32。当线圈绕组32被激励时，电磁线圈元件36被引入线圈绕组32的中心。当线圈绕组32断电时，弹簧38将电磁线圈元件弹回其原来位置。针40连接在电磁线圈元件36上。由线圈绕组32通电产生的电磁线圈元件36的移动使针40离开小孔42而允许燃料通过小孔42流动。
沿毛细管流道12配置一个热源20。最优选的是，热源20是通过用电阻材料的管子制造毛细管流道12而提供的，当管子上接头22和24处连接电源而在其间输送电流时，毛细管通道12的一部分就形成一个加热器元件。可以理解，热源20然后可以运转而将毛细管通道12中的液体燃料加热到一个足以将至少一部分燃料从液态变为气态的程度，并从毛细管通道12的出口端16输出一股基本上气化的燃料流。
按照本发明，加热的毛细管流道12可以产生一股气化燃料流，后者在空气中冷凝而形成一种通常称为气溶胶的气化燃料、燃料液滴和空气的混合物。与传统的汽车孔口燃料喷射器相比，该孔道喷射器输送由150～200μm的Sauter平均直径(SMD)的液滴组成的燃料喷雾，而气溶胶的平均液滴直径小于25μm SMD，优选地小于15μmSMD。因此，由按照本发明的加热毛细管产生的燃料液滴的大多数可以被一股空气流载带入燃烧室中，而不管流动路径如何。
在冷起动和暖机状态下，传统的喷射器和本发明的加热的毛细管流道的液滴粒径分布之间的差别特别关键。具体地说，使用一个传统的孔口燃料喷射器时，相当冷的进气歧管部件需要过分加入燃料，使得撞击在该进气部件上的燃料大液滴的足够比率气化而产生一种可以点燃的燃料/空气混合物。相反，由本发明的燃料喷射器产生的气化燃料和细液滴在冷起动时基本上不受发动机部件的温度的影响，从而在发动机冷起动期间不需要过量添加燃料。与使用传统的燃料喷射器系统时发动机产生的排放物相比，通过使用本发明的加热的毛细管喷射器而提供的不需过量添加燃料与对发动机的燃料/空气比的更精确的控制相结合，后者大大地减少了冷起动的排放物。除了减少过量添加燃料以外，也应当注意到，按照本发明的加热的毛细管喷射器还能够在冷起动和暖机期间进行贫燃料运转，这导致在加热催化转换器时更大地减少尾管排放物。
仍然参照图3，毛细管流道12可以包括一个如不锈钢毛细管的金属管，而该加热器由管子20的通过电流的长度组成。在一优选的实施例中，该毛细管的内径为约0.051～0.076cm(0.020～0.030英寸)，加热长度为约5.08～25.4cm(2～10英寸)，而将燃料供入管12的压力小于7.0kg/m2(100psig)，优选地小于4.9kg/cm2(70psig)，更优选地小于4.2kg/m2(60psig)，最优选地小于3.1kg/m2(45psig)或更小。已经显示，当气化燃料在环境温度下于空气中冷凝时，该实施例产生的气化燃料所组成的气溶胶液滴的粒径分布最大范围为2～30μm SMD，平均液滴粒径为约5～15μm SMD。在冷起动温度下能快速而接近完全地气化的燃料液滴最佳粒径为小于约25μm。该结果可以通过对一根15.2cm(6英寸)的不锈钢毛细管外加约10.2～40.8kg-m/sec(100～400W)如20.4kg-m/sec(200W)的电功率来取得，该电功率对应于气化燃料能量含量的2～3％。将该电功率外加到毛细管上的方法有：用导电材料如不锈钢来制成全部管子，或在至少一部分其中有流道的不导电的管子或叠合板上提供一种导电材料如通过叠合或涂敷电阻材料而在该管子或叠合板上形成一个电阻加热器。该毛细管的电阻部件是根据材料的电阻温度系数而选择的。该材料的温度可以通过外加电力来获得一目标电阻而受控制。可以将电线连接在该导电材料上而向该加热器提供电流，从而沿其长度加热该管子。沿其长度加热该管子的其它方法可以包括感应加热(例如通过安置在通道周围的电线圈)或相对于该流道而安置的用来加热该通道的长度的其它热源，这种加热是通过传导、对流或辐射的热传递方法之一或其组合而进行的。
虽然一种最佳的毛细管具有约15.2cm(6英寸)的加热长度和约0.051cm(0.020英寸)的内径，但其它毛细管构型也能提供可以接受的蒸气质量。例如，内径可以为0.05～0.08cm(0.02～0.03英寸)，而毛细管的加热部分可以为2.5～25.4cm(1～10英寸)。在冷起动和暖机后，不需要加热该毛细管，使得该未加热的毛细管能够在正常温度下向发动机提供足够的液体燃料。
从按照本发明的燃料毛细管流出的气化燃料可以在现有孔口燃料喷射器的同一位置或沿进气歧管的另一位置处喷入发动机的进气歧管中。但是，如果需要，该燃料毛细管能配置成将气化燃料直接输入发动机的每个气缸。该燃料毛细管对系统提供这样的好处，就是当起动发动机时，产生必须对着一个关闭的进气阀的背面喷射的较大的燃料液滴。最好是，与传统燃料喷射器的出口的配置相似，燃料毛细管的出口也安置成与进气歧管壁齐平。
在起动发动机约20秒(或者最好更少)之后，可以断掉用于加热毛细管流道12的电力，并用传统的燃料喷射器起动液体喷射，以便进行正常的发动机运转。也可以通过一个未加热的毛细管流道12经过连续喷射或可能的脉冲喷射利用液体燃料喷射来进行正常的发动机运转。
参照图4，图示一种按照本发明的双蒸气/液体燃料喷射器100。蒸气/液体燃料喷射器100包括一个有一入口端114和一出口端116的毛细管流道112，入口端114与液体燃料源F成流体连通，以便将基本上液态的液体燃料引入毛细管流道112和液体通道102。
一个针阀组件118受电磁线圈128运转而用于控制从毛细管流道112和/或液体通道102来的燃料流。电磁线圈128具有连接到电连接器130上的线圈绕组132。当线圈绕组132受到激励时，电磁线圈元件136被吸入线圈绕组132的中心。如上所述，当线圈132断电时，弹簧138使电磁线圈元件返回原来位置。针140连接在电磁线圈元件136上。由于线圈绕组132通电而产生的电磁线圈元件136的运动使针140受吸引而离开小孔142，从而允许燃料流过小孔142。
沿毛细管流道112设置一热源120。最优选的是，热源120是通过用一电阻材料管子制成毛细管流道112而提供的，当在接头122和124处连接一电源而通电时，毛细管流道112的一部分形成一加热器元件。可以理解，热源120而后可以运转而将毛细管流道112中的液体燃料加热到足以使其至少一部分从液态变成气态的程度，并从毛细管通道112的出口端116输送一股基本上气化的燃料。在发动机起动约20秒(或最好更少时间)后，可以终止流到该毛细管通道的汽流，并驱动传统的液体通道102，以便继续运转发动机。
现在参照图5，图示本发明的又一示范的实施例。图5中例示一种具有在燃料喷射器200内部成线圈状的非直线形(螺旋状)的加热毛细管流道212。在该实施例中，毛细管流道212围绕电磁线圈组件228成线圈状，并沿由电连接器222和224限定的加热长度220加热。该实施例用于空间有限而不能采用直线形毛细管的状况。此外，该实施例可以适合于与传统的燃料喷射器一起使用(见图6)，以便在正常的运转状态下将燃料输往发动机。
现在参照图6，发动机进气口300装有一个加热的毛细管喷射器10(为参照图1描述的类型)和一个传统的液体燃料喷射器350。在该实施例中，在发动机的冷起动和暖机期间，燃料将由沿其长度320加热的毛细管流道312输往发动机。在发动机起动第一个约20秒(或最好更少时间)后，停止加热的毛细管喷射器10的作用而驱动用于发动机正常运转的传统的燃料喷射器350。
图6也例示按照本发明的说明而在起动时清洗从喷射器来的燃料的方法。很容易理解，虽然图6包括加热的毛细管喷射器10和传统的燃料喷射器350两者，但该清洗方法却可只用于一个单独的加热喷射器而没有传统的燃料喷射器。其次，下面讨论的清洗方法可以用于多个上述类型的加热的毛细管燃料喷射器。
现在讨论清洗燃料喷射器死容积中最初包含的液体燃料的方法。通过利用该方法，可以大大减少从剩余的燃料产生的未燃烧的碳氢化合物排放物。按照该方法，首先，可以调整气化喷射器的燃料喷射定时(通过如下所述的适宜的编制程序的控制系统400)，使得最初的燃料脉冲是对着处于关闭位置中的进气阀325而被喷射的。结果，留在加热的毛细管喷射器10中的最初的液体燃料将沉积在进气阀325的背面上而不会被喷入气缸。
在本发明的一个优选实施例中，虽然产生了最初的燃料脉冲，但加热的燃料喷射器中的毛细管通道被加热到指定的目标温度。在最初清洗加热的燃料喷射器10(和可能的其它加热的燃料喷射器)中的液体燃料之后，相关的毛细管通道将处在足以将气化燃料基本上供应到气缸的目标温度。在控制策略中的该点处，可以对着打开或关闭位置中的进气阀325喷射气化燃料而基本上不会影响发动机排出的未燃烧的碳氢化合物的排放值。
与在进气阀325的背面液体燃料形成胶泥的传统的燃料喷射策略不同，从燃料喷射器10来的最初的液体燃料在阀325的背面形成一薄层。这种差异很显著，因为该液体薄层的蒸发不会显著地改变通往发动机的空气/燃料比，因此，未燃烧的碳氢化合物的排放值仍然很大程度上不受影响。
图7中示出该燃料喷射策略对发动机的空气/燃料比的影响。图7中示出的结果以及图2和图8中呈现的结果是属于冷怠速喷射器的“插入”(cut-in)试验的程序的。在这些试验中，发动机是车载的，冷却剂保持在相当低的温度，而在每次试验的开始，这些喷射器是开启的。通过图7(反映本发明的燃料喷射策略)与图2(反映先有技术的燃料喷射器策略)的比较可以看出，利用本发明可显著减少富燃料喷射的峰值。其次，已知富燃料喷射峰值的显著减少可转而减少发动机排出的未燃烧的碳氢化合物排放物。
参照图8，该图提供作为喷射结束的函数的观测到的最小λ(空气/燃料)值的直接比较。图8还用于例示本发明中对着关闭的进气阀清洗喷射器死容积中的最初液体的好处。再一次，图8中呈现的结果属于冷怠速喷射器“插入”试验的程序，其中，发动机是汽车运载的，冷却剂保持在相当冷的温度，而在每个试验的开始，这些喷射器是开通的。
图9表示用于运转内燃机510的控制系统400的示范示意图，该控制系统包括一个与液体燃料源410和液体燃料喷射路径660成流体连通的液体燃料供给阀620、一个与液体燃料源410和毛细管流道480成流体连通的燃料供给阀610，以及一个与氧化气体源470和毛细管流道480成流体连通的氧化气体供给阀420。该控制系统包括一个控制器450，后者通常接收多个从各种发动机传感器如发动机速度传感器460、进气歧管空气温度和压力传感器462、冷却剂温度传感器464、排气空气/燃料比传感器550、燃料供给压力412等来的多个输入信号。在运转中，控制器450根据一个或多个输入信号而执行一控制算法，并随后向氧化器供给阀420产生一个用于根据本发明而清除堵塞的毛细管通道的输出信号424、一个通到液体燃料供给阀620的输出信号414、一个通到燃料供给阀610的输出信号434以及一个通到电源的加热电力指令444，该电源向毛细管480传送电力而加热。
在运转中，按照本发明的系统可以做成反馈利用排放气体再循环加热而在燃烧期间产生的热量，使得液体燃料被加热到当其通过毛细管流道480时，足以基本上气化液体燃料，从而不需要或可以减少或可以补充用电力或其它方法加热毛细管流道480。
如可以看到的，在图9的构型中，通到发动机控制单元(ECU)450的各输入信号分别包括燃料供给电压412、冷却剂温度464、进气歧管空气温度和压力462、发动机速度460、节流阀角度520和排气空气/燃料比550。同样，图示的从ECU450出来的各输出信号包括一空气供给指令424、一燃料供给指令434、一燃料喷射指令452和一加热电力指令444。
可以理解，从发动机来的各信号被送往发动机控制器，后者然后利用这些信号来完成与喷射气化燃料有关的各种功能，包括确定应当输送到发动机而使排放最小的燃料类型(液体或蒸气)、为了起动和让发动机暖机并尽可能减小排放而喷射适当的燃料量、控制供给毛细管流道的电力以便获得一目标电阻从而转化为所要的目标温度以及调整相位到液体燃料喷射。
图10中示意表示一个最佳的控制算法的例子。图10的燃料喷射器控制算法1000经过一双重(高/低)电源而控制通到喷射器的电力。控制算法1000通过将汽车的钥匙切换到“on(开通)”位置1010而起动。在确定待输送到发动机的燃料类型(液体或蒸气)时，可以是冷却剂温度或代表发动机加热程度(如润滑剂温度、进气歧管空气温度或从发动机起动算起的经过时间)的其它信号的发动机信号1030与一设定点比较。如果冷却剂或润滑剂或进气歧管空气温度(视情况而定)大于或等于设定点，那么发动机控制器将规定液体燃料输送到发动机1040。同样，如果发动机运转而从发动机起动所经过的时间大于或等于设定点(如5分钟)，那么发动机控制器将规定液体燃料输送到发动机1040。
或者是，如果代表发动机加热程度的信号(如冷却剂温度)低于设定点，那么ECU将预热毛细管通道1060，并任选地使发动机1090同步，以便通过增加的起动时间而开通阀的喷射。在图10的实施例中，通过一基本的通/断控制环路而达到毛细管流道的预热温度，在该环路中，热量供给到该毛细管，直到测量到目标温度1070(电阻)。当温度达到目标值1070而发动机仍然起动时，短时间切去通往毛细管流道的热量(1080)而允许温度稍许下降。在该短暂的“断开”时间后，重新向毛细管流道供给电力，以便测量温度。在该点处该控制环路继续。
一旦达到了毛细管目标温度1070，而任选地使发动机为了打开阀门喷射1090而同步，那么调整喷射器而接收从ECU来的燃料喷射指令。给定了与加热的毛细管输送方法有关的相当低的热质量，预期该加热过程花费显著小于0.5秒的时间，更优选的是0.1秒的量级。因此，在该喷射器运转的阶段中，限制速率的步骤将与发动机1090同步，如果这样一个过程被包括在发动机起动策略中的话。
在喷射适当量的燃料以便冷起动和暖机发动机的过程中，按照图9中示意表示的方法来确定在冷起动和暖机期间引入发动机的液体燃料的量。再参照图9，可以理解，可以通过一种断开环路控制算法来支配该燃料喷射阶段，在该算法中，根据诸如发动机速度460和加速器位置520之类的因素通过查阅图而确定喷射的燃料量。或者是，燃料喷射可以通过一个反馈控制环路或一种由节流阀位置520支配的预测控制算法来进行支配，在该反馈控制环路中，利用排气的空气/燃料比信号550来确定燃料的喷射量。在又一实施例中，节流阀位置信号520被通到ECU 450，而一种预测控制策略被用来确定用于给定的发动机状态所需的燃料数量。
再参照图10，为了保证整个冷起动和暖机时期内高质量的蒸气被喷入发动机中，当燃料输送产生脉动和/或发动机加燃料的要求变化时，提供一种技术来控制通到毛细管流道的电力，以维持一个目标电阻(即温度)。这表示于图10的“控制环路”1200中。如图10中所示，利用毛细管流道的电阻作为反馈来确定通到毛细管流道的电力的适当调整，从而保持测得电阻对冷毛细管流道电阻的目标比率(R/R0)1130。
图10中表示的实施例描述一个步进方式或数字控制算法，其中，如果R/R01130小于或等于该设定点，那么就供给高的电力1140来加热毛细管。相反，当R/R01130大于该设定点时，就向该毛细管流道供给低的电力1150。在这样一种低电力的条件下，该装置遇到对流冷却，而电阻被测量而向后通到该控制器。
如上所示，使用一个合适的电阻设定点对于以毛细管流道为基础的燃料喷射器的性能是关键的。也就是，一个低的设定点将造成缺少输送给燃料的热量，这转而造成输送给发动机的蒸气质量差。反之，一个高的设定点将造成毛细管端部附近的局部热点，使得该毛细管的其余部分的温度显著地低于由毛细管的电阻表示的平均温度。因此，这样一种状态也造成蒸气质量差。
根据这些观测，已经经验地确定，一个给定的毛细管的最佳电阻设定点一般对应于这样一个点，在该点处电力对通过该毛细管的质量流量之比是最大的。重要的是要注意到，对于一个给定的毛细管流道，一个最佳的电阻设定点对燃料压力多半是不敏感的。
如图10中所示，与R/R01130的控制并列，冷却剂温度1160继续与表示完全温暖的发动机状态的设定点比较。如果冷却剂温度低于相应的设定点，那么热量继续经过毛细管流道控制环路1200而供给到毛细管流道，从而高质量的燃料蒸气继续输送到发动机。相反，如果冷却机温度1160高于温度发动机运转用的设定点，那么控制算法开始转到液体燃料的相位。
再参照图9，从气化燃料切换到液体燃料的过程可以取若干形式中的任何一种，并将是所用的特定的毛细管流道喷射器构型的函数。在切换到液体燃料的一种途径中，利用冷却剂温度信号464来驱动转换阀610和620，并任选地使电力不能通到毛细管流道，转换阀将燃料供应引离毛细管流道480而引向传统的液体燃料喷射流道660。在实践中，该途径将需要图6中示意示出的燃料喷射器构型。
虽然在附图和以上描述中已详细例示和叙述了本发明，但所公开的实施例只是例示而不起限制作用。所有落在本发明范围内的变化和修改都期望受到保护。作为例子，当需要较高的容积流量时，可以提供多个毛细管通道，而燃料平行通过这多个通道。

Claims (16)

1.一种用于控制一个燃料系统并将燃料输送到内燃机的方法，该燃料系统包括：至少一个具有至少一条毛细管流道的燃料喷射器；一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源能够将该至少一条毛细管流道中的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态转变为气态的程度；以及至少一个进气阀，该阀用于有选择地打开和关闭一条从所述至少一个燃料喷射器到所述内燃机中的一燃烧室的通道，该方法包括测量一个指示发动机预热程度的值，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
(a)控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源上的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将该部分液体燃料转化为气态；以及
(b)与步骤(a)同时，从所述至少一个燃料喷射器喷射一个最初的燃料脉冲，而所述至少一个进气阀处于基本上关闭的位置。
2.权利要求1的方法，其特征在于，在喷射所述最初的燃料脉冲时，所述至少一个进气阀处在完全关闭的位置。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于还包括在所述最初燃料脉冲后和获得所述热源的所述预定温度时返回到正常的燃料喷射定时的步骤。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述最初的燃料脉冲是对着所述至少一个进气阀的背面喷射的。
5.根据权利要求1、2、3或4的方法，其特征在于，所述燃料系统包括具有至少一条毛细管流道的至少另一个燃料喷射器。
6.根据权利要求1、2、3或4的方法，其特征在于，所述燃料系统还包括至少一个没有至少一条毛细管流道的燃烧喷射器。
7.一种用于控制一个燃料系统并将燃料输送到内燃机的方法，该燃料系统包括：至少一个具有至少一条毛细管流道的燃料喷射器；一个沿该至少一个毛细管流道设置的热源，该热源能够将该至少一条毛细管流道中的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态转变为气态的程度；以及至少一个进气阀，该阀用于有选择地打开和关闭一条从所述至少一个燃料喷射器到所述内燃机中的一燃烧室的通道，该方法包括测量发动机空气流量和一个指示发动机加热程度的值，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
(a)测定由该至少一条毛细管流道转化为气态的一部分液体燃料，所述测定步骤采用所测得的发动机空气流量的值和一个指示发动机加热程度的值；
(b)控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源上的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将该部分液体燃料转化为步骤(a)中所测定的气态；
(c)与步骤(b)同时地从所述至少一个燃料喷射器喷射一个最初的燃料脉冲，而所述至少一个进气阀处于基本上关闭的位置；以及
(d)在所述热源达到所述预定的目标温度时，将燃料输送到该内燃机的燃烧室；
其中测定该部分要被转化为气态的液体燃料而产生最少的废气排放物。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述测定发动机空气流量的步骤还包括：(i)测量发动机速度和(ii)测量该内燃机的进气歧管压力。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源的电力的步骤包括设定一电阻值的步骤，该电阻值与预定的目标温度有关。
10.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述控制供给到该至少一个燃料喷射器的热源的电力的步骤采用一个双电源。
11.根据权利要求7的方法，其特征在于，将被气化的燃料输送到该内燃机的燃烧室限于该内燃机的起动和预热运转期间。
12.根据权利要求7，8，9，10或11的方法，其特征在于还包括当该内燃机处于充分暖机状态时将液体燃料输送到该内燃机的燃烧室。
13.一种用于内燃机的燃料系统，该燃料系统包括多个燃料喷射器，每个燃料喷射器包括一个用于计量通到该内燃机的燃料的阀，该燃料系统的特征在于：
(a)每个喷射器包括：(i)至少一条有一入口端和一出口端的毛细管流道；(ii)一个沿该至少一条毛细管通道设置的热源，所述热源可以运转而将所述至少一条毛细管流道中的液体燃料加热到足以将其至少一部分从液态转变为气态的程度；以及(iii)该阀置于所述至少一条毛细管流道的所述出口端的附近；
(b)一个控制器，用于控制供给到所述多个燃料喷射器中每个的所述热源上的电力，以获得一预定的目标温度，该预定的目标温度可以将该部分液体燃料转化为气态；
(c)所述控制器可运转来从所述至少一个燃料喷射器喷射一个最初的燃料脉冲，而在达到所述预定的目标温度之前，所述进气阀处在一个基本上关闭的位置中。
14.根据权利要求13的燃料系统，其特征在于，在喷射所述最初的燃料脉冲时，所述进气阀处在完全关闭的位置中。
15.根据权利要求14的燃料系统，其特征在于，在所述最初的燃料脉冲之后和获得所述热源的预定温度时，所述控制器可运转来返回到正常的燃料喷射定时。
16.根据权利要求13，14或15的燃料系统，其特征在于，所述最初的燃料脉冲是对着所述至少一个进气阀的背面喷射的。
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