具有用於噴射器點火操作的算法控制的前瞻定時的燃料噴射器的製作方法

2023-06-02 22:24:51

專利名稱：具有用於噴射器點火操作的算法控制的前瞻定時的燃料噴射器的製作方法
技術領域：
0001本發明廣義地涉及燃料噴射系統，並更具體地涉及具有用於 噴射器點火操作的算法控制的定時(algorithm controlled timing)
背景技術：
0002世界的大量能量被耗用於為基於內燃的車輛提供動力。大多 數汽汕和柴油汽車發動機的效率僅為20-30%，這樣大部分烴燃料被浪 費，山此在產生過量汙染物和溫室氣體的同吋消耗了全球的資源。如 圖1 (現有技術)所示，常規發動機所使用的能源的大約三分之一證實 了其本身是冷卻系統屮的廢熱(冷卻劑負荷4)，而另一個大約三分之
-的能量從排氣尾管排出(排氣焓2)，而剩下的三分之一或者更少的 能源提供了有用功(制動力6)。以內部標準(at the internal level)， 這些低效率是由於如下事實在火花點火汽油發動機或者壓縮點火柴 汕發動機內的常規燃燒過程與活塞和曲軸的旋轉動力學(即發動機的 作功衝程)相比用時太久。
0003圖2 (現有技術)圖示了在高效直接噴射歐式柴油發動機循環 內的典型熱釋放圖7，其包括點火延遲段8、預混合的燃燒階段IO、混 合控制的燃燒階段12以及後燃燒階段14。在大約180°的循環旋轉(上 止點)之前的燃燒導致了增加的廢熱負荷，而來自後燃燒階段14 (在 大約200°之後)中的燃燒的大部分能量作為排出熱被浪費。換句話說， 在從活塞在它的衝程頂部起始並向下旋轉大約20度(從180°到 200° )之間的時間段中的熱釋放提供了最大比例的有用功。在上止點 之前的熱釋放引起對抗旋轉的回推，其最終證實其本身是冷卻套管中 的廢熱。在氣體燃料發動機和柴油發動機中必須提早開始點火，因為 與發動機的旋轉定時相比，它需要充足的時間量來完全地進行。在後 燃燒階段14中，燃料繼續燃燒，超過作功衝程的有用界限，由此將廢熱排到排氣系統內。

發明內容
0004本發明涉及用於主要或基本僅在內燃機的作功衝程期間分配燃 料的一個或多個加熱催化燃料噴射器(heated catalyzed fuel injector) 的使用。這種噴射器通過來自電加熱器或者其他裝置的外部加熱，在超 臨界蒸氣相中輕微地使燃料氧化。該噴射器可以操作用於包括汽油、柴 油和各種生物燃料在內的廣範圍的液體燃料中。另外，該噴射器可以在 室壓下以及高達內燃機的實際壓縮極限下點燃。由於該噴射器可以不依 賴火花點火或者壓縮點火進行操作，所以它的操作在此被稱作"噴射點 火(injection-ignition)"
0005根據本發明，內燃機的優選的噴射器點火燃料噴射系統包含一 個發動機控制單元(ECU)，該ECU控制用於加熱和催化下一個燃料加料 的加熱催化燃料噴射器，其中ECU使用一個點火循環前瞻算法來控制燃 料噴射。前瞻算法可以包含存在於ECU上的計算機軟體程序，該軟體程 序包含控制燃料噴射的機器可讀或者可編譯指令。在操作中，算法將當 前節氣閥輸入(current throttle input)與之前的發動機數據相比較 並確定燃料負荷和到下一次點火的估計時間。舉例而言，之前的發動機 數據可以包含上一次節氣閥輸入、發動機負荷、RPM值以及空氣入口溫度。 根據一些實施例，下一個燃料加料包含按體積計大約65%庚烷、25%十六 烷以及10%乙醇的混合物。噴射器點火噴射器可以在大氣壓下點火;但是，
在本發明的優選實施例中，噴射器在高壓下點火。0006根據本發明，ECU可以控制發動機操作的多方面，例如，(i)
每個發動機循環內噴射入每個汽缸中的燃料量，(ii)點火定時，
(iii)可變凸輪定時(VCT) ， (iv)各種外圍設備，以及(v)內燃 機操作的其他方面。ECU通過由包括MAP (歧管絕對壓力)傳感器、節 氣閥位置傳感器、空氣溫度傳感器、發動機冷卻劑溫度傳感器以及其 他傳感器在內的傳感器來監視發動機，從而確定燃料量、點火定時以 及其他參數。
0007燃料加料優選地在一個或多個氧源存在的情況下被加熱和催化， 其中算法控制在燃料噴射器的加壓室內的預氧化保持時間。在一些實施例中，算法基於使用中的預定燃料混合物來確定在ECU資料庫中的適當 的預氧化保持時間設置。ECU資料庫含有涵蓋一定範圍的燃料辛烷值等級
(fuel actane rating)和可能相接觸的充氧添加劑(oxygenator addivive)的預加載表，其中充氧添加劑可選自甲基叔丁基醚(MTBE)、 乙醇、其他辛烷值和十六垸值增進劑以及其他的燃料充氧劑。算法通過 檢測點火延遲從而在燃料辛烷值等級範圍內不斷地調節其操作。
0008在此提出的噴射器點火燃料噴射系統加熱液體燃料使其較多 地超過它們的室壓沸點。但是，與水一樣，大多數烴燃料和酒精隨著 壓力升高而具有升高的沸點，這樣當在壓力下加熱液體時液體將在其 大氣沸點之上保持液體形式，並且如果液體在低壓下蒸發並隨後被迅 速地加壓則它將被再次液化到液相。但是，存在不可能再維持液相或 者再被壓縮到液相的壓力和溫度點。該點通常地被稱作臨界點，並且 包括臨界溫度和臨界壓力。在臨界溫度和臨界壓力之上，不可能再形 成液體，所以即使分子可被壓縮超過相應液體的密度，分子也是以氣 相相互作用。按照CRC Handbook 87th Edition,庚烷(汽油的主要成 分)的臨界溫度是512下，臨界壓力是397psi(磅/每平方英寸)。
0009本發明的噴射器點火系統利用主要以氣相或者超臨界液相來 工作的氧還原催化劑。該催化劑將按重量計在O. 1%到5%範圍內的可用 氧與燃料混合物內的一種或多種成分相結合，從而形成高度反應性的、 部分氧化的自由基，所述自由基一旦暴露於主燃燒室的更富含氧的環 境則會非常迅速地繼續氧化。非常快的燃燒(在100微秒範圍或者更少) 所需的這種活性自由基的實際數量是非常少的，並且很大程度取決於 在主燃燒室反應區域內的分子平均自由程和反應波面傳播延遲
(reaction wavefront propagation delay)。 例如，在大氣壓下，並
且在適當的溫度和氧濃度條件下，燃燒波面以近似聲速的速度移動， 聲速在典型的環境下大約是每毫秒l英尺。因此，對於io毫秒的主室燃 燒延遲，表明這些自由基需要以大約O. l英寸或者更近的間隔分散，基 於每立方英寸內非常大量的分子，這要求這些自由基具有極小濃度。0010類似地，在燃料噴射器中形成的每個自由基均利用來自燃料
的化學鍵能，這樣在主燃燒室中的化學鍵能減少了一個該量。因此非 常有利的是，將形成的自由基的數量最小化至足夠高以確保非常高速率點火，但又足夠低以最小化噴射燃料的能量含量衰減。另外，大多 數氧還原催化劑也用作熱裂解催化劑，特別是當氧還原催化劑被加熱 到1000下內的範圍和更高的溫度時。非常不希望噴射器中的燃料熱裂 解，因為它導致形成碳從而最初汙染催化劑表面，並且如果允許繼續 形成碳，則實際上阻礙了燃料流經噴射器。另外，短鏈裂解的成分典 型地具有比辛烷和庚烷更高的自燃溫度和更高的蒸發熱，這樣在普遍 發生的實驗室條件下，過量加熱噴射器將實際上增加了超過上述理想 情況的點火延遲，並且也導致了碳的迅速形成。
0011考慮到上述事項，在此闡述的噴射器-點火噴射器最優地利用
了高度分散的(即低濃度)氧還原催化劑，其在大多數燃料成分處於 超臨界相的溫度和壓力下具有適度活性。已發現鎳是這樣的一種催化
劑，並且在100bar下在600-750下的範圍內工作。
0012根據本發明的原理，通過謹慎地控制加熱的外部來源以及燃 料流動速率和燃料催化劑接觸表面積，可以最小化到燃料的所需熱輸 入，從而在不需要允許催化氧化過程顯著地向反應區域供應熱能的情 況下產生適當數量的自由基。這種附加的熱能量會快速地導致熱散逸， 並潛在地消耗所有的可用氧，由此顯著地減少最終燃料的能量含量並 促進了碳的形成。由於商品化的燃料會含有1 %到10 %的充氧劑
(oxygenator agent)，所以這點是特別需關注的。
0013根據本發明，可以使用選自鎳、鎳-鉬、a氧化鋁和氧化鋁矽、 其他的空氣電極氧還原催化劑以及其他的用於烴裂解的催化劑的催化 劑來催化燃料加料。在本發明的一個實施例中，使用包含帶有大約5% 鉬的鎳的催化劑來催化燃料加料。根據某些實施例，催化劑加熱溫度 優選地在600下和750。F之間，最優選地為大約720下。另外，噴射器壓
力優選地足夠高以便燃料加料在選擇的溫度設置下以超臨界液體來工 作。算法控制燃料噴射器從而基本僅在內燃機的作功衝程期間分配燃 料加料。
0014根據一個實施例，燃料噴射器依靠高辛烷值的燃料、高十六烷 值的燃料以及氣體發動機燃料和柴油發動機燃料的混合物來運轉。ECU 可以包括用於接收燃料混合物信息以適應一定範圍的燃料和燃料混合物 的補充輸入。使用加油時的直接加入系統或者使用採樣在車內的燃料並將發動機工作參數傳達給ECU的機載分析器來提供燃料混合物信息。
0015根據本發明的原理，下一次發動機點火的準備在當燃料噴射器 基本沒有燃料時的上一次發動機點火完成後立即啟動。算法可以調整進 入燃料噴射器的能量輸入，這樣燃料在較高的節氣閥設置下比在較低的 節氣閥設置情況下更快地被加熱到選擇的溫度。另外，算法允許在熱區 內建立高達四個燃料點火循環，從而在快速加速期間增加燃料加熱暴 露時間。通過大體在上止點起動快速燃燒點火，從而使廢熱最小化。
0016根據本發明的進一步實施例，ECU在上止點之前近似1-3毫秒 提供噴射器點火信號，從而補償當發動機由於壓縮制動而快速減速時 的機械延遲。另外，ECU可以包括發動機査尋表，該表校正了在包括 RPM、發動機負荷以及發動機負荷趨勢的預定操作圖上的發動機減速。 發動機査尋表可以預加載有學習算法，從而針對具體級別的發動機幾 何結構來測算預測上止點與實際上止點相比止點的誤差。另外，可以通 過使用學習算法從而在工作中動態地調整發動機査尋表，其中該學習算 法可通過計算噴射銷位置指示器和絕對上止點指示器之間的差異來不斷 調整表條目。使用爆燃傳感器輸入或者使用探測與上止點相對的絕對點 火位置的氣缸壓力傳感器，可以使調整進一步精確。根據其它實施例， ECU利用模式識別試探法來精密地調節由於壓縮制動而產生的點火延遲 漂移，其中模式識別試探法用於確認穩定狀態節氣閥和負荷狀況，以便 點火定時漂移可以不受其他可變參數的影響。
0017本發明的另一個實施例的特徵在於內燃機的噴射器點火燃料 噴射系統，其包含控制加熱催化的燃料噴射器以加熱和催化下一個燃 料加料的ECU，其中ECU使用一個點火循環前瞻算法來控制燃料噴射， 其中加熱催化燃料噴射器包含用於將下一個燃料加料分配到加壓室中 的輸入燃料計量系統、包括用於壓縮在加壓室內的燃料加料的加壓撞錘 的加壓撞錘系統以及用於將加熱催化的燃料加料噴射到內燃機的燃燒室 中的噴射器噴嘴，其中所述燃料加料在有催化劑存在的情況下在加壓室 中被加熱。
0018在上述系統中，下一次發動機點火的準備在上一次發動機點火 完成後立即啟動。在上一次發動機點火完成時，燃料噴射器基本沒有燃 料，加壓撞錘處於完全排出位置並且噴射器噴嘴關閉。下一次點火循環包含收回加壓撞錘，這允許輸入燃料計量系統將液體燃料的氣溶膠分配 到加壓室中。加壓撞錘隨後在兩個步驟循環中對燃料加壓，其包括當燃 料正被加熱和蒸發時保護燃料噴射器，和將燃料加壓到目標噴射壓力和 溫度。蒸發燃料以達到目標噴射壓力和溫度。在工作期間，在預定保持 時間之後噴射器噴嘴打開，並且加壓撞綞將燃料加料推入燃燒室中，這 樣加壓撞錘達到完全排出位置。在一些實施例中，預定保持時間從下一 上止點事件逆向延伸。


0019圖1 (現有技術)是示意圖，圖示在火花點火汽油發動機或者 壓縮點火柴油發動機內常規燃燒過程的低效率；
0020圖2 (現有技術)是示意圖，圖示在高效直接噴射歐式柴汕發 動機循環內的典型熱釋放曲線；
0021圖3是示意圖，圖示在常規氣體發動機中點火和在具有根據
0022圖4是示意圖，圖示具有根據本發明原理的燃料噴射器的內 燃機的熱釋放曲線；
0023圖5A描繪了本發明內燃機的燃燒室，其包括大體安裝在氣缸 頂部中心的燃料噴射器；
0024圖5B是圖示了根據本發明原理控制燃料噴射的示例性ECU的示 意0025圖5C是圖示了在圖5B的ECU和常規的汽油泵壓燃料噴嘴之間的 無線通訊的示意0026圖6描繪了根據本發明的原理構建的優選的加熱催化噴射器點 火燃料噴射器；
0027圖7是示出燃料入口和出口子系統的圖6中加熱催化噴射器點 火燃料噴射器的截面0028圖8A是其中撞錘(ram)處於完全排出位置的圖6中燃料噴射 器的截面圖，而圖8B是其中撞錘處於完全收回位置以允許液體燃料進 入加壓室的圖6中燃料噴射器的截面圖；以及
0029圖9是包含線性燃料噴射器的本發明的可選燃料噴射器的截面圖。
具體實施例方式
0030在下面的段落中，將通過舉例並參考附圖，詳細地闡述本發 明。貫穿本說明書，所示的優選實施方式和實施例應該視作示例，而 不作為對本發明的限制。如在此使用的，"本發明"指在此闡述的本 發明的任何一個實施方式和任何等效物。進一步，對貫穿本文件的"本 發明"的各種特徵(一個或多個)的提及並不意味著所有要求保護的 實施方式或者方法必須包括提及的(一個或多個)特徵。
0031根據本發明的原理，提供內燃機的噴射器點火燃料噴射系統， 該系統包含控制用於加熱和催化下一個燃料加料的加熱催化燃料噴射 器的發動機控制單元(ECU)，其中ECU使用一個點火循環前瞻算法來 控制燃料噴射。
0032爆燃構成一種可選擇的燃燒形式，其提供異常快的燃燒，並 被呰遍地被證實是失調汽車發動杉L中的常見爆震。常規的內燃機在點 火之前將它們全部的燃料負荷放置在氣缸中。爆燃引起全部燃料負荷 的很大部分在幾微秒內點火，由此產生可能損壞發動機部件的過量壓 力上升。這些狀況典型地發生在失調發動機中未受控制的方式中，從 而引起燃料在對於產生作功衝程不適合的某個時間爆燃。另外，這種 類型的爆燃取決於點火延遲，從而壓縮了空氣供給並蒸發燃料。
0033參考圖3，提供了示意圖，其圖示在常規的氣體燃料發動機中 緩慢燃燒和內燃機中包括爆燃的快速燃燒之間的區別，其中所述內燃 機具有根據本發明原理的燃料噴射器。具體地，在常規的氣體燃料發 動機中，點火基本發生在低燃料密度下的緩慢燃燒區20內。相反，在 具有在此闡述的燃料噴射器的內燃機中，點火基本發生在高燃料密度 下的快速燃燒區22內。在快速燃燒區22內，燃料加料的前沿表面在大 概兒微秒內完全燃燒。
0034參考圖4，提供了示意圖，其圖示具有根據本發明原理的燃料 噴射器的內燃機的熱釋放曲線26。具體地，熱釋放曲線26被疊加在圖2
圖示的直接噴射歐式柴油發動機循環的典型熱釋放曲線7之上，熱釋放 曲線7包括點火延遲段8、預混合燃燒階段10、混合控制燃燒階段12以及後燃燒階段14。對比於直接噴射歐式柴油發動機，在此提出的燃料噴 射器(具有熱釋放曲線26)精確地計量了在適當曲軸轉角下的用以產生 最優作功衝程的即時點燃燃料。具體地，燃料噴射器基本僅在作功衝程 期間以精確的方式即時地分配燃燒的燃料，由此很大程度地減少在發動 機內的前端(冷卻負荷)和後端(排氣焓)的熱損失。根據本發明的一 些實施方式，常規的低辛烷值泵壓汽油被計量供給到燃料噴射器中，其 中燃料噴射器加熱、蒸發、壓縮並適度地氧化燃料加料，並隨後將其作 為相對低壓的氣柱分配到燃燒室的中心。
0035參考圖5A，圖示了包含常規的車輛柴油強渦流高壓縮燃燒室 的內燃機燃燒室28。具體地，燃燒室28包括大體安裝在氣缸頂部32中 心的本發明的加熱催化噴射器點火燃料噴射器(heated catalyzed injector-—ignition fuel injector) 30。 隨著熱氣的燃料柱36被噴射 入燃燒室28中，它的前沿表面37自爆燃，其將燃料柱36以箭頭40指示 的方向徑向地分配到渦流38型式中。前沿表面37代表爆燃界面，而渦 流38代表分散的氣體和空氣產生的快速稀燃(air yielding fast lean bum)。這種燃燒室構造提供了相當常規的稀燃燒環境，其中通過高溫 和高壓的使用，0. 1%到5%的燃料在燃料噴射器30中被預氧化。圖5A的 風扇形狀構件41圖示了徑向擴展的燃料加料的旋轉運動，它在燃燒室 28內旋動。燃料加料可以對稱地擴展或者可以由一個或多個射流偏移 行組成，每行包括多個射流(jet)(例如四個射流)。本領域的技術人 員將認識到，在不背離本發明範圍的情況下可以形成任何數量的射流。
0036進一歩參考圖5A，在加熱催化燃料噴射器30內的預氧化可以
包含在噴射器室壁上的表面催化劑以及氧源，該氧源包括標準的氧化 劑。可選擇地，預氧化可以進一步包含少量的附加氧，例如，來自空 氣或者來自再循環排氣形式的最後燃燒物。這種輕微氧化的燃料包含 R02 和R00H 形式的自由基，其是來自初始燃料的高度反應性、部分 氧化、裂解的烴鏈。因此，噴射的燃料在分配的燃料柱36內提供相對 低溫的自燃部位，有助於在與常規的汽車發動機構造材料相匹配的溫 度和壓力範圍內引發表面自爆燃和隨後的稀燃。
0037參考圖5B，圖示了控制燃料噴射和其他發動機操作的示例性 ECU 45。具體地，ECU 45包括確定將何時點燃噴射器的噴射器定時程序47、排序噴射器子系統的機械操作的噴射點燃程序49、控制噴射器
加熱驅動的溫度控制51以及控制其他發動機和車輛輸出的其他ECU程 序53。在操作中，噴射器定時程序47接收來自曲柄位置和RPM傳感器、
噴射器銷位置傳感器以及發動機爆震傳感器的輸入。噴射器定時程序 47將定時程序輸出到噴射點燃程序49，噴射點燃程序49控制噴射器燃 料入口 (每個氣缸l個)、噴射器高壓泵驅動(在一些構造中每個氣缸 l個)以及噴射器銷驅動(每個氣缸l個)。噴射點燃程序49可以進一 步接收來自ECU發動機節氣閥程序和如典型地存在於現代汽油和柴油 發動機上的各種其他的發動機傳感器程序的輸入，以便調整以適應溫 度、壓力、溼度、發動機負荷、燃料質量、發動機磨損以及其他變量 的改變。ECU 45的溫度控制51接收來自噴射器溫度傳感器的輸入並隨 之控制噴射器加熱驅動。各種其他的ECU程序53接收來自各種其他的發 動機和車輛傳感器的輸入，這樣ECU程序53控制各種附加發動機和車輛 的輸出。
0038參考圖5C，本發明的進一步的實施方式的特徵在於用於多燃 料車輛的智能加燃料系統55，其中該多燃料車輛具有先進的可變循環 發動機和ECU (例如圖5B的ECU 45)，通過可分別與ECU 45和加燃料泵 57協同定位的無線串聯通訊連接59、 61， ECU與常規的加油站加燃料泵 57連通。系統55被用於向消費者提供一種或多種優化燃料混合物以向 他們的多燃料車輛補充燃料。這個信息可以顯示在與ECU 45連通的車 內顯示器63上和燃料站泵57的銷售顯示器83上。使用者可以基於在顯 示器83上的和可選擇地在車內顯示器63上的按鈕、觸摸敏感區或者其 他常規的輸入裝置，作出燃料選擇。通過任何常規的無限通訊技術， 例如，磁感應、光通訊或者低功率RF，可以提供ECU 45和加燃料泵57 之間的數據交換。在操作中，ECU 45將精確的燃料混合物和車輛油箱 81中的燃料量(通過油箱傳感器65確定)傳達到加燃料泵57。在響應 中，加燃料泵控制器67計算與剩餘燃料和車輛的操作性能相匹配的適 合的補充燃料混合物，並基於出售的各種燃料69 (或者它們的混合物) 向消費者提供一種或多種補充燃料選擇。在購買後，適合的燃料或者 燃料混合物(通過燃料泵73)被泵壓通過泵閥77，並通過加燃料泵噴 嘴79噴射到油箱81中。0039進一步參考圖5C，補充燃料選擇可以基於包括費用和性能的 可選擇參數，其中加油站加燃料泵57基於消費者的選擇混合和分配燃 料。在說明的實施例中，加油站加燃料泵57包括銷售顯示器83點和用 戶輸入的相關裝置。使用在負荷(發動機RPM)下的發動機性能、負荷 傳感器以及爆震傳感器，ECU45確定在燃燒中的實際燃料性能。另外， ECU 45可被配置成保持所有的燃料裝載記錄，包括燃料的精確混合和 泵入油箱中的量、燃料消耗、觀測的性能以及按時間順序的氣候狀況， 例如溫度、大氣壓、海拔高度和溼度。
0040先進的可變循環發動機可以適於與廣範圍的燃料一起使用， 所述燃料包括但不限於常規的汽油、柴油、乙醇、甲醇、其他酒精、 生物柴油以及可選地包括混合水含量的植物提取物。車輛可以配備有 單一燃料箱或者多個燃料箱以用於容納不相容的燃料混合物。在泵處 的購買決定可以基於多種因素，例如可用的最昂貴有效率的燃料供給、 在燃料箱中剩餘的燃料混合物以及包括天氣和海拔高度在內的預期駕 駛條件。車輛在ECU的控制下能夠動態地適應各種燃料混合物。
O(Ml根據本發明進一步的實施例，加熱催化燃料噴射器30可用於 依靠生物可再生可變燃料(bio-renewable flex fuel)運轉的噴射器 發動機。舉例而言，可變燃料可以包含混合有少量汽油和/或乙醇的植 物提取油(例如豆油、菜籽油、藻類和浮遊生物提取物)。最終的混 合物包含零淨碳的可再生可變燃料，其適合用於配備有加熱催化直接 噴射器的超高壓縮發動機。這種零淨碳燃料在燃燒時在地球的生物圈 不產生淨碳，因為出現在植物物質中的碳來自作為正常光合作用過程 的一部分的在地球大氣中捕獲的二氧化碳。根據本發明，未處理的植 物油與乙醇以及少量的常規汽油(或者其他C5到C10範圍直鏈烴的混合 物)混合。舉例而言，該混合物可以包含混合有25%汽油和10%乙醇的 65%植物油(按重量計)。該混合物是穩定的並且在正常的操作條件下 不分離為它的各種成分。另外，該混合物具有低於0。F的凝固點並且抵 抗生物侵襲。
0042上述的燃料混合物由在柴油發動機的高壓縮下良好點火的高 十六烷值植物油和在低壓縮火花點火發動機中良好工作但在壓縮點火 發動機中通常不良好工作的相對高辛烷值的烴(庚烷)以及乙醇組成。例如，配備有被加熱並含有氧還原催化劑的噴射器的高壓縮發動機(例 如20比1)依靠上面提到的混合物非常有效地運轉。此外，加熱直接可 適應植物油的較高粘性並且也促進了在寒冷環境下的起動。加熱和氧 還原催化劑的結合攻擊了乙醇中的氧結合，從而輕微地氧化了燃料混 合物，這樣燃料混合物就不依賴於其成分中的辛垸值和十六烷值而在 燃燒室中非常迅速地燃燒。
0043上述生物可再生可變燃料優選地僅在氣相或超臨界相(相對 於液相)中被催化。另外，與依賴於在室之間的相對緩慢和低效的氣 體擴散或者低壓進氣歧管口閥的常規預置室系統形成對比，優選地在
100bar或者更高壓力下使用高壓噴嘴分散系統噴入催化的悶燃燃料。0044根據本發明，加熱催化燃料噴射器30可以被安裝在小型汽車 柴油發動機上的常規直接柴油機噴射器的適當位置。該改裝的柴油發 動機可以依靠汽油運轉並在16:1到25:1範圍內的高壓縮比下工作。為 了實現高壓縮比，發動機優選地利用壓縮加熱而不是傳統的火花點火。 如本領域的技術人員所了解的，在不背離本發明範圍的情況下，本發 明的燃料噴射器可以使用其他的燃料，例如，柴油以及十六烷、庚烷、 乙醇、植物油、生物柴油、酒精、植物提取物及其結合物的各種混合 物。但是，在許多應用中比起柴油，優選使用烴長度短得多的汽油進 行工作，因為這幾乎不產生碳顆粒物質。
0045參考圖6，本發明優選的加熱催化噴射器點火燃料噴射器30包 含一體加熱催化噴射器點火噴射器，其包括燃料輸入44、輸入燃料計 量系統46、電連接器48、噴嘴銷閥驅動器50、加壓撞錘驅動器52、可 選的空氣入口針孔54、安裝凸緣56、熱區58以及噴射器噴嘴60。噴射 器點火燃料噴射器30在現實世界保持自由的環境中支持燃料的蒸發、 加壓、活化和分配。本發明噴射器點火燃料噴射器30的特徵工作壓力 為近似100bar，並被分配到具有燃料負荷的20:1壓縮比的發動機
(20bar)中，其產生40bar的峰值。在優選的實施中，燃料噴射器30 的特徵在於靠近噴射器噴嘴60被置於燃料噴射器30的熱區58內的內部 鎳鉬催化劑。可以通過在近似750下的溫度處操作噴射器主體來催化該 催化劑。當然，如本領域的技術人員所了解的，在不背離本發明範圍 的情況下，可以利用其他的催化劑和噴射器操作溫度。0046參考圖7，現在將闡述本發明的噴射器點火燃料噴射器30的輸 入燃料計量系統46。具體地，輸入燃料計量系統46包括過濾燃料的內 嵌燃料過濾器66、用於計量包含預定燃料量的下一個燃料加料的計量 螺線管68以及用於將下一個燃料加料分配到燃料噴射器30的加壓室72 中的液體燃料針閥70。液體燃料針闊70優選地包含電磁或者壓電觸發 的針閥，其響應於內燃機的ECU中的前瞻計算機控制算法將下一個燃料 加料分配到加壓室72中。輸入燃料計量系統46可以接收來自標準的汽 油燃料泵或者普通的軌道分送系統的燃料。
0047進一步參考圖7，燃料噴射器30的噴射器噴嘴60被置於車輛的 加壓室72和燃燒室28之間。通過圍繞室72的燃料噴射器30的熱區58， 在加壓室72中烘烤輸入燃料計量系統46所分配的燃料加料。更具體地， 在處於壓力並存在催化劑的情況下，在加壓室72中加熱燃料加料，這 開始使燃料裂解並引起燃料與內部氧源反應。噴射器噴嘴60包含噴射 器噴嘴銷閥74、準直管75以及銷閥執行器71。具體地，噴嘴銷閥74在 大致上止點(180°的循環旋轉)打開，允許熱的加壓氣體進入燃燒室 28。銷閥執行器71可以包含操作銷閥驅動軸118以便將下一個燃料加料 注入噴射器噴嘴銷閥74中的銷閥螺線管。
0048在一體燃料噴射器實施例中，銷閥驅動軸118位於加壓撞錘92 的孔的內部，這樣銷閥驅動軸118可以在加壓撞錘92內同軸地滑動。但 是，銷閥驅動軸118獨立於加壓撞錘92工作。在加壓撞錘92的頂端上的 0形密封刊:119阻擋這兩個軸之間的洩漏通路。噴射器噴嘴60的幾何構 造基本上不同於典型的液體燃料噴射器噴嘴，因為噴射器噴嘴60包括
用於校準加熱的燃料並將校準的、相對低壓的熱氣體加料分配到氣缸 中的銷閥74和準直管75。具體地，燃料噴射器30的噴射器噴嘴60被電 加熱，例如，使用在噴射器噴嘴60上順排的常規鎳鉻合金加熱構件114。0049噴射器噴嘴60的銷閥執行器71可以包含快速響應的電磁驅動 或者壓電驅動。在它的最簡單的形式中，隨著加壓撞錘92將全部熱氣 柱從加壓室72推到燃燒室28內，噴射器噴嘴銷閥74打開至100%，以使 噴射器體積的完全排出。如本領域的技術人員將了解的，在不背離本 發明範圍的情況下，可以利用模擬驅動信號和/或數字脈衝信號，採用 銷閥和撞錘驅動調整的多種結合，從而在不同的節氣閥(throttle)和負荷情況下生產各種熱釋放曲線。
0050參考圖8A和8B，噴射器點火燃料噴射器30的另一個組件包含 加壓撞錘系統，其包含加壓撞錘92、加壓撞錘驅動器52以及燃料噴射 器30的熱區58，該熱區58用於在下一個噴射之前在加壓室72中加熱下 一個燃料加料。具體地，圖8A描繪了加壓撞錘系統的第一構造，其中 加壓撞錘92處於完全排出位置。
0051圖8B描繪了加壓撞錘系統的第二構造，其中加壓撞錘92處於 完全收回位置以允許液體燃料進入加壓室72。當燃料從液體轉變為氣 體並隨後達到它的臨界點並超過臨界點一一此時成為非常稠密的蒸 汽，加壓撞錘92壓縮燃料。加壓撞錘92包含基本被置於加壓撞錘驅動 器52內的磁活性部分96、絕緣部分97以及熱區匹配部分98，當加壓撞 錘92處於完全排出位置時熱區匹配部分98被基本置於熱區58內。加壓 撞錘92的靜止位置位於圖8A所示的完全排出位置。加壓撞錘92可以進 一歩包含一個或多個防止液體洩漏的O形密封件IOO。
0052繼續參考圖8B，當加壓撞錘92收回時，它可以在加壓室72中 形成局部的真空，由此允許輸入燃料計量系統46將下一個加料作為相 對冷的液體噴射。加壓撞錘92具有相對長的衝程並且可以包括隔熱區 以保護輸入燃料計量系統46免受靠近熱區58的高溫。置於加壓撞綞驅 動器52內的多個巻繞螺線管線圈系統106、 108包括收回螺線管106和加 壓螺線管108。多個巻繞螺線管線圈106、 108可被用於驅動加壓撞錘92 的線性步進電機代替。
0053本發明燃料噴射器30固有地是安全的，因為它僅需在自燃溫 度之上的單一點火，其可被包含在直接連接到發動機氣缸(在其中通 常發生燃燒)的堅固金屬外殼中。以這種方式，燃料噴射器30的熱區 58可被視作僅僅是現有的發動機燃燒室28的擴展。舉例而言，可以通 過在熱區58順排的常規鎳鉻合金加熱構件116來電加熱燃料噴射器30 的熱區58。
0054在ECU的電子控制下，充足的磁場被應用以加壓燃料負荷使其 達到與下一次點火相當的預定水平，如操作者的節氣閥位置所指定的。 在壓力下、有催化劑存在的情況下，在加壓室72中烘烤燃料加料(通 過熱區58)，這開始使燃料裂解並引起燃料與內部氧源反應。這種內部氧源通過內置的抗爆劑和冬季氧化劑如MTBE和/或乙醇從而存在於
常規泵壓氣體(pump gas)中。柴油燃料普遍地也包括十六烷值增進 劑形式的氧源。根據本發明，熱區催化劑可以包括但不限於(l)鎳;
(2)鎳-鉬；(3) a氧化鋁；(4)氧化鋁矽；(5)其他的空氣電極氧 還原催化劑(例如，用在燃料電池陰極和金屬空氣電池陰極中的)；以 及(6)其他的用於烴裂解的催化劑。
0055根據優選的實施方式，熱區58的工作溫度近似75(TF，其基本 最小化了如316不鏽鋼和油硬化工具鋼的普通結構材料的腐蝕和熱相 關的強度損失。相反，典型的壓縮點火工作溫度在1000下以上。熱區 58可以迸一步包含鎳鉻合金加熱線。根據另外的實施例，氧可被泵入
0056再次參考圖7，噴射器點火燃料噴射器30可以在發動機的排氣 循環期間，通過打開噴射器噴嘴銷閥74並收回加壓撞錘92而弓I入熱的 排氣。在正常的情況下，熱的排氣仍具有未反應的氧，其可選擇地與 燃料的內部氧化劑結合使用從而輕微地氧化燃料。另外，燃料噴射器 30nj-以被配置成包括與加壓室72連通的空氣入口針孔54，這樣當加壓 撞錘92被置於完全收回位置時新鮮空氣形式的附加氧可被添加到熱區 58。空氣入口針孔54可以配備如球閥(未示出)的單向閥，以在加壓 衝程期間阻止燃料蒸氣洩漏。另外，可以利用各種其他形式的空氣， 例如排氣。
0057根據本發明的一些實施例，加熱催化燃料噴射器30固有地自 淨化和自清潔。具體地，可以在發動機起動操作的期間，反覆地運用 加壓撞錘92和噴嘴銷閥驅動軸118，由此(i)允許在起動時淨化來自 長期的發動機工作檯的空氣和溼氣，和(ii)允許形成的任何碳通過 相對大的噴射器噴嘴60被除掉。與常規的燃料噴射器不同，加壓撞綞 92在相對長的衝程距離(0.25英寸或者更大)移動，並能夠在其完全 伸展位置消除在噴嘴區域74中的任何空隙體積。
0058在本發明的優選實施例中，ECU可以使用噴射器點火操作的一
個點火循環前瞻算法來控制一個或多個本發明的加熱催化噴射器點火 燃料噴射器30。可以使用存在於ECU上的計算機軟體程序來執行用於控
制噴射器點火定時的前瞻算法，該軟體程序包含控制燃料噴射的機器可讀或者可編譯指令。根據該前瞻算法，下一次發動機點火的準備在 上一次發動機點火完成後立即啟動。此時，燃料噴射器30基本沒有燃 料，加壓撞錘92處於完全排出位置，噴射器噴嘴銷閥74關閉，並且熱 區58基本處於其工作溫度。在最簡單形式的控制中，ECU將節氣閥輸入 與預先的設置(例如，上一次節氣閥輸入、發動機負荷、RPM、空氣入 口溫度以及其他的設置)和電子燃料控制相比較。使用這個信息，ECU 確定燃料負荷和到下 一 次點火的估計時間。
0059下一次點火循環在適當的延遲之後開始，從而最小化在熱區 58中的燃料保持時間，由此最小化燃料的過度裂解。首先，下一次點 火循環包括收回加壓撞錘92，這允許輸入燃料計量系統46將液體燃料 的氣溶膠分配到熱區58中。加壓撞錘92隨後在兩個步驟循環中對燃料 加壓，這兩個步驟循環包括(i)當燃料正在加熱和蒸發時保護輸入液 體噴射器30，和(ii)將燃料加壓到目標噴射壓力和溫度。在第二歩 驟中，使燃料蒸發以達到目標噴射壓力和溫度。
0060在預定的保持吋間後，噴射器噴嘴銷閥74打開，並且加壓撞 錘92將燃料蒸氣柱推入燃燒室28中，這樣加壓撞綞92到達圖8A所示的 完全排出位置。在一些實施例中，預定保持時間可以從下一上止點事 件逆向延伸。噴射器噴嘴銷閥74隨後關閉，並且加熱催化燃料噴射器 30現在為下一次點火命令作好準備。在不背離本發明範圍的情況下， 關於燃料噴射器循環的各種廣泛變型(例如，加壓撞錘92和噴射器噴 嘴銷閥74交互式操作，以調整具體的熱釋放曲線)是可能的。由於作 功衝程的主要部分僅是720。四個衝程循環中的30。旋轉，所以實際噴 射僅佔據可用工作時間的近似4% 。
0061在工作中，ECU精確地控制燃料在加壓室72內在存在可用氧 源(例如，溶解空氣或者如乙醇的氧化劑)的情況下暴露於加熱的催 化劑的暴露時間。該暴露時間(在此也可稱作"預氧化保持時間") 對燃料噴射器30的適當操作至關重要。例如，如果預氧化保持時間過 長和/或溫度過高，燃料將開始裂解為更短鏈的分子和殘留的碳。這種 黑色沉積物形式的游離碳殘留物可能汙染燃料噴射系統。另一方面， 如果預氧化保持時間過短和/或溫度過低，可能導致不充分的燃料預氧 化或者根本未預氧化。0062在極冷條件下，本發明的燃料噴射器30與具有相對長的點火
延遲(例如，在1800RPM和20: 1壓縮下5-10ms的範圍內的延遲)的 常規的柴油壓縮點火燃料噴射器相似地運作。冷噴射條件導致降低的 效率，因為為了起動燃燒，噴射點必須位於上死心之前，由此產生了 後推和氣缸中的廢熱。另外，如庚垸、辛烷以及乙醇的低十六垸值燃 料在這種冷噴射條件下可能根本不燃燒或者將不穩定地燃燒，這正是 在燃料被用於常規的柴油發動機時的典型行為。
0063下面的示例展示了在實驗室發動機中如何確定最優預氧化保 持時間條件。具體地，220cm3排量和23: 1壓縮比的實驗室測試發動機 配備有在此公開的加熱催化燃料噴射器30並且利用按體積計近似65 份庚烷、25份十六烷以及IO份乙醇的燃料混合物。在測試期間，發動 機在1800RPM下以近似1馬力的總輸出工作。另夕卜，順排在熱區58內 部的催化劑由帶有大約5%鉬的鎳組成。優選的催化劑加熱溫度被確定 為近似720下，該溫度在噴射器體內產生最低的排氣溫度和最少的碳殘 餘形成物。
0064通過將基於雷射的噴射器銷位置指示器和標準的商用Delphi 爆震傳感器比較來確定燃料噴射器30的點火延遲。具體地，在1800RPM 下具有100微秒或者更小(即，曲軸轉角的一度或者更小)的點火延 遲。將催化劑加熱溫度增加到大約80(TF引起快速的碳堆積，其迅速地 阻礙燃料流動，而將催化劑加熱溫度降低到低於大約720下則由於必須 將噴射點充分提前至上止點之前而加長了點火延遲時間並降低了發動 機功率輸出。在室溫下，這種燃料混合物(即，65%庚烷、25%十六垸 以及10%乙醇)在測試系統電子裝置所允許的點火提前的限制下(近似 8毫秒)，在測試發動機中根本不燃燒。測試期間的燃料流動在每分鐘 3cnt'到5cm3的範圍內，而噴射器頂端的熱區近似2cm長、橫截面積 0.043cm2。噴射器壓力是1200磅/平方英寸，這樣燃料混合物在最優溫 度設置(庚垸的臨界溫度大約為512下，臨界壓力大約為397磅/平方 英寸)下作為超臨界液體進行工作。
0065除了影響在發動機中的燃料流動的常規參數，由於燃料以超 臨界液體在預氧化加熱的催化劑段使用，使得燃料對基於燃料裂解的 碳堆積敏感，所以本發明的燃料噴射系統對燃料組成特別的敏感。另外，由於燃料噴射器30可以依靠高辛烷值和高十六垸值燃料以及氣體 發動機燃料和柴油發動機燃料的混合物來運轉，所以燃料配送系統承 受比常規汽油(火花點火)或者柴油(壓縮點火)發動機更大範圍的 操作參數。例如，各種燃料可以包括廣泛的沸點、臨界壓力、臨界溫 度以及對熱裂解的敏感性。另外，燃料密度範圍可以從戊烷/己烷/庚
烷混合物的0.6到某些生物柴油配方的大於0.9。因此，可用燃料混合
物可以涵蓋廣範圍的燃料密度和各種其它的催化敏感度。
0066考慮到多種燃料混合物，ECU利用如發動機RPM和負荷的常規 工作要素來調整燃料流動。另外，ECU運行前瞻計算以便為選擇的燃料 混合物確定預氧化保持時間。典型地在2-3毫秒範圍內的燃料噴射系 統的機械響應時間限制了最小預氧化保持時間。最大預氧化保持時間
(對於在1800RPM下的四衝程發動機的一個循環前瞻)大約為66. 6毫 秒(g卩，在點火之間的近似持續吋間)。ECU除控制將燃料噴射入催化 熱區之外也可以調整進入熱區的能量輸入，這樣燃料在較高的節氣閥設 置下比在較低的節氣閥設置情況下更快地被加熱到指定的溫度。但是， 這種燃料噴射系統的熱時間常數典型地在十分之幾秒或者更多吋間
(即，若干點火循環)的範圍內。另外，如果利用廢熱來減少提供給 加熱器的電輸入(例如，使用來自排氣區的有源/無源熱管)，那麼熱 吋間常數甚至將更長。
0067所有的實際的發動機具有當從一種RPM設置轉變到另一種設 置吋通常需要十分之幾秒到數秒來克服的實質的旋轉慣性。根據本發 明的一些實施例，在某些節氣閥變化下可以利用附加前瞻延遲以適應 進一步的能量輸入。而且，可以電力地緩增熱輸入以適應新燃料流動。 舉例而言，在常規汽車的加速期間，通過在熱區堆積過量燃料(例如， 通過使用比燃料噴射器銷釋放率更快的速率泵送燃料)，可以使預氧 化保持時間從最大的一個循環增加到兩個、三個或者甚至四個循環。 在這些條件下，可以緩增熱能量輸入從而使系統回到一個循環前瞻延 遲。由於燃料保持時間可以在1800RPM下降至少30: 1的比率(即， 66毫秒到2毫秒)，所以在減速時的控制方案更簡單。
0068使用本發明的燃料噴射器30的發動機響應在不同的應用中差 別很大。例如，期望高性能跑車或者賽車具有非常快的節氣閥響應。在這種應用中的噴射器點火系統可以包括附加特徵來適應迅速的節氣 閥變化且在噴射器熱區內最小可能地形成碳。在其他的極端情況中，
在固定輸出(例如，大約1800RPM)下精確地保持60HzAC的大型固定 式發電機可具有非常緩慢變化的節氣閥輸入，並因此能夠利用本發明 的簡化形式的加熱催化燃料噴射系統。
0069內燃機的ECU能夠適當地確認使用中的燃料混合物並隨後確 認適於其運作的在ECU資料庫中的適合的預氧化保持時間設置。在局 限於常規泵壓汽油的燃料噴射系統中，通過將表預加載到涵蓋一定範 圍的燃料辛烷值和將在汽車的指定的地方市場操作區域(即，美國規格 對加拿大規格對歐洲規格，等等)內遇到的氧化添加劑(例如，MTBE、 乙醇、其他辛烷值和十六烷值增進劑以及其他的燃料氧化劑)的ECU數 據庫中，可以很容易地完成該操作。ECU可以通過檢測點火延遲而針對 該範圍的燃料不斷地調節它的操作。現在在現代柴油發動機中典型地通 過將憑藉位置傳感器檢測的實際噴射器打開位置與商用爆震傳感器或在 --些特殊情況下與氣缸內絕對壓力傳感器相比較而完成該操作。
0070ECU的補充輸入可能是必須的以適應具備可變燃料噴射器點火 能力的系統的廣泛範圍的燃料和混合物。例如，含有高百分比乙醇的 燃料和含有高十六烷值(例如，常規柴油、生物柴油或者植物油)的 燃料可能需要形成燃料混合，特別當在燃料輸送泵或者發動機油箱中 混合有常規汽油的時候。根據本發明的一些實施例，使用如上所述的 在加油時的直接加入系統來提供該信息。其他的實施例利用採樣在車內 的燃料並將發動機操作參數傳達給ECU的車載分析器。
0071在此公開的加熱催化燃料噴射系統可對點火定時高度敏感。 在工作期間，通過基本在上止點起動非常迅速的引燃點火併在預定時 間完成燃燒從而使廢熱最小化以減小廢熱損失(從排氣閥離開)、增 加作功衝程產生並降低燃料燃燒噪聲。以這種方式最優化的噴射器點 火系統可以在非常高壓縮(例如，在20: 1到40: 1的範圍內)下工 作。在一些應用中，理想的是，在帶有最小慣性輪以及由此具有最小 旋轉慣性的輕型發動機中使用本發明的燃料噴射器30。
0072在配備有1、 2、 3或者4個氣缸發動機的噴射器點火中，壓 縮制動(在活塞接近上止點時發生)是發動機定時中的重要因素。常規ECU定時算法易於在該應用中非常快地點火，因為其不必適應在該 級別的發動機中靠近上止點時發生的快速減速。此外，任何現實世界 的燃料噴射器都具有從給出電子點火信號的時間到其將燃料噴射入氣 缸中的時間的機械延遲。這種機械延遲典型地在1到3毫秒的範圍內。
為了補償這種機械延遲，本發明的ECU在發動機由於壓縮制動迅速減 速時調整噴射器點火信號的定時。另外，可以將查尋表添加到ECU數 據庫，其中該資料庫針對包括RPM、發動機負荷以及發動機負荷趨勢 (即，減速或者加速速率)的預定操作圖而對發動機減速作校正。發 動機表可以預加載有學習算法，從而測算預測的上止點與該級別的發 動機幾何結構的實際上止點之間的誤差。可以通過使用學習算法，在工 作中動態地調整該表，其中通過計算噴射銷位置指示器和絕對上止點指 示器之間的差值，該學習算法不斷調整表條目。使用爆震傳感器輸入或 者使用探測與上止點相對的絕對點火位置的氣缸內壓力傳感器，可以使
0073對本領域技術人員顯而易見的是，用於校正壓縮制動的定時 調整可以很容易地擾亂不同等級的燃料以及預氧化保持時間需求所需 的定吋調整。本發明的ECU可以利用模式識別試探法(例如，穩定狀態 節氣閥和負荷狀況的辨認)來精密地調節由於壓縮制動而產生的點火延 遲漂移。這種精密調節是獨立的並且與對於改變燃料混合物通常需要的 常規調節不同。
0074進一步參考圖7，操作噴射器噴嘴60所需的能量理論上可小至 驅動燃料的能量含量的百分之二；但是，如果僅由電系統動力驅動， 實際的發動機設計考慮因素例如高溫絕緣的尺寸約束可能會引起加熱 需求升高到軸輸出功率的幾個百分比。由於燃料噴射器30在操作期間 非常接近一個或多個發動機排氣口，因此可很容易地利用非常有效的 廢熱源。可將本發明的燃料噴射器30直接裝入可選擇地控制通過排氣
閥的氣流的多閥發動機的排氣口中。另外，可以利用從排氣區引入熱 的各種有源和/或無源熱管構造，以減小提供給加熱器的電輸入。0075各種汽車可以在它們的直接噴射汽油動力裝置內使用三種或 更多種類型的噴射器，其包括(l)用於空轉的節氣閥體噴射器；(2) 用於低速操作的普通軌道進氣口噴射器；以及(3)用於高速操作的直接噴射器。類似地，在此闡述的燃料注射器30可以單獨使用或者與節 氣閥體和普通的軌道噴射器廣泛結合而使用，可以帶有或者不帶有選 擇性操作的火花點火源。另外，燃料噴射器30可以以純蒸氣模式操作 或者可以分配蒸氣和液體的混合物。在高RPM和高裝載罕見的應用中
(例如，典型的經濟型車)，理想的是，使用帶有相對低熱的加熱能 力的燃料噴射器，這樣純蒸氣操作被限於車輛定度行駛操作，例如，
在大約3600RPM下。這種燃料噴射器漸進地使在預定節氣閥負荷設置之 上的更多液體通過，這導致了漸進地較低效率的操作但處於比純蒸氣 設計點高得多的動力水平。
0076參考圖9，根據本發明的可選實施例，上述一體燃料噴射器幾 何結構被展開為加熱催化線性燃料噴射器30'，其包含液體燃料計量 系統46'、收回螺線管106'、加壓螺線管108，、加壓撞錘92，、噴 射器噴嘴60'、銷閥驅動螺線管71'、噴嘴銷閥驅動軸118'以及熱區 58'。這種燃料噴射器構造簡化了銷閥驅動軸118'在加壓撞錘92'內 同軸放置的相當複雜和精確的需求。換句話說，銷閥驅動軸118'未置 於加壓撞鈍92'內並且不在銷閥驅動軸118'內同軸地滑動。取而代 之，加壓撞錘92，被相對於銷閥驅動軸118'以一定角度放置，如圖9 所示。但是，注意，這種線性構造降低了一體幾何結構的自淨化和自 清潔作用，因為加壓撞錘92'現在偏置於一側並且不再能清潔和淨化 圍繞噴射器噴嘴60'的空隙體積。這種構造利用與圖7和圖8所示的一 體噴射器相同的ECU定時。在工作中，在壓力下並在有催化劑存在的情 況下，通過熱區58'烘烤輸入燃料計量系統46'所分配的燃料加料，
這開始裂解燃料並引起燃料與內部氧源反應。在近似上止點處，銷閥 驅動軸118'通過噴射器噴嘴60'將熱加壓的氣體噴射入燃燒室。0077通過用中壓、中溫供給系統替換基於液體的輸入燃料計量系 統， 一體燃料噴射器30和線性噴射器30'均可在較高的RPM和較小的物 理尺寸下工作。這種可被發動機上的所有噴射器共享的系統可以利用 中壓泵(例如，在500磅/平方英寸的範圍)和預加熱線圈，以便在充 分低的溫度(如400下)下將燃料維持在蒸氣形式，從而最小化烴裂解 和分解。在工作中，預熱、預蒸發的燃料加料在驅動撞錘的進入點被 引入到上述噴射器構造的任何一個中，由此減少了撞錘所需的位移、尺寸以及熱輸入，因此允許較高速度操作。
0078根據本發明的附加實施例，經由單向閥供給預加熱線圈的外 部高壓液體供給泵可以取代上述中壓泵。可以使用小直徑毛細管和配 件以減小在熱區內的體積。可在系統關閉時清潔系統，從而最小化來 自過度裂解燃料的碳堆積。可以組合上述泵實施例的組件的各種結合。 例如，基於發動機尺寸、氣缸數量、燃料回收系統幾何結構和其它因 素，可以廣泛地改變泵臺的數量和泵的位置。
0079因此，可見，提供了內燃機的噴射器-點火。本領域的技術人
員可以意識到，通過不同於各種實施例和優選實施例的其它實施例， 可以實施本發明，其中各種實施例和優選實施例呈現在本說明書中並 且用於說明目的而不是限制目的，本發明僅由所附權利要求限定。注 意，本說明書中闡述的具體實施例的等效物也可以實施本發明。
0080雖然上面已闡述本發明的各種實施例，但是應該了解，它們 僅以舉例方式而非限制方式呈現。類似地，各個圖可描繪本發明的示 例結構或者其它構造，這麼做有助於理解可包含在本發明中的特徵和 功能。本發明並不限於所說明的示例結構或者構造，而是可以應用多 種可選擇的結構和構造來實現所需特徵。事實上，對本領域人員顯而 易見的是，如何可以實施可選擇的功能、邏輯或者物理的部分和構造 以實現本發明的所需特徵。而且，可以對各個部分應用許多不同於在 此所述的不同組成部件的名稱。另外，關於流程圖、操作的闡述和方 法權利要求，除非文中另外指出，在此展示的步驟的順序不要求以相 同的順序實施各個實施例以實現所陳述的功能。
0081雖然上面就各個示例性實施例和實施方式闡述了本發明，但 是應該理解，在一個或多個單獨實施方式中闡述的各個特徵、方面和 功能不限於應用到闡述它們的具體實施例，而是可以單獨或者以多種 結合應用於一個或多個本發明的其它實施例中，不論這種實施例是否 被闡述，也不論這種特徵是否作為闡述的實施例的一部分被展現。因 此本發明的寬度和範圍不應該受到任一上述示例性實施例的限制。
0082除非另外特別地聲明，在這個文本中使用的術語和短語及其 變型應該解釋為與限制性相反的開放邊界。如前述的示例術語"包 括"應該視作"包括但不限於"或者類似的含意；術語"示例"用於提供論述事項的示例性例子，而非它們的窮盡的或者限制性的列舉； 術語"一個"應該視作"至少一個"、"一個或多個"或者類似的含 義；如"常規的"、"傳統的"、"正常的"、"標準的"、"公知 的"修飾語和類似含義的術語不應該解釋為將闡述的事項限制在特定 時間階段或者事項在特定時間內可用，而應該視作包含現在或者在將 來任何時間可用或者獲知的常規的、傳統的、正常的或者標準的技術。 類似地，在本文本涉及本領域技術人員明了或者公知的技術的地方， 這些技術包含現在或者在將來任何時間技術人員明了或者公知的內
0083
一組與連接詞"和"相聯繫的事項不應該視作要求在組中展 現該事項中的每個和每一個，除非另外特別聲明，否則應該讀作"和/ 或"。類似地， 一組與連接詞"或"相聯繫的事項不應該視作需要在 組屮相互排他，除非另外特別聲明，否則應該視作"和/或"。進一步， 雖然本發明的事項、構件或者組件可以以單數闡述或者主張權利，但 是除非特別聲明限於單數，否則認為複數在本發明範圍內。
0084出現的擴展詞語和短語，例如，在一些例子中的"一個或多 個"、"至少"、"並不限於"或者其它類似的短語，不應該被視作
意味著這種擴展詞語可能存在的例子中打算或者需要範圍更窄的實 例。術語"模塊"的使用並不暗示，作為模塊的一部分闡述或者主張 權利的組件或者功能均以普通的封裝配置。事實上，模塊的各個組件 的任何一個或者全部，無論控制邏輯或者其它組件，可以以單一封裝 結合或者分開地保持，並可以進一步分布在多個位置。0085另外，按照示例性方框圖、流程圖和其它圖，闡述了在此提 出的各個實施方式。在閱讀該文本之後，本領域技術人員明了，可以 不受所圖示實施例的限制，實施所圖示的實施例和它們的各種可選擇 的實施方式。例如，方框圖和它們的附隨說明不應該解釋為要求特殊 的結構或者構造。
權利要求
1. 用於將燃料噴射分配到內燃機的燃燒室中的噴射器點火燃料噴射系統，所述燃料噴射系統包含控制用於加熱和催化下一個燃料加料的加熱催化燃料噴射器的發動機控制單元ECU，其中，所述ECU使用一個點火循環前瞻算法來控制燃料噴射。
2. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，所述前瞻算法包含存 在於所述ECU上的計算機軟體程序，所述軟體程序包含控制燃料噴射的 機器可讀或者可編譯指令。
3. 如權利耍求1所述的燃料噴射系統，其中，所述算法將當前節氣 閥輸入與之前的發動機數據相比較並確定燃料負荷和到下一次點火的估 計吋間。
4. 如權利要求3所述的燃料噴射系統，其中，所述之前的發動機數 據包含上-？欠節氣閥輸入、發動機負荷、RPM值以及空氣入口溫度。
5.包含按體積計近似65%庚垸、25%十六烷以及10%乙醇的混合物。
6. 如權利要求l所述的燃料噴射系統，其中，所述燃料加料在一個 或多個氧源存在的情況下被加熱和催化。
7. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，所述算法控制在所述 燃料噴射器的加壓室內的預氧化保持時間。
8. 如權利要求7所述的燃料噴射系統，其中，所述算法基於使用中 的預定燃料混合物來確認在ECU資料庫中的適合的預氧化保持時間設置。
9. 如權利要求8所述的燃料噴射系統，其中，所述ECU資料庫含有涵蓋一定範圍的燃料辛烷值和可能相接觸的充氧添加劑的預加載表。
10. 如權利要求9所述的燃料噴射系統，其中，所述充氧添加劑選 自MTBE、乙醇、其他辛烷值和十六垸值增進劑以及其他的燃料氧化劑。
11. 如權利要求9所述的燃料噴射系統，其中，所述ECU通過檢測 點火延遲在燃料辛烷值範圍不斷地調節它的操作。
12. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，使用選自鎳、鎳-鉬、 a氧化鋁、氧化鋁矽、其他的空氣電極氧還原催化劑以及其他的用於烴 裂解的催化劑的催化劑來催化所述燃料加料。
13. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，使用包含帶有大約 5%鍆的鎳的催化劑催化所述燃料加料。
14. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，催化劑加熱溫度在 600。F和750。F之間。
15. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，噴射器壓力高至能 夠使所述燃料加料在選擇的溫度設置下以超臨界液體工作。
16. 如權利要求l所述的燃料噴射系統，其中，所述燃料噴射器依 靠高辛烷值燃料、高十六烷值燃料以及氣體發動機燃料和柴油發動機燃 料的混合物而運轉。
17. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，所述算法控制燃料 噴射器，以基本僅在所述內燃機的作功衝程期間分配所述燃料加料。
18. 如權利要求l所述的燃料噴射系統，其中，下一次發動機點火 的準備在其中所述燃料噴射器基本沒有燃料時的上一次發動機點火完成後立即啟動。
19. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，所述算法調整進入 所述燃料噴射器的能量輸入，以便所述燃料在較高的節氣閥設置下比 在較低的節氣閥設置下更快地被加熱到選定溫度。
20. 如權利要求19所述的燃料噴射系統，其中，所述算法允許在熱區建立高至四個燃料點火循環，以在快速加速期間增加燃料加熱暴
21.如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，所述ECU包括用於接 收燃料混合物信息以適應一定範圍的燃料和燃料混合物的補充輸入。
22. 如權利要求21所述的燃料噴射系統，其中，使用在加油時的直 接加入系統或者使用採樣在車內的所述燃料並將發動機工作參數傳達給 所述ECU的車載分析器來提供所述燃料混合物信息。
23. 如權利要求l所述的燃料噴射系統，其中，通過基本在上止點 起動迅速引燃點火來使廢熱最小化。
24. 如權利要求l所述的燃料噴射系統，其中，所述ECU調整噴射器 點火信號以補償在高壓縮發動機中恰好在上止點前發生的迅速旋轉減 速。
25. 如權利要求24所述的燃料噴射系統，其中，所述ECU包括發動 機查尋表，該發動機查尋錶針對包括RPM、發動機負荷以及發動機負荷 趨勢的預定操作圖而對發動機減速作校正。
26. 如權利要求25所述的燃料噴射系統，其中，所述發動機查尋表 預加載有學習算法，以測算預測的上止點與具體級別的發動機幾何結 構的實際上止點之間的誤差。
27. 如權利要求25所述的燃料噴射系統，其中，通過使用學習算法而在工作中動態地調整所述發動機查尋表，其中所述學習算法通過計 算噴射銷位置指示器和絕對上止點指示器之間的差值來不斷調整表條目。
28. 如權利要求27所述的燃料噴射系統，其中，使用爆震傳感器輸 入或者使用探測與上止點相對的絕對點火位置的氣缸內壓力傳感器使所 述調整精確。
29. 如權利要求1所述的燃料噴射系統，其中，所述ECU利用模式識 別試探法來精密地調節由於壓縮制動而產生的點火延遲漂移。
30. 如權利要求29所述的燃料噴射系統，其中，所述模式識別試探 法用於對於穩定狀態節氣閥和負荷狀況的確認。
31. 用於將燃料分配到內燃機的燃燒室內的噴射器點火燃料噴射系 統，所述燃料噴射系統包含控制用於加熱和催化下一個燃料加料的加熱催化燃料噴射器的ECU， 其中，所述ECU使用一個點火循環前瞻算法來控制燃料噴射；其中，所述加熱催化燃料噴射器包含用於將下一個燃料加料分配到加壓室中的輸入燃料計量系統； 加壓撞錘系統，該加壓撞錘系統包括用於壓縮在所述加壓室內的所述燃料加料的加壓撞錘，其中所述燃料加料在有催化劑存在的情況下在所述加壓室中被加熱；以及用於將加熱催化的燃料加料噴射到所述內燃機的所述燃燒室中的噴射器噴嘴。
32. 如權利要求31所述的燃料噴射系統，其中，下一次發動機點火 的準備在上一次發動機點火完成後立即啟動。
33. 如權利要求32所述的燃料噴射系統，其中，在所述上一次發動機點火完成時，所述燃料噴射器基本沒有燃料，所述加壓撞錘處於完全 排出位置並且所述噴射器噴嘴關閉。
34. 如權利要求31所述的燃料噴射系統，其中，下一次點火循環包 含收回所述加壓撞錘，這允許所述輸入燃料計量系統將液體燃料的氣溶 膠分配到所述加壓室中。
35. 如權利要求34所述的燃料噴射系統，其中，所述加壓撞錘隨後 在兩個步驟循環中對所述燃料加壓，所述兩個步驟循環包括當燃料正在 加熱和蒸發吋保護所述燃料噴射器，以及將所述燃料加壓到目標噴射壓 力和溫度。
36. 如權利要求35所述的燃料噴射系統，其中，蒸發所述燃料以達 到所述目標噴射壓力和溫度。
37. 如權利要求31所述的燃料噴射系統，其中，在預定保持時間之 後所述噴射器噴嘴打開，並且所述加壓撞錘將所述燃料加料推入所述燃 燒室中以便所述加壓撞錘達到完全排出位置。
38. 如權利要求37所述的燃料噴射系統，其中，所述預定保持時間 從下-上止點事件逆向延伸。
全文摘要
本發明提供內燃機的噴射器點火燃料噴射系統，其包含ECU，該ECU控制用於加熱和催化下一個燃料加料的加熱催化燃料噴射器，其中，ECU使用一個點火循環前瞻算法來控制燃料噴射。ECU可以進一步包括查尋表、自動調節功能和試探法以便補償在可以與本發明一同使用的輕量小型超高壓縮發動機中靠近上止點發生的快速旋轉減-加速。ECU可以響應發動機加速需要進一步緩增對噴射器的熱輸入，並且在這種情況下可以將其前瞻延伸至高達四個點火循環。
文檔編號F02B51/02GK101438049SQ200780015091
公開日2009年5月20日 申請日期2007年3月28日 優先權日2006年3月31日
發明者M·C·謝凱 申請人:超音速燃燒公司