專利名稱：用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)直接噴射乙醇增強(qiáng)的優(yōu)化燃料管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于與火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一同使用的優(yōu)化燃料管理系統(tǒng)，其中作為 燃料的抗爆震劑直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)。
背景技術(shù)：
除了以上所述序列編號(hào)為10/991,774的專利申請(qǐng)案中所揭示的技術(shù)以外，還存在 很多其他重要的用于優(yōu)化通過直接噴射乙醇來增強(qiáng)爆震抑制以使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高最大 而使空氣污染物的排放最小的方法。還存在其他用于通過乙醇濃操作在高負(fù)荷操作期 間保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)，且使成本、乙醇燃料使用及乙醇燃料存儲(chǔ)要求最小的方法。 本發(fā)明對(duì)這些方法進(jìn)行闡述。這些方法部分地基于使用我們開發(fā)的新型計(jì)算機(jī)模型從而可更加精確地計(jì)算可 變乙醇辛烷值增強(qiáng)的效應(yīng)。所述模型可確定直接噴射乙醇對(duì)不同噴射時(shí)間所發(fā)生的爆震及與進(jìn)氣口燃料噴射汽油的效應(yīng)。其可確定直接乙醇噴射的汽化冷卻對(duì)爆震抑制的 有益效應(yīng)。發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)方面中，本發(fā)明是一種針對(duì)火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)操作的燃料管理系統(tǒng)，其 包括汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及作為燃料的抗爆震劑來源。使用抗爆震劑可通過促進(jìn)提高驅(qū)動(dòng)循環(huán) 內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率及替換汽油作為燃料來節(jié)省汽油。噴射器經(jīng)設(shè)置以直接將抗爆震劑噴 射發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)，且燃料管理控制系統(tǒng)對(duì)抗爆震劑噴射缸體進(jìn)行控制以控制爆震?？?通過來自傳感器的信號(hào)來起始抗爆震劑的噴射。還可在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩高于選定值或最大 扭矩的一定份額時(shí)起始抗爆震劑的噴射，其中所述值或最大扭矩的份額取決于發(fā)動(dòng)機(jī) 速度。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述噴射器在入口閥關(guān)閉之后噴射抗爆震劑。優(yōu)選地，抗爆 震劑的汽化熱至少為汽油的兩倍，或每單位燃燒能量的汽化熱至少為汽油的三倍。優(yōu) 選的抗爆震劑是乙醇。在本發(fā)明這個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例中，部分燃料通過進(jìn)氣口噴射，且所述通過進(jìn)氣口噴射的燃料是汽油。直接噴射的乙醇可與汽油或與甲醇混合。同樣 優(yōu)選地，如果發(fā)動(dòng)機(jī)以自然吸入的汽油操作，所述發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的壓 力的至少兩倍的歧管壓力下操作。當(dāng)期望對(duì)爆震進(jìn)行抑制時(shí)，驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間的適合最大乙醇份額以能量計(jì)是介于30%與100%之間。優(yōu)選地，壓縮比應(yīng)至少為10。借助較 高的歧管壓力，可將發(fā)動(dòng)機(jī)縮小二分之一且可使驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的效率提高30%。優(yōu)選地，在噴射抗爆震劑(例如，乙醇)的部分時(shí)間或全部時(shí)間期間，發(fā)動(dòng)機(jī)以 大體理想配比的空氣/燃料比操作。在這個(gè)情況下，可使用三元催化劑減少來自發(fā)動(dòng)機(jī) 的廢氣排放。所述燃料管理系統(tǒng)可以開路或閉路模式操作。在某些實(shí)施例中，使用非均勻的乙醇噴射。當(dāng)期望非均勻乙醇分布時(shí)，可相對(duì)于 下止點(diǎn)延遲乙醇的噴射。本申請(qǐng)案余下的部分中將詳細(xì)地闡述本發(fā)明很多其他實(shí)施例。


圖l是隨著入口歧管壓力變化避免爆震所需的乙醇份額(以能量計(jì))的圖表。圖 中針對(duì)不同的P值來顯示乙醇份額，P是因渦輪增壓(及后冷(如果使用的話))而引 起的氣動(dòng)缸充氣的溫度變化與因渦輪增壓器而引起的空氣絕熱溫度增加的比。 圖2a是對(duì)于3巴歧管壓力的隨曲軸角變化的缸體壓力圖表。 圖2b是對(duì)于3巴歧管壓力的隨曲軸角變化的充氣溫度的圖表。 圖3是本文所揭示燃料管理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，所述燃料管理系統(tǒng)用于 通過計(jì)量/控制流入發(fā)動(dòng)機(jī)的乙醇、汽油及空氣來維持理想配比狀態(tài)。 圖4a及4b是有關(guān)從乙醇/汽油混合物中分離出乙醇的示意圖解。 圖5是使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的乙醇增壓的車輛靈活性燃料箱的剖視圖。
具體實(shí)施方式
乙醇的汽化熱為汽油的兩倍以上，每kg的燃燒熱為汽油的約60%，且每單位燃 燒能量的汽化熱為汽油的接近四倍。因此，通過適合地直接噴射抗爆震劑，缸體空氣/ 燃料充氣的汽化冷卻可非常地大。以下提及的計(jì)算機(jī)模型顯示汽化冷卻對(duì)爆震抑制可 具有非常有益的效應(yīng)。其顯示通過在接納進(jìn)入缸體的空氣及汽油的入口閥關(guān)閉之后噴 射乙醇，可使所述有益效應(yīng)最大。這種乙醇的遲后噴射可實(shí)現(xiàn)顯著較高的壓力操作而 不會(huì)出現(xiàn)爆震，且因此可實(shí)現(xiàn)比過早噴射的情況更高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)操作。因此，遲后 噴射相對(duì)于過早噴射的常規(guī)方法是優(yōu)選的，之所以使用過早噴射是因?yàn)槠淇商峁┝己?的混合。所述模型還提供可用于開路(亦即，使用預(yù)定信息而不使用反饋的控制系統(tǒng)) 燃料管理控制算法的信息。通過具備最高可能的爆震抑制增強(qiáng)的能力，可將從直接噴射乙醇所能獲得的汽油 發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高到達(dá)最大。這種能力可在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)最高可能的扭矩量，且由此對(duì)于既定的壓縮比可促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸縮小最大程度。通過使用100%或接近100%的乙醇直接噴射可獲得最大的爆震抑制。通過進(jìn)氣口 噴射少量的汽油可是有益的，這通過提供更為均質(zhì)的混合物來獲得燃燒的穩(wěn)定性。汽 油的進(jìn)氣口燃料噴射還可使得不需要第二直接燃料系統(tǒng)或?yàn)閮煞N燃料使用一組噴射器 的更為復(fù)雜的系統(tǒng)。這可有助于將成本減少到最低限度。驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間所使用的最大乙醇份額將取決于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及不同發(fā)動(dòng)機(jī)速度下所期望的最大扭矩水平。以能量計(jì)，最大乙醇份額的代表性范圍介于20%與 100%之間。為獲得最高可能的辛垸值增強(qiáng)而同時(shí)仍保持燃燒穩(wěn)定性，100%的燃料都來自乙醇可是有益的，其中一定的份額是通過進(jìn)氣口噴射來替代小份額的通過進(jìn)氣口加注的汽 油。通過針對(duì)不同狀態(tài)下的爆震沖擊開發(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，已使通過直接噴射乙醇進(jìn) 入汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來抑制爆震的起始確定得到改善。所述計(jì)算機(jī)模擬可為燃料管理控制中 的應(yīng)用提供更為精確的信息。其還顯示了獲得比我們的早先計(jì)劃更大的辛烷值增強(qiáng)的 潛力。較大的辛垸值增強(qiáng)可通過更大地縮小尺寸及更高的壓縮比操作來增加效率增益。 其還可減少既定效率增加的乙醇使用量。所述計(jì)算機(jī)模型將乙醇汽化效應(yīng)及乙醇/汽油/空氣混合物的活塞運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的物理 模型與燃燒動(dòng)力學(xué)的人工計(jì)算代碼的狀態(tài)組合在一起。燃燒動(dòng)力學(xué)的計(jì)算代碼是CHEMKIN 4.0代碼[R. J. Kee, F. M. Rupley， J. A. Miller, M. E. Coltrin, J. F. Grcar， E. Meeks， H. K. Moffat, A. E. Lutz, G. Dixon-Lewis, M. D. Smooke, J. Warnatz, G. H. Evans, R. S. Larson, R. E. Mitchell, L. R. Petzold, W. C.Reynolds, M. Caracotsios, W. E. Stewart, P. Glarborg, C. Wang, O. Adigun， W. G. Houf， C. R Chou, S. F. Miller, R Ho, and D. J. Young, CHEMKIN Release 4.0， Reaction Design, Inc., San Diego， CA (2004)]中的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。所 述CHEMKIN代碼是一種用于解決復(fù)雜化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題的軟件工具。這個(gè)新模型使用 基于Curran等人的主要參考汽油燃料(PRF)機(jī)制[Curran, H. J., Gaffuri, P., Pitz, W. J.， and Westbrook, C. K. "A Comprehensive Modeling Study of iso-Octane Oxidation," Combustion and Flame 129:253-280 (2002)]中的化學(xué)速率信息來代表自動(dòng)點(diǎn)火的沖擊。使用發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比21的人工制品來模擬對(duì)燃料/空氣混合尾氣的壓縮，從而代表 發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際壓縮比為10的尾氣的狀態(tài)。尾氣定義為75% (以質(zhì)量計(jì))的燃料燃燒 之后剩余的未燃燒空氣/燃料混合物。尾氣最容易自動(dòng)點(diǎn)火(爆震)。較大的壓縮比包 括由于75%不在尾氣區(qū)域中的燃料燃燒時(shí)所釋放的能量而引起缸體中壓力升高的效 應(yīng)。取決于噴射的時(shí)間，直接乙醇汽化對(duì)溫度的效應(yīng)是由考慮汽化潛熱對(duì)溫度的效應(yīng) 來進(jìn)行模擬。其中還包括由于渦輪增壓而引起溫度升高的效應(yīng)。由于渦輪增壓而引起的溫度升 高是使用空氣絕熱壓縮模型來計(jì)算。假設(shè)管道或中間冷卻器內(nèi)的傳熱會(huì)導(dǎo)致較小的溫度升高。這個(gè)效應(yīng)是通過假設(shè)進(jìn)入缸體的空氣充氣的溫度升高ATcHARGE為TCHARGE=P ATturb。來進(jìn)行模擬，其中ATturb。是在壓縮機(jī)之后由于增壓而引起的溫度升高，且0是常數(shù)。在所述模擬中已使用了 0.3、 0.4及0.6的e值。假設(shè)使用進(jìn)氣口燃料噴射汽 油的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣溫度為380K。圖1顯示上述計(jì)算機(jī)模型在不同的P值下關(guān)于隨著入口歧管中壓力的變化防止爆 震所需的最小乙醇份額的預(yù)測(cè)。常規(guī)壓縮比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)在入口歧管壓力為3巴的情 況下的歧管溫度的對(duì)應(yīng)計(jì)算顯示于表1。充氣的溫度會(huì)隨直接噴射的乙醇而變化且以 自相一致的方式計(jì)算于表1及圖1中。這些計(jì)算中所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)速度為1000 rpm。表1表1是在不同e值下，壓縮比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)在入口歧管壓力為3巴的情況下防 止爆震所需的溫度及乙醇份額的計(jì)算機(jī)模型計(jì)算，P是因渦輪增壓而引起的缸體空氣充氣溫度變化與因渦輪增壓而引起的絕熱溫度增加的比TcHARGE-0 ATturb。。發(fā)動(dòng)機(jī)速度為1000 rpm。0.30.40.6充氣起始溫度K380380380蝸輪A溫度K180180180中間冷卻器之后的A溫度K5472固由于DI乙醇及汽油而引起的A溫度K-103-111-132等效充氣的起始溫度K331341356汽油辛烷值878787防止爆震所需的乙醇份額(以能量計(jì))74%82%97%正常地，在入口閥關(guān)閉之前提早實(shí)施直接汽油噴射以獲得燃料及空氣的良好混 合。然而，我們的計(jì)算機(jī)計(jì)算顯示在入口閥關(guān)閉之后進(jìn)行噴射可獲得大大的益處。 在入口閥關(guān)閉之后進(jìn)行噴射的情況下，空氣的量是恒定的。因此，溫度的變化是使用恒定體積(cv)的熱容量來計(jì)算。其中接納通到缸體的空氣及燃料的閥仍然敞開 的過早噴射的情況是使用恒壓熱容量(Cp)來進(jìn)行模擬。相比于恒壓的情況，恒體積的情況會(huì)導(dǎo)致因汽化而造成充氣的溫度降低多降低約30%。更佳的汽化冷卻可允許在 較高歧管壓力(其對(duì)應(yīng)于更大的辛烷值增強(qiáng))下操作而不會(huì)出現(xiàn)爆震，而在過早噴射 情況下1巴以上的差即會(huì)出現(xiàn)爆震。直接噴射諸如乙醇及甲醇等燃料的情況與直接噴 射汽油的情況相比，恒體積相對(duì)于恒壓的汽化冷卻效應(yīng)的增加顯著地高。所述計(jì)算的典型結(jié)果顯示于圖2中。所述圖式針對(duì)3巴的歧管壓力及0.4的P值 顯示隨著曲軸角變化的缸體充氣壓力(a)及溫度(b)。其中選擇了兩個(gè)乙醇份額值， 一個(gè)值導(dǎo)致自動(dòng)點(diǎn)火且產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)爆震(以燃料能量計(jì)0.82的乙醇份額)而另一個(gè)值 沒有自動(dòng)點(diǎn)火(亦即，沒有爆震)(0.83的乙醇份額)。自動(dòng)點(diǎn)火是一種臨界現(xiàn)象，且 在此情況下發(fā)生于0.82與0.83的乙醇份額之間。對(duì)于0.83的乙醇能量份額，在360° 處(上止點(diǎn))壓力及溫度升高很大程度上是因活塞對(duì)空氣燃料混合物的壓縮所引起。當(dāng)乙醇能量份額減少到0.82時(shí)，溫度及壓力會(huì)由于自動(dòng)點(diǎn)火而到達(dá)峰值。雖然圖2中 的自動(dòng)點(diǎn)火大體發(fā)生在360度之后，但自動(dòng)點(diǎn)火的定時(shí)對(duì)自動(dòng)點(diǎn)火溫度非常敏感(起 始溫度變化1K或乙醇能量份額變化1%會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)點(diǎn)火定時(shí)變化5個(gè)曲軸角度)。抗爆震劑(此情況中是乙醇)的汽化冷卻效應(yīng)顯示于表2中，其中對(duì)三種情況進(jìn) 行了比較。第一種情況是關(guān)于進(jìn)氣口燃料噴射乙醇。在此情況下，乙醇在歧管壁上的 汽化對(duì)通到缸體的充氣溫度的效應(yīng)可忽略不計(jì)，這是因?yàn)楸焕鋮s的歧管壁而不是空氣 充氣。第二種情況假設(shè)的是直接噴射但入口閥敞開且汽化是在恒壓下進(jìn)行，其中充氣 的冷卻可接納通到缸體的額外空氣。如先前論述，第三種情況是假設(shè)在入口閥關(guān)閉之 后較晚的噴射。假設(shè)為理想配比操作，假設(shè)基線溫度為380K，且假設(shè)渦輪增壓器之后 歧管中存在冷卻，其中3=0.4。Table 2表2是關(guān)于乙醇進(jìn)氣口燃料噴射及在入口閥關(guān)閉之前及之后的直接噴射的無爆震 操作。壓縮比為10，基線充氣溫度為380K，中間冷卻器/后冷卻蝸輪3=0.4，理想配 比操作，87RON的汽油。發(fā)動(dòng)機(jī)速度為1000rpm。沒有汽化冷閥關(guān)閉之前的汽化冷閥關(guān)閉之前的汽化冷卻卻卻乙醇份額(以能量計(jì))0.950.950.95最大歧管壓力(巴)1.052.44.0冷卻后的缸體壓力(巴)1.052,43.0冷卻之后的缸體充氣溫度383360355(K)這些結(jié)果顯示冷卻的強(qiáng)效應(yīng)。對(duì)于0.95的乙醇份額(以能量計(jì))，進(jìn)氣口燃料噴 射情況下防止爆震(沒有點(diǎn)火延遲)的最大歧管壓力為1.05巴。對(duì)于直接噴射乙醇， 最大的無爆震歧管及缸體壓力為2.4巴，其中充氣的溫度降低 75K。最后一種在入口 閥關(guān)閉之后進(jìn)行噴射的情況允許歧管壓力為4巴，缸體壓力(在冷卻之后)為3巴， 且充氣溫度降低120 K。應(yīng)注意，即使過早噴射情況允許進(jìn)入額外的空氣(在恒壓下)， 在閥關(guān)閉之后的遲后噴射情況下的扭矩實(shí)際上還是比過早噴射的情況高。為進(jìn)行比較， 還使用所述模型來計(jì)算在只進(jìn)氣口燃料噴射87辛垸值的汽油的情況下發(fā)生爆震的歧 管壓力。假設(shè)火花定時(shí)在MBT處(最大致動(dòng)扭矩)，則所述壓力為 0.8巴。通過延滯 其中原本會(huì)發(fā)生爆震的高扭矩區(qū)域處的定時(shí)，常規(guī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可以1巴來操作。因此， 所述模型顯示在入口閥關(guān)閉之后直接噴射乙醇的汽化冷卻效應(yīng)可遠(yuǎn)大于相對(duì)于汽油來 說辛垸數(shù)品級(jí)較高的乙醇的汽化冷卻效應(yīng)。4巴的歧管壓力是非常大膽的。表2顯示通過在入口閥關(guān)閉之后直接噴射使系統(tǒng) 性能得到巨大的改善?？捎么饲闆r下所改善的性能來換取增大的壓縮比或抗爆震劑的使用減少。應(yīng)注意，如上所述，所述對(duì)自動(dòng)點(diǎn)火(爆震)的計(jì)算是保守的，這是因?yàn)閳D2中 所示情況的自動(dòng)點(diǎn)火在所述循環(huán)中發(fā)生得相對(duì)較晚，且所述燃料可能在其自動(dòng)點(diǎn)火之 前已經(jīng)燃燒。此外，應(yīng)注意，圖2中的計(jì)算在自動(dòng)點(diǎn)火之后失效，這是因?yàn)閴毫η€將與所假設(shè)的不同?？墒褂妙愃朴趫D2的圖式來確定不會(huì)發(fā)生自動(dòng)點(diǎn)火的狀態(tài)，且然 后將那些狀態(tài)用來提供圖1的信息。圖2中所示情況的起始溫度對(duì)于0.82的乙醇份額 是341K，對(duì)于0.83的乙醇份額為340K，相差1K (這個(gè)差是因乙醇的冷卻效應(yīng)而引 起的)。由于大的汽化熱，所以過早噴射會(huì)有足夠的充氣冷卻，因此乙醇的汽化率大大降 低。通過相反地噴射熱氣體(其是在入口閥關(guān)閉之后進(jìn)行噴射的情況)，相對(duì)于過早噴 射，在乙醇完全汽化結(jié)束時(shí)的溫度會(huì)大大升高，從而增加汽化率且使壁潤(rùn)數(shù)減小到最為獲得最佳的活化及近乎均質(zhì)的充氣，進(jìn)行噴射的最佳定時(shí)是在入口閥關(guān)閉之后 不久，只要充氣對(duì)于抗爆震劑汽化充分地溫暖。如果另一方面期望使用非均勻混合物 來使乙醇需要減少到最少并改善點(diǎn)火穩(wěn)定性，則相比于其中以最佳可實(shí)現(xiàn)混合為目標(biāo) 的情況，所述噴射應(yīng)較晚地發(fā)生?？赏ㄟ^使用類似于柴油的噴射方案(例如，具有多個(gè)噴束的噴射器)來優(yōu)化在入 口閥關(guān)閉之后的乙醇遲后噴射。重要的是快速地且以能將任何缸體壁潤(rùn)濕減少到最小 的速度來噴射燃料，如下闡述，缸體壁潤(rùn)濕可導(dǎo)致潤(rùn)滑油從缸體襯套上除去。多孔噴 嘴的多個(gè)噴束會(huì)導(dǎo)致噴射速度相對(duì)較低的分布式噴束圖案。這對(duì)于乙醇尤其重要，因 為同等的內(nèi)能，乙醇的體積量較大(與汽油相比)。在閥關(guān)閉之后進(jìn)行噴射可需要適當(dāng)份額的燃料(例如，25%)通過進(jìn)氣口噴射以 實(shí)現(xiàn)所期望的燃燒穩(wěn)定性。可引入翻騰狀或漩渦運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)所期望的燃燒穩(wěn)定性。通 過進(jìn)氣口噴射的燃料可為汽油或可為乙醇。針對(duì)只使用汽油的操作使用計(jì)算機(jī)模型得出了與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛中所觀測(cè)到的 所發(fā)生爆震相一致的結(jié)果，由此為乙醇計(jì)劃的可信度提供了支持。所述計(jì)算機(jī)模型顯 示，只對(duì)于壓縮比為IO的無爆震汽油操作來說，爆震對(duì)自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所允許的 歧管壓力有嚴(yán)重的約束，且即使通過直接噴射汽油，也只能實(shí)現(xiàn)非常有限(例如，小 于1.2巴)的歧管壓力，除非使用活化延滯及/或濃操作。然而，這些改變可降低效率 而增加排放。圖1顯示在壓縮比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)中可通過直接噴射份額介于40與80%之間的乙 醇以大于2巴的歧管壓力來防止爆震。要沒有發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，所述歧管壓力可至少為2.5 巴。3巴的壓力可允許發(fā)動(dòng)機(jī)縮小到自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的 1/3，而同時(shí)仍能產(chǎn)生相同 的最大扭矩及功率。以上計(jì)算所顯示的大增壓可需要多級(jí)渦輪增壓器。除了多級(jí)渦輪 增壓器以外，所述渦輪增壓器可為雙渦巻蝸輪類型以優(yōu)化渦輪增壓及減少由于缸體數(shù) 量少而在入口歧管中產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。通過將發(fā)動(dòng)機(jī)中所允許的歧管壓力增加兩倍，可將所述發(fā)動(dòng)機(jī)縮小二分之一 (亦 即，缸體體積減小二分之一或更多)且壓縮比可保持恒定或升高。例如，可通過四缸 體發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)八缸體發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在既定扭矩值下是否發(fā)生爆震取決于發(fā)動(dòng)機(jī)速度。除了提供更大的最大扭矩及功 率以外，還可使用直接噴射乙醇以通過減少或消除點(diǎn)火延遲來提供低發(fā)動(dòng)機(jī)速度(小于1500rpm)下扭矩的顯著改善。點(diǎn)火延遲通常與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一同使用以防止低發(fā)動(dòng) 機(jī)速度下的爆震，其中相比于高速發(fā)動(dòng)機(jī)速度的情況，自動(dòng)點(diǎn)火在較低的扭矩值下發(fā) 生?？墒褂脠D1來確定在不同扭矩及馬力水平下防止爆震所需的乙醇份額，其與既定 大小的發(fā)動(dòng)機(jī)中的歧管壓力成份額。可在開路控制系統(tǒng)中使用所述信息。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下使用直接乙醇噴射增強(qiáng)的效率可比壓縮比為10的 自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率高出至少20%且優(yōu)選地至少30%。這種提高歸因于顯著的 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓及得到相同功率的尺寸縮小、以及由大的辛垸值增強(qiáng)所實(shí)現(xiàn)的高壓縮比操 作(為ll或更大的壓縮比)。借助更大膽地將尺寸縮小50%以上(其中不到一半的移 位就可獲得相同的發(fā)動(dòng)機(jī)效能)，效率的提高可超過30%。還可通過使用可變閥定時(shí)(VVT)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的辛烷值要求來獲得更大的尺寸縮 小及更高的效率。因此，在高扭矩的狀態(tài)下，可使用可變閥定時(shí)以通過適當(dāng)?shù)馗淖內(nèi)?口及排氣閥的敞開/關(guān)閉來降低壓縮比。高扭矩下的效率損失對(duì)總體的燃料節(jié)省效應(yīng)很 小，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)很少在這些狀態(tài)下操作。還可使用VVT來更好地清除廢氣[B. Lecointe and G. Monnier, "Downsizing a Gasoline Engine Using Turbocharging with Direct Injection" SAE paper 2003-01-0542]。減 少廢氣會(huì)降低空氣/燃料的溫度。鑒于入口歧管內(nèi)的壓力高于排氣管的壓力，所以可采 用保持入口及排氣閥二者敞開來從燃燒室中除去廢氣。這種效應(yīng)加上缸體中濃度稍大 的操作可導(dǎo)致增大避免爆震的效果，而同時(shí)所述排氣仍為理想配比的。還可使用經(jīng)冷 卻的EGR及火花定時(shí)調(diào)節(jié)來增大避免爆震的效果。在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度下遞送高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩時(shí)的任何延遲都會(huì)減低車輛的驅(qū)動(dòng)性。在這 些狀態(tài)下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸顯著地縮小，所以車輛在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度下具有不足夠的加 速度，直到蝸輪產(chǎn)生高壓為止。可通過使用乙醇直接噴射、通過減少點(diǎn)火延遲或濃操 作中的乙醇/汽油及通過使用可變闊定時(shí)來除去所述延遲。另一方法可為使用電輔助渦輪增壓器。具備可短時(shí)期產(chǎn)生所需增壓的單元。所述 裝置提供非常快速的響應(yīng)時(shí)間，但其具有大功率的要求?？墒褂枚鄿u巻渦輪增壓器來降低可能由經(jīng)縮小發(fā)動(dòng)機(jī)中缸體數(shù)量減少所導(dǎo)致的 歧管內(nèi)壓力波動(dòng)。所述渦輪增壓器下游的空氣溫度由于所述壓縮過程而升高。使用中間冷卻器可防 止此溫度升高增加發(fā)動(dòng)機(jī)的辛垸值要求。另外，為使所述發(fā)動(dòng)機(jī)在既定渦輪增壓下的 可用功率到達(dá)最大，對(duì)空氣充氣進(jìn)行冷卻可增加進(jìn)入缸體內(nèi)的空氣質(zhì)量，且因此產(chǎn)生更高的功率。為使排放最少，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)大體全部時(shí)間或大部分時(shí)間以理想配比的空氣/燃料比來 操作以便可使用三元排氣催化劑處理。圖3顯示三元排氣處理催化劑10且顯示維持其 有效操作所需的大體理想配比的燃料/空氣比所需的空氣、汽油及乙醇控制。所述系統(tǒng)使用氧氣傳感器12作為電子控制單元(ECU) 14的輸入。ECU 14控制進(jìn)入渦輪增壓 器16的空氣量、汽油量及乙醇量以確保理想配比操作。在瞬時(shí)狀態(tài)期間，使用來自所 存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)圖表(未顯示)的開路算法以確定空氣、汽油及乙醇流以保持發(fā)動(dòng)機(jī)18 的缸體中大體理想配比的燃燒。因此，當(dāng)使用可變乙醇辛烷值增強(qiáng)時(shí)，燃料管理系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)空氣、汽油及乙醇 的量以使燃料/空氣比大體上等于1。由于如果通過燃料管理所確定的空氣/汽油比在乙 醇噴射期間得不到糾正，則所述混合物便不再為理想配比的，因此需要額外的控制。 相比于Stokes等人[J. Stokes， T. H. Lake and R. J. Osborne, "A Gasoline Engine Concept for Improved Fuel Economy -The Lean Boost System," SAE paper 2000-01-2902]中的貧 增壓方法，使用三元催化劑的理想配比操作可產(chǎn)生非常低的尾管排放。發(fā)動(dòng)機(jī)操作圖表中存在某些其中ECU 14可開路操作的區(qū)域，亦即，控制是由與 發(fā)動(dòng)機(jī)圖表查找表的比較來確定的而并非由來自感測(cè)參數(shù)(此情況下是發(fā)動(dòng)機(jī)爆震) 的反饋來確定(閉路、如先前所提及，瞬時(shí)狀態(tài)期間的開路操作可是有利的。另一種其中開路控制是有利的情況是在高負(fù)荷下，其中可需要燃料濃狀態(tài)(其中 燃料/空氣比大于理想配比)來降低燃燒溫度且由此保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)(尤其是在 延長(zhǎng)的操作期間)。汽油引起車輛中的常規(guī)方法是使用增大的燃料/空氣比，亦即，在 濃狀態(tài)下操作。存在車載乙醇可允許有兩種選擇。第一種選擇是使用超過控制爆震所 需的乙醇燃料份額。由于直接乙醇噴射的高汽化冷卻效應(yīng)，因此即使在理想配比的狀 態(tài)下，也可將燃燒溫度降低一個(gè)大于只使用汽油所能獲得的量。第二種選擇是如常規(guī) 應(yīng)用中那樣在濃操作中使用增多的燃料加注(其可導(dǎo)致相對(duì)空氣/燃料質(zhì)量比低達(dá) 0.75，其中理想配比混合物的相對(duì)空氣/燃料比為1)。所述控制系統(tǒng)可在兩種燃料(乙 醇及汽油)之間進(jìn)行選擇。乙醇使用的增多可好過汽油使用的增多，因?yàn)槠渑欧盼飳?duì) 環(huán)境的損害小于汽油及濃操作的量降低，從而可實(shí)現(xiàn)所需要的溫度控制。使用汽油及 乙醇二者的開路操作可需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的"査找表"作出大量的修改。因此， 一種操作發(fā)動(dòng)機(jī)的方法是在部分負(fù)荷的狀態(tài)下進(jìn)行只使用汽油的閉路操 作。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可使用查找表改到開路操作。所述發(fā)動(dòng)機(jī)的閉路控制可為如下爆震傳感器(未顯示)確定所需的乙醇份額， 而氧氣傳感器12確定總的燃料量。這種方案的一個(gè)變型是使用查找表來操作爆震控制 開路以確定乙醇/汽油比，而操作閉路來確定總的燃料量。為使乙醇(其具有相對(duì)較低的沸點(diǎn))的蒸汽排放到達(dá)最少，可向所述乙醇添加溶 劑以使這個(gè)效應(yīng)最小。 一種替代的方法是在乙醇箱與大氣之間放置捕獲乙醇且在發(fā)動(dòng) 機(jī)操作時(shí)釋放乙醇的吸收罐。由于乙醇較大的冷卻效應(yīng)，所以一段時(shí)間以來人們已經(jīng)知道發(fā)動(dòng)冷的發(fā)動(dòng)機(jī)是困 難的(例如，在前30秒期間)。借助多重燃料，可在不添加乙醇的情況下發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。 汽油比乙醇容易汽化，且使用進(jìn)氣口燃料或直接噴射的汽油的常規(guī)操作可較容易地發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。可使用比普通所用份額大的汽油份額以便在發(fā)動(dòng)機(jī)操作的前30秒期間能夠容易進(jìn)行發(fā)動(dòng)操作。由于縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、通過在最高扭矩值處使用100%或接近100%的乙醇而得以提高的效率具有需要較高乙醇份額的非理想效應(yīng)。因此，當(dāng)期望實(shí)現(xiàn)最大效率增益時(shí)， 使用非均勻乙醇分布來使這些扭矩值處的乙醇使用到達(dá)最少變得更具吸引力。在某一扭矩及增壓壓力值以下，使用非均勻乙醇分布以減少所用乙醇的量可是有 利。在某一扭矩或渦輪增壓器或增壓器增壓壓力以上，就不使用非均勻充氣，因?yàn)榘l(fā) 動(dòng)機(jī)很大部分是依靠乙醇來操作，且乙醇的非均勻不能用于使乙醇消耗到達(dá)最小。如 果所期望的乙醇高于50%，則這尤其重要?？赏ㄟ^某些乙醇噴射的幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)通過乙醇在缸體中的非均勻分布來使乙 醇使用到達(dá)最小的能力?？蓪⒁掖紘娚涞戒鰷u充氣的周邊。為將乙醇的壁潤(rùn)濕減到最 小，方便地，以乙醇噴射與充氣漩渦運(yùn)動(dòng)相匹配的方式來進(jìn)行噴射。因此，所述噴射 方向相對(duì)于缸體的主軸線以一定的角度定位，從而以一定的角方向分量來噴射乙醇。 可通過溫度分層來維持漩渦情況下的充氣分層，其中較冷(及較密)區(qū)域在周邊處， 其對(duì)應(yīng)于尾氣區(qū)。在缸體中提供乙醇非均勻分布的替代或額外方法是相對(duì)于下止點(diǎn)相對(duì)較晚地噴 射乙醇。因此，乙醇輸送及擴(kuò)散的時(shí)間被減到最小。然而，應(yīng)為乙醇的完全汽化留出 充分的時(shí)間。因?yàn)樵谙轮裹c(diǎn)(BDC)之后溫度較高，所以汽化時(shí)間減少，且乙醇很少 可能會(huì)濕潤(rùn)缸體壁。還可使用產(chǎn)生小液滴的噴射器來實(shí)現(xiàn)對(duì)乙醇汽化的改善。所述噴 射器可為具有相對(duì)較窄引導(dǎo)噴流的單噴束圖案噴射器。這種類型的噴流可優(yōu)化乙醇在所期望區(qū)域中的沉積。在缸體中(在缸體的外部區(qū)域中)形成非均勻乙醇分布具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu) 點(diǎn)是可增加對(duì)具有自動(dòng)點(diǎn)火(爆震)傾向的區(qū)域(尾氣區(qū)域)的冷卻效應(yīng)。第二個(gè)優(yōu) 點(diǎn)是中央?yún)^(qū)域不會(huì)被冷卻，從而改善點(diǎn)火及起始火焰的傳播。優(yōu)選地，將所述中央?yún)^(qū) 域保持在熱狀態(tài)，因?yàn)榭赏ㄟ^減少燃燒時(shí)間及尾氣預(yù)燃燒化學(xué)過程的時(shí)間在火焰?zhèn)鞑?早期具有快速的火焰速度。使燃燒時(shí)間減到最短可減小爆震的傾向，因?yàn)槿绻矚庠?自動(dòng)點(diǎn)火之前燃燒完，則不會(huì)發(fā)生爆震。因此，即使在汽油均勻散布在整個(gè)缸體中的 狀態(tài)下，也可具有空氣/燃料混合物的良好點(diǎn)火性質(zhì)。分層式操作可使充氣冷卻局部增大。這是因?yàn)樗鶉娚涞囊掖贾焕鋮s小份額的充 氣，且因此對(duì)于既定量的乙醇，分層操作的溫度局部降低與均勻乙醇分布的平均溫度 降低要大。遲后噴射可幫助非均勻空氣/乙醇混合物的形成，因?yàn)榛旌蠒r(shí)間有限。由于 一定份額的汽油是通過進(jìn)氣口燃料噴射的，所以可假設(shè)所述燃料均質(zhì)地分布在缸體中， 但乙醇擇優(yōu)地處在較冷邊緣內(nèi)(尾氣)。因此，盡管總體的空氣/燃料充氣是理想配比的，然而局部地，在火花附近較貧，而在尾氣區(qū)域中較濃。這兩個(gè)狀態(tài)都是有利的， 因?yàn)辄c(diǎn)火發(fā)生在溫度較高的區(qū)域中(盡管稍微較貧)，同時(shí)外側(cè)較濃且較冷，這二者都 是抑制爆震的因素。在漩渦或翻騰分層空氣燃料充氣在中央處具有熱空氣/汽油且在尾氣中具有較冷 空氣/乙醇或空氣/乙醇/汽油混合物的情況下，有利地，將火花置于熱空氣/汽油混合物 區(qū)域(大體在燃燒室中央的附近)中。如果汽油也是直接噴射，則可將乙醇的消耗降到最低。在此情況中，汽油的汽化 熱還有助益降低缸體內(nèi)充氣的溫度。可使用一組單獨(dú)的噴射器來噴射汽油。這可提供 最大的靈活性。然而，在缸體蓋中的有限空間內(nèi)，每缸體安裝兩組噴射器可能有困難。 一種替代方法是提供單組噴射來噴射乙醇及汽油二者?？赡苡袃煞N選擇， 一種選擇是 單個(gè)噴嘴及閥(汽油及乙醇共同噴射)，而另一種選擇是每種燃料具有單獨(dú)的噴嘴及閥。使用汽油及乙醇二者的直接噴射具有增大成本的缺點(diǎn)。除一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜的噴射 以外，還需要第二高壓燃料泵。乙醇及汽油還需要共用的平行壓力通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)使用單個(gè)噴嘴時(shí)，乙醇及汽油以相同的方式分布在缸體中。在使用單個(gè)噴嘴及單個(gè)閥的情況下，需要在噴射器的閥/噴嘴部分之前混合所述燃料。此可在噴射器外側(cè) 或在噴射器體內(nèi)完成。應(yīng)使混合點(diǎn)與噴嘴之間的體積最小以實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)。以上實(shí)施例的稍微修改涉及具有兩個(gè)閥但單個(gè)噴嘴的噴射器。除了使混合點(diǎn)與閥 之間的體積最小以外，這可最小化對(duì)用于控制汽油/乙醇混合物的噴射器外側(cè)的第二閥 的需要?？舍槍?duì)單個(gè)噴射器內(nèi)的每一種燃料使用單獨(dú)的噴嘴/閥。在此情況下，可將汽油及 乙醇沉積在缸體的不同區(qū)域中。額外的優(yōu)點(diǎn)是可為乙醇及為汽油提供不同的噴束圖案。 這可提供最靈活的系統(tǒng)(相比于兩個(gè)單獨(dú)的噴射器)，其可能同時(shí)或不同步地噴射變化 份額的乙醇/汽油，且能夠?qū)⒁掖技捌统练e在充氣的期望位置中，以獲得乙醇在缸體 內(nèi)的最優(yōu)非均勻分布。最優(yōu)的分布意味著可避免爆震而乙醇消耗最少，而同時(shí)可維持 發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性?？赏ㄟ^將汽油沉積在中央及通過將乙醇擇優(yōu)地沉積在缸體周邊來獲 得最優(yōu)的非均勻乙醇分布。通過直接噴射，這可更容易地實(shí)現(xiàn)，此與通過在入口歧管 內(nèi)非均勻噴灑來實(shí)現(xiàn)非均勻的汽油分布相反。由于汽油的汽化熱比乙醇低得多(以能 量計(jì)少于4倍)，所以火花附近區(qū)域內(nèi)的冷卻效應(yīng)較小，從而對(duì)起始火焰?zhèn)鞑サ男?yīng)較 小。另外，相對(duì)于汽油IO.延滯乙醇的噴射可是有益的。當(dāng)乙醇耗盡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以"唯較低性能汽油"模式來操作，其中渦輪增壓器降 低增壓(例如，通過廢氣旁通閥)且消除或避免最大扭矩水平下的操作。這些狀態(tài)可 具有限制性，且在某些情況下，期望使用在較高負(fù)荷下操作車輛的方法。這可通過用汽油直接噴射(GDI)來使用乙醇系統(tǒng)中的汽油，而同時(shí)進(jìn)氣口燃料噴射一定份額的汽油來實(shí)現(xiàn)。在這些狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)將在較高負(fù)荷及較高扭矩下操作，但仍遠(yuǎn)低于乙 醇所能實(shí)現(xiàn)的負(fù)荷及扭矩。只能獲得直接噴射燃料的冷卻效應(yīng)，這是因?yàn)橹苯訃娚涞?燃料與通過進(jìn)氣口噴射的燃料(在兩種情況下都是汽油)具有相同的辛烷值如果乙醇燃料箱內(nèi)的乙醇與汽油燃料箱內(nèi)的汽油的比低于預(yù)定值(由于乙醇的缺 乏或可用性或出于某一其他原因)，則可改變發(fā)動(dòng)機(jī)操作狀態(tài)以使驅(qū)動(dòng)循環(huán)內(nèi)的乙醇/ 汽油消耗比降低。此可完成以減少在既定發(fā)動(dòng)機(jī)速度下發(fā)動(dòng)機(jī)中所能使用的最大乙醇 份額。可對(duì)應(yīng)地減少所允許的渦輪增壓、最大壓力、扭矩及馬力來防止爆震。以此方 式，可實(shí)現(xiàn)乙醇/汽油消耗率與最大扭矩與馬力之間的連續(xù)權(quán)衡調(diào)整。通過對(duì)最近乙醇/汽油使用及汽油與乙醇的量進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶＜蚁到y(tǒng)評(píng)估，可提供將 對(duì)"唯低性能汽油"模式的需要降到最低的方法。當(dāng)箱內(nèi)剩余量在預(yù)定水平以下時(shí)， 可限制抗爆震劑的使用，以使主燃料將在乙醇之前或與乙醇同時(shí)耗盡。在那些其中所 期望的車輛操作不受抗爆震劑耗盡的限制的狀態(tài)下，可期望安放開關(guān)以使操作者可忽 略這些限制。在驅(qū)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，充分增強(qiáng)辛垸數(shù)以使效率增加至少25%所需的乙醇量(以能量計(jì)) 在沒有乙醇分層的情況下將小于燃料(乙醇+汽油能量)的15%，而在乙醇分層的情 況下小于5%。已證明，可通過分餾在車上對(duì)乙醇和柴油進(jìn)行分離，以供在乙醇排氣的后處理催 化劑中使用["Fuel-Borne Reductants for NOx Aftertreatment: Preliminary EtOH SCR Study", John Thomas, Mike Kass， Sam Lewis, John Storey, Ron Graves, Bruce Bunting, Alexander Panov, Paul Park, presented at the 2003 DEER (Diesel Engine Emissions Reduction] Workshop, Newport RI August 2003]?？蓪⑺龇椒ㄓ糜趶钠突旌衔镏熊?載分離出乙醇。然而，使用隔膜分離可比較簡(jiǎn)單及比較便宜。雖然存在關(guān)于使用隔膜 來從水中分離出乙醇的信息，但根據(jù)我們的知識(shí)，目前還沒有關(guān)于從汽油中隔膜分離 出乙醇的信息。由于乙醇分子大約為4埃而典型碳?xì)浠衔锶剂戏肿右蟮枚啵?可使用隔膜來進(jìn)行分離。有機(jī)和無機(jī)的隔膜都可使用。由于沒有必要獲得高純度的乙 醇，所以所述過程相對(duì)較簡(jiǎn)單且需要低的壓力。多孔及輸液隔膜二者都可使用，這是因?yàn)榫哂袃蓚€(gè)碳原子的乙醇具有顯著不同于 大多數(shù)其他具有5-10個(gè)碳原子的汽油化合物的性質(zhì)。其他本文所涵蓋可用于本發(fā)明的 抗爆震劑相對(duì)于汽油也具有少量的碳。例如，甲醇具有一個(gè)碳。隔膜方法可比蒸餾或 吸收/解吸收方法(參見IIyama等人的第6,332,448號(hào)美國(guó)專利)簡(jiǎn)單得多，蒸餾或吸 收/解吸收被建議用來分離碳原子數(shù)相差不多的不同汽油/柴油燃料。隔膜的位置可在燃料線中的高壓區(qū)域內(nèi)(泵的下游)或在其上游。如果其位于下 游，則分離只在發(fā)動(dòng)機(jī)操作及泵運(yùn)行時(shí)發(fā)生，而如果其在上游，則分離可連續(xù)發(fā)生。 泵下游的燃料壓力是幾個(gè)巴(這是進(jìn)氣口燃料噴射所特有的)。此將與乙醇系統(tǒng)的壓力 區(qū)分開，乙醇系統(tǒng)是直接噴射且因此需要高得多的壓力。將分離的乙醇輸送到單獨(dú)的存儲(chǔ)乙醇的箱。如果有太多的乙醇，則有三種選擇 l)停止額外的分離；2)在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用某些乙醇，即便不需要；3)將乙醇返回至主汽油 箱。所述箱應(yīng)為可接近的，以便能在需要時(shí)引入額外的乙醇，(例如，當(dāng)在高溫下進(jìn)行牽引時(shí)、或當(dāng)進(jìn)行大范圍爬坡時(shí)、需要高扭矩下的操作及以高于從燃料提取的速率 長(zhǎng)時(shí)期地消耗乙醇的狀態(tài)。從汽油中提取乙醇可具有使剩余燃料辛垸值減少的意想不到的效應(yīng)。因此，可能 需要增加一些所噴射乙醇的使用來防止爆震。即使在乙醇沒有非均勻分布的情況下， 在正常的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，也可對(duì)所述系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以使從燃料提取的乙醇量與所需要的 乙醇相匹配。在加油站從汽油/乙醇化合物中分離乙醇也是同樣有利的。如同車載分離一樣，這 個(gè)方法也允許使用目前的燃料輸送基礎(chǔ)設(shè)施。潛在的優(yōu)勢(shì)可在于選擇燃料系統(tǒng)時(shí)有更 大的靈活性且相對(duì)于車載分離成本較低。其在乙醇增壓發(fā)動(dòng)機(jī)車輛引入階段中尤其有 意義。具備調(diào)節(jié)乙醇箱體積的能力可是有益的，由此可改變乙醇箱中最大的乙醇量。這 種能力可使得駕駛更長(zhǎng)的乙醇重新加注之間的距離，且取決于乙醇及汽油的可用性及 成本在驅(qū)動(dòng)循環(huán)內(nèi)可以不同的汽油/乙醇比來操作。在某些情況下，使用比提供所期望 辛烷值增強(qiáng)所需更多的乙醇可是有利的(例如，滿足替代燃料或減少C02的目標(biāo))。人們期望具備這種能力而不增加燃料箱的總尺寸?？墒褂镁哂袑⒖勺兞康钠图耙掖?分離開的隔膜或板的單個(gè)燃料箱來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。所述箱可經(jīng)配置而具有水平或垂直可移動(dòng)/可變形壁，所述水平或垂直可移動(dòng)/可變形壁大體上不可滲透且將填充有汽油及乙醇的區(qū)域分開。如圖4a及b中所示，每一 區(qū)域都包含單獨(dú)的填充進(jìn)氣口及燃料線路。汽油與乙醇(或其他抗爆震劑)之間的分 離不必是完全的分離，因?yàn)樯倭康囊环N燃料泄漏進(jìn)入另一種燃料不會(huì)負(fù)面地效應(yīng)車輛 的操作。所述壁可響應(yīng)于所述箱中任一種燃料的量而移動(dòng)。在分離隔膜的情況下，這 個(gè)過程是自動(dòng)的，且后者可更加不會(huì)受到從一種燃料泄露到另一種燃料的效應(yīng)。乙醇比汽油密度大。所述可移動(dòng)/可變形壁可經(jīng)放置以便乙醇位于汽油頂部上或位 于汽油下方。然而，如圖5中所示，由于預(yù)計(jì)相比于汽油需要較少的乙醇，所以所述 優(yōu)選實(shí)施例具有位于汽油上方的乙醇。如果存儲(chǔ)乙醇以使其與汽油分開，則可將其與不同添加劑混合以確保所期望的乙 醇噴射系統(tǒng)的操作。另外，可使用汽油-乙醇混合物(例如，E85 (其包含以體積算15% 的汽油))。潤(rùn)滑添加劑包括脂肪酸、有機(jī)胺鹽(酸式磷酸酯和聚環(huán)氧乙垸酸式磷酸酯 的胺鹽)、烷基和芳基酸式磷酸鹽及烷基膦酸二垸基酯。所述模擬計(jì)算顯示，對(duì)于直接噴射酒精，爆震抑制的較大效應(yīng)并非為燃料抗爆震 劑的本身爆震抵抗，而相反是其高的汽化熱。為評(píng)估乙醇的替代物，表3顯示了所提 出的燃料抗爆震/替代燃料的性質(zhì)。雖然這些添加劑的其中某些具有高于汽油的辛烷 數(shù)，但其中某些對(duì)缸體充氣溫度的效應(yīng)更大(表3假設(shè)在入口閥關(guān)閉之后進(jìn)行噴射)。 這些添加劑(大多為乙醚)的其中某些與汽油直接噴射具有相當(dāng)?shù)某錃鉁囟刃?yīng)，且 因此意義不大。酒精對(duì)于此應(yīng)用具有最優(yōu)的性質(zhì)，其中溫度變化是由于汽油直接噴射 而引起溫度變化的三倍或以上。對(duì)于乙醇，溫度變化比汽油的溫度變化大4倍或以上，且對(duì)于甲醇，所述變化比汽油大約9倍。空氣的溫度降低隨著燃料中氧氣的量(根據(jù)0/C比)的增加而增加。因此，0/C比為1的甲醇最高，乙醇第二，等等。表3表3是關(guān)于不同燃料的抗爆震性質(zhì)(根據(jù)在SAE standard J 1297 Alternative Automotive Fuels, Sept 2002中獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算而來)燃料類型 化學(xué)式 RON MON(R+凈燃燒汽化潛汽化能理想等效汽A TM)/2熱MJ/kg熱MJ/kg量/燃配比化潛熱空氣燒熱 的空MJ/kg氣/燃空氣 料比汽油42.80.300.00714.60扁-28乙基叔丁基醚CH3CH2-0-C(CH3)3118〗0211036.30.310.00912.10.026-35叔戊基甲基醚C2H5 C (CH3)2-0-CH3Ul9810536.30.320.00912.10.027-36甲苯C7H81119510340.50.360扁13.50.027-37甲基叔丁基醚CH3-0-C(CH3)311610311035.20.320.00911.70.028-37二異丙醚(CH3)2CH-0-CH(CH3)21109710338.20.340.00912.10.028-39叔丁醇CCH3)3 C-OH103919732.90.600.01811.10.054-74異丙醇(CH3)2CHOH1189810830.40.740.02410.40.071-97甲醇與助溶劑50%甲醇/TBA1149610526.50.880.0338.80.100-137乙醇CH3CH20H12910211526.70.910.03490.102-138甲醇CH30H13310511920.01.160.0586.40.181-246表3中還顯示汽化熱與燃燒熱的比-當(dāng)用作抗爆震劑時(shí)潛在效應(yīng)的度量。這個(gè)參數(shù) 給出既定扭矩水平下汽化冷卻量的度量。最后一項(xiàng)AT&是測(cè)量在入口閩關(guān)閉之后進(jìn)行 噴射的理想配比混合物的空氣溫度的降低。雖然明顯地通過使用甲醇可使所述效應(yīng)增 到最大，但其他考慮因素可能使得乙醇成為優(yōu)先選擇。甲醇具有毒性及腐蝕性。含水乙醇(具有少量的水)具有成本比純(凈)乙醇低的優(yōu)點(diǎn)。從乙醇中除去最 后10%到15%的水，費(fèi)用會(huì)很大且會(huì)消耗大量的能量。通常，制造設(shè)備是生產(chǎn)帶有以 體積算10%的水的乙醇，除非需要本質(zhì)純凈(無水)的乙醇。使用帶有以體積算濃度 為5%到15%的乙醇可是有利的。通過使用閉路方法來識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，可使用靈活的汽油級(jí)別(具有不同的辛烷 品級(jí))及靈活的防爆震燃料級(jí)別。開路系統(tǒng)將需要對(duì)抗爆震添加劑的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。 類似地，開路系統(tǒng)將需要確定燃料的質(zhì)量(辛烷數(shù))。閉路操作允許當(dāng)能獲得時(shí)使用較 不昂貴的汽油，從而部分地補(bǔ)償較貴的抗爆震劑。還可根據(jù)其可利用性來使用不同的 抗爆震燃料，例如，在生產(chǎn)及加工玉米的地區(qū)，使用乙醇，而在那些具備乙醇生產(chǎn)能 力的地區(qū)，使用甲醇。因此，可使用可獲得的最便宜級(jí)別的汽油及最便宜的抗爆震燃 料，從而可降低操作車輛的成本以及增加抗爆震燃料的可用性。雖然以上討論將乙醇作為例示性抗爆震劑的特征，但可將相同的方法應(yīng)用于其他 的高辛垸值燃料及具有高汽化能量的燃料添加劑，例如，甲醇(每單位燃料具有較高 的汽化能量)及其他抗爆震劑，例如，異丙醇、叔丁醇、或醚(例如，甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚(ETBE)或叔戊基甲基醚(TAME))。使用這些燃料及添加 劑彼此的及與乙醇的各種混合物可是有利的。尤其在本發(fā)明的介紹階段期間，可通過使用諸如1加侖容器的容器來實(shí)施乙醇的 加注。為方便容易地進(jìn)行燃料的加注，可將可膨脹管及漏斗建造在車輛的乙醇燃料箱 內(nèi)。這些容器中的乙醇將經(jīng)過變性處理以防止人將其當(dāng)作酒精飲料，且可包含上述的 添加劑。以燃料出售的乙醇(例如，在巴西)通過小份額的汽油(2%)來改性(汽油 只是改性劑(甲醇，異丙醇及其他)的其中一種)?？稍谀承┨囟ǖ牡攸c(diǎn)(例如，油站)進(jìn)行所述容器的回收。由于燃料管理系統(tǒng)使用來自爆震傳感器的信號(hào)來確定何時(shí)必須使用乙醇或其他 抗爆震劑或在驅(qū)動(dòng)循環(huán)中的不同時(shí)間處必須使用多少乙醇或其他抗爆震劑來防止爆 震，所以可使用所述燃料管理系統(tǒng)將所述驅(qū)動(dòng)循環(huán)內(nèi)所消耗的乙醇或其他抗爆震劑的 量減到最小。如果有充分的乙醇或其他抗爆震劑可供使用，則還可使用所述燃料管理 系統(tǒng)以使用多于需要的乙醇來防止爆震。這可更大限度地節(jié)省汽油(用乙醇替代汽油 所節(jié)省的汽油部分將會(huì)增大)且可減少二氧化碳。在此情況下，可期望以在驅(qū)動(dòng)循環(huán) 期間變化或恒定的抗爆震劑份額來操作。本說明書中所引用的全部參考內(nèi)容均以全文引用的方式并入本文中。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于得出本文所揭示的本發(fā)明的修改及變化形 式，且所有此等修改及變化形式均包含于隨附權(quán)利要求書的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種用于火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)操作的燃料管理系統(tǒng)，其包括火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；汽油來源；作為燃料的抗爆震劑的來源；噴射器，其用于將所述抗爆震劑直接噴射到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體內(nèi)；及燃料管理控制系統(tǒng)，其用于對(duì)所述抗爆震劑向所述缸體內(nèi)的噴射進(jìn)行控制以控制爆震，其中所述抗爆震劑每單位燃燒能量的汽化熱為汽油的至少三倍。
2、 一種用于火花點(diǎn)火汽油操作的燃料管理系統(tǒng)，其包括 火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；汽油來源；作為燃料的抗爆震劑的來源；噴射器，其用于將所述抗爆震劑直接噴射到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體；及 燃料管理控制系統(tǒng)，其用于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩在選定值或最大扭矩的一定份額以上時(shí)，對(duì)所述抗爆震劑向所述缸體內(nèi)的噴射進(jìn)行控制，其中最大扭矩的所述值或份額是發(fā)動(dòng)機(jī)速度的函數(shù)。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述在驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間使用的最大抗爆震 劑能量份額介于30%與100%之間。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑的直接噴射發(fā)生在入口閥 關(guān)閉之后。
5、 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇。
6、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述乙醇的汽化對(duì)爆震抑制的效應(yīng)大于較高 辛垸值乙醇的效應(yīng)。
7、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述燃料的一部分是進(jìn)氣口噴射，且所述燃 料的所述部分是乙醇或汽油。
8、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中乙醇的直接噴射用于減少在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度及 高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下對(duì)點(diǎn)火延遲的需要。
9、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述乙醇與汽油混合，如在E85中，或與甲醇混合。
10、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中相對(duì)于可使用在所述入口閥關(guān)閉之前的過早 噴射獲得的爆震燃料壓力，在所述入口閥關(guān)閉之后的噴射可將所述發(fā)動(dòng)機(jī)能在沒有爆 震的情況下操作的歧管壓力提高至少0.5巴。
11、如權(quán)利要求5所述的燃料管理系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑在壓縮行程中相對(duì)遲 后噴射(在下止點(diǎn)之后，且接近上止點(diǎn))以利用來自所述壓縮行程的高溫使所述抗爆震劑快速地汽化。
12、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中對(duì)于具有10或以上壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)， 可在大于2巴的歧管壓力下防止爆震。
13、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中査找表用于提供不同扭矩及/或馬力值下 的防爆要求以供在開路控制系統(tǒng)中使用。
14、 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)以至少為2的因數(shù)減 小尺寸。
15、 如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述效率增益大于20%。
16、 如權(quán)利要求14所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中多渦巻渦輪增壓器用于降低所述入 口歧管中因缸體數(shù)量減少所致的壓力波動(dòng)。
17、 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其中對(duì)每次循環(huán)每 個(gè)缸體的空氣、乙醇及汽油的量進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)大體理想配比的燃料/空氣比率。
18、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中三元催化劑用于減少來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢 氣排放。
19、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)在高負(fù)荷下使用乙醇、汽油 及空氣來開路操作，但在低及部分負(fù)荷下使用汽油及空氣進(jìn)行操作時(shí)就使用閉路。
20、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述乙醇/汽油份額是通過使用由爆震傳感 器提供的信息的閉路反饋來控制，且所述空氣/燃料混合物是由氧氣傳感器來控制。
21、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中在瞬時(shí)狀態(tài)期間，所述控制系統(tǒng)通過使用 查找表來開路操作。
22、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中在高負(fù)荷下，所述發(fā)動(dòng)機(jī)以大于爆震控制 所需的乙醇燃料份額來操作，以降低所述燃燒的溫度以保護(hù)所述發(fā)動(dòng)機(jī)、所述渦輪增 壓器、所述催化劑及其他系統(tǒng)。
23、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中在持續(xù)高負(fù)荷下，所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行濃操作 以降低所述燃燒溫度以保護(hù)所述發(fā)動(dòng)機(jī)、所述渦輪增壓器、所述催化劑及其他系統(tǒng)， 且在所述濃操作期間，所使用的乙醇份額大于防止爆震所需的乙醇份額。
24、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中在發(fā)動(dòng)機(jī)操作的前30秒期間使用高于通常使用的汽油份額。
25、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其中在所述發(fā) 動(dòng)機(jī)中使用的最大乙醇份額可變化。
26、 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述最大乙醇份額是由所述燃料箱中乙醇 與汽油的比率來確定。
27、 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述最大乙醇份額是由駕駛員來確定。
28、 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中渦輪增壓、扭矩及馬力的最大水平會(huì)隨著 所述最大乙醇份額的降低而降低。
29、 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其中當(dāng)期望非均勻乙醇分布時(shí)，所述乙醇噴射相對(duì)于下止點(diǎn)延遲。
30、 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其中所 述乙醇噴射器具有多個(gè)用于產(chǎn)生多個(gè)噴束以制備更為均勻的混合物的孔。
31、 如權(quán)利要求1或2所述的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其 中隔膜過濾器用于將乙醇與汽油分離。
32、 如權(quán)利要求1或2所述的燃料管理系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其中 使用具有以體積計(jì)5%到15%水的乙醇。
33、 如權(quán)利要求1或2所述的燃料管理系統(tǒng)，其在所述汽油及所述抗爆震燃料具 有未規(guī)定及可變特性的情況下使用閉路，且所述使用的抗爆震劑的份額是通過使用來 自所述發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器的反饋來確定。
34、 如權(quán)利要求33所述的燃料管理系統(tǒng)，其中需要選擇最低辛垸值汽油以滿足 操作需要。
35、 如權(quán)利要求33所述的燃料管理系統(tǒng)，其中選擇所述抗爆震燃料以將所述發(fā) 動(dòng)機(jī)的操作成本降到最低。
36、 一種用于使火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高效操作的燃料管理系統(tǒng)，其包括汽油發(fā) 動(dòng)機(jī)；抗爆震劑的來源；噴射器，其用于將所述抗爆震劑及所述汽油二者直接噴射到 所述發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體中；及燃料管理控制系統(tǒng)，其用于對(duì)所述抗爆震劑向所述缸體內(nèi)的 噴射進(jìn)行控制以控制爆震。
37、 如權(quán)利要求36所述的燃料管理系統(tǒng)，其中所述噴射器具有用于所述抗爆震 劑及所述汽油的單獨(dú)閥及噴嘴。
38、 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，其使用可變閥定時(shí)、濃操作、經(jīng) 冷卻EGR及火花定時(shí)調(diào)節(jié)。
39、 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中翻滾狀或漩渦運(yùn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)燃燒 穩(wěn)定性。
40、 如權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中乙醇是所述抗爆震劑且與溶劑混合以將蒸汽排放降到最低。
41、 如權(quán)利要求2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中所述乙醇與大氣之間的碳罐俘獲抗爆 震劑蒸汽排放，當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)操作時(shí)所述罐得到再生。
42、 如權(quán)利要求7及29所述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中所述火花位于具有最高溫度空 氣/燃料比率混合物的區(qū)域中。
43、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑及汽油容納在同一個(gè)箱內(nèi)， 但由大體不滲透的壁所分開，所述壁可移動(dòng)或變形以改變所存儲(chǔ)的抗爆震劑及汽油的 相對(duì)量。
44、 如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其中所述壁是可變形隔膜。
45、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是所存儲(chǔ)的乙醇且與所述 汽油保持分開，且其中其包含諸如脂肪酸或有機(jī)胺鹽的潤(rùn)滑性添加劑以確保所述燃料噴射系統(tǒng)的所期望的操作。
46、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑是乙醇，且其中所述得到 適當(dāng)改性且含有其他添加劑的乙醇以容器形式提供，所述容器可在某些商業(yè)場(chǎng)所以及 加油站出售。
47、 如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其中所述乙醇與充足量的添加劑混合而被視為 可在超市及其他商業(yè)場(chǎng)所安全出售。
48、 如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中可膨脹管及漏斗建造于所述抗爆震劑箱 中以方便從容器中加注抗爆震劑。
49、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中在驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間使用的抗爆震劑的量大于防 止爆震所需的量。
50、 如權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑的所述能量份額在驅(qū)動(dòng)循環(huán) 期間可恒定不變或可變化。
51、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述抗爆震劑的使用是由來自爆震傳感器的 信號(hào)來起始。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于增強(qiáng)火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)操作的燃料管理系統(tǒng)。噴射器將諸如乙醇的抗爆震劑直接噴射到缸體內(nèi)。優(yōu)選地，所述直接噴射是在入口閥關(guān)閉之后發(fā)生。同樣優(yōu)選地，使用采用三元催化劑的理想配比操作來將排放降到最低。另外，同樣優(yōu)選地，抗爆震劑每單位燃燒能量的汽化熱為汽油的至少三倍。
文檔編號(hào)F02B77/04GK101228342SQ200680019976
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月6日
發(fā)明者丹尼爾·R·科恩, 約翰·B·海伍德, 萊斯利·布朗伯格 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院