專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的帶配量閥的毛細(xì)管燃料噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)中的燃料輸送。
自從二十世紀(jì)七十年代，進(jìn)氣口燃料噴射發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開始利用三元催化劑和閉環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制來(lái)設(shè)法使NOx、CO和未燃燒的碳?xì)浠衔锏呐欧抛钚』Ｒ炎C實(shí)，這種策略在發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣部件已達(dá)到足夠高溫度的正常運(yùn)行過程中是特別有效的。然而，為了實(shí)現(xiàn)NOx、CO和未燃燒的碳?xì)浠衔锏睦硐朕D(zhuǎn)化率，該三元催化劑必須處于其固有的催化劑起燃(light-off)溫度之上。
此外，考慮到液態(tài)燃料撞擊到諸如噴口壁和/或閥背面的進(jìn)氣部件時(shí)發(fā)生的汽化，發(fā)動(dòng)機(jī)必須處于足夠高的溫度。該過程的有效性是重要的，這是因?yàn)樗峁┝藢?duì)燃料/空氣混合物的化學(xué)計(jì)量關(guān)系的適當(dāng)程度的控制，并從而關(guān)系到怠速質(zhì)量(idle quality)和三元催化劑的性能，并且它確保供給至發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料在燃燒過程中被燃燒，并從而不需要加入過量燃料來(lái)補(bǔ)償那些沒有充分汽化和/或積聚在進(jìn)氣部件上的液態(tài)燃料。
為了實(shí)現(xiàn)化學(xué)上的完全燃燒，燃料-空氣混合物必須汽化成化學(xué)計(jì)量的氣相混合物?；瘜W(xué)計(jì)量的可燃混合物包含有準(zhǔn)確的為了完全燃燒所需要的空氣(氧)量和燃料量。對(duì)于汽油來(lái)說，空氣與燃料的重量比大約為14.7∶1。如果燃料-空氣混合物沒有完全汽化和/或包含有超過了化學(xué)計(jì)量量的燃料，就會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒并且會(huì)降低熱效率。理想燃燒過程的產(chǎn)物是水(H2O)和二氧化碳(CO2)。如果燃燒是不完全的，一些碳沒有完全氧化，就會(huì)產(chǎn)生一氧化碳(CO)和未燒然的碳?xì)浠衔?HC)。
在冷啟動(dòng)和預(yù)熱狀態(tài)下，該用來(lái)降低廢氣排放和輸送高質(zhì)量燃料蒸汽的過程會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)冷的溫度而遭到破壞。特別是，三元催化劑的有效性在低于大約250℃時(shí)不再顯著，因此，一大部分未燃燒的碳?xì)浠衔镂唇?jīng)轉(zhuǎn)化就排放到了環(huán)境中。在這些狀態(tài)下，在冷啟動(dòng)和預(yù)熱過程中所需要的加入過量燃料會(huì)加劇碳?xì)浠衔锱欧诺脑黾?。也就是說，由于燃料不容易通過撞擊到冷的進(jìn)氣歧管部件上而被汽化，因此，為了啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和可接受的怠速質(zhì)量，就需要加入過量燃料來(lái)產(chǎn)生可燃混合物。
世界范圍內(nèi)都要求減少空氣污染，這就導(dǎo)致試圖用多種燃料系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的改型來(lái)補(bǔ)償燃燒的不充分。正如關(guān)于燃料準(zhǔn)備和輸送系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)所顯示的那樣，大多的工作集中在減小液態(tài)燃料液滴尺寸、提高系統(tǒng)湍流和提供足夠的熱量來(lái)汽化燃料，以允許更完全的燃燒。
然而，在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度下，低效率的燃料準(zhǔn)備依然是一個(gè)問題，這會(huì)導(dǎo)致更高的排放、需要后處理以及復(fù)雜的控制策略。這些控制策略包括廢氣再循環(huán)、可變的閥正時(shí)、延遲的點(diǎn)火正時(shí)、降低的壓縮比、催化轉(zhuǎn)換器的使用、以及用來(lái)氧化未燃燒的碳?xì)浠衔锖彤a(chǎn)生有利于催化轉(zhuǎn)換器起燃的放熱反應(yīng)的空氣噴射。
正如已經(jīng)指出的，在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間向發(fā)動(dòng)機(jī)加入過量燃料是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中未燃燒的碳?xì)浠衔锱欧诺闹匾獊?lái)源。已經(jīng)估計(jì)過，一輛普通的現(xiàn)代進(jìn)氣口燃料噴射(PFI，port fuel injected)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)客車產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锟偱欧帕康亩噙_(dá)80％是出現(xiàn)在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間，在該期間，發(fā)動(dòng)機(jī)被加入了過量燃料而且催化轉(zhuǎn)換器基本上不起作用。
已知未燃燒的碳?xì)浠衔镏邢喈?dāng)大比例是在啟動(dòng)期間排放的，該方面的客車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行已經(jīng)成為很多技術(shù)研制工作的焦點(diǎn)。而且，當(dāng)立法制定了越來(lái)越嚴(yán)格的排放物標(biāo)準(zhǔn)而消費(fèi)者對(duì)定價(jià)和性能保持敏感時(shí)，這些研制工作將繼續(xù)成為頭等大事。這些減少傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)排放物的工作大體上分成兩類1)減少三元催化劑系統(tǒng)的預(yù)熱時(shí)間；2)改進(jìn)燃料汽化的技術(shù)。減少三元催化劑的預(yù)熱時(shí)間的工作到目前為止包括延遲點(diǎn)火正時(shí)以提高廢氣溫度；過早地打開排氣閥；電加熱催化劑；用燃燒器或火焰加熱催化劑；以及催化加熱催化劑。整體上說，這些工作費(fèi)錢多，而且沒有處理在冷啟動(dòng)期間和緊接冷啟動(dòng)之后的HC排放物。
已提出各種技術(shù)來(lái)處理燃料汽化的問題。提出燃料汽化技術(shù)的美國(guó)專利包括Hudson，Jr等人的美國(guó)專利No.5195477，Clarke的美國(guó)專利No.5331937，Asmus的美國(guó)專利No.4886032，Lewis等人的美國(guó)專利No.4955351，Oza的美國(guó)專利No.4458655，Cooke的美國(guó)專利No.6189518，Hunt的美國(guó)專利No.5482023，Hunt的美國(guó)專利No.6109247，Awarzamani等人的美國(guó)專利No.6067970，Krohn等人的美國(guó)專利No.5947091，Nines的美國(guó)專利No.5758826，Thring的美國(guó)專利No.5836289，以及Cikanek，Jr等人的美國(guó)專利No.5813388。
所提出的其它燃料輸送裝置包括美國(guó)專利No.3716416，該專利公開了一種在燃料電池系統(tǒng)中使用的燃料配量裝置。該燃料電池系統(tǒng)是可自調(diào)節(jié)的，產(chǎn)生預(yù)定水平的功率。所提出的燃料配量系統(tǒng)包括一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)控制裝置，用于隨著燃料電池的功率輸出而對(duì)燃料流進(jìn)行節(jié)流，而不是為隨后的燃燒提供改進(jìn)的燃料準(zhǔn)備。相反，燃料是要被進(jìn)給至燃料轉(zhuǎn)化器以便轉(zhuǎn)化成H2，然后再進(jìn)給至燃料電池。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，毛細(xì)管用金屬制成而毛細(xì)管本身用作電阻器，該毛細(xì)管與燃料電池的功率輸出端成電氣接觸。因?yàn)檎羝牧鲃?dòng)阻力大于液體，所以當(dāng)功率輸出增大時(shí)，燃料流被節(jié)流。所建議使用的燃料包括任何易于通過加熱而從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗖⒛茏杂闪鬟^毛細(xì)管的流體。汽化似乎可以用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)汽阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
美國(guó)專利No.6276347提出一種超臨界或近超臨界的霧化器和實(shí)現(xiàn)液體的霧化或汽化的方法。據(jù)說美國(guó)專利No.6276347的超臨界霧化器能夠使用重質(zhì)燃料來(lái)對(duì)通常燃燒汽油的小型、輕量、低壓縮比的火花點(diǎn)火活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火。該霧化器通過將燃料移向其超臨界溫度、將燃料釋放到關(guān)于該燃料的相圖中氣體穩(wěn)定區(qū)域上的低壓區(qū)中、使燃料細(xì)霧化或汽化，從而由液態(tài)或類似液態(tài)的燃料產(chǎn)生細(xì)液滴噴霧。所公開的用途包括諸如燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)、科學(xué)設(shè)備、化學(xué)處理、廢物處理控制、清洗、蝕刻、昆蟲控制、表面改性、增濕和汽化的應(yīng)用。
為了使分解最小化，美國(guó)專利No.6276347提出將燃料保持在超臨界溫度以下直至通過霧化限流器的遠(yuǎn)端。對(duì)某些用途，希望只加熱限流器的尖端，以盡可能減小化學(xué)反應(yīng)或沉淀的可能性。也就是說要減少與燃料流中的雜質(zhì)、反應(yīng)物或物質(zhì)有關(guān)的問題，否則這些雜質(zhì)、反應(yīng)物或物質(zhì)會(huì)從溶液、堵塞管線和過濾器中析出。在超臨界壓力處或接近超臨界壓力處的作業(yè)建議燃料供應(yīng)系統(tǒng)在300～800psig范圍內(nèi)運(yùn)行。雖然使用超臨界的壓力和溫度可減少霧化器的堵塞，但看來(lái)需要使用相對(duì)更昂貴的燃料泵以及能夠在這些提升的壓力下工作的燃料管線、配件等。
一方面，本發(fā)明指向一種燃料噴射器，用于對(duì)輸送到內(nèi)燃機(jī)的液態(tài)燃料進(jìn)行汽化和配量，包括(a)至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道帶有入口端和至少一個(gè)出口端；(b)沿所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道布置的熱源，所述熱源可操作來(lái)將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料加熱到足以使至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變到汽態(tài)的程度，并從所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端輸送基本上汽化的燃料流；和(c)用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的閥，所述閥鄰近于所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端，所述閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的所述小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成。
另一方面，本發(fā)明指向一種在內(nèi)燃機(jī)中使用的燃料系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)燃料噴射器，每個(gè)噴射器包括(i)至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道帶有入口端和至少一個(gè)出口端；(ii)沿所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道布置的熱源，所述熱源可操作來(lái)將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料加熱到足以使至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變到汽態(tài)的程度，并從所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端輸送基本上汽化的燃料流；和(iii)用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的閥，所述閥鄰近于所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端，所述閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的所述小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成；(b)與所述多個(gè)燃料噴射器流體連通的液態(tài)燃料供給系統(tǒng)；和(c)控制向所述多個(gè)燃料噴射器的燃料供給的控制器。
再一方面，本發(fā)明提供一種向內(nèi)燃機(jī)輸送燃料的方法，包括步驟(a)向燃料噴射器的至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道供給液態(tài)燃料；(b)通過加熱該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料，使得基本上汽化的燃料流流過該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的出口；(c)通過鄰近于該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的出口端的閥向內(nèi)燃機(jī)的燃燒室配量該汽化燃料，該閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，該用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成。
本發(fā)明提供了一種燃料噴射器和輸送系統(tǒng)，它們能夠供給汽化燃料而只需要最少的功率和預(yù)熱時(shí)間，不需要高壓燃料供給系統(tǒng)，它們可用于許多結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)的進(jìn)氣口燃料噴射、混合電動(dòng)、汽油直接噴射和乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)在通過參考僅以示例的方式給出的本發(fā)明優(yōu)選方式以及參考附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中

圖1以部分剖面示出了毛細(xì)管燃料噴射器，它包括按照一種優(yōu)選方式的側(cè)部加料的毛細(xì)流動(dòng)通道；圖2A示出了另一種優(yōu)選方式的示意圖，其中用螺線管將活塞完全回拉，以便暴露出兩個(gè)蒸汽輸送所需要的徑向流動(dòng)路徑；圖2B示出了圖2A的優(yōu)選方式，其中，該活塞被回拉一半，以便暴露出單個(gè)用于輸送液態(tài)燃料的流動(dòng)路徑；圖2C示出了圖2A的優(yōu)選方式，其中，該活塞被完全伸出，以便阻止燃料流向徑向流動(dòng)路徑；圖3A示出了另一種優(yōu)選方式的示意圖，其中用螺線管將套筒完全回拉，以便暴露出兩個(gè)蒸汽輸送所需要的徑向流動(dòng)路徑；圖3B示出了圖3A的優(yōu)選方式，其中，該套筒被回拉一半，以便暴露出單個(gè)用于輸送液態(tài)燃料的流動(dòng)路徑；圖3C示出了圖3A的優(yōu)選方式，其中，該套筒被完全伸出，以便阻止燃料流向徑向流動(dòng)路徑；圖4按照一種優(yōu)選方式以部分剖面示出了一種帶有電加熱毛細(xì)管的在線加熱噴射器，它被合并在一種改型的傳統(tǒng)側(cè)部進(jìn)料進(jìn)氣口燃料噴射器的上游；圖5是按照又一種優(yōu)選方式的另一種燃料噴射器實(shí)施例的部分剖面圖；圖6是按照又一種優(yōu)選方式的另一種毛細(xì)管燃料噴射器實(shí)施例的部分剖面?zhèn)纫晥D7是以部分剖面示出的按照一種優(yōu)選方式的另一種燃料噴射器現(xiàn)在參考圖1～19所示出的實(shí)施例，其中從始至終用相似的標(biāo)號(hào)用來(lái)表示相似的部件。
這里公開了一種帶有配量閥的毛細(xì)管燃料噴射器以及采用該噴射器的燃料系統(tǒng)，可用于內(nèi)燃機(jī)的冷啟動(dòng)、預(yù)熱和正常運(yùn)行。該燃料系統(tǒng)包括一個(gè)帶有毛細(xì)流動(dòng)通道的燃料噴射器，能夠加熱液態(tài)燃料以便將基本上汽化的燃料供入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。與傳統(tǒng)的燃料噴射器系統(tǒng)相比，該基本上汽化的燃料在燃燒時(shí)具有減少的排放物。而且，本發(fā)明的燃料輸送系統(tǒng)所需功率較少，并且比其它汽化技術(shù)的預(yù)熱時(shí)間更短。
通常，汽油不容易在低溫下汽化。在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間，液態(tài)燃料的汽化相當(dāng)少。因此，必須為發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)汽缸提供過量的液態(tài)燃料，以便獲得將要燃燒的空氣/燃料混合物。在點(diǎn)燃由過量液態(tài)燃料產(chǎn)生的燃料蒸汽時(shí)，從汽缸排放出的燃燒氣體包括未燃燒的燃料和不希望有的氣體排放物。但是，在達(dá)到正常的運(yùn)行溫度后，液態(tài)燃料易于汽化，因此只需較少的燃料來(lái)獲得易于燃燒的空氣/燃料混合物。有利的是，在達(dá)到正常的運(yùn)行溫度后，空氣/燃料混合物可以控制在化學(xué)計(jì)量關(guān)系處或接近化學(xué)計(jì)量關(guān)系，由此減少了未燃燒的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉呐欧?。此外，?dāng)將燃料添加控制在化學(xué)計(jì)量關(guān)系處或接近化學(xué)計(jì)量關(guān)系時(shí)，在廢氣流中有正好足夠的空氣可用來(lái)同時(shí)氧化未燃燒的碳?xì)浠衔锱c一氧化碳和減少三元催化劑(TWC)系統(tǒng)上的氮氧化物。
這里所公開的燃料噴射器和燃料系統(tǒng)將已經(jīng)基本上汽化的燃料噴射入進(jìn)氣流動(dòng)通道中或直接噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸，由此在發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和預(yù)熱期間不需要過量燃料。優(yōu)選是將燃料與空氣或者與空氣和稀釋劑一起以化學(xué)計(jì)量的或貧燃料的混合物形式輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)中，使得在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間實(shí)際上所有燃料都被燃燒。
對(duì)于傳統(tǒng)的進(jìn)氣口燃料噴射，需要加入過量燃料來(lái)確保強(qiáng)勁且快速的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。在富燃料的狀態(tài)下，當(dāng)催化劑預(yù)熱時(shí)，到達(dá)三元催化劑的廢氣流并不包含足夠的氧氣來(lái)氧化過量的燃料和未燃燒的碳?xì)浠衔?。解決這個(gè)問題的一個(gè)途徑是利用空氣泵來(lái)向催化轉(zhuǎn)換器上游的廢氣流供給額外的空氣。其目的是產(chǎn)生一個(gè)化學(xué)計(jì)量的或稍許貧燃料的廢氣流，一旦催化劑到達(dá)其起燃溫度時(shí)，該廢氣流就能在催化劑表面上反應(yīng)。相反，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間使發(fā)動(dòng)機(jī)在化學(xué)計(jì)量的或者甚至稍許貧燃料的狀態(tài)下運(yùn)行，既不需要加入過量燃料也不需要額外的廢氣空氣泵，從而降低了費(fèi)用和廢氣后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性。
如上所述，在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間，三元催化劑起初是冷的而不能減少大量的通過催化劑的未燃燒的碳?xì)浠衔?。已?jīng)作出許多工作來(lái)減少三元催化劑的預(yù)熱時(shí)間，從而使得在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間排放的未燃燒碳?xì)浠衔镏械母蟛糠值靡赞D(zhuǎn)化。一個(gè)這樣的概念是，在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間，在非常富燃料的情況下謹(jǐn)慎地操作發(fā)動(dòng)機(jī)。使用一個(gè)廢氣空氣泵將空氣供給至該富燃料的廢氣流中，能夠產(chǎn)生一種可燃的混合物，該混合物或者是通過自燃而燃燒、或者是通過催化轉(zhuǎn)換器中的或催化轉(zhuǎn)換器上游的某種點(diǎn)火源而燃燒。這種氧化過程產(chǎn)生的溫升顯著地加熱了廢氣，而當(dāng)廢氣通過催化劑時(shí)，該熱量大多轉(zhuǎn)移到催化轉(zhuǎn)換器。利用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，能夠控制該發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行交替的富燃料和貧燃料汽缸而獲得相同的效果，但不需要空氣泵。例如，對(duì)于一臺(tái)四汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)汽缸可以在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間運(yùn)行于富燃料而在廢氣中產(chǎn)生未燃燒的碳?xì)浠衔?。其余兩個(gè)汽缸可以在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間運(yùn)行于貧燃料而在廢氣流中提供氧。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法也可以與汽油直接噴射(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用。在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料作為細(xì)霧化的噴霧直接噴入汽缸，該噴霧蒸發(fā)并與空氣混合從而在點(diǎn)火前形成空氣和汽化燃料的預(yù)混合充氣?，F(xiàn)代的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)需要高的燃料壓力來(lái)霧化燃料噴霧。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)以部分負(fù)荷的分層充氣運(yùn)行，以減少傳統(tǒng)的間接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)中固有的泵抽損失。一種分層充氣的、火花點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)能燃燒貧混合物以改善節(jié)省燃料并減少排放。優(yōu)選地，在燃燒室中形成一種總體上的貧混合物，但是控制該貧混合物在點(diǎn)火時(shí)在火花塞附近是化學(xué)計(jì)量的或稍許富燃料的。這樣，該化學(xué)計(jì)量的部分是易于點(diǎn)燃的，而這又點(diǎn)燃了其余的貧混合物。雖然能夠減少泵抽損失，但當(dāng)前能為分層充氣實(shí)現(xiàn)的操作窗口(operating window)限于低的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和相當(dāng)輕的發(fā)動(dòng)機(jī)載荷。這些限制因素包括在發(fā)動(dòng)機(jī)較高速度下不充足的汽化和混合時(shí)間以及在較高載荷下不充分的混合或不良的空氣利用。通過提供汽化燃料，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能夠拓寬用于分層充氣操作的操作窗口，解決關(guān)于汽化和混合的時(shí)間不充足的問題。有利的是，與傳統(tǒng)的GDI燃料系統(tǒng)不同，本發(fā)明實(shí)施中所利用的燃料壓力可以降低，從而減少了總成本和燃料系統(tǒng)的復(fù)雜性。
本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機(jī)用的燃料輸送裝置，該裝置包括一個(gè)在壓力下供給液態(tài)燃料的加壓液態(tài)燃料供給源、至少一個(gè)連接在該液態(tài)燃料供給源上的毛細(xì)流動(dòng)通道和一個(gè)沿該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道安置的熱源。該熱源可以充分地加熱該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料而輸送基本上汽化的燃料流。在內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)、預(yù)熱和其它運(yùn)行狀態(tài)期間，優(yōu)選是操作該燃料輸送裝置來(lái)將汽化燃料流輸送到內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)或多個(gè)燃燒室。如果需要，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道可用于在正常運(yùn)行狀態(tài)下將液態(tài)燃料輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明還提供一種將燃料輸送到內(nèi)燃機(jī)的方法，包括的步驟有將加壓液態(tài)燃料供給到至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道；充分地加熱該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的加壓液態(tài)燃料，使得在內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)、預(yù)熱和內(nèi)燃機(jī)其它運(yùn)行狀態(tài)期間汽化燃料流被輸送到內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)燃燒室中。
按照本發(fā)明的一種燃料輸送系統(tǒng)包括至少一個(gè)毛細(xì)尺寸的流動(dòng)通道，加壓燃料在噴入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒之前先流過該流動(dòng)通道。毛細(xì)尺寸的流動(dòng)通道可以具有一液力直徑，該直徑優(yōu)選地小于2mm，更優(yōu)選地小于1mm，最優(yōu)選地小于0.5mm。液力直徑用于計(jì)算通過流體運(yùn)輸元件的流體流量。液力半徑定義為流體運(yùn)輸元件的流通面積除以與該流體接觸的固體邊界的周長(zhǎng)(通常稱為“潤(rùn)濕”周長(zhǎng))。在圓形截面的流體運(yùn)輸元件的情況下，當(dāng)該元件是被充滿流動(dòng)時(shí)，液力半徑為(πD2/4)/πD＝D/4。對(duì)于非圓形流體運(yùn)輸元件中的流體流動(dòng)，使用液力直徑。從液力半徑的定義，具有圓截面的流體運(yùn)輸元件的直徑是其液力半徑的四倍。因此，液力直徑定義為液力半徑的四倍。
沿毛細(xì)通道施加熱量，導(dǎo)致至少一部分進(jìn)入流動(dòng)通道的液態(tài)燃料當(dāng)其沿通道行進(jìn)時(shí)被轉(zhuǎn)化為蒸汽。燃料作為蒸汽而流出毛細(xì)通道，其中可能包含一小部分未汽化的受熱液態(tài)燃料?；旧掀侵钢辽?0％體積的液態(tài)燃料被熱源汽化，更優(yōu)選地是指至少70％、最優(yōu)選地是指至少80％液態(tài)燃料被汽化。雖然由于所發(fā)生的復(fù)雜的物理效應(yīng)而難以達(dá)到100％汽化，但希望能完全汽化。這些復(fù)雜的物理效應(yīng)包括燃料沸點(diǎn)的變化，這是因?yàn)榉悬c(diǎn)與壓力有關(guān)，而壓力在毛細(xì)流動(dòng)通道內(nèi)會(huì)有變化。因此，雖然相信大部分燃料在毛細(xì)流動(dòng)通道內(nèi)的加熱期間達(dá)到了沸點(diǎn)，但一些液態(tài)燃料還是會(huì)沒有被加熱到足以完全汽化，結(jié)果是一部分液態(tài)燃料與汽化的流體一起通過毛細(xì)流動(dòng)通道的出口。
毛細(xì)尺寸的流體通道優(yōu)選是在毛細(xì)管主體內(nèi)形成，諸如單層或多層的金屬、陶瓷或玻璃主體。該通道具有向入口和出口敞開的封閉容積，出口和入口之一或兩者可以向毛細(xì)管主體外部敞開或可連接在同一主體或另一主體內(nèi)的另一通道上或連接在配件上。該加熱器可以由主體的一部分如一段不銹鋼管形成，或者該加熱器可以是并入在毛細(xì)管主體中或毛細(xì)管主體上的電阻加熱材料的分立的層或絲。該流體通道可以是包含有一個(gè)向入口和出口敞開并且可以通過流體的封閉容積的任何形狀。該流體通道可以具有任何所希望的截面，優(yōu)選的截面是直徑均勻的圓。毛細(xì)流動(dòng)通道的其它截面包括非圓形形狀，如三角形、正方形、矩形、橢圓形或其它形狀，而且流體通道的截面不需要是一致的。該流體通道可以直線或非直線地延伸，而且可以是單一流體通道或者是多路徑的流體通道。在由毛細(xì)金屬管形成的毛細(xì)通道的情況下，管子內(nèi)徑可以為0.01～3mm，優(yōu)選地為0.1～1mm，更優(yōu)選的為0.15～0.5mm。或者是，毛細(xì)通道可以由通道的橫截面積來(lái)限定，該面積可以是8×10-5～7mm2，優(yōu)選地為8×10-3～8×10-1mm2，更優(yōu)選地為2×10-3～2×10-1mm2。單一或多根毛細(xì)管、各種壓力、各種毛細(xì)管長(zhǎng)度、各種加到毛細(xì)管上的熱量以及不同截面積的許多組合將適合于給定的用途。
液態(tài)燃料可以在至少0.7kg/cm2(10psig)而優(yōu)選地為至少1.4kg/cm2(20psig)的壓力下供給至毛細(xì)流動(dòng)通道。在毛細(xì)流動(dòng)通道是由具有內(nèi)徑約0.051cm(0.020英寸)和長(zhǎng)度約15.2cm(6英寸)的不銹鋼管的內(nèi)部限定的情況下，燃料最好以7kg/cm2(100psig)或以下的壓力供應(yīng)到毛細(xì)通道，以獲得一種典型尺寸的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的化學(xué)計(jì)量啟動(dòng)所需的質(zhì)量流率(大約100～200mg/s)。該至少一個(gè)毛細(xì)通道提供一種基本上汽化燃料的足夠流量，以確保一種化學(xué)計(jì)量的或接近化學(xué)計(jì)量的燃料和空氣的混合物，該混合物能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸內(nèi)點(diǎn)燃并燃燒而不會(huì)產(chǎn)生不希望有的高水平的未燃燒碳?xì)浠衔锘蚱渌欧盼?。該毛?xì)管的特征還在于具有低的熱慣性，使得該毛細(xì)通道能夠非?？斓厣狡剂系乃铚囟龋瑑?yōu)選地在2.0秒內(nèi)，更優(yōu)選地在0.5秒內(nèi)，最優(yōu)選地在0.1秒內(nèi)，這對(duì)于涉及到冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中是有利的。這種低的熱慣性也能在發(fā)動(dòng)機(jī)正常操作期間提供優(yōu)點(diǎn)，如改進(jìn)了燃料輸送對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力需求的突然變化的響應(yīng)。
為了對(duì)通過在此所述的低熱慣性毛細(xì)通道的燃料進(jìn)行配量，提出了若干閥配置來(lái)有效地控制從含有毛細(xì)通道的燃料噴射器的遠(yuǎn)端來(lái)的蒸汽流。由于這里所考慮的毛細(xì)流動(dòng)通道具有小的熱質(zhì)量(＜1g)，因此用于控制蒸汽流的閥配置必須設(shè)計(jì)成向加熱系統(tǒng)增加最小的熱質(zhì)量，從而不會(huì)使預(yù)熱時(shí)間和有效性發(fā)生退化。
下文所描述的優(yōu)選方式每一個(gè)都考慮到了燃料的脈沖輸送，并且在一些例子中提供了切換到液態(tài)燃料噴射的能力。在這里所描述的每一種方式中，都要主動(dòng)地或者被動(dòng)地加熱通過毛細(xì)流動(dòng)通道的蒸汽流動(dòng)路徑，使得工作流體在與閥形成接觸時(shí)處于汽相。優(yōu)選是閥本身不被主動(dòng)加熱。有利的是，在這里所用的配量閥可以用諸如陶瓷或Teflon的絕熱材料構(gòu)成?？梢岳斫?，在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制所需的調(diào)節(jié)比(turndown ratio)，防漏密封不是關(guān)鍵，盡管最好有這么一種防漏密封。
圖1示出了一種按照優(yōu)選方式用于汽化液態(tài)燃料的燃料噴射器10。燃料噴射器10包括毛細(xì)流動(dòng)通道12，該毛細(xì)流動(dòng)通道12帶有入口端14和出口端16，入口端14與液態(tài)燃料源F流體連通，以便將基本上為液態(tài)的液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道12。
優(yōu)選地，小質(zhì)量的針閥組件18由螺線管28操縱。螺線管28具有連接至電連接器30的線圈繞組32。當(dāng)線圈繞組32通電時(shí)，螺線管元件36被拉入到線圈繞組32的中心。當(dāng)將線圈繞組32斷電時(shí)，彈簧38使螺線管元件返回到其原始位置。針40連接在螺線管元件36上。向線圈繞組32加電所引起的螺線管元件36的移動(dòng)使得針40被拉離噴嘴42，從而允許燃料流過噴嘴42。
熱源20沿著毛細(xì)流動(dòng)通道12布置。最優(yōu)選的是，通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道12來(lái)提供熱源20，當(dāng)電流源在接頭22和24處連接到該管上而通過此處輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道12的一部分形成為加熱元件?？梢岳斫?，然后熱源20可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道12中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道12的出口端16輸送基本上汽化的燃料流?？梢岳斫猓@種將蒸汽輸送入噴射器主體內(nèi)的方法使得與汽化燃料形成接觸的材料體積最小化，從而也使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量最小化。
圖2A到圖2C描繪了另一優(yōu)選方式的燃料噴射器100，其中，用螺線管128沿著毛細(xì)流動(dòng)通道112的軸線致動(dòng)活塞140。參見圖2B，螺線管128的致動(dòng)移動(dòng)了活塞140，使得在流體流動(dòng)路徑的徑向方向上的開孔142暴露出來(lái)，由此而在沒有供熱時(shí)允許液態(tài)燃料流動(dòng)。參見圖2A，在軸向方向上進(jìn)一步移動(dòng)活塞140，暴露出另一個(gè)徑向流動(dòng)路徑開孔144，該開孔144提供了蒸汽輸送所需要的附加開口面積。優(yōu)選地，兩個(gè)開孔142和144都用來(lái)供給汽化燃料。
如圖2A到圖2C所示，燃料噴射器配量部分100包括毛細(xì)流動(dòng)通道112，該毛細(xì)流動(dòng)通道112帶有入口端114和出口端116，入口端114與液態(tài)燃料源F流體連通，以便將基本上為液態(tài)的液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道112。小質(zhì)量的活塞組件118由螺線管128操縱。螺線管128具有線圈繞組132。當(dāng)線圈繞組132通電時(shí)，螺線管元件136被拉入到線圈繞組132的中心。參見圖2C，當(dāng)將線圈繞組132斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將活塞組件118返回到關(guān)閉位置?；钊?40連接在螺線管元件136上。向線圈繞組132加電所引起的螺線管元件136的移動(dòng)使得活塞140被拉離徑向流動(dòng)路徑開孔142和144，以允許燃料流過噴嘴。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說很明顯，該配量部分100可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
熱源120沿著毛細(xì)流動(dòng)通道112布置。由電阻材料管沿著毛細(xì)流動(dòng)通道112形成熱源120，當(dāng)電流源連接到該管上時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道112的一部分形成為加熱元件。然后，熱源120可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道112中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道112的出口端116輸送基本上汽化的燃料流。這種蒸汽輸送方法和活塞140的設(shè)計(jì)一起使得與汽化燃料形成接觸的材料體積最小化，從而也使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量最小化。
圖3A到圖3C示出了圖2A到圖2C的燃料噴射器配量部分形式的一種變形，其中，圖2A到圖2C的活塞140被套筒閥240替代，該套筒閥240在毛細(xì)流動(dòng)通道212的出口端216上滑動(dòng)。參見圖3B，螺線管228的致動(dòng)移動(dòng)了套筒閥240，使得在蒸汽流動(dòng)路徑徑向方向上的開孔242暴露出來(lái)，由此而在沒有供熱時(shí)允許液態(tài)燃料流動(dòng)。參見圖3A，在軸向方向上進(jìn)一步移動(dòng)套筒閥240，暴露出另一個(gè)徑向流動(dòng)路徑開孔244，該開孔244提供了蒸汽輸送所需要的附加開口面積，兩個(gè)開孔242和244都用來(lái)供給汽化燃料。
如圖3A到圖3C所示，燃料噴射器配量部分200包括毛細(xì)流動(dòng)通道212，該毛細(xì)流動(dòng)通道212帶有入口端214和出口端216，入口端214與液態(tài)燃料源F流體連通，以便將基本上為液態(tài)的液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道212。小質(zhì)量的套筒閥組件218由螺線管228操縱，螺線管228具有線圈繞組232。當(dāng)線圈繞組232通電時(shí)，螺線管元件236被拉入到線圈繞組232的中心。參見圖3C，當(dāng)將線圈繞組232斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將套筒閥組件218返回到關(guān)閉位置。套筒閥240連接在螺線管元件236上。向線圈繞組232加電所引起的螺線管元件236的移動(dòng)使得套筒閥240被拉離徑向流動(dòng)路徑開孔242和244，以允許燃料流過噴嘴。再次地，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說很明顯，該配量部分200可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
和圖2A到圖2C的優(yōu)選方式一樣，熱源220沿著毛細(xì)流動(dòng)通道212布置，并且由電阻材料管沿著毛細(xì)流動(dòng)通道212形成熱源220，當(dāng)電流源連接到該管上時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道212的一部分形成為加熱元件。然后，熱源220可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道212中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道212的出口端216輸送基本上汽化的燃料流。這種蒸汽輸送方法和套筒閥240的設(shè)計(jì)一起使得與汽化燃料形成接觸的材料體積最小化，從而也使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量最小化。
圖4A和圖4B按照另一種形式示出了一種用于汽化液態(tài)燃料的燃料噴射器配量部分300。燃料噴射器配量部分300包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道312，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道312帶有入口端314和出口端316，入口端314與液態(tài)燃料源F流體連通，以便將基本上為液態(tài)的液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道312。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分300可以包括兩個(gè)、三個(gè)或更多毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖4B)?；钊y組件318由具有線圈繞組的螺線管(未示出)操縱。和圖1到圖3的優(yōu)選方式一樣，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件336被拉入到線圈繞組的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件336返回到其原始位置?；钊?40連接在螺線管元件336上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件336的移動(dòng)使得活塞340被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道312的出口端316，以允許燃料流過噴嘴342。再次地，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說很明顯，該配量部分300可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
熱源320沿著毛細(xì)流動(dòng)通道312布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道312來(lái)提供熱源320，當(dāng)電流源在接頭322和324處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道312的一部分形成為加熱元件。然后，熱源320可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道312中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道312的出口端316輸送基本上汽化的燃料流。又一次地，與汽化燃料形成接觸的材料體積被最小化，也使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量最小化。
圖5按照另一個(gè)優(yōu)選方式示出了用于汽化液態(tài)燃料的燃料噴射器配量部分700。燃料噴射器配量部分700包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道712，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道712帶有入口端714和出口端716，入口端714布置成與液態(tài)燃料源流體連通，以便將基本上為液態(tài)的液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道712。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分700可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖5B)。
活塞閥組件718可定位在殼體750內(nèi)，并且由具有線圈繞組的螺線管(未示出)操縱。優(yōu)選地，在運(yùn)行過程中，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件736被拉入到線圈繞組(未示出)的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件736返回到其原始位置。活塞組件740連接在螺線管元件736上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件736的移動(dòng)使得活塞組件740被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道712的出口端716，以允許燃料流過噴嘴742。正如所看到的那樣，通過活塞組件740的截頭圓錐部分744與殼體750的錐形密封表面752的配合實(shí)現(xiàn)了密封?？梢岳斫猓撆淞坎糠?00可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
熱源720沿著毛細(xì)流動(dòng)通道712布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道712來(lái)提供熱源720，當(dāng)電流源在接頭722和724處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道712的一部分形成為加熱元件。然后，熱源720可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道712中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道712的出口端716輸送基本上汽化的燃料流?？梢岳斫猓c汽化燃料形成接觸的活塞組件740的材料體積被最小化，使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量很小。
圖6按照再一個(gè)優(yōu)選方式示出了另一種用于汽化液態(tài)燃料的燃料噴射器配量部分800。燃料噴射器配量部分800包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道812，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道812帶有入口端814和出口端816，入口端814布置成與液態(tài)燃料源流體連通，以便將液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道812。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分800可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖6B)。
熱源820沿著毛細(xì)流動(dòng)通道812布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道812來(lái)提供熱源820，當(dāng)電流源在接頭822和824處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道812的一部分形成為加熱元件。然后，可以操作熱源820可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道812中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道812的出口端816輸送基本上汽化的燃料流。
示出了另一種設(shè)計(jì)的活塞閥組件818，活塞閥組件818可定位在殼體850內(nèi)，并且由具有線圈繞組(未示出)的螺線管操縱。在運(yùn)行過程中，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件836被拉入到線圈繞組(未示出)的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件836返回到其原始位置，從毛細(xì)流動(dòng)通道812的出口端816密封燃料流。如所示，活塞840連接在螺線管元件836上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件836的移動(dòng)使得活塞組件840被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道812的出口端816，以允許燃料流過噴嘴842。正如所看到的那樣，活塞閥組件818在活塞套筒854內(nèi)移動(dòng)。用套筒銷856阻止活塞套筒854在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過活塞組件840的截頭圓錐部分844與殼體850的錐形密封表面852的配合實(shí)現(xiàn)了密封。在該優(yōu)選方式中，活塞組件840的材料體積在該設(shè)計(jì)中被最小化，活塞組件840的材料體積使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量很小。
再次地，配量部分800可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
現(xiàn)在參見圖7，按照另一種優(yōu)選方式示出了用于汽化液態(tài)燃料的燃料噴射器配量部分900。燃料噴射器配量部分900包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道912，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道912帶有入口端914和出口端916，入口端914布置成與液態(tài)燃料源流體連通，以便將液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道912。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分900可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖7B)。
活塞閥組件918可定位在殼體950內(nèi)，并且由具有線圈繞組的螺線管(未示出)操縱。優(yōu)選地，在運(yùn)行過程中，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件936被拉入到線圈繞組(未示出)的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件936返回到其原始位置?；钊M件940連接在螺線管元件936上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件936的移動(dòng)使得活塞組件940被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道912的出口端916，以允許燃料流過噴嘴942。正如所看到的那樣，通過活塞組件940的截頭圓錐部分944與殼體950的錐形密封表面952的配合實(shí)現(xiàn)了密封。再次地，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說很明顯，該配量部分900可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
像這里所公開的其它優(yōu)選方式一樣，熱源920沿著毛細(xì)流動(dòng)通道912布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道912來(lái)提供熱源920，當(dāng)電流源在接頭922和924處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道912的一部分形成為加熱元件。然后，熱源920可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道912中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道912的出口端916輸送基本上汽化的燃料流。可以理解，與汽化燃料形成接觸的活塞組件940的材料體積被最小化，使得為了防止蒸汽的過早凝結(jié)而必須加熱的熱質(zhì)量很小。
現(xiàn)在參見圖8，示出了圖7的優(yōu)選方式的一種變型。燃料噴射器配量閥1000包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道1012，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道1012帶有入口端1014和出口端1016，入口端1014布置成與液態(tài)燃料源流體連通，以便將液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道1012。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分1000可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖8B)。
熱源1020沿著毛細(xì)流動(dòng)通道1012布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道1012來(lái)提供熱源1020，當(dāng)電流源在接頭1022和1024處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道1012的一部分形成為加熱元件。然后，熱源1020可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道1012中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道1012的出口端1016輸送基本上汽化的燃料流。
活塞閥組件1018可定位在殼體1050內(nèi)，并且由具有線圈繞組的螺線管(未示出)操縱。在運(yùn)行過程中，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件1036被拉入到線圈繞組(未示出)的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件1036返回到其原始位置。如所示，活塞組件1040連接在螺線管元件1036上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件1036的移動(dòng)使得活塞組件1040被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道1012的出口端1016，以允許燃料流過噴嘴1042。正如所看到的那樣，通過活塞組件1040的截頭圓錐部分1044與殼體1050的錐形密封表面1052的配合實(shí)現(xiàn)了密封。如所示，針1046凸入到比圖7的方式中所提供的噴嘴更小的噴嘴1042，通過提供該針1046能形成更細(xì)的噴霧。配量部分1000可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
圖9按照又一種優(yōu)選方式示出了另一種燃料噴射器配量部分1100。燃料噴射器配量部分1100包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道1112，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道1112帶有入口端1114和出口端1116，入口端1114布置成與液態(tài)燃料源流體連通，以便將液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道1112。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分1100可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖9B)。
熱源1120沿著毛細(xì)流動(dòng)通道1112布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道1112來(lái)提供熱源1120，當(dāng)電流源在接頭1122和1124處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道1112的一部分形成為加熱元件。然后，熱源1120可操作來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道1112中的液態(tài)燃料加熱到足以將至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)的程度，并從毛細(xì)流動(dòng)通道1112的出口端1116輸送基本上汽化的燃料流。
示出了另一種設(shè)計(jì)的活塞閥組件1118，活塞閥組件1118可定位在殼體1150內(nèi)，并且由具有線圈繞組的螺線管(未示出)操縱。在運(yùn)行過程中，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件1136被拉入到線圈繞組(未示出)的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件1136返回到其原始位置，以封堵住從毛細(xì)流動(dòng)通道1112的出口端1116流出的燃料。如所示，活塞1140連接在螺線管元件1136上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件1136的移動(dòng)使得活塞組件1140被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道1112的出口端1116，以允許燃料流過噴嘴1142。
正如所看到的那樣，活塞閥組件1118在活塞套筒1154內(nèi)移動(dòng)。用套筒銷1156阻止活塞套筒1154在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過活塞組件1140的截頭圓錐部分1144與殼體1150的錐形密封表面1152的配合實(shí)現(xiàn)了密封。如所示，大針1146凸入噴嘴1142中，通過提供該大針1146能形成更細(xì)的噴霧。配量部分1100可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
現(xiàn)在參見圖10，燃料噴射器配量閥1200包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道1212，該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道1212帶有入口端1214和出口端1216，入口端1214布置成與液態(tài)燃料源流體連通，以便將液態(tài)燃料輸入毛細(xì)流體通道1212。優(yōu)選地，燃料噴射器配量部分1200可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)毛細(xì)管，以便噴射器可以提供全量程的作業(yè)(見圖10B)。
熱源1220沿著毛細(xì)流動(dòng)通道1112布置，并且通過用電阻材料管形成毛細(xì)流動(dòng)通道1212來(lái)提供熱源1220，當(dāng)電流源在接頭1222和1224處連接到該管來(lái)輸送電流時(shí)，毛細(xì)流動(dòng)通道1212的一部分形成為加熱元件。然后，熱源1220可操作來(lái)加熱毛細(xì)流動(dòng)通道1212中的液態(tài)燃料。
所示出的活塞閥組件1218可定位在殼體1250內(nèi)，并且由具有線圈繞組的螺線管(未示出)操縱。在運(yùn)行過程中，當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，螺線管元件1236被拉入到線圈繞組(未示出)的中心。當(dāng)斷電時(shí)，通過使用彈簧(未示出)將螺線管元件1236返回到其原始位置，以封堵住從毛細(xì)流動(dòng)通道1212的出口端1216流出的燃料。如所示，活塞桿1240連接在螺線管元件1236上。向線圈繞組加電所引起的螺線管元件1236的移動(dòng)使得活塞桿1240和可密封套筒1254一起被拉離毛細(xì)流動(dòng)通道1212的出口端1216，以允許燃料流過噴嘴1242。
活塞桿1240被壓配合于可密封套筒1254內(nèi)。通過可密封套筒1254的截頭圓錐部分1244與殼體1250的錐形密封表面1252的配合實(shí)現(xiàn)了密封。如所示，大針1246凸入到噴嘴1242中，通過提供該大針1246能形成更細(xì)的噴霧。配量部分1100可以與通常在汽車應(yīng)用的燃料噴射器中使用的那種類型的傳統(tǒng)的致動(dòng)器部分結(jié)合在一起使用。
為了在冷發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)汽化，在使得供給至噴射器用于加熱的功率最小化和使得相關(guān)的預(yù)熱時(shí)間最小化兩者之間存在一種折衷方案，如圖11所示?？梢岳斫?，可用來(lái)加熱噴射器的功率限制于可用的電池功率，而噴射器的預(yù)熱時(shí)間由用戶性能要求來(lái)限制。
除上文所概括的設(shè)計(jì)和性能要求之外，還必須具有在廢氣后處理方案和/或啟動(dòng)控制策略中所必需的對(duì)燃料/空氣比的某種程度的控制。在最小化的情況下，燃料噴射器必須從啟動(dòng)怠速到其它的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)都能適應(yīng)所必須的調(diào)節(jié)比。然而，在一些方式中，是通過只在入口閥開啟的部分發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中噴射蒸汽來(lái)降低最大排放的。圖12中示出了這種噴射的簡(jiǎn)要描述以及關(guān)于四沖程循環(huán)每一部分的近似時(shí)間。如圖所示，在1500rpm的情況下，通過控制蒸汽流率來(lái)實(shí)現(xiàn)開啟閥噴射，使得噴射持續(xù)20ms，之后在60ms期間內(nèi)少量或沒有蒸汽輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)。
已知現(xiàn)有的使用閥來(lái)控制蒸汽燃料噴射器流量的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不希望有的熱質(zhì)量，熱質(zhì)量是指為了達(dá)到足夠高的溫度來(lái)汽化液體而必須加熱的質(zhì)量。這種熱質(zhì)量的增加是不需要的，這是因?yàn)樗鼤?huì)增加噴射器的預(yù)熱時(shí)間(見圖11)，并因此會(huì)損害在啟動(dòng)和/或過渡運(yùn)行過程中從噴射器流出的蒸汽質(zhì)量。
現(xiàn)在參見圖13，示出了控制系統(tǒng)2000的示范性示意圖。控制系統(tǒng)2000用來(lái)操作內(nèi)燃機(jī)2110，該內(nèi)燃機(jī)2110包括一個(gè)與液態(tài)燃料源2010和液態(tài)燃料噴射路徑2260成流體連通的液態(tài)燃料供給閥2220、與液態(tài)燃料源2010和毛細(xì)流動(dòng)通道2080成流體連通的汽化燃料供給閥2210，以及與氧化氣體源2070和毛細(xì)流動(dòng)通道2080成流體連通的氧化氣體供應(yīng)閥2020。該控制系統(tǒng)包括控制器2050，該控制器通常從各種發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器接收多個(gè)輸入信號(hào)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器諸如發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器2060、進(jìn)氣歧管空氣熱電偶和進(jìn)氣壓力傳感器2062、冷卻劑溫度傳感器2064、廢氣空氣/燃料比傳感器2150、燃料供給壓力2012等。在運(yùn)行中，控制器2050基于一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)執(zhí)行控制算法，并隨后產(chǎn)生一個(gè)通往氧化劑供給閥2020用于清除堵塞的按照本發(fā)明的毛細(xì)通道的輸出信號(hào)2024、一個(gè)通往液態(tài)燃料供給閥2220的輸出信號(hào)2014、一個(gè)通往燃料供給閥2210的輸出信號(hào)2034、以及一個(gè)通往向毛細(xì)管2080輸送功率來(lái)進(jìn)行加熱的電源的加熱功率指令2044。
在運(yùn)行中，本發(fā)明的系統(tǒng)可以構(gòu)造成利用廢氣再循環(huán)加熱來(lái)反饋燃燒期間產(chǎn)生的熱，使得液態(tài)燃料在通過毛細(xì)流動(dòng)通道2080時(shí)充分受熱而基本上汽化，從而減少或消除或補(bǔ)充電加熱或其它方式加熱毛細(xì)流動(dòng)通道2080的需要。
可以理解，在圖1到圖13畫出的燃料噴射器的優(yōu)選方式也可以與本發(fā)明的其它實(shí)施例結(jié)合在一起使用。再次參見圖1，噴射器10還可以包括用于在噴射器的運(yùn)行過程中清除沉積物的裝置。該用于清除沉積物的裝置可以包括熱源20和氧化劑控制閥(見圖13的2020)，該氧化劑控制閥將毛細(xì)流動(dòng)通道12與一個(gè)氧化劑源流體連通。可以理解，該氧化劑控制閥可位于或靠近毛細(xì)流動(dòng)通道12的任何一端，或者構(gòu)造成與毛細(xì)流動(dòng)通道12的任何一端流體連通。如果該氧化劑控制閥位于或靠近毛細(xì)流動(dòng)通道12的出口端16，則它用來(lái)將氧化劑源布置成與毛細(xì)流動(dòng)通道12的出口端16流體連通。在運(yùn)行過程中，熱源20用來(lái)將毛細(xì)流動(dòng)通道12中的氧化劑加熱到足以氧化在加熱液態(tài)燃料F的過程中所形成的沉積物。在一個(gè)實(shí)施例中，為了從加燃料模式轉(zhuǎn)換到清除模式，能夠操作該氧化劑控制閥(見圖13的2020)在向毛細(xì)流動(dòng)通道12內(nèi)輸入液態(tài)燃料F和輸入氧化劑之間交替變換，并且能在氧化劑被輸入到該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道時(shí)就地清潔毛細(xì)流動(dòng)通道12。
一項(xiàng)用于氧化沉積物的技術(shù)包括在毛細(xì)管中通過空氣或水蒸汽。在清潔過程中優(yōu)選加熱該流動(dòng)通道，以便啟動(dòng)和進(jìn)行該氧化過程直至將沉積物消耗掉。為了增強(qiáng)該清潔操作，可以使用一種催化物質(zhì)來(lái)減少完成該清潔所需要的溫度和/或時(shí)間，該催化物質(zhì)或者是涂覆在毛細(xì)管壁上或者是作為毛細(xì)管壁的組成部分。為了連續(xù)運(yùn)行燃料輸送系統(tǒng)，可以使用超過一個(gè)的毛細(xì)流動(dòng)通道，以便在檢測(cè)到堵塞狀態(tài)時(shí)能將燃料流轉(zhuǎn)向到另一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，而氧化劑流開始通過要被清潔的被堵塞毛細(xì)流動(dòng)通道，諸如可通過使用傳感器或者毛細(xì)管阻力的變化來(lái)檢測(cè)堵塞狀態(tài)。作為一個(gè)例子，一個(gè)毛細(xì)管主體中可包括多個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，并且可以提供一種閥配置來(lái)有選擇地向每一個(gè)流動(dòng)通道供給液態(tài)燃料或空氣。
可選擇地，燃料流能從一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道轉(zhuǎn)向，并且在預(yù)設(shè)時(shí)間間隔啟動(dòng)氧化劑流。如圖13所示，到毛細(xì)流動(dòng)通道的燃料輸送可以用控制器2050來(lái)完成。例如，該控制器2050能激活燃料輸送一個(gè)預(yù)定的時(shí)期，而在該預(yù)正時(shí)間后停止燃料的輸送。該控制器2050也可以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)傳感的狀態(tài)來(lái)調(diào)整液態(tài)燃料的壓力和/或供給到毛細(xì)流動(dòng)通道的熱量。所傳感的狀態(tài)包括燃料壓力、毛細(xì)管溫度和空氣燃料混合物。該控制器2050也可控制隸屬于該應(yīng)用的多個(gè)燃料輸送裝置。該控制器2050也可控制一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，以便清除其沉積物或堵塞。例如，可通過向毛細(xì)流動(dòng)通道加熱并且和向該毛細(xì)流動(dòng)通道供給氧化劑源的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)毛細(xì)流動(dòng)通道的清潔。
可選擇地，圖1到圖13所畫出的優(yōu)選方式還可以與本發(fā)明的其它實(shí)施例結(jié)合在一起使用。再次參見圖1，該用于清除沉積物的方法包括將毛細(xì)流動(dòng)通道12布置成與溶劑流體連通，使得當(dāng)溶劑被輸入毛細(xì)流動(dòng)通道12中時(shí)能夠就地清潔毛細(xì)流動(dòng)通道12。雖然很多種溶劑都有效用，但該溶劑可以包括從液態(tài)燃料源來(lái)的液態(tài)燃料。當(dāng)處于這種情況時(shí)，不需要額外的閥，因?yàn)椴恍枰谌剂虾腿軇┲g交替。在清潔毛細(xì)流動(dòng)通道12期間，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)間逐漸停止熱源或使熱源不活動(dòng)。
再次參見圖1，燃料噴射器10的被加熱毛細(xì)流動(dòng)通道12能產(chǎn)生汽化燃料流，該汽化燃料流在空氣中凝結(jié)形成汽化燃料、燃料液滴和空氣的混合物，通常稱為氣溶膠。與傳統(tǒng)的汽車進(jìn)氣口燃料噴射器相比較，傳統(tǒng)噴射器輸送的燃料噴霧包括Sauter平均直徑(SMD)在150～200μm范圍內(nèi)的液滴，而本發(fā)明的氣溶膠具有小于25μm SMD而優(yōu)選地小于15μm SMD的平均液滴粒徑。因此，由按照本發(fā)明的加熱毛細(xì)管產(chǎn)生的燃料液滴的大多數(shù)能由空氣流攜帶進(jìn)入燃燒室，而與流動(dòng)路徑無(wú)關(guān)。
傳統(tǒng)噴射器和在這里所公開的燃料噴射器的液滴粒徑分布之間的差異在冷啟動(dòng)和預(yù)熱狀態(tài)期間特別關(guān)鍵。具體地說，利用傳統(tǒng)的進(jìn)氣口燃料噴射器，相對(duì)冷的進(jìn)氣歧管部件需要加入過量燃料，使得有足夠多部分的燃料大液滴撞擊在進(jìn)氣部件上而被汽化生成可點(diǎn)燃的燃料/空氣混合物。相反，由這里所公開的燃料噴射器產(chǎn)生的汽化燃料和細(xì)液滴基本上不受啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)部件溫度的影響，因而不需要在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間加入過量燃料。通過使用這里所公開的被加熱的毛細(xì)管噴射器來(lái)更精確地控制供給至發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料/空氣比，不需要加入過量燃料與前述精確控制結(jié)合在一起使得冷啟動(dòng)的排放物相比于使用傳統(tǒng)燃料噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的排放物來(lái)說是大大降低了。除了減少了加入過量燃料以外，也應(yīng)當(dāng)注意到，這里所公開的被加熱的毛細(xì)管噴射器還能夠在冷啟動(dòng)和預(yù)熱期間進(jìn)行貧燃料的運(yùn)行，這導(dǎo)致在催化轉(zhuǎn)換器預(yù)熱期間更大地減少尾管的排放物。
繼續(xù)參照?qǐng)D1，毛細(xì)流動(dòng)通道12可包括諸如不銹鋼毛細(xì)管的金屬管，而加熱器包括通過電流的管20的長(zhǎng)度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，毛細(xì)管的內(nèi)徑約0.051～0.076cm(0.020～0.030英寸)，加熱長(zhǎng)度約5.08～25.4cm(2～10英寸)，而燃料能以小于7.0kg/cm2(100psig)、優(yōu)選地小于4.9kg/cm2(70psig)、更優(yōu)選地小于4.2kg/cm2(60psig)、最優(yōu)選地小于3.1kg/cm2(45psig)或更小的壓力供給至管12。已顯示，該實(shí)施例產(chǎn)生汽化燃料在處于環(huán)境溫度的空氣中凝結(jié)時(shí)形成的氣溶膠液滴分布的大多數(shù)是在2～30μm SMD粒徑范圍內(nèi)，平均液滴粒徑為約5～15μm SMD。在冷啟動(dòng)溫度下實(shí)現(xiàn)快速且?guī)缀跬耆娜剂弦旱蔚膬?yōu)選粒徑為小于大約25μm。這一結(jié)果可以通過對(duì)6英寸的不銹鋼毛細(xì)管施加約10.2～40.8kg/sec(100～400W)例如20.4kg/sec(200W)的電功率(對(duì)應(yīng)于汽化燃料內(nèi)能的2～3％)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電功率可以通過完全用諸如不銹鋼的導(dǎo)電材料制成毛細(xì)管而施加到毛細(xì)管上，或者是通過在至少一部分不導(dǎo)電管或其中有一流動(dòng)通道的疊片上提供導(dǎo)電材料而施加到毛細(xì)管上，例如通過在該管或疊片上層疊或涂覆一種電阻材料而形成一個(gè)電阻加熱器。該導(dǎo)電材料上可以連接電線而將電流供給到該加熱器上從而沿其長(zhǎng)度加熱該管。沿著管的長(zhǎng)度加熱該管的可選方法包括感應(yīng)加熱，例如通過安置在流動(dòng)通道周圍的電線圈來(lái)進(jìn)行感應(yīng)加熱，或者是相對(duì)于流動(dòng)通道安置的其它熱源通過傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射熱轉(zhuǎn)移之一或其組合來(lái)加熱流動(dòng)通道的長(zhǎng)度。
雖然一種優(yōu)選的毛細(xì)管具有約15.2cm(6英寸)的加熱長(zhǎng)度和約0.051cm(0.020英寸)的內(nèi)徑，但其它構(gòu)型的毛細(xì)管也能提供可以接受的蒸汽質(zhì)量。例如，內(nèi)徑的范圍為0.05～0.08cm(0.02～0.03英寸)，而毛細(xì)管的加熱部分的范圍為2.5～25.4cm(1～10英寸)。在冷啟動(dòng)和預(yù)熱后，不需要加熱毛細(xì)管，使得未加熱的毛細(xì)管能夠用來(lái)向運(yùn)行在正常溫度下的發(fā)動(dòng)機(jī)供給足夠的液態(tài)燃料。
從燃料毛細(xì)管流出的汽化燃料可以在像現(xiàn)有的進(jìn)氣口燃料噴射器的同一位置處或沿該進(jìn)氣歧管的另一位置處噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管中。但是，如果需要，該燃料毛細(xì)管可以安置成將汽化燃料直接輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)汽缸中。這里所公開的燃料噴射器優(yōu)于產(chǎn)生較大燃料液滴的系統(tǒng)，這些較大的液滴必須在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)對(duì)著閉合的進(jìn)氣閥的背面噴射。最好是，該毛細(xì)管的出口安置成與進(jìn)氣歧管壁平齊，這與傳統(tǒng)的燃料噴射器出口的配置相似。
在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)約20秒(或優(yōu)選更少)后，可以斷開用來(lái)對(duì)毛細(xì)流動(dòng)通道12加熱的功率，并啟動(dòng)液體噴射來(lái)進(jìn)行正常的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所了解的那樣，可以通過經(jīng)由連續(xù)噴射或脈沖噴射用液態(tài)燃料噴射來(lái)進(jìn)行正常的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
例子1在使用福特4.6升V8發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)中，一個(gè)四汽缸組被改造為包括本發(fā)明如圖1中所示的燃料輸送裝置。這些毛細(xì)管加熱元件裝有安置成與進(jìn)氣口壁齊平的毛細(xì)管尖端，這是普通燃料噴射噴嘴(stockfuel injection nozzle)的位置。這些試驗(yàn)用連續(xù)噴射(100％工作循環(huán))進(jìn)行，因此，利用燃料壓力來(lái)調(diào)節(jié)燃料蒸汽的流率。
參照?qǐng)D14，圖中表示的圖線示出了發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的最初20秒期間毛細(xì)管燃料輸送裝置的結(jié)果。曲線1表示當(dāng)時(shí)間沿X軸行進(jìn)時(shí)以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)表示的發(fā)動(dòng)機(jī)速度。曲線2表示當(dāng)時(shí)間沿X軸行進(jìn)時(shí)以每秒克數(shù)表示的燃料流量。曲線3表示當(dāng)時(shí)間沿X軸行進(jìn)時(shí)的lambda，其中1個(gè)lambda單位表示空氣對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比。曲線4表示當(dāng)時(shí)間沿X軸行進(jìn)時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣得到的以ppm甲烷等效量表示的總碳?xì)浠衔锱欧帕俊?br> 如圖14中曲線3所示，利用本發(fā)明的燃料輸送裝置，免去了普通發(fā)動(dòng)機(jī)硬件和控制策略所需的初始加入過量燃料。也就是，本發(fā)明的燃料輸送裝置在初始啟動(dòng)期間能有效地汽化液態(tài)燃料，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)以接近化學(xué)計(jì)量的燃料比進(jìn)行起動(dòng)。圖15的圖線示出，與傳統(tǒng)的加入過量燃料啟動(dòng)策略(曲線5)相比，用本發(fā)明的燃料輸送裝置獲得的接近化學(xué)計(jì)量的起到導(dǎo)致了排放物的減少(曲線6)。具體地說，圖12中的結(jié)果表明，與需要加入過量燃料的普通構(gòu)型相比，在冷啟動(dòng)的最初10秒鐘期間，本發(fā)明的燃料輸送裝置將全部碳?xì)浠衔锱欧帕繙p少了46％。用圓圈7指示的區(qū)域示出了在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最初四秒鐘期間碳?xì)浠衔锱欧帕康膭×覝p少。
例子2使用裝有測(cè)力計(jì)的例子1的福特4.6升V8發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行模擬的冷啟動(dòng)瞬時(shí)試驗(yàn)，其中，一個(gè)四汽缸組被改造為包括如圖4中所示的燃料輸送裝置。圖4的燃料噴射器安裝在普通燃料噴射噴嘴的位置。
以900RPM的轉(zhuǎn)速初始發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行該冷啟動(dòng)瞬時(shí)試驗(yàn)，火花塞在標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)火提前和預(yù)設(shè)的20℃的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度下點(diǎn)火。將燃料噴射脈寬設(shè)置成能獲得目標(biāo)lambda值，不使用瞬時(shí)補(bǔ)償，將毛細(xì)管加熱器電阻值R/R0設(shè)定為等于1.17(大約170℃)，并且使燃料噴射器能夠啟用。測(cè)量到達(dá)一Lambda值的時(shí)間，該Lambda值等于設(shè)定點(diǎn)值的10％，同時(shí)還測(cè)量總的碳?xì)浠衔锱欧拧?duì)于每個(gè)Lambda值設(shè)定點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)三次。Lambda值被設(shè)為0.9、1.0、1.1和1.2(化學(xué)計(jì)量的空氣-燃料＝1.0)。每次模擬的冷啟動(dòng)瞬時(shí)試驗(yàn)都進(jìn)行30秒。所測(cè)量的該瞬時(shí)排放空氣-燃料比響應(yīng)特性提供了燃料輸送現(xiàn)象的定性顯示。
冷啟動(dòng)瞬時(shí)試驗(yàn)的結(jié)果在圖16中示出。與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣口燃料噴射器(PFI)的比較表明，圖4噴射器的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間大大優(yōu)于基線進(jìn)氣口燃料噴射器，該基線進(jìn)氣口燃料噴射器使一種良好汽化的標(biāo)志。此外，還發(fā)現(xiàn)在“冷怠速”排放的未燃燒碳?xì)浠衔锓矫嬉灿酗@著改進(jìn)，在λ＝1.2時(shí)高達(dá)25％。
例子3使用例子1和例子2的裝有測(cè)力計(jì)的福特4.6升V8發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)研究毛細(xì)管加熱器溫度(增大汽化)對(duì)貧限(lean limit)范圍的影響，該發(fā)動(dòng)機(jī)使用了圖4的毛細(xì)管燃料噴射器。毛細(xì)管加熱器電阻值R/R0在1.15～1.26(約170～280℃)的范圍內(nèi)變化，并測(cè)量碳?xì)浠衔锱欧诺乃健?br> 這些試驗(yàn)的結(jié)果在圖17中示出?？梢钥闯觯葮?biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣口燃料噴射器有了顯著改進(jìn)。此外還觀測(cè)到，當(dāng)提高電阻設(shè)定(毛細(xì)通道溫度)時(shí)，很快地達(dá)到一個(gè)閾值，超過該閾值后，碳?xì)浠衔锱欧艑?duì)于電阻的進(jìn)一步提高就相對(duì)不敏感了。對(duì)于圖4的毛細(xì)管噴射器，所觀測(cè)到的閾值明顯低于最大運(yùn)行溫度。
例子4～9用微隔膜泵以恒定壓力向處于20℃的各種毛細(xì)管噴射器供給汽油，以此來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，以模擬啟動(dòng)狀態(tài)。使用Malvern制造的噴霧技術(shù)激光衍射系統(tǒng)(Spray-Tech laser diffraction system)來(lái)測(cè)量峰值液滴尺寸和液滴尺寸分布。除了那些在啟動(dòng)時(shí)被指定為峰值的值，液滴尺寸是指Sauter平均直徑(SMD)。SMD是指這樣的液滴的直徑，即該液滴的表面積對(duì)體積的比等于整個(gè)噴霧的表面積對(duì)體積的比，并且，SMD與噴霧的質(zhì)量傳輸特性相關(guān)。
從上文示出的結(jié)果可以看出，使用這里所公開的商業(yè)上可行的閥設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)液滴尺寸范圍。而且，在運(yùn)行10秒之后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)噴射器產(chǎn)生的液滴尺寸明顯低于該30微米的閾值，熱質(zhì)量保持為一個(gè)重要的區(qū)別因素。
例子10～17為了進(jìn)一步評(píng)估本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)來(lái)評(píng)價(jià)下文所描述的構(gòu)造。CFD分析能解基本控制方程，并且能在求解域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)提供流體速度、種類、燃燒反應(yīng)、壓力、熱傳輸和溫度值。使用Fluent公司的FLUENTTM軟件來(lái)進(jìn)行該分析。(Fluent，Inc.，USA，10 Cavendish Court，Centerra Resource Park，Lebanon，N.H.，03766-1442)。
為了表明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，這里所描述的使用毛細(xì)管噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行使用FLUENT軟件包來(lái)模擬的。所使用的模擬條件包括以3巴(bar)的入口表壓力加入燃料正辛烷，假設(shè)入口處的燃料在200℃汽化，所執(zhí)行的運(yùn)行假設(shè)蒸汽不凝結(jié)，環(huán)境空氣被設(shè)定為0巴表壓，并且空氣溫度假設(shè)為27℃。噴射器材料假設(shè)是不銹鋼，隨著溫度的熱導(dǎo)率變化被建模，并且所使用的擾動(dòng)模型為k-ε可實(shí)現(xiàn)模型(realizable model)，以便更精確地模擬噴射行為。選擇非平衡壁面函數(shù)來(lái)更好地模擬在中央主體上的沖擊噴射。
對(duì)于所研究的幾何形狀，金屬體積、浸濕面積(wetted areas)和氣體體積如下所示
注意到，幾何形狀XVA100042在圖8中示出，XVA100051在圖10中示出，XVA100037在圖7中示出，LO100007在圖4中示出，XVA100046在圖9中示出，XVA100027在圖5中示出。
對(duì)于各種毛細(xì)管噴射器設(shè)計(jì)，使用FLUENT計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)獲得的冷啟動(dòng)結(jié)果在圖18中示出。圖19表明了對(duì)于各種設(shè)計(jì)的浸濕面積與噴嘴出口溫度在200毫秒時(shí)的關(guān)系，表明了該設(shè)計(jì)因素對(duì)于毛細(xì)管噴射器性能的重要性。
從圖19和20可看出，該CFD結(jié)果支持了在例子4～9中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)論，并且顯示只要在噴射器的配量部分附近輸入蒸汽就能實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)在附圖和上文描述中詳細(xì)示出并描述，但是，所公開的實(shí)施例在特征上是示例性的而不是限制性的。在本發(fā)明范圍內(nèi)所有變化和變型都要求被保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種燃料噴射器，用于對(duì)輸送到內(nèi)燃機(jī)的液態(tài)燃料進(jìn)行汽化和配量，包括(a)至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道帶有入口端和至少一個(gè)出口端；(b)沿所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道布置的熱源，所述熱源可操作來(lái)將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料加熱到足以使至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變到汽態(tài)的程度，并從所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端輸送基本上汽化的燃料流；和(c)用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的閥，所述閥鄰近于所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端，所述閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的所述小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴射器，其中，用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥的所述小質(zhì)量元件是塞元件，用于基本上封閉來(lái)自所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端的燃料流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料噴射器，其中，用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥的所述小質(zhì)量塞元件是能與所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端切向?qū)R的。
4.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料噴射器，還包括(d)用于清除在該設(shè)備運(yùn)行期間形成的沉積物的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料噴射器，其中，用于清除沉積物的所述裝置包括所述熱源和用于將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道與氧化劑流體連通的氧化劑控制閥，所述熱源還可操作來(lái)將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道內(nèi)的氧化劑加熱到足以氧化在加熱液態(tài)燃料的過程中形成的沉積物的程度，其中，用于將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道與氧化劑流體連通的所述氧化劑控制閥可操作來(lái)在向所述毛細(xì)流動(dòng)通道輸入液態(tài)燃料和輸入氧化劑之間進(jìn)行交替變換，并且在把氧化劑輸入到所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道時(shí)能就地清潔所述毛細(xì)流動(dòng)通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料噴射器，其中，該用于清除沉積物的裝置采用包含來(lái)自于液態(tài)燃料源的液態(tài)燃料的溶劑，并且其中，該熱源在清潔所述毛細(xì)流動(dòng)通道的過程中是被逐漸停止的。
7.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料噴射器，還包括螺線管，該螺線管致動(dòng)用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥
8.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料噴射器，其中，所述熱源包括電阻加熱器。
9.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料噴射器，其中，用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥布置在所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端的下游。
10.一種在內(nèi)燃機(jī)中使用的燃料系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)燃料噴射器，每個(gè)噴射器包括(i)至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道，所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道帶有入口端和出口端；(ii)沿所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道布置的熱源，所述熱源可操作來(lái)將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料加熱到足以使至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變到汽態(tài)的程度，并從所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端輸送基本上汽化的燃料流；和(iii)用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的閥，所述閥鄰近于所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端，所述閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的所述小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成；(b)與所述多個(gè)燃料噴射器流體連通的液態(tài)燃料供給系統(tǒng)；和(c)控制向所述多個(gè)燃料噴射器的燃料供給的控制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料系統(tǒng)，其中，用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥的所述小質(zhì)量元件是塞元件，用于基本上封閉來(lái)自所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端的燃料流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料系統(tǒng)，其中，用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥的所述小質(zhì)量塞元件是能與所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端切向?qū)R的。
13.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料系統(tǒng)，還包括用于清除在該設(shè)備運(yùn)行期間形成的沉積物的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料系統(tǒng)，其中，用于清除沉積物的所述裝置包括所述熱源和用于將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道與氧化劑流體連通的氧化劑控制閥，所述熱源還可操作來(lái)將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道內(nèi)的氧化劑加熱到足以氧化在加熱液態(tài)燃料的過程中形成的沉積物的程度，其中，用于將所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道與氧化劑流體連通的所述氧化劑控制閥可操作來(lái)在向所述毛細(xì)流動(dòng)通道輸入液態(tài)燃料和輸入氧化劑之間進(jìn)行交替變換，并且在把氧化劑輸入到所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道時(shí)能就地清潔所述毛細(xì)流動(dòng)通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料系統(tǒng)，其中，該用于清除沉積物的裝置采用包含來(lái)自于液態(tài)燃料源的液態(tài)燃料的溶劑，并且其中，該熱源在清潔所述毛細(xì)流動(dòng)通道的過程中是被逐漸停止的。
16.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料系統(tǒng)，其中，所述熱源包括電阻加熱器。
17.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃料系統(tǒng)，其中，用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的所述閥布置在所述至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的所述出口端的下游。
18.一種向內(nèi)燃機(jī)輸送燃料的方法，包括步驟(a)向燃料噴射器的至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道供給液態(tài)燃料；(b)通過加熱該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料，使得基本上汽化的燃料流流過該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的出口；(c)通過鄰近于該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的出口端的閥向內(nèi)燃機(jī)的燃燒室配量該汽化燃料，該閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，該用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述到內(nèi)燃機(jī)燃燒室的汽化燃料的輸送限于內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)和預(yù)熱過程。
20.根據(jù)在前任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的閥布置在該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的出口端的下游。
全文摘要
一種在內(nèi)燃機(jī)中使用的汽化液態(tài)燃料的燃料噴射器。該燃料噴射器包括至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道；沿該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道布置的熱源，該熱源可操作來(lái)將該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道中的液態(tài)燃料加熱到足以使至少一部分液態(tài)燃料從液態(tài)變到汽態(tài)的程度，并從該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的該出口端輸送基本上汽化的燃料流；和用于向內(nèi)燃機(jī)配量燃料的閥，該閥鄰近于該至少一個(gè)毛細(xì)流動(dòng)通道的該出口端，該閥包括小質(zhì)量元件，該小質(zhì)量元件用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流；其中，該用于基本上阻塞流向內(nèi)燃機(jī)的燃料流的小質(zhì)量元件由具有小質(zhì)量和/或低導(dǎo)熱系數(shù)的材料形成。該燃料噴射器有效地減少了內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)和預(yù)熱器件的排放。
文檔編號(hào)F02M31/125GK1774574SQ200380110141
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者J·-R·林納, J·巴倫, R·O·佩利扎里, P·洛夫圖斯, P·帕爾默, J·P·梅洛, S·B·斯普拉格 申請(qǐng)人:菲利普莫里斯美國(guó)公司