CN100538051C - 用于内燃机的燃料系统和控制该燃料系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料系统，其在内燃机中使用，包括：若干燃料喷射器，每个喷射器包括至少一个毛细流动通道，所述至少一个毛细流动通道具有入口端和出口端，沿着所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源用于将述至少一个毛细流动通道中的所述液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，以及用于计量供给到内燃机的燃料的阀门，控制器，用于控制供应给所述若干燃料喷射器中每一个的所述热源的功率，以实现预定目标温度，在确定发动机空气流量中使用的传感器，用于测量指示内燃机的发动机暖机程度的值的传感器。

Description

用于内燃机的燃料系统和控制该燃料系统的方法
本发明涉及内燃机的燃料供给。
根据那些计划在未来几年就要生效的更加严格的排放法规，包括California低排放车辆II(LEVII)、美国联邦EPA Tier 2和欧盟EU-IV在内，预催化剂断开发动机的HC排放，特别是在冷起动和暖机过程中，在研究开发中吸引了大量的努力。这主要是因为以下事实：在联邦试验过程(FTP)中典型的现代轻型车辆产生的所有碳氢化合物排放的80％发生在试验的最初120秒期间。
这些高水平排放主要归因于发动机和排气部件的低温。特别是，冷的发动机部件需要富燃料运转，运转中过量的油用于补偿燃料中那些粘附到进气系统管壁和燃烧室壁上因而不容易燃烧的部分。另外，冷的三元催化剂不能显著减少在冷起动过程中通过发动机的未燃烧的碳氢化合物。因此，高浓度的未燃烧的碳氢化合物从排气管排出。可以理解，冷起动过程中与过量的碳氢化合物排放相关的过量燃料供给可以通过使用汽油蒸气而不是液态汽油来消除。
多种系统已经被设计用于为发动机暖机后工作相对较好的内燃机供给细微的液态燃料雾滴和空气。这些系统或者直接把燃料供给到燃烧室内(直接喷射)，或者使用化油器或燃料喷射器通过进气歧管把混合物供给到燃烧室内(间接喷射)。在目前所使用的系统中，通过雾化液态燃料成细微的小滴并把它供给到空气流中产生燃料-空气混合物。
在使用进气口燃料喷射的传统火花点火发动机中，通过将液态燃料滴导向进气口或进气歧管中的热部件处，喷射的燃料被汽化。在正常的运转条件下，热部件表面上的液态燃料薄膜随后被汽化。接着汽化燃料和进气空气的混合物因压力差被吸入气缸，所述压力差当进气阀门开启且活塞向下止点移动时产生。为了确保与现代发动机相容的控制程度，这种汽化技术被典型的优化，以便在少于一个发动机循环内发生。
在大多数的发动机运转条件下，进气部件的温度足够使撞击的液态燃料滴快速汽化。然而，正如所指出的，在如冷起动和暖机的条件下，燃料不能通过撞击在相对冷的发动机部件上汽化。作为替代，在这些条件下发动机的运转通过供应过量的燃料来保证，这样燃料在撞击到冷的进气部件之前经过空气时，足够的部分通过热量和质量传递汽化。通过该机制的汽化率是燃料特性、温度、压力、小滴和空气的相对速度、以及小滴直径的函数。当然，该办法在极端环境的冷起动中会失败，在该条件下燃料的挥发性不足以和空气形成可点燃浓度的蒸气。
为了实现化学意义上的完全燃烧，燃料-空气混合物必须汽化成理论配比的或贫燃料的气相混合物。理论配比的可燃混合物包含完全燃烧所需的准确数量的空气(氧气)和燃料。对汽油而言，该空燃比按重量计算约是14.7:1。没有完全汽化或者非理论配比的燃料空气混合物导致不完全燃烧和热效率降低。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，一些碳没有完全氧化，将产生一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)。
减少空气污染的要求导致使用大量的燃料系统和发动机的改进补偿燃烧效率低的尝试。如与燃料预处理和供给系统有关的现有技术所证明的，许多努力被导向减小液态燃料滴的尺寸、增强系统的湍流和提供足够的热量汽化燃料以实现更完全的燃烧。
然而，在较低的发动机温度下燃料预处理效率低仍然是个问题，其导致要求后处理和复杂控制策略的较高排放。该控制策略包括废气再循环、可变气门正时、延迟点火正时、降低压缩比、使用碳氢化合物捕捉器、紧密连接的催化转换器和空气喷射，以便氧化未燃烧的碳氢化合物，产生对催化转换器有益的放热反应。
给定在起动过程中相对大部分的未燃烧碳氢化合物被排出，那么轻型车辆发动机运转的这个方面是重要的技术开发努力的焦点。此外，随着越来越严格的排放标准被立法实施而消费者仍然对价格和性能敏感，这些开发努力仍然是极为重要的。减少传统发动机起动排放的这种努力大致分为三类：1)减少三元催化系统的暖机时间，2)改进燃料汽化的技术，3)捕捉未燃烧碳氢化合物直到催化器起作用。减少三元催化器的暖机时间的努力到现在为止包括：延迟点火正时以提高排气温度；提前开启排气阀门；电加热催化器；燃烧器或火焰加热催化器；催化方法加热催化器。总体上，这些努力大多是昂贵的，而且没有一个致力于冷起动过程中和冷起动后瞬间的HC排放。
许多技术被提出致力于燃料汽化问题。提出燃料汽化技术的美国专利包括授予Hudson，Jr.等人的美国专利No.5,195,477，授予Clarke的美国专利No.5,331,937，授予Asmus的美国专利No.4,886,032，授予Lewis等人的美国专利No.4,955,351，授予0za的美国专利No.4,458,655，授予Cooke的美国专利No.6,189,518，授予Hunt的美国专利No.5,482,023，授予Hunt的美国专利No.6,109,247，授予Awarzamani等人的美国专利No.6,067,970，授予Krohn等人的美国专利No.5,947,091，授予Nines的美国专利No.5,758,826和美国专利No.6,102,303，授予Thring的美国专利No.5,836,289，和授予Cikanek，Jr.等人的美国专利No.5,813,388。
提供汽化燃料的关键实际挑战包括计量燃料蒸气尚存疑问的事实，因而降低冷起动排放的多数方法集中于计量液态的燃料然后再使其汽化。一旦加热器关闭，在喷射器出口处增加燃料加热器或者蒸发器的加热燃料喷射器的想法通常会遭受雾化不良和燃料定向不佳。同样，加热喷射器和加热撞击板受到固有的最小化加热元件所需的功率和最小化蒸发器暖机时间之间的设计挑战。为了实际的目标，与加热喷射器和加热撞击板相关的的加热时间就会很长，除非提供过量的电功率。
提出的其它燃料供给装置包括美国专利No.3,716,416，其公开了用于燃料电池系统的燃料计量装置。该燃料电池系统被设计为自调节，在预定程度处产生功率。提出的燃料计量系统包括用于响应于燃料电池的功率输出而节流燃料流量的毛细流量控制装置，而不是为随后的燃烧提供改进的燃料预处理。作为替代，燃料被设计为供应给燃料转换器用于转化成H2，接着再供应给燃料电池。在优选实施例中，毛细管用金属制成，而毛细管本身被用作电阻，其与燃料电池的功率输出电接触。因为蒸气的流动阻力大于液体的流动阻力，所以当功率输出增加时流量被节流。建议使用的燃料包括通过施加热量很容易从液态转换成气相的、且自由流经毛细管的任何流体。汽化看来可以以如下方式实现：节流出现在汽车发动机中。
美国专利No.6,276,347提出用于内燃机的燃料喷射系统，其中该系统包含用于直接加热排出出口上游燃料的电加热元件。当发动机温度低于发动机正常运转温度时，燃料据说被加热到这种程度：大部分将被喷射的燃料不晚于离开排出出口后的瞬间被转换成气相。
美国专利No.6,276,347提出一种超临界的或接近超临界的雾化器和用于实现液体雾化或者汽化的方法。美国专利No.6,276,347的超临界雾化器据说使使用重质燃料点燃小的、轻重量的、低压缩比的、火花点火活塞式典型燃烧汽油的发动机成为可能。雾化器被设计为通过朝着其超临界温度移动燃料，将燃料释放到与燃料相关的相图中的气相稳定区中的低压区域，以产生来自液体或者类液态燃料的细微滴喷雾，导致燃料良好的雾化或汽化。实用性被公开用于诸如内燃机、科学装备、化学处理、废物处理控制、清洁、蚀刻，昆虫控制、表面改造、湿润和汽化的应用。
为了最小化分解，美国专利No.6,276,347提出在低于超临界温度的条件下保存燃料直到通过用于雾化的限流器的末端。对于某些应用，仅加热限流器的末端时希望最小化用于化学反应或者沉积的电势。这据说减少与杂质、反应物或者燃料流中的物质相关的问题，否则其趋向于从溶液中被驱逐，阻塞管路和过滤器。工作在超临界压力或接近超临界压力下建议燃料供给系统运行在21到56kg/cm2(300到800psig)的范围内。尽管使用超临界压力和温度可减少雾化器的阻塞，但其看来要求使用相对更昂贵的燃料泵，以及燃料管路、装配件和类似物，其能在这些提高的压力下工作。
美国专利No.6,390,076，是美国专利No.6,276,347的分案申请，也提出了一种接近超临界的雾化器和用于实现液体雾化或者汽化的方法，其权利要求书定向于其在燃烧器中的使用。在多数应用中保持在低于超临界点下据说可防止分解，和/或在液体或流体中没有沉积成分。它进一步提出通过调整雾化装置的热量输入，液体溶液可被汽化到不同的程度。被公开的装置提出限流动通道的末端与加热元件连接，所述加热元件由热量控制单元控制。提出用于使用的电阻加热元件可以是气体输送系统的加热管通常使用的那种带状电阻加热器。热量控制单元据说是传统的设计，或者可以响应于发动机的运转参数可选择地运转，例如转矩或RPM，以改变被喷入发动机气缸内的燃料的汽化程度。
一方面，本发明定向于控制燃料系统和将燃料输送到内燃机的方法，所述燃料系统包括至少一个燃料喷射器，所述燃料喷射器具有至少一个毛细流动通道的燃料喷射器，沿着所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源能够将所述至少一个毛细流动通道中的所述液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，所述方法包括以下步骤：
(a)确定发动机空气流量；
(b)测量指示发动机暖机程度的值；
(c)确定通过所述至少一个毛细流动通道将被转化成气态的一部分液态燃料，所述确定步骤使用步骤(a)-(b)中测量的值；
(d)控制供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率，以实现预定目标温度，所述预定目标温度用于将所述一部分液态燃料转化为在步骤(c)中确定的所述气态；以及
(e)将燃料输送到内燃机的燃烧室；
其中，确定被转化为所述气态的所述一部分液态燃料，以实现最小的废气排放。
另一方面，本发明定向于在内燃机中使用的燃料系统，包括：
(a)若干燃料喷射器，每个喷射器包括(i)至少一个毛细流动通道，所述至少一个毛细流动通道具有入口端和出口端；(ii)沿着所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源用于将述至少一个毛细流动通道中的所述液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，以及(iii)用于计量供给到内燃机的燃料的阀门，所述阀门位于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的近处；
(b)与所述若干燃料喷射器流体连通的液态燃料供应系统；
(c)控制器，控制供应给所述若干燃料喷射器中每一个的所述热源的功率，以实现预定目标温度，所述预定目标温度用于将所述一部分液态燃料转化为所述气态；
(d)确定发动机空气流量的装置，所述装置可操作地与所述控制器连接；以及
(e)传感器，用于测量指示发动机暖机程度的值，所述传感器可操作地与所述控制器连接；
其中，控制被转化为所述气态的所述一部分液态燃料，以实现最小的废气排放。
所述燃料系统有效地减少内燃机冷起动和暖机排放。当大致汽化的燃料凝聚在空气中时，通过形成细微滴大小的气溶胶促进高效率燃烧。在冷起动和发动机暖机过程中，汽化的燃料可供应给内燃机的燃烧室，实现降低排放。
另一方面，提供了清理沉积物的方法。用于清理沉积物的方法使毛细流动通道的就地清理成为可能。
现在参考仅以示例的方式给出的本发明的优选形式以及参考附图，更加详细的描述本发明，其中：
图1以局部的剖面图阐述根据优选形式的直列加热喷射器，其具有电加热毛细管，并入在改进的传统侧面供给进气口燃料喷射器的上游；
图2以局部的剖面图显示根据另一个优选形式的蒸气-液态直列式加热喷射器，其具有电加热毛细管，也能够提供液态燃料流；
图3是燃料喷射器的另一个实施例的剖视图，仍是根据另一个优选形式；
图4是使用双喷射器的的另一个实施例的侧视图，还是根据另一个优选形式；
图5是燃料输送和发动机/控制器系统的示意图，其中单独的蒸气燃料喷射器和传统的燃料喷射器结合使用；
图6是发动机/控制器结构的示意图，其中蒸气/液态燃料喷射器被用于向发动机输送汽化和液态燃料，还是根据另一个优选形式；
图7是蒸气/液态燃料喷射器的控制算法，其中通过双(高/低)功率源控制供应给喷射器的功率，还是根据另一个优选形式；
图8是蒸气/液态燃料喷射器的控制算法，其中通过比例积分微分控制器控制供应给喷射器的功率，还是根据另一个优选形式；
图9是蒸气燃料喷射器根据经验确定的电阻设定点；
图10显示不同压力下的商用汽油的典型燃料蒸气曲线；
图11显示不同压力下的典型商用汽油50％汽化的温度；
图12显示传统进气口燃料喷射器在100％占空因数时液态和汽化燃料的质量流动率。
图13显示根据优选形式的直列式加热燃料喷射器设计的不同工作模式；
图14是阐述使用本发明所述燃料输送装置的发动机在最初20秒起动期间发动机参数的图表；以及
图15是阐述本发明所述燃料输送装置与传统进气口燃料喷射器的发动机排放的对比图表。
现在介绍图1到图15阐述的实施例，其中相同的数字始终被用于指示相同的零件。
提供用于内燃机冷起动、暖机和正常运转的燃料系统以及其控制方法。所述燃料系统包括燃料喷射器，其具有毛细流动通道，能够加热液态燃料以致大致汽化的燃料被供应到发动机气缸中。与传统燃料喷射器系统相比，大致汽化的燃料可以燃烧同时降低排放。而且，所述燃料系统需要更少的功率，以及与其它汽化技术相比具有更短的暖机时间。
一般而言，汽油在低温下不容易汽化。在冷起动和暖机期间，液态燃料的汽化发生的相对少。如此，必须给发动机的每个气缸提供过量的液态燃料以实现会燃烧的空气/燃料混合物。产生于过量的液态燃料的燃料蒸气一旦点燃之后，从气缸排出的燃烧气体包括未燃烧的燃料和不希望有的气体排放。然而，一旦达到正常运转温度，液态燃料很容易汽化，因此需要更少的燃料以实现会易于燃烧的空气/燃料混合物。有利的是，一旦达到正常运转温度，空气/燃料混合物可以被控制在理论配比或其附近，因而降低未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放。另外，当燃料供给被控制在理论配比或其附近时，只是在废气流中有足够的空气用于同时氧化未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳，并通过三元催化器(TWC)降低氮氧化物的排放。
本发明的系统和方法将被大致汽化的燃料喷射到进气流动通道中，或者直接喷射到发动机气缸中，因而在发动机起动和暖机期间消除过量燃料的需要。燃料优选地与空气、或者空气和稀释剂以理论配比或者贫燃料混合物输送给发动机，所以在所述冷起动和暖机期间，事实上所有的燃料都被燃烧了。
使用传统进气口燃料喷射器时，要求过量燃料供给，以确保强劲、快速的发动机起动。在富燃料条件下，当催化器暖机时，到达三元催化器的所述排气流没有包含足够的空气以氧化过量的燃料和未燃烧的碳氢化合物。解决这个问题的一个方法是使用空气泵以供应额外的空气到催化转换器的排气流上游。目标是产生理论配比或稍微贫燃料的排气流，一旦催化器达到其作用(light-off)温度，其能在催化剂表面发生反应。相反，本发明的系统和方法可以使发动机在冷起动和暖机期间在理论配比或者甚至稍微贫燃料的条件下工作，消除过量燃料供给的需要和附加的排气空气泵的需要，降低成本和排气后处理系统的复杂性。
解决在冷起动和暖机期间催化器预热的另一个方法是在此期间故意地富燃料运转发动机。使用排气空气泵供应空气到该富燃料排气流中，产生可燃烧的混合物，其可通过自动点燃或者通过在所述催化转换器上游或者在所述催化转换器中的某些点火源燃烧。通过该氧化过程产生的放热显著地加热排放气体，当排气通过催化器时，所述热量大部分被传递给催化转换器。使用本发明的系统和方法，发动机可以被控制运转在交替的气缸富燃料和贫燃料条件下，以达到相同的效果而不需要空气泵。例如，四缸发动机，在冷起动和暖机期间两个气缸可以运转在富燃料条件下，以在排气中产生未燃烧的碳氢化合物。剩下的两个气缸则在冷起动和暖机期间运转在贫燃料条件下，以在排气流中提供氧气。
根据此发明的燃料系统包括至少一个毛细管大小的流动通道，加压的燃料在被喷射到发动机中用于燃烧前流经所述流动通道。毛细管大小的流动通道设置有优选小于2mm的液力直径，更优选的小于1mm，最优选的小于0.5mm。液力直径用于计算通过流体输送元件的流体流量。液力半径被定义为流体输送元件的流通面积除以与流体接触的固体边界的周长(通常称为“湿”周长)。在圆形截面的流体输送元件的情况下，液力半径在所述元件满流时为(πD2/4)/πD＝D/4。对于在非圆形流体输送元件中的流体流通，使用液力直径。从液力半径的定义可知，具有圆形截面积的流体输送元件的直径是其液力半径的四倍。因而，液力直径被定义为液力半径的四倍。
沿着毛细管通道施加热量，致使进入流动通道的至少一部分液态燃料在沿着通道流动时被转化为蒸气。燃料大致以蒸气流出毛细管通道，其可选择地包含着较少部分的加热液态燃料，所述液体燃料没有汽化。通过大致汽化，意味着至少50％体积的液态燃料通过热源被汽化，更优选的至少70％，最优选地至少80％的液态燃料被汽化。尽管因为发生的复杂物理效应实现100％的汽化很困难，但是完全的汽化是希望的。这些复杂的物理效应包括燃料沸点的变化，因为沸点和压力相关而压力在毛细流动通道中会变化。因而，尽管确信大部分燃料在毛细流动通道中加热的过程中达到沸点，但是一些液态燃料还没有被加热充分以完全汽化，结果是一部分液态燃料随着汽化的燃料一起通过毛细流动通道的出口。
所述毛细管大小的流动通道优选地在毛细管体中形成，例如单层或多层金属、陶瓷或玻璃体。所述通道具有与入口和出口相通的封闭容积，所述入口和出口其中之一或两者都通向毛细管体的外部，或者与同一体或者另一体中的另一个通道连接，或者与配件连接。加热器可以由所述体的一部分形成，例如不锈钢管的一部分，或者加热器可以是并入毛细管体中或其上的电阻加热材料的离散层或者线。流动通道可以是任意形状，其包括与入口和出口相通的封闭容积，通过其流体可以通过。流动通道可具有任何希望的截面，优选的截面是相同直径的圆形。其它的毛细流动通道截面包括非圆形状，例如三角形，正方形，矩形，椭圆形或者其它形状，流动通道的截面不必一致。流动通道可以直线或非直线延伸，也可以是单个流动通道或者多路流动通道。在毛细流动通道由金属毛细管确定的情况下，所述管可具有0.01到3mm的内径，优选的为0.1到1mm，最优选的为0.15到0.5mm。可作为替代的，毛细通道可由通道的横截面积确定，其可以是8×10-5到7mm2，优选的为8×10-3到8×10-1mm2，更优选的为2×10-2到2×10-1mm2。单毛细管或多毛细管、可变的压力、可变的毛细管长度、施加到毛细管的热量、以及不同的截面面积的多种组合将适宜于特定的应用。
液态燃料在至少为0.7kg/cm2(10psig)的压力下被供应到毛细流动通道，优选的是至少1.4kg/cm2(20psig)。在毛细流动通道由不锈钢管内部确定的情况下，所述不锈钢管具有大约0.051cm(0.020in)的内径，大约15.2cm(6in)的长度，所述燃料优选在7.0kg/cm2(100psig)或更少的压力下被供应到毛细通道，以实现典型尺寸的汽车发动机气缸以理论配比起动所要求的质量流动率(大约100~200mg/s)。所述至少一个毛细通道提供充足流量的大致汽化的燃料，以确保理论配比或接近理论配比的燃料和空气的混合物，其可在发动机汽缸中点燃和燃烧，而不产生不希望的高水平的未燃烧碳氢化合物或其它排放。毛细管也以具有低热惯性为特征，因此毛细通道可以非常迅速地提高到希望的用于汽化燃料的温度，优选的在2s以内，更优选的在0.5s以内，最优选的在0.1s以内，这有益于涉及冷起动发动机的应用。当发动机正常运转时，低热惯性也能提供优势，例如改善发动机功率要求突然改变时燃料输送的响应性。
当液态燃料在加热的毛细通道中汽化时，碳和/或重碳氢化合物的沉积物会累积在毛细管壁上，燃料的流动被严重地限制，其最终会导致毛细流动通道的阻塞。这些沉积物累积的比率是毛细管壁温度、燃料流动率和燃料类型的函数。相信燃料添加剂对减少这种沉积物是有用的。然而，如果阻塞发展，通过氧化沉积物可清除该阻塞。
图1显示根据本发明的燃料喷射器10，其用于汽化从液态燃料源中抽取的液态燃料。装置10包括毛细流动通道12，其具有入口端14和出口端16，入口端14与液态燃料源F流体连通，用于将大致液态的液态燃料引入毛细流动通道12中。
作为优选的，轴针式阀门组件18通过螺线管28工作。螺线管28具有与电连接器30连接的线圈绕组32。当线圈绕组32通电时，螺线管元件36被吸入到线圈绕组32的中心。当线圈绕组32的电流切断时，弹簧38使螺线管元件返回到其原始位置。轴针40与螺线管元件36连接。通过向线圈绕组32施加电流引起的螺线管元件36的移动，致使轴针40被抽出远离孔42，允许燃料流经孔42。
热源20被沿着毛细流动通道12布置。作为最优选的，热源20通过由电阻材料的管形成的毛细流动通道12提供，当电流源在连接器22和24处与管连接时，所述连接器用于输送通过此处的电流，毛细流动通道12的一部分形成加热器元件。正如可意识到的，热源20接着用于将毛细流动通道12中的液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，从毛细流动通道12的出口端16输送大致汽化的燃料流。
根据本发明，加热毛细流动通道12可以产生燃料的汽化流，其集结在空气中形成汽化燃料、燃料滴和空气的混合物，通常称为气溶胶。与传统的汽车进气口燃料喷射器相比，气溶胶具有小于25μm SMD的平均小滴尺寸，优选的小于15μm SMD，所述传统进气口燃料喷射器输送由沙得平均直径(Sauter Mean Diameter，SMD)在150到200μm范围内的小滴组成的燃料喷雾。因而，根据本发明的加热毛细管产生的大部分燃料滴可通过空气流携带进入燃烧室，与流动路径无关。
传统喷射器和根据本发明的加热毛细流动通道的小滴尺寸分布的差别在于在冷起动和暖机条件下特别关键。特别是，使用传统进气口燃料喷射器，相对冷的进气歧管部件要求过量燃料供给，以致大燃料滴的足够部分，撞击在进气部件上，被汽化以产生可点燃的燃料/空气混合物。相反，由本发明的燃料喷射器产生的汽化燃料和细微滴基本上不受起动前发动机部件温度影响，同样地，消除在发动机起动条件下过量燃料供给的需要。与使用传统燃料喷射器系统的发动机产生的那些相比，通过使用本发明的加热毛细管喷射器，消除过量燃料供给并结合对提供给发动机的燃料/空气比更精确的控制导致显著降低冷起动排放。除了减少过量燃料供给之外，也应该注意到根据本发明的加热毛细管喷射器此外还使在冷起动和暖机过程中贫燃料运转成为可能，当催化转换器预热时其导致更大地降低尾气排放。
仍参照图1，毛细流动通道12可包括例如不锈钢毛细管的金属管，以及加热器，所述加热器包括电流可通过的管20的长度。在优选实施例中，毛细管设置为内径大约0.051到0.076cm(0.02到0.03in)，加热长度大约2.54到25.4cm(1到10in)，燃料可以在少于7.0kg/cm2(100psig)的压力下供应给管12，优选的小于4.9kg/cm2(70psig)，较优选的小于4.2kg/cm2(60psig)，更加优选的小于3.1kg/cm2(45psig)。已经显示，当汽化燃料在环境温度下集结在空气中时，该实施例产生汽化燃料，其形成气溶胶滴的分布，其尺寸大部分在2到30μm SMD的范围内，平均小滴尺寸大约为5到15μm SMD。在冷起动温度下，能实现快速和几乎完全汽化的燃料滴的优选尺寸小于大约25μm。通过向15.2cm(6in)的不锈钢毛细管施加大约10.2到40.8kg/sec(100到400W)例如20.4kg/sec(200W)的电功率到可以实现该结果，这相当于汽化燃料能量含量的2-3％。电功率可以如下方式施加到毛细管：通过由例如不锈钢的导电材料整体形成该管，或者通过在至少一部分非导电的管或者其中具有流动通道的层压件上设置传导材料，例如通过碾压或涂上电阻材料以在管或层压件上形成电阻加热器。基于材料的电阻温度系数选择毛细管的电阻成分。通过施加电功率控制材料温度，以实现目标电阻。电导线与导电材料连接，以供应电流给加热器，以致沿着其长度加热该管。沿着其长度加热该管的备选方案可以包括感应加热，例如通过在流动通道周围布置的电线圈，或者相对流动通道布置的其它热源，以通过传导、对流或辐射热传递之一或组合加热流动通道长度。
尽管优选毛细管具有大约为15.2cm(6in)的加热长度，以及大约为0.051cm(0.020in)的内径，但是其它结构的毛细管也可提供可接受的汽化质量。例如，内径可在从0.05到0.08cm(0.02到0.03in)的范围内，毛细管的加热部分可在从2.5到25.4cm(1到10in)的范围内。在冷起动和暖机之后，不必加热毛细管，以致未加热的毛细管可以被用于向正常温度下运转的发动机供应足够的液态燃料。
从根据本发明的燃料毛细管中排出的汽化燃料可在与现有进气口燃料喷射器相同的位置处或者在沿着进气歧管的另一个位置处被喷射到发动机进气歧管中。然而，如果希望，燃料毛细管可以被布置为直接将汽化燃料输送到发动机的每个气缸中。当起动发动机时，相比于那些产生较大燃料滴、必须在闭合的进气阀背面喷射的系统，燃料毛细管提供了优势。优选的是，类似于传统燃料喷射器出口的布置，燃料毛细管的出口直接与进气歧管壁齐平布置。
在起动发动机大约20秒后(或者优选更少)，用于加热毛细流动通道12的功率可关闭，使用传统燃料喷射器的液体喷射可启动，用于正常的发动机运转。正常的发动机运转可替代地通过液态燃料喷射完成，其通过连续喷射或者可能的脉冲喷射穿过未加热的毛细流动通道12。
参照图2，显示根据本发明的双重蒸气/液态燃料喷射器100。蒸气/液态燃料喷射器100包括毛细流动通道112，其具有入口端114和出口端116，入口端114与液态燃料源F流体连通，以将大致液态的液态燃料导入毛细流动通道112和液体通道102中。
轴针式阀门组件118通过螺线管128工作，用于控制来自毛细流动通道112和/或液体通道102的燃料流量。螺线管128具有与电连接器130连接的线圈绕组132。当线圈绕组132通电时，螺线管元件136被吸入到线圈绕组132的中心。如前所述，当线圈绕组132的电流切断时，弹簧138使螺线管元件返回到其原始位置。轴针140与螺线管元件136连接。通过向线圈绕组132施加电流引起的螺线管元件136的移动，致使轴针140被抽出远离孔142，允许燃料流经孔142。
热源120被沿着毛细流动通道112布置。作为最优选的，热源120通过由电阻材料的管形成的毛细流动通道112提供，当电流源在连接器122和124处与管连接时，所述连接器用于输送电流，毛细流动通道112的一部分形成加热器元件。正如可意识到的，热源120接着用于将毛细流动通道112中的液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，从毛细流动通道112的出口端116输送大致汽化的燃料流。从起动发动机大约20秒后，或者优选更少，可结束到毛细流动通道112的流动，起动传统液体通道102用于发动机的继续运转。
现在参照图3，显示本发明的另一个示例性实施例。燃料喷射器200有非直线的(螺旋状的)加热毛细流动通道212，如图3所示，其盘绕在燃料喷射器200的内部。在该实施例中，毛细流动通道212盘绕在螺线管组件228周围，沿着由电连接器222和224确定的加热长度220加热。该实施例在空间被限制和直线形毛细管不可行的情况下是有用的。另外，该实施例适合用于与传统燃料喷射器一起使用(见图4)，用于在正常运转条件过程中向发动机输送燃料。
现在参照图4，发动机进气口300安装有加热毛细管喷射器10(参照图1描述的类型)和传统液态燃料喷射器350。在该实施例中，在发动机冷起动和暖机过程中，燃料将通过毛细流动通道312，沿着其长度320加热，被输送给发动机。从起动发动机的最初20秒后，或者优选地更少，加热毛细管喷射器10将不起作用，传统燃料喷射器350起动，用于发动机的正常运转。
正如将意识到的，图1到图4描述的用于准备和输送燃料的装置和系统也可以用于连接本发明的另一个实施例。再次参照图1，装置10也可包括用于清除在装置10运转过程中形成的沉积物的装置。所述用于清除沉积物的装置可包括热源20和氧化剂控制阀(见图5的420)，所述氧化剂控制阀用于使毛细流动通道12与氧化剂源流体连通。正如可意识到的，所述氧化剂控制阀可位于或者接近毛细流动通道12的任何一端。工作时，热源20用于将毛细流动通道12中的氧化剂加热到足够氧化在加热液态燃料F过程中形成的沉积物的水平。在一个实施例中，为了从燃料供给模式切换到清洁模式，所述氧化剂控制阀(见图5中420)用于在将液态燃料F导入毛细流动通道12和将氧化剂导入毛细流动通道12之间交替变化，当氧化剂被导入至少一个毛细流动通道12时，使毛细流动通道12的原地清洁成为可能。
用于氧化沉积物的一项技术包括让空气通过毛细管，如图5所示。在清洁操作过程中流动通道被优选地加热，以致氧化过程被启动并发展直到沉积物被耗尽。为了增强该清洁操作，可使用催化物质，或者作为毛细管壁上的涂层或者作为毛细管壁的成分，以降低完成清洁所需的温度和/或时间。为了燃料输送系统的连续运转，可使用多于一条的毛细流动通道，以致当检测到阻塞情况时，例如通过使用传感器或通过毛细管电阻的变化，燃料流可以被转移到另一个毛细流动通道，氧化剂流被启动通过待清洁的阻塞毛细流动通道。作为示例，毛细管体其中可包括若干毛细流动通道，可设置阀门装置，以可选择地向每个流动通道供应液体燃料或者空气。
可供选择的，燃料流可从毛细流动通道被转移，氧化剂流以预设间隔被启动。如图5所示，燃料输送给毛细流动通道受控制器450影响。例如，控制器450可起动燃料输送持续预设的时间段，在预设的时间量之后停止燃料输送。正如下面将解释的，基于一个或多个被检测的条件，控制器450也可影响液态燃料的压力调整，和/或向毛细流动通道供应的热量的数量。被检测的条件可包括在其它因素中：燃料压力412，毛细管温度、和空气燃料混合物550。控制器450也可控制隶属于应用的多个燃料输送装置。正如熟悉本领域技术的人员将意识到的，控制器450也可控制一个或多个毛细流动通道以清洁沉积物。例如，通过向毛细流动通道施加热量以及向毛细流动通道供应氧化剂源的流量，实现毛细流动通道的清洁。
可供选择的，图1到图4中描述的用于准备和输送燃料的装置和系统也可包括用于清除沉积物的替代方法。再次参照图1，用于清除沉积物的方法包括使毛细流动通道12与溶剂流体连通，当溶剂导入毛细流动通道12中时，使毛细流动通道的原地清洁成为可能。尽管很多种溶剂具有效用，但是溶剂可包括来自液态燃料源的液态燃料。在这种情况下，不需要另外的阀门，因为不需要在燃料和溶剂之间切换。在毛细流动通道12的清洁过程中，热源可以随着时间逐渐停用，或者不起作用。
如图1所示类型的毛细管燃料喷射器，可和传统液态燃料喷射器一起使用，如图4所示，可和控制系统一起使用，如图5所示。图5显示控制系统400的示意性示例，其用于运转内燃机510，所述内燃机结合与液态燃料供应410和液态燃料喷射路径660流体连通的液态燃料供应阀620，与液态燃料供应410和毛细流动通道480流体连通的汽化燃料供应阀610，以及与氧化气供应470和毛细流动通道480流体连通的氧化气体供应阀420。控制系统包括控制器450，其典型地接收来自各种发动机传感器的若干输入信号，例如发动机速度传感器460、进气歧管空气热电偶462、冷却剂温度传感器464、排气空气-燃料比传感器550、燃料供应压力412等。在运转中，控制器450基于一个或者多个输入信号执行控制算法，随后根据本发明，产生给氧化剂供给阀420、用于清洁被阻塞的根据本发明的毛细通道的输出信号424，给液态燃料供应阀620的输出信号414，给汽化燃料供应阀610的输出信号434，以及给电源的加热功率命令444，所述电源向毛细管480输送加热功率。
在运转中，根据本发明的系统可被构造为通过使用废气循环加热反馈燃烧过程中产生的热量，因此当其通过毛细流动通道480时，液态燃料被充分加热以大致汽化液态燃料，降低或者消除或者补充用电或者其它方式加热毛细流动通道480的需要。
正如可看到的，在图5的结构中，给发动机控制单元(ECU)450的输入信号分别包括燃料供应压力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，节气门角度520，和排气空气/燃料比550。相似地，所示来自ECU 450的输出信号包括空气供应命令424，燃料供应命令434，燃料喷射命令454和加热功率命令444。
可供选择的，燃料喷射器可被构造以致其适应于输送液态和气态燃料，如图2所示。图6显示控制系统700示意性的示例，其用于运转内燃机810，所述内燃机结合与液态燃料供应710和燃料喷射路径900流体连通的燃料供应阀940，以及与氧化气体供应770和毛细流动通道流体连通的氧化气体供应阀720。控制系统包括控制器750，其典型地接收来自各种发动机传感器的若干输入信号，例如发动机速度传感器760，进气歧管空气热电偶762，冷却剂温度传感器764，排气空气-燃料比传感器850，燃料供应压力712等等。在运转中，控制器750基于一个或者多个输入信号执行控制算法，随后产生给氧化剂供应阀420、用于清洁被阻塞的根据本发明一个实施例的毛细通道的输出信号724，给燃料供应阀940的输出信号930，给燃料供给阀910的输出信号734，和给电源的加热功率命令744，所述电源向毛细管输送加热功率。
现在仍然参照图6，给发动机控制单元(ECU)750的输入信号分别包括燃料供应压力712，冷却剂温度764，进气歧管空气温度和压力764，发动机速度760，节气门角度820，和排气空气/燃料比850。相似地，所示来自ECU850的输出信号是空气供应命令724，燃料供应命令734，燃料喷射命令920和加热功率命令744。因为汽化燃料流可以受脉冲作用用于开启的阀门喷射，阀门位置命令控制信号930被使用。正如参照图2可看到的，燃料和蒸气会经过相同的排出路径流出喷射器。然而，液态燃料流动要求的开启面积小于气态燃料喷射要求的开启面积。
正如将意识到的，在图5和图6中的每个实施例中，来自发动机的信号被发送到发动机控制器，控制器接着使用这些信号执行与汽化燃料喷射相关的几项功能，包括确定输送给发动机以实现最小排放的燃料类型(液态或者气态)，喷射适当的燃料量以起动和预热发动机并最小化排放，控制供应给毛细流动通道的功率以实现转化为希望的目标温度的目标电阻，以及逐渐切换到液态燃料喷射。
图7中示意性地显示优选控制算法示例。图7的燃料喷射器控制算法1000通过双(高/低)功率源控制提供给喷射器的功率。在确定输送给发动机的燃料类型(液态或气态)时，当汽车的点火开关接通1010时开始起动控制算法1020。在控制算法1000开始时，信号1030与设定点比较，所述信号可以是冷却剂温度或者代表发动机暖机程度的其它信号(例如，润滑剂温度，环境温度或者从发动机起动开始经过的时间)。如本情形可以是，如果冷却剂或者润滑剂或者环境空气的温度大于或者等于设定点，发动机控制器将指定液态燃料输送给发动机1040。同样的，如果从发动机起动开始经过的时间大于或者等于设定点(例如5分钟)，发动机控制器将指定液态燃料输送给发动机1040。
可供选择的，如果代表发动机暖机程度的信号低于设定点，如冷却剂温度，ECU将预热毛细流动通道1060，以及可选地通过增加起动时间同步发动机1090用于开启的阀门喷射。在图7的实施例中，通过基本的接通/断开控制循环实现毛细流动通道的预热温度，其中热量供应给毛细管直到目标温度1070(电阻)被测得。当温度达到目标值1070，且发动机仍在起动时，输送给毛细流动通道的热量被移除(1080)一段很短的时间以允许温度稍微降低。在该短暂的“断开”期间之后，功率再次供应给毛细流动通道以便测量温度。在该点控制循环继续。
一旦达到毛细管目标温度1070，以及可选择地发动机被同步用于开启的阀门喷射1090，喷射器被设定为接收来自ECU的燃料喷射命令。给定与加热毛细管输送方法相关的相对低的热质量，该预热过程期望花费显著地小于0.5秒的时间，以及更优选地大约0.1秒。因而，如果该过程被包含在发动机起动策略中，在喷射器工作的该阶段中比率限制步骤将是发动机同步1090。
喷射适当的燃料量以冷起动和预热发动机时，在冷起动和暖机过程中被导入发动机的液态燃料量由根据图5和图6中示意性描述的方法确定。再参照图5和图6，正如意识到的，燃料喷射的该阶段可由开环控制算法控制，其中喷射的燃料量通过查找图确定，所述查找图基于因素：例如分别的发动机转速460和760，和分别的加速踏板位置520和820。可供选择的，燃料喷射可由反馈控制循环控制，其中排气空气/燃料比信号550和850分别用于确定喷射的燃料量，或者由节气门位置520和820控制的预定控制算法。仍然在另一个实施例中，节气门位置信号520和820分别地被传给ECU 450和750，预定控制策略用于确定给定的发动机条件所要求的燃料数量。
再参照图7，为确保在整个冷起动和暖机期间高质量的蒸气被喷射到发动机中，提供了一项技术，其用于当燃料输送受脉冲作用和/或发动机燃料供给需求改变时，控制提供给毛细流动通道的功率，以维持目标电阻(也就是温度)。这在图7的“控制循环”1200中被描述。如图7所示，毛细流动通道的电阻被用作反馈，以确定对提供给毛细流动通道的功率的适当调整，以维持测量电阻和冷态毛细流动通道电阻的目标比值(R/R0)1130。
图7所示的实施例描述了步进或数字控制算法，如果R/R0 1130少于或者等于设定点，高功率1140被供应以加热毛细管。相反，当R/R01130大于设定点时，低功率1150被供应给毛细流动通道。在这种低功率条件下，所述装置承受对流冷却，同时电阻被测量并传送回控制器。
现在参照图8，显示了气态/液态燃料喷射器控制算法2000，其中提供给喷射器的功率通过比例积分微分控制器(PID)控制。PID控制器可以从许多公司获得，包括West Instrument，LFE，Watlow和Gentran，以及汽车控制装置供应商。PID控制器通过调节控制输出具有优势地提供控制设定点的精确保持。这允许温度被控制为在设定点附近具有最小的摆动。
在图8的控制算法中，当汽车的点火开关接通2010时开始起动控制算法2020。在控制算法2000开始时，冷却剂温度2030或者代表发动机暖机程度的其它信号(例如，润滑剂温度，环境温度或者从发动机起动开始经过的时间)与设定点比较。如本情形可以是，如果冷却剂或者润滑剂或者环境空气的温度大于或者等于设定点，发动机控制器将指定液态燃料输送给发动机2040。同样的，如果从发动机起动开始经过的时间大于或者等于设定点(例如5分钟)，发动机控制器将指定液态燃料输送给发动机2040。
可供选择的，如果代表发动机暖机程度的信号低于设定点，如冷却剂温度，ECU将预热毛细流动通道2060，以及可选地通过增加起动时间同步发动机2090用于开启的阀门喷射。注意到也可使用包括基于模型控制的若干种控制方法论是重要的。
一旦达到毛细管目标温度2060，以及可选择地发动机被同步用于开启的阀门喷射2090，喷射器被设定为接收来自ECU的燃料喷射命令。再次，因为该预热过程期望花费显著地小于0.5秒的时间，以及更优选地大约0.1秒，所以如果该过程被包含在发动机起动策略中，比率限制步骤将是发动机同步2090。
还是参考图8，为了喷射适当的燃料量用于以发动机冷起动和暖机，在冷起动和暖机过程中被导入发动机的液态燃料量由根据图5和图6中示意性描述的方法确定。再参照图5和图6，正如意识到的，燃料喷射的该阶段可由开环控制算法控制，其中喷射的燃料量通过查找图确定，所述查找图基于因素：例如分别的发动机转速460和760，和分别的加速踏板位置520和820。可供选择的，燃料喷射可由反馈控制循环控制，其中排气空气/燃料比信号550和850分别用于确定喷射的燃料量，或者由节气门位置520和820控制的预定控制算法。仍然在另一个实施例中，节气门位置信号520和820分别地被传给ECU 450和750，预定控制策略用于确定给定的发动机条件所要求的燃料数量。
再参照图8，为确保在整个冷起动和暖机期间高质量的蒸气被喷射到发动机中，本发明指定一种方法，其用于当燃料输送受脉冲作用和/或发动机燃料供给需求改变时，控制提供给毛细流动通道的功率，以维持目标电阻(也就是温度)2130。这显示为“控制循环”2200。如图8所示，毛细流动通道的电阻被用作反馈，以确定对提供给毛细流动通道的功率的适当调整，以维持测量电阻和冷态毛细流动通道电阻的目标比值(R/R0)2130。
图8所示的实施例描述模拟控制算法(PID控制器)，其中在前时间步长中的毛细流动通道的电阻被用作在当前时间步长中供应给毛细流动通道的功率的有限修正的基础。通过这种模拟控制方法，供应给毛细流动通道的功率可横越从零到最大允许值的整个范围。然而，理想的是，供应给毛细流动通道的功率显著地小于可利用的功率，以致控制算法可有效地响应发动机运转条件的突然变化。
正如熟悉本领域技术的人员很容易理解的，预测控制被合并到毛细流动通道的控制算法中。特别是，进气阀门动作信号被并入到控制算法中，以致该信号被当作通过一个或多个毛细流动通道的燃料流量的预报器。一旦接收到进气阀门动作信号，就增加供应给毛细流动通道的功率，以致一旦燃料喷射器打开，毛细流动通道就处于足够的温度以充分汽化燃料流。
如上面所隐含的，使用适当的电阻设定点对基于毛细流动通道的燃料喷射器性能是关键的。也就是说，低设定点将导致输送给燃料的热量不足，接着，其将导致输送给发动机质量低的蒸气。相反，高设定点将导致毛细管端部附近的局部热点，以致毛细管其余部分的温度显著低于由毛细管电阻代表的平均温度。结果，这种情况也导致蒸气的低质量。
基于这些观察，根据经验确定，对于给定的毛细管，优选电阻设定点通常对应于一点，在该点功率与通过毛细管的质量流量的比率最大。图9中显示根据经验确定的毛细流动通道的电阻设定点的示例。注意到对于给定的毛细流动通道，优选电阻设定点对燃料压力很大程度上不敏感是重要的。
正如在图7和图8中指出的，分别与R/R0控制1130和2130并行，冷却剂温度1160和2160不断地与设定点比较，所述设定点表示发动机完全预热情况。如果冷却剂温度低于各自的设定点，热量分别通过毛细流动通道控制循环1200和2200继续供应给毛细流动通道，以及因而，高质量燃料蒸气继续输送给发动机。相反，如果冷却剂温度1160和2160高于用于发动机暖机运转的设定点，控制算法开始切换到液态燃料阶段。
再参照图5，从汽化燃料到液态燃料的切换过程可采取几种形式，是使用特定毛细流动通道喷射器结构的函数。在切换到液态燃料的一种方法中，冷却剂温度信号464被用于致动切换阀610和620，可选地停止给毛细流动通道的功率，其指引燃料供应远离毛细流动通道480，而朝向传统液态燃料喷射流动通道660。实际上，该方法要求图4中示意性显示的燃料喷射器结构。
结合图6中大体描述的喷射器结构，其中汽化和液态燃料通过相同的流动通道900被输送给发动机，冷却剂温度信号764用于停止给毛细流动通道的功率，致动(930)喷射器出口处940的变化或者喷射器占空因数中的变化，其将导致更小的孔尺寸。喷射器出口940处的孔尺寸是排出喷射器的蒸气质量的函数。然而，给定与此处公开的用于汽化燃料的毛细流动通道相关的非常低的热惯性，通过移除给毛细管的功率实现从气态到液态燃料喷射的改变在实际中可近似为二进制。
本发明的控制策略有利地采用了几种不同地模式，包括：完全汽化的燃料(主要是在发动机起动过程中)，加热的燃料，当其排出喷射器进入进气歧管中承受突然的压力降时快速汽化，主要是在冷起动怠速和第一个FTP瞬时现象过程中，以及未加热的液态燃料，主要用于冷起动和最初暖机之后的正常运转。
为了设计执行此策略所要求的设定点，要求了解感兴趣燃料的蒸馏(或者蒸发)曲线。如图10所示，在大气条件下(1 bar)商业汽油的蒸发曲线正常地在从大约20℃的初沸点(IBP)到大约200℃的终沸点(FBP)范围内。在50％的燃料被汽化的温度(T50)典型地落在80℃到120℃范围内。在低于大气压力的条件下(例如在运转的发动机的进气歧管中)，该蒸发曲线向更低的温度偏移，而在升高的压力下(例如燃料系统和燃料喷射器中的燃料压力)向更高的温度偏移。
对典型的商业汽油，在燃料喷射器中50％汽化的温度接近于160℃，但是在怠速过程中在进气歧管中可低到80℃，见图11。参照图10，如果燃料喷射器中的燃料被维持在100℃，只有很小的一部分(<5％)会被汽化。当燃料离开喷射器喷嘴并进入怠速条件下的进气歧管(0.4bar)时，液态燃料的大部分将迅速汽化，因为现在环境压力低于蒸气压力的75％。
在大约2.8kg/cm2(40psig)的典型燃料压力下运转的传统液态进气口燃料喷射器中，汽化汽油100％占空因数的质量流量比率是图12所示的对应液态燃料流量比率15％。对于给定的喷射器几何外形(例如，固定的开启面积)，该差别是液相和气相之间密度差别的结果。结果，汽化汽油的质量流量比率太低而不适于高负荷运转。然而，在较高的占空因数下，使用汽化燃料的质量流量比率的能力足够用于发动机的起动和怠速。
图13中描述不同的运转模式。起动过程中，进气歧管压力是大气压力，因而燃料喷射器中的燃料压力仅4倍高于进气歧管压力。与优选形式一致，在4bar条件下燃料温度被故意控制到刚好高于FBP的水平。这样做以快速加热喷射器喷嘴，确保发动机被供应高质量汽化燃料以便起动。当燃料排出喷射器喷嘴(参见图13的1到1’)时，它仍然是过热的蒸气。使用高的喷射器占空因数，在此运转模式下质量流量比率足够用于起动和怠速发动机。
仍参照图13，在冷起动怠速过程中，进气歧管压力低于大气压(0.4bar)，因而燃料喷射器中的燃料压力大约10倍高于进气歧管压力。根据优选形式，燃料温度被降低，以致喷射器中的大部分燃料保持液态。当燃料排出喷射器喷嘴进入进气歧管中低于大气压的条件下时，大部分燃料迅速蒸发。因为喷射器中大部分燃料是液态，可使用更短的喷射器占空因数，以提供所要求的燃料质量流量比率，和显著的质量流量余量，其在车辆起动时用于提高的发动机负荷。
在冷起动和最初的发动机暖机之后，在4bar压力下燃料温度进一步降低到低于初沸点IBP。结果，喷射器中的所有燃料处于液相，喷射器的燃料质量流量能力可支持发动机的整个运转范围，直到满负荷。当其进入进气歧管时，一部分(怠速时直到50％)燃料仍然会迅速汽化。正如熟悉本领域技术的人员意识到的，略微的提高毛细流动通道中的温度也有利于抑制沉积物增多，因为设计用于保持发动机部件无沉积物的一些添加剂对温度敏感，在低温下不起作用。
最后对正常运转，毛细管维持未加热，燃料喷射器类似传统进气口燃料喷射器运行。
与工业实践一致，控制器可被编程，以提供在系统故障的情况下应急运行的能力。与所想象的一样，应急运行能力将结束毛细流动通道的加热，允许输送液态燃料给发动机。在应急运行模式中，在富燃料的条件下运转发动机也是希望的，在危急时刻潜在地使更加平稳地运转成为可能。
示例
示例1
试验被完成，其中通过使用微隔膜泵系统在恒定压力下将燃料供应给加热的毛细流动通道，JP 8喷气燃料被汽化。在这些试验中，使用了不同直径和长度毛细管。这些管路由304不锈钢构造，其具有2.5到7.6cm(1到3in)的长度，内径(ID)、以及外径(OD)，以cm(in)为单位如下：0.025ID/0.046OD(0.010 ID/0.018OD)，0.033ID/0.083OD(0.013ID/0.033OD)，和0.043ID/0.064OD(0.017ID/0.025OD)。用于汽化液态燃料的热量由电流通过一部分金属管而产生。小滴尺寸分布使用Malvern制造的Spray-Tech的激光衍射系统测量。产生具有在1.7到4.0μm之间的沙得平均直径(SMD)的小滴。SMD是表面积与体积的比率等于全部喷雾的表面积与体积的比率的小滴的直径，与喷雾的质量传递特性有关。
示例2
再次使用汽油完成试验，通过使用微隔膜泵系统在恒定压力下将燃料供应给加热的毛细流动通道，汽油被汽化。在这些试验中，使用了不同直径和长度的毛细流动通道。下面的表格显示对于不同毛细管结构的经验发现。
 
内径 加热长 燃料压力 结果
 
cm(in) 度cm(in) kg/cm<sup>2</sup>(psig)
0.069(0.027)     17.2(6.75)   5.3(75) 产生完全汽化流量，流量比率为180mg/s。                   
0.074(0.029)     18.4(7.25)   4.6(65) 20V加热电压时，产生高流量率。                     
0.051(0.020)     15.2(6.0)    4.9(70) 产生至少200mg/s的流量比率，同时大致足够的蒸气特性。
示例3
在使用福特4.6升V8发动机的试验中，一排四个气缸被改造为包含如图1所示的本发明燃料输送装置。毛细管加热元件与毛细管的末端安装在一起，所述毛细管末端平齐地安装在进气口壁处，这是普通(stock)燃料喷射器喷嘴的位置。这些试验在连续喷射(100％占空因数)的条件下实施，因此，燃料压力用于调节燃料蒸气流量比率。
参照图14，显示的曲线图阐述在发动机冷起动的最初20秒过程中毛细管燃料输送装置的结果。曲线1代表当时间沿着x轴前进时的发动机速度，单位为rpm。曲线2代表当时间沿着x轴前进时的燃料流量，单位为g/s。曲线3代表当时间沿着x轴前进时的λ，其中单位量的λ代表空气与燃料的理论配比。曲线4代表当时间沿着x轴前进时的来自发动机排气中的碳氢化合物排放总输出，单位是每百万的甲烷当量部分ppm。
正如图14中曲线3所阐述的，通过使用本发明的燃料输送装置，消除了普通的发动机硬件和控制策略所要求的最初的过量燃料供给。就是说，本发明的燃料输送装置在最初的起动期间有效地使液态燃料汽化，以致发动机在接近理论配比的燃料/空气比率下起动。图15是阐述由接近理论配比起动产生的排放降低的曲线图，其由将本发明的燃料输送装置(曲线6)与传统的过量燃料供给起动策略(曲线5)比较实现。特别地，图15的结果证明本发明的燃料输送装置在冷起动时的最初10秒过程中，与要求过量燃料供给的普通结构相比，将总碳氢化合物排放降低46％。圆圈7指示的面积阐述在起动发动机的最初4秒过程中碳氢化合物排放的显著减少。
尽管发明的主题已在附图和上述说明书中详细地举例说明和描述，但是公开的实施例是例证性的，并不限于特征。在本发明范围内的所有改变或修改都希望被保护。例如，当需要更高的体积流量比率时，可设置若干毛细通道，使得燃料并行通过通道。

Claims (19)

1、一种控制燃料系统和将燃料输送到内燃机的方法，所述燃料系统包括至少一个燃料喷射器，所述燃料喷射器具有至少一个毛细流动通道，沿着所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源能够将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，所述方法包括以下步骤：
(a)确定内燃机空气流量；
(b)测量指示内燃机暖机程度的值；
(c)确定通过所述至少一个毛细流动通道将被转化成气态的一部分液态燃料，所述确定步骤使用步骤(a)-(b)中测量的值；
(d)控制供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率，以实现预定目标温度，所述预定目标温度可操作用于将所述一部分液态燃料转化为在步骤(c)中确定的所述气态；
(e)将燃料输送到内燃机的燃烧室；以及
(f)周期性地清洁所述至少一个毛细流动通道；
其中，确定被转化为所述气态的所述一部分液态燃料，以实现最小的废气排放。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定内燃机空气流量的步骤还包括(i)测量内燃机速度，和(ii)测量内燃机的进气歧管压力。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率的步骤包括设定电阻值的步骤，所述电阻值与预定目标温度有关。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率的步骤使用双功率源。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率的步骤使用比例积分微分控制器。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机起动过程中，供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率通过设定足够达到预定目标温度的电阻值来控制，所述预定目标温度等于或者大于在大约等于燃料系统供应压力的压力下所述燃料的终沸点。
7、如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在内燃机冷起动怠速条件下，供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率通过设定足够达到预定目标温度的电阻值来控制，所述预定目标温度低于在大约等于燃料系统供应压力的压力下所述燃料的终沸点，当燃料排出喷射器的孔时，该电阻值足够实现所述燃料的迅速气化。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在内燃机暖机过程中且在达到完全暖机条件之前，供应给所述至少一个燃料喷射器的所述热源的功率通过设定足够达到预定目标温度的电阻值来控制，所述预定目标温度低于当所述燃料处于大约等于燃料系统供应压力的压力时所述燃料的初沸点。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，将气化燃料输送给内燃机的燃烧室限制在内燃机的起动和暖机运行时期。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中测量的指示内燃机暖机程度的值从以下中选择：内燃机冷却剂温度、内燃机润滑剂温度、环境空气温度和从内燃机起动后经过的时间。
11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期性清洁包括(i)暂停所述至少一个毛细流动通道的加热，(ii)向所述至少一个毛细流动通道供应溶剂，因而在所述至少一个毛细流动通道中形成的沉积物被基本上移除，其中，所述溶剂包括液态燃料。
12、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃料喷射器包括用于计量供应给内燃机的燃料的阀门，所述阀门位于所述至少一个毛细流动通道的出口端的近处。
13、一种燃料系统，其在内燃机中使用，包括：
(a)若干燃料喷射器，每个喷射器包括(i)至少一个毛细流动通道，所述至少一个毛细流动通道具有入口端和出口端；(ii)沿着所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源可操作用于将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足够把其至少一部分从液态转化为气态的水平，(iii)用于计量供给到内燃机的燃料的阀门，所述阀门位于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的近处；以及(iv)用于周期性地清洁所述至少一个毛细流动通道的装置；
(b)与所述若干燃料喷射器流体连通的液态燃料供应系统；
(c)控制器，控制供应给所述若干燃料喷射器中每一个的所述热源的功率，以实现预定目标温度，所述预定目标温度可操作用于将一部分液态燃料转化为所述气态；
(d)确定内燃机空气流量的装置，所述装置可操作地与所述控制器连接；以及
(e)传感器，用于测量指示内燃机暖机程度的值，所述传感器可操作地与所述控制器连接；
其中，控制被转化为所述气态的所述一部分液态燃料，以实现最小的废气排放。
14、如权利要求13所述的燃料系统，其特征在于，供应给所述燃料喷射器中每一个的所述热源的功率通过设定电阻值控制，所述电阻值与预定目标温度有关。
15、如权利要求13所述的燃料系统，其特征在于，控制供应给所述热源的所述功率的所述控制器是双功率源。
16、如权利要求13所述的燃料系统，其特征在于，控制供应给所述热源的所述功率的所述控制器是比例积分微分控制器。
17、如权利要求13所述的燃料系统，其特征在于，在内燃机起动过程中，供应给所述燃料喷射器中每一个的所述热源的功率通过设定足够达到预定目标温度的电阻值来控制，所述预定目标温度等于或者大于在大约四倍大气压的压力下所述燃料的终沸点。
18、如权利要求13至17中任一项所述的燃料系统，其特征在于，在内燃机冷起动怠速条件下，供应给所述燃料喷射器中的每一个的所述热源的功率通过设定足够达到预定目标温度的电阻值来控制，所述预定目标温度低于在大约等于燃料系统供应压力的压力下所述燃料的终沸点，当燃料排出喷射器的孔时，该电阻值足够实现所述燃料的迅速气化。
19、如权利要求13所述的燃料系统，其特征在于，所述液态燃料喷射器还包括燃料喷射器喷嘴，所述燃料喷射器喷嘴位于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的近处。
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