CN101137833A - 蒸气燃料发动机 - Google Patents

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Abstract

一种提供蒸发燃料到发动机中的燃料供给装置，其中一定量的液体汽油燃料可控地进行加热，以用于从液体燃料提供所需的蒸汽排放物，并且管道装置引导所述蒸汽，将它与外界空气混合并且传送该混合物到发动机的燃烧室中。在发动机排气中的传感器检测排气中的碳氢化合物含量，并且控制阀响应于该传感器控制到空气混合物中的蒸汽，以维持产生所需碳氢化合物含量的所需的混合物。

Description

蒸气燃料发动机
相关申请
本申请是2003年11月申请的名称为＂蒸气燃料发动机＂的共同审查的美国专利申请No.10/706,507的部分接续案，并且其要求该′507申请的优先权。
技术领域
本发明涉及利用蒸发燃料供给发动机动力，更特别地，涉及提高燃料效率的改进。
背景技术
已知在一些情况下，相对于汽油车，与液态燃料相比，利用蒸发的燃料能够减少到大气中的碳氢化合物的排放，同时还增加了燃料效率。仍然存在的问题是怎样在这种车辆通常行驶的变化状况下实现和保持这些有利之处。
发明内容
如在共同拥有的美国专利申请No.10/002,351中，现在为美国专利No.6,681,749(在此作为参考结合)中已知和描述的，通过加热一定量的汽油以导致蒸发，引导蒸气到外界空气流中，建立所需的空燃混合物并且引导该混合物到发动机的进气歧管中可改善燃料效率。
尽管上述申请中公开的系统已经产生了显著的改进，它不能实现所需操作的连续性。
人们知道需要保持最佳的燃料空气混合物。1比20的燃料空气混合物可能过浓，这会导致在燃料中不能接受的碳氢化合物百分比，这不适合燃烧并且减少了燃料效率。1比40的混合物在带有现今的催化转化器(CAT)下是过稀，并且产生EPA排放物标准所禁止的氮氧化物排放物。大约1比30的燃料空气混合物对于使用在车辆中的当前汽油机大约是最佳的，并且本发明的目的在于控制燃料空气混合物，以保持该比率在大体上在诸如1比30的范围内。
按照上述目的，混合物在整个发动机的操作中被监测和调节。此目的可通过利用控制蒸气燃料和/或外界空气的流量的阀自动地实现，该外界空气在蒸气燃料进入发动机进气歧管之前进行混合。这些阀连接到控制器上，该控制器随后连接到检测在车辆的排气中的排放物的车辆的氧气传感器上(在大多数现代车辆中的标准特征)。已经了解到氧气排放物直接相关于碳氢化合物排放物，其可解释为燃料空气混合物的反映。
在优选的实施例中，从氧气传感器输出的电输出信号传送到所述控制器中。已知由控制器测量的传感器的电压输出的所需读数是例如3伏特。在起动时，该读数通常为诸如4伏特，表示过浓的混合物，但是对于发动机的起动和暖机来说是所需的。在延迟一段时间以适应暖机之后，高于或者低于诸如3伏特的任何读数将激活该控制器，用于打开和关闭控制外界空气流和蒸发燃料流(更精确地，空气和燃料的浓混合物)的一个或者多个阀。例如，3.2读数将产生外界空气阀的打开和/或蒸发燃料流的关闭。2.8的读数将产生相反的结果。
尽管推测和已经假定燃料空气混合物的确立固定设置将在整个发动机操作中产生稳定混合物，已经确定不是该情况。存在许多需要控制和调节的变量。已知液体燃料温度对于碳氢化合物排放和燃料效率具有最大的影响，而且该温度变化较小，但是由于环境变化，即温度，海拔，湿度等等，温度将发生非常显著的变化度数。因此，在优选的实施例中，蒸发的燃料量得到精确的温度控制以大体上消除这种环境变化的影响。
无论如何，仍然存在仅仅通过保持液体燃料温度不能被控制的重要变化。这些剩余变量通过监测氧气传感器相应地调节。当燃料混合物偏离氧气传感器的所希望的读数时，混合物被修正，即通过改变阀或者多个阀的设置。
尽管上述改进是考虑到优选实施例的主要特征得出的，下面的考虑还提供了附加的有利之处。
再次，在优选实施例中，一定量的液体燃料，例如一加仑的燃料，加进蒸发油箱中。该燃料占有诸如油箱的下半部，加热元件和温度传感器设置在油箱的燃料容纳部分中。温度设置和保持在诸如74度，并且该温度导致燃料的蒸发，该蒸气从液面上升到邮箱的上半部中。在该油箱内，在上半部中存在外界空气入口和蒸发燃料出口。一系列挡板引导从入口来的空气并且通过液体燃料的表面进入出口中，该出口连接外部第一管道。外界空气温度通过它在液体上的运动得到稳定，并且在过程中与上升的燃料蒸气混合。当通过出口排出并且进入到第一管道中时，这变成在此之前提到的蒸发燃料并且可能更正确地确定为加浓燃料空气混合物。外界空气的第二来源通过第二管道引导并且与第一管道的蒸发燃料合并。在空气和蒸发燃料的所述结合之前，在第一和第二管道的每个或者选取的一个处，设置有控制阀，其控制相应管道的流量体积，以改变外界空气和蒸发燃料的量，它们结合到第三管道或者连续管道(也称为混合室)中，此管道随后传送该混合物到发动机的进气歧管中。
必须得出解决办法的进一步问题是发现当蒸发市场上可获得的普通汽油时，所述过程会产生不会轻易蒸发的液体剩余物，例如，在否则认为是最佳的温度设定处。在一个时期内，这些液体剩余物变成蒸发油箱的液体含量的越来越大的部分。因此，需要提供对油箱中的液体剩余物进行定期的净化。
虽然确定出剩余液体可在传统的发动机中较满意地燃烧，并且特别地，从而优选实施例的系统是可适应的并且可应用为这种传统发动机的改型，一个解决办法是发动机的交替运行，即在上述蒸发燃料上，然后如所需的转回到传统的液体燃料运行中，其中剩余液体用来作为燃料提供给发动机。可建立再循环过程来(a)用一加仑液体汽的填充该油箱；(b)蒸发80％的燃料，然后切换为传统的发动机运行以燃烧掉液体剩余物；和(c)再填充该油箱并且切换回蒸发的燃料。当然可设想其他的解决方法。剩余物可以简单地在定期基础上从该油箱中取出，并且储存直到需要再次加入燃料，然后设置或者优选转换到在传统发动机中的使用。
可以发现对燃料经济性的进一步提高是通过在用于加热蒸发油箱中燃料的温度设定中的逐渐增大。例如，起先发现最好加热燃料到诸如80度的温度上，但随着燃料更多的有效组分蒸发，燃料的化学成分发生改变。相同的温度产生更少蒸气并且发动机将可检测到损失功率；在检测到的功率损失时，需要上升该温度到诸如82度，其将增加蒸发并且恢复功率。尽管理论上加热可反复增加到实际上所有的燃料蒸发的点，但认为采取更加合乎需要的操作来阻止在剩余组分仍然可有效地作为液体燃料的点处的增大加热。例如，温度能够增大1或者2度达到100度(或者其中基本上80％的燃料蒸发的温度)。在该点处，过程被中断并且蒸发油箱被净化并且再填充新鲜燃料。
本发明将参见下面的详细说明和附图得到更充分的理解和认识。
附图说明
图1是本发明的优选实施例的示意图；
图2是用于图1的实施例的系统的工作简图；
图3是图1的蒸发油箱的分解图；和
图4是特别地示出了图1和2的系统的控制阀的进一步的分解图。
具体实施方式
参见图1，其提供了根据本发明的系统的部件的示意图。标记的汽油机包括连接到发动机节气门体上的进气口10。当发动机运行时，其通过该口10吸入空气和燃料。该发动机包括安装有氧气传感器14的排气管12。该发动机，进气口10和氧气传感器14可以是设置用于传统的汽油机车辆的标准设备，示出实施例的其他部件结合进该系统中以实现本发明的目的。
数字16表示空气箱，当运行发动机时，外界空气通过该空气箱被吸入。从空气箱16开始的空气引导管道18和20提供所需的气流到所述系统的剩余部分中。
管道20包括阀22，其控制引导通过管道20并且通过油箱顶部或者盖24传送到蒸气产生油箱26中的空气量。
管道18包括阀28，其控制引入混合室30中的外界空气量。
返回到蒸气产生油箱26，该油箱设置有流量控制装置，例如，挡板，其将随后说明，但是对于概述说明，应清楚了解到从管道20(如由阀22控制)来的空气通过顶部24进入到油箱26，液体燃料28通过管道34从气体箱32中吸出，借助于入口和出口36，38浸于液体燃料中的热水加热线圈加热气体/燃料28并且产生蒸气40。蒸气由来自空气管道20的气流吸取并且通过管道42引导到混合室30，但是由阀44控制。管道42的空气蒸气混合物在混合室30中与从管道18来的外界空气混合，并且该混合物通过进气口10进行引导并且从那里进入到发动机的燃烧室中。
现在还参见图2，其示出了参见图1的空气，蒸气和燃料的流率的自动控制过程。每个阀22、28和44通过电机，例如步进电动机22＇，28＇和44＇根据需要进行打开和关闭(在完全打开和完全关闭之间的任何没有限制的位置之间)。
已经确定燃料效率能够通过从车辆排气中排出的碳氢化合物进行测量。不幸地，从当前可利用的汽油机中碳氢化合物的消除不能完全，因为其产生不希望的和不允许的氮氧化物排放物。因此，首先确定允许的氮氧化物的水平，然后确定将保持在限制氮氧化物所允许的限制值之内的最低碳氢化合物水平。
进一步确定用于检测车辆排气的氧气水平和已经结合到较新款式车辆中的排气系统中的氧气传感器直接相关于在同样排气中的碳氢化合物水平。因此，能够确定检测器14的何种氧气读数内容产生最佳的燃料效率。例如，当氧气传感器产生3伏特读数时，确定存在所需的碳氢化合物水平。
返回到图1，已经确定燃料效率的实现是通过控制在混合室30中实现的燃料空气混合物的比率，该混合物从混合室30进入发动机进气节气门体中。已知从管道42导入混合室30中的蒸气空气混合物是过浓的，例如1等份燃料比10等份空气，并且当然仅仅从管道18中来的空气具有零等份燃料。所需混合物可实现30比1的比率，例如，对于通过阀44的每立方英尺的空气/蒸气存在2立方英尺的空气通过阀28。
尽管阀28和44能够设置为在时间的给定点上实现所需的混合物，已经了解到许多因素会影响在流过管道42的蒸气/燃料混合物中实现的比率。
假定特定的碳氢化合物排放物是所需的，氧气传感器的读数将验证该所需的混合物已经实现，因为该读数也表示在排气中的碳氢化合物。如所说明的，在任何给定的时期内，固定设定将不可能实现最佳的比率。任何温度变化，任何水平高度变化，甚至在燃料补给中的任何差异将导致从油箱26流入混合室30中的蒸汽/燃料混合物发生偏差。
因此，阀22，28和44通过步进电动机22＇，28＇和44＇(在图2的流程图和图4的分解透视图中示出)运行，其中步进电动机由计算机C自动运行。计算机C监测氧气和由此监测在排气12中的碳氢化合物排放物，并且如果这些读数表示过高或者过低的碳氢化合物，步进电动机由计算机激活以改变从管道18和管道42来的相对流体体积。如果该读数表示过高的碳氢化合物水平，管道44的蒸气/空气流需要减少，例如，阀44关闭，或者例如阀28打开，或者阀44关闭并且阀28打开。
该调节可分阶段发生，即阀44的1度关闭，氧气传感器重新读数，然后阀44重复部分的关闭，或者可选择的阀18的部分打开或者两者结合。阀22还可以作为限制空气流进入管道20的因素，其将使空气进入油箱26的流动变缓，因此到管道42的也变缓，同时还使更多气流转向通过阀28。
所述的结构使得设计者可设计将在理论上提供在认为合乎需要的燃料空气混合物中(例如1比30)的所需结果，但然后在认识到较小的环境变化产生相当大的效率偏差时提供自动调整，其响应于从排气检测器(例如氧气传感器)中的实时读数。
现在参见图3，其图示了蒸发油箱26的部件。该油箱26包括具有大约4″x8″x12″的尺寸的金属箱48。装配到该油箱的底部的是热水线圈50，其包括入口52和出口54，当其装配到该箱48中时，借助于入口52＇和出口54＇从该箱中延伸出。
位于该箱底部和线圈50上面的是挡板网格56。该挡板网格56的板包括槽58，该槽实现该网格在线圈50上面的设置。挡板网格56包括紧固件片60，并且装配到紧固件片60上的是具有隔开的圆形开口64的下部挡板62。挡板62位于箱48的上缘(由凸缘84限定)的下面，并且固定到凸缘84上的是上部挡板66。挡板66的延伸凸缘68从该箱中横向突出并且提供固定箱48到车辆的车身上的装置。上部凸缘68具有矩形开口70。
固定到上部挡板66并且与将说明的进气口对齐的是辅助的上部挡板72，其在尺寸上减小并且固定到上部板66上以便于覆盖开口70＇的大部分。多个小孔设置在辅助板上，例如具有直径大约为四分之一英寸的尺寸的5个孔74。挡板72提供对从进气口78来的气流的阻碍并且在油箱26内横向和向下地转向该气流。
完成该组件的是顶部或者盖24，其具有被称作扭曲锥体形状的复杂形状。锥体形状的顶端设置在提供进气口78的一端，蒸气排气口80设置在相同端但是沿着锥体形状的侧壁。形成顶部24的围缘的凸缘82包括螺栓孔，其与挡板66的凸缘部分76中的螺栓孔和形成箱48的围缘的凸缘84中的螺栓孔对齐。螺栓(未示出)通过对齐的螺栓孔插入以紧固部件在一起。包含在箱48中的浮子86确定包含在箱中的液体汽油的水平。液体汽油通过管道34进入该箱中，并且设置再循环管道90以如所需的排出和/或循环在蒸发油箱26中的汽油。
在运行中，液体汽油填充到在箱48底部中的大约3/4英寸的水平，该水平在加热线圈50位置的上方并且在挡板网格56顶部的下面。挡板网格56和挡板62主要地防止在车辆驱动期间汽油的溅动。当液体汽油蒸发(由加热线圈50引起)时，从入口78来的空气借助于挡板72和68散布通过液体表面，该空气收集蒸气40(见图1)，然后引导通过出口80并且借助于上述的管道42进入到混合室30中。
当汽油蒸发并且从液体汽油的表面抽吸时，汽油液面降低，这将由浮子86检测到。当由系统确定所需时，汽油通过入口34进行补充。在一段时期后，汽油开始变得污染(不蒸发)并且需要净化该油箱。这通过转换该发动机到使用汽油并且通过传统的气体喷射系统抽吸油箱26的剩余气体。还可以简单地排入存储槽内并且利用于其它的动力设备，例如动力割草机。
如发明内容中描述的，进一步改进是对在蒸发油箱中的燃料温度的受控制修正。在开始时确立温度以提供一定量的新鲜燃料的所需蒸发，例如74度(但是注意到该初始要求的温度将可能随着不同类型的燃料改变，例如80度可作为有效的开始温度)。利用先前提到的温度传感器对由热源产生的热进行控制，例如指示的浸于液体燃料中的水加热线圈。
在初始燃料温度处由发动机产生的功率被监控，并且当检测到确定的功率损失时，在蒸发油箱中的燃料温度增加，例如增加1或2度。功率损失仅仅是上述蒸发过程的结果。随着时间的推移，液体汽油比初始时产生更多的蒸气。该发动机需要一定量的蒸气以正确运行，并且当汽油是新鲜时而不是在一段时间蒸发后，该一定量的蒸气存在。该功率损失由氧气传感器检测到并且报告空气燃料比。许多情况，例如碳氢化合物，二氧化碳和氧气的高低水平可以从氧气传感器获得。当存在功率损失时，碳氢化合物和二氧化碳水平变得极其低并且氧含量变得极其高，以及更高的空燃比。这些的任何一个或者所有都可利用作为功率损失的信号。
对功率损失的最初的处理在于调节外界空气阀28或者蒸气阀44，或者两者。当蒸发过程继续时，响应于产生需要的蒸气的越来越少的有效液体汽油，外界空气阀将封闭并且蒸气阀将打开。最终该蒸气阀将完全打开并且自由空气阀将完全关闭。在此，燃料的温度增加。加热汽油以增加1或者2度足够增加蒸发量，以充分提供所需的燃料蒸汽到发动机中。当热量增加时，蒸气阀离开它的全开位置直到新的温度不再充分，在此时，蒸气阀打开并且将最终完全打开直到更多热量增加到液体汽油中。该过程将重复直到达到预定的温度，在此时剩余液体排出，例如利用常备的燃料喷射系统。
用于对从蒸气到液体燃料的改变发信号的规则如下：液体汽油的最高允许加热加上蒸气阀完全打开，加上发动机不再提供所需蒸气的输入，以适当地实施从蒸汽系统到常备的燃料喷射系统的相等的转换，并且烧尽剩余液体。
系统设计为使得在油箱中的剩余物不会变得被污染以致于其不能有效地作为液体燃料供给源。例如，可以确定在油箱中的燃料加热到100度的情况下检测到的功率损失将触发转换，即净化该油箱。可利用其它的触发机制，例如监测燃料体积并且例如当80％的燃料消耗时开始转换。
虽然上述认为是优选的实施例，读者将轻易地理解到可以在不脱离本发明的意图范围内进行多个修改和改变。因此，本发明不限于上述结构，而是充分包括所附权利要求的定义。

Claims (4)

1.一种用于汽油机的燃料供给装置，该汽油机包括用于燃烧燃料的燃烧室和用于已燃烧燃料的排气装置，该燃料供给装置包括：
蒸发油箱，包含在该油箱中的一定量的液体汽油，用于加热液体汽油燃料以促进燃料蒸发的热源，和用于控制热源以及由此控制包含在油箱中的液体燃料温度的温度控制器；
管道装置，其混合来自油箱中的蒸发汽油与外界空气并且传送到汽油机的燃烧室中，所述管道装置包括用于控制所述蒸发燃料和外界空气的混合物的可控阀；
监测已燃烧燃料的排气并且从而确定与所述蒸发燃料和外界空气的所希望混合物的偏离的监测器，所述可控阀响应于所述监测器，以用于改变所述蒸发汽油燃料和所述外界空气的混合物以实现所希望混合物；和
发动机功率传感器，用于当接收所希望混合物时检测发动机功率损失，并且在所述油箱中引发所述液体燃料的更高温度以补偿所述功率损失。
2.如权利要求1所述的燃料供给装置，包括确定燃料消耗到预先确定的剩余水平并且在所述水平开始终止蒸发的系统设计。
3.如权利要求2所述的燃料供给装置，其中所述消耗由所述液体燃料的最高温度确定，所述系统设计响应于所述最高温度以开始终止。
4.如权利要求2所述的燃料供给装置，其中所述消耗由所述蒸发油箱中的最小液体燃料水平确定，所述系统设计响应于所述最小液体燃料水平以开始终止。
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