JP2007510096A - アルコールを燃料とする内燃機関に用いられる制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃料システムを制御するための方法である。この方法は、アルコールを含む液体燃料源と、少なくとも１つの燃料噴射装置と、少なくとも１つの燃料噴射装置における液体燃料を加熱するための熱源であって、液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換するのに十分なレベルに加熱することができる熱源と、開弁対閉弁デューティサイクルによって特徴付けられる範囲の流量を達成するように作動可能な絞り弁とを有する燃料システムを採用している。この方法は、エンジン運転状態に基づき、所定量の燃料を計量送給する段階と、少なくとも１つの燃料噴射装置の熱源に供給される電力を目標温度を達成するように制御する段階と、燃料のアルコール濃度を決定する段階と、アルコール濃度の決定に基づき、少なくとも１つの燃料噴射装置の熱源に供給される電力を調整する段階とを含んでいる。アルコール濃度を決定する方法、及びアルコールを燃料とする内燃機関に用いられる燃料システムも、提供されている。

Description

本発明は、内燃機関への燃料送給に関する。

カリフォルニア低排ガス車ＩＩ（ＬＥＶＩＩ）、米国連邦環境保護局（ＥＰＡ）段階２、及び欧州連合ＥＵ−ＩＶを含む、今後数年間にわたって実施されるように計画されているかってないほど厳しい排ガス規制に照らして、特に冷始動及び暖機中に前触媒エンジンから排出されるＨＣ排出物に対して、研究と開発に多大な努力が集中されている。これは、主に、連邦試験手順（ＦＴＰ）中に典型的な最新の軽車両から生じる炭化水素排出物の全体の８０％に及ぶ部分が、その試験の最初の１２０秒の間に生じ得るという事実によるからである。

これらの高レベルの排出物は、主に、エンジンと排気部品の温度が低いことに起因している。具体的には、エンジン部品の温度が低いと、吸気システムと燃焼室の壁に付着されて容易に燃焼されない燃料の部分を補うために、過剰の燃料が供給される燃料リッチな運転が必要である。加えて、温度の低い三元触媒は、冷始動中にエンジンを通る未燃炭化水素の大部分を還元することができない。その結果、高濃度の未燃炭化水素が、排気管から放出されることになる。なお、冷始動中の過剰な炭化水素の排出物に関連する過剰な燃料供給は、もし液体燃料ではなく、蒸発された燃料を用いれば、実質的に排除可能であることが、分かっている。

微細な液体燃料の液滴と空気を内燃機関に供給する種々のシステムが、考案されているが、これらは、エンジン暖機の後では比較的良好に機能している。これらのシステムは、燃料を燃焼室に直接供給する（直接噴射）か、あるいは気化器又はポート燃料噴射装置を利用して、混合気を吸気マニフォールドを通して燃焼室内に供給する（間接噴射）か、のいずれかである。現在採用されているシステムでは、燃料／空気混合物は、液体燃料を噴霧化し、それを微細な液滴として空気流に供給することによって、生成されている。

ポート燃料噴射を採用する従来の火花点火エンジンにおいて、噴射された燃料は、その液体燃料の液滴を吸気口又は吸気マニフォールドの温度の高い構成部品に導くことによって、蒸発されるようになっている。通常の運転条件では、液体燃料は、温度の高い構成部品の表面上に膜をなし、続いて、蒸発されることになる。次いで、蒸発された燃料と吸入空気の混合物は、吸気弁が開いてピストンが下死点に向かって移動するにつれて生じる差圧によって、シリンダー内に引き込まれることになる。最新のエンジンに適合する程度の制御を確実に得るために、この蒸発技術は、典型的には、一エンジンサイクル未満で生じるように最適化されている。

殆どのエンジンの運転条件において、吸気部品の温度は、衝突する液体燃料の液滴を急速に蒸発させるのに十分である。しかし、前述したように、冷始動や暖機のような運転状態では、燃料は、比較的温度の低い構成部品との衝突によって蒸発されることがない。そこで、これらの状態下におけるエンジンの運転は、十分な量の燃料が温度の低い吸気部品との衝突の前に、空気内を通過しながら、熱と物質伝達によって蒸発するように、過剰の燃料を供給することによって、確実に行われている。この機構による蒸発速度は、燃料の性質、温度、圧力、相対的な液滴と空気の速度、及び液滴の直径の関数である。勿論、この手法は、燃料の揮発度が空気と共に点火可能な濃度の蒸気を生成するのに不十分である極端に周囲温度の低い始動時には、破綻することになる。

空気汚染を低下させる義務付けの結果として、燃料システムとエンジンの多くの改修によって、燃焼の非効率を補う試みがなされている。燃料の前処理及び送給システムに関する先行技術によって明らかなように、さらに完全な燃焼を可能とするために、液体燃料の液滴の大きさを減少させること、系の乱流を増大させること、及び燃料を蒸発させるのに十分な熱を与えることに、多大の努力が払われている。

未燃炭化水素の比較的大部分が始動中に放出されるので、軽量車両エンジンの運転のこの面が、著しい技術開発の努力の焦点になってきている。さらに、ますます厳しい排出物の規格が法制化され、ユーザは依然としてコストと性能に敏感なので、これらの開発努力は、引き続き、最優先課題とされるだろう。エンジンの始動時の排出物を低減させるのに採用される解決策の一般的な１つの範疇として、燃料の蒸発が挙げられる。この蒸発された燃料の供給に関する重要な実際的な課題として、燃料蒸気を計量送給することが困難であるという事実が挙げられる。実際、冷始動時の排出物を低減させる殆どの方法は、燃料を液体として計量送給し、次いで、それを蒸発する手法に集中している。噴射装置の出口に付加された燃料ヒータ又は蒸発器を有する加熱式の燃料噴射装置の概念は、一般的に、ヒータが停止された時点で、望ましくない噴霧化と燃料の噴射をもたらすという問題を有している。加えて、加熱式の噴射装置と加熱式の衝突板は、加熱要素に必要とされる電力の最小化と蒸発器の立ち上げに必要な時間の最短化との間に、本質的な設計上の問題を有している。実際面において、加熱式の噴射装置と加熱式の衝突板の両方と関連する加熱時間は、過剰な電力が供給されない限り、余りにも長すぎる。

輸送部門の将来にとって興味があるのは、石油基燃料を補足する燃料、又は可能であれば、その代替的な燃料である。アルコール燃料は、自動車用途の石油基燃料に代わる魅力的な燃料である。何故なら、これらの燃料は、再生可能で、穀類のような国内で入手可能な源を含む多数の源から得られるからである。さらに、アルコールは、軽量乗用車用途の他の代替的燃料の市場浸透を制限してきた多くの技術的な障壁とは無縁である。

アルコール燃料の使用に関連する利点として、それらが石油基燃料と容易に混合されるという事実が挙げられる。その結果、アルコール燃料は、いくつかの変更が必要ではあるが、既存の石油基幹設備との互換性を有している。石油基燃料と混合可能なアルコールの特性によって、この代替的な燃料の石油基燃料への漸進的な導入を可能とし、さらにアルコールの生産を、需要の見込みではなくむしろ需要に応じて、増加させることを可能としている。アルコール燃料の他の利点は、それらが大気状態において液体であるので、専用の貯蔵室及び／又は噴射システムの必要性を排除することができることにある。加えて、アルコール燃料に適合させる必要のある車両の改造は、比較的容易であり、コストはユーザにとって納得できるものとなる。

アルコール燃料に関連するこれら及び他の利点にもかかわらず、純アルコール燃料及び高分率（容積比）のアルコールを含むアルコール／石油混合物の使用に関する目立った課題もある。このような１つの課題は、アルコールを多く含む燃料によってエンジンを冷始動するときに生じている。よく知られているように、アルコール燃料は、ガソリンよりも著しく低い揮発性を有し、従って、冷始動と暖機中に、容易に蒸発し、続いて、点火することがない。

アルコールを燃料とするエンジンに関連するこれらの課題に対処する現在の手法として、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）にフィードバック信号をもたらすアルコール燃料センサを使用することが多い。ＥＣＵ内において、アルコール燃料センサの信号は、主に２つの目的、すなわち、（１）エンジンの冷始動と暖機時に、熱源を用いて、燃料を蒸発させるべきかどうかを決定する目的、及び（２）エンジンの冷始動、暖機、及び通常運転用の燃料噴射パラメータを調整する目的で、用いられている。

アルコールを燃料とする内燃機関における燃料蒸発に関連する前述の課題に対する１つの具体的な解決策として、毛細管流路を用いて燃料を蒸発させる方法が挙げられる。毛細管流路の使用は、内燃機関に蒸発された燃料を供給することに向けられている他の技術を上回る多くの際立った利点をもたらしている。特に、毛細管構造と関連する比較的低熱質量と組合わされた毛細管流路の高表面積／体積比が、暖機時間を早め（約０．５秒未満）、及び所定の加熱プロファイルを達成するのに必要な電力要件を最小限に抑える（約１５．３ｋｇ／秒、シリンダーごとに１５０ワット）ようになっている。燃料蒸発に用いられる毛細管通路のさらに他の利点は、単一の噴射装置が、選択された排出物の制御手法に依存して、液体燃料と蒸発された燃料の両方を供給することができるように、毛細管設計が従来の燃料噴射装置の機能性と一体化され得る点にある。

毛細管流路に基づく燃料蒸発器の１つの形態が、２００２年１０月３１日に出願された米国特許出願第１０／２８４，１８０号に開示されている。この出願において、内燃機関に用いられる燃料システムが開示されている。好ましい形態は、複数の燃料噴射装置であって、各々が、（ｉ）少なくとも１つの毛細管流路であって、入口端と出口端とを有する毛細管流路と、（ｉｉ）少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源であって、少なくとも１つの毛細管流路内の液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換させるのに十分な程度に加熱するように作動可能である熱源と、（ｉｉｉ）燃料を内燃機関に計量送給するための弁であって、少なくとも１つの毛細管流路の出口端に近接して配置される弁とを備える複数の燃料噴射装置と；複数の燃料噴射装置と流体連通する液体燃料供給システムと；複数の燃料噴射装置の各々の熱源に供給される電力を所定の目標温度を達成するように制御する制御装置であって、所定の目標温度は、液体燃料の一部を蒸発状態に変換するように作動可能である制御装置と；内燃機関の空気流れを決定する手段と；内燃機関の暖機の程度を示す値を測定するセンサであって、制御装置に作動可能に接続されるセンサとを備え、蒸発状態に変換されるべき液体燃料の一部は、検知された内燃機関の状態に基づき、最小の排気排出物を達成するように、制御されることを特徴としている。

米国特許出願第１０／２８４，１８０号に開示された燃料システムは、内燃機関の冷始動と暖機時の排出物を低減させるのに有効である。効率的な燃焼は、実質的に蒸発された燃料が空気中で凝縮するときに微細な液滴寸法のエアロゾルを形成することによって、促進されている。蒸発された燃料は、冷始動と暖機中に、内燃機関の燃焼室に供給され、排出物の低減が達成されることになる。

また、米国特許出願第１０／２８４，１８０号は、燃料システムを制御し、燃料を内燃機関に送給する方法であって、燃料システムは、少なくとも１つの毛細管流路を有する少なくとも１つの燃料噴射装置と、少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源であって、少なくとも１つの毛細管流路内の液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換するのに十分な程度に加熱することが可能である熱源と、燃料を内燃機関に計量送給するための弁であって、少なくとも１つの毛細管流路の出口端に近接して配置される弁とを備えるような方法を開示している。この方法は、内燃機関の空気流れを決定する段階と、内燃機関の暖機の程度を示す値を測定する段階と、少なくとも１つの毛細管流路によって蒸気状態に変換されるべき液体燃料の部分を決定する段階であって、測定された暖機の程度を示す値を用いる段階と、少なくとも１つの燃料噴射装置の熱源に供給される電力を所定の目標温度を達成するように制御する段階であって、所定の目標温度がこのように決定された液体燃料の部分を蒸気状態に変換するように作動可能である段階と、燃料を内燃機関の燃焼室に送給する段階とを含み、蒸気状態に変換されるべき液体燃料の部分は、最小の排気排出物を達成するように、決定されることを特徴としている。

米国特許出願第１０／２８４，１８０号に記載された好ましい一形態によると、毛細管流路は、毛細管チューブを備え、熱源は、抵抗加熱要素又は電流を流すことによって加熱されるチューブの一部を備えることが可能である。燃料供給源は、加圧されているか又は加圧されていない液体燃料を流路に送給するように、配置されている。この装置は、蒸発された燃料の流れをもたらし、蒸発された燃料の流れは、空気と混合し、エアロゾルを形成し、このエアロゾルは、空気流れによって、流路とは無関係に、燃焼室に運ばれることになる。

米国特許出願第１０／２８４，１８０号においてさらに記載されているように、毛細管の目標温度は、適切な目標設定値を達成するように設計された制御アルゴリズムを用いることによって、決定されるようになっている。この目標設定値は、毛細管の冷抵抗（加熱されていない状態における抵抗）に対する毛細管の加熱された状態の抵抗の比率（Ｒ／Ｒｏ）である。このＲ／Ｒｏ比は、所望のバルク毛細管温度に対応している。ＥＣＵによって要求される電子燃料噴射装置のデューティサイクルは、エンジンに供給されるべき燃料の目標量の指標をもたらしている。また、排気ガス酸素センサは、噴射装置によって実際にエンジンに供給された燃料の指標をもたらしている。

内燃機関に用いられる燃料システムの分野におけるこれらの進展にもかかわらず、エンジン運転におけるアルコール燃料又はアルコール／ガソリン燃料混合物の燃料蒸発に関連する困難さに対処することができるシステム、及びこのような燃料システムを制御する方法が必要とされている。

内燃機関の燃料システムを制御するための方法であって、燃料システムが、アルコールを含む液体燃料源と、少なくとも１つの燃料噴射装置と、少なくとも１つの燃料噴射装置における液体燃料を加熱するための熱源であって、液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換するのに十分なレベルに加熱することができる熱源と、ある範囲の流量を達成するように作動可能な絞り弁であって、この流量の範囲は、開弁対閉弁デューティサイクルによって特徴付けられるような絞り弁とを備えるような方法が、提供されている。この方法は、
（ａ）エンジン運転状態に基づき、所定量の燃料を計量送給する段階と、
（ｂ）少なくとも１つの燃料噴射装置の熱源に供給される電力を目標温度を達成するように制御する段階と、
（ｃ）燃料のアルコール濃度を決定する段階と、
（ｄ）段階（ｃ）の決定に基づき、少なくとも１つの燃料噴射装置の熱源に供給される電力を調整する段階と、
を含むことを特徴としている。

また、アルコールを燃料とする内燃機関に用いられる液体燃料源を有する燃料システムが、提供されている。この燃料システムは、
（ａ）複数の燃料噴射装置であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の燃料噴射装置と、
（ｂ）複数の燃料噴射装置の各々における液体燃料を加熱するための熱源であって、液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換させるのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、
（ｃ）燃料を内燃機関に計量送給するための絞り弁であって、開弁対閉弁デューティサイクルによって特徴付けられる範囲の流量を達成するように作動可能な絞り弁と、
（ｄ）複数の燃料噴射装置の各々の熱源に供給される電力を所定の目標温度を達成するように制御する制御装置と、
（ｅ）内燃機関のエンジン暖機の程度を示す値を測定するためのセンサと
を備え、
燃料システムは、液体燃料源のアルコール濃度を決定することが可能である
ことを特徴としている。

一態様において、アルコールとアルコール／ガソリン混合物と共に用いられる、殆どのエンジン運転状態下、特に、冷始動及び暖機状態下における燃料蒸発特性を改良した燃料システムが、提供されている。

他の態様において、アルコールとアルコール／ガソリン混合物を用いるときに、排出物を低減させ、燃料効率を改良することが可能な燃料噴射装置と燃料送給システムが、提供されている。

さらに他の態様において、最小限の電力と暖気時間しか必要とせず、蒸発された燃料を供給することが可能な燃料噴射装置と燃料送給システムが提供され、これらの燃料噴射装置と燃料送給システムは、アルコールとアルコール／ガソリン混合物との有用性を有している。

さらに他の態様において、蒸発のための毛細管流路を用いる改良された燃料システムが、提供されている。

さらに他の態様において、毛細管温度が長期にわたって、かつ燃料のアルコール濃度の変化に応じて正確に制御され得る毛細管流路を用いる燃料システムが、提供されている。

単なる例示にすぎないが、本発明の好ましい形態と、添付の図面とを参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

以下、図１〜図９に示される実施形態について説明する。全体を通して、同様の参照番号は、同様の部品を示すものとする。

アルコールを燃料とする内燃機関の冷始動、暖機、及び通常の運転に有用な燃料システム及びその制御方法が提供されている。この燃料システムは、実質的に蒸発された燃料がエンジンシリンダー内に供給されるように、液体燃料を加熱することができる毛細管流路を有する燃料噴射装置を備えている。実質的に蒸発された燃料は、従来の燃料噴射システムと比較して、排出物を低減させて燃焼されることが可能である。さらに、この燃料システムは、燃料のアルコール濃度を決定することが可能であり、少ない電力しか必要とせず、他の蒸発技術よりも暖機時間を短縮している。

アルコール基燃料は、ガソリンよりもはるかに低い揮発度を有しているので、冷始動及び暖機中に、従来のガソリンと同じように、容易に蒸発かつ点火はしない。さらに、ガソリンが低温では容易に蒸発しないので、アルコール／ガソリン混合物による冷始動及び暖気は、問題になることがある。アルコール／ガソリン混合物、純アルコール、又は純ガソリンのいずれを用いても、冷始動及び暖機中に、このような液体燃料は、比較的わずかしか蒸発しない。従って、大気状態と燃料の相対的なアルコール濃度に依存して、過剰な液体燃料をエンジンの各シリンダーに供給することによって、燃焼する空気／燃料混合物が得られることになる。このような過剰の液体燃料から生じる燃料蒸気を点火させると、シリンダーから放出される燃焼ガスは、未燃燃料と望ましくないガス状排出物を含むことになる。しかし、通常の運転温度に達すると、液体燃料は容易に蒸発し、その結果、容易に燃焼する空気／燃料混合物を得るのに、少ない燃料しか必要としないことになる。有利には、通常の運転温度に達したとき、空気／燃料混合物は、化学量論比又はその近傍で制御されるとよく、これによって、未燃炭化水素と一酸化炭素の排出物を低減させることができる。加えて、燃料の供給が化学量論比又はその近傍で制御されると、三元触媒（ＴＷＣ）システムの全体にわたって、未燃炭化水素及び一酸化炭素の酸化と、酸化窒素の還元とを同時に行うのにちょうど十分な空気が、排気流れから得られることになる。

本発明のシステム及び方法は、実質的に蒸発されたアルコール又はアルコール／ガソリン混合物を吸気流路内に噴射するか、又はエンジンシリンダー内に直接噴射し、これによって、エンジンの始動及び暖機期間中における過剰な燃料の必要性を排除するようにしている。アルコール又はアルコール／ガソリン混合物は、好ましくは、空気又は空気と希釈剤との化学量論的な混合物又は燃料リーンな混合物の形態で、エンジンに送給され、その結果、この燃料の実質的に全てが、冷始動及び暖機期間中に燃焼されることになる。

従来のポート燃料噴射の場合、着実で迅速なエンジン始動を確実にするには、過剰な燃料供給が必要である。しかし、燃料リッチな状態では、三元触媒に達する排気流れは、触媒が活性化したときに、過剰な燃料と未燃炭化水素を酸化させるのに十分な空気を含んでいない。この問題に対処する１つの手法は、空気ポンプを利用して、付加的な空気を触媒コンバータの上流側の排気流れに供給することである。この目的は、触媒がその稼動温度に達した時点において、触媒表面で反応し得る化学量論的な又はわずかに燃料がリーンな排気流れを生成することにある。対照的に、本発明のシステム及び方法は、冷始動及び暖機期間中に、エンジンが、含まれているアルコール量を決定し、化学量論的な又はごくわずかに燃料リーンな状態で運転され、これによって、過剰な燃料供給の必要性と付加的な排気空気ポンプの必要性の両方を排除し、排気の後処理システムのコストと複雑さを低減させることを可能にしている。

冷始動及び暖機期間中に触媒を活性化させるための他の手法は、この期間中に、エンジンを意図的に極めて燃料リッチな状態で運転することにある。この燃料リッチな排気流れに空気を供給するための排気空気ポンプを用いることによって、自動点火又は触媒コンバータの上流側又は触媒コンバータ内の点火源のいずれかによって燃焼される燃焼可能な混合物が生成されることになる。この酸化プロセスによって生じた発熱が、排ガスを著しく加熱し、排ガスが触媒内を通るとき、この熱の殆どが触媒コンバータに伝達されることになる。本発明のシステム及び方法を用いることによって、エンジンは、複数のシリンダーを交互に燃料リッチな状態と燃料リーンな状態とで運転するように制御され、これによって、空気ポンプを必要とすることなく、同じ効果を達成することができる。例えば、４シリンダーエンジンの場合、２つのシリンダーは、冷始動及び暖気期間中、排気に未燃炭化水素を生じさせる燃料リッチな状態で運転されることになる。残りの２つのシリンダーは、冷始動及び暖気期間中、排気流れ内に酸素をもたらす燃料リーンな状態で運転されることになる。

好ましい形態において、本発明による燃料送給システムは、加圧された燃料が燃焼のためにエンジン内に噴射される前に流通する少なくとも１つの毛細管寸法の流路を備えている。毛細管寸法の流路は、好ましくは、２ｍｍ未満、さらに好ましくは、１ｍｍ未満、最も好ましくは、０．５ｍｍ未満の水力直径を有することが可能である。水力直径は、流体輸送要素を通る流体流れを計算するのに用いられる。水力半径は、流体輸送要素の流れの面積を（一般的に、潤辺と呼ばれる）流体と接触する固体境界の周辺によって割った値として、定義されている。円断面の流体輸送要素の場合、その要素が流れで満たされているとき、水力半径は、（πＤ²／４）／πＤ＝Ｄ／４である。非円形の流体輸送要素内の流体流れの場合、水力直径が用いられる。水力半径の定義から、円断面を有する流体輸送要素の直径は、その水力半径の４倍である。従って、水力直径は、水力半径の４倍として定義されている。

熱が毛細管通路に沿って加えられると、流路に入る液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物の少なくとも一部は、通路に沿って進行しながら、蒸気に変換されることになる。アルコール又はアルコール／ガソリン混合物は、実質的に蒸気として、毛細管通路から流出し、この蒸気は、任意選択的に、蒸発されていないわずかな比率の加熱された液体燃料を含むこともある。「実質的に蒸発される」という用語は、液体燃料の容積の少なくとも５０％、さらに好ましくは、少なくとも７０％、最も好ましくは、少なくとも８０％が、熱源によって蒸発されることを、意味している。複雑な物理的影響によって、１００％の蒸発を達成するのは困難かもしれないが、にもかかわらず、完全な蒸発が望ましい。これらの複雑な物理的影響には、燃料の沸点の変動が含まれている。何故なら、沸点は圧力に依存し、圧力は毛細管流路において変化することがあるからである。従って、燃料の大部分は、毛細管流路内における加熱中に沸点に達すると考えられるが、液体燃料の一部は、完全に蒸発されるのに十分な程度には加熱されないことがあり、その結果、液体燃料の一部は、蒸発された流体と共に、毛細管流路の出口を通過することになる。

本発明の燃料噴射装置の好ましい形態において、毛細管寸法の流路は、単層又は多層金属、セラミック、又はガラス体のような毛細管体内に形成されている。流路は、入口及び出口に開口している閉鎖された容積部を有し、入口と出口のいずれか又は両方は、毛細管体の外部に開口してもよいし、あるいは同一又は他の毛細管体内の他の通路又は接続具に接続されていてもよい。ヒータは、毛細管体の一部、例えば、ステンレス鋼チューブの一部によって形成されているとよく、又は毛細管体内又は毛細管体上に組み込まれる抵抗加熱材料の分離した層又はワイヤとして構成されていてもよい。流路は、入口と出口に開口し、流体が通過し得る閉鎖された空間を備えるどのような形状であってもよい。流路は、いかなる所望の断面を有してもよく、好ましくは、均一な直径を有する円断面であるとよい。他の毛細管流路の断面として、三角形、正方形、矩形、楕円、又は他の形状のような非円形状が挙げられ、流路の断面は均一である必要はない。流路は、直線状又は非直線状に延在することが可能であり、単一の流路であってもよいし、多経路流路であってもよい。毛細管流路が金属毛細管チューブによって画成される場合、チューブは、０．０１から３ｍｍ、好ましくは、０．１から１ｍｍ、最も好ましくは、０．１５から０．５ｍｍの内径を有していることである。代替的に、毛細管流路は、その流路の横断面積によって画成することも可能であり、この流路の横断面積は、８×１０^-5から７×１０^-5ｍ²、好ましくは、８×１０^-3から８×１０^-1ｍｍ²、さらに好ましくは、２×１０^-2から２×１０^-1ｍｍ²である。単一又は多重毛細管、種々の圧力、種々の毛細管長さ、毛細管に加えられる熱量、及び異なる断面積の多くの組み合わせが、所定の用途に応じてなされるようになっている。

液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物は、少なくとも０．７ｋｇ／ｃｍ²（１０ｐｓｉ）、好ましくは、少なくとも１．４ｋｇ／ｃｍ²（２０ｐｓｉ）の圧力下で、毛細管流路に供給され得るようになっている。毛細管流路が、略０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）の内径と略１５．２４ｃｍ（６インチ）の長さを有するステンレス鋼チューブの内部によって画成される場合、典型的な大きさの自動車用エンジンシリンダーの化学量論的な始動に必要な質量流量（約１００〜２００ｍｇ／秒）を達成するために、燃料は、好ましくは、７ｋｇ／ｃｍ²（１００ｐｓｉ）未満の圧力で毛細管通路に供給されることになる。少なくとも１つの毛細管通路が、望ましくない高レベルの未燃炭化水素又は他の排出物を生じることなくエンジンの１つ又は多数のシリンダー内で点火かつ燃焼され得る燃料と空気の化学量論的又は近化学量論的混合物を確実に得るのに十分な実質的に蒸発された燃料の流れを供給することになる。毛細管チューブは、低熱慣性を有することによっても特徴付けられ、これによって、毛細管通路が、極めて迅速に、好ましくは、２．０秒内、さらに好ましくは、０．５秒内、最も好ましくは、０．１秒内に、燃料を蒸発させる所望の温度に上昇されることが可能である。これは、エンジンの冷始動を含む用途において有益である。

加熱された毛細管通路における液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物の蒸発中に、炭素及び／又は重炭化水素の沈殿物が毛細管壁に堆積され、燃料の流れが著しく制限され、最終的に毛細管流路の詰まりを生じさせることがある。これらの沈殿物が堆積される速度は、毛細管壁の温度、燃料の流速、及び燃料の種類の関数である。燃料の添加物は、このような沈殿物の形成を低減させるのに有用であると考えられる。しかし、もし詰まりが進展した場合、このような詰まりは、沈殿物を酸化させることによって、除去されるようにすることが可能である。

図１は、本発明による燃料源から引き出されるアルコール又はアルコール／ガソリン混合物を蒸発させるための燃料噴射装置１０を示している。この装置１０は、入口端１４と出口端１６とを有する毛細管流路１２を備えている。入口端１４は、実質的に液体状態の液体燃料を毛細管流路１２に導くために、液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物源Ｆと連通している。

好ましくは、ニードル弁組立体１８が、ソレノイド２８によって作動されるようになっている。ソレノイド２８は、電気コネクタ３０に接続されたコイル巻線３２を有している。コイル巻線３２が励磁されると、ソレノイド要素３６は、コイル巻線３２の中心内に引き込まれるようになっている。コイル巻線３２への電流が遮断されると、バネ３８が、ソレノイド要素をその元の位置に戻すことになる。ニードル４０は、ソレノイド要素３６に接続されている。電気をコイル巻線３２に印加することによって生じるソレノイド要素３６の移動が、ニードル４０をオリフィス４２から引き離し、燃料がオリフィス４２内に流れることを可能としている。

熱源２０は、毛細管流路１２に沿って配置されている。最も好ましくは、熱源２０は、毛細管流路１２を電気抵抗性材料のチューブから形成し、電流の源が電流を送給するためにチューブの接続部２２と接続部２４とに接続されたとき、毛細管流路１２の一部がヒータ要素を形成することによって、得られるようになっている。理解され得るように、熱源２０は、毛細管流路１２内の液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを毛細管流路１２の出口端１６から送給するのに十分な程度に加熱するように、作動可能になっている。

加熱された毛細管流路１２は、蒸発された燃料の流れを生成することが可能である。この蒸発された燃料の流れは、空気中で凝縮し、一般的にエオロゾルと呼ばれる蒸発された燃料と、燃料液滴と、空気との混合物を生成している。１００から３００μｍの範囲内のザウター平均粒子径（ＳＭＤ）の液滴からなる燃料噴射を送給する従来の自動車用ポート燃料噴射装置と比較して、このエアロゾルは、２５μｍ未満のＳＭＤ、好ましくは、１５μｍ未満のＳＭＤの平均液滴径を有している。従って、本発明による加熱された毛細管によって生成される燃料液滴の大半は、空気流によって、流れ経路に関係なく、燃焼室内に運ばれることになる。

従来の噴射装置と本発明による加熱された毛細管流路における液滴寸法分布の違いは、冷始動と暖気状態において、特に重要である。具体的には、従来のポート燃料噴射装置を用いる場合、吸気部品と衝突する十分な量の大きな燃料液滴を蒸発させ、点火可能な燃料／空気混合物を生成させるために、比較的低温の吸気マニフォールド部品に過剰な燃料を供給する必要がある。逆に、本発明の燃料噴射装置によって生成される蒸発された燃料と微細な液滴は、本質的に、始動時におけるエンジン部品の温度によって影響されず、従って、エンジン始動状態における過剰な燃料供給の必要性を排除している。本発明の燃料噴射装置の使用によって得られるエンジンに対する燃料／空気比のより正確な制御と組合わされる過剰な燃料供給の排除によって、従来の燃料噴射装置システムを用いるエンジンによって生成されるのと比較して、冷始動時の排出物が、著しく低減されることになる。過剰な燃料供給の低減に加えて、本発明による加熱式毛細管噴射装置は、冷始動及び暖気中に燃料リーン運転をさらに可能にし、その結果、触媒コンバータを活性化させると共に、排気管の排出物を著しく低減させることにも、留意すべきである。

図１をさらに参照すると、毛細管流路１２は、ステンレス鋼の毛細管チューブのような金属チューブから構成され、ヒータは、電流が通るチューブの長さ部２０から構成されるようにすることが可能である。好ましい実施形態において、毛細管チューブは、略０．０５１から０．０７６ｃｍ（０．０２から０．０３インチ）の内径と、略２．５４から２５．４ｃｍ（１から１０インチ）の加熱長さを備え、燃料は、７．０ｋｇ／ｃｍ²（１００ｐｓｉ）未満、好ましくは、４．９ｋｇ／ｃｍ²（７０ｐｓｉ）未満、さらに好ましくは、４．２ｋｇ／ｃｍ²（６０ｐｓｉ）未満、さらに好ましくは、３．２ｋｇ／ｃｍ²（４５ｐｓｉ）未満の圧力で、チューブ１２に供給されるようになっている。この実施形態は、大気温度の空気中で凝縮されたとき、殆どが２から３０μｍのＳＭＤの範囲内にあり、平均液滴径が約５から１５μｍのＳＭＤの間にあるエアロゾル液滴の分布を有する蒸発された燃料を生成することが分かっている。冷始動温度において、迅速でかつほぼ完全な蒸発を達成するための燃料液滴の好ましい大きさは、約２５μｍ未満である。この結果は、蒸発された燃料のエネルギー含量の２〜３％に対応する略１０．２から４０．８ｋｇ／ｓｅｃ（１００から４００Ｗ）、例えば、２０．４ｋｇ／ｓｅｃ（２００Ｗ）の電力を１５．２４ｃｍ（６インチ）のステンレス鋼の毛細管チューブに印加することによって、達成させることが可能となる。

電力は、毛細管チューブに、以下のようにして、すなわち、そのチューブを全体的にステンレス鋼のような導電材料から形成することによって、又は流路を有する非導電チューブ又は積層体の少なくとも一部の上に導電材料を設けることによって、例えば、そのチューブ又は積層体に電気的抵抗材料を積層するか又は被覆して抵抗加熱器を形成することによって、印加させることが可能となる。毛細管の抵抗要素は、材料の抵抗の温度係数に基づいて選択されている。材料の温度は、電力を目標の抵抗が得られるように印加することによって、制御可能である。電流をヒータに供給し、チューブをその長さに沿って加熱するために、電気リード線が導電材料に接続されている。チューブをその長さに沿って加熱する代替案として、誘導加熱、又は伝熱、対流、又は輻射熱伝導の１つ又は組合せによって流路の長さ部を加熱するように、流路に対して配置される他の熱源が挙げられる。

好ましい毛細管チューブは、略１５．２４ｃｍ（６インチ）の加熱長さと略０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）の内径とを有しているが、許容される蒸気の品質をもたらす他の構成の毛細管であってもよい。例えば、毛細管の内径は、０．０５１から０．０７６ｃｍ（０．０２から０．０３インチ）の範囲内にあり、毛細管チューブの加熱部は、２．５４から２５．４ｃｍ（１から１０インチ）の範囲内にあればよい。冷始動及び暖機の後は、毛細管を加熱する必要がないので、加熱されない毛細管チューブを用いて、通常の温度で運転されるエンジンに十分な液体燃料を供給することが可能となる。

毛細管から出る蒸発されたアルコール又はアルコール／ガソリン混合物は、エンジン吸気マニフォールドにおける従来のポート燃料噴射装置の場合と同じ箇所、又は吸気マニフォールドに沿った他の箇所に噴射されるようになっている。しかし、必要に応じて、燃料毛細管は、蒸発された燃料をエンジンの各シリンダー内に直接供給するように配置させることもできる。この毛細管は、エンジンを始動させながら、閉鎖された吸気弁の裏面に対して噴射されねばならない大きな燃料液滴を生成するシステムよりも有利である。好ましくは、燃料毛細管チューブの出口は、従来の燃料噴射装置の出口の配置と同様に、吸気マニフォールドの壁と同じ面になるように配置されている。

エンジンを始動してから略２０秒（好ましくは２０秒未満）が経過した後、毛細管流路１２を加熱するのに用いられた電力が遮断され、通常のエンジン運転のために、従来の燃料噴射装置を用いる液体噴射が始動されることが可能である。代替的に、通常のエンジン運転は、連続噴射又はパルス噴射の形態で、加熱されない毛細管流路１２を介する液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物の噴射によって、行われるようにすることも可能である。

図２を参照すると、二重蒸気／液体燃料噴射装置１００が示されている。蒸気／液体燃料噴射装置１００は、入口端１１４と出口端１１６とを有する毛細管流路１１２を備えている。入口端１１４は、実質的に液体状態の液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物を毛細管流路１１２と液体通路１０２とに導入するために、液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物源Ｆと連通している。

ニードル弁組立体１１８は、ソレノイド１２８によって作動され、毛細管流路１１２及び／又は液体通路１０２からの燃料流れを制御するのに用いられている。ソレノイド１２８は、電気コネクタ１３０に接続されたコイル巻線１３２を有している。コイル巻線１３２が励磁されると、ソレノイド要素１３６がコイル巻線１３２の中心内に引き込まれるようになっている。前述したように、コイル巻線１３２への電気が遮断されると、バネ１３８がソレノイド要素をその元の位置に戻すことになる。ニードル１４０は、ソレノイド要素１３６に接続されている。電気をコイル巻線１３２に印加することによって生じるソレノイド要素１３６の移動が、ニードル１４０をオリフィス１４２から引き離し、燃料をオリフィス１４２内に流すことが可能となる。

熱源１２０は、毛細管流路１１２に沿って配置されている。最も好ましくは、熱源１２０は、毛細管流路１１２を電気抵抗性の材料のチューブから形成し、電流源が電流を供給すべくチューブの接続点１２２，１２４に接続されたときに毛細管流路１１２の一部がヒータ要素を形成することによって、得られている。理解され得るように、熱源１２０は、毛細管流路１１２内の液体アルコール又はアルコール／ガソリン混合物を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを毛細管流路１１２の出口端１１６から送給するのに十分な程度に加熱すべく、作動されるようになっている。エンジンを始動させてから約２０秒、好ましくは、２０秒未満が経過した後、毛細管流路１１２への流れが完了し、エンジンを連続的に運転するために、従来の液体通路１０２が始動可能となる。

図３を参照すると、エンジン吸気口３００には、（図１を参照して説明した型式の）加熱される毛細管噴射装置１０と、従来の液体燃料噴射装置３５０とが装着されている。この実施形態において、エンジンの冷始動と暖機中に、燃料は、長さに沿って加熱される毛細管流路（図示せず）によって、エンジンに送給されるようになっている。エンジンを始動してから最初の略２０秒、又は好ましくは２０秒未満が経過した後、加熱された毛細管噴射装置１０はその作動が停止され、従来の燃料噴射装置３５０がエンジンの通常の運転のために始動されることになる。

図４に示されるように、毛細管流路への燃料供給は、制御装置７５０によって行われるようになっている。制御装置７５０は、以下に述べるように、１つ以上の検知された状態に基づいて、液体燃料の圧力及び／又は毛細管流路に供給される熱量の調整を行ってもよい。検知される状態には、とりわけ、燃料圧力７１２、毛細管温度、及び空燃比８５０が含まれている。制御装置７５０は、用途に付随している多数の燃料送給装置を制御するようにされていてもよい。当業者によって理解され得るように、制御装置７５０は、沈殿物を除去するように、１つ以上の毛細管流路を制御するようにされていてもよい。例えば、毛細管流路の清浄化は、熱を毛細管流路に加え、酸化剤源の流れをその毛細管流路に供給することによって、達成することが可能である。

図１〜図３に示される型式の毛細管燃料噴射装置は、従来の液体燃料噴射装置と連携して用いられてもよいし、又は連携せずに用いられてもよく、あるいは液体燃料と蒸気燃料の両方の送給に適合するように構成されていてもよい。図４をさらに参照すると、制御システム７００を用いて、液体燃料源７１０及び燃料噴射経路９００と連通する燃料供給弁９４０と、酸化ガス供給源７７０及び毛細管通路と連通する酸化ガス供給弁７２０とを組み込んだ内燃機関８１０を運転するようになっている。制御システムは制御装置７５０を備え、この制御装置７５０は、典型的には、種々のエンジンセンサ、例えば、エンジン速度センサ７６０、吸気マニフォールド空気熱電対及び圧力センサ７６２、冷媒温度センサ７６４、排気空燃比センサ８５０、燃料供給圧力７１２などから、複数の入力信号を受信するようになっている。作動中、制御装置７５０は、１つ以上の入力信号に基づいて、制御アルゴリズムを実行し、続いて、本発明の一実施形態に従って詰まった毛細管通路を清浄化するために、酸化剤供給弁７２０への出力信号７２４を生成し、燃料供給弁９４０への出力信号９３０を生成し、燃料供給弁９１０への出力信号７３４を生成し、及び毛細管を加熱するための電力を供給する電力供給源への加熱電力指令７４４を生成するようになっている。

図４をさらに参照すると、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）７５０への信号には、燃料供給圧力７１２、冷媒温度７６４、吸気マニフォールド空気温度及び圧力７６２、エンジン速度７６０、スロットル角度８２０、及び排気空燃比８５０が含まれている。同様に、ＥＣＵ７５０からの出力信号には、空気供給指令７２４、燃料供給指令７３４、燃料噴射指令９２０、及び加熱電力指令７４４が含まれている。図２を参照することによって理解され得るように、燃料と蒸気は、同一の出口経路を通って、噴射装置から流出することになる。しかし、液体燃料の流れに必要な開口面積は、蒸気燃料の噴射に必要な開口面積よりも小さいので、噴射装置は、所定のデューティサイクルにおいて、蒸発された燃料よりも大きな質量流量の液体燃料を供給することになる。

理解され得るように、エンジン８１０からの信号は、エンジン制御装置７５０に送られ、エンジン制御装置７５０は、これらの信号を用いて、排出物を最小限に抑えるためにエンジン８１０に送給されるべき燃料の相（液体又は蒸気）を決定することを含む蒸発された燃料の噴射に関するいくつかの機能を果たすようになっている。また、制御装置７５０は、燃料のアルコール濃度をアルゴリズムを介して決定し、排出物を最小限に抑えてエンジンを始動及び暖機するのに適切な量の燃料を噴射させ、その一方、所望の目標温度に換算される目標抵抗を得るように加熱された毛細管噴射装置９００に供給される電力を制御し、また液体燃料の噴射への切換えを行うようになっている。

単なる例示にすぎないが、図５は、アルコール濃度と、検知された冷媒温度と、毛細管燃料噴射装置の毛細管通路に供給される熱との間の定性的な関係を示している。図示されるように、燃料のアルコール濃度が増大すると、毛細管通路の加熱を始動する閾冷媒温度も増大している。この関係が必要とされるのは、アルコール濃度が増大すると、冷始動状態下において点火がより困難な燃料混合物をもたらすからである。この関係が得られた結果として、アルコール／ガソリン燃料の混合物におけるより高いアルコール濃度に対して、広い範囲の作動条件に及ぶ加熱が可能となる。

好ましい制御アルゴリズムの例が、図６に概略的に示されている。図示されるように、もし冷媒温度のようなエンジン暖機の程度を表す信号が設定値未満の場合、ＥＣＵは、毛細管流路を予熱し（１０６０）、任意選択的に、クランキング時間の経過に対して、エンジンを開弁噴射に同期させる（１０９０）。図６の実施形態において、毛細管流路の予熱温度は、目標温度（電気抵抗）が測定される（１０７０）まで熱が毛細管に供給される基本的なオン／オフ制御ループによって、達成されるようになっている。温度が目標値に達し（１０７０）、エンジンがまだクランキングしているとき、温度をわずかに降下させるために、短期間、毛細管流路への熱が除去される（１０８０）。この短い「オフ」期間の後、温度を測定するために、電力が再び毛細管流路に供給される。この時点では、制御ループは、継続されている。

図６の燃料噴射装置制御アルゴリズム１０００は、二値（高／低）電源を介して、噴射装置への電力を制御している。制御アルゴリズム１０００は、自動車のキースイッチをオン位置に切換える（１０１０）ことによって、開始される。エンジンに供給されるべき燃料の種類（液体又は蒸気）を決定するのに、エンジン暖機の程度を表す冷媒温度又は他の信号（例えば、潤滑剤温度、吸気マニフォールド空気温度、又はエンジン始動からの経過時間）であるとよい信号１１６０が、設定値と比較される。もし冷媒温度、潤滑剤温度、又は吸気マニフォールド空気温度が設定値以上の場合、エンジン制御装置は、エンジンへの液体燃料の供給を指示することになる。同様に、もしエンジンが運転中で、エンジン始動からの経過時間が設定値（例えば、５分）以上の場合、エンジン制御装置は、エンジンへの液体燃料の供給を指示することになる。

毛細管目標温度に達し（１０７０）、任意選択的に、エンジンが開弁噴射に同期化（１０９０）された時点において、噴射装置は、ＥＣＵから燃料噴射指令を受信するように設定される。この加熱された毛細管による供給方法に関連する熱量は、比較的低いので、この暖機プロセスは、０．５秒よりも著しく短い時間、さらに好ましくは、約０．１秒しか掛からないことが予期される。従って、噴射装置の作動のこの局面における律速段階は、もしエンジンの同期化のようなプロセスがこのエンジン始動方式に含まれるのであれば、そのエンジンの同期化（１０９０）になる。前述したように、当初は、エンジンが燃料噴射と同期化するようにクランキングされている間に、熱が毛細管流路に供給されるようになっている。

毛細管流路が目標温度に加熱された時点で、蒸気の適切な質量流量を達成するのに必要な電力が燃料内のアルコール分率の直接的な指標をもたらすことが、分かっている。理解され得るように、ここに開示される方法と装置は、アルコールとアルコール燃料混合物の蒸発熱と比熱との間に存在する基本的な差異を有利に活用している。例えば、ガソリン、メタノール及びエタノールの蒸発熱の値は、それぞれ、３５０ｋＪ／ｋｇ、１，１００ｋＪ／ｋｇ及び８００ｋＪ／ｋｇである。ガソリン、メタノール及びエタノールの比熱値（液体状態）は、それぞれ、２．４ｋＪ／ｋｇ°Ｋ、２．６ｋＪ／ｋｇ°Ｋ及び２．５ｋＪ／ｋｇ°Ｋである。ガソリン、メタノール及びエタノールの化学量論的空燃比値（質量）は、それぞれ、約１４．６：１、６．４７：１及び９．０：１である。従って、化学量論的混合物の場合、１ｋｇの空気消費に対して、燃料を５０°Ｋ加熱するのに必要なエネルギーは、以下の通りである。
ガソリン：２．４×１／１４．６×５０＝８．２ｋＪ、
メタノール：２．６×１／６．４７×５０＝２０．１ｋＪ、及び
エタノール：２．５×１／９．０×５０＝１３．９ｋＪ

これと対照的に、同一量の空気消費（１ｋｇの空気）に対して、燃料を蒸発するのに必要なエネルギーは、以下の通りである。
ガソリン：３５０×１／１４．６＝２４ｋＪ、
メタノール：１，１００×１／６．４７＝１７０ｋＪ、及び
エタノール：８００×１／９．０＝８９ｋＪ

従って、アルコール燃料混合物におけるアルコール含有量の差異を決定し、かつ分析するのは、液体状態における混合物に対するよりも、蒸気状態における混合物に対する方が、著しく容易である。

さらに実例によって説明すると、１０％メタノール／ガソリン混合物の場合、１ｋｇの空気消費に対して混合物を５０°Ｋ加熱するのに必要なエネルギーは、
８．２ｋＪ×０．９＋２０．１ｋＪ×０．１＝９．３９ｋＪ（１００％ガソリンの場合：８．２ｋＪ）
であるが、同一レベルの空気消費（１ｋｇの空気）に対して、同一混合物を蒸発させるのに必要なエネルギーは、
２４ｋＪ×（０．９）＋１７０ｋＪ×（０．１）＝３８．６ｋＪ（１００％ガソリンの場合：２４ｋＪ）
であることに、留意されたい。

単なる例示にすぎないが、質量流量と、毛細管流路ヒータへの電力と、アルコール濃度の関係が、図７に定性的に示されている。図７に示されるように、燃料の所定の質量流量を達成するのに必要な電力は、アルコール濃度と共に増大している。燃料のアルコール濃度は、噴射装置のパルス幅と目標抵抗設定値を達成するのに必要な電力を用いることによって、ステップ１１００において決定されることになる。毛細管燃料噴射装置の所定のパルス幅における毛細管流路ヒータの目標抵抗（Ｒ／Ｒｏ／目標）を達成するのに必要な電力は、参照テーブル又は図７に定性的に示される関係の数学的な表現を介して、燃料のアルコール濃度に換算されることになる。

本発明の一実施形態において、初期のアルコール濃度がステップ１１００において決定された時点において、毛細管流路を加熱する電力要件と噴射装置のデューティサイクルが周期的に監視され、駆動サイクルの全体にわたって、アルコール燃料濃度に換算されるようになっている。これによって、制御アルゴリズム１０００は、燃料内のアルコールの初期の評価に対して確実性を得ることができる。すなわち、このような手法は、もし燃料ライン内の初期のアルコール濃度が燃料タンク内のアルコール濃度と著しく異なっている場合、エンジン性能が最適以下になるのを避けることになる。アルコール／ガソリン混合物内のアルコール濃度に関する情報は、他のＥＣＵ制御機能に送られ、その結果、点火タイミング、燃料噴射量、及び／又はアイドル速度が、燃料混合物のアルコール濃度に対応するように調整されることになる。アルコール濃度に基づく制御手法のこのような修正は、当業者によく知られている。

エンジンの冷始動及び暖機に対して適切な量の燃料を噴射する場合、冷始動及び暖機中にエンジンに導入される蒸発された燃料の量が、図４に概略的に示される手段に従って、決定されるようになっている。図４を再び参照すると、理解され得るように、燃料噴射のこの段階は、燃料の噴射される量が、エンジン速度７６０とアクセル位置、すなわち、スロットル角度８２０のような因子に基づく参照マップを介して決定されるオープンループ制御アルゴリズムによって、制御されるとよい。代替的に、燃料噴射は、排気空燃比信号８５０を用いて燃料の噴射される量を決定するフィードバック制御ループ又はスロットル角度８２０によって制御される予測制御アルゴリズムによって、制御されてもよい。さらに他の実施形態では、スロットル角度信号８２０は、ＥＣＵ７５０に送られ、予測制御手法を用いて、所定のエンジン状態に必要な燃料の量を決定するようになっている。

図６を再び参照すると、冷始動及び暖機期間の全体にわたって、高品質の蒸気をエンジンに噴射するのを確実にするために、燃料の送給がパルスの形態でなされ、及び／又はエンジンの燃料供給の要求が変化するのに応じて、目標抵抗（すなわち、目標温度）を維持するように毛細管流路への電力を制御する技術が、設けられている。これは、図６において、「制御ループ」１２００で示されている。図６に示されるように、毛細管流路の抵抗をフィードバック値として用いて、低温の毛細管通路の電気抵抗に対する測定された抵抗の目標比率（Ｒ／Ｒｏ）１１３０を維持するように、毛細管流路への電力の適切な調整を決定することになる。

図６の実施形態は、もしＲ／Ｒｏ１１３０が設定値以下の場合には、毛細管を加熱するために高電力１１４０が供給される段階的又はデジタル式の制御アルゴリズムを示している。逆に、もしＲ／Ｒｏ１１３０が設定値よりも大きい場合、低電力１１５０が毛細管流路に供給されることになる。このような低電力状態では、装置が対流による冷却を受け、その間、電気抵抗が測定され、その測定値が、制御装置に戻されることになる。

図８を参照すると、蒸気／液体燃料噴射装置への電力が比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御装置を介して制御される蒸気／液体燃料噴射装置制御アルゴリズム２０００が示されている。ＰＩＤ制御装置は、多種多様な会社、例えば、ウエスト・インストルメント（West Instrument）、ＬＦＥ、ワットロー（Watlow）、及びジェントラン（Gentran）、並びに自動車用制御装置供給業者から市販されている。ＰＩＤ制御装置は、制御出力を調整することによって、制御の設定値を正確に管理するので、有利である。これは、温度がその設定値を中心とする変動を最小限に抑えて制御されることを可能としている。

図８の制御アルゴリズムにおいて、制御アルゴリズム２０２０は、自動車のキースイッチをオン位置に切り換えることによって開始される。エンジン暖機の程度を表す冷媒温度２１６０又は他の信号（例えば、潤滑剤温度、吸気マニフォールド空気温度、又はエンジン始動からの経過時間）が設定値と比較される。もし冷媒温度、潤滑剤温度、又は吸気マニフォールド空気温度が設定値以上の場合、エンジン制御装置は、エンジンへの液体燃料の供給を指示することになる。同様に、もしエンジンが運転中で、エンジン始動からの経過時間が設定値（例えば、５分）以上の場合、エンジン制御装置は、エンジンへの液体燃料の供給を指示することになる。

代替的に、もし冷媒温度のようなエンジン暖機の程度を表す信号が設定値よりも小さい場合、ＥＣＵは、毛細管流路を予熱し（２０６０）、任意選択的に、クランキング時間の経過に対して、エンジンを開弁噴射に同期させる（２０９０）。ここで、モデルに基づく制御を含む種々の形式の制御方式も用いられ得ることに留意することが重要である。

毛細管目標温度に達し（２０６０）、任意選択的に、エンジンが開弁噴射に同期された（２０９０）時点において、噴射装置は、ＥＣＵから燃料噴射指令を受信するように設定される。ここでも、この暖機プロセスは、０．５秒よりも著しく短い時間、より好ましくは、約０．１秒しか掛からないことが予期されるので、もしエンジンの同期化のようなプロセスがこのエンジン始動方式に含まれるのであれば、律速段階は、そのエンジンの同期化（２０９０）になる。当初、エンジンが燃料噴射と同期化するようにクランキングされている間に、熱が毛細管流路に供給されるようになっている。

前述したように、毛細管流路が目標温度に加熱された時点において、蒸気の適切な質量流量を達成するのに必要な電力が燃料内のアルコール分率の直接的な指標をもたらすことが、分かっている。図７に示されるように、燃料の所定の質量流量を達成するのに必要な電力は、アルコールの濃度と共に増大している。燃料のアルコール濃度は、噴射装置のパルス幅と目標抵抗設定値を達成するのに必要な電力を用いることによって、ステップ２１００において決定されることになる。毛細管燃料噴射装置の所定のパルス幅における毛細管流路ヒータの目標抵抗（Ｒ／Ｒｏ／目標）を達成するのに必要な電力は、参照テーブル又は図７に定性的に示される関係の数学的な表現を介して、燃料のアルコール濃度に換算されることになる。

本発明の一実施形態において、初期のアルコール濃度がステップ２１００で決定された時点において、毛細管流路を加熱する電力要件と噴射装置のデューティサイクルが周期的に監視され、駆動サイクルの全体にわたって、アルコール燃料濃度に換算されるようになっている。これによって、制御アルゴリズム２０００は、燃料内のアルコールの初期の評価に対して確実性を得ることができる。アルコール／ガソリン混合物内のアルコール濃度に関する情報は、他のＥＣＵ制御機能に送られ、その結果、点火タイミング、燃料噴射量、及び／又はアイドル速度が、燃料混合物のアルコール濃度に対応するように調整されることになる。アルコール濃度に基づく制御手法のこのような修正は、当業者によく知られている。

図８をさらに参照すると、エンジンの冷始動及び暖機に対して適切な量の燃料を噴射するために、冷始動及び暖機中にエンジンに導入される蒸気の量が、図４に概略的に示されるシステムによって決定されるようになっている。図４を再び参照すると、理解され得るように、燃料噴射のこの段階は、燃料の噴射される量が、エンジン速度７６０とスロットル角度８２０のような因子に基づく参照マップを介して決定されるオープンループ制御アルゴリズムによって制御されるとよい。代替的に、燃料噴射は、排気空燃比信号８５０を用いて燃料の噴射される量を決定するフィードバック制御ループ又はスロットル角度８２０によって制御される予測制御アルゴリズムによって、制御されてもよい。さらに他の実施形態において、スロットル角度信号８２０は、ＥＣＵ７５０に送られ、予測制御手法を用いて、所定のエンジン状態に必要な燃料の量を決定するようになっている。

冷始動及び暖機期間の全体にわたって、高品質の蒸気をエンジンに噴射するのを確実にするために、本発明は、燃料供給がパルス形態でなされ、及び／又はエンジンの燃料供給の要求が変化するのに応じて、目標抵抗（すなわち、目標温度）２１３０を維持するように、毛細管流路への電力を制御する方法を特定している。これは、「制御ループ」２２００で示されている。図８に示されるように、毛細管流路の電気抵抗をフィードバック値として用いて、低温の毛細管通路の電気抵抗に対する測定された電気抵抗の目標比率（Ｒ／Ｒｏ）２１３０を維持するように、毛細管流路への電力の適切な調整を決定するようになっている。

図８に示される実施形態は、前回の時間ステップにおける毛細管流路の電気抵抗が、現在の時間ステップにおいて毛細管流路に供給される電力に対する有限の補正のための基準として用いられるアナログ制御アルゴリズム（ＰＩＤ制御装置）を示している。このようなアナログ制御技法によって、毛細管流路に供給される電力は、零から最大許容値の全範囲に及ぶようにされている。しかし、理想的には、この制御アルゴリズムがエンジンの運転状態の急激な変化に効果的に対応することができるように、毛細管流路への電力は、有効な最大電力よりも著しく小さく設定されることになる。

当業者であれば容易に理解し得るように、毛細管流路制御アルゴリズムには、予見制御が含まれている。具体的には、吸気弁の作動信号が、１つ以上の毛細管流路内を通る燃料の流れに対する前駆的な情報として機能するように、制御アルゴリズムに取り込まれている。この吸気弁の作動信号を受信すると、毛細管流路への電力は、燃料噴射装置が開いた時点で毛細管流路が燃料流れを完全に蒸発させるのに十分な温度であるように、増大されることになる。

前述の説明によって示唆されているように、適切な抵抗設定値を用いることが、毛細管流路に基づく燃料噴射装置の性能に対して、決定的に重要な意味を持つ。すなわち、低い設定値は、燃料に送給されるべき熱の不足をもたらし、その結果、エンジンに送給される蒸気の品質を劣化させることになる。逆に、高い設定値は、毛細管の端の近傍に局部的な熱地点を生じさせ、これによって、毛細管の残りの温度が、毛細管の抵抗で表される平均温度よりも著しく低くなる。その結果、このような状態は、同様に、蒸気の品質を劣化させることになる。

これらの観察結果に基づき、所定の毛細管に対する好ましい抵抗設定値は、毛細管を通る質量流量に対する電力の比率が最大になる点に概略的に対応するように、実験的に決定されている。毛細管通路に対する実験的に決定された電気抵抗の設定値の例が、図９に示されている。ここで、所定の毛細管流路に対する好ましい抵抗設定値は、燃料圧力に大きく影響されないことに留意することが重要である。

図６及び図８に示されるように、Ｒ／Ｒｏ１１３０と２１３０の制御と平行して、冷媒温度１１６０と２１６０が、それぞれ、十分に暖かいエンジン状態を示す設定値と連続的に比較されている。もし冷媒温度が各設定値よりも低い場合、毛細管流路制御ループ１２００と２２００を介して、熱が継続して毛細管流路に供給されるべきであり、従って、高品質の燃料蒸気が継続してエンジンに供給されるべきである。逆に、もし冷媒温度１１６０と２１６０が暖かいエンジンの運転を示す設定値よりも高い場合、制御アルゴリズムは、液体燃料への切換を開始することになる。代替的に、タイマーを用いて、エンジンが十分に暖まっている運転に達しているときを決定してもよい。この場合、設定値は、実験的な試験に基づいて、決定されることになる。

蒸発された燃料から液体燃料への切換を行うプロセスは、いくつかの形態を取ることができ、用いられる特定の毛細管流路噴射装置の構成の関数である。液体燃料への切換を行う１つの手法では、冷媒温度信号を用いて、切換弁を作動させ、任意選択的に、毛細管流路への電力を無効とし、これによって、燃料供給源を、毛細管流路から分離し、従来の液体燃料噴射流路に連通させるようになっている。実際には、この手法は、図３に概略的に示される燃料噴射装置の構成を必要としている。

蒸発された燃料と液体燃料の両方が同じ流路９００を介してエンジンに送給される図４に概略的に示される噴射装置の構成の場合、冷媒温度信号７６４を用いて、毛細管流路への電力を無効にし、噴射装置の出口９４０、すなわち、噴射装置のデューティサイクルを燃料が流れる時間が少なくなるように作動する（９３０）ことになる。燃料を蒸発させるために用いられるここに開示された毛細管流路に関連する熱慣性は、極めて小さいので、毛細管への電力の遮断による蒸気燃料の噴射から液体燃料の噴射への切換は、実際上、二値的な切換として近似させることが可能になる。

好ましい形態による、改造された従来の側方送給ポート燃料噴射装置の上流側に内蔵され、電気加熱される毛細管を有するインライン加熱式噴射装置の部分断面図である。 他の好ましい形態による、液体燃料の流れをも供給することができ、電気加熱される毛細管を有する他の蒸気／液体インライン加熱式噴射装置の部分断面図である。 さらに他の好ましい形態による、二重噴射装置を採用する他の実施形態の側面図である。 さらに他の好ましい形態による、蒸気／液体燃料噴射装置を用いて、蒸発された燃料と液体燃料の両方をエンジンに送給するエンジン／制御装置の構成の概略図である。 アルコール濃度と、検知された冷媒温度と、毛細管流路に供給される熱との間の定性的な関係の説明図である。 さらに他の好ましい形態による、噴射装置への電力が２値（高／低）電源を介して制御される蒸気／液体燃料噴射装置の制御アルゴリズムを示す図である。 質量流量（噴射装置のデューティサイクル）と、毛細管流路ヒータの電力と、アルコール濃度との間の定性的な関係を示す図である。 さらに他の好ましい形態による、噴射装置への電力が比例−積分−微分制御装置を介して制御される蒸気／液体燃料噴射装置の制御アルゴリズムを示す図である。 経験的に定められた蒸気燃料噴射装置用の抵抗設定値を示す図である。

Claims (20)

1. 内燃機関の燃料システムを制御するための方法であって、前記燃料システムが、アルコールを含む液体燃料源と、少なくとも１つの燃料噴射装置と、前記少なくとも１つの燃料噴射装置における液体燃料を加熱するための熱源であって、液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換するのに十分なレベルに加熱することができる熱源と、ある範囲の流量を達成するように作動可能な絞り弁であって、前記流量の範囲は、開弁対閉弁デューティサイクルによって特徴付けられるような絞り弁とを備えるような方法において、
   （ａ）エンジン運転状態に基づき、所定量の燃料を計量送給する段階と、
   （ｂ）前記少なくとも１つの燃料噴射装置の前記熱源に供給される電力を目標温度を達成するように制御する段階と、
   （ｃ）燃料のアルコール濃度を決定する段階と、
   （ｃ）前記段階（ｃ）の決定に基づき、前記少なくとも１つの燃料噴射装置の前記熱源に供給される前記電力を調整する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記内燃機関に送給される燃料が蒸気状態で送給されるべきかどうかを決定する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記内燃機関に送給される燃料が蒸気状態で送給されるべきかどうかを決定する前記段階は、
   （ｉ）エンジン暖機の程度を示す値を測定する段階と、
   （ｉｉ）エンジン暖機の程度を示す前記値が所定レベル未満の場合、前記燃料が蒸気状態で送給されることを決定する段階と
   をさらに含み、
   前記（ｉｉ）の決定は、前記段階（ｃ）において決定された前記アルコール濃度の関数であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 燃料が液体状態で送給されるべきか又は蒸気状態で送給されるべきかを決定する前記段階は、前記燃料が蒸気状態で送給されるという決定をもたらすことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 液体燃料噴射に切換える段階をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 抵抗値を設定する段階をさらに含み、前記抵抗値は、所定の目標温度に関連付けられ、前記所定の目標温度は、液体燃料の一部を蒸気状態に切換える働きをすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 液体燃料のアルコール濃度を決定する前記段階は、
   （ｉ）前記熱源に供給される電力を測定する段階と、
   （ｉｉ）前記絞り弁の前記デューティサイクルを測定する段階と
   を含み、
   前記アルコール濃度が、前記少なくとも１つの燃料噴射装置の測定されたデューティサイクルにおける噴射装置の質量流量と目標抵抗設定値を達成するために前記熱源に供給される電力との間の所定の関係を用いて決定されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記アルコール濃度の決定に応じて、前記抵抗値を調整する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記熱源は、２値電源を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記熱源は、比例−積分−微分制御装置を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの燃料噴射装置は、少なくとも１つの毛細管流路を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記熱源は、前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. アルコールを燃料とする内燃機関に用いられる液体燃料源を有する燃料システムにおいて、
    （ａ）複数の燃料噴射装置であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の燃料噴射装置と、
    （ｂ）前記複数の燃料噴射装置の各々における液体燃料を加熱するための熱源であって、液体燃料を少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変換させるのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、
    （ｃ）燃料を前記内燃機関に計量送給するための絞り弁であって、開弁対閉弁デューティサイクルによって特徴付けられる範囲の流量を達成するように作動可能な絞り弁と、
    （ｄ）前記複数の燃料噴射装置の各々の前記熱源に供給される電力を所定の目標温度を達成するように制御する制御装置と、
    （ｅ）前記内燃機関のエンジン暖機の程度を示す値を測定するためのセンサと
    を備え、
    前記燃料システムは、前記液体燃料源の前記アルコール濃度を決定することが可能となっていることを特徴とする燃料システム。
14. 前記熱源に供給される電力は抵抗値を設定することによって制御され、前記抵抗値は所定の目標温度に関連付けられ、前記制御装置は前記液体燃料源の前記アルコール濃度を決定するように作動可能であることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料システム。
15. 前記制御装置は、前記液体燃料源の前記アルコール濃度を決定するために、前記少なくとも１つの燃料噴射装置の測定されたデューティサイクルにおける燃料噴射装置の質量流量と前記熱源に供給される電力との間の所定の関係によって、プログラム化されていることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料システム。
16. 前記熱源は、２値電源であることを特徴とする、請求項１３、１４あるいは１５のいずれかに記載の燃料システム。
17. 前記熱源は、比例−積分−微分制御装置を備えていることを特徴とする、請求項１３、１４、あるいは１５に記載の燃料システム。
18. 前記燃料噴射装置の各々は、少なくとも１つの毛細管流路を備えることを特徴とする、請求項１３、１４あるいは１５のいずれかに記載の燃料システム。
19. 前記熱源は、前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料システム。
20. 前記制御装置は、前記液体燃料源の前記アルコール濃度を決定するために、前記少なくとも１つの燃料噴射装置の測定されたデューティサイクルにおける燃料噴射装置の質量流量と前記熱源に供給される電力との間の所定の関係によって、プログラム化されていることを特徴とする、請求項１９に記載の燃料システム。
    

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