改善的燃料利用的制作方法

专利名称：改善的燃料利用的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及为发动机提供汽化的或液体燃料的领域，更特别地涉及气 体和液体燃料系统，其中燃料混合物的各种参数可以被改变来提高给定的燃料加料的效率。背景描述在燃料进入汽缸之前汽化燃料可以产生改善的性能，特别是关于实质上改善的燃 料经济性。申请人讨论了在蒸汽燃料系统的当前的专利和待审申请中关于蒸汽燃料系统的 优点和各种发明(参见，美国专利NO. 6,681,749 ；6，907，866 ；6，966，308 ；7，028，675和申 请号11/465，792和11/421，698)。虽然这些专利和申请的某一些教导了 “贫燃料(lean)，， 地运行发动机的优点(即，在大于约15比1的空气燃料比下)，它们还教导了在被设计以 在当前的化学计量条件下运行的常规系统中改善燃料经济性，例如约14. 7比1的空气燃料 比。更近一些，系统已经集中于在一旦燃料进入燃烧室时提高燃料加料的温度到达空 气和燃料的混合物自动地点火的点。用这样的方式，典型级别的汽油开始点火的低端温度 是约500° F。大多数系统通过增加压缩比例来达到这个必需的温度。这样的系统的实例包 括受控的自动点火(Controlled Auto Ignition,CAI)和均质充量燃烧点火(Homogeneous Charge Combustion Ignition, HCCI)。这些系统具有一些缺点，不能很好地适合于处理瞬 间时间，例如，加速或减速的时期。缺点之一可能来自对于给定的燃料加料的自动点火所需 的温度的宽范围和多样性(例如，500° -1100° F)。例如，这些系统试图一次同时点燃全 部加料。由于这一点，它们的温度一般被升高到接近温度范围的较高的端点。这种点火温 度的宽范围与升高的点火温度组合可以容许燃料加料提前地点火，例如，在活塞到达上止 点之前，可能引起效率的降低和可能的发动机损坏。反之，不升高的点火温度可能促成有助 于更久的燃烧持续期的环境，其中具有较低点火温度的成分首先点火然后蔓延，如同森林 火灾，穿过需要更高点火温度的成分。另外，各种的这些系统可能还需要基本上稳态的条件来有效地起作用。例如，在 HCCI模式中，没有打火花设备来触发燃烧事件。更确切些，燃烧单独地取决于汽缸内的条 件，即，温度、压力、空气-燃料比(“AFR”)、燃料状况和废气再循环(“EGR”)。当自动点 火并因而发生燃烧时，这些条件一般是变化的而不能控制。如果存在着这些条件的任一项 的快速变化，例如，在快速地增加负载的期间，则燃烧事件变得不可预知。举例来说，当发动 机增加它的每分钟转数(“RPM”)时，在汽缸内燃料加料改变状态的时间很少。这有效地降 低了匹配燃料的密度和进气的密度的可能性，从而导致AFR失配。这种密度失配可能导致 过早点火、可能的发动机损坏和无法接受的排放物。
4
申请人开发了技术来改善燃烧，从而在蒸汽和液体供料的系统中燃料经济性都被 改善。在各种实施方式中，燃料(液体或蒸汽)和空气可以被独立地加热并控制每一种的 密度。在混合空气和燃料时，在进入燃烧室之前或在燃烧室之内，14. 7-1的空气-燃料比可 以在提高的温度下保持。在各种实施方式中，提高燃烧前温度使得它接近而不达到给定燃 料加料的自动点火温度，可以产生更有效的燃烧和能更好地处理过渡的系统。这可能归因 于几个因素，包括燃料加料的均勻性、增加的火焰速度、增加的汽缸内温度、和/或遭遇的 多个火焰前缘。在进一步的实施方式中，燃料经济性可以通过改变容许更好地控制燃料加 料的燃烧的各种其他参数来改善。这些参数可以通过同时提高火焰速度和降低燃烧持续期 来改善效率。附图简要描述根据以下的详细说明连同附图，本发明的实施方式将被容易地理解。本发明的实 施方式通过实施例的方式、而不通过附图的图形中局限的方式来说明。

图1举例说明了根据本发明的各种实施方式的方框图；图2举例说明了根据本发明的各种实施方式，在稀释燃料的数量和改善的燃烧的 需求之间的关系的图形表示；图3举例说明了关于各种燃烧事件的上止点的各种燃烧持续期的图形表示；图4举例说明了在图3中分别举例说明的各种燃烧事件的汽缸内压力(“ICP”) 的图形表示；图5举例说明了流程图，其描绘了根据本发明的各种实施力式的燃烧操作；以及图6举例说明了流程图，其描绘了根据本发明的各种实施方式的燃烧操作。实施方式详细说明在以下的详细说明中，参考了构成本文的一部分的附图，其中通过举例说明的方 式显示了可以实践本发明的实施方式。要理解的是，可以利用其他实施方式，可以进行结构 的或合理的改变而不背离本发明的范围。因此，以下的详细说明不被认为具有限制性的意 义，根据本发明的实施方式的范围由附随的权利要求和它们的等同物来定义。各种操作可以以帮助理解本发明的实施方式的形式被描述为多个不连续的依次 的操作；然而，描述的顺序不应被解释为意味着这些操作是依赖于顺序的。所述描述可以使用基于透视图的描述，例如，上/下、前/后和顶部/底部。这样 的描述仅仅用来便于论述，而不意图限制本发明的实施方式的应用。可以使用术语“联结”和“连接”和它们的衍生词。要理解的是，这些术语不意味 着是相互间同义的。更确切些，在特定的实施方式中，“连接”可以用于表示两个或更多个元 件是相互间直接物理或电接触的。“联结”可以意味着两个或更多个元件是直接物理或电接 触的。然而，“联结”还可意味着两个或更多个元件不处于相互的直接接触，但是仍然相互协 作或相互作用。对于描述来说，“A/B”形式的用语意味着A或B。对于描述来说，"A和/或B”形 式的用语意味着“(A)、⑶或(A和B)”。对于描述来说，“A、B和C的至少一个”形式的用 语意味着“ (A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)、或(A、B和C) ”。对于描述来说，“ (A) B”形式的用语意味着“(B)或(AB)”，也就是说A是可选的元素。描述可以使用用语“在一个实施方式中，”或“在实施方式中”，其各自是指一种或更多种相同的或不同的实施方式。此外，术语“包含”、“包括”、“具有”等等，对于本发明的 实施方式所使用的，是同义的。在各种实施方式中，燃料效率可以通过使燃料加料在性质上更加勻质来改善，即， 给定加料的蒸汽组成具有更高浓度的相似成分，以及相应地，更相似的点火温度。发现的 是，燃料蒸汽在性质上变得更勻质，它们的燃烧持续期变得更均一，因而，更容易发现和保 持用来提高系统的总体效率的最适温度。例如，将燃料加料的温度提高到最适温度可以提 高有效的火焰速度。通过优化燃料加料的温度以及帮助启动特定燃料加料的点火的火花的 定时，燃烧持续期可以更为有效，即，更接近TDC的更短的和更均一的燃烧持续期以及在更 理想的曲柄转角下。在各种实施方式中，可以使用多种的燃料，包括但不限于，基于乙醇的 燃料，化石燃料，包括它们的衍生物，以及混合燃料。本发明不限于此。在各种实施方式中，通过启动燃烧汽缸内的链式反应，对于具有一定范围的点火 温度的燃料加料可以改善效率。例如，给定的具有一系列成分的燃料加料，通过点燃一部分 燃料加料并创造火焰前缘的火花，可以启动燃烧。一部分燃料加料的火焰前缘和燃烧可以 提高燃烧室内部的温度和压力，引起具有更低点火温度的成分自动点火。这种自动点火可 以产生更多的火焰前缘，因而进一步提高汽缸内的温度和压力。温度和压力的进一步提高 然后点燃具有更高点火温度的成分。这种链式反应可以继续直到基本上所有的加料被协同 地燃烧。在各种实施方式中，由于燃料加料变得更勻质，链式反应中步骤的数量可以降低， 结果可以降低燃烧持续期，其随后容许更好地优化定时和其他参数。在各种其他实施方式 中，这样的链式反应可以不使用火花来发动，例如通过将EGR引入燃烧汽缸中。燃烧持续期通常指给定的燃料加料燃烧所花费的时间期。作为选择，以及对于这 种解释来说，火焰速度通常指燃料燃烧的速率。理论上，对于最大效率，所有的燃料将在精 确的同一时刻燃烧。例如，如果全部燃料加料具有500° F的自动点火温度，当燃烧室中的 温度达到这一温度时，所有的燃料将基本上瞬间点火，从而转化该给定的燃料加料所可能 的最大量的能量。然而，这是不现实的，因为燃料含有需要不同点火温度的各种成分，因而 在不同的时间点火，即，更长的燃烧持续期。例如，在当前的系统中，加料中的各种成分大大 地变化，通常其可能导致这样的加料的点火温度改变数百度。因而为了燃烧具有这种大大 地变化的点火温度的加料，遇到了更多的火焰前缘，在更长的时间期中消耗了显著数量的 能量，其随后降低燃料效率。在各种实施方式中，改善供料流的勻质性从而在给定的燃料加 料中存在显著缩小的点火温度范围，从而减少火焰前缘并容许更理想的温度和定时，充分 地改善了燃料效率。在各种实施方式中，所述蒸汽和/或液体燃料，在与空气或其他氧化剂混合之前， 可以被分离成一般相似的成分，从而所述燃料加料更为勻质。在温度低于或处于燃烧室中 相似成分的自动点燃所需的温度的情形下，这样的勻质性可以改善燃烧持续期。在各种实 施方式中，液体燃料可以被视为包含可在不同温度下汽化的馏分。可以实现这种汽化，例 如，通过在第一温度(例如，70° F)下初步加热液体燃料，随后增加温度，液体燃料的不同 馏分被汽化和/或检测到燃料的降低的汽化。在此所指的分馏，申请人已经知晓，一般向燃 烧室连续地供应蒸汽的馏分，通过容许更为可预测的和均勻燃烧持续期，将改善效率，所述 燃烧持续期可以被调整地触发来最大化能量转移。虽然不是必要的，在各种实施方式中，分馏可以通过降低燃料加料内的点火温度的变异性来帮助降低燃烧持续期。例如，虽然各种标准的点火发动机可以利用具有可在 500° -1100° F之间变动的点火温度的燃料加料，分馏可以产生蒸汽的第一馏分，其中点 火温度可以在大约500° F-7000 F之间变动，以及第二馏分，其中点火温度可以在大约 700° F-IlOO0 F之间变动。在各种实施方式中，更为勻质的带可以是更窄的或更宽的。因 而，当燃料加料被点火时，早前提及的“森林火灾”效应可以被降低，即，燃烧持续期被降低。 随着燃烧持续期降低，在各种实施方式中，火花的定时可以被调节来将缩短的燃烧持续期 置于基本上刚刚晚于TDC。这还改善了系统的热效率，因为与跨越不同点火温度的燃烧相 关的热量损耗(这在具有宽范围的自动点火温度，例如从500° F到1100° F的系统中发 生)被降低。 然而，加热燃料和蒸汽可能改变燃料蒸汽的密度。因此，为了保持平衡，氧化剂也 可以被加热来改变它的密度。在各种实施方式中，氧化剂的加热可以工作来保持与排放标 准相符的AFR，和/或保持当前接受的AFR。在各种实施方式中，这种AFR可以通过密度平 衡控制策略在操作期间被控制，并通过控制器实现。在各种实施方式中，密度平衡控制策略 可以通过使用燃烧事件上游的传感器来控制氧化剂和燃料蒸汽的变化的密度。例如，这些 传感器可以监测氧、温度、烃类和/或蒸汽密度。通过这种监测，传感器可以控制对氧化剂 和燃料蒸汽两者的加热和/或混合事件，来保持14. 7比1的AFR。通过保持这一比例，燃料 加料的数量可以变化，即，相对于汽缸容积稀释，以及容许调整来不断地改变燃烧强度来达 到效率。在各种实施方式中，传感器还可以或作为选择地用于燃烧事件的下游，调整可以根 据排放物含量来进行。在各种其他实施方式中，还发现的是，增加燃料和氧化剂两者的温度可以产生对 燃烧发动机的额外的益处。申请人发现，随着被输送到发动机的燃烧室的汽化的燃料与空 气混合，可能出现凝缩。例如，作为空气具有的温度低于液体燃料汽化温度的结果，这可能 发生。随着空气与燃料蒸汽混合来达到期望的空气-燃料比，空气的较冷的温度降低了汽 化的燃料的温度，使它返回液态，即，它凝缩。这种凝缩可以改变燃料加料的燃烧特性和/ 或勻质性，因而降低效率和/或火焰速度。因此，在各种实施方式中，空气、蒸汽和/或混合 物的温度可以被升高到高于汽化所需的点，从而燃料将保持在汽化形式中、勻质地混合成 期望的比例，以及基本上没有凝缩。这样的热处理，即，创造更高的温度，蒸汽/空气混合物 可以帮助达到改善的性能。空气供给、汽化燃料和/或空气_汽化燃料的混合物的进一步这样的加热还可以 进一步提高燃料/空气混合物的火焰速度和缩短燃烧持续期。这随后可以扩大“贫燃料极 限”(即，发动机可以令人满意地工作，没有功率的过度损失、点火不良和/或不可接受的烃 类排放物的最高的空气_燃料比)。贫燃料极限的这种扩大具有几个优点，包括但不限于 (1)改善燃料经济性和(2)降低产生的NOx的数量。这种预加热还可以帮助达到改善发动 机性能的某些益处，不仅包括防止燃料的凝缩，还包括增加火焰速度。 在各种实施方式中，废气再循环(“EGR”)数量可以被增加，其随后可以增加效率 和燃料经济性。EGR有效地将发动机的排气的一部分(其可以超过1000° F)再循环回到 发动机气缸。将EGR与进入的燃料加料混合用以帮助提高燃烧室中加料的温度，从而增加 火焰速度和降低燃烧持续期。它还用惰性气体，主要是氮气、二氧化碳和蒸汽填充了仓室的 体积，其不仅降低了在被稀释以匹配负载要求时使用的燃料加料的数量，还容许空气比燃料混合物保持在期望的化学计量比(例如，约14. 7比1)。在一个实施方式中，EGR可以是 在15%和30%之间。在另一个实施方式中，燃料加料的温度可以通过改变与燃料混合的氧化剂的温度 和/或被容许进入燃烧室的EGR的数量来提高或降低。实际上，由于燃料加料的温度的提 高而稀释的密度可以作为粗调整来允许更快的火焰速度，而EGR进行可以对条件的快速改 变作出反应的精细调整。在另一个实施方式中，这些温度可以容许在需要加速时的提高的效率，因而，可以 采用火花塞(或其他点火源)来启动点火。在一个实施方式中，燃料蒸汽的温度可以被增加 到一温度，所述温度刚刚低于自动地点燃燃料加料所需的温度，然后火花塞可以刚刚在TDC 之前或在TDC之时启动燃料加料的点火，因而产生必需的增加的压力和温度来基本上自动 点燃燃料加料。根据各种实施方式，燃料加料的提高的温度与燃料加料的普遍勻质的性质 组合，可以产生更快的火焰速度、更短的燃烧持续期、提高的效率以及更好的控制。在各种其他的实施方式中，上文讨论的分馏可以应用于液体燃料注射系统，因为 燃料加料的勻质性可以改善效率。在一个实例的实施方式中，液体燃料可以被汽化，或通过 其他方法分离，并凝缩，从而燃料未被彻底地混合，而是分离成具有相似的汽化、自燃、凝缩 温度和/或火焰速度的一般相像的成分。这样的馏分然后可以注入到燃烧室中用于燃烧。 燃料加料的勻质性容许燃料加料的温度被提高，从而在火花之前它接近、但是不达到全部 燃料加料的基本上相似的自动点火温度。因此，当火花被启动时，容许降低的燃烧持续期来 转移更多的能量更接近TDC，从而容许改善的效率。另外，已经注意到，标准的板载计算机系统可以进一步提高上文讨论的益处。例 如在标准的板载计算机系统中，在加速期间，EGR的数量被降低，而火花塞的定时被提前。 在一个实施方式中，EGR的降低需要更多的燃料被添加到汽缸中，因而容许加速。另外，提前 的点火定时使得火花在压缩循环中更快速地发生，其可以处于燃料加料满足需要的点火温 度并自动地燃烧之前。因而，在各种实施方式中，降低的EGR和提前的点火定时可以具有降 低燃料加料的温度并使发动机回到标准的火花启动的点火模式的效果。如果燃料加料在自 动点火所需的提高的温度下操作时，这将是不可能的，如同当前的系统中所进行的(例如， HCCI) ο实际上，这可能导致燃料加料的过早点火，并因而损害发动机。此外，即使在标准的 点火模式中，具有降低的、但是高于环境温度的燃料混合物，与未汽化的和/或未预先加热 的燃料相比，仍然具有降低燃烧持续期的效果。在一个实例的实施方式中，已知的是，在70° F下汽化燃料产生更勻质的蒸汽，其 基本上可以在已知的温度带内(例如，500° F-788° F)自动地点火。因此，根据各种实 施方式的蒸汽燃料系统可以汽化汽油的第一馏分，并调整操作条件来加热蒸汽和/或氧化 齐U，从而混合物处于14. 7-1的比例下并接近450° F的温度，该温度接近但不达到自动点 火。因此，在各种实施方式中，具有燃烧室的内燃发动机则可以将勻质的燃料加料(例如， 分馏的燃料蒸汽)导入燃烧室中。此后，来自火花塞的火花可以用于启动燃料加料的点火。 在这样的情况下，全部燃料加料被消耗的速率可以被充分地提高，从而提高发动机的总体 效率。随着燃烧持续期不断地降低，定时可以被改变来使燃烧更接近TDC，以最大化能量转 移。在各种实施方式中，随着热效率提高，由于燃烧压力将提高，而燃烧事件的持续期将降低。随着燃烧持续期降低，点火定时可以被调节来使点火更接近TDC，并在达到最快的火焰速度和最短的燃烧持续期(例如，处于或接近自动点火)时，点火可以在TDC处或接近 TDC地发生。在各种实施方式中，传感器或多个传感器和逻辑可以识别增加的压力，除了前 述的定时变化之外，提高EGR的数量，从而燃烧压力可以匹配将由正常燃烧产生的功率。另 外的EGR将作为填充物并充分地稀释汽缸内燃料和空气的数量，从而降低消耗的燃料的数 量，因而改善效率同时匹配由标准方法消耗的能量。将点火定时移动到更接近TDC的点、并 通过加热加料来稀释燃料和空气数量，这因而改变了密度，以及增加EGR是匹配能量需求、 保护发动机以及改善燃料经济性的关键元素。参考图1，其提供了根据本发明的实施方式的系统的部件的方框图。燃烧室110可 以与混合器108联结，混合器组合来自进气口 104和空气加热器106的加热的空气以及来 自燃料罐100和汽化室102的汽化的和/或分馏的燃料。另外，在各种实施方式中，排气系 统112可以与燃烧室110和/或混合器108联结。排气系统112容许排气的再循环，即，废 气再循环(“EGR”)。在各种实施方式中，排气系统112可以直接或间接地与其他部件联结。 本发明不限于此。在各种实施方式中，与燃料蒸汽混合的空气(或其他氧化剂)可以通过专用的热 源(例如，配置在气流之内的加热盘管)，或通过来自发动机或其他车辆部件的被动加热来 加热。进一步的，空气可以在进气口 104之前被加热(例如，通过发动机)。在一个实施方 式中，根据排放物的含量和/或分馏的燃料蒸汽的汽化温度认为必需时，热源106可以控制 气流的温度，并提高空气供给的温度。在各种实施方式中，空气流入在温度上可以从例如约 60° F到80° F的范围可控制地升高到约100° F到120° F、或更高的温度。再者，空气 供给的温度会取决于排放物含量和/或汽化和混合燃料的当前馏分所需的温度，且可以基 于它们来控制。在各种实施方式中，空气和/或氧化剂可以被可控制地加热以保持期望的 氧化剂燃料比。在各种其他实施方式中，进入的空气不必被加热。在各种实施方式中，燃料罐100中的液体燃料可以在汽化室102中被汽化。汽化 室102可以包括多个热源(未显示)来可控制地加热液体燃料，包括但不限于，附近的发动 机部件、发动机防冻液、电路、独立加热设备、和/或来自进气口 104或空气加热器106的加 热空气。在各种实施方式中，汽化室102可以通过分馏汽化燃料，S卩，递增地加热燃料，以改 善燃料蒸汽的勻质性特征。更具体地，在一个实施方式中，燃料可以从燃料罐100转移到汽 化室102。燃料可以占据罐的下半部分，可以设置加热元件和温度传感器(未显示)以逐渐 地提高温度设置，用于加热汽化室102中的燃料，从而引起燃料的分馏。如前面提及的，分 馏的燃料在性质上更为勻质，其改善了燃烧持续期，因而改善了效率。在各种实施方式中， 传感器可以监测产生的蒸汽的各种特征，并控制燃料的进一步的汽化来保持期望的混合物 密度和/或勻质性范围。在一个实施方式中，空气加热器106可以联结到汽化室102以便于促进燃料蒸汽 向混合室108、随后向燃烧室110的运送。然而，在空气燃料混合气被运送时，如前面讨论 的，有可能的是，一部分混合物在进入混合室108和/或燃烧室110前可能冷凝成液态。在 一个实施方式中，为了防止发生冷凝，空气加热器106可以建立空气的温度，该温度处于或 高于分馏的燃料蒸汽的温度。在另一个实施方式中，由加热的空气携带到混合器108中的 燃料蒸汽可以被再次加热到高于分馏的燃料被汽化的温度。这有助于改善燃烧效率以及防止在混合室自身内的冷凝。在各种实施方式中，混合器108可以组合加热的进入空气和加热的分馏燃料来形成燃料加料。这种混合物可以通过控制器(未显示)来控制，以保持期 望的氧化剂燃料比。在一个实施方式中，在燃料蒸汽和/或燃料加料被送入燃烧室110之后，火花塞 (未显示)可以产生火花来充分地点燃所述燃料加料。火花的定时可以通过控制器来调整， 从而燃料加料的燃烧可以在最佳的曲柄转角之后和/或之时发生。在其他实施方式中，火 花的调整可以是至少根据燃料加料/燃料蒸汽的特征。在燃烧之后，排气则可以被转移到排气系统112。在各种实施方式中，排气系统可 以处置排气，或将废气再循环回到燃烧室110或待燃烧的空气蒸汽混合物中。在一个实施 方式中，废气再循环(“EGR”)可以用于改善效率和燃料经济性。在各种其他实施方式中， 被循环的EGR的数量可以由机载计算机和一系列阀门(未显示)来确定和控制。EGR的最 佳百分比是变化的，且受到燃料特征，例如燃料加料的自动点火温度，以及各种负荷状态所 需的燃料的量的限制。另外，在其他实施方式中，EGR可以被循环到混合器108，以在燃料加 料进入燃烧室110之前提高燃料和/或氧化剂的温度。在各种实施方式中，一个或多个传感器可以被配置在燃烧室110的供料流中，并 适应于检测燃料加料的特征，例如，烃含量、温度、密度、点燃温度、空气燃料比，等等。传感 器可以联结到机载计算机上，其可以转而调整各种参数来改善特定加料的燃烧。例如，如 果在检测的燃料加料中的烃类的量不平衡，这会产生不正确的点火，EGR的数量会增加或降 低，定时会提前或延迟，和/或燃料加料的温度会提高或降低。在另一个实施例中，加料的 密度或温度可以被检测和按照希望来校正，以实现在正常的化学计量条件下的最佳燃烧。图2是说明在稀释汽缸中待燃烧的燃料的量、与燃料的更有效的燃烧以保持可接 受的性能水平的需求之间的关系的图形。在各种实施方式中，这可以通过根据燃料加料的 各种特征来调整稀释的燃料加料的燃烧来实现。在各种实施方式中，燃料加料的稀释可以产生自一定量燃料的汽化和/或燃料与 加热的氧化剂的混合。例如，随着一定量燃料从液相变为气相，它的密度将降低。燃料与加 热的氧化剂混合还可以或另外地降低燃料的密度。在各种实施方式中，燃料和/或氧化剂 可以被稀释以保持期望的氧化剂燃料比，例如，约14. 7比1。这可以允许功率和燃料经济性 的优化，同时避免如果使用标准的催化转化器的已知的NOX问题。由于它们提高的温度，对 于燃料和/或氧化剂具有降低的密度，结果可能是填满燃烧汽缸所需的按重量计算的更少 的燃料和氧化剂。照这样，可以消耗更少的燃料，从而提高效率。在各种实施方式中，提高燃料和/或氧化剂的温度的另一个效果可能是更短的和 更有效的燃烧持续期。改善的燃烧持续期可以通过在最佳的曲柄转角(例如，TDC之后3到 15度)下燃烧稀释的燃料容许稀释的燃料加料提供可接受的性能水平。照这样，提高燃料 和/或氧化剂的温度不仅可以用来稀释燃料加料，还提供了提高燃烧事件的效率以保持可 接受的性能水平的机制。如前面提及的，在各种的其他实施方式中，EGR也可以用于稀释和 提高燃料加料的温度。如图2所示，说明了性能线204。这可以代表对于给定的燃料加料的可接受的性能 水平。在线212处，燃料加料可以通过前面讨论的任何方法来稀释。在线212处，由于燃料 加料已经被稀释，存在着提高的对燃料加料的有效燃烧的需求以产生期望量的性能。类似地，在线208处，燃料加料被表示为相对于线212被进一步稀释。因而，为了保持相对于线 212的相同的性能水平，温度和/或有效燃烧的进一步提高也是需要的。因此，图2说明了 由于燃料加料变得进一步的稀释，因此需要稀释的燃料加料的更有效燃烧来保持期望的性 能水平。如所说明的，线208产生了相同的性能而使用更少的燃料。这种关系参考图3和 4更完整地描述。
要理解的是，图2提供了仅仅是为了说明燃料稀释和稀释燃料的有效燃烧的需求 之间一般关系的目的。图2并不意图精确地表现所说明的关系，这是技术人员将容易地认 识到的。它仅仅是为了易于理解。此外，该图可以仅仅说明所述关系的一部分。
现在参考图3和4，一系列图形1-4说明了提高的火焰速度对于完全地燃烧(燃烧 持续期)等量的燃料所需的时间的影响。图4的图形5-8说明了在附图3中的燃烧事件分 别相应的汽缸内压力(“ICP”)。首先参考图形1，说明了典型的、较慢的火焰蔓延事件。火焰前缘从火花塞处开始， 并继续直到燃料被燃烧或下一个循环开始。燃烧持续充分地通过最佳曲柄转角(例如，TDC 之后45-50度)。由于燃烧持续期很长，即，在活塞离开TDC时燃料仍然燃烧，如图4中的图 形5所示的，ICP也相对较低。现在参考图形2，说明了更理想的燃烧事件。图形2说明了与在图形1中燃烧的相 同量的燃料的近乎自点火或自动点火。如所示，燃烧持续期是更快的，即，全部量的燃料更 快地消耗。这种快速的燃烧持续期使得大多数的燃烧刚刚通过TDC。这产生了 TDC处压力 的提高，如图4中的图形6所示。比较图形6和图形5，可以看出，随着燃烧持续期降低和 在TDC处定时优化，相同量的燃料在更小的曲柄转角改变下产生了更大的压力，因而，发动 机功率被提高。图形3和4说明了如上文参考各种实施方式所讨论的火花辅助的自动点火。在图 形中，当火花塞在TDC之前点火时，汽缸内的条件非常接近支持自动点火所需的条件。在图 形3中，产生的火焰前缘快速地提高温度和压力，到达其余燃料充分地自动点火的点值。在 图形4中，为了实现支持自动点火所需的条件、提高的压力和温度，作为火焰的结果，燃烧 事件需要更多的燃料被燃烧。因而图形4不如图形3有效。当比较ICP、图形8和7时，这 变得很明显。由于图形4的燃烧持续期稍微长于图形3的，图形8的ICP稍微低于图形7 的，因而，是稍微低效的。图形8比图形7稍微低效，可以看出，图形8和7都具有大于图形 5的ICP，缓慢的火焰蔓延事件。相对于图形5，图形6、7和8中ICP的提高说明了效率的提高是可能的。更具体 地，在图形6、7和8中，燃料可以被稀释来匹配图形5的ICP。这转变为更少的燃料实现与 典型的火焰蔓延事件相同的工作量。这些图形不意图精确地说明现象，而是各种燃烧持续期/火焰速度的效果的一般 说明。 现在参考附图5，根据本发明的各种实施方式说明了燃烧操作500的流程图。操作 可以在方框502处开始，进展到方框504，在此处燃料加料的温度被调整。在各种实施方式 中，调整燃料加料的温度可以包括在将燃料加料导入燃烧室之前加热氧化剂成分和/或燃 料成分。在各种实施方式中，这种加热可以通过将废气再循环与氧化剂和/或燃料成分组 合来实现。
在方框506，根据各种的实施方式，可以监测和控制对氧化剂和/或燃料的温度和 /或量的调整来保持期望的氧化剂燃料比。如果没有达到期望的比例，操作可以返回方框 504以进一步调整燃料加料。在各种实施方式中，燃料成分可以在加热之前被分馏，或燃料 成分可以被分馏然后冷凝回液态。这样，燃料加料可以包括液体燃料成分或蒸汽燃料成分。在各种实施方式中，在达到期望的氧化剂燃料比之后，操作可以继续到方框508， 其中燃料加料被导入燃烧室。一旦处于燃烧室之内，至少基于燃料加料510的特征，燃烧事 件的定时可以被调节来充分地自动点火燃料加料。在各种实施方式中，燃料加料的特征可 以包括燃料加料的勻质性、燃料加料的温度、燃料加料的燃烧持续期和/或火焰速度。这些 特征可以容许调整燃烧事件的起始的定时，从而燃料加料在活塞到达燃烧室中的上止点之 后充分地自动点火。
在各种实施方式中，调整在燃烧事件的定时以使效率最大化之后，操作可以启动 方框512中的燃烧事件。在一个实施方式中，燃烧事件的启动包括启动火花来充分地自动 点燃燃料加料。然后操作在方框514结束。现在参考图6，根据各种实施方式，说明了燃烧操作600的流程图。操作可以在方 框602处开始，进行到方框604，其中进行判断，燃烧发动机是以第一操作模式还是以第二 操作模式操作。如果燃烧发动机以第一操作模式操作，所述方法可以继续到方框606，在此 处预加热燃料量被导入燃烧室。在各种实施方式中，预加热燃料量可以与氧化剂混合，并具 有大约14. 7-1的氧化剂燃料比。随后，在方框608处，废气再循环量与预热燃料量组合。在 方框616处，所述燃料量可以被点火。在各种实施方式中，这可能是由于EGR所提供的温度 的提高，或在其他实施方式中，可以使用火花与EGR组合来点燃燃料。废气再循环组合的定 时可以至少根据预热燃料量的特征来调整。在其他实施方式中，火花可以与废气再循环量 共同使用来充分地点火预热燃料量，如上所述。这样，第一操作模式可以包括燃料加料的自 点火。所述方法然后可以返回判断框604，在此处可以再次判断第一操作模式或第二操作模 式是否是期望的。如果第二操作模式是期望的，所述方法可以继续到方框610，在此处将预热燃料增 加量导入燃烧室中。在各种实施方式中，对于提高的负载，例如在加速时期的过程中，燃料 增加量可能是需要的。在燃料增加量被导入燃烧室中之后，所述方法可以继续到方框612， 在此处废气再循环减少量与预热燃料增加量组合。在各种实施方式中，预热燃料增加量与 废气再循环减少量的组合可以充分地降低自动点火的现象，例如，废气再循环减少量可能 不能充分地点燃预热燃料增加量。所述方法然后可以继续到方框614，在此处可以产生火花 来充分地点燃所述燃料加料。在各种实施方式中，火花可以被提前以在压缩循环中更快地 发生。在一个实施方式中，火花的提前可以通过标准的机载计算机系统控制。在燃料加料 的点火之后，所述方法可以回到判断框604。因此，在各种实施方式中，操作内燃机的方法包括产生一般勻质的蒸汽或液体燃 料流(例如，通过分馏燃料)；将燃料蒸汽与加热的空气混合来提高空气燃料混合物的温 度；将所述空气燃料混合物导入燃烧室中；以及燃烧所述空气燃料混合物来产生能量，已 经被显示和描述了。实施方式可以将混合物的燃烧前温度保持在给定加料的自动点火温度 处或附近，以及通过提高火焰速度和降低完全燃烧持续时间来改善总效率。与能够控制燃 烧的定时结合，进一步改善了效率和系统响应瞬时状态的能力。
虽然为了描述优选的实施方式的目的在此说明和描述了某些实施方式，但本领域普通技术人员理解的是，多种改变和/或等价的实施方式或估算实现相同目的实现可以取 代所显示和描述的实施方式，而不背离本发明的范围。本领域的技术人员将容易地理解，根 据本发明的实施方式可以以广泛多样性的方式实现。本申请意图覆盖在此讨论的实施方式 的任何修改或改变。因此，明白地意图，根据本发明的实施方式仅由权利要求书及其等同物 来限制。
权利要求
一种方法，该方法包括调节燃料加料的温度，从而所述温度接近但不达到自动点火温度；将所述燃料加料导入燃烧室；以及启动燃烧事件来充分地自动点燃所述燃料加料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料加料包括氧化剂成分和燃料成分；以及 调节所述燃料加料的温度包括在将所述燃料加料导入燃烧室之前加热氧化剂成分和/或燃料成分。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括控制所述氧化剂成分和/或燃料成 分的加热来保持期望的氧化剂_燃料比。
4.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述燃料加料的温度包括提高所述燃料加料 的温度来稀释所述燃料加料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料加料包括蒸汽燃料成分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中燃烧事件的启动包括启动火花来充分地自动点燃 燃料加料。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括至少根据所述燃料加料的特征调节 燃烧事件的启动的定时，以在期望的曲柄转角处充分地自动点火。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述燃料加料的特征包括燃料加料的勻质性、温 度、燃烧持续期和/或火焰速度。
9. 一种方法，该方法包括 在第一操作模式期间将预热燃料量导入燃烧室中；以及将废气再循环量与所述预热燃料量组合，以充分地点燃所述预热燃料量；以及 在第二操作模式期间 将预热燃料增加量导入所述燃烧室中；将废气再循环减少量与预热燃料增加量组合，所述废气再循环减少量不能充分地点燃 所述预热燃料增加量；以及产生火花来充分地点燃所述预热燃料增加量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一操作模式除了将所述废气再循环量与 所述预热燃料量组合之外进一步包括进行启动火花来充分地点燃所述预热燃料量。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二操作模式进一步包括，提前产生所述火 花以在燃烧室的压缩循环中更快地发生。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述预热燃料已经被分馏。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述预热燃料量和所述预热燃料增加量都与氧 化剂混合，氧化剂_燃料比保持在大约14. 7比1。
14. 一种系统，该系统包括汽化室，该汽化室包括汽化燃料的热源；空气管道，该空气管道适于供给空气并将空气与汽化的燃料混合；和 控制器，该控制器控制空气与燃料的混合以保持燃烧排气量中所期望的碳水平。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器进一步控制空气与燃料的混合，以保持期望的空气_燃料混合物。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述热源适于分馏所述燃料和/或提高分馏燃料的温度； 所述空气管道包括适于提高空气温度的空气加热器；和所述控制器适于控制所述分馏的燃料和/或入口空气的温度的提高以保持期望的空 气-燃料比。
17.根据权利要求16所述的系统，该系统进一步包括混合器，该混合器将所述加热的入口空气和所述加热的分馏燃料组合，以形成燃料加料；燃烧室，该燃烧室燃烧所述燃料加料；和火花塞，该火花塞产生火花以充分地点燃所述燃料加料，其中所述控制器进一步控制 产生所述火花的定时。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器进一步控制所述加热的入口空气和 所述加热的分馏燃料的混合来保持所述燃料加料的空气_燃料比。
19.根据权利要求16所述的系统，该系统进一步包括传感器，以监测氧含量、温度、点 火温度、碳含量、空气_燃料比、和/或所述分馏燃料和/或入口空气的密度中的至少一项。
20.一种燃烧燃料加料的方法，该方法包括 将准备的燃料加料导入燃烧室中；启动火焰前缘来点燃所述准备的燃料加料的第一部分，以提高所述燃烧室内部的温度 和压力；启动所述准备的燃料加料的第二部分的自动点火，结果所述燃烧室内部温度和压力提 高；禾口启动随后的火焰前缘和/或随后自动点燃所述准备的燃料加料的其余部分以协同地 并充分地燃烧所述燃料加料。
21.根据权利要求20所述的方法，该方法进一步包括调节所述火焰前缘启动的定时， 以在期望的曲柄转角处协同地并充分地燃烧所述燃料加料。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述准备的燃料加料是分馏的。
23.一种方法，该方法包括稀释在燃烧汽缸中待燃烧的燃料加料；和至少部分根据所述稀释的燃料加料的特征来调节稀释的燃料加料的燃烧，以产生期望 的能量输出。
24.根据权利要求23所述的方法，其中稀释所述燃料加料包括增加燃料量和氧化剂量 的温度，以产生具有大约14. 7比1的氧化剂-燃料比的稀释的燃料加料。
25.根据权利要求23所述的方法，其中调节所述稀释的燃料加料的燃烧包括在期望的 曲柄转角处充分地燃烧所述稀释的燃料加料。
全文摘要
本发明的实施方式提供了燃烧发动机的燃料供给系统，借此氧化剂和燃料的温度可以被提高，从而所述温度接近但不达到该燃料加料的自动点火温度。该燃料加料可以产生燃料效率的实质改善。
文档编号F23K5/20GK101802501SQ200880101605
公开日2010年8月11日 申请日期2008年6月26日 优先权日2007年7月2日
发明者丹尼·罗伯特·刘易斯, 安东尼·迪安, 雷蒙德·布赖斯·布什内尔, 马库斯·德赫奥斯 申请人:蒸气燃料科技有限公司