具有用于喷射器点火操作的算法控制的前瞻定时的燃料喷射器的制作方法

专利名称：具有用于喷射器点火操作的算法控制的前瞻定时的燃料喷射器的制作方法
技术领域：
0001本发明广义地涉及燃料喷射系统，并更具体地涉及具有用于 喷射器点火操作的算法控制的定时(algorithm controlled timing)
背景技术：
0002世界的大量能量被耗用于为基于内燃的车辆提供动力。大多 数汽汕和柴油汽车发动机的效率仅为20-30%，这样大部分烃燃料被浪 费，山此在产生过量污染物和温室气体的同吋消耗了全球的资源。如 图1 (现有技术)所示，常规发动机所使用的能源的大约三分之一证实 了其本身是冷却系统屮的废热(冷却剂负荷4)，而另一个大约三分之
-的能量从排气尾管排出(排气焓2)，而剩下的三分之一或者更少的 能源提供了有用功(制动力6)。以内部标准(at the internal level)， 这些低效率是由于如下事实在火花点火汽油发动机或者压縮点火柴 汕发动机内的常规燃烧过程与活塞和曲轴的旋转动力学(即发动机的 作功冲程)相比用时太久。
0003图2 (现有技术)图示了在高效直接喷射欧式柴油发动机循环 内的典型热释放图7，其包括点火延迟段8、预混合的燃烧阶段IO、混 合控制的燃烧阶段12以及后燃烧阶段14。在大约180°的循环旋转(上 止点)之前的燃烧导致了增加的废热负荷，而来自后燃烧阶段14 (在 大约200°之后)中的燃烧的大部分能量作为排出热被浪费。换句话说， 在从活塞在它的冲程顶部起始并向下旋转大约20度(从180°到 200° )之间的时间段中的热释放提供了最大比例的有用功。在上止点 之前的热释放引起对抗旋转的回推，其最终证实其本身是冷却套管中 的废热。在气体燃料发动机和柴油发动机中必须提早开始点火，因为 与发动机的旋转定时相比，它需要充足的时间量来完全地进行。在后 燃烧阶段14中，燃料继续燃烧，超过作功冲程的有用界限，由此将废热排到排气系统内。

发明内容
0004本发明涉及用于主要或基本仅在内燃机的作功冲程期间分配燃 料的一个或多个加热催化燃料喷射器(heated catalyzed fuel injector) 的使用。这种喷射器通过来自电加热器或者其他装置的外部加热，在超 临界蒸气相中轻微地使燃料氧化。该喷射器可以操作用于包括汽油、柴 油和各种生物燃料在内的广范围的液体燃料中。另外，该喷射器可以在 室压下以及高达内燃机的实际压縮极限下点燃。由于该喷射器可以不依 赖火花点火或者压縮点火进行操作，所以它的操作在此被称作"喷射点 火(injection-ignition)"
0005根据本发明，内燃机的优选的喷射器点火燃料喷射系统包含一 个发动机控制单元(ECU)，该ECU控制用于加热和催化下一个燃料加料 的加热催化燃料喷射器，其中ECU使用一个点火循环前瞻算法来控制燃 料喷射。前瞻算法可以包含存在于ECU上的计算机软件程序，该软件程 序包含控制燃料喷射的机器可读或者可编译指令。在操作中，算法将当 前节气阀输入(current throttle input)与之前的发动机数据相比较 并确定燃料负荷和到下一次点火的估计时间。举例而言，之前的发动机 数据可以包含上一次节气阀输入、发动机负荷、RPM值以及空气入口温度。 根据一些实施例，下一个燃料加料包含按体积计大约65%庚烷、25%十六 烷以及10%乙醇的混合物。喷射器点火喷射器可以在大气压下点火;但是，
在本发明的优选实施例中，喷射器在高压下点火。0006根据本发明，ECU可以控制发动机操作的多方面，例如，(i)
每个发动机循环内喷射入每个汽缸中的燃料量，(ii)点火定时，
(iii)可变凸轮定时(VCT) ， (iv)各种外围设备，以及(v)内燃 机操作的其他方面。ECU通过由包括MAP (歧管绝对压力)传感器、节 气阀位置传感器、空气温度传感器、发动机冷却剂温度传感器以及其 他传感器在内的传感器来监视发动机，从而确定燃料量、点火定时以 及其他参数。
0007燃料加料优选地在一个或多个氧源存在的情况下被加热和催化， 其中算法控制在燃料喷射器的加压室内的预氧化保持时间。在一些实施例中，算法基于使用中的预定燃料混合物来确定在ECU数据库中的适当 的预氧化保持时间设置。ECU数据库含有涵盖一定范围的燃料辛烷值等级
(fuel actane rating)和可能相接触的充氧添加剂(oxygenator addivive)的预加载表，其中充氧添加剂可选自甲基叔丁基醚(MTBE)、 乙醇、其他辛烷值和十六垸值增进剂以及其他的燃料充氧剂。算法通过 检测点火延迟从而在燃料辛烷值等级范围内不断地调节其操作。
0008在此提出的喷射器点火燃料喷射系统加热液体燃料使其较多 地超过它们的室压沸点。但是，与水一样，大多数烃燃料和酒精随着 压力升高而具有升高的沸点，这样当在压力下加热液体时液体将在其 大气沸点之上保持液体形式，并且如果液体在低压下蒸发并随后被迅 速地加压则它将被再次液化到液相。但是，存在不可能再维持液相或 者再被压縮到液相的压力和温度点。该点通常地被称作临界点，并且 包括临界温度和临界压力。在临界温度和临界压力之上，不可能再形 成液体，所以即使分子可被压縮超过相应液体的密度，分子也是以气 相相互作用。按照CRC Handbook 87th Edition,庚烷(汽油的主要成 分)的临界温度是512下，临界压力是397psi(磅/每平方英寸)。
0009本发明的喷射器点火系统利用主要以气相或者超临界液相来 工作的氧还原催化剂。该催化剂将按重量计在O. 1%到5%范围内的可用 氧与燃料混合物内的一种或多种成分相结合，从而形成高度反应性的、 部分氧化的自由基，所述自由基一旦暴露于主燃烧室的更富含氧的环 境则会非常迅速地继续氧化。非常快的燃烧(在100微秒范围或者更少) 所需的这种活性自由基的实际数量是非常少的，并且很大程度取决于 在主燃烧室反应区域内的分子平均自由程和反应波面传播延迟
(reaction wavefront propagation delay)。 例如，在大气压下，并
且在适当的温度和氧浓度条件下，燃烧波面以近似声速的速度移动， 声速在典型的环境下大约是每毫秒l英尺。因此，对于io毫秒的主室燃 烧延迟，表明这些自由基需要以大约O. l英寸或者更近的间隔分散，基 于每立方英寸内非常大量的分子，这要求这些自由基具有极小浓度。0010类似地，在燃料喷射器中形成的每个自由基均利用来自燃料
的化学键能，这样在主燃烧室中的化学键能减少了一个该量。因此非 常有利的是，将形成的自由基的数量最小化至足够高以确保非常高速率点火，但又足够低以最小化喷射燃料的能量含量衰减。另外，大多 数氧还原催化剂也用作热裂解催化剂，特别是当氧还原催化剂被加热 到1000下内的范围和更高的温度时。非常不希望喷射器中的燃料热裂 解，因为它导致形成碳从而最初污染催化剂表面，并且如果允许继续 形成碳，则实际上阻碍了燃料流经喷射器。另外，短链裂解的成分典 型地具有比辛烷和庚烷更高的自燃温度和更高的蒸发热，这样在普遍 发生的实验室条件下，过量加热喷射器将实际上增加了超过上述理想 情况的点火延迟，并且也导致了碳的迅速形成。
0011考虑到上述事项，在此阐述的喷射器-点火喷射器最优地利用
了高度分散的(即低浓度)氧还原催化剂，其在大多数燃料成分处于 超临界相的温度和压力下具有适度活性。已发现镍是这样的一种催化
剂，并且在100bar下在600-750下的范围内工作。
0012根据本发明的原理，通过谨慎地控制加热的外部来源以及燃 料流动速率和燃料催化剂接触表面积，可以最小化到燃料的所需热输 入，从而在不需要允许催化氧化过程显著地向反应区域供应热能的情 况下产生适当数量的自由基。这种附加的热能量会快速地导致热散逸， 并潜在地消耗所有的可用氧，由此显著地减少最终燃料的能量含量并 促进了碳的形成。由于商品化的燃料会含有1 %到10 %的充氧剂
(oxygenator agent)，所以这点是特别需关注的。
0013根据本发明，可以使用选自镍、镍-钼、a氧化铝和氧化铝硅、 其他的空气电极氧还原催化剂以及其他的用于烃裂解的催化剂的催化 剂来催化燃料加料。在本发明的一个实施例中，使用包含带有大约5% 钼的镍的催化剂来催化燃料加料。根据某些实施例，催化剂加热温度 优选地在600下和750。F之间，最优选地为大约720下。另外，喷射器压
力优选地足够高以便燃料加料在选择的温度设置下以超临界液体来工 作。算法控制燃料喷射器从而基本仅在内燃机的作功冲程期间分配燃 料加料。
0014根据一个实施例，燃料喷射器依靠高辛烷值的燃料、高十六烷 值的燃料以及气体发动机燃料和柴油发动机燃料的混合物来运转。ECU 可以包括用于接收燃料混合物信息以适应一定范围的燃料和燃料混合物 的补充输入。使用加油时的直接加入系统或者使用采样在车内的燃料并将发动机工作参数传达给ECU的机载分析器来提供燃料混合物信息。
0015根据本发明的原理，下一次发动机点火的准备在当燃料喷射器 基本没有燃料时的上一次发动机点火完成后立即启动。算法可以调整进 入燃料喷射器的能量输入，这样燃料在较高的节气阀设置下比在较低的 节气阀设置情况下更快地被加热到选择的温度。另外，算法允许在热区 内建立高达四个燃料点火循环，从而在快速加速期间增加燃料加热暴 露时间。通过大体在上止点起动快速燃烧点火，从而使废热最小化。
0016根据本发明的进一步实施例，ECU在上止点之前近似1-3毫秒 提供喷射器点火信号，从而补偿当发动机由于压縮制动而快速减速时 的机械延迟。另外，ECU可以包括发动机査寻表，该表校正了在包括 RPM、发动机负荷以及发动机负荷趋势的预定操作图上的发动机减速。 发动机査寻表可以预加载有学习算法，从而针对具体级别的发动机几 何结构来测算预测上止点与实际上止点相比止点的误差。另外，可以通 过使用学习算法从而在工作中动态地调整发动机査寻表，其中该学习算 法可通过计算喷射销位置指示器和绝对上止点指示器之间的差异来不断 调整表条目。使用爆燃传感器输入或者使用探测与上止点相对的绝对点 火位置的气缸压力传感器，可以使调整进一步精确。根据其它实施例， ECU利用模式识别试探法来精密地调节由于压縮制动而产生的点火延迟 漂移，其中模式识别试探法用于确认稳定状态节气阀和负荷状况，以便 点火定时漂移可以不受其他可变参数的影响。
0017本发明的另一个实施例的特征在于内燃机的喷射器点火燃料 喷射系统，其包含控制加热催化的燃料喷射器以加热和催化下一个燃 料加料的ECU，其中ECU使用一个点火循环前瞻算法来控制燃料喷射， 其中加热催化燃料喷射器包含用于将下一个燃料加料分配到加压室中 的输入燃料计量系统、包括用于压縮在加压室内的燃料加料的加压撞锤 的加压撞锤系统以及用于将加热催化的燃料加料喷射到内燃机的燃烧室 中的喷射器喷嘴，其中所述燃料加料在有催化剂存在的情况下在加压室 中被加热。
0018在上述系统中，下一次发动机点火的准备在上一次发动机点火 完成后立即启动。在上一次发动机点火完成时，燃料喷射器基本没有燃 料，加压撞锤处于完全排出位置并且喷射器喷嘴关闭。下一次点火循环包含收回加压撞锤，这允许输入燃料计量系统将液体燃料的气溶胶分配 到加压室中。加压撞锤随后在两个步骤循环中对燃料加压，其包括当燃 料正被加热和蒸发时保护燃料喷射器，和将燃料加压到目标喷射压力和 温度。蒸发燃料以达到目标喷射压力和温度。在工作期间，在预定保持 时间之后喷射器喷嘴打开，并且加压撞綞将燃料加料推入燃烧室中，这 样加压撞锤达到完全排出位置。在一些实施例中，预定保持时间从下一 上止点事件逆向延伸。


0019图1 (现有技术)是示意图，图示在火花点火汽油发动机或者 压缩点火柴油发动机内常规燃烧过程的低效率；
0020图2 (现有技术)是示意图，图示在高效直接喷射欧式柴汕发 动机循环内的典型热释放曲线；
0021图3是示意图，图示在常规气体发动机中点火和在具有根据
0022图4是示意图，图示具有根据本发明原理的燃料喷射器的内 燃机的热释放曲线；
0023图5A描绘了本发明内燃机的燃烧室，其包括大体安装在气缸 顶部中心的燃料喷射器；
0024图5B是图示了根据本发明原理控制燃料喷射的示例性ECU的示 意0025图5C是图示了在图5B的ECU和常规的汽油泵压燃料喷嘴之间的 无线通讯的示意0026图6描绘了根据本发明的原理构建的优选的加热催化喷射器点 火燃料喷射器；
0027图7是示出燃料入口和出口子系统的图6中加热催化喷射器点 火燃料喷射器的截面0028图8A是其中撞锤(ram)处于完全排出位置的图6中燃料喷射 器的截面图，而图8B是其中撞锤处于完全收回位置以允许液体燃料进 入加压室的图6中燃料喷射器的截面图；以及
0029图9是包含线性燃料喷射器的本发明的可选燃料喷射器的截面图。
具体实施例方式
0030在下面的段落中，将通过举例并参考附图，详细地阐述本发 明。贯穿本说明书，所示的优选实施方式和实施例应该视作示例，而 不作为对本发明的限制。如在此使用的，"本发明"指在此阐述的本 发明的任何一个实施方式和任何等效物。进一步，对贯穿本文件的"本 发明"的各种特征(一个或多个)的提及并不意味着所有要求保护的 实施方式或者方法必须包括提及的(一个或多个)特征。
0031根据本发明的原理，提供内燃机的喷射器点火燃料喷射系统， 该系统包含控制用于加热和催化下一个燃料加料的加热催化燃料喷射 器的发动机控制单元(ECU)，其中ECU使用一个点火循环前瞻算法来 控制燃料喷射。
0032爆燃构成一种可选择的燃烧形式，其提供异常快的燃烧，并 被呰遍地被证实是失调汽车发动杉L中的常见爆震。常规的内燃机在点 火之前将它们全部的燃料负荷放置在气缸中。爆燃引起全部燃料负荷 的很大部分在几微秒内点火，由此产生可能损坏发动机部件的过量压 力上升。这些状况典型地发生在失调发动机中未受控制的方式中，从 而引起燃料在对于产生作功冲程不适合的某个时间爆燃。另外，这种 类型的爆燃取决于点火延迟，从而压縮了空气供给并蒸发燃料。
0033参考图3，提供了示意图，其图示在常规的气体燃料发动机中 缓慢燃烧和内燃机中包括爆燃的快速燃烧之间的区别，其中所述内燃 机具有根据本发明原理的燃料喷射器。具体地，在常规的气体燃料发 动机中，点火基本发生在低燃料密度下的缓慢燃烧区20内。相反，在 具有在此阐述的燃料喷射器的内燃机中，点火基本发生在高燃料密度 下的快速燃烧区22内。在快速燃烧区22内，燃料加料的前沿表面在大 概儿微秒内完全燃烧。
0034参考图4，提供了示意图，其图示具有根据本发明原理的燃料 喷射器的内燃机的热释放曲线26。具体地，热释放曲线26被叠加在图2
图示的直接喷射欧式柴油发动机循环的典型热释放曲线7之上，热释放 曲线7包括点火延迟段8、预混合燃烧阶段10、混合控制燃烧阶段12以及后燃烧阶段14。对比于直接喷射欧式柴油发动机，在此提出的燃料喷 射器(具有热释放曲线26)精确地计量了在适当曲轴转角下的用以产生 最优作功冲程的即时点燃燃料。具体地，燃料喷射器基本仅在作功冲程 期间以精确的方式即时地分配燃烧的燃料，由此很大程度地减少在发动 机内的前端(冷却负荷)和后端(排气焓)的热损失。根据本发明的一 些实施方式，常规的低辛烷值泵压汽油被计量供给到燃料喷射器中，其 中燃料喷射器加热、蒸发、压縮并适度地氧化燃料加料，并随后将其作 为相对低压的气柱分配到燃烧室的中心。
0035参考图5A，图示了包含常规的车辆柴油强涡流高压縮燃烧室 的内燃机燃烧室28。具体地，燃烧室28包括大体安装在气缸顶部32中 心的本发明的加热催化喷射器点火燃料喷射器(heated catalyzed injector-—ignition fuel injector) 30。 随着热气的燃料柱36被喷射 入燃烧室28中，它的前沿表面37自爆燃，其将燃料柱36以箭头40指示 的方向径向地分配到涡流38型式中。前沿表面37代表爆燃界面，而涡 流38代表分散的气体和空气产生的快速稀燃(air yielding fast lean bum)。这种燃烧室构造提供了相当常规的稀燃烧环境，其中通过高温 和高压的使用，0. 1%到5%的燃料在燃料喷射器30中被预氧化。图5A的 风扇形状构件41图示了径向扩展的燃料加料的旋转运动，它在燃烧室 28内旋动。燃料加料可以对称地扩展或者可以由一个或多个射流偏移 行组成，每行包括多个射流(jet)(例如四个射流)。本领域的技术人 员将认识到，在不背离本发明范围的情况下可以形成任何数量的射流。
0036进一歩参考图5A，在加热催化燃料喷射器30内的预氧化可以
包含在喷射器室壁上的表面催化剂以及氧源，该氧源包括标准的氧化 剂。可选择地，预氧化可以进一步包含少量的附加氧，例如，来自空 气或者来自再循环排气形式的最后燃烧物。这种轻微氧化的燃料包含 R02 和R00H 形式的自由基，其是来自初始燃料的高度反应性、部分 氧化、裂解的烃链。因此，喷射的燃料在分配的燃料柱36内提供相对 低温的自燃部位，有助于在与常规的汽车发动机构造材料相匹配的温 度和压力范围内引发表面自爆燃和随后的稀燃。
0037参考图5B，图示了控制燃料喷射和其他发动机操作的示例性 ECU 45。具体地，ECU 45包括确定将何时点燃喷射器的喷射器定时程序47、排序喷射器子系统的机械操作的喷射点燃程序49、控制喷射器
加热驱动的温度控制51以及控制其他发动机和车辆输出的其他ECU程 序53。在操作中，喷射器定时程序47接收来自曲柄位置和RPM传感器、
喷射器销位置传感器以及发动机爆震传感器的输入。喷射器定时程序 47将定时程序输出到喷射点燃程序49，喷射点燃程序49控制喷射器燃 料入口 (每个气缸l个)、喷射器高压泵驱动(在一些构造中每个气缸 l个)以及喷射器销驱动(每个气缸l个)。喷射点燃程序49可以进一 步接收来自ECU发动机节气阀程序和如典型地存在于现代汽油和柴油 发动机上的各种其他的发动机传感器程序的输入，以便调整以适应温 度、压力、湿度、发动机负荷、燃料质量、发动机磨损以及其他变量 的改变。ECU 45的温度控制51接收来自喷射器温度传感器的输入并随 之控制喷射器加热驱动。各种其他的ECU程序53接收来自各种其他的发 动机和车辆传感器的输入，这样ECU程序53控制各种附加发动机和车辆 的输出。
0038参考图5C，本发明的进一步的实施方式的特征在于用于多燃 料车辆的智能加燃料系统55，其中该多燃料车辆具有先进的可变循环 发动机和ECU (例如图5B的ECU 45)，通过可分别与ECU 45和加燃料泵 57协同定位的无线串联通讯连接59、 61， ECU与常规的加油站加燃料泵 57连通。系统55被用于向消费者提供一种或多种优化燃料混合物以向 他们的多燃料车辆补充燃料。这个信息可以显示在与ECU 45连通的车 内显示器63上和燃料站泵57的销售显示器83上。使用者可以基于在显 示器83上的和可选择地在车内显示器63上的按钮、触摸敏感区或者其 他常规的输入装置，作出燃料选择。通过任何常规的无限通讯技术， 例如，磁感应、光通讯或者低功率RF，可以提供ECU 45和加燃料泵57 之间的数据交换。在操作中，ECU 45将精确的燃料混合物和车辆油箱 81中的燃料量(通过油箱传感器65确定)传达到加燃料泵57。在响应 中，加燃料泵控制器67计算与剩余燃料和车辆的操作性能相匹配的适 合的补充燃料混合物，并基于出售的各种燃料69 (或者它们的混合物) 向消费者提供一种或多种补充燃料选择。在购买后，适合的燃料或者 燃料混合物(通过燃料泵73)被泵压通过泵阀77，并通过加燃料泵喷 嘴79喷射到油箱81中。0039进一步参考图5C，补充燃料选择可以基于包括费用和性能的 可选择参数，其中加油站加燃料泵57基于消费者的选择混合和分配燃 料。在说明的实施例中，加油站加燃料泵57包括销售显示器83点和用 户输入的相关装置。使用在负荷(发动机RPM)下的发动机性能、负荷 传感器以及爆震传感器，ECU45确定在燃烧中的实际燃料性能。另外， ECU 45可被配置成保持所有的燃料装载记录，包括燃料的精确混合和 泵入油箱中的量、燃料消耗、观测的性能以及按时间顺序的气候状况， 例如温度、大气压、海拔高度和湿度。
0040先进的可变循环发动机可以适于与广范围的燃料一起使用， 所述燃料包括但不限于常规的汽油、柴油、乙醇、甲醇、其他酒精、 生物柴油以及可选地包括混合水含量的植物提取物。车辆可以配备有 单一燃料箱或者多个燃料箱以用于容纳不相容的燃料混合物。在泵处 的购买决定可以基于多种因素，例如可用的最昂贵有效率的燃料供给、 在燃料箱中剩余的燃料混合物以及包括天气和海拔高度在内的预期驾 驶条件。车辆在ECU的控制下能够动态地适应各种燃料混合物。
O(Ml根据本发明进一步的实施例，加热催化燃料喷射器30可用于 依靠生物可再生可变燃料(bio-renewable flex fuel)运转的喷射器 发动机。举例而言，可变燃料可以包含混合有少量汽油和/或乙醇的植 物提取油(例如豆油、菜籽油、藻类和浮游生物提取物)。最终的混 合物包含零净碳的可再生可变燃料，其适合用于配备有加热催化直接 喷射器的超高压缩发动机。这种零净碳燃料在燃烧时在地球的生物圈 不产生净碳，因为出现在植物物质中的碳来自作为正常光合作用过程 的一部分的在地球大气中捕获的二氧化碳。根据本发明，未处理的植 物油与乙醇以及少量的常规汽油(或者其他C5到C10范围直链烃的混合 物)混合。举例而言，该混合物可以包含混合有25%汽油和10%乙醇的 65%植物油(按重量计)。该混合物是稳定的并且在正常的操作条件下 不分离为它的各种成分。另外，该混合物具有低于0。F的凝固点并且抵 抗生物侵袭。
0042上述的燃料混合物由在柴油发动机的高压縮下良好点火的高 十六烷值植物油和在低压縮火花点火发动机中良好工作但在压缩点火 发动机中通常不良好工作的相对高辛烷值的烃(庚烷)以及乙醇组成。例如，配备有被加热并含有氧还原催化剂的喷射器的高压縮发动机(例 如20比1)依靠上面提到的混合物非常有效地运转。此外，加热直接可 适应植物油的较高粘性并且也促进了在寒冷环境下的起动。加热和氧 还原催化剂的结合攻击了乙醇中的氧结合，从而轻微地氧化了燃料混 合物，这样燃料混合物就不依赖于其成分中的辛垸值和十六烷值而在 燃烧室中非常迅速地燃烧。
0043上述生物可再生可变燃料优选地仅在气相或超临界相(相对 于液相)中被催化。另外，与依赖于在室之间的相对缓慢和低效的气 体扩散或者低压进气歧管口阀的常规预置室系统形成对比，优选地在
100bar或者更高压力下使用高压喷嘴分散系统喷入催化的闷燃燃料。0044根据本发明，加热催化燃料喷射器30可以被安装在小型汽车 柴油发动机上的常规直接柴油机喷射器的适当位置。该改装的柴油发 动机可以依靠汽油运转并在16:1到25:1范围内的高压缩比下工作。为 了实现高压縮比，发动机优选地利用压縮加热而不是传统的火花点火。 如本领域的技术人员所了解的，在不背离本发明范围的情况下，本发 明的燃料喷射器可以使用其他的燃料，例如，柴油以及十六烷、庚烷、 乙醇、植物油、生物柴油、酒精、植物提取物及其结合物的各种混合 物。但是，在许多应用中比起柴油，优选使用烃长度短得多的汽油进 行工作，因为这几乎不产生碳颗粒物质。
0045参考图6，本发明优选的加热催化喷射器点火燃料喷射器30包 含一体加热催化喷射器点火喷射器，其包括燃料输入44、输入燃料计 量系统46、电连接器48、喷嘴销阀驱动器50、加压撞锤驱动器52、可 选的空气入口针孔54、安装凸缘56、热区58以及喷射器喷嘴60。喷射 器点火燃料喷射器30在现实世界保持自由的环境中支持燃料的蒸发、 加压、活化和分配。本发明喷射器点火燃料喷射器30的特征工作压力 为近似100bar，并被分配到具有燃料负荷的20:1压缩比的发动机
(20bar)中，其产生40bar的峰值。在优选的实施中，燃料喷射器30 的特征在于靠近喷射器喷嘴60被置于燃料喷射器30的热区58内的内部 镍钼催化剂。可以通过在近似750下的温度处操作喷射器主体来催化该 催化剂。当然，如本领域的技术人员所了解的，在不背离本发明范围 的情况下，可以利用其他的催化剂和喷射器操作温度。0046参考图7，现在将阐述本发明的喷射器点火燃料喷射器30的输 入燃料计量系统46。具体地，输入燃料计量系统46包括过滤燃料的内 嵌燃料过滤器66、用于计量包含预定燃料量的下一个燃料加料的计量 螺线管68以及用于将下一个燃料加料分配到燃料喷射器30的加压室72 中的液体燃料针阀70。液体燃料针阔70优选地包含电磁或者压电触发 的针阀，其响应于内燃机的ECU中的前瞻计算机控制算法将下一个燃料 加料分配到加压室72中。输入燃料计量系统46可以接收来自标准的汽 油燃料泵或者普通的轨道分送系统的燃料。
0047进一步参考图7，燃料喷射器30的喷射器喷嘴60被置于车辆的 加压室72和燃烧室28之间。通过围绕室72的燃料喷射器30的热区58， 在加压室72中烘烤输入燃料计量系统46所分配的燃料加料。更具体地， 在处于压力并存在催化剂的情况下，在加压室72中加热燃料加料，这 开始使燃料裂解并引起燃料与内部氧源反应。喷射器喷嘴60包含喷射 器喷嘴销阀74、准直管75以及销阀执行器71。具体地，喷嘴销阀74在 大致上止点(180°的循环旋转)打开，允许热的加压气体进入燃烧室 28。销阀执行器71可以包含操作销阀驱动轴118以便将下一个燃料加料 注入喷射器喷嘴销阀74中的销阀螺线管。
0048在一体燃料喷射器实施例中，销阀驱动轴118位于加压撞锤92 的孔的内部，这样销阀驱动轴118可以在加压撞锤92内同轴地滑动。但 是，销阀驱动轴118独立于加压撞锤92工作。在加压撞锤92的顶端上的 0形密封刊:119阻挡这两个轴之间的泄漏通路。喷射器喷嘴60的几何构 造基本上不同于典型的液体燃料喷射器喷嘴，因为喷射器喷嘴60包括
用于校准加热的燃料并将校准的、相对低压的热气体加料分配到气缸 中的销阀74和准直管75。具体地，燃料喷射器30的喷射器喷嘴60被电 加热，例如，使用在喷射器喷嘴60上顺排的常规镍铬合金加热构件114。0049喷射器喷嘴60的销阀执行器71可以包含快速响应的电磁驱动 或者压电驱动。在它的最简单的形式中，随着加压撞锤92将全部热气 柱从加压室72推到燃烧室28内，喷射器喷嘴销阀74打开至100%，以使 喷射器体积的完全排出。如本领域的技术人员将了解的，在不背离本 发明范围的情况下，可以利用模拟驱动信号和/或数字脉冲信号，采用 销阀和撞锤驱动调整的多种结合，从而在不同的节气阀(throttle)和负荷情况下生产各种热释放曲线。
0050参考图8A和8B，喷射器点火燃料喷射器30的另一个组件包含 加压撞锤系统，其包含加压撞锤92、加压撞锤驱动器52以及燃料喷射 器30的热区58，该热区58用于在下一个喷射之前在加压室72中加热下 一个燃料加料。具体地，图8A描绘了加压撞锤系统的第一构造，其中 加压撞锤92处于完全排出位置。
0051图8B描绘了加压撞锤系统的第二构造，其中加压撞锤92处于 完全收回位置以允许液体燃料进入加压室72。当燃料从液体转变为气 体并随后达到它的临界点并超过临界点一一此时成为非常稠密的蒸 汽，加压撞锤92压縮燃料。加压撞锤92包含基本被置于加压撞锤驱动 器52内的磁活性部分96、绝缘部分97以及热区匹配部分98，当加压撞 锤92处于完全排出位置时热区匹配部分98被基本置于热区58内。加压 撞锤92的静止位置位于图8A所示的完全排出位置。加压撞锤92可以进 一歩包含一个或多个防止液体泄漏的O形密封件IOO。
0052继续参考图8B，当加压撞锤92收回时，它可以在加压室72中 形成局部的真空，由此允许输入燃料计量系统46将下一个加料作为相 对冷的液体喷射。加压撞锤92具有相对长的冲程并且可以包括隔热区 以保护输入燃料计量系统46免受靠近热区58的高温。置于加压撞綞驱 动器52内的多个巻绕螺线管线圈系统106、 108包括收回螺线管106和加 压螺线管108。多个巻绕螺线管线圈106、 108可被用于驱动加压撞锤92 的线性步进电机代替。
0053本发明燃料喷射器30固有地是安全的，因为它仅需在自燃温 度之上的单一点火，其可被包含在直接连接到发动机气缸(在其中通 常发生燃烧)的坚固金属外壳中。以这种方式，燃料喷射器30的热区 58可被视作仅仅是现有的发动机燃烧室28的扩展。举例而言，可以通 过在热区58顺排的常规镍铬合金加热构件116来电加热燃料喷射器30 的热区58。
0054在ECU的电子控制下，充足的磁场被应用以加压燃料负荷使其 达到与下一次点火相当的预定水平，如操作者的节气阀位置所指定的。 在压力下、有催化剂存在的情况下，在加压室72中烘烤燃料加料(通 过热区58)，这开始使燃料裂解并引起燃料与内部氧源反应。这种内部氧源通过内置的抗爆剂和冬季氧化剂如MTBE和/或乙醇从而存在于
常规泵压气体(pump gas)中。柴油燃料普遍地也包括十六烷值增进 剂形式的氧源。根据本发明，热区催化剂可以包括但不限于(l)镍;
(2)镍-钼；(3) a氧化铝；(4)氧化铝硅；(5)其他的空气电极氧 还原催化剂(例如，用在燃料电池阴极和金属空气电池阴极中的)；以 及(6)其他的用于烃裂解的催化剂。
0055根据优选的实施方式，热区58的工作温度近似75(TF，其基本 最小化了如316不锈钢和油硬化工具钢的普通结构材料的腐蚀和热相 关的强度损失。相反，典型的压縮点火工作温度在1000下以上。热区 58可以迸一步包含镍铬合金加热线。根据另外的实施例，氧可被泵入
0056再次参考图7，喷射器点火燃料喷射器30可以在发动机的排气 循环期间，通过打开喷射器喷嘴销阀74并收回加压撞锤92而弓I入热的 排气。在正常的情况下，热的排气仍具有未反应的氧，其可选择地与 燃料的内部氧化剂结合使用从而轻微地氧化燃料。另外，燃料喷射器 30nj-以被配置成包括与加压室72连通的空气入口针孔54，这样当加压 撞锤92被置于完全收回位置时新鲜空气形式的附加氧可被添加到热区 58。空气入口针孔54可以配备如球阀(未示出)的单向阀，以在加压 冲程期间阻止燃料蒸气泄漏。另外，可以利用各种其他形式的空气， 例如排气。
0057根据本发明的一些实施例，加热催化燃料喷射器30固有地自 净化和自清洁。具体地，可以在发动机起动操作的期间，反复地运用 加压撞锤92和喷嘴销阀驱动轴118，由此(i)允许在起动时净化来自 长期的发动机工作台的空气和湿气，和(ii)允许形成的任何碳通过 相对大的喷射器喷嘴60被除掉。与常规的燃料喷射器不同，加压撞綞 92在相对长的冲程距离(0.25英寸或者更大)移动，并能够在其完全 伸展位置消除在喷嘴区域74中的任何空隙体积。
0058在本发明的优选实施例中，ECU可以使用喷射器点火操作的一
个点火循环前瞻算法来控制一个或多个本发明的加热催化喷射器点火 燃料喷射器30。可以使用存在于ECU上的计算机软件程序来执行用于控
制喷射器点火定时的前瞻算法，该软件程序包含控制燃料喷射的机器可读或者可编译指令。根据该前瞻算法，下一次发动机点火的准备在 上一次发动机点火完成后立即启动。此时，燃料喷射器30基本没有燃 料，加压撞锤92处于完全排出位置，喷射器喷嘴销阀74关闭，并且热 区58基本处于其工作温度。在最简单形式的控制中，ECU将节气阀输入 与预先的设置(例如，上一次节气阀输入、发动机负荷、RPM、空气入 口温度以及其他的设置)和电子燃料控制相比较。使用这个信息，ECU 确定燃料负荷和到下 一 次点火的估计时间。
0059下一次点火循环在适当的延迟之后开始，从而最小化在热区 58中的燃料保持时间，由此最小化燃料的过度裂解。首先，下一次点 火循环包括收回加压撞锤92，这允许输入燃料计量系统46将液体燃料 的气溶胶分配到热区58中。加压撞锤92随后在两个步骤循环中对燃料 加压，这两个步骤循环包括(i)当燃料正在加热和蒸发时保护输入液 体喷射器30，和(ii)将燃料加压到目标喷射压力和温度。在第二歩 骤中，使燃料蒸发以达到目标喷射压力和温度。
0060在预定的保持吋间后，喷射器喷嘴销阀74打开，并且加压撞 锤92将燃料蒸气柱推入燃烧室28中，这样加压撞綞92到达图8A所示的 完全排出位置。在一些实施例中，预定保持时间可以从下一上止点事 件逆向延伸。喷射器喷嘴销阀74随后关闭，并且加热催化燃料喷射器 30现在为下一次点火命令作好准备。在不背离本发明范围的情况下， 关于燃料喷射器循环的各种广泛变型(例如，加压撞锤92和喷射器喷 嘴销阀74交互式操作，以调整具体的热释放曲线)是可能的。由于作 功冲程的主要部分仅是720。四个冲程循环中的30。旋转，所以实际喷 射仅占据可用工作时间的近似4% 。
0061在工作中，ECU精确地控制燃料在加压室72内在存在可用氧 源(例如，溶解空气或者如乙醇的氧化剂)的情况下暴露于加热的催 化剂的暴露时间。该暴露时间(在此也可称作"预氧化保持时间") 对燃料喷射器30的适当操作至关重要。例如，如果预氧化保持时间过 长和/或温度过高，燃料将开始裂解为更短链的分子和残留的碳。这种 黑色沉积物形式的游离碳残留物可能污染燃料喷射系统。另一方面， 如果预氧化保持时间过短和/或温度过低，可能导致不充分的燃料预氧 化或者根本未预氧化。0062在极冷条件下，本发明的燃料喷射器30与具有相对长的点火
延迟(例如，在1800RPM和20: 1压縮下5-10ms的范围内的延迟)的 常规的柴油压縮点火燃料喷射器相似地运作。冷喷射条件导致降低的 效率，因为为了起动燃烧，喷射点必须位于上死心之前，由此产生了 后推和气缸中的废热。另外，如庚垸、辛烷以及乙醇的低十六垸值燃 料在这种冷喷射条件下可能根本不燃烧或者将不稳定地燃烧，这正是 在燃料被用于常规的柴油发动机时的典型行为。
0063下面的示例展示了在实验室发动机中如何确定最优预氧化保 持时间条件。具体地，220cm3排量和23: 1压縮比的实验室测试发动机 配备有在此公开的加热催化燃料喷射器30并且利用按体积计近似65 份庚烷、25份十六烷以及IO份乙醇的燃料混合物。在测试期间，发动 机在1800RPM下以近似1马力的总输出工作。另夕卜，顺排在热区58内 部的催化剂由带有大约5%钼的镍组成。优选的催化剂加热温度被确定 为近似720下，该温度在喷射器体内产生最低的排气温度和最少的碳残 余形成物。
0064通过将基于激光的喷射器销位置指示器和标准的商用Delphi 爆震传感器比较来确定燃料喷射器30的点火延迟。具体地，在1800RPM 下具有100微秒或者更小(即，曲轴转角的一度或者更小)的点火延 迟。将催化剂加热温度增加到大约80(TF引起快速的碳堆积，其迅速地 阻碍燃料流动，而将催化剂加热温度降低到低于大约720下则由于必须 将喷射点充分提前至上止点之前而加长了点火延迟时间并降低了发动 机功率输出。在室温下，这种燃料混合物(即，65%庚烷、25%十六垸 以及10%乙醇)在测试系统电子装置所允许的点火提前的限制下(近似 8毫秒)，在测试发动机中根本不燃烧。测试期间的燃料流动在每分钟 3cnt'到5cm3的范围内，而喷射器顶端的热区近似2cm长、横截面积 0.043cm2。喷射器压力是1200磅/平方英寸，这样燃料混合物在最优温 度设置(庚垸的临界温度大约为512下，临界压力大约为397磅/平方 英寸)下作为超临界液体进行工作。
0065除了影响在发动机中的燃料流动的常规参数，由于燃料以超 临界液体在预氧化加热的催化剂段使用，使得燃料对基于燃料裂解的 碳堆积敏感，所以本发明的燃料喷射系统对燃料组成特别的敏感。另外，由于燃料喷射器30可以依靠高辛烷值和高十六垸值燃料以及气体 发动机燃料和柴油发动机燃料的混合物来运转，所以燃料配送系统承 受比常规汽油(火花点火)或者柴油(压縮点火)发动机更大范围的 操作参数。例如，各种燃料可以包括广泛的沸点、临界压力、临界温 度以及对热裂解的敏感性。另外，燃料密度范围可以从戊烷/己烷/庚
烷混合物的0.6到某些生物柴油配方的大于0.9。因此，可用燃料混合
物可以涵盖广范围的燃料密度和各种其它的催化敏感度。
0066考虑到多种燃料混合物，ECU利用如发动机RPM和负荷的常规 工作要素来调整燃料流动。另外，ECU运行前瞻计算以便为选择的燃料 混合物确定预氧化保持时间。典型地在2-3毫秒范围内的燃料喷射系 统的机械响应时间限制了最小预氧化保持时间。最大预氧化保持时间
(对于在1800RPM下的四冲程发动机的一个循环前瞻)大约为66. 6毫 秒(g卩，在点火之间的近似持续吋间)。ECU除控制将燃料喷射入催化 热区之外也可以调整进入热区的能量输入，这样燃料在较高的节气阀设 置下比在较低的节气阀设置情况下更快地被加热到指定的温度。但是， 这种燃料喷射系统的热时间常数典型地在十分之几秒或者更多吋间
(即，若干点火循环)的范围内。另外，如果利用废热来减少提供给 加热器的电输入(例如，使用来自排气区的有源/无源热管)，那么热 吋间常数甚至将更长。
0067所有的实际的发动机具有当从一种RPM设置转变到另一种设 置吋通常需要十分之几秒到数秒来克服的实质的旋转惯性。根据本发 明的一些实施例，在某些节气阀变化下可以利用附加前瞻延迟以适应 进一步的能量输入。而且，可以电力地缓增热输入以适应新燃料流动。 举例而言，在常规汽车的加速期间，通过在热区堆积过量燃料(例如， 通过使用比燃料喷射器销释放率更快的速率泵送燃料)，可以使预氧 化保持时间从最大的一个循环增加到两个、三个或者甚至四个循环。 在这些条件下，可以缓增热能量输入从而使系统回到一个循环前瞻延 迟。由于燃料保持时间可以在1800RPM下降至少30: 1的比率(即， 66毫秒到2毫秒)，所以在减速时的控制方案更简单。
0068使用本发明的燃料喷射器30的发动机响应在不同的应用中差 别很大。例如，期望高性能跑车或者赛车具有非常快的节气阀响应。在这种应用中的喷射器点火系统可以包括附加特征来适应迅速的节气 阀变化且在喷射器热区内最小可能地形成碳。在其他的极端情况中，
在固定输出(例如，大约1800RPM)下精确地保持60HzAC的大型固定 式发电机可具有非常缓慢变化的节气阀输入，并因此能够利用本发明 的简化形式的加热催化燃料喷射系统。
0069内燃机的ECU能够适当地确认使用中的燃料混合物并随后确 认适于其运作的在ECU数据库中的适合的预氧化保持时间设置。在局 限于常规泵压汽油的燃料喷射系统中，通过将表预加载到涵盖一定范 围的燃料辛烷值和将在汽车的指定的地方市场操作区域(即，美国规格 对加拿大规格对欧洲规格，等等)内遇到的氧化添加剂(例如，MTBE、 乙醇、其他辛烷值和十六烷值增进剂以及其他的燃料氧化剂)的ECU数 据库中，可以很容易地完成该操作。ECU可以通过检测点火延迟而针对 该范围的燃料不断地调节它的操作。现在在现代柴油发动机中典型地通 过将凭借位置传感器检测的实际喷射器打开位置与商用爆震传感器或在 --些特殊情况下与气缸内绝对压力传感器相比较而完成该操作。
0070ECU的补充输入可能是必须的以适应具备可变燃料喷射器点火 能力的系统的广泛范围的燃料和混合物。例如，含有高百分比乙醇的 燃料和含有高十六烷值(例如，常规柴油、生物柴油或者植物油)的 燃料可能需要形成燃料混合，特别当在燃料输送泵或者发动机油箱中 混合有常规汽油的时候。根据本发明的一些实施例，使用如上所述的 在加油时的直接加入系统来提供该信息。其他的实施例利用采样在车内 的燃料并将发动机操作参数传达给ECU的车载分析器。
0071在此公开的加热催化燃料喷射系统可对点火定时高度敏感。 在工作期间，通过基本在上止点起动非常迅速的引燃点火并在预定时 间完成燃烧从而使废热最小化以减小废热损失(从排气阀离开)、增 加作功冲程产生并降低燃料燃烧噪声。以这种方式最优化的喷射器点 火系统可以在非常高压縮(例如，在20: 1到40: 1的范围内)下工 作。在一些应用中，理想的是，在带有最小惯性轮以及由此具有最小 旋转惯性的轻型发动机中使用本发明的燃料喷射器30。
0072在配备有1、 2、 3或者4个气缸发动机的喷射器点火中，压 縮制动(在活塞接近上止点时发生)是发动机定时中的重要因素。常规ECU定时算法易于在该应用中非常快地点火，因为其不必适应在该 级别的发动机中靠近上止点时发生的快速减速。此外，任何现实世界 的燃料喷射器都具有从给出电子点火信号的时间到其将燃料喷射入气 缸中的时间的机械延迟。这种机械延迟典型地在1到3毫秒的范围内。
为了补偿这种机械延迟，本发明的ECU在发动机由于压縮制动迅速减 速时调整喷射器点火信号的定时。另外，可以将查寻表添加到ECU数 据库，其中该数据库针对包括RPM、发动机负荷以及发动机负荷趋势 (即，减速或者加速速率)的预定操作图而对发动机减速作校正。发 动机表可以预加载有学习算法，从而测算预测的上止点与该级别的发 动机几何结构的实际上止点之间的误差。可以通过使用学习算法，在工 作中动态地调整该表，其中通过计算喷射销位置指示器和绝对上止点指 示器之间的差值，该学习算法不断调整表条目。使用爆震传感器输入或 者使用探测与上止点相对的绝对点火位置的气缸内压力传感器，可以使
0073对本领域技术人员显而易见的是，用于校正压縮制动的定时 调整可以很容易地扰乱不同等级的燃料以及预氧化保持时间需求所需 的定吋调整。本发明的ECU可以利用模式识别试探法(例如，稳定状态 节气阀和负荷状况的辨认)来精密地调节由于压縮制动而产生的点火延 迟漂移。这种精密调节是独立的并且与对于改变燃料混合物通常需要的 常规调节不同。
0074进一步参考图7，操作喷射器喷嘴60所需的能量理论上可小至 驱动燃料的能量含量的百分之二；但是，如果仅由电系统动力驱动， 实际的发动机设计考虑因素例如高温绝缘的尺寸约束可能会引起加热 需求升高到轴输出功率的几个百分比。由于燃料喷射器30在操作期间 非常接近一个或多个发动机排气口，因此可很容易地利用非常有效的 废热源。可将本发明的燃料喷射器30直接装入可选择地控制通过排气
阀的气流的多阀发动机的排气口中。另外，可以利用从排气区引入热 的各种有源和/或无源热管构造，以减小提供给加热器的电输入。0075各种汽车可以在它们的直接喷射汽油动力装置内使用三种或 更多种类型的喷射器，其包括(l)用于空转的节气阀体喷射器；(2) 用于低速操作的普通轨道进气口喷射器；以及(3)用于高速操作的直接喷射器。类似地，在此阐述的燃料注射器30可以单独使用或者与节 气阀体和普通的轨道喷射器广泛结合而使用，可以带有或者不带有选 择性操作的火花点火源。另外，燃料喷射器30可以以纯蒸气模式操作 或者可以分配蒸气和液体的混合物。在高RPM和高装载罕见的应用中
(例如，典型的经济型车)，理想的是，使用带有相对低热的加热能 力的燃料喷射器，这样纯蒸气操作被限于车辆定度行驶操作，例如，
在大约3600RPM下。这种燃料喷射器渐进地使在预定节气阀负荷设置之 上的更多液体通过，这导致了渐进地较低效率的操作但处于比纯蒸气 设计点高得多的动力水平。
0076参考图9，根据本发明的可选实施例，上述一体燃料喷射器几 何结构被展开为加热催化线性燃料喷射器30'，其包含液体燃料计量 系统46'、收回螺线管106'、加压螺线管108，、加压撞锤92，、喷 射器喷嘴60'、销阀驱动螺线管71'、喷嘴销阀驱动轴118'以及热区 58'。这种燃料喷射器构造简化了销阀驱动轴118'在加压撞锤92'内 同轴放置的相当复杂和精确的需求。换句话说，销阀驱动轴118'未置 于加压撞钝92'内并且不在销阀驱动轴118'内同轴地滑动。取而代 之，加压撞锤92，被相对于销阀驱动轴118'以一定角度放置，如图9 所示。但是，注意，这种线性构造降低了一体几何结构的自净化和自 清洁作用，因为加压撞锤92'现在偏置于一侧并且不再能清洁和净化 围绕喷射器喷嘴60'的空隙体积。这种构造利用与图7和图8所示的一 体喷射器相同的ECU定时。在工作中，在压力下并在有催化剂存在的情 况下，通过热区58'烘烤输入燃料计量系统46'所分配的燃料加料，
这开始裂解燃料并引起燃料与内部氧源反应。在近似上止点处，销阀 驱动轴118'通过喷射器喷嘴60'将热加压的气体喷射入燃烧室。0077通过用中压、中温供给系统替换基于液体的输入燃料计量系 统， 一体燃料喷射器30和线性喷射器30'均可在较高的RPM和较小的物 理尺寸下工作。这种可被发动机上的所有喷射器共享的系统可以利用 中压泵(例如，在500磅/平方英寸的范围)和预加热线圈，以便在充 分低的温度(如400下)下将燃料维持在蒸气形式，从而最小化烃裂解 和分解。在工作中，预热、预蒸发的燃料加料在驱动撞锤的进入点被 引入到上述喷射器构造的任何一个中，由此减少了撞锤所需的位移、尺寸以及热输入，因此允许较高速度操作。
0078根据本发明的附加实施例，经由单向阀供给预加热线圈的外 部高压液体供给泵可以取代上述中压泵。可以使用小直径毛细管和配 件以减小在热区内的体积。可在系统关闭时清洁系统，从而最小化来 自过度裂解燃料的碳堆积。可以组合上述泵实施例的组件的各种结合。 例如，基于发动机尺寸、气缸数量、燃料回收系统几何结构和其它因 素，可以广泛地改变泵台的数量和泵的位置。
0079因此，可见，提供了内燃机的喷射器-点火。本领域的技术人
员可以意识到，通过不同于各种实施例和优选实施例的其它实施例， 可以实施本发明，其中各种实施例和优选实施例呈现在本说明书中并 且用于说明目的而不是限制目的，本发明仅由所附权利要求限定。注 意，本说明书中阐述的具体实施例的等效物也可以实施本发明。
0080虽然上面已阐述本发明的各种实施例，但是应该了解，它们 仅以举例方式而非限制方式呈现。类似地，各个图可描绘本发明的示 例结构或者其它构造，这么做有助于理解可包含在本发明中的特征和 功能。本发明并不限于所说明的示例结构或者构造，而是可以应用多 种可选择的结构和构造来实现所需特征。事实上，对本领域人员显而 易见的是，如何可以实施可选择的功能、逻辑或者物理的部分和构造 以实现本发明的所需特征。而且，可以对各个部分应用许多不同于在 此所述的不同组成部件的名称。另外，关于流程图、操作的阐述和方 法权利要求，除非文中另外指出，在此展示的步骤的顺序不要求以相 同的顺序实施各个实施例以实现所陈述的功能。
0081虽然上面就各个示例性实施例和实施方式阐述了本发明，但 是应该理解，在一个或多个单独实施方式中阐述的各个特征、方面和 功能不限于应用到阐述它们的具体实施例，而是可以单独或者以多种 结合应用于一个或多个本发明的其它实施例中，不论这种实施例是否 被阐述，也不论这种特征是否作为阐述的实施例的一部分被展现。因 此本发明的宽度和范围不应该受到任一上述示例性实施例的限制。
0082除非另外特别地声明，在这个文本中使用的术语和短语及其 变型应该解释为与限制性相反的开放边界。如前述的示例术语"包 括"应该视作"包括但不限于"或者类似的含意；术语"示例"用于提供论述事项的示例性例子，而非它们的穷尽的或者限制性的列举； 术语"一个"应该视作"至少一个"、"一个或多个"或者类似的含 义；如"常规的"、"传统的"、"正常的"、"标准的"、"公知 的"修饰语和类似含义的术语不应该解释为将阐述的事项限制在特定 时间阶段或者事项在特定时间内可用，而应该视作包含现在或者在将 来任何时间可用或者获知的常规的、传统的、正常的或者标准的技术。 类似地，在本文本涉及本领域技术人员明了或者公知的技术的地方， 这些技术包含现在或者在将来任何时间技术人员明了或者公知的内
0083
一组与连接词"和"相联系的事项不应该视作要求在组中展 现该事项中的每个和每一个，除非另外特别声明，否则应该读作"和/ 或"。类似地， 一组与连接词"或"相联系的事项不应该视作需要在 组屮相互排他，除非另外特别声明，否则应该视作"和/或"。进一步， 虽然本发明的事项、构件或者组件可以以单数阐述或者主张权利，但 是除非特别声明限于单数，否则认为复数在本发明范围内。
0084出现的扩展词语和短语，例如，在一些例子中的"一个或多 个"、"至少"、"并不限于"或者其它类似的短语，不应该被视作
意味着这种扩展词语可能存在的例子中打算或者需要范围更窄的实 例。术语"模块"的使用并不暗示，作为模块的一部分阐述或者主张 权利的组件或者功能均以普通的封装配置。事实上，模块的各个组件 的任何一个或者全部，无论控制逻辑或者其它组件，可以以单一封装 结合或者分开地保持，并可以进一步分布在多个位置。0085另外，按照示例性方框图、流程图和其它图，阐述了在此提 出的各个实施方式。在阅读该文本之后，本领域技术人员明了，可以 不受所图示实施例的限制，实施所图示的实施例和它们的各种可选择 的实施方式。例如，方框图和它们的附随说明不应该解释为要求特殊 的结构或者构造。
权利要求
1. 用于将燃料喷射分配到内燃机的燃烧室中的喷射器点火燃料喷射系统，所述燃料喷射系统包含控制用于加热和催化下一个燃料加料的加热催化燃料喷射器的发动机控制单元ECU，其中，所述ECU使用一个点火循环前瞻算法来控制燃料喷射。
2. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，所述前瞻算法包含存 在于所述ECU上的计算机软件程序，所述软件程序包含控制燃料喷射的 机器可读或者可编译指令。
3. 如权利耍求1所述的燃料喷射系统，其中，所述算法将当前节气 阀输入与之前的发动机数据相比较并确定燃料负荷和到下一次点火的估 计吋间。
4. 如权利要求3所述的燃料喷射系统，其中，所述之前的发动机数 据包含上-？欠节气阀输入、发动机负荷、RPM值以及空气入口温度。
5.包含按体积计近似65%庚垸、25%十六烷以及10%乙醇的混合物。
6. 如权利要求l所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料加料在一个 或多个氧源存在的情况下被加热和催化。
7. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，所述算法控制在所述 燃料喷射器的加压室内的预氧化保持时间。
8. 如权利要求7所述的燃料喷射系统，其中，所述算法基于使用中 的预定燃料混合物来确认在ECU数据库中的适合的预氧化保持时间设置。
9. 如权利要求8所述的燃料喷射系统，其中，所述ECU数据库含有涵盖一定范围的燃料辛烷值和可能相接触的充氧添加剂的预加载表。
10. 如权利要求9所述的燃料喷射系统，其中，所述充氧添加剂选 自MTBE、乙醇、其他辛烷值和十六垸值增进剂以及其他的燃料氧化剂。
11. 如权利要求9所述的燃料喷射系统，其中，所述ECU通过检测 点火延迟在燃料辛烷值范围不断地调节它的操作。
12. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，使用选自镍、镍-钼、 a氧化铝、氧化铝硅、其他的空气电极氧还原催化剂以及其他的用于烃 裂解的催化剂的催化剂来催化所述燃料加料。
13. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，使用包含带有大约 5%钔的镍的催化剂催化所述燃料加料。
14. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，催化剂加热温度在 600。F和750。F之间。
15. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，喷射器压力高至能 够使所述燃料加料在选择的温度设置下以超临界液体工作。
16. 如权利要求l所述的燃料喷射系统，其中，所述燃料喷射器依 靠高辛烷值燃料、高十六烷值燃料以及气体发动机燃料和柴油发动机燃 料的混合物而运转。
17. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，所述算法控制燃料 喷射器，以基本仅在所述内燃机的作功冲程期间分配所述燃料加料。
18. 如权利要求l所述的燃料喷射系统，其中，下一次发动机点火 的准备在其中所述燃料喷射器基本没有燃料时的上一次发动机点火完成后立即启动。
19. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，所述算法调整进入 所述燃料喷射器的能量输入，以便所述燃料在较高的节气阀设置下比 在较低的节气阀设置下更快地被加热到选定温度。
20. 如权利要求19所述的燃料喷射系统，其中，所述算法允许在热区建立高至四个燃料点火循环，以在快速加速期间增加燃料加热暴
21.如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，所述ECU包括用于接 收燃料混合物信息以适应一定范围的燃料和燃料混合物的补充输入。
22. 如权利要求21所述的燃料喷射系统，其中，使用在加油时的直 接加入系统或者使用采样在车内的所述燃料并将发动机工作参数传达给 所述ECU的车载分析器来提供所述燃料混合物信息。
23. 如权利要求l所述的燃料喷射系统，其中，通过基本在上止点 起动迅速引燃点火来使废热最小化。
24. 如权利要求l所述的燃料喷射系统，其中，所述ECU调整喷射器 点火信号以补偿在高压縮发动机中恰好在上止点前发生的迅速旋转减 速。
25. 如权利要求24所述的燃料喷射系统，其中，所述ECU包括发动 机查寻表，该发动机查寻表针对包括RPM、发动机负荷以及发动机负荷 趋势的预定操作图而对发动机减速作校正。
26. 如权利要求25所述的燃料喷射系统，其中，所述发动机查寻表 预加载有学习算法，以测算预测的上止点与具体级别的发动机几何结 构的实际上止点之间的误差。
27. 如权利要求25所述的燃料喷射系统，其中，通过使用学习算法而在工作中动态地调整所述发动机查寻表，其中所述学习算法通过计 算喷射销位置指示器和绝对上止点指示器之间的差值来不断调整表条目。
28. 如权利要求27所述的燃料喷射系统，其中，使用爆震传感器输 入或者使用探测与上止点相对的绝对点火位置的气缸内压力传感器使所 述调整精确。
29. 如权利要求1所述的燃料喷射系统，其中，所述ECU利用模式识 別试探法来精密地调节由于压缩制动而产生的点火延迟漂移。
30. 如权利要求29所述的燃料喷射系统，其中，所述模式识别试探 法用于对于稳定状态节气阀和负荷状况的确认。
31. 用于将燃料分配到内燃机的燃烧室内的喷射器点火燃料喷射系 统，所述燃料喷射系统包含控制用于加热和催化下一个燃料加料的加热催化燃料喷射器的ECU， 其中，所述ECU使用一个点火循环前瞻算法来控制燃料喷射；其中，所述加热催化燃料喷射器包含用于将下一个燃料加料分配到加压室中的输入燃料计量系统； 加压撞锤系统，该加压撞锤系统包括用于压缩在所述加压室内的所述燃料加料的加压撞锤，其中所述燃料加料在有催化剂存在的情况下在所述加压室中被加热；以及用于将加热催化的燃料加料喷射到所述内燃机的所述燃烧室中的喷射器喷嘴。
32. 如权利要求31所述的燃料喷射系统，其中，下一次发动机点火 的准备在上一次发动机点火完成后立即启动。
33. 如权利要求32所述的燃料喷射系统，其中，在所述上一次发动机点火完成时，所述燃料喷射器基本没有燃料，所述加压撞锤处于完全 排出位置并且所述喷射器喷嘴关闭。
34. 如权利要求31所述的燃料喷射系统，其中，下一次点火循环包 含收回所述加压撞锤，这允许所述输入燃料计量系统将液体燃料的气溶 胶分配到所述加压室中。
35. 如权利要求34所述的燃料喷射系统，其中，所述加压撞锤随后 在两个步骤循环中对所述燃料加压，所述两个步骤循环包括当燃料正在 加热和蒸发吋保护所述燃料喷射器，以及将所述燃料加压到目标喷射压 力和温度。
36. 如权利要求35所述的燃料喷射系统，其中，蒸发所述燃料以达 到所述目标喷射压力和温度。
37. 如权利要求31所述的燃料喷射系统，其中，在预定保持时间之 后所述喷射器喷嘴打开，并且所述加压撞锤将所述燃料加料推入所述燃 烧室中以便所述加压撞锤达到完全排出位置。
38. 如权利要求37所述的燃料喷射系统，其中，所述预定保持时间 从下-上止点事件逆向延伸。
全文摘要
本发明提供内燃机的喷射器点火燃料喷射系统，其包含ECU，该ECU控制用于加热和催化下一个燃料加料的加热催化燃料喷射器，其中，ECU使用一个点火循环前瞻算法来控制燃料喷射。ECU可以进一步包括查寻表、自动调节功能和试探法以便补偿在可以与本发明一同使用的轻量小型超高压缩发动机中靠近上止点发生的快速旋转减-加速。ECU可以响应发动机加速需要进一步缓增对喷射器的热输入，并且在这种情况下可以将其前瞻延伸至高达四个点火循环。
文档编号F02B51/02GK101438049SQ200780015091
公开日2009年5月20日 申请日期2007年3月28日 优先权日2006年3月31日
发明者M·C·谢凯 申请人:超音速燃烧公司