专利名称：用于内燃机的带配量阀的毛细管燃料喷射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机中的燃料输送。
自从二十世纪七十年代，进气口燃料喷射发动机已经开始利用三元催化剂和闭环发动机控制来设法使NOx、CO和未燃烧的碳氢化合物的排放最小化。已证实，这种策略在发动机和排气部件已达到足够高温度的正常运行过程中是特别有效的。然而，为了实现NOx、CO和未燃烧的碳氢化合物的理想转化率，该三元催化剂必须处于其固有的催化剂起燃(light-off)温度之上。
此外，考虑到液态燃料撞击到诸如喷口壁和/或阀背面的进气部件时发生的汽化，发动机必须处于足够高的温度。该过程的有效性是重要的，这是因为它提供了对燃料/空气混合物的化学计量关系的适当程度的控制，并从而关系到怠速质量(idle quality)和三元催化剂的性能，并且它确保供给至发动机的燃料在燃烧过程中被燃烧，并从而不需要加入过量燃料来补偿那些没有充分汽化和/或积聚在进气部件上的液态燃料。
为了实现化学上的完全燃烧，燃料-空气混合物必须汽化成化学计量的气相混合物。化学计量的可燃混合物包含有准确的为了完全燃烧所需要的空气(氧)量和燃料量。对于汽油来说，空气与燃料的重量比大约为14.7∶1。如果燃料-空气混合物没有完全汽化和/或包含有超过了化学计量量的燃料，就会导致不完全燃烧并且会降低热效率。理想燃烧过程的产物是水(H2O)和二氧化碳(CO2)。如果燃烧是不完全的，一些碳没有完全氧化，就会产生一氧化碳(CO)和未烧然的碳氢化合物(HC)。
在冷启动和预热状态下，该用来降低废气排放和输送高质量燃料蒸汽的过程会因为相对冷的温度而遭到破坏。特别是，三元催化剂的有效性在低于大约250℃时不再显著，因此，一大部分未燃烧的碳氢化合物未经转化就排放到了环境中。在这些状态下，在冷启动和预热过程中所需要的加入过量燃料会加剧碳氢化合物排放的增加。也就是说，由于燃料不容易通过撞击到冷的进气歧管部件上而被汽化，因此，为了启动发动机和可接受的怠速质量，就需要加入过量燃料来产生可燃混合物。
世界范围内都要求减少空气污染，这就导致试图用多种燃料系统和发动机的改型来补偿燃烧的不充分。正如关于燃料准备和输送系统的现有技术所显示的那样，大多的工作集中在减小液态燃料液滴尺寸、提高系统湍流和提供足够的热量来汽化燃料，以允许更完全的燃烧。
然而，在较低的发动机温度下，低效率的燃料准备依然是一个问题，这会导致更高的排放、需要后处理以及复杂的控制策略。这些控制策略包括废气再循环、可变的阀正时、延迟的点火正时、降低的压缩比、催化转换器的使用、以及用来氧化未燃烧的碳氢化合物和产生有利于催化转换器起燃的放热反应的空气喷射。
正如已经指出的，在冷启动和预热期间向发动机加入过量燃料是传统发动机中未燃烧的碳氢化合物排放的重要来源。已经估计过，一辆普通的现代进气口燃料喷射(PFI，port fuel injected)汽油发动机客车产生的碳氢化合物总排放量的多达80％是出现在冷启动和预热期间，在该期间，发动机被加入了过量燃料而且催化转换器基本上不起作用。
已知未燃烧的碳氢化合物中相当大比例是在启动期间排放的，该方面的客车发动机运行已经成为很多技术研制工作的焦点。而且，当立法制定了越来越严格的排放物标准而消费者对定价和性能保持敏感时，这些研制工作将继续成为头等大事。这些减少传统发动机启动排放物的工作大体上分成两类1)减少三元催化剂系统的预热时间；2)改进燃料汽化的技术。减少三元催化剂的预热时间的工作到目前为止包括延迟点火正时以提高废气温度；过早地打开排气阀；电加热催化剂；用燃烧器或火焰加热催化剂；以及催化加热催化剂。整体上说，这些工作费钱多，而且没有处理在冷启动期间和紧接冷启动之后的HC排放物。
已提出各种技术来处理燃料汽化的问题。提出燃料汽化技术的美国专利包括Hudson，Jr等人的美国专利No.5195477，Clarke的美国专利No.5331937，Asmus的美国专利No.4886032，Lewis等人的美国专利No.4955351，Oza的美国专利No.4458655，Cooke的美国专利No.6189518，Hunt的美国专利No.5482023，Hunt的美国专利No.6109247，Awarzamani等人的美国专利No.6067970，Krohn等人的美国专利No.5947091，Nines的美国专利No.5758826，Thring的美国专利No.5836289，以及Cikanek，Jr等人的美国专利No.5813388。
所提出的其它燃料输送装置包括美国专利No.3716416，该专利公开了一种在燃料电池系统中使用的燃料配量装置。该燃料电池系统是可自调节的，产生预定水平的功率。所提出的燃料配量系统包括一个毛细流动控制装置，用于随着燃料电池的功率输出而对燃料流进行节流，而不是为随后的燃烧提供改进的燃料准备。相反，燃料是要被进给至燃料转化器以便转化成H2，然后再进给至燃料电池。在一个优选实施例中，毛细管用金属制成而毛细管本身用作电阻器，该毛细管与燃料电池的功率输出端成电气接触。因为蒸汽的流动阻力大于液体，所以当功率输出增大时，燃料流被节流。所建议使用的燃料包括任何易于通过加热而从液态转变为汽相并能自由流过毛细管的流体。汽化似乎可以用在汽车发动机中出现汽阻的方式来实现。
美国专利No.6276347提出一种超临界或近超临界的雾化器和实现液体的雾化或汽化的方法。据说美国专利No.6276347的超临界雾化器能够使用重质燃料来对通常燃烧汽油的小型、轻量、低压缩比的火花点火活塞发动机进行点火。该雾化器通过将燃料移向其超临界温度、将燃料释放到关于该燃料的相图中气体稳定区域上的低压区中、使燃料细雾化或汽化，从而由液态或类似液态的燃料产生细液滴喷雾。所公开的用途包括诸如燃烧发动机、科学设备、化学处理、废物处理控制、清洗、蚀刻、昆虫控制、表面改性、增湿和汽化的应用。
为了使分解最小化，美国专利No.6276347提出将燃料保持在超临界温度以下直至通过雾化限流器的远端。对某些用途，希望只加热限流器的尖端，以尽可能减小化学反应或沉淀的可能性。也就是说要减少与燃料流中的杂质、反应物或物质有关的问题，否则这些杂质、反应物或物质会从溶液、堵塞管线和过滤器中析出。在超临界压力处或接近超临界压力处的作业建议燃料供应系统在300～800psig范围内运行。虽然使用超临界的压力和温度可减少雾化器的堵塞，但看来需要使用相对更昂贵的燃料泵以及能够在这些提升的压力下工作的燃料管线、配件等。
一方面，本发明指向一种燃料喷射器，用于对输送到内燃机的液态燃料进行汽化和配量，包括(a)至少一个毛细流动通道，所述至少一个毛细流动通道带有入口端和至少一个出口端；(b)沿所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源可操作来将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足以使至少一部分液态燃料从液态变到汽态的程度，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端输送基本上汽化的燃料流；和(c)用于向内燃机配量燃料的阀，所述阀邻近于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端，所述阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的所述小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成。
另一方面，本发明指向一种在内燃机中使用的燃料系统，包括(a)多个燃料喷射器，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带有入口端和至少一个出口端；(ii)沿所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源可操作来将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足以使至少一部分液态燃料从液态变到汽态的程度，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端输送基本上汽化的燃料流；和(iii)用于向内燃机配量燃料的阀，所述阀邻近于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端，所述阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的所述小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成；(b)与所述多个燃料喷射器流体连通的液态燃料供给系统；和(c)控制向所述多个燃料喷射器的燃料供给的控制器。
再一方面，本发明提供一种向内燃机输送燃料的方法，包括步骤(a)向燃料喷射器的至少一个毛细流动通道供给液态燃料；(b)通过加热该至少一个毛细流动通道中的液态燃料，使得基本上汽化的燃料流流过该至少一个毛细流动通道的出口；(c)通过邻近于该至少一个毛细流动通道的出口端的阀向内燃机的燃烧室配量该汽化燃料，该阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，该用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成。
本发明提供了一种燃料喷射器和输送系统，它们能够供给汽化燃料而只需要最少的功率和预热时间，不需要高压燃料供给系统，它们可用于许多结构，包括传统的进气口燃料喷射、混合电动、汽油直接喷射和乙醇燃料发动机。
现在通过参考仅以示例的方式给出的本发明优选方式以及参考附图来更详细地描述本发明，附图中
图1以部分剖面示出了毛细管燃料喷射器，它包括按照一种优选方式的侧部加料的毛细流动通道；图2A示出了另一种优选方式的示意图，其中用螺线管将活塞完全回拉，以便暴露出两个蒸汽输送所需要的径向流动路径；图2B示出了图2A的优选方式，其中，该活塞被回拉一半，以便暴露出单个用于输送液态燃料的流动路径；图2C示出了图2A的优选方式，其中，该活塞被完全伸出，以便阻止燃料流向径向流动路径；图3A示出了另一种优选方式的示意图，其中用螺线管将套筒完全回拉，以便暴露出两个蒸汽输送所需要的径向流动路径；图3B示出了图3A的优选方式，其中，该套筒被回拉一半，以便暴露出单个用于输送液态燃料的流动路径；图3C示出了图3A的优选方式，其中，该套筒被完全伸出，以便阻止燃料流向径向流动路径；图4按照一种优选方式以部分剖面示出了一种带有电加热毛细管的在线加热喷射器，它被合并在一种改型的传统侧部进料进气口燃料喷射器的上游；图5是按照又一种优选方式的另一种燃料喷射器实施例的部分剖面图；图6是按照又一种优选方式的另一种毛细管燃料喷射器实施例的部分剖面侧视图7是以部分剖面示出的按照一种优选方式的另一种燃料喷射器现在参考图1～19所示出的实施例，其中从始至终用相似的标号用来表示相似的部件。
这里公开了一种带有配量阀的毛细管燃料喷射器以及采用该喷射器的燃料系统，可用于内燃机的冷启动、预热和正常运行。该燃料系统包括一个带有毛细流动通道的燃料喷射器，能够加热液态燃料以便将基本上汽化的燃料供入发动机汽缸。与传统的燃料喷射器系统相比，该基本上汽化的燃料在燃烧时具有减少的排放物。而且，本发明的燃料输送系统所需功率较少，并且比其它汽化技术的预热时间更短。
通常，汽油不容易在低温下汽化。在冷启动和预热期间，液态燃料的汽化相当少。因此，必须为发动机的每个汽缸提供过量的液态燃料，以便获得将要燃烧的空气/燃料混合物。在点燃由过量液态燃料产生的燃料蒸汽时，从汽缸排放出的燃烧气体包括未燃烧的燃料和不希望有的气体排放物。但是，在达到正常的运行温度后，液态燃料易于汽化，因此只需较少的燃料来获得易于燃烧的空气/燃料混合物。有利的是，在达到正常的运行温度后，空气/燃料混合物可以控制在化学计量关系处或接近化学计量关系，由此减少了未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放。此外，当将燃料添加控制在化学计量关系处或接近化学计量关系时，在废气流中有正好足够的空气可用来同时氧化未燃烧的碳氢化合物与一氧化碳和减少三元催化剂(TWC)系统上的氮氧化物。
这里所公开的燃料喷射器和燃料系统将已经基本上汽化的燃料喷射入进气流动通道中或直接喷射入发动机汽缸，由此在发动机的启动和预热期间不需要过量燃料。优选是将燃料与空气或者与空气和稀释剂一起以化学计量的或贫燃料的混合物形式输送到发动机中，使得在冷启动和预热期间实际上所有燃料都被燃烧。
对于传统的进气口燃料喷射，需要加入过量燃料来确保强劲且快速的发动机启动。在富燃料的状态下，当催化剂预热时，到达三元催化剂的废气流并不包含足够的氧气来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途径是利用空气泵来向催化转换器上游的废气流供给额外的空气。其目的是产生一个化学计量的或稍许贫燃料的废气流，一旦催化剂到达其起燃温度时，该废气流就能在催化剂表面上反应。相反，本发明的系统和方法能在冷启动和预热期间使发动机在化学计量的或者甚至稍许贫燃料的状态下运行，既不需要加入过量燃料也不需要额外的废气空气泵，从而降低了费用和废气后处理系统的复杂性。
如上所述，在冷启动和预热期间，三元催化剂起初是冷的而不能减少大量的通过催化剂的未燃烧的碳氢化合物。已经作出许多工作来减少三元催化剂的预热时间，从而使得在冷启动和预热期间排放的未燃烧碳氢化合物中的更大部分得以转化。一个这样的概念是，在冷启动和预热期间，在非常富燃料的情况下谨慎地操作发动机。使用一个废气空气泵将空气供给至该富燃料的废气流中，能够产生一种可燃的混合物，该混合物或者是通过自燃而燃烧、或者是通过催化转换器中的或催化转换器上游的某种点火源而燃烧。这种氧化过程产生的温升显著地加热了废气，而当废气通过催化剂时，该热量大多转移到催化转换器。利用本发明的系统和方法，能够控制该发动机运行交替的富燃料和贫燃料汽缸而获得相同的效果，但不需要空气泵。例如，对于一台四汽缸发动机，两个汽缸可以在冷启动和预热期间运行于富燃料而在废气中产生未燃烧的碳氢化合物。其余两个汽缸可以在冷启动和预热期间运行于贫燃料而在废气流中提供氧。
本发明的系统和方法也可以与汽油直接喷射(GDI)发动机一起使用。在GDI发动机中，燃料作为细雾化的喷雾直接喷入汽缸，该喷雾蒸发并与空气混合从而在点火前形成空气和汽化燃料的预混合充气。现代的GDI发动机需要高的燃料压力来雾化燃料喷雾。GDI发动机以部分负荷的分层充气运行，以减少传统的间接喷射发动机中固有的泵抽损失。一种分层充气的、火花点火的发动机能燃烧贫混合物以改善节省燃料并减少排放。优选地，在燃烧室中形成一种总体上的贫混合物，但是控制该贫混合物在点火时在火花塞附近是化学计量的或稍许富燃料的。这样，该化学计量的部分是易于点燃的，而这又点燃了其余的贫混合物。虽然能够减少泵抽损失，但当前能为分层充气实现的操作窗口(operating window)限于低的发动机速度和相当轻的发动机载荷。这些限制因素包括在发动机较高速度下不充足的汽化和混合时间以及在较高载荷下不充分的混合或不良的空气利用。通过提供汽化燃料，本发明的系统和方法能够拓宽用于分层充气操作的操作窗口，解决关于汽化和混合的时间不充足的问题。有利的是，与传统的GDI燃料系统不同，本发明实施中所利用的燃料压力可以降低，从而减少了总成本和燃料系统的复杂性。
本发明提供一种内燃机用的燃料输送装置，该装置包括一个在压力下供给液态燃料的加压液态燃料供给源、至少一个连接在该液态燃料供给源上的毛细流动通道和一个沿该至少一个毛细流动通道安置的热源。该热源可以充分地加热该至少一个毛细流动通道中的液态燃料而输送基本上汽化的燃料流。在内燃机启动、预热和其它运行状态期间，优选是操作该燃料输送装置来将汽化燃料流输送到内燃机的一个或多个燃烧室。如果需要，该至少一个毛细流动通道可用于在正常运行状态下将液态燃料输送到发动机。
本发明还提供一种将燃料输送到内燃机的方法，包括的步骤有将加压液态燃料供给到至少一个毛细流动通道；充分地加热该至少一个毛细流动通道中的加压液态燃料，使得在内燃机启动、预热和内燃机其它运行状态期间汽化燃料流被输送到内燃机的至少一个燃烧室中。
按照本发明的一种燃料输送系统包括至少一个毛细尺寸的流动通道，加压燃料在喷入发动机燃烧之前先流过该流动通道。毛细尺寸的流动通道可以具有一液力直径，该直径优选地小于2mm，更优选地小于1mm，最优选地小于0.5mm。液力直径用于计算通过流体运输元件的流体流量。液力半径定义为流体运输元件的流通面积除以与该流体接触的固体边界的周长(通常称为“润湿”周长)。在圆形截面的流体运输元件的情况下，当该元件是被充满流动时，液力半径为(πD2/4)/πD＝D/4。对于非圆形流体运输元件中的流体流动，使用液力直径。从液力半径的定义，具有圆截面的流体运输元件的直径是其液力半径的四倍。因此，液力直径定义为液力半径的四倍。
沿毛细通道施加热量，导致至少一部分进入流动通道的液态燃料当其沿通道行进时被转化为蒸汽。燃料作为蒸汽而流出毛细通道，其中可能包含一小部分未汽化的受热液态燃料。基本上汽化是指至少50％体积的液态燃料被热源汽化，更优选地是指至少70％、最优选地是指至少80％液态燃料被汽化。虽然由于所发生的复杂的物理效应而难以达到100％汽化，但希望能完全汽化。这些复杂的物理效应包括燃料沸点的变化，这是因为沸点与压力有关，而压力在毛细流动通道内会有变化。因此，虽然相信大部分燃料在毛细流动通道内的加热期间达到了沸点，但一些液态燃料还是会没有被加热到足以完全汽化，结果是一部分液态燃料与汽化的流体一起通过毛细流动通道的出口。
毛细尺寸的流体通道优选是在毛细管主体内形成，诸如单层或多层的金属、陶瓷或玻璃主体。该通道具有向入口和出口敞开的封闭容积，出口和入口之一或两者可以向毛细管主体外部敞开或可连接在同一主体或另一主体内的另一通道上或连接在配件上。该加热器可以由主体的一部分如一段不锈钢管形成，或者该加热器可以是并入在毛细管主体中或毛细管主体上的电阻加热材料的分立的层或丝。该流体通道可以是包含有一个向入口和出口敞开并且可以通过流体的封闭容积的任何形状。该流体通道可以具有任何所希望的截面，优选的截面是直径均匀的圆。毛细流动通道的其它截面包括非圆形形状，如三角形、正方形、矩形、椭圆形或其它形状，而且流体通道的截面不需要是一致的。该流体通道可以直线或非直线地延伸，而且可以是单一流体通道或者是多路径的流体通道。在由毛细金属管形成的毛细通道的情况下，管子内径可以为0.01～3mm，优选地为0.1～1mm，更优选的为0.15～0.5mm。或者是，毛细通道可以由通道的横截面积来限定，该面积可以是8×10-5～7mm2，优选地为8×10-3～8×10-1mm2，更优选地为2×10-3～2×10-1mm2。单一或多根毛细管、各种压力、各种毛细管长度、各种加到毛细管上的热量以及不同截面积的许多组合将适合于给定的用途。
液态燃料可以在至少0.7kg/cm2(10psig)而优选地为至少1.4kg/cm2(20psig)的压力下供给至毛细流动通道。在毛细流动通道是由具有内径约0.051cm(0.020英寸)和长度约15.2cm(6英寸)的不锈钢管的内部限定的情况下，燃料最好以7kg/cm2(100psig)或以下的压力供应到毛细通道，以获得一种典型尺寸的汽车发动机汽缸的化学计量启动所需的质量流率(大约100～200mg/s)。该至少一个毛细通道提供一种基本上汽化燃料的足够流量，以确保一种化学计量的或接近化学计量的燃料和空气的混合物，该混合物能够在发动机的汽缸内点燃并燃烧而不会产生不希望有的高水平的未燃烧碳氢化合物或其它排放物。该毛细管的特征还在于具有低的热惯性，使得该毛细通道能够非常快地升到汽化燃料的所需温度，优选地在2.0秒内，更优选地在0.5秒内，最优选地在0.1秒内，这对于涉及到冷启动发动机的应用中是有利的。这种低的热惯性也能在发动机正常操作期间提供优点，如改进了燃料输送对发动机动力需求的突然变化的响应。
为了对通过在此所述的低热惯性毛细通道的燃料进行配量，提出了若干阀配置来有效地控制从含有毛细通道的燃料喷射器的远端来的蒸汽流。由于这里所考虑的毛细流动通道具有小的热质量(＜1g)，因此用于控制蒸汽流的阀配置必须设计成向加热系统增加最小的热质量，从而不会使预热时间和有效性发生退化。
下文所描述的优选方式每一个都考虑到了燃料的脉冲输送，并且在一些例子中提供了切换到液态燃料喷射的能力。在这里所描述的每一种方式中，都要主动地或者被动地加热通过毛细流动通道的蒸汽流动路径，使得工作流体在与阀形成接触时处于汽相。优选是阀本身不被主动加热。有利的是，在这里所用的配量阀可以用诸如陶瓷或Teflon的绝热材料构成。可以理解，在内燃机应用中，对于实现脉宽调制所需的调节比(turndown ratio)，防漏密封不是关键，尽管最好有这么一种防漏密封。
图1示出了一种按照优选方式用于汽化液态燃料的燃料喷射器10。燃料喷射器10包括毛细流动通道12，该毛细流动通道12带有入口端14和出口端16，入口端14与液态燃料源F流体连通，以便将基本上为液态的液态燃料输入毛细流体通道12。
优选地，小质量的针阀组件18由螺线管28操纵。螺线管28具有连接至电连接器30的线圈绕组32。当线圈绕组32通电时，螺线管元件36被拉入到线圈绕组32的中心。当将线圈绕组32断电时，弹簧38使螺线管元件返回到其原始位置。针40连接在螺线管元件36上。向线圈绕组32加电所引起的螺线管元件36的移动使得针40被拉离喷嘴42，从而允许燃料流过喷嘴42。
热源20沿着毛细流动通道12布置。最优选的是，通过用电阻材料管形成毛细流动通道12来提供热源20，当电流源在接头22和24处连接到该管上而通过此处输送电流时，毛细流动通道12的一部分形成为加热元件。可以理解，然后热源20可操作来将毛细流动通道12中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道12的出口端16输送基本上汽化的燃料流。可以理解，这种将蒸汽输送入喷射器主体内的方法使得与汽化燃料形成接触的材料体积最小化，从而也使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量最小化。
图2A到图2C描绘了另一优选方式的燃料喷射器100，其中，用螺线管128沿着毛细流动通道112的轴线致动活塞140。参见图2B，螺线管128的致动移动了活塞140，使得在流体流动路径的径向方向上的开孔142暴露出来，由此而在没有供热时允许液态燃料流动。参见图2A，在轴向方向上进一步移动活塞140，暴露出另一个径向流动路径开孔144，该开孔144提供了蒸汽输送所需要的附加开口面积。优选地，两个开孔142和144都用来供给汽化燃料。
如图2A到图2C所示，燃料喷射器配量部分100包括毛细流动通道112，该毛细流动通道112带有入口端114和出口端116，入口端114与液态燃料源F流体连通，以便将基本上为液态的液态燃料输入毛细流体通道112。小质量的活塞组件118由螺线管128操纵。螺线管128具有线圈绕组132。当线圈绕组132通电时，螺线管元件136被拉入到线圈绕组132的中心。参见图2C，当将线圈绕组132断电时，通过使用弹簧(未示出)将活塞组件118返回到关闭位置。活塞140连接在螺线管元件136上。向线圈绕组132加电所引起的螺线管元件136的移动使得活塞140被拉离径向流动路径开孔142和144，以允许燃料流过喷嘴。对本领域的技术人员来说很明显，该配量部分100可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
热源120沿着毛细流动通道112布置。由电阻材料管沿着毛细流动通道112形成热源120，当电流源连接到该管上时，毛细流动通道112的一部分形成为加热元件。然后，热源120可操作来将毛细流动通道112中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道112的出口端116输送基本上汽化的燃料流。这种蒸汽输送方法和活塞140的设计一起使得与汽化燃料形成接触的材料体积最小化，从而也使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量最小化。
图3A到图3C示出了图2A到图2C的燃料喷射器配量部分形式的一种变形，其中，图2A到图2C的活塞140被套筒阀240替代，该套筒阀240在毛细流动通道212的出口端216上滑动。参见图3B，螺线管228的致动移动了套筒阀240，使得在蒸汽流动路径径向方向上的开孔242暴露出来，由此而在没有供热时允许液态燃料流动。参见图3A，在轴向方向上进一步移动套筒阀240，暴露出另一个径向流动路径开孔244，该开孔244提供了蒸汽输送所需要的附加开口面积，两个开孔242和244都用来供给汽化燃料。
如图3A到图3C所示，燃料喷射器配量部分200包括毛细流动通道212，该毛细流动通道212带有入口端214和出口端216，入口端214与液态燃料源F流体连通，以便将基本上为液态的液态燃料输入毛细流体通道212。小质量的套筒阀组件218由螺线管228操纵，螺线管228具有线圈绕组232。当线圈绕组232通电时，螺线管元件236被拉入到线圈绕组232的中心。参见图3C，当将线圈绕组232断电时，通过使用弹簧(未示出)将套筒阀组件218返回到关闭位置。套筒阀240连接在螺线管元件236上。向线圈绕组232加电所引起的螺线管元件236的移动使得套筒阀240被拉离径向流动路径开孔242和244，以允许燃料流过喷嘴。再次地，对本领域的技术人员来说很明显，该配量部分200可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
和图2A到图2C的优选方式一样，热源220沿着毛细流动通道212布置，并且由电阻材料管沿着毛细流动通道212形成热源220，当电流源连接到该管上时，毛细流动通道212的一部分形成为加热元件。然后，热源220可操作来将毛细流动通道212中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道212的出口端216输送基本上汽化的燃料流。这种蒸汽输送方法和套筒阀240的设计一起使得与汽化燃料形成接触的材料体积最小化，从而也使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量最小化。
图4A和图4B按照另一种形式示出了一种用于汽化液态燃料的燃料喷射器配量部分300。燃料喷射器配量部分300包括至少一个毛细流动通道312，该至少一个毛细流动通道312带有入口端314和出口端316，入口端314与液态燃料源F流体连通，以便将基本上为液态的液态燃料输入毛细流体通道312。优选地，燃料喷射器配量部分300可以包括两个、三个或更多毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图4B)。活塞阀组件318由具有线圈绕组的螺线管(未示出)操纵。和图1到图3的优选方式一样，当线圈绕组通电时，螺线管元件336被拉入到线圈绕组的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件336返回到其原始位置。活塞340连接在螺线管元件336上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件336的移动使得活塞340被拉离毛细流动通道312的出口端316，以允许燃料流过喷嘴342。再次地，对本领域的技术人员来说很明显，该配量部分300可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
热源320沿着毛细流动通道312布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道312来提供热源320，当电流源在接头322和324处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道312的一部分形成为加热元件。然后，热源320可操作来将毛细流动通道312中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道312的出口端316输送基本上汽化的燃料流。又一次地，与汽化燃料形成接触的材料体积被最小化，也使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量最小化。
图5按照另一个优选方式示出了用于汽化液态燃料的燃料喷射器配量部分700。燃料喷射器配量部分700包括至少一个毛细流动通道712，该至少一个毛细流动通道712带有入口端714和出口端716，入口端714布置成与液态燃料源流体连通，以便将基本上为液态的液态燃料输入毛细流体通道712。优选地，燃料喷射器配量部分700可以包括两个、三个或四个毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图5B)。
活塞阀组件718可定位在壳体750内，并且由具有线圈绕组的螺线管(未示出)操纵。优选地，在运行过程中，当线圈绕组通电时，螺线管元件736被拉入到线圈绕组(未示出)的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件736返回到其原始位置。活塞组件740连接在螺线管元件736上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件736的移动使得活塞组件740被拉离毛细流动通道712的出口端716，以允许燃料流过喷嘴742。正如所看到的那样，通过活塞组件740的截头圆锥部分744与壳体750的锥形密封表面752的配合实现了密封。可以理解，该配量部分700可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
热源720沿着毛细流动通道712布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道712来提供热源720，当电流源在接头722和724处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道712的一部分形成为加热元件。然后，热源720可操作来将毛细流动通道712中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道712的出口端716输送基本上汽化的燃料流。可以理解，与汽化燃料形成接触的活塞组件740的材料体积被最小化，使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量很小。
图6按照再一个优选方式示出了另一种用于汽化液态燃料的燃料喷射器配量部分800。燃料喷射器配量部分800包括至少一个毛细流动通道812，该至少一个毛细流动通道812带有入口端814和出口端816，入口端814布置成与液态燃料源流体连通，以便将液态燃料输入毛细流体通道812。优选地，燃料喷射器配量部分800可以包括两个、三个或四个毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图6B)。
热源820沿着毛细流动通道812布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道812来提供热源820，当电流源在接头822和824处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道812的一部分形成为加热元件。然后，可以操作热源820可操作来将毛细流动通道812中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道812的出口端816输送基本上汽化的燃料流。
示出了另一种设计的活塞阀组件818，活塞阀组件818可定位在壳体850内，并且由具有线圈绕组(未示出)的螺线管操纵。在运行过程中，当线圈绕组通电时，螺线管元件836被拉入到线圈绕组(未示出)的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件836返回到其原始位置，从毛细流动通道812的出口端816密封燃料流。如所示，活塞840连接在螺线管元件836上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件836的移动使得活塞组件840被拉离毛细流动通道812的出口端816，以允许燃料流过喷嘴842。正如所看到的那样，活塞阀组件818在活塞套筒854内移动。用套筒销856阻止活塞套筒854在运行过程中的转动。通过活塞组件840的截头圆锥部分844与壳体850的锥形密封表面852的配合实现了密封。在该优选方式中，活塞组件840的材料体积在该设计中被最小化，活塞组件840的材料体积使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量很小。
再次地，配量部分800可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
现在参见图7，按照另一种优选方式示出了用于汽化液态燃料的燃料喷射器配量部分900。燃料喷射器配量部分900包括至少一个毛细流动通道912，该至少一个毛细流动通道912带有入口端914和出口端916，入口端914布置成与液态燃料源流体连通，以便将液态燃料输入毛细流体通道912。优选地，燃料喷射器配量部分900可以包括两个、三个或四个毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图7B)。
活塞阀组件918可定位在壳体950内，并且由具有线圈绕组的螺线管(未示出)操纵。优选地，在运行过程中，当线圈绕组通电时，螺线管元件936被拉入到线圈绕组(未示出)的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件936返回到其原始位置。活塞组件940连接在螺线管元件936上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件936的移动使得活塞组件940被拉离毛细流动通道912的出口端916，以允许燃料流过喷嘴942。正如所看到的那样，通过活塞组件940的截头圆锥部分944与壳体950的锥形密封表面952的配合实现了密封。再次地，对本领域的技术人员来说很明显，该配量部分900可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
像这里所公开的其它优选方式一样，热源920沿着毛细流动通道912布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道912来提供热源920，当电流源在接头922和924处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道912的一部分形成为加热元件。然后，热源920可操作来将毛细流动通道912中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道912的出口端916输送基本上汽化的燃料流。可以理解，与汽化燃料形成接触的活塞组件940的材料体积被最小化，使得为了防止蒸汽的过早凝结而必须加热的热质量很小。
现在参见图8，示出了图7的优选方式的一种变型。燃料喷射器配量阀1000包括至少一个毛细流动通道1012，该至少一个毛细流动通道1012带有入口端1014和出口端1016，入口端1014布置成与液态燃料源流体连通，以便将液态燃料输入毛细流体通道1012。优选地，燃料喷射器配量部分1000可以包括两个、三个或四个毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图8B)。
热源1020沿着毛细流动通道1012布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道1012来提供热源1020，当电流源在接头1022和1024处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道1012的一部分形成为加热元件。然后，热源1020可操作来将毛细流动通道1012中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道1012的出口端1016输送基本上汽化的燃料流。
活塞阀组件1018可定位在壳体1050内，并且由具有线圈绕组的螺线管(未示出)操纵。在运行过程中，当线圈绕组通电时，螺线管元件1036被拉入到线圈绕组(未示出)的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件1036返回到其原始位置。如所示，活塞组件1040连接在螺线管元件1036上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件1036的移动使得活塞组件1040被拉离毛细流动通道1012的出口端1016，以允许燃料流过喷嘴1042。正如所看到的那样，通过活塞组件1040的截头圆锥部分1044与壳体1050的锥形密封表面1052的配合实现了密封。如所示，针1046凸入到比图7的方式中所提供的喷嘴更小的喷嘴1042，通过提供该针1046能形成更细的喷雾。配量部分1000可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
图9按照又一种优选方式示出了另一种燃料喷射器配量部分1100。燃料喷射器配量部分1100包括至少一个毛细流动通道1112，该至少一个毛细流动通道1112带有入口端1114和出口端1116，入口端1114布置成与液态燃料源流体连通，以便将液态燃料输入毛细流体通道1112。优选地，燃料喷射器配量部分1100可以包括两个、三个或四个毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图9B)。
热源1120沿着毛细流动通道1112布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道1112来提供热源1120，当电流源在接头1122和1124处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道1112的一部分形成为加热元件。然后，热源1120可操作来将毛细流动通道1112中的液态燃料加热到足以将至少一部分液态燃料从液态变为汽态的程度，并从毛细流动通道1112的出口端1116输送基本上汽化的燃料流。
示出了另一种设计的活塞阀组件1118，活塞阀组件1118可定位在壳体1150内，并且由具有线圈绕组的螺线管(未示出)操纵。在运行过程中，当线圈绕组通电时，螺线管元件1136被拉入到线圈绕组(未示出)的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件1136返回到其原始位置，以封堵住从毛细流动通道1112的出口端1116流出的燃料。如所示，活塞1140连接在螺线管元件1136上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件1136的移动使得活塞组件1140被拉离毛细流动通道1112的出口端1116，以允许燃料流过喷嘴1142。
正如所看到的那样，活塞阀组件1118在活塞套筒1154内移动。用套筒销1156阻止活塞套筒1154在运行过程中的转动。通过活塞组件1140的截头圆锥部分1144与壳体1150的锥形密封表面1152的配合实现了密封。如所示，大针1146凸入喷嘴1142中，通过提供该大针1146能形成更细的喷雾。配量部分1100可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
现在参见图10，燃料喷射器配量阀1200包括至少一个毛细流动通道1212，该至少一个毛细流动通道1212带有入口端1214和出口端1216，入口端1214布置成与液态燃料源流体连通，以便将液态燃料输入毛细流体通道1212。优选地，燃料喷射器配量部分1200可以包括两个、三个或四个毛细管，以便喷射器可以提供全量程的作业(见图10B)。
热源1220沿着毛细流动通道1112布置，并且通过用电阻材料管形成毛细流动通道1212来提供热源1220，当电流源在接头1222和1224处连接到该管来输送电流时，毛细流动通道1212的一部分形成为加热元件。然后，热源1220可操作来加热毛细流动通道1212中的液态燃料。
所示出的活塞阀组件1218可定位在壳体1250内，并且由具有线圈绕组的螺线管(未示出)操纵。在运行过程中，当线圈绕组通电时，螺线管元件1236被拉入到线圈绕组(未示出)的中心。当断电时，通过使用弹簧(未示出)将螺线管元件1236返回到其原始位置，以封堵住从毛细流动通道1212的出口端1216流出的燃料。如所示，活塞杆1240连接在螺线管元件1236上。向线圈绕组加电所引起的螺线管元件1236的移动使得活塞杆1240和可密封套筒1254一起被拉离毛细流动通道1212的出口端1216，以允许燃料流过喷嘴1242。
活塞杆1240被压配合于可密封套筒1254内。通过可密封套筒1254的截头圆锥部分1244与壳体1250的锥形密封表面1252的配合实现了密封。如所示，大针1246凸入到喷嘴1242中，通过提供该大针1246能形成更细的喷雾。配量部分1100可以与通常在汽车应用的燃料喷射器中使用的那种类型的传统的致动器部分结合在一起使用。
为了在冷发动机环境中实现汽化，在使得供给至喷射器用于加热的功率最小化和使得相关的预热时间最小化两者之间存在一种折衷方案，如图11所示。可以理解，可用来加热喷射器的功率限制于可用的电池功率，而喷射器的预热时间由用户性能要求来限制。
除上文所概括的设计和性能要求之外，还必须具有在废气后处理方案和/或启动控制策略中所必需的对燃料/空气比的某种程度的控制。在最小化的情况下，燃料喷射器必须从启动怠速到其它的发动机运行状态都能适应所必须的调节比。然而，在一些方式中，是通过只在入口阀开启的部分发动机循环中喷射蒸汽来降低最大排放的。图12中示出了这种喷射的简要描述以及关于四冲程循环每一部分的近似时间。如图所示，在1500rpm的情况下，通过控制蒸汽流率来实现开启阀喷射，使得喷射持续20ms，之后在60ms期间内少量或没有蒸汽输送至发动机。
已知现有的使用阀来控制蒸汽燃料喷射器流量的设计会产生不希望有的热质量，热质量是指为了达到足够高的温度来汽化液体而必须加热的质量。这种热质量的增加是不需要的，这是因为它会增加喷射器的预热时间(见图11)，并因此会损害在启动和/或过渡运行过程中从喷射器流出的蒸汽质量。
现在参见图13，示出了控制系统2000的示范性示意图。控制系统2000用来操作内燃机2110，该内燃机2110包括一个与液态燃料源2010和液态燃料喷射路径2260成流体连通的液态燃料供给阀2220、与液态燃料源2010和毛细流动通道2080成流体连通的汽化燃料供给阀2210，以及与氧化气体源2070和毛细流动通道2080成流体连通的氧化气体供应阀2020。该控制系统包括控制器2050，该控制器通常从各种发动机传感器接收多个输入信号，这些发动机传感器诸如发动机速度传感器2060、进气歧管空气热电偶和进气压力传感器2062、冷却剂温度传感器2064、废气空气/燃料比传感器2150、燃料供给压力2012等。在运行中，控制器2050基于一个或多个输入信号执行控制算法，并随后产生一个通往氧化剂供给阀2020用于清除堵塞的按照本发明的毛细通道的输出信号2024、一个通往液态燃料供给阀2220的输出信号2014、一个通往燃料供给阀2210的输出信号2034、以及一个通往向毛细管2080输送功率来进行加热的电源的加热功率指令2044。
在运行中，本发明的系统可以构造成利用废气再循环加热来反馈燃烧期间产生的热，使得液态燃料在通过毛细流动通道2080时充分受热而基本上汽化，从而减少或消除或补充电加热或其它方式加热毛细流动通道2080的需要。
可以理解，在图1到图13画出的燃料喷射器的优选方式也可以与本发明的其它实施例结合在一起使用。再次参见图1，喷射器10还可以包括用于在喷射器的运行过程中清除沉积物的装置。该用于清除沉积物的装置可以包括热源20和氧化剂控制阀(见图13的2020)，该氧化剂控制阀将毛细流动通道12与一个氧化剂源流体连通。可以理解，该氧化剂控制阀可位于或靠近毛细流动通道12的任何一端，或者构造成与毛细流动通道12的任何一端流体连通。如果该氧化剂控制阀位于或靠近毛细流动通道12的出口端16，则它用来将氧化剂源布置成与毛细流动通道12的出口端16流体连通。在运行过程中，热源20用来将毛细流动通道12中的氧化剂加热到足以氧化在加热液态燃料F的过程中所形成的沉积物。在一个实施例中，为了从加燃料模式转换到清除模式，能够操作该氧化剂控制阀(见图13的2020)在向毛细流动通道12内输入液态燃料F和输入氧化剂之间交替变换，并且能在氧化剂被输入到该至少一个毛细流动通道时就地清洁毛细流动通道12。
一项用于氧化沉积物的技术包括在毛细管中通过空气或水蒸汽。在清洁过程中优选加热该流动通道，以便启动和进行该氧化过程直至将沉积物消耗掉。为了增强该清洁操作，可以使用一种催化物质来减少完成该清洁所需要的温度和/或时间，该催化物质或者是涂覆在毛细管壁上或者是作为毛细管壁的组成部分。为了连续运行燃料输送系统，可以使用超过一个的毛细流动通道，以便在检测到堵塞状态时能将燃料流转向到另一个毛细流动通道，而氧化剂流开始通过要被清洁的被堵塞毛细流动通道，诸如可通过使用传感器或者毛细管阻力的变化来检测堵塞状态。作为一个例子，一个毛细管主体中可包括多个毛细流动通道，并且可以提供一种阀配置来有选择地向每一个流动通道供给液态燃料或空气。
可选择地，燃料流能从一个毛细流动通道转向，并且在预设时间间隔启动氧化剂流。如图13所示，到毛细流动通道的燃料输送可以用控制器2050来完成。例如，该控制器2050能激活燃料输送一个预定的时期，而在该预正时间后停止燃料的输送。该控制器2050也可以根据一个或多个传感的状态来调整液态燃料的压力和/或供给到毛细流动通道的热量。所传感的状态包括燃料压力、毛细管温度和空气燃料混合物。该控制器2050也可控制隶属于该应用的多个燃料输送装置。该控制器2050也可控制一个或多个毛细流动通道，以便清除其沉积物或堵塞。例如，可通过向毛细流动通道加热并且和向该毛细流动通道供给氧化剂源的流动来实现毛细流动通道的清洁。
可选择地，图1到图13所画出的优选方式还可以与本发明的其它实施例结合在一起使用。再次参见图1，该用于清除沉积物的方法包括将毛细流动通道12布置成与溶剂流体连通，使得当溶剂被输入毛细流动通道12中时能够就地清洁毛细流动通道12。虽然很多种溶剂都有效用，但该溶剂可以包括从液态燃料源来的液态燃料。当处于这种情况时，不需要额外的阀，因为不需要在燃料和溶剂之间交替。在清洁毛细流动通道12期间，应当随时间逐渐停止热源或使热源不活动。
再次参见图1，燃料喷射器10的被加热毛细流动通道12能产生汽化燃料流，该汽化燃料流在空气中凝结形成汽化燃料、燃料液滴和空气的混合物，通常称为气溶胶。与传统的汽车进气口燃料喷射器相比较，传统喷射器输送的燃料喷雾包括Sauter平均直径(SMD)在150～200μm范围内的液滴，而本发明的气溶胶具有小于25μm SMD而优选地小于15μm SMD的平均液滴粒径。因此，由按照本发明的加热毛细管产生的燃料液滴的大多数能由空气流携带进入燃烧室，而与流动路径无关。
传统喷射器和在这里所公开的燃料喷射器的液滴粒径分布之间的差异在冷启动和预热状态期间特别关键。具体地说，利用传统的进气口燃料喷射器，相对冷的进气歧管部件需要加入过量燃料，使得有足够多部分的燃料大液滴撞击在进气部件上而被汽化生成可点燃的燃料/空气混合物。相反，由这里所公开的燃料喷射器产生的汽化燃料和细液滴基本上不受启动时发动机部件温度的影响，因而不需要在发动机启动期间加入过量燃料。通过使用这里所公开的被加热的毛细管喷射器来更精确地控制供给至发动机的燃料/空气比，不需要加入过量燃料与前述精确控制结合在一起使得冷启动的排放物相比于使用传统燃料喷射器的发动机所产生的排放物来说是大大降低了。除了减少了加入过量燃料以外，也应当注意到，这里所公开的被加热的毛细管喷射器还能够在冷启动和预热期间进行贫燃料的运行，这导致在催化转换器预热期间更大地减少尾管的排放物。
继续参照图1，毛细流动通道12可包括诸如不锈钢毛细管的金属管，而加热器包括通过电流的管20的长度。在一个优选实施例中，毛细管的内径约0.051～0.076cm(0.020～0.030英寸)，加热长度约5.08～25.4cm(2～10英寸)，而燃料能以小于7.0kg/cm2(100psig)、优选地小于4.9kg/cm2(70psig)、更优选地小于4.2kg/cm2(60psig)、最优选地小于3.1kg/cm2(45psig)或更小的压力供给至管12。已显示，该实施例产生汽化燃料在处于环境温度的空气中凝结时形成的气溶胶液滴分布的大多数是在2～30μm SMD粒径范围内，平均液滴粒径为约5～15μm SMD。在冷启动温度下实现快速且几乎完全汽化的燃料液滴的优选粒径为小于大约25μm。这一结果可以通过对6英寸的不锈钢毛细管施加约10.2～40.8kg/sec(100～400W)例如20.4kg/sec(200W)的电功率(对应于汽化燃料内能的2～3％)来实现。该电功率可以通过完全用诸如不锈钢的导电材料制成毛细管而施加到毛细管上，或者是通过在至少一部分不导电管或其中有一流动通道的叠片上提供导电材料而施加到毛细管上，例如通过在该管或叠片上层叠或涂覆一种电阻材料而形成一个电阻加热器。该导电材料上可以连接电线而将电流供给到该加热器上从而沿其长度加热该管。沿着管的长度加热该管的可选方法包括感应加热，例如通过安置在流动通道周围的电线圈来进行感应加热，或者是相对于流动通道安置的其它热源通过传导、对流或辐射热转移之一或其组合来加热流动通道的长度。
虽然一种优选的毛细管具有约15.2cm(6英寸)的加热长度和约0.051cm(0.020英寸)的内径，但其它构型的毛细管也能提供可以接受的蒸汽质量。例如，内径的范围为0.05～0.08cm(0.02～0.03英寸)，而毛细管的加热部分的范围为2.5～25.4cm(1～10英寸)。在冷启动和预热后，不需要加热毛细管，使得未加热的毛细管能够用来向运行在正常温度下的发动机供给足够的液态燃料。
从燃料毛细管流出的汽化燃料可以在像现有的进气口燃料喷射器的同一位置处或沿该进气歧管的另一位置处喷射入发动机进气歧管中。但是，如果需要，该燃料毛细管可以安置成将汽化燃料直接输送到发动机的每个汽缸中。这里所公开的燃料喷射器优于产生较大燃料液滴的系统，这些较大的液滴必须在启动发动机时对着闭合的进气阀的背面喷射。最好是，该毛细管的出口安置成与进气歧管壁平齐，这与传统的燃料喷射器出口的配置相似。
在启动发动机约20秒(或优选更少)后，可以断开用来对毛细流动通道12加热的功率，并启动液体喷射来进行正常的发动机运行。如本领域的技术人员所了解的那样，可以通过经由连续喷射或脉冲喷射用液态燃料喷射来进行正常的发动机运行。
例子1在使用福特4.6升V8发动机的试验中，一个四汽缸组被改造为包括本发明如图1中所示的燃料输送装置。这些毛细管加热元件装有安置成与进气口壁齐平的毛细管尖端，这是普通燃料喷射喷嘴(stockfuel injection nozzle)的位置。这些试验用连续喷射(100％工作循环)进行，因此，利用燃料压力来调节燃料蒸汽的流率。
参照图14，图中表示的图线示出了发动机冷起动的最初20秒期间毛细管燃料输送装置的结果。曲线1表示当时间沿X轴行进时以每分钟转数表示的发动机速度。曲线2表示当时间沿X轴行进时以每秒克数表示的燃料流量。曲线3表示当时间沿X轴行进时的lambda，其中1个lambda单位表示空气对燃料的化学计量比。曲线4表示当时间沿X轴行进时从发动机的废气得到的以ppm甲烷等效量表示的总碳氢化合物排放量。
如图14中曲线3所示，利用本发明的燃料输送装置，免去了普通发动机硬件和控制策略所需的初始加入过量燃料。也就是，本发明的燃料输送装置在初始启动期间能有效地汽化液态燃料，使得该发动机以接近化学计量的燃料比进行起动。图15的图线示出，与传统的加入过量燃料启动策略(曲线5)相比，用本发明的燃料输送装置获得的接近化学计量的起到导致了排放物的减少(曲线6)。具体地说，图12中的结果表明，与需要加入过量燃料的普通构型相比，在冷启动的最初10秒钟期间，本发明的燃料输送装置将全部碳氢化合物排放量减少了46％。用圆圈7指示的区域示出了在启动发动机的最初四秒钟期间碳氢化合物排放量的剧烈减少。
例子2使用装有测力计的例子1的福特4.6升V8发动机来进行模拟的冷启动瞬时试验，其中，一个四汽缸组被改造为包括如图4中所示的燃料输送装置。图4的燃料喷射器安装在普通燃料喷射喷嘴的位置。
以900RPM的转速初始发动发动机来进行该冷启动瞬时试验，火花塞在标准的点火提前和预设的20℃的发动机冷却剂温度下点火。将燃料喷射脉宽设置成能获得目标lambda值，不使用瞬时补偿，将毛细管加热器电阻值R/R0设定为等于1.17(大约170℃)，并且使燃料喷射器能够启用。测量到达一Lambda值的时间，该Lambda值等于设定点值的10％，同时还测量总的碳氢化合物排放。对于每个Lambda值设定点，每个试验重复三次。Lambda值被设为0.9、1.0、1.1和1.2(化学计量的空气-燃料＝1.0)。每次模拟的冷启动瞬时试验都进行30秒。所测量的该瞬时排放空气-燃料比响应特性提供了燃料输送现象的定性显示。
冷启动瞬时试验的结果在图16中示出。与标准进气口燃料喷射器(PFI)的比较表明，图4喷射器的瞬时响应时间大大优于基线进气口燃料喷射器，该基线进气口燃料喷射器使一种良好汽化的标志。此外，还发现在“冷怠速”排放的未燃烧碳氢化合物方面也有显著改进，在λ＝1.2时高达25％。
例子3使用例子1和例子2的装有测力计的福特4.6升V8发动机来研究毛细管加热器温度(增大汽化)对贫限(lean limit)范围的影响，该发动机使用了图4的毛细管燃料喷射器。毛细管加热器电阻值R/R0在1.15～1.26(约170～280℃)的范围内变化，并测量碳氢化合物排放的水平。
这些试验的结果在图17中示出。可以看出，比标准进气口燃料喷射器有了显著改进。此外还观测到，当提高电阻设定(毛细通道温度)时，很快地达到一个阈值，超过该阈值后，碳氢化合物排放对于电阻的进一步提高就相对不敏感了。对于图4的毛细管喷射器，所观测到的阈值明显低于最大运行温度。
例子4～9用微隔膜泵以恒定压力向处于20℃的各种毛细管喷射器供给汽油，以此来进行实验台试验，以模拟启动状态。使用Malvern制造的喷雾技术激光衍射系统(Spray-Tech laser diffraction system)来测量峰值液滴尺寸和液滴尺寸分布。除了那些在启动时被指定为峰值的值，液滴尺寸是指Sauter平均直径(SMD)。SMD是指这样的液滴的直径，即该液滴的表面积对体积的比等于整个喷雾的表面积对体积的比，并且，SMD与喷雾的质量传输特性相关。
从上文示出的结果可以看出，使用这里所公开的商业上可行的阀设计可以实现目标液滴尺寸范围。而且，在运行10秒之后，发现大多数喷射器产生的液滴尺寸明显低于该30微米的阈值，热质量保持为一个重要的区别因素。
例子10～17为了进一步评估本发明的优点，使用计算流体动力学(CFD)来评价下文所描述的构造。CFD分析能解基本控制方程，并且能在求解域内的每个点提供流体速度、种类、燃烧反应、压力、热传输和温度值。使用Fluent公司的FLUENTTM软件来进行该分析。(Fluent，Inc.，USA，10 Cavendish Court，Centerra Resource Park，Lebanon，N.H.，03766-1442)。
为了表明本发明的优点，这里所描述的使用毛细管喷射器的发动机的运行使用FLUENT软件包来模拟的。所使用的模拟条件包括以3巴(bar)的入口表压力加入燃料正辛烷，假设入口处的燃料在200℃汽化，所执行的运行假设蒸汽不凝结，环境空气被设定为0巴表压，并且空气温度假设为27℃。喷射器材料假设是不锈钢，随着温度的热导率变化被建模，并且所使用的扰动模型为k-ε可实现模型(realizable model)，以便更精确地模拟喷射行为。选择非平衡壁面函数来更好地模拟在中央主体上的冲击喷射。
对于所研究的几何形状，金属体积、浸湿面积(wetted areas)和气体体积如下所示
注意到，几何形状XVA100042在图8中示出，XVA100051在图10中示出，XVA100037在图7中示出，LO100007在图4中示出，XVA100046在图9中示出，XVA100027在图5中示出。
对于各种毛细管喷射器设计，使用FLUENT计算流体动力学获得的冷启动结果在图18中示出。图19表明了对于各种设计的浸湿面积与喷嘴出口温度在200毫秒时的关系，表明了该设计因素对于毛细管喷射器性能的重要性。
从图19和20可看出，该CFD结果支持了在例子4～9中呈现的实验台结论，并且显示只要在喷射器的配量部分附近输入蒸汽就能实现快速启动。
尽管本发明已经在附图和上文描述中详细示出并描述，但是，所公开的实施例在特征上是示例性的而不是限制性的。在本发明范围内所有变化和变型都要求被保护。
权利要求
1.一种燃料喷射器，用于对输送到内燃机的液态燃料进行汽化和配量，包括(a)至少一个毛细流动通道，所述至少一个毛细流动通道带有入口端和至少一个出口端；(b)沿所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源可操作来将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足以使至少一部分液态燃料从液态变到汽态的程度，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端输送基本上汽化的燃料流；和(c)用于向内燃机配量燃料的阀，所述阀邻近于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端，所述阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的所述小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，用于向内燃机配量燃料的所述阀的所述小质量元件是塞元件，用于基本上封闭来自所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的燃料流。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其中，用于向内燃机配量燃料的所述阀的所述小质量塞元件是能与所述至少一个毛细流动通道的所述出口端切向对齐的。
4.根据在前任一项权利要求所述的燃料喷射器，还包括(d)用于清除在该设备运行期间形成的沉积物的装置。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其中，用于清除沉积物的所述装置包括所述热源和用于将所述至少一个毛细流动通道与氧化剂流体连通的氧化剂控制阀，所述热源还可操作来将所述至少一个毛细流动通道内的氧化剂加热到足以氧化在加热液态燃料的过程中形成的沉积物的程度，其中，用于将所述至少一个毛细流动通道与氧化剂流体连通的所述氧化剂控制阀可操作来在向所述毛细流动通道输入液态燃料和输入氧化剂之间进行交替变换，并且在把氧化剂输入到所述至少一个毛细流动通道时能就地清洁所述毛细流动通道。
6.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其中，该用于清除沉积物的装置采用包含来自于液态燃料源的液态燃料的溶剂，并且其中，该热源在清洁所述毛细流动通道的过程中是被逐渐停止的。
7.根据在前任一项权利要求所述的燃料喷射器，还包括螺线管，该螺线管致动用于向内燃机配量燃料的所述阀
8.根据在前任一项权利要求所述的燃料喷射器，其中，所述热源包括电阻加热器。
9.根据在前任一项权利要求所述的燃料喷射器，其中，用于向内燃机配量燃料的所述阀布置在所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的下游。
10.一种在内燃机中使用的燃料系统，包括(a)多个燃料喷射器，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带有入口端和出口端；(ii)沿所述至少一个毛细流动通道布置的热源，所述热源可操作来将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足以使至少一部分液态燃料从液态变到汽态的程度，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端输送基本上汽化的燃料流；和(iii)用于向内燃机配量燃料的阀，所述阀邻近于所述至少一个毛细流动通道的所述出口端，所述阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的所述小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成；(b)与所述多个燃料喷射器流体连通的液态燃料供给系统；和(c)控制向所述多个燃料喷射器的燃料供给的控制器。
11.根据权利要求10所述的燃料系统，其中，用于向内燃机配量燃料的所述阀的所述小质量元件是塞元件，用于基本上封闭来自所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的燃料流。
12.根据权利要求11所述的燃料系统，其中，用于向内燃机配量燃料的所述阀的所述小质量塞元件是能与所述至少一个毛细流动通道的所述出口端切向对齐的。
13.根据在前任一项权利要求所述的燃料系统，还包括用于清除在该设备运行期间形成的沉积物的装置。
14.根据权利要求13所述的燃料系统，其中，用于清除沉积物的所述装置包括所述热源和用于将所述至少一个毛细流动通道与氧化剂流体连通的氧化剂控制阀，所述热源还可操作来将所述至少一个毛细流动通道内的氧化剂加热到足以氧化在加热液态燃料的过程中形成的沉积物的程度，其中，用于将所述至少一个毛细流动通道与氧化剂流体连通的所述氧化剂控制阀可操作来在向所述毛细流动通道输入液态燃料和输入氧化剂之间进行交替变换，并且在把氧化剂输入到所述至少一个毛细流动通道时能就地清洁所述毛细流动通道。
15.根据权利要求13所述的燃料系统，其中，该用于清除沉积物的装置采用包含来自于液态燃料源的液态燃料的溶剂，并且其中，该热源在清洁所述毛细流动通道的过程中是被逐渐停止的。
16.根据在前任一项权利要求所述的燃料系统，其中，所述热源包括电阻加热器。
17.根据在前任一项权利要求所述的燃料系统，其中，用于向内燃机配量燃料的所述阀布置在所述至少一个毛细流动通道的所述出口端的下游。
18.一种向内燃机输送燃料的方法，包括步骤(a)向燃料喷射器的至少一个毛细流动通道供给液态燃料；(b)通过加热该至少一个毛细流动通道中的液态燃料，使得基本上汽化的燃料流流过该至少一个毛细流动通道的出口；(c)通过邻近于该至少一个毛细流动通道的出口端的阀向内燃机的燃烧室配量该汽化燃料，该阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，该用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述到内燃机燃烧室的汽化燃料的输送限于内燃机的启动和预热过程。
20.根据在前任一项权利要求所述的方法，其中，该用于向内燃机配量燃料的阀布置在该至少一个毛细流动通道的出口端的下游。
全文摘要
一种在内燃机中使用的汽化液态燃料的燃料喷射器。该燃料喷射器包括至少一个毛细流动通道；沿该至少一个毛细流动通道布置的热源，该热源可操作来将该至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足以使至少一部分液态燃料从液态变到汽态的程度，并从该至少一个毛细流动通道的该出口端输送基本上汽化的燃料流；和用于向内燃机配量燃料的阀，该阀邻近于该至少一个毛细流动通道的该出口端，该阀包括小质量元件，该小质量元件用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流；其中，该用于基本上阻塞流向内燃机的燃料流的小质量元件由具有小质量和/或低导热系数的材料形成。该燃料喷射器有效地减少了内燃机冷启动和预热器件的排放。
文档编号F02M31/125GK1774574SQ200380110141
公开日2006年5月17日 申请日期2003年12月10日 优先权日2003年1月15日
发明者J·-R·林纳, J·巴伦, R·O·佩利扎里, P·洛夫图斯, P·帕尔默, J·P·梅洛, S·B·斯普拉格 申请人:菲利普莫里斯美国公司