专利名称：内燃机瞬态燃料控制的制作方法
自二十世纪七十年代后期以来，火花点火式(SI)汽车内燃机已经转变为不使用化油器。多种燃料喷射系统被采用以满足日益严格的污染控制需求。当前，多点顺序式燃料喷射(PFI)系统是优选的。
在一个多点顺序式燃料喷射系统中，每一个气缸都设有一个或更多的燃料喷射器。这些燃料喷射器通常是在一个喷嘴中完全打开的电磁阀，该喷嘴在选定的时间点将汽油喷射到一个或更多的进气阀门的后部或进气口的壁上。喷油时机通常被调整为在进气阀门关闭时喷射燃料(到进气口的壁上或进气阀门上)。从燃料喷射器中喷出的燃料量取决于喷射器进油管路中的压力、喷射器喷嘴的设计以及阀门开启的时间长短。通常，一台发动机中所有的喷射器都用一个恒压油轨来供油。因而，汽油的输出量几乎与阀门开启的脉冲持续时间线性相关。
脉冲宽度通过一个电子控制单元(ECU)来控制，该电子控制单元一般来说被设计为使发动机响应最优化，同时使效率最大化并使污染最小化。这些结果都不是直接测得的。而是测量许多发动机参数并对其进行优化。通常的目标是对于任何给定的工况都产生一个空气/燃料化学计量化，这使得一种三元催化反应器可以在废气中使用以同时氧化任一种残余的未燃烧燃料产物(HC和CO)和减少氮氧化合物(NOx)。控制算法并不简单。基本上来说，踩下油门踏板使置于空气滤清器和进气歧管之间的进气阀门或油门打开。空气质量流量传感器或其他传感器的组合对进入发动机气缸的空气质量流量进行测量。这决定了用于化学计量化工况条件下所需的燃料量，它决定了一个目标脉冲宽度。
典型地来说，用来获得给定的燃料流量的目标脉冲宽度从一个在工厂里写入ECU程序中的查找表或“供油调整图形”中获得。考虑到在正常使用中的变化，例如燃料的密度和成分在不同的填充装置之间的小变化，环境空气的密度、粘度和湿度上的变化，以及名义上完全相同的硬件在抽样与抽样之间的可变性(例如，燃料喷射器)，在排气管路中位于催化转换器之前的氧气传感器(O2传感器)被用来产生一个反馈信号到ECU，由此供油调整图形中的数值可以据此进行微调。利用这样的一种反馈系统，ECU也可以补偿随发动机老化而产生的硬件性能上的改变，在当前生产的汽车中的大多数氧气传感器只有二进制输出，但是少数使用了成本较高的线性输出形式来试图获得更好的微调。
理想的是，对于一个燃料化学计量比，所有的氧气都应该在燃烧过程中耗尽。如果不是这样的话，则意味着由工厂安装的供油调整图形应该被调整为在相同的条件下提供更多的燃料。一些ECU可以在一段很长的时间上求平均值并且既可以对有记忆能力的供油调整图形做永久的调整又可以做暂时的调整。
有许多更多的传感器和算法被用来调节脉冲宽度。其中之一是一种油门位置传感器。当它快速打开时，ECU就增加喷射器的脉冲宽度来试图提供足够的燃料。即使如此，油门的快速打开通常会导致可燃混合气暂时性的过度稀薄，这会产生一种能穿透催化剂的NOx，除非催化剂有足够可用的氧存储容量。原因可以从下面的情况中来理解。在一台已经暖机的发动机中，传统的点式燃料喷射器将相当大的油滴(100～300微米)喷射到相对热的进气阀门的后部上、阀杆上、阀座上和周围的结构上。这些部件被涂覆了一层液体汽油薄膜(在一个被称为“壁面变湿(wall wetting)”的过程中)，该液体汽油薄膜不断地蒸发并且被吸入气缸中同时通过喷射器来补充。在正常的行驶中，也就是说在稳定工况附近，从喷射器中喷出的液体汽油正好与进入气缸的汽油蒸汽平衡。当油门打开时，喷射器阀门将保持打开得更久，也就是说喷射器的占空系数增加了，并且被打湿的面积开始增大。由于面积增大，蒸发和进入气缸的燃料量将增加直到达到新的平衡。
打湿壁面燃料的蒸发是一个动态的并且复杂的现象，它在发动机各工况和瞬态工况下变化很大。具体而言打湿壁面燃料蒸发所需的时间是一个关于多个参数的函数，所述多个参数在现代发动机中不可以直接控制。这些参数包括下列各项进气部件的温度、在进气部件上沉积的燃料量以及从一个发动机循环到下一个循环所蒸发的燃料量等等。
由于这些参数不可以直接控制，因此，壁面变湿很内在地限制了在发动机加速和减速时控制燃烧室内的空燃比的能力。在加速时，打湿壁面燃料的蒸发落后于突然增加的燃料需求，而发动机会使燃料变稀一个很短的时间段。相反在减速时，鉴于燃料需求的突然减少，打湿壁面燃料的蒸发变得过度，而发动机会使燃料变浓一个很短的时间段。
当有一个在加速时瞬时打开的油门时，油门的快速打开可以被检测并且燃料喷射器可以暂时喷射额外的燃料以便于很快地增大燃料薄膜中的燃料量，然后切回到新的稳定工况所需要的条件。在这种情况下，人们相信在回到一个最优稳定工况之前有一个后面跟随着富集混合物的更短的稀薄时间。不考虑瞬态响应的细节，问题是建立增加的壁面变湿与所希望的相比需要更多的时间、许多发动机循环。通常，传统的燃料喷射系统太慢以至于它们不能在空燃比不发生所不希望的波动的情况下控制瞬态现象。
另一个主要的问题是，对于使用一种用于废气后处理的三元催化剂(TWC)的现代火花点火式发动机来说，浓空燃比和稀空燃比的上述变动直接影响了满足给定的排放标准所需的TWC的大小(和成本)。特别地，每一个TWC都具有一个有足够储氧量的尺寸，由此CO和烃的氧化仍然在空燃比变浓时发生，而NO的转化在空燃比变稀时发生。因此，保证发动机符合给定的排放标准所需的TWC尺寸是一个关于在发动机测试循环中(例如，在许多国家中使用的美国联邦检测法75号(FTP-75)循环)遇到的瞬态工况下将空燃比控制在化学计量值附近的能力的正函数。
很明显，给发动机提供一个响应更快的燃料供给系统将是有益的，至少对于瞬态期是起作用的，这并不同样依靠燃料薄膜的蒸发来给发动机气缸提供汽化的燃料。这将减少时滞以及在混合气浓度中引起的波动。
在喷射之前对汽油加热已经被建议用来解决发动机冷机起动的问题，但是到目前为止还没有被应用来改善瞬态响应。一个例子是2001年12月25日授权给Imoehl的美国专利6,332,457，并且在这里被收编入参考文献中。该专利中的
图1是传统点式燃料喷射器的示意图，该传统点式燃料喷射器定位在一个进气歧管中并且使它的出口指向进气阀门的一般方向。一个非传统的加热器被包含在喷射器的顶端中。为了帮助起动一台冷态发动机，本发明基于通过加热燃料和使用闪急沸腾来增强雾化。
在处于较高压力下的已加热燃料被喷射进处于较低压力下的进气歧管中时发生闪急沸腾。使用具有加热顶端的喷射器，就可以在低的歧管压力下以0.1至0.7克/秒的流速汽化50％的燃料。闪急沸腾的功用是它克服了一个关于在喷射器顶端汽化燃料的问题。汽化后的燃料的质量流量大大小于液体燃料。如果燃料保持液态直至它从顶端喷出，那么质量流量就可以被维持，但是液体由于它被引导向进气口而转变成蒸汽。不幸的是，在这个专利中的加热器设计方案需要5秒钟来达到这些输出量。这可能足以改善冷起动问题，但是对于瞬态驱动(driving transients)来说太慢了。
因此，本发明提供了一种用于改善火花点火式燃料喷射内燃机的瞬态响应的设备和方法。这通过使用一个或更多新型毛细管燃料喷射器来实现。这些装置是改装有一个新型燃料调节装置的点式燃料喷射器，该燃料调节装置带有一个与油轨流体相通的入口和一个与位于喷射器出油喷嘴前方的另外的传统燃料喷射器流体相通的出口。这种调节装置的一个优选形式包括一根或更多的具有较小内径的毛细管，这些毛细管并联连接并且沿着它们长度的一部分加热。一个方便的电加热器可以通过使用壁足够薄的电阻管制成，从而沿着它的长度方向构成一个实用的加热元件。在一个方案中，毛细管燃料喷射器被一个陶瓷外壳所包围，以在燃料喷射器内部提供电绝缘。
在一个最佳方案中，一台发动机中的每一个传统的点式燃料喷射器都将被毛细管燃料喷射器来代替。在一些工况下使用一种闪蒸技术，毛细管燃料喷射器与通常在现代发动机中使用的壁面湿化方法相比可以使进入气缸的汽化燃料增加得快得多。虽然电加热器是模拟元件，但是以一种开/关方式来控制它们很方便。开动功率水平被确定为对于每一台发动机提供足够的加热器功率以产生闪蒸。
毛细管燃料喷射器的加热器用一个改良过的ECU来控制，该ECU设有传统发动机的参数。所需的燃料装填量以一种传统的方式从基于一个空气流量计的或基于发动机转速、歧管压力和进气压力输入值的组合的查找表上来确定。这些和其他的瞬态发动机参数用作开启和关掉毛细管燃料喷射器的加热器的信号以减少发动机的瞬态响应时间。
当一个线性输出的氧气传感器被安装时，两种方法是可用的。在一种方法中，当燃料流量的需求比表示部分负荷工况下的发动机运转的临界值小，并且同时氧气传感器指示出变稀或变浓超过了一个临界值时，毛细管燃料喷射器的加热器就会被开启。
在另一种方法中，在任意负荷的工况下，如果氧气传感器指示稀或浓的状态大于临界值，毛细管燃料喷射器的加热器就会被开启。
当发动机上没有使用线性的氧气传感器时所使用的另一种方法是监测加速器踏板，并且如果在油门打开方向上的变化速率超过一个预定值，毛细管燃料喷射器的加热器就会被开启。
一般来说，本发明为一台内燃机提供了一个改进的瞬态响应，具有a)至少一个在一个燃料源和燃料喷射器之间带有至少一根送油毛细管的点式燃料喷射器，上述毛细管设有一个燃料加热器，和b)一个电子设备，该电子设备被构造用以监测所选择的发动机参数并产生响应所选择的参数值给毛细管燃料加热器通电的加热器信号。
特别地，所选择的发动机参数可以是排气歧管出口处的氧含量。更特别地，所选择的参数值可以是一个偏离化学计量的大于所选择的氧气临界值的氧含量绝对值。作为一个变型方案，电子设备可以与上述的氧含量绝对值参数进行逻辑“与”操作来确定燃料需求少于部分负荷条件以产生加热器信号。作为另一个变型方案，发动机参数可以是发动机加速器踏板位置的变化速率和变化临界值的选定速率的参数值。
在一方面，本发明针对一种带有由燃料源供油的燃料喷射器的火花点火式内燃机，每一个上述的燃料喷射器都有一个入口端和一个出口端、一个改良过的加速/减速瞬态控制器，其特征在于，带有燃料加热器的燃料调节装置设置在燃料源和燃料喷射器出口端之间，其中，加热器由一个改良过的电子控制单元来控制以减少瞬态现象。
在另一方面，本发明提供了一种在一台火花点火式内燃机中使用的方法，该内燃机拥有通过一个带有燃料加热器的燃料调节装置来供油的燃料喷射器，该方法提供了改善的加速/减速瞬态响应并且包含以下步骤1)按照常规检测发动机参数和调节喷射器线圈的脉冲宽度；2)如果一个废气氧含量传感器指示出超过临界值的稀或浓的状态，那么3)开启上述燃料加热器。
在又一个方面，本发明提供了一种在一台火花点火式内燃机中使用的方法，该内燃机拥有一个通过加速器踏板来控制的油门以及拥有通过一个带有燃料加热器的燃料调节装置来供油的燃料喷射器，该方法提供了改善的加速/减速瞬态响应并且包含以下步骤1)按照常规检测发动机参数和调节喷射器线圈的脉冲宽度；2)确定踏板位置在上述油门打开方向的变化速率是否超过一个预定值，如果是这样的话；3)开启上述燃料加热器。
现在，本发明将根据仅通过举例给出的本发明的优选形式、结合附图进行更详细的描述，在附图中图1A图解了毛细管燃料喷射器的剖视图；图1B图解了图1A的一个端视图；图2图解了一台发动机的硬件配置，它使用了图1中图解的毛细管燃料喷射器；图3图解了一个发动机控制单元的配置，它使用了来自氧气传感器的输入值来控制图2所示的硬件配置中的毛细管燃料喷射器；图4图解了一个发动机控制单元的配置，它使用了来自加速器踏板的输入值来控制图2所示的硬件配置中的毛细管燃料喷射器；图5图解了毛细管燃料喷射器的第二方案的剖视图；图6图解了图5中所示的毛细管燃料喷射器的外部立体图。
现在参考图1-6中图解的实施例，其中相似的附图标记自始至终被用来表示相似的部件。
为了减少燃料供给和需求之间的滞后，发动机瞬态时的快速蒸发可以通过将加热后的毛细管的使用与传统燃料喷射器的功能相结合来实现，如在下列专利申请中公开的那样，题名为“用于内燃机的燃料喷射器”、由Pellizzari等人于2002年5月10日提交的美国专利申请序列号10/143,250，作为申请第10/143,250号的一个部分继续申请的题名为“用于内燃机的燃料系统及其控制方法”、由Linna等人于2002年10月31日提交的美国专利申请第10/284,180号，以及作为申请第10/143,250号的部分继续申请的题名为“用于内燃机的带有计量阀的毛细管燃料喷射器”、由Linna等人于2003年1月15日提交的美国专利申请第10/342,267号，并且与本发明有着相同的发明人，这些专利申请中的每一个都被转让给本发明的受让人并且在这里被收编入参考文献中。
上述的申请公开了毛细管流动通道的使用，该毛细管流动通道具有高表面积-容积比并与一个加热器装置相结合以便使用最小功率而快速蒸发燃料。一个优选实施例将毛细管通道自身用作加热器电阻元件。毛细管的入口与燃料源流体连通，而出口与燃料计量阀流体连通。
上述引用的申请中所公开的主要目的是在多点式燃料喷射发动机的冷起动和暖机运转中在三元催化剂(TWC)点火之前减少未燃烧烃的排放。在冷起动和暖机工况下，传统的点式燃料喷射器必定典型地比化学计量燃料量供给得多，以至于足够多的部分在燃烧室内汽化形成一个可燃混合气。如此过度的供油导致废气中高含量的未燃烧烃。相反，使用毛细管燃料喷射器来汽化燃料消除了最初过度供油的需求，从而让发动机在化学计量比或稀薄的状态下起动并且最终减少废气中未燃烧烃的排放。
对于在上述引用的文献中所讨论的实施例，人们相信用于改善发动机瞬态响应的最有用的方案是在图1A中图解的那一个。虽然对于控制瞬态响应的目的来说它是起作用的，但是下面要讨论的另一个后来开发的实施例现在被认为更有用。毛细管燃料喷射器700包含至少一个具有一个入口端714和一个出口端716的毛细管流通管道712。为了把液体燃料引入毛细管流通管道712，入口端714被设置与液体燃料源(例如，油轨，图中未示出)流体连通。有利地，如图1B中所图解的那样，毛细管燃料喷射器700可以包含许多毛细管712以增加燃料的流动能力。
一个柱塞式阀门组件718被定位在壳体750内并且由一个带有导电线圈绕组的螺线管(图中未示出)来操作。如在操作中优选的，当线圈绕组通电时，螺线管元件736就被吸入线圈绕组(图中未示出)的中心。当线圈断电时，螺线管元件736就通过使用弹簧(图中未示出)返回它的初始位置。柱塞组件740与螺线管元件736相连。由线圈绕组通电引起的螺线管元件736的移动使得柱塞组件740被吸离毛细管流通管道712的出口端716，从而允许燃料流过喷孔742。正如可以看到的那样，密封通过柱塞组件740的截锥部分744与壳体750上相配合的锥形密封表面752的紧密配合来实现。正如可以理解的那样，毛细管燃料喷射器700可以与在汽车上应用的燃料喷射器中普遍使用的那种传统的致动器部分相结合。
热源720沿着毛细管流通管道712进行布置并且通过用一根由电阻材料制成的管子构成毛细管流通管道712来提供，当电流源与管子在电接头722和724处相连以传递电流时，毛细管流通管道712的一部分就构成了加热器。热源720于是可加热毛细管流通管道712中的液体燃料到一个足以至少将它的一部分从液态转变为汽化状态并且从毛细管流通管道712的出口端716释放一股大体上汽化了的燃料流的水平。正如可以理解的那样，柱塞组件740与汽化燃料相接触的材料体积是最小的，使得必须被加热以便于防止蒸汽过早冷凝的热质量很小。
毛细管燃料喷射器可以三种方式进行工作。当毛细管燃料喷射器的加热器720被关掉时，为了用作普通的点式燃料喷射器，毛细管712向燃料喷射器壳体750供给液体燃料。在全负荷工况下需要液体燃料以便于1)达到质量流量的要求以及2)控制通过进油汽化燃料的冷却而发生敲缸。
如果毛细管燃料喷射器的加热器720在毛细管流通管道内被加热到燃料的汽化点，那么燃料通过燃料喷射器的质量流速对于大多数工况来说将会太慢。在一个最优功率水平条件下，毛细管712将把燃料加热到这样的一个温度，当燃料通过喷射器的计量孔742经历了急速的压力下降时会发生闪蒸。
最佳的闪蒸加热水平将取决于毛细管材料、内径、外径和加热器长度，以及油轨中的燃料温度和压力。图1A和1B图解了一个几何形状，该几何形状在上面引用的相关申请例如XVA 100027中被指明。
XVA100027的设计使用了四根由18/8不锈钢制成的毛细管，每一根都具有0.020英寸(0.05厘米)的内径、0.033英寸(0.08厘米)的外径以及在加热器接头722和724之间的6.25英寸(15.9厘米)的长度。对于XVA 100027的加热器，320瓦的功率水平和100磅/平方英寸的燃料压力似乎是一个最佳的折衷方案。在下文中，开启毛细管燃料喷射器的加热器的参考值是指在一个足以实现上述闪蒸但是又没有高到可以在毛细管/喷射器燃料通道内产生燃料汽化的功率水平。
这种闪蒸工作方式在题名为“用于内燃机的燃料系统及其控制方法”、由Linna等人于2002年10月31日提交的美国专利申请第10/284,180号中进行了更详细的描述。如在该申请中详述的那样，XVA100027能够产生具有如下特征的液滴尺寸的汽化燃料，该液滴尺寸具有一个与传统点式燃料喷射器所产生的100-300微米的尺寸相比小于约25微米的Sauter平均直径。然而，这里所描述的实施例与关于发动机起动和暖机的控制方法是分开的。
图2图解了与本发明的一个实施例相关的硬件配置。如图2所示，一台火花点火式发动机由每气缸一个的毛细管燃料喷射器来供油。每一个毛细管燃料喷射器都从发动机控制单元(ECU)接收两个信号一个信号是关于加热毛细管，一个信号是关于喷射器中的电磁阀的脉冲宽度调制。作为传统的发动机废气后处理系统的一部分，废气在排放到大气之前要经过TWC。两个线性的废气氧含量传感器如图2所示地定位在发动机的下游。来自每一个线性的废气氧含量传感器的信号作为输入值被传送到ECU中。TWC上游的氧气传感器是主要的化学计量传感器。TWC下游的氧气传感器用于上游氧气传感器的长期校准并用作应急的备用传感器。加速器位置也作为一个输入信号送到ECU中。
应该要承认的是每气缸一个以上的燃料喷射器也可以用来获得汽化燃料更高的质量传送速率。
假定一台已经暖机的发动机，图2所示的硬件配置被用来实现三种不同的毛细管燃料喷射器控制算法。
当线性的废气氧含量传感器安装在发动机上时，两种算法可以基于氧气传感器的输入值。一种模式在部分负荷工况下是有效的，而另一种在全工况下是有效的。
“部分负荷”是汽车工程师使用的没有严格定义的一个术语。一般来说，这是指在任意给定的发动机转速下小于50％的发动机最高输出转矩的某工况。典型的市区内行驶可能具有在全负荷的30％左右或更少的条件下工作的特点而在一个笔直平坦的路面上的公路行驶只需要全负荷的10-15％左右。
图3图解了基于氧气传感器的控制算法。作为一般实践，发动机转速、歧管压力和进气温度被用来以一种普遍引用的方法例如转速-密度方法来计算发动机空气流量。一种可选择的方案是直接使用空气流量计。一旦已知发动机的空气流量，发动机的燃料流量需求就通过一张查找表确定了。在随后的时间步长中，这个值通过使用线性的上游氧气传感器来调整。
如图解的那样，基于一种线性关系，喷射器线圈的脉冲信号宽度与燃料流量需求成比例的进行调整。
在图3中，上游氧气传感器的输入读数与一个接近于化学计量的指示值进行比较。如果读数指示出太浓或太稀的状态，那么一个信号就被送到“与”门。有一个普遍使用的经验法则，当氧气浓度大约在0.7％(不是0)时会存在一个化学计量比状态。同样，众所周知的是，在现代汽车中使用的也称为lambda传感器(λ传感器)的线性氧气传感器对浓度进行测量并产生一个泵电流，该泵电流在一个化学计量比状态时为0，在稀(氧气过多)的状态时为正，而在浓(燃料过多)的状态时为负。关于线性氧气传感器的特征的其他细节可以在RobertBosch股份有限公司于2000年在德国斯图加特市出版的《博世汽车手册》2000年第5版的第117-118页上找到，在这里被收编入参考文献中。判别框表示泵流的绝对值|O2|或模拟量与某一临界值|O2|TH进行比较。图3示出了对于化学计量存在正反偏差的相同临界值，但是一般来说，对比可以是不对称的。
计算所得的燃料流量需求为了数量与部分负荷临界值例如全负荷的50％进行比较。如果模式转换开关与那个判别框的输出端相连，那么当燃料需求少于部分负荷时，逻辑1就传送至“与”门。因此，当氧气传感器指示出与化学计量的偏差超过某一临界值时，毛细管燃料喷射器的加热器的开启信号就在部分负荷工况下产生了。当燃料喷出喷嘴742时，这会引起它的闪蒸。
用于部分负荷的有些任意的50％标准在某种程度上基于毛细管燃料喷射器的输出性能。能够应用的例子有四根毛细管。用八根或十根毛细管来构造毛细管燃料喷射器是相当简单的。那么就可以在更高的负荷水平满足质量流量的要求。简述的更多毛细管的需求适用于如果有人想要控制冷机以及暖机中的瞬态现象。在那种情况下，闪蒸所起的作用很差而燃料可能必须要在离开毛细管之前被汽化，这大大降低了质量流量。在发动机完全暖机的情况下，可能希望闪蒸在该发动机中很容易使由毛细管加热的燃料汽化，取决于发动机的尺寸，可能最少有一根毛细管就够了。
当加热器没有被使用，而是未加热的液体燃料供给给发动机时，控制敲缸变为主要的。这是因为，众所周知，当缸内可燃混合气很热并且汽化良好时，自燃(敲缸)发生得更容易。相反，对于一台热态发动机，因为液体燃料以传统的方式汽化时吸收了来进气歧管中的可燃混合气的热量，所以从燃料喷射器中供给未加热的液体燃料减轻了敲缸。结果产生了有助于防止敲缸的稍微冷一点的缸内可燃混合气。由于敲缸更多地发生在较高负荷条件下，因此在所有高于某一临界值的负荷下关掉毛细管加热器可能更有益于控制敲缸而不是瞬态现象。
该临界值将取决于发动机。对于任何特定的发动机和毛细管设计方案，确定一个适当的值应该很容易。在一台已经暖机的带有敲缸检测装置的发动机中，临界值可以逐渐增加直到敲缸在某一个负荷的工况下开始发生，然后恢复原值。对于发动机设计和工况的某些组合，敲缸可能根本不会发生。在这种极端情况下，可以以一个只要氧气传感器指示出与化学计量有偏差时毛细管加热器就开启的模式进行工作。在那种情况下，模式转换开关将设定为逻辑1并且燃料需求不被考虑。
图4图解了一基于加速器位置的用于控制燃料汽化的算法。这个算法不使用氧气传感器并且因为不需要线性的氧气传感器而具有优势。线性的氧气传感器对于一个否则就要使用不那么贵的二进制氧气传感器的发动机控制系统来说是相当大的额外支出。
如图4中图解的那样，在所有的工况下，喷射器线圈的脉冲信号都以传统的方式受到控制。
加速器位置的输入值被用来计算它的变化率dp/dt。在算法中的每时间步长处，dp/dt的值通过对比当前时间步长的加速器位置和上一个时间步长的加速器位置来确定，由此这两个值之间的差除以已公知的时间步长就是dp/dt。如果dp/dt的值超过一个预定的临界值，毛细管燃料喷射器的加热器开启信号就被激活直到dp/dt下降到临界值以下。每一种发动机的设计方案都必须确定这个临界值，它基于油门打开得多快、传统点式燃料喷射系统的响应和特定的毛细管燃料喷射器的设计方案。
即使ECU响应dp/dt而增加了喷射器线圈的脉冲信号宽度，上面讨论过的使用一个毛细管燃料喷射器来进行汽化燃料的传送将减少与传统的壁面变湿燃料汽化技术有关的时滞。因而，对于小数值的dp/dt，ECU可以增加脉冲信号宽度，而毛细管燃料喷射器的加热器是为大数值预备的。
图5和6图解了一个比图1中图解的毛细管燃料喷射器晚开发的毛细管燃料喷射器100。(较小的附图标记是一个人为结果。两者对于本发明的目的都有用，但是后者更好。)它具有一个用来接纳燃料F的入口190和一个出口192。在形状和装配方面，它可以以一种类似于传统点式燃料喷射器的方式进行设计，以便于大体上可与之互换。作为当前优选的，这个实施例具有一个阀球在锥部内的(ball-in-cone)阀门组件144。一个类似于图1所示类型的毛细管束115定位在喷射器外壳180的中心孔和喷射器中部壳体130内。
毛细管束115被示出拥有许多毛细管流通管道112，每一个毛细管流通管道都有一个通过入口O形护圈113来定位的入口端114和一个终止于圆盘117并且通过喷射器中部壳体130保持在适当位置上的的出口端116。入口护圈113通过O形橡皮圈111保持在适当的位置，该O形橡皮圈密封住了从与入口端114流体连通的油源F来的燃料流。一个塑料联接件170将入口部分190和毛细管束115的入口附接到喷射器中部壳体130上。在一个优选实施例中，毛细管束115被陶瓷套管131所包围。
示意性示出的热源120沿着每一个毛细管流通管道112布置。作为优选的，每一个热源120通过用一根由电阻性材料制成的管子构成毛细管流通管道112来提供，当一个电流源与这里在下面描述的管子相连时，每一个毛细管流通管道112的一部分就构成了一个加热器元件。每一个热源120，正如可以理解的那样，于是可用来将每一个毛细管流通管道112中的液体燃料加热到一个足够的水平，使得闪蒸在喷出喷孔152时发生并且在喷孔152处产生了一股大体上汽化了的燃料流。
在图1的实施例中，毛细管束115可包括一个或更多的薄壁毛细管流通管道112。在这个实施例中，它们具有大约0.028-0.029英寸(0.07厘米)的内径和0.032英寸(0.08厘米)的外径。毛细管流通管道112可以由不锈钢或退过火的InconelTM(国际镍业公司的一个商标)600管构成，每一个毛细管流通管道都带有一段从大约1.25英寸(3.17厘米)到大约2.50英寸(6.35厘米)的加热长度120。当电流被供给毛细管束115时，每一个毛细管通道112的加热源120都变热。当阀门打开时，加热加压后的燃料于是由于经过喷孔152时突然的压力下降而进行闪蒸。
现在，管束115的一个优选方案包括四根18/8不锈钢(AISI Type304)管，该不锈钢管具有0.029英寸(0.074厘米)的内径，0.032英寸(0.08厘米)的外径，以及2.00英寸(5.1厘米)的加热长度。用于由四根不锈钢管组成的管束的最佳功率水平在每100-150毫克/秒的平均燃料流量90-120瓦的范围内。陶瓷管131由94％的氧化铝制成，并带有包围着管束115的0.085英寸(0.22厘米)的内径和0.104英寸(0.26厘米)的外径。这个元件为毛细管既提供了电绝缘又提供了热绝缘，但是主要的目的是提供对壳体130的电绝缘。
再参考图5，一个质量较小的球阀组件144由螺线管128来操作。螺线管128带有可以与电接头以任意传统的方式相连的线圈绕组132。当线圈绕组132通电时，磁场被引导穿过板146，该板与球140相连，因此导致它从圆锥形密封面142上抬起，暴露出一个喷孔152，并且允许燃料流过。当切断线圈绕组132的电力时，弹簧(图中未示出)使板146和附接的球140返回它们的初始位置。该弹簧这样来定尺寸，将球推压上喷射器出口的圆锥形部分的弹簧力足以阻止加压后的液体燃料流进喷射器。
在一个可选择的实施例中，螺线管元件(图中未示出)可以被吸入线圈绕组132的中心来使球140抬起，该球可以与螺线管元件相连。由向线圈绕组132供电而引起的螺线管元件的移动将导致球140离开圆锥形密封面142，暴露出一个喷孔152，并且允许燃料流过。同样，当切断线圈绕组132的电力时，弹簧(图中未示出)使球140返回它的初始位置。
在离开毛细管通道112的出口端116后，燃料流就被引导向燃料喷射器100的内置阀球阀门组件144。如同传统燃料喷射器的情况一样，计量部分150包括螺线管操作的阀球在锥部内的计量阀组件144。致动螺线管128来使板146和球140组件在打开和关闭位置之间移动的动作用来计量离开喷射器100的燃料流量。在离开喷孔152后，燃料就流过一个圆锥烟囱形部分160以在大体上是液体燃料喷射的情况下产生所需的雾化喷射和喷射角。只要球与圆锥表面要形成密封，锥角的值可以跨越一个很宽的范围，烟囱形部分160也用来让喷射器100满足传统点式燃料喷射器对总长度的要求。正如可以理解的那样，喷射器100的正确操作在不包含烟囱形部分160的情况下也是可能的。
与毛细管束115进行电连接以便于提供热源120的当前优选方法是使用与毛细管112焊接上或以别的方式电连接上的金属O形护圈113和金属圆盘117。电线与喷射器中部壳体130相附接，该喷射器中部壳体与圆盘117和另一根与O形护圈113相附接电线存在电接触。
图6图解示出了毛细管燃料喷射器100的外部立体图。与螺线管128相连的电线176和与图5中所示的毛细管束115相连的电线174端接于扁平接线片上。独立的接头主体被使用并且大约成90度地布置在喷射器外壳180上。因而，毛细管加热器可以在不停用操作燃料喷射器球阀的螺线管的情况下通过拔掉一个插头来断开物理连接。
总之，毛细管燃料喷射器可以在许多方面被不同的发动机所使用以减少由于瞬态现象而产生的供油滞后。由于有很多种发动机的尺寸和设计方案，所以每一种都将做不同的最优化。然而，在几乎所有的情形下对于发动机的性能方面提供一些有用的改进都应该很简单。
通过利用一个特定的设计方案已经论证了毛细管燃料喷射器的原理，应该被理解的是使用一个电阻管来传送燃料不是唯一的可能。任何能迅速加热加压后的燃料源的方法都可以获得等效的结果，这样在加热后的燃料离开孔式燃料喷射器的喷嘴时会发生闪蒸。
权利要求
1.一种带有由燃料源供油的燃料喷射器的火花点火式内燃机，其中，每一个燃料喷射器都有一个入口端和一个出口端、一个改良过的加速/减速瞬态控制器，其特征在于，带有燃料加热器的燃料调节装置被设置在燃料源和燃料喷射器出口端之间，其中加热器受到改良过的电子控制单元的控制以减少瞬态现象。
2.根据权利要求1所述的改进型，其特征在于，带有燃料加热器的燃料调节装置包括一根或更多的毛细管，优选是四根毛细管。
3.根据权利要求2所述的改进型，其特征在于，所述毛细管通过沿着毛细管壁通电来加热，所述毛细管优选由不锈钢管制成，更优选的是具有大约为0.08厘米的外径，仍然更优选的是具有大约为0.07厘米的内径和大约为5.0厘米的长度。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的改进型，其特征在于，所述燃料调节装置提供了足够的热量来产生闪蒸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的改进型，其特征在于，所述燃料调节装置被陶瓷外壳所包围。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的改进型，其特征在于，所述改良过的电子控制单元与输出废气氧含量传感器相连并且包含了计算何时与化学计量的偏差超过临界值的逻辑元件，而且如果是这样超过的话，开启所述燃料加热器。
7.根据权利要求6所述的改进型，其特征在于，所述改良过的电子控制单元还包括计算何时发动机负荷比部分负荷大的电路，而且如果是这样大的话，停用燃料加热器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的改进型，其特征在于，所述改良过的电子控制单元与加速器踏板传感器相连并且优选与在踏板速度超过临界值的时候会开启所述燃料加热器的逻辑元件相连。
9.在一种拥有通过带有燃料加热器的燃料调节装置来供油的燃料喷射器的火花点火式内燃机中，一种提供了改善的加速/减速瞬态响应的方法，包含以下步骤1)按照常规检测发动机参数和调节喷射器线圈的脉冲宽度；2)如果废气氧含量传感器指示出超过临界值的稀或浓的状态，那么3)开启所述燃料加热器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，带有燃料加热器的燃料调节装置包括一根或更多的毛细管，优选是四根毛细管。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述毛细管通过沿着毛细管壁通电来加热，所述毛细管优选由不锈钢管制成，更优选的是具有大约为0.08厘米的外径，仍然更优选的是具有大约为0.07厘米的内径和大约为5.0厘米的长度。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的改进型，其特征在于，所述燃料调节装置提供了足够的热量来产生闪蒸。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料调节装置被陶瓷外壳所包围。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤2中稀和浓的氧含量临界值并不相等。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，还包括的其他步骤是1)确定与部分负荷相比燃料需求是否大于临界值，而且如果是这样的话，那么2)中止上述燃料加热器的开启。
16.在一种火花点火式内燃机中，该内燃机拥有一个通过加速器踏板来控制的油门以及拥有通过带有燃料加热器的燃料调节装置来供油的燃料喷射器，一种提供了改善的加速/减速瞬态响应的方法，包含以下步骤1)按照常规检测发动机参数和调节喷射器线圈的脉冲宽度；2)确定踏板位置在上述油门打开方向上的变化速率是否超过预定值，而且如果是这样的话；3)开启所述燃料加热器。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，带有燃料加热器的燃料调节装置包括一根或更多的毛细管，优选是四根毛细管。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述毛细管通过沿着毛细管壁通电来加热，所述毛细管优选由不锈钢管制成，更优选的是具有大约为0.08厘米的外径，仍然更优选的是具有大约为0.07厘米的内径和大约为5.0厘米的长度。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料调节装置提供了足够的热量以产生闪蒸。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料调节装置被陶瓷外壳所包围。
全文摘要
公开了一种用于改善火花点火式燃料喷射内燃机的瞬态响应的设备和方法。这通过使用一个或更多新型毛细管燃料喷射器来实现。这些装置是通过在油管和传统喷射器之间插入一根或更多直径相对较小的管状加热毛细管(712)来改进的点式燃料喷射器(700)。充分的加热可以形成，以使得当燃料离开喷射器时会发生闪蒸。加热器通过使用可以基于废气氧浓度、发动机负荷和加速器踏板位置的控制算法来开启。
文档编号F02M53/02GK1761812SQ200480007082
公开日2006年4月19日 申请日期2004年1月15日 优先权日2003年1月15日
发明者J·-R·林纳, 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