專利名稱：激光加熱系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于加熱發(fā)動機中的燃料的激光器。
背景技術：
發(fā)動機的汽缸中的有效燃燒會受諸多因素的影響，這些因素包括燃料的完全蒸發(fā)和蒸發(fā)的燃料與進氣的均勻化。不完全蒸發(fā)和/或混合會導致燃料經濟性降低、排放較差和不穩(wěn)定燃燒事件，例如不點火。已經采取多種措施改進燃燒效率?？梢栽谌剂系竭_汽缸之前加熱燃料，但是，這實際上會降低發(fā)動機效率，因為熱會逸出至其它組件，例如燃料管路。此外，由于燃料的揮發(fā)性，汽缸外部加熱燃料會增加爆炸的風險。

發(fā)明內容
發(fā)明人認識到上述方法的這些問題，并提供一種至少部分解決這些問題的方法。在一個實施例中，蒸發(fā)燃料的方法包含通過輻射加熱發(fā)動機汽缸中的燃料從而在不點燃的情況下蒸發(fā)燃料。這樣，可以用輻射將汽缸中的燃料加熱至燃料的蒸發(fā)點，從而在點火之前增強蒸發(fā)。在一個實施例中，激光加熱系統(tǒng)可以將激光能量弓I導至汽缸從而在噴射燃料時加熱燃料?？梢曰诶绨l(fā)動機溫度和汽缸壓力這樣的操作條件調整激光能量的一個或多個參數，例如激光能量的焦點位置、激光能量的數量和/或持續(xù)時間。如此，蒸發(fā)燃料所需要的在為了蒸發(fā)和均勻化而優(yōu)化的位置引導的能量的最小量可以用于在燃料隨后點火時，無論通過火花點火、壓縮點火或者其它點火方式，都能提高發(fā)動機效率并降低排放。參見以下詳細說明或結合附圖，本發(fā)明的上述優(yōu)點和其它優(yōu)點以及特征將更加顯而易見。應當理解的是，提供上述內容是為了以簡化的方式介紹在具體實施例部分進一步說明的概念的選擇。并不意味著指出要求保護的主題的關鍵內容或本質特征，本發(fā)明的范圍由權利要求書唯一地限定。此外，要求保護的主題不限于解決以上指出的缺點的實施方式或本發(fā)明的任何部分。


圖1表示多缸發(fā)動機的示例性汽缸。圖2表示包括激光加熱系統(tǒng)的圖1的汽缸的實施例。圖3表示包括聯接至噴嘴的激光加熱器的圖1的汽缸的另一實施例。圖4表示包括可調整的反射區(qū)域的圖1的汽缸的實施例。圖5表示說明通過根據本發(fā)明的實施例的外部燃料加熱源加熱燃料的方法的流程圖。圖6表示說明操作根據本法的實施例的激光加熱系統(tǒng)的方法的流程圖。
圖7表示說明確定根據本發(fā)明的實施例的激光器焦點位置的方法的流程圖。圖8表示說明確定根據本發(fā)明的實施例的激光能量數量和持續(xù)時間的方法的流程圖。圖9表示說明操作根據本發(fā)明的實施例的激光加熱器的方法的流程圖。
具體實施例方式為了改善燃料蒸發(fā)，尤其在發(fā)動機冷起動條件下，可以使用輻射將熱引導至噴射的燃料，在不點燃燃料的情況下提高燃料蒸發(fā)。圖1表示包括汽缸、火花點火系統(tǒng)和燃料噴嘴的示例性發(fā)動機。圖2-4表示圖1的汽缸的各種實施例，其中包括通過輻射加熱汽缸中的燃料的機構以及通過激光加熱器在噴嘴中加熱燃料的機構。圖5-9表示可以由圖1的發(fā)動機的控制系統(tǒng)執(zhí)打的各種控制程序。具體參照圖1，其包括表示多缸內燃發(fā)動機10的一個汽缸的示意圖?？梢杂砂刂破?2的控制系統(tǒng)以及由通過輸入裝置130從車輛駕駛員132得到的輸入至少部分地控制發(fā)動機10。在該實施例中，輸入裝置130包括油門踏板和產生成比例的踏板位置信號PP的踏板位置傳感器134。發(fā)動機10的燃燒汽缸30可以包括燃燒汽缸壁32及設置在其中的活塞36。活塞36可以聯接至曲軸40以便將活塞的往復運動轉化為曲軸的轉動。曲軸40可以通過中間傳動系統(tǒng)聯接至車輛的至少一個驅動輪。此外，起動電動機(starter motor)可以通過飛輪聯接至曲軸40從而能夠使發(fā)動機10起動運行。電池14可以通過交流發(fā)電機(未示出)和一個或多個軸或皮帶輪聯接至發(fā)動機10。電池14可以儲存通過交流發(fā)電機產生自發(fā)動機的轉動的電流并且可以放出能量從而使例如起動發(fā)電機這樣的發(fā)動機組件運轉。燃燒汽缸30可以通過進氣通道42接收來自進氣歧管44的進氣并且可以通過排氣通道48排出燃燒氣體。進氣歧管44和排氣通道48分別可以通過進氣閥52和排氣閥54選擇地與燃燒汽缸30連通。在一些實施例中，燃燒汽缸30可以包括兩個或更多個進氣閥和/或兩個或更多個排氣閥。在該實施例中，進氣閥52和排氣閥54可以分別通過凸輪驅動系統(tǒng)(camactuation system) 51和53受凸輪驅動的控制。凸輪驅動系統(tǒng)51和53可以每個都包括一個或多個凸輪，并且可以利用可以由控制器12操作的一個或多個凸輪輪廓變換(CPS)系統(tǒng)、可變凸輪正時(VCT)系統(tǒng)、可變氣門正時(VVT)系統(tǒng)和/或可變氣門升程(VVL)系統(tǒng)來改變閥門操作。進氣閥52和排氣閥54的位置可以分別由位置傳感器55和57確定。在可選擇的實施例中，進氣閥52和/或排氣閥54可以由電動閥門驅動控制。例如，汽缸30可以可選擇地包括通過電動閥門驅動控制的進氣閥和通過包括CPS系統(tǒng)和/或VCT系統(tǒng)的凸輪驅動控制的排氣閥。所示的燃料噴嘴66直接聯接至燃燒汽缸30，用于按照通過電子驅動器68從控制器12接收到的信號脈沖寬度FPW成比例地直接噴射其中的燃料。這樣，燃料噴嘴66提供被稱為燃料向燃燒汽缸30中的直接噴射。燃料噴嘴可以例如安裝在燃燒汽缸的一側或者安裝在燃料汽缸的頂部?？梢酝ㄟ^包括燃料箱、燃料泵和燃料分配管的燃料輸送系統(tǒng)(未示出)將燃料輸送至燃料噴嘴66。在一些實施例中，燃燒汽缸30可以可選擇地或附加地包括以以下結構設置在進氣通道42中的燃料噴嘴:提供被稱為燃料向燃燒汽缸30的進氣口上游的氣道噴射(port injection)。進氣通道42可以包括氣流運動控制閥(charge motion control valve, CMCV)74和CMCV板72并且還可以包括具有節(jié)流閥板64的節(jié)流閥62。在該特定實施例中，可以通過提供至包括在節(jié)流閥62中的電動機或促動器的信號由控制器12改變節(jié)流閥板64的位置，該結構可以被稱為電子節(jié)流閥控制(ETC)。這樣，可以操作節(jié)流閥62改變提供至其它發(fā)動機燃燒汽缸中的燃燒汽缸30的進氣。進氣通道42可以包括分別將信號MAF和MAP提供至控制器12的空氣流量傳感器120和歧管空氣壓力傳感器122。在選擇操作模式下，點火系統(tǒng)88可以響應來自控制器12的火花提前信號SA通過火花塞92將點火火花提供至燃燒室30。盡管示出了火花點火組件，但在一些實施例中，可以在有點火火花或沒有點火火花的情況下以壓縮點火模式操作燃燒室30或發(fā)動機10的一個或多個其它燃燒室。所示的排氣傳感器126聯接至催化轉化器70上游的排氣通道48。傳感器126可以是用于提供排氣空氣/燃料比的指示的任何適合的傳感器，例如線性氧傳感器(linearoxygen sensor)或 UEGO (通用或寬域廢氣氧(universal or wide-range exhaust gasoxygen))傳感器、雙態(tài)氧傳感器或EGO傳感器、HEGO (加熱的EG0)傳感器、NOx傳感器、HC傳感器或CO傳感器。排氣系統(tǒng)可以包括起燃催化劑(light-off catalysts)和底部催化齊U，以及排氣歧管、上游和/或下游空氣-燃料比傳感器。在一個實施例中，催化轉化器70可以包括多個催化劑塊(catalyst brick)。在另一實施例中,可以使用每個都具有多個塊的多個排放控制裝置。在一個實施例中，催化轉化器70可以是三效型催化劑(three-waytype catalyst)。圖1中所示的控制器12為微型計算機，包括微處理器單元102、輸入/輸出端口104、在該特定實施例中示為只讀存儲器芯片106的用于可執(zhí)行程序和校準值的電子存儲介質、隨機存取存儲器108、不失效記憶體(keepalive memory)110和數據總線?？刂破?2可以接收來自聯接至發(fā)動機10的傳感器的各種信號和信息，除了前述的那些信號以外，還包括:來自空氣流量傳感器120的引入的空氣流量(MAF)的測量結果；來自聯接至冷卻套管114的溫度傳感器112的發(fā)動機冷卻液溫度(ECT);來自聯接至曲軸40的霍爾效應傳感器118 (或其它類型)的表面點火感測信號(profileignition pickup signal) (PIP);來自節(jié)流閥位置傳感器的節(jié)流閥位置(TP);以及來自傳感器122的絕對歧管壓力信號MAP?？梢杂帽硎居商幚砥?02執(zhí)行的指令的計算機可讀數據為存儲介質只讀內存106編寫程序，從而執(zhí)行下述方法以及方法的各種變體。發(fā)動機冷卻套管114聯接至客艙加熱系統(tǒng)(cabinheating system) 9。如上所述，圖1僅表示多缸發(fā)動機的一個汽缸，并且每個汽缸可以類似地包括其各自的進氣/排氣閥、燃料噴嘴等等。在某些條件下，例如在發(fā)動機冷起動條件下，噴射到汽缸中用于燃燒的燃料會是冷的、阻礙有效蒸發(fā)和均勻化的。在一些實施例中，可以通過輻射加熱源加熱燃料。圖2和3描繪通過輻射加熱源加熱燃料的兩個示例性實施例。圖2描繪通過輻射直接加熱汽缸中的燃料的實施例，圖3描繪利用聯接至噴嘴的激光加熱器加熱噴嘴中的燃料的實施例。圖2和圖3都描繪圖1所示的汽缸30。盡管沒有在圖2和3中示出，但應當理解的是，參照圖1所描述的其它組件可以包括在圖2和3所描繪的實施例中。
圖2表示包括激光激發(fā)器188和激光控制單元(IXU) 190的激光加熱系統(tǒng)192。IXU 190使激光激發(fā)器188產生激光能量。IXU 190可以接收來自控制器12的操作指令。激光激發(fā)器188包括激光振蕩部分186和光會聚部分(light converging portion) 184。光會聚部分184將激光振蕩部分186產生的激光會聚在燃燒汽缸30的焦點182上。激光加熱系統(tǒng)192可以在燃料噴射過程中或緊隨燃料噴射將激光能量引導至燃燒汽缸30的一個或多個位置。在一個實施例中，激光加熱系統(tǒng)192可以將激光能量引導至位于鄰近燃料噴嘴頂端的位置的燃料，從而將激光能量提供給噴射的燃料。該激光能量會加熱燃料，導致其蒸發(fā)。激光加熱系統(tǒng)192可以設置為由控制器12通過LCU 190控制，從而在不點燃燃料的情況下，在有效蒸發(fā)燃料的最佳位置將特定數量的激光能量提供至燃燒汽缸30 —段持續(xù)時間。一俟蒸發(fā)，可以通過火花點火系統(tǒng)88點燃燃料。激光加熱系統(tǒng)192設置為根據汽缸條件調整一個或多個激光操作參數。例如，可以在發(fā)動機的進氣和/或動力沖程過程中利用激光能量加熱噴射的燃料，包括在發(fā)動機起動(engine cranking)過程中、發(fā)動機預熱操作過程中和已預熱的發(fā)動機操作過程中。由燃料噴嘴66噴射的燃料會在進氣沖程的至少一部分過程中形成空氣-燃料混合物，在該過程中，燃料的蒸發(fā)和由激光激發(fā)器188產生的激光能量增加了燃料的均勻化從而形成在被點火系統(tǒng)點燃時會更加有效燃燒的空氣/燃料混合物。IXU 190可以引導激光激發(fā)器188從而根據操作條件在不同位置聚焦激光能量。例如，IXU 190可以基于燃料噴嘴66的位置和角度引導激光激發(fā)器188在默認位置(default location)聚焦激光能量?？梢曰谄讐毫?、汽缸中進氣的潤流、進氣和排氣閥開啟的時機等調整該默認位置。利用激光加熱系統(tǒng)192加熱可以選擇性地發(fā)生，并且可以對例如發(fā)動機冷卻液溫度(ECT)這樣的溫度作出響應而執(zhí)行利用激光加熱系統(tǒng)192加熱。在一個實施例中，IXU190僅在ECT低于閾值時在燃料噴射過程中會弓I導激光激發(fā)器188聚焦激光能量。此外，IXU190僅在電池的充電狀態(tài)處于閾值水平之上時在燃料噴射過程中會引導激光激發(fā)器188聚焦激光能量。在此情況下，可以最小化用于操作激光加熱系統(tǒng)192的能量的數量?？刂破?2控制IXU 190并且具有永久計算機可讀存儲介質，包括用于基于汽缸壓力(例如基于相對于上死點(TDC)的活塞36的位置)調整激光能量輸送的位置的編碼?？梢栽谄?0中的不同位置引導激光能量?？刂破?2還可以結合用于確定發(fā)動機10的操作模式的附加的或可選擇的傳感器，包括附加的溫度傳感器、壓力傳感器、扭矩傳感器以及檢測發(fā)動機轉動速度、空氣量和燃料噴射量的傳感器。此外或可選擇地，LCU190可以與各種傳感器，例如霍爾效應傳感器118，直接連通，用于確定發(fā)動機10的操作模式。圖3表示通過激光加熱器加熱燃料的實施例。在該實施例中，激光加熱器194設置在噴嘴66周圍。激光加熱器194可以設置為將激光能量引導至噴嘴66，例如引導至釋放燃料的噴嘴的頂端。與上述參照圖2說明的激光加熱系統(tǒng)192類似，激光加熱器194可以具有激光激發(fā)器。在描繪的實施例中，激光激發(fā)器整合在激光加熱器194中。此外，可以提供激光控制單元190控制提供至激光加熱器194的激光能量的數量，以及提供激光能量的時機和持續(xù)時間。盡管圖3和4描繪利用激光能量的燃料加熱系統(tǒng)的實施例，但在一些實施例中，還可以使用不同于激光能量的微波激射能量(maser energy)。微波激射器設置為發(fā)射能量會低于由激光器發(fā)射的輻射的微波能量。這樣，微波激射器能夠在無點燃風險的情況下將燃料加熱至蒸發(fā)點。此外，微波激射器可以利用比激光器更少的能量，因此會更加節(jié)能高效并且成本效益高。圖4表示可以包括在發(fā)動機10中的活塞36的實施例。圖4的活塞包括可移動反射區(qū)202，這里所示的可移動反射區(qū)202位于活塞36的頂面?？梢苿臃瓷鋮^(qū)202可以是能夠容納于活塞36和汽缸30中的各種適合的尺寸或形狀。此外，活塞36可以與超過一個的可移動反射區(qū)202相關聯。為了便于激光能量在在整個燃燒汽缸30中有更大的分布,一個或多個反射區(qū)202可以通過將激光能量改變方向至多個不同的汽缸位置從而協(xié)助激光加熱系統(tǒng)192加熱噴射的燃料。盡管在另一實施例中，一個或多個反射區(qū)202可以靜止但不阻止激光激發(fā)器188在用于點燃空氣/燃料混合物的第一位置聚焦激光能量，但一個或多個反射區(qū)202的動態(tài)性質允許反射區(qū)202可以在一些情況下得以使用(例如，在加熱過程中)并且在其它情況下不可用(例如，在燃燒過程中或當加熱不再有利時)。一個或多個反射區(qū)202可以設置在燃燒汽缸30中的其它位置以協(xié)助激光能量改變方向，因此有利于燃燒汽缸30中激光能量的更大分布?？蛇x擇地，在另一實施例中，在不存在于燃燒汽缸30中的反射區(qū)202的幫助下，激光激發(fā)器188可以產生并引導激光能量。圖5表示用于操作外部燃料加熱源的方法500?？梢皂憫诎l(fā)動機條件由例如控制器12這樣的車輛控制系統(tǒng)執(zhí)行方法500，該發(fā)動機條件指示加熱源對燃料的增強的蒸發(fā)可以用于有效地蒸發(fā)燃料。這樣的條件包括發(fā)動機起動，尤其是發(fā)動機冷起動。因此，在501，方法500包括確定發(fā)動機是否起動。在發(fā)動機起動過程中，發(fā)動機和燃料會是冷的，這對會增加排放的較差燃料蒸發(fā)有貢獻。如果發(fā)動機沒有啟動，例如，如果發(fā)動機之前已經起動并正在運轉，則方法500進入510，在沒有用外部加熱源加熱燃料的情況下操作發(fā)動機，因為由發(fā)動機產生的熱會加熱燃料足以有效地蒸發(fā)燃料。此處所使用的“外部燃料加熱源”可以包括除了由燃燒產生的熱和相關的廢熱以外的加熱源，例如聯接至汽缸的激光加熱系統(tǒng)。如果發(fā)動機正在起動，則方法500進入502確定發(fā)動機溫度是否低于閾值。例如，可以基于由傳感器112確定的發(fā)動機冷卻液溫度(ECT)推斷發(fā)動機溫度。閾值可以是燃料不會有效地蒸發(fā)時的適合的閾值，例如環(huán)境溫度，或者例如100° F的具體溫度。如果答案是否定的，并且發(fā)動機溫度不低于閾值，則方法500進入510，在沒有用外部加熱源加熱燃料的情況下操作(例如，繼續(xù)起動)發(fā)動機。如果答案是肯定的，并且發(fā)動機溫度低于閾值，則方法500進入504,確定電池充電狀態(tài)是否大于閾值。電池充電狀態(tài)例如可以通過監(jiān)測流入和流出電池的電流、電池電壓、電池溫度、電池壽命或它們的各種組合來確定。如果電池充電狀態(tài)不大于閾值，例如，大于30%，則操作外部燃料加熱源的能量會對電池和電氣系統(tǒng)施加相當大的負荷，尤其是在起動裝置和/或其它組件已經會產生明顯電力負荷的發(fā)動機冷起動過程中。因此，方法500進A 510,在沒有利用外部燃料加熱源的情況下操作(例如，起動)發(fā)動機。如果充電狀態(tài)在閾值之上，則方法500進入506，操作外部燃料加熱源從而加熱燃料以增強蒸發(fā)。如前參照圖2和3所述，外部加熱源可以是緊隨燃料噴射到汽缸中之后將輻射能量直接提供給燃料的激光或微波激射加熱系統(tǒng)。在其它實施例中，外部加熱源可以是在噴射燃料時引導輻射能量加熱噴嘴的聯接至噴嘴的激光或微波激射加熱器?？梢载灤┌l(fā)動機循環(huán)(例如，在燃料噴射之前的進氣沖程)提供供應至加熱燃料的輻射，從而將汽缸和/或噴嘴維持在足以有效蒸發(fā)燃料的溫度。然而，在其它實施例中，可以僅在燃料噴射過程中或緊隨燃料噴射之后提供輻射，從而提供能量的離散脈沖以蒸發(fā)燃料。這樣，可以僅提供蒸發(fā)燃料所需的能量，并且可以避免過多的能量消耗。一俟噴射燃料，無論是否在506通過外部加熱源加熱燃料或者無論是否在510通過外部加熱源加熱燃料，在508通過火花點火系統(tǒng)點燃噴射的燃料，然后方法500退出。除了發(fā)動機冷啟動以外，通過外部燃料加熱源加熱的燃料會有利于在其它操作條件下蒸發(fā)燃料，特別是其他起動條件。這樣的條件可以包括怠速熄火之后的發(fā)動機自動起動，或者包括具有高乙醇百分比的燃料的噴射的發(fā)動機起動等等。正如之前說明的，外部燃料加熱源可以是激光加熱系統(tǒng)，或者在其它實施例中，其可以是激光加熱器。圖6表示利用聯接至汽缸的激光加熱系統(tǒng)蒸發(fā)燃料的方法600，激光加熱系統(tǒng)例如是參照圖2說明的激光加熱系統(tǒng)。如果確定將要用外部燃料加熱源加熱燃料，可以由控制器12執(zhí)行方法600作為如圖5所不的方法500的一部分。方法600包含:在602，確定燃料含量參數。發(fā)動機中噴射的燃料可以根據諸多因素改變其組成。例如，在一些地理區(qū)域，在油箱再補充過程中可用的燃料可以是與其它地理區(qū)域相比辛烷值較低的燃料。此外，一些燃料可以僅包含汽油，而其它燃料可以例如是汽油和乙醇的混合物。除此之外，可以根據一年中的時節(jié)，例如季節(jié)改變燃料混合物，因為燃料的性能需要會隨環(huán)境溫度改變而改變。這些變化的燃料參數會改變燃料的蒸發(fā)點，因為例如乙醇具有與例如傳統(tǒng)的汽油相比較高的蒸發(fā)溫度。照此，當利用激光加熱系統(tǒng)加熱燃料時，在不點燃的情況下確定蒸發(fā)燃料所需要的激光能量的數量和/或持續(xù)時間時會考慮燃料的參數。確定燃料含量參數可以包括在604基于排氣傳感器輸出確定燃料含量參數。例如傳感器126這樣的排氣傳感器可以設置為將信號發(fā)送至可以用于測量燃料的乙醇含量的控制器。例如，通過確定排氣中源自于水的氧分子的分數，可以確定燃料的乙醇含量。此夕卜，可以在606基于一年中的時節(jié)(例如季節(jié))和/或地理位置確定燃料含量參數。在608，可以基于發(fā)動機溫度確定燃料的初始溫度。燃料的初始溫度可以是噴射燃料之前的通過總的發(fā)動機溫度估計的燃料溫度。激光加熱系統(tǒng)可以設置為在燃料離開噴嘴的汽缸區(qū)域中引導激光能量束。燃料噴射時行進的方向、燃料與進氣的混合水平以及燃料的溫度和汽缸的溫度都會影響燃料蒸發(fā)的效率。照此，激光加熱系統(tǒng)可以設置為基于汽缸操作參數調整一個或多個參數，例如調整激光焦點位置，從而有效地蒸發(fā)噴射的燃料。為此，在610確定汽缸操作參數。汽缸操作參數可以包括點火時機、凸輪軸位置、活塞位置、氣流運動控制閥位置、節(jié)流閥位置等等。可以相對于燃料噴射確定這些汽缸操作參數，例如，可以在燃料噴射之前的時間點或燃料噴射過程中確定這些汽缸操作參數。在612，基于汽缸操作參數確定激光焦點位置。以下將參照圖7更加詳細地說明激光器焦點位置的確定。在614，基于燃料溫度、燃料參數和汽缸操作參數確定將要由激光加熱系統(tǒng)發(fā)出的激光能量的持續(xù)時間和數量，正如以下將參照圖8進行更加詳細的說明的那樣。在616，在燃料噴射過程中操作激光激發(fā)器在確定的位置發(fā)出激光能量持續(xù)確定的持續(xù)時間。因為燃料蒸發(fā)和混合會受到例如汽缸壓力這樣的汽缸操作參數的影響，所以可以基于汽缸操作參數調整由激光加熱系統(tǒng)提供的激光能量的位置和持續(xù)時間以及激光能量的數量，正如以下參照圖7-8進行說明的那樣。圖7表示用于確定激光加熱系統(tǒng)的焦點位置的方法700。方法700可以在實施方法600的過程中由控制器120執(zhí)行，從而確定激光器焦點位置，例如，在612。方法700包括，在702，基于燃料噴嘴的位置和角度設定初始焦點位置。初始焦點位置可以是在車輛制造時預先確定的默認位置，因為噴嘴的位置和角度不大可能改變?？梢詫⒓す馄鹘裹c位置初始設定為鄰近燃料離開噴嘴的位置，以便當噴射燃料時和分散燃料并與進氣混合之前蒸發(fā)燃料。然而，各種汽缸操作參數會影響燃料離開噴嘴的角度、噴射后燃料行進的方向、燃料多快分散等等，這些都會對燃料蒸發(fā)的效率產生影響。為了說明由上述汽缸操作參數導致的燃料離開噴嘴后的行進路徑的改變，方法700包括在704基于相對于燃料噴射的操作參數調整焦點位置。調整焦點位置可以包括在706當活塞位置移動更接近TDC時朝噴嘴和/或遠離汽缸壁移動焦點位置。在壓縮沖程中，當活塞向上行進時，汽缸壓力增加，并且會增加至足以破壞噴射的燃料的流動路徑。照此，可以將激光器焦點位置調整至更接近初始噴射位置，因為汽缸壓力會阻止燃料的分散超過初始噴射點。可以基于燃料相對于活塞位置的噴射時機調整激光器焦點位置，例如，在初期燃料噴射事件過程中，可以更遠離活塞噴射燃料(因為活塞進一步來自TDC)，以及在后燃料噴射事件過程中，可以更接近活塞噴射燃料。在另一實施例中，可以根據燃料噴射時機調整焦點位置。調整焦點位置可以包括在708當氣流運動控制閥(CMCV)關閉時朝汽缸的中心移動焦點。CMCV設置為在關閉時，尤其是在低發(fā)動機速度和負載時，在汽缸中產生進氣的額外的渦旋和翻滾。額外的渦旋會使燃料移動更接近汽缸的中心，并且可以相應地調整焦點位置。調整焦點位置可以包括在710當排氣閥開啟時朝汽缸的中心移動焦點。開啟排氣閥會導致空氣朝排氣通道移動，并且致使燃料更加朝汽缸的中心分散，因此可以調整激光器焦點位置從而進行補償。這里所述的基于汽缸參數對焦點位置的示例性調整不是限制性的。會改變燃料噴射后的流動的其它汽缸參數包括節(jié)流閥的位置、進氣閥的位置等。此外，每一個列出的汽缸操作參數可以以各種組合出現，例如，CMCV可能關閉并且在同一時刻(例如在燃料噴射過程中)活塞可能接近TDC，照此，焦點位置可以基于這些參數。在這樣的情況下，汽缸壓力會改變燃料的向下流動，但增加的渦旋會抵消它。焦點位置可以位于為每一個參數各自確定的位置之間的中間或以另一種合適的方式調整。在一些實施例中，可以正好在燃料噴射之前設定激光器焦點位置，并且設定后就不會改變。在另一實施例中，可以在燃料噴射之前設定焦點位置，然后在燃料噴射過程中或者緊隨燃料噴射改變焦點位置，從而跟隨燃料路徑由于改變汽缸操作參數而引起的改變。圖8表示用于確定激光加熱系統(tǒng)提供的激光能量的數量和/或持續(xù)時間的方法800。在執(zhí)行方法600的過程中可以由控制器12執(zhí)行方法800，從而確定激光能量的數量和持續(xù)時間，例如，在614。方法800包括，在802，基于初始燃料溫度和燃料的蒸發(fā)點設定初始能量數量和持續(xù)時間。例如，可以確定燃料的蒸發(fā)溫度和初始溫度之間的差值，可以基于該差值設定提供的激光能量的數量以及持續(xù)時間，使得噴射的燃料的溫度可以增加至蒸發(fā)點而不超過蒸發(fā)點。與以上參照圖7說明的會影響燃料路徑的操作參數類似，汽缸操作參數也會影響在不點燃的情況下蒸發(fā)燃料所需的能量的數量。因此，在804，可以基于相對于燃料噴射的操作參數調整由激光加熱系統(tǒng)提供的激光能量的數量和/或持續(xù)時間。在806，可以隨著活塞位置移動更接近TDC而減少提供的能量的數量?；钊浇咏黅DC，汽缸中就會建立更多的壓力。結果，汽缸中空氣的溫度會增加，當噴射燃料時，燃料的溫度增加。因此，蒸發(fā)燃料會需要較少的激光能量。在808，由激光加熱系統(tǒng)提供的激光能量的數量會隨著CMCV開啟而增加。當發(fā)動機速度和/或負載增加時，CMCV趨于開啟，因為到達汽缸的進氣的數量增加。由于進氣量增加，汽缸的溫度會降低。此外，噴射的燃料的數量會隨著負載的增加而增加。因此，提供的激光能量的數量會增加從而蒸發(fā)燃料。類似地，在810，提供的激光能量的數量會隨著發(fā)動機速度和負載增加而增加。因此，上述參照圖5-8說明的方法用于利用激光加熱系統(tǒng)在燃料噴射到汽缸的過程中加熱燃料。提供的用于加熱燃料的激光能量的數量可以基于燃料的初始溫度和燃料的蒸發(fā)點，并且可以基于燃料噴嘴的位置將其引導至汽缸中的某一位置?？梢曰诶缁钊恢?、CMCV位置等這樣的相對于燃料噴射時機的操作參數調整提供的能量的數量和焦點位置。燃料一俟噴射，就會被激光加熱系統(tǒng)蒸發(fā)并且在汽缸中與空氣混合，提供可以被火花點火系統(tǒng)點燃的燃料/空氣混合物。照此，可以基于燃料噴射時機相對于曲軸和/或活塞位置調整激光器的操作，例如用于蒸發(fā)燃料的加熱時機和強度。在一個實施例中，激光加熱可以在進氣沖程噴射過程中相對于進氣沖程的TDC較早地開始，并持續(xù)較短的持續(xù)時間；反之，激光加熱可以在壓縮沖程噴射過程中相對于進氣沖程的TDC較晚地開始，并持續(xù)較長的持續(xù)時間。在另一實施例中，可以基于燃料噴射時機相對于進氣和/或排氣閥開啟時機調整激光加熱的時機。在一個實施例中，如果在噴射過程中進氣閥開啟，則激光加熱可以在相對于燃料噴射較早的時刻開始，或者如果排氣閥開啟，則激光加熱可以在相對于燃料噴射較晚的時刻開始。在一些實施例中，激光加熱可以在燃料噴射已經起動之后開始并在燃料噴射完成之后但在火花點火之前結束。此外，在一些實施例中，可以基于噴射的燃料的燃料乙醇組成調整激光加熱的時機和/或強度。例如，如果噴射的燃料具有相對高的乙醇含量，則與具有較低的乙醇含量的燃料相比，激光加熱可以相對于噴射時機較早地開始。同樣，對于高乙醇含量燃料，激光加熱的強度和激光加熱的持續(xù)時間會相對于較低乙醇含量燃料增加。在另一實施例中，可以通過聯接至燃料噴嘴的激光加熱器加熱燃料，其中激光加熱器將激光能量引導至噴嘴以在噴射燃料時加熱燃料。圖9表示利用聯接至噴嘴的激光加熱器，例如參照圖3說明的激光加熱器，蒸發(fā)燃料的方法900。如果確定將要用外部燃料源加熱燃料，可以由控制器12執(zhí)行方法900作為參照圖5說明的方法500的一部分。在902，方法900包括確定燃料含量參數。與參照圖6說明的方法600的602類似，確定燃料含量參數可以包括在904基于排氣傳感器輸出確定燃料含量參數以及/或者可以在906基于季節(jié)和/或地理位置確定燃料含量參數。在908，可以基于發(fā)動機溫度確定燃料的初始溫度。與方法600的608類似，燃料的初始溫度可以是噴射之前的燃料溫度，如通過總的發(fā)動機溫度所估計的。在910，在燃料噴射過程中操作激光加熱器。操作激光加熱器可以包括在912操作激光激發(fā)器激發(fā)被引導至燃料噴嘴的激光發(fā)射。發(fā)出的激光能量的數量和/或持續(xù)時間可以在914基于之前確定的燃料蒸發(fā)點和初始燃料溫度。例如，可以確定蒸發(fā)溫度和初始溫度之間的差值，可以基于該差值設定提供的激光能量的數量和持續(xù)時間，使得噴射的燃料的溫度會增加至蒸發(fā)點而不超過蒸發(fā)點。然而，在一些實施例中，燃料可以由激光加熱器加熱至正好低于蒸發(fā)點的溫度，從而避免噴嘴中燃料蒸汽的出現。應當理解的是，這里公開的結構和方法實質上是示例性的，并且這些具體的實施例不能以限制的意義考慮，因為可能存在諸多變體。例如，上述技術可以應用于V-6、1-4、1-6、V-12、直列四缸和其它發(fā)動機類型。本發(fā)明的主題包括這里所公開的各種系統(tǒng)和結構以及其它特征、功能和/或性質的所有新穎的和非顯而易見的組合及子組合。權利要求書具體指出認為新穎和非顯而易見的特定的組合和子組合。這些權利要求可以涉及“一個”元件或“第一”元件或其等同物。應當將這樣的權利要求理解為包括一個或多個這樣的元件的結合，既不必需也不排除兩個或更多這樣的元件。公開的特征、功能、元件和/或性質的其它組合和子組合可以通過本發(fā)明的權利要求書或通過以此或相關應用中的新的權利要求書的限定主張權利。這樣的權利要求書，無論較寬、較窄、相等或不同于原始權利要求書的范圍，也可以看作是包括在本發(fā)明的主題內。
權利要求
1.一種蒸發(fā)燃料的方法，其特征在于，包含: 通過輻射加熱發(fā)動機汽缸中的燃料從而在不點燃的情況下蒸發(fā)燃料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包含用火花點火點燃汽缸中的燃料。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，通過輻射加熱發(fā)動機汽缸中的燃料進一步包含通過聯接至汽缸的微波激射器加熱發(fā)動機汽缸中的燃料。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，通過輻射加熱發(fā)動機汽缸中的燃料進一步包含通過聯接至汽缸的激光器加熱發(fā)動機汽缸中的燃料。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，進一步包含基于相對于氣流運動控制閥位置的燃料噴射時機調整激光器焦點位置。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，進一步包含基于相對于活塞位置的噴射時機調整激光器焦點位置。
7.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，進一步包含基于相對于進氣閥位置和/或排氣閥位置的噴射時機調整激光器焦點位置。
8.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，進一步包含基于相對于進氣和排氣閥開啟時機的燃料噴射時機調整激光加熱時機。
9.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，進一步包含基于噴射的燃料的燃料乙醇組成調整激光加熱的時機或強度。
10.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，進一步包含基于相對于活塞位置的燃料噴射時機調整激光加熱的時機，激光加熱在燃料噴射開始之后開始但在燃料噴射結束之后但在打火時機之前結束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種蒸發(fā)燃料的方法。該方法包含通過輻射加熱發(fā)動機的汽缸中的燃料從而在不點燃的情況下蒸發(fā)燃料。這樣，可以加熱燃料從而在點火之前增加蒸發(fā)效率。
文檔編號F02M31/16GK103104381SQ20121045520
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權日2011年11月14日
發(fā)明者道格拉斯·雷蒙德·馬丁, 肯尼斯·詹姆斯·米勒 申請人:福特全球技術公司