[发明专利]采用按需直接乙醇喷射辛烷提升的用于汽油和灵活乙醇供能的车辆的燃料箱系统

说明书

技术领域

本申请声明2009年11月23日提交的美国临时专利申请第61/263,426号的优先权，所述临时专利的公开通过引用全文合并于此。

背景技术

关于全球气候变化与能源安全的日益关注需要有成本效益的新途径来减少轿车和其他车辆中化石燃料的使用。进来的国内立法和关于减少温室气体的京都协议对于减少CO₂排放提出了挑战性的目标。例如，加利福尼亚立法要求在2015年之前分阶段降低产生的CO₂达到30%。其他州可能跟随加利福尼亚建立低排放目标。虽然正在追求新技术例如电动车辆，但仍然需要采用当前可用技术的有成本效益的途径以实现广泛的用途需要满足这些关于降低化石燃料消耗的积极目标。通过使汽油发动机的效率大幅提高成为可能，乙醇生物燃料可以在满足这些目标上扮演重要的角色。

改进传统汽油发动机效率的一个方式是通过使用高压缩比操作，特别是与较小尺寸的发动机结合起来使用。发动机的积极的涡轮增压（或机械增压）对自然吸气汽缸压力提供增强的增压。此压力增压允许被强烈涡轮增压的发动机匹配大得多的发动机的最大扭矩和功率能力。所以，此发动机可在需要时产生增大的扭矩和功率。该规模缩小的发动机由于其低摩擦（尤其是在典型市区驾驶时使用的负荷下）而有利地具有更高的燃料效率。

发动机效率还可以通过使用更高压缩比来提高。压缩比定义为当活塞在其冲程底部时汽缸的总体积相比于当活塞在其冲程顶部时汽缸的体积。类似于涡轮增压，该技术用于在燃烧时进一步提高汽油/空气混合物的压力。

不过，这些技术的使用受到发动机爆震问题限制。爆震是由于尾气（end gas）自燃引起的不希望的燃料能量高速释放，并会损坏发动机。爆震最常在高扭矩值下发生在汽油/空气混合物的压力和空气超过某些水平时。在这些高温度和压力水平下，汽油/空气混合物变得不稳定，并从而可能在没有火花的情况下燃烧。

辛烷值表示燃料对于自燃的抗性。所以，高辛烷汽油（例如，对于常规汽油而言，辛烷值93比起辛烷值87）可用于防止爆震并允许在更高的最大扭矩和功率值下操作。另外，发动机操作的其他改变（例如修改的气门正时）也是有帮助的。然而，只有这些改变不足以完全实现涡轮增压及更高的压缩比的优点。

使用较高辛烷燃料可以减少爆震的问题。例如，通常向汽油内加入乙醇。乙醇具有大概110的混合辛烷值，并且由于其是能够使用生物质获取的可再生能源而具吸引力。当前可获得的许多汽油混合物为约10%体积的乙醇。不过，这种乙醇的引入对于混合物的总体辛烷几乎没有影响。包含更高比例乙醇的混合物（例如E85）受到其他缺点的困扰。特别地，乙醇比汽油更贵，并在其供应上有多得多的限制。因此乙醇不大可能单独替代汽油作为汽车和其他车辆的燃料。其他燃料（例如甲醇）也有较高的混合辛烷值（例如130），但受到上列同样缺点的困扰。

将具有醇成分（例如乙醇或甲醇）的防爆震流体直接喷射到汽缸内在汽油/空气混合物上具有稳定效果并降低爆震的可能性。在一些实施例中，防爆震流体还可包括汽油和/或水。图5示出代表性的提升系统。

如美国专利第7,314,033和7,225,787号所描述，通过基本去除对于发动机性能的爆震限制并从而允许使用小型、高涡轮增压及高压缩比的发动机作为大得多的排气发动机的替代品，由独立的直接乙醇喷射所提供的按需辛烷提升可以使得能够实现高的燃料经济性。这些小型发动机可以在提供与较大发动机相比相同或更高性能的同时以明显更高的效率操作。

这一能力使得在相对低成本情况下的高燃料经济性成为可能：

1.汽油供能的车辆——这些车辆使用最小量的乙醇，所述乙醇被直接喷射并被独立控制。当车辆基本上由汽油供能时，对于按需辛烷提升而言，分离的箱所需的乙醇或E85的量通常在仅4到20加仑/年的量级。对5千万车辆来说，此小量乙醇将需要每年不到10亿加仑，其约为当前美国乙醇产量的约25%以及五年后预计乙醇产量的约13%。在这些车辆中，乙醇或E85的再填充间隔可能为3个月或更长。这种燃料添加的间隔使得可以作为例行维护的一部分由机修工在更换机油的同时加入乙醇或E85。替代地，驾驶员可以在任何时间使用1到5加仑容器加入乙醇或E85，或者每几个月使用E85泵一次。