用于内燃发动机的多燃料系统 相关申请
本发明涉及 ： 与其同一天提交的、 具有共同发明人和共同所有人的发明名称为 “Fuel Management For Vehicles Equipped With Multiple Tanks for Different Grades Of Fuel， ”的美国临时申请 No.61/009,336 ； 2005 年 7 月 22 日提交的发明名称为 “Heat Pipe For Self Limiting Heating Of Gasoline For Onboard Octane Segregation” 的 No.11/187,672 ； 以及 2006 年 3 月 24 日提交的发明名称为 “Heat Pipe With Controlled Fluid Charge.” 的临时申请 No.60/785,426。相关申请的教导在其不与本发明相冲突的范 围内通过引用合并于此。
技术领域
本发明总体涉及用于单独或以预定混合物使用多种不同等级燃料使内燃发动机 运行的系统， 所述燃料诸如用于火花点火发动机的不同研究法辛烷值 (RON) 和用于压缩点 火发动机的不同十六烷值的燃料。 背景技术 炼油厂和发动机制造商都经常面临连续改进其产品以满足日益严格的政府效率 和排放要求以及消费者对于增强性能的期望的挑战。例如， 在适合在内燃发动机中使用的 燃料的生产中， 石油生产商混合多种含有碳氢化合物的流， 以生产将满足政府燃烧排放规 程和发动机制造商性能燃料标准、 诸如研究法辛烷值 (RON) 的产品。类似地， 发动机制造商 通常设计火花点火式内燃发动机。例如， 发动机制造商尽力最大可能程度地抑制自燃的现 象， 当具有不足以抗爆震的燃料在发动机中燃烧时， 该自燃现象通常产生爆震并且能导致 发动机损坏。
在通常的驾驶情形下， 发动机在取决于许多因素包括环境条件 ( 空气温度、 湿度 等 )、 车辆负载、 速度、 传动比、 加速度等宽泛的状态范围下运行。发动机制造商和燃料混合 器必须设计在实际所有这些不同状态下良好执行的产品。这需要进行折衷， 因为经常在特 定速度 / 负载状态下理想的燃料属性或发动机参数在其他速度 / 负载状态下对整体性能是 有害的。 传统上， 车辆燃料以两个或三个等级进行供应， 这些等级通常通过其研究法辛烷值 或 RON 进行区别。通常， 燃料等级的选择基于发动机说明书。然而， 一旦燃料是 “车载的” ， 则就变成了 “一种燃料适应所有情形” 并且必须设计为适应不同的速度、 负载和其他驱动状 态。
已作出了尝试以克服仅提供单一等级的用于驱动内燃发动机的燃料的限制。 在这 些尝试中， 开发了用于提供 “车载” 的多种不同 RON 值的燃料的系统， 用于以可控方式利用 单独一种燃料或燃料的混合物驱动关联内燃发动机， 以在广泛的发动机运行状态内满足发 动机的驱动循环状态。尽管这些现有系统确实提供了内燃发动机的增强的性能， 但是对本 领域中的技术人员明显的是这些系统需要进一步改进。
发明内容 本发明的目的是提供具有不同 RON 值的多种燃料的产生和消耗控制， 以使内燃发 动机的运行最优化。
本发明的另一目的是提供一种改进型多 RON 燃料供应系统， 该系统包括车载分离 (OBS) 设备， 该车载分离 (OBS) 设备用于将来自主油箱的中间研究法辛烷值 (IRON) 燃料分 成至少两个等级， 即一个是高研究法辛烷值 (HRON)， 另一个是低研究法辛烷值 (LRON)， 由 此对 OBS 产生这些燃料及这些燃料的消耗进行控制， 用于响应于发动机的运行状态而输送 到关联的内燃发动机。
本发明的另一目的是提供一种用于驱动内燃发动机的多燃料输送系统， 其中通过 使用最佳 RON 映射单独或以各种混合物控制这些燃料的消耗， 该 RON 映射在发动机驱动循 环状态的范围内提供发动机运行参数诸如扭矩、 速度、 传动比、 加速器和速率等对内燃发动 机所需的 RON 燃料的映射。此外， 控制器编程为依照发动机在任意给定时刻的燃料消耗来 改变来自 OBS 的 LRON 和 HRON 的产生。
附图说明 参照附图对本发明的各个实施例进行描述， 在附图中， 相同的项目用相同的附图 标记标识， 其中 ：
图 1 是用于本发明的一个实施例的燃料管理系统的示意性简化框图 ；
图 2 显示了用于本发明优选实施例的绘制了扭矩对发动机速度的最优化研究法 辛烷值 (RON) 映射， 用于显示在理想情形下， 对于扭矩值和发动机速度的特定组合， 用于提 供最大发动机性能的燃料 RON ；
图 3 显示了用于本发明实施例的控制算法的流程图 ；
图 4A 显示了用于本发明的一个实施例的燃料管理系统的示意性框图 ；
图 4B 显示了用于本发明的另一实施例的燃料管理系统的示意性框图 ；
图 4C 显示了用于本发明的另一实施例的燃料管理系统的示意性框图 ；
图 5 显示了用于本发明的另一实施例的算法的流程图， 其中通过单独使用低研究 法辛烷值 (LRON) 燃料能满足发动机的扭矩和速度需求 ；
图 6 是用于本发明实施例的相对于燃料消耗和所使用的燃料， 扭矩对发动机速度 的曲线 ；
图 7 显示了用于本发明的另一实施例的燃料管理系统的简化示意性框图 ；
图 8 显示了纵向横剖视图， 该图详细示出了用于本发明实施例的双向活塞收集器 的设计的各个方面 ；
图 9 显示了用于本发明实施例的使用混合蒸发液体供给的隔膜分离过程的简化 示意性框图 ；
图 10A 显示了用于本发明优选实施例的用于分离芳香族和脂肪族化合物的聚合 物涂覆的无机隔膜的示图 ；
图 10B 显示了图 10A 的聚合物涂覆的无机隔膜的前端的一部分的放大视图。
具体实施方式
参照图 1， 显示了用于本发明的一个实施例的燃料管理系统的简化框图。 用于保持 中间等级的研究法辛烷值 (RON) 燃料的主油箱 2 包括在关联的车辆中。 在此示例中， 该中间 RON 燃料也被指定为 IRON。可变比率泵 24 能操作用于将 IRON 燃料从主油箱 2 输送到车载 分离 (OBS) 单元 4。OBS 单元 4 能操作用于将 IRON 燃料分成两个等级， 一个是高研究法辛 烷值 (HRON) 等级燃料， 而另一个是低研究法辛烷值 (LRON) 燃料。HRON 燃料从 OBS 单元输 送到 HRON 燃料油箱 8。OBS 单元 4 能通过例如使用硅胶、 蒸馏物、 隔膜和涂覆陶瓷片体的分 离装置来提供。将在下文对用于 OBS 单元 4 的优选实施例进行更详细地讨论。在下文的讨 论中， 为了示例， OBS 单元 4 使用提供 HRON 作为渗透物而 LRON 作为渗余物的隔膜分离器， 如 将在下文中进一步详细描述的， 与消耗控制相结合， 基于所储存的 HRON 燃料的可用性和用 于将具有 LRON 燃料的主油箱燃料的污染减到最小的机构， 本系统经由 IRON 燃料向 OBS 单 元 4 的供给速度来同时实现 HRON 和 LRON 燃料的产生速度的控制。此控制在发动机 10 的 各种操作循环上连续提供。
诸如微处理器的控制器 14 编程为控制本系统的操作。液面传感器 3 设置在主油 箱 2 中， 并通过控制器 14 进行监控。类似地， 液面传感器 9 设置在储存 HRON 燃料的油箱 8 中， 而传感器 9 通过控制器 14 监控。此外， 在此示例中， 控制器 14 能操作用于控制压差， 诸 如用于在 HRON 油箱 8 完全充满燃料时将 HRON 燃料从 OBS 单元 4 输送到主油箱 2 的溢流阀 或泵 16 ； 用于将 HRON 燃料从 OBS 单元 4 输送到 HRON 油箱 8 的泵 6 ； 用于将 HRON 燃料从油 箱 8 传回到 OBS 单元以进行再循环的泵 18 ； 用于将 HRON 燃料从油箱 8 输送到发动机 10 的 燃料喷射器系统 12 的泵或阀 20 ； 用于将 LRON 燃料从 OBS 单元 4 输送到燃料喷射器系统 12 的可变速率泵 22 ； 用于将 IRON 燃料输送到 OBS 单元 4 的可变比率泵 24 ； 以及用于将过多的 LRON 燃料从 OBS 单元 4 传输到主油箱 2 的泵 26。应当注意的是， 在特定的应用中， 通过使 用关联燃料的重力或压力梯度供给能代替诸如 16、 6、 18、 22 和 26 的泵。
在关联车辆的运行期间， 根据任意时刻驾驶员的需求或发动机的负载状况， 来自 HRON 油箱 8 和 LRON 流的燃料通过燃料喷射器系统 12 以给定比率输送到发动机 10。注意 的是， 燃料喷射器系统 12 可包括多个燃料喷射器。此外， 在发动机 10 的运行期间的特定时 刻， 来自主油箱 2 的 IRON 燃料能经由泵 26 和可变速率泵 22 直接输送到燃料喷射器系统 12。 在此方面， 泵 26 能是双向泵或其他合适的机构。典型地， 输送到燃料喷射器系统 12 的燃料 混合物可包括给定比率的 HRON 和 LRON 燃料或 IRON 和 HRON 燃料或 IRON 和 LRON 燃料。通 过将 IRON 燃料分成 HRON 和 LRON 燃料等级的使用， 实现发动机 10 对燃料的更加有效的利 用， 并通过将较大量的 HRON 喷射到发动机 10 中来提供短脉冲的高发动机功率运行。 更具体 地， 根据发动机 10 在任意给定时刻的负载需求， 以及根据此示例中的三种燃料中的每一种 的可用性， 使发动机 10 的有效运行最大化可能在特定时间需要较大量的 LRON 燃料， 在其他 时间需要较大量的 HRON 燃料， 并且如果在任意给定时刻， 渗余物流中的 LRON 燃料不足以满 足发动机的需求， 或来自油箱 8 的 HRON 燃料不可利用， 则通过使用来自主油箱 2 的 IRON 燃 料来弥补不足。此外， 如果 OBS 单元 4 过多地产生 HRON 或 LRON 燃料， 则该过多量的燃料返 回到主油箱 2， 如由短划线或虚线所示。注意的是， 上文提及的泵和 / 或阀仅设置用于示例 的目的， 并且可替代地， 意欲包括任意其他的能提供包括重力在内的关联燃料输送的机构。
用于建立发动机扭矩输出对发动机速度对发动机所需的用于最佳或最有效运行的 RON 燃料级别的对应关系的最佳 RON 映射在图 2 中显示。此映射通过如下等式表示 ：
RONideal ＝ f( 扭矩、 速度、 传动比、 加速器、 速率 ) (1)
为了发动机 10 的理想或最佳运行， 应设有由图 2 的映射指定的燃料的比例。然 而， 当正常可利用的 RON 燃料类型中的一种不可利用时， 控制器 14 编程为偏离该最佳 RON 映射。注意的是， 在此示例中， 图 2 的 RON 映射由 “LOS Angeles 4” 驱动循环产生。此外， 在此示例中， IRON 燃料能为 91RON， HRON 燃料为 103RON， 而 LRON 为 88RON。然而， 本发明不 意欲限于这些 RON 燃料值。
在本发明的优选实施例中， 控制器 14 编程为使关联车辆的驾驶员的需求与 OBS 单 元 4 的产生特征相匹配。能以三种不同的方式控制本系统， 如下 ：
●通过使用可变泵 24， OBS 单元 4 的供给速度能例如从 0.5 到 1.5 克 / 秒改变。 以这种方式， 对 OBS 单元 4 的产生速度进行控制。注意的是， 此供给速度变化的实现不意味 着局限于可变速率泵的使用， 而是也可使用其他机构。
●通过再循环机构， 再循环到 OBS 单元 4 的 HRON 燃料的量能在特定界限内改变。 例如， 对于本系统， 能对可变速率泵 18 进行控制， 用于将 HRON 再循环速度从 0 改变到 0.4 克 / 秒 (g/s)， 但此速度不意味着限制。 ●发动机 10 能在任意时刻以任意比例及时地抽吸来自 HRON 油箱 8 的 HRON 燃料 和 / 或用于 LRON 燃料的流和 / 或来自主油箱 2 的 IRON 燃料。在此示例中， 该比例在操作 泵 / 阀 20、 泵 22 和双向泵 26 的控制器 14 的控制之下。
在本发明的该优选实施例中， 如先前提及的， 控制器 14 编程为经由 IRON 燃料的供 给速度的控制来联合控制 OBS 单元 4 的瞬时状态和发动机 10 的关于要混合的燃料以及以 何种比例混合的瞬时需求。此外注意的是， 在图 1 的系统中， 如果如先前提及的， 使用重力 供给或压差来使 HRON 和 / 或 LRON 燃料返回到主油箱 2， 则能认为泵 16 和 26 是可选的。
此处示出的控制算法与所采用的分离的方法无关， 该分离方法与所使用的 OBS 单 元 4 的类型无关。如先前提及的， OBS 单元 4 能通过用于实现预期燃料分离的蒸馏法或通 过隔膜法提供。此外本方法可适用于将 IRON 燃料分成两个以上的 RON 燃料等级的 OBS 单 元 4 的修改例。
本发明人认识到所使用的控制算法必须能够控制 OBS 单元 4 的产生速度， 以匹配 驾驶员的需求， 即发动机 10 在任意给定时刻的负载。换句话说， 如果发动机 10 由于驾驶员 的操作需求而要求特定类型的更多的燃料， 则控制器 14 必须具有以提高供给速度的方式 改变 IRON 燃料向 OBS 单元 4 的供给速度的能力。出于相同的原因， 如果必要的话， 则控制 器 14 必须具有降低供给速度的能力。此外， 控制器 14 必须编程为提供与 OBS 单元 4 的当 前产生相匹配的燃料混合物。例如， 如果驾驶员需要相对大量的 HRON 燃料， 并且 HRON 油箱 8 是空的， 那么控制器 14 必须操作以供给 LRON 燃料和 / 或来自主油箱 2 的 IRON 燃料来弥 补 HRON 燃料的不足。
在该优选实施例中， 控制器 14 编程为能最大程度地使发动机 10 的 LRON 消耗速度 尽可能接近地匹配 OBS 单元 4 的 LRON 产生速度。此控制必须将 LRON 燃料向主油箱 2 的返 回减到最小， 因为此动作往往使主油箱中的燃料的质量下降。此外就使所产生的 HRON 燃料 质量下降这一点而言， 此匹配对于将例如隔膜渗透通量对供给速度的比率的任何增加减到 最小是理想的。
现在将对用于本发明该优选实施例的控制算法的开发进行描述。 该算法基于建立 一个或多个用于 HRON 油箱 8 中的 HRON 燃料的燃料液位的阈值。确定 HRON 油箱 8 应具有 至少一个指定为 HL 的用于指示 HRON 较低的阈值燃料液位。可选地， 另一比 HL 更低的燃料 液位， 阈值液位 HLL 表示 HRON 更低。假定控制器 14 能操作用于在任意给定时刻提高或降 低 OBS 单元 4 的 IRON 供给速度， 并且根据发动机 10 的运行需求， 由 OBS 单元 4 产生的流动 能单独地或以任意必需的混合物供给到发动机。此外假定控制器 14 具有足够快速的操作， 用于以车辆驾驶员不可检测出的无缝方式更改输送到发动机 10 的燃料混合物或燃料。
本系统能操作用于在连续短测量时期上平衡 LRON 燃料的产生和消耗， 以基本上 最小化、 并优选避免 LRON 燃料回到主油箱 2 的溢流。这通过使用如下方程式来控制 IRON 燃料向 OBS 单元 4 的供给速度， 以基本上总是确保 LRON 的产生紧密遵循短期 LRON 的消耗 来实现 ：
F ＝ L+h (2)
其中 F 是总的供给速度 ( 来自油箱 2 的 IRON 加上来自油箱 8 的 HRON 再循环的新 鲜供给 )， L 是估计的平均 LRON 消耗速度， 而 h 是 HRON 的总的产生速度， 当使用隔膜式 OBS 单元 4 时， h 是渗透通量。L 能在发动机 10 的燃料喷射器系统 12 处直接测量。然而， 对于 目前的现有技术状态， 已观察到此方程式或等式在瞬时上不能令人满意。原因在于当前可 用于在工程样机中使用的 OBS 单元 4 具有缓慢的响应时间， 与通常在秒或几分之一秒的数 量级的发动机需求相比， 在分钟的数量级。 要克服此现有问题， 必须例如通过使用指数平滑 或开窗机制来将时间平均应用于 OBS 单元 4 的供给速度设定。对于基于隔膜的分离单元， 隔膜能设计为使得渗透通量 h 在月乃至年的时间范围上非常缓慢地变化。该通量变化能作 为近似值而 “硬编码” 到控制器 14 中， 从而能完全地作为单一可变、 主要是 LRON 消耗的函 数对供给速度 F 进行控制。可替代地， 结合 HRON 消耗速度， 通过使用油箱 8 中的 HRON 燃料 的液位的变化能对该通量进行估计。在优选实施例中， 控制机构进一步编程为监控主油箱 2 中的 IRON 燃料的液面何时下降到预定的低位， 诸如容量的 10％到 20％， 以将 IRON 燃料 从主油箱 2 向 OBS 单元 4 的供给速度减小到最小值， 同时通过将 IRON 燃料从主油箱 2 供给 到发动机 10 来满足发动机 10 的 HRON 需求， 以弥补在任意给定时刻 HRON 燃料的发动机需 求的不足。通过使用此扩充控制程序或机制， 在 IRON 燃料最容易受到 LRON 燃料由于主油 箱 2 中的 IRON 燃料的低位而向主油箱 2 返回的影响而降级时， 将主油箱 2 中的 IRON 燃料 的降级减到最小。
现在将对为了提供消耗控制而对控制器 14 的编程进行描述。 当油箱 8 中的 HRON 燃 料的液位高于指定为 HL 的预定阈值液位时， 所使用的燃料的实际 RON 值 ( 如通过所使用的 LRON 和 HRON 燃料的比例设定 ) 与由图 2 的最佳 RON 映射指定的相同， 如由如下等式表示 ： actual ideal
RON ＝ RON (3)
当油箱 8 中的 HRON 燃料的液位降低到优选控制策略要在发动机 10 实际需要 HRON 燃料时， 使用 LRON 或 IRON 燃料的液位， 以便将油箱 8 中的 HRON 燃料完全耗尽的可能性减 到最小时， 必须进行消耗控制。为了实现此控制， 当对火花点燃式内燃发动机加燃料时， 以 与驾驶员不一致的方式将适当修改的 RON 映射与发动机火花的延迟控制相结合。此外用于 该控制的基础能通过附加的十六烷值参数和理想十六烷值映射设置用于压燃点火式发动 机 ( 例如柴油机或 HCCI)。除了使用理想十六烷值映射之外， 实际控制能通过适当的参数，诸如阀正时、 喷油正时、 进气温度或其组合来提供， 以控制爆震。在任一情形中， 当油箱 8 中 的 HRON 燃料的液位下降到液位 HL 之下但高于阈值液位 HLL 时， 这能通过针对图 2 的最佳 RON 映射采用修正因子来实现， 如所示的， 该修正因子应用在如下等式中 ： actual ideal
RON ＝ αRON (4)
α ＝ g( 扭矩、 速度、 传动比、 加速器速率 )(5)
注意的是在此控制示例中， 修正因子 α 能取决于多个发动机参数， 包括传动比和 加速器速率， 如上文所示， 以便迅速地适应发动机 10 的 RON 需求。例如， 当优选使用 HRON 燃料时， 如果在给定时刻， 发动机 10 处于高加速度模式中， 则能将 α 设定为接近 1。 在其他 发动机运行状态下， 能以较大的量利用必要程度的火花延迟或提前， 诸如利用高速度 / 高 燃料消耗来代替 LRON 或 IRON 燃料。在后一种情形中， α 小于 1， 这可导致燃料效率的暂时 降低。类似地， 在用于压燃点火发动机 ( 例如， 柴油机或 HCCI) 的高加速度模式中， 通过检 查发动机所需的十六烷值来执行控制。如果最佳十六烷值不可用， 则这能通过感测由于爆 震的噪音来推断， 由此如果该噪音过度， 则能通过改变阀正时等来减小噪音。当油箱 8 中的 HRON 燃料的液位小于液位 HLL 时， 优选避免 HRON 燃料的进一步使用， 以便防止对各种发动 机部件的损害， 诸如泵磨损等。此时， 控制器 14 编程为操作燃料系统， 或者从渗余物系统提 供 LRON 燃料和 / 或从主油箱 2 提供 IRON 燃料。应注意的是上文在等式 (4) 和 (5) 中描述 的控制算法能修改为能操作用于油箱 8 中的 HRON 燃料的两个以上的预定液位。 对于传统的 柴油发动机， 如下等式 “(6)” 能用于与运行状态一起平衡十六烷值以减小柴油机颗粒物 ： δPM ＝ C1ΔCN+C2ΔA-Ring+C3ΔN-Ring (6)
这里， δPM ： PM( 颗粒物 ) 相对于 TF-ao 的约分
Δ： 相对于 TF-ao 的差
CN ： 十六烷值
A-Ring ： 芳香环 (wt％ )
N-Ring ： 环烷环 (wt％ )
Ci ： 回归系数 (i ＝ 1， 2， 3)
C1 ＝ 0.0055
C2 ＝ 0.017
C3 ＝ 0.0065
TF ： TF- 系列燃料
如上所述的等式 (4) 和 (5) 的算法在图 3 中的流程图中示出。 参照图 3， 控制器 14 编程为进入步骤 300， 用于开始所示的子程序。 在步骤 301 中， 通过控制器 14 来监控液面传 感器 9 的输出以判定指定为 HHi 的 HRON 燃料的液位 ( 油箱 8 中的 HRON 燃料含量或液位 ) 是否小于 HLL(HRON 燃料的较低液位界限 )。如果答案为是， 那么进入步骤 302， 用于将 α 设 定为零。可替代地， 如果在判定步骤 301 中， 答案为否， 那么进入步骤 303， 步骤 303 是用于 判定 HHi 是否小于 HL( 这里， HL 是油箱 8 中的 HRON 燃料的低位， 其高于 HLL) 的判定步骤。如 果在步骤 303 中， 答案为否， 那么进入步骤 304， 用于设定 α ＝ 1。可替代地， 如果在判定步 骤 303 中， 答案为是， 则进入步骤 305， 用于将 α 设定为等于由扭矩、 速度、 传动比等的函数 确定的值， 这里 α 将大于或等于零且小于或等于 1。在执行步骤 302 或 305 或 304 中的任 一个之后， 进入步骤 306 中， 并对所示的等式进行计算。在所示的等式中， α 是如先前所提
及的修正因子， RHitrg 是 HRON 喷射比， RHiopt 是如从图 2 的最佳 RON 映射中获得的最佳 HRON 喷射比， QHi 是 HRON 燃料消耗速度， QT 是所消耗的总燃料， RHitrg 是实际的 HRON 燃料喷射比， QLo 是 LRON 燃料消耗， QT 是总燃料消耗， F 是供给速度， 其表示供给到 OBS 单元 4 的 IRON 和 再循环的 HRON 的和 ； QLo 是 LRON 燃料消耗， 而 h 是隔膜通量。
在图 4A 中， 显示了用于燃料管理系统的本发明的优选实施例， 现在将对其操作进 行描述。容纳在主油箱 2 中的 IRON 燃料 1 通过过滤器 7 抽吸并通过泵 P1 相对于压力调节 器 R1 和 R2 加压。在此示例中， 压力调节器 R1 设定为保持在 R2 之上 100kpa 的压差。压力 调节器 R2 设定为保持 200kPag 的压力。因此， 由泵 P1 提供的压力是大约 300kPag。加压的 IRON 燃料 1 流量通过流量控制器 FC-1 流向 OBS 分离单元 4。过量的加压 IRON 燃料 1 通过 压力调节器 R2 返回到主油箱 2。
来自 OBS 单元 4 的分离 HRON 燃料 17 和 LRON 燃料 28 指向发动机燃料喷射器 DFI( 直接燃料喷射系统 ) 和 PFI( 进气门燃料喷射系统 ) 或指向显示为收集器 74 和 HRON 油箱 8 的储存容积。LRON 燃料 28 指向收集器 74。从收集器 74 移置的 IRON 燃料 1 通过第 二压力调节器 R2 返回到主油箱 2。在收集器 74 容积的界限处， 过量的 LRON 燃料 28 与过量 的 IRON 燃料 1 一起通过压力调节器 R2 流入主油箱 2 中。如果对于 LRON 燃料 28 的需要超 过 OBS 单元 4 的产生速度， 则通过收集器 74 来提供附加的 LRON 燃料 28 和 / 或 IRON 燃料 1。止回阀 29 防止向 OBS 单元 4 的回流。 由 OBS 单元 4 产生的 HRON 燃料 17 通过喷射泵 15 或其他合适的装置输送到 HRON 油箱 8。HRON 油箱 8 中的 HRON 燃料 17 在通过过滤器 13 之后通过泵 P2 加压， 而该压力通过 压力调节器 R3 控制。过量的加压 HRON 燃料 17 通过 R3 返回到 HRON 油箱 8。加压 HRON 燃 料 17 提供到进气门燃料喷射器 (PFI) 和喷射泵 15， 而过量的燃料返回到 HRON 油箱 8。溢 流管 19 设置为允许积聚在 HRON 油箱 18 中的过量 HRON 燃料 17 溢入主油箱 2 中。漂浮式 液面传感器 L3 提供 HRON 油箱 8 中的 HRON 燃料 17 的液位的连续测量。
在图 4A 的燃料管理系统中， 收集器 74 是包括可移动活塞 72 的活塞式的收集器。 图 4B 的燃料管理系统基本与图 4A 相同。然而， 在图 4B 的系统中， 不使用活塞收集器 74， 而 使用收集器容积 76， 并且例如能通过管状腔来提供该收集器容积 76。如先前提及的， 在该 优选实施例中， 使用活塞收集器 74。当成本是因素时， 管状设计是最优选的。
参照图 4C， 现在将对本发明另一实施例的具有被动再循环的简化燃料管理系统进 行描述。此实施例在基本不存在主油箱的 IRON 燃料 1 被过量 LRON 燃料 28 或 HRON 17 稀 释的情况下实现对来自 OBS 单元 4 的燃料流的管理。 容纳在主油箱 2 中的 IRON 燃料 1 通过 过滤器 7 抽吸并通过泵 P1 相对于压力调节器 R1 和 R2 加压。压力调节器 R1 设定为通常保 持在 R2 之上 25 到 100kpa 的压差。压力调节器 R2 通常设定为保持 200-600kPag 的压力。 由泵 P1 提供的压力通常是 400kPag。加压的 IRON 燃料 1 流量通过流量控制器 FC-1 流向 OBS 分离单元 4。过量的加压 IRON 燃料 1 通过压力调节器 R2， 通过将该流引向立管 21 并自 此引入过滤器罩 77 中而返回到泵 P1 的进口。
可替代地， 过量的 HRON 燃料 17 的返回能直接连接到燃料吸管或立管 21 的第一进 口 90， 并自此直接连接到泵 P1 的进口或燃料供给口 ( 未示出 )。此外， 可替代地， 过量的 LRON 燃料 28 的返回能经由压力调节器 R2 连接到燃料吸管或立管 21 的第二端口 92， 并自 此直接连接到泵 P1 的进口或燃料供给口 ( 未示出 )。此外， 注意的是， 端口 92 能经由压力
调节器 R2 接收 IRON 燃料 1。
来自 OBS 单元 4 的分离 HRON 燃料 17 和 LRON 燃料 28 分别指向发动机燃料喷射器 PFI、 DFI 或指向由收集器容积 76 和 HRON 油箱 8 提供的储存容积， 该收集器容积 76 适当定 尺寸为将两种燃料的混合减到最小， 如所示那样。 LRON 燃料 28 根据需求提供到直接燃料喷 射系统 DFI。过量的 LRON 燃料 28 引入由收集器 76 提供的储存容积中。从收集器 76 移置 的 IRON 燃料 1 通过压力调节器 R2， 通过将该流引向立管 21 和过滤器罩 36 而返回到泵 P1 的进口。
在收集器 76 的容积的界限处， 过量的 LRON 燃料 28 与过量的 IRON 燃料 1 一起通 过压力调节器 R2 流入立管 21 中。如果对于 LRON 燃料 28 的需要超过 OBS 单元 4 的产生速 度， 则通过收集器 76 的容积来提供附加的 LRON 燃料 28 和 / 或 IRON 燃料 1。止回阀 29 防 止向 OBS 单元 4 的回流。
由 OBS 单元 4 产生的 HRON 燃料 17 通过喷射泵 15 或其他合适的装置输送到 HRON 油箱 8。HRON 油箱 8 中的 HRON 燃料 17 在通过过滤器 13 之后通过泵 P2 加压， 而该压力通 过压力调节器 R3 控制。过量的加压 HRON 燃料 17 通过调节器 R3 返回到 HRON 油箱 8。加压 HRON 燃料 17 提供到进气门燃料喷射器 (PFI) 和喷射泵 15， 而过量的燃料返回到 HRON 油箱 8。溢流管 19 设置为允许积聚在 HRON 油箱 18 中的过量 HRON 燃料 17 溢入主油箱 2 中。漂 浮式液面传感器 L3 提供 HRON 油箱 8 中的 HRON 燃料 17 的液位的连续测量。 在图 8 中， 显示了用于图 4A 的本发明实施例的收集器 74 的设计细节的示例， 但该 示例不意味着限制， 因为能使用其他收集器设计。收集器 74 由活塞 72 和圆柱外壳 74 组 成， 该圆柱外壳 77 具有 750cm3 的标称排代容积， 如在实验性车辆测试中所使用那样。活塞 72 使用 密封环 78， 所述密封环 78 对移动提供低阻力， 使得活塞以最小的压差， 即 ＜ 10kPa 自由行进。活塞 72 包括改进型止回阀 80、 接头套管 SS-2-C2-1 或等同物， 该止回 阀 80 在行进期间提供活塞 72 的密封， 但打开以分别允许 IRON 燃料 1 和 LRON 燃料 28 在由 圆柱面 82 和 84 限制的行程的相对端处的流动。对于与止回阀 80 的正常打开功能关联的 方向上的流动， 止回阀 80 打开， 以当活塞 72 的行进被圆柱面 84 阻止时允许通过活塞 72 的 流动， 从而根据需要将 IRON 燃料 1 从主油箱 2 提供到 DFI 燃料喷射器。当产生过量的 LRON 燃料 28 时， 活塞 72 在其通过止回阀 80 密封的情况下沿相反的方向行进， 直至到达相对的 圆柱面 82。随着活塞 72 接近圆柱面 82， 随着活塞接近圆柱面 82 调节成打开止回阀 80 的 销 86 接合， 以允许 LRON 燃料 28 抵抗调节器 R2( 未示出， 见图 4A) 的背压向主油箱 2 的流 动。
进一步参照显示用于控制器 14 的控制算法的操作的图 3 的流程图， 注意的是， 在 通过单独使用 LRON 燃料就能满足发动机 10 的扭矩和速度需求的时间期间， 那么能将 α 设 定为零， 如图 5 的改进流程的步骤 305(B) 中所示。更具体地， 如图 5 的流程图中所示， 与图 3 相比， 在图 5 中， 图 3 的步骤 305 已被步骤 305(A) 和 305(B) 代替。在步骤 305(A) 中， 作 出决定， 以判定 Tdemand( 发动机扭矩、 速度、 传动比等 ) 是否小于 LRON WOT( 仅使用 LRON 燃料 的发动机 10 的最大扭矩 )。如果答案为否， 如在先前算法中那样， 进入步骤 304。否则， 图 5 的算法的操作与先前针对图 3 的算法所述的相同。
图 6 中显示了发动机 10 的扭矩与发动机速度相对于燃料消耗的曲线。如所示的， 当 HRON 燃料用于使发动机 10 的扭矩输出最大时， 出现最大燃料消耗。 此外， 如所示的， 当仅
使用 LRON 来使发动机 10 的扭矩最大时， 高燃料消耗出现在曲线的较高发动机速度对扭矩 区域中， 而如果发动机速度和扭矩减小到如 “C” 所示的阈值之下， 则实现较低的燃料消耗。 当发动机速度和扭矩在如曲线中所示的阈值 “D” 以下时， 实现最小的燃料消耗。
在图 7 中， 图 1 的燃料管理系统已扩展为显示用于将多个等级的 RON 燃料输送到 发动机的简化实用系统。图 1 的控制器 14 未在图 7 中示出， 但认为包括在其中， 用于控制 本系统的各种机械和机电部件的操作。 在此示例中， HRON 油箱 8 合并成主油箱 2 的一部分， 如所示的。泵 P2 合并在 HRON 油箱 8 内， 如所示的。泵 P1 合并在主油箱 2 内。此外， 由收 集器 74 提供的燃料储存容积包括在主油箱 2 中， 并且能操作在任意给定时刻保持由 OBS 单 元 4 产生但未被发动机 10 消耗的 LRON 燃料的一部分。容纳在收集器 74 的收集器容积内 的任何 LRON 燃料可用于输送到发动机 10。在一个实施例中， 该收集器容积仅通过管来提 供， 该管用作收集器 74 并且在此示例中具有 100cc( 立方厘米 ) 的容积， 该容积不意味着限 制。此外， 在本发明的另一实施例中， 收集容积能通过双向活塞收集器 74 来提供， 分别如图 4A 和图 8 中所示。双向活塞收集器 74 在上文参照图 8 进行了详细描述。
进一步参照图 7， 流量控制器 FC 安装在泵 P1 与集成的热交换器 34 之间的 IRON 燃 料路径中。注意的是， IRON 燃料流通过附图标记 36 指示， LRON 通过附图标记 38 指示， 而 HRON 燃料通过附图标记 40 来指示。喷射器 42 接收加压 HRON 燃料 40， 用于产生用于从 OBS 单元 4 抽吸 HRON 渗透物或燃料 40 的真空。单向阀 44 包括在 LRON 流体路径 38 中， 用于防 止 LRON 燃料回流到集成热交换器 34。来自 P2 的通常温暖温度的 HRON 燃料 40 通过空气翅 片冷却管 46， 以保持 HRON 油箱 8 的温度在环境温度附近。包括热管 48， 用于在 IRON 燃料 36 引入 OBS 单元 4 中之前对它进行预热。在此示例中， 发动机 10 包括用于将 LRON 燃料 38 喷射到发动机 10 的关联气缸中的直接燃料喷射器 DFI 和用于将 HRON 燃料 40 喷射到发动 机 10 的关联气缸中的进气门燃料喷射器 PFI。发动机 10 的废气通过催化转化器 54、 热管 热交换器 56 和消声器排气管 58， 如所示的。一部分废气能用于加热热管 48。此外， 集成热 交换器 34 允许通向 OBS 单元 4 的 IRON 燃料 36 分别与 HRON 和 LRON 燃料 40、 38 之间的热 交换， 所述 HRON 和 LRON 燃料 40、 38 从 OBS 单元 4 接收并在与自此通过的 IRON 燃料 36 的 流动相反的方向上通过。 注意的是， 使用废气能加热不意味着限制， 因为能使用其他加热机 构。如先前说明的， 所产生的 HRON 燃料 40 储存在 HRON 油箱 8 中。此外， 注意的是， 附图标 记 41 和 47 各指定管或导管连接器。
注意的是， 图 7 的燃料管理系统能通过适当的流动控制机构使用， 以保持燃料的 必要的运行温度， 从而执行预期的分离。例如， 如果到 OBS 单元 4 的 IRON 燃料的测量温度 超过预定的界限温度， 则将经由流量控制器 FC 来改变 IRON 燃料 36 的速度以保持预期的温 度。
在图 9 中， 显示了图 7 的本系统的部件的简化示意性框图， 该系统将隔膜分离装置 用于 OBS 单元 4， 如在 2006 年 7 月 14 日提交的发明名称为 “Improved Membrane Separation Process Using Mixed Vapor-Liquid Feed.” 的美国临时申请 No.60/830,914 中讲授的那 样。该临时申请的教导在其不与本发明相冲突的范围内通过引用合并于此。更具体地， 对 于图示的此实施例的 OBS 单元 4， 集成热交换器 34 提供部分汽化的 IRON 燃料， 以对于 IRON 燃料供给保持双供给状态， 该 IRON 燃料同时作为液体和蒸汽供给到 OBS 单元 4。术语 “部 分汽化” 意味着具有充分的汽化作用来向隔膜提供最佳的蒸汽液体混合物。液体部分 60 接触并润湿渗透蒸发隔膜 62。IRON 液体 60 具有优选渗透物的增加含量 ( 相对于 IRON 供给 36)， 而蒸汽 61 相具有优选渗余物的增加含量。在此示例中， 优选渗透物是 HRON 燃料， 而优 选渗余物是 LRON 燃料。
渗透蒸发隔膜 62 是选择性隔膜， 其选择为优选使该优选渗透物渗入。对于本申 请， 例如能采用诸如在 US5,670,052 中描述的芳香族选择性隔膜。此专利的教导在其不与 本发明相冲突的范围内通过引用合并于此。选择性渗透蒸发隔膜 62 能包括物理多孔支撑 装置 ( 未示出 )， 诸如 GortexTM， 其能够在所遭遇的温度、 压力和其他状态下为选择性渗透蒸 发隔膜 62 提供物理支撑。可选支撑能包括烧结金属或陶瓷多孔介质。优选支撑装置包括 非对称多孔介质， 诸如具有多微孔表面材料的多孔陶瓷管或片体， 将针对本发明的用于 OBS 单元 4 的另一实施例对其进行描述。
在用于图示 OBS 单元 4 设计的优选实施例中， 支撑在多孔陶瓷支撑装置上的交 联聚酰亚胺 - 聚酯型隔膜聚合物提供隔膜 62。此构造在 2006 年 8 月 8 日提交的发明名 称为 “Polymer-Coated Inorganic Membrane For Separating Aromatic And Aliphatic Compounds.” 的美国临时申请 No.60/836,319 中讲授。该临时申请的教导在其不与本发明 相冲突的范围内通过引用合并于此。图 10A 和图 10B 示出了来自本申请的实施例， 该实施 例被认为是用于本发明的优选实施例， 并且使用管状无机陶瓷衬底。在图 10A 中， 用于 OBS 单元 4 的管状无机衬底 31 包括在此实施例中。多孔无机衬底 31 例如能包括涂覆氧化硅或 氧化铝的莫来石或者碳化硅或者其他合适的片体结构。如所示的， 在此示例中， IRON 燃料 36 供给到多孔无机衬底 31 内的多个通道 33 中。在优选实施例中， 通道 33 的表面能包括 孔隙度与衬底 31 的总孔隙度不同的多孔无机材料。最优选， 通道 33 的表面孔隙度小于或 大约等于关联聚合物的总聚合物尺寸。如先前指示的， 能使用交联聚酰亚胺 - 聚酯型隔膜 聚合物。在图 10B， 图 10A 的分解区域 35 的图示中， 示出通道 3 包括内表面区域 33A， 该区 域 33A 可通过对衬底 31 的通道 33 的内表面胶固底漆以形成氧化硅面漆而形成。具有最佳 表面区域 33A 的通道 33 各自涂有关联聚合物层 37 以形成所需的隔膜系统。如图 10A 中所 示， 在此实施例中， 渗透物 (HRON 燃料 40) 从隔膜系统径向移走， 而渗余物 (LRON 燃料 38) 轴向离开。
总括地说， 本发明提供对设有 OBS 单元 4 和 HRON 油箱 8 以及其他部件的车辆中的 燃料的产生和消耗的控制。本系统由供给的 IRON 燃料产生 HRON 和 LRON 燃料， 并在给定时 刻根据发动机 10 的运行状态的需求将单个等级或混合等级的燃料供应到发动机 10。该系 统适于根据发动机 10 的需求更改燃料的产生速度。
与 OBS 单元 4 的隔膜通量相结合， 通过将 IRON 燃料向 OBS 单元 4 的供给速度设定 为等于给定时刻的 LRON 燃料使用来控制该供给速度， 从而提供对 OBS 单元 4 的产生速度控 制。通常， 隔膜通量是估计的， 而对发动机在给定时刻使用的 LRON 燃料的量进行连续测量。 通过在主油箱 2 中的 IRON 燃料的液位在预定阈值之下时将 OBS 单元 4 的供给速度降低到 最小值， 该产生速度控制将主油箱 2 的降级减到最小。
如上文进一步说明的， 通过提供针对图 2 中所示的最佳 RON 映射的修正因子， 消耗 控制算法减少了在 HRON 燃料不足期间此燃料的消耗。在上文给出的示例中， 作为 α 的修 正因子解决了当出现燃料不足并且 HRON 油箱 8 中的液位处在预定阈值时的发动机的状态。 在本系统与火花点火内燃发动机一起使用的时候， 关联的控制系统可根据需要调节火花提前 / 延迟， 用于确保合适的发动机性能。此外， 如上文指示的， 当油箱 8 中的 HRON 燃料的液 位下降到预定液位 HLL 之下时， 控制器 14 能操作防止对各种系统部件， 诸如泵的损害。此 外， 如先前指示的， 本系统能修改为与两个以上或三个 RON 值的燃料一起实施， 如先前描述 的。
注意的是， IRON 燃料也能指定为具有中间自燃温度 (IAT) 燃料的一般等级燃料。 类似地， HRON 燃料能指定为低自燃温度 (LAT) 燃料， 其自燃温度低于 IAT 燃料的自燃温度。 最后， LRON 燃料能指定为高自燃温度 (HAT) 燃料， 其自燃温度高于 IAT 燃料的自燃温度。
此外， 注意的是， 图 2 能修改为提供最佳自燃燃料映射以根据自燃温度值来确定 燃料需求。最佳自燃温度映射能由如下等式产生 ：
自燃温度 ideal ＝ f( 扭矩， 速度， 传动比， 加速器速率 )(7)
通过直接或间接测量通过 OBS 单元从这些燃料的每一种中产生的 LAT 燃料的品 质， 发动机运行需求能与多种市场燃料相匹配。
尽管此处已对本发明的各种特征进行了显示和描述， 但是它们不意味着限制。本 领域中的技术人员可认识到对这些实施例的某些修改， 这些修改意欲被所附权利要求的精 神和范围覆盖。例如， 在操作 OBS 单元 4 中， 渗透速度能设定为超过正常的 HRON 需求， 由此 该超出量通过溢流回到 OBS 单元 4 而被动地再循环， 如图 1 中所示， 导致所产生的 HRON 燃 料的 RON 值的增加。此外， 通过直接或间接测量由 OBS 单元 4 产生的 HRON 燃料的品质来使 发动机需求能与多种市场燃料相匹配， 本发明能得以扩展。此外， 应注意的是， OBS 单元 4 不限于上文讲授的实施例， 并且能通过硅胶、 蒸馏物、 隔膜和涂覆陶瓷片体等中的任一个来 提供。此外， 尽管上文主要在与选择性地供给到内燃火花点火发动机的多个不同等级汽油 相结合地对自燃性 RON 进行控制的方面对本发明进行了描述， 但是本领域中的技术人员应 认识的是本发明的各个实施例同样可适用于柴油机和其他内燃压缩点火发动机， 在这些发 动机中， 燃料点火属性以十六烷值而不是 RON 表示。例如， 对于高压燃点火 (HCCI) 发动机， 发明人相信柴油机燃料的 15 到 85 十六烷值范围将是可用的， 由此在高发动机负载下， 将使 用具有低十六烷值的燃料， 而在低发动机负载下， 将使用具有高十六烷值的燃料。然而， 该 十六烷值的范围不意味着限制， 而是取决于所用的柴油发动机的类型。