(57)【要約】スパーク点火ガソリンエンジンの効率的作動のための燃料管理システム。インジェクターは、エタノールのようなアンチノック剤をエンジンのシリンダー中に直接注入する。燃料管理マイクロプロセッサーシステムは、このアンチノック剤の注入を、ノックを制御し、そして駆動サイクルで用いられるアンチノック剤の量を最少にするように制御する。このアンチノック剤はエタノールであることが好ましい。エタノールの使用は、シリンダー内の非均一様式の注入によりさらに最少にされ得る。このエタノール注入は、ノックを抑制し、その結果、増加したターボチャージングまたはスーパーチャージングからのより高い圧縮比および／またはエンジンの小型化が、エンジンの効率を増加するために使用され得る。
2008520905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパーク点火ガソリンエンジンの作動のための燃料管理システムであって：
ガソリンエンジン；
アンチノック剤の供給源；
該アンチノック剤の該エンジンのシリンダー中への直接注入のためのインジェクター；および
該アンチノック剤の該シリンダーへの注入を制御しノックを制御するための燃料管理制御システム、を備える、システム。
【請求項１】
前記インジェクターが、前記アンチノック剤を堆積しシリンダー内に非均一な堆積を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２】
前記アンチノック剤が、前記シリンダーの壁の近傍に堆積される、請求項２に記載のシステム。
【請求項３】
前記非均一な堆積が、直接注入およびチャージ旋回を通じて得られる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記アンチノック剤が、エタノール、メタノール、三級ブチルアルコール、ＭＴＢＥ、ＥＴＢＥおよびＴＡＭＥからなる群より選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料管理システムが、必要なオクタン価増加と前記アンチノック剤によって提供される燃料のフラクションとの間の所定の関係に基づく開放ループ様式で作動するマイクロプロセッサーを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ガソリンエンジンが、燃料管理マイクロプロセッサーにフィードバック信号を提供するノックセンサーを含み、添加される前記アンチノック剤の量を最少にし、閉鎖ループ様式でノックを防ぐ、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記アンチノック剤が、エタノールである、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記エタノールが、水と混合される、請求項８に記載のシステム。
【請求項９】
前記エノタールが潤滑剤と混合される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記エンジンが、旋回のような実質的な組織化運動を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムが、供給源中に一定量のアンチノック剤を含み、該アンチノック剤の量が低いとき、ターボチャージング、スーパーチャージングまたはスパーク遅延を制御する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記アンチノック剤が、ノック抵抗性を必要とする駆動サイクルの一部分の間でのみ添加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
ガソリンが、前記エンジン中にポート注入される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ガソリンが、前記シリンダー中に直接注入される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記エタノールの直接注入が、該エタノールによって提供される燃料エネルギーの１０％毎に実質的に１３℃の温度低下を提供する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
前記燃料管理システムが、駆動サイクルに亘って用いられるアンチノック剤の量を実質的に最少にする、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
シリンダー中の燃料エネルギーの２０％がエタノール由来であるとき、少なくとも４のオクタン価のオクタン増強が得られる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アンチノック剤が利用可能でないとき、ターボチャージングまたはスーパーチャージングが減少されるか、またはなくされ、そして／またはスパーク遅延が増加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
エタノールがシリンダー壁に近接して注入され、そして旋回がエタノールのリングを生成する、請求項８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記エンジンが、実質的に化学量論的空気／燃料比で作動される、請求項８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記エタノールが、ノック抵抗性を必要とする駆動サイクルの一部分の間でのみ添加され、そしてその使用がこれらの時間の間で最少にされる、請求項８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記エタノールがガソリン／エタノール混合物から分離される、請求項８に記載のシステム。
【請求項２４】
前記エンジンのノックが起こるトルクが、前記エタノールの直接注入によって少なくとも２の因数だけ増加され得る、請求項８に記載のシステム。
【請求項２５】
所定サイズのエンジンの馬力が、エタノールオクタン増強を用いることにより少なくとも２倍にされ得る、請求項８に記載のシステム。
【請求項２６】
ガソリン消費が、より高い効率のエンジン作動に起因して少なくとも２０％だけ減少される、請求項８に記載のシステム。
【請求項２７】
スパーク点火ガソリンエンジンの作動のための燃料管理システムであって：
ガソリンエンジン；
エタノールの供給源；
該エンジンのシリンダー中に該エタノールの直接注入のためのインジェクター；および
エンジントルクが最大トルクの選択されたフラクションを超えるとき、該シリンダー中への該エタノールの注入を制御するための燃料管理制御システム、を備える、システム。
【請求項２８】
前記エタノールが直接注入されるトルクレベルが、ノックが該エタノールの注入不在で起こるようなレベルである、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記直接注入されたエタノールによって提供される総燃料のフラクションが、増加するトルクとともに増加する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
ガソリンが、ポート燃料注入される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
実質的に１００％以下の燃料が、前記エタノールによって提供され得る、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３２】
オクタン価が、増加するトルクとともに増加される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３３】
２０を超えるオクタン価のオクタン増強が達成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３４】
前記燃料管理システムが、必要なオクタン価増加と前記エタノールによって提供される燃料のフラクションとの間の所定の関係を基に、開放ループ様式で作動するマイクロプロセッサーを含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３５】
前記ガソリンエンジンが、燃料管理マイクロプロセッサーにフィードバック信号を提供するノックセンサーを含み、添加される前記エタノールの量を最少にし、閉鎖ループ様式でノックを防ぐ、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３６】
前記インジェクターが、シリンダー内に前記エタノールの非均一な堆積を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３７】
前記エタノールが、前記シリンダーの壁の近傍に堆積される、請求項３６記載のシステム。
【請求項３８】
前記非均一な堆積が、直接注入およびチャージ旋回を通じて得られる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記エタノールが、水と混合される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記エノタールが潤滑剤と混合される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４１】
前記エンジンが、旋回のような実質的な組織化運動を有する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４２】
前記システムが、前記エタノールの量が低いとき、ターボチャージング、スーパーチャージングまたはスパーク遅延を制御するために利用可能な量の一定量の該エタノールを含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４３】
前記ガソリンが、前記シリンダー中に直接注入される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４４】
前記エタノールの直接注入が、該エタノールによって提供される燃料エネルギーの１０％毎に実質的に１３℃の温度低下を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４５】
前記燃料管理システムが、駆動サイクルに亘って用いられるエタノールの量を実質的に最少にする、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４６】
シリンダー中の燃料エネルギーの２０％がエタノール由来であるとき、少なくとも４のオクタン価のオクタン増強が得られる、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４７】
前記エタノールが利用可能でないとき、ターボチャージングまたはスーパーチャージングが減少されるか、またはなくされ、そして／またはスパーク遅延が増加される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４８】
前記エンジンが、実質的に化学量論的空気／燃料比で作動される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記エタノールが、ガソリン／エタノール混合物から分離される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項５０】
前記エンジンがガソリンのみで作動され得、そして、ノックが、エタノールが前記シリンダー中に直接注入されるときの値に対して最大トルクおよび馬力を減少することによって避けられ得る、請求項２７に記載のシステム。
【請求項５１】
前記馬力が、少なくとも２の因数だけ減少される、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記燃料管理マイクロプロセッサー制御システムが、ターボチャージャー、スーパーチャージャーまたはスパーク遅延を制御するための入力として、前記エタノールのタンク中のエタノールレベルを用いる、請求項２７に記載のシステム。
【請求項５３】
前記ターボチャージャー、スーパーチャージャーまたはスパーク遅延が、ノックを防ぐために調節される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５４】
スパーク点火ガソリンエンジンの作動のための燃料管理システムであって：
ガソリンエンジン；
アンチノック剤の供給源；
該エンジンのシリンダー中に該アンチノック剤の直接注入のためのインジェクター；および
該アンチノック剤の該シリンダー中への注入を制御しノックを制御するための燃料管理制御システムを備え；ここで、該アンチノック剤が、メタノール、三級ブチルアルコール、ＭＴＢＥ、ＥＴＢＥ、およびＴＡＭＥからなる群より選択される、システム。
【請求項５５】
前記アンチノック剤が、水と混合される、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記アンチノック剤が、潤滑剤と混合される、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５７】
前記アンチノック剤がシリンダー壁に近接して注入され、そして旋回が該アンチノック剤のリングを生成する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５８】
前記エンジンが、実質的に化学量論的空気／燃料比で作動される、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５９】
前記アンチノック剤が、ノック抵抗性を必要とする駆動サイクルの一部分の間でのみ添加され、そしてこれらの時間の間にその使用を最少にする、請求項５４に記載のシステム。
【請求項６０】
ノックが起こる前記エンジンのトルクが、前記アンチノック剤の直接注入により少なくとも２の因数だけ増加され得る、請求項５４に記載のシステム。
【請求項６１】
所定サイズのエンジンの馬力が、アンチノック剤オクタン増強を用いることにより少なくとも２倍にされ得る、請求項５４に記載のシステム。
【請求項６２】
スパークエンジンガソリンエンジンの作動のための燃料管理システムであって：
ガソリンエンジン；
アンチノック剤の供給源；
該エンジンのシリンダー中に該アンチノック剤の直接注入のためのインジェクター；および
エンジントルクが最大トルクの選択されたフラクションを超えるとき、該アンチノック剤の該シリンダー中への注入を制御するための燃料管理制御システムを備える、システム。
【請求項６３】
前記アンチノック剤が、メタノール、三級ブチルアルコール、ＭＴＢＥ、ＥＴＢＥ、およびＴＡＭＥからなる群より選択される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
前記アンチノック剤が直接注入されるトルクレベルが、該アンチノック剤の注入不在下でノックが生じ得るレベルである、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６５】
前記直接注入されるアンチノック剤によって提供される総燃料のフラクションが、増加するトルクとともに増加する、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６６】
ガソリンが、ポート燃料注入される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６７】
オクタン価が、増加するトルクとともに増加される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６８】
２０オクタン価を超えるオクタン増強が達成される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６９】
前記燃料管理システムが、必要なオクタン価増加と前記アンチノック剤によって提供される燃料のフラクションとの間の所定の関係に基づく開放ループ様式で作動するマイクロプロセッサーを含む、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７０】
前記ガソリンエンジンが、前記燃料管理マイクロプロセッサーにフィードバック信号を提供するノックセンサーを含み、添加される前記アンチノック剤の量を最少にし、閉鎖ループ様式でノックを防ぐ、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７１】
前記インジェクターが、シリンダー内の前記アンチノック剤の非均一堆積を提供する、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７２】
前記アンチノック剤が、前記シリンダーの壁の近傍に堆積される、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７３】
前記非均一な堆積が、直接注入およびチャージ旋回を通じて得られる、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７４】
前記アンチノック剤が、水と混合される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７５】
前記アンチノック剤が潤滑剤と混合される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７６】
前記エンジンが、旋回のような実質的な組織化運動を有する、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７７】
前記システムが、前記アンチノック剤の量が低いとき、ターボチャージング、スーパーチャージングまたはスパーク遅延を制御するために利用可能な量の一定量の該アンチノック剤を含む、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７８】
前記ガソリンが、前記シリンダー中に直接注入される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項７９】
前記燃料管理システムが、駆動サイクルに亘って用いられるアンチノック剤の量を実質的に最少にする、請求項６２に記載のシステム。
【請求項８０】
アンチノック剤が利用可能でないとき、ターボチャージングまたはスーパーチャージングが減少またはなくされ、そして／またはスパーク遅延が増加される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項８１】
前記エンジンが、実質的に化学量論的空気／燃料比で作動される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項８２】
前記エンジンがガソリンのみで作動され得、そして、ノックが、前記アンチノック剤が前記シリンダー中に直接注入されるときの値に対して最大トルクおよび馬力を減少することによって避けられ得る、請求項６２に記載のシステム。
【請求項８３】
前記馬力が、少なくとも２の因数だけ減少される、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８４】
前記燃料管理制御システムが、ターボチャージャー、スーパーチャージャーまたはスパーク遅延を制御するための入力として、前記エタノールのタンク中のアンチノック剤レベルを用いる、請求項６２に記載のシステム。
【請求項８５】
前記ターボチャージャー、スーパーチャージャーまたはスパーク遅延が、ノックを防ぐために調節される、請求項８４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、エンジン効率を改善するために、エタノールのようなガソリンより高いオクタン価をもつ液体燃料であるアンチノック剤を利用するスパーク点火ガソリンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
スパーク点火（ＳＩ）ガソリンエンジンの効率は、高圧縮比作動により、特にエンジン小型化によって増加され得ることが知られている。このエンジン小型化は、ターボチャージングまたはスーパーチャージングのいずれかからの実質的な圧力ブーストの使用によって可能にされる。このような圧力ブーストは、有意により小さいエンジンで同じ性能を得ることを可能にする。非特許文献１「改良された燃料節約のためのガソリンエンジンコンセプト−低品質のブーストシステム」を参照のこと。エンジン効率を増加するためのこれら技法の使用は、しかし、エンジンノックの発生によって制限される。ノックは、燃料の所望されない爆発であり、そしてエンジンを重篤に損傷し得る。ノックが防がれ得る場合、そのときは、高圧縮比作動および高圧ブーストを用いて，２５％までエンジン効率を増加し得る。
【０００３】
オクタン価は、燃料のノッキングに対する抵抗性を表すが、より高いオクタンガソリンの使用は、ノックする傾向を温和に軽減するのみである。例えば、レギュラーガソリンとプレミアムガソリンとの間の差異は、代表的には、６オクタン価である。これは、高圧縮比またはターボチャージされた作動の効率的利益を完全に実現するために必要であるより有意により少ない。それ故、エンジンがかなりより効率的に作動され得るような、かなりより高いレベルのオクタン増強を達成するための実施可能な手段に必要性がある。
【０００４】
精製所で、ガソリンの一部分を添加された少量のエタノールで置換することが知られている。エタノールは、（プレミアムガソリンの９５に対して）１１０の混合オクタン価（ＯＮ）を有し（非特許文献２「内燃エンジンの基礎」を参照のこと）、そしてまた、それは再生可能エネルギーであり、バイオマス由来の燃料であるので魅力的であるが、ガソリンにこれまで添加された少量のエタノールは、エンジン性能に比較的小さな影響しか有しない。エタノールはガソリンよりかなり高価であり、そして容易に利用可能であるエタノールの量は、ガソリンのそれよりもかなり少ない。なぜなら、その生産のために利用可能であるバイオマスが比較的限られた量であるためである。本発明の目的は、所定レベルのエンジン効率増加を達成するために用いられるエタノールまたはその他のアンチノック剤の量を最少にすることである。エタノールの使用を、より高い負荷レジメンにおけるノックを防ぐために要求されるとき、作動サイクルにおける時間の比較的小さなフラクションにエタノールの使用を制限することにより、そしてこれらの時間におけるその使用を最少にすることにより、要求されているエタノールの量は、スパーク点火ガソリンエンジンによって用いられる燃料の比較的小さなフラクションに制限され得る。
【非特許文献１】Ｊ．Ｓｏｔｏｋｅｓら、ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  ２００１−０１−２９０２
【非特許文献２】Ｊ．Ｂ．Ｈｅｙｗｏｏｄ、ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ、１９８８、４７７頁
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
１つの局面では、本発明は、エタノールのようなアンチノック剤の供給源を含む、スパーク点火ガソリンエンジンの効率的作動のための燃料管理システムである。インジェクターは、エタノールをこのエンジンのシリンダー中に直接注入し、そして燃料管理システムは、上記アンチノック剤のシリンダー中への注入を制御し、上記アンチノック剤の最少限の使用でノックを制御する。好ましいアンチノック剤はエタノールである。エタノールは、高気化熱を有し、その結果、それが上記エンジン中に直接注入されるとき、シリンダーへの空気−燃料チャージの実質的冷却が存在する。この冷却効果は、エタノールの比較的高オクタン価からのノック抵抗性における改良に加えて、かなりの量のエンジンのオクタン要求を低減する。メタノール、三級ブチルアルコール、ＭＴＢＥ、ＥＴＢＥ、およびＴＡＭＥもまた用いられ得る。本明細書においてエタノールが用いられる場合、その他のアンチノック剤が企図されることが理解されるべきである。
【０００６】
上記燃料管理システムは、上記アンチノック剤によって提供されるオクタン価増大と燃料のフラクションとの間の所定の関係に基づく開放ループ様式で作動するマイクロプロセッサーを用い得る。エタノールを保存するために、ノック抵抗性を必要とする駆動サイクルの部分の間にのみ添加されること、しかも、その使用がこれらの時間の間で最少限であることが好ましい。あるいは、上記ガソリンエンジンは、燃料管理マイクロプロセッサーシステムにフィードバック信号を提供するノックセンサーを含み得、閉鎖ループ様式でノックを防ぐために添加されるエタノールの量を最少限にする。
【０００７】
１つの実施形態では、上記インジェクターは、エタノールを層状にし、シリンダー内に不均一堆積物を提供する。例えば、エタノールは、シリンダー壁に近接して注入され得、そして渦が壁の近傍にエタノールのリングを生成し得る。
【０００８】
本発明のこの局面の別の実施形態では、上記システムは、上記アンチノック剤を含む供給源中のエタノールのような所定量のアンチノック剤の尺度を含み、エタノールの量が低いとき、ターボチャージング、スーパーチャージングまたはスパーク遅延を制御する。
【０００９】
エタノールの直接注入は、エタノールによって提供される燃料エネルギーの１０％毎に１３℃の温度低下を実質的に提供する。少なくとも４オクタン価の即効のオクタン増強が、エタノールに由来して、エンジンのエネルギーの２０％毎について得られ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（好ましい実施形態の説明）
最初に図１を参照して、スパーク点火ガソリンエンジン１０は、ノックセンサー１２および燃料管理マイクロプロセッサーシステム１４を含む。この燃料管理マイクロプロセッサーシステム１４は、エタノールタンク１６からのエタノールのようなアンチノック剤の直接注入を制御する。この燃料管理マイクロプロセッサーシステム１４はまた、ガソリンタンク１８からエンジン多岐管２０中へのガソリンの送達を制御する。ターボチャージャー２２がエンジン１０のトルクおよび出力密度を改善するために提供される。エタノール注入の量は、上記燃料管理マイクロプロセッサー１４への入力として、オクタン価増強と、開放ループシステム中のエタノールによって提供される燃料のフラクションとの間の所定の関係によるか、またはノックセンサー１２からの信号を用いる閉鎖ループ制御システムによるかのいずれかによって指示される。両方の状況において、この燃料管理マイクロプロセッサー１４は、なおノックを防ぎながら、シリンダーに添加されるエタノールの量を最少にする。この燃料管理マイクロプロセッサーシステム１４は、開放および閉鎖ループ制御の組み合わせを提供し得ることがまた企図される。
【００１１】
図１に示されるように、エタノールは、エンジン１０中に直接注入されることが好ましい。直接注入は、エタノール添加の利益を実質的に増加し、そして必要なエタノールの量を減少する。燃料インジェクターおよび電子制御技術における最近の進歩は、多岐管２０中よりむしろスパーク点火エンジン中への直接燃料注入を可能にする。エタノールは、大きな気化熱を有するので、それがエンジン１０中に直接注入されるとき、実質的な冷却が存在する。この冷却効果は、相当量だけノック抵抗性をさらに増加する。図１の実施形態では、ガソリンが、シリンダー中に直接注入されるよりむしろ、多岐管中に注入される、ガソリンのポート燃料注入が好ましい。なぜなら、それは、直接注入では得ることが困難である、良好な空気／燃料混合および燃焼安定性を得る際に有利であるからである。
【００１２】
エタノールは８４０ｋＪ／ｋｇの気化熱を有し、その一方、ガソリンの気化熱は約３５０ｋＪ／ｋｇである。エタノールの魅力は、エネルギー原理に基づきガソリンと比較されるとき増加する。なぜなら、エタノールのより低い発熱量は２６．９ＭＪ／ｋｇであり、その一方、ガソリンについては、それは約４４ＭＪ／ｋｇである。それ故、燃焼エネルギーのＪｏｕｌｅあたりの気化熱は、エタノールについて０．０３１であり、そしてガソリンについて０．００８である。すなわち、等量のエネルギーに対し、エタノールの必要な気化熱は、ガソリンのそれより約４倍高い。化学量論的燃焼に必要な単位空気あたりの気化熱の比は、エタノールに対する空気の約９４ｋＪ／ｋｇ、およびガソリンに対する空気の約２４ｋＪ／ｋｇであるか、または４の換算係数だけより少ない。それ故、空気チャージを冷却する正味の影響は、ガソリンに対するものはエタノールに対するものの約４分の１である（所定量の空気がすべての燃料を燃焼するために丁度十分である酸素を含む化学量論的混合物について）。
【００１３】
本発明の１つの局面によるエタノール直接注入の事例では、上記チャージは直接冷却される。エタノールの直接注入に起因する冷却の量は、図２に示される。空気／燃料混合物は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）なくして化学量論的であり、しかもガソリンが燃料の残りを構成すると仮定する。エタノールのみがチャージ冷却に寄与することと仮定される。ガソリンは、入口多岐管中で蒸発され、そしてシリンダーチャージ冷却には寄与しない。直接エタノール注入は、エタノールによって提供される燃料エネルギーの各１０％について約１３℃の冷却を提供する。ガソリンの直接注入およびエタノールの直接注入を用いることもまた可能である。しかし、特定の条件下では、燃焼安定性問題が存在し得る。
【００１４】
エタノールの蒸発エネルギーのための温度の減少は、シリンダーチャージの熱容量が増加するにつれて、低品質の作動とともに、およびＥＧＲとともに減少する。エンジンが、化学量論的空気／燃料比の２倍で作動するとき、図２に示される数字は、約２の換算係数だけ減少する（エタノール自体の寄与、そしてガソリンは比較的最も穏やかである）。同様に、２０％のＥＧＲ率について、エタノールの冷却効果は約２５％だけ減少する。
【００１５】
オクタン増強効果は、図２中のデータから推定され得る。ガソリンの直接注入は、Ｓｔｏｋｅｓらによって論議されるように、エンジンによって要求されるオクタン価における約５のオクタン価の減少を生じる。それ故、この寄与は、チャージ温度における３０Ｋ低下あたり約５のオクタン価である。エタノールが約１２０Ｋだけチャージ温度を低下し得るので、従って、１００％エタノールについて温度低下に起因するエンジンによって要求されるオクタン価における減少は、２０オクタン価である。それ故、１００％の燃料がエタノールによって提供されるとき、オクタン価増加は、約３５オクタン価であり、２０オクタン価の増加は直接注入冷却に由来し、そして１５オクタン価の増加はエタノールのオクタン価由来である。上記の考慮から、たとえ直接冷却からのオクタン増加が顕著に低くても、少なくとも４の総オクタン価の増加が、エタノールによって提供される総燃料エネルギーの２０％毎に達成可能であると見積もられ得る。
【００１６】
あるいは、エタノールおよびガソリンは一緒に混合され得、そしてシリンダーあたり単一のインジェクターを通じてポート注入され、それによって、用いられ得るインジェクターの数を減少する。しかし、エタノールからの空気チャージ冷却の利益は失われ得る。
【００１７】
あるいは、エタノールおよびガソリンは一緒に混合され得、そして次にシリンダーあたり単一のインジェクターを通じてポート注入され、それによって、用いられ得るインジェクターの数を減少する。しかし、エタノールからの実質的な空気チャージ冷却の利益は失われ得る。混合ポイントと、ポート燃料インジェクターとの間の燃料の容量は、エンジンの厳しい動的オクタン増強要求に合致するために最少にされるべきである。
【００１８】
所定量の直接エタノール注入からのオクタン増強の実際の量の比較的正確な決定は、詳細な計算に加え、実験室試験およびビークル試験から得られ得る。これらの相関は、燃料管理マイクロプロセッサーシステム１４によって用いられ得る。
【００１９】
オクタン増強のためにエタノールを用いるさらなる利点は、水との混合物でそれを用いる能力である。このような混合物は、エタノールが精油所でガソリンに添加されるとき採用されなければならない純粋エタノールを生成する際のコスト高でかつエネルギーを消費する水除去ステップの必要性をなくし得る。さらに、水は、エンジンのノック抵抗性をさらに増加する（蒸発に起因する）さらなる冷却を提供する。対照的に、精油所におけるガソリンへの添加剤としてのエタノールの現在の使用は、エタノールから水が除去されることを必要とする。
【００２０】
ガソリンとは異なり、エタノールは良好な潤滑剤ではなく、そしてエタネール燃料インジェクターは棒状であり得、そして開口状ではないので、エタノールに潤滑剤を添加することが所望され得る。この潤滑剤はまた、エタノールを変性し、そしてそれをヒトの消費のために魅力的でなくする。
【００２１】
所定量のオクタン増強のために必要なエタノールのさらなる減少は、エタノール添加の層化（不均一堆積）で達成され得る。直接注入を用いて、ノック減少の必要性が最大であるシリンダーの壁の近傍にエタノールを置き得る。直接注入は、旋回（渦）と組み合わせて用いられ得る。エンジン中のエタノールのこの層化は、所定量のオクタン増強を得るために必要なエタノールの量をさらに減少する。エタノールのみが直接注入され、そしてそれが注入プロセスおよび熱遠心分離の両方によって層化されるので、ガソリン直接注入（ＧＤＩ）にともなう点火安定性問題が避けられ得る。
【００２２】
エタノールが、目標ガスを構成し、そして自己点火する傾向にある領域に添加されることが好ましい。これらの領域は、シリンダーの壁の近傍である。目標ガスは、ほぼ２５％の燃料を含むので、エタノールの必要量における実質的な減分がエタノールを層化することによって達成され得る。
【００２３】
（旋回のような）実質的な組織化された動きを有するエンジン１０の場合には、冷却が、放出を熱的に層化する力を生じる（異なる温度に起因する、異なる密度の領域の遠心分離）。エタノール添加の効果はガス密度を増加することである。なぜなら温度が低下するからである。旋回とともにエタノール混合物は、目標ガスが存在し、そしてそれ故、注入されたエタノールのアンチノック有効性を増加するゾーンに自動的に移動する。この旋回運動は、圧縮ストロークによって大きくは影響されず、そしてそれ故、上死点（ＴＤＣ）に向かって乱流を駆動し、そして次に散逸する混乱様運動よりは良好に残る。比較的に最も温和な旋回が大きな分離（遠心分離）力を生じることが指摘されるべきである。５ｃｍ半径のシリンダーにおける３ｍ／ｓの旋回運動は、約２００ｍ／ｓ２、または約２０ｇの加速を生成する。
【００２４】
図３は、熱層化を達成するためのエタノール直接注入および旋回運動を示す。エタノールは、目的ガス領域である外側領域上で優勢である。図４は、シリンダーにおいて層化を維持する旋回運動および熱遠心分離とともに入口多岐管中のエタノールの可能な層化を示す。エタノールのポート注入のこの事例では、しかし、実質的なチャージ冷却の利点は失われ得る。
【００２５】
図２を再び参照して、１００％エタノール注入までの様々なエタノール添加の効果が示される。エンジンが１００％直接エタノール注入される点では、指向されることが必要な層化エタノール注入のみで作動されるとき、エンジン安定性に問題があり得る。層化作動の場合には、シリンダーを横切って比較的均一な同等比率（そしてそれ故、エタノールが注入される領域中のより低い濃度のガソリン）を提供するために、ガソリンの注入を層化することもまた有利であり得る。この状況は、図４に示されるように、エタノールのない入口多岐管の領域中に燃料を置くことにより達成され得る。
【００２６】
本発明で用いられるエタノールは、ガソリンとは別個のタンクに含まれ得るか、または１つのタンクに貯蔵されたガソリン／エタノール混合物から分離され得るかのいずれかであり得る。
【００２７】
瞬間エタノール注入の要求および駆動サイクルに亘る総エタノール消費は、所望される駆動サイクル、およびトルクにおける増加（そしてそれ故、圧縮比、エンジン出力密度、および小型化容量）についての情報から推定され得る。ＦＴＰおよびＵＳ０６駆動サイクル中の種々のトルク値およびエンジン速度で費やされる作動時間量のプロットが用いられ得る。トルクがガソリン単独でノックのない作動に対して許容されるものより大きい駆動サイクル中の各点でオクタン価を増加することが必要である。要求されるオクタン増強の量は、トルクレベルによって決定される。
【００２８】
大まかな例示の計算は、ほんの少量のエタノールが駆動サイクルに亘り必要とされ得るに過ぎないことを示す。直接注入エタノールオクタン増強なくして可能であるトルクレベルに対して２の因数だけ最大トルクレベルを増加することが所望されると仮定する。組み合わせたＦＴＰおよびＵＳ０６サイクルの作動時間についての情報は、ほぼわずかに１０％の時間が０．５最大トルクを超えるトルクレベルで費やされ、そして１％未満の時間が０．９最大トルクを超えて費やされることを示す。１００％エタノール添加が最大トルクで必要であり、しかも、ノックを防ぐために必要であるエタノール添加のエネルギーフラクションが最大トルクの５０％でゼロに直線状に減少すると控えめに仮定して、エタノールによって提供されるエネルギーフラクションは、約３０％である。駆動サイクルの間に、約２０％の総燃料エネルギーが、最大トルクの５０％を超えるとき消費される。なぜなら、エンジンがこのレジメで作動される時間の１０％の間に、消費される燃料の量は、最大トルクの５０％未満で消費される燃料の量の約２倍であるからである。この駆動サイクルの間に消費されるエタノールエネルギーの量は、それ故、総燃料エネルギーの大まかにほぼ６％（３０％×０．２）である。
【００２９】
この場合には、次に、１００％エタノール添加がトルクの最高値で必要とされたが、わずか６％の添加が駆動サイクルに亘って平均して必要であった。このエタノールは、駆動サイクルの必要性に従って、添加のレベルを変動することによって、かなりより効率的に用いられる。エタノールの燃焼のより低い熱のため、エタノールの必要な量は、ガソリン燃料の重量の約９％または（エタノールの密度およびガソリンの密度は同等であるので）容量の約９％であり得る。それ故、約１．８ガロンの容量をもつ別個のタンクが、自動車に２０ガロンのガソリンタンクとともに必要であり得る。貯蔵されたエタノール含量は、重量でガソリンの約９％であり得、数字は、現代の再配合されたガソリンとはそれ程異ならない。エタノール添加の層化は、この量を、２を超える因数で減少し得る。オンラインエタノール蒸留システムが代替的に採用され得るが、増加トルクおよびターボチャージングから利用可能な出力の排除または減少を必然的にともなう。
【００３０】
比較的少量のエタノールおよびエタノール燃料補給の経済基盤の現在の欠如のため、ビークル上にエタノールがない場合、エタノールビークルが作動可能であることは重要である。トルクおよび出力の利益がエタノールが利用可能でないときより低いであろうが、ビークルは、ターボチャージング能力を減少またはなくすことにより、および／またはノックを避けるようにスパーク遅延を増加することによりなお作動可能であり得るようにエンジンシステムは設計され得る。図５に示されるように、燃料管理マイクロプロセッサーシステム１４は、ターボチャージャー２２（または、図示されないが、スーパーチャージャーまたはスパーク遅延）を制御するための入力として、エタノールタンク１６中のエタノール燃料レベルを用いる。例として、求めに応じる（オンデマンド）エタノールオクタン増強とともに、４シリンダーエンジンは、本発明に従って、適切なターボチャージングまたはスーパーチャージングとともに２８０馬力の範囲で生成し得るが、エタノールの使用なくして１４０馬力のエンジン出力をまた導き出せる。
【００３１】
より高い効率のエンジンにおける使用を通しての燃料効率に基づく少量のエタノールの影響は、エタノールのエネルギー価値を多いに増加し得る。例えば、ガソリン消費は、高圧縮比、強力にターボチャージされた作動および実質的なエンジン小型化の使用からのより高い効率のエンジン作動に起因して２０％減少され得る。ガソリンの直接置換におけるその価値（ガソリンのエネルギーの５％）を含むエタノールのエネルギー価値は、それ故、いかなるエタノールもない、より非効率的エンジンで用いられるであろうガソリンのほぼ２５％に等しい。エタノールの５％のガソリンに等価のエネルギー価値は、それ故、２５％のガソリン等価価値までてこ入れされている。それ故、エタノールは、エネルギーベースでガソリンのほぼ５倍までコストが大まかに見積もられ得、そしてなお経済的に魅力的である。本明細書に開示されるようなエタノールの使用は、その他のエタノール用途におけるよりかなりより大きな価値であり得る。
【００３２】
上記の論議は、例示のアンチノック剤としてのエタノールを特徴としているが、同じアプローチが、メタノールのような高気化エネルギーをもつ（単位燃料あたりより高い気化エネルギーをもつ）その他の高オクタン燃料および燃料添加物、および三級ブチルアルコールのようなその他のアンチノック剤、またはメチル三級ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、エチル三級ブチルエーテル（ＥＴＢＥ）、または三級アミルメチルエーテル（ＴＡＭＥ）のようなエーテルに適用され得る。
【００３３】
本明細書中に開示される本発明の改変および変更は当業者に明らかであることが認識され、そしてすべてのこのような改変および変更が添付の請求項の範囲内に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本明細書中に開示される本発明の１つの実施形態のブロック図である。
【図２】図２は、エタノールによって提供されるエネルギーのフラクションの関数としてシリンダー内の温度の低下のグラフである。
【図３】図３は、直接注入を用いるクーラーエタノールチャージの層化、および熱の層化を達成するための旋回運動の概略図である。
【図４】図４は、入口多岐管中で層化されるエタノールを示す概略図である。
【図５】図５は、燃料タンク中のエタノールの量に基づき、ターボチャージャーおよびスパーク遅延を制御するために燃料管理マイクロプロセッサーが用いられる、本発明の実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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