(57)【要約】スパーク着火ガソリンエンジンの強化された運転のための燃料管理システム。インジェクタは、エタノールのようなアンチノック剤を、シリンダに直接噴射する。直接噴射は、注入バルブが閉じられた後に起こることが好ましい。三元触媒を用いた量論的運転が、放出を最小化するために使用されることがまた、好ましい。さらに、アンチノック剤が、少なくともガソリンの３倍の燃焼エネルギの単位あたりの気化熱を有することがまた、好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパーク着火エンジンと、
ガソリンの供給源と、
燃料であるアンチノック剤の供給源と、
該アンチノック剤の該エンジンのシリンダへの直接噴射のためのインジェクタと、
ノックを制御するために、該アンチノック剤の該シリンダへの噴射を制御する燃料管理制御システムとを備え、該アンチノック剤は、少なくともガソリンの燃焼エネルギの単位当たりの気化熱の３倍の燃焼エネルギの単位当たりの気化熱を有する、スパーク着火ガソリンエンジンの運転のための燃料管理システム。
【請求項２】
スパーク着火エンジンと、
ガソリンの供給源と、
燃料であるアンチノック剤の供給源と、
該アンチノック剤の該エンジンのシリンダへの直接噴射のためのインジェクタと、
エンジントルクが、最大トルクの選択された値またはフラクションを超える場合には、該アンチノック剤の該シリンダへの噴射を制御する燃料管理制御システムとを備え、該最大トルクの値またはフラクションはエンジン速度の関数である、スパーク着火ガソリンの運転のための燃料管理システム。
【請求項３】
ドライブサイクルの間に使用される最大のアンチノック剤エネルギフラクションは３０％から１００％の間である、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記アンチノック剤の直接噴射は、噴射バルブが閉じられた後に起こる、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記アンチノック剤は、エタノールである、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
ノック抑制における前記エタノールの気化効果は、比較的高いオクタン価のエタノールの効果よりも大きい、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料の部分は、ポート噴射され、該燃料のこの部分はエタノールまたはガソリンのいずれかである、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記エタノールの直接噴射は、低いエンジン速度および高いエンジントルクにおける着火遅れに対する必要性を減少させるために使用される、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記エタノールは、Ｅ８５の場合には、ガソリンと混合され、またはメタノールと混合される、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記注入バルブが閉じた後の噴射は、前記エンジンがノックなしで運転し得るマニホルド圧を、該注入バルブが閉じられる前の初期の噴射を用いて得られ得るノック燃料圧と比べて少なくとも０．５バールだけ増加させ得る、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
前記アンチノック剤は、圧縮ストロークに相対的に遅く（下死点の後で、かつ上死点の近くに）噴射されることにより、該アンチノック剤の速い気化のために該圧縮ストロークからの高い温度を利用する、請求項５に記載の燃料管理システム。
【請求項１２】
ノックは、２バールを超えるマニホルド圧において、１０以上の圧縮比を有するエンジンに対して防止され得る、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項１３】
ルックアップテーブルは、開ループ制御システムにおける使用のために様々なトルクの値および／または馬力でノック防止必要量を供給するために使用される、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エンジンは、少なくとも２倍ダウンサイジングされる、請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項１５】
前記効率ゲインは、２０％を超える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
複数のスクロールターボチャージャは、シリンダ数の減少に起因する前記注入マニホルドの圧力変動を減少させるために使用される、請求項１４に記載のエンジンシステム。
【請求項１７】
前記アンチノック剤はエタノールであり、サイクルごとのシリンダあたりの空気、エタノールおよびガソリンの量は、実質的に量論的な燃料／空気比を達成するように制御される、請求項２に記載のシステム。
【請求項１８】
三元触媒は前記エンジンからの排出放出を減少するために使用される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記制御システムは、エタノール、ガソリンおよび空気を用いて高い負荷で開ループを運転するが、低い部分的な負荷でガソリンおよび空気を用いて運転する場合には閉ループを用いる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記エタノール／ガソリンフラクションは、ノックセンサによって提供される情報を用いて閉ループフィードバックによって制御され、前記空気／燃料混合物は酸素センサによって制御される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
過渡時間に前記制御システムは、ルックアップテーブルの使用を用いて開ループを運転する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
高負荷で前記エンジンが、該エンジン、ターボチャージャ、触媒および他のシステムを保護するために前記燃焼温度を減少させるために、ノック制御のために必要とされるより大きいエタノール燃料フラクションで運転する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２３】
持続する高負荷で、前記エンジンが、該エンジン、ターボチャージャ、触媒および他のシステムを保護するために燃焼温度を減少させるためにリッチ状態で運転し、該リッチ運転の間に使用されるエタノールのフラクションはノックを防止するために必要とされるフラクションよりも大きい、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２４】
一般的に使用されるものよりも高いガソリンフラクションが、エンジン運転の最初の３０秒間に使用される、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記アンチノック剤はエタノールであり、前記エンジンに使用される最大エタノールフラクションは変更され得る、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記最大エタノールフラクションは、燃料タンク内のガソリン対該エタノールの比によって決定される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記最大エタノールフラクションは、ドライバによって決定される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
ターボチャージング、トルクおよび馬力の最大レベルは、前記最大エタノールフラクションが減少するときに減少する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記アンチノック剤は、エタノールであり、前記エタノール噴射は、不均一なエタノール分布が所望の場合には下死点に比べて遅らされる、請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項３０】
前記アンチノック剤は、エタノールであり、前記エタノール噴射は、比較的均一な混合物調合のために複数のスプレーの生成のための複数の穴を有する請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項３１】
前記アンチノック剤は、エタノールであり、膜フィルタが前記ガソリンから前記エタノールを分離するために使用される、請求項１または請求項２に記載のガソリンエンジンシステム。
【請求項３２】
前記アンチノック剤は、エタノールであり、体積において５％〜１５％の水を有するエタノールが使用される、請求項１または請求項２に記載の燃料管理システム。
【請求項３３】
前記ガソリンおよび前記アンチノック燃料は、特記されず可変の特性を有し、使用される該アンチノック剤のフラクションは、該エンジンのノックセンサからのフィードバックを用いることによって決定される、閉ループを使用する、請求項１または請求項２に記載の燃料管理システム。
【請求項３４】
最小のオクタンガソリンが運転上の必要性を満足させるように選択される、請求項３３に記載の燃料管理システム。
【請求項３５】
前記アンチノック剤は、前記エンジンの運転コストを最小化するように選択される、請求項３３に記載の燃料管理システム。
【請求項３６】
ガソリンエンジンと、
アンチノック剤の供給源と、
該アンチノック剤および該ガソリンの両方の該エンジンのシリンダへの直接噴射のためのインジェクタと、
ノックを制御するために、該アンチノック剤の該シリンダへの噴射を制御する燃料管理制御システムと
を備えている、スパーク着火ガソリンエンジンの効率良い運転のための燃料管理システム。
【請求項３７】
前記インジェクタは、前記アンチノック剤および前記ガソリンのための別々のバルブおよびノズルを有する、請求項３６に記載の燃料管理システム。
【請求項３８】
可変のバルブタイミング、リッチ運転、冷却ＥＧＲおよびスパークタイミング調節を用いる、請求項１または請求項２に記載のエンジン管理システム。
【請求項３９】
タンブル様の運動または渦巻き運動が燃焼安定性を達成するために使用される、請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４０】
エタノールは前記アンチノック剤であり、気化放出を最小化するために溶媒と混合される、請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４１】
前記エタノールと前記大気との間のキャニスターは、アンチノック剤気化放出を捕らえ、このようなキャニスターはエンジンが運転中に再生成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４２】
前記スパークは、最高温度の空気／燃料比の混合物を有する領域に配置される、請求項７および請求項２９に記載のエンジンシステム。
【請求項４３】
前記アンチノック剤およびガソリンは、同一のタンクの中に保持されるが、貯蔵されるアンチノック剤およびガソリンの量を相対的に変えるように移動され得るか、または変形され得る実質的に不透性の壁によって分離される、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記壁は変形可能な膜である、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記アンチノック剤は、貯蔵されたエタノールであり、前記ガソリンから分離した状態を保持され、該アンチノック剤は、脂肪酸、有機アミン塩のような潤滑性混合剤を含むことにより、前記燃料噴射システムの所望の運転を保障する、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４６】
前記アンチノック剤は、エタノールであり、適切な変性および他の混合剤を有する該エタノールはコンテナに提供され、該コンテナは一定の商業位置およびガソリンスタンドにおいて販売され得る、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４７】
前記エタノールは、十分な量の添加剤と混合されることにより、スーパーマーケットおよび他の商業位置での販売のために安全であると考えられる、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
拡張可能なパイプおよび漏斗が前記アンチノック剤タンクに構築されることにより、コンテナからの該アンチノック剤の補給を助長する、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４９】
ドライブサイクルの間に使用される前記アンチノック剤の量は、ノックを防止するために必要とされるよりも多い、請求項１に記載のシステム。
【請求項５０】
前記アンチノック剤の前記エネルギフラクションは、前記ドライブサイクルの間に、一定であるか、または変更されるかのいずれかである、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記アンチノック剤の使用は、ノックセンサからの信号によって開始される、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、２００５年４月６日に出願された米国特許出願第１１／１００，０２６号に対する優先権を主張し、該出願は、本明細書によって、参考として援用される。
【０００２】
本発明は、スパーク着火ガソリンエンジンと共に使用するための最適化燃料管理システムに関し、該エンジンにおいては、燃料であるアンチノック剤が該エンジンのシリンダに直接噴射される。
【背景技術】
【０００３】
直接噴射エタノール強化型ノック抑制を最適化することにより、上記示された米国特許出願第１０／９９１，７７４号に開示された技術を越えて、エンジン効率における増加を最大にし、大気汚染物質の放出を最小にする、多くの重要なさらなるアプローチがある。エタノールリッチな運転による高負荷の運転の間にエンジンおよび排気システムを保護し、コスト、エタノール燃料の使用およびエタノール燃料貯蔵要求を最小にするためのさらなるアプローチもある。本開示はこれらのアプローチを記載する。
【０００４】
これらのアプローチは、我々が開発した新しいコンピュータモデルを用いて、可変のエタノールのオクタン向上の効果のより洗練された計算に部分的に基づく。該モデルは、異なる噴射時間に対するノックの発生におけるエタノールの直接噴射およびポート燃料噴射されたガソリンとの混合物の効果を決定する。ノック抑制の際の直接のエタノール噴射の気化冷却の有益な効果を決定する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一局面において、本発明は、ガソリンエンジンおよび燃料であるアンチノック剤の供給源を含むスパーク着火ガソリンエンジンの運転のための燃料管理システムである。アンチノック剤の使用は、ドライブサイクルにわたるエンジン効率の増加を助長することおよびガソリンの代わりに燃料を使用することの両方による、ガソリン節約を提供する。インジェクタは、アンチノック剤のエンジンシリンダへの直接噴射に対して提供され、燃料管理制御システムは、アンチノック剤のシリンダへの噴射を制御することにより、ノックを制御する。アンチノック剤の噴射は、ノックセンサからの信号によって開始され得る。エンジントルクが最大トルクの選択された値またはフラクションを超える場合にも、該噴射は開始され得、ここで該最大トルクの該値またはフラクションは、エンジン速度の関数である。好ましい実施形態において、１つの／複数の注入バルブが閉じられた後に、インジェクタはアンチノック剤を噴射する。アンチノック剤が、少なくともガソリンの２倍の気化熱、または少なくともガソリンの３倍の燃焼エネルギの単位当たりの気化熱を有することが好ましい。好ましいアンチノック剤は、エタノールである。本発明のこの局面の好ましい実施形態において、燃料の一部はポート噴射され、ポート噴射燃料はガソリンである。直接噴射エタノールは、ガソリンまたはメタノールと混合され得る。エンジンが自然に吸入されたガソリンによって運転される場合にノックが起こる圧力の少なくとも２倍のマニホルド圧で運転可能であることも好ましい。ノック抑制が所望される場合のドライブサイクルの間の適切なエタノールフラクションは、エネルギによって、３０％と１００％との間である。圧縮比が少なくとも１０であることも好ましい。より高いマニホルド圧によって、エンジンは２倍だけダウンサイジングされ得、ドライブ条件下で３０％だけ増加し得る。
【０００６】
エタノールのようなアンチノック剤が噴射される時間の一部または全ての間に、エンジンが実質的に量論的な空気／燃料比で運転されることが好ましい。この場合には、三元触媒が、エンジンからの排気放出を減少させるために使用され得る。燃料管理システムは、開ループモードまたは閉ループモードにおいて運転し得る。
【０００７】
一部の実施形態において、一様でないエタノール噴射が使用される。エタノール噴射は、一様でないエタノール分布が所望される場合に下死点に対して遅れ得る。
【０００８】
本発明の多くの他の実施形態は、本出願の残りの部分に、詳細に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
エタノールは、ガソリンの２倍を超える気化熱、ガソリンの約６０％の１ｋｇ当たりの燃焼熱、およびガソリンの４倍近くの燃焼エネルギの単位当たりの気化熱を有する。従って、シリンダの空気／燃料チャージの気化冷却は、このアンチノック剤の適切な直接噴射によって非常に大きくなり得る。以下に参照されるコンピュータモデルは、気化冷却が、ノック抑制に非常に有益な効果を有し得ることを示す。有益な効果は、空気とガソリンとをシリンダに入れる注入バルブが閉じられた後のエタノールの噴射によって最大化される。このエタノールの遅れた噴射は、初期の噴射を有する場合に比べて、ノックなしの十分により高い圧力の運転、および結果として、より高い効率のエンジン運転を可能にする。結果として、それが、良好な混合を提供するために使用される初期の噴射という従来のアプローチよりも選ばれる。モデルはまた開ループ（すなわち、フィードバックよりもむしろ所定の情報を使用する制御システム）燃料管理制御アルゴリズムに対して使用され得る情報も提供する。
【００１０】
エタノールの直接噴射から得られ得るガソリンエンジン効率の増加は、最も高く起こり得るノック抑制強化に対する能力を有することによって、最大化される。この能力は、必要に応じて、最も高く起こり得るトルク量を可能にし、これによって所定の圧縮比に対する最大のエンジンのダウンサイジングを助長する。
【００１１】
最大のノック抑制は、エタノールの直接噴射の１００％または１００％近くの使用によって得られる。少ない量のガソリンのポート噴射は、より均質な混合物を提供することによって、燃焼安定性を得るために有用であり得る。ガソリンのポート燃料噴射はまた、両方の燃料に対して１つのセットのインジェクタを使用する第二の直接燃料システムまたはより複雑なシステムに対する必要性を取り除く。このことは、コストを最小にすることに有用であり得る。
【００１２】
ドライブサイクルの間に使用されるエタノールの最大フラクションは、エンジンシステム設計および異なるエンジン速度における所望のレベルの最大トルクに依存する。エネルギによる最大エタノールフラクションに対する代表的な範囲は、２０％と１００％との間である。
【００１３】
燃焼安定性を維持する一方で、最も高い可能性のオクタンの向上を得るために、ポート燃料ガソリンの小さいフラクションの代替として、ポート噴射されたフラクションを有するエタノールに由来することが、１００％の燃料に対して有用であり得る。
【００１４】
エタノールのガソリンエンジンへの直接噴射による、ノック抑制の最初の決定は、様々な条件下でノックのオンセットに対するコンピュータモデルの開発によって洗練された。コンピュータのモデル化は、燃料管理制御における使用のためにより正確な情報を提供する。それは、我々の比較的早い段階での予測よりも、大きいオクタンの向上に対する可能性を示す。より大きいオクタンの向上は、より大きなダウンサイジングおよびより高い圧縮比運転を介する効率ゲインを増加させ得る。それらはまた、所与の効率増加に対するエタノールの使用量を減少させ得る。
【００１５】
コンピュータモデルは、エタノールの気化効果の物理モデルと、エタノール／ガソリン／空気混合物のピストン運転の効果とを、燃焼運動に対して最先端の計算コードを用いて結合する。燃焼運動に対する計算コードは、ＣＨＥＭＫＩＮコード４．０［Ｒ．Ｊ．Ｋｅｅ，  Ｆ．Ｍ．Ｒｕｐｌｅｙ，  Ｊ．Ａ．Ｍｉｌｌｅｒ，  Ｍ．Ｅ．Ｃｏｌｔｒｉｎ，  Ｊ．Ｆ．Ｇｒｃａｒ，  Ｅ．Ｍｅｅｋｓ，  Ｈ．Ｋ．Ｍｏｆｆａｔ，  Ａ．Ｅ．Ｌｕｔｚ，  Ｇ．Ｄｉｘｏｎ−Ｌｅｗｉｓ，  Ｍ．Ｄ．Ｓｍｏｏｋｅ，  Ｊ．Ｗａｒｎａｔｚ，  Ｇ．Ｈ．Ｅｖａｎｓ，  Ｒ．Ｓ．Ｌａｒｓｏｎ，  Ｒ．Ｅ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ，  Ｌ．Ｒ．Ｐｅｔｚｏｌｄ，  Ｗ．Ｃ．Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，  Ｍ．Ｃａｒａｃｏｔｓｉｏｓ，  Ｗ．Ｅ．Ｓｔｅｗａｒｔ，  Ｐ．Ｇｌａｒｂｏｒｇ，  Ｃ．Ｗａｎｇ，  Ｏ．Ａｄｉｇｕｎ，  Ｗ．Ｇ．Ｈｏｕｆ，  Ｃ．Ｐ．Ｃｈｏｕ，  Ｓ．Ｆ．Ｍｉｌｌｅｒ，  Ｐ．ＨｏおよびＤ．Ｊ．Ｙｏｕｎｇ，  ＣＨＥＭＫＩＮ  Ｒｅｌｅａｓｅ  ４．０，Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｄｅｓｉｇｎ，Ｉｎｃ．，  Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ（２００４）］におけるエンジンモジュールであった。ＣＨＥＭＫＩＮコードは、複雑な化学運動の問題を解くソフトウェアツールである。この新しいモデルは、Ｃｕｒｒａｎ他［Ｃｕｒｒａｎ，Ｈ．Ｊ．，  Ｇａｆｆｕｒｉ，Ｐ．，Ｐｉｔｚ，  Ｗ．Ｊ．，およびＷｅｓｔｂｒｏｏｋ，Ｃ．Ｋ．「Ａ  Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｉｓｏ−Ｏｃｔａｎｅ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ」Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｆｌａｍｅ  １２９：２５３−２８０、（２００２）］からの一次標準ガソリン燃料（ＰＲＦ）メカニズムに基づく化学的速度情報を使用して、自己着火のオンセットを表す。
【００１６】
燃料／空気混合物の末端ガスにおける圧縮は、２１というエンジン圧縮比の人工物を用いて、モデル化され、実際の１０という圧縮比のエンジン内の末端ガスの条件を示す。末端ガスは、燃料の７５％（質量による）が燃焼した後に残る、燃焼されない空気／燃料混合物として定義される。最も自己着火（ノック）しやすいのは、末端ガスである。より大きな圧縮比は、末端ガス領域にない燃料の７５％の燃焼において解放されたエネルギによって、シリンダ内の圧力における増加の効果を含む。温度における、直接エタノール気化の効果は、噴射の時間に依存する、温度における気化の潜熱の効果を考慮してモデル化された。
【００１７】
ターボチャージングに起因する温度増加の効果も含まれた。ターボチャージングによる温度の増加は、空気の断熱圧縮モデルを用いて計算された。パイピング内またはインタークーラー内の熱移送が、より小さい温度増加を生じることを仮定する。シリンダに対する空気チャージの温度増加ΔＴｃｈａｒｇｅが、ΔＴｃｈａｒｇｅ＝βΔＴｔｕｒｂｏであることを仮定して、効果はモデル化され、ここでΔＴｔｕｒｂｏは、ブーストによる圧縮の後の温度増加であり、βは定数である。０．３、０．４および０．６というβの値が、モデル化に使用された。チャージの温度が、ポート燃料噴射ガソリンを用いる自然吸入エンジンに対して３８０Ｋであると仮定される。
【００１８】
図１は、様々なβの値に対する、注入マニホルド内の圧力の関数として、ノックを防ぐために必要とされる最小エタノールフラクションに対する上述のコンピュータモデルの予測を示す。図１においては、エタノールの直接噴射が、遅く（すなわち、シリンダに対して空気およびガソリンを入れる注入バルブが閉じられた後で）、レギュラーガソリンを代表するために８７オクタンＰＲＦ（一次標準燃料）であることを仮定する。マニホルド温度に対する対応する計算は、１０という従来の圧力比を有するエンジンに対する、３バールまで達する注入マニホルド内の圧力の場合に対して表１に示される。チャージの温度は、直接噴射されるエタノールの量と共に変わり、表１および図１において自己一致的に計算される。これらの計算に使用されるエンジン速度は１０００ｒｐｍである。
【００１９】
（表１）
コンピュータモデルは、様々なβ（ターボチャージングに起因する断熱温度増加に対する、ターボチャージングに起因するシリンダ空気チャージの変化の比、ΔＴｃｈａｒｇｅ＝βΔＴｔｕｒｂｏ）の値に対する、１０という圧縮比を有するエンジンに対する３バールの注入マニホルド圧に対してノック防止に必要とされる温度およびエタノールフラクションを計算する。エンジン速度は１０００ｒｐｍである。
【００２０】
【表１】
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燃料と空気との良好な混合を得るために、通常は、直接燃料噴射が、注入バルブが閉じられる前の初期に行われる。しかしながら、我々のコンピュータ計算は、注入バルブが閉じられた後の噴射からの実質的な噴射を示す。
【００２１】
空気の量は、注入バルブが閉じられた後の噴射の場合には一定である。それゆえ、温度変化は、空気の定積熱容量（ｃｖ）を用いて計算される。空気および燃料をシリンダに入れるバルブが開いたままである初期の噴射の場合は、定圧熱容量（ｃｐ）を用いてモデル化される。定積の場合は、定圧の場合よりも、チャージ温度の減少を誘起する、ほぼ３０％だけ大きな気化を生じる。より良い気化冷却は、より高いマニホルド圧（より大きいオクタンの向上に対応する）における、１バールを超える差による初期の噴射の場合であるノックなしの運転を可能にし得る。定圧における気化冷却効果に対する定積における気化冷却効果の増加は、ガソリンの直接噴射に対する場合よりもエタノールおよびメタノールのような燃料の直接噴射の場合に対して実質的に高い。
【００２２】
計算からの典型的な結果は、図２に示される。図は、３バールの圧力およびβ＝０．４という値に対するシリンダチャージの圧力（ａ）および温度（ｂ）を、クランク角の関数として示す。２つの値のエタノールフラクションが選択され、一方は自己着火を生じ、エンジンノックを生成する（燃料エネルギによる０．８２エタノールフラクション）、他方は自己着火なし、すなわちノックがない（０．８３エタノールフラクション）。自己着火は、閾値現象であり、この場合においては、０．８２と０．８３との間のエタノールフラクションで発生する。０．８３のエタノールエネルギフラクションに対して、３６０°（上死点）における圧力および温度上昇は、大部分は、ピストンによる空気燃料混合物の圧縮に起因する。エタノールエネルギフラクションが０．８２まで減少するときには、温度および圧力が、自己着火の結果として急に上昇する。３６０度の後に図２の自己着火は実質的に発生するが、自己着火タイミングは、自己着火温度（１Ｋという初期温度における変化、または１％というエタノールエネルギフラクションにおける変化に対して、自己着火タイミングにおいて５度のクランク角が変化する。）に非常に感度が高い。
【００２３】
アンチノック剤（この場合、エタノール）からの気化冷却の効果が、表２に示され、ここで３つの場合が比較される。第一の場合は、エタノールのポート燃料噴射を用いる。この場合において、マニホルドの壁におけるエタノールの気化は、シリンダへのチャージの温度に無視できる衝撃を有する。なぜならば、マニホルドの壁は空気チャージよりも冷却されるからである。第二の場合は、定圧での気化を有する直接噴射であるが、注入バルブが開いている場合を仮定し、ここでチャージの冷却はさらに空気をシリンダに入れる。第三の場合は、先の議論の場合のように、注入バルブが閉じられた後の遅れた噴射を仮定する。基準温度が３８０Ｋであり、β＝０．４を有するターボチャージャにおける冷却があるという量論的な運転を仮定する。
【００２４】
（表２）
エタノールのポート燃料噴射（チャージ冷却がないことを仮定）のノックなしの運転、および注入バルブが閉じられる前後の直接噴射のノックなしの運転。１０という圧縮比、３８０Ｋという基準チャージ温度、β＝０．４を用いるインタークーラー／ターボ後の冷却、量論的運転、８７ＲＯＮを用いるガソリン。エンジン速度は１０００ｒｐｍである。
【００２５】
【表２】
2008536043.tif 000004
結果は、冷却の強い効果を示す。ポート燃料噴射の場合、エネルギによる０．９５エタノールフラクションを用いて、（着火遅れなしに）ノックを防ぐ最大マニホルド圧は、１．０５バールである。エタノールの直接噴射を用いて、最大のノックなしのマニホルド圧およびシリンダ圧は、約７５Ｋのチャージの温度減少を有して、２．４バールである。注入バルブが閉じた後の噴射を伴う、最終的な場合は、４バールのマニホルド圧、３バールのシリンダ圧（冷却後）、約１２０Ｋのチャージの温度減少を可能にする。早い噴射の場合は空気の追加を（定圧で）可能にするが、バルブが閉じた後の遅い噴射の場合のトルクが、実際には早い噴射の場合のトルクよりも高いことが注意されるべきである。比較のために、モデルはまた、８７オクタンのガソリンのみのポート燃料噴射に対してノックが発生するマニホルド圧を計算するために使用される。この圧力は、ＭＢＴ（最大ブレーキトルク）における着火タイミングを仮定して、約０．８バールである。従来のガソリンエンジンは、他の場合にはノックが発生する高いトルクの領域でタイミングを遅らせることによって、運転する。従って、注入バルブが閉じられた後の、エタノールの直接噴射の気化冷却効果が、ガソリンに対するエタノールのより高いオクタン価レーティングの気化冷却効果よりもかなり大きくなり得ることを、モデルは示す。
【００２６】
４バールというマニホルド圧は、非常に積極的である。表２は、注入バルブが閉じられた後の、直接噴射システムの劇的に向上した性能を示す。この場合に向上した性能は、増加した圧縮比または減少したアンチノック剤の使用と交換され得る。
【００２７】
上記のように、図２に示される場合に対する自己着火がサイクルの相対的に遅くに発生する場合には、自己着火（ノック）の計算は保存的であることが注意されるべきであり、自己着火の前に燃料が燃焼されている可能性がある。圧力トレースが、仮定されるものと異なる場合には、図２の計算が自己着火の後に失敗することにも注意されるべきである。図２と類似する図面は、自己着火が発生しない条件を決定するために使用され、これらの条件は次いで図１に対する情報を提供するために使用される。図２に示される場合の初期温度は、０．８２エタノールフラクションに対しては３４１Ｋであり、０．８３エタノールフラクションに対しては３４０Ｋであり、１Ｋの差がある（エタノールの冷却効果に起因する差）。
【００２８】
大きな気化熱によって、初期の噴射によるチャージ冷却が十分であり得ることにより、エタノールの気化速度は実質的に減少する。注入バルブが閉じられた後の噴射の場合である、熱い気体に噴射する代わりに、エタノールの完全な気化の終わりの温度は、初期の噴射に対して実質的に増加し、気化速度を増加させ、壁の湿潤を最小化する。
【００２９】
均質に近いチャージが、アンチノック剤の気化のために十分に温かいことを仮定すると、アンチノック剤の最高の混合およびそのようなチャージに対する噴射の最適なタイミングは、注入バルブが閉じた直後である。他方、エタノール必要量を最小化し、着火能力を向上させるために、不均一の混合物が所望される場合には、最良の達成可能な混合物が目標である場合よりも、噴射は遅く起こるはずである。
【００３０】
注入バルブが閉じた後のエタノールの遅い噴射は、ディーゼル様の噴射スキーム、例えば、複数のスプレーを有するインジェクタの使用を介して最適化され得る。燃料を、以下に記載されるようにシリンダライナからの潤滑油の除去を生じる、任意のシリンダ壁の湿潤を最小化する速度において、相対的に素早く噴射することが重要である。複数の穴を有するノズルからの複数のスプレーは、相対的に低い噴射速度を有するスプレーの分布パターンを生じる。このことは、等しいエネルギコンテンツに対するエタノールのより高い（ガソリンと比較して）体積スループットのために、エタノールに対して特に重要である。
【００３１】
バルブが閉じた後の噴射は、燃料の適度のフラクション（例えば、２５％）が、所望の燃焼安定性を達成するためにポート噴射される。タンブル様の運動または渦巻き運動が、所望の燃焼安定性を獲得するために導入され得る。ポート噴射燃料は、ガソリンまたはエタノールであり得る。
【００３２】
ガソリンのみを用いる運転に対するコンピュータモデルの使用は、ガソリンエンジン車両における観測されたノックの発生と一致しており、それゆえエタノールに対する推定の信用性を強化する結果を与える。コンピュータモデルは、１０という圧縮比を有するノックなしのガソリン運転に対して、ノックが自然吸入ガソリンエンジンに対して可能にされたマニホルド圧に対する厳しい制約を課すこと、および非常に限定された（すなわち１．２バール未満の）マニホルド圧が、着火遅れおよび／またはリッチな運転が使用されるまで、ガソリンの直接噴射を用いてさえ、達成され得る。しかしながら、これらの変化は、効率を減少させ得、放出を増加させ得る。
【００３３】
図１は、ノックが、１０という圧縮比を有するエンジンにおいて、４０％〜８０％の間のエタノールフラクションの直接噴射を用いて、２バールよりも大きいマニホルド圧で防がれ得ることを示している。マニホルド圧は、エンジンノックなしで、少なくとも２．５バールであり得る。３バールの圧力は、エンジンが、自然吸入ガソリンエンジンの約１／３までダウンサイジングされるが、依然同一の最大トルクおよび動力を生成することを可能する。上記の計算によって示される大きなブーストは、多段階ターボチャージャを必要とし得る。多段階ターボチャージャに加えて、ターボチャージャは、ツインスクロール（ｔｗｉｎ−ｓｃｒｏｌｌ）ターボタイプであり得ることにより、ターボチャージを最適化し、小数のシリンダによって生成された注入マニホルド内の圧力変動を減少させる。
【００３４】
２倍より大きいエンジン内の許容されたマニホルド圧の増加によって、エンジンは２倍ダウンサイジングされ（すなわち、シリンダ容積が２倍以上減少する）、圧縮比は一定を保つか、上昇し得る。例えば、８気筒エンジンの性能が、４気筒エンジンによって達成され得る。
【００３５】
所与のトルクの値におけるノックの発生は、エンジン速度に依存する。実質的にさらなる最大トルクおよび動力を提供することに加え、エタノールの直接噴射は、着火遅れを減少させるか、または除外することによって、（１５００ｒｐｍ未満の）低いエンジン速度において有意な向上を提供するために使用され得る。着火遅れは、一般的に、ガソリンエンジンと共に使用されて、自己着火が高いエンジン速度における場合よりも低いトルクの値において発生する、低いエンジン速度におけるノックを防ぐ。
【００３６】
図１はまた、異なるレベルのトルクおよび馬力におけるノックを防ぐために必要とされるエタノールフラクションを決定するため使用し、トルクおよび馬力は、所与のサイズのエンジンにおけるマニホルド圧を用いてスケールされる。この情報は、開ループ制御システムにおいて使用され得る。
【００３７】
直接エタノール噴射強化を用いる、ドライブ条件下でのガソリンエンジンの効率は、１０という圧縮比を有する自然吸入ガソリンエンジンの効率よりも、少なくとも２０％高くあり得、好ましくは少なくとも３０％高くあり得る。この増加は、同一動力を与える実質的なエンジンのブーストおよびダウンサイジング、および大きなオクタン向上によって可能にされた高い圧縮比運転（１１以上の圧縮比）から生じた。５０％を超えるより積極的なダウンサイジング（ここでは、同一のエンジン性能が、２分の１未満の排気量によって得られる）によって、効率における増加は、３０％を超える。
【００３８】
より大きなダウンサイジングまたはより高い効率はまた、可変バルブタイミング（ＶＶＴ）を用いることによるエンジンのオクタン必要量を減少させることによっても、得られ得る。従って、高いトルクの条件で、可変バルブタイミングは、注入バルブおよび排出バルブの開放／閉鎖を適切に変えることによって、圧縮比を減少させるために使用され得る。高いトルクでの効率の損失は、燃料経済全体に小さな影響を有する。なぜなら、エンジン単体はこれらの条件下でめったに運転しないからである。
【００３９】
ＶＶＴはまた、排気ガスをより良く除去するためにも使用され得る［Ｂ．ＬｅｃｏｉｎｔｅおよびＧ．Ｍｏｎｎｉｅｒ、「Ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ  ａ  Ｇａｓｏｌｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ」、ＳＡＥ  ｐａｐｅｒ、２００３−０１−０５４２］。排気ガスを減少させることは、空気／燃料の温度を減少させる。注入バルブおよび排出バルブの両方を開いたままにし、一方で注入マニホルド内の圧力が排出マニホルドよりも高くすることは、燃焼チャンバから排気ガスを除去するために使用され得る。シリンダ内のわずかにリッチな運転と結合されて、この効果は、ノック回避を増加され、一方で排出が依然量論的である結果を生じ得る。冷却されたＥＧＲおよび着火タイミング調節はまた、ノック回避を増大させるために使用され得る。
【００４０】
低いエンジン速度における高いエンジントルクを伝えることの任意の遅れは、車両のドライブ能力を減少させ得る。これらの条件下では、実質的なエンジンのダウンサイジングによって、ターボが高い圧力を生成するまで、車両は低いエンジン速度で不十分な加速を有する。この遅れは、リッチ運転および可変のバルブタイミングの使用による着火遅れまたはエタノール／ガソリンの削減による、エタノールの直接噴射の使用を介して取り除かれ得る。
【００４１】
別のアプローチは、電気アシストターボチャージャを使用することである。短時間に所望のブーストを生成し得るユニットが利用可能である。デバイスは非常に速い応答時間を提供するが、該デバイスはかなりの動力必要量を有する
複数のスクロールのターボチャージャは、ダウンサイジングされたエンジン内の減少した数のシリンダから生じ得たマニホルド内の圧力変動を減少させるために使用され得る。
【００４２】
ターボチャージャからの空気のダウンストリームの温度は、圧縮処理によって上昇する。インタークーラーの使用は、この温度上昇が、エンジンのオクタン必要量を増加させることを防ぐ。さらに、所与のターボチャージに対するエンジンから利用可能な動力を最大化するために、空気チャージの冷却が、シリンダに入る空気の質量を増加させ、結果としてより高い動力を生じる。
【００４３】
放出を最小にするためには、エンジンは、実質的に全ての時間、またはほとんどの時間、量論的な空気／燃料比で運転されるべきであり、そのために三元排出触媒処理が使用され得る。図３は、三元排出処理触媒１０、ならびにその効率的な運転に必要とされる、空気対燃料の実質的に量論的な比を維持するために必要な空気、ガソリンおよびエタノール制御を示す。システムは、酸素センサ１２を電子制御ユニット（ＥＣＵ）１４への入力として使用する。ＥＣＵ１４は、ターボチャージャ１６に入る空気の量、ガソリンの量およびエタノールの量を制御することにより、量論的運転を保証する。過渡時間に、格納されたエンジンマップからの開ループアルゴリズムが、エンジン１８のシリンダ内の実質的に量論的な燃焼を維持する空気、ガソリンおよびエタノールのフローを決定するために使用される。
【００４４】
従って、可変のエタノールオクタン向上が使用される場合、燃料管理システムは、空気、ガソリンおよびエタノールの量を調節することにより、燃料／空気比が実質的に１に等しくする必要がある。さらなる制御が必要とされる。なぜなら、燃料管理によって決定された空気／ガソリン比がエタノールの噴射の間に修正されなかった場合には、混合物は、もはや量論的ではない。Ｓｔｏｋｅｓ他［Ｊ．Ｓｔｏｋｅｓ，Ｔ．Ｈ．ＬａｋｅおよびＲ．Ｊ．Ｏｓｂｏｒｎｅ、「Ａ  Ｇａｓｏｌｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｃｅｐｔ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｆｕｅｌ  Ｅｃｏｎｏｍｙ  −Ｔｈｅ  Ｌｅａｎ  Ｂｏｏｓｔ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＳＡＥ  ｐａｐｅｒ、２０００−０１−２９０２］の希薄ブーストアプローチとは対照的に、三元触媒を用いた量論的運転は、非常に少ない排気管放出を生じる。
【００４５】
ＥＣＵ１４が開ループを運転し得る、すなわち、制御が、感知されたパラメータ（この場合エンジンノックである）からのフィードバックによって（閉ループ）というよりは、むしろエンジンマップのルックアップテーブルと比較することによって決定される、エンジン運転マップ内の特定の領域がある。前述のように、過渡時間の開ループ運転が有利であり得る。
【００４６】
開ループ制御が有利であり得る別の状況が、高負荷下であり、ここでは、燃料リッチ条件（燃料／空気比が量論比よりも大きい）が、燃焼温度を減少させ、結果として（特に長期運転の間に）エンジンおよび排出システムを保護するために必要とされ得る。ガソリンエンジン車両における従来のアプローチは、増加した燃料／空気比を使用すること、すなわちリッチ条件で運転することである。オンボードのエタノールの存在は、２つの代替案を可能にする。量論的条件においてさえも、ノックを制御し、結果として燃焼温度を、直接エタノール噴射のより高い冷却効果によって、ガソリンのみによって得られ得る量より大きい量だけ減少させるために必要とされるエタノール燃料フラクションを超えるエタノール燃料フラクションの使用が、第一の代替案である。第二の代替案は、従来の適用のように、リッチ運転における増加した燃料供給の使用である（これは０．７５と同定度の低さの相対的な空気／燃料の質量比を生じ得、ここで、量論的混合物は１という相対的な空気／燃料比を有する）。制御システムは、２つの燃料、エタノールとガソリンとの間で選択し得る。エタノールの使用の増加は、ガソリンよりも環境にダメージを与えず、必要とされる温度制御を達成するためのリッチ運転の量の減少によって、ガソリンの使用よりも良い。ガソリンおよびエタノールの両方を用いる開ループ運転は、エンジンの「ルックアップテーブル」の実質的な修正を必要とし得る。
【００４７】
従って、部分負荷の条件下で、エンジンを運転する方法は、ガソリンのみの使用による閉ループを運転することである。エンジン負荷が増加する場合、エンジン制御システムは、ルックアップテーブルを用いて開ループ運転に変わり得る。
【００４８】
エンジンの閉ループ制御は、ノックセンサ（図示されず）がエタノールの所望されるフラクションを決定し、一方で酸素センサ１２が燃料の総量を決定する。このスキームの変形は、ガソリンに対するエタノールの比を決定するためにルックアップテーブルを使用するが、燃料の総量を決定するために閉ループを使用して、ノック制御開ループを運転することである。
【００４９】
エタノール（相対的に低い沸点を有する）の気化放出を最小化するために、溶媒がその効果を最小にするためにエタノールに加えられ得る。代替的な手段は、吸収性キャニスターを、エタノールタンクと、エタノールを捕獲しエンジンが運転するときにエタノールを開放する大気との間に配置することである。
【００５０】
エタノールからの大きな冷却によって、ある時間に対して冷却エンジンの始動が困難であること（例えば、最初の３０秒間）が公知である。複数の燃料によって、エタノールの追加なしにエンジンを始動することが可能である。ガソリンはエタノールよりも早く気化し、ポート燃料ガソリンまたは直接噴射ガソリンを用いた従来の運転は、より早いエンジン始動を生じる。通常使用されるものよりも大きなガソリンのフラクションが、エンジン運転の最初の３０秒間における始動運転を円滑にするために使用され得る。
【００５１】
トルクの最大値で、１００％または１００％近くのエタノールの使用を介してなされる可能性のあるエンジンのダウンサイジングに起因する効率の増加は、より高いエタノールのフラクションを必要とする望ましくない効果を有する。それゆえ、最大の効率ゲインの達成が所望される場合には、これらのトルクの値でのエタノールの使用を最小化するための不均一なエタノール分布がより魅力的になる。
【００５２】
特定のトルクの値またはブースト圧未満では、使用されるエタノールの量を減少させるために、不均一なエタノール分布を使用することが有利であり得る。特定のトルクあるいはターボチャージャまたはスーパーチャージャブースト圧を超えると、不均一のチャージは使用されない。なぜならば、エンジンは主にエタノールで運転し、エタノールの不均一性は、エタノール消費量を最小にするために使用され得ないからである。このことは、所望のフラクションが５０％より高い場合には特に重要である。
【００５３】
シリンダの不均一なエタノール分布によってエタノールの使用を最小にする能力は、特定のエタノール噴射幾何形状によって実現され得る。エタノールは、渦チャージの外周において噴射され得る。エタノールによる壁の湿潤を最小にするために、エタノール噴射がチャージの渦運動にマッチするような方法で噴射を達成することが便利である。噴射方向は、従って、シリンダの主軸に対してある角度で配置され、角度の方向成分でエタノールを噴射する。渦の場合のチャージの層化は、末端ガスゾーンに対応する外周により冷たい（およびより密度の高い）領域を有する温度層によって維持され得る。
【００５４】
シリンダ内にエタノールの不均一な分布を提供するための代替的方法またはさらなる方法は、エタノールを下死点に対して遅れて噴射することである。従って、エタノールの搬送および放散に対する時間は最小化される。しかしながら、十分な時間がエタノールの完全な気化に対して許可されるべきである。下死点（ＢＤＣ）の後に温度がさらに高くなるので、気化時間は減少し、エタノールがシリンダの壁を濡らす可能性がほとんどない。エタノールの気化の増加はまた、小さい液滴を生成するインジェクタを用いることによって達成され得る。インジェクタは相対的に狭い配向された噴射を用いて、単一のスプレーパターンインジェクタであり得る。このタイプの噴射は所望の領域へのエタノールの堆積を最適化する。
【００５５】
シリンダ内（シリンダの外部領域）に不均一なエタノール分布を作成することは、２つの利点を有する。第一の利点は、自己着火（ノック）への傾向を有する領域、つまり末端ガス領域の冷却効果の増加である。第二の利点は、中央の領域が冷却されず、着火および初期の火炎伝播を向上させることである。燃焼時間および末端ガスの燃焼の化学作用の前の時間を減少させることによって、アンチノックの利点を有する火炎伝播の初期段階における速い炎の速度を有するので、中央の領域を熱く保つことが好ましい。燃焼時間を最小化することは、末端ガスが自己着火し得る前に燃焼される場合にはノックがないので、ノックへの傾向を減少させる。従って、ガソリンがシリンダ全体に均等に広がる条件下においてさえ、空気／燃料混合物の良好な着火特性を有することは可能である。
【００５６】
層化運転は、局所的なチャージ冷却の増加を生じ得る。これは、噴射エタノールがチャージの小さいフラクションのみ冷却し、従って所与のエタノール量に対して、均一なエタノール分布を用いた温度の平均減少よりも層化運転を用いた温度の局所的な減少の方が大きいからである。遅れた噴射は、混合時間が限定されるので、不均一な空気／エタノール混合物の形成に役立ち得る。ガソリンのフラクションがポート燃料噴射されるので、この燃料がシリンダ内に均質に分布されるが、エタノールが優先的により冷たいエッジ（末端ガス）にあるということを仮定する。従って、全体の空気／燃料チャージが量論的であるが、着火の局所的に近い部分は希薄であり、一方で末端ガスの領域はリッチである。これらの条件の両方は有利である。なぜなら、着火は、（わずかに希薄であるが）比較的高温の領域で発生し、一方、外側はリッチで冷たく、これらの両方がノック抑制器となるからである。
【００５７】
中心に熱い空気／ガソリン、末端ガスに冷たい空気／エタノールまたは空気／エタノール／ガソリン混合物を伴う、渦形またはタンブル層化された空気燃料チャージの場合には、着火を熱い空気／ガソリン混合物の領域（実質的に燃焼チャンバの中心近く）に配置することが有利である。
【００５８】
エタノール消費量は、ガソリンも直接噴射される場合に最小化され得る。この場合には、ガソリンの気化熱はまた、シリンダ内のチャージの温度の減少に有用である。ガソリンはインジェクタの別々のセットを用いて噴射され得る。これは最大の柔軟性を提供する。しかしながら、シリンダごとの２つのセットのインジェクタをシリンダヘッドの限定されたスペースに取り付けることは困難であり得る。代替的な手段は、エタノールおよびガソリンの両方の噴射のために単一のセットのインジェクタを提供することである。２つのオプションが実行可能である。このうちの１つは、単一のノズルおよびバルブがあり（そしてガソリンおよびエタノールが共に噴射される）、もう１つは核燃料が別々のノズルおよびバルブを有する。
【００５９】
ガソリンおよびエタノールの両方の直接噴射を用いることは、コストの増加という不利益を有する。洗練された１つまたは複数のインジェクタに加え、第二の高圧燃料ポンプも必要とされる。エタノールおよびガソリンがまた、平行する共通プレナム（ｐｌｅｎｕｍ）を有することが必要である。
【００６０】
単一のノズルが使用されるとき、エタノールおよびガソリンはシリンダ内に同じ方法で分布される。単一のノズルおよびバルブを用いる場合には、燃料がインジェクタのバルブ／ノズル部の前に混合されることが必要である。このことは、インジェクタの外側またはインジェクタ本体内のいずれかでなされ得る。混合点とノズルとの間の体積は、燃料混合物の速い応答を可能にするように最小化される。
【００６１】
上記の実施形態のわずかな変更は、２つのバルブを有するが単一のノズルを有するインジェクタを含む。これは、混合点とバルブとの間の体積を最小化することに加え、ガソリン／エタノール混合物を制御するインジェクタの外側の第二のバルブに対する必要性を最小化する。
【００６２】
単一のインジェクタ内で各燃料に対して別々のノズル／バルブ使用することが可能である。この場合には、ガソリンおよびエタノールがシリンダの異なる領域に置かれ得る。さらなる利点は、エタノールおよびガソリンに対して異なるスプレーパターンを提供することである。このことは、シリンダ内の最適な不均一のエタノールの分布のために、エタノールおよびガソリンをチャージの所望の位置に置くことが可能であり、ならびに様々なエタノール／ガソリンフラクションの同時または非同時の噴射の可能性を有する、（２つの個別のインジェクタと比較して）最も柔軟なシステムを提供する。最適な分布とは、エタノールの最小消費量でノック回避し、一方でエンジンをドライブ可能に維持することを意味する。最適な不均一のエタノール分布は、ガソリンを中央に置くこと、およびエタノールを、末端ガスが存在するシリンダの周辺に優先的に置くことによって、得られ得る。このことは、注入マニホルド内の不均一なスプレーイングを介しするガソリンの不均一な分布を達成することとは反対に、直接噴射を用いてより容易に達成され得る。ガソリンの気化熱が、エタノールに対するものよりも実質的に小さい（エネルギベースで４倍小さい）ので、スパーク近くの領域における冷却効果は小さくなり、初期の火炎伝播にわずかに影響する。さらに、ガソリンに対して、エタノールの噴射が遅れることが有利であり得る。
【００６３】
エタノールが使い果たされると、エンジンは、（例えば、ウェストゲートによる）ターボチャージャブースト減少および最大トルクレベルでの運転の排除または回避を伴う「低性能、ガソリンのみ」モードで運転し得る。これらの条件は、限定され得、一部の場合には車両をより高い負荷で運転する手段が所望される。このことはガソリン直接噴射（ＧＤＩ）を用いたエタノールシステムにおいてガソリンを使用し、同時にガソリンのフラクションをポート燃料噴射することによって達成され得る。これらの条件下で、エンジンは、より高い負荷およびより高いトルクで運転するが、エタノールが達成し得るものよりも依然かなり低いままである。直接噴射燃料の冷却効果のみが得られる。なぜなら、直接噴射される燃料は、ポート噴射燃料（どちらの場合においてもガソリン）と同じオクタン価を有するからである。
【００６４】
ガソリン燃料タンク内のガソリン対エタノール燃料タンク内のエタノールの比が所定の値よりも小さい場合（エタノールの欠損または利用可能性によって、またはいくつかの他の理由で）、エンジン運転条件を変えて、ドライブサイクルにおけるエタノール／ガソリン消費量比を減少させることが可能である。このことは、エンジン内で使用され得る所与のエンジン速度で最大エタノールフラクションを減少させるためになされる。ターボチャージングの許可されたレベルならびに最大圧力、最大トルクおよび最大馬力は、ノックを防ぐために相応して減少する。このようにして、エタノール／ガソリン消費量比と最大トルクおよび最大馬力との間の連続的なトレードオフが達成され得る。
【００６５】
最近のエタノール／ガソリン使用ならびにガソリンおよびエタノールの量の評価の適切なエキスパートシステムによって、「低性能、ガソリンのみ」モードの必要性を最小化するための手段を提供することが可能である。タンク内に残る量が所定のレベル未満である場合には、アンチノック剤の使用が制限されることにより、主燃料がエタノールの前またはエタノールと同時に消費され得る。オペレータが、所望の車両運転がアンチノック剤の消費によって制限される条件において制限を無効にし（ｏｖｅｒｒｉｄｅ）得るために、スイッチを配置することが望ましい。
【００６６】
ドライブサイクルにおいて、少なくとも２５％だけ効率を増加させるために十分なオクタン価を向上させるために必要なエタノールの量（エネルギによる）は、エタノールの層化なしで、燃料（エタノール＋ガソリンエネルギ）の１５％未満、エタノールの層化ありで５％未満である。
【００６７】
フラクションの蒸留によるディーゼルからのエタノールのオンボードの分離は、エタノール排出後処理触媒［「Ｆｕｅｌ−Ｂｏｒｎｅ  Ｒｅｄｕｃｔａｎｔｓ  ｆｏｒ  ＮＯｘ  Ａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ：Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  ＥｔＯＨ  ＳＣＲ  Ｓｔｕｄｙ」、Ｊｏｈｎ  Ｔｈｏｍａｓ、Ｍｉｋｅ  Ｋａｓｓ、Ｓａｍ  Ｌｅｗｉｓ、Ｊｏｈｎ  Ｓｔｏｒｅｙ、Ｒｏｎ  Ｇｒａｖｅｓ、Ｂｒｕｃｅ  Ｂｕｎｔｉｎｇ、Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｐａｎｏｖ、Ｐａｕｌ  Ｐａｒｋ、２００３ＤＥＥＲ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）Ｗｏｒｋｓｈｏｐにおいて発表、Ｎｅｗｐｏｒｔ  ＲＩ  Ａｕｇｕｓｔ  ２００３］の使用に対して説明される。このアプローチは、ガソリン混合物からのエタノールのオンボードの分離のために使用され得る。しかしながら、膜分離の使用は、より簡単であり、より安価であり得る。水からのエタノールの分離のための膜の使用に対する情報があるが、我々の知識に対して、ガソリンからのエタノールの膜分離に対する利用可能な情報はない。エタノール分子は４オングストロームのオーダーであり、典型的な炭化水素燃料分子はかなり大きいので、分離のために膜を使用することが可能である。有機膜および無機膜の両方が使用され得る。高い純度のエタノールを得ることは必ずしも必要でないので、処理は相対的に簡単であり、低い圧力を必要とする。
【００６８】
多孔性膜およびトランスフュージョン膜の両方が使用され得る。なぜなら、２つの炭素原子を有するエタノールが、５〜１０の炭素原子を有するほとんどの他のガソリン混合物よりも有意に異なる特性を有するからである。本発明における使用に予期される他のアンチノック剤はまた、ガソリンに比べ少ない数の炭素を有する。膜のアプローチは、炭素原子数におけるかなり小さい差がある様々なガソリン／ディーゼル燃料の分離に対して示唆される蒸留または吸収性／脱着性アプローチ（Ｉｌｙａｍａ他の米国特許第６，３３２，４４８号を参照）よりも有意に単純であり得る。
【００６９】
膜の位置は、燃料ライン内の高圧の領域（ポンプから下流）にあり得るか、またはそこから上流にあり得る。膜が下流に配置される場合には、エンジンが運転し、ポンプがオンになるときにのみ分離が発生し、一方で上流にある場合に分離は連続的である。ポンプから下流の燃料の圧力は数バールである（ポート燃料噴射の特性）。これは、エタノールシステムの圧力から区別されることであり、該システムは直接噴射され、従ってかなり高い圧力を必要とする。
【００７０】
分離されたエタノールは、貯蔵される分離タンクに搬送される。かなり多いエタノールがある場合には、３つのオプションが利用可能である。該３つのオプションとは、１）追加の分離は停止する、２）必要とされない場合においてもエンジン内でいくらかのエタノールが使用される、３）エタノールは主要ガソリンタンクに戻される、である。
【００７１】
タンクは、高温において牽引するとき、または長い登坂を行なうときのように、高いトルクにおける運転を必要とする、および延びた期間に対する場合に、それが燃料から抽出され得るよりも高い速度でエタノールを消費する必要な条件のときに、さらなるエタノールを導入可能にするために到達可能であるべきである。
【００７２】
ガソリンからのエタノールの抽出が、燃料の残りのオクタンを低下する意図されない影響を有し得る。従って、噴射エタノールのいくぶんの増加した使用が、ノックを防ぐために必要である可能性がある。エタノールの不均一な分布がない場合でさえ、通常のドライブ条件下で、燃料から抽出されるエタノールの量が必要とされるエタノールにマッチするように、システムは設計され得る。
【００７３】
燃料補給所において、ガソリン／エタノール混合物からエタノールを分離することもまた有利であり得る。オンボード分離と同様に、このアプローチはまた現在の燃料搬送インフラストラクチャの使用を可能にする。潜在的な利点は、オンボード分離に比べて燃料分離システムの選択におけるより大きな柔軟性およびより低いコストであり得る。これはエタノールブーストされるエンジン車両の導入段階の間に特に関心があり得る。
【００７４】
エタノールタンクの容積を調節する、従ってエタノールタンク内のエタノールの最大量を変える能力を有することが有用であり得る。この能力は、エタノール再補給の間により長い距離をドライブすること、ならびにエタノールおよびガソリンの利用可能性およびコストに依存して、ドライブサイクルにおいて異なるガソリン／エタノール比で運転することを可能にさせる。一部の場合には、所望のオクタン向上を提供するために必要とされるよりも多いエタノールを使用することが有利であり得る（例えば、代替的な燃料またはＣＯ２減少目標を満足させるために）。全体の燃料タンクサイズを増加させることなしに、この能力を有することが望ましい。様々な量のガソリンおよびエタノールを分離する膜またはプレートを有する単一の燃料タンクが使用されることにより、この目標を達成し得る。
【００７５】
タンクは、水平方向または垂直方向に移動可能／変形可能な壁を有するように構成され得、該壁は、実質的に不透性で、ガソリンおよびエタノールで満たされる領域を分離する。別々の充填ポートおよび燃料ラインは、図４ａおよび図４ｂに示されるように、各領域に対して統合される。ガソリンとエタノール（または他のアンチノック剤）との分離が完全である必要はない。なぜなら、燃料のもう一方に対する少量の漏れは車両の運転に逆の影響を与えないからである。壁は、タンク内のいずれかの燃料の量に応答して移動され得る。この処理は分離膜の場合には自動的であり、後者は一方の燃料から他方への漏れに対してより不透性であり得る。
【００７６】
エタノールはガソリンよりも密度が高い。移動可能／変形可能な壁が配置されることにより、エタノールがガソリンの上またはガソリンの下のいずれかに配置され得る。しかしながら、ガソリンより少ないエタノールが必要とされることが予期されるので、好ましい実施形態は図５に示されるように、ガソリンの上にエタノールを有する。
【００７７】
ガソリンから分離されるようにエタノールが貯蔵される場合には、エタノールは様々な混合剤と混合されて、エタノール噴射システムの所望の動作を保証し得る。さらに、Ｅ８５（１５％のガソリンの体積を含む）のようなガソリン−エタノール混合物を使用することが可能である。潤滑性添加剤は、脂肪酸、有機アミン塩（リン酸アミン塩およびポリエチレンオキシリン酸）、リン酸アルキルおよびリン酸アリール、ならびにホスホン酸ジアルキルアルキルを含む。
【００７８】
モデル化計算は、アルコールの直接噴射に対して、ノック抑制の比較的大きい影響は燃料アンチノック剤の固有のノック抵抗ではなく、むしろその高い気化熱の固有のノック抵抗であることを示す。エタノールの代替を評価するために、表３は、提案された燃料アンチノック／代替燃料の特性を示す。これらの添加剤の一部はガソリンよりも高いオクタン価を有するが、これらの一部はシリンダチャージ温度にかなり大きい影響を有する（表３は注入バルブが閉じられた後の噴射を仮定する）。これらの混合物の一部（主にエーテル）は、ガソリン直接噴射に匹敵するチャージ温度効果を有し、従って重要性は低い。アルコールは、ガソリン直接噴射（添加剤を用いた１００％または１００％近くの運転）に起因する温度変化よりも３倍以上の温度変化で、このアプリケーションに対して最適な特性を有する。エタノールに対して、温度の変化は、ガソリンの４倍を超え、メタノールに対して、該変化は約９倍以上である。空気の温度低下は、燃料内の（Ｏ／Ｃ比に換算して）酸素量と共に増加する。従って、１というＯ／Ｃ比を有するメタノールに対して温度低下が最大であり、エタノール（Ｏ／Ｃ＝２）が二番目であり、他も同様である。
【００７９】
（表３）
様々な燃料のアンチノック特性（ＳＡＥ標準  Ｊ  １２９７  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｆｕｅｌｓ、２００２年９月において得られたデータから計算された）
【００８０】
【表３】
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燃焼熱に対する気化熱の比、アンチノック剤として使用される場合の潜在的な効果の測定も表３に示される。このパラメータは所与のレベルのトルクに対する気化冷却の量の測定を与える。最後の項目、ΔＴａｉｒは、注入バルブが閉じられた後の噴射との量論的混合に対する空気温度の低下を測定する。効果はメタノールの使用によって明らかに最大化されるが、他の考慮がエタノールを好ましい選択にさせ得る。メタノールは有毒で腐食性である。
【００８１】
含水性エタノール（少量の水を有する）は、純粋な（生の）エタノールに比べより低いコストという利点を有する。エタノールから最後の１０％〜１５％の水を取り除くことは、かなりの費用を有し、かなりのエネルギを消費する。製造の容易さによって、典型的には、本質的に純粋な（無水の）エタノールに対する必要性がない場合には、体積において約１０％の水を有するエタノールを生成する。５体積％〜１５体積％の水分濃度を有するエタノールを使用することが有利であり得る。
【００８２】
エンジンノックを識別するために閉ループアプローチを用いることによって、弾力的なガソリングレード（異なるオクタンレーティングを用いる）および弾力的なノック防止燃料グレードが使用され得る。開ループシステムは、アンチノック添加剤の品質の測定を必要とする。同様に、開ループシステムは、燃料の品質（オクタン価）を決定することを必要とする。閉ループ運転は、より安価なガソリンの使用を可能にし、利用可能な場合には、結果としてより高価なアンチノック剤に対して部分的に補償する。その利用可能性に従って異なるアンチノック燃料、例えばトウモロコシを生成および処理する領域におけるエタノール、メタノール生成能力を有する領域におけるメタノールを用いることも可能である。従って、利用可能な最も安価なグレードのガソリンおよび最も安価なアンチノック燃料が使用され得、車両を運転するコストを減少可能にし、同様にアンチノック燃料の利用可能性を増加させる。
【００８３】
上記の議論はエタノールを例示的なアンチノック剤として特徴付けているが、同一のアプローチは他の高オクタン燃料、メタノール（単位燃料あたりの比較的高い気化エネルギを有する）のような高い気化エネルギを有する燃料添加剤、イソプロパノール、ターシャリーブチルアルコール、あるいはメチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、エチルターシャリーブチルエーテル（ＥＴＢＥ）またはターシャリーアミルメチルエーテル（ＴＡＭＥ）のようなエーテルなどのような他のアンチノック剤に適用され得る。これらの燃料および添加剤の互いとエタノールとの様々な混合物を使用することが有利であり得る。
【００８４】
特に本発明の導入段階の間に、エタノール補給は、１ガロンコンテナのようなコンテナの使用によって行われ得る。燃料補給の簡単さを助長するために、拡張可能なパイプおよび漏斗が車両のエタノール燃料タンクに構築され得る。
【００８５】
これらのコンテナ内のエタノールが変性することにより、アルコール飲料としての人間の消費を妨げ、上記の混合剤を含み得る。例えばブラジルにおいてのように、燃料として販売されるエタノールは、他の変性剤（メタノール、イソプロパノールおよびその他）内の小さいフラクションのガソリン（２％）によって変性する。
【００８６】
コンテナの再利用は、ガソリン補給所のような特定の特別な位置において起こり得る。
【００８７】
いつ、どのくらい、エタノールまたは他のアンチノック剤が、ノックを防止するために、ドライブサイクルの様々な時間で使用される必要があるかを決定するために、ノックセンサからの信号を使用して、燃料管理システムは、ドライブサイクルにおいて消費されるエタノールまたは他のアンチノック剤の量を最小化するために使用され得る。十分なエタノールまたは他のアンチノック剤が利用可能である場合には、燃料管理システムが、ノックを防止するために必要とされるよりも多いエタノールを使用するために用いられ得る。このことは、より多いガソリン節約（エタノールをガソリンの代用にすることからのガソリン節約成分が増加する）を可能にし、二酸化炭素減少を可能にする。この場合には、アンチノック剤フラクションにおいて運転することが望ましく、該フラクションはドライブサイクルの間、変更され得、または一定であり得る。
【００８８】
本明細書に引用された参考文献の全ての内容は、本明細書においてそれら全体が参考として援用される。
【００８９】
本明細書に開示される修正および変更は、当業者にとって明らかであり、このような修正および変更の全ては添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが認識される。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１は、注入マニホルド圧の関数として、ノックを避けるために必要とされる（エネルギによる）エタノールフラクションのグラフである。エタノールフラクションは、β、ターボチャージャによる断熱的な空気の温度の上昇に対するターボチャージング（および、使用される場合にはアフタークーリング）による空気シリンダチャージにおける温度の変化の比の様々な値に対して示される。
【図２】図２ａは、３バールのマニホルド圧に対するクランク角の関数としてのシリンダ圧のグラフである。図２ｂは、３バールのマニホルド圧に対するクランク角の関数としてのチャージ温度のグラフである。
【図３】図３は、エンジンへのエタノール、ガソリンおよび空気のフローの計量／制御を有する量論的条件を維持する、本明細書に開示された燃料管理システムの実施形態の概略的な図である。
【図４】図４ａおよび図４ｂは、エタノール／ガソリン配合物からの、エタノールの分離に関する概略的な図である。
【図５】図５は、ガソリンエンジンのエタノールブーストを用いる車両のための弾力的な燃料タンクの断面図である。
【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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