CN101370681A - 用于获得以cng气体充填的汽车燃料箱的气体混合物的组分的方法和装置 - Google Patents

Abstract

按照本发明建议一种用于获得以CNG气体充填的汽车燃料箱(5)的气体混合物的组分的方法和装置，其中可以确定以CNG气体混合物充填的汽车燃料箱(2)中的气体混合物的组分。为此需要压力传感器(4)和温度传感器(5)，它们通常在已知的用气体运行的汽车中存在。由测得的数值确定(15)至少其中一种在气体混合物中存在的气体、尤其是乙烷、丙烷和/或丁烷的蒸发压力(p_d)。当燃料箱(2)中的CNG气体的组成部分中之一的蒸发压力下降时则确定气体混合物的一个相应的当前的组分。由此得到的优点是，对于内燃机(1)总是能够喷射这样多的具有20所需能量值的气体，就如同根据规定的空气燃料比(λ值)和运行条件所要求的那样。由此可以实现具有最少废气的最佳燃烧。

Description

用于获得以CNG气体充填的汽车燃料箱的气体混合物的组分的方法和装置

本发明涉及一种如权利要求1和15的前序部分所述的用于获得以CNG气体充填的汽车燃料箱的气体混合物的组分的方法和装置。已知配备快燃发动机的汽车可以通过所谓的CNG气体(天然气)驱动(CNGCompressed Natural Gas(压缩天然气))。作为天然气也已知CNG气体混合物。通过相应的改装这种CNG汽车或者可以仅仅以天然气(单质运行)运行或者以双燃料变量选择以汽油或天然气运行。天然气在约200bar的高压下强烈压缩并且携带在汽车的一个或多个压力安全的燃料箱里面。天然气的主要组成部分为85-98％的甲烷(CH₄)。但是天然气还包括高含量的碳氢化合物，如乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)和丁烷(C₄H₁₀)。在此涉及湿天然气。其原因是，乙烷、丙烷和丁烷的组成部分具有相对微小的蒸发压力并因此在压力下快速液化。蒸发压力在20℃时对于乙烷约为38bar，对于丙烷约为8.5bar，对于丁烷约为2.0bar。天然气的主要成分甲烷在-157℃温度时具有1.47bar的蒸发压力。

如果使燃料箱以CNG气体混合物在高压下充填，则甲烷基本上以气态形式供使用，而乙烷、丙烷和丁烷大多以液态出现。这些液体组成部分聚集在燃料箱底部并且不被利用，只要燃料箱中的气体压力高于乙烷、丙烷和丁烷的蒸发压力。而当燃料箱中的气体压力达到乙烷的蒸发压力值，则首先蒸发液体的乙烷组分，其蒸发压力在20℃时约为38bar。如果燃料箱中的气体压力再下降时，则在8.5bar时蒸发丙烷组分并最终在2bar时蒸发丁烷组分。这种物理特性导致，在将气体混合物喷射到内燃机里面时与吸入的空气相结合使气体混合物的化学组分连续变化。在满燃料箱时喷射或燃烧纯甲烷空气混合物，其中燃料箱中的气体压力(***压力)连续下降。如果在约38bar时达到乙烷的蒸发压力，则乙烷开始蒸发并且产生甲烷和乙烷的混合物。***压力这样长时间地保持恒定，直到燃料箱中的乙烷含量蒸发。接着***压力再下降。在***压力为约8.5bar时达到丙烷的蒸发压力阈值，然后蒸发液体的丙烷含量。从现在开始燃烧由甲烷、乙烷和丙烷组成的燃料混合物。

如果燃料箱还继续空的行驶，则在约2bar时也蒸发丁烷含量。但是在实践中后者几乎不出现，因为通常内燃机气缸中的喷射压力超过2bar行驶并因此使丁烷含量保持液化并且在燃料箱中连续地富集。

因为CNG气体的不同组成部分具有不同的内能，对于内燃机的运行特性产生在气缸充满度、形成混合物、燃料吹入持续时间和燃烧方面的显著影响。尤其是由此也可能影响废气排放。

本发明的目的是，在考虑燃料箱中的当前的CNG气体的气体组分的情况下改进内燃机燃烧室中的气体喷射。这个目的通过独立权利要求1和15的特征得以实现。

在按照本发明的用于获得气体组分的具有权利要求1和15特征的方法或装置中得到的优点是，与燃料箱中存在的气体压力(***压力)无关地总是提供气体混合物供使用，它在当前的发动机要求中对应于给定的理论值。由此不仅可以改进内燃机的功率曲线，而且尤其可以优化废气排放。这尤其由此实现，借助于算法获得CNG气体混合物的至少一个组成部分的当前的蒸发压力，尤其是用于乙烷、丙烷和/或丁烷。在低于上述组成部分的蒸发压力时确定气体混合物的相应的当前的组分。

通过在从属权利要求中描述的措施给出在权利要求1中给出的方法的有利扩展结构和改进方案。被视为特别有利的是，可以从事先存储的表格或压力曲线中非常简单地取出CNG气体的组成部分的当前的蒸发压力。因为在燃料箱中连续地测得温度和气体压力，在继续连续地取出气体时由存储的水平延伸的曲线部分得出当前的例如乙烷的蒸发压力。

此外有利的是，直接在乙烷蒸发之前得到气体的甲烷量可以通过非常简单的公式计算。

如果已知燃料箱中的气体温度、气体常数和气体密度，可以通过另一公式计算蒸发压力。

一个重要的参数是燃料箱中的气体容积特征。此外通过非常简单的公式能够执行用于容积的监控计算。因为在取出已知的甲烷燃料量时在燃料箱中产生压力降。

为了验证测量和计算规定，将测得的蒸发压力(当前的值)与计算的理论值进行比较。通过这种方式可以非常方便地确认故障。

本发明的一个重要优点是，根据当前的气体组分适配对于汽车内燃机要喷射的气体量。由此尤其可以补偿气体组成部分的能量差。也视为有利的是，要被喷射气体量在考虑其能量值的条件下适配于内燃机的有效通流特性。这个适配例如可以通过调整点火角和/或选择通过改变喷射持续时间和相关的喷射量匹配。尤其是这些适配例如在起动阶段、在热机运转期间和/或在贫油运行中执行。

一个非常有利的解决方案还在于，在汽车停止时如果尤其是环境条件、主要是燃料箱中的温度和/或气体压力变化，执行气体组分的新的计算。在重新起动发动机时相应地考虑新获得的气体组分。

最后也有利的是，一个用于获得气体组分的装置具有程序控制的计算单元。通过这个计算单元借助于一个算法并且在使用燃料箱中的测得温度和气体压力的条件下非常简单且没有高计算费用地确定气体组分。在此已经证实特别有利的是，使计算单元组合在汽车的发动机控制器里面，它在汽车中已经存在。现有的发动机控制器仅需一个相应的软件程序，通过它可以实现按照本发明的任务。

在附图中示出本发明的实施例并且在下面详细解释。附图中：

图1示出按照本发明的用于确定气体组分的装置的方框图，

图2示出具有压力曲线的第一曲线图，

图3示出第二曲线图，

图4示出用于按照本发明装置的程序流程。

图1的方框图示出按照本发明的实施例，其中内燃机1与喷射***3连接。该内燃机1由快燃发动机构成。在此快燃发动机可以单纯燃烧CNG气体或者以双组分运行转换到喷射汽油或喷射气体。通过喷射***3实现气体喷射。喷射***3通过液压管道7与燃料箱2连接，在其中储存CNG气体混合物。燃料箱2是高压安全的，因此它能够承受直到200bar的常见充填压力。由于高气体压力使CNG气体混合物部分地以液态储存。CNG气体混合物作为主要组成部分含有85-98％的甲烷，它由于其蒸发压力以气体形式出现。组成部分乙烷、丙烷和丁烷具有低得多的蒸发压力，因此这些分量以液体形状储存在燃料箱2里面。

在燃料箱里面或上面还设置压力传感器4以及温度传感器5。这些传感器4，5连续地测量燃料箱2内部的温度T以及气体压力(***压力)p。测量值通过相应的电导线传递到计算单元6。根据接收的数据计算单元6借助于下面还要详细解释的相应算法计算燃料箱2或气体***内部的当前的气体组分。该计算单元6主要具有控制程序，通过该程序计算不同的参数、例如CNG气体混合物组成部分的蒸发压力、燃料箱容积、气体组分等。

在可选择的实施例中该计算单元6组合在发动机控制器里面，该控制器本来就存在用于控制内燃机。

借助于图2的第一曲线图详细解释这个装置的工作原理。该曲线图示出一个压力曲线，其中在Y轴上表示燃料箱中的气体压力p，如同由压力传感器4测得的那样。在X轴上表示气体压力p的时间过程，它由压力传感器4测得。在此燃料箱以CNG气体混合物充填，其中CNG气体混合物除了甲烷以外也含有组成部分乙烷、丙烷和丁烷。假设，燃料箱以200bar气体压力充填。在图2中所示的压力曲线示例性地示出组成部分甲烷、乙烷和丙烷之间的比例。对于丁烷组成部分压力曲线类似地延伸。

借助于现有的压力和温度传感器在燃料箱中连续测量气体温度和气体压力。同时在计算单元中计算乙烷的蒸发压力。乙烷的蒸发压力的计算也可以选择由在图2中所示的压力曲线确定，因为乙烷含量开始蒸发的时刻在达到约38bar蒸发压力值时可以取出。这个部分对应于水平延伸的曲线部分2。而在压力值200至38bar之间延伸的下降曲线部分1给出，在这个压力范围只存在甲烷气体，因为气体混合物的其它组成部分在38bar以下的范围中以液态出现。在达到38bar气体压力时乙烷开始这样被蒸发，尽管继续取出气体但是燃料箱中的气体压力不继续下降也不升高。这一点通过水平的曲线走向2可以看出。因为燃料箱中的压力降通常相当缓慢地变化，因此当出现高于蒸发压力的特征时，可以更简单且更准确地确定曲线部分2的这个点。另一方面在相反推断中可以使由曲线变化求得的蒸发压力值与计算值进行比较，用于尤其检验测量精度并由此揭示可能的故障。由此以有利的方式提高***安全性。

蒸发压力按照公式

p_d＝ρ*R*T

确定，其中ρ是气体密度，R是气体常数，T是气体温度。

如果现在出现情况，燃料箱这样多地空行驶，使得蒸发压力低于乙烷的p_d＝38bar，则计算单元或发动机控制器反应。燃料箱量对于这个时刻由残余的气体甲烷量和在以前聚集的液体乙烷量组成。在这个蒸发压力p_d≈38bar时蒸发乙烷，因此发动机现在燃烧由甲烷、乙烷和空气组成的混合物，其中其内能与纯甲烷燃烧时不同。加入到气缸里面的气体量必需相应地适配于当前的混合物质量，用于满足燃料变化的化学组分(X％甲烷，Y％乙烷)并且用于保持定义的空气-燃料比例。气体混合物的组分和相关地要由发动机控制器调整的喷射量连续地变化。这个变化这样长时间地实现，直到所有的乙烷含量蒸发。除了适配喷射量尤其在起动内燃机时、在热运转期间且首先在贫油运行时实现其它的匹配。尤其是可以调整点火角和/或使喷射持续时间对应于气体混合物的内能或燃烧值匹配。此外发动机的有效通流特性对应于当前的气体混合物组分修正。

只要乙烷蒸发，***就处于平衡中和燃料箱压力保持恒定，如同由图2的曲线部分2所看到的那样。只有当所有乙烷分量蒸发时，燃料箱压力对应于曲线部分3继续下降。

下面还要详细解释气体混合物组分对于时间间隔的计算，在该时间间隔中甲烷和乙烷以气体状态出现。

如同由图2还看到的那样，丙烷的气体含量蒸发与上面对于乙烷所述类似地实现。如果燃料箱压力下降到约8.5bar，则使液体丙烷含量蒸发，由此对应于曲线部分4使燃料箱中的压力保持恒定。只有当丙烷含量完全蒸发并且还取出气体时，燃料箱中的气体压力对应于曲线5继续下降。

当汽车停止时并且在停止时间期间环境条件、尤其是燃料箱中的温度和压力比变化时，也可能产生特殊情况。由于温度变化例如使燃料箱中的气体压力高于一种气体分量的蒸发压力。在温度下降时气体压力可能变低或者与蒸发压力相等。对于这些特殊情况规定，重新计算蒸汽形出现的乙烷或丙烷量。然后在重新起动发动机时以气体混合物新的蒸发为基础。

在图3的另一曲线图中在Y轴上表示甲烷与乙烷之间的比例。在X轴上表示取出的以kg表示的气体量。由甲烷/乙烷曲线的下降分支可以看出，在高气体压力和低取出气体量时气体混合物中的甲烷含量直到22倍大于乙烷含量。在取出只约0.5kg气体混合物时甲烷含量还约三倍于乙烷含量。甲烷含量继续下降，因此在取出约3kg气体量时甲烷/乙烷比例约为1:1。由于这个曲线变化表明，对于内燃机的喷射条件连续地适配于燃料箱中的当前的气体组分。

下面以甲烷和乙烷为例详细解释燃料箱中当前的混合物组分的计算。燃料箱中甲烷量对于直接在乙烷蒸发前的时刻、即开始水平的曲线部分2(图2)时的计算通过下式实现：

m_Methan＝p_d*V/(R_Methan*T)

假设，在一个工作循环中取出气体量Δm。要被取出的气体量Δm作为已知的前提。例如由抽吸的空气量和相应的λ值确定Δm。首先从燃料箱取出的气体还是纯甲烷。通过连续的取出气体最终使燃料箱压力下降到乙烷的蒸发压力(约38bar)以下。由此正好蒸发这样多的乙烷，直到再达到蒸发压力。

为了计算首先蒸发的乙烷量按照下式：

m_Ethan＝Δm*R_Methan*R_Ethan

继续取出的气体组不仅含有甲烷而且含有乙烷。因此引入混合气体常数，它对应于气体混合物的组分。混合气体常数R_Mix对于每个工作循环按照下式重新计算：

R_Mix＝(m_Methan*R_Methan+m_Ethan*R_Ethan)/(m_Methan+m_Ethan)

各继续蒸发的乙烷量按照下式计算：

m_Ethan＝Δm*R_Mix*R_Ethan

按照下式计算乙烷的当前的部分压力p：

P_Ethan＝m_Ethan*R_Ethan*T/V

其中V是当前的燃料箱容积。

相应地按照下式计算甲烷的当前的部分压力p：

P_Methan＝p_d-P_Ethan

此外按照下式计算当前的存在的乙烷量：

m_Ethan＝(p_Ethan*V)/(R_Ethan*T)

作为继续取出的气体组Δm由甲烷和乙烷组成。在此源自理想的气体混合，因此气体组Δm可以如下计算：

Δm＝Δm_Methan+Δm_Ethan

Δm_Methan＝Δm*S/(1+S)

Δm_Ethan＝Δm*(1-S/(1+S))

因此按照下式通过替换上述的参数值得到当前的气体组分S：

$s_{\mathrm{aktuell}}=\frac{m_{\mathrm{Methan},\mathrm{aktuell}}}{m_{\mathrm{Ethan},\mathrm{aktuell}}}=\frac{m_{\mathrm{Methan},\mathrm{alt}}-\frac{s_{\mathrm{alt}}}{1+s_{\mathrm{alt}}}\·{\mathrm{\Δm}}_{\mathrm{aktuell}}}{m_{\mathrm{Ethan},\mathrm{alt}}-(1-\frac{s_{\mathrm{alt}}}{1+s_{\mathrm{alt}}})\·{\mathrm{\Δm}}_{\mathrm{aktuell}}+\frac{R_{\mathrm{Mix},\mathrm{aktuell}}}{R_{\mathrm{Ethan},\mathrm{aktuell}}}\·{\mathrm{\Δm}}_{\mathrm{aktuell}}}$

混合组分的计算迭代地运行并且对于每个工作循环每次重新计算，在工作循环中取出气体混合物并且蒸发一定的乙烷含量。

通过蒸发液体乙烷使燃料箱容积略微增加，而且正好以乙烷以液体形式占据的含量。系数ρ是液体乙烷密度(0.54kg/l)。由此得到容积变化ΔV

ΔV＝Δm_Ehtan×ρ_Ethan

仍然对每个工作循环计算当前的燃料箱容积V。由此得出：

V＝V_alt+ΔV

下面解释一个可选择的计算方法。可选择的计算方法在物理上于上述计算方法等值。但是具有优点，通过这种计算方法可以在结构上更简单地表示计算单元。在这个可选择的计算方法中独立地管理甲烷和乙烷的当前的蒸汽形含量m_Methan和m_Ehtan。

各个含量的比例X形成总蒸发量：

X_Methan＝m_Methan/(m_Methan+m_Ethan)

X_Methan＝1-X_Etha

每个工作循环吹入的气体量Δm如下组成：

Δm_Methan＝X_Methan*Δm

Δm_Ethan＝X_Ethan*Δm

然后由各最后求得的值m_Methan和m_Ethan减去各含量Δm_Methan和Δm_Ethan。由此对于甲烷和乙烷得到下面的当前的量：

m_{Methan，aktuell}＝m_Methan，alt-Δm_Methan

m_{Ethan，aktuell}＝m_Ethan，alt-Δm_Ethan+Δm_{Ethan，verdampft}

与上述类似地求得每工作循环蒸发的乙烷量。

如果燃料箱中的气体压力下降到丙烷的蒸发压力以下，因此使丙烷蒸发并且产生甲烷、乙烷和丙烷的燃料混合物，如同上面对于图2所解释的那样(曲线部分4和5)。对于这种情况可以类似地应用上面的公式。仅仅存在差别，必需首先计算对于甲烷与乙烷的恒定质量比的固定R_Mix。对于其余的计算代替甲烷值使用甲烷/乙烷混合气体值并且代替乙烷值使用丙烷值。

特别要考虑特殊情况，当汽车停止并且其它条件、尤其是环境温度和相关地燃料箱中的比例变化时产生这些情况。要区分下来情况。

情况1：

温度这样多地升高，使已经蒸发的乙烷(或丙烷)再液化。气体压力p大于蒸发压力p_d。

在这种情况下纯甲烷以气体形状态出现。乙烷含量是零。如上所述那样实现计算。

情况2：

温度这样多地下降，使乙烷含量完全蒸发。在这种情况下气体压力p小于蒸发压力p_d。乙烷含量这种情况下按照下式确定：

$m_{\mathrm{Ethan}}=(\frac{p\·V}{T}-m_{\mathrm{Ethan}}\·R_{\mathrm{Methan}})/R_{\mathrm{Ethan}}$

情况3：

温度这样多地升高或下降，使得正好存在蒸发压力(p-p_d)。这一点仅仅使情况2的特殊情况并且正好与情况2一样处理。

下面解释燃料箱容积的确定。

在上述的公式中燃料箱容积是一个重要的参数。根据气体组分上的液体含量多高，可以改变数值。如下求得容积。在甲烷只以气体出现的状态，燃烧确定的量Δm_Methan。量Δm_Methan由计算单元已知并且例如可以由抽吸的空气量和λ值计算。取出燃料量在燃料箱中导致压力降Δp＝p₁-p₂。由此可以计算燃料箱容积。如果在燃料取出运行中气体温度变化，则这个变化同样按照下式考虑：

$V=\frac{{\mathrm{\Δm}}_{\mathrm{Methan}}\·R_{\mathrm{Methan}}}{\frac{P_1}{T_1}-\frac{P_2}{T_2}}$

图4的流程图示出一样燃料箱含量模式化的流程图。首先在位置10和11借助于安装的传感器获得燃料箱中的气体压力或燃料箱中的温度。在位置12和13出现气体压力或气体温度并且中间存储。接着在位置14按照公式如上所述那样计算蒸发压力

p_d＝ρ*R*T

在位置15检验，在燃料箱中的当前的气体压力是否低于气体元素的蒸发压力。如果不是这种情况，则程序跳回到位置12并且重复循环。在另一种情况下，如果燃料箱中的气体压力低于蒸发压力，则在位置16计算气体混合物的组分。此外在位置17计算当前的燃料消耗并且在计算气体混合物组分时考虑这个值。接着在位置18根据当前的气体混合物组分实现相应地修正喷射。

这个修正例如可以通过停止点火、尤其是点火角、通过改变喷射持续时间、通过吸管模块计算和/或类似的措施实现。在这个修正后程序再跳回到位置12并且重复地重新开始循环。

附图标记清单

1       内燃机

2       燃料箱

3       喷射***

4       压力传感器

5       温度传感器

6       计算单元/计算装置

7       液压管道

10...18 流程图的位置

m       气体量(质量)

p       气体压力

p_d      蒸发压力

T       气体温度(燃料箱中的)

t       时间轴

Claims (15)

1.用于获得以CNG气体混合物充填的汽车燃料箱(2)的气体组分的方法，其中持续地测量汽车燃料箱(2)中的气体压力和气体温度，其特征在于，

-借助于一个算法由在燃料箱(2)中测得的温度和测得的气体压力求得CNG气体混合物的至少一个组成部分、尤其是甲烷、乙烷、丙烷和/或丁烷的当前的蒸发压力，

-当在燃料箱(2)中的CNG气体混合物的组成部分中之一的蒸发压力下降时确定气体混合物的一个相应的当前的组分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由存储的表格或压力曲线得到CNG气体的组成部分的当前的蒸发压力。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在继续取出气体组时由存储的压力曲线的水平压力变化得出CNG气体的一个组成部分的蒸发开始。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，直接在乙烷蒸发之前按照公式计算气态的甲烷量(m_Methan)

m_Methan＝P_d*V/(R_Methan*T)

其中p_d为蒸发压力，V为气体体积，R_Methan为气体常数，T为燃料箱(2)中的气体温度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照公式计算蒸发压力P_d

P_dEthan＝ρ_Ethan*R_Ethan*T，

其中T为燃料箱中的气体温度，R为气体常数，ρ为气体密度。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于继续取得的气体组甲烷和乙烷计算混合气体常数R_Mix＝(m_Methan*R_Methan+m_Ethan*R_Ethan)/(m_Methan+m_Ethan)。

7.如上述权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，按照公式计算燃料箱(2)中的气体体积V

V＝(Δm_Methan*R_Methan)/(p₁/T₁-p₂/T₂)。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将测得的蒸发压力与计算的理论值进行比较。

9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据当前的气体组分适配对于汽车内燃机要喷射的气体量。

10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，要被喷射到内燃机(1)中的气体量在考虑燃料箱(2)中的当前的气体组分和/或其能量值的条件下依据内燃机(1)的模拟通流特性进行适配。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，适配喷射持续时间和/或点火角。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，点火角适配于内燃机的当前的运行条件，尤其在起动阶段、在热机运转期间和/或在贫油运行中。

13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行容积监控计算，其中在取出已知的甲烷量时测量燃料箱(2)中的压力降，由压力降可以推断确定的燃料箱容积。

14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在汽车停止时对于变化的环境条件、尤其是燃料箱(2)中的温度和/或气体压力计算气体混合物的新的组分并且在重新起动发动机时相应地考虑气体混合物的组分。

15.用于获得以CNG气体混合物充填的燃料箱(2)的气体混合物组分的如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置(6)具有程序控制的计算单元并且构成计算单元(6)，借助于一个算法并且在使用燃料箱(2)中的测得温度(T)和气体压力(p)的条件下确定气体组分。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，该计算单元(6)是汽车中现有的发动机控制器的一部分。

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