CN103890352A - 车辆的燃料性状检测*** - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种如下技术：在搭载有使用气体燃料的内燃机的车辆中，在向燃料罐内补给气体燃料时，能够迅速地确定补给的气体燃料的性状。为了解决该课题，本发明在搭载有使用气体燃料的内燃机的车辆的燃料性状检测***中，在向燃料罐补给气体燃料时，以将气体燃料从填充口向燃料罐引导的通路的截面积和燃料罐内的压力变化为参数来计算补给的气体燃料的气体常数，并以该气体常数为参数来计算气体燃料所含的惰性气体的浓度。

Description

车辆的燃料性状检测***
技术领域
本发明涉及一种在搭载有使用压缩天然气(CNG：CompressedNatural Gas)等气体燃料的内燃机的车辆中检测气体燃料的性状的技术。
背景技术
以往，提出了一种如下技术：在以CNG为燃料的内燃机中，在燃料管线上配置烃(HC)组成检测传感器，根据由该传感器检测出的值来调整目标空燃比。而且，提出了一种如下技术：在以CNG为燃料的内燃机中，在燃料罐配置对该燃料罐内的压力进行检测的内压传感器，并根据由该传感器检测出的压力来调整目标空燃比。(例如，参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-148143号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述的现有技术是着眼于构成CNG的多个成分的气化压力不同的点的技术。即，上述的现有技术是基于如下前提的发明：在燃料罐内的压力随着燃料的消耗而下降时，从燃料罐向内燃机供给的CNG的性状发生变化。
然而，上述的现有技术在向燃料罐内补给气体燃料时那样，在燃料罐内的压力急速变化时，可能无法迅速地确定补给后的气体燃料的性状。因此，上述的现有技术在补给气体燃料后而内燃机初次起动时，也可能无法对应于补给后的气体燃料的性状。
本发明鉴于上述的实际情况而作出，其目的在于提供一种如下技术：在搭载有使用气体燃料的内燃机的车辆中，在向燃料罐内补给气体燃料时，能够迅速地确定补给的气体燃料的性状。
用于解决课题的手段
本发明为了解决上述的课题，在搭载有使用气体燃料的内燃机的车辆的燃料性状检测***中，在向燃料罐补给气体燃料时，以将气体燃料从填充口向燃料罐引导的通路的截面积和燃料罐内的压力变化为参数来计算补给的气体燃料的气体常数，并以该气体常数为参数来计算气体燃料所含的惰性气体的浓度。
详细而言，本发明涉及一种车辆的燃料性状检测***，该车辆搭载有使用气体燃料的内燃机，所述车辆的燃料性状检测***具备：
燃料罐，用于贮藏气体燃料；
填充口，在向所述燃料罐填充气体燃料时开口；
压力传感器，检测所述燃料罐内的压力；及
运算部，在向所述燃料罐填充新的气体燃料时，所述运算部以由所述压力传感器检测的压力的变化量和从所述填充口到所述燃料罐的燃料通路的通路截面积为参数来计算向所述燃料罐新填充的气体燃料的气体常数，并以该气体常数为参数来计算向所述燃料罐新填充的气体燃料所含的惰性气体的浓度。
当向燃料罐填充新的气体燃料(以下，称为“填充燃料”)时，残留于燃料罐内的气体燃料(以下，称为“残留燃料”)与填充燃料混合。在填充燃料与残留燃料的性状不同时，在填充燃料填充后从燃料罐向内燃机供给的气体燃料(填充燃料与残留燃料的混合燃料)的性状与在填充燃料填充前向内燃机供给的燃料(残留燃料)的性状不同。
在此，作为气体燃料的性状变化对内燃机造成的影响，可列举理论空燃比的变化。尤其是当气体燃料所含的惰性气体的浓度(例如，二氧化碳(CO2)、氮气(N2)发生变化时，混合气的理论空燃比也发生变化。由此，若能够确定填充燃料所含的惰性气体的浓度，则也能够确定在填充燃料填充后向内燃机供给的燃料(混合燃料)的理论空燃比。
气体燃料所含的惰性气体的浓度与气体燃料的气体常数相关。气体燃料的气体常数与填充气体燃料时的速度(音速)相关。填充气体燃料时的速度与每单位时间填充的气体燃料的量(流量)和燃料通路的通路截面积之比相关。每单位时间填充的气体燃料的量与每单位时间下的燃料罐内的压力上升量相关。由此，能够以每单位时间下的压力传感器的变化量和燃料通路的通路截面积为参数来计算气体燃料的气体常数。
因此，根据本发明，在向燃料罐内补给(填充)气体燃料时，能够迅速地确定补给的气体燃料(填充燃料)的性状。
本发明的车辆的燃料性状检测***可以根据残留燃料的量、残留燃料的惰性气体浓度、填充燃料的量及填充燃料的惰性气体浓度来计算混合燃料的惰性气体浓度。
根据这种结构，能够确定填充燃料与残留燃料的混合燃料的惰性气体浓度。其结果是，在填充燃料填充后而内燃机初次运转时，也能够形成与混合燃料相适的空燃比的混合气。
另外，通过本申请发明者的仔细的实验及验证可知，在惰性气体浓度高时与惰性气体浓度低时相比理论空燃比变低。由此，可以以混合燃料的惰性气体浓度为参数来计算该混合燃料的理论空燃比。此时，进行在惰性气体浓度高时与惰性气体浓度低时相比理论空燃比变低那样的运算。如此，当确定混合燃料的理论空燃比时，也能够根据混合燃料的理论空燃比来调整目标燃料喷射量、目标吸入空气量。即，能够实施与混合燃料的理论空燃比相适的空燃比控制。其结果是，在填充燃料填充后而内燃机初次运转时，能够使混合气的空燃比与所希望的目标空燃比一致。
另外，本发明的车辆的燃料性状检测***可以以混合燃料的惰性气体浓度为参数来调整燃料喷射量、吸入空气量。例如，本发明的车辆的燃料性状检测***可以基于在气体燃料的惰性气体浓度高时与气体燃料的惰性气体浓度低时相比理论空燃比变低的关系来校正目标燃料喷射量、吸入空气量。即，本发明的车辆的燃料性状检测***可以校正目标燃料喷射量使得在混合燃料的惰性气体浓度高时与混合燃料的惰性气体浓度低时相比燃料喷射量变多，或者可以校正进气节气门的开度、进气门的开闭时间使得吸入空气量变少。当通过这种方法来校正目标燃料喷射量或目标吸入空气量时，能够形成与混合燃料的性状相适的空燃比的混合气。其结果是，即使在填充燃料填充后而内燃机初次运转时，也能够使混合气的空燃比与所希望的目标空燃比一致。
发明效果
根据本发明的车辆的燃料性状检测***，在搭载有使用气体燃料的内燃机的车辆中，在向燃料罐内补给气体燃料时，能够迅速地确定补给的气体燃料的性状。
附图说明
图1是表示车辆的燃料性状检测***的概略结构的图。
图2是表示CNG中含有的惰性气体浓度与理论空燃比的关系的图。
图3是表示在确定填充CNG的惰性气体浓度时ECU所执行的处理例程的流程图。
图4是表示在确定混合CNG的气体常数时ECU所执行的处理例程的流程图。
图5是表示CNG中含有的惰性气体浓度与燃料喷射量的校正项的关系的图。
具体实施方式
以下，基于附图，说明本发明的具体的实施方式。本实施方式所记载的结构元件的尺寸、材质、形状、相对配置等只要没有特别记载，就不是将发明的技术范围仅限定于此的内容。
图1是表示本发明的车辆的燃料性状检测***的概略结构的图。在图1中，在车辆100上搭载有内燃机1和燃料罐2。内燃机1具备多个气缸3和向各气缸3内喷射燃料的燃料喷射阀4。而且，在内燃机1上连接有进气通路5和排气通路6。
进气通路5是用于将从大气中取入的新气(空气)向内燃机1的气缸3引导的通路。在进气通路5的中途安装有用于变更该进气通路5的通路截面积的进气节气门7和测定新气(空气)的温度(外气温度)的进气温度传感器8。
排气通路6是在使从气缸3排出的已燃气体(排气)经由排气净化用催化剂、消音器等之后用于向大气中排出的通路。在排气通路6的中途安装有测定排气的空燃比的A/F传感器9。
燃料罐2是贮藏压缩天然气(CNG)的罐。在燃料罐2安装有用于测定该燃料罐2内的压力的压力传感器10。而且，燃料罐2经由燃料供给管11而与内燃机1的燃料喷射阀4连通。燃料供给管11是用于将燃料罐2内的CNG向燃料喷射阀4引导的通路。燃料罐2经由入口管13而与安装于车辆100的车身上的填充口12连接。填充口12在供配置于加油站等的填充嘴***时开口，将从填充嘴供给的CNG向入口管13导入。
在如此构成的车辆100上搭载有ECU14。ECU14是由CPU、ROM、RAM、备用RAM等构成的电子控制单元。在ECU14上电连接有进气温度传感器8、A/F传感器9、压力传感器10等各种传感器。而且，在ECU14上电连接有燃料喷射阀4、进气节气门7等各种设备。ECU14基于从所述各种传感器输入的信号来控制所述各种设备。
例如，ECU14根据内燃机1的负载、转速来计算燃料喷射量，并按照算出的燃料喷射量来控制燃料喷射阀4。然而，向燃料罐2内填充的CNG的性状未必均匀，有时对应CNG的各补给场所(填充场所)而不同。而且，混合气中的CNG和氧气没有过与不足地进行反应时的空燃比(理论空燃比)根据CNG的性状而不同。尤其是若CNG中含有的惰性气体(二氧化碳(CO2)及氮气(N2))的浓度不同，则理论空燃比也不同。
在此，本申请发明者进行了仔细的实验及验证的结果是，发现了在CNG中含有的惰性气体的浓度与理论空燃比之间具有图2所示那样的关系。即，如图2所示，理论空燃比在CNG中的惰性气体浓度高时比CNG中的惰性气体浓度低时降低。因此，在填充有与残留于燃料罐2内的CNG(以下，称为“残留CNG”)的性状不同的CNG(以下，称为“填充CNG”)的情况下，当按照残留CNG的理论空燃比来控制填充后的燃料喷射量、吸入空气量时，实际的空燃比可能与所希望的目标空燃比不同。
例如，在填充有惰性气体浓度比残留CNG的惰性气体浓度高的填充CNG时，填充后的CNG(残留CNG与填充CNG混合而成的CNG(以下，称为“混合CNG”))的理论空燃比变得低于残留CNG的理论空燃比。因此，当按照残留CNG的理论空燃比来控制填充CNG填充后的燃料喷射量、吸入空气量时，实际的空燃比变得比目标空燃比高(稀薄)。其结果是，可能会导致排气放射物的增加、发动机输出的下降等。
另外，在填充有惰性气体浓度比残留CNG的惰性气体浓度低的填充CNG时，混合CNG的理论空燃比变得高于残留CNG的理论空燃比。因此，当按照残留CNG的理论空燃比来控制填充CNG填充后的燃料喷射量、吸入空气量时，实际的空燃比变得比目标空燃比低(富氧)。其结果是，可能会导致排气放射物的增加、发动机输出的增加、失火等。
此外，在内燃机1的运转中，实施基于实际的空燃比与目标空燃比之差来对燃料喷射量进行校正的反馈控制，因此上述那样的空燃比的偏差也可能被消除。然而，直到通过所述反馈控制的实施而将空燃比的偏差消除为止，需要一定程度的时间。因此，在填充CNG填充后而内燃机1初次运转(起动)时，实际的空燃比与目标空燃比背离，也可能会导致起动性的下降等。
相对于此，本实施例的车辆的燃料性状检测***在将填充CNG填充时，确定该填充CNG中含有的惰性气体浓度，基于确定的惰性气体浓度来控制填充后的燃料喷射量、吸入空气量。
以下，叙述确定填充CNG的惰性气体浓度的方法。CNG中含有的惰性气体的浓度与CNG的气体常数相关。因此，通过求出CNG的气体常数，而能够确定CNG的惰性气体浓度。
CNG的气体常数已知可以由下式(1)表示。
R＝a2/(γ*T)···(1)
所述式(1)中的R为气体常数，a为气体的音速，γ为气体的比热比，T为气体的温度。
所述式(1)在填充CNG从填充口12向燃料罐2移动的速度为音速以上时成立。即，在从填充口12经由入口管13到燃料罐2的路径中的通路截面积最小的部分(以下，称为“最小径部”)填充CNG的移动速度为音速以上时，所述式(1)成立。
填充CNG的移动速度在以下的条件成立时为音速以上。即，在填充CNG即将填充之前(填充口12开口时)的燃料罐2内的压力Ptank与从填充嘴喷射的填充CNG的喷射压力Pdis之比(＝Ptank/Pdis)小于阈值Pthre时((Ptank/Pdis)<Pthre)，填充CNG的移动速度为音速以上。
因此，在填充CNG即将填充之前的燃料罐2内的压力Ptank小于填充嘴的喷射压力Pdis与阈值Pthre的乘法运算值时(Ptank<(Pthre*Pdis))，所述式(1)成立。
所述阈值Pthre根据填充嘴的喷射压力和最小径部的通路截面积而变化。其中，填充嘴的喷射压力Pdis可以预先统计性地求出。此时，作为喷射压力Pdis，也可以使用从统计性地求出的喷射压力Pdis中的最低的喷射压力Pdismin减去余量所得到的值。最小径部的通路截面积可以预先求出。由此，喷射压力Pdis与阈值Pthre的乘法运算值可以预先作为固定值求出(以下，将所述乘法运算值称为“临界压力Pcri”)。
在填充CNG即将填充之前的燃料罐2内的压力Ptank小于所述临界压力Pcri时，ECU14按照所述式(1)来计算填充CNG的气体常数R。另外，难以使用已存的车载设备来计测填充CNG的音速a。因此，ECU14通过以下的方法来计算填充CNG的音速a。
填充CNG的速度(音速)a可以由下式(2)表示。
a＝Q/A···(2)
所述式(2)中的Q是每单位时间填充的填充CNG的量(流量)，A是最小径部的通路截面积。
填充CNG的流量Q与燃料罐2内的压力每一定时间Δt上升的量ΔPtank成比例。由此，填充CNG的流量Q可以由下式(3)表示。
Q＝k*(ΔPtank/Δt)···(3)
所述式(3)中的k为系数，是基于燃料罐2的容积等而决定的适合值。
根据所述式(2)、(3)，填充CNG的音速a可以由下式(4)表示。
a＝{k*(ΔPtank/Δt)}/A···(4)
根据所述式(1)、(4)，气体常数R可以由下式(5)表示。
R＝[{k*(ΔPtank/Δt)}/A]2/(γ*T)···(5)
在填充CNG即将填充之前的压力传感器10的测定值(燃料罐2内的压力)Ptank小于所述临界压力Pcri时，ECU14可以基于所述式(5)来计算填充CNG的气体常数R。
另外，作为所述式(5)中的比热比，使用基于二氧化碳(CO2)的比热比(1.29)、氮气(N2)的比热比(1.40)及CNG的主成分即甲烷的比热比(1.31)而决定的适合值(例如，1.3左右)。而且，作为所述式(5)中的温度T，使用进气温度传感器8的测定值(外气温度)。另外，在从填充口12到燃料罐2的路径上安装温度传感器时，可以使用该温度传感器的测定值作为所述温度T。
当通过这种方法来求出填充CNG的气体常数R时，在填充CNG填充结束时能够立即确定填充CNG的气体常数R。其结果是，也能够以填充CNG的气体常数R为参数而求出填充CNG中含有的惰性气体浓度。气体常数R与惰性气体浓度的关系可以预先实验性地求出。此时，气体常数R与惰性气体浓度的关系可以通过映射的方式而预先存储于ECU14的ROM，或者可以通过函数式的方式而预先存储于ECU14的ROM。
在此，按照图3来说明确定填充CNG的惰性气体浓度的步骤。图3是表示在确定填充CNG的惰性气体浓度时ECU14所执行的处理例程的流程图。
在图3的处理例程中，ECU14首先在S101中判别惰性气体浓度的检测条件是否成立。在此所谓检测条件例如是内燃机1处于运转停止状态且覆盖填充口12的燃料盖打开时成立的条件。在S101中进行了否定判定时，ECU14结束本例程的执行。另一方面，在S101中进行了肯定判定时，ECU14前进至S102。
在S102中，ECU14读入压力传感器10的测定值Ptank。此时的测定值Ptank相当于填充CNG即将填充之前的燃料罐2内的压力。
在S103中，ECU14判别由所述S102读入的测定值Ptank是否小于所述临界压力Pcri。在S103中进行了否定判定时，ECU14结束本例程的执行。另一方面，在S103中进行了肯定判定时，ECU14前进至S104。
在S104中，ECU14计算燃料罐2内的压力每一定时间Δt所增加的量。例如，ECU14在从所述S102中读入了压力传感器10的测定值Ptank的时刻经过了一定时间Δt之后的时刻，读入压力传感器10的测定值Ptank’，并将它们之差ΔPtank(＝Ptank’-Ptank)除以一定时间Δt。
在S105中，ECU14读入进气温度传感器8的测定值(外气温度)T。此时的外气温度相当于填充CNG的温度。
在S106中，ECU14将由所述S104算出的值(＝ΔPtank/Δt)和由所述S105测定的温度T向所述式(5)代入，由此来计算填充CNG的气体常数R。
在S107中，ECU14以所述S106算出的气体常数R为参数来计算填充CNG的惰性气体浓度C。
如以上叙述那样，ECU14执行图3的处理例程，由此实现本发明的运算部。其结果是，在填充CNG的填充结束时，能够迅速地确定填充CNG的惰性气体浓度。
接下来，ECU14利用填充CNG的惰性气体浓度来计算混合CNG的惰性气体浓度。具体而言，ECU14按照下式(6)来计算混合CNG的惰性气体浓度Call。
Call＝{C1*P1+C2*(P2-P1)}/P2···(6)
所述式(6)中的C1是残留CNG的惰性气体浓度，P1是填充CNG即将填充之前的燃料罐2内的压力，C2是填充CNG的惰性气体浓度，P2是填充CNG填充结束时的燃料罐2内的压力。
另外，燃料罐2内的压力与贮藏于该燃料罐2内的CNG的量相关。由此，所述式(6)中的P1相当于残留CNG的量，从P2减去P1而得到的值(＝P2-P1)相当于填充CNG的量。
在此，按照图4来说明确定混合CNG的惰性气体浓度的顺序。图4是表示在确定混合CNG的惰性气体浓度时ECU14所执行的处理例程的流程图。
在图4的处理例程中，ECU14首先在S201中判别填充CNG的填充是否结束。例如，ECU14在压力传感器10的测定值每单位时间增加的量低于预先设定的下限值时，可以判定为填充CNG的填充结束。而且，ECU14也可以以填充口12被关闭或者燃料盖被关闭的情况为条件来判定为填充CNG的填充结束。所述“下限值”是在未进行填充CNG的填充时燃料罐2内的压力的最大上升量加上余量所得到的值。
在所述S201中进行了否定判定时，ECU14反复执行该S201的处理。另一方面，在所述S201中进行了肯定判定时，ECU14前进至S202。在S202中，ECU14读入压力传感器10的测定值Ptank。在S202中读入的测定值Ptank相当于填充CNG填充结束时的燃料罐2内的压力P2。
在S203中，ECU14将残留CNG的惰性气体浓度C1、填充CNG即将填充之前的燃料罐2内的压力P1、填充CNG的惰性气体浓度C2、填充CNG填充结束时的燃料罐2内的压力P2向所述式(6)代入，由此来计算混合CNG的惰性气体浓度Call。此时，ECU14使用图3的处理例程的S102中读入的测定值Ptank作为填充CNG即将填充之前的燃料罐2内的压力P1。ECU14使用图3的处理例程的S107中算出的惰性气体浓度C作为填充CNG的惰性气体浓度C2。而且，ECU14使用所述S202中读入的测定值Ptank作为填充CNG填充结束时的燃料罐2内的压力P2。
如以上叙述那样，ECU14执行图4的处理例程，由此在填充CNG的填充结束的时刻能够确定混合CNG的惰性气体浓度Call。其结果是，在填充CNG填充结束后而内燃机1初次起动时，ECU14能够求出与混合CNG的惰性气体浓度Call相应的燃料喷射量、吸入空气量。
例如，ECU14基于混合CNG的惰性气体浓度Call和上述的图2所示的关系来确定混合CNG的理论空燃比。接着，ECU14基于混合CNG的理论空燃比来决定燃料喷射量。此时，ECU14可以通过将残留CNG的目标空燃比与理论空燃比之比和混合CNG的理论空燃比进行乘法运算来算出混合CNG的目标空燃比。而且，ECU14可以通过将内燃机1的吸入空气量除以混合CNG的目标空燃比来算出燃料喷射量。
另外，ECU14可以使用向燃料喷射量的运算式追加新的校正项的方法作为决定填充CNG填充后的燃料喷射量的方法。此时的校正项根据混合CNG的惰性气体浓度Call来决定。例如，如图5所示，将校正项在惰性气体浓度Call高时比惰性气体浓度Call低时设定为大的值。即，以燃料喷射量在惰性气体浓度高时比惰性气体浓度Call低时增多的方式设定校正项。
另外，可以取代根据填充CNG的惰性气体浓度来校正燃料喷射量的情况而校正内燃机1的吸入空气量(进气节气门7的开度)。此时的校正量例如只要以进气节气门7的开度在惰性气体浓度高时比惰性气体浓度低时减小的方式决定即可。
按照通过上述的各种方法而求出的燃料喷射量、吸入空气量，ECU14控制燃料喷射阀4、进气节气门7，由此实现本发明的控制部。
根据以上叙述的实施例，在填充CNG填充结束时能够迅速地确定混合CNG的性状(惰性气体浓度)、理论空燃比。由此，在填充CNG填充后而内燃机1初次起动时，能够使实际的空燃比与目标空燃比一致或近似。换言之，在填充CNG填充后而内燃机1初次起动时，能够形成与混合CNG的性状相适的混合气。其结果是，在填充CNG填充后而内燃机1初次起动时，能够避免燃料消耗量不必要地增加、排气放射物增加或者燃烧稳定性下降这样的事态。
附图标记说明
1  内燃机
2  燃料罐
3  气缸
4  燃料喷射阀
5  进气通路
6  排气通路
7  进气节气门
8  进气温度传感器
9A/F  传感器
10 压力传感器
11 燃料供给管
12 填充口
13 入口管
14 ECU
100  车辆

Claims (6)

1.一种车辆的燃料性状检测***，该车辆搭载有使用气体燃料的内燃机，所述车辆的燃料性状检测***具备：
燃料罐，用于贮藏气体燃料；
填充口，在向所述燃料罐填充气体燃料时开口；
压力传感器，检测所述燃料罐内的压力；及
运算部，在向所述燃料罐填充新的气体燃料时，所述运算部以由所述压力传感器检测的压力的变化量和从所述填充口到所述燃料罐的燃料通路的通路截面积为参数来计算向所述燃料罐新填充的气体燃料的气体常数，并以该气体常数为参数来计算向所述燃料罐新填充的气体燃料所含的惰性气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的车辆的燃料性状检测***，其中，
所述运算部以向所述燃料罐填充新的气体燃料时残留于该燃料罐的气体燃料的量、残留于燃料罐的气体燃料的惰性气体浓度、新填充到燃料罐的气体燃料的量、新填充到燃料罐的气体燃料的惰性气体浓度为参数，来计算残留于燃料罐的气体燃料与新填充的气体燃料的混合燃料所含的惰性气体的浓度。
3.根据权利要求2所述的车辆的燃料性状检测***，其中，
所述运算部基于在气体燃料的惰性气体浓度高时与低时相比理论空燃比变低的关系，来计算残留于燃料罐的气体燃料与新填充的气体燃料混合后的气体燃料的理论空燃比。
4.根据权利要求3所述的车辆的燃料性状检测***，其中，
还具备控制部，该控制部基于由所述运算部算出的理论空燃比来控制内燃机的燃料喷射量或吸入空气量中的至少一方。
5.根据权利要求2所述的车辆的燃料性状检测***，其中，
还具备控制部，该控制部基于在气体燃料的惰性气体浓度高时与低时相比理论空燃比变低的关系来校正燃料喷射量。
6.根据权利要求5所述的车辆的燃料性状检测***，其中，
所述控制部校正燃料喷射量使得在混合燃料的惰性气体浓度高时与低时相比燃料喷射量变多。
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