CN101796392B - 与内燃机工作所需的液体流和气体流相关的测量和信息的中央管理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种与内燃机或车辆正常工作所需的液体流和/或气体流相关的测量和信息的中央管理装置，该内燃机由发动机计算机控制，所述装置包括分析至少两个液体流和/或气体流的分析设备，所述分析设备包括至少一个光源、至少一个光学信号检测器和至少一个用于分析所检测到的信号的分析系统。所述分析设备中的至少一个用于分析两个所述流。因此，该装置允许将由不同流的分析方法导致的附加体积和质量最小化并且允许简化这种系统的管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种与内燃机和/或车辆正常工作所需的液体流和气体流相关的测量和信息的中央管理装置。
背景技术
内燃机使用多种流(flux)，尤其使用燃料、发动机润滑油、发动机冷却液、用于车辆的制动液、以及参与污染物排放后处理的液体(例如中和氧化氮的尿素溶液、用于对添加微粒进行过滤回收的二氧化铈)。
内燃机中的空气/燃料混合物的燃烧导致温室效应气体(二氧化碳)和污染物(未燃尽的碳氢化合物、一氧化碳、氧化氮、微粒、乙醛...)的排放。
有关温室效应气体的排放以及越来越严重的污染物排放的规定使得发动机制造商越来越努力。通过发动机控制 
来考虑不同液体流和/或气体流(诸如燃料、引进的空气(air admis)、尾气(gaz d’échappement)以及尤其不同后处理阶段所需的液体)的质量有助于普及，从而更好地最优化内燃机，以便最小化燃料消耗，由此在内燃机的整个工作期间和/或装备有内燃机的车辆的整个工作期间最小化温室效应气体的排放以及污染物排放。
已知地，燃料的质量直接影响性能、消耗以及尾气中的污染物和温室效应气体的排放。
从1983年开始，A.DOUAUD就针对命令点火发动机阐明了汽油质量、发动机调节和爆音现象的出现之间的关系。1987年，JCGUIBET在参考作品“燃料与发动机”中阐明了燃料质量与发动机之间的相互作用以及它们在参数选择模式和发动机燃烧调节模式中的影响。更近地，在1997年，A.GERINI在出版物中分析了直接喷射式汽车柴油发动机的柴油参数敏感性。最后，在2003年，N.HOCHART提出了一种用于轻型或重型车辆的当前汽油、柴油发动机的污染物排放的模型，其中，通过更改用于混合物的提炼基础使得燃料质量改变
尽管燃料的成分和质量通过标准(尤其是欧洲的EN 590和EN228标准)来限定，但是其随着时间而变化。质量根据送货、经销、季节和现行规定而变动。因此，认为燃料的物理化学特性可以围绕由标准限定的平均值在15％至40％或更多之间变化。防污染标准变得越来越严格，其要求限定燃料质量并且要求在发动机参数(诸如喷射(injection)参数、燃烧参数和后处理参数)的调整中考虑该燃料质量。燃料的定性测量及其被发动机控制 
的使用尤其在文献WO9408226、US2004000275、FR-2542092、US-5126570、US-5262645、US-5239860和WO2006100377中已经被阐述。
同样为了限制污染物排放，一些方法描述了根据尾气的车载分析来调节发动机控制的参数；尤其地，可以引述文献WO02095376，其描述了一种具有模块化结构的方法，该方法允许检测和特征化液体和固定微粒以及尾气的气体成分，从而可以用于调节发动机和用于尾气的结构化元件。
某些后处理方法包括使用反应剂或催化剂液体。尤其可引述通过由尿素溶液参与的反应来转换氧化氮的系统，以及由液体添加剂参与的微粒转换方法。这些方法需要添加额外的储存容器，这些容器的体积和质量增大了内燃机或车辆的体积和质量的限制。因此，更好地应对这些液体的使用需要策略，以便最小化添加的体积和质量。为了确保这些后处理方法的有效性，这些方法中所要求的催化剂和反应剂的质量最为重要；因此考虑通过车载系统来测量其质量是合理的。
尽管燃料经销商和车辆制造商采用了规定的或内部的设计，诸如提炼商和经销商的工序-质量、在加油站处燃料性质的显示、油枪的喷嘴直径以及油箱填充系统的直径，众多使用者还是自愿地或非自愿地将不合适的燃料加入他们的车辆油箱中。越来越多的车辆使用未经制造商和海关部门允许的产品，如使用已久的油脂油、未酯化的植物油以及对发动机组、该发动机组的燃料供应系统和该发动机组的后处理系统造成严重损坏的民用燃油。退化(dégradation)(喷油器、发动机、油箱的污垢，滤油器的堵塞，油泵的卡死，催化剂的钝化)可以是严重的，并且很大地影响发动机的注入阶段和燃烧阶段且增大符合规定或不符合规定的污染物的排放，并且可导致发动机损坏。同样地，某些燃料(诸如水/柴油、或汽油/酒精、或柴油/绿色燃料的乳化液)可能是不稳定的并且它们的质量随着时间而变差(存储稳定性、在汽油和乙醇之间或者在柴油和5％以上的二酯(diester)之间的分层现象)。燃料性质变坏的这些来源可能导致增加车辆污染物、增大对车辆的损坏或者至少增加一些重要的校正操作。因此，一些设计和方法旨在当容纳在油箱和燃料供应系统中的燃料的性质变坏以后、在发动机组起动之前或起动期间，确保装备有内燃机的车辆的发动机组的构件的安全性。这些设计和系统要求在燃料供应系统中进行理想地定性测量。
例如可引述文献FR0607420中所描述的方法，该方法的目的是在检测燃料变坏之后确保发动机组的构件的安全性。
后处理方法(如柴油微粒过滤)包括对于含硫成分特别敏感的催化剂。
这些含硫成分实际上使得催化剂不活跃，并且由此影响后处理污染物排放的转换方法的有效性。法规已经非常显著地减小了燃料的最大硫含量；具体地，如今在欧洲，柴油的硫含量小于50ppm，并且将来的法规将限制该硫含量小于10ppm。
关于燃料硫含量的这些规定使得对硫成分敏感的后处理方法能够延长使用寿命并正常工作。这也使得这些后处理方法能够发展，同时允许使用越来越完善的且对增大的硫成分具有敏感性的催化剂。由于发动机润滑油的设计，发动机润滑油包括很大的硫成分含量。当发动机运行时，存在于发动机润滑油中的一部分硫成分可以参与燃烧并且由此经过后处理路线。因此，这些起初存在于润滑油中的硫成分(例如来自燃料的硫成分)使得用于后处理的催化剂钝化(désactivation)。因此，为了确保后处理有效且耐用，跟踪润滑油的质量及其随时间的变化是非常重要的。因此，润滑油的质量相对于发动机控制和后处理的最佳化来考虑。
例如引述文献KR20020049612中详细描述的方法，该方法描述了一种通过光谱方法定性测量发动机的油的系统。
由发动机制造商负责的保修期的延长限制了制造商使内燃机更耐用，并且也限制了更好地且更早地通知用户或负责维护的公司需要进行的内燃机或车辆的维修操作。
事实上，为了确保该保修，制造商应当确保内燃机和/或车辆的使用是合格的(conforme)而非迂回的(non détournée)，并且确保使内燃机或车辆良好运行的固有维护操作(诸如润滑油、制动液或冷却液的排放)被实现在由制造商建议的频率。
此外，为了更好地长期帮助发动机使用者，制造商越来越多地提供给使用者关于发动机状态的实时信息和接下来将要进行的维护操作。例如可以引用在某些车辆的仪表板上显示的公里倒计数，以便在进行下次排放润滑油操作之前通知使用者剩余行驶的公里数。可以考虑为使用者或负责维护发动机的公司提供与车辆制动液和发动机冷却液的质量相关的实时信息。为此，测量这些液体的质量以及跟踪它们随时间的变化是重要的。传统的方法在于测量存在于冷却液中的乙二醇(glycol)的比率，并且测量能够特征化车辆制动液的质量的折射率。
内燃机工作所需液体(尤其燃料、尾气、润滑油、冷却液和车辆制动液)中的每种液体质量的测量和跟踪可以通过不同分析技术来实现。尤其，可引用光谱方法以及电导率和折射率，所述光谱主要地包括引用红外线光谱、近红外线光谱、紫外线光谱和可见光谱。
用于测量不同流体质量的这些系统中的每一个都允许更好地管理发动机(例如车载发动机)的参数，这些系统中的每一个都应该满足明确的标准，如振动强度标准或温度强变化标准。这些系统应该被规定为可以在艰难的环境(灰尘、烟灰、烟...)中工作。
另外，必须在发展各自分析的流中的每个流的定性分析的同时发展朝向发动机计算机的物理接口和连接(connectique)接口。
此外，考虑处于多个位置的一些流的定性测量是适当的；事实上，尾气的定性测量可以实现在后处理方法的前期和后期，以便确保所述方法的良好工作。
同样地，在燃料供应槽(goulotte)中并且在供应发动机的燃料管线中实现燃料的定性测量是适当的：第一测位(localisation)能够保证注入油箱的燃料的一致性，以便可以向使用者报警并且/或者可以确保发动机组的安全性；定性测量的第二测位主要允许最优化发动机控制的参数。
最后，尤其对于车载系统，体积和质量是重要的限制；事实上，在轻型车辆上的可用空间是尤其有限的，并且车辆质量的任何增大尤其导致燃料消耗的增加。
因此，使用用于不同流的多个定性分析系统增加了在发动机或车辆上的集成复杂性并且导致被装备车辆的质量的增大。
发明内容
本发明旨在克服这些问题，从而本发明提供了一种与内燃机正常工作所需的液体流和/或气体流相关的测量和信息的中央管理装置。
为此并且根据第一方面，本发明涉及一种与内燃机正常工作所需的液体流和/或气体流相关的测量和信息的中央管理装置，所述内燃机由发动机计算机控制，所述装置包括分析至少两个液体流和/或气体流的分析设备，所述分析设备包括至少一个光源、至少一个光学信号检测器和至少一个用于分析所检测到的信号的分析系统，所述装置的特征在于，所述分析设备中的至少一个用于分析两个所述流。
因此，适于内燃机工作所需流体的每个定性分析系统的一些功能被重组以便克服体积问题、集成问题和质量增大的问题。
有利地，所述分析设备被设置在唯一的平台上。
优选地，所述装置包括与所述发动机计算机通信的唯一接口，与所述计算机的物理和/或数字连接共用于所述分析设备。因此，根据本发明的装置便于安装且集成在车辆中。
有利地，所述分析设备是紫外线光谱设备、可见光谱设备或近红外线光谱设备。优选地，所述光谱分析是连续或断续的，并且实现在介于190nm至2500nm之间的波长范围内。
近红外线技术具有众多优点并且尤其可用于对内燃机和车辆的正常工作所需的流体的整体性进行特征化。自从上世纪70年代末，化学成分测定(chimiométrie)的众多作品及出版物事实上提供了近红外线光谱理论、所要使用的仪器和方法，以便根据液体的近红外线光谱并且根据数学和统计学模型来发展液体特性的相关和预测模型。
先前所引述的文献WO9408226、WO2006100377、WO02095376和KR20020049612显示燃料、发动机润滑油和尾气的质量可以通过近红外线光谱来特征化。另外，这些流体的某些特征可以由可见光谱和紫外线光谱特征化。
含碳氢液体的硫含量通常由紫外线光谱测量。
文献WO2007006099描述了一种通过可见光和近红外线耦合光谱特征化有机流体的方法。
根据Hassoun P.，Fabre D.，Bastianelli D.，Bonnal L.，Bocquier F.于2005年创作的“作为使用近红外线光谱(NIRS)所测量的羊的粪标识的聚乙烯二醇6000(PEG)(Utilization of polyethylene glycol6000(PEG)as a faecal marker measured with Near Infra RedSpectrometry(NIRS)in sheep)”，近红外线技术适于确定溶液中的乙二醇含量。
由Peter Snoer Jensen，Soren Ladefoged，Jimmy Bak，StefanAndersson-Engels，Lennart Friis-Hansen实现的论文“使用双束傅里叶转换近红外光谱对透析液中的尿素的在线监测”表明了近红外线技术适于确定溶液中的尿素含量。
通常，关于近红外线的参考作品，如L.G.WEYER于1985年出版的作品或者1992年出版的“近红外线分析手册”表明了近红外线技术可用于有机成分的特征化；内燃机正常工作所需的流体由于它们的成分因此可以完全通过该近红外线技术来特征化。此外，近红外线技术具有以下优点：无需样本稀释步骤并且是非破坏性分析方法。
最后，近红外能够使用相同的波长范围，以便收集不同液体和气体产物的近红外线光谱；仅光学路径的长度(由光通量穿过的样本长度)变化。事实上，用于定性确定气体的光学路径长度远远大于用于根据Beer Lambert定律来特征化液体的光学路径长度。
结合了光纤技术的近红外线技术提供了光学结构的多种可能性。
有利地，所述液体流和/或气体流的分析设备是燃料、发动机润滑油、尾气、引进的空气、用于后处理的不同反应剂和催化剂、发动机冷却液以及制动液的分析设备。
有利地，所述装置包括用于分析处于不同位置的相同液体流或气体流的设备。
因此，可以考虑在方法(例如气体后处理方法)的前期和后期来测量流，以便确认方法的正常工作。
有利地，所述装置装备有用于接收来自发动机计算机的分析设备管理指令的接收设备。
有利地，所述分析设备由公共电源供电。
有利地，所述装置包括用于驱动分析设备的共用的电子或数字系统。
有利地，所述装置包括向分析设备供电的共用系统。
在一个实施例中，所述分析设备包括用于分析所述液体流和/或气体流的共用光源。
在第二实施例中，所述分析设备包括用于分析所述液体流和/或气体流的共用检测器。
在第三实施例中，每个流可以由共用于所有流的光源和检测器来分析。在该情况下，所述装置包括允许依次进行液体流和/或气体流分析的开关。在一个实施例中，所述开关是薄膜型或活动微镜型的微机械MEMS开关，该微机械开关允许依次将光通量定向，并且该微机械开关被设置在所述光源与所述液体流和/或气体流之间或者被设置在所述液体流和/或气体流与所述检测器之间。
因此，这些不同的实施例尤其允许使用相同的光源和/或相同的检测器，从而集中不同的元件，以便克服体积问题、集成问题和质量增加问题。
在第四实施例中，对于每个液体流和/或气体流，所述分析设备包括不同的光源和不同的检测器。
根据第二方面，本发明涉及一种装备有根据本发明第一方面的管理装置的车辆。
具体实施方式
参照附图，通过以下描述，本发明的其它目的和优点将会显现出来。
图1描述了一种系统的整体示意图，该系统能够使用通过光纤连接不同样本的中央分析仪(A)来分析内燃机和车辆正常工作所需的不同流体(F，P，U，B，O，G)。该中央分析仪(A)允许共用(mettre en commun)一些电子和/或光学元件。
一个或多个光源以及一个或多个检测器的供应例如可以是唯一的。同一光源和/或同一检测器也可以用于收集不同流体的紫外线光谱、可见光谱和近红外线光谱。
包括该分析系统的箱 
本身也是共用的。中央分析仪朝向负责发动机控制(C)的计算机的连接和接口能够使所测量的定性信息通过，该连接和接口对不同流体中的每一个都是唯一的。
负责控制中央分析仪和/或负责根据不同流体的近红外光谱确定不同流体质量的电子或数字系统也可以是唯一的。
因此，这种车载的测量和定性信息中央装置具有将由加入传感器所引起的体积增大和超重最小化的优点。
在所示实施例中，分析设备被设置用于对燃料(F)、发动机润滑油(O)、尾气(E2)、引进的空气(E1)、用于后处理的不同反应剂和催化剂(U，P)、发动机冷却液(B)以及制动液(G)进行分析。
图2描述了光学结构的具体实施例，该光学结构允许使用多个光源(L1，L2，L...，Ln)和多个检测器(D1，D2，D...，Dn)。来自不同光源(L1，L2，L...，Ln)中的每一光源的光束被导向不同的光纤或不同的光纤股(torons de fibres optiques)中。从每个光纤或光纤股输出的光线穿过发动机和/或车辆正常工作所需流体的不同样本(S1，S2，S...，Sn)。
从不同流体的每个样本透出的光束随后通过光纤或直接地朝向适于被分析的每个流体的检测器(D1，D2，D...，Dn)引导。
图3描述了光学结构的具体实施例，该光学结构允许使用一个共用光源(L)和多个检测器(D1，D2，D...，Dn)。
来自共用光源(L)的光线被导向共用光纤或共用光纤股中。然后，光通量(flux lumineux)被分成多个部分，并且每个部分朝向内燃机和/或车辆正常工作所需的不同流体的不同采样系统(S1，S2，S...，Sn)引导。随后，穿过不同流体的每个样本传送的光线通过光纤或直接地朝向适于所分析的每个流体的检测器(D1，D2，D...，Dn)引导。
该具体结构相对于图2所述的具体结构具有以下优点：由于光源，最小化了体积，并且最小化了与在光源和光纤或者光源和检测器之间的对准相关的潜在问题。
图4描述了光学结构的具体实施例，该光学结构允许使用多个光源(L1，L2，L...，Ln)和一个共用检测器(D)。
来自不同光源(L1，L2，L...，Ln)中的每个光源的光线被导向不同光纤或不同光纤股中。由每个光纤或光纤股发射的光线穿过发动机和/或车辆正常工作所需的流体的不同样本(S1，S2，S...，Sn)。穿过不同流体的每个样本传送的光线随后朝向共用检测器(D)引导。
该具体结构相对于图2的具体机构具有以下优点：由于检测器，最小化了体积并且最小化了与在检测器和光纤之间的对准相关的潜在问题。
图5描述了光学结构的具体实施例，该光学结构允许使用一个共用光源(L)和一个共用检测器(D)。
来自共用光源(L)的光线被导向共用光纤或共用光纤股中。然后，光纤或光纤股被分成多个部分，每个部分朝向内燃机和/或车辆正常工作所需的不同流体的不同采用系统定向。光通量通过微机械(薄膜型或活动微镜型的MEMS)类型的开关(C)朝向具体的流定向。所发射的光线穿过发动机和/或车辆正常工作所需流体中的一个流体的具体样本(S1，S2，S...，，Sn)。穿过该流体样本传送的光线随后朝向共用检测器(D)引导。开关的控制允许挑选要分析的流体。
该具体结构相对于图2、图3和图4所述的结构具有以下优点：由于检测器和光源，最小化了体积并且最小化了与在光源和光纤之间以及在检测器和光纤之间的对准相关的潜在问题。
图6描述了光学结构的具体实施例，该光学结构允许使用一个共用光源(L)和一个共用检测器(D)。
来自共用光源(L)的光线被导向共用光纤或共用光纤股中。然后，光通量被分成多个部分，每个部分朝向内燃机和/或车辆正常工作所需的不同流体的不同采样系统(S1，S2，S...，Sn)引导。穿过不同流体的每个样本所传送的光线随后朝向微机械(薄膜型或活动微镜型的MEMS)类型的开关(C)引导，该开关(C)允许挑选要穿过共用检测器(D)的光通量。开关(C)的控制允许挑选要分析的流体。
该具体结构具有与图5中的具体实施例中所述的结构相同的优点。
图2和图3所述的结构允许同时分析不同的流。
图2和图4所述的结构允许通过控制(打开/关闭)不同的光源来单独地或依次地分析每个流。
图5和图6所述的结构允许通过控制开关来单独地或依次地分析每个流。
图2和图3提供了在样本和检测器之间使用或不使用光纤的灵活性。
所检测到的信号的分析系统是管理光谱仪的计算机程序。该程序是唯一的并且共用于不同的流。该程序能够保证系统的不同组件 (尤其光源和检测器)的正常工作，并且能够获得不同流的紫外线光谱、可见光谱和近红外线光谱。
该程序能够根据每个流的紫外线光谱、可见光谱和近红外线光谱来定性地特征化每个流，该程序包括适于所要分析的流中的每个流的校准以及数学和数字处理。
分析设备和发动机控制的计算机之间的接口被集中并且共用于所要分析的不同流。
发动机控制的计算机可以控制一个具体分析的起动、分析序列的起动或者流体的同时分析的起动。
Claims (17)
1.一种用于管理与由发动机计算机控制的内燃机的正常操作所需的液体流和气体流中的至少一种相关的测量和信息的中央管理装置，所述装置包括分析至少两个所述液体流和气体流的分析设备，所述分析设备包括：
至少一个光源，用于发射被导向至少一个光纤或光纤股的至少一股光束，所述至少一股光束被传输穿过所述流的不同样本；
至少一个光学信号检测器，用于接收穿过所述流的不同样本的所述至少一股光束并提供检测光学信号；以及
至少一个用于分析所述检测光学信号的系统，
其特征在于，所述分析设备被设置在一共用平台上并且适于执行液体流和气体流两者的定性测量，所述液体流和气体流选自：燃料、发动机润滑油、尾气、引进的空气、用于后处理的不同反应剂和催化剂、发动机冷却液和制动液。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于分析所述检测光学信号的系统是用于管理光谱仪的计算机设备。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括与所述发动机计算机通信的唯一接口，与所述计算机的物理和/或数字连接共用于所述分析设备。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分析设备是紫外线光谱设备、可见光谱设备或近红外线光谱设备，或者是这些光谱设备的组合。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，紫外线光谱、可见光谱和近红外线光谱的分析是连续或断续的，并且实现在介于190nm至2500nm之间的波长范围内。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于分析处于不同位置的相同液体流或气体流的设备。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，以顺序的方式或同时的方式分析不同的流。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置装备有用于接收来自所述发动机计算机的对所述分析设备进行管理的指令的指令接收设备。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述分析设备由公共电源供电。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于驱动所述分析设备的共用的电子或数字系统。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述分析设备包括用于分析所述液体流和/或气体流的共用光源。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述分析设备包括用于分析所述液体流和/或气体流的共用的光学信号检测器。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述光源和所述共用的光学信号检测器共用于所有流。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置包括允许依次进行液体流和/或气体流分析的开关。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述开关是薄膜型或活动微镜型的MEMS开关，所述MEMS开关允许依次将光通量定向，并且所述MEMS开关被设置在所述光源与所述液体流和/或气体流之间或者被设置在所述液体流和/或气体流与所述共用的光学信号检测器之间。
16.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，对于每个液体流和/或气体流，所述分析设备包括不同的光源和不同的光学信号检测器。
17.一种车辆，其特征在于，所述车辆装备有根据权利要求1至16中任一项所述的管理装置。
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