CN101802376B - 燃料识别系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料识别系统和方法，其通常应用于弹性燃料类型的内燃发动机车辆，借助该系统和方法可以使用与加热燃料相同的装置来识别每个时间点处所使用的燃料成分，特别是汽油/乙醇混合物中使用的比率，或者可以检测燃料线路中空气或蒸汽状态燃料的存在性。根据本发明的系统包括：具有随其温度而变的可变阻抗值的加热电阻器(3)，该电阻器被设置成与所述燃料(2)接触；电流测量装置(6)，其测量流经可变电阻器(3)的电流；以及电子控制单元(4)，其连接于电阻器(3)且连接于电流测量装置(6)以从该装置接收测量的电阻器(3)电流值，电子控制单元(4)包括数据处理器件以帮助基于电阻器(3)中的电流来识别燃料(2)特性。

Description

燃料识别系统和方法
技术领域
本发明涉及一种燃料识别系统和方法，其通常应用于弹性燃料(flex-fuel)类型的内燃发动机车辆，借助该系统和方法可以识别每个时间点处所使用的燃料成分，特别是汽油/乙醇混合物中使用的比率，或者可以获得关于燃料的物相或燃料线路中空气的存在性的信息。
背景技术
社会上倾向于采用弹性燃料车辆以便针对于减少非再生性矿物燃料的消耗并且推广可再生性燃料(例如乙醇)的使用，从而显著地减少环境损害。在本文中，有利的是，车辆能够识别当时正在使用的燃料的成分以便使其操作适合该燃料成分的特征。
现有技术描述了一些能够识别车辆中所用燃料(例如指示出燃料线路中存在的乙醇和/或汽油的比率)的装置。
国际专利申请WO 2004/029615涉及用于识别汽油和酒精混合物的系统和用于识别混合物类型的方法，其可以快速且安全地识别以多种成分存在的燃料类型。该系统具有电路，其中在预定时间期间电压脉冲被施加于加热器，以便加热器加热要被识别的汽油。温度传感器被设置在加热器附近以便识别燃料温度。通过差分输出电压VO来识别汽油类型，其中该差分输出电压VO对应于初始温度和温度传感器所测量的峰值温度之间的变化。此外，燃料被供给到气体乙醇(alcohol-in-gas)浓度传感器的电极之间。基于当施加了振荡频率时电极之间的燃料介电常数来测量该浓度。
文献JP 1016957公开了用于检测不同种燃料的混合速率的装置。根据该日本文献的检测装置包括被设置在燃料供给路径中的桥接电路。该电路包括温度补偿电阻器、加热电阻器和控制电路，该控制电路将电能供应给这两个电阻器以便加热电阻器将在预定值保持不变恒温。
之后，随着燃料吸收加热电阻器所产生的热量，流过桥接电路的电流产生变化。因为加热电阻器的值是恒定的，所以燃料所吸收的热量与施加于电阻器的电流成比例地变化。根据计算电阻器消耗功率的公式(P＝R×I2)，计算器(calculation operator)计算燃料从加热电阻器吸收的热量，所述电阻器消耗的功率直接取决于由控制电路供应给加热电阻器的电流幅值。所计算热量被提供给进一步考虑了燃料导热系数k、在定压下的燃料比热Cp、燃料温度T0、燃料密度ρ、燃料流速V、被加热的绕阻温度T和加热电阻器尺寸的公式。之后，计算具体燃料值A＝(ρ.Cp/k)，借助于具体燃料值来确定燃料混合比。
也就是说，用于确定燃料成分的过程实质上是基于燃料所吸收的热量值(该热量值对应于加热电阻器所消耗的功率)和燃料的多个物理特征，从而需要包括二次函数的非常复杂的计算。这种计算不取决于将可变电阻器用作温度的函数，因为电阻器温度应被保持为恒定的。
这个电路也存在需要温度补偿电阻器以便适当工作的缺点，因为其所基于的原理是加热电阻器温度是恒定的以便执行必要计算。因此，控制电路应该总是控制电阻器温度，以便其被保持在恒定值。此外，电路取决于能够执行非常复杂运算的计算器，因此导致系统更加昂贵。
现有技术系统的又一个缺点在于对燃料加热电阻器使用附加装置，该附加装置具体针对于识别燃料成分。
最后，现有技术系统不建议用于加热燃料的相同装置也被用于识别汽油和乙醇混合物的成分，或者识别燃料是否为液体或蒸汽状态，或者甚至确定燃料线路中空气的存在。
发明内容
本发明的第一个目标是提供一种系统，其借助于在简单安全电路中的燃料加热电阻器来识别燃料线路中的燃料特性。
本发明的又一个目标是提供一种系统和一种方法，其能够借助于加热燃料的可变电阻器且不使用补偿机构和温度控制(用于可变电阻器处于恒温)来辩识燃料线路内燃料的混合比。
本发明的另一个目标是提供一种系统，其能够识别燃料何时从液相转变为气相/蒸汽相，并且也识别燃料混合物中的汽油/乙醇比率，其中所述系统同时加热燃料。
通过如下的燃料识别系统来实现本发明的目标，该系统包括：加热电阻器，其具有的可变阻抗值是其温度的函数，该加热电阻器被连接于为该电阻器提供电压的电源，该电阻器被设置成与燃料直接接触并进行热交换；电流测量装置，其测量通过所述可变电阻器的电流；以及电子控制单元，其被连接于所述电阻器以测量被施加于所述电阻器的所述电压并且被连接于所述电流测量装置以从其接收测量的电阻器电流值，并且所述电子控制单元包括数据处理器件，借助该数据处理器件所述电子控制单元基于所述电阻器电流来识别燃料特性。
由电子控制单元识别的燃料特性包括燃料成分、燃料中的汽油/乙醇比率以及燃料的物相中的至少一者。
电子控制单元可以包括存储器，该存储器包含至少一个将电阻器电流值与预定燃料成分相关联的预计算表。预计算表由如下公式产生：
U×I＝k×A×(Tq-Tf)
其中U是施加于电阻器的电压，I是电阻器电流，k是燃料导热系数，A是与燃料的接触表面面积，Tq是电阻器温度，并且Tf是燃料温度。
可替换地，根据本发明的系统还包括连接于电子控制单元并且被设置成与燃料接触的温度传感器，其中该传感器测量燃料温度并且将温度数据传送到电子控制单元，并且电子控制单元也基于燃料温度来识别燃料成分。
电子控制单元可以包括记录器并且也具有用于控制施加于电阻器的电压的器件，其中所述记录器包含与其相应阻抗值相关联的电阻器温度值。
本发明的目标也借助于包括如下步骤的燃料识别方法而被实现：
施加具体电压于加热电阻器，该加热电阻器所具有的可变阻抗值是其温度的函数并且该加热电阻器与燃料接触并且热交换；
测量跨越电阻器的电压；
测量并监控经过电阻器的电流；
当电阻器电流处于稳态时基于电阻器电流值来识别燃料特性。
识别燃料特性的步骤包括识别燃料成分、燃料中的汽油/乙醇比率以及燃料的物相中的至少一者。
燃料特性识别步骤可替换地包括查询将电阻器电流值与预设燃料成分相关联的预计算表。预计算表是由如下公式生成的：
U×I＝k×A×(Tq-Tf)
其中U是施加于电阻器的电压，I是电阻器电流，k是燃料导热系数，A是与燃料的接触表面面积，Tq是电阻器温度，并且Tf是燃料温度。
可替换地，识别燃料特性的步骤包括当经过电阻器的电流的减小基本相关于与液态燃料相对应的电流时识别出至少部分燃料处于气态。
可以借助于同样根据本发明的燃料识别系统来实现根据本发明的燃料识别方法。
附图说明
下面将基于附图中所表示的实施示例更具体地描述本发明。
图1是根据本发明的优选实施例的燃料识别系统的示意图；
图2示出了被设置在燃料道内部的燃料识别系统的加热电阻器的横截面示图；以及
图3是示出了作为正被加热的燃料的函数，加热电阻器内的电流随时间的性能图表。
具体实施方式
如图1和图2可以看出，根据本发明的燃料识别系统包括可变电阻器3，该可变电阻器3的阻抗值作为其温度的函数而变化。该电阻器被优选地设置在例如内燃发动机车辆的燃料线路内、与燃料2直接接触并且被用于通过热传递来加热燃料。其内可以设置电阻器3的燃料线路由燃料箱、燃料泵、软管、燃料道7和至少一个喷射器8构成。电阻器3可以被置于燃料线路的任何一个一体部件中，并且根据本发明，优选地如图2所示，电阻器被容纳在燃料道7内。
可变电阻器3被连接到向其施加电压的电源(未示出)。电阻器也被连接到电子控制单元(ECU)4，该电子控制单元4测量被施加于可变电阻器3的电压。在本发明的优选实施例中，电子控制单元控制启动电路，该启动电路驱动可变电阻器并且能够将不同电压施加于这个电阻器。ECU 4还包括能够进行计算的数据处理器以及至少一个模数(A/D)转换器，该转换器将被传送到电子控制单元的模拟数据转换为数字形式，其中该模拟数据例如是跨越电阻器的电压值以及由控制单元的外部装置测量并被传送到该控制单元的数据。在本发明的可替换实施例中，控制单元包括并联工作的多个A/D转换器。
ECU 4还包括存储装置，该存储装置可以存储被施加于电阻器的电压值以及ECU处理器本身产生的数据，或者甚至外部装置测量的和被传送到电子控制单元的其他数据。存储装置还包括与不同燃料成分的特征和特性相关的预编程数据。例如，存储装置可以包括将电流、电压和/或阻抗值与包括酒精和汽油的预设燃料混合物成分相关联的至少一个预计算表，或者使得电流并最终使得跨越电阻器的电压或其阻抗与具体条件下的燃料的物理特征相互关联的多个表。ECU还应该包含关于温度和可变电阻器3的阻抗之间的比率的记录。
这些表优选地被事先生成，并且基于与每种燃料成分相对应的导热系数值k以及当车辆使用这种给定燃料成分时流经可变电阻器的电流值来计算出与电阻器中的各电流值且因而各电压值相关的燃料成分。后文将详细描述用于生成所述表的原理和计算方法。
仅为了示意目的并且为了有助于理解本发明，图3示出了当电阻器被用于加热汽油、酒精或空气时流经可变电阻器3的电流随时间的性能。在测量操作开始时，酒精(实线)和汽油(点划线)是液态。在加热期间，燃料温度增加直到燃料完全蒸发。可以注意到图表中当燃料处于液相或者当其正在相变(从液体到气体)时电流基本不变。然而，当完全蒸发并且燃料线路中仅存在蒸汽时，加热器电流减小，这是因为当气体物质被加热时导热系数显著改变，从而电阻器温度增大。
根据本发明的系统还检测燃料线路是否为空，即是否被空气充满。这种检测是可能的，因为当电阻器加热空气(虚线)时，电流也稳定在比液体燃料的稳态时的电流值更小的值。随着在测量操作开始时发生这种减小，之后系统可以选择关闭加热，因为其主要功能是加热燃料。
根据本发明的系统包括电阻器3的电流测量装置6，该电流测量装置6被连接于ECU 4并且将测量的经过电阻器的电流值传送到ECU4。这个电流测量装置6优选地与可变电阻器3和电源串联连接，并且也被连接到ECU。电流测量装置可以被可替换地以与ECU自身集成的方式被构建。
根据本发明的系统可以可替换地具有温度传感器5，该温度传感器5也被置于燃料线路上从而测量燃料温度。温度传感器5被连接到ECU输入并且之后将测量的燃料温度值传送到所述ECU。对于本发明的操作而言这个部件不是必须的。
根据本发明的系统不需要使用燃料温度传感器5，因为其仅需要知道可变电阻器电流和电阻器电压U，以便计算燃料成分或了解其物理状态。基于电阻器电流I和电阻器电压3，ECU也可以确定阻抗值和电阻器温度Tq。
如果根据本发明的系统需要获得初始燃料温度值，则系统可以使用来自水温传感器或空气温度传感器的温度数据，这些传感器通常被用于机动车辆。为此，这些传感器应该将数据直接或间接地传送到ECU 4。初始燃料温度等于空气温度或水温。因此，不需要在燃料线路内部设置附加燃料温度传感器。
此外，根据本发明的系统可替换地具有计时器(未示出)，该计时器优选地被直接集成到ECU 4。这个计时器将确定电阻器3的电流稳定并到达稳态所需的时间间隔。
根据本发明的燃料识别系统和方法实质上是基于燃料特性确定原理，该原理基于流经可变电阻器的电流值。因此，这个可变电阻器用作燃料特征和物理特性的传感器以及燃料加热器，因为由该电阻器所消耗的热量将加热燃料直到其到达蒸发温度。因此，不需要使用两个物理部件来执行这两个不同功能，因为燃料加热和燃料成分确定功能由相同部件来执行。
根据本发明的系统和方法也可以识别燃料成分是什么(例如混合物中乙醇/汽油的比)，获得关于燃料线路内部燃料物相的信息，或者确定线路是否为空。虽然本发明的下述优选实施例针对于这两个具体应用，不过本发明的范围不限于所述应用。
下面将具体描述根据本发明的系统和方法的优选实施例。
最初，ECU 4控制将特定电压施加于电阻器3的电源，该电阻器3被设置在燃料线路1内。这个电压由ECU 4来测量。当施加了这个电压时，电流流经可变电阻器3，从而升高其温度。因此，电阻器开始消耗热量，该热量被其周围燃料2所吸收并加热该燃料2。然而，这种燃料热消耗直接取决于燃料导热系数k，该燃料导热系数k作为燃料成分及其物相的函数而变化。例如，特定燃料成分在气态时的导热系数高于相同燃料成分在液态时的导热系数。重要的是应该注意到，对于每种燃料混合物比率或所需燃料成分而言导热系数呈现不同的特定值。
在电阻器3和燃料加热开始时，存在过渡相，其中电阻器消耗的功率可随时间变化。可变热消耗导致了电阻器温度的变化，这又导致了其阻抗值的变化。阻抗值的变化导致了流经电阻器3的电流的变化，这又导致了电阻器所消耗的热量的变化，从而再次导致电阻器温度的变化。电阻器阻抗、电流和温度值的这种连续变化周期不断重复直到系统稳定并到达稳态。
电阻器电流值通过电流计6来测量并且被ECU 4随时间存储和监测。电压值U也被ECU测量并可以存储在ECU中。在本发明的优选实施例中，通过计时器来计算电压被施加于电阻器的时刻及系统到达稳态的时刻之间的时间间隔，并且这个值被存储在ECU存储器内，并且之后可以被用于计算燃料成分的一些特性。
流经电阻器3的电流在相变期间被电流测量装置6所测量并且被ECU监测，以便当电流值稳定时能够识别出系统操作在稳态时的起点。
可替换地，由温度传感器5或者任意其他的机动车辆传感器测量的相变时的燃料温度数据Tf被传送到ECU，并且可以被存储在ECU中。这个步骤对实施本发明不是实质性的。
当电阻器3的阻抗R、电流I和温度Tq到达稳态并且稳定时，执行燃料特性识别步骤。电阻器温度被表示为Tq，因为这是系统中最热的温度。燃料2总是处于比电阻器3的温度更低的温度Tf处。
基于电流测量装置5所测得的电阻器电流I的值并且也基于跨越电阻器的电压，ECU 4借助其数据处理器件来识别一些燃料特性，例如燃料成分，例如燃料线路内部燃料的乙醇/汽油比率或物相。在本发明的一个优选实施例中，当具有电流I和电压U的值时，ECU 4查询被寄存在其存储装置内的将每个电流值I并因而电压值U与预设燃料成分相关联的至少一个预计算表，并且因此确定此时被使用的燃料成分。
将每个电流值I与预设燃料成分相关联的表是基于下述公式(1)生成的：
U×I＝k×A×(Tq-Tf)
其中U是跨越可变电阻器的电压，I是电阻器电流，k是燃料导热系数，A是与燃料的接触表面面积，Tq是电阻器温度，并且Tf是燃料温度。
经常也由电子控制单元来测量跨越电阻器的电压U，因为流经电阻器的电流也取决于电压。
在稳态时，电流值I、电阻器温度Tq以及燃料温度Tf保持稳定。A值是由系统所知并且在系统运转期间保持恒定。给定R作为可变电阻器，该可变电阻器的阻抗作为其温度的函数而改变，因此电流作为其温度的函数而改变，于是测量电阻器上的电流和电压足以确定电阻器阻抗和温度Tq的值。关于启动系统操作的燃料温度Tf，测量初始燃料温度是足够的；这个温度将等于初始电阻器温度Tq并且等于室温。
将所有这些变量值应用到所讨论的公式中，则获得k值。因为每种燃料成分均具有特定的燃料导热系数k，于是通过得知这个值，可以得知燃料线路中的燃料混合物成分。
然而，这些计算不必须由系统来执行，因为系统已经具有将每种可能情况下的电流值I并因而电压值与燃料成分直接关联起来的预计算表。
根据本发明的系统和方法可以进一步被用于检测燃料线路中的燃料是否为液体或蒸汽状态。当燃料是蒸汽状态时，导热系数k要更高于液态燃料的导热系数。因此，当燃料开始转变为蒸汽时，电阻器温度快速变化并且电阻器阻抗和流经电阻器的电流也开始以很快的速率变化。
在燃料蒸发前，系统以稳态运转，并且根据跨越电阻器3的电压，流经电阻器的电流被稳定在已知值。当燃料开始蒸发时，电阻器电流3开始快速降低。之后系统检测出电流正在降低并且远离稳态时的电流值。当这个电流变化变得更显著时，例如当电流值为稳态的液体燃料的大约50％或略高时，则系统识别出燃料的至少一部分是液态，甚至这是在电流稳定在对应于气态燃料稳态的固定值之前。因此，根据本发明的系统和方法能够借助于电阻器3中的电流性能来检测出燃料是否处于液态或至少部分处于蒸汽状态。
使用燃料温度传感器5对于根据本发明的系统和方法的操作而言不是实质性的。主要在应用根据本发明的系统和方法来仅检测燃料的物相的情况下，不需要使用温度传感器，因为所需结果允许更高的误差容限并且可以借助于较不精确的值而得到。然而，温度传感器能够使得以更精确的方式来执行导热系数计算，从而获得更准确的结果。
根据本发明的系统和方法明显地区别于现有技术，因为它们能够仅借助于可变电阻器3来实现燃料混合物比率的识别，其中该可变电阻器3也被用于加热燃料。因此，相同装置同时执行两种不同功能，而这两种功能在现有技术的情况下是由两个独立装置来实现的。因此，除了加热电阻器之外，根据本发明的系统不需要使用例如惠斯通电桥的辅助装置来测量燃料混合物成分。
此外，根据本发明系统所实现的计算是基于不同于现有技术的原理。本发明的系统和方法仅使用被施加于可变电阻器的电流值和电压值来直接计算燃料混合物中的酒精/汽油比率，而不需要执行复杂的数学运算。本发明允许电阻器温度在整个燃料导热系数测量期间(相变期间和稳态操作期间)随时间变化。总之，能够如所计划地运作系统且执行根据本发明的方法的特征正是在于，使用具有随其温度而变的可变阻抗的电阻器以及电阻器温度、阻抗和电流值的变化。
实际上，导热系数的计算基本上基于与可变电阻器温度相关的电压和电流，其中该可变电阻器是系统中的最热物体。而在文献JP1016957所描述的现有技术装置中，导热系数计算是直接基于燃料温度的，而燃料是系统中的最冷物体。
根据本发明的系统和方法能够借助于查询被存储在系统中的表来计算导热系数值并因而确定燃料成分。这样有助于提高系统效率并且不需要使用能够执行非常复杂运算的处理器。
根据本发明的系统和方法也可以被用于确定除乙醇和汽油之外的其他混合物和燃料的成分。为了这个目的，应该知道导热系数和与其相关联的燃料成分之间的相关性，基于公式(1)来计算可变电阻器内产生的相应电流，并且根据所述参数为电子控制单元编程。
已经参考其优选实施例描述了本发明的示例，可以理解的是本发明的范围包括其他可能变型，并且本发明的范围仅由所附权利要求所限制，包括可能的等价物。

Claims (12)

1.一种燃料识别系统(2)，包括：
燃料加热电阻器(3)，该电阻器(3)具有作为其温度的函数的可变阻抗值，并且该电阻器(3)被连接于向该电阻器(3)施加电压的电源，所述电阻器与所述燃料(2)直接接触并交换热量，并且在燃料加热操作期间该电阻器的温度变化，
电流测量装置(6)，该电流测量装置测量流经所述电阻器(3)的电流；以及
电子控制单元(4)，该电子控制单元(4)被连接于所述电阻器(3)、测量被施加于所述电阻器(3)的所述电压并且被连接于所述电流测量装置(6)从而从该电流测量装置接收从所述电阻器电流(3)测量的值，所述电子控制单元(4)包括数据处理器件，该电子控制单元(4)借助于该数据处理器件基于所述电阻器电流(3)和如下公式来识别燃料(2)特性：
U×I=k×A×(Tq-Tf)
其中U是被施加于所述电阻器的所述电压，I是所述电阻器(3)电流，k是所述燃料(2)的导热系数，A是与所述燃料的接触表面面积，Tq是电阻器温度，并且Tf是燃料温度。
2.根据权利要求1所述的燃料识别系统，其中由所述电子控制单元(4)所识别的所述燃料特性包括燃料成分、所述燃料中的汽油／乙醇比率、所述燃料的物相以及线路中空气的存在性之中的至少一者。
3.根据权利要求1或2所述的燃料识别系统，其中所述电子控制单元(4)包括存储器，该存储器包含将电阻器(3)电流值与预设燃料成分相关联的至少一个预计算表。
4.根据权利要求1或2所述的燃料识别系统，还包括被连接于所述电子控制单元(4)且被设置成与所述燃料(2)接触的温度传感器(5)，其中所述传感器(5)测量燃料温度并且将温度数据传送到所述电子控制单元(4)，并且所述电子控制单元(4)也基于所述燃料温度识别燃料成分。
5.根据权利要求1或2所述的燃料识别系统，其中所述电子控制单元(4)包括记录器，该记录器包含与所述电阻器的相应阻抗值相关联的电阻器温度值。
6.根据权利要求1或2所述的燃料识别系统，其中所述电子控制单元(4)包括用于控制被施加于所述电阻器的电压的器件。
7.一种燃料识别方法，包括如下步骤：
施加确定电压于加热电阻器(3)，该电阻器(3)具有作为其温度的函数的可变阻抗值并且与所述燃料接触并交换热量，其中在燃料加热期间所述加热电阻器的温度变化；
测量跨越所述电阻器(3)的电压；
测量并监控流经所述电阻器(3)的电流；
当所述电阻器(3)电流处于稳态时，基于所述电阻器(3)电流值和如下公式来识别燃料(2)特性：
U×I=k×A×(Tq-Tf)
其中U是被施加于所述电阻器的所述电压，I是所述电阻器(3)电流，k是所述燃料(2)的导热系数，A是与所述燃料的接触表面面积，Tq是电阻器温度，并且Tf是燃料温度。
8.根据权利要求7所述的燃料识别方法，其中，所述燃料特性识别步骤包括识别燃料成分、所述燃料中的汽油／乙醇比率、所述燃料的物相以及线路中空气的存在性之中的至少一者。
9.根据权利要求7或8所述的燃料识别方法，其中所述燃料特性识别步骤包括查询将电阻器(3)电流值与预设燃料成分相关联的预计算表。
10.根据权利要求7或8所述的燃料识别方法，其中识别燃料特性的步骤包括：当流经所述电阻器的电流相对于对应液态燃料时的稳态电流显著降低时识别出所述燃料的至少部分处于蒸汽状态。
11.根据权利要求7或8所述的燃料识别方法，其中识别所述燃料特性的步骤包括识别燃料线路是否为空，因而关闭加热。
12.根据权利要求7或8所述的燃料识别方法，其中其借助于权利要求1-6中任意一项权利要求所述的燃料识别系统来执行。
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