CN107438531A - 包括沸腾检测的压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于容器组件（1）的压力控制方法，该容器组件包括能够接收液体（6）的密封的容器（2）、能够捕获来自液体（6）的蒸气的过滤器（3）、将容器（2）连接到过滤器（3）的管（4）、以及设置成以选择性的方式封闭管（4）的隔离阀（5），该方法包括对容纳在容器（2）中的液体的沸腾检测。

Description

包括沸腾检测的压力控制方法

技术领域

本发明涉及用于液体的密封容器，例如在车辆中用于储存液体燃料的密封容器，并且更具体地涉及与这种容器内部的压力控制相关的问题。

背景技术

为了不损坏这种容器，需要保持其中的压力低于最大极限压力（过压），但也要高于最小极限压力（负压）。

容器内部的压力取决于容器的所添加的液体的量，其中通常通过填充来添加液体，或者通常通过抽取来抽出液体，例如在燃料的情况下将其送至发动机；并且容器内部的压力还取决于环境条件：温度和大气压力。与温度相关的一个难题在于温度无法被调控，且其可能经受非常大的幅度（变化）。因此，例如，车辆可能在正值冬天时经受非常低的温度，或者在正值阳光充足的夏天时经受非常高的温度。

在内燃发动机和机动车辆的早期时，压力控制是借助于自由通风口被动地进行，如有需要，穿过至少一个阀，该阀的额定范围为最大极限压力和/或最小极限压力。因此，为了保存容器的液体内容物，容器对液体是密封的，但是开放的自由通风口或者能够打开容器以自由通风口允许气体通过。在负压的情况下，空气可以从外部进入容器中，并且在过压的情况下，气体可以从容器向外部逃逸，从而在两种情况下重新建立可接受的压力：介于两个极限压力之间。

在挥发性液体的情况下，装载有来自液体的蒸气的这种气体在燃料的情况下含有污染物，并且现如今这些污染物根据规定不再能自由地排放到环境中。

所以，目前，容器对液体和气体均是密封的。在某些条件下，可以通过又称为汽油气吸收箱（canister）的过滤器捕获蒸气来降低压力。然后可以通过将捕获的蒸气排空到发动机，使该蒸气在发动机处被燃烧，从而再生（处理）该过滤器。

这需要主动控制容器中的压力，以避免损坏容器的任何风险，同时尤其根据发动机的运行阶段来管理过滤器的填充水平。

例如从文献DE 199 13 440 A1中已知，该文献涉及一种燃料容器，该燃料容器被设计成压力最大值高于环境压力。燃料容器和环境压力之间的每个连接管/阀门均可被关闭。在内燃发动机运行期间，容器的通风电子/机械阀限定了容器中的压力，该压力高于环境压力，但是不显著超过压力最大值。当运行压力超过限定的压力极限值时，通过电子控制单元打开电子致动阀，其中限定的压力极限值高于环境压力，但是不高于压力最大值。

在压力控制的此背景中，检测容器中所含液体的可能的沸腾显得特别有利。事实上，沸腾的情况导致由液体产生的蒸气的量的急剧增加，且伴随有压力的加速升高。

发明内容

本发明涉及一种用于容器组件的压力控制方法，该容器组件包括能够接收液体的密封的容器、能够捕获来自液体的蒸气的过滤器、将容器连接到过滤器的管、以及设置成以选择性的方式封闭管的隔离阀，所述方法包括对容纳在容器中的液体的沸腾检测，其中沸腾检测包括以下步骤：

•在给定的打开时间段期间打开隔离阀，在打开隔离阀之前，测量容器中的初始压力，

•在关闭隔离阀之后，测量容器中的最终压力，

•通过计算相对于打开时间段的压力变化，估计压力的时间导数，

•如果时间导数大于阈值，则检测到沸腾。

根据另外的特征，当检测到沸腾时，该方法还包括步骤：发出警报以引起操作者和/或计算机的注意。

根据另外的特征，当检测到沸腾时，该方法还包括步骤：关闭隔离阀和/或保持隔离阀关闭。

根据另外的特征，默认隔离阀保持关闭。

根据另外的特征，该方法还包括以下步骤：

•监测容器中的压力，

•将容器中的压力与容器的最小极限压力以及与容器的最大极限压力进行比较，

•如果容器中的压力低于容器的最小极限压力，或者如果容器中的压力高于容器的最大极限压力，则打开隔离阀。

根据另外的特征，以定期的方式进行沸腾检测。

根据另外的特征，在容器的填充活门打开请求期间，进行沸腾检测。

根据另外的特征，如果在容器中测量的压力基本上等于外部压力，则批准打开容器的填充活门的请求，否则，延迟容器的填充活门的打开。

附图说明

通过以下结合附图以说明性方式给出的详细描述，使得本发明的其它特征、细节和优点将变得更加清楚，在附图中：

- 图1示出了容器组件在其环境中的整体视图，

- 图2示出了压力根据时间的变化和沸腾检测的原理，

- 图3示出了沸腾检测的流程图，

- 图4示出了在压力/温度图中对沸腾的定义，

- 图5示出了表示沸腾温度随压力变化的曲线图，

- 图6示出了沸腾检测之后的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了能够通过根据本发明的方法进行压力控制的类型的容器组件1。该容器组件1包括容器2、过滤器或汽油气吸收箱3、管4和隔离阀5。容器2能够接收并容纳液体6。容器2对液体和气体均是密封的。液体6可以是挥发性液体。因此，过滤器3能够捕获来自液体6的蒸气。管4设置成以对液体和气体均密封的方式将容器2连接到过滤器3。有利地，管4穿入容器2的上部部分以避免连接到液体6，但优选地连接到蒸气。隔离阀5被安置成穿过管4，以便选择性地封闭该管4。因此，可以有利地通过电子控制信号来控制隔离阀5，以使其处于关闭位置或者打开位置；其中，在关闭位置中，管4是封闭的，从而防止容器2和过滤器3之间的任何转移，在打开位置中，管4是贯通的，且从而允许从容器2转移到过滤器3或反之亦然。

容器2还可以包括能够选择性地打开或关闭的填充活门9，以允许将容器2填充液体6。

根据一种使用情况，容器组件1设置在机动车辆中，并且液体6是挥发性燃料。

容器2还可以包括至少一个出口和用于抽取液体6的管（未示出），该管允许抽取液体6以送至消耗器，在燃料的情况下，例如该消耗器为发动机13。

容器2还配备有用于抽取液体6的泵10。

容器组件1还可以包括有利地设置在容器2上的、能够测量容器2的内部压力的压力传感器7。容器组件1还可以包括有利地设置在容器2上的、能够测量容器2的内部温度的温度传感器8。

各种可接口的电子部件（阀5，12，传感器7，8等）可有利地与至少一个计算机15建立接口，例如，发动机控制计算机15（发动机控制单元，Engine Control Unit或ECU）。计算机15与部件5，7，8，12之间的电气接口以虚线表示。

过滤器3包括将其连接到管4的第一连接件。过滤器3还包括将其连接到自由通风口14的第二连接件。

并不期望来自液体6的蒸气被释放到大气中，例如因为其涉及污染物。因此，过滤器3具有捕获这些蒸气的功能。

可以通过打开隔离阀5来增加容器2中的较低的压力或负压，即低于大气压力的压力。例如通过过滤器3的自由通风口进入的空气于是可以穿入容器2中。

同样地，可以通过打开隔离阀5来降低容器2中的较大的压力或过压，即高于大气压力的压力。可能含有来自液体6的蒸气的空气于是离开容器2并流向过滤器3。空气经由自由通风口14逸出，而蒸气被过滤器3捕获。

过滤器3包含过滤材料，例如活性炭。随着该过滤材料逐渐装载所捕获的蒸气，过滤器3的容量减小。

可以再生过滤器3的容量。为此，在过滤器3和蒸气消耗器13之间设置另一管11，从而允许净化过滤器3。这可以通过净化阀12（例如汽油气吸收箱净化阀，英语中称为“canister purge solenoid”或CPS，汽油气吸收箱净化电磁阀）来控制。在燃料的情况下，例如，消耗器是能够有利地燃烧蒸气的发动机13。

在这样的环境中，可以在某些条件下控制过滤器3的净化/再生。还能够估计过滤器的容量。这是申请人的其它专利申请的主题。

为了控制容器2中的压力，能够检测液体6的沸腾是非常有利的。事实上，沸腾显著地改变蒸气的排出条件，以及由于这些条件的压力的变化状态。

在温度和压力的中等条件下，液体6是主要以液相呈现的化合物。

在不存在沸腾的情况下，也可以存在所述化合物的气相。液体6的汽化可以产生在两相之间的界面处，即在液体6的表面处。在这种情况下，汽化现象基本上是表面上的，并引起压力的适当幅度的变化。只要没有沸腾，则饱和蒸气的分压或压力保持低于容器2中的压力。

当分压增加直到其变为等于容器2中的压力时，根据定义，达到沸腾。在这个阶段，分压能够使液体和蒸气以形成在液体的全部体积中的气泡的形式进行移动。先前表面上的汽化现象变为体积中的。这于是导致蒸气生成率的急剧增加，并伴随有压力的急剧增加。

因此，在容器2中的压力控制的​​背景下，能够检测液体6的沸腾是非常有利的。

更具体地，如图2所示，基于沸点的定义和沸腾对压力变化的结果，能够实现沸腾检测。图2示出了压力P随时间t变化的图，其中以压力P作为纵坐标，以时间t作为横坐标。在该图上示出了对应于不存在沸腾的第一曲线30和对应于存在沸腾的第二曲线31。此处是在恒定的体积中，例如由密封的容器2所形成的体积。

从曲线30可以看出，分压缓慢增加到渐近平衡值32，该值被确定成低于容器2内部的压力值34。

相反，从曲线31可以看出，分压迅速增加。该分压可能达到渐近平衡值33，该值超过容器2内部的压力值34。

基于该观察，可以通过观察分压的变化速度来检测沸腾的情况。分压分担容器2内部的“总”压力，并且这两个量表现出类似的变化。容器2内部的“总”压力可以例如通过设置在容器2上的压力传感器7来测量。

通过将压力的斜率或时间导数d与阈值S进行比较来进行沸腾检测。如果该时间导数d大于阈值S，则检测到沸腾。相反，如果该时间导数d小于或等于阈值S，则不存在沸腾。

阈值S是根据经验确定的常数。根据一个实施例，在施加的温度变化时，测量压力的时间导数d，对于第一组样品，在可变的实验条件下（不同的初始温度、液体是否被搅拌、不同类型的液体（可变RVP）等），总是不存在沸腾，而对于第二组样品，在可变的实验条件下，但此次存在沸腾。选择阈值S以便区分两组样本。

通过计算变化率ΔP/Δt来估计压力的时间导数d = dP / dt。原理在于，在时间段Δt期间，打开隔离阀5并测量相应的压力变化ΔP、ΔP1、ΔP2。

为此，可以通过执行以下参照图3的流程图所示的步骤来实现沸腾检测。在第一步骤40期间，测量容器2中的初始压力Pi，然后进行隔离阀5的打开。隔离阀5在给定的打开时间段Δt期间保持打开。在该打开时间段Δt结束时，在第二步骤41期间，进行隔离阀5的关闭，然后测量容器2中的最终压力Pf。通过使等于最终压力Pf和初始压力Pi之间的差值Pf-Pi的压力变化ΔP、ΔP1、ΔP2与打开时间段Δt相关联，第三步骤42计算压力的时间导数d的估计值，即d = dP / dt≈ΔP/Δt=（Pf-Pi）/Δt。在第四步骤43期间，将这个时间导数d的估计值与阈值S进行比较。如果d大于阈值S，此即为ΔP2/Δt的情况，则检测到沸腾，并且该方法继续进行到步骤44。如果d低于阈值S，其即为ΔP1/Δt的情况，则观察到沸腾不存在，并且该方法继续进行到步骤45。

打开时间段Δt应当是足够长的以使压力变化ΔP、ΔP1、ΔP2是显著的，同时该打开时间段Δt应当是尽可能短的。在实践中，介于1秒至10秒之间的打开时间段Δt是令人满意的。2秒的打开时间段Δt构成了一个良好的折衷方案。

当检测到沸腾时，有利地发出指示产生沸腾的警报。第一个接收者可以是操作者。因此，在应用于车辆的情况下，有利地发送警报以引起驾驶员的注意，例如通过仪表板上的指示器。可替代的或可补充的另一接收者可以是至少一个计算机。因此，在应用于车辆的情况下，有利地警示计算机，例如ECU 15。

由于在液体/燃料6中存在气泡，所以沸腾的状态可能会阻止起动/重新起动，或者可能干扰发动机13的良好运行。这就是为什么知道沸腾状态对于ECU 15是有用的。

如图6的流程图所示，当检测到沸腾状态时，如果隔离阀5呈现打开的，则应当关闭该阀。一致地​​，如果隔离阀5是关闭的，则应当尽可能地使其保持关闭。这通过关闭或保持关闭的步骤45来示出。

事实上，并且如将要描述的，隔离阀5的关闭位置可以被证明是在沸腾的情况下的有效的校正措施。

图4示出了压力（纵坐标）/温度（横坐标）图，在图中示出了对于第一液体的沸点的第一轨迹20。如果压力/温度的运行点位于曲线20以下，则液体沸腾。如果压力/温度的运行点位于曲线20上方，则液体不沸腾。对于第二液体的第二轨迹21是相似的，但是第二液体比第一液体较不易挥发（从而达到沸腾时的温度较高）。以说明性的方式，轨迹20可以对应于“冬季”燃料，而轨迹21可以对应于“夏季”燃料。图4还示出低压力值22和高压力值23。例如，低压力值22为大气压力（1000.10-3 atm）。高压力值23可以是任何值，但是假定其低于容器2可承受的最大极限压力Pmax。

考虑具有由轨迹20所描述的特征的液体6，在压力22下，如果其温度达到或超过温度值24，则该液体6具有位于轨迹20上的运行点26。因此，液体6沸腾。于是这导致蒸气的强烈排出。如果隔离阀5是关闭的，则容纳液体6的容器中的压力增加。因此，运行点朝向点28移动，并且这使得其穿过到轨迹20上方：沸腾停止。另一种解读可能如下。对于压力23，轨迹20上的沸点是点27，其对应于比液体6的温度24高的温度25。

这在图5的曲线图中也是可见的，图5示出温度（纵坐标）/RVP（横坐标）的曲线图。RVP（读取的蒸气压力，英语为“Read Vapor Pressure”）是表征液体6的挥发性的指标，其在一压力下是均匀的。RVP越高，液体越易挥发，且沸腾温度越低。

在该图上示出了对应于第一压力的第一曲线50和对应于第二压力的第二曲线51，其中第二压力高于第一压力。在给定的压力下，对应于曲线50，51，如果液体6的定义点（RVP、温度）在曲线50，51上方，则液体6沸腾，而如果液体6的定义点在曲线50，51下方，则液体6不沸腾。该曲线图可以如下方式进行解读。对于由给定的挥发性52限定的液体6，从横坐标读出（此处为690hPa），竖直直线在纵坐标点53处与对应于第一压力的第一曲线50相交，在该纵坐标点53处示出该液体6在所述第一压力下的沸腾温度（此处为51℃）。对于这种相同的液体6，垂直直线与对应于第二压力的第二曲线51在纵坐标点54相交，其示出该液体6在所述第二压力下的沸腾温度（此处为56℃）。由于沸腾温度53，54随着由于沸腾所产生的压力的增加而增加，所以液体6的实际温度可能低于沸腾温度，由此液体6停止沸腾。

因此，可以看出，通过隔离阀5的关闭或保持关闭将体积约束为恒定的，可以有利地停止沸腾，从而允许到达新的压力平衡。

沸腾检测有利地导致隔离阀5的关闭。然而，还有其它原因导致隔离阀5关闭。过滤器3具有受限容量的事实是促使隔离阀5保持关闭的一个原因，以控制使用过滤器3的时间。用于估计过滤器3的装载的方法还需要对于过滤器3的受控环境，并因此也促使隔离阀5保持关闭。因此，根据一个实施例，默认隔离阀5保持关闭。

如图6的流程图所示，压力控制方法以定期的方式进行，并且无论与可能的沸腾相关的状态如何，均执行以下步骤。

在步骤46期间，例如通过压力传感器7来测量容器2中的压力P。在步骤47期间，将该压力P与容器2的最小极限压力Pmin以及与容器2的最大极限压力Pmax进行比较。

如果压力P低于容器2的最小极限压力Pmin，则容器2处于负压并且具有损坏的风险。因此，在步骤48期间，应当打开隔离阀5。这允许使例如空气进入容器2中，例如经由过滤器3的自由通风口14，以便允许压力P升高直到可能达到接近大气压力的值。这种情况存在较少的问题在于，不需要禁止从系统的任何排放，并因此没有污染的风险。

如果压力P高于容器2的最大极限压力Pmax，则容器2处于过压并且具有损坏的风险。因此，在步骤48期间，应当打开隔离阀5。这允许使空气离开容器2，如有必要，使装载来自液体6的蒸气的空气离开容器2。这通过过滤器3实现，该过滤器3允许使空气经由其自由通风口14逸出，并且在其容量的极限内捕获蒸气。这允许降低压力P，并且如果可能，使其降低直到达到接近大气压力的值。

如果过压保持超过过滤器3的容量，则这种情况可能会成为问题。在这种情况下，相对于由蒸气产生污染的风险，该方法优先考虑安全性，该安全性需要降低压力P。容器2的损坏可能导致破裂，从而导致更为严重的泄漏，并且涉及液体6的泄露，这在污染方面甚至更为不利。为了限制这种风险，只要压力P低于最大极限压力Pmax，则应当注意到，在上游尽快净化过滤器3。

如果压力P介于最小极限压力Pmin和最大极限压力Pmax之间，则该方法通常可以回到测量压力P的步骤46。

有利地，以定期的方式进行由步骤46-48实现的对容器2的压力相对于最小极限压力Pmin和最大极限压力Pmax的监测，以便确保容器2的完整性。然而，在沸腾检测44之后的这种监测更为有用，因为沸腾状况导致压力剧烈且快速的升高，并因此导致达到最大极限压力Pmax的较大风险。

为了确保良好的反应性，根据第一实施例，沸腾检测可以定期的方式进行。

可替代地，为了不过度打开隔离阀5，可以在事件出现时进行沸腾检测。可以判断疑似沸腾的第一事件是容器2中的压力的​​明显变化，例如通过压力的定期监测所检测到的。

另一类型的事件是打开容器2的填充活门9的请求。由于容器2是密封的，并且可能经受与容器2外部的大气压力不同的压力，所以填充活门9应当是闭锁的。因此，当操作者希望填充容器2时，其作出关于此的适当的请求。该请求以打开请求的形式发送到系统，该系统批准是否打开。如果批准打开，则将解锁命令有效地发送到活门9，然后可以打开该活门9。这种处理允许系统批准是否打开之前，对容器2执行一些核查或动作。其中一个预先的核查通常是沸腾检测，因为沸腾可能显著改变待进行的操作。在打开活门9的致动之前的动作通常是尝试将容器的内部置于尽可能地接近外部压力的压力下，该外部压力通常为大气压力。

处理打开请求的原则是，在大多数情况下，在打开请求之后应当积极地进行解锁。

然而，系统可以延迟实际的打开，以便预先执行各种核查和/或动作。

通常，系统将在打开之前尝试平衡容器2内部和外部之间的压力。有利地，系统将进行沸腾检测。如果这种沸腾检测的结果是积极的，则压力之间的平衡可能难以达到。

然后，系统可以警示操作者沸腾状态和/或压差状态。由于沸腾状态和/或过压状态，存在热液体从活门9喷射出的风险。

系统还可以请求对打开请求的确认，该打开请求是从操作者处所通知的。

Claims (9)

1.一种用于容器组件（1）的压力控制方法，所述容器组件包括能够接收液体（6）的密封的容器（2）、能够捕获来自所述液体（6）的蒸气的过滤器（3）、将所述容器（2）连接到所述过滤器（3）的管（4）、以及设置成以选择性的方式封闭所述管（4）的隔离阀（5），其特征在于，所述方法包括对容纳在所述容器（2）中的液体的沸腾检测，其中沸腾检测包括以下步骤：

•在给定的打开时间段（Δt）期间打开所述隔离阀（5），

•在打开所述隔离阀（5）之前，测量所述容器（2）中的初始压力（Pi），

•在关闭所述隔离阀（5）之后，测量所述容器（2）中的最终压力（Pf），

•通过计算相对于所述打开时间段（Δt）的压力变化（ΔP），估计压力的时间导数（d），

•如果所述时间导数（d）大于阈值（S），则检测到沸腾。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当检测到沸腾时，所述方法还包括步骤：

•发出警报以引起操作者和/或计算机的注意。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，当检测到沸腾时，所述方法还包括步骤：

•关闭所述隔离阀（5）和/或保持所述隔离阀（5）关闭。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，默认所述隔离阀（5）保持关闭。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：

•监测所述容器（2）中的压力，

•将所述容器（2）中的压力与所述容器（2）的最小极限压力（Pmin）以及与所述容器（2）的最大极限压力（Pmax）进行比较，

•如果所述容器（2）中的压力低于所述容器（2）的最小极限压力（Pmin），或者如果所述容器（2）中的压力高于所述容器（2）的最大极限压力（Pmax），则打开所述隔离阀（5）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，以定期的方式进行沸腾检测。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述容器（2）的填充活门（9）的打开请求期间，进行沸腾检测。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，如果在所述容器（2）中所测量的压力大致等于外部压力，则批准所述容器（2）的填充活门（9）的打开请求，否则，延迟所述容器（2）的填充活门（9）的打开。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述容器组件（1）设置在机动车辆中，并且所述液体（6）是挥发性燃料。