CN1460148A - 双燃料方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种特殊的双燃料方法及其系统，用于增强车辆性能和燃料的燃烧，并且当发动机(14，306)在不同的燃料下运行时，例如汽油或液化石油气(LPG)，能提供平稳的切换。当发动机(14，306)在不同的燃料下运行时，过滤的O2信号被传送到发动机控制单元(ECU)(17，304)，该ECU单元能够根据过滤的氧气(O2)信号和燃料种类即双燃料发动机(14，306)的模式选择，来调节汽油截止阀(30，352)和LPG阀的运行。
Description
技术领域
本申请适用于应用在车辆内燃机的双燃料方法及其系统。
背景技术
随着汽油供应的减少及其价格的提高，对替代燃料和燃料保存的需求也越来越大。因此，特别是应用于汽车内燃机的替代燃料源和燃料保存方法变得越来越有吸引力。
内燃机由液体燃料和气体燃料驱动，既提高了燃料的经济性和发动机的效率；同时也使所不希望的废气排放维持在较低水平。适合在液体燃料或气体燃料下运转的车辆被称为“双燃料”或“多燃料”车辆。
为了最大限度地提高燃料的经济性，同时将发动机的废气排放降到最低，人们已经倾向于使用气体燃料，如：压缩天然气(CNG)，液态天然气(LNG)，诸如酒精，以及液态或液化石油气(LPG)。气体燃料，如CNG、以及LPG，不仅提供了燃料优良的经济性和发动机的低排放，同时也提供了内燃机更好的冷启动性能。
气体燃料包括由常温常压下为气态的易燃燃料。双燃料车辆使用的气体燃料包括由天然气或压缩天然气(CNG)，氢气等的构成的甲烷。气体燃料术语还包括液化石油气(LPG)。LPG是非常理想的气体燃料。LPG加压后可以是气态，液态或两种状态同时存在。LPG的实例包括丙烷，丁烷，以及二甲醚(DME)等。
由碳氢化合物燃料燃烧所导致的大气污染，诸如汽油燃料汽车内燃机的废气排放，如果不加以适当控制，将导致问题。实际努力和研究已经进入到了开发以替代汽油的各种轻碳氢化合物燃料进行工作的车辆发动机，所述轻碳氢化合物燃料为酒精，以及那些含有较低复杂碳氢化合物分子，且每个子中含碳原子较少的的燃料，如戊烷，丁烷，丙烷，甲烷，甚至乙烷。使用天然气(甲烷)是由于它储量丰富、清洁的燃烧性能、相对低的成本以及它被用作固定内燃机的燃料。为了在车辆内部给车辆的内燃机提供充足的燃料，燃料必须以高压缩状态存储，要求重载、能够在外界温度升至125°F(51.6℃)时存储气态乙烷并能够耐高压的高压燃料箱和燃料系统部件。
另一方面，丙烷能够在比甲烷低得多的压强下以液态形式储存，例如：在-44°F(-42.2℃)时O磅/平方英寸(psi)，在70°F(21.1℃)时125psi，在125°F(51.6℃)时260psi。在某些地理区域，已经能够为多种用户供应相对丰富且经济的液态丙烷燃料源。
已经开发了许多双燃料系统，其采用耐压容器或输送丙烷的方法，使用丙烷作为替代燃料。有商业应用价值的典型车辆用丙烷燃料箱系统经由汽化器燃料输送系统(carburetor fvel feed system)或电子燃料喷射系统(EFI)以气态的形式输送丙烷到发动机进气岐管。
许多常规的双燃料系统成本高而且不可靠。另外，常规的双燃料系统通常有两套独立的系统，包含许多双重、备用和/或额外装置的零件，部件或设备，如计算机，软管，燃烧装置，两级预热器等。此外，常规的双燃料系统通常体积很大，占据了车辆引擎罩(发动机罩)内的宝贵空间。常规双燃料系统中双重设备的额外重量也增加了燃料的消耗。
另外，当常规双燃料系统切换到不同种燃料时，常常遇到车辆的性能问题。在不同种燃料间切换时，由于两种燃料间的时间延迟将导致不稳定。例如：当一个常规汽化双燃料系统从汽油模式切换到液化石油气(LPG)模式时，汽油继续和LPG同时注入发动机，直到汽化器(carburetor)浮子室内的汽油耗尽为止。这将导致内燃机溢油或停车。当一个常规汽化双燃料系统从液化石油气(LPG)模式切换到汽油模式时，LPG被截止，但是没有汽油注入发动机，直到汽油充满汽化器浮子室。这将导致内燃机熄火或爆鸣。
配有电子燃料喷射器(EFI)的常规双燃料系统会遇到类似的问题。例如：当一个常规EFI双燃料系统从汽油模式切换到LPG模式时，汽油继续和LPG一起同时被输入发动机，直到燃料主管(fvel rail)和软管中的残留汽油被耗尽。这会导致汽油和LPG发生不期望的混合，将造成故障和/或发动机性能问题。另外，当一个常规EFI双燃料系统从LPG模式切换到汽油模式时，燃料主管和软管中的残留LPG继续与汽油一起注入发动机，这将导致车辆性能不稳定，杂乱不规则。
因此，有必要提供一种改进的双燃料方法及其系统，该系统若不能全部，至少要能克服上述绝大部分的问题。
发明内容
所公布的一种改进的双燃料方法及其系统能够提供从第一燃料到第二燃料的平稳转换。第一燃料可以是液体燃料，例如：汽油或石油，第二燃料可以是气体燃料，例如液化石油气(LPG)。该双燃料系统结构上还取消了昂贵的控制部件和用于LPG系统设备的双重装置，例如计算机，软管，燃烧装置，两级预热器等。另外，改进的双燃料方法及其系统具有经济、操作简便、以及方便的优势。令人满意的是，该便于操作的双燃料方法及其系统具有可靠、安全、效率高、和效果好的特点。值得注意的是，所发明的双燃料方法及其系统与庞大的常规双燃料系统相比，其使用燃料更经济，占用的发动机空间更小，燃料消耗更少。
如果需要，在某些环境下虽然可以使用其它类型的液体燃料，但优选的液体燃料是汽油。优选的LPG是丙烷，如果需要，可以使用其它类型的LPG，如丁烷，二甲醚(DME)等。尽管在某些环境下可以使用其它类型的气体燃料，如压缩天然气(CNG)等，但优选的气体燃料是LPG。
改进后的双燃料方法及其系统在车辆，例如汽车，出租车，运动用车(SUV)，有篷货车，旅行车，卡车，摩托车，滑雪车，水艇，地面运动车辆，船，飞机，拖拉机，锄耕机，推土机，起重机，或公路分级设备中特别有用。改进后的双燃料方法及其系统也可以应用于其他机动发动机和固定式发动机，例如：发电站，发电系统等。
按照本发明原理的操作双燃料系统的特定方法，其包括以下步骤：汲取第一燃料(如汽油)到燃料给料装置(fvel feeding derice)；将第一燃料由燃料给料装置输送至发动机；和在第一燃料模式下，用第一燃料驱动发动机。当希望改变发动机的运行模式，用第二燃料例如液化石油气(LPG)驱动时，输给燃料给料装置的第一燃料流被截止。为了防止内燃机溢流、停车及故障，在开启第二燃料阀(如LPG阀)输送、供给、使用第二燃料(如LPG)前，最好等到来自燃料给料装置的第一燃料(如汽油)充分耗尽，从而阻止来自燃料给料装置的第一燃料流进入发动机。当第二燃料阀被开启，第二燃料(如LPG)被输入发动机，因此发动机能由第二燃料驱动，并运行于第二燃料模式。
当希望改变发动机的运行模式，使其由第二燃料模式切换到第一燃料模式，第一燃料(如汽油)被汲取到燃料给料装置。为了防止内燃机熄火、爆鸣、及车辆性能不均匀，在关闭第二燃料阀之前，最好等到第一燃料(如汽油)完全充满燃料给料装置。当第二燃料阀被关闭，第二燃料流及其向发动机的输送将被停止。此后第一燃料(如汽油)被由燃料给料装置输送到发动机，因此发动机能由第一燃料驱动。
在一种情况下，燃料供给装置包含一个带有浮子室的汽化器。第一燃料(如汽油)可以由操作与发动机相关联的燃料泵抽取。
另一种情况下，燃料供给装置包含一个或多个电子燃料喷射器(EFI)，EFI有一个或多个燃料主管和燃料管路。第一燃料(如汽油)可以由操作与第一燃料箱相关联的燃料泵抽取。
优选情况下，废气从发动机中排出，同时监测废气中的含氧量。在选定的有限时间周期内所监测到的废气含氧量的基础上获得一信号，该信号可以是氧气(O2)信号，优选地为滤波的信号，例如滤波后的O2信号。滤波后的信号由发动机控制单元(ECU)产生，或者信号的产生与该单元相关，ECU根据滤波后的信号控制阀门，例如第二燃料阀门(LPG阀)的运行。优选地，当滤波后的信号随着切换到第二燃料模式而减少时，第二燃料阀门将被打开。同样，当滤波后的信号随着切换到第一燃料模式而增加时，第二燃料阀门将被关闭。
为了提高双燃料方法及其系统运行的可靠性并进一步增强其故障保护操作，滤波后的信号经计数生成一定时信号，该信号可以提供一定时器，有时则称为“看门狗”定时器。在第二燃料模式下(如LPG模式)，如果滤波后的信号经过预先选定(预先决定)的时间周期基本没改变，则第二燃料阀将在接收到“看门狗”定时器的定时信号后被打开。在第一燃料模式下(如汽油模式)，如果滤波后的信号经过预先选定(预定)的时间周期基本上没改变，则第二燃料阀将在接收到“看门狗”定时器的定时信号后被关闭。
根据本发明的原理，应用于车辆的双燃料系统也可以用双燃料发动机来制造，以驱动车辆。双燃料发动机可以由相互隔离的燃料驱动，这些燃料包括由液体燃料构成的第一燃料，如汽油；以及由气体燃料构成的第二燃料，如液化石油气(LPG)或压缩天然气(CNG)。理想地，该发动机可以运行于第二燃料模式，并能够从第一燃料模式(如汽油)切换到第二燃料模式(如气体燃料)。
双燃料系统有一连接到发动机并向发动机输送燃料的进气岐管。汽化器包含有汽化器浮子室和阀门，如蝶型阀，当发动机在汽油(第一燃料)模式下运行时，该阀门与进气岐管相连，并向发动机输送汽油(第一燃料)。双燃料系统还包括被置于汽化器附近的空气过滤器。汽油箱适于用来容纳并贮藏汽油。当发动机在汽油模式下运行时，与发动机相关联的燃料泵从汽油箱汲取汽油到汽化器。汽油阀则被用来控制输入汽化器的流量。理想地，提供了连接空气过滤器和进气歧管的控制阀，在汽化器与/或ECU的蝶型阀的控制下以一定的空气-燃料混合比将过滤的空气从过滤器输送到汽油流过的进气岐管。更有利的是，在单向阀允许过滤后的空气从空气过滤器进入控制阀(空气阀)的同时也阻止了第二燃料流进空气过滤器。
双燃料系统最好还包含第二燃料箱，以便容纳贮存第二燃料，如LPG或CNG。第二燃料阀用来控制由第二燃料箱流入控制阀的第二燃料(LPG或CNG)流量。当发动机工作在第二燃料模式下，控制阀工作以输送第二燃料到进气岐管。控制阀可包括双空气阀和脉宽调制阀(PWM)。理想情况下，发动机控制单元(ECU)的运转与发动机、控制阀、汽油阀、以及第二燃料阀相关以控制发动机、控制阀、汽油阀、以及第二燃料阀的性能。与ECU相关联的模式选择开关可以允许操作者或驾驶员选择使发动机在汽油模式运行或在第二燃料模式下运行。
一种情况，第二燃料包括液化石油气(LPG)，相应地第二燃料阀包括LPG阀。系统包括调节器和联接到LPG阀的汽化器，当发动机在第二燃料模式下运行时，用来调节并汽化LPG。
另一种情况，第二燃料包括压缩天然气(CNG)，相应地第二燃料箱包括CNG箱。
优选情况下，使用与发动机相连的排气管来排放废气。最好有催化式排气净化器用以将由废气排放到大气中的污染物降到最低。有利的是，利用与发动机控制单元(ECU)相连的氧气(O2)检测器来敏感并监测废气中的含氧量。
本发明的更详细的说明将结合相应的附图在下面的详细描述和附加权力要求中给出。
附图说明
图1为根据本发明原理的汽化双燃料系统及其方法的框图；
图2为转换(切换)汽油到液化石油气(LPG)的图表，图中给出了汽油和LPG以及氧气信号和滤波后的氧气信号的流动情况图；
图3为转换(切换)LPG到汽油的图表，图中给出了汽油和LPG以及氧气信号和滤波后的氧气信号的流动状况；
图4为根据本发明原理的拥有电子燃料喷射器(EFI)的双燃料系统及其方法框图；
图5为根据本发明原理的双燃料切换方法软件流程图；和
图6为根据本发明原理的另一种汽化双燃料系统及其方法框图。
优选实施例详细说明
图1中的汽化双燃料方法及其系统10有一模式选择开关12，用来选择车辆16的内燃机14的运行模式从汽油(第一燃料)模式切换到液化石油气(LPG)(第二燃料)模式。发动机控制单元(ECU)17与模式选择开关和发动机相连。氧气(O2)检测器18与ECU相连，用来检测、敏感、监测发动机排出的废气中的含氧量。汽油截止阀20连接到ECU上。汽油截止阀控制从汽油箱22流入汽化器24的汽油流量。汽化器有一浮子室26和控制汽化器内燃料-空气比的阀门27，如蝶型阀。空气过滤器28可以置于汽化器中或接近的位置。汽化器经由浮子室输送汽油到发动机。
图1中汽化双燃料方法及其系统还包括一连接到发动机控制单元(ECU)上的LPG截止阀30。LPG阀控制由LPG箱32流入汽化器和流量控制调节器34的燃料流量。组合式汽化器和流量控制调节器将液化石油气(LPG)汽化，并调节汽化LPG流入燃烧室36的流量，燃烧室的操作与发动机相关联。
燃料泵38(图1)将汽油从汽油箱汲取到汽化器，其可操作地与发动机相关联。优选的，催化式排气净化器40用来限制废气中污染物的排放，以便遵从环境保护法令的规定。进入催化式排气净化器的废气含氧量可以由氧气传感器检测并监测。
在车辆汽化双燃料系统中运行的优选方法包括以下步骤：由与车辆发动机运行相关联的燃料泵将汽油汲取到汽化室。接下来汽油由汽化器输入到发动机，从而保证发动机由汽油驱动并工作在汽油模式下。废气通过排气管42(图1)从发动机中排放或释放。令人满意的是，废气中的污染物的排放由催化式排气净化器限制并控制。
为了更好的控制催化式排气净化器的运行，废气中的含氧量由氧气(O2)检测器检测并监测。氧气信号(O2)是在O2检测器所测废气中的含氧量的基础上产生的。理想地，在预先选定的有限时间周期测定氧气信号的中间数或平均值，从而获得滤波后的O2信号。然后，滤波后的O2信号被发送送并传递到发动机控制单元(ECU)。发动机控制单元包含中央处理单元(CPU)，该单元包括计算机、计算机芯片、集成芯片、微处理器或电路板。
在汽化双燃料系统中，LPG阀的运行优选地由车辆发动机控制单元(CEU)控制。为了将车辆的运行模式由汽油模式切换到LPG模式，模式选择开关被触发或切换到LPG模式，同时关闭汽油阀门，以便阻止汽油流入汽化器。为了防止溢油、停车和发动机内燃料混合，理想地，等到汽化器浮子室内的汽油基本耗尽(substantially empty)，LPG阀门才被打开，从而接入并获得LPG。当LPG阀门被打开后，LPG被汽化并被注入发动机，因此，发动机能够由汽化LPG驱动，运行在LPG模式下。优选地，在LPG模式下，当过滤的O2信号减小到一个阈值时，LPG阀门被打开。
发动机控制单元(ECU)包括或与一计时器44相连(图1)，该定时器(有时被称为看门狗定时器)包含一定时电路。当经过一段预先确定(预定)时间周期后，如果过滤的O2信号没有降到阈值，该定时器与ECU相协调生成一定时信号。理想地，在LPG模式下，当过滤的O2信号降到阈值后，如果LPG阀门没有及早地打开，则LPG阀门将响应定时信号而被开启。定时器提供了辅助控制及额外的故障保护备份，从而保证了双燃料发动机及其系统性能的稳定。
当希望将发动机的运行模式由LPG模式改变为汽油模式时，则模式选择开关将被切换或触发为汽油模式。在汽油模式下，汽油阀门被打开，同时燃料泵进一步将汽油汲取至汽化器。为了防止发动机熄火以及燃料回流，最好等到汽油基本充满汽化器浮子室后再关闭LPG阀门切断LPG的流动、汽化和向发动机中输送LPG。LPG阀门一旦被关闭，汽油将由汽化器注入发动机，因此发动机能够由汽油驱动在汽油模式下运行。优选地，在汽油模式下，当过滤的O2信号增加到一阈值，LPG阀门将被关闭。当在预定(预选定)的有限的时间周期内，如果过滤的O2信号没能增加到一阈值，由定时电路构成的定时器也能与ECU相协调产生一定时信号。理想地，汽油模式下，当过滤波后的O2信号增加到一阈值时，如果LPG阀门没有及早地关闭，则LPG阀门将响应定时信号被关闭。如前面的论述，定时器提供了辅助控制及安全备份，从而保证了车辆及发动机的性能和平稳运行。
图2为由汽油转换(切换)到液化石油气(LPG)的时间函数(TLPG)图。顶端的图表50给出了由汽油切换到LPG时模式选择开关操作过程对时间的函数。下面较低些的图表52给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，汽油截止阀操作过程对时间的函数。在下方的图表54中给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，LPG截止阀操作过程对时间的函数。下方较低的的图表56给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，LPG流量对时间的函数。在下面较低的的图表58中给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，通过汽油管的汽油流对时间的函数。下方的图表60给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，未过滤O2信号对时间的函数。底部的图表62给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，过滤的O2信号对时间的函数。
图3为由LPG转换(切换)到汽油的时间函数(Tgas)图。上部的图表(图)70给出了作为时间函数的由LPG切换到汽油时模式选择开关操作过程。下面较低些的图表(图)72给出了由LPG模式转换(切换)到汽油模式时，汽油截止阀操作过程的时间函数。在下方的图表(图)74中给出了由LPG模式转换(切换)到汽油模式时，LPG截止阀操作过程的时间函数。下方较低的的图表(图)76给出了由LPG模式转换(切换)到汽油模式时的LPG流量。在下面较低的的图表(图)78中给出了由LPG模式转换(切换)到汽油模式时，汽化器浮子室中的汽油流量。下方的图表80给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，未过滤O2信号的时间函数。底部的图表82给出了由汽油模式转换(切换)到LPG模式时，过滤的O2信号的时间函数。
图4给出了含有电子燃料喷射器(EFI)的双燃料方法及其系统100，电子燃料喷射器(EFI)包括汽油电子喷射器(EFI)102和LPG电子燃料喷射器(EFI)104。汽油EFI包括其上有4个电子燃料喷射器108的汽油燃料主管106。LPG EFI包括一LPG气体燃料主管110和4个LPG电子燃料喷射器112。汽油燃料喷射器将汽油注入双燃料内燃机114。气体LPG燃料喷射器将气态LPG注入双燃料内燃机。
双燃料发动机与发动机控制单元(ECU)116相连，并受其控制。ECU与冷却液传感器，岐管绝对压力(MAP)传感器102，以及位于发动机附近其运行与发动机相关联的发动机速度传感器相连接。冷却液传感器敏感发动机冷却液的温度。MAP传感器敏感进气岐管中的压力。发动机速度传感器敏感发动机的转速(rpm)或速度。来自冷却液传感器、MAP传感器和发动机速度传感器的信号被传递并发送到ECU，以帮助ECU更好的控制发动机的性能。当发动机预热或处于暂态时，例如加速、制动、空调被开启(激活)时等，该方法尤其有效。
来自发动机的废气经由废气管112(图4)(有时被称为排气管或尾气管112)排出，并通过催化式排气转化器124将污染降为最低。净化后的废气可以由废气口126排放到大气中。氧气(O2)传感器128被置于排气管中催化式排气转化器的上游，用来监测并检测进入催化转化器的废气中的含氧量。O2传感器与ECU相连接。除了最初的预热，和前面所述的暂态阶段(转换)(此时MAP传感器，冷却液传感器以及发动机速度传感器能给出更可靠的发动机性能示数)，O2传感器通常能给出废气中含氧量的精确检测值。
ECU与一汽油燃料泵130相连(图4)，该燃料泵可以被置于汽油燃料箱132之中，或与其相邻。汽油燃料泵从汽油箱汲取并经由汽油输油管(软管)134输送汽油到汽油EFI的汽油压力调节器136。回油管(软管)138可在汽油压力调节器和汽油燃料泵之间伸长，用来回流由汽油压力调节器确定的汽油蒸汽和液体。喷射器控制管140连接并沟通汽油EFI和ECU。汽油泵管142将汽油燃料泵和ECU连接起来。汽油泵控制器或汽油截止阀144被接入到汽油泵管，用来控制汽油燃料泵的运行。
ECU可经由LPG截止管146连接到LPG截止阀148上。LPG截止阀控制来自LPG箱150的液化石油气(LPG)流量。当LPG阀被打开，LPG将流过LPG输入管(软管)152进入汽化器和调节器154。汽化器和调节器汽化并调节LPG流量。汽化LPG流通过汽化LPG管(软管)156进入LPG EFI。LPG EFI经由喷射控制管158连接到ECU。
在车辆中的利用电子燃料喷射器操作的双燃料系统的优选方法包括如下步骤：利用与车辆汽油箱运行相关联的汽油燃料泵汲取汽油到汽油电子燃料喷射器(EFI)。接下来汽油被从汽油EFI的汽油主管注入车辆发动机，因此双燃料发动机能够由汽油驱动在汽油模式下运行。
在含有EFI的双燃料系统中，来自发动机的废气通过催化转化器后由废气管排出。催化转化器限制了废气中的污染物的排放。废气中的含氧量由氧气(O2)检测器监测并检测。氧气信号(O2)是在O2检测器所测废气中的含氧量的基础上产生的。在预定的有限时间周期内，测定氧气信号的均值或平均值从而得到过滤的O2信号。过滤的O2信号被发送并传递到发动机控制单元(ECU)。发动机控制单元包含中央处理单元(CPU)，CPU由计算机、计算机芯片、集成芯片、微处理器或电路板构成。ECU控制LPG阀的运转。
在含有EFI的双燃料系统中，当希望将车辆的运行模式由汽油模式切换到LPG模式时，汽油阀被关闭，以阻止汽油流入汽油EFI。为了将汽油跟LPG的混合降到最低，同时帮助防止发动机故障，最好等到汽油EFI的汽油主管内的汽油基本耗尽后，再打开LPG阀门，以便获得并使用液化石油气(LPG)。当LPG阀被打开后，LPG被汽化器汽化，且气态LPG被汽化LPG电子喷射器注入双燃料发动机，因此发动机能够在由汽化LPG驱动LPG模式下运行。优选地，在LPG模式下，当过滤的O2信号减小到阈值时，LPG阀被打开。
计时器160(图4)(有时被称为看门狗定时器)可包括由定时电路，并连接到发动机控制单元(ECU)。当经过预定(预先选定)的有限时间周期后，如果过滤的O2信号没有降到阈值，该定时器与ECU相协调生成一定时信号。定时器提供了安全保护备份，从而帮助保证了车辆和发动机更好的性能。在LPG模式下，当过滤的O2信号降到阈值后，如果LPG阀门没有及早地打开，则LPG阀门将响应定时信号并被打开。
为了将包含EFI的双燃料发动机的运行模式由汽油模式切换到LPG模式，汽油阀被打开，因此汽油泵能够继续将汽油汲取到汽油EFI。为了避免汽油跟LPG的混合，同时最大化发动机的性能，最好等到汽油基本充满EFI的汽油主管后，再将LPG阀门关闭、停止LPG流动、汽化、及往发动机中输送LPG。当LPG阀被关闭后，汽油被从汽油EFI输入发动机，因此发动机能够由汽油驱动在汽油模式下运行。优选地，在汽油模式下，当过滤的O2信号增加到阈值时，LPG阀被关闭。此外，理想地，在汽油模式下，当过滤的O2信号增加到阈值而LPG阀却没能及早打开的情况下，在预定(选定)的有限时间周期，若过滤的O2信号没有增加到阈值时，LPG阀将在接收到定时器的定时信号后被关闭。
对于拥有电子燃料喷射器(EFI)的双燃料方法及其系统，当由汽油模式切换到LPG模式(或相反转换)时，汽油及LPG定时和流量，以及未过滤O2信号和过滤的O2信号的时间函数的图表(图)与图2图3中的图表(图)相类似。
图5给出了双燃料切换方法软件流程图。由氧气(O2)检测器测得的过滤的O2信号经滤波步骤200过滤，以得到过滤的O2信号。在过滤步骤中，响应于可编程时间常量，在预定(预先确定)的有限时间周期中，测得氧气信号的均值或平均值。O2过滤信号经过切换转换步骤202传送。如果发生到汽油或LPG的模式切换，则过滤的O2信号由步骤204保存，并被传输到模式选择转换步骤206。如果希望用汽油驱动发动机在汽油模式下运行，汽油截止阀在步骤208被开启(打开)，且备份定时器(看门狗定时器)在定时步骤210启动，定时时间为Tgas。Tgas定时信号被传送到设定延时标志步骤212。
如果希望用LPG驱动发动机在LPG模式下运行，汽油截止阀在汽油关闭步骤214(图5)被关闭(截止)，同时过滤的O2信号在定时步骤216被传送到定时器(看门狗定时器)。定时器以预选定的时间周期TLPG启动。TLPG信号被传送到设定延时标志步骤212，延时(定时)信号在此步骤设定。延时时间为TLPG或Tgas的延时(定时)信号被传送到退出步骤218。
如果在步骤202中(图5)没有切换到汽油或LPG的模式转换，过滤的O2信号将被传送到延时标志设置步骤220。随后，在新模式步骤222，确定双燃料发动机是否将在不同的模式下运行，也就是由汽油切换到LPG，或由LPG切换到汽油。如果发动机被切换到汽油模式，过滤的O2信号将被传送到定时超时步骤224。如果在定时超时步骤224时间超时，则LPG阀在LPG关闭步骤226被关闭。如果时间在定时超时步骤224没有超时，则阈值将在阈值计算步骤228被计算。阈值T2大于1且等于存储的过滤的O2信号与K2的乘积。K2可以是一个预先选定(预定)时间或常量。接下来，阈值信号被传送到O2过滤步骤230。如果O2过滤信号大于阈值信号的计算值T2，则在LPG关闭步骤226，LPG阀将被关闭。如果O2过滤信号小于阈值信号的计算值T2，则过滤的O2信号将被传递到退出步骤218。
如果在新模式选择步骤222(图5)，希望由LPG驱动发动机工作在LPG模式下，则过滤的O2信号将被传送到定时超时步骤232。在定时超时步骤232，确定来自定时器(看门狗定时器)的时间量和定时信号超时。如果定时超时，LPG阀将在LPG开启步骤234被打开。如果定时没有超时或在定时超时步骤232没有收到定时信号，则阈值T1将在阈值计算步骤236被计算。阈值T1小于1且等于存储的过滤的O2信号与K1的乘积。K1可以是一个预定(预先确定)时间或常量。计算的阈值信号T1被传送到O2过滤步骤238并与过滤的O2信号相比较。如果O2过滤波信号小于阈值信号的计算值T1，则在LPG开启步骤234LPG阀将被打开。如果过滤的O2信号小于阈值信号的计算值T1，则该信号将被传递到退出步骤218。
汽化双燃料方法及其系统300具有与图1中的汽化双燃料方法及其系统相同的部分、器件、和设备，以及将在下文中说明的附加部分和设备。模式选择开关302可与发动机控制单元(ECU)304相连。模式选择开关能够被触发或切换到汽油模式或液化石油气模式(LPG)，来操作双燃料发动机306的运行。ECU可与发动机和电池308相连。发动机被置于进气岐管310和废气管(排气管)312之间并与两者相通。燃料，例如汽油或LPG由进气岐管注入双燃料发动机。发动机排出的废气经由废气管(排气管)进入催化式排气净化器314。催化式排气净化器将废气中的污染物转化为无害的并能被环境接受的气体，以便遵循环境法规，净化废气。净化后的废气可以直接排入大气。为了监测并检测进入催化式排气净化器的废气含氧量，氧气(O2)检测器316被置于发动机和催化式排气净化器间的废气管中。O2检测器与ECU相连并向其传送O2信号。除了发动机启动或处于暂态时，例如加速、制动、空调被开启时等，O2传感器通常能可靠地测出废气中的含氧量。
发动机冷却液温度(ECT)传感器318被置于发动机内或与其相邻，用以监测并检测发动机冷却液的温度(如防冻)。ECT传感器可与ECU相连。发动机速度传感器320被置于发动机内或与其相邻，用以检测发动机的速度(转速)。发动机速度传感器可与ECU相连。岐管绝对压力传感器(MAP)322可置于进气岐管内，用来监测并检测燃料经进气岐管注入发动机时的绝对压力。MAP传感器可与ECU相连。当发动机启动或处于暂态时，例如加速、制动、空调被开启时等，当O2信号可能不可靠时，MAP传感器与ECT传感器和发动机速度传感器一起有益于监控发动机和车辆的性能。MAP传感器、ECT传感器和/或发动机速度传感器同样可以应用于图1中的汽化双燃料方法及其系统。
图6中的汽化双燃料方法及其系统同样拥有汽油箱324和汽油燃料泵326。汽油燃料泵被安装在发动机上或置于其附近。汽油燃料泵由汽油箱中汲取并输送汽油到汽油截止阀328。汽油截止阀与发动机控制单元(ECU)相连并与其通讯。当汽油截止阀被打开时，汽油将流动(例如在1bar压力下或大气压下)并经输油管(软管)330进入汽化器334浮子室332。当汽油截止阀被关闭时，汽油将被阻止流通或进入汽化器。汽化器有一手动阀(如蝶型阀)用来调节空气-燃料混合比(例如在夏天或冬天驾驶时)。流过汽化器的汽油通过输入岐管并被注入双燃料发动机。空气过滤器338被安装在汽化器上或与其相邻。被吸入发动机的外界空气经由空气过滤器从而过滤并移除不需要的微粒。过滤后的空气流过并通过空气软管(空气管)340进入单向阀342。单向阀允许空气流经软管344进入空气阀(控制阀)346。单向空气阀在截止LPG流的同时也能阻止回流空气经单向阀通过软管340进入空气过滤器。空气阀(控制阀)最好由脉宽调制阀(PWM)构成，当发动机运行在汽油(汽化器)模式下时，它能控制空气流量，而当发动机运行在LPG模式下时，它能控制汽化的LPG流量。空气阀(PWM)可与ECU相连并与其通讯。当空气阀被打开时，流过空气阀的空气经过软管(管)348进入输入岐管，并在汽油被注入发动机之前与汽油在岐管中按设定的空气-燃料混合比混合。
图6中的汽化双燃料方法及其系统也有气体燃料箱350，例如存储其它LPG的丙烷或LPG箱。LPG箱有一LPG箱截止阀352。当LPG箱截止阀被打开时，LPG气体在10-25bar的压力下，经由LPG管354进入汽化器和调节器356。LPG截止阀358与汽化器和调节器相连。LPG阀也能与发动机控制单元(ECU)相连。当LPG阀被打开时，汽化器和调节器将汽化LPG，并允许汽化LPG流经汽化LPG管(软管)360和软管344进入空气阀(PWM阀)346。当LPG被关闭时，调节器将阻止LPG气流过汽化LPG气管。在LPG模式下，脉宽调制阀(PWM)346允许汽化LPG经软管348流入输入岐管，并被注入双燃料发动机。
除了使用LPG外，图6中的气体燃料箱还可以存储包括甲烷或其他轻碳氢化合物的压缩天然气。
ECU能监测输入信号，并根据输入信号控制截止阀和PWM阀。有利的是，空气阀(PWM阀)在汽油模式下控制空气-燃料混合，在LPG模式下控制LPG流量。
当双燃料发动机处于气油模式时，PWM阀控制空气流过单向阀将汽化器产生的的混合物冲淡。优选地，汽化器运转(操作)在高浓度(rich)下。在汽油模式下，汽油截止阀被打开，同样LPG截止阀被关闭。
如上所述，在LPG模式下，LPG截止阀被打开，同时汽油截止阀被关闭。软管344中的压力高于大气压，因此单向阀被关闭并阻止LPG流入空气过滤器。在LPG模式下，PWM阀调节进入双燃料发动机的汽化LPG流量。
对于图6中的双燃料方法及其系统所图示的，当由汽油模式切换到LPG模式以及相反切换时，汽油及LPG流量，以及未过滤O2信号和过滤O2信号的时间函数的图表(图)与图2图3中的图表(图)相类似。
为了提高发动机的性能，内燃机的汽化空气-燃料混合比被监测并被控制。监测空气-燃料混合比有利于节约燃料，提高发动机性能，也能更好地遵从车辆排放法令。通常，只有达到或接近化学计算燃烧条件时，氧气检测器才能维持其精确性。ECU能够确定比例积分微分增益整定参数，从而获得目标空气-燃料混合比。ECU内可以有微处理器，它使用计算机存储器和随机存储器处理并存储车辆运行期间的变量。当发动机在化学计算的燃烧条件下运转时，ECU通常能够接收到来自O2检测器的O2信号。优选地，ECU遵循目标空气-燃料混合比来控制供给发动机的燃料，从而使燃料经济性最大，并将污染物的排放降到最低。
汽化发动机由被火花塞的火花引燃的汽油的空气-燃料混合物驱动。空气-燃料混合比可以通过计算获得，并由前述包含氧气(O2)检测器的闭环系统控制。O2检测器由氧化锆材料制成。氧化锆O2检测器根据O2检测器所检测氧气的浓度给出在0到1伏间变动的输出信号。如前面所述的，当发动机处于启动或暂态时，例如加速、制动、空调被开启时等，O2检测器因受温度的影响而常变得不可靠。根据废气中的氧浓度，O2传感器也利用闭环控制调节空气-燃料混合比。通过与化学计算得到的空气-燃料混合比相比较以确定空气-燃料混合比浓还是稀。当发动机的温度稳定，其平均转速正常时稀薄的汽化混合物能够符合要求。当发动机启动，加速和发动机负载大时，较浓的汽化混合物是最佳的。
在平均负载下当发动机的温度稳定时，电子汽化控制器由ECU调节，并根据闭环原理控制。在例如加速、刹车、高发动机负载等暂态状态下，汽化发动机被切换到开环操作。一旦发动机稳定，并在正常模式下运行，O2检测器将过滤的O2信号传送给ECU，并由其调节空气-燃料混合比。
催化式排气转换器含有三层催化剂，能同时将碳氢化合物、一氧化碳(CO)，氮化合物(NOx)，例如一氧化氮，一氧化二氮，转化为无害的环境可以接受的气体排放物。为了保证催化剂的效果令人满意，发动机需要有严密控制的空气-燃料混合比。空气-燃料混合比可以通过检测废气中的含氧量来控制并监测，废气中的含氧量由位于尾气管(排气管)或废气岐管中的O2检测器检测。如果空气-燃料混合比太浓，则一氧化碳(CO)的氧化将不完全。如果空气-燃料混合比太稀，则无法完全消除氮的化合物(NOX)。因此如上文所述，利用O2传感器精确并持续地监测废气中的含氧量是非常重要的。
当发动机处于闭环模式下运行时，O2传感器所测含氧量被ECU接受。ECU将根据发动机运行条件控制空气-燃料混合，并修正现有的混合条件，如果太浓或太稀。在正常的稳定行驶条件下，发动机被设置为闭环模式运行，如速度控制(cruise control)。
当发动机处于开环模式下运行时，空气-燃料混合维持程序设定比率，并对MAP传感器、ECT传感器和发动机速度传感器的输出信号做出响应。在开环模式下运行，ECU不接收氧气监测器的数据。开环运行模式发生在下述情况：发动机启动，加速，刹车，高发动机负载，空调开启，冷却液温度过低，废气温度过低，发动机空转，发动机节流阀全开运行(WOT)，电池电压低等等。
本发明中的双燃料方法及其系统的众多优点为：
1.极佳的燃料经济性
2.极好的发动机性能
3.消除了用于LPG运行的昂贵控制元件
4.避免了重复的部件和设备
5.比传统的双燃料系统更紧凑
6.非常平稳的由汽油模式向LPG模式切换，反之亦然
7.操作简便
8.用户界面友好
9.可靠
10.使用简单
11.便利
12.有吸引力
13.经济
14.发动机部件少
15.燃料燃烧充分
16.安全
17.高效
18.有效
尽管已经图示并介绍本发明的具体实施例，可以理解，在不背离本发明新颖的精神和范围的条件下，本领域的技术人员可以进行多方面的改进、替换、重新布置部件、器件、设备和方法(过程)步骤。
Claims (15)
1.一种操作双燃料系统的方法，包括如下步骤：
汲取第一燃料到燃料给料装置；
将第一燃料从所述燃料给料装置输送到发动机；
使用第一燃料驱动所述发动机在第一燃料模式下运行；
通过下面步骤改变发动机运行模式，使其由第二燃料驱动：
切断第一燃料流进所述燃料给料装置；
等待直到所述燃料给料装置中的第一燃料基本耗尽；
阻止第一燃料从所述燃料给料装置流入所述发动机；此后
打开用于输送第二燃料的阀门；
输送第二燃料到所述发动机；并
使用第二燃料驱动所述发动机在第二燃料模式下运行。
2.根据权利要求1所述的操作双燃料系统的方法，包括将所述发动机运行模式从第二燃料模式转换到第一燃料模式，采用以下步骤：
继续汲取第一燃料到所述燃料给料装置；
等待直到第一燃料基本注满所述燃料给料装置；此后
关闭所述阀门以切断到所述发动机的第二燃料的流入和供给；
将第一燃料从所述燃料给料装置供给所述发动机；和
使用第一燃料驱动发动机。
3.根据权利要求1所述的操作双燃料系统的方法，其中：
所述燃料给料装置包括由含有浮子室的汽化器；和
由操作与所述发动机相关联的燃料泵汲取第一燃料。
4.根据权利要求1所述的操作双燃料系统的方法，其中：
所述燃料给料装置包括一个或多个带有主管和燃料管的电子燃料喷射器；和
由操作与第一燃料箱相关联的燃料泵汲取第一燃料。
5.根据权利要求1所述的操作双燃料系统的方法，包括：
从所述发动机中排出废气；
监测所述废气中的含氧量；
根据经过有限的时间周期的监测到的所述废气中含氧量来产生过滤的信号，所述过滤的信号的产生与发动机控制单元(ECU)相关；和
根据所述信号为由所述发动机控制单元控制所述阀门的操作。
6.根据权利要求5所述的操作双燃料系统的方法，包括：当切换到第二燃料模式、所述信号降低时，打开所述阀门。
7.根据权利要求5所述的操作双燃料系统的方法，包括：当切换到第一燃料模式、所述信号增大时，关闭所述阀门。
8.根据权利要求5所述的操作双燃料系统的方法，包括：
定时所述信号；和
在第二燃料模式下，如果所述信号在预定的时间周期基本没有改变，则打开所述阀门。
9.根据权利要求5所述的操作双燃料系统的方法，包括：
定时所述信号；和
在第一燃料模式下、如果所述信号在预定的时间周期基本没有改变，则关闭所述阀门。
10.根据权利要求1所述的操作双燃料系统的方法，其中：
所述第一燃料和所述第二燃料选自由液体燃料、汽油、石油、气体燃料、液化石油气(LPG)和压缩天然气(CNG)构成的集合；和
所述第一燃料不同于所述第二燃料。
11.一种双燃料系统，包括：
双燃料发动机由两种不同燃料驱动，所述燃料包括由汽油构成的第一燃料和第二燃料，且所述发动机能在汽油模式和第二燃料模式下运行；
与所述发动机相连的输入岐管，用来将燃料输送到所述发动机；
内有浮子室以及与所述输入岐管相连的阀门的汽化器，当所述发动机运行于所述汽油模式时，该阀门用来向所述发动机输送汽油；
汽油箱，用来容纳并存储汽油；
燃料泵，操作与所述发动机相关，当所述发动机运行在所述汽油模式下时，用来将汽油从所述汽油箱汲取到所述汽化器；
汽油阀，控制流入所述汽化器的汽油流量；
控制阀，与所述空气过滤器及所述输入岐管相连，用来将从所述过滤器输出的过滤后的空气输入所述汽油流，并按一定的气-油混合比进入所述输入岐管，其中的气-油混合比由所述汽化器的所述阀门调节；
单向阀，用来允许过滤后的空气流动并通过所述空气过滤器进入所述空气阀，同时阻止第二燃料流进入所述空气过滤器；
第二燃料箱，容纳并存储第二燃料；
第二燃料阀，用来控制由所述第二燃料箱流入所述控制阀的第二燃料流；
所述控制阀，当所述发动机运行在第二燃料模式下时，允许第二燃料流动并流入所述输入岐管；
其运行与所述发动机、控制阀和第二燃料阀相关联的发动机控制单元(ECU)，用来控制所述发动机、控制阀和第二燃料阀的性能；和
与所述ECU相连的模式选择开关，用来选择发动机何时工作在所述汽油模式或第二燃料模式。
12.根据权利要求11所述的双燃料系统，其中：
所述第二燃料包括液化石油气(LPG)；
所述第二燃料阀包括LPG阀；和
与所述LPG阀相连的汽化器和调节器，当所述发动机运行在第二燃料模式时，用来调节并汽化LPG。
13.根据权利要求11所述的双燃料系统，其中：
第二燃料包括压缩天然气(CNG)；和
所述第二燃料箱包括CNG箱。
14.根据权利要求11所述的双燃料系统，包括：
与所述发动机相连通的废气管，用来排放废气；
催化式排气转换器，用来将由废气排入大气的污染物的排放降到最小；和
与所述ECU相连通的O2检测器，用于检测所述废气中的含氧量。
15.根据权利要求11所述的双燃料系统，其中：所述控制阀包括双空气阀和脉宽调制阀。
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