专利名称：识别气体类型的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及识别气体类型的系统和方法。
背景技术：
当今许多汽车使用易燃气体燃料代替或补充液体燃料系统。这种液体燃料系统通常包含汽油以及柴油燃料。
当前有若干不同类型的用于机动车的气体燃料。例如，这种当前使用的气体燃料包含丙烷、甲烷或其混合物。
为了使燃料在气体燃料发动机内有效燃烧，有必要监视气体燃料流向发动机的质量流率或速度。为了获得这种信息，也被称为热线(hotwire)或热元件流传感器的质量流传感器被流体串连在气体燃料源和发动机之间，使得气体燃料流过流量计。流量计则产生与气体燃料质量流率成比例的电输出信号，并且这种输出信号作为输入信号被连接到基于微处理器的、控制汽车发动机燃烧的电子控制单元(ECU)。这种发动机燃烧控制对于燃料效率最大化和空气有害散发最小化是必要的。
然而这些目前已知的热线质量流传感器不可避免地会响应流过传感器的气体而产生非线性输出信号。因此，目前已知的气流传感器通常被设计成用于预定的气体类型，例如丙烷气流传感器或甲烷气流传感器，并且各个流传感器使用其自身独有的校准曲线以便根据质量流传感器的输出确定实际质量流率。此外，传统热线传感器使用桥式电路和内部电阻器补偿温度变化。然而这种内部温度电阻补偿因气体的不同而不同。因此，即使对于通过传感器的相同质量流率，通过目前已知的热线质量流传感器的质量流率也会因气体类型的不同而不同。
为了实现有效、无污染和安全操作的内燃发动机，在ECU可以控制发动机的适当发动机燃烧之前，ECU必须知道发动机中使用的气体燃料的类型。因此，针对单一气体燃料类型设计和校准多数气体燃料内燃发动机。然而，存在错误类型的气体燃料被提供给气体燃料发动机的情况，或期望得到使用2个或甚至更多不同类型的气体燃料，例如液体丙烷气和压缩天然气的发动机的情况。
还期望在其它类型的气体系统，例如燃料电池应用中识别气体类型。
今天，尚不存在用于确定向内燃发动机提供的气体燃料的类型的已知系统或方法。

发明内容
本发明提供了用于识别为内燃发动机或其它气体系统提供的气体的类型的方法和系统。
简言之，本发明的系统包括与气体接触的第一传感器。第一传感器提供指示第一气体状态的第一电输出信号。
类似地，第二传感器也与气体接触。第二传感器也提供指示第二气体状态的第二输出信号。第一和第二状态可以是相同的气体特征，例如气体的质量流率，但是使用具有不同校准的流传感器。
来自两个传感器的输出信号作为输入信号被连接到基于微处理器的处理装置。处理装置将传感器通常在2个或更多不同工作状态的输出与预排序查找表进行比较，其中根据查找表可以确定气体类型。可选地，处理装置通过根据来自传感器的输出信号的计算可以确定气体类型。
此外，从温度、质量流率(与气体速度直接成比例)、温度和压力构成的组中选择第一和第二气体状态。


参考下面结合附图进行的详细描述可以更好地理解本发明，其中在所有视图中用类似的附图标记表示类似的部分，其中图1是图解简化的传统热元件电流控制电路的示意图；图2是图解作为关于2个不同气体类型的流率函数的传感器输出的图表；
图3是图解本发明第一优选实施例的视图；图4是图解本发明第一优选实施例的操作的图表；图5是图解本发明第二优选实施例的视图；图6是图解本发明第三优选实施例的视图；图7是图解本发明第四优选实施例的视图；图8是图解本发明第五优选实施例的视图；图9是图解本发明第六优选实施例的视图；而图10是图解本发明第六优选实施例的操作的视图。
具体实施例方式
背景首先参照图1和2，图1示出了传统热元件或热线气流传感器的示意图，所述气流传感器产生与通过流量计的气体燃料的质量流率或速度成比例的输出信号V0。
具体参照图1，为了计算方便，通常在10欧姆电阻器20上测量气流传感器的输出电压V2。此外，质量流传感器使用桥式电路和增益/偏移校准级21输出输出电压V0，并且这个桥式电路包含内部温度补偿电阻器22。内部补偿电阻器22会根据关于气体类型的函数发生改变。例如，如果气流传感器被用来检测甲烷气体的流动，对于图1中的电路，温度补偿电阻器22接近17.5欧姆。相反地，被用来测量丙烷质量流率的质量流传感器的温度补偿电阻器22会接近32欧姆。
图2以图表形式针对具有相同温度补偿电阻器22但用于2个不同气体的质量流传感器图解了作为关于质量流率Q的函数的输出V0。具体地，图表24图解了来自传感器、作为关于甲烷质量流率Q的函数的输出V0，图表26图解了来自质量流传感器、作为关于气体丙烷质量流率Q的函数的输出。
如图2所示，在气体甲烷具有第一质量流率Q1时，质量流传感器提供输出信号V0。然而这个相同电压输出信号V0也在具有不同流率Q2时出现，其中气体为丙烷而不是甲烷。因此，当也识别气体的类型时，只能根据质量流率传感器的输出V0确定流量计的质量流率。
正如下面更加全面地详述的，第一检测方法使用2个独立的质量流率传感器，其中一个传感器具有针对预选气体，例如甲烷的内部温度补偿，而另一个传感器具有针对不同预选气体，例如丙烷的内部温度补偿。
多数传统的热线或热元件质量流传感器使用热元件向通过传感器的气流传热。通过改变。热元件的电流，与图1示出的电路类似的桥式电路将热元件和气体的温度之间的温度差保持在通常为200℃的预定常数值上。接着通过电阻器20(图1)传递可变电流，从而根据可变电流导出电压输出信号V0。
通过下面推导的King定律确定从热元件到通过质量流传感器的气流的热传送系数hh=Sh[C1+C2(u·Dv(TF))β]λ(TF)D]]>其中C1和C2常数Sh热线表面面积(π·D·L)u气体速度[m/s]D热线直径[m]v(TF)运动粘度[m2/s]λ(TF)导热系数[W/m·K]TF热线表面(薄膜)温度[K]L热线长度[m]β经验确定常数如King定律所示，气体速度、气体运动粘度、气体导热系数和热传送系数之间存在直接关系。此外，运动粘度v(TF)和导热系数λ(TF)根据关于气体温度以及气体类型的函数发生改变。
通过下面等式确定从热元件到质量流传感器中气体的热对流或功率传递P＝h·ΔT其中
P＝功率，h＝根据King定律的传递系数，而ΔT＝热元件和环境空气之间的温度差(通常为摄氏200℃)。
质量流传感器的电压输出V0(图1)与消耗到热元件中的电能成比例。于是电能与流过热线的电流成比例。
如果假定ΔT＝200℃TA＝20℃其中TA＝环境气体温度，并且P＝h·ΔT＝200h＝i2RH其中RH＝热元件的电阻，并且V2＝R20i＝10i其中R20＝电阻器20的电阻＝10欧姆i＝通过热元件的电流。
通过下面等式定义热元件的电阻RH＝R0(1+αTH)＝18.56(1+0.00387*220)＝34.37Ω其中R0＝环境温度下热元件的电阻。
因此，对于诸如图1图解的均衡热元件桥式控制电路，可以按如下方式导出来自热元件传感器的输出V2h=10200hRH=10200h34.37=24.123h]]>因此，质量流传感器的输出电压取决于流过热元件的电流，该电流也流过图1的电阻器20。于是，通过热元件的电流与通过热元件的速度成比例。此外，作为关于气体温度的函数的运动粘度之间的差值与作为关于气体温度的函数的导热系数之间的差值均根据关于气体类型的函数发生改变。
检测方法1参照上述背景信息和图3，现在更详细地描述第一气体类型检测方法。如图3所示，本发明的系统30具有顺序放置在增压气源32和出气口34之间的导流管道31，出气口34被流体连接到内燃发动机、燃料电池或其它气体系统。此外，如图3所示，所有流向发动机、燃料电池或其它气体消耗设备的气流均流过管道31。
第一检测方法使用第一热元件质量流传感器40，第一热元件质量流传感器40具有针对预选气体类型，例如丙烷的内部温度补偿。传感器40的热元件42被配置成与来自源32并到达出口34的气流接触，使得热元件42以上述方式向气流传热。此外，传感器40通过电气连接46向基于微处理器的处理单元44提供输出信号V0，输出信号V0指示第一气体状态，即使用针对第一预选气体类型校准的质量流传感器得到的气体质量流率。处理单元44使用传统电子电路，例如模数转换器输入传感器40的这个输出信号42。
参照图3，第一检测方法也使用第二热元件质量流传感器50，第二热元件质量流传感器50具有针对第二预选气体类型，例如甲烷的内部温度补偿。第二传感器50具有与气体接触的热元件52，热元件52通过线路45向处理装置44提供作为输入信号的输出信号V0′，输出信号V0′指示第二气体状态，即使用针对第二预选气体类型校准的质量流传感器得到的气体质量流率。然而由于传感器40和50针对来自源32和到达出口34的相同气流具有不同的内部温度校准和补偿，分别来自传感器40和50的电压输出V0和V0′会因其不同的内部调整或校准，以及不同的温度补偿而彼此不同。然而传感器40和50的热线42和52被放置在管道31的相同孔径内，使得可以基本上同时针对通过管道31的相同质量流率得到分别来自传感器40和50的电压输出读数V0和V0′。
对于针对丙烷校准的第一传感器40，可以用下面的方式将针对丙烷校准的传感器40的电压输出V0表示成King定律的简化形式V0＝Auβ+B其中u＝气体速度，而β变量根据经验被确定成.35。
类似地，来自第二传感器50的输出信号V0′也可以被表示成下面的简化方式V0′＝A′uβ+B′其中A＝f(G，O，λ，v，TH，TA)B＝f(G，O，λ，v，TH，TA)A′＝f(G′，O′，λ，v，TH，TA)B′＝f(G′，O′，λ，v，TH，TA)其中G、O、G′、O′是电路输出级的增益和偏移，即2个流传感器40和50的内部校准和温度补偿。
比值A/B和A′/B′是已知比值。因此，上述等式产生以下数学等式组V1＝Au1β+BV2＝Au2β+B和V1′＝A′u1β+B′V2′＝A′u2β+B′其中V1＝第一气体速度时传感器40的第一电压输出V2＝第二气体速度时传感器40的电压输出V1′＝第一气体速度时第二传感器50的电压输出V2′＝第二气体速度时第二传感器50的电压输出于是在处于通过管道31的第一气体速度时分别确定传感器40和50的电压V1和V2′。类似地，电压V2和V2′分别表示在处于通过管道31的第二和不同气体速度或质量流率时传感器40和50的输出电压。这4个输出电压V1、V2、V1′和V2′作为输入信号被连接到处理装置并且有效表示4个独立等式。同样地，基于微处理器的处理装置44可以求出剩余的4个未知变量B、B′、u1和u2。
具体地，通过内部映射、查找表和/或数学函数，确定下面的变量u1＝f(V)
u2＝f(V′)Δu＝u2-u1其中u1＝来自第一传感器40的气体流率，u2＝来自传感器50的气体流率，而Δu＝在指定时间质量流率u1和u2之间的差值。
此后，通过在不同时间和通过管道31的不同气体速度上从传感器40和50进行若干顺序测量，根据关于气体速度的函数计算出的数值Δu可以被表示成图4所示的图表。如图4所示，可以发现量值Δu，以及曲线图Δu的斜率根据关于不同气体类型的函数而发生改变。接着，基于微处理器的处理装置44使用存储器47(图3)中存储的查找表、映射或数学等式，确定作为关于Δu和Δu的斜率的函数的气体类型。
第二检测方法现在参照图5，在本发明的第二实施例中，第一热元件质量流传感器80具有放置在管道84内、与源32和出口34之间的气体接触的热元件82。类似地，第二热元件质量流传感器86具有放置在管道84内、与管道84的一部分内的气体接触的热元件88，所述管道84的一部分的孔径不同于管道84中放置第一传感器80的热元件82的部分的孔径。针对相同气体，例如甲烷校准传感器80和86，并且传感器80和86均向处理装置44提供电输出信号。象前面那样，来自传感器80的输出信号V0和来自第二传感器86的V0′与通过管道84的质量流率或气体速度成比例。
温度传感器90还向处理装置44提供代表流过管道84的环境气体温度的电输出信号。
由于针对相同气体类型校准2个气流传感器80和86，这2个传感器80和86的气体流率对电压输出的校准会保持相同。然而，对于相同质量流率，管道84的孔径之间的差值在2个流传感器80和86之间产生速度差。由于内部温度补偿，即电阻器20(图1)对于两个传感器80和86是相同的，King定律被简化如下h=Sh[2.4+1.6(u·Dv(TF))β]λ(TF)D]]>其中V2＝24.123√h并且V0＝A·V2+B。
于是简化成V0=24.123*A*C1+C2uβ+B]]>通过测量输出速度，得到下面的等式组V0=24.123*A*C1+C2u10.35+B]]>u1孔1中的速度V0=24.123*A*C1+C2u20.35+B]]>u2孔2中的速度其中V0是来自传感器80的输出，而V0′是来自传感器86的输出。
象在本发明的第一实施例中那样，通过使用来自气流传感器80和86、在通过管道84的不同流率上的多个测量，可以确定作为关于气体速度和Δu的斜率的函数的计算数值Δu，即u2-u1，并且其曲线图如图4示出的那样。通过使用映射、查找表或数学等式，以及温度传感器90的输出，处理装置44估测作为Δu的数值及其斜率的函数的气体类型。
第三检测方法现在参照图6，图6示出了本发明的另一个实施例，其中单个气流传感器100被装配到气流通过的管道102上。然而与本发明第一实施例不同，流传感器100使用2个热元件104和106，以及环境温度传感器108。此外与图1图解的类型类似，各个热元件104和106包含其自身的电路，除了热元件104和106均具有针对具体和不同类型气体的内部温度补偿和调整之外。例如，可以针对甲烷调整和校准驱动热元件104的电路，并且可以针对诸如丙烷的不同气体校准和调整驱动热元件106的电路。
于是，本发明如图6所示的第三实施例与本发明如图3所示的第一实施例基本上相同，不同之处在于本发明的第三实施例没有使用2个均针对不同气体校准的单独传感器40和50(图1)，而是使用具有2个离散热元件104和106的单独传感器100。然而，本发明第三实施例的确定气体类型的计算和方法与本发明第一实施例基本相同，为此参考引用了该计算和方法。
第四检测方法现在参照图7，图7示出了本发明的第四实施例，其中2个不同的热元件110和112均被配置在系统的气流中。各个热元件110和112均分别具有相连的桥接和功率驱动器114和116，使得分别来自驱动器114和116的输出V0和V0′与穿过热元件110和112的气体质量流率成比例。这些输出信号V0和V0′作为输入信号被连接到基于微处理器的处理装置44。另外，与系统中气体接触的温度探头提供与系统内环境气体的温度成比例的电输出信号。来自温度探头118的输出作为输入信号被连接到处理装置44。
在本发明的第一至第三实施例中，环境空气和热元件的温度之间的ΔT象在传统系统中那样保持在常数200℃。然而在本发明的第四实施例中，为了产生导出Δu和Δu的斜率所需的4个独立等式以识别气体类型，环境温度和第一热元件110的温度之间的ΔT保持在第一差值，例如200℃上。相反地，环境温度和第二热元件112的温度之间的ΔT保持在不同的量值，例如160℃上。接着通过得到多个测量，可以产生Δu和Δu的斜率，并且据此以前面描述的方式，即通过处理装置44可访问的计算机存储器中的查找表、映射或数学等式确定气体类型。
第五检测方法现在参照图8，图8示出了本发明的第五实施例，第五实施例被用于在没有流动气体状态期间检测气体类型。如图8所示，系统包含通过桥接和功率驱动器122驱动的热元件120。象在前面描述的方式中那样，桥接和功率驱动器122向处理装置44提供输出信号V0。
温度探头126还向处理装置44提供代表气体环境温度的电输出信号以作为输入信号。
然而与先前本发明的已知实施例不同，压力传感器128还与系统中的气体接触并且向处理装置44产生代表气体压力的电输出信号。
由于气体流率(u)被设置成零，King定律得到简化并且会与导热系数成比例。概括地说，King定律简化成下面的形式h=Sh2.4λ(TF)D]]>并且V2=24.123h=C1λ(TF)]]>于是，随着气体类型的改变，导热系数也发生改变。然而由于针对气体的热传递对热元件周围的气体密度的变化敏感，需要气体压力传感器128。随着气体的压力和密度的增加，从热元件120到气体的损失升高，使得输出电压会同样升高。
于是，通过使用查找表、映射或数学等式，处理装置44能够通过对King定律的上述简化形式进行求解来确定气体类型。
作为对本发明这个第五实施例的修改，热元件120和环境空气之间的温度差可以发生改变以获得多个数据点。接着在那些不同的点之间计算斜率，并且根据斜率确定气体类型。这种查找表可以基于实验或模拟数值。
第六检测方法现在参照图9，其中示出了本发明的第六实施例，第六实施例使用热元件流传感器150、温度传感器154和2个气体压力传感器152和156。所有的传感器150、152、154和156均配置在管道170中并且与气流接触，管道170被流体串连在气源172和出口174之间。所有这些传感器150-156均产生代表其测量气体状态的电输出信号以作为基于微处理器的处理装置44的输入信号。
仍然参照图9，质量流传感器150和压力传感器152均配置在管道170中的文丘里流量计158内，而气体压力传感器156被放置在文丘里流量计158的上游。
根据下面的等式确定热元件质量流传感器150以及压力传感器152的质量流率QGFS＝f(u，TG)Qpress＝f(P1，P2，d，TG)其中Q为质量流率，u为质量流速，为P1为压力传感器156上的压力，P2为压力传感器152上的压力，而TG是温度传感器154确定的气体温度。
参照图10，伯努利等式如下所示
P1+ρ·u122=P2+ρ·u222]]>通过下面的连续性等式定义文丘里流量计产生的速度关系u2=A1A2u1]]>其中A1和A2是孔径，并且伯努利等式为ρ·u122=P2+ρ·u222-P1→u12=2ρ(P2-P1)+u22]]>因此，u12=2ρ(P2-P1)+(A1A2)2·u12]]>并且u1=2ρ(P2-P1)1-(A1A2)2]]>通过下面等式可以估测系统中的质量流率Qpress＝A1·u1·ρ通过测量来自气流传感器的质量流率(QGFS)和使用压力传感器对气流的评估Qpress，可以评估2个检测方法之间的误差，并且通过查找表或其它动态方法可以导出补偿系数和气体类型。
通过前面的描述可以发现，本发明提供了使用两个或更多传感器检测气体系统中的气体类型的新颖系统和方法，其中两个或更多传感器均产生代表气体状态的输出信号。一旦已经识别气体类型，可以根据识别的气体类型校准或调整热元件质量流传感器。
前面已经描述了本发明，然而在不偏差所附权利要求书的范围所定义的本发明宗旨的前提下，本领域的技术人员可以想到本发明的各种修改。
权利要求
1.一种识别气体类型的系统，包括与气体接触的第一传感器，所述第一传感器提供指示第一气体状态的第一电输出信号，与气体接触的第二传感器，所述第二传感器提供指示第二气体状态的第二电输出信号，接收作为输入信号的所述第一和第二输出信号以确定气体类型的处理装置，其中从温度、质量流率、温度和压力构成的组中选择所述第一和第二气体状态中的每个。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括具有针对第一预定气体类型的预定温度补偿的非线性质量流传感器，所述第二传感器包括具有针对第二预定气体类型的预定温度补偿的非线性质量流传感器，所述第一和第二预定气体类型彼此不同。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括放置在具有第一横截面积的第一孔中的质量流传感器，所述第二传感器包括放置在具有第二横截面积的第二孔中的质量流传感器，所述第二横截面积不同于所述第一横截面积，所述第一和第二孔彼此流体串连。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第一和第二传感器均包括具有针对预定气体类型的预定温度补偿的非线性质量流传感器。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一和第二传感器具有针对相同气体类型的所述预定温度补偿，并且包括与气体接触的温度传感器，所述温度传感器产生与气体温度成比例的电输出信号，所述温度传感器的输出信号作为输入信号被连接到所述处理装置。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述第一和第二流传感器包括热元件质量流传感器，用于所述流传感器的所述热元件被装配在共同的外壳中。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括具有热元件的流传感器，所述第二传感器包括测量气体温度的温度传感器，在通过所述流传感器的固定质量流率上改变所述热元件和所述气体温度之间的温度差的装置。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括具有热元件的流传感器，所述第二传感器包括测量气体温度的温度传感器，具有热元件的第二流传感器，保持所述第一传感器的所述热元件与所述气体温度之间的第一温度差的装置，和保持所述第二流传感器的所述热元件与所述气体温度之间的第二温度差的装置，所述第一和第二温度差彼此不同。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括具有热元件的流传感器，并且所述第二传感器包括压力传感器。
10.如权利要求9所述的系统，包括产生代表气体温度的输出信号的温度传感器，和改变所述热元件和所述气体温度之间的温度差的装置。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器包括质量流传感器，所述第二传感器包括位于具有第一预定横截面积的孔内、与所述质量流传感器串连的压力传感器，和位于具有第二预定横截面积的孔内、与所述第一孔串连的第二压力传感器，所述第二压力传感器向所述处理装置提供代表气体压力的输出信号。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述处理装置包括具有可访问电子存储器的微处理器和所述电子设备存储器中存储的至少一个查找表。
13.用于确定气体体积中的气体类型的方法，包括的步骤有通过与气体接触的第一传感器测量气体体积中的第一气体状态，所述第一传感器提供代表所述第一状态的第一电输出信号，通过与气体接触的第二传感器测量气体体积中的第二气体状态，所述第二传感器提供代表所述第二状态的第二电输出信号，和通过将所述传感器输出与预定数值相比较，处理所述第一和第二传感器的所述输出以确定气体类型，其中所述第一和第二气体状态均从温度、质量流率、温度和压力构成的组中选出。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二状态均包括气体的质量流率。
15.如权利要求14所述的方法，还包括测量气体温度并且将气体温度用作所述处理步骤中的可变系数。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述状态中的一个包括气体压力。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述状态中的一个包括气体温度。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述处理步骤包括将来自所述传感器的所述输出与电子存储器中存储的预定表格相比较的步骤。
19.一种识别气体燃料汽车内燃发动机中的气体类型的系统，包括与气体接触的第一传感器，所述第一传感器提供指示第一气体状态的第一电输出信号，与气体接触的第二传感器，所述第二传感器提供指示第二气体状态的第二电输出信号，接收作为输入信号的所述第一和第二输出信号以确定气体类型的处理装置，其中从温度、质量流率、温度和压力构成的组中选择所述第一和第二气体状态中的每个。
全文摘要
公开了识别气体类型的方法和系统。系统包含与气体接触的第一传感器，第一传感器提供指示第一气体状态的第一电输出信号。类似地，第二传感器也与气体接触，并且产生指示第二气体状态的第二电输出信号。处理器接收来自第一和第二传感器的输出信号以作为输入信号，并且通过计算或根据处理器可访问的存储器中存储的查找表确定气体类型。从温度、质量流率、温度和压力构成的组中选择第一和第二气体状态。
文档编号G01N33/00GK1495424SQ0310171
公开日2004年5月12日 申请日期2003年1月17日 优先权日2002年1月18日
发明者乔治·塞凯里斯, 於保茂, 角广崇, 乔治 塞凯里斯 申请人:株式会社日立制作所