化学当量空气燃料比的传感器系统.pdf

本发明涉及化学当量空气燃料比的传感器系统。传感器系统(36)确定燃料混合物的化学当量空气燃料比(SAFR)。该系统包括第一电极(12)和第二电极(14)，其中第一电极环绕第二电极，使得燃料混合物能在第一电极与第二电极之间流动。电极被构造和配置成提供数据来确定燃料混合物的导电率和介电常数。温度传感器(18)被构造和配置成测量燃料混合物的温度。处理器(19)被构造和配置成基于所测得的燃料混合物的温度和介电常数，来确定燃料混合物的空气燃料比。

权利要求书
1.  一种用于确定燃料混合物的化学当量空气燃料比的传感器系统，该系统包括：
第一电极，
第二电极，所述第一电极环绕第二电极，使得燃料混合物能在第一电极与第二电极之间流动，这些电极被构造和配置成提供数据来确定燃料混合物的导电率和介电常数，
温度传感器，其被构造和配置成测量燃料混合物的温度，和
处理器，其被构造和配置成基于所测得的燃料混合物的温度和介电常数，来确定燃料混合物的空气燃料比。

2.  如权利要求1所述的系统，其中，第一电极限定出阴极，并且第二电极限定出阳极。

3.  如权利要求1所述的系统，与内燃发动机的发动机控制模块结合，其中空气燃料比从处理器前馈至发动机控制模块，以调节燃烧之前的空气燃料比。

4.  如权利要求1所述的系统，其中，燃料混合物包括汽油、甲醇和乙醇的共混物。

5.  一种确定燃料混合物的化学当量空气燃料比的方法，所述方法包括以下步骤：
测量燃料混合物的导电率，
确定燃料混合物的介电常数，
测量燃料混合物的温度，
基于燃料混合物的所确定的介电常数和温度，确定燃料混合物的空气燃料比。

6.  如权利要求5所述的方法，其中，测量导电率的步骤包括使用第一电极和第二电极，其中第一电极环绕第二电极，使得燃料混合物能在第一电极之间流动。

7.  如权利要求6所述的方法，其中，第一电极限定出阴极并且第二电极限定出阳极，所述方法包括确定燃料混合物的电容。

8.  如权利要求7所述的方法，其中，计算介电常数的步骤包括使用所确定的电容以及所测得的燃料混合物的导电率。

9.  如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：
将所确定的燃料混合物的空气燃料比前馈至内燃发动机的发动机控制模块，以及
调节燃烧之前的空气燃料比。

10.  如权利要求5所述的方法，其中，燃料混合物包括汽油、甲醇和乙醇的共混物。

说明书化学当量空气燃料比的传感器系统
技术领域
本发明的实施例涉及化学当量空气燃料比(SAFR)的传感器系统，其用于测量给定燃料混合物的介电常数、导电率和温度，并输出SAFR。
背景技术
使用醇类作为替代燃料变得越来越普遍。使用醇类作为燃料的最大挑战之一是汽油的化学当量空气燃料比(SAFR)与醇类的化学当量空气燃料比(SAFR)的差别。不同的SAFR意味着，根据醇类在燃料中的浓度，燃料泵和燃料喷射器必须供给不同体积的燃料。该挑战还因不同类型的醇类具有不同的SAFR这一事实而被进一步加剧。
常规的弹性燃料传感器能够确定乙醇在给定燃料中的浓度，或者甲醇在给定燃料中的浓度。该技术的缺点是它不能测量两者。每个传感器必须对于乙醇或甲醇进行校准，并且在另一者存在于燃料中的情况下将是不精确的。在测量灵活性上的这种限制将会在提供两种替代燃料的市场中引起问题。
一种替代的常规解决方案采用宽范围氧气传感器，也称为拉姆达(Lambda)传感器。该方法在排气管线中采用氧气传感器来测量燃烧之后剩余的氧气量。然后相应地调节燃料空气比。这是一种反馈方法，只能在燃烧已经发生之后进行调节。燃料补给事件能引起醇类含量的大漂移，拉姆达传感器可能花费数分钟来检测到此情况。该延迟在系统“学习”新燃料的性能的同时，导致交通工具的过量排放和性能损失。
常规的近红外传感器能以良好的精度消除汽油、甲醇和乙醇共混物的聚集(concentration)。然而，近红外传感器的成本高，并且这种传感器可能受到环境和耐用性限制。
因此，有必要提供一种传感器系统来测量给定燃料的介电常数、导电率和温度并输出SAFR，以便前馈至发动机控制模块。
发明内容
本发明的一个目的是满足以上提及的需求。依据实施例的原理，该目的通过确定燃料混合物的化学当量空气燃料比(SAFR)的传感器系统得以实现。该系统包括第一电极和第二电极，其中第一电极环绕第二电极，使得燃料混合物能在第一电极与第二电极之间流动。电极被构造和配置成提供数据来确定燃料混合物的导电率和介电常数。温度传感器被构造和配置成测量燃料混合物的温度。处理器被构造和配置成基于所测得的燃料混合物的温度和介电常数，来确定燃料混合物的空气燃料比。
依据实施例的另一方面，提供了一种方法来确定燃料混合物的化学当量空气燃料比(SAFR)。该方法测量燃料混合物的导电率，确定燃料混合物的介电常数，并测量燃料混合物的温度。基于所确定的燃料混合物的介电常数和温度，确定燃料混合物的SAFR，其能被前馈至发动机控制模块。
通过参考附图来考虑以下详细描述和所附权利要求书(它们全都形成本说明书的一部分)，本发明的其它目的、特征和特性，以及操作方法和结构的相关元件的功能、零部件的组合和制造的经济性将变得更加清楚明了。
附图说明
从以下对本发明的优选实施例的详细描述，结合附图来理解，将更好地了解本发明，附图中相似附图标记指示相似零部件，其中：
图1是坐标图，示出了燃料的介电常数与SAFR的相关性。
图2是表格，示出了多种燃料混合物的介电常数和SAFR。
图3是依据一实施例的测量单元及其等效电路的示意图。
图4是通过图3的测量单元和处理器获得的测量原理的流程图。
图5是坐标图，示出了第一测试样本的空气燃料比vs介电值。
图6是坐标图，示出了第二测试样本的空气燃料比vs介电值。
具体实施方式
依据以下论述的实施例，已经确定的是，给定燃料的化学当量(或化学计量，Stoichiometric)的空气燃料比(SAFR)可相关于其介电性能，独立于所使用的醇类的类型。介电性能与SAFR的相关性在图1中示出。如所示，随着醇类在燃料中的浓度沿着X轴增加，介电常数(或电容率，permittivity)增加，并且SAFR降低。图2的表格示出了多种燃料混合物的SAFR和介电常数。
参考图3，依据一实施例提供的总体上以10示出的测量单元(cell)获得图1和2的数据。测量单元10具有：第一传感器电极12，其是阴极；以及第二传感器电极14，其是阳极。这些电极限定出电容器。测量单元10的等效电路也在图3中示出，其中电容器C与电阻R并联。第一电极12环绕第二电极14。燃料混合物16在电极12和14之间流动，使得电极能提供数据来确定燃料混合物16的导电率和介电常数。电容器C在两种不同模式中有效地操作(例如使用两种不同的振荡器)，使得能进行介电常数和导电率测量。因为每种燃料的介电常数根据温度而变化，所以燃料的温度也必须是已知的，以准确地确定SAFR，如以下所说明的。因此，单元10包括温度传感器18，比如热敏电阻器。处理器19关联于测量单元10，并被构造和配置成进行所需的计算以及输出所需的结果。测量单元10和处理器19限定出本实施例的传感器系统36。可理解的是，处理器可为单元10的一部分。
测量单元10可为美国专利No.6,842,017B2中描述的类型，该美国专利的内容通过引用并入本说明书中。该常规传感器测量给定燃料的介电常数、导电率和温度，并输出乙醇或甲醇浓度。
图4是使用图3所示测量单元10的依据一实施例的测量原理的流程图。步骤20中，测量燃料混合物16的电容。步骤22中，测量燃料混合物16的导电率，并且在步骤24中，基于测得的电容和导电率，通过处理器19计算燃料16的介电常数。在步骤26中，通过温度传感器18测量燃料16的温度。基于介电常数的所测温度，在步骤28中通过处理器19插值计算(或内推，interpolate)燃料16的空气燃料比。在步骤30中和步骤32中进行误差检测，将燃料SAFR和温度从处理器19输出至发动机控制模块(ECM)34(图3)。
因此，代替输出燃料16的常规乙醇或甲醇浓度，测量单元10和处理器19确定给定燃料的介电常数、导电率和温度，并且处理器输出SAFR。处理器19中的软件被构造成测量汽油、甲醇和乙醇的共混物(blends)。以上指出的常规传感器仅限于汽油和甲醇或汽油和乙醇的共混物，因为添加醇类会对于常规软件引起误差。
测试证实了，在燃料的介电值与该燃料的空气燃料比之间存在相关性。此外，介电值能被高精度地映射至该燃料在内燃发动机中的化学当量燃烧所需的空气燃料比，而不管该燃料的实际成分如何。图5和6中关于两种不同测试样本的坐标图示出了在-40℃到125℃的温度范围内的介电常数与SAFR的关系。每组数据标记代表该温度范围内的一种燃料混合物，其中SAFR沿着X轴示出，而介电常数沿着Y轴示出。
因此，通过测量流动穿过测量单元10的燃料的介电值，能确定SAFR，其有利于用于燃烧发动机的燃料喷射和冷起动策略。然后可将SAFR值“前馈”至发动机控制模块34，以调节燃烧之前的SAFR，以使排放最小化并使性能最大化。该前馈控制方案解决以上提及的常规拉姆达传感器或近红外传感器的缺点。该前馈途径将改善发动机燃烧效率、降低污染物排放并防止机械问题，比如发动机爆震和逆火等，其可能发生于常规氧气(拉姆达)传感器。
前述优选实施例已经被示出和描述来达到说明本发明的结构和功能原理以及说明采用这些优选实施例的方法的目的，并且可以做出变化而不背离这些原理。因此，本发明包括被包含在后附权利要求书的精神内的所有变型。