本发明涉及一种如权利要求1和15的前序部分所述的用于获得以 CNG气体充填的汽车燃料箱的气体混合物的组分的方法和装置。已知配 备快燃发动机的汽车可以通过所谓的CNG气体(天然气)驱动(CNG Compressed Natural Gas(压缩天然气))。作为天然气也已知CNG气 体混合物。通过相应的改装这种CNG汽车或者可以仅仅以天然气(单 质运行)运行或者以双燃料变量选择以汽油或天然气运行。天然气在约 200bar的高压下强烈压缩并且携带在汽车的一个或多个压力安全的燃 料箱里面。天然气的主要组成部分为85-98％的甲烷(CH4)。但是天 然气还包括高含量的碳氢化合物，如乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)和丁 烷(C4H10)。在此涉及湿天然气。其原因是，乙烷、丙烷和丁烷的组成 部分具有相对微小的蒸发压力并因此在压力下快速液化。蒸发压力在20 ℃时对于乙烷约为38bar，对于丙烷约为8.5bar，对于丁烷约为2.0bar。 天然气的主要成分甲烷在-157℃温度时具有1.47bar的蒸发压力。

如果使燃料箱以CNG气体混合物在高压下充填，则甲烷基本上以 气态形式供使用，而乙烷、丙烷和丁烷大多以液态出现。这些液体组成 部分聚集在燃料箱底部并且不被利用，只要燃料箱中的气体压力高于乙 烷、丙烷和丁烷的蒸发压力。而当燃料箱中的气体压力达到乙烷的蒸发 压力值，则首先蒸发液体的乙烷组分，其蒸发压力在20℃时约为38bar。 如果燃料箱中的气体压力再下降时，则在8.5bar时蒸发丙烷组分并最终 在2bar时蒸发丁烷组分。这种物理特性导致，在将气体混合物喷射到内 燃机里面时与吸入的空气相结合使气体混合物的化学组分连续变化。在 满燃料箱时喷射或燃烧纯甲烷空气混合物，其中燃料箱中的气体压力 (系统压力)连续下降。如果在约38bar时达到乙烷的蒸发压力，则乙 烷开始蒸发并且产生甲烷和乙烷的混合物。系统压力这样长时间地保持 恒定，直到燃料箱中的乙烷含量蒸发。接着系统压力再下降。在系统压 力为约8.5bar时达到丙烷的蒸发压力阈值，然后蒸发液体的丙烷含量。 从现在开始燃烧由甲烷、乙烷和丙烷组成的燃料混合物。

如果燃料箱还继续空的行驶，则在约2bar时也蒸发丁烷含量。但是 在实践中后者几乎不出现，因为通常内燃机气缸中的喷射压力超过2bar 行驶并因此使丁烷含量保持液化并且在燃料箱中连续地富集。

因为CNG气体的不同组成部分具有不同的内能，对于内燃机的运 行特性产生在气缸充满度、形成混合物、燃料吹入持续时间和燃烧方面 的显著影响。尤其是由此也可能影响废气排放。

本发明的目的是，在考虑燃料箱中的当前的CNG气体的气体组分 的情况下改进内燃机燃烧室中的气体喷射。这个目的通过独立权利要求 1和15的特征得以实现。

在按照本发明的用于获得气体组分的具有权利要求1和15特征的 方法或装置中得到的优点是，与燃料箱中存在的气体压力(系统压力) 无关地总是提供气体混合物供使用，它在当前的发动机要求中对应于给 定的理论值。由此不仅可以改进内燃机的功率曲线，而且尤其可以优化 废气排放。这尤其由此实现，借助于算法获得CNG气体混合物的至少 一个组成部分的当前的蒸发压力，尤其是用于乙烷、丙烷和/或丁烷。在 低于上述组成部分的蒸发压力时确定气体混合物的相应的当前的组分。

通过在从属权利要求中描述的措施给出在权利要求1中给出的方法 的有利扩展结构和改进方案。被视为特别有利的是，可以从事先存储的 表格或压力曲线中非常简单地取出CNG气体的组成部分的当前的蒸发 压力。因为在燃料箱中连续地测得温度和气体压力，在继续连续地取出 气体时由存储的水平延伸的曲线部分得出当前的例如乙烷的蒸发压力。

此外有利的是，直接在乙烷蒸发之前得到气体的甲烷量可以通过非 常简单的公式计算。

如果已知燃料箱中的气体温度、气体常数和气体密度，可以通过另 一公式计算蒸发压力。

一个重要的参数是燃料箱中的气体容积特征。此外通过非常简单的 公式能够执行用于容积的监控计算。因为在取出已知的甲烷燃料量时在 燃料箱中产生压力降。

为了验证测量和计算规定，将测得的蒸发压力(当前的值)与计算 的理论值进行比较。通过这种方式可以非常方便地确认故障。

本发明的一个重要优点是，根据当前的气体组分适配对于汽车内燃 机要喷射的气体量。由此尤其可以补偿气体组成部分的能量差。也视为 有利的是，要被喷射气体量在考虑其能量值的条件下适配于内燃机的有 效通流特性。这个适配例如可以通过调整点火角和/或选择通过改变喷射 持续时间和相关的喷射量匹配。尤其是这些适配例如在起动阶段、在热 机运转期间和/或在贫油运行中执行。

一个非常有利的解决方案还在于，在汽车停止时如果尤其是环境条 件、主要是燃料箱中的温度和/或气体压力变化，执行气体组分的新的计 算。在重新起动发动机时相应地考虑新获得的气体组分。

最后也有利的是，一个用于获得气体组分的装置具有程序控制的计 算单元。通过这个计算单元借助于一个算法并且在使用燃料箱中的测得 温度和气体压力的条件下非常简单且没有高计算费用地确定气体组分。 在此已经证实特别有利的是，使计算单元组合在汽车的发动机控制器里 面，它在汽车中已经存在。现有的发动机控制器仅需一个相应的软件程 序，通过它可以实现按照本发明的任务。

在附图中示出本发明的实施例并且在下面详细解释。附图中：

图1示出按照本发明的用于确定气体组分的装置的方框图，

图2示出具有压力曲线的第一曲线图，

图3示出第二曲线图，

图4示出用于按照本发明装置的程序流程。

图1的方框图示出按照本发明的实施例，其中内燃机1与喷射系统 3连接。该内燃机1由快燃发动机构成。在此快燃发动机可以单纯燃烧 CNG气体或者以双组分运行转换到喷射汽油或喷射气体。通过喷射系统 3实现气体喷射。喷射系统3通过液压管道7与燃料箱2连接，在其中 储存CNG气体混合物。燃料箱2是高压安全的，因此它能够承受直到 200bar的常见充填压力。由于高气体压力使CNG气体混合物部分地以 液态储存。CNG气体混合物作为主要组成部分含有85-98％的甲烷， 它由于其蒸发压力以气体形式出现。组成部分乙烷、丙烷和丁烷具有低 得多的蒸发压力，因此这些分量以液体形状储存在燃料箱2里面。

在燃料箱里面或上面还设置压力传感器4以及温度传感器5。这些 传感器4，5连续地测量燃料箱2内部的温度T以及气体压力(系统压 力)p。测量值通过相应的电导线传递到计算单元6。根据接收的数据计 算单元6借助于下面还要详细解释的相应算法计算燃料箱2或气体系统 内部的当前的气体组分。该计算单元6主要具有控制程序，通过该程序 计算不同的参数、例如CNG气体混合物组成部分的蒸发压力、燃料箱 容积、气体组分等。

在可选择的实施例中该计算单元6组合在发动机控制器里面，该控 制器本来就存在用于控制内燃机。

借助于图2的第一曲线图详细解释这个装置的工作原理。该曲线图 示出一个压力曲线，其中在Y轴上表示燃料箱中的气体压力p，如同由 压力传感器4测得的那样。在X轴上表示气体压力p的时间过程，它由 压力传感器4测得。在此燃料箱以CNG气体混合物充填，其中CNG气 体混合物除了甲烷以外也含有组成部分乙烷、丙烷和丁烷。假设，燃料 箱以200bar气体压力充填。在图2中所示的压力曲线示例性地示出组成 部分甲烷、乙烷和丙烷之间的比例。对于丁烷组成部分压力曲线类似地 延伸。

借助于现有的压力和温度传感器在燃料箱中连续测量气体温度和 气体压力。同时在计算单元中计算乙烷的蒸发压力。乙烷的蒸发压力的 计算也可以选择由在图2中所示的压力曲线确定，因为乙烷含量开始蒸 发的时刻在达到约38bar蒸发压力值时可以取出。这个部分对应于水平 延伸的曲线部分2。而在压力值200至38bar之间延伸的下降曲线部分1 给出，在这个压力范围只存在甲烷气体，因为气体混合物的其它组成部 分在38bar以下的范围中以液态出现。在达到38bar气体压力时乙烷开 始这样被蒸发，尽管继续取出气体但是燃料箱中的气体压力不继续下降 也不升高。这一点通过水平的曲线走向2可以看出。因为燃料箱中的压 力降通常相当缓慢地变化，因此当出现高于蒸发压力的特征时，可以更 简单且更准确地确定曲线部分2的这个点。另一方面在相反推断中可以 使由曲线变化求得的蒸发压力值与计算值进行比较，用于尤其检验测量 精度并由此揭示可能的故障。由此以有利的方式提高系统安全性。

蒸发压力按照公式

pd＝ρ*R*T

确定，其中ρ是气体密度，R是气体常数，T是气体温度。

如果现在出现情况，燃料箱这样多地空行驶，使得蒸发压力低于乙 烷的pd＝38bar，则计算单元或发动机控制器反应。燃料箱量对于这个时 刻由残余的气体甲烷量和在以前聚集的液体乙烷量组成。在这个蒸发压 力pd≈38bar时蒸发乙烷，因此发动机现在燃烧由甲烷、乙烷和空气组 成的混合物，其中其内能与纯甲烷燃烧时不同。加入到气缸里面的气体 量必需相应地适配于当前的混合物质量，用于满足燃料变化的化学组分 (X％甲烷，Y％乙烷)并且用于保持定义的空气-燃料比例。气体混合 物的组分和相关地要由发动机控制器调整的喷射量连续地变化。这个变 化这样长时间地实现，直到所有的乙烷含量蒸发。除了适配喷射量尤其 在起动内燃机时、在热运转期间且首先在贫油运行时实现其它的匹配。 尤其是可以调整点火角和/或使喷射持续时间对应于气体混合物的内能 或燃烧值匹配。此外发动机的有效通流特性对应于当前的气体混合物组 分修正。

只要乙烷蒸发，系统就处于平衡中和燃料箱压力保持恒定，如同由 图2的曲线部分2所看到的那样。只有当所有乙烷分量蒸发时，燃料箱 压力对应于曲线部分3继续下降。

下面还要详细解释气体混合物组分对于时间间隔的计算，在该时间 间隔中甲烷和乙烷以气体状态出现。

如同由图2还看到的那样，丙烷的气体含量蒸发与上面对于乙烷所 述类似地实现。如果燃料箱压力下降到约8.5bar，则使液体丙烷含量蒸 发，由此对应于曲线部分4使燃料箱中的压力保持恒定。只有当丙烷含 量完全蒸发并且还取出气体时，燃料箱中的气体压力对应于曲线5继续 下降。

当汽车停止时并且在停止时间期间环境条件、尤其是燃料箱中的温 度和压力比变化时，也可能产生特殊情况。由于温度变化例如使燃料箱 中的气体压力高于一种气体分量的蒸发压力。在温度下降时气体压力可 能变低或者与蒸发压力相等。对于这些特殊情况规定，重新计算蒸汽形 出现的乙烷或丙烷量。然后在重新起动发动机时以气体混合物新的蒸发 为基础。

在图3的另一曲线图中在Y轴上表示甲烷与乙烷之间的比例。在X 轴上表示取出的以kg表示的气体量。由甲烷/乙烷曲线的下降分支可以 看出，在高气体压力和低取出气体量时气体混合物中的甲烷含量直到22 倍大于乙烷含量。在取出只约0.5kg气体混合物时甲烷含量还约三倍于 乙烷含量。甲烷含量继续下降，因此在取出约3kg气体量时甲烷/乙烷比 例约为1:1。由于这个曲线变化表明，对于内燃机的喷射条件连续地适 配于燃料箱中的当前的气体组分。

下面以甲烷和乙烷为例详细解释燃料箱中当前的混合物组分的计 算。燃料箱中甲烷量对于直接在乙烷蒸发前的时刻、即开始水平的曲线 部分2(图2)时的计算通过下式实现：

mMethan＝pd*V/(RMethan*T)

假设，在一个工作循环中取出气体量Δm。要被取出的气体量Δm 作为已知的前提。例如由抽吸的空气量和相应的λ值确定Δm。首先从 燃料箱取出的气体还是纯甲烷。通过连续的取出气体最终使燃料箱压力 下降到乙烷的蒸发压力(约38bar)以下。由此正好蒸发这样多的乙烷， 直到再达到蒸发压力。

为了计算首先蒸发的乙烷量按照下式：

mEthan＝Δm*RMethan*REthan

继续取出的气体组不仅含有甲烷而且含有乙烷。因此引入混合气体 常数，它对应于气体混合物的组分。混合气体常数RMix对于每个工作循 环按照下式重新计算：

RMix＝(mMethan*RMethan+mEthan*REthan)/(mMethan+mEthan)

各继续蒸发的乙烷量按照下式计算：

mEthan＝Δm*RMix*REthan

按照下式计算乙烷的当前的部分压力p：

PEthan＝mEthan*REthan*T/V

其中V是当前的燃料箱容积。

相应地按照下式计算甲烷的当前的部分压力p：

PMethan＝pd-PEthan

此外按照下式计算当前的存在的乙烷量：

mEthan＝(pEthan*V)/(REthan*T)

作为继续取出的气体组Δm由甲烷和乙烷组成。在此源自理想的气 体混合，因此气体组Δm可以如下计算：

Δm＝ΔmMethan+ΔmEthan

ΔmMethan＝Δm*S/(1+S)

ΔmEthan＝Δm*(1-S/(1+S))

因此按照下式通过替换上述的参数值得到当前的气体组分S：

$s_{\mathrm{aktuell}}=\frac{m_{\mathrm{Methan},\mathrm{aktuell}}}{m_{\mathrm{Ethan},\mathrm{aktuell}}}=\frac{m_{\mathrm{Methan},\mathrm{alt}}-\frac{s_{\mathrm{alt}}}{1+s_{\mathrm{alt}}}·{\mathrm{\Delta m}}_{\mathrm{aktuell}}}{m_{\mathrm{Ethan},\mathrm{alt}}-(1-\frac{s_{\mathrm{alt}}}{1+s_{\mathrm{alt}}})·{\mathrm{\Delta m}}_{\mathrm{aktuell}}+\frac{R_{\mathrm{Mix},\mathrm{aktuell}}}{R_{\mathrm{Ethan},\mathrm{aktuell}}}·{\mathrm{\Delta m}}_{\mathrm{aktuell}}}$

混合组分的计算迭代地运行并且对于每个工作循环每次重新计算， 在工作循环中取出气体混合物并且蒸发一定的乙烷含量。

通过蒸发液体乙烷使燃料箱容积略微增加，而且正好以乙烷以液体 形式占据的含量。系数ρ是液体乙烷密度(0.54kg/l)。由此得到容积变 化ΔV

ΔV＝ΔmEhtan×ρEthan

仍然对每个工作循环计算当前的燃料箱容积V。由此得出：

V＝Valt+ΔV

下面解释一个可选择的计算方法。可选择的计算方法在物理上于上 述计算方法等值。但是具有优点，通过这种计算方法可以在结构上更简 单地表示计算单元。在这个可选择的计算方法中独立地管理甲烷和乙烷 的当前的蒸汽形含量mMethan和mEhtan。

各个含量的比例X形成总蒸发量：

XMethan＝mMethan/(mMethan+mEthan)

XMethan＝1-XEtha

每个工作循环吹入的气体量Δm如下组成：

ΔmMethan＝XMethan*Δm

ΔmEthan＝XEthan*Δm

然后由各最后求得的值mMethan和mEthan减去各含量ΔmMethan和Δ mEthan。由此对于甲烷和乙烷得到下面的当前的量：

mMethan，aktuell＝mMethan，alt-ΔmMethan

mEthan，aktuell＝mEthan，alt-ΔmEthan+ΔmEthan，verdampft

与上述类似地求得每工作循环蒸发的乙烷量。

如果燃料箱中的气体压力下降到丙烷的蒸发压力以下，因此使丙烷 蒸发并且产生甲烷、乙烷和丙烷的燃料混合物，如同上面对于图2所解 释的那样(曲线部分4和5)。对于这种情况可以类似地应用上面的公式。 仅仅存在差别，必需首先计算对于甲烷与乙烷的恒定质量比的固定 RMix。对于其余的计算代替甲烷值使用甲烷/乙烷混合气体值并且代替乙 烷值使用丙烷值。

特别要考虑特殊情况，当汽车停止并且其它条件、尤其是环境温度 和相关地燃料箱中的比例变化时产生这些情况。要区分下来情况。

情况1：

温度这样多地升高，使已经蒸发的乙烷(或丙烷)再液化。气体压 力p大于蒸发压力pd。

在这种情况下纯甲烷以气体形状态出现。乙烷含量是零。如上所述 那样实现计算。

情况2：

温度这样多地下降，使乙烷含量完全蒸发。在这种情况下气体压力 p小于蒸发压力pd。乙烷含量这种情况下按照下式确定：

$m_{\mathrm{Ethan}}=(\frac{p·V}{T}-m_{\mathrm{Ethan}}·R_{\mathrm{Methan}})/R_{\mathrm{Ethan}}$

情况3：

温度这样多地升高或下降，使得正好存在蒸发压力(p-pd)。这一 点仅仅使情况2的特殊情况并且正好与情况2一样处理。

下面解释燃料箱容积的确定。

在上述的公式中燃料箱容积是一个重要的参数。根据气体组分上的 液体含量多高，可以改变数值。如下求得容积。在甲烷只以气体出现的 状态，燃烧确定的量ΔmMethan。量ΔmMethan由计算单元已知并且例如可 以由抽吸的空气量和λ值计算。取出燃料量在燃料箱中导致压力降Δp ＝p1-p2。由此可以计算燃料箱容积。如果在燃料取出运行中气体温度 变化，则这个变化同样按照下式考虑：

$V=\frac{{\mathrm{\Delta m}}_{\mathrm{Methan}}·R_{\mathrm{Methan}}}{\frac{P_1}{T_1}-\frac{P_2}{T_2}}$

图4的流程图示出一样燃料箱含量模式化的流程图。首先在位置10 和11借助于安装的传感器获得燃料箱中的气体压力或燃料箱中的温度。 在位置12和13出现气体压力或气体温度并且中间存储。接着在位置14 按照公式如上所述那样计算蒸发压力

pd＝ρ*R*T

在位置15检验，在燃料箱中的当前的气体压力是否低于气体元素 的蒸发压力。如果不是这种情况，则程序跳回到位置12并且重复循环。 在另一种情况下，如果燃料箱中的气体压力低于蒸发压力，则在位置16 计算气体混合物的组分。此外在位置17计算当前的燃料消耗并且在计 算气体混合物组分时考虑这个值。接着在位置18根据当前的气体混合 物组分实现相应地修正喷射。

这个修正例如可以通过停止点火、尤其是点火角、通过改变喷射持 续时间、通过吸管模块计算和/或类似的措施实现。在这个修正后程序再 跳回到位置12并且重复地重新开始循环。

附图标记清单

1       内燃机

2       燃料箱

3       喷射系统

4       压力传感器

5       温度传感器

6       计算单元/计算装置

7       液压管道

10...18 流程图的位置

m       气体量(质量)

p       气体压力

pd      蒸发压力

T       气体温度(燃料箱中的)

t       时间轴