专利名称：机动车辆的气体燃料系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在机动车辆中使用的气体燃料存储和传输系统。
背景技术：
机动车辆的气体燃料存储和供应系统向机动车辆设计者提出独特的挑战，因为对比于处理液体燃料(如汽油和柴油)相关的适度压力相比，这样的燃料系统需要在相对高的压力下处理气体。此外，如氢气和天然气的某些压缩气体，提出了另外的挑战，因为相比之下这样的气体具有浮性，而通常由液体碳氢化合物燃料产生的蒸汽缺乏浮性。另外，和液体碳氢化合物燃料产生的蒸汽相比，氢气不仅具有浮性，而且无味并具有更小的分子尺寸。所有的这些特性都使得压缩燃料气体更加难以存储。
在相对高的压力下存储压缩气体的需要及机动车辆安全要求给和机动车辆相关的设计处理中带来一系列增加的复杂性，因为这样的气体燃料存储箱必须有比液体储油罐高得多的强度以适应高得多的压力。再者，必须监控这种压力下容器的使用寿命以确保能够保持足够的安全余量，同时允许车载存储箱加注到它们的最大安全和可用(操作限制)容量，以满足车辆行程的设计期望。
压缩气体存储箱监控系统通常使用阀门装置，这种装置经常偏向加注不足，结果，这样的存储箱系统的可用能量密度通常不能让人满意，这对车辆行程具有明显的负面效果。
本发明的系统和方法允许对压缩气体存储箱进行最大的可能加注，同时监控存储箱的使用寿命，以允许存储箱完整性被有效的保持。
发明内容
机动车辆的气体燃料系统包括气体燃料存储箱及用于监控包含在存储箱内的气体的压力和温度的传感器。压力传感器产生对应于存储箱压力的气体压力信号。电控单元(此后称为控制器)接收气体压力信号和其他传感器信号，并根据一个预先定义的、为最大程度使用燃料系统的可用范围而设计的内置运算法则，发起调节动作，并满足所有其他设计要求。在第一个例子中，控制器记录每个加注循环，其中气体压力信号指示存储箱内的压力已从第一个阈值之下增加到超过第二个阈值的值或读数。如果记录的加注循环次数超过预定循环数量，则控制器开始调节。调节可以包括限制存储箱可能加注达到的压力，或限制可以进入存储箱的压缩气体燃料的量。如果存储的气体的压力、存储的气体的温度，或燃料存储箱的温度超过预定阈值，则控制器可以发起其他调节动作，如终止向存储箱加燃料。因此，如在此所用，术语“调节”指限制气体燃料存储箱内的燃料的量或存储箱内的燃料的压力，或在加燃料期间、加燃料之后，或停止加燃料时存储箱内的燃料的压力，及相应地，如果一个或多个指定的操作参数超过预定阈值，则限制存储箱中的燃料的量。
根据本发明的另一个方面，控制器将存储箱内的燃料的量至少作为存储在该存储箱中的气体的温度和压力的函数来确定。此信息可以用在调节动作中，或可以直接或间接地由机动车辆内的另一个控制器使用，以驱动车辆的燃料表。
本发明的气体燃料系统还包括与燃料存储箱连接并由控制器操作的加注阀，及也与控制器连接的变速器档位传感器，这样控制器防止燃料系统进行加注，除非变速器档位传感器指示车辆的变速器处于“停车”档。本燃料系统也包括一些与控制器功能上连接的逃逸的燃料气体传感器，使得如果在加燃料期间逃逸的燃料气体发生泄漏时控制器将关闭加注阀。
本燃料系统也包括从存储箱延伸到原动机的燃料传输线线。燃料传输线包括与控制器连接的燃料压力传感器。控制器在未从存储箱抽出燃料时追踪传输线内的压力，且以此方式监控燃料传输线和相关阀的完整性。
燃料存储箱的加注阀可以有由控制器操作的可变注入口，以便控制燃料进入存储箱的速率。
内置于控制器中的通信线路帮助存储箱的加注达到其最大可用容量，以提供至少一个燃料加注参数的当前值给燃料加注器。此参数可以是，例如，燃料存储箱加注达到的最大压力，或放入燃料存储箱内的燃料的最大质量。
根据本发明的另一个方面，安装在具有本燃料系统的机动车辆中的原动机至少可以包括一个旋转机和相关的变速器。旋转机可以是往复式内燃机，或是通过使用燃料存储箱的气体燃料来操作的燃料电池来产生动力的电动机，或本领域的技术人员所熟知的和本发明所建议的其它类型的旋转机。
上述加注阀可以装备有检测加注器喷嘴的状况并发送加燃料信号到控制器的传感器，如果出现加燃料信号，则控制器防止车辆移动。
根据本发明的另一个方面，一种用于监控气体燃料存储系统和相关的原动机的操作条件的方法包括通过记录每次存储箱内的气体压力从第一个阈值增加到第二个阈值的实例来监控气体燃料存储箱的加注循环的数量的步骤，及通过在未从存储箱抽出燃料时追踪传输线内的压力来监控从存储箱延伸到原动机的燃料传输线的完整性的步骤。最后，本方法包括如果加注循环的数量超过预定数量，或者追踪的燃料传输线中的压力以超过预定最大允许速率的速率降低，则开始调节。
根据本发明的另一个方面，一种与多个传感器功能上连接的控制器，包括参数驱动的程序，该程序至少使用与气体燃料存储箱相关的压力传感器的输出作为输入数据，来监控燃料存储箱的操作条件。
本发明的系统和方法的一个优点是加以压缩气体燃料的车辆能够有效的以最大允许行程来操作，同时监控存储箱和相关的燃料传输线的完整性。
本发明的另一个优点是，本系统能够处理氢气和压缩天然气，当从一种燃料切换为另一种燃料时具有最少的硬件改动。
本发明的又一个优点是本发明的系统有助于用电控或自控加注站设备来加注压缩气体存储箱。
本发明的其他优点、特性及目标对本说明书的读者来说是显而易见的。
图1为根据本发明的一个方面的车辆底盘的透视图；图2为图1的车辆底盘的俯视图，展示本发明的其他方面；及图3为展示本发明的车辆燃料系统和动力系的各部分的方框图。
具体实施例方式
如图1所示，车辆10包括压缩燃料存储箱14，它可以保存天然气、氢气，或某些其他压缩燃料气体。通过燃料传输线30将燃料提供给原动机12。如上所述，原动机12可以包括燃料电池或内燃机，或本领域的技术人员所熟知的或本发明所建议的使用于原动机的其他类型的压缩气体燃料。
图2展示本发明的车辆和燃料系统的另外的细节。第一种类型的原动机包括发动机16，其通过散热器18和循环风扇19冷却，与牵引电动机22和变速器24连接。发动机16通过燃料传输线30从存储箱14接收燃料。通过位于燃料传输线30和燃料存储箱14之间以及燃料传输线30和发动机16之间的燃料阀20来控制经由燃料传输线30的燃料的流动。虽然图2中展示的是发动机16，本领域的技术人员鉴于本发明将意识到，可以用通过天然气、氢气或其他可燃气体工作的燃料电池来替代发动机16。这样的细节交给那些希望实践本发明的人。
使用于车辆10的一些传感器为了多种目的。燃料存储箱压力传感器32测量存储箱14内的燃料的压力。一些逃逸的燃料气体传感器46位于车辆10的后部、燃料存储箱14所处的隔间内，以及车辆10的发动机隔间和车厢内。燃料气体传感器46提供有关逃逸的气体事件的输入给控制器42，这将结合图3进行讨论。
车辆10也包括一些空气循环器50，它们位于邻近存储箱14和邻近牵引用蓄电池28的位置，且位于车厢中。空气循环器50用于疏散由传感器46检测到的逃逸的气体泄出。本领域的技术人员鉴于本发明将意识到，本发明的牵引用蓄电池28和存储箱14各自可以包括多种系统内配置。
图3展示车辆控制器42和一些车辆部件之间的关系，这些部件包括几个通用传感器26，它们是对应于图2所示的传感器和其他的传感器，包括但不仅限于测量燃料存储箱14的温度的传感器及其他系统温度和压力传感器。
控制器42通过它与存储箱压力传感器32之间的连接连续地监控燃料存储箱14内的压力。无论何时存储箱14内的气体压力从对应于存储箱14内用完时的压力水平的第一个阈值之下增加到对应于存储箱14的被加注值、如4000psi(磅/平方英寸)或其他预定值的第二个阈值，控制器42都记录它检测到的所发生的每个加注循环。因为每个加注循环都会使存储箱承受可能的有害应力，控制器42记录所有这样的加注循环，使得在达到预定数量的循环时，根据达到的最大压力或允许注入存储箱的最大燃料量来限制对存储箱的加注，直到重新认证或更换存储箱。
控制器42也防止在向燃料存储箱14加燃料期间出现意外的车辆移动和其他意外活动。因此，传感器26之一包括变速器档位传感器。如果档位传感器指示变速器24未处于“停车”位置，则控制器42将防止加注阀38打开。
当加注阀38指示正在对车辆10加燃料时，控制器42防止发动机16启动。为了实现此效果，加注阀38装备有从本领域的技术人员所熟知几种传感器中选取的传感器，以确定在电控的燃料加注器48或手动的燃料加注器中包括的加注器喷嘴(未展示)的出现。以此方式，如果车辆正在加燃料，则控制器42防止车辆移动。同样在加燃料期间，如果逃逸的燃料气体传感器46传感到气体出现，则控制器42也将关闭燃料加注阀38，从而防止加燃料。燃料阀20也将保持在关闭位置，以避免发动机16启动。
当车辆处于“停车”模式或原动机12没有在消耗燃料时的某些其他模式时，控制器42也监控燃料传输线30的状况，其通过关闭图2所示的燃料阀20，并通过燃料传输线压力传感器36所监控和追踪的燃料传输线30中的压力来进行。
燃料阀38可以装备有本领域的技术人员所熟知和本发明所建议的类型的可变注入口，可变注入口由控制器42操作，以便在加注循环期间以可行的最大加注能力来操作以允许更快的加注。
图3展示内置于控制器42中的、与燃料加注器48或手动燃料加注器形成通信的通信线路44。通信线路44可以使用本领域的技术人员所熟知和本发明所建议的类型的电气连接、无线电频、红外线、光纤、磁，或超声波通信系统。在任何情况下，通信线路44都通过向自控燃料加注器48建议至少一个燃料加注参数来允许加注器48或手动加注器对燃料存储箱14实现最大可能的加注，较佳地，这样的参数可以是存储箱14被加注达到的最大压力。这将允许本系统避免，在传统的压缩气体加注系统中不时遇到的、由于考虑到车载存储箱的完整性而有意将加注压力保持在很保守的水平的一种情形。因为控制器42通过监控加注循环的数量及加燃料过程的其他与安全相关的方面来监控存储箱和传输线系统的完整性，伴随着车辆行程增大可以实现较高的加注压力。
根据本发明的另一个方面，一种用于监控气体燃料存储系统和相关原动机的操作条件的参数驱动程序或方法包括使用控制器42和存储箱压力传感器32监控加注循环的数量的步骤，及在未从存储箱14中抽出燃料时通过追踪传输线30内的压力来监控延伸在存储箱14和原动机12之间的燃料传输线30的完整性的步骤。本方法还包括在加注循环数量超过预定数量的情况下，或追踪的燃料传输线30中的压力以超过预定最大允许速度的速度降低的更进一步的情况下，开始调节。如上所述，调节可以包括限制存储箱的后续的加注，或限制燃料从存储箱12排入到燃料传输线30中。
本系统提供了用操作条件参数驱动的程序来监控燃料存储箱的操作条件的优点，能够最大程度使用存储箱的可用容量，同时保持了存储箱和从存储箱延伸到车辆的原动机之间的燃料传输线的完整性。
虽然本发明是结合本发明的特定实施形态进行了说明，应理解，本领域的技术人员可以做出不偏离本发明的权利要求中阐述的精神和范围的各种修改、变更和改编。
权利要求
1.一种机动车辆的气体燃料系统，其特征在于，所述气体燃料系统包括气体燃料存储箱；压力传感器，为监控包含在所述存储箱内的气体的压力并产生对应于所述压力的气体压力信号；控制器，为接收所述气体压力信号并记录每个加注循环，其中所述压力信号指示所述存储箱内的压力已从第一个阈值之下增加到第二个阈值之上的某个值，如果记录的加注循环数量超过预定的循环数量，则所述控制器开始调节。
2.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，所述调节包括限制存储箱可能加注达到的压力。
3.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，所述调节包括限制可被进入存储箱的压缩燃料的量。
4.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，如果存储的气体的压力、存储的气体的温度，及所述燃料存储箱的温度中的至少一个超过预定阈值，则所述控制器开始调节。
5.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，所述控制器将存储箱内的燃料的量作为存储在该存储箱中的气体的至少温度和压力的函数来确定。
6.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，还包括与所述燃料存储箱及所述控制器连接的加注阀，所述控制器还连接到变速器档位传感器，使得所述控制器防止加注所述燃料系统，除非所述变速器传感器指示车辆变速器处于停车档。
7.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，还包括与所述燃料存储箱及所述控制器连接的加注阀，所述控制器还连接到多个逃逸的燃料气体传感器，如果至少一个所述传感器在加燃料期间检测到逃逸的燃料气体的出现，则所述控制器关闭所述加注阀。
8.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，还包括从所述存储箱延伸到原动机的燃料传输线，所述传输线具有与所述控制器连接的燃料压力传感器，所述控制器在未从所述存储箱中抽出燃料时追踪所述传输线内的压力。
9.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，还包括具有由所述控制器操作的可变注入口加注阀。
10.如权利要求1所述的气体燃料系统，其特征在于，还包括内置于所述控制器、用于向电控的燃料加注器建议至少一个燃料加注参数的通信连接。
11.如权利要求10所述的气体燃料系统，其特征在于，所述控制器和所述通讯链接向所述电控的燃料加注器建议关于所述存储箱被加注达到的最大压力。
12.一种机动车辆，其特征在于，所述机动车辆包括容纳一定量的压缩气体的气体燃料存储箱；包括至少一个旋转机和相关变速器的原动机，从所述燃料存储箱向所述原动机供给气体燃料；为监控包含在所述存储箱内的气体的压力并产生对应于所述压力的气体压力信号的压力传感器；及接收所述气体压力信号并记录每个加注循环的控制器，其中所述压力信号指示所述存储箱内的所述压力从第一个阈值之下增加到第二个阈值之上的一个值，如果记录的加注循环数量超过预定的循环数量，则所述控制器开始调节。
13.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，还包括与所述燃料存储箱连接的加注阀，所述加注阀具有检测加注喷嘴的出现并发送加燃料信号到所述控制器的传感器，如果出现所述加燃料信号，则所述控制器防止所述机动车辆移动。
14.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，所述原动机包括往复式内燃机及相关的变速器。
15.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，所述原动机包括燃料电池、电动机，及相关的变速器。
16.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，所述压缩气体包括天然气。
17.如权利要求12所述的机动车辆，其特征在于，所述压缩气体包括氢气。
18.一种监控气体燃料存储系统和相关原动机的操作条件的方法，其特征在于，所述方法包括步骤通过记录每次的存储箱内的气体压力从第一个阈值之下增加到第二个阈值之上的某个值的实例，监控气体燃料存储箱的加注循环的数量；通过在未从所述存储箱抽出燃料时追踪所述传输线内的压力，监控从所述存储箱延伸到所述原动机的燃料传输线的完整性；及如果加注循环的数量超过预定数量，或追踪的所述燃料传输线内的压力以超过预定的最大允许速率的速率降低，则开始调节。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述调节包括如果超过所述加注循环的预定数量，则限制所述存储箱的最大加注压力的步骤。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述调节包括如果所述追踪的压力以超过所述预定最大允许速率的速率降低，则限制气体从所述存储箱排入所述燃料传输线的步骤。
21.一种机动车辆的气体燃料系统，其特征在于，所述气体燃料系统包括气体燃料存储箱；多个传感器，为确定所述气体燃料系统的多个操作参数的值，所述传感器至少包括确定所述存储箱内的气体压力的压力传感器；及与所述多个传感器功能上连接的控制器，所述控制器包括参数驱动的程序，至少使用所述压力传感器的输出作为输入数据，来监控所述燃料存储箱的操作条件。
22.如权利要求21所述的气体燃料系统，其特征在于，所述控制器通过记录每个加注循环来监控所述存储箱的使用寿命，其中所述压力传感器的输出指示所述存储箱内的压力已从第一个阈值增加到第二个阈值。
23.如权利要求22所述的气体燃料系统，其特征在于，如果记录的加注循环数量超过预定循环数量，则所述控制器开始调节。
全文摘要
一种机动车辆的气体燃料系统包括气体燃料存储箱和相关的压力传感器，后者用于监控包含在存储箱内的加压气体。参数驱动程序通过追踪存储箱压力从第一个阈值增加到第二个阈值表示的加注循环来监控存储箱的完整性。如果加注循环超过预定次数，或其他系统完整性监控指示需要调节，则可以采取调节动作。
文档编号B60K5/00GK1862073SQ20051007245
公开日2006年11月15日 申请日期2005年5月13日 优先权日2005年5月13日
发明者迈克尔·J·维斯特那, 梅吉德·穆罕默德, 丹尼尔·J·威勒斯基, 布莱恩·C·摩尔赫德 申请人:福特环球技术公司