CN102656453A - 用于测量燃料混合物组分的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定燃料混合物的组分、尤其用于确定燃料混合物中乙醇含量和/或水份额的方法和装置。在空间上相互分开设置的感应元件(14，16)在时间上顺序地被燃料通流。所述感应元件(14，16)产生与时间有关的输出信号(18，20)，所述输出信号明确地与燃料混合物的乙醇含量相关。求得与时间有关的所述输出信号(14，20)的差并且进行可信性检验(24)。求得可信性检验的输出信号(34)，它含有至少一个关于燃料混合物的乙醇含量变化方向的信息。

Description

用于测量燃料混合物组分的装置

背景技术

本发明源自已知的用于确定燃料混合物组分的方法和装置。例如在汽车中越来越多地使用燃料混合物，它们除了真正的矿物油-燃料以外可以添加乙醇和/或其它醇。已知混合燃料汽车，它们可以以不同的乙醇/汽油混合物运行。在此汽车发动机控制器的参数分别匹配于燃料混合物的组分。能够实现非常不同的可使用的方案。目前在美国一般只需使发动机控制器匹配于燃料混合物，用于无论如何都可以驱动混合燃料汽车，而在欧洲通常也致力于效率和提高功率。但是，为了确定最佳的发动机控制器参数、尤其是提高功率，通常的前提是，详细了解燃料混合物组分、尤其是乙醇-燃料混合物比例。

一般借助于现有的测量参数，利用控制器本身里面的软件确定乙醇-燃料混合物比例，或者可以通过乙醇传感器识别这种混合物比例。这些乙醇传感器可以以大量不同的测量原理为基础。在这里尤其可以使用以确定电容率和电导率为基础的电容测量方法。在此通常在直到约1MHz的频率时确定燃料混合物的电容率。但是在约1MHz的频率时单纯确定电容率(通过温度修正)的缺陷是这种状况，利用这种方法原则上只能准确地确定最多两种成分的混合物的组分。利用这种方法通常不能识别燃料混合物的其它成分。

为了鉴别其它成分如H2O，必须在GHz范围中测量，因为在这里醇、水和其它极化的成分、例如干扰成分的电容率根据极化方向显著地与增加的频率相协调。在DE 34 12 704 A1中公开了这种在GHz范围中工作的方法示例。使用一装置，用于测量燃料混合物中的醇含量，该装置可以安装在燃料管里面。燃料管由可以透过高频信号的材料制成。微波室设置在燃料管外部，同时部分地包围这个燃料管。微波室具有一对波导体，它们相互对置地使燃料管设置在其间。一波导体配有天线段，用于传递微波发生器的微波。另一微波导体配有接收天线段，用于接收穿过燃料管的微波。由天线段接收的微波可以由检测器识别，并且转换成直流信号，它们对应于所接收微波的强度。

为了以不同的燃料组分控制发动机，从纯汽油直到约85％乙醇含量的汽油-乙醇混合物，对于混合燃料系统存在两种不同的解决方案。通过以软件为基础的系统。观察氧传感器信号的实际值偏离所使用的混合物预控制的理论值。如果在已知的加油过程后出现这种偏差，则推断变化的乙醇含量。相应地在以传感器为基础的系统中，利用一般设置在燃料管里面的乙醇传感器直接测量燃料的乙醇含量。

在两种系统中根据所识别的乙醇含量通过发动机控制器调节参数、如燃料组分匹配点火角。

对于在巴西的目前重要的混合燃料汽车市场，已经贯彻成本更有利的以软件为基础的系统。在未来重要的欧共体和NAFTA市场中受到汽车生产者讨论的影响，它们涉及用于识别燃料混合物组分的乙醇传感器、即、以传感器为基础的系统的必要性。对于以传感器为基础的系统通常涉及严厉的OBD-II的要求(二代车载诊断器)。没有乙醇传感器似乎不能满足快速且明确地配置混合物偏差到故障源“错误燃料系统”或者变化的燃料组分。在鞍座式油箱中，它们例如在DE 10 207 039861 A1中描述，设有两个相互连接的油箱室。鞍座式油箱根据这种状况给出，在具有尾部驱动的汽车中在油箱底部空出用于驱动轴和差速器的空间。在较少量加油时在鞍座式油箱中可能出现，加油量只储存在两个油箱室中的一个油箱室里面。例如在一个油箱室里面加E85号燃料，而在第二油箱室里面加E110号燃料，由此，如果从一个油箱室转移到另一油箱室取出燃料的时候，则在行驶期间出现相对快速的燃料组分变化。

发明内容

按照本发明建议一个不同的传感器方案，其原理结构的特征主要是，两个在空间上相互分开的感应元件位于从油箱到喷射阀的燃料管内部，它们在时间上顺序地被燃料通流。两个感应元件产生与时间有关的输出信号，它与乙醇含量具有明确的关系。例如在内燃机发动机控制器内部进行的信号处理中，确定两个输出信号的差并且在可信性检验中评价差信号。在可信性检验内部评价差信号的时间变化，通过确定燃料流速并由此检验，差信号的独特的特征对于这个流速是否是可信的。在发动机控制器里面通过燃料系统的模型化以简单的具有已知排出的存储模型实现流速的确定，它基本等于发动机转速与每次喷射的喷射量的乘积。所述输出信号至少含有关于燃料混合物乙醇含量变化方向和可选择的变化值的信息。

按照本发明对于混合燃料系统内部的发动机控制器不利用绝对乙醇含量的情况，而是利用关于在燃料燃烧前燃料混合物乙醇含量变化的信息。如果通过传感器识别到这个变化和变化的方向，则下面的混合物偏差立刻且明确地附属于变化的燃料混合物乙醇含量。此外通过爆震调节可以确定最佳的点火角，爆震调节可以在两个调节干预方向上、即提前和滞后地调整干预点火角。

用于测量燃料电容率的感应元件的适合结构，例如包括在燃料管里面组合两个相互绝缘的金属电极，以圆柱形管段的形式。此外可以设有其它相互绝缘的更大直径的管状金属电极。所述电极形成电容，包括两个同心的圆柱体，其介质分别通过燃料形成。例如设置在发动机控制器里面的评价电路的电连接通过不同的接头实现。

例如，可以通过以交流电压供电的两个电容和两个电阻的电路结构实现差信号在可信性检验范围内的信号评价。通过运算放大器确定电容上的电压差并且作为电压U_diff供使用。这个例如设计成桥电路的电路结构是现有技术，其中U_diff通过A/D转换器作为在微处理器中继续处理的数字参数供使用。

在一个实施例中交流电压可以是正弦形电压，它通过上面简述的电路在使用运算放大器的条件下产生。如果对于所选择的时刻、例如正弦形电压的过零时刻执行U_diff的数模转换，则可以以微少的费用在算法中确定U_diff基于交流电压Vs1的振幅和相位移。这个值以独特的方式改变，如果电容在其数值上暂时由于通流变化的燃料组分而变化的时候。

在另一实施形式可能性中，利用已经在发动机控制器中存在的微处理器的特性。在此交流电压Vs1作为矩形电压供使用，例如通过已知的计数器编程和关于数字的微处理器输出信号的说明实现，由此得到每个矩形电压Vs1脉冲的与时间有关的电压差，它又可以在模/数转换后在算法中继续处理。

附图说明

下面借助附图详细解释本发明。附图示出：

图1按照本发明建议的差分的传感器方案的示意图，

图2用于测量燃料混合物电容率的感应元件结构，

图3.1信号评价的电路结构，

图3.2具有微处理器的发动机控制器的示意图

图4用于电容上的两个时间常数在时间上的电压变化。

具体实施方式

从按照图1的视图中给出按照本发明建议的传感器方案的示意图。

图1示出传感器10，它包括第一感应元件14以及第二感应元件16，它们在空间上相互分开并且与燃料管12连接，燃料在管中流动。如上所述，在燃料管12里面流动的燃料是燃料混合物，它可能具有乙醇、水和其它可能的添加成分，其多少可以通过按照本发明建议的传感器获得。

燃料管12从在图1中未示出的油箱一直延伸到内燃机喷射阀。附属于燃料管12的两个感应元件、即第一感应元件14以及第二感应元件16在空间上相互分开并且在时间上顺序地被燃料通流。两个感应元件14，16分别产生与时间有关的输出信号，第一感应元件14产生第一输出信号18，第二感应元件16产生与时间有关的第二输出信号20。两个与时间有关的输出信号18，20与燃料混合物的乙醇含量具有明确的关系。

与时间有关的第一输出信号18以及与时间有关的第二输出信号20在例如可以在发动机控制器内部进行的信号处理内部继续处理。在差形成级22里面确定在空间上相互分开设置的感应元件14，16的与时间有关的第一输出信号18与与时间有关的第二输出信号20的差。所得到的信号在后接于差形成级22的可信性级24内部评价。

在可信性级24内部这样进行所得到的差形成级22的输出信号的可信性检验，确定燃料在燃料管12里面流动的流速26。借助于所得到的燃料流速26值检验，在差形成级22里面获得的差信号的独特特征对于所得到的在燃料管12里面的燃料流速26是否是可信的。由按照图1的原理图给出，对可信性级24一方面输送输出信号、即差形成级22的差信号，另一方面输送所得到的流速26。例如仍然在发动机控制器内部通过燃料系统模型以附图标记28表示的存储模型实现流速26确定。存放已知排出的存储模型的输入参数是内燃机的发动机转速30以及内燃机每次喷射32的喷射量。在存储模型28范围内由输入参数发动机转速30与每次喷射32的喷射量的乘积确定燃料在燃料管12里面的流速26。在可信性级24输出端输出的输出信号34至少含有关于乙醇含量在燃料混合物内部的变化方向和可选择的变化值的信息。

内燃机发动机的控制器在混合燃料运行中只需关于在燃料燃烧前的乙醇含量变化和仅仅可选择的燃料混合物的绝对的现有乙醇含量的情况的信息。如果通过按照本发明建议的传感器求得乙醇含量的变化以及变化的方向，则下面的混合物偏差立刻且明确地附属于变化的乙醇含量。根据混合物偏差的变化可以在发动机控制器内部通过爆震调节确定最佳的点火角，爆震调节可以在两个调整干预方向上、即提前和滞后地调整干预点火角。

由按照图2的视图给出按照本发明建议的传感器的感应元件的实施形式可能性。

通过在图2中所示的传感器10结构实现燃料电容率的测量。除了测量电容率以外，其中尤其涉及复合的电容率，也可以包括电容率数、尤其复合的电容率数、吸收率、尤其复合的吸收率、透射率、尤其复合透射率。上面提到的复合参数在此分别指的是一参数，它包括振幅和相位。电容率也经常以字母ε表示，它描述材料对于电场的通过性。它是介电的材料特性并且是至少只微弱导电的材料，它在其材料以电场加载时显示出来。它是电流密度D与电场E之间的比例常数：D＝εxE。电容率经常也称为εr或也称为相对电容率，它是电容率ε与电场常数ε0(真空电容率)的比例εr＝ε/ε0。

因此电容率数εr表征电极化在电绝缘的材料内部的电场削弱效应。在本发明范围内与电容率数εr同样重要的是电的磁导率k＝ε-1。下面在本发明的意义上在磁导率与电容率数之间没有概念上的差别。

通过按照图2的感应元件14，16结构不尽可以测量燃料的电容率，而且可以测量燃料的磁导率。两个相互绝缘的金属电极38和40位于通流燃料的燃料管12内部。第一金属电极以附图标记38表示，另一第二金属电极以附图标记40表示。两个金属电极38或40以圆柱形管段的形式构成。

由按照图2的视图给出，两个金属电极38或40由另一相对于第一金属电极38和第二金属电极40绝缘的第三金属电极42包围，它具有管44的形状。由按照图2的视图给出，设计成管44的第三金属电极42的直径分别大于第一金属电极38和第二金属电极40的圆柱形管段的直径。

通过这个结构第一金属电极38与管44形式的第三金属电极42形成第一电容48，58，而圆柱形管段形式的第二金属电极40在包围它的管44形式的具有较大直径46的第三金属电极42里面形成另一第二电容60。在燃料管12里面流动的燃料分别形成第一电容48或58和第二电容60的介质。电容48，58和60与评价电路的电连接通过接头50，52，54实现，如同在图2中示意表示的那样。

由按照图3.1的视图给出一电路结构，通过它可以评价由按照图2的电容获得的与时间有关的输出信号，它们与燃料混合物的乙醇含量有关。图3.1示出电路结构56，它包括第一电容48或58以及第二电容60。第一电容48，58以及第二电容60如同前面结合图2所述地那样构造。按照图3.1视图的电路结构56包括第一电阻62(R1)以及另一第二电阻64(R2)。通过两个电阻62或64使第一电容48，58以及第二电容60以交流电压源66的交流电压Vs1供电。在第一电容48，58和第二电容60上的电压差利用运算放大器68确定，并且作为电压差U_diff(参见附图标记70)供使用。在图3.1中示出的电路结构56对应于电桥电路。电压差70通过在图3.2中所示的A/D转换器73提供数字参数，用于在微处理器72里面继续处理，它们容纳在发动机控制器74里面。微处理器72处理发动机控制器的输入参数、如发动机转速并求得计算的输出信号如燃料喷射的持续时间，微处理器给出输出信号到在这里未示出的发动机控制器的致动器。微处理器71优选包括在图3.2中所示的A/D转换器73。

参照按照图3.1视图的电路结构56要注意，交流电压源66提供不仅以正弦电压的形式、而且在使用矩形激励条件下提供的交流电压。如图3.1给出的那样，正弦形交流电压Vs1可以在使用在这里未示出的运算放大器的条件下产生。运算放大器68执行差形成。如果对于所选择的时刻、例如在过零过程时执行交流电压Vs1(66)的电压差U_diff(参见附图标记70)的模/数转换，由此可以以微少的费用在算法中确定基于交流电压Vs1，66的电压差U_diff，70的振幅和相位移。当第二电容60的电容与第一电容48，58的电容的比例在其数值上暂时由于以变化的燃料组分的通流而变化时，数值显示出独特的特征。燃料组分的这种变化对于电容直接检测，它们按照图2的视图构成，通流电容的燃料是第一电容48，50和第二电容60的介质。

在信号评价的另一实施例变化中可以利用已经在发动机控制器74中存在的微处理器72的特性，参见图3.2。在此交流电压66以矩形电压呈现，它例如通过计数器的编程和信号在微处理器72的数字输出口上的输出实现。由此得到矩形电压Vs1、即以矩形呈现的交流电压Vs1，66的每个脉冲的与时间有关的电压差。它们仍然按照模/数转换在算法里面继续处理。

下面以矩形激励为例在另一扩展结构中利用计数器的控制器，用于使两个时间测量与微处理器72同步化。这个时间测量的结果在图4中示出。图4示出两个电压对于两个时间常数的变化，其中两个电压变化以系数3区分。

图4示出第一电压76(U1)对于第一时间常数R1xC1的变化以及第二电压78(U2)对于第二时间常数R2xC2的变化(参见附图标记82)。第一电压76与第二电压78以电压升速中的系数3区分。按照图4中的电压变化，在t＝0时施加正的电压跃变建立第一电压76对于第一时间常数80的变化，或者第二电压78对于第二时间常数82的变化。第一电压76和第二电压78在这里输送到微处理器72的数字输入，它们分别与计时器结构连接。以附图标记88表示开关阈，在达到开关阈时用于第一电压76以及第二电压78的各个值在测量时间t1时产生第一测量时间84以及t2，即第二测量时间86。因为测量的时间t1与t2之间的差是第一电容48，58以及第二电容60的两个容值比例的尺度。通过馈入电压，即交流电压66的频率，它与第一电容48，58和第二电容60的容值在燃料组分变化时所时间的变化相比相对较大，能够实现大量按照上述方法的测量。由此能够有效地抑制传感器信号由于形成平均值引起的电干扰。原则上在第一电容48，58以及第二电容60的第二容值里面通过恒定电容率ε的燃料流产生第一电压76和第二电压78或第一测量时间t1和第二测量时间t2，它们相互间略微不同。其原因是由于安装和布线的微小非对称性，以及数字输入对于所述方法的电平识别对于时间测量的不精确相同的开关阈88。但是，因为不是短时间地在传感器10范围里面出现变化的燃料组分，因此信号评价按照图3.1的视图以抵消-补偿扩大。为此电压差70U_diff或者第一测量时间t1(84)与第二测量时间t2(86)之间的差在低通滤波器里面以例如数分钟的时间常数滤波，并且从电压差U_diff的信号减去这个输出信号或第一测量时间t1(84)与第二测量时间t2(86)之间的时间差。这种抵消-补偿可以通过模拟电路实现，但是在微处理器72里面算法的换算似乎更有利，微处理器集成到发动机控制器74里面，参见图3.2。

Claims (10)

1.一种用于确定燃料混合物的组分、尤其用于确定燃料混合物中乙醇含量和/或水份额的方法，具有下面的方法步骤：

a)在空间上相互分开设置的感应元件(14，16)在时间上顺序地被燃料通流，

b)感应元件(14，16)产生与时间有关的输出信号(18，20)，所述输出信号明确地与燃料混合物的乙醇含量相关，

c)求得与时间有关的输出信号(18，20)的差并且进行可信性检验(24)，

d)求得可信性检验的输出信号(30)，它含有至少一个关于燃料混合物乙醇含量的变化方向的信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照方法步骤c)所述可信性检验(24)包括确定燃料流速(26)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按照方法步骤c)检验，在与时间有关的输出信号(18，20)差中的独特的特征对于流速(26)是否是可信的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用存储模型(28)由发动机转速(30)与每次喷射(32)的喷射量的乘积确定燃料的流速(26)。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照方法步骤d)所述可信性检验的输出信号(34)附加地含有关于燃料混合物乙醇含量变化值的信息。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照方法步骤b)通过测量电容率ε或磁导率k确定与时间有关的输出信号(18，20)。

7.一种用于确定燃料混合物组分的装置，尤其在使用如上述权利要求中任一项所述方法的条件下，包括

a)两个在空间上相互分开地设置在燃料管(12)里面的感应元件(14，16)，设计成相互绝缘的金属电极(38，40)被另一设计成管(44)的金属电极(42)包围，

b)其中第一金属电极(38)与设计成管(44)的另一金属电极(42)形成第一电容(48，58)，

c)其中第二金属电极(40)与设计成管(44)的第三金属电极(42)形成第二电容(60)，

d)还包括电容(48，58；60)的介质，通过在燃料管(12)里面流动的燃料形成。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一和第二金属电极(38，40)通过圆柱形管段形成，分别由管状的第三金属电极(42)包围，其直径(46)超过圆柱形管段的直径。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电容(48，58；60)与交流电压源(66)连接，它产生正弦形或矩形Vs1的交流电压。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，一电路结构(56)包括一运算放大器(68)，它测量通过电容(48，58；60)下降的电压U1，U2的差U_diff并且求得电压差(70)U_diff。

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