DE102007025585A1

DE102007025585A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebsparameters dessen

Info

Publication number: DE102007025585A1
Application number: DE102007025585A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dr. Fleischer; Uwe Dr. Lampe; Roland Dr. Pohle; Rainer Strzoda; Kerstin Dr. Wiesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-04

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffen (4) verschiedener Zusammensetzung (26a-f) wird zumindest ein Teil des dem Verbrennungsmotor im Betrieb zugeführten Kraftstoffes (4) mit Licht (10) bestraht, wird eine Intensität (I1) des den Kraftstoff (4) durchdringenden Fig. 1a, b) oder vom Kraftstoff (4) reflektierten (Fig. 1c, d) Lichts (10) bei mindestens einer Wellenlänge (Delta1,2) bestimmt, wird aus der Intensität (I1) ein mit der Zusammensetzung (26a-f) des Kraftstoffes (4) korrelierter Kennwert (k) bestimmt, wird ein Betriebsparameter (z) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kennwerts (k) gewählt. Eine Vorrichtung (40) zur Bestimmung eines Betriebsparameters (z) eines mit Kraftstoffen (4) verschiedener Zusammensetzung (26a-f) betreibbaren Verbrennungsmotors enthält eine Messeinheit (41) mit einer zumindest einen Teil des dem Verbrennungsmotor im Betrieb zugeführten Kraftstoffes (4) mit Licht (10) bestrahlten Lichtquelle (6) und einem Detektor (8) für den Kraftstoff (4) durchstrahlendes oder von diesem reflektiertes Licht (10) und eine mit dem Detektor (8) verbundene Auswerteeinheit (52) zur Bestimmung einer Intensität (I1) für das Licht (10) bei mindestens einer Wellenlänge (Delta1,2) und eines mit der Zusammensetzung (26a-f) des Kraftstoffes (4) korrelierten Kennwerts (k) aus der Intensität (I1) und eines Betriebsparameters (z) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kennwerts (k).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffen verschiedener Zusammensetzung und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebsparameters eines mit Kraftstoffen verschiedener Zusammensetzung betreibbaren Verbrennungsmotors.
Für Verbrennungsmotoren, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, wurden bisher nahezu ausschließlich fossile Kraftstoffe eingesetzt. Heutige Motormanagementsysteme sind daher im Wesentlichen für die Verwendung von Kohlenwasserstoffen eingerichtet. Da Kraftstoffe verschiedener Zusammensetzung bisher kaum verwendet wurden, sind Probleme hiermit bisher nicht in großem Umfang aufgetreten.
Die abnehmenden Rohölreserven und der zunehmende Verbrauch von Treibstoffen für Verbrennungsmotoren aufgrund z. B. der weltweit noch zunehmenden Motorisierung haben zur Folge, dass immer mehr flüssige Treibstoffe aus nicht petrochemischem Ursprung eingesetzt werden. Dies sind aktuell Treibstoffe unmittelbarer biologischer Herkunft: bei Dieselmotoren ist dies die Verwendung von sogenanntem Biodiesel, der aus pflanzlichen Ölen gewonnen wird, bei Ottomotoren ist dies z. B. die Verwendung von aus biologischen Produkten gewonnenen Alkoholen, insbesondere von Bioethanol, welcher schon bis zu 80 Vol% im Benzin für Ottomotoren beigemischt wird. Des Weiteren werden zunehmend zusätzliche Wege zur Kraftstoffgewinnung eingesetzt, wie die Verflüssigung von Erdgas („gas to fuel") bzw. die Kohleverflüssigung.
Alternative Treibstoffe, vor allem Bioethanol und andere auf biologischer Basis erzeugten Treibstoffe für Ottomotoren haben deutlich andere Eigenschaften als die gesättigten, ungesättigten und aromatischen Kohlenwasserstoffe der aus Erdöl erzeugten Benzine. Diese Unterschiede betreffen vor allem das Siedeverhalten und den Dampfdruck (Verdampfbarkeit), das Zündverhalten (z. B. Zündtemperatur, Konzentrationsbereiche), den stöchiometrischen Sauerstoffbedarf, den Brennwert und den Wassergehalt.
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der oben genannten neuen Kraftstoffe gestaltet sich ein optimales Motormanagement, d. h. ein maximaler Wirkungsgrad bei maximaler Schadstoffreduktion, jedoch zunehmend schwierig, wenn nämlich die genaue Zusammensetzung des aktuell zur Verbrennung verwendeten Kraftstoffes nunmehr unbekannt ist. Ein aktuelles Problem betrifft beispielsweise das Kalt-Start-Verhalten im Ottomotor: Hier ist es derzeit bekannt, da die Verdampfbarkeit des Benzins nicht bekannt ist, vorsichtshalber überzudosieren, um einen sicheren Motorstart zu ermöglichen. Die durch das überfettete Gemisch im Kaltstart erzeugten hohen HC-Emissionen werden jedoch nicht durch den 3-Wege-Katalaysator abgefangen, da dieser noch nicht auf Betriebstemperatur ist. Derartig betriebene Motoren erzeugen daher einen überproportionalen Anteil an Emissionen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen ein verbesserter Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffen verschiedener Zusammensetzung ermöglicht ist.
Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass ein optimales Motormanagement nur dann möglich ist, wenn In-Line vor der motorischen Verbrennung die Kraftstoffqualität durch ein dafür geeignetes Sensorsystem gemessen wird, d. h. zu jedem Zeitpunkt genau bekannt ist, welcher Kraftstoff zur Verbrennung gerade zur Verfügung steht. Ein oder natürlich auch mehrere Betriebsparameter des Motors kann dann optimal für den aktuell zu verbrennenden Kraftstoff gewählt werden.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Kraft stoffen verschiedener Zusammensetzung mit folgenden Schritten: Der dem Verbrennungsmotor aktuell zur Verbrennung zugeführte Kraftstoff wird mit Licht bestrahlt. Hierbei ist es möglich, die gesamte Kraftstoffmenge oder auch nur einen Teil dessen, z. B. in einer Bypassleitung, zu untersuchen. Anschließend wird das vom Kraftstoff reflektierte oder das diesen durchstrahlende Licht von einem Detektor erfasst. Eine Intensität dieses Lichts bei mindestens einer Wellenlänge bzw. einem Wellenlängenbereich wird bestimmt. Die Intensität des reflektierten bzw. durchstrahlenden Lichts erlaubt eine Aussage über die Stärke der Absorption des Lichts im Kraftstoff bei der gegebenen Wellenlänge, da die Intensität des eingestrahlten Lichts bekannt bzw. ermittelbar ist. Aus diesem Absorptionsverhalten wird ein Kennwert bestimmt, welcher mit der Zusammensetzung des Kraftstoffes korreliert ist, also Rückschlüsse auf dessen Zusammensetzung erlaubt. Anschließend wird ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kennwertes gewählt.
Das zur Bestrahlung des Kraftstoffs verwendete Licht muss hinsichtlich seiner Wellenlänge bzw. seines Spektrums so gewählt sein, dass sich die Absorption des Lichts im Kraftstoff für die zu unterscheidenden Kraftstoffbestandteile zumindest bei einer Wellenlänge unterscheidet.
Zur Messung der Treibstoffqualität wird also erfindungsgemäß die Lichtabsorption des Kraftstoffes spektral aufgelöst, d. h. bei mindestens einer Wellenlänge, gemessen. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also die Kraftstoffqualität bzw. -beschaffenheit oder -zusammensetzung eines Verbrennungsmotors direkt vor der Verbrennung ermittelt werden. Über genau an diese Verhältnisse angepasste Betriebsparameter kann der Motor optimal auf den Kraftstoff eingestellt werden. Insbesondere für Kraftfahrzeug mit Ottomotoren ergibt sich der Vorteil, dass eine optimale motorische Verbrennung hinsichtlich Wirkungsgrad und Schadstoffemission durch das Motormanagement für verschiedenste Qualitäten bzw. Zusammensetzungen des Kraftstoffes möglich ist.
Prinzipiell sind zwei Messmethoden für die Intensität denkbar: Erstens tritt von einer Lichtquelle Licht in den Kraftstoff, durchdringt diesen, und das vom Kraftstoff nicht absorbierte Licht wird dann von einem Detektor empfangen und dessen Intensität bestimmt. Lichtquelle und Detektor können hierbei auf zwei verschiedenen Seiten des Treibstoffes (also echte Durchstrahlung) oder auf gleichen Seiten des Treibstoffs angeordnet sein, wenn auf der anderen Seite eine Oberfläche, z. B. die Wand eines Benzintanks, welche diffus streuend ist, angeordnet ist.
Zweitens kann eine Lichtquelle auf die Oberfläche des Treibstoffes einstrahlen und ein Detektor die Intensität des vom Treibstoff reflektierten Lichts auffangen, welches um einen im Treibstoff absorbierten Lichtanteil vermindert ist. Hier kann eine direkte Oberflächenreflektion stattfinden oder ein entsprechender Glasaufbau zur Lichtführung verwendet werden, z. B. eine Lichtleitfaser bzw. die Attenuated Total Reflexion (ATR) Methode mit einem sogenannten, an seinem Ende verspiegelten ATR-Stab, der in die Flüssigkeit eintaucht.
Besonders geeignet ist für das erfindungsgemäße Verfahren infrarotes Licht im Bereich des Nahen Infrarot (NIR: 0,8–2,5 μm Wellenlänge). Bei diesen Wellenlängen wird die Lichtabsorption im Kraftstoff durch Ober- und Kombinationsschwingungen der bestrahlten Moleküle bewirkt. Da die Frequenz dieser Molekülschwingungen von der Stärke der chemischen Bindung und der Masse der beteiligten Atome bzw. Atomgruppen abhängt, erhält man aus den Absorptionsfrequenzen des IR-Lichtes direkte Informationen über die chemischen Eigenschaften der absorbierenden Moleküle. Aus der Absorptionsintensität kann auf die Konzentration der betreffenden chemischen Spezies geschlossen werden. Die auf biologischer Basis erzeugten Biotreibstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen funktionelle Gruppen wie Hydroxyl(OH) oder Carbonyl(C=O)-Gruppen vorhanden sind, die sich in ihrem IR-Absorptionsverhalten deutlich von dem der Kohlenwasserstoffe unterscheiden. Durch eine Messung der IR-Absorption ist es möglich, den Anteil der Biotreibstoffe und damit die Kraftstoffqualität bzw. Kraftstoffart zu bestimmen. Weitere Strukturen wie aromatische Systeme oder andere funktionelle Gruppen (Doppel-, Dreifachbindungen, Amin- oder Sulfidgruppe), die für verschiedenen Kraftstoffzusammensetzungen charakteristisch sind, weisen ebenfalls typische auswertbare Charakteristiken der NIR-Absorption auf.
Die Intensität kann bei mehreren Wellenlängen bestimmt werden. Um deutlichere Aussagen über die Kraftstoffzusammensetzung zu erhalten, wird damit die mit der Intensität korrelierte Absorption des Kraftstoffes bei mehreren Wellenlängen bzw. -bereichen gemessen. Auch kann ein ganzes Spektrum, z. B. das des NIR, aufgeteilt in Wellenlängebereiche, vermessen werden und somit die gesamte spektrale Verteilung der Intensität bzw. Absorption ausgewertet werden.
Die Selektion der Wellenlängen kann hierbei senderseitig z. B. durch Bandfilter oder schmalbandige Lichtquellen oder empfängerseitig durch frequenzselektive Detektoren oder Nachfilterung erfolgen.
Die Intensitäten bei verschiedenen Wellenlängen können im zeitlichen Wechsel bestimmt werden. So kann der Kraftstoff zwar in einem gesamten Wellenlängenbereich bzw. bei mehreren Wellenlängen untersucht werden, zu jedem Zeitpunkt muss jedoch nur eine einzige Wellenlänge senderseitig eingestrahlt oder empfängerseitig untersucht werden.
Der Kraftstoff kann nur mit einem Teil des von einer Lichtquelle ausgesandten Lichts bestrahlt werden und der andere Teil des Lichts in einen Referenzempfänger eingestrahlt werden. Somit steht ein aktueller Wert für die Ausgangsintensität des in den Kraftstoff eingestrahlten Lichts zur Verfügung. Z. B. Veränderungen der Lichtquelle über der Zeit werden damit über den Referenzempfänger erfasst und die Bestimmung der Absorption verbessert. Zur Aufteilung des Lichts kann dieses z. B. über einen Strahlteiler geführt werden.
Als Kennwert können eine oder mehrere der folgenden Größen bestimmt werden: Der Anteil biogener Komponenten im Kraftstoff, der Bioethanolgehalt, der Ethanolgehalt, die Zünd- oder Siedeeigenschaften des Kraftstoffes, der Brennwert oder die Oktanzahl, für deren Bestimmung außerdem eine Ethyl-tert-Butylether-Messung nötig ist. Somit kann als Kraftstoffbeschaffenheit beispielsweise der Anteil der Biotreibstoffe ermittelt werden.
Der Kennwert kann aus der Intensität auch mit Hilfe von chemometrischen Methoden und/oder neuronalen Netzen bestimmt werden. Durch Messung von IR-Spektren und einer derartigen Auswertung der Intensitäten der Spektren ist es neben einer einfachen Bestimmung des Ethanolgehaltes im Kraftstoff auch möglich, im Benzin gleichzeitig die Konzentration von weiteren biogenen Komponenten oder z. B. den Wassergehalt oder weitere Eigenschaften, z. B. das Zündverhalten, den stöchiometrischen Sauerstoffbedarf und den Brennwert zu bestimmen.
Für bekannte bzw. potentiell für einen Verbrennungsmotor verfügbare Kraftstoffe verschiedenster Zusammensetzung können zunächst, z. B. im Labor, die entsprechenden Kennwerte und die zugehörigen Intensitäten gemessen und im Kalibrationsmodell gespeichert werden. Für die Bestimmung eines Kraftstoffs unbekannter Zusammensetzung kann dann der Kennwert aus der Intensität mit Hilfe des Kalibrationsmodells bestimmt werden.
Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren z. B. im Hinblick auf eine massive Schadstoffminderung besonders günstig für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebsparameters eines mit Kraftstoffen verschiedener Zusammensetzung betreibbaren Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung enthält eine Mess einheit mit einer Lichtquelle, die zumindest einen Teil des dem Verbrennungsmotor im Betrieb zugeführten Kraftstoffs mit Licht bestrahlt und einen Detektor für den Kraftstoff durchstrahlendes oder von diesem reflektiertes Licht. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Intensität des vom Detektor empfangenen Lichts bei mindestens einer Wellenlänge und zur Bestimmung eines mit der Zusammensetzung des Kraftstoffes korrelierten Kennwertes aus der Intensität und zur Bestimmung eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kennwertes.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich das oben erläuterte Verfahren ausführen, womit sich die bereits beschriebenen Vorteile ergeben.
Die Messeinheit kann eine Durchstrahlungseinheit sein, um die oben erwähnte Durchstrahlung des Kraftstoffes mit Licht, also eine Transmissionsmessung für die Intensität durchzuführen. Eine Durchstrahlungseinheit zeichnet sich in der Regel durch einen in den Kraftstoffstrom geschaltete Küvette bzw. durch Verwendung eins Quarzglasfensters aus, durch welches Licht in den Kraftstoff eingestrahlt wird.
Die Durchstrahlung des Treibstoffes, also die Transmissionsmessung der Intensität erfolgt günstigerweise mit einer optischen Weglänge von ca. 10 mm, was etwa den üblichen Abmessungen einer Kraftstoffleitung entspricht und ist eine bevorzugte Art zur Bestimmung der Absorption. Das Licht durchquert also die Messstrecke, z. B. die zum Motor führende Treibstoffleitung. Für den Lichtdurchtritt sind Fenster aus Quarzglas besonders geeignet.
Alternativ kann die Messeinheit eine Reflexionseinheit sein, um die oben genannte Intensitätsmessung von reflektiertem Licht durchzuführen.
Der Detektor kann ein Spektrometer auf Basis der SI-Mikromechanik sein, durch welche miniaturisierte preisgünstige Spektrometer auch für den Wellenbereich des NIR möglich sind. Diese Spektrometer zeichnen sich dadurch aus, dass die Lichtdispersion durch ein drehendes Reflektionsgitter aus z. B. mit einer Goldschicht vergüteten SI erfolgt. Ein derartiger Spiegel kann in miniaturisierter Form hergestellt werden. Der Antrieb des Spiegels erfolgt in der Regel über elektrostatische Kräfte. Diese scannenden Spektrometer benötigen nur ein Detektorelement für den gesamten vorgesehen Spektralbereich.
Mit einem derartigen breitbandigen Spektrometer kann die Wellenlängenselektion auf der Detektorseite erfolgen, so dass eine breitbandige Lichtquelle genügt, um die Absorption für mehrere verschiedene Wellenlängen bestimmen zu können. Im Falle der Durchstrahlung ist z. B. ein Mikrospektrometer gegenüber der Lichtquelle angebracht. Lichtquelle und Mikrospektrometer können auch über Lichtleitfasern mit der Messzelle, z. B. einer Küvette im Flüssigkeitsstrom, verbunden sein. Da moderne Wolfram-Halogen-Lampen eine Lebensdauer von über 2000 Stunden haben, reicht eine Kontrollmessung zur eventuellen Nachkalibrierung des Sensorsystems in den üblichen Wartungsintervallen von z. B. einem Jahr aus, bei einer durchschnittlichen Betriebszeit des Kfz von 1000 h.
Die Lichtquelle kann eine Wolfram-Halogen-Lampe enthalten. Diese dient als breitbandige Infrarotquelle.
Die Lichtquelle kann aber auch eine Laserdiode/Leuchtdiode enthalten. Ein alternatives Sensorsystem verwendet dann anstelle einer breitbandigen Lichtquelle, z. B. in Kombination mit einem Mikrospektrometer, zwei oder mehrere Infrarotleuchtdioden bzw. Laserdioden als Lichtquellen, die jeweils bei signifikanten Wellenlängen bzw. schmalen Frequenzbändern strahlen. Somit verlagert sich die Wellenlängenselektion auf die Senderseite. Da die Wellenlängenselektion dann auf der Senderseite stattfindet, genügt auf der Empfängerseite ein Detektor für alle Wellenlängen ohne Selektionseigenschaft.
Im Falle mehrerer Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängenbereichen können diese z. B. sukzessive periodisch angesteuert werden. So ergibt sich auch am Detektor eine sukzessive zeitlich abfolgende Zuordnung der Messsignale zu den einzelnen Wellenlängen der Lichtquellen.
Insbesondere für die Verwendung z. B. zweier Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen unter Verwendung eines Referenzempfängers kann dann ein Strahlteiler in der Lichtquelle integriert sein, welcher wechselweise das Licht je einer Lichtquelle sowohl auf die Referenzfotodiode als auf den Treibstoff ausrichtet. Bei mehr als 2 Lichtquellen werden mehrere Strahlteiler hintereinander geschaltet.
Bei verschiedenen Wellenlängen, ob sender- oder detektorseitig, kann eine erste Wellenlänge so gewählt sein, dass der Absorptionskoeffizient für eine Menge bekannter Kraftstoffe zumindest annähernd konstant ist. Über diese Wellenlänge steht dann eine Kalibrationsmöglichkeit zur Verfügung, da Licht aller Wellenlängen immer in gleicher Intensität empfangen wird, wenn der Sender gleiche Intensität aufweist. Eine zweite Wellenlänge kann dann so gewählt sein, dass für die Menge bekannter Kraftstoffe die Intensität, d. h. die Absorptionseigenschaft der Kraftstoffe, unterschiedlich ist. Die zweite Wellenlänge erlaubt dann die eigentliche Unterscheidung der Kraftstoffe voneinander. Am besten liegt diese an der Stelle der maximalen Schwankungsbreite der Absorptionen verschiedener Kraftstoffe.
Die zweite Wellenlänge kann somit z. B. im Bereich der OH-Bande liegen, welcher z. B. das Maximum der Absorption des ersten Obertones der Streckenschwingung der Hydroxylgruppe bei 1,5–1,6 μm ist.
Für einer weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 verschiedene Anordnungen zur Messung der Intensität von durchstrahlendem (a, b) und reflektiertem (c, d) Licht an Kraftstoff,
2 NIR-Spektren von Benzin, Ethanol und unterschiedlichen Mischungen beider Stoffe,
3 eine Anordnung zur Bestimmung der Treibstoffqualität mit breitbandiger Lichtquelle,
4 eine alternative Anordnung gemäß 3 mit Strahlteiler und schmalbandigen Lichtquellen,
5 den zeitlichen Verlauf von Referenz- und Messintensität aus 4.
Die 1a–d zeigen vier verschiedene Messgeometrien zur Ermittlung der Lichtabsorption von Treibstoff. Messküvetten, Behältnisse o. ä. sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. 1a und b beruhen dabei auf Durchstrahlungsmessung, 1c und d auf Reflexionsmessung.
1a zeigt von Luft 2 begrenzten Treibstoff 4 sowie an einer ersten Seite bzw. Fläche 14 des Treibstoffes 4 eine Lichtquelle 6 und an der der Lichtquelle 6 gegenüberliegenden Seite bzw. Fläche 12 des Treibstoffes 4 einen Detektor 8. Die Lichtquelle 6 sendet hierbei Licht, dargestellt durch die Pfeile 10, einer (z. B. durch vorherige Kalibration) bekannten Intensität I₀ aus, welches von der Luft 2 durch die Fläche 14 in den Treibstoff 4 eintritt. Im Treibstoff wird ein Teil des Lichts absorbiert. Das Licht verlässt den Treibstoff 4 durch die Fläche 12, und Luft 2 zum Detektor 8 hin. Durch die Absorption ist das Licht am Detektor auf die Intensität I₁ abgeschwächt.
1b zeigt, wie Lichtquelle 6 und Detektor 8 auf der gleichen Seite bzw. Fläche 14 des Treibstoffes 4 angeordnet sind. Licht der Intensität I₀ tritt wieder in Richtung der Pfeile 10 von der Lichtquelle 6 durch die Luft 2 in den Treibstoff 4 ein, wird dort teils absorbiert, wird an einer Oberfläche, nämlich der diffus streuenden Wand 16 eines Benzintanks, diffus reflektiert, durchquert nochmals den Treib stoff 4 und die Luft 2 und erreicht den Detektor 8 mit der Intensität I₁. Zur besseren Ausleuchtung des Detektors 8 ist vor diesem eine Sammellinse 18 angebracht.
In 1c sind die Licht entlang des Pfeils 10 aussendende Lichtquelle 6 und der Detektor 8 ebenfalls an der gleichen Fläche 14 des Treibstoffes 4 angeordnet. Ein Teil des Lichts wird im Treibstoff 4 absorbiert, ein Teil jedoch an dessen Fläche 14 bzw. Oberfläche reflektiert. Die Linse 18 sammelt wieder das restliche rückgestreute Licht der Intensität I₁ auf.
1d zeigt wie in den Treibstoff 4 eine Faser bzw. ein Glasaufbau 20 zur Lichtführung eingebracht ist, der an seinem in den Treibstoff 4 hineinreichenden Ende 22 eine Verspiegelung aufweist. Hier wird von der Lichtquelle 6 Licht der Intensität I₀ entlang der Pfeile 10 in den Glasaufbau eingestrahlt, an den Seitenflächen 24 unter Teilabsorption, wie in 1c, und am Ende 22 verlustfrei reflektiert und gelangt schließlich mit der Intensität I₁ zurück zum Detektor 8. Der Glasaufbau 20 ist hierbei z. B. eine Lichtleitfaser oder ein oben erläuterter ATR-Stab. Der Glasaufbau 20 ist so gewählt, dass er das Licht nicht absorbiert.
In 2 ist in einem Diagramm ein mit dem Verhältnis von empfangener Intensität I₁ zu eingestrahlter Intensität I₀ korrelierter Absorptionswert verschiedener Kraftstoffe über der Wellenlänge λ in μm aufgetragen. Die Kurven 26a–f zeigen NIR-Spektren von Benzin (Kurve 26a), Ethanol (26f) und Benzin-Ethanol-Gemischen (26b: 10% Ethanol/26c: 20% Ethanol/26d: 50% Ethanol/26e: 85% Ethanol). Jedem dieser Kraftstoffarten bzw. -zusammensetzungen wird sodann ein Kennwert k zu dessen Identifikation zugeordnet. Zur Aufnahme der Kurvenfrequenz 26a–f wurde ein Spektrometer scannendes MEMS-Mikrospektrometer in Transmissionsmessung gemäß 1a verwendet, wobei der Kraftstoff 4 in einer in 1 nicht dargestellten Quarzküvette mit einem optischen Weg von 10 mm Länge zwischen den Flächen 12 und 14 aufgenommen wurde. Zur Kurve 26a bis f wurden zwanzig scanns durchgeführt, wobei die optische Referenz an einer leeren Küvette aufgenommen wurde.
Die deutlichen Unterschiede der Spektren, also der Kurven 26a–f werden durch die Hydroxylgruppe des Ethanol verursacht. Diese Gruppe hat eine IR-Absorption die sich nach Frequenzlage und Absorptionsintensität stark von der Absorption durch die Kohlenwasserstoffe ohne funktionelle Gruppen unterscheidet. Die quantitative Bestimmung des Ethanolgehaltes ist auf der Basis dieser spektralen Messung aus dem Intensitätsverhältnis I₁/I₀ leicht möglich.
3 zeigt ein Sensorsystem 40, welches an einer Treibstoff 4 in Richtung des Pfeils 48 führenden Treibstoffleitung 42 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Die Treibstoffleitung 42 kann die den gesamten dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoff führende Hauptleitung oder auch eine Bypassleitung sein, durch welche ein Teil des Kraftstoffs fließt.
Das Sensorsystem 40 umfasst im prinzipiellen Aufbau nach 1a eine Messsystem 41 wie folgt. Es enthält eine Lichtquelle 6, im Beispiel eine Wolfram-Halogen-Lampe oder alternativ eine Laserdiode und als Detektor 8 ein der Wolfram-Halogen Lampe zugeordnetes Mikrospektrometer oder alternativ einen den Laserdioden zugeordneter Laserdetektor. In die Treibstoffleitung 42 ist eine Glasküvette 44 eingelassen, von welcher in 3 zwei Quarzglasfenster 46 dargestellt sind. Die Glasküvette 44 bildet die Messstelle im Treibstoffstrom bzw. in der Treibstoffleitung 42 und ist über Glasfasern 50 sowohl mit der Lichtquelle 6 als auch dem Detektor 8 verbunden.
Neben dem Messsystem 41 ist am Detektor 8 eine Auswerteelektronik 52 angeschlossen. Diese wertet die Intensitäten der vom Mikrospektrometer aufgenommenen Spektren bzw. des Laserdetektors aus. Die Intensität I₁ wird an ein Kalibrationsmodell 54 übermittelt. Dieses ist z. B. anhand der Kurven 26a–f aus 2 vorab im Labor erstellt. Alternativ kann die Intensität auch an ein Modul 66 übermittelt werden, das z. B. ein chemometrisches Verfahren an einem Spektrum durchführt oder die Intensität I₁ einen künstlichen neuronalen Netz (ANN) zuführt.
Kalibrationsmodell 54 und Modul 66 enthalten die gesamte Variationsbreite der Qualitäten bzw. Zusammensetzungen von Treibstoffen 4, welche potentiell durch de Treibstoffleitung 42 fließen können, also z. B. am Markt, an dem das Kraftfahrzeug betrieben wird, verfügbar sind. Für Treibstoffe außerhalb dieser Kalibrationsbereiche kann die Zusammensetzung nur ungenau bestimmt werden. Dies ist möglichst durch die Wahl passender Module 66 bzw. Kalibrationsmodelle 54 zu vermeiden.
Ein Teil der Auswertung der vom Detektor 8 aufgenommenen Spektren ist auch die Überprüfung der Gültigkeit der Messung, z. B. das Erreichen einer Mindestintensität I₁. Zusätzlich können die verwendeten Komponenten im Sensorsystem 40 mit nicht dargestellten Selbstdiagnosesystemen ausgestattet werden. Eventuelle Fehler können dann über einen nicht dargestellten Bordcomputer dem nicht dargestellten Fahrer des Kraftfahrzeuges mitgeteilt werden oder für eine erforderliche Wartung gespeichert werden.
Kalibrationsmodell 54 bzw. Modul 66 liefern an ihren Ausgängen abschließend einen den Kraftstoff bzw. dessen Zusammensetzung kennzeichnenden Kennwert k. Aus diesem wieder ermitteln sie einen für den Kraftstoff 4 optimalen Wert für einen Betriebsparameter für den Verbrennungsmotor z. B. einen Vorgabewert z für den Zündzeitpunkt. Dieser ist somit genau auf den gerade durch die Kraftstoffleitung 42 fließenden Kraftstoff 4 mit dem Kennwert k abgestimmt.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Sensorsystems 40, bei welchem die Lichtquelle 6 einen Strahlteiler 56 und zwei in den Strahlteiler 56 einstrahlende Leucht diode 58a der Wellenlänge λ₁ = 1,3 μm und 58b der Wellenlänge λ₂ = 1,55 μm enthält. Der Strahlteiler 56 teilt die eingestrahlte Intensität im Verhältnis τ₁ bzw. τ₂ _, Weiterhin enthält die Lichtquelle 6 eine Referenzfotodiode 60. Die Leuchtdioden 58a, b werden im zeitlichen Wechsel betrieben, so dass jeweils eine von beiden Licht zur Referenzfotodiode 60 und zur Glasküvette 44 hin ausstrahlt. Die Referenzdiode liefert somit eine Information über die Intensität I₀ des in den Kraftstoff 4 eingestrahlten Lichts, bei einem 50/50-Strahlteiler 56 diese sogar exakt. Die Absorption des Treibstoffes 4 wird wieder gemäß 1a in Transmission durch einen Detektor 8, welcher für beide Wellenlängen der Leuchtdioden 58a, b gleichermaßen geeignet ist, über die Intensität I₁ gemessen.
5 zeigt aus 4 den Signalverlauf des mit der Intensität I₁ korrelierten Detektorsignals 62 des Detektors 8 und des mit der Intensität I₀ korrelierten Referenzsignals 64 in der Referenzfotodiode 60 über der Zeit t. Über den jeweils mit A bezeichneten Zeitabschnitten leuchtet nur die Leuchtdiode 58a, in den jeweils mit B bezeichneten Zeitabschnitten nur die Leuchtdiode 58b. Aus dem Verhältnis der jeweiligen Intensitäten I₁, also des Detektorsignals 62 in den Zeitabschnitten B und A lässt sich ein von der Transmission der Küvette 44 unabhängiges Signal gewinnen, das mit der Ethanolkonzentration im Kraftstoff korreliert ist. In 2 entsprechen nämlich diese Werte jeweils den Kurvenpunkten bei den entsprechenden Wellenlängen 1,3 und 1,55 μm, so dass eine passende der Kurven 26a–f detektiert werden kann.
Das Referenzsignal 64 dient zu Überwachung der Intensität bzw. Drift der beiden Leuchtdioden 58a, b. Die Leuchtdioden 58a, b sind bei den ausgewählten Wellenlängen in ausgereifter Form verfügbar, weil gerade diese Wellenlängen in der optischen Nachrichtentechnik verwendet werden. In diesem Wellenlängenbereich sind außerdem keine Spezialgläser für die Fenster 46 von Nöten.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffen (4) verschiedener Zusammensetzung (26a–f), bei dem: – zumindest ein Teil des dem Verbrennungsmotor im Betrieb zugeführten Kraftstoffes (4) mit Licht (10) bestrahlt wird, – eine Intensität (I₁) des den Kraftstoff (4) durchdringenden (1a, b) oder vom Kraftstoff (4) reflektierten (1c, d) Lichts (10) bei mindestens einer Wellenlänge (λ_1,2) bestimmt wird, – aus der Intensität (I₁) ein mit der Zusammensetzung (26a–f) des Kraftstoffs (4) korrelierter Kennwert (k) bestimmt wird, – ein Betriebsparameter (z) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kennwerts (k) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kraftstoff (4) mit Licht (10) von zumindest annähernd 0,8–2,5 μm Wellenlänge (λ) bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Intensität (I₁) bei mehreren Wellenlängen (λ_1,2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Intensität (I₁) bei den verschiedenen Wellenlängen (λ_1,2) im zeitlichen Wechsel (A, B) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kraftstoff (4) nur mit einem Teil (τ₁) des Lichts (10) bestrahlt wird, und der andere Teil (τ₂) des Lichts (10) in einen Referenzempfänger (60) eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Kennwert (k) eine oder mehrere der Größen: Anteil biogener Komponenten/Bioethanolgehalt/Ethanolgehalt/Zündeigenschaften/Siedeeigenschaften/Brennwert/Oktanzahl/Cetanzahl bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kennwert (k) aus der Intensität (I₁) mit Hilfe von chemometrischen Methoden (66) und/oder neuronalen Netzen (66) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kennwert (k) aus der Intensität (I₁) mit Hilfe eines Kalibrationsmodells (54) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges betrieben wird.
Vorrichtung (40) zur Bestimmung eines Betriebsparameters (z) eines mit Kraftstoffen (4) verschiedener Zusammensetzung (26a–f) betreibbaren Verbrennungsmotors, enthaltend: – eine Messeinheit (41) mit einer zumindest einen Teil des dem Verbrennungsmotor im Betrieb zugeführten Kraftstoffes (4) mit Licht (10) bestrahlenden Lichtquelle (6) und einem Detektor (8) für den Kraftstoff (4) durchstrahlendes oder von diesem reflektiertes Licht (10), – eine mit dem Detektor (8) verbundene Auswerteeinheit (52) zur Bestimmung einer Intensität (I₁) für das Licht (10) bei mindestens einer Wellenlänge (λ_1,2), und eines mit der Zusammensetzung (26a–f) des Kraftstoffs (4) korrelierten Kennwertes (k) aus der Intensität (I₁), und eines Betriebsparameters (z) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Kennwertes (k).
Vorrichtung (40) nach Anspruch 10, bei der die Messeinheit (41) eine Durchstrahlungsmesseinheit ist.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 10, bei der die Messeinheit (41) eine Reflexionsmesseinheit ist.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der der Detektor (8) ein Spektrometer auf Basis der SI-Mikromechanik ist.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der die Lichtquelle (6) eine Wolfram-Halogen-Lampe enthält.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der die Lichtquelle (6) eine Laserdiode oder Leuchtdiode enthält.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der die Lichtquelle (6) einen Strahlteiler (56) und einen Referenz-Empfänger (60) enthält.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der eine erste Wellenlänge (λ₁) des Lichts (10) so gewählt ist, dass die Intensität (I₁) für eine Menge bekannter Kraftstoffe (26a–f) zumindest annähernd konstant ist, und eine zweite Wellenlänge (λ₂) des Lichts (10) so gewählt ist, dass für die Menge bekannter Kraftstoffe (26a–f) die Intensität (I₁) unterschiedlich ist.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 17, bei der die zweite Wellenlänge (λ₂) im Bereich der OH-Bande liegt.