DE102008041609A1

DE102008041609A1 - Method for determining composition of e.g. benzene and alcohol mixture in diesel engine of motor vehicle, involves coupling light of wavelength into chamber, where wavelength of light is smaller than wavelength range of backscattered light

Info

Publication number: DE102008041609A1
Application number: DE200810041609
Authority: DE
Inventors: Philipp Rogler; Corren Heimgaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-04

Abstract

The method involves coupling a light of a predetermined wavelength into a measuring chamber (60) by a sensor arrangement (1) i.e. alcohol sensor. A fuel mixture is guided through the chamber before reaching an internal combustion engine (80). A backscattered light from a scattering volume (64) of the mixture is decoupled inside the chamber and is supplied to a detector unit (40). An optical sensor (42) i.e. photodiode, is provided for detecting a wavelength of the backscattered light, where the wavelength of the coupled light is smaller than a wavelength range of the backscattered light. An independent claim is also included for a device for determining a composition of a fuel mixture in an internal combustion engine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs bei einer Brennkraftmaschine, welche mit einem Kraftstoffgemisch aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff betrieben wird.The The invention relates to a method for determining the composition a fuel mixture in an internal combustion engine, which with a fuel mixture of a first and at least a second Fuel is operated.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention further relates to a corresponding device for Implementation of the procedure.

Brennkraftmaschinen auf der Basis von Otto-Motoren werden allgemein mit Kraftstoff aus Kohlenwasserstoffen aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus nachwachsenden Rohstoffen (Pflanzen) erzeugter Alkohol, beispielsweise Ethanol oder Methanol, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen beigemengt. In den USA und in Europa wird oft eine Mischung aus 85% Ethanol und 15% Benzin unter dem Markennamen E85 eingesetzt. Die Brennkraftmaschinen sind so ausgelegt, dass sie sowohl mit reinem Benzin als auch mit Mischungen bis hin zu E85 betrieben werden können; dies wird mit „Flex-Fuel-Betrieb” bezeichnet. Für einen sparsamen Betrieb mit einem geringen Schadstoffausstoß bei gleichzeitig hoher Motorleistung und der Sicherstellung eines aussetzerfreien Motorbetriebs müssen die Betriebsparameter im Flex-Fuel-Betrieb an die jeweilig vorliegende Kraftstoff-Mischung angepasst werden. Beispielhaft liegt ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoff-Verhältnis bei 14,7 Gewichtsanteilen Luft pro Anteil Benzin vor, bei Verwendung von Ethanol muss jedoch ein Luftanteil von 9 Gewichtsanteilen eingestellt werden.Internal combustion engines On the basis of gasoline engines are generally fueled Hydrocarbons derived from fossil fuels based on refined Operated oil. To this fuel is increasingly off renewable raw materials (plants) produced alcohol, for example Ethanol or methanol, in different mixing ratios added. In the US and in Europe is often a mix of 85% ethanol and 15% gasoline used under the brand name E85. The internal combustion engines are designed so that they are both pure Gasoline can also be operated with mixtures up to E85; this is called "flex-fuel operation". For economical operation with low pollutant emissions at the same time high engine performance and the assurance of a misfire-free Engine operation must have the operating parameters in flex-fuel operation be adapted to the respective present fuel mixture. By way of example, there is a stoichiometric air / fuel ratio at 14.7 parts by weight of air per part of gasoline before use However, ethanol must be adjusted to an air content of 9 parts by weight.

Über das Zusammenspiel von Sensoren wird die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also der Sauerstoff-Partialdruck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik der Brennkraftmaschine weiter geleitet. Auf Basis dieser Sensordaten wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Einstellung des Zündzeitpunkts und des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses, optimiert.about the interaction of sensors becomes the instantaneous fuel composition before the injection time and the instantaneous exhaust gas composition, So the oxygen partial pressure in the exhaust gas, determined and to the control electronics the internal combustion engine passed on. Based on this sensor data is the combustion of the internal combustion engine, in particular over the setting of the ignition timing and the cheapest Air / fuel ratio, optimized.

Zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs werden unterschiedliche Kraftstoffartensensoren, auch als „fuel composition sensors” bezeichnet, eingesetzt. Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedlichen Eigenschaften von Alkohol und Benzin zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung. So ist beispielsweise Ethanol ein protisches Lösemittel, welches Wasserstoffionen enthält und eine große, jedoch vom Wassergehalt abhängige, Dielektrizitätskonstante aufweist. Benzin hingegen ist ein aprotisches Lösemittel mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten. Darauf basierend gibt es Kraftstoffartensensoren, welche die Kraftstoffzusammensetzung anhand der dielektrischen Eigenschaften des Kraftstoffgemischs bestimmen. Andere Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit oder die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Kraftstoffe wie beispielhaft die unterschiedlichen Brechungsindices.to Determining the composition of the fuel mixture will be different Fuel type sensors, also referred to as "fuel composition sensors", used. Fuel type sensors use the different ones Properties of alcohol and gasoline for determination of fuel composition. For example, ethanol is a protic solvent, which contains hydrogen ions and a large, however, dependent on the water content, dielectric constant having. Gasoline, on the other hand, is an aprotic solvent with a small dielectric constant. Based on that There are fuel type sensors which determine the fuel composition determine the dielectric properties of the fuel mixture. Other fuel type sensors use the different electrical Conductivity or the different optical properties the fuels such as the different refractive indices.

Aus der DE 42 10 860 C2 ist beispielsweise ein System für die Erfassung der Benzinart bekannt. Hierbei wird mittels eines kapazitiven Sensors die Dielektrizitätskonstante des Benzins sowie mittels eines Temperatursensors die Temperatur des Benzins bestimmt. Aus diesen Informationen werden die Art des Benzins und die vorhandene Additivkonzentration bestimmt.From the DE 42 10 860 C2 For example, a system for detecting the type of gasoline is known. In this case, the dielectric constant of the gasoline is determined by means of a capacitive sensor and the temperature of the gasoline by means of a temperature sensor. From this information, the type of gasoline and the existing additive concentration are determined.

Aus der DE 69226453 T2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Brennstoffmischung bekannt. Entsprechend der Offenbarung dieser Schrift wird ein Lichtstrahl mit zwei oder mehr Wellenlängen durch die Kraftstoffmischung gesendet, deren Zusammensetzung bestimmt werden soll. Im Anschluss wird die relative Extinktion dieser Kraftstoffmischung bei jeder der Wellenlängen bestimmt. Zudem wird die Temperatur der Kraftstoffmischung erfasst. Die Analyse der relativen Extinktion und der Temperatur lässt Rückschlüsse auf die Kraftstoffmischung zu.From the DE 69226453 T2 For example, a method and apparatus for determining the composition of a fuel mixture is known. According to the disclosure of this document, a light beam having two or more wavelengths is transmitted through the fuel mixture whose composition is to be determined. Subsequently, the relative extinction of this fuel mixture is determined at each of the wavelengths. In addition, the temperature of the fuel mixture is detected. The analysis of the relative extinction and the temperature allows conclusions about the fuel mixture.

Weiterhin sind Systeme zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung bekannt, die keine speziellen Kraftstoffartensensoren verwenden sondern die die Signale der an der Brennkraftmaschine vorhandenen Sensoren auswerten. Sowohl bei diesen als auch bei den Systemen mit Kraftstoffartensensoren wird eine Gemischadaption vorgenommen, welche systematische Gemischfehler korrigiert, die beispielhaft durch Leckluft oder Raildruck-Offset auftreten können.Farther Systems are known for determining the fuel composition which do not use special fuel type sensors but the Evaluate the signals of existing on the engine sensors. Both in these systems and in the systems with fuel type sensors a mixture adaptation is carried out which shows systematic mixture errors Corrected, for example, by leakage air or rail pressure offset may occur.

Multiplikative Gemischfehler, die sich im gesamten Last-Drehzahlbereich gleich auswirken, können im stationären Betrieb eines betriebswarmen Motors zunächst nicht von Gemischabweichungen aufgrund eines geänderten Mischungsverhältnisses unterschieden werden. Ein geänderter Stöchiometriefaktor des Luft-Kraftstoff-Gemischs ist somit in diesem Fall nicht erkennbar und ein fehlerhaft arbeitender Ethanolsensor wäre nicht erkennbar und würde zu einer Vertrimmung der Gemischadaption führen.Multiplicative mixture errors, which have the same effect over the entire load-speed range, can not initially be distinguished from mixture deviations due to a changed mixing ratio in steady-state operation of a service-warming engine. A modified stoichiometric factor of the air force Substance mixture is therefore not visible in this case and a malfunctioning working ethanol sensor would not be recognizable and would lead to a balance of the mixture adaptation.

In Systemen ohne Ethanolsensor erfolgt die Bestimmung des Kraftstoff-Mischungsverhältnisses durch eine Kraftstoff-Adaption. Bei der Kraftstoff-Adaption wird nach einer Betankung die Gemisch-Adaption vorübergehend eingestellt und die Tankentlüftung wird gesperrt, damit nicht eine undefinierte Kraftstoffmenge über die Zuluft die Kraftstoff-Adaption verfälschen kann. Anschließend kann, beispielhaft über das für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Mengenverhältnis von Luft und Kraftstoff, das Kraftstoff-Mischungsverhältnis von Ethanol und Benzin bestimmt werden.In Systems without ethanol sensor, the determination of the fuel mixture ratio through a fuel adaptation. When the fuel adaptation is after a refueling the mixture adaptation temporarily set and the tank ventilation is locked so that not an undefined amount of fuel over the supply air can falsify the fuel adaptation. Subsequently can exemplify this for a stoichiometric Combustion required quantity ratio of air and Fuel, the fuel mixture ratio of ethanol and gasoline are determined.

Insbesondere eine temporäre aber systematische während der Kraftstoff-Adaption vorliegende Gemischabweichung führt zu einer Divergenz der Adaptionswerte. Ebenso kann ein nicht korrekt adaptiertes Kraftstoff-Mischungsverhältnis fälschlicherweise als Gemischfehler in der Gemisch-Adaption adaptiert werden oder ein während der Kraftstoff-Adaption auftretender Gemischfehler in der Kraftstoff-Adaption fälschlicherweise als Kraftstoff-Mischungsverhältnis adaptiert werden. Ein falsch bestimmtes Kraftstoff-Mischungsverhältnis wirkt sich verfälschend auf die Einstellungen der Motorsteuerung zur Zündwinkelberechnung, zum Kaltstartverhalten und zur Optimierung des Wirkungsgrads aus.Especially a temporary but systematic during the Fuel adaptation present mixture deviation leads to a divergence of the adaptation values. Likewise, one may not be correct adapted fuel mixing ratio incorrectly be adapted as a mixture error in the mixture adaptation or a during fuel adaptation occurring mixture error in the fuel adaptation mistakenly as a fuel mixing ratio be adapted. An incorrectly determined fuel mixture ratio has a detrimental effect on the settings of the engine control for the ignition angle calculation, the cold start behavior and the Optimization of the efficiency.

All diese Verfahren sind aufwändig und störanfällig. Zudem kann ein sich ändernder Ethanolgehalt im Benzin nicht immer rechtzeitig und reproduzierbar bestimmt werden, da diese Verfahren nur indirekt auf den Ethanolgehalt reagieren.Alles These methods are complex and prone to failure. In addition, a changing ethanol content in gasoline can not always be determined in a timely and reproducible manner, as these procedures only indirectly respond to the ethanol content.

Anderseits gibt es zwischenzeitlich sehr genaue spektroskopische Labor-Methoden, mit denen u. a. Ethanol oder andere Substanzen im Kraftstoff sowohl qualitativ als auch quantitativ nachgewiesen werden können. Zu diesen Methoden gehören beispielsweise die IR-Spektroskopie oder die Raman-Spektroskopie. Nachteilig ist hierbei, dass diese Analysemethoden einen hohen Geräteaufwand besitzen und sich bisher nicht als Sensor für den Einsatz in Kraftfahrzeugen eigneten.On the other hand, meanwhile there are very precise spectroscopic laboratory methods, with those u. a. Ethanol or other substances in the fuel both can be detected qualitatively as well as quantitatively. These methods include, for example, IR spectroscopy or Raman spectroscopy. The disadvantage here is that these Own a high amount of equipment and analysis methods so far not as a sensor for use in motor vehicles appropriated.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes spektroskopisches Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige und kostengünstige Erkennung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus zumindest zwei Kraftstoffen, insbesondere die exakte Bestimmung eines Ethanolgehaltes im Benzin ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine entsprechende kostengünstige und kompakte Sensorvorrichtung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bereitzustellen.It It is therefore an object of the invention to provide a simplified spectroscopic To provide a method which is a reliable and cost-effective detection of the composition of a fuel mixture at least two fuels, in particular the exact determination an ethanol content in the gasoline allows. Another The object of the invention is a corresponding inexpensive and compact sensor device for use in motor vehicles provide.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass mittels einer Sensoranordnung Licht einer bestimmten Wellenlänge in eine Messkammer, durch die das Kraftstoffgemisch vor Erreichen der Brennkraftmaschine geleitet wird, eingekoppelt und das rückgestreute Licht aus einem Streuvolumen des Kraftstoffgemischs innerhalb der Messkammer ausgekoppelt und einer Detektoreinheit der Sensoranordnung, welche mindestens einen optischen Sensor zur Detektion der Wellenlänge des rückgestreuten Lichtes aufweist, zugeführt wird, wobei die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes kleiner ist als der Wellenlängenbereich des rückgestreuten Lichtes.The The object of the invention relating to the method is solved by that by means of a sensor array light of a certain wavelength into a measuring chamber, through which the fuel mixture before reaching the internal combustion engine is passed, coupled and the backscattered Light from a scattering volume of the fuel mixture within the Disconnected measuring chamber and a detector unit of the sensor array, which at least one optical sensor for detecting the wavelength of the backscattered light supplied is where the wavelength of the incident light smaller than the wavelength range of the backscattered Light.

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe sieht als Lösung vor, dass in einer Kraftstoffleitung zwischen Kraftstofftank und Brennkraftmaschine eine Messkammer angeordnet ist, in die mittels einer Sensoranordnung Licht aus einer Emittereinheit der Sensor-Anordnung einer bestimmten Wellenlänge in die Messkammer einkoppelbar ist und das rückgestreute Licht aus einem Streuvolumen des Kraftstoffgemischs innerhalb der Messkammer auskoppelbar und einer Detektoreinheit der Sensoranordnung, welche mindestens einen optischen Sensor zur Detektion der Wellenlänge des rückgestreuten Lichtes aufweist, zuführbar ist, wobei die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes kleiner ist als der Wellenlängenbereich des rückgestreuten Lichtes.The the task concerning the device provides as a solution that in a fuel line between the fuel tank and the engine a measuring chamber is arranged, into which by means of a sensor arrangement light from an emitter unit of the sensor arrangement of a certain wavelength can be coupled into the measuring chamber and the backscattered Light from a scattering volume of the fuel mixture within the Disconnectable measuring chamber and a detector unit of the sensor arrangement, which at least one optical sensor for detecting the wavelength the backscattered light, can be fed is, wherein the wavelength of the incident light is smaller is as the wavelength range of the backscattered Light.

Das vorgeschlagene physikalische Messprinzip des Verfahrens basiert auf der aus wissenschaftlichen Untersuchungen schon lange bekannten Raman-Spektroskopie. Dabei werden die Elektronen der Moleküle einer Spezies mit Hilfe einer Lichtquelle kurzzeitig (für ca. 10^–11 s) auf ein virtuelles, d. h. nicht stabiles Energieniveau gebracht und die von der Anregungswellenlänge frequenzverschobene emittierte Strahlung gemessen.The proposed physical measurement principle of the method is based on the well-known from scientific studies Raman spectroscopy. In this case, the electrons of the molecules of a species are briefly (for about 10 ^-11 s) brought to a virtual, ie non-stable energy level by means of a light source and measured the frequency-shifted by the excitation wavelength emitted radiation.

Danach gibt es in der hier zu betrachtenden linearen Raman-Streuung zwei Möglichkeiten:

1. Das Elektron gibt in Form von Strahlung mehr Energie ab, als es unmittelbar zuvor gespeichert hat, oder
2. Das Elektron gibt in Form von Strahlung weniger Energie ab, als es unmittelbar zuvor gespeichert hat.

Thereafter, in the linear Raman scattering to be considered here, there are two possibilities:

1. The electron gives off more energy in the form of radiation than it has stored immediately before, or
2. The electron gives off less energy in the form of radiation than it has stored immediately before.

Im vorliegenden Fall (T < 100°C ) befinden sich die überwiegende Zahl der Moleküle im Grundzustand (Vibrationsniveau = 0). Quantenmechanisch gilt bei der linearen Vibrations-Raman-Streuung die Regel „Vibrationsniveau danach = Vibrationsniveau vorher ±1”. Detektiert werden daher mit den optischen Sensoren gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wellenlängen λ = c/(νAnregung – Δν) (1)mit der Lichtgeschwindigkeit c = 3·10⁸ m/s, ν_Anregung der Anregungsfrequenz der Lichtquelle und Δν der Frequenzverschiebung aufgrund der Raman-Streuung, der so genannten Stokes-Verschiebung.In the present case (T <100 ° C) the majority of the molecules are in the ground state (vibration level = 0). Quantum-mechanically, the rule "vibration level after = vibration level before ± 1" applies to the linear vibration Raman scattering. Therefore, the wavelengths are detected with the optical sensors according to the method of the invention λ = c / (ν stimulation - Δν) (1) with the speed of light c = 3 · 10 ⁸ m / s, ν _{excitation of} the excitation frequency of the light source and Δν of the frequency shift due to the Raman scattering, the so-called Stokes shift.

Die gequantelten Energieabstände und damit die emittierte Strahlung ist charakteristisch für den chemischen Aufbau des Moleküls, so dass sich beispielsweise Alkohole mit ihren OH-Gruppen sehr gut von olefinischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen unterscheiden lassen. Man erhält quasi einen Fingerabdruck der im Kraftstoff enthaltenen Spezies. Ist das Emissionsspektrum eines Stoffes bekannt, so muss nicht ein gesamter Spektralbereich mittels eines konventionellen Spektrometers vermessen werden. Bei der Raman-Streuung wird die Raman-Verschiebung in den Spektren energieproportional dargestellt. Ein Maß dafür stellt die Wellenzahl dar. Diese ist insbesondere in der Spektroskopie weit verbreitet und lässt sich mit der Beziehung k = 10000/λ (2)leicht aus der entsprechenden Wellenlänge des Lichtes umrechnen (k steht für die Wellenzahl in cm^–1 und λ für die Wellenlänge des Lichtes in μm).The quantized energy gaps and thus the emitted radiation is characteristic of the chemical structure of the molecule, so that, for example, alcohols with their OH groups can be distinguished very well from olefinic or aromatic hydrocarbons. You get virtually a fingerprint of the species contained in the fuel. If the emission spectrum of a substance is known, then it is not necessary to measure an entire spectral range using a conventional spectrometer. In the case of Raman scattering, the Raman shift in the spectra is displayed proportionally to energy. A measure of this is the wavenumber. This is particularly widespread in spectroscopy and can be combined with the relationship k = 10000 / λ (2) easily convert from the corresponding wavelength of the light (k stands for the wavenumber in cm ^-1 and λ for the wavelength of the light in μm).

Besonders vorteilhaft ist es daher, dass zum Nachweis des zweiten Kraftstoffs im Kraftstoffgemisch, beispielsweise Ethanol, die spektrale Empfindlichkeit des optischen Sensors auf den für den zweiten Kraftstoff charakteristischen Bereich des Spektrums begrenzt wird. Dies reduziert beträchtlich den apparativen Aufwand gegenüber den bisherigen Spektroskopischen Verfahren und ermöglicht den Aufbau sehr kompakter und robuster sowie preiswerter Sensorsysteme, die direkt im Umfeld der Brennkraftmaschine eingesetzt werden können. Gegenüber dem Stand der Technik kann zudem die Messgenauigkeit gesteigert werden.Especially It is therefore advantageous that for the detection of the second fuel in the fuel mixture, for example ethanol, the spectral sensitivity of the optical sensor on the characteristic of the second fuel Range of the spectrum is limited. This reduces considerably the expenditure on equipment compared to the previous spectroscopic Method and allows the construction very compact and robust and inexpensive sensor systems, which are located directly in the environment of Internal combustion engine can be used. Across from The prior art can also increase the accuracy of measurement become.

Eine Auswertevariante sieht vor, dass aus der absoluten Intensität des mit dem optischen Sensor gemessenen Signals der prozentuale Anteil des zweiten Kraftstoffs im Kraftstoffgemisch bestimmt wird. Im Allgemeinen besteht zwischen der gemessenen Intensität und dem prozentualen Anteil ein linearer Zusammenhang, so dass sich mit dieser Variante eine einfache Auswertung realisieren lässt.A Auswertevariante provides that from the absolute intensity the signal measured with the optical sensor, the percentage Proportion of the second fuel in the fuel mixture is determined. In general, there is between the measured intensity and the percentage share a linear relationship, so that With this variant, a simple evaluation can be realized.

Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass mittels eines zweiten optischen Sensors ein gegenüber dem ersten optischen Sensor anderer Spektralbereich des vom Streuvolumen der Messkammer rückgestreuten Lichtes gemessen wird, welcher charakteristisch für den ersten Kraftstoff (hier z. B. Benzin) im Kraftstoffgemisch ist. Diese Detektion in zwei voneinander unabhängigen Messkanälen bietet insbesondere Vorteile im Hinblick auf Verschmutzungen oder Alterungseffekte der optischen Sensoren. Dabei ist vorgesehen, dass die gemessene Signalintensität des ersten optischen Sensors mit der gemessenen Signalintensität des zweiten optischen Sensors ins Verhältnis gesetzt und aus dem Quotienten beider gemessener Intensitäten der prozentuale Anteil des zweiten Kraftstoffs im Kraftstoffgemisch bestimmt wird. Diese Verfahrensvariante ist wesentlich unanfälliger gegenüber Verschmutzungen und Alterungseffekten und bietet damit eine höhere Sicherheit bei der Anteilsbestimmung von Zumischungen im Kraftstoff. Auch hier besteht im Allgemeinen zwischen dem Quotienten der gemessenen Intensitäten und dem prozentualen Anteil ein linearer Zusammenhang, so dass sich auch mit dieser Variante eine einfache Auswertung realisieren lässt.A particularly preferred variant of the method provides that by means of a second optical sensor one opposite the first optical sensor of other spectral range of the scattering volume of the Measuring chamber backscattered light is measured, which characteristic of the first fuel (here eg gasoline) in the fuel mixture. This detection in two independent Measuring channels offers particular advantages in terms of Dirt or aging effects of the optical sensors. there it is envisaged that the measured signal intensity of the first optical sensor with the measured signal intensity ratio of the second optical sensor and from the quotient of both measured intensities the percentage Proportion of the second fuel in the fuel mixture is determined. This process variant is much less susceptible to Pollution and aging effects and thus offers a higher Safety in the determination of proportions of admixtures in the fuel. Again, there is generally between the quotient of the measured Intensities and the percentage a linear relationship, so that also realize a simple evaluation with this variant leaves.

Im Hinblick auf kurzzeitig auftretende Störungen bei der Signalübertragung, die im Umfeld einer Brennkraftmaschine immer wieder auftreten können, kann vorgesehen sein, dass die gemessenen Intensitäten des ersten optischen Sensors oder beider optischer Sensoren zeitlich integriert und mit den Werten der Integrale der prozentuale Anteil des zweiten Kraftstoffs im Kraftstoffgemisch bestimmt wird.in the With regard to transient disturbances in signal transmission, which can occur again and again in the environment of an internal combustion engine, can be provided that the measured intensities the first optical sensor or both optical sensors in time integrated and with the values of integrals the percentage of the second fuel in the fuel mixture is determined.

Für den Fall, dass der erste Kraftstoff Benzin ist und der zweite Kraftstoff Ethanol, Methanol, höherwertige Alkohole oder ein Gemisch aus diesen ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn mit dem ersten optischen Sensor das rückgestreute Licht in einem Spektralbereich detektiert wird, der gegenüber der eingestrahlten Anregungswellenlänge um eine OH-Bandenverschiebung im Bereich von 3200 bis 3600 cm^–1 verschoben ist, und mit dem zweiten Sensor das rückgestreute Licht in einem Spektralbereich detektiert wird, der gegenüber der eingestrahlten Anregungswellenlänge um eine CH-Bandenverschiebung im Bereich von 2800 bis 3100 cm^–1 verschoben ist, gemessen wird. Diese beiden Spektralbänder lassen eine eindeutige Unterscheidung zwischen Ethanol und Benzin zu. Aus dem Verhältnis der charakteristischen Bandenstreuung von Kohlenwasserstoffen mit ihren CH-Banden und Ethanol mit seinen OH-Banden kann daher der Ethanolgehalt im Kraftstoff bestimmt werden.In the event that the first fuel is gasoline and the second fuel is ethanol, methanol, higher alcohols or a mixture of these, it is particularly advantageous if the backscattered light is detected with the first optical sensor in a spectral range that is opposite to the radiated excitation wavelength shifted by an OH band shift in the range of 3200 to 3600 cm ^-1 , and with the second sensor, the backscattered light is detected in a spectral range, which is shifted from the irradiated excitation wavelength by a CH-band shift in the range of 2800 to 3100 cm ^-1 , is measured. These two spectral bands allow for a clear distinction between ethanol and gasoline. From the ratio of the characteristic band dispersion of hydrocarbons with their CH bands and ethanol with its OH bands, therefore, the ethanol content in the fuel can be determined.

Als besonders effektiv hat sich herausgestellt, wenn zur Einstrahlung in die Messkammer Licht mit einer spektralen Verteilung im nahen Infrarotbereich (NIR) verwendet wird. Im Gegensatz zu einer konventionellen Absorptionsmessung reicht bei der Raman-Streuung eine derartige Lichtquelle aus, da hier die recht aufwändigen Lichtquellen mit verschiedenen Anregungswellenlängen entfallen können. Die Anregung im NIR-Bereich bietet dabei mehrere Vorteile. Einerseits steigt bei Raman-Messungen zwar die zu erwartende Signalintensität des rückgestreuten Lichtes mit der vierten Potenz der eingestrahlten Lichtwellenlänge, womit kürzere Anregungswellenlängen grundsätzlich höhere Signalintensitäten ergeben. Andererseits wird aber auch mit kürzer werdender Anregungswellenlänge ein zunehmendes Fluoreszenzuntergrundsignal verzeichnet, welches eine Auswertung stören kann. Eine Anregungswellenlänge im NIR-Bereich ist daher im Hinblick auf die Vermeidung eines derartigen Fluoreszenzrauschens optimal. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Wellenlängenverschiebung des rückgestreuten Lichtes größer wird, so dass das rückgestreute Licht mit den unterschiedlichen Wellenlängen, abhängig von den Charakteristika der beteiligten Spezies, besser getrennt werden kann.When Particularly effective has been found when irradiation into the measuring chamber light with a spectral distribution in the near Infrared range (NIR) is used. Unlike a conventional one Absorption measurement is sufficient for Raman scattering Light source, because here the quite complex light sources can be omitted with different excitation wavelengths. The excitation in the NIR range offers several advantages. On the one hand Although the expected signal intensity increases with Raman measurements of the backscattered light with the fourth power of the irradiated Wavelength of light, resulting in shorter excitation wavelengths basically higher signal intensities result. On the other hand, but also becomes shorter Excitation wavelength an increasing fluorescence background signal recorded, which can disturb an evaluation. A Excitation wavelength in the NIR range is therefore in view to avoid such a fluorescence noise optimally. Furthermore, it is advantageous that the wavelength shift the backscattered light gets bigger, so that the backscattered light with the different Wavelengths, depending on the characteristics of the involved species, can be separated better.

Hinsichtlich der Ausgestaltung der Vorrichtung ist es daher vorteilhaft, wenn die Emittereinheit eine Laserdiode als Lichtquelle aufweist, die in einem Wellenlängenbereich emittiert, welcher im nahen Infrarot im Bereich von 750 nm bis 900 nm liegt, und die Detektoreinheit optische Sensoren aufweist, die als Photodioden ausgebildet sind, welche eine spektrale Empfindlichkeit im Bereich von 900 nm bis 1300 nm aufweisen. Laserdioden mit einer spektralen Emission bei 785 nm oder 808 nm sind besonders geeignet, wobei eine mit 808 nm besonders vorteilhaft hinsichtlich der Kosten ist.Regarding The configuration of the device, it is therefore advantageous if the emitter unit comprises a laser diode as a light source, the emitted in a wavelength range which in the near Infrared is in the range of 750 nm to 900 nm, and the detector unit has optical sensors which are designed as photodiodes, which has a spectral sensitivity in the range of 900 nm to 1300 nm. Laser diodes with a spectral emission at 785 nm or 808 nm are particularly suitable, one with 808 nm is particularly advantageous in terms of cost.

Für die zu detektierenden Wellenlängenbereiche ergeben sich daher folgende Zahlenbeispiele:For the wavelength ranges to be detected arise therefore the following numerical examples:

AnregungswellenlängeExcitation wavelength

λ laser = 785 nm → k laser = 1 / λ laser = 12739 cm -1 (3)

Raman-Streuung für EthanolRaman scattering for ethanol

Δk = 3400 cm -1 (4)

Für den zu detektierenden Wellenlängenbereich ergibt sich demnach λRaman = 10000/(kLaser – Δk) = 10000/(12739 cm–1 – 3400 cm–1) = 1,071 μm (5) Accordingly, for the wavelength range to be detected λ Raman = 10000 / (k laser - Δk) = 10000 / (12739 cm -1 - 3400 cm -1 ) = 1.071 μm (5)

Weisen die Emittereinheit und/oder die Detektoreinheit optische Filter auf, können damit die Spektralbereiche weiter eingeschränkt werden, womit sich eine erhöhte Trennschärfe und damit eine höhere Genauigkeit bei der Anteilsbestimmung erzielen lässt. Beispielsweise lassen sich dann gleiche Photodioden als optische Sensoren verwenden, die lediglich an den jeweiligen Spektralbereich angepasste unterschiedliche Filtereinsätze aufweisen. Damit kann die elektrische Beschaltung bzw. die Auswerteelektronik standardisiert werden.Point the emitter unit and / or the detector unit optical filters on, so that the spectral ranges can be further restricted become, with which an increased selectivity and thus a higher accuracy in the determination of shares achieve. For example, the same can then be done Use photodiodes as optical sensors, which only to the Respective spectral range matched different filter cartridges exhibit. This can be the electrical wiring or evaluation be standardized.

Somit ergeben sich für die Filter der zu detektierenden Wellenlängenbereiche folgende Werte: Laser-Wellenlänge 785 nm 808 nm Raman-Verschiebung Spektralbereich Benzin 1006 bis 1037 nm 1044 bis 1078 nm 2800 bis 3100 cm^–1 Spektralbereich Ethanol 1048 bis 1094 nm 1090 bis 1139 nm 3200 bis 3600 cm^–1 Spektralbereich Wasser 1071 bis 1144 nm 1114 bis 1194 nm 3400 bis 4000 cm^–1 Thus, the following values result for the filters of the wavelength ranges to be detected: Laser wavelength 785 nm 808 nm Raman shift Spectral range gasoline 1006 to 1037 nm 1044 to 1078 nm 2800 to 3100 cm ^-1 Spectral range ethanol 1048 to 1094 nm 1090 to 1139 nm 3200 to 3600 cm ^-1 Spectral range water 1071 to 1144 nm 1114 to 1194 nm 3400 to 4000 cm ^-1

Eine Möglichkeit der Filterrealisierung wäre, eine Beschichtung speziell für den jeweiligen optischen Sensor auszulegen und diese auf eine Glasplatte aufzudampfen, die dem jeweiligen Sensor vorgeschaltet ist (dielektrischer Filter).A Possibility of filter realization would be one Coating specifically for the respective optical sensor be interpreted and vaporized on a glass plate, the respective Sensor is connected upstream (dielectric filter).

Um den zeitlichen Verlauf der in die Messkammer eingestrahlten Lichtintensität zu steuern bzw. die mit den optischen Sensoren gemessene Intensität des rückgestreuten Lichtes innerhalb des jeweiligen Spektralbereichs auszuwerten und einen Wert für den prozentualen Anteil des zweiten Kraftstoffes im Kraftstoffgemisch zu bestimmen, ist eine entsprechende Steuer- und Auswerteelektronik vorgesehen. Die Steuer- und Auswerteelektronik ist üblicherweise mit einer übergeordneten Motorsteuerung verbunden. So kann beispielsweise eine Ethanolbestimmung in bestimmten Zeitabständen ausgelöst oder von der übergeordneten Motorsteuerung eingeleitet werden. Die Steuer- und Auswerteelektronik kann einerseits integraler Bestandteil der Sensoranordnung mit der Detektoreinheit und der Emittereinheit sein oder von dieser räumlich getrennt, beispielsweise als Bestandteil der übergeordneten Motorsteuerung, angeordnet sein.Around the temporal course of the irradiated light intensity in the measuring chamber or measured with the optical sensors intensity the backscattered light within the respective spectral range evaluate and a value for the percentage of the second fuel in the fuel mixture is a corresponding control and evaluation provided. The Control and evaluation is usually with a parent Motor control connected. For example, an ethanol determination triggered at certain intervals or by the higher-level engine control are initiated. The Control and evaluation electronics can on the one hand an integral part the sensor arrangement with the detector unit and the emitter unit be or spatially separated from it, for example as part of the superordinate engine control system be.

In einer besonders kompakten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung einen halbdurchlässigen Spiegel aufweist, durch den das Licht der Emittereinheit in die Messkammer eingestrahlt und das rückgestreute Licht aus der Messkammer zu der Detektoreinheit mit den optischen Sensoren reflektiert wird.In a particularly compact design is provided that the Sensor arrangement has a semipermeable mirror, through which the light of the emitter unit is radiated into the measuring chamber and the backscattered light from the measuring chamber to the detector unit is reflected with the optical sensors.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung mit der Emittereinheit und der Detektoreinheit und die Messkammer eine kompakte Einheit bilden. In einer anderen Ausführungsvariante kann die Sensoranordnung mit der Messkammer, über eine Lichtübertragungsstrecke verbunden, voneinander räumlich getrennt angeordnet sein. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die Messkammer selbst sehr nahe am Motor angeordnet sein kann und die elektronischen Komponenten (Laserdiode, Photodioden etc.) in kälteren Bereichen im Motorraum verbaut sein können.In a variant is provided that the sensor arrangement with the emitter unit and the detector unit and the measuring chamber to form a compact unit. In another embodiment variant can the sensor arrangement with the measuring chamber, via a light transmission path connected, be arranged spatially separated from each other. This arrangement offers the advantage that the measuring chamber itself is very close can be arranged on the engine and the electronic components (Laser diode, photodiodes etc.) in colder areas in the Engine compartment can be installed.

Die Messkammer weist in beiden Fällen ein Fenster auf, durch das das anregende Licht von der Emittereinheit in die Messkammer gelangt und das rückgestreute Licht aus dem Streuvolumen innerhalb der Messkammer zur Detektoreinheit ausgekoppelt wird. Das Fenster bzw. die Lichtübertragungsstrecke weisen idealerweise für das aus dem Streuvolumen innerhalb der Messkammer rückgestreute Licht eine geringe Absorption auf. Als Lichtübertragungsstrecke eignen sich bei spielsweise Lichtleiter aus Glasfasern, da diese im Allgemeinen eine hohe Transmission im nahen Infrarotbereich aufweisen.The Measuring chamber has a window in both cases, through this is the stimulating light from the emitter unit into the measuring chamber passes and the backscattered light from the scattering volume within the measuring chamber is coupled to the detector unit. The window or the light transmission path ideally for the backscattered from the scattering volume within the measuring chamber Light on a low absorption. As a light transmission path For example, optical fibers made of glass fibers are suitable since these generally have a high transmission in the near infrared range.

Um schnelle Änderungen der Kraftstoffzusammensetzung erkennen zu können, was insbesondere im Bereich unmittelbar vor der Kraftstoffzuführung für die Einspritzventile der Brennkraftmaschine schwierig ist, ist es vorteilhaft, wenn die Messkammer in der Kraftstoffleitung direkt vor der Kraftstoffverteilung, direkt vor einer Einspritzanlage oder direkt vor einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dies kann beispielsweise mittels entsprechender Rails zu den Einspritzventilen bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung oder zu der Hochdruckpumpe realisiert werden. Als alternativer Einbauort ist eine Kombination der Messkammer mit der Niederdruck-Kraftstoffpumpe (EKP) geeignet.Around recognize rapid changes in the fuel composition to be able to do, especially in the area immediately before the fuel supply for the injectors the internal combustion engine is difficult, it is advantageous if the Measuring chamber in the fuel line directly in front of the fuel distribution, directly in front of an injection system or directly in front of a high-pressure fuel pump the internal combustion engine is arranged. This can be, for example by means of appropriate rails to the injection valves in internal combustion engines be realized with intake manifold injection or to the high pressure pump. As an alternative installation location is a combination of the measuring chamber with low pressure fuel pump (EKP).

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zuvor beschriebene Vorrichtung können daher besonders vorteilhaft bei allen Otto-Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung oder Direkteinspritzung eingesetzt werden, die mit ehanol- und/oder methanolhaltigen Benzinkraftstoffen mit einem Ethanol- bzw. Methanolanteil > 5 Vol.% betrieben werden sollen. Des Weiteren lässt sich mit dem beschriebenen Sensorprinzip auch der Anteil regenerativer Kraftstoffe (z. B. Rapsöl) im Diesel-Kraftstoff beim Betrieb von Dieselfahrzeugen ermitteln.The inventive method and the previously described Device can therefore be particularly advantageous in all Otto internal combustion engines with intake manifold injection or direct injection can be used with ethanol and / or methanol-containing gasoline fuels to be operated with an ethanol or methanol content> 5 vol.%. Of Further can be with the described sensor principle also the proportion of regenerative fuels (eg rapeseed oil) in diesel fuel when operating diesel vehicles.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the FIG Embodiment explained in more detail. Show it:

1 in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Ethanolsensors und 1 in a schematic representation of the structure of an ethanol sensor and

2 Raman-Spektren von einigen im Benzin-Kraftstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffen und Ethanol. 2 Raman spectra of some hydrocarbons and ethanol contained in gasoline fuel.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

1 zeigt beispielhaft in schematischer Darstellung den Aufbau einer als Ethanolsensor ausgebildeten Sensoranordnung 1, die als Hauptkomponenten eine Emittereinheit 20 und eine Detek toreinheit 40 aufweist. Zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs, hier beispielsweise ein Gemisch aus Benzin und Ethanol, ist vorgesehen, dass in einer Kraftstoffleitung zwischen Kraftstofftank 70 und Brennkraftmaschine 80 eine Messkammer 60 angeordnet ist, in die mittels der Sensoranordnung 1 Licht aus der Emittereinheit 20 der Sensor-Anordnung 1 einer bestimmten Wellenlänge in die Messkammer 60 eingekoppelt wird und das rückgestreute Licht aus einem Streuvolumen 64 des Kraftstoffgemischs innerhalb der Messkammer 60 ausgekoppelt und der Detektoreinheit 40 der Sensoranordnung 1 zugeführt wird. Die Messkammer 60 ist Idealerweise motornah, d. h. direkt vor der Kraftstoffverteilung für die Zylinder der Brennkraftmaschine 80 angeordnet und besitzt einen Eingang 61 und einen Ausgang 62 für die Kraftstoffzufuhr vom Kraftstofftank 70 und den Kraftstoffabfluss zur Brennkraftmaschine 80. 1 shows by way of example in a schematic representation the structure of a sensor arrangement designed as an ethanol sensor 1 , which as main components an emitter unit 20 and a detec tor unit 40 having. To determine the composition of a fuel mixture, here for example a mixture of gasoline and ethanol, it is provided that in a fuel line between the fuel tank 70 and internal combustion engine 80 a measuring chamber 60 is arranged in the means of the sensor arrangement 1 Light from the emitters purity 20 the sensor arrangement 1 a certain wavelength in the measuring chamber 60 coupled and the backscattered light from a scattering volume 64 of the fuel mixture within the measuring chamber 60 decoupled and the detector unit 40 the sensor arrangement 1 is supplied. The measuring chamber 60 Ideally, it is close to the engine, ie directly in front of the fuel distribution for the cylinders of the internal combustion engine 80 arranged and has an entrance 61 and an exit 62 for fuel supply from the fuel tank 70 and the fuel drain to the engine 80 ,

Die Emittereinheit 20 weist eine Laserdiode 21 als Lichtquelle auf, die in einem Wellenlängenbereich emittiert, welcher im nahen Infrarot (NIR) liegt. Derartige Laserdioden emittieren beispielsweise bei 785 nm oder bei 808 nm. Die Detektoreinheit 40 weist optische Sensoren 42, 44 auf, die als Photodioden oder Photomultiplier ausgebildet sind, welche eine spektrale Empfindlichkeit im Bereich von etwa 900 bis 1300 nm aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass der optische Sensor 42 insbesondere hinsichtlich seiner spektralen Empfindlichkeit auf einen Wellenlängenbereich von ca. 1040 bis 1100 nm für die Anregungswellenlänge 785 nm und ca. 1090 bis 1140 nm für die Anregungswellenlänge 808 nm – entsprechend einer Raman-Verschiebung von etwa 3200 bis 3600 cm^–1 – begrenzt und der optische Sensor 44 insbesondere hinsichtlich seiner spektralen Empfindlichkeit auf einen Wellenlängenbereich von ca. 1000 bis 1040 nm für die Anregungswellenlänge 785 nm und ca. 1040 bis 1080 nm für die Anregungswellenlänge 808 nm – entsprechend einer Raman-Verschiebung von etwa 2800 bis 3100 cm^–1 – begrenzt ist, so dass der eine optische Sensor 42 zur Detektion der OH-Bandenstreuung und der andere optische Sensor 44 zur Detektion der CH-Bandenstreuung genutzt werden kann. Zur genaueren Begrenzung der jeweiligen Spektralbereiche ist vorgesehen, dass die optischen Sensoren 42, 44 jeweils einen optischen Filter 41, 43 aufweisen. Im gezeigten Beispiel ist auch zur Begrenzung des abgestrahlten Spektrums der Laserdiode 21 ein optischer Filter 22 zugeordnet. Weitere Ausführungen in anderen Wellenlängenbereichen sind ebenfalls denkbar, wobei dann sehr schmalbandige Filter zum Einsatz kommen müssen.The emitter unit 20 has a laser diode 21 as a light source emitting in a wavelength region which is near infrared (NIR). Such laser diodes emit for example at 785 nm or at 808 nm. The detector unit 40 has optical sensors 42 . 44 formed as photodiodes or photomultipliers having a spectral sensitivity in the range of about 900 to 1300 nm. It is envisaged that the optical sensor 42 in particular with regard to its spectral sensitivity to a wavelength range of about 1040 to 1100 nm for the excitation wavelength 785 nm and about 1090 to 1140 nm for the excitation wavelength 808 nm - corresponding to a Raman shift of about 3200 to 3600 cm ^-1 - limited and the optical sensor 44 especially with regard to its spectral sensitivity to a wavelength range of about 1000 to 1040 nm for the excitation wavelength 785 nm and about 1040 to 1080 nm for the excitation wavelength 808 nm - corresponding to a Raman shift of about 2800 to 3100 cm ^-1 - limited, so that the one optical sensor 42 for detection of OH band scattering and the other optical sensor 44 can be used for the detection of CH band scattering. For more precise limitation of the respective spectral ranges is provided that the optical sensors 42 . 44 one optical filter each 41 . 43 exhibit. In the example shown, also for limiting the radiated spectrum of the laser diode 21 an optical filter 22 assigned. Other versions in other wavelength ranges are also conceivable, in which case very narrow-band filters must be used.

Die Sensoranordnung 1 mit der Emittereinheit 20 und der Detektoreinheit 40 und die Messkammer 60 sind im gezeigten Beispiel, über eine Lichtübertragungsstrecke 50 verbunden, voneinander räumlich getrennt angeordnet. Die Messkammer 60 weist ein Fenster 63 aus Glas auf. Das Fenster 63 und die Lichtübertragungsstrecke 50 sind derart ausgebildet, dass das Fenster 63 und die Lichtübertragungsstrecke 50 für das aus dem Streuvolumen 64 innerhalb der Messkammer 60 rückgestreute Licht eine geringe Absorption aufweisen. Als Lichtübertragungsstrecke 50 kann beispielsweise ein kurzes Rohr zwischen Messkammer und Sensoranordnung 1 oder die Verwendung von Glasfasern mit geringem Absorptionsvermögen für das rückgestreute Licht vorgesehen sein.The sensor arrangement 1 with the emitter unit 20 and the detector unit 40 and the measuring chamber 60 are in the example shown, via a light transmission path 50 connected, arranged spatially separated from each other. The measuring chamber 60 has a window 63 made of glass. The window 63 and the light transmission path 50 are designed such that the window 63 and the light transmission path 50 for that out of the scatter volume 64 within the measuring chamber 60 backscattered light have a low absorption. As a light transmission path 50 For example, a short tube between the measuring chamber and sensor array 1 or the use of low absorbency glass fibers for the backscattered light.

Im gezeigten Beispiel weist die Sensoranordnung 1 einen halbdurchlässigen Spiegel 30 auf, durch den das Licht der Emittereinheit 20 in die Messkammer 60 eingestrahlt und das rückgestreute Licht aus der Messkammer 60 zu der Detektoreinheit 40 mit den optischen Sensoren 42, 44 reflektiert wird.In the example shown, the sensor arrangement 1 a half-transparent mirror 30 on, through which the light of the emitter unit 20 into the measuring chamber 60 irradiated and the backscattered light from the measuring chamber 60 to the detector unit 40 with the optical sensors 42 . 44 is reflected.

Die Emittereinheit 20 und die Detektoreinheit 40 sind mit einer Steuer- und Auswerteelektronik 10 verbunden, mit der der zeitliche Verlauf der in die Messkammer 60 eingestrahlten Lichtintensität steuerbar, die mit den optischen Sensoren 42, 44 gemessene Intensität des rückgestreuten Lichtes innerhalb des jeweiligen Spektralbereichs auswertbar und ein Wert für den prozentualen Anteil von Ethanol im Kraftstoffgemisch bestimmbar ist.The emitter unit 20 and the detector unit 40 are equipped with control and evaluation electronics 10 connected with the timing of the in the measuring chamber 60 irradiated light intensity controllable with the optical sensors 42 . 44 measured intensity of the backscattered light within the respective spectral range evaluable and a value for the percentage of ethanol in the fuel mixture can be determined.

Dies geschieht nach folgender linearen Beziehung: EtOH (Vol.%) = c1·I(EtOH)/I(CH) (6) This happens according to the following linear relationship: EtOH (vol.%) = C 1 · I (EtOH) / I (CH) (6)

EtOH (Vol.%) steht in der Gleichung für die prozentuale Volumenkonzentration von Ethanol im Kraftstoffgemisch. I_(EtOH) und I_(CH) stehen für die gemessene Intensität des rückgestreuten Lichtes im Spektralbereich der OH-Streubanden, gemessen mit dem optischen Sensor 42, und im Spektralbereich der CH-Streubanden, gemessen mit dem optischen Sensor 44. c₁ steht für eine Konstante, die zur Kalibrierung experimentell ermittelt werden kann.EtOH (vol.%) In the equation represents the percentage volume concentration of ethanol in the fuel mixture. I _(EtOH) and I _(CH) represent the measured intensity of the backscattered light in the spectral range of the OH scattering bands, measured with the optical sensor 42 , and in the spectral region of the CH scattering bands, measured with the optical sensor 44 , c ₁ stands for a constant that can be determined experimentally for calibration.

In einer nicht dargestellten vereinfachten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass lediglich nur ein optischer Sensor 42 die Intensität I_(EtOH) des rückgestreuten Lichtes im Spektralbereich der OH-Streubanden misst. Die prozentuale Volumenkonzentration von Ethanol im Kraftstoffgemisch EtOH (Vol.%) lässt sich dann vereinfacht mit der linearen Beziehung EtOH (Vol.%) = c2·I(EtOH) (7)herleiten, wobei c₂ eine andere Konstante darstellt, die ebenfalls zur Kalibrierung experimentell ermittelt werden kann.In a simplified embodiment, not shown, it may be provided that only one optical sensor 42 measures the intensity I _{(EtOH) of} the backscattered light in the spectral range of the OH scattering bands. The percentage volume concentration of ethanol in the fuel mixture EtOH (vol.%) Can then be simplified with the linear relationship EtOH (vol.%) = C 2 · I (EtOH) (7) derive, where c _{2 represents} another constant, which can also be determined experimentally for calibration.

In beiden Varianten können die gemessenen Intensitäten des optischen Sensors 42 oder beider optischer Sensoren 42, 44 zeitlich integriert und mit den Werten der Integrale der prozentuale Anteil von Ethanol im Kraftstoffgemisch bestimmt werden.In both variants, the measured intensities of the optical sensor 42 or both optical sensors 42 . 44 integrated with the values of the integrals, the percentage of ethanol in the fuel mixture.

In 2 sind beispielhaft verschiedene Raman-Spektren 90 dargestellt (Quelle: B. Schrader: Raman infrared atlas of organic components ). In Abhängigkeit der Wellenzahl 91 ist die Intensität 92 der Raman-Verschiebung für unterschiedliche Spezies dargestellt.In 2 are exemplary different Raman spectra 90 represented (source: B. Schrader: Raman infrared atlas of organic components ). Depending on the wave number 91 is the intensity 92 Raman shift for different species.

Dargestellt sind ein Ethanol-Spektrum 95, ein n-Hexan-Spektrum 96, ein p-Xylol-Spektrum 97 sowie ein Toluol-Spektrum 98, wobei insbesondere im Ethanol-Spektrum 95 im Bereich der OH-Bandenverschiebung 93 zwischen 3200 und 3600 cm^–1 ein für die OH-Gruppe charakteristischer Peak zu erkennen ist. Kennzeichnend für die olefinischen und aromatischen Kohlenwasserstoffe ist hingegen eine CH-Bandenverschiebung 94 zwischen 2800 und 3100 cm^–1. Wie die Spektren zeigen, gibt es durchaus auch weitere Unterscheidungen im Spektralbereich von unterhalb etwa 1700 cm^–1. Diese Unterschiede lassen sich allerdings nur mit erhöhtem Filteraufwand erfassen.Shown are an ethanol spectrum 95 , an n-hexane spectrum 96 , a p-xylene spectrum 97 and a toluene spectrum 98 , in particular in the ethanol spectrum 95 in the range of OH band shift 93 between 3200 and 3600 cm ^-1, a peak characteristic of the OH group can be recognized. Characteristic of the olefinic and aromatic hydrocarbons, however, is a CH-band shift 94 between 2800 and 3100 cm ^-1 . As the spectra show, there are also further distinctions in the spectral range of below about 1700 cm ^-1 . However, these differences can only be detected with increased filter effort.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung kann insbesondere sehr genau und zuverlässig ein Ethanolanteil im Kraftstoff auf Basis der spektroskopischen Raman-Streuung bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, einen preiswerten und kompakten Ethanolsensor mit Hilfe relativ einfacher optoelektronischer Komponenten für den motornahen Einsatz bereitzustellen, so dass eine sichere Detektion von Änderungen in der Zusammensetzung des Kraftstoffs hinsichtlich eines optimalen Betriebs der Brennkraftmaschine 80 gewährleistet werden kann. Eine Tankerkennung im Fahrzeug oder umständliche Konstruktionen bei Fahrzeugen mit Satteltanks zur Ermittlung des Ethanolgehalts in den beiden Tankhälften können somit entfallen.With the method and the device can be determined in particular very accurately and reliably an ethanol content in the fuel based on the spectroscopic Raman scattering. The device according to the invention makes it possible to provide a low-cost and compact ethanol sensor with the aid of relatively simple optoelectronic components for use close to the engine, so that reliable detection of changes in the composition of the fuel with regard to optimum operation of the internal combustion engine 80 can be guaranteed. A tank detection in the vehicle or cumbersome constructions on vehicles with saddle tanks to determine the ethanol content in the two tank halves can thus be omitted.

Ebenso lassen sich mit dem Verfahren und der Vorrichtung derzeitige Probleme bei der Bestimmung des Ethanolgehalts insbesondere bei speziellen Fahrsituationen, z. B. nach der Wiederbetankung eines fast leeren Kraftstofftanks mit anschließendem Kurzstreckenbetrieb, vermeiden.As well can be with the method and the device current problems in the determination of the ethanol content, in particular for special Driving situations, z. B. after the refueling of an almost empty Fuel tanks with subsequent short-distance operation, avoid.

Grundsätzlich lässt sich die Raman-Streuung bzw. das hier vorgestellte Messprinzip auch auf die Erkennung anderer Spezies übertragen. Je reiner die Gemische sind, d. h. je weniger Einzelsubstanzen diese enthalten, desto genauer und exakter wird die Analyse. Denkbar sind somit auch andere Anwendungsbereiche, wie beispielsweise eine Wassererkennung im Motoröl von Brennkraftmaschinen 80. Für die Detektion von Wasser im Motoröl müsste der Wellenlängenbereich des Ethanolfilters wie oben angegeben angepasst werden. Der des Motoröls würde im gleichen Wellenlängenbereich wie der von Benzin liegen.In principle, the Raman scattering or the measuring principle presented here can also be transferred to the recognition of other species. The purer the mixtures are, ie the fewer individual substances they contain, the more accurate and precise the analysis becomes. Also conceivable are other applications, such as water detection in the engine oil of internal combustion engines 80 , For the detection of water in engine oil, the wavelength range of the ethanol filter would have to be adjusted as indicated above. That of the engine oil would be in the same wavelength range as that of gasoline.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 4210860 C2 [0006]
- DE 69226453 T2 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

B. Schrader: Raman infrared atlas of organic components [0051]

Claims

Method for determining the composition of a fuel mixture in an internal combustion engine ( 80 ), which is operated with a fuel mixture of a first and at least one second fuel, characterized in that by means of a sensor arrangement ( 1 ) Light of a certain wavelength in a measuring chamber ( 60 ), through which the fuel mixture before reaching the internal combustion engine ( 80 ) is coupled, and the backscattered light from a scattering volume ( 64 ) of the fuel mixture within the measuring chamber ( 60 ) and a detector unit ( 40 ) of the sensor arrangement ( 1 ), which at least one optical sensor ( 42 ) for detecting the wavelength of the backscattered light is supplied, wherein the wavelength of the irradiated light is smaller than the wavelength range of the backscattered light.

A method according to claim 1, characterized in that for detecting the second fuel in the fuel mixture, the spectral sensitivity of the optical sensor ( 42 ) is limited to the range of the spectrum characteristic of the second fuel.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that from the absolute intensity of the with the optical sensor ( 42 ) measured signal, the percentage of the second fuel in the fuel mixture is determined.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that by means of a second optical sensor ( 44 ) one opposite the first optical sensor ( 42 ) of the other spectral range of the scattering volume ( 64 ) of the measuring chamber ( 60 ) back-scattered light, which is characteristic of the first fuel in the fuel mixture.

Method according to Claim 4, characterized in that the measured signal intensity of the first optical sensor ( 42 ) with the measured signal intensity of the second optical sensor ( 44 ) and from the quotient of both measured intensities the percentage of the second fuel in the fuel mixture is determined.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the measured intensities of the first optical sensor ( 42 ) or both optical sensors ( 42 . 44 ) and the values of the integrals determine the percentage of the second fuel in the fuel mixture.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first fuel is gasoline and the second fuel is ethanol, methanol, higher alcohols or a mixture thereof, wherein with the first optical sensor ( 42 ) the backscattered light is detected in a spectral range which is opposite the irradiated excitation wavelength by an OH band shift ( 93 ) in the range of 3200 to 3600 cm ^-1 , and with the second sensor ( 44 ) the backscattered light is detected in a spectral range which is opposite the irradiated excitation wavelength by a CH-band shift ( 94 ) is measured in the range of 2800 to 3100 cm ^-1 .

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that for irradiation in the measuring chamber ( 60 ) Light with a spectral distribution in the near infrared range is used.

Device for determining the composition of a fuel mixture in an internal combustion engine ( 80 ), which is operable with a fuel mixture of a first and at least a second fuel, characterized in that in a fuel line between the fuel tank ( 70 ) and internal combustion engine ( 80 ) a measuring chamber ( 60 ) is arranged, in which by means of a sensor arrangement ( 1 ) Light from an emitter unit ( 20 ) of the sensor arrangement ( 1 ) of a certain wavelength in the measuring chamber ( 60 ) can be coupled and the backscattered light from a scattering volume ( 64 ) of the fuel mixture within the measuring chamber ( 60 ) and a detector unit ( 40 ) of the sensor arrangement ( 1 ), which at least one optical sensor ( 42 ) for detecting the wavelength of the backscattered light, can be fed, wherein the wavelength of the incident light is higher than the wavelength range of the backscattered light.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the detector unit ( 40 ) a second optical sensor ( 44 ), wherein the first optical sensor ( 42 ) a spectral sensitivity for a characteristic spectral range for the backscattered light of the second fuel and the second optical sensor ( 44 ) a spectral sensitivity for a characteristic spectral region for the backscattered Having light of the first fuel.

Device according to one of claims 9 or 10, characterized in that in a control and evaluation ( 10 ) the time course of the into the measuring chamber ( 60 ) irradiated light intensity, which with the optical sensors ( 42 . 44 ) measured intensity of the backscattered light within the respective spectral range and a value for the percentage of the second fuel in the fuel mixture can be determined.

Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the emitter unit ( 20 ) a laser diode ( 21 ) as a light source which emits in a wavelength range which is in the near infrared in the range of 750 nm to 900 nm, and the detector unit ( 40 ) optical sensors ( 42 . 44 ), which are formed as photodiodes, which have a spectral sensitivity in the range of 900 nm to 1300 nm.

Device according to claim 12, characterized in that the laser diode ( 21 ) in a wavelength range around 785 nm or 808 nm.

Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the emitter unit ( 20 ) and / or the detector unit ( 40 ) optical filters ( 22 . 41 . 43 ) exhibit.

Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the sensor arrangement ( 1 ) a semitransparent mirror ( 30 ), through which the light of the emitter unit ( 20 ) into the measuring chamber ( 60 ) and the backscattered light from the measuring chamber ( 60 ) to the detector unit ( 40 ) with the optical sensors ( 42 . 44 ) is reflected.

Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the sensor arrangement ( 1 ) with the emitter unit ( 20 ) and the detector unit ( 40 ) and the measuring chamber ( 60 ) form a unit or the sensor arrangement ( 1 ) with the measuring chamber ( 60 ), via a light transmission path ( 50 ), are arranged spatially separated from each other, wherein the measuring chamber ( 60 ) a window ( 63 ) or the light transmission path ( 50 ) is formed such that the window ( 63 ) or the light transmission path ( 50 ) for the out of the scatter volume ( 64 ) within the measuring chamber ( 60 ) backscattered light have a low absorption.

Device according to one of claims 9 to 16, characterized in that the measuring chamber ( 60 ) in the fuel line directly in front of the fuel distribution, directly in front of an injection system or directly in front of a high-pressure fuel pump of the internal combustion engine ( 80 ) is arranged.

Application of the method according to one of the claims 1 to 8 and / or use of the device according to one of the claims 9 to 17 in all Otto internal combustion engines with intake manifold injection or direct injection, with ethanol and / or methanol-containing Gasoline fuels with an ethanol or methanol content> 5 vol.% Operated be, or in diesel internal combustion engines, with a mixture powered by renewable fuels and diesel fuel.