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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur
Bestimmung von Zusammensetzung von Kraftstoffgemischen. So sind beispielsweise
in Kraftfahrzeugen zunehmend Kraftstoffgemische im Einsatz, welche
neben den eigentlichen Mineralöl-Kraftstoffen eine Beimischung
an Ethanol und/oder anderen Alkoholen verarbeiten können.
Beispielsweise sind so genannte Flex-Fuel-Fahrzeuge bekannt, welche
mit variablen Ethanol-/Benzin-Gemischen betrieben werden können. Üblicherweise
werden dabei die Parameter der Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs
auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs angepasst. Dabei lassen
sich weltweit unterschiedliche Konzepte beobachten. Während
in den USA üblicherweise bislang lediglich notwendige Anpassungen
der Motorsteuerung an das Kraftstoffgemisch vorgenommen werden,
um überhaupt Flex-Fuel-Fahrzeuge anbieten zu können,
werden in Europa typischerweise auch Wirkungsgrad- und Leistungssteigerungen
angestrebt. Insbesondere letzteres setzt jedoch zur Bestimmung optimaler
Parameter der Motorsteuerung in der Regel eine genaue Kenntnis der
Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs, insbesondere eines Ethanol-Kraftstoff-Mischungsverhältnisses,
voraus.
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Die
Bestimmung des Ethanol-Kraftstoff-Mischungsverhältnisses
erfolgt in der Regel entweder anhand vorliegender Messgrößen
mittels einer Software im Steuergerät selbst, oder dieses
Mischungsverhältnis kann mit einem Ethanolsensor erkannt werden.
Derartigen Ethanolsensoren können zahlreiche unterschiedliche
Messprinzipien zugrunde liegen. Insbesondere kommen hier auf der
Permittivität und der Leitfähigkeitsbestimmung
basierende Kapazitätsmessverfahren zum Einsatz. In der
Regel wird dabei bei Frequenzen bis ca. 1 MHz die Permittivität des
Kraftstoffgemischs bestimmt. Nachteilig an einer reinen Permittivitätsbestimmung
(mit Temperaturkorrektur) bei Frequenzen bis ca. 1 MHz ist jedoch,
dass mittels dieser Verfahren prinzipiell lediglich die genaue Bestimmung
der Zusammensetzung von Gemischen mit maximal zwei Komponenten möglich
ist. Weitere Komponenten des Kraftstoffgemischs können
mittels dieser Methode in der Regel nicht erkannt werden.
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Um
weitere Komponenten, wie beispielsweise Wasser zu identifizieren,
sind Messungen im GHz-Bereich notwendig, da hier die Permittivität
von Alkohol, Wasser und weiterer polarer Komponenten, beispielsweise
Störkomponenten, aufgrund der Orientierungspolarisation
mit zunehmender Frequenz stark abnimmt. Ein Beispiel derartiger
im GHz-Bereich arbeitender Verfahren wird in
DE 34 12 704 A1 offenbart.
Es wird eine Vorrichtung zum Messen des Alkoholgehalts in einem
Kraftstoffgemisch eingesetzt, welche in einer Kraftstoffleitung
eingesetzt werden kann. Die Kraftstoffleitung ist aus einem Material gefertigt,
welches für Hochfrequenzsignale durchlässig ist.
Eine Mikrowellenkammer ist außerhalb der Kraftstoffleitung
angeordnet und umschließt dabei einen Teil dieser Kraftstoffleitung.
Die Mikrowellenkammer weist ein Paar von Wellenleitern auf, die
einander gegenüberliegend mit der Kraftstoffleitung dazwischen
angeordnet sind. Einer der Wellenleiter ist mit einem Antennenabschnitt
zur Übertragung von Mikrowellen von einem Mikrowellengenerator
versehen. Der andere Mikrowellenleiter ist mit einem Empfangsantennenabschnitt
versehen, um die Mikrowellen zu empfangen, welche die Kraftstoffleitung
durchtreten. Mikrowellen, welche von den Antennenabschnitt empfangen
werden, werden von einem Detektor erkannt und in Gleichspannungs-Signale
umgewandelt, welche der Stärke der empfangenen Mikrowellen
entsprechen.
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Verfahren
wie das beispielsweise in
DE
34 12 704 A1 beschriebene Verfahren arbeiten üblicherweise
bei einer Messfrequenz, bei welcher die Absorptionsrate des Kraftstoffgemischs
stark vom Mischungsverhältnis abhängt. Nachteilig
an derartigen Verfahren ist jedoch, dass die Genauigkeit dieser Verfahren
in vielen Fällen Raum für Verbesserungen lässt.
Insbesondere bei Mehrstoffgemischen, die zusätzlich zu
Ethanol und Kraftstoff weitere Anteile enthalten, wie beispielsweise
einen Wasseranteil und/oder Additive, lassen sich mittels der bekannten Verfahren
nur schwer untersuchen. Derartige Mehrkomponenten-Gemische gewinnen
jedoch in der modernen Motortechnologie zunehmend an Bedeutung. Um
auch bei derartigen komplexeren Gemischen zuverlässige
und präzise Messergebnisse erzielen zu können
und damit eine präzise, optimierte Motorsteuerung vornehmen
zu können, sind daher genauere Verfahren und Vorrichtungen
notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Genauigkeit bekannter
Verfahren erheblich gesteigert werden kann, indem nicht punktuell
bei einer einzigen, schmalbandigen Frequenz, das heißt innerhalb
eines sehr kleinen Frequenzbereichs, gemessen wird, sondern über
einen größeren Frequenzbereich hinweg. Auf diese
Weise lassen sich insbesondere Mehrstoffgemische, beispielsweise
Alkohol-Kraftstoff-Gemische, insbesondere Ethanol-Benzin-Gemische,
welche zusätzlich noch einen Wasseranteil und/oder Additive
enthalten, erheblich genauer charakterisieren als mit den herkömmlichen Verfahren.
Die vorliegende Erfindung nutzt dementsprechend den charakteristischen
Verlauf einer bestimmten Antwort auf eine Mikrowelleneinstrahlung über
einen vergleichsweise großen Frequenzbereich hinweg zur
Ermittlung der Eigenschaften des Kraftstoffgemischs.
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Dementsprechend
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung
eines Kraftstoffgemischs vorgeschlagen, welche insbesondere zur
Bestimmung eines Ethanolanteils und/oder eines Wasseranteils und/oder
eines Anteils mindestens einer weiteren Komponente des Kraftstoffgemischs
eingesetzt werden können. Dabei kann das Verfahren unter
Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchgeführt werden und die Vorrichtung kann eingerichtet
sein, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen des
Verfahrens auf die Beschreibung der Vorrichtung verwiesen werden
und umgekehrt.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine erste Mikrowellenstrahlung
mit mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen in das Kraftstoffgemisch
eingestrahlt. Unter einer Mikrowellenstrahlung ist dabei allgemein
eine elektromagnetische Strahlung zu verstehen, welche in einem
Frequenzbereich von ca. 300 MHz bis ca. 300 GHz liegt. Insbesondere
werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Frequenzbereiche im
Bereich zwischen 0,3 GHz und 20 GHz, vorzugsweise zwischen 0,5 und
10 GHz und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 und 6 GHz eingesetzt.
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Unter
dem Begriff einer Mikrowellenstrahlung mit mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen
ist dabei eine Mikrowellenstrahlung zu verstehen, welche, nacheinander
und//oder gleichzeitig, einen Frequenzbereich von mindestens 100
MHz abdeckt. Dabei kann dieser Frequenzbereich durch die mindestens
zwei Mikrowellenfrequenzen kontinuierlich oder auch in regelmäßigen
oder unregelmäßigen Schritten abgedeckt sein.
Wie unten näher ausgeführt wird, ist es besonders
bevorzugt, wenn die erste Mikrowellenstrahlung eine Ultrabreitband-Mikrowellenstrahlung
umfasst. Unter einer Ultrabreitband-Mikrowellenstrahlung (englisch:
Ultra Wide Band, UWB) wird dabei eine Mikrowellenstrahlung im Sinne
der obigen Definition verstanden, welche einen extrem großen Frequenzbereich
nutzt, mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz.
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Das
Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt, bei welchem mindestens
eine zweite Mikrowellenstrahlung aus dem Kraftstoffgemisch empfangen
wird. Diese zweite Mikrowellenstrahlung kann beispielsweise, wie
in
DE 34 12 704 A1 beschrieben, mindestens
einen durch das Kraftstoffgemisch transmittierten Anteil der ersten
Mikrowellenstrahlung umfassen. Alternativ oder zusätzlich
kann die zweite Mikrowellenstrahlung jedoch, was im Rahmen der vorliegenden
Erfindung besonders bevorzugt ist, mindestens einen reflektierten
Anteil der ersten Mikrowellenstrahlung umfassen. So können
beispielsweise die Reflexionseigenschaften des Kraftstoffgemischs
gemessen werden.
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Weiterhin
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt,
in welchem die zweite Mikrowellenstrahlung mit der ersten Mikrowellenstrahlung verglichen
und aus diesem Vergleich mindestens eine Kenngröße
in Abhängigkeit von der Frequenz der ersten Mikrowellenstrahlung
bestimmt wird. So kann diese mindestens eine Kenngröße
beispielsweise bei einer ersten der mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen,
einer zweiten der mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen sowie gegebenenfalls
bei weiteren der mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen bestimmt
werden. Wie oben dargelegt, müssen diese mindestens zwei
Mikrowellenfrequenzen jedoch nicht notwendigerweise diskrete Mikrowellenfrequenzen
sein, sondern es kann sich die erste Mikrowellenstrahlung über
ein kontinuierliches, breites Frequenzband erstrecken. In diesem
Fall kann die mindestens eine Kenngröße beispielsweise über
dieses gesamte Frequenzband hinweg kontinuierlich oder in konstanten
oder nicht-konstanten Abständen bestimmt werden. Die Gesamtheit
der auf diese Weise ermittelten Kenngrößen in
Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz wird im Folgenden
auch als Verlauf der Kenngröße bezeichnet, wobei
dieser Begriff eine endliche oder unendliche Menge von Kenngrößen
beinhalten kann, die jeweils den Mikrowellenfrequenzen der ersten
Mikrowellenstrahlung zugeordnet sind.
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Die
zweite Mikrowellenstrahlung kann, wie oben dargestellt, eine Reaktion
des Kraftstoffgemischs auf die Einstrahlung der ersten Mikrowellenstrahlung
darstellen. Die zweite Mikrowellenstrahlung stellt also vorzugsweise
eine Antwortstrahlung dar, welche von dem Kraftstoffgemisch, in
Antwort auf die Einstrahlung der ersten Mikrowellenstrahlung, beispielsweise
transmittiert, reflektiert, remittiert oder emittiert wird. Auch
eine Kombination mehrerer Arten von zweiten Mikrowellenstrahlungen
ist denkbar.
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Unter
einem „Empfangen” der zweiten Mikrowellenstrahlung
kann dabei beispielsweise eine Aufnahme einer Intensität
und/oder einer Amplitude und/oder einer Phase der zweiten Mikrowellenstrahlung
verstanden werden. Entsprechende Größen können
auch für die erste Mikrowellenstrahlung ermittelt werden.
Wird die zweite Mikrowellenstrahlung mit der ersten Mikrowellenstrahlung
verglichen, so kann der Vergleich, welcher in Abhängigkeit
von der Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung durchgeführt
wird, mehrere Arten von Vergleichsverfahren umfassen. So kann beispielsweise eine
Linearkombination aus den Amplituden und/oder Phasen der ersten
Mikrowellenstrahlung und der entsprechenden Größen
der zweiten Mikrowellenstrahlung gebildet werden. Beispielsweise kann
eine Differenz zwischen einer Amplitude der ersten Mikrowellenstrahlung
und einer Amplitude der zweiten Mikrowellenstrahlung und eine Differenz
aus der Phase der ersten Mikrowellenstrahlung und der Phase der
zweiten Mikrowellenstrahlung gebildet werden. Diese Differenzen
können dann jeweils die Kenngröße bilden
und/oder einen Teil dieser Kenngröße bilden.
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Entsprechend
der Art des Vergleichs kann die Kenngröße beispielsweise
mindestens eine der folgenden Kenngrößen umfassen:
eine Permittivität, insbesondere eine komplexe Permittivität;
eine Permittivitätszahl, insbesondere eine komplexe Permittivitätszahl;
eine Absorption, insbesondere eine komplexe Absorption; eine Transmission,
insbesondere eine komplexe Transmission. Unter komplexen Größen
ist dabei jeweils eine Größe zu verstehen, welche
eine Amplitude und eine Phase beinhaltet. Die Permittivität,
welche häufig auch mit dem Buchstaben ε bezeichnet
wird, beschreibt die Durchlässigkeit von Materialien für
elektrische Felder. Sie ist eine Materialeigenschaft von Dielektrika
oder zumindest nur schwach elektrisch leitfähigen Materialien,
welche sich bei der Beaufschlagung dieser Materialien mit elektrischen
Feldern äußert. Sie stellt die Proportionalitätskonstante
zwischen der elektrischen Flussdichte D und dem elektrischen Feld
dar: D = ε·E. Die Permittivitätszahl,
häufig auch als εr bezeichnet
oder auch als relative Permittivität, ist das Verhältnis
der Permittivität ε zur elektrischen Feldkonstante ε0 (Permittivität des Vakuums):
εr = ε/ε0.
Die Permittivitätszahl εr kennzeichnet
somit die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation
innerhalb elektrisch isolierender Materialien. Im Rahmen der vorliegenden
Erfindung gleichwertig mit der Permittivitätszahl εr ist die so genannte elektrische Suszeptibilität χ = ε – 1.
Zwischen der Suszeptibilität und der Permittivitätszahl
wird im Sinne der vorliegenden Erfindung begrifflich nicht unterschieden.
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Erfindungsgemäß wird
bei dem vorgeschlagenen Verfahren aus dem Verlauf der Kenngröße über
die Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung auf die
Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs geschlossen. Wie oben dargestellt, kann
dieser Verlauf beispielsweise die Kenntnis der mindestens einen
Kenngröße über einen Frequenzbereich
der ersten Mikrowellenstrahlung hinweg kontinuierlich oder in vorgegebenen
Abständen umfassen. Dabei kann der Verlauf der Kenngröße
in einem einzelnen Schritt bestimmt werden, beispielsweise indem
die Kenngrößen über den Frequenzbereich hinweg
gleichzeitig und/oder nacheinander bestimmt werden, oder es kann
eine iterative oder schrittweise Bestimmung der Kenngrößen über
den Frequenzbereich hinweg erfolgen.
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Zur
Auswertung des Verlaufs der Kenngröße und somit
zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs können
verschiedene Verfahren herangezogen werden. Allgemein kann unter dem
Begriff der Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
beispielsweise die Bestimmung einer Konzentration einer einzelnen
oder mehrerer Komponenten dieses Kraftstoffgemischs und/oder ein
Mischungsverhältnis verstanden werden. Dementsprechend
kann die Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs vollständig,
im Sinne einer vollständigen Analyse, oder lediglich teilweise
erfolgen, beispielsweise indem lediglich die Konzentration und/oder
das Mischungsverhältnis einer einzelnen Komponente und/oder
mehrerer Komponenten bestimmt werden.
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Zur
Auswertung des gemessenen Verlaufs der Kenngröße
und damit zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
können grundsätzlich beliebige analytische, semiempirische oder
empirische Verfahren herangezogen werden. Beispielsweise können
Referenzverläufe der Kenngröße analytisch,
empirisch oder semiempirisch bestimmt werden. So kann das Kraftstoffgemisch
beispielsweise mindestens zwei, vorzugsweise drei, vier oder mehr
Komponenten umfassen, wobei jeweils Referenzverläufe der
Kenngröße über die Frequenz der ersten
Mikrowellenstrahlung für diese Komponenten zumindest teilweise
bekannt sind. Beispielsweise können diese Referenzverläufe
dadurch ermittelt werden, dass die jeweiligen Komponenten als Reinstoffe
oder als im Wesentlichen reine Stoffe mittels des oben beschriebenen
Verfahrens unter sucht und dabei Kennlinienverläufe aufgenommen
werden. Diese Kennlinienverläufe können dann als
Referenzverläufe für die jeweilige Komponente
beispielsweise in einem Speicher hinterlegt sein.
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Bei
der eigentlichen Messung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
kann dann aus dem gemessenen Verlauf der Kenngröße
mittels der bekannten Referenzverläufe auf die Zusammensetzung
des Kraftstoffgemischs geschlossen werden. Dieser Rückschluss
auf die Zusammensetzung kann beispielsweise durch einen Einzelvergleich
des gemessenen Verlaufs mit den Referenzverläufen erfolgen.
Auch andere Verfahren sind denkbar. So kann beispielsweise eine
Linearkombination der Referenzverläufe gebildet werden,
um auf diese Weise die Linearkombination der Referenzverläufe
an den gemessenen Verlauf anzupassen. Aus den bei dieser Anpassung
an den gemessenen Verlauf bestimmten Koeffizienten der Linearkombination,
welche beispielsweise nach bekannten Anpassungsverfahren bestimmt
werden können, kann dann auf die Anteile der einzelnen
Komponenten geschlossen werden. Auch andere Möglichkeiten
sind denkbar, beispielsweise indem eine Vielzahl von Kombinationen
und entsprechenden Referenzverläufen für verschiedene Kraftstoffgemischzusammensetzungen
in einem Speicher hinterlegt werden und dementsprechend aus dem
gemessenen Verlauf Referenzverläufe mit der größtmöglichen Übereinstimmung
herausgesucht werden. Auch auf diese Weise lässt sich auf
die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs schließen.
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Wie
oben dargestellt, wird neben dem vorgeschlagenen Verfahren eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs vorgeschlagen.
Diese kann insbesondere eingerichtet sein, um ein Verfahren gemäß einem
der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Zu
diesem Zweck kann die Vorrichtung beispielsweise entsprechend programmtechnisch
eingerichtet sein, um die Verfahrensschritte zu steuern und/oder
durchzuführen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung beispielsweise
ein oder mehrere Datenverarbeitungsgeräte, beispielsweise
Mikrocomputer, umfassen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein
Messvolumen zur Aufnahme einer Menge des Kraftstoffgemischs. Dieses
Messvolumen kann beispielsweise einen Kraftstofftank und/oder eine
Kraftstoffleitung umfassen. Auch eine Messkammer in der Kraftstoffleitung
kann umfasst sein, beispielsweise in Form einer Erweiterung in der
Kraftstoffleitung.
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Weiterhin
umfasst die Vorrichtung mindestens einen Mikrowellensender, welcher
eingerichtet ist, um eine erste Mikrowellenstrahlung mit mindestens
zwei Mikrowellenfrequenzen in das Kraftstoffgemisch in dem Messvolumen
einzustrahlen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens einen
Mikrowellenempfänger, welcher eingerichtet ist, um eine
zweite Mikrowellenstrahlung aus dem Kraftstoffgemisch in dem Messvolumen
zu empfangen. Bezüglich der Ausgestaltungen der Mikrowellensender
und/oder Mikrowellenempfänger kann beispielsweise auf bekannte
Vorrichtungen dieser Art aus der Mikrowellentechnik verwiesen werden.
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Der
Mikrowellensender kann dabei auf verschiedene Weisen ausgestaltet
sein. So kann der Mikrowellensender beispielsweise eine in das Messvolumen
einbringbare Sonde umfassen. Unter einer Sonde ist dabei beispielsweise
eine stabförmige Vorrichtung zu umfassen, welche derart
in das Messvolumen einbringbar ist, dass diese dort permanent oder
vorübergehend befestigt werden kann. Diese Sonde kann,
neben dem Mikrowellensender, auch weitere Komponenten der Vorrichtung
umfassen, beispielsweise auch den Mikrowellenempfänger.
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Alternativ
oder zusätzlich zur Ausgestaltung des Mikrowellensenders
als Sonde kann der Mikrowellensender auch eingerichtet sein, um
die erste Mikrowellenstrahlung durch einen für die erste
Mikrowellenstrahlung und vorzugsweise auch für die zweite
Mikrowellenstrahlung zumindest teilweise transparenten Wandbereich
des Messvolumens einzustrahlen. Insbesondere kann es sich hierbei
um ein Messfenster handeln. In diesem Wandbereich kann das Messvolumen
beispielsweise einen Kunststoff oder ein ähnliches Material,
welches für die Mikrowellenstrahlung transparent ist, umfassen.
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Die
Vorrichtung kann weiterhin eine Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln
der ersten Mikrowellenstrahlung umfassen sowie eine Auskoppelvorrichtung
zum Auskoppeln der zweiten Mikrowellenstrahlung. Dabei können
die Einkoppelvorrichtung und die Auskoppelvorrichtung auch zumindest
teilweise bauteilidentisch sein und mindestens einen Richtkoppler zum
Trennen der zweiten Mikrowellenstrahlung von der ersten Mikrowellenstrahlung
aufweisen. Derartige Richtkoppler sind Bauteile aus der Hochfrequenztechnik,
welche einen Teil der in einer Leitung laufenden elektromagnetischen
Wellen richtungsabhängig abzweigen. In diesem Fall kann
der Richtkoppler zur Trennung der ersten und zweiten Mikrowellenstrahlung
eingesetzt werden. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn Reflexionsmessungen durchgeführt
werden.
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Weiterhin
umfasst die Vorrichtung mindestens eine Auswertevorrichtung, welche
eingerichtet ist, um die zweite Mikrowellenstrahlung mit der ersten Mikrowellenstrahlung
zu vergleichen und mindestens eine Kenngröße in
Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung
zu bestimmen, sowie um aus dem Verlauf der Kenngröße über
die Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung auf die
Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs zu schließen. Wie
oben dargestellt, kann diese Auswertevorrichtung beispielsweise
ein oder mehrere Datenverarbeitungsgeräte umfassen. Dabei
kann es sich um dezentral angeordnete Datenverarbeitungsgeräte
handeln, welche beispielsweise als Teil eines Sensors der Vorrichtung
ausgestaltet sein können. Alternativ oder zusätzlich
können die Auswertevorrichtung, insbesondere ein oder mehrere
Datenverarbeitungsgeräte der Auswertevorrichtung, auch
ganz oder teilweise mit anderen Vorrichtungen kombiniert werden.
So können beispielsweise Motorsteuerungsgeräte
genutzt werden, so dass beispielsweise zumindest ein Teil der Auswertevorrichtung
in einer Motorsteuerung integriert sein kann. Auf diese Weise können
ohnehin vorhandene Ressourcen genutzt werden.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung
muss die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs nicht notwendigerweise
in absoluten Einheiten bestimmt werden. So kann ein Schluss auf
diese Zusammensetzung beispielsweise auch lediglich die Ermittlung
einer oder mehrerer Ergebnisgrößen umfassen, aus
welchen sich direkt oder indirekt auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
schließen lässt. Beispielsweise können
diese Ergebnisgrößen einfache Signale sein, beispielsweise
Signale, welche proportional zur Konzentration einer oder mehrerer
Komponenten des Kraftstoffgemischs sind. Beispielsweise kann ein Signal
ausgegeben werden und/oder umfasst sein, welches proportional zum
Ethanolgehalt in dem Kraftstoffgemisch ist. Diese Signale können
von der Auswertevorrichtung bereitgestellt werden. Insbesondere
können diese Signale auch an eine Motorsteuerung übermittelt
werden, so dass die Motorsteuerung auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
besonders angepasst werden kann. In diesem Fall ist es besonders
bevorzugt, wenn die Auswertevorrichtung mit der Motorsteuerung über
mindestens eine drahtlose und/oder drahtgebundene Stelle in Verbindung
steht und/oder ganz oder teilweise in der Motorsteuerung integriert
ist. Auf diese Weise können die Ergebnisse der Bestimmung
der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs effizient und schnell
benutzt werden. Diese Information über die Zusammensetzung
des Kraftstoffgemischs kann dann beispielsweise von der Motorsteuerung,
wie oben dargestellt, genutzt werden, um eine Anpassung an die tatsächliche
Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs vorzunehmen und/oder um eine Optimierung
der Motorsteuerungsparameter entsprechend der erfassten Kraftstoffgemischzusammensetzung
durchzuführen.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung und das oben beschriebene Verfahren
in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen
weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche
Vorteile auf. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, welche schmalbandig
arbeiten und lediglich punktuell Messungen durchführen,
lassen sich mittels des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen
Vorrichtung auch aus mehreren Komponenten zusammengesetzte Kraftstoffgemische
zuverlässig und sicher untersuchen. So kann die vorliegende
Erfindung beispielsweise einen charakteristischen Verlauf der Permittivität über
einen großen Frequenzbereich zur Ermittlung der Gemischeigenschaften
des Kraftstoffgemischs einsetzen. Dieser Permittivitätsverlauf
hat in der Regel eine wesentlich höhere Aussagekraft gegenüber
den bei bisherigen Verfahren genutzten einzelnen Messpunkten. Erfindungsgemäß kann
beispielsweise der komplexe Reflexionsfaktor des Kraftstoffgemischs erfasst
werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Messaufbau mit einer
IQ-Auswertung verwendet werden. Unter einer derartigen IQ-Auswertung wird
eine Anordnung verstanden, bei welcher zusätzlich zu dem
eigentlichen Signal ein um 90° phasenverschobenes Signal
eingesetzt wird, um dann die Antwortsignale auf diese beiden phasenverschobenen
Eingangssignale zu addieren und auf diese Weise die komplexe Amplitude
eines Mischsignals zu erhalten. So kann beispielsweise die erste
Mikrowellenstrahlung eine erste Teilstrahlung enthalten sowie eine
zweite Teilstrahlung, welche gegenüber der ersten Teilstrahlung
phasenverschoben ist, beispielsweise um 90°. Anschließend
kann eine phasensensitive Detektion der zweiten Mikrowellenstrahlung
erfolgen. Auch andere Messverfahren zur Ermittlung eines Verlaufs
der komplexen Permittivität und/oder anderer Kenngrößen
sind denkbar.
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Durch
die Möglichkeit einer sehr breitbandigen Messung der Absorptionseigenschaften
des Kraftstoffs im Hochfrequenzbereichs kann die Zusammensetzung
des Kraftstoffgemischs und damit die Kraftstoffgüte auf
einfache und schnelle Weise ermittelt werden. Dabei wird auch die
Bestimmung beispielsweise wasserhaltiger Kraftstoffgemische genauer
ausgestaltet oder sogar erst ermöglicht. Insbesondere macht
sich hier die optionale Verwendung von UWB-Mikrowellensystemen mit
extrem hoher Bandbreite positiv bemerkbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung beruhen vorzugsweise auf der Erfassung dielektrischer
Eigenschaften des Kraftstoffgemischs über einen Frequenzbereich hinweg,
insbesondere auf einer Messung der komplexen Permittivität
von Kraftstoffen bzw. Kraftstoffgemischen. Die Vorrichtung, welche
beispielsweise als Hochfrequenz-Sensorschaltung ausgestaltet sein kann,
kann durch eine Sonde an das Messvolumen angekoppelt sein. Aus der
Differenz (Amplitude und Phase) zwischen ausgesendetem und empfangenem
Signal kann auf die Permittivität des sich im Messvolumen
befindlichen Kraftstoffgemischs geschlossen werden. Durch den Einsatz
eines Ultrabreitband-Sensors kann dabei die Permittivität
nicht nur bei einzelnen Frequenzlinien ermittelt werden, sondern
deren Verlauf über den gesamten gemessenen Frequenzbereich
hinweg, beispielsweise einen Bereich zwischen 0,5 und 6 GHz.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung; und
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2 ein
Ausführungsbeispiel der Messung eines Verlaufs dielektrischer
Kenngrößen über einen Frequenzbereich.
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In 1 ist
schematisiert und als Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur
Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs dargestellt,
anhand derer auch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens erläutert werden soll. Die Vorrichtung 110 kann
beispielsweise in einem Kraftfahrzeug als Ethanolsensor und/oder
als Kraftstoffgütesensor eingesetzt werden. Die Vorrichtung 110 kann
beispielsweise als Komponente 112 eingesetzt werden, was
in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Alternativ kann auch eine andere Aufteilung der einzelnen Bauelemente
der Vorrichtung 110 erfolgen, so dass diese Bauelemente
einzeln oder in Gruppen auch ganz oder teilweise in andere Komponenten
eines Kraftfahrzeugs integriert sein können. Es kann auch
die Integration in einen anderen Sensor oder in eine andere Komponente,
z. B. in eine Pumpe erfolgen. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
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Die
Vorrichtung 110 umfasst ein Messvolumen 114, welches
eine Menge des Kraftstoffgemischs aufnehmen kann. Beispielsweise
kann das Messvolumen 114, wie in 1 durch
die Bezugsziffern 116 angedeutet, von Kraftstoff durchströmt
werden. Das Messvolumen 114 kann dementsprechend beispielsweise
als Tank und/oder als Teil einer Kraftstoffleitung ausgestaltet
sein. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
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Weiterhin
umfasst die Vorrichtung 110 gemäß 1 eine
Hochfrequenz-Sensorschaltung 118, welche einen Mikrowellensender 120 und
einen Mikrowellenempfänger 122 umfasst. Sowohl
der Mikrowellensender 120 als auch der Mikrowellenempfänger 122 sind
in diesem Ausführungsbeispiel breitbandig ausgestaltet
und über eine Richtkopplerstruktur 124 mit einem
Koppelelement 126 verbunden. Das Koppelelement 126 vereint
in diesem Ausführungsbeispiel die Eigenschaften einer Einkoppelvorrichtung 128 zum
Einkoppeln von Mikrowellenstrahlung in den Kraftstoff und einer
Auskoppelvorrichtung 130 zum Auskoppeln der Mikrowellenstrahlung
aus dem Kraftstoff. Das Koppelelement 126 ist in diesem
Ausführungsbeispiel als in das Messvolumen 114 einbringbare
Sonde 132 dargestellt. Auch andere Ausgestaltungen sind
jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise ein
Messvolumen 114, welches im Bereich des Koppelelements 126 einen
für Mikrowellenstrahlung zumindest teilweise durchlässigen
Wandbereich aufweist.
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Weiterhin
weist die Vorrichtung 110 eine Signalauswertung auf, welche
als Auswertevorrichtung 134 dient und welche beispielsweise
dem Mikrowellenempfänger 122 und/oder anderen
Komponenten der Hochfrequenz-Sensorschaltung 118 verbunden ist.
Neben der Signalauswertung kann diese Auswertevorrichtung 134 auch
andere Aufgaben der Vorrichtung 110 übernehmen,
beispielsweise eine Steuerung der Hochfrequenz-Sensorschaltung 118.
Die Auswertevorrichtung 134 kann beispielsweise ein oder
mehrere Datenverarbeitungsgeräte umfassen, beispielsweise
einen Mikrocomputer. Es kann eine programmtechnische Einrichtung
der Auswertevorrichtung 134 vorgesehen sein, welche die
Auswertevorrichtung 134 für die Steuer- und/oder
Auswerteaufgaben einrichtet. Wie oben dargestellt, kann die Auswertevorrichtung 134 auch
ganz oder teilweise mit anderen Komponenten einer Brennkraftmaschine und/oder
eines Kraftfahrzeugs zusammengefasst sein, beispielsweise einer
Motorsteuerung. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel umfasst die Auswertevorrichtung 134 einen
Datenausgang 136, über welchen Signale an andere
Komponenten, beispielsweise ein Motorsteuerungsgerät, übermittelt werden
können. Bei einer Zusammenfassung mit dem Motorsteuerungsgerät
kann dieser Datenausgang 136 optional auch entfallen. Weiterhin
kann der Datenausgang 136 auch, im Gegensatz zu der in 1 angedeuteten
unidirektionalen Ausgestaltung, bidirektional ausgestaltet sein,
so dass die Vorrichtung 110 beispielsweise auch über
diesen Datenausgang 136 Steuerbefehle empfangen kann. Alternativ oder
zusätzlich kann, zusätzlich zu dem Datenausgang 136,
auch mindestens ein zusätzlicher Eingang und/oder mindestens
eine zusätzliche Schnittstelle vorgesehen sein, über
welche ein Austausch von Daten und/oder Steuerbefehlen zwischen
der Vorrichtung 110 und anderen Komponenten, beispielsweise dem
Motorsteuergerät, erfolgen kann.
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Der
Mikrowellensender 120 kann beispielsweise als Ultrabreitband-Sender
(UWB) ausgestaltet sein und ein breitbandiges Hochfrequenzsignal,
beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 1 und 10 GHz, erzeugen.
Dieses Mikrowellensignal, welches als erste Mikrowellenstrahlung
fungiert, wird mit Hilfe der Einkoppelvorrichtung 128 in
das mit dem Kraftstoffgemisch gefüllte Messvolumen 114 eingespeist. Dort
kann ein Teil der Energie des Hochfrequenzsignals der ersten Mikrowellenstrahlung
durch den Kraftstoff absorbiert werden, wohingegen der restliche
Anteil des Signals als zweite Mikrowellenstrahlung über
die Auskoppelvorrichtung 130 wieder aus dem Behältnis
des Messvolumens 114 herausgelangt. Über die Richtkopplerstruktur 124 wird
dieser reflektierte Anteil des Hochfrequenzsignals in den Mikrowellenempfänger 122 geführt,
welcher beispielsweise ebenfalls als Ultrabreitband-Empfänger (UWB-Empfänger)
ausgestaltet sein kann. Die von dem Mikrowellenempfänger 122 erzeugten
Signale, entsprechend der empfangenen zweiten Mikrowellenstrahlung,
in diesem Fall der reflektierten Mikrowellenstrahlung, können,
beispielsweise über eine Datenleitung 138, an
die Auswertevorrichtung 134 übermittelt und dort
ganz oder teilweise ausgewertet werden. Durch Vergleich von eingespeister
und reflektierter Mikrowellenstrahlung kann dann mindestens eine
Kenngröße in Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz
ermittelt werden. In dem vorliegenden Fall kann dies beispielsweise
die Absorptionsrate als Funktion der Mikrowellenfrequenz sein.
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In 2 ist
beispielhaft ein Verlauf der Absorptionsrate (in dieser Darstellung
als dimensionslose Größe a bezeichnet) als Funktion
der Mikrowellenfrequenz f dargestellt. Die Mikrowellenfrequenz ist
in 2 ebenfalls ohne Einheiten gezeigt und kann beispielsweise
in Hz, MHz oder GHZ angegeben sein. In diesem Fall ist der Verlauf
der Absorptionsrate zwischen einer unteren Frequenz fu und
einer oberen Frequenz fo aufgetragen. Als
Beispiel kann fu = 1 GHz und fo =
10 GHz angenommen werden. Auch andere Frequenzbereiche sind jedoch
grundsätzlich möglich.
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Dabei
zeigt 2 exemplarisch den Verlauf der Absorptionskurven über
der Frequenz für verschiedene Stoffe 140, 142 und 144.
Die Kurven sind jeweils entsprechend bezeichnet. Mit der Bezugsziffer 146 ist
die Summenkurve aus den Kurven 140, 142 und 144 bezeichnet.
Es lässt sich erkennen, dass das Verhältnis der
Absorptionskurven 140, 142 und 144 und/oder
die jeweilige Summe stark von der Frequenz abhängt. So
bilden sich verschiedene Bereiche, welche in 2 mit der
Bezugsziffer 148 bezeichnet sind, in welchen unterschiedliche
Stoffe gleiche Absorption aufweisen. In diesen Bereichen 148 ändert
sich das Gesamtsignal der Absorption auch bei einer Änderung
der Zusammensetzung nur vergleichsweise wenig.
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Erfindungsgemäß wird
daher vorgeschlagen, das Absorptionssignal über den gesamten
Wellenlängenbereich zwischen fu und
fo auszuwerten, um eine präzisiere
Information über die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs 116 zu
erhalten. Für ein Kraftstoffgemisch mit n unterschiedlichen
Anteilen ergibt sich für das in 2 gezeigte
Beispiel mit einem Gemisch von n = 3 unterschiedlichen Anteilen
die folgende Auswertung. So weist jede Komponente jeweils eine Absorptionsrate
ai(f) auf, mit i = 1, ...., 3. Der Verlauf
dieser Kurven ai(f) ist in 2 mit
den oben genannten Bezugsziffern 140, 142 und 144 bezeichnet.
Für die daraus resultierende Summen-Absorptionsrate a(f),
welche in 2 mit der Bezugsziffer. 146 bezeichnet
ist, ergibt sich damit folgender Zusammenhang: a(f)
= a1(f) + a2(f)
+ a3(f).
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Dabei
muss die Verknüpfung der einzelnen Absorptionsraten a1 von f nicht zwingend linear sein. Auch
andere Kombinationen dieser Absorptionsraten können gewählt
werden, wobei jedoch Linearkombinationen aufgrund der einfacheren
Auswertung bevorzugt sind. Grundsätzlich ist es jedoch
ausreichend, wenn sich die Absorptionseigenschaften des Gemisches
als Funktion F bzw. Funktional F der Absorptionsraten der Einzelkomponenten
beschreiben lassen: a(f) = F[a1(f),
a2(f), a3(f)].
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Der
Verlauf der einzelnen Absorptionsraten a1(f),
...., an(f) kann beispielsweise durch ein
Modell und/oder eine Referenzmessung bestimmt werden. Diese einzelnen
Absorptionsraten können dann als Referenzverläufe
dienen und beispielsweise ganz oder teilweise in einem Datenspeicher
hinterlegt werden, beispielsweise einem Datenspeicher der Auswertevorrichtung 134.
Durch Vergleich eines Verlaufs einer tatsächlich gemessenen
Absorption über der Frequenz in einem Kraftstoffgemisch 116 mit
diesen hinterlegten Referenzverläufen kann dann der Anteil eines
oder mehrerer Stoffe im Kraftstoffgemisch 116 ermittelt
werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Gleichungssystems
erfolgen, bei welchem Koeffizienten einer Linearkombination der
Referenzverläufe angepasst werden. Für das oben
angegebene Dreistoffgemisch kann sich beispielsweise folgende Kurve
ergeben: a(f) = k1·a1,ref(f) + k2·a2,ref(f) + k3·a3,ref(f).
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Dabei
bezeichnet a(f) den tatsächlich in einem realen Kraftstoffgemisch 116 gemessenen
Verlauf der Absorption über der Frequenz, a1,ref(f),
a2,ref(f), a3 ,ref(f) die Referenzverläufe der
Absorptionsraten der einzelnen möglichen Komponenten und
k1, k2 und k3 Koeffizienten, welche den Anteil der jeweiligen
Stoffkomponente im Kraftstoffgemisch 116 beschreiben. Durch
Anpassung dieser Koeffizienten, beispielsweise durch übliche
Anpassungsverfahren (beispielsweise Minimierung der Fehlerquadrate)
können diese Koeffizienten bestimmt werden. Diese Koeffizienten
können dann beispielsweise als linear zum Anteil des jeweiligen
Stoffes im Kraftstoffgemisch 116 betrachtet werden, so
dass sich aus diesen Koeffizienten die Anteile ermitteln lassen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Auswerteverfahren
zur Auswertung des Verlaufs der Kenngröße über
der Frequenz der Mikrowellenstrahlung lediglich eine von vielen
Möglichkeiten skizziert. Alternativ oder zusätzlich
lassen sich andere Kenngrößen verwenden, beispielsweise die
Transmission der Mikrowellenstrahlung, oder es lassen sich andere
Arten von Auswerteverfahren einsetzen, beispielsweise eine unmittelbare
Analyse des Verlaufs der Kenngröße über
Mustervergleiche mit hinterlegten Verläufen. Verschiedene
Ausführungsformen sind denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3412704
A1 [0003, 0004, 0009]