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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemischs, wie beispielsweise eines Kraftstoff-Additiv-Gemischs für Brennkraftmaschinen, Getriebeöle mit Fremdpartikeln, Hydraulikfluide mit Fremdpartikeln oder jedes weitere Fluid, das eine Emulsion, Suspension oder Dispersion sein kann.
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Die Analyse von Fluideigenschaften bildet insbesondere im Hochdruckbereich einen wichtigen Anwendungsfall in der Prozesskontrolle technischer Systeme. Beispielhaft kann dabei der Automotive-Bereich genannt werden, bei dem derzeit Bestrebungen vorhanden sind, Emulsionseinspritzungen in der Brennkraftmaschine vorzusehen. Insbesondere können dem Kraftstoff für Brennkraftmaschinen Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, zugemischt werden, um die Verbrennung, die Schadstoffemissionen und/oder das Temperaturverhalten der Verbrennung zu verbessern. Hierbei wird eine instabile Emulsion, welche beispielsweise durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe erzeugt wird, in den Brennraum eingespritzt. Solche Emulsionen sind jedoch nicht über den gesamten Betriebsbereich des Motors notwendig, so dass solche Emulsionen nicht dauerhaft mit gleicher Beschaffenheit bereitgestellt werden müssen. Insbesondere können gradiente Phasen, d. h. Phasen, in denen die Erzeugung der Emulsion gestartet oder beendet wird, die Gefahr beinhalten, dass der Brennkraftmaschine ein Fluid zur Verfügung gestellt wird, dessen Eigenschaften instabil und unbekannt sind.
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Hierfür ist es bekannt, die Lambdaregelung und die Verbrennungsschwankungen zu analysieren, um Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Emulsion machen zu können. Dabei wird versucht, eine Konsequenz von Schwankungen in den Emulsionseigenschaften mittels dieser beiden Größen zu erfassen und nachträglich die Applikation anzupassen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem (vorzugsweise in Echtzeit) zumindest eine Eigenschaft eines Fluids zu erfassen, insbesondere von Fluiden für Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, zumindest eine optische Eigenschaft des zu untersuchenden Fluids zu bestimmen und dadurch beispielsweise Rückschlüsse auf die Konzentrationsverhältnisse der Bestandteile des Fluids, dem Durchmischungs- bzw. Homogenisierungsgrad des Fluids und auf die Größenverteilung der Bestandteile innerhalb des Fluids schließen zu können. Als optische Eigenschaften sind an dieser Stelle der Schwächungskoeffizient und die Streulichtintensität des Fluids beispielhaft zu nennen. Hierzu wird ein elektromagnetisches Quellsignal in das Fluid eingekoppelt und zumindest eine der beiden o. g. optischen Größen mittels geeigneter Empfangsvorrichtungen ermittelt. Durch die Verknüpfung dieser physikalischen Größen kann dann, wie bereits erwähnt, auf die Konzentrationsverhältnisse der Bestandteile des Fluids, den Durchmischungs- bzw. Homogenisierungsgrad des Fluids und auf die Größenverteilung der Bestandteile innerhalb des Fluids geschlossen werden.
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Folglich ist gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Gemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, offenbart. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Aussenden eines elektromagnetischen Quellsignals in das Fluid entlang eines Sendepfads, ein Empfangen eines ersten Empfangssignals entlang eines zum Sendepfad unter einem vorbestimmten ersten Winkel verlaufenden erste Empfangspfads, , ein Empfangen von zumindest einem zweiten Empfangssignal entlang eines zum Sendepfad unter einem vorbestimmten zweiten Winkel verlaufenden zweiten Empfangssignal , und ein Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zumindest einen zweiten Empfangssignal auf. Das erste Empfangssignal entspricht dabei dem vom Fluid entlang des ersten Empfangspfads gestreuten elektromagnetischen Quellsignal und das zweite Empfangssignal entspricht dabei dem vom Fluid entlang des zweiten Empfangspfads gestreuten elektromagnetischen Quellsignal. Der vorbestimmte erste Winkel ist ungleich dem vorbestimmten zweiten Winkel. Der Sendepfad, der erste Empfangspfad und der zweite Empfangspfad verlaufen im Wesentlichen geradlinig
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Genauer gesagt wird das elektromagnetische Quellsignal in das Fluid eingekoppelt und nach dem Durchlaufen durch das Fluid an zumindest zwei unterschiedlichen Positionen empfangen, nämlich zum einen nach dem Durchlaufen entlang des ersten Empfangspfads und zum anderen nach dem Durchlaufen entlang des zumindest einen zweiten Empfangspfads. Durch Auswertung der empfangenden Empfangssignale können dann Rückschlüsse auf die zumindest eine Eigenschaft des Fluids, wie z. B. die Zusammensetzung des Fluids, gemacht werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine bestimmte Eigenschaft des Fluids die Zusammensetzung des Fluids, die Stabilität des Fluids, die Strukturgrößen des Fluids und/oder den Durchmischungsgrad des Fluids.
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Vorzugsweise beträgt der vorbestimmte erste Winkel ungefähr 0°, so dass der erste Empfangspfad eine im Wesentlichen geradlinige Verlängerung des Sendepfads ist. Folglich kann das erste Empfangssignal die Extinktion des durch das Fluid gelangenden elektromagnetischen Quellsignals anzeigen. Somit kann das erste Empfangssignal den Schwächungskoeffizienten bzw. Extinktionsgrad des Fluids für das elektromagnetische Quellsignal anzeigen und das zumindest eine zweite Empfangssignal kann die Streuintensität des Fluids anzeigen.
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Insbesondere kann bei dem Fluid davon ausgegangen werden, dass das elektromagnetische Quellsignal entlang des Sendepfads zumindest teilweise geschwächt (Extinktion) und/oder zumindest teilweise gestreut wird, insbesondere an unterschiedlichen Bestandteilen des Fluids, das eine Emulsion, Suspension und/oder eine Dispersion sein kann.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem elektromagnetischen Quellsignal um ein Lichtsignal. Vorzugsweise werden hierzu unterschiedliche Wellenlängen für das eingebrachte Lichtsignal verwendet. Damit können weitere eindimensionale Größen und des Fluids erfasst werden, wie z. B. die Stabilität des Fluids, die Zusammensetzung des Fluids, die Strukturgrößen des Fluids und/oder der Durchmischungsgrad des Fluids, wodurch die Fehlerquote des Verfahrens und der Vorrichtung zumindest teilweise reduziert werden kann. Beispielsweise können mittels des Lichtsignals der optische Schwächungskoeffizient und die optische Streuintensität des Fluids ermittelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Erzeugen eines ersten Antwortsignals basierend auf dem ersten Empfangssignal und/oder ein Erzeugen von zumindest einem zweiten Antwortsignal basierend auf dem zumindest einen zweiten Empfangssignal auf. Dabei basiert das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise auf dem ersten Antwortsignal und/oder dem zumindest einen zweiten Antwortsignal.
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Insbesondere kann durch das Erzeugen des ersten und/oder zumindest einen zweiten Antwortsignals das erste und/oder das zweite Empfangssignal verstärkt werden, wodurch die zumindest eine Eigenschaft des Fluids noch genauer bestimmt werden kann.
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Vorzugsweise liegt der vorbestimmte zweite Winkel in einem Bereich zwischen ungefähr 30° und ungefähr 150°, vorzugsweise im Bereich zwischen ungefähr 60° und 120° und direkt am bevorzugtesten ungefähr 90°.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ferner ein Leiten des Fluid entlang einer Strömungsachse auf. Der Sendepfad und/oder der erste Empfangspfad und/oder der zweite Empfangspfad verlaufen dabei vorzugsweise jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fluid um ein mehrphasiges Fluid, das eine Emulsion, Suspension und/oder Dispersion sein kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Fluid beispielsweise ein Kraftstoff-Additiv-Gemisch für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs sein, wobei es sich bei dem Additiv z. B. um Wasser und/oder eine wässrige Harnstofflösung handeln kann. Weitere beispielhafte Fluide sind in jeglichen Hydrauliksystemen verwendete Hydraulikfluide, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich deren Verschmutzungsgrads mit Fremdpartikeln untersucht werden können. Ferner ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung jegliche Prozesse bei der Herstellung von Fluiden zu überwachen. Rein exemplarisch kann hier die Herstellung einer Zahncreme genannt werden, bei der die Zusammensetzung an jedem Zeitpunkt des Herstellungsprozesses überwacht werden kann. Ferner können Kühlmittelfluide von Klimaanlagen, beispielsweise von Klimaanlagen für Fahrzeuge, und/oder Motor- und/oder Getriebeöle auf deren Kontamination mit Rußpartikeln und/oder Fremdpartikeln untersucht werden.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Gemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, offenbart. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Signalquelle, die dazu ausgebildet ist, ein elektromagnetisches Quellsignal in das Fluid entlang eines Sendepfads auszusenden, eine erste Signalempfangseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Empfangssignal entlang eines zum Sendepfad unter einem vorbestimmten ersten Winkel verlaufenden ersten Empfangspfads zu empfangen, zumindest eine zweite Signalempfangseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein zweites Empfangssignal entlang eines zum Sendepfad unter einem vorbestimmten zweiten Winkel verlaufenden zweiten Empfangspfads zu empfangen, und eine Bestimmungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die zumindest eine Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zumindest einen zweiten Empfangssignal zu bestimmen. Das erste Empfangssignal entspricht dabei dem vom Fluid entlang des ersten Empfangspfads gestreuten elektromagnetischen Quellsignal und das zweite Empfangssignal entspricht dabei dem vom Fluid entlang des zweiten Empfangspfads gestreuten elektromagnetischen Quellsignal. Der vorbestimmte erste Winkel ist ungleich dem vorbestimmten zweiten Winkel.
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Vorzugsweise ist die Signalquelle eine Lichtquelle, insbesondere eine LED-Lichtquelle. Dabei kann die LED-Lichtquelle derart angesteuert werden, dass diese Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen aussendet, so dass weitere eindimensionale Größen und somit weiterhin Informationen über die zumindest eine Eigenschaft des Fluids erfasst werden können.
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Bevorzugt ist die erste Signalempfangseinrichtung gegenüberliegend der Signalquelle derart angeordnet, dass der vorbestimmte erste Winkel ungefähr 0° entspricht, so dass der erste Empfangspfad eine geradlinige Verlängerung des Sendepfads ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Signalempfangseinrichtung eine lichtempfindliche Fotodiode, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ersten Empfangssignal ein erstes Antwortsignal zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich ist die zumindest eine zweite Signalempfangseinrichtung eine lichtempfindliche Fotodiode, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem zweiten Empfangssignal ein zweites Antwortsignal zu erzeugen. In einer derart bevorzugten Ausgestaltung ist die Bestimmungseinheit ferner dazu ausgebildet, die zumindest eine Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf dem ersten Antwortsignal und/oder dem zumindest einen zweiten Antwortsignal zu bestimmen.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner ein Gehäuse auf, in dem ein sich entlang einer Strömungsachse erstreckender Strömungskanal angeordnet ist, durch den das Fluid im Wesentlichen entlang der Strömungsachse strömt. Die Signalquelle, die erste Signalempfangseinrichtung und die zweite Signalempfangseinrichtung sind derart am Gehäuse angebracht, dass der Sendepfad und/oder der erste Empfangspfad und/oder der zweite Empfangspfad jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine der Signalquelle zugeordnete Einkoppeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektromagnetische Quellsignal in das Fluid einzukoppeln, und/oder eine der ersten Signalempfangseinrichtung zugeordnete erste Auskoppeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das erste Empfangssignal aus dem Fluid auszukoppeln, und/oder eine der zumindest einen zweiten Signalempfangseinrichtung zugeordnete zweite Auskoppeleinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, das zweite Empfangssignal aus dem Fluid auszukoppeln. Die erste und/oder zweite Auskoppeleinrichtung ist ferner dazu ausgebildet, das erste und/oder zweite Empfangssignal der ersten und/oder zweiten Empfangseinrichtung zuzuleiten.
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Vorzugsweise sind die Einkoppeleinrichtung und/oder die erste Auskoppeleinrichtung und/oder die zweite Auskoppeleinrichtung jeweils Glaselemente, die dazu ausgebildet sind, für das elektromagnetische Quellsignal und/oder das erste Empfangssignal und/oder das zweite Empfangssignal jeweils durchlässig zu sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Einkoppelvorrichtung und/oder die erste Auskoppeleinrichtung und/oder die zweite Auskoppeleinrichtung dazu ausgebildet, die Signalquelle und/oder die erste Empfangseinrichtung und/oder die zweite Empfangseinrichtung relativ zum Fluid fluidmäßig abzudichten. Insbesondere sind hierzu die Einkoppelvorrichtung und/oder die erste Auskoppeleinrichtung und/oder die zweite Auskoppeleinrichtungen innerhalb eines Gehäuses fluiddicht eingebracht.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu ausgebildet, in einem Hochdruckbereich eines Kraftstoffzuführsystems einer Brennkraftmaschine angeordnet zu werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die Vorrichtung zumindest teilweise einen Abschnitt eines Fluidleitungselements darstellt und während des Leitens des Hochdruckfluids das dadurch fließende Fluid zu vermessen und hinsichtlich seiner Eigenschaften zu untersuchen.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids zeigt,
- 2 eine Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung der 1 zeigt,
- 3 eine weitere Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entlang der Linie III-III der 2 zeigt,
- 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids zeigt,
- 5 ein schematisches Diagramm eines Verlaufs eines ersten und zweiten Empfangssignals relativ zum Tröpfchendurchmesser zeigt, und
- 6 ein schematisches Diagramm eines Verlaufs eines ersten und zweiten Empfangssignals relativ zur Tröpfchenmasse zeigt.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Fluid“ jegliches Fluid und jegliche Fluidgemisch, die aus mehreren Bestandteilen bestehen können. Insbesondere sind darin homogene und heterogene Fluide und Fluidgemische inbegriffen, beispielsweise Emulsionen, Suspensionen und Dispersionen. Als Beispiele sind Fluidgemische aus mehreren Flüssigkeiten, wie z. B. Kraftstoff und Wasser, Gemische aus zumindest einer Flüssigkeit und zumindest einem Feststoff, wie beispielsweise Hydrauliköl mit Fremdpartikeln, und Gemische aus zumindest einer Flüssigkeit und zumindest einem Gas, wie z. B. Kraftstoff mit Luftblasen, zu nennen.Ferner umfasst der Begriff „Fluid“ mehrphasige Einkomponentenfluide, wie z. B. eine teilweise eingefrorene Harnstofflösung, bei der die Harnstofflösung teilweise flüssig und teilweise in Form von Eiskristallen vorliegt. Außerdem kann hier das Kältemittel einer Klimaanlage angeführt werden, dass seinen Aggregatszustand zwischen flüssig und gasförmig hin und her wechseln kann und somit in mehreren Phasen vorliegen kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschreibt die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine bestimmte Eigenschaft die qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung des Fluids. Ferner kann die zumindest eine Eigenschaft des Fluids die Größenverteilung eines im Fluid vorhandenen Bestandteils umfassen. Somit können Rückschlüsse auf den Durchmischungs- bzw. Homogenisierungsgrad des Fluids gemacht werden. Außerdem ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Stabilität des Fluids, die Massenzusammensetzung des Fluids und/oder die Strukturgrößen des Fluids zu bestimmen.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, die ein Gehäuse 110 aufweist, in dem ein sich entlang einer Strömungsachse 102 (siehe auch 3) erstreckender Strömungskanal 112 angeordnet ist, durch den ein Fluid entlang der Strömungsachse 102 strömen kann. Das Fluid ist beispielsweise ein Kraftstoff-Additiv-Gemisch für eine Brennkraftmaschine, welches mittels einer Kraftstoffhochdruckpumpe in eine Hochdruckspeichervorrichtung, wie beispielsweise ein Common-Rail, gefördert werden kann und welches unter Hochdruck mittels Einspritzvorrichtungen den Brennräumen einer der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Als Additive, die dem Kraftstoff beimischbar sind, können an dieser Stelle Wasser oder eine wässrige Harnstofflösung exemplarisch angeführt werden.
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In dem in der 1 dargestellten Ausführungsform ist der Strömungskanal 112 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt dargestellt. In weiteren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Strömungskanal 112 einen kreisförmigen, ovalen, dreieckigen und sonst jede mögliche Querschnittsform für Strömungskanäle 112 auf.
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Der 1 kann entnommen werden, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ferner eine Signalquelle 120 aufweist, die in dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer Lichtquelle, wie z. B. eine LED-Lichtquelle, bereitgestellt ist. Alternativ kann die Signalquelle jedoch jegliche Signalquelle sein, die dazu ausgebildet ist, ein elektromagnetisches Quellsignal in das Fluid entlang eines Sendepfads 122 (siehe 2 und 3) auszusenden. In der 1 sind die Anschlussleitungen 121 der Signalquelle 120 schematisch angedeutet.
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Aus der 1 geht ferner hervor, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 außerdem eine erste Signalempfangseinrichtung 130 aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Empfangssignal entlang eines zum Sendepfad 122 unter einem vorbestimmten ersten Winkel 150 (siehe 2) verlaufenden ersten Empfangspfads 132 zu empfangen. Das erste Empfangssignal entspricht im Wesentlichen dem vom Fluid aus dem Sendepfad 122 in den ersten Empfangspfad 132 gestreuten elektromagnetischen Quellsignal.
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In der in den 1 bis 3 gezeigten Ausgestaltungen beträgt der vorbestimmte erste Winkel 0°, so dass der erste Empfangspfad 132 im Wesentlichen eine geradlinige Verlängerung des Sendepfads 122 ist. Insbesondere ist die erste Signalempfangseinrichtung 130 relativ zum Strömungskanal 112 gegenüberliegend zur Signalquelle 120 angeordnet, so dass die erste Signalempfangseinrichtung 130 die Extinktion erfassen kann. In der 1 sind außerdem die Anschlussleitungen 131 der ersten Signalempfangseinrichtung 130 angedeutet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist ferner eine zweite Signalempfangseinrichtung 140 auf, die dazu ausgebildet ist, ein zweites Empfangssignal entlang eines zum Sendepfad 122 unter einem vorbestimmten zweiten Winkel 160 (siehe 2) verlaufenden zweiten Empfangspfads 142 zu empfangen. Das zweite Empfangssignal entspricht im Wesentlichen dem vom Fluid aus dem Sendepfad 122 in den zweiten Empfangspfad 142 gestreuten elektromagnetischen Quellsignal. In der 1 sind ebenfalls die elektrische Anschlussleitung 141 der zweiten Signalempfangseinrichtung 140 angedeutet.
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Es ist bevorzugt, dass der vorbestimmte erste Winkel 150 ungleich dem vorbestimmten zweiten Winkel 160 ist. Außerdem sind der vorbestimmte erste Winkel 150 und der vorbestimmten zweite Winkel 160 nicht symmetrisch zum Sendepfad 122 angeordnet.
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In weiteren Ausgestaltungen können weitere zweite Signalempfangseinrichtungen vorgesehen sein, die jeweils dazu ausgebildet sind, weitere zweite Empfangssignale entlang weiteren zweiten Empfangspfaden zu empfangen. Die Winkel zwischen dem Sendepfad 122 und den mehreren zweiten Empfangspfaden 142 können jeweils unterschiedlich sein.
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Unter Verweis auf die 2, die eine Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 der 1 darstellt, kann gesehen werden, dass die Signalquelle 120, die erste Signalempfangseinrichtung 130 und die zweite Empfangseinrichtung 140 jeweils in entsprechenden Ausnehmungen im Gehäuse 110 eingesetzt sind. In dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die erste Signalempfangseinrichtung 130 als auch die zweite Signalempfangseinrichtung 140 jeweils als lichtempfindliche Fotodioden ausgebildet, die jeweils dazu eingerichtet sind, basierend auf dem ersten Empfangssignal bzw. dem zweiten Empfangssignal ein erstes Antwortsignal bzw. zweites Antwortsignal zu erzeugen. Das erste bzw. zweite Antwortsignal werden mittels der elektrischen Anschlussleitung 131 bzw. der elektrischen Anschlussleitungen 141 zu einer Bestimmungseinheit (in den Zeichnungen nicht explizit dargestellt) geleitet, die dann dazu ausgebildet ist, die zumindest eine Eigenschaft des Fluid zumindest teilweise basierend auf dem ersten Empfangssignal bzw. ersten Antwortsignal und dem zumindest einem zweiten Empfangssignal bzw. zweiten Antwortsignal zu bestimmen.
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In der 2 fällt der Sendepfad 122 mit der Schnittlinie III-III zusammen. Außerdem kann der 2 entnommen werden, dass der zweite Empfangspfad 142 unter dem vorbestimmten zweiten Winkel 160 zum Sendepfad 122 verläuft. In dem gezeigten Beispiel beträgt der vorbestimmte zweite Winkel 160 ungefähr 90°. In weiteren Ausgestaltungen kann der vorbestimmte zweite Winkel 160 jeder Winkel.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist ferner eine der Signalquelle 120 zugeordnete und ebenfalls am Gehäuse 110 angebrachte Einkoppeleinrichtung 124 auf, die dazu ausgebildet ist, das elektromagnetische Quellsignal, insbesondere das von der LED-Quelle ausgesandte Licht, in das durch den Strömungskanal 112 strömenden Fluid einzukoppeln. In ähnlicher Weise sind eine der ersten Signalempfangseinrichtung 130 zugeordnete und ebenfalls am Gehäuse 110 angebrachte erste Auskoppeleinrichtung 134 und eine der zweiten Signalempfangseinrichtung 140 zugeordnete und ebenfalls am Gehäuse 110 angebrachte zweite Auskoppeleinrichtung 144 vorgesehen. Die erste Auskoppeleinrichtung 134 ist dazu ausgebildet, das erste Empfangssignal aus dem Fluid auszukoppeln und an die erste Signalempfangseinrichtung 130 zu leiten. Entsprechend ist die zweite Auskoppeleinrichtung 144 dazu ausgebildet, das zweite Empfangssignal aus dem Fluid auszukoppeln und der zweiten Signalempfangseinrichtung 140 zuzuleiten.
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Die Einkoppeleinrichtung 124, die erste Auskoppeleinrichtung 134 und die zweite Auskoppeleinrichtung 144 sind jeweils als konisch geformte Glaselemente bereitgestellt, die in entsprechende Ausnehmungen im Gehäuse 110 eingesetzt sind. Dabei ist es bevorzugt, dass der jeweilige Konus der Einkoppeleinrichtung 124, der ersten Auskoppeleinrichtung 134 und der zweiten Auskoppeleinrichtung 144 derart angeordnet ist, dass das Ende mit größerem Durchmesser dem Strömungskanal 112 zugewandt ist.
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Dadurch kann sicherstellt werden, dass bei einem unter Hochdruck strömenden Fluid die jeweiligen konisch geformten Glaselemente relativ zur Strömungsachse 102 zumindest teilweise radial nach außen gegen die entsprechend konisch geformten Ausnehmungen im Gehäuse 110 gedrückt und somit eine Fluiddichtung zwischen den Glaselementen und den im Gehäuse 110 vorgesehenen Ausnehmungen verbessert werden kann. Entsprechend können somit die Signalquelle 120, die erste Signalempfangseinrichtung 130 und die zweite Signalempfangseinrichtung 140 gegenüber dem im Strömungskanal 112 strömenden Fluid fluiddicht angeordnet werden.
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Obwohl in der Ausgestaltung der 1 bis 3 der Sendepfad 122, der erste Empfangspfad 132 und der zweite Empfangspfad 142 jeweils senkrecht zur Strömungsachse 102 verlaufen, kann es bei anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen vorteilhaft sein, wenn der Sendepfad 122 und/oder der erste Empfangspfad 132 und/oder der zweite Empfangspfad 142 unter nicht-senkrechten Winkeln zur Strömungsachse 102 verlaufen. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, eine weitere zweite Empfangseinrichtung vorzusehen, die ein weiteres zweites Empfangssignal entlang eines weiteren zweiten Empfangspfads empfängt, der zur Strömungsachse 102 nicht senkrecht verläuft, wohingegen der zweite Empfangspfad 142 der zweiten Empfangseinrichtung 140 weiterhin senkrecht zur Strömungsachse 102 verläuft.
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Die 3 zeigt eine Querschnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 entlang der Linie III-III der 2. In der 3 deutet der Pfeil 103 die Strömungsrichtung des Fluids durch den Fluidkanal 112 entlang der Strömungsachse 102 an. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ist dazu ausgebildet, in einem Kraftstoffzuführsystem in einer Brennkraftmaschine derart angeordnet zu sein, dass der Strömungskanal 112 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zumindest einen Teil der Kraftstoffleitung entspricht. Hierzu können in dem Gehäuse 110 entsprechende Verbindungsanordnungen vorgesehen werden, wie beispielsweise Flansche, Gewindebohrungen, etc. Alternativ bildet die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 einen Teil einer Fluidleitung, die das zu vermessende Fluid leitet. Ferner kann es möglich sein, dass der Strömungskanal 112 zumindest einen Teil eines Fluidbehälters, z. B. eine Ölwanne oder ein Hydraulikölreservoir, bildet, in dem sich das zu vermessende Fluid befindet.
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Unter Bezugnahme auf die 4 wird im Folgenden ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der 4 beginnt beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem ein elektromagnetisches Quellsignal in das Fluid entlang des Sendepfads 122 ausgesendet wird. Insbesondere kann dabei die Signalquelle 120 in der Form einer LED-Lichtquelle vorgesehen sein, die ein Lichtsignal mit bekannter und einstellbarer Wellenlänge entlang des Sendepfads 122 in das Fluid mittels der Einkoppelvorrichtung 124 aussendet.
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Aufgrund des Fluids, beispielsweise ein Kraftstoff-Additiv-Gemisch, wird das elektromagnetische Quellsignal aufgrund von Streuung an den Additivtröpfchen innerhalb des Fluids zumindest teilweise gestreut und gelangt dann zumindest teilweise entlang des ersten Empfangspfads 132 und zumindest teilweise entlang des zweiten Empfangspfads 142. Folglich wird am Schritt 220 mittels der ersten Signalempfangseinrichtung 130 das entlang des ersten Empfangspfads 1322 gelangende erste Empfangssignal empfangen. Bei einem weiteren Schritt 230, der vorzugsweise gleichzeitig zum Schritt 220 erfolgt, wird mittels der zweiten Signalempfangseinrichtung 140 das entlang des zweiten Empfangspfads 142 gelangende zweite Empfangssignal empfangen.
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Am Schritt 240 kann dann basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal die zumindest eine Eigenschaft des Fluids bestimmt werden, beispielsweise von einer Bestimmungseinheit. Beispielsweise kann das Konzentrationsverhältnis von Kraftstoff zu Additiv und/oder die Größenverteilung der Additivtröpfchen im Fluid ermittelt werden.
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Wie bereits erwähnt, kann es bevorzugt sein, dass sowohl die erste Signalempfangseinrichtung 130 als auch die zweite Signalempfangseinrichtung 140 jeweils als lichtempfindliche Fotodioden bereitgestellt sind. Empfangen diese lichtempfindlichen Fotodioden jeweils ein elektromagnetisches Quellsignal, beispielsweise einen Lichtimpuls, können diese daraufhin ein entsprechendes Antwortsignal basierend auf dem jeweiligen Empfangssignal erzeugen. Das von den Lichtdioden erzeugte Antwortsignal ist vorzugsweise ein elektrisches Antwortsignal, auf denen basierend die zumindest eine Eigenschaft des Fluids bestimmt werden kann.
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Beträgt, wie in den 1 bis 3 dargestellt, der vorbestimmte erste Winkel 150 ungefähr 0°, so kann das von der ersten Empfangseinrichtung 130 empfangene erste Empfangssignal den Schwächungskoeffizienten bzw. Extinkionskoeffizienten des Fluids darstellen, wobei das von der zweiten Empfangseinrichtung 140 empfangene zweite Empfangssignal die Streulichtintensität des Fluids darstellen kann. Durch eine Verknüpfung dieser beiden optischen Parameter bzw. Fluideigenschaften können Rückschlüsse auf die Konzentrationsverhältnisse der Bestandteile des Fluids, auf den Durchmischungs- bzw. Homogenisierungsgrad des Fluids und/oder auf die Größenverteilung der Bestandteile innerhalb des Fluids geschlossen werden.
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Die 5 und 6 zeigen schematisch einen qualitativen Zusammenhang des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals in Abhängigkeit zum Tröpfchendurchmesser D (siehe 5) und zur Tröpfchenanzahl (siehe 6), die proportional zur Tröpfchenmasse m ist, beispielhaft bei einem Kraftstoff-Wasser-Gemisch. Bei der 5 wird angenommen, dass die Tröpfchenmasse m über den gesamten Abszissenbereich gleichbleibt, sich aber der Tröpfchendurchmesser D mit steigender Abszisse vergrößert. Bei der 6 hingegen wird angenommen, dass der Tröpfchendurchmesser D über den gesamten Abszissenbereich gleichbleibt, sich aber die Tröpfchenmasse m (und damit auch die Tröpfchenanzahl) mit steigender Abszisse vergrößert. Auch hier wird wieder angenommen, dass der vorbestimmte erste Winkel 150 ungefähr 0° entspricht, so dass der Sendepfad 122 geradlinig in den ersten Empfangspfad 132 übergeht.
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Die durchgezogene Linie 310 der 5 zeigt, dass das erste Empfangssignal(= Extinktion) mit steigendem Tröpfchendurchmesser D ansteigt, da der entlang des ersten Empfangspfads 132 gelangende Anteil des Quellsignals immer größer wird im Vergleich zu dem aus dem Sendepfad 122 gestreuten Anteil des Quellsignals. Folglich sinkt mit steigendem Tröpfchendurchmesser D das zweite Empfangssignal (= Streuung; siehe gestrichelte Linie 320 der 5) .
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Die durchgezogene Linie 410 der 6 zeigt, dass das erste Empfangssignal (= Extinktion) mit steigender Tröpfchenmasse m sinkt, da der entlang des ersten Empfangspfads 132 gelangende Anteil des Quellsignals immer größer wird im Vergleich zu dem aus dem Sendepfad 122 gestreuten Anteil des Quellsignals. Folglich steigt mit steigender Tröpfchenmasse m das zweite Empfangssignal (= Streuung; siehe gestrichelte Linie 420 der 6).
