DE102018203664A1 - Method and apparatus for determining at least one property of a fluid mixture - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Aussenden eines Quellschallsignals in das Fluid, ein Empfangen eines Empfangssignals, das dem zumindest teilweise durch das Fluid gelangenden Quellschallsignal entspricht, ein Ermitteln einer Dämpfungscharakteristik und/oder einer Phasenverschiebungscharakteristik zwischen dem Quellschallsignal und dem Empfangssignal und ein Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Dämpfungscharakteristik und/oder der ermittelten Phasenverschiebungscharakteristik.The present invention relates to a method and an apparatus for determining at least one property of a fluid, in particular a fluid mixture of fuel and additive for an internal combustion engine of a vehicle. The method according to the invention comprises emitting a source sound signal into the fluid, receiving a reception signal corresponding to the source sound signal passing at least partially through the fluid, determining an attenuation characteristic and / or a phase shift characteristic between the source sound signal and the reception signal and determining the at least one property the fluid based at least partially on the determined damping characteristic and / or the determined phase shift characteristic.

Description

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 Fluidgemisch, das eine Emulsion, Suspension oder Dispersion sein kann.The present invention relates to a method and an apparatus for determining at least one property of a fluid, in particular a fluid mixture, such as a fuel-additive mixture for internal combustion engines, transmission oils with foreign particles, hydraulic fluids with foreign particles or any fluid mixture containing an emulsion, suspension or Dispersion can be.

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 oder Fluidgemisch zur Verfügung gestellt wird, dessen Eigenschaften instabil und unbekannt sind.The analysis of fluid properties forms an important application in the process control of technical systems, especially in the high pressure area. By way of example, the automotive sector can be mentioned, in which efforts are currently being made to provide emulsion injections in the internal combustion engine. In particular, the fuel for internal combustion engines liquids such. As water, are admixed to improve the combustion, the pollutant emissions and / or the temperature behavior of the combustion. Here, an unstable emulsion, which is generated for example by a high-pressure fuel pump, injected into the combustion chamber. However, such emulsions are not required over the entire operating range of the engine, so such emulsions need not be permanently provided with the same consistency. In particular, gradient phases, i. H. Phases in which the production of the emulsion is started or terminated involve the risk of providing the engine with a fluid or fluid mixture whose properties are unstable and unknown.

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.For this purpose, it is known to analyze the lambda control and the combustion fluctuations in order to be able to draw conclusions about the composition of the emulsion. An attempt is made to detect a consequence of fluctuations in the emulsion properties by means of these two variables and to adapt the application subsequently.

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 Fluidgemischen für Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting (preferably in real time) at least one property of a fluid, particularly fluid mixtures for internal combustion engines for vehicles.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß unabhängigem Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to independent claim 1 and a device according to independent claim 6. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, ein Quellschallsignal in ein Fluid, insbesondere ein Fluidgemisch, wie beispielsweise ein Fluidgemisch bestehend aus Kraftstoff und einem Additiv für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, auszusenden und nach dem Durchlaufen des Schallsignals durch das Fluid als Empfangssignal zu empfangen und mittels des Empfangssignals Rückschlüsse auf zumindest eine Eigenschaft des Fluids bzw. Fluidgemischs zu machen. Beispielsweise können hierzu die Dämpfungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristiken zwischen dem ausgesendeten Quellschallsignal und dem Empfangssignal herangezogen werden, um beispielsweise auf die Zusammensetzung des Fluids bzw. Fluidgemischs oder die in dem als Emulsion vorliegenden Fluidgemisch enthaltenen Tröpfchen zu ermitteln. Bei dem Quellschallsignal handelt es sich insbesondere um ein Druckschallsignal, das beispielsweise durch eine durch ein Öffnen eines Einspritzventils der Brennkraftmaschine erzeugte Druckänderung erzeugt werden kann.The present invention is based essentially on the idea to emit a source sound signal into a fluid, in particular a fluid mixture, such as a fluid mixture consisting of fuel and an additive for an internal combustion engine of a vehicle, and to receive after passing through the sound signal through the fluid as a received signal and to make conclusions about at least one property of the fluid or fluid mixture by means of the received signal. For example, for this purpose, the attenuation and / or phase shift characteristics between the emitted source sound signal and the received signal can be used, for example, to determine the composition of the fluid or the droplets contained in the present as an emulsion fluid mixture droplets. The source sound signal is, in particular, a pressure sound signal that can be generated, for example, by a pressure change produced by opening an injection valve of the internal combustion engine.

Folglich ist gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids offenbart, insbesondere eines Fluidgemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Aussenden eines Quellschallsignals in das Fluid, ein Empfangen eines Empfangssignals, das dem zumindest teilweise durch das Fluid gelangenden Quellschallsignal entspricht, ein Ermitteln einer Dämpfungscharakteristik und/oder einer Phasenverschiebungscharakteristik zwischen dem Quellschallsignal und dem Empfangssignal und ein Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Dämpfungscharakteristik und/oder der ermittelten Phasenverschiebungscharakteristik auf. Insbesondere kann das Material des das Fluid aufbewahrenden Behältnisses von Relevanz sein, welches aber bekannt ist. Das Quellschallsignal gelangt vorzugsweise über den Pfad des geringsten Widerstands, d. h. teilweise durch das Behältnis und teilweise durch das Fluid.Accordingly, according to a first aspect of the present invention, a method for determining at least one property of a fluid, in particular a fluid mixture of fuel and additive for an internal combustion engine of a vehicle is disclosed. The method according to the invention comprises emitting a source sound signal into the fluid, receiving a reception signal corresponding to the source sound signal passing at least partially through the fluid, determining an attenuation characteristic and / or a phase shift characteristic between the source sound signal and the reception signal and determining the at least one property the fluid based at least partially on the determined damping characteristic and / or the determined phase shift characteristic. In particular, the material of the container storing the fluid may be of relevance, but it is known. The source sound signal preferably passes over the path of least resistance, i. H. partly through the container and partly through the fluid.

Dabei wird sich insbesondere zu Nutze gemacht, dass die Amplitude und/oder die Frequenz des Quellschallsignals im Wesentlichen bekannt sind und somit mit dem empfangenen Empfangssignal nach dem Durchlaufen des Fluids bzw. Fluidgemischs verglichen werden kann. Somit kann daraus die zumindest eine Eigenschaft des Fluids bestimmt werden, wie beispielsweise die Zusammensetzung eines Fluidgemischs und/oder die Größenverteilung der Tröpfchen einer Emulsion.In this case, it is made use of in particular that the amplitude and / or the frequency of the source sound signal are substantially known and thus can be compared with the received received signal after passing through the fluid or fluid mixture. Thus, the at least one property of the fluid can be determined therefrom, such as, for example, the composition of a fluid mixture and / or the size distribution of the droplets of an emulsion.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Quellschallsignal um ein Druckschallsignal, das durch eine Druckänderung an einer Einspritzeinrichtung der Brennkraftmaschine oder durch einen Förderdruckpuls einer Kraftstoffförderpumpe der Brennkraftmaschine erzeugbar ist. Es wurde beispielsweise erkannt, dass Einspritzeinrichtungen zumeist sehr steile Öffnungsgradienten aufweisen, weshalb hierbei ein sehr steiler Druckgradient innerhalb des Fluids bzw. Fluidgemischs erzeugt werden kann. Dabei kann man näherungsweise davon ausgehen, dass es sich bei der Druckänderung um einen schlagartigen Drucksprung handelt, in dem, nach einer Transformation in den Frequenzraum bei Anwendung einer geeigneten Transferfunktion, in guter Näherung sämtliche Frequenzanteile enthalten sind. Insbesondere kann im Frequenzraum qualitativ gesagt werden, dass der Anstieg und Abfall einer Rechteckwelle umso steiler sind, je höher die Frequenz der schnellsten Sinus-Oszillation istPreferably, the source sound signal is a pressure sound signal, which by a pressure change to an injection of the Internal combustion engine or by a delivery pressure pulse of a fuel delivery pump of the internal combustion engine can be generated. It has been recognized, for example, that injectors usually have very steep opening gradients, which is why a very steep pressure gradient can be generated within the fluid or fluid mixture. In this case, it can be assumed approximately that the pressure change is a sudden pressure jump in which, after a transformation into the frequency domain using a suitable transfer function, all frequency components are included to a good approximation. In particular, in the frequency domain, it can be qualitatively said that the higher the frequency of the fastest sine oscillation, the steeper the rise and fall of a square wave

Es ist ferner bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein Erzeugen eines Antwortsignals basierend auf dem Empfangssignal aufweist. Dabei basiert das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise auf dem erzeugten Antwortsignal. Insbesondere kann durch das Erzeugen des Antwortsignals das Empfangssignal zumindest teilweise verstärkt werden, wodurch die zumindest eine Eigenschaft des Fluids noch genauer bestimmt werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Antwortsignal um ein elektrisches Signal, das von einer das Empfangssignal empfangenden Empfangseinrichtung erzeugt werden kann.It is further preferred that the inventive method comprises generating a response signal based on the received signal. In this case, the determination of the at least one property of the fluid is based at least partially on the generated response signal. In particular, by generating the response signal, the received signal can be at least partially amplified, as a result of which the at least one property of the fluid can be determined even more accurately. Preferably, the response signal is an electrical signal that can be generated by a receiving device receiving the receiving signal.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Transformieren des Quellschallsignals in einen Frequenzraum und ein Transformieren des Empfangssignals in den Frequenzraum auf. Das Ermitteln der Dämpfungscharakteristik und/oder der Phasenverschiebungscharakteristik im Frequenzraum auf der Grundlage des transformierten Quellschallsignals und des transformierten Empfangssignals erfolgt. Die Transformation des Quellschallsignals und/oder Empfangssignals kann dabei mittels einer Fourier-Transformation, wie beispielsweise eine sogenannten Fast-Fourier-Transformation (FFT), oder mittels einer oder Laplace-Transformation unter jeweiliger Anwendung einer Übertragungsfunktion erfolgen. Dabei ist es bevorzugt, dass hohe Frequenzanteile vorhanden sind.In a further preferred refinement, the method according to the invention further comprises transforming the source sound signal into a frequency space and transforming the received signal into the frequency space. The determination of the attenuation characteristic and / or the phase shift characteristic in the frequency domain on the basis of the transformed source sound signal and the transformed received signal takes place. The transformation of the source sound signal and / or received signal can be effected by means of a Fourier transformation, such as a so-called fast Fourier transform (FFT), or by means of a or Laplace transformation with respective application of a transfer function. It is preferred that high frequency components are present.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Fluid um ein mehrphasiges Fluidgemisch, wie beispielsweise eine Emulsion, Suspension oder Dispersion. Ferner kann es sich um mehrphasige Einkomponentenfluide handeln, die in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen, wie z. B. eine teilweise eingefrorene Harnstofflösung oder ein Kältemittel einer Klimaanlage, welches seinen Aggregatszustand zwischen flüssig und gasförmig hin und her wechseln kann und somit in mehreren Phasen vorliegen kann.The fluid is preferably a multiphase fluid mixture, such as an emulsion, suspension or dispersion. Furthermore, it may be multiphase Einkomponentenfluide, which are present in different states of aggregation, such. As a partially frozen urea solution or a refrigerant of an air conditioner, which can change its state of aggregation between liquid and gaseous back and forth and thus may be present in several phases.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, offenbart. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Schallsignalquelle, die dazu ausgebildet ist, ein Quellschallsignal in das Fluid auszusenden, eine Signalempfangseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Empfangssignal zu empfangen, das dem durch das Fluid gelangenden Quellschallsignal entspricht, und eine Bestimmungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, eine Dämpfungscharakteristik und/oder eine Phasenverschiebungscharakteristik zwischen dem Quellschallsignal und dem Empfangssignal zu ermitteln und die zumindest eine Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Dämpfungscharakteristik und/oder der ermittelten Phasenverschiebungscharakteristik zu bestimmen.According to a further aspect of the present invention, an apparatus for determining at least one property of a fluid, in particular a fluid mixture of fuel and additive for an internal combustion engine of a vehicle is disclosed. The device according to the invention comprises a sound signal source which is designed to emit a source sound signal into the fluid, a signal reception device which is designed to receive a reception signal which corresponds to the source sound signal passing through the fluid, and a determination device which is designed for this purpose to determine an attenuation characteristic and / or a phase shift characteristic between the source sound signal and the received signal and to determine the at least one property of the fluid based at least in part on the determined attenuation characteristic and / or the determined phase shift characteristic.

Vorzugsweise ist die Schallsignalquelle eine Einspritzeinrichtung der Brennkraftmaschine, die dazu ausgebildet ist, durch das Einspritzen des Fluids in den Brennraum der Brennkraftmaschine ein Druckschallsignal als Quellschallsignal im Fluid bzw. Fluidgemisch zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich ist die Schallsignalquelle eine Kraftstoffförderpumpe einer Brennkraftmaschine, die dazu ausgebildet ist, durch das Fördern des Fluid bzw. Fluidgemischs in einen Hochdruckspeicher, wie z. B. ein Common-Rail, der Brennkraftmaschine ein Druckschallsignal als Quellschallsignal zu erzeugen und in das Fluid bzw. Fluidgemisch auszusenden.Preferably, the sound signal source is an injection device of the internal combustion engine, which is designed to generate a pressure sound signal as a source sound signal in the fluid or fluid mixture by injecting the fluid into the combustion chamber of the internal combustion engine. Alternatively or additionally, the sound signal source is a fuel delivery pump of an internal combustion engine, which is designed by conveying the fluid or fluid mixture into a high-pressure accumulator, such as. B. a common rail, the internal combustion engine to produce a pressure sound signal as a source sound signal and send out into the fluid or fluid mixture.

Wie bereits oben erwähnt, wurde erkannt, dass durch das Einspritzen des Fluids in den Brennraum der Brennkraftmaschine ein steiler Druckgradient im Fluid erzeugt werden kann, der näherungsweise einem Drucksprung entspricht, der in weiterer Näherung sämtliche Frequenzanteile beinhaltet. In ähnlicher Weise kann die Schallsignalquelle die Kraftstoffförderpumpe sein, wenn diese einen ausreichend schnellen Förderpuls aufweist, damit im Frequenzraum ausreichend viele Frequenzanteile enthalten sind.As already mentioned above, it has been recognized that the injection of the fluid into the combustion chamber of the internal combustion engine can produce a steep pressure gradient in the fluid, which approximately corresponds to a pressure jump, which in a further approximation includes all frequency components. Similarly, the sound signal source may be the fuel delivery pump, if this has a sufficiently fast delivery pulse, so that in the frequency space sufficiently many frequency components are included.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Signalempfangseinrichtung ein Drucksensor, der dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Empfangssignal ein elektrisches Antwortsignal zu erzeugen. Die Bestimmungseinheit ist dabei ferner dazu ausgebildet, die zumindest eine Eigenschaft des Fluids bzw. Fluidgemischs zumindest teilweise basierend auf dem elektrischen Antwortsignal, das vorzugsweise in den Frequenzraum transformiert wird, zu bestimmen. Alternativ kann die Signalempfangsvorrichtung ein Piezoelement oder ein Dehnungsmessstreifen sein, der das Quellschallsignal nach dem Durchlaufen durch das Fluid empfangen kann.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the signal receiving device is a pressure sensor, which is designed to generate an electrical response signal based on the received signal. The determination unit is further configured to determine the at least one property of the fluid or fluid mixture based at least in part on the electrical response signal, which is preferably transformed into the frequency domain. Alternatively, the signal receiving device may be a piezoelectric element or a strain gauge, the the source sound signal after passing through the fluid can receive.

In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem Drucksensor um einen an einem Hochdruckspeicher der Brennkraftmaschine angeordneten Drucksensor, der dazu ausgebildet ist, den zeitlichen Verlauf des Drucks des Fluids bzw. Fluidgemischs innerhalb des Hochdruckspeichers, wie beispielsweise ein Common-Rail, zu überwachen und aufzuzeichnen.Advantageously, the pressure sensor is a pressure sensor arranged on a high-pressure accumulator of the internal combustion engine and designed to monitor and record the time profile of the pressure of the fluid or fluid mixture within the high-pressure accumulator, such as a common rail.

Vorzugsweise ist die Bestimmungseinheit ferner dazu ausgebildet, das Quellschallsignal in einen Frequenzraum zu transformieren und das Empfangssignal in den Frequenzraum zu transformieren. Das Ermitteln der Dämpfungscharakteristik und/oder der Phasenverschiebungscharakteristik erfolgt dabei im Frequenzraum auf der Grundlage des transformierten Quellschallsignals und des transformierten Empfangssignals.Preferably, the determination unit is further configured to transform the source sound signal into a frequency space and to transform the reception signal into the frequency space. The determination of the attenuation characteristic and / or the phase shift characteristic takes place in the frequency domain on the basis of the transformed source sound signal and the transformed received signal.

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 schematische Ansicht einer an einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs angebrachten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, und
  • 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids darstellt.
Other objects and features of the present invention will become apparent to those skilled in the art by exercising the present teachings and considering the accompanying drawings, in which:
  • 1 shows a schematic view of a mounted on an internal combustion engine of a vehicle according to the invention device, and
  • 2 FIG. 3 illustrates an exemplary flowchart of a method according to the invention for determining at least one property of a fluid.

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 eines Fluids bzw. Fluidgemischs. Ferner kann die zumindest eine Eigenschaft eines Fluidgemischs die Größenverteilung eines im Fluidgemisch vorhandenen Bestandteils umfassen. Somit können Rückschlüsse auf den Durchmischungs- bzw. Homogenisierungsgrad des Fluidgemischs gemacht werden. Außerdem ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Temperatur des Fluids zu bestimmen.In the context of the present invention, the at least one specific property described by means of the method according to the invention and the device according to the invention describes the qualitative and / or quantitative composition of a fluid or fluid mixture. Furthermore, the at least one property of a fluid mixture may include the size distribution of a component present in the fluid mixture. Thus, conclusions can be made on the degree of mixing or homogenization of the fluid mixture. In addition, it is within the scope of the present invention to determine the temperature of the fluid.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Fluid“ jegliches Fluid oder Fluidgemisch bestehend aus mehreren Bestandteilen. Insbesondere sind darin homogene und heterogene Fluide und Fluidgemische sowie mehrphasige Fluidgemische inbegriffen, wie beispielsweise Emulsionen, Suspensionen und Dispersionen. Als Beispiele sind Gemische 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.In the context of the present disclosure, the term "fluid" describes any fluid or fluid mixture consisting of several components. In particular, it includes homogeneous and heterogeneous fluids and fluid mixtures as well as multiphase fluid mixtures, such as emulsions, suspensions and dispersions. As examples are mixtures of several liquids, such as. As fuel and water, mixtures of at least one liquid and at least one solid, such as hydraulic oil with foreign particles, and mixtures of at least one liquid and at least one gas, such. As fuel with air bubbles to call. Furthermore, the term "fluid" includes multiphase monocomponent fluids, such as. As a partially frozen urea solution, in which the urea solution is partially liquid and partially in the form of ice crystals. In addition, the refrigerant of an air conditioner can be mentioned here, that can change its state of aggregation between liquid and gaseous back and forth and thus can be present in several phases.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Fluidgemisch 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 Fluidgemische 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 Fluidgemischen 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, beispielsweis von Klimaanlagen für Fahrzeuge, und/oder Motor- und/oder Getriebeöle auf deren Kontamination mit Rußpartikeln und/oder Fremdpartikeln untersucht werden.In the context of the present invention, the fluid mixture may be, for example, a fuel-additive mixture for an internal combustion engine of a vehicle, wherein the additive z. B. may be water and / or an aqueous urea solution. Further exemplary fluid mixtures are hydraulic fluids used in all hydraulic systems, which can be examined with regard to their degree of contamination with foreign particles by means of the method according to the invention and the device according to the invention. Furthermore, it is possible with the method according to the invention and the device according to the invention to monitor any processes in the production of fluid mixtures. By way of example, the preparation of a toothpaste can be mentioned here, in which the composition can be monitored at any point in the production process. Furthermore, coolant fluids of air conditioning systems, for example of air conditioning systems for vehicles, and / or engine and / or transmission oils can be examined for their contamination with soot particles and / or foreign particles.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, die an einer Brennkraftmaschine 10 eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 10 weist exemplarisch vier Zylinder (nicht explizit dargestellt) auf, denen jeweils eine Einspritzeinrichtung 12, 14, 16, 18 zugeordnet sind. Die Einspritzeinrichtungen 12, 14, 16, 18 sind jeweils mittels entsprechender Verbindungsleitungen 13, 15, 17, 19 mit einem Hochdruckspeicher 20 verbunden, der wiederum über eine entsprechende Verbindungsleitung 22 mit einer Kraftstoffförderpumpe 30 verbunden ist, über die der Hochdruckspeicher mit Fluid, wie beispielsweise Kraftstoff, oder einem Fluidgemisch, wie beispielsweise einem Gemisch aus Kraftstoff und Wasser, versorgt werden kann. Die Kraftstoffförderpumpe 30 ist wiederum mit einer Verbindungsleitung 32 mit einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) verbunden.The 1 shows a schematic view of a device according to the invention 100 connected to an internal combustion engine 10 a vehicle (not shown) is arranged. The internal combustion engine 10 exemplarily has four cylinders (not explicitly shown), each having an injection device 12 . 14 . 16 . 18 assigned. The injectors 12 . 14 . 16 . 18 are each by means of appropriate connecting lines 13 . 15 . 17 . 19 with a high-pressure accumulator 20 connected, in turn, via an appropriate connection line 22 with a fuel pump 30 is connected, via which the high pressure accumulator with fluid, such as fuel, or a fluid mixture, such as a mixture of fuel and water, can be supplied. The fuel pump 30 is in turn with a connection line 32 connected to a fuel tank (not shown).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist einen am Hochdruckspeicher 20 angeordneten Drucksensor 110 auf, der dazu ausgebildet ist, den Druck des im Hochdruckspeichers 20 vorhandenen Fluids oder Fluidgemischs gegenüber der Zeit aufzuzeichnen und zu überwachen. Hierzu ist der Drucksensor 110 mit einer Bestimmungseinheit 120 verbunden, die dazu ausgebildet ist, zumindest eine Eigenschaft des im Hochdruckspeicher 20 vorhandenen Fluids oder Fluidgemischs zu bestimmen. Der Drucksensor 110 stellt dabei exemplarisch eine Signalempfangseinrichtung dar, die dazu ausgebildet ist, die in das Fluid bzw. Fluidgemisch ausgesendeten Quellschallsignale zu empfangen.The device according to the invention 100 has one on the high-pressure accumulator 20 arranged pressure sensor 110 on, which is adapted to the pressure of the high-pressure accumulator 20 existing Record and monitor fluids or fluid mixture over time. This is the pressure sensor 110 with a determination unit 120 connected, which is adapted to at least one property of the high-pressure accumulator 20 existing fluid or fluid mixture to determine. The pressure sensor 110 in this case exemplarily represents a signal receiving device, which is designed to receive the source sound signals emitted into the fluid or fluid mixture.

In dem in der 1 gezeigten Beispiel stellt jede der Einspritzeinrichtungen 12, 14, 16, 18 eine Schallsignalquelle dar, die jeweils dazu ausgebildet ist, ein Quellschallsignal in das Fluid bzw. das Fluidgemisch auszusenden. Insbesondere kann beim Öffnen von einer der Einspritzeinrichtungen 12, 14, 16, 18 eine Druckänderung innerhalb der jeweiligen Einspritzeinrichtung 12, 14, 16, 18 erzeugt werden, die sich als Druckwelle durch die jeweilige Verbindungsleitung 13, 15, 17, 19 bis in den Hochdruckspeicher 20 fortpflanzt und vom als Signalempfangseinrichtung ausgebildeten Drucksensor 110 erfasst werden kann. Die Einspritzeinrichtungen 12, 14, 16, 18 haben zumeist sehr steile Öffnungsgradienten, die zu einem sehr steilen Druckgradienten innerhalb des Fluids bzw. Fluidgemischs führen können. Damit erhält man praktisch einen Drucksprung, in dem näherungsweise sämtliche Frequenzanteile enthalten sind.In the in the 1 Example shown represents each of the injectors 12 . 14 . 16 . 18 a sound signal source, which is in each case adapted to emit a source sound signal in the fluid or the fluid mixture. In particular, when opening one of the injectors 12 . 14 . 16 . 18 a pressure change within the respective injector 12 . 14 . 16 . 18 are generated, which is a pressure wave through the respective connecting line 13 . 15 . 17 . 19 into the high-pressure accumulator 20 propagates and designed as a signal receiving device pressure sensor 110 can be detected. The injectors 12 . 14 . 16 . 18 Most have very steep opening gradients, which can lead to a very steep pressure gradient within the fluid or fluid mixture. This practically results in a pressure jump in which approximately all frequency components are contained.

Alternativ kann es möglich sein, dass der Förderpuls der Kraftstoffförderpumpe 30 als Quellschallsignal verwendet wird, der von der Kraftstoffförderpumpe 30 aus durch die Verbindungsleitung 22 bis in den Hochdruckspeicher 20 gelangt und dort wiederum vom Drucksensor 110 erfasst werden kann. Hierzu ist aber notwendig, dass der Förderpuls der Kraftstoffförderpumpe 30 ausreichend schnell ist.Alternatively, it may be possible that the delivery pulse of the fuel delivery pump 30 is used as a source sound signal from the fuel pump 30 out through the connecting line 22 into the high-pressure accumulator 20 arrives and there again from the pressure sensor 110 can be detected. For this purpose, it is necessary that the delivery pulse of the fuel delivery pump 30 is fast enough.

Unter Bezugnahme auf die 2 wird im Folgenden ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft des Fluids bzw. Fluidgemischs beschrieben. Dabei wird beispielhaft davon ausgegangen, dass das Quellschallsignal von der Einspritzeinrichtung 12 stammt, die von der Steuerung (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine gesteuert werden kann. Es ist selbstredend, dass das Quellschallsignal alternativ oder zusätzlich auch von jeder anderen Einspritzeinrichtung 14, 16, 18 erzeugt werden kann.With reference to the 2 In the following, a method according to the invention for determining at least one property of the fluid or fluid mixture is described. It is assumed, for example, that the source sound signal from the injector 12 origin, which can be controlled by the controller (not shown) of the internal combustion engine. It is self-evident that the source sound signal alternatively or additionally from any other injector 14 . 16 . 18 can be generated.

Das Verfahren der 2 startet am Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem die Einspritzeinrichtung 12 ein Quellschallsignal mittels Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Fluid bzw. Fluidgemisch in den entsprechenden Brennraum der Brennkraftmaschine 10 erzeugt. Dabei sind die Öffnungszeit der Einspritzeinrichtung 12 sowie der ursprüngliche Druck des Fluids innerhalb der Einspritzeinrichtung 12 bekannt. Daraus kann folglich die ursprüngliche Amplitude und ursprünglichen Frequenzanteile des Quellschallsignals im Wesentlichen ermittelt werden. Insbesondere kann ein mathematisches Modell einer idealen Einspritzvorrichtung hinterlegt sein, womit die Parameter des Quellschallsignals unmittelbar vorliegen. Alternativ könnte der Einspritzeinrichtung 12 eine separate Signalempfangseinrichtung zugeordnet werden, die die Parameter des Quellschallsignals ermittelt.The procedure of 2 starts at the crotch 200 and then get to the step 210 at which the injector 12 a source sound signal by injecting a predetermined amount of fluid or fluid mixture into the corresponding combustion chamber of the internal combustion engine 10 generated. Here are the opening time of the injector 12 and the original pressure of the fluid within the injector 12 known. From this, consequently, the original amplitude and original frequency components of the source sound signal can essentially be determined. In particular, a mathematical model of an ideal injection device can be stored, with which the parameters of the source sound signal are present immediately. Alternatively, the injector could 12 a separate signal receiving device are assigned, which determines the parameters of the source sound signal.

Am darauffolgenden Schritt 220 gelangt die durch das Öffnen der Einspritzeinrichtung 12 erzeugte Druckänderung innerhalb der Einspritzeinrichtungen 12 in rückwärtiger Richtung durch die Verbindungsleitung 13 in den Hochdruckspeicher 20 und wird dort, ebenfalls am Schritt 220, von dem als Signalempfangseinrichtung ausgebildeten Drucksensor 110 als Empfangssignals empfangen. Die aufgrund der schlagartigen Druckänderung erzeugte Druckschallwelle wandert durch das Fluid bzw. Fluidgemisch innerhalb der Einspritzeinrichtung 12, der Verbindungsleitung 13 und des Hochdruckspeichers 20 und wird dabei vom Fluid bzw. Fluidgemisch zumindest teilweise gedämpft und/oder abgelenkt. Der Drucksensor 110 kann dann basierend auf dem Empfangssignal ein elektrisches Antwortsignal erzeugen.At the next step 220 passes through the opening of the injector 12 generated pressure change within the injectors 12 in the backward direction through the connecting line 13 in the high-pressure accumulator 20 and will be there, also at the crotch 220 of the signal sensor configured as a pressure sensor 110 received as received signal. The pressure sound wave generated due to the sudden pressure change migrates through the fluid or fluid mixture within the injector 12 , the connection line 13 and the high-pressure accumulator 20 and is at least partially damped and / or deflected by the fluid or fluid mixture. The pressure sensor 110 may then generate an electrical response signal based on the received signal.

In einem darauffolgenden Schritt 230 kann mittels der Bestimmungseinheit 120 das ursprüngliche Quellschallsignal in einen Frequenzraum transformiert werden. Gleichzeitig kann das Empfangssignal oder das elektrisches Antwortsignal ebenfalls in den Frequenzraum transformiert werden. Die Transformationen geschehen bevorzugt mittels Fourier- oder Laplace-Transformationen unter Anwendung einer geeigneten Übertragungs funktion.In a subsequent step 230 can by means of the determination unit 120 the original source sound signal is transformed into a frequency space. At the same time, the received signal or the electrical response signal can also be transformed into the frequency domain. The transformations are preferably done by Fourier or Laplace transforms using a suitable transfer function.

An einem darauffolgenden Schritt 240 kann dann im Frequenzraum das Quellschallsignal mit dem Empfangssignal verglichen werden und daraus eine Dämpfungscharakteristik und/oder Phasenverschiebungscharakteristik ermittelt werden. In einem letzten Schritt 250 kann dann aus der ermittelten Dämpfungscharakteristik und/oder der ermittelten Phasenverschiebungscharakteristik auf die zumindest eine Eigenschaft des Fluids bzw. Fluidgemischs geschlossen werden, bevor das Verfahren am Schritt 260 endet.At a subsequent step 240 can then be compared in the frequency space, the source sound signal with the received signal and from an attenuation characteristic and / or phase shift characteristic can be determined. In a last step 250 can then be concluded from the determined damping characteristic and / or the determined phase shift characteristic on the at least one property of the fluid or fluid mixture before the method at step 260 ends.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann außerdem die Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit im Fluid bzw. Fluidgemisch ermittelt werden. Folglich weist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass durch das Ermitteln der Dämpfungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik gegenüber im Stand der Technik bekannte Verfahren und Vorrichtungen zusätzliche Parameter bestimmt werden können, aus denen wiederum zumindest eine Eigenschaft des Fluids bzw. Fluidgemischs bestimmt werden kann. Außerdem kann diese zumindest eine Eigenschaft des Fluids bzw. Fluidgemischs noch genauer bestimmt werden.In addition, the temperature and / or speed of sound in the fluid or fluid mixture can be determined with the method according to the invention and the device according to the invention. Consequently, the method according to the invention and the device according to the invention have the advantage that additional parameters can be determined by determining the attenuation and / or phase-shift characteristic compared to methods and devices known in the prior art, which in turn at least one property of the fluid or fluid mixture can be determined. In addition, this at least one property of the fluid or fluid mixture can be determined even more accurately.

Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise die Tröpfchengröße einer Emulsion sowie die Massenverteilung der unterschiedlichen Flüssigkeiten qualitativ und quantitativ bestimmt werden.In particular, the droplet size of an emulsion and the mass distribution of the different liquids can be determined qualitatively and quantitatively by means of the method and the device according to the invention.

Ferner ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die Temperatur und z. B. den Ethanolgehalt im Kraftstoff aus der ermittelten Dämpfungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik zu bestimmen.Furthermore, it is possible with the method and apparatus of the invention, the temperature and z. B. to determine the ethanol content in the fuel from the determined attenuation and / or phase shift characteristic.

Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine (10) eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren aufweist: - Aussenden eines Quellschallsignals in das Fluid, - Empfangen eines Empfangssignals, das dem zumindest teilweise durch das Fluid gelangenden Quellschallsignal entspricht, - Ermitteln einer Dämpfungscharakteristik und/oder einer Phasenverschiebungscharakteristik zwischen dem Quellschallsignal und dem Empfangssignal, und - Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Dämpfungscharakteristik und/oder der ermittelten Phasenverschiebungscharakteristik.A method of determining at least one property of a fluid, particularly a fluid mixture of fuel and additive for an internal combustion engine (10) of a vehicle, the method comprising: Sending a source sound signal into the fluid, Receiving a received signal which corresponds to the source sound signal passing at least partially through the fluid, - Determining an attenuation characteristic and / or a phase shift characteristic between the source sound signal and the received signal, and - Determining the at least one property of the fluid based at least partially on the determined damping characteristic and / or the determined phase shift characteristic. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Quellschallsignal ein Druckschallsignal ist, das durch eine Druckänderung an einer Einspritzvorrichtung (12, 14, 16, 18) der Brennkraftmaschine (10) oder durch einen Förderdruckpuls einer Kraftstoffförderpumpe (30) der Brennkraftmaschine (10) erzeugbar ist.Method according to Claim 1 wherein the source sound signal is a pressure sound signal that is generated by a pressure change to an injection device (12, 14, 16, 18) of the internal combustion engine (10) or by a delivery pressure pulse of a fuel delivery pump (30) of the internal combustion engine (10). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Erzeugen eines Antwortsignals basierend auf dem Empfangssignal, wobei das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise auf dem Antwortsignal basiert.The method of any one of the preceding claims, further comprising: Generating a response signal based on the received signal, wherein determining the at least one property of the fluid is at least partially based on the response signal. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Transformieren des Quellschallsignals in einen Frequenzraum, und - Transformieren des Empfangssignals in den Frequenzraum, wobei das Ermitteln der Dämpfungscharakteristik und/oder der Phasenverschiebungscharakteristik im Frequenzraum auf der Grundlage des transformierten Quellschallsignals und des transformierten Empfangssignals erfolgt.The method of any one of the preceding claims, further comprising: - Transform the source sound signal into a frequency space, and - Transforming the received signal into the frequency space, wherein the determination of the attenuation characteristic and / or the phase shift characteristic in the frequency space on the basis of the transformed source sound signal and the transformed received signal takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Mehrphasengemisch, vorzugsweise eine Emulsion, Suspension oder Dispersion, ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the fluid is a multi-phase mixture, preferably an emulsion, suspension or dispersion. Vorrichtung (100) zum Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemischs aus Kraftstoff und Additiv für eine Brennkraftmaschine (100) eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung aufweist: - eine Schallsignalquelle (12, 14, 16, 18, 30), die dazu ausgebildet ist, ein Quellschallsignal in das Fluid auszusenden, - eine Signalempfangseinrichtung (110), die dazu ausgebildet ist, ein Empfangssignal zu empfangen, das dem durch das Fluid gelangenden Quellschallsignal entspricht, und - eine Bestimmungseinrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, eine Dämpfungscharakteristik und/oder einer Phasenverschiebungscharakteristik zwischen dem Quellschallsignal und dem Empfangssignal zu ermitteln und die zumindest eine Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Dämpfungscharakteristik und/oder der ermittelten Phasenverschiebungscharakteristik zu bestimmen.Apparatus (100) for determining at least one property of a fluid, in particular a fluid mixture of fuel and additive for an internal combustion engine (100) of a vehicle, the apparatus comprising: a sound signal source (12, 14, 16, 18, 30) which is designed to emit a source sound signal into the fluid, - A signal receiving means (110) adapted to receive a received signal corresponding to the passing through the fluid source sound signal, and - A determination device (120) which is adapted to determine an attenuation characteristic and / or a phase shift characteristic between the source sound signal and the received signal and to determine the at least one property of the fluid based at least partially on the determined attenuation characteristic and / or the determined phase shift characteristic. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Schallsignalquelle eine Einspritzeinrichtung (12, 14, 16, 18) der Brennkraftmaschine (10), die dazu ausgebildet ist, durch das Einspritzen des Fluids in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (10) ein Druckschallsignal als Quellschallsignal zu erzeugen, oder eine Kraftstoffförderpumpe (30) der Brennkraftmaschine (10) ist, die dazu ausgebildet ist, durch das Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher (20) der Brennkraftmaschine (10) ein Druckschallsignal als Quellschallsignal zu erzeugen.Device (100) according to Claim 6 in which the sound signal source is an injection device (12, 14, 16, 18) of the internal combustion engine (10), which is designed to generate a pressure sound signal as a source sound signal by injecting the fluid into a combustion chamber of the internal combustion engine (10) or a fuel feed pump ( 30) of the internal combustion engine (10), which is designed to generate a pressure sound signal as a source sound signal by conveying fuel into a high-pressure accumulator (20) of the internal combustion engine (10). Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Signalempfangseinrichtung ein Drucksensor (110) ist, der dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Empfangssignal ein Antwortsignal zu erzeugen, wobei die Bestimmungseinheit (120) ferner dazu ausgebildet ist, die zumindest eine Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf dem Antwortsignal zu bestimmen.Device (100) according to one of Claims 6 and 7 wherein the signal receiving means is a pressure sensor (110) configured to generate a response signal based on the received signal, wherein the determining unit (120) is further configured to determine the at least one property of the fluid based at least in part on the response signal , Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei der Drucksensors (110) an einem Hochdruckspeicher (20) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist.Device (100) according to Claim 8 wherein the pressure sensor (110) is arranged on a high-pressure accumulator (20) of the internal combustion engine (10). Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Bestimmungseinheit (120) ferner dazu ausgebildet ist, das Quellschallsignal in einen Frequenzraum zu transformieren und das Empfangssignals in den Frequenzraum zu transformieren, wobei das Ermitteln der Dämpfungscharakteristik und/oder der Phasenverschiebungscharakteristik im Frequenzraum auf der Grundlage des transformierten Quellschallsignals und des transformierten Empfangssignals erfolgt.Device (100) according to one of Claims 6 to 9 wherein the determining unit (120) is further configured to transform the source sound signal into a frequency space and to supply the reception signal into the frequency space wherein determining the attenuation characteristic and / or the phase shift characteristic in the frequency space on the basis of the transformed source sound signal and the transformed received signal takes place.
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