DE3127991C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses in einem Treibstoffversorgungssystem für Verbrennungsmotore, wobei der Treibstoff ein Kohlenwasserstoff wie z. B. Benzin, Alkohol od. dgl. oder eine Mischung aus diesen ist, und wobei ansprechend auf den momentanen Zustand der Zusammensetzung des Treibstoffs mittels einer elektronischen Schaltung ein Signal zur Regelung einer Dosiervorrichtung für das Luft-Treibstoff-Verhältnis geliefert wird.

Bei Verbrennungsmotoren mit Benzin oder Dieselöl als Treibstoff können auch Treibstoffmischungen verwendet werden, die aus Kohlenwasserstoffen wie Benzin oder Diesel und einem Alkohol, wie Methanol oder Äthanol bestehen. Der korrekte Betrieb eines derartigen Motors, der mit einem Vergaser oder einer Einspritzvorrichtung ausgestattet ist, hängt in starkem Maße von dem genauen Treibstoff-Luftverhältnis ab. Wenn der Zustand oder die Zusammensetzung des von dem Treibstofftank gelieferten Treibstoffs unbekannt ist, dann kann eine Einstellung, bei welcher der Motor noch eine vernünftige Leistung hat, nur ungefähr erzielt werden, jedoch möglicherweise auf Kosten eines hohen Treibstoffverbrauchs. Mit dem Begriff "Zustand" soll der flüssige oder gasförmige Aggregatzustand oder eine Kombination hiervon von einem oder einer Vielzahl von Treibstoffen verstanden sein. Damit die optimale Treibstoff-Luftmischung an den Motor geliefert werden kann, muß die dazu erforderliche Dosiervorrichtung kontinuierlich auf der Basis einer kontinuierlichen Messung des Zustandes oder Zusammensetzung des Treibstoffes eingestellt werden.

Bei einem aus der DE-AS 25 44 444 bekannten Verfahren wird die Zusammensetzung des Treibstoff-Luftgemisches über die elektrische Leitfähigkeit des Treibstoffes ermittelt und geregelt. Ein dafür verwendeter Leitfähigkeits-Sensor ist jedoch in starkem Maße gegen Nebeneinflüsse empfindlich, wie der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit. Auch erfordert dieser Sensor verhältnismäßig komplizierte Vorrichtungen und Schaltungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die einfach im Aufbau ist, zuverlässig arbeitet und mit welcher Nebeneinflüsse berücksichtigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein optoelektronischer Sensor zur Messung des Lichtbrechungsindexes des Treibstoffes vorgesehen ist, wobei der Sensor eine Lichtquelle, einen Lichtleiter, der wenigstens zum Teil in Kontakt ist mit dem Treibstoff, und einen Lichtempfänger umfaßt, daß die Messung des Lichtbrechungsindexes auf einer Messung des kritischen Winkels basiert, daß die Menge des von dem Lichtempfänger aufgenommenen Lichtes wenigstens einen variablen Teil umfaßt, der sich aus einer indirekten Bestrahlung ergibt und von dem Brechungsindex des Treibstoffs abhängt, und daß ein Temperaturdetektor in der Treibstoffleitung angeordnet ist, der mit der elektronischen Schaltung verbunden ist, um den gemessenen Brechungsindex und damit das Regelsignal in Abhängigkeit von Temperaturveränderungen in dem zugeführten Treibstoff zu korrigieren.

Der Temperaturdetektor ist in der Zufuhrleitung der Treibstoffmischung angeordnet und mit der elektronischen Schaltung verbunden, um den gemessenen Brechungsindex und damit das Steuersignal für die Dosiervorrichtung zu korrigieren.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Treibstoffversorgungssystems;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung des Sensors in Abhängigkeit von der Treibstoffzusammensetzung bei unterschiedlichen Temperaturen als Parameter;

Fig. 3 das Meßprinzip des optoelektronischen Sensors;

Fig. 4 eine Längsschnittansicht des optoelektronischen Sensors;

Fig. 5.1 und 5.2 Schaltbilder der elektronischen Schaltung; und

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit der gemessenen Spannungen in der Schaltung für mehrere Treibstoffmischungszusammensetzungen.

Gemäß der Fig. 1 wird der Treibstoff 13 in dem Treibstoffversorgungssystem mittels einer nicht gezeigten Treibstoffpumpe über die Leitung 1 an eine Dosiervorrichtung, wie einem Vergaser oder eine Einspritzvorrichtung geliefert. Die Leitung 1 läuft zuerst durch einen Wärmeaustauscher 7, an dessen Ende die Temperatur des Treibstoffs mit einem Temperaturdetektorelement 6 gemessen wird. Danach wird der Treibstoff an dem optoelektronischen Sensor vorbeigeführt und danach aus dem System heraus zum Vergaser oder der Einspritzvorrichtung geleitet. Der optoelektronische Sensor bestimmt den Prozentsatz von Alkohol, wie Methanol oder Äthanol, in der Treibstoffmischung oder bestimmt den Aggregatzustand des Treibstoffs und sendet ein Ausgangssignal über die Leitung 10 an die elektronische Schaltung 3. Das Ausgangssignal dieser Schaltung steuert einen Servomotor 5 mit positiver Rückkopplung, der beispielsweise über einen Bowdenzug 15 die Einstellung der Düsennadeln im Vergaser steuert. Das gesamte System kann als sogenannter Nachrüstsatz verwirklicht werden.

Die möglicherweise erforderliche Vorheizung der Treibstoffmischung in dem Wärmeaustauscher wird mittels des Kühlwassers aus dem Kühlkreis des Motors bewirkt, dessen Temperatur während des Fahrens bis zu einem Maximum von etwa 90°C betragen kann. Der Wärmeaustauscher besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, in welchem ein Rohr mit einer Länge von 1,25 Metern gefaltet ist; das Gehäuse ist mit dem Kühlwasserkreis mittels eines Zufuhrventils 8 verbunden. Die elektronische Schaltung steuert die Stellung des Zufuhrventils 8 als Reaktion auf das von dem Temperaturdetektorelement 6 über die Leitung 11 abgegebene Signal.

In der Fig. 2 ist die Ausgangsspannung des Sensors beispielsweise als Funktion der Zusammensetzung Superbenzin- Äthanol mit den Temperaturen 15°, 20°, 25°, 30° als Parameter dargestellt. Die auf der Ordinate dargestellte Ausgangsspannung weist eine direkte Beziehung zum gemessenen Brechungsindex der Mischung auf. Die Extremwerte des Brechungsindex der Mischung Superbenzin-Äthanol sind η = 1,43 für 100% Superbenzin; η = 1,36 für 100% Äthanol; und η = 1,33 für 100% Methanol.

Das Meßprinzip des optoelektronischen Sensors ist allgemein in der Fig. 3 gezeigt. Ein Lichtleiter, eine Lichtquelle, die eine Infrarot-Leuchtdiode und ein Phototransistor sind mit den Bezugszeichen 20, L 1 bzw. F 2 bezeichnet. Der Brechungsindex wird mit einer sogenannten Kritischen-Winkel-Messung gemessen, wobei ein Glasstab vorteilhafterweise als Lichtleiter verwendet werden kann. Die Lichtquelle ist an einer Seite mittels eines geeigneten Klebemittels angebracht und ein zugeordneter Lichtempfänger, wie ein Phototransistor ist in gleicher Weise an der anderen Seite befestigt. Die Enden des Stabes sind in Luft aufgenommen, während der Teil dazwischen in Berührung mit der zu beobachtenden Treibstoffmischung steht oder von dieser umspült wird. Es wird ein Glasstab als Lichtleiter ausgewählt, da es sich erwiesen hat, daß ein Kunststoff- Leiter (Acrylglas) durch die korrosive Treibstoffmischung korrodiert wird und überdies verhältnismäßig empfindlicher als Glas ist, da die Oberfläche weniger glatt ist. Die Stabform ist nicht besonders erforderlich, es können auch gekrümmte Leiter, wie Glasfaser gleichermaßen gut verwendet werden.

Die Lichtstrahlen in dem Glas werden zu dem Lichtempfänger entweder direkt oder nach Brechung und Reflexion geleitet oder sie gehen dadurch verloren, daß sie in das umgebende Medium des Treibstoffs austreten. Die in dem Lichtempfänger empfangene Lichtmenge besteht aus einem festen Teil aus der direkten Bestrahlung und der direkten Übertragung von der Quelle zum Empfänger und einem variablen Teil, der sich aus der indirekten Lichtstrahlung ergibt, die nach Brechung bzw. Umlenkung in das Glas zurückgeführt wird.

In der Fig. 3 ist gezeigt, wie der Pfad der Lichtstrahlen von der Lichtquelle verlaufen kann. Der Brechungsindex η₁ des Glases beträgt etwa 1,25 (normales Glas) und der Brechungsindex η₂ der umgebenden Treibstoffmischung, die aus Superbenzin und Äthanol besteht, liegt etwa zwischen 1,36 und 1,43. Nach dem Snellius-Gesetz ist der Winkel ϕ, bei dem das auf eine Grenzfläche zweier Medien auftreffende Licht völlig reflektiert wird, d. h. in diesem Fall innerhalb des Glasstabes verbleibt, ist durch die Beziehung gegeben: sin (90°-ϕ ) = η₂/η₁.

Bei 100% Äthanol (E) ist ϕ = 27°, gemäß sin (90°-ϕ ) = 1,36/1,52 = 0,89. Alle Lichtstrahlen mit einem Winkel ϕ < 27° gehen für den Photodetektor verloren.

Bei 100% Superbenzin (SB) gilt ϕ = 20° gemäß sin (90°-ϕ ) = 1,43/1,52 = 0,94. Alle Lichtstrahlen mit einem Winkel von ϕ < 20° gehen für den Photodetektor verloren.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform des Glasstabes mit einem Durchmesser von 5 mm und η₁ = 1,52 strahlt die Lichtquelle das Licht mit einem Öffnungswinkel R von maximal 38° ab. Diese Apertur wird aus der Formel

berechnet. Der gewünschte Bereich für ϕ wird in jedem Fall überdeckt.

Wenn man annimmt, daß die Lichtquelle eine gleichförmige Intensitätsverteilung über die Apertur von 38° aufweist und eine Treibstoffmischung von SB (0-100%) - E (100-0%) vorliegt, wird nun ein 20/38-Anteil der Lichtmenge in dem Glasrohr geleitet und bildet einen beständigen Hintergrund für den Phototransistor, zwar unabhängig von η-Änderungen der Treibstoffmischung; dabei hängt ein 7/38-Anteil der abgestrahlten Intensität unmittelbar von der Treibstoffmischung für die Reflexion ab. Der Rest des abgestrahlten Lichtes geht durch direkte Übertragung in die Treibstoffmischung verloren. Dies gilt unabhängig von den gegebenen η-Werten.

Die maximale zu erwartende Abweichung bei den gegebenen Bedingungen bezüglich des Hintergrunds (bzw. der Hintergrundintensität) an der Stelle des Phototransistors beträgt folglich 7/20 × 100% = 35%, und zwar abgesehen von den Verlusten im Glasstab an sich. Diese Abweichung ist mit verhältnismäßig einfachen Mitteln gut beobachtbar.

Um die Stabilität der Messung des Zustandes oder der Zusammensetzung des Treibstoffs sicher garantieren zu können, können eine Anzahl von Messungen vorgenommen werden, um den Einfluß der Temperatur zu kompensieren, nämlich:

• 1. Die von der Lichtquelle L 1 in den Glasstab gestrahlte Lichtmenge wird mittels eines zweiten Phototransistors F 1 überwacht, der an der Seite der LED-Lichtquelle angeordnet ist. Die Lichtintensität von der Lichtquelle ist entsprechend der normalen Diodengleichung von der Temperatur abhängig. Da der normale Temperaturbereich etwa 60° beträgt, ist zu berücksichtigen, daß die Lichtintensität nach der Einstellung auf einen bestimmten Wert aufrechterhalten wird. Dies wird durch den Phototransistor F 1 gewährleistet, der den Strom der Lichtquelle mit Hilfe einer Steuerschleife in der elektronischen Schaltung einstellt.
• 2. Ein metallischer thermischer Leiter (Litzendraht oder das Gehäuse) zwischen den beiden Phototransistoren wird dazu verwendet, die thermische Gleichheit sicherzustellen.
• 3. Die Temperatur des Treibstoffs wird gemessen, um den temperaturabhängigen gemessenen Brechungsindex zu korrigieren. Diese Korrektur wird durch die elektronische Schaltung geschaffen.

In der Fig. 4 ist ein Längsschnitt des optoelektronischen Sensors 2 dargestellt. Die mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Leitung des Treibstoffs 13 spült Treibstoff wenigstens teilweise über den Glasstab 20 in dem Raum 22. Die Lichtquelle L 1 und der Phototransistor F 2 sind an der einen bzw. an der anderen Seite des Glasstabes angeordnet, während der Steuer-Phototransistor F 1 in der Nähe der Lichtquelle L 1 angebracht ist. Durch das mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnete Gehäuse des Sensors ist ein Verbindungsbolzen eingesetzt, der die thermische Gleichheit der beiden Phototransistoren herbeiführt und überdies dazu dienen kann, die Verbindungsdrähte des Phototransistors F 2 einzuführen.

Es kann wichtig sein, die gegenseitige Proportion in beispielsweise Äthanol-Methanol-Mischungen zu bestimmen, und den Vergaser oder die Einspritzung entsprechend anzupassen.

Es besteht eine zunehmende Tendenz zur Verwendung von LPG (verflüssigte Petroleumgase) oder Propan/Butan als Motortreibstoff. Zu diesem Zweck wird das LPG, das in flüssiger Form im Tank enthalten ist, über einen Wärmeaustauscher mit Kühlwasser verdampft und als Trägergas karburiert. Der Nachteil dieser Karburierung des Trägergases besteht darin, daß dieses Gas dadurch ziemlich voluminös wird und daher Leistungsverluste verursacht. Dieser Nachteil könnte beseitigt werden, wenn es als Flüssigkeit karburiert werden würde. Die Kühlwirkung des flüssigen LPG auf die Einlaßluft hat überdies einen günstigen Einfluß auf die Leistung bzw. den Wirkungsgrad.

Ein Treibstoff, wie LPG, ist in dem Tank in einem Dampf- Flüssigkeits-Gleichgewicht enthalten. Wenn während des Durchgangs durch Leitungen oder durch Steuergeräte ein Druckabfall und eine Temperaturveränderung auftreten, kann die Bildung von Dampfblasen erfolgen. Der Treibstoff in den Leitungen oder den Steuergeräten ist dann in zwei Aggregatzuständen enthalten, nämlich als Dampf und als Flüssigkeit. Der Sensor kann diese Erscheinung feststellen und bewirkt, daß sich der Vergaser oder das Einspritzsystem daran anzupassen. Ohne eine derartige Anpassung würden der Vergaser oder die Einspritzung durch den weit geringeren Treibstoffgehalt der Dampfblasen in einen unerwünschten Betriebszustand gebracht werden.

In den Fig. 5.1 und 5.2 ist die elektronische Schaltung dargestellt, die aus einfachen Bauteilen besteht. Die Temperaturmeßbrücke umfaßt das Temperaturdetektorelement 6, und der Verstärker IC 1.1 ist im linken Teil der Fig. 5.1 dargestellt.

Der zu Korrekturzwecken eingesetzte Phototransistor F 1 steuert den Diodenstrom der Lichtquelle L 1 über den Verstärker IC 1.2 und den Transistor Q 1. Das am Ausgang vom Phototransistor F 2 abgegebene Signal ist an einen Eingang des Verstärkers IC 1.4 angelegt, an dessen anderen Eingang das Meßsignal des Temperaturaufnehmers 6 über den Verstärker IC 1.1 angelegt ist, so daß die Temperaturabhängigkeit korrigiert wird. Die Einstellung dieses Verstärkers ist derart gewählt, daß auf der Grundlage des Meßwertes bei einer bestimmten Temperatur und einem Referenztreibstoff, beispielsweise 100% Äthanol, der Einfluß der Temperatur auf 5% des Endwertes begrenzt ist.

In der Fig. 6 ist ein Beispiel der Temperaturabhängigkeit der gemessenen Spannung für einige Treibstoffzusammensetzungen gegeben, nämlich die Kurve 41 für 100% Äthanol, die Kurve 42 für 50% Äthanol und 50% Normalbenzin, die Kurve 43 für 25% Äthanol und 75% Normalbenzin, die Kurve 44 für 100% Normalbenzin. Diese Kurven verlaufen nach Temperaturkorrektur gerade innerhalb einer Toleranz von 5 bis 7%.

Das Meßsignal in der Fig. 5.1 wird dann mit einer Referenzspannung aus einem festen Spannungsteiler summiert und an einen Eingang des nachfolgenden Verstärkers IC 1.3 gelegt. Das Temperatursignal aus dem Temperaturdetektorelement 6 ist an den anderen Eingang dieses Verstärkers gelegt. Das Signal aus dem Verstärker IC 1.3 ist über einen Leistungstransistor Q 3 und Q 5 an die Proportionalventilsteuerung 8 der Wasserleitung 9 des Wärmeaustauschers 7 geführt.

Der Treibstoff aus einer Treibstoffzusammensetzung von 100% Äthanol kann auf 45°C aufgeheizt werden und der Treibstoff aus einer Treibstoffzusammensetzung von 100% Benzin kann auf 10°C vorgeheizt werden. Mischungen zwischen diesen werden proportional zwischen 10 und 45°C eingestellt, und zwar in Abhängigkeit von dem Meßwert.

Das Signal aus dem Ausgang des Verstärkers IC 1.4 wird auch an die elektrische Schaltung der Fig. 5.2 geliefert, um den Servomotor M 1 zu steuern. Dieser Motor kann ein Schrittmotor mit einer Verzögerungseinrichtung sein, der über einen Bowdenzug-Mechanismus die Düseneinstellung (normal und Leerlauf) betätigt. Das Meßwertsignal wird über eine Links-Rechts-Steuerschaltung IC 2.2/3 an die Steuerschaltung IC 4 des Schrittmotors geliefert. Die Position der Motorachse wird mit Hilfe eines gekoppelten Linearpotentiometers an den Verstärker IC 2.1 zurückgemeldet. Eine Spannungsstabilisierungsschaltung ist als IC 3 bezeichnet. Die Versorgungsspannung für die elektronische Schaltung wird von dem Akkumulator des zugeordneten Motorfahrzeugs abgeleitet.

Die Länge des Glasstabes sollte vorzugsweise 5 cm sein oder etwas mehr. Der Durchmesser des Glasstabes ist derart gewählt, daß eine optimale Kopplung mit der Lichtquelle und den Phototransistoren erzielt wird. Vorzugsweise wird ein Durchmesser von 5 mm gewählt. Damit reproduzierbare Eigenschaften des Sensors erzielt werden, müssen die Elemente beispielsweise mittels eines Epoxid-Klebers rechtwinkelig an den Oberflächen befestigt sein. Das geeignetste Glas scheint ein Borsilikatglas zu sein, mit einem Index von η = 1,49 bis 1,52.

Die Reproduzierbarkeit der Messung des Brechungsindex bei ein und derselben Temperatur unter Verwendung des gleichen Sensors ist besser als 5%. Die elektronische Schaltung kann in einem großen Temperaturbereich arbeiten.

Es ist auch möglich, die Lichtquelle und den Lichtempfänger an einer Seite anzubringen, so daß der optoelektronische Sensor als eine Einsetzeinheit in eine Treibstoffleitung eingeführt werden kann. Das andere Ende des Lichtleiters muß dann mittels eines Spiegels reflektierend gemacht werden.

Der Sensor kann auch in Flüssigkeitsmischungen oder Gemengen, die an dem Glasstab haften, wie z. B. Dieselöl vermischt mit einem anderen Treibstoff, verwendet werden. Die Haftung bzw. Adhäsion des Öles an dem Stab verursacht eine Falschmessung der Mischzusammensetzung. Um dieses Anhaften stark zu vermindern oder zu vermeiden, wird vorteilhafterweise eine dünne Beschichtung von beispielsweise einem Kunststoff (PTFE) oder einem Metall verwendet, das für das verwendete Licht durchsichtig ist. Die optischen Eigenschaften dieser dünnen Schicht müssen so gewählt werden, daß der Betrieb des Sensors nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

Der Meßbereich des Sensors kann durch eine andere Auswahl des Glasstabes und auch durch die Auswahl einer anderen Wellenlänge der Lichtquelle abgeändert werden.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Regelung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses in einem Treibstoffversorgungssystem für Verbrennungsmotore, wobei der Treibstoff ein Kohlenwasserstoff wie z. B. Benzin, Alkohol od. dgl. oder eine Mischung aus diesen ist, und wobei ansprechend auf den momentanen Zustand der Zusammensetzung des Treibstoffs mittels einer elektronischen Schaltung ein Signal zur Regelung einer Dosiervorrichtung für das Luft-Treibstoff-Verhältnis geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein optoelektronischer Sensor (2) zur Messung des Lichtbrechungsindexes des Treibstoffes (13) vorgesehen ist, wobei der Sensor (2) eine Lichtquelle (L₁), einen Lichtleiter (20), der wenigstens zum Teil in Kontakt ist mit dem Treibstoff, und einen Lichtempfänger (F₂) umfaßt, daß die Messung des Lichtbrechungsindexes auf einer Messung des kritischen Winkels basiert, daß die Menge des von dem Lichtempfänger (F₂) aufgenommenen Lichtes wenigstens einen variablen Teil umfaßt, der sich aus einer indirekten Bestrahlung ergibt und von dem Brechungsindex des Treibstoffs abhängt, und daß ein Temperaturdetektor (6) in der Treibstoffleitung (1) angeordnet ist, der mit der elektronischen Schaltung (3) verbunden ist, um den gemessenen Brechungsindex und damit das Regelsignal in Abhängigkeit von Temperaturveränderungen in dem zugeführten Treibstoff zu korrigieren.