DE4125196C2

DE4125196C2 - Einrichtung zur Bestimmung des Anteils von Flüssigkeitskomponenten in einem Flüssigkeitsgemisch

Info

Publication number: DE4125196C2
Application number: DE4125196A
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Suzuki; Kenji Ogawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1991-07-30
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: DE4125196A1; JPH0493639A; US5157453A; FR2665536A1; FR2665536B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen des Anteils von n Flüssigkeitskomponenten in einem Flüssigkeitsgemisch, wobei n ≧ 3 ist.

Die DE 31 27 991 A1 offenbart eine Einrichtung zur Bestimmung des Anteils von n Flüssigkeitskomponenten in einem Flüssigkeitsgemisch, wobei ein Brechungsindexsensor, ein Temperatursensor sowie ein Rechner verwendet wird. Der Rechner bedient sich dabei im Fall von n = 2 der temperaturabhängigen Brechungsindices jeder der zwei Flüssigkeitskomponenten und die Temperatur wird mittels des Temperatursensors ein einziges Mal erfaßt. Mit der Einrichtung ist es dagegen nicht möglich, mehr als zwei Flüssigkeitskomponenten zu bestimmen. Der Gehalt der zwei Flüssigkeitskomponenten in dem Flüssigkeitsgemisch wird direkt aus dem bei einer bestimmten Temperatur gemessenen Brechungsindex des Flüssigkeitsgemisches ermittelt. Zur Bestimmung der Gehalte der zwei einzelnen Komponenten wird jedoch keine explizite Temperaturabhängigkeit der einzelnen Brechungsindices verwendet, sondern lediglich ein Punkt auf einer charakteristischen Kennlinie des prozentualen Gehalts gegenüber dem Gesamtbrechungsindex. Die Temperaturabhängigkeit wird hier lediglich verwendet, um den temperaturabhängigen gemessenen Brechungsindex zu korrigieren.

In den letzten Jahren begann in vielen Ländern einschließlich der Vereinigten Staaten von Amerika, der europäischen Länder, etc. ein Kraftstoff zur Verwendung in Automobilen populär zu werden, der Benzin, vermischt mit Alkohol, enthält, um dadurch den Erdölverbrauch zu reduzieren.

Wenn jedoch ein solcher mit Alkohol vermischter Kraftstoff in Motoren verwendet wird, die für einen Benzinkraftstoff bestimmt sind, der eine Luft-Kraftstoffmischung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis für einwandfreie Verbrennung bildet, wird das Luft/Kraftstoffverhältnis der aus dem alkoholvermischten Kraftstoff bestehenden Mischung magerer als die des Benzinkraftstoffes, und zwar aufgrund der Tatsache, daß das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis bei einem Alkohol enthaltenden Kraftstoff wesentlich niedriger als bei einem Benzinkraftstoff ohne Alkohol ist. Aus diesem Grunde wird der Alkoholgehalt in einem mit Alkohol vermischten Kraftstoff erfaßt, so daß die Motorsteuerelemente, wie etwa die Kraftstoffdüse und dgl., entsprechend dem so erfaßten Alkoholgehalt gesteuert werden, um das Luft/Kraftstoffverhältnis, den Zündzeitpunkt, etc., richtig einzustellen, damit eine einwandfreie Verbrennung erfolgt.

Nachfolgend wird ein typisches Beispiel für eine konventionelle Einrichtung zur Erfassung der Kraftstoffeigenschaften beschrieben.

Fig. 6 veranschaulicht die allgemeine Struktur einer im offengelegten japanischen Gebrauchsmuster Nr. 62-81046 offenbarten Einrichtung zur Erfassung der Kraftstoffeigenschaften. Gemäß dieser Figur weist die konventionelle Einrichtung zur Erfassung der Kraftstoffeigenschaften folgende Komponenten auf: einen Brechungsindexsensor 101 zur kontaktlosen Erfassung des Brechungsindexes eines flüssigen Kraftstoffes; einen Rechner 102 zur Berechnung des Brechungsindexes des Kraftstoffes auf der Basis des vom Sensor 101 gelieferten Ausgangssignals; einen Temperatursensor 101 zur Erfassung der Temperatur des Kraftstoffes im Brechungsindexsensor 101 und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals; und einen Rechner 104 zur Berechnung der im Kraftstoff enthaltenen Alkoholmenge.

Wie im einzelnen in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der Brechungsindexsensor 101 ein Gehäuse 115, an dessen entgegengesetzten Enden eine Lichtquelle 111 und ein Lichtempfänger 113 in Gegenüberstellung angeordnet sind, so daß das von der Lichtquelle 111 ausgesandte Licht 117 durch einen zylindrischen Lichtleiter 112 in Richtung auf den Lichtempfänger 113 fällt.

Das Gehäuse 115 besitzt einen hohlen Innenraum 116 in Gestalt eines Kraftstoffkanals, einen Einlaßstutzen 118 für den Eintritt des flüssigen Kraftstoffes in den Kraftstoffkanal 116, und einen Austrittsstutzen 119 für den Austritt des Kraftstoffes aus dem Kraftstoffkanal 116 nach außen. Der Kraftstoff tritt also in das Gehäuse 115 durch den Einlaßstutzen 118 ein, strömt dann um den zylindrischen Lichtleiter 112 im Strömungskanal 116 und verläßt das Gehäuse 115 durch den Austrittsstutzen 119.

Die äußere Umfangsoberfläche des zylindrischen Lichtleiters 112 wird an seinen entgegengesetzten Enden dicht von den einander gegenüberstehenden Wänden des Gehäuses 115 durch ein Paar ringförmiger Dichtungen 114 gehalten, die das Aussickern von Kraftstoff aus dem Inneren des Gehäuses 150 durch die äußere Peripherie des Lichtleiters 112 und die einander gegenüberstehenden Endwände des Gehäuses 115 verhindern.

Der Rechner 102 ist mit der Lichtquelle 111 und dem Lichtempfänger 113 verbunden, um den Brechungsindex des im Kraftstoffkanal 116 des Gehäuses 115 befindlichen Kraftstoffes auf der Basis des Ausgangssignals des Lichtempfängers 113 zu berechnen und um ein entsprechendes Ausgangssignal an den Rechner 104 zu liefern. Im einzelnen berechnet der Rechner 102 den Brechungsindex des Kraftstoffes auf der Basis der Änderung oder der Differenz zwischen der von der Lichtquelle 111 ausgesandten und vom Lichtempfänger 113 empfangenen Lichtmenge.

Der Temperatursensor 103 in Gestalt eines Thermistors ist am Gehäuse 115 zur Erfassung der Temperatur des Kraftstoffes im Kraftstoffkanal des Gehäuses 115 und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals an den Rechner 104 montiert.

Aufgrund des Ausgangssignals des Rechners 102 sowie des Ausgangssignals des Temperatursensors 103 berechnet der Rechner 104 den Anteil des im Kraftstoff des Kraftstoffkanals 116 enthaltenden Alkohols.

Fig. 7 zeigt die Ausgangskennlinie des Rechners 102, während Fig. 8 die Beziehung zwischen dem Alkoholgehalt und dem Brechungsindex bei einer Temperatur von 20°C wiedergibt, wobei der Kraftstoff, dessen Brechungsindex erfaßt werden soll, Normal- oder Superbenzin sowie Alkohol in Form von beigemischtem Methanol aufweist.

Die Betriebsweise der beschriebenen Einrichtung zur Erfassung der Kraftstoffeigenschaften wird nunmehr beschrieben. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sendet die Lichtquelle 111 Lichtstrahlen 117 unter einem großen konischen Winkel in dem zylindrischen Lichtleiter 112. Die Lichtstrahlen werden an der Zwischen- bzw. Grenzoberfläche zwischen dem im Kraftstoffkanal 116 des Gehäuses 115 befindlichen Kraftstoff, dessen Brechungsindex mit NDf bezeichnet ist, und der äußeren peripheren Oberfläche des zylindrischen Lichtleiters 112, dessen Brechungsindex mit NDr bezeichnet wird, unter einem Brechungswinkel gebrochen, der vom Einfallswinkel der jeweiligen Lichtstrahlen 117 abhängt. Es wird also ein Teil des von der Lichtquelle 111 ausgesandten Lichtes 117 an der Grenzoberfläche gebrochen und tritt in das im Kraftstoffkanal 116 befindliche Kraftstoffvolumen ein, während der restliche Anteil des Lichtes 117 an der Grenzoberfläche in den Innenraum des zylindrischen Lichtleiters 112 gebrochen und vom Lichtempfänger 13 aufgenommen wird.

In diesem Zusammenhang wird der kritische bzw. der kleinste Einfallswinkel, bei dem die von der Lichtquelle 111 auf die Grenzoberfläche fallenden Lichtstrahlen 117 total in das Innere des zylindrischen Lichtleiters 112 reflektiert werden, Winkel der Totalreflexion θr und den Brechungsindices NDf, NDr des Kraftstoffes und des Lichtleiters 112:

sinθr = NDf / NDr

So werden alle Lichtstrahlen 17 mit einem Einfallswinkel, der größer als der Winkel der Totalreflexion θr ist, an der Grenzoberfläche in den Innenraum des Lichtleiters 112 reflektiert und vom Lichtempfänger 113 aufgenommen.

Der Brechungsindex NDf des mit Alkohol vermischten Kraftstoffes ändert sich mit dem darin befindlichen Alkoholgehalt Cm, so daß sich auch der Winkel der Totalreflexion θr mit dem Alkoholgehalt Cm ändert. Die vom Lichtempfänger 113 aufgenommene Lichtmenge ändert sich entsprechend dem Alkoholgehalt Cm im Kraftstoff. Deshalb weist der Lichtempfänger 113 ein Element wie beispielsweise einen Fototransistor auf, der einen elektrischen Strom in einer der Lichtmenge proportionalen Stärke erzeugt. Der so erzeugte Strom wird dem Rechner 102 zugeführt, wo er in eine entsprechende Spannung umgesetzt wird, die proportional zu der vom Lichtempfänger 113 aufgenommenen Lichtmenge ist.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß der zu erfassende Kraftstoff Benzin in Form von Normalbenzin, vermischt mit Methanol, aufweist und der zylindrische Lichtleiter 112 aus einem optischen Glas BK7 mit einem Brechungsindex von 1,52 besteht. In diesem Falle beträgt der Winkel der Totalreflexion θr von Normalbenzin, d. h. ein Kraftstoff aus Normalbenzin ohne Methanol (MO), der einen Brechungsindex von 1,42 besitzt, bei Raumtemperatur ungefähr 69°, wie Fig. 8 deutlich zeigt; während Methanol, d. h. ein Kraftstoff aus 100° Methanol ohne Benzin (M100), der einen Brechungsindex von 1,33 besitzt, bei Raumtemperatur einen Winkel der Totalreflexion von 49° aufweist. Je höher der Alkoholgehalt Cm des Normalbenzins ist, um so geringer ist gemäß Fig. 8 der Brechungsindex NDf des mit Alkohol vermischten Kraftstoffes und somit der Winkel der Totalreflexion θr. Daher können mit zunehmendem Alkoholgehalt Cm im Normalbenzin die von der Lichtquelle 111 mit zunehmendem konischen Projektionswinkel ausgesandten Lichtstrahlen 117 den Lichtempfänger 113 erreichen, so daß die vom Lichtempfänger 113 aufgenommene Lichtmenge zunimmt. Infolgedessen nimmt der Ausgangswert VND des Brechungsindexrechners 102 im umgekehrten Verhältnis zum Brechungsindex NDf des Kraftstoffes ab, wie klar aus Fig. 7 hervorgeht.

Da der Alkoholgehalt Cm im Kraftstoff im umgekehrten Verhältnis zum Brechungsindex NDf desselben steht, wie Fig. 8 zeigt, berechnet der Rechner 104 auf der Basis des Ausgabewertes VND des Rechners 102 den Alkoholgehalt Cm und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. In diesem Falle ändert sich jedoch der Brechungsindex ND des Kraftstoffes mit seiner Temperatur, d. h. umgekehrt proportional zur Temperatur desselben. Dementsprechend erfaßt der Temperatursensor 103 die Temperatur Tf des mit Alkohol vermischten Kraftstoffes und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal an den Rechner 104, der aufgrund der Kraftstofftemperatur Tf den Alkoholgehalt Cm, der zuvor aus dem Ausgabewert VND des Brechungsindexsensors berechnet wurde, modifiziert, um einen richtigen temperaturkompensierten Alkoholgehalt VCm zu liefern.

Im Falle eines gemischten Kraftstoffes aus einer Vielzahl von Benzinarten, denen Alkohol beigemischt ist, wie etwa einem Kraftstoff, bestehend aus Normalbenzin, Superbenzin und Alkohol, tritt bei der beschriebenen konventionellen Einrichtung jedoch ein Fehler in Bezug auf den wie oben beschriebenen berechneten Alkoholgehalt VCm auf, der gemäß Fig. 8 maximal den Wert ΔCm erreichen kann. Dies rührt daher, daß es einen Unterschied in Bezug auf den Brechungsindex zwischen Normalbenzin und Superbenzin gibt.

Darüber hinaus tritt eine Veränderung der Temperaturabhängigkeit der Brechungsindices der verschiedenen Kraftstoffe bzw. der verschiedenen Kraftstoffkomponenten auf, so daß es äußerst schwierig ist, den Gehalt an Alkohol oder einer anderen Flüssigkeitskomponente im Kraftstoffgemisch bei unterschiedlichen Arten von Kraftstoffen genau zu erfassen.

Dementsprechend tritt in Fällen, in denen ein Kraftstoffgemisch aus Normalbenzin und einem Alkohol mit Superbenzin vermischt wird, die Gefahr auf, daß es nahezu unmöglich wird, den Motor durch genaue Abstimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses der an den Motor gelieferten Mischung, der Zündzeitgabe, der Menge der Kraftstoffeinspritzung und dgl., richtig zu steuern.

Die Aufgabe der Erfindung ist es,

- eine Einrichtung zur Bestimmung des Anteils von Flüssigkeitskomponenten in einem Flüssigkeitsgemisch bereitzustellen, die den Anteil von n Flüssigkeitskomponenten eines Flüssigketisgemischs mit hoher Genauigkeit erfassen kann, wobei n ≧ 3 ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden n - 1 Brechungsindices bei n - 1 erfassten Temperaturen eingelesen und Temperaturabhängigkeiten der n Flüssigkeitskomponenten aus einer Speichereinrichtung verwendet. Die Anteile der n Flüssigkeitskomponenten werden dann durch Lösen eines linearen Gleichungssystems mit n - 1 Gleichungen bestimmt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der allgemeinen Struktur einer Einrichtung zur Erfassung der Flüssigkeitseigenschaften gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Berechnung des Alkoholgehaltes dar, das von der Einrichtung nach Fig. 1 ausgeführt wird;

Fig. 3 ein der Fig. 1 entsprechendes Blockschaltbild dar, jedoch für eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein der Fig. 1 entsprechendes Blockschaltbild dar, jedoch für eine dritte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Temperatur des Kraftstoffes;

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht durch eine Ausführungsform einer herkömmlichen Einrichtung zur Erfassung des Kraftstoffgehaltes mit einem Brechungsindexsensor dar;

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ausgangscharakteristik des Rechners 102 der Fig. 6; und

Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels der Kennlinie über das Verhältnis zwischen Alkoholgehalt und Brechungsindex.

In den Figuren sind gleiche oder entsprechende Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird die Erfindung für den Fall der Erfassung des Anteils an Kraftstoffkomponenten in einem Kraftstoff beschrieben, der in einem Kraftfahrzeugmotor verwendet wird.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Erfassung der Flüssigkeitseigenschaften dargestellt, die gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Die dargestellte Einrichtung umfaßt: 1 - einen Brechungsindexsensor zur Erfassung des Brechungsindexes einer Flüssigkeit, die bei der vorliegenden Ausführungsform ein Kraftstoff ist, wobei der Sensor ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt; 2 - einen Rechner 2 zur Berechnung des Brechungsindexes der Flüssigkeit auf der Basis des Ausgangssignals des Brechungsindexsensors 1 sowie zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals in Analogform; 3 - einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der im Brechungsindexsensor 1 befindlichen Flüssigkeit, und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals in Analogform; und 4 - einen Rechner 4 zur Berechnung des Anteils der Flüssigkeitskomponenten auf der Basis des vom Rechner 2 gelieferten Ausgangssignals sowie auf der Basis des vom Temperatursensor 3 gelieferten Ausgangssignals. Bei dieser Ausführungsform können der Brechungsindexsensor 1, der Rechner 2 und der Temperatursensor 3 jeweils die gleichen sein wie die in Fig. 6 dargestellten Elemente 101 bis 103. Der Rechner 4 unterscheidet sich jedoch von dem entsprechenden Rechner 104 der Fig. 6 hinsichtlich des Aufbaus und der Betriebsweise.

Im einzelnen weist der Rechner 4 folgende Bestandteile auf: einen Analog-Digitalwandler 41 (A/D) zum Umwandeln des Ausgangssignals VND des Brechungsindexrechners 2 und des Ausgangssignals Tf des Temperatursensors 3 aus der Analogform in die Digitalform; einen Eingangsport 42, einen Mikroprozessor 43, einen Nur-Lesespeicher (ROM) 44, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 45, einen Ausgangsport 46 und einen Digital-Analogwandler 47 (D/A).

Das Ausgangssignal VND des Rechners 2 sowie das Ausgangssignal Tf des Temperatursensors 3 werden in den A/D- Umsetzer 41 eingegeben, so sie aus der Analogform in die Digitalform umgewandelt werden. Die digitalen Ausgangssignale des A/D-Umsetzers 41 werden an den Eingangsport 42 geliefert. Der Eingangsport 42, der Mikroprozessor 43, der Speicher-ROM 44, der Speicher RAM 45 und der Ausgangsport 46 sind untereinander durch einen Datenübertragungsbus zur Durchführung der Daten- und Signalübermittlung zwischen diesen Einheiten verbunden.

Das vom Ausgangsport 46 gelieferte Ausgangssignal wird durch den D/A-Umsetzer 47 aus der Digitalform in die Analogform zur Schaffung eines analogen Ausgangssignals VCm umgewandelt, das für den Anteil einer Flüssigkeitskomponente, wie etwa eines Alkoholanteils, in einer Flüssigkeit bzw. einem Kraftstoff kennzeichnend ist.

Die Einrichtung nach Fig. 1 umfaßt weiter: ein Kraftstoffversorgungssystem mit einem Kraftstofftank 5 zur Speicherung eines Kraftstoffes, der im Motor eines Fahrzeuges verbrannt wird; einen Kraftstoffversorgungsstutzen 6, der an einem Abschnitt der Fahrzeugkarosserie angebracht und über eine Kraftstoffversorgungsleitung 5a an den Kraftstofftank 5 angeschlossen ist; und einen Kraftstoffversorgungssensor 7 in Form eines Schalters, der an einem Deckel 6a befestigt ist, welcher den Kraftstoffversorgungsstutzen 6 verschließt, wobei der Schalter zur Erfassung des Öffnens und Schließens des Deckels 6a sowie zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals an den Eingangsport 42 des Rechners 4 dient. Anstelle der Erfassung der Betätigung des Deckels 6a kann der Kraftstoffversorgungssensor 7 auch so ausgebildet sein, daß er das Öffnen und Schließen eines (nicht dargestellten) Verschlußkappe erfaßt, die an einem Ende der Kraftstoffversorgungsleitung 5a befestigt ist.

Eine Wahltafel 8 für die Kraftstoffart ist auf dem Lenkrad 9 des Fahrzeuges befestigt, so daß der Fahrer die Tafel bedienen kann, die zur Lieferung von Informationen über die Art des durch den Kraftstoffversorgungsstutzen 6 in den Kraftstofftank 5 zu füllenden Kraftstoffes dient und dem Fahrer die erforderlichen Informationen anzeigt, die vom Ausgangsport 46 an den Rechner 4 geliefert werden und die beispielsweise den Anteil einer Flüssigkeit, wie etwa Alkohol, im Kraftstoff betreffen.

Nunmehr wird die Betriebsweise der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zunächst erfaßt der Brechungsindexsensor 1 den Brechungsindex des vom Kraftstofftank 5 an den Brechungsindexsensor 1 gelieferten Kraftstoffes, wobei dies in derselben Weise wie im Falle des Sensors 101 der Fig. 6 geschieht. Er erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal an den Rechner 2, der den Brechungsindex des Kraftstoffes auf der Basis des vom Brechungsindexsensor 1 gelieferten Ausgangssignals berechnet, und er erzeugt ein Ausgangssignal VND, das den so berechneten Brechungsindex darstellt, wobei die Berechnung in gleicher Weise wie im Falle des Rechners 102 der Fig. 6 erfolgt. Das in Analogform erzeugte Ausgangssignal VND des Rechners 2 wird an den A/D-Umsetzer 41 des Rechners 4 geliefert, wo es in die Digitalform umgewandelt wird und dann über den Eingangsport 42 vom Mikroprozessor 43 gelesen wird.

Andererseits erfaßt der Temperatursensor 3 die Temperatur des Kraftstoffes im Brechungsindexsensor 1 und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal Tf in Analogform, das ebenfalls an den A/D-Wandler 41 geliefert und dort in die Digitalform umgewandelt und dann vom Mikrocomputer 43 über den Eingangsport 42 gelesen wird.

In gleicher Weise werden das die Zufuhr neuen Kraftstoffes in den Kraftstofftank 5 kennzeichnende Ausgangssignal des Kraftstoffversorgungsschalters 7 sowie ein von der Wahltafel 8 für die Kraftstoffart geliefertes und die Art des in den Kraftstofftank 5 eingefüllten neuen Kraftstoffes kennzeichnendes Informationssignal an den Eingangsport 42 des Flüssiggehaltsrechners 4 gelegt und dann vom Mikrocomputer 43 gelesen. Umgekehrt wird Information, wie etwa solche über den Anteil einer Flüssigkeit oder einer Kraftstoffkomponente in dem im Kraftstofftank 5 gespeicherten Kraftstoff, die vom Mikrocomputer 43 ausgegeben wird, an die Wahltafel 8 für die Kraftstoffart rückgespeist, um darüber eine entsprechende Anzeige zu geben.

Aufgrund der verschiedenen, an den Eingangsport 42 gelieferten Daten führt der Mikroprozessor 43 betriebsbezogene Berechnungen aus, um den Anteil einer Flüssigkeit, wie etwa eines Alkohols, in dem im Kraftstofftank 5 enthaltenen Kraftstoff gemäß dem Flußdiagramm der Fig. 2 anzugeben.

Nachfolgend wird ein Beispiel für die Berechnung beispielsweise eines Flüssigkeitsanteils im Kraftstoff unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Dabei ist angenommen, daß der Kraftstoff aus Normalbenzin und aus Superbenzin mit beigemischtem Alkohol in Form von Methanol besteht.

Zunächst wird in Schritt S100 die Anzahl n der Arten der Kraftstoffkomponenten, bei denen es sich in diesem Beispiel um Normalbenzin, Superbenzin und Methanol handelt, über die Wahltafel 8 für die Brennstoffart von Hand in den Mikroprozessor 43 über den Eingangsport 42 eingegeben. Dann wird in Schritt S101 das vom Kraftstoffversorgungsschalter 7 gelieferte Ausgangssignal über den Eingangsport 42 in den Mikroprozessor 43 eingelesen, in welchem entschieden wird, ob es Zeit für die Zufuhr von Kraftstoff in den Kraftstofftank 5 ist. Ggf. liefert der Mikroprozessor 43 ein entsprechendes Signal an die Wahltafel 8 für die Kraftstoffart, um die dort angegebenen oder angezeigten Anteile wiedereinzustellen und um gleichzeitig den Fahrer durch visuelle oder gesprochene Anweisungen aufzufordern, über die Wahltafel 8 für die Kraftstoffart eine Information bezüglich der Art der in den Kraftstofftank 5 gelieferten Kraftstoffkomponente einzugeben.

Wenn der Fahrer durch Betätigen der Wahltafel 8 für die Kraftstoffart die Art f der einzufüllenden Kraftstoffkomponente einstellt, geht das Programm nach Schritt S102 über, in welchem entschieden wird, ob die Art f des zugeführten Kraftstoffes eine solche ist, die bereits im RAM 45 gespeichert ist. Ist das nicht der Fall, wird die Art f des gelieferten Kraftstoffes als eine neue Art gekennzeichnet und als solche im RAM 45 gespeichert.

Konkreter gesprochen sei beispielshalber angenommen, daß der bereits bzw. vorher, d. h. vor der Zufuhr neuen Kraftstoffes, im Kraftstofftank 5 gespeicherte Kraftstoff aus einer Mischung aus Normalbenzin und Methanol besteht, und, daß der Mischung Superbenzin zugeführt wird. In diesem Fall wird die Zufuhr eines neuen Kraftstoffes in Form des Superbenzins neu im RAM 45 gespeichert. War jedoch bereits Superbenzin dem im Kraftstofftank 5 befindlichen Kraftstoff beigemischt, wird Schritt S102 überflüssig und damit fallengelassen.

Falls in den Schritten S101 und S102 festgestellt wird, daß es sich bei den in Kraftstoff des Kraftstofftanks 5 enthaltenen Arten der Kraftstoffkomponenten um Normalbenzin, Superbenzin und Methanol handelt, wird in Schritt S103 ein Kraftstofftemperaturerfassungsindex i auf "1" gesetzt. Danach wird in Schritt S104 die Temperatur T_fi der Kraftstoffmischung gelesen, wonach in Schritt S105 entschieden wird, ob die so gelesene Temperatur T_fi der zuvor erfaßten Temperatur T_{fi - 1} entspricht.

Falls in Schritt S105 die Antwort positiv ausfällt, geht das Programm nach Schritt S104 zurück und bildet eine Schleife zum erneuten Auslesen der Kraftstofftemperatur T_fi. An dieser Stelle sei bemerkt, daß nur im Falle einer negativen Antwort in Schritt S105 (d. h., wenn die zuletzt bestandene Temperatur T_fi nicht der vorherigen Temperatur T_{fi - 1} entspricht) das Programm nach Schritt S106 geht, in welchem der Brechungsindex ND_fi der Kraftstoffmischung gelesen wird. Dann werden in Schritt S107 unter verschiedenen Temperaturcharakteristiken von Kraftstoffkomponenten, die im ROM 44 gespeichert sind, die Temperaturcharakteristiken der drei zuvor eingestellten oder gewählten (n = 3) drei Kraftstoffkomponenten ausgelesen. In Schritt S108 werden unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Temperatur der Kraftstoffkomponenten gemäß Fig. 5 die Brechungsindices ND_gi, ND_pi und ND_mi von Normalbenzin, Superbenzin und Methanol bei einer Temperatur von T_fi wie folgt berechnet:

ND_gi = ND_go {1 - a_g (T_fi - T_o)}
ND_pi = ND_go {1 - a_p (T_fi - T_o)}
ND_mi = ND_go {1 - a_m (T_fi - T_o)}

Darin stellen DN_go, ND_po und ND_mo jeweils die Brechungsindices von Normalbenzin, Superbenzin und Methanol bei einer vorbestimmten Bezugstemperatur T_o dar, während a_g, a_p und a_m jeweils die Temperaturkoeffizienten der Brechungsindices von Normalbenzin, Superbenzin und Methanol darstellen. In Bezug auf das Verhältnis zwischen Brechungsindex und Temperaturcharakteristik genügt es daher, die charakteristischen Werte an zwei Punkten jeder Kraftstoffart zu speichern. Anschließend wird in Schritt S109 der Kraftstofftemperaturerfassungsindex i mit der Anzahl n der Arten der Kraftstoffkomponenten minus 1 (n - 1) verglichen, wobei in diesem Beispiel n = 3 ist. Falls i < n - 1 ist, wird in Schritt S110 der Index i um "1" erhöht und die Schritte S104 bis S108 werden wiederholt.

Auf diese Weise werden der Brechungsindex ND_f1 der Kraftstoffmischung und die Brechungsindices ND_g1, ND_p1 und ND_m1 bei einer Temperatur von T_f1 ebenso wie die Indizes ND_f2, ND_g2, ND_p2 und ND_m2 bei einer Temperatur von T_f2 bestimmt.

Schließlich wird in Schritt S111 der Alkoholgehalt Cm in der Kraftstoffmischung auf der Basis der oben bestimmten Werte als Lösung des folgenden linearen Gleichungssystems mit zwei Unbekannten erhalten:

(ND_m1 - ND_g1)CM + (ND_p1 - ND_g1)Cp + ND_g1 = ND_f1

(ND_m2 - ND_g2)Cm + (ND_p2 - ND_g2)Cp + NC_g2 = ND_f2

wobei Cp den Anteil des Superbenzins in der Kraftstoffmischung darstellt.

Der so erhaltene Datenwert des Alkoholgehaltes Cm wird über den Ausgangsport 46 an den D/A-Wandler 47 geliefert, so er aus der Digitalform in die Analogform zur Bereitstellung einer analogen Ausgangsspannung VCm umgewandelt wird.

Falls im vorliegenden Falle der Anteil des Superbenzins Cp auch vom Flüssigkeitsanteilsrechner 4 ausgegeben wird, was nicht dargestellt ist, kann aufgrund des so berechneten Superbenzinanteils Cp eine viel feinere und verbesserte Motorsteuerung, wie beispielsweise eine Zündzeitgabesteuerung, durchgeführt werden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, können die Anteile entsprechender Kraftstoffkomponenten in einer Kraftstoffmischung, bestehend aus einer Gesamtzahl von n unterschiedlichen Kraftstoffarten als Lösung eines linearen Gleichungssystems berechnet werden, das (n - 1) Unbekannte aufweist, und zwar durch Messen des Brechungsindexes der Kraftstoffmischung bei (n - 1) Temperaturpunkten.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, die im wesentlichen der vorherigen Ausführungsform gemäß Fig. 1 entspricht, mit Ausnahme des Vorhandenseins eines Identifizierungssensors 10 für die Brennstoffart, der einen auf dem Kraftstoff-Einfüllstutzen 11 montierten Sender 10a aufweist und über einen Schlauch an eine (nicht dargestellte) Kraftstoffversorgung angeschlossen ist. Der Sender sendet ein Signal aus, das die Art des vom Stutzen 11 zu liefernden Kraftstoffes kennzeichnet, während ein Empfänger 10b in der Nähe des Kraftstoffversorgungsstutzens 6 an der Fahrzeugkarosserie zum Empfang des vom Sender 10a gelieferten Signals angeordnet ist. Wenn vom Kraftstoffeinfüllstutzen 11 Kraftstoff in den Kraftstoffversorgungsstutzen 6 eingelassen wird, sendet der Sender 10a ein Signal, das die Art des vom Stutzen 11 gelieferten Kraftstoffes bezeichnet, zum Empfänger 10b. Nach Empfang dieses vom Sender 10a ausgesandten Signals gibt es der Empfänger 10b über den Eingangsport 42 an den Mikroprozessor 43 eines Rechners 4 weiter. Aufgrund des die Kraftstoffart kennzeichnenden Signals liest der Mikrocomputer 43 die Art des in den Kraftstofftank 5 gelieferten Kraftstoffes ab, wie dies im Falle der Schritte S101 und S102 geschieht.

Bei dieser Ausführungsform braucht der Fahrer keine Information über die Art des einzufüllenden Kraftstoffes manuell einzustellen bzw. einzugeben. Darüber hinaus besteht nicht die Gefahr einer Fehleingabe seitens des Fahrers.

Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die im wesentlichen derjenigen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform entspricht, mit Ausnahme der nachfolgenden Merkmale. Im einzelnen weist eine an den Kraftstofftank 5 angeschlossene Kraftstoffleitung 21 einen Bypass 22 verkleinerten Durchmesser auf, auf dem als Kombination ein Brechungsindexsensor 1 sowie ein Brechungsindexrechner 2, ein Temperatursensor 3 und ein Temperaturänderungsmittel 20 zum Ändern der Temperatur des Kraftstoffes installiert sind, dessen Brechungsindex erfaßt werden soll. Die Temperaturänderungsmittel 20 weisen die Form eines Heizgerätes auf, das an einer Stelle stromaufwärts des Kraftstofftemperatursensors 3 angeordnet ist. Das Heizgerät 20 wird durch den Rechner 4 zur Erwärmung des Kraftstoffes in der Bypassleitung 22 gesteuert. Bei dieser Ausführungsform kann in Fällen, in denen die Temperatur des Kraftstoffes im Kraftstofftank 5 im wesentlichen unverändert bleibt, wie etwa im Falle, daß das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt, der Heizkörper 20 unter der Kontrolle des Flüssigkeitsanteilsrechners 4 betrieben werden, um den in der Bypassleitung 22 befindlichen Kraftstoff zu erwärmen. Die Temperatur des Kraftstoffes wird also eindeutig so geändert, daß der Brechungsindexsensor 1 und der Rechner 2 den Brechungsindex des Kraftstoffes bei einer Vielzahl unterschiedlicher Temperaturen erfassen bzw. berechnen können. Selbst bei im wesentlichen konstanter Kraftstofftemperatur ist es daher möglich, die Anteile der entsprechenden Kraftstoffkomponenten in der Kraftstoffmischung jederzeit zu erfassen, unabhängig vom Fahrzustand des Fahrzeuges.

Obgleich bei den obigen Ausführungsformen der Erfindung ein besonderer Rechner 4 die Anteile der jeweiligen Kraftstoffkomponenten der Kraftstoffmischung berechnet und entsprechende Ausgangssignale erzeugt, die an den Motorregler zur korrekten Motorsteuerung geliefert werden, kann er auch in die Motorsteuereinheit einbezogen werden, oder es kann die Funktion des Rechners 4 durch eine Motorsteuereinheit ausgeführt werden.

Weiter umfaßt bei den obigen Ausführungsformen der Brechungsindexsensor 1 einen lichtempfindlichen Sensor. Es können aber auch andere Sensorarten verwendet werden, wie beispielsweise ein lichtpositionsempfindlicher Sensor, bei dem ein Lichtempfänger an jeweils verschiedenen Stellen Lichtstrahlen empfängt, die von einer Lichtquelle durch einen Lichtleiter ausgesandt werden, wobei die verschiedenen Stellen verschiedenen Brechungsindices verschiedener Kraftstoffarten entsprechen.

Claims

1. Einrichtung zur Bestimmung des Anteils (Cm, Cp) von n Flüssigkeits-Komponenten in einem Flüssigkeits-Gemisch, wobei n ≧ 3 ist, umfassend:

a) einen Temperatursensor (3) zur Erfassung der Temperatur (T_fi) des Flüssigkeits- Gemisches,
b) einen Brechungsindexsensor (1, 2) zur Erfassung des Brechungsindex (Nd_fi) des Flüssigkeits-Gemisches;
c) eine Speichereinrichtung (44, 45) zur Speicherung von Temperaturabhängigkeiten (Nd_go, Nd_po, Nd_mo, a_g, a_p, a_m, T₀) der Brechungsindices (Nd_gi, Nd_pi, Nd_mi) der n Flüssigkeits-Komponenten;
d) einen Rechner (4, 41-42, 46, 47)
d1) zum Einlesen von n - 1 vom Brechungsindexsensor (1, 2) erfaßten Brechungsindices(Ndf1, Ndf2) des Flüssigkeitsgemisches bei n - 1 vom Temperatursensor (3) erfaßten Temperaturen (Tf1, Tf2) des Flüssigkeitsgemisches sowie zum Einlesen der n - 1 erfaßten Temperaturen;
d2) zum Bestimmen von jeweils n - 1 Brechungsindices (Nd_g1, Nd_p1, Nd_m1; Nd_g2, Nd_p2, Nd_m3) für jede der n Flüssigkeits-Komponenten bei den n - 1 vom Temperatursensor (3) erfaßten Temperaturen (Tf1, Tf2) auf Grundlage der in der Speichereinrichtung (4, 45) gespeicherten Temperaturabhängigkeiten (Nd_go, Nd_po, Nd_mo, a_g, a_p, a_m, T₀) der Brechungsindices (Nd_gi, Nd_pi, Nd_mi) der n Flüssigkeits-Komponenten; und
d3) zum Bestimmen der Anteile (C_m; C_p) der n Flüssigkeits-Komponenten durch Lösen eines linearen Gleichungssystems mit n - 1 Gleichungen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Temperaturänderungseinrichtung (20) zur Änderung der Temperatur (Tfi) des Flüssigkeitsgemisches.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wähleinrichtung (8) zum Eingeben von Informationen über die Arten der Flüssigkeitskomponenten zur Weiterleitung an den Rechner.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung (8) eine Anzeige der Anteile der Flüsssigkeitskomponenten bereitstellt, die durch den Rechner bestimmt werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung (8) einen Sensor zur Erfassung der Art einer dem Flüssigkeits-Gemisch hinzugefügten Flüssigkeit sowie zur Weiterleitung der so erfaßten Art an den Rechner aufweist.