NL8004071A

NL8004071A - Brandstoftoevoerstelsel voor verbrandingsmotoren,

Info

Publication number: NL8004071A
Application number: NL8004071A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1980-07-15
Filing date: 1980-07-15
Publication date: 1982-02-16
Also published as: JPH0357292B2; NL191373B; JPS5751920A; SE8104362L; IN155415B; NL191373C; BR8104514A; DE3127991A1; FR2487010A1; ZA814798B; SE450788B; DE3127991C2; US4438749A; CA1178692A; FR2487010B1

Description

. ♦ « " '* "* .............. ...... m _ NO 29.039

Korte aanduiding: Brandstoftoevoerstelsel voor verbrandingsmotoren.

De uitvinding heeft betrekking op een brandstoftoevoerstelsel voor brandstoffen, waaronder koolwaterstoffen, zoals benzine, alcoholen of ander middel, of een mengsel daarvan, voor verbrandingsmotoren, voorzien van een inrichting om de momentane toestand of samenstelling van de 5 brandstof te bepalen en een meetsignaal af te geven als een variabele voor de besturing van de doseerinrichting van de lucht-brandstofverhou-ding. Een dergelijk brandstoftoevoer is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage no. 77.12689.

Voor verbrandingmotoren die als brandstof benzine of dieselolie 10 gebruiken kunnen ook brandstofmengsels worden toegepast die bestaan uit een type koolwaterstof zoals benzine of diesel, en een type alcohol, zoals methanol of ethanol. De goede werking van een dergelijke motor die van een carburator of injectie-inrichting is voorzien, hangt sterk af van de juiste brandstof-luchtverhouding. Wanneer de toestand of de samenstelling 15 van de uit de brandstoftank toegevoerde brandstof onbekend is, kan slechts bij benadering een afstelling bereikt worden waarbij de motor nog redelijke prestaties levert, wellicht ten koste van een hoog brandstofverbruik; Onder de toestand wordt hierbij de vloeibare of gasvormige agregatietoe-stand of combinatie daarvan van een of meer brandstoffen verstaan. Om het 20 optimale brandstof-luchtmengsel aan de motor toe te kunnen voeren moet de daartoe vereiste doseerinrichting continu afgesteld worden op basis van een continue meting van de toestand of samenstelling van de brandstof.

Bij het bekende stelsel uit bovengenoemde octrooiaanvrage wordt de daartoe vereiste meting gedaan met behulp van een diëlectrische sensor 25 die continu de diëlectrische eigenschappen van de brandstof bepaalt. Deze diëlectrische sensor is echter sterk gevoelig voor neveninvloeden, zoals temperatuur en stroomsnelheid. Tevens is voor deze sensor betrekkelijk ingewikkelde apparatuur en schakelingen nodig.

De uitvinding beoogt deze problemen te ondervangen door toepas-30 sing van een ander type sensor waarvan de opbouw evenals de vereiste electronische schakeling eenvoudig is.

Dit wordt bij een brandstoftoevoerstelsel van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding bereikt door een in de brandstof geplaatste opto-electrische sensor om de lichtbrekingsindex daarvan te 35 meten, en een op de sensor aangesloten, electronische schakeling om de doseerinrichting overeenkomstig de bepaalde toestand of samenstelling te sturen.

80040 71

n\ V

v -2-

Bij een voordelige uitvoering volgens de uitvinding bestaat de opto-electronische sensor uit een lichtbron, een tenminste voor een deel in aanraking met de brandstof opgestelde lichtgeleider, en een lichtont-vanger, waarbij de lichtbrekingsindexmeting gebaseerd is op een grens-5 hoekmeting en de hoeveelheid door de lichtontvanger opgenomen licht tenminste bevat een variabel gedeelte ten gevolge van niet-directe instraling en afhankelijk van de brekingsindex van het brandstofmengsel. De lichtgeleider kan hierbij uit een staaf van glas bestaan, op de uiteinden waarvan respectievelijk de lichtbron en lichtontvanger zijn geplaatst.

10 Aangezien de opto-electronische sensor volgens de uitvinding eniger mate temperatuurafhankelijk is kan nabij de lichtbron een extra lichtontvanger of fototransistor geplaatst worden om de hoeveelheid door de lichtbron uitgezonden licht te bewaken en middels de electronische schakeling dienovereenkomstig de stroom van de lichtbron te regelen. Te-15 vens kan in de toevoerleiding van het brandstofmengsel een temperatuur-opnemer geplaatst en aangesloten zijn op de electronische schakeling ter correctie van de gemeten brekingsindex en daarmede van het stuursignaal van de besturing van de doseerinrichting.

Het kan bij bepaalde brandstofsamenstellingen, zoals 0-50% ben-20 zine en 100-50% alcohol, noodzakelijk zijn om het brandstofmengsel vooraf te verwarmen to circa 45°C om ijsvorming bij verdamping van het mangsel in de carburator te voorkomen. Hiertoe wordt met voordeel binnen het kader van de temperatuurregeling gebruik gemaakt van de geplaatste tempe-ratuuropnemer en bijbehorende electronische schakeling om daarmede een 25 klep in de toevoerwaterleiding van een in de brandstofleiding opgenomen warmtewisselaar te sturen. De mantel van deze warmtewisselaar is opgenomen in het koelwatercircuit van de motor.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoer-ingsvoorbeeld met verwijzing naar de tekeningen, waarin: 30 Figuur 1 een schematisch overzicht geeft van het brandstoftoevoerstelsel volgens de uitvinding;

Figuur 2 een grafiek geeft van de .. uitgangsspanning van de sensor als functie van de brandstofsamenstelling bij verschillende temperaturen als parameter; 35 Figuur 3 het meetprincipe van de opto-electronische sensor geeft;

Figuur 4 een langsdoorsnede geeft van de opto-electronische sensor;

De figuren 5.1 en 5.2 schema's geven van de electronische schakeling; en Figuur 6 een grafiek geeft ter toelichting van de temperatuurafhankelijkheid van de gemeten spanningen in de schakeling voor verschil- 8004071 " ~ ' - -............. .....- ........... “ " "" " * " ..............ï *· -3- lende brandstofmengselsamenstellingen.

Bij het in figuur X aangegeven brandstoftoevoerstelsel wordt de brandstof 13 onder invloed van een verder niet aangegeven brandstofpomp via een leiding 1 toegevoerd aan een doseerinrichting zoals een carbura-5 tor of injectie-inrichting. De leiding 1 loopt daarbij eerst via een warmtewisselaar 7, aan het einde waarvan de temperatuur van de brandstof met een temperatuuropnemer 6 wordt gemeten. Vervolgens wordt de brandstof langs de opto-electronische sensor 2 geleid om dan buiten het stelsel aan de carburator of injectie-inrichting te worden toegevoerd. De opto-elec-10 tronische sensor bepaalt het percentage alcohol, zoals ethanol of methanol, in het brandstofmengsel of bepaalt de agregatietoestand van de brandstof en geeft een uitgangssignaal af via de leiding 10 aan de electro-nische schakeling 3. Het uitgangssignaal van deze schakeling stuurt een servomotor, die bijvoorbeeld via een bowdenkabel de instelling van de 15 sproeiernaalden in de carburator stuurt. Het gehele stelsel kan als een zogenaamde "retrofit" uitgevoerd zijn.

De eventueel vereiste voorverwarming van het brandstofmengsel in de warmtewisselaar gebeurt door middel van het koelwater uit het koelcircuit van de motor waarvan de temperatuur tijdens het rijden maximaal 90°C 20 bedraagt. De warmtewisselaar bestaat uit een cilindrische mantel, waarin een pijp van 1,25 meter lengte is gevouwen, welke mantel door middel van een toevoerklep 8 op het koelwatercircuit is aangesloten. De electro-nische schakeling stuurt in reactie op het door de temperatuuropnemer 6 via de leiding 11 afgegeven signaal de stand van de toevoerklep 8.

25 In figuur 2 is als voorbeeld de uitgangsspanning van de sensor aangegeven als functie van de samenstelling superbenzine-ethanol met als parameter de temperaturen 15°, 20°, 25°, 30°. De links langs de ordinaat uitgezette uitgangsspanning heeft een directe relatie met de gemeten brekingsindex van het mengsel. De uiterste waarden van de brekingsindex van 30 het mengsel superbenzine-ethanol zijn voor 100% superbenzine ^ = 1,43, voor 100% ethanol 1,36 en voor 100% methanol ^ = 1,33.

In figuur 3 is in het algemeen het meetprincipe van de opto-elec-tronische sensor aangegeven. Met 20, LI en F2 is respectievelijk een lichtgeleider, een lichtbron zoals een infrarode lichtgevende diode en 35 een fototransistor aangeven. De brekingsindex wordt gemeten met een zogenaamde grenshoekmeting, waarbij voor de lichtgeleider een staaf glas met voordeel gebruikt kan worden. Aan de ene zijde is door middel van een geschikte lijmverbinding de lichtbron en aan het andere einde is op dezelfde wijze een bijbehorende lichtontvanger, zoals een fototransistor, 800 4 0 71 ~ * i -4- bevestigd. De uiteinden van de staaf bevinden zich in lucht, terwijl het gedeelte daartussen in aanraking is of omspoeld wordt door het te bewaken brandstofmengsel. Als lichtgeleider is een glazen staaf gekozen omdat gebleken is dat een kunststofgeleider (acryl) aangetast wordt door het cor-5 rosieve brandstofmengsel en bovendien als gevolg van het minder gladde oppervlak gevoeliger is voor aanslag dan glas. De staafvorm is niet zo zeer nodig en gekromde geleiders zoals glasvezels kunnen ook toegepast worden.

De lichtstralen in het glas worden tenzij rechtstreeks tenzij na 10 breking overgebracht naar de lichtontvanger of gaan verloren door uittreden naar het omringende medium van de brandstof. De hoeveelheid in de i lichtontvanger ontvangen licht bestaat uit een vast gedeelte ten gevolge van directe instraling en rechtstreekse voortplanting van de bron naar ontvanger en uit een variabel gedeelte tengevolge van niet-indirecte in-15 straling dat na breking weer in het glas wordt teruggebracht.

In figuur 3 is aangegeven hoe het verloop van de uit de lichtbron afkomstige lichtstralen kan zijn. De brekinsindex )£^ van glas bedraagt circa 1,52 (normaal glas) en de brekingsindex % ^ van het omringende brandstofmengsel bestaande uit superbenzine en ethanol ligt tussen cir-20 ca 1,36 en 1,43. Volgens de wet van Snellius wordt de hoek φ , waarbij het licht dat op een grensvlak van twee media valt en nog juist geheel wordt teruggekaatst, dat wil zeggen in dit geval binnen de glazen staaf blijft, gegeven door sin (90° - <j>) = V, 2 /^i*

Voor 100¾ ethanol (E) wordt φ = 27° volgens 25 sin (90° - φ ) = 1,36/1,52 = 0,89. Alle lichtstralen met een (j> ^ 27° gaan verloren voor de fotodetector.

Voor 100¾ superbenzine (SB) wordt φ- 20° volgens sin (90° - φ) = 1,43/1,52 = 0,94. Hierbij gaan alle lichtstralen met φ y 20° verloren voor de fotodetector.

30 Bij een voorbeelduitvoering van de glasstaaf met een diameter van 5 millimeter en ^ = 1,52 straalt de lichtbron het licht in volgens een openingshoekg?van maximaal 38°. Deze apertuur is berekend uit de formule sin<=> = \/ η ^ 9ewenste Φ -gebied wordt in elk geval bestreken.

35 Onder de veronderstelling, dat de lichtbron een uniforme inten- siteitsverdeling heeft over de apertuur van 38°, wordt bij een brandstofmengsel van SB (0 - 100¾) — E (100 - 0%)nu 20/38 deel van de lichthoe-veelheid binnen de glazen buis overgedragen en vormt een stationaire _________ achtergrond voor de fototransistor ongeacht de % -wijzigingen van het 40 brandstofmengsel, en is 7/38 deel van de ingestraalde intensiteit voor 80040 71 _______ \ -5- rS, r 'v reflectie direct afhankelijk van het brandstofmengsel. Hierbij is de rest van het ingestraalde licht verloren door directe overdracht naar het brandstofmengsel. Dit is onafhankelijk van de gegeven ^-waarden.

De te verwachten maximale afwijking bij de gegeven omstandigheden 5 ten opzichte van de stationaire achtergrond (intensiteit) ter plaatse van de fototransistor is derhalve 7/20 x 100% = 35% afgezien van de verliezen in de glasstaaf zelf. Deze afwijking is met relatief eenvoudige middelen goed waar te nemen.

Om de stabiliteit van de meting van de toestand of samenstelling 10 van de brandstof zo goed mogelijk te waarborgen kunnen een aantal maatregelen toegepast worden om de invloed van de temperatuur te compenseren, te weten: 1. De door de lichtbron F1 ingestraalde hoeveelheid licht in de glasstaaf wordt bewaakt door middel van een tweede aan de zijde van de led- 15 lichtbron aangebrachte fototransistor Fl. De lichtintensiteit van de lichtbron is temperatuurafhankelijk volgens de normale diodevergelij-king. Aangezien het gewenste temperatuurbereik circa 60° groot is, moet er voor worden gezorgd dat de lichtintensiteit na op een bepaalde waarde te zijn ingesteld wordt gehandhaafd. Dit wordt met de fototran-20 sistor Fl gedaan die via een regellus in de electronische schakeling de stroom van de lichtbron bijstuurt.

2. Een thermische metalen verbinding (litzedraad of via het huis) tussen beide fototransistoren om de thermische gelijkloop van hen zo goed mogelijk te waarborgen.

25 3. De temperatuur van de brandstof wordt gemeten ter correctie van de gemeten brekingsindex die temperatuurafhankelijk is. Deze correctie wordt in de electronische schakeling aangebracht.

In figuur 4 is een lengtedoorsnede gegeven van de opto-electro-nische sensor 2. Met 1 is de leiding van de brandstof 13 aangegeven die 30 in de ruimte 22 de glazen staaf 20 tenminste voor een deel omspoelt. Aan weerszijden van de glazen staaf zijn de lichtbron LI, en de fototransistor F2 aangegeven, waarbij de controle fototransistor Fl nabij en opzij van de lichtbron LI is opgesteld. Met 23 is het huis van de sensor aangegeven, waardoorheen een verbindingsbout 21 is aangebracht welke voor de 35 thermische gelijkloop van de fototransistoren kan zorgen en eveneens voor doorvoer kan dienen van de verbindingsdraden van de fototransistor F2.

Ook kan het van belang zijn de onderlinge verhouding in bijvoorbeeld ethanol methanol-mengsels te bepalen en de carburatie of inspuiting 4-0 daarop aan te passen.

800 4 0 71 -6-

V

js

Er is een toenemende tendens LPG (liquefied petroleum gases) of te wel propaan/butaan toe te passen als motorbrandstof. Hiertoe wordt het LPG dat zich als vloeistof in de tank bevindt via een warmtewisselaar met het koelwater verdampt en als draaggas gecarbureerd. Het nadeel van het 5 carbureren van draaggas is dat het daarmee vrij volumineus is en derhalve een vermogensverlies veroorzaakt. Dit nadeel zou worden ondervangen als het als vloeistof werd gecarbureerd. Bovendien heeft de koelende werking van vloeibaar LPG op de inlaatlucht een gunstige invloed op het rendement.

Een brandstof als LPG verkeert in de tank in een damp-vloeistof-10 evenwicht. Wanneer nu bij het stromen door leidingen of regelapparatuur drukverlaging en temperatuursveranderingen optreden, treedt dampbelletjes vorming op. In de leidingen of regelapparatuur is dan de brandstof in twee agreratietoestanden aanwezig te weten: damp en vloeistof. De sensor kan dit detecteren en kan het carburatie- of spuitsysteem hierop aanpas-15 sen. Zonder een dergelijke aanpassing zou de carburatie of inspuiting ontregelen door de veel geringere brandstofinhoud van de dampbelletjes.

In figuur 5.1 en 5.2 is het schema van de electronische schakeling aangegeven, welke schakeling uit eenvoudige componenten bestaat.

In het linkerdeel daarvan is de temperatuurmeetbrug aangegeven met de 20 temperatuuropnemer 6 en de versterker IC 1.1.

De ter correctie opgenomen fototransistor F1 stuurt via de versterker IC 1.2 en de transistor Q1 de diodestroom van de lichtbron LI.

Het door de fototransistor F2 afgegeven signaal wordt toegevoerd aan de ene ingang van de versterker IC 1.3, aan de andere ingang waarvan het via * 25 de versterker IC 1.1 gevoerde meetsignaal van de temperatuuropnemer 6 wordt toegevoerd ter correctie van de temperatuurafhankelijkheid. De instelling van deze versterker is zodanig dat uitgaande van de meetwaarde bij een bepaalde temperatuur en een referentiebrandstof, bijvoorbeeld 100¾ ethanol, de invloed van de temperatuur tot 5% van de eindwaarde beperkt 30 wordt.

In figuur 6 is een voorbeeld gegeven van de temperatuurafhankelijkheid van de gemeten spanning voor enkele brandstofsamenstellingen, te weten grafiek 41 voor 100¾ E, 42 voor 50¾ E en 50¾ normale benzine, 43 voor 25¾ E en 75¾ normale benzine, 44 voor 100¾ normale benzine. Na tem-35 peratuurcorrectie verlopen deze grafieken in wezen recht.

Vervolgens wordt het meetsignaal gesommeerd met een van een vaste spanningsdeler afkomstige referentiespanning toegevoerd aan de ene ingang van de volgende versterker IC 1.4. Aan de andere ingang wordt het temperatuursignaal vanaf de temperatuuropnemer 6 toegevoerd. Na de ver-40 sterker IC 1.4 wordt het signaal via een vermogenstransistor Q3 en Q5 800 4 0 71 -7- gestuurd naar de proportionele klepsturing 8 van de waterleiding 9 van de warmtewisselaar 7.

Voor een brandstofsamenstelling van 100% ethanol kan de brandstof tot 45°C verwarmd en voor een brandstofsamenstelling van 100% benzine 5 kan de brandstof tot 10°C voorverwarmd worden. Mengsels daartussen worden afhankelijk van de meetwaarde proportioneel tussen 10 en 45°C geregeld.

Het signaal van de uitgang van de versterker IC 1.4 wordt eveneens toegevoerd aan de in figuur 5.2 aangegeven electrische schakeling om de servomotor Ml te sturen. Deze kan een stappenmotor met vertragings-10 as zijn, die via een bowden-kabelmeachnisme de sproeier (normaal en stationair) instelling bedient. Het meetwaardesignaal wordt via een links/ rechtsomstuurschakeling IC 2.2/3 toegevoerd aan de stuurschakeling IC 4 van de stappenmotor. De stand van de motoras wordt met behulp van een gekoppelde lineaire potentiometer teruggemeld naar de versterker IC 2.1.

15 Met IC 3 is een spanningstabilisatieschakeling aangegeven. De voeding voor de electronische schakeling wordt betrokken uit de accu van het betreffende motorvoertuig.

De lengte van de glasstaaf moet bij voorkeur 5 cm of wat meer bedragen. De diameter van de glasstaaf wordt zodanig gekozen dat een op-20 timale koppeling met de lichtbron en fototransistoren mogelijk is. Met voordeel is een diameter van 5 millimeter gekozen. Voor reproduceerbare eigenschappen van de sensor moeten de elementen loodrecht op de oppervlakken worden aangebracht door middel van een epoxylijm bijvoorbeeld. Het o meest geschikte glas blijkt boriumsilicaat glas te zijn met een index 25 % = 1,49.

De reproduceerbaarheid van de brekingsindexmeting bij een en dezelfde temperatuur en dezelfde sensor is beter dan 5%. De electronische schakeling kan binnen een groot gebied van temperaturen werken.

Tevens is het mogelijk om zowel de lichtbron als de lichtont-30 vanger aan een zijde te bevestigen waardoor de opto-electronische sensor als insteekeenheid in een brandstofleiding kan worden aangebracht. Het andere uiteinde van de lichtgeleider moet dan met een spiegel reflecterend worden gemaakt.

8004071

Claims

1. Brandstoftoevoerstelsel voor brandstoffen, waaronder koolwaterstoffen, zoals benzine, alcoholen of ander middel, of een mengsel daarvan, voor verbrandingsmotoren, voorzien van een inrichting om de momentane toestand of samenstelling van de brandstof te bepalen en een 5 meetsignaal af te geven als een variabele voor de besturing van de do-seerinrichting van de lucht-brandstof verhouding, gekenmerkt door een in de brandstof geplaatste opto-electronische sensor om de lichtbrekingsindex daarvan te meten, en een op de sensor aangesloten electronische schakeling om de doseerinrichting overeenkomstig de be-10 paalde toestand of samenstelling te sturen.

2. Brandstof toevoerstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de opto-electronische sensor uit een lichtbron, een tenminste voor een deel in aanraking met de brandstof opgestelde licht-geleider, en een lichtontvanger bestaat, waarbij de lichtbrekingsindex- 15 meting gebaseerd is op een grenshoekmeting en de hoeveelheid door de lichtontvanger opgenomen licht tenminste bevat een variabel gedeelte ten gevolge van niet-directe instraling en afhankelijk van de brekingsindex van de brandstof.

3. Brandstoftoevoerstelsel volgens conclusie 2, m e t het 20 kenmerk, dat de lichtgeleider uit een staaf van glas bestaat, op de uiteinden waarvan respectievelijk de lichtbron en lichtontvanger zijn geplaatst.

4·. Brandstoftoevoerstelsel volgens conclusie 2 of 3, m e t het kenmerk, dat ter compensatie van de temperatuurafhankelijk-25 heid van de opto-electronische sensor een extra lichtontvanger nabij de lichtbron is geplaatst om de hoeveelheid door de lichtbron uitgezondenjlicht te bewaken en middels de electronische schakeling dienovereenkomstig de stroom van de lichtbron te regelen.

5. Brandstoftoevoerstelsel volgens conclusie 4-, m e t het 30 kenmerk, dat een temperatuuropnemer in de toevoerleiding van de brandstof geplaatst en aangesloten is op de electronische schakeling ter correctie van de gemeten brekingsindex en daarmede van het stuursignaal van de besturing van de doseerinrichting.

6. Brandstof toevoerstelsel volgens conclusie 5, m e t het 35 kenmerk, dat ter regeling van de temperatuur van de brandstof een warmtewisselaar in de toevoerleiding voor de temperatuuropnemer·is geplaatst waarvan de mantel in het koelwatercircuit van de motor is ge 800 4 0 71 -9- plaatst en waarmede de brandstof wanneer nodig voorverwarmd wordt onder toepassing van een door de electronische schakeling gestuurde klep in de koelwaterleiding. 800 40 71