DE19725832C1

DE19725832C1 - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion

Info

Publication number: DE19725832C1
Application number: DE19725832A
Authority: DE
Inventors: Gerald Pfaff
Original assignee: HDC AG
Current assignee: HDC AG
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2017-06-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion in einem Verbraucherkreislauf, insbesondere in einem Rezirkulationskreislauf als Verbraucher eingeschalteten Einspritzpumpe einer Dieselbrennkraftmaschine. Als Verbraucher kann beispielsweise auch der Brennstoffverteiler einer Heizungsanlage vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind zur Erzeugung einer Wasser-in-Dieselöl-Emul sion mit einem ggf. variablen, aber vorbestimmten Mischungsverhältnis bestimmt.

Zum Mischen des Wassers und des Dieselöls wird eine Mischvorrichtung verwendet, in die das Dieselöl mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe zugeführt wird und die eines oder mehrere gesteuerte Wassereinspritzventile enthält, von denen über eine Wasserpumpe zugeführtes Wasser in das zugeführte Dieselöl in einer solchen Menge gesteuert eingespritzt wird, daß sich ein vorbestimmter Wasseranteil in der zusammengemischten Emulsion ergibt. Die zusammengemischte Emulsion wird über einen Emulsionskreislauf dem Verbraucher zugeführt. Die von dem Verbraucher nicht abgerufene Restemulsion wird über den Rücklaufzweig des Emulsionskreislaufes wieder zurück in die Mischvorrichtung gefördert. Das oder die Wassereinspritzventile können insbesondere intermittierend betrieben sein. Durch die Steuerung der Wassereinspritzventile oder eines zugeordneten Magnetventils, von dem der Zulauf zu den Einspritzventilen beherrscht ist, können die eingespritzte Wassermenge und damit der Wasseranteil der Emulsion geregelt werden.

Beispielsweise aus der DE-OS 39 12 344 ist es bekannt, als Regelgrößen den Durchsatz des zugeführten Dieselöls, die Motordrehzahl und ggf. sonstige maßgebliche Lastzustände der Brennkraftmaschine zu verwenden, wobei auch ein Betrieb ohne Wasseranteil mit reinem Dieselöl eingeregelt werden kann. Allerdings ergibt sich eine gewisse Ansprechträgheit insbesondere dadurch, daß sich in dem Emulsionskreislauf bei einer Einregelung der Einspritzmenge des Wassers auf einen vorbestimmten Wasseranteil noch eine Restemulsion mit anderem Wasseranteil befindet, die der Mischvorrichtung wieder zugeführt wird, so daß sich daher eine Änderung des Wasseranteils erst mit einer gewissen Zeitverzögerung bei dem Verbraucher bemerkbar macht.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben und derart zu gestalten, daß eine möglichst geringe Ansprechträgheit bei der Regelung des Wasseranteils in der Emulsion erzielt werden kann.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion in einem Verbraucherkreislauf, werden in einer Mischvorrichtung Wasser in vorbestimmter Menge gesteuert durch die Mischvorrichtung geführtem Dieselöl zugemischt und mit dem Dieselöl zu einer Emulsion vermischt, und in dem Verbraucherkreislauf die Emulsion aus der Mischvorrichtung einem Verbraucher zugeführt und von dem Verbraucher nicht abgenommene Emulsion in die Mischvorrichtung zurückgeführt. Unter Regelung des Wasseranteils in der dem Verbraucher zugeführten Emulsion wird der Wasseranteil der Emulsion in dem Verbraucherkreislauf zwischen der Mischvorrichtung und dem Verbraucher kontinuierlich oder intermittierend gemessen und wird die vorbestimmte Menge des dem Dieselöl in der Mischvorrichtung zugemischten Wassers in Abhängigkeit von dem zwischen der Mischvorrichtung und dem Verbraucher gemessenen Ist-Wertes des Wasseranteils geregelt.

Gemäß der Erfindung wird daher das Ist-Mischungsverhältnis in der Emulsion gemessen und dieser Ist-Meßwert in der elektronischen Steuereinrichtung mit einem Sollwert des Wasseranteils verglichen und jenachdem, ob eine Abweichung des Ist-Wertes vom Sollwert festgestellt wird, wird die Wasserzufuhr zu dem oder den Wassereinspritzventilen mehr oder weniger gedrosselt oder verstärkt, so daß sich schnell das Soll-Mischungsverhälnis einstellt. Dies ist unabhängig von der zugeführten Dieselölmenge oder der zurückgeführten Emulsionsmenge. Der jeweilige Sollwert kann fest vorgegeben sein oder z. B. in Abhängigkeit von der Motordrehzahl variabel sein. Auch ist es möglich, andere Sollwertkennlinien zu verwenden, die beispielsweise den jeweiligen Sollwert in Abhängigkeit von zusätzlichen Regelgrößen, wie den Lastzuständen der Brennkraftmaschine angeben. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Sollwert des Wasseranteils auf Null einzuregeln, so daß dann mit reinem Dieselöl gefahren werden kann.

Als den Wasseranteil messender Sensor kann insbesondere ein kapazitiver Sensor verwendet werden, dessen Ausgang ein Frequenzsignal erzeugt, dessen Frequenz sich mit sich änderndem Wasseranteil ändert. Derartige Sensoren sind beispielsweise zur Kontrolle von Motor- und Getriebeölen auf einen gefährlichen Wasseranteil an sich bekannt und können für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden. Da das Ausgangssignal derartiger Sensoren temperaturabhängig ist, kann in den Sensor ein Temperaturfühler eingebaut sein, so daß die Frequenz des Ausgangssignals in Anpassung an die gemessene Temperatur korrigiert werden kann, bzw. eine Temperaturkompensation des kapazitiven Meßsystems zur Bestimmung des Wassergehaltes durchgeführt werden kann. Hierbei kann die Messung des Wasseranteils in Meßintervallen erfolgen, zwischen denen die Temperaturmessung erfolgt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere als unabhängige Geräteeinheit ausgebildet, in welcher die Mischvorrichtung, die Wasserpumpe, ein dieser vorgeschaltetes Wasserfilter, ggf. eine in den Emulsionskreislauf eingeschaltetes Emulsionspumpe, der Sensor und die elektronische Steuereinrichtung zu einer Geräteeinheit zusammengefaßt sind, die an den Emulsionskreislauf anschließbar ist. Diese Geräteeinheit kann auch zusätzliche Bestandteile enthalten, wie beispielsweise einen Wärmetauscher für das einzuspritzende Wasser und sonstige für die Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung als einheitliches Zusatzgerät erforderliche oder zweckmäßige Komponenten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion für eine Einspritzpumpe eines Dieselmotors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Geräteeinheit zusammengefaßt,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer Sensoreinrichtung mit einem den Wasseranteil der Emulsion messenden Sensor,

Fig. 4 einen Querschnitt der Sensoreinrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer die Wassereinspritzung steuernde Steuereinrichtung, und

Fig. 6 ein Schaubild, welches eine Kennlinienschar für den Wasseranteil abgetragen über der Frequenz zeigt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung 1 zur Erzeugung einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion für einen von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe eines ebenfalls nicht gezeigten Dieselmotors gebildeten Verbraucher. Die Einrichtung 1 weist eine Mischvorrichtung 2 auf, welcher über eine an ihr angeschlossene Kraftstoffzuführleitung 3 Diesel-Kraftstoff und über eine an ihr angeschlossene Wasserzuführleitung 4 Wasser zuführbar ist. Die Mischvorrichtung 2 ist dafür vorgesehen, um ihr zugeführtes Wasser und ihr zugeführter Diesel-Kraftstoff zu einer Emulsion zu vermischen. Die Emulsion ist dann über eine an der Mischvorrichtung 2 angeschlossene Emulsionsabführleitung 5, in welcher eine Emulsionspumpe 6 angeordnet ist, der Einspritzpumpe des Dieselmotors zuführbar. An der Mischvorrichtung 2 ist ferner eine Emulsionsrückführleitung 6 angeschlossen, über welche von der Einspritzpumpe des Dieselmotors nicht verbrauchte Restemulsion an die Mischvorrichtung 2 rückführbar ist. Die Mischvorrichtung 2 und die Einspritzpumpe sind somit über die Emulsionsabführleitung 5 und die Emulsionsrückführleitung 6 unter Bildung eines Emulsionskreislaufs miteinander verbunden. Die Einrichtung 1 weist ferner eine Steuereinrichtung 7 auf, mittels welcher die Zuführung von Wasser an die Mischvorrichtung 2 steuerbar sowie die Menge des der Mischvorrichtung 2 zugeführten Wassers zum Einstellen des Mischungsverhältnis Diesel-Kraftstoff zu Wasser gemäß einem vorbestimmten, ggf. variablen Mischungsverhältnis regelbar ist. Somit stellt die Steuereinrichtung 7 auch eine Regeleinrichtung dar. An die Steuereinrichtung 7 ist eine in der Emulsionsabführleitung 5 angeordnete Sensoreinrichtung 8 angeschlossen, welche einen kapazitiven Sensor 9 (Fig. 3 und 4) aufweist, mittels dessen der Wasseranteil in der Emulsion meßbar und in Form eines Frequenzsignals der Steuereinrichtung zuführbar ist. Die Steuereinrichtung 7 ist ferner an ein in der Wasserzuführleitung 4 vor der Mischvorrichtung 2 angeordnetes Magnetventil 10 angeschlossen, welches mittels der Steuereinrichtung 7 auf Basis der dieser zugeführten Frequenzsignale, d. h. auf Basis des Wasseranteils in der Emulsion, zum Öffnen und Schließen der Wasserzuführleitung 4 durch Zuführung elektrischer Signale betätigbar ist. Im Betrieb vergleicht die Steuereinrichtung 7 einen von dem kapazitiven Sensor 9 gemessenen Ist-Wert des Wasseranteils in der Emulsion mit einem vorgegebenen Soll-Wert des erforderlichen Wasseranteils, wobei das Magnetventil 10 dann von der Steuereinrichtung 7 in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert gesteuert geöffnet oder geschlossen wird, um in der Mischvorrichtung 2 ein vorbestimmtes Mischungsverhältnis von Wasser zu Diesel-Kraftstoff zu erzielen. Das Magnetventil 10 wird dabei mit einem bestimmten Tastverhältnis intermittierend betrieben. In der Wasserzuführleitung 4 sind ferner vor dem Magnetventil 10 eine Wasserpumpe 11 und ein Wasserfilter 12 angeordnet. In der Emulsionsrückführleitung 6 ist vor der Mischvorrichtung 2 ein Wärmetauscher 13 angeordnet, mittels dessen die Emulsion auf eine konstante Temperatur einstellbar ist, wobei als weiteres Medium für den Wärmeaustausch beispielsweise der Diesel-Kraft stoff verwendet werden kann. Des weiteren ist in der Emulsionsabführleitung 5 nach der Mischvorrichtung 2 sowie vor der Sensoreinrichtung 8 eine Emulsionspumpe 14 angeordnet, welche den zum Zuführen der Emulsion an die Einspritzpumpe des Dieselmotors notwendigen Leitungsdruck erzeugt. Die Steuereinrichtung 7 ist dabei auch mit der Wasserpumpe 11 und mit der Emulsionspumpe 14 zum Steuern deren jeweiligen Betriebs verbunden.

Fig. 2 zeigt schematisch die anhand von Fig. 1 beschriebene Einrichtung 1 zusammengefaßt zu einer Geräteeinheit 15. In der Mitte von Fig. 2 ist die Mischvorrichtung 2 in Form einer Mischkammer angeordnet. Auf der linken Seite der Mischvorrichtung 2 ist an dieselbe die Emulsionspumpe 14 angeschlossen, an welche sich wiederum die Sensoreinrichtung 8 mit dem Sensor 9 (Fig. 3 und 4) zum Messen des Wassergehalts in der Emulsion anschließt. In der Mitte über der Mischvorrichtung 2 sind das Wasserfilter 12 für die Wasseraufbereitung und hinter demselben der Wärmetauscher 13 angeordnet. Auf der in Fig. 2 rechten oberen Seite ist die Steuereinrichtung 7 zusammen mit ihrer Elektroinstallation in einem Schaltschrank 16 angeordnet, wobei sich die Wasserpumpe 11 unterhalb dieses Schaltschranks 16 befindet. Über nicht gezeigte Anschlüsse ist die zu einer Geräteeinheit 15 zusammengefaßte Einrichtung 1 an die Kraftstoffzuführleitung 3 und die Wasserzuführleitung 4 sowie an den Emulsionskreislauf, d. h. an die zu der Einspritzpumpe des Dieselmotors führende Emulsionsabführleitung 5 und an die von der Einspritzpumpe kommende Emulsionsrückführleitung 6 anschließbar. Die Geräteeinheit 15 ist mittels eines Hauptschalters 17 betätigbar, wobei dieser drei Schalterstellungen aufweist. In einer ersten Schalterstellung, der OFF-Stellung, ist die Geräteeinheit 15 komplett ausgeschaltet. Um den Motor nur mit Dieselkraftstoff, d. h. ohne Wasserzumischung, zu betreiben, wird der Hauptschalter 17 in eine zweite Schalterstellung, die Standby-Stellung, eingestellt. In dieser Standby-Stellung wird die Emulsionspumpe 14 zum Versorgen des Dieselmotors mit Kraftstoff betrieben, während die Wasserpumpe 11 und die Steuereinrichtung 7 ausgeschaltet sind und das Magnetventil 10 geschlossen ist. Um den Dieselmotor mit Emulsion zu betreiben, wird der Hauptschalter 17 in eine dritte Schalterstellung, die ON-Stellung, eingestellt. In der ON-Stellung werden dann auch die Wasserpumpe 11 und das Magnetventil 10 betrieben, wobei deren Steuerung über die Steuereinrichtung 7 erfolgt.

Fig. 3 und 4 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt der Sensoreinrichtung 8. Die Sensoreinrichtung 8 weist ein Gehäuse 18 in Form eines allseitig geschlossenen, hohlen Kreiszylinders auf. In der von dem Gehäuse 18 ausgebildeten Meßkammer 19, ist der ebenfalls eine zylindrische Form aufweisende kapazitive Sensor 9 mit seiner Zylinderlängsachse in der Zylinderlängsachse des Gehäuses 18 liegend angeordnet und an der in Fig. 3 oberen Gehäusewand des Gehäuses 18 befestigt. An der parallel zu der oberen Gehäusewand angeordneten unteren Gehäusewand des Gehäuses 18 ist über einen Leitungsanschluß 20 der von der Mischvorrichtung 2 kommende Abschnitt der Emulsionsabführleitung 5 angeschlossen. Der zu der Einspritzpumpe hin weiterverlaufende Abschnitt der Emulsionsabführleitung 5 ist über einen an der oberen Gehäusewand des Gehäuses 18 angeordneten Leitungsanschluß 21 an das Gehäuse 18 angeschlossen. Die über den Leitungsanschluß 20 der Kammer 19 zugeführte Emulsion füllt diese vollständig und durchströmt die Kammer 19 in deren Längsrichtung, so daß der in der Kammer 19 angeordnete Sensor 9 in seiner Längsrichtung umspült wird. An den kapazitiven Sensor 9 ist eine Leitung 22 angeschlossen, über welche der Sensor 9 mit der Steuereinrichtung 7 verbunden ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, erzeugt der kapazitive Sensor 9 sich senkrecht zu der Zylinderachse desselben sowie von demselben aus in die Kammer 19 erstreckende Feldlinien 23. Der Sensor 9 erfaßt dabei Feldänderungen, welche sich in Abhängigkeit des Wasseranteils in der Emulsion ergeben. Auf Basis der gemessenen Feldänderungen erzeugt der Sensor 9 ein Frequenzsignal, welches der Steuereinrichtung 7 über die Leitung 22 zugeführt wird. Da die von dem Sensor 9 erzeugten Frequenzsignale temperaturabhängig sind, ist in den Sensor 9 ein nicht dargestellter Temperaturfühler eingebaut, wobei die erfaßten Temperatursignale über die Leitung 22 der Steuereinrichtung 7 zugeführt wird, welche die von dem Sensor 9 erhaltenen Frequenzsignale gemäß der gemessenen Temperatursignale korrigiert (Temperaturkompensation).

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau der Steuereinrichtung 7. Demnach weist die Steuereinrichtung 7 eine zentrale Verarbeitungseinheit 24 (CPU) auf, welche als eigentlichen Rechner einen Mikroprozessor, wie beispielsweise die CPU 80C552 von Philips mit umfangreicher integrierter Peripherie, wie z. B. einem 8 Kanal 10 Bit A/D-Wandler, einer seriellen Schnittstelle, einem IIC-Bus und drei Timern, einen Programmspeicher (64 kByte Eprom), einen Ram (32 kByte), einen Watchdog, welcher den Prozessor bei Störungen in einen definierten Ausgangszustand bringt und 512 Byte serielles EEprom zur Speicherung von veränderlichen Parametern, wie beispielsweise Kennfeldern, Temperaturgängen und Tabellen, aufweist.

Die Steuereinrichtung 7 weist ferner für den kapazitiven Sensor 9 eine Schnitt stelle 25 mit einer Auswerteschaltung für den Wasseranteil auf. Im Betrieb, werden die von dem Sensor 9 ausgehenden Signale mittels der Auswerteschaltung für den Mikroprozessor derart aufbereitet, daß von diesem die Frequenz gemessen und die Temperatur bestimmt werden kann. Des weiteren ist ein TTL-Testausgang 25' vorgesehen, um unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit 24 die Ausgangsfrequenz des Sensors 9 messen zu können. Bei der Auswertung der Sensorsignale ist zu beachten, daß die Temperatur in definierten Zeitintervallen gemessen werden muß, um die Temperaturkompensation des kapazitiven Meßsystems zur Bestimmung des Wassergehalts durchführen zu können. Während der Frequenzmessung kann die Temperaturmessung nicht durchgeführt werden, da hierzu der Sensor 9 elektrisch umgepolt werden muß. Da der im Sensor 9 eingebaute Temperaturfühler während der Frequenzmessung durch die angelegte Spannung aufgeheizt wird, muß für die Temperaturmessung eine Einschwingzeit ermittelt werden, bis der Temperaturfühler sich an die Umgebungstemperatur angepaßt hat. Diese Einschwingzeit kann minimiert werden, indem beispielsweise der Verlauf der Temperatur aufgezeichnet und differenziert wird. Wenn sich der Temperaturmeßwert innerhalb einer bestimmten Zeit nicht mehr ändert, dann wird er zur Durchführung der Temperaturkompensation herangezogen. Die Steuerung wird während der Temperaturmessung angehalten, so daß sich das Tastverhältnis innerhalb einer bestimmten Zeit nicht mehr ändert. Die Schnittstelle 25 ist ferner kurzschluß- und verpolgeschützt, so daß ein falsches Anschließen des Sensors 9 nicht zur Zerstörung der Schnittstelle 25 oder des Sensors 9 führt, wobei ein Verpolen erkannt und angezeigt wird. Die Schnittstelle 25 ist des weiteren nicht galvanisch von der Masse der zentralen Verarbeitungseinheit 24, d. h. von der Rechnermasse, getrennt.

Die Steuereinrichtung 7 weist ferner eine Schnittstelle 26 (4- 20 mA) auf, welche es ermöglicht, weitere Ausgangssignale von Sensoren, d. h. Meßwertgebern, auszuwerten und mittels Software zu verarbeiten, wobei bis zu 4 Analogsignale ausgewertet werden können. Über diese Schnittstelle 26 wird auch die Sollwertvorgabe für den Wassergehalt in der Emulsion ermöglicht. Die Eingänge sind auf einen Spannungsbereich von 0-10 V einzeln umschaltbar, wobei die Signale mit 10 Bit Auflösung erfaßt werden. Die Abtastperiode für 4 Eingänge beträgt dabei 100 mS. Um in einfacher Weise ein Sollwertpotentiometer anschließen zu können, sind Masse und ein 10 V-Gleichspannungsanschluß vorgesehen. Die Eingänge sind mittels Klemmdioden vor Überspannung innerhalb bestimmter Grenzen geschützt. Die Schnittstelle ist von der Rechnermasse ebenfalls nicht galvanisch getrennt.

Die Steuereinrichtung 7 weist eine weitere Schnittstelle 27 für den Anschluß eines nicht gezeigten Siliziumtemperaturfühlers auf, welcher der Erfassung der Kühlwassertemperatur dient und welcher eine Kennlinie wie der Typ KTY 13 aufweist. Die Temperatur wird dabei mit einer Abweichung von ±3°C gemessen. Auch diese Schnittstelle 27 ist von der Rechnermasse nicht galvanisch getrennt.

Die Steuereinrichtung 7 weist weiter eine TTL-Schnittstelle 28 für unterschiedliche Steuereingänge auf. Diese Eingänge dienen dabei dazu, den Ablauf der Steuerung (Programmablauf) von außen her beeinflussen zu können. So ist beispielsweise ein Start/Stop-, ein Notaus-, ein Enable/Disable-, ein "Motor läuft-" und eine Reserve-Eingang vorgesehen. Die Eingänge sind aktiv low und können daher beispielsweise durch potentialfreie Relaiskontakte angesteuert werden. Die TTL-Schnittstelle 28 ist von der Rechnermasse nicht galvanisch getrennt.

Ferner weist die Steuereinrichtung 7 eine Schnittstelle 30 auf, über welche das Magnetventil 10 angesteuert wird. Die Schaltung des Magnetventils 10 wird dabei über ein von der Schnittstelle 30 angesteuertes, externes elektronisches Relais 31 erreicht. Die Steuerspannung ist auf 5 V DC festgelegt, da die meisten Solid-State-Relais einen Spannungsbereich von 4 bis 30 V DC haben. Um eine Gleichstrombelastung des Magnetventils 10 auszuschließen, wird eine minimale Einschaltzeit von mindestens einer Netzperiode eingehalten. Das Magnetventil 10 schaltet im Nulldurchgang der Spannung ein, um die Störungen auf ein Minimum zu reduzieren. Die Versorgungsspannung für das Magnetventil 10 wird nicht von der Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung 7 entnommen. Für das Magnetventil 10 ist statt dessen eine separate Spannungsquelle vorgesehen.

Die Steuereinrichtung 7 weist 5 Relaisausgänge 32 auf, welche dafür vorgesehen sind, Signale potentialfrei nach außen geben zu können. Jedem der fünf Relais 32 ist eine bestimmte Funktion zugeordnet, wobei folgende Funktionen vorgesehen sind: Warnausgang, Bypassventil, Spülen des Hahns, Wasserpumpe ein/aus, Reserve. Die Belastung beträgt 60 V DC/AC 1A/60 VA. Die Relais 32 sind zudem mittels Varistoren und Kondensatoren gegen Überspannung geschützt.

Die Steuereinrichtung 7 weist des weiteren zwei serielle Schnittstellen 33 und 34 auf. Zum einen ist dies eine von der Rechnermasse nicht galvanisch getrennte RS232-Schnittstelle 33 zum Anschluß eines PC's zur Übergabe von Parametern, welche beispielsweise in das EEprom nichtflüchtig gespeichert werden, wobei über die RS232-Schnittstelle 33 auch von der Steuereinrichtung 7 erfaßte, d. h. interne, Meßwerte auf dem PC dargestellt werden können. Zum anderen ist dies eine RS485-Schnitt stelle 34 zum Anschluß einer Anzeigevorrichtung, wobei diese Schnittstelle eine größere Leitungslänge erlaubt als die RS232-Schnittstelle 33. Da der Mikroprozessor (CPU 80C552) nur eine serielle Schnittstelle aufweist, kann nur entweder die RS232- oder die RS485-Schnittstelle von dem Mikroprozessor angesteuert werden. Im Betrieb ist dabei gewöhnlich die RS485-Schnitt stelle aktiviert, während die RS232-Schnittstelle lediglich für Servicezwecke oder zur Parametrierung herangezogen wird. Auf ein Anschließen eines Steckers an die RS232-Schnittstelle wird zur Aktivierung derselben automatisch auf die RS232-Schnittstelle umgeschaltet.

Die Steuereinrichtung 7 weist ferner ein Netzteil 35 sowie eine Anzeigevorrichtung und eine Bedienvorrichtung 36 auf. Das Netzteil 35 ist zusammen mit Entstörgliedern auf der Steuerplatine der Steuereinrichtung 7 angeordnet. Die Leistungsaufnahme der Steuereinrichtung 7 liegt bei etwa 10 VA. Das Netzteil 35 stellt für den Betrieb der Steuereinrichtung 7 eine Gleichspannung von 24 V DC bereit, wobei die für den Betrieb des Mikroprozessors erforderliche Spannung von 5 V DC mittels eines DC/DC-Wandlers bereitgestellt wird. Als Anzeigevorrichtung ist eine zweireihige, achtstellige 5×5-LED- Matrixanzeige (Fa. Siemens) vorgesehen, mittels welcher Betriebsdaten und Meldungen ausgegeben werden können. Als Bedienvorrichtung ist eine Tastatur mit vier Tasten vorgesehen, mittels welcher Parameter angewählt und modifiziert werden können.

Die Steuerung der Wassereinspritzmenge erfolgt wie nachfolgend erläutert. Als Eingangsgröße in die Steuereinrichtung 7 dient, wie bereits erläutert, das von dem kapazitiven Sensor ausgegebene Frequenzsignal, dessen Frequenz von der Steuereinrichtung 7 gemessen wird. Diese Frequenz, welche ein Maß für den Ist-Wert des Wasseranteils in der Emulsion darstellt, wird mit einer Sollfrequenz, d. h. mit der dem gewünschten Wasseranteil zugeordneten Frequenz verglichen. Aus der Differenz zwischen diesen beiden Frequenzen wird über einen Regelalgorithmus die Impulsbreite oder die Frequenz, welche für das Ansteuern des Magnetventils 10 zum Zuführen der erforderlichen Wassereinspritzmenge erforderlich ist, berechnet. Hinsichtlich der Berechnungen mittels des Mikroprozessors ist zu beachten, daß aufgrund der beschränkten Rechenleistung desselben möglichst mit ganzen Zahlen gerechnet wird, was beispielsweise durch eine geeignete Normierung erzielbar ist.

Die Steuerung der Wasserzufuhr an die Mischvorrichtung 2 wird auch von der Durchflußzahl des Magnetventils 10 beeinflußt, da die Verstärkung der Steuereinrichtung 7 von dieser Durchflußzahl abhängig ist. Ein Maß für die Verstärkung der Steuereinrichtung 7 ist beispielsweise der bei 100% Öffnungszeit des Magnetventils erreichbare Wassergehalt in der Emulsion. Um diesen Einfluß zu berücksichtigen, wird für unterschiedliche Durchflußzahlen, z. B. im Bereich von 1 bis 5, ein optimaler Satz Reglerparameter ermittelt und im Eprom gespeichert, wobei dann je nach Festlegung der Durchflußzahl der jeweilige optimale Satz Reglerparameter aus dem Eprom gelesen wird. Zur Begrenzung des maximalen Wasserzuflusses kann eine maximale Öffnungszeit T_ömax (in %) des Magnetventils 10 als Parameter festgelegt werden, wobei dieser Parameter im Bereich zwischen 0 und 100% liegt. Hierdurch kann verhindert werden, daß bei großen Sollwertänderungen, z. B. nach dem Aktivieren der Wasserzuführung, der Mischvorrichtung 2 zu große Wassermengen zugeführt werden. Ferner kann auch die Änderungsgeschwindigkeit (ΔH₂O% max./Sek.) mittels der Sollwertvorgabe begrenzt werden, indem beispielsweise der Sollwert für den Wasseranteil in der Emulsion entlang einer Rampenfunktion verändert wird.

Für die Steuerung der Wassereinspritzmenge sind folgende Operationen vorgesehen:

1. Messen der von dem Sensor 9 in Abhängigkeit des Ist-Wertes des Wassergehalts ausgegebenen Frequenz.
2. Berechnen des Wassergehalts auf Basis der gemessenen Frequenz unter Berücksichtigung des über den Temperaturfühler erfaßten Temperaturganges.
3. Berechnen des Tastverhältnis mittels des Regelalgorithmus.
4. Steuern des Magnetventils 10 durch Variieren der Steuerfrequenz bei konstanter Einschaltdauer des Magnetventils 10 oder
5. Steuern des Magnetventils durch Variieren der Impulsbreite (Einschaltdauer) bei konstanter Frequenz.

Im folgenden wird der der Steuerung der zugeführten Wassermenge zugrundeliegende Regelalgorithmus erläutert. Als Regelalgorithmus wird ein PID-Algorithmus eingesetzt. Die Formel für die Stellfunktion lautet dabei wie folgt:

mit: T = Abtastzeitperiode, e_n = Regeldifferenz und
Y_n = Regelgröße zum Zeitpunkt n.T, und
mit: P-Anteil: Y_p,n = K_p.e_n, (K_p = Proportionalitätsfaktor)
I-Anteil: Y_i,n = Y_i,n-1 +K_p.T/T_n.e_n, (Summenformel rekursiv berechnet, T_n = Nachstellzeit)
D-Anteil: Y_d,n = K_p.T_v/T.(e_n-e_n-1), (T_v = Vorhaltezeit).

Im folgenden wird die Steuerung des Magnetventils 10 mittels Variation der Impulsbreite, d. h. mittels Impulsbreitenmodulation, anhand eines Beispiels erläutert, wobei folgende Zahlenwerte angenommen werden:
minimale Einschaltzeit T_ON_MIN des Magnetventils 10: 20 mS (Das Magnetventil 10 ist mindestens über eine Periode eingeschaltet, um eine Gleichstrombelastung desselben zu verhindern)
Periodendauer T_Period des Magnetventils 10: 1000 mS

Die Regelgröße liegt dann im Bereich:

0 ← Y_n ← T_Period/T_ON_MIN = 50,

wobei das Magnetventil 10 für Y_n = 0 aus (geschlossen) und für Y_n = 50 eingeschaltet (geöffnet) ist. Damit erhöht sich der Wasseranteil mit dem Anstieg der Regelgröße linear.

Die H₂O-Zufuhr ergibt sich nach

%H₂O-Zufuhr = T_ein/T_Period.100% zu

T_ein/20mS
%H₂O-Zufuhr
1	2%
2	4%
3	6%
4	8%
5	10%
. . .	. . .
50	100%,

wobei eine höhere Auflösung durch eine Erhöhung der Periodendauer erreicht werden kann.

Zum Vergleich wird im folgenden die Steuerung des Magnetventils 10 mittels Variation der Frequenz bei gleicher Einschaltzeit des Magnetventils 10 anhand eines Beispiels erläutert. Für die minimale Einschaltzeit T_ON_MIN des Magnetventils 10 werden ebenfalls 20 mS angenommen.

Als Regelgröße dient die Pausendauer zwischen dem Schalten des Magnetventils 10 in Vielfachen der Einschaltzeit. Das Verhalten der Steuerung ist umgekehrt zu der Impulsbreitenmodulation, da mit maximaler Regelgröße der minimale Wassergehalt eingestellt wird, wobei sich in diesem Falle für die Kennlinie Regelgröße-Was seranteil ein nichtlinearer Verlauf ergibt.

Die H₂O-Zufuhr ergibt sich in diese Falle nach

%H₂O-Zufuhr = T_ein/(T_ein+T_aus).100% zu

Die Steuerung des Magnetventils 10 mittels Impulsbreitenmodulation ist jedoch aufgrund des damit erzielten, für die Steuerung der Wasserzufuhr günstigen linearen Verlaufs der Kennlinie Regelgröße-Wassergehalt bevorzugt.

Fig. 6 zeigt ein als Beispiel dienendes Schaubild für eine Kennlinienschar für den Wasseranteil (in %H₂O) abgetragen über der aus dem Frequenzsignal des Sensors 9 ermittelten Frequenz (in Hz), wobei sich Abhängigkeit des Frequenzsignals von der Temperatur T (in °C) aus der Versetzung der Kennlinien ergibt. Die von dem Sensor 9 erzeugten Frequenzen liegen zwischen 400 Hz und 800 Hz. Die Berechnung des Wasseranteils erfolgt auf Basis dieses Schaubilds wie folgt: Gemäß der von dem in den Sensor 9 eingebauten Temperaturfühler gemessenen Temperatur T wird eine dieser Temperatur T zugeordnete Kennlinie aus der Kennlinienschar ausgewählt. Der Wasseranteil in der Emulsion kann anschließend anhand dieser ausgewählten Kennlinie auf Basis des von dem Sensor 9 in Abhängigkeit des Wasseranteils erzeugten Frequenzsignals berechnet werden (siehe beispielsweise Pfeile P1 und P2 bei einer gemessenen Temperatur von T = 30°C).

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion in einem Verbraucherkreislauf, wobei
in einer Mischvorrichtung (2) Wasser in vorbestimmter Menge gesteuert durch die Mischvorrichtung (2) geführtem Dieselöl zugemischt wird und mit dem Dieselöl zu einer Emulsion vermischt wird,
in dem Verbraucherkreislauf die Emulsion aus der Mischvorrichtung (2) einem Verbraucher zugeführt wird und von dem Verbraucher nicht abgenommene Emulsion in die Mischvorrichtung (2) zurückgeführt wird,
wobei der Wasseranteil der Emulsion in dem Verbraucherkreislauf zwischen der Mischvorrichtung (2) und dem Verbraucher kontinuierlich oder intermittierend gemessen wird und die vorbestimmte Menge des dem Dieselöl in der Mischvorrichtung (2) zugemischten Wassers in Abhängigkeit von dem zwischen der Mischvorrichtung (2) und dem Verbraucher gemessenen Ist-Wertes des Wasseranteils gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei unter Messung des Ist-Wer tes des Wasseranteils ein Frequenzsignal erzeugt wird und frequenzabhängig verarbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zusätzlich die Temperatur der Emulsion an der Meßstelle gemessen wird und eine Temperaturkompensation des Frequenzsignals in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur durchgeführt wird.

4. Einrichtung (1) zur Erzeugung einer Wasser-in-Dieselöl-Emul sion für einen Verbraucher, insbesondere für die Einspritzpumpe einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei der Verbraucher in einen eine Mischvorrichtung (2) enthaltenden Emulsionskreislauf eingeschaltet ist und in die Mischvorrichtung (2) eine Kraftstoffzuführleitung (3) und ein an eine Wasserpumpe (11) angeschlossenes, über ein Magnetventil (10) gesteuertes Wassereinspritzventil münden, das an eine die Wassereinspritzmenge steuernde Steuereinrichtung (7) angeschlossen ist, wobei in den Emulsionskreislauf zwischen der Mischvorrichtung (2) und dem Verbraucher ein den Wasseranteil der ihn passierenden Emulsion messender Sensor (9) eingeschaltet ist, der als Ist-Wert-Sensor (9) an die Steuereinrichtung (7) angeschlossen ist.

5. Einrichtung (1) nach Anspruch 4, bei welcher der Sensor (9) als kapazitiver Sensor ausgelegt ist, der einen Temperaturfühler enthält.

6. Einrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Mischvorrichtung (2), die Wasserpumpe (11), ein dieser vorgeschaltetes Wasserfilter (12), ggf. eine in den Emulsionskreislauf eingeschaltete Emulsionspumpe (14), der Sensor (9) und die Steuereinrichtung (7) zu einer Geräteeinheit (15) zusammengefaßt sind, die an den Emulsionskreislauf anschließbar ist.