AT1103U1 - Optoelektrische messeinrichtung zur erfassung von verbrennungsvorgängen im brennraum - Google Patents
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Description
AT 001 103 Ul
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Serien- oder seriennahen Brennkraftmaschine, mit zumindest einem dem Brennraum zugeordneten optischen Sensor, welcher mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht, und zumindest einem in den Brennraum mündenden Lichtemitter, wobei Sensorbereich und Emitterbereich sich im Brennraum zumindest teilweise überlappen. Für die Entwicklung von VerbrennungsSystemen in Brennkraftmaschinen ist die Kenntnis über den zeitlichen und örtlichen Ablauf von Verbrennungsvorgängen von großer Bedeutung. Insbesonders ist es wichtig, die Zusammensetzung und die Temperatur der im Brennraum vorhandenen Gase zu kennen. Die bisher zur Diagnose eingesetzten Methoden lassen sich im wesentlichen in Flammenfotographie (mit Hochgeschwindigkeits-filmen) und Lichtleitermeßtechnik an ausgewählten Stellen des Motors einteilen.
Um Flammenfotographie an Motoren einzusetzen, sind entweder relativ große Fenster oder entsprechende Öffnungen zur Einbringung eines Endoskops notwendig. Der Einbau hinreichend großflächiger Fenster ist jedoch praktisch nur an Forschungsmotoren möglich, welche dann nur in einem sehr eingeschränkten Drehzahl- und Lastbereich betrieben werden können. Weiters wird durch den Einbau von Fenstern das Wärmeleitverhalten von Brennräumen punktuell entscheidend verändert, was die Sinnhaftigkeit solcher Experimente, beispielsweise im Zusammenhang mit KlopfVorgängen, in Frage stellt.
Das größte Problem der Flammenfotographie liegt jedoch darin, mit der nötigen Empfindlichkeit genügend kurz belichtete Aufnahmen in großer Zahl aufzuzeichnen. Bei hoher Bildfrequenz hat man dabei immer mit Intensitätsproblemen zu kämpfen.
Im Zusammenhang mit der Lichtleitermeßtechnik ist es beispielsweise aus der EP-A 0 325 917 bekannt geworden, in die Kolbenmulde des Kolbens einer Brennkraftmaschine optische Sensoren einzubauen, deren Meßsignal über Lichtleiter und eine Koppelstelle aus dem beweglichen Kolben an den stationären Teil der Verbrennungskraftmaschine weitergegeben wird. Um eine hinreichend aussagekräftige Beobachtung des Verbrennungsvorganges zu ermöglichen, sind eine Vielzahl von Sonden, im dar- 2 AT 001 103 Ul gestellten Beispiel insgesamt 25, über die Kolbenmulde verteilt. Ein derartiges System ist sehr aufwendig und kostspielig und praktisch nur in speziellen Versuchsmotoren anzuwenden.
Aus der EP 0 313 884 A2 ist es bekannt, über ein optisches Fenster im Zylinderkopf und einen optischen Sensor die sich bei klopfender Verbrennung ändernde elektromagnetische Strahlung zu erfassen und auszuwerten.
Die Herstellung von optischen Fenstern stellt ebenfalls einen groben Eingriff in die Brennraumgeometrie dar und führt zu nachteiliger Beeinflussung des Verbrenungsablaufes.
Um diesen Nachteil zu vermeiden wird in der EP 0 593 413 Al vorgeschlagen, die optischen Sensoren in einem den Brennraum begrenzenden Dichtelement, beispielsweise einer Zylinderkopfdichtung, anzuordnen. Dadurch kann eine eindimensionale oder zweidimensionale Abbildung der Verbrennungsvorgänge durchgeführt werden. Eine präzise quantitative Messung der Brennraumgase während der Verbrennung ist allerdings mit passiven Meßmethoden, welche nur die bei der Verbrennung entstehende Strahlung erfassen, kaum möglich.
Aus dem Beitrag "Quantitative simultane Messungen des LambDawertes und des Restgasanteiles der Ladung mit laserinduzierter Raman-Streuung sowie der flächigen Kraftstoffverteilung mit LIF zur Untersuchung zyklischer Leistungsschwankungen von Otto-Motoren", G. Grünefeld et al., VDI-Reihe 312, Nr. 205, Tagungsband des Wiener Motorensymposiums, 28.-29. April 1994, Seiten 381 bis 394, ist es bekannt, die Emissionsspektren von Brennraumgasen durch Auswertung des Raman-Streulichts zu erfassen. Dabei wird durch ein optisches Fenster Laserlicht in den Brennraum eingebracht und über ein weiteres optisches Fenster einer Auswerteeinheit zugeführt. Eintritts- als auch Austrittsfenster sind in der Zylinderwand vorgesehen, was eine beträchtliche Modifizierung der Brennkraftmaschine erfordert.
Weiters ist es aus dem Beitrag "Computer Optical Tomographie in the Studie of Internal Combustion Engine Soot Concentration", BARRAG A.E., LAWTON B., 26. Isata-Tagung 1993, Seiten 423 bis 430 bekannt, dem Brennraum über einen optischen Pfad in der Zylinderkopfdichtebene mittels einer 16 Quarzfenster enthaltenden optischen Platte Licht zuzuführen und das um die Rußpartikelabsorption verminderte Licht an einer dem Lichteintritt gegenüberliegenden Stelle über Lichtleiter einer 3 AT 001 103 Ul
Intensitätsmeßeinrichtung zuzuführen. Eine Messung der Fluoreszenzintensität oder der Raman-Streuung ist nicht vorgesehen .
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von bekannten optoelektrischen Meßeinrichtungen, ein verbessertes Meßsystem zur quantitativen Messung von gasförmigen und flüssigen Stoffen im Brennraum vorzuschlagen, dessen Anwendung ohne grobe Eingriffe in den Motor bzw. in die Brennraumgeometrie auch in Serienmotoren durchgeführt werden kann, wobei insbesondere laserinduzierte Fluoreszenz- und Raman-Streuung-Meßmethoden zur Anwendung kommen sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtemitter- und Sensorleitungen durch zumindest eine motorfunktionsbedingte Öffnung, wie Zündkerzen-, Glühstift-, Einspritzventilöffnung, Zylinderkopfdichtspalt od. dgl. in den Brennraum einmünden, wobei Lichtemitter und Sensor in zumindest ein betriebsnotwendiges Bauteil der Brennkraftmaschine, wie Zündkerze, Glühstift, Einspritzventil, Zylinderkopfdich-tung od. dgl., integriert und so angeordnet sind, daß jeweils ein in den Brennraum eintretender und aus dem Brennraum austretender Lichtstrahl unterschiedlich orientiert ist, und vorzugsweise einen Winkel zwischen 30° und 180° zueinander aufweisen. Die unterschiedliche Orientierung des emittierten und registrierten Lichtes ist zur Erfassung des Streulichtanteiles vorteilhaft.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß Sensor und Emitter in demselben betriebsnotwendigen Bauteil, vorzugsweise der Zylinderkopfdichtung oder der Zündkerze, angeordnet sind. In einer sehr kompakten Ausführung kann dabei vorgesehen sein, daß Sensor und Emitter als vorzugsweise achsgleiche Sensor-Emittereinheit ausgebildet sind.
Genauso ist es möglich, daß Sensor und Emitter in verschiedenen betriebsnotwendigen Bauteilen, vorzugsweise der Zylinderkopfdichtung und der Zündkerze, angeordnet sind. Beispielsweise kann dabei der Emitter in der Zylinderkopfdichtung und ein oder zwei Sensoren in einer Zündkerze vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß jede Sensor- und/oder Emitterleitung aus mehreren Einzelfasern besteht und im Mündungsbereich zum Brennraum zumindest eine mikrooptische Linse aufweist. Dies erlaubt eine hohe Auflösung und damit eine hohe Meßgenauigkeit. 4 AT 001 103 Ul
Wird als Lichtemitter eine Weißlichtquelle oder ein Laser verwendet, so können Kraftstofftropfen durch den von diesen erzeugten Streulichtanteil festgestellt werden.
Wir als Laser ein UV-Pulslaser verwendet, so kann mittels laserinduzierter Fluoreszenzmessung die Kraftstoffkon-zentration im Meßbereich zur Zeit des Laserpulses ermittelt werden. Der Sensor erfaßt dabei die rotverschobene Fluoreszenzintensität .
Weiters können bei Verwendung eines UV-Pulslasers die Raman-Linien von Brennraumgasen, wie O2, N2, CH, H2O etc., durch den Sensor empfangen und ausgewertet werden.
Bei Verwendung eines Dauerstrichlasers kann der zeitliche Verlauf der spektralen Intensitäten der Raman-Streuung festgestellt werden. Die Intensitätsverhältnisse über der Zeit sind ein Maß für die Änderung der Gaszusammensetzung während des Motorzyklusses.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert .
Es zeigen schematisch Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Zylinderachse gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsvarianten der Erfindung, Fig. 5 ein Lichtin-tensitäts-Kurbelwinkel-Diagramm, Fig. 6 ein Lichtintensi-täts-Brennzyklus-Diagramm, Fig. 7 ein Lichtintensitäts-Wellen-1ängen-Diagramm.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße op-toelektrische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungs-vorgängen im Brennraum 1 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine weist einen oder mehrere optische Sensoren 2 und Lichtemitter 3 auf, welche in ein betriebsnotwendiges Bauteil der Brennkraftmaschine, wie etwa die Zylinderkopfdichtung 4 integriert sind. Sensorleitungen sind mit 2', Emitterleitungen mit 3' bezeichnet. Ein eintretender Lichtstrahl 5 ist gegenüber dem austretenden Lichtstrahl 6 in einem Winkel 7 etwa zwischen 30° und 180° angeordnet, wobei sich der Emitterkegel 5' und der Sensorkegel 6' in einem Bereich 8 überschneiden. In den Fig. l und 2 liegt dieser Bereich in der Nähe der Zündkerze 9. Mit 10 ist der Zylinderkopf, mit 11 der Motorblock und mit 12 der Kolben bezeichnet. 5 AT 001 103 Ul
In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwar der Lichtemitter 3 wie in Fig. 1 und 2 in der Zylinderkopfdichtung 4 angeordnet, die Sensorelemente 2 sind aber in die Zündkerze 9 integriert. Eine Zündkerze mit integriertem optischen Aufnehmer ist aus der DE 30 01 711 Al, allerdings im Zusammenhang mit einer passiven Schwingungserfassung, bekannt.
In einer in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsvariante der Erfindung sind sowohl Sensoren 2 als auch Licht-emitter 3 in die Zündkerze 9 integriert, wobei Sensor 2 und Lichtemitter 3 zu einer achsgleichen Sensor-Emitter-Einheit 13 zusammengefaßt sein können. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen sind in den Brennraum eintretende und aus diesem austretende Lichtstrahlen unterschiedlich, im gezeigten Fall entgegengesetzt, orientiert. Als Lichtquelle für den Lichtemitter 3 kann Weißlicht, ein kontinuierlicher Laser, oder ein Pulslaser verwendet werden.
Je nach Lichtquelle und Art des Lichtemitters bzw. der Sensoren kommen folgende Messungen in Frage: 1) Detektion von Kraftstofftropfen. Durch Auswertung des an Kraftstofftropfen gestreuten Lichtes, das beispielsweise aus einer Weißlichtquelle oder einem kontinuierlichen Laser stammt und in den Brennraum eingestrahlt wird, können Kraftstofftropfen nachgewiesen werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Die Streulichtintensität I von Kraftstofftropfen macht sich als Intensitätsspitzen 14 gegenüber der Hintergrundstrahlung 15 in einem Streulichtintensität I - Kurbelwinkel KW -Diagramm bemerkbar. 2) Kraftstoffkonzentrationsmessung: Als Lichtquelle wird ein UV-Pulslaser verwendet. Gemessen wird die vom Laserlicht induzierte Fluoreszenz des Kraftstoffes, wobei die Lichtintensität I der Indikator für die Kraftstoffkonzentra-tion im Meßbereich zur Zeit des Laserpulses ist. In Fig. 6 ist ein diesbezügliches Lichtintensitäts I - Zyklus Z - Diagramm aufgetragen. 3) Gaszusammensetzungsmessung: Als Lichtquelle dient ein UV-Pulslaser. Von den Sensoren erfaßt werden die Ra-man-Linien von O2, N2, CH, H2O etc. Fig. 7 zeigt ein In-tensitäts-I Wellenlänge L - Diagramm, in dem verschiedene Lichtintensitäten, 1^, I2, I3 über der Wellenlänge L aufgetragen sind. Die Intensitätsverhältnisse von I1/I2 etc. sind ein 6 AT 001 103 Ul
Maß für die GasZusammensetzung im Meßbereich zum Zeitpunkt des Laserpulses. 4) Erfassung der Gaszusammensetzungsänderung während des Motorzyklusses. Dabei wird der zeitliche Verlauf der spektralen Intensitätsen I]_(t), In(t) erfaßt. Als Lichtquelle dient ein kontinuierlicher Laser.
Eine präzise quantitative simultane Messung von λ-Wert und Restgasanteil der Ladung in seriennahen Otto-Motoren kann mit Hilfe von UV-laserinduzierter Raman-Streuung, eventuell in Verbindung mit empfindlicher Kurzzeitkameratechnik, durchgeführt werden. Die Raman-Streuung bietet insbesondere den Vorteil, daß in Einzelzyklen simultan die Konzentration von Kraftstoff, O2, N2 und H2O im Endgas gemessen werden kann. Daraus kann die Bestimmung des λ-Wertes und des Restgasanteiles mit besonders hoher Präzision erfolgen, da sich diese Größe als Verhältnisse von zwei der angegebenen Konzentrationen ergeben, was viele sonst üblicherweise bei optischen Verfahren auftretende Fehler eliminiert.
Mit laserinduzierter Fluoreszenz kann die flächige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum des Motors kurbelwinkel- und zyklusaufgelöst vermessen werden. Dabei können insbesondere zyklusbedingte Schwankungen festgestellt werden. 7
Claims (9)
- AT 001 103 Ul SCHUTZANSPRÜCHE 1. Optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Ver brennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Serien- oder seriennahen Brennkraftmaschine, mit zumindest einem dem Brennraum zugeordneten optischen Sensor, welcher mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht, und zumindest einem in den Brennraum mündenden Lichtemitter, wobei Sensorbereich und Emitterbereich sich im Brennraum zumindest teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet . daß die Sensor- und Lichtemitterlei-tungen (2', 3') durch zumindest eine motorfunktionsbe dingte Öffnung (16a) bzw. Teiletrennfuge (16b), wie Zündkerzen-, Glühstift-, Einspritzventilöffnung, Zylinderkopfdichtspalt in den Brennraum (1) einmünden, wobei Sensor (2) und Lichtemitter (3) in zumindest ein betriebsnotwendiges Bauteil (17) der Brennkraftmaschine, wie Zündkerze (9), Glühstift, Einspritzventil, Zylinderkopfdichtung (4), integriert und so angeordnet sind, daß jeweils ein in den Brennraum (1) eintretender (5) und aus dem Brennraum (1) austretender Lichtstrahl (6) unterschiedlich orientiert sind, und vorzugsweise einen Winkel (7) zwischen 30° und 180° zueinander aufweisen.
- 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (2) und Emitter (3) in dem selben betriebsnotwendigen Bauteil (17), vorzugsweise der Zylinderkopfdich-tung (4) oder der Zündkerze (9), angeordnet sind.
- 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (2) und Emitter (3) als vorzugsweise achs- gleiche Sensor-Emittereinheit (13) ausgebildet sind.
- 4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (2) und Emitter (3) in verschiedenen betriebs-notwendigen Bauteilen, vorzugsweise der Zy linderkopfdichtung (4) und der Zündkerze (9) , angeordnet sind. 8 AT 001 103 Ul
- 5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sensor- und/oder Emitterleitung (2', 3') aus mehreren Einzelfasem besteht und im Mündungsbereich zum Brennraum (1) zumindest eine mikrooptische Linse aufweist.
- 6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtemitter (3) ein Laseremitter ist.
- 7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseremitter ein UV-Pulslaser ist.
- 8. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseremitter ein Dauerstrichlaser ist.
- 9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sensor (2) die Streulichtinten-sität, die rotverschobene Fluoreszenzintensität und/oder die Ramanstreuung von Brennraumgasen erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeführt werden. 9
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19641867A1 (de) | 1997-04-24 |
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