DE102004057609A1

DE102004057609A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Hohlkörper befindlichen Gasen, Fluiden und Gemischen hieraus

Info

Publication number: DE102004057609A1
Application number: DE200410057609
Authority: DE
Inventors: Thomas Berg; Werner Dr. Hentschel; Volker Dr. Beushausen
Original assignee: LaVision GmbH
Current assignee: Volkswagen AG; LaVision GmbH
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: DE102004057609B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist zum einen ein Verfahren zur Ermittlung von laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Hohlkörper befindlichen Gasen, Fluiden und Gemischen hieraus, insbesondere eines Kraftstoff-/Luftgemisches in einem Brennraum, wobei der Brennraum eine Öffnung (3) aufweist, wobei durch diese eine Öffnung (3) sowohl das Licht in den Hohlkörper (1) eingekoppelt als auch die elektromagnetische Strahlung detektiert wird, und zum anderen eine Vorrichtung zur Ermittlung laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Hohlkörper (1) befindlichen Gasen, Fluiden oder Gemischen hieraus, insbesondere eines Kraftstoff-/Luftgemisches in einem Brennraum, wobei der Hohlkörper (1) eine Öffnung aufweist, wobei die Vorrichtung einen auf der Öffnung (3) aufsitzenden Kopf (2) umfasst, wobei der Kopf (2) einerseits einen Lichtleiter (4) zum Einkoppeln von Licht durch die Öffnung in den Hohlkörper aufweist und andererseits einen Empfangskanal (5) zur Aufnahme der emittierten elektromagnetischen Strahlung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zur Ermittlung von laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Hohlkörper befindlichen Gasen, Fluiden und Gemischen hieraus, insbesondere eines Kraftstoff-/Luftgemisches in einem Brennraum.

Die Arbeitsweise von Verbrennungsmotoren hängt in hohem Maße von Größen ab, die sich nicht genau genug von außen einstellen lassen, wie z. B. die Stöchiometrie des Kraftstoff/Luftgemisches vor der Zündung, dem Abgasanteil in diesem Gasgemisch und seiner Temperatur. Für die Klärung des Verständnisses von Verbrennungsvorgängen ist daher die möglichst simultane und präzise Messung mehrerer dieser Größen im Brennraum erforderlich. Obwohl die Größen, wie Stöchiometrie und der Abgasanteil während der Verbrennung im Großen und Ganzen bekannt sind, treten doch Schwankungen auf, die einen erheblichen Einfluss auf die Betriebsbedingungen des Motors haben. Insbesondere ist beim Ottomotor, z. B. über die Messung der Druckkurve bekannt, dass die Leistungsabgabe zyklischen Schwankungen unterliegt. Diese zyklischen Schwankungen werden verursacht durch im Prozentbereich liegende Änderungen in der Menge der zugeführten Luft, der Menge des zugeführten Kraftstoffes und Änderungen in dem vom vorherigen Zyklus verbleibenden Abgasanteil. Daher spielen diese noch so kleinen Schwankungen eine entscheidende Rolle für die Arbeitsweise und die Optimierung insbesondere von Ottomotoren.

Insofern ist auch bereits aus der DE 43 20 943.2 eine simultane Messung der Stöchiometrie und des Abgasanteiles mittels einer Messanordnung bekannt, bei der als Anregungslichtquelle für Raman- oder Rayleighstreung intensiv gepulste UV-Laser eingesetzt werden. Durch ein Fenster in der Zylinderwand gelangt das Laserlicht in den oberen Teil des Brennraums, um insbesondere das Gasgemisch vor der Zündung analysieren zu können. Die laserinduzierten Emissionen auf Grund von Raman- und Rayleighstreuung können durch verschiedene Weise aus dem Brennraum ausgekoppelt werden, z. B. über dasselbe Fenster und einen dicroitischen Spiegel. Wesentlicher Nachteil dieser Messanordnung ist, dass diese Untersuchungen voraussetzen, dass an dem Zylinder und mithin dem Brennraum Modifikationen vorgenommen werden müssen, die zu einer Veränderung des Verbrennungsverhaltens gegenüber des Verbrennungsverhaltens in einem nicht modifizierten Brennraum führen. Das heißt, es ist nicht sichergestellt, dass die an einem solcher Art modifizierten Brennraum vorgenommenen Messungen den tatsächlichen Verhältnissen in einem nicht modifizierten Brennraum entsprechen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher ohne Modifikation, insbesondere des Brennraumes die laserinduzierte Emission elektromagnetischer Strahlung von Gasen, Fluiden oder Gemischen ermittelt werden kann.

Unter laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung wird hierbei insbesonderesowohl die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF); die das Ramanstreulicht, die laserinduzierte Inkandeszenz (LIE) als auch laserinduzierte Plasmaemission (LIPS) verstanden.

Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Hohlraum zur Aufnahme der Gase, der Fluide oder eines Gemisches hieraus eine Öffnung aufweist, wobei durch diese eine Öffnung sowohl das Licht in den Hohlkörper eingekoppelt als auch die elektromagnetische Strahlung detektiert wird. Insbesondere bei einem Brennraum eines Motors können noch weitere motorbedingte Öffnungen vorgesehen sein, so zum Einspritzen von Kraftstoff oder auch die Ventilöffnungen. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, dass insbesondere durch die Verwendung lediglich einer Öffnung insbesondere im Bereich der Zündkerze eines Verbrennungsmotors mit Gemischschichtung den zeitlichen Verlauf der Gemischkonzentration bzw. des Lambdawertes im Brennraum selbst zu bestimmen. Der Messort, insbesondere an der Zündkerze, ist hier von besonderer Bedeutung, da die Zündfähigkeit des Gemisches nur für Mischungsverhältnisse von Kraftstoff und Luft innerhalb enger Grenzen gegeben ist. D. h., es wird die Möglichkeit eröffnet, z. B. innerhalb eines Verbrennungszyklus eines Motors, den zeitlichen Verlauf der Gemischbildung räumlich eingegrenzt zu ermitteln.

Im Einzelnen ist vorgesehen, das die Wirkungsstrecke des Lichtes in dem Hohlkörper dadurch vergrößert wird, dass das Licht in dem Hohlkörper umläuft. In diesem Zusammenhang sind Sensoren bekannt, die nach dem Prinzip arbeiten, dass das Anregungslicht aus einer in der Regel kollimierenden Optik in das Probenvolumen hineingestrahlt wird, und das emittierte Antwortsignal über eine Sammeloptik aus dem Probenvolumen zurück in den Sensor abgebildet wird. Das effektiv nutzbare Probenvolumen ergibt sich aus der Überlagerung des Anregungsvolumens und des Detektionsvolumens. Der überlappende Bereich eines solchen Probenvolumens hat eine Ausdehnung von nur etwas mehr als einem Millimeter. Hieraus wird deutlich, dass die in dem Probenvolumen vorhandenen Moleküle, z. B. Gase oder Flüssigkeiten, mit denen das eingekoppelte Licht in Wechselwirkung treten soll, von der Menge her relativ gering sind. Das heißt aber auch, dass das empfangene Signal, also die laserinduzierte Emission elektromagnetischer Strahlung ebenfalls nur relativ gering ist. Wenn nun die Wirkungsstrecke des Lichts in dem Hohlkörper vergrößert wird, bewirkt dies, dass im Verhältnis zur Länge der Wirkungsstrecke des Lichts in dem Hohlkörper eine entsprechend höhere Signallichtausbeute erzielbar ist. Das heißt, die Messung wird genauer, je höher die Wirkungsstrecke des Lichts im Probenvolumen ist.

Im Einzelnen ist hierzu vorgesehen, dass das Licht auf die reflektierende Wandung des Hohlkörpers geleitet wird, wobei es von der Wandung umlaufend reflektiert wird, wobei sich herausgestellt hat, dass auf Grund dieser zahlreichen Reflektionen ein großer Bereich der Wechselwirkungszone von Photonen mit den Molekülen des Probenvolumens erfasst wird, und andererseits die aus dem Probenvolumen austretenden Signalphotonen effektiv gesammelt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Licht unmittelbar im Bereich der Öffnung in dem Hohlkörper umläuft.

Eine Vorrichtung der eingangs genannt Art zeichnet sich im Einzelnen dadurch aus, dass die Vorrichtung einen auf der Öffnung des Hohlkörpers aufsitzenden Kopf umfasst, wobei der Kopf einerseits einen Lichtleiter zum Einkoppeln von Licht durch die Öffnung in den Hohlkörper besitzt, und andererseits einen Empfangskanal zur Aufnahme der ermittelten elektromagnetischen Strahlung. Gegebenenfalls kann in dieser Öffnung für den Kopf auch die Zündkerze und die Einspritzdüse angeordnet sein. In einem solchen Fall wären die erforderlichen Modifikationen am Brennraum minimiert.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Einzelnen ist vorgesehen, dass der Empfangskanal vorzugsweise achsparallel zu dem Lichtleiter zum Einkoppeln des Lichts in den Hohlkörper im Kopf angeordnet ist. Das heißt, dass Empfangskanal und Lichtleiter konzentrisch zueinander liegen, wodurch gewährleistet ist, dass durch eine einzige Öffnung sowohl die Einkopplung des Lichts als auch die Detektion der Lichtausbeute erfolgt. Im Einzelnen ist vorgesehen, dass der Empfangskanal als Glaskörper ausgebildet ist, wobei sich der Glaskörper als Hülse mit einer äußeren und/oder inneren Verspiegelung darstellt, wobei – wie bereits ausgeführt – der Lichtleiter zentrisch in der Hülse angeordnet ist. Die elektromagnetische Strahlung wird hierbei in der Wandung der Hülse geführt. Zwischen Lichtleiter und Hülse besteht hierbei bevorzugt ein Luftspalt, der bewirkt, dass in der Hülse geführtes Licht an der Wandung total reflektiert wird. Grundsätzlich kann in jeden Glaskörper, also sowohl den Empfangskanal als auch den Glasstab als Lichtleiter das Licht bzw. die elektromagnetische Strahlung nach dem Prinzip die Totalreflexion geführt werden.

Wie bereits an anderer Stelle ausgeführt, zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Wirkungsstrecke des Lichts in dem Hohlkörper dadurch erhöht wird, dass das Licht in dem Hohlkörper umläuft. Hierzu ist nach einem Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass der Lichtleiter endseitig Mittel zur Ablenkung des Lichts quer zur Längsachse des Lichtleiters aufweist, um das Licht quer zur Längsachse des Lichtleiters in den Hohlkörper einzukoppeln. Trifft das Licht nunmehr auf die Wandung des Hohlkörpers, so wird es von der Wandung umlaufend reflektiert, was bedeutet, – wie dies ebenfalls bereits ausgeführt worden ist – dass insofern ein großer Bereich der Wechselwirkungszone von Photonen mit Fluid- oder Gasmolekülen erfasst wird, mithin die Signalausbeute verbessert wird. Im Einzelnen ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass bei Verwendung einer innenverspiegelten Röhre als Lichtleiter endseitig ein, insbesondere gewölbter Spiegel zur Ableitung des Lichts quer zur Längsachse des Lichtleiters vorgesehen ist. Denkbar ist allerdings auch, den Lichtleiter als Glasstab auszubilden, der endseitig eine Schräge aufweist. In jedem Fall muss sowohl der Spiegel als auch der Glasstab mit seiner endseitigen Schräge derart ausgebildet sein, dass die Reflektionen des Lichts an der Wandung des Hohlkörpers umlaufend erfolgen und nicht lediglich parallel zum eingekoppelten Licht. Dies ist z. B. bei dem Glasstab dadurch gewährleistet, dass der Glasstab abstrahlseitig gewölbt ausgebildet ist und insofern wie eine Linse wirkt; in gleicher Weise wirkt der gewölbte Spiegel.

Nach einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kopf hohlkörperseitig eine über die Hülse überstehende, innenverspiegelte Trommel aufweist, wobei das durch den Lichtleiter eingekoppelte Licht auf die verspiegelte Wandung der Trommel zu gerichtet ist. Das bedeutet, dass die axiale Erstreckung der Trommel zu dem Überstand des Lichtleiters über die Hülse (Empfangskanal) korreliert, so dass das seitlich abgelenkte Licht auf die Innenwandung der Trommel trifft. Das heißt, dass das Probenvolumen durch das Volumen der Trommel seitlich begrenzt ist; nach unten hin, also zum Hohlkörper oder Brennraum zu, ist die Trommel offen. Hierdurch wird erreicht, das sowohl das Laserlicht als auch das erzeugte Streu- bzw. Fluoreszenzlicht effektiv reflektiert werden. Dies deshalb, weil durch die Umläufe der Lichtstrahlen in der Trommel eine relativ große Wirkungsstrecke der Photonen im Inneren der Trommel erreicht wird. Die Folge hiervon ist, dass in dem Bereich der Trommel von den Photonen eine relativ große Anzahl von Molekülen erfasst wird, und daher die aus dem Messvolumen austretenden Signalphotonen effektiv gesammelt werden können.

Nach einer Ausprägung dieser Ausbildungsform ist vorgesehen, dass die Trommel einen Strahlumlenker, z. B. in Form einer Linse oder eines Spiegels, für das durch den Lichtleiter auf die verspiegelte Wandung eingekoppelte Licht aufweist, um eben dafür zu sorgen, dass das eingekoppelte Licht tatsächlich die mehreren Umläufe in der Trommel durchführt.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Zylinder eines Motors mit dem erfindungsgemäßen Kopf, wobei ebenfalls rein schematisch der das Licht in den Lichtleiter einkuppelnde Laser erkennbar ist, und auch der Detektor, der die in den Empfangskanälen geführte elektromagnetische Strahlung detektiert;.
2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie II/II aus 1.
Der in 1 mit 1 bezeichnete Zylinder eines Motors besitzt die Öffnung 3 zur Aufnahme des insgesamt mit 2 bezeichneten Kopfes. Der Kopf 2 umfasst den Lichtleiter 4 als zentrischen Bestandteil einer Hülse 5, die als Glaskörper durch die Wandung den Empfangskanal bildet. Der Lichtleiter 4, der beispielsweise auch ein Glasstab sein kann, weist endseitig eine Schräge 4a auf, wodurch das ankommende Licht in Richtung auf die Trommel 10 abgelenkt wird. In der Öffnung sind ebenfalls auch die Elektroden 20 und 21 der Zündkerze untergebracht, sowie die Düse 30 für die Einspritzung des Kraftstoffes.
Wesentlich ist nun, dass – wie bereits ausgeführt – das Licht, das durch den Lichtleiter 4 in den Brennraum 1 eingeführt wird, seitlich, also quer zur Längsachse des Lichtleiters abgelenkt wird. Um nun die Wirkungsstrecke des Lichtes in dem Brennraum zu erhöhen, mit dem Ziel einer erhöhten Ausbeute an elektromagnetischer Strahlung, überragt die innen verspiegelte Trommel 10 den Lichtleiter 4. Der als Glasstab ausgebildeten Lichtleiter 4 wirkt wie eine Linse, so dass das Licht so auf die innen verspiegelte Wandung der Trommel 10 trifft, dass das Licht mehrere Umläufe in der Trommel tätigt. Lediglich für den Fall, dass der Lichtleiter beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, der innenseitig verspiegelt ist, und der endseitig einen geraden Spiegel aufweist, ist an der Innenwandung der Trommel ein Strahlumlenker 11 vorgesehen, der in der Weise wirkt, wie dies aus 2 ersichtlich ist.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Hohlkörper befindlichen Gasen, Fluiden und Gemischen hieraus, insbesondere eines Kraftstoff-/Luftgemisches in einem Brennraum, wobei der Hohlkörper (1) eine Öffnung (3) aufweist, wobei durch diese eine Öffnung (3) sowohl das Licht in den Hohlkörper eingekoppelt, als auch die elektromagnetische Strahlung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer des Lichts in dem Hohlkörper (3) dadurch erhöht wird, dass das Licht in dem Hohlkörper (3) umläuft.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht auf die reflektierende Wandung des Hohlkörpers geleitet wird, wo es von der Wandung umlaufend reflektiert wird.
Verfahren nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht unmittelbar im Bereich der Öffnung (3) in dem Hohlkörper (1) umläuft.
Vorrichtung zur Ermittlung laserinduzierter Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Hohlkörper (1) befindlicher Gase, Fluide oder Gemische hieraus, insbesondere eines Kraftstoff-/Luftgemisches in einem Brennraum, wobei der Hohlkörper (1) eine Öffnung (3) aufweist, wobei die Vorrichtung einen auf der Öffnung aufsitzenden Kopf (2) umfasst, wobei der Kopf (2) einerseits einen Lichtleiter (4) zum Einkoppeln von Licht durch die Öffnung in den Hohlkörper aufweist, und andererseits einen Empfangskanal (5) zur Aufnahme der emittierten elektromagnetischen Strahlung.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (4) über den Empfangskanal (5) übersteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangskanal (5) achsparallel zu dem Lichtleiter (4) zum Einkoppeln des Lichts in den Hohlkörper (1) im Kopf (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangskanal (5) als Glaskörper ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (5) als Hülse außen und/oder innen verspiegelt ausgebildet ist, wobei zentrisch in der Hülse (5) der Lichtleiter (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung in dem Glaskörper (4, 5) nach dem Prinzip der Totalreflexion geführt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (4) endseitig Mittel (4a) zur Ablenkung des Lichts quer zur Längsachse des Lichtleiters (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (4) als eine innenverspiegelte Röhre ausgebildet ist, die endseitig einen Spiegel zur Ablenkung des Lichts quer zur Längsachse des Lichtleiters (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel gewölbt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (4) als Glasstab ausgebildet ist, der endseitig zur Ablenkung des Lichts eine Schräge (4a) oder einen Spiegel aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Glasstab (4) des Lichtleiters das Licht nach dem Prinzip der Totalreflexion geführt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (2) hohlkörperseitig eine über die Hülse überstehende innenverspiegelte Trommel (10) aufweist, wobei das durch den Lichtleiter (4) eingekoppelte Licht auf die verspiegelte Wandung der Trommel (10) zu gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel (10) einen Strahlumlenker (11) für das durch den Lichtleiter (4) auf die verspiegelte Wandung eingekoppelte Licht aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung er Trommel (10) etwa der des Glasstabes (4) entspricht.