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Die
Erfindung betrifft ein Gasentnahmeventil sowie dessen Anordnung
in einem Reaktionsraum, insbesondere in einer Brennkammer einer
Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Verfahren zum Betrieb eines derartigen Gasentnahmeventils.
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Für die Optimierung
von unter hohem Druck ablaufenden Prozessen ist in vielen Fällen eine Überwachung
notwendig. Dies betrifft insbesondere die Optimierung von motorischen
Verbrennungsprozessen und chemischen Reaktionen, die zur Überwachung
und Kontrolle analysierbar und zugänglich gemacht werden müssen. Bei
der Optimierung von Verbrennungsmotoren nimmt die Senkung der Emissionen
neben der Erhöhung
der Motorleistung und der Verbesserung des Wirkungsgrades eine zunehmend
wichtigere Rolle ein. Für die
Entwicklung geeigneter Maßnahmen
zur Reduzierung der Schadstoffemissionen ist es wichtig, deren Entstehungsmechanismen
im Brennraum untersuchen zu können.
Weiterhin ist es wichtig, die gasförmigen Bestandteile im Brennraum
selbst untersuchen zu können.
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Stand der Technik
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Es
gibt einerseits die Möglichkeit,
Schadstoffproben nach der Verbrennung im Auslass einer Verbrennungskraftmaschine
zu entnehmen. Weiterhin kann Gas auch direkt aus dem Brennraum entnommen
werden. Für
die Probenentnahme aus dem Auslasstrakt sind zahlreiche Verfahren
und Vorrichtungen bekannt. Dagegen sind die Entnahmemöglichkeiten
von Gasproben direkt aus dem Brennraum bisher noch stark eingeschränkt.
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Bekannte
Gasentnahmeventile werden üblicherweise
so im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine montiert, dass sie mit
dem Brennraumdach abschließen
oder in einzelnen Fällen
einige Millimeter in den Brennraum hineinragen. Ein derartiges Gasentnahmeventil
für Brennkraftmaschinen
ist bspw. aus der
DE
907 367 C bekannt. Hierbei wird eine Ventilspindel durch
den Nadelhub einer Einspritzdüse
gesteuert, die von einer Brennstoffeinspritzpumpe im Takt der Maschine
beaufschlagt wird.
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Die
Gasentnahme bei Ventilen dieser Bauart wird durch öffnen eines
Sitzventils eingeleitet. Derartige bekannte Sitzventile sind in
Ruhestellung durch die Vorspannung einer Feder üblicherweise geschlossen. Mittels
einer Druckbeaufschlagung eines Hydraulikkolbens kann ein solches
Ventil geöffnet
werden, wodurch eine bestimmte Gasmenge aus dem Brennraum entnommen
werden kann. Bauartbedingt wird bei einem am Brennraumdach montierten
Ventil das Brennraumgas aus der wandnahen Grenzschicht entnommen.
In diesem Bereich der Temperaturgrenzschicht kühlt die Flamme der Verbrennung
jedoch so weit ab, dass sie in einigen Bereichen erlischt. Es kommt
dort zur unvollständigen
Verbrennung des Kraftstoffs. Somit lässt sich nicht verhindern,
dass nicht vollständig
verbrannter Kraftstoff aus der Wandgrenzschicht entnommen wird.
Die Analyse dieser Probengase lässt
dementsprechend lediglich Rückschlüsse auf
die wandnahe und nicht auf globale Verbrennung zu. Erst bei der
Entnahme größerer Mengen
an Probengas ist davon auszugehen, dass weitgehend vollständig verbranntes
Gas nachströmt
und als Probe entnommen wird. Dabei wird jedoch die Verbrennung
erheblich beeinflusst, da durch die Entnahme größerer Mengen an Brenngas unweigerlich
der Brennraumdruck absinkt.
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Bei
derartigen Gasentnahmen besteht weiterhin die Gefahr, dass sich
entnommenes Probengas mit Restgasen einer vorherigen Entnahme vermischt.
Bei bekannten Gasentnahmeventilen ist meist konzentrisch um den
Ventilschaft ein Kanal angeordnet, durch den das entnommene Probengas
in einen Entnahmekanal strömt.
Dieser Entnahmekanal weist jedoch ein gewisses Totvolumen auf, in
dem nach jedem Entnahmevorgang eine gewisse Menge an Restgas verbleibt.
Dieses Restgas vermischt sich bei der nächsten Gasentnahme mit dem
neuen Probengas und verfälscht
die Messung, soweit das Ventil nicht aufwändig mit einer gewissen Menge
an Spülgas
gespült
wird.
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Alternative
Bauarten von Gasentnahmeventilen ragen weiter in den Brennraum hinein.
Derartige in den Brennraum hineinragend montierte Ventile verhalten
sich ähnlich
einem Glühstift.
D.h. es wird so heiß, dass
es glüht.
Die Gasproben geben auch hier mehr Aufschluss über die lokale Verbrennung
in der Nähe
eines Glühstiftes
als über
die zu untersuchende globale Verbrennung im Brennraum. Auch das
durch ein in den Brennraum hinein ragendes Gasentnahmeventil entnommene
Probengas lässt
keine zuverlässigen
Schlüsse auf
die globale Verbrennung zu. Zwischen zwei Messungen muss auch hier
das Ventil mit einem Spülgas
gespült
werden, um die Gasreste der vorherigen Probennahme aus dem Totvolumen
des Ventils zu entfernen.
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Daneben
gibt es Gasentnahmeventile, die mit anderen Motorenbauteilen kombiniert
sind. Hierbei sind insbesondere Kombinationen mit bekannten Zündkerzen
für fremdgezündete Verbrennungsmotoren
bekannt geworden. So beschreibt die
DE 199 50 932 A1 eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine,
die gleichzeitig als Gasentnahmeventil fungiert. Hierzu ist ein
Gasentnahmekanal vorgesehen, der mit einem Gasentnahmesystem verbunden
ist. Der Gasentnahmekanal kann bspw. durch die Elektrode der Zündkerze
geführt
sein. Ein derartiges Gasentnahmeventil für eine Brennkraftmaschine,
dessen Gasentnahmekanal innerhalb einer Mittelelektrode einer Zündkerze
geführt
ist, wird weiterhin in der
DE 10 2004 052 743 A1 beschrieben.
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Aufgabenstellung
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Ein
erstes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gasentnahmeventil
zur Verfügung
zu stellen, dass die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Insbesondere soll das Ventil die Entnahme von Brenngasen ermöglichen,
die eine zuverlässige
Analyse der Verbrennungsvorgänge
ermöglichen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Entnahme
von Gasen aus einer Reaktionskammer zu liefern, das eine zuverlässige Analyse
der realen Verbrennungsvorgänge
ermöglicht.
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Diese
Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen.
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In
einer Wand eines Reaktionsraumes, insbesondere in einer Brennraumwand
einer Verbrennungskraftmaschine ist ein Gasentnahmeventil angeordnet,
das eine Entnahmesonde und eine Einrichtung zur Aufnahme eines Gasvolumens
aus dem Reaktions- bzw. Brennraum aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung reicht
eine Öffnung
der Entnahmesonde zumindest während
des Entnahmevorgangs in einen nicht wandnahen Bereich des Reaktions-
bzw. Brennraums, in dem eine reguläre Verbrennung stattfindet.
Auf diese Weise werden die Nachteile der bekannten Gasentnahmesonden
gemäß dem bekannten
Stand der Technik vermieden, die in aller Regel entweder nur wandnahe
Gasproben entnehmen können,
oder die aufgrund ihrer statischen Anordnung in wandferneren Bereichen
des Brennraumes einerseits die Verbrennungsabläufe negativ beeinflussen können und
andererseits zum Überhitzen
neigen und dabei ebenfalls Gasproben mit verfälschten Werten liefern.
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Indem
die Entnahmesonde nicht nur statisch an einer bestimmten Position,
sondern beweglich im Reaktions- bzw. Brennraum angeordnet ist, kann
die Überhitzung
verhindert werden, da die Entnahmesonde sinnvollerweise nur während des
sehr kurzen Entnahmevorganges in den Brennraum eingeschoben wird. Hierzu
ist die Entnahmesonde in den Brennraum einschiebbar. Insbesondere
kann die Entnahmesonde mit vorgebbarer Geschwindigkeit und über eine
vorgebbare Länge
in den Reaktionsraum einschiebbar sein. Nach der Entnahme eines
definierten Gasvolumens kann die Sonde wieder aus dem Brennraum
gezogen werden. Bei der Entnahme wird somit kein Gas aus der Wandgrenzschicht
entnommen. Die erfindungsgemäße Entnahmesonde
ermöglicht
die Gasentnahme aus der Mitte eines Brennraumes eines Verbrennungsmotors
ohne eine dauerhaft im Brennraum verbleibende Entnahmesonde. Es
wird, im Gegensatz zu den bisher bekannten Gasentnahmeventilen,
kein Gas aus der wandnahen Grenzschicht entnommen, in er die Flammen
abgelöscht sind.
Dem gegenüber
entnehmen die bekannten Ventile entweder Gas aus der Wandgrenzschicht
oder sie müssen
dauerhaft im Brennraum montiert werden, wobei die Verbrennung erheblich
gestört
wird. Das erfindungsgemäße Gasentnahmeventil
kann somit als „schnelles
Gasentnahmeventil" charakterisiert
werden, da sich die Gasentnahmesonde insgesamt nur für eine sehr
kurze Verweilzeit im Brennraum befindet und unmittelbar nach der
Gasentnahme wieder aus dem Flammenbereich gezogen wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann die Entnahmesonde zyklisch bei
jedem Verbrennungshub eines Hubkolbens der Verbrennungskraftmaschine
in den Brennraum geschoben und nach der Entnahme eines definierten
Gasvolumens wieder aus dem Brennraum gezogen werden. Zur Realisierung
dieser zyklischen Bewegung kann die Entnahmesonde bspw. mit den
Gaswechselventilen gekoppelt sein, bspw. über eine herkömmliche
Nockenwellensteuerung o. dgl. Wahlweise kann die Aktivierung der
Entnahmesonde auch abgeschaltet werden, was bspw. durch einen deaktivierbaren
Kipphebel erfolgen kann. Ein solcher Kipphebel kann bspw. dadurch
deaktiviert werden, dass er eine verriegelbare Knickstelle aufweist,
die durch axiales Verschieben eines Verriegelungshebels oder -bolzens
beweglich gemacht werden kann, wodurch der Kipphebel bei seiner
Betätigung
keine Kräfte
mehr überträgt, sondern
in seiner Gelenkstelle beweglich wird.
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Wahlweise
kann die Entnahmesonde unabhängig
von der Kolbenbewegung ansteuerbar sein, so dass sie individuell
ansteuerbar in den Brennraum schiebbar bzw. aus diesem ziehbar ist.
Eine solche Hubbewegung der Entnahmesonde kann bspw. mittels mechanischer,
hydraulischer und/oder elektromagnetischer Betätigung auslösbar sein. Diese Betätigungsart
hat zusätzlich
den Vorteil, dass die Nockenwelle nicht mit den zusätzlichen
Betätigungskräften für das Gasentnahmeventil
beaufschlagt wird. Zudem bestehen durch eine separate Ansteuerung
und Betätigung
größere konstruktive
Freiheitsgrade bei der Auslegung einer Versuchsanordnung.
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Die
Entnahmesonde selbst kann gemäß einer
ersten Ausführungsvariante
einen axial in Längserstreckungsrichtung
der Sonde verschiebbaren Kolben aufweisen, wobei der Kolben bei
einem definierten Hub entgegen der Vorschubrichtung der Entnahmesonde
eine Öffnung
zur Entnahme einer Gasprobe aus dem Reaktionsraum freigibt. Eine
solche Kolbensteuerung hat u.a. den Vorteil einer sehr guten Abdichtung
des Entnahmevolumens. Zudem kann der Kolben sehr exakt angesteuert
und geführt
werden.
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Alternativ
zu der erwähnten
Kolbensteuerung kann die Entnahmesonde an ihrer vorderen Öffnung ein Schließventil
aufweisen, das die Öffnung
bei vorgebbarem Hub und/oder bei Erreichen eines vorgebbaren Öffnungsdrucks
freigibt. Das Schließventil kann
die Öffnung
nach Unterschreiten des vorgebbaren Hubs bei der Rückbewegung
der Entnahmesonde und/oder bei Unterschreiten des Öffnungsdrucks
wieder verschließen. Das
Schließventil
kann insbesondere einen federbelasteten Schließmechanismus aufweisen, bspw.
eine federbelastete Kugel. Eine solche Ausführungsvariante hat den Vorteil
eines einfacheren Aufbaus. Zudem ist bei dieser Variante die Entnahmesonde
nicht zwingend langgestreckt und gerade, sondern kann je nach Bedarf auch
eine leicht gekrümmte
Kontur aufweisen, was bei manchen Brennraum- und Kolbenformen sowie
bei beschränkten
Platzverhältnissen
von Vorteil sein kann.
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Um
eine Kollision der Entnahmesonde mit einem Kolben der Verbrennungskraftmaschine
zu verhindern, kann die Sonde ggf. räumlich einer entsprechend dimensionierten
Kolbenmulde zugeordnet sein, in die sie eintauchen kann, wenn sich
der Kolben bereits wieder nach oben in Richtung seines oberen Totpunktes bewegt.
Dies betrifft insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen
(Dieselmotoren), da diese oftmals mit Mulden in den Kolbendächern versehen
sind. Bei einer fremdgezündeten
Maschine (Ottomotor) kann eine zusätzliche Schließeinrichtung,
bspw. eine Schließnocke,
die mit der Nockenwellensteuerung der Gaswechselventile gekoppelt
ist, für
einen zuverlässigen
Rückhub
der Sonde sorgen, bevor sie mit dem Kolben kollidieren kann, wenn
sich dieser in Richtung seines oberen Totpunktes bewegt.
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Die
Entnahmesonde weist vorzugsweise eine mit dem Kolben oder dem Schließventil
verschließbare Entnahmeleitung
auf, die mit einem Gasentnahmesystem gekoppelt ist. Die Entnahmesonde
schließt
weiterhin in einer nicht aktivierten Stellung weitgehend bündig mit
der Brennraumwand ab und dichtet diese somit ab.
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Durch
die Ausgestaltung und Anordnung des erfindungsgemäßen Gasentnahmeventils
sind Entnahmen von Gasproben aus Bereichen eines Reaktionsraums
und einer Brennkammer möglich,
die eine sehr aussagekräftige
Analyse der Gasbestandteile erlauben. Insbesondere durch die schnelle
Handhabbarkeit und Verschiebbarkeit der Sonde kann vermieden werden,
dass nur Gas aus wandnahen Bereichen entnommen wird. Es kann vielmehr
das Brenngas unmittelbar aus einem Flammenbereich entnommen werden,
innerhalb dessen die Gaszusammensetzung untersucht werden soll.
Durch die sehr kurze Verweildauer der Sonde im heißeren Brennraumbereich
wird zudem die Verbrennung kaum gestört. Weiterhin kann durch die
kurze Verweildauer der Sonde im heißen Bereich deren zu starke
Erhitzung verhindert werden, die beim Glühen der Sondenspitze ebenfalls
zu negativen Beeinflussungen der Flammausbreitung und der Verbrennungsabläufe führen könnte. Auch
die Bauteilbelastung der Sonde wird hierdurch signifikant reduziert.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sondenausführung besteht
darin, dass auf die Verwendung von Spülgas weitgehend oder vollständig verzichtet
werden kann, da nahezu kein Totvolumen im Sondenbereich existiert,
das nach einer Entnahme geleert sowie ggf. gespült werden müsste. Beim erfindungsgemäßen Ventil
kann durch das fehlende Totvolumen sichergestellt werden, dass analysiertes
Probengas nicht mit Restgasen einer vorherigen Entnahme vermischt
wird.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Entnahme von Gasproben
aus einem Reaktionsraum, insbesondere aus einer Brennkammer einer
Verbrennungskraftmaschine, mit Hilfe eines Gasentnahmeventils, das
in einer Wand des Reaktionsraums angeordnet ist, und das eine Entnahmesonde
und eine Einrichtung zur Aufnahme eines Gasvolumens aus dem Reaktions-
bzw. Brennraum aufweist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird zur Gasentnahme eine Öffnung der Entnahmesonde zumindest
während
des Entnahmevorgangs in einen nicht wandnahen Bereich des Brennraums
geführt,
in dem eine reguläre
Verbrennung stattfindet. Hierzu ist die Entnahmesonde beweglich
im Brennraum angeordnet und/oder in diesen einschiebbar. Die Entnahmesonde
kann zur Gasentnahme mit vorgegebener Geschwindigkeit und über eine
definierte Länge
in den Reaktionsraum eingeschoben werden. Nach der Entnahme eines
definierten Gasvolumens wird die Entnahmesonde wieder aus dem Brennraum
gezogen. Durch die sehr schnellen Hubbewegungen kann die negative
Beeinflussung der Verbrennung nahezu ausgeschlossen werden. Zudem
wird eine Kollision mit dem Kolben verhindert.
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Die
Entnahmesonde wird gemäß einer
Ausführungsvariante
des Verfahrens zyklisch bei jedem Verbrennungshub eines Hubkolbens
der Verbrennungskraftmaschine in den Brennraum geschoben und nach
der Entnahme eines definierten Gasvolumens wieder aus dem Brennraum
gezogen. Alternativ hierzu kann die Entnahmesonde unabhängig von
der Kolbenbewegung angesteuert und in den Brennraum geschoben bzw. aus
diesem gezogen werden. Die Entnahmesonde kann bspw. mechanisch,
hydraulisch und/oder elektromagnetisch betätigt werden.
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Eine
Ausgestaltung kann vorsehen, dass zur Gasentnahme ein axial in Längserstreckungsrichtung
der Entnahmesonde verschiebbaren Kolben betätigt wird, wobei der Kolben
bei einem definierten Hub entgegen der Vorschubrichtung der Entnahmesonde
eine Öffnung
zur Entnahme einer Gasprobe aus dem Reaktionsraum freigibt. Alternativ
hierzu kann vorgesehen sein, dass zur Gasentnahme ein an der vorderen Öffnung des Entnahmeventils
angeordnetes Schließventil
betätigt
wird, das die Öffnung
bei vorgebbarem Hub und/oder bei Erreichen eines vorgebbaren Öffnungsdrucks
freigibt. Das Schließventil
verschließt
die Öffnung
nach Unterschreiten des vorgebbaren Hubs bei der Rückbewegung
der Entnahmesonde und/oder bei Unterschreiten des Öffnungsdrucks
wieder. Das Schließventil
kann über
ein Feder verschlossen werden. Insbesondere kann das Schließventil
eine federbelastete Kugel aufweisen.
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Zusammenfassend
ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Gasentnahmeventilen. Die Erfindung
ermöglicht
die Gasentnahme aus der Mitte des Brennraums eines Verbrennungsmotors
ohne eine dauerhaft im Brennraum verbleibende Entnahmesonde. Es wird,
im Gegensatz zu bisher bekannten Gasentnahmeventilen, kein Gas aus
der wandnahen Grenzschicht, in der die Flammen teilweise abgelöscht sind,
entnommen. Ein herkömmliches
Ventil entnimmt dagegen entweder Gas aus der Wandgrenzschicht oder
es muss dauerhaft im Brennraum montiert sein, wodurch die Verbrennung
erheblich gestört
werden kann.
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Mit
dem beschriebenen Gasentnahmeventil kann erstmals unbeeinflusstes
Brennraumgas aus der Mitte der Flamme entnommen und analysiert werden.
Es können
deutlich aussagekräftigere
Ergebnisse über die
Verbrennung und beispielsweise über
die Schadstoff- und Rußentstehung
gewonnen werden als dies durch bisher bekannte Gasentnahmeventile
möglich
war. Bisher könnte
bei Ottomotoren lediglich Gas aus der Wandgrenzschicht entnommen
werden. Eine dauerhaft in den Brennraum ragende Sonde wäre mit dem
Kolben kollidiert, da dieser keine dieselmotoren-typische Mulde
aufweist. Erstmals kann auch bei Ottomotoren Gas aus der Brennraummitte
entnommen werden. Die der Erfindung zu Grunde liegende Sonde fährt lediglich während der
Verbrennung in den Brennraum. Wenn der Kolben des Motors sich dem
oberen Totpunkt nähert, ist
die Sonde bereits wieder eingefahren.
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Durch
den innerhalb der Entnahmesonde geführten Kolben ist das Ventil
nahezu frei von Totvolumen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ventilen ist bei der
Erfindung sichergestellt, dass nach dem Ventil analysiertes Probengas
nicht mit Restgasen einer vorherigen Entnahme vermischt wird. Aufwändiges Spülen mit
Spülgas
kann vollkommen entfallen.
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Die
beschriebene Erfindung stellt für
alle Bereiche der Motorenentwicklung und Motorenforschung ein effizientes
Messinstrument dar, um die Vorgänge
im Brennraum eines Motors umfassend untersuchen zu können. Neben
der Verwendung für
Verbrennungskraftmaschinen ermöglicht
die Erfindung selbstverständlich auch
die Verwendung des Gasentnahmeventils für Reaktionsräume unterschiedlichster
Art, bspw. in der chemischen Industrie oder Forschung. Mittels des
Ventils können
bestehende Simulationsmodelle und -Werkzeuge validiert und neue
Simulationsmodelle und -Werkzeuge entwickelt werden. Die Erfindung
unterstützt
u.a. die Bemühungen,
den Schadstoff- und
insbesondere den Rußausstoß von Verbrennungsmotoren
zu minimieren. Aufgrund der kanzerogenen Wirkung vieler Schadstoffe
in Verbindung mit den zunehmend problematisierten Überschreitungen
von existierenden Feinstaubgrenzwerten in Städten besteht ein erheblicher
Bedarf für die
Hersteller von Kraftfahrzeugen und Verbrennungsmotoren, die Schadstoffemissionen
ihrer Verbrennungsmotoren zu senken. Hierzu kann die Erfindung einen
wesentlichen Beitrag liefern.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche
Teile in den Figuren sind grundsätzlich
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden daher teilweise
nicht mehrfach erläutert.
Es soll zudem an dieser Stelle betont werden, dass das nachfolgend
beschriebene Ausführungsbeispiel
zum Verständnis
der Erfindung beitragen soll, keinesfalls jedoch einschränkend für den Erfindungsgedanken
zu verstehen ist.
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Gasentnahmeventils.
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2 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht das Gasentnahmeventil entsprechend 1 in
einer nicht aktivierten ersten Position.
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3 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht das Gasentnahmeventil entsprechend 1 in
einer aktivierten zweiten Position, bei der das Ventil geöffnet wird.
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4 zeigt
in einer weiteren schematischen Schnittansicht das Gasentnahmeventil
entsprechend 1 in einer aktivierten dritten
Position, in der bei geöffnetem
Ventil eine Gasprobe entnommen wird.
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5 zeigt
in einem Diagramm einen möglichen
Beschleunigungsverlauf während
einer Hubbewegung des Gasentnahmeventils.
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Die
schematische Schnittansicht der 1 verdeutlicht
eine Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Gasentnahmeventils 10,
dessen vordere Stirnseite 12 in eine Brennkammer bzw. einen
Brennraum 14 einer Verbrennungskraftmaschine reicht und
vorzugsweise bündig
bzw. flächenbündig mit
der inneren Brennraumwand 16 abschließt, solange das Ventil 10 geschlossen
bzw. nicht aktiviert ist. Eine Flamme 18 eines im Brennraum 14 gezündeten Brenngases
ist angedeutet. Am Rand der inneren Brennraumwand 16 ist
weiterhin eine Wandgrenzschicht 20 angedeutet, in der das
brennfähige
Gemisch stark abkühlt,
so dass dort die Verbrennungsvorgänge meist unvollständig ablaufen.
Eine Gasentnahme in dieser Wandgrenzschicht ist daher unerwünscht, da
das entnommene Brenngas keine zuverlässige Aussage der Gemischzusammensetzung
des verbrannten oder gerade verbrennenden Gases erlaubt.
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Das
Gasentnahmeventil 10 umfasst ein längliches, hohlzylindrisches
Ventilgehäuse 22,
in dem eine in Längsrichtung
verschiebbare Entnahmesonde 24 geführt ist, die wiederum hohlzylindrisch
ausgebildet ist. In der Entnahmesonde 24 ist ein in Längsrichtung
verschiebbarer Kolben 26 geführt. An der linken Seite des
Ventilgehäuses 22 ist
eine Gehäusebohrung 28,
die mit einer entsprechenden Sondenbohrung 30 in der Entnahmesonde 24 fluchtet,
sobald diese sich in Entnahmeposition (vgl. 4) befindet.
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Die
schematische Schnittansicht der 2 zeigt
das Gasentnahmeventil 10 entsprechend 1 in einer
nicht aktivierten ersten Position. Diese erste Position entspricht
einer Ruheposition, bei der das Ventil geschlossen ist. Der Brennraumdruck
wird durch zwei Sitzventile zwischen Kolben 26, Entnahmesonde 24 und Ventilgehäu se 22 abgedichtet.
Hierbei bildet die Stirnseite 12 des Ventils 10 einen
bündig
abschließenden
Teil der Brennraumwand 16. Die Entnahmesonde 24 und
der Kolben 26 befinden sich in Ruheposition und sind nicht
gegeneinander oder gegen die innere Bohrung des Ventils 10 verschoben.
Die Gehäusebohrung 28 und die
Sondenbohrung 30 sind jeweils verschlossen. Eine Gasprobe
kann in dieser Lage nicht entnommen werden. Es ist jedoch erkennbar,
dass die gegeneinander verschiebbaren Teile jeweils über Sitzventile
verfügen, die
für eine
zuverlässige
Abdichtung sorgen. Ein erstes Sitzventil 32 wird durch
die leicht aufgeweitete Stirnseite der Entnahmesonde 24 gebildet,
die bei vollständig
nach oben gezogener Entnahmesonde 24 in dem konischen Ventilsitz
des Ventilgehäuses 22 sitzt
und für
die Abdichtung des Spalts zwischen Ventilgehäuse 22 und Entnahmesonde 24 sorgt.
Ein zweites Sitzventil 34 ist zwischen der inneren Bohrung
der Entnahmesonde 24 und dem darin geführten Kolben 26 gebildet.
Der Kolben 26 hat im unteren Bereich einen reduzierten Durchmesser,
wobei der Übergang
zwischen dem größeren Durchmesser
weiter oben und dem kleineren Durchmesser im unteren Bereich nicht
stufenförmig,
sondern konisch verläuft.
Diese konische Verjüngung
bildet zusammen mit einer entsprechenden konischen Sitzfläche in der
Bohrung der Entnahmesonde 24 das zweite Sitzventil 34.
Die Entnahmesonde 24 kann somit aufgrund der Gestaltung
des ersten Sitzventils 32 ausschließlich nach unten, in Richtung
des Brennraums 14, nicht jedoch nach oben bewegt werden.
Der Kolben 26 kann dagegen aufgrund der Gestaltung des
zweiten Sitzventils 34 innerhalb der Entnahmesonde 24 ausschließlich nach
oben gezogen werden.
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Die
weitere schematische Schnittdarstellung der 3 zeigt
das Gasentnahmeventil 10 entsprechend 1 in
einer aktivierten zweiten Position, bei der das Ventil 10 geöffnet wird.
Zur Entnahme einer Gasprobe kann die Entnahmesonde 24 mit
hoher Geschwindigkeit senkrecht nach unten geschoben werden, so
dass ihr unteres Ende in den Brennraum 14 ragt. Die Vorschubrichtung
der Entnahmesonde 24 mit dem vorläufig gegenüber der Sonde 24 noch
nicht nach oben verschobenen Kolben 26 wird durch den Pfeil
V in 3 verdeutlicht. Das erste Sitzventil 32 ist
dabei bereits leicht geöffnet.
Gleichzeitig findet eine teilweise Überdeckung der Gehäusebohrung 28 mit
der Sondenbohrung 30 statt, so dass bei geöffnetem
zweiten Sitzventil 34 (vgl. 4) eine
Gasprobe entnommen werden kann. Es ist bereits in dieser Darstellung
erkennbar, dass die Entnahmesonde 24 nach relativ kurzem
Hub die Wandgrenzschicht 20 durchstößt, so dass das entnommene
Gas nicht Bestandteil der Wandgrenzschicht 20 ist, sondern
aus dem Bereich der regulären
Verbrennung entnommen werden kann. In diesem Stadium bewegen sich
die Entnahmesonde 24 und der Kolben 26 synchron
mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum 14. Die Bohrung
der Entnahmesonde 24 ist hierbei durch den Kolben 26 verschlossen.
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Nach
dem Durchfahren der Wandgrenzschicht, aus der kein Gas entnommen
werden soll, wird der Kolben zurückgezogen.
Die weitere schematische Schnittdarstellung der 4 zeigt
schließlich
das Gasentnahmeventil entsprechend 1 in einer
aktivierten dritten Position, in der bei geöffnetem Ventil 10 eine
Gasprobe 36 entnommen wird. Den Strömungsverlauf der Gasprobe 36 kennzeichnet
der durch das Gasentnahmeventil 10 verlaufende Pfeil. Die
Entnahmesonde 24 ist gegenüber der zweiten Position (vgl. 3)
noch weiter nach unten verschoben, so dass die Sondenbohrung 30 weitgehend
mit der Gehäusebohrung 28 fluchtet,
da hierdurch das entnommene Probengas 36 ungehindert strömen soll.
Gegenüber
der zweiten Position ist nunmehr auch der Kolben 26 nach
oben gezogen und gibt das zweite Sitzventil 34 frei. Der
dünnere
untere Bereich des Kolbens ist im Durchmesser deutlich kleiner als
der entsprechende Innendurchmesser der hohlzylindrischen Entnahmesonde 24,
so dass das Gas 36 ungehindert die geöffneten Bohrungen 28 und 30 passieren
kann. Die Position entsprechend 4 ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Entnahmesonde 24 noch weiter in
den Brennraum 14 hineinfährt, jedoch bereits verzögert wird.
Das Zurückziehen
des Kolbens 26 gibt die Bohrung 30 in der Entnahmesonde 24 frei
und fördert,
vergleichbar dem Aufziehen einer Injektionsspritze, das Ausströmen des
Probengases 36 aus dem Brennraum 14.
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Nach
erfolgter Gasentnahme wird das Ventil 10 wieder geschlossen.
Dabei fährt
die Entnahmesonde 24 aus dem Brennraum 14 heraus.
Der Kolben 26 geht ebenfalls wieder in Ausgangsposition
zurück.
Die Lagen der Bauteile nach erfolgtem Schließvorgang entsprechen den Darstellungen
gemäß 1 und 2.
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Die
Entnahmesonde 24 wird während
eines Gesamthubs H vom Stillstand aus beschleunigt und anschließend wieder
abgebremst, so dass sie bei einem beispielhaften Hub von H = 10
mm wieder in Ruhe ist. Bei begrenzten und beitragsgleichen Beschleunigungs-
und Verzögerungskräften ergibt
sich die kürzeste
Einfahrzeit, wenn die Sonde auf halbem Hub beschleunigt und in der
letzten Hälfte
des Hubs mit jeweils gleicher Kraft verzögert wird. Das Diagramm der 5 zeigt
einen entsprechenden Beschleunigungsverlauf während einer Hubbewegung der
Entnahmesonde 24 des Gasentnahmeventils 10. Der
Verlauf ist qualitativ zu verstehen.
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Die
maximale Beschleunigung kann bspw. a
max = ± 20000
m/s
2 betragen. Das Aufstellen und Umstellen der
Bewegungsgleichungen für
die Einfahrbewegung der Entnahmesonde liefert bei der Beschleunigung
a
max und einem Hub H = 10 mm folgende Einfahrzeit
t
ein:
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In
Abhängigkeit
von der Motordrehzahl ergeben sich die Einfahrzeiten der Entnahmesonde
in °KW (Winkelstellung
der Kurbelwelle in Grad) entsprechend folgender Tabelle:
| Drehzahl
U/min | KW |
| 1000 | 8° |
| 1500 | 13° |
| 2000 | 16° |
| 2500 | 21° |
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Die
Winkelstellung der Kurbelwelle in Grad errechnet sich aus dem Produkt
der Ein- oder Ausfahrzeit t, der Drehzahl n und einem Winkel von
360°: KW = t·n·360°
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Die
Ausfahrzeit der Sonde entspricht in erster Näherung der in obiger Tabelle
dargestellten Einfahrzeit. Die Entnahmezeit, während der die Gasprobe ausströmt, beträgt ca. tEntnahme = 1,4 ms.
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Die
kurze Entnahmezeit ermöglicht
zeitlich hochaufgelöste
Gasentnahmen. Eine Zuordnung der entnommenen Probe zu den Phasen
Beginn, Mitte und Ende der Verbrennung wird ermöglicht. Nur auf diese Weise
können
zuverlässige
Informationen über
die Entstehungsmechanismen von Schadstoffen während der verschiedenen Phasen
der Verbrennung gewonnen werden.
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Die
Entnahmezeit kann bei Bedarf durch Ventilansteuerung, Position,
Größe und Überdeckung
der Entnahmebohrungen variiert werden. Wahlweise können auch
mehrere Gasentnahmeventile in einem Brennraum angeordnet sein.
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Es
sei erwähnt,
dass die in den 1 bis 4 gezeigte
Ausführungsform
des Gasentnahmeventils auch variieren kann. So kann das Ventil an
der Stirnseite der Entnahmesonde wahlweise auch durch ein federbelastetes
Kugelventil oder auf andere Weise gestaltetes Sitzventil gebildet
sein, das ähnlich
einem Rückschlagventil öffnet, wenn
ein bestimmter Ventilhub und/oder wenn ein bestimmter Brennraumdruck
erreicht ist. Bei einer solchen Variante ist es nicht unbedingt
erforderlich, dass die Entnahmesonde gerade und langgestreckt ist.
Sie kann hierbei auch eine bogenförmige, gekrümmte Kontur aufweisen, die
ggf. besser an die Brennraumverhältnisse
angepasst sein kann. Drohende Kollisionen mit dem oszillierenden
Kolben können hierdurch
ggf. besser vermieden werden. Bei einer Abstützung des federbelasteten Schließventils
gegen das Ventilgehäuse
wird die Feder bei zunehmendem Öffnungshub
der Entnahmesonde weiter entspannt, so dass durch die sinkende Spannung
der Feder das Ventil automatisch öffnet, auch bei relativ geringem
Verbrennungsdruck. Bei einer alternativen Abstützung des federbelasteten Schließventils
gegen die Entnahmesonde selbst ändert
sich die Federspannung mit variierendem Öffnungshub der Entnahmesonde
nicht. Bei dieser Variante ist die Federspannung vorzugsweise so
eingestellt, dass das Ventil erst bei einem vorgegebenen Mindestdruck
in der Brennkammer bzw. im Reaktionsraum öffnet. Durch geeignete Wahl
der Federvorspannung kann dieser eingestellte Öffnungsdruck variiert werden.
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Die
Ansteuerung des Ventils kann auf unterschiedliche Weise erfolgen,
bspw. auf mechanischem Weg mittels einer herkömmlichen Nockensteuerung, die
insbesondere mit einer bereits vorhandenen Nockensteuerung der Gaswechselventile
der Brennkraftmaschine gekoppelt sein kann. Diese Nockensteuerung
kann vorzugsweise abschaltbar ausgebildet sein, damit nicht bei
jedem Verbrennungszyklus das Ventil aktiviert wird, sondern damit
dieses je nach Bedarf angesteuert werden kann. Wahlweise kann das
Ventil auch elektromagnetisch, hydraulisch oder auf andere Weise angesteuert
werden, bspw. durch Piezoaktoren, die sich durch sehr kurze Schaltzeiten
auszeichnen.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar,
die von dem erfindungsgemäßen Gedanken
Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
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- 10
- Gasentnahmeventil
- 12
- Stirnseite
- 14
- Brennraum
- 16
- innere
Brennraumwand
- 18
- Flamme
- 20
- Wandgrenzschicht
- 22
- Ventilgehäuse
- 24
- Entnahmesonde
- 26
- Kolben
- 28
- Gehäusebohrung
- 30
- Sondenbohrung
- 32
- erstes
Sitzventil
- 34
- zweites
Sitzventil
- 36
- Gasprobe
