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Einleitung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des lokalen Luftverhältnisses
in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere
eines Ottomotors mit Direkteinspritzung, wobei an mindestens einem
Ort in dem Brennraum die Intensität der während des Verbrennungsvorgangs emittierten
Strahlung ermittelt wird.
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Stand der Technik
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Die
Benzin-Direkteinspritzung findet bei modernen Ottomotoren zunehmend
Anwendung, da durch diese Maßnahme
gute Erfolge bei der Kraftstoffeinsparung, insbesondere im Teillastbetrieb,
erzielt werden können.
Bei der Entwicklung von Ottomotoren mit Direkteinspritzung müssen Schwierigkeiten
mit zyklischen Schwankungen bei der Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs überwunden
werden, die insbesondere im Teillastbereich, d. h. im überstöchiometrischen
Betrieb mit Schichtladung auftreten. Schwankungen bei der Entflammung
bewirken zum einen ein unbefriedigendes Laufverhalten des Motors
und zum anderen können
daraus auch Zündaussetzer
und eine unvollständige
Verbrennung resultieren, was wiederum hohe Spitzen bei den Kohlenwasserstoff-
und Partikelemissionen zur Folge haben kann.
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Bei
direkteinspritzenden Ottomotoren ist daher die Kenntnis der Gemischzusammensetzung, insbesondere
das Luftverhältnis
im Bereich der Zündkerze,
aber auch an anderen Orten innerhalb des Brennraums, von großer Bedeutung.
Insbesondere bei heterogener Gemischzusammensetzung in Schichtladebetrieb
ist die Ermittlung des Luftverhältnisses
an einzelnen Orten im Brennraum für die Beurteilung der Qualität der Verbrennung
von großer Bedeutung.
Das Luftverhältnis
stellt nämlich
eine wesentliche Ausgangsbedingung für die Entflammung des Gemisches
dar.
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In
diesem Zusammenhang ist es allgemein bekannt, zur Analyse der Gemischzusammensetzung
bzw. zur quantitativen Bestimmung des lokalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
die Zündfunken-Emission
heranzuziehen. Zu diesem Zweck wird eine besonders präparierte
und mit einem Lichtleiter (”Strahlungsleiter”) versehene
Zündkerze
verwendet. Die Auswertung der von dem Strahlungsleiter übermittelten
Strahlungssignale erfolgt bei dieser vorbekannten Me thode mit Hilfe
eines Fotomultiplier-Detektors. Das von dem Zündfunken verursachte Strahlungssignal
wird dabei einer spektralen Analyse unterworfen (so genannte Zündfunken-Emissionsspektroskopie), um
auf diese Weise Schwankungen in der Gemischzusammensetzung ermitteln
zu können.
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Auch
wenn die vorgenannte Methode der lokalen Bestimmung des Luftverhältnisses
eines in Betrieb befindlichen Motors gegenüber anderen, bereits länger angewendeten
Analysemethoden bei der Flammenausbreitung, wie z. B. schnellen
Gasentnahmeventilen, einen geringeren Aufwand erfordert und gleichzeitig
eine höhere
Auflösung
(insbesondere im Hinblick auf zyklische Schwankungen) erlaubt, ist
es gleichwohl als Nachteil anzusehen, dass Aussagen über die
Gemischzusammensetzung lediglich im Bereich des Zündfunkens,
d. h. der Zündkerze, und
nicht auch an anderen Orten im Brennraum gemacht werden können.
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Aus
der
DE 10 2004
057 609 A1 ist es bekannt, die durch einen Laser induzierte
Emission elektromagnetischer Strahlung von in einem Brennraum befindlichen
Luft-Kraftstoff-Gemisch
zu analysieren und hieraus Rückschlüsse unter
anderem auf die Stöchiometrie
des Luft-Kraftstoff-Gemischs, d. h. das Luftverhältnis, zu ziehen. Zur Durchführung des bekannten
Verfahrens besitzt der Brennraum eine Öffnung, durch die sowohl das
Laserlicht in den Brennraum eingekoppelt als auch die elektromagnetische
Strahlung detektiert wird. Um die Wirkungsstrecke des Laserlichts
indem Brennraum zu erhöhen,
um auf diese Weise eine erhöhte
Ausbeute an emittierter elektromagnetischer Strahlung zu erreichen,
wird der Laserstrahl an der innen verspiegelten Wandung einer in
den Brennraum einzubringenden Trommel mehrfach abgelenkt.
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Als
Nachteil tritt bei dieser bekannten Verfahrensweise in Erscheinung,
dass lediglich globale Aussagen über
die Gemischzusammensetzung innerhalb der Trommel möglich sind.
Außerdem
ist der Aufwand der Integration der Trommel und für die Lichtein-
und -auskopplung hoch und ihr verfälschender Effekt auf die Gemischbildung
und den Verbrennungsablauf (im Vergleich mit einem Zustand ohne Trommel)
nicht zu vernachlässigen.
Ferner ist eine Messung mit dem bekannten Verfahren nur vor der eigentlichen
Verbrennung möglich.
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Darüber hinaus
ist aus der
US
2002/0196443 A1 ein Verfahren zur Ermittlung des lokalen
Luftverhältnisses
in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird
die Transmission von Strahlung analysiert, die in einem ersten Ort
in dem Brennraum eingekop pelt und an einem davon beabstandeten zweiten
Ort aus diesem ausgekoppelt wird. Die Transmissionseigenschaften
des zwischen den beiden Orten momentan befindlichen Gases, d. h.
insbesondere das Luftverhältnis
des dort vorliegenden Gemischs, sind nach der Lehre der
US 2002/0196443 A1 entscheidend
für die
aus dem Brennraum am zweiten Ort wieder ausgekoppelte Strahlung.
Aus der Differenz zwischen der eingekoppelten und der ausgekoppelten
Strahlung wird auf die Eigenschaften des im Brennraum zwischen den
beiden Orten befindlichen Gases, d. h. aus dem dort herrschenden
Luftverhältnis,
geschlossen. Das vorbekannte Verfahren zieht somit Rückschlüsse aus dem
Absorptionsverhalten des Luft-Kraftstoff-Gemisches, wobei aus dem transmittierten
und letztlich wieder aus dem Brennraum ausgekoppelten Strahlungsanteil
auf die im Zwischenraum absorbierte, d. h. für die Auskopplung nicht mehr
zur Verfügung
stehende Strahlung, geschlossen wird. Mit dem bekannten Verfahren
ist eine Bestimmung des Luftverhältnisses
unabhängig
von irgendwelchen Verbrennungsvorgängen im Brennraum möglich, da
eine von der Verbrennung unabhängige
aktive Strahlungsquelle für
die Analyse benutzt wird.
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Ferner
ist in der
US 4,779,455 ein ”air-fuel
ratio detecting sensor” beschrieben,
der auf dem Prinzip einer Messung der vom Luft-Kraftstoff-Gemisch aus
dem Brennraum emitierten Strahlung in zwei Wellenlängenbereichen
basiert. Aus der Phasenverschiebung der Maxima der beiden gemessenen
Intensitätssignale
werden Rückschlüsse auf
das Luftverhältnis
gezogen. Dabei erfolgt bei dem bekannten Verfahren die Messung der
Intensitätssignale
des emitierten Lichtsignals in Bereichen weit hinter dem oberen
Totpunkt, so dass Vorgänge
im Bereich der Flammenfront nicht erfassbar sind, sondern lediglich zeitlich
wesentlich später
stattfindende Vorgänge
im Bereich des Rußabbrandes.
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Verfahren zur
Ermittlung des lokalen Luftverhältnisses
im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines direkteinspritzenden
Ottomotors und insbesondere bei Motoren mit HCCI-Verfahren (Homogenuus
Charge Compression Ignition), auch CAI-Verfahren (Controlled Auto
Ignition) genannt, vorzuschlagen, das mit einfachen Mitteln auszuführen ist
und dennoch Aussagen über
das Luftverhältnis
an ausgewählten
Orten bzw. entlang ausgewählter
Linien im Brennraum erlaubt.
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Lösung
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Ausgehend
von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass aus einem Verlauf des Intensitätssignals der von dem verbrennenden Gemisch
im Brennraum emittierten Strahlung über dem Kurbelwinkel ein lokales
Maximum und/oder ein lokales Minimum und/oder ein Wendepunkt jeweils
in einem Bereich zwischen 140°KW
und 200°KW
bestimmt wird, wobei aus dem Verlauf des Intensitätssignals
im vorgenannten Bereich auf das an dem Ort der Ermittlung der Strahlungsintensität vorliegende Luftverhältnis geschlossen
wird. 0°KW
soll in diesem Zusammenhang so definiert sein, dass diese Kurbelwellenstellung
dem unteren Totpunkt vor dem folgenden Zünd-OT entspricht, dass also
der Zünd-OT
mit 180°KW
korrespondiert.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das an einem Ort im
Brennraum erfassbare Strahlungssignal einen von dem Wert des Luftverhältnisses
an diesem Ort abhängigen,
charakteristischen Verlauf über
dem Kurbelwinkel besitzt: Zunächst
weist die Intensitätskurve
des Strahlungssignals, beginnend mit dem Zündzeitpunkt, einen sehr kurzen,
von Null ausgehenden Zündpeak
auf. Je nach der Entfernung des Ortes, an dem das Strahlungssignal
aufgenommen wird und je nach Öffnungswinkel
des Beobachtungskegels der optischen Sonde, wird der Zündpeak mehr
oder weniger stark (bei hinreichend großer Entfernung von der Stelle des
Funkenüberschlags
möglicherweise
sogar gar nicht) erfasst. Mit gewisser zeitlicher Verzögerung erreicht
die von der Zündkerze
ausgehende Flammenfront den für
das vorliegende Verfahren betrachteten Erfassungsort i. d. R. (Beobachtungskegel).
Die zeitliche Verzögerung
hängt dabei
von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront sowie der Entfernung
des Erfassungsortes von der Zündkerze
ab. Ausgehend von Null zeigt das Intensitätssignal einen steilen Anstieg,
der durch die im Bereich der Flammenfront stattfindende chemische
Umsetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bedingt ist. In diesem Bereich
kommt es insbesondere zur Abstrahlung im typischen Frequenzband
freier OH-Radikale (306,8 nm). Nach Erreichen eines – meist
vorliegenden – lokalen
Maximums, das die höchste
Umsetzungsrate am Messort repräsentiert,
kommt es anschließend nach
Durchlaufen eines Wendepunktes typischerweise zu einem lokalen Intensitätsminimum,
das von einem weiteren Wendepunkt und sodann einem starken Anstieg
bis zu einem absoluten Intensitätsmaximum
gefolgt wird.
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Es
wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass
die Flammenfront den Beobachtungskegel dann verlässt, wenn die Intensitätskurve
ihr lokales Minimum zeigt. Der Anstieg zwischen dem lokalen Minimum
und dem absoluten Intensitätsmaximum verläuft typischerweise
weniger steil als der Anstieg bis zum Erreichen des lokalen Maximums
am Punkt der maximalen Umsetzungsrate. Dies ist aber nicht immer
der Fall. Die Strahlung nach dem Durchlauf der Flammenfront wird
durch das heiße
Abgas bzw. die darin enthaltenen Komponenten (H2O,
CO2 sowie weniger CO, HC u. a.) verursacht
und enthält
typischerweise andere Frequenzanteile als die Strahlung der OH-Radikale.
Schließlich
fällt die
Intensität
nach Durchlaufen des absoluten Maximums der Intensitätskurve
zunächst
progressiv und nach Durchlaufen eines weiteren Wendepunktes degressiv
ab.
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Es
wurde nun überraschender
Weise festgestellt, dass der Verlauf der Intensitätskurve
im Bereich des vorgenannten lokalen Maximums und des zugehörigen lokalen
Minimums bzw. (im Falle eines Fehlens des lokalen Maximums und des
lokalen Minimums) in der Nähe
eines in diesem Bereich stets vorliegenden Wendepunkts in der Intensitätskurve unmittelbar
sowohl qualitative als auch quantitative Rückschlüsse auf das am Erfassungsort
vorliegende Luftverhältnis
zulässt.
Insbesondere kann aus dem Fehlen der charakteristischen Form der
Strahlungssignalkurve im Bereich des anfänglichen ”Flammenfront-Fensters” (Kurbelwinkelbereich
zwischen ca. 140°KW
und 200°KW)
auf das Nicht-Vorliegen der erforderlichen Zündbedingungen, d. h. auf Werte
des Luftverhältnisses
außerhalb
der Zündgrenzen,
gefolgert werden. Andersherum kann aus der Ausprägung des lokalen Maximums,
d. h. der Differenz zwischen dem Wert im lokalen Maximum und dem
Wert im anschließenden
lokalen Minimum bzw. der Steilheit der Kurve im Bereich des Wendepunkts
vor dem absoluten Maximum bzw. der absoluten Höhe des Intensitätswerts
im Wendepunkt vor dem absoluten Maximum auch quantitativ auf das
vorliegende Luftverhältnis
geschlossen werden. Ausgehend von einer maximal ausgeprägten Wertdifferenz
zwischen dem lokalen Maximum und dem lokalen Minimum bzw. einen
maximalen Gradienten bei einem für
die Umsetzungsrate optimalen Luftverhältnis von etwa λ = 0,85 ...
0,90 verringert sich die besagte Wertdifferenz bzw. Kurvensteilheit
mit zunehmender Entfernung vom vorgenannten λ-Bereich. Eine charakteristische
Intensitätskurve
für ein
Luftverhältnis
im stark überstöchiometrischen
Bereich (λ < 1,4) besitzt im Bereich des
sonst üblichen ”Flammenfront-Fensters” hochfrequente
Intensitätsschwankungen
mit starker Amplitude, die als ”Flackern”, d. h.
eine Art periodisch einsetzende und wieder endende chemische Umsetzung
des Gemischs, gedeutet werden können.
Ein derartiger Verlauf der Intensitätskurve kann – insbesondere
bei Motoren im Schichtladebetrieb – mit einem insbesondere zu
großen
Wert des lokalen Luftverhältnisses
erklärt
werden. Andererseits ist aber auch der Verlauf bei einem deutlich überfetteten
Gemisch (λ < 0,8) durch einen
anfänglich
größeren und dann
deutlich kleineren Gradienten gekennzeichnet. Dies sagt aus, dass
bei stark angefettetem Gemisch (λ < 0,8) die anfängliche
Entflammung ähnlich
wie bei der leistungsoptimalen Gemischeinstellung ist, aber nicht
deren maximalen Strahlungswerte erreicht. Die Begründung könnte darin
zu suchen sein, dass dem gesamten Gemisch viel Energie entzogen
wird, um den überschüssigen Kraftstoff
zu verdampfen. Durch diese sogenannte Verdampfungsenthalpie wird
die Brennraumtemperatur gesenkt und damit auch das Strahlungssignal.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich daher insbesondere auch zum Einsatz bei Motoren mit
HCCI- bzw. CAI-Brennverfahren. Bei diesen Verfahren wird das Gemisch
nicht zentral gezündet, sondern
an vielen Orten gleichzeitig, ähnlich
wie bei einem Dieselmotor. Das Gemisch wird so stark aufgeheizt,
dass es sich von selbst entzündet,
wobei diese Selbstentzündungen
im Gegensatz zu Klopfvorgängen
sehr kontrolliert stattfinden. Das HCCI- bzw. CAI-Verfahren wird
insbesondere bei stark abgemagerten Gemischen eingesetzt, um das
Niveau der NOx-Emissionen zu senken, was durch Absenkung des Verbrennungstemperatur-Niveaus erfolgen soll,
da magere Gemische auf niedrigerem Temperaturniveau verbrennen als
fettere Gemische. Bei der Entwicklung von Motoren auf Basis des
HCCI- bzw. CAI-Brennverfahrens
ist es insbesondere wichtig zu wissen, ob lokale λ-Werte innerhalb
gewisser Grenzen liegen. Hierbei weist das erfindungsgemäße, auf der
Analyse der Lichtemission basierende Verfahren der λ-Messung
große
Vorteile auf.
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Das
erfindungsgemäß angegebene
Intervall zwischen 140°KW
und 200°KW
hängt nicht
zuletzt auch von der Position des Messortes innerhalb des Brennraums
ab. Je näher
der Messort an der Stelle des Funkenüberschlags, d. h. der Zündkerze
liegt, desto früher
wird die von diesem Ort der Entflammung ausgehende Flammenfront
den Messort erreichen. Andersherum vergeht mit zunehmender Entfernung
vom Entflammungsort mehr Zeit, bis die Flammenfront den Beobachtungsort
erreicht, so dass dies bei einer größeren Kurbelwinkelposition
stattfindet. So sind in Extremfällen
zylinderwandnahe Anordnungen von Messsonden auch Kurbel winkelpositionen
zwischen 200°KW
und 220°KW
denkbar. Ferner ist der Kurbelwinkelbereich in dem das ”Flammenfrontfenster” auftritt,
auch von einer Mehrzahl weiterer Einflussfaktoren (Drehzahl, Zündzeitpunkt ...)
abhängig.
Bei der Mehrzahl von Fällen,
wird sich die Beobachtung der interessierenden Phänomene auch
auf einen Kurbelwinkelbereich zwischen 150°KW und 190°KW einschränken lassen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann im Falle eines Fehlens eines isolierten lokalen Maximums und/oder
Minimums und/oder Wendepunkts im Verlauf des Strahlungssignals im
Bereich zwischen 140°KW
und 200°KW
auf ein Luftverhältnis
außerhalb
der Zündgrenzen
geschlossen werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist
vorgesehen, dass an einem Ort zwei Referenzsignalverläufe mit
jeweils bekanntem Luftverhältnis
ermittelt werden und dass durch Interpolation oder Extrapolation
aus einem an diesem Ort gemessenen anderen Signalverlauf bei einem
anderen Betriebspunkt quantitativ auf das dann vorliegende Luftverhältnis geschlossen
wird.
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Ausgehend
von dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die zugrunde
liegende Aufgabe alternativ aber auch dadurch gelöst, dass
das Strahlungssignal mittels eines Bandfilters gefiltert wird, dessen
Mittenwellenlänge
so bemessen ist, dass sie einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 306,8
nm entspricht, wobei aus der maximalen Höhe des Intensitätssignals
oder dessen Integral über
dem Kurbelwinkel, vorzugsweise im Bereich zwischen 140° und 200° Kurbelwinkel,
auf das an dem Ort der Ermittlung der Strahlungsintensität vorliegende
lokale Luftverhältnis
geschlossen wird.
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Die
alternative Vorgehensweise macht sich den Umstand zunutze, dass
die Emission im Moment des Durchlaufens der Flammenfront an der
Beobachtungsstelle nahezu ausschließlich von der chemischen Umsetzung
des Luft-Kraftstoff-Gemischs verursacht wird und dass die emittierte
Strahlung zu diesem Zeitpunkt allein auf freie OH-Radikale zurückzuführen ist.
Nach einer Filterung des Signals ist daher eine genaue Auflösung des
Verlaufs über
dem Kurbelwinkel – bei
Betrachtung eines einzelnen Zyklus – entbehrlich, da während des
gesamten Zyklus lediglich einmalig, nämlich beim Durchlaufen der
Flammenfront, eine Emission im typischen Spektrum freier OH-Radikale
auftritt. Die im späteren
Verlauf der Verbrennung entstehende, hinsichtlich ihrer Intensität zwar wesentlich
stärkere
Strahlung steht nicht mit der eigentlichen Flammenfront in Verbindung,
sondern wird durch die Emission der im Abgas enthaltenen Verbindungen
hervorgerufen. Eine Emission im Bereich einer Wellenlänge zwischen
300 nm und 310 nm ist bei dem dann emittierten Licht nicht in nennenswerten
Anteilen enthalten. Auch diese zweite Verfahrensweise macht sich
die starke Korrelation zwischen Flammenfront-Emissionsintensität und Luftverhältnis zu
Nutze, vorausgesetzt, Drehzahl und Füllung (Last) werden konstant
gehalten.
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Das
Verfahren nach der Erfindung kann somit bei Analyse des ungefilterten
Strahlungssignals theoretisch auf eine Betrachtung des ”Flammenfront-Fensters” im Bereich
zwischen ca. 140°KW
und 200°KW
beschränkt
werden, wobei in diesem Kurbelwinkelbereich andere Strahlungsursachen
als die Flammenfront typischerweise nicht existieren, da die Beobachtung
noch in der Kompressionsphase vor OT stattfindet. Alternativ kann
das Verfahren bei Verwendung eines gefilterten Signals, wobei lediglich
die Strahlung mit der Emissionsfrequenz freier OH-Radikale durch
den Bandfilter hindurchgelassen wird, ohne eine Kurbelwinkelauflösung – bezogen
auf einen einzelnen Zyklus – auskommen,
da Emissionen im Bereich zwischen 300 nm und 310 nm lediglich im ”Flammenfront-Fenster” auftreten.
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Grundsätzlich ist
es nach der Erfindung aber auch möglich, nach der zuvor beschriebenen
Filterung des Intensitätssignals
dennoch lediglich einen Kurbelwinkelbereich zwischen 160°KW und 190°KW zu betrachten.
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Um
für die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
keine Änderungen
an dem Zylinderkopf des Motors vornehmen zu müssen, sollte die Auskopplung
des Strahlungssignals aus dem Brennraum mittels einer Sonde erfolgen,
an die ein Strahlungsleiter angeschlossen ist, der an seinem brennraumseitigen
Ende ein optisches Fenster, insbesondere einen Quarz oder einen
Saphir, aufweist, das bzw. der in eine Bohrung in einem Zündkerzenkörper eingesetzt
ist. In diesem Fall ist lediglich die besondere Präparierung
einer Zündkerze
erforderlich, die dann in die ohnehin vorhandene Zündkerzenbohrung eingeschraubt
wird. Selbstverständlich
kann die Sonde aber auch durch eine beliebig anders plazierte Bohrung,
typischerweise im Zylinderkopf, in den Brennraum eingeführt werden.
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Schließlich ist
nach der Erfindung noch vorgesehen, dass die Auskopplung des Strahlungssignals
an mehreren Orten des Brennraums gleichzeitig erfolgt, wobei die
Orte der Auskopplung gleich verteilt auf einem Kreisbogen in einer
Stirnfläche
eines Zündkerzenkörpers angeordnet sind.
Auf diese Weise lassen sich auch Aussagen über lokale Luftverhältnisse
an mehreren Orten des Brennraums machen, insbesondere sind Asymmetrien
in der Verteilung der λ-Werte an den beobachteten
Stellen auf diese Weise zu detektieren. Selbstverständlich können auch
an beliebigen anderen Stellen außerhalb des Zündkerzenquerschnitts
Beobachtungssonden (Stecksonden) angeordnet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels von Teilen
einer Vorrichtung zu dessen Durchführung sowie exemplarisch dargestellten
Strahlungssignalverläufen
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine Unteransicht einer Zündkerze mit
einer Mehrzahl von optischen Sonden,
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2:
einen Teillängsschnitt
durch die Zündkerze
gemäß 1,
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3a–3d:
eine Einzeldarstellung verschiedener Verläufe des Strahlungsintensitätssignals jeweils über dem
Kurbelwinkel und
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4:
eine Nebeneinander-Darstellung mehrerer Verläufe des Strahlungsintensitätssignals über dem
Kurbelwinkel für
verschiedene Werte des Luftverhältnisses
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Eine
in 1 gezeigte Zündkerze 1 weist
einen Zündkerzenkörper 2 auf,
dessen äußerer Randbereich 3 aus
Metall besteht und mit einem nicht dargestellten Außengewinde
versehen ist, mit dem die Zündkerze 1 in
eine mit einem entsprechenden Innengewinde versehene Zündkerzenbohrung
in einem Zylinderkopf eines direkteinspritzenden Ottomotors eingeschraubt
wird. Der Zündkerzenkörper 2 umfasst
des Weiteren einen aus keramischem Material bestehenden Isolierbereich 4 und
eine von letzterem umschlossene metallische Mittenelektrode 5,
die bis an das gegenüber
liegende Ende der Zündkerze 1 verläuft, um
dort mit einem Stecker eines Zündkabels
verbunden zu werden. Von dem Randbereich 3 geht eine L-förmig gebogene
Masseelektrode 6 aus, deren freies Ende 7 in einem
definierten Abstand zu der Stirnfläche 8 der Mittenelektrode 5 angeordnet wird,
der die Plus-Elektrode bildet.
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In
dem Randbereich 3 des Zündkerzenkörpers 2 befinden
sich auf einem zu dem Zentrum 9 der Mittenelektrode 5 konzentrischen
Kreis 10 insgesamt acht optische Sonden 11, die äquidistant
auf dem Kreisumfang angeordnet sind.
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Der
Aufbau der einzelnen Sonden 11 ergibt sich aus der Schnittdarstellung
gemäß 2.
In dem Randbereich 3 der Zündkerze 1 befindet
sich für
jede Sonde 11 eine Bohrung, die in ihrem oberen Abschnitt 12 einen
kleineren Durchmesser aufweist als in ihrem unteren Abschnitt 13.
Jede optische Sonde 11 besteht aus einem Strahlungsleiter 14 in
Form einer Leitfaser und einem Saphir 15, der zumindest
für die
auf freie OH-Radikale zurückgehenden
Emissionen im Bereich der UV-Strahlung, insbesondere auch bei einer
Wellenlänge
von 306,8 nm, ein sehr gutes Transmissionsverhalten aufweist. Unmittelbar
anschließend
an den Saphir 15 befindet sich eine Blende 16,
die bewirkt, dass die Sonde 11 einen Beobachtungskegel 17 mit
einem sehr kleinen Öffnungswinkel
von α =
3,5° (typischerweise
zwischen etwa 2,0° und
5,0°) aufweist.
Mit der optischen Sonde 11 kann somit eine örtlich sehr
hoch auflösende
Beobachtung der passierenden Flammenfront durchgeführt werden
und somit auch eine örtlich
hoch auflösende
Bestimmung des Luftverhältnisses
erzielt werden.
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Zur
Auswertung der von den einzelnen Sonden 11 aufgenommenen
Lichtintensitätssignale
werden die zugeordneten Strahlungsleiter 14 jeweils zu einem
nicht dargestellten fotoelektrischen Wandler in Form eines Fotomultipliers
geführt.
Dieser besitzt insbesondere im relevanten UV-Strahlungsbereich von knapp
oberhalb 300 nm Wellenlänge
eine sehr gute Empfindlichkeit. Sofern über einen Kurbelwellenausschnitt
zwischen ca. 160°KW
und 230°KW
die Strahlungsintensität
gemessen werden soll, falls also auch das Emissionsverhalten des
Abgases in der Expansionsphase mit in die Betrachtung einbezogen
werden soll, ist die Verwendung eines fotoelektrischen Wandlers,
d. h. ebenfalls typischerweise eines Fotomultipliers erforderlich,
der zusätzlich
zum UV-Bereich auch den gesamten sichtbaren Bereich bzw. den nahen
Infrarotbereich mit abdecken sollte, um somit auch die Emissionsspektren
der typischen Abgasbestandteile mit detektieren zu können.
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In
den 3a bis 3d sind
vier verschiedene Verläufe
der Strahlungsintensität – ungefiltert gemessen
im gesamten Wellenlängenbereich
zwischen ca. 200 nm und 800 nm – dargestellt.
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Die
Kurve gemäß 3a zeigt
einen typischen Verlauf zwischen 170°KW und 230°KW bei einem Luftverhältnis von λ ~ 1. Bei
etwa 175°KW
ist ein vom Zündfunken
der Zündkerze verursachter
Zündpeak 22 sichtbar,
der isoliert angeordnet ist und von einem Intervall ohne Emission
im Bereich der Messsonde gefolgt wird.
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Die
Kurve weist ein erstes lokales Maximum 18, bedingt durch
die chemische Umsetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs und die damit
in Verbindung stehende Emission freier OH-Radikale, ein sich daran anschließendes lokales
Minimum 19 und einen zwischen diesen Extrempunkten gelegenen
Wendepunkt 20 auf. Das lokale Minimum 19 stellt
den Zeitpunkt dar, an dem die Flammenfront den Beobachtungskegel
verlässt.
In Folge der hohen Abgastemperatur im Bereich kurz nach Durchlaufen
des oberen Totpunkts des Kolbens (180°KW) kommt es bei der Intensitätskurve
des Strahlungssignals zu dem absoluten Maximum 21 bei etwa
205°KW.
Druck- und Temperatur sind hier gleichfalls maximal. Der weitere Verlauf
der Intensitätskurve
ist gekennzeichnet durch einen raschen Abfall im Bereich der Expansionsphase.
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In 3b ist
ein Verlauf gezeigt, bei dem das ”lokale” Maximum 18 einen
höheren
Intensitätswert besitzt
als das ”absolute” Maximum 21.
Dies liegt darin begründet,
dass der beobachtete Motor während der
Aufzeichnung des Intensitätssignals
gemäß 3b lediglich
im Teillastbereich betrieben wurde, wohingegen die Darstellung gemäß 3a im
Quasi-Volllastbetrieb
aufgezeichnet wurde. Der typische Verlauf mit lokalem Maximum 18,
lokalem Minimum 19 und dazwischen befindlichen Wendepunkten 20 und 24 ist
jedoch auch beim Signal gemäß 3b vorhanden,
so dass von diesem Signal gleichfalls auf das lokale Luftverhältnis geschlossen
werden kann, das in diesem Fall bei λ ~ 1 liegt. Es kann auch vorkommen,
dass lokales Maximum 18, Wendepunkt 20 und lokales
Minimum 19 zu einem Sattelpunkt (mit waagerechter Tangente)
zusammenfallen. Auch in diesem Fall verlässt die Flammenfront den Beobachtungsbereich
zu diesem Zeitpunkt.
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Ein
Luftverhältnis
außerhalb
der Zündgrenzen
wird hingegen durch das Diagramm gemäß 3c angezeigt.
Hierbei liegt im ”Flammenfront-Fenster” zwischen
etwa 165°KW
und 185°KW ein
hochfrequentes Oszillieren des Intensitätssignals mit großer Amplitude
vor. Dieser Signalverlauf lässt sich
mit einem ”Flackern” der Flammenfront,
d. h. einem wechselnden Erlöschen
und Wieder-Aufflammen erklären.
Hier liegt nicht der für
eine Verbrennung mit optimalem Luftverhältnis typische Verlauf mit
einem lokalen Maximum 18 und einem lokalen Minimum 19 vor.
Der in 3c sehr flache Verlauf im Anschluss
an das ”Flammen front-Fenster” erklärt sich
mit einer unzureichenden Verbrennung und somit einer nur geringen
Erhitzung, d. h. auch Emission, der Abgasbestandteile.
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Schließlich zeigt 3d noch
einen Verlauf des Signals bei klopfender Verbrennung, die sich in hochfrequenten
Schwingungen (analog zu den Druckschwingungen im Brennraum) im Bereich
der Expansionsphase, d. h. bei abfallender Intensitätskurve
nach Durchlaufen des absoluten Maximums 21, äußert. Das
lokale Maximum 18 und das dicht dahinter liegende lokale
Minimum 19 im Bereich des ”Flammenfront-Fensters” sind hier
lediglich schwach ausgeprägt.
Die Existenz dieser beiden regulären Punkte
lässt jedoch
den Rückschluss
zu, dass das Luftverhältnis
innerhalb der Zündgrenzen
liegt.
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4 zeigt
die Verläufe
der Strahlungsintensitätssignale über dem
Kurbelwinkel bei einer Drehzahl von 6000 Umdrehungen pro Minute
(U/Min) für sechs
verschiedene Werte des Luftverhältnisses λ bei einem
direkteinspritzenden Ottomotor. Die flachste Kurve A liegt bei einem
Luftverhältnis
von λ ~
1,05 vor, was aus der in diesem Fall langsameren Umsetzung (verglichen
mit ”fetteren” Betriebspunkten)
resultiert. Bei abnehmenden λ-Werten,
d. h. zunehmend fetteren Gemischen, ist ein zunehmend steilerer
Kurvenverlauf festzustellen (Kurven B bis E). Der insgesamt steilste
Verlauf, d. h. die schnellste Umsetzung im Bereich der Flammenfront,
liegt bei einem Luftverhältnis
von λ ~
0,85 vor (die im Diagramm am weitesten links liegende Kurve E).
Bei weiterer Anfettung des Gemischs nimmt die Steilheit der Kurve – zumindest
mit fortschreitender Zeit im Beobachtungsintervall – wieder
ab. So zeichnet sich die Kurve F für λ ~ 0,8 zwar durch einen Anstieg
aus, der fast so steil wie bei der Kurve E für λ ~ 0,85 ist. Der jedoch später weniger
steile Verlauf bei der Kurve F mit λ ~ 0,8 ab einem Kurbelwinkelbereich
von etwa 162° signalisiert
somit, dass die Umsetzungsrate aufgrund des das Optimum in Richtung ”zu fett” verlassenden λ-Wertes wieder
abnimmt. Dies könnte
durch eine erhöhte
Verdampfungsenthalpie, die zu einem Herabsetzen der lokalen Temperatur
führt und
damit auch zu einem Abfall oder Strahlungsintensität, erklärt werden.
Im Kurbelwinkelbereich über
ca. 167°KW liegt
die Kurve F für λ ~ 0,8 sogar
unterhalb der Kurven D und C für λ ~ 0,9 sowie λ ~ 0,95.
Der vorliegende Motor reagiert somit auf eine Überfettung des Gemischs mit
relativ deutlichem Abfall in der Steilheit der Intensitätskurve
des Strahlungssignals bzw. dessen lokalen Maximums im Bereich zwischen
160° und
190°KW.
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Die
in den 3a bis 3d und 4 dargestellten
Verläufe
der Intensitätssignale
ergeben sich für
jeweils einen Motor mit im Brennraum weitgehend homogenem Gemisch.
Sofern ein Mo tor im Schichtladebetrieb betrieben wird, ergeben sich
abweichende Kurven, die jedoch gleichfalls eine Korrelation zwischen
den Intensitätskurven/Verläufen und dem
lokalen λ-Wert zulassen.
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Nicht
gezeigt in den Figuren ist eine bei der verwendeten Messapparatur
gleichfalls vorhandene und aus den Stand der Technik bekannte Auswerteeinrichtung,
die nach vorheriger Kalibrierung anhand der ermittelten Strahlungsintensitätsverläufe im Ergebnis
eine Aussage (quantitativ oder qualitativ) über das am Beobachtungsort
vorliegende lokale Luftverhältnis
trifft.
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- 1
- Zündkerze
- 2
- Zündkerzenkörper
- 3
- Randbereich
- 4
- Isolierbereich
- 5
- Mittenelektrode
- 6
- Masseelektrode
- 7
- Ende
- 8
- Stirnfläche
- 9
- Zentrum
- 10
- Kreisbogen
- 11
- Sonde
- 12
- Abschnitt
- 13
- Abschnitt
- 14
- Strahlungsleiter
- 15
- Saphir
- 16
- Blende
- 17
- Beobachtungskegel
- 18
- lokales
Maximum
- 19
- lokales
Minimum
- 20
- Wendepunkt
- 21
- absolutes
Maximum
- 22
- Zündpeak
- 23
- Flammenfront-Fenster