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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung der Gemischbildung und/oder Verbrennung in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
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Aus der
DE 198 09 792 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Emission und/oder Absorption eines heißen Gases in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein Lichtstrahl aus einer Lichtquelle wird dort durch ein Fenster an einer Seite in den Brennraum eingestrahlt und an der gegenüberliegenden Seite wieder aus dem Brennraum ausgekoppelt, um ihn einem mit einer Mess- und Auswerteeinheit verbundenen optischen Empfänger zuzuführen.
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Darüber hinaus ist zur Untersuchung der Gemischbildung in Zylindern von Brennkraftmaschinen eine ganze Reihe von weiteren Verfahren bekannt, mit denen sich qualitative Erkenntnisse über den Vorgang der Gemischbildung gewinnen lassen, unter anderem zum Beispiel LIF (Laser Induzierte Fluoreszenz), PIV (Particle Image Velocimetry), LII (Laser Induced Incandescence) und Mie-Lichtstreuung an Flüssigkeitspartikeln.
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Viele dieser Verfahren werden mit Hilfe eines sogenannten Transparent- oder Forschungsmotors durchgeführt, nämlich einer Einzylinder-Brennkraftmaschine, bei der das Fenster von einem zwischen das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf eingesetzten Glasring gebildet wird. Der Glasring liefert um einen Großteil des Zylinders herum einen optischen Zugang zum Brennraum und gestattet dadurch eine gute Vermessung und Visualisierung der bei der Gemischbildung und Verbrennung des Gemischs im Brennraum ablaufenden Vorgänge.
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Wenn die genannten Verfahren eingesetzt werden, um den Vorgang der Gemischbildung unmittelbar nach einem Kaltstart zu untersuchen, kommt es in der Regel jedoch bereits nach kurzer Zeit zu einer Verschmutzung des Glasrings, die zumindest bei einem Teil der genannten Verfahren die Messergebnisse beeinträchtigen kann, was die Gewinnung von Informationen über die Gemischbildung in diesem Zeitraum erschwert.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen man komplexe transiente Vorgänge, wie zum Beispiel einen Kaltstart hinsichtlich der Gemischbildungsqualität, quantifizierend bewerten kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Verunreinigung eines Fensters im Zylinder während eines befeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine ausgewertet, vorzugsweise indem die Abnahme der vom Detektor erfassten Lichtintensität (Helligkeit) oder Strahlungsdichte ermittelt wird, die aus einer Verunreinigung des Fensters während eines befeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine resultiert. An Stelle der augenblicklichen Lichtintensität (Helligkeit) oder Strahlungsdichte kann auch eine Licht- oder Strahlungsmenge ermittelt werden, d. h. das Integral der Lichtintensität oder Strahlungsdichte über einen vorbestimmten Zeitraum.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die für andere Verfahren unerwünschte Verunreinigung des Fensters zu nutzen, um daraus Informationen über den Verbrennungs- und Gemischbildungsvorgang abzuleiten.
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Dabei verwendet man vorzugsweise spezielle Prüf- oder Modellkraftstoffe mit definierten Eigenschaften, die einen hohen Grad an Reproduzierbarkeit der Verunreinigung gewährleisten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine zeitabhängige Abnahme der Lichtintensität oder Strahlungsdichte während des befeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine und daraus die zeitabhängige Zunahme der Verunreinigung des Fensters zu ermitteln. Dies wiederum gestattet es, Rückschlüsse auf den Verlauf der Verbrennung und damit auf den Vorgang der Gemischbildung während des Verlaufs der Messung oder Untersuchung zu treffen.
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Weiter ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, einerseits durch eine örtlich aufgelöste Erfassung des durch den Brennraum und das Fenster hindurch getretenen Lichts und andererseits durch unterschiedliche Ausrichtungen der Lichtquelle und des Detektors die Abnahme der Lichtintensität, Lichtmenge oder Strahlungsdichte während des befeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine ortsabhängig zu ermitteln. Unter Zugrundelegung einer Beziehung zwischen der Stärke der Verunreinigung des Fensters und der daraus resultierenden Abnahme der Lichtintensität, Lichtmenge oder Strahlungsdichte können dann wiederum Rückschlüsse auf die Güte der Verbrennung in Abhängigkeit von der Position innerhalb des Brennraums bzw. entlang des Fensters und damit Erkenntnisse über die räumliche Qualität der Gemischbildung während der Messung oder Untersuchung gewonnen werden.
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Dort, wo gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein großes Fenster verwendet wird, wie ein den Brennraum umgebender Glasring, wird die Abnahme der vom Detektor erfassten Lichtintensität, Lichtmenge oder Strahlungsdichte bevorzugt für verschiedene über das Fenster verteilte Messorte ermittelt, um die örtliche Verteilung der Verunreinigungen entlang des Fensters zu ermitteln. Dies kann einerseits durch Auswertung von verschiedenen Teilen eines Erfassungsbereichs des Detektors oder andererseits durch Verlagerung des Erfassungsbereichs des Detektors zwischen den verschiedenen Messorten erfolgen. Dort, wo als Fenster ein Glasring verwendet wird, erfolgt die Verlagerung des Erfassungsbereichs vorzugsweise dadurch, dass der Detektor und die Lichtquelle in Bezug zum Zylinder um dessen Längsachse gedreht werden, um die Abnahme der Lichtintensität, Lichtmenge oder Strahlungsdichte für verschiedene Umfangsabschnitte des Glasrings zu ermitteln.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zweckmäßig vor ihrem Einsatz kalibriert, indem die Beziehung zwischen der Abnahme der vom Detektor erfassten Lichtintensität, Lichtmenge oder Strahlungsdichte und dem Maß einer Verunreinigung des Fensters ermittelt wird.
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Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine Konstantlichtquelle, die Licht mit einer konstanten Lichtintensität oder Helligkeit und mit einer definierten Wellenlänge emittiert, zum Beispiel ein LED-Leuchtfeld.
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Der Detektor zur Ermittlung der Abnahme der Lichtintensität, Lichtmenge oder Strahlungsdichte ist bevorzugt eine CCD-Kamera, deren CCD-Sensor für jeden Bildpunkt ein zur eingestrahlten Lichtintensität oder Strahlungsdichte proportionales elektrisches Signal abgibt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Oberseitenansicht einer Vorrichtung zur Untersuchung der Gemischbildung in einem Brennraum eines mit einem Glasring ausgestatteten Zylinders einer Brennkraftmaschine;
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2 eine Darstellung der von einem Detektor der Vorrichtung gemessenen Lichtintensität im Verlauf von 300 Verbrennungszyklen im gefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine;
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3 eine Darstellung eines Teils des Glasrings, welche die örtliche Verteilung der Verunreinigungen entlang der Wänden des Brennraums zeigt.
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Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung 1 soll dazu beitragen, das Verständnis der Gemischbildung in den Brennräumen von Zylindern von Otto-Brennkraftmaschinen mit Hilfe eines sogenannten Transparentmotors zu verbessern, d. h. eines Einzylinder-Forschungsmotors, dessen in der Zeichnung ebenfalls schematisch dargestellter Zylinder 2 neben beispielhaft dargestellten zylinderspezifischen Merkmalen, wie einer Zündkerze 3, zwei Einlassventilen 4, 5, zwei Auslassventilen 6, 7 und einer zwischen den Einlassventilen 4, 5 angeordneten, in Richtung der Zündkerze 3 weisenden Einspritzdüse 8 einen optischen Zugang zum Brennraum 9 aufweist. Dieser optische Zugang besitzt die Form eines Glasrings 10, der eine Umfangswand des Brennraums 9 bildet und in ein Zwischengehäuse 11 zwischen einem Zylinderkurbelgehäuse und einen Zylinderkopf (nicht dargestellt) des Transparentmotors eingesetzt ist.
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Ein solcher Glasring 10 wird bereits in Verbindung mit bekannten optischen Verfahren, wie beispielsweise den eingangs genannten LIF-, PIV-, LII-Verfahren und/oder der Messung der Mie-Streuung verwendet, um den Vorgang der Gemischbildung im Brennraum 9 detailliert zu vermessen bzw. zu visualisieren. Das Zwischengehäuse 11 bildet die Verbindung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderkurbelgehäuse des Transparentmotors und stützt den Glasring 10 von außen her ab, um ein Bersten des Glasrings 10 infolge der bei der Verbrennung im Brennraum 9 auftretenden Spitzendrücke zu verhindern. Dazu weist das Zwischengehäuse 11 vier in gleichen Winkelabständen um den Glasring 10 herum angeordnete, im Querschnitt allgemein quadratische Stützen 12 mit jeweils einer gegen den äußeren Umfang des Glasrings 10 anliegenden konkav gerundeten Ecke auf. Zwischen den benachbarten Stützen 12 liegt der Glasring 10 über einen Winkel von etwa 50 Grad frei und gestattet dort einen Eintritt von Licht in den Brennraum 9 sowie einen Austritt von Licht aus dem Brennraum 9.
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Neben dem zylindrischen Glasring 10 umfasst die Vorrichtung 1 eine Konstantlichtquelle in Form eines ebenen, parallel zur Zylinderlängsachse ausgerichteten LED-Leuchtfeldes 13, das Streulicht mit einer definierten Wellenlänge und einer konstanten Helligkeit oder Lichtintensität abstrahlt, eine CCD-Kamera 14, die geeignet ist, die Lichtintensität oder Helligkeit des vom Leuchtfeld 13 abgestrahlten Lichts mit hoher Genauigkeit bzw. Auflösung zu erfassen, sowie einen Rechner 18 oder eine andere Auswertungseinrichtung zur Auswertung der Signale der CCD-Kamera.
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Das Leuchtfeld 13 und die CCD-Kamera 14 sind auf entgegengesetzten Seiten des Zylinders 2 angeordnet und in Bezug zum Zylinder 2 um dessen Längsachse drehbar. Auf diese Weise kann die CCD-Kamera 14 wahlweise gegenüber von jeder Lücke zwischen zwei benachbarten Stützen 12 des Zwischengehäuses 11 positioniert werden, wobei das vom Leuchtfeld 13 emittierte Licht in einem in 1 durch unterbrochene Linien angezeigten Erfassungsbereich 15 der CCD-Kamera 14 durch zwei gegenüberliegende Abschnitte des Glasrings 10 und den Brennraum 9 hindurch in die dem Zylinder 2 zugewandte Optik der CCD-Kamera 14 einfällt.
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Im Betrieb des Transparentmotors muss der Glasring 10 von Zeit zu Zeit gereinigt werden, da sich infolge einer nicht optimalen Gemischbildung im Brennraum 9 und einer daraus resultierenden unvollständigen Verbrennung des Gemischs Kondensat, Teer, Ruß oder andere nicht-gasförmige Verbrennungsprodukte auf der Innenseite des Glasrings 10 niederschlagen können.
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Das Auftreten derartiger Verunreinigungen wird besonders dann beobachtet, wenn der Transparentmotor eingesetzt wird, um die Gemischbildung im Brennraum 9 unmittelbar nach einen Kaltstart zu untersuchen, weil in diesem Fall die niedrige Temperatur der Zylinderwand bzw. des Glasrings 10 einen Niederschlag von Kondensat begünstigt.
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Während derartige Verunreinigungen des Glasrings 10 bisher zumeist als Störgrößen angesehen wurden, da sie zumindest bei einem Teil der zuvor genannten Verfahren die Messgenauigkeit beeinträchtigen können, wurde nunmehr erkannt, dass die Verunreinigungen mit Vorteil zur Untersuchung der Gemischbildung genutzt werden können. Da das Auftreten von Verunreinigungen vor allem während der Zeiträume und in der Nähe der Orte beobachtet wird, in bzw. an denen es nicht zu einer optimalen Gemischbildung und damit zu einer unvollständigen oder nicht-rückstandsfreien Verbrennung kommt, lassen sich nämlich umgekehrt aus den Verunreinigungen Aussagen über diese Zeiträume und/oder Orte im Brennraum 9 ableiten. Mit anderen Worten wurde überraschend festgestellt, dass das Maß der Verunreinigung des Glasrings 10, insbesondere bei Untersuchungen der Verbrennung nach einem Kaltstart, ein Kriterium für die Güte der Gemischbildung darstellt, das anders als die zuvor genannten bekannten optischen Verfahren sogar quantitative Aussagen gestattet.
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Um Aussagen über die Güte der Gemischbildung zu verschiedenen Zeitpunkten nach einem Kaltstart des Transparentmotors und in verschiedenen Bereichen des Brennraums 9 zu treffen, wird daher über eine vorbestimmte Anzahl von 4-Takt-Zyklen des Transparentmotors nach dem Kaltstart das jeweilige Ausmaß der Verunreinigung des Glasrings 10 an verschiedenen über den Glasring 10 verteilten Messorten ermittelt.
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Wie nachfolgend beispielhaft für einen Umfangsabschnitt des Glasrings 10 beschrieben wird, wird dazu der Glasring 10 vor Beginn der Untersuchung sorgfältig gereinigt, bevor er zusammen mit dem Zwischengehäuse 11 zwischen den Zylinderkopf und das Zylinderkurbelgehäuse des Transparentmotors eingesetzt wird. Zur Untersuchung der Gemischbildung im Bereich zwischen einem Einlassventil 5 und einem benachbarten Auslassventil 7 werden zuerst das Leuchtfeld 13 und die CCD-Kamera 14 in die in 1 dargestellte Ausrichtung gebracht und eingeschaltet, bevor anschließend der Transparentmotor durch Anschleppen gestartet und dann im laufenden befeuerten Betrieb über 300 4-Takt-Zyklen betrieben wird. Während der gesamten Zeit wird von der CCD-Kamera 14 bei unverändertem Erfassungsbereich 15 die Lichtintensität des vom Leuchtfeld 13 emittierten und durch zwei diametral gegenüberliegende Abschnitte des Glasrings 10 und den Brennraum 9 hindurch in die Optik der Kamera 14 einfallenden Lichts erfasst und aufgezeichnet, wie in 2 dargestellt.
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Wie man der in 2 dargestellten Helligkeitskurve entnehmen kann, nimmt die von der CCD-Kamera 14 erfasste Lichtintensität während des Anschleppens und während des befeuerten Betriebs infolge einer zunehmenden Verunreinigung der vom Licht durchstrahlten Abschnitte des Glasrings 10 allmählich bis auf weniger als die Hälfte der ursprünglichen Lichtintensität bei sauberem Glasring 10 ab. Die Abnahme der erfassten Lichtintensität ist während des Anschleppens und zu Beginn des befeuerten Betriebs am größten und wird dann mit der Zeit geringer, was man aus der flacher werdenden Steigung der Helligkeitskurve in 2 entnehmen kann.
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Die Abnahme der von der CCD-Kamera 14 erfassten Lichtintensität pro Zeiteinheit oder Zyklus, d. h. die Strahlungsdichte, steht in einer festen Beziehung zur Stärke der Verunreinigung des Glasrings 10 in den vom Licht durchstrahlten Abschnitten. Diese Beziehung wird durch eine dem Einsatz der Vorrichtung 1 vorangehende Kalibrierung ermittelt, bei der für jeden Grad der Verunreinigung des Glasrings 10 die zugehörige, vom Glasring 10 in einem definierten Zeitraum durchgelassene Lichtmenge bestimmt wird.
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3 zeigt ein Bild der Verunreinigungen, die sich nach 300 Zyklen in einem Winkelbereich von etwa 50 Grad zwischen zwei benachbarten Stützen 12 des Zwischengehäuses 11 auf der Innenseite des Glasrings 10 niedergeschlagen haben, wobei die Verunreinigungen auf einer Abwicklung des Glasrings 10 dargestellt sind. Wie man 3 entnehmen kann, ist die Verteilung der Verunreinigungen auf dem Glasring 10 um dessen Umfang herum ungleichmäßig, wobei einige Bereiche sehr stark verunreinigt sind, wie zum Beispiel der Bereich 16, während andere Bereiche nur wenig Verunreinigungen aufweisen, wie zum Beispiel der Bereich 17. Da die in 3 dargestellten Verunreinigungen zu einer unterschiedlich starken Abnahme der von der CCD-Kamera 14 erfassten Lichtintensität oder Strahlungsdichte führen, können sie in Kenntnis der bei der Kalibrierung ermittelten Beziehung zwischen der Stärke der Verunreinigungen und der Abnahme der Lichtintensität oder Strahlungsdichte aus der letzteren abgeleitet werden. Aus der örtlichen Verteilung der Verunreinigungen können dann wiederum Rückschlüsse auf die Güte der Gemischbildung in benachbarten Bereichen des Brennraums 9 gezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Untersuchung der Gemischbildung
- 2
- Zylinder
- 3
- Zündkerze
- 4
- Einlassventil
- 5
- Einlassventil
- 6
- Auslassventil
- 7
- Auslassventil
- 8
- Einspritzdüse
- 9
- Brennraum
- 10
- Glasring
- 11
- Zwischengehäuse
- 12
- Stützen
- 13
- LED-Leuchtfeld
- 14
- CCD-Kamera
- 15
- Erfassungsbereich CCD-Kamera
- 16
- stark verschmutzter Bereich
- 17
- wenig verschmutzter Bereich
- 18
- Rechner
