DE19641867A1 - Optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Serien- oder seriennahen Brennkraftma­ schine, mit zumindest einem dem Brennraum zugeordneten opti­ schen Sensor, welcher mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht, und zumindest einem in den Brennraum mündenden Licht­ emitter, wobei Sensorbereich und Emitterbereich sich im Brenn­ raum zumindest teilweise überlappen.

Für die Entwicklung von Verbrennungssystemen in Brennkraftma­ schinen ist die Kenntnis über den zeitlichen und örtlichen Ab­ lauf von Verbrennungsvorgängen von großer Bedeutung. Insbeson­ ders ist es wichtig, die Zusammensetzung und die Temperatur der im Brennraum vorhandenen Gase zu kennen. Die bisher zur Diagnose eingesetzten Methoden lassen sich im wesentlichen in Flammenfotographie (mit Hochgeschwindigkeitsfilmen) und Licht­ leitermeßtechnik an ausgewählten Stellen des Motors einteilen.

Um Flammenfotografie an Motoren einzusetzen, sind entweder relativ große Fenster oder entsprechende Öffnungen zur Ein­ bringung eines Endoskops notwendig. Der Einbau hinreichend großflächiger Fenster ist jedoch praktisch nur an Forschungs­ motoren möglich, welche dann nur in einem sehr eingeschränkten Drehzahl- und Lastbereich betrieben werden können. Weiters wird durch den Einbau von Fenstern das Wärmeleitverhalten von Brennräumen punktuell entscheidend verändert, was die Sinnhaf­ tigkeit solcher Experimente, beispielsweise im Zusammenhang mit Klopfvorgängen, in Frage stellt.

Das größte Problem der Flammenfotografie liegt jedoch darin, mit der nötigen Empfindlichkeit genügend kurz belichtete Auf­ nahmen in großer Zahl aufzuzeichnen. Bei hoher Bildfrequenz hat man dabei immer mit Intensitätsproblemen zu kämpfen.

Im Zusammenhang mit der Lichtleitermeßtechnik ist es bei­ spielsweise aus der EP-A 0 325 917 bekannt geworden, in die Kolbenmulde des Kolbens einer Brennkraftmaschine optische Sen­ soren einzubauen, deren Meßsignal über Lichtleiter und eine Koppelstelle aus dem beweglichen Kolben an den stationären Teil der Verbrennungskraftmaschine weitergegeben wird. Um eine hinreichend aussagekräftige Beobachtung des Verbrennungsvor­ ganges zu ermöglichen, sind eine Vielzahl von Sonden, im dar­ gestellten Beispiel insgesamt 25, über die Kolbenmulde ver­ teilt. Ein derartiges System ist sehr aufwendig und kostspie­ lig und praktisch nur in speziellen Versuchsmotoren anzuwen­ den.

Aus der EP 0 313 884 A2 ist es bekannt, über ein optisches Fenster im Zylinderkopf und einen optischen Sensor die sich bei klopfender Verbrennung ändernde elektromagnetische Strah­ lung zu erfassen und auszuwerten.

Die Herstellung von optischen Fenstern stellt ebenfalls einen groben Eingriff in die Brennraumgeometrie dar und führt zu nachteiliger Beeinflussung des Verbrenungsablaufes.

Um diesen Nachteil zu vermeiden wird in der EP 0 593 413 A1 vorgeschlagen, die optischen Sensoren in einem den Brennraum begrenzenden Dichtelement, beispielsweise einer Zylinderkopf­ dichtung, anzuordnen. Dadurch kann eine eindimensionale oder zweidimensionale Abbildung der Verbrennungsvorgänge durchge­ führt werden. Eine präzise quantitative Messung der Brennraum­ gase während der Verbrennung ist allerdings mit passiven Meß­ methoden, welche nur die bei der Verbrennung entstehende Strahlung erfassen, kaum möglich.

Aus dem Beitrag "Quantitative simultane Messungen des Lambda-Wertes und des Restgasanteiles der Ladung mit laserin­ duzierter Raman-Streuung sowie der flächigen Kraftstoffvertei­ lung mit LIF zur Untersuchung zyklischer Leistungsschwankungen von Otto-Motoren", G. Grünefeld et al., VDI-Reihe 312, Nr. 205, Tagungsband des Wiener Motorensymposiums, 28.-29. April 1994, Seiten 381 bis 394, ist es bekannt, die Emissionsspek­ tren von Brennraumgasen durch Auswertung des Raman-Streulichts zu erfassen. Dabei wird durch ein optisches Fenster Laserlicht in den Brennraum eingebracht und über ein weiteres optisches Fenster einer Auswerteeinheit zugeführt. Eintritts- als auch Austrittsfenster sind in der Zylinderwand vorgesehen, was eine beträchtliche Modifizierung der Brennkraftmaschine erfordert.

Weiters ist es aus dem Beitrag "Computer Optical Tomographie in the Studie of Internal Combustion Engine Soot Concentra­ tion", BARRAG A.E., LAWTON B., 26. Isata-Tagung 1993, Seiten 423 bis 430 bekannt, dem Brennraum über einen optischen Pfad in der Zylinderkopfdichtebene mittels einer 16 Quarzfenster enthaltenden optischen Platte Licht zuzuführen und das um die Rußpartikelabsorption verminderte Licht an einer dem Lichtein­ tritt gegenüberliegenden Stelle über Lichtleiter einer Inten­ sitätsmeßeinrichtung zuzuführen. Eine Messung der Fluoreszen­ zintensität oder der Raman-Streuung ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von bekannten opto­ elektrischen Meßeinrichtungen, ein verbessertes Meßsystem zur quantitativen Messung von gasförmigen und flüssigen Stoffen im Brennraum vorzuschlagen, dessen Anwendung ohne grobe Eingriffe in den Motor bzw. in die Brennraumgeometrie auch in Serienmo­ toren durchgeführt werden kann, wobei insbesondere laserindu­ zierte Fluoreszenz- und Raman-Streuung-Meßmethoden zur Anwen­ dung kommen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtemitter- und Sensorleitungen durch zumindest eine motor­ funktionsbedingte Öffnung, wie Zündkerzen-, Glühstift-, Ein­ spritzventilöffnung, Zylinderkopfdichtspalt od. dgl. in den Brennraum einmünden, wobei Lichtemitter und Sensor in zumin­ dest ein betriebsnotwendiges Bauteil der Brennkraftmaschine, wie Zündkerze, Glühstift, Einspritzventil, Zylinderkopfdich­ tung od. dgl., integriert und so angeordnet sind, daß jeweils ein in den Brennraum eintretender und aus dem Brennraum aus­ tretender Lichtstrahl unterschiedlich orientiert ist, und vor­ zugsweise einen Winkel zwischen 30° und 180° zueinander auf­ weisen. Die unterschiedliche Orientierung des emittierten und registrierten Lichtes ist zur Erfassung des Streulichtanteiles vorteilhaft.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß Sensor und Emitter in demsel­ ben betriebsnotwendigen Bauteil, vorzugsweise der Zylinder­ kopfdichtung oder der Zündkerze, angeordnet sind. In einer sehr kompakten Ausführung kann dabei vorgesehen sein, daß Sen­ sor und Emitter als vorzugsweise achsgleiche Sensor- Emit­ tereinheit ausgebildet sind.

Genauso ist es möglich, daß Sensor und Emitter in verschie­ denen betriebsnotwendigen Bauteilen, vorzugsweise der Zylin­ derkopfdichtung und der Zündkerze, angeordnet sind. Beispiels­ weise kann dabei der Emitter in der Zylinderkopfdichtung und ein oder zwei Sensoren in einer Zündkerze vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß jede Sensor- und/oder Emitterleitung aus mehreren Einzel­ fasern besteht und im Mündungsbereich zum Brennraum zumindest eine mikrooptische Linse aufweist. Dies erlaubt eine hohe Auf­ lösung und damit eine hohe Meßgenauigkeit.

Wird als Lichtemitter eine Weißlichtquelle oder ein Laser ver­ wendet, so können Kraftstofftropfen durch den von diesen er­ zeugten Streulichtanteil festgestellt werden.

Wird als Laser ein UV-Pulslaser verwendet, so kann mittels la­ serinduzierter Fluoreszenzmessung die Kraftstoffkonzentration im Meßbereich zur Zeit des Laserpulses ermittelt werden. Der Sensor erfaßt dabei die rotverschobene Fluoreszenzintensität.

Weiters können bei Verwendung eines UV-Pulslasers die Raman-Linien von Brennraumgasen, wie O₂, N₂, OH, H₂O etc., durch den Sensor empfangen und ausgewertet werden.

Bei Verwendung eines Dauerstrichlasers kann der zeitliche Ver­ lauf der spektralen Intensitäten der Raman-Streuung festge­ stellt werden. Die Intensitätsverhältnisse über der Zeit sind ein Maß für die Änderung der Gaszusammensetzung während des Motorzyklus.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Zylinderachse ge­ mäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsvarianten der Erfin­ dung,

Fig. 5 ein Lichtintensitäts-Kurbelwinkel-Diagramm,

Fig. 6 ein Lichtintensitäts-Brennzyklus-Diagramm,

Fig. 7 ein Lichtintensitäts-Wellenlängen-Diagramm.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße optoelektri­ sche Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum 1 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftma­ schine weist einen oder mehrere optische Sensoren 2 und Licht­ emitter 3 auf, welche in ein betriebsnotwendiges Bauteil der Brennkraftmaschine, wie etwa die Zylinderkopfdichtung 4 inte­ griert sind. Sensorleitungen sind mit 2′, Emitterleitungen mit 3′ bezeichnet. Ein eintretender Lichtstrahl 5 ist gegenüber dem austretenden Lichtstrahl 6 in einem Winkel 7 etwa zwischen 30° und 180° angeordnet, wobei sich der Emitterkegel 5′ und der Sensorkegel 6′ in einem Bereich 8 überschneiden. In den Fig. 1 und 2 liegt dieser Bereich in der Nähe der Zündkerze 9. Mit 10 ist der Zylinderkopf, mit 11 der Motorblock und mit 12 der Kolben bezeichnet.

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwar der Lichtemitter 3 wie in Fig. 1 und 2 in der Zylinderkopfdich­ tung 4 angeordnet, die Sensorelemente 2 sind aber in die Zünd­ kerze 9 integriert. Eine Zündkerze mit integriertem optischem Aufnehmer ist aus der DE 30 01 711 A1, allerdings im Zusammen­ hang mit einer passiven Schwingungserfassung, bekannt.

In einer in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsvariante der Erfindung sind sowohl Sensoren 2 als auch Lichtemitter 3 in die Zündkerze 9 integriert, wobei Sensor 2 und Lichtemit­ ter 3 zu einer achsgleichen Sensor-Emitter-Einheit 13 zusam­ mengefaßt sein können. Wie in den anderen Ausführungsbeispie­ len sind in den Brennraum eintretende und aus diesem austre­ tende Lichtstrahlen unterschiedlich, im gezeigten Fall entge­ gengesetzt, orientiert. Als Lichtquelle für den Lichtemitter 3 kann Weißlicht, ein kontinuierlicher Laser, oder ein Pulslaser verwendet werden.

Je nach Lichtquelle und Art des Lichtemitters bzw. der Senso­ ren kommen folgende Messungen in Frage:

• 1) Detektion von Kraftstofftropfen. Durch Auswertung des an Kraftstofftropfen gestreuten Lichtes, das beispielsweise aus einer Weißlichtquelle oder einem kontinuierlichen Laser stammt und in den Brennraum eingestrahlt wird, können Kraftstofftrop­ fen nachgewiesen werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Die Streu­ lichtintensität I von Kraftstofftropfen macht sich als Inten­ sitätsspitzen 14 gegenüber der Hintergrundstrahlung 15 in einem Streulichtintensität-I-Kurbelwinkel KW-Diagramm be­ merkbar.
• 2) Kraftstoffkonzentrationsmessung: Als Lichtquelle wird ein UV-Pulslaser verwendet. Gemessen wird die vom Laserlicht indu­ zierte Fluoreszenz des Kraftstoffes, wobei die Lichtintensi­ tät I der Indikator für die Kraftstoffkonzentration im Meßbe­ reich zur Zeit des Laserpulses ist. In Fig. 6 ist ein diesbe­ zügliches Lichtintensitäts-I-Zyklus Z-Diagramm aufgetra­ gen.
• 3) Gaszusammensetzungsmessung: Als Lichtquelle dient ein UV-Pulslaser. Von den Sensoren erfaßt werden die Raman-Linien von O₂, N₂, CH, H₂O etc. Fig. 7 zeigt ein Intensi­ täts-I-Wellenlänge-L-Diagramm, in dem verschiedene Lichtin­ tensitäten, I₁, I₂, I₃ über der Wellenlänge L aufgetragen sind. Die Intensitätsverhältnisse von I₁/I₂ etc. sind ein Maß für die Gaszusammensetzung im Meßbereich zum Zeitpunkt des La­ serpulses.
• 4) Erfassung der Gaszusammensetzungsänderung während des Mo­ torzyklus. Dabei wird der zeitliche Verlauf der spektralen Intensitäten I₁(t), In(t) erfaßt. Als Lichtquelle dient ein kontinuierlicher Laser.

Eine präzise quantitative simultane Messung von X-Wert und Restgasanteil der Ladung in seriennahen Otto-Motoren kann mit Hilfe von UV-laserinduzierter Raman-Streuung, eventuell in Verbindung mit empfindlicher Kurzzeitkameratechnik, durchge­ führt werden. Die Raman-Streuung bietet insbesondere den Vor­ teil, daß in Einzelzyklen simultan die Konzentration von Kraftstoff, O₂, N₂ und H₂O im Endgas gemessen werden kann. Daraus kann die Bestimmung des λ-Wertes und des Restgasanteiles mit besonders hoher Präzision erfolgen, da sich diese Größe als Verhältnisse von zwei der angegebenen Konzentrationen er­ geben, was viele sonst üblicherweise bei optischen Verfahren auftretende Fehler eliminiert.

Mit laserinduzierter Fluoreszenz kann die flächige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum des Motors kurbelwinkel- und zy­ klusaufgelöst vermessen werden. Dabei können insbesondere zy­ klusbedingte Schwankungen festgestellt werden.

Claims (9)

1. Optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Ver­ brennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindli­ chen Serien- oder seriennahen Brennkraftmaschine, mit zu­ mindest einem dem Brennraum zugeordneten optischen Sensor, welcher mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht, und zumindest einem in den Brennraum mündenden Lichtemitter, wobei Sensorbereich und Emitterbereich sich im Brennraum zumindest teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor- und Lichtemitterleitungen (2′, 3′) durch zumindest eine motorfunktionsbedingte Öffnung (16a) bzw. Teiletrennfuge (16b), wie Zündkerzen-, Glühstift-, Ein­ spritzventilöffnung, Zylinderkopfdichtspalt in den Brenn­ raum (1) einmünden, wobei Sensor (2) und Lichtemitter (3) in zumindest ein betriebsnotwendiges Bauteil (17) der Brennkraftmaschine, wie Zündkerze (9), Glühstift, Ein­ spritzventil, Zylinderkopfdichtung (4), integriert und so angeordnet sind, daß jeweils ein in den Brennraum (1) ein­ tretender (5) und aus dem Brennraum (1) austretender Lichtstrahl (6) unterschiedlich orientiert sind, und vor­ zugsweise einen Winkel (7) zwischen 30° und 180° zueinander aufweisen.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (2) und Emitter (3) in dem selben betriebsnot­ wendigen Bauteil (17), vorzugsweise der Zylinderkopfdich­ tung (4) oder der Zündkerze (9), angeordnet sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (2) und Emitter (3) als vorzugsweise achsglei­ che Sensor-Emittereinheit (13) ausgebildet sind.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (2) und Emitter (3) in verschiedenen betriebs­ notwendigen Bauteilen, vorzugsweise der Zylinderkopfdich­ tung (4) und der Zündkerze (9), angeordnet sind.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sensor- und/oder Emitterlei­ tung (2′, 3′) aus mehreren Einzelfasern besteht und im Mündungsbereich zum Brennraum (1) zumindest eine mikroop­ tische Linse aufweist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtemitter (3) ein Laseremitter ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseremitter ein UV-Pulslaser ist.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseremitter ein Dauerstrichlaser ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sensor (2) die Streulichtinten­ sität, die rotverschobene Fluoreszenzintensität und/oder die Ramanstreuung von Brennraumgasen erfaßt und einer Aus­ werteeinheit zugeführt werden.