DE19952240A1 - Verbrennungsmeßstand und Verfahren zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmeßstand und ein Verfahren zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen an Verbrennungskraftmaschinen mit einem einsehbaren Brennraum einer Brennkammer, die mit einer Einspritzdüse für druckbeaufschlagten Kraftstoff und mit einem Hubkolben versehen ist, mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zum chronologisch optischen Erfassen eines Verbrennungsvorganges sowie mit einer Beleuchtungseinrichtung für den Brennraum. Sie löst die Aufgabe, einen derartigen Verbrennungsmeßstand so zu gestalten, daß die zu untersuchenden Verbrennungsvorgänge weitestgehend störungsfrei ablaufen und mit hoher Geschwindigkeit erfaßt und vereinfacht dargestellt werden können. Dazu ist zum Erfassen des Verbrennungsvorganges eine mit einer Signalsteuereinheit (S) eines Rechners und synchron zu einer vorbestimmten Größe eines Motorparameters eines Zyklus ansteuerbare hochauflösende Kamera (6) eingesetzt, deren Bilder digitalisiert und in einer Meßwerterfassungseinheit (M1) abrufbar ablegbar sind, wobei die Kamera (6) mit einem Endoskop (7) gekoppelt ist, mit dem über eine Bohrung oder ein Brennkammerfenster der optische Zugang zum Brennraum (2) ermöglicht ist. Das Verfahren wird so durchgeführt, daß das Ansteuersignal nach jeder Einzelaufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall weitergeschoben wird und die Kamera (6) und das Endoskop (7) für die nächste Aufnahme ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmeßstand und ein Verfahren zur Untersuchung von periodisch ablaufenden Verbrennungsvorgängen in Verbrennungsmotoren.

Ein Verbrennungsmeßstand dient der Untersuchung von Verbrennungsvorgängen unter reproduzierbaren Umgebungsbedingungen im Zusammenhang mit Einspritzausrüstungen und den durch diese mitbestimmten Einspritzabläufen. Die gewonnenen Ergebnisse bezüglich Strömungsverhalten, Strahlausbreitung und Verbrennungsablauf helfen beim Verständnis der innermotorischen Vorgänge und somit bei der Entwicklung moderner Brennverfahren.

Bekannt ist ein Verbrennungsmeßstand der Fa. AVL LIST GmbH, Graz, AT, der zur stroboskopischen Beobachtung periodisch ablaufender Vorgänge an Verbrennungsmotoren dient, z. B. zur Beobachtung der mechanischen Bewegungen von Motorkomponenten, wie Ventilen, Kolben, Drosselklappen, Kipphebeln u. ä., zur Beobachtung von Kraftstoffeinspritzungen, oder auch zur Beobachtung von Verbrennungsvorgängen im Motor. Dabei werden eine digitale CCD-Farbkamera, deren Bilder direkt an einen PC übertragen werden, und ein oder mehrere Endoskope eingesetzt, mit dem der optische Zugang zu den inneren Bereichen des Motors, wie Zylinderkopf, Brennkammer oder Saugrohr, über eine einzige Bohrung oder ein Brennraumfenster ermöglicht wird, ohne daß die Vorgänge im Motor wesentlich beeinflußt werden. Das jeweilige Endoskop wird so angeordnet, daß ein möglichst optimaler Blickwinkel gegeben ist. Beim Einsatz in Temperaturbereichen von über 100°C werden Endoskope mit einem integrierten Kühlsystem verwendet. Diese sind nicht mit einem integrierten Lichtleiter ausgestattet und erfordern daher eine separate Lichtzuführung zum Untersuchungs-/Meßobjekt über temperaturfeste Brennraumlichtleiter.

Nachteilig ist, daß die Aufnahmefrequenz der CCD-Kamera nur max. 10 Hz beträgt und bei langen Belichtungszeiten ungleichmäßig ist. Die kürzeste Kameraverschlußzeit beträgt 1/16.000 s, so daß insgesamt der Zeitaufwand für eine Messung sehr groß ist. Aufnahmen aufeinanderfolgender Ereignisse sowie Zyklusuntersuchungen, bei denen von Zyklus zu Zyklus jeweils zum gleichen Zykluszeitpunkt eine Aufnahme gemacht wird, sind nicht möglich, da der Zeitpunkt der Aufnahme im nachfolgenden Zyklus nicht definiert ist. Somit sind auch keine kontinuierlichen Zyklusschwankungsuntersuchungen möglich.

Bekannt ist des weiteren ein Druckkammerprüfstand mit einer mit mehreren großflächigen Quarzglasfenstern versehenen und durch diese von außen einsehbaren Druckkammer, mit einer ansteuerbaren Hochgeschwindigkeitskamera und einer Beleuchtungseinrichtung. Die Druckkammer weist eine austauschbare Einspritzdüse zum Einspritzen druckbeaufschlagten Kraftstoffes auf und ist zur Versorgung mit konditionierter Druckluft mit einem Kompressor und einer Heizungseinrichtung gekoppelt. Mit der Hochgeschwindigkeitskamera läßt sich ein Einspritzablauf oder auch ein Verbrennungsvorgang verfolgen, wobei diese Vorgänge bei einer Einspritzdauer von etwa 1 ms bei einer Bildfrequenz der Kamera von 7000 Bildern/s mit sieben Bildern aufgelöst werden. Mit diesem Verfahren und dieser Auflösung sind die zeitkritischen Phasen während einer Einspritzung oder Verbrennung jedoch nur unzureichend darstellbar und auch nur aufwendig reproduzierbar. Auch ist die zeitliche Zuordnung der Filmaufnahmen zum Vorgang nur bedingt möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmeßstand, insbesondere mit einem optisch zugänglichen Verbrennungsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 so zu gestalten, daß die zu untersuchenden Verbrennungsvorgänge weitestgehend störungsfrei ablaufen und mit hoher Geschwindigkeit erfaßt und vereinfacht dargestellt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verbrennungsmeßstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 jeweils durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Verbrennungsmeßstand zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen in Verbrennungskraftmaschinen mit einer einsehbaren und mit einem Hubkolben versehenen Brennkammer und mit einer Beleuchtungseinrichtung für diese zum Erfassen des Verbrennungsvorganges eine mit einer Signalsteuereinheit eines Rechners und synchron zu einer vorbestimmten Größe eines Motorparameters eines Zyklus ansteuerbare hochauflösende Kamera, insbesondere eine Kurzzeit-CCD- Kamera eingesetzt ist, deren Bilder digitalisiert und in einer Meßwerterfassungseinheit abrufbar ablegbar sind, wobei die Kamera mit einem Endoskop gekoppelt ist, mit dem über eine Bohrung oder ein Brennkammerfenster der optische Zugang zum Brennraum ermöglicht ist. Diese Kamera kann mit Verschlußzeiten bis zu 1/800.000 s arbeiten. Die im Arbeitsspeicher abgelegten Bilder sind durchnumeriert und lassen sich auf der Festplatte des Rechners (Datensicherungseinheit) speichern, von wo sie abgerufen und in jede Dokumentation eingebunden werden können. Anhand eines vorgewählten Zeitintervalls zur Kameraansteuerung unter Einbeziehung oder ausgehend von einer Kameraansteuerung bei einer vorbestimmten Größe des gewählten Motorparameters in einem Zyklus, z. B. dem Kurbelwinkel bei Einspritzbeginn, und der zugeordneten Bildnummern, steht die genaue Aufnahmezeit eines jeden Einzelbildes beim Verbrennungsablauf von Beginn des Triggervorganges an fest. Die Kamera wird bei Erreichen der vorbestimmten Größe des Motorparameters in dem und einem weiteren nachfolgenden Zyklus wieder angesteuert, also beispielsweise stets bei einem Kurbelwinkel von 60 Grad vor dem oberen Totpunkt. Auch können innerhalb eines Zyklus Aufnahmen in einem vorbestimmten Kurbelwinkel-Abstand gemacht werden, beispielsweise alle 2 Grad. Die Bilder der Zyklen können miteinander verglichen werden, da die Aufnahmezeit einer nachfolgenden Aufnahme genau definiert ist. Durch die vorbestimmte Basis der Kameraansteuerung (Größe eines Motorparameters) kann stets ein Zusammenhang zwischen einem Bild und dieser Größe, z. B. eben einem Kurbelwinkel, hergestellt werden. Durch Veränderung der Basis zur Kameraansteuerung, also der vorbestimmten Größe eines gewählten Motorparameters in einem Zyklus, kann somit auch der Einfluß einer derartigen Veränderung auf den Verbrennungsvorgang ermittelt werden. Ausgewählte Bereiche eines Verbrennungsvorganges oder auch Einzelbilder können besonders aussagekräftig gefiltert, vergrößert kommentiert und als Ausdruck auf Papier und/ oder Folie zur Verfügung gestellt werden, wobei die Versuchsdaten, wie Ansteuerdauer, Ansteuerstrom, Spannung und Kraftstoffdruck über beispielsweise Digital-Speicheroszilloskopkarten ebenfalls aufgezeichnet und als Versuchsprotokoll mitgeliefert werden können. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Auswirkungen veränderter Brennkammerparameter in einem parallel laufenden Einzelablauf als Hardcopy und/oder als Video auszugeben.

Durch die Kopplung eines Endoskops mit der Kamera und die Anordnung der Endoskopspitze in einer Bohrung in der Brennkammerwand oder an einem Brennkammerfenster, das im wesentlichen nur die Größe des Endoskopdurchmessers hat, bleibt die Brennkammerwandung im wesentlichen unberührt, und der Verbrennungsvorgang kann weitestgehend ungestört ablaufen, wobei auch der optische Zugang zum Verbrennungsraum optimiert ist. Eine Abschattung des Gesichtfeldes durch die Bewegung des Hubkolbens ist minimiert. Überdies sind auch die Gefahr einer Zerstörung des Brennkammerfensters durch dessen geringe Ausdehnung und die damit verbundene Gefährdung von Bedienpersonen verringert.

Zur Digitalisierung der Bilder in Echtzeit kann eine schnelle (PCI-Bus) Framegeberkarte verwendet werden. Zur Beleuchtung der innermotorischen Vorgänge kann wenigstens eine synchron mit der Kamera zusätzlich angesteuerte Lichtquelle, vorzugsweise ein Stroboskop verwendet werden, mit der eine Ausleuchtung der Brennkammer verbessert wird wird.

Das wenigstens eine Brennkammerfenster ist in einer Ausnehmung in der Brennkammerwandung brennraumseitig ausgebildet und an den Durchmesser des Endoskops angepaßt. Es besteht aus Quarz- oder Saphirglas. Die Endoskopspitze reicht bis an das Brennkammerfenster in die Ausnehmung hinein. Durch die Anordnung einer Fisheye-Frontlinse am Endoskop kann der Verbrennungsraum optisch weitgehend erfaßt werden. Dabei kann die Ausnehmung auch trichterförmig ausgebildet sein, so daß das Endoskop in seiner Winkelstellung zum Brennkammerfenster veränderbar ist, wodurch die optische Erfassung zusätzlich optimiert wird. Das Brennkammerfenster ist beliebig anordbar, beispielsweise an der Seitenwandung der Brennkammer in Höhe der Einspritzdüse, je nach dem welcher Bereich der verbrennenden Kraftstoffwolke von Interesse ist. Es können auch mehrere Endoskope angeordnet werden.

Das Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in einer einsehbaren Brennkammer druckbeaufschlagter Kraftstoff gezündet und verbrannt und der Verbrennungsvorgang mit einer Kamera optisch erfaßt und dargestellt wird, wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß der Verbrennungsvorgang mit einer mit einem Rechner (Signalsteuereinheit) gekoppelten und in Verbindung mit einer vorbestimmbaren Größe eines Motorparameters, z. B. Zündzeitpunkt, Abgasrückführung oder Einspritzbeginn, ansteuerbaren hochauflösenden Kamera mit einem dieser vorgeschalteten Endoskop zur Anordnung in einer Bohrung oder an einem Brennkammerfenster in der Wandung der Brennkammer bei einer synchron angesteuerten Beleuchtung gefilmt und die Bilder in Echtzeit im Arbeitsspeicher des Rechners (Meßwerterfassungseinheit) abgelegt werden. Das Ansteuersignal für die Kamera und die Beleuchtung wird nach jeder Einzelaufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall weitergeschoben und steuert dann die Kamera und die Beleuchtung für die nächste Aufnahme an. Aus dem Arbeitsspeicher sind die abgelegten Bilder in der oben beschriebenen Weise abrufbar. Vorteilhaft kann als Kamera eine Videokamera verwendet werden. Das Verfahren gestattet es auch, aus mehreren Verbrennungsabläufen mit den gleichen Motorparametern einen resultierenden, also gemittelten Verbrennungsvorgang darzustellen. Auch ist die Darstellung von resultierenden Einzelbildern möglich. Kurze Belichtungszeiten erhöhen die Schärfe der aufgenommenen Einspritz- und Verbrennungsmomente. Durch die optische Erfassung des Brennraumes durch ein kleines Brennkammerfenster oder eine Bohrung, im wesentlichen in der Größe eines Endoskopdurchmessers, bleibt die Brennkammerwandung weitgehend unberührt, und der Verbrennungsvorgang kann weitgehend ungestört ablaufen. Auch tritt eine nur geringe Abschattung durch die Kolbenbewegung auf.

Um Aussagen über die Geschwindigkeit des Verbrennungsablaufs zu erhalten, können auch zwei Lichtquellen angeordnet und definiert zeitverzögert angesteuert werden, um zwei aufeinanderfolgende Belichtungen und damit Verbrennungsablaufphasen in einem Bild zu erhalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines Verbrennungsmeßstandes. Dieser weist neben einem Verbrennungsmotor 1 mit einem einsehbaren Brennraum 2, einem Hubkolben 3, einer Einspritzdüse 4 und einer Zündkerze 5 (oder einer Glühkerze), einen Kraftstoffdruckerzeuger K, eine ansteuerbare monochrome CCD-Kamera 6, gekoppelt mit einem gekühlten Endoskop 7, ein an einem Brennraumfenster angeordnetes Stroboskop 8 als zusätzliche Beleuchtungseinrichtung für den Brennraum 2, eine Signalsteuereinheit S, einer mit dieser gekoppelten Endstufensteuerung E für die Einspritzdüse 4, eine Meßwerterfassungseinheit M1 (Arbeitsspeicher des Rechners) zum Ablegen der Bilder, eine Meßwerterfassungseinheit M2 (Festplatte des Rechners) für die jeweiligen Versuchsparameter, wie Ansteuerdauer, Ansteuerstrom, Spannung, Kraftstoffdruck, sowie eine mit den Meßwerterfassungseinheiten M1 und M2 gekoppelte Datensicherungseinheit DS, von der die Bilder abgerufen und in jede Dokumentation (DOK) eingebunden werden können (z. B. Videoband), auf.

Durch das Endoskop 7, das mit seiner Spitze in einer Bohrung in der Motorwandung angeordnet ist, ist der Brennraum 2 einsehbar. Die Bohrung weist im wesentlichen den Durchmesser des Endoskops 7 auf (7 mm). Die Endoskopspitze ist mit einer Fisheye- Linse versehen und befindet sich am Ende der Bohrung an deren Mündung in den Brennraum 2.

Für eine Untersuchung eines Verbrennungsvorganges mit der eingesetzten Einspritzdüse 4 werden Einspritzvorgang ausgelöst und der Kraftstoff gezündet. Dazu wird die Endstufensteuerung E durch ein Ansteuersignal der Signalsteuereinheit S über eine rechnerinterne Phasenschieberkarte angesteuert. Gleichzeitig werden die CCD- Kamera 6 mit dem Endoskop 7 zur Aufnahme und das Stroboskop 8 zur Aussendung eines Lichtblitzes von beispielsweise 1/10.000 s Dauer angesteuert, so daß die erste Kameraaufnahme bereits bei Eintritt des Einspritzstrahles aus der Einspritzdüse 4 gemacht wird. Das Ansteuersignal wird nach der ersten Aufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall - beispielsweise 200 µs - weitergeschoben und steuert die CCD-Kamera 6 mit dem Endoskop 7 und das Stroboskop 8 für die nächste Aufnahme an. Von einer schnellen Framegrabberkarte werden die Bilder in Echtzeit digitalisiert und im Arbeitsspeicher des Rechners (Meßwerterfassungseinheit M1) abgelegt. Auf diese Weise wird der gesamte Verbrennungsvorgang aufgenommen. Die sich bei voller pixel- (Bildpunkt-) Ausnutzung ergebenden bis zu 300 Bilder werden, fortlaufend nummeriert, gespeichert und sind somit zeitgenau ab dem Ansteuersignal für die Einspritzdüse festgehalten.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Verbrennungsmotor

2

Brennraum

3

Hubkolben

4

Einspritzdüse

5

Zündkerze

6

CCD-Kamera

7

Endoskop

8

Stroboskop
DOK Datenentnahme
DS Datensicherungseinheit
E Endstufensteuerung
K Kraftstoffdruckerzeuger
M1 Meßwerterfassungseinheit
M2 Meßwerterfassungseinheit
S Signalsteuereinheit
T Lufterhitzer

Claims (10)

1. Verbrennungsmeßstand zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen an Verbrennungskraftmaschinen mit einem einsehbaren Brennraum einer Brennkammer, die mit einer Einspritzdüse für druckbeaufschlagten Kraftstoff und mit einem Hubkolben versehen ist, und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zum chronologisch optischen Erfassen eines Verbrennungsvorganges sowie mit einer Beleuchtungseinrichtung für den Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Verbrennungsvorganges eine mit einer Signalsteuereinheit (S) eines Rechners und synchron zu einer vorbestimmten Größe eines Motorparameters eines Zyklus ansteuerbare hochauflösende Kamera (6) eingesetzt ist, deren Bilder digitalisiert und in einer Meßwerterlassungseinheit (M1) abrufbar ablegbar sind, wobei die Kamera (6) mit einem Endoskop (7) gekoppelt ist, mit dem über eine Bohrung oder ein Brennkammerfenster der optische Zugang zum Brennraum (2) ermöglicht ist.

2. Verbrennungsmeßstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kamera (6) eine Kurzzeit-CCD-Kamera verwendet wird.

3. Verbrennungsmeßstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Digitalisierung der Bilder in Echtzeit eine Framegrabberkarte verwendet wird.

4. Verbrennungsmeßstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine mit der Kamera (6) zusätzlich angesteuerte Lichtquelle, vorzugsweise ein Stroboskop (8), verwendet wird.

5. Verbrennungsmeßstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkammerfenster in einer Ausnehmung der Brennkammerwandung brennraumseitig ausgebildet und an den Durchmesser des Endoskops angepaßt ist und aus Saphir- oder Quarzglas besteht, und daß die Endoskopspitze in die Ausnehmung hineinreicht.

6. Verbrennungsmeßstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung trichterförmig ausgebildet ist, und daß das Endoskop in seiner Winkelstellung zum Brennkammerfenster veränderbar ist.

7. Verfahren zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen an Verbrennungs­ kraftmotoren mit einer einsehbaren Brennkammer, bei dem in dieser mit einem vorbestimmten Druck eingespritzter Kraftstoff gezündet und der Verbrennungsvorgang mit einer Hochgeschwindigkeitskamera optisch erfaßt und dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsvorgang mit einer mit einem Rechner (Signalsteuereinheit S) gekoppelten und synchron zu einer vorbestimmten Größe eines Motorparameters ansteuerbaren hochauflösenden Kamera mit einem dieser vorgeschalteten Endoskop (7) zur Anordnung in einer Bohrung oder an einem Brennkammerfenster gefilmt und die Bilder digitalisiert und in Echtzeit im Arbeitsspeicher (Meßwerterfassungseinheit M1) des Rechners abrufbar abgelegt werden, wobei das Ansteuersignal nach jeder Einzelaufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall weitergeschoben wird und die Kamera (6) und das Endoskop (7) für die nächste Aufnahme ansteuert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kamera (6) eine Videokamera verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus mehreren Verbrennungsvorgängen unter gleichen Verfahrensparametern ein resultierender Verbrennungsablauf mit resultierenden Einzelbildern darstellbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit sehr kurzer Belichtungszeit aufgenommen wird.