WO1995000833A1 - Characterisation of internal combustion engines by the optical measurement of a plurality of quantities in the combustion chamber - Google Patents

Characterisation of internal combustion engines by the optical measurement of a plurality of quantities in the combustion chamber Download PDF

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WO1995000833A1
WO1995000833A1 PCT/DE1994/000696 DE9400696W WO9500833A1 WO 1995000833 A1 WO1995000833 A1 WO 1995000833A1 DE 9400696 W DE9400696 W DE 9400696W WO 9500833 A1 WO9500833 A1 WO 9500833A1
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raman
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measured
laser
combustion chamber
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PCT/DE1994/000696
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Peter Andresen
Gerd GRÜNEFELD
Volker Beushausen
Werner Hentschel
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Peter Andresen
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Publication date
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    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • GPHYSICS
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    • GPHYSICS
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Definitions

  • the measurements can also be averaged over different cycles. In this case - without knowing the individual fluctuations - it can be determined at which average values of stoichiometry and exhaust gas content the engine works.
  • the influence for example, of the influence of different injection variants, the load or the ignition timing on the gas mixture before ignition and the power output can be determined.
  • the measurement of the amounts of air, fuel and the amount of the remaining exhaust gas fraction is carried out according to the patented method using optical measurement technology.
  • Raman scattering One of the methods is Raman scattering. It is well known that Raman scattering can be used to measure the density of majority species (Eckbreth: Laser Diagnostics for Combustion: Temperature and Species. AEGupta, DG Liley eds. Vol. 7 of Energy and Engineering Sciences, Abacus Press Cambridge, MA 1988). However, due to the relatively weak intensity of the Raman scattering and the simultaneous occurrence of other light phenomena caused by the laser, it is difficult (I) to obtain enough signal to distinguish the small cyclical fluctuations and (II) to distinguish the Raman emission from the other emissions. It is well known that the use of Raman scattering - e.g. in the combustion of hydrocarbons - is significantly restricted in accuracy by these other emissions (see Eckbreth).
  • the background can be determined in an analogous manner - without rotating the electrical vector of the laser light - by analyzing the emission in the direction of observation for polarization components (for example using polarization filters). Again the one delivers
  • the analysis of polarized emissions is important and patent-relevant, since it allows the differentiation of the emissions and thus a selective measurement of the individual gas components in gas mixtures with a complex composition.
  • the high intensity of the Raman scattering is important and relevant to the patent because it makes the measuring precision so high that the cyclical fluctuations in the gas composition that actually occur can be measured.
  • the density of the particles - integrated over locations along the absorption light path - in the combustion chamber is determined by the decrease in the incident light.
  • the "direct" absorption by the naturally present molecules or the absorption by tracer can be used.
  • the water density (for determining the residual gas content) and the fuel density e.g. can be determined via IR absorption.
  • the oxygen content can e.g. can be determined via the absorption in the deep UV (e.g. Schumann Runge bands).
  • Another absorption technique results from the selective addition of substances ("tracers").
  • a tracer e.g. acetone
  • the density of the tracer e.g. the acetone density
  • the fuel density can be determined.
  • other absorbent molecules can be added to the air to measure the air density.
  • the residual gas content in the fresh charge can also be determined by injecting a tracer into the combustion chamber at the time of gas discharge (e.g. in the area of top dead center). The stoichiometry and the residual gas content can in turn be determined from the data on fuel, air and residual gas by forming the ratio.
  • the particle densities can also be determined by adding tracers that can be excited to glow with lasers (laser-induced emissions). So you can add different tracers to the fuel, air and residual gas and select the excitation wavelength of the laser and the emission wavelengths so that one
  • REPLACEMENT LEAF spectral separation of the emissions is possible and thus the components are detected simultaneously.
  • the density of fuel, air and residual gas can then be determined from the intensity of the laser-induced emissions, and the stoichiometry and the residual gas content can be determined by forming the ratio.
  • Pollutants can be determined under which conditions the engine works and whether
  • Power output on the Z-axis shows the dependence of the power output on stoichiometry and the proportion of exhaust gas. This comparison of cause and effect gives a direct one
  • the amount of exhaust gas in the engine combustion chamber from the previous cycle can be determined from the ratio of H2O / N2 (since the amount of water in the air supplied is negligible) or from the ratio O2 N2.
  • the simultaneous, precise acquisition of various measured variables makes it possible to determine causal relationships in individual combustion cycles and thereby characterize the operating conditions of the engine and use the knowledge as a basis for optimization.
  • the simultaneous measurement of the stoichiometry and the proportion of exhaust gas in a certain measurement volume before the ignition simultaneously with the recording of the pressure curve for the current combustion cycle may be mentioned as an example.
  • REPLACEMENT LEAF Measurement makes it possible to link the cause (mixture composition before ignition) with the effect (power output). By simultaneously measuring other variables (e.g. NO density via LIF, temperatures, ...) in the same cycle, further statements about cause and effect can be made. It is also essential for the present invention that the small fluctuations in the mixture composition can be detected precisely enough before ignition.
  • 0.2 lies, i.e. e.g. that with an externally set ⁇ number of 1.0, the measured ⁇ number fluctuates between 0.9 and 1.1.
  • Fig. 2 shows the results of measurements which, in addition to stoichiometry, also show the additional influence of the exhaust gas content. The picture shows the maximum pressure reached as a function of the stoichiometry and the proportion of exhaust gas and is referred to here as a map. Obviously, larger proportions of exhaust gas lead to lower pressures and thus less power output.
  • the map which is here for the way the Mc> works, depends on the way the engine works. It can be used to differentiate between different ways of working.
  • the pressure curve of the previous cycle also provides important information e.g. about the history of gas exchange in the combustion chamber. If e.g. the pressure in the previous cycle was high, you can find it in the following cycle - for a certain operating condition -
  • the measurements can also be averaged over different cycles if the signal in the single shot does not provide enough intensity.
  • the small fluctuations in the stoichiometry and in the exhaust gas are eliminated, so that in a representation as in Fig. 3 the fluctuations become much smaller and reproducible characteristic data are obtained.
  • S is the sensitivity of the measuring system for the detection of particles i. S is in principle to be determined separately for each particle type and each location,
  • REPLACEMENT LEAF is assumed to be constant here for the sake of simplicity. The following applies to the relative measurement of the densities of the particles i, j:
  • the partial densities of fuel, air and water can be determined separately in connection with calibration measurements.
  • the temperature can be determined via combined measurement of the pressure curve and the Rayleigh scatter.
  • FIG. 4 A specific arrangement for measuring is shown in Fig. 4 as one example from many.
  • the intense pulsed UV laser beam (1) is shot through the combustion chamber of an engine.
  • UV-transmitting windows (2) are used in the upper part.
  • part of the intake manifold with the injection valve (5) is also shown in cross section. From a section
  • the scattered Raman light is directed via a window in the bulb (6) and a deflecting mirror (7) to the spatially resolving optical multi-channel analyzer (8).
  • An imaging optical system (9) images the laser beam axis (16) on the slit (10) of a spectrograph. This usually consists of several mirrors (11) and a dispersion grating (12). In the spectrograph, the different emissions are separated by wavelength (along the axis (14)) and detected with an intensified, short-opening CCD camera (13).
  • the structure also enables a local assignment of the Raman emission along the section from the combustion chamber along the axis (15).
  • the Rochon prism can be used for separation to determine the polarization of the different emissions. Except for the polarization analysis, the arrangement described is usually referred to with the keyword "locally resolved optical multi-channel analyzer".
  • Fig.6 shows another realization of the measuring technique, the backscattering.
  • the optical access to the motor is only realized through small windows (17) on the side.
  • One of the windows (17) through which the laser exits the combustion chamber in Fig. 6 can optionally be dispensed with.
  • the laser (1) is coupled into the combustion chamber via a dichroic mirror (18).
  • the Raman emission - and also other emissions - are coupled out via one of the windows on the side (17) and in turn detected using an optical multi-channel analyzer (see Fig. 5) - and a polarization analyzer (8). In this case, (somewhat) local resolution may also be obtained in the medium if the window is extended in one direction.
  • the measurement can also be carried out with other spectral filters and other polarization analyzers.

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Abstract

The operation of internal combustion engines depends considerably upon quantities which cannot be set accurately enough from outside, e.g. the stoichiometry of the fuel-air mixture before ignition, the proportion of exhaust gas in this gas mixture and its temperature. The most simultaneous and precise measurement possible of these quantities in the combustion chamber helps greatly to explain engine problems. The novel laser Raman light scatter process, for instance, permits this measurement. The process is contactless and provides good time (i.e. crank angle) and position resolution. Intense pulsed u/v lasers are used as the excitation light source for the Raman and Rayleight scatter. The laser light (1) passes through a window (17) in the wall of the cylinder being measured into the upper part of the combustion chamber, especially to analyse the final gas before ignition. The laser-induced emissions (especially the Raman and Rayleigh scatter) can be brought out from the combustion chamber in various ways, e.g. via the same window (17) and a dichroic mirror (18). The various emissions, especially the Raman emission from fuel, oxygen, nitrogen, water, etc., are quantitatively and simultaneously measured by intensified short-time cameras (CCD) combined with upstream wavelength separation (spectrometer) (8). It is thus possible also to obtain local resolution along an axis in the combustion chamber. The excitation wavelength in the u/v permits high-precision single-pulse measurements so that the small cyclic fluctuations in the mixture formation (and combustion) in the engine can be resolved. In many cases, moreover, it is necessary to separate the Raman emission from interfering (fluorescent) emissions, and this is done with the aid of polarisation properties. The quantities relevant to combustion like stoichiometry and proportion of exhaust gas are found by calculating the ratio of Raman intensities, which produces high accuracy of measurement.

Description

Charakterisierung von Brennkraftmaschinen durch optische Messung mehrerer Größen im Brennraum. Characterization of internal combustion engines by optical measurement of several sizes in the combustion chamber.
Die Arbeitsweise eines Motors hängt entscheidend von Größen ab, die nicht genau genug von außen einstellbar sind, wie z.B. der Absolutwert und die räumliche Verteilung der Stöchiometrie oder der Abgasanteil. Obwohl diese Größen im Groben vorgegeben werden, treten im Feinen Schwankungen auf, die erheblichen Einfluß auf die Betriebsbedingungen des Motors haben Insbesondere ist beim Ottomotor - z.B. über die Messung der Druckkurve - bekannt, daß die Leistungsabgabe zyklischen Schwankungen unterliegt. Diese zyklischen Schwankungen werden verursacht durch im Prozentbereich liegende Änderungen in der Menge der zugeführten Luft, der τ ge des zugeführten Kraftstoffes und Änderungen in dem vom vorherigen Zyklus ver unebenen Abgεsanteil. Daher spielen diese kleinen Schwankungen eine entscheidende Rolle für die Arbeitsweise und die Optimierung, insbesondere von Ottomotoren.The way an engine works depends crucially on quantities that cannot be set from the outside precisely enough, such as the absolute value and the spatial distribution of the stoichiometry or the exhaust gas content. Although these sizes are roughly specified, fluctuations occur in the fine, which have a considerable influence on the operating conditions of the engine. In particular, in the case of the gasoline engine - for example by measuring the pressure curve - it is known that the power output is subject to cyclical fluctuations. These cyclical fluctuations are caused by changes in the percentage range in the amount of air supplied, the τ ge of the fuel supplied and changes in the portion of the exhaust gas uneven from the previous cycle. Therefore, these small fluctuations play a crucial role for the way of working and optimization, especially of gasoline engines.
Da die Stöchiometrie und auch der Abgasanteil die Leistungsabgabe entscheidend beeinflussen, spielt die kontrollierte Einstellung dieser Größen bei der Entwicklung eine wichtige Rolle. Über eine exakte simultane Messung dieser und aus anderen Teilchendichten resultierenden Größen, für die in der vorliegenden Patentschrift eine Meßanordnung angegeben wird, kann die Wirkung externer Maßnahmen auf diese Größen überprüft werden.Since the stoichiometry and the exhaust gas fraction have a decisive influence on the power output, the controlled setting of these variables plays an important role in the development. The effect of external measures on these variables can be checked by means of an exact simultaneous measurement of these variables and those resulting from other particle densities, for which a measuring arrangement is specified in the present patent specification.
Mit den bis heute verfügbaren Meßmethoden war eine gleichzeitige präzise Messung dieser Größen im Brennraum von Motoren für einen einzelnen Nerbrennungszyklus nicht mit hinreichender Präzision möglich. In dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird eine Meßanordnung vorgestellt, mit der es möglich ist, gleichzeitig den verbliebenen Abgasanteil, die zugeführte Luftmenge, die zugeführte Kraftstoffinenge und die Leistungsabgabe (über die Druckkurve) für einen einzelnen Nerbrennungszyklus mit so großer Präzision zu ermitteln, daß der Einfluß der zyklischen Schwankung der Gaszusammensetzung auf die Leistungsabgabe bestimmt werden kann. Es ist auch möglich, weitere Größen simultan zu erfassen.With the measurement methods available to date, a simultaneous, precise measurement of these quantities in the combustion chamber of engines for a single nerburn cycle was not possible with sufficient precision. In the method proposed here, a measuring arrangement is presented with which it is possible to simultaneously determine the remaining exhaust gas content, the amount of air supplied, the amount of fuel supplied and the power output (via the pressure curve) for a single nerburn cycle with such great precision that the influence the cyclical fluctuation of the gas composition on the power output can be determined. It is also possible to record other quantities simultaneously.
Für das Verfahren ist es wichtig und patentrelevant, daß diese Messung mit hinreichend hoher Präzision (um 1%) erfolgt, so daß der Einfluß der kleinen zyklischen Änderungen in der Gaszusammensetzung auf die Leistung erfaßt werden kann. So kann z.B. meßtechnisch erfaßt werden, welchen Einfluß der Abgasanteil, die Stöchiometrie - oder auch andere G en, wie der Druckverlauf des vorherigen Zyklus - auf die Leistungsabgabe haben. Zyklen mit magerer Stöchiometrie und viel Abgasanteil führen z.B. zu einer verminderten Leistungsabgabe. Wichtig und patentrelevant ist, daß der Einfluß der Meßgrößen auf die Leistungsabgabe meßtechnisch - durch die hohe Präzision des Verfahrens - unterschieden werden kann.It is important and patent-relevant for the process that this measurement is carried out with sufficient precision (around 1%) so that the influence of the small cyclical changes in the gas composition on the performance can be recorded. For example, The influence of the exhaust gas fraction, the stoichiometry - or other genes, such as the pressure curve of the previous cycle - on the power output are measured. Cycles with lean stoichiometry and a lot of exhaust gas lead e.g. to a reduced power output. It is important and patent-relevant that the influence of the measured variables on the power output can be differentiated by measurement - due to the high precision of the method.
ERSATZBLATT Die Messungen können auch gemittelt über verschiedene Zyklen erfolgen. In diesem Fall kann - ohne die Schwankungen im einzelnen zu kennen - bestimmt werden, bei welchen mittleren Werten von Stöchiometrie und Abgasanteil der Motor arbeitet. Bei Variation von motorischen Bedingungen kann - gemittelt - z.B. der Einfluß verschiedener Einspritzvarianten, der Last oder des Zündzeitpunktes auf die Gasmischung vor der Zündung und die Leistungsabgabe bestimmt werden.REPLACEMENT LEAF The measurements can also be averaged over different cycles. In this case - without knowing the individual fluctuations - it can be determined at which average values of stoichiometry and exhaust gas content the engine works. When varying engine conditions, the influence, for example, of the influence of different injection variants, the load or the ignition timing on the gas mixture before ignition and the power output can be determined.
Die Messung der Mengen von Luft, Kraftstoff und der Menge des verbliebenen Abgasanteils erfolgt nach dem zu patentierenden Verfahren über optische Meßtechnik.The measurement of the amounts of air, fuel and the amount of the remaining exhaust gas fraction is carried out according to the patented method using optical measurement technology.
Eines der Verfahren ist dabei die Ramanstreuung. Es ist wohl bekannt, daß die Ramanstreuung für die Messung der Dichten von Majoritätenspezies verwendet werden kann (Eckbreth: Laser Diagnostics for Combustion: Temperature and Species.A.E.Gupta, D.G. Liley eds. Vol.7 of Energy and Engineering Sciences, Abacus Press Cambridge, MA 1988). Wegen der relativ schwachen Intensität der Ramanstreuung und dem gleichzeitigen Auftreten anderer durch den Laser verursachten Leuchterscheinungen ist es aber schwierig (I), hinreichend viel Signal für die Unterscheidung der kleinen zyklischen Schwankungen zu erhalten und (II) die Ramanemission von den anderen Emissionen zu unterscheiden. Es ist wohlbekannt, daß der Einsatz der Ramanstreuung - z.B. bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen - durch diese anderen Emissionen in der Genauigkeit erheblich eingeschränkt ist (siehe Eckbreth).One of the methods is Raman scattering. It is well known that Raman scattering can be used to measure the density of majority species (Eckbreth: Laser Diagnostics for Combustion: Temperature and Species. AEGupta, DG Liley eds. Vol. 7 of Energy and Engineering Sciences, Abacus Press Cambridge, MA 1988). However, due to the relatively weak intensity of the Raman scattering and the simultaneous occurrence of other light phenomena caused by the laser, it is difficult (I) to obtain enough signal to distinguish the small cyclical fluctuations and (II) to distinguish the Raman emission from the other emissions. It is well known that the use of Raman scattering - e.g. in the combustion of hydrocarbons - is significantly restricted in accuracy by these other emissions (see Eckbreth).
Zu (I): Die Erzeugung eines hinreichend großen Signals wird dadurch erreicht, daß die Ramanstreuung mit intensiven gepulsten Lasern im tiefen UV durchgeführt wird. Es ist wohlbekannt, daß die Intensität der Ramanstreuung mit der vierten Ordnung der Frequenz zunimmt und daher im tiefen UV besonders intensiv ist.Regarding (I): The generation of a sufficiently large signal is achieved in that the Raman scattering is carried out with intense pulsed lasers in the deep UV. It is well known that the intensity of the Raman scatter increases with the fourth order of frequency and is therefore particularly intense in the deep UV.
Zu (II): Die Unterscheidung von anderen Leuchterscheinungen wird unter anderem dadurch erreicht, daß die Polarisation der Ramanstreuung ausgenutzt wird. Da die anderen durch den Laser verursachten Leuchterscheinungen meist unpolarisiert sind, erhält man durch die Einstellung des elektrischen Vektors des Laserlichts in Beobachtungsrichtung - vereinfacht gesagt - den Untergrund U und durch Einstellung des elektrischen Vektors des Laserlichts senkrecht zur Beobachtungsrichtung die Summe Sr+U aus Ramansignal Sr und Untergrund U und kann dann durch Differenzbildung Sr = (Sr+U) - U das Ramansignal separat bestimmen. In analoger Weise kann - ohne eine Drehung des elektrischen Vektors des Laserlichtes - der Untergrund bestimmt werden, indem die Emission in Beobachtungsrichtung nach Polarisationsanteilen (z.B. durch Polarisationsfilter) analysiert wird. Wiederum liefert die eineRegarding (II): The distinction from other lighting phenomena is achieved, among other things, by utilizing the polarization of the Raman scattering. Since the other lighting phenomena caused by the laser are mostly unpolarized, the background U is obtained by setting the electrical vector of the laser light in the direction of observation - in simple terms - and by adjusting the electrical vector of the laser light perpendicular to the direction of observation the sum S r + U is obtained from the Raman signal S r and background U and can then determine the Raman signal separately by forming the difference S r = (S r + U) - U. The background can be determined in an analogous manner - without rotating the electrical vector of the laser light - by analyzing the emission in the direction of observation for polarization components (for example using polarization filters). Again the one delivers
ERSATZBLATT Polarisationsrichtung den Untergrund und die andere Polarisationsrichtung Signal + Untergrund, so daß das Ramansignal getrennt bestimmt werden kann. Der Vorzug der letzteren Variante ist, daß in ein und demselben Meßvorgang beide Komponenten ermittelt werden können. Daher ist es möglich, die Ramanstreuung von den anderen störenden Leuchterscheinungen zu trennen und die Dichten der Gaskomponenten selektiv, d.h. ohne störende Fremdemissionen, zu ermitteln.REPLACEMENT LEAF Direction of polarization the background and the other direction of polarization signal + background, so that the Raman signal can be determined separately. The advantage of the latter variant is that both components can be determined in one and the same measuring process. It is therefore possible to separate the Raman scattering from the other interfering light phenomena and to selectively determine the densities of the gas components, ie without interfering external emissions.
Die Analyse der polarisierten Emission ist wichtig und patentrelevant, da sie die Unterscheidung der Emissionen und damit eine selektive Messung der einzelnen Gaskomponenten in Gasgemischen mit komplexer Zusammmensetzung erlaubt. Die hohe Intensität der Ramanstreuung ist wichtig und patentrelevant, da durch sie die Meßpräzision so hoch wird, daß die real auftretenden zyklischen Schwankungen in der Gaszusammensetzung vermessen werden können.The analysis of polarized emissions is important and patent-relevant, since it allows the differentiation of the emissions and thus a selective measurement of the individual gas components in gas mixtures with a complex composition. The high intensity of the Raman scattering is important and relevant to the patent because it makes the measuring precision so high that the cyclical fluctuations in the gas composition that actually occur can be measured.
Es können neben der Ramanstreuung auch andere optische Meßtechniken zur Bestimmung der Teilchendichten von Kraftstoff, Luft und Restgas für die Erstellung von Kennfeldern herangezogen werden, wie z.B. Absorption oder laser induzierte Emissionen oder FTIR.In addition to the Raman scattering, other optical measurement techniques for determining the particle densities of fuel, air and residual gas can be used to generate characteristic maps, such as Absorption or laser induced emissions or FTIR.
In der Absorptionsspektroskopie wird die Dichte der Teilchen - integriert über Orte längs des Absorptionslichtweges - im Brennraum durch Abnahme des eingestrahlten Lichtes bestimmt. Dabei kann die "direkte" Absorption durch die natürlich anwesenden Moleküle oder die Absorption durch tracer verwendet werden.In absorption spectroscopy, the density of the particles - integrated over locations along the absorption light path - in the combustion chamber is determined by the decrease in the incident light. The "direct" absorption by the naturally present molecules or the absorption by tracer can be used.
Für die direkte Absorption können die Wasserdichte (für die Bestimmung des Restgasgehaltes) und die Kraftstoffdichte z.B. über IR Absorption bestimmt werden. Der Sauerstoffgehalt kann z.B. über die Absorption im tiefen UV (z.B. Schumann Runge Banden) bestimmt werden. Eine andere Absorptionstechnik ergibt sich durch die selektive Zugabe von Substanzen ("tracern"). So kann dem Kraftstoff ein tracer (z.B. Aceton) zugegeben werden und über die Absorption des tracers die Dichte des tracers (z.B. die Acetondichte) ermittelt und darüber die Kraftstoffdichte bestimmt werden. Entsprechend können andere absorbierende Moleküle der Luft zugegeben werden um die Luftdichte zu messen. Durch Injektion eines tracers im Brennraum zum Zeitpunkt des Gasauslasses (z.B. im Bereich des oberen Totpunktes) kann auch der Restgasgehalt in der frischen Ladung bestimmt werden. Aus den Daten über Kraftstoff, Luft und Restgas kann wiederum durch Verhältnisbildung die Stöchiometrie und der Restgasgehalt bestimmt werden.For direct absorption, the water density (for determining the residual gas content) and the fuel density e.g. can be determined via IR absorption. The oxygen content can e.g. can be determined via the absorption in the deep UV (e.g. Schumann Runge bands). Another absorption technique results from the selective addition of substances ("tracers"). A tracer (e.g. acetone) can be added to the fuel and the density of the tracer (e.g. the acetone density) can be determined via the absorption of the tracer and the fuel density can be determined. Accordingly, other absorbent molecules can be added to the air to measure the air density. The residual gas content in the fresh charge can also be determined by injecting a tracer into the combustion chamber at the time of gas discharge (e.g. in the area of top dead center). The stoichiometry and the residual gas content can in turn be determined from the data on fuel, air and residual gas by forming the ratio.
Die Teilchendichten können auch durch Zugabe von tracern, die sich mit Lasern zum Leuchten anregen lassen bestimmt werden (laser induzierte Emissionen). So kann man dem Kraftstoff, der Luft und dem Restgas verschiedene tracer zugeben und die Anregungswellenlänge des Lasers und die Emissionswellenlängen so ausgewählen, daß eineThe particle densities can also be determined by adding tracers that can be excited to glow with lasers (laser-induced emissions). So you can add different tracers to the fuel, air and residual gas and select the excitation wavelength of the laser and the emission wavelengths so that one
ERSATZBLATT spektrale Trennung der Emissionen möglich wird und damit die Komponenten simultan nachgewiesen werden. Aus der Intensität der laser induzierten Emissionen kann dann die Dichte von Kraftstoff, Luft und Restgas bestimmt werden und wiederum durch Verhältnisbildung die Stöchiometrie und der Restgasgehalt ermittelt werden.REPLACEMENT LEAF spectral separation of the emissions is possible and thus the components are detected simultaneously. The density of fuel, air and residual gas can then be determined from the intensity of the laser-induced emissions, and the stoichiometry and the residual gas content can be determined by forming the ratio.
Wesentlich und patentrelevant ist die Erstellung von Kennfeldern und die Verwendung derThe creation of maps and the use of the are essential and patent-relevant
Kennfelder zur Charakterisierung und Optimierung der Arbeitsweise von Motoren. Aus denMaps to characterize and optimize the way motors work. From the
Meßdaten über die Teilchendichten und eventuell andere Größen (Druck, Temperatur,Measurement data about the particle densities and possibly other sizes (pressure, temperature,
Schadstoffe) kann ermittelt werden, unter welchen Bedingungen der Motor arbeitet und obPollutants) can be determined under which conditions the engine works and whether
Verbesserungen vorgenommen werden können. So erhält man z.B. durch Auftragen desImprovements can be made. So you get e.g. by applying the
Lambdawertes (aus der relativen Intensität von O2 zu Kraftstoff, s.u.) auf der X-Achse, derLambda values (from the relative intensity of O2 to fuel, see below) on the X axis, the
Abgasmenge ( über die Menge des Wassers und O2) auf der Y-Achse und der zugehörigenExhaust gas quantity (via the quantity of water and O2) on the Y axis and the associated one
Leistungsabgabe auf der Z- Achse die Abhängigkeit der Leistungsabgabe von Stöchiometrie und Abgasanteil. Diese Gegenüberstellung von Ursache und Wirkung gibt eine direktePower output on the Z-axis shows the dependence of the power output on stoichiometry and the proportion of exhaust gas. This comparison of cause and effect gives a direct one
Vorschrift für eine Optimierung, nach der z.B. ein Einspritzsystem gezielt verändert und auch überprüft werden kann, ob eine gezielte Veränderung die gewollte Auswirkung hat.Regulation for an optimization, according to which e.g. an injection system can be specifically modified and it can also be checked whether a specific change has the desired effect.
Die simultane Erfassung der Größen [θ2],[N2],[H2θ]und[f] ([x] ist die Dichte derThe simultaneous acquisition of the quantities [θ 2 ], [N 2 ], [H 2 θ] and [f] ([x] is the density of the
Teilchensorte x, f = Kraftstoff) vor einem Verbrennungszyklus nach der Verdichtung zusammen mit der Druckkurve des vorigen und aktuellen Verbrennungszyklus liefert z.B. folgende Information:Particle type x, f = fuel) before a combustion cycle after compression together with the pressure curve of the previous and current combustion cycle provides e.g. following information:
1. Stöchiometrie der Gasmischung1. Stoichiometry of the gas mixture
2. Abgasanteil vom vorigen Zyklus in der Gasmischung2. Exhaust gas fraction from the previous cycle in the gas mixture
3. eingelassene Luftmenge3. Air intake
4. eingelassene Kraftstoömenge4. The amount of fuel injected
5. die mit der Gaszusammensetzung erzielte Leistung5. the performance achieved with the gas composition
6. den Einfluß des vorherigen Zyklus auf den Gasaustausch6. the influence of the previous cycle on gas exchange
Der Abgasanteil im Motorbrennraum vom vorherigen Zyklus kann aus dem Verhältnis von H2O/N2 (da der Wasseranteil in der zugeführten Luft vernachlässigbar klein ist) oder auch über das Verhältnis O2 N2 bestimmt werden.The amount of exhaust gas in the engine combustion chamber from the previous cycle can be determined from the ratio of H2O / N2 (since the amount of water in the air supplied is negligible) or from the ratio O2 N2.
Durch die simultane, präzise Erfassung verschiedener Meßgrößen ist es also möglich, kausale Zusammenhänge in einzelnen Verbrennungszyklen zu ermitteln und dadurch die Betriebsbedingungen des Motors zu charakterisieren und die Erkenntnisse als Basis zur Optimierung zu verwenden. Als Beispiel sei noch einmal genannt die gleichzeitige Messung der Stöchiometrie und des Abgasanteils in einem bestimmten Meßvolumen vor der Zündung simultan mit der Aufnahme der Druckkurve für den aktuellen Verbrennungszyklus. DieseThe simultaneous, precise acquisition of various measured variables makes it possible to determine causal relationships in individual combustion cycles and thereby characterize the operating conditions of the engine and use the knowledge as a basis for optimization. The simultaneous measurement of the stoichiometry and the proportion of exhaust gas in a certain measurement volume before the ignition simultaneously with the recording of the pressure curve for the current combustion cycle may be mentioned as an example. This
ERSATZBLATT Messung erlaubt es, die Ursache (Gemischzusam-πcisetzung vor der Zündung) mit der Wirkung (Leistungsabgabe) zu verknüpfen. Durch die simultane Messung weiterer Größen (z.B. der NO-Dichte über LIF, Temperaturen, ....) in dem selben Zyklus könne weitere Aussagen über Ursache und Wirkung getroffen werden. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist auch, daß die kleinen Schwankungen in der Gemischzusammensetzung vor der Zündung genau genug erfaßt werden können.REPLACEMENT LEAF Measurement makes it possible to link the cause (mixture composition before ignition) with the effect (power output). By simultaneously measuring other variables (e.g. NO density via LIF, temperatures, ...) in the same cycle, further statements about cause and effect can be made. It is also essential for the present invention that the small fluctuations in the mixture composition can be detected precisely enough before ignition.
Ergebnisse der VoruntersuchungenNtersuchungen results of on u
Abbildung 1 zeigt zwei Emissionsspektren aus dem Verbrenungsmotor. Wenn der elektrische Vektor des Laserlichtes in Beobachtungsrichtung liegt (vgl.Fig.4) wird der durch Fremdemmissionen verursachte Untergrund sichtbar. Wenn der elektrische Vektor des Laserlichtes senkrecht zur Beobachtungsrichtung steht, wird die durch die Ramanstreuung und den Untergrund verursachte Emission chtbar. Die Differenz (vereinfacht gesagt) ist das Ramansignal. Das Bild zeigt deutlich, daß die Polarisation der Ramanstreuung verwendet werden kann, um den Untergrund zu ermitteln. Bei der quantitativen Deutung ist zu berücksichtigen, daß auch depolarisierte Teile der Ramanstreuung auftreten. Die Ergebnisse der Voruntersuchungen in Abb.2 und 3 zeigen, daß es möglich ist - für eine gegebene Betriebsbedingung des Motors - die erwähnten kleinen Schwankungen in der Stöchiometrie im Einzelschuß zu messen. In den Versuchen mit einem VW-Transparentmotor stellte sich z.B. heraus, daß die Schwankungsbreite der Stöchiometrie im Bereich von ΔΛ=Figure 1 shows two emission spectra from the combustion engine. If the electrical vector of the laser light is in the direction of observation (see Fig. 4), the background caused by external emissions becomes visible. If the electrical vector of the laser light is perpendicular to the direction of observation, the emission caused by the Raman scattering and the background becomes noticeable. The difference (put simply) is the Raman signal. The picture clearly shows that the polarization of the Raman scattering can be used to determine the background. In the quantitative interpretation, it must be taken into account that depolarized parts of the Raman scattering also occur. The results of the preliminary investigations in Fig. 2 and 3 show that it is possible - for a given operating condition of the engine - to measure the small fluctuations in stoichiometry mentioned in single shot. In the tests with a VW transparent engine, e.g. out that the fluctuation range of the stoichiometry in the range of ΔΛ =
0.2 liegt, d.h. z.B. daß bei einer extern eingestellten Λ-Zahl von 1.0 die gemessene Λ-Zahl zwischen 0.9 und 1.1 schwankt. Diese Schwankungen sind in Abb. 2 dargestellt. Daß diese Schwankungen genau genug gemessen sind, um den Einfluß der Schwankung der Gasmischung auf die Leistung zu ermitteln, ist an dem simultan gemessenen Druck zu erkennen: Für die Zyklen mit fetten Gemischen ist der Maximaldruck hoch und schwankt wenig, für die mageren Zyklen ist der Maximaldruck tiefer und schwankt erheblich stärker. Abb.3 zeigt Ergebnisse von Messungen, die neben der Stöchiometrie auch den zusätzlichen Einfluß des Abgasanteils darstellen. Das Bild zeigt den erreichten Maximaldruck als Funktion der Stöchiometrie und des Abgasanteils und wird hier als Kennfeld bezeichnet. Offensichtlich führen größere Abgasanteile zu kleineren Drücken und damit zu weniger Leistungsabgabe.0.2 lies, i.e. e.g. that with an externally set Λ number of 1.0, the measured Λ number fluctuates between 0.9 and 1.1. These fluctuations are shown in Fig. 2. The fact that these fluctuations are measured precisely enough to determine the influence of the fluctuation of the gas mixture on the performance can be seen from the pressure measured simultaneously: for the cycles with rich mixtures, the maximum pressure is high and fluctuates little, for the lean cycles it is Maximum pressure is lower and fluctuates considerably more. Fig. 3 shows the results of measurements which, in addition to stoichiometry, also show the additional influence of the exhaust gas content. The picture shows the maximum pressure reached as a function of the stoichiometry and the proportion of exhaust gas and is referred to here as a map. Obviously, larger proportions of exhaust gas lead to lower pressures and thus less power output.
Das Kennfeld, das hier für eme Arbeitsweise des Mc > dargesteh f, hängt von der Arbeitsweise des Motors ab. Es kann zur Unterscheidung der verschieαenen Arbeitsweisen verwendet werden.The map, which is here for the way the Mc> works, depends on the way the engine works. It can be used to differentiate between different ways of working.
Insbesondere liefert auch die Druckkurve des vorherigen Zyklus wichtige Informationen z.B. über die Historie des Gasaustausches im Brennraum. Wenn z.B. der Druck im vorherigen Zyklus groß war, findet man im Folgezyklus - für eine bestimmte Betriebsbedingung -In particular, the pressure curve of the previous cycle also provides important information e.g. about the history of gas exchange in the combustion chamber. If e.g. the pressure in the previous cycle was high, you can find it in the following cycle - for a certain operating condition -
ERSATZBLATT weniger Kraftstoff. Dieses wird durch den noch nicht vollständig abgebauten Druck während des Einlasses des Kraftstoffes erklärt. Die Korrelation zwischen der vorherigen Druckkurve mit dem Kraftstoffanteil liefert daher indirekte Information über den Gasaustausch im Brennraum. Die absolute N2-Menge liefert Informationen über die gesamt eingelassene Luftmenge und damit z.B. über die Drosselklappenstellung, die den Druck im Saugrohr reguliert. Auf diese Weise werden - über den durch die Majoritätendichten charakterisierten Gasaustausch - indirekte Rückschlüsse über die gasdynamischen Prozesse nicht nur im Brennraum gewonnen.REPLACEMENT LEAF less fuel. This is explained by the pressure that has not yet been completely reduced during the fuel inlet. The correlation between the previous pressure curve and the fuel content therefore provides indirect information about the gas exchange in the combustion chamber. The absolute N2 quantity provides information about the total amount of air admitted and thus about the throttle valve position, which regulates the pressure in the intake manifold. In this way - via the gas exchange characterized by the majority densities - indirect conclusions about the gas dynamic processes are not only obtained in the combustion chamber.
Die Erkenntmsse, die aus diesen Ergebnissen hervorgehen, sind wesentlich: durch die präzise Messung der Stöchiometrie und des Abgasanteils ist es möglich, ein Kennfeld (Abb.3) aufzunehmen, das es erlaubt, die Leistungsabgabe des Motors so zu optimieren, daß der Druck - als Funktion der beiden wichtigen Größen Stöchiometrie und Abgasanteil - maximal wird. Dieses sollte z.B. über die Variation der Einspritzung oder andere relevante Einflußparameter geschehen.The knowledge that emerges from these results is essential: by precisely measuring the stoichiometry and the proportion of exhaust gas, it is possible to record a map (Fig. 3) that allows the engine's power output to be optimized so that the pressure - as a function of the two important parameters stoichiometry and exhaust gas content - is maximum. This should e.g. happen via the variation of the injection or other relevant influencing parameters.
Die Messungen können auch gemittelt über verschiedene Zyklen erfolgen, falls das Signal im Einzelschuß nicht genügend Intensität liefert. Bei diesen Messungen mittein sich die kleinen Schwankungen in der Stöchiometrie und im Abgas weg, so daß in einer Darstellung wie in Abb.3 die Schwankungen sehr viel kleiner werden und reproduzierbare charakteristische Daten gewonnen werden. Man kann dann als Funktion anderer motorischer Parameter untersuchen, in welchem Bereich dieses Kennfeldes der Motor arbeitet, d.h. für jede Betriebsbedingung in Abb.3 einen bestimmten Bereich abdecken.The measurements can also be averaged over different cycles if the signal in the single shot does not provide enough intensity. In these measurements, the small fluctuations in the stoichiometry and in the exhaust gas are eliminated, so that in a representation as in Fig. 3 the fluctuations become much smaller and reproducible characteristic data are obtained. One can then examine as a function of other engine parameters in which area of this map the engine works, i.e. Cover a specific area for each operating condition in Fig.3.
Messungen mit Raman und Rayleighstreuung.Measurements with Raman and Rayleigh scattering.
Durch die bei verschiedenen Wellenlängen getrennt auftretenden Ramanemissionen von Stickstoff [N2]> Sauerstoff [O2], Wasser [H2O] und Kraftstoff (z.B. [CgHig]) ist es möglich, eine simultane Messung der Intensität dieser Emissionen durchzuführen. Die Basis der Verfahren ist vollständig bekannt und auch, daß Stöße bei hohen Drücken eine untergeordnete Rolle spielen. Im Folgenden wird kurz beschrieben, auf welcher Basis hier die Daten ausgewertet werden.Due to the Raman emissions of nitrogen [N 2 ] > oxygen [O 2 ], water [H 2 O] and fuel (eg [CgHig]), which occur separately at different wavelengths, it is possible to measure the intensity of these emissions simultaneously. The basis of the methods is completely known and also that shocks at high pressures play a subordinate role. The following describes briefly the basis on which the data are evaluated here.
Es gilt: Ij ram = Sσj ram [i] E0 The following applies: Ij ram = Sσj ram [i] E 0
mit der Energie EQ des Laserpulses, dem Ramanquerschnitt σi ram für Teilchen i und der Partialdichte [i] der Teilchen i. S ist die Empfindlichkeit des Meßsystems für den Nachweis von Teilchen i. S ist im Prinzip separat für jede Teilchensorte und jeden Ort zu bestimmen,with the energy EQ of the laser pulse, the Raman section σi ram for particles i and the partial density [i] of the particles i. S is the sensitivity of the measuring system for the detection of particles i. S is in principle to be determined separately for each particle type and each location,
ERSATZBLATT wird hier aber der Einfachheit halber als konstant angenommen. Für die relative Messung der Dichten der Teilchen i,j gilt:REPLACEMENT LEAF is assumed to be constant here for the sake of simplicity. The following applies to the relative measurement of the densities of the particles i, j:
li ram"j ram= Si'Sj σj ra /σj ram [i]/D] d.h, aus der relativen Intensität für die beiden Komponenten kann - ohne daß die Lasere: ~gie oder z.B. die Nachweisempfindlichkeit eingeht - das Verhältnis der Dichten [i]/[j] bestmimt werden. Da sich die Stöchiometrie aus der relativen Intensität von O2 zu Kraftstoff ergibt, ist die Stöchiometrie mit größerer Präzision als die Einzelkomponenten zu erfassen.li ram "j ram = Si'Sj σj ra / σj ram [i] / D] ie, from the relative intensity for the two components - without the laser: ~ gie or eg the detection sensitivity - the ratio of the densities [ i] / [j] Since the stoichiometry results from the relative intensity of O2 to fuel, the stoichiometry must be recorded with greater precision than the individual components.
Des weiteren ist es möglich, die Intensität der Rayleighstreuung gleichzeitig zu messen und - in Verbindung mit der Ramanstreuung - Informationen über die gesamte Dichte (=Summe der Partialdichten der Majoritätenspezies) zu erhalten.Furthermore, it is possible to measure the intensity of the Rayleigh scatter at the same time and - in connection with the Raman scattering - to obtain information about the total density (= sum of the partial densities of the majority species).
Es gilt:The following applies:
ray = s E0 i σi ray P] und wegenray = s E 0 i σ i ray P] and because
P] = Α ram / σi ram E0P] = Α ram / σ i ram E 0
Iray = S ∑j (σj ray σi ram) -*i ramIray = S ∑j (σj ra y σi ram) - * i ram
Es ist also die Auswertung der Rayleighstreuung über die Summe der Ramanintensitäten möglich. Hier fallt die Laserenergie nicht heraus, da sie implizit in der Ramanintensität enthalten ist. Es ist wohl bekannt, daß die Rayleighstreuung verwendet werden kann, um über das Gasgesetz - in Verbindung mit dem über die gemessene Druckkurve bekannten Druck zum Zeitpunkt der Messung - die Temperatur zu ermitteln. Auch die Rayleighstreuung ist polarisiert und ihre Intensität nimmt mit der vierten Potenz der Frequenz zu. Da die Rayleighstreuung sehr viel intensiver als die Ramanstreuung ist, liefert sie für die gesamte Dichte oder die Temperatur eine hohe Meßgenauigkeit.It is therefore possible to evaluate the Rayleigh scattering over the sum of the Raman intensities. The laser energy does not drop out here because it is implicitly contained in the Raman intensity. It is well known that Rayleigh scattering can be used to determine the temperature via the gas law - in conjunction with the pressure at the time of the measurement, which is known from the measured pressure curve. Rayleigh scattering is also polarized and its intensity increases with the fourth power of the frequency. Since the Rayleigh scattering is much more intense than the Raman scattering, it provides a high measuring accuracy for the entire density or the temperature.
Auf diese Weise können - in Verbindung mit Eichmessungen - zunächst separat die partiellen Dichten von Kraftstoff, Luft und Wasser bestimmt werden. Daneben kann über - ombinierte Messung der Druckkurve und der Rayleighstreuung die Temperatur ermittelt werden.In this way, the partial densities of fuel, air and water can be determined separately in connection with calibration measurements. In addition, the temperature can be determined via combined measurement of the pressure curve and the Rayleigh scatter.
Eine konkrete Anordnung zum Messen ist - als ein Beispiel aus vielen - in Abb.4 dargestellt. In diesem Fall wird der intensive gepulste UV Laserstrahl (1) durch den Brennraum eines Motors geschossen. Dazu sind in den oberen Teil UV transmittierende Fenster (2) eingesetzt. Neben dem Brennraum mit der Zündkerze (3) und dem Einlaßventil (4) ist weiterhin im Querschnitt ein Teil des Saugrohres mit dem Einspritzventil (5) gezeigt. Von einem AbschnittA specific arrangement for measuring is shown in Fig. 4 as one example from many. In this case, the intense pulsed UV laser beam (1) is shot through the combustion chamber of an engine. For this purpose, UV-transmitting windows (2) are used in the upper part. In addition to the combustion chamber with the spark plug (3) and the inlet valve (4), part of the intake manifold with the injection valve (5) is also shown in cross section. From a section
ERSATZBLATT mit endlicher Länge aus dem Brennraum längs des Laserstrahles wird das gestreute Ramanlicht über ein Fenster im Kolben (6) und einen Umlenkspiegel (7) zum räumlich auflösenden optischen Vielkanalanalysator (8) gelenkt. Dieser ist in Abb.5 näher beschrieben. Eine Abbildungsoptik (9) bildet die Laserstrahlachse (16) auf den Spalt (10) eines Spektrographen ab. Dieser besteht üblicherweise aus mehreren Spiegeln (11) und einem Dispersionsgitter (12). In dem Spektrographen werden die verschiedenen Emissionen nach Wellenlängen getrennt (entlang der Achse (14)) und mit einer intensivierten, kurz öffnenden CCD Kamera (13) nachgewiesen. Der Aufbau ermöglicht zusätzlich eine örtliche Zuordnung der Ramanemission längs des abgebildeten Abschnittes aus dem Brennraum entlang der Achse (15). Zur Bestimmung der Polarisation der verschiedenen Emissionen kann z.B. das Rochonprisma zur Trennung verwendet werden. Die beschriebene Anordnung wird üblicherweise - bis auf die Polarisationsanalyse - mit dem Stichwort "örtlich aufgelöster optischer Vielkanalanalysator" bezeichnet.REPLACEMENT LEAF With a finite length from the combustion chamber along the laser beam, the scattered Raman light is directed via a window in the bulb (6) and a deflecting mirror (7) to the spatially resolving optical multi-channel analyzer (8). This is described in more detail in Fig.5. An imaging optical system (9) images the laser beam axis (16) on the slit (10) of a spectrograph. This usually consists of several mirrors (11) and a dispersion grating (12). In the spectrograph, the different emissions are separated by wavelength (along the axis (14)) and detected with an intensified, short-opening CCD camera (13). The structure also enables a local assignment of the Raman emission along the section from the combustion chamber along the axis (15). For example, the Rochon prism can be used for separation to determine the polarization of the different emissions. Except for the polarization analysis, the arrangement described is usually referred to with the keyword "locally resolved optical multi-channel analyzer".
Abb.6 zeigt eine andere Realisierung der Meßtechnik, die Rückstreuung. Hier ist der optische Zugang zum Motor nur durch kleine Fenster (17) an der Seite realisiert. Auf eines der Fenster (17), durch den der Laser in Abb.6 den Brennraum verläßt, kann gegebenenfalls verzichtet werden. Der Laser (1) wird über einen dichroitischen Spiegel (18) in den Brennraum eingekoppelt. Die Ramanemission - und auch andere Emissionen - werden über eines der Fenster an der Seite (17) ausgekoppelt und wiederum mit einem optischen Vielkanalanalysator (vgl. Abb.5) - und einem Polarisationsanalysator - nachgewiesen (8). In diesem Fall ist in dem Medium unter Umständen auch noch (etwas) örtliche Auflösung zu erhalten, wenn das Fenster in einer Richtung ausgedehnt ist.Fig.6 shows another realization of the measuring technique, the backscattering. Here, the optical access to the motor is only realized through small windows (17) on the side. One of the windows (17) through which the laser exits the combustion chamber in Fig. 6 can optionally be dispensed with. The laser (1) is coupled into the combustion chamber via a dichroic mirror (18). The Raman emission - and also other emissions - are coupled out via one of the windows on the side (17) and in turn detected using an optical multi-channel analyzer (see Fig. 5) - and a polarization analyzer (8). In this case, (somewhat) local resolution may also be obtained in the medium if the window is extended in one direction.
Die Messung kann auch mit anderen spektralen Filtern und anderer Analyser der Polarisation erfolgen.The measurement can also be carried out with other spectral filters and other polarization analyzers.
ERSATZBLATT REPLACEMENT LEAF

Claims

AnsprücheExpectations
1 Verfahren und Meßanordnung zur Charakterisierung und Optimierung von Brennkraftmaschinen durch Messung der Gaszusammensetzung im Brennraum und eventuell noch anderer Größen, dad" ch gekennzeichnet, daß mehrere Teilchendichten durch optische Meßtechnik, und eventuel sätzlich Gasdruck und -temperatur, gemessen werden und daß aus diesen Meßgrößen und daraus abgeleiteten Größen Korrelationen erstellt werden, um daraus eventuelle kausale Zusammenhänge der motorischen Verbrennung aufzudecken.1 method and measuring arrangement for the characterization and optimization of internal combustion engines by measuring the gas composition in the combustion chamber and possibly other sizes, dad "ch characterized that several particle densities are measured by optical measurement technology, and possibly additional gas pressure and temperature, and that from these measured variables and Correlations derived from this are created in order to reveal possible causal relationships of engine combustion.
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchendichten und eventuell Druck und Temperatur simultan in Einzelzyklen gemessen werden.2 The method according to claim 1, characterized in that the particle densities and possibly pressure and temperature are measured simultaneously in individual cycles.
3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination simultan gemessener Teilchendichten wichtige Größen wie die Luftzahl (z.B. aus Konzentrationen von Sauerstoff- zu Kraftstoffdichte) und/oder der Restgasgehalt (z.B. aus Konzentrationen vc Nasser- zu Stickstoffdichte) bestimmt werden.3 The method according to claim 1, characterized in that important quantities such as the air ratio (e.g. from concentrations of oxygen to fuel density) and / or the residual gas content (e.g. from concentrations vc wet to nitrogen density) are determined by the combination of simultaneously measured particle densities.
4 Verfahren n,. . Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die simultane Messung der Teilchendichten mittels Laser Induzierter Emissionen (z.B. Ramanstreuung oder LIF von selektiv zugegebenen tracern) oder Absorptionsspektroskopie im UV, VtS oder IR (u.U. mit selektiv zugegebenen tracern) oder FTIR erfolgt.4 procedures n ,. . Claim 1, characterized in that the simultaneous measurement of the particle densities takes place by means of laser-induced emissions (e.g. Raman scattering or LIF from selectively added tracers) or absorption spectroscopy in UV, VtS or IR (possibly with selectively added tracers) or FTIR.
5 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bestimmung von Luftzahl und/oder Restgasgehalt aus den Teilchendichten diese Größen so präzise bestimmt werden können, daß die kleinen zyklischen Schwankungen dieser Größen im Betrieb der Brennkraftmaschine aufgelöst werden können.5 The method according to claim 1, characterized in that by determining the air ratio and / or residual gas content from the particle densities these quantities can be determined so precisely that the small cyclical fluctuations of these quantities can be resolved during operation of the internal combustion engine.
6 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser Ramanstreuung mit einem intensiven Laser im UV und einem optischen Vielkanalanalysator sowie einem wellenlängenselektiven Bauteil (z.B. Spektrometer) erfolgt und eventuell Polarisationseigenschaften (u.U. durch simultane Messung beider Polarisationskomponenten) zur Unterdrückung von interferierenden Emissionen ausgenutzt werden.6 The method according to claim 1, characterized in that the laser Raman scattering with an intensive laser in the UV and an optical multi-channel analyzer and a wavelength-selective component (eg spectrometer) and possibly polarization properties (possibly by simultaneous measurement of both polarization components) are used to suppress interfering emissions .
7 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Teilchendichten mit Ortsauflösung (z.B. entlang einer Achse) oder über Ortsbereiche gemittelt oder an einzelnen speziellen Orten (z.B. an der Zündkerze) durchgeführt werden.7. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of the particle densities with spatial resolution (e.g. along an axis) or averaged over local areas or at individual special locations (e.g. on the spark plug) are carried out.
8 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Einzelzyklusmessungen Mittelwerte und/oder Schwankungsbreiten der Meßgrößen und/oder der daraus abgeleiteten Größen ermittelt werden oder die Messungen von vornherein über Zyklen gemittelt durchgeführt werden.8. The method according to claim 1, characterized in that mean values and / or fluctuation ranges of the measured variables and / or the quantities derived therefrom are determined from the individual cycle measurements or the measurements are carried out averaged over cycles from the outset.
9 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kausalen Zusammenhänge über Kennfelder erkannt werden durch die Auftragung von z.B. Stöchiometrie und Restgas gegen die nachfolgende Leistung oder durch Auftragung der9. The method according to claim 1, characterized in that the causal relationships are identified via maps by the application of e.g. Stoichiometry and residual gas against the subsequent performance or by plotting the
ERSATZBLATT Leistung im Vorzyklus auf die nachfolgende Ladungszusammensetzung ('Kennfelder') und daß diese Kennfelder, eventuell als Funktion der motorischen Parameter, verwendet werden, um über die resultierenden Erkenntmsse eine Optimierung (z.B. des Einspritzsystems) zu erzielen.REPLACEMENT LEAF Performance in the pre-cycle on the subsequent charge composition ('maps') and that these maps, possibly as a function of the engine parameters, are used in order to achieve an optimization (eg of the injection system) based on the resulting knowledge.
10 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß andere Meßgrößen (z.B. Temperatur, Schadstoffe wie NO oder HC) u.U. später aber in demselben Zyklus gemessen werden und zur weiteren Charakterisierung der Betriebsbedingungen herangezogen werden.10 The method according to claim 1, characterized in that other measured variables (e.g. temperature, pollutants such as NO or HC) may be later measured in the same cycle and used to further characterize the operating conditions.
11 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Ramanstreuung die Rayleighstreuung mitgemessen wird, um die gesamte Dichte (und damit die Temperatur) zu bestimmen.11. The method according to claim 1, characterized in that in addition to the Raman scattering, the Rayleigh scattering is also measured in order to determine the overall density (and thus the temperature).
12 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser Induzierte Emission in Rückstreuung mit oder ohne örtliche Auflösung beobachtet wird.12 The method according to claim 1, characterized in that the laser-induced emission in backscatter is observed with or without local resolution.
ERSATZBLATT REPLACEMENT LEAF
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