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.

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.

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.

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.

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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.

Die Messung der Mengen von Luft, Kraftstoff und der Menge des verbliebenen Abgasanteils erfolgt nach dem zu patentierenden Verfahren über optische Meßtechnik.

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).

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.

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 S _r +U aus Ramansignal S _r und Untergrund U und kann dann durch Differenzbildung S _r = (S _r +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 eine

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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.

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.

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 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.

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.

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 eine

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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.

Wesentlich und patentrelevant ist die Erstellung von Kennfeldern und die Verwendung der

Kennfelder zur Charakterisierung und Optimierung der Arbeitsweise von Motoren. Aus den

Meßdaten über die Teilchendichten und eventuell andere Größen (Druck, Temperatur,

Schadstoffe) kann ermittelt werden, unter welchen Bedingungen der Motor arbeitet und ob

Verbesserungen vorgenommen werden können. So erhält man z.B. durch Auftragen des

Lambdawertes (aus der relativen Intensität von O2 zu Kraftstoff, s.u.) auf der X-Achse, der

Abgasmenge ( über die Menge des Wassers und O2) auf der Y-Achse und der zugehörigen

Leistungsabgabe auf der Z- Achse die Abhängigkeit der Leistungsabgabe von Stöchiometrie und Abgasanteil. Diese Gegenüberstellung von Ursache und Wirkung gibt eine direkte

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.

Die simultane Erfassung der Größen [θ ₂ ],[N ₂ ],[H ₂ θ]und[f] ([x] ist die Dichte der

Teilchensorte x, f = Kraftstoff) vor einem Verbrennungszyklus nach der Verdichtung zusammen mit der Druckkurve des vorigen und aktuellen Verbrennungszyklus liefert z.B. folgende Information:

1. Stöchiometrie der Gasmischung

2. Abgasanteil vom vorigen Zyklus in der Gasmischung

3. eingelassene Luftmenge

4. eingelassene Kraftstoömenge

5. die mit der Gaszusammensetzung erzielte Leistung

6. den Einfluß des vorherigen Zyklus auf den Gasaustausch

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.

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. Diese

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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.

Ergebnisse der Vor ^u ntersuchungen

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=

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.

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.

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 -

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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.

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.

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.

Messungen mit Raman und Rayleighstreuung.

Durch die bei verschiedenen Wellenlängen getrennt auftretenden Ramanemissionen von Stickstoff [N ₂ ] _> Sauerstoff [O ₂ ], Wasser [H ₂ O] 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.

Es gilt: 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,

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wird hier aber der Einfachheit halber als konstant angenommen. Für die relative Messung der Dichten der Teilchen i,j gilt:

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.

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.

Es gilt:

ray ^{= s E} 0 ^∑ i ^σ i ray P] und wegen

P] ⁼ Α ram / ^σ i ram ^E 0

Iray ⁼ 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.

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.

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 Abschnitt

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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.

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.

Die Messung kann auch mit anderen spektralen Filtern und anderer Analyser der Polarisation erfolgen.

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