DE19925583C2 - Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Konzentration der einzelnen Komponenten eines Gemisches, insbes. eines Gasgemisches in einem Brennraum, insbes. eines Motors sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Konzentration der einzelnen Komponenten eines Gemisches, insbesondere eines Gasgemisches im Brennraum, insbesondere eines Motors gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 4.

Bei einer bekannten Vorrichtung sind in dem Brennraum, beispielsweise einem Zylinder, mehrere Zugänge vorgesehen, wobei mittels optischer Einrichtungen, zum Beispiel auch durch Spiegel, die räumliche Konzentration einzelner Komponenten in dem Kraftstoff-Luftgemisch inclusive etwaiger Restgase mit erfasst wird. Die Kenntnis über die örtliche Konzentration der einzelnen Komponenten eines derartigen Gemisches, beispielsweise eines Gemisches aus Kraftstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Restgas ist notwendig, um die Verbrennung im Brennraum optimieren zu können. Allerdings wird durch die nach dem Stand der Technik erforderliche Vielzahl von Zugängen - es sind mindestens zwei Zugänge zur räumlichen Erfassung der Konzentration des Gasgemisches erforderlich - ein hoher konstruktiver Aufwand getrieben, um eine derartige Bestimmung vornehmen zu können. Weiterhin sind auch sogenannte "Glasmotoren" bekannt, die ebenfalls die Möglichkeit der optischen Ermittlung der Konzentration einzelner Gase eines Gasgemisches im Brennraum ermöglichen.

Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen nicht nur der erhebliche konstruktive Aufwand, sondern auch, und dies ist viel wichtiger, die Verfälschung der realen Strömungs- und Verbrennungsbedingungen, da die Schaffung des optischen Zugangs oftmals mit großen Veränderungen der Brennraumgeometrie verbunden ist. Veränderungen in der Brennraumgeometrie beeinflussen allerdings immer auch die Verbrennungsvorgänge. Zum einen sollte daher der Brennraum durch den optischen Zugang möglichst wenig verändert werden. Zum anderen sollten trotzdem möglichst detaillierte, z. B. örtlich aufgelöste Messungen von Konzentrationen von Gasen, möglich sein.

DE 43 39 710 C2 beschreibt eine optoelektronische Abstandsmeß­ einreichtung mit einer Strahlungsquelle, einem optoelektronischen Empfänger und einer Abbildoptik. Darüber hinaus ist eine Blende vorgesehen, die den Strahlengang zur Bildung einer Marke auf den Randbereich der Apertur der Abbildungsoptik über deren Umfang beschränkt.

Durch eine Auswerteeinheit wird bei Abstandsänderung der Objektoberfläche von dem Grundabstand die Veränderung des von einer Marke durch die Abbildungsoptik erzeugten Musters am Empfänger als Maß für den Objektabstand registriert.

Aus der Zeitschrift "Technisches Messen", 50. Jahrgang, 1983 Heft 1, Seiten 21 bis 25 ist bekannt, ein Objektiv durch eine Blende partiell abzuschaffen, wobei allerdings keine Mittel zur Auswertung der radialen Verteilung der Intensität beschrieben werden.

Aus DE 43 20 943 A ist als nächstliegender Stand der Technik ein Verfahren und eine Meßanordnung zur simultanen Messung der verschiedenen Größen im Brennraum von Verbrennungsmotoren mittels Laser durch eine Öffnung bekannt. Allerdings sind dort keine Aussagen getroffen, wie die rückgestreute Strahlung erfasst bzw. ausgewertet werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der der Aufwand zur Bestimmung der räumlichen Konzentration der einzelnen Komponenten eines Gasgemisches, in einem Raum, insbesondere einem Brennraum, minimiert werden kann, aber dennoch präzise Ergebnisse erzielt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei wird ein Laserstrahl durch eine einzige in dem Brennraum angeordnete Öffnung gelenkt, wobei durch den Laserstrahl auf einer Linie Teilchen des Gemisches zum Leuchten angeregt werden, wobei dann das von den Teilchen ausgesandte Licht in rückwärtiger Richtung durch die gleiche Öffnung durch ein speziell abgeschattetes Objektiv auf eine lichtempfindliche Fläche, (z. B. auf eine intensivierte CCD-Kamera) abgebildet wird. Durch den Laserstrahl werden die Teilchen derart angeregt, dass sie Photonen aussenden. Durch die Photonen wird die lichtempfindliche Fläche zum Leuchten angeregt. Aus der Intensität des Leuchtens der Teilchen und der Größe der Leuchtfläche auf der lichtempfindlichen Fläche kann die Konzentration dieser Teilchen längs der durch den Laser definierten Linie örtlich durch einen flächigen Photodetektor (z. B. intensivierte CCD-Kamera) aufgelöst bestimmt werden.

Wesentlich ist, daß die vom Laser auf einer Linie induzierten Emissionen in Form von Photonen in rückwärtiger Richtung registriert werden, so daß nur ein optischer Zugang notwendig ist und trotzdem der örtliche Konzentrationsverlauf bestimmt werden kann.

Bei der Verwendung von nur einer Öffnung könnten dann auch optische Messungen an kaum veränderten Serienmotoren durchgeführt werden, indem z. B. der Druckaufnehmer oder die Zündkerze entfernt und durch einen optischen Zugang ersetzt werden.

Es ist bekannt, daß es durch die Wahl oder die Erfassung bestimmter optischer Parameter (z. B. die Wellenlänge und Polarisation des anregenden Lasers, die Wellenlängen des von den Teilchen ausgestrahlten Lichts, die Analyse der Polarisation oder der Lebensdauer des Aufleuchtens) möglich ist, die einzelnen Komponenten eines Teilchengemisches zu identifizieren und durch entsprechende Maßnahmen (z. B. Filterung) die Konzentration einzelner Komponenten auch getrennt zu bestimmen. Den Komponenten des Gasgemisches (z. B. Luft, Kraftstoff oder Abgas) können auch leuchtende Substanzen ("tracer", z. B. Farbstoffe) zugegeben werden um durch das Leuchten dieser zugegebenen Substanzen die Konzentration der entsprechenden Komponente zu bestimmen.

Bei dem Verfahren wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass ein Laser Licht mit einer bestimmten Wellenlänge aussendet durch das die Teilchen des Gasgemisches zum Leuchten angeregt werden. Von der Art der Teilchen, beispielsweise ob es sich um Sauerstoff-, Kraftstoff- oder Stickstoffmoleküle oder auch den Substanzen zugegebene Tracermoleküle handelt, hängt die Wellenlänge des Lichtes ab, das von den Teilchen nach Anregung durch den Laser emittiert wird.

Zur Bestimmung der Konzentration der einzelnen Teilchen oder Moleküle im Brennraum an verschiedenen Orten wird nun von der für eine Abbildungsoptik geltenden Überlegung ausgegangen, dass Teilchen oder Gegenstände allgemein, je weiter sie von der Gegenstandsebene entfernt sind, eine zunehmend große Fläche in der Bildebene ausleuchten. Definiert man Z als Abstand der Bildebene zur Gegenstandsebene (Z = 0 für die Gegenstandsebene) so liefern die leuchtenden Punkte in der Bildebene kreisförmige Flächen, die um so größer werden je weiter sie von der Gegenstandsebene entfernt liegen. Leuchtende Punkte, die sich in verschiedenen Abständen Z von der Gegenstandsebene auf der durch den Laser definierten Linie befinden, liefern daher verschieden große, kreisringförmige Flächen in der Bildebene.

Von besonderer Bedeutung ist die Abschattung des von den Teilchen emittierten Lichtbündels in rückwärtiger Richtung. Bei einer (zentrischen) Ausblendung des von einem Punkt ausgehenden Strahlenbündels ergibt sich in der Bildebene statt einer kreisförmigen Fläche nur noch ein Kreisring mit einem Radius und einem Abbildungsbereich ΔR. Dabei nimmt der Abbildungsbereich des Kreisringes ab, wenn das Bündel im Durchmesser zunehmend abgeschattet wird. In dieser Anordnung wird das Aufleuchten, das durch den Laser in einem Bereich [ΔZ₁, ΔZ₂] verursacht wird, in der Bildebene in eine Abbildungsbereich [ΔR₁, ΔR₂] abgebildet. Aus der Integration der Intensität der Strahlung, die in dem Abbildungsbereich [ΔR₁, ΔR₂] registriert wird, kann die Zahl der im Abstand [Z₁, Z₂] ausgesandten Photonen bestimmt werden. Aus der Zahl der ausgesandten Photonen kann die Konzentration der Teilchen nach bekannten Verfahren, z. B. Raman-Streuung, ermittelt werden.

Bei der Belichtung einer Linie im Brennraum mit einem Laser ergibt sich so ein System von konzentrischen Kreisringen in der Bildebene, wobei das in verschiedenen radialen Abständen registrierte Licht verschiedenen Ursprungsorten auf der Laserlinie zugeordnet werden kann. Hiermit ist somit in einfacher Weise eine Bestimmung der örtlichen Konzentration einzelner Komponenten eines Gasgemisches in einem Brennraum insofern möglich, als der Abstand der Teilchenkonzentration von der Gegenstandsebene und mithin von der Zylinderwandung ermittelbar ist.

Im Einzelnen ist hierbei vorgesehen, dass im Strahlengang des Lasers ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist. Durch die Anordnung des Spiegels im Strahlengang des Lasers wird erreicht, daß durch ein und diesselbe Öffnung im Zylinder sowohl der Laserstrahl eingelenkt, als auch das von den Teilchen emittierte Licht austreten kann. Wesentlich ist, dass mit diesem erfindungs­ gemäßen Verfahren lediglich ein Zugang in den Brennraum erforderlich ist, um den Laser durch diesen Zugang in den Brennraum zu schicken und das von den Teilchen emittierte Licht zu empfangen.

Die Anordnung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens zeichnet sich durch einen Laser, einen im Strahlengang des Lasers angeordneten teildurchlässigen Spiegel, sowie einem im Strahlengang des von den Teilchen emittierten Lichts angeordneten Objektivs aus, hinter dem ein Bildschirm angeordnet ist. Das Objektiv ist hierbei, wie bereits an anderer Stelle erläutert, zentrisch lichtun­ durchlässig abgedeckt, um eine Erhöhung der Trennschärfe zu erreichen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Konzentration einzelner Teilchen eines Gemisches;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht gemäß der Linie II/II aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematisch den Strahlengang von zwei Leuchtbereichen hinter der Gegenstandsebene, die auf der Bildebene abgebildet werden.

Gemäß der Fig. 1 ist der Laser mit 1 bezeichnet. Der Laser 1 sendet einen Laserstrahl 1a aus, der durch den teildurchlässigen Spiegel 3 durch ein Fenster 4a in den Brennraum 4 gelenkt wird. Im Brennraum 4 befindet sich ein Gasgemisch, in dem die nachzuweisende Komponente mit dem Konzentrationsverlauf, der anhand der Kurve (die über dem schematisch dargestellten Brennraum abgebildet ist) beispielhaft dargestellt ist und auf der durch den Laser definierten Linie zum Leuchten angeregt wird. An zwei bestimmten Orten I und II liegen die zwei unterschiedlichen Konzentrationen eines Gases vor. Bei der nachzuweisenden Komponente kann es sich zum Beispiel um Sauerstoff, Stickstoff oder Kraftstoff oder um Tracermoleküle im Gasgemisch handeln. Der Laserstrahl 1a trifft im Bereich der Konzentration an den Orten I und II auf die entsprechenden Teilchen und regt diese zum Leuchten an, wobei die Stärke des Aufleuchtens der Konzentration proportional ist. Das vom Laser induzierte Licht wird durch das Fenster 4a zurückgeschickt, durchstößt den teildurchlässigen Spiegel und wird durch das Objektiv 2 auf der mit 5 bezeichneten Bildebene als kreisringförmige Leuchtfläche abgebildet. Das Objektiv 2 ist zentrisch z. B. durch eine lichtundurchlässige Folie 2a abgedeckt. Durch das Objektiv 2 wird das Licht aus der Gegenstandsebene 10 in die Bildebene 5, in der die Intensität des rückgestreuten Lichtes flächig durch einen Photodetektor registriert wird, abgebildet.

Das Objektiv bildet nur die Gegenstandsebene 10 scharf auf dem Bildschirm ab. Befindet sich der Leuchtpunkt, d. h. das leuchtende Teilchen, nicht auf der Gegenstandsebene 10, sondern in einem Abstand Z hinter der Gegenstands­ ebene 10, so wird die Abbildung des Leuchtpunktes in der Bildebene unscharf und ist eine Scheibe mit einer mehr oder weniger homogenen Verteilung der Intensität.

Ist aber die Mitte des Objektives abgedeckt (vorteilhafterweise symmetrisch in der Fourierebene), so erreicht nur das Licht vom Leuchtpunkt, das durch den verbleibenden Ringspalt im Objektiv 2 geht, den Bildschirm in der Bildebene. In diesem Falle liefert die Abbildung mit dem in der Mitte abgedeckten Objektiv keine Scheibe, sondern einem Kreisring. Je enger der Ringspalt gewählt wird, desto kleiner wird die Breite des Kreisringes. Da der Radius bzw. der Durchmesser des Kreisringes monoton zunimmt, wenn sich der Leuchtpunkt weiter von der Gegenstandsebene entfernt, kann aus dem Radius des Kreisringes der Abstand z des Teilchens von der Gegenstandsebene ermittelt werden. Es ergeben sich demzufolge, wie aus Fig. 2 erkennbar ist, zwei konzentrische, kreisförmige Ringe KI und KII mit den Durchmessern dI und dII. Durch Integration der registrierten Lichtintensität über die Fläche der beiden Ringe können nunmehr Rückschlüsse auf die Höhe der Konzentration der entsprechenden Teilchen, zum Beispiel Sauerstoff und Stickstoff, an den Orten I und II gezogen werden, wobei aufgrund der Durchmessergröße Rückschlüsse auf den räumlichen Abstand der Konzentration an den Orten I und II von der Gegenstandsebene 10 gezogen werden können.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird der Laser durch einen Spiegel auf der optischen Achse der Abbildung eingekoppelt und regt Teilchen nur auf der durch den Laser definierten Linie zum Leuchten an. Das Objektiv ist so abgeschattet, dass nur Licht im Bereich Δr durchgelassen wird. Das Aufleuchten der Teilchen im Bereich [ΔZ₁, ΔZ₂] wird so nur in dem Abbildungs­ bereich [ΔR₁, ΔR₂] auf der Bildebene abgebildet.

Aus der Fig. 3 sind im einzelnen zwei Bereiche ΔZ₁ und ΔZ₂ erkennbar, die auf der Bildebene mit dem Abbildungsbereich ΔR₁ und ΔR₂ abgebildet werden.

Hierbei gilt, dass je geringer der Abstand [Z₁, Z₂] des Bereichs [ΔZ₁, ΔZ₂] zur Gegenstandsebene ist, um so näher ist der Abbildungsbereich [ΔR₁, ΔR₂] der optischen Achse. In Bezug auf die Größe des Abbildungsbereiches auf der Bildebene im Verhältnis zum Leuchtbereich gilt folgende Relation:
Δr/r ≈ ΔZ/Z, wobei Z der Abstand des Leuchtbereichs von der Gegenstandsebene ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Konzentration der einzelnen Komponenten eines Gemisches, insbes. eines Gasgemisches in einem Brennraum, insbesondere eines Motors, wobei ein Laserstrahl durch nur eine Öffnung in den Brennraum gelenkt wird, durch den Laserstrahl bestimmte Teilchen des Gemisches auf einer Linie zum Leuchten angeregt werden, das durch die eine Öffnung rückwärts gestreute Licht dieser Teilchen durch ein partiell abgeschattetes Objektiv als Leuchtfläche auf einen Bildschirm abgebildet wird, zur Bestimmung des Abstands der einzelnen Komponenten von der Gegenstandsebene die Größe der Leuchtfläche bestimmt wird, und wobei durch die Integration der registrierten Lichtintensität über die Leuchtfläche die Konzentration der einzelnen Komponenten längs der Laserlinie örtlich aufgelöst ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtfläche auf einen Bildschirm abgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Intensität auf dem Bildschirm durch einen flächigen Photodetektor ortsaufgelöst registriert wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Laser, der durch nur eine Öffnung in den Brennraum eingekoppelt wird, einem im Strahlengang des Lasers angeordneten teildurchlässigen Spiegel, sowie einem im Strahlengang des rückgestreuten Lichtes angeordneten partiell abgeschatteten Objektivs hinter dem ein Bildschirm und ein örtlich auflösenden Photodetektor angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv zur Bildung von trennscharfen Ringen auf dem Bildschirm zentrisch partiell lichtundurchlässig abgedeckt ist.