Title:
Measuring device for analysis of fuel-air mixture has withdrawal means to withdraw fuel-air mixture from engine combustion chamber in running condition whereby withdrawal means in spark plug is provided with gas withdrawal channel
Kind Code:
A1


Abstract:
The measuring device has withdrawal means (20,22), which withdraw fuel-air mixture from the engine combustion chamber (10) in running condition. The optical measuring instrument (26) determines the concentration of the constituents in fuel air mixture during the operating period of engine. The withdrawal means in spark plug (18) is provided with gas withdrawal channel.



Inventors:
Peter, Frank, Dr.-Ing. (Rosenheim, 83026, DE)
Application Number:
DE102004052743A
Publication Date:
05/04/2006
Filing Date:
10/30/2004
Assignee:
DaimlerChrysler AG (Stuttgart, 70567, DE)



Claims:
1. Messsystem zur Analyse eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Motorbrennraum (10) mit
– Entnahmemitteln (20, 22) zur Entnahme einer Probe des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Motorbrennraum (10) im laufenden Motorbetrieb,
gekennzeichnet durch
– optische Messmittel (26) zur zeitaufgelösten Bestimmung einer oder mehrerer Spezieskonzentrationen und/oder des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses der entnommenen Probe über ein jeweiliges Arbeitsspiel des Motors hinweg.

2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmemittel (20, 22) einen in einer Zündkerze (18) vorgesehenen Gasentnahmekanal umfassen.

3. Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasentnahmekanal innerhalb von zumindest einem Teilabschnitt einer Mittelelektrode (20) der Zündkerze (18) geführt ist.

4. Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmemittel (20, 22) ein Kapillarrohr (22) zur Leitung der entnommenen Probe des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom Motorbrennraum (10) zu den optischen Messmitteln (26) beinhalten.

5. Messsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarrohr (22) zumindest in einem Teilabschnitt (22a) elektrisch leitend ist und dieser Teilabschnitt (22a) elektrisch leitend verbindbar mit einer Mittelelektrode (20) einer Zündkerze (18) und einer Zündanlage (34) ausgeführt ist.

6. Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (26) zur Analyse der Probe des Kraftstoff-Luft-Gemisches anhand einer Absorptionsmessung, Streuungsmessung und/oder Fluoreszenzmessung ausgebildet sind.

7. Messsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (26) zur Messung einer Kohlenwasserstoff-Konzentration der Probe mittels induzierter Fluoreszenz ausgebildet sind und eine UV-Lichtquelle (28) sowie einen Photomultiplier und/oder eine Photodiode (30) aufweisen.

Description:

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem zur Analyse eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Motorbrennraum nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Messsystem ist beispielsweise vom Institut für Motorenbau Prof. Huber in München vorgeschlagen worden, siehe Internetseite www.imh.de/gasentn3.htm. Beim dortigen Messsystem ist die Zündkerze eines Ottomotors mit Direkteinspritzung durch ein Gasentnahmeventil ersetzt, mittels dessen aus dem Brennraum eine kleine Menge der dort vorhandenen Ladung entnommen werden kann. Diese Ladungsmenge wird anschließend mittels eines schnellen Flammenionisationsdetektors analysiert, um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu ermitteln. Da keine Zündmöglichkeit in dem mit dem Gasentnahmeventil versehenen Zylinder vorhanden ist, ist eine Analyse im laufenden Betrieb mit dem Messsystem nicht möglich.

In der DE 199 50 932 B4 ist eine Zündkerze offenbart, die einen Gasentnahmekanal aufweist, der von der Brennraumseite der Zündkerze bis zu deren von dem Brennraum fortweisenden Seite verläuft. Der Gasentnahmekanal erlaubt das Entnehmen einer Probe aus dem Brennraum zum Zwecke der Weiterleitung an ein mit einer Pumpe und einer Analyseeinheit ausgestattetes Gasentnahmesystem.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Messsystems der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem eine vergleichsweise genaue und schnelle Analyse eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Motorbrennraum während des Motorbetriebs in Echtzeit möglich ist.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Messsystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß weist das Messsystem optische Messmittel auf, mit denen eine zeitaufgelöste Bestimmung einer oder mehrerer Spezieskonzentration und/oder des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses der durch Entnahmemittel aus dem Motorbrennraum entnommenen Probe über ein Arbeitsspiel hinweg möglich ist. Die Verwendung optischer Messmittel gestattet dabei eine sehr schnelle Analyse und damit eine hohe Frequenz von Analyseergebnissen. Durch diese hohe Frequenz ist es zum Beispiel möglich, den zeitlichen Verlauf der Spezieskonzentrationen bzw. des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses mit so hoher Auflösung und dadurch auch Genauigkeit zu erfassen und dahingehend zu überwachen, dass ein idealer Zündzeitpunkt zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermittelt und genutzt werden kann.

In Ausgestaltung des Messsystems umfassen die Entnahmemittel einen in einer Zündkerze vorgesehenen Gasentnahmekanal. Ein solcher Gasentnahmekanal in einer Zündkerze erlaubt die Entnahme der Probe unmittelbar am Zündort. Dadurch ist ein unverfälschtes Ergebnis gewährleistet, welches im direkten Zusammenhang mit den Verhältnissen am Zündort steht und somit ohne Einbeziehung weiterer Einflussfaktoren einen Rückschluss beispielsweise auf die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches gestattet. Darüber hinaus hat die Anordnung des Gasentnahmekanals in der Zündkerze den Vorteil, dass keine konstruktiven Modifikationen am Motorbrennraum selbst erforderlich sind. Stattdessen kann eine solche Zündkerze verwendet werden, die eine im übrigen übliche Bauform aufweisen und damit in einer Vielzahl verschiedener Motoren Anwendung finden kann.

In Ausgestaltung des Messsystems ist der Gasentnahmekanal innerhalb von mindestens einem Teilabschnitt einer Mittelelektrode der Zündkerze geführt. Diese Ausgestaltung ist einerseits unter konstruktiven Gesichtspunkten zweckmäßig, da im Idealfall lediglich die Mittelelektrode einen Unterschied zu einer üblichen Zündkerze ohne Gasentnahmekanal aufweist, und andererseits bezüglich des Orts der Gasentnahme ideal, denn das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird unmittelbar im Bereich der Mittelelektrode entnommen, welcher für das Zündverhalten maßgeblich ist. Eine derartige funktionale Verbindung der Stromzuführung mit der Gasentnahme innerhalb der Zündkerze gestattet darüber hinaus in einfacher Art und Weise die Integration von Zündkabel und Mitteln zur Weiterleitung von Gasproben, beispielsweise in Form eines gemeinsamen Verbinders.

In Ausgestaltung des Messsystems beinhalten die Entnahmemittel ein Kapillarrohr zur Leitung der entnommenen Probe des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom Motorbrennraum zu den optischen Messmitteln. Dadurch ist eine örtliche Trennung zwischen Motorbrennraum beziehungsweise Zündkerze einerseits und Messmittels andererseits gegeben, welche je nach Anwendungsfall erforderlich oder wünschenswert sein kann und die trotzdem noch eine ausreichend schnelle Analyse ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung ist das Kapillarrohr zumindest in einem Teilabschnitt elektrisch leitend und dieser Teilabschnitt ist elektrisch leitend verbindbar mit einer Mittelelektrode der Zündkerze und einer Zündanlage. Ein solches elektrisch leitendes Kapillarrohr kann neben der Gastransportfunktion auch die Funktion eines Zündkabels übernehmen.

In Ausgestaltung des Messsystems sind die Messmittel zur Analyse der Probe des Kraftstoff-Luft-Gemisches anhand einer Absorptionsmessung, Streuungsmessung und/oder Fluoreszenzmessung ausgebildet. Diese dem Fachmann an sich bekannten Analyseverfahren erlauben jeweils eine sehr schnelle Messung. Dadurch ist eine hoch zeitaufgelöste Bestimmung der Probe möglich und damit zum Beispiel das Ermitteln des idealen Zündzeitpunktes. Bei der Fluoreszenzmessung wird die Intensität einer von der Probe abgegebenen Strahlung in einem bestimmten Frequenzbereich gemessen, der für die Probe charakteristisch ist. Diese Intensität erlaubt Rückschlüsse auf die Konzentration einer bestimmten Spezies in der Probe. Bei der Absorptionsmessung wird die Probe mit Licht einer definierten Frequenz bestrahlt und die Abschwächung des Lichts in Folge von Absorption gemessen. Das Maß an Absorption ist von der Spezieskonzentration in der Probe abhängig.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Messmittel zur Messung einer Kohlenwasserstoffkonzentration der Probe mittels induzierter Fluoreszenz ausgebildet und weisen eine UV-Lichtquelle sowie einen Photomultiplier und/oder eine Photodiode auf. Die Probe wird dabei mit UV-Licht bestrahlt und die Intensität der Fluoreszenzstrahlung der Probe, die von dieser in Folge der Bestrahlung abgegeben wird, mittels eines Photomultipliers und/oder einer Photodiode gemessen. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung erlaubt einen Rückschluss auf den Kraftstoffanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung, wie er zum Beispiel in Kraftfahrzeugen verwendet wird.

Dargestellt ist ein bezüglich des Aufbaus herkömmlicher Zylinder 8 dieses Ottomotors, in dem ein Kolben 12 angeordnet ist, der einen Brennraum 10 des Zylinders 8 nach unten hin abschließt. Am oberen Ende weist der Brennraum 10 ein Einlassventil 14 zur Zuführung von Luft und eine Einspritzdüse 16 zum Direkteinspritzen von Kraftstoff auf. Zur Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches ist eine Zündkerze 18 vorgesehen, die bezüglich ihrer Baumaße einer herkömmlichen Zündkerze entspricht.

Die Zündkerze 18 weist eine Mittelelektrode 20 auf, die als schmales Rohr ausgebildet ist und damit einen Gasentnahmekanal bildet. Zum Weitertransport von Gasproben aus dem Brennraum 10 ist ein Kapillarrohr 22 vorgesehen, welches den Gasentnahmekanal der Mittelelektrode 20 mit einer Analyseeinrichtung 26 verbindet. In einem ersten Teilabschnitt 22a ist das Kapillarrohr 22 elektrisch leitend ausgeführt. Zwischen diesem ersten Teilabschnitt 22a und einem zweiten Teilabschnitt 22b des Kapillarrohrs 22 zweigt ein Zündkabel 24 vom Kapillarrohr 22 zu einer Zündanlage 34 ab. Der zweite Teilabschnitt 22b des Kapillarrohrs 22 führt zur Analyseeinrichtung 26. Das Kapillarrohr 22 kann einstückig ausgebildet sein und eine Anschlussmöglichkeit für das Zündkabel 24 bieten. Es kann sich aber auch aus zwei separaten, verbindbaren Teilabschnitten 22a, 22b zusammensetzen, wobei auch möglich ist, dass der elektrisch leitende erste Teilabschnitt 22a einstückig mit dem Zündkabel 24 ausgeführt ist. Der zweite Teilabschnitt 22b kann elektrisch isolierend ausgeführt sein, wenn vermieden werden soll, dass der Zündstromimpuls zur Analyseeinrichtung 26 gelangt. Die Analyseeinrichtung 26 verfügt über eine UV-Lichtquelle 28 und eine Photodiode 30 und ist mit einem Motorsteuergerät 32 verbunden, welches wiederum mit der Zündanlage 34 verbunden ist. Das Zündkabel 24 dient zusammen mit dem Teilabschnitt 22a des Kapillarrohrs 22 der Zündstromzuführung von der Zündanlage 34 zur Zündkerze 18.

Im folgenden wird die Funktionsweise des dargestellten Messsystems erläutert, das eine genaue und schnelle Analyse des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 10 im laufenden Motorbetrieb gestattet. Dazu werden nach der Zuführung von Luft durch das Einlassventil 14 und Kraftstoff mittels der Einspritzdüse 16 während des Verdichtens des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 10 kontinuierlich Proben durch den Gasentnahmekanal 22 in der Zündkerze 18 entnommen und durch das Kapillarrohr 22 zur Analyseeinrichtung 26 geleitet. Dort werden die Proben mit UV-Licht 36 bestrahlt, welches von der UV-Lichtquelle 28 kontinuierlich abgegeben wird. Dieses UV-Licht führt zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung 38 mit einer für im Kraftstoff enthaltene Kohlenwasserstoffe charakteristischen Wellenlänge durch die Probe. Mittels der Photodiode 30 wird die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 38 gemessen.

Die Intensität dieser Fluoreszenzstrahlung 38 steht im direkten Zusammenhang mit dem Kraftstoffanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch, das aus dem Brennraum 10 entnommen wurde. Die ermittelte Intensität wird an das Motorsteuergerät 32 übermittelt. Diese Analysen werden in schneller Folge im Verlauf eines Arbeitsspiels mit einer Mehrzahl von Proben durchgeführt. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 38 und das daraus ermittelte, an der Zündkerze 18 herrschende Gemischverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft sowie dessen Veränderung ermöglichen dem Motorsteuergerät 32, einen idealen Zündzeitpunkt festzulegen, beispielsweise eine Zündung erst dann zuzulassen, wenn die Konzentration des Kraftstoffes ein Maß erreicht, bei dem Verbrennungsaussetzer nicht zu befürchten sind. Wenn die erforderlichen Bedingungen an der Zündkerze 18 vorherrschen, wird die Zündung mittels der Zündanlage 34 in herkömmlicher Weise ausgelöst. Das dargestellte Messsystem hat auf die Gegebenheiten innerhalb des Zylinders 8 bezüglich des Aufbaus keinen bzw. keinen nennenswerten Einfluss. Die Bohrung in der Zündkerze 18 beeinträchtigt den Betrieb des Motors nicht.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines solchen Messsystems beim geschichteten Betrieb von Ottomotoren mit Direkteinspritzung, da im geschichteten Betrieb die Kraftstoffkonzentration im Zylinder vor der Zündung gezielt inhomogen ist. Daher ist die Gefahr einer für die Zündung ungünstigen Kraftstoffverteilung und einer zu geringen Kraftstoffkonzentration an der Zündkerze erhöht. Dementsprechend ist eine zeitaufgelöste Analyse der Kraftstoffkonzentration an der Zündkerze über ein Arbeitsspiel des Kolbens hinweg beim geschichteten Betrieb besonders zweckmäßig.

In einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform wird statt der Photodiode 32 ein Photomultiplier verwendet. Dieser ermöglicht eine sehr empfindliche Messung der Fluoreszenzstrahlung und damit ein besonders genaues Erkennen auch geringer Spezieskonzentrationen.

In einer anderen nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform ist der Gasentnahmekanal nicht in der Zündkerze realisiert, sondern stattdessen als Bohrung in der Zylinderwandung, vorzugsweise in der Nähe der Zündkerze, ausgebildet. Bei einer Anordnung der Bohrung in der Nähe der Zündkerze kann noch immer von Konzentrationsverhältnissen des Kraftstoff-Luft-Gemischs ausgegangen werden, die denen an der Zündkerze ähnlich sind.