Innermotorische Gemischbildungsanalyse

Eine optimale Entzündung und eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches in Verbrennungsmotoren wird maßgeblich von der Gemischbildung beeinflusst. Kraftstoffkonzentration, Temperatur und Druck des Gemisches sind die entscheidenden Größen bei der Initialisierung der Verbrennung. Für eine Optimierung der motorischen Verbrennung ist ein grundlegendes Verständnis der Gemischbildungsdynamik erforderlich. Eine hoch zeitaufgelöste Erfassung der genannten Größen, in vielen aufeinander folgenden Arbeitsspielen, ist daher ausgesprochen wünschenswert, um Gemischbildungsphänomene zu erkennen und deren Auswirkungen weiter zu verfolgen.

Der einzige Zugang für optische Sensoren zum Brennraum, ohne aufwendige Modifikationen am Motorblock vornehmen zu müssen, ist die Zündkerzenöffnung. Durch entsprechende Miniaturisierung ist es uns gelungen, einen optischen Sensor in eine modifizierte Zündkerze zu integrieren, der in der Lage ist, die Kraftstoffkonzentration und den lambda-Wert am Ort der Zündkerze zeitaufgelöst zu erfassen. Da keine weiteren Zugänge vorhanden sind, bleiben die mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Motors unverändert.

: Abbildung 1: Kopf der Messzündkerze

Abbildung 1 zeigt eine derartige zündfähige Messzündkerze mit einer integrierten Absorptionsstrecke. Bei den Messungen dient eine Halogenreflektorlampe als Infrarotlichtquelle, deren Strahlung mit optischen Fasern zur Absorptionsstrecke geführt, an einem kleinen Metallspiegel reflektiert und anschließend wieder zum Detektor zurückgeleitet wird. Kraftstoffmoleküle innerhalb der Absorptionsstrecke absorbieren die Infrarot-Strahlung in Abhängigkeit von der Dichte des Kraftstoffes in der Absorptionsstrecke. Aus den Absorptionsdaten wird mittels entsprechender Kalibration der kurbelwinkelaufgelöste Verlauf der Kraftstoffkonzentration und der lokale lambda-Wert ermittelt.

: Abbildung 2: Verschiedene Kraftstoffkonzen- trationsverläufe: a) Fehlzündung, b) verzögerte Verbrennung, c) Ideale Verbrennung

Die zeitaufgelöste Kraftstoffkonzentrations- messung ist während des gesamten Motorzyklus sowohl im geschleppten als auch im gezündeten Motorbetrieb möglich. Abbildung 2 zeigt beispielhaft auffällige Konzentrationsverläufe, hervorgerufen durch Fehlzündung oder verschleppte Verbrennung. Die Konzentrationen unterscheiden sich vor allem nach der Zündung, da der Kraftstoff nicht oder nur teilweise verbrannt ist. Die Messungen wurden in diesem Fall an einem Otto-Versuchsmotor mit Saugrohreinspritzung und homogener Gemischbildung durchgeführt.

Kooperationspartner:

LaVision GmbH
Robert Bosch GmbH
Volkswagen AG

Weiterführende Informationen:

A. Grosch, V. Beushausen, O. Thiele, R. Grzeszik, Crank Angle Resolved Determination of Fuel Concentration and Air/Fuel Ratio in a SI-Internal Combustion Engine Using a Modified Optical Spark Plug, SAE Paper 2007-01-0644

Grosch A., Beushausen V. , Thiele O., Crank Angle Resolved Determination of Fuel-Concentration and Air/Fuel Ratio in a SI-Production Engine by Using a Modified Optical Spark Plug, in Valldorf J., Gessner W (Hrsg): Advanced Microsystems for Automotive Applications 2008, S. 105, Springer-Verlag, ISBN: 978-3-540-77979-7