AT515732A2 - RECOGNITION OF COMBUSTION PROCESSES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder (10) hin- und hergehenden Kolben (11), wobei über zumindest zwei optische Sensoren (S) Flammenintensitäten (I) in unterschiedlichen Messvolumina (15) im Brennraum (12) des Zylinders (10) erfasst werden. Um eine rasche und anschauliche Aufbereitung der Ergebnisse von optischen Verbrennungsmessungen zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass für jeden bestimmten, vorzugsweise Kurbelwinkel (KW) ein Polardiagramm erstellt wird, in welchem die Integrale der gemessenen Flammenintensitäten (I) des Messvolumens (15) jedes Messkanals (K) zwischen der jeweiligen Sensoroberfläche und einer jeweils gegenüberliegenden Begrenzungsfläche dargestellt werden.The invention relates to a method for detecting combustion processes in the combustion chamber of an internal combustion engine having at least one piston (11) reciprocating in a cylinder (10), wherein flame intensities (I) in different measurement volumes (15) are obtained via at least two optical sensors (S). in the combustion chamber (12) of the cylinder (10) are detected. In order to enable a rapid and clear preparation of the results of optical combustion measurements, it is provided that for each particular, preferably crank angle (KW) a polar diagram is created, in which the integrals of the measured flame intensities (I) of the measuring volume (15) of each measuring channel ( K) between the respective sensor surface and a respective opposite boundary surface.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin-und hergehenden Kolben, wobei über zumindest zwei optische Sensoren Flammenintensitäten in unterschiedlichen Messvolumina im Brennraum des Zylinders erfasst werden.The invention relates to a method for detecting combustion processes in the combustion chamber of an internal combustion engine having at least one reciprocating piston in a cylinder, wherein flame intensities in different measurement volumes in the combustion chamber of the cylinder are detected via at least two optical sensors.
Es ist bekannt, von einer optischen Sensorik aufgezeichnete Verbrennungsvorgänge bei einer Brennkraftmaschine in Diagrammen darzustellen, in denen die Flammenintensität aller Sensorkanäle über dem Kurbelwinkel aufgetragen ist. In einer in Fig. 1 dargesteliten ersten Darsteilungsform, bei der die Flammintensität über dem KurbelwinkeS aufgetragen wird, ist jeder Kanal als eigene Kurve dargestellt. In einer in Fig. 2 dargestellten zweiten Darstellungsform, bei der die Messkanäle über dem Kurbelwinkel aufgetragen werden, ist die Flammintensität unterscheidbar, zum Beispiel farblich, gekennzeichnet, wobei unterschiedlichen Flammintensitäten unterschiedliche Farben zugeordnet sind. Nachteilig daran ist insbesondere, dass die Interpretation der Messergebnisse einen hohen Grad an Vertrautheit mit der Technologie und dem Messverfahren voraussetzt, was eine rasche Auswertung und Erklärung der Messergebnisse erschwert.It is known to represent recorded by an optical sensor combustion processes in an internal combustion engine in diagrams, in which the flame intensity of all sensor channels is plotted against the crank angle. In a first presentation form illustrated in FIG. 1, in which the flame intensity is plotted over the crank angle S, each channel is shown as a separate curve. In a second embodiment represented in FIG. 2, in which the measuring channels are plotted above the crank angle, the flame intensity can be differentiated, for example color-coded, whereby different colors are assigned to different flame intensities. The disadvantage of this is in particular that the interpretation of the measurement results requires a high degree of familiarity with the technology and the measurement method, which makes it difficult to quickly evaluate and explain the measurement results.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Erfassung und Darstellungsform von Verbrennungsvorgängen zu vereinfachen.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to simplify the detection and presentation of combustion processes.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass für bestimmte, vorzugsweise jeden Kurbelwinkel ein Polardiagramm erstellt wird, in welchem die Integrale der gemessenen Flammenintensitäten des Messvolumens jedes Messkanals zwischen der jeweiligen Sensoroberfläche und einer jeweils gegenüberliegenden Begrenzungsfläche dargestellt werden. Bei der Begrenzungsfläche handelt es sich um eine Begrenzungsfiäche des Brennraums und es kann sich beispielsweise um eine Wand des Brennraums oder die Kolbenoberfläche handeln.According to the invention, this is achieved by generating a polar diagram for certain, preferably each crank angle, in which the integrals of the measured flame intensities of the measuring volume of each measuring channel are represented between the respective sensor surface and a respectively opposite limiting surface. The boundary surface is a boundary surface of the combustion chamber and may, for example, be a wall of the combustion chamber or the piston surface.
In der erfindungsgemäßen Darstellungsform wird für jeden Kurbelwinkel ein Polardiagramm erstellt, das die Integrale der gemessenen Flammenintensität des Volumens jedes Messkanais zwischen der jeweiligen Sensoroberfläche und der jeweils gegenüberliegenden Begrenzungsfiäche, zum Beispiel eine Wand des Brennraums, darstellt. Messergebnisse ortsfester Aperturen werden damit in Polardiagrammen dargestellt.In the form of representation according to the invention, a polar diagram is created for each crank angle, which represents the integrals of the measured flame intensity of the volume of each measuring channel between the respective sensor surface and the respectively opposite boundary surface, for example a wall of the combustion chamber. Measurement results of fixed apertures are thus represented in polar diagrams.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mehrere Sensoren vorgesehen sind, die in Gruppen angeordnet sind, wobei jeder Gruppe von optischen Sensoren ein kreis-oder ringförmiger Sektorbereich des Poiardiagramms zugeordnet wird, wobei die Sektoren jedes Sektorbereiches einzelnen optischen Sensoren der entsprechenden Gruppe von optischen Sensoren zugeordnet werden.Preferably, it is provided that a plurality of sensors are provided, which are arranged in groups, wherein each group of optical sensors is assigned a circular or annular sector region of the Poiardiagramms, wherein the sectors of each sector region are assigned to individual optical sensors of the corresponding group of optical sensors.
In einer Variante der Erfindung wird jedes Poiardiagramm erstellt, indem die Messvolumina auf eine normal zur Zylinderachse stehende Projektionsfläche projiziert werden und die Projektionsfläche auf der Basis der projizierten Messvolumina in einzelne Sektoren aufgeteilt wird, wobei jeder Sektor zumindest einem optischen Sensor oder einer Gruppe von optischen Sensoren zugeordnet wird und wobei in jedem Sensor das Messsignal des entsprechenden optischen Sensors oder der entsprechenden Gruppe von optischen Sensoren dargestellt wird.In a variant of the invention, each Poiardiagramm is created by the measurement volumes are projected onto a normal to the cylinder axis projection surface and the projection surface is divided on the basis of the projected measurement volumes into individual sectors, each sector at least one optical sensor or a group of optical sensors is assigned and wherein in each sensor, the measurement signal of the corresponding optical sensor or the corresponding group of optical sensors is shown.
In einer weiteren Variante der Erfindung mit zumindest zwei Gruppen von optischen Sensoren wird jeder Gruppe von optischen Sensoren ein kreis- oder ringförmiger Sektorbereich zugeordnet, wobei die Sektoren jedes Sektorbereiches einzelnen optischen Sensoren der entsprechenden Gruppe von optischen Sensoren zugeordnet werden.In a further variant of the invention with at least two groups of optical sensors, each group of optical sensors is assigned a circular or annular sector area, the sectors of each sector area being assigned to individual optical sensors of the corresponding group of optical sensors.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedem optischen Sensor und/oder jedem Sektor ein Messkanal zugeordnet wird.It is particularly advantageous if a measuring channel is assigned to each optical sensor and / or each sector.
Eine besonders einfache Darstellungsweise ergibt sich, wenn die Projektionsfläche samt den Sektoren auf einem Bildschirm dargesteilt wird und die Sektoren in Abhängigkeit der gemessenen Lichtintensität in verschiedenen Farben dargesteilt werden, wobei unterschiedlichen Lichtintensitäten unterschiedliche Farben zugeordnet werden.A particularly simple representation is obtained when the projection area including the sectors is displayed on a screen and the sectors are displayed in different colors as a function of the measured light intensity, different colors being assigned to different light intensities.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Darstellung der Messsignale kurbelwinkelsynchron verläuft. Die Erfassung der Verbrennungsvorgänge folgt somit kurbelwinkelaufgelöst, wobei für jeden Kurbelwinkel oder für jeden Kurbelwinkelbereich eine Momentaufnahme der Verbrennungsvorgänge mittels Polardiagrammen am Bildschirm dargesteilt wird. Dies ermöglicht eine besonders rasche und intuitive Interpretation der Messergebnisse.In a particularly preferred embodiment variant of the invention, it is provided that the representation of the measurement signals is crankshaft-synchronous. The detection of the combustion processes thus follows crank angle resolved, wherein for each crank angle or for each crank angle range a snapshot of the combustion processes by means of polar diagrams is shown on the screen. This allows a particularly quick and intuitive interpretation of the measurement results.
Das Sensorsignal jedes Messkanals umfasst dabei das Integral der Lichtintensitäten (Vormischflamme und Flussquellen) im Messvolumen zwischen der Sensoroberfläche und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche (dabei kann es sich um die Kolbenoberfläche oder den Zylinder handeln, was sich je nach Kurbelwinke! ändern kann). Bei diesem Messvolumen handelt es sich um den Brennraum je nach Kurbelwinkel bzw. Position des Kolbens.The sensor signal of each measurement channel comprises the integral of the light intensities (premix flame and flow sources) in the measurement volume between the sensor surface and the opposite boundary surface (this may be the piston surface or the cylinder, which may change depending on the crank angle). This measurement volume is the combustion chamber depending on the crank angle or position of the piston.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass gleichzeitig zur Darstellung der gemessenen Flammenintensitäten auch die Position der Sichtkegel der einzelnen Messkanäle im Brennraum kurbelwinkelsynchron dargestellt wird, wobei vorzugsweise die gemessenen Flammenintensitäten in farbgraphischer Form in den Sichtkegein der einzelnen Messkanäle im Brennraum kurbelwinkeisynchron dargestellt werden. Die farbgraphische Darstellung der gemessenen Flammenintensitäten kann an den Schnittflächen der Sichtkegel mit der Brennraumoberfläche erfolgen.In a further embodiment of the invention, it is provided that the position of the cone of view of the individual measuring channels in the combustion chamber is simultaneously represented as crank angle synchronous with the measured flame intensities, wherein preferably the measured flame intensities are shown in colorgraphic form in the Sichtkegein the individual measuring channels in the combustion chamber kwinelnwinkeisynchron. The color graphic representation of the measured flame intensities can be made at the intersection of the view cone with the combustion chamber surface.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Verknüpfung von Messsignalen (den gemessenen Flammenintensitäten) und den Brennraumgeometrien über CAD-Darsteilungen, sodass Verbrennungsereignisse besser in realen Zylindergeometrien verortet werden können.The method according to the invention allows a combination of measurement signals (the measured flame intensities) and the combustion chamber geometries via CAD representations so that combustion events can be better located in real cylinder geometries.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.
Es zeigen Fig. 1 ein Flammenintensitäts-Kurbelwinkeldiagramm, Fig. 2 eine Messkanal-Kurbelwinkeldiagramm, Fig. 3 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt, Fig. 4 die Messbereiche eines eine Vielzahl an Sensoren aufweisenden optischen Messaufnehmers, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Koibenoberfläche eines Kolbens, Fig. 6 ein Polardiagramm der Messergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 7 die Zuordnung der Sektoren beim erfindungsgemäßen Verfahren.3 shows a cylinder of an internal combustion engine in a longitudinal section, FIG. 4 shows the measuring ranges of an optical sensor having a large number of sensors, FIG. 5 shows a top view of the FIGS 6 shows a polar diagram of the measurement results of the method according to the invention, and FIG. 7 shows the allocation of the sectors in the method according to the invention.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen bekannte Darstellungsformen.Fig. 1 and Fig. 2 show known forms of presentation.
In Fig. 1 ist die Lichtintensität I, sowie der Zylinderdruck p über dem Kurbelwinkei KW für eine optische Messung der Verbrennungsvorgänge im Brennraum 12 einer Brennkraftmaschine dargestelit.In Fig. 1, the light intensity I, and the cylinder pressure p over the Kurbelwinkei KW dargestelit for an optical measurement of the combustion processes in the combustion chamber 12 of an internal combustion engine.
Fig. 2 zeigt eine andere Darstellung der Messergebnisse, wobei die einzelnen Kanäle K der optischen Sensoren über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen sind. Die Farbintensitäten der einzelnen Messungen sind durch unterschiedliche Farben markiert.FIG. 2 shows another illustration of the measurement results, with the individual channels K of the optical sensors being plotted over the crank angle KW. The color intensities of the individual measurements are marked by different colors.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Zylinder 10 mit einem hin- und hergehenden Kolben 11 einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In den Brennraum 12 mündet ein eine Vielzahl an optischen Sensoren S bzw. Lichtleitern aufweisender optischer Messaufnehmer 13 ein, welcher beispielweise in einer Zündkerze 14 integriert sein kann. Die an der Spitze des optischen Messaufnehmers 13 angeordneten Sensoren S münden so in den Brennraum 12 ein, dass jeder Sensor S ein definiertes Messvolumen 15 im Brennraum 12 erfasst. Die Messvoiumina 15 sind dabei jeweils in Gruppen 1, 2, 3, 4 zusammengefasst, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Gruppe 1 umfasst dabei die oberste Reihe der Messvoiumina 15, die Gruppe 2 die mittlere Reihe und die Gruppe 3 die unterste Reihe der Messvoiumina 15. Eine Anzahl von ringförmig angeordneten zentralen Messvoiumina 15 ist zur Gruppe 4 zusammengefasst. Die Positionierung oben nach unten bezieht sich dabei auf einen vertikal bewegten Kolben 11, wobei der Sensor am oberen Ende des Brennraums 12 angeordnet ist.Fig. 3 shows schematically a cylinder 10 with a reciprocating piston 11 of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention. In the combustion chamber 12 opens a plurality of optical sensors S and optical fibers having optical sensor 13, which may for example be integrated in a spark plug 14. The sensors S arranged at the tip of the optical measuring transducer 13 open into the combustion chamber 12 in such a way that each sensor S detects a defined measuring volume 15 in the combustion chamber 12. The Messvoiumina 15 are in each case summarized in groups 1, 2, 3, 4, as shown in Fig. 4. Group 1 comprises the uppermost row of Messvoiumina 15, Group 2 the middle row and Group 3 the lowest row of Messvoiumina 15. A number of ring-shaped central Messvoiumina 15 is grouped into Group 4. The positioning downwards refers to a vertically moving piston 11, wherein the sensor is arranged at the upper end of the combustion chamber 12.
Fig. 5 zeigt eine durch die Oberfläche des Kolbens 11 gebildete Projektionsfläche F mit auf die Oberfläche projizierten Messvoiumina 15 (bzw. Schnittpunkten der Messvoiumina 15 mit der jeweiligen Begrenzungsfläche, beispielsweise der Oberfläche des Kolbens 11), welche zu ringförmigen ersten, zweiten, dritten, und vierten Gruppen 1, 2, 3, 4 zusammengefasst sind.5 shows a projection surface F formed by the surface of the piston 11 with measurement bodies 15 projected onto the surface (or intersections of the measurement body 15 with the respective boundary surface, for example the surface of the piston 11), which form into annular first, second, third, and fourth groups 1, 2, 3, 4 are summarized.
Fig. 6 zeigt eine durch Abstraktion der Fig. 5 gebildete Projektionsfläche F, die in einzelne ringförmig angeordnete Sektoren 16 unterteilt ist, wobei jeder Sektor ring A, B, C, D jeweils einer Gruppe 1, 2, 3 bzw. 4 von Messvoiumina 15 zugeordnet ist.Fig. 6 shows a projection surface F formed by abstraction of Fig. 5, which is divided into individual annularly arranged sectors 16, each sector ring A, B, C, D each of a group 1, 2, 3 and 4 of Messvoiumina 15th assigned.
In Fig. 7 ist die Zuordnung zwischen den Messvoiumina 15 der Gruppen 1, 2, 3, 4, den Kanälen K dieser Gruppen 1, 2, 3, 4 und den Segmenten 16 im Polardiagramm dargestellt. Dabei ist in Fig. 7a eine Draufsicht auf die Oberfläche des Kolbens 11 gezeigt, in Fig. 7b die Anzahl der Kanäle K über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen, in Fig. 7c ein Polardiagramm über die Messergebnisse und in Fig. 7d eine schematische Darstellung der Messvoiumina 15 gezeigt. Mit dem Pfeil P ist die Zuordnung zwischen den Messvoiumina 15 der Gruppe 1 und dem entsprechendenIn Fig. 7, the assignment between the Messvoiumina 15 of the groups 1, 2, 3, 4, the channels K of these groups 1, 2, 3, 4 and the segments 16 in the polar diagram is shown. 7a shows a plan view of the surface of the piston 11, FIG. 7b plots the number of channels K over the crank angle KW, FIG. 7c a polar diagram of the measurement results, and FIG. 7d a schematic representation of the measurement signal 15 shown. With the arrow P is the assignment between the Messvoiumina 15 of Group 1 and the corresponding
Sektor 16 des ersten Segmentringes A iüustriert. Die Sektoren 16 werden dabei in Abhängigkeit der gemessenen Lichtintensität I im entsprechenden Messbereich 15 mit unterschiedlichen Farben dargestellt, Für jeden Grad Kurbelwinkel KW bzw. jeden Kurbelwinkelbereich wird ein eigenes Polardiagramm ermittelt und auf einem Bildschirm eines Computers in Echtzeit dargestellt. Die Darstellungsform mittels Poiardiagrammen und die synchrone Geometriedarsteüung je Grad Kurbeiwinkel KW erlaubt eine rasche und intuitive Interpretation der Messergebnisse.Sector 16 of the first segment ring A ustrustriert. The sectors 16 are represented as a function of the measured light intensity I in the corresponding measuring range 15 with different colors. For each degree of crank angle KW or each crank angle range, a separate polar diagram is determined and displayed on a screen of a computer in real time. The form of representation by means of Poiardiagramm and the synchronous Geometriedarsteüung per degree Kurbeiwinkel KW allows a quick and intuitive interpretation of the measurement results.
Das Sensorsignal jedes Kanals K umfasst das Integral der Lichtintensitäten I (Vormischflamme und Russquellen) im Messvolumen zwischen der Sensoroberfläche des jeweiligen Sensors S und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche, welche - in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW - die Kolbenoberfiäche oder eine Zylinderwand sein kann. Für jeden Kurbelwinkel KW wird ein Polardiagramm erstellt, weiches die Integrale der gemessenen Flammenintensität I des Volumens jedes Sensorskanals K zwischen der jeweiligen Sensoroberfläche und der jeweils gegenüberliegenden Wand darstelit. Somit werden die Messergebnisse ortsfester Aperturen in Polardiagrammen dargestellt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird unter einem Polardiagramm eine Darstellung in einem zweidimensionalen Polarkoordinatensystem verstanden, wobei jeder Punkt durch einen Abstand von einem vorgegebenen festen Punkt bzw. Radius r vom Mittelpunkt des Diagramms und den Winkel a festgelegt wird. Sowohl der Winkel a, als auch der Radius r jedes Sektors 16 im Polardiagramm beziehen sich dabei auf die Position im der Messung zu Grunde liegenden Zylinder 10.The sensor signal of each channel K comprises the integral of the light intensities I (premix flame and soot sources) in the measurement volume between the sensor surface of the respective sensor S and the opposite boundary surface, which - depending on the crank angle KW - the Kolbenoberfiäche or a cylinder wall. For each crank angle KW, a polar plot is created, representing the integral of the measured flame intensity I of the volume of each sensor channel K between the respective sensor surface and the respective opposite wall. Thus, the measurement results of fixed apertures are shown in polar diagrams. In the context of the present disclosure, a polar diagram is understood to mean a representation in a two-dimensional polar coordinate system, wherein each point is defined by a distance from a predetermined fixed point or radius r from the center of the diagram and the angle a. Both the angle a and the radius r of each sector 16 in the polar diagram relate to the position in the cylinder 10 underlying the measurement.
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