Internal Combustion Optical Sensor (ICOS)

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1 Internal Combustion Optical Sensor (ICOS) Optische Brennraumindizierung

2 Das ICOS Indiziersystem Optische Brennraumindizierung 4Luft/Kraftstoff-Verhältnis 4Abgaskonzentration und AGR 4Gastemperatur im Zylinder 4Analyse dynamischer Betriebspunkte 4kurbelwinkel- und zyklusaufgelöst 4einsetzbar in Serienmotoren 4für Otto-, Diesel- und Gasmotoren Die optische Motorindizierung in Kombination mit der Standarddruckindizierung ermöglicht eine umfassende Charakterisierung innermotorischer Prozesse. 2

3 Optische Brennraumindizierung Internal Combustion Optical Sensor LaVisions Internal Combustion Optical Sensor (ICOS) Systeme messen kurbelwinkelaufgelöst das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die Abgaskonzentration und die Gastemperatur lokal an der Zündkerze oder an anderen Orten im Zylinder unter Verwendung optischer Sonden. Das ICOS System liefert hochzeitaufgelöste Daten relevanter Motorparameter am Sondenort. Einzelzyklen sowie Zyklusvariationen werden in Echtzeit aufgezeichnet. Messprinzip der Optischen Motorindizierung Die ICOS Messsysteme basieren auf der Absorptionsspektroskopie im infraroten Wellenlängenbereich von motorrelevanten Molekülen wie Wasser, CO 2 und Kohlenwasserstoffen. Diese in-situ Messtechnik besitzt keine Zeitverzögerung und benötigt keine Gasentnahme. Eine einzelne Messsonde kann mehrere Parameter gleichzeitig erfassen. rel. Abgasdichte 0,3 0,2 0,1 Kraftstoffdichte [mol/m³] Druck [bar] Zyklus # Tip-in eines Motors mit Wechsel von Schub- auf Lastbetrieb gemessen mit einem ICOS System. Die kurbelwinkelaufgelösten Kraftstoff- und Abgasdichteprofile sowie indiziertem Zylinderdruck sind für 6 aufeinanderfolgende Motorzyklen dargestellt. 3

4 ICOS-Fuel Zyklische Schwankungen Mit dem ICOS-Fuel System wird die Stabilität von Brennverläufen von hunderten aufeinanderfolgender Motorzyklen kurbelwinkelaufgelöst erfasst. Im nebenstehenden Diagramm ist die aufgezeichnete Kraftstoffdichte von 500 Zyklen während des Katalysatorheizens dargestellt. Nach der Zweifacheinspritzung (-200 und -180 KW nzot) steigt die Dichte durch die Kompression bis zum OT an und nimmt danach durch die Expansion wieder ab. Zum Zeitpunkt der Zündung bei 30 bis 40 KW nzot verschwindet der Kraftstoff durch die Verbrennung am Sondenort. Unregelmäßigkeiten im Brennverlauf einzelner Zyklen werden so eindeutig nachgewiesen, wie bspw. die verschleppte Verbrennung im gekennzeichneten Zyklus 401. Die schlagartige Abnahme der Kraftstoffdichte bei 100 KW nzot markiert den Zeitpunkt des Flammendurchgangs am Ort der Sonde; in diesem Fall deutlich später als der Zündzeitpunkt. Für den Zyklus 401 ist der Kraftstoffdichte- und der entsprechende l-wert-verlauf im unteren Diagramm dargestellt. Transiente Betriebspunkte - Änderung der Motordrehzahl 2000 U/min 1000 U/min 2000 U/min Kurbelwinkel [ nzot] rel. Kraftstoffdichte [-] fach Einspritzung Das Diagramm zeigt das transiente Verhalten der lokalen Kraftstoffdichte über 500 aufeinander folgender Motorzyklen. Jede Bildzeile entspricht einem Zyklus, wobei die Kraftstoffdichte farbcodiert dargestellt ist. Die Motordrehzahl wurde mittels der Motorbremse variiert. Aus dem symmetrischen Verlauf der Kraftstoffindizierung ist die Reaktion der Motorelektronik auf die Lasterhöhung deutlich zu erkennen: Einspritzung und Zündzeitpunkt werden zu früheren Zeitpunkten im Zyklus verschoben bei gleichzeitiger Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Literatur A. Grosch, V. Beushausen, O. Thiele, and 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 Technical Papers (2007), Nr S. Liebsch, A. Zboralski, J. Maass, M. Guenther, et al., Cold Start Simulation and Test on DISI Engines Utilizing a Multi-Zone Vaporization Approach, SAE Technical Paper , Zyklus # Kurbelwinkel [ nzot] Zyklus 401 IGN Kurbelwinkel [ nzot] Kraftstoff λ-wert r Kraftstoff Zyklus # lokaler Lambda-Wert [-] - 4

5 Ultraschnelle Gasanalyse im Zylinder 4Lambda-Wert Verläufe 4Untersuchung dynamischer Betriebspunkte 4Optimierung von Einspritzung und Gemischbildung Die Zündfähigkeit innermotorischer Gemische kann nur unzureichend mittels Druckindizierung charakterisiert werden. Eine zusätzliche Indizierung der Kraftstoffdichte bzw. des lokalen Lambda-Wertes an der Zündkerze erlaubt dagegen eine exakte Quantifizierung der Zündfähigkeit des Gemisches an der Zündfunkenposition. Mit einer Kurbelwinkel auflösenden Messrate von 30 khz unterscheidet sich das ICOS-Fuel System deutlich von anderen Messtechniken, wie z. B. Gasentnahmesystemen. Im Gegensatz zu konventionellen Flammenionisationsdetektoren (FID) misst das ICOS System ohne Zeitverzögerung direkt im Zylinder. Schwankungen während der Gemischbildung können so über viele aufeinanderfolgende Zyklen nachgewiesen werden. Mit Hilfe des Zylinderdrucks wird aus der direkt gemessenen Kraftstoffdichte der lokale l-wert ermittelt. Mit der Kenntnis dieser innermotorischen Messgrößen lassen sich z.b. Einspritzsysteme- oder Strategien sehr detailliert analysieren bzw. optimieren. Spezifikationen Messprinzip IR Absorption Indiziergrößen Kraftstoffdichte, l-wert Messfehler < 2% Datenrate 30 khz Datenaufnahme kurbelwinkelaufgelöste Mehrfachzyklen 5

6 ICOS-EGR Variation der externen AGR-Rate gemessene CO 2 -Konzentration [Vol %] Für Messungen im Dieselmotor wurde eine ICOS- Sonde in einem Glühkerzenadapter eingebaut und anschließend am Motor appliziert. Das nebenstehende Diagramm zeigt die gemessenen CO 2 -Konzentrationen im Zylinder bei unterschiedlichen Raten der externen Abgasrückführung. Aus den kurbelwinkelaufgelösten gemessenen CO 2 -Konzentrationen werden die zyklusaufgelösten AGR-Raten bestimmt. Interne AGR-Rate Gezeigt ist der Zusammenhang zwischen der externen und der direkt im Zylinder gemessenen AGR-Rate für zwei verschiedene Drehzahlen eines LKW-Motors. Die Fehlerbalken zeigen die Zyklusschwankungen der AGR über 100 Zyklen. Die Differenz zwischen den gemessenen und applizierten AGR-Raten (gestrichelte Linie) entspricht der internen AGR-Rate bei den jeweiligen Motorbedingungen. Die Zyklusschwankungen sowie der Anteil der internen AGR am Restgasanteil im Zylinder ändern sich mit der Motordrehzahl und der applizierten externen AGR-Rate, wodurch der Einfluss dieser Motorparameter auf die zylinderinterne Gasströmung deutlich wird. gemessene AG 40% 35% 1500 U/min 30% 1200 U/min 25% 20% 15% interne AGR-Rate 10% 5% 0% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% applizierte externe AGR Literatur R. Vanhaelst,O. Thiele, T. Berg, B. Hahne, H.-P. Stellet, F. Wildhagen, W. Hentschel, C. Jördens, J. Czajka, K. Wislocki, Development of an in-cylinder-optical infrared sensor for the determination of EGR and residual gas rates inside SI and diesel engines, 11th Congress Engine Combustion Processes

7 Ultraschnelle Gasanalyse im Zylinder 4interne und externe AGR-Raten 4Stabilität des AGR-Prozesses 4Gleichverteilung über mehrere Zylinder Die Abgasrückführung wird vermehrt als eine Strategie eingesetzt, um die zunehmend strengeren gesetzlichen Vorgaben zur Senkung von Emissions- und Verbrauchswerten zu erfüllen. Eine schnelle, d. h. zyklusaufgelöste Bestimmung der AGR-Rate ist daher wünschenswert, um den Einfluss der AGR-Rate auf den Brennverlauf besser zu verstehen. LaVisions ICOS-EGR Sensor misst den Abgas- (CO 2 -) Gehalt direkt im Zylinder und ermittelt daraus die interne AGR-Rate. Im Gegensatz zu konventioneller Messtechnik, welche nur über viele Zyklen gemittelte Werte liefert, erlaubt das ICOS-EGR System zyklusaufgelöste Messungen. Die AGR-Verteilung über mehrere Zylinder wird mit mehreren Messsonden gleichzeitig erfasst. Dadurch lässt sich der Einfluss der Vermischung des zurückgeführten Abgases in den Ansaugkrümmer auf die unterschiedliche Restgas-Beladung der einzelnen Zylinder direkt feststellen. Spezifikationen Messprinzip Indiziergrößen Messfehler Datenrate Datenaufnahme IR Absorption CO 2 Konzentration, Abgasrückführrate (AGR) < 0.2 vol% CO 2 (5-30 bar) 30 khz kurbelwinkelaufgelöste Mehrfachzyklen 7

8 ICOS-Temperature Optische Temperaturindizierung Temperatur [K] Druck [bar] Fokus auf die Kompression ICOS Indizierte Temperatur Indizierter Druck Kurbelwinkel [ nzot] Die indizierte innermotorische Gemischtemperatur in einem gezündetem 4-Takt Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung ist im oberen Teil des Diagramms dargestellt. Der simultan aufgezeichnete Druckverlauf ist im unteren Teil abgebildet. Die lokale Gemischtemperatur wurde an der Zündkerzenposition mit einer ICOS Zündkerzensonde indiziert. Transmissionssonden zur Erfassung der global über den gesamten Zylinderquerschnitt gemittelten Temperatur sind ebenfalls verfügbar. Transienter Temperaturverlauf während eines Tip-in Die Gemischtemperatur wurde im Zylinder eines produktionsnahen Ottomotors mit einer Zündkerzensonde gemessen. Das Diagramm zeigt den transienten Temperaturverlauf während eines Tip-in Vorgangs (Lastwechsel) über 15 aufeinanderfolgende Motorzyklen. Der Motor befindet sich in den ersten 5 Zyklen im Schubbetrieb. Danach wird das Gaspedal betätigt mit einem resultierenden Lastwechsel über 7 Zyklen. Anschließend stabilisiert sich der Verbrennungsprozess. Die gezeigten Temperaturen sind über 10 wiederholte Tip-in Vorgänge gemittelt. Gastemperatur [K] Zyklus # Kurbelwinkel [ nzot] 8

9 Innermotorische Gemischtemperatur 4Temperaturindizierung während der Gemischbildung 4Auswirkung der Abgasrückführung 4Validierung von Berechnungsmodellen 4Hochaufladung, Downsizing, HCCI Die Kenntnis der Gastemperatur während der Gemischbildung ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung moderner Brennverfahren. Die steigenden Anforderungen zur Reduzierung von Emissionen aus Verbrennungsmotoren haben zum vermehrten Einsatz von Abgasrückführung geführt, wobei der Einfluss interner AGR- Raten auf die Gastemperatur nur mit einer schnellen in-situ Messung direkt im Zylinder erfasst werden kann. LaVisions ICOS-Temperature System indiziert die Gemischtemperatur im Brennraum mit kurbelwinkelgenauer Auflösung über hunderte von aufeinanderfolgenden Zyklen. Dieses ultra-schnelle (23 khz) Sensorsystem basiert auf der Infrarot-Absorptionsspektroskopie an Wassermolekülen. Unterschiedliche Sondengeometrien ermöglichen lokale innerzylindrische Messungen als auch räumlich gemittelte Temperatur-messungen über den gesamten Zylinderquerschnitt. Die gemessenen Temperaturverläufe geben wertvolle Informationen über das Verhalten der Gastemperatur während der Kompression sowie ihre Abhängigkeit von äußeren Betriebsparametern. Spezifikationen Messprinzip IR Absorption von Wassermolekülen Indiziergröße Gastemperatur Messfehler < 3 vol% H 2 O (273 K-900 K) Datenrate 23 khz Datenaufnahme kurbelwinkelaufgelöste Mehrfachzyklen 9

10 ICOS Sonden M12 Zündkerzensonde M12 Kombi-Sonde, für gleichzeitige Kraftstoff/ AGR und Gemischtemperatur Messungen M5 Sonde Sondenadapter LaVision bietet eine Auswahl von Adaptern an, um die innerzylindrischen Messsonden in Ihrem Motor zu installieren, wie z. B. Glühkerzenadapter für Dieselanwendungen. Wir haben auch Erfahrung in der Konstruktion von maßgeschneiderten Adaptern für spezielle Anwendungen. 10

11 Lösungen für vielfältige Motortypen 4integrierte Zündkerzensonden 4M5-Sonden für den flexiblen Einsatz im Brennraum 4Transmissionssonden für globale Brennraummessungen 4Sondenadapter für unterschiedliche Motorgeometrien M14 Zündkerzensonde Gekühlte Sonde Messsonden mit und ohne Zündfähigkeit sind für die ICOS Systeme verfügbar. Die Sonden sind für den Einsatz in Entwicklungs- als auch in Serienmotoren geeignet. Die Zündkerzensonde ersetzt z. B. die Serienzündkerze eines Ottomotors, wobei die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Eine einzelne Sonde misst gleichzeitig den l-wert und die Abgasdichte am gleichen Ort im Zylinder. Mit der Kombinationssonde wird simultan zusätzlich die Gemischtemperatur am gleichen Ort erfasst. Mehrere Sonden werden parallel eingesetzt, um gleichzeitig in mehreren Zylindern zu messen. Mit Ausnahme der Transmissionssonde haben alle Messsonden an ihrer Spitze einen vorstehenden Probekörper, der brennraumseitig einen kleinen Spiegel trägt. Der Spiegel bildet das Ende der Messstrecke und reflektiert das Licht zurück zur Detektionseinheit. Messungen über mehrere Stunden und Tage sind bei standardmäßigen Betriebsbedingungen realistisch. Die Spiegel sind austauschbar und werden in Sätzen als Ersatzteile angeboten. Der Austausch eines Spiegels ist innerhalb weniger Minuten vollzogen. Transmissionssonden Bei der Transmissionssonde wird der gesamte Zylinderquerschnitt durchstrahlt, wobei die gegenüberliegenden optischen Zugänge mit der Zylinderwand abschließen. Mit dieser Sondenkonfiguration wird die Messgröße als globaler Brennraumwert erfasst, was z.b. den Vergleich zu 1D-Simulationen erlaubt. Das Bild zeigt eine schematische Darstellung einer Transmissionssonde für globale Temperaturmessungen quer durch den Zylinder. Der längere Absorptionspfad dieser Sondenkonfiguration ergibt ein besseres Signal-zu-Rausch Verhältnis, ohne die eigentliche Brennraumgeometrie oder das Strömungsverhalten zu beeinflussen. 11

12 ICOS-Fuel, -EGR, -TWIN System ICOS-Fuel, -EGR, -TWIN ICOS-Temperature Indiziergrößen Kraftstoffdichte, l-wert CO 2 Konzentration, AGR Gastemperatur Datenrate 30 khz 23 khz Messfehler < 2% < 0.2 vol% CO 2 (5-30 bar) < 20 3 vol% H 2 O (273 K-900 K) Sonden M12 / M14 Zündkerzensonde, Glühkerzenadapter, M5 Indiziersonde, gekühlte Indiziersonde, Transmissionssonde Gemischaufbereitung, Stabilität des Brennverfahrens Anwendungen Direkteinspritzung Kaltstart Lastwechsel Zündverhalten Zyklusaufgelöste interne und externe AGR-Rate Gleichverteilung auf Zylinder Ventilsteuerung Validierung Aufladung AGR HCCI ICOS-Temperature LaVisionUK Ltd 2 Minton Place / Victoria Road Bicester / Oxon / OX26 6QB / United Kingdom [email protected] Phone: +44-(0) Fax: +44-(0) LaVision GmbH Anna-Vandenhoeck-Ring 19 D Göttingen / Germany [email protected] Tel.: +49-(0) Fax: +49-(0) LaVision Inc. 211 W. Michigan Ave. / Suite 100 Ypsilanti, MI / USA [email protected] Phone: (734) Fax: (240) /16