DE4300853A1 - Spectroscopic determination of nitrogen oxide content in measurement chamber - Google Patents
Spectroscopic determination of nitrogen oxide content in measurement chamberInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Stickstoffoxidgehalts in einem Meßraum, insbesondere dem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to a method for determining the Nitrogen oxide content in a measuring room, especially that Combustion chamber of an internal combustion engine.
Bei der Optimierung des Verbrennungsprozesses in Kraftma schinen ergibt sich ein Zielkonflikt. Durch hohe Verbren nungstemperaturen wird der Wirkungsgrad gesteigert, aber auch die stark temperaturabhängige Erzeugung von Stick stoffoxid erhöht. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Luft überschuß wie z. B. Dieselmotoren oder Gasturbinen ist eine katalytische Reduktion des Stickstoffoxids (NO) wie beim Ottomotor mit geregeltem Katalysator nicht möglich. When optimizing the combustion process in Kraftma There is a conflict of objectives. Through high burns efficiency is increased, but also the highly temperature-dependent production of stick cloth oxide increased. In internal combustion engines with air excess such. B. Diesel engines or gas turbines is one Catalytic reduction of nitrogen oxide (NO) as with Gasoline engine with regulated catalytic converter not possible.
Durch eine präzise zeitliche und räumliche Steuerung des Verbrennungsablaufs kann die NO-Entwicklung in Grenzen ge halten werden. Von wesentlicher Bedeutung hierfür ist eine Kenntnis über den Ablauf der Verbrennung, wofür der NO-Ge halt sowie dessen räumliche und/oder zeitliche Verteilung besonders vorteilhafte Informationen bieten.Through precise temporal and spatial control of the Combustion process can limit the NO development will hold. One is essential for this Knowledge of the combustion process, for which the NO-Ge stop and its spatial and / or temporal distribution offer particularly advantageous information.
In Applied Optics, Vol. 29 No. 16 (Juni 1990), S. 2392 bis 2404 ist ein Verfahren zur Bestimmung der NO-Verteilung im Verbrennungsraum einer Kraftmaschine angegeben, das la serinduzierte Fluoreszenz ausnutzt.In Applied Optics, Vol. 29 No. 16 (June 1990), pp. 2392 to 2404 is a method for determining the NO distribution in the Combustion chamber of an engine specified, the la uses serum-induced fluorescence.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaf tes Verfahren zur Bestimmung des Stickstoffoxidgehalts an zugeben.The object of the present invention is an advantageous method for determining the nitrogen oxide content admit.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.Solutions to this object according to the invention are in claim 1 described. The sub-claims contain advantageous Refinements and developments of the invention.
Die Erfindung ist vorteilhaft sowohl als Diagnose-Werkzeug für Entwicklung und Wartung als auch zur permanenten Rege lung von Verbrennungskraftmaschinen, wobei der letztge nannte Einsatzfall von besonderer Bedeutung für transiente Betriebszustände wie Lastwechsel, Kaltstart u. a. ist. Besonders vorteilhaft die Möglichkeit der Ortsauflö sung der Meßergebnisse innerhalb des Meßraums.The invention is advantageous both as a diagnostic tool for development and maintenance as well as permanent activity tion of internal combustion engines, the latter named application of particular importance for transients Operating conditions such as load changes, cold starts and. a. is. The possibility of location resolution is particularly advantageous solution of the measurement results within the measuring room.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigt The invention is based on examples below Reference to the pictures explained in more detail. It shows
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform Fig. 1 shows a preferred embodiment
Fig. 2 ein Empfängersignal dazu Fig. 2 shows a receiver signal
Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform Fig. 3 shows a further advantageous embodiment
Fig. 4 ein Modulationsdiagramm dazu. Fig. 4 is a diagram to modulation.
Das Prinzip der Frequenz-Modulations-Spektroskopie ist in der Literatur beschrieben, z. B. IEEE Journal of Quantem Electronics, QE-20, No. 9, (1984), S. 1045-1050 mit Refe renzen, und bietet eine äußerst empfindliche Nachweisme thode. Die Wahl einer Oberschwingung des NO-Moleküls, vor zugsweise der vierten Oberschwingung mit einer Absorpti onslinie bei etwa 1,3 µm in Verbindung mit einem III-V- Halbleiterlaser als Lichtquelle ermöglicht durch den Ein satz von technisch ausgereiften Lichtwellenleitern und hierfür gebräuchlichen optischen Bauteilen einen einfachen und mechanisch unempfindlichen Aufbau, der insbesondere auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet ist.The principle of frequency modulation spectroscopy is in described in the literature, e.g. B. IEEE Journal of Quantem Electronics, QE-20, No. 9, (1984), pp. 1045-1050 with Refe limit, and offers extremely sensitive detection method. The choice of a harmonic of the NO molecule preferably the fourth harmonic with an absorpti line at around 1.3 µm in connection with a III-V Semiconductor laser as light source made possible by the on set of technically mature optical fibers and optical components used for this a simple one and mechanically insensitive structure, which in particular is also suitable for use in motor vehicles.
Wesentlich an der Frequenz-Modulations-Spektroskopie ist, daß ein amplitudenmoduliertes Detektorsignal auftritt, wenn die Absorption oder Dispersion im untersuchten Gasge misch für die beiden Seitenlinien der modulierten Lasere mission unterschiedlich ist, während eine gleichmäßige Än derung durch z. B. Absorption an Rußpartikeln nicht zu ei ner solchen Detektor-Signalmodulation führt.What is essential to frequency modulation spectroscopy is that an amplitude-modulated detector signal occurs, if the absorption or dispersion in the examined gas ge mix for the two side lines of the modulated lasers mission is different, while an even change change by z. B. Absorption on soot particles not too egg ner such detector signal modulation leads.
Die Messung kann anhand von transmittiertem oder von rück gestreutem Licht erfolgen. Bei der Transmission enthält das detektierte Signal die längs der Sichtlinie von Ein koppelpunkt und Auskoppelpunkt integrierte Beeinflussung des Meßlichts im Meßraum. Eine Ortsauflösung kann durch separate Messungen gleichzeitig oder sukzessiv entlang mehrerer unterschiedlicher Sichtlinien und Kombination der separat gewonnenen Meßergebnisse vorgenommen werden. Meh rere Sichtlinien können durch getrennt angeordnete und/oder verschiebbare Einkoppelpunkte und/oder Auskoppel punkte des Meßraums festgelegt werden. Unter Ausnutzung von Symmetrien im Meßraum kann mit wenigen Sichtlinien ausgekommen werden. Eine hohe Anzahl von Sichtlinien kann mittels computergestützter Tomographieverfahren zu einer räumlichen Auflösung verknüpft werden.The measurement can be based on transmitted or back scattered light. When the transmission contains the detected signal is along the line of sight from on Coupling point and decoupling point integrated influence of the measuring light in the measuring room. A spatial resolution can by separate measurements simultaneously or successively along several different lines of sight and combination of measurement results obtained separately. Meh Further lines of sight can be separated by and / or displaceable coupling-in points and / or coupling-out points of the measuring room are determined. Taking advantage of symmetries in the measuring room can be done with a few lines of sight get along. A high number of lines of sight can by means of computer-aided tomography procedures to a spatial resolution can be linked.
Eine räumliche Auflösung kann auch durch gekreuzte Strah len erfolgen, wobei ein Strahl ein leistungsstarker Anre gungsstrahl und der andere Strahl der eigentliche Meß lichtstrahl ist. Der Anregungsstrahl verändert in dem von ihm ausgeleuchteten Bereich die optischen Eigenschaften des Gases oder Gasgemisches z. B. durch Absorptionssätti gung oder Stark-Effekt. Durch Modulation, insbesondere Pulsmodulation des Anregungsstrahls kann dessen Einfluß im Kreuzungsvolumen mit dem Meßstrahl herausgehoben und dar aus auf die Zusammensetzung im Kreuzungsvolumen geschlos sen werden.A spatial resolution can also be achieved by crossed beams len take place, whereby a beam is a powerful stimulus beam and the other beam the actual measurement beam of light is. The excitation beam changes in that of the optical properties of the gas or gas mixture z. B. by absorption saturation or strong effect. By modulation, in particular Pulse modulation of the excitation beam can influence it Crossing volume with the measuring beam lifted out and displayed closed on the composition in the crossing volume will be.
Eine weitere bevorzugte Maßnahme zur räumlich aufgelösten Bestimmung des NO-Gehalts besteht in der Detektion von aus dem Meßraum rückgestreutem Licht in Verbindung mit einer Laufzeitauswertung. Eine direkte Laufzeitdiskriminierung wie z. B. beim LIDAR-Meßprinzip erfordert wegen der kleinen Weglängendifferenzen einen sehr hohen Verarbeitungsauf wand. Die Laufzeitauswertung erfolgt daher bei den nach folgend geschilderten bevorzugten Ausführungsbeispielen durch eine Kohärenzlängenkodierung oder durch einen zeit linearen Sweep der Modulationsfrequenz. Another preferred measure for spatially resolved Determination of the NO content consists in the detection of backscattered light in connection with a Runtime evaluation. A direct term discrimination such as B. the LIDAR measuring principle requires because of the small Path length differences a very high processing wall. The runtime evaluation is therefore carried out by the preferred embodiments described below by a coherence length coding or by a time linear sweep of the modulation frequency.
Bei der Kohärenzlängenkodierung wird wie in Fig. 1 skiz ziert ein Interferometer, z. B. ein Michelson-Interferome ter eingesetzt.In the coherence length coding is sketched as in Fig. 1, an interferometer, z. B. used a Michelson interferome ter.
Nach dem Prinzip der Frequenz-Modulations-Spektroskopie erzeugt ein HF-Oszillator ein Hochfrequenzsignal der Modu lationsfrequenz fm, welches einen Halbleiterlaser HL modu liert. Hierdurch entstehen im Emissionssektrum des Lasers zwei im Abstand ± fm symmetrisch zur Hauptlinie liegende Seitenlinien. Die Modulationsfrequenz wird so gewählt, daß eine der beiden Seitenlinien mit der Absoptionslinie des NO-Moleküls z. B. für die vierte Oberschwingung zusammen fällt. Die Modulationsfrequenz liegt vorzugsweise im Be reich 10 GHz. Die hohe Modulationsfrequenz ist vorteilhaft für den empfindlichen Nachweis druckverbreiterter Ab sorptionslinien.According to the principle of frequency modulation spectroscopy an RF oscillator generates a high frequency signal from the Modu tion frequency fm, which a semiconductor laser HL modu liert. This creates in the emission spectrum of the laser two spaced ± fm symmetrical to the main line Sidelines. The modulation frequency is chosen so that one of the two side lines with the absorption line of the NO molecule z. B. together for the fourth harmonic falls. The modulation frequency is preferably in the range rich 10 GHz. The high modulation frequency is advantageous for the sensitive detection of pressure widened Ab sorption lines.
Das vom Laser emittierte Licht wird über eine Lichtleitfa ser L1 einem faseroptischen Koppler Strahlteiler K1 zuge führt, der das Licht gleichmäßig auf eine zum Meßraum füh rende Faser L2 und eine Ausgleichsfaser L3 aufteilt.The light emitted by the laser is transmitted through a light guide ser L1 a fiber optic coupler beam splitter K1 leads, which leads the light evenly to the measuring room dividing fiber L2 and a balancing fiber L3.
Die Ankopplung der Faser L2 an den Meßraum R, beispiels weise eine Verbrennungskammer eines Kolbenmotors, erfolgt vorteilhafterweise über eine Gradientenindex(GRIN) -Linse G1.The coupling of the fiber L2 to the measuring space R, for example as a combustion chamber of a piston engine takes place advantageously via a gradient index (GRIN) lens G1.
Das Ende der Ausgleichsfaser L3, die ungefähr dieselbe Länge hat wie die Faser L2, ist verspiegelt. Das aus dem Meßraum über die Linse G1 in die Faser L2 rückgestreute Licht und das nach Spiegelung in der Ausgleichsfaser L3 zurücklaufende Licht werden über den Koppler K1 gemeinsam auf die Faser L4 geleitet und einem zweiten faseroptischen Koppler K2 zugeführt, der mit der endflächenverspiegelten Faser L5, der variablen Strecke aus verschiebbarem Spiegel Sp und Faser L6 (ggf mit einer weiteren GRIN-Linse G2) so wie der Ausgangsfaser L7 eine Michelson-Interferometeran ordnung bildet.The end of the balancing fiber L3, which is approximately the same Length is like the fiber L2, is mirrored. That from the Measurement room backscattered into the fiber L2 via the lens G1 Light and after reflection in the balancing fiber L3 returning light are shared via the coupler K1 passed to fiber L4 and a second fiber optic Coupler K2 supplied, the mirrored with the end face Fiber L5, the variable range of sliding mirrors Sp and fiber L6 (if necessary with another GRIN lens G2) see above like the output fiber L7 a Michelson interferometer order forms.
Solange im Meßraum kein Stickstoffoxid vorliegt, bleibt das Gleichgewicht der beiden spektralen Seitenlinien auch im rückgestreuten und auf der Faser L2 zurücklaufenden Licht erhalten. Beim Auftreten von NO im Verlauf des Ver brennungsvorgang wird dieses Gleichgewicht aufgehoben und das rückgestreute Licht zeigt eine durch die NO-Absorption oder Dispersion bewirkte Amplitudenmodulation mit der Mo dulationsfrequenz fm, die sich auch auf das in der Aus gangsfaser L7 der Photodiode PD als Detektor zugeführte Licht fortsetzt und als Modulation des elektrischen Aus gangssignals der Photodiode auftritt. Durch Demodulation dieses Diodensignals mit dem Modulationssignal im Mischer M wird ein für das Vorliegen von NO im Meßraum quantitativ auswertbares Signal gewonnen. Mittels des Phasenschiebers PS kann die Absorption (In-Phase-Anteil) oder die Disper sion (Quadratur-Anteil) ausgewertet werden.As long as there is no nitrogen oxide in the measuring room, it remains the balance of the two spectral side lines too in the backscattered and returning on the fiber L2 Receive light. If NO occurs during the course of Ver burning process, this balance is broken and the backscattered light shows one by the NO absorption or dispersion caused amplitude modulation with the Mo dulation frequency fm, which also affects the in the off input fiber L7 of the photodiode PD supplied as a detector Light continues and as a modulation of the electrical off output signal of the photodiode occurs. By demodulation this diode signal with the modulation signal in the mixer M becomes quantitative for the presence of NO in the measuring room evaluable signal obtained. By means of the phase shifter PS can be the absorption (in-phase portion) or the disper sion (quadrature component) can be evaluated.
Eine Ortsauflösung innerhalb des Meßraums, der in Ein strahlrichtung die Erstreckung D aufweise, kann durch Ein stellung der Kohärenzlänge Lc des Halbleiterlasers HL er folgen. Eine meßbare konstruktive oder auslöschende Interferenz des rückgestreuten Lichts mit dem in der Ausgleichsfaser zurücklaufenden Licht findet im Interfero meter nur statt, wenn der Laufzeitunterschied der interfe rierenden optischen Signalanteile nicht wesentlich größer ist als die Kohärenzlänge des Laserlichts. Die Laufzeit differenz im Interferometer ergibt sich zum einen durch die Position des verschiebbaren Spiegels und zum anderen aus der Rückstreuposition innerhalb des Meßraums. Die Spiegelposition ist daher mit der Rückstreuposition im Meßraum R korreliert. Die Interferenz führt innerhalb ei nes durch die Kohärenzlänge Lc bestimmten Bereichs der Laufzeitverschiebung um ΔL=0 zu einem Verlauf des Empfän gersignals der Photodiode über der Spiegelverschiebung x mit einer Vielzahl von Minima und Maxima (Fig. 2).A spatial resolution within the measuring space, which has the extension D in a beam direction, can be followed by setting the coherence length Lc of the semiconductor laser HL. A measurable constructive or canceling interference of the backscattered light with the light returning in the compensating fiber only takes place in the interferometer if the transit time difference of the interfe rating optical signal components is not significantly greater than the coherence length of the laser light. The transit time difference in the interferometer results on the one hand from the position of the displaceable mirror and on the other hand from the backscatter position within the measuring space. The mirror position is therefore correlated with the backscatter position in the measuring space R. The interference leads within a range of the transit time shift by ΔL = 0 determined by the coherence length Lc to a course of the receiver signal of the photodiode over the mirror shift x with a plurality of minima and maxima ( FIG. 2).
Wesentlich ist nun die Erkenntnis, daß auch bei konstanter Spiegelposition aufgrund von Turbulenzen, Fluktuationen und sonstiger schneller Änderungen im Meßraum das Empfän gersignal sehr schnell die Position auf dem in Fig. 2 skizzierten Kurvenverlauf wechselt und daher ein höherfre quenter Wechselsignalanteil im Ausgangssignal enthalten ist. Dieser Wechselsignalanteil kann nach der Demodulation im Mischer M durch einen Hochpaß HP ausgefiltert werden und dient als Naß für das Vorliegen von Stickstoffoxid in dem durch mit der Spiegelposition x korrelierten Abschnitt des Meßraums.It is now essential to recognize that even with a constant mirror position due to turbulence, fluctuations and other rapid changes in the measuring space, the receiver signal changes very quickly the position on the curve profile sketched in FIG. 2 and therefore a higher frequency alternating signal component is contained in the output signal. After the demodulation in the mixer M, this alternating signal component can be filtered out by a high-pass filter HP and serves as wet for the presence of nitrogen oxide in the section of the measuring space correlated with the mirror position x.
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, durch verschieben des Spiegels und Auswertung der Wechselsignalanteile im demodulierten Signal eine räumlich aufgelöste Bestimmung des NO-Gehalts vorzunehmen. Die Kohärenzlänge des Lasers und damit das räumliche Auflösungsvermögen ist in gewissen Grenzen durch an sich bekannte Maßnahmen zur Linienbrei teneinstellung bei Lasern möglich. Die Kohärenzlänge liegt für eine Linienbreite von ca. 10 GHz bei rund 3 mm. This gives you the opportunity to move through of the mirror and evaluation of the alternating signal components in the demodulated signal a spatially resolved determination of the NO content. The coherence length of the laser and thus the spatial resolution is in certain Limits through measures known per se for line mash Laser adjustment possible. The coherence length is for a line width of approx. 10 GHz at around 3 mm.
Bei dem Verfahren mit zeitlinear veränderter Modulations frequenz wird die Modulationsfrequenz innerhalb eines ge genüber dem Betrag der Modulationsfrequenz kleinen Bereich df mit konstanter Rate verändert, beispielsweise zwischen 10 GHz und 10,5 GHz (df=0,5 GHz) in 100 µsec.In the process with modulation that is changed in a linear manner frequency is the modulation frequency within a ge small range compared to the amount of the modulation frequency df changes at a constant rate, for example between 10 GHz and 10.5 GHz (df = 0.5 GHz) in 100 µsec.
Der sich ergebende Sägezahnverlauf der Modulationsfrequenz ist in Fig. 4B skizziert. Da der Frequenzbereich df auch klein ist gegen die Breite der Absorptionslinien, kann die Absorption innerhalb dieses Bereichs als konstant angenom men werden.The resulting sawtooth profile of the modulation frequency is outlined in FIG. 4B. Since the frequency range df is also small compared to the width of the absorption lines, the absorption within this range can be assumed to be constant.
Die zeitveränderliche Modulationsfrequenz fmv wird wie in Fig. 3 skizziert beispielsweise durch Mischen einer festen Modulationsfrequenz fmo (z. B. 10 GHz) aus einem Festfre quenzgenerator FG mit der durchgestimmten Frequenz (z. B. 0 bis 0,5 GHz) eines steuerbaren Oszillators VCO in einem Mischer MF erzeugt. Diese Modulationsfrequenz fmv wird dem Gleichspannungssteuersignal des Halbleiterlasers HL über lagert. Das modulierte Licht des Lasers wird über eine Fa ser L11, einen Koppler K3 und eine Faser L12 dem Meßraum R zugeleitet. Das aus dem Meßraum in die Faser L12 rückge streute Licht wird über den Koppler K3 und eine Ausgangs faser L13 einer Photodiode PD als Detektor zugeleitet. Das elektrische Ausgangssignal des Detektors wird in einem weiteren Mischer MD mit der Modulationsfrequenz fmv umge setzt. Wegen der zeitlinearen Veränderung der Modulations frequenz ergibt sich bei der Mischung in MD ein Signalan teil bei einer Differenzfrequenz Δf, die von der Laufzeit r des optischen Signals und somit vom Ort x der Rückstreu ung innerhalb des Meßraums R abhängt. Die Laufzeit der elektrischen Signale und der optischen Signale in den Fa sern ist dabei mit zu berücksichtigen und vorzugsweise zu kompensieren. Durch spektrale Analyse des Ausgangssignals des Mischers MD kann ein von der Differenzfrequenz ab hängiges Meßsignal gewonnen und daraus eine Bestimmung des Stickoxidgehalts in Abhängigkeit vom Ort x innerhalb des Meßraums vorgenommen werden. Diese Verfahrensvariante ist teilweise ähnlich dem aus der Radartechnik bekannten FM- CW-Verfahren, so daß Einzelheiten der Modulation und Aus wertung teilweise aus diesem Gebiet übernommen werden kön nen.The time-variable modulation frequency fmv is sketched as in FIG. 3, for example by mixing a fixed modulation frequency fmo (e.g. 10 GHz) from a fixed frequency generator FG with the tuned frequency (e.g. 0 to 0.5 GHz) of a controllable oscillator VCO generated in a mixer MF. This modulation frequency fmv is superimposed on the DC control signal of the semiconductor laser HL. The modulated light of the laser is fed to the measuring space R via a fiber L11, a coupler K3 and a fiber L12. The backscattered light from the measuring space into the fiber L12 is fed via the coupler K3 and an output fiber L13 to a photodiode PD as a detector. The electrical output signal of the detector is converted in a further mixer MD with the modulation frequency fmv. Because of the time-linear change in the modulation frequency, the mixture in MD results in a signal component at a difference frequency Δf, which depends on the transit time r of the optical signal and thus on the location x of the backscattering within the measuring space R. The transit time of the electrical signals and the optical signals in the fibers must be taken into account and preferably compensated for. By spectral analysis of the output signal of the mixer MD, a measurement signal dependent on the difference frequency can be obtained and from this a determination of the nitrogen oxide content as a function of the location x within the measurement space can be carried out. This variant of the method is partly similar to the FM-CW method known from radar technology, so that details of the modulation and evaluation can be partially adopted from this area.
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