AT11508U1 - Vorrichtung zur bestimmung der lage eines kolbens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens (1) in einem Zylinder (2) einer Verbrennungskraftmaschine (3) mit einer Lichtquelle (4), einem zwischen Lichtquelle (4) und Verbrennungsraum (5) vorgesehenen Lichtleiter (6) und einem Lichtdetektor (7) für vom Kolbenboden (8) reflektierte Lichtstrahlen. Um vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass für den in die Verbrennungskraftmaschine (3) einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden (8) reflektierten und dem Lichtdetektor (7) zuzuführenden Lichtstrahl gesonderte Lichtleiter (6, 9) vorgesehen sind, die an einen Bildleiter (10) anschließen, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung (11) in Richtung des Kolbenbodens (8) weisend in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine (3) eingesetzt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 11 508 U1 2010-11-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Lichtquelle, einem zwischen Lichtquelle und Verbrennungsraum vorgesehenen Lichtleiter und einem Lichtdetektor für vom Kolbenboden reflektierte Lichtstrahlen, wobei für den in die Verbrennungskraftmaschine einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden reflektierten und dem Lichtdetektor zuzuführenden Lichtstrahl gesonderte Lichtleiter vorgesehen sind.

[0002] So ist es beispielsweise aus der DE 10 2007 033 809 A1 bekannt, eine Laserzündanlage für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, die einen zu einem Motorverbrennungsraum führenden Lichtleiter und mit dem Lichtleiter verbundene erste Mittel zum Einleiten eines Laserlichtimpulses in den Brennraum umfasst, um damit die in den Brennraum eingeleiteten Gase zu zünden. Des Weiteren sind mit dem Lichtleiter verbundene zweite Mittel vorgesehen, mit denen zusätzlich zum Zündimpuls Laserlichtimpulse in den Zylinder eingebracht werden können, um das Ermitteln der Position und/oder der Geschwindigkeit des Kolbenbodens zu ermöglichen. Die Position bzw. Geschwindigkeit des Kolbens im Zylinder wird dabei durch Einleiten von Laserimpulsen in den Zylinder ermittelt, wobei jenes Prinzip ausgenutzt wird, nach dem aus der Zeitdifferenz zwischen dem Moment der Übermittlung des Impulses und dem Moment der Detektion des reflektierten Lichtstrahles auf die Position geschlossen wird. Die Geschwindigkeit lässt sich aus Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen ausgehenden und eingehenden Lichtsignalen errechnen. Das vom Kolbenboden reflektierte Laserlicht kann mit Hilfe des gleichen Lichtleiters, der zum Einleiten des Laserlichts in den Brennraum verwendet wurde, detek-tiert werden oder es ist zu einem Sensor führender zweiter Lichtleiter vorzusehen, der die Verwendung eines andernfalls zwingend vorzusehenden Strahlenteilers, der in den ersten Lichtleiter integriert ist, vermeidet.

[0003] Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage des Kolbens im Zylinder zu schaffen, die einerseits eine saubere Einleitung der Lichtstrahlen in den Verbrennungsraum bzw. in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine gestattet und dabei mit vereinfachten Mitteln ein verbessertes Messergebnis gewährleistet.

[0004] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Lichtleiter an einen Bildleiter anschließen, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung in Richtung des Kolbenbodens weisend in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt ist.

[0005] Zur Detektion der beiden Totpunkte des Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine bzw. zur Detektion der Lage eines Kolbens wird erfindungsgemäß ein optisches Messsystem eingesetzt, welches durch einen optischen Zugang zum Brennraum einerseits Licht, vorzugsweise Laserlicht, in den Brennraum einbringt und anderseits durch denselben Zugang das von der Kolbenoberfläche, insbesondere vom Kolbenboden, reflektierte Laserlicht detektiert. Die gemessene Intensität des reflektierten Lichts ist nach Zusammenhängen des quadratischen Abstandsgesetzes ein Maß für die Kolbenposition. Dies ermöglicht mit besonders einfachen Mitteln qualitative Aussagen betreffend Kolbenposition, den Kolbenweg über dem Kurbelwinkel und damit auch die Bestimmung der jeweiligen Kolbentotpunktlagen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Lichtquelle, insbesondere Laserlichtquelle, wird im cw-Modus (mit konstanter Welle) oder getaktet betrieben. Das ausgesandte Licht wird beispielsweise über eine Einzelfaser in den Verbrennungsraum eingeleitet. Um dabei ein sauberes Einleiten bzw. ausbringen der Lichtstrahlen in bzw. aus dem Verbrennungsraum zu gewährleisten, ohne im Bereich dieses Überganges große Streuverluste in Kauf nehmen zu müssen, wird vorgeschlagen, dass in diesem Bereich ein Bildleiter vorgesehen ist, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung in Richtung des Kolbenbodens weisend in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt ist. Dieser Bildleiter bildet somit den gemeinsamen brennraumseitigen Abschluss des bzw. der Lichtleiterkabelbündel. Als Brennraumfenster wird beispielsweise ein Bildleiter aus optischem Glas eingesetzt, der hochdruck- und hochtemperaturfest in ein Steck- oder Schraubgehäuse 1/6 österreichisches Patentamt AT 11 508 U1 2010-11-15 eingeklebt bzw. eingelötet ist. Durch diese Anordnung ist einerseits gewährleistet, dass einerseits das Temperaturniveau am Ende des Lichtleiterbündels bei motorischem Betrieb auf ein für den Lichtleiter erträgliches Maß abgesenkt wird und ermöglicht anderseits eine weitgehende Trennung des in den Brennraum eintretenden und des aus dem Brennraum reflektierten Lichtes, da der Bildleiter die Lichtstrahlen intern nicht streut und zumindest nahezu eins zu eins an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnflächen, also an die Übergangsfläche zum Lichtleiter einerseits und an seinem anderen zum Brennraum weisenden Ende anderseits, abbildet. Streuungen des den Lichtleiter durchtretenden Lichtes werden somit weitgehend vermieden.

[0006] Besonders vorteilhafte saubere Verhältnisse für die Messung ergeben sich dabei, wenn die beiden Lichtleiter koaxial zueinander verlaufend an den Bildleiter anschließen. Insbesondere dann, wenn das Licht der Lichtquelle über wenigstens eine zentrale Faser in den Zylinder eingeleitet und über den dazu koaxial angeordneten Lichtleiter wieder ausgeleitet wird. Dies erlaubt insbesondere aufgrund der größeren Austrittsfläche für die dem Lichtdetektor zugeordneten Lichtleiter auch dann eine ordnungsgemäße Messung, wenn das von der Kolbenoberfläche, also vom Kolbenboden, reflektierte Licht gedämpft reflektiert wird. So trifft der in den Brennraum eintretende Laserlichtkegel auf die Kolbenoberfläche auf, wonach Teile des auf die Kolbenoberfläche diffus reflektierten Lichtes wieder in den Bildleiter eintreten und über die kreisförmig an den eintretenden Lichtstrahl angekoppelten Fasern des Lichtleiters auf einen Photodetektor, insbesondere eine Photodiode bzw. einen Photomultiplier geleitet werden. Die Intensität des gemessenen Lichtstrahls ist proportional zum Abstand des Kolbens vom Sensor und ermöglicht damit die Bestimmung der jeweiligen Kolbenlage.

[0007] Dabei empfiehlt es sich insbesondere, dass die beiden Lichtleiter zu einem Y-Kabel zusammengeschlossen sind, wobei einer der beiden zueinander zugewandten Schenkel der Lichtquelle und der andere der beiden Schenkel dem Lichtdetektor zugeordnet ist und der dritte Schenkel an den Bildleiter anschließt.

[0008] Da sich bei motorischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine dem Lichtsignal, welches aus den Reflexionen des Lichts herrührt, noch die Verbrennungsstrahlung im Sichtfeld der Messanordnung überlagert, empfiehlt es sich, wenn zwischen Lichtleiter und Lichtdetektor ein lediglich für die Wellenlänge der Lichtquelle durchlässiges Filter vorgesehen ist, welches vom gesamten aus dem Brennraum emittierten Licht nur Licht im Bereich der Wellenlänge der eingesetzten Laserdiode durchlässt. Damit lassen sich von vornherein Verfälschungen des Messergebnisses durch die Verbrennungsstrahlung erheblich verringern.

[0009] Zusätzlich zur optischen Filterung kann auch noch eine elektronische Filterung erfolgen. Dazu wird der Laserstrom und somit die ausgesandte Lichtintensität mit einer Frequenz von ungefähr 10 MHz getaktet. Damit können aus den am Photodetektor gemessenen Lichtintensitäten jene Anteile des Lichtes im Bereich der eingesetzten Laserwellenlänge herausgefiltert werden, die vom Laser generiert wurden.

[0010] Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Bildleiters als Brennraumfenster die Verwirklichung nur eines optischen Zugangs zum Brennraum möglich wird, wobei sich bei einer konstanten Einleitung des Laserlichtes das in den Zylinder eintretende und das aus den Zylinder austretende Licht nur besonders wenig überlagern und somit sowohl die Ein- als auch die Ausleitung des Lichtes auf kleinstem Raum erfolgen kann. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in keiner Weise beeinflusst und ist eine Bestimmung der jeweiligen Kolbenlage mit einfachen Mitteln möglich.

[0011] In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt. Es zeigen: [0012] Fig. 1 ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem teilgeschnittenen

Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine und [0013] Fig. 2 die Vorrichtung zur Einkopplung bzw. Auskopplung des Lichtstrahles in den

Zylinder aus Fig. 1 in teilgeschnittenem Längsschnitt und vergrößertem Maßstab. 2/6 österreichisches Patentamt AT 11 508 U1 2010-11-15 [0014] Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens 1 im Zylinder 2 einer Verbrennungskraftmaschine 3 umfasst eine Lichtquelle 4, insbesondere eine Laserlichtquelle, einen zwischen Lichtquelle 4 und Verbrennungsraum 5 vorgesehnen Lichtleiter 6 und einen Lichtdetektor 7 für vom Kolbenboden 8 reflektierte Lichtstrahlen, die über einen Lichtleiter 9 dem Lichtdetektor 7 zugeleitet werden. Für den in die Verbrennungskraftmaschine 3 einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden 8 reflektierten und dem Lichtdetektor 7 zuzuführenden Lichtstrahl sind somit gesonderte Lichtleiter 6, 9 vorgesehen, die an einem Ende an einen Bildleiter 10 anschließen, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung 11 in Richtung des Kolbenbodens 8 weisend in den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 3 eingesetzt ist. Sowohl der Bildleiter 10 als auch die Lichtleiter 6, 9 sind in ein Gehäuse 12 eingesetzt, welches in den Zylinderkopf eingeschraubt ist.

[0015] Die beiden Lichtleiter 6, 9 sind dabei koaxial zueinander verlaufend an den Bildleiter 10 angeschlossen, wobei die beiden Lichtleiter 6, 9 zu einem Y-Kabel zusammengefügt sind. Einer der beiden einander zugewandten Schenkel ist dabei der Lichtquelle 4 und der andere der beiden Schenkel 9 dem Lichtdetektor 7 zugeordnet. Der dritte Schenkel schließt an den Bildleiter 10 an. Des Weiteren ist zwischen Lichtleiter 9 und dem Lichtdetektor 7 ein lediglich für die Wellenlänge der Lichtquelle 4 durchlässiges Filter 13 vorgesehen. Die Auswertung der vom Lichtdetektor 7 aufgenommenen Signale erfolgt beispielsweise in einer Rechner-Speichereinheit 14, welche gegebenenfalls zudem einen Modulator 15 ansteuert, welcher der Lichtquelle 4 zugeordnet ist und der die von der Lichtquelle 4 ausgestrahlte Lichtintensität mit einer Frequenz von -10 MHz taktet. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL: [0016] Das Licht einer Laserlichtquelle, einer Laserdiode mit ungefähr 50 mW und einer Wellenlänge von 650 nm, wird von der Lichtquelle 4 über ein optisches Linsensystem in einen Arm des Y-förmigen Lichtleiterbündels, in den Lichtleiter 6, eingekoppelt. Dieser Lichtleiter bildet die zentrale Faser, welche an den Bildleiter 10 anschließt. Im zweiten Y-Arm befinden sich beispielsweise 19 gebündelte Einzelfasern, welche am gemeinsamen Ende koaxial zum Lichtleiter 6 angeordnet sind und an den Bildleiter anschließen. Diese neunzehn dem Lichtleiter zugeordneten Fasern sind somit radial, vorzugsweise mit einem Abstand von 0,5 mm, um die zentrale Faser des Lichtleiters 6 angeordnet. Somit sind im genannten Ausführungsbeispiel 20 Einzelfasern mit rund 200 pm Faserdurchmesser verbaut. Das gemeinsame brennraumseitige Ende des Faserbündels schließt an den Bildleiter 10 an, der in einem Gehäuse 12 angeordnet ist, welches Gehäuse 12 wiederum in einen Zylinderkopf eingesetzt ist. Der Bildleiter 10 dient dabei insbesondere als Brennraumfenster, und ist beispielsweise aus optischem Gas gefertigt und hochdruck- und hochtemperaturfest in das Gehäuse 12 eingeklebt bzw. mit diesem verlötet. Diese Anordnung gewährleistet, dass das Temperaturniveau am Ende des Faserbündels bei motorischem Betrieb auf ein für den Lichtleiter 6 erträgliches Maß begrenzt wird und ermöglicht eine weitgehende Trennung des in den Brennraum eindringendes Messstrahles und der reflektierten, dem Lichtdetektors 7 zuzuführenden Messstrahlen. Der in den Brennraum eintretende Lichtkegel trifft auf die Kolbenoberfläche, dem Kolbenboden 5 auf, wobei Teile des Lichtstrahls reflektiert werden und wieder in den Bildleiter 10 eintreten und über die Lichtleiter 9, den Lichtdetektor 7, eine Photodiode bzw. einen Photomultiplier, geleitet werden. Die Intensität des gemessenen Lichtstrahls ist dabei proportional zum Abstand des Kolbens vom Sensor und ermöglicht damit die Bestimmung der Kolbenlage. 3/6

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT 11 508 U1 2010-11-15 Ansprüche 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Lichtquelle, einem zwischen Lichtquelle und Verbrennungsraum vorgesehenen Lichtleiter und einem Lichtdetektor für vom Kolbenboden reflektierte Lichtstrahlen, wobei für den in die Verbrennungskraftmaschine einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden reflektierten und dem Lichtdetektor zuzuführenden Lichtstrahl gesonderte Lichtleiter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter (6, 9) an einen Bildleiter (10) anschließen, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung (11) in Richtung des Kolbenbodens (8) weisend in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine (3) eingesetzt ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lichtleiter (6, 9) koaxial zueinander verlaufend an den Bildleiter (10) anschließen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lichtleiter (6, 9) zu einem Y-Kabel zusammengeschlossen sind, wobei einer der beiden einander zugewandten Schenkel der Lichtquelle (4) und der andere der beiden Schenkel (9) dem Lichtdetektor (7) zugeordnet ist und der dritte Schenkel an den Bildleiter (10) anschließt.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtleiter (9) und Lichtdetektor (7) ein lediglich für die Wellenlänge der Lichtquelle (4) durchlässiges Filter (13) vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtquelle (4) ein Modulator (15) zugehört, der die Bestromung der Lichtquelle (4) und damit die von Ihr ausgestrahlte Lichtintensität taktet. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6