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Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufes von Drücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufes von sich insbesondere rasch ändernden Drücken innerhalb vorbestimmter unterhalb und/oder oberhalb eines vorbestimmten Druck- niveaus liegenden Messbereichen. Die Erfindung bezweckt insbesondere die Schaffung einer Vorrichtung, welche die genaue Aufnahme des Druckverlaufes im Verbrennungsraum rasch laufender Kolben-Brenn- kraftmaschinen über begrenzte Druckbereiche ermöglicht.
Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen auftretende Drücke mit Hilfe von piezoelektrischen Druck- fühlern zu bestimmen. Besonders aufschlussreich sind hiebei die im Bereich niedriger Drücke liegenden
Teile der erhaltenen Druckkurven, da es gerade die mit dem Gaswechsel zusammenhängenden Verhältnisse sind, welche vielfach durch geeignete Steuerung und Bemessung von Ein- und Auslassquerschnitten namhafte Verbesserungen erreichen lassen. Besonders erwünscht sind ferner auch Kenntnisse des Druck- verlaufes im Bereich der Zünddrücke.
Als nachteilig erweist sich hiebei jedoch, dass die zur Aufnahme der Druckkurve benötigten Verstärker und Anzeigegeräte einen Arbeitsbereich einschliessen müssen, der die zu erwartenden Maximal- und Mini- maldrücke umfasst. Es gelingt dann besonders bei rasch aufeinanderfolgenden Druckwechseln nicht mehr, eine verzerrungsfreie Anzeige über den ganzen Druckbereich zu erhalten. Diese Nachteile sind besonders ausgeprägt bei Verwendung von Schleifenoszillatoren ; sie können ferner auch auftreten bei andern Druckfühlern bzw. Anzeigesystemen, z. B. bei kapazitiven Fühlern oder mechanischen Indikatoren.
Die Erfindung ermöglicht, diese Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie geht vom Gedanken aus, dass eine im verzerrungsfreien Arbeitsbereich liegende Anzeige erhalten werden kann, wenn die oberhalb bzw. unterhalb eines einstellbaren Druckniveaus befindlichen Drücke vom Druckfühler ferngehalten werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei miteinander fest verbundene Kolben eines Kolbenkörpers in Bohrungen innerhalb eines Gehäuses zwischen zwei Endlagen verschiebbar angeordnet sind, die durch ventilsitzartige Anschläge derart bestimmt sind, dass in einer Endlage eine Kolbenseite des einen Kolbens und in der andern Endlage eine Kolbenseite des andern Kolbens dichtend zur Auflage auf der Dichtungsfläche des ihr zugeordneten Anschlages kommt, dass weiter von den einander abgewendeten Seiten der beiden Kolben die eine Seite unter der Einwirkung des zu messenden Druckes und die andere unter der Einwirkung eines vorzugsweise einstellbaren Hilfsdruckes steht,
dass ferner der im Raume zwischen den beiden Kolben sich einstellende Druck auf den zur Ermittlung des Druckverlaufes dienenden Druckfühler einwirkt und dass schliesslich jedem Kolben ein Durchlass zugeordnet ist, durch den bei einem nicht am Anschlag befindlichen Kolben der auf letzteren wirkende Druck sich in den Raum zwischen beiden Kolben und zum Druckfühler fortpflanzen kann.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht auch bei sehr rasch folgenden Druckwechseln die ausserhalb des jeweils eingestellten Messbereiches liegenden Drücke vom Druckfühler fernzuhalten, ohne dass der dabei stattfindende Umschaltvorgang eine Verfälschung des Messresultates verursacht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kommen in den beiden Endlagen des Kolbenkörpers einander zugekehrte Seiten der beiden Kolben auf der Dichtungsfläche des zugeordneten ventilsitzartigen Anschlages zur Auflage ; man erhält dann eine Anzeige unterhalb eines vorbestimmten, durch die Grösse des Hilfsdruckes gegebenen Druckniveaus. Umgekehrt kann zweckmässig zum Ermitteln des Druckverlaufes in einem oberhalb eines vorbestimmten, durch die Grösse des Hilfsdruckes gegebenen Bereiches in den beiden Endlagen des Kolbenkörpers einander abgewendete Seiten der beiden Kolben auf der Dichtungsfläche des zugeordneten ventilsitzartigen Anschlages zur Auflage kommen.
Zweckmässig können die Dichtungsflächen der Anschläge und der Kolben durch gegeneinander gerichtete Kegelflächen gebildet sein. Die Durchlässe können aber auch als schlitzförmige Ausnehmungen in den Mantelflächen der Kolben oder aber als Bohrungen im Kolbenkörper ausgebildet sein. In einer besonders einfachen Ausführungsform sind die Durchlässe durch Spiele zwischen Kolbenwand und Bohrung gebildet.
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Vorteilhaft kann die Bohrung für den vom Messdruck beaufschlagten Kolben mit dem Inneren eines rohrförmigen Einschraubstutzens verbunden sein ; die Vorrichtung lässt sich dann bequem in eine entsprechende Gewindebohrung einschrauben, die mit dem zu überwachenden Druckraum in Verbindung steht.
Weiter empfiehlt es sich, in der den Hilfsdruck übertragenden Zuleitung ein Umschaltventil anzuordnen, mit dessen Hilfe die Zuleitung wahlweise mit einer Hilfsdruckquelle oder mit der Atmosphäre verbunden werden kann. Diese Anordnung lässt neben der Anzeige des zu ermittelnden Druckverlaufes auch eine Anzeige zweier konstanter und bekannter Referenzdrücke erzielen, was ohne weiteres eine quantitative Auswertung des ermittelten Druckverlaufes zulässt.
Schliesslich kann zweckmässig eine Vorrichtung für die Ermittlung des Druckverlaufes oberhalb des vorbestimmten Druckbereiches mit einer Vorrichtung für die Ermittlung des Verlaufes unterhalb des gleichen oder eines andern Druckbereiches so vereinigt werden, dass die beiden Kolbenkörper verschiebbar in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, und dass weiter für die Zuleitung des zu messenden Druckes ein gemeinsamer Kanal vorgesehen ist.
Die Erfindung und weiter mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung im Schnitt zusammen mit in der Zuleitung für den Hilfsdruck angeordnetem Umschaltventil und Druckreduzierventil. Fig. 2 im Detail Teile der in Fig. 1 gezeichneten Vorrichtung in vergrössertem Massstab. Fig. 3 eine weitere Ausführungsform in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung, jedoch zum Ermitteln des Druckverlaufes oberhalb eines vorbestimmten Druckniveaus, Fig. 4 die Vereinigung der beiden Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 3 innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, und Fig. 5 und 6 Beispiele von Druckkurven, die mit Hilfe von erfindungsgemässen Vorrichtungen erhalten werden können.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besitzt ein Gehäuse 11, dessen zylindrischer Teil 12 als Einschraubstutzen ausgebildet ist und in eine entsprechende Gewindebohrung eines Zylinderdeckels od. dgl. eingesetzt werden kann. Im Gehäuse sind zwei zylindrische Bohrungen 13 und 14 vorhanden. In diesen sind miteinander verschraubte oder sonst auf andere geeignete Weise zu einem Kolbenkörper miteinander verbundene Kolben 15 und 16 verschiebbar angeordnet. Fig. 2 zeigt im Detail diese Teile in vergrössertem Massstab.
Die miteinander verbundenen Kolben 15 und 16 können sich zwischen zwei Endlagen verschieben, die durch ventilsitzartig ausgebildete Anschlagflächen 17 und 18 bestimmt sind. In der gezeichneten Stellung befindet sich der Kolben 16 an der Anschlagfläche 18 und seine entsprechend gestaltete Kolbenseite 19 liegt dichtend auf der Fläche 18 auf. Demgegenüber befindet sich die Kolbenseite 20 des Kolbens 15 im Abstand zu der ihr zugekehrten Anschlagfläche 17.
Der in seinem Verlauf zu ermittelnde Druck wirkt auf die Seite 21 des Kolbens 15. Der Raum oberhalb der Kolbenseite 22 steht über den Kanal 23 und die Leitung 24 mit dem Umschaltventil 25 in Verbindung.
Dieses ist als Solenoidventil ausgebildet und ermöglicht, die Leitung 24 augenblicklich wahlweise über die Ventilbohrung 26 mit der Atmosphäre oder über die Bohrung 27 und die Leitung 28 mit dem einstellbaren Druckreduzierventil 29 zu verbinden, das über die Leitung 30 mit einer nicht gezeichneten Druckquelle in Verbindung steht. Mit Hilfe des Reduzierventils 29 kann der so auf die Kolbenseite 22 wirkende Druck beliebig zwischen Null und einem durch die Quelle vorgegebenen Wert eingestellt werden. Als Druckmittel wird zweckmässig ein gasförmiges Medium benützt. Zur Überwachung des Druckes vor und nach dem Druckreduzierventil sind Druckmesser 31 und 32 vorgesehen.
Der zwischen den beiden Kolbenseite 19 und 20 befindliche Raum 33 steht über den Kanal 34 mit dem Raum 35 in Verbindung, der auf einer Seite durch einen Teil des Gehäuses 11 und auf der andern Seite durch den Messboden eines piezoelektrischen Druckfühlers 36 abgeschlossen ist. Zur Fixierung des Druckfühlers und zur Abdichtung des den Fühler aufnehmenden Raumes dient die Schraube 38.
Der vom Druckfühler als Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 37 abgebildete Druck im Raum 35 kann auf bekannte Art mit Hilfe eines Schleifenoszillators sichtbar gemacht bzw. registriert werden. Um den Druckfühler gegen allfällige schädliche Temperaturen zu schützen, kann durch den Stutzen 39 Kühlwasser zugeführt werden, das durch einen nicht gezeichneten Austritt wieder abströmt.
In der Wand der Kolben 15 und 16 ist je ein aus schlitzförmigen Ausnehmungen 40 bzw. 41 bestehender Durchlass vorgesehen, durch den sich bei nicht am Anschlag befindlichem Kolben der auf letzteren wirkende Druck in den Raum zwischen beiden Kolben 15 und 16 fortpflanzen kann.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der geschilderten Vorrichtung sei angenommen, dass der auf den Kolben 16 wirkende Hilfsdruck auf den Wert A eingestellt sei, während der in seinem Verlauf zu messende und auf den Kolben 15 wirkende Druck rasche Druckschwankungen zwischen Atmosphärendruck und einem den Druck A übersteigenden Druck B ausführt. Solange während des Ansteigens des auf den Kolben 15 wirkenden Drucks die von ihm erzeugte Kolbenkraft kleiner ist als diejenige, welche
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seiner gezeichneten Lage, in welcher der zu ermittelnde Druck über die Schlitze 40 im Kolben 15 sich in den Raum 33 und von hier aus auf den Druckfühler 36 fortpflanzen kann.
Mit wachsendem Druck unterhalb des Kolbens 15 wird der Zustand erreicht, wo die aus den Druckeinwirkungen resultierende Kraft ihre Richtung wechselt und bewirkt, dass der Kolben 15 dichtend zur
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einerseits nur gerade der Druckverlauf während des Gaswechsels und anderseits nur der Druckverlauf während der Zündung ermittelt wird. Ähnliche Untersuchungen ergeben sich bei Anwendung der Er- findung auf die Messung von Explosionsdrücken zur Lösung ballistischer Probleme.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere könnte an Stelle von Durchlässen in Form von Schlitzen bzw. von Bohrungen in den Kolben ein geeignet bemessenes
Spiel zwischen Kolben und Wand der den betreffenden Kolben aufnehmenden Bohrung vorgesehen sein.
Auch wäre es möglich, andere Druckfühler als piezoelektrische Fühler zu benützen, z. B. mechanische
Fühler, kapazitiv arbeitende Fühler usw.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufes von sich insbesondere rasch ändernden Drücken innerhalb vorbestimmter, unterhalb und/oder oberhalb eines vorbestimmten Druckniveaus liegender Messbereiche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei miteinander fest verbundene Kolben eines Kolbenkörpers in Bohrungen innerhalb eines Gehäuses zwischen zwei Endlagen verschiebbar angeordnet sind, die durch ventilsitzartige Anschläge derart bestimmt sind, dass in einer Endlage eine Kolbenseite des einen Kolbens und in der andern Endlage eine Kolbenseite des andern Kolbens dichtend zur Auflage auf der Dichtungsfläche des ihr zugeordneten Anschlages kommt, dass weiters von den einander abgewendeten Seiten der beiden Kolben die eine Seite unter der Einwirkung eines vorzugsweise einstellbaren Hilfsdruckes steht,
dass ferner der im Raum zwischen den beiden Kolben sich einstellende Druck auf den zur Ermittlung des Druckverlaufes dienenden Druckfühler einwirkt, und dass schliesslich jedem Kolben ein Durchlass zugeordnet ist, durch den bei einem nicht am Anschlag befindlichen Kolben der auf letzteren wirkende Druck sich in den Raum zwischen beiden Kolben und zum Druckfühler fortpflanzen kann.