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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, wobei mittels dem Brennraum zugeordneter optischer Sensoren ein etwa ringförmiger Brennraumabschnitt erfasst wird und die Messwerte über die Verbrennungsvorgänge im Brennraumabschnitt einer Auswerteeinheit zugeführt werden. Weiters betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der EP 0 593 413 BI ist eine optoelektronische Messeinrichtung bekannt, bei der ein in einer Schnittebene liegender Bereich des Brennraumes durch optische Sensoren gleichmässig erfasst wird. Durch diese Auswerteeinheit werden aus den Signalen der einzelnen Sensoren Helligkeitswerte für definierte Flächenbereiche der Schnittebene errechnet und diese in ein
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bzw. die Brennraumgeometrie Messungen durchgeführt werden. Allerdings sind pro Zylinder 100 bis 150 optische Kanäle erforderlich, um ein getreues Abbild der Verbrennungsvorgänge zu erhalten. Aus Platzproblemen können bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen nur die Verbrennungsvorgänge von einzelnen Zylindern erfasst werden, wodurch zyhnderspezifische Verbrennungserscheinungen einzelner Brennräume, beispielsweise Klopfen, nur ungenügend beobachtet werden können.
Aus der US 4 393 687 A ist eine Sensoranordnung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen bekannt, bei der wenigstens ein optischer Aufnehmer im Brennraum verwendet wird, vorzugsweise ein Glasstab oder ein Lichtleiterkabel aus Glasfasern. Die optischen Aufnehmer werden dabei entweder in die Zündkerze inte-
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Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 5-33755 A ist eine Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der acht um den Zylinderumfang angeordnete optische Leiter tangential in den Brennraum einmünden. wodurch in einem ringförmigen Bereich des Brennraumes Verbrennungserscheinungen erfasst werden können.
Die Lichtleiter sind mit einer photoelektrischen Auswerteeinheit verbunden. Über diese Messeinrichtung wird die Flammensymmetrie bestimmt und in Abhängigkeit der Flammenform der Brennpunkt einer Laserzündeinrichtung verändert, um Klopferscheinungen zu vermindern. Mit dieser Messeinrichtung können allerdings nicht die Entstehungsort von Klopferscheinungen bestimmt werden.
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Verbrennung im Brennraum zu erfassen.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, - dass ein mathematisches Modell über die Ausbreitung einer Stosswellenfront im Brennraum
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- dass eine durch Klopfen verursachte optische Wellenfront im etwa ringförmigen Brenn- raumabschnitt durch die optischen Sensoren erfasst wird, und - dass aufgrund der Messwerte der Sensoren in unterschiedlichen Bereichen des Brenn- raumabschnittes unter Verwendung des mathematischen Modells der Ausgangspunkt der
Wellenfront berechnet wird.
Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass Klopferscheinungen, also unkontrollierte Selbstzündung von fremdgezündeten Kraftstoffen, als Stosswellen interpretiert werden können, welche mathematisch als Funktionen für Kugelwellen in Abhängigkeit der Intensitätsverteilung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit beschreibbar sind. Die Stosswelle) einer Klopferscheinung wird von den Sensoren erst erfasst, sobald die Wellenfront in den ringförmigen Brennraumabschnitt eindringt. Aus den durch die optischen Sensoren bereitgestellten Messwerten über die Wellenfront kann somit mittels des verwendeten mathematischen Modells für die Stosswelle bis zum Entstehungsort der Wellenfront rückgerechnet werden.
Da nur mehr ein relativ schmaler ringförmiger Bereich des Brennraumes durch die Sensoren überwacht werden muss, kann die Anzahl der Messkanäle für die Sensoren wesentlich reduziert werden, so dass beispielsweise mit 20 Messkanälen pro Zylinder Klopferscheinungen vollständig erfasst werden können. Der geringere Raumbedarf und die einfachere Auswertung ermöglichen es, die Messungen für alle Zylinder während desselben Messzyklus durchzuführen.
In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass vor der Erfassung der Wellenfronten mit dem mathematischen Modell für eine Anzahl von Ausgangspunkten fiktive Wellenfronten simuliert und deren Daten oder Funktionen in einer Datenbank abgelegt werden, wobei es besonders günstig ist, wenn die fiktiven Wellenfronten für mindestens etwa 50, vorzugsweise mindesten etwa 100 Ausgangspunkte berechnet werden. Für die jeweils vorliegende Brennraumform und-grosse werden somit für eine Anzahl von Ausgangspunkten Daten bzw. Funktionen für fiktive Wellenfronten in einer Datenbank gespeichert. Bei der tatsächlichen Messung wird auf diese Datenbank zurückgegriffen, wobei die Berechnung des Ausgangspunktes durch Kreuzkorrelation mit den fiktiven Wellenfronten erfolgt.
Voraussetzung ist, dass die Intensitätsverteilung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront bekannt ist.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgt mit einer optoelektronischen Messeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von in den Brennraum annähernd tangential einmündenden optischen Sensoren, welche über Lichtleiter mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen, und so angeordnet sind, dass ein ringförmiger Brennraumabschnitt erfassbar ist. Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Ausgangspunkte der Klopferscheinungen ist, dass die optische Überwachung mit einer hohen Auflösung erfolgt.
Um dies zu erreichen ist vorgesehen, dass jeder Sensor im Mündungsbereich in den Brennraum eine Linseneinrichtung aufweist, welche in optischen Kontakt mit zumindest einem Lichtleiter steht, wobei die
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Linseneinrichtung eine Sammellinse aufweist und im Bereich einer Trennebene der Sammellinse ein Ende zumindest eines Lichtleiters angeordnet ist.
Der im Vergleich zu bekannten Messeinrichtungen kleinere Sichtwinkelbereich entspricht dabei dem Verhältnis zwischen dem Lichtleiterdurchmesser zur Brennweite der Sammellinse. Die im Vergleich zu bekannten Messeinrichtungen erhöhte Empfindlichkeit des Sensors bei ähnlichen Sichtwinkelbereichen. ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Linsendurchmesser zur Brennweite. Dadurch erhält man im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren bis zu einem Faktor 100 grössere Lichtintensitäten bei gleichen Sichtwinkelbereichen.
Die einzelnen Sensoren können in Bohrungen des Zylinders oder des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn die optischen Sensoren in einem den Brennraum begrenzenden Dichtelement, vorzugsweise in einer Zylinderkopfdichtung liegen, welches in einer den Brennraum durchsetzenden Schnittebene angeordnet ist, da dabei die Motorstruktur nicht verändert werden muss.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Enden mehrerer Lichtleiter als Lichtleiterbündel im Bereich der Brennebene der Sammellinse angeordnet sind. Der Sichtwinkelbereich der Sehstrahlen der einzelnen Lichtleiter ergibt sich dabei aus dem Verhältnis zwischen dem Abstand der Mittelpunkte der Lichtleiter und der Brennweite der Sammellinse. Vorteilhafterweise können dabei die Enden der Lichtleiter im wesentlichen in der Schnittebene angeordnet sein. Eine besonders grosse räumliche Auflösung ergibt sich, wenn die Enden mehrerer Lichtleiter im wesentlichen im gleichen Abstand zueinander in einer Zeile angeordnet sind und die Sichtwinkelbereiche zusammen einen Sichtwinkelfächer aufspannen.
Eine äusserst vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Sammellinse der Linseneinrichtung als Plankonvexlinse ausgebildet ist, deren Brennebene mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfällt, wobei vorzugsweise das Ende zumindest eines Lichtleiters in direktem Kontakt mit der planen Fläche steht. Anstelle einer Plankonvexlinse können auch zwei voneinander beabstandete Einzellinsen vorgesehen sein, von denen die dem Lichtleiter näherliegende Einzellinse die Sammellinse ist. Um den Abstand der beiden Einzellinsen konstant zu halten, ist es günstig, wenn zwischen den beiden Einzellinsen ein lichtdurchlässiges Zwischenstück angeordnet ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtleiter jedes optischen Sensors beschichtet sind und die Sammellinse und die Lichtleiter von einer Sensorhülle zusammenge- fasst sind.
Als Material für die Sammellinse kann beispielsweise Quarzglas oder Saphir eingesetzt wer- den. Für Transmissionen im ultravioletten Bereich, beispielsweise zur Erfassung von UV-
Molekülbanden (OH, NO oder CH), sowie für Messungen im infraroten Bereich kann Quarz- glas verwendet werden. Linseneinrichtungen aus Saphir sind widerstandsfähig gegenüber ex- tremen Druck- und Temperaturbedingungen und können z. B. in Gasmotoren mit hoher Lei- stung eingesetzt werden.
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Eine hohe Messqualität wird erreicht, wenn die Lichtleiter aus Quarzglasfasem bestehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Lichtleiter eine Beschichtung aus Polymeren, aus silikonartigem Material, aus Polyamid oder aus Metall aufweisen. Beschichtungen aus Polymeren können bei einer niedrigen Temperaturbelastung bis etwa 80 C eingesetzt werden. Darüber, bis etwa 180 , können silikonartige Beschichtungen verwendet werden. Polyamidbeschichtete Glasfasern eignen sich bis 385 und werden mit sehr dünner Hülle ausgeführt, um die Lichtleiter möglichst eng in den Sensor packen zu können. Für höchste Temperaturbelastungen, bis etwa 750 , sind Beschichtungen aus Metall geeignet.
Um eine widerstandsfähige und dauerhafte Applikation zu erreichen ist es vorteilhaft, wenn die Lichtleiter mit einem Kleber, vorzugsweise Epoxykleber oder Glaskeramik, mit der Sammellinse unlösbar verbunden sind. Derartige Kleber eignen sich auch zum Fixieren des Sensors am Messort, z. B. im Dichtelement. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Sammellinse, die
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einem hochtemperaturbeständigen Quarzglaskörper zusammengefasst sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Messein-
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Verfahren, Fig. 2 einen optischen Sensor aus Fig. 1 im Detail, teilweise in Schnittdarstellung, Fig. 3 einen optischen Sensor analog zur Fig. 2 in einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen optoelektronischen Messeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum 1 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine weist bei mindestens einem Zylinder 14 eine Mehrzahl von in tangentialer Richtung in den Brennraum 1 einmündende optische Sensoren 2 auf, welche in ein Dichtelement 3, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung, integriert sein können.
Durch die annähernd tangentiale Anordnung der Sensoren 2 kann ein etwa ringförmiger Brennraumabschnitt la erfasst werden, wie insbesondere aus Fig. la hervorgeht. Sobald eine durch Klopfen verursachte optische Wellenfront in den ringförmigen Brennraumabschnitt la gelangt, nehmen mehrere Sensoren 2 zeitlich versetzt die Intensitätsänderung im Brennraum 1 wahr und übermitteln entsprechende Messwerte an eine Auswerteeinheit 12. Aufgrund der Phasenverschiebung der einzelnen Messwerte wird durch die Auswerteeinheit 12 unter Verwendung eines die Stosswelle beschreibenden mathematischen Modells der Ausgangspunkt der Wellenfront berechnet, wobei die Messwerte in Kreuzkorrelation mit fiktiven Wellenfronten gesetzt werden, welche in einer Datenbank gespeichert sind.
Das mathematische Modell, das die Ausbreitung der Wellenfront beschreibt, lässt sich folgendermassen zusammenfassen : Die Intensität I am Ort (x, y) im Brennraum zur Zeit t nach der Selbstzündung zur Zeit to am
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Ort (x", y.) wird folgendermassen beschrieben :
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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Stosswelle entspricht der Schallgeschwindigkeit, die sich bei einem Druck p, dem Adiabatenkoeffizient K und einer Gasdichte p zu
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ergibt.
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einmalig in Anwendung des mathematischen Modells auf verschiedene, vordefinierte Ausgangspunkte speziell für den jeweiligen Brennraum 1 in Kenntnis der spezifischen Intensi-
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Dadurch, dass nur ein etwa ringförmiger Bereich l a des Brennraumes l erfasst werden muss, kann pro Zylinder mit einer sehr geringen Anzahl an Sensoren 2, beispielsweise 12 bis 20 Sensoren 2, das Auslangen gefunden werden.
Die dadurch geringe Anzahl von notwendigen Messkanälen ermöglicht es, die Klopfmessung nicht nur an einem Zylinder 14 sondern an mehreren oder allen Zylindern 14 einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine praktisch gleichzeitig durchzuführen.
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scheinungen ist, dass die Wellenfronten mit hoher Auflösung erfasst werden. Dies kann beispielsweise durch fächerartig den Brennraum 1 erfassende Sensoren 2 mittels Sammellinsen 7 erfolgen.
Die einzelnen Sensoren 2 nehmen das aus dem Brennraum 1 kommende Licht über die in den Fig. 2 und 3 näher beschriebene Sammellinse 7 auf, welche mit den beispielsweise in einer Stahlkapillare geführten Lichtleitern 8 in Verbindung steht. Das Messlicht wird weiters über Verbindungsstecker 10 und weitere Lichtleiter 11 unter Zwischenschaltung einer Einheit 4 mit Photodioden und Verstärkern sowie einer Speichereinheit 5 einer Auswerteeinheit 12 zugeführt.
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Stablinse bzw. Sammellinse 7 aufweist. Die Sammellinse 7, beispielsweise aus Quarz oder Saphir, steht in optischem Kontakt mit einem Lichtleiter 8, beispielsweise mit einer eine Beschichtung 9 aufweisenden Glasfaser. Der Sichtwinkelbereich a des Sensors 2 entspricht dem
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Verhältnis des Durchmessers d des Lichtleiters 8 zur Brennweite f der Sammellinse 7.
Innerhalb dieses Sichtwinkelbereiches a kann Licht aus dem Brennraum erfasst werden und in den Lichtleiter 8 eingekoppelt werden. Wesentlich ist, dass das Ende 8a des Lichtleiters im Bereich der Brennebene 7a der Sammellinse angeordnet ist, sodass sich die durch die Sammellinse 7 einfallenden Lichtstrahlen im Bereich des Endes 8a des Lichtleiters 8 bündeln und somit ein scharfes Bild des jeweiligen Bereiches des Brennraumabschnittes la in den Lichtleiter 8
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Über die als Glasfasern, beispielsweise aus Quarzglas, ausgebildeten Lichtleiter 8, wird das Licht gemäss Fig. 1 über Verbindungsstecker 10 und einem weiteren Lichtleiter 11 einer in einer Auswerteeinheit 12 angeordneten Detektor-Verstärker-Einheit zugeführt und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Um zu erreichen, dass das Ende 8a des Lichtleiters 8 möglichst genau in der Brennebene 7a
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planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfällt, um den Lichtleiter 8 durch direkten Kontakt mit der planen Linsenendfläche zu justieren.
Der Durchmesser D und die Brennweite f der Sammellinse 7 wird so gewählt, dass die Apertur bzw. der Durchmesser d des Lichtleiters 8 optimal ausgenützt wird.
In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante sind mehrere Lichtleiter 8 nebeneinander oder als Bündel in der Brennebene 7a der Sammellinse 7 angeordnet. Die Sichtwinkelbereiche durch die einzelnen Sehstrahlen ergeben einen Sichtwinkel ss, der sich aus dem Verhältnis des Abstandes der Mittelpunkte zweier benachbarter Lichtleiter 8 und der Brennweite f der Sammellinse 7 errechnet. Um einen möglichst breiten Sichtwinkelfächer in einer Schnittebene aufzuspannen, können die Lichtleiter 8 in einer Zeile, möglichst im gleichen Abstand zueinander, angeordnet sein.
Die durch Glasfasern gebildeten Lichtleiter 8 weisen eine Beschichtung aus Polymeren, aus silikonartigen Material, aus Polyamid, oder aus Metall auf, wobei die beschichteten Fasern und die Linseneinrichtung 6 in einer Sensorhülle 13 zu einem Sensor 2 zusammengefasst bzw. verklebt sind. Eine Beschichtung aus Polymeren kann bis etwa 80 C verwendet werden. Silikonartige Beschichtungen sind bis etwa 180 C Temperaturbelastung möglich. Darüber hinaus werden polyamidbeschichtete Glasfasern bis etwa 350 C Temperaturbelastung und mit einer sehr dünnen Hülle 9 eingesetzt, um die Glasfasern möglichst eng in den Sensor 2 packen zu können. Metallbeschichtete Glasfasern sind für höchste Temperaturbelastungen bis 750 C geeignet.
Die Linseneinrichtung 6 kann aus Quarzglas bestehen, wodurch Übertragungen im ultravioletten Lichtbereich und im Infrarotbereich möglich sind. Beispielsweise können Sammellinsen aus Quarzglas zur UV-Transmission verwendet werden, um UV-Molekülbanden von OH, NO oder CH zu messen.
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Sammellinsen 7 aus Saphir können bei extremen Druck- und Temperaturbedingungen eingesetzt werden, beispielsweise bei Gasmotoren hoher Leistung.
Die Sensoren 2 können fest mit dem Dichtelement 3 verbunden werden, wobei die aus Lin-
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Dichtelementes 3 eingesetzt werden und mit einem Kleber mit dem Dichtelement 3 verbunden werden.
Als Kleber können Hochtemperaturepoxikleber für Motorapplikationen oder Glaskeramik für Hochtemperaturapplikationen, wie beispielsweise in Gasturbinen, eingesetzt werden. Die erfindungsgemässe optoelektronische Messeinrichtung ermöglicht es, das Flammenleuchten aus verschiedenen Bereichen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit äusserst geringem Aufwand und hoher Messqualität zu beobachten.
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The invention relates to a method for optically detecting combustion processes in the combustion chamber of an internal combustion engine in operation, an approximately annular combustion chamber section being detected by means of optical sensors assigned to the combustion chamber, and the measured values relating to the combustion processes in the combustion chamber section being fed to an evaluation unit. The invention further relates to a measuring device for carrying out this method.
An optoelectronic measuring device is known from EP 0 593 413 BI, in which an area of the combustion chamber lying in a sectional plane is detected uniformly by optical sensors. Using this evaluation unit, brightness values for defined surface areas of the cutting plane are calculated from the signals of the individual sensors and these into one
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or the combustion chamber geometry measurements are carried out. However, 100 to 150 optical channels are required per cylinder in order to obtain a true image of the combustion processes. Due to space problems, only the combustion processes of individual cylinders can be recorded in multi-cylinder internal combustion engines, so that cylinder-specific combustion phenomena of individual combustion chambers, for example knocking, can only be observed inadequately.
US Pat. No. 4,393,687 A discloses a sensor arrangement for detecting the vibrations occurring when an internal combustion engine is knocked, in which at least one optical pickup is used in the combustion chamber, preferably a glass rod or an optical fiber cable made of glass fibers. The optical sensors are either integrated into the spark plug
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An ignition device for internal combustion engines is known from Japanese laid-open publication JP 5-33755 A, in which eight optical conductors arranged around the cylinder circumference open tangentially into the combustion chamber. whereby combustion phenomena can be recorded in an annular region of the combustion chamber.
The light guides are connected to a photoelectric evaluation unit. The flame symmetry is determined via this measuring device and the focal point of a laser ignition device is changed as a function of the flame shape in order to reduce knocking phenomena. With this measuring device, however, the origin of knocking phenomena cannot be determined.
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Detect combustion in the combustion chamber.
This takes place according to the invention in that a mathematical model about the propagation of a shock wave front in the combustion chamber
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- that an optical wavefront caused by knocking in the approximately annular combustion chamber section is detected by the optical sensors, and - that, based on the measured values of the sensors in different areas of the combustion chamber section, using the mathematical model, the starting point of the
Wavefront is calculated.
The invention makes use of the fact that knocking phenomena, that is to say uncontrolled self-ignition of spark-ignited fuels, can be interpreted as shock waves, which can be described mathematically as functions for spherical waves as a function of the intensity distribution and the speed of propagation. The shock wave) of a knocking phenomenon is only detected by the sensors as soon as the wave front penetrates into the annular combustion chamber section. The mathematical model used for the shock wave can thus be used to calculate back to the point of origin of the wave front from the measured values provided by the optical sensors via the wave front.
Since only a relatively narrow, ring-shaped area of the combustion chamber has to be monitored by the sensors, the number of measuring channels for the sensors can be significantly reduced, so that knocking phenomena can be completely recorded, for example, with 20 measuring channels per cylinder. The smaller space requirement and the simpler evaluation make it possible to carry out the measurements for all cylinders during the same measuring cycle.
In a particularly simple embodiment variant of the invention, it is provided that before the acquisition of the wave fronts with the mathematical model for a number of starting points, fictitious wave fronts are simulated and their data or functions are stored in a database, it being particularly favorable if the fictitious wave fronts can be calculated for at least about 50, preferably at least about 100 starting points. For the respective combustion chamber shape and size, data or functions for fictitious wave fronts are thus stored in a database for a number of starting points. This database is used for the actual measurement, and the starting point is calculated by cross-correlation with the fictitious wave fronts.
The prerequisite is that the intensity distribution and the speed of propagation of the wavefront are known.
The method is carried out with an optoelectronic measuring device for detecting combustion processes in the combustion chamber of an internal combustion engine in operation, with a plurality of optical sensors which open approximately tangentially into the combustion chamber and which are connected to an evaluation unit via optical fibers, and are arranged such that a annular combustion chamber section is detectable. A prerequisite for high accuracy when determining the starting points of the knocking phenomena is that the optical monitoring is carried out with a high resolution.
To achieve this, it is provided that each sensor has a lens device in the mouth region into the combustion chamber, which is in optical contact with at least one light guide, the
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Lens device has a converging lens and one end of at least one light guide is arranged in the region of a parting plane of the converging lens.
The smaller viewing angle range compared to known measuring devices corresponds to the ratio between the light guide diameter and the focal length of the converging lens. The increased sensitivity of the sensor compared to known measuring devices with similar viewing angle ranges. results from the relationship between lens diameter and focal length. This results in up to a factor of 100 greater light intensities with the same viewing angle ranges compared to conventional sensors.
The individual sensors can be arranged in bores of the cylinder or the cylinder head of an internal combustion engine. However, it is particularly advantageous if the optical sensors are located in a sealing element delimiting the combustion chamber, preferably in a cylinder head gasket, which is arranged in a sectional plane passing through the combustion chamber, since the engine structure does not have to be changed.
In a preferred embodiment of the invention it is provided that the ends of a plurality of light guides are arranged as light guide bundles in the region of the focal plane of the converging lens. The viewing angle range of the visual rays of the individual light guides results from the relationship between the distance between the center points of the light guides and the focal length of the converging lens. Advantageously, the ends of the light guides can be arranged essentially in the cutting plane. A particularly large spatial resolution is obtained if the ends of a plurality of light guides are arranged at substantially the same distance from one another in a row and the viewing angle regions together span a viewing angle fan.
An extremely advantageous embodiment of the invention provides that the converging lens of the lens device is designed as a plano-convex lens whose focal plane coincides with the flat surface of the plano-convex lens, the end of at least one light guide preferably being in direct contact with the flat surface. Instead of a plano-convex lens, two individual lenses spaced apart from one another can also be provided, of which the single lens closer to the light guide is the converging lens. In order to keep the distance between the two individual lenses constant, it is advantageous if a translucent intermediate piece is arranged between the two individual lenses.
In a further development of the invention, it is provided that the light guides of each optical sensor are coated and the converging lens and the light guides are combined by a sensor sleeve.
Quartz glass or sapphire, for example, can be used as the material for the converging lens. For transmissions in the ultraviolet range, for example for the detection of UV
Molecular bands (OH, NO or CH), as well as for measurements in the infrared range, quartz glass can be used. Sapphire lens devices are resistant to extreme pressure and temperature conditions. B. be used in gas engines with high performance.
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A high measurement quality is achieved if the light guides consist of quartz glass fibers. It is advantageous if the light guides have a coating of polymers, of silicone-like material, of polyamide or of metal. Coatings made of polymers can be used at a low temperature load of up to 80 ° C. In addition, up to about 180, silicone-like coatings can be used. Polyamide-coated glass fibers are suitable up to 385 and are made with a very thin sheath so that the light guides can be packed as tightly as possible into the sensor. Metal coatings are suitable for extremely high temperatures, up to around 750.
In order to achieve a durable and permanent application, it is advantageous if the light guides are permanently connected to the collecting lens with an adhesive, preferably epoxy adhesive or glass ceramic. Such adhesives are also suitable for fixing the sensor at the measuring location, e.g. B. in the sealing element. However, it is also conceivable that the converging lens, the
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a high temperature resistant quartz glass body.
The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
1 schematically shows an exemplary embodiment of a measuring device according to the invention.
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2, an optical sensor from FIG. 1 in detail, partly in a sectional view, FIG. 3 an optical sensor analogous to FIG. 2 in another embodiment variant of the invention.
The exemplary embodiment shown in FIG. 1 of an optoelectronic measuring device according to the invention for detecting combustion processes in the combustion chamber 1 of an internal combustion engine (not shown further) has, in at least one cylinder 14, a plurality of optical sensors 2 which open into the combustion chamber 1 in the tangential direction and which enter into a sealing element 3 , for example a cylinder head gasket, can be integrated.
Due to the approximately tangential arrangement of the sensors 2, an approximately annular combustion chamber section 1 a can be detected, as can be seen in particular from FIG. As soon as an optical wavefront caused by knocking arrives in the annular combustion chamber section la, several sensors 2 perceive the change in intensity in the combustion chamber 1 at different times and transmit corresponding measured values to an evaluation unit 12. Due to the phase shift of the individual measured values, the evaluation unit 12 uses a The mathematical model describing the shock wave calculates the starting point of the wave front, the measured values being set in cross-correlation with fictitious wave fronts which are stored in a database.
The mathematical model that describes the propagation of the wave front can be summarized as follows: The intensity I at the location (x, y) in the combustion chamber at time t after auto-ignition at time to am
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Location (x ", y.) Is described as follows:
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The speed of propagation c of the shock wave corresponds to the speed of sound, which increases at a pressure p, the adiabatic coefficient K and a gas density p
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results.
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once in the application of the mathematical model to different, predefined starting points especially for the respective combustion chamber 1 with knowledge of the specific intensity
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Due to the fact that only an approximately ring-shaped area l a of the combustion chamber l has to be detected, the sufficiency can be found per cylinder with a very small number of sensors 2, for example 12 to 20 sensors 2.
The small number of measurement channels required thereby makes it possible to carry out the knock measurement practically simultaneously not only on one cylinder 14 but on several or all cylinders 14 of a multi-cylinder internal combustion engine.
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The phenomenon is that the wavefronts are captured with high resolution. This can be done, for example, by sensors 2 which detect the combustion chamber 1 by means of converging lenses 7.
The individual sensors 2 pick up the light coming from the combustion chamber 1 via the converging lens 7, which is described in more detail in FIGS. 2 and 3 and which is connected to the light guides 8, for example guided in a steel capillary. The measuring light is further supplied via a connector 10 and further light guides 11 with the interposition of a unit 4 with photodiodes and amplifiers and a memory unit 5 to an evaluation unit 12.
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Rod lens or converging lens 7. The converging lens 7, for example made of quartz or sapphire, is in optical contact with a light guide 8, for example with a glass fiber having a coating 9. The viewing angle range a of the sensor 2 corresponds to that
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Ratio of the diameter d of the light guide 8 to the focal length f of the converging lens 7.
Within this viewing angle range a, light from the combustion chamber can be detected and coupled into the light guide 8. It is essential that the end 8a of the light guide is arranged in the area of the focal plane 7a of the converging lens, so that the light rays incident through the converging lens 7 are bundled in the area of the end 8a of the light guide 8 and thus a sharp image of the respective area of the combustion chamber section 1 a Light guide 8
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1, the light according to FIG. 1 is fed via connector 10 and a further light guide 11 to a detector-amplifier unit arranged in an evaluation unit 12 and converted into an electrical signal.
In order to ensure that the end 8a of the light guide 8 is as precise as possible in the focal plane 7a
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plane surface of the plano-convex lens coincides in order to adjust the light guide 8 by direct contact with the plane lens end surface.
The diameter D and the focal length f of the converging lens 7 are chosen such that the aperture or the diameter d of the light guide 8 is optimally used.
In the embodiment variant shown in FIG. 3, a plurality of light guides 8 are arranged next to one another or as a bundle in the focal plane 7a of the converging lens 7. The viewing angle ranges through the individual visual rays result in a viewing angle ss, which is calculated from the ratio of the distance between the centers of two adjacent light guides 8 and the focal length f of the converging lens 7. In order to span the widest possible range of viewing angles in a sectional plane, the light guides 8 can be arranged in a row, if possible at the same distance from one another.
The light guides 8 formed by glass fibers have a coating of polymers, of silicone-like material, of polyamide, or of metal, the coated fibers and the lens device 6 being combined or bonded in a sensor sleeve 13 to form a sensor 2. A coating of polymers can be used up to about 80 ° C. Silicone-like coatings are possible up to a temperature of about 180 ° C. In addition, polyamide-coated glass fibers up to a temperature of about 350 ° C. and with a very thin sheath 9 are used in order to be able to pack the glass fibers as tightly as possible into the sensor 2. Metal-coated glass fibers are suitable for extreme temperatures up to 750 ° C.
The lens device 6 can consist of quartz glass, as a result of which transmissions in the ultraviolet light range and in the infrared range are possible. For example, quartz glass converging lenses can be used for UV transmission in order to measure UV molecular bands of OH, NO or CH.
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Sapphire converging lenses 7 can be used under extreme pressure and temperature conditions, for example in gas engines with high performance.
The sensors 2 can be firmly connected to the sealing element 3, the line
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Sealing element 3 are used and connected to the sealing element 3 with an adhesive.
High-temperature epoxy adhesives for engine applications or glass ceramics for high-temperature applications, such as in gas turbines, can be used as adhesives. The optoelectronic measuring device according to the invention makes it possible to observe the flame lighting from different areas in the combustion chamber of an internal combustion engine with very little effort and high measurement quality.