AT3845U1

AT3845U1 - Optoelektronische messeinrichtung

Info

Publication number: AT3845U1
Application number: AT0067199U
Authority: AT
Inventors: Harald Arnulf Dipl Ing Philipp; Ernst Dipl Ing Dr Winklhofer; Martin Baumgartner
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2000-08-25
Also published as: DE10041666A1; JP2001147157A; DE10041666C2; JP3614359B2; US6649924B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßeinrichtung (4) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum (5) einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum (5) zugeordneten optischen Sensoren (7), welche mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen, wobei die brennraumseitigen Sensorenden (8) im wesentlichen in einer Ebene (15) angeordnet sind und die Sensoren (7) so ausgerichtet sind, daß die Akzeptanzwinkelbereiche (A) der einzelnen Sensoren (7) einen vordefinierten Meßsektor (M) des Brennraumes (5) möglichst gleichmäßig erfassen. Um mit möglichst geringem Aufwand Entstehungsorte klopfender Verbrennung im Brennraum (5) erfassen zu können, ist vorgesehen, daß die optischen Sensoren (7) in einem im wesentlichen zylindrischen, in den Brennraum (5) mündenden Bauteil (6) und die Sensorenden (8) im wesentlichen radial am Mantel (14) des Bauteiles (6) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Messeinrichtung zur Erfassung von Verbren- nungsvorgängen im Brennraum einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum zugeordneten optischen Sensoren, welche mit einer Auswerteeinheit in Verbin- dung stehen, wobei die brennraumseitigen Sensorenden im wesentlichen in einer Ebene ange- ordnet sind und die Sensoren so ausgerichtet sind, dass die Akzeptanzwinkelbereiche der ein- zelnen Sensoren einen vordefinierten Messsektor des Brennraumes möglichst gleichmässig erfassen.

Für die Motorenentwicklung ist die Kenntnis über den zeitlichen und örtlichen Ablauf von Verbrennungsvorgängen von grosser Bedeutung. Aus der EP 0 593 413 B ist eine optoelek- tronische Messeinrichtung bekannt, bei der die Sensoren in der Zylinderkopfdichtung einer Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die Sensoren sind dabei zur Erzeugung einer zweidi- mensionalen Bildes der Verbrennungsvorgänge derart ausgerichtet, dass die Akzeptanzwinkel- bereiche der einzelnen Sensoren den in der Zylinderkopfdichtungsebene liegenden Bereich des Brennraumes möglichst gleichmässig erfassen. Die Auswerteeinheit weist eine Rechenein- heit auf, welche aus den Signalen der einzelnen Sensoren Helligkeitswerte für definierte Flä- chenbereiche der Zylinderkopfdichtungsebene errechnet und diese in ein zweidimensionales Bild umsetzt.

Auf diese Weise können ohne Eingriffe in den Motor bzw. die Brennraumgeo- metrie Messungen durchgeführt werden. Da die Sensoren in die Zylinderkopfdichtung inte- griert sind, ist für jeden Motor eine eigene Sensor-Zylinderkopfdichtung erforderlich. Ein weiterer Nachteil ist, dass für den Wechsel der Zylinderkopfdichtung durch eine Sensor-Zylin- derkopfdichtung der Zylinderkopf demontiert werden muss. Die optische Messung mittels einer Sensor-Zylinderkopfdichtung ist daher relativ aufwendig und kostenintensiv.

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 Lichtleiterka- bel aus Glasfasern. Die optischen Aufnehmer werden dabei entweder in die Zündkerze inte- griert, an eine Vorkammer angeschlossen oder in die Zylinderkopfdichtung eingesetzt.

Aus der US 4 446 723 A und der US 4 506 186 A sind Zündkerzen für Brennkraftmaschinen mit einem einzigen mittig angeordneten Lichtleiter bekannt. Dies ermöglicht allerdings nur einfache Messungen, wie beispielsweise die Feststellung, ob Klopfen auftritt oder nicht. Für komplexere Messungen, wie beispielsweise die Beobachtung der Flammenkernbildung und der Flammenkernbewegung, sind Zündkerzen mit einem einzigen Lichtleiter nicht ausrei- chend.

Aus der AT 002 228 U1ist eine Zündkerze bekannt, welche mehrere in den Brennraum mün- dende Lichtleiter aufweist, über welche neben der Klopfdetektion auch komplexere Messun- gen, wie die Beobachtung der Flammenausbreitung, durchgeführt werden können. Die Sen-

sorenden sind dabei an der brennraumseitigen Stirnfläche der Zündkerze ringförmig angeord- net. Dadurch können allerdings nur Verbrennungserscheinungen innerhalb eines zylindrischen bzw. kegelförmigen Messbereiches beobachtet werden. Verbrennungserscheinungen im Be- reich der Brennraumdecke und des Brennraumumfanges können kaum erfasst werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine optoelektroni- sche Messeinrichtung der genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Herstel- lungs- und Messaufwand vermindert wird.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die optischen Sensoren in einem im wesent- lichen zylindrischen, in den Brennraum mündenden Bauteil und die Sensorenden im wesentli- chen radial am Mantel des Bauteiles angeordnet sind. Der Bauteil mit den optischen Sensoren wird dabei über eine in den Brennraum mündende funktionsbedingte Bohrung oder eine ei- gene Sensorbohrung in den Zylinderkopf eingeschraubt. Der Bauteil kann dabei durch eine Zündkerze oder ein Einspritzventil gebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass weitere Messboh- rungen in den Brennraum nicht erforderlich sind. Der Mantel kann aber auch als eigener Sen- sorbauteil ausgeführt sein. Die in der Mantelfläche des Bauteiles angeordneten Sensorenden münden dabei mehr oder weniger radial in den Brennraum, sodass der Messsektor im wesentli- chen eben oder schirmartig ausgebildet ist.

Durch die Anordnung der optischen Sensoren im funktionsbedingten Bauteil der Brennkraft- maschine entfallen Modifikationen am Motor, sodass der Betriebsbereich des Motors (Drehzahl und Last) nicht eingeschränkt wird. Die Signale der einzelnen Sensoren können mit an sich bekannten Algorithmen für die Emissionstomographie in zweidimensionale Bilder umgesetzt werden, wobei die Auflösung der Bilder im wesentlichen nur durch die Anzahl der verwendeten Sensoren beschränkt ist. In einer bewährten Ausführungsform der Erfindung sind pro Bauteil acht optische Sensoren angeordnet. Die erfindungsgemässe Messeinrichtung ermöglicht genügend lange, zeitlich und örtlich auflösende Untersuchungen von Verbren- nungsvorgängen, wobei auf der Elektronikseite Standardkomponenten zum Einsatz kommen können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder optische Sensor im Bereich des Sensorendes eine Umlenkeinrichtung aufweist. Die Lichtfasern der Sensoren werden dabei im wesentlichen parallel zur Längsachse des Bauteiles zur Umlenkeinrichtung geführt. Durch die Umlenkein- richtung wird der Sichtbereich der Lichtfasern um etwa 90 in radialer Richtung umgelenkt, sodass ein den Mantel des Bauteiles umgebender Brennraumbereich beobachtbar ist. Die Um- lenkeinrichtung kann dabei als Spiegel oder als Prisma, vorzugsweise als Saphirprisma ausge- bildet und am unteren Ende der Lichtfasern angebracht sein. In einer fertigungsmässig einfa- chen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Umlenkeinrichtung als Ring ausgebildet ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder optische Sensor ein Bündel von Lichtfasern aufweist. Dadurch ist es möglich, einen den Mantel des Bauteiles umgeben- den Messsektor möglichst vollständig zu erfassen. Um die räumliche Auflösung zu erhöhen,

ist es vorteilhaft, wenn der Sichtwinkelbereich der Lichtfasern eingeschränkt wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass im Bereich des Endes zumindest einer Lichtfaser eine Lochblende an- geordnet ist. Die räumliche Auflösung kann aber auch durch selbstfokusierende Endflächen der Glasfasern erreicht werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ende zumindest einer Lichtfaser in der Brennebene einer Linse angeordnet ist, um mehr Licht in die Glasfaser einzukoppeln. Dabei können auch die Enden von mehreren Lichtleitern in der Brennebene der Linse, vorzugsweise zeilenförmig, beispielsweise mit fünf Lichtfasern, ange- ordnet sein. Dadurch kann die räumliche Auflösung deutlich erhöht werden.

Eine separate Linse kann entfallen, wenn die Umlenkeinrichtung als Linse ausgebildet ist.

Um eine Umsetzung in zweidimensionale Bilder zu ermöglichen, ist im Rahmen der Erfin- dung weiters vorgesehen, dass pro Brennraum mehrere, vorzugsweise in Bauteilen angeord- nete Messeinrichtungen vorgesehen sind. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass jede Messeinrichtung mindestens vierzig gleichmässig am Umfang verteilte Sehstrahlen aufweist.

Die Messsektoren der einzelnen Bauteile können sich dabei teilweise überschneiden oder aber verschiedene Bereiche des Brennraumes, beispielsweise verschiedene Messebenen, abdecken.

Die erfindungsgemässe Messeinrichtung erlaubt auch eine einfache Bestimmung des Aus- gangsortes einer klopfenden Verbrennung durch Auswertung der registrierten Lichtsignale der Verbrennung. Zur Lokalisierung des Klopfens genügt eine einzige Messeinrichtung pro Zylin- der. Da Klopferscheinungen, also unkontrollierte Selbstzündung von fremdgezündeten Kraft- stoffen, als Stosswellen interpretiert werden können, welche mathematisch als Funktion für Kugelwellen in Abhängigkeit der Intensitätsverteilung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit beschreibbar sind, wird eine einfache Auswertung und Rückrechnung auf den Entstehungsort der klopfenden Verbrennung möglich. Die Stosswelle einer Klopferscheinung wird von den Sensoren erst erfasst, sobald die Wellenfront in den Messsektor des Brennraumes eindringt.

Aus den durch die optischen Sensoren bereitgestellten Messwerten über die Wellenfront kann somit mittels eines mathematischen Modells für die Stosswelle bis zum Entstehungsort der Wellenfront rückgerechnet werden.

Eine weitere Möglichkeit ist es, die optische Messeinrichtung in Kombination mit einem Drucksensor einzusetzen und aus dem Laufzeitunterschied zwischen der Schallwelle und der Lichtwelle den Abstand des Klopfortes vom Drucksensor und somit in Kombination mit der optischen Messung den Entstehungsort der Klopferscheinung genau zu lokalisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einer erfin- dungsgemässen Messeinrichtung, Fig. 2 einen Schnitt durch den Zylinder gemäss der Linie II - II in Fig. 1, Fig. 3 eine Schrägansicht der erfindungsgemässen Messeinrichtung, Fig. 4 eine

Schrägansicht einer die optischen Sensoren aufweisenden Zündkerze, Fig. 5 einen Schnitt durch die Zündkerze gemäss der Linie IV - IV in Fig. 4, Fig. 6 und Fig. 7 Längsschnitte durch die Messeinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine, in welchem ein hin und her gehender Kolben 2 angeordnet ist. Der Zylinder 1 wird von einem Zylinderkopf 3 abgedeckt, in welchem eine optoelektronische Messeinrichtung 4 zur Erfassung von Verbren- nungsvorgängen im Brennraum 5 angeordnet ist. Die Messeinrichtung 4 weist mehrere in ei- nem zylindrischen Bauteil 6 angeordnete optische Sensoren 7 auf, deren Sensorenden 8 op- tisch mit dem Brennraum 5 verbunden sind. Jeder optische Sensor 7 weist einen Lichtleiter 9 mit mindestens einer Lichtfaser 10 auf. Der Lichtleiter 9 kann auch aus einem ganzen Bündel 18von Lichtfasern 10 bestehen, wie aus der Fig. 5 hervorgeht. Jeder Lichtleiter 9 führt zu einer Kupplung 11zum Anschluss eines Lichtleiterkabels 12.

Der im Ausführungsbeispiel durch eine Zündkerze gebildete, im wesentlichen zylindrische Bauteil 6 ist in eine in den Brennraum 5 mündende Bohrung 13 des Zylinderkopfes 3 einge- schraubt. Die Sensorenden 8 jedes Sensors 7 sind im Bereich einer Mantelfläche 14 des Bau- teiles 6 angeordnet, sodass die Akzeptanzwinkelbereiche A der einzelnen Sensoren 7 bzw. die Akzeptanzwinkelbereiche a der einzelnen Lichtfasern 10 einen Messsektor M des Brennrau- mes 5 möglichst gleichmässig erfassen. Der Messsektor M ist dabei im wesentlichen in einer Ebene 15 normal auf die Längsachse 16 des Bauteiles 6 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel weist die Messeinrichtung 4 insgesamt vierzig Sehstrahlen auf. Mit einer Messeinrichtung 4 pro Zylinder 1 kann das Klopfen lokalisiert werden.

Um zweidimensionale Bilder der Ver- brennungserscheinung herstellen zu können sind mehrere, beispielsweise drei Messeinrichtun- gen 4 pro Zylinder 1 mit beispielsweise jeweils vierzig Sehstrahlen erforderlich.

Im Bereich des Sensorendes 8 ist im Bauteil 6 pro Sensor 7 eine Umlenkeinrichtung 17 ange- ordnet, welche den Sichtbereich der Lichtfasern 10 um einen Winkel a von etwa 90 umlenkt.

Die Umlenkeinrichtung 17 kann jeweils durch einen Spiegel oder ein Prisma, vorzugsweise ein Saphirprisma gebildet sein. Eine sehr einfache Herstellung ergibt sich, wenn die Um- lenkeinrichtung 17 als Ring ausgebildet ist, welcher am Mantel 14 des Bauteiles 6 befestigt ist. Die Umlenkeinrichtung 17 erlaubt eine Umlenkung von radial eintreffenden Lichtstrahlen in die parallel zur Längsachse 16 des Bauteiles 6 angeordneten Lichtleiter 9 des Sensors 7.

Um die räumliche Auflösung der Lichtfasern 10 zu erhöhen, muss der Sichtwinkelbereich der Lichtfasern 10 eingeschränkt werden. Dies kann durch eine zwischen Lichtfaserende und Umlenkeinrichtung angeordnete Lochblende erfolgen. Eine Erhöhung der räumlichen Auflö- sung kann aber auch durch selbstfokusierende Endflächen der Lichtfasern erreicht werden.

Eine besonders hohe Auflösung wird ermöglicht, wenn die Lichtfasern 10 in der Brennebene einer Linse enden. Dabei können auch die Enden mehrerer Lichtfasern 10 im Bereich der Brennebene einer Linse angeordnet sein. Werden beispielsweise die Lichtfasern 10 eines

Lichtfaserbündels 18eines Lichtleiters 9 in einer Zeile mit beispielsweise fünf Fasern ange- ordnet, so kann die räumliche Auflösung deutlich erhöht werden.

Anstelle einer zusätzlichen Linse zwischen den Lichtfasern und der Umlenkungseinrichtung 17 kann auch die Umlenkungseinrichtung 17 selbst als Linse ausgeführt sein.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt der Messsektor M in einer Ebene 15. Wird der Umlenkwinkel a grösser oder kleiner als 90 gewählt, so wird der Messsektor M durch eine schirmartige Kegelmantelfläche gebildet, mit welcher ebenfalls eine räumliche Erfassung der Verbrennungserscheinungen möglich ist.

Sobald eine durch Klopfen verursachte Druckwelle und die damit verbundene Lichtintensi- tätsänderung in den Messsektor M gelangt, nehmen mehrere Sensoren 7 zeitlich versetzt die Intensitätsänderung im Brennraum 5 wahr und übermitteln entsprechende Messwerte an eine nicht weiter dargestellte Auswerteeinheit. Aufgrund der Zeitverschiebung der einzelnen Messwerte wird durch die Auswerteeinheit unter Verwendung eines die Stosswelle beschrei- benden mathematischen Modells der Ausgangspunkt der Wellenfront berechnet, wobei die Messwerte in Kreuzkorrelation mit fiktiven Wellenfronten gesetzt werden, welche in einer Datenbank gespeichert sind. Die Anzahl der Sensoren 7 und der notwendigen Messkanäle kann somit auf ein Mindestmass beschränkt werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Bauteil 6 acht Sensoren 7 mit je einem Lichtfaserbündel 18 mit fünf Lichtfasern 10 vorge- sehen.

Claims

ANSPRUCHE 1. Optoelektronische Messeinrichtung (4) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum (5) einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum (5) zugeordneten optischen Sensoren (7), welche mit einer Auswerteeinheit in Verbin- dung stehen, wobei die brennraumseitigen Sensorenden (8) im wesentlichen in einer Ebene (15) angeordnet sind und die Sensoren (7) so ausgerichtet sind, dass die Akzep- tanzwinkelbereiche (A) der einzelnen Sensoren (7) einen vordefinierten Messsektor (M) des Brennraumes (5) möglichst gleichmässig erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren (7) in einem im wesentlichen zylindrischen, in den Brennraum (5) mündenden Bauteil (6) und die Sensorenden (8) im wesentlichen radial am Mantel (14) des Bauteiles (6) angeordnet sind.
2. Messeinrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsektor (M) im wesentlichen eben oder schirmartig ausgebildet ist.
3. Messeinrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder opti- sche Sensor (7) im Bereich des Sensorendes (8) eine Umlenkeinrichtung (17) aufweist.
4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (17) durch einen Spiegel gebildet ist.
5. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (17) durch ein Prisma, vorzugsweise ein Saphirprisma gebildet ist.
6. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (17) als Ring ausgebildet ist.
7. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jeder Sensor (7) einen Lichtleiter (9) mit mindestens einer Lichtfaser (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder optische Sensor (7) ein Bündel (18) von Lichtfasern (10) aufweist.
8. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Endes zumindest einer Lichtfaser (10) eine Lochblende angeordnet ist.
9. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtfaser (10) eine selbstfokusierende Endfläche aufweist.
10. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende zumindest einer Lichtfaser (10) in der Brennebene einer Linse angeordnet ist.
11. Messeinrichtung (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden mehre- rer Lichtfasern (10) in der Brennebene der Linse angeordnet sind. <Desc/Clms Page number 7>
12. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (17) als Linse ausgebildet ist.
13. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil (6) als Zündkerze ausgebildet ist.
14. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil (6) als Einspritzventil ausgebildet ist.
15. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass pro Brennraum (5) mehrere vorzugsweise in Bauteilen (6) angeordnete Messeinrichtun- gen (4) vorgesehen sind.
16. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (4) mindestens vierzig gleichmässig am Umfang verteilte Sehstrahlen (5) aufweist.