Vorrichtung zum Untersuchen des Klopfvorganges in einer Brennkraftmaschine
Es sind bereits Vorrichtungen zum Untersuchen des Klopfvorganges von Brennkraftmaschinen bekannt, die als Messgeber einen an einen Oszillographen angeschlossenen magnetostriktiven Geber aufweisen. Diese Geber wurden bisher als besondere, mit äussern Kühlrippen versehene, verhältnismässig grosse, zylindrische Schraubkörper zwischen den Ventilen oder neben der Zündkerze in den Zylinderkopf eingeschraubt. Ein Nachteil dieser Anordnung ist ihre Grösse und die dadurch bedingte Veränderung des Brennraumes und ihr Einfluss auf die Kühlung des Verbrennungsraumes. Insbesondere bei Mehrzylindermotoren ist die Verwendung derartiger Geber aus den vorerwähnten Gründen unzweckmässig.
Man hat daher zum Messen der Elopferschei- nungen auch schon sogenannte Zündkerzen-Indikatoren verwendet, die als Geber einen Quarzkristall aufweisen. Dieser sitzt in einer Büchse, die mittels eines Zwischenstückes auf dem Schraubteil der Zündkerze neben deren Isolierkörper befestigt ist. Von dem Geber führt ein Druckkanal durch den metallischen Zündkerzenteil bis zu dessen Stirnrand nahe den Kerzenpolen, also zum Brennraum der Maschine. Solche Quarzgeber lassen sich zwar sehr klein bauen, sind aber für den rauhen Prüfstandbetrieb, auf die Dauer gesehen, wegen der für eine einwandfreie Arbeitsweise notwendigen Isolation viel zu empfindlich. Sie bilden leicht Anlass zu Störungen, erfordern einen häufigen Ersatz und neigen zu Verzerrungen, weshalb sie auch nicht zur Bestimmung des mittleren indizierten Druckes verwendet werden können.
Da die magnetostriktiven Druckgeber diesen Nachteil nicht aufweisen, strebt die Erfindung an, anstatt des Quarzkristallgebers einen solchen magnetostriktiven Geber an der Zündkerze in der erforderlichen baulichen Kleinheit unterzubringen, was aber bei der üblichen Bauart dieser Geber auf Schwierigkeiten stösst; und zwar vor allem deshalb, weil deren magnetostriktiver Körper neben dem in die Messspule eintauchenden Kernabschnitt auch noch aus einem äusseren, die Spule einschliessenden Jochteil besteht, der einen erheblichen Platz in Umfangsrichtung beansprucht.
Die Erfindung bezweckt, diese Mängel zu be seitigen. Sie betrifft eine Vorrichtung zum Untersuchen des Klopfvorganges in einer Brennkraftmaschine mittels eines Zündkerzen-Indikators und ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit einem magnetostriktiven Geber versehen ist, der lediglich einen magnetostriktiven Kern innerhalb der Messspule aufweist.
In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungs- und Anwendungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 den Zündkerzen-Indikator in zwei um 900 versetzten Seitenansichten, ausserdem in Fig. 2 teilweise längsgeschnitten,
Fig. 3 das untere Ende des magnetostriktiven Messgebers im Längsschnitt,
Fig. 4 das Anschlussschema für einen bzw. mehrere Zündkerzen-Indikatoren an einem Elektronenstrahl-Oszillographen, mit dazu vorgesehenem Schaltkasten,
Fig. 5 eine Oszillographen-Anzeige des Verbrennungsverlaufes in den einzelnen Zylindern einer Achtzylindermaschine und
Fig. 6 bis 8 das Differentialdiagramm eines einzelnen Zylinders bei normalem Verbrennungsablauf, beim Auftreten einzelner und bei starkem Auftreten hoher Frequenzen.
Die Fig. 4 ist-gegenüber den Fig. 1 bis 3 in einem kleineren Massstab gezeichnet.
In den Fig. 1 und 2 sind der metallische Schraubkörper der Zündkerze mit 1, 2, deren Isolierkörper mit 3, deren Pole mit 4 und deren Kabelanschluss mit 5 bezeichnet. Auf den Kopf 1 des Schraubteiles ist eine Büchse 6 für die Aufnahme es weiter unten beschriebenen Gebers befestigt. Die Büchse 6 ist mit einer konischen Verjüngung 7 an ihrem unteren Ende in eine passende Ausnehmung 8 in den Kopf 1 des Zündkerzen-Schraubenteils eingesetzt und dort z. B. verschweisst. Vom Boden 9 des Hohlraumes 10 in der Geberbüchse 6 führt eine durch ein dünnes Röhrchen 11 ansgekleidete Bohrung 12 zu dem den Polen 4 zunächst liegenden Stirnende der Kerze, also zum Verbrennungsraum der Maschine. Das Röhrchen 11 ist in eine vom Kopf 1 bis zum Gewindeteil 2 des Schraubenteils eingefräste Nut 13 hineingelegt und dort z.
B. silberverlötet. In der Geberbüchse 10, deren oberer Abschnitt mit einem Innengewinde 6' versehen ist, ist eine Zwischenbüchse 14 mit einer mittleren Vertiefung 15 eingesetzt, deren offenes Ende dem Röhrchen 11 zugekehrt liegt und dort mit einer Ringschulter 16 versehen ist. Mit Hilfe eines Spannungsringes 17 und einer den Ring haltenden Bördelung 18 am Ende der Zwischenbüchse 14 ist auf die Ringschulter 16 eine Membrane 19 aufgespannt. In das obere Ende der Schraubbüchse 6 ist eine mit einer Zentralbohrung 20 versehene Muffe 21 eingeschraubt. Mit Ausnahme der durch einen besonderen Bördelung gehaltenen Membrane gehört die bisher beschriebene Anordnung zum Stand der Technik.
Auf der Membrane 19 sitzt der Fussteil 21 eines im übrigen schaftförmigen Körpers 21' auf, dem in einiger Entfernung ein gleichartiger Kopfteil 21" gegenüberliegt. Die Teile 21, 21', 21" bestehen aus einem magnetostriktiven Werkstoff und bilden mit ihrem doppel-T-förmigen Querschnitt einen fadenrollenähnlichen Körper, auf welchen die Messspule 22 aufgewickelt ist. Im Kopfteil 21'befinden sich die Bohrungen 23 für die Spulen-Anschlussdrähte, die fluchtgleiche Bohrungen 24 im Zwischenboden 14' der Zwischenbüchse 14 durchsetzen und durch ein darüberliegendes Isolierstück 25 hindurch zu einem Anschluss an das Aussenkabel 26 führen. Das Iso lierstück 25 steckt in einem Röhrchen 27, das in einem oberen mit Innengewinde 14"versehenen Hals der Zwischenbüchse 14 eingeschraubt und dort gegen Drehen gesichert ist.
Auch das Isolierstück 25 ist in das gleiche Gewinde 14" mit eingeschraubt. Es trägt eine kleine metallische Büchse 28 als Verbindungsstück und Lötstelle zwischen den Messspulendrähten und dem nach aussen führenden Anschlusskabel 26. Der Aussenmantel 29 des Kabels ist über das Ende des zwischengeordneten Röhrchens 27 gestülpt und bildet dort einen feuchtigkeitsdichten Geberabschluss. Aussen befindet sich zwischen dem Kabelmantel 29 und der die Kabelseele 26 umgebenden Isolierschicht 30 noch eine elektrische Abschirmung 31 z. B. aus einem Metalldrahtgeflecht.
Das Kabel 26 führt zum Schalter 32 eines mit einem Transistor- oder Röhrenverstärker versehenen Schaltkastens 33, der an einen Elektronenstrahl-Oszillograph 34 angeschlossen ist. Am Schaltkasten 33 sind so viele Anschlüsse und Schalter 32 vorhanden als an der Brennkraftmaschine Zündkerzen-Indikatoren nach den Fig. 1-3 angeordnet sind. Da es zweckmässig ist, an jedem Zylinder einen solchen Indikator anzubringen, sind nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 an dem Schaltkasten für eine Achtzylinder Brennkraftmaschine acht Schalter 32 vorgesehen mit deren Hilfe jeder einzelne Zylinder bzw. dessen Indikator zugeschaltet werden kann. Der Oszillograph 34 ist, wie bereits eingangs erwähnt, derart ausgelegt, dass er die Differentialkurven aller Zylinder dt gleichzeitig anzeigt, wenn sämtliche Schalter 32 geschlossen sind.
Oder er zeigt bei der Zuschaltung nur eines oder weniger Geber nur eine oder entsprechend weniger Kurven und diese in einem grösseren Massstab an.
Im übrigen arbeitet die geschilderte Vorrichtung wie folgt: Ein im Brennraum der Maschine auftretender Druck wirkt über das Röhrchen 11 auf die Membrane 9 und diese auf den magnetostriktiven Kern 21, 21', 21" ein. Da dessen Kopfteil 21" am Zwischenboden 14' der Zwischenbüchse 14 anliegt, bewirkt der auf den Fussteil 21 einwirkende Druck eine Verkürzung des Schaftes 21' mit der weiteren Folge, dass in der Messspule 22 eine der Druckänderung entsprechende Spannung auftritt, die über das Kabel 21 als Messwert nach aussen und über den Schaltkasten 33 zum Oszillographen 34 gelangt.
Während des Betriebes der Maschine ist die Büchse 6 einem z. B. aus einer Düse austretenden Kühlluftstrom ausgesetzt. Gegebenenfalls genügt auch die Wirkung des Kraftfahrzeug-Kühlventilators oder eines Kühlluftgebläses oder der Fahrwind. Gegebenenfalls könnte man den Geber auch mit einer Flüssigkeitskühlung versehen, indem man die Geber büchse 6 doppelwandig ausführt und durch den Wandzwischenraum ein flüssiges Kühlmittel hindurchleitet.
Entsprechend dem Ablauf der Verbrennung ändert sich der Druckverlauf in den einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine und unter der Voraussetzung, dass es sich um eine Achtzylindermaschine handelt und alle Zylinder dem Oszillographen zugeschaltet sind, zeigt dieser acht Verbrennungsvorgänge untereinander auf, wie z. B. die Fig. 5 zeigt. Die Reihenfolge der Vorgänge, von oben nach unten gesehen, entspricht der Zündfolge. Die Länge der Zeilen entspricht bei jeder Drehzahl 7200 Kurbelwinkel, geteilt durch die Anzahl der Zylinder, also in vorliegendem Fall 900. Der verwendete Oszillograph gehört zum Stand der Technik und ist an sich nicht Gegenstand der Erfindung.
Wie schon bekannt, ist es mit Hilfe des Schaltkastens 33 (Fig. 4) möglich, auch nur einen Zylinder allein zu beobachten. Eine solche Anzeige veranschaulicht die Fig. 6 bis 8. Die Fig. 6 zeigt den nor malen Verbrennungsablauf eines einzelnen Zylinders bei einer bestimmten Drehzahl und Vollast. Der Oszillograph zeigt eine verhältnismässig glatte Kurve, die dem Differentialquotienten des Druckverlaufes entspricht. Sie wird lediglich von geringen Schwingungen iiberlagert, die von Gasschwankungen innerhalb des Röhrchens 11 und in Idem Raum 15 unmittelbar vor der Membrane 19 herrühren. Durch geeignete Dämpfungsmassnahmen lassen sich diese Schwingungen weitgehend unterdrücken.
Die Fig. 7 zeigt einen Verbrennungsablauf für einen früheren Unterbrechungspunkt der Zündung, gerade noch ohne Klopferscheinungen. Jedoch sieht man im Bereich a der Kurve bereits eine gewisse Unruhe, die von höheren Frequenzen herrührt. Dies lässt auf eine gewisse Klopfbereitschaft schliessen.
Die Fig. 8 zeigt einen Verbrennungsablauf bei einem noch früheren Zündungsabriss, mit den für das Klopfen typischen steilen Spitzen x. Je nach Motor-Baumuster und verwendetem Kraftstoff kann dieser Vorgang früher oder später auftreten, ohne dass sich an der Anzeige grundsätzlich etwas ändert.
Vielfach schwankt der Vorgang deshalb, weil an der Klopfgrenze der Zylinder nicht bei jeder Zündung, sondern nur ab und zu klopft. Erst bei stärkerem Klopfen erhält man ein konstantes Bild der Anzeige.
Wie bereits erwähnt, und wie die Fig. 6 andeutet, können in der vom Brennraum zum Geber führenden Bohrung 12 ebenfalls z. B. durch den Rohrdurchmesser, die Rohrlänge und dte Grösse des Raumes 15 bestimmte lokale Schwingungen auftreten. Diese können dadurch klein gehalten werden, dass man ein möglichst dünnes Röhrchen 11 benutzb, das eine hohe Eigendämpfung aufweist. Man kann eine solche Dämpfung jedoch auch dadurch erzielen, dass man in das Röhrchen einen Werkstoff mit dämpfender Wirkung einbringt, oder durch die Anordnung von kleinen als Resonatoren wirkende Querbohrungen oder durch Aufrauhen der Rohrwand.
Man kann hier die gleichen Mittel anwenden, wie sie auch in den Einund Auslassleitungen und im Auspuff von Brennkraftmaschinen zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungen angewandt werden, soweit dies in dem gegebenen extrem kleinen Massstab überhaupt möglich ist.
Device for examining the knocking process in an internal combustion engine
Devices for examining the knocking process of internal combustion engines are already known which have a magnetostrictive sensor connected to an oscilloscope as a measuring sensor. These transmitters were previously screwed into the cylinder head as special, relatively large, cylindrical screw bodies with external cooling ribs between the valves or next to the spark plug. A disadvantage of this arrangement is its size and the resulting change in the combustion chamber and its influence on the cooling of the combustion chamber. In particular in the case of multi-cylinder engines, the use of such transmitters is inexpedient for the reasons mentioned above.
For this reason, so-called spark plug indicators, which have a quartz crystal as a transmitter, have also been used to measure the sacrificial phenomena. This sits in a sleeve which is attached to the screw part of the spark plug next to its insulating body by means of an intermediate piece. A pressure channel leads from the transmitter through the metallic spark plug part to its front edge near the spark plug poles, i.e. to the engine's combustion chamber. Such quartz encoders can be built very small, but are, in the long run, much too sensitive for the rough test bench operation because of the isolation necessary for proper functioning. They easily give rise to faults, require frequent replacement and are prone to distortion, which is why they cannot be used to determine the mean indicated pressure.
Since the magnetostrictive pressure transducers do not have this disadvantage, the invention seeks to accommodate such a magnetostrictive transducer on the spark plug in the required small size instead of the quartz crystal transducer, but this encounters difficulties with the usual design of this transducer; in particular because its magnetostrictive body consists of the core section immersed in the measuring coil and an outer yoke part which encloses the coil and which takes up considerable space in the circumferential direction.
The aim of the invention is to remedy these shortcomings. It relates to a device for examining the knocking process in an internal combustion engine by means of a spark plug indicator and is characterized in that it is provided with a magnetostrictive transmitter which only has a magnetostrictive core within the measuring coil.
In the drawing, the invention is shown in an exemplary embodiment and application. Show it:
Fig. 1 and 2 the spark plug indicator in two side views offset by 900, also in Fig. 2 partly in longitudinal section,
3 shows the lower end of the magnetostrictive measuring transducer in longitudinal section,
4 shows the connection diagram for one or more spark plug indicators on an electron beam oscilloscope, with the switch box provided for this purpose,
5 shows an oscilloscope display of the combustion process in the individual cylinders of an eight-cylinder engine and
6 to 8 show the differential diagram of an individual cylinder with a normal combustion sequence, with the occurrence of individual and with strong occurrence of high frequencies.
4 is drawn on a smaller scale compared to FIGS. 1 to 3.
In FIGS. 1 and 2, the metallic screw body of the spark plug is denoted by 1, 2, its insulating body by 3, its poles by 4 and its cable connection by 5. On the head 1 of the screw a sleeve 6 for receiving it is attached to the encoder described below. The bush 6 is inserted with a conical taper 7 at its lower end into a matching recess 8 in the head 1 of the spark plug screw part and there, for. B. welded. From the bottom 9 of the cavity 10 in the transducer sleeve 6, a bore 12 covered by a thin tube 11 leads to the end of the candle lying next to the poles 4, ie to the combustion chamber of the machine. The tube 11 is placed in a groove 13 milled from the head 1 to the threaded part 2 of the screw part and there, for.
B. silver soldered. In the encoder sleeve 10, the upper section of which is provided with an internal thread 6 ', an intermediate sleeve 14 with a central recess 15 is inserted, the open end of which faces the tube 11 and is provided there with an annular shoulder 16. With the aid of a tension ring 17 and a flange 18 holding the ring at the end of the intermediate sleeve 14, a membrane 19 is stretched onto the annular shoulder 16. A sleeve 21 provided with a central bore 20 is screwed into the upper end of the screw sleeve 6. With the exception of the membrane held by a special flange, the arrangement described so far belongs to the prior art.
The foot part 21 of an otherwise shaft-shaped body 21 'sits on the membrane 19, opposite which a similar head part 21 "lies at some distance. The parts 21, 21', 21" consist of a magnetostrictive material and form with their double-T shaped cross-section a thread-like body on which the measuring coil 22 is wound. In the head part 21 'there are the bores 23 for the coil connecting wires, which pass through the aligned bores 24 in the intermediate base 14' of the intermediate sleeve 14 and lead through an overlying insulating piece 25 to a connection to the outer cable 26. The Iso lierstück 25 is inserted in a tube 27 which is screwed into an upper neck of the intermediate sleeve 14 provided with an internal thread 14 "and is secured there against rotation.
The insulating piece 25 is also screwed into the same thread 14 ". It carries a small metallic sleeve 28 as a connecting piece and soldering point between the measuring coil wires and the connecting cable 26 leading to the outside. The outer jacket 29 of the cable is slipped over the end of the intermediate tube 27 On the outside, between the cable jacket 29 and the insulating layer 30 surrounding the cable core 26, there is also an electrical shield 31, for example made of a metal wire mesh.
The cable 26 leads to the switch 32 of a switch box 33 which is provided with a transistor or tube amplifier and which is connected to an electron beam oscilloscope 34. There are as many connections and switches 32 on the switch box 33 as there are spark plug indicators according to FIGS. 1-3 on the internal combustion engine. Since it is expedient to attach such an indicator to each cylinder, eight switches 32 are provided on the switch box for an eight-cylinder internal combustion engine according to the embodiment of FIG. 4, with the aid of which each individual cylinder or its indicator can be switched on. As mentioned above, the oscilloscope 34 is designed in such a way that it displays the differential curves of all cylinders dt simultaneously when all switches 32 are closed.
Or, when only one or fewer encoders are activated, it shows only one or correspondingly fewer curves and displays them on a larger scale.
Otherwise, the described device works as follows: A pressure occurring in the combustion chamber of the machine acts via the tube 11 on the membrane 9 and this on the magnetostrictive core 21, 21 ', 21 ". Since its head part 21" on the intermediate floor 14' of the Intermediate sleeve 14 is applied, the pressure acting on the foot part 21 causes a shortening of the shaft 21 'with the further consequence that a voltage corresponding to the pressure change occurs in the measuring coil 22, which is sent to the outside via the cable 21 as a measured value and via the switch box 33 Oscillograph 34 arrives.
During the operation of the machine, the sleeve 6 is a z. B. exposed from a nozzle exiting cooling air flow. If necessary, the effect of the motor vehicle cooling fan or a cooling air blower or the driving wind is sufficient. If necessary, the encoder could also be provided with liquid cooling by making the encoder sleeve 6 double-walled and passing a liquid coolant through the space between the walls.
According to the course of the combustion, the pressure curve in the individual combustion chambers of the internal combustion engine changes and, provided that it is an eight-cylinder machine and all cylinders are connected to the oscilloscope, this shows eight combustion processes among each other, such as B. Fig. 5 shows. The sequence of operations, seen from top to bottom, corresponds to the firing order. The length of the lines corresponds to 7200 crank angle at each speed, divided by the number of cylinders, that is to say 900 in the present case. The oscilloscope used belongs to the prior art and is not per se the subject of the invention.
As already known, it is possible with the aid of the switch box 33 (FIG. 4) to observe only one cylinder alone. Such a display is illustrated in FIGS. 6 to 8. FIG. 6 shows the normal combustion sequence of an individual cylinder at a certain speed and full load. The oscilloscope shows a relatively smooth curve which corresponds to the differential quotient of the pressure curve. It is only superimposed by small vibrations that originate from gas fluctuations within the tube 11 and in the space 15 immediately in front of the membrane 19. These vibrations can largely be suppressed by suitable damping measures.
FIG. 7 shows a combustion sequence for an earlier interruption point in the ignition, barely without knocking. However, you can already see a certain unrest in area a of the curve, which comes from higher frequencies. This suggests a certain willingness to knock.
FIG. 8 shows a combustion sequence with an even earlier stalled ignition, with the steep peaks x typical of knocking. Depending on the engine model and the fuel used, this process can occur earlier or later without fundamentally changing anything on the display.
The process fluctuates in many cases because at the knock limit the cylinder does not knock with every ignition, but only occasionally. A constant image of the display is only obtained with stronger knocking.
As already mentioned, and as FIG. 6 indicates, in the bore 12 leading from the combustion chamber to the encoder, for. B. by the pipe diameter, the pipe length and dte size of the space 15 certain local vibrations occur. These can be kept small by using a tube 11 which is as thin as possible and which has a high level of inherent attenuation. Such damping can, however, also be achieved by introducing a material with a damping effect into the tube, or by arranging small transverse bores acting as resonators or by roughening the tube wall.
The same means can be used here as are also used in the inlet and outlet lines and in the exhaust of internal combustion engines to suppress undesired vibrations, insofar as this is at all possible on the extremely small scale given.