Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufes von Drücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufs von sich insbesondere rasch ändernden Drücken innerhalb vorbestimmter, unterhalb und/oder oberhalb eines vorbestimmten Druckniveaus liegender Messbereiche. Die Erfindung bezweckt insbesondere die Schaffung einer Vorrichtung, welche die genaue Aufnahme des Druckverlaufes im Verbrennungsraum rasch laufender Kolben-Brennkraftmaschinen über begrenzte Druckbereiche ermöglicht.
Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen auftretende Drücke mit Hilfe von piezoelektrischen Druckfühlern zu bestimmen. Besonders aufschlussreich sind hierbei 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 Druckverlaufes im Bereich der Zünddrücke.
Als nachteilig erweist sich hierbei jedoch, dass die zur Aufnahme der Druckkurve benötigten Verstärker und Anzeigegeräte einen Arbeitsbereich einschliessen müssen, der die zu erwartenden Maximalund Minimaldrücke 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 anderen 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 anderen Endlage eine Kolbenseite des anderen 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 ermittelnden Druckes und die andere unter der Einwirkung eines 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 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.
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 Teilvorrichtung für die Ermittlung des Druckverlaufes oberhalb des vorbestimmten Druckbereiches mit einer Teilvorrichtung für die Ermittlung des Verlaufes unterhalb des gleichen oder eines anderen 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 wird nachstehend anhand 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 Teilvorrichtungen 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 oder dergleichen 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 Kolbenseiten 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 anderen 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 befindlichen Kolben der auf letzteren wirkende Druck in den Raum zwischen beide 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 der Kolben 16 unter der Einwirkung des Hilfsdrucks entgegenstellt, bleibt der Kolbenkörper 15, 16 in 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 Auflage auf der Anschlagfläche 17 kommt. Von diesem Augenblick an wirkt nun der durch den Kanal 23 in den Raum 35 sich fortpflanzende Druck auf den Druckfühler, und zwar so lange, bis der Kolbenkörper 15, 16 wieder in die gezeichnete untere Endlage zurückkehrt. Es ist leicht einzusehen, dass durch die geschilderte Arbeitsweise vom Druckfühler 36 nur Drücke ermittelt werden, die sich unterhalb eines durch die Grösse des Hilfsdruckes bestimmten Druckniveaus befinden.
Fig. 3 veranschaulicht bis auf die Ausbildung und Anordnung der verschiebbaren Kolben und der ihnen zugeordneten Anschläge eine der Vorrichtung nach Fig. 1 entsprechende Ausführungsform. Es sind zwei Kolben 50 und 51 vorhanden, die der Einfachheit halber als einteiliger Kolbenkörper gezeigt sind. An dieser Stelle sei auch festgehalten, dass selbstverständlich das Gehäuse aus zwei oder mehr Teilen bestehen kann. Dem Kolben 50 ist der Anschlag 52 und dem Kolben 51 der Anschlag 53 zugeordnet, zwischen denen sich die beiden Kolben bewegen können.
In beiden Endlagen kommen die einander abgewendeten Seiten der beiden Kolben dichtend zur Auflage auf der Dichtungsfläche des zugeordneten Anschlages. In der gezeichneten Lage befindet sich der Kolben 50 an der Dichtungsfläche des Anschlages 52. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Dichtungsflächen der Kolben und der Anschläge durch senkrecht zur Achsrichtung des Kolbenkörpers gerichtete Flächen gebildet.
Auf den Kolben 50 wirkt der über die Bohrung 54 zugeleitete Messdruck, während der Kolben 51 dem Einfluss des über den Kanal 55 entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 übertragenem Hufs- druckes ausgesetzt ist. Die jedem Kolben zugeordneten Durchlässe sind in vorliegendem Falle als einfache Bohrungen 56 bzw. 57 ausgebildet. In der gezeichneten Lage sind die Bohrungen 56 durch die Dichtungsfläche des Anschlages 52 verschlossen.
Dafür kann der Hilfsdruck durch die Bohrungen 57 des anderen Kolbens 51 sich in den Raum 58 und von hier über den Kanal 59 auf den Messboden 60 des Druckfühlers fortpflanzen.
Wiederum sei zur Erläuterung der Wirkungsweise angenommen, dass der Hilfsdruck auf den Wert A eingestellt sei, während der in seinem Verlauf zu ermittelnde und auf den Kolben 50 wirkende Druck rasche Druckschwankungen zwischen Atmosphärendruck und einem den Druck A übersteigenden Druck B ausführt. Solange während des Ansteigens des auf den Kolben 50 wirkenden Drucks die von ihm erzeugte Kolbenkraft kleiner ist als diejenige, welche der Kolben 51 unter der Einwirkung des Hilfsdruckes entgegenstellt, bleibt der Kolbenkörper 50, 51 in seiner gezeichneten Lage, in welcher der zu ermittelnde Druck vom Druckfühler ferngehalten ist, dafür aber der Hilfsdruck zur Anzeige kommt.
Erst wenn die aus den beiden Druckeinwirkungen resultierende Kraft ihre Richtung wechselt und der Kolben 51 dichtend zur Auflage am Anschlag 53 kommt, kann sich der Messdruck über die Bohrungen 56 und den Kanal 59 auf den Druckfühler übertragen; es werden somit mit Hilfe der geschilderten Vorrichtung nur Drücke ermittelt, die sich oberhalb eines durch die Grösse des Hilfsdruckes bestimmten Druckniveaus befinden.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, in welcher in einem gemeinsamen Gehäuse 65 je eine nach den beiden bisher geschilderten Ausführungsbeispielen arbeitende Teilvorrichtung miteinander vereinigt sind.
Die eine Teilvorrichtung zur Ermittlung von Drücken unterhalb eines vorbestimmten Druckniveaus besteht aus dem Kolbenkörper 66, 67 mit zugeordneten Anschlägen 68 und 69 sowie dem piezoelektrischen Druckfühler 70, wobei ein einstellbarer Hilfsdruck durch den Kanal 71 auf die Oberseite des Kolbens 67 geleitet werden kann. Die andere Teilvorrichtung setzt sich zusammen aus dem Kolbenkörper 72, 73, den Anschlägen 74 und 75 und dem Druckfühler 76; der Hilfsdruck kann durch den Kanal 77 übertragen werden.
Für beide Teilvorrichtungen ist ein gemeinsamer Anschlussstutzen 78 vorgesehen, der zum Beispiel in den Zylinderdeckel einer Kolben-Brennkraft- maschine eingeschraubt werden kann. Der Messdruck wird über den gemeinsamen Kanal 79 auf die beiden Kolben 66 und 72 übertragen. Man erhält somit von dem zu ermittelnden Druckverlauf mit Hilfe des Druckfühlers 70 eine Anzeige in einem ersten Messbereich, der sich von Atmosphärendruck bis zu dem über den Kanal 71 zugeleiteten Hilfsdruck erstreckt; mit Hilfe des Druckfühlers 73 wird eine Anzeige des Druckverlaufes oberhalb eines Druckniveaus, das durch den über den Kanal 77 übertragenen Hilfsdruck bestimmt ist.
Werden die beiden Hilfsdrücke gleich gross gewählt, zum Beispiel durch Anschliessen der Kanäle 71 und 77 an ein und dieselbe Hilfsdruckquelle, werden zwei Anzeigen erhalten, die zusammen sich über den ganzen Bereich erstrecken, in dem sich der zu ermittelnde Druck bewegt. Die Fig. 5 und 6 zeigen für die gleiche Druckspitze den zeitlichen Verlauf, wie er zum Beispiel auf dem Registrierstreifen zweier Oszillographen erhalten wird, von denen einer durch den Druckfühler 70 und der andere durch den Druckfühler 76 gesteuert wird.
In Abszissenrichtung ist die Zeit t aufgetragen und in Ordinatenrichtung die den piezoelektrischen Ladungen der Druckfühler entsprechenden Drücke P.
Die Abszisse entspricht einem Druck P gleich Null und wird direkt als Linie auf dem Registrierstreifen erhalten, wenn anstelle des Hilfsdruckes der Atmosphärendruck auf den Kolben 67 einwirkt. Die ausgezogene Kurve 81 in Fig. 5 veranschaulicht den vom Druckfühler 76 ermittelten Druckverlauf; die Kurve beginnt auf dem Hilfsdruckniveau A, klettert auf den maximalen Messdruck B und senkt sich schliesslich wieder auf das Hilfsdruckniveau. Demgegenüber liegt der Messbereich der den Druckfühler 70 aufweisenden Teilvorrichtung unterhalb des Druckniveaus A; die ausgezogene Kurve 82 verläuft zwischen dem tiefsten Messdruck und dem Hilfsdruck A und der gestrichelt dargestellte übrige Druckverlauf wird abgeschnitten.
Es ist selbstverständlich möglich, durch die Wahl ungleicher Hilfsdrücke zum Beispiel nur den Druckverlauf im Bereich des oberen bzw. unteren Extremwertes zu ermitteln. Die hat insbesondere Bedeutung bei der bereits genannten Untersuchung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, wo dann 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 Erfindung auf die Messung von Expiosionsdrücken zur Lösung ballistischer Probleme.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere könnte anstelle 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.