DE10108051C2 - Vorrichtung zum Messen des Verbrennungsdruckes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mes­ sen des Verbrennungsdruckes im Verbrennungsraum einer Brenn­ kraftmaschine, mit einer zwischen dem Kopf einer Zylinder­ kopfschraube und der Oberseite des Zylinderkopfes angeordne­ ten Kraftmesseinrichtung, die in Abhängigkeit von durch den Verbrennungsdruck hervorgerufenen Längenänderungen der Zylin­ derkopfschraube ein Messsignal zur Abgabe an eine Auswerte­ schaltung erzeugt.

Eine solche Vorrichtung ist grundsätzlich aus der DE 195 04 098 A1 bekannt, wobei dort keine konkreten Ausführungsformen angegeben sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Messen des Verbrennungsdrucks im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, die möglichst einfach und kostengünstig ist.

Die Aufgabe wird durch Vorrichtungen gemäß der Ansprüche 1, 2 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Zylinderge­ häuse, der Zylinderkopf und die als Dehnschrauben ausgebilde­ ten Zylinderkopfschrauben ein elastisches System bilden, des­ sen Formänderungen innerhalb des Hookschen Spannungs-Deh­ nungs-Bereichs zur Messung des Verbrennungsdrucks genutzt werden können. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Messeinrich­ tungen zum Erzeugen des entsprechenden Messsignals brauchen hierbei nicht den hohen Temperaturen der Verbrennung ausge­ setzt zu werden. Es lassen sich somit bekannte und technisch ausgereifte Aufnehmer zusammen mit ohnehin vorhandenen mecha­ nischen Bauteilen zum Messen des Verbrennungsdrucks verwen­ den. Die erfindungsgemäße Lösung ist daher vergleichsweise einfach und kostengünstig.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Messsignal in Abhängigkeit von Längenänderungen einer oder mehrerer der Zylinderkopfschrauben erzeugt. Hierbei wird zweckmäßigerweise ein Kraftaufnehmer zwischen dem Kopf der Zylinderkopfschraube und der Oberseite des Zylinderkopfes angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Messsignal in Abhängigkeit von der Wölbung oder Längenände­ rung des Zylindergehäuses erzeugt.

Zum Erfassen von Längenänderungen wird eine Kraft-, Weg- oder Laufzeit-Messeinrichtung verwendet, wie im folgenden genauer erläutert wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den oberen Teil ei­ nes Zylinders einer Brennkraftmaschine mit zwei unterschied­ lichen Ausführungsformen einer Messeinrichtung zum Messen des Verbrennungsdrucks;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Längenänderung einer Zylin­ derkopfschraube über der Zeit bzw. Kraft aufgetragen ist;

Fig. 3 bis 5 der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen einer Messeinrichtung zum Messen des Verbrennungsdrucks.

Die Fig. 1 stellt den oberen Zylinderbereich einer im übrigen nicht dargestellten Brennkraftmaschine dar, bei der ein Verbrennungsraum 1 in üblicher Weise von einem Zylinderge­ häuse 2, einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 4 begrenzt wird. Der Zylinderkopf 4 und das Zylindergehäuse 2 sind unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung 5 durch Zylinderkopf­ schrauben 6 miteinander verspannt.

Die aus Schaft 7 und Kopf 8 bestehenden Zylinderkopfschrauben 6 sind hochelastische Dehnschrauben, die mit einem genau de­ finierten Drehmoment bei der Montage angezogen werden. Das Zylindergehäuse 2, der Zylinderkopf 4 und die Zylinderkopf­ schrauben 6 bilden somit ein elastisches System, das im dar­ gestellten Bereich durch den Verbrennungsdruck im Verbren­ nungsraum 1 Formänderungen unterworfen wird. Diese Formände­ rungen, die innerhalb des Hookschen Spannungs-Dehnungs-Be­ reichs stattfinden, werden, wie im folgenden beschrieben wird, zum Erzeugen eines Messsignals ausgenutzt, das somit unmittelbar vom Verbrennungsdruck abhängt. Aus diesem Mess­ signal lässt sich dann ein Verbrennungsdrucksignal ableiten.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die durch den Verbrennungsdruck hervorgerufenen Längenände­ rungen der Zylinderkopfschrauben 6 zum Erzeugen des Messsig­ nals ausgenutzt. Zu diesem Zweck ist eine Kraftmesseinrich­ tung in Form eines Kraftaufnehmers 9 vorgesehen, der zwischen der Oberseite des Zylinderkopfs 4 und der Unterseite des Kop­ fes 8 der Zylinderkopfschraube 6 angeordnet ist. Der Kraft­ aufnehmer 9 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem piezoelektrischen Element 10, beispielsweise in Form einer Piezokeramik oder eines Quarzes, das mit Elektroden 11 versehen und zwischen zwei Isolierkörpern 12, z. B. aus Kera­ mik, und zwei Beilagscheiben 13, z. B. aus Stahl, eingespannt ist. Aufgrund dieser Anordnung kommt es bei Längenänderungen der Zylinderkopfschraube 6 zu einer Änderung der mechanischen Spannung des piezoelektrischen Elementes 10, die sich in ei­ ner entsprechenden Änderung der elektrischen Eigenschaften (Resonanzfrequenz) des piezoelektrischen Elementes 10 nieder­ schlägt. Dies wird in einer Auswerteschaltung, beispielsweise einer Oszillatorschaltung, zum Erzeugen eines Messsignals, verwendet, aus dem ein Verbrennungsdrucksignal abgeleitet werden kann. Da derartige Auswerteschaltungen in großer Viel­ falt bekannt sind, brauchen sie nicht näher beschrieben zu werden.

Ein von dem Kraftaufnehmer 9 erzeugtes Messsignal ist in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellt, in dem die Längenänderung x der Zylinderkopfschraube 6 über der Kraft F sowie über der Zeit t aufgetragen ist.

Der auf der rechten Seite in Fig. 1 dargestellte Kraftsensor 9 entspricht dem auf der linken Seite dargestellten, mit dem einzigen Unterschied, dass die Isolierkörper 12 kegelstumpf­ förmig so ausgebildet sind, dass sie sich von den Beilag­ scheiben 13 aus in Richtung auf das piezoelektrische Element 10 verjüngen. Der Zweck dieser Ausbildung besteht darin, die Flächenpressung des piezoelektrischen Elementes 10 gegenüber der der Beilagscheiben 13 zu vergrößern. Hierdurch wird das von dem piezoelektrischen Element 10 erzeugte Messsignal ent­ sprechend verstärkt. Ist beispielsweise die Flächenpressung des piezoelektrischen Elementes 10 auf der rechten Seite viermal so groß wie auf der linken Seite, so liefert der Kraftaufnehmer 9 auf der rechten Seite ein viermal so starkes Messsignal wie der auf der linken Seite.

Der Kraftaufnehmer 9 muss nicht unbedingt als piezoelektri­ scher Aufnehmer ausgebildet werden. So könnte er auch kapazi­ tiv, magnetostriktiv oder elektromechanisch ausgebildet wer­ den. Ein magnetostriktiver Aufnehmer ist besonders vorteil­ haft, da ferro- und ferrimagnetische Stoffe, insbesondere Ferrite, sehr stabil sind und extrem hohe Druckbelastungen aushalten können. Weiter lassen sich zugehörige Auswerte­ schaltungen in Form von Oszillatorschaltungen sehr einfach realisieren, da auch Rückkoppelspulen verwendet werden kön­ nen.

Bei Verwendung elektromagnetischer Aufnehmer kommen in der Auswerteschaltung eine Messung der Induktivität oder des mag­ netischen Widerstandes in Frage.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden Form­ änderungen des elastischen Systems Zylinderkopfschraube 6, Zylinderkopf 4 und Zylindergehäuse 2 mittels einer Laufzeit­ messeinrichtung 14 erfasst. Die Laufzeitmesseinrichtung 14 besteht aus zwei Kraftaufnehmern 9a und 9b, von denen der Kraftaufnehmer 9a identisch angeordnet und ausgebildet ist wie der auf der rechten Seite der Fig. 1 vorgesehene Kraft­ aufnehmer 9, während der andere Kraftaufnehmer 9b in einer Ausnehmung 15 des Zylindergehäuses 2 angeordnet ist. Genauer gesagt, ist der Kraftaufnehmer 9b zwischen der oberen Stirn­ seite der Ausnehmung 15 und der Oberseite einer Hülse 16 ein­ gespannt, die mit der Zylinderkopfschraube 6 verschraubt ist. Aufgrund dieser Anordnung und Ausbildung der Kraftaufnehmer 9a, 9b werden sie bei Formänderungen des elastischen Systems, insbesondere Längenänderungen der Zylinderkopfschraube 6, entsprechenden mechanischen Spannungen ausgesetzt. Die beiden Kraftaufnehmer 9a, 9b sind an einer gemeinsamen Auswerte­ schaltung (nicht gezeigt) angeschlossen, die Änderungen der Laufzeitdifferenz zwischen den von den Kraftaufnehmern 9a, 9b erzeugten Signalen erfasst. Hierbei dient beispielsweise der Kraftaufnehmer 9b als Laufzeitsender und der Kraftaufnehmer 9a als Laufzeitempfänger. Da sich die Laufzeiten derartiger Signale sehr präzise messen lassen, ergibt sich eine entspre­ chend hohe Messgenauigkeit.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Längenänderung der Zylinderkopfschraube 6 durch eine Wegmess­ einrichtung 17 erfasst. Die Wegmesseinrichtung 17 weist einen Messstift 18 auf, der mit seinem unteren Ende 18a im Zylin­ dergehäuse 2 fest verankert ist. Der übrige Messstift 18 er­ streckt sich mechanisch unbelastet durch den oberen Teil des Zylindergehäuses 2 und den Zylinderkopf 4 hindurch nach oben, so dass sein oberes Ende 18b an dem Kopf 8 der Zylinderkopf­ schraube 6 angrenzt. Am oberen Ende 18b des Messstiftes 18 ist ein (durch einen Pfeil angedeuteter) Wegaufnehmer 19 vor­ gesehen, der der Oberkante des Kopfes 8 der Zylinderkopf­ schraube 6 zugeordnet ist.

Da der Messstift 18 mechanisch unbelastet ist, folgt er Form­ änderungen des elastischen Systems nicht. Es kommt daher zu Relativbewegungen zwischen dem Wegaufnehmer 19 und der Ober­ kante des Kopfes 8, die zum Erzeugen eines entsprechender Messsignals ausgenutzt werden.

Der Wegaufnehmer 19 ist vorzugsweise ein kontaktlos messender Aufnehmer, der beispielsweise als Hallelement oder als kapa­ zitiver, induktiver, magnetischer oder optoelektronischer Aufnehmer ausgebildet werden kann.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden Wölbungsänderungen des Zylinderkopfes 4 zum Erzeugen des Messsignals ausgenutzt. Hierzu wird ein Wölbungsmesseinrich­ tung 20 in einem Bereich des Zylinderkopfes 4 angeordnet, wo eine möglichst große Verformung des Zylinderkopfes 4 durch den Verbrennungsdruck erfolgt. Die Wölbungsmesseinrichtung 20 besteht vorzugsweise aus einem mikromechanischen Aufnehmer 21, insbesondere auf Siliziumbasis in Form eines Chips, der auf der Oberseite des Zylinderkopfes 4, beispielsweise durch Kleben oder Bonden, so aufgebracht wird, dass er die durch den Verbrennungsdruck hervorgerufenen Änderungen der Wölbung erfasst. In einer herkömmlichen Auswerteschaltung wird dann ein entsprechendes Messsignal erzeugt, das in ein Verbren­ nungsdrucksignal umgeformt werden kann.

Wegen Alterungs- und Temperatureinflüssen, Öleigenschaften und dergleichen ändern sich die Signaldaten des vermessenen Systems laufend. Dies ist jedoch nicht unbedingt von Nach­ teil, da im allgemeinen der Absolutwert der Messsignale nicht benötigt wird. Wichtiger ist vielmehr der Relativwert zum um­ gebenden Luftdruck einerseits und der Relativwert der einzel­ nen Zylinder zueinander. Die Relativwerte lassen sich durch Vergleichsrechnungen aus den Messsignalen mit Hilfe entspre­ chender Software problemlos erhalten. So kann man beispiels­ weise aus einem Vergleich des durchschnittlichen Druckver­ laufs mit dem gemessenen Druckverlauf bei einer Diesel-Brenn­ kraftmaschine auch ohne große Genauigkeitsanforderungen leicht feststellen, ob und wann Fehlzündungen (misfiring) stattfinden oder stattgefunden haben.

Außerdem kann mit Hilfe der bekannten mechanischen Daten der Brennkraftmaschine aus dem Verbrennungsdrucksignal das momen­ tane Drehmoment der Brennkraftmaschine berechnet werden. Das Drehmomentsignal kann (über eine serielle Datenleitung) als Augenblickswert wie auch als durch zeitliche Integration be­ rechneter Mittelwert beispielsweise an die Getriebesteuerung weitergegeben werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen des Verbrennungsdruckes im Verbren­ nungsraum einer Brennkraftmaschine, mit einer zwischen dem Kopf (8) einer Zylinderkopfschraube (6) und der Oberseite des Zylinderkopfes (4) angeordneten Kraftmesseinrichtung (9), die in Abhängigkeit von durch den Verbrennungsdruck hervorgerufe­ nen Längenänderungen der Zylinderkopfschraube (6) ein Mess­ signal zur Abgabe an eine Auswerteschaltung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (9) ein piezoelektrisches Ele­ ment (10) und zwei an ihm anliegende Isolierkörper (12) auf­ weist, die sich jeweils in Richtung auf das piezoelektrische Element (10) zur Erhöhung dessen Flächenpressung verjüngen.

2. Vorrichtung zum Messen des Verbrennungsdruckes im Verbren­ nungsraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Messeinrichtung (14), die in Abhängigkeit von durch den Verbrennungsdruck hervorgerufenen Formänderungen mindestens einer Zylinderkopf­ schraube (6) ein Messsignal zur Abgabe an eine Auswerteschal­ tung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Laufzeitmesseinrichtung (14) ist, die in Abhängigkeit von einer Längenänderung der Zylin­ derkopfschraube (6) ein Laufzeitsignal erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitmesseinrichtung (14) zwei Kraftaufnehmer (9a, 9b) aufweist, die beide mit der auf die Zylinderkopf­ schraube (6) wirkenden Kraft beaufschlagt sind und von denen der erste Kraftaufnehmer (9a) an der Oberseite des Zylinder­ kopfes (4) und der zweite Kraftaufnehmer (9b) im Zylinderge­ häuse (2) angeordnet ist, und dass die Auswerteschaltung eine Laufzeitdifferenz zwischen den von den beiden Kraftaufnehmern (6a, 6b) erzeugten Messsignalen ermittelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftaufnehmer (9b) in einer Ausnehmung (15) des Zylinderkopfes (2) angeordnet ist und zwischen einer mit der Zylinderkopfschraube (6) verschraubten Hülse (16) und ei­ ner Stirnfläche der Ausnehmung (15) eingespannt ist.

5. Vorrichtung zum Messen des Verbrennungsdruckes im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Messein­ richtung (14), die in Abhängigkeit von durch den Verbren­ nungsdruck hervorgerufenen Formänderungen mindestens einer Zylinderkopfschraube (6) ein Messsignal zur Abgabe an eine Auswerteschaltung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Wegmesseinrichtung (14) ist, die in Abhängigkeit von einer Längenänderung der Zylinder­ kopfschraube (6) ein Wegsignal erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung (17) einen Messstift (18) auf­ weist, der an einem Ende im Zylindergehäuse (2) verankert ist, im übrigen mechanisch unbelastet ist und am anderen Ende einen Wegaufnehmer (19) aufweist, der durch den Verbrennungs­ druck verursachte Relativbewegungen zwischen dem Kopf (8) der Zylinderkopfschraube (6) und dem zugehörigen Ende des Mess­ stiftes (18) erfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegaufnehmer (19) kapazitiv, resistiv, magnetisch, optoelektrisch oder als Hallelement ausgebildet ist.