DE102005043963A1

DE102005043963A1 - Fensterelement für eine optische Einrichtung

Info

Publication number: DE102005043963A1
Application number: DE200510043963
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. Dr. Winklhofer
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2006-04-06
Also published as: JP4719544B2; JP2006098404A; AT501109B1; AT501109A1; AT501109B8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fensterelement (1) für eine optische Einrichtung (10) mit einem in eine Bohrung (2) einer Brennraumwandung (3) einsetzbaren Gehäuse (4), welches brennraumseitig eine Ein- bzw. Austrittsoptik (6) aufweist, wobei das Gehäuse (4) an der von der Ein- bzw. Austrittsoptik (6) abgewandten Seite einen selbstzentrierenden Justiersitz (7) aufweist, der mit einem entsprechend ausgebildeten Endbereich (11) der optischen Einrichtung (10) verbindbar ist. Erfindungsgemäß weist der selbstzentrierende Justiersitz (7) eine konische Sitzfläche (8) auf, wobei an die konische Sitzfläche (8) ein zylindrischer Führungsteil mit einem Montagegewinde (9) zum Aufschrauben der optischen Einrichtung (10), vorzugsweise einer Laserzündeinrichtung oder einem Lichtleiterflansch, anschließt.

Description

Die Erfindung betrifft Fensterelement für eine optische Einrichtung mit einem in eine Bohrung einer Brennraumwandung einsetzbaren Gehäuse, welches brennraumseitig eine Ein- bzw. Austrittsoptik aufweist, wobei das Gehäuse an der von der Ein- bzw. Austrittsoptik abgewandten Seite einen selbstzentrierenden Justiersitz aufweist, der mit einem entsprechend ausgebildeten Endbereich der optischen Einrichtung verbindbar ist.

Fensterelemente zur Herstellung eines optischen Zugangs in Brennräume von Brennkraftmaschinen sind beispielsweise aus der Motorenentwicklung bekannt, wo derartige Fensterelemente für optoelektronische Messeinrichtungen verwendet werden, um den zeitlichen und örtlichen Ablauf von Verbrennungsvorgängen zu studieren. So ist beispielsweise aus der EP 0 593 413 B1 ein optisches Fenster in Form einer Kugellinse bekannt, wobei die Linse und ein Lichtleiter mit einem Abstand zueinander in der Bohrung einer metallischen Halterung angeordnet sind. Die Größe der Apertur der Bohrung, der Durchmesser des Lichtleiters und der Abstand zwischen Lichtleiter und Kugellinse definieren die Abbildungseigenschaften dieses Systems. Das Eintrittsfenster (die Kugellinse) ist fix mit der optischen Einrichtung (Lichtleiter) verbunden, so dass das für eine Anordnung in einer Zylinderkopfdichtung optimierte System keinen variablen Einsatz erlaubt.

Eine weitere derartige optische Einrichtung ist aus der AT 002 910 U1 bekannt geworden, bei welcher die Eintrittsoptik durch eine plankonvexe Stablinse aus Quarz oder Saphir realisiert ist, deren konvexe Fläche zum Brennraum ausgerichtet ist und deren plane Fläche gleichzeitig die Brennebene der Linse darstellt. Die plane Fläche dient auch als Kontaktfläche zum Lichtleiter bzw. zu einem Lichtleiterbündel, so dass der Lichtleiter bei der Montage einfach bis an die Stablinse herangeschoben werden kann. Die Stablinse und der Lichtleiter befinden sich in einer gemeinsamen Sensorhülle und sind dort mit einem Kleber, vorzugsweise Epoxykleber oder Glaskeramik, unlösbar miteinander verbunden. Eine Verwendung als Fensterelement für andere optische Einrichtungen, beispielsweise für eine Laserzündeinrichtung, ist ohne aufwendige Adaptierungsschritte nicht möglich.

Aus dem Artikel "Laser-Spark Ignition for Natural Gas Fuel Reciprocating Engines" (Michael McMillian et al; Gas Machinery Conference 2003 DOE Research Review, Oct. 5-8, 2003) ist ein Fensterelement bekannt, welches bei einem Testaufbau zur Einbringung von Laserstrahlung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine dient. Das Fensterelement weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse auf, an dessen brennraumseitigen Ende eine Eintrittsoptik angeordnet ist. Das Fensterelement ist in einen Adapter einsetzbar, welcher seinerseits in die Zündkerzenbohrung einer stationären Gas-Brennkraftmaschine einschraubbar ist. Das Fensterelement dichtet mit einer Dichtschulter gegenüber dem Adapter ab und weist am vom Brennraum abgewandten Ende eine freie Eintrittsöffnung für den Laserstrahl auf. Die Eintrittsoptik ist 24 mm von der Brennrauminnenwand entfernt, sodass der Zündort bei einer Brennweite der Optik von 30 mm ca. 6 mm innerhalb des Brennraumes angeordnet ist. Nachteilig ist das große Schadvolumen im Bereich der Laserzündeinrichtung.

Aus der US 4,484,469 A ist weiters ein in eine Brennraumwandung einsetzbares Fensterelement bekannt, welches einen sich über die gesamte Länge erstreckenden Lichtleitstab aus Quarzglas aufweist. Auf dieses Fensterelement ist auf der vom Brennraum abgewandten Seite eine optische Einrichtung aufsetzbar, wobei deren Flansch im Zusammenhang mit einem Ansatz des Fensterelementes und den darauf angeordneten Dichtringen einen Justiersitz bildet. Die auf das Fensterelement aufsetzbare optische Einrichtung weist eine Linse auf, welche das über den Lichtleitstab des Fensterelementes eingeleitete Licht in einen Fotodetektor fokussiert.

Eine ähnliche Ausführungsvariante ist in der US 4,665,740 A geoffenbart, bei welcher das in eine Brennraumwandung einsetzbare Fensterelement ebenfalls eine durchgehende stabförmige Lichtleiteinrichtung aufweist. Am vom Brennraum abgewandten Ende des Fensterelementes kann auch hier eine optische Einrichtung auf einen mit Dichtringen versehenen Ansatz aufgesetzt werden. Der durchgehende Lichtleitstab, sowie die Festlegung der optischen Achse lediglich durch O-Ringe ist allerdings nicht geeignet, bildgebende Messsysteme bzw. Laserzündeinrichtungen mit einem derartigen Fensterelement zu betreiben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom dargelegten Stand der Technik ein Fensterelement für eine optische Einrichtung zum Einsatz in eine Brennraumwandung derart zu verbessern, dass dieses möglichst flexibel für unterschiedliche Anwendungen bei Brennkraftmaschinen einsetzbar ist, wobei das Fensterelement sowohl für optische Einrichtungen zur Verbrennungsdetektion als auch zum Einbringen von Laserstrahlung im Zusammenhang mit einer Laserzündeinrichtung einsetzbar.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der selbstzentrierende Justiersitz eine konische Sitzfläche aufweist, wobei an die konische Sitzfläche ein zylindrischer Führungsteil mit einem Montagegewinde zum Aufschrauben der optischen Einrichtung, vorzugsweise einer Laserzündeinrichtung oder einem Lichtleiterflansch anschließt. Das erfindungsgemäße Fensterelement stellt somit ein separates Bauelement dar, welches flexibel mit der jeweils eingesetzten optischen Einrichtung verbindbar ist. Die lösbare Verbindung zu der optischen Ein richtung (beispielsweise Laserzündeinrichtung oder bildgebendes Messsystem) kann auf einfache Weise montiert bzw. demontiert werden, wobei durch die konische Sitzfläche des Justiersitzes die optische Achse des Fensterelementes mit jener der angeschlossenen optischen Einrichtung reproduzierbar in Übereinstimmung gebracht werden kann. Mit Hilfe des selbstzentrierenden Justiersitzes wird das Fensterelement auf den entsprechend ausgebildeten Endbereich der optischen Einrichtung aufgeschraubt und dann in die Bohrung in der Brennraumwandung eingeführt. Fixiert wird das Fensterelement über das optische Element, beispielsweise mit Hilfe der am Zylinderkopf befestigten Laserzündeinrichtung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung geht das Gehäuse am brennraumseitigen Ende in eine Optikhülse mit verringertem Außendurchmesser über, wobei am Übergang zur Optikhülse eine Dichtschulter ausgebildet ist, welche an einem Absatz der Bohrung in der Brennraumwandung zur Anlage kommt. Der Absatz in der Bohrung und die Dichtschulter dienen als Montageanschlag des Fensterelementes, zur Zentrierung des Elementes und Abdichtung gegenüber dem Brennraumgas.

Erfindungsgemäß ist am brennraumseitigen Ende der Optikhülse eine mit dieser im Wesentlichen plan abschließende plankonvexe Linse vorgesehen, welche durch Löten, Kleben, Schrumpfen oder Verschrauben dichtend mit der Optikhülse verbunden ist. Die Ein- bzw. Austrittsoptik ist vorzugsweise aus Quarz oder Saphir ausgeführt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Fensterelements im Zusammenhang mit einer Laserzündeinrichtung, eingesetzt in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine;
2 das erfindungsgemäße Fensterelement nach 1 im Detail; sowie
3 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Fensterelementes.
In den 1 und 2 ist das erfindungsgemäße Fensterelement 1 für eine optische Einrichtung 10, beispielsweise eine Laserzündeinrichtung, dargestellt. Anstelle der Laserzündeinrichtung kann mit dem Fensterelement 1 auch ein Lichtleiterflansch verbunden werden, wobei lediglich eine entsprechende Ausbildung des Endbereiches der optischen Einrichtung 10 erforderlich ist und ansonsten keinerlei Einschränkungen hinsichtlich Bauart und Form der optischen Einrichtung erforderlich sind.
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, weist das Fensterelement 1 ein in eine Bohrung 2 einer Brennraumwandung 3 (im dargestellten Beispiel ein Zylinderkopf) einsetzbares Gehäuse 4 auf, welches als eine metallische Fassung ausgebildet ist und an der dem Brennraum 5 zugewandten Seite eine Ein- bzw. Austrittsoptik 6 fixiert hat. An der von der Ein- bzw. Austrittsoptik 6 abgewandten Seite weist das Gehäuse 4 einen selbstzentrierenden Justiersitz 7 auf, der mit einem entsprechend ausgebildeten Endbereich 11 der optischen Einrichtung 10 (zum Beispiel Laserzündeinrichtung) verbunden werden kann. Der Justiersitz 7 besteht aus einer auf einer ringförmigen Schulter des Gehäuses angeordneten konischen Sitzfläche 8, an welche an der vom Brennraum 5 abgewandten Seite ein Montagegewinde 9 zum Aufschrauben der optischen Einrichtung 10 anschließt. Alternativ könnte anstelle des Montagegewindes 9 auch ein Führungsteil vorgesehen sein, welcher als Passsitz für den Endbereich 11 der optischen Einrichtung 10 ausgeführt ist. Im dargestellten Beispiel besteht der Endbereich 11 der optischen Einrichtung aus einem Hüllrohr 12 der Laserzündeinrichtung, welches mit seiner konischen Endfläche mit der konischen Sitzfläche 8 einen selbstzentrierenden Justiersitz bildet. In 2 ist weiters der Lasertubus 13 und der endseitig angeordnete Auskoppelspiegel 14 der Laserzündeinrichtung erkennbar.
Das Gehäuse 4 des Fensterelements 1 geht am brennraumseitigen Ende in eine Optikhülse 15 mit verringertem Außendurchmesser (Durchmesser 6 bis 8 mm, Länge 10 bis 18 mm) über, so dass das Fensterelement 1 bei einer Anordnung im Zylinderkopf sehr nahe an der in den 1 und 2 angedeutete Einspritzeinrichtung 16 eingesetzt werden kann. Am Übergang zur Optikhülse 15 weist das Fensterelement 1 eine konische Dichtschulter 17 aus, welche beim Einbau des Fensterelementes 1 in die Bohrung 2 an einen entsprechenden Absatz der Bohrung 2 angepresst wird. Der Anpressdruck wird über die hier nicht dargestellte Befestigungseinrichtung für die optische Einrichtung 10 aufgebracht.
Am brennraumseitigen Ende der Optikhülse 15 ist die mit dieser im Wesentlichen plan abschließende Ein- bzw. Austrittsoptik 6 vorgesehen, welche durch Löten, Kleben oder Schrumpfen fix mit der Optikhülse 15 verbunden ist. Die Ein- bzw. Austrittsoptik 6 ist im dargestellten Beispiel als plankonvexe Eintrittslinse ausgeführt, die den Laserstrahl in den Zündort 22 im Brennraum 5 fokussiert. Die Brennweite kann durch Auswahl der Ein- bzw. Austrittsoptik zwischen 3 und 25 mm fixiert werden.
Die Optikhülse 15 weist zur Bohrung 2 in der Brennraumwandung 3 einen dünnen Ringspalt 18 von ca. 0,05 mm auf und schließt mit der Innenseite 19 der Brennraumwandung 3 plan ab. Da weiters in einer Ringnut 20 zwischen dem Justiersitz 7 und der Dichtschulter 17 ein Dichtring 21 vorgesehen ist, wird das Spaltvolumen reduziert, was sich günstig auf die HC Emissionen auswirkt.
Die in 3 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Fensterelementes 1 weist einen selbstzentrierenden Justiersitz 7 auf, bei welchem an die konische Sitzfläche 8 in Richtung Ein- bzw. Austrittsoptik 6 ein zylindrischer Führungsteil mit einem Innengewinde 9' als Montagegewinde zur passgenauen Aufnahme einer hier nicht weiter dargestellten optischen Einrichtung anschließt. Die Ein- bzw. Austrittsoptik 6 weist eine Fassung 23 auf, welche mit Hilfe eines Feingewindes 26 mit der Optikhülse 15 verschraubt ist und die Ein- bzw. Austrittsoptik 6 gegen den entsprechend angepassten Endbereich 27 der Optikhülse 15 anpresst. Im dargestellten Beispiel ist zwischen der Fassung 23 und einer Schulter 24 der Optikhülse 15 eine ringförmige Dichtung 25 aus einem hitzebeständigen Material angeordnet.
Die Befestigungsvariante gemäß 3 kommt bevorzugt dann zum Einsatz, wenn die Optik 6 Oberflächenbeschichtungen aufweist, die eine Befestigung durch Löten nicht zulassen würden.
Das Fensterelement 1, insbesondere dessen Optikhülse 15, kann lang und dünn ausgeführt werden, wodurch sich ein geringer Platzbedarf in Brennraumnähe bzw. im Bereich einer Einspritzeinrichtung ergibt.

Claims

Fensterelement (1) für eine optische Einrichtung (10) mit einem in eine Bohrung (2) einer Brennraumwandung (3) einsetzbaren Gehäuse (4), welches brennraumseitig eine Ein- bzw. Austrittsoptik (6) aufweist, wobei das Gehäuse (4) an der von der Ein- bzw. Austrittsoptik (6) abgewandten Seite einen selbstzentrierenden Justiersitz (7) aufweist, der mit einem entsprechend ausgebildeten Endbereich (11) der optischen Einrichtung (10) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstzentrierende Justiersitz (7) eine konische Sitzfläche (8) aufweist, wobei an die konische Sitzfläche (8) ein zylindrischer Führungsteil mit einem Montagegewinde (9, 9') zum Aufschrauben der optischen Einrichtung (10), vorzugsweise einer Laserzündeinrichtung oder einem Lichtleiterflansch, anschließt.
Fensterelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) am brennraumseitigen Ende in eine Optikhülse (15) mit verringertem Außendurchmesser übergeht, wobei am Übergang zur Optikhülse (15) eine konische Dichtschulter (17) ausgebildet ist, welche an einem entsprechenden Absatz der Bohrung (2) in der Brennraumwandung (3) zur Anlage kommt.
Fensterelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am brennraumseitigen Ende der Optikhülse (15) eine mit dieser im Wesentlichen plan abschließende plankonvexe Linse (6) vorgesehen ist, welche durch Löten, Kleben, Schrumpfen oder Verschrauben dichtend mit der Optikhülse (15) verbunden ist.
Fensterelement (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikhülse (15) zur Bohrung (2) in der Brennraumwandung (3) einen Ringspalt (18) aufweist und mit der Innenseite (19) der Brennraumwandung (3) plan abschließt.
Fensterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Justiersitz (7) und der Dichtschulter (17) eine Ringnut (20) zur Aufnahme eines Dichtringes (21) vorgesehen ist.
Fensterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- bzw. Austrittsoptik (6) eine Fassung (23) aufweist, welche mit Hilfe eines Feingewindes (26) mit der Optikhülse (15) verschraubt ist und die Ein- bzw. Austrittsoptik (6) gegen einen entsprechend angepassten Endbereich (27) der Optikhülse (15) anpresst.
Fensterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- bzw. Austrittsoptik (6) aus Quarz oder Saphir besteht.