DE10209752B4

DE10209752B4 - Optischer Sensor zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen

Info

Publication number: DE10209752B4
Application number: DE10209752A
Authority: DE
Inventors: Harald Arnulf Dipl.-Ing. Dr. Philipp; Ernst Dipl.-Ing. Dr. Winklhofer
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: US20020134138A1; DE10209752A1; AT5153U1; JP2002372454A; US7007547B2

Abstract

Optischer Sensor oder Emitter (1) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite ein optisches Element (2) sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel (3) aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Element (2) und der Innenseite der Metallhülse (4) ein mit einer Keramik/Metall-Mischung (5) gefüllter Ringspalt vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor oder Emitter zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite ein optisches Element sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse angeordnet sind. Auch nimmt die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors oder Emitters zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine Bezug, wobei in einer Metallhülse ein optisches Sensorelement angeordnet ist.

Die genannten Sensoren werden beispielsweise in der Motorenentwicklung eingesetzt, um den zeitlichen und örtlichen Ablauf von Verbrennungsvorgängen zu studieren. Beispielsweise ist aus der EP 0 593 413 B1 eine optoelektronische Messeinrichtung bekannt, bei der die Sensoren in der Zylinderkopfdichtung einer Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die einzelnen optischen Sensoren, welche zu Gruppen zusammengefasst sein können, weisen jeweils eine Kugellinse aus Quarz oder Saphir auf, welche in optischem Kontakt mit einem Lichtleiter stehen. Die Kugellinse und der Lichtleiter sind mit einem Abstand zueinander in der Bohrung einer metallischen Halterung angeordnet, wobei die Größe der Apertur der Bohrung, der Durchmesser des Lichtleiters und der Abstand zwischen Lichtleiter und Kugellinse die Abbildungseigenschaften des optischen Sensors definieren. Aufgrund der geringen Gesamtbauhöhe von ca. 2 mm, welche an die jeweilige Dicke der Zylinderkopfdichtung angepasst sein muss, ist die Herstellung derartiger Sensoren und die Einhaltung der für die Abbildungseigenschaften maßgeblichen Baugrößen schwierig, was die Herstellung derartiger Sensoren erschwert und verteuert.

Eine weitere derartige optische Einrichtung ist aus der AT 002 910 U1 bekannt geworden, bei welcher der optische Sensor anstelle einer Kugellinse eine plankonvexe Stablinse aus Quarz oder Saphir aufweist, 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 bei dieser Anordnung kein Abstand zwischen Linse und Lichtleiter eingehalten werden muss, sondern der Lichtleiter bei der Montage einfach bis an die Stablinse herangeschoben werden kann. Die Stablinse und der Lichtleiter bzw. das Lichtleiterbündel befinden sich in einer gemeinsamen Sensorhülle und sind dort mit einem Kleber, vorzugsweise Epoxykleber oder Glaskeramik, unlösbar miteinander verbunden.

Aus der EP 0 313 884 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen und Auswerten klopfender Verbrennung während des Betriebes einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein optischer Sensor mit einer brennraumseitig angeordneten plankonvexen Linse bzw. Sichtfenster verwendet wird und das Sichtfenster zur Wärmeisolation in ein Isoliermaterial eingebettet ist.

Aus der US 4,422,321 A ist ein optischer Sensor bekannt geworden, welcher sich zur Betrachtung von Verbrennungsprozessen eignet und brennraumseitig ein zylindrisches Linsenelement aus Quarzglas aufweist. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem Gehäuse mit einem Einschraubgewinde, wobei das Linsenelement seitlich durch Distanzringe in einer Bohrung des Gehäuses gehalten wird und brennraumseitig an einem Dichtring des Gehäuses anliegt. Auf der vom Brennraum abgewandten Seite wird ein Lichtleiterbündel bis an das Quarzelement herangeführt und durch einen Flansch des Gehäuses an das Quarzelement angepresst. Gemäß einer Ausführungsvariante ist es auch möglich den Ringspalt zwischen Quarzelement und Gehäuse mit Talkum- oder Graphitpulver zu füllen. Nachteilig bei dieser Ausführungsvariante ist der komplizierte Herstellungsprozess, welcher sich kaum für Sensorelement mit geringen Abmessungen adaptieren lässt, so dass eine Anordnung derartiger Sensoren in einer Zylinderkopfdichtung bzw. in entsprechend adaptieren Zündkerzen bzw. Einspritzdüsen nicht möglich ist.

Ein ähnlicher optischer Sensor, welcher in den Kolbenboden einer Brennkraftmaschine eingebaut ist und einen in einer Metallhülse gehaltenen Saphir- oder Quarzstab als brennraumseitiges Eintrittsfenster aufweist, ist aus der US 4,918,982 A bekannt geworden.

Aus der DE 44 02 310 A1 ist ein optischer Sensor zur Erfassung von Intensität und Spektrum von zyklischen Verbrennungsvorgängen, vorzugsweise in Brennräumen von Verbrennungsmotoren, bekannt geworden. Um einen möglichst großen Raumwinkel im Brennraum zu erfassen und eine Selbstreinigung mittels hoher Oberflächentemperatur zu erzielen, wird eine Aufnahmeoptik eingesetzt, die als ein in den Brennraum hineinreichender optischer Stab ausgebildet ist, der an der dem Brennraum zugekehrten Stirnseite mit einer konvexen Oberfläche ausgestattet ist, welche an einen freistehenden zylindrischen Verlauf des optischen Stabes anschließt. Die Aufnahmeoptik ist über einen Luftspalt an einen Lichtleitstab angekoppelt, welcher in einer Anschlussanordnung für einen Lichtleiter, beispielsweise ein Glasfaserkabel, endet. Die gesamte Anordnung ist mehrteilig und kompliziert aufgebaut und nur schwer realisierbar, wenn kleinste Außenabmessungen gefordert sind.

Auch bei einer in der DE 197 10 654 A1 beschriebenen optischen Sonde zum Erfassen der Strahlung von Verbrennungsvorgängen besteht das Hauptaugenmerk darin, die Aufnahmefläche der Optik einer Selbstreinigung während des motorischen Betriebes zu unterwerfen und weiters die Sonde hinsichtlich ihres Erfassungsbereiches weitwinkliger zu gestalten. Dies wird vor allem durch eine konvexe Ausbildung der dem Brennraum zugehrten Aufnahmefläche erreicht, an welche eine Einschnürung in Form einer kegelförmigen Verjüngung anschließt. Spezielle Maßnahmen für den möglichst kompakten Anschluss eines Lichtleiters oder Lichtleiterbündels sind nicht geoffenbart.

Schließlich ist aus der DE 38 51 231 T2 ein optischer Sensor mit einem optischen Übertragungselemente bekannt geworden, wobei das Übertragungselement mit einem Ende in den Brennraum eines Motors ragt und in einem Metallrohr mit Außengewinde gehalten ist. In der Wandung der Verbrennungskammer ist eine das Metallrohr des Sensors haltende Gewindebohrung ausgebildet. Die Verbindung zwischen dem Außenumfang des optischen Übertragungselementes mit dem Metallrohr erfolgt durch Schmelzglas. Das von der Verbrennungskammer abgewandte Ende des Metallrohres ist mit einer hülsenförmigen Kupplung verschraubt, welche ein Anschlusselement zur Verbindung einer optischen Faser mit dem optischen Übertragungselement enthält. Die Nachteile dieser Ausführung besteht darin, dass eine größere Anzahl von Bauteilen für die Einkopplung der optischen Signale aus dem Brennraum in die optische Faser eingesetzt werden muss, so dass kleine Außenabmessungen der Sonde nur schwer zu realisieren sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen optischen Sensor zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum oder einen optischen Emitter zur Einbringung von Messstrahlung in einen Brennraum vorzuschlagen, welcher auch bei kleinsten Abmessungen, beispielsweise mit einem Außendurchmesser bis zu 2,5 mm auf möglichst einfache Weise herstellbar ist und den großen Druck- und Temperaturschwankungen in Brennräumen stand hält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem optischen Element und der Innenseite der Metallhülse ein mit einer Keramik/Metall-Mischung gefüllter Ringspalt vorgesehen ist. Eine derartige Fixierung des optischen Elementes, beispielsweise einer Sammel- oder Streulinse, weist Vorteile gegenüber einer Befestigung mit Hilfe von Epoxykleber oder Glaskeramik auf, da die Verbindung elastischer und temperaturbeständig ist.

Erfindungsgemäß wird ein derartiger Sensor oder Emitter folgendermaßen hergestellt:

a) Herstellen einer Metallhülse mit einem Innendurchmesser, welcher geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des optischen Elementes, wobei der Außendurchmesser der Metallhülse ein Übermaß aufweist,
b) Einfügen des optischen Elementes in die Metallhülse, wobei dieses zur Metallhülse einen Ringspalt bildet und vorzugsweise mit der Frontseite aus der Metallhülse ragt;
c) Einbringen eines Lotmaterials aus einer Keramik/Metall-Mischung in den Ringspalt zwischen dem optischen Element und der Metallhülse;
d) Abdrehen der Metallhülse auf das Endmaß, wobei das überstehende Lotmaterial entfernt wird; und
e) Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels in der Metallhülse.

Bei optischen Elementen die in einem definierten Ausmaß über die Metallhülse hinausragen, z.B. bei konvexen Sammellinse, ist eine heiße, sich selbst reinigende Oberfläche gegeben.

Besondere Vorteile bei der Beobachtung von Verbrennungsvorgängen bei einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine ergeben sich, wenn das optische Element als plankonvexe oder plankonkave Stablinse ausgebildet ist und aus Saphir besteht. Durch den Wegfall von brennraumseitigen Klebeverbindungen kann die Standzeit derartiger Sensor erheblich verbessert werden.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann das optische Element an der dem Brennraum zugewandten Frontseite Um- oder Ablenkflächen aufweisen, welche den optischen Strahlengang in vorgegebene Raumrichtungen ablenken. Derartige Varianten eignen sich z. B. für den Einbau in Zündkerzen, Glühkerzen oder Einspritzdüsen.

Erfindungsgemäß kann die Metallhülse im Bereich des optischen Elementes zumindest eine seitliche Bohrung bzw. zumindest einen seitlichen Schlitz aufweisen, welche bzw. welcher zum Einbringen des Lotmaterials dient. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind optische Sensoren sowie Emitter herstellbar, welche einen Außendurchmesser der Metallhülse < 5 mm, vorzugsweise < 2 mm aufweisen, und deren Innendurchmesser < 4 mm, vorzugsweise < 1,6 mm ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen optischen Sensors oder Emitters im Längsschnitt, die
2 bis 4 unterschiedliche Stadien im Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen Sensors oder Emitters ebenfalls im Längsschnitt,
5 den in eine Zylinderkopfdichtung eingebauten optischen Sensor oder Emitter, sowie die
6 und 7 zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungsvarianten eines optischen Sensors oder Emitters.
Der in 1 beispielhaft dargestellte optische Sensor 1 dient zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum und weist auf der dem Brennraum zugewandten Seite eine Sammellinse als optisches Element 2, sowie auf der gegenüberliegenden Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel 3 auf. In gleicher Weise kann die Vorrichtung auch als Emitter zum Einbringen einer Mess- oder Anregungsstrahlung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Die Sammellinse und das Lichtleiterbündel 3 (beispielsweise ein in einer Normalebene zur Zeichenebene angeordnetes zeilenartiges Lichtleiterbündel) sind gemeinsam in einer Metallhülse 4 angeordnet. Zwischen der dem optischen Element 2 und der Innenseite der Metallhülse 4 ist ein mit Lotmaterial 5 gefüllter Ringspalt vorgesehen. Das optische Element 2 aus Saphir ist als plankonvexe Stablinse ausgebildet und mit Hilfe einer Keramik/Metall-Mischung in die Stahlhülse 4 (beispielsweise FeNi42) eingelötet.
In den folgenden 2 bis 4 wird die Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Sensors schrittweise dargestellt, wobei sich die Zahlenangaben lediglich auf eine bevorzugte Ausführungsvariante (Anordnung in einer Zylinderkopfdichtung) beziehen und nicht einschränkend aufgefasst werden sollen.
Eine plankonvexe Stablinse gemäß 2, mit einem Durchmesser d von 1,5 mm, einer Länge 1 von ca. 6 mm und einem Krümmungsradius r der konvexen Begrenzungsfläche von ca. 2,5 mm, wird in eine vorbereitete, ca. 10 mm lange Metallhülse gemäß 3 eingefügt, wobei die Metallhülse einen Innendurchmesser aufweist, welcher geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Stablinse. Im dargestellten Beispiel beträgt der Innendurchmesser z.B. 1,56 ± 0,03 mm. Der Außendurchmesser der Metallhülse 4 weist im Vergleich mit dem fertigen Sensor ein Übermaß auf. Nun wird als weiterer Schritt das Lotmaterial 5 in den Ringspalt zwischen Stablinse und Metallhülse 4 eingebracht, wobei zwei Ausführungsvarianten vorstellbar sind. Beispielsweise kann das Lotmaterial 5 – wie in 3 dargestellt – in eine Kehlnaht eingebracht werden, welche durch die Stirnfläche 6 der Metallhülse 4 und die über die Metallhülse 4 ragende Mantelfläche 7 der Sammellinse gebildet wird. Durch die Kapillarwirkung gelangt das Lotmaterial in den Ringspalt zwischen Metallhülse und Sammellinse, wobei darauf geachtet werden muss, eine Benetzung der als konvexe Fläche ausgebildeten Frontseite 12 des optischen Elementes durch das Lotmaterial zu vermeiden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante kann das Lotmaterial 5 über eine oder mehrere seitliche Bohrungen 8 (siehe 1) in den Ringspalt zwischen dem optischen Element 2 und Metallhülse 4 eingebracht werden. Anstelle der seitlichen Bohrung 8 kann auch ein Schlitz in der Metallhülse 4 ausgefräst sein.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird nun die Metallhülse 4 auf das Endmaß (beispielsweise 1,8 mm) abgefräst, wobei das überstehende Lotmaterial 5 entfernt wird (siehe 4). Anschließend erfolgt die Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels 3 in der Metallhülse 4, wobei das Lichtleiterbündel bis an die plane Rückseite 9 des optischen Elementes 2 herangeschoben und befestigt wird. Beispielsweise können die Enden des zeilenartigen Lichtleiterbündels 3 eine metallische Halterung 13 aufweisen, welche mechanisch – z.B. durch Klemmen – in der Metallhülse 4 fixiert ist (siehe 5). In der vom Brennraum abgewandten, kälteren Öffnung der Metallhülse 4 kann die Halterung 13 auch eingeklebt sein.
In 5 ist der optische Sensor oder Emitter 1 in seiner Messposition in einer Zylinderkopfdichtung 10 dargestellt. Die Befestigung des Sensors in der Bohrung 11 kann beispielsweise durch Weichlöten erfolgen, so dass die gesamte optische Anordnung zumindest brennraumseitig kleberfrei gestaltet werden kann.
Gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsvariante kann das optische Element 2 an der Frontseite 12 Um- bzw. Ablenkflächen 14 aufweisen, welche die Mess- bzw. Anregungsstrahlung in die gewünschte Raumrichtung ablenken, bzw. einen vorgegebenen Raumbereich abbilden. Derartige optische Elemente können auch in entsprechend adaptierte Zündkerzen Glühkerzen oder Einspritzdüsen eingelötet bzw. in Messbohrungen der Brennraumbegrenzung eingesetzt werden.
Weiters ist es möglich, das Einbringen des Lotmaterials 5 in den Ringspalt zwischen dem optischen Element 2 und der Metallhülse 4 dadurch zu erleichtern, dass die Metallhülse vor dem Einbringen des optischen Elementes mit einem Bördelrand versehen wird, welcher nach dem Einbringen des Lotmaterials abgedreht wird.
Gemäß der in 7 dargestellten Ausführungsvariante kann das optische Element 2 eine plane Frontfläche 12 aufweisen und so als optisches Fenster dienen oder – wie strichliert dargestellt – als plankonkave Stablinse ausgebildet sein.

Claims

Optischer Sensor oder Emitter (1) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite ein optisches Element (2) sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel (3) aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Element (2) und der Innenseite der Metallhülse (4) ein mit einer Keramik/Metall-Mischung (5) gefüllter Ringspalt vorgesehen ist.
Optischer Sensor oder Emitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) als plankonvexe oder plankonkave Stablinse ausgebildet ist und aus Saphir besteht.
Optischer Sensor oder Emitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) an der dem Brennraum zugewandten Frontseite (12) Um- oder Ablenkflächen (14) aufweist, welche den optischen Strahlengang in vorgegebene Raumrichtungen ablenken.
Optischer Sensor oder Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (4) im Bereich des optischen Elementes (2) zumindest eine seitliche Bohrung (8) bzw. zumindest einen seitlichen Schlitz aufweist, welche bzw. welcher zum Einbringen des Lotmaterials (5) dient.
Optischer Sensor oder Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Metallhülse < 5 mm, vorzugsweise < 2 mm und deren Innendurchmesser < 4 mm, vorzugsweise < 1,6 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors oder Emitters zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, wobei in einer Metallhülse ein optisches Sensorelement angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellen einer Metallhülse mit einem Innendurchmesser, welcher geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des optischen Elementes, wobei der Außendurchmesser der Metallhülse ein Übermaß aufweist, b) Einfügen des optischen Elementes in die Metallhülse, wobei dieses zur Metallhülse einen Ringspalt bildet und vorzugsweise mit der Frontseite aus der Metallhülse ragt; c) Einbringen eines Lotmaterials aus Keramik/Metall-Mischung in den Ringspalt zwischen dem optischen Element und der Metallhülse; d) Abdrehen der Metallhülse auf das Endmaß, wobei das überstehende Lotmaterial entfernt wird; und e) Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels in der Metallhülse.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial über eine seitliche Bohrung oder einen seitlichen Schlitz der Metallhülse in den Ringspalt zwischen dem optischen Element und der Metallhülse eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial in eine Kehlnaht eingebracht wird, welche durch die Stirnfläche der Metallhülse und die über die Metallhülse ragende Mantelfläche des optischen Elementes gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter bzw. das Lichtleiterbündel mit einer metallischen Halterung versehen, bis an eine plane Rückseite des optischen Elementes herangeschoben und in der Metallhülse fixiert wird.