DE10261823A1

DE10261823A1 - Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10261823A1
Application number: DE2002161823
Authority: DE
Inventors: Volker Cornelius
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem Lichtwellenleiter, der auf der Dichtung um die Konturen der Brennraumöffnungen herum geführt ist und dessen Eigenschaften sich abhängig vom einwirkenden Druck ändern, wobei dem Lichtwellenleiter an einem Ende eine Lichtquelle und am anderen Ende eine Auswerteeinheit zugeordnet ist und wobei durch Vergleich der Parameter an den beiden Enden des Lichtwellenleiters die zylinderselektiven Drücke ermittelbar sind. Es wird die Aufgabe gelöst, eine solche Zylinderkopfdichtung zu schaffen, die eine sehr genaue Bestimmung der zylinderselektiven Drücke in den Brennräumen ermöglicht. Dies wird erreicht, indem für die Druckmessung Laserlicht verwendet und das Messsignal mittels Phasenshift gewonnen wird, wobei der Lichtwellenleiter (6) mit einem Laser-Interferometer (7) in Wirkverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem Lichtwellenleiter, der auf der Dichtung um die Konturen der Brennraumöffnungen herum geführt ist und dessen Eigenschaften sich abhängig vom einwirkenden Druck ändern, wobei dem Lichtwellenleiter an einem Ende eine Lichtquelle und am anderen Ende eine Auswerteeinheit zugeordnet ist und wobei durch Vergleich der Parameter an den beiden Enden des Lichtwellenleiters die zylinderselektiven Drücke ermittelbar sind.
Die funktionell unterschiedlichen Kanäle für Öl, Wasser und Gas im Zylinderkopf und im Zylinderblock einer wassergekühlten Brennkraftmaschine werden im Übergangsbereich dieser beiden Baugruppen mit einer Zylinderkopfdichtung abgedichtet. Die beim Verspannen der Zylinderkopfdichtung erzielte Flächenpressung muss in jedem Betriebszustand eine wirksame Abdichtung der Kanäle sowohl untereinander als auch nach außen hin gewährleisten. Vorzugsweise sind Zylinderkopfdichtungen als Metalllagen-Dichtung ausgestaltet. Die Anforderungen an das Motormanagement werden immer höher, weshalb eine messtechnische Datenaufnahme der Brennraumdrücke zweckmäßig ist. Hierfür werden in Zylinderkopfdichtungen zunehmend Sensoren integriert.

In DE 101 02.288 A1 wird eine metallische Flachdichtung mit mindestens einer Durchgangsöffnung zur Abdichtung von zwei Bauteilen gegeneinander beschrieben, die insbesondere als Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen verwendet werden kann. Der Flachdichtung ist eine sog. Verpressungsschutzlage zugeordnet, die mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Sensors aufweist. Die Verpressungsschutzlage dient dabei als Schutz für das Sensorelement vor mechanisch bedingten Beschädigungen infolge zu großer Flächenpressungen und besteht aus einem unverpressbaren Material, z.B. aus Stahl hoher Härte. Allerdings ergibt sich somit eine größere Bauhöhe der Zylinderkopfdichtung, in deren Folge auch die Abdichtwirkung beeinträchtigt werden kann. Diese Druckschrift benennt als mögliche Anwendungsgebiete eine Messung der Parameter Temperatur, Kraft, Weg, Dehnung, Beschleunigung oder Druck, sie vermittelt jedoch keine Angaben zum Aufbau bzw. zur Funktionsweise der jeweils konkret zu verwendenden Sensoren.

DE 42 30 374 A 1 beschreibt eine Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen, bei der auf der Dichtung um jede Brennraumöffnung herum Lichtwellenleiter geführt werden. Die beiden Enden der Lichtwellenleiter ragen über die Dichtung hinaus. Jeweils ein Ende des Lichtwellenleiters ist mit einem Polarisator verbunden, durch den von einer Lichtquelle ausgehendes Licht polarisiert wird. Dieses Licht wird durch den Lichtwellenleiter geführt. Am jeweils anderen Ende des Lichtwellenleiters wird der Polarisationszustand des austretenden Lichtes mit Hilfe eines Analysators bestimmt. Ausgangspunkt dieser technischen Lösung ist die Überlegung, dass sowohl Zündaussetzer als auch eine klopfende Verbrennung anomale Änderungen der Druckverteilung im Dichtspalt zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock bewirken, die sich durch geeignete, auf der Zylinderkopfdichtung angeordnete Messvorrichtungen erfassen lassen. Sofern infolge von Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsverlauf der Brennkraftmaschine Druckänderungen am Lichtwellenleiter auftreten, ändert sich der Polarisationszustand des Lichtes. Diese Änderung wird durch den Analysator erfaßt und zu Auswerte- bzw. Regeleinrichtungen weitergeleitet.

Durch Anwendung der Lichtwellenleiter gemäß o.g. DE 42 30 374 A1 wird der Platzbedarf der Messvorrichtungen auf der Zylinderkopfdichtung vorteilhaft vermindert. Nachteilig ist allerdings, dass das Messsignal zunächst mittels polarisiertem Licht erzeugt und nachfolgend ein veränderter Polarisationszustand als äquivalent zum zylinderselektiven Druck angenommen wird. Das ermittelte Signal ist jedoch ein Grauwert, dessen Auswertung immer ungenau ist. Folglich genügt die erreichbare Genauigkeit nicht den Anforderungen, die an moderne Brennkraftmaschinen gestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Lichtwellenleiter zu schaffen, die eine sehr genaue Bestimmung der zylinderselektiven Drücke in den Brennräumen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem für die Druckmessung Laserlicht verwendet und das Messsignal mittels Phasenshift gewonnen wird, wobei der Lichtwellenleiter mit einem Laser-Interterometer in Wirkverbindung steht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen beschrieben.

Durch das erfindungsgemäße Messsystem mit Laserlicht wird eine Auflösung erreicht, die etwa 100-mal höher ist als beim bisherigen Stand der Technik. Diese hohe Auflösung bewirkt eine wesentlich höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der zylinderselektiven Drücke in den einzelnen Brennräumen und vereinfacht gleichzeitig diese Messung. Somit kann letztlich das Betriebsverhalten der gesamten Brennkraftmaschine verbessert werden. Weitere Vorteile sind der Verzicht auf bewegliche Bauteile, der geringe Platzbedarf und die sehr schnelle Auswertung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1: den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
2: ein Detail aus 1 in vergrößerter Abbildung mit Darstellung der Wirkverbindung von Lichtwellenleiter und Laser-Interferometer
In 1 ist eine Zylinderkopfdichtung dargestellt, hier beispielsweise für eine Brennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern. Die einzelnen Brennräume sind mit den Bezugszeichen 1 bis 4 bezeichnet, während die Zylinderkopfdichtung mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist. Die konkrete Ausgestaltung der funktionell unterschiedlichen Kanäle für Öl, Wasser und Gas ist im vorliegenden Sachverhalt unerheblich. Wesentlich ist jedoch, dass die Zylinderkopfdichtung 5 zumindest einen Lichtwellenleiter 6 aufweist. Der Lichtwellenleiter 6 ist um die Konturen der Öffnungen der Brennräume 1 bis 4 herum geführt und in der Zeichnung als unterbrochene Strichlinie dargestellt. Die Eigenschaften des Lichtwellenleiters 6, der vorzugsweise aus Glasfasern besteht, ändern sich in Abhängigkeit vom jeweils einwirkenden Druck. Dem Lichtwellenleiter 6 ist an einem Ende eine Lichtquelle und am anderen Ende eine Auswerteeinheit zugeordnet, die nachfolgend näher beschrieben werden.
Für die Druckmessung wird Laserlicht verwendet, wobei das Messsignal mittels Phasenshift gewonnen wird. Hierfür ist der Lichtwellenleiter 6 mit einer Baugruppe 7 verbunden, die funktionell als Laser-Interferometer wirksam ist. Diese Baugruppe 7 ist in 1 lediglich als „black-box" dargestellt, während aus 2 die konkreten Bauteile ersichtlich sind. Demzufolge besteht die Baugruppe 7 aus einer Laserdiode 8, aus zwei halbdurchlässigen Spiegeln 9 und 10 und aus einer Photodiode 11.
Die Laserdiode 8 erzeugt monochromatisches Licht. Dieses wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 9 in einen Messstrahl 12 und in einen Vergleichsstrahl 13 aufgespalten. Der Messstrahl 12 wird dem einen Ende des Lichtwellenleiters 6 zugeführt und nach Passieren desselben am anderen Ende des Lichtwellenleiters 6 durch den halbdurchlässigen Spiegel 10 geführt. Der halbdurchlässige Spiegel 10 wird gleichzeitig mit dem Vergleichsstrahl 13 derart beaufschlagt, dass durch Überlagerung von Messstrahl 12 und Vergleichsstrahl 13 Interferenzstreifen 14 gebildet werden. Das aus den Interferenzstreifen 14 entstehende Streifenmuster wird mit der Photodiode 11 ausgewertet und zu einem Signal verarbeitet. Dieses Signal ist in 2 stilisiert dargestellt und mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet.
Im Motorbetrieb verändert sich durch den jeweils konkreten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine der auf den Lichtwellenleiter 6 wirkende Druck. Die Druckänderung bewirkt eine Änderung der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Lichtwellenleiter 6. So wird beispielsweise bei der Verbrennung im Zylinder 3 die Zone B/B entlastet und es entsteht ein Phasenshift. Bei Interferenz mit ungestörtem Laser entsteht ein Streifenbild, das mit der Photodiode 11 ausgewertet wird. Sofern dieses, von der Photodiode 11 erzeugte Signal 15 mit dem Kurbelwellenwinkel getriggert wird, ergibt sich ein Messwert, der äquivalent zum jeweiligen Druck im Brennraum ist. Folglich können die zylinderselektiven Drücke der Brennkraftmaschine ermittelt werden.

1: Brennraum
2: Brennraum
3: Brennraum
4: Brennraum
5: Zylinderkopfdichtung
6: Lichtwellenleiter
7: Laser-Interterometer
8: Laserdiode
9: halbdurchlässiger Spiegel
10: halbdurchlässiger Spiegel
11: Photodiode
12: Messstrahl
13: Vergleichsstrahl
14: Interferenzstreifen
15: Signal

Claims

Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem Lichtwellenleiter, der auf der Dichtung um die Konturen der Brennraumöffnungen herum geführt ist und dessen Eigenschaften sich abhängig vom einwirkenden Druck ändern, wobei dem Lichtwellenleiter an einem Ende eine Lichtquelle und am anderen Ende eine Auswerteeinheit zugeordnet ist und wobei durch Vergleich der Parameter an den beiden Enden des Lichtwellenleiters die zylinderselektiven Drücke ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass für die Druckmessung Laserlicht verwendet und das Messsignal mittels Phasenshift gewonnen wird, wobei der Lichtwellenleiter (6) mit einem Laser-Interferometer (7) in Wirkverbindung steht.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das, von einer Laserdiode (8) erzeugte monochromatische Licht durch einen halbdurchlässigen Spiegel (9) in einen Messstrahl (12) und einen Vergleichsstrahl (13) aufgespalten wird, wobei der Messstrahl (12) dem einen Ende des Lichtwellenleiters (6) zugeführt wird und nach Passieren des Lichtwellenleiters (6) an dem anderen Ende des Lichtwellenleiters (6) durch einen halbdurchlässiger Spiegel (10) geführt wird, der gleichzeitig mit dem Vergleichsstrahl (13) derart beaufschlagt wird, dass durch Überlagerung von Messstrahl (12) und Vergleichsstrahl (13) Interferenzstreifen (14) gebildet werden, die mittels einer nachgeordneten Photodiode (11) ausgewertet werden.
Zylinderkopfdichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das, mittels der Photodiode (11) erzeugte Signal (15) mit dem Kurbelwellenwinkel getriggert wird.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (6) aus Glasfasern bestehen.