DE19710654C2

DE19710654C2 - Optische Sonde zum Erfassen der Strahlung von Verbrennungsvorgängen, vorzugsweise in Brennräumen von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19710654C2
Application number: DE19710654A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Winzer; Matthias Diezemann
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2017-03-15
Also published as: DE19710654A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sonde zum Erfassen der Strahlung von Verbren nungsvorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbe griff des Hauptanspruches.

Vorbekannt durch die Schrift DE 44 02 310 A1 ist eine gattungsgemäße optische Sonde zum Erfassen von Verbrennungsvorgängen in Brennräumen von Verbren nungsmotoren. Die Aufnahmeoptik bildet vorzugsweise ein optisch hochreiner Sa phir, der als Stab in den Brennraum hineinreicht und an der dem Brennraum zuge kehrten Stirnseite mit einer stetigen, konvexen Oberfläche bestimmter Geometrie mit in den Ebenen gleicher oder ungleicher Krümmung ausgestattet ist. Der optische Stab weist eine freie, ungefasste radiale Oberfläche am zylindrischen Verlauf auf, mittels der eine Selbstreinigungstemperatur an der optisch wirksamen Fläche erzielt wird.

Weiterhin weist die Sonde optische Mittel zur Übertragung der erfassten Strahlungs emission zu einem Strahlungsempfänger auf, dem eine Einrichtung zur Auswertung von Intensität und Spektrum der Strahlung von zyklischen Verbrennungsvorgängen angeschlossen ist.

Vorbekannt sind durch die Schrift DE 30 11 569 C2 optische Sonden mit einem ge genüber einer Aufnahmeoptik mit an der dem Brennraum zugekehrten Stirnseite ste tig, konvexen Oberfläche erweiterten Aufnahmewinkel. Die konvexe Oberfläche ist mit rillenförmigen oder prismatischen Erhebungen überdeckt, ähnlich einem Fahr zeugrückstrahler. Die Herstellung solcher Frontflächen ist aufwendig. An den Ein schnitten am Grund der rillenförmigen oder prismatischen Erhebungen neigt diese Ausführung zu stärkerer Verschmutzung als eine stetige Oberfläche, da der Selbst reinigungseffekt behindert und ungleichmäßiger auf der optisch wirksamen Fläche abläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufnahmeoptik der eingangs be schriebenen Art für Sonden hinsichtlich ihres Erfassungsbereiches weitwinkliger zu gestalten und dabei auch den Erfassungswirkungsgrad an der Randzone des Erfas sungsbereiches zu verbessern. Weiterhin soll die Aufnahmefläche einer Selbstreini gung während des motorischen Betriebes optimal genügen. Weiterhin ist die Auf nahmeoptik auf optimale Weiterleitung und Auskopplung der erfassten Strahlung ausgelegt.

Erfindungsgemäß wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspru ches beschriebene Gestaltung der Frontpartie der Sonde und die verbesserten Maßnahmen der Lichtweiterleitung im optischen Stab erreicht. Durch Aussparung von nicht für den Strahlengang der in der zentralen Frontpartie eintretenden Strah lung notwendigen Partien des optischen Stabes wird eine zusätzliche ringförmige, frontseitig offene Aufnahmefläche geschaffen und ein besseres Abbrennen von Verbrennungsrückständen erzielt. Damit wird einerseits ein größerer Erfassungswir kungsgrad als bei den Ausführungen des Standes der Technik erreicht und anderer seits eine gleichmäßigere Bewertung des gesamten Erfassungsbereiches erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.

Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Sonde im Zylinderkopfbereich eines Dieselmotors in schema tisierter Schnittdarstellung,

Fig. 2 einen Längsschnitt und eine Teilansicht einer er findungsgemäßen Sonde,

Fig. 3 die aufnahmeseitige Geometrie einer erfindungs gemäßen, nicht abbildenden Aufnahmeoptik mit den Strahlengängen,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Sonde mit Aufnahmewinkel für die Strahlung aus dem Brennraum,

Fig. 5 die Bedingungen der Totalreflexion in einer zylindri schen und konischen Ausführung des optischen Stabes

Fig. 6 optimierte Form des optischen Stabes für Totalre flexion und Auskopplung.

In Fig. 1 sind Zylinderblock 1, Kolben 2 und der Zylinderkopf 3 mit der Einspritzdüse 4 und der erfindungsgemäßen Sonde 5 dargestellt. Die Sonde 5 ist dabei mit ihrem Erfassungsbereich auf eine Partie des Brennraumes 7 ausgerichtet, die für den Verbrennungsablauf und die auszuwertenden Flamm- und Partikelerscheinungen signifikant ist. Der Zündbereich sollte dabei unbedingt erfasst werden.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Sonde 5 in einem Längsschnitt erkennbar. In einem in den Zylinderkopf 3 einschraubbaren Trägergehäuse 8 ist ein Saphir- oder Quarzglasstab bzw. ein anderes geeignetes optisches Material - im weiteren jeweils optischer Stab 10 benannt - als Aufnahmeoptik abgedichtet und axial gegengelagert eingefügt. Die hintere Partie des optischen Stabes 10 weist eine übliche Anschluss anordnung 6 für ein Glasfaserkabel auf.

Bei gewähltem Durchmesser D_OF des optischen Stabes 10 an der Seite des Auf nahmefensters, ergibt sich der Frontradius r_F der Aufnahmefläche 101 nach folgen der Gleichung

unter Berücksichtigung der Bedingungen, dass alle senkrecht zur optischen Ebene der Aufnahmefläche 101 und die bis zum Winkel der Totalreflexion einfallende Strahlen im optischen Stab 10 weitergeleitet werden können.

Für die vorzugsweise in Betracht kommenden Materialien des optischen Stabes 10 gelten folgende Brechzahlen bei Strahlungsübergang aus Luft:
Brechungszahl - Luft nl = 1,0
Brechungszahl - Saphir ns = 1,76
Brechungszahl - Quarzglas nQ = 1,46

Aus den Brechungszahlen ergibt sich ein entsprechender Grenzwinkel E_g für Saphir und Quarzglas zu:
Saphir: 1/1,76; Eg = 34,62°
Quarzglas: 1/1,46; Eg = 43,23°

Andere optische Materialien sind einsetzbar, sofern sie den Wärme- und Druckbe lastungen standhalten.

Im optischen Stab 10 ergibt sich dabei ein solcher Strahlengang, dass ein Be reich 100 des optischen Stabes 10 vom Strahlengang nicht durchdrungen wird, sie he Fig. 3.

Aus den an den Strahlen S102 und S103 angetragenen Winkeln ist erkennbar, in welcher Weise sich aus den vorgesehenen Aufnahmebereichen von senkrecht zur optischen Ebene und im Winkel der Totalreflexion zur Aufnahmefläche 101 einfal lende Strahlung die Neigungen der Flächen 102 und 103 zur Sondenachse A bestimmen lassen.

Es sei darauf verwiesen, dass sich bei unterschiedlicher Auslegung der jeweiligen Aufnahmebereiche für senkrecht zur optischen Ebene und im Winkel der Totalrefle xion zur Aufnahmefläche 101 einfallende Strahlung jeweils der Frontradius r_F und der vom Strahlengang nicht durchdrungene Bereich 100 ändert.

Entfernt man die nicht vom Strahlengang durchdrungenen Bereiche 100, gewinnt man eine zum Brennraum hin unverdeckte Fläche, die zusätzlich eine ringförmige Aufnahmefläche 102 mit den Aufnahmebereichen α_F zur vorderen Aufnahmefläche 101 bildet. Diese zusätzliche Aufnahmefläche 102 verbessert den Erfassungswir kungsgrad der Sonde 5 beidseitig um die Bereiche α_Z, siehe Fig. 4.

Der größte Öffnungswinkel α_SB an der Aufnahmefläche 101 ergibt sich für die nach dem Brechungssatz aufgenommene Strahlung, die durch Totalreflexion an der Man telfläche der zylindrischen Partie 106 weitergeleitet werden kann. Jeweils die äuße ren Strahlen S102 und S103 bestimmen die Geometrie der ringförmigen Auf nahmefläche 102 und der angrenzenden Fläche 103.

Bei Totalreflexion an der zylindrischen Mantelfläche der Partie 106 gelten folgende Gesetzmäßigkeiten:
Einfallwinkel γ7 gleich Ausfallwinkel γ7 gleich Schnittwinkel γ7 an der Mittelach se A des optischen Stabes 10

Der Schnittwinkel an der Mittelachse A in der Austrittsebene muss mindestens fol gende Bedingung erfüllen γ_x = γ₇ < ε_G, damit das Licht ausgekoppelt werden kann.

Vorteilhaft lässt sich der Aufnahmewinkel beider Aufnahmeflächen 101; 102, ohne ihre Geometrie oder ihre Abmessungen zu verändern, durch eine andere als eine zylindrische Kontur der Folgequerschnitte des optischen Stabes 10 erreichen. Hierzu ist der optische Stab 10 nach der Frontkontur und einer ersten zylindrischen Partie 106 mit einer sich kegelförmig in Richtung der Anschlussanordnung erwei ternden Partie 107 versehen, siehe Fig. 5.

Bei Totalreflexion an einer kegeligen Mantelfläche der Partie 107 mit dem Stei gungswinkel γ₀ gelten die Gesetzmäßigkeiten:
Einfallwinkel γ₃ bzw. γ₅ gleich Ausfallwinkel γ₃ bzw. γ₅, jedoch ergibt sich der Schnittwinkel γ₈ bzw. γ₉ an der Mittelachse A des optischen Stabes 10 aus folgender allgemeiner Gleichung

γ_S = 90° - ε_G - y(2 × γ₀)

wobei y die Anzahl der Reflexionen an der kegeligen Mantelfläche darstellt.

Es ist ersichtlich, dass sich sowohl durch die Vergrößerung des Steigungswinkels γ₀ als auch durch die Anzahl y der Reflexionen die Auskopplungsbedingungen zu ei nem zur Mittelachse flacheren Strahlengang hin entwickeln lassen.

Vergleiche in Fig. 5 die in den Ebenen a-a und b-b erkennbaren Schnittwinkel γ₈ bzw. γ₉ an der Mittelachse A.

Vorteilhaft lässt sich der Schnittwinkel an der Mittelachse A durch eine größere An zahl y von Reflexionen verkleinern, sodass er kleiner als der mindestens notwendige Austrittswinkel zur Anschlussanordnung gemäß den Auskopplungsbedingungen ist. Auf diese Weise ist eine verlustärmere Einkopplung in die Anschlussordnung er reichbar.

Vorteilhaft kann der in den Brennraum hineinreichende optische Stab 10 auch direkt nach der ringförmigen Aufnahmefläche 102 in Richtung der Anschlussanordnung kegelförmig erweiternd ausgeführt sein, siehe Fig. 6. Über den Steigungswinkel γ₀ des Kegelstumpfes 108 können auch steiler zur Achse A verlaufende Strahlen S108 im optischen Stab 10 zur Ausgangsebene a reflektiert werden. Dadurch ist der nutz bare Öffnungswinkel beidseits um den Bereich Δα_e erweiterbar.

Denkbar ist es, mehrere kegelförmige optische Stabpartien 107 oder 108 und 109 mit unterschiedlichen Materialien hintereinander zu koppeln, um eine maximale Menge der vom vorgeschalteten vorderen Partie 106 des optischen Stabes 10 er fasste Lichtes in die Anschlussanordnung 6 einzukoppeln. Ein Beispiel mit zwei ke gelförmigen Partien 107 oder 108 und 109 an einem optischen Stab 10 ist nicht dar gestellt.

Zum Erzielen einer Selbstreinigung ist der in den Brennraum 7 hineinreichende opti sche Stab 10 ausgehend von der ringförmigen Aufnahmefläche 102 von einem Spalt in der Größe von 0,35 bis 1 mm zur Umfassung umgeben dessen Länge 0,1-0,4 der gefassten Länge des optischen Stabes 10 entspricht.

Claims

1. Optische Sonde zum Erfassen der Strahlung von Verbrennungsvorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren mit folgender Ausführung:
in einer Aufnahme eines Zylinderkopfes ist ein in einem Trägergehäuse aufge nommener, in den Brennraum hineinreichender optischer Stab angeordnet,
an der dem Brennraum zugekehrten Stirnfläche weist der optische Stab eine Aufnahmefläche mit konvexer Wölbung auf,
dem optischen Stab sind optische Mittel zur Übertragung der erfassten Strah lungsemission zugeordnet,
gekennzeichnet durch folgende Gestaltung an der dem Brennraum (7) zugekehrten Seite des optischen Stabes (10):
ausgehend von der dem Brennraum (7) zugekehrten Aufnahmefläche (101) ist der optische Stab (10) durch Aussparung eines nicht vom Strahlengang durch drungenen Bereichs (100) kegelförmig verjüngt ausgeführt,
vom verjüngten Durchmesser erstreckt sich eine in Richtung zum Trägerge häuse (8) geneigte ringförmige Aufnahmefläche (102) zum Außendurchmesser (D) des optischen Stabes (10).

2. Optische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D) des optischen Stabes (10) eine optisch durchlässi ge Oberfläche aufweist, die mit einer nach innen gerichteten Verspiegelung (105) versehen ist.

3. Optische Sonde nach einem oder beiden der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Brennraum (7) hineinreichende optische Stab (10) ausgehend von den Aufnahmeflächen eine erste zylindrische Partie (106) aufweist, dem sich eine kegelförmige, in Richtung der Anschlussanordnung erweiternde Partie (107) an schließt.

4. Optische Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Stab (10) folgende Merkmale aufweist:

- sein mit den Aufnahmeflächen (101; 102) in den Brennraum (7) hineinreichen der erster Abschnitt (104) weist nach der Aufnahmefläche (102) eine erste zy lindrische Partie (106) mit einer sich materialeinheitlich daran anschließen den kegelig in Richtung der Anschlussordnung erweiterten zweiten Partie (107) auf
und ist aus einem ersten optischen Material hergestellt,
- an der Endfläche der zweiten Partie (107) liegt ein kegelförmig in Richtung der Anschlussanordnung erweiterter zweiter Abschnitt (108) an, der aus einem an deren als dem ersten Material bestehen kann.

5. Optische Sonde nach einem oder mehreren der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Brennraum (7) hineinreichende optische Stab (10) ausgehend von der ringförmigen Aufnahmefläche (102) sich kegelförmig in Richtung der Anschluss anordnung (6) erweiternd ausgeführt ist.

6. Optische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Brennraum (7) hineinreichende optische Stab (10) ausgehend von der ringförmigen Aufnahmefläche (102) von einem Spalt (81) in der Größe von 0,35 bis 1 mm zur Umfassung umgeben ist.

7. Optische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Brennraum (7) hineinreichende optische Stab (10) ausgehend von der ringförmigen Aufnahmefläche (102) von einem Spalt (81) mit der Länge von 0,1-0,3 der im Trägergehäuse (8) gefassten Länge des optischen Stabes (10) um geben ist.