DE19823594C2 - Einrichtung zur optischen Erfassung von Klopferscheinungen während der Verbrennung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Erfassung von Klopferscheinungen während der Verbrennung bei Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem in die Zylinder­ kopfdichtung integrierten, den Brennraum mit einer Auswerteeinheit optisch verbindenden Lichtleiter sowie die Verwendung solch einer Einrichtung.

Aus der DE 30 01 711 A1 ist eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art bekannt, bei der Paare von Lichtleiterfaserkabeln in Kerben einer Zylinderkopfdichtung angeordnet sind. Die Fasern werden nach dem Umbörteln der Metallfassung der Zylinderkopfdichtung ange­ schmolzen, abgetrennt und geschliffen, so daß sie mit der brennraumseitigen Kante der Me­ tallfassung bündig abschließen. Die optischen Aufnehmer sind über Photozellen mit geeigne­ ten Auswerteschaltungen verbunden, die auf die Klopffrequenz bzw. den Klopffrequenzbe­ reich der Brennkraftmaschine abgestimmt sind. Diese bekannte Ausführung von Lichtleitern im Zylinderkopf hat allerdings den Nachteil, daß bei mittleren und höheren Zylinderdrücken, die insbesonders bei Gasmotoren auftreten, eine ausreichende Abdichtung sowie eine sichere Befestigung der Lichtleiterfasern nicht mehr gewährleistet ist. Deshalb ist diese bekannte Ein­ richtung zur kontinuierlichen Erfassung von Klopferscheinungen bei Serien-Gasmotoren, bei denen Zylinderdrücke bis zu etwa 200 bar auftreten, nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zur optischen Erfassung von Klopferscheinungen für den kontinuierlichen Ein­ satz in Serienmotoren so weiterzuentwickeln, daß auch bei mittleren und hohen Zylinderdrü­ cken eine ungestörte Klopfüberwachung möglich ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Lichtleiter über ein lichtdurchlässiges Dichtelement, welches einen größeren Querschnitt als der Lichtleiter aufweist, mit dem Brennraum optisch verbunden ist. Der Lichtleiter wird durch eine Bohrung in der Zylinder­ kopfdichtebene bis zum Dichtelement geführt. Da das Dichtelement die eigentliche Abdich­ tung des Brennraumes übernimmt, kann die Bohrung gegenüber dem Lichtleiter mit Spiel ausgeführt sein, so daß relativ große Toleranzen für die Herstellung erlaubt sind.

Das Dichtelement kann aus einem hitzebeständigen Glaskörper bestehen. Denkbar ist es auch, das Dichtelement einstückig mit dem Lichtleiter auszuführen. Für den praktischen Einsatz ist es allerdings besonders zweckmäßig, wenn das Dichtelement durch einen Saphir gebildet ist. Dadurch ist eine lange Standzeit und ein geringer Verschleiß der Einrichtung möglich.

Eine besonders einfache Herstellung wird dadurch möglich, daß das Dichtelement zylindrisch oder kegelig ausgeführt ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist dabei vorgesehen, daß das Dichtele­ ment in eine entsprechende radiale Ausnehmung der Zylinderkopfdichtung von der Brenn­ raumseite her eingepreßt ist.

Das radial in die Zylinderkopfdichtung eingepreßte, durch einen Saphir gebildete Dichtele­ ment dichtet den Brennraum gegen den Lichtleiter gasdicht ab, so daß keine mechanischen Kräfte in axialer Richtung mehr auf den Lichtleiter einwirken.

Der Lichtleiter ist in bekannter Weise mit einer optischen Auswerteeinheit verbunden, welche Schwankungen in der Lichtintensität auswertet, die auf Klopferscheinungen hinweisen. Er­ findungsgemäß wird die Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur kontinuierlichen Erfassung von Lichtintensitätsänderungen im Brennraum der Brennkraftmaschinen derart verwendet, dass aufgrund der Lichtintensitätsänderungen Klopferscheinungen feststellbar sind. Es genügt dabei eine einfache qualitative Erfassung der Lichtintensität, so daß mit einem einzigen Lichtsensor pro Zylinder das Auslangen gefunden werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinder einer Brennkraftmaschine mit der er­ findungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 ein Detail gemäß Ausschnitt II in Fig. 1,

Fig. 3 und 4 den Druckverlauf und die Lichtintensität während einer Verbrennung mit Klopferscheinungen.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 mit einem hin- und hergehenden Kolben 2. Zwischen dem Zy­ linderblock 3 und dem Zylinderkopf 4 ist eine Zylinderkopfdichtung 5 mit einem metallenen Dichtring 6 im Bereich des Brennraumes 7 angeordnet. Mit Bezugszeichen 8 sind schematisch Gaswechselventile angedeutet.

Wie aus Fig. 2 deutlich zu entnehmen ist, weist der Dichtring 6 im Bereich des Brennraumes 7 eine radiale Ausnehmung 8 auf, in welche ein durch einen Saphir gebildetes zylindrisches Dichtelement 9 eingesetzt ist. Das Dichtelement 9 ist an der dem Brennraum gegenüberlie­ genden Stirnseite optisch mit einem Lichtleiter 10 verbunden, welcher zu einer Klopf-Aus­ werteeinheit 11 führt.

Da die Gasdichtfunktion gegenüber dem Brennraum durch das Dichtelement 9 ausgeführt wird, ist eine dichte Fassung zwischen dem Lichtleiter 10 und der ihn umgebenden Leiterboh­ rung 11 nicht erforderlich, wodurch größere Herstellungstoleranzen möglich sind. Die radia­ len Kräfte auf das Dichtelement 9 infolge der Gaskräfte im Brennraum werden von einer Schulter 12 des metallenen Dichtringes 6 aufgenommen. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Klopfüberwachung bei Gas-Serienmotoren, bei denen ein mittlerer Kompressionsdruck von etwa 20 bar herrscht.

Neben der geringen Störanfälligkeit der optischen Erfassungseinrichtung ist eine kostengüns­ tige Herstellung Voraussetzung für den Einsatz in Serien-Brennkraftmaschinen. Zur bloßen Feststellung, ob Klopfen auftritt oder nicht, ist ein einziges optisches Sensorelement pro Zy­ linder ausreichend. Dabei kann die Tatsache genützt werden, daß Klopferscheinungen stets von deutlichen Schwankungen der Lichtintensität während der Verbrennung begleitet werden.

Fig. 3 zeigt den Zylinderdruck p während einer Verbrennung mit Klopferscheinungen, welche durch Schwankungen des Spitzendruckes angedeutet sind. Die Spitzendruckschwankungen werden von deutlichen Schwankungen der Lichtintensität I begleitet, welche aus dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm ersichtlich sind.

Da es zur Feststellung der Klopferscheinung völlig ausreicht, die Lichtintensitätsschwankun­ gen ΔI zu erfassen, kann eine sehr einfache Sensor- und Auswerteeinrichtung eingesetzt wer­ den.

Claims (7)

1. Einrichtung zur optischen Erfassung von Klopferscheinungen während der Verbrennung bei Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem in die Zylinderkopfdichtung (5) inte­ grierten, den Brennraum (7) mit einer Auswerteeinheit (11) optisch verbindenden Lichtleiter (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (10) über ein lichtdurch­ lässiges Dichtelement (9), welches einen größeren Querschnitt als der Lichtleiter (10) aufweist, mit dem Brennraum (7) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (9) aus einem hitzebeständigen Glaskörper besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (9) durch einen Saphir gebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (9) zylindrisch oder kegelig ausgeführt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (9) in eine entsprechende radiale Ausnehmung (8) der Zylinderkopf­ dichtung (5) von der Brennraumseite her eingepreßt ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zy­ linder (1) ein einziger Lichtleiter (10) vorgesehen ist.

7. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur kontinuierlichen Erfassung von Lichtintensitäts­ änderungen im Brennraum von Brennkraftmaschinen derart, daß aufgrund der Lichtintensitätsänderungen Klopferscheinungen feststellbar sind.