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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines
Kolbens in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Lichtquelle, einem zwischen Lichtquelle und Verbrennungsraum vorgesehenen
Lichtleiter und einem Lichtdetektor für vom Kolbenboden
reflektierte Lichtstrahlen, wobei für den in die Verbrennungskraftmaschine
einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden
reflektierten und dem Lichtdetektor zuzuführenden Lichtstrahl
gesonderte Lichtleiter vorgesehen sind.
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So
ist es beispielsweise aus der
DE 10 2007 033 809 A1 bekannt, eine Laserzündanlage
für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, die einen zu einem Motorverbrennungsraum
führenden Lichtleiter und mit dem Lichtleiter verbundene
erste Mittel zum Einleiten eines Laserlichtimpulses in den Brennraum umfasst,
um damit die in den Brennraum eingeleiteten Gase zu zünden.
Des Weiteren sind mit dem Lichtleiter verbundene zweite Mittel vorgesehen,
mit denen zusätzlich zum Zündimpuls Laserlichtimpulse in
den Zylinder eingebracht werden können, um das Ermitteln
der Position und/oder der Geschwindigkeit des Kolbenbodens zu ermöglichen.
Die Position bzw. Geschwindigkeit des Kolbens im Zylinder wird dabei durch
Einleiten von Laserimpulsen in den Zylinder ermittelt, wobei jenes
Prinzip ausgenutzt wird, nach dem aus der Zeitdifferenz zwischen
dem Moment der Übermittlung des Impulses und dem Moment
der Detektion des reflektierten Lichtstrahles auf die Position geschlossen
wird. Die Geschwindigkeit lässt sich aus Bestimmung der
Phasenverschiebung zwischen ausgehenden und eingehenden Lichtsignalen
errechnen. Das vom Kolbenboden reflektierte Laserlicht kann mit
Hilfe des gleichen Lichtleiters, der zum Einleiten des Laserlichts
in den Brennraum verwendet wurde, detektiert werden oder es ist
zu einem Sensor führender zweiter Lichtleiter vorzusehen,
der die Verwendung eines andernfalls zwingend vorzusehenden Strahlenteilers,
der in den ersten Lichtleiter integriert ist, vermeidet.
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Ausgehend
von einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Vorrichtung zur Bestimmung
einer Lage des Kolbens im Zylinder zu schaffen, die einerseits eine
saubere Einleitung der Lichtstrahlen in den Verbrennungsraum bzw.
in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine gestattet und dabei
mit vereinfachten Mitteln ein verbessertes Messergebnis gewährleistet.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Lichtleiter
an einen Bildleiter anschließen, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung
in Richtung des Kolbenbodens weisend in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine
eingesetzt ist.
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Zur
Detektion der beiden Totpunkte des Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine
bzw. zur Detektion der Lage eines Kolbens wird erfindungsgemäß ein
optisches Messsystem eingesetzt, welches durch einen optischen Zugang
zum Brennraum einerseits Licht, vorzugsweise Laserlicht, in den
Brennraum einbringt und anderseits durch denselben Zugang das von
der Kolbenoberfläche, insbesondere vom Kolbenboden, reflektierte
Laserlicht detektiert. Die gemessene Intensität des reflektierten
Lichts ist nach Zusammenhängen des quadratischen Abstandsgesetzes
ein Maß für die Kolbenposition. Dies ermöglicht
mit besonders einfachen Mitteln qualitative Aussagen betreffend
Kolbenposition, den Kolbenweg über dem Kurbelwinkel und
damit auch die Bestimmung der jeweiligen Kolbentotpunktlagen. Die erfindungsgemäß vorgesehene
Lichtquelle, insbesondere Laserlichtquelle, wird im cw-Modus (mit
konstanter Welle) oder getaktet betrieben. Das ausgesandte Licht
wird beispielsweise über eine Einzelfaser in den Verbrennungsraum
eingeleitet. Um dabei ein sauberes Einleiten bzw. ausbrin gen der
Lichtstrahlen in bzw. aus dem Verbrennungsraum zu gewährleisten,
ohne im Bereich dieses Überganges große Streuverluste
in Kauf nehmen zu müssen, wird vorgeschlagen, dass in diesem
Bereich ein Bildleiter vorgesehen ist, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung in
Richtung des Kolbenbodens weisend in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt ist. Dieser Bildleiter bildet somit den gemeinsamen brennraumseitigen
Abschluss des bzw. der Lichtleiterkabelbündel. Als Brennraumfenster
wird beispielsweise ein Bildleiter aus optischem Glas eingesetzt,
der hochdruck- und hochtemperaturfest in ein Steck- oder Schraubgehäuse
eingeklebt bzw. eingelötet ist. Durch diese Anordnung ist
einerseits gewährleistet, dass einerseits das Temperaturniveau am
Ende des Lichtleiterbündels bei motorischem Betrieb auf
ein für den Lichtleiter erträgliches Maß abgesenkt
wird und ermöglicht anderseits eine weitgehende Trennung
des in den Brennraum eintretenden und des aus dem Brennraum reflektierten
Lichtes, da der Bildleiter die Lichtstrahlen intern nicht streut
und zumindest nahezu eins zu eins an seinen beiden gegenüberliegenden
Stirnflächen, also an die Übergangsfläche
zum Lichtleiter einerseits und an seinem anderen zum Brennraum weisenden
Ende anderseits, abbildet. Streuungen des den Lichtleiter durchtretenden
Lichtes werden somit weitgehend vermieden.
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Besonders
vorteilhafte saubere Verhältnisse für die Messung
ergeben sich dabei, wenn die beiden Lichtleiter koaxial zueinander
verlaufend an den Bildleiter anschließen. Insbesondere
dann, wenn das Licht der Lichtquelle über wenigstens eine
zentrale Faser in den Zylinder eingeleitet und über den
dazu koaxial angeordneten Lichtleiter wieder ausgeleitet wird. Dies
erlaubt insbesondere aufgrund der größeren Austrittsfläche
für die dem Lichtdetektor zugeordneten Lichtleiter auch
dann eine ordnungsgemäße Messung, wenn das von
der Kolbenoberfläche, also vom Kolbenboden, reflektierte
Licht gedämpft reflektiert wird. So trifft der in den Brennraum
eintretende Laserlichtkegel auf die Kolbenoberfläche auf,
wonach Teile des auf die Kolbenoberfläche diffus reflektierten
Lichtes wieder in den Bildleiter eintreten und über die
kreisförmig an den eintretenden Licht strahl angekoppelten
Fasern des Lichtleiters auf einen Photodetektor, insbesondere eine
Photodiode bzw. einen Photomultiplier geleitet werden. Die Intensität des
gemessenen Lichtstrahls ist proportional zum Abstand des Kolbens
vom Sensor und ermöglicht damit die Bestimmung der jeweiligen
Kolbenlage.
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Dabei
empfiehlt es sich insbesondere, dass die beiden Lichtleiter zu einem
Y-Kabel zusammengeschlossen sind, wobei einer der beiden zueinander zugewandten
Schenkel der Lichtquelle und der andere der beiden Schenkel dem
Lichtdetektor zugeordnet ist und der dritte Schenkel an den Bildleiter
anschließt.
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Da
sich bei motorischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine dem Lichtsignal,
welches aus den Reflexionen des Lichts herrührt, noch die Verbrennungsstrahlung
im Sichtfeld der Messanordnung überlagert, empfiehlt es
sich, wenn zwischen Lichtleiter und Lichtdetektor ein lediglich
für die Wellenlänge der Lichtquelle durchlässiges
Filter vorgesehen ist, welches vom gesamten aus dem Brennraum emittierten
Licht nur Licht im Bereich der Wellenlänge der eingesetzten
Laserdiode durchlässt. Damit lassen sich von vornherein
Verfälschungen des Messergebnisses durch die Verbrennungsstrahlung
erheblich verringern.
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Zusätzlich
zur optischen Filterung kann auch noch eine elektronische Filterung
erfolgen. Dazu wird der Laserstrom und somit die ausgesandte Lichtintensität
mit einer Frequenz von ungefähr 10 MHz getaktet. Damit
können aus den am Photodetektor gemessenen Lichtintensitäten
jene Anteile des Lichtes im Bereich der eingesetzten Laserwellenlänge
herausgefiltert werden, die vom Laser generiert wurden.
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Zusammenfassend
kann festgehalten werden, dass durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen
Bildleiters als Brennraumfenster die Verwirklichung nur eines optischen
Zugangs zum Brennraum möglich wird, wobei sich bei einer
konstanten Einleitung des Laserlichtes das in den Zylinder eintretende und
das aus den Zylinder austretende Licht nur besonders wenig überlagern
und somit sowohl die Ein- als auch die Ausleitung des Lichtes auf
kleinstem Raum erfolgen kann. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in keiner Weise beeinflusst
und ist eine Bestimmung der jeweiligen Kolbenlage mit einfachen Mitteln
möglich.
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In
der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem teilgeschnittenen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine
und
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2 die
Vorrichtung zur Einkopplung bzw. Auskopplung des Lichtstrahles in
den Zylinder aus 1 in teilgeschnittenem Längsschnitt
und vergrößertem Maßstab.
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Eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens 1 im
Zylinder 2 einer Verbrennungskraftmaschine 3 umfasst
eine Lichtquelle 4, insbesondere eine Laserlichtquelle,
einen zwischen Lichtquelle 4 und Verbrennungsraum 5 vorgesehnen Lichtleiter 6 und
einen Lichtdetektor 7 für vom Kolbenboden 8 reflektierte
Lichtstrahlen, die über einen Lichtleiter 9 dem
Lichtdetektor 7 zugeleitet werden. Für den in
die Verbrennungskraftmaschine 3 einzuleitenden Lichtstrahl
und für den vom Kolbenboden 8 reflektierten und
dem Lichtdetektor 7 zuzuführenden Lichtstrahl
sind somit gesonderte Lichtleiter 6, 9 vorgesehen,
die an einem Ende an einen Bildleiter 10 anschließen,
der mit seiner Hauptabstrahlrichtung 11 in Richtung des
Kolbenbodens 8 weisend in den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 3 eingesetzt
ist. Sowohl der Bildleiter 10 als auch die Lichtleiter 6, 9 sind
in ein Gehäuse 12 eingesetzt, welches in den Zylinderkopf
eingeschraubt ist.
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Die
beiden Lichtleiter 6, 9 sind dabei koaxial zueinander
verlaufend an den Bildleiter 10 angeschlossen, wobei die
beiden Lichtleiter 6, 9 zu einem Y-Kabel zusammengefügt
sind. Einer der beiden einander zugewandten Schenkel ist dabei der
Lichtquelle 4 und der andere der beiden Schenkel 9 dem
Lichtdetektor 7 zugeordnet. Der dritte Schenkel schließt an
den Bildleiter 10 an. Des Weiteren ist zwischen Lichtleiter 9 und
dem Lichtdetektor 7 ein lediglich für die Wellenlänge
der Lichtquelle 4 durchlässiges Filter 13 vorgesehen.
Die Auswertung der vom Lichtdetektor 7 aufgenommenen Signale
erfolgt beispielsweise in einer Rechner-Speichereinheit 14,
welche gegebenenfalls zudem einen Modulator 15 ansteuert,
welcher der Lichtquelle 4 zugeordnet ist und der die von der
Lichtquelle 4 ausgestrahlte Lichtintensität mit
einer Frequenz von ~10 MHz taktet.
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Ausführungsbeispiel:
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Das
Licht einer Laserlichtquelle, einer Laserdiode mit ungefähr
50 mW und einer Wellenlänge von 650 nm, wird von der Lichtquelle 4 über
ein optisches Linsensystem in einen Arm des Y-förmigen Lichtleiterbündels,
in den Lichtleiter 6, eingekoppelt. Dieser Lichtleiter
bildet die zentrale Faser, welche an den Bildleiter 10 anschließt.
Im zweiten Y-Arm befinden sich beispielsweise 19 gebündelte
Einzelfasern, welche am gemeinsamen Ende koaxial zum Lichtleiter 6 angeordnet
sind und an den Bildleiter anschließen. Diese neunzehn
dem Lichtleiter zugeordneten Fasern sind somit radial, vorzugsweise
mit einem Abstand von 0,5 mm, um die zentrale Faser des Lichtleiters 6 angeordnet.
Somit sind im genannten Ausführungsbeispiel 20 Einzelfasern
mit rund 200 μm Faserdurchmesser verbaut. Das gemeinsame
brennraumseitige Ende des Faserbündels schließt
an den Bildleiter 10 an, der in einem Gehäuse 12 angeordnet ist,
welches Gehäuse 12 wiederum in einen Zylinderkopf
eingesetzt ist. Der Bildleiter 10 dient dabei insbesondere
als Brennraumfenster, und ist beispielsweise aus optischem Gas gefertigt
und hochdruck- und hochtemperaturfest in das Gehäuse 12 eingeklebt
bzw. mit diesem verlötet. Diese Anordnung gewährleistet,
dass das Temperaturniveau am Ende des Faserbündels bei
motorischem Betrieb auf ein für den Lichtleiter 6 erträgliches
Maß begrenzt wird und ermöglicht eine weitgehende
Trennung des in den Brennraum eindringendes Messstrahles und der
reflektierten, dem Lichtdetektors 7 zuzuführenden Messstrahlen.
Der in den Brennraum eintretende Lichtkegel trifft auf die Kolbenoberfläche,
dem Kolbenboden 5 auf, wobei Teile des Lichtstrahls reflektiert
werden und wieder in den Bildleiter 10 eintreten und über
die Lichtleiter 9, den Lichtdetektor 7, eine Photodiode
bzw. einen Photomultiplier, geleitet werden. Die Intensität
des gemessenen Lichtstrahls ist dabei proportional zum Abstand des
Kolbens vom Sensor und ermöglicht damit die Bestimmung
der Kolbenlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0002]