DE3001711A1

DE3001711A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE3001711A1
Application number: DE19803001711
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 7130 Mühlacker Linder; Helmut 7141 Schwiederdingen Maurer; Klaus Dr. 7146 Tamm Müller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1980-01-18
Publication date: 1981-07-23

Description

Sensoranordnung Stand der Technik Die.Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des Hauptanspruches.
Es ist bekannt, daß bei Brennkraftmaschinen, unter bestimmten Arbeitsbedingungen das sogenannte "klopfen" auftritt.
Hierunter versteht man tonfrequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben- und Zylinderwänden der Brenkraftmaschine stark erhöht. Dies bedingt eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen, so daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Um jedoch den möglichen Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine weitgehend aus zu nutzen, ist es erforderlich, Mittel vorzusehen, die das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigen. Hierzu sind eine Vielzahl von Sensoren bekanntgeworden bzw. vorgechle worden. So ist beispielsweise aus der DE-OS-28'01 969 ein Sensor bekannt, bei dem mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingelementes als Biegeschwinger ein resonant-es System gebildet wird, das das Klopfen der Brennkraftmaschinen anzuzeigen vermag. Ein Nachteil dieser bekannten Anordnung ist, daß die mechanische Wirkungsweise nicht frei von Störungen, insbesondere bei starken Stößen im Kraftfahrzeug ist.
Andererseits ist es bekannt, den Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine mit optischen Mitteln zu beobachten und zu messen. So ist beispielsweise in der Motortechnischen Zeitschrift, 39 (1978), Seite 385 ein spektrometrisches Meßverfahren zur Untersuchung der Verbrennung im Dieselmotor beschrieben, bei dem ein Quarzfenster in der Brennraumwand angebracht ist, durch das eine spektrometrische Beobachtung der Verbrennungsvorgänge möglich ist. Weiterhin ist es aus der DE-OS 27 01 777 bekannt, einen lichtempfindlichen Sensor im Brennraum anzuordnen, auf den ein Laserstrahl trifft, der zuvor die Mündung einer Einspritzdüse tangiert hat, um auf diese Weise die Spritzzeit an Einspiitzventilen zu messen. Aus der Rev. Tech.
Autornob. 19'19, Seiten 89, 90 ist noch ein optischer Analysator bekannt, der an die Stelle der Zündkerzen einer Brennkraftmaschine eingeschraubt wird, um eine kalorimetrische Analyse des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchzuführen.
Schließlich ist auf einer Arbeitskreissitzung "Kohlenwasserstoffemission" der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. am 10.10.1979 in Aachen im Referat von Spicher eine Anordnung erläutert worden, bei der dieFlammenausbreitung im Brennraum der Brennkraftmaschine mit Hilfe von Lichtleitern, die in die Zylinderwand eingeschraubt werden und nachgeschalteten Fotodioden erfaßt wird.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, berührungslos und ohne mechanisch bewegte Teile das Klopfen einer Brennkraftmaschine frühzeitig und sicher anzuzeigen.
Zeichnungen Verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Sensoranordnungen sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Sensoranordnung mit einem Lichtleitstab in einer Zündkerze; Fig. 2 eine Sensoranordnung mit einem Lichtleitfaserkabel in einer Zündkerze; Fig. 3 eine Sensoranordnung mit einem Lichtleiter, die an einer Vorkammer angeschlossen ist; Fig. 4 eine Sensoranordnung in einer Zylinderkopfdichtung und Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines -Teiles der in Fig. 4 dargestellten Anordnung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Beim Klopfen einer Brennkraftmaschine tritt eine Stoßwelle, d.h. ein*Fstarke Gasschwingung auf, die Helligkeitsschwankungen an einem im Brennraum angeordneten, lichtempfindlichen Sensor 9Zzest. Wie eingangs dargelegt, ist die frühzeitige Erkennung v'yr..Kopferscheinungen In Brennkraftmaschißnen zur Ausnutzung des bereiches-de Brennkrä'ftmaschine erforderlich, hierzu kann sowohl das Klopfen an sich, d.h. das Auftreten der Gasschwingung, als auch der zeitliche Verlauf des Klopfvorganges, d.h. die Ausbreitung der Gasschwingung bzw. das Abklingen der Schwingungsamplitude beobachtet werden.
Will man außerdem die räumliche Ausbreitung der Schwingung beobachten, ist es erforderlich, daß mehrere Sensoren im Brennraum örtlich verteilt angeordnet werden. Mit diesen mehreren Sensoren kann zusätzlich die Flammenlage erkannt werden.
Erfindungsgemäß werden zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen an sich bekannte optische Aufnehmer im Brennraum verwendet. Diese Aufnehmer sind an geeignete Auswerteschaltungen angeschlossen, die auf die Klopffrequenz bzw. den Klopffrequenzbereich der jeweilitzen Brennkraftmaschine abgestimmt sind. Besonders bevorzugt ist dabei ein an den Brennraum angeschlossener Lichtleiter, der an seinem anderen Ende mit einer Fotozelle abgeschlossen ist.
Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Licht leiter in eine Zündkerze 10 integriert. Die Zündkerze 10 weist als Elektrode ein Metallrohr 11 auf, das einen Lichtleiterstab 12 umschließt. Am brennraumseitigen Elektrodenende bildet der Lichtleiterstab 12 ein Auge 13, so daß hierdurch eine optische Beobachtung des Brennraums möglich ist. Der Lichtleiterstab 12 ist über eine Trennfläche 14 an ein Lichtleiterkabel 15 angeschlossen, das zu einer hier nicht näher dargestellten Auswerteschaltung mit einem fotoelektrischen Element, beispielsweise einer Fotodiode, führt. Der elektrische Anschluß der Zündkerze erfolgt über ein Zündkabel 16 und einen Ringstecker 17.
Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung wird anstelle eines Lichtleiterstabes 12 ein Lichtleitfaserkabel 20, beispielsweise ein Glasfaserkabel verwendet, das am brennraumseitigem Ende der Elektrode ein Büschel 21 bildet. Durch das Büschel 21 wird hierbei erreicht, daß ein größerer Raumwinkel im Brennram beobachtet, werden kann.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel wird eine Zündanordnung mit einer Vorkammer 25 verwendet.
Die Vorkammer 25 weist in bekannter Weise einen Kammerraum 26 auf, der als Vorfunkenstrecken eine erste Funkenstrecke 28 am oberen Ende und eine zweite Funkenstrecke 29 in der Mitte enthält. Eine dritte Funkenstrecke 30 beindet sich an der brennraumseitigen Kammeröffnung 27. Bei der Anordnung entsprechend Fig. 3 ist der Lichtleiter wiederum als Lichtleiterstab 12 ausgebildet, der sich in dem als Elektrode dienenden Metallrohr 11 befindet. Durch den Lichtleiterstab 12 ist ein bestimmter Raumwinkel festgelegt, in dem der Kammerraum 26 bzw. der Brennraum durch die Kammeröffnung 27 beobachtet werden kann. Bildet man den Lichtleiter jedoch als Lichtleitfaserkabel aus, ist es vorteilhaft, die mittleren Fasern des Lichtleitfaserkabels gegenüberden äußeren Fasern zurückzusetzen, so daß diese Fasern eine geringere Apertur haben, die so eingestellt werden kann, daß diese Fasern ausschließlich durch die Kammeröffnung 27 den Brennraum beobachten. Will man die entsprechenden Signale für den Kammerraum 26 und den Brenr)-raum getrennt auswerten, werden die entsprechenden Fasern im Empfangsteil wieder getrennt und die Signale, die der optischen Beobachtung in dem Kammerraum 26 bzw. dem Brennraum entsprechen separat aufbereitet.
Selbstverständlich ist es auch in vorteilhafter Weise möglich, die Eigenschaften von Metallrohr 11 und eingeschlossenem Lichtleitfaserkabel 20 in der Weise zu vereinigen, daß ein gemischtes Kabel aus Lichtleitfasern und spannungsführenden Metallfasern verwendet wird, wobei die Metallfasern von den Lichtleitfasern im Zündsteuergerä getrennt und den jeweiligen Speise- bzw. Auswerteschaltungen zugeführt werden.
Weiterhin kann erfindungsgemäß eine gute Wirkung dadurch erzielt werden, daß der Licht leiter an der Zündkerze außermittig verlegt wird, wodurch inshesondere auch der Entflammungsbeginn um die Kerze herum beobachtet werden kann.
Hierzu eignet sich insbesondere eine an der Außenhaut des Kerzensteins verlaufende Glasur mit Verspiegelung. In diesem Fall wird über diese Ringhaut das Lichtsignal ans Kerzensteinende übertragen und von dort aus zweckmäßigerweise mit einem Lichtleiterkranz zum optischen Aufnehmer weitergeleistet. In entsprechender Weise kann erfindungsgemäß eine integrale Lichterfassung dadurch durchgeführt werden, daß ein Kerzenstein aus Glas verwendet wird, wobei der gläserne Kerzenstein in vorteilhafter Weise außen verspiegelt ist und mit Lichtleitern abtastbar ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Zylinderkopfdichtung 35, in der Paare von Lichtleitfaserkabeln (36, 37; 38, 39; 38', 39') in Kerben 40 der Zylinderkopfdichtung 35 bzw. Aussparungen 41 einer Metallfassung 42 der Zylinderkopfdichtung 35 angeordnet sind. Die Anordnung entsprechend den Fig. 4 und 5 kann in vorteihlafter Weise dadurch hergestellt werden, daß'die Lichtleitfasern 36, 37, 38, 39 zunächst über die freie öffnung 43 der Zylinderkopfdichtung 35 gespannt werden. Nach dem Umbördeln der Metallfassung 42 werden die gespannten Fasern an der Metallfassung 4?. angeschmolzen, abgetrennt und geschliffen, so daß sie mit der brennraumseitigen Kante der Metallfassung 42 bündig abschließen. Auf diese Weise entstehen Sensoranordnungen, wie sie im unteren Teil der Fig. 4 mit 38, 39; 38', 39' dargestellt sind. Wie eingangs erwähnt, ist eine Beobachtung des zeitlichen Amplitudenverlaufes und der räumlichen Ausbreitung der beim Klopfen auftretenden Schwingungen des Gases nur mit räumlich verteilten Sensoren möglich. Durch das vorstehend geschilderte Verfahren kann eine derartige Beobachtung über die Lichtleitfaserkabel 38, 39; 38', 39' vorgenommen werden. Hierzu wird in vorteilhafter Weise der Abstand a zwischen einem Paar von Lichtleitfaserkaheln 38, 39; 38', 39' so gewählt, daß die Schwingungsamplitude etwas größer als a ist. Dann kann durch eine Differenzauswertung der Signale aus beiden Fasern ein periodisches Signal im Klopfbereich erhalten werden, so z.B. zur Feststellung ob der Amplitudenverlauf der Gasschwingung gedämpft ist.
Sensoranordnung Zusammenfassung Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen vorgeschlagen, bei der wenigstens ein an sich bekannter optischer Aufnehmer im Brennraum verwendet wird, vorzugsweise ein Glasstab oder ein Lichtleitkabel aus Glasfasern. Die optischen Aufnehmer werden dabei entweder in die Zündkerze integriert, an eine Vorkammer angeschlossen oder in die ZyLinderkopfdichtung eingesetzt.

Claims

Ansprüche 9 Sensoranordnung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brnnkraftmaschine auftretenden Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein an sich bekanntcr optischer Aufnehmer im Brennraum verwendet wird.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Aufnehmer aus einem an den Brennraum angeschlossenen Lichtleiter besteht, der an se-inem anderen Ende mit einer Fotozelle abgeschlossen ist, die an eine auf die Klopfschwingungen abgestimmte Empfangsschaltung angeschlossen ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter in eine Zündkerze (10) integriert ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter als Lichtleiterstab (12) in einer als Metallrohr (11) ausgebildeten Elektrode angeordnet ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrode ein gemischtes Lichtleitfaser-/Metallfaserkabel verwendet wird.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht leiter als Lichtleitfaserkabel (20) ausgebildet ist, das am brennraumseitigen Elektrodenende in Form eines Büschels (21) aufgespreizt ist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht leiter als Glasrohr mit eingeschlossener Elektrode ausgebildet ist.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht leiter als außen am Kerzenstein aufgebrachte verspiegelte Glasur ausgebildet ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht leiter als gläserner Kerzenstein ausgebildet ist.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekerlnzeichnet, daß der Lichtleiter an eine Vorkammer (25) einer Zündkerzenanordnung angeschlossen ist.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter aus einem Lichtleitfaserkabel besteht und daß am vorkammerseitigen Ende des Lichtleiters ein Teil der Fasern zurückgesetzt ist, derart, daß die zurückgesetzten Fasern eine Apertureinsehränkung erfahren, so-daß nur die öffnung (27) der Vorkammer (26) im Blickfeld dieser Fasern liegt.
12. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Gekeiirizeichnet, daß wenigstens ein Paar Lichtleiter (36, 37; 38, 39) in einer Zylinderkopfdichtung (35), vorzugsweise in einem Abstand, der etwas größer als die Amplitude der sich beim Klopfen im Brennraum einstellenden Stoßwelle ist, angeordnet ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Kerben (O) in der Zylinderkopfdichtung (35) und Aussparungen (41) in einer brennraumseitig an der Zylinderkopfdichtung (35) angeordneten Metallfassung (42) angebracht und Glasfasern in die Kerben (40) und Aussparungen (41) derart eingespannt werden, daß die freie öffnung (43) der Zylinderkopfdichtung (35) überspannt wird, und daß die gespannten Glasfasern an der Metallfassung (42) angeschmolzen, abgetrennt und brennraumseitig abgeschliffen werden.