DE3042454A1

DE3042454A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE3042454A1
Application number: DE19803042454
Authority: DE
Inventors: Rainer 78 Le Chesnay Burkel; Klaus Dr. 7146 Tamm Müller; Cornelius 75016 Paris Peter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE3042454C2

Description

Sensoranordnung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des Hauptanspruches.
Es ist bekannt, die im Brennraum einer Brennkraftmaschine ablaufenden Verbrennungsvorgänge während des Betriebes der Brennkraftmaschine nach verschiedenen Gesichtspunkten unter Erfassung verschiedenartiger physikalischer Parameter zu erfassen. Hierzu gehört beispielsweise die Erfassung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des Verbrennungsvorganges, die Erfassung des Zündzeitpunktes, die Erfassung von Einspritzvorgängen sowie die Ausmessung von irregulären Verbrennungen.
Zu diesen irregulären Verbrennungen gehört das sog-enannte "Klopfen", das bei Brennkraftmaschinen unter bestimmten Arbeitsbedingungen auftritt. Man versteht hierunter tonfrequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-LuSt-Gemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben- und Zylinderwänden der Brennkraftmaschine stark erhöht. Dies hat eine schädliche thermischer Überlastung dieser Flächen zur Folge, so daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da man jedoch andererseits bestrebt ist, den zur Verfügung stehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, ist es erforderlich, Mittel vorzusehen, die das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigen, um auf diese Weise eine Regelung der Brennkraftmaschine realisieren zu können, bei der die Brennkraftmaschine stets kurz unterhalb der Klopfgrenze betrieben wird.
Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl von Sensoren bekanntgeworden bzw. vorgeschlagen worden. So ist -beispielsweise aus der DE-OS 28 01 969 ein Sensor bekannt, bei dem mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingelementes als Biegeschwinger ein resonantes System gebildet wird, das daß Klopfen der Brennkraftmaschine 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 Einspritzventilen zu messen. Aus der Rev.
Tech. Automob. 1979, Seiten 89, 90 ist noch ein optischer Analysator bekannt, der an die Stelle der Zündkerzen einer Brennkraftmaschine eingeschraubt wird, um eine kalorometrische Analyse des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchzuführen.
Schließlich ist auf einer Arbeitskreissitzung "ohlenwasserstoffemission" der Forschtttlgsvereinigullg Verbr ennungskraftmaschinen e.V. am 10.10.1979 in Aachen im Referat von Spicher eine Anordnung erläutert worden, bei der die Flammenausbreitung im Brennraum der Brennkraftmaschine mit Hilfe von Lichtleitern, die in die Zylinderwand eingeschraubt werden und nachgeschalteten Fotodioden erfaßt wird.
Weiterhin ist in der deutschen Patentanmeldung P 30'01 n11.9 vorgeschlagen worden, die beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen durch an sich bekannte optische Aufnehmer zu messen, wobei vorzugsweise als Lichtleiter Glasstäbe oder Lichtleitkabel verwendet werden, die vorzugsweise in eine Zündkerze integriert, an eine Vorkammer angeschlossen oder in eine Zylinderkopfdichtung eingesetzt werden.
Eines der Probleme, die auftreten, wenn physikalische Parameter des Brennraums mit optischen Mitteln erfaßt werden, ist, daß der dem Brennraum zugewandte optische Aufnehmer, d.h. der Glasstab, das Faserkabel-oder dgl., bei längerer Betriebsdauer stark verschmutzt, so daß eine Messung unter Umständen bereits nach kurzer Zeit nicht mehr möglich ist. Es ist daher in der deutschen Patentanmeldung P 30 11 569.6 vorgeschlagen worden, das brennraumseitige "Fenster" mit einer facettenartigen Oberfläche zu versehen, so daß diese Oberfläche durch die Brenngase während der Verbrennungsvorgänge freigespült wird.
Es ist-weiterhin in der deutschen PatentanmeldungP 30 11 570.9 vorgeschlagen worden, vor den brennraumseitigen "Fenster" ein Vorvolumen anzuordnen, in dem vorzugsweise eine Zusatzheizung zur Verbrennung von Verbrennungsrückständen angeordnet ist.
Bei diesen Anordnungen ergibt sich das gemeinsame Problem, daß normale Gläser nur im "kalten", d.h. brennraumabgewandten Bereich des Sensors eingesetzt werden dürfen, da sie anderenfalls anschmelzen. Da diese Gläser jedoch weiterhin den Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, schlagen sich die Verbrennungsrückstände vorzugsweise an der kalten" Oberfläche des Fensters nieder. Der Vorteil dieser normalen Gläser ist andererseits jedoch, daß sich eingeschmolzene Fenster als dicht- und druckbeständig erweisen. Demgegenüber sind Lichtleiter aus Quarzglas zwar temperaturbeständig, lassen sich jedoch nicht in übliche Sensorgehäuse einschmelzen.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß eine optische Messung von physikalischen Vorgängen im Brennraum der Brennkraftmaschine mit nur geringer Verschmutzung des Sensor-"Fensters" möglich wird.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbelspiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung; Figur 2 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt gemäß Figur 1 entsprechend einer ersten Variation des-Ausführungsbeispieles; Figur 3 einen Ausschnitt aus den Querschnitt entsprechend Figur 1 gemäß einer zweiten Variation des Ausführungsbeispiels.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur 1 ist mit 10 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung bezeichnet. Die Sensoranordnung ist dabei in einem zündkerzenartigen Gehäute 11 untergebracht, das brennraumseitig ein übliches Gewinde 11a aufweist. Auf der brennraumabgewandten Seite ist ein weiteres Gewinde 11b angeordnet, über das die Sensoranordnung 10 in an sich bekannter Weise mit einem Lichtleiter verbunden werden kann. Im brennraumabgewandten Teil der Sensoranordnung 10 ist ein eingeschmolzenes Fenster 12 aus Normalglas angeordnet, während sich im brennræumseitigen Teil der Sensoranordnung 10 ein zum Fenster 12 gleichachsig angeordneter Quarzglasstab 13 befindet. Fenster 12 und Quarzglasstab 13 sind über eine elastische Verbindung in Gestalt eines Ringes 14 distanziert. Der Ring 14 übernimmt außerdem die Abdichtung der Übergangsstelle zwischen Quarzglasstab 13 und Fenster 12 gegen eine Ausfütterung 15 zwischen Quarzglasstab 13 und Innenwand des Gehäuses 11, die aus wärme- und druckbeständigem Pulver, beispielsweise Talkum, Graphit oder Spinell besteht. Die Ausfütterung 15 kann bei der Montage von der Brennraumseite her eingefüllt und zusammengepreßt werden. Den Abschluß zum Brennraum bildet ein Ringteil 16, das in das Gehäuse 11 eingedrückt, verschweißt odcr verlötet wird. Beim Einschieben des Ringteiles 16 schiebt dieses einen Dichtring 17 vor sich her, so daß im zusammengeschobenen Zustand auch eine Dichtung. der Ausfütterung 15 gegenüber der brennraumseitigen Wand besteht. Der Innendurchmesser des Ringteils 16 ist so bemessen, daß er deutlich größer ist als der Durchmesser der Quarzglasstabes 13. Hierdurch verbleibt zwischen Quarzglasstab 13 und Ringteil 16 ein- Spalt 18.
Dcr Spalt 18 ist dabei so dimensioniert, daß der Wärmewert des Quarzglasstabes 13 entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen hinsichtlich der Freihaltung von Verschmutzungen durch Verbrennungsrückstände eingestellt ist.
Zum Betrieb der Sensoranordnung 10 wird diese mit dem Gewinde 11a in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt. Der Quarzglasstab 13 ist nun mit seinem einen Ende dem Brennraum zugewandt bzw. ragt etwas in diesen hinein. Das bei der Zündung bzw. Verbrennung des Gasgemisches im Brennraum entstehende Licht wird nun über den Quarzglasstab 13, durch den Ring 14 hindurch in das Fenster 12 übertragen, von wo es vorzugsweise über ein Lichtleitfaserkabel, das in der oben beschriebenen Weise vermittels des Gewindes 11b angeschraubt wurde, in eine Auswerteanordnung übertragen wird.
Bei der in Figur 2 dargestellten Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 ist an einer Seite der Ausfütterung, im dargestellten Beispiel an der dem Fenster 12 zugewandten Seite, ein Federteil 19 vorgesehen, das.
thermisch bedingte Veränderungen des Volumen der Ausfütterung 15 auffängt.
Bei der in Figur 3 dargestellten weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 ist der Quarzglasstab 13 mit einem Wulst 13a versehen, durch den eine verbesserte Haftung des Quarzglasstabes 13 in der Ausfütterung 15 erzielt wird. Eine weitere Möglichkeit der Haftungsverbesserung besteht darin, daß auf die Mantelfläche des Quarzglasstabes 13 eine Pulverbeschichtung aufgebracht wird.
Insgesamt hat das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß einmal ein druck-und gasfestes Einschmelzfenster Verwendung findet, während andererseits dem Brennraum ein Quarzglasstab zugewandt ist, der durch entsprechende Erwärmung frei von Verbrennungsrückständen gehalten werden kann und dessen elastische Montage in der Geberanordnung eine genaue Bearbeitung des Quarzglasstabes während der Montage entbehrlich macht, da für das beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich ein Abbrechen des Quarzglasstabes auf die jeweils erforderliche Länge vonnöten ist. Damit ergibt sich insgesamt ein kostengünstig zu fertigender optischer Brennraumsensor, der andererseits eine hohe Betriebssicherheit in Hinblick auf Druck- und Gasfestigkeit sowie Unempfindlichkeit gegen Verschmut.zunge aufweist.

Claims

Ansprüche S Sensoranordnung zur Erfassung von physikalischen Vorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem, dem Brennraum zugewandten, in einem vorzugsweise zündkerzenartigen Schraubgehäuse angeordneten Lichtleiter, insbesondere nach Patentanmeldung P 30 01 711.9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter aus einem ersten, auf der brennraumabgewandten Seite angeordneten und als in das Gehäusc (11) cingeschmolzenes Fenster (12) ausgebildeten Abschnitt sowie aus einem zweiten, dem Brennraum zugewandten und als Quarzglasstab (13) ausgebildeten Abschnitt besteht.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (12) und der Quarzglasstab (13) gleichachsig angeordnet und mit einem elastischen Element, vorzugsweise einem Ring (14) gegeneinander distanziert sind.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzglasstab (13) brennraumseitig in einem Ringteil (16) elastisch gehalten ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzglasstab (13) im Abschnitt zwischen Ringteil (16) und elastischem Element im Gehäuse (11) von einer Ausfütterung (15), vorzugsweise Graphit, Talkum oder Spinell umgeben ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfütterung (15) an wenigstens einem Ende durch ein Federteil (19) abgegrenzt ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder .5, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzglasstab (13) im Bereich der Ausfütterung (15) einen Wulst (13a)-aufweist.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzglasstab (13) im Bereich der Ausfütterung (15) an seiner Mantelfläche mit einer Pulverbeschichtung versehen ist.