DE3042454C2 - - Google Patents

Description

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 Para­ meter zu erfassen. Hierzu gehört beispielsweise die Er­ fassung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des Verbrennungsvorganges, die Erfassung des Zündzeitpunk­ tes, die Erfassung von Einspritzvorgängen sowie die Aus­ messung von irregulären Verbrennungen.

Zu diesen irregulären Verbrennungen gehört das soge­ nannte "Klopfen", das bei Brennkraftmaschinen unter bestimmten Arbeitsbedingungen auftritt. Man versteht hierunter tonfrequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoßwelle aus­ gelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärme­ übergang an Kolben- und Zylinderwänden der Brennkraft­ maschine stark erhöht. Dies hat eine schädliche thermi­ sche 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 weit­ gehend auszunutzen, ist es erforderlich, Mittel vorzu­ sehen, 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 bekannt­ geworden bzw. vorgeschlagen worden. So ist beispiels­ weise 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 ver­ mag. 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 beob­ achten und zu messen. So ist beispielsweise in der Motor­ technischen Zeitschrift, 39 (1978), Seite 385 ein spektro­ metrisches Meßverfahren zur Untersuchung der Verbrennung im Dieselmotor beschrieben, bei dem ein Quarzfenster in der Brennraumwand angebracht ist, durch das eine spektro­ metrische 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 kalorometri­ sche Analyse des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchzuführen. Schließlich ist auf einer Arbeitskreissitzung "Kohlen­ wasserstoffemission" der Forschungsvereinigung Verbren­ nungskraftmaschinen e.V. am 10. 10. 1979 in Aachen im Refe­ rat von Spicher eine Anordnung erläutert worden, bei der die Flammenausbreitung im Brennraum der Brennkraftmaschine mit Hilfe von Lichtleitern, die in die Zylinderwand ein­ geschraubt werden und nachgeschalteten Fotodioden erfaßt wird.

Weiterhin ist in der deutschen Patentanmeldung P 30 01 711.9 vorgeschlagen worden, die beim Klopfen einer Brennkraft­ maschine 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 Patentanmeldung P 30 11 570.9 vorgeschlagen worden, vor den brennraumseitigen "Fenster" ein Vorvolumen anzuordnen, in dem vorzugsweise eine Zusatz­ heizung zur Verbrennung von Verbrennungsrückständen ange­ ordnet 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 an­ derenfalls anschmelzen. Da diese Gläser jedoch weiterhin den Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, schlagen sich die Verbrennungsrückstände vorzugsweise an der "kalten" Ober­ fläche des Fensters nieder. Der Vorteil dieser normalen Gläser ist andererseits jedoch, daß sich eingeschmolzene Fenster als dicht- und druckbeständig erweisen. Demgegen­ über sind Lichtleiter aus Quarzglas zwar temperaturbe­ ständig, lassen sich jedoch nicht in übliche Sensorge­ häuse einschmelzen.

In den Schriften US-PS 28 41 979 und US-PS 35 17 247 sind Zündkerzen mit einem mittigen, optischen Aufnehmer aus nicht einschmelzbarem Quarzglas dargestellt. Die Aufnehmer verschmutzen aber auf der dem Brennraum zugewandten Seite bei längerer Betriebszeit. Ein durch­ gehender Quarzstab ist ferner sehr teuer und aus Kostengründen bei einem Serienprodukt nur schwer einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zu schaffen, die mit geringen Kosten eine geringe Verschmutzung des Sen­ sorfensters ermöglicht. Das Fenster soll in das Gehäuse einschmelzbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Sensoranordnung der eingangs genannten Art durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine optische Messung von physikalischen Vorgängen im Brennraum der Brennkraftmaschine mit nur geringer Verschmutzung des Sensor-"Fensters" möglich wird. Das Normalglas kann leicht in das Ge­ häuse eingeschmolzen werden, so daß es sich als dicht- und druckbe­ ständig erweist. Die Sensoranordnung baut besonders preisgünstig und kann für ein Serienprodukt verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Quer­ schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensor­ anordnung;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt gemäß Fig. 1 entsprechend einer ersten Variation des Ausführungsbeispieles und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt entsprechend Fig. 1 ge­ mäß einer zweiten Variation des Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung bezeichnet. Die Sen­ soranordnung ist dabei in einem zündkerzenartigen Ge­ häuse 11 untergebracht, das brennraumseitig ein übliches Gewinde 11 a aufweist. Auf der brennraumabgewandten Seite ist ein weiteres Gewinde 11 b angeordnet, über das die Sensoranordnung 10 in an sich bekannter Weise mit einem Lichtleiter verbunden werden kann. Im brennraumabge­ wandten Teil der Sensoranordnung 10 ist ein eingeschmol­ zenes Fenster 12 aus Normalglas angeordnet, während sich im brennraumseitigen 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 distan­ ziert. 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 druck­ beständigem Pulver, beispielsweise Talkum, Graphit oder Spinell besteht. Die Ausfütterung 15 kann bei der Montage von der Brennraumseite her eingefüllt und zusammenge­ preßt werden. Den Abschluß zum Brennraum bildet ein Ring­ teil 16, das in das Gehäuse 11 eingedrückt, verschweißt oder 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 Durch­ messer des Quarzglasstabes 13. Hierdurch verbleibt zwischen Quarzglasstab 13 und Ringteil 16 ein Spalt 18. Der Spalt 18 ist dabei so dimensioniert, daß der Wärme­ wert des Quarzglasstabes 13 entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen hinsichtlich der Freihaltung von Verschmut­ zungen durch Verbrennungsrückstände eingestellt ist.

Zum Betrieb der Sensoranordnung 10 wird diese mit dem Gewinde 11 a 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 beschrie­ benen Weise vermittels des Gewindes 11 b angeschraubt wurde, in eine Auswerteanordnung übertragen wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Abwandlung des Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 1 ist an einer Seite der Aus­ fütterung, im dargestellten Beispiel an der dem Fenster 12 zugewandten Seite, ein Federteil 19 vorgesehen, das thermisch bedingte Veränderungen des Volumens der Aus­ fütterung 15 auffängt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ist der Quarzglasstab 13 mit einem Wulst 13 a versehen, durch den eine verbes­ serte Haftung des Quarzglasstabes 13 in der Ausfütterung 15 erzielt wird. Eine weitere Möglichkeit der Haftungs­ verbesserung besteht darin, daß auf die Mantelfläche des Quarzglasstabes 13 eine Pulverbeschichtung aufge­ bracht wird.

Insgesamt hat das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß einmal ein druck- und gasfestes Einschmelzfenster Verwendung findet, wäh­ rend andererseits dem Brennraum ein Quarzglasstab zuge­ wandt ist, der durch entsprechende Erwärmung frei von Ver­ brennungsrückständen gehalten werden kann und dessen elastische Montage in der Geberanordnung eine genaue Bearbeitung des Quarzglasstabes während der Montage entbehrlich macht, da für das beschriebene Ausführungs­ beispiel lediglich ein Abbrechen des Quarzglasstabes auf die jeweils erforderliche Länge vonnöten ist. Damit ergibt sich insgesamt ein kostengünstig zu fertigender optischer Brennraumsensor, die andererseits eine hohe Betriebssicherheit in Hinblick auf Druck- und Gasfe­ stigkeit sowie Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen aufweist.

Claims (10)

1. Sensoranordnung zur Erfassung von physikalischen Vorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem, dem Brennraum zugewandten, in einem Gehäuse angeordneten Lichtleiter, der auf der dem Brennraum zugewandten Seite einen Quarzglasstab (13) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter auf der brennraumabgewandten Seite aus einem in das Gehäuse (11) eingeschmolzenen Fenster (12) aus Normalglas besteht.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (12) und der Quarzglasstab (13) gleichachsig angeordnet und mit einem elastischen Element gegeneinander distanziert sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element ein Ring (14) ist.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Quarzglasstab (13) brennraumseitig in einem Ring­ teil (16) elastisch gehalten ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzglasstab (13) im Abschnitt zwischen Ringteil (16) und elastischem Element im Gehäuse (11) von einer Ausfütterung (15) umgeben ist.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfütterung aus Graphit, Talkum oder Spinell besteht.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfütterung (15) an wenigstens einem Ende durch ein Federteil (19) abgegrenzt ist.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Quarzglasstab (13) im Bereich der Ausfütterung (15) eine Wulst (13 a) aufweist.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Quarzglasstab (13) im Bereich der Ausfütterung (15) an seiner Mantelfläche mit einer Pulverbeschichtung versehen ist.

10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (11) ein zündkerzenartiges Schraubgehäuse ist.