DE3045721A1 - Sensoranordnung - Google Patents

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 sogenannte "Klopfen", das bei Brennkraftnaschinen unter best.immten Arbeitsbedingungen auftritt. Man versteht hierunter tonfrequente Schwingungen des komprimierten Krrftstoff-Luft-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 thermische 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 weitgegend auszunutzen, ist es erforderlich, Mittel vorzusehen, die das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigen, um auf d diese ileise eine Regelung der Brennkraftmaschine re.Llisieren 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 verma. Ein Nachteil dieser bekannten Anordnung ist, daß di mechanische Wirkungsweise nicht frei von Störungen, insbesondere bei starken Stößen im Kraftfahrzeug ist.
• Anlererseits 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 durchzufilhren.
• 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 die Flammenausbreitung im Brennraum der Brennkraftmaschine mit Hilfe von Lichtleitern, die in die Zylinderwand eingeschraubt werden und nachgeschalteten Fotodioden erfaßt wird.
• Die Erfassung von physikalischen Vorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine über eine Lichtmessung hat jedoch unter bestimmten Randbedingungen den Flachteil, daß das Lichtsignal nicht unmittelbar zur Bestimmung des mittleren indizierten Drucks po verwendet werden kann, da das Lichtsignal die primär freigesetzte Energie darstellt, während der Druck im Brennraum eine Sekundärreaktion ist, die mechanisch genutzt wird.
• Die Differenz zwischen Licht und Druck entspricht dabei den Strahlungsverlusten an die Wand des Brennraums. Der mittlere indizierte Druck Pi entspricht dem mittleren Drehmoment pro Zyklus der Brennkraftmaschine und ist damit eine geeignete Meßgröße für die Optimierung des Zündzeitpunktes der Brennkraftmaschine hinsichtlich der Erzielung eines maximalen Drehmomentes. Zur Realisierung von selbstoptimierenden Zündanlagen kann es daher unter bestimmten Betriebsbedingungen erforderlich werden, über eine reine Lichtmessung hinaus, die insbesondere die Erkennung und Erfassung von irregulären Verbrennungen und der Verbrennungsausweitung gestattet, eine exakte Erfassung des Brennraumdruckes vorzusehen.
• Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dal; rch h gl< z»»itige Vlsrwerldllrlg einen. Lichtsensors und eines Drucksensors die geschilderten Phänomene umfassend erfaßt werden können. Der Lichtsensor ist dabei in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, daß er auf höherfrequente Signale anspricht, während der Drucksensor für den niederfrequenten Bereich ausgelegt ist, so daß er dem allgemeinen Druckverlauf im Brennraum gut folgen kann und eine Messung des mittleren induzierten Druckes Pi möglich wird, während andererseits die eher im höherfrequenten Bereich liegenden Klopfschwingungen vom Lichtsensor erfaßt unc verarbeitet werden.
• Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat dabei den weiteren Vorteil, daß das Druckmeßteil im brennraumabgewandten, d.h. kälteren Teil des Sensors untergetracht werden kann, wodurch das Druckmeßteil nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
• Weiterhin bietet die gleichzeitige Messung zweier physikalischer Parameter den Vorteil, daß redundante Messungen möglich sind, weil jedes der beiden Meßsysteme die Parameter des anderen Meßsystems wenigstens näterungsweise mit erfaßt, so daß zusätzlich eine Prüfung möglich ist, ob ein Meßsystem ausgefallen ist oder nicht.
• Weiterhin können Zündaussetzer optisch erkannt werden und dieses Wissen für eine gleichzeitige Überprüfung der Kompression des aussetzenden Zylinders genutzt werden, indem beispielsweise der Druck im oberen Totpunkt bzw. das Integral des Druckes über den Kolbenweg mit einem Sollwert verglichen wird.
• Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines kombinierten Licht/Druck-Sensors.
• Beschreibung des Ausführungsbeispieles In der Figur ist mit 1 ein zündkerzenartig ausgebildetes Gehäuse bezeichnet, das mit einem üblichen Gewinde in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden kann. Das Gehäuse 1 weist im vorderen Teil eine metallische Fassung 2 auf, die einen durchsichtigen Glaskörper 3 umschließt, dessen eine Stirnfläche bei eingebautem Sensor dem Brennraum zugewandt ist. An der brennraumabgewandten Seite des Glaskörpers 3 liegt ein Druckmeßteil 4, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein piezoelektrischer Ring kraftschlüssig an, wobei zwischen dem Druckmeßteil 4 und dem Glaskörper 3 der Kragen einer Kontakthülse 6 angeordnet ist, die sich durch das als Ring ausgebildete Druckmeßteil 4 hindurch zur brennraumabgewandten Seite des Sensors hin erstreckt. In die Kontakthülse 6 ist ein Lichtleitfaserkabel eingeführt, das im Bereich der Kontakthülse 6 aus von einer Hülse 9 umgebenen Lichtleitfasern 7 besteht, die in ein Kabel 8 einmünden, wobei die Lichtleitfasern 7 im Kabel 8 von einem Metallgewebe 10 umgeben sind, das seinerseits von einem Isolationsmantel 11 und einem Metallschlauch 12 umgeben ist. Der Metallschlauch 12 weist im Bereich des Sensors ein Überwurfteil 13 auf, das mit einem bajonettartigen Verschluß an das Gehäuse 1 anschließbar ist, wobei es mit Stiften 17 in dem Gehäuse 1 einrastet.
• Im eingebauten Zustand fällt, wie in der Zeichnung angedeutet, von links Licht in den Sensor hinein und wird durch den durchsichtigen Glaskörper 3 und durch das als Rii.g ausgebildete Druckmeßteil 4 hindurch in die Lichtleitfasern 7 geleitet. Gleichzeitig wird vom Brennraum eir mechanischer Druck auf den Glaskörper 3 ausgibt, der über den Kragen der Kontakthülse 6 auf das Druckme£teil 4 übertragen wird. Die an den beiden Stirnflächen des als piezoelektrischer Ring ausgebildeten Drckmeßteils 4 durch Druckeinwirkung auftretenden Signalspannungen werden einmal von der Kontakthülse 6 und zum anderen von einem an der entgegengesetzten Stirnfläche angeordneten und mit dem Druckmeßteil in elektrischer Verbindung stehenden Bördelteil 5 abgenormen, das über die Stifte 14 mit dem Überwurfteil 13 und damit dem Metallschlauch 12 in Verbindung steht.
• Diese zuletzt genannte Verbindung stellt damit die Masseverbindung dar, während das Signal über die Kontakthülse 6, die Hülse 9 und das Metallgewebe 10 zu einem in der Zeichnung nicht dargestellten Auswertegerät weitergeleitet wird.

Claims (3)

1. Ansprüche 1. Sensoranordnung zur Erfassung von physikalischen Vorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem dem Brennraum zugewandten, in einem vorzugsweise zündkerzenartig ausgebildeten Gehäuse angeordneten Lichtleiter, insbesondere nach Patentanmeldung P 30 01 711.9 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein dem Brennraumdruck ausgesetztes Druckmeßteil (4) im Gehäuse (1) angeordnet ist.
2. 2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter als brennraumseitig angeordneter stabförmiger Glaskörper (3) und das Druckmeßteil (4) als kraftschlüssig zu diesem auf dessen brennraumabgewandter Seite angeordneter piezokeramischer Ring ausgebildet ist.
3. 3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Glaskörper (3) ein flexibler Lichtleiter angeschlossen ist, dessen Lichtleitfasern (7) im Gehäuse (1) von einer Kontakthülse (6) umgeben sind, die ihrerseits mit einem die Lichtleiterfasern (7) im übrigen Teil des Lichtleiters umgebenden Metallgewebe (10) verbunden ist, das von einem Isolationsmantel (11) und einem Metallschlauch (12) umgeben ist, wobei die Kontakthülse (6) an eine Seite des Druckmeßteiles (4) grenzt und dessen andere Seite mit dem Gehäuse (1) und damit dem Metallschlauch (12) in Verbindung steht.