DE3106993A1

DE3106993A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE3106993A1
Application number: DE19813106993
Authority: DE
Inventors: Horst 7121 Löchgau Franke; Ernst Dipl.-Ing. 7130 Mühlacker Linder; Winfried Dipl.-Ing. 7145 Markgröningen Moser; Klaus Dr.-Ing. 7146 Tamm Müller; Franz 7080 Aalen Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1981-02-25
Publication date: 1982-09-09

Description

Sensoranordnung
Stand der Technik.
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung sind nur scheinbar kontinuierlich arbeitende Maschinen. Zwar sind Drehmoment und Drehzahl quasi kontinuierliche Ausgangsgrössen, sie werden jedoch durch eine-schnelle Aufeinanderfolge von Einzelprozessen erzeugt.
Im Zuge der Optimierung des Betriebes von Br.ennkraftmaschinen, insbesondere im Hinblick auf eine Verminderung des Treibstoffverbrauches ist es daher erforderlich, diese Zusammenhänge im einzelnen zu erfassen, um über die Beeinflussung des Einzelprozesses den Gesamtprozeß in der gewünschten Weise beeinflussen zu können.
Voraussetzung hierzu ist die Ermittlung dei Zustande im Inneren der Brennkraftmaschine. Typische Zuitandsgröf3ti sind dabei Druck und Temperatur, die im Falle .des idealen Gases den Gesamtzustand angeben. Zwar wird der Betrieb) von Motoren mit innerer Verbrennung wesentlich auch von chemischen Prozessen und Stoffveränderungen bestimmt, so daß dieser Betrieb nicht global mit Druck und Tempenatur beschreibbar ist, dennoch gibt die Beobachtungvon Druck und Temperatur ausreichende Auskunft über die Veränderungen der Zustandsgrößen über den Motorzyklus.
Dabei ist es bekannt, im Brennraum einer Brennkraftmaschine die Erfassung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des Verbrennungsvorganges, die Erfassung des Zündzeitpunktes, die Erfassung von Einspritzvorgängefl sowie die Ausmessung von irregulären Verbrennungen vorzunehmen.
Zu diesen irregulären Verbrennungen gehört auch das sogenannte Klopfen, das bei Brennkraftmaschinen unter bestimmten Arbeitsbedingungen auftritt. Man versteht hierunter.ton-frequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoßwelle ausgeiöst 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 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 O1 969 ein Sensor bekannt, bei'dem mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingelementes als Biegeschwinger ein resonantes System gebildet wird, das das 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 aus der Meßtechnik bekannt, den Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine mit optischen Mitteln zu beobachten und zu messen. So ist beispiels weise 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.
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 kalorimetrische Analyse des Kraft stoff-Luft-Gemisches durchzuführen.
Die bekannten Vorrichtungen haben jedoch den'Nachteil, dald nur Messungen an jeweils einem Brennraum möglich sind, was insbesondere dann zu Fehlmessungen führen kann, wenn die mehreren Brennräume einer Brennkraftmaschine unterschiedlichen Alterungs- und Betriebsbedingungen unterliegen.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß eine simultane.Beobachtung mehrerer Brennräume einer Brennkraftmaschine möglich ist, wobei die von den Brennräumen abgeleiteten Signale in einem Auswertgerät zusammengefaßt und in diesem den einzelnen Brennräumen zugeordnete Signale oder ein Sammelsignal gebildet wird.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden dabei Einzelsignale dadurch gewonnen, daß an die den Brennräumen zugeordneten optischen Aufnehmer Lichtleiter angeschlossen sind, die für jeden Brennraum getrennt mit dem Auswertgerät verbunden sind.
Zur Bildung eines Mischsignales werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Lichtleiter zusammengefaßt, vorzugsweise durch gleichmäßige Vermischung von die Lichtleiter bildenden Glasfasern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können jedoch aus diesem Sammelsignal wiederum Einzelsignale gebildet werden, indem eine Zeitsteuerung vorgesehen ist, die aus dem Sammelsignal die zeitlich nacheinsnder auftretenden Einzelsignale ausfiltert.
Auf der anderen Seite. kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus den Einzelsignalen ein Sammelsignal gebildet werden, in dem fotoempfindliche Elemente entweder direkt an den brennraumseitigen Aufnehmern oder am Ende'der einzelnen Lichtleiter angeordnet sind und die Ausgangssignale dieser Elemente zusammengefaßt werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird eine Zeitsteuerung verwendet, die Meßfenster bildet, so daß die Brennräume nur in einem bestimmten Zeitintervall beobachtet werden, indem vorzugsweise das Nutzsignal und wenig Störsignale auftreten.
Schließlich ist erfindungsgemäß eine Prüfeinrichtung vorgesehen, durch.die in die verwendeten Lichtleiter ein Reterenzlicht von der Brennkraftmaschine zum Auswertegerät hin.eingespeist wird, um die Funktion der Lichtleiter und der im Auswertgerät angeordneten lichtempfindlichen Elemente zu überprüfen.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung; Figur 2a und'b eine Schnittzeichnung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Steckeinheit für Lichtleiter; Figur 3 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Steckeinheit für Lichtleiter; Figur 4 eine Scheibe zum Ausblenden der von der Anordnung gemäß Figur 3 gelieferten Signale; Figur 5 eine weitere Lichtleiteranordnung zur Bildung eines Sammelsignales; Figur 6 eine Scheibe zur zeitlichen Ausblendung von Signalen bei der Anordnung gemäß Figur 5; Figur 7 eine shematisdhe Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit der Möglichkeit'zur Einblendung von Referenzlicht; Figur 8 eine Prinzipdarstellung einer Schaltungsanordnung zur Gewinnung eines Sammelsignales bzw. von Einzelsignalen aus zusammengeschalteten lichtempfindlichen Elementen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Wie bereits eingangs erwähnt, ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, mehrere Brennräume'einer Brennkraftmaschine zu beobachten. Hierzu werden den einzelnen Brennräumen zugeordnete Einzelsignale bzw. ein Sammelsignal gebildet, das sich aus einer Mischung der Einzelsignale ergibt.
Dabei werden zunächst immer optische Einzelsignale an den einzelnen Brennräumen gewonnen und diese Einzelsignale entweder optisch an ein Auswertgerät weitergeleitet oder direkt am Brennraum in elektrische Signale umgewandelt.
Diese.optischen oder elektrischen Einzelsignale können einmal im Auswertgerät einzeln ve.rarbe'itet werden, sie können jedoch auch vor dem Auswertgerät oder im Auswer;tgerät optisch oder elektrisch zusammengefaßt werden, so daß ein optisches oder elektrisches Sammelsignal entsteht. Aus diesem Sammelsignal können wiederum durch geeignete Zeitsteuerungen Einzelsignale gewonnen werden.
-In Figur' 1 sind mitra, b, c, d Brennräume in einem Motorblock 2 bezeichnet. An den Brennräumen 1a,-b, c, d befinden sich Fenster 3a, b, c, d, an die optische Aufnehmer 4a, b., c, d angeschlossen sind. Von den optischen Aufnehme.rn 4a, b, c, d führen Lichtleiter 5a, b, c, d zu einem gemeinsamen Lichtleiterstamm 6, der in..eine Steckeinheit 7 eines Auswertgerätes 8 mündet. Die Zusammenfasu der Lichtleiter 5a, b, c, d im Lichtleiterstamm 6 erfolgt dabei in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in der Weise, daß die den einzelnen Brennräumen la, b, c, d zu-.
geordneten Lichtleiter 5a, b, c, d voneinander getrennt bleiben und Vorrichtungen zugeführt werden, wie sie in.
den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt sind. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Lichtleiter 5a, b, c, d hingegen miteinander vermischt, vorzugsweise dadurch, daß die Lichtleiter 5a, b, c, d bildende Lichtleitfasern gleichmäßig miteinander vermischt werden, so daß auf optischem Wege ein Sammelsignal im Lichtleiterstamm 6 entsteht, daß in Vorrichtungen gemäß den Figuren 5 und 6 ausgewertet wird.
Im erstgenannten Fall führt der Lichtleiter.stamm 6 zu einer Steckeinheit 7, die mit einer Überwurfmutter.9 auf ein entsprechendes Aufnahmegewinde des Auswertgerätes 8 aufschraubbar ist. Die einzelnen Lichtleiter 5a, b, c, d sind dabei von einer Hülse 11 umgeben, die in eine Gehäusebohrung 12 des Auswertgerätes 8 einführbar ist, wobei ein Stift 13 in einer Längsnut 14 für eine lagedefinierte .Einführung des Lichtleiterstammes 6 in das Auswertgerät 8 sorgt. Den Lichtleitern 5a, b, c, d in der Steckeinheit 7 ist im Äuswertgerät 8 eine Matrix 15 von lichtempfindlichen Elementen 16a, b, c, d zugeordnet, wii dies aub' Figur 2b ersichtlich.wird. Wie bereits erwähnt, sorgt der Stift 13 mit der Längsnut 14 dafür, daß-j-e ein lichtempfindliches Element 16a, b, c, d der Matrix 15 über die Lichtleiter 5a, b, c, d einem bestimmten Brennraum 1a, b, c, d der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
Aus den Signalen der lichtempfindlichen Elemente 16a, b, c, d können entweder den einzelnen Brennräumen 1a, b, c, d zugeordnete Einzelsignale gewonnen werden, es kann jedoch auch - wie weiter unten zu Figur 8 erläutert - ein Sammelsignal gebildet werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei dem in Figur 1 angedeuteten 4-Zylinder-Motor die Lichterscheinung jedes Einzelzylinders etwa 70 bis 800 KW anhält und da serielle Durchzünden der Zylinder zu einer seriellen Lichtausstrahlung führt, so daß sich die Einzelsignale zeitlich nicht überlappen. Es ist daher möglich, aus den Einzelsignalen der Elemente 16a, b, c, d oder einem Sammelsignal durch eine geeignete Abfrageeinheit die Einzelsignale zu gewinnen und nacheinander seriell zu verarbeiten.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der eine flache Steckeinheit 17 Verwendun, findet Dabei münd.en die Lichtleiter 5a, b, c, d nebeneinander in der Steckeinheit 17 aus. Eine Anordnung gemäß Figur 3 läßt sich vorteilhaft dann verwenden, wenn die Abnahme der von den einzelnen Lichtleitern 5a, b, c, d gelieferten Signale nur in bestimmten Zeitbereichen (sogenannten Meßfensterm) - getrennt für jeden Brennraum la, b, c, d - erfolgen soll. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine Anordnung gemäß Figur 4 verwendet. Diese Anordnung besteht aus einer Scheibe 19, die synchronisiert mit der Kurbelvelle der Brennkraftmaschine umläuft. In der Scheibe 19 sind Ausbrüche 21a, b, c, d in der Weise angeordnet, daß jeweils ein Ausbruch einer Ailsmündung eines Lichtleiters 5a, b, c, d zugeordnet ist, wie dies aus Figur h ohne weiteres ersichtlich wird. Die periphere Länge der AubrüFie 21a, b, c, d ist dabei so bemessen, daß bei Drehung der Scheibe 19 jeder Lichtleiter 5a, b, c, d für die gleiche Zeit freigegeben wird. Befindet sich die Steckeinheit 17 auf der einen Seite der Scheibe 19, sind auf der anderen-Seit.e der Scheibe 19 vier lichtempSindliche Elemente angebracht und zwar in der radialen Lage bezogen auf die Achse der Scheibe 19, die den Ausbrüchen 21a', b, c, d entspricht. Durch diese Anordnung wird in die lichtempfindlichen Elemente bei Drehung der Scheibe 19 von den Lichtleitern 5, b, c, d ein Signal während eines vorgegebenen Kurbelvellenwinkelbereiches für jeden Brennraum 1a, b, c, d getrennt übermittelt.
Wie bereits oben erwähnt, gibt es jedoch auch Anwendungsfälle, in denen es zweckmäßig ist, die von den Brennrärnen la, b, c, d gelieferten Einzelsignale z.unächst zusammenzufassen. Hierzu werden vorzugsweise die die Lichtleiter 5a, b, c, d bildenden Glasfasern im Lichtleiterstamm 6 gleichmäßig vermicht, wie dies in Figur 5 angedeutet ist.
Am Ende des Lichtleiterstammes 6 befindet sich zweckmäßigerweise eine Sammellinse 23, die die von den éinzelnen Lichtleitfasern gelieferten.Signale auf ein lichtempfindliches Element 18 bündelt. Will man auch in diesem Falle die Lichtsignale nur während eines bestimmten zeitlichen Meßfensters, d.h. eines vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereiches weiterleiten, wird zwischen die Sammellinse 23 und das lichtempfindliche Element 18 eine Scheibe 20 eingesetzt, wie sie in Figur 6 dargestellt ist. Die Funktion der Scheibe 20 entspricht dabei der Funktion., der Scheibe 19 in Figur 4 mit dem Unterschied, daß die in der Scheibe 20 vorgesehenen Ausbrüche-22a, b, c, d.sich nunmehr in derselben radialen Lage .befinden, da nur noch ein Sammelsignal bzw. ein lichtempfindliches Element 18 vorgesehen ist. Um auch in diesem Falle unterscheiden zu können, welcher Brennraum 1a, b, c, d gerade gemessen wird, ist auf der Scheibe 20 weiterhin eine Codierspur 24 angebracht, die in jedem der vier Quadranten der Scheibe 20 ein unterschiedliches Muster aufweist. Diese Codierspur 24 wird dann durch geeignete Abtastmittel erfaßt, so daß im Auswertgerät 8 eine korrekte Zuordnung der Aus brüche 22a, b, c, d zu den jeweiligen Brennräumen möglich ist. Insgesamt wird damit eine Trennung der Einzelsignale aus einem S,ammelsignal bewirkt und ein Meßfenster für die Einzelsignale vorgegeben.
Es versteht sich von selbst; daß die in den Figuren 4 und 6 dargestellten mechanischen Anordnungen zur Bildung eines Meßfensters nur beispielhaft dargestellt sind. Es ist selbstverstähdlich auch möglich, derartige zeitliche Meßfenster durch elektronische Schaltmittel (Multiplexer) zu realisieren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
In Figur 7 ist schließlich noch einmal eine Anordnung gemäß figur 1 dargestellt, bei der je(loch in Li'IiI,-leiter 5a, b, c, d Nebenäste 25a, b, c,-d geführt sind, die ihrerseits in einem Nebenstamm 26 zusammengefaßt sind, der in eine optischen Einrichtung 27 mündet, auf die eine Lichtquelle 28 einwirkt. Durch diese zusätzliche Einrichtung wird erfindungsgemäß in die Lichtleiter 5a, b, c, d ein Referenz-Lichtsignal eingeblendet, mit dem die Durchlässigkeit des Lichtleiterbaumes geprüft wird. In die Prüfung sind damit auch die Fenster 3a, b, c, d eingeschlossen und zwar dadurch, daß bei Anwesenheit eines Referenzsignales und Abwesenheit eines Einzelsignales d trauf geschlossen werden kann, daß beispieLsweile {1:3.s zugehörige Fenster verschmutzt ist.
Die oben im einzelnen dargestellten Ausführungen zur optischen Zusammenfassung oder Trennung der Einzelsignale läßt sich selbstverständlich analog auch auf die elektrische Zusammenfassung oder Trennung der Signale der lichtempfindliehen Elemente übertragen. Hierzu ist in Figur 8 eine Schaltungsr anordnung dargestellt, in der vier lichtempfindliche Elemente 16'a, b, c, d parallel geschaltet sind und auf einen Lastwiderstand RL arbeiten. An diesem Lastwiderstand fällt dann eine Meßspannung ab, die einem Summensignal entspricht, wie dies in der oben beschriebenen Weise auf optischem Wege durch Vermischung der Lichtleiter 5a, b, c, d gewonnen werden kann. Das Summensignal kann nun an einer Klemme 32 abgegriffen werden. Andererseits kann das Summensignal jedoch auch durch eine geeignete.Zeitsteuerung 30, etwa einen Multiplexer wiederum in Einzelsignale zerlegt werden, die an einer Klemme 31 abgenommen werden können Der Multiplexer 30 wird dabei an seinem Steuereingang von einem Signal beaufschlagt,.das mit der Kurbelwellendrehung synchronisiert ist. Die lichtempfindlichen Elemente 16'a, b, c, d können dabei direkt in den optischen Aufnehmern 4a; b, c, d angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich, die lichtempfindlichen Elemente 16a, b, c, d gemäß Figur 15.in der in Figur 8 dargestellten Weise zu verschalten.
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Claims

Ansprüche () Sensoranordnung zur Beobachtung von Brennräumen von Brennkraftmaschinen mit optischen Aufnehmern, insbesondere nach Patentanmeldung P 30 01 711.9, dadurch gekennzeichneS, daß eine Mehrzahl von optischen Aufnehmern (4a-d) n eiern mehreren Brennräumen (la-d) angeordnet sind, daß die von den Aufnehmern (4a-d) abgegebenen Signale einem Auswertgerät (8) zugeleitet werden und daß das Auswertgerät (8) eine Abfrageeinheit für die Signale der åeweiligen Brennraume (la-d) aufweist, durch die den einzelnen Brennräumen (la-d) zugeordnete Einzelsignale gebildet werden und/oder aus den Einzelsignalen ein Sammelsignal gebildet wird.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (4a-d) an Lichtleiter (5a-d) angeschlossen sind, die, für jeden Brennraum (1a-d) getrennt, mit dem Auswertgerät (8) verbunden sind und dort mit einem, eine Zuleitung aufweisenden lichtempfindlichen Element (16a-d, 16'a-d) in Wirkverbindung stehen.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1. oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter .(5a-d) zu einer Steckeinheit (17) geführt.sind, in der die Lichtleiter (5a-d) nebeteinander ausmünden, daß vor der Ausmündung der.Steckeinheit (17) eine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine synchronisiert umlaufende Scheibe (19) angeordnet ist, dit den einzelnen Lichtleitern zugeordnete Ausbrüche (21a-d) aufweist und daß hinter den Ausbrüchen (21a-d) je ein lichtempfindliches Element angeordnet ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1,-dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (4a-d) an Lichtleiter (5a-d) angeschlossen sind, die zusammengefaßt, vorzugsweise durch gleichmäßige Vermischung von die Lichtleiter (5a-d) bildenden Glasfasern, mit dem Auswertgerät (8j verbunden sind.
| Benoranordung nach Anßprucll 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Kurbelwellendrehung synchronisierte Zeitsteuerung in dem Auswertgerät (8) enthalten ist, die nach Art einer Torschaltung zeitliche Meßfenster zur Gewinnung von Einzelsignalen aus dem von den zusammengefaßten Lichtleitern (5a-d) gelieferten Sammelsignal bildet.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerung aus einer mit der Kurbelwelle synchronisiert umlaufenden Scheibe (1.9, 24) besteht, in der Iber dem UmSan-g verteilt Ausbrüche (22a-d) angeordnet sind und die sich zwischen einem Ende der zusammengefaßten Lichtleiter (5a-d) und einem lichtempfindlichen Element befindet.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Lichtleiter in Brennraumnähe ein Referenz-Lichtsignal in Richtung auf die Auswerteinheit (8) eingestrahlt wird.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (4a-d) lichtempfindliche L'lemente (16a-d') enthalten, deren Zuleitungen mit dem Auswertgerät (8-) verbunden sind.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen im Auswertgerät (8) zusammengefaßt werden und eine mit der Kurbelwellendrehung synchronisierte Zeitsteuerung in dem Quswertgerät (8) enthalten ist, die nach Art einer Zeitsteuerung (30) zeitliche Meßfenster zur Gewinnung von Einzeisignålen aus dem von den zusammengefaßten Lichtleitern (5a-d) gelieferten Sammelsignal bildet.