DE3150114A1 - Device for precisely determining the ignition point of an internal combustion engine - Google Patents

Device for precisely determining the ignition point of an internal combustion engine

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Abstract

In order to simplify and reduce the cross-section of the coupler (1) for coupling in microwaves, and to couple out both the microwaves reflected in the combustion chamber and of the ignition light, use is made of a microwave frequency of at least 50 GHz, and the optical fibre (4) for the ignition light is also used to conduct the microwaves, a special microwave antenna being dispensed with. Arranged in the course of the optical fibre (4) is a light deflecting device (10) for directing the ignition light to a light sensor (11) arranged in the coupler (1). It is expedient, furthermore, for the microwave generator and receiver (7) to be arranged directly on the coupler (1), so that there is no need for coaxial cables between the latter and the microwave generator and receiver (7). <IMAGE>

Description

Einrichtung zur exakten Ermittlung des Zündzeitpunkts einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Einrichtung mit Erfassung des beim Zündvorgang auftretenden Zündlichts und insbesondere der OT-Stellung des Hubkolbens bietet die vorteilhafte Möglichkeit, die exakte "Lage" des Zündzeitpunkts bezüglich des oberen Totpunkts des Kolbens zu bestimmen, ohne Ungenauig keiten durch eine Zeitdifferenz zwischen Zündimpuls und Zündvorgang sowie durch Toleranzen hinsichtlich der OT-Markierung beispielsweise an der Schwungscheibe der Brennkraftmaschine in Kauf nehmen zu müssen. Device for the exact determination of the ignition point of an internal combustion engine The invention relates to a device according to the preamble of the patent claim 1. Such a device with detection of the ignition light occurring during the ignition process and in particular the TDC position of the reciprocating piston offers the advantageous possibility of the exact "position" of the ignition point in relation to the top dead center of the piston to be determined without inaccuracies due to a time difference between the ignition pulse and ignition process as well as through tolerances with regard to the TDC marking, for example to have to accept on the flywheel of the internal combustion engine.

Eine bekannte Einrichtung dieser Art verwendet zwecks einfacher Auswertung Mikrowellen mit einer Frequenz in der Größenordnung von 9 GHz, die außerdem an die individuelle Brennkraftmaschine angepaßt wird. Der Koppler enthält eine stab- oder drahtförmige metallene Antenne für die Einkopplung und Auskopplung der Mikrowellen innerhalb eines durch eine dünne Glas- oder Quarzhülse gebildeten Lichtleiters, dessen außerhalb des Zylinders liegendem freien Ende eine Fotodiode als Lichtsensor gegenüberliegt. Die Antenne mündet mit ihrem außerhalb des Zylinders befindlichen freien Ende in eine Kammer ein, an der neben dem genannten Sensor ein Mikrowellenanschluß vorgesehen ist. Zwischen einem ortsfesten Mikrowellensender und einem ebenfalls ortsfesten Mikrowellenempfänger (Zirkulator) erstrecken sich Koaxialkabel, während die Ausgangssignale des Lichtsensors über elektrische Leitungen in die Auswerteeinheit gelangen.A known device of this type is used for the purpose of simple evaluation Microwaves with a frequency of the order of 9 GHz, which are also sent to the individual internal combustion engine is adapted. The coupler contains a rod or Wire-shaped metal antenna for coupling and decoupling microwaves within a light guide formed by a thin glass or quartz sleeve, its free end lying outside the cylinder has a photodiode as a light sensor opposite. The antenna opens with its outside of the cylinder free end into a chamber on which, in addition to said sensor, a microwave connection intended is. Between a stationary microwave transmitter and a stationary one Microwave receivers (circulators) extend coaxial cables while the output signals of the light sensor reach the evaluation unit via electrical lines.

Der beschriebene Koppler mit Antenne und Lichtleiter wird bei einer Dieselmaschine in die Bohrung eingeschraubt, die für die Glühkerze vorgesehen ist. Damit sind die Querschnittsverhältnisse im Koppler begrenzt und es macht konstruktive Schwierigkeiten, eine Mikrowellenantenne und einen Lichtleiter hinreichenden Querschnitts im Koppler unterzubringen. Außerdem sind Koaxialkabel mechanisch empfindlich.The described coupler with antenna and light guide is at a Diesel engine screwed into the hole intended for the glow plug. This limits the cross-sectional ratios in the coupler and makes it constructive Difficulties, a microwave antenna and a light guide of sufficient cross-section to be accommodated in the coupler. In addition, coaxial cables are mechanically sensitive.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die ohne Abänderung sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmaschinen auch im rauhen Werkstattbetrieb einsetzbar ist und die beengten Querschnittsverhältnisse im Koppler besonders berücksichtigt.The invention is accordingly based on the object of a device to create according to the preamble of claim 1, both without modification Can also be used for both gasoline and diesel engines in rough workshop operation and the narrow cross-sectional ratios in the coupler are particularly taken into account.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.The inventive solution to this problem consists in the characterizing Features of claim 1.

Eib besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die gestellte Aufgabe mit sehr einfachen Mitteln gelöst wird: Durch die Verwendung einer höheren Mikrowellenfrequenz wird es grundsätzlich möglich, die Mikrowellen über einen Quarzstab relativ kleinen Querschnitts zu leiten, und zwar sowohl im Sinne der Einleitung der Mikrowellen in den jeweiligen Brennraum, z.B. Zylinder, als auch im Sinne der Ausweitung der reflektierten Mikrowellen, und durch Verzicht auf eine separate Mikrowellenantenne wird es möglich, als Lichtleiter (und Antenne) im Koppler einen Quarzstab mit einem Durchmesser vorzusehen, der einerseits leicht herstellbar und andererseits für die Lichtleitung ausreichend ist.Eib particular advantage of the invention is to be seen in the fact that the asked Task is solved with very simple means: By using a higher In principle, it is possible to use the microwave frequency to transmit the microwaves using a quartz rod to conduct a relatively small cross-section, both in terms of the introduction of the microwaves in the respective combustion chamber, e.g. cylinder, as well as in the sense of Expansion of the reflected microwaves, and by doing without a separate microwave antenna it becomes possible to use a quartz rod as a light guide (and antenna) in the coupler with a Provide diameter that is easy to manufacture on the one hand and on the other hand for the Light guide is sufficient.

Die Patentansprüche 2 bis 7 schützen verschiedene vorteilhafte Ausbildungen des Kopplers im Bereich der Licht-Umlenkvorrichtung.Claims 2 to 7 protect various advantageous designs of the coupler in the area of the light deflection device.

Im folgenden werden zur Erläuterung der Erfindung drei verschiedene Ausführungsmöglichkeiten des Kopplers anhand der Zeichnung erläutert, deren Figuren senkrechte Mittelschnitte durch die Koppler darstellen.In the following three different ones are used to explain the invention Possible embodiments of the coupler explained with reference to the drawing, the figures represent vertical center sections through the coupler.

Eine figürliche Darstellung und eingehende Erläuterung der gesamten Einrichtung zur Ermittlung des Zündzeitpunkts erübrigt sich an dieser Stelle, da die übrigen Einzelheiten an sich Stand der Technik sind. Die einzige in diesem Zusammenhang relevante Abänderung besteht darin, daß bei der Erfindung e';;ne ebch höhere Frequenz als beim Stand der Technik, nämlich oberhalb 50 GHz, Verwendung findet und der Mikrowellengenerator entsprechend ausgelegt sein muß. Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß die Einrichtung in der Regel, wie ebenfalls bekannt, einen optischen oder magnetischen Kurbelwellenstellungs-Sensor enthält, der Markierungen an der Schwungacheibe erfaßt und daraus ein die jeweilige Kurbelwellenstellung (Kurbelwinkel) wiedergebendes Impulssignal an-die Auswerteeinheit liefert.A figurative representation and detailed explanation of the whole Device for determining the ignition point is unnecessary at this point because the other details are state of the art per se. The only one in this context relevant modification is that in the invention e ';; ne ebch higher frequency than in the prior art, namely above 50 GHz, is used and the microwave generator must be designed accordingly. In addition, it should be noted that the facility usually, as is also known, an optical or magnetic crankshaft position sensor contains, the marks on the Schwungacheibe detected and from it a respective Pulse signal reproducing the crankshaft position (crank angle) to the evaluation unit supplies.

Den Kern der Erfindung bildet die Ausführung des Kopplers, für die, wie gesagt, im folgenden drei Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert werden. Wenn dabei der Mikrowellenanschluß stets auf der Achse des Lichtleiters und der Lichtsensor seitlich gezeichnet sind, bedeutet dies keine Beschränkung der Erfindung, sondern ist ebenfalls als Beispiel zu sehen.The core of the invention is the design of the coupler for which, As I said, in the following three exemplary embodiments are explained with reference to the figures will. If the microwave connection is always on the axis of the light guide and the light sensor are drawn laterally, this does not imply any limitation of the Invention, but is also to be seen as an example.

Gemeinsam ist allen Ausführungsbeispielen, daß sie sowohl für Dieselals auch für Ottomaschinen (Hub- oder Drehkolbenmaschinen) Einsatz finden können, da der-Querschnitt der Koppler so klein ist, daß sie sowohl in Glühkerzenbohrungen als auch -ggf. unter Verwendung eines Zwischenadap ters- in Zündkerzenbohrungen eingesetzt werden können.All the exemplary embodiments have in common that they are suitable for both diesel and can also be used for gasoline engines (reciprocating or rotary piston engines) because the cross-section of the coupler is so small that it can be used in both glow plug bores as well as -gf. using an intermediate adapter in spark plug holes can be used.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so enthält der Koppler 1 das Gehäuse 2, das mittels des Gewindes 3 in die Glüh- bzw. Zündkerzenbohrung des jeweils interessierenden Maschinenzylinders eingeschraubt ist, den auch als Mikrowellen-Antenne dienenden Lichtleiter 4, der durch einen Quarzstab mit einer umgebenden Metallhülse 5 ausgebildet ist, sowie den in Fortsetzung der Achse 6 des Lichtleiters 4 festgelegten Mikrowellengenerator und -empfänger 7 an sich bekannten Aufbaus. Die demgemäß dem in der Figur oberen, außerhalb des zu untersuchenden Zylinders liegender, Ende des Lichtleiters 4 gegenüberliegende dffnung stellt den Mikrowellenanschluß 8 dar Die Mikrowellen gelangen demgemäß ungehindert vom Generator in den Lichtleiter 4 sowie von diesem in den Empfänger. Zwischen der Generator-Empfänger-Einheit 7 und einer Spannungsversorgung sowie der figürlich nicht dargestellten, da an sich bekannten Auswerteeinheit erstrecken sich demgemäß einfache elektrische Leitungen 9 und keine Koaxialkabel.Looking first at Fig. 1, the coupler 1 contains the housing 2, which by means of the thread 3 in the glow or spark plug bore of the respective interested Machine cylinder is screwed, also serving as a microwave antenna Light guide 4, which is formed by a quartz rod with a surrounding metal sleeve 5 is, as well as the defined in continuation of the axis 6 of the light guide 4 microwave generator and recipients 7 structure known per se. According to the in the upper end of the figure, lying outside the cylinder to be examined The opening opposite the light guide 4 represents the microwave connection 8 Accordingly, microwaves reach the light guide 4 as well as unhindered from the generator from this to the recipient. Between the generator-receiver unit 7 and a Power supply as well as that not shown figuratively, as known per se Evaluation unit accordingly extend simple electrical lines 9 and none Coaxial cable.

Als Licht-Umlenkvorrichtung (Frequenzweiche) dient in diesem Ausführungsbeispiel die Unterbrechung 10 im Lichtleiter 4 in Höhe des den Lichtsensor bildenden Fototransistors 11, dessen Ausgangssignale über elektrische Leitungen 12 der Auswerteeinheit zugeführt werden. Die Unterbrechung 10 stellt einen ebenen Spiegel dar, dessen Ebene mit der Achse 6 des Lichtleiters 4 in diesem Ausführungsbeispiel einen Winkel von 450 bildet, da die Achse 13 des Fototransistors 11 mit der Lichtleiterachse 6 einen rechten Winkel bildet. Während also die Mikrowellen in beiden Richtungen die Unterbrechung 10 praktisch unbeeinflußt durchsetzen, erfolgt an dieser Stelle in einem solchen Maße eine Umlenkung des Zündlichts in Richtung auf den Fototransistor 11, daß dieser ausreichend starke Ausgangssignale abgibt.The light deflecting device (crossover network) is used in this exemplary embodiment the interruption 10 in the light guide 4 at the level of the phototransistor forming the light sensor 11, the output signals of which are fed to the evaluation unit via electrical lines 12 will. The interruption 10 represents a flat mirror, the plane of which with the The axis 6 of the light guide 4 in this embodiment forms an angle of 450, since the axis 13 of the phototransistor 11 is right with the light guide axis 6 Angle forms. So while the microwaves in both directions make the interruption 10 enforce practically unaffected, takes place at this point in such a Measure a deflection of the ignition light in the direction of the phototransistor 11 that this emits sufficiently strong output signals.

Zwischen Umlenkvorrichtung 10 und Fototransistor 11 ist die Metallhülse 5 mit der gleichsam ein Fenster bildenden Ausnehmung 14~versehen, die ebenso wie der Zwischenraum zwischen Fototransistor 11 und Lichtleiter 4 mit einem Material, wie Wasserglas 15, ausgefüllt sein kann, das unerwünschte Lichtreflexionen vermeidet.The metal sleeve is between the deflection device 10 and the phototransistor 11 5 with the recess 14 ~ forming a window, as it were, which, like the space between phototransistor 11 and light guide 4 with a material, such as water glass 15, can be filled, which avoids unwanted light reflections.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bildet das Gehäuse 20 die freie Kammer 21, die in Fortsetzung der Achse 22 des Lichtleiters 23 wieder den Mikrowellenanschluß 24 im Bereich des Mikrowellengenerators und -empfängers 25 und unter einem Winkel von 900 gegen die Lichtleiterachse 22 den Lichtsensor 26 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Licht-Umlenkvorrichtung nicht durch eine Unterbrechung des Lichtleiters 23 gebilde, sondern durch schräge Ausführung seines in der Kammer 21 in Höhe des Lichtsensors 26 liegenden freien Endes 27. Dieses Ende bildet eine Ebene, die in diesem Ausführungsbeispiel wieder einen Winkel von 450 mit der Lichtleiterachse- 22 bildet.In the embodiment of FIG. 2, the housing 20 forms the free Chamber 21, which continues the axis 22 of the light guide 23 again the microwave connection 24 in the area of the microwave generator and receiver 25 and at an angle of 900 against the light guide axis 22 has the light sensor 26. In this embodiment the light deflecting device is not due to an interruption of the light guide 23 structures, but by slanting his in the chamber 21 at the level of the light sensor 26 free end 27. This end forms a Plane, which in this embodiment again forms an angle of 450 with the light guide axis 22 forms.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplers mit integrierter Zündkerze sowie eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Licht-Umlenkvorrichtung.Fig. 3 shows an embodiment of the coupler according to the invention integrated spark plug and another design option for the light deflection device.

Wiederum enthält der Koppler ein eine Kammer 30 bildendes Gehäuse 31 mit einem rohrförmigen Fortsatz 32, der den den Lichtleiter 33 bildenden Quarzstab dicht umschließt. Mit seinem oberen Endbereich befindet sich der Lichtleiter 33 in der Kammer 30 und ist dort bei 34 unter einem rechten Winkel in Richtung auf den Fototransistor 35 abgebogen, so daß dort das aufgefangene Zündlicht zum Fototransistor umgelenkt wird. Die reflektierten Mikrowellen gelangen dagegen durch die Kammer 30 zum Mikrowellenanschluß 36, der in Fortsetzung der Achse 37 des Lichtleiters 33 liegt, und damit zur Generator-Empfänger-Einheit 38. Entsprechend treten die vom Generator erzeugten Mikrowellen im Bereich der Umlenkvorrichtung 34 in den Lichtleiter 33 ein und werden von diesem in den Brennraum geleitet.Again, the coupler includes a housing forming a chamber 30 31 with a tubular extension 32, which the quartz rod forming the light guide 33 tightly encloses. The light guide 33 is located with its upper end region in chamber 30 and is there at 34 at a right angle in the direction of the phototransistor 35 bent so that there the intercepted ignition light to the phototransistor is diverted. The reflected microwaves, on the other hand, pass through the chamber 30 to the microwave connection 36, which is a continuation of the axis 37 of the light guide 33 lies, and thus to the generator-receiver unit 38. Correspondingly, the Microwaves generated by the generator in the area of the deflecting device 34 into the light guide 33 and are fed from this into the combustion chamber.

Als wesentliche Bestandteile enthält die in diesen Koppler integrierte Zündkerze die metallene Einschraubhülse 39, die die Elektrode 40 trägt und unter Herstellung einer Massenverbindung in die übliche Zündkerzenbohrung der Maschine eingeschraubt werden kann, sowie die ebenfalls eine Elektrode 41 tragende Hülse 42, die innerhalb der Gewindehülse 39 gegen diese durch die Isolierhülse 43 elektrisch isoliert uerläuft und den Lichtleiter 33 nebst hülsenförmigem Fortsatz 32 und Isolierzwischenlage 44 dicht umschließt. Die Möglichkeit der Unterbringung auch dieser zur Bildung der Zündkerze erforderlichen Teile in dem Koppler wird durch den Verzicht auf eine metallene Mikrowellenantenne und die Verwendung einer höheren Frequenz, die auch kleinere Leiterquerschnitte zuläßt, gegeben.The integrated in this coupler contains the essential components Spark plug the metal screw-in sleeve 39 which carries the electrode 40 and below Establishing a ground connection in the usual spark plug bore of the machine can be screwed in, as well as the sleeve also carrying an electrode 41 42, which within the threaded sleeve 39 against this through the insulating sleeve 43 electrically insulated overflows and the light guide 33 together with the sleeve-shaped extension 32 and insulating intermediate layer 44 tightly encloses. The possibility of accommodating this too for the formation of the Spark plug required parts in the coupler is made by dispensing with a metallic one Microwave antenna and the use of a higher frequency, the smaller also Conductor cross-sections, given.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE Einrichtung zur exakten Ermittlung des Zündzeitpunkts einer Brennkraftmaschine mit einem Mikrowellengenerator, einem Mikrowellenempfänger sowie einem mit beiden in mikrowellenleitender Verbindung stehenden, in die Glüh- bzw. Zündkerzenbohrung im betreffenden Maschinenzylinder einsetzbaren Koppler, der eine Mikrowellenantenne für das Ausstrahlen der Mikroweilen in den Brennraum und das Auffangen der vom Brennraum reflektierten Mikrowellen und einen gestreckten Lichtleiter nebst Lichtsensor für das beim Zündvorgang auftretende Zündlicht enthält, und mit einer sowohl dem Mikrowellenempfänger als auch dem Lichtsensor nachgeschalteten Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (7) für eine Frequenz oberhalb etwa 50 GHz ausgelegt ist, der Lichtleiter (4) einen derart bemessenen Querschnitt besitzt, daß er zugleich als Mikrowellenleiter die Antenne bildet, und daß Mikrowellengenerator und -empfänger im Bereich eines Mikrowellenanschlusses (8) unmittelbar an den Koppler (1) angesetzt sind. PATENT CLAIMS Device for the exact determination of the ignition point an internal combustion engine with a microwave generator, a microwave receiver as well as one with both in microwave-conducting connection, in the annealing or spark plug hole in the relevant machine cylinder coupler that can be used a microwave antenna for radiating the microwaves into the combustion chamber and collecting the microwaves reflected by the combustion chamber and a stretched one Contains light guide and light sensor for the ignition light that occurs during the ignition process, and with a downstream of both the microwave receiver and the light sensor Evaluation unit, characterized in that the microwave generator (7) for one Frequency is designed above about 50 GHz, the light guide (4) such a dimensioned Has cross-section that it forms the antenna at the same time as a microwave conductor, and that microwave generator and receiver in the area of a microwave connection (8) are attached directly to the coupler (1). 2. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenanschluß (83 am Koppler (1) ion Verlängerung der Achse (6) des Lichtleiters (4) liegt. 2. - Device according to claim 1, characterized in that the Microwave connection (83 on the coupler (1) ion extension of the axis (6) of the light guide (4) lies. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Koppler (1) außerhalb des jeweiligen Brennraums im Wege des Lichtleiters (4) eine nur das Zündlicht zu dem seitlich angeordneten Lichtsensor (11) lenkende Licht-Umlenkvorrichtung (10) angeordnet ist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that in the coupler (1) outside the respective combustion chamber by way of the light guide (4) a light deflecting device that only directs the ignition light to the laterally arranged light sensor (11) (10) is arranged. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Umlenkvorrichtung durch eine schräg zur Lichtleiterachse (6) verlaufende, ebene Unterbrechung (10) des Lichtleiters (4) gebildet ist.4. Device according to claim 3, characterized in that the light deflecting device by a flat interruption (10) running at an angle to the light guide axis (6) of the light guide (4) is formed. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Umlenkvorrichtung durch eine schräg zur Lichtleiterachse (22) verlaufende, ebene freie Endfläche (27) des Lichtleiters (23) gebildet ist.5. Device according to claim 3, characterized in that the light deflecting device by a flat, free end surface (27) running at an angle to the light guide axis (22) of the light guide (23) is formed. 6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Umlenkvorrichtung durch eine in einer Kammer (30), in die auch der Mikrowellenanschluß (36) einmündet, liegende Krümmung (34) des Lichtleiters (33) gebildet ist, die zumindest in Richtung auf den Mikrowellenanschluß (36) frei von Mikrowellen reflektierenden Belägen ist.6. Device according to claim 3, characterized in that the light deflecting device through one in a chamber (30) into which the microwave connection (36) also opens, lying curvature (34) of the light guide (33) is formed, at least in the direction on the microwave connection (36) is free of coatings that reflect microwaves. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Koppler eine Zündkerze integriert ist, die durch eine metallene Einschraubhülse (39), die eine Elektrode (40) trägt, und eine gegen diese isolierte metallene Hülse (42), die ebenfalls eine Elektrode (41) trägt und innerhalb der Einschraubhülse (39), aber den Lichtleiter (33) umschließend, liegt, gebildet ists7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that a spark plug is integrated into the coupler, which is connected by a metal screw-in sleeve (39) which carries an electrode (40) and a metal sleeve insulated from it (42), which also carries an electrode (41) and inside the screw-in sleeve (39), but enclosing the light guide (33), lies, is formed
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