DE3700731C2 - Fühlervorrichtung zur Anbringung an eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fühlervorrichtung zur Anbringung an eine Verbrennungskraftmaschine und zur Erhaltung eines elektri­ schen Signals, das die Verbrennung von Brennstoff in einem Ver­ brennungsraum der Maschine anzeigt, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1, wie aus US 4 441 021 bekannt.

Es sind verschiedene Arten von Fühlervorrichtungen be­ kannt; z.B. gibt es strahlungsempfindliche Vorrichtungen, die auf die Strahlung ansprechen, die von dem brennenden Brennstoff abgegeben wird, druckempfindliche Vorrichtungen, die auf den Druckanstieg ansprechen, der in dem Verbrennungsraum aufgrund einer Zündung des Brennstoffes stattfindet, und ionisationsemp­ findliche Vorrichtungen, die auf die freien Ionen in der Flam­ menfront im Verbrennungsraum ansprechen.

Die vorliegende Erfindung ist mit strahlungsempfindflichen Vorrich­ tungen befaßt. Es ist bekannt, den Brennstoffverbrennungsvorgang im Maschinenverbrennungsraum durch ein Quarzfenster in der Wand des Verbrennungsraumes zu beobachten und auch zu fotografieren. Eine solche Beobachtung über eine ausgedehnte Dauer der Maschi­ nenbenutzung wird jedoch wegen des Niederschlages von Ruß am Fenster und wegen der möglichen Beschädigung der dem Verbren­ nungsraum zugewendeten Fensteroberfläche schwieriger. Es ist trotzdem möglich, hinter dem Fenster einen geeigneten Fühler anzuordnen, der für eine Anfangszeitspanne der Maschinen­ nutzung ein Signal abgibt, das dem Beginn der Verbrennung von Kraftstoff anzeigt.

Durch die US 4 461 170 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Fühler mit einer Brennstoff-Einspritzdüse verbunden ist, die Brennstoff in den Verbrennungsraum einbringt. Der Fühler ist mittels eines lichtübertragenden Pfades, der z.B. ein Bündel optischer Fasern umfaßt, mit einem brennstoffzuführen­ den Gang der Düse verbunden, von dem sich der Düsenauslaß weger­ streckt. Der Auslaß ist von dem Ventil der Düse gesteuert, so daß die Düse zusätzlich zu ihrer normalen Funktion wie ein Schal­ ter wirkt, um den Fühler und insbesondere das dem Fühler abge­ wandte Ende des lichtübertragenden Pfades von der Verbrennungs­ kammer außer bei der Zufuhr von Brennstoff zum Verbrennungsraum abzuschirmen. Die vorher beschriebenen Schwierigkeiten bezüglich Rußniederschlag und Beschädigung sind daher vermieden. Jedoch ist der Düsenauslaß äußerst schmal, so daß die auf den Lichtpfad gelangende Lichtmenge sehr klein ist; dies bedeutet, daß der Füh­ ler auf die kleine Lichtmenge ansprechen muß und die angeschlos­ senen Verstärker eine ausreichende Verstärkung erbringen müssen, damit eine wirksame Nutzung des Signals ermöglicht ist. Außerdem muß der lichtempfindliche Pfad gegen den sehr hohen Brennstoff­ druck abgedichtet sein, der in dem Brennstoff-Zufuhrgang während der Verbrennung des Brennstoffes herrscht.

Bei einer bekannten (US 4 441 021) Fühlervorrichtung der eingangs genannten Art ist die Dichtschicht nur zwischen dem fühlerseitigen Ende und einem Mittenbereich des Strahlungsleiters vorgesehen. Von diesem Mittenbereich bis zum Verbrennungsraum-Ende liegt der Strahlungsleiter unmittelbar an der Wandung des Rohrs an. Bei dem Dichtmaterial handelt es sich um ein hochtemperaturfestes Epoxy-Klebemittel, das durch gesonderte Dichtungseinrichtungen von den Verbrennungsgasen isoliert getrennt werden muß. Ein solches Epoxy-Klebemittel ist im ausgehärteten Zustand ein relativ starres, in sich steifes Material. Der aus Siliziumdioxidmaterial bestehende Strahlungsleiter ist also über seine gesamte Länge, d. h. an der gesamten, der Wand der Bohrung zugewendeten Oberfläche an dem Rohr starr bzw. steif gelagert bzw. abgestützt.

Der aus Siliziumdioxidmaterial bestehende Strahlungsleiter ist ein relativ zerbrechliches Element. Dieser Strahlungsleiter ist in die Wand des Verbrennungsraums einer Verbrennungskraftmaschine eingebaut. Die Verbrennungskraftmaschine überträgt im Betrieb auf den Strahlungsleiter ganz erhebliche Vibrationen und Stöße. Diese Vibrationen und Stöße können zu Brüchen des aus Siliziumdioxidmaterial bestehenden Strahlungsleiters führen.

Bei einer weiteren bekannten (US 4 493 208) Fühlervorrichtung der eingangs genannten Art ist ein Mikrowellenleiter in einem Strahlungsleiter-Rohr angeordnet. Der Mikrowellen­ leiter besteht aus einer Legierung von Chrom und Nickel und der Strahlungsleiter besteht aus Siliziumdioxidmaterial. Der Mikrowellenleiter ist mit der gesamten der Wand der Bohrung des Strahlungsleiter-Rohrs zugewendeten Oberfläche an den Strahlungsleiter geklebt. Der Kleber ist flexibel und ein Acryl. Die Verklebung soll das Strahlungsleiter- Rohr gegen ein Zerbrechen aufgrund einer Einwirkung des Mikrowellenleiters schützen. Der Lichtwellenleiter seinerseits ist an dem Rohr nur an einem vorderen Bereich mittels eines flexiblen Klebers angeklebt und im restlichen Bereich mittels eines starren, steifen Epoxyklebers angeklebt. Bei dieser Fühlervorrichtung können von der Wand des Verbrennungsraums Vibration und Stoß über den starren, steifen Kleber ohne weiteres auf den Lichtwellenleiter übertragen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Fühlervorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 den Strahlungsleiter in verbesserter Weise gegenüber mechanischen Erschütterungen, die von dem Rohr herrühren, abzuschirmen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einer Fühlervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt und zwar ein Schnitt einer Fühlervorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, eingebaut in die Wand eines Zylinderkopfes der Maschine.

Gemäß Zeichnung ist ein Rohr (10) bzw. ein rohrförmiges Körper­ stück aus Metall vorgesehen, das an seiner Umfangsoberfläche einen Bereich mit Schraubengewinde (11) aufweist, das mit einem komplementären Schraubgewinde in einer Öffnung (12) eines Zylinderkopfes (13) der Verbrennungskraftmaschine zusammenwirkt. Die Öffnung (12) steht an ihrem inneren Ende mit einem Verbrennungsraum (14) eines hin und her gehenden Maschinenkolbens in Verbindung und ist benachbart ihrem inneren Ende mit einer sich verjüngenden Stufe (15) versehen, die mit einer komplementären Stufe an der Umfangsfläche des Rohres zusammenwirkt, um eine gasdichte Dichtung zu schaffen.

Das Rohr besitzt ein vergrößertes Kopfstück (16), von dem ein hohler Flansch (17) wegragt.

Das Rohr bildet eine Bohrung (18) die sich in den Verbrennungs­ raum (14) öffnet, wenn das Rohr in der Öffnung befestigt ist, und die bei ihrem dem Verbrennungsraum benachbarten Ende mit einer Stufe (19) versehen ist. Die Stufe (19) liegt an einem Ende eines Strahlungsleiters (20), der sich durch die Bohrung in eine Kammer (21) erstreckt, die von dem Flansch (17) begrenzt ist. Um den Strahlungsleiter in der Bohrung sicher zu halten und um eine Dichtung zwischen der Oberfläche des Strahlungsleiters und der Wand der Bohrung zu schaffen, ist eine Dichtschicht (16A) vorgesehen, die von einem viskos-elastischen Material wie Sili­ kongummi gebildet ist. Außer der haltenden und dichtenden Wir­ kung hat die Dichtschicht die sehr wichtige Wirkung des Schutzes des Strahlungsleiters (20) gegen Maschinenvibration, indem sie jede Vibration des Strahlungsleiters dämpft und den Strahlungs­ leiter gegen mechanische Erschütterungen abschirmt, die z.B. beim Einbau der Fühlervorrichtung an der Maschine auftreten. Der Strahlungsleiter besteht aus Quarz mit flammpolierten End­ oberflächen. Es ist nur nötig, den Stab auf die erforderliche Länge zu bringen und dessen Ende in einer Flamme zu vergüten.

An dem in der Kammer (21) befindlichen Ende des Strahlungsleiters (20) ist ein Fühler (22) angebracht, der beispielsweise von einer Fotodiode oder von Dioden gebildet ist, deren Lichtöffnung dem Ende des Strahlungsleiters zugewendet ist. Die Diode ist an das Ende des Strahlungsleiters gekittet bzw. zementiert, und bei Ausführung der Kittung muß dafür gesorgt werden, daß kein Kitt bzw. Zement auf die Endfläche des stangenartigen Strahlungslei­ ters gelangt; deshalb ist, wie dargestellt ist, eine schweißnaht­ artige Verbindung gewählt.

Es ist eine Endkappe (23) vorgesehen, die das Ende der Kammer (21) verschließt und die auf den Flansch (17) aufgeschraubt ist. Die Endkappe (23) trägt auch einen elektrischen Verbindungsstecker (24), der an die Anschlüsse der Diode mittels isolierter Leiter angeschlossen ist. Nach dem Zusammenbau kann die Kammer (21) mit einer Vergußmasse gefüllt werden und können die Gewinde zwischen der Endkappe und dem Flansch mit einer geeigneten Verschlußmasse gegeneinander festgelegt werden.

Um die Rußablage an dem dem Verbrennungsraum ausgesetzten Ende des Strahlungsleiters zu minimieren, ist es wichtig, daß sicher­ gestellt ist, daß das Ende des Strahlungsleiters durch Ausnehmung unter die Wand des Verbrennungsraumes gelegt ist. Wenn der Abstand zu groß ist, dann geht die Reinigung des Endes des Strahlungslei­ ters durch die natürliche reibende Wirkung des Gases in dem Ver­ brennungsraum verloren. Wenn andererseits der Abstand zu klein ist, dann besteht die Möglichkeit des Rußniederschlages. Der tat­ sächliche Abstand zwischen dem Ende des Strahlungsleiters und der Wand des Verbrennungsraumes liegt in Abhängigkeit von der Gestal­ tung des Verbrennungsraumes zwischen 3 mm und 12 mm. Das innere Ende der Öffnung (12) wird in der Regel dicht bei dem Pfad der Brennstoffeinspritzung in den Diesel-Verbrennungsraum angeordnet, wobei das Ende des Strahlungsleiters so wie vorher erwähnt zurück­ versetzt ist.

Der Fühler (22) ist als Fotodiode beschrieben und diese spricht auf sichtbares oder infrarotes Licht an. Der Fühler läßt sich je­ doch aus einem pyroelektrischen Material herstellen und kann eine komplexere Halbleiter-Einrichtung, ein geringmassiges Ther­ moelement oder eine andere Einrichtung sein, die elektroma­ gnetische Strahlung fühlt, die während des Verbrennungsvorganges abgegeben wird.

Das mittels der Fühlervorrichtung erhaltene Signal kann in jedem geeigneten Steuerkreis weiterverarbeitet werden, um eine Zahl von Signalen zu erzeugen, welche für die Verbrennung stehen. Z.B. ist es möglich, ein Signal zu erzeugen, das den Beginn der Verbrennung anzeigt, und, während der Fühler den gesamten Brennvorgang beob­ achtet, weitere Signale zu erzeugen, welche das Ausmaß der Ver­ brennung anzeigen.

Claims (4)

1. Fühlervorrichtung zur Anbringung an eine Verbrennungskraftma­ schine zum Erhalten eines elektrischen Signals, das Verbrennung von Brennstoff in einem Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine anzeigt,
mit einem Rohr, das in einer Öffnung einer Wand des Verbrennungsraumes befestigbar ist, einem aus Siliziumdioxidmaterial bestehenden Strahlungsleiter in der von dem Rohr begrenzten Bohrung, einer Dichtschicht, die zwischen dem Strahlungsleiter und der Wand der Bohrung angeordnet ist und die eine Haltung des Strahlungsleiters und eine Verhinderung des Austritts von Gasen aus dem Verbrennungsraum bewirkt, und mit einem Fühler der an dem vom Verbrennungsraum entfernten Ende des Strahlungsleiters angebracht ist und der auf die vom Strahlungsleiter übertragene Strahlung anspricht, wobei das andere Ende des Strahlungsleiters dem Verbrennungsraum ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtschicht (16A) an der gesamten, der Wand der Bohrung (18) zugewendeten Oberfläche des Strahlungsleiters (20) von einem viskos-elastischen Material gebildet ist und somit den Strahlungsleiter (20) auch gegen Vibration und Stoß schützt.

2. Fühlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das viskos-elastische Material ein Silikongummi ist.

3. Fühlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (22) an dem vom Verbrennungsraum entfernten Ende des Strahlungsleiters (20) schweißnahtähnlich angekittet ist.

4. Fühlervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (22) eine Fotodiode umfaßt, die eine Lichtöffnung aufweist, die dem vom Verbrennungsraum entfernten Ende des Strahlungsleiters (20) zugewendet ist.