DE3712525C1 - Device for the contactless measurement of the temperature of a valve of an internal-combustion engine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur eines den Brennraum einer Brennkraftmaschine begrenzenden Ventils.

Für die Messung der Temperatur eines Ventils einer Brennkraftmaschine während ihres Betriebs sind zwei Meßmethoden bisher bekannt. Beide Verfahren beruhen auf dem Einsatz von speziell präparierten Meßventilen. Bei dem einen dieser Verfahren wird ein mit Thermoelementen bestücktes Ventil eingesetzt. Das zweite bekannte Verfahren nutzt die temperaturabhängige Änderung der Werkstoffhärte eines Spezialventils für die Temperaturmessung aus. Durch die Messung der Härte an verschiedenen Punkten nach einem genau vorgegebenen Einsatz des Ventils im Motor läßt sich über die Anlaßfarben- Eichkurve ein Überblick über die Temperaturverteilung im Ventil gewinnen.

Bei sorgfältiger Durchführung des Motorversuchs sowie seiner Auswertung lassen sich bei beiden bekannten Verfahren Temperaturen im Bereich von etwa 500°C bis 900°C mit einer Genauigkeit von ca. ±20°C absolut und ca. ±10°C relativ innerhalb des Temperaturfeldes des betreffenden Ventils ermitteln.

Nachteilig an beiden bekannten Meßvorrichtungen und Meßverfahren ist es aber, daß für sie Spezialventile gesondert hergestellt und eingesetzt werden müssen. Das zweite Verfahren liefert außerdem keine momentane Temperaturmessung, sondern mittelt nur die über eine längere Versuchszeit am Ventil herrschende Temperatur.

Ein Sensor zur Messung der Ventiltemperatur in Verbrennungsmotoren muß folgende Anforderungen erfüllen:

• - hohe Temperaturbeständigkeit,
• - hohe mechanische Stabilität,
• - gute Langzeitstabilität,
• - schnelles Anspruchverhalten auf periodische Signale,
• - hohe Meßempfindlichkeit und -auflösung,
• - geringe Störempfindlichkeit hinsichtlich Verrußung und elektrischer Störungen,
• - geringe Wechselwirkung mit dem Gasstrom,
• - einfache Applikation.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen wird ein berührungsloser Temperatursensor vorgeschlagen, dessen Wirkungsweise auf der Messung von Wirbelströmen beruht, die in die Ventile von einer im Ventilsitz integrierten Spulenanordnung induziert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur eines Ventils einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, die den erwähnten Anforderungen genügt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilsitz des Ventils eine Spule mit nach außen geführten Anschlüssen angeordnet ist.

Die Spule kann von einem Wechselstrom oder auch von einem Gleichstrom durchflossen werden. Bei beiden möglichen Betriebsverfahren werden Wirbelströme in das Ventil induziert, dessen Temperatur gemessen wird. Die Spule dient entweder gleichzeitig zur Erzeugung des elektrischen Feldes und zu seiner Messung oder bei einer abgeänderten Ausführungsform dient die Spule zur Induktion der Wirbelströme, wobei dann eine weitere Spule vorgesehen ist, die dann zur Aufnahme der Meßsignale dient. Bei dieser Ausführungsform sind beide Spulen vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sei zunächst grob auf die prinzipiellen physikalischen Zusammenhänge eingegangen, die der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zugrunde liegen.

Eine zeitlich veränderliche magnetische Induktion B (t) erzeugt in einem elektrischen Leiter mit der elektrischen Leitfähigkeit σ einen Wirbelstrom mit der Stromdichte j (t). Für einen isotropischen Leiter gilt die Beziehung:

Wie Gleichung 1 zeigt, sind die induzierten Wirbelströme von der Leitfähigkeit σ also auch vom spezifischen Widerstand r (r = 1/σ) des Leiters abhängig. Der spezifische elektrische Widerstand von elektrischen Leitern (und Nichtleitern) ist temperaturabhängig. Der Widerstand eines metallischen Leiters wächst mit der Temperatur. Als (linearen) Temperaturkoeffizient α des elektrischen Widerstands wird das Verhältnis der relativen Änderung des spezifischen Widerstandes r zur Temperaturänderung dT definiert. Es gilt:

dr = α r dT (Gleichung 2)

Somit sind die induzierten Wirbelströme über die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters temperaturabhängig. Nach dem Gesetz von Biot-Savart wird wiederum jeder elektrische Strom, also auch dieser temperaturabhängige Wirbelstrom von einem magnetischen Feld begleitet. Bei einem zeitlich veränderlichen Strom induziert das den Strom begleitende magnetische Feld z. B. in einer den Leiter umschließende Spule eine u. a. vom Strom abhängige elektrische Spannung. Aus dieser Spannung läßt sich somit, da die sie erzeugende Wirbelströme temperaturabhängig sind, u. a. die Temperatur des Leiters bestimmen.

Bei einem zeitlich veränderlichen magnetischen Feld nimmt infolge der Stromverdrängung in Abhängigkeit vom Zeitverhalten des Feldes nur der oberflächennahe Teil des Leiterquerschnitts an der Stromleitung teil. Dies führt zur Erhöhung des Wirkwiderstandes des Leiters. Man kann vereinfachend annehmen, daß die Stromverteilung konstant ist, der Strom aber nur in eine Tiefe δ von der Oberfläche aus eindringt. Dieses Modell entspricht der Einführung eines äquivalenten hohlen Leiters aus demselben Material mit der Wanddicke δ bei gleichmäßiger Stromverteilung. Die Eindringtiefe beträgt dann für einen kreiszylindrischen Leiter:

δ = ( f * f * σ * μ ) ^-1/2 (Gleichung 3)

mit

f = Frequenz (s^-1) σ = elektrische Leitfähigkeit (S/m) μ = Permeabilität (H/m)

Die frequenzselektive Auswertung der Meßsignale liefert demzufolge Informationen über die Leitfähigkeitsverteilung und folglich über die Temperaturverteilung. Diese Auswertung bedarf der Rechnerunterstützung, da die frequenz- und phasenselektierten Meßsignale aus den Feldsuperpositionen der sie erzeugenden Wirbelströme aus verschiedenen Eindringtiefen dargestellt sind.

Die Beeinflussung der Meßsignale durch Permeabilitätsänderungen, die Oberflächenbeschaffenheit, die Form und die Bewegungen des Prüfkörpers sowie die Temperatur der Spulen und des Umgebungsmaterials müssen analysiert und berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch den oberen Teil des Brennraums einer Brennkraftmaschine, die bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem hin und her beweglichen Kolben ausgeführt ist, und zwar mit einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Es sei erwähnt, daß die Erfindung nicht hierauf eingeschränkt ist. Beispielsweise kann ebenso auch die Temperatur des Ventils einer Brennkraftmaschine mit rotierendem Kolben gemessen werden.

In den Ventilsitz eines Ventils 1 ist eine Spulenanordnung 2 eingesintert, deren Aufbau sich nach dem Meßprinzip richtet. Die elektrische Spulenisolation muß hochtemperaturverträglich sein, da die Temperatur im Ventilsitz des Auslaßventils etwa 700°C beträgt. Bei diesen Temperaturen bietet sich als elektrische Isolation der Spulendrähte keramische oder oxidische Überzüge an.

Die Beschreibungen der technischen Realisierung des Meßprinzips geht von den folgenden Voraussetzungen aus:

• - die Oberflächenbeschaffenheit der Ventile ändert sich langsam gegenüber den Meßfrequenzen,
• - der Bewegungsablauf der Ventile zwischen zwei Hüben ändert sich vernachlässigbar,
• - die Änderung der geometrischen Ventil- und Ventilsitzform ist vernachlässigbar,
• - das Gas, das zwischen den Ventilen strömt, besitzt vernachlässigbare elektromagnetische Eigenschaften.

Unabhängig von der Spulenanordnung im Ventilsitz sind zwei Verfahren zur Induktion der Wirbelströme in die Ventile möglich:

a) Die Spule 2 wird von einem Wechselstrom durchflossen. Durch die zeitliche Änderung des Stromes und die Bewegung des Ventils 1 innerhalb der Spule 2 werden die Wirbelströme induziert. Das Meßsignal ist durch die Ventilbewegung moduliert. Es werden ebenfalls Wirbelströme in die die Spule 2 umgebenden Motorenteile induziert, deren Einfluß auf das Meßsignal mit berücksichtigt werden müssen.

b) Die Spule 2 wird von einem Gleichstrom durchflossen. Die Bewegung des elektrisch leitenden Ventils 1 im Magnetfeld der Spule 2 erzeugt die gewünschten Wirbelströme. Alle relativ zur Sendespule ruhenden Bauteile und Motorenbereiche haben keinen Einfluß auf das Meßsignal, da nur zeitlich veränderliche Magnetfelder Wirbelströme induzieren (s. Gleichung 1).

Unabhängig von der Art wie die Wirbelströme induziert werden, sind verschiedene Spulenanordnungen möglich:

a) Eine Spule, beispielsweise die Spule 2, dient gleichzeitig der Felderzeugung und der Messung.

Das magnetische Wechsel- bzw. Gleichfeld der Spule erzeugt Wirbelströme im Werkstück. Die Rückwirkung dieser Wirbelströme verändert die elektrischen Eigenschaften der Spule. Aus der Art der Änderung der Eigenschaft der Spule (Induktivität) lassen sich die temperaturabhängigen Änderungen der Leitfähigkeitsverteilung in der Spulenumgebung feststellen.

b) Eine Spule, beispielsweise die Spule 2, dient der Wirbelstrominduktion und eine weitere z. B. konzentrisch zur ersten angeordnete Spule, die zeichnerisch nicht dargestellt ist, der Aufnahme der Meßsignale.

Die Spule zur Felderzeugung wird von einem geregelten (Wechsel- oder Gleich-) Strom durchflossen, so daß ein konstantes (Wechsel- oder Gleich-) Magnetfeld erzeugt wird. Die Wirbelströme vom Ventil induzieren dann eine Spannung in der Meßspule, die dann zur Temperaturbestimmung des Ventils ausgewertet wird.

In beiden Fällen geschieht die Auswertung der Meßsignale frequenzselektiv nach Real- und Imaginärteil der durch die Wirbelströme induzierten Spannung. Als Meßverfahren bieten sich sowohl Abgleichmessungen (Absolutmessung) oder auch Relativmessungen mit z. B. einer Differenzspulenanordnung an.

Mit Wirbelstromverfahren läßt sich die elektrische Leitfähigkeit und bei bekannter Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit die Temperatur der Ventile und deren Verteilung berührungslos messen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur eines den Brennraum einer Brennkraftmaschine begrenzenden Ventils, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilsitz des Ventils (1) eine Spule (2) mit nach außen geführten Anschlüssen angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilsitz eine weitere Spule zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in das Material des Ventilsitzes eingesintert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule durch einen keramischen oder oxidischen Überzug elektrisch isoliert ist.