DE3712525C1 - Device for the contactless measurement of the temperature of a valve of an internal-combustion engine - Google Patents
Device for the contactless measurement of the temperature of a valve of an internal-combustion engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur eines den Brennraum einer Brennkraftmaschine begrenzenden Ventils.The invention relates to a device for contactless Measurement of the temperature of the combustion chamber of an internal combustion engine limiting valve.
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.For measuring the temperature of a valve of an internal combustion engine are two measurement methods during their operation known so far. Both methods are based on the use of specially prepared measuring valves. In one of these processes a valve equipped with thermocouples is used. The second known method uses the temperature-dependent Change the material hardness of a special valve for temperature measurement. By measuring hardness at various points according to a precisely specified Use of the valve in the engine can be Calibration curve an overview of the temperature distribution in the Win valve.
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.With careful execution of the engine test and its Temperatures can be evaluated in both known methods in the range of about 500 ° C to 900 ° C with an accuracy of approx. ± 20 ° C absolute and approx. ± 10 ° C relative determine within the temperature field of the valve in question.
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. A disadvantage of both known measuring devices and However, the measuring method is that special valves are used for them must be manufactured and used separately. The second method also does not provide an instantaneous temperature measurement, but only averages over a longer trial period temperature prevailing at the valve.
Ein Sensor zur Messung der Ventiltemperatur in Verbrennungsmotoren muß folgende Anforderungen erfüllen:A sensor for measuring the valve temperature in internal combustion engines must meet the following requirements:
- - hohe Temperaturbeständigkeit,- high temperature resistance,
- - hohe mechanische Stabilität,- high mechanical stability,
- - gute Langzeitstabilität,- good long-term stability,
- - schnelles Anspruchverhalten auf periodische Signale,- fast response to periodic signals,
- - hohe Meßempfindlichkeit und -auflösung,- high sensitivity and resolution,
- - geringe Störempfindlichkeit hinsichtlich Verrußung und elektrischer Störungen,- low sensitivity to soot and electrical interference,
- - geringe Wechselwirkung mit dem Gasstrom,- low interaction with the gas flow,
- - einfache Applikation.- simple application.
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.To meet these requirements, a non-contact Temperature sensor proposed, its mode of operation on the Measurement of eddy currents based in the valves of a coil arrangement integrated in the valve seat will.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur eines Ventils einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, die den erwähnten Anforderungen genügt.The invention is therefore based on the object of a device for contactless measurement of the temperature of a Propose an internal combustion engine valve, the mentioned requirements are sufficient.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilsitz des Ventils eine Spule mit nach außen geführten Anschlüssen angeordnet ist.To achieve this object, the invention is characterized in that that in the valve seat of the valve with a coil externally guided connections is arranged.
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.The coil can be from an alternating current or from one Direct current can be flowed through. With both possible Operating procedures are eddy currents in the valve induced whose temperature is measured. The coil serves either simultaneously with the generation of the electric field and for its measurement or for a modified one In one embodiment, the coil is used to induce eddy currents, then a further coil is provided, the then serves to record the measurement signals. In this embodiment both coils are preferably concentric arranged to each other.
Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sei zunächst grob auf die prinzipiellen physikalischen Zusammenhänge eingegangen, die der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zugrunde liegen.To explain the measuring device according to the invention first roughly on the basic physical relationships received that of the measuring device according to the invention underlie.
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:A time-varying magnetic induction B (t) generates an eddy current with the current density j (t) in an electrical conductor with the electrical conductivity σ . The relationship applies to an isotropic conductor:
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:As Equation 1 shows, the induced eddy currents are dependent on the conductivity σ and also on the specific resistance r (r = 1 / σ ) of the conductor. The specific electrical resistance of electrical conductors (and non-conductors) is temperature-dependent. The resistance of a metallic conductor increases with temperature. The ratio of the relative change in the specific resistance r to the temperature change d T is defined as the (linear) temperature coefficient α of the electrical resistance. The following applies:
dr = α r dT (Gleichung 2)
d r = α r d T (equation 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.Thus the induced eddy currents are dependent on temperature the electrical conductivity of the conductor depending on the temperature. According to the Biot-Savart law again every electrical current, including this temperature-dependent one Eddy current from a magnetic field accompanied. Induced at a time-varying current the magnetic field accompanying the current z. B. in one the conductor enclosing coil a u. a. from the stream dependent electrical voltage. From this tension leaves thus, since the eddy currents they generate depend on the temperature are u. a. determine the temperature of the conductor.
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:In the case of a time-varying magnetic field, only the part of the conductor cross section close to the surface takes part in the power line as a result of the current displacement depending on the time behavior of the field. This leads to an increase in the effective resistance of the conductor. To simplify matters, it can be assumed that the current distribution is constant, but the current only penetrates to a depth δ from the surface. This model corresponds to the introduction of an equivalent hollow conductor made of the same material with the wall thickness δ with an even current distribution. The penetration depth is then for a circular cylindrical conductor:
δ = ( f * f * σ * μ ) -1/2 (Gleichung 3) δ = ( f * f * σ * μ ) -1/2 (equation 3)
mitWith
f = Frequenz (s-1) σ = elektrische Leitfähigkeit (S/m) μ = Permeabilität (H/m) f = frequency (s -1 ) σ = electrical conductivity (S / m) μ = permeability (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.The frequency-selective evaluation of the measurement signals provides consequently information about the conductivity distribution and consequently the temperature distribution. This evaluation needs computer support because the frequency and phase-selected measurement signals from the field superpositions of the eddy currents they generate from different penetration depths are shown.
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.Influencing the measurement signals by changes in permeability, the surface quality, the shape and the Movements of the test specimen as well as the temperature of the coils and the surrounding material must be analyzed and taken into account will.
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.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail. The figure shows a longitudinal section through the upper part of the combustion chamber of an internal combustion engine, the in this embodiment with a reciprocating Piston is executed, with an inventive Measuring device. It should be noted that the invention is not limited to this. For example, as well also the temperature of the valve of an internal combustion engine rotating piston can be measured.
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.A coil arrangement 2 is sintered into the valve seat of a valve 1 , the structure of which is based on the measuring principle. The electrical coil insulation must be compatible with high temperatures, since the temperature in the valve seat of the exhaust valve is approximately 700 ° C. At these temperatures, ceramic or oxide coatings can be used as electrical insulation for the coil wires.
Die Beschreibungen der technischen Realisierung des Meßprinzips geht von den folgenden Voraussetzungen aus:The descriptions of the technical implementation of the measuring principle assumes the following requirements:
- - die Oberflächenbeschaffenheit der Ventile ändert sich langsam gegenüber den Meßfrequenzen,- The surface condition of the valves changes slowly towards the measuring frequencies,
- - der Bewegungsablauf der Ventile zwischen zwei Hüben ändert sich vernachlässigbar,- The movement sequence of the valves changes between two strokes negligible,
- - die Änderung der geometrischen Ventil- und Ventilsitzform ist vernachlässigbar,- The change in the geometric valve and valve seat shape is negligible
- - das Gas, das zwischen den Ventilen strömt, besitzt vernachlässigbare elektromagnetische Eigenschaften.- The gas that flows between the valves has negligible electromagnetic properties.
Unabhängig von der Spulenanordnung im Ventilsitz sind zwei Verfahren zur Induktion der Wirbelströme in die Ventile möglich:Regardless of the coil arrangement in the valve seat, there are two Process for induction of eddy currents in the valves possible:
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.a) An alternating current flows through the coil 2 . The eddy currents are induced by the temporal change in the current and the movement of the valve 1 within the coil 2 . The measurement signal is modulated by the valve movement. Eddy currents are also induced in the motor parts surrounding the coil 2 , the influence of which on the measurement signal must also be taken into account.
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).b) A direct current flows through the coil 2 . The movement of the electrically conductive valve 1 in the magnetic field of the coil 2 generates the desired eddy currents. All components and motor areas that are stationary relative to the transmitter coil have no influence on the measurement signal, since only time-varying magnetic fields induce eddy currents (see Equation 1).
Unabhängig von der Art wie die Wirbelströme induziert werden, sind verschiedene Spulenanordnungen möglich:Regardless of how the eddy currents are induced different coil arrangements are possible:
a) Eine Spule, beispielsweise die Spule 2, dient gleichzeitig der Felderzeugung und der Messung.a) A coil, for example coil 2 , is used for field generation and measurement at the same time.
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.The magnetic alternating or direct field of the coil is generated Eddy currents in the workpiece. The reaction of these eddy currents changes the electrical properties of the coil. From the nature of the change in the property of the coil (inductance) the temperature-dependent changes in Determine conductivity distribution in the coil environment.
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.b) A coil, for example coil 2 , is used for eddy current induction and another z. B. concentrically to the first arranged coil, which is not shown in the drawing, the recording of the measurement signals.
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.The coil for field generation is controlled by a (AC or DC) current flows through, so that a constant (alternating or equal) magnetic field is generated. The eddy currents from the valve then induce a voltage in the measuring coil, which is then used to determine the temperature of the valve is evaluated.
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.The measurement signals are evaluated in both cases frequency selective according to the real and imaginary part of the Eddy currents induced voltage. Offer as a measurement method both adjustment measurements (absolute measurement) or Relative measurements with z. B. a differential coil arrangement at.
Mit Wirbelstromverfahren läßt sich die elektrische Leitfähigkeit und bei bekannter Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit die Temperatur der Ventile und deren Verteilung berührungslos messen.With the eddy current method the electrical conductivity can be reduced and with known temperature dependence of the conductivity the temperature of the valves and their distribution measure without contact.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19873712525 DE3712525C1 (en) | 1987-04-13 | 1987-04-13 | Device for the contactless measurement of the temperature of a valve of an internal-combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19873712525 DE3712525C1 (en) | 1987-04-13 | 1987-04-13 | Device for the contactless measurement of the temperature of a valve of an internal-combustion engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3712525C1 true DE3712525C1 (en) | 1988-04-21 |
Family
ID=6325548
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE19873712525 Expired DE3712525C1 (en) | 1987-04-13 | 1987-04-13 | Device for the contactless measurement of the temperature of a valve of an internal-combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3712525C1 (en) |
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-
1987
- 1987-04-13 DE DE19873712525 patent/DE3712525C1/en not_active Expired
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