DE3731651A1 - Sensor fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren für die Verwendung in Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, insbesondere Maschinen mit Verdichtungszündung, wobei der Sensor dazu verwendet wird, ein Signal zu liefern, das den Beginn der Verbrennung von Treibstoff in einem Verbrennungsraum der Maschine anzeigt und das von dem Sensor gelieferte Signal in einem Steuersystem dazu verwendet wird, um den Betrieb der Maschine zu steuern.

Zum Beispiel kann der Sensor einen Körper aufweisen, der innerhalb einer geeigneten Bohrung im Zylinderkopf der Maschine befestigt ist, und kann einen Stab beinhalten, der elektromagnetische Strahlung überträgt und dessen Ende in dem Brennraum freiliegt, und wobei der Stab die Funktion hat, Strahlung, die erzeugt wird, wenn eine Verbrennung von Brennstoff stattfindet, zu einer entfernten Position zu übertragen, die entweder innerhalb oder außerhalb des Sensorkörpers liegt und an der eine lichtempfindliche Einrichtung angeordnet ist, die auf die übertragene Strah­ lung mit der Erzeugung eines elektrischen Signals anspricht. Obwohl der Ausdruck "Strahlung" benutzt wird, versteht es sich, daß im allgemeinen die Vorrichtung auf sichtbares Licht anspricht; sie kann jedoch zum Beispiel auch auf Infrarot ansprechen. Das Signal wird dem Steuersystem der Maschine zugeführt und kann dazu benutzt werden, im Fall einer Maschine mit Verdichtungszündung die Zeitpunkte der Brennstoffzufuhr oder im Falle einer funkengezündeten Maschine den Funkenzeitpunkt zu verändern.

Die Verwendung des Sensors erfordert die Vorsehung einer Bohrung in dem Zylinderkopf der Maschine. Dies erhöht die Kosten der Maschine, und überdies ist es nicht immer einfach, einen Platz für den Sensor zu finden, nämlich im Fall einer funkengezündeten Maschine zwischen den Ventilen und der Zündkerze, oder im Fall einer Maschine mit Verdichtungszündung zwischen den Ventilen, der Einspritzdüse und einer Starthilfe; dabei ist auch noch die Notwendigkeit im Auge zu behalten, ausreichende Kühlmitteldurchgänge innerhalb des Zylinderkopfes vorzusehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Maschinensensor in einer bequem anwendbaren Form vorzusehen.

Nach der Erfindung ist ein für die angegebenen Zwecke vorgesehener Sensor mit einem Bestandteil einer Brennkraft­ maschine mit innerer Verbrennung kombiniert, die im Gebrauch innerhalb einer Bohrung im Zylinderkopf der Maschine befestigt ist und deren inneres Ende dem Brennraum der Maschine ausgesetzt ist, wobei der Sensor ein strah­ lungsempfindliches Element aufweist und der Bestandteil einen Strahlungsübertragungsweg definiert, der sich von dem inneren Ende des Bestandteils zu dem strahlungsempfindlichen Element erstreckt.

Im folgenden wird ein Beispiel eines Maschinensensors nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die eine seitliche Schnittansicht darstellt.

In der beigefügten Zeichnung ist der Sensor mit einer Starthilfe für eine Maschine mit Verdichtungszündung kombi­ niert und enthält einen Körperteil 10, in welchem eine gestufte Bohrung 11 ausgebildet ist. Der Körper ist bei 12 derart mit Schraubgewinde versehen, daß er innerhalb einer Gegenbohrung, die in den Zylinderkopf einer Maschine mit Verdichtungszündung ausgebildet ist, befestigt werden kann. Innerhalb des engeren Endes der Bohrung ist ein metallisches Rohr 13 angebracht, das aus der Bohrung 11 vorsteht, und innerhalb des Endes des Rohres ist ein spiralisch gewickeltes elektrisches Heizelement 14 angebracht. Das Element ist um ein mittig angeordnetes Rohr 15 gewickelt, das aus Metall gebildet ist, und das Element selbst ist aus metallischem Band gebildet, das vor seinem Aufwickeln zu der Spiralform mit einem elektrisch isolieren­ den Material überzogen wird. Das Rohr 15 erstreckt sich über das Heizelement hinaus. Das innere Ende des Heizelements ist elektrisch mit dem Rohr 15 verbunden, und das äußere Ende des Heizelements ist elektrisch an das Rohr 13 angeschlos­ sen, das seinerseits elektrisch an den Körper 10 angeschlos­ sen ist. Der Anschluß wird dadurch bewirkt, daß der Endteil des Bandes um 90° gedreht und das Band an dem Rohr 13 an einer von dem Ende des Rohres entfernten Stelle befestigt wird.

In Nachbarschaft des Elements ist ein keramischer Stopfen oder sind Stopfen 16 angeordnet, und in Nachbarschaft des Stopfens ist eine Füllung 17 aus geschmolzenem Glas vorgesehen, die geringfügig aus dem inneren Ende des Rohres 13 vorsteht und das Rohr 15 in isolierender Beziehung innerhalb des Rohres 13 hält. Die Füllung wird dadurch gebildet, daß eine Vielzahl von Glas-Vorformlingen an Ort und Stelle geschmolzen wird.

Das Rohr 15 erstreckt sich über das Ende der Füllung 17 hinaus und ist mittels eines schraubenförmigen Wider­ standselements 18 an einem elektrisch leitenden Stab 19 elektrisch angeschlossen, der mit einem Mittelloch 20 versehen ist. Der Stab und das Widerstandselement 18 werden in dem breiteren Teil der Bohrung 11 mittels einer weiteren Füllung 21 aus geschmolzenem Glas in isolierender Beziehung gehalten, und das Ende der Bohrung 11 ist durch ein Isolierglied 22 abgedichtet.

Der insoweit beschriebene Teil der Vorrichtung bildet eine Starthilfe zur Unterstützung des Anlassens der Maschine, und im Gebrauch wird der Stab 19 mit dem einen Pol einer Quelle elektrischer Energie verbunden, deren anderer Pol über den Maschinenaufbau an den Körper 10 angeschlossen ist. Mit einem derartigen Anschluß ergibt sich ein Aufheizen des Heizelements derart, daß sich innerhalb der Brennkammer der Maschine eine heiße Oberfläche bildet, derart, daß das Anlassen der Maschine unterstützt wird. Das Widerstandsele­ ment 18 dient dazu, den in dem Heizelement fließenden Strom zu steuern.

Innerhalb des Rohres 15 ist ein Quarzstab 23 angebracht, dessen neben dem Heizelement befindliches Ende nach innen gegen das Ende des keramischen Stopfens 16 versetzt ist. Der Stab 23 erstreckt sich zu dem Ende des rohrförmigen Gliedes, das von der Füllung 21 umgeben ist, und ist in herkömmlicher Weise innerhalb des Rohres 15 mittels einer aus Silikongummi gebildeten Auskleidung abgedichtet. Neben der Halte- und Abdichtfunktion hat die Auskleidung ferner die Funktion, den zerbrechlichen Stab gegen Schwingungen abzupolstern, die erzeugt werden, wenn sich die Maschine in Betrieb befindet, und ferner dient die Auskleidung dazu, irgendwelche Schwin­ gungen zu dämpfen, die in dem Stab auftreten können.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist in der elektrisch leitenden Stange 19 eine weitere Quarzstange 24 angeordnet, deren inneres Ende der Füllung 21 ausgesetzt ist und deren äußeres Ende einem strahlungsempfindlichen Element 25 ausgesetzt ist, das ein elektrisches Signal abgibt, wenn Licht über den Stab 24 zu ihm übertragen wird. Im Betrieb wird, wenn in der Brennkammer eine Verbrennung von Treib­ stoff stattfindet, Licht erzeugt, von welchem ein Teil entlang des Stabes 23, durch die Füllung 21 und entlang des Stabes 24 zu dem Fühlelement 25 übertragen wird, welches dann ein elektrisches Signal erzeugt. Das Signal kann in einem Steuersystem für die Maschine verwendet werden, und zwar als eine Anzeige dafür, daß eine Verbrennung von Treibstoff stattfindet, und es ist durch Verwendung dieses Signals möglich, den Zeitpunkt der Treibstoffzufuhr zu dem Brennraum so einzustellen, daß der Beginn der Verbrennung von Treibstoff an der richtigen Position in dem Maschinen­ zyklus stattfindet. Der Vorgang der Verbrennung in einer Maschine mit Verdichtungszündung beginnt während der soge­ nannten Zündungsverzögerungsperiode Licht in kleinen Mengen zu emittieren, wobei die Lichtmenge am Zündpunkt des Hauptanteils des Treibstoffs ansteigt. Sobald wahre Verbren­ nung stattfindet, werden Kohlenstoffteilchen gebildet, die zur Glut erhitzt werden, so daß große Mengen von sichtbarem und infrarotem Licht erzeugt werden. Es ist deshalb der Begriff "Licht" so zu verstehen, daß er auch die nichtsicht­ baren Teile des Spektrums enthält. Die sogenannten Stäbe 23, 24 können aus Silizium gebildet sein.

Durch Verwendung der beschriebenen Anordnung ist es möglich, ein Signal zu erhalten, das den Beginn der Verbrennung von Treibstoff anzeigt, ohne daß es notwendig ist, eine weitere Bohrung in dem Zylinderkopf der Maschine vorzusehen.

Das Fühlelement 25 kann an dem Ende der Stange 19 angebracht sein, doch muß im Auge behalten werden, daß die Stange 19 auch an eine Quelle elektrischer Energie ange­ schlossen werden muß.

Es ist möglich, das Fühlelement in unterschiedlichen Positionen anzubringen. Zum Beispiel ist es möglich, das Fühlelement in oder auf der Wand des Körperteils 10 so anzubringen, daß es auf das Licht, das durch die Füllung 21 aus geschmolzenem Glas übertragen wird, anspricht; in diesem Fall wird die Stange 24 weggelassen, und die leitende Stange 19 ist fest. In diesem Fall ist der Körperteil mit einer Öffnung versehen, in welcher das Element angebracht ist, oder durch welche das Licht zu dem Element hindurchtritt. Um die Empfindlichkeit des Elements zu erhöhen, kann das Ende der Stange 19 derart schräg sein, daß Licht zu dem Element hin reflektiert wird. Anstelle einer Formgebung der Stange kann das Widerstandselement mit einer Oberflächenbearbeitung versehen werden, derart, daß die Menge des auf das Element fallenden Lichts erhöht wird. Eine andere Position für das Fühlelement kann auf dem isolierenden Glied 22 liegen, das aus einem Glaseinsatz gebildet sein oder einen solchen Einsatz enthalten kann, und in diesem Fall kann das innere Ende der Stange 23 so geneigt sein, daß das von der Stange 15 ausgehende Licht zu der Fühleinrichtung hin abgelenkt wird. Es ist auch möglich, die geschmolzene Füllung 17 zum Leiten des Lichtes zu verwenden. In diesem Fall endet das Rohr 15 zusammen mit dem Quarzstab 23 gerade jenseits des von dem Element entfernten Endes des Stopfens 16. Eine elektrische Verbindung mit dem Rohr 15 wird unter Verwendung eines Verbindungsgliedes erzielt, das an dem vorstehenden Teil des Rohres 15, das aus dem Stopfen 16 vorsteht, angeschweißt oder in anderer Weise befestigt ist, wobei das Verbindungsglied innerhalb des Rohres 13 in versetzter Beziehung angebracht ist.

Es ist auch möglich, das Fühlelement auf dem Aufbau der Maschine anzubringen und das Licht mittels eines faseropti­ schen Kabels zu dem Element zu übertragen.

Die oben beschriebenen Anordnungen haben den Vorteil, daß irgendwelcher Kohlenstoff, der dazu neigt, sich auf dem der Brennkammer ausgesetzten Ende des Quarzstabes 23 abzulagern, abgebrannt wird, wenn die Starthilfe in Benutzung ist; dadurch wird das Problem vermieden, daß im Gebrauch des Sensors das Signal infolge Kohlenstoffbildung abnimmt.

Als eine Alternative zur Anordnung des Stabes 23 innerhalb des Rohres 15 kann eine schräge Öffnung in dem Rohr 13 vorgesehen sein, wobei das äußere Ende der Öffnung im Gebrauch dem Brennraum der Maschine ausgesetzt ist. In der Öffnung ist ein Quarzstab abgebracht, der sich zu der Füllung 17 aus geschmolzenem Glas erstreckt. Dabei kann es sein, daß die Stange durch die von dem keramischen Stopfen oder den Stopfen 16 eingenommene Region des Rohres 13 hindurchgeführt werden muß. In diesem Fall wird der Stopfen oder werden die Stopfen so gestaltet, daß das Rohr Platz findet.

Als eine weitere Alternative kann der Quarzstab durch eine aus Quarz gebildete Hülse ersetzt werden, die um das Element 14 und den Stopfen oder die Stopfen 16 angeordnet ist.

Der Sensor kann in einer Starthilfe desjenigen Typs eingebaut sein, in der das Heizelement innerhalb eines dünnwandigen Metallrohres angeordnet ist und innerhalb des Rohres durch mineralische Isolierung gehalten ist, wobei das Ende des Rohres geschlossen ist. In diesem Fall würde der Quarzstab wiederum innerhalb eines Metall­ rohres gehaltert sein, doch würde in diesem Fall das Rohr nicht einen Stromweg für den zu dem Heizelement fließenden elektrischen Strom bilden. Wiederum hat diese Anordnung den Vorteil, daß Kohlenstoffablagerungen auf das Ende des Quarzstabes minimal gehalten werden können.

Obwohl Quarz und Silizium als lichtübertragende Materialien genannt wurden, versteht es sich, daß andere Materialien verwendet werden können, je nach dem zu beobachtenden Teil des Spektrums.

Obwohl sich dabei nicht die Vorteile eines Selbstreini­ gungseffekts ergeben, ist es möglich, den Sensor in eine Zündkerze für eine funkengezündete Maschine einzubauen.

Das strahlungsempfindliche Element 25 liefert ein Signal, das rasch ansteigt, sobald Verbrennung von Treibstoff stattfindet, und die Signalverarbeitungsschaltungen sind so ausgebildet, daß sie ein den Beginn der Verbrennung anzeigendes Signal bei zum Beispiel 6% des von der Vorrichtung gelieferten Signal-Spitzenwertes liefern.

Das von dem Fühlelement 25 gelieferte Signal kann dazu verwendet werden, einen Schätzwert des Treibstoff/Luft- Verhältnisses innerhalb des Zylinders zu liefern. Dies wird dadurch erzielt, daß der Endabschnitt des von dem Fühlele­ ment erzeugten Signals mit einem gespeicherten Signal verglichen wird, und die Farbtemperatur kann dazu verwendet werden, um die Menge des in dem Zylinder verbrannten Treibstoffs zu bestimmen.

Claims (12)

1. Sensor zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, insbesondere einer solchen mit Verdich­ tungszündung, wobei der Sensor mit einem Bestandteil der Maschine kombiniert ist, der im Gebrauch innerhalb einer Bohrung in dem Zylinderkopf der Maschine befestigt ist und mit seinem inneren Ende einem Brennraum der Maschine ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein strahlungsempfindliches Element aufweist und daß der Be­ standteil einen Strahlungs-Übertragungsweg definiert, der sich von dem inneren Ende des Bestandteils zu dem strah­ lungsempfindlichen Element erstreckt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil eine elektrisch betriebene Starthilfe für die Maschine ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Starthilfe ein spiralig gewickeltes Heizelement enthält, das um ein elektrisch leitendes Rohr gewickelt ist, und daß in dem Rohr eine strahlungsleitende Stange angebracht ist, die einen Teil des Strahlungsübertragungsweges bildet.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsleitende Stange kurz vor demjenigen Ende des Rohres endet, das im Gebrauch der Brennkammer ausgesetzt ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr über dasjenige Ende des Elements hinaussteht, das im Gebrauch der Brennkammer dargeboten wird.

6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element innerhalb eines metallischen Rohres ange­ bracht ist, das in einem Ende eines rohrförmigen Körperteils gehalten ist daß eine elektrisch leitende Stange sich in das entgegengesetzte Ende des Körperteils hinein erstreckt, daß Mittel vorgesehen sind, die die elektrisch leitende Stange mit dem erstgenannten Rohr verbinden, und daß eine Glasfüllung vorgesehen ist, die die leitende Stange und die genannten Mittel innerhalb des Körperteils lokalisieren, wobei zumindest ein Teil der genannten Füllung einen Teil des Strahlungsübertragungsweges bildet.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Rohr in dem metallischen Rohr durch eine Füllung aus geschmolzenem Glas gehalten ist, und daß die Füllung aus geschmolzenem Glas einen weiteren Teil des Strahlungsübertragungsweges bildet und die Übertragung der Strahlung zwischen der strahlungsleitenden Stange und der Glasfüllung bewirkt.

8. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Rohr sich in die Glasfüllung hinein erstreckt.

9. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Stange hohl ist und eine strahlungsüber­ tragende Stange trägt, die der Glasfüllung ausgesetzt ist, wobei das Fühlelement auf die durch die Stange übertragene Strahlung anspricht.

10. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement auf dem Körperteil angebracht ist und auf die durch die Glasfüllung übertragene Strahlung anspricht.

11. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Starthilfe ein spiralig gewickeltes Heizelement und eine das Element umgebende strahlungsleitende Hülse aufweist, daß ein Ende der Hülse dem Brennraum ausgesetzt ist, und daß die Hülse einen Teil des Strahlungsübertra­ gungsweges bildet.

12. Sensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein metallisches Rohr, ein spiralig gewickeltes Heizelement, das innerhalb des Endes des Rohres angebracht ist, einen keramischen Stopfen in Nachbarschaft des inneren Endes des Elements, eine geschmolzene Glasfüllung innerhalb des Rohres, einen in der Wand des Rohres gebildete Öffnung und eine in der Öffnung angebrachte strahlungsübertragende Stange, wobei die Stange und die genannte geschmolzene Glasfüllung Teile des Strahlungsübertragungsweges bilden.