DE4001475A1 - Messeinrichtung zur erfassung des drucks im brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Erfassung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Moderne Brennkraftmaschinen enthalten eine Reihe von Kon­ troll-, Steuer- und Regeleinrichtungen zur Ermittlung und Beeinflussung des Verbrennungsverlaufs, um eine Brennkraft­ maschine effektiv und schadstoffarm betreiben zu können. Eine wichtige Größe, aus der auf den Verbrennungsverlauf im Brenn­ raum geschlossen werden kann, ist der Zylinderdruck. Zur Ermittlung des Zylinderdrucks sind eine Reihe von Meßmöglich­ keiten bereits bekannt.

Bei Serien-Großmotoren werden im allgemeinen Quarzdruckauf­ nehmer verwendet, die an geeigneten Stellen im Motor einge­ baut sind und Verbindung zum Brennraum haben. Solche Anordnun­ gen werden auch während der Entwicklung von Brennkraftmaschi­ nen, z. B. von Fahrzeugmotoren, verwendet. Die Quarzdruckauf­ nehmer sind jedoch besonders bei hohen Beanspruchungen störan­ fällig und sehr teuer. Für den serienmäßigen Einsatz in Groß­ serien-Motoren, z. B. Fahrzeugmotoren, ist diese Art von Druck­ aufnehmern nicht geeignet.

Weiter sind allgemein Anordnungen bekannt, bei denen Druckauf­ nehmer über eine Bohrung mit dem Brennraum verbunden sind, wobei sich über die Bohrung der Zylinderdruck bis zum Druck­ aufnehmer fortpflanzt. Die Öffnung der Bohrung zum Brennraum hin kann jedoch verschmutzen und sich zusetzen, so daß die Druckmessung ungünstig beeinflußt wird oder ganz ausfällt. Zu­ dem ist die Anbringung einer solchen Bohrung meist schwierig und damit teuer. Die Lage der Bohrung und des Druckaufnehmers sind auch nicht optimal, um klopfende Verbrennungen in klopf­ gefährdeten Bereichen am Rand feststellen zu können.

Weiter sind Meßmethoden bekannt, die nicht direkt den Brenn­ raumdruck ermitteln, sondern indirekt die an den Zylinder­ block oder Zylinderkopf weitergegebene Beanspruchung, wie z. B. Gehäuseschwingungen, in Form von Beschleunigungssignalen messen. Dazu sind beispielsweise Unterlegscheiben als Druck­ aufnehmer unter den Zündkerzen oder unter den Zylinderkopf­ schrauben bekannt. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß nicht direkt der Brennraumdruck ermittelt wird, sondern relativ weit weg davon gemessen wird. Als Übertrager wird meist der Motorblock oder Teile davon benutzt. Deshalb sind neben den Anregungen durch den Verbrennungsdruck auch alle anderen, durch die Bewegung von mechanischen Teilen der Brenn­ kraftmaschine hervorgerufenen Belastungen im Signal enthal­ ten. Es ist daher schwierig, aus einem solchen Signal defi­ nierte Aussagen über den Verbrennungsverlauf zu machen oder ein solches Signal als Istwert-Signal für eine Regeleinrich­ tung, beispielsweise eine an sich bekannte Klopfregeleinrich­ tung, aufzubereiten.

Weiter ist ein Druckaufnehmer zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen bekannt (DE-GM 79 12 425), der aus einer Widerstandsstrecke aus Kohle­ pulver besteht, die mit druckübertragenden Teilen der Brenn­ kraftmaschine verbunden ist. Als druckübertragende Teile wer­ den der Zylinderkopf, der Zylinderblock oder die Zylinderkopf­ dichtung verwendet. Entsprechend ist die Widerstandsstrecke aus Kohlepulver unter einer Zylinderkopfschraube in einem Be­ hälter am Zylinderblock oder am äußeren Seitenrand der Zylin­ derkopfdichtung angebracht. Somit erfolgt auch hier die Mes­ sung des Brennraumdrucks indirekt mit Hilfe von Übertragern mit den oben genannten Nachteilen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Meßeinrich­ tung zur Erfassung des Drucks im Brennraum einer Brennkraft­ maschine zur Verfügung zu stellen, mit der der Brennraumdruck direkt und weitgehend ohne den Einfluß von Schwingungen aus übertragenden Teilen des Motorgehäuses gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 wird wenigstens eine Meßkammer vorgesehen, die im Spalt zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock der Brennkraftmaschine dergestalt angeordnet ist, daß eine zylin­ derseitige Meßkammerwand als unmittelbare Übertragungswand die Begrenzung zum Zylindervolumen bzw. zum Brennraum im Bereich der Zylinderwand bildet. An die Meßkammer ist ein Druckaufnehmer angeschlossen, der Druckschwankungen in elek­ trische Signale umsetzt.

Damit kann vorteilhaft der Brennraumdruck direkt und weit­ gehend unverfälscht von anderen Schwingungen gemessen werden, so daß das Signal des Druckaufnehmers eindeutige Aussagen über den Verbrennungsverlauf gestattet und auch besser als Eingangssignal für Steuer- und Regelungseinrichtungen geeig­ net ist.

Einen besonderen Vorteil bietet die Meßkammer, wenn die Druck­ signale in einer Klopfregelanlage verarbeitet werden sollen. Bekanntlich liegen die klopfgefährdeten Bereiche insbesondere im Bereich zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock. Durch die erfindungsgemäße Anbringung der Meßkammer wird die Druckmes­ sung direkt an diesen klopfgefährdeten Bereichen durchge­ führt, so daß ein Klopfen schnell und mit großer Sicherheit erkannt werden kann. Der normale Zylinderdruckverlauf kann aus dem Drucksignal herausgefiltert werden oder durch geeig­ nete Druckaufnehmer bzw. deren Anbringung von vornherein unterdrückt werden, so daß im Ausgangssignal der Meßeinrich­ tung nur noch Klopfschwingungen erscheinen. Das Meßsystem ist dabei so auszulegen, daß auch hochfrequente Druckwellen zu messen sind (Stoßwellen).

Es kann bereits eine in ihrer Ausdehnung kleine Meßkammer an einer Stelle am Umfang der Zylinderwand ausreichend sein. Zweckmäßig dürften allerdings zur frühzeitigen Erkennung von Klopfereignissen an unterschiedlichen Stellen mehrere, am Um­ fang verteilte Meßkammern sein. Nach Anspruch 2 wird vorteil­ haft die Meßkammer durchgehend ringförmig um den Zylinder herum geschlossen ausgebildet. Damit werden insbesondere Klopfereignisse an allen Bereichen um den Ring zuverlässig und schnell erfaßt, wobei es möglich ist, an eine solche Meß­ kammer nach Anspruch 4 nur jeweils einen Druckaufnehmer anzu­ schließen.

Um eine definierte Aussage über den Verbrennungsverlauf in jedem Zylinder machen zu können, ist es nach Anspruch 3 vor­ teilhaft, an mehreren oder an jedem Zylinder wenigstens eine Meßkammer anzuordnen.

Wenn mehreren oder jedem Zylinder eine Meßkammer zugeordnet ist und gemäß Anspruch 4 jede dieser Meßkammern an einen Druckaufnehmer angeschlossen ist, können genaue, zylinderspe­ zifische Aussagen über den Verbrennungsverlauf in jedem ange­ schlossenen Zylinder gemacht werden. Eine solche Anordnung er­ fordert eine Reihe von Druckaufnehmern und Verarbeitungs­ einrichtungen, die mehrere Drucksignale verarbeiten können.

Eine einfachere Ausführungsform wird dadurch erhalten, daß nach Anspruch 5 mehrere Meßkammern, die insbesondere an mehre­ ren Zylindern angeordnet sind, mit einer Druckübertragungslei­ tung verbunden sind und an diesem ganzen System nur ein Druck­ aufnehmer angeschlossen ist. Es werden dann beispielsweise klopfende Verbrennungen erkannt und über die zeitliche Abfol­ ge der Verbrennungen (Zündfolge) den einzelnen Zylindern zuge­ ordnet.

Die Meßeinrichtung ist nach Anspruch 6 als hydraulisches oder pneumatisches System ausgebildet, in dem die Meßkammer oder die Meßkammern mit einem flüssigen oder gasförmigen Drucküber­ tragungsmedium gefüllt sind. Damit werden die Druckänderungen im Brennraum über die Meßkammerwand auf das Druckübertragungs­ medium weitergeleitet, das seinerseits Verbindung mit der Sen­ sorfläche eines Druckaufnehmers hat.

In einer Ausführungsform nach Anspruch 7 sind an der Übertra­ gungswand innerhalb der Meßkammer unmittelbar Druckaufnehmer, wie beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, Piezo-Keramik, etc. aufgebracht. Nach Anspruch 8 ist es vorteilhaft, die Übertra­ gungswand selbst als Druckaufnehmer auszubilden. Dies kann beispielsweise über Lagen unterschiedlicher Materialien durch­ geführt werden, die bei Belastungsänderungen in der Übertra­ gungswand entweder elektrische Ladungen abgeben oder Verände­ rungen von elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften auf­ weisen. Mit den vorstehenden Maßnahmen wird erreicht, daß die Druckmessung vorteilhaft unmittelbar in Brennraumnähe weit­ gehend unabhängig von anderen Einflüssen vorgenommen wird. Auch bei solchen Ausführungsformen kann die Meßkammer mit Flüssigkeit oder Gas gefüllt sein.

Grundsätzlich können die Meßkammern als separate Teile herge­ stellt sein. Aus Fertigungsgründen und für eine geeignete Hal­ terung ist es nach Anspruch 9 vorteilhaft, die Meßkammern als Teil des zylinderseitigen Randes in die Zylinderkopfdichtung zu integrieren.

Anhand einer Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung eines Zylinders mit einer Meßkammer,

Fig. 2 den Druckverlauf bei einem Kolbenhub mit Klopfschwin­ gungen,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf einen Motorblock bzw. eine Zylinderkopfdichtung mit je einer Meßkammer mit zugeordnetem Druckaufnehmer pro Zylinder,

Fig. 4 eine Ausführungsform entsprechend Fig. 3, bei der je­ doch die Meßkammern über eine Druckübertragungsleitung verbunden sind und an nur einen Druckaufnehmer ange­ schlossen sind,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts durch eine Meßkammer mit direkt an der Meßkammerwand aufge­ brachten Druckaufnehmern,

Fig. 6 sowohl eine Ausführungsform mit vier am Umfang verteil­ ten Druckaufnehmern nach Fig. 5 und eine Ausführungs­ form mit jeweils nur einem Druckaufnehmer je Meßkam­ mer.

In Fig. 1 ist schematisch ein Schnitt durch einen Teil einer Brennkraftmaschine 1 dargestellt mit einem Zylinderblock 2, einem Zylinderkopf 3, einer Zylinderkopfdichtung 4 und einem Kolben 5 mit Kolbenringen 6.

Der Kolben 5 ist in seiner oberen Totpunktstellung (OT) darge­ stellt, über der noch ein Teil des Brennraums 7 liegt, wobei dieser über (schematisch dargestellte) Ventile 8 und 9 mit Brenngas bzw. Abgas beladen und entladen wird. Weiter ist eine Zündkerze 10 schematisch angedeutet.

Mit den Pfeilen 11 sind die klopfgefährdeten Bereiche bezeich­ net.

Im Spalt zwischen Zylinderblock 2 und Zylinderkopf 3 bzw. am Umfangsrand der Zylinderkopfdichtung 4 ist eine ringförmige Meßkammer 12 angeordnet, die mit einer zylinderseitigen Meß­ kammerwand 13 als unmittelbarer Druckübertragungswand an das Zylindervolumen bzw. den Brennraum 7 angrenzt. Die Meßkammer­ wand 13 ist so ausgeführt, daß sie mit (geringen) Formverände­ rungen auf Druckschwankungen im Brennraum 7 reagiert.

Die Meßkammer 12 bzw. deren Ringvolumen ist mit einem Druck- Übertragungsmedium, wie Gas oder Flüssigkeit, gefüllt.

In Fig. 2 ist der in der Meßkammer 12 aufgenommene Druckver­ lauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit der Kolbenstellung bzw. Kurbelumdrehung (KW) dargestellt: In einem ersten Be­ reich 14 steigt der Druck zur Kompression bei nach oben be­ wegtem Kolben bis zum oberen Totpunkt (OT) an. Durch die nun erfolgte Zündung steigt im Bereich 15 der Druck nach OT noch etwas an und fällt dann bei nach unten bewegtem Kolben wieder ab. Im Bereich etwa des höchsten Druckes besteht die Gefahr von Klopfereignissen, die als ermittelte Klopfschwingungen 16 eingezeichnet sind.

In Fig. 3 ist schematisch eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern 17, 18, 19, 20 und je einer zugeordneten Meßkammer 21, 22, 23, 24 dargestellt. Jede der Meßkammern ist über eine kurze Leitung mit einem zugeordneten Druckaufnehmer 25, 26, 27, 28 verbunden. Damit kann für jeden Zylinder einzeln der Verlauf des Brennraumdrucks ermittelt werden und ggf. zylin­ derspezifisch eine Klopfregelung durchgeführt werden.

In einer einfacheren Ausführung nach Fig. 4 sind wiederum den Zylindern 17, 18, 19, 20 je eine ringförmige Meßkammer 21, 22, 23, 24 zugeordnet. Die Meßkammern sind jedoch hier über eine gemeinsame Druckübertragungsleitung 29 verbunden, an die nur ein einziger Druckaufnehmer 30 angeschlossen ist. Mit dieser Anordnung sind beispielsweise klopfende Verbrennungen nur global zu ermitteln und nicht mehr einem Zylinder spe­ ziell zuzuordnen.

In Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine Meßkammer 31 darge­ stellt, bei der an einer zylinderseitigen Übertragungswand 32 und einer gegenüberliegenden Wand 33 innerhalb der Meßkammer unmittelbar Druckaufnehmer 34, 35 angebracht sind. Von den Druckaufnehmern 34 und 35 führen elektrische Leitungen 36 zu einem zentralen Anschluß 37 bzw. einer Mehrfachleitung, die an geeigneter Stelle (sh. Fig. 6) aus der Meßkammer 31 heraus­ geführt ist.

Die Druckaufnehmer 34 und 35 können beispielsweise als Deh­ nungsmeßstreifen ausgeführt sein. Die Meßkammer 31 kann auch hier mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Meßkammerwände 32, 33 so stabil aus­ zuführen, daß diese aufgrund ihrer Materialeigenschaften die Reaktionskräfte zum Brennraumdruck selbst aufbringen.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß auch die Möglichkeit besteht, die Brennkammerwände selbst, beispielsweise durch geeignete Materiallagen zu Druckaufnehmern aufzubauen, dergestalt, daß eine meßbare Änderung von physikalischen Eigenschaften der Brennkammerwand selbst bei Druckbelastung auftritt.

In Fig. 6 (linker Teil) ist eine Ausführung gezeigt, bei der an vier am Umfang verteilten Stellen einer ringförmigen Meß­ kammer eine Druckaufnehmeranordnung gemäß Fig. 5 angebracht ist, wobei die entsprechenden elektrischen Leitungen zur Sig­ nalweiterverarbeitung herausgeführt sind.

In einer einfacheren Ausführung (rechter Teil der Fig. 6), die je nach den Gegebenheiten ausreichend sein kann, wird nur jeweils eine Druckaufnehmeranordnung nach Fig. 5 an einer ringförmigen Meßkammer verwendet.

Claims (9)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Druckaufnehmer, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24; 31) vor­ gesehen ist, die im Spalt zwischen Zylinderkopf (3) und Zylinderblock (2) der Brennkraftmaschine (1) dergestalt an­ geordnet ist, daß eine zylinderseitige Meßkammerwand (13; 32) als unmittelbare Übertragungswand die Begrenzung zum Zylindervolumen bzw. zum Brennraum (7) im Bereich der Zy­ linderwand bildet, und
daß an die Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24; 31) der Druckauf­ nehmer angeschlossen ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24; 31) ringförmig um den Zylinder herum geschlossen ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß an mehreren oder jedem Zylinder einer Brennkraft­ maschine wenigstens eine Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24; 31) angeordnet ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Meßkammern (21, 22, 23, 24) über eine Druck­ übertragungsleitung an einen eigenen, zugeordneten Druck­ aufnehmer (25, 26, 27, 28) angeschlossen ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßkammern (21, 22, 23, 24) mit einer Druck­ übertragungsleitung (29) verbunden sind und dort ein Druck­ aufnehmer (30) angeschlossen ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Meßkammern (12; 21, 22, 23, 24; 31) mit einem flüssigen oder gasförmigen Druck­ übertragungsmedium gefüllt sind.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an der Übertragungswand (32, 33) innerhalb der Meßkammer (31) un­ mittelbar Druckaufnehmer (34, 35), wie z. B. Dehnungsmeß­ streifen, aufgebracht sind.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswand selbst als Druckaufnehmer ausgebildet ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Meßkammern (12; 21, 22, 23, 24; 31) Teil des zylinderseitigen Randes der Zylin­ derkopfdichtung (4) sind.