DE4001475C2 - 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 mit mindestens einem Druckaufnehmer.

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 ein Teil 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.

Zudem ist es bekannt, den Druck im Brennraum einer Brennkraft­ maschine mit Hilfe eines magnetostriktiven Elements zu erfas­ sen, welches an der Brennraumeinfassung der Zylinderkopfdich­ tung angeordnet sein kann (DE 36 20 733 A1; Spalte 5, Zeilen 32 bis 37). Ein Druckübertragungsfluid ist hier nicht vorgese­ hen.

Es ist auch bekannt, das Klopfen einer Brennkraftmaschine durch eine Temperaturmessung zu erfassen, wozu ein temperatur­ empfindliches Element, insbesondere eine stark temperaturver­ änderliche Flüssigkeit in einer Zylinderkopfdichtung angeord­ net ist (DE 30 06 603 C2). Die Flüssigkeit ist hier nur von Temperatur und nicht vom Brennraumdruck beeinflußt.

In einer weiter bekannten Anordnung für eine Zylinderdruckmes­ sung einer Brennkraftmaschine ist eine Druckübertragungsmem­ bran eines Drucksensors unmittelbar dem Brennraumdruck ausge­ setzt (DE 37 27 221 A1). Ein Fluid zur Druckübertragung ist hier nicht vorgesehen.

Zudem ist ein mit Öl gefüllter Hohlring als Unterlegscheibe unter einen Zündkerzenflansch bekannt (DE-PS 746 666), der je­ doch nicht unmittelbar dem Brennraumdruck ausgesetzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Meßeinrich­ tung zur Erfassung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftma­ schine zur Verfügung zu stellen, mit der der Brennraumdruck einfach, direkt und genau gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 besteht die Meßeinrichtung aus mindestens einem Druckaufnehmer und wenigstens einer mit einem Drucküber­ tragungsfluid gefüllten Meßkammer, die im Spalt zwischen Zy­ linderkopf und Zylinderblock der Brennkraftmaschine derge­ stalt angeordnet ist, daß eine zylinderseitige Meßkammerwand als unmittelbare Übertragungswand die Begrenzung zum Zylinder­ volumen bzw. zum Brennraum im Bereich der Zylinderwand bil­ det. Der Druckaufnehmer ist durch das Druckübertragungsfluid in der Meßkammer beaufschlagt.

Damit kann vorteilhaft der Brennraumdruck direkt und weitge­ hend unverfälscht von anderen Schwingungen gemessen werden, so daß das Signal des Druckaufnehmers eindeutige Aussagen über den Verbrennungsverlauf gestattet und gut als Eingangs­ signal für Steuer- und Regelungseinrichtungen geeignet ist. Die Meßeinrichtung ist einfach aufgebaut und als hydrauli­ sches oder pneumatisches System ausgebildet, in dem die Meß­ kammer oder die Meßkammern nach Anspruch 6 mit einem flüssi­ gen oder gasförmigen Druckübertragungsfluid gefüllt sind. Da­ mit werden die Druckänderungen im Brennraum über die Meßkam­ merwand auf das Druckübertragungsmedium weitergeleitet, das seinerseits Verbindung mit der Sensorfläche eines Druckaufneh­ mers hat.

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 geeigne­ te Druckaufnehmer bzw. deren Anbringung von vornherein unter­ drückt werden, so daß im Ausgangssignal der Meßeinrichtung nur noch Klopfschwingungen erscheinen. Das Meßsystem kann so ausgelegt werden, daß auch hochfrequente Druckwellen zu mes­ sen 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.

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,

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 übertragungsfluid 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.

Claims (6)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Druckaufnehmer (25, 26, 27, 28; 30), wenigstens einer mit einen Druckübertragungsfluid gefüll­ ten Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24), die im Spalt zwischen Zylinderkopf (3) und Zylinderblock (2) der Brennkraftma­ schine (1) dergestalt angeordnet ist, daß eine zylindersei­ tige Meßkammerwand (13) als unmittelbare Übertragungswand die Begrenzung zum Zylindervolumen bzw. zum Brennraum (7) im Bereich der Zylinderwand bildet, wobei der Druckaufneh­ mer (25, 26, 27, 28; 30) durch das Druckübertragungsfluid in der Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24) beaufschlagt ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (12; 21, 22, 23, 24) 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) an­ geordnet 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, an die ein einzi­ ger Druckaufnehmer (30) angeschlossen ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungsfluid flüssig oder gasförmig ist.