DE4103327A1 - Zylinderselektive druckmessung in verbrennungsmotoren mit hilfe von glasfasern - Google Patents

Description

Für eine weitere Reduzierung der Abgasemissionen in Otto- und Dieselmotoren ist eine konti­ nuierliche Überwachung der einzelnen Verbrennungsvorgänge nötig. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Kenntnis über den Zeitpunkt, an dem der Verbrennungsdruck innerhalb eines Zylin­ ders seinen Maximalwert annimmt. Zur meßtechnischen Erfassung dieser Größe sind verschiedene Aufnehmerkonzepte vorgeschlagen worden, die an unterschiedlichen Stellen im Motor eingesetzt werden können. Will man auf eine zusätzliche Bearbeitung des Motorblockes oder des Zylinder­ kopfes verzichten, so bieten sich nur die zwei sinnvollen Meßstellen im Bereich der Zündkerze (vgl. K. Sawamoto, Y.Namajima, T. Hidaka, T. Nemoto (Nissan Motor Co., Ltd. Japan), "A Newly Developed Cylinder Pressure Sensor as Part of an Individual Cylinder Knocking Control System", Proceedings IECON′86, USA; Produktinformation Nr. 8/1990 der Fa. Kistler, Vol. 38, "Wassergekühlter Präzisions-Zylinderdrucksensor") oder der Zylinderkopfdichtung (Offenlegungsschrift DE 39 12 280, "Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druckkräften", Robert Bosch GmbH, Stuttgart) an. Piezoelektrische Druckaufnehmer beispielsweise, die unter einer Zündkerze angebracht werden, sind einer sehr großen thermischen Belastung ausgesetzt, da die Zündkerze nicht vom Kühlmittel umflossen wird. Dies wirkt sich auf die Lebensdauer des Drucksensors und damit auf die Unterhaltskosten des Fahrzeuges negativ aus. Zusätzlich sind die mechanischen Änderungen infolge der Explosion innerhalb des Zylinders im Bereich der Zündkerze sehr gering, so daß die erzeugten Sensorsignale nur sehr schwach ausfallen. In Verbindung mit den starken EMV-Störungen im Zündkerzenbereich gestaltet sich die elektronische Auswertung des Drucksignales als äußerst schwierig und kostenintensiv.

Die Zylinderkopfdichtung im Dichtungsspalt zwischen Motorblock und Zylinderkopf hingegen unterliegt wesentlich geringeren thermischen Einflüssen, da sie durch die direkte Motorkühlung einer max. Temperatur von nur ca. 120°C ausgesetzt ist. Zusätzlich sind die mechanischen Änderungen im Dichtungsspalt wesentlich größer als im Bereich der Zündkerze.

Zur zylinderselektiven Erfassung des Verbrennungsdruckes innerhalb einer Zylinderkopfdichtung sind u. a. Druckaufnehmer auf piezoresistiver, kapazitiver und piezoelektrischer Basis denkbar. Alle genannten Aufnehmer haben aber den Nachteil, daß sie entweder nur sehr geringe Pegel erzeugen, nicht über eine ausreichende Langzeitstabilität verfügen oder aber einen komplizierten, d. h. teuren Einbauprozeß mit sich bringen. Zusätzlich ist bei Mehrzylindermotoren eine Parallel­ schaltung der einzelnen Sensoren aus Gründen der Kosteneinsparung bei der elektronischen Aus­ wertung und Verkabelung problematisch.

Optische Meßverfahren zeichnen sich in erster Linie durch ihre hohe erzielbare Genauigkeit und ihre Immunität gegenüber elektromagnetischen Störfeldern aus. Faseroptische Aufnehmer und Übertragungsstrecken aus Quarzglas arbeiten ferner in einem großen Temperaturbereich zuverläs­ sig.

Diese Vorteile werden bei der hier vorgeschlagenen Druckmessung ausgenutzt. Die prinzipielle Anordnung der faseroptischen Anordnung sind in Fig. 1 dargestellt. Eine Glasfaser 2 wird hierzu in den Dichtungsspalt zwischen Motorblock und Zylinderkopf (beispielsweise in die Zylinderkopfdichtung integriert) eingebracht und unter Berücksichtigung der Zylinderkopfschrau­ benbohrungen 4 an allen Zylindern in möglichst geringem Abstand vorbeigeführt. Bei jedem Verbrennungsvorgang treten nun aufgrund der Explosion im Zylinder Druckschwankungen auf, die im Dichtungsspalt zu mikroskopischen Krümmungen der Glasfaser fuhren. Dieser Effekt kann durch eine entsprechende Formgebung der Fasereinbettung 2 nach Fig. 2 verstärkt werden. Die Lichteinkopplung in die Faser erfolgt durch eine Infrarot-LED 1. An den auftretenden Krüm­ mungsstellen koppelt jeweils ein Teil des Lichtes aus der Faser aus, so daß die zu detektierende Lichtleistung druckabhängig moduliert wird. Außerhalb des Dichtungsspaltes wird die Glasfaser als Kabel, also zugentlastet und gegenüber äußeren Einflüssen (Öl, Benzin, Wasser, Schmutz-, Quetsch- und Knickkräften) geschützt, mit fertig konfektionierten Steckverbindern zu einer elektronischen Baugruppe 5 geführt, die die Sende- 1 und Empfangsdiode 2 enthält. Durch Korrelation mit einem geeigneten Synchronisationssignal 6 (z. B. Zündimpuls) kann ein zylinder­ selektives Ausgangssignal 7 gewonnen werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur zylinderselektiven Messung des Verbrennungsdruckes in Otto- und Dieselmotoren dadurch gekennzeichnet, daß in den Dichtungsspalt zwischen Zylinder­ kopf und Motorblock eine Glasfaser so eingebracht wird, daß die Verbrennungs­ druckschwankungen unmittelbar über eine Änderung der Mikrokrümmungsverluste innerhalb der Glasfaser zu einer meßbaren Modulation der Durchgangsdämpfung führen.

2. Anordnung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des max. Verbren­ nungsdruckes jedes einzelnen Zylinders mit Hilfe einer elektronischen Auswertung erfaßt wird.

3. Anordnung nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser zur Aufnahme der Druckschwankungen in der Zylinderkopfdichtung integriert ist.

4. Anordnung nach 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motoren mit mehreren Zylindern nur eine Glasfaser pro Zylinderkopf zur zylinderselektiven Druckerfassung verwendet und an den einzelnen Zylindern so vorbeigeführt wird, daß eine meßbare Modulation der Durchgangsdämpfung entsteht.

5. Anordnung nach 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motoren mit mehreren Zylinderköpfen eine Glasfaser zur zylinderselektiven Druckerfassung durch alle Zylinderköpfe nacheinander durchgeschleift und an den einzelnen Zylindern so vorbeigeführt wird, daß eine meßbare Modulation der Durchgangsdämpfung entsteht.

6. Anordnung nach 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Erfassung des Verbrennungsdruckes nach dem Prinzip der optischen Transmissions- oder Reflexionsmessung erfolgt.

7. Anordnung nach 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des einzelnen Zeitpunktes des max. Zylinderdruckes der Spitzenwert elektronisch ge­ wonnen und zur zeitlichen Synchronisation das Zündsignal des betreffenden Zylinders, die Stellung der Kurbelwelle o. ä. berücksichtigt wird.