DE4402310C2 - Anordnung einer optischen Sonde zur Erfassung von Intensität und Spektrum von zyklischen Verbrennungsvorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Anordnung einer optischen Sonde zur Erfassung von Intensität und Spektrum von zyklischen Verbrennungsvorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren

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Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung einer optischen Sonde zur Erfassung von Intensität und Spektrum von zyklischen Verbrennungsvorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren.
Vorbekannt ist gemäß DE 30 11 569 A1 eine in den Zylinderkopf eingeschraubte optische Sonde, deren Optik vom Einschraubgehäuse radial vollständig umschlossen ist. Zur Aufnahme von Verbrennungsstrahlung weist sie eine konturierte, axial am Brennraum frei angrenzende Oberfläche auf.
Mittels der Konturierung der freien Oberfläche soll eine geringe Verschmutzung und gute Lichtausbeute auch über längere Betriebszeit erzielt werden. Derartige Ausführungen sind nicht praxistauglich, da Feinkonturen generell verschmutzen und dabei oft Fremdzündungspunkte im Brennraum bilden.
Ebenfalls vorbekannt ist aus der US 4 493 208 eine in den Zylinderkopf eingeschraubte optische Sonde, deren Optik vom Einschraubgehäuse nicht vollständig radial umschlossen ist. Sowohl ein Teil des Einschraubgehäuses als auch ein Teil der Optik ragen frei in den Brennraum. Besonders das in den Brennraum ragende Teil des Einschraubgehäuses stört die Abläufe im Brennraum durch Wärmeabführung und Beeinflussung von Strömungsvorgängen, während die radial freie Optik bei Überhitzung als ungewollter Zündpunkt wirksam werden kann.
Vorbekannt ist ferner aus der DE 31 47 291 C2, der DE 37 27 018 A1 und der DE 30 01 711 A1, Zündkerzen mit einer zentralen Optik zu versehen.
Gemäß der DE 31 47 291 C2 und der DE 30 01 711 A1 ist die Optik von einer als Aufnahme ausgebildeten hülsenförmigen Mittelelektrode radial vollständig umgeben und reicht mit ihrer gewölbten Stirnseite in den Brennraum. Im hülsenförmigen Metallteil ist die Optik mit einer wärmeleitenden Masse eingebettet.
Gemäß der DE 37 27 018 A1 ragt die Optik axial über die hülsenförmige Mittelelektrode hinaus in den Brennraum bis etwa zur Masseelektrode der Zündkerze.
Vorbekannt ist aus der Schrift DE 34 13 850 A1 auch eine in den Zylinderkopf eines Dieselmotors eingeschraubte optische Sonde zum Erfassen des Zündzeitpunktes anhand der Verbrennungsstrahlung im Brennraum des Motors. Als Aufnahmeoptik ist ein optisches Element in der Mittelachse des Gehäuses einer zur Vorwärmung von Verbrennungsluft dienenden Glühkerze oder in einem dafür eigens vorgesehenen Gehäuse angeordnet. Das in das Innere des Brennraumes hineinreichende Ende des optischen Elementes weist eine konisch spitze Form auf, wobei diese Formgebung auch Kohle- oder Rußablagerungen verhindern soll. Diese Form des optischen Elementes ist aufgrund ihrer unkompakten Form ungünstig. Sie ist überhitzungsgefährdet und damit ggf. als ungewollter Zündpunkt wirksam.
Diese Sonde dient zum Erfassen des Zündens in einer Brennkammer, hierzu ist lediglich das Einsetzen der Verbrennungsstrahlung durch Erfassen von "dunkel" oder "hell" zu detektieren.
Vorbekannt ist ferner aus der DE 36 27 074 A1 eine im Zylinderkopf angeordnete optische Sonde zum Erfassen der Verbrennungsstrahlung in der Brennkammer des Motors. Die Aufnahmeoptik weist eine flache, zur Umfangsbegrenzung abgerundete oder abgeschrägte Stirnfläche auf und reicht mit einem zylindrischen, abgerundeten Abschnitt in den Brennraum. Es wird die Ermittlung des Verschmutzungszustandes der Aufnahmeoptik unter Anwendung einer Referenzlichtstrecke, welche die Reflexion an der Grenzfläche der Aufnahmeoptik zum Brennraum erfasst, beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine Sonde an den zu beobachtenden Brennraum direkt heranreicht und bei kostengünstigem optischen Material ein hohes Maß an Selbstreinigung bei hohen Oberflächentemperaturen zulässt.
Erfindungsgemäß wird mit einer Anordnung einer optischen Sonde gemäß den Merkmalen des Hauptanspruches eine für Verbrennungsbewertung und für den motorischen Betrieb entscheidende Selbstreinigung und Weitwinkligkeit des Erfassungsbereiches erzielt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
An Hand einer Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Anordnung erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 die Anordnung einer Sonde im Zylinderkopfbereich eines Dieselmotors in schematisierter Schnittdarstellung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine verwendete Sonde mit den wichtigsten technischen Merkmalen;
Fig. 3 die aufnahmeseitige Gestaltung der Anordnung und die Geometrie der nichtabbildenden Aufnahmeoptik.
In Fig. 1 sind Zylinderblock 1, Kolben 2 und der Zylinderkopf 3 mit der Einspritzdüse 4 und der erfindungsgemäßen Anordnung der Sonde 5 dargestellt. Die Sonde 5 ist dabei mit ihrem Erfassungsbereich auf eine Partie des Brennraumes 7 ausgerichtet, die für die den Verbrennungsablauf und die auszuwertenden Flamm- und Partikelerscheinungen signifikant ist. Der Zündbereich sollte unbedingt mit erfasst werden.
In Fig. 2 ist der Aufbau der eingesetzten Sonde 5 in einem Längsschnitt dargestellt. In einem in den Zylinderkopf 3 abdichtend einschraubbaren Trägergehäuse 8 ist in dessen vorderer Partie 9 ein Saphir- oder Quarzglasstab 10 als Aufnahmeoptik abgedichtet und axial gegengelagert eingefügt. Die hintere Partie weist eine übliche Anschlussanordnung 6 für einen Lichtleiter (Glasfaserkabel) - nicht dargestellt - auf, wobei zwischen Aufnahmeoptik und Anschlussordnung 6 ein Lichtleitstab 11 im Trägergehäuse 8 geführt eingeordnet ist.
Zur Sicherung der Selbstreinigung beträgt die freie Länge LF des Stabes 10 das 2- bis 3fache, vorzugsweise aber das 2,4fache ihres Durchmessers D.
Die freie Länge LF des Stabes 10 ist von einem Spalt LSP zum Zylinderkopf 3 umgeben, dessen Größe von 0,35 bis 1 mm betragen kann - siehe Fig. 3 -. Um dabei auch die Wärmeableitung und Halterung für den Stab 10 zu sichern, beträgt dessen gefasste Länge LG das 2,5- bis 4fache der freien Länge LF.
Vorteilhaft ist die Aufnahmeoptik 10 über einen Luftspalt SP an den Lichtleitstab 11 angekoppelt, wobei der Durchmesser des Lichtleitstabes DL das 1,15- bis 2fache des Durchmessers D des Stabes 10 aufweist und der Luftspalt LSP zwischen 0,5 bis 2,7 mm, vorzugsweise 1 mm, bemessen ist.
Die Aufnahmeseite des Stabes 10, siehe Fig. 3, weist bei Verwendung eines Saphirs eine konvexe Oberfläche RK in Form einer Kugelkalotte auf, deren Radius mit 50 bis 70% des Durchmessers D des Stabes 10, vorzugsweise aber mit 63% des Durchmessers D des Stabes 10, bemessen ist.
Bei Verwendung von Quarzglas für den Stab 10 verläuft die konvexe Oberfläche über der Vorzugsrichtung VR als Kugelkalotte, deren Radius mit 50 bis 70% des Durchmessers D des Stabes 10, vorzugsweise aber mit 66% des Durchmessers D des Stabes 10, bemessen ist.
In üblicher Weise ist an die optische Sonde 5 über den Lichtleitstab 11 ein ein- oder mehrarmiger Lichtleiter in konstanter Lage mittels der Anschlussanordnung 6 ankoppelbar.

Claims (11)

1. Anordnung einer optischen Sonde (5) zur Erfassung von Intensität und Spektrum von zyklischen Verbrennungsvorgängen in Brennräumen (7) von Verbrennungsmotoren, wobei die Sonde (5) in einem Trägergehäuse (8, 9) eines Zylinderkopfes (3) angeordnet ist und Mittel (10, 11) zur Übertragung der erfassten Strahlungsemission aufweist, wobei die Aufnahmeoptik als ein mit einer Oberfläche (RK) an der freien Stirnseite in den Brennraum (7) hineinreichender optischen Stab (10) ausgebildet ist, der an der dem Brennraum (7) zugekehrten Stirnseite eine konvexe Oberfläche (RK) mit gleicher oder ungleicher Krümmung und eine freie ungefasste radiale Oberfläche (10F) am zylindrischen Verlauf des Stabes (10) aufweist, wobei die freie radiale Oberfläche (10F) von einem Spalt (LSP) zum Zylinderkopf (3) hin umgeben ist.
2. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 1, wobei der Stab (10) aus einem optisch hochreinen Saphir besteht.
3. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 2, wobei die konvexe Oberfläche (RK) der Stirnseite des Stabes (10) eine Kugelkalotte ist, deren Radius mit 50 bis 70% des Durchmessers (D) des Stabes (10), vorzugsweise aber mit 63% des Durchmessers (D) des Stabes (10), bemessen ist.
4. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 1, wobei der Stab (10) aus Quarzglas besteht.
5. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 4, wobei die konvexe Oberfläche (RK) der Stirnseite des Stabes (10) eine über der Vorzugsrichtung (VR) verlaufende Kugelkalotte ist, deren Radius mit 50 bis 70% des Durchmessers (D) des Stabes (10), vorzugsweise aber mit 66% des Durchmessers (D) des Stabes (10), bemessen ist.
6. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 2 oder 4, wobei die freie Länge (LF) des Stabes (10) das 2- bis 3fache, vorzugsweise aber das 2,4fache, seines Durchmessers (D) beträgt.
7. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 2 oder 4, wobei die gefasste Länge (Lg) des Stabes (10) das 2,5- bis 4fache der freien Länge (Lf) beträgt.
8. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 1, wobei der Spalt (LSP) eine Größe von 0,35 bis 1 mm aufweist.
9. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 1, wobei der optische Stab (10) über einen Luftspalt (Sp) an einen Lichtleitstab (11) angekoppelt ist, wobei der Durchmesser (DL) des Lichtleitstabes (11) das 1,15- bis 2fache des Durchmessers (D) des Stabes (10) aufweist und der Luftspalt (Sp) zwischen 0,5 bis 2,7 mm, vorzugsweise 1 mm, bemessen ist.
10. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 9, wobei an den Lichtleitstab (11) ein un- oder mehrfach verzweigter Lichtleiter in konstanter Lage angekoppelt ist.
11. Anordnung einer optischen Sonde (5) nach Anspruch 1, wobei das Zentrum des Erfassungssektors des Stabes (10) auf den Zündbereich der Ladung im Brennraum (7) gerichtet ist.
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