DE10209752A1 - Optischer Sensor zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen - Google Patents
Optischer Sensor zur Erfassung von VerbrennungsvorgängenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor oder Emitter (1) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite ein optisches Element (2) sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel (3) aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse (4) angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zwischen dem optischen Element (2) und der Innenseite der Metallhülse (4) ein mit Lotmaterial (5) gefüllter Ringspalt vorgesehen.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor oder Emitter zur Erfassung von
Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb be
findlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten
Seite ein optisches Element sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite
einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel aufweist, welche gemeinsam in einer
Metallhülse angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derarti
gen optischen Sensors.
Die genannten Sensoren werden beispielsweise in der Motorenentwicklung einge
setzt, um den zeitlichen und örtlichen Ablauf von Verbrennungsvorgängen zu
studieren. Beispielsweise ist aus der EP 0 593 413 B1 eine optoelektronische
Messeinrichtung bekannt, bei der die Sensoren in der Zylinderkopfdichtung einer
Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die einzelnen optischen Sensoren, welche
zu Gruppen zusammengefasst sein können, weisen jeweils eine Kugellinse aus
Quarz oder Saphir auf, welche in optischem Kontakt mit einem Lichtleiter stehen.
Die Kugellinse und der Lichtleiter sind mit einem Abstand zueinander in der
Bohrung einer metallischen Halterung angeordnet, wobei die Größe der Apertur
der Bohrung, der Durchmesser des Lichtleiters und der Abstand zwischen Licht
leiter und Kugellinse die Abbildungseigenschaften des optischen Sensors defi
nieren. Aufgrund der geringen Gesamtbauhöhe von ca. 2 mm, welche an die je
weilige Dicke der Zylinderkopfdichtung angepasst sein muss, ist die Herstellung
derartiger Sensoren und die Einhaltung der für die Abbildungseigenschaften
maßgeblichen Baugrößen schwierig, was die Herstellung derartiger Sensoren er
schwert und verteuert.
Eine weitere derartige optische Einrichtung ist aus der AT 002 910 U1 bekannt
geworden, bei welcher der optische Sensor anstelle einer Kugellinse eine plan
konvexe Stablinse aus Quarz oder Saphir aufweist, deren konvexe Fläche zum
Brennraum ausgerichtet ist und deren plane Fläche gleichzeitig die Brennebene
der Linse darstellt. Die plane Fläche dient auch als Kontaktfläche zum Lichtleiter
bzw. zu einem Lichtleiterbündel, so dass bei dieser Anordnung kein Abstand zwi
schen Linse und Lichtleiter eingehalten werden muss, sondern der Lichtleiter bei
der Montage einfach bis an die Stablinse herangeschoben werden kann. Die
Stablinse und der Lichtleiter bzw. das Lichtleiterbündel befinden sich in einer
gemeinsamen Sensorhülle und sind dort mit einem Kleber, vorzugsweise Epo
xykleber oder Glaskeramik, unlösbar miteinander verbunden.
Aus der EP 0 313 884 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
und Auswerten klopfender Verbrennung während des Betriebes einer Brenn
kraftmaschine bekannt, wobei ein optischer Sensor mit einer brennraumseitig
angeordneten plankonvexen Linse bzw. Sichtfenster verwendet wird und das
Sichtfenster zur Wärmeisolation in ein Isoliermaterial eingebettet ist.
Schließlich ist aus der US 4,422,321 A ein optischer Sensor bekannt geworden,
welcher sich zur Betrachtung von Verbrennungsprozessen eignet und brenn
raumseitig ein zylindrisches Linsenelement aus Quarzglas aufweist. Die gesamte
Anordnung befindet sich in einem Gehäuse mit einem Einschraubgewinde, wobei
das Linsenelement seitlich durch Distanzringe in einer Bohrung des Gehäuses
gehalten wird und brennraumseitig an einem Dichtring des Gehäuses anliegt. Auf
der vom Brennraum abgewandten Seite wird ein Lichtleiterbündel bis an das
Quarzelement herangeführt und durch einen Flansch des Gehäuses an das
Quarzelement angepresst. Gemäß einer Ausführungsvariante ist es auch möglich
den Ringspalt zwischen Quarzelement und Gehäuse mit Talkum- oder Graphit
pulver zu füllen. Nachteilig bei dieser Ausführungsvariante ist der komplizierte
Herstellungsprozess, welcher sich kaum für Sensorelement mit geringen Abmes
sungen adaptieren lässt, so dass eine Anordnung derartiger Sensoren in einer
Zylinderkopfdichtung bzw. in entsprechend adaptieren Zündkerzen bzw. Ein
spritzdüsen nicht möglich ist.
Ein ähnlicher optischer Sensor, welcher in den Kolbenboden einer Brennkraftma
schine eingebaut ist und einen in einer Metallhülse gehaltenen Saphir- oder
Quarzstab als brennraumseitiges Eintrittsfenster aufweist, ist aus der US
4,918,982 A bekannt geworden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen optischen Sensor zur Erfassung
von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum oder einen optischen Emitter
zur Einbringung von Messstrahlung in einen Brennraum vorzuschlagen, welcher
auch bei kleinsten Abmessungen, beispielsweise mit einem Außendurchmesser
bis zu 2,5 mm auf möglichst einfache Weise herstellbar ist und den großen
Druck- und Temperaturschwankungen in Brennräumen stand hält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem opti
schen Element und der Innenseite der Metallhülse ein mit Lotmaterial gefüllter
Ringspalt vorgesehen ist. Eine derartige Fixierung des optischen Elementes, bei
spielsweise einer Sammel- oder Streulinse, weist Vorteile gegenüber einer Be
festigung mit Hilfe von Epoxykleber oder Glaskeramik auf, da die Verbindung
elastischer und temperaturbeständig ist.
Erfindungsgemäß wird ein derartiger Sensor oder Emitter folgendermaßen herge
stellt:
- a) Herstellen einer Metallhülse mit einem Innendurchmesser, welcher ge ringfügig größer ist als der Außendurchmesser des optischen Elemen tes, wobei der Außendurchmesser der Metallhülse ein Übermaß auf weist,
- b) Einfügen des optischen Elementes in die Metallhülse, wobei dieses zur Metallhülse einen Ringspalt bildet und vorzugsweise mit der Frontseite aus der Metallhülse ragt;
- c) Einbringen eines Lotmaterials in den Ringspalt zwischen dem optischen Element und der Metallhülse;
- d) Abdrehen der Metallhülse auf das Endmaß, wobei das überstehende Lotmaterial entfernt wird; und
- e) Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels in der Metallhülse. Bei optischen Elementen die in einem definierten Ausmaß über die Metallhülse hinausragen, z. B. bei konvexen Sammellinse, ist eine heiße, sich selbst reini gende Oberfläche gegeben.
Besondere Vorteile bei der Beobachtung von Verbrennungsvorgängen bei einer
im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine ergeben sich, wenn das optische
Element als plankonvexe oder plankonkave Stablinse ausgebildet ist, aus Saphir
besteht und mit Hilfe einer Keramik/Metall-Mischung, in eine Hülse aus Stahl
eingelötet ist. Durch den Wegfall von brennraumseitigen Klebeverbindungen
kann die Standzeit derartiger Sensor erheblich verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann das optische Element an
der dem Brennraum zugewandten Frontseite Um- oder Ablenkflächen aufweisen,
welche den optischen Strahlengang in vorgegebene Raumrichtungen ablenken.
Derartige Varianten eignen sich z. B. für den Einbau in Zündkerzen, Glühkerzen
oder Einspritzdüsen.
Erfindungsgemäß kann die Metallhülse im Bereich des optischen Elementes zu
mindest eine seitliche Bohrung bzw. zumindest einen seitlichen Schlitz aufwei
sen, welche bzw. welcher zum Einbringen des Lotmaterials dient. Mit dem erfin
dungsgemäßen Verfahren sind optische Sensoren sowie Emitter herstellbar, wel
che einen Außendurchmesser der Metallhülse < 5 mm, vorzugsweise < 2 mm
aufweisen, und deren Innendurchmesser < 4 mm, vorzugsweise < 1,6 mm ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen opti
schen Sensors oder Emitters im Längsschnitt, die
Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Stadien im Herstellungsprozess des erfindungs
gemäßen Sensors oder Emitters ebenfalls im Längsschnitt,
Fig. 5 den in eine Zylinderkopfdichtung eingebauten optischen Sensor oder
Emitter, sowie die
Fig. 6 und 7 zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungsvarianten eines
optischen Sensors oder Emitters.
Der in Fig. 1 beispielhaft dargestellte optische Sensor 1 dient zur Erfassung von
Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum und weist auf der dem Brennraum
zugewandten Seite eine Sammellinse als optisches Element 2, sowie auf der ge
genüberliegenden Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel 3 auf. In glei
cher Weise kann die Vorrichtung auch als Emitter zum Einbringen einer Mess-
oder Anregungsstrahlung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet
werden.
Die Sammellinse und das Lichtleiterbündel 3 (beispielsweise ein in einer Normal
ebene zur Zeichenebene angeordnetes zeilenartiges Lichtleiterbündel) sind ge
meinsam in einer Metallhülse 4 angeordnet. Zwischen der dem optischen Ele
ment 2 und der Innenseite der Metallhülse 4 ist ein mit Lotmaterial 5 gefüllter
Ringspalt vorgesehen. Das optische Element 2 aus Saphir ist als plankonvexe
Stablinse ausgebildet und mit Hilfe einer Keramik/Metall-Mischung in die Stahl
hülse 4 (beispielsweise FeNi42) eingelötet.
In den folgenden Fig. 2 bis 4 wird die Herstellung des erfindungsgemäßen
optischen Sensors schrittweise dargestellt, wobei sich die Zahlenangaben ledig
lich auf eine bevorzugte Ausführungsvariante (Anordnung in einer Zylinderkopf
dichtung) beziehen und nicht einschränkend aufgefasst werden sollen.
Eine plankonvexe Stablinse gemäß Fig. 2, mit einem Durchmesser d von
1,5 mm, einer Länge l von ca. 6 mm und einem Krümmungsradius r der konvexen
Begrenzungsfläche von ca. 2,5 mm, wird in eine vorbereitete, ca. 10 mm lange
Metallhülse gemäß Fig. 3 eingefügt, wobei die Metallhülse einen Innendurchmes
ser aufweist, welcher geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Stab
linse. Im dargestellten Beispiel beträgt der Innendurchmesser z. B. 1,56 ± 0,03
mm. Der Außendurchmesser der Metallhülse 4 weist im Vergleich mit dem ferti
gen Sensor ein Übermaß auf. Nun wird als weiterer Schritt das Lotmaterial 5 in
den Ringspalt zwischen Stablinse und Metallhülse 4 eingebracht, wobei zwei
Ausführungsvarianten vorstellbar sind. Beispielsweise kann das Lotmaterial 5 -
wie in Fig. 3 dargestellt - in eine Kehlnaht eingebracht werden, welche durch die
Stirnfläche 6 der Metallhülse 4 und die über die Metallhülse 4 ragende Mantelflä
che 7 der Sammellinse gebildet wird. Durch die Kapillarwirkung gelangt das Lot
material in den Ringspalt zwischen Metallhülse und Sammellinse, wobei darauf
geachtet werden muss, eine Benetzung der als konvexe Fläche ausgebildeten
Frontseite 12 des optischen Elementes durch das Lotmaterial zu vermeiden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante kann das Lotmaterial 5 über eine oder
mehrere seitliche Bohrungen 8 (siehe Fig. 1) in den Ringspalt zwischen dem opti
schen Element 2 und Metallhülse 4 eingebracht werden. Anstelle der seitlichen
Bohrung 8 kann auch ein Schlitz in der Metallhülse 4 ausgefräst sein.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird nun die Metallhülse 4 auf das End
maß (beispielsweise 1,8 mm) abgefräst, wobei das überstehende Lotmaterial 5
entfernt wird (siehe Fig. 4). Anschließend erfolgt die Fixierung des Lichtleiters
oder des Lichtleiterbündels 3 in der Metallhülse 4, wobei das Lichtleiterbündel bis
an die plane Rückseite 9 des optischen Elementes 2 herangeschoben und befes
tigt wird. Beispielsweise können die Enden des zeilenartigen Lichtleiterbündels 3
eine metallische Halterung 13 aufweisen, welche mechanisch - z. B. durch Klem
men - in der Metallhülse 4 fixiert ist (siehe Fig. 5). In der vom Brennraum abge
wandten, kälteren Öffnung der Metallhülse 4 kann die Halterung 13 auch einge
klebt sein.
In Fig. 5 ist der optische Sensor oder Emitter 1 in seiner Messposition in einer
Zylinderkopfdichtung 10 dargestellt. Die Befestigung des Sensors in der Bohrung
11 kann beispielsweise durch Weichlöten erfolgen, so dass die gesamte optische
Anordnung zumindest brennraumseitig kleberfrei gestaltet werden kann.
Gemäß der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsvariante kann das optische Ele
ment 2 an der Frontseite 12 Um- bzw. Ablenkflächen 14 aufweisen, welche die
Mess- bzw. Anregungsstrahlung in die gewünschte Raumrichtung ablenken, bzw.
einen vorgegebenen Raumbereich abbilden. Derartige optische Elemente können
auch in entsprechend adaptierte Zündkerzen Glühkerzen oder Einspritzdüsen
eingelötet bzw. in Messbohrungen der Brennraumbegrenzung eingesetzt werden.
Weiters ist es möglich, das Einbringen des Lotmaterials 5 in den Ringspalt zwi
schen dem optischen Element 2 und der Metallhülse 4 dadurch zu erleichtern,
dass die Metallhülse vor dem Einbringen des optischen Elementes mit einem
Bördelrand versehen wird, welcher nach dem Einbringen des Lotmaterials abge
dreht wird.
Gemäß der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante kann das optische Ele
ment 2 eine plane Frontfläche 12 aufweisen und so als optisches Fenster dienen
oder - wie strichliert dargestellt - als plankonkave Stablinse ausgebildet sein.
Claims (9)
1. Optischer Sensor oder Emitter (1) zur Erfassung von Verbrennungsvorgän
gen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen
Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite
ein optisches Element (2) sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite
einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel (3) aufweist, welche gemeinsam
in einer Metallhülse (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem optischen Element (2) und der Innenseite der Metallhülse (4)
ein mit Lotmaterial (5) gefüllter Ringspalt vorgesehen ist.
2. Optischer Sensor oder Emitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass das optische Element (2) als plankonvexe oder plankonkave
Stablinse ausgebildet ist, aus Saphir besteht und mit Hilfe einer Kera
mik/Metall-Mischung, in eine Hülse (4) aus Stahl eingelötet ist.
3. Optischer Sensor oder Emitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass das optische Element (2) an der dem Brennraum zugewandten
Frontseite (12) Um- oder Ablenkflächen (14) aufweist, welche den optischen
Strahlengang in vorgegebene Raumrichtungen ablenken.
4. Optischer Sensor oder Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Metallhülse (4) im Bereich des optischen Ele
mentes (2) zumindest eine seitliche Bohrung (8) bzw. zumindest einen seit
lichen Schlitz aufweist, welche bzw. welcher zum Einbringen des Lotmateri
als (5) dient.
5. Optischer Sensor oder Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Metallhülse < 5 mm,
vorzugsweise < 2 mm und deren Innendurchmesser < 4 mm, vorzugsweise
< 1,6 mm beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors oder Emitters zur Erfas
sung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer
im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, wobei in einer Metallhülse ein
optisches Sensorelement angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- a) Herstellen einer Metallhülse mit einem Innendurchmesser, welcher ge ringfügig größer ist als der Außendurchmesser des optischen Elementes, wobei der Außendurchmesser der Metallhülse ein Übermaß aufweist,
- b) Einfügen des optischen Elementes in die Metallhülse, wobei dieses zur Metallhülse einen Ringspalt bildet und vorzugsweise mit der Frontseite aus der Metallhülse ragt;
- c) Einbringen eines Lotmaterials in den Ringspalt zwischen dem optischen Element und der Metallhülse;
- d) Abdrehen der Metallhülse auf das Endmaß, wobei das überstehende Lot material entfernt wird; und
- e) Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels in der Metallhülse.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmate
rial über eine seitliche Bohrung oder einen seitlichen Schlitz der Metallhülse
in den Ringspalt zwischen dem optischen Element und der Metallhülse ein
gebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmate
rial in eine Kehlnaht eingebracht wird, welche durch die Stirnfläche der Me
tallhülse und die über die Metallhülse ragende Mantelfläche des optischen
Elementes gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Lichtleiter bzw. das Lichtleiterbündel mit einer metallischen Halte
rung versehen, bis an eine plane Rückseite des optischen Elementes heran
geschoben und in der Metallhülse fixiert wird.
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