DE19932202A1 - Optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen - Google Patents

Abstract

Eine optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum (1) einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine weist dem Brennraum zugeordnete optische Sensoren (2) auf, welche mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen. Die optischen Sensoren können dabei in einem den Brennraum (1) begrenzenden Dichtelement (3) liegen. Um mit möglichst geringem Aufwand eine hohe Meßqualität zu erzielen, ist vorgesehen, daß die Linseneinrichtung (6) eine Sammellinse (7) aufweist und im Bereich einer Brennebene (7a) der Sammellinse (7) ein Ende (8a) zumindest eines Lichtleiters (8) angeordnet ist. Die Brennebene (7a) fällt mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zusammen, so daß das Ende (8a) zumindest eines Lichtleiters (8) in direktem Kontakt mit der planen Fläche steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbren­ nungsvorgängen im Brennraum einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum zugeordneten optischen Sensoren, welche mit einer Auswerteeinheit in Verbin­ dung stehen, wobei jeder Sensor im Mündungsbereich in den Brennraum eine Linseneinrich­ tung aufweist, welche in optischem Kontakt mit zumindest einem Lichtleiter steht, wobei die Linseneinrichtung eine Plankonvexlinse als Sammellinse aufweist und im Bereich einer Bren­ nebene der Sammellinse ein Ende zumindest eines Lichtleiters angeordnet ist.

Aus der EP 0 593 413 B1 ist eine optoelektronische Meßeinrichtung bekannt, bei der jeder optische Sensor aus einer in einer Halterung fixierten Kugellinse besteht, welche in optischem Kontakt mit einem in der Halterung geführten Lichtleiter steht. Über den Abstand zwischen Lichtleiter und der Kugellinse wird dabei die Größe des Sichtwinkels des Sensors eingestellt. Durch die Kugellinse wird allerdings nur eine grobe Annäherung an eine optische Linse er­ reicht. Da jeder Einzelsensor nur einen sehr eingeschränkten Sichtwinkelbereich aufweist, ist eine große Anzahl von optischen Sensoren erforderlich, um den in der Schnittebene des Dichtelementes liegenden Bereich des Brennraumes möglichst vollständig zu erfassen.

Weiterhin sind optoelektronische Meßeinrichtungen zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum bekannt, wobei die Lichtleiter ohne zwischengeschaltete Linse optisch mit dem Brennraum verbunden sind (siehe beispielsweise EP 0 313 884 A2, Fig. 6 und Fig. 7). Auf diese Weise kann allerdings nur ein sehr geringer Teil der Kapazität eines Lichtleiters genutzt werden, weshalb meist eine Verstärkung der eingefangenen Reststrahlung erforderlich ist, was sich auf den Meßaufwand und auf die Qualität der Meßergebnisse nachteilig auswirkt.

Weiterhin ist aus der EP 0 313 884 A2, beispielsweise aus Fig. 4 eine Vorrichtung zum Erken­ nung und Auswerten klopfender Verbrennung während des Betriebes einer Brennkraftma­ schine mit innerer Verbrennung bekannt. Der optische Sensor der Vorrichtung besteht aus einer brennraumseitig angeordneten plankonvexen Linse, einem Tubus und einem Lichtleit­ kabel, welches Lichtleitfasern enthält. Am Brennraum abgewandten Ende des Tubus befindet sich in der Brennebene der Linse eine optische Blende in Form des Eintrittsquerschnittes der Lichtleitfasern. Die innere Mantelfläche des Tubus ist mit einer lichtabsorbierenden Oberflä­ che versehen. Durch die brennraumseitige Linse werden die Lichtstrahlen in der Brennebene gebündelt und in das Lichtleitkabel eingekoppelt.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus JP-Abstract 61-055312 bekannt, bei welcher am brenn­ raumseitigen Ende einer Bohrung eine plankonvexe Linse angeordnet ist, in der Brennebene der Linse ist am Brennraum abgewandten Ende der Bohrung das Ende einer Lichtleitfaser angeordnet, über welche die Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer detektiert werden können. Eine sehr ähnliche Vorrichtung zur Untersuchung unvollständiger Verbrennung in Brennkraftmaschinen ist weiterhin aus JP-Abstract 60-56150 bekannt.

Schließlich ist aus der GB 2 294 318 A eine Pyrometersonde bekannt, welche einen optischen Lichtleiter und in einem Abstand, welcher durch den Brennpunkt der Linse definiert ist, eine plankonvexe Linse aufweist. Die Linse kann aus Saphir oder einem Material mit ähnlichen optischen Eigenschaften bestehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die angeführten Nachteile zu vermeiden und eine optoelek­ tronische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß mit möglichst geringem Aufwand qualitativ hochwertige Meßergebnisse erreicht werden können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Brennebene der Sammellinse mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfällt, wobei das Ende zumindest eines Lichtlei­ ters in direktem Kontakt mit der planen Fläche steht. Anstelle einer Plankonvexlinse können auch zwei voneinander beabstandete Einzellinsen vorgesehen sein, von denen die dem Licht­ leiter näherliegende Einzellinse die Sammellinse ist. Um den Abstand der beiden Einzellinsen konstant zu halten, ist es günstig, wenn zwischen den beiden Einzellinsen ein lichtdurchlässi­ ges Zwischenstück angeordnet ist. Vorteilhafterweise müssen bei der Erfindung die einzelnen Lichtleiter nicht extra in der Brennebene justiert werden, sondern können bis an die plane Flä­ che der plankonvexen Linse herangeführt werden. Dadurch erreicht man eine einfache kom­ pakte Bauweise sowie bei minimalem Linsendurchmesser eine maximale Nutzung des Öff­ nungswinkels der Glasfaser.

Durch diese Anordnung von Linseneinrichtung und Lichtleiter wird erreicht, daß das Flam­ menleuchten von Verbrennungsvorgängen aus verschiedenen Bereichen im Brennraum beob­ achtet werden kann. Der erreichbare Sichtwinkelbereich entspricht dabei dem Verhältnis zwi­ schen dem Lichtleiterdurchmesser zur Brennweite der Sammellinse. Die im Vergleich zu be­ kannten Meßeinrichtungen ohne Linseneinrichtung erhöhte Empfindlichkeit des Sensors bei ähnlichen Sichtwinkelbereichen ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Linsendurchmesser zur Brennweite. Dadurch erhält man eine bis zu einem Faktor 100 größere Lichtintensitäten bei gleichen Sichtwinkelbereichen.

Die einzelnen Sensoren können in Bohrungen des Zylinders oder des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn die opti­ schen Sensoren in einem den Brennraum begrenzenden Dichtelement liegen, welches in einer den Brennraum durchsetzenden Schnittebene angeordnet ist, da dabei die Motorstruktur nicht verändert werden muß.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Enden mehrerer Lichtleiter als Lichtleiterbündel im Bereich der Brennebene der Sammellinse angeordnet sind. Der Sichtwinkelbereich der Sehstrahlen der einzelnen Lichtleiter ergibt sich dabei aus dem Verhältnis zwischen dem Abstand der Mittelpunkte der Lichtleiter und der Brennweite der Sammellinse. Vorteilhafterweise können dabei die Enden der Lichtleiter im wesentlichen in der Schnittebene angeordnet sein. Zusätzlich oder anstelle dieser Anordnung kann auch vor­ gesehen sein, daß die Enden von zumindest zwei Lichtleitern im wesentlichen in einer Nor­ malebene auf die Schnittebene des Dichtelementes angeordnet sind. Ein besonders großer Sichtwinkelbereich ergibt sich, wenn die Enden mehrerer Lichtleiter im wesentlichen im glei­ chen Abstand zueinander in einer Zeile angeordnet sind und die Sichtwinkelbereiche zusam­ men einen Sichtwinkelfächer aufspannen.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Lichtleiter jedes optischen Sensors beschichtet sind und die Sammellinse und die Lichtleiter von einer Sensorhülle zusammenge­ faßt sind.

Als Material für die Sammellinse kann beispielsweise Quarzglas oder Saphir eingesetzt wer­ den. Für Transmissionen im ultravioletten Bereich, beispielsweise zur Erfassung von UV-Molekülbanden (OH, NO oder CH), sowie für Messungen im infraroten Bereich kann Quarz­ glas verwendet werden. Linseneinrichtungen aus Saphir sind widerstandsfähig gegenüber ex­ tremen Druck- und Temperaturbedingungen und können z. B. in Gasmotoren mit hoher Lei­ stung eingesetzt werden.

Eine hohe Meßqualität wird erreicht, wenn die Lichtleiter aus Quarzglasfasern bestehen. Da­ bei ist es vorteilhaft, wenn die Lichtleiter eine Beschichtung aus Polymeren, aus silikonarti­ gem Material, aus Polyamid oder aus Metall aufweisen. Beschichtungen aus Polymeren kön­ nen bei einer niedrigen Temperaturbelastung bis etwa 80°C eingesetzt werden. Darüber, bis etwa 180°, können silikonartige Beschichtungen verwendet werden. Polyamidbeschichtete Glasfasern eignen sich bis 385° und werden mit sehr dünner Hülle ausgeführt, um die Licht­ leiter möglichst eng in den Sensor packen zu können. Für höchste Temperaturbelastungen, bis etwa 750°, sind Beschichtungen aus Metall geeignet.

Um eine widerstandsfähige und dauerhafte Applikation zu erreichen ist es vorteilhaft, daß die Lichtleiter mit einem Kleber, vorzugsweise Epoxykleber oder Glaskeramik, mit der Sammel­ linse unlösbar verbunden sind. Derartige Kleber eignen sich auch zum Fixieren des Sensors am Meßort, z. B. im Dichtelement. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Sammellinse, die Lichtleiter und ggf. die Sensorhülle durch Diffusionsschweißen oder Laserschweißen zu ei­ nem hochtemperaturbeständigen Quarzglaskörper zusammengefaßt sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einer Brennkraftmaschine in schematischer Dar­ stellung,

Fig. 2 einen optischen Sensor aus Fig. 1, teilweise in Schnittdarstellung, und

Fig. 3 einen optischen Sensor analog zu Fig. 2 in einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum 1 einer nicht wei­ ter dargestellten Brennkraftmaschine weist eine Vielzahl von optischen Sensoren 2 auf, wel­ che in ein Dichtelement 3, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung, integriert sein können. Die einzelnen Sensoren 2 nehmen das aus dem Brennraum 1 kommende Licht über die in den Fig. 2 und 3 näher beschriebene Sammellinse 7 auf, welche mit den beispielsweise in einer Stahlkapillare geführten Lichtleitern 8 in Verbindung steht. Das Meßlicht wird weiterhin über Verbindungsstecker 10 und weitere Lichtleiter 11 unter Zwischenschaltung einer Einheit 4 mit Photodioden und Verstärkern sowie einer Speichereinheit 5 einer Auswerteeinheit 12 zuge­ führt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, nehmen die einzelnen Sensoren 2 das aus dem Brennraum kommen­ de Licht über eine Linseneinrichtung 6 auf, welche eine als Plankonvexlinse ausgebildete Sammellinse bzw. Stablinse 7 aufweist. Die Sammellinse 7, beispielsweise aus Quarz oder Saphir, steht in optischem Kontakt mit einem Lichtleiter 8, beispielsweise mit einer eine Be­ schichtung 9 aufweisenden Glasfaser. Der Sichtwinkelbereich α des Sensors 2 entspricht dem Verhältnis des Durchmessers d des Lichtleiters 8 zur Brennweite f der Sammellinse 7. Inner­ halb dieses Sichtwinkelbereiches α kann Licht aus dem Brennraum erfaßt werden und in den Lichtleiter 8 eingekoppelt werden. Wesentlich ist, daß das Ende 8a des Lichtleiters im Bereich der Brennebene 7a der Sammellinse angeordnet ist, so daß sich die durch die Sammellinse 7 einfallenden Lichtstrahlen im Bereich des Endes 8a des Lichtleiters 8 bündeln und somit ein scharfes Bild des Brennraumabschnittes in den Lichtleiter 8 eingekoppelt wird.

Über die als Glasfasern, beispielsweise aus Quarzglas, ausgebildeten Lichtleiter 8, wird das Licht gemäß Fig. 1 über Verbindungsstecker 10 und einem weiteren Lichtleiter 11 einer in einer Auswerteeinheit 12 angeordneten Detektor-Verstärker-Einheit zugeführt und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Um zu erreichen, daß das Ende 8a des Lichtleiters 8 möglichst genau in der Brennebene 7a der Sammellinse 7 liegt, wird eine Plankonvexlinse verwendet, deren Brennebene 7a mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfällt, um den Lichtleiter durch direkten Kontakt mit der planen Linsenendfläche zu justieren.

Der Durchmesser D und die Brennweite f der Sammellinse 7 wird so gewählt, daß die Apertur bzw. der Durchmesser d des Lichtleiters 8 optimal ausgenützt wird.

In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante sind mehrere Lichtleiter 8 nebeneinander oder als Bündel in der Brennebene 7a der Sammellinse 7 angeordnet. Die Sichtwinkelbereiche durch die einzelnen Sehstrahlen ergeben einen Sichtwinkel β, der sich aus dem Verhältnis des Abstandes der Mittelpunkte zweier benachbarter Lichtleiter 8 und der Brennweite f der Sam­ mellinse 7 errechnet. Um einen möglichst breiten Sichtwinkelfächer in einer Schnittebene aufzuspannen, können die Lichtleiter 8 in einer Zeile, möglichst im gleichen Abstand zuein­ ander, angeordnet sein.

Die durch Glasfasern gebildeten Lichtleiter 8 weisen eine Beschichtung aus Polymeren, aus silikonartigem Material, aus Polyamid oder aus Metall auf, wobei die beschichteten Fasern und die Linseneinrichtung 6 in einer Sensorhülle 13 zu einem Sensor 2 zusammengefaßt bzw. verklebt sind. Eine Beschichtung aus Polymeren kann bis etwa 80°C verwendet werden. Sili­ konartige Beschichtungen sind bis etwa 180°C Temperaturbelastung möglich. Darüber hinaus werden polyamidbeschichtete Glasfasern bis etwa 350°C Temperaturbelastung und mit einer sehr dünnen Hülle 9 eingesetzt, um die Glasfasern möglichst eng in den Sensor 2 packen zu können. Metallbeschichtete Glasfasern sind für höchste Temperaturbelastungen bis 750°C geeignet.

Die Linseneinrichtung 6 kann aus Quarzglas bestehen, wodurch Übertragungen im ultravio­ letten Lichtbereich und im Infrarotbereich möglich sind. Beispielsweise können Sammellinsen aus Quarzglas zur UV-Transmission verwendet werden, um UV-Molekülbanden von OH, NO oder CH zu messen.

Sammellinsen 7 aus Saphir können bei extremen Druck- und Temperaturbedingungen einge­ setzt werden, beispielsweise bei Gasmotoren hoher Leistung.

Die Sensoren 2 können fest mit dem Dichtelement 3 verbunden werden, wobei die aus Lin­ seneinrichtung 6 und Lichtleiter 8 bestehenden Sensoren 2 in jeweils eine Bohrung 3a des Dichtelementes 3 eingesetzt werden und mit einem Kleber mit dem Dichtelement 3 verbunden werden.

Als Kleber können Hochtemperaturepoxikleber für Motorapplikationen oder Glaskeramik für Hochtemperaturapplikationen, wie beispielsweise in Gasturbinen, eingesetzt werden. Die er­ findungsgemäße optoelektronische Meßeinrichtung ermöglicht es, das Flammenleuchten aus verschiedenen Bereichen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit äußerst geringem Aufwand und hoher Meßqualität zu beobachten.

Claims (13)

1. Optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum (1) einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum zugeordneten optischen Sensoren (2), welche mit einer Auswerteeinheit (12) in Verbin­ dung stehen, wobei jeder Sensor (2) im Mündungsbereich in den Brennraum (1) eine Linseneinrichtung (6) aufweist, welche in optischem Kontakt mit zumindest einem Lichtleiter (8) steht, wobei die Linseneinrichtung (6) eine Plankonvexlinse als Sammel­ linse (7) aufweist und im Bereich einer Brennebene (7a) der Sammellinse (7) ein Ende (8a) zumindest eines Lichtleiters (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennebene (7a) der Sammellinse (7) mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zu­ sammenfällt, wobei das Ende (8a) zumindest eines Lichtleiters (8) in direktem Kontakt mit der planen Fläche steht.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Senso­ ren (2) in einem den Brennraum (1) begrenzenden Dichtelement (3) liegen, welches in einer den Brennraum (1) durchsetzenden Schnittebene angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden von zumin­ dest zwei Lichtleitern (8) im wesentlichen in der Schnittebene des Dichtelementes (3) angeordnet sind.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden von zumindest zwei Lichtleitern (8) im wesentlichen in einer Normalebene auf die Schnit­ tebene des Dichtelementes (3) angeordnet sind.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden mehrerer Lichtleiter (8) als Lichtleiterbündel im Bereich der Brennebene (7a) der Sammellinse (7) angeordnet sind.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (8a) mehrerer Lichtleiter (8) im wesentlichen im gleichen Abstand zueinander in einer Zeile angeordnet sind und die Sichtwinkelbereiche zusammen einen Sichtwinkel­ fächer (β) aufspannen.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (8) jedes optischen Sensors (2) beschichtet sind und die Sammellinse (7) und die Lichtleiter (8) von einer Sensorhülle (13) zusammengefaßt sind.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7) der Linseneinrichtung (6) aus Quarzglas besteht.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7) als Saphirlinse ausgebildet ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtleiter (8) aus zumindest einer Quarzglasfaser besteht.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (8) eine Beschichtung (9) aus Polymeren, aus silikonartigem Material, aus Polyamid oder aus Metall aufweisen.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (8) mit einem Kleber, vorzugsweise Epoxykleber oder Glaskeramik, mit der Sammellinse (7) unlösbar verbunden sind.

13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7), die Lichtleiter (8) und ggf. die Sensorhülle (13) durch Diffusions­ schweißen oder Laserschweißen zu einem hochtemperaturbeständigen Quarzglaskörper zusammengefaßt sind.