DE19955619B4 - Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennung in Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennung in mindestens einem Brennraum (1) eines Verbrennungsmotors (2) mit optischen Sonden (3) zur Erfassung der Intensität der zyklischen Verbrennungsvorgänge in dem Brennraum (1), mit einem optoelektronischen Wandler (4) zur Umsetzung der Strahlung der Verbrennungsvorgänge in elektrische Messwerte, wobei die elektrischen Messwerte zur Erzeugung von kennzeichnenden Werten des Klopfens herangezogen werden und mehrere optische Sonden (3) an einem Träger (5) zusammengefasst sind, die Sonden (3) mit dem Träger (5) in den Brennraum (1) des Verbrennungsmotors (2) hineinragen und jede Sonde (3) einen Raumsektor (8) des Brennraums (1) erfasst, wobei die Raumsektoren (8) der Sonden (3) zumindest in Teilbereichen gegenseitig überlagert sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennung in Brennräumen von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine optische Sonde zum Erfassen der Strahlen von Verbrennungsvorgängen, vorzugsweise in Brennräumen von Verbrennungsmotoren, ist aus der DE 197 10 654 bekannt. Zur Erfassung der Strahlen der Verbrennungsvorgänge wird ein optischer Stab vorgeschlagen, der in einem Trägergehäuse aufgenommen in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragt. An der dem Brennraum zugekehrten Fläche weist der optische Stab eine konvexe Wölbung mit in den Ebenen gleicher oder ungleicher Krümmung auf. Der optische Stab ist vorzugsweise als Saphir- oder Quarzstab ausgebildet. Der optische Stab ist dabei mit seinem Erfassungsbereich auf einen Raumsektor des Brennraums ausgerichtet, der für den Verbrennungsablauf und die auszuwertenden Flamm- und Partikelerscheinungen signifikant ist. Der hintere Teil des optischen Stabes weist eine Anschlußanordnung für ein Glasfaserkabel auf.
• Aus der DE 196 16 744 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen klopfender Verbrennung mittels einer optischen Sonde in Brennräumen von Verbrennungsmotoren bekannt. Das offenbarte Verfahren und die Einrichtung ist hierbei unabhängig von der Lichtintensität und damit von der Verschmutzung der Flächen der eingesetzten optischen Sonden im Brennraum. Hierbei wird die bei der Verbrennung im Brennraum erzeugte Lichtintensität integriert und eine klopfende Verbrennung am frühen Erreichen eines signifikanten Wertes des Integrals der erfaßten Lichtmenge und am Lichtintensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel erkannt.
• Bei der Anwendung einer einzigen optischen Sonde im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ist es nachteilig, daß diese stets lediglich einen Summenwert des Intensitätsverlaufs der Verbrennung erfaßt und somit die Diagnostik des Verbrennungsvorganges auf diesem Summenwert beruht.
• Die DE 31 06 390 A1 offenbart eine Sensoranordnung zur Erfassung von physikalischen Parametern im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem in dem entsprechenden Brennraum angeordneten, vorzugsweise optischen Sensor. Ein optisches Fenster ist in einem verengten Abschnitt einer Stufenbohrung formschlüssig eingebracht. Auf dem Fensterteil ist ein von außen aufgesetztes Photoelement in der Brennraumwand fixiert. Die in dieser Druckschrift genannten Sensoren ragen nicht in den Brennraum des Verbrennungsmotors hinein und sind nicht in der Lage, die zyklischen Verbrennungsvorgänge gänzlich zu erfassen.
• Die DE 30 01 711 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen unter Verwendung wenigstens eines optischen Aufnehmers im Brennraum. Der optische Aufnehmer ist hierbei über einen Lichtleiter mit einer Photozelle verbunden, die an einer auf die Klopfschwingungen abgestimmten Empfangsschaltung angeschlossen ist.
• Aus der US 5,659,132 ist ein Sensorsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Sensoren in der Nähe und um den Umfang des Brennraumes herum angeordnet sind. Es werden Sensoren unterschiedlichster Typen wie beispielsweise Drucksensoren, Ionensensoren, Infrarotsensoren und dergleichen vorgeschlagen, wobei deren Signalleitungen in eine Zylinderkopfdichtung eingebettet sind.
• Die Veröffentlichung "Engineering Partners 97/98" aus dem Sonderheft "Automobiltechnische Zeitschrift 1997" beschreibt die Anordnung von optischen Sonden und Lichtwellenleitern an einem Träger, nämlich an dem Umfang eines Zündkerzengewindes. Mit der vorgeschlagenen Meßanordnung soll der Zündzeitpunkt, der Zündverzug, das Kraftstoff/ Luft-Gemisch-Volumen und die Entflammungsrichtung bestimmt werden können. Des weiteren ist noch die Anordnung von Ionenstromsonden entlang des Umfangs einer Zylinderkopfdichtung beschrieben.
• Aus der EP 0 593 413 A1 ist eine optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Optische Sensoren der Meßeinrichtung stehen mit einer Auswerteeinheit in Verbindung. Jeder Sensor weist einen bestimmten Raum- oder Akzeptanzwinkel auf. Die Meßeinrichtung erlaubt lediglich die Erzeugung eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Bildes der Verbrennungsvorgänge. Die Meßdaten werden abgelegt und später analysiert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennung in Brennräumen von Verbrennungsmotoren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, durch das die Diagnose des Verbrennungsvorganges verbessert wird.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennung in Brennräumen von Verbrennungsmotoren ermöglicht ein Erfassen des Verbrennungsvorganges in räumlich diskret aufgeteilten Sektoren von beliebigen Orten im Brennraum. Hierzu ist ein Träger für eine variable Zahl an optischen Sonden in dem Brennraum hineinragend angeordnet. Dabi sind die Raumsektoren gegenseitig überlagert. Vorzugsweise ist der Träger mit den optischen Sonden im Brennraumdach angeordnet und die Sonden symmetrisch um die Zündkerze angeordnet. Die Sonden sind zweckmäßig als optischer Stab aus Saphir- oder Quarzglas ausgebildet und mit ihrer dem Brennraum zugekehrten Stirnseite mit einer Aufnahmeoptik in Form von konvexen Oberflächen ausgebildet. Die optischen Sonden erfassen somit gleiche Raumsektoren des Brennraumes über dessen gesamten Umfang. Durch diese konstruktive Maßnahme ist sichergestellt, daß eine gewisse Redundanz in der Erfassung der Verbrennungsvorgänge bei Ausfall einer Sonde gegeben ist.
• Die erfaßte Strahlung wird mit Glasfaserkabeln einem optoelektrischen Wandler zugeführt und in elektrische Meßwerte gewandelt. Die elektrischen Meßwerte werden von einer Auswerteelektronik zur Erzeugung von kennzeichnenden Werten, z. B. des Klopfens, herangezogen. Mit Hilfe der Vorrichtung ist es möglich, den Verbrennungsvorgang räumlich in diskret aufgeteilten kleinen Zonen des Brennraumes zu analysieren. Zum einen läßt sich dadurch die Verbrennung von Kraftstoff/ Luft-Gemisch in einem Verbrennungsmotor analysieren und verbessern und zum anderen zylinderspezifische Erkenntnisse über den Verbrennungsvorgang und den Flammenfortschritt ge winnen, die wiederum z. B. zur Vermeidung von Klopfen des Verbrennungsmotors herangezogen werden können.
• Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
• 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Brennraum des Zylinders,
• 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in 1.
• In 1 ist ein Längsschnitt durch einen Zylinder 10 eines Verbrennungsmotors 2 gezeigt. Ein Kolben 11 zur hin- und hergehenden Bewegung im Zylinder 10 begrenzt den Brennraum 1 auf seiner dem Brennraumdach 6, insbesondere einem Zylinderkopf gegenüberliegenden Seite. Ein Träger 5 faßt acht optische Sonden 3, die wie in 2 gezeigt, um den Träger 5 angeordnet sind, zusammen. Der zylinderförmige Träger 5 ragt durch das Brennraumdach 6 des Verbrennungsmotors 2. Die optischen Sonden 3 am Träger 5 weisen eine dem Brennraum 6 zugewandte Aufnahmeoptik auf. Die Aufnahmeoptik ist geeignet, einen in Bezug zu einer Zylinderlängsachse 12 vertikalen Ebene kreissegmentförmigen Erfassungsbereich oder Raumsektor 8 zu generieren. Vorteilhaft umschließt der Träger 5 die Zündkerze 7. Durch diese konstruktive Ausgestaltungsform ist es ermöglicht, die Ausbreitung der Flammenfront ausgehend von der Zündkerze 7 mit den optischen Sonden 3 zu erfassen. Insbesondere Unregelmäßigkeiten in der zeitlichen und räumlichen Ausdehnung der Flammfront sind mit der gezeigten Vorrichtung genau detektierbar.
• 2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in 1. Der zylinderförmige Träger 5 zur mechanischen Festlegung der optischen Sonden 3 um dessen Umfang ragt konzentrisch in Bezug auf den Zylinder 10 durch dessen Brennraumdach. Um den Träger 5 wird eine Anzahl optischer Sonden 3 angeordnet. Die optischen Sonden 3 münden in je ein Glasfaserkabel 13. Die Glasfaserkabel 13 sind in einem optoelektronischen Wandler 4 zusammengeführt. Der optoelektronische Wandler 4 generiert elektrische Meßwerte insbesondere zur Erzeugung von kennzeichnenden Werten des Klopfens der Verbrennungsmotors. In Bezug auf die gezeigte Schnittebene ist jeder optischen Sonde 3 ein Raumsektor 8, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Winkel von 90° aufspannt, zugeordnet. Mit der Summe aller optischen Sonden 3 ist es somit ermöglicht, die Lichtintensität des Verbrennungsvorganges in räumlich diskret getrennten Sektoren 8 um den ganzen Umfang 9 des Brennraumes 1 zu erfassen.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sektoren 8 gegenseitig überlagert. Dies gewährleistet bei Ausfall einzelner Sensoren eine Redundanz in der räumlichen Erfassung des Verbrennungsvorganges. Zweckmäßig kann es hierbei sein, insbesondere zu Versuchszwecken die Anzahl der optischen Sonden 3 im Träger 5 größer als in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zu wählen. Durch diese konstruktive Maßnahme ist es beispielsweise möglich, sehr detailliert den Verbrennungsvorgang in kleinen Raumsegmenten des Brennraumes 1 zu untersuchen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennung in mindestens einem Brennraum (1) eines Verbrennungsmotors (2) mit optischen Sonden (3) zur Erfassung der Intensität der zyklischen Verbrennungsvorgänge in dem Brennraum (1), mit einem optoelektronischen Wandler (4) zur Umsetzung der Strahlung der Verbrennungsvorgänge in elektrische Messwerte, wobei die elektrischen Messwerte zur Erzeugung von kennzeichnenden Werten des Klopfens herangezogen werden und mehrere optische Sonden (3) an einem Träger (5) zusammengefasst sind, die Sonden (3) mit dem Träger (5) in den Brennraum (1) des Verbrennungsmotors (2) hineinragen und jede Sonde (3) einen Raumsektor (8) des Brennraums (1) erfasst, wobei die Raumsektoren (8) der Sonden (3) zumindest in Teilbereichen gegenseitig überlagert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) im Brennraumdach (6) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) zylindrisch ausgebildet ist und eine Zündkerze (7) umschließt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Sonden (3) Raumsektoren (8) gleicher Größe und/oder gleicher Öffnungswinkel erfaßt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Meßwerte über den ganzen Umfang (9) des Brennraums (1) generiert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) einstöckig mit der Zündkerze (7) oder als integraler Bestandteil der Zündkerze (7) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (3) als optischer Stab mit Saphir- oder Quarzglas ausgebildet sind.