DE4230374A1 - Zylinderkopfdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit mindestens einer auf der Dichtung angeordneten Meßvorrichtung zur indirekten Erfassung des Brennraumdrucks einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Erkennung von vor allem durch Motorklopfen oder Motoraussetzern erzeugten Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsablauf von Verbrennungskraftmaschinen.

Es ist bekannt, Zylinderkopfdichtungen für Verbrennungskraftmaschinen mit Meßvorrichtungen auszurüsten, mit denen durch vor allem Motoraussetzer oder Motorklopfer erzeugte Unregelmäßigkeiten des Verbrennungsablaufs der Motoren im Betrieb erfaßt und zur Steuerung eines störungsfreien Verbrennungsablaufs des Motors verwendet werden können. Insbesondere bei modernen Motoren, die zur Steigerung ihres Wirkungsgrades mit immer höherer Verdichtung betrieben werden, steigt die Gefahr des Klopfens im Motorbetrieb, was erfaßt und dem beispielsweise durch Veränderung des Zündwinkels entgegengeregelt werden muß. Ebenso müssen zum Schutz der Katalysatoren im Abgassystem Motoraussetzer zuverlässig erkannt werden, damit Vergiftungen durch schädliche Emissionen oder durch Überhitzungen durch Nachverbrennung unverbrauchter Kraftstoffgemische im Katalysator vermieden werden können.

Sowohl das Motorklopfen als auch Motoraussetzer erzeugen anomale Änderungen der Druckverteilung im Dichtspalt zwischen Zylinderkopf und Motorblock und lassen sich durch geeignete, auf der Zylinderkopfdichtung angeordnete Druckmeßvorrichtungen erfassen. Nach beispielsweise der DE-OS 40 15 109 bestehen solche Meßvorrichtungen aus auf der Zylinderkopfdichtung benachbart zu den Brennraumöffnungen angeordnete Meßvorrichtungen aus Weg-, Kraft- und/oder Druckaufnehmern, und nach der DE-OS 30 06 603 werden durch Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsablauf erzeugte Temperaturschwankungen mit auf der Zylinderkopfdichtung angeordneten und bis in die Brennraumeinfassungen reichende Thermoelemente erfaßt und nach der PCT-PA-WO 89 03 520 werden durch Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsablauf erzeugte Unterschiede der Zusammensetzung von Verbrennungsgasen mit bis in die Brennraumöffnungen der Zylinderkopfdichtung reichende Ionenstromsonden kontrolliert.

Problematisch bei derartig auf der Zylinderkopfdichtung angeordneten Meßvorrichtungen ist ihr relativ hoher Platzbedarf, durch den die Abdichtwirkung der Zylinderkopfdichtung beeinträchtigt werden kann sowie ihre Störanfälligkeit gegenüber den unter Betriebsbedingungen im Motor herrschenden hohen Drücken und Temperaturen. Meßergebnisse elektronischer Meßvorrichtungen können zusätzlich durch die im Motorraum im Betrieb auftretenden elektromagnetischen Felder gestört werden.

Zum Schutz der Meßvorrichtungen ist es beispielsweise nach der DE-OS 40 15 109 bekannt, diese mit Folien zu umhüllen und dann die relativ großvolumigen Meßvorrichtungen in in die Dichtung eingeprägten Vertiefungen anzuordnen und gegebenenfalls zusätzlich durch auf die Dichtung aufgetragenen Beschichtungen zu isolieren. Solche Maßnahmen schützen zwar die Meßvorrichtungen wirkungsvoll und die in die Vertiefungen angeordneten Meßvorrichtungen beeinträchtigen nicht mehr das Abdichtverhalten der Dichtungen, allerdings erfordern dann die relativ großvolumigen Meßvorrichtungen ausreichend dicke Dichtungen mit ausreichend groben freien Flächen für ihre Unterbringung. Solche Bauräume stehen aber bei den im Einsatz befindlichen Zylinderkopfdichtungen meist nicht zur Verfügung und viele Seriendichtungen müßten völlig neu konzipiert werden, damit derartige Meßvorrichtungen untergebracht werden könnten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zylinderkopfdichtung gemäß Oberbegriff des Hauptpatentanspruchs zu schaffen, deren Meßvorrichtung einfach und störungssicher ist und die sich möglichst ohne Beeinträchtigung des Funktionsverhaltens auf der Dichtung bei möglichst kleinem Bauraum montieren lassen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Zylinderkopfdichtung mit mindestens einer auf der Dichtung angeordneten Meßvorrichtung gelöst, die aus einem Lichtwellenleiter besteht, dessen optische Spannungsdoppelbrechung sich abhängig von dem auf dem Lichtwellenleiter einwirkenden Druck ändert. Das eine Ende des Lichtwellenleiters ist mit einem Polarisator verbunden, durch den polarisiertes Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, während das andere Ende mit einem Analysator verbunden ist, durch den der Polarisationszustand des durch den Lichtwellenleiter geflossenen Lichtes bestimmt wird.

Im motorischen Betrieb verändert sich jetzt durch Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsablauf, wie vor allem durch Motorklopfen und Motoraussetzer, der auf den Lichtwellenleiter wirkende Druck in charakteristischer Weise und erzeugt innerhalb der Glasfaser Veränderungen der Spannungsdoppelbrechung. Das durch den Lichtwellenleiter fliegende Licht verändert seinen Polarisationszustand; der Polarisationszustand des Lichtes wird im nachgeschalteten Analysator angezeigt und die gemessene Polarisationsänderung des Lichtes kann zur Kontrolle des Verbrennungsablaufs im Motor und gegebenenfalls zur Regelung des Verbrennungsablaufs im Motor herangezogen werden.

Die Anordnung der Lichtwellenleiter auf der Zylinderkopfdichtung kann auf den Anwendungsfall bezogen variiert werden. Bei Zylinderkopfdichtungen für Reihenmotoren mit mehreren in Reihe angeordneten Brennraumöffnungen ist bevorzugt jeder Brennraumöffnung ein Lichtwellenleiter zugeordnet, der entweder die Brennraumöffnung ringförmig umgebend oder als gerade Meßstrecke der jeweiligen Brennraumöffnung benachbart zugeordnet ist. Im Sinne der Erfindung kann ein Lichtwellenleiter als gerade Meßstrecke zwei Brennraumöffnungen oder mehr zugeordnet sein, oder es kann nur ein Teil der Brennraumöffnungen mit den erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen ausgerüstet sein. Die Enden der Lichtwellenleiter sind bevorzugt über den Rand der Dichtung geführt, so daß außerhalb der Dichtung Lichtquelle und Polarisator sowie Analysator und zugehörige Auswerteinrichtungen angeordnet sind.

Die Lichtwellenleiter sind bevorzugt auf der dem Zylinderkopf zugewandten Zylinderkopfseite angeordnet, da hier geringere Temperaturen auftreten. Im Normalfall genügt es, wenn die Lichtwellenleiter nur auf der Dichtfläche aufliegend angeordnet sind, da durch die kleinen Durchmesser der Lichtwellenleiter das Abdichtverhalten der Dichtung allenfalls nur gering beeinflußt wird. Dann, wenn der Dichtpressungsdruck auf den Lichtwellenleitern zu grob wird, ist es möglich, die Lichtwellenleiter in Nuten auf der Zylinderkopfdichtung so anzuordnen, daß sie nur zu einem Teil aus der Nut herausragen und nur zu einem Teil vom Dichtpressungsdruck belastet werden, oder es ist möglich, die Lichtwellenleiter mit polymeren Beschichtungen abzudecken.

Im Sinne der Erfindung ist es gleichermaßen möglich, herkömmliche Weichstoffflachdichtungen mit vor allem Weichstoffschichten aus Faservliesmaterialien oder Graphit oder Metalldichtungen mit den erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen auszurüsten. Die Lichtwellenleiter und die mit dem Lichtwellenleiter verbundene Lichtquelle, der Polarisator und der Analysator einschließlich der elektronischen Meßvorrichtungen sind handelsüblich. Da herkömmliche, handelsübliche Lichtleitfasern bereits eine druckabhängige Spannungsdoppelbrechung und damit druckabhängige Polarisationsänderungen des Lichtstroms hervorrufen, können herkömmliche Lichtleitfasern als Lichtwellenleiter eingesetzt werden. Bevorzugt werden aber Lichtleitfasern aus speziellen Glassorten mit hoher druckabhängiger Änderung der Spannungsdoppelbrechung verwendet, die ebenfalls im Handel erhältlich sind.

Durch die Erfindung sind Zylinderkopfdichtungen mit Meßvorrichtungen zur Erfassung von durch einen unregelmäßigen Verbrennungsablauf in einer Verbrennungskraftmaschine erzeugte Druckschwankungen geschaffen, die einfach und störungssicher sind und die sich ohne Beeinträchtigung des Funktionsverhaltens bei kleinem Bauraum auf der Dichtung montieren lassen. Die verwendeten Lichtwellenleiter sind einfach und ihre Funktion wird durch die im Motor auftretenden Temperaturen nicht beeinträchtigt. Die verwendeten Lichtwellenleiter sind auf den Zylinderkopfdichtungen einfach zu montieren, und sie beeinflussen das Funktionsverhalten der Dichtung durch ihren kleinen Durchmesser nicht. Sie benötigen einen kleinen Bauraum, und sie können vor allem auch durch ihre einfache Montierbarkeit praktisch an jeder beliebigen Stelle der Dichtung anwendungsgerecht angeordnet werden. Dadurch können auch Seriendichtungen ohne wesentliche konstruktive Änderungen mit den erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen nachgerüstet werden.

Die Erfindung wird durch die 3 Abbildungen näher erläutert, die Aufsichtbilder auf verschiedene, mit den erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen ausgerüstete Zylinderkopfdichtungen zeigen.

In Fig. 1 ist (1) eine Zylinderkopfdichtung für einen Reihenmotor mit vier in Reihe nebeneinander angeordneten Brennraumöffnungen (2). Um jede Brennraumöffnung (2) herum ist ein Lichtwellenleiter (3) geführt, dessen Enden (4, 5) über die Dichtung (1) hinausragen. Das Lichtwellenleiterende (4) ist mit einem Polarisator (6) verbunden, durch den von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) ausgehendes Licht polarisiert wird und durch den Lichtwellenleiter (3) geschickt wird. Am anderen Ende (5) des Lichtwellenleiters (3) wird der Polarisationszustand des austretenden Lichtes mit Hilfe des Analysators (7) bestimmt. Druckänderungen am Lichtwellenleiter (3) durch Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsablauf der Verbrennungskraftmaschine führen zu Änderungen des Polarisationszustandes des Lichtes. Diese Änderungen werden im Analysator (7) angezeigt und von dort zu Auswerteinrichtungen (nicht dargestellt) und Regeleinrichtungen (nicht dargestellt) für den Verbrennungsablauf des Motors weitergeleitet.

In Fig. 2 ist jeder Brennraumöffnung (2′) der Zylinderkopfdichtung (1) ein als gerade Meßstrecke angeordneter Lichtwellenleiter (8) zugeordnet. Die über die Dichtung (11) hinausragenden Enden (9, 10) des Lichtwellenleiters (8) sind mit dem Polarisator (11) und dem Analysator (12) verbunden.

In Fig. 3 ist jeweils zwei Brennraumöffnungen (2′′) der Zylinderkopfdichtung (1′′) ein Lichtwellenleiter (13) als geradlinige Meßstrecke zugeordnet. In diesem Fall sind der Polarisator mit Lichtquelle (14) und der Analysator (15) in die Enden des Lichtwellenleiters integriert und ebenfalls auf der Dichtung (1′′) angeordnet. Der Meßvorgang in den Lichtwellenleitern (8, 13) der Fig. 2 und 3 erfolgt analog zum in Fig. 1 beschriebenen Meßvorgang.

Claims (7)

1. Zylinderkopfdichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit mindestens einer auf der Dichtung angeordneten Meßvorrichtung zur indirekten Erfassung des Brennraumdruckes einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Erkennung von vor allem durch Motorklopfen oder Motoraussetzer erzeugten Unregelmäßigkeiten im Verbrennungsablauf von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15) aus einem Lichtwellenleiter (3, 8, 13) besteht, dessen optische Spannungsdoppelbrechung sich abhängig von dem auf den Lichtwellenleiter (3, 8, 13) wirkende Flächenpressungsdruck ändert, der an seinem ersten Ende (4, 9, 14) mit einem Polarisator (6, 11, 14) verbunden ist, über den polarisiertes Licht in den Lichtwellenleiter (3, 8, 13) eingekoppelt wird und der an seinem anderen Ende (5, 10, 15) mit einem Analysator (7, 12, 15) verbunden ist, durch den der Polarisationszustand des durch den Lichtwellenleiter (3, 8, 13) geflossenen Lichtes bestimmt wird.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (3, 8, 13) auf der Zylinderkopfseite der Dichtung (1) angeordnet ist.

3. Zylinderkopfdichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennraumöffnung (2) der Zylinderkopfdichtung (1) ein Lichtwellenleiter (3, 8) zugeordnet ist.

4. Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (3) die Brennraumöffnung (2) ringförmig umgibt.

5. Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (8) als geradlinige Meßstrecke an der Brennraumöffnung (2′) angeordnet ist.

6. Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter (13) zwei Brennraumöffnungen (2′′) zugeordnet ist.

7. Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator (7, 12, 15) mit einer elektronischen Auswertvorrichtung zur Auswertung der am Analysator erhaltenen Meßergebnisse verbunden ist, über die der Verbrennungsablauf des Motors reguliert und eingestellt werden kann.