DE3110996A1

DE3110996A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE3110996A1
Application number: DE19813110996
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 7130 Mühlacker Linder; Helmut 7143 Vaihingen Maurer; Klaus Dr. 7146 Tamm Müller; Helmut 7000 Stuttgart Reum
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-09-30

Description

Sensoranordnung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung sind nur scheinbar kontinuierlich arbeitende Maschinen. Zwar sind Drehmoment und Drehzahl, quasikontinuierliche Ausgangsgrössen, sie werden jedoch durch eine schnelle Aufeinanderfolge von Einzelprozessen erzeugt.
Im Zuge der Optimierung des Betriebes von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Hinblick auf eine Verminderung des Treibstoffverbrauches ist es daher erforderlich, diese Zusammenhänge im einzelnen zu erfassen; um über die Beeinflussung des Einzelprozesses den Gesamtprozeß in der gewünschten Weise beeinflussen zu können.
Voraussetzung hierzu ist die Ermittlung des Zustandes im Inneren der Brennkraftmaschine. Typische Zustandsgrößen sind dabei Druck und Temperatur, die im Falle des idealen Gases den Gesamt zustand angeben. Zwar wird der Betrieb von Motoren mit innerer Verbrennung wesentlich auch von chemischen Prozessen und Stoffveränderungen bestimmt, so daß dieser Betrieb nicht global mit Druck und Temperatur beschreibbar ist, dennoch gibt die Beobachtung von Druck und Temperatur ausreichende Auskunft über die Veränderungen der Zustandsgrößen über den Motorzyklus.
Dabei ist es bekannt, im Brennraum einer Brennkraftmaschine die Erfassung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des Verbrennungsvorganges, die Erfassung des Zündzeitpunktes, die Erfassung von Einspritzvorgängen sowie die Ausmessung vonitegulären Verbrennungen vorzunehmen.
Zu diesen irregulären Verbrennungen gehört auch das sogenannte "Klopfen", das bei Brennkraftmaschinen unter bestimmten Arbeitsbedingungen auftritt. Man versteht hierunter tonfrequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben- und Zylinderwänden der Brennkraftmaschine stark erhöht. Dies hat eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen zur Folge, so daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da man jedoch andererseits bestrebt ist, den zur Verfügung stehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, ist es erforderlich, Mittel vorzusehen, die das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigen, um auf diese Weise eine Regelung der Brennkraftmaschine realisieren zu können, bei der die Brennkraftmaschine stets kurz unterhalb der Klopfgrenze betrieben wird.
Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl von Sensoren bekanntgeworden bzw. vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise aus der DE-OS 28 01 969 ein Sensor bekannt, bei dem mit Hilfe eines piezoelektrischen Schwingelementes als Biegeschwinger ein resonantes System gebildet wird, das das Klopfen der Brennkraftmaschine anzuzeigen vermag. Ein Nachteil dieser bekannten Anordnung ist, daß die mechanische Wirkungsweise nicht frei von Störungen, insbesondere bei starken Stößen im Kraftfahrzeug ist.
Andererseits ist es aus der Meßtechnik bekannt, den Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine mit optischen Mitteln zu beobachten und zu messen. So ist beispielsweise in der Motortechnischen Zeitschrift, 39 (1978), Seite 385 ein spektrometrisches Meßverfahren zur Untersuchung der Verbrennung im Dieselmotor beschrieben, bei dem ein Quarzfenster in der Brennraumwand angebracht ist, durch das eine spektrometrische Beobachtung der Verbrennungsvorgänge möglich ist.
Aus der Rev. Tech. Automob. 1979, Seiten 89, 90 ist noch ein optischer Analysator bekannt, der an die Stelle der Zündkerzen einer Brennkraftmaschine eingeschraubt wird, um eine kalorimetrische Analyse des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchzuführen.
Die bekannten Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß im Betrieb der Sensoranordnung relativ schnell eine starke Verschmutzung durch die Brenngase im Brennraum auftritt.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß eine geringe Verschmutzung des brennraumseitigen Fensters der Sensoranordnung und eine gute Lichtausbeute auch für längere Betriebszeit dadurch erreicht wird, daß das brennraumseitige Ende pilzförmig verdickt ausgebildet wirt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Sensoranordnung möglich.
So wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich zum optischen Beobachtungssystem eine Elektrode als Mittelelektrode oder Leiterbahn vorgesehen, wodurch die Anordnung gleichzeitig als Zündkerze und optischer Sensor verwendet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Sensoranordnung ein als Heatpipe ausgestalteter Hohlraum vorgesehen, wodurch Überhitzungen der Sensoranordnung und damit Selbstzündungen des Motors verhindert werden.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem massiven optisch durchscheinenden Glas- oder Keramikörper; Figur 2 eine Ausführungsform gemäß Figur 1 jedoch mit einer Mittelelektrode; Figur 3a und b zwei weitere Ausführungsformen mit einem zentrischen, optisch durchscheinenden Körper, der von einem isolierenden Keramikteil umgeben ist; Figur 4 eine weitere Ausführungsform mit einem als Heatpipe ausgestalteten Hohlraum; Figur 5 eine weitere Ausführungsform mit einer Vorkammer.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist mit 10 der Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeichnet, der an einen Zylinderkopf 11 grenzt. In den Zylinderkopf 11 ist ein zündkerzenartiges Gehäuse 12 eingeschraubt, das einen massiven zentrischen Glas- oder Keramikkörper 13 aufweist. Dieser Glas- oder Keramikkörper 13 ist an seinem brennraumseitigen Ende mit einer pilzförmigen Verdickung 14 versehen. An seinem brennraumabgewandten Ende geht der Glas- oder Keramikkörper 13 in an sich bekannter Weise in ein optisches Kabel über oder es ist an seinem brennraumabgewandten Ende ein lichtempfindliches Element angeordnet, das an ein elektrisches Kabel angeschlossen ist. Das optische Kabel oder das lichtempfindliche Element sind in einem Steckelement 16 gehalten, das mit Rillen 15 auf den Glas- oder Keramikkörper 13 aufschieb-und verrastbar ist.
Die pilzartige Verdickung 14 ist besonders verschmutzungsunempfindlich. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Verdickung besonders vom eingesaugten Brennstoffgemisch benetzt und von der starken Gasströmung durch den fortschreitenden Verdichtungshub "saubergewaschen" wird.
Ein zusätzlicher Selbstreinigungseffekt ergibt sich bei einer kombinierten Anordnung gemäß Figur 2, bei der zusätzlich eine Mittelelektrode 17 vorgesehen ist, die an eine Hochspannungs-Zuleitung 18 im Steckelement 16 angeschlossen ist. Die Anordnung gemäß Figur 2 ist dabei gleichzeitig als Zündkerze und Sensoranordnung zur Brennraumbeobachtung verwendbar. Bei dieser Anordnung gleitet der Zündfunke über die heiße pilzförmige Verdickung 14 und brennt bei jedem Zündvorgang jeweils einen neuen Kanal über dem Glas- oder Keramikkörper 13 frei. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß eine optimale Gemischzugänglichkeit und damit eine sichere Entflammung gegeben ist, da der Funke an jeder beliebigen Stelle über die pilzförmige Verdickung 14 überspringen kann und somit an der Stelle durchbricht, an der das Gemisch am besten ionisierbar ist.
In Figur 3a und b sind zwei weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt, wobei beiden Ausführungsformen gemeinsam ist, daß ein zentrischer Glas- oder Keramikkörper 20 bzw. 22 von einem elektrisch isolierenden Keramikkörper 21 bzw. 23 innerhalb des Gehäuses 12 und des Steckelementes 16 umgeben ist.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3a in der linken Schnitthälfte ist dabei dem Material des Glas- oder Keramikkörpers 20 eine metallische Beimengung, z.B.
Cu, Fe, Pt oder dgl. beigefügt. Damit wirkt der Glas-oder Keramikkörper 20 gleichzeitig als elektrischer Leiter für die Zünduns-Hochspannung und als optischer Leiter für das Brennraumsignal.
Bei der Ausführungsform gemäß 3b in der rechten Schnitthälfte ist demgegenüber ein Glas- oder Keramikkörper 22 ohne Beimengungen vorgesehen, der elektrische Leiter ist in diesem Fall jedoch durch eine Leiterbahn 24 auf der Außenseite des Glas- oder Keramikkörpers 22 realisiert.
Diese Leiterbahn 24 kann beispielsweise aus einer Beschichtung, einer Folie, einem Metall-Gewebestrumpf oder dgl. bestehen. Die Leiterbahn 24 läuft in einem Metallring 25 aus, der zwischen dem elektrisch isolierenden Keramikkörper 23 und der pilzförmigen Verdickung 14 angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wie sie in Figur 4 dargestellt ist, ist der Tatsache Rechnung getragen, daß bei der pilzförmigen Verdickung 14 möglicherweise hohe Temperaturen auftreten können, die zu Selbstzündungen im Motor führen können. Aus diesem Grunde ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 in einem Glas- oder Keramikkörper 26 ein Hohlraum 27 in Form einer sogenannten "Heatpipe" vorgesehen. Eine derartige Heatpipe ist üblicherweise mit einer wärmeleitenden Substanz, vorzugsweise Natrium oder Quecksilber gefüllt, wobei das Natrium oder Quecksilber an der heißen, brennraumzugewandten Seite verdampft und sich an der kälteren, brennraumabgewandten Seite wiederum niederschlagen kann. Auf diese Weise ergibt eine derartige Heatpipe eine Kühlung der pilzförmigen Verdickung 14. Um auch in diesem Falle Hochspannung für die Zündung zuführen zu können, kann der Hohlraum 27 beispielsweise mit einer inneren Metallisierung 29 versehen sein, sofern die elektrische Leitung durch das Natrium- oder Quecksilber nicht ausreicht, wobei an den beiden entgegengesetzten Enden des Glas- oder Keramikkörpers 26 Mittelelektroden 28 bzw. 28' vorgegeben sind. Die Mittelelektrode 28 ist dabei im Brennraum 10 angeordnet und die Mittelelektrode 28' im brennraumabgewandten Ende, wo sie mit der Hochspannungs-Zuleitung 18 verbunden ist.
Der Körper 26 gemäß Figur 4 kann auch metallisch sein, wobei die optische Beobachtung über eine auf den Körper 26 aufgebrachte Glasur oder einen Glasfaserstrumpf, der über den Körper 26 gezogen wird, möglich ist. Es ist jedoch auch möglich, den Keramikkörper 30 aus optisch durchscheinendem Material zu gestalten, so daß der Körper 26 metallisch sein kann ohne daß es eines optisch durchscheinenden Überzuges bedarf.
In Figur 5 ist schließlich noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt, bei der die Anordnung in einem zündkerzenartigen Gehäuse untergebracht ist, das zusätzlich noch über eine Vorkammer 31 verfügt. Obwohl in Figur 5 nur eine Ausführungsform mit einer Mittelelektrode wie bei der Ausführung gemäß Figur 2 dargestellt ist, versteht es sich von selbs-t, daß eine derartige Anordnung mit einer Vorkammer auch mit den anderen vorgeschlagenen Anordnungen kombiniert werden kann.
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Claims

Ansprüche /;1 Sensoranordnung zur Erfassung physikalischer Parameter im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem dem Brennraum zugewandten optischen Aufnehmer, insbesondere nach Patentanmeldung P 30 01 711.9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer an seinem dem Brennraum (10) ausgesetzten Ende eine pilzförmige Verdickung (14) aufweist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer in einem zündkerzenartigen Gehäuse (12) untergebracht ist, auf das von außen ein Steckelement (16) aufsteckbar ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer einen zentrisch angeordneten, optisch durchscheinenden Glas- ode Keramikkörper (13, 20, 21, 26) aufweist, dessen brennraumseitiges Ende pilzförmig verdickt ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Keramikkörper (13) eine Mittelelektrode (17) aufweist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Keramikkörper- (20) von einem elektrisch isolierenden Keramikkörper (21) umgeben ist und metallische Beimengungen, vorzugsweise von Cu, Fe, Pt enthält.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Keramikkörper (22) an seiner Oberfläche eine Leiterbahn (24) in Form einer Folie, eines Metall-Gewebestrumpfes, einer metallisierten Oberfläche oder dgl. aufweist und von einem elektrisch isolierenden Keramikkörper (23) umgeben ist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn unterhalb der pilzförmigen Verdickung (14) in einem Metallring (25) ausläuft.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Keramikkörper (26) einen mit einer wärmeleitenden Substanz, vorzugsweise Na oder Hg gefüllten Hohlraum (27) in Form einer Heatpipe aufweist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Keramikkörper (26) vorzugsseise innen metallisiert is+- und an seinen beiden Enden eine Mittelelektrode (28, 28') nach außen führt.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer einen zentrisch angeordneten, metallischen Körper aufweist, dessen brennraumseitiges Ende pilzförmig verdickt ist und der von einem optisch durchscheinenden Überzug, vorzugsweise einer Glasur oder einem Glasfaserstrumpf und einem elektrisch isolierenden Keramikkörper umgeben ist.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer einen zentrisch angeordneten metallischen Körper aufweist, dessen brennraumseitiges Ende pilzförmig verdickt ist und der von einem elektrisch isolierenden, optisch durchscheinenden Keramikkörper umgeben ist.
12. Sensoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper einen mit einer wärmeleitenden Substanz, vorzugsweise Na oder Hg gefüllten Hohlraum (27) in Form einer Heatpipe aufweist.
13. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pilzförmige Verdickung (14) in einer Vorkammer (31) angeordnet ist.