AT2910U1

AT2910U1 - Optoelektronische messeinrichtung zur erfassung von verbrennungsvorgängen

Info

Publication number: AT2910U1
Application number: AT0045898U
Authority: AT
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 1999-06-25
Also published as: US6320184B1; DE19932202A1

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.

Description

AT 002 910 Ul

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum zugeordneten optischen Sensoren, welche mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen, wobei jeder Sensor im Mündungsbereich in den Brennraum eine Linseneinrichtung aufweist, welche in optischem Kontakt mit zumindest einem Lichtleiter steht.

Aus der EP 0 593 413 Bl ist eine optoelektronische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art 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 erreicht. 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.

Weiters sind optoelektronische Meßeinrichtungen zur Erfassung von VerbrennungsVorgängen im Brennraum bekannt, wobei die Lichtleiter ohne zwischengeschaltete Linse optisch mit dem Brennraum verbunden sind. Auf diese Weise kann allerdings nur ein sehr geringer Teil der Kapazität eines Lichtleiters genutzt werden, weshalb eine Verstärkung der eingefangenen Reststrahlung erforderlich ist, was sich auf den Meßaufwand und auf die Qualität der Meßergebnisse nachteilig auswirkt.

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

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Linseneinrichtung eine Sammellinse aufweist und im Bereich einer Brennebene der Sammellinse ein Ende zumindest eines Lichtleiters angeordnet ist. Durch diese Anordnung von Linseneinrichtung und Lichtleiter wird erreicht, daß das Flammenleuchten von Verbrennungsvorgängen aus verschiedenen Bereichen im Brennraum beobachtet werden kann. Der im Vergleich zu bekannten Meßeinrichtungen größere Sichtwinkelbereich entspricht dabei dem Verhältnis zwischen dem Lichtleiterdurchmesser zur Brennweite der Sammellinse. Die im Vergleich zu bekannten Meßeinrichtungen erhöhte Empfindlichkeit des Sensors bei ähnlichen Sichtwinkelbereichen, der durch das Verhältnis von Faserdurchmesser zur Brennweite der Sammellinse bestimmt wird, ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Linsendurchmesser zur Brennweite. Dadurch erhält man im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren bis zu einem Faktor 100 größere Lichtintensitäten bei gleichen Sichtwinkelbereichen. 2 AT 002 910 Ul

Die einzelnen Sensoren können in Bohrungen des Zylinders oder des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn die optischen 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 vorgesehen sein, daß die Enden von zumindest zwei Lichtleitern im wesentlichen in einer Normalebene auf die Schnittebene des Dichtelementes angeordnet sind. Ein besonders großer Sichtwinkelbereich ergibt sich, wenn die Enden mehrerer Lichtleiter im wesentlichen im gleichen Abstand zueinander in einer Zeile angeordnet sind und die Sichtwinkelbereiche zusammen einen Sichtwinkelfächer aufspannen.

Eine äußerst vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, daß die Sammellinse der Linseneinrichtung als Plankonvexlinse ausgebildet ist, deren Brennebene mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfällt, wobei vorzugsweise das Ende zumindest eines Lichtleiters in direktem Kontakt mit der planen Fläche steht. Anstelle einer Plankonvexlinse können auch zwei voneinander beabstandete Einzellinsen vorgesehen sein, von denen die dem Lichtleiter näherliegende Einzellinse die Sammellinse ist. Um den Abstand der beiden Einzellinsen konstant zu halten, ist es günstig, wenn zwischen den beiden Einzellinsen ein Lichtdurchlässiges Zwischenstück angeordnet ist.

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

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

Eine hohe Meßqualität wird erreicht, wenn die Lichtleiter aus Quarzglasfasem bestehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Lichtleiter eine Beschichtung aus Polymeren, aus silikonartigem Material, aus Polyamid oder aus Metall aufweisen. Beschichtungen aus Polymeren können 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- 3 AT 002 910 Ul 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 Sammellinse 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 einem hochtemperaturbeständigen Quarzglaskörper zusammengefaßt sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, Fig. 2 einen optischen Sensor aus Fig. 1 teilweise in Schnittdarstellung, Fig. 3 einen optischen Sensor analog zu Fig. 2 in einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Meßeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum 1 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine weist eine Vielzahl von optischen Sensoren 2 auf, welche 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 weiters über Verbindungsstecker 10 und weitere Lichtleiter 11 unter Zwischenschaltung einer Einheit 4 mit Photodioden und Verstärkern sowie einer Speichereinheit 5 einer Auswerteeinheit 12 zugeführt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, nehmen die einzelnen Sensoren 2 das aus dem Brennraum kommende 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 Beschichtung 9 aufweisenden Glasfaser. Der Sichtwinkelbereich α des Sensors 2 entspricht dem Verhältnis des Durchmessers d des Lichtleiters 8 zur Brennweite f der Sammellinse 7. Innerhalb 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, sodaß 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 4 AT 002 910 Ul 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 Ausfuhrungsvariante 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 ß, der sich aus dem Verhältnis des Abstandes der Mittelpunkte zweier benachbarter Lichtleiter 8 und der Brennweite f der Sammellinse 7 errechnet. Um einen möglichst breiten Sichtwinkelfächer in einer Schnittebene aufzuspannen, können die Lichtleiter 8 in einer Zeile, möglichst im gleichen Abstand zueinander, angeordnet sein.

Die durch Glasfasern gebildeten Lichtleiter 8 weisen eine Beschichtung aus Polymeren, aus silikonartigen 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. Silikonartige Beschichtungen sind bis etwa 180°C Temperaturbelastung möglich. Drüber hinaus werden polyamidbeschichtete Glasfasern bis etwa 3506C 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 ultravioletten 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 eingesetzt werden, beispielsweise bei Gasmotoren hoher Leistung.

Die Sensoren 2 können fest mit dem Dichtelement 3 verbunden werden, wobei die aus Linseneinrichtung 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 erfindungsgemäße optoelektronische Meßeinrichtung ermöglicht es, das Flammenleuchten aus verschiedenen Bereichen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit äußerst geringem Aufwand und hoher Meßqualität zu beobachten. 5

Claims

AT 002 910 Ul ANSPRÜCHE 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 Verbindung stehen, wobei jeder Sensor (2) im Mündungsbereich in den Brennraum (1) eine Linseneinrichtung (6) aufweist, welche in optischem Kontakt mit zumindest einem Lichtleiter (8Ί steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Linseneinrichtung Γ61 eine S Sammellinse (7) aufweist und im Bereich einer Brennebene (7a) der Sammellinse (7) ein Ende (8a) zumindest eines Lichtleiters (8) angeordnet ist.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sensoren (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 zumindest zwei Lichtleitern (8) im wesentlichen in der Schnittebene des Dichtelementes (3) angeordnet sind. z
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden von zumindest zwei Lichtleitern (8) im wesentlichen in einer Normalebene auf die Schnitt-ebene des Dichtelementes (3) angeordnet sind.
] 5. Meßeinrichtung nach einem er 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 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7) der Linseneinrichtung (6) als Plankonvexlinse ausgebildet ist, deren Brennebene (7a) mit der planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfallt, wobei vorzugsweise das Ende (8a) zumindest eines Lichtleiters (8) in direktem Kontakt mit der planen Fläche steht.
7. 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 Sichtwinkelfächer (ß) aufspannen.
8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
== 9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7) der Linseneinrichtung (6) aus Quarzglas besteht. 6 AT 002 910 Ul
10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7) als Saphirlinse ausgebildet ist.
11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtleiter (8) aus zumindest einer Quarzglasfaser besteht.
12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (8) eine Beschichtung (9) aus Polymeren, aus silikonartigem Material, aus Polyamid oder aus Metall aufweisen.
13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (8) mit einem Kleber, vorzugsweise Epoxykleber oder Glaskeramik, mit der Sammellinse (7) unlösbar verbunden sind.
14 . Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (7), die Lichtleiter (8) und ggf. die Sensorhülle (13) durch Diffusionsschweißen oder Laserschweißen zu einem hochtemperaturbeständigen Quarzglaskörper zusammengefaßt sind. 7