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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, wobei mittels dem Brennraum zugeordneter optischer Sensoren ein etwa ringförmiger Brennraumabschnitt erfasst wird und die Messwerte über die Verbrennungsvorgänge im Brennraumabschnitt einer Auswerteeinheit zugeführt werden. Weiters betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der EP 0 593 413 BI ist eine optoelektronische Messeinrichtung bekannt, bei der ein in einer Schnittebene liegender Bereich des Brennraumes durch optische Sensoren gleichmässig erfasst wird. Durch diese Auswerteeinheit werden aus den Signalen der einzelnen Sensoren Helligkeitswerte für definierte Flächenbereiche der Schnittebene errechnet und diese in ein
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bzw. die Brennraumgeometrie Messungen durchgeführt werden. Allerdings sind pro Zylinder 100 bis 150 optische Kanäle erforderlich, um ein getreues Abbild der Verbrennungsvorgänge zu erhalten. Aus Platzproblemen können bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen nur die Verbrennungsvorgänge von einzelnen Zylindern erfasst werden, wodurch zyhnderspezifische Verbrennungserscheinungen einzelner Brennräume, beispielsweise Klopfen, nur ungenügend beobachtet werden können.
Aus der US 4 393 687 A ist eine Sensoranordnung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen bekannt, bei der wenigstens ein optischer Aufnehmer im Brennraum verwendet wird, vorzugsweise ein Glasstab oder ein Lichtleiterkabel aus Glasfasern. Die optischen Aufnehmer werden dabei entweder in die Zündkerze inte-
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Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 5-33755 A ist eine Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der acht um den Zylinderumfang angeordnete optische Leiter tangential in den Brennraum einmünden. wodurch in einem ringförmigen Bereich des Brennraumes Verbrennungserscheinungen erfasst werden können.
Die Lichtleiter sind mit einer photoelektrischen Auswerteeinheit verbunden. Über diese Messeinrichtung wird die Flammensymmetrie bestimmt und in Abhängigkeit der Flammenform der Brennpunkt einer Laserzündeinrichtung verändert, um Klopferscheinungen zu vermindern. Mit dieser Messeinrichtung können allerdings nicht die Entstehungsort von Klopferscheinungen bestimmt werden.
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Verbrennung im Brennraum zu erfassen.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, - dass ein mathematisches Modell über die Ausbreitung einer Stosswellenfront im Brennraum
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- dass eine durch Klopfen verursachte optische Wellenfront im etwa ringförmigen Brenn- raumabschnitt durch die optischen Sensoren erfasst wird, und - dass aufgrund der Messwerte der Sensoren in unterschiedlichen Bereichen des Brenn- raumabschnittes unter Verwendung des mathematischen Modells der Ausgangspunkt der
Wellenfront berechnet wird.
Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass Klopferscheinungen, also unkontrollierte Selbstzündung von fremdgezündeten Kraftstoffen, als Stosswellen interpretiert werden können, welche mathematisch als Funktionen für Kugelwellen in Abhängigkeit der Intensitätsverteilung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit beschreibbar sind. Die Stosswelle) einer Klopferscheinung wird von den Sensoren erst erfasst, sobald die Wellenfront in den ringförmigen Brennraumabschnitt eindringt. Aus den durch die optischen Sensoren bereitgestellten Messwerten über die Wellenfront kann somit mittels des verwendeten mathematischen Modells für die Stosswelle bis zum Entstehungsort der Wellenfront rückgerechnet werden.
Da nur mehr ein relativ schmaler ringförmiger Bereich des Brennraumes durch die Sensoren überwacht werden muss, kann die Anzahl der Messkanäle für die Sensoren wesentlich reduziert werden, so dass beispielsweise mit 20 Messkanälen pro Zylinder Klopferscheinungen vollständig erfasst werden können. Der geringere Raumbedarf und die einfachere Auswertung ermöglichen es, die Messungen für alle Zylinder während desselben Messzyklus durchzuführen.
In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass vor der Erfassung der Wellenfronten mit dem mathematischen Modell für eine Anzahl von Ausgangspunkten fiktive Wellenfronten simuliert und deren Daten oder Funktionen in einer Datenbank abgelegt werden, wobei es besonders günstig ist, wenn die fiktiven Wellenfronten für mindestens etwa 50, vorzugsweise mindesten etwa 100 Ausgangspunkte berechnet werden. Für die jeweils vorliegende Brennraumform und-grosse werden somit für eine Anzahl von Ausgangspunkten Daten bzw. Funktionen für fiktive Wellenfronten in einer Datenbank gespeichert. Bei der tatsächlichen Messung wird auf diese Datenbank zurückgegriffen, wobei die Berechnung des Ausgangspunktes durch Kreuzkorrelation mit den fiktiven Wellenfronten erfolgt.
Voraussetzung ist, dass die Intensitätsverteilung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront bekannt ist.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgt mit einer optoelektronischen Messeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von in den Brennraum annähernd tangential einmündenden optischen Sensoren, welche über Lichtleiter mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen, und so angeordnet sind, dass ein ringförmiger Brennraumabschnitt erfassbar ist. Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Ausgangspunkte der Klopferscheinungen ist, dass die optische Überwachung mit einer hohen Auflösung erfolgt.
Um dies zu erreichen ist vorgesehen, dass jeder Sensor im Mündungsbereich in den Brennraum eine Linseneinrichtung aufweist, welche in optischen Kontakt mit zumindest einem Lichtleiter steht, wobei die
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Linseneinrichtung eine Sammellinse aufweist und im Bereich einer Trennebene der Sammellinse ein Ende zumindest eines Lichtleiters angeordnet ist.
Der im Vergleich zu bekannten Messeinrichtungen kleinere 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. 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.
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, vorzugsweise in einer Zylinderkopfdichtung 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. Eine besonders grosse räumliche Auflösung 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 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.
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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 Lichtleiter 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, wenn 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
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einem hochtemperaturbeständigen Quarzglaskörper zusammengefasst sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Messein-
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Verfahren, Fig. 2 einen optischen Sensor aus Fig. 1 im Detail, teilweise in Schnittdarstellung, Fig. 3 einen optischen Sensor analog zur 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 weiter dargestellten Brennkraftmaschine weist bei mindestens einem Zylinder 14 eine Mehrzahl von in tangentialer Richtung in den Brennraum 1 einmündende optische Sensoren 2 auf, welche in ein Dichtelement 3, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung, integriert sein können.
Durch die annähernd tangentiale Anordnung der Sensoren 2 kann ein etwa ringförmiger Brennraumabschnitt la erfasst werden, wie insbesondere aus Fig. la hervorgeht. Sobald eine durch Klopfen verursachte optische Wellenfront in den ringförmigen Brennraumabschnitt la gelangt, nehmen mehrere Sensoren 2 zeitlich versetzt die Intensitätsänderung im Brennraum 1 wahr und übermitteln entsprechende Messwerte an eine Auswerteeinheit 12. Aufgrund der Phasenverschiebung der einzelnen Messwerte wird durch die Auswerteeinheit 12 unter Verwendung eines die Stosswelle beschreibenden mathematischen Modells der Ausgangspunkt der Wellenfront berechnet, wobei die Messwerte in Kreuzkorrelation mit fiktiven Wellenfronten gesetzt werden, welche in einer Datenbank gespeichert sind.
Das mathematische Modell, das die Ausbreitung der Wellenfront beschreibt, lässt sich folgendermassen zusammenfassen : Die Intensität I am Ort (x, y) im Brennraum zur Zeit t nach der Selbstzündung zur Zeit to am
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Ort (x", y.) wird folgendermassen beschrieben :
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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Stosswelle entspricht der Schallgeschwindigkeit, die sich bei einem Druck p, dem Adiabatenkoeffizient K und einer Gasdichte p zu
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ergibt.
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einmalig in Anwendung des mathematischen Modells auf verschiedene, vordefinierte Ausgangspunkte speziell für den jeweiligen Brennraum 1 in Kenntnis der spezifischen Intensi-
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Dadurch, dass nur ein etwa ringförmiger Bereich l a des Brennraumes l erfasst werden muss, kann pro Zylinder mit einer sehr geringen Anzahl an Sensoren 2, beispielsweise 12 bis 20 Sensoren 2, das Auslangen gefunden werden.
Die dadurch geringe Anzahl von notwendigen Messkanälen ermöglicht es, die Klopfmessung nicht nur an einem Zylinder 14 sondern an mehreren oder allen Zylindern 14 einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine praktisch gleichzeitig durchzuführen.
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scheinungen ist, dass die Wellenfronten mit hoher Auflösung erfasst werden. Dies kann beispielsweise durch fächerartig den Brennraum 1 erfassende Sensoren 2 mittels Sammellinsen 7 erfolgen.
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.
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Stablinse bzw. Sammellinse 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 a des Sensors 2 entspricht dem
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Verhältnis des Durchmessers d des Lichtleiters 8 zur Brennweite f der Sammellinse 7.
Innerhalb dieses Sichtwinkelbereiches a 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 jeweiligen Bereiches des Brennraumabschnittes la in den Lichtleiter 8
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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
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planen Fläche der Plankonvexlinse zusammenfällt, um den Lichtleiter 8 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 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. 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 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.
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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 Lin-
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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.