AT5153U1

AT5153U1 - Optischer sensor zur erfassung von verbrennungsvorgängen

Info

Publication number: AT5153U1
Application number: AT0021201U
Authority: AT
Inventors: Harald Arnulf Dipl Ing Philipp; Ernst Dipl Ing Dr Winklhofer
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-03-25
Also published as: DE10209752B4; US20020134138A1; DE10209752A1; JP2002372454A; US7007547B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor (1) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite eine Sammellinse (2) sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel (3) aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse (4) angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zwischen der Sammellinse (2) und der Innenseite der Metallhülse (4) ein mit Lotmaterial (5) gefüllter Ringspalt vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Verbrennungs- vorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite eine Sammellinse sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse ange- ordnet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen optischen Sen- sors.

Die genannten Sensoren werden beispielsweise in der Motorenentwicklung einge- setzt, um den zeitlichen und örtlichen Ablauf von Verbrennungsvorgängen zu studieren. Beispielsweise ist aus der EP 0 593 413 B1 eine optoelektronische Messeinrichtung bekannt, bei der die Sensoren in der Zylinderkopfdichtung einer Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die einzelnen optischen Sensoren, welche zu Gruppen zusammengefasst sein können, weisen jeweils eine Kugellinse aus Quarz oder Saphir auf, welche in optischem Kontakt mit einem Lichtleiter stehen.

Die Kugellinse und der Lichtleiter sind mit einem Abstand zueinander in der Bohrung einer metallischen Halterung angeordnet, wobei die Grösse der Apertur der Bohrung, der Durchmesser des Lichtleiters und der Abstand zwischen Licht- leiter und Kugellinse die Abbildungseigenschaften des optischen Sensors defi- nieren. Aufgrund der geringen Gesamtbauhöhe von ca. 2 mm, welche an die je- weilige Dicke der Zylinderkopfdichtung angepasst sein muss, ist die Herstellung derartiger Sensoren und die Einhaltung der für die Abbildungseigenschaften massgeblichen Baugrössen schwierig, was die Herstellung derartiger Sensoren erschwert und verteuert.

Eine weitere derartige optische Einrichtung ist aus der AT 002 910 Ul bekannt geworden, bei welcher der optische Sensor anstelle einer Kugellinse eine plan- konvexe Stablinse aus Quarz oder Saphir aufweist, deren konvexe Fläche zum Brennraum ausgerichtet ist und deren plane Fläche gleichzeitig die Brennebene der Linse darstellt. Die plane Fläche dient auch als Kontaktfläche zum Lichtleiter bzw. zu einem Lichtleiterbündel, so dass bei dieser Anordnung kein Abstand zwi- schen Linse und Lichtleiter eingehalten werden muss, sondern der Lichtleiter bei der Montage einfach bis an die Stablinse herangeschoben werden kann. Die Stablinse und der Lichtleiter bzw. das Lichtleiterbündel befinden sich in einer gemeinsamen Sensorhülle und sind dort mit einem Kleber, vorzugsweise Epo- xykleber oder Glaskeramik, unlösbar miteinander verbunden.

Schliesslich ist aus der US 4 422 321 A ein optischer Sensor bekannt geworden, welcher sich zur Betrachtung von Verbrennungsprozessen eignet und brenn-

raumseitig ein zylindrisches Linsenelement aus Quarzglas aufweist. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem Gehäuse mit einem Einschraubgewinde, wobei das Linsenelement seitlich durch Distanzringe in einer Bohrung des Gehäuses gehalten wird und brennraumseitig an einem Dichtring des Gehäuses anliegt. Auf der vom Brennraum abgewandten Seite wird ein Lichtleiterbündel bis an das Quarzelement herangeführt und durch einen Flansch des Gehäuses an das Quarzelement angepresst. Gemäss einer Ausführungsvariante ist es auch möglich den Ringspalt zwischen Quarzelement und Gehäuse mit Talkum- oder Graphit- pulver zu füllen.

Nachteilig bei dieser Ausführungsvariante ist der komplizierte Herstellungsprozess, welcher sich kaum für Sensorelement mit geringen Abmes- sungen adaptieren lässt, so dass eine Anordnung derartiger Sensoren in einer Zylinderkopfdichtung bzw. in entsprechend adaptieren Zündkerzen bzw. Ein- spritzdüsen nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen optischen Sensor zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum vorzuschlagen, welcher auch bei kleinsten Abmessungen, beispielsweise mit einem Aussendurchmesser bis zu 2,5 mm auf möglichst einfache Weise herstellbar ist und den grossen Druck- und Temperaturschwankungen in Brennräumen stand hält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen der Sam- mellinse und der Innenseite der Metallhülse ein mit Lotmaterial gefüllter Ring- spalt vorgesehen ist. Eine derartige Fixierung der Sammellinse weist Vorteile gegenüber einer Befestigung mit Hilfe von Epoxykleber oder Glaskeramik auf, da die Verbindung elastischer und temperaturbeständig ist.

Erfindungsgemäss wird ein derartiger Sensor folgendermassen hergestellt: a) Herstellen einer Metallhülse mit einem Innendurchmesser, welcher geringfügig grösser ist als der Aussendurchmesser der Sammellinse, wobei der Aussendurchmesser der Metallhülse ein Übermass aufweist, b) Einfügen der plankonvexen Sammellinse in die Metallhülse, wobei diese zur Metallhülse einen Ringspalt bildet und mit dem konvexen
Ende aus der Metallhülse ragt ; c) Einbringen eines Lotmaterials in den Ringspalt zwischen Sammellinse und Metallhülse; d) Abdrehen der Metallhülse auf das Endmass, wobei das überstehende
Lotmaterial entfernt wird ;

e) Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels in der Metallhülse.

dadurhc dass die Sammellinse in einem definierten Ausmass über die Metallhülse hinausragtist eine heisse, sich selbst reinigende Oberfläche gegeben.

Besondere Vorteile bei der Beobachtung von Verbrennungsvorgängen bei einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine ergeben sich, wenn die als plankon- vexe Stablinse ausgebildete Sammellinse aus Saphir besteht und mit Hilfe einer Keramik/Metall-Mischung in eine Hülse aus Stahl eingelötet ist. Durch den Wegfall von brennraumseitigen Klebeverbindungen kann die Standzeit derartiger Sensorerheblich verbessert werden.

Erfindungsgemäss kann die Metallhülse im Bereich der Sammellinse zumindest eine seitliche Bohrung bzw. zumindest einen seitlichen Schlitz aufweisen, welche bzw. welcher zum Einbringen des Lotmaterials dient. Mit dem erfindungsgemä- &num;en Verfahren sind optische Sensoren herstellbar, welche einen Aussendurchmes- ser der Metallhülse < 5 mm, vorzugsweise < 2 mm aufweisen, und deren Innen- durchmesser < 4 mm, vorzugsweise < 1,6 mm ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen optischen Sensor im Längsschnitt, die Figuren 2 bis 4 unterschiedliche Stadien im Herstellungsprozess des erfindungs- gemässen Sensors ebenfalls im Längsschnitt, sowie Fig. 5 den in eine Zylinder- kopfdichtung eingebauten optischen Sensor.

Der in Fig. 1 dargestellte optische Sensor 1 dient zur Erfassung von Verbren- nungsvorgängen in einem Brennraum und weist auf der dem Brennraum zuge- wandten Seite eine Sammellinse 2, sowie auf der gegenüberliegenden Seite einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel 3 auf. Die Sammellinse 2 und das Lichtleiterbündel 3 (beispielsweise ein in einer Normalebene zur Zeichenebene angeordnetes zeilenartiges Lichtleiterbündel) sind gemeinsam in einer Metall- hülse 4 angeordnet. Zwischen der Sammellinse 2 und der Innenseite der Metall- hülse 4 ist ein mit Lotmaterial 5 gefüllter Ringspalt vorgesehen. Die Sammellinse aus Saphir ist als plankonvexe Stablinse ausgebildet und mit Hilfe einer Kera- mik/Metall-Mischung in die Stahlhülse 4 (beispielsweise FeNi42) eingelötet.

In den folgenden Figuren 2 bis 4 wird die Herstellung des erfindungsgemässen optischen Sensors schrittweise dargestellt, wobei sich die Zahlenangaben ledig- lich auf eine bevorzugte Ausführungsvariante (Anordnung in einer Zylinderkopf- dichtung) beziehen und nicht einschränkend aufgefasst werden sollen.

Eine plankonvexe Stablinse gemäss Fig. 2, mit einem Durchmesser d von 1,5 mm, einer Länge I von ca. 6 mm und einem Krümmungsradius r der konvexen Begrenzungsfläche von ca. 2,5 mm, wird in eine vorbereitete, ca. 10 mm lange

Metallhülse gemäss Fig. 3 eingefügt, wobei die Metallhülse einen Innendurchmes- ser aufweist, welcher geringfügig grösser ist als der Aussendurchmesser der Stab- linse 2. Im dargestellten Beispiel beträgt der Innendurchmesser z. B. 1,56 0,03 mm. Der Aussendurchmesser der Metallhülse 4 weist im Vergleich mit dem ferti- gen Sensor ein Übermass auf. Nun wird als weiterer Schritt das Lotmaterial 5 in den Ringspalt zwischen Stablinse 2 und Metallhülse 4 eingebracht, wobei zwei Ausführungsvarianten vorstellbar sind.

Beispielsweise kann das Lotmaterial 5 - wie in Fig. 3 dargestellt - in eine Kehlnaht eingebracht werden, welche durch die Stirnfläche 6 der Metallhülse 4 und die über die Metallhülse 4 ragende Mantelflä- che 7 der Sammellinse gebildet wird. Durch die Kapillarwirkung gelangt das Lot- material in den Ringspalt zwischen Metallhülse und Sammellinse, wobei darauf geachtet werden muss, eine Benetzung der konvexen Fläche 12 durch das Lot- material zu vermeiden.

Gemäss einer zweiten Ausführungsvariante kann das Lotmaterial 5 über eine oder mehrere seitliche Bohrungen 8 (siehe Fig. 1) in den Ringspalt zwischen Sammel- linse 2 und Metallhülse 4 eingebracht werden. Anstelle der seitlichen Bohrung 8 kann auch ein Schlitz in der Metallhülse 4 ausgefräst sein.

In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird nun die Metallhülse 4 auf das End- mass (beispielsweise 1,8 mm) abgefräst, wobei das überstehende Lotmaterial 5 entfernt wird (siehe Fig. 4). Anschliessend erfolgt die Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels 3 in der Metallhülse 4, wobei das Lichtleiterbündel bis an die plane Fläche 9 der Stablinse 2 herangeschoben und befestigt wird. Bei- spielsweise können die Enden des zeilenartigen Lichtleiterbündels 3 eine metalli- sche Halterung 13 aufweisen (siehe Fig. 5), welche mechanisch - z.B. durch Klemmen - in der Metallhülse 4 fixiert ist. In der vom Brennraum abgewandten, kälteren Öffnung der Metallhülse 4 kann die Halterung 13 auch eingeklebt sein.

Schliesslich ist in Fig. 5 der optische Sensor 1 in seiner Messposition in einer Zylinderkopfdichtung 10 dargestellt. Die Befestigung des Sensors in der Bohrung 11 kann beispielsweise durch Weichlöten erfolgen, so dass die gesamte optische Anordnung zumindest brennraumseitig kleberfrei gestaltet werden kann.

Der erfindungsgemässe optische Sensor kann auch in entsprechend adaptierte Zündkerzen oder Einspritzdüsen eingelötet bzw. in Messbohrungen der Brenn- raumbegrenzung eingesetzt werden.

Weiters ist es möglich, das Einbringen des Lotmaterials 5 in den Ringspalt zwi- schen Sammellinse 2 und Metallhülse 4 dadurch zu erleichtern, dass die Metall- hülse vor dem Einbringen der Stablinse mit einem Bördelrand versehen wird, welcher nach dem Einbringen des Lotmaterials abgedreht wird.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Optischer Sensor (1) zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraft- maschine, welcher auf der dem Brennraum zugewandten Seite eine Sam- mellinse (2) sowie auf der dem Brennraum abgewandten Seite einen Licht- leiter oder ein Lichtleiterbündel (3) aufweist, welche gemeinsam in einer Metallhülse (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sammellinse (2) und der Innenseite der Metallhülse (4) ein mit Lot- material (5) gefüllter Ringspalt vorgesehen ist.
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als plankonvexe Stablinse ausgebildete Sammellinse (2) aus Saphir besteht und mit Hilfe einer Keramik/Metall-Mischung, in eine Hülse (4) aus Stahl eingelötet ist.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (4) im Bereich der Sammellinse (2) zumindest eine seitliche Bohrung (8) bzw. zumindest einen seitlichen Schlitz aufweist, welche bzw. welcher zum Einbringen des Lotmaterials (5) dient.
4. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Aussendurchmesser der Metallhülse 5 mm, vorzugs- weise < 2 mm und deren Innendurchmesser < 4 mm, vorzugsweise < 1,6 mm beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors zur Erfassung von Ver- brennungsvorgängen in einem Brennraum, vorzugsweise einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, wobei in einer Metallhülse eine plankon- vexe Sammellinse angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte : a) Herstellen einer Metallhülse mit einem Innendurchmesser, welcher geringfügig grösser ist als der Aussendurchmesser der Sammellinse, wobei der Aussendurchmesser der Metallhülse ein Übermass aufweist, b) Einfügen der plankonvexen Sammellinse in die Metallhülse, wobei diese zur Metallhülse einen Ringspalt bildet und mit dem konvexen Ende aus der Metallhülse ragt ; c) Einbringen eines Lotmaterials in den Ringspalt zwischen Sammellinse und Metallhülse; <Desc/Clms Page number 6> d) Abdrehen der Metallhülse auf das Endmass, wobei das überstehende Lot- material entfernt wird ;

e) Fixierung des Lichtleiters oder des Lichtleiterbündels in der Metallhülse.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmate- rial über eine seitliche Bohrung oder einen seitlichen Schlitz der Metallhülse in den Ringspalt zwischen Sammellinse und Metallhülse eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmate- rial in eine Kehlnaht eingebracht wird, welche durch die Stirnfläche der Metallhülse und die über die Metallhülse ragende Mantelfläche der Sammel- linse gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter bzw. das Lichtleiterbündel mit einer metallischen Halte- rung versehen, bis an die plane Fläche der Sammellinse herangeschoben und in der Metallhülse fixiert wird.