DE19627862C1

DE19627862C1 - Combustion radiation measuring device for internal combustion engine cylinder

Info

Publication number: DE19627862C1
Application number: DE19627862A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Ing Wytrykus; Ralf Dipl Ing Duesterwald; Ulrich Prof Dr Ing Spicher
Original assignee: SMETEC GES fur SENSOR MOTOR U
Current assignee: SMETEC GES fur SENSOR MOTOR U
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2016-07-12

Abstract

The measuring device uses an optical sensor (13) incorporated in the base of the reciprocating piston (2). This is provided for detecting the combustion radiation in the combustion space (4) between the piston and the cylinder head (6). The signal from the sensor is fed via a light conductor (14) to an optical transmitter (15), which cooperates with a stationary photodetector (19) incorporated in the engine housing. A reception lens (18) is spaced by at least the stroke length of the piston from the transmitter, which has an associated focussing lens (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Ver brennungsstrahlung im Brennraum zwischen Kolben und Zylinder kopf einer Verbrennungskraftmaschine mit Hilfe eines im Kol benboden angeordneten, optischen Sensors, bei der die während der Bewegung des Kolbens auf seiner Hublänge erfaßten Lichtsig nale über Lichtwellenleiter mit optischem Sender zu einem mit dem Maschinengehäuse verbundenen optischen Empfänger weiterzu leiten sind. Unter den Begriffen "Kolben" einerseits und "Ma schinengehäuse" bzw. "Zylinder" andererseits werden im vorlie genden Zusammenhang allgemein der bewegliche Teil bzw. der fe ste Teil irgendeiner Verbrennungskraftmaschine verstanden. Der feste Teil der Maschine ist derjenige Teil, relativ zu dem sich der Kolben - mit Pleuel etc. - bewegt.The invention relates to a device for measuring the Ver combustion radiation in the combustion chamber between the piston and cylinder Head of an internal combustion engine with the help of a Kol benboden arranged optical sensor, in which the during the movement of the piston over its stroke length detected light sig nale over optical fiber with an optical transmitter to one with optical receiver connected to the machine housing are leading. Under the terms "piston" on the one hand and "Ma Schinengehäuse "or" cylinder "on the other hand are in the vorlie general context, the moving part or the fe part of any internal combustion engine understood. Of the fixed part of the machine is the part relative to that the piston - with connecting rods etc. - moves.

Eine Vorrichtung dieser Art wird beschrieben in EP 0 325 917 B1. Diese Druckschrift enthält wichtige Hinweise zum tech nischen Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, zu den mit der Erfindung verbundenen Problemen und zum einschlägigen Stand der Technik.A device of this type is described in EP 0 325 917 B1. This document contains important information on tech African area to which the invention belongs, to those with the Problems associated with the invention and the relevant prior art of the technique.

Im Bekannten wird der vom optischen Sensor kommende Lichtwel lenleiter an den Spalt zwischen Zylinderwand und Kolben an eine Stelle (im Kolben) herangeführt, an der sich in der Zy linderwand ein optischer Empfänger befindet. Dabei wird der in Richtung des Kolbenhubs gemessene Querschnitt des optischen Empfängers (der Zylinderwand) größer als derjenige des Licht wellenleiterausgangs im Kolben gemacht, damit der Lichtwellen leiter sein Signal möglichst auf der ganzen Hublänge auf den Empfänger übertragen kann.Known is the light coming from the optical sensor conductor to the gap between the cylinder wall and the piston a point (in the piston) where the Zy linderwand is an optical receiver. The in Cross-section of the optical measured in the direction of the piston stroke Receiver (the cylinder wall) larger than that of the light waveguide output made in the bulb so that the light waves conductors his signal over the entire stroke length to the Receiver can transmit.

Ein wesentlicher Nachteil der in der genannten EP 0 325 917 B1 beschriebenen Art der kontaktlosen Übertragung der Lichtsigna le vom Kolben zum Zylinder besteht darin, daß in dem Bereich der Zylinderwand, der den in Richtung des Kolbenhubs relativ weit ausgedehnten optischen Empfänger aufweist, bei Betrieb der Maschine Undichtheiten auftreten. Es ist ja bekannt, daß die Zylinderwand eines Kolbenmotors, z. B. durch die Kolbenrin ge, in höchstem Maße beansprucht wird. Ein Licht-Empfängerma terial kann diesen Anforderungen naturgemäß nur unzureichend gerecht werden, so daß die Abdichtung des Kolbenumfangs unsym metrisch ist oder wird und die bekannte, durch den Spalt zwi schen Kolben und Zylinderwand erfolgende Lichtübertragung er hebliche Rückwirkungen auf die zu messende Form der Flammen ausbreitung im Verbrennungsraum haben kann.A major disadvantage of the EP 0 325 917 B1 mentioned described type of contactless transmission of the light signal le from the piston to the cylinder is that in the area the cylinder wall, which is relative in the direction of the piston stroke has extensive optical receiver when in operation the machine is leaking. It is known that the cylinder wall of a piston engine, e.g. B. by the piston ring ge, is claimed to the highest degree. A light receiver By nature, these requirements can only be inadequate meet, so that the sealing of the piston circumference unsym is or will be metric and the known, through the gap between between the piston and the cylinder wall significant repercussions on the shape of the flame to be measured can spread in the combustion chamber.

Im Bekannten wird das jeweilige Signal senkrecht zum Kolbenweg übertragen. Es muß daher auf der gesamten Übertragungsstrecke (entsprechend dem Kolbenhub) Empfängermaterial eingebracht werden. Hierdurch wird das bekannte System relativ kostenin tensiv.In the known, the respective signal is perpendicular to the piston path transfer. It must therefore be used on the entire transmission path (corresponding to the piston stroke) introduced receiver material will. This makes the known system relatively inexpensive intensive.

In der nachveröffentlichten DE 196 00 258 A1 wird eine opti sche Sensoranordnung zur Erfassung des Verbrennungsablaufs ei ner Brennkraftmaschine vorgeschlagen, deren Sensor als Zünd kerze ausgebildet ist.In the post-published DE 196 00 258 A1 an opti cal sensor arrangement for detecting the combustion process ei ner internal combustion engine proposed, the sensor as Zünd candle is formed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genann ten Lichtwellenleiter des Kolbens optisch mit einem Lichtemp fänger des mit dem Motorgehäuse verbundenen festen Teils mit vermindertem Kostenaufwand (unverändert kontaktlos) zu kop peln, ohne daß die Zylinderwand in irgendeiner Weise beein trächtigt werden müßte, also eine Rückwirkung auf die Flammen ausbreitung bzw. die Strömungsverhältnisse im Verbrennungsraum durch die Messung bzw. die Übertragung der Meßergebnisse nicht eintreten kann. The invention is based on the object mentioned at the outset optical fiber of the piston optically with a light sensor catcher of the fixed part connected to the motor housing with reduced costs (unchanged contactless) to copy peln without affecting the cylinder wall in any way should be ingested, that is, a retroactive effect on the flames spread or the flow conditions in the combustion chamber not by measuring or transferring the measurement results can occur.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht für die eingangs genannte Vorrichtung darin, daß der optische Sender und eine Empfangs optik - gesehen in der Bewegungsrichtung des Kolbens - um min destens die Kolben-Hublänge voneinander entfernt positioniert sind und daß der optische Sender eine Sendeoptik zum gebündel ten Richten der gesendeten Lichtsignale auf eine Empfangsoptik des optischen Empfängers aufweist.The solution according to the invention exists for the aforementioned Device in that the optical transmitter and a receiver optics - seen in the direction of movement of the piston - by min positioned the piston stroke length apart from each other are and that the optical transmitter bundle a transmission optics Direction of the transmitted light signals on a receiving optics of the optical receiver.

Durch die Erfindung wird eine (kontaktlose) Ankopplung des Lichtwellenleitsystems des beweglichen Teils der Maschine, al so des Kolbens, an das Lichtwellenleitsystem des festen Teils der Maschine erreicht, die weder eine Unterbrechung der sich gegenüberstehenden Wände des Spalts zwischen Kolben und Zylin derwand, noch hoch beanspruchte mechanische Übertragungsmittel erfordert. Eine wesentliche Erkenntnis besteht dabei darin, die Hublänge des Kolbens dadurch zu überbrücken, daß das vom Lichtwellenleiter am bewegten Kolben ausgesendete Lichtsignal gebündelt durch den Raum zwischen Sendeoptik des beweglichen Teils der Empfangsoptik des festen Teils der Maschine gesendet wird.The invention provides a (contactless) coupling of the Optical waveguide system of the moving part of the machine, al the piston, to the light waveguide system of the fixed part the machine reached, which is neither an interruption of itself opposing walls of the gap between the piston and cylin derwand, still highly stressed mechanical transmission means required. An essential finding is to bridge the stroke length of the piston by the fact that the Optical fiber emitted light signal on the moving piston bundled by the space between the transmission optics of the movable Part of the receiving optics of the fixed part of the machine sent becomes.

Die Übertragung erfolgt nach der Erfindung also nicht mehr quer zur Kolben-Bewegung, sondern im wesentlichen in Richtung dieser Bewegung. Um hierbei eine einwandfreie bzw. zuverlässi ge Übertragung der Licht- bzw. Flammensignale zu erreichen, wird dem Ausgang des Lichtwellenleiters am (beweglichen) Kol ben die Sendeoptik zugeordnet, die die Lichtsignale in Rich tung auf die Empfangsoptik des festen Teils bündelt bzw. fo kussiert. Vorzugsweise umfaßt die Sendeoptik hierzu ein System zum Fokussieren der gesendeten Lichtsignale in Richtung auf die Empfangsoptik. Der Punkt der stärksten Fokussierung soll dabei bevorzugt auf eine Entfernung von der Sendeoptik einge stellt werden, die annähernd gleich der Hublänge ist. Dadurch wird erreicht, daß mit vergrößertem Abstand von Sender und Empfänger die Lichtbündelung verstärkt wird und demgemäß die Lichtverluste relativ verringert werden. - Als Eingang der Empfangsoptik wird bevorzugt ein Lichtumlenkungsmittel, z. B. ein Prisma oder ein Spiegel, speziell dann vorgesehen, wenn die eigentlichen Empfangs- und Auswertemittel in einem Bereich seitlich der Linie der Bewegungsrichtung des Kolbens an geordnet werden sollen.The transmission no longer takes place according to the invention transverse to the piston movement, but essentially in the direction this movement. In order to achieve a flawless or reliable to achieve ge transmission of the light or flame signals, is the output of the optical fiber at the (movable) Kol ben assigned the transmission optics that the light signals in Rich device bundles or fo on the receiving optics of the fixed part kissed. For this purpose, the transmission optics preferably comprise a system to focus the transmitted light signals in the direction of the receiving optics. The point of strongest focus is said to be preferably at a distance from the transmission optics be placed, which is approximately equal to the stroke length. Thereby is achieved that with increased distance from the transmitter and The light beam is strengthened and accordingly the receiver Light losses can be reduced relatively. - As the entrance to the Receiving optics is preferably a light deflecting means, e.g. B. a prism or a mirror, specifically provided if the actual reception and evaluation means in one area to the side of the line of movement of the piston should be ordered.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbei spiels, nämlich einer Kolben-Zylinder-Anordnung einer Ver brennungskraftmaschine, werden prinzipielle Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:Based on the schematic representation of an embodiment game, namely a piston-cylinder arrangement of a Ver internal combustion engine, basic details of the Invention explained. Show it:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Kolben-Zylinder- Anordnung mit Pleuel, und Fig. 1 shows a longitudinal section of a piston-cylinder arrangement with a connecting rod, and

Fig. 2 und 3 Ausschnittsvergrößerungen von Fig. 1. Fig. 2 and 3 enlargements FIG. 1.

In einem insgesamt mit 1 bezeichneten Zylinder wird gemäß Fig. 1 bis 3 ein insgesamt mit 2 bezeichneter Kolben in der Hub richtung 3 beweglich gelagert. Der zugehörige Brennraum 4 be findet sich zwischen Kopf 5 des Zylinders 1 und Boden 6 des Kolbens 2. Im Zylinderkopf 5 befindet sich ein Zündgeber 7. Am Kolbenumfang werden Kolbenringe 8 vorgesehen. Der Kolben 2 kann über eine am Kolbenbolzen 9 schwenkbar gelagerte Kolben stange (Pleuel) 10 mit dem Kreuzkopf 11 einer Kurbelwelle 12 gekoppelt werden.In a cylinder denoted overall by 1 , a piston denoted overall by 2 is movably supported in the stroke direction 3 according to FIGS. 1 to 3. The associated combustion chamber 4 be between head 5 of the cylinder 1 and bottom 6 of the piston 2nd An ignition transmitter 7 is located in the cylinder head 5 . Piston rings 8 are provided on the circumference of the piston. The piston 2 can be coupled via a piston rod 9 pivotably mounted on the piston pin 9 (connecting rod) 10 to the crosshead 11 of a crankshaft 12 .

In dem Kolbenboden 6 wird ein Lichtsensor 13 mit daran - in nerhalb des Kolbens - angeschlossenen Lichtwellenleiter 14 vorgesehen. Geeignet ist ein herkömmlicher Lichtwellenleiter 14, der, z. B. als Bündel-Lichtwellenleiter bekannter Art, so ausgebildet sein soll, daß er - ähnlich wie in der oben gemäß EP 0 325 917 B1 beschriebenen Weise - in der Lage ist, unter den üblichen Bedingungen im Brennraum 4 Bilder der Flammenaus breitung und die Strömungsverhältnisse aufzunehmen und weiter zuleiten.In the piston crown 6 , a light sensor 13 is provided with an optical waveguide 14 connected to it - within the piston. Suitable is a conventional optical fiber 14 , z. B. as a bundle of optical fibers of a known type, should be designed so that it - similar to the manner described above in EP 0 325 917 B1 - is able, under the usual conditions in the combustion chamber 4 images of the flame spread and the flow conditions record and forward.

Erfindungsgemäß besitzt der Lichtwellenleiter 14 einen op tischen Sender 15 mit Sendeoptik 16, mit deren Hilfe das auf genommene Lichtsignal als Lichtbündel 17 über eine Entfernung, die mindestens der Kolben-Hublänge H entspricht, auf eine Empfangsoptik 18 eines optischen Empfängers 19 zu übertragen. Die Übertragung der Lichtsignale in dem Lichtbündel 17 erfolgt frei durch den Raum, so daß der optische Sender 15 bei der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 2 in Hubrichtung 3 auf der Hublänge H ebenfalls hin- und herbewegt wird. Eine Bewe gung mechanischer Teile relativ zum Kolben 2 ist dazu nicht erforderlich. Vielmehr befindet sich der optische Sender 15 relativ zum Kolben 2 in Ruhe und die Empfangsoptik 18 des Empfängers 19 befindet sich relativ zum festen Teil der Ma schine, z. B. relativ zum Zylinder 1, in Ruhe. Vom Empfänger 19 aus kann das Lichtsignal in üblicher Weise (z. B. wie gemäß EP 0 325 917) zu einer Auswertstelle weitergeleitet werden.According to the invention, the optical waveguide 14 has an optical transmitter 15 with transmission optics 16 , with the aid of which the light signal picked up as light bundle 17 is transmitted over a distance which corresponds at least to the piston stroke length H to an optical reception system 18 of an optical receiver 19 . The light signals in the light bundle 17 are transmitted freely through the room, so that the optical transmitter 15 is also moved back and forth on the stroke length H during the reciprocating movement of the piston 2 in the stroke direction 3 . A movement of mechanical parts relative to the piston 2 is not necessary for this. Rather, the optical transmitter 15 is relative to the piston 2 at rest and the receiving optics 18 of the receiver 19 is located relative to the fixed part of the machine, for. B. relative to cylinder 1 , at rest. The light signal can be forwarded from the receiver 19 to an evaluation point in the usual manner (for example as in EP 0 325 917).

Da das Lichtsignal (maximal über die Hublänge H) durch den Raum zu übertragen ist, wird es - zum Vermeiden von wesentli chen Intensitätsverlusten mit Hilfe der Sendeoptik 16, bevor zugt mit Hilfe eines Fokussierungssystems (z. B. mit Linsen) - so gebündelt, daß es (vorzugsweise bei dem maximalen Abstand zwischen optischem Sender 15 und Empfangsoptik 18 auf letzte rer) ausgerichtet wird. Das heißt, das Licht soll mit Hilfe der Sendeoptik 16 auf annähernd einen Punkt im Bereich der Empfangsoptik fokussiert und/oder zumindest auf der durch den Raum zu überbrückenden Strecke parallelisiert werden. Im er sten Fall wird zweckmäßig so fokussiert, daß die größte Licht konzentration bei der größten Entfernung von Sendeoptik und Empfangsoptik auftritt. In Fig. 2 und 3 wird derjenige Fall angedeutet, bei dem das am Ausgang 21 des Lichtwellenleiters 4 divergierende Licht 22 durch die Sendeoptik 16 parallelisiert wird.Since the light signal (maximum over the stroke length H) is to be transmitted through the room, it is bundled in order to avoid significant intensity losses with the aid of the transmitting optics 16 , before using a focusing system (e.g. with lenses), that it is aligned (preferably at the maximum distance between optical transmitter 15 and receiving optics 18 on the last one). This means that the light should be focused on approximately one point in the area of the receiving optics with the aid of the transmitting optics 16 and / or at least be parallelized on the path to be bridged through the space. In the first case it is appropriately focused so that the greatest light concentration occurs at the greatest distance from the transmitting optics and receiving optics. The case in which the light 22 diverging at the output 21 of the optical waveguide 4 is parallelized by the transmitting optics 16 is indicated in FIGS . 2 and 3.

Der optische Sender 15 kann im Kolben 2 an verschiedenen Stel len positioniert werden. Wichtig ist jedoch der räumliche Ab stand zwischen Sender 15 und Empfänger 18, der Abstand soll größer oder gleich der Hublänge H sein. Im Prinzip kann also der optische Sender 15 in der Ebene der dem Kolbenboden 6 ge genüberliegenden Kolben-Unterkante 20, aber auch zwischen die ser Ebene und dem Kolbenboden 6 oder mit größerem Abstand vom Kolbenboden 6 als die Ebene der Unterkante 20 angeordnet wer den. The optical transmitter 15 can be positioned in the piston 2 at various positions. However, the spatial distance between transmitter 15 and receiver 18 is important , the distance should be greater than or equal to the stroke length H. In principle, the optical transmitter 15 in the plane of the piston crown 6 opposite piston lower edge 20 , but also between the water level and the piston crown 6 or at a greater distance from the piston crown 6 than the level of the lower edge 20 who arranged the.

Der Kolben 2 wird bei seiner Arbeit zwischen zwei extremen räumlichen Positionen bewegt. Wenn der Empfänger 19 und dessen nachgeschaltete Auswerteeinrichtung seitlich neben dem Kolben 2 bzw. Zylinder 1 anzuordnen sind, soll die Empfangsoptik 18 in einer Ebene positioniert werden, in der sie bei jeder Stel lung des Kolbens 2 weiter vom Boden 6 als die Ebene der Unter kante 20 liegt. Im Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Empfangsoptik 18 ein Prisma oder einen Spiegel umfaßt, die das fokussierte bzw. parallelisierte Lichtbündel 16 auf den optischen Empfänger 19, beispielsweise um annähernd 90°, um lenken.The piston 2 is moved between two extreme spatial positions during its work. If the receiver 19 and its downstream evaluation device are to be arranged laterally next to the piston 2 or cylinder 1 , the receiving optics 18 should be positioned in a plane in which they are further from the bottom 6 than the level of the lower edge at each setting of the piston 2 20 lies. In the exemplary embodiment, it is assumed that the receiving optics 18 comprise a prism or a mirror, which deflect the focused or parallelized light bundle 16 onto the optical receiver 19 , for example by approximately 90 °.

Es wird eine Vorrichtung zum Messen der Verbrennungsstrahlung etc. im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben, die es erlaubt, ein Bild der Flammenausbreitung im Brennraum mit Hilfe von im Kolbenboden angeordneten Lichtsensoren zu er fassen und mit Hilfe von Lichtwellenleitern auf eine in der Maschine räumlich feste Empfangs- und Auswerteeinrichtung wei terzuleiten. Um eine auf den Zustand im Brennraum rückwir kungsfreie Lichtübertragung vom Kolben auf den festen Teil der Maschine zu schaffen, bei der eine mechanische Verbindung zwi schen dem Lichtwellenleiter des Kolbens und der Fortführung im festen Teil nicht vorhanden ist, wird die Hublänge des Kolbens durch einen von einer Sendeoptik des Kolbens zu einer Empfangsoptik des festen Teils gebündelt übertragenen Licht strahl überbrückt.It becomes a device for measuring the combustion radiation etc. described in the combustion chamber of an internal combustion engine, which allows an image of the flame spread in the combustion chamber with the help of light sensors arranged in the piston crown grasp and with the help of optical fibers on one in the Machine spatially fixed reception and evaluation device white to forward. To reflect the state of the combustion chamber kung-free light transmission from the piston to the fixed part of the To create a machine in which a mechanical connection between between the optical fiber of the piston and the continuation in the solid part is not present, the stroke length of the piston through one from a transmission optics of the piston to one Receiving optics of the fixed part of bundled transmitted light beam bridged.

BezugszeichenlisteReference list

1 Zylinder
2 Kolben
3 Hubrichtung
4 Brennraum
5 Zylinderkopf
6 Kolbenboden
7 Zündgeber
8 Kolbenringe
9 Kolbenbolzen
10 Kolbenstange
11 Kreuzkopf
12 Kurbelwelle
13 Lichtsensor
14 Lichtwellenleiter
15 optischer Sender
16 Sendeoptik
17 Lichtbündel
18 Empfangsoptik
19 optischer Empfänger
20 Unterkante (2)
21 Ausgang (14)
22 divergierendes Licht
H Hublänge 1 cylinder
2 pistons
3 stroke direction
4 combustion chamber
5 cylinder head
6 piston crown
7 detonators
8 piston rings
9 piston pins
10 piston rod
11 crosshead
12 crankshaft
13 light sensor
14 optical fibers
15 optical transmitters
16 transmission optics
17 light beams
18 receiving optics
19 optical receiver
20 bottom edge ( 2 )
21 output ( 14 )
22 divergent light
H stroke length

Claims

1. Device for measuring the combustion radiation in the combustion chamber ( 4 ) between the piston ( 2 ) and cylinder head ( 5 ) of an internal combustion engine with the help of an arranged in the piston head ( 6 ) on, optical sensor ( 13 ), in which during the movement of the Piston ( 2 ) on its stroke length (H) light signals detected via optical waveguide ( 14 ) with optical transmitter ( 15 ) to an optical receiver ( 19 ) connected to the machine housing, characterized in that the optical transmitter ( 15 ) and a receiving optics ( 18 ) of the optical receiver ( 19 ) - viewed in the direction of movement ( 3 ) of the piston ( 2 ) - are positioned at least the piston stroke length (H) apart from each other and that the optical transmitter ( 15 ) has a transmission optics ( 16 ) for has focused directions of the transmitted light signals ( 17 ) on a receiving optics ( 18 ) of the optical receiver ( 19 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the transmitting optics ( 16 ) comprises a system for concentrating, in particular special parallelizing to focusing, of the transmitted light in the direction of the receiving optics ( 18 ).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the point of the strongest focus of the transmission optics ( 16 ) is provided at a distance from the transmission optics which is approximately equal to the maximum distance to be bridged by the light through the air.

4. The device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that as the input of the receiving optics ( 18 ) a Lichtumlenkungsmit tel, z. B. prism or mirror, is provided.