DE10249154A1

DE10249154A1 - Überwachung und Steuerung der Motorverbrennung mit in die Zylinderkopfdichtung integriertem Verbrennungssensor

Info

Publication number: DE10249154A1
Application number: DE10249154A
Authority: DE
Inventors: Myron Lemecha; Jay Baker; Achyuta Achari; William D Hopfe; Lakhi N Goenka
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2003-06-12
Also published as: FR2831210A1; US6810723B2; US20030074957A1

Abstract

Ein integriertes Motorverbrennungsüberwachungssystem, das zur Überwachung des Gemischs, des Drucks oder der Temperatur der Verbrennung mindestens eine aus einem Lichtkommunikationskanal (LCC) bestehende Struktur und einen Sensor enthält, die in einer Zylinderkopfdichtung eingebettet sind. Der Sensor und der LCC können zwischen einem Luftraum oder einem aus einem lichtbrechenden Gel oder Polymer bestehenden Material angeordnet sein. Der Sensor enthält eine Fühlerkomponente, die verschiedene Formen oder Konfigurationen aufweisen kann. Der LCC besteht aus einem oder mehreren Materialien, wie beispielsweise einem Polymer, das oder die als Litze oder eine andere Struktur ausgebildet und in die Zylinderkopfdichtung eingearbeitet sein kann bzw. können. Das andere Ende des LCC kann als Teil einer oder mehrerer Motorbaugruppen gefertigt oder mit anderen Baugruppen oder Komponenten, wie optischen Fühlern oder zugehöriger Prozesssteuerelektronik, verbunden sein.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Rechte aus der am 18. Oktober 2001 eingereichten einstweiligen US-Patentanmeldung 60/330,306, die in ihrer Gänze hierin eingeschlossen wird.

Sachgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein integriertes Sensorsystem zur Überwachung eines Verbrennungsvorgangs oder von Bedingungen im Verbrennungsraum des Zylinders eines Verbrennungsmotors. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein integriertes Sensorsystem zur Überwachung eines Verbrennungsvorgangs oder von Bedingungen im Verbrennungsraum unter Verwendung eines Lichtkommunikationskanals und eines in einer Zylinderkopfdichtung eines Verbrennungsmotors eingebetteten Sensors.

Hintergrund der Erfindung

Bei einem Verbrennungsmotor können verbrennungsbedingte Probleme auftreten, die einen optimalen Lauf des Motors verhindern können. Beispielsweise kann das Luft-Kraftstoff- Gemisch unrichtig sein, oder es können Verunreinigungen im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden sein. Motorprobleme können auch dann auftreten, wenn die Verbrennung wegen nicht dicht schließender Ventile nicht ordnungsgemäß abläuft, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Kompressionshubs über dem Kolben abströmt oder wenn sich infolge von Verschleiß zwischen dem Zylinder und dem Zylinderkopf ein Spalt bildet.
Der Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors erfüllt eine Anzahl von Funktionen, wie Abdichten der Oberseite der Zylinder, Bereitstellung einer Anbringungsmöglichkeit für die Komponenten der Ventilbetätigung und Bereitstellung von Führungen und Öffnungen für die Einlass- und Auslassventile oder Bereitstellung des Zündkerzenzugangs in den Verbrennungsraum. Jede im Zylinderkopf über dem Kolben eingetiefte Fläche ist ein Verbrennungsraum, in dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch abbrennt. Der Zutritt von Kraftstoff-Luft-Gemisch und der Austritt von Verbrennungsgasen müssen für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Motors geregelt werden.
Der Zylinderkopf muss gegen den aus dem Verbrennungsvorgang herrührenden hohen Druck sicher abgedichtet sein. Als Dichtung fungiert die zwischen Zylinderkopf und Motorblock angeordnete Zylinderkopfdichtung. Wegen der rauen Umgebungsbedingungen im Zylinderkopf des Motors müssen die Bauteile rings um den Zylinderkopf in der Lage sein, harten Bedingungen wie zwischen -40°C und +250°C schwankenden Temperaturen zu widerstehen.
Die Zylinderkopfdichtung ist außerdem sehr hohen Drücken ausgesetzt. Die Überwachung oder Messung der Parameter innerhalb des Zylinders, besonders der sich auf die Verbrennung beziehenden, würde die Optimierung des Leistungsverhaltens eines Verbrennungsmotors erleichtern.
Zur Messung oder Überwachung von Veränderungen der Gasgemischzusammensetzung, des Drucks oder der Temperatur im Verbrennungsraum können Dehnmessstreifen verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten von Dehnmessstreifen, die aber im Allgemeinen mechanische Bewegungen in ein elektrisches Signal umwandeln. Bei der Wahl der Art des anzuwendenden Dehnmessstreifenwerkstoffs sind die Werkstoffkennwerte, wie Temperaturempfindlichkeit, Stabilität und Widerstand, zu berücksichtigen.
Herkömmliche verdrahtete Dehnmessstreifen sind normalerweise schwierig zu montieren und wegen der Anzahl der in die Funktion einbezogenen Drähte weniger zuverlässig. Drahtgeleitete Signale verursachen häufig Übersprechen und Überlagerung mit der Signalübertragung in benachbarten Drähten. Falls keine Schirmung vorgesehen wird, verursachen drahtgeleitete Signale außerdem elektromagnetische Überlagerungen in den Nachbardrähten. Diese Einflussgrößen fuhren zur Signalverzerrung.
Obgleich anstelle von Drähten oder eingeformt in eine Formstruktur durchaus optische Fasern mitunter verwendet werden, verteuern sie das elektronische System. Außerdem eignet sich die Integration von optischen und elektrischen Komponenten wegen der Schwierigkeiten bei der Montage für eine Massenfertigung normalerweise nicht.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung nutzen die Lichtkanaltechnologie, die mit einem in einem Zylinderkopf eingebetteten Sensor verbunden ist. Die Erfindung stellt Mittel zur Verfügung, mit denen die Bedingungen in einem Zylinder, wie das Gasgemisch oder die Ladungszusammensetzung, in Echtzeit effizient überwacht werden können. Außerdem bietet die Integration verschiedener Komponenten, wobei eine der Komponenten vorzugsweise ein Antriebsstrang ist, entsprechend der Erfindung mehrere Vorteile im Hinblick auf Kosten, Gewicht, Komplexität, Signalrauschen, Zuverlässigkeit, Raumbedarf und den sogenannten NVH-Wert (Rauschen, Schwingungen und Härte) des integrierten Systems.
Die Integration eines Sensors, wie beispielsweise für die Überwachung der Zusammensetzung des Gemischs, des Drucks oder der Temperatur in eine Zylinderkopfdichtung wird erreicht, indem die neuartige Lichtkanaltechnik angewendet wird, die hier als Lichtkommunikationskanal-Technologie (LCC-Technologie) bezeichnet wird. Ein Ende des LCC kann als Bestandteil anderer Motorstrukturen, wie z. B. als Kunststoff-Einlassverteiler, ausgeführt sein und/oder mit anderen Strukturen oder Komponenten verbunden sein, wie z. B. optischen Messfühlern, dem Antriebsstrang oder anderer Prozesssteuerelektronik.
In einer Ausführung der Erfindung wird ein integriertes System zur Überwachung der Motorverbrennung zur Verfügung gestellt, das eine oder mehrere einen LCC enthaltende Strukturen umfasst. Ein Sensor, der in der Nähe einer Zylinderwand in einer Zylinderkopfdichtung eingebettet ist, ist mit der einen LCC enthaltenden Struktur oder mit den einen LCC enthaltenden Strukturen verbunden. Ein elektronisches System empfängt und verarbeitet ein vom Sensor aufgenommenes Signal, wobei sich das vom Sensor aufgenommene Signal im LCC ausbreitet.
In einer anderen Ausführung der Erfindung wird ein integriertes System zur Überwachung der Motorverbrennung zur Verfügung gestellt, das einen in einer Zylinderkopfdichtung eingebetteten Sensor umfasst, die ein optisches Fenster enthält. Ein LCC besteht aus einem Polymer und ist direkt oder indirekt mit dem optischen Fenster verbunden, das ein konisches optisches Leiterbündel oder eine Ringkonfiguration aufweist. Ein elektronisches System empfängt und verarbeitet ein vom in der Nähe einer Zylinderwand angeordneten Sensor aufgenommenes Signal. Das vom Sensor aufgenommene Signal breitet sich durch das optische Fenster und den LCC aus.
Die Erfindung ist außerdem auf ein integriertes System zur Überwachung der Motorverbrennung gerichtet, das eine oder mehrere Strukturen umfasst, die einen LCC darstellen. Die eine Struktur oder die mehreren Strukturen, die einen LCC darstellen, sind zwischen dem elektronischen System und einem Sensor angeordnet. Der Sensor ist in einer Zylinderkopfdichtung eingebettet und mit der einen oder den mehreren Strukturen verbunden, die einen LCC darstellen. Der Sensor, der ein IR(Infrarot)-Fenster mit einem konischen optischen Leiterbündel oder einer Ringkonfiguration besitzt, erfasst von dem im Verbrennungsraum stattfindenden Verbrennungsvorgang herrührende Infrarotsignale. Ein elektronisches System empfängt und verarbeitet ein vom Sensor aufgenommenes Signal.
Die Erfindung ermöglicht eine extrem hohe Echtzeitdatenerfassung, eine effiziente Kompaktbauweise und Integration, eine geringe Systemkomplexität und geringere Gesamtkosten im Vergleich zu traditionellen Verbrennungserfassungsmethoden, die kostenaufwendigere Sensoren mit komplexer Integration einsetzen, in die Zündkerzen, Kraftstoffeinspritzvorrichtungen oder spezielle Sonden für jeden einzelnen Verbrennungsraum einbezogen sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die eine Verteilerbaugruppe eines Motorverbrennungs-Überwachungs- und -steuerungssystems mit einem zylinderkopfdichtungsintegrierten Verbrennungssensor enthält.
Fig. 2 zeigt wesentliche Motorkomponenten eines Motorverbrennungs-Überwachungs- und -steuerungssystems mit einem zylinderkopfdichtungsintegrierten Verbrennungssensor.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Motorzylinderbaugruppe eines Motorverbrennungs- Überwachungs- und -steuerungssystems mit einem zylinderkopfdichtungsintegrierten Verbrennungssensor.
Fig. 4 zeigt eine Zylinderkopfdichtung mit integriertem LCC.
Fig. 5a-b zeigt zwei verschiedene Konfigurationen eines IR-Emissionserfassungssystems mit einem konischen IR-Fenster.
Fig. 6 zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das ein IR-Fenster mit konstantem Durchmesser aufweist.
Fig. 7 zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem mit einem IR-Fenster in Form eines optischen Leiterbündels.
Fig. 8 zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem mit einem IR-Fenster in Form eines eingeschmolzenen IR-Rings.
Fig. 9a-b zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das eine Linse und eine Membran enthält.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung der Vorzugsausgestaltung der Erfindung

Die verschiedenen Ausführungen der Erfindung verwenden die neuartige, kostengünstige LCC-Technologie der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zusätzlich zu neuartigen Kompakt- oder Integrationslösungen für LCC. Es werden Mittel zur Verfügung gestellt, mit denen die Bedingungen in einem Zylinder, wie Ladungszusammensetzung, Druck oder Temperatur, in Echtzeit effizient überwacht werden können. Sensoren, wie Gasgemisch-, Druck- oder Temperatursensoren, sind in die Zylinderkopfdichtung integriert und ermöglichen die Überwachung und Steuerung des im Zylinder ablaufenden Verbrennungsprozesses oder der Verbrennungsbedingungen.
Mittel zur Integration verschiedener Komponenten, die vorzugsweise ein Prozesssteuersystem oder ein Antriebsstrangsystem enthalten, werden ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die Integrationslösungen der Erfindung bieten mehrere Vorteile im Hinblick auf Kosten, Gewicht, Komplexität, Signalrauschen, Zuverlässigkeit, Raumbedarf und den sogenannten NVH-Wert (Rauschen, Schwingungen und Härte) des integrierten Systems.
In den verschiedenen Ausführungen der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, das mindestens einen Sensor, der ein von einer Signalquelle, wie einem Verbrennungsraum, ausgehendes Signal empfängt, und eine oder mehrere einen LCC umfassende Strukturen umfasst, dessen eines Ende mit dem Sensor verbunden ist.
Ein LCC (ein Lichtkommunikationskanal) ist eine Struktur, die aus mindestens einer Art lichtübertragenden Materials gefertigt ist, dem eine beliebige, die Übertragung eines Signals in Form von Licht von einem Ort an einen anderen Ort ermöglichende Gestalt gegeben worden ist. Ein LCC wird weiter unten näher beschrieben, eines seiner Kennzeichen jedoch ist, dass er als ein Substrat, wie z. B. ein optisches Substrat, benutzt werden kann, das in verschiedenen Formen, wie als rechteckiger Stab oder als Teil oder Gesamtheit, z. B. des Hauptrahmens einer Geräteanzeigetafel, ausgeführt sein kann. In letzterer Form kann er primäres oder sekundäres Übertragungsmittel für ein Signal, wie beispielsweise ein optisches, sich von mindestens einer Signalquelle zu mindestens einem Signalempfänger ausbreitendes Signal, benutzt werden, oder er kann verschiedene elektronische und/oder optische Komponenten in sich einschließen, die es ermöglichen, dass ein Signal, wie beispielsweise ein optisches Signal, zu verschiedenen elektronischen und/oder optischen Komponenten innerhalb des Substrats geleitet wird, ohne dass auf die Verwendung herkömmlicher Signalfokussiermittel, wie Strahlteiler oder Sammellinse, zurückgegriffen werden muss. Ein LCC kann auch eine andere Form haben, wie ein Ring, eine Litze, eine Tafel oder ein Band.
Strukturen, die einen LCC darstellen, enthalten einen LCC in Form von Strängen oder anderen strukturellen Formen. Strukturen, die einen LCC darstellen, enthalten außerdem einen LCC, der mit einer oder mehreren Komponenten oder Systemen verbunden oder zusammen gefertigt ist, wie ein Messfühler, eine Lichtquelle oder ein elektronisches System.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungen eines Sensors, der einen LCC, wie z. B. eine LCC-Litze, benutzt, der vorzugsweise in eine Zylinderkopfdichtung eingebettet und mit einem Antriebsstrangsystem verbunden oder in ein solches integriert ist. Vorzugsweise verlaufen die LCC-Stränge durch die Dichtung hindurch und enden an einer oder mehreren Stellen innerhalb des Umfangs oder rings um den Umfang des Zylinders. Die LCC-Stränge enden vorzugsweise an einer Wand eines jeden Zylinders. Jeder Endpunkt einer jeden LCC- Litze kann einen oder mehrere Sensoren zur Überwachung von Parametern, wie die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, Druck, Temperatur und andere, enthalten, die für die optimale Leistung des Motors von Bedeutung sind. Vorzugsweise ist am Innenring der Zylinderkopfdichtung eine Sensorkappe angebracht, um den Sensor gegen die rauen Umgebungsbedingungen im Inneren des Verbrennungsraums abzuschirmen.
Fig. 1 zeigt eine Verteilerbaugruppe veranschaulichende Ausgestaltung der Erfindung, die ein Motorüberwachungs- und -steuerungssystem mit einem integrierten Kopfdichtungs- Verbrennungssensor enthält. Der Sensor, der für die Überwachung der im Zylinder herrschenden Bedingungen, wie die Zusammensetzung der Ladung, Druck oder Temperatur, verwendet wird, ist in die Zylinderkopfdichtung integriert, indem eine LCC-Litze 100 in eine Zylinderkopfdichtung eingebettet ist. Das LCC-Material kann aus Polymeren oder anderen Materialien gefertigt sein, die die Übertragung von Licht verschiedener oder bestimmter Wellenlängen gestatten.
Der LCC 100 verläuft durch die Dichtung hindurch und ist verbunden mit dem Zylinder an einer oder mehreren Stellen rings um den Umfang des Zylinders. Der LCC 100 endet vorzugsweise an der Innenwand des Verbrennungsraums, um die Überwachung von Parametern, wie die Verbrennung oder Zusammensetzung des Gasgemischs, die Temperatur oder den Druck, zu ermöglichen.
Der LCC kann befestigt, geformt oder als Teil einer Motorstruktur oder -komponente gefertigt sein. Beispiele solcher Strukturen oder Komponenten sind optische Sensoren, der Einlassverteiler, gedruckte Leiterplatten, flexible Leiterplatten, Flachdraht oder eingeformte Schaltkreise (MID-Schaltkreise) über die Länge des LCC oder an seinen Endpunkten. Diese Konfigurationen bzw. ihre Variationen gestatten eine gemischte Elektroniktechnologie für bestimmte Arten von Anwendungsfällen. Vorzugsweise ist der LCC mit einem Antriebsstrangsystem 102 verbunden.
Fig. 2 zeigt verschiedene wesentliche Motorkomponenten, die eine einen LCC 200 anwendende Zylinderkopfdichtung, einen Einlassverteiler mit integrierter Elektronik 202, einen Zylinderblock 204 und einen Zylinderkopf 206 umfassen. Die Sensoren sind in eine Zylinderkopfdichtung 208 eingebaut, die in ein Antriebsstrangsystem integriert ist. Der LCC 200 verläuft innerhalb der Dichtung 208 und erreicht einen Zylinder des Verbrennungssystems an einer oder mehreren Stellen auf dem Umfang des Zylinders. Der LCC 200 endet an einer Wand 210 eines jeden Zylinders. Jeder Endpunkt eines LCC ist an einer Innenwand eines Verbrennungsraums ausgeführt, um die Überwachung von Parametern, wie die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, Druck, Temperatur und anderer für die optimale Leistung des Motors bedeutsamer Parameter, zu ermöglichen.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Zylinderkopfdichtung mit einem integrierten LCC 300. Vorzugsweise ist im Innenring der Zylinderkopfdichtung eine Sensorkappe angebracht, so dass der Sensor 302 gegenüber den rauen Umgebungsbedingungen im Inneren des Verbrennungsraums abgeschirmt ist. Vom Sensor aufgenommene Informationen über die überwachten Parameter werden im LCC zu optischen Sensoren und zur Prozesssteuerelektronik geleitet. Der LCC 300 kann verbunden sein mit oder gefertigt sein als Teil anderer Motorstrukturen wie Einlassverteiler.
Fig. 4 zeigt eine Ansicht einer Zylinderkopfdichtungsbaugruppe. In Fig. 4 ist ein aus einem Werkstoff, wie beispielsweise ein hitzebeständiges Polymer, gefertigter Sensor vorzugsweise in eine Zylinderkopfdichtung 402 eingebettet und in der Nähe einer Zylinderwand 404 angeordnet. Vorzugsweise ist der Sensor mit einem elektronischen System oder einem Fotomessfühler über die LCC-Stränge 400 verbunden, über die sich ein Lichtsignal ausbreitet. Vorzugsweise empfängt der Sensor ein Signal, das aus dem Verbrennungsraum stammt. Mit stärkerem Vorzug nehmen die Sensoren IR-Emissionen auf, die von den Zündungs- und Verbrennungsereignissen im Verbrennungsraum erzeugt werden. Nach dem Verlassen des Sensors breitet sich das Signal in mindestens einem der LCC-Stränge 400 aus.
Die Fig. 5 bis 9 zeigen verschiedene Ausbildungsformen der Erfindung. Bei diesen verschiedenen Ausbildungsformen werden die IR-Signale durch einen Sensor aufgenommen, der ein optisches Fenster, vorzugsweise ein IR-Fenster, enthält.
Der Sensor kann aus einem oder mehreren Materialien bestehen, die als Fühlerkomponenten fungieren. Die Fühlerkomponenten können mit einem geeigneten reflektierenden Überzug versehen sein. Vorzugsweise liegt die Fühlerkomponente oder liegen die Fühlerkomponenten in der Nähe einer oder an einer Zylinderwand. In einer Ausführung der Erfindung ist die Fühlerkomponente als ein Ring ausgebildet, der in einer Zylinderkopfdichtung liegt und den Zylinder umgibt.
Die Fühlerkomponenten besitzen ein optisches Fenster mit konstantem oder variierendem Durchmesser. Das optische Fenster kann aus einem Schmelzwerkstoff, wie ein IR-geeigneter Silikawerkstoff, reine Tonerde (Saphir), Zinkarsenid, IR-Quarz, Germanium, Germanium- Arsen-Selenium oder Zinkselenid, bestehen. Die Endflächen des Fensters können für die Aufnahme einer geeigneten Linse gestaltet sein, mit der die Signalfokussierung und das Signaleinfangen verbessert werden. Die Fühlerkomponente ist vorzugsweise mit einem flexiblen LCC-Werkstoff, wie z. B. Polycarbonat oder Polyethylenterephthalat (PET), verbunden, durch den sich ein Signal ausbreitet. In diesem Dokument ist mit "verbunden" entweder direkt verbunden oder indirekt verbunden mit physischen Strukturen oder dazwischenliegenden, beispielsweise Luft, enthaltenden Spalten gemeint. Zwischen der Fühlerkomponente und dem LCC kann ein Luftraum oder ein mit einem optisch brechenden LCC kann ein Luftraum oder ein mit einem optisch brechenden Polymer oder Gel gefüllter Raum angeordnet sein. In die Dichtung kann eine Nut gefräst sein, in die das Material eingelegt und die anschließend mit einem geeigneten Dichtstoff versiegelt wird. Bei der Fertigung der Fühlerkomponenten kann mindestens eine Nut in eine Dichtschicht eingeätzt werden. Die LCC-Werkstoffe werden dann in die Nut gegeben und die Dichtschicht wird dann aufplattiert, so dass eine Dichtungsbaugruppe entsteht.
Der LCC kann mit mindestens einem elektronischen System, wie z. B. einem Analysator oder Prozesssteuerelektronik, verbunden sein, wo die IR-Signale einer Verarbeitung oder Analyse unterzogen werden. Das elektronische System kann für Signalverstärkungs- und Filterfiinktionen herangezogen werden. Das elektronische System kann auch für die Kalibrierung von IR- Messwerten benutzt werden, indem z. B. eine Messbasis zur Bestimmung des Grundgeräuschs oder anderer Überlagerungserscheinungen zur Verfügung gestellt wird.
Fig. 5a zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das ein konisches IR-Fenster 500 mit ansteigendem, einen Größtwert in der Nähe einer Zylinderwand 502 erreichendem Durchmesser aufweist. In diesem Dokument bedeutet der Terminus "in der Nähe", das Angeordnetsein in der unmittelbaren Nachbarschaft einer Fläche, einer Stelle oder eines Objekts. Der Terminus "in der Nähe" bedeutet uußerdem das Angeordnetsein an einem bestimmten Punkt oder auf einer bestimmten Umrisslinie einer Fläche, einer Stelle oder eines Objekts. Zwischen einer Fläche, einer Stelle oder einem Objekt, die sich jeweils "in der Nähe" einer anderen Fläche, einer anderen Stelle oder eines anderen Objekts befinden, kann ein Objekt oder eine Struktur vorhanden sein. Damit kann sich beispielsweise der Ausdruck, ein Objekt befinde sich "in der Nähe" einer Zylinderwand, auf ein Objekt beziehen, das in der unmittelbaren Nachbarschaft einer Zylinderwand liegt (gleichgültig, ob das Objekt von der Wand durch ein Objekt oder eine Struktur getrennt ist), oder auf ein Objekt, das auf oder entlang einer Zylinderwand liegt.
Ein von der in Fig. 5a gezeigten Konfiguration gebotener Vorteil ist ein verbessertes Einfangen der IR-Emission. Eine andere Endfläche des IR-Fensters ist mit einem Material 504, wie z. B. einem lichtbrechenden Gel oder Polymer, verbunden, das seinerseits mit einem LCC 506 verbunden ist. Das vom IR-Fenster 500 aufgenommene IR-Signal breitet sich im LCC 506 aus, der vorzugsweise mit einem IR-Messfühler verbunden ist. Der IR-Messfühler kann über einen LCC-Bus mit einem Elektroniksystem, wie z. B. einer Prozesssteuerelektronik, verbunden sein. Der LCC-Bus kann auch mit einem elektronischen Gerät, wie einem IR-Analysator, verbunden sein.
Fig. 5b zeigt ein in Fig. 5a dargestelltes ähnliches IR-Emissionserfassungssystem. In Fig. 5b endet ein konisches IR-Fenster 508 in der Nähe einer Zylinderwand 512 und ist mit dem LCC 510 direkt verbunden und von ihm nicht durch ein Material, wie ein Gel oder ein Polymer, getrennt. Das IR-Fenster 508 ist vorzugsweise aus mindestens einer Werkstoffart wie ein IRgeeigneter Silikawerkstoff, z. B. reine Tonerde (Saphir), Zinkarsenid, IR-Quarz, Germanium, Germanium-Arsen-Selenium oder Zinkselenid, gefertigt.
Fig. 6 zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das ein IR-Fenster 600 mit mehr oder weniger konstantem Durchmesser aufweist, das in der Nähe einer Zylinderwand 602 endet. Das IR- Fenster ist mit einem Gel oder einem Polymer 604, wie z. B. einem lichtbrechenden Polymer, verbunden. Das Gel oder Polymer ist seinerseits mit einem LCC 606 verbunden, der vorzugsweise aus einem flexiblen Material gefertigt ist. Der LCC 606 ist vorzugsweise mit einem IR-Messfühler verbunden. Der IR-Messfühler kann über einen LCC-Bus mit einem elektronischen System, wie z. B. einer Prozesssteuerelektronik oder einem IR-Analysator, verbunden sein. Das IR-Fenster kann aus einem oder mehreren Materialien gefertigt sein, die Silika, Saphir, Zinkarsenid, Germanium, Germanium-Arsen-Selenium oder Zinkselenid umfassen.
Fig. 7 zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das ein optisches Leiterbündel 700 enthält. Das optische Leiterbündel 700 besteht vorzugsweise aus Strängen oder Schichten geeigneter IR-Fühlerkomponenten, wie Silika, Saphir, Zinkarsenid, Germanium, Germanium-Arsen- Selenium oder Zinkselenid. Wie in Fig. 7 gezeigt, hat das optische Leiterbündel Enden, die in der Nähe einer Zylinderwand 702 enden. Das optische Leiterbündel kann mit einem lichtbrechenden Gel oder einem Polymer 704 verbunden sein, das seinerseits vorzugsweise mit einem LCC 706 verbunden ist. Das vom optischen Leiterbündel aufgenommene IR-Signal breitet sich im LCC 706 aus, der direkt oder indirekt mit einem IR-Messfühler verbunden ist. Vorzugsweise ist der IR-Messfühler über einen LCC-Bus mit einem elektronischen System verbunden. Ein Beispiel eines solchen elektronischen Systems ist eine Prozesssteuerelektronik oder ein IR-Analysator.
Fig. 8 zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das ein IR-Fenster 800 in Form eines eingeschmolzenen IR-Rings 802 enthält. Der eingeschmolzene IR-Ring kann aus einem oder mehreren Materialien, wie Silika, Saphir, Zinkarsenid, Germanium, Germanium-Arsen-Selenium oder Zinkselenid, gefertigt sein. Der IR-Ring umgibt vorzugsweise den Umfang einer Zylinderwand. Diese Konfiguration bietet den Vorteil eines erhöhten Signalfangwirkungsgrads. Ein Teil des IR-Rings 804 erstreckt sich nach außen und kann über einen Luftraum oder ein aus einem optischen Polymer oder Gel gefertigten Material 808 mit einem LCC 806 verbunden sein. Alternativ kann das IR-Fenster direkt mit dem LCC 806 verbunden sein. Der LCC 806 ist vorzugsweise aus einem flexiblen Material, wie Polycarbonat oder PET, gefertigt.
Fig. 9a zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem, das ein konisches IR-Fenster 900 mit ansteigendem, einen Größtwert in der Nähe einer Zylinderwand 902 erreichendem Durchmesser aufweist. Bei dieser Konfiguration ist mindestens eine der Endflächen des IR-Fensters 900 entweder geformt als eine oder verbunden mit einer Linse 904. Die Linse 904 ermöglicht ein verbessertes Fokussieren und Einfangen des Signals. Eine zweite Linse 906 kann über ein Material 910, wie ein lichtbrechendes Gel oder Polymer, zwischen der anderen Endfläche des IR-Fensters 900 und einem LCC 908 angeordnet sein. Alternativ kann das IR-Fenster 900 oder die zweite Linse 906 mit dem LCC 908 über einen Luftraum verbunden sein. Der LCC 908 ist vorzugsweise aus einem flexiblen Material, wie Polycarbonat oder PET, gefertigt.
Fig. 9b zeigt ein IR-Emissionserfassungssystem mit einem konischen IR-Fenster 910, das eine Membran 912 zur Überwachung der Verbrennungsbedingungen enthält. Die Membran 912, die mit dem IR-Fenster 910 verbunden ist, ist in der Nähe einer Zylinderwand 914 angeordnet. Die Membran 912 verändert das optische Signal, z. B. durch Veränderung der Intensität eines von dem IR-Fenster eingefangenen optischen Signals. Das IR-Fenster 910, das aus einem Material, wie Schmelzsilika, gefertigt sein kann, hat einen ansteigenden Durchmesser, der einen Größtwert in der Nähe der Zylinderwand 914 erreicht. Das andere Ende des IR- Fensters 910 ist mit einem Stück eines Materials 918, wie ein lichtbrechendes Gel oder Polymer, verbunden, das seinerseits mit dem LCC 916 verbunden ist. Vorzugsweise ist der LCC 916 aus einem flexiblen Material, wie Polycarbonat oder PET, gefertigt. Der LCC 916 ist vorzugsweise mit einem Fotomessfühler, wie z. B. ein IR-Messfühler, verbunden. Der IR- Messfühler kann mit einem elektronischen System, wie ein Analysator oder eine Prozesssteuerelektronik, verbunden sein, wo ein erfasstes IR-Signal einer Verarbeitung oder Behandlung unterzogen wird. Das elektronische System kann auch dazu herangezogen werden, das erfasste IR-Signal anderen Teilen eines Motors zur weiteren Verarbeitung oder Analyse zuzuleiten.
Der LCC besteht vorzugsweise aus einem Polymerwerkstoff. Der Polymerwerkstoff kann ein lichtbrechendes Polymer sein. Geeignete Materialien, aus denen der LCC bestehen kann, sind Polypropylen, Polyethylen, PET, Polyisobutylen, Polyacrylnitril, Poly-(Vinylchlorid), Poly-(Methylmetacrylat), Silika, Polycarbonat oder Acryl.
Der LCC kann aus einem oder mehreren für Licht durchlässigen oder durchscheinenden Materialien bestehen. Zum Beispiel kann der LCC aus einem ersten, für eine erste Frequenz der Signale durchlässigen Material und einem zweiten, für eine zweite Frequenz der Signale durchlässigen Material bestehen.
Der LCC kann unterschiedlich konfiguriert sein, wie z. B. gekrümmt, wellig oder asymmetrisch. Der LCC kann außerdem verschiedene Abmessungen, einschließlich ungleichförmiger Dicke, Breite und Länge, aufweisen. Vorzugsweise ist der LCC aus einem formbaren Material gefertigt, so dass ihm eine gewünschte Gestalt gegeben werden kann. Der LCC kann mit Strukturen, wie gedruckte Leiterplatten, flexible Substrate, Flachdraht oder MID-Schaltkreise, verbunden oder in solche Strukturen integriert sein.
Der LCC kann auf einer oder mehreren Flächen eine reflektierende Schicht tragen. In einer Ausführung der Erfindung bedeckt die reflektierende Schicht die gesamte Fläche oder so gut wie die gesamte Fläche der LCC-Stränge, außer den Flächengebieten, an denen die Signalquelle und der Fühler mit dem LCC verbunden sind. Die reflektierende Schicht kann aus einem beliebigen Material bestehen, das Signale in den LCC reflektiert. Die reflektierende Schicht enthält eine oder mehrere Legierungen oder Metalle, wie Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold. Der LCC kann eine höhere Brechzahl als die reflektierende Schicht haben. Reflektierende oder absorbierende Materialien können mehrere LCCs voneinander trennen.
Der Sensor kann ein oder mehrere piezoelektrische oder piezooptische Materialien enthalten. Die piezoelektrischen Materialien können aus Silicium oder Germanium bestehen. Diese Materialien haben gewöhnlich eine größere Empfindlichkeit als Dehnmessstreifen aus Metalldraht oder -folie. Vorzugsweise ist der Sensor mit einem geeigneten hitzebeständigen Polymer oder einem anderen geeigneten Material oder einer Materialkombination gefüllt, um die Veränderung der Erfassung mit der Kolbenaufheizung zu verbessern. Der Sensor kann einen Fühler, wie z. B. einen Fotomessfühler, enthalten oder mit einem solchen verbunden sein.
Die Signale können eine Kombination elektromagnetischer Frequenzen sein und moduliert oder kodiert sein. Erforderlichenfalls können die Signale verstärkt werden, um längere Übertragungswege zu ermöglichen. Das Signal breitet sich vorzugsweise im Wesentlichen über dem gesamten Volumen des LCC aus. In diesem Dokument bedeutet "breitet sich im Wesentlichen aus" die Signalausbreitung in verschiedenen Richtungen innerhalb des LCC, falls nicht die Signalquelle oder eine andere Komponente das Signal blockiert oder die Oberfläche des LCC das Signal reflektiert. Die Signale können sich in derselben oder in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten. Für die Aufnahme eines oder mehrerer Signale können die Fühler oder Aufnehmer an jeder geeigneten Stelle auf der Oberfläche des LCC angeordnet sein. Mehrere Fühler können Signale einer einzelnen Signalquelle aufnehmen.
Vorzugsweise ist mindestens einer der Fühler eine elektromagnetische Strahlung aufnehmende oder einfangende Einrichtung, wie eine Fotodiode oder ein Hochfrequenzaufnehmer. Die Fühler können vom LCC ein oder mehrere Signale aufnehmen oder einfangen.
Vorzugsweise liefern die Fühler als Antwort auf das vom LCC kommende Signal ein Ausgangssignal an das elektronische System. Die Fühler haben vorzugsweise ein oder mehrere frequenzspezifische Filter, um eine Interferenz von Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen zu reduzieren oder zu eliminieren. Der frequenzspezifische Filter erlaubt es einem bestimmten Fühler, selektiv ein Signal aufzunehmen, das eine bestimmte Frequenz oder einen schmalen Frequenzbereich hat. Der Fühler enthält, jedoch nicht darauf beschränkt, Fotodioden, Mikrokanalplatten, Fotomultiplierröhrchen oder Fühlerkombinationen.
Die Verwendung von LCC oder aus einem LCC bestehenden Strukturen und die LCC- Integration in die Dichtungsmaterialien kann auf Anwendungsfälle anderer ähnlicher Systeme ausgedehnt werden, bei denen Dichtungen erforderlich sind, wie Fahrzeugbremsen, Fahrzeugklimaanlagen, industrielle Klimaanlagen, Turbotriebwerke oder Fertigungsprozesse oder -ausrüstungen. Die genannten Merkmale machen die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung für Steueraufgaben in Industriezweigen, wie der Automobil- und der Verbrauchsgüterindustrie, nutzbringend.
Es sind verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben und bildlich dargestellt worden. Die Beschreibung und die bildlichen Darstellungen stellen jedoch lediglich Beispiele dar. Innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung sind weitere Ausgestaltungen und Realisierungen möglich und für mit dem Fach in ordnungsgemäßem Maße vertraute Personen offenkundig. Die Erfindung ist aus diesem Grunde nicht auf die speziellen Details, die repräsentativen Ausgestaltungen und die bildlich dargestellten Beispiele in der vorliegenden Beschreibung beschränkt. Dementsprechend ist die Erfindung ebenso wenig beschränkt, außer wie in den zugehörigen Ansprüchen und ihren Entsprechungen verlangt.

Claims

1. Ein integriertes Motorverbrennungsüberwachungssystem, bestehend aus:
mindestens einer aus einem LCC bestehenden Struktur,
einem in einer Zylinderkopfdichtung in der Nähe einer Zylinderwand eingebetteten und mit der mindestens einen aus einem LCC bestehenden Struktur verbundenen Sensor und
einem elektronischen System, das ein vom Sensor empfangenes Signal empfängt und verarbeitet,
wobei sich das vom Sensor empfangene Signal durch den LCC ausbreitet.

2. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei der LCC aus einem Polymer besteht.

3. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei der LCC aus Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Silika, Polycarbonat oder Acryl besteht.

4. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor aus einem IR-Fenster besteht.

5. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 4, wobei das IR-Fenster einen konischen, konstanten Durchmesser oder eine Ringkonfiguration besitzt.

6. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 4, wobei das IR-Fenster aus mindestens einem aus der die Schmelzwerkstoffe Silika, Tonerde, Zinkarsenid, Quarz, Germanium, Germanium-Arsen-Selenium oder Zinkselenid umfassenden Gruppe ausgewählten Material gefertigt ist.

7. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 4, wobei sich ein aus einem lichtbrechenden Polymer oder einem lichtbrechenden Gel bestehendes Material zwischen dem IR-Fenster und dem LCC befindet.

8. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 4, ferner bestehend aus einer Linse oder einer Membran, die angrenzend an das IR-Fenster angeordnet ist.

9. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 4, wobei mindestens ein Erde des IR-Fensters als Linse geformt ist.

10. Das integrierte Motorverbrennungsüberwachungssystem nach Anspruch 4, wobei sich eine Linse zwischen dem IR-Fenster und dem LCC befindet.