DE10025656A1 - Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Ionenstroms in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Ionenstroms in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine mit einer elektrisch leitenden Meßsonde, die elektrisch isoliert im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist und mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Meßwiderstand R¶me߶ ist über diesen negativen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet, an dessen positivem Eingang eine Meßspannung liegt, die eine Gleich- oder Wechselspannung sein kann und über den Meßwiderstand R¶me߶ an der Meßsonde liegt. Am Ausgang des Operationsverstärkers wird eine dem Ionenstrom proportionale Spannung U¶a¶ abgegriffen, die an einem Schaltungsteil liegt, der daraus die Höhe des Ionenstroms ableitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Ionenstroms in der Brennkammer einer Brennkraftma­ schine mit einer elektrisch leitenden Meßsonde, die elektrisch isoliert im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist und in die Brennkammer vorsteht.

Bei üblichen Schaltungsanordnungen dieser Art, die ins­ besondere dazu dienen, den Ionenstrom in der Brennkammer eines Dieselmotors zu bestimmen, wird der Ionenstrom entweder mittels einer an der Meßsonde liegenden Wechsel- oder Gleichspannung als Meßspannung jeweils über dementsprechende Schaltungen gemessen. Das ist ersichtlich aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der zur Bestimmung des Ionenstroms sowohl eine Gleich- als auch eine Wechselspannung beliebiger Amplitude und Frequenz als Meßspannung verwandt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 schematisch in welcher Weise die Meßsonde in der Brennkammer eines Dieselmotors bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angeordnet ist und

Fig. 3 in einem Diagramm die Stromkennlinie bei der Bestimmung des Ionenstroms an einer Kohlenwasserstoff/Luft-Flamme bei veränderlicher Betriebsgleichspannung.

Wie es insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, ist bei der Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Ionenstroms in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eine elektrisch leitende Meßsonde 6 elektrisch isoliert über eine Isolierung 1 im Zylinderkopf 2 der Brenn­ kraftmaschine angeordnet. Die Meßsonde 6 hat bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eine Glühkerze. Eine Meßspannung liegt über einen Meßwiderstand an der Meßsonde 6.

Wie es weiterhin in Fig. 2 dargestellt ist, tritt bei einem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer der Brennkraftmaschine ein Ionenstrom 3 zwischen der Spitze der Meßsonde 6 und dem Zylin­ derkopf 2 auf, wenn an der Meßsonde 6 eine entsprechende elektrische Spannung liegt.

Fig. 1 zeigt das äquivalente Schaltbild zum Bestimmen des Ionenstroms 3 in der Brennkammer der Brennkraftmaschine. Wie es in Fig. 1 im einzelnen erkennbar ist, ist ein Meßwiderstand R_meß über den negativen Eingang (-) und den Ausgang eines Opera­ tionsverstärkers geschaltet, an dessen positivem Eingang (+) eine Meßspannung U_meß liegt. Mit R_ion(t) ist der kombinierte Widerstand der Meßsonde 6 und Ionenstromwiderstand im Brennraum der Brennkraftmaschine bezeichnet, der zwischen Masse und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers liegt. Am Ausgang des Operationsverstärkers wird als ein dem Ionenstrom proportionales Signal eine Ausgangsspannung U_a abgegriffen.

Die oben beschriebene Schaltungsanordnung kann mit einer Gleich- oder einer Wechselspannung vorzugsweise unter 400 Volt und insbesondere bei etwa 50 Volt als Meßspannung U_meß betrieben werden.

Um das hochfrequente Ionenstromsignal hinreichend aufzulösen sollte die Frequenz der Meßwechselspannung U_meß ein Vielfaches der Frequenz des Ionenstromsignals betragen. Um beispielsweise bei einer Motordrehzahl von 4000 Umdrehungen pro Minute eine Auflösung von 0,2° KW zu erreichen, sollte die Meßspannungs­ frequenz bei 120 kHz liegen.

Wenn beispielsweise eine Gleichspannung U_meß von 50 Volt am positiven Eingang des Operationsverstärkers liegt und die Differenzspannung U_D zwischen dem positiven und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers praktisch gleich 0 Volt ist, liegt am Meßwiderstand R_meß das Potential der Meßspannung U_meß von 50 Volt. Wenn dann in der Nähe der Meßsondenspitze in der Brennkammer eine Verbrennung eines Kraftstoffluftgemisches stattfindet, fließt ein meßbarer Ionenstrom 3 über das Ver­ brennungsgas, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Dieser Ionenstrom 3 fließt über den Widerstand Rmeß, da in den negativen Eingang des Operationsverstärkers praktisch kein Strom fließt. Die als ein dem Ionenstrom proportionales Signal abgegriffene Ausgangsspannung U_a ist dann gleich:

U_a : U_meß = 1 + R_ion : R_meß

Dieses in Form der Ausgangsspannung U_a gewonnene Signal liegt an einem Schaltungsteil, der daraus den Ionenstrom ableitet. Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, daß der Widerstand R_meß in Abhängigkeit von U_meß und R_ion so gewählt werden kann, daß die Ausgangsspannung U_a in einem günstigen Meßbereich liegt.

Bei Messungen der Ionenstrommaxima bei verschiedenen Gleich­ spannungen als Meßspannung wurde gefunden, daß der Ionenstrom bei Anlegen einer negativen Spannung praktisch verschwindet, während beim Anlegen einer positiven Meßspannung eine lineare Abhängig­ keit des Ionenstroms von der Betriebsspannung bei den im Motorbetrieb auftretenden Bedingungen vorliegt, wie es in Fig. 3 im einzelnen dargestellt ist.

Diese Charakteristik, die diodenartig ist, kann dazu benutzt werden, eine Wechselspannung als Meßspannung zu modulieren.

Wenn bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung eine Wechselspannung als Meßspannung U_meß am positiven Eingang des Operationsverstärkers liegt, dann fließt bei negativer Spannung kein Strom, so daß am Meßwiderstand R_meß keine Spannung abfällt und daher die Spannung am negativen Eingang des Operationsver­ stärkers gleich der Ausgangsspannung U_a ist. Das heißt, daß die negativen Halbwellen der Wechselspannung durch einen Ionenstrom nicht beeinflußt werden.

Wenn die Spannung jedoch positiv ist, fließt ein der momentanen Spannung sowie der momentanen Leitfähigkeit in der Umgebung der Spitze der Meßsonde 6 proportionaler Ionenstrom 3, der zu einem Spannungsabfall am Meßwiderstand R_meß führt. Durch diesen Spannungsabfall wird die Amplitude der positiven Halbwel­ len der Wechselspannung moduliert, die als Meßspannung am positiven Eingang des Operationsverstärkers liegt.

Bei einer Ionenstrommeßung an einem Dieselmotor mit einer Wechselspannung tritt bei der obigen Schaltungsanordnung somit eine diodenähnliche Charakteristik des Signals auf, da bei einem positiven Potential an der Meßsonde 6 ein gegenüber der Messung beim negativen Potential gleicher Amplitude um zirka den Faktor 3, 6 geringeres Signal gemessen wird, wie es in Fig. 3 im einzelnen dargestellt ist. Liegt somit eine Wechselspannung als Meßspannung U_meß am positiven Eingang des Operationsverstärkers, tritt eine Amplitudenmodulation des Ausgangssignals U_a auf, so daß daraus über einen geeigneten Schaltungsteil ein Signal für die Höhe des Ionenstroms abgeleitet werden kann.

Wie es oben im einzelnen dargestellt wurde, ist es aufgrund des Einsatzes eines Operationsverstärkers bei der beschriebenen Schaltungsanordnung möglich, den Ionenstrom sowohl mit einer Gleichspannung als auch mit einer Wechselspannung als Meßspannung U_meß zu bestimmen.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Ionenstroms in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine mit einer elektrisch leitenden Meßsonde, die elektrisch isoliert im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist und in die Brennkammer vorsteht, gekennzeichnet durch einen Operationsverstärker an dessen einem Eingang eine Meßspannung liegt und dessen anderer Eingang mit der Meßsonde verbunden ist, wobei zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers ein Meßwider­ stand geschaltet ist und die am Ausgang des Operationsverstärkers auftretende und dem Ionenstrom in der Brennkammer zwischen der Meßsonde und dem Zylinderkopf proportionale Spannung an einem die Höhe des Ionenstroms daraus ableitenden Schaltungsteil liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßspannung eine Gleichspannung ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßspannung eine Wechselspannung ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung unter 400 Volt liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßspannung bei etwa 50 Volt liegt.