DE10025656B4 - 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 in die Brennkammer vorsteht, und mit einem Operationsverstärker, an dessen einem Eingang eine Meßspannung liegt und dessen anderer Eingang mit der Meßsonde verbunden ist; wobei zwischen diesen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers ein Meßwiderstand 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, wobei die Schaltungsanordnung eine Diodencharakteristik hat und so ausgebildet ist, daß die Meßspannung wahlweise eine Gleich- oder, Wechselspannung sein kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine 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.
• Bei üblichen Schaltungsanordnungen dieser. Art, die insbesondere 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.
• Aus der DE 3 445 539 C2 , der DE 19 826 714 A1 , der DE 19 822 296 A1 und der DE 2 449 836 C2 sind Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekannt, die mit einem Operationsverstärker arbeiten, dessen einer Eingang mit der Meßsonde verbunden ist, wobei zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers ein Meßwiderstand liegt und die am Ausgang des Operationsverstärkers auftretende Spannung ausgewertet wird.
• Die Schaltungsanordnung gemäß DE 3 445 539 C2 ist dabei so ausgebildet, dass am anderen Eingang des Operationsverstärkers eine Gleichspannung liegt.
• Bei den Schaltungsanordnungen gemäß DE 19 826 714 A1 , DE 198 22296 A1 und DE 2 449 836 C2 liegt der andere Eingang des Operationsverstärkers an Masse, so dass bei diesen Schaltungsanordnungen nicht mit einer Meßspannung gearbeitet wird.
• Die der Erfindung zugrunde liegende 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
• 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
• 2 schematisch in welcher Weise die Meßsonde in der Brennkammer eines Dieselmotors bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angeordnet ist und
• 3 in einem Diagramm die Stromkennlinie bei der Bestimmung des Ionenstroms an einer Kohlenwasserstoff/Luft-Flamme bei veränderlicher Betriebsgleichspannung.
• Wie es insbesondere in 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 Brennkraftmaschine angeordnet. Die Meßsonde 6 hat bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eine Glühkerze. Eine Meßspannung liegt über einen Meßwiderstand an der Meßsonde 6.
• Wie es weiterhin in 2 dargestellt ist, tritt bei einem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer der Brennkraftmaschine ein Ionenstrom 3 zwischen der Spitze der Meßsonde 6 und dem Zylinderkopf 2 auf, wenn an der Meßsonde 6 eine entsprechende elektrische Spannung liegt.
• 1 zeigt das äquivalente Schaltbild zum Bestimmen des Ionenstroms 3 in der Brennkammer der Brennkraftmaschine. Wie es in 1 im einzelnen erkennbar ist, ist ein Meßwiderstand R_meß über den negativen Eingang (–) und den Ausgang eines Operationsverstärkers 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 Meßspannungsfrequenz 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 Verbrennungsgas, wie es in 2 dargestellt ist.
• Dieser Ionenstrom 3 fließt über den Widerstand R_meß, 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: Ua·Umeß = 1 + Rion·Rmeß
• 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 Gleichspannungen als Meßspannung wurde gefunden, daß der Ionenstrom bei Anlegen einer negativen Spannung praktisch verschwindet, während beim Anlegen einer positiven Meßspannung eine lineare Abhängigkeit des Ionenstroms von der Betriebsspannung bei den im Motorbetrieb auftretenden Bedingungen vorliegt, wie es in 3 im einzelnen dargestellt ist.
• Diese Charakteristik, die diodenartig ist, kann dazu benutzt werden, eine Wechselspannung als Meßspannung zu modulieren.
• Wenn bei der in 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 Operationsverstärkers 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 Halbwellen 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 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 (3)

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, und mit einem Operationsverstärker, an dessen einem Eingang eine Meßspannung liegt und dessen anderer Eingang mit der Meßsonde verbunden ist; wobei zwischen diesen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers ein Meßwiderstand 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, wobei die Schaltungsanordnung eine Diodencharakteristik hat und so ausgebildet ist, daß die Meßspannung wahlweise eine Gleich- oder, Wechselspannung sein kann.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung unter 400 Volt liegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung bei etwa 50 Volt liegt.