DE102004002137A1

DE102004002137A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels eines Hochfrequenz-Resonators

Info

Publication number: DE102004002137A1
Application number: DE200410002137
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmidt; Juergen Hasch; Hans-Oliver Ruoss; Juergen Seidel; Klaus Linkenheil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-08-04
Also published as: WO2005068829A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels eines Hochfrequenz-Resonators (1) vorgeschlagen, bei der eine koaxiale Wellenleiterstruktur als Hochfrequenz-Resonator (1) vorhanden ist. Am in den Brennraum hineinragenden Ende ist durch eine hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma zur Zündung erzeugbar und dem Hochfrequenz-Resonator (1) ist eine elektrische Schaltungsanordnung (7) vorgeschaltet, mit der die hochfrequente Wechselspannung erzeugbar ist und mit der eine durch das Luft-Kraftstoff-Gemisch bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator (1), vorzugsweise zur Druckmessung, auswertbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels eines Hochfrequenz-Resonators und die Erfassung und Auswertung weiterer physikalischer Größen im Brennraum eines Verbrennungsmotors.

Es ist beispielsweise aus der DE 198 52 652 A1 bekannt, dass bei einer Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikroewellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.

Eine solche weitergebildete Vorrichtung ist außerdem in der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschrieben, bei der durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch zwischen dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter und dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist.

Für sich gesehen ist darüber hinaus beispielsweise aus oder DE 197 05 260 A1 oder der DE 43 42 505 C1 bekannt, dass zur Messung von physikalischen Eigenschaften fester Stoffe, insbesondere der Dichte, diese Stoffe einem HF-Resonator zugeführt werden und dann die hochfrequenten Signaländerungen ausgewertet werden. Hierbei wird dann die Resonanzverschiebung beziehungsweise eine dadurch bewirkte Veränderung der Dielektrizitätskonstante weiterverarbeitet.

Bisherige Konzepte zur absoluten Druckmessung oder zur Differenzdruckmessung in Gasen, zum Beispiel im Brennraum eines Verbrennungsmotors, werten in der Regel die Krafteinwirkung durch den zu messenden Druck auf einer Oberfläche und mit einem geeigneten Messprinzip die daraus resultierenden Veränderung eines elektrischen Signals aus. Hierzu werden in der Regel vier Gruppen von Messprinzipien angewendet, nämlich: federelastische Druckmessgeräte, wie Federbalg-, Kapselfeder oder Plattfedermanometer; Flüssigkeitsmanometer, wie U-Ror- oder Ringrohr-Manometer; Druckmessumformer nach dem induktiven, kapazitiven, piezoresisitiven oder Dehnungsmessstreifenprinzip unmittelbare elektrische Druckmessumformer, wie druckempfindliche Transistoren, Dioden, Schwingquarze oder Drucksensoren nach dem Prinzip der akustischen Oberflächenwellen (SAW).

Diese elektromechanischen Messprinzipien weisen aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch wechselnde Spannungen im Werkstoff, verursacht durch Temperatur, Thermoschock, und die Druckänderung selbst einen relativ hohen Verschleiß auf und besitzen daher keine ausreichende Langzeitstabilität.

Ferner ist zu beachten, dass wegen der kleinen Signalpegel und kleiner Signal/Rausch-Verhältnisse der Drucksensor und die damit verbundene, zugehörig Messschaltung darüber hinaus in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein sollten. Daraus folgt, dass zumindest ein Teil der Messschaltung direkt am Sensor angeordnet ist, wie beispielsweise durch die Integration einer Membran, eines Dehnungs-Messstreifens und der Messschaltung in einem Gehäuse. Hierdurch sind die einsatzerforderlichen Gestaltungsmöglichkeiten einer solchen Messvorrichtung stark eingeschränkt. Durch die räumliche Nähe von Sensor und Messschaltung ist die Einsatzhöchsttemperatur derartig aufgebauter Messvorrichtungen auf etwa 350°C begrenzt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels eines Hochfrequenz-Resonators. In vorteilhafter Weise ist erfindungsgemäß eine solche Zündvorrichtung mit einer Messung von physikalischen Eigenschaften des Luft-Kraftstoff-Gemischs, insbesondere des Drucks, kombiniert.

Hierzu ist eine koaxiale Wellenleiterstruktur als Hochfrequenz-Resonator vorhanden, in die eine hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt. An diesem Ende wird durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugt und das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruk tur ist als Zündstift so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird. Dem Hochfrequenz-Resonator ist in vorteilhafter Weise eine elektrische Schaltungsanordnung vorgeschaltet, mit der die hochfrequente Wechselspannung erzeugbar ist und mit der eine durch das Luft-Kraftsoff-Gemisch bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator zur Druckmessung auswertbar ist.

Somit ist es mit der Erfindung möglich, dass mit einem einzigen Bauelement die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum eines Verbrennungsmotors und die Bestimmung des Drucks bzw. die Bestimmung von Druckschwankungen in diesem Brennraum durchgeführt wird.

Bevorzugt stellt der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Resonator einen leitungsgebundenen Resonator dar, insbesondere eine Koaxialleitung, bei dem die Leitung durch das zu untersuchende Medium führt. Der Innenleiter der Koaxialleitung kann dabei in vorteilhafter Weise durch eine vorzugsweise sternförmige gasdurchlässige Zentrierung an der Vorrichtung gehalten sein. Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform ist der koaxiale Leitungsresonator damit konstruktiv so gestaltet, dass die im Brennraum vorhandenen Gase in das Resonatorinnere als dem Raum zwischen Innen- und Außenleiter eindringen können.

Die zuvor beschriebenen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung können dann auf einfache Weise mit einer elektronischen Schaltungsanordnung verbunden sein, die dabei die Erzeugung, der zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs notwendige HF-Leistung durchführt und weiterhin die Messung des Drucks bzw. der Druckschwankung aufgrund der sich ändernden Permittivität der in den Resonator eindringenden Gase ermöglicht.

Die elektronische Schaltungsanordnung weist dazu beispielsweise eine Oszillatorvorrichtung und eine mit dem Hochfrequenz-Resonator und/oder der Oszillatorvorrichtung verbundene Messeinrichtung auf. Die Messeinrichtung erzeugt dann in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderunc des Hochfrequenz-Resonators ein Ausgangssignal, das über eine geeignete Schnittstelle in einem übergeordneten Steuergerät für den Verbrennungsmotor weiterverarbeitbar ist.

Ein geeignetes Messverfahren zur Auswertung der mit der zuvor beschriebenen erfassten Signale wertet die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften aus. Insbesondere eine Änderung der Resonanzfrequenz, eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase, die elektrische Laufzeit der Signale oder Einflüsse auf elektrische Rauschsignale können hier in vorteilhafter Weise ausgewertet werden.

Während der Auswertung können dann auch weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur, und sich hieraus ergebende mechanische oder elektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators, erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden. Außerdem kann auch noch die Einspritzmenge erfasst und für die Auswertung herangezogen werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann die elektronische Schaltungsanordnung mit dem in einem Kraftfahrzeug ohnehin vorhandenen Motorsteuergerät verbunden werden, um mit Hilfe der gewonnenen Informationen über die Druckverhältnisse die Zündparameter des Verbrennungsmotors optimal einzustellen. Die Erfindung vereint damit die Vorteile einer Hochfrequenzzündung mit einer Druckmessung durch Permittivitätsänderung am Verbrennungsmotor, so dass sich zusammenfassend Gesamtvorteile dadurch ergeben, dass eine Verringerung des Platzverbrauch und der Kosten im Zylinderkopf durch eine kombinierte Nutzung eines Elements als Zündkerze und Drucksensor erreichbar ist.

Bei einer geeigneten Auslegung der elektronischen Schaltungsanordnung, z. B. eine Oszillatorschaltung mit dem Resonator als frequenzbestimmendes Glied, kann eine Minimierung des Schaltungsaufwands, im Vergleich zu getrennten Zündungs- und Druckmesssystemen, erreicht werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild eines Hochfrequenz-Resonators zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Brennraum und zur Druckmessung und

2 eine Detailansicht einer sternförmigen Zentrierung des Innenleiters einer koaxialen Leitung als Hochfrequenz-Resonator.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei einem Prinzipschaltbild nach 1 ist schematisch ein Hochfrequenz-Resonator 1 gezeigt, der zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors geeignet ist und ebenfalls zur Druckmessung des gemäß Pfeil 2 in den Raum 3 zwischen dem Außenleiter 4 und dem Innenleiter 5 des Hochfrequenz-Resonators 1 durch eine gasdurchlässige Zentrierung 6 hineinströmenden Gemischs heranziehbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer sternförmigen gasdurchlässige Zentrierung 6 ist in 2 in der Draufsicht gezeigt.

Der Hochfrequenz-Resonators 1 nach der 1 ist mit einer elektronischen Schaltungsanordnung 7 verbunden, die beispielsweise intern eine Oszillatorvorrichtung und eine mit dem Hochfrequenz-Resonator und/oder der Oszillatorvorrichtung verbundenen Messeinrichtung aufweist. Mit der Oszillatorvorrichtung wird die hochfrequente elektrische Energie erzeugt und in den Hochfrequenz-Resonator 1 eingekoppelt, so dass eine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs an dem Ende möglich ist, das in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt. Die Messeinrichtung in der elektronischen Schaltungsanordnung 7 erzeugt dann in Abhängigkeit von der durch das eingeströmte Luft-Kraftstoff-Gemischs bewirkten Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators 1 ein Ausgangssignal, das über eine geeignete Schnittstelle in einem übergeordneten Steuergerät 8 für den Verbrennungsmotor weiterverarbeitbar ist.

Es können beim Ausführungsbeispiel nach der 1 auch weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur nach Baustein 9, und weitere ev. sich hieraus ergebende mechanische oder elektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators nach Baustein 10, erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden. Unter Umständen kann auch noch die Einspritzmenge des Luft-Kraftstoff-Gemischs erfasst und für die Auswertung herangezogen werden.

In der elektronischen Schaltungsanordnung 7 können insbesondere eine Änderung der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonators 1, eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase, die elektrische Laufzeit der Signale oder Einflüsse auf elektrische Rauschsignale ausgewertet werden.

Beim koaxialen Leitungsresonator 1 nach der 1 verursacht hier die Änderung der relativen Permittivität ε eine Änderung der Leitungskapazität C nach der Beziehung

mit b als Durchmesser des Innenleiters 5 und a als Durchmesser des Außenleiters 4.

Hierdurch ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf der Hochfrequenzleitung des Hochfrequenz-Resonators 1. Durch die Verwendung der Hochfrequenzleitung als kurzgeschlossener oder offener Resonator ergibt sich eine Änderung der Resonanzfrequenz f_r, so dass für eine Hochfrequenzleitung mit der Länge l folgendes gilt:

Claims

Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels eines Hochfrequenz-Resonators (1), bei der – eine koaxialen Wellenleiterstruktur als Hochfrequenz-Resonator (1) vorhanden ist, in die eine hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist und das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur als Zündstift so ausgebildet ist, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar ist und bei der – dem Hochfrequenz-Resonator (1) eine elektrische Schaltungsanordnung (7) vorgeschaltet ist, mit der die hochfrequente Wechselspannung erzeugbar ist und mit der eine durch das Luft-Kraftstoff-Gemisch bewirkte Permittivitätsänderung in Hochfrequenz-Resonator (1) auswertbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hochfrequenz-Resonator (1) einen leitungsgebundenen Resonator darstellt, wobei die Leitung durch das zu untersuchende Medium führt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – der leitungsgebundene Resonator (1) durch eine Koaxialleitung (4,5) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Innenleiter (5) der Koaxialleitung (4,5) durch eine gasdurchlässige (6) Zentrierung an der Vorrichtung gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – die gasdurchlässige Zentrierung (6) sternförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektronische Schaltungsanordnung (7) eine Oszillatorvorrichtung und eine mit dem Hochfrequenz-Resonator (1) und/oder der Oszillatorvorrichtung verbundenen Messeinrichtung aufweist und dass – die Messeinrichtung in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators (1) ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einem übergeordneten Steuergerät (8) für den Verbrennungsmotor weiterverarbeitbar ist.
Messverfahren zur Auswertung der mit der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche erfassten Signal, dadurch gekennzeichnet, dass – die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator (1) bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften ausgewertet wird, wobei insbesondere eine Änderung der Resonanzfrequenz, eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase, die elektrische Laufzeit der Signale oder Einflüsse auf elektrische Rauschsignale ausgewertet werden.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur (9), und weitere Größen (10) am Hochfrequenz-Resonator (1), erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden.