DE102004005537B3 - Verfahren zum Analysieren des Zustandes der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Analysieren des Zustandes der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem zwischen zwei Punkten im Brennraum eine elektrische Spannung gelegt wird und der zwischen diesen Punkten fließende Strom aufgenommen und ausgewertet wird. Die elektrische Spannung ist hochfrequent und bewirkt einen Hochfrequenzdurchschlag, dessen Strom aufgenommen und ausgewertet wird. Da die Frequenz, bei der der Hochfrequenzdurchschlag auftritt, für jeweils eine bestimmte Ionen- oder Molekülfragmentart im Brennraum charakteristisch ist, kann hierüber die Zusammensetzung des Gasgemisches im Brennraum analysiert werden. Über einen frequenzselektiven Ansatz, bei dem mit einer elektrischen Spannung mit einer bestimmten Frequenz gearbeitet wird, die für eine bestimmte Teilchenart charakteristisch ist, kann über den Ablauf des Verbrennungsvorganges, d. h. über die Zeit eine Information über diese Teilchenart, insbesondere über ihre Dichte in Abhängigkeit vom Fortschritt der Verbrennung, erhalten werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren des Zustandes der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem zwischen zwei gegeneinander isoliert im Brennraum angeordneten Punkten eine hochfrequente elektrische Spannung gelegt und der zwischen diesen Punkten im Brennraum fließende Strom aufgenommen wird.
• Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 198 28 592 C2 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Zustand der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine dadurch analysiert, dass zwischen, dem Heizstab einer Glühkerze im Brennraum und dem Brennraum selbst die hochfrequente elektrische Spannung angelegt wird und der dazwischen daraufhin in im Brennraum fließende Ionenstrom aufgenommen und ausgewertet wird.
• Aus der DE 198 38 223 C2 ist es weiterhin bekannt, dass vom Ionenanteil beispielsweise die Teilchen- bzw. die Ionendichte nach einem Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine aus dem Ionenstrom bestimmt werden kann.
• Die DE 101 96 097 T1 beschreibt weiterhin ein Verfahren zum Messen von zylinderspezifischen Parametern in einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Wechselspannung an die Sekundärwicklung der Zündspule gelegt wird und danach der Wert des auftretenden Stroms erfasst wird. Durch eine Variation der Frequenz der Wechselspannung kann der Wert des Widerstandes der Brennkammer bestimmt werden, der dem Isolationswiderstand im Hochspannungsteil des Zündsystems äquivalent ist.
• Derartige Verfahren dienen zum Analysieren der motorischen Verbrennung in einer Brennkraftmaschine anhand einer Ionisierung des Gasgemisches im Brennraum der Brennkraftmaschine, um dementsprechend die dort vorgesehene Glühkerze anzusteuern und entsprechende Daten der Motorsteuerung zur Verfügung zu stellen.
• Bei den bekannten Verfahren ist es als nachteilig anzusehen, dass es sehr viele Einflussfaktoren, wie beispielsweise die Temperatur, das Spannungspotential, Beläge auf den Punkten, an die die Spannung angelegt wird, T konstruktive Gestaltungen usw. gibt, die das Messsignal beeinflussen und dadurch die Signalaufbereitung und -auswertung so komplizieren, dass sehr viele Messungen gemittelt werden müssen und/oder zahlreiche Zusatzinformationen in die Signalauswertung einbezogen werden müssen. Die Genauigkeit und die Stabilität der angelegten Spannung gehen gleichfalls als Unsicherheit in die ausgewertete Größe ein.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine stabile Analyse des Zustandes der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftma schine, d.h. eine stabile Auswertung der dort ablaufenden Ionisierungsvorgänge möglich ist.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gelöst, das im Patentanspruch 1 angegeben ist.
• Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit die Effekte ausgenutzt, die im Zusammenhang mit elektrischen Hochfrequenzentladungen in Gasen auftreten, um das Verbrennungs- und Ionisationsverhalten im Brennraum zu analysieren und auszuwerten.
• In Abhängigkeit vom Umgebungsdruck, der Umgebungstemperatur und der Ionisationsdichte des Gases im Brennraum verfügen die dort befindlichen ionisierten Teilchen und die freien Elektronen über unterschiedliche freie Weglängen und als Folge davon unterschiedliche Raumladungszonen vor den Punkten, an denen die Spannung liegt. Beim Anlegen einer hochfrequenten Spannung entsteht ein hochfrequentes elektrisches Feld, in dem sich die geladenen Teilchen, Elektronen und Ionen bewegen, wobei die Elektronen über eine höhere Beweglichkeit als die Ionen und auch als die nicht ionisierten Teilchen oder Molekülfragmente verfügen. Für jedes Elektronen-Ionen-Massenverhältnis gibt es dabei eine Frequenz, bei der davon gesprochen werden kann, dass die betreffenden Ionen bewegungslos sind und sich daher nur die Elektronen im sich ändernden elektrischen Feld bewegen. Bei dieser Frequenz ist der Beweglichkeitsunterschied zwischen den Elektronen und den betreffenden Ionen maximal und ist die Wahrscheinlichkeit einer Stoßionisation und der dabei erfolgende Energieaustausch optimal. Bei dieser Frequenz, die für jede Ionenart oder für jedes Molekülfragment spezifisch ist, tritt daher bereits bei einer relativ niedrigen Spannung ein sogenannter Hochfrequenzdurchschlag auf, der dazu führt, dass ein elektrischer Strom zwischen den Punkten fließt, an denen die hochfrequente Spannung liegt. Es besteht somit ein Zusammenhang zwischen den im Brennraum vorhandenen Arten von Ionen oder Molekülfragmenten und der Frequenz der hochfrequenten elektrischen Spannung, bei der ein Hochfre quenzdurchschlag auftritt. Dieser Zusammenhang kann zum Analysieren des Verbrennungszustandes ausgenutzt werden.
• Vorzugsweise liegt die hochfrequente elektrische Spannung bei unter 1000 Volt und die Hochfrequenz der elektrischen Spannung zwischen 20 und 40 MHz.
• Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Strom aufgenommen und ausgewertet, während die Frequenz der hochfrequenten elektrischen Spannung verändert wird, beispielsweise zwischen 20 und 40 MHz durchläuft. Der dabei aufgenommene elektrische Strom zeigt Stromspitzen bei verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbereichen, die getrennt, d. h. gegeneinander aufgelöst sind und jeweils für das Verhältnis der Elektronen zu einer bestimmten Ionenart stehen. Aus den Frequenzen, an denen somit Hochfrequenzdurchschläge auftreten können die im Brennraum vorhandenen Ionenarten ermittelt werden.
• Wenn weiterhin eine bestimmte Frequenz, an der ein Hochfrequenzdurchschlag auftritt ausgewählt wird und der bei dieser Frequenz und bei konstanter Spannung aufgenommene Strom über die Zeit aufgenommen wird, d. h. wenn ein frequenzselektiver Ansatz verwandt wird, kann die Teilchendichte, die proportional zum Druck ist, in Abhängigkeit vom Ablauf der Verbrennung ermittelt werden. Auch Informationen über die Temperatur können hierüber gewonnen werden.
• Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
• Die einzige Figur zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Analysieren des Zustandes der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst eine Potenzialdifferenzquelle 1 zum Erzeugen einer elektrischen Spannung, einen Frequenzgenerator 2, der die Ausgangsspannung der Quelle 1 in eine hochfrequente Spannung umwandelt, und eine Ausgangsstufe 3, die diese an Elektroden 7 im Brennraum der Brennkraftmaschine legt, um darin eine Potentialdifferenz aufzubauen. Diese Spannung kann unter 1000 V liegen.
• Wie es weiterhin in der Zeichnung dargestellt ist, wird der daraufhin fließende Strom, d. h. ein entsprechendes Stromsignal an der Eingangsstufe 4 aufgenommen, in einer Stufe 5 frequenzbezogen bearbeitet und angepasst und in einer Stufe 6 ausgewertet.
• Die Ansteuerung sowie die Verwertung der Ausgangssignale erfolgt über einen Steuerungs-, Auswertungs- und Kommunikationsteil, der in der Zeichnung dargestellt ist.
• Mittels der oben beschriebenen Vorrichtung werden elektrische Hochfrequenzentladungen im Gemisch im Brennraum bewirkt, die zur Analyse des Verbrennungs- und Ionisationsverhaltens im Brennraum ausgewertet werden. Eine Teilchenanalyse erfolgt über einen elektrischen Frequenzscan, bei dem an die Elektroden 7 eine hochfrequente Spannung konstanter Höhe im Durchlauf über einen bestimmten Frequenzbereich von beispielsweise 20 bis 40 MHz gelegt wird. Die Frequenzbereiche, in denen dabei Hochfrequenzdurchschläge festgestellt und entsprechende Ströme aufgenommen werden, geben Informationen über die Art der Teilchen im Brennraum. Unter Verwendung einer bestimmten Frequenz für eine Art eines Teilchens und durch Aufnahme des Stromes zwischen den Elektroden 7 über die Zeit, d. h. während des Ablaufes des Verbrennungsvorganges im Brennraum der Brennkraft maschine ist eine frequenzselektive Analyse eines bestimmten Moleküls oder eines bestimmten Molekülfragmentes bzw. die Bestimmung dessen Dichte im Brennraum möglich.
• Die Signalauswertungs und -aufbereitung ist dabei mit einem sehr hohen Störabstand beispielsweise im Frequenzbereich möglich und es können Störgrößen über den Frequenzbereich der Signale ausgekoppelt werden. Insbesondere können Stromanteile, die im aufgenommenen Strom enthalten sind und die Frequenz der angelegten hochfrequenten Spannung haben, durch Filterung problemlos eliminiert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Analysieren des Zustandes der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei dem zwischen zwei gegeneinander isoliert im Brennraum angeordneten Punkten eine hochfrequente elektrische Spannung gelegt wird und der zwischen diesen Punkten im Brennraum fließende Strom aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Analyse der im Brennraum vorhandenen Teilchenarten und/oder für die Bestimmung der Dichte einer bestimmten Teilchenart der Hochfrequenzdurchschlag erfasst und ausgewertet wird, der bei einer bestimmten Frequenz der hochfrequenten Spannung auftritt, die für jede Teilchenart spezifisch ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der hochfrequenten elektrischen Spannung einem Frequenzdurchlauf unterworfen wird und die spektrale Verteilung der dabei auftretenden Hochfrequenzdurchschläge zur Teilchenanalyse ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die bei einem Hochfrequenzdurchschlag bei einer für eine bestimmte Teilchenart spezifischen Frequenz über die Zeit während des Verbrennungsvorgangs im Brennraum aufgenommene Stromstärke zur Bestimmung der Dichte dieser Teilchenart durch eine frequenzselektive Analyse ausgewertet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequente elektrische Spannung unter 1000 Volt liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der hochfrequenten elektrischen Spannung zwischen 20 und 40 MHz liegt.