DE102004029006B3 - Signalauswerteverfahren für Ionenstrommessung in Dieselmotoren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Signalauswerteverfahren für eine Ionenstrommessung in einem Dieselmotor mit einer Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK). Erfindungsgemäß wird ein aktuelles Ausgabesignal (I¶s¶) der Ionenstrommessung mit einer Übertragungsfunktion einer Rußcharakteristik der Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK) gefiltert, falls eine verrußte Flüh- und Ionenstromkerze (GK) erkannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Signalauswerteverfahren für Ionenstrommessungen im Dieselmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • In der EP 1 329 630 A2 wird eine Glüh- und Ionenstrommessvorrichtung für einen Dieselmotor beschrieben, bei der im Glühbetrieb eine Glühspannung und im Messbetrieb ein Messspannung an einer Glühkerze anliegt. Im Messbetrieb wird ein Ionenstrom gemessen, über den Verbrennungsverhältnisse in den Zylindern des Dieselmotors ermittelt werden können.
  • Durch Rußablagerungen auf oder an der Glühkerze mit einem integrierten Ionenstromsensor, die nachfolgend auch als Glüh- und Ionenstrommesskerze bezeichnet wird, kann es zu einer Verschlechterung des Messsignals und damit zu Problemen bei der Signalauswertung kommen. Die Rußablagerungen bestehen aus Kohlenstoffmolekühlen, die sich auch im Brennraum und auf der Glühkerze absetzen. Da Kohlenstoff ein guter elektrischer Leiter ist, wird das Ausgabesignal teilweise kurzgeschlossen. Die Rußpartikel können durch eine genügend große Temperatur abgebrannt werden. Da sich das Heizelement in der Regel an der Spitze der Glühkerze befindet, können die für den Kurzschluss verantwortlichen Rußpartikel durch einen Glühvorgang der Glühkerze nicht immer vollständig verbrannt werden.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Signalauswerteverfahren für Ionenstrommessungen im Dieselmotor anzugeben, welches auch bei einer verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze gute Ergebnisse liefert.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Signalauswerteverfahren für Ionenstrommessungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen (Ansprüche 2 bis 5), angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird ein aktuelles Ausgabesignal einer Ionenstrommessung mit einer Übertragungsfunktion einer Rußcharakteristik der Glüh- und Ionenstrommesskerze gefiltert, wenn eine verrußte Glüh- und Ionenstromkerze erkannt wird. Durch die Filterung wird in vorteilhafter Weise ein durch die Verrußung der Glüh- und Ionenstrommesskerze verursachter Signaloffset herausgefiltert. Dadurch können die gemessenen Ionenstromsignale auch bei einer verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze zur Ermittlung der Verbrennungsverhältnisse in Brennräumen von Zylindern eines Dieselmotors ausgewertet werden.
    •
  • In Ausgestaltung des Signalauswerteverfahrens wird die Übertragungsfunktion durch einen Vergleich eines ersten Ausgabesignals der Ionenstrommessung, das mit einer nicht verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze gemessen wird, mit einem zweiten Ausgabesignal der Ionenstrommessung, das mit einer verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze gemessen wird, ermittelt (Anspruch 2).
  • Die Übertragungsfunktion wird beispielsweise im Frequenzbereich durch eine Division des ersten Ausgabesignals durch das zweite Ausgabesignal bestimmt (Anspruch 3).
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Signalauswerteverfahrens wird das aktuell gemessene Ionenstromsignal mittels einer Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert, dort mit der ermittelten Übertragungsfunktion multipliziert und anschließend wieder in den Zeitbereich zurück transformiert (Anspruch 4).
  • In Ausgestaltung des Signalauswerteverfahrens wird eine verrußte Glüh- und Ionenstrommesskerze durch eine Auswertung der Amplitude des aktuell gemessenen Ionenstromsignals erkannt, wenn ein Signaloffset einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt (Anspruch 5).
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Flussdiagramm für einen Teil eines Signalauswerteverfahrens
  • 2 ein Ersatzschaltbild einer Glüh- und Ionenstrommesskerze,
  • 3 eine schematische Darstellung von Signalverläufen einer Ionenstrommessung mit entsprechendem Druckverlauf, und
  • 4 eine schematische Darstellung von Signalverläufen einer Ionenstrommessung mit Filterung.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, wird ein gemessener Ionenstrom im Schritt 100 gemittelt und durch eine Auswertung der Amplitude wird im Schritt 200 überprüft, ob eine für die Ionenstrommessung benutzte Glüh- und Ionenstrommesskerze GK verrußt ist oder nicht. Übersteigt ein Signaloffset beispielsweise einen vorgegebenen Schwellwert, dann wird auf eine verrußte Glüh- und Ionenstrommesskerze GK geschlossen und der gemessene Ionenstrom mit Ruß ImR wird im Schritt 300 mit einer Übertragungsfunktion gefiltert und zur weiteren Auswertung zur Ermittlung der Verbrennungsverhältnisse in Brennräumen eines Dieselmotors ausgegeben. Wird festgestellt, dass die Glüh- und Ionenstrommesskerze nicht verrußt ist, dann wird der gemessene Ionenstrom ohne Ruß IoR zur weiteren Auswertung zur Ermittlung der Verbrennungsverhältnisse in Brennräumen eines Dieselmotors ausgegeben.
  • Die Übertragungsfunktion wird durch einen Vergleich eines ersten Ausgabesignals IoR der Ionenstrommessung, das mit einer nicht verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze GK gemessen wird, mit einem zweiten Ausgabesignal ImR der Ionenstrommessung ermittelt, das mit einer verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze GK gemessen wird. Die Übertragungsfunktion wird beispielsweise durch eine Division des ersten Ausgabesignals IoR durch das zweite Ausgabesignal ImR im Frequenzbereich bestimmt und repräsentiert die Rußcharakteristik der Glüh- und Ionenstrommesskerze GK im Frequenzbereich. Mit Hilfe dieser Übertragungsfunktion kann der durch die Verrußung der Glüh- und Ionenstrommesskerze verursachte Signaloffset herausgefiltert werden, so dass auch die Ionenstromsignale ImR, die mit der verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze GK gemessen werden, ausgewertet werden können.
  • Zur Aufbereitung wird das aktuell gemessene Ionenstromsignal IS mittels einer Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert, dort mit der ermittelten Übertragungsfunktion multipliziert und anschließend wieder in den Zeitbereich zurück transformiert.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Schaltung zur Ionenstrommessung einen Messwiderstand RM, der in Reihe mit der Glüh- und Ionenstrommesskerze GK geschaltet ist und mit einer Gleichspannung VS versorgt wird. Die Glüh- und Ionenstrommesskerze GK wird durch die dargestellte Ersatzschaltung repräsentiert, die einen Ionenstromwiderstand RIC, einen Rußwiderstand RS und eine Kapazität CP umfasst, wobei der Ionenstromwiderstand RIC und der Rußwiderstand RS variable Widerstände sind. Der Rußwiderstand RS verändert sich mit dem Druck, während der Ionenstromwiderstand RIC sich mit dem Flammentyp innerhalb des Brennraums und mit der Nähe der Flamme zur Glüh- und Ionenstrommesskerze GK selbst verändert. Die Kapazität CP ist wegen des großen Abstandes zwischen der Glühkerzenspitze und dem Zylinderkopf sehr klein und kann bei den niedrigen Messfrequenzen vernachlässigt werden.
  • 3 zeigt eine Messung des Ionenstroms ImR mit einer verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze GK und den dazugehörenden Druckverlauf innerhalb der Brennkammer eines Zylinders. Im dargestellten Messbeispiel wurden 127 Perioden gemessen und gemittelt. Ein Offset ist aus der 3 deutlich ersichtlich und erklärt die Auswirkungen des Rußbelags auf den Ionenstrom. Diese Vorgänge können durch die in 2 dargestellte Ersatzschaltung modelliert werden. Wie aus 3 ersichtlich ist, steigt die Signalamplitude des Ionenstroms ImR im Bereich eines Kurbelwellenwinkels von 0° an, nimmt im Bereich von 10° etwas ab und steigt dann wieder an. Da Ruß aus Kohlenstoffpartikeln besteht, nimmt die Dichte der Kohlenstoffpartikel mit steigendem Umgebungsdruck zu und mit der Zunahme der Dichte nimmt auch die Leitfähigkeit der Rußpartikel, wie beispielsweise auch bei einem Kohlenstoffmikrophon zu. Der Anfangsteil der Stromkurve korreliert daher mit der Druckkurve im Brennraum des zugehörigen Zylinders.
  • 4 zeigt ein erstes normiertes Stromsignal IoR, welches mit einer Glüh- und Ionenstrommesskerze GK ohne Rußablagerungen aufgenommen ist und ein gefiltertes Stromsignal ImR, welches mit einer Glüh- und Ionenstrommesskerze GK mit Rußablagerungen aufgenommen ist. Zur Filterung des Stromsignals ImR wird die beschriebene Übertragungsfunktion angewendet und die Rußcharakteristik der Glüh- und Ionenstrommesskerze GK aus dem Ionenstromsignal ImR entfernt. Wie aus 4 ersichtlich ist, zeigt das resultierende gefilterte Ionenstromsignal ImR ein gute Korrelation mit dem Ionenstromsignal IoR ohne Ruß.

Claims (5)

  1. Signalauswerteverfahren für eine Ionenstrommessung in einem Dieselmotor mit einer Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK), dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuelles Ausgabesignal (IS) der Ionenstrommessung mit einer Übertragungsfunktion einer Rußcharakteristik der Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK) gefiltert wird, falls eine verrußte Glüh- und Ionenstromkerze (GK) erkannt wird.
  2. Signalauswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion durch einen Vergleich eines ersten Ausgabesignals (IoR) der Ionenstrommessung, das mit einer nicht verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK) gemessen wird, mit einem zweiten Ausgabesignal (ImR) der Ionenstrommessung ermittelt wird, das mit einer verrußten Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK) gemessen wird.
  3. Signalauswerteverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion durch eine Division im Frequenzbereich des ersten Ausgabesignals (IoR) durch das zweite Ausgabesignal (ImR) bestimmt wird.
  4. Signalauswerteverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuell gemessene Ionenstromsignal (IS) mittels einer Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert, dort mit der ermittelten Übertragungsfunktion multipliziert und anschließend wieder in den Zeitbereich zurück transformiert wird.
  5. Signalauswerteverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine verrußte Glüh- und Ionenstrommesskerze (GK) durch eine Amplitudenauswertung des aktuell gemessenen Ionenstromsignals (IS) erkannt wird, wenn ein Signaloffset einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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