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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem
Wärmestromsensor, welcher zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine gerichtet
ist, um eine Wärmestromdichte an Begrenzungswänden
der Brennkammer zu erfassen.
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Brennkraftmaschinen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt.
Ein Problem hierbei stellt insbesondere die Ermittlung eines Wandwärmeübergangs
dar. Hierbei wurde vorgeschlagen, eine Oberflächentemperatur eines
Wandbereichs des Brennraums zu messen und basierend auf diesem Wert
eine Rückrechnung mittels Fourier-Transformation in einen
diese Temperatur verursachenden Wärmestrom auszuführen.
Da beim Startvorgang die Temperaturen der Wände im Brennraum
noch relativ gering sind, ergibt die Oberflächentemperaturmethode
nur unreichende Werte. Dieses bekannte Verfahren weist jedoch ferner
den Nachteil auf, dass derartige Messungen sehr kostenintensiv sind
und insbesondere bei einem Start der Brennkraftmaschine einen Wärmeübergang
nur unzureichend ermitteln. Von daher werden derartige Verfahren
nicht in Serienfahrzeugen eingesetzt, sondern lediglich auf Prüfständen
verwendet. Brennkraftmaschinen erzeugen jedoch insbesondere während
des Startvorgangs und bis zum Erreichen einer Betriebstemperatur üblicherweise
hohe unerwünschte Emissionen. Es wäre daher wünschenswert,
insbesondere in der Start- und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine
im normalen Betrieb Information über das Brennverhalten
zu haben. Aus der
DE
43 06 497 C2 ist ein thermoelektrischer Detektor bekannt, welcher
als Strahlungsdetektor verwendet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf,
dass sie unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine Werte
für eine Wärmestromdichte an den Wänden
des Brennraums bereitstellt. Hierbei weist der erfindungsgemäße
Wärmestromsensor ein sehr hohes Ansprechverhalten auf,
so dass in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, insbesondere
auch bei einem Start-Hochlauf, Werte für eine Wärmestromdichte
am Brennraum bereitgestellt werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass der Wärmestromsensor in einem Wandbereich
des Brennraums direkt zum Brennraum gerichtet ist und eine Wärmestromdichte
erfasst. Der Wärmestromsensor umfasst vorzugsweise eine
Atomlagen-Thermosäule als Sensorelement zur Erfassung eines
gasseitigen Wandwärmestroms im Brennraum. Der Wärmestromsensor
kann beispielsweise in einer Bohrung im Wandbereich des Brennraums
angeordnet sein und liegt frei zum Brennraum, um direkt mit den
Gasen im Brennraum in Kontakt zu stehen.
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Die
Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine ein Steuergerät
zur Steuerung der Brennkraftmaschine. Das Steuergerät ist
mit dem Wärmestromsensor verbunden und steuert basierend
auf Signalen des Wärmestromsensors die Brennkraftmaschine.
Somit kann eine verbesserte Steuerung der Brennkraftmaschine erreicht
werden, da der Wärmestromsensor in allen Betriebsbereichen
der Brennkraftmaschine auswertbare Signale sendet. Besonders bevorzugt
steuert das Steuergerät die Brennkraftmaschine dabei während
eines Startvorgangs und im Zeitraum nach dem Startvorgang die Brennkraftmaschine
basierend auf den Signalen des Wärmestromsensor. Hierdurch
wird eine verbesserte Steuerung der Brennkraftmaschine während
und nach dem Startvorgang erreicht, so dass insbesondere die während
dieses Zeitraums erzeugten Emissionen signifikant reduziert werden
können.
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Besonders
bevorzugt steuert das Steuergerät eine kontrollierte Selbstzündung
der Brennkraftmaschine basierend auf den Signalen des Wärmestromsensors.
Hierdurch kann insbesondere eine Steuerung von selbstzündenden
Brennkraftmaschinen verbessert werden. Dabei kann die Brennkraftmaschine
sowohl Dieselkraftstoff als auch Benzinkraftstoff verwenden.
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Weiter
bevorzugt umfasst der Wärmestromsensor eine Kühleinrichtung,
um eine Kühlung zu ermöglichen. Die Kühleinrichtung
umfasst vorzugsweise eine Leitung, mit welcher ein Kühlmedium,
z. B. Wasser oder Druckluft, zum Wärmestromsensor geführt
wird, um diesen zu kühlen.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf und
der Wärmestromsensor ist im Zylinderkopf angeordnet. Hierdurch
lässt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Einbau
des Wärmestromsensors ermöglichen.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Wärmestromsensor ein ringförmiges
Dichtelement, welches an seinem Umfang angeordnet ist. Das Dichtelement sorgt
für eine Abdichtung des zum Brennraum weisenden Wärmestromsensors
am Wandbereich des Brennraums. Das Dichtelement ist dabei vorzugsweise
aus dem gleichen Material wie ein Wandmaterial des Wandbereichs
am Brennraum hergestellt. Hierdurch werden insbesondere unerwünschte
Auswirkungen durch unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten
von Materialien ausgeschlossen.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Wärmestromsensor ein Trägerelement,
welches ein Außengewinde aufweist. Hierdurch kann der Wärmestromsensor
in eine Bohrung im Wandbereich des Brennraums eingeschraubt werden,
so dass zwischen dem Wandbereich und dem Wärmestromsensor
eine Schraubverbindung bereitstellbar ist. Hierdurch ist eine einfache
Montage einerseits und auch bei einem Ausfall oder einer Beschädigung
des Sensors ein schneller Wechsel möglich.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Wärmestromsensoren,
welche an unterschiedlichen Positionen am Brennraum angeordnet sind.
Hierdurch kann eine Vielzahl von Sensorwerten erhalten werden, welche
zu einer verbesserten Steuerung bzw. Analyse der Brennkraftmaschine
führen.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Wärmestromsensors gemäß der
Erfindung,
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3 eine
schematische, perspektivische Explosionsdarstellung des in 2 gezeigten
Wärmestromsensors und
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4 ein
Diagramm, welches ein Signal des Wärmestromsensors über
der Zeit zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine
Brennkraftmaschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt
schematisch die Brennkraftmaschine 1 mit einem Brennraum 2,
welcher in bekannter Weise durch mehrere Wandbereiche definiert
ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, werden die
den Brennraum 2 begrenzenden Wandbereiche durch einen Zylinder 3,
einen Zylinderkopf 4 und einen Kolben 5 gebildet.
Ferner umfasst die Brennkraftmaschine einen Wärmestromsensor 6,
welcher im Zylinderkopf 4 angeordnet ist. Der Wärmestromsensor 6 ist
dabei in eine Bohrung 4a im Zylinderkopf 4 eingeschraubt. Hierbei
ist ein Sensorende direkt in Kontakt mit einem Gas im Brennraum 2.
Der Wärmestromsensor 6 ist über eine
Leitung 8 mit einem Steuergerät 7 der Brennkraftmaschine
verbunden. Das Steuergerät 7 steuert hierbei eine
Verbrennung der Brennkraftmaschine, beispielsweise durch Änderung
von Öffnungszeitpunkten und Schließzeitpunkten
eines Einlassventils 9 und eines Auslassventils 10, Änderungen
einer Einspritzmenge von Kraftstoff, Änderung eines Zündzeitpunkts
usw.
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Der
Wärmestromsensor 6 umfasst, wie insbesondere aus
den 2 und 3 ersichtlich ist, eine Atomlagen-Thermosäule 11,
welche an einem freien Ende des Wärmestromsensors 6,
das direkt zum Brennraum 2 gerichtet ist, angeordnet ist.
Die Atomlagen-Thermosäule 11 ist dabei an einem
Träger 12 z. B. mittels Kleben fixiert. Die Atomlagen-Thermosäule 11 ist über
vier isolierte Leitungen 13 kontaktiert, welche dann in
die Verbindungsleitung 8 mit dem Steuergerät 7 verbunden
sind. Der Träger 12 ist formschlüssig
mit einem Halteelement 14 verbunden, wobei das Halteelement 14 einen
Anschlag 14a sowie ein Außengewinde 14b aufweist.
Mittels dieses Außengewindes 14b ist der Wärmestromsensor 6 im
Zylinderkopf 4 eingeschraubt. Ferner umfasst der Wärmestromsensor 6 ein
Rohr 15, welches sich an das Halteelement 14 anschließt
und einen Dichtring 17. Der Dichtring 17 dient
zur Abdichtung eines Spaltes zwischen der Bohrung im Zylinderkopf 4 und
dem Wärmestromsensor 6. Der Dichtring 17 ist dabei
aus dem gleichen Material wie der Zylinderkopf 4 hergestellt,
um unerwünschte äußere Einflüsse
auf den Wärmestromsensor 6 zu vermeiden. Ferner
umfasst der Wärmestromsensor 6 Kühlleitungen 16, welche
zur Kühlung der Atomlagen-Thermosäule 11 Kühlwasser
oder Kühlluft zu- bzw. abführen.
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Das
Messprinzip der Atomlagen-Thermosäule 11 basiert
auf dem Effekt der transversalen thermoelektrischen Spannung in
atomaren, stark anisotropen Schräglagenschichten. Die bei
Auftreten eines Temperaturgradienten an der Schräglagenschicht
anliegende, senkrecht messbare Spannung ist proportional zu einem
auftretenden Wärmestrom. Somit kann der Wärmestromsensor 6 einen
Wert für den Wärmestrom ausgeben. Eine Dicke der Schräglagenschicht
liegt dabei in einem Bereich von < 1 μm
und gewährleistet damit ein sehr schnelles Ansprechverhalten.
Eine Abtastfrequenz ist von der Größe der Schräglagenschicht
abhängig und beträgt für die Verwendung
bei Brennkraftmaschinen ca. 300 kHz.
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Die
Kühlleitungen 16 sorgen dabei für eine Temperatur
an der Atomlagen-Thermosäule 11, welche nicht über
100°C liegt. Hierbei sei allerdings angemerkt, dass die
Kühlung insbesondere bei einem Start der Brennkraftmaschine
noch nicht notwendig ist, da die Temperatur hier deutlich unter
100°C liegt.
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Durch
den erfindungsgemäßen Wärmestromsensor 6 kann
somit eine Wärmestromdichte in allen Betriebsbereichen
der Brennkraftmaschine, insbesondere auch bei einem Start und einem
Zeitraum kurz nach dem Start, bestimmt werden. Der Wärmestromsensor 6 weist
hierbei im Vergleich mit anderen Sensoren insbesondere Vorteile
aufgrund seiner Stabilität, seinen flexiblen Einbaumöglichkeiten
und den niedrigen Kosten auf. Hierbei hat sich herausgestellt, dass
der Wärmestromsensor 6 insbesondere bei selbstzündenden
Brennkraftmaschinen, welche mit Diesel oder auch mit Benzin betrieben
werden können, hervorragende Ergebnisse liefert. Da der
Wärmestromsensor 6 sehr kostengünstig
ist, kann er problemlos in Brennkraftmaschinen eingebaut werden. Insbesondere
kann der erfindungsgemäße Wärmestromsensor
Drucksensoren o. Ä. bei der Regelung von neuartigen Brennverfahren
(z. B. HCCl) ersetzen.
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Es
sei angemerkt, dass zwischen dem Steuergerät 7 und
dem Wärmestromsensor 6 ferner noch ein Messverstärker
angeordnet sein kann, um die Signale des Wärmestromsensors 6 zu
verstärken.
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4 zeigt
beispielhaft einen typischen Signalverlauf einer Wärmestromdichte
S über der Zeit T, welcher vom Wärmestromsensor 6 während
eines Verbrennungsvorgangs im Brennraum 2 aufgenommen wird.
Wie aus 4 ersichtlich ist, können
hierbei grundsätzlich drei Phasen unterschieden werden. In
einer ersten Phase A misst der Wärmestromsensor 6 bis
zu einer Ankunft einer Flammenfront lediglich eine Wärmestrahlung
der bis dahin im Brennraum 2 befindlichen Gase (insbesondere
CO2, H2O) und eine
Wärmeleitung von unverbrannten Gasen an Wandbereichen des
Brennraums 2. In einer zweiten Phase B trifft die Flammenfront
unmittelbar auf den Wärmestromsensor 6 und verursacht
aufgrund des Temperaturgradienten einen sprunghaften Anstieg der
Wärmestromdichte S. Mit einem weiteren Fortschreiten der
Flammenfront sinkt die Wärmestromdichte 5 wieder
stark ab. In einer dritten Phase C wird eine Wärmeleitung
der verbrannten Gase an die Wandbereiche und eine Wärmestrahlung
von dem Wärmestromsensor 6 erfasst.
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Somit
kann mittels des Wärmestromsensors 6 eine zeitliche
Ausbreitung der Flammenfront im Brennraum erfasst werden und somit
Rückschlüsse auf die Verbrennung im Brennraum
gezogen werden. Hierbei sei angemerkt, dass es auch möglich
ist, dass mehrere Wärmestromsensoren 6 vorgesehen sein
können. Die Wärmestromsensoren 6 werden bevorzugt
im Zylinderkopf und/oder auch im Kolben 5 angeordnet.
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Somit
kann erfindungsgemäß anhand des Wärmestromsensors 6,
welcher in direktem Kontakt mit den Gasen im Brennraum 2 ist,
ein Regelkreis zur Steuerung der Brennkraftmaschine, verwirklicht
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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