DE102014003840A1 - Messung von Temperatur und Druck im Brennraum mit Zündkerze als Sensor - Google Patents

Messung von Temperatur und Druck im Brennraum mit Zündkerze als Sensor Download PDF

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Zündkerze (1) vorgestellt die die Funktionen als Temperatur-, und Drucksensor vereint und dadurch gekennzeichnet ist, dass die während der ionenleitfähigen Phasen und/oder der auch nicht ionenleitfähigen Phasen zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode (6) der Zündkerze (1) über die Zündstrecke (9) die vom Generator (11) generierten Signale über das ZMM (12) und die Signaleinkopplung (10) den Entstörwiderstand (7) mit Wechsel- und/oder Gleichspannungen mit Konstantstromeinprägung oder auch nicht, beaufschlagen, wobei die Mittelelektrode oA (2) und Mittelelektrode uA (5) an ihren jeweiligen elektrisch leitenden Kontaktstellen mit dem Entstörwiderstand (7) den Kondensator Cew des Entstörwiderstand (8) bilden, und die durch Temperatur Druck- und Beschleunigung im Brennraum einer Brennkraftmaschine hervorgerufenen Veränderungen über die dadurch bedingten Veränderungen der Dielektrikumsgeometrie und den Wert des ohmschen Widerstandswertes des Entstörwiderstandes (7) und der damit einhergehenden Kapazitätsänderungen Cew des mit einem kompressiblen monolithisch oder scheibenförmig ausgebildetem und aus denselben oder unterschiedlichen physikalisch, elektrisch und/oder elektrochemisch passiven oder aktiven Stoffen bestehenden Dielektrikums die Funktion eines kapazitiven Sensors hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Zündkerze nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Im Stand der Technik sind viele Zündkerzen mit integralen Sensoren für Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Drucksensoren, in den unterschiedlichsten Technologien und Ausführungsformen offenbart. Durch umweltbedingte Forderungen werden verstärkt Drucksensoren und Temperatursensoren im Zylinderkopf von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Der im Zylinderkopfdeckel zur Verfügung stehende begrenzte Bauraum ermöglicht es nicht mehr alle Elemente optimal zu platzieren, was sich nachteilig auf den Verbrennungsablauf, das Abgasverhalten und letztendlich auch den Verbrauch auswirkt. Daher wird seitens der Industrie angestrebt mehrere Funktionen in einem Element zu vereinen wie z. B. bei Zündkerzen mit Einspritzung. Erfindungsgemäß werden die durch Temperatur und Druck im Brennraum einer Brennkraftmaschine geänderten Kapazitäts- und ohmschen Widerstandswerte des Entstörwiderstandes als Messgrößen herangezogen, wozu der Entstörwiderstand ein möglichst großes Kompressions- und Elastizitätsmodul aufweisen sollte. Die thermisch- und druckbedingten Änderungen im Brennraum werden über die brennraumseitige Mittelelektrode und Zündkerzengeometrie sehr zeitnah bei den Standard Zündkerzen, insbesondere aber bei den hierfür optimierten Zündkerzen übertragen, so dass immer aktuelle Messwerte zur Verfügung stehen. Vorzugsweise kann der der Entstörwiderstand (8) bzw. dessen Kapazität in eine Messbrücke mit Differentialkondensator integriert werden. In folgendem wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 einen vereinfachten Längsschnitt der Zündkerze (1).
  • Als kapazitiver Sensor fungieren hier die den Kondensator bildenden Kondensatorplatten der jeweiligen an den Entstörwiderstand (7) angrenzende Mittelelektrode oA (2) und die an die Mittelelektrode uA (5) angrenzenden metallischen Flächen. Nachdem der Zündvorgang eingeleitet worden ist steht über einen Zeitraum von ca. 5 μs bis zu ca. 1 ms zwischen der Mittelelektrode uA (5) und der Masseelektrode (6) eine ionenleitfähige Strecke, die nach dem Zünddurchbruch durch die Plasmaphase, die Bogenentladungsphase und die Glimmentladungsphase gebildet wird, zur Verfügung. Während dieser Phasen kann das vom Generator (11) generierte Signal im vorzugsweise kHz-Bereich über die Signaleinkopplung (10), die Mittelelektrode oA (2), den Entstörwiderstand (7) und die Mittelelektrode uA (5) über die nun ionenleitende Zündstrecke (9) zur Masseelektrode (6) gelangen. Alternativ kann aber auch während der nichtleitenden Phasen die durch die Mittelelektrode uA (5) und die Masseelektrode (6) gebildete Kapazität von den Signalen mit entsprechenden Transitfrequenzen des Generators (11) messtechnisch genutzt werden. Die Temperatur im Brennraum wird wegen der guten thermischen Kopplung der Mittelelektrode uA (5) in Bezug auf den Entstörwiderstand (7) zeitnah übertragen. In einer ersten messtechnischen Auswertung wird die Änderung der Dielektrikumsgeometrie durch thermische Einflüsse genutzt. Die Kapazität die der Entstörwiderstand (7) mit den jeweiligen metallischen Enden der Mittelelektroden Abschnitte bildet liegt im pF-Bereich und folgt im Mittel zeitnah den Temperaturänderungen im Brennraum. Für weitere messtechnische Auswertungen kann die ohmsche Widerstandsänderung des Entstörwiderstandes (7) mit einbezogen werden. Dabei kann in einer spezifischen Weiterentwicklung von Sensor Zündkerzen das Material des Entstörwiderstandes (7), was z. Z. noch überwiegend aus Glas besteht, dahingehend modifiziert werden, dass die Materialeigenschaften, insbesondere auf ihr druckvariables dielektrischem Verhalten bezogen, optimiert werden. Wird der kapazitive Sensor in der Zündphase, gleichzeitig auch als Drucksensor und Beschleunigungssensor eingesetzt, so werden bei der Abfolge des weiteren positiven Druckverlaufes im Brennraum diese auf die brennraumseitige Geometrie der Zündkerze wirksam, was wiederum eine Auswirkung auf die Kapazitätsänderung des Entstörwiderstandes (7) nach sich zieht. Die während der Zündphase entstehende thermische Energie im Plasmakanal wird überwiegend durch Ausdehnung an das umgebende Gas abgegeben, so dass sich im Entstörwiderstand (7) eine verwertbare mittlere Temperatur einstellt. Über das ZMM (12) werden die anfallenden Daten ausgewertet und in die aktuelle Motorsteuerung mit einbezogen. Um eine sensiblere Druckaufnahme zu erreichen kann der Isolator (13) der Zündkerze auch in der horizontalen Ebene des Entstörwiderstandes (7) mechanisch geteilt werden und mit einer elastischen Klebung (14) verbunden werden, bzw. eine materialintegrale kompressiblere Schicht aufweisen, so dass die Druckschwankungen auf den Entstörwiderstand (7) verstärkt wirksam werden, was auch für eine axialkonzentrische elastische Einbettung der Mittelelektrode uA (5) und des Entstörwiderstandes (7) gegenüber des sie umgebenden Isolators (13) gilt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zündkerze
    2
    Mittelelektrode oA
    3
    Kondensatorplatte oA
    4
    Kondensatorplatte uA
    5
    Mittelelektrode uA
    6
    Masseelektrode
    7
    Entstörwiderstand
    8
    C Entstörwiderstand
    9
    Zündstrecke
    10
    Signaleinkopplung
    11
    Generator
    12
    ZMM
    13
    Isolator
    14
    elastische Klebung

Claims (4)

  1. Anordnung für eine Zündkerze als Temperatur-, Druck- und Beschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass die während der ionenleitfähigen Phasen und/oder der auch nicht ionenleitfähigen Phasen zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode (6) der Zündkerze (1) über die Zündstrecke (9) die vom Generator (11) generierten Signale über das ZMM (12) und die Signaleinkopplung (10) den Entstörwiderstand (7) mit Wechsel- und/oder Gleichspannungen mit Konstantstromeinprägung oder auch nicht, beaufschlagen, wobei die Mittelelektrode oA (2) und Mittelelektrode uA (5) an ihren jeweiligen elektrisch leitenden Kontaktstellen mit dem Entstörwiderstand (7) den Kondensator Cew des Entstörwiderstand (8) bilden, und die durch Temperatur Druck- und Beschleunigung im Brennraum einer Brennkraftmaschine hervorgerufenen Veränderungen über die dadurch bedingten Veränderungen der Dielektrikumsgeometrie und den Wert des ohmschen Widerstandswertes des Entstörwiderstandes (7) und der damit einhergehenden Kapazitätsänderungen Cew des mit einem kompressiblen monolithisch oder scheibenförmig ausgebildetem und aus denselben oder unterschiedlichen physikalisch, elektrisch und/oder elektrochemisch passiven oder aktiven Stoffen bestehenden Dielektrikums die Funktion eines kapazitiven Sensors hat.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand des Entstörwiderstandes (7) als Messgröße in die Signalauswertung einfließt oder auch nicht.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (13) horizontal oder vertikal ganz oder teilweise mechanisch geteilt ist und die elastische Klebung (14) oder eine elastische Schicht aufweist, wobei der Isolator (13) in diesem Bereich auch eine integrale kompressible Schicht aufweisen kann.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode uA (5) und der Entstörwiderstand (7) ersatzweise oder auch zusätzlich zur elastischen Klebung (14) bzw. zu einer elastischen Schicht, elastisch in den Isolator (13) eingebettet sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115494892A (zh) * 2022-08-31 2022-12-20 中国航发四川燃气涡轮研究院 高空模拟试车台进气环境模拟系统解耦控制方法

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