DE19817083C1 - Sensoranordnung zur Erfassung des Verbrennungsvorganges in einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Sensoranordnung zur Erfassung des Verbrennungsvorganges in einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung des
Verbrennungsvorganges in einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Es ist eine Sensoranordnung bekannt (DE 196 14 288 C1), bei der die Elektroden der
Zündkerze zur Messung des Ionenstromes verwendet werden. Bei der bekannten
Sensoranordnung erfolgt die Generierung der Zündspannung, indem die Resonanzüberhöhung
eines elektrischen Schwingkreises genutzt wird, um die Zündspannung zu erzeugen. Da bei
der Ionenstrommessung keine Zündung erfolgen soll, wird die Frequenz des Schwingkreises
während der Messung verstimmt. Dazu wird die Kapazität des Schwingkreises durch Zu-
bzw. Wegschalten einer Kapazität verändert. Wenn die Kapazität so verändert wird, daß der
Schwingkreis nicht mehr mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, ist die Spannung an den
Elektroden der Zündkerze nicht mehr hinreichend zur Erzeugung eines Zündfunkens.
Gleichwohl kann über die an den Elektroden der Zündkerze anliegende Spannung eine
Ionenstrommessung erfolgen. Mittels der Ionenstrommessung ist eine Bewertung des
Verbrennungsvorganges möglich. Es erfolgt also eine Auswertung des sich zwischen den
beiden Elektroden einstellenden Signals.
Weiterhin ist es bekannt (DE 195 03 969 A1) die Anordnung der Elektroden zu realisieren,
indem um die Spitze der Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine eine Hülse angeordnet ist,
die in die Bohrung eingebracht ist, durch die die Einspritzdüse durchgeführt wird. Die andere
Elektrode bildet dabei die Spitze der Einspritzdüse.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, mit der eine
Verbesserung der Erfassung eines Verbrennungsvorganges in einer Brennkraftmaschine
möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst,
wonach beide Elektroden flächenmäßig auf wenigstens eine Wand des Brennraumes, des
Abgaskanals und/oder eines Abgasnachbehandlungssystems aufgebracht sind.
Zu dieser Wand des Brennraumes können alle Teile des Motors gehören, die den Brennraum
begrenzen. Dies betrifft also nicht nur die Wände der Zylinder sondern auch die dem
Brennraum zugewandten Flächen der Ventile sowie der Kolben. Bei einer Anbringung im
Brennraum hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese im Zylinderkopf vorzusehen. Die
Anbringung an den Seitenwänden der Zylinder ist zumindest in dem Bereich mit zusätzlichen
Schwierigkeiten verbunden, an dem der Kolben bei seiner Bewegung entlang gleitet. Ebenso
ist beispielsweise die Kontaktierung einfacher, wenn die Elektrode nicht an einem sich
bewegenden Teil wie beispielsweise den Ventilen oder dem Kolben angebracht ist.
Bei einer Anbringung im Abgaskanal kann diese beispielsweise im Abgasrohr oder im
Krümmer erfolgen.
Vorteilhaft wird dadurch die Signalauswertung unabhängig von den Bauelementen, die für die
Zündung des Gemisches benötigt werden. Weiterhin ist es durch die flächenmäßige
Ausdehnung der beiden Elektroden möglich, den Verbrennungsvorgang in einem größeren
Raum zu erfassen. Es hat sich gezeigt, daß sich deutliche, d. h. gut auswertbare Signale
einstellen, mit denen der Verbrennungsvorgang unabhängig vom Ort im Brennraum sicher
erfaßt werden kann. Demgegenüber ist beim vorbekannten Stand der Technik durch die
Verwendung der Elektroden der Zündkerze der Raum begrenzt, in dem die
Ionenstrommessung erfolgt. Dazu kommt, daß bei einem Dieselmotor ohnehin keine
Zündkerze vorhanden ist. Bei der Anbringung der einen Elektrode in der Bohrung der
Einspritzdüse erweist es sich als nachteilig, daß der Ionisationsgrad des dort befindlichen
Gemisches nicht unbedingt repräsentativ sein muß für das Gemisch insgesamt, weil es sich
um ein sehr kleines Raumelement an einem exponierten Ort des Brennraumes handelt. Mit der
Anbringung beider Elektroden an zumindest einer Wand des Brennraumes wird der Raum, in
dem eine Auswertung erfolgt, vorteilhaft angepaßt. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft,
die beiden Elektroden auf die wenigstens eine Wand aufzubringen und nicht eine Wand
unmittelbar als Elektrode zu verwenden. Es bildet sich dann nämlich ein besser definiertes
elektrisches Feld aus als bei unmittelbarer Verwendung einer Wand als Elektrode, bei der der
Verlauf der elektrischen Feldlinien stärker von Fertigungstoleranzen und Verschmutzungen
wie beispielsweise Verrußungen abhängt.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 2 ist auf die Wand zunächst eine Isolationsschicht
aufgebracht. Auf die Isolationsschicht ist weiterhin eine dünne leitfähige Schicht aufgebracht.
Durch die Isolationsschicht wird verhindert, daß die als Elektrode wirkende leitfähige Schicht
mit der Wand in elektrischen Kontakt kommen kann. Die dünne leitfähige Schicht weist
beispielsweise eine Dicke im Bereich von einigen µm bis zu einigen 100 µm auf.
Bei der Ausgestaltung der Sensoranordnung nach Anspruch 3 ist auf die leitfähige Schicht
eine Schutzschicht aufgebracht.
Dadurch wird vorteilhaft die leitfähige Schicht vor den vergleichsweise extremen
Bedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur geschützt, die im Brennraum von
Brennkraftmaschinen vorliegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzschicht gemäß Anspruch 4 isolierend wirkt.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 5 besteht die Isolationsschicht aus einer Keramik,
Diamant oder einer Eloxierung des Aluminiums.
Aus den genannten Materialien ist die Isolationsschicht vergleichsweise einfach herstellbar.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 6 besteht die leitfähige Schicht aus Metall, wobei in
der Ausgestaltung nach Anspruch 7 das Metall Cr oder eine Cr Ni-Verbindung ist.
Eine Elektrode aus diesen Materialien hat sich als geeignet für die Signalauswertung
erwiesen.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 8 besteht die leitfähige Schicht aus einem Halbleiter,
wobei in der Ausgestaltung nach Anspruch 9 dieser Halbleiter Kohlenstoff mit einer
entsprechenden Dotierung, insbesondere eine SiC-Verbindung ist.
Diese Schichten sind wiederum vergleichsweise einfach herstellbar. Weiterhin zeigte sich
auch bei diesen Schichten eine gute Auswertbarkeit des Signals.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 10 ist der Schichtaufbau der Sensoranordnung
vorgefertigt und wird dann an die Wand angebracht.
Die vergleichsweise dünnen Schichten des Sensors können dann in einem separaten
Arbeitsgang vorgefertigt werden. In der laufenden Produktion der Brennkraftmaschine muß
dann nur noch der vorgefertigte Sensor angebracht werden.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 11 wird die Sensoranordnung beim Gießen des
Zylinderkopfes eingegossen.
Auch dadurch ergibt sich eine vergleichsweise einfache Einbringung des vorgefertigten
Sensors in die Brennkraftmaschine.
Bei der Sensoranordnung nach Anspruch 12 sind die Isolationsschicht, die leitfähige Schicht
und gegebenenfalls die Schutzschicht mittels Beschichtungsverfahren aufgebracht. Dabei
zeigt sich, daß die Sensoranordnung besonders gut auf der Wand hält.
Es hat sich gezeigt, daß das Signal dieser Sensoranordnung zur On-board-Diagnose verwendet
werden kann oder beispielsweise auch zu Steuer- bzw. Regelzwecken für die Steuerung bzw.
Regelung der Brennkraftmaschine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei:
Fig. 1: eine Sensoranordnung im Querschnitt und
Fig. 2: eine Sensoranordnung in Draufsicht.
Fig. 1 zeigt eine Sensoranordnung im Querschnitt durch einen Zylinder einer
Brennkraftmaschine. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind beide Elektroden 1, 2
flächenmäßig im Bereich des Zylinderkopfes angebracht. Diese Flächensensoren 1, 2 können
direkt als Schichten 3, 4, 5 auf die Wand 6 aufgebracht sein. Die Kontaktierung kann dann
beispielsweise über eine entsprechende Ausbildung der Zündkerze bzw. Glühkerze 7 erfolgen,
die dazu entsprechend mit einem Außenkontakt am Gewinde versehen sind. Ebenso ist eine
Kontaktierung über die Zylinderkopfdichtung möglich, die dann spezielle Kontaktierstellen 8
und Herausführungen 9 besitzt.
Es ist weiterhin möglich, auf entsprechende Keramikplatten aufgebaute Flächensensoren 1, 2
bereits beim Gießen des Zylinderkopfes einzugießen. Die Kontaktierung kann dann separat
durch den Zylinderkopf herausgeführt werden (9).
Der Aufbau der Flächensensoren 1, 2 ist derart, daß auf eine Isolationsschicht 3 eine dünne
leitfähige Schicht 4 aufgebracht ist, über die nochmals eine isolierende Schutzschicht 5
aufgebracht ist.
Der Aufbau der Schichten 3, 4 und 5 ist im einzelnen in den Patentansprüchen sowie in den
erläuternden Angaben in der Beschreibungseinleitung angegeben.
Die Signalauswertung ist mit an sich bekannten Prinzipien möglich, beispielsweise mittels der
Ionenstrommessung mit Wechselspannung. Grundsätzlich kommt auch die
Ionenstrommessung mit Gleichspannung in Betracht, dabei können aber bei Dieselmotoren
Nebenschlußprobleme auftreten.
Ebenso kann eine Signalauswertung auch über eine Kapazitätsmessung erfolgen, indem die
sich bei der Entflammung bzw. Verbrennung ändernde Dielektrizität εr ausgewertet wird.
Diese Kapazitätsmessung kann beispielsweise mittels der Auswertung der Verstimmung eines
Hochfrequenzschwingkreises vorgenommen werden.
Claims (12)
1. Sensoranordnung zur Erfassung des Verbrennungsvorganges in einer Brennkraftmaschine,
wobei ein sich zwischen zwei Elektroden (1, 2) einstellendes Signal ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (1, 2) flächenmäßig auf wenigstens eine
Wand (6) des Brennraumes, des Abgaskanals und/oder eines
Abgasnachbehandlungssystems aufgebracht sind.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Wand (6) zunächst eine Isolationsschicht (3)
aufgebracht ist und daß auf die Isolationsschicht (3) eine dünne leitfähige Schicht
(4)aufgebracht ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die leitfähige Schicht (4) eine Schutzschicht (5)
aufgebracht ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (5) isolierend ist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (3) aus einer Keramik, Diamant oder
einer Eloxierung des Aluminiums besteht.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (4) aus Metall besteht.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Cr oder eine Cr Ni-Verbindung ist.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (4) aus einem Halbleiter besteht.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter Kohlenstoff mit einer entsprechenden
Dotierung, insbesondere eine SiC-Verbindung ist.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch ihren vorgefertigten Schichtaufbau,
der an der Wand angebracht ist.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch ihre Eingießbarkeit beim Gießen des
Zylinderkopfes.
12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (3), die leitfähige Schicht (4) und
gegebenenfalls die Schutzschicht (5) mittels Beschichtungsverfahren aufgebracht sind.
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1998
- 1998-04-17 DE DE1998117083 patent/DE19817083C1/de not_active Expired - Fee Related
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