DE19828595A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselmaschine, in deren Zylinderkopf 1 wenigstens eine Glühkerze mit Heizstab 2 angeordnet ist. Über einen Hochfrequenzgenerator 4 wird an den Heizstab 2 eine hochfrequente Spannung gelegt, so daß daraufhin zwischen dem Heizstab 2 und der brennraumseitigen Oberfläche des Zylinderkopfes 1 ein Ionenstrom ausgebildet wird. Dieser Ionenstrom wird mit einer Auswerteschaltung 3 beispielsweise hinsichtlich des Druckes im Brennraum ausgewertet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge in der Brenn
kammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel
maschine, in deren Zylinderkopf wenigstens eine Glühkerze
mit Heizstab angeordnet ist.
Die Überwachung der Verbrennungsvorgänge in einer
Brennkraftmaschine, insbesondere des Brennraumdruckes, der
Brennraumtemperatur und der Flammenfront, ist die Voraus
setzung für eine optimale Regelung einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Dieselmaschine. Insbesondere ist über die
Messung des Brennraumdruckes eine brennraumdruckgeführte
Dieselmaschinenregelung möglich.
Motorregelungen Glühzeitsteuerungen und entsprechende
Drucksensoren sind an sich bekannt. Die Anordnung von sepa
raten Drucksensoren neben der Glühkerze im Zylinderkopf der
Brennkraftmaschine ist jedoch aus Platzgründen kaum möglich
oder sogar ausgeschlossen.
Durch die Erfindung sollen daher ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art geschaffen werden,
mit denen die Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer einer
Brennkraftmaschine in einfacher Weise überwacht werden kön
nen, ohne daß erhebliche bauliche Veränderungen an der Ma
schine vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Aus
bildung gelöst, die in den Ansprüche 1 und 4 jeweils angege
ben ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungs
gemäßen Vorrichtung wird der Ionenstrom gemessen, der sich
zwischen der Heizstaboberfläche des Heizstabes der Glühkerze
und der Brennraumoberfläche ausbildet und ein Maß für die
Verbrennungsvorgänge ist.
Anstelle eines separaten Drucksensors wird dazu die im
Zylinderkopf ohnehin vorgesehene Glühkerze eingesetzt und
wird das an der Glühkerze auftretende Ionenstromsignal zur
Überwachung der Verbrennungsvorgänge, insbesondere zur Er
mittlung des Brennraumdruckes, ausgewertet.
Die dadurch erzielten Vorteile sind unter anderem darin
zu sehen, daß an der Maschine selbst keine baulichen Ver
änderungen vorgenommen werden müssen, insbesondere keine
separaten Drucksensoren eingebaut werden müssen.
Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltun
gen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2, 3, 5
und 6.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung
besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Aus
führungsbeispiels und
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Aus
führungsbeispiels.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist im Zylinderkopf 1
einer Dieselmaschine eine Glühkerze mit Heizstab 2 angeord
net. Im normalen Betrieb wird die im Heizstab 2 angeordnete
Glühwendel über eine Batterie 6 mit einem Gleichstrom ver
sorgt.
Wie es weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein
Hochfrequenzgenerator 4 vorgesehen, der eine hochfrequente
Wechselspannung erzeugt, die am Heizstab 2 der Glühkerze
liegt. Vorzugsweise ist ein Schalter 5 vorgesehen, der zwei
Schalterstellungen hat, in denen er entweder die Batterie 6
mit dem Heizstab 2 der Glühkerze für den Glühbetrieb ver
bindet oder den Hochfrequenzgenerator 4 mit dem Heizstab 2
der Glühkerze für den Verbrennungsüberwachungsbetrieb, ins
besondere für die Messung des Brennraumdruckes, verbindet.
Eine Demodulator-, Komparator- und Auswerteschaltung 3 dient
dazu, das vom Heizstab 2 im Überwachungsbetrieb kommende
Signal auszuwerten. Zu diesem Zweck ist diese Schaltung 3
sowohl mit dem Heizstab 2 als auch dem Hochfrequenzgenerator
4 verbunden. An ihrem Ausgang 7 liefert sie ein Signal, das
für die Parameter der Verbrennungsvorgänge im Brennraum der
Maschine repräsentativ, insbesondere brennraumdruckpropor
tional, ist. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet
in der folgenden Weise:
Im geschlossenen Zustand des Stromkreises von der Bat
terie 6 zum Heizstab 2 der Glühkerze arbeitet diese im übli
chen Glühbetrieb mit Glühzeitsteuerung. Wird diese elektri
sche Verbindung am Schalter 5 geöffnet und der Heizstab 2
mit dem Hochfrequenzgenerator 4 verbunden, wird eine hoch
frequente Wechselspannung an den Heizstab 2 gelegt, so daß
sich zwischen dem potentialfreien Heizstab 2 und der Zylin
derkopfwandung des Brennraums ein Ionenstrom 11 ausbildet,
der insbesondere druckproportional ist. Die elektronische
Demodulator-, Komparator- und Auswerteschaltung 3 vergleicht
das vom Hochfrequenzgenerator 4 eingespeiste Hochfrequenz
signal mit dem daraufhin von dem Heizstab 2 kommenden ionen
strommodulierten Signal hinsichtlich Amplitude und Phase und
erzeugt über eine differenzierte Auswertung ein brennraum
druckproportionales Ausgangssignal am Ausgang 7.
Die modulierende Versorgungsfrequenz kann dabei so ge
wählt sein, daß sie als Mikrostruktur auf der Kompressions-
/Dekompressionswelle erscheint, wobei der Frequenzwert der
geforderten Auflösung der Druckwelle entspricht. Die zeitli
che Änderung von Amplitude und Phase der Ionenstromfunktion
ist der zeitlichen Druckänderung im Brennraum proportional.
Wegen der Differenzierung nach der Zeit sind alle den Si
gnalstrom beeinflussenden parasitären Impedanzen, wie Über
gangswiderstände an elektrischen Verbindungsstellen oder
Nebenschlüsse durch Ruß- oder Kohlebildung, zwischen Heiz
stab 2 und Zylinderkopf 1 unterdrückt. Die zeitliche Druck
änderung ist somit dem zeitlichen Stromsignal proportional.
Obwohl bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei
spiel ein Schalter 5 vorgesehen ist, über den zwischen der
Versorgung des Heizstabes 2 mit Strom von der Batterie 6
oder mit einer hochfrequenten Wechselspannung vom Hochfre
quenzgenerator 4 umgeschaltet werden kann, ist es auch mög
lich, die hochfrequente Wechselspannung der Glühspannung von
der Batterie 6 zu überlagern. Dazu müssen allerdings ent
sprechende Entstörmaßnahmen am Bordnetz getroffen werden, um
störende Einflüsse im übrigen Bordnetz zu vermeiden.
Eine besonders bevorzugte Ausbildungsform ist in Fig. 2
der Zeichnung dargestellt. Bei dieser Ausbildungsform ist
der Heizstab 2 über eine Isolierung 9 elektrisch isoliert in
den Glühkerzenkörper 10 eingebaut und liegt die Glühspannung
von der Batterie 6 am Glührohr 8 des Heizstabes 2. Die im
Glührohr 8 angeordnete Heizwendel ist mit ihrem brennraum
seitigen Ende mit dem Glührohr 8 verbunden und liegt mit
ihrem anderen Ende an Masse.
Bei dieser Ausbildung ist der Heizstab 2 insbesondere
galvanisch isoliert im Glühkerzenkörper 10 montiert und ist
der Glühkerzenkörper 10 mit seinem Außengewinde in den Zy
linderkopf 1 geschraubt. Er liegt somit auf Massepotential.
Wird das Glührohr 8 mit einer Wechselspannung definierter
Amplitude und Frequenz vom Hochfrequenzgenerator 4 beauf
schlagt, so bildet sich wiederum zwischen der auf Massepo
tential befindlichen brennraumseitigen Zylinderkopfwandung
und dem mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagten
Glührohr 8 ein Ionenstrom 11 aus, dessen Stromfunktion als
Parameter unter anderem den Brennraumdruck enthält.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den
besonderen Vorteil, daß bei der dort dargestellten Beschal
tung der Glühwiderstand der Glühwendel des Heizstabes 2 als
Abschlußwiderstand des Schwingkreises wirkt.
Dadurch, daß bei den oben beschriebenen Ausbildungen
lediglich die potentialfreie Glühkerze beschaltet werden muß
und eine zeitdifferenzierende hochfrequente Ionenstromaus
wertung zur Unterdrückung parasitärer strombeeinflussender
Größen erfolgt, läßt sich insbesondere eine brennraumdruck
geführte Motorregelung verwirklichen, die den spezifischen
Verbrauch und die Rohemission vermindert. Dazu dient eine
einzige Baukomponente mit der Geometrie einer herkömmlichen
Glühkerze, die allerdings Glüh- und Sensorfunktion, insbe
sondere Drucksensorfunktion, erfüllt.
Claims (7)
1. Verfahren zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im
Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Die
selmaschine, in deren Zylinderkopf wenigstens eine Glühkerze
mit Heizstab angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Heizstab der Glühkerze gegenüber dem Zylinderkopf mit einer
hochfrequenten Spannung beaufschlagt wird und der Ionen
strom, der sich daraufhin zwischen dem in den Brennraum
ragenden Heizstabbereich und der brennraumseitigen Zylin
derkopfwand ausbildet, gemessen und ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Parameter der Verbrennungsvorgänge der Druck im
Brennraum überwacht wird und der gemessene Ionenstrom zu
einem brennraumdruckproportionalen Signal ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen dem normalen Betrieb der Glühkerze
und dem Überwachungsbetrieb mit anliegender hochfrequenter
Spannung umgeschaltet wird.
4. Vorrichtung zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge
im Brennraum einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hoch
frequenzgenerator (4), dessen Ausgangsspannung am Heizstab
(2) der Glühkerze liegt, und einer Auswerteschaltung (3),
die parallel dazu zwischen den Heizstab (2) der Glühkerze
und den Hochfrequenzgenerator (4) geschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
einen Schalter (5) mit zwei Stellungen, der je nach Stellung
die Spannung einer Batterie (6) oder die hochfrequente Span
nung des Hochfrequenzgenerators (4) an den Heizstab (2)
legt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators der
Batteriespannung überlagert ist, die am Heizstab liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Heizstab (8) der Glühkerze (2) elek
trisch isoliert im Zylinderkopf (1) angeordnet ist, die
hochfrequente Hochspannung am Glührohr (8) der Glühkerze (2)
liegt und die Glühwendel der Glühkerze (2) einerseits mit
dem Glührohr (8) verbunden ist und andererseits an Masse
liegt.
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