DE19828595C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselmaschine, in deren Zylinderkopf wenigstens eine mit einem Heizstrom gespeiste 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.

In der EP 0 834 652 A1 ist bereits ein Verfahren zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Dieselkraftmaschine beschrieben, in deren Zylinderkopf wenigstens eine Glühkerze mit Heizstab angeordnet ist, bei welchem der Heizstab der Glühkerze gegenüber dem Zylinderkopf mit einer hochfrequenten Spannung beaufschlagt wird und der Ionenstrom, der sich daraufhin zwischen dem in den Brennraum ragenden Heizstabbereich und der brennraumseitigen Zylinderkopfwand ausbildet, gemessen und ausgewertet wird.

Bei diesem bekannten Verfahren wird mit Hilfe einer Schaltvorrichtung zwischen dem normalen Glühbetrieb der Glühkerze und dem Überwachungsbetrieb. umgeschaltet.

Aus der DE 196 14 288 C1 ist es weiterhin zu entnehmen, im Brennraum einer Brannkraftmaschine auf eine hochfrequente Spannung hin einen Ionenstrom zu messen und mit Hilfe dieses Ionenstroms den Druck im Brennraum zu bestimmen.

Durch die Erfindung sollen 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 erfindungsgemäßen 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 Veränderungen 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, 6 und 7.

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 hochfrequente 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 Dieselmaschine, in deren Zylinderkopf wenigstens eine mit einem Heizstrom gespeiste Glühkerze mit Heizstab angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstab der Glühkerze gegenüber dem Zylinderkopf mit einer hochfrequenten Meßspannung beaufschlagt wird und der Ionenstrom, der sich auf diese Spannung hin 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 mit Heizstrom-Speisung und dem Überwachungsbetrieb mit anliegender hochfrequenter Meßspannung umgeschaltet wird.

4. Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenzgenerator (4), dessen die hochfrequente Meßspannung darstellende 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 den Heizstrom bewirkende Spannung einer Batterie (6) oder die hochfrequente Spannung des Hochfrequenzgenerators (4) an den Heizstab (2) legt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators (4) der am Heizstab liegenden, den Heizstrom bewirkenden Spannung einer Batterie (6) überlagert ist.

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 Meßspannung 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.