DE19838223A1 - Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem sich im Inneren wenigstens eines Zylinders zwei Elektroden befinden, an die eine elektrische Spannung anlegbar ist, wobei die Spannung eine Wechselspannung ist oder einen Wechselspannungsanteil hat.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach
einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt (WO 86/00961), bei dem eine
Ionenstrommessung bei einem Dieselmotor mit einer Gleichspannung erfolgen soll. Dazu
wird eine modifizierte Glühstiftkerze in den Brennraum des Zylinders eingeführt, in dem eine
Ionenstrommessung erfolgen soll. Die modifizierte Glühstiftkerze weist auf ihrer in den
Brennraum hineinragenden Kuppe eine elektrisch leitfähige Schicht auf, an die sich eine
elektrische Leiterbahn anschließt, die in einem Außenanschluß zur elektrischen Kontaktierung
endet. Die Ionenstrommessung erfolgt, indem die Kuppe der Glühstiftkerze gegenüber dem
Massepotential der Brennraumwand auf ein Gleichspannungspotential von 250 V gelegt wird.
Die Kuppe der Glühstiftkerze bildet also die eine Elektrode, während die auf Massepotential
liegende Brennraumwand die andere Elektrode bildet.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung
des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine vorzuschlagen, mit dem die Ionenstrommessung einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine verbessert werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, wonach
die Spannung eine Wechselspannung ist.
Aus der nicht vorveröffentlichen Patentanmeldung mit dem Anmeldetag 16.05.1997 beim
Deutschen Patentamt und dem amtlichen Aktenzeichen P ... (internes Aktenzeichen der
Anmelderin: 25969/4) ist es bekannt, bei einem Ottomotor eine Ionenstrommessung über die
Zündkerze als Meßsonde zu realisieren, indem diese Zündkerze mit einer Wechselspannung
beaufschlagt wird. Indem dort das sich einstellende Stromsignal über einem Meßwiderstand
ausgewertet wird, kann das Ionenstromsignal ermittelt werden. Es hat sich nämlich gezeigt,
daß sich ein Rußüberzug über der Zündkerze einstellt, der zu einem Nebenschlußwiderstand
zwischen den Elektroden der Zündkerze führen kann. Wenn eine Ionenstrommessung erfolgen
soll, erweist sich dieser Nebenschlußwiderstand als störend, da bei einem Aniegen einer
Gleichspannung als Meßspannung in der Größenordnung von einigen hundert Volt der sich
einstellende Strom über diesen Nebenschlußwiderstand in derselben Größenordnung liegen
kann wie der auszuwertende Ionenstrom.
Es erweist sich, daß die Feldstärke bzgl. der Polung der Spannung an der Glühkerze nicht
symmetrisch ist. Bei der negativen Polung der Glühkerze zeigt sich eine wesentlich
schwächere Intensität als bei der positiven Polung der Glühkerze. Dadurch ergibt sich ein
Meßsignal, bei dem das Eingangssignal durch die sich unterschiedlich stark ausbildenden
elektrischen Felder in Abhängigkeit von der Polung der Glühkerze durch den sich jeweils
einstellenden Ionenstrom moduliert wird. Durch die Rußschicht wird lediglich ein ohmscher
Widerstand gebildet, durch den das Meßsignal nicht moduliert wird.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 2, wonach die
Spannung einen Wechselspannungsanteil hat.
Die Wirkungsweise bei diesem Verfähren läßt sich ebenso erklären wie dies im
Zusammenhang mit Anspruch 1 beschrieben wurde. Durch den Ionenstrom wird hier der
Wechselspannungsanteil moduliert.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 wird das Meßsignal als Spannung über einem
Meßwiderstand ausgewertet.
Dadurch ist eine sehr einfache Möglichkeit der Erfassung des Meßsignales gegeben.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 4 wird das Ionenstromsignal gewonnen, indem die
Spannung über dem Meßwiderstand einer Tiefpaßfilterung unterzogen wird.
Es zeigt sich, daß sich aufgrund der Modulation des Meßsignales, die durch den Ionenstrom
bedingt ist, eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte im auszuwertenden Ionenstromsignal
bei niedrigeren Frequenzen einstellt. Durch die Tiefpaßfilterung des Meßsignales kann dieser
Signalanteil ausgewertet werden.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 5 wird der Ionenanteil aus einer Auswertung der
gemessenen Kapazität zwischen den Elektroden gewonnen.
Dabei wird die Änderung der Dielektrizität ausgewertet. Die Änderung der Dielektrizität
zwischen den Elektroden ergibt sich aus der Ionendichte. Aus einer Messung der Kapazität
kann also auf die Dielektrizität geschlossen werden. Aus der Dielektrizität kann wiederum die
Ionendichte abgeleitet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei
im einzelnen:
Fig. 1 die Verwendung einer Glühkerze als Sonde,
Fig. 2 die Gesamtanordnung mit einer Glühkerze als Sonde,
Fig. 3 eine Ersatzschaltbild und
Fig. 4 eine Darstellung des Frequenzspektrums des sich ergebenden Signales.
Fig. 1 zeigt die Verwendung einer Glühkerze 1 als Sonde. Diese Glühkerze 1 weist eine
Glühwendel 2 auf. Zur Bestimmung des Ionenanteiles ist an der Glühkerze 1 weiterhin eine
Ionensonde 3 vorgesehen. Diese Ionensonde 3 besteht aus einer Beschichtung, die mittels
einer Isolation 4 gegen die Motormasse isoliert ist. Weiterhin ist mit 5 der Anschluß der
Ionensonde 3 bezeichnet
Fig. 2 zeigt die Gesamtanordnung mit einer Glühkerze 1 als Sonde. Es ist wiederum die in
Fig. 1 gezeigte Isolation 4 zu sehen, die Glühwendel 2 sowie der Anschluß 5. Die
Beschichtung 3 ist als eine Elektrode eines Kondensators dargestellt. Die andere Elektrode
wird durch die Brennraumwand 6 gebildet. Der Anschluß 5 sowie die Brennraumwand 6 sind
mit einer Auswerteschaltung 7 kontaktiert. Anstelle des gezeigten Ausführungsbeispiels ist es
auch möglich, anstatt der Beschichtung 3 die Glühwendel 2 als eine der Elektroden des
Kondensators vorzusehen
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Gesamtanordnung nach Fig. 2. Die relevanten Teile der
Glühkerze sind die Beschichtung 3 sowie die mit dieser Beschichtung 3 korrespondierende
Brennraumwand 6. An die Klemme 8 wird gegenüber der Masse eine Wechselspannung
angelegt. In dem dargestellten Ersatzschaltbild sind weiterhin Ersatzwiderstände
eingezeichnet für die Rußbeschichtung, die sich bei einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine während des laufenden Betriebes einstellt. Der Ersatzwiderstand 9 stellt
die Verrußung dar, die sich als Überzug über die Glühkerze und die Brennraumwand legt.
Diese Verrußung hat einen endlichen Widerstand, der auch die Isolation 4 überbrückt. Über
diese Widerstandsstrecke kann bei Anliegen einer Spannung ein Strom fließen über die
Beschichtung 3 der Glühkerze, die Rußschicht zu der Motormasse (Brennraumwand 6).
Parallel zu diesem Widerstand liegt die Kapazität, die weiterhin gebildet wird durch die
Beschichtung 3 sowie die Brennraumwand 6. Es sind weiterhin Ersatzwiderstände 10 und 11
zu sehen, die der Verrußung der Beschichtung 3 entsprechen.
Es ist in dem Ersatzschaltbild der Fig. 3 weiterhin eine Diode 12 eingezeichnet, die
allerdings nicht als separates Bauteil vorhanden ist, sondern die Inhomogenität des
elektrischen Feldes zwischen den Elektroden des Kondensators aufgrund des Ionenanteiles
repräsentiert. Durch diese Diodenwirkung aufgrund des Ionenanteiles kommt es zu der
auszuwertenden Modulation des Wechselspannungssignals.
Bei der Zündkerze eines Ottomotors wird diese Verrußung im laufenden Betrieb durch die
Funkenüberschläge zwischen den Elektroden der Zündkerzen freigebrannt. Bei einem
Dieselmotor gibt es keine derartigen Funkenüberschläge, so daß die Verrußung dort bestehen
bleibt und sich im Ersatzschaltbild auch als Serienschaltung eines Widerstandes zu den
einzelnen Elektroden der Kapazität darstellt.
Es hat sich gezeigt, daß eine Auswertung des Ionenanteiles erfolgen kann über die
Auswerteschaltung 7. Wesentlich ist hierbei, daß an die Gesamtanordnung eine
Wechselspannung angelegt wird. Diese Auswerteschaltung besteht aus einem Meßwiderstand
703. Die Spannung über diesem Meßwiderstand 703 wird hinsichtlich des Ionenanteiles durch
einen Tiefpaß 701 ausgewertet. Weiterhin kann noch ein Bandpaß 702 vorgesehen sein.
Dieser Bandpaß läßt insbesondere Frequenzen um die Frequenz der angelegten
Wechselspannung passieren. Dieses Signal repräsentiert die Verrußung.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung die Darstellung des Frequenzbandes f über
der relativen Intensität der Signale. Anhand dieser Darstellung läßt sich die Wirkung des
Bandpasses 702 und des Tiefpasses 701 erläutern. Der Tiefpaß 701 filtert aus der modulierten
Wechselspannung mit der Frequenz f ein Ionenstromsignal 401, das entsprechend ausgewertet
werden kann, um spezifische Parameter für den Verbrennungsvorgang zu liefern. Der
Bandpaß 702 erfaßt die vom Nebenschluß der Glühkerze resultierenden Signalanteile 402.
Beispielsweise kann auch während des Fahrbetriebes in Abhängigkeit von dem durch den
Bandpaß gefilterten Signalanteil die Glühkerze erhitzt werden, um bei Bedarf die Glühkerze
"freizubrennen".
Alternativ ist es auch möglich, die Kapazität zwischen den Elektroden 3 und 6 zu bestimmen.
Der Ionenanteil bestimmt die Dielektrizität, so daß ein unmittelbarer Zusammenhang
zwischen der Kapazität und dem Ionenanteil besteht.
Vorteilhaft zeigt sich weiterhin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gleichzeitiges
Glühen und Messen des Ionenstromes möglich ist.
Claims (5)
1. Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer
selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem sich im Inneren wenigstens eines Zylinders
zwei Elektroden (3, 6) befinden, an die eine elektrische Spannung anlegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung eine Wechselspannung ist.
2. Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer
selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem sich im Inneren wenigstens eines Zylinders
zwei Elektroden (3, 6) befinden, an die eine elektrische Spannung anlegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung einen Wechselspannungsanteil hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal als Spannung über einem Meßwiderstand
(703) ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenstromsignal gewonnen wird, indem die Spannung
über dem Meßwiderstand (703) einer Tiefpaßfilterung (701) unterzogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenanteil aus einer Auswertung der gemessenen
Kapazität zwischen den Elektroden (3, 6) gewonnen wird.
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