DE3234629A1 - Einrichtung zum erfassen von druckschwankungen im brennraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zum erfassen von druckschwankungen im brennraum einer brennkraftmaschine

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Description

,18 0 61
6.9.1982 Wt/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1
Einrichtung zum Erfassen von Druckschwankungen
im Brennraum einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus "von einer Einrichtung nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist "bekannt, Druckschwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit sogenannte Ionenstromsonden au erfassen. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daS während einer Verbrennung von Kohlenwasserstoffen elektrisch geladene Moleküle und Atome, d.h. Ionen, sowie frei Elektronen entstehen. Wird nun an eine im Brennraum befindliche Anordnung mit zwei Elektroden eine Meßspannung gelegt, fließt ein Ionenstrom, der von der Ionenkonzentration abhängig ist. Dieser Ionenstrom wird erfaßt und ist ein Maß für den im Brennraum ablaufenden Verbrennungsvorgang. Es ist bekannt, das Ionenstromsignal zum Erkennen von Klopfen in Brennkraftmaschinen heranzuziehen.
1 OU Q I
Aus der DE-OS 28 02 202 isi; eine derartige Einrichtung zum Erfassen von Druckschwankungen im Brennraume einer Brennkraftmaschine "bekannt, bei der eine Zündkerze gleichzeitig als lonenstrommeSeinrichtung verwendet wird. Die Zündkerze ist daher an einen Zündkreis sowie an einen Meßkreis angeschlossen, wobei der Zündkreis eine hohe Zündspannung und der Meßkreis eine demgegenüber niedrige Meßspannung zwischen die Elektroden der Zündkerze legt. Um den Meßkreis dabei vom Zündkreis zu entkoppeln, ist bei der bekannten Einrichtung eine Diode oder ein hochohmiger Widerstand im Meßkreis angeordnet, der eine Rückwirkung der hohen Zündspannung auf den Meßkreis unterbindet. Die bekannte Einrichtung arbeitet dabei mit den bei Zündanlagen von Brennkraftmaschinen üblichen Polaritäten, d.h. die Zündspannung ist negativ; damit ist auch die Meßspannung für den Ionenstrommeßkreis negativ. Diese Polarität führt bei den üblichen Elektrodenanordnungen in Zündkerzen jedoch zu relativ geringen Signalausbeuten im Meßkreis, so daß das Auftreten von Klopfen unter Umständen nicht mehr sicher erkannt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß eine wesentliche Erhöhung der Signalausbeute im Ionenstrommeßkreis ersielt wird, so daß eine bessere Signalinterpretaυ ion und damit eine sichere Erkennung von Klopfen möglich ist.
Durch die in den. Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.
18
Insbesondere können entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die wesentlichen Gegebenheiten der Zündanlage eines Kraftfahrzeuges in der heute üblichen Form belassen werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung; Figur 2 zeitliche Verläufe des Brennraumdrucks und einer Signalspannung zur Erläuterung der in Figur 1 dargestellten Schaltung und Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
Wie eingangs bereits erwähnt, entstehen bei einem Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine im Brennraum Ionen, d.h. elektrisch geladene Teilchen, sowie freie Elektronen. Die Anzahl der positiven und negativen freien Ladungsträger ist dabei gleich. Die Ruhmasse eines freien Elektrons ist jedoch etwa 30.000 mal kleiner als z.B. die des bei derartigen Verbrennungsvorgängen häufigen positiven Ions H-O , d.h. die negativen Ladungsträger sind wesentlich leichter. Der Anteil der freien Elektronen an den negativen Ladungsträgern ist weit überwiegend und beträgt bis zu 99 %- Insgesamt sind damit die im wesentlichen auftretenden negativen Ladungsträger erheblich leichter als die im wesentlichen auftretenden positiven Ladungsträger.
18 0 6 1
-V-
Verwendet man nun eine Zündkerze als Ionenstromsonde im Brennraum, ist die Konfiguration üblicherweise so, daß die Mitte'lelektrode der Sündkerze wesentlich kleiner ist als die Masseelektrode. Wird nun die bei üblichen Zündeinrichtungen verwendete Polarität der Spannungen verwendet, d.h. eine negative Zünd- und damit auch lonenmeßspannung, ist die kleine Mittelelektrode negativ und die große Masseelektrode positiv geladen. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die bekannten Polaritäten und Großenverhaltnisse an der Zündkerze den oben erwähnten Gewichtsverhältnissen der auftretenden Ladungsträger nicht entsprechen.
Erfindungsgemäß wird daher eine Elektrodenkonfiguration bzw. eine Polarität verwendet, bei der die kleinere Elektrode positiv und die größere Elektrode negativ vorgespannt ist.
Die leichteren negativen Ladungsträger erfahren nämlich bei gleichem Absolutbetrag der Ladung in einem elektrischen Feld eine größere Beschleunigung und können somit eine größere Wegstrecke pro Seiteinheit zurücklegen. Daher wird bei der erfindungsgemäß gewählten Elektrodenkonfiguration bzw. Polarität der Elektroden erreicht, daß pro Zeiteinheit ebenso viele negative Ladungsträger die Elektrode mit kleinerer Fläche erreichen wie positive Ionen die Elektrode mit größerer Fläche. Demzufolge wird erfindungsgemäß ein wesentlich höherer Ionenstrom und damit eine wesentlich höhere Signalausbeute erzielt.
:,- 18061
Bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist eine Zündkerze 10 mit einer kleinen Mittelelektrode 11 und einer größeren Masseelektrode 12 ausgestattet. Eine Fahrzeugbatterie 13 der Spannung U« ist erfindungsgemäß mit ihrem positiven Pol an Masse und mit ihrem negativen Pol ü"ber einen Betriebsschalter 1 k an eine Primärspule 15 einer Zündspule angeschlossen. Das andere Ende der Primärspule 15 ist einmal mit einem Ende der Sekundärspule 16 und zum anderen über einen Unterbrecherkontakt 17 an Masse angeschlossen. Der Unterbrecherkontakt 17 wird in an sich bekannter Weise von einer Zündeinrichtung 18 betätigt. Am anderen Ende der Sekundärspule 16 ist auf einer Zündleitung 19 eine positive Zündspannung abnehmbar, die der Mittelelektrode 11 über eine Diode 2k und einen Zündverteiler 25 zugeführt wird. Der ebenfalls an die Mittelelektrode 11 angeschlossene Meßkreis besteht aus der Reihenschaltung einer Diode 20, einer Meßspannungsq_uelle 21 sowie eines an Masse angeschlossenen Meßwiderstandes 22. Die Meßspannungsq.uelle 21 mit der Meßspannung U,. weist mit ihrem positiven Pol zur Mittelelektrode 11 und ist an die Anode der Diode 20 angeschlossen. Am Meßwiderstand 22 ist eine Signalspannung U abgreifbar, die einer Klopfregeleinheit 23 zugeführt wird. Die Klopfregeleinheit 23 wiederum steht in an sich bekannter Weise mit der Zündeinrichtung 18 in Wirkverbindung.
Der aus den Elementen 13 bis 18, 2k, 25 bestehende Zündkreis sorgt über die Zündkerze 10 für einen Verbrennungsvorgang in der üblichen Weise, wobei lediglich im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen eine positive Zündspannung verwendet wird. Bei einer normalen Verbrennung stellt sich dann ein zeitlicher Verlauf des Brennraumdruckes ρ ein, wie er in Figur 2 gestrichelt gezeichnet
α η *
Λ-
ist. Der in Figur 2 dargestellte Druckverlauf verläuft im wesentlichen nach Abschluß des Zündvorganges, so daß die Ionenstrommessung, die außerhalb des Zündvorganges stattfinden muß, den wesentlichen Teil des Druckverlaufes erfassen kann. Hierzu wird die Meßspannung UM über die Elektroden 11, 12 gelegt und verursacht das Fließen eines Ionenstromes I_, der über den Meßwiderstand 22 die Signalspannung U erzeugt, die in Figur 2 unten aufgetragen ist, wobei wiederum der normale Verbrennungsvorgang gestrichelt eingetragen ist. Die Diode 2k bewirkt dabei eine Entkopplung des Meßkreises vom Zündkreis, da sie die am Ende der Schließzeit bzw. Ende der Offenzeit des Unterbrecherkontaktes 17 auftretende Durchbruchspannung bzw. Abrißspannung abblockt, so daß kontinuierliche Messungen möglich sind.
Tritt nun eine klopfende Verbrennung auf, wie sie Figur oben im Druckverlauf mit p1 bezeichnet, ergibt sich ebenfalls eine Schwingung im Verlaufe des Ionenstromes bzw. des Meßsignales. Dies drückt sich in Figur 2 unten in einer gefilterten Signalspannung U ' aus, wobei dieses
Signal dann in der Klopfregeleinheit 23 entsprechend verarbeitet wird. Durch die erfindungsgemäß gewählte Polarität der Spannungen fließen dabei die negativen Ladungsträger zur Elektrode 11 und die positiven Ladungsträger zur größeren Elektrode 12, wobei sich aus den oben geschilderten physikalischen Gegebenheiten eine"gegenüber den bekannten Einrichtungen erhöhte Signalausbeute in der Meßspannung U ergibt.
Zwar ist es möglich, auch bei dieser Art der Polarität statt der Diode 20 einen hochohmigen Widerstand zu verwenden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, der Ionenstrom I_ wird dadurch jedoch stark begrenzt. Dadurch wird nur der ohm'sche Bereich der Ionenstromdichte erfaßt, in dem die Stromdichte lediglich von der Feldstärke, d.h.
'9-
dem Quotienten von Spannung und Elektrodenabstand abhängig ist. Zur Messung der hier allein interessierenden Ionendichte ist jedoch ein Erreichen des nichtohm1sehen Bereiches erforderlich, wozu jedoch höhere Stromdichten erforderlich sind. Aus diesem Grunde ist es allgemein zweckmäßiger, statt eines hochohmigen Widerstandes lediglich eine Diode 20 zu verwenden, die einerseits für eine Entkopplung des Meßkreises.vom Zündkreis sorgt, andererseits jedoch den lonenstrom nicht begrenzt.
Das weitere Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 macht im wesentlichen von den gleichen Komponenten wie das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 Gebrauch; entsprechend sind gleiche Besugsaeichen verwendet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt hier jedoch die 3atterie 12 - wie heute allgemein üblich - mit dem negativen Pol an Masse. Die positive Zündspannung wird dann durch Umpolen der Sekundärspule 16 gegenüber der üblichen Anordnung - wie in Figur 1 - erreicht.
Sin weiterer Unterschied besteht bei diesem Ausführungsbeispiel darin, daß zur Erzeugung der Meßspannung U„ keine separate Batterie (21 in Figur 1) verwendet wird, sondern ein Kondensator 27, der über eine Diode 26 von der Primärseite 15 der Zündspule aufgeladen wird. Damit können bei diesem Ausführungsbeispiel weitgehend die heute in Kraftfahrzeugen üblichen Gegebenheiten belassen werden.

Claims (3)

1806
6.9.1982 Wt/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1
Ansprüche
( 1 J Einrichtung zum Erfassen von Druckschwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Zündkerze, zwischen deren Mittelelektrode (11) und Masselektrode (12) eine Meßspannung (Uw) in einem, über eine Diode (20) oder einen Widerstand -vom Zündkreis entkoppelten Meßkreis anlegbar ist, wobei der sich nach Ende des Zündvorganges infolge der Meßspannung (Uw) über die Elektroden (11, 12) einstellende Ionenstrom (i,) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündkreis und der Meßkreis der jeweils kleineren Elektrode (11) eine gegenüber der größeren Elektrode (12) positive Zündbzw. Meßspannung aufuhren.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U„) von einer 3atterie (21) erzeugt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U„) von einen, über eine Diode (26) von dem Zündkreis aufladbaren Kondensator (27) erzeugt wird.
k. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugbatterie (13)
Ί b ϋ Ö Ί
mit ihren negativen Pol an Fahrzeugmasse liegt und ihr positiver Pol mit zvei in Wicklungsrichtung nebeneinanderliegenden Endpunkten von Primär- und Sekundärspule (15, 16) verbunden ist, wobei die Zündspannung am entgegengesetzten Endpunkt der Sekundärspule (16) abgenommen wird.
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