DE3519028C2 - Einrichtung zum Erfassen von klopfenden Verbrennungsvorgängen bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Einrichtung zum Erfassen von klopfenden Verbrennungsvorgängen bei einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Es ist bekannt, Druck
schwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit so
genannten Ionenstromsonden zu erfassen. Dabei wird von der
Tatsache Gebrauch gemacht, daß während einer Verbrennung
von Kohlenwasserstoffen elektrisch geladene Moleküle und
Atome, d. h. Ionen sowie freie Elektronen, entstehen. Wird
nun an eine im Brennraum befindliche Anordnung mit zwei
Elektroden eine Meßspannung angelegt, so fließt ein Ionen
strom, der von der Ionenkonzentration abhängig ist. Dieser
Ionenstrom wird erfaßt und ist ein Maß für den im Brenn
raum ablaufenden Verbrennungsvorgang. Es ist bekannt, das
Ionenstromsignal zum Erkennen des Klopfens in Brennkraft
maschinen heranzuziehen. Dazu sind aber komplizierte Aus
werteschaltungen notwendig. Unter Klopfen versteht man
druckwellenförmig auftretende Schwingungen des Gasgemisches
im Brennraum einer Brennkraftmaschine während der Verbren
nung, hervorgerufen durch beschleunigte chemische Reaktion
des zum Zeitpunkt des Einsetzens des Klopfens noch unver
brannten Luft/Kraftstoff-Gemisches im Endgasbereich. Da mit
dem Klopfen in der Regel eine starke thermische Belastung
der Brennrauminnenseite einhergeht, bei der Materialabtra
gungen auftreten können, ist man bestrebt, das Klopfen
grundsätzlich zu vermeiden. Es kann bei längerem Auftreten
zu einer Zerstörung der Brennkraftmaschine führen. Deshalb
muß das Klopfen der Brennkraftmaschine möglichst frühzeitig
und sicher erkannt werden.
Bei der Meßeinrichtung nach der DE 29 32 193 A1 wird nach dem Prin
zip der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit bei klopfender
bzw. nichtklopfender Verbrennung bei Brennkraftmaschinen gearbeitet.
Bei der Ausbildung nach dieser Schrift sind die Ionenstromsonden ne
beneinander direkt im Brennraum angeordnet. Dadurch kann zwar
Klopfen bzw. Nichtklopfen erfaßt werden. Wegen der bei der Ver
brennung auftretenden Turbulenzen kann aber auch bei nichtklopfender
Verbrennung ein "Klopfen"-Signal ausgelöst werden, da die direkt ne
beneinanderliegenden Ionenstromsonden gleichzeitig die durch Turbu
lenzen aufgewirbelte Flammenfront erfassen können. Eine zweifels
freie Messung des Klopfzeitpunktes und des Klopfens ist dadurch
nicht möglich.
Konstantspannungsquellen für Ionenstromsonden sind aus der
DE 30 06 665 A1 bekannt. Mit Hilfe der dort vorgenommenen Ionen
strommessung am Verbrennungsmotor können zwar Schlüsse auf Druck
schwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wer
den, es wird aber hierzu nur eine Ionenstromsonde verwendet. Gemäß
der Offenbarung der DE 28 02 202 A1 ist eine Ionenstromsonde in
einem Totraum angeordnet. Hierbei wird im wesentlichen nur die
Druckschwankungsänderung als pulsierender Ionenstrom erfaßt. Hierzu
ist die Geometrie des Totraums auf die Frequenz der zu messenden
Druckschwankungen abgestimmt. Auch hier wird keine Laufzeitmessung
für die Flammenfront in der Brennkraftmaschine ausgewertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzu
geben, die eine sichere und wirkungsvolle Ermittlung des zeitlichen
Verlaufs der Flammenausbreitung in der Brennkammer von Brennkraft
maschinen bei klopfender Verbrennung gestattet.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptan
spruchs.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebe
nen Einrichtung möglich.
So können z.B. nach dem bevorzugten Aus
führungsbeispiel nach Anspruch 6 die wesentlichen
Gegebenheiten der Zündanlage und des Brennraums einer Brenn
kraftmaschine in der heute üblichen Form belassen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brenn
raum mit angebauter Doppelionenstromsonde,
Fig. 2 einen
Schnitt durch eine Doppelionenstromsonde,
Fig. 3 den zeit
lichen Verlauf des Ionenstroms bei nicht klopfender Verbren
nung,
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Ionenstroms bei
klopfender Verbrennung und
Fig. 5 und 6 eine Abwandlung
des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2.
In der Fig. 1 ist der Brennraum 10 im Zylinderblock 11 ei
ner Brennkraftmaschine dargestellt. In dessen Wandung 12 ist
eine Bohrung 13 ausgebildet, die eine Ausnehmung 14 des Zy
linderblocks 11 mit dem Brennraum 10 verbindet. Die Bohrung
13 befindet sich im sogenannten Endgasbereich 16 einer durch
eine Zündstelle 17 hervorgerufenen Verbrennung, deren Flam
menfront mit 18 bezeichnet ist. Der Endgasbereich 16 ist ex
perimentell festzustellen. Es ist der Bereich, in dem bei
klopfender Verbrennung Materialabtrag an der Wandung 12 auf
tritt.
In der Ausnehmung 14 ist eine sogenannte Doppelionenstrom
sonde 19 angeordnet, deren Aufbau in Fig. 2 näher darge
stellt ist. In einem einschraubbaren oder -steckbaren Ge
häuse 21 sind zwei Längsbohrungen 22, 23 ausgebildet, in
denen sich zwei herkömmlich bekannte Ionenstromsonden
befinden. Die dem Brennraum 10 zugewandten Spitzen bzw. Meßelektroden 24, 25 die
ser Ionenstromsonden sind in einem axialen Abstand L
zueinander verschoben angeordnet. Es können auch Ionenstrom
sonden unterschiedlicher Empfindlichkeit verwendet werden.
Selbstverständlich sind für eine einfache Messung zwei etwa
gleich empfindliche Ionenstromsonden zu verwenden. Beide Meßelektroden
24, 25 bilden je einen positiven Pol.
Dieser steht jeweils in Wirkverbindung mit
der als negativer Pol ausgebildeten Wandung 12. Selbstver
ständlich sind auch Ionenstromsonden verwendbar - wie später
in Fig. 5 dargestellt -, die einen positiven und negativen
Pol aufweisen. An beiden Ionenstromsonden liegt jeweils
zwischen dem positiven und dem negativen Pol eine gleichgroße,
konstante Spannung an.
Dem Meßprinzip und somit der Wirkungsweise der beiden Ionen
stromsonden liegt die unterschiedliche Flammengeschwin
digkeit im Endgasbereich 16 bei klopfender und bei nicht klop
fender Verbrennung zugrunde. Wie aus Fig. 3 ersichtlich,
setzt bei einer nicht klopfenden Verbrennung der Ionenstrom
28 zwischen der Meßelektrode 24 und der Wandung 12 zu ei
nem Zeitpunkt T1 ein. Die Flammenfront 18 wandert weiter und
erreicht nach einer Zeit Δt zum Zeitpunkt T2 die Meßelektrode
25, so daß an dieser der Ionenstrom 29 fließt.
Liegt nun, wie in Fig. 4 dargestellt, eine kopfende Ver
brennung vor, so wandert die Flammenfront 18 im Endgasbe
reich 16 deutlich schneller als bei nicht klopfender Ver
brennung. Wie bei nicht klopfender Verbrennung fließt an der
Ionenstromsonde mit der Meßelektrode 24 wieder zu einem Zeitpunkt T1 ein Ionen
strom 28a. Die Flammenfront 18 bewegt sich bei klopfender
Verbrennung mit einer höheren Flammengeschwindigkeit, so
daß an der zweiten Ionenstromsonde mit der Meßelektrode 25, zeitlich gesehen
früher als bei normaler Verbrennung ein Ionenstrom 29a zu
fließen einsetzt. Dabei ergeben sich Zeitunterschiede zwi
schen nicht klopfender und klopfender Verbrennung um einen
Faktor 10. Dieser Zeitunterschied ist so groß, daß er mit
einer einfachen, elektronischen Auswerteschaltung erkannt
wird. Für eine gute und genaue Auswertung sollten aber die
von beiden Ionenstromsonden gemessenen Ionenströme
28, 29 etwa gleiche Anstiege bei Einsetzen des Ionenstroms
aufweisen. Der Verlauf des Ionenstroms ist für die Unter
scheidung nicht klopfende oder klopfende Verbrennung nicht
notwendig. Werden Ionenstromsonden mit unterschiedlicher Emp
findlichkeit verwendet, so verändert sich auch der Zeitpunkt,
bei dem der Ionenstromfluß einsetzt. Dies ist dann bei der
Wahl der Auswerteschaltung zu berücksichtigen. Um die beiden
Verbrennungsarten unterscheiden zu können, ist in der elek
tronischen Auswerteschaltung ein Schwellwert vorzugeben, des
sen Überschreiten als klopfende Verbrennung erkannt wird, wo
mit der Verbrennungsverlauf im Brennraum 10 gesteuert oder
geregelt werden kann.
In Fig. 5 ist eine Abwandlung der Doppelionenstromsonde 19
dargestellt, bei der beide Ionenstromsonden 31, 32 hülsen
förmig übereinander angeordnet sind. Dabei ist auf dem
stiftförmigen positiven Pol 33 der Ionenstromsonde 31 eine
Isolierschicht 34 aufgetragen, auf der ein hülsenförmiger
negativer Pol 35 der Ionenstromsonde 31 angeordnet ist.
Auch dieser ist wieder von einer zweiten Isolierschicht 36
umgeben. Um den axialen Abstand L verschoben ist nun die
zweite Ionenstromsonde 32 direkt auf der Isolierschicht 36
angeordnet. Sie weist einen hülsenförmigen positiven Pol 37,
eine Isolierschicht 38, einen hülsenartigen negativen Pol
39 und eine äußere Schutzschicht 40 auf. Diese ist noch von
einem Gehäuse 41 umgeben, das so ausgebildet ist, daß die
Flammenfront 18 nur in axialer Richtung auf die Ionenstrom
sonde 31, 32 zulaufen kann. Dazu ist das Gehäuse 41 bis zur
Meßspitze der Ionenstromsonde 31 vorgezogen und weist somit
einen Raum 41a auf. Dieser Raum 41a ist mit Hilfe mehrerer
in axialer Richtung angeordneter Bohrungen verbunden.
In Fig. 6 ist eine Abwandlung der Doppelionenstromsonde 19
dargestellt, bei der wie in Fig. 1 das Gehäuse 50 als nega
tiver Pol ausgebildet ist. Es weist wieder eine hülsenförmige
Isolierschicht 51, einen äußeren positiven Pol 52, eine zwei
te Isolierschicht 53 und einen inneren positiven Pol 54 auf.
Die beiden positiven Pole 52, 54 sind wieder mit einem axia
len Abstand L angeordnet.
Bei allen Abwandlungen der Doppelionenstromsonde 19 ist der
axiale Abstand L zwischen den einzelnen Meßelektroden bzw. Ionenstromsonden
wichtig, um damit die zeitlichen Unterschiede der Flammenge
schwindigkeit bei nicht klopfender und bei klopfender Ver
brennung zu bestimmen. Es ist aber auch darauf zu achten,
daß die Doppelionenstromsonde 19 möglichst zentral im End
gasbereich 16 angeordnet ist, da sich nur dort drastisch
unterschiedliche Flammengeschwindigkeiten bei nicht klopfen
der bzw. klopfender Verbrennung ergeben.
Claims (9)
1. Einrichtung zum Erfassen von klopfenden Verbrennungsvorgängen im
Gehäuse des eine Zündstelle enthaltenden Brennraums (10) einer
Brennkraftmaschine durch Aufnahme von Ionenströmen des durch die
Verbrennung ionisierten Gases mit Hilfe von wenigstens zwei, je an
einer konstanten elektrischen Spannung liegenden und je eine Meß
elektrode (24, 25) aufweisenden Ionenstromsonden, bei der die Meß
elektroden (24, 25) in unterschiedlichen Abständen zur Zündstelle
und in axialer Richtung zueinander um den Abstand (L) versetzt in
einer zusätzlichen Kammer (14) im Gehäuse des Brennraums (10) ange
ordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide
Ionenstromsonden etwa gleiche Meßempfindlichkeit aufweisen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Meßelektrode (25) parallel zur ersten Meßelektrode
(24) angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei
den Meßelektroden (24, 25) jeweils einen positiven Pol und das Ge
häuse des Brennraums (10) den gemeinsamen negativen Pol der beiden
Ionenstromsonden bilden.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Ionenstromsonde (31) rohrförmig ausgebildet ist und
die zweite Ionenstromsonde (32) hülsenförmig auf der ersten Ionen
stromsonde (31) mit dem axialen Abstand (L) angeordnet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß beide Ionenstromsonden (31, 32) von einem gemeinsamen
Gehäuse (41, 50) umgeben sind, das mindestens bis zur Meßspitze der
ersten Ionenstromsonde (31) reicht und vor der zweiten Ionenstrom
sonde (32) einen Raum (41a) aufweist, der mindestens die Länge des
axialen Abstands (L) hat und zum Brennraum (10) hin wenigstens eine
in axialer Richtung der Ionenstromsonden (31, 32) ausgebildete Öff
nung hat.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß beide Ionenstromsonden im Endgasbereich des Brennraums
(10) angeordnet sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Ionenstromsonden mit einer elektronischen
Auswerteschaltung verbunden sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste und die zweite Ionenstromsonde unterschiedliche Meßempfind
lichkeiten aufweisen und die angeschlossene Auswerteschaltung die
Laufzeit der Flammenfront (18) zum Durchlaufen des Abstands (L) be
stimmt.
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