EP0967391B1 - 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 Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0967391B1
EP0967391B1 EP99111230A EP99111230A EP0967391B1 EP 0967391 B1 EP0967391 B1 EP 0967391B1 EP 99111230 A EP99111230 A EP 99111230A EP 99111230 A EP99111230 A EP 99111230A EP 0967391 B1 EP0967391 B1 EP 0967391B1
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Bruno Dr. Lindl
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BorgWarner Ludwigsburg GmbH
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Beru AG
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    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/125—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits

Definitions

  • the invention relates to a method and a device to monitor the combustion processes in the combustion chamber an internal combustion engine, in particular a diesel engine, at least one glow plug in the cylinder head is arranged with heating element.
  • EP-A-0 834 652 already describes a method and a device for monitoring the combustion processes in the Combustion chamber of an internal combustion engine known, in the Cylinder head at least one glow plug with heating element is arranged, in which the heating element of the glow plug against the cylinder head with an alternating voltage is applied and the ion current, which then between the heating rod area projecting into the combustion chamber and of the cylinder head wall on the combustion chamber and is evaluated.
  • Electrodes an ion current sensor namely the electrodes a spark plug with a high-frequency AC voltage act upon the accuracy when capturing the To improve ion current.
  • the invention is intended to provide a method and a Device of the type mentioned are created with which the combustion processes in the combustion chamber one Internal combustion engine can be monitored in a simple manner without significant structural changes to the Machine must be made.
  • the device according to the invention measures the ion current and evaluated, which is between the heating rod surface the heating element of the glow plug and the combustion chamber surface trains and is a measure of the combustion processes.
  • the im Cylinder head already used glow plug and the ion current modulation occurring at the glow plug is Signal to monitor the combustion processes, especially to determine the combustion chamber pressure, evaluated.
  • the cylinder head is 1 a glow plug with heating element 2 is arranged in a diesel engine.
  • the one arranged in the heating element 2 Filament supplied by a battery 6 with a direct current.
  • a High-frequency generator 4 is provided, which is a high-frequency AC voltage generated on the heating element 2 of the glow plug lies.
  • a switch 5 is preferably provided, the two Has switch positions in which he either the battery 6 with the heating element 2 of the glow plug for glow operation or the high-frequency generator 4 with the heating element 2 the glow plug for combustion monitoring operation, in particular for measuring the combustion chamber pressure.
  • a demodulator, comparator and evaluation circuit 3 is used to that coming from heating element 2 in monitoring mode Evaluate signal. For this purpose, this circuit is 3rd both with the heating element 2 and the high-frequency generator 4 connected. At its output 7 it delivers a signal that for the parameters of the combustion processes in the combustion chamber of the Machine representative, especially proportional to combustion chamber pressure, is.
  • the arrangement shown in Fig. 1 works in the following way:
  • the modulating supply frequency can be chosen in this way be that as a microstructure on the compression / Decompression wave appears, with the frequency value of the corresponds to the required resolution of the pressure wave.
  • the temporal Change in amplitude and phase of the ion current function is proportional to the pressure change in the combustion chamber over time. Because of the differentiation according to time, all are the signal current influencing parasitic impedances, such as contact resistances at electrical connection points or Shunts due to soot or coal formation between the heating element 2 and cylinder head 1 suppressed. The pressure change over time is therefore proportional to the temporal current signal.
  • a switch 5 is provided, via which between the Supply of heating element 2 with current from battery 6 or with a high-frequency AC voltage from the high-frequency generator 4 can be switched, it is also possible the high frequency AC voltage of the glow voltage of overlay the battery 6. To do this, however, appropriate Interference suppression measures are taken in order to to avoid disruptive influences in the rest of the electrical system.
  • FIG. 2 A particularly preferred form of training is shown in FIG. 2 shown in the drawing.
  • the heating element 2 is electrically insulated via insulation 9 installed the glow plug body 10 and lies the glow voltage from the battery 6 on the glow tube 8 of the heating element 2.
  • the im Glow tube 8 is arranged heating coil with its combustion chamber side End connected to the glow tube 8 and lies with their other end in mass.
  • the heating element 2 is particularly mounted and is galvanically isolated in the glow plug body 10 the glow plug body 10 with its external thread in the cylinder head 1 screwed. It is therefore at ground potential.
  • the glow tube 8 is defined with an alternating voltage Amplitude and frequency applied by the high-frequency generator 4, this in turn forms between the ground potential located cylinder head wall on the combustion chamber side and the one with high-frequency AC voltage Glow tube 8 an ion current 11, the current function as Parameters include the combustion chamber pressure.
  • the embodiment shown in Fig. 2 has the special advantage that in the circuit shown there the glow resistance of the filament of the heating element 2 as Termination resistance of the resonant circuit acts.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselmaschine, 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 Voraussetzung 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 separaten Drucksensoren neben der Glühkerze im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ist jedoch aus Platzgründen kaum möglich oder sogar ausgeschlossen.
Aus der EP-A-0 834 652 sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, in deren Zylinderkopf wenigstens eine Glühkerze mit Heizstab angeordnet ist, bei denen der Heizstab der Glühkerze gegenüber dem Zylinderkopf mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird und der Ionenstrom, der sich daraufhin zwischen dem in den Brennraum ragenden Heizstabbereich und der brennraumseitigen Zylinderkopfwand ausbildet, gemessen und ausgewertet wird.
Aus der DE 196 18 980 A ist es weiterhin bekannt, die Elektroden einen Ionenstromsensors, nämlich die Elektroden einer Zündkerze, mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu beaufschlagen, um die Genauigkeit beim Erfassen des Ionenstroms zu verbessern.
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 können, ohne daß erhebliche bauliche Veränderungen an der Maschine vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die in den Ansprüche 1 und 4 jeweils angegeben ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Ionenstrom gemessen und ausgewertet, 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 ionenstrommodulierte Signal zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge, insbesondere zur Ermittlung 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 Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2, 3, bzw. 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 Ausführungsbeispiels und
  • Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels.
    • Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist im Zylinderkopf 1 einer Dieselmaschine eine Glühkerze mit Heizstab 2 angeordnet. Im normalen Betrieb wird die im Heizstab 2 angeordnete Glühwendel über eine Batterie 6 mit einem Gleichstrom versorgt.
    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 verbindet oder den Hochfrequenzgenerator 4 mit dem Heizstab 2 der Glühkerze für den Verbrennungsüberwachungsbetrieb, insbesondere 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 brennraumdruckproportional, ist. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet in der folgenden Weise:
    Im geschlossenen Zustand des Stromkreises von der Batterie 6 zum Heizstab 2 der Glühkerze arbeitet diese im üblichen Glühbetrieb mit Glühzeitsteuerung. Wird diese elektrische 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 Zylinderkopfwandung des Brennraums ein Ionenstrom 11 ausbildet, der insbesondere druckproportional ist. Die elektronische Demodulator-, Komparator- und Auswerteschaltung 3 vergleicht das vom Hochfrequenzgenerator 4 eingespeiste Hochfrequenzsignal mit dem daraufhin von dem Heizstab 2 kommenden ionenstrommodulierten Signal hinsichtlich Amplitude und Phase und erzeugt über eine differenzierte Auswertung ein brennraumdruckproportionales Ausgangssignal am Ausgang 7.
    Die modulierende Versorgungsfrequenz kann dabei so gewählt sein, daß sie als Mikrostruktur auf der Kompressions /Dekompressionswelle erscheint, wobei der Frequenzwert der geforderten Auflösung der Druckwelle entspricht. Die zeitliche Änderung von Amplitude und Phase der Ionenstromfunktion ist der zeitlichen Druckänderung im Brennraum proportional. Wegen der Differenzierung nach der Zeit sind alle den Signalstrom beeinflussenden parasitären Impedanzen, wie Übergangswiderstände an elektrischen Verbindungsstellen oder Nebenschlüsse durch Ruß- oder Kohlebildung, zwischen Heizstab 2 und Zylinderkopf 1 unterdrückt. Die zeitliche Druckänderung ist somit dem zeitlichen Stromsignal proportional.
    Obwohl bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel 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 Hochfrequenzgenerator 4 umgeschaltet werden kann, ist es auch möglich, die hochfrequente Wechselspannung der Glühspannung von der Batterie 6 zu überlagern. Dazu müssen allerdings entsprechende 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 brennraumseitigen 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 Zylinderkopf 1 geschraubt. Er liegt somit auf Massepotential. Wird das Glührohr 8 mit einer Wechselspannung definierter Amplitude und Frequenz vom Hochfrequenzgenerator 4 beaufschlagt, so bildet sich wiederum zwischen der auf Massepotential 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 Beschaltung 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 Ionenstromauswertung zur Unterdrückung parasitärer strombeeinflussender Größen erfolgt, läßt sich insbesondere eine brennraumdruckgeführte 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, insbesondere Drucksensorfunktion, erfüllt.

    Claims (7)

    1. Verfahren zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine, 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 Ionenstrom, der sich daraufhin zwischen dem in den Brennraum ragenden Heizstabbereich und der brennraumseitigen Zylinderkopfwand ausbildet, gemessen und dadurch ausgewertet wird, dass die am Heizstab der Glühkerze liegende hochfrequente Spannung mit dem vom Heizstab kommenden ionenstrommodulierten Signal hinsichtlich Amplitude und Phase verglichen 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 gekennzeichnet, 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 Hochfrequenzgenerator (4), dessen Ausgangsspannung am Heizstab (2) der Glühkerze liegt, und eine Auswerteschaltung (3), die 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 Spannung 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 gekennzeichnet, daß der Heizstab (2) der Glühkerze elektrisch isoliert im Zylinderkopf (1) angeordnet ist, die hochfrequente Spannung am Glührohr (8) der Glühkerze liegt und die Glühwendel der Glühkerze einerseits mit dem Glührohr (8) verbunden ist und andererseits an Masse liegt.
    EP99111230A 1998-06-26 1999-06-09 Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0967391B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

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    DE19828595 1998-06-26
    DE19828595A DE19828595C2 (de) 1998-06-26 1998-06-26 Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine

    Publications (3)

    Publication Number Publication Date
    EP0967391A2 EP0967391A2 (de) 1999-12-29
    EP0967391A3 EP0967391A3 (de) 2002-01-23
    EP0967391B1 true EP0967391B1 (de) 2004-09-08

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    EP (1) EP0967391B1 (de)
    AT (1) ATE275697T1 (de)
    DE (2) DE19828595C2 (de)
    ES (1) ES2224496T3 (de)

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