EP0982495A1 - Method for the determination of the ion proportion after a combustion stroke in an auto-ignited internal-combustion engine - Google Patents

Method for the determination of the ion proportion after a combustion stroke in an auto-ignited internal-combustion engine Download PDF

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EP0982495A1 EP99113437A EP99113437A EP0982495A1 EP 0982495 A1 EP0982495 A1 EP 0982495A1 EP 99113437 A EP99113437 A EP 99113437A EP 99113437 A EP99113437 A EP 99113437A EP 0982495 A1 EP0982495 A1 EP 0982495A1
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Abstract

The method involves applying an alternating electrical voltage, or a voltage with an alternating component, to two electrodes (3,6) inside at least one cylinder. The measurement value is evaluated as a voltage across a measurement resistance. An ion current is derived by subjecting the voltage to a low pass filter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The present invention relates to a method for determining the ion content according to a combustion process in a self-igniting internal combustion engine after Preamble of claim 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 aufein 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.A generic method is already known (WO 86/00961), in which one Ion current measurement in a diesel engine is to be carried out with a direct voltage. To a modified glow plug is inserted into the combustion chamber of the cylinder, in which a Ion current measurement should take place. The modified glow plug points to the in the Combustion chamber protruding an electrically conductive layer to which a electrical conductor connects, which in an external connection for electrical contacting ends. The ion current measurement takes place by the tip of the glow plug opposite the Ground potential of the combustion chamber wall is set to a DC voltage potential of 250 V. The tip of the glow plug therefore forms one electrode, while the one at ground potential lying combustion chamber wall forms the other electrode.

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.In contrast, the object of the present invention is a method for determination the proportion of ions after a combustion process in a self-igniting Propose an internal combustion engine with which the ion current measurement of a self-igniting Internal combustion engine should be improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, wonach die Spannung eine Wechselspannung ist.This object is achieved according to the invention by a method according to claim 1, according to which the voltage is an AC voltage.

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 Anlegen einer Gleichspannung als Meßspannung in der Größenordnung von einigen hundert Volt der sich einstellende Strom über diesen Nebenschlußwiderstand in derselben Größenordnung liegenFrom the unpublished patent application with the filing date May 16, 1997 at German Patent Office and the official file number P ... (internal file number of the Applicant: 25969/4) it is known to measure the ion current in a gasoline engine via the Realize the spark plug as a measuring probe by providing this spark plug with an alternating voltage is applied. By placing the current signal there across a measuring resistor is evaluated, the ion current signal can be determined. It has been shown that there is a soot coating over the spark plug that leads to a shunt resistance between the electrodes of the spark plug. When an ion current measurement is made should, this shunt turns out to be annoying, because when a DC voltage as a measuring voltage of the order of a few hundred volts setting current across this shunt resistor are of the same order of magnitude

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.can be like the ion current to be evaluated. It turns out that the field strength with respect to the polarity of the voltage at the glow plug is not is symmetrical. The negative polarity of the glow plug shows one essential weaker intensity than with the positive polarity of the glow plug. This results in a Measuring signal in which the input signal is formed by the differently developing electric fields depending on the polarity of the glow plug by each adjusting ion current is modulated. The soot layer only makes it ohmic Resistance formed by which the measurement signal is not modulated.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 2, wonach die Spannung einen Wechselspannungsanteil hat.Furthermore, this object is achieved by a method according to claim 2, according to which the Voltage has an AC voltage component.

Die Wirkungsweise bei diesem Verfahren läßt sich ebenso erklären wie dies im Zusammenhang mit Anspruch 1 beschrieben wurde. Durch den Ionenstrom wird hier der Wechselspannungsanteil moduliert.The mode of operation with this method can be explained as well as in Connection with claim 1 has been described. Due to the ion current here AC component modulated.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 wird das Meßsignal als Spannung über einem Meßwiderstand ausgewertet.In the method according to claim 3, the measurement signal is a voltage across a Measuring resistor evaluated.

Dadurch ist eine sehr einfache Möglichkeit der Erfassung des Meßsignales gegeben.This provides a very simple way of acquiring the measurement signal.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 4 wird das Ionenstromsignal gewonnen, indem die Spannung über dem Meßwiderstand einer Tiefpaßfilterung unterzogen wird.In the method according to claim 4, the ion current signal is obtained by the Voltage across the measuring resistor is subjected to low-pass filtering.

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.It turns out that due to the modulation of the measurement signal caused by the ion current the reason is a comparatively high power density in the ion current signal to be evaluated at lower frequencies. Due to the low-pass filtering of the measurement signal, this can Signal portion can be evaluated.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 5 wird der Ionenanteil aus einer Auswertung der gemessenen Kapazität zwischen den Elektroden gewonnen.In the method according to claim 5, the ion fraction is obtained from an evaluation of the measured capacitance between the electrodes.

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. The change in dielectric is evaluated. The change in dielectric between the electrodes results from the ion density. From a measurement of the capacity can therefore be concluded on the dielectric. The dielectric can in turn Ion density can be derived.

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.
An embodiment of the invention is shown in more detail in the drawing. It shows in detail:
Fig. 1:
the use of a glow plug as a probe,
Fig. 2:
the overall arrangement with a glow plug as a probe,
Fig. 3:
an equivalent circuit diagram and
Fig. 4:
a representation of the frequency spectrum of the resulting signal.

Figur 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.Figure 1 shows the use of a glow plug 1 as a probe. This glow plug 1 has one Incandescent filament 2. To determine the proportion of ions there is still one on the glow plug 1 Ion probe 3 provided. This ion probe 3 consists of a coating that by means of an insulation 4 is insulated from the engine ground. Furthermore, the connection of 5 is the Denoted ion probe 3.

Figur 2 zeigt die Gesamtanordnung mit einer Glühkerze 1 als Sonde. Es ist wiederum die in Figur 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.Figure 2 shows the overall arrangement with a glow plug 1 as a probe. Again it is the in Figure 1 shown insulation 4 to see the filament 2 and the terminal 5. Die Coating 3 is shown as an electrode of a capacitor. The other electrode is formed by the combustion chamber wall 6. The connection 5 and the combustion chamber wall 6 are contacted with an evaluation circuit 7. Instead of the embodiment shown, it is also possible instead of the coating 3, the incandescent filament 2 as one of the electrodes of the To provide capacitor.

Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Gesamtanordnung nach Figur 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. Figure 3 shows an equivalent circuit diagram of the overall arrangement of Figure 2. The relevant parts of the The glow plug is the coating 3 and the one corresponding to this coating 3 Combustion chamber wall 6. An AC voltage is applied to terminal 8 with respect to ground created. In the equivalent circuit diagram shown there are still equivalent resistors plotted for the soot coating that occurs in a self-igniting Sets internal combustion engine during operation. The equivalent resistor 9 provides represents the soot that covers the glow plug and the combustion chamber wall. This soot has a finite resistance, which also bridges the insulation 4. about this resistance path can flow through the current when a voltage is applied Coating 3 of the glow plug, the soot layer to the engine mass (combustion chamber wall 6). In parallel with this resistance lies the capacitance that is still formed by the Coating 3 and the combustion chamber wall 6. There are still substitute resistors 10 and 11 to see that correspond to the soot of the coating 3.

Es ist in dem Ersatzschaltbild der Figur 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.A diode 12 is also shown in the equivalent circuit diagram in FIG However, it is not available as a separate component, but rather the inhomogeneity of the electrical field between the electrodes of the capacitor due to the ion content represents. This diode effect due to the ion component leads to the Modulation of the AC voltage signal to be evaluated.

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.In the spark plug of a gasoline engine, this soot is caused by the Arcing between the electrodes of the spark plugs burned free. At a There are no such spark flashes in the diesel engine, so that there is soot there remains and in the equivalent circuit also as a series connection of a resistor represents individual electrodes of the capacitance.

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.It has been shown that the ion fraction can be evaluated via the Evaluation circuit 7. It is essential here that a AC voltage is applied. This evaluation circuit consists of a measuring resistor 703. The voltage across this measuring resistor 703 with respect to the ion portion evaluated a low pass 701. A band pass 702 can also be provided. This bandpass in particular allows frequencies around the frequency of the applied AC voltage happen. This signal represents the soot.

Figur 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.Figure 4 shows a schematic representation of the representation of the frequency band f over the relative intensity of the signals. Using this representation, the effect of Explain bandpass 702 and low pass 701. The low pass 701 filters out the modulated AC voltage with the frequency f an ion current signal 401, which is evaluated accordingly can be used to provide specific parameters for the combustion process. The Bandpass 702 detects the signal components 402 resulting from the shunt of the glow plug.

Beispielsweise kann auch während des Fahrbetriebes in Abhängigkeit von dem durch den Bandpaß gefilterten Signalanteil die Glühkerze erhitzt werden, um bei Bedarf die Glühkerze

Figure 00040001
freizubrennen".For example, the glow plug can also be heated during driving, depending on the signal portion filtered by the bandpass filter, in order to heat the glow plug if necessary
Figure 00040001
to burn free ".

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 Kapzität und dem Ionenanteil besteht.Alternatively, it is also possible to determine the capacitance between the electrodes 3 and 6. The proportion of ions determines the dielectric, so that a direct connection between the capacity and the proportion of ions.

Vorteilhaft zeigt sich weiterhin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gleichzeitiges Glühen und Messen des Ionenstromes möglich ist.It is also found to be advantageous that simultaneous operation of the process according to the invention Annealing and measuring the ion current is possible.

Claims (5)

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.Method for determining the ion content after a combustion process in a self-igniting internal combustion engine, in which there are two electrodes (3, 6) inside at least one cylinder, to which an electrical voltage can be applied,
characterized in that the voltage is an AC voltage. 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.Method for determining the ion content after a combustion process in a self-igniting internal combustion engine, in which there are two electrodes (3, 6) inside at least one cylinder, to which an electrical voltage can be applied,
characterized in that the voltage has an AC voltage component. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal als Spannung über einem Meßwiderstand (703) ausgewertet wird.The method of claim 1 or 2,
characterized in that the measuring signal is evaluated as a voltage across a measuring resistor (703). Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenstromsignal gewonnen wird, indem die Spannung über dem Meßwiderstand (703) einer Tiefpaßfilterung (701) unterzogen wird.Method according to claim 3,
characterized in that an ion current signal is obtained by subjecting the voltage across the measuring resistor (703) to low-pass filtering (701). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenanteil aus einer Auswertung der gemessenen Kapazität zwischen den Elektroden (3, 6) gewonnen wird.The method of claim 1 or 2,
characterized in that the ion component is obtained from an evaluation of the measured capacitance between the electrodes (3, 6).
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