SE513432C2 - Förfarande för att mäta partikelhalten i avgaserna hos en förbränningsmotor - Google Patents

Description

30 513 432 2 varandra, så att ett gap bildas mellan elektroderna. När sot bildas i avgasema fastnar sotet på keramikplattan mellan isolatorema. Sotet fungerar då som en elektrisk ledare mellan elektrodema. Mängden sot på keramikplattan är proportionell mot resistansen mellan elektroderna. Ju mer sot som fastnar på keramikplattan, desto mindre blir resi- stansen. Resistansen kan då mätas och en uppfattning om sotpartikelhalten erhålles därmed.

Vid en GDI-motor och en dieselmotor som under vissa driftförhållanden arbetar med en stratifierad luft-/ bränsleblandning, ger emellertid en mätning av sotpartikelhalten i avgasröret inte en riktig bild av hur fullständig bränslets förbränning i förbrännings- rummet blir.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett förfarande avi inled- ningen angivet slag som ger en bild av partikelhalten i avgaserna i förbränningsrurnmet hos en förbrärmingsmotor.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förfarande för att under motorns drift kontinuerligt mäta partikelhalten i avgasema i förbrärmings- rummet hos en förbränningsmotor och mot bakgrund av erhållna mätvärden reglera förbränningsmotom, så att en lägre partikelhalt i avgaserna erhålles.

Detta åstadkommes enligt uppfmningen genom att sensom innefattar en isolator på vilken sotpartiklar från avgasema fastnar, att sensom i åtminstone ett forbränningsrum hos förbränningsmotorn detekterar en storhet, vars storlek är beroende av partikel- mängden på isolatom, att nivån hos en från sensom avgiven mätsignal, som är beroende av den detekterade storheten fastställs och jämförs med en börvärdenivå för en signal, som motsvarar en önskad partikelhalt i avgasema, och V! att ett värde som erhålles vid jämförelsen av nivån hos den från sensom avgivna mät- signalen och börvärdenivån sänds till en för förbrärmingsmotom anordnad styrenhet, som reglerar förbränningsmotom så att partikelhalten i avgasema minskar.

ME 20 25 30 513 43? Ett sådant förfarande för att mäta partikelhalten i avgaserna ger en rätt bild av hur full- ständig bränslets förbränning i förbränningsrummet blir. Med en i förbränningsrummet befintlig sensor, såsom tändstiftet hos en GDI-motor och glödstiftet hos en dieselmotor erhålles en enkel och prisbillig mätutrustning för att på konventionella GDI- och dieselmotorer mäta partikelhalten i avgaserna i förbränningsrurnmet.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas mer i detalj med hänvisning till på bifogade ritningar visade utföringsexempel, på vilka: fig. l avser ett koordinatsystem, som visar jonströmmen som funktion av vevaxelvin- keln, vid låg sotpartikelhalt i avgasema i förbränningsrumrnet, fig. 2 avser ett koordinatsystem, som visar jonströmmen som funktion av vevaxelvin- keln, vid en sotpartikelhalt i avgasema i förbrärmingsrummet, som är högre än den sot- partikelhalten representerad av funktionen i fig. l, fig. 3 avser en schematiskt visad sensor och mätenhet vid en GDI-motor, fig. 4 avser en schematiskt visad sensor och mätenhet vid en dieselmotor, och fig. 5 visar en schematisk vy av en mätenhet, som är ansluten till ett tändstift.

Fig. 1 och 2 visar en graf 1, som representerar den jonström I; som bildas i förbrän- ningsrummet hos en kolvmotor i samband med förbränningstalzten. Grafen 1 är inritad i ett koordinatsystem där X-axeln anger vevaxelvinkeln ot och Y-axeln anger jon- strömmen IJ. Genom att i förbränníngsrurnmet anordna en sensor, som kopplas till en mätenhet, kan den jonströmsignal, som visas i fig. 1 och 2 samplas i mätenheten.

Fig. 3 visar en utföringsform där en mätenhet 2 är kopplad till tändstiftet 3 hos en GDI- motor 4. Tändstiftet 3 utgör således __e__n sensor for att ge signaler till mätenheten 2.

Fig. 4 visar en annan utföringsform där en mätenhet 2' är kopplad till ett glödstift 5 hos en dieselmotor 6 av förkammartyp. Glödstiftet 5 utgör här entsensor som ger signaler till mätenheten 2”. 20 25 513 :132 Grafen för jonströmsignaler, som visas i fig. 1, består av tre olika faser; nämligen tändningsfasen S, flarnjoniseiingsfasen F och efterjoniseringsfasen P. Under tändnings- fasen S alstrar uppladdningen av strömmen i tändspolen en störning, som ger upphov till en liten strömtopp. Därefter alstrar en gnista från tändstiftet 3 en kraftig puls med negativt tecken (streckad i fig. l). Denna negativa puls bortfiltreras. Därefter följer en hög puls, som uppkommer när strömmen till tändstiftet 3 bryts. Under flamjoniserings- fasen F alstrar en brinnande kärna av luft-/bränsleblandningen i eller vid tändstiftsga- pet en pulstopp. Under efteijoniseringsfasen P stiger lörbränningstrycket i förbrän- ningsrurnmet 7 till sitt högsta värde och flamfronten har då nått förbrärmingsrurnmets 7 väggar.

Enligt uppfinningen kan ett flertal grafer för olika driftsförhållanden och olika luft- /bränsleblandningar hos en ”ideal” förbrärmingsmotor lagras, vid vilka driftsförhållan- den och luft-/bränsleblandningar en önskad sotpartikelhalt i avgaserna erhålles. Nivån hos dessa grafer beräknas och börvärden erhålls för olika driftsförhållanden och luft- fbränsleblandningar.

Med nivån hos grafen 1 menas hela grafens 1 läge ovanför X-axeln i koordinatsyste- met. Om jonströmmen I; ökar för varje vevaxelvinkel ot under förbräriningstakten för- skjuts hela grafen l uppåt i koordinatsystemet, det vill säga nivån ökar.

Nivån hos grafen 1, som representerar den jonström I; som detekteras av den i förbrän- ningsrurnmet 7 anordnade sensor 3, 5, kan beräknas på olika sätt i den till sensorn kopplade mätenheten 2, 2”. Exempelvis kan en eller flera punkter hos den sarnplade mätsignalen, där förstaderivatan ändrar tecken fiån positivt till negativt detekteras. Så- ledes erhålles då ett värde på jonströmmen IJ vid toppama hos varje fas S, F och P.

Dessa värden ger ett mått på grafens 1 nivå. Ett armat sätt att erhålla nivån hos grafen 1 är att integrera jonströmmen I; som funktion av tiden under förbränningstalcten eller en 20 25 30 513 432 del av denna. Integralen ger således arean under grafen 1 vilken är ett mått på grafens 1 nivå.

Om sotpartikelhalten i avgasema ökar kommer grafens 1 nivå över X-axeln att öka, såsom visas i flg. 2. Ju mer sotpartikelhalten ökar desto högre blir nivån hos grafen 1.

Detta skall förklaras närmare nedan.

Fig. 5 visar en mätenhet 2 som är kopplad till ett konventionellt tändstift 3. Mätenheten 2” är kopplad mellan tändstiftets 3 positiva och negativa (iordpotential) elektrod 8 resp 9. Mellan den positiva elektroden 8 och tändstiftets 3 fattning 10, i vilken den negativa elektroden 9 är anordnad, finns en isolator ll av ett elektriskt isolerande material. I fig. 5 visas också schematiskt hur en tändspole 13 är kopplad till tändstiftet 3.

När sotpartiklar bildas under förbränningstakten fastnar dessa på isolatom l 1. Ju mer sotpartiklar som bildas, desto tjockare blir sotbeläggrtingen på isolatom I 1. Sotpanik- lama leder ström, varför det uppkommer en läckageström IL mellan den positiva elek- troden 8 och fattningen 10, som är ansluten till jord. Läckageströmmens IL storlek är ett mått på sotpartikelhalten i avgasema.

Läckageströmmen påverkar mätningen av jonströmmen I; på så vis att när sotpartiklar fastnar på isolatom 11, ökar läckageströmmen IL och därmed ökar även nivån hos jon- strömsignalen vid mätningen av jonströmmen IJ. Ju mer sot som fastnar på isolatom 11, desto mer höjs nivån hos grafen l som representerar jonströmmen IJ.

Läckageströmmen IL kan i sig uppmätas genom att en förutbestämd ström induceras mellan elektroden 8 och fattningen 10. Den ström som då kommer att överföras mellan elektroden 8 och fattningen 10 utgör låckageströmmen IL. I fig. 2 visas denna läckage- ström IL som en rät linje vid slutet av och efter efterjoniseringsfasen P samt före och under tändningsfasen S. Läckageströmmen IL uppmäts lämpligen vid vissa bestämda vevaxelvinklar ot eller tidpunkter, det vill säga i vissa mätfönster, vid vilka mätfönster 20 25 30 513 432 6 den förutbestämda strömmen induceras mellan elektroden 8 och fattningen 10. Den förutbestämda strömmen som induceras mellan elektroden 8 och fattningen 10 kan in- duceras kontinuerligt under hela motoms cykel, det vill säga under alla takter, varför ett lärnpligt mätfönster kan bestämmas genom att detektera läckageströmmen IL när förstaderivatan hos denna är noll under ett kontinuerligt tidsintervall.

Istället för att mäta läckageströmmen IL är det möjligt att mäta irnpedansen Z mellan elektroden 8 och fattningen 10. Eftersom sotpartiklama som fastnar på isolatom 11 leder ström kommer impedansen Z mellan elektroden 8 och fattningen 10 att minska när sotpartiklar fastnar på isolatom 1 1. Vid mätningen av impedansen Z mellan elek- troden 8 och fattningen 10 kommer vid ett och samma mättillfälle hänsyn tas till resi- stansen, induktansen och kapacitansen mellan elektroden 8 och fattningen 10. Istället för att mäta irnpedansen Z kan resistansen, induktansen och kapacitansen mätas var för sig.

Ett lärnpligt mätfönster för att uppmäta sotpartikelhalten i förbränningsrrrrnmet 7, 7” kan vara under tändspolens 13 uppladdning under tändningsfasen F. Detta kan vara fördelaktigt när sotpartikelhalten skall uppmätas i flera förbränningsrum 7, 7” hos för- bränningsmotorn 4, 6, eftersom det då blir enkelt att samordna mätningarna mellan de olika sensorema 3, 5.

Genom att koppla mätenheten 2 till förbrärmingsmotoms 4 styrenhet 12 (se fig. 3) kan tändtidpurikten, bränsleinsprutrringstidpurikten och/eller luft-/bränsleblandningeri regle- ras så att sotpartikelhalten i avgasema minskar. När sotpartikelhalten i avgasema mins- kats, kommer det på isolatom ll anbragta sotet att brännas bort under förbrännings- takten.

Mätningen av sotpartikelhalten i en dieselmotor 6 sker på liknande sätt som beskrivits ovan. Glödstiftet 5 uppvisar en isolator (inte visad) på vilken sotpartiklar kan fastna. Även dieselrnotorn 6 regleras genom att mätenheten 2' är kopplad till en styrenhet l2°, som justerar insprutningstidpurrkten och insprutningsvolyrnen av bränsle. 5137 432 Istället för att använda tändstiftet 3 eller glödstiftet 5 som sensor är det även tänkbart att en separat sensor kan anordnas i förbränningsrummet 7, 7°, vilken sensor uppvisar en isolator på vilken sotpartiklar kan fastna.

Claims (11)

20 25 30 5183 432 Pansnr: 9704460-6 29 januari 1999 Patentkrav

1. Förfarande för att mäta partikelhalten, speciellt sötpartikelhalten i avgasema hos en förbränningsmotor (4, 6) med hjälp av en i kontakt med avgaserna anordnad sensor (3, 5). kännetecknat av att sensorn irmefattar en isolator (11) på vilken sotpartiklar från avgaserna fastnar, att sensorn (3, 5) i åtminstone ett förbränningsrum (7, 7') hos förbränningsmotom (4, 6) detekterar en storhet (IL, IJ, Z), vars storlek är beroende av pardkelmängden på iso- latorn, att nivån hos en från sensorn (3, 5) avgiven mätsignal, som är beroende av den detekte- rade storheten (IL, IJ, Z) fastställs och jämförs med en börvärdenivå för en signal, som motsvarar en önskad partikelhalt i avgaserna, och att ett värde som erhålles vid järntörelsen av nivån hos den från sensorn (3, 5) avgivna mätsignalen och börvärdenivån sänds till en för förbränningsmotom (4, 6) anordnad styrenhet ( 12, 12”), som reglerar förbränningsmotom (4, 6) så att partikelhalten i avga- sema minskar.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att storheten utgöres av en mellan sen- sorn (3, 5) och jordpotential Överförd läckageström (IL), som bildas genom att en för- utbestärnd ström induceras mellan en hos sensorn (3, 5) anordnad elektrod (8) och jordpotentialen.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att storheten utgöres av en impedans (Z) mellan en hos sensorn (3, 5) anordnad elektrod (8) och jordpotential.

4. Förfarande enligt något av kraven 2 eller 3, kännetecknat av att storheten (IL, Z) detekteras under ett kontinuerligt tidsintervall, vid vilket förstaderivatan är noll. 20 25 30 513 4932

5. Förfarande enligt något av kraven 2 eller 3, kännetecknat av att storheten (IL, Z) detekteras under den tid, som en hos förbränningsmotorn (4, 6) anordnad tändspole (13) uppladdas.

6. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att storheten utgöres av den vid förbrän- ning bildade jonströmmen (IJ) i förbränningsrummet (7, 7').

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att den från sensorn (3, 5) avgivna mät- signalen samplas för varje vevaxelvinkel a under förbränningsmotorns törbrännings- takt.

8. Förfarande enligt krav 7, kännetecknat av att nivån hos den samplade mätsignalen beräknas genom att en eller flera punkter hos mätsignalen, där förstaderivatan ändrar tecken från positivt till negativt, detekteras, vilka punkter järnförs med motsvarande punkter hos en signal, som motsvarar en önskad partíkelhalt i avgaserna.

9. Förfarande enligt krav 7, kännetecknat av att nivån hos den samplade mätsignalen beräknas genom att funktionen för mätsignalen integreras, vilken integral järnfcirs med en integral av funktionen för en signal, som motsvarar en önskad partikelhalt i avga- Sema.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att förfarandet till- lärnpas på en kolvrnotor (4) med bränsleinsprutning direkt i förbränningsrurnmet (7) i vilket ett tändstift (3) utgör sensom.

11. ll. Förfarande enligt något av _- 9, kännetecknat av att förfarandet tillämpas på en dieselmotor (6) där ett i förbindelse med förbränningsnnnmet (7°) anordnat glöd- stift (5) utgör sensom.