Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Überwachung eines Brennvorganges in einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Brennvorganges in einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbeg¬ riff von Anspruch 1 sowie eine Einrichtung zur Überwachung des Zündvorganges bei einer Brennkraftmaschine nach dem Ober- begriff von Anspruch 12.
Bei Antrieben für Brennkraftmaschinen werden die Anforderungen an Leistung und Schadstoffausstoß zunehmend gesteigert. Bei modernen Antrieben für Benzinkraftmaschinen sind daher Motoren in der Entwicklung, bei denen ein Benzin-Luft-Gemisch im Brennraum der einzelnen Zylinder mit einem Hochfrequenzplasma gezündet wird. Eine derartige Zündanlage für Brenn¬ kraftmaschinen ist beispielsweise aus der DE 31 29 954 C2 be¬ kannt .
Um die Anzahl von Zündaussetzern zu minimieren wird gegenwärtig die Plasmabrenndauer sowie die Plasmaleistung so groß gewählt, dass die Plasmaenergie in jedem Fall ausreicht, um das Benzin-Luft-Gemisch sicher zu zünden. Damit sind allerdings diese Größen für alle Zylinder gleich und oft zu groß ge¬ wählt. Damit geht jedoch eine hohe Belastung der Elektroden an der Spitze des Resonators einher. Zudem nimmt das System oft unnötig Energie auf, da die aus Sicherheitsgründen vorge¬ sehene zusätzliche Plasmaeinwirkung nach einer erfolgten Zün- düng keine Vorteile bringt.
Zur Überwachung des Brennvorganges können bei den aktuell verendeten Hochfrequenzsystemen nur Signale von zusätzlich vorgesehenen Sensoren verwendet werden, die allerdings zu- sätzlich in das Fahrzeug integriert werden müssten. Darüber hinaus arbeiten diese Sensoren nicht zylinderspezifisch sondern übermitteln Ergebnisse, die nur auf den gesamten Brennvorgang der Brennkraftmaschine schließen lassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung eines Brennvorganges in einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem Hochfrequenzplasma gezündet wird vorzuschlagen, das kostengünstig eingesetzt werden kann und mit dem ein Rück- schluss auf die zylinderindividuellen Verhältnisse beim Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches möglich ist.
Diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung eines
Brennvorganges in einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Im Hinblick auf die Vorrichtung besteht die Lösung in einer Einrichtung zur Überwachung eines Brennvorganges in einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen nach Anspruch 12.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, den Brennvorgang bei der Entzündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches dadurch zu ü- berwachen, dass die Impedanz des gezündeten Gemisches ermit- telt und anhand der ermittelten Impedanz Rückschlüsse auf den Verbrennungsvorgang und insbesondere die Zündung gezogen werden .
Denn erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass sich eine Flam- menfront durch den Brennraum bewegt, die das ionisierte Gas enthält, nachdem sich das Gemisch entzündet hat. Die Impedanz des gezündeten Gemisches ist von den Verhältnissen beim Brennvorgang, insbesondere vom Gasdruck, der Gastemperatur und der Gaszusammensetzung abhängig. Damit kann mit der Kenntnis der Impedanz ein Rückschluss auf die bei dem Brenn¬ vorgang vorliegenden Verhältnisse vorgenommen werden, so dass Aussagen über den Zustand des ionisierten Gases zwischen den benutzten Elektroden möglich sind. Insbesondere kann nach einer erfolgreichen Entflammung ein Temperaturanstieg ebenso registriert werden, wie ein Druckanstieg.
Die Frequenzen eines Hochfrequenzplasmas gemäß der vorliegen¬ den Erfindung liegen im Bereich von circa 30 KHz bis 300 GHz.
Damit wird ein Hochfrequenzbereich, der Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen, sehr hochfrequente (VHF) Wellen, ultra hochfrequente (UHF) Wellen, superhochfrequente (SHF) Wellen und extrem hochfrequente (EHF) Wellen umfasst, gemäß der vor- liegenden Erfindung genutzt. Insbesondere der Mikrowellenbe¬ reich von circa 300 MHz bis 3 GHz ist auf besonders einfache Weise für die vorliegende Erfindung nutzbar.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Messung der Impedanz des gezündeten Gemisches an jedem der in der Brennkraftmaschine vorgesehenen Zylinder durchgeführt. Damit kann eine zylinderindividuelle Überwachung bzw. Analyse des Zünd¬ vorganges erreicht werden. Mit der Erfassung der Impedanz für jeden Zylinder kann auch, eine entsprechend häufige Datener- fassung vorausgesetzt, der zeitliche Verlauf des Brennvorgan¬ ges ermittelt werden.
Diese Daten können an eine Steuereinrichtung, etwa die ohnehin vorhandene Motorsteuerung, übermittelt werden, wo die Da- ten ausgewertet und gegebenenfalls als Basis für eine Reakti¬ on der Steuereinrichtung benutzt werden können. Insbesondere kann aus dem zeitlichen Verlauf des Brennvorgangs die Plasma¬ dauer und die Plasmaleistung für den folgenden Zündvorgang angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird aus der ermittelten Impedanz darauf geschlossen, ob die Entflammung erfolgreich eingetreten ist. Wird festgestellt, dass die Ent¬ flammung ausgeblieben ist wird eine Nachzündung veranlasst. Damit können Zündaussetzer durch eine gezielte Nachzündung zylinderindividuell vermieden werden. Weiterhin ist es mög¬ lich, nach dem Feststellen eines Zündaussetzers eine gezielte Abgasnachbearbeitung, insbesondere eine Nachverbrennung einzuleiten. Damit ist es also möglich, den Zündvorgang in situ zylinderspezifisch zu überwachen und erforderlichenfalls ge¬ eignet einzugreifen.
Die Impedanz kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass an den Eingang des Resonators ein Hochfrequenzsignal ge¬ ringer Leistung angelegt wird, dessen Stärke gerade so ge¬ wählt wird, dass sich zwar kein elektrischer Überschlag an den Elektroden ausbildet und kein Plasma aufrecht erhalten werden kann, dass aber dennoch eine Messung der Hochfrequenzspannung und des Hochfrequenzstroms möglich ist, aus denen dann die Impedanz des entzündeten Gemisches berechnet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Impedanz besteht darin, die Güte des Resonators zu bestimmen und anschließend aus der Güte des Resonators auf die Impedanz zu schließen. Befindet sich nämlich zwischen den Elektroden an der Spitze des Resonators ein isolierendes Gas, so wird seine Güte nur durch Verluste bestimmt, die innerhalb des Resonators auftre¬ ten. Wird an den Resonator eine sich zeitlich ändernden Hochfrequenz angelegt und die Hochfrequenzspannung und der Hochfrequenzstrom bei mehreren Frequenzen gemessen so kann die Güte des Resonators aus einer Phasenverschiebung der Hochfre- quenzspannung und des Hochfrequenzstroms bestimmt werden. Aus der Güte ergibt sich dann die Impedanz.
Eine weitere Möglichkeit die Impedanz zu bestimmen besteht darin, an den Eingang des Resonators eine Gleichspannung an- zulegen. Mit einer Gleichstrommessung des Ionenstroms kann der sich ausbildende Widerstand zwischen den Elektroden gemessen werden, aus der sich dann die Impedanz ergibt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Überwa- chung des Zündvorganges bei einer Brennkraftmaschine vorge¬ schlagen. Die Brennkraftmaschine weist eine Motorsteuerung und mehrere Zylinder auf. Die Zündung erfolgt in den Zylindern jeweils mit einer Hochfrequenzzündeinrichtung, die mit einer Außenelektrode, einer Innenelektrode und einem Resona- tor versehen ist. Die Hochfrequenzzündeinrichtung ist mit der Motorsteuerung zur Übertragung von Impedanzdaten der Hochfrequenzzündeinrichtung an die Motorsteuerung verbunden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Temperatur- und Druckanstieg nach einer erfolgreichen Entflammung registriert werden. Zündaussetzer können leicht erkannt und erforderliche Maßnahmen, wie eine Nachzündung oder eine Abgasnachbearbeitung, eingeleitet wer¬ den. Damit ist es möglich, den Brennvorgang in situ und zy¬ linderindividuell zu analysieren und im Bedarfsfall auch in den Zündvorgang einzugreifen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Er¬ findung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren zugehörige Beschreibungsteile.
Es zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine
Fig. 2 ein Beispiel für eine Hochfrequenzzündeinrichtung
Fig. 3 schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens
Fig. 4 schematisch ein erstes Verfahren zur Ermittlung der Impedanz
Fig. 5 schematisch ein zweites Verfahren zur Ermittlung der Impedanz
Fig. 6 schematisch ein drittes Verfahren zur Ermittlung der Impedanz
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 10 mit ein¬ zelnen Zylindern 12, 14, 16, 18 und zugehörigen Einspritzven- tilen 20, 22, 24, 26 dargestellt. In einem Abgaskanal 28 ist eine Abgassonde (Lambda-Sonde) 30 vorgesehen, deren elektri¬ sches Ausgangssignal vom Sauerstoffanteil der Abgase abhängt, so dass darüber beispielsweise auf das eingespritzte Kraft-
stoff-Luft-Gemisch rückgeschlossen werden kann. Zur Steuerung ist eine Motorsteuerung 32 vorgesehen. Die Motorsteuerung 32 empfängt auch die Signale anderer im Motor vorgesehener Signalgeber, wie etwa die der Lambda-Sonde 30. Die Funktionswei- se und der Aufbau der Motorsteuerung 32 sind an sich bereits bekannt. Unter anderem dient sie zur Zumessung des Kraft¬ stoff-Luft-Gemisches zu den Zylindern 12 - 18 und zur Steue¬ rung des Zündzeitpunktes.
In Fig. 2 ist eine Hochfrequenzzündeinrichtung 34 mit einem Resonator 36, einer Spannungselektrode 38 und einer Gegen¬ spannungselektrode 40 gezeigt. Die Gegenelektrode ist mit ei¬ ner Masse 42 verbunden und über eine Isolierung 44 von der Spannungselektrode 38 getrennt. Die Hochfrequenzspannung (HF- Spannung) wird von einem HF-Generator 46 bereitgestellt. Bei der HF-Plasmazündung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 48 mit einem Hochfrequenzplasma 50 gezündet, das sich zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegenelektro¬ de 40 ausbildet und einige Millimeter in den Brennraum 48 hineinreicht. Nachdem das Gemisch gezündet hat, bewegt sich eine Flammenfront durch den Brennraum 48, die ionisiertes Gas enthält. Dieses ionisierte Gas besitzt eine bestimmte Impe¬ danz, die unter anderem vom Gasdruck, der Gastemperatur und der Gaszusammensetzung abhängt.
Grundsätzlich lässt sich bei Kenntnis der zeitabhängigen Wechselspannung u(t) und des zeitabhängigen Wechselstroms i(t) die Impedanz Z als komplexer Wechselstromwiderstand Z =
Kt) berechnen. Somit ist es möglich, mit der ermittelten Impedanz Aussagen über den Zustand des ionisierten Gases zwischen den benutzten Elektroden zu treffen. Dabei kann eine Temperaturänderung ebenso ermittelt werden, wie eine Druckänderung. Aus diesen Daten kann auf eine erfolgte oder nicht erfolgte Ent¬ flammung rückgeschlossen werden. Wird an einem Zylinder ein Zündaussetzer detektiert, so können von der Motorsteuerung 32 geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, um diesen zylinderindividuell zu kompensieren. Beispielsweise kann eine Korrektur
durch einen leicht verspäteten zweiten Zündvorgang vorgenommen werden, was zu einer Minimierung der Zündenergie beiträgt. Ebenso ist es möglich, eine geeignete Abgasnachbehand¬ lung, wie eine Nachverbrennung zu initiieren.
Mit der Ermittlung der Impedanz zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegenelektrode 40 nach dem Ausschalten des HF-Plasmas, d.h. nach dem Abschalten der Hochfrequenzspannung, kann somit eine Kontrolle des Brennvorganges individu- eil in jedem Zylinder erfolgen, wobei auch der zeitliche Verlauf des Brennvorganges analysiert und die Plasmadauer und Plasmaleistung für den nächsten Zündvorgang angepasst werden können. Damit wird auch die Belastung der Elektroden 38, 40 reduziert, da die Plasmadauer und die Plasmaenergie auf das tatsächlich erforderliche Maß reduziert werden können.
Jede Hochfrequenzzündeinrichtung 34 ist mit der Motorsteuerung 32 zur Übertragung der Impedanzdaten bzw. der Daten, mit denen auf die Impedanz geschlossen werden kann, verbunden. So erhält die Motorsteuerung 32 Daten aus den einzelnen Zylindern 12, 14, 16, 18, ohne dass es erforderlich wäre, zusätzliche Sensoren vorzusehen.
Fig. 3 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei startet das Verfahren im Schritt 52 mit der Plasmazündung, bei der das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 48 gezündet wird. Nach erfolgter Zündung wird im Schritt 54 das HF-Plasma abgeschaltet. Anschließend kann die Impedanz zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegenelektrode 40 ermittelt werden, die durch die Eigenschaften des dort vorliegenden ionisierten Gases bestimmt ist. Sobald in der Mo¬ torsteuerung 32 die Werte der Impedanz vorliegen, kann auf den Zustand des gezündeten Gemisches 58 und damit auf den Brennvorgang zylinderindividuell geschlossen werden.
In den Fig. 4 bis 6 sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Ermittlung der Impedanz schematisch dargestellt. Dabei zeigt Fig. 4 eine erste Möglichkeit, bei der im Startpunkt 60 davon
ausgegangen wird, dass am HF-Generator 46 ein konstante Frequenz /0 und eine Konstante Leistung P0 anliegt. Die Konstan¬ te Leistung P0 ist dabei so gering gewählt, dass kein elekt¬ rischer Überschlag zwischen den Elektroden 38 und 40 erfolgt und auch kein Plasma aufrecht erhalten werden kann. Allerdings wird die Leistung P0 auch gerade so groß gewählt, dass im Schritt 62 eine Messung des HF-Stromes i(t) und der HF- Spannung u(t) erfolgen kann, so dass aus diesen Werten im u(t) Schritt 64 dann die Impedanz über Z = berechnet werden
Kt) kann, die zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegen¬ elektrode 40 anliegt.
Fig. 5 zeigt schematisch eine zweite Möglichkeit, die Impe¬ danz zu ermitteln, wobei die Ermittlung auf Basis der Bestim- mung der Güte des Resonators erfolgt. Befindet sich zwischen den Elektroden 38 und 40 an der Spitze des Resonators ein i- solierendes Gas, so wird seine Güte nur durch die Verluste innerhalb des Resonators bestimmt. Eine zusätzliche Impedanz zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegenelektrode 40 erhöht die Verluste im Resonator, so dass dessen Gesamtgüte mit Last sinkt. Zur Bestimmung der Güte wird nun im Start¬ punkt 66 über den HF-Generator 46 ein HF-Signal angelegt, dessen Frequenz /var(t) sich mit der Zeit ändert. Die Frequenz wird dabei so gewählt, dass die Mittenfrequenz fmιt die Reso- nanzfrequenz des Resonators 36 ist. Die Leistung P0 wird al¬ lerdings konstant gehalten. Im Schritt 68 werden dann bei mehreren Frequenzen die HF-Spannung und der HF-Strom bestimmt. Anschließend wird im Schritt 70 die Güte des Resona¬ tors aus der Phasenverschiebung der HF-Spannung und des HF- Stroms bestimmt, aus der dann die gesuchte Impedanz berechnet werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln der Impedanz ist sche¬ matisch in Fig. 6 dargestellt, wobei die Impedanz dadurch er- mittelt wird, dass eine Gleichspannung an den Eingang des Re¬ sonators 36 angelegt wird. Das Messprinzip beruht dabei dar¬ auf, dass der Innenleiter des Resonators 36 gleichspannungs-
mäßig mit der Spannungselektrode 38 verbunden ist. Damit kann mit einer Gleichstrommessung der Ionenstrom gemessen werden, der zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegenelektrode 40 fließt. Aus diesem lässt sich dann der Plasmawiderstand zwischen den Elektroden 38 und 40 und damit die gesuchte Im¬ pedanz bestimmen. Im Startpunkt 72 wird eine Hochfrequenz zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Plasmas angelegt. Es wird ein Ladekondensator vorgesehen, der im Schritt 74 während der Aufrechterhaltung des Hochfrequenzplasmas aufgeladen wird. Nach Abschaltung des Hochfrequenzplasmas dient der La¬ dekondensator dann als Spannungsquelle für die Messung des Ionenstroms zwischen der Spannungselektrode 38 und der Gegen¬ elektrode 40, wobei im Schritt 76 der Ladekondensator einge¬ koppelt wird. Die eigentliche Ionenstrommessung erfolgt dann im Schritt 78. Mit den aus der Ionenstrommessung gewonnenen Werten kann dann der sich ausbildende Widerstand des Plasmas und somit die Impedanz bestimmt werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass Störspannungen, die über eine Spannungsquelle eingekoppelt werden könnten, von der Ionenstrom- Messschaltung fern gehalten werden und damit das Messergebnis nicht verfälschen können.
Die beschriebenen Verfahren zeigen, dass es erfindungsgemäß also möglich ist, die Impedanz ohne zusätzliche Sensoren zy- linderindividuell zu ermitteln und aus den gewonnenen Daten der Impedanz Rückschlüsse auf die Verhältnisse bei der Zün¬ dung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu ziehen. Damit ist eine zylinderindividuelle Analyse und Kontrolle des Zündvorganges möglich. Mit der Integration dieser gewonnen Daten in die Mo- torsteuerung wird ein erheblicher Beitrag zur Verbesserung der Steuerung der Brennkraftmaschine geleistet. Insbesondere kann durch eine Verbesserung der Einstellung der Werte für die Plasmabrenndauer und die Plasmaenergie die Belastung der Elektroden vermindert und damit deren Lebensdauer erhöht wer- den.