DE19838223C2 - Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Verbrennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine gemäß ausgewählten Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Es ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt (EP 19 02 06 B1), bei dem eine Ionenstrommessung bei einem Dieselmotor mit einer Gleichspannung erfolgen soll. Dazu wird eine modifi­ zierte Glühstiftkerze in den Brennraum des Zylinders einge­ führt, in dem eine Ionenstrommessung erfolgen soll. Die modifi­ zierte Glühstiftkerze weist auf ihrer in den Brennraum hinein­ ragenden Kuppe eine elektrisch leitfähige Schicht auf, an die sich eine elektrische Leiterbahn anschließt, die in einem Au­ ßenanschluß zur elektrischen Kontaktierung endet. Die Ionen­ strommessung erfolgt, indem die Kuppe der Glühstiftkerze gegen­ über dem Massepotential der Brennraumwand auf ein Gleichspan­ nungspotential von 250 V gelegt wird. Die Kuppe der Glühstift­ kerze bildet also die eine Elektrode, während die auf Massepo­ tential liegende Brennraumwand die andere Elektrode bildet.

Dem gegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung des Ionenanteiles nach einem Ver­ brennungsvorgang in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine vorzuschlagen, mit dem die Ionenstrommessung einer selbstzün­ denden Brennkraftmaschine verbessert werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, wonach sich im inneren wenigstens eines Zylin­ ders zwei Elektroden befinden, an die eine elektrische Spannung anlegbar ist. Die angelegte Spannung hat einen Wechselspan­ nungsanteil. Als Meßsignal wird die Spannung über einem Meßwi­ derstand ausgewertet. Ein Ionenstromsignal wird gewonnen, indem die Spannung über dem Meßwiderstand einer Tiefpassfilterung un­ terzogen wird.

Aus der älteren Patentanmeldung 197 20 532.1, die als DE 197 20 532 A1 nach­ veröffentlich wurde, ist es bekannt, bei einem Ottomotor eine Ionenstrommessung über die Zündkerze als Meßsonde zu realisie­ ren, indem diese Zündkerze mit einer Wechselspannung beauf­ schlagt 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 Neben­ schlußwiderstand zwischen den Elektroden der Zündkerzen 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 liegen kann wie der auszuwertende Ionenstrom.

Gemäß der ebenfalls älteren Patentanmeldung 198 28 595.7, nachveröffentlicht als Druckschrift DE 198 28 595 A1, ist es bekannt, einen Ionenstrom zwischen einem Heizstab einer Glühkerze und der Brennraumoberfläche einer Dieselmaschine aus­ zubilden und diesen als Maß für die Verbrennungsvorgänge auszu­ werten. Am Heizstab der Glühkerze liegt eine hochfrequenze Wechselspannung an. Zur Auswertung der Meßsignale dient eine Demodulator-, Komparator-, und Auswerteschaltung. Die Auswer­ teschaltung liefert an ihrem Ausgang ein Signal, welches für die Parameter der Verbrennungsvorgänge im Brennraum der Maschi­ ne repräsentativ, insbesondere brennraumdruckproportional, ist. Die elektronische Demodulator-, Komparator-, und Auswerte­ schaltung vergleicht das vom Hochfrequenzgenerator eingespeiste Hochfrequenzsignal mit dem daraufhin von dem Heizstab kommenden Ionenstrom modulierten Signal hinsichtlich Amplitude und Phase und erzeugt über eine differenzierte Auswertung ein brennraum­ druckproportionales Ausgangssignal am Ausgang. Weiterhin folgt eine Differenzierung der Ausgangssignale nach der Zeit. Eine erfindungsgemäße Tiefpassfilterung ist der vorgenannten Druck­ schrift nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Feld­ stärke bezüglich 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 positi­ ven 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 ohm­ scher Widerstand gebildet, durch den das Meßsignal nicht modu­ liert wird. Das Ionenstromsignal wird gewonnen, indem die Span­ nung über dem Meßwiderstand einer Tiefpaßfilterung unterzogen wird. Es hat sich gezeigt, dass sich aufgrund der Modulation des Meßsignales, die durch den Ionenstrom bedingt ist, eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte im auszuwertenden Ionensi­ gnal bei niedrigeren Frequenzen einstellt. Durch die Tiefpaß­ filterung des Meßsignales kann dieser Signalanteil ausgewertet werden.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufga­ be ist dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren der selbst­ zündenden Brennkraftmaschine wenigsten eines Zylinders zwei Elektroden befinden, an die eine elektrische Spannung anlegbar ist. Die Spannung hat einen Wechselspannungsanteil. Ein Ionen­ stromsignal wird dadurch gewonnen, dass der Ionenanteil aus ei­ ner Auswertung der gemessenen Kapazität zwischen den Elektroden gewonnen wird. Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine Änderung der Dielektrizität zwischen den Elek­ troden aus der Ionendichte ergibt. Aus einer Messung der Kapazität kann also auf Dielektrizität geschlossen werden. Aus der Dielektrizität kann wiederum die Ionendichte abgeleitet werden.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufga­ be ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung über einen Bandpaß verfügt, der ein Signal mit Frequenzen passieren läßt, und das Signal nach der Bandpaßfilterung zur Ermittlung der Verrußung der Glühkerze verwendet wird. Der Bandpaß läßt insbesondere Frequenzen um die Frequenz der angelegten Wech­ selspannung passieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Ver­ rußung repräsentierende Anteile des Signales zu isolieren, wo­ durch eine Analyse des Verrußungszustandes ermöglicht ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird während des Fahr­ betriebes in Abhängigkeit von dem durch den Bandpaß gefilterten Signalanteil die Glühkerze erhitzt, um bei Bedarf die Glühkerze freizubrennen. Erfindungsgemäß ist somit die Erkennung eines Verrußungszustandes ermöglicht. Mit dem Erkennen eines derarti­ gen Zustandes kann durch Erhitzung der Glühkerze ein Ursprungs­ zustand oder ein verbesserter Zustand wiederhergestellt werden.

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.

Fig. 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.

Fig. 2 zeigt die Gesamtanordnung mit einer Glühkerze 1 als Sonde. Es ist wiederum die in Fig. 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.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Gesamtanordnung nach Fig. 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.

Es ist in dem Ersatzschaltbild der Fig. 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.

Bei der Zündkerze eines Ottomotors wird diese Verrußung im laufenden Betrieb durch die Funkenüberschläge zischen 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.

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.

Fig. 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.

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

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.

Vorteilhaft zeigt sich weiterhin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gleichzeitiges Glühen und Messen des Ionenstromes möglich ist.

Claims (5)

1. 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, wobei die Spannung einen Wechselspannungsanteil hat, als Meßsignal die Spannung über einem Meßwiderstand (703) ausgewertet wird und ein Ionenstromsignal gewonnen wird, indem die Spannung über dem Meßwiderstand (703) einer Tiefpaßfilterung (701) unterzogen wird.

2. 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, wobei die Spannung einen Wechselspannungsanteil hat und ein Ionenstromsignal gewonnen wird, indem der Ionenanteil aus einer Auswertung der gemessenen Kapazität zwischen den Elektroden (3, 6) gewonnen wird.

3. Verfahren zur Bestimmung einer Verrußung 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, wobei die Spannung einen Wechselspannungsanteil hat, die Auswerteschaltung (7) über einen Bandpaß (702) verfügt, der ein Signal mit Frequenzen passieren läßt, und das vorgenannte Signal zur Ermittlung der Verrußung der Glühkerze verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Fahrbetriebes in Abhängigkeit von dem durch den Bandpaß gefilterten Signalanteil die Glühkerze erhitzt wird, um bei Bedarf die Glühkerze freizubrennen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung eine Wechselspannung ist.