DE3519028C2 - Einrichtung zum Erfassen von klopfenden Verbrennungsvorgängen bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Druck­ schwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit so­ genannten Ionenstromsonden zu erfassen. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß während einer Verbrennung von Kohlenwasserstoffen elektrisch geladene Moleküle und Atome, d. h. Ionen sowie freie Elektronen, entstehen. Wird nun an eine im Brennraum befindliche Anordnung mit zwei Elektroden eine Meßspannung angelegt, so fließt ein Ionen­ strom, der von der Ionenkonzentration abhängig ist. Dieser Ionenstrom wird erfaßt und ist ein Maß für den im Brenn­ raum ablaufenden Verbrennungsvorgang. Es ist bekannt, das Ionenstromsignal zum Erkennen des Klopfens in Brennkraft­ maschinen heranzuziehen. Dazu sind aber komplizierte Aus­ werteschaltungen notwendig. Unter Klopfen versteht man druckwellenförmig auftretende Schwingungen des Gasgemisches im Brennraum einer Brennkraftmaschine während der Verbren­ nung, hervorgerufen durch beschleunigte chemische Reaktion des zum Zeitpunkt des Einsetzens des Klopfens noch unver­ brannten Luft/Kraftstoff-Gemisches im Endgasbereich. Da mit dem Klopfen in der Regel eine starke thermische Belastung der Brennrauminnenseite einhergeht, bei der Materialabtra­ gungen auftreten können, ist man bestrebt, das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden. Es kann bei längerem Auftreten zu einer Zerstörung der Brennkraftmaschine führen. Deshalb muß das Klopfen der Brennkraftmaschine möglichst frühzeitig und sicher erkannt werden.

Bei der Meßeinrichtung nach der DE 29 32 193 A1 wird nach dem Prin­ zip der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit bei klopfender bzw. nichtklopfender Verbrennung bei Brennkraftmaschinen gearbeitet. Bei der Ausbildung nach dieser Schrift sind die Ionenstromsonden ne­ beneinander direkt im Brennraum angeordnet. Dadurch kann zwar Klopfen bzw. Nichtklopfen erfaßt werden. Wegen der bei der Ver­ brennung auftretenden Turbulenzen kann aber auch bei nichtklopfender Verbrennung ein "Klopfen"-Signal ausgelöst werden, da die direkt ne­ beneinanderliegenden Ionenstromsonden gleichzeitig die durch Turbu­ lenzen aufgewirbelte Flammenfront erfassen können. Eine zweifels­ freie Messung des Klopfzeitpunktes und des Klopfens ist dadurch nicht möglich.

Konstantspannungsquellen für Ionenstromsonden sind aus der DE 30 06 665 A1 bekannt. Mit Hilfe der dort vorgenommenen Ionen­ strommessung am Verbrennungsmotor können zwar Schlüsse auf Druck­ schwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wer­ den, es wird aber hierzu nur eine Ionenstromsonde verwendet. Gemäß der Offenbarung der DE 28 02 202 A1 ist eine Ionenstromsonde in einem Totraum angeordnet. Hierbei wird im wesentlichen nur die Druckschwankungsänderung als pulsierender Ionenstrom erfaßt. Hierzu ist die Geometrie des Totraums auf die Frequenz der zu messenden Druckschwankungen abgestimmt. Auch hier wird keine Laufzeitmessung für die Flammenfront in der Brennkraftmaschine ausgewertet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzu­ geben, die eine sichere und wirkungsvolle Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Flammenausbreitung in der Brennkammer von Brennkraft­ maschinen bei klopfender Verbrennung gestattet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptan­ spruchs.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebe­ nen Einrichtung möglich.

So können z.B. nach dem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel nach Anspruch 6 die wesentlichen Gegebenheiten der Zündanlage und des Brennraums einer Brenn­ kraftmaschine in der heute üblichen Form belassen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Brenn­ raum mit angebauter Doppelionenstromsonde,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Doppelionenstromsonde,

Fig. 3 den zeit­ lichen Verlauf des Ionenstroms bei nicht klopfender Verbren­ nung,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Ionenstroms bei klopfender Verbrennung und

Fig. 5 und 6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2.

In der Fig. 1 ist der Brennraum 10 im Zylinderblock 11 ei­ ner Brennkraftmaschine dargestellt. In dessen Wandung 12 ist eine Bohrung 13 ausgebildet, die eine Ausnehmung 14 des Zy­ linderblocks 11 mit dem Brennraum 10 verbindet. Die Bohrung 13 befindet sich im sogenannten Endgasbereich 16 einer durch eine Zündstelle 17 hervorgerufenen Verbrennung, deren Flam­ menfront mit 18 bezeichnet ist. Der Endgasbereich 16 ist ex­ perimentell festzustellen. Es ist der Bereich, in dem bei klopfender Verbrennung Materialabtrag an der Wandung 12 auf­ tritt.

In der Ausnehmung 14 ist eine sogenannte Doppelionenstrom­ sonde 19 angeordnet, deren Aufbau in Fig. 2 näher darge­ stellt ist. In einem einschraubbaren oder -steckbaren Ge­ häuse 21 sind zwei Längsbohrungen 22, 23 ausgebildet, in denen sich zwei herkömmlich bekannte Ionenstromsonden befinden. Die dem Brennraum 10 zugewandten Spitzen bzw. Meßelektroden 24, 25 die­ ser Ionenstromsonden sind in einem axialen Abstand L zueinander verschoben angeordnet. Es können auch Ionenstrom­ sonden unterschiedlicher Empfindlichkeit verwendet werden. Selbstverständlich sind für eine einfache Messung zwei etwa gleich empfindliche Ionenstromsonden zu verwenden. Beide Meßelektroden 24, 25 bilden je einen positiven Pol. Dieser steht jeweils in Wirkverbindung mit der als negativer Pol ausgebildeten Wandung 12. Selbstver­ ständlich sind auch Ionenstromsonden verwendbar - wie später in Fig. 5 dargestellt -, die einen positiven und negativen Pol aufweisen. An beiden Ionenstromsonden liegt jeweils zwischen dem positiven und dem negativen Pol eine gleichgroße, konstante Spannung an.

Dem Meßprinzip und somit der Wirkungsweise der beiden Ionen­ stromsonden liegt die unterschiedliche Flammengeschwin­ digkeit im Endgasbereich 16 bei klopfender und bei nicht klop­ fender Verbrennung zugrunde. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, setzt bei einer nicht klopfenden Verbrennung der Ionenstrom 28 zwischen der Meßelektrode 24 und der Wandung 12 zu ei­ nem Zeitpunkt T1 ein. Die Flammenfront 18 wandert weiter und erreicht nach einer Zeit Δt zum Zeitpunkt T2 die Meßelektrode 25, so daß an dieser der Ionenstrom 29 fließt.

Liegt nun, wie in Fig. 4 dargestellt, eine kopfende Ver­ brennung vor, so wandert die Flammenfront 18 im Endgasbe­ reich 16 deutlich schneller als bei nicht klopfender Ver­ brennung. Wie bei nicht klopfender Verbrennung fließt an der Ionenstromsonde mit der Meßelektrode 24 wieder zu einem Zeitpunkt T1 ein Ionen­ strom 28a. Die Flammenfront 18 bewegt sich bei klopfender Verbrennung mit einer höheren Flammengeschwindigkeit, so daß an der zweiten Ionenstromsonde mit der Meßelektrode 25, zeitlich gesehen früher als bei normaler Verbrennung ein Ionenstrom 29a zu fließen einsetzt. Dabei ergeben sich Zeitunterschiede zwi­ schen nicht klopfender und klopfender Verbrennung um einen Faktor 10. Dieser Zeitunterschied ist so groß, daß er mit einer einfachen, elektronischen Auswerteschaltung erkannt wird. Für eine gute und genaue Auswertung sollten aber die von beiden Ionenstromsonden gemessenen Ionenströme 28, 29 etwa gleiche Anstiege bei Einsetzen des Ionenstroms aufweisen. Der Verlauf des Ionenstroms ist für die Unter­ scheidung nicht klopfende oder klopfende Verbrennung nicht notwendig. Werden Ionenstromsonden mit unterschiedlicher Emp­ findlichkeit verwendet, so verändert sich auch der Zeitpunkt, bei dem der Ionenstromfluß einsetzt. Dies ist dann bei der Wahl der Auswerteschaltung zu berücksichtigen. Um die beiden Verbrennungsarten unterscheiden zu können, ist in der elek­ tronischen Auswerteschaltung ein Schwellwert vorzugeben, des­ sen Überschreiten als klopfende Verbrennung erkannt wird, wo­ mit der Verbrennungsverlauf im Brennraum 10 gesteuert oder geregelt werden kann.

In Fig. 5 ist eine Abwandlung der Doppelionenstromsonde 19 dargestellt, bei der beide Ionenstromsonden 31, 32 hülsen­ förmig übereinander angeordnet sind. Dabei ist auf dem stiftförmigen positiven Pol 33 der Ionenstromsonde 31 eine Isolierschicht 34 aufgetragen, auf der ein hülsenförmiger negativer Pol 35 der Ionenstromsonde 31 angeordnet ist. Auch dieser ist wieder von einer zweiten Isolierschicht 36 umgeben. Um den axialen Abstand L verschoben ist nun die zweite Ionenstromsonde 32 direkt auf der Isolierschicht 36 angeordnet. Sie weist einen hülsenförmigen positiven Pol 37, eine Isolierschicht 38, einen hülsenartigen negativen Pol 39 und eine äußere Schutzschicht 40 auf. Diese ist noch von einem Gehäuse 41 umgeben, das so ausgebildet ist, daß die Flammenfront 18 nur in axialer Richtung auf die Ionenstrom­ sonde 31, 32 zulaufen kann. Dazu ist das Gehäuse 41 bis zur Meßspitze der Ionenstromsonde 31 vorgezogen und weist somit einen Raum 41a auf. Dieser Raum 41a ist mit Hilfe mehrerer in axialer Richtung angeordneter Bohrungen verbunden.

In Fig. 6 ist eine Abwandlung der Doppelionenstromsonde 19 dargestellt, bei der wie in Fig. 1 das Gehäuse 50 als nega­ tiver Pol ausgebildet ist. Es weist wieder eine hülsenförmige Isolierschicht 51, einen äußeren positiven Pol 52, eine zwei­ te Isolierschicht 53 und einen inneren positiven Pol 54 auf. Die beiden positiven Pole 52, 54 sind wieder mit einem axia­ len Abstand L angeordnet.

Bei allen Abwandlungen der Doppelionenstromsonde 19 ist der axiale Abstand L zwischen den einzelnen Meßelektroden bzw. Ionenstromsonden wichtig, um damit die zeitlichen Unterschiede der Flammenge­ schwindigkeit bei nicht klopfender und bei klopfender Ver­ brennung zu bestimmen. Es ist aber auch darauf zu achten, daß die Doppelionenstromsonde 19 möglichst zentral im End­ gasbereich 16 angeordnet ist, da sich nur dort drastisch unterschiedliche Flammengeschwindigkeiten bei nicht klopfen­ der bzw. klopfender Verbrennung ergeben.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Erfassen von klopfenden Verbrennungsvorgängen im Gehäuse des eine Zündstelle enthaltenden Brennraums (10) einer Brennkraftmaschine durch Aufnahme von Ionenströmen des durch die Verbrennung ionisierten Gases mit Hilfe von wenigstens zwei, je an einer konstanten elektrischen Spannung liegenden und je eine Meß­ elektrode (24, 25) aufweisenden Ionenstromsonden, bei der die Meß­ elektroden (24, 25) in unterschiedlichen Abständen zur Zündstelle und in axialer Richtung zueinander um den Abstand (L) versetzt in einer zusätzlichen Kammer (14) im Gehäuse des Brennraums (10) ange­ ordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ionenstromsonden etwa gleiche Meßempfindlichkeit aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßelektrode (25) parallel zur ersten Meßelektrode (24) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei­ den Meßelektroden (24, 25) jeweils einen positiven Pol und das Ge­ häuse des Brennraums (10) den gemeinsamen negativen Pol der beiden Ionenstromsonden bilden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ionenstromsonde (31) rohrförmig ausgebildet ist und die zweite Ionenstromsonde (32) hülsenförmig auf der ersten Ionen­ stromsonde (31) mit dem axialen Abstand (L) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Ionenstromsonden (31, 32) von einem gemeinsamen Gehäuse (41, 50) umgeben sind, das mindestens bis zur Meßspitze der ersten Ionenstromsonde (31) reicht und vor der zweiten Ionenstrom­ sonde (32) einen Raum (41a) aufweist, der mindestens die Länge des axialen Abstands (L) hat und zum Brennraum (10) hin wenigstens eine in axialer Richtung der Ionenstromsonden (31, 32) ausgebildete Öff­ nung hat.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Ionenstromsonden im Endgasbereich des Brennraums (10) angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Ionenstromsonden mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Ionenstromsonde unterschiedliche Meßempfind­ lichkeiten aufweisen und die angeschlossene Auswerteschaltung die Laufzeit der Flammenfront (18) zum Durchlaufen des Abstands (L) be­ stimmt.