Verbrennungsmotoren

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gat¬ tung des Hauptanspruchs. Es sind ^" bereits Ionenstromsonden bekannt, die zum Beispiel zur Feststellung und Regelung des Zündzeitpunktes bei Otto-Motoren (DE-OS 29 35 725) oder zur Erfassung von Druckschwankungen zur Erkennung klopfen¬ der Verbrennungen (DE-OS 28 02 802) dienen. Diese Sonden arbeiten mit hohen Feldstärken von über 1000 V/cm und sind auch aufgrund ihrer sonstigen Merkmale nicht zur Schadstoff¬ bestimmung im Brenngas geeignet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor¬ teil einer schnellen und spezifischen Erfassung einer wichtigen Schadstof komponente des Verbrennungsmotors. Es arbeitet bei Feldstärken von unter 300 V/cm, und aufgrund der hohen Emp indlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit ist das Verfahren in der Lage, einzelne Brennvorgänge au zu- ^• lösen und damit Auskunft zu geben über Brennbeginn und

Brenndauer sowie Brennablauf bzw. Brennaussetzer. Der für die. Durchführung des Verfahrens erforderliche Sensor ist eine modifizierte Glühstiftkerze, die in kleineren Diesel¬ motoren ohnehin vorhanden ist. Bei direkt einspritzenden Dieselmotoren, die keine solche Starthilfe besitzen, ist es jedoch möglich, die ^' Spritzdüse so zu modifizieren, daß damit auch Sondenfunktionen wahrgenommen werden können, so daß zusätzliche Bohrungen für spezielle Sonden nicht notwendig sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist die Erfassung des in einem Dieselmotor vor¬ handenen Rußes, die Möglichkeit der berührungslosen Dr ^' eh- zahlmessung von Verbrennungsmotoren, die Möglichkeit der Regelung des Spritzbeginns in Dieselmotoren sowie auch die Möglichkeit der Regelung der Abgasrückführung (ARF).

Durch die hohe Temperatur, wie sie bei den Verbrennungs¬ vorgängen in Verbrennungsmotoren herrschen, werden ebenso wie durch energiereiche Strahlung Gasionen gebildet, die hocherhitzten Gasen eine elektrische Leitfähigkeit ver¬ leihen, die der Ladungsträgerdichte direkt proportional ist. Welche Art Ladungsträger dabei entstehen, hängt ent¬ scheidend von der Temperatur und von den Ionisierungspo¬ tentialen der vorhandenen Moleküle ab. Bei entsprechender Lage von Temperatur und Ionisierungspotentialen ist es grundsätzlich möglich, bestimmte Gasbestandteile über die Leitfähigkeit des ionisierten Gases nachzuweisen. Vor¬ aussetzung dafür ist, daß vornehmlich ein Bestandteil des Gemisches in ionisierter Form vorliegt und zur elektrischen Leitf higkeit des Plasmas beiträgt. Die Leitfähigkeit muß danach. in eindeutiger Weise von der Konzentration der be¬ treffenden Gasionen bzw. - oleküle abhängen und nach Eichung quantitative Aussagen darüber gestatten.

Im Falle der thermischen Ionisation ist der Ionisations¬ grad der Komponenten in Abhängigkeit von Temperatur, Teil¬ chendichte und Ionisierungsenergie berechenbar. Danach werden insbesondere für den Ruß aufgrund seiner relativ niedrigen Ionisierungsenergie hohe Ionisierungsgrade unter Bedingungen, wie sie in einem Dieselmotor herrschen, er¬ halten, so daß über die Leitfähigkeit des Brenngases eine Erfassung des Rußes möglich ist. Das folgt einerseits aus den Ionisierungspotentialen der wichtigsten Brenngasbestand¬ teile des Dieselmotors, wie sie in der Tabelle "Ionisierungs¬ potentiale anorganischer und organischer Moleküle" unter "Anorganische Moleküle" angeführt sind. Andererseits läßt sich aus der Tatsache, daß bei aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen die Ionisierungsenergie mit zunehmender Molekülgröße abnimmt, wie in der Tabelle unter "Organische Moleküle" ablesbar ist, und man sich Ruß im Prinzip als ein fortgeschrittenes Glied einer aromatischen Kondensations¬ reihe vorstellen kann, wofür auch der Gehalt an Wasserstoff spricht, eine Ionisierungsenergie abschätzen, die um 2 bis 3 eV unter der des Anthrazens von 7,23 eV liegen sollte, ob¬ wohl genauere Werte, wohl we.gen der Unterschiede im Kon¬ densationsgrad und in der genauen Zusammensetzung des Rußes, nicht bekannt sind. Es läßt sich jedoch zeigen, daß selbst mit dem höheren Schätzwert der Ionisierungsenergie von 5 eV und unter Berücksichtigung der Konzentrationsverhält- nisse sich noch ein für die Rußerfassung ausreichender Po¬ ten ialabstand zu der nächsten leicht ionisierenden Kom¬ ponente NO ergibt.

Auch bei günstiger Lage der Ionisierungsenergien ist ein quantitativer Ko ponenten-Hachweis aber nur möglich, wenn eine geeignete Meßspannung verwendet wird, daß heißt, daß die Spannung im Sättigungsstromgebiet für die unselbständige Gasentladung liegen muß, 'um eine spannungsbedingte Ionisa¬ tion mit lawinenartiger Vermehrung der Ladungsträger zu ver-

- 3a -

Tabelle

Ionisierungspotentiale anorganischer und organischer Moleküle

Anorganische Moleküle eV

^H 2 H _≥ ⁺ + e 15,-4

°2 Sauerstoff 12,2

Stickstoff 16,8 2

H ₂ 0 Wasser 12,59 co Kohlenmonoxid 1-4,30 co ₂ Kohlendioxid 13,79

NO Stickstoffmonoxid 9,5

N0 ₂ S ickstoffdioxid 11 ,0

Organische Moleküle

Para fine

CH Methan 12,98

^C 2 ^H 6 Äthan 11,65

Butan

^C U ^H 10 10,63

^C 10 ^H 22 Decan 10,19

Aromaten

^Q βH Benzol 9,25

^C 10 ^H 8 Naphthalin 8,12

^C l ^H 1 o Anthracen 7,23

- h -

meiden, die- zur Folge hätte, daß die elektrische Leitfähig¬ keit des Plasmas nicht mehr allein von der thermischen Ionisation einer Komponente abhängt. Ionenstrommessungen sind zwar auch dann noch möglich, sie gestatten aber nur die bislang üblichen qualitativen Aussagen über den Brenn¬ ablauf, wie die Feststellung des Zündzeitpunktes, ob Brenn¬ aussetzer auftreten oder eine klopfende Verbrennung vor¬ liegt.

Ein Problem stellen bei allen Messungen im Motor die erheb¬ lichen- Temperatur- und Konzentrationsunterschiede dar, die in räumlicher und zeitlicher Hinsicht so ausgemittelt werden müssen, daß für den jeweiligen Arbeitsvorgang repräsentative Mittelwerte erhalten werden. Das geschieht durch Verwendung eines großen Meßvolumens und durch Integration, der Strom¬ bzw. Spannungsverläufe. Dabei läßt sich die Meßempfindlich¬ keit verbessern, wenn den stark unterschiedlichen Driftge¬ schwindigkeiten von positiven Gasionen, Gegenionen und Elektronen dadurch Rechnung getragen wird, daß zur Entla¬ dung der langsamen positiven Gasionen eine größere negative Elektrode eingesetzt wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 den Schnitt durch eine Wirbel¬ kammer eines Dieselmotors und Figur 2 eine graphische Dar¬ stellung, in der die mittlere Strommenge pro Einzelsignal (Brennvorgang) gegen die Rußkonzentration bei verschiedenen Drehzahlen aufgetragen ist. Figur 3 schließlich zeigt als Beispiel eihe oszillographische Aufnahme der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bei einem Dieselmotor bei Vollast, einer Drehzahl von 2000 Upm und einem Rußgehalt von 0,31 mg/1.

- 5 -

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist im Schnitt die Wirbelkammer 1 eines Diesel¬ motors mit der Einspritzdüse 2, dem Schußkanal zur Haupt¬ verbrennungskammer 3 sowie die Hauptverbrennungskammer dargestellt. In ^' die Wirbelkammer 1 ragt z. B. eine keramische Glühstiftkerze 5 hinein, die an ihrer Kuppe eine elektrisch leitfähige Schicht 6 aus Platin trägt, an die sich eine elektrische Leiterbahn 7 zur Kontaktierung der leitfähigen Schicht 6 anschließt. Zwischen der elektrisch leitfähigen Kuppe 6 und der Wandung der Wirbelkammer 1 liegt eine Gleichspannung von 250 V an. In dem Stromkreis zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit liegt ein Meßwiderstand von 10 k-ß. , so daß das Signal für die elektrische Leit¬ fähigkeit als Spannungsabfall an diesem Meßwiderstand er¬ halten und ausgewertet wird. Eine zusätzliche Verstärker¬ schaltung ermöglicht eine Integration der Signale, so daß gleichzeitig damit die Strommenge in Abhängigkeit von der Zeit bzw. von der Signalzahl registriert werden konnte. Erfolgt die Auswertung oszillographisch (Fig. 3), so ist eine eindeutige Korrelation zwischen den elektrischen Signa¬ len und den Rußgehalten des Abgases erkennbar und es zeigt sich, daß diese Meßvorrichtung sehr schnell und trägheitslos auf die mit Rußentwicklung verbundenen Vorgänge im Brenn¬ raum anspricht. Wie aus Figur 2 hervorgeht, wird die Be¬ ziehung auch in quantitativer Hinsicht gut erfüllt, wenn nach elektronischer Integration der Signale die mittlere Strommenge pro Einzelsignal gegen die Rußkonzentration aufgetragen wird. Man sieht, daß die Werte für 2000, 3000 und 1+000 Umdrehungen pro Minute kaum voneinander abweichen.

Wie die oszillographischen Aufnahmen zeigen (Fig. 3), ist das Verfahren aufgrund seiner trägheitslosen Arbeitsweise und hohen Empfindlichkeit imstande, einzelne Brennvorgänge aufzulösen und damit anhand der Rußentwicklung im Brennraum Auskunft zu geben über den Brennablauf. Daraus folgt u. a.

- 6 -

die Möglichkeit, den Verbrennungsschwerpunkt als den Zeit¬ punkt maximaler Rußentwicklung, der mit der maximalen Lichtemission übereinstimmt, festzustellen und mit Hilfe einer Spritzbeginn-Regelung (Spritzversteller) auf bestimm¬ te Zeitpunkte bzw. ° KW (Kurbelwinkel) zu legen, z. B. 10° KW nach oberem Zündtotpunkt (oT) als einer optimalen Einstellung. Der Verbrennungsschwerpunkt kann aber auch je nach Umständen oder Erfordernissen so verändert werden, daß dadurch das Motorverhalten in bestimmten Betriebszu- ständen, wie z. B. Warmlauf, Hochlauf oder Schiebebetrieb, verbessert wird, gewisse Emissionen, wie Geräusch, Schadstoffe (HC, NO , Ruß) gezielt verringert oder der spezifische Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Zweck¬ mäßigerweise wird für die Regelauf aben ein aus allen Zylindern gemitteltes Signal verwendet, um die motorbe¬ dingten Brennunregelmäßigkeiten auszugleichen.

Ein weiterer verfahrensmäßiger Vorteil ist, daß aus den leicht zu verarbeitenden elektrischen Signalen die Dreh¬ zahl des Motors ermittelt werden kann und alle genannten Meßfunktionen bei Verwendung modi izierter Glühstiftkerzen ohne großen Mehraufwand mit der Startfunktion kombinierbar sind.

Schließlich läßt sich mit dem angegebenen Verfahren auch die Abgasrückführung regeln, die als wirksame Maßnahme zur Begrenzung der NO -Emission gilt und für die heute ein Luftmengenmesser benötigt wird. Viel vorteilha ter als diese indirekte Methode, bei der aus der angesaugten Luftmenge auf die für die ARF-Rate maßgebende C0- bzw. Rußkonzentration geschlossen wird, wäre die direkte Messung einer der beiden Komponenten. Mit dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren steht jetzt ein direktes und kontinuier¬ liches Meßverfahren zur Verfügung, mit dem Ruß schnell und empfindlich bereits im Motor nachgewiesen werden kann und

- 7 -

das damit für eine Regelung der ARF-Rate geeignet ist. Im Vergleich zur Luftmengenmessung hat das erfindungs¬ gemäße Verfahren den Vorteil, daß es sich unmittelbar an einer Schadstoff omponente orientiert.

Aufgrund der multifunktionellen Eigenschaften des ver¬ wendeten Sensors sind alle Voraussetzungen für eine um¬ fassende Optimierung des Dieselmotors hinsichtlich Schad¬ stoffausstoß, Geräuschentwicklung und spezifischem Kraft¬ stoffverbrauch erfüllt.