Advanced

Characterization of an Electrical Sensor for Combustion Diagnostics

Franke, Axel LU (2002) In Lund reports on combustion physics 80.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Joniseringssensorn är en elektrisk sensor för diagnostik i förbränningsmotorer. Sensorn används idag för att till exempel detektera knack. Sensorn bygger på att energifrigörelsen i motorn leder till jonisering av olika ämnen, vilket betyder att gasens lednigsförmåga ökar. Detta kan mätas genom att lägga en spänning över tändstiftsgapet under förbränningen och registrera strömmen. Denna ström innehåller mycket information om förbränningsprocessen. För att kunna ta vara på en större del av denna information behövs det en ökad förståelse för vilka processer som är viktiga, och hur dessa processer växelverkar med varandra i denna speciella miljön.



Syftet med denna avhandling är att... (More)
Popular Abstract in Swedish

Joniseringssensorn är en elektrisk sensor för diagnostik i förbränningsmotorer. Sensorn används idag för att till exempel detektera knack. Sensorn bygger på att energifrigörelsen i motorn leder till jonisering av olika ämnen, vilket betyder att gasens lednigsförmåga ökar. Detta kan mätas genom att lägga en spänning över tändstiftsgapet under förbränningen och registrera strömmen. Denna ström innehåller mycket information om förbränningsprocessen. För att kunna ta vara på en större del av denna information behövs det en ökad förståelse för vilka processer som är viktiga, och hur dessa processer växelverkar med varandra i denna speciella miljön.



Syftet med denna avhandling är att bidra med nya kunskaper om dessa processer och deras betydelse för sensorn. För att karakterisera sensorn har det används optisk diagnostik, jämnviktsberäkningar och en enkel beräkningsmodell.



Kontakten mellan flamfronten och katoden visade sig vara mycket viktigt för strömmen under den tidiga flamutbredningen, liksom blandningsförhållandet i dem delarna av gasen där flamman befinner sig när den har bra kontakt men katoden. Turbulens leder till en mer slumpartad kontakt mellan flamman och elektroderna och följaktigen till variationer i den tidiga signalen.



Under huvudförbränningen ökar temperaturen i dem brända gaserna ytterliggare. Detta medför att termisk jonisering blir viktig, och elektrisk ledning också sker genom dem brända gaserna. Det förbränningsrelaterade ämnet med lägsta joniseringsenergi är kvävemonoxid. Hittils har man antagit att detta ämne står för största delen av joniseringen i dem brända gaserna. Analys av mätresultat i denna avhandling pekar dock på att alkaliämnen som finns i atmosfären är betydligt viktigare i många situationer, trots att dem uppträder i mycket låga koncentrationer. Speciellt vid låga förbränningstemperaturer, som är typiska för exempelvis magermotorer, överstiger bidraget från sådana aerosoler det som kommer från kväveoxid. (Less)
Abstract
The ionization sensor is an electrical probe for diagnostics in internal combustion engines. The combustion process affects the electrical properties of the gas in the cylinder. Thus the sensor signal contains copious information about the conditions in the combustion chamber. A thorough characterization of the sensor makes it possible to take advantage of a larger portion of this information for feedback control of the engine. The present work focuses on the identification of the basic mechanisms governing the functioning of the ionization sensor and their interaction.



Optical diagnostics, equilibrium analysis and an elementary model have been employed to characterize the sensor.



It was found that the... (More)
The ionization sensor is an electrical probe for diagnostics in internal combustion engines. The combustion process affects the electrical properties of the gas in the cylinder. Thus the sensor signal contains copious information about the conditions in the combustion chamber. A thorough characterization of the sensor makes it possible to take advantage of a larger portion of this information for feedback control of the engine. The present work focuses on the identification of the basic mechanisms governing the functioning of the ionization sensor and their interaction.



Optical diagnostics, equilibrium analysis and an elementary model have been employed to characterize the sensor.



It was found that the contact between flame front and cathode as well as the mixture composition along the main current path governs the sensor signal during early combustion. On the basis of these findings, a zone-based model for the sensor was suggested.



Imaging of the flame propagation revealed that turbulence distorts the shape of the first current peak by affecting the contact between the cathode and the wrinkled flame front.



Experimental data and an analysis of the ionization equilibrium in the post-flame gas showed that traces of alkali metals in the atmosphere make a major contribution to thermal ionization at temperatures characteristic of the combustion of diluted mixtures.



An investigation of the relationship between in-cylinder pressure and ionization sensor signal under various gas flow conditions indicated that high gas flow impairs this relationship. Imaging of nitric oxide and hydroxyl radicals in the post-flame gas supplied experimental evidence that the flow of cold, possibly unburned gas from the edge of the combustion chamber to the region of the electrode gap can explain this impaired relationship.



The knowledge obtained will hopefully help to improve algorithms to derive information from the sensor signal and to use this information to monitor and optimize the combustion process. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Dr. rer. nat. habil. Dreizler, Andreas
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
ion sensor, combustion, nitric oxide, chemi-ionization, equilibrium, Physics, ionized gases, Fysicumarkivet A:2002:Franke, ionization sensor, Fysik
in
Lund reports on combustion physics
volume
80
pages
148 pages
publisher
Combustion Physics, Lund Institute of Technology
defense location
Sölvegatan 14, hall B
defense date
2002-10-18 10:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUTFD2/TFCP--80--SE
ISSN
1102-8718
language
English
LU publication?
yes
id
4ca041f5-4fa0-47c8-8d51-a7f95f49cd4c (old id 20386)
date added to LUP
2007-05-28 08:45:59
date last changed
2016-09-19 08:44:55
@phdthesis{4ca041f5-4fa0-47c8-8d51-a7f95f49cd4c,
  abstract     = {The ionization sensor is an electrical probe for diagnostics in internal combustion engines. The combustion process affects the electrical properties of the gas in the cylinder. Thus the sensor signal contains copious information about the conditions in the combustion chamber. A thorough characterization of the sensor makes it possible to take advantage of a larger portion of this information for feedback control of the engine. The present work focuses on the identification of the basic mechanisms governing the functioning of the ionization sensor and their interaction.<br/><br>
<br/><br>
Optical diagnostics, equilibrium analysis and an elementary model have been employed to characterize the sensor.<br/><br>
<br/><br>
It was found that the contact between flame front and cathode as well as the mixture composition along the main current path governs the sensor signal during early combustion. On the basis of these findings, a zone-based model for the sensor was suggested.<br/><br>
<br/><br>
Imaging of the flame propagation revealed that turbulence distorts the shape of the first current peak by affecting the contact between the cathode and the wrinkled flame front.<br/><br>
<br/><br>
Experimental data and an analysis of the ionization equilibrium in the post-flame gas showed that traces of alkali metals in the atmosphere make a major contribution to thermal ionization at temperatures characteristic of the combustion of diluted mixtures.<br/><br>
<br/><br>
An investigation of the relationship between in-cylinder pressure and ionization sensor signal under various gas flow conditions indicated that high gas flow impairs this relationship. Imaging of nitric oxide and hydroxyl radicals in the post-flame gas supplied experimental evidence that the flow of cold, possibly unburned gas from the edge of the combustion chamber to the region of the electrode gap can explain this impaired relationship.<br/><br>
<br/><br>
The knowledge obtained will hopefully help to improve algorithms to derive information from the sensor signal and to use this information to monitor and optimize the combustion process.},
  author       = {Franke, Axel},
  issn         = {1102-8718},
  keyword      = {ion sensor,combustion,nitric oxide,chemi-ionization,equilibrium,Physics,ionized gases,Fysicumarkivet A:2002:Franke,ionization sensor,Fysik},
  language     = {eng},
  pages        = {148},
  publisher    = {Combustion Physics, Lund Institute of Technology},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund reports on combustion physics},
  title        = {Characterization of an Electrical Sensor for Combustion Diagnostics},
  volume       = {80},
  year         = {2002},
}