DE19802487A1 - Zündeinheit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zündeinheit für Brennkraftmaschinen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Zündeinheiten, bei denen die Zündkerze mit weiteren Elementen des Zündsystems, so
unter anderem der Zündspule zu einer Einheit baulich verbunden ist, sind aus der
Praxis bekannt und werden beispielsweise für vollelektronische Zündanlagen mit
Einzelfunkenzündspule eingesetzt.
Desweiteren sind Meßvorrichtungen zu kontaktlosen Überwachung und Diagnose
mechanischer Systeme, so beispielsweise zur Schadensdiagnose bei Maschinen
bekannt (DE 43 08 796 C2), bei denen die durch mechanische Fehler, wie
Lagerunregelmäßigkeiten oder Lagerschäden bei Wälzlagern, bedingten
Schwingungen aufgenommen und weiter verarbeitet werden. Ausgangspunkt sind
dabei durch mechanische Gegebenheiten ausgelöste Schwingungen, die erfaßt und
durch Auswertung der Hüllkurve bewertet werden. Zur Erfassung der Schwingungen,
die als periodische Signale ausgewertet werden, sind dabei als Aufnehmer mechanisch
elektrische Wandler bevorzugt in Form von Klopfsensoren eingesetzt, da solche aus
der Kraftfahrzeugtechnik als erprobte und in großen Stückzahlen preiswert hergestellte
Elemente zur Verfügung stehen.
Ferner wurde bereits vorgeschlagen (DE 197 20 379.5), für Zündanlagen von
Brennkraftmaschinen der Zündspule als mechanisch-elektrischen Wandler einen
Piezoaufnehmer in Form eines Klopfsensors zuzuordnen, über den die Schwingungen
der Zündspule potentialfrei und galvanisch getrennt über den gesamten Zündbereich
erfaßt werden. Die so gewonnenen Signale sind zum Energieverlauf in der Zündspule
amplitudenmäßig proportional und zeit- und phasenmäßig identisch, so daß der über
die Schwingungen erfaßte mechanische Energieablauf mit dem elektrischen
Energieablauf in der Zündspule vergleichbar ist. Die Aufnahme dieses Energieverlaufes
über den Schwingungsaufnehmer, der bevorzugt durch einen Klopfsensor gebildet ist
ermöglicht die Beurteilung der Zündung und erlaubt Rückschlüsse sowohl auf die
primäre wie auch auf die sekundäre Zündungsfunktion. Ferner sind Vergleiche der
Zündspulen eines Zündsystems untereinander möglich, so daß das Zündsystem
insgesamt überwacht werden kann und in ihrer Funktionalität sowohl Zündspulen,
Kontaktierungen, Verbindungsmittel wie auch Zündkerzen beurteilt werden können, und
zwar in Wechselwirkung zur Verbrennung. Indirekt können so auch Zündaussetzer
erfaßt werden, um gegebenenfalls eine Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung
vorzunehmen und Katalysatorschäden vorzubeugen.
Durch die Erfindung soll eine Zündeinheit für Brennkraftmaschinen geschaffen werden
die sowohl Rückschlüsse auf primäre und sekundäre Zündungsfunktionen ermöglicht
wie auch die Beurteilung weiterer Motorfunktionen.
Gemäß der Erfindung wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht,
demzufolge die Zündeinheit in Zuordnung zur Zündspule einen Schwingungs
aufnehmer, beispielsweise ein Piezokeramikelement in Form eines Klopfsensors
aufweist, der mit der Zündkerze mechanisch gekoppelt ist, so daß über das
Piezokeramikelement sowohl die Schallsignale der Zündspule potentialfrei über den
gesamten Zündungsbereich erfaßt werden können, und zwar proportional zum
Energieverlauf in der Zündspule, wie auch die Schalldrucksignale der Verbrennung.
Letztere sind proportional zum Brennraumdruck und erlauben damit Rückschlüsse auf
den mechanischen Zustand der Brennkraftmaschine und eine direkte Erfassung der
Verbrennungsabläufe, so daß Verbrennungsaussetzer ebenso wie Frühzündungen
(Klopfen) unmittelbar detektiert werden können und in entsprechende Steuer
maßnahmen, zum Beispiel Abschalten der Kraftstoffeinspritzung zum Schutz des
Katalysators oder Verstellen der Zündung in Richtung spät, eingeleitet werden können.
Für den Aufbau der Zündeinheit erweist es sich als zweckmäßig, das Piezokeramik
element zwischen Zündspule und Zündkerze anzuordnen, so daß die mechanische
Kopplung in einfacher Weise vorgenommen werden kann, beispielsweise dadurch, daß
die vom Kerzengehäuse isolierte Elektrode der Zündkerze über einen Anschlußbolzen
gegen das Piezokeramikelement abgestützt wird.
Die erfindungsgemäße Zündeinheit ermöglicht somit über die Erfassung des
Schalldrucksignales der Verbrennung, das proportional zum Brennraumdruck ist, nicht
nur eine Beurteilung des gesamten Zündsystemes mit entsprechenden, indirekten
Rückschlüssen auf die Verbrennung, sondern zusätzlich eine direkte Beobachtung der
Verbrennung und ihres Ablaufes.
Abweichend von der vorgenannten Ausgestaltung ist es auch möglich, den
Schwingungsaufnehmer in der Spule, insbesondere im Spulenkern, oder auch hinter
der Spule, ausgehend von der Zündkerze, anzuordnen, sei es aus baulichen Gründen
sei es im Hinblick auf die Intensität des Empfanges der Signale, die von Spule und/oder
Brennraum ausgehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Schwingungs
aufnehmer in die Mittelelektrode oder in den mit dieser verbundenen Anschlußbolzen
zu integrieren, bzw. damit zu verbinden.
In Ausgestaltung der Erfindung kann es ferner auch zweckmäßig sein, mehrere
Schwingungsaufnehmer, insbesondere zwei Schwingungsaufnehmer vorzusehen und
diese jeweils einem der Geber, nämlich Brennraum oder Spule zuzuordnen, wobei der
jeweilige Schwingungsaufnehmer auch speziell auf den jeweiligen Geber abgestimmt
sein kann. Auf die Stärke der jeweiligen Signale kann ferner durch die Verwendung von
Membranverstärkern Einfluß genommen werden.
Als Schwingungsaufnehmer können im Rahmen der Erfindung ferner auch andere
Elemente, so beispielsweise piezoresistive Widerstandselemente oder ein
Dehnmeßstreifen-System Anwendung finden, wobei insbesondere auch die
Verwendung unterschiedlicher Elemente eine Anpassung an die differenziert zu
erfassenden und zu verarbeitenden Signale ermöglicht.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.
Ergänzend wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles
erläutert, das in stark schematisierter Darstellung eine eine Zündkerze umfassende
Zündeinheit als bauliche Einheit zeigt.
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Zündeinheit umfaßt eine Zündkerze 2, deren Gehäuse
3 anschließend an den Mutternteil 4 in herkömmlicher Weise einen Gewindeteil 5
aufweist, an dem die Masseelektrode 6 angebracht ist. Der Masseelektrode 6
gegenüberliegend ist die Mittelelektrode 7 vorgesehen, die in nicht näher dargestellter
Weise gegenüber dem Kerzengehäuse 3 isoliert dieses durchsetzt und die mit einem
Anschlußbolzen 8 bevorzugt leitend verbunden ist. Der Anschlußbolzen 8 ist bei der
erfindungsgemäßen Kombination der Zündkerze 2 mit der Zündspule 9 zu einer
Zündeinheit 1 gegen ein Piezoelement 10 axial abgestützt, das im Übergang zur
Zündspule 9 liegt, an deren von der Zündkerze 2 abgelegenen Ende symbolisch ein
Anschluß 11 für nicht weiter dargestellte Leitungsverbindungen vorgesehen ist.
Das Piezoelement 10, das insbesondere als Piezokeramikelement ausgebildet ist und
das beispielsweise durch einen herkömmlichen Klopfsensor gebildet sein kann, nimmt
in der vorgesehenen Anordnung die Schallsignale der Zündspule auf - und zwar
potentialfrei über den gesamten Zündungsbereich -, die dem Energieverlauf in der
Zündspule proportional sind. Die Korrelation ist zeit- und phasenmäßig identisch und
amplitudenmäßig über den Kopplungsfaktor proportional, so daß der mechanische
Energieablauf, also das entsprechende Schalldrucksignal mit dem elektrischen
Energieverlauf in der Zündspule vergleichbar ist. Durch die Aufnahme dieses
Energieverlaufes sind Rückschlüsse auf die primäre und sekundäre Zündungsfunktion
möglich. Das Piezoelement 10 ist in der vorgesehenen Anordnung über den
Anschlußbolzen 6 mechanisch zusätzlich über die Zündkerze mit dem Brennraum
verbunden, wobei die Verbindung des Piezoelementes 10 mit der Mittelelektrode 7
bzw. dem diese umschließenden Isolationskörper erfolgt, so daß der Brennraumdruck
unmittelbar mechanisch über die Zündkerze auf das Piezoelement übertragen wird, das
ein entsprechendes, zum Brennraumdruck proportionales Schalldrucksignal liefert.
Durch die Anordnung der Elektrode und deren Ausgestaltung läßt sich auch Einfluß auf
die Intensität nehmen, mit der die Druckwelle den Schwingungsaufnehmer
beaufschlagt (Dämpfungseffekt).
Es können somit durch die Erfindung ergänzend zu den Rückschlüssen auf die primäre
und sekundäre Zündungsfunktion, die aus den Schallsignalen der Zündspule abgeleitet
werden, durch die unmittelbare Erfassung des Brennraumdruckes zusätzliche
Informationen über den mechanischen Zustand der Brennkraftmaschine gewonnen
werden, wobei über den Verbrennungsdruck direkt auch Klopfzustände und
Verbrennungsaussetzer erfaßt werden können.
Eine erfindungsgemäß ausgestattete Zündeinheit erlaubt damit in sehr weitgehendem
Umfang Rückschlüsse auf Verbrennungsabläufe und den mechanischen Zustand der
Brennkraftmaschine mit entsprechenden Steuerungsmöglichkeiten sowie auch
zusätzliche Möglichkeiten für die Diagnose des Brennkraftmaschinen
zustandes.
Claims (14)
1. Zündeinheit für Brennkraftmaschinen mit einer Zündkerze und einer mit der
Zündkerze baulich verbundenen Zündspule,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündeinheit (1) in Zuordnung zur Zündspule (9) einen Schwingungsaufnehmer
(Piezoelement 10) aufweist, der mit der Zündkerze (2) mechanisch gekoppelt ist.
2. Zündeinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer (10) zwischen Zündspule (9) und Zündkerze (2) liegt.
3. Zündeinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer in der Zündspule angeordnet ist.
4. Zündeinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer auf der von der Zündkerze abgewandten Seite der
Zündspule angeordnet ist.
5. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer als Piezoelement (10) ausgebildet ist.
6. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer durch ein piezoresistives Widerstandselement
gebildet ist.
7. Zündeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer durch ein DMS-System (Dehnmeßstreifen-System)
gebildet ist.
8. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündkerze (2) mit ihrer dem Brennraum zugeordneten, gegenüber dem
Kerzengehäuse (3) isolierten Elektrode (7) einen Druckaufnehmer bildet.
9. Zündeinheit nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vom Kerzengehäuse (3) isolierte Elektrode (7) über einen Anschlußbolzen (8)
gegen den Schwingungsaufnehmer (Piezoelement 10) abgestützt ist.
10. Zündeinheit nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem Brennraum zugeordnete Druckaufnehmer (Elektrode 7) mit Vorspannung
gegen den Schwingungsaufnehmer (Piezoelement 10) abgestützt ist.
11. Zündeinheit nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer in den Anschlußbolzen integriert ist.
12. Zündeinheit nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer zumindest teilweise den Anschlußbolzen bildet.
13. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem brennraumseitigen Ende der Zündkerze und dem
Schwingungsaufnehmer ein die vom Brennraum der Brennkraftmaschine ausgehenden
Druckwellen dämpfendes Element angeordnet ist.
14. Zündeinheit nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das die Druckwelle dämpfende Element durch die Massenelektrode der Zündkerze
gebildet ist.
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