DE19802487A1 - Zündeinheit - Google Patents

Zündeinheit

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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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