DE3342723C2

DE3342723C2 - Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3342723C2
Application number: DE3342723A
Authority: DE
Inventors: Gunter Dipl.-Phys. Dr. 7500 Karlsruhe Hartig
Original assignee: Individual
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1983-11-25
Filing date: 1983-11-25
Publication date: 1986-07-03
Also published as: US4672928A; JPS60184972A; DE3342723A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß zwei an die Zündstromqueiie (9) angekoppelte und vom fviasse,-potential der Brennkraftmaschine isolierte Elektroden (11) vorhanden sind und der zweite Plasmastromkreis zwischen wenigstens einer dieser isolierten Elektroden (11) und dem Massepotential als Gegenelektrode, räumlich getrennt vom ersten Plasmastromkreis, durch das entflammte Brennstoffgemisch verläuft.

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 mit wenigstens zwei Zündkerzen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zündkerzen zwei vom Massepotential isolierte Elektroden (11) besitzen und eine Elektrode (11) der einen Zündkerze direkt mit einer Elektrode (11) der anderen Zündkerze verbunden ist. wobei die Spannungsquelle (13) zwischen der Verbindungsstel- !e dieser beiden Elektroden (U) und Massepotentia! liegt und die beiden anderen Elektroden (11) der beiden Zündkerzen an die Zündstromquelle (9) angekoppelt sind (F i g. 3,5.6,7 und 8).

3. Zündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verbindungsstelle und die Spannungsquelle (13) ein Widerstand (14; 25. 26) zum Erzeugen des Ausgangssignals geschaltet ist (Fig. 3.5und6).

4. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 mit vier Zündkerzen, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Zündkerzen, welche je zwei von Massepotential isolierte Elektroden (11) aufweisen, in folgender Weise geschaltet sind:

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a) der eine Anschluß der Zündstromquelle (9) ist über je eine Diode (21, 24) mit je einer Elektrode (11) von zwei Zündkerzen verbunden, wobei die beiden Dioden (21, 24) entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben;

b) der andere Anschluß der Zündstromquelle (9) ist über je eine weitere Diode (22, 23) mit je einer Elektrode (11) der beiden übrigen Zündkerzen verbunden, wobei diese weiteren Dioden (22, 23) entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben:

c) die übrigen Elektroden (11) der vier Zündkerzen sind paarweise so miteinander verbunden, daß entsprechend der Polarität der Zünstromquelle (9) ein Stroinfluß durch je zwei der Ziind- h5 kerzen stattfinden kann: und

d) die Verbindungsstellen, über welche die übrigen Elektroden (11) paarweise verbunden sind, sind über wenigstens einen Widerstand (25, 26) zum Erzeugen des Ausgangssignals an die Spannungsquelle angekoppelt (Fig. 6).

5. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 mit mehreren Zündkerzen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zündkerze zwei vom Massepotential isolierte Elektroden (11) aufweist, von denen eine Elektrode (11) jeder Zündkerze über einen mechanischen Zündverteiler (10) an die Zündstromquelle (9) angekoppelt ist (F ig. 3 und 7).

6. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen eine der beiden von Massepotential isolierten Elektroden (3) der Zündkerze und der Einschraubhülse (4) eine Isolierung (5) angeordnet ist (F i g. 2).

7. Zündeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungen (1,7) zu den vom Massepotential isolierten Elektroden (2,3) der Zündkerze koaxial angeordnet sind.

8. Zündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von Masse isolierten Elektroden (11) der Zündkerze einen als Spannungsquelle (13) vorgesehenen Kondensator mittels des Funkenstroms aufladen (F i g. 7 und 8).

9. Zündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zu der einen der beiden von Massepotential isolierten Elektroden (11) der Zündkerze, die in dem Plasmastromkreis für die Erzeugung des Ausgangssignals liegt, transformatorisch (34, 35, 36, 37) abgenommen wird (F i g. 7 und 8).

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen, umfassend

a) eine Zündstromquelle, die zwischen den Elektroden einer Zündkerze einen ersten Plasmastromkreis zur Zündung des Brennstoffgemisches speist; und

b) eine Spannungsquelle, die einen zweiten Plasmastromkreis über wenigstens eine dieser Zündelektroden, Schaltelemente und Massepotential der Brennkraftmaschine speist, wobei die Schaltelemente entsprechend der Stärke und dem zeitlichen Verlauf des Stromes im zweiten Plasmastromkreis ein Ausgangssignal liefern.

Eine solche Zündeinrichtung ist aus der DE-OS 07 286 bekannt, und sie dient neben dem Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemischs dazu, Verbrennungsfehler in der Brennkraftmaschine durch das erwähnte Ausgangssignal festzustellen. Denn bei erfolgreicher Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs entsteht im zweiten Plasmastromkreis ein Stromfluß durch das infolge der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erzeugte Plasma. In dieser bekannten Zündeinrichtung verläuft jedoch der zum Erzeugen des Ausgangssignals vorgesehene zweite Plasmastromkreis ebenso wie der zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemischs dienende erste Plasmastromkreis innerhalb des Brennraums zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze, von denen eine mit dem Massepotential der Brennkraftmaschine verbunden ist. Daher läßt sich mit dieser Zündeinrichtung nur feststel-

len, ob das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wurde, jedoch nicht, wie gut es entflammt worden ist. Da nämlich der Ort der Ionenstrommessung identisch mit der entzündenden Funkenstrecke ist, ist während der Zündung keine Ionenstrommessung möglich, sondern diese kann erst dann erfolgen, wenn der Zündfunke erloschen ist und geschieht dann auch nur am Ausgangspunkt der Verbrennung, so daß daraus keine Aussage über den weiteren Ablauf der Verbrennung erhalten werden kann, d. h. darüber, wie gut das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet worden ist Will man eine solche Aussage aus der lonenstrommessung erhalten, dann ist es erforderlich, die Ionisation an einer vom Entflammungspunkt entfernten Stelle zu messen. Um das zu tun, ist. da bei den bekannten Anordnungen sowohl das Zündsystem wie auch das lonenstrommeßsyste-m mit dem Massepotentiai der Brennkraftmaschine verbunden ist, entweder eine getrennte Ionenstromsonde erforderlich, die sich wegen der Brennraumform und der Ventillage nicht ohne weiteres anbringen läßt, zum Beispiel im Heron-Brennraum, oder es sind Sonderzündkerzen mit eingebauter Ionisationssonde notwendig, die einerseits fertigungstechnische Probleme mit sich bringen und andererseits die Ionisation zu dicht am Entflammungspunkt messen. Derartige Sonderzündkerzen, in die lonisationssonden eingebaut sind, sind beispielsweise in MTZ 39 (1978), 7/8, Seite 333, Haahtela beschrieben.

Aus der US-PS 44 07 259 ist zwar ein Plasmazündsystem bekannt, worin eine Stromquelle Funkenstrecken zündet und weitere Stromquellen die Energie zur Erzeugung eines Plasmas liefern. Hier befindet sich jedoch nur ein einziger elektrischer Plasmastromkreis im Brennraum an der Zündkerze, und eine Messung von Plasmaströmen sowie die Erzeugung eines Ausgangsimpulses entsprechend dem Plasmazustand finden nicht statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine Messung eines Ionenstroms in dem Plasma aus heißen Verbrennungigasen derart ermöglicht, daß aus dieser Messung eine Information darüber erhalten wird, wie gut das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet worden ist, ohne daß ein gesonderter Ionisationssensor benötigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß zwei an die Zündstromquelle angekoppelte und vom Massepotential der Brennkraftmaschine isolierte Elektroden vorhanden sind und der zweite Plasma-Stromkreis zwischen wenigstens einer dieser isolierten Elektroden und dem Massepotential als Gegenelektrode, räumlich getrennt vom ersten Plasmastromkreis, durch das entflammte Brennstoffgemisch verläuft.

Durch diese »massepotentialfreie« Anordnung der Elektroden der Zündkerze ist es möglich, die Zündelektroden als Ionisationssonde gegenüber dem Massepotential zu benutzen und hierdurch ohne wesentliche Änderungen an der Brennkraftmaschine über die lonenstrommessung eine Aussage darüber zu erhalten, wann, ob und wie gut das Kraftstoff-Luft-Gemisch entflammt wurde. Darüber hinaus läßt sich auch durch den von Druckwellen modulierten lonenstrom ein Klingeln der Brennkraftmaschine feststellen.

Im Gegensatz zu der Zündeinrichtung nach der DE-OS 25 07 286 ist bei der vorliegenden Erfindung die Messung eines Plasir.astroms auch während des Bren- 6i nens des Zündfunkcns möglich. Der AusgangsimpuN enlsteht, wenn das entflar.i-r.itc Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Brennraumwancl anstöl.it. d. h.. wenn der Durchmesser des entstehenden Feuerballs ca. 5 mm beträgt

Zwar ist aus der DE-OS 25 43 125 eine Zündeinrich · tung für Brennkraftmaschinen bekannt, worin eine Funkenstrecke mit zwei isolierten Zündelektroden verwendet wird, jedoch dient diese Maßnahme dazu, eine bessere Einspeisung der hier zur Zündung benutzten hochfrequenten Spannung zu erreichen. Eine Messung von Ionenströmen findet nicht statt Auch aus der CH-PS 99 121 ist eine gegen Masse isolierte Montage einer Zündkerze bekannt, die jedoch nur dazu vorgesehen ist, um mit der vorhandenen Zündstromquelle zwei Funkenstrecken im gleichen Brennraum in Serie zu zünden.

Mit der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung lassen sich mittels des als Ausgangsimpuls erhaltenen Ausgangssignals Zündanlagen und Gemisch-Aufbereitungssysteme derartig regeln, daß vorgegebene Verbrennungsabläufe erreicht werden. Diese Regelmöglichkett ist an sich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung: sie ist zum Beispiel in der DE-OS 24 43 413 beschrieben und benötigt eine getrennte Ionisati<"."ssonde. Ebenso bekannt sind elektronische Zünd- und fcinsoriizsvsteme die sich von Motorparametern steuern lassen, und mit denen geschlossene Regelkreise bezüglich der Verbrennung realisiert werden können, zum Beispiel aus der DE-PS 19 17 389.

WeiterDüdungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sei nachstehend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in deren verschiedenen Figuren für gleichartige Bauelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind, näher erläutert: es zeigt

F i g. 1 den Einbau einer bekannten Zündkerze in eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung:

F i g. 2 eine modifizierte Zündkerze für eine Zündeinrichtung nach der Erfindung;

F i g. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung für einen Vierzylindermotor:

Fig.4 eine Abwandlung des in Fig.3 dargestellten rechten Teils der Zündeinrichtung;

F i 3.5 eine Ausführungsform einer Zündeinrichtung nach der Erfindung für einen Zweizylindermotor;

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform eher erfindungsgemäßen Zündeinrichtung für einen Vierzylindermotor:

F i g. 7 eine noch andere Ausführungsform der Zündeinrichtung nach der Erfindung für einen Zweizylindermotor; und

F i g. 8 eine gegenüber F i g. 5 abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung für einen Zweizylindermotor.

Es sei zunächst auf F i g. 1 Bezug genommen, die den Einbau einer an sich bekannten Zündkerze mit Zuführung 1 für die Zündspannung, mittlerer Elektrode 2. mit Masse verbundener Elektrode 3 und Einschraubhülse 4 zeigt. Wobei eine Isolierung 5 in Form eines Zwischenstücks mit Gewinde und Auflager vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme sind die beiden Zündelektroden der Funkenstrecke vom Massepotential der Brennkraftmaschine isoliert. Eine Spannungsquelle versorgt wenigstens eine der Zündeiektroden mit einer Spannung, so daß ein lonenstrom zwischen Zündelektrode und Brennraumwand fließt, sobald das entflammte Gemisch an die Brennraumwandung anstößt. Mechanische Gründe, wie auch die Tatsache. daß Isolierungen gleich welcher Art durch die Verbrennungsdrücke altern, lassen den Austausch der Isolierung 5 beim Ziindkerzenwcchsel sinnvoll erscheinen.

Die F i g. 2 zeigt eine modifizierte Zündkerze, bei der die Isolierung 5 zwischen der ehemals mit Masse verbundenen Elektrode 3 und der Einschraubhülsc 4 angeordnet ist. Hierbei ist die äußere Elektrode 3 nach oben geführt, so daß sich eine koaxiale Zuführung 7 als Anschluß über der Einschraubhülse 4 ergibt, der von einem entsprechend gestalteten Zündkerzenstecker leicht kontaktiert werden kann. Auf die Darstellung von erforderlichen konstruktiven Maßnahmen zwecks Dichtigkeit. Druckfestigkeit. Isolierung und Frciblasraum wurde verzichtet.

Die F i g. 3 bezieht sich auf die Steuerung eines Vierzylindermotors mit mechanischem Zündverteiler IO und isolierten Elektroden 11 von Zündkerzen. Der primäre Rückschlagimpuls eines Transistors 8 in Verbindung mit der als Zündsiromquelle 9 vorgesehenen Zündspule lädt über eine Diode 12 einen Kondensator 13 einer Dioden-Kondensator-Anordnung 28 auf, wodurch eine Span-MUngMjueiie νυΐι Ca. 300 V gcuiiuci vvii'u, die einen riäämastromkreis zum Messen eines lonenstroms über den Widerstand 14 speist. Selbstverständlich beschränkt sich die Anordnung nicht auf diese Art der Spannungserzeugung, sondern es können alle bekannten Gleich- und Wechselstromquellen als Spannungsquelle für den vorerwähnten Plasmastromkrcis verwendet werden. Nach dem Schutzwiderstand 15 tritt am Anschluß 29 ein Ausgangsimpuls entsprechend der Höhe des lonenstroms zwischen den Elektroden der jeweiligen Zündkerze und Massepotential auf. der zu einem nicht dargestellten Motorsteuersystem geht.

Die Fig.4 beschreibt das gleiche System, wobei jedoch die im Plasmastromkreis zur Messung des lonenstroms liegenden Elektroden 11 der einzelnen Zündkerzen über Dioden 16,17.18.19 entkoppelt sind und die als Ausgangssignale erhaltenen einzelnen lonenstromimpulse einzeln über Schutzwiderstände 15 an Anschlüssen 30. 3!, 32 und 33 abgenommen werden. Fntknnnlungsschaltungen mit Dioden und Widerständen sind bekannt und Anordnungsdetails richten sich nach der Polarität der vorhandenen Spannungen. Selbstverständlich können auch einzelne Zündkerzen in Gruppen zusammengefaßt werden, wie auch der gemeinsame Widerstand 14 aufgeteilt werden kann, der in F i g. 6 in die Widerstände 25 und 26 aufgeteilt ist. Notwendig wird die Trennung der Ionenstromimpulse. wenn sich insbesondere bei Vielzylindermotoren infolge von Restgasionisation Ionenstromimpulse überschneiden oder wenn mit dem Ionenstromimpuls andere Einrichtungen synchronisiert werden sollen. Wegen der hohen Zündspitze können aufgrund kapazitiver Unsymmetrien Störimpulse auftreten. dL· den lonenstromimpulsen überlagert sind. Dies läßt sich vermeiden, wenn während der Zündspitze der Widerstand 14 durch eine Schaltervorrichtung 27 überbrückt und somit der zur Zündung dienende Plasmastromkreis niederohmig gegenüber Massepotential gemacht wird. Im vorliegenden Beispiel dient hierfür ein Triac, der von der Zündsteuerung im entsprechenden Moment angesteuert wird. Gilt es nur Spannungsspitzen zu unterdrücken, so kann anstelle der gesteuerten Schaitervorrichtung 27 ein Kondensator eingesetzt werden. Dies ist nicht auf diesen Schaltungsvorschlag beschränkt.

Die F i g. 5 zeigt eine Ausführung für einen Zweizylindermotor. Selbstverständlich ist diese bei entsprechender Vervielfachung auch für Motoren mit 4. 6. 8. 12 Zylindern einsetzbar. Verzichtet man auf die Schmiervorrichtung 27 in diesem Beispiel, so erhält man während der Zündspitze einen Ausgangsimpuls, dessen Polarität davon abhängt, welche Zündkerze den höheren Zündspanniingsbedarf hat.

Die F i g. 6 zeigt eine Anordnung unter Doppelausnutzuny der als Zündstromquelle 9 vorgesehenen Zündspule, wie in der DE-PS 23 39 784 beschrieben. Die Zündspule wird hier von einer Brückenschaltung, bestehend aus zwei Komplemcntärsehaltern, die aus vier Transistoren 20 aufgebaut sind, jeweils ummagnetisicrt. wodurch Zündimpulse unterschiedlicher Polarität entstehen, die mittels der Dioden 21. 24 und 22, 23 auf zwei Plasmastromkreise zur Zündung von je zwei Zündkerzen aufgeteilt werden. Die Spannungszuführung erfolgt über die Widerstände 25 und 26 getrennt. Die Diode 12 ist doppelt vorhanden, um der Gegebenheit der Brük-

is kenschaltung Rechnung zu tragen. Wie bei allen vorherigen Schaltvorschlägen steht der Ionenstromimpuls an den Widerständen 15 als Ausgangssignal zur Auswertung zur Verfugung.
Die Γ i g. 7 zeigt die irarisformatorische Abnahme- des als Ausgangssignal erhaltenen lonenstromimpulses. Diese Schaltung ist besonders vorteilhaft, da sie ohne Änderung des Zündsystems einschließlich des Zündverteilers ausführbar ist. Der lonenstrom wird transformatorisch über zum Beispiel Ringkerne 34 abgenommen, durch die die Anschlüsse der Elektroden 11 oder Zündkerzen geführt sind und die im vorliegenden Beispiel zwei Primärwicklungen 36 und 37 bilden. An dem jeweiligen .Anschluß 30 bzw. 31 der Sekundärwicklung 35 entsteht ein Ausgangsimpuls bei Ionenstromfluß. Die

jo Spannungsquelle 13 ist ein Kondensator, der vom Funkenstrom bis auf eine durch eine Zenerdiode 38 festgelegte Spannung aufgeladen wird Es sei erwähnt, daß als Spannungsquelle für den zur Ionenstrommessung dienenden Plasmastromkreis auch ein Kondensator in einer Dioden-Kondensator-Anordnung 28 mit einer als Zündstromquelle 9 vorgesehenen Zündspule mit galvanisch getrennter .Sekundärwicklung nach Fig.3 eingesetzt werden kann, so daß die Funkenenergie nicht gemindert wird.

Die F i g. 8 zeigt eine Anordnung entsprechend F i g. 5. bei der zwei von Elektroden 11 gebildete Funkenstrecken in Serie liegen, jedoch der lonenstrom transformatorisch gemessen und abgenommen wird. Auf F i g. 6 bezogen ist der lonenstrom statt über den Spannungsabfall an den Widerständen 25 und 26, wie beschrieben, in gleicher Weise transformatorisch meßbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen, umfassend

a) eine Zündstromquelle, die zwischen den Elektroden einer Zündkerze einen ersten Plasmastromkreis zur Zündung des Brennstoffgemisches speist; und to

b) eine Spannungsquelle, die einen zweiten Plasmastromkreis über wenigstens eine dieser Zündelektroden, Schaltelemente und Massepotential der Brennkraftmaschine speist, wobei die Schaltelemente entsprechend der Stärke und dem zeitlichen Verlauf des Stromes im zweiten Plasmastromkreis ein Ausgangssignal liefern;