DE4138823C2 - Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung
eines Ionenstroms mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1,
welche bekannt sind aus DE 40 15 191 A1.
In einer Brennkraftmaschine, die durch einen Zündfunken
gezündet wird, findet zum Zeitpunkt der Verbrennung in
einem Zylinder das Motors eine Ionisation in dem Zylinder
statt. Falls eine Spannung über die Elektroden der
Zündkerze des Zylinders angelegt wird, wird ein Ionenstrom
zwischen den Elektroden erzeugt. Durch Messung des
Ionenstroms ist es aufgrund der Größe des Ionenstroms
möglich zu entscheiden, ob der Zylinder, in dem die
Zündkerze angeordnet ist, Fehlzündungen ausführt. Außerdem
ist die Größe des Ionenstrom während des Verbrennungshubs
eines Zylinders am größten, wenn der Druck in dem Zylinder
ein Maximum erreicht, so daß der Ionenstrom verwendet
werden kann, um Druckveränderungen innerhalb eines
Zylinders zu überwachen.
Herkömmliche Vorrichtungen zur Erfassung eines Ionenstroms
besitzen eine Energieversorgung, die an die Zündkerze
derart angeschlossen ist, so daß zur Erzeugung eines
Ionenstroms in Form von positiven Ionen eine Spannung über
der Mittelelektrode und der Masseelektrode der Zündkerze
angelegt wird. Ein aufgrund des Ionenstroms durch einen
mit der Energieversorgung in Reihe geschalteten
stromfühlenden Widerstand fließender elektrischer Strom
wird dann als Anzeichen das Ionenstroms gemessen. Die
Energieversorgung erzeugt typischerweise eine Spannung von
ungefähr 50 bis 300 Volt. Eine derartige Spannung wird
normalerweise durch Erhöhung einer Batteriespannung unter
Verwendung eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers
oder dergleichen erzeugt. Jedoch benötigt ein
Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler einen
Transformator, so daß die Energieversorgung und die
Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms im Ganzen im
Endeffekt groß, schwer und teuer wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur
Erfassung eines Ionenstroms zu schaffen, welche einen
einfacheren und Bauteile sparenden Aufbau hat im Vergleich
zu Vorrichtungen des Standes der Technik.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, eine
Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms zu schaffen,
die einfach auf ein herkömmliches Zündsystem für eine
Brennkraftmaschine angewendet werden kann.
In einer Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms
entsprechend der Erfindung, wird eine in einer Zündspule
zum Zeitpunkt des Zündens einer Zündkerze eines Motors
erzeugte Hochspannung an ein Energiespeicherungselement in
Form eines Kondensators angelegt. Nachdem die Zündkerze
gezündet hat, legt der Kondensator eine Spannung über der
Mittelelektrode und der Masseelektrode der Zündkerze an.
Die durch den Kondensator angelegte Spannung erzeugt einen
Ionenstrom zwischen den Elektroden der Zündkerze, und der
Ionenstrom bewirkt, daß sich der Kondensator entlädt. Der
durch die Entladung des Kondensators erzeugte Strom wird
durch einen an den Kondensator angeschlossenen Stromsensor
als Anzeichen des Ionenstroms gemessen.
Die durch den Kondensator über die Elektroden der
Zündkerze angelegte Spannung kann entweder eine positive
oder eine negative Spannung sein. Vorzugsweise legt der
Kondensator jedoch eine positive Spannung zwischen der
Mittelelektrode und der Masseelektrode der Zündkerze an.
Die Erfindung kann auf verschiedene Arten von Zündsystemen
angewendet werden. Zum Beispiel kann es sich bei dem
Zündsystem um ein System mit oder ohne einem Verteiler
oder mit oder ohne Unterbrecherkontakten handeln.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten
Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung
zur Erfassung eines Ionenstroms
entsprechend der Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung bei Anwendung auf ein mit einem
Verteiler ausgerüstetes Zündsystem;
Fig. 3 ein Schaltbild eines
Beispiels einer Vorrichtung
zur Erfassung eines Ionenstroms;
Fig. 4 ein Schaltbild des Beispiels
aus Fig. 3, das den Strompfad zeigt, wenn
die Zündkerze zündet;
Fig. 5 ein Schaltbild des Beispiels
aus Fig. 3, das den Strompfad zeigt, wenn
der Ionenstrom zwischen den Elektroden
der Zündkerze fließt;
Fig. 6 ein Schaltbild eines zweiten Beispiels bei
Anwendung des Beispiels aus Fig. 3 auf
ein mit einem Verteiler ausgerüstetes
System;
Fig. 7 ein Schaltbild eines weiteren
Beispiels einer Vorrichtung
zur Erfassung eines Ionenstroms;
Fig. 8 eine Kurvendarstellung der
Sekundärspannung, des Sekundärstroms und
des Ionenstroms als Funktion der Zeit
während des Betriebs des
Beispiels aus Fig. 7;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer
Zündkerze, die mit einem
Leistungstransistor und einer
Ionenstromerfassungseinheit kombiniert
ist;
Fig. 10 ein Schaltbild eines weiteren
Beispiels einer Vorrichtung
zur Erfassung eines Ionenstroms;
Fig. 11 ein Schaltbild, das darstellt, wie das
Beispiel aus Fig. 10 verwendet
werden kann, um den Ionenstrom in einer
Vielzahl von Zündkerzen zu erfassen;
Fig. 12 eine Kurvendarstellung, die den durch
jede der Zündspulen fließenden
Primärstrom und den durch jede der
Zündkerzen eines mit der Anordnung aus
Fig. 11 ausgerüsteten Vierzylindermotors
fließenden Ionenstrom zeigt; und
Fig. 13 ein Schaltbild eines weiteren
Beispiels einer
Anwendung auf ein Zündsystem mit einem
Verteiler.
Mehrere Beispiele einer Vorrichtung
zur Erfassung eines Ionenstroms
werden nun unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 3 bis 5 stellen ein Beispiel
dar, so wie es auf ein herkömmliches Zündsystem für eine
nicht dargestellte Vielfachzylinder-Brennkraftmaschine
angewendet wird. Obwohl der Motor eine Vielzahl von
Zylindern aufweist, ist das Zündsystem für nur einen
Zylinder dargestellt. Das Zündsystem enthält eine
herkömmliche Zündspule 1, die eine Primärwicklung 1a und
eine Sekundärwicklung 1b aufweist. Ein Anschluß der
Primärwicklung 1a ist an eine nicht dargestellte
Energieversorgung, wie zum Beispiel an eine Batterie
angeschlossen, während der andere Anschluß an eine
Schalteinrichtung zur Steuerung des Stromflusses durch die
Primärwicklung 1a angeschlossen ist. Die Schalteinrichtung
in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Leitungstransistor
2, der einen an die Primärwicklung 1a angeschlossenen
Kollektor und einen an Masse angeschlossenen Emitter
aufweist. Es ist möglich, eine andere Art von
Schalteinrichtung, wie zum Beispiel die mechanischen
Unterbrecherkontakte eines Verteilers, zu verwenden. Das
Schalten des Leistungstransistors 2 wird durch eine
herkömmliche, nicht dargestellte Steuereinheit gesteuert,
die ein Steuersignal an die Basis des Transistors 2
anlegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine getrennte
Zündspule 1 für jeden Zylinder des Motors vorgesehen, aber
es ist auch möglich, eine einzelne Zündspule 1 für eine
Vielzahl der Zylinder zu verwenden.
Die Sekundärwicklung 1b weist einen positiven Anschluß und
einen negativen Anschluß auf. Der Motor weist eine
Vielzahl von Zündkerzen 3 auf, wobei jede von diesen eine
Mittelelektrode 3a besitzt, die an den negativen Anschluß
der Sekundärwicklung 1b angeschlossen ist, und eine an
Masse angeschlossene Masseelektrode 3b.
Der positive Anschluß der Sekundärwicklung 1b ist an einen
Anschluß eines Energiespeicherungselements in Form eines
Kondensators 4 angeschlossen. Der andere Anschluß des
Kondensators 4 ist durch einen aus einem stromfühlenden
Widertand 5 bestehenden Stromsensor an Masse
angeschlossen. Ein Anschluß 6 ist an den Knotenpunkt des
Kondensators 4 des Widerstands 5 angeschlossen, um eine
Messung einer Spannungsänderung über dem Widerstand 5
aufgrund eines zwischen den Elektroden der Zündkerzen 3
fließenden Stromes zu ermöglichen. Ein
Gleichrichtungselement, wie zum Beispiel eine Diode 7, ist
parallel zum Widerstand 5 geschaltet, wobei ihre Anode an
den Kondensator 4 und ihre Kathode an Masse angeschlossen
ist. Zur Begrenzung der Spannung über dem Kondensator 4
und der Diode 7 ist eine Zenerdiode 8 parallel zum
Kondensator 4 und der Diode 7 derart angeschlossen, daß
ihre Kathode an den positiven Anschluß der
Sekundärwicklung 1b und ihre Anode an Masse angeschlossen
ist. Die Zenerdiode 8 ist so gewählt, daß sie den
Kondensator 4 auf eine vorgegebene Spannung auflädt, wenn
die Sekundärwicklung 1b erregt wird. Ein typischer Wert
der Spannung über dem Kondensator 4 ist zu diesem
Zeitpunkt 300 Volt.
Wenn der Zylinder, in dem die Zündkerze 3 angeordnet ist,
gezündet wird, wird der Leistungstransistor 2 durch eine
nicht dargestellte Steuereinheit zur Unterbrechung
des durch die Primärwicklung 1a fließenden Stroms
ausgeschaltet und eine Hochspannung (im allgemeinen 10 bis
25 kV), die eine Polarität so wie in Fig. 4 dargestellt
besitzt, wird in der Sekundärwicklung 1b erzeugt. Diese
Spannung bewirkt, daß sich die Zündkerze 3 entlädt, und
ein Entladestrom fließt von der Zündkerze 3 entlang dem
Pfad, der in Fig. 4 durch einen Pfeil angedeutet ist. Die
Entladung der Zündkerze 3 zündet das
Kraftstoff-Luftgemisch in dem entsprechenden Zylinder und
eine Verbrennung findet statt. Gleichzeitig wird der
Kondensator 4 auf eine durch die Durchbruchspannung der
Zenerdiode 8 bestimmte Spannung mit der dargestellten
Polarität aufgeladen.
Zum Zeitpunkt der Verbrennung des
Kraftstoff-Luftgemisches wird in dem Zylinder eine
Ionisation erzeugt, und zwischen den Elektroden der
Zündkerze werden Ionen erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Spannung über dem Kondensator 4 an die Elektroden der
Zündkerze 3 angelegt, und diese Spannung bewirkt, daß ein
Ionenstrom zwischen den Elektroden fließt. Aufgrund des
Ionenstroms entlädt sich der Kondensator 4, und ein Strom
fließt durch den Widerstand 5, durch den Kondensator 4,
und durch die Sekundärwicklung 1b in die durch den
gestrichelten Pfeil in Fig. 5 dargestellte Richtung.
Dieser Strom erzeugt eine Spannungsänderung am Anschluß 6
entsprechend der Größe des Ionenstroms. Deswegen kann
durch Überwachung der Spannung am Anschluß 6 festgestellt
werden, ob der Zylinder richtig zündet.
Falls die Spannung am Anschluß 6 anzeigt, daß der Zylinder
Fehlzündungen ausführt, kann der Motor derart gesteuert
werden, daß der Fehlzündungszylinder ruht. Zum Beispiel
kann die Kraftstoffzuführung im Fehlzündungszylinder
unterbrochen werden, wodurch vermieden wird, daß
unverbrannter Kraftstoff von dem Motor abgegeben wird.
Vorzugsweise ist der Kondensator 4 an die Zündkerze 3
elektrisch so angeschlossen, daß der Kondensator 4 eine
positive Spannung über der Mittelelektrode 3a und der
Masseelektrode 3b der Zündkerze 3 anlegt, das heißt, eine
Spannung derart, daß die Mittelelektrode 3a ein höheres
Potential als die Masseelektrode 3b besitzt. Falls eine
negative Spannung an die Elektroden angelegt wird, ist die
Ursache des Ionenstroms zwischen den Elektroden 3a und 3b
der Fluß von positiven Ionen. Nachdem positive Ionen eine
größere Masse aufweisen, ist der Ionenstrom extrem klein,
und der durch den Widerstand 5 fließende Strom schwierig
zu messen. Im Gegensatz dazu wird der Ionenstrom durch den
Fluß von Elektronen erzeugt, wenn eine positive Spannung
über der Mittelelektrode 3a und der Masseelektrode 3b
angelegt wird. Nachdem die Elektronen eine viel kleinere
Masse besitzen als positive Ionen, ist der Ionenstrom
viel größer (im allgemeinen 10 bis 50 mal so groß) als ein
auf positiven Ionen beruhender Ionenstrom. Deswegen fließt
ein großer Strom durch den Widerstand 5, wenn eine
positive Spannung über den Elektroden 3a und 3b angelegt wird,
und erzeugt eine leicht zu ermittelnde Spannungsänderung
am Anschluß 6.
Der Kondensator 4 übernimmt die Aufgabe einer
Gleichspannungs-Energieversorgung mit einem
Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, so wie er in
einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erfassung eines
Ionenstroms erforderlich ist. Der Kondensator 4 kann viel
kleiner, leichter und preiswerter sein als eine
Gleichspannungs-Energieversorgung, so daß die oben beschriebene Vorrichtung
zur Erfassung eines Ionenstroms kleiner, leichter und preiswerter
als eine herkömmliche sein kann.
In dem Beispiel aus Fig. 3 bis 5 war die
Zündspule 1 zum Anlegen einer negativen Spannung an die
Zündkerze 3 zur Erzeugung einer Zündung ausgeführt. Fig. 1
zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit einer Zündspule, die so ausgelegt ist, daß
eine positive Spannung an die Mittelelektrode einer
Zündkerze zur Erzeugung einer Zündung angelegt wird. Wie
in dem Beispiel aus Fig. 3, weist dieses
Ausführungsbeispiel eine Zündspule 1 mit einer
Primärwicklung 1a und einer Sekundärwicklung 1b auf. Ein
Anschluß der Primärwicklung 1a ist an eine nicht
dargestellte Energieversorgung, wie zum Beispiel an eine
Batterie, angeschlossen, und der andere Anschluß der
Primärwicklung 1b ist an einen Leistungstransistor 2
angeschlossen. Die Sekundärwicklung 1b weist einen
positiven Anschluß und einen negativen Anschluß auf. Der
positive Anschluß ist an die Mittelelektrode 3a einer
Zündkerze 3 durch eine Diode 9 angeschlossen, deren Anode
an die Sekundärwicklung 1b und deren Kathode an die
Zündkerze 3 angeschlossen ist. Der negative Anschluß der
Sekundärwicklung 1b ist an einen Anschluß eines
Kondensators 4 an einen Anschluß eines stromfühlenden
Widerstands 5 und an die Anode einer Zenerdiode 8
angeschlossen. Der andere Anschluß des Kondensators 4 ist
an die Kathode einer Diode 7 und an die Anode einer
weiteren Diode 10 angeschlossen. Die Kathode der
Zenerdiode 8, der andere Anschluß des stromfühlenden
Widerstands 5 und der Anode der Diode 7 sind an Masse
angeschlossen. Die Kathode der Diode 10 ist an die Kathode
der Diode 9 und an die Mittelelektrode 3a der Zündkerze 3
angeschlossen. Ein Anschluß 6 ist an den Knotenpunkt
zwischen dem Widerstand 5 und dem Kondensator 4
angeschlossen, um eine Messung der Spannungsänderung
aufgrund eines Ionenstroms über dem Widerstand 5 zu
ermöglichen.
Die Betriebsweise dieses Ausführungsbeispiels ist ähnlich
zu der des vorangegangenen Beispiels. Wenn der
Leistungstransistor 2 ausgeschaltet wird, um den durch die
Primärwicklung 1a fließenden Primärstrom zu unterbrechen,
wird eine Hochspannung der gezeigten Polarität in der
Sekundärwicklung 1b erzeugt, und ein Entladestrom fließt
von der Sekundärwicklung 1b durch die Diode 9 und in die
Zündkerze 3 hinein, so wie durch den durchgezogenen Pfeil
dargestellt. Gleichzeitig wird der Kondensator 4 auf eine
Spannung mit der dargestellten Polarität, wie zum Beispiel
300 Volt, die durch die Zenerdiode 8 bestimmt wird,
aufgeladen.
Die Entladung der Zündkerze 3 erzeugt eine Ionisation des
Kraftstoff-Luftgemisches, und Ionen werden zwischen den
Elektroden der Zündkerze 3 erzeugt. Die an die Zündkerze 3
durch den Kondensator 4 angelegte positive Spannung
erzeugt einen Ionenstromfluß zwischen den Elektroden der
Zündkerze 3. Der Ionenstrom ermöglicht die Ladung des
Kondensators 4, und ein elektrischer Strom fließt in die
durch den gestrichelten Pfeil in Fig. 1 dargestellte
Richtung durch den Widerstand 5, den Kondensator 4 und die
Diode 10. Dieser elektrische Strom erzeugt eine
Spannungsänderung am Anschluß 6 entsprechend der Größe des
Ionenstroms. Wie im vorangegangenen Beispiel
ist die Ursache des Ionenstroms zwischen den Elektroden
der Zündkerze 3 der Fluß von Elektronen, so daß die Größe
des Ionenstroms größer ist und einfacher durch die
Spannungsänderung am Anschluß 6 gemessen werden kann.
Dieses Ausführungsbeispiel besitzt dieselben Vorteile wie
das vorangegangene Beispiel.
In dem vorangegangenen Ausführungsbeispielen und dem vorausgegangenen Beispiel ist eine
Zündspule direkt an eine Zündkerze angeschlossen. Jedoch
kann die vorliegende Erfindung auch auf ein Zündsystem
angewendet werden, das mit einem Verteiler ausgerüstet
ist. Fig. 6 zeigt ein Beispiel,
in dem eine einzelne Zündspule 1
eine Zündspannung für eine Vielzahl von Zündkerzen (nur
eine von diesen ist gezeigt) durch einen Verteiler 11
bereitstellt. Wie in dem vorangegangenen
Beispiel weist die Zündspule 1 eine
Primärwicklung 1a und eine Sekundärwicklung 1b auf. Ein
Anschluß der Primärwicklung 1a ist an eine nicht
dargestellte Energieversorgung angeschlossen, und der
andere Anschluß der Primärwicklung 1b ist an einen
Leistungstransistor 2 angeschlossen. Der Verteiler 11
weist eine Mittelelektrode 11 auf, die sich in
Synchronisation mit dem Motor (normalerweise mit der
Hälfte der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors) dreht,
und eine Vielzahl von stationären, am Umfang angeordneten
Elektroden 11b, die um die Mittelelektrode 11a angeordnet
sind. Die Mittelelektrode 11a ist an den negativen
Anschluß der Sekundärwicklung 1b angeschlossen, und jede
der am Umfang angeordneten Elektroden 11b ist an die
Mittelelektrode 3a einer der Zündkerzen 3 des Motors
angeschlossen, wobei nur eine von diesen gezeigt ist.
Jeder der am Umfang angeordneten Elektroden 11b ist
außerdem an die Mittelelektrode 11a durch eine Diode 9
(nur eine von diesen ist gezeigt) angeschlossen, deren
Anode an die Mittelelektrode 11a und deren Kathode an
einen der am Umfang angeordneten Elektroden 11b
angeschlossen ist.
Der positive Anschluß der Sekundärwicklung 1b ist an einen
Anschluß eines Kondensators 4 und an die Kathode einer
Zenerdiode 8 angeschlossen. Der andere Anschluß des
Kondensators 4 ist an einen Anschluß eines stromfühlenden
Widerstands 5 und an die Anode einer Diode 7
angeschlossen. Der andere Anschluß des Widerstands 5 und
der Kathode der Diode 7 sind mit Masse verbunden. Der
Anschluß 6 ist an den Knotenpunkt des Widerstands 5 und an
den Kondensator 4 angeschlossen, um die Messung der durch
den Ionenstrom erzeugten Spannungsänderung über den
Widerstand 5 zu ermöglichen. Dem Aufbau nach ist dieses
Beispiel ähnlich dem Beispiel aus
Fig. 3, bis auf daß der Verteiler 11 und die Diode 9
zwischen der Zündkerze 3 und dem negativen Anschluß der
Sekundärwicklung 1b angeschlossen sind.
Wenn die Mittelelektrode 11a des Verteilers 11 eine der am
Umfang angeordneten Elektroden 11b berührt und der
Leistungstransistor 2 unterbrochen wird, fließt ein
Entladestrom in den die durch den durchgezogenen Pfeil in
Fig. 6 gezeigte Richtung, und die Zündkerze 3 entlädt
sich, um das Kraftstoff-Luftgemisch in einem der Zylinder
zu zünden. Gleichzeitig wird der Kondensator 4 mit der
gezeigten Polarität geladen. Dann erzeugt die durch den
Kondensator 4 über die Elektroden 3a und 3b der Zündkerze
3 angelegte positive Spannung einen Ionenstrom zwischen
den Elektroden, und aufgrund des Ionenstroms fließt ein
elektrischer Strom in die durch den gestrichelten Pfeil in
Fig. 6 dargestellte Richtung durch den Widerstand 5, durch
den Kondensator 4, durch die Sekundärwicklung 1b und durch
die Diode 9. Dieser Strom erzeugt eine Spannungsänderung
am Anschluß 6, der zur Bestimmung, ob der Zylinder
Fehlzündungen ausführt, überwacht werden kann. Nachdem
sich die Elektrode 11a dreht und nacheinander jede der am
Umfang angeordneten Elektroden 11b berührt, wird der obige
Prozeß für jeden Zylinder wiederholt, und der Ionenstrom,
der in jedem der Zylinder erzeugt wird, kann aufgrund der
Spannung am Anschluß 6 bestimmt werden. Dieses
Beispiel verwendet einen Kondensator 4 zur
Erzeugung eines Ionenstroms, so daß es dieselben Vorteile
aufweist wie das vorangegangenen Beispiel.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist
ähnlich dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1, aber die Diode
aus Fig. 1 ist durch einen Verteiler 11 ersetzt, der eine
Mittelelektrode 11a und eine Vielzahl von am Umfang
angeordneten Elektroden 11b aufweist. Die Mittelelektrode
11a ist an den positiven Anschluß der Sekundärwicklung 1b
der Zündspule 1 angeschlossen, und jede der am Umfang
angeordneten Elektroden 11b ist an die Mittelelektrode 3a
von einer der Vielzahl von Zündkerzen 3, wobei nur eine
von diesen gezeigt ist, angeschlossen. Ein Kondensator 4,
ein stromfühlender Widerstand 5, eine Diode 7 und eine
Zenerdiode 8 sind an den negativen Anschluß der
Sekundärwicklung 1b in der gleichen Art wie im
Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 angeschlossen. Der
Kondensator 4 ist mit einer der am Umfang angeordneten
Elektroden 11b des Verteilers 11 durch eine oder mehrere
Dioden 10 angeschlossen, wobei jede ihre Anode an den
Kondensator 4 und ihre Kathode an den Verteiler 11
angeschlossen hat. Eine einzelne Diode 10 kann an eine der
am Umfang angeordneten Elektroden 11b angeschlossen sein,
oder eine getrennte Diode 10 kann für jede am Umfang
angeordnete Elektrode 11b vorgesehen werden.
Wenn der Leistungstransistor 2 ausgeschaltet wird, fließt
ein Zündstrom durch den Verteiler 11 in eine der
Zündkerzen 3 in die durch den durchgezogenen Pfeil in Fig. 2
gezeigte Richtung, und der Kondensator 4 wird mit der
gezeigten Polarität geladen. Dann legt der Kondensator 4
eine positive Spannung über den Elektroden der Zündkerze 3
zur Erzeugung eines Ionenstroms an, und aufgrund des
Ionenstroms fließt ein elektrischer Strom durch den
Widerstand 5, den Kondensator 4 und die Diode 10, so wie
durch den gestrichelten Pfeil dargestellt. Dieser Strom
erzeugt eine Spannungsänderung am Anschluß 6 entsprechend
dem Ionenstrom, und durch Überwachung dieser Spannung kann
festgestellt werden, ob der Zylinder richtig zündet.
Dieser Prozeß wird nacheinander für jeden Zylinder des
Motors ausgeführt. Wie in dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel verwendet dieses Ausführungsbeispiel
einen Kondensator 4, um eine Spannung zur Erzeugung eines
Ionenstroms anzulegen, und somit besitzt es dieselben
Vorteile wie dieses Ausführungbeispiel.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel.
Dieses Beispiel
unterscheidet sich von dem Beispiel aus Fig. 1
nur dadurch, daß eine Diode 12 zwischen dem positiven
Anschluß der Sekundärwicklung 1b und der Zenerdiode 8
angeschlossen ist, wobei ihre Anode an die
Sekundärwicklung 1b und ihre Kathode an die Kathode der
Zenerdiode 8 angeschlossen ist. Der durchgezogene Pfeil
zeigt die Richtung des Stroms an, wenn die Zündkerze 3
zündet, während der gestrichelte Pfeil die Richtung des
Stromes durch den Widerstand 5, den Kondensator 4 und die
Sekundärwicklung 1b zeigt, wenn ein Ionenstrom zwischen
den Elektroden 3a und 3b der Zündkerze 3 erzeugt wird. Die
Betriebsweise dieses Beispieles ist im
wesentlichen dieselbe wie die des Beispiels aus
Fig. 3 und weist dieselben Vorteile auf.
Fig. 8 zeigt die Spannung in der Sekundärwicklung 1b, den
Sekundärstrom, wenn die Zündkerze 3 zündet, und den
Ionenstrom, der zwischen den Elektroden der Zündkerze 3
fließt als Funktion der Zeit während des Betriebs des
Beispiels aus Fig. 7.
Der Kondensator 4, der stromfühlende Widerstand 5, die
Dioden 7 und 12 und die Zenerdiode 8 sind alle sehr
kompakt, so wie in Fig. 9 gezeigt, so daß es möglich ist,
sie in einer einzelnen Stromerfassungseinheit 13 zu
kombinieren, die klein genug ist, um auf der Zündkerze 3
zusammen mit dem Leistungstransistor 2 befestigt zu
werden. Die Zündkerze 3, der Leistungstransistor 2 und die
Stromerfassungseinheit 13 können integral miteinander
hergestellt werden, um deren Installation auf dem Motor
als ein einzelnes Element zu ermöglichen. Diese Anordnung
reduziert nicht nur die Größe und das Gewicht der
Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms, sondern es
reduziert auch die Verdrahtungslängen, die benötigt
werden, um die verschiedenen Komponenten zu verbinden.
Das Beispiel aus Fig. 7 verwendet zwei Dioden 7
und 12. Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel,
bei dem eine einzelne Diode 7 die
Funktion der beiden Dioden 7 und 12 des
Beispiels aus Fig. 7 ausführt. Dieses
Beispiel ist ähnlich dem Beispiel
aus Fig. 7, bis auf daß die Diode 12 weggelassen ist, und
daß die Kathode der Zenerdiode 8 an den positiven Anschluß
der Sekundärwicklung 1b angeschlossen ist, während ihre
Anode an die Anode der Diode 7 anstelle an Masse
angeschlossen ist. Die Betriebsweise dieses
Beispiels ist im wesentlichen dieselbe wie des
Beispiels aus Fig. 7. Der durchgezogene Pfeil
zeigt die Richtung des Stromes an, wenn die Zündkerze 3
zündet, und der gestrichelte Pfeil zeigt die Richtung des
Stromes durch den Widerstand 5, den Kondensator 4 und die
Sekundärwicklung 1b an, wenn ein Ionenstrom zwischen den
Elektroden der Zündkerze 3 fließt. Diese Anordnung erlaubt
eine weitere Herabsetzung der Größe und des Gewichts der
Vorrichtung.
Eine weitere Schaltung, die einen Kondensator 4, einen
Widerstand 5, eine Diode 7, eine Zenerdiode 8 und
wahlweise eine Diode 12 enthält, kann für jeden Zylinder
des Motors vorgesehen werden. Alternativ kann wie in Fig.
11 gezeigt eine einzelne derartige Schaltung benutzt
werden, um den Ionenstrom in allen Zylindern zu
detektieren. In Fig. 11 ist jeder Zylinder des Motors mit
einer getrennten Zündspule 1 ausgerüstet, die eine
Sekundärwicklung 1b aufweist, die an die Mittelelektrode
3a einer entsprechenden Zündkerze 3 angeschlossen ist. Der
Knotenpunkt der Diode 12 und des Kondensators 4 ist an die
Sekundärwicklung 1b von jeder Zündspule 1 angeschlossen.
Jedesmal wenn die Zündkerzen 3 zünden, wird der
Kondensator 4 mit der gezeigten Polarität aufgeladen. Der
Kondensator 4 legt dann eine positive Spannung zwischen
den Elektroden 3a und 3b von jeder der Zündkerzen 3 an.
Nachdem sich jedoch nur einer der Zylinder zu einem
bestimmten Zeitpunkt in seinem Verbrennungshub befindet,
wird der Ionenstrom nur zwischen den Elektroden der
Zündkerzen 3 für den Zylinder in dem Verbrennungshub
erzeugt. Fig. 12 zeigt den Primärstrom, der durch die
Primärwicklung 1a von jeder der vier Zündspulen 1 für
einen Vierzylindermotor fließt, und den Ionenstrom, der
erfaßt wird. Nachdem leicht entschieden werden kann,
welcher Zylinder des Motors sich zu einem bestimmten
Zeitpunkt in seinem Verbrennungshub befindet, kann
entschieden werden, welchem Zylinder der gemessene
Ionenstrom entspricht. Deswegen kann festgestellt werden,
falls einer der Zylinder Fehlzündungen ausführt.
Fig. 13 zeigt ein weiteres Beispiel.
Dieses Beispiel ist
identisch dem Beispiel aus Fig. 6, bis auf daß
eine Diode 12 zwischen der Zenerdiode 8 und dem positiven
Anschluß der Sekundärwicklung 1b eingefügt ist. Die Anode
der Diode 12 ist an die Sekundärwicklung 1b und an den
Kondensator 4 angeschlossen, während ihre Kathode an die
Kathode der Zenerdiode 8 angeschlossen ist. Jede der am
Umfang angeordneten Elektroden 11b des Verteilers 11 ist
an die Mittelelektrode von einer der Vielzahl von
Zündkerzen 3 angeschlossen, und die Mittelelektrode 11a
des Verteilers ist an jede der am Umfang angeordneten
Elektroden 11b durch entsprechende Dioden 9 angeschlossen,
deren Anoden an die Mittelelektrode 11a und deren Kathoden
an die am Umfang angeordneten Elektroden 11b angeschlossen
sind. Der durchgezogene Pfeil zeigt die Stromrichtung,
wenn eine der Zündkerzen 3 zündet, und der gestrichelte
Pfeil zeigt die Richtung des Stromes an, wenn ein
Ionenstrom zwischen den Elektroden einer der Zündkerzen
fließt. Die Betriebsweise dieses Beispiels ist
im wesentlichen dieselbe wie die des Beispiels
aus Fig. 6 und besitzt dieselben Vorteile.
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ein
Motor, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird,
als ein Vierzylindermotor dargestellt wird, ist die Anzahl
der Zylinder willkürlich, und die vorliegende Erfindung
kann auf jeden funkengezündeten Motor angewendet werden,
der einen oder mehrere Zylinder aufweist.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird ein
stromfühlender Widerstand 5 für die Erfassung eines
elektrischen Stroms verwendet, der durch den Ionenstrom in
einem Zylinder herrührt, aber andere stromfühlende
Einrichtungen können anstelle davon verwendet werden.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms für eine
Brennkraftmaschine, umfassend:
- a) eine Zündkerze (3) mit einer Mittelelektrode (3a) und einer mit Masse verbundenen Masseelektrode (3b);
- b) eine Zündspannungs-Erzeugungseinheit (1, 1a, 1b; 2) mit einem ersten zur Mittelelektrode (3a) führenden Anschluß und einem zweiten Anschluß, zur Erzeugung einer Zündspannung zwischen der Masseelektrode (3b) und der Mittelelektrode (3a) der Zündkerze;
- c) einen mit der Zündspannungs-Erzeugungseinheit (1, 1a, 1b; 2) verbundenen Kondensator (4);
- d) eine mit der Zündspannungs-Erzeugungseinheit (1, 1a, 1b; 2) verbundene Ladeeinrichtung (7, 8) zum Aufladen des Kondensators (4) auf eine vorgegebene Meßspannung, mit einer Zenerdiode (8); und
- e) eine Stromerfassungs-Einrichtung (5, 6) zur Erfassung
eines Ionenstroms, der aufgrund der Meßspannung am
Kondensator (4) zwischen der Masseelektrode (3b) und
der Mittelelektrode (3a) der Zündkerze (3) fließt,
mit einem mit der Masse verbundenen Meßwiderstand
(5);
dadurch gekennzeichnet, daß - f) der Kondensator (4) einerseits mit dem zweiten Anschluß der Zündspannungs-Erzeugungseinheit und andererseits über eine Diode (10) mit der Mittelelektrode (3a) der Zündkerze (3) verbunden ist; und
- g) die Zenerdiode (8) parallel zu dem Meßwiderstand (5) liegt und mit dem zweiten Anschluß der Zündspannungs- Erzeugungseinheit (1, 1a, 1b; 2) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Ladediode (7) vorgesehen ist, die einen
Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (4) und der
Diode (10) mit der Masse verbindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Verteiler (11) vorgesehen ist
zwischen dem ersten Anschluß der Zündspannungs-
Erzeugungseinheit (1, 1a, 1b; 2) und der Mittelelektrode
(3a) der Zündkerze (3).
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