DE69310585T2

DE69310585T2 - Fehlzündungserkennungseinrichtung für eine innere Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69310585T2
Application number: DE69310585T
Authority: DE
Inventors: Junichi Kagawa; Yoshihiro Matsubara; Shigeru Miyata
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2013-03-12
Also published as: EP0560603A2; DE69310585D1; EP0560603B1; US5347855A; EP0560603A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fehizündungserkennungseinrichtung zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, die auf der Tatsache basiert, daß ein Widerstand über eine Zündkerzenfunkenstrecke unterschiedlich ist für den Fall, daß der Funke ein gasförmiges Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet, oder daß der Funke das in einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzte gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht entzündet.
Mit der Forderung nach Abgasreinigung und erhöhter Kraftstoffausnutzung des Verbrennungsmotors wurde es erforderlich, die Zündbedingungen in jedem Zylinder des Verbrennungsmotors zu erfassen, um den Verbrennungsmotor vor jedweder Art von Fehlzündung zu schützen. Zur Erfassung der Zündbedingungen in jedem Zylinder ist ein optischer Sensor bekannt, der jeweils im Zylinder installiert wird, ein druckempfindliches Element, das an der Sitzfläche der Zündkerze angebracht wird, oder der Ionisationsstrom eines überwachten Zündstromkreises.
Es ist jedoch schwierig und zeitaufwendig, den optischen Sensor in jedem der Zylinder zu installieren, so daß erhöhte Montagekosten und gleichzeitig ein hoher Zeitaufwand für Prüfung und Wartung resultieren. Außerdem wird eine hochspannungsfeste Diode benötigt, um den Ionisationsstrom in einen Sekundärkreis einzuspeisen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fehlzündungserkennungseinrichtung zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, die in der Lage ist, durch Prüfung einer Wellenform der Zündkerzenspannung, die an die Zündkerzen in jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors angelegt wird, präzise eine Fehlzündung zu erfassen, und die einen relativ einfachen Aufbau aufweist und leicht zu installieren und zu warten ist.
Die US-A-3,961,240, auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, offenbart eine Fehlzündungserkennungsschaltung, die die Spannung über den Elektroden einer Zündkerze erfaßt. Die Schaltung zeigt Fehlzündungen an, wenn das Integral der Spannung einen Schwellenwert überschreitet, und unterscheidet zwischen zwei unterschiedlichen Fehlern auf Basis der Größe des Spannungsgradienten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Fehlzündungserkennungsschaltung in Verbindung mit einem Zündsystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei das System folgendes umfaßt: eine Zündkerze; einen Zündkreis mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung; eine elektrische Unterbrecherschaltung, die durch Ein/Aus-Schalten bewirkt, daß ein Primärstrom durch die Primärwicklung fließt, so daß eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert wird, um einen Funken zwischen den Elektroden der Zündkerze zu erzeugen; eine serielle Funkenstrecke bzw. Sperrdiode im Sekundärkreis des Zündkreises, um zu verhindern, daß ein Strom zu der Sekundärwicklung zurückfließt, wobei die Fehlzündungserkennungsschaltung folgendes umfaßt: eine Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung der Spannung über den Elektroden der Zündspule; und eine Unterscheidungsschaltung, die auf Basis der erfaßten Spannung feststellt, ob ein Funke zwischen den Elektroden ein Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet hat oder nicht, dadurch gekennzeichnet, daß: die Zündkerze eine Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden ist; die Spannungserfassungsschaltung so angeordnet ist, daß sie den Bedämpfungszeitraum der erfaßten Spannung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Ende der Funkenbildung der Zündkerze erfaßt; und die Unterscheidungsschaltung so angeordnet ist, daß sie auf Basis des Bedämpfungszeitraums der erfaßten Spannung feststellt, ob ein Funke das Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet hat oder nicht.
Vorzugsweise hat die Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden eine Mittelelektrode und zwei oder mehr Masseelektroden, wobei des vordere Ende der Mittelelektrode am Umfang mit einer Schicht auf Edelmetallbasis überzogen ist, und das vordere Ende der Masseelektrode und ihre Stirnfläche ebenfalls mit einer Schicht auf Edelmetallbasis überzogen sind.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsdetektor so angeordnet, daß er den Bedämpfungszeitraum der erfaßten Spannung unmittelbar nach der Funkenbildung durch die Zündkerze erfaßt.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Fehlzündungserkennungsschaltung eine Spannungsladeschaltung, welche die Primärwicklung erneut aktiviert, so daß eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert wird, um nach dem Ende der Funkenbildung durch die Zündkerze eine inhärente Streukapazität in der Zündkerze elektrisch aufzuladen; und die Spannungserfassungsschaltung ist so angeordnet, daß sie den Bedämpfungszeitraum der erfaßten Spannung erfaßt, nachdem die Spannungsladeschaltung die Streukapazität aufgeladen hat.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Fehlzündungserkennungsschaltung eine Spannungsladeschaltung, welche die Primärwicklung wieder aktiviert, so daß eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert wird, um nach dem Ende der Funkenbildung durch die Zündkerze eine inhärente Streukapazität in der Zündkerze elektrisch aufzuladen, wenn der Motor bei niedrigen Drehzahlen läuft; wobei die Spannungserfassungsschaltung dann, wenn der Motor bei niedrigen Drehzahlen läuft, den Bedämpfungszeitraum der erfaßten Spannung erfaßt, nachdem die Spannungsladeschaltung die Streukapazität aufgeladen hat; und wobei die Spannungserfassungsschaltung dann, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, feststellt, ob die erfaßte Spannung einen vorbestimmten Referenzwert überschreitet, und die Unterscheidungsschaltung dann, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, auf Basis der Feststellung, ob die erfaßte Spannung den Referenzwert überschreitet, feststellt, ob ein Funke das Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet hat oder nicht.
Bei der Spannungsladeschaltung kann es sich um die Unterbrecherschaltung des Zündsystems handeln.
In der Fehlzündungserkennungseinrichtung wird die Zündkerzenspannung zu der vorbestimmten Zeit nach dem Ende der Funkenbildung induziert. Die Höhe der Zündkerzenspannung (4 - 5 kV) wird so gesteuert, daß sie die serielle Funkenstrecke überwinden kann, z.B. eine Überschlagstrecke im Zündverteiler. Die Zündkerzenspannung wird an die Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden angelegt, um die inhärente Streukapazität (10 - 20 pF) der Zündkerze elektrisch aufzuladen. Die Bedämpfungscharakteristik der Ladespannung ist unterschiedlich, je nachdem, ob die Dichte der ionisierten Teilchen im Verbrennungsgas zwischen den Elektroden der Zündkerze hoch ist oder nicht. Demzufolge wird die Fehlzündung durch Erfassung der Bedämpfungscharakteristiken der Wellenform der Zündkerzenspannung durch die Aufladung nach dem Ende der Funkenbildung und durch Vergleich der Bedämpfungscharakteristiken mit zuvor gemessenen oder errechneten Daten entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen erkannt.
Wenn ionisierte Teilchen vorliegen, sind die ionisierten Teilchen in einem Brennraum des Verbrennungsmotors nicht gleichförmig verteilt. Die wahrscheinliche Flußrichtung des Ionisationsstroms hängt davon ab, wie sich die Verwirbelung infolge der Verbrennung ausbildet. Die Intensität des Ionisationsstroms wird durch die Außenfläche der Elektrode bestimmt. Mit der Zunahme der Außenfläche tendiert der Ionisationsstrom zu einem gleichförmigen Verlauf. Um einem zu geringen Ionisationsstrom aufgrund der Verbrennungsverwirbelung zu begegnen, wird eine Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden verwendet, um einen gleichförmigen Verlauf des Ionisationsstroms zu bewirken, so daß die Fehlzündung im Zylinder des Verbrennungsmotors exakt erkannt werden kann.
Bei der Fehlzündungserkennungseinrichtung, die eine verteilerlose Zündung (DLI fur Distributorless Igniter) hat, ist die Zündspule mit jeder der Mittelelektroden der Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden verbunden. Die Mittelelektrode liegt entweder auf positiver oder negativer Polarität. Wenn die Mittelelektrode positive Polarität hat, ist es vorteilhaft für die exakte Erfassung der Bedämpfungscharakteristik der Wellenform der Zündkerzenspannung. Auch wenn die Mittelelektrode negative Polarität hat, ist es möglich, den Fluß des Ionisationsstroms durch Vergrößerung der freien Oberfläche der Mittelelektrode zu begünstigen, wodurch die gleiche Genauigkeit bei er Erfassung der Bedämpfungscharakteristiken sichergestellt ist wie in dem Fall, bei dem die Mittelelektrode positive Polarität hat.
Die Schichten auf Edelmetallbasis auf den Elektroden der Zündkerze schützen eine Zündfläche der Elektroden gegen Funkenerosion aufgrund von Oxidationsabtragung.
In der Fehlzündungserkennungseinrichtung, bei der die verteilerlose Zündung verwendet wird, lädt elektrische Energie, die im Zündstromkreis gespeichert ist, die inhärente statische Kapazität (10 - 20 pF) der Zündkerze unmittelbar nach dem Ende der Funkenbildung auf. Die Ladespannung führt zu einer Zündkerzenspannung von 5 - 8 kV, wenn der Verbrennungsmotor mit hoher Drehzahl läuft, während bei niedriger Drehzahl des Motors eine Zündkerzenspannung von 2 - 3 kV aufgebaut wird. Die Zündkerzenspannung wird nach dem Ende der Funkenbildung rasch über die Elektroden der Zündkerze entladen, wenn der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch normal entzündet, da das zwischen den Elektroden verbleibende Verbrennungsgas ionisiert ist. Wenn der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht entzündet, wird die Zündkerzenspannung langsam über den Sekundärkreis abgebaut, da das zwischen den Elektroden verbleibende Gas frei von ionisierten Teilchen ist. Die Bedämpfungscharakteristiken der Ladespannung hängen von der Dichte der ionisierten Teilchen des zwischen den Elektroden verbleibenden Verbrennungsgases ab. Wenn die ionisierten Teilchen des Verbrennungsgases zwischen den Elektroden vorliegen, wird die Bedämpfungscharakteristik von der Außenfläche der Elektroden bestimmt, und die Bedämpfungscharakteristik wird mit der Vergrößerung der Außenfläche der Elektroden kürzer, da die Intensität des Ionisationsstroms zunimmt.
Demzufolge wird das Auftreten bzw. Nichtauftreten von Fehlzündungen im Zylinder festgestellt, indem ein erforderlicher Bedämpfungszeitraum für die Abnahme der Zündkerzenspannung auf einen vorbestimmten Wert gegenüber der Spitzenhaltespannung aufgrund der Überwachung der Zündkerzenspannung zwischen der Sperrdiode und der Zündkerze erfaßt wird. In diesem Fall kann ein Abnahmeverhältnis der Zündkerzenspannung gegenüber einem Spitzenwert der Spitzenhaltespannung ermittelt werden.
Das Auftreten bzw. Nichtauftreten von Fehlzündungen wird durch Erfassung der Bedämpfungscharakteristiken der Zündkerzenspannung durch Aufladung der Streukapazität nach der Funkenbildung und durch Vergleich der Charakteristiken mit zuvor entsprechend den Betriebsbedingungen gemessenen oder berechneten Daten bestimmt. In diesem Fall fließt der Ionisationsstrom gleichförmig zwischen den Elektroden, wenn eine Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden verwendet wird, die eine Vielzahl von Elektroden und eine vergrößerte Außenfläche der aus dem Isolator hervorstehenden Elektroden hat. Damit kann eine Fehlzündung durch die Reduktion der Unterbrechung des Ionisationsstroms aufgrund der Abweichung der Verbrennungsturbulenz in einem Zylinder des Verbrennungsmotors exakt erkannt werden.
Bei der Fehlzündungserkennungseinrichtung, bei der ein Verteiler fur eine Zündeinrichtung benötigt wird, ist eine serielle Funkenstrecke (z.B. die Verteilerfunkenstrecke) zwischen dem Zündstromkreis und der Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden bereitgestellt, um als Luftspalt zu wirken. Dies führt zu einer relativ geringen nach dem Ende der Funkenbildung im Zündstromkreis gespeicherten Energie, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft. Die geringe elektrische Energie beschränkt häufig die mögliche Erhöhung des Pegels der Zündkerzenspannung, so daß es schwierig ist, die Bedämpfungscharakteristiken der Zündkerzenspannung exakt zu bestimmen.
Aus diesem Grund ist die Spannungsladeschaltung ausgeführt, um einen erhöhten Pegel der Zündkerzenspannung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Ende der Funkenbildung nur dann bereitzustellen, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft. Der erhöhte Pegel der Zündkerzenspannung ist auf z.B. 5 - 7 kV festgelegt, was hoch genug ist, um die serielle Funkenstrecke des Verteilers zu überwinden, jedoch nicht ausreichend, um die Funkenstrecke zu überwinden, so daß die inhärente Streukapazität der Zündkerze aufgeladen wird. Die Entladungsdauer der aufgeladenen Kapazitat andert sich in Abhängigkeit davon, ob ionisierte Teilchen im verbleibenden Verbrennungsgas in der Funkenstrecke vorhanden sind oder nicht, nachdem der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder des Verbrennungsmotors entzündet hat.
Nachdem der Funke abgerissen ist, wird der Bedämpfungszeitraum der Zündkerzenspannung in der gleichen Weise wie oben beschrieben erfaßt, um festzustellen, ob Fehlzündungen im Zylinder des Verbrennungsmotors auftreten.
Die Zündkerzenspannung wird nach dem Abreißen des Funkens oftmals übermäßig erhöht, so daß eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerze auftritt, wenn der Motor bei hoher Drehzahl und unter hoher Last arbeitet. In diesem Fall fällt die Sekundärspannung unabhängig von einer Fehlzündung rasch ab, da die Ladespannung der Streukapazität sofort abgebaut wird. Damit ist es schwierig, die Fehlzündung von der normalen Verbrennung ausschließlich durch Erfassung der Bedämpfungscharakteristiken der Zündkerzenspannung zu unterscheiden.
Der erhöhte Spannungspegel der Zündkerzenspannung ist jedoch klar kennzeichnend für die Unterscheidung der Fehlzündung von der normalen Verbrennung nach dem Ende der Funkenbildung, wenn der Motor bei hoher Drehzahl und unter hoher Last arbeitet. Dies bedeutet, daß der Funke meist anhält, wenn der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch normal entzündet, wobei die Teilchen im Verbrennungsgas ionisiert werden, so daß der Funke die nach dem Ende der Funkenbildung im Zündstromkreis gespeicherte elektrische Energie aufzehrt und die Zündkerzenspannung daher nur um 3 - 5 kV erhöht wird.
Im Gegensatz zur erhöhten Spannung von 3 - 5 kV übersteigt die erhöhte Zündkerzenspannung 10 kV, wenn eine Fehlzündung im Zylinder des Verbrennungsmotors auftritt.
Demzufolge wird das Auftreten oder Nichtauftreten der Fehlzündung festgestellt, indem der erhöhte Pegel der Zündkerzenspannung nach dem Ende der Funkenbildung erfaßt wird, wenn der Motor bei hoher Drehzahl und unter hoher Last läuft.
Bei der Fehlzündungserkennungseinrichtung gemäß der Erfindung ist die freiliegende Fläche der Mittelelektrode durch Verwendung einer Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden vergrößert, so daß das Fließen des Ionisationsstroms begünstigt wird, um eine exakte Erkennung von Fehlzündungen unabhängig von Variationen der Wirbelströmung im Zylinder des Verbrennungsmotors sicherzustellen.
Dadurch wird es außerdem möglich, die Notwendigkeit des optischen Sensors, des druckempfindlichen Elements und der hochspannungsfesten Diode zu umgehen, so daß eine Fehlzündungserkennungseinrichtung bereitgestellt werden kann, die in der Lage ist, die Fehlzündungen in jedem Zylinder des Verbrennungsmotors exakt zu erfassen, die problemlos in den Motor einzubauen, leicht zu warten und einfach im Aufbau ist, und die rasch zur praktischen Einsatzreife entwickelt werden kann.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird die nachstehende ausschließlich beispielhafte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten zeichnungen gegeben; darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Zündkreises, in den ein Zünddetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einbezogen ist;
Fig. 2 eine Draufsicht einer Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden, deren linke Hälfte in Längsrichtung geschnitten ist;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Längsschnittes eines Hauptteils der Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden;
Fig. 4 eine Ansicht eines Verdrahtungsschemas einer Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung;
Fig. 5 eine Ansicht einer Wellenform der Zündkerzenspannung, die zur Erklärung der Arbeitsweise der Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung dargestellt ist;
Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Anzahl der Elektroden der Zündkerze und einer Wellenform des Ionisationsstroms;
Fig. 9 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Anzahl der Elektroden der Zündkerze und der Höhe eines Ionisationsstroms;
Fig. 10 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Anzahl der Elektroden der Zündkerze und einer Fehlzündungserkennungsrate;
Fig. 11 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Zunahme der Funkenstrecke durch die Fahrleistung in Abhängigkeit von der Anzahl der Elektroden;
Fig. 12 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Anzahl der Elektroden und einer erforderlichen Spannung für die Zündkerze;
Fig. 13 eine schematische Ansicht eines Zündkreises, in den ein Zünddetektor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung einbezogen ist;
Fig. 14 eine Darstellung eines Verdrahtungsschemas einer Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 15 eine Ansicht einer Wellenform der Zündkerzenspannung, die zur Erklärung der Arbeitsweise der Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
Fig. 16 eine Ansicht entsprechend Fig. 11 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17 eine schematische Ansicht einer Wellenform der Zündkerzenspannung, die zur Erklärung der Arbeitsweise der Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
Fig. 18 eine Darstellung eines Verdrahtungsschemas einer Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 19 eine Ansicht einer Wellenform der Spannung, die zur Erklärung der Arbeitsweise der Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt einen Zünddetektor 100, der in einen Verbrennungsmotor einbezogen ist, wobei der Zünddetektor 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen Zündkreis 1 hat, der einen Primärkreis 11 und einen Sekundärkreis 12 mit einer Fahrzeugbatterie (V) als Stromquelle umfaßt. Der Primärkreis 11 hat eine Primärwicklung (L1), die elektrisch in Serie mit einer Schaltvorrichtung 41 und einem Signalgenerator 42 geschaltet ist, während der Sekundärkreis 12 eine Sekundärwicklung (L2) hat, die mit einem Läufer 2a eines Verteilers 2 verbunden ist. Der Verteiler 2 hat stationäre Segmente (Ra), deren Anzahl derjenigen der Zylinder des Verbrennungsmotors entspricht. Ein freies Ende des Läufers 2a ist so gegenüber jedem der stationären Segmente (Ra) angeordnet, daß ein Läuferspalt 21 (serielle Funkenstrecke) mit den entsprechenden Segmenten (Ra) gebildet wird.
Jedes der Segmente (Ra) ist über ein Zündkerzenkabel (H) mit einer Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden verbunden. Die Zündkerze 3 hat eine Mittelelektrode 3a und eine Masseelektrode 3b, um eine Funkenstrecke 31 zwischen den beiden Elektroden 3a, 3b zu bilden, über die bei Anlegen der Spannung ein Funke auftritt. Es hat sich gezeigt, daß eine verteilerlose Zündung, die nicht mit einem Verteiler versehen ist, verwendet werden kann. In diesem Fall kann eine Diode oder ein Luftspalt anstelle des Läuferspalts 21 des Verteilers 2 verwendet werden.
Die Schaltvorrichtung 41 und der Signalgenerator 42 bilden eine Unterbrecherschaltung 4, die einen Kurbelwinkel und eine Drosselklappenstellung des Motors erfaßt, um einen Primärstrom zu unterbrechen, der durch die Primärwicklung (L1) fließt, um eine Zündkerzenspannung in der Sekundärwicklung (L2) des Sekundärkreises 12 so zu induzieren, daß der Zündzeitpunkt einem Frühzündungswinkel entsprechend einer Drehzahl und einer Last des Motors entspricht. Die Unterbrecherschaltung 4 dient als eine Spannungsladeschaltung, die die Primärspule (L1) ein- und ausschaltet, um eine Ladespannung in dem Sekundärkreis 12 entweder während der Funkenbildung zwischen den Elektroden 3a, 3b oder während eines vorbestimmten Zeitraums nach einem Ende des Funkens zu induzieren, was zu einer elektrischen Aufladung der inhärenten Streukapazitäten in der Zündkerze 3 führt. In diesem Fall kann eine getrennte Spannungsladeschaltung unabhängig von der Unterbrecherschaltung 4 bereitgestellt werden.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, hat die Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden ein zylindrisches metallisches Gehäuse 33, an dessen unterem Ende 3A die beiden Masseelektroden 3b einander diametral gegenüberliegend angeschweißt sind. In dem metallischen Gehäuse 33 ist ein rohrförmiger Isolator 34 angeordnet, in den die Mittelelektrode 3a eingesetzt ist, wobei deren vorderes Ende aus dem Isolator 34 herausragt. Jede der Masseelektroden 3b hat eine Stirnfläche 3B, die einem vorderen Ende der Mittelelektrode 3a gegenübersteht, um dazwischen eine Funkenstrecke 31 zu bilden. Die Masseelektrode 3b hat eine Hülle 36 und einen Kupferkern 32, der in der Hülle 36 eingeschlossen ist. Die Hülle 36 besteht aus einer Nikkellegierung mit 15,0 Gew.-% Cr. Die Stirnfläche 3B der Masseelektrode 3b und deren vorderes Ende sind vollständig mit einer Schicht 37 auf Edelmetallbasis überzogen, die aus einer Platinlegierung mit 20.0 Gew.-% Ir oder Ni besteht. Die Schicht 37 hat eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm und eine Breite von 1,0 bis 2,0 mm.
Die Mittelelektrode 3a hat eine langgestreckte Hülle 38 und einen wärmeleitenden Kern 38a, der wie in Fig. 3 gezeigt in die Hülle 38 eingeschlossen ist. Die Hülle 38 besteht aus einer Nickellegierung mit 20,0 Gew.-% Cr, während der wärmeleitende Kern 38a vorzugsweise aus Kupfer oder einer Legierung auf Silberbasis besteht. Eine Stirnseite der Mittelelektrode 3a ist am Umfang mit einer Schicht 39 auf Edelmetallbasis überzogen.
Durch den geschlossenen Überzug der Stirnfläche 3B der Masseelektrode 3b und deren vorderes Ende aus der Legierungschicht 37 auf Edelmetallbasis schützt die erosionsbeständige Schicht 37 eine Kante (Ex) gegen Funkenerosion, wenn die Masseelektrode 3b die Kante (Ex) aufweist, die eine Funkenstrekke zur Mittelelektrode 3a bildet und durch Funkenerosion angreifbar ist.
Ein elektrischer Leiter (Sensor) 51 umschließt einen längeren Abschnitt des Zündkerzenkabels (H), um eine statische Kapazität von z.B. 1 pF bereitzustellen, so daß eine Spannungsteilerschaltung 5 gebildet wird. Der Leiter 51 ist über einen Kondensator 52 mit Masse verbunden. An einem gemeinsamen Punkt zwischen dem Leiter 51 und dem Kondensator 52 ist eine Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung 6 elektrisch angeschlossen, mit der eine Unterscheidungsschaltung 7 verbunden ist. Der Kondensator 52 hat eine statische Kapazität von z.B. 3000 pF, um als Element mit niedriger Impedanz zu dienen, und der Kondensator 52 hat des weiteren einen elektrischen Widerstand 53 (z.B. 2 MΩ), der parallel dazu geschaltet ist, um einen Entladungspfad für den Kondensator 52 zu bilden.
Die Spannungsteilerschaltung 5 erlaubt die Teilung der vom Sekundärkreis 12 induzierten Zündkerzenspannung in der Größenordnung von 1/3000, wodurch es möglich ist, die Zeitkonstante des RC-Glieds mit etwa 9 ms festzulegen, um wie nachstehend beschrieben einen Bedämpfungszeitraum der Zündkerzenspannung zu ermöglichen, der relativ lang ist (3 ms). In diesem Fall wird die Zündkerzenspannung von 30000 V geteilt auf einen Pegel von 10 V in die Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung 6 eingespeist. Die Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung 6 hat, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Spitzenhalteschaltung 61, eine Spannungsteilerschaltung 62 und einen Vergleicher 63. In die Spitzenhalteschaltung 61 werden das Signal (A) vom Signalgenerator 42 und die geteilte Spannung der Spannungsteilerschaltung 5 eingegeben. Die Spannungsteilerschaltung 62 teilt eine Ausgangsspannung von der Spitzenhalteschaltung 61. Der Vergleicher 63 vergleicht den Ausgang von der Spannungsteilerschaltung 5 mit der geteilten Spannung von der Spannungsteilerschaltung 62, um eine Haltezeitdauer zu erfassen, die einen Referenzpegel v (z.B. ein Drittel des Spitzenhaltewerts) überschreitet, der durch die Spannungsteilerschaltung 62 vorbestimmt ist, um einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, der an die Unterscheidungsschaltung 7 übertragen wird. Die Unterscheidungsschaltung 7 stellt fest, ob eine Fehlzündung im Zylinder auftritt oder nicht, indem sie die Länge der Haltezeit (Länge des Ausgangsimpulses) erfaßt.
Beim bisher beschriebenen Aufbau gibt der Signalgenerator 42 der Unterbrecherschaltung 4 Impulssignale wie bei (A) in Fig. 5 aus, um den Primärstrom in dem Primärkreis 11 wie bei (B) in Fig. 5 zu induzieren. Von den Impulssignalen aktivieren die Impulse (a), (c), die eine größere Länge (h) aufweisen, die Zündkerze 3, um den Funken zwischen den Elektroden 3a, 3b aufzubauen. Auf die Impulse (a), (c) folgen die Impulse (b), (d) mit einer Verzögerungszeit von 0,5 - 1,5 ms (i). Die Impulse (b), (d) haben eine geringe Länge, um die inhärente Streukapazität der Zündkerze 3 elektrisch aufzuladen.
Die Zeitdauer, während der das freie Ende des Läufers 2a mit jedem der Segmente (Ra) den Läuferspalt 21 bildet, ändert sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Die Impulslänge (h) und die Verzögerungszeit (i) werden in einer Weise kürzer festgelegt, daß der Funke für 0,5 - 0,7 ms ansteht, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft (6000 U/min).
Mit der Aktivierung der Unterbrecherschaltung 4 tritt die Zündkerzenspannung in der Sekundärwicklung (L2) des Sekundärkreises 12 wie bei (C) in Fig. 5 gezeigt auf. Aufgrund der hohen Spannung (p), die sich nach dem Ende der Impulssignale (a), (c) einstellt, beginnt sich der Funke begleitet von einer induktiven Entladungswellenform (q) aufzubauen.
In Reaktion auf den Anstieg der Impulssignale (b), (d) begleitet eine Gegen-EMK eine positive Spannungswellenform (r), die durch den Sekundärkreis 12 fließt, wodurch es möglich ist, den abklingenden Funken zu löschen. Aufgrund einer elektrischen Energie, die im Zündkreis 1 gespeichert wird, wenn die Primärwicklung (L1) aktiviert ist, wird die Sekundärspannung erneut erhöht, so daß eine Spannungswellenform (s) durch den Sekundärkreis fließt, wenn die Primärwicklung (L1) deaktiviert wird. Der erhöhte Spannungspegel wird wie gewünscht durch die Verzögerungszeit (i) und die Länge der Impulssignale (b), (d) festgelegt. Der Pegel der Spannungswellenform (s) beträgt 5 - 7 kV, wobei diese Höhe ausreichend ist, den Läuferspalt 21 zu überbrücken, jedoch nicht genügt, um eine Entladung zwischen den Elektroden 3a, 3b aufzubauen, wenn das in der Funkenstrecke 31 verbleibende gasförmige Kraftstoff/Luft- Gemisch frei von ionisierten Teilchen ist.
Der Hauptteil der Entladungsspannung der inhärenten Streukapazität der Zündkerze 3 (normalerweise 10 - 20 pF) wird wie bei (D) in Fig. 5 abgebaut. Der Bedämpfungszeitraum der Entladungsspannung in dem Fall, bei dem der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch, das in jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, normal entzündet, ist unterscheidbar von dem Fall, in dem der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht entzündet. Dies bedeutet, daß die Fehlzündung einer langsam abklingenden Wellenform (s1) nach Fig. 5 folgt, während die normale Verbrennung einer plötzlich abklingenden Wellenform (52) folgt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung 6 erfaßt einen Pegel einer Spannungswellenform, der einen Referenzspannungspegel (Vo) überschreitet, um die Spannungswellenform in Rechteckimpulse t1 - t4 zu wandeln, deren Länge jeweils dem Bedämpfungszeitraum entspricht. Die Rechteckimpulse t1 - t4 werden in die Unterscheidungsschaltung 7 eingegeben, um die Schaltung 7 zu veranlassen, die Fehlzündung festzustellen, wenn der Bedämpfungszeitraum 3 ms (1 ms) bei einer Motordrehzahl von 1000 U/min (6000 U/min) überschreitet. Die Unterscheidungsschaltung 7 stellt des weiteren eine Fehlzündung fest, wenn der Bedämpfungszeitraum denjenigen überschreitet, der proportional zur Motordrehzahl zwischen 1000 und 6000 U/min abnimmt.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Läuferspalt 21 des Verteilers 2 als serielle Funkenstrecke verwendet. Bei der verteilerlosen Zündung wird eine Sperrdiode im Sekundärkreis bereitgestellt, die wie die serielle Funkenstrecke wirkt. Wenn eine getrennte Spannungsladeschaltung eingesetzt wird, kann eine Aufwärtsdrossel anstelle der Zündspule 1 verwendet werden, um eine Spannung (4 - 5 kV) zu induzieren, um den Sekundärkreis 12 zu aktivieren.
Wenn die freie Oberfläche des Mittelelektrode 3a der Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden klein ist, wird die Zündkerzenspannung vorzugsweise positiv gewählt, indem der Zündkreis 1 umgekehrt angeschlossen wird, da die ionisierten Teilchen im Verbrennungsgas ein besseres Fließen des elektrischen Strom zulassen, wenn die Aufwärtsdrossel positiv anstatt umgekehrt angeschlossen ist. Wenn die Mittelelektrode 3a auf positiver Polarität gehalten wird, werden die Anionen zur Masseelektrode 3b gezogen, so daß die Geschwindigkeitsänderung der Ionen durch das Flächenverhältnis der Außenoberfläche der Masseelektrode 3b zur Mittelelektrode 3a begünstigt wird. Die Geschwindigkeitsänderung der Ionen wird durch die Geschwindigkeit der Kationen bestimmt, da die leichteren Elektronen schnell in Richtung der Mittelelektrode 3a wandern.
In den Fällen, in denen die Mittelelektrode 3a negativ ist, und die freie Oberfläche der Mittelelektrode 3a groß ist (vorzugsweise größer als 25 mm²), werden die Kationen in der Verbrennungsflamme vorwiegend zur Mittelelektrode 3a gezogen, wodurch ein ausgeprägter Stromfluß ermöglicht wird, so daß die Bedämpfungscharakteristiken der Wellenform der Zündkerzenspannung klar beobachtet werden können.
In der Fehlzündungserkennungseinrichtung mit der verteilerlosen Zündung (DLI) ist die Zündspule mit jeder der Mittelelektroden der Zündkerzen mit einer Vielzahl von Elektroden verbunden. Die Mittelelektrode liegt entweder auf positiver oder negativer Polarität. Wenn die Mittelelektrode auf positiver Polarität liegt, ist dies vorteilhaft für die exakte Erfassung der Bedämpfungscharakteristiken der Wellenform der Zündkerzenspannung. Auch wenn die Mittelelektrode auf negativer Polarität liegt, ist es möglich, das Fließen des Ionisationsstroms durch Vergrößern der freien Oberfläche der Mittelelektrode zu begünstigen, wodurch die gleiche Genauigkeit bei der Erfassung der Bedämpfungscharakteristiken sichergestellt wird wie in dem Fall, in dem die Mittelelektkrode auf positiver Polarität liegt.
Fig. 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Sperrdiode 13 elektrisch zwischen den Läuferspalt 21 des Verteilers 2 und die Sekundärwicklung (L2) des Sekundärkreises 12 eingeschaltet ist. Die Diode 13 ermöglicht das Fließen eines elektrischen Stromes von der Sekundärwicklung (L2) zum Läuferspalt 21 des Verteilers 2, verhindert jedoch ein Zurückfließen des elektrischen Stroms.
Mit den Impulssignalen (A), die die Induktion der Zündkerzenspannung im Sekundärkreis 21 bewirken, wird wie vorbeschrieben die Zündkerzenspannung nach der Deaktivierung nochmals erhöht. Die erhöhte Spannung lädt die inhärente Streukapazität der Zündkerze 3 elektrisch auf, um eine Potentialdifferenz zwischen dem Zündkreis 1 und der Zündkerze 3 aufzubauen.
In diesem Beispiel verhindert die Sperrdiode 13 das Fließen des elektrischen Stroms über den Läuferspalt 21 in Gegenrichtung zu dem Funken, der von der Mittelelektrode 3a zur Masseelektrode 3b auftritt. Anderenfalls geht die in Fig. 7 gezeigte Spannungswellenform (5) von 5 - 7 kV auf 3 - 4 kV zurück und verschlechtert damit die Genauigkeit der Erfassung des Bedämpfungszeitraums.
Durch die Bereitstellung der Sperrdiode 13 begleitet die Zündkerzenspannung wie in Fig. 7 gezeigt eine langsame Bedämpfung der Spannungswellenform (s3) im Gegensatz zu der schnell veränderlichen Spannungswellenform (s1).
In der Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung 6 hält die Spitzenhalteschaltung 61 eine Spitzenspannung auf Basis der Streukapazitit der Zündkerze 3 mit z.B. 1/3 der Spitzenspannung als Referenzspannung (V). Der Vergleicher 63 vergleicht die Referenzspannung (V) mit der Ausgangswellenform von der Spannungsteilerschaltung 5 und gibt Rechteckimpulse t5, t6 wie bei (E) in Fig. 7 gezeigt aus. Die Rechteckimpulse t5, t6 werden in die Unterscheidungsschaltung 7 eingegeben, um festzustellen, ob Fehlzündungen im Zylinder des Verbrennungsmotors auftreten oder nicht.
Fig. 8 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Anzahl (n) der Masseelektroden der Zündkerze 1 mit einer Vielzahl von Elektroden und der Wellenform 2 des Ionisationsstroms, die sich unmittelbar nach dem Ende der Funkenbildung einstellt. Der Zusammenhang wurde anhand experimenteller Untersuchungen mit jeder der Zündkerzen in einem Zweiliter/Vierzylinder- Viertaktmotor ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, daß der Ionisationsstrom mit einer höheren Anzahl der Elektroden zunimmt, wodurch die Erkennung von Störeinflüssen bei der Erfassung des Spitzenwertes der Spannungswellenform verbessert wird, so daß der Ionisationsstrom leicht erfaßt werden kann.
Fig. 9 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Anzahl (n) der Masseelektroden 3b der Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden und einem mittleren Spitzenwert des Ionisationsstroms unmittelbar nach dem Ende der Funkenbildung. Wenn die Anzahl (n) der Masseelektroden größer ist als zwei, übersteigt der Ionisationsstrom 8 µA. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Störpegel der Erfassungsschaltung für den Ionisationsstrom einige µA beträgt, wird der Ionisationsstrom exakt erfaßt, wenn die Anzahl (n) der Masseelektroden der Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden größer ist als zwei.
Fig. 10 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Anzahl (n) der Masseelektroden 3b der Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden und einer Fehlzündungs-Erkennungsrate (%). In diesem Beispiel wird die Fehlzündungs-Erkennungsrate durch die Höhe des Ionisationsstroms repräsentiert, der unmittelbar nach dem Ende der Funkenbildung auftritt. Die Ergebnisse zeigen, daß bei einer Zündkerze mit einer Einzelelektrode der Spitzenwert des Ionisationsstroms zu niedrig ist, um die Störeinflüsse zu unterscheiden, so daß die Erkennungsrate für Fehlzündungen rasch abnimmt.
Fig. 11 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Änderung der Funkenstrecke und der positiven oder negativen Polarität der Mittelelektrode 3a. Die Ergebnisse zeigen, daß dann, wenn die Mittelelektrode 3a auf negativer Polarität liegt, die Funkenstrecke weniger schnell zunimmt als in dem Fall, daß die Mittelelektrode 3a auf positiver Polarität liegt. Dies trifft unabhängig davon zu, wieviele Masseelektroden die Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden hat. Die Ergebnisse zeigen jedoch des weiteren, daß die Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden im Vergleich zur Zündkerze mit einer Einzelelektrode Vorteile bei der Beherrschung der Funkenerosion der Elektroden aufweist.
Fig. 12 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Änderung der erforderlichen Spannung (kV) für die Zündkerze und der positiven oder negativen Polarität der Mittelelektrode 3a. Es hat sich gezeigt, daß die erforderliche Spannung mit einer höheren Anzahl der Masseelektroden abnimmt, und zwar auch dann, wenn die Mittelelektrode 3a auf positiver Polarität liegt.
Nach Fig. 13, die einen verteilerlosen Zünddetektor 200 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei dem kein Verteiler erforderlich ist und der in einen Verbrennungsmotor einbezogen ist, hat der Zünddetektor 200 einen Zündkreis 201, der einen Primärkreis 211 und einen Sekundärkreis 212 mit einer Fahrzeugbatterie (Va) als Stromquelle umfaßt. Die Anzahl der gemäß der dritten Ausführungsform bereitgestellten Zündkreise 201 entspricht derjenigen der Zylinder des Verbrennungsmotors.
Der Primärkreis 211 hat eine Primärwicklung (L11), die elektrisch in Serie mit einer Schaltvorrichtung 241 und einem Signalgenerator 242 geschaltet ist, während der Sekundärkreis 212 eine Sekundärwicklung (L22) und eine Sperrdiode 213 hat, die in Serie geschaltet sind. Ein Zündkerzenkabel (Hca) verbindet die Diode 213 mit der Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden, die in den jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors eingebaut ist. Die Zündkerze 3 hat eine Mittelelektrode 3a und eine Masseelektrode 3b, um eine Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 3a, 3b zu bilden, über die beim Anlegen der Spannung der Funke auftritt. Die Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden hat den gleichen Aufbau wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung (siehe Fig. 2 und 3).
Die Schaltvorrichtung 241 und der Signalgenerator 242 bilden eine Unterbrecherschaltung 204, die einen Kurbelwinkel und eine Drosselklappenstellung des Motors erfaßt, um einen Primärstrom zu unterbrechen, der durch die Primärwicklung (L11) fließt, um eine Zündkerzenspannung in der Sekundärwicklung (L22) des Sekundärkreises 212 so zu induzieren, daß der Zündzeitpunkt einem Frühzündungswinkel entsprechend einer Drehzahl und einer Last des Motors entspricht.
Ein elektrischer Leiter 251 umschließt einen längeren Abschnitt des Zündkerzenkabels (Hca), um eine statische Kapazität von z.B. 1 pF bereitzustellen, so daß eine Spannungsteilerschaltung 205 gebildet wird. Der Leiter 251 ist über einen Kondensator 252 mit Masse verbunden. An einem gemeinsamen Punkt zwischen dem Leiter 251 und dem Kondensator 252 ist eine Zündkerzenspannungs-Detektorschaltung 206 elektrisch angeschlossen, mit der eine Unterscheidungsschaltung 207 verbunden ist. Der Kondensator 252 hat eine statische Kapazität von z.B. 3000 pF, um als Element mit niedriger Impedanz zu dienen, und der Kondensator 252 hat des weiteren einen elektrischen Widerstand 253 (Z.B. 3 MΩ), der parallel dazu geschaltet ist, um einen Entladungspfad für den Kondensator 252 zu bilden.
Die Spannungsteilerschaltung 205 erlaubt die Teilung der vom Sekundärkreis 212 induzierten Zündkerzenspannung in der Größenordnung von 1/3000, wodurch es möglich ist, wie nachstehend beschrieben die Zeitkonstante des RC-Glieds mit etwa 9 ms festzulegen, um einen Bedämpfungszeitraum der Zündkerzenspannung zu ermöglichen, der relativ lang ist (2 - 3 ms).
In diesem Fall wird die Zündkerzenspannung von 30000 V geteilt auf einen Pegel von 10 V in die Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung 206 eingespeist. Die Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung 206 hat, wie in Fig. 14 gezeigt, eine Spitzenhalteschaltung 261, die so ausgeführt ist, daß sie zu dem Zeitpunkt zurückgesetzt wird, der vom Signalgenerator 242 bestimmt wird, um eine Ausgangsspannung von der Spannungsteilerschaltung 205 zu halten. Die Zündkerzenspannungs- Detektorschaltung 206 hat des weiteren eine Teilerschaltung 262, die einen Ausgang von der Spitzenhalteschaltung 261 teilt, und einen Vergleicher 263, der Impulssignale erzeugt, indem er einen Ausgang von der Teilerschaltung 262 mit dem der Spannungsteilerschaltung 205 vergleicht.
In die Unterscheidungsschaltung 207 ist ein Mikroprozessor einbezogen, der Ausgangsimpulssignale mit Daten vergleicht, die zuvor rechnerisch oder experimentell bestimmt wurden, um festzustellen, ob Fehlzündungen im Zylinder des Verbrennungsmotors auftreten oder nicht.
Beim vorbeschriebenen Aufbau schaltet der Signalgenerator 242 die Schaltvorrichtung 241 ein und aus, um Impulssignale (a) wie bei (A) in Fig. 15 gezeigt auszugeben, um eine Sekundärspannung in der Sekundärspule L22 wie bei (B) in Fig. 15 gezeigt zu induzieren, wobei die Beendigung der Impulssignale (a) von einer Hochspannungswellenform (p) zur Einleitung des Funkens über den Elektroden 3a, 3b und von einer niedrigen induktiven Entladung (q), die auf die Hochspannungswellenform (p) folgt, begleitet wird.
Beim Betrieb des Motors mit niedriger Drehzahl steht die niedrige induktive Entladung (q), die eine Wellenform der Zündkerzenspannung bildet, für etwa 2 ms an und verschwindet mit dem Abbau einer elektrischen Energie, die im Zündkreis 201 gespeichert ist. Beim Abbau der elektrischen Energie erreicht die Zündkerzenspannung einen Höchstwert von 2 - 3 kV. Beim Betrieb des Motors mit hoher Drehzahl steht die niedrige induktive Entladung (q), die die Wellenform der Zündkerzenspannung bildet, für etwa 1 ms an und verschwindet mit dem Abbau der elektrischen Energie, die im Zündkreis 201 gespeichert ist. Beim Abbau der elektrischen Energie erreicht die Zündkerzenspannung einen Höchstwert von 5 - 8 kV.
Eine Wellenform der Zündkerzenspannung zwischen der Diode 213 und der Zündkerze 3 wird im wesentlichen durch die Entladung der inhärenten Streukapazität der Zündkerze 3 (normalerweise 10 - 20 pF) nach dem Ende des Zündfunkens hervorgerufen. Ein Bedämpfungszeitraum der Wellenform der Zündkerzenspannung ist unterschiedlich für den Fall, in dem der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch normal entzündet, und den Fall, in dem der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht entzündet.
Die Entladung der Streukapazität wird also durch ionisierte Teilchen im Verbrennungsgas nach der normalen Verbrennung bewirkt, so daß die Wellenform der Zündkerzenspannung rasch abklingt, wie durch die durchgezogenen Linien (q1) bei (C) in Fig. 15 gezeigt. Die Fehlzündung läßt das unverbrannte Gas frei von ionisierten Teilchen, so daß die Entladung der Streukapazität im wesentlichen durch Leckströme über die Zündkerze 3 stattfindet. Die Wellenform der Zündkerzenspannung klingt langsam ab, wie durch die strichpunktierten Linien (q2) bei (C) in Fig. 15 gezeigt.
Gleichzeitig wird ein Mittelwert der Haltedauer des Zündfunkens entsprechend den Betriebsbedingungen bestimmt, die rechnerisch oder experimentell auf Basis der Drehzahl und der Last des Motors sowie der Auslegung des Zündsystems erhalten wurden. Der Signalgenerator 242 ist ausgeführt, um das Rücksetzen und den Zeitpunkt der Spitzenhaltung der Spitzenhalteschaltung 61 etwa 0,5 ms nach Ablauf des Mittelwerts der Haltedauer des Zündfunkens zu veranlassen.
Die Spitzenhalteschaltung 261 hält eine Ladespannung der inhärenten Streukapazität der Zündkerze 3, während die Spannungsteilerschaltung 262 die Ladespannung teilt. Mit 1/3 der Ladespannung als Referenzspannung (v1) vergleicht der Vergleicher 263 die Referenzspannung (v1) mit der Ausgangswellenform von der Spannungsteilerschaltung 205. Der Vergleicher 263 erzeugt wie bei (D) in Fig. 15 gezeigt einen kürzeren Impuls (t1), wenn der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft- Gemisch normal entzündet, während er wie bei (E) in Fig. 15 gezeigt einen längeren Impuls (t2) erzeugt, wenn eine Fehlzündung auftritt.
Die Impulse (t1), (t2) werden in die Unterscheidungsschaltung 207 eingegeben, um die Schaltung 207 zu veranlassen, die Fehlzündung festzustellen, wenn der Bedämpfungszeitraum bei einer niedrigen Motordrehzahl (1000 U/min) 3 ms überschreitet, während eine Fehlzündung festgestellt werden muß, wenn der Bedämpfungszeitraum bei einer hohen Motordrehzahl (6000 U/min) 1 ms überschreitet. Die Unterscheidungsschaltung 207 stellt des weiteren eine Fehlzündung fest, wenn der Bedämpfungszeitraum denjenigen überschreitet, der proportional zur Motordrehzahl zwischen 1000 und 6000 U/min abnimmt.
Fig. 16 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der gleiche Bezugszeichen in Fig. 16 denjenigen in Fig. 13 entsprechen. Ein wesentlicher Abschnitt, in dem sich die vierte Ausführungsform von der dritten Ausführungsform unterscheidet, ist die Tatsache, daß gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung ein Verteiler 202 bereitgestellt ist.
In der vierten Ausführungsform der Erfindung, bei dem nur ein Zündkreis 201 wie in Fig. 13 notwendig ist, ist die Sekundärwicklung (L22) des Sekundärkreises 212 direkt mit einem Läufer 202a des Verteilers 202 verbunden. Der Verteiler 202 hat stationäre Segmente (Rs), deren Anzahl derjenigen der Zylinder des Verbrennungsmotors entspricht. Ein freies Ende des Läufers 202a ist so zu jedem der stationären Segmente (Rs) angeordnet, daß ein Läuferspalt 221 (serielle Funkenstrecke) mit den entsprechenden Segmenten (Rs) gebildet wird. Jedes der Segmente (Rs) ist über ein Hochspannungskabel (Hca) mit einer Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden verbunden. Die Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden hat eine Mittelelektrode 3a und eine Masseelektrode 3b, um eine Funkenstrecke 31 zwischen den beiden Elektroden 3a, 3b zu bilden, über die beim Anlegen der Spannung ein Funke auftritt. Die Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden hat den gleichen Aufbau wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung in Fig. 2 und 3.
Die Unterbrecherschaltung 204, die durch die Schaltvorrichtung 241 und den Signalgenerator 242 gebildet wird, dient als Spannungsladeschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
Wenn der Motor mit einer relativ niedrigen Drehzahl von weniger als 3000 U/min läuft, ist der erhöhte Pegel der Zündkerzenspannung so groß, daß der Spannungspegel der Ladung in der Streukapazität der Zündkerze 3 nach dem Abreißen des Funkens durch die serielle Funkenstrecke 221 begrenzt wird, so daß es nicht möglich ist, die Bedämpfungscharakteristik der Zündkerzenspannung exakt zu erfassen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, unabhängig einen erhöhten Pegel der Sekundärspannung auf Basis der Spannungsladeschaltung zu induzieren.
Die Spannungsladeschaltung ist ausgeführt, um selektiv die Primärspule (L11) ein- und auszuschalten, um eine Ladespannung im Sekundärkreis 12 entweder während der Funkenbildung zwischen den Elektroden 3a, 3b oder während einer vorbestimmten Zeitdauer unmittelbar nach einem Abreißen des Funkens zu induzieren, was zu einer Aufladung der inhärenten Streukapazität der Zündkerze 3 führt.
Die Spannungsladeschaltung wird nur beim Betrieb des Motors bei relativ niedrigen Drehzahlen unter 3000 U/min eingesetzt. Beim Betrieb des Motors bei hohen Drehzahlen über 3000 U/min ist es nicht erforderlich, die Spannungsladeschaltung zu aktivieren, da die Sekundärspannung aufgrund der Erregung eine Höhe von 5 - 8 kV erreicht, was ausreichend ist, um die serielle Funkenstrecke 221 zu überwinden. Ein Bereich, in dem die Spannungsladeschaltung eingesetzt wird, wird entsprechend in Abhängigkeit vom Typ des Verbrennungsmotors festgelegt, und durch die Betriebsbedingungen wie Motorlast, Kühlwassertemperatur und die Fahrzeugbatterie (Va) korrigiert.
Der Zünddetektor 200 wird in der gleichen Weise betrieben, wie für die dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wenn der Motor bei hohen Drehzahlen über 3000 U/min läuft. Wenn der Motor bei relativ niedrigen Drehzahlen unter 3000 U/min läuft, wird der Zünddetektor 200 wie folgt betrieben: Der Signalgenerator 242 der Unterbrecherschaltung 204 gibt Impulssignale aus, um den Primärstrom im Primärkreis 211 wie bei (A) in Fig. 17 gezeigt zu induzieren. Von diesen Impulssignalen aktiviert der Impuls (a), der eine größere Länge (h) hat, die Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden, um den Funken zwischen den Elektroden 3a, 3b aufzubauen.
Auf den Impuls (a) folgt der Impuls (b) mit einer Verzögerungszeit (i) von 1,5 - 2,5 ms. Der Impuls (b) hat eine geringe Länge (j) zur elektrischen Aufladung der inhärenten Streukapazität der Zündkerze 3 mit einer Vielzahl von Elektroden.
Die Zeitdauer, während der das freie Ende des Läufers 202a mit jedem der Segmente (Rs) den Läuferspalt 221 bildet, ändert sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Die Impulslänge (h) und die Verzögerungszeit (i) werden vorzugsweise relativ kürzer (1,5 ms) in einer Weise festgelegt, daß der Funke für 0,5 - 0,7 ms ansteht, wenn der Motor in einem mittleren Drehzahlbereich läuft.
Mit der Aktivierung der Unterbrecherschaltung 204 tritt die Zündkerzenspannung in der Sekundärwicklung (L22) des Sekundärkreises 212 wie bei (C) in Fig. 17 gezeigt auf. Aufgrund der hohen Spannung (p), die sich nach dem Ende des Impulssignals (a) einstellt, beginnt sich der Funke über den Elektroden 3a, 3b aufzubauen und wird von einer induktiven Entladungswellenform (q) bis zum Abreißen des Funkens begleitet.
In Reaktion auf den Anstieg des Impulssignals (b) begleitet eine Gegen-EMK eine positive Spannungswellenform (r), die durch den Sekundärkreis 212 fließt. Aufgrund einer elektrischen Energie, die im Zündkreis 201 gespeichert wird, wenn die Primärwicklung (L11) aktiviert ist, wird die Zündkerzenspannung erneut erhöht, so daß eine Spannungswellenform (s) durch den Sekundärkreis 212 fließt, wenn die Primärwicklung (L11) deaktiviert wird. Der erhöhte Spannungspegel wird wie gewünscht durch die Verzögerungszeit (i) und die Länge (j) des Impulssignals (b) festgelegt. Der Pegel der Spannungswellenform (s) beträgt 5 - 7 kV, wobei diese Höhe ausreichend ist, den Läuferspalt 221 zu überbrücken, jedoch nicht genügt, um eine Entladung zwischen den Elektroden 3a, 3b aufzubauen, wenn das in der Funkenstrecke 31 verbleibende gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch im wesentlichen frei von ionisierten Teilchen ist.
Der Hauptteil der Entladungsspannung der inhärenten Streukapazität der Zündkerze 3 (normalerweise 10 - 20 pF) wird wie bei (C) in Fig. 17 abgebaut. Der Bedämpfungszeitraum der Entladungsspannung in dem Fall, bei dem der Funke das gasformige Kraftstoff/Luft-Gemisch normal entzündet, ist unterscheidbar von dem Fall, in dem der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch, das in jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, nicht entzündet. Dies bedeutet, daß die Fehlzündung einer langsam abklingenden Wellenform (s2) bei (C) in Fig. 17 folgt, während die normale Verbrennung einer plötzlich abklingenden Wellenform (s1) bei (C) in Fig. 17 folgt.
Das Auftreten oder Nichtauftreten von Fehlzündungen wird durch Erfassen der Länge des Bedämpfungszeitraums festgestellt, die notwendig ist, um den Spitzenspannungspegel wie für die dritte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 14 beschrieben abzubauen.
Es ist anzumerken, daß eine Sperrdiode elektrisch zwischen den Läufer 202a des Verteilers 202 und die Sekundärwicklung (L22) des Sekundärkreises 212 eingeschaltet werden kann. Die Sperrdiode läßt das Fließen eines elektrischen Stromes von der Sekundärwicklung (L22) zum Läufer 202a des Verteilers 202 zu, verhindert jedoch das Rückfließen eines elektrischen Stromes. Die Sperrdiode hindert eine überhöhte Ladespannung von 5 - 7 kV an einem ungewollten Rückfließen zum Zündkreis 201 über die serielle Funkenstrecke 221. Damit wird eine plötzliche Spannungserhöhung im Zündkreis vermieden, was zu einer exakten Erkennung von Fehlzündungen beiträgt.
Damit wird eine Fehlzündung auf Basis des Bedämpfungszeitraumes durch Halten der Zündkerzenspannung bei der vorbestimmten Zeit erkannt, es ist jedoch anzumerken, daß die Fehlzündung durch Erfassung des veränderten Spannungspegels der Zündkerzenspannung nach dem Ablauf der vorbestimmten Zeit erkannt werden kann.
Fig. 18 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen in Fig. 18 denjenigen der Fig. 14 entsprechen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Pegelsprungdetektorschaltung, die einen Pegelsprung der Zündkerzenspannung nach dem Ende der Funkenbildung erfaßt. Die Pegelsprungdetektorschaltung 8 hat einen Vergleicher 8a, der eine vorbestimmte Referenzspannung (Vo) mit einem von der Spitzenhalteschaltung 261 gehaltenen Spitzenspannungswert vergleicht, um Ausgangsimpulse zu erzeugen. Die Ausgangsimpulse werden in eine zusätzliche Unterscheidungsschaltung 9 eingegeben, die in Abhängigkeit vom Pegel der Ausgangsimpulse die Fehlzündung feststellt.
Fig. 19 zeigt zeigt eine Wellenform der Zündkerzenspannung beim Betrieb des Motors mit voller Drehzahl (5000 U/min) und unter hoher Last. Ein erhöhter Spannungspegel der Zündkerzenspannung beträgt nur 3 - 5 kV wie durch (q3) bei (C) in Fig. 19 gezeigt, wenn der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft- Gemisch normal entzündet. Die Zündkerzenspannung kann auf 10 kV oder mehr ansteigen, wie durch (q4) bei (C) in Fig. 19 gezeigt, wenn der Funke das gasförmige Kraftstoff/Luft-Gemisch nicht entzündet. Der nachfolgende Funke verursacht einen plötzlichen Abfall der angestiegenen Zündkerzenspannung wie durch (q5) bei (C) in Fig. 19 gezeigt. Das plötzliche Absinken der Wellenform (q5) macht es schwierig, die Bedämpfungscharakteristiken der normalen Verbrennung von denen einer Fehlzündung zu unterscheiden.
Demgegenüber ist es möglich, die normale Verbrennung von der Fehlzündung sicher zu unterscheiden, wenn der Motor bei hoher Drehzahl läuft, indem der erhöhte Pegel der Zündkerzenspannung direkt erfaßt wird, um zu entscheiden, ob der erhöhte Pegel die vorbestimmte Referenzspannung (Vo: z.B. 10 kV) übersteigt oder nicht.
Für die dritte bis fünfte Ausführungsform der Erfindung werden die gleichen Ergebnisse erhalten wie in Fig. 8 bis 12 für die erste und zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Obwohl die Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß die vorliegende Beschreibung nicht einschränkend zu verstehen ist, da verschiedene Modifikationen und Ergänzungen durch den Fachmann an den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Fehlzündungserkennungsschaltung (100, 200) in Kombination mit einem Zündsystem für einen Verbrennungsmotor, wobei das Zündsystem folgendes umfaßt:

eine Zündkerze (3);

einen Zündkreis (1, 201) mit einer Primärwicklung (L1, L11) und einer Sekundärwicklung (L2, L22);

eine elektrische Unterbrecherschaltung (4, 204), die durch Ein/Aus-Schalten bewirkt, daß ein Primärstrom durch die Primärwicklung (L1, L11) fließt, so daß eine Spannung in der Sekundärwicklung (L2, L22) induziert wird, um einen Funken zwischen den Elektroden (3a, 3b) der Zündkerze (3) zu erzeugen;

eine serielle Funkenstrecke (21, 221) bzw. Prüfdiode (13, 213) im Sekundärkreis (12, 212) des Zündkreises (1, 201), um zu verhindern, daß ein Strom zu der Sekundärwicklung (L2, L22) zurückfließt,

wobei die Fehlzündungserkennungsschaltung (100, 200) folgendes umfaßt:

eine Spannungserfassungsschaltung (6, 206), die so angeordnet ist, daß sie eine Spannung an den Elektroden (3a, 3b) der Zündkerze (3) erfaßt; und

eine Unterscheidungsschaltung (7, 207), die so angeordnet ist, daß sie auf Basis der erfaßten Spannung feststellt, ob ein Funke zwischen den Elektroden (3a, 3b) ein Kraftstoff- Luft-Gemisch entzündet hat oder nicht,

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Zündkerze eine Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden ist;

die Spannungserfassungsschaltung (6, 206) so angeordnet ist, daß sie den Bedämpfungszeitraum der erfaßten Spannung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Ende der Funkenbildung der Zündkerze erfaßt; und

die Unterscheidungsschaltung (7, 207) so angeordnet ist, daß sie auf Basis des Bedämpfungszeitraums der erfaßten Spannung feststellt, ob ein Funke das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet hat oder nicht.

2. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden eine Mittelelektrode (3a) und zwei oder mehr Masseelektroden (3b) besitzt, und wobei das vordere Ende der Mittelelektrode (3a) auf seinem Umfang mit einer Schicht (39) auf Edelmetallbasis überzogen ist, und das vordere Ende der Masseelektrode (3b) und ihre Stirnfläche (38) ebenfalls mit einer Schicht (37) auf Edelmetallbasis überzogen sind.

3. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltung einen Spannungsteiler umfaßt, der die Spannung teilt, und die Erfassungseinrichtung (6, 206) anhand der geteilten Spannung die Bedämpfungscharakteristik erfaßt.

4. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei die Spannungserfassungseinrichtung (6, 206) eine Spitzenhalteeinrichtung (6, 206) umfaßt, die einen Spitzenwert der geteilten Spannung hält; wobei die Spitzenspannung mit der geteilten Spannung verglichen wird; und wobei die Bestimmungseinrichtung (7, 207) ihre Werte auf der Basis dieses Vergleichs bestimmt.

5. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Spannungsteilereinrichtung einen elektrischen Leiter (51, 251) umfaßt, der ein Verlängerungsteil des Zündkerzenkabels (H, Hca) umgibt und durch einen Kondensator (52, 252) mit Erde verbunden ist.

6. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsdetektor (206) so angeordnet ist, daß er die Bedämpfungszeit der erfaßten Spannung unmittelbar nach der Funkenbildung der Zündkerze (3) erfaßt.

7. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei:

die Fehlzündungserkennungsschaltung (100, 200) des weiteren eine Spannungsladeschaltung umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie eine Primärwicklung (L1, L11) wieder aktiviert, um eine Spannung in der Sekundärwicklung (L2, L22) zu induzieren, um eine nach dem Ende der Funkenbildung der Zündkerze in der Zündkerze (3) noch vorhandene Streukapazität elektrisch aufzuladen; und

die Spannungserfassungsschaltung (6, 206) so angeordnet ist, daß sie die Bedämpfungszeit der erfaßten Spannung erfaßt, nachdem die Spannungsladeschaltung die Streukapazität aufgeladen hat.

8. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei:

die Fehlzündungserkennungsschaltung (200) des weiteren eine Spannungsladeschaltung umfaßt, mit der die Primärwicklung (L11) wieder aktiviert wird, um eine Spannung in der Sekundärwicklung (L22) zu induzieren, um eine nach dem Ende der Funkenbildung der Zündkerze in der Zündkerze (3) noch vorhandene Streukapazität elektrisch aufzuladen, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft; und

die Spannungserfassungsschaltung (206) so angeordnet ist, daß sie dann, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft, die Bedämpfungszeit der erfaßten Spannung erfaßt, nachdem die Spannungsladeschaltung die Streukapazität aufgeladen hat, und daß sie dann, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, die Bedämpfungszeit der erfaßten Spannung unmittelbar nach der Funkenbildung der Zündkerze (3) erfaßt.

9. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei:

die Fehlzündungserkennungsschaltung (200) des weiteren eine Spannungsladeschaltung umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie die Primärwicklung (L11) wieder aktiviert, um eine Spannung in der Sekundärwicklung (L22) zu induzieren, um eine nach dem Ende der Funkenbildung der Zündkerze in der Zündkerze (3) vorhandene Streukapazität elektrisch aufzuladen, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft;

die Spannungserfassungsschaltung (206) so angeordnet ist, daß sie dann, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft, die Bedämpfungszeit der erfaßten Spannung erfaßt, nachdem die Spannungsladeschaltung die Streukapazität aufgeladen hat; und die Spannungserfassungsschaltung (206) so angeordnet ist, daß sie dann, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, feststellt, ob die erfaßte Spannung einen vorbestimmten Referenzwert (Vo) übersteigt, und die Unterscheidungsschaltung (207) so angeordnet ist, daß sie dann, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, aufgrund dessen, ob die erfaßte Spannung den Referenzwert überschritten hat oder nicht, feststellt, ob ein Funke das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet hat.

10. Fehlzündungserkennungsschaltung und Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Spannungsladeschaltung der Unterbrecherkreis (4, 204) des Zündsystems ist.