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Zündkontrolleinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Strahltriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkontrolleinrichtung für Brennkraftmaschinen,
insbesondere Strahltriebwerke, mit einem Verbrennungsraum, der mit Zündelektroden
zur Einleitung einer Verbrennung durch Funkenbildung und mit einer überwachungselektrode
versehen ist.
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Funkenzündvorrichtungen mit Zündelektroden zur Einleitung einer Verbrennung
im Verbrennungsraum von Brennkraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren, Raketenmotoren
u. ä., müssen auf ihre ordnungsgemäße Funktion überprüft werden, um optimale Verbrennung
zu gewährleisten.
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Es ist bekannt, Zündkerzen von Verbrennungsmotoren zu diesem Zweck
aus dem Motor auszubauen und in einem getrennten Prüfgerät auf ihre Funktionsfähigkeit
zu untersuchen. Es ist jedoch vielfach erforderlich, die Prüfung von Funkenzündvorrichtungen
in Brennkraftmaschinen ohne Ausbau und ohne Unterbrechung des Zündvorgangs zu prüfen.
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Eine bekannte Möglichkeit zum überprüfen des von einer Zündkerze gelieferten
Funkens ohne Ausbau der Zündkerze besteht darin, den Strom zwischen der Elektrode
hohen Potentials und der Elektrode niederen Potentials zu messen. Dies erfolgt gewöhnlich
durch Einfügen eines Widerstandes in Reihe mit den Elektroden und durch Messen des
durch diesen Widerstand fließenden Stromes. Wegen der hohen Spannung und der kurzen
Dauer des Funkens muß dabei ein speziell gefertigter Widerstand verwendet werden.
Außerdem beeinflußt der in Reihe mit den Zündelektroden geschaltete Ohmsche Widerstand
die Funkenbildung. Auch würde beim Vorhandensein eines Kurzschlusses zwischen den
Zündelektroden trotz des Fehlens eines ordnungsgemäßen Zündfunkens ein Meßstrom
durch den Widerstand fließen und ein unrichtiges Meßergebnis erzeugen.
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Es ist auch bereits bekannt, für die Prüfung der einwandfreien Funktion
einer Brennkraftmaschine den Verbrennungsvorgang zu kontrollieren. Zu diesem Zweck
ist eine bekannte Funkenzündvorrichtung mit einer überwachungselektrode ausgestattet,
die mit einer Membran zusammenarbeitet, welche beim Vorhandensein eines ordnungsgemäßen
Verbrennungsvorganges gegen die Überwachungselektrode gepreßt wird. Dies wird dann
zur Erzeugung eines Meßsignals ausgenützt, so daß die Anzeige der Verbrennung ohne
Unterbrechung des Brennvorganges und ohne Ausbau der Funkenzündvorrichtung erfolgen
kann.
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Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Messung und überwachung
des Brennvorganges werden in den Verbrennungsraum eine oder mehrere überwachungselektroden
eingebaut, wobei durch die beim Verbrennungsvorgang auftretende Flamme die elektrische
Leitfähigkeit der zwischen den Elektroden befindlichen Brennstoffgase zur Erzeugung
eines Meßstromes herangezogen wird. Da die Leitfähigkeit mit der Temperatur im Verbrennungsraum
ansteigt, kann der Verbrennungsvorgang auf diese Weise anschaulich gemacht werden.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, unmittelbar
den zwischen den Zündelektroden einer Funkenzündvorrichtung übergehenden Funken
und damit die einwandfreie Funktion der gesamten Zündanlage zu überwachen, wobei
die geschilderten Nachteile der bekannten Einrichtungen für diesen Zweck vermieden
werden sollen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die überwachungselektrode
so gegenüber den Zündelektroden angeordnet ist, daß sie aus dem zwischen den Zündelektroden
übergehenden Funken einen nicht funkenbildenden Strom für Meß- oder Kontrollzwecke
ableitet.
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Durch die beim übergang von Funken zwischen den Zündelektroden auftretende
Ionisation des umgebenden Gasraumes tritt zwischen Zünd- und überwachungselektrode
ein nicht funkenbildender Strom
auf, der der Stärke des zwischen
den Zündelektroden vorhandenen Funkens proportional ist und daher für Meßzwecke
geeignet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Überwachungselektrode
eine Anzahl von Elementen auf, die symmetrisch um die Elektrode hohen Potentials
angeordnet sind.
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Durch die Anordnung mehrerer derartiger Elemente an der Überwachungselektrode
werden ein gleichmäßigerer Stromfluß und eine bessere Auswertbarkeit für Meß- oder
Kontrollzwecke ermöglicht.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild der Zündkontrolleinrichtung
nach der Erfindung, F i g. 2 eine Draufsicht einer Ausführungsform der in F i g.
1 verwendeten Funkenzündvorrichtung, F i g. 3 eine: teilweise als Schnitt dargestellte
Ansicht, die Einzelheiten der Funkenzündvorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht,
F i g. 4 eine teilweise als Schnitt dargestellte Ansicht einer anderen Ausführungsform-
der Funken= zündvorrichtung und in F i g. 5 eine Draufsicht der in F i g. 4 dargestellten
Ausführungsform. -Der Verbrennungsraum 1, der beispielsweise der Gasgenerator in
einem Raketenmotor sein kann, enthält ein Kraftstoff- und Oxydierstoffgemisch, das
von einer Anzahl Zündkerzen gezündet wird, von denen eine bei 2 dargestellt ist.
Das Kraftstoff- und Oxydierstoffgemisch wird in dem Verbrennungsraum 1 durch geeignete
magnetspulenbetätigte Treibstoffventile 21. .bzw. .22 eingeführt. Eine Zündelektrode
3 hohen: Potentials ist so geschaltet, däß sie ein hohes Potential von dem Zünderreger
4 erhält. Der Zünderreger 4 kann in einer beliebigen Form der Standardzündanlagen
ausgebildet sein und beispielsweise eine Batterie 11: aufweisen, die über den Zündschaltejr
12 an eine geeignete Vorrichtung zum Aufwärtstransformieren der Batteriespannung,
wie beispielsweise an eine Induktionsspule mit Unterbrecher 13,
angeschlossen
ist. Der Hochspannungsausgang des Transformators 13 gelangt über eine Diode 24 und
ladet einen Kondensator 35. Dieser liefert bei der Entladung ein hohes Potential
an- die Zündelektrode 3. Die Zündelektrode 6 niedrigen Potentials ist geerdet. Geeignetes
Isoliermittel? befindet sich zwischen den Zündelektroden 3 und 6, um unerwünschte
elektrische Kriechströme zu verhindern. Eine Funkenstrecke wird durch die Einfügung
von Halbleitermaterial 8 gebildet,. das in, geeigneter Weise zwischen den Zündelektroden
3 und. 6 angeordnet ist. Bei Anlegung eines hohen Potentials an die Zündelektroden
3 Wird ein Funken quer über die Stirnfläche des Halbleitermaterials B. und den umgebenden
Bereich durch den in der Zündkerzentechnik bekannten Vorgang erzeugt. Ionisierung
der Atmosphäre erfolgt quer durch das Halbleitermaterial 8 und in nächster Nähe
zu diesem. Somit entsteht eine gewisse Ionisierung der Moleküle in der umgebenden
Atmosphäre in dem Verbrennungsraum. Zur Messung dieser Ionisierung, die dem zwischen
den Zündelektroden 3 und 6 übergehenden Funken proportional ist, ist eine überwachungselektrode
9 vorgesehen. Die überwachungselektrode 9 ist zusammen mit den Zündelektroden 3
und 6 durch Isoliermittel? dagegen isoliert in der Funkenzündvorrichtung 2 untergebracht.
Die Überwachungselektrode 9 hat einen gebogenen oberen Teil 10, der in F i g. 1
beispielsweise als L-förmige Konstruktion dargestellt ist und sich in dem oben beschriebenen
ionisierten Bereich des Funkens befindet. Ein kleiner nicht funkenbildender Strom
entsteht zwischen der Zündelektrode 3 hohen Potentials und der Überwachungselektrode
9, wenn ein Funken zwischen den Zündelektroden 3 und 6 übergeht. Die zwischen der
Zündelektrode 3 und der überwachungselektrode 9 vorhandene Ionisierung hat keine
so ausreichende Stärke, daß sie irgendeine merkliche Wirkung auf den Funken zwischen
den Zündelektroden 3 und 6 ausübt. Der obere Teil 10 der überwachungselektrode
9 ist in geeignetem Abstand angeordnet, so daß er den--gewünschten -Funken-zwischen-den
Zündelektroden 3 und 6 nicht beeinträchtigt. Der Verstärker 17 verstärkt den kleinen,
von der überwachungselektrode 9 gemessenen, nicht funkenbildenden Strom und führt
ihn an ein geeignetes Steuerzentralorgan 18 Das Steuerzentralorgan 18 unterscheidet
zwischen einwandfreier und nicht einwandfreier Arbeitsweise der Funkenzündvorrichtüngund
liefert die erforderlichen Steuersignale an- den übrigen Teil der Motoranlage. Beispielsweise
kanä das Steuerzentralorgan 18 eine geeignete Vorrichtürig zum Messen der Energie
des erzeugten Funkens aufweisen, die ein Meßinstrument 19 sein kann,-. das einen
@ Ström mißt, welcher der Energie des zwischen den Zündelektroden 3. und 6 übergehenden
Funkens direkt proportional, ist. Das Meßinstrument 19 erhält das Ausgangssignal
von dem Verstärker.17 über einten Stromtransformator.2Ö. Das Steuerzentraiorgan
18 -kann auch- ein Relais 5 enthalten, dessen Erregungsspule -auf ein Signal vorbestimmter
Stärke von dem Verstärker 17 anspricht: Die Kontakte 15- des Relais 5 sind so geschaltet,
daß bei Erregung eine Lampe 25 aufleuchtet, die anzeigt, daß ein Funken gewünschter
Stärke zwischen den Zündelektroden übergeht. Die Kontakte 15 sind so angeschlossen,
daß bei Nichterregung eine Lampe 26 aufleuchtet, die anzeigt, daß kein Funkeri#"öder
ein Funken von nicht ausreichender Stärke übergeht. @Die Kontakte 16 sind so geschalfet,
, daß -sie bei= Nichterregung verhindern, daß die normalerweise gesbblossenen, mit
dem- Brennstoffvorrat 30 verbundeben Ventile 21 und 2 geöffnet werden:: Eine geeignete
Betätigungsgleichspannung wird für das Relais 5 und die zugeordneten Regler von-
der. Batterie 11 über den Zündschalter 12 geliefert. Die öntakte-16 :erhalten ein
Arbeitspotential von einer geeigneten Batterie 28
über einen Trennschalter,
32.
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Wenn ein Funken vorbestimmter Stärke- auftittt, liefert der Verstärker
1'7 ansprechend auf den Funken zwischen. der - -Zündelektrode 3 und- der Über-.
wacüüngselektrode 9 eint, Signal - von ausreichender Stärke, um die Spule des Relais
-5 zu erregen. Die Kontakte 15 bewirken bei Erregung das Aufleuchten der Lampe 25,
wodurch angezeigt wird,. daß ein FÜnken ausreichender Stärke übergeht. Die Kontakte
16 schließen bei Erregung den Stromkreis, wodurch Spannung an die. Magnetspulen
der normalerweise geschlossenen Ventile 21 und 22 geliefert wird, so daß die Ventile
offengehalten werden. Wenn auf diese Weise die Überwachungselektrode 9 einwandfreie
Zündkerzenfunktion feststellt, bleiben die Ventile 21 und 22 offen, das Meßinstrument
mißt die Stärke des Funkens, und die Lampe 25 zeigt an, daß ein Funken ausreichender
Stärke übergeht.
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Wenn die überwächungselektrodekeinen Funken ausreichender Stärke feststellt
oder der Funken zunächst
ordnungsgemäß, später jedoch nicht mehr
von ausreichender Stärke ist, wird das Relais 5 stromlos. Die Kontakte 16 schließen
bei Nichterregung die Ventile 21 und 22, wodurch die Zuführung von weiterem Kraftstoff
oder Oxydierstoff an den Verbrennungsraum 1 verhindert wird, bis ein Funken ausreichender
Stärke entsteht. Bis zur Unterbrechung ist der Schalter 32 geöffnet, und die Ventile
21 und 22 bleiben geschlossen, wodurch jede gefährliche Vermengung von Kraftstoff
und Oxydierstoff in dem Verbrennungsraum 1 verhindert wird. Der elektrische Stromkreis
in F i g. 1, der den Strom längs der Strecke zwischen der Zündelektrode 3 und der
überwachungselektrode 9 mißt, kann erforderlichenfalls modifiziert werden. Beispielsweise
könnte eine Batterie mit niedriger Spannung von z. B. 28 Volt vorgesehen werden,
wobei ihr positiver Pol in Reihe mit einem geeigneten Widerstand und dem oberen
Teil 10 der überwachungselektrode 9 geschaltet ist. Die andere Seite der
Überwachungselektrode 9 könnte dann mit dem Verstärker 17 verbunden werden. Im Betrieb
würde dann der Strom, der längs der Strecke zwischen der Zündelektrode 3 und der
überwachungselektrode 9 fließt, vergrößert werden.
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In F i g. 2 ist eine Draufsicht der Zündvorrichtung 2 nach F i g.
1 gezeigt. Die Zündelektroden 3 und 6 bilden ein radiales Band um die Mitte der
Zündvorrichtung 2, um einen gleichmäßigen Funken herzustellen. Das Halbleitermaterial
8 bildet auch ein radiales Band um die Mitte der Vorrichtung 2, um den Funken zu
erzeugen. Die Überwachungselektrode 9 wird so ausgewählt, daß sie vorbestimmte Breite
hat und in geeignetem Abstand angeordnet ist, wie gezeigt ist.
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In F i g. 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, um
die Konstruktion der Zündvorrichtung 2 im einzelnen zu veranschaulichen. Wie in
F i g. 3 gezeigt ist, enthält die zylindrisch aufgebaute Funkenzündvorrichtung 2
einen erweiterten Teil 25, der ein Kabel 36 aufnehmen kann, in dem sich die
elektrischen Eingangs- und Ausgangsleitungen befinden. In die Gewindemuffe 37 kann
das Gewinde eines üblichen Kerzenaufnahmeteiles in einem Verbrennungsraum eingreifen.
Einheitlich und einstückig mit den Teilen 35 und 37 ist ein geeigneter Stahlmantel
38 vorgesehen, der als die Elektrode niedrigeren Potentials der Zündvorrichtung
2 arbeitet. Die Zündelektrode 39 ist angenähert in der Mitte der Vorrichtung 2 und
in transversaler Lage angeordnet und mittels eines geeigneten elektrischen Anschlußelementes
an einen Leiter in dem Kabel 36 angeschlossen. Die Zündelektrode 39 ist von
dem Stahlmantel 38 durch geeignetes Isoliermittel 40 elektrisch isoliert.
Jeweils ein Ende des geerdeten Stahlmantels 38 und der Zündelektrode 39 hohen
Potentials ist in einem vorbestimmten Abstand von der Fläche 41 der Zündvorrichtung
2 freigelegt, wodurch ein Luftspalt zwischen beiden an deren Spitze entsteht. Eine
typische Abmessung für den Luftspalt kann 1,524 mm ± 0,127 mm sein. Das Halbleitermaterial
42, wie z. B. Metalloxyd, befindet sich zwischen den Elektroden 38 und 39 an einer
geeigneten Stelle in der Nähe der Fläche 41, um einen Nebenschlußpfad von vergleichsweise
geringem Widerstand für die Entladung der Zündelektrode 39 hohen Potentials zu der
Elektrode 38 niedrigeren Potentials herzustellen. Die Überwachungselektrode 44 ist
in geeignetem Abstand von den Elektroden 38 und 39 angeordnet und mittels des Isoliermittels
40 isoliert. Die überwachungselektrode 44 ist aus geeignetem elektrisch leitendem
Material, wie z. B. Wolframstahl, hergestellt und hat einen gebogenen oberen Teil
45. Der obere Teil 45, der eine leitende Elektrode ist, endigt in der Nähe der Zündelektrode
39. Der obere Teil 45 ist in Abstand von der Zündelektrode 39 so angeordnet, daß
er nahe genug an dieser liegt, um sich in dem Bereich der ionisierten Atmosphäre
zu befinden, die durch den Funken verursacht wird. Der typische Abstand x (F i g.
3) beträgt 1,524 mm ± 0,127 mm. Diese Abmessung ist derart, daß sich der obere Teil
45 der Überwachungselektrode dicht genug an dq Zündelektrode 39 befindet, um in
dem ionisierten Bereich noch weit genug weg zu liegen, um das Auftreten eines Funkens
zwischen der Zündelektrode 39 und der überwachungselekirode 44 zu verhindern.
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In F i g. 4 und 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
die die Verwendung einer überwachungselektrode mit vier Elementen 56,
57, 58
und 59 vorsieht. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind in F i g. 4 nur
die Elemente 56 und 58 dargestellt. Aus F i g. 4 geht hervor, daß die genannten
Elemente Isolierhülsen aufweisen, die sich über die Oberfläche des Halbleitermaterials
54 hinaus erstrekken. Wie in F i g. 5 gezeigt ist, die eine Draufsicht der Vorrichtung
ist, sind die Elemente 56, 57, 58 und 59 symmetrisch in einem Kreis um eine
mittlere Elektrode 50 hohen Potentials angeordnet, welche zu der Längsachse
der Einrichtung koaxial angeordnet ist. Wie in F i g. 4 gezeigt ist, erstrecken
sich die Elemente 56 bis 59 jeweils von der Fläche 51 der Einrichtung 52 nach außen.
Die Elektrode 51 niedrigen Potentials bildet den Außenmantel 53 der Einrichtung
52. Das Halbleitermaterial 54 bildet einen Nebenschlußpfad von verhältnismäßig
geringem Widerstand zwischen den Elektroden 50 und 51. Die oberen gebogenen Teile
der Elemente 56 bis 59 verlaufen von der Fläche 51 nach außen und endigen sehr dicht
an der Zündelektrode 50, so daß ein nicht funkenbildender Strom von der Zündelektrode
50 zu den Elementen 56 bis 59 entsteht.
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Beim Zünden wird ein Funken quer durch das Halbleitermaterial 54 zwischen
der Zündelektrode 50 hohen Potentials und der Elektrode 51 niedrigen Potentials
erzeugt. Die Ionisierung der unmittelbar umgebenden Atmosphäre schafft eine Mehrzahl
Strompfade zwischen der Zündelektrode 50 und den Elementen 56 bis 59. Die Verwendung
von mehreren Elementen für die Überwachungselektrode, wie beispielsweise vier gemäß
F i g. 4 und 5, bewirkt einen gleichmäßigen Stromzufluß und eine genauere und zuverlässigere
Messung des Funkens durch die überwachungselektrode. Jede beliebige Anzahl von Elementen
kann in geeigneter Abstandsanordnung verwendet werden.