DE19802487C2 - Zündeinheit für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Zündeinheit für Brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinheit für Brennkraftmaschinen gemäß dem Anspruch 1.
Aus der JP 8-121 308 A ist bereits eine Zündeinheit für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze, einer mit der Zündkerze baulich verbundenen Zündspule und einem Schwingungsaufnehmer bekannt, der mit der Zündkerze mechanisch gekoppelt ist. Der Schwingungsaufnehmer ist im Übergang zwischen Zündkerze und Zy­ linderkopf vorgesehen und der dem Schwingungsaufnehmer zugeord­ nete Prozessor ist auf der von der Zündkerze abgewandten Seite der mit der Zündkerze baulich verbundenen Zündspule angeordnet. Die direkte Zuordnung des Schwingungsaufnehmers zur Zündkerze im Übergang zum Zylinderkopf soll eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung des jeweiligen Zylinderdruckes ermöglichen, und die zündkerzenferne Anordnung des zugehörigen Prozessors an der Zündspule gleichzeitig sicherstellen, daß bei möglichst kurzem Übertragungsweg zwischen Zündspule und Zündkerze der Prozessor über die Zündspule gegen den heißen Zylinderkopf abgeschirmt ist.
Zündeinheiten für Brennkraftmaschinen mit mit deren Zündkerze verbundener Zündspule und mit in Zuordnung zur Zündspule vorge­ sehenen, die Zündspannung detektierenden Meßwertaufnehmern sind ferner aus der JP 6-502 49 A und der US 5 363 046 A bekannt. Die dort verwendeten Meßwertaufnehmer arbeiten kapazitiv und sind in ihrer Funktion auf die Detektion der Zündspannung be­ schränkt.
Ferner wurde mit der DE 197 20 379 C1 bereits vorgeschlagen, für Zündeinheiten von Brennkraftmaschinen der Zündspule als me­ chanisch-elektrischen Wandler einen Piezoaufnehmer in Form ei­ nes Klopfsensors zuzuordnen, über den die Schwingungen der Zündspule potentialfrei und galvanisch getrennt über den gesam­ ten Zündbereich erfaßt werden. Die so gewonnenen Signale sind zum Energieverlauf in der Zündspule amplitudenmäßig proportio­ nal und Zeit- und phasenmäßig identisch, so daß der über die Schwingungen erfaßte mechanische Energieablauf mit dem elektri­ schen Energieverlauf in der Zündspule vergleichbar ist. Die Aufnahme dieses Energieverlaufes über den Schwingungsaufnehmer ermöglicht die Beurteilung der Zündung und erlaubt Rückschlüsse sowohl auf die primäre wie auch auf die sekundäre Zündungsfunk­ tion. Ferner sind Vergleiche der Zündspulen eines Zündsystems untereinander möglich, so daß das Zündsystem insgesamt über­ wacht werden kann und in ihrer Funktionalität sowohl Zündspu­ len, Kontaktierungen, Verbindungsmittel wie auch Zündkerzen be­ urteilt werden können, und zwar in Wechselwirkung zur Verbren­ nung. Indirekt können so auch Zündaussetzer erfaßt werden, um gegebenenfalls eine Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung vor­ zunehmen und Katalysatorschäden vorzubeugen.
Desweiteren sind ferner Meßeinrichtungen zur kontaktlosen Über­ wachung und Diagnose mechanischer Systeme, so beispielsweise zur Schadensdiagnose bei Maschinen bekannt (DE 43 08 796 C2), bei denen die durch mechanische Fehler, wie Lagerunregelmäßig­ keiten oder Lagerschäden bei Wälzlagern bedingten Schwingungen aufgenommen und weiter verarbeitet werden. Ausgangspunkt sind dabei durch mechanische Gegebenheiten ausgelöste Schwingungen, die erfaßt und durch Auswertung der Hüllkurve bewertet werden. Zur Erfassung der Schwingungen, die als periodische Signale ausgewertet werden, sind dabei als Aufnehmer mechanisch- elektrische Wandler in Form von Klopfsensoren eingesetzt, da solche aus der Kraftfahrzeugtechnik als erprobte und in großen Stückzahlen preiswert hergestellte Elemente zur Verfügung ste­ hen.
Durch die Erfindung soll eine Zündeinheit für Brennkraftmaschi­ nen geschaffen werden, die neben Rückschlüssen auf primäre und sekundäre Zündungsfunktionen die Beurteilung weiterer Motor­ funktionen ermöglicht.
Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1, demzu­ folge der Zündspule der Zündkerze ein deren Schallsignale po­ tentialfrei erfassender Schwingungsaufnehmer in Form eines me­ chanisch-elektrischen Wandlers zugeordnet ist, über den durch mechanische Kopplung mit der Zündkerze zusätzlich die Schalldrucksignale der Verbrennung erfaßbar sind. Bei dieser Lösung wird der der Zündspule zugeordnete, Funktionen des Zünd­ systems über die Schallsignale der Zündspule potentialfrei und proportional zum Energieverlauf in der Zündspule erfassende Schwingungsaufnehmer auch eingesetzt zur direkten Erfassung der Schalldrucksignale der Verbrennung. Letztere sind proportional zum Brennraumdruck und erlauben damit Rückschlüsse auf den me­ chanischen Zustand der Brennkraftmaschine, sowie eine direkte Erfassung der Verbrennungsabläufe, so daß Verbrennungsaussetzer ebenso wie Frühzündungen (Klopfen) unmittelbar detektiert wer­ den können und entsprechende Steuermaßnahmen, z. B. Abschalten der Kraftstoffeinspritzung zum Schutz des Katalysators oder Verstellen der Zündung in Richtung spät, eingeleitet werden können.
Als Schwingungsaufnehmer in Form mechanisch-elektrischer Wand­ ler finden bevorzugt Piezokeramikelemente, insbesondere Klopf­ sensoren Verwendung, wobei diese in Zuordnung zur Zündspule, bezogen auf deren Lage zur Zündkerze, sowohl im Übergang auf die Zündspule, in der Zündspule oder auch auf deren von der Zündkerze abgewandten Seite vorgesehen werden können, insbeson­ dere im Hinblick auf die Anpassung an die Intensität der zu er­ fassenden, vom Brennraum einerseits und von der Zündspule ande­ rerseits ausgehenden Schalldrucksignale.
Neben Piezokeramikelementen wie Klopfsensoren, die als Großse­ rienprodukte erprobt und preiswert zur Verfügung stehen, können als Schwingungsaufnehmer in Form mechanisch-elektrischer Wand­ ler auch piezoresistive Widerstandselemente oder Dehnmeßstrei­ fen-Systeme Verwendung finden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ergänzend wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, das in stark schematisierter Darstellung eine eine Zündkerze umfassende Zündeinheit als bauliche Einheit zeigt.
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Zündeinheit umfaßt eine Zünd­ kerze 2, deren Gehäuse 3 anschließend an den Mutternteil 4 in herkömmlicher Weise einen Gewindeteil 5 aufweist, an dem die Masseelektrode 6 angebracht ist. Der Masseelektrode 6 gegen­ überliegend ist die Mittelelektrode 7 vorgesehen, die in nicht näher dargestellter Weise gegenüber dem Kerzengehäuse 3 iso­ liert dieses durchsetzt und die mit einem Anschlußbolzen 8 be­ vorzugt leitend verbunden ist. Der Anschlußbolzen 8 ist bei der erfindungsgemäßen Kombination der Zündkerze 2 mit der Zündspule 9 zu einer Zündeinheit 1 gegen einen Schwingungsaufnehmer in Form eines Piezoelementes 10 axial abgestützt, das im Übergang zur Zündspule 9 liegt, an deren von der Zündkerze 2 abgelegenen Ende symbolisch ein Anschluß 11 für nicht weiter dargestellte Leitungsverbindungen vorgesehen ist.
Das Piezoelement 10, das insbesondere als Piezokeramikelement ausgebildet ist und das beispielsweise durch einen herkömmli­ chen Klopfsensor gebildet sein kann, nimmt in der vorgesehenen Anordnung die Schallsignale der Zündspule auf - und zwar poten­ tialfrei über den gesamten Zündungsbereich -, die dem Energie­ verlauf in der Zündspule proportional sind. Die Korrelation ist Zeit- und phasenmäßig identisch und amplitudenmäßig über den Kopplungsfaktor proportional, so daß der mechanische Energie­ verlauf, also das entsprechende Schalldrucksignal mit dem elek­ trischen Energieverlauf in der Zündspule vergleichbar ist. Durch die Aufnahme dieses Energieverlaufes sind Rückschlüsse auf die primäre und sekundäre Zündungsfunktion möglich. Das Piezoelement 10 ist in der vorgesehenen Anordnung über den An­ schlußbolzen 8 mechanisch zusätzlich über die Zündkerze mit dem Brennraum verbunden, wobei die Verbindung des Piezoelementes 10 mit der Mittelelektrode 7 bzw. dem diese umschließenden Isola­ tionskörper erfolgt, so daß der Brennraumdruck unmittelbar me­ chanisch über die Zündkerze auf das Piezoelement übertragen wird, das ein entsprechendes, zum Brennraumdruck proportionales Schalldrucksignal liefert. Durch die Anordnung der Elektrode und deren Ausgestaltung läßt sich auch Einfluß auf die Intensi­ tät nehmen, mit der die Druckwelle den Schwingungsaufnehmer be­ aufschlagt (Dämpfungseffekt).
Es können somit durch die Erfindung ergänzend zu den Rück­ schlüssen auf die primäre und sekundäre Zündungsfunktion, die aus den Schallsignalen der Zündspule abgeleitet werden, durch die unmittelbare Erfassung des Brennraumdruckes zusätzliche In­ formationen über den mechanischen Zustand der Brennkraftmaschi­ ne gewonnen werden, wobei über den Verbrennungsdruck direkt auch Klopfzustände und Verbrennungsaussetzer erfaßt werden kön­ nen.
Eine erfindungsgemäß ausgestattete Zündeinheit erlaubt damit in sehr weitgehendem Umfang Rückschlüsse auf Verbrennungsabläufe und den mechanischen Zustand der Brennkraftmaschine mit ent­ sprechenden Steuerungsmöglichkeiten sowie auch zusätzliche Mög­ lichkeiten für die Diagnose des Brennkraftmaschinenzustandes.

Claims (14)

1. Zündeinheit für Brennkraftmaschinen mit einer Zündkerze (2) und einer mit der Zündkerze (2) verbundenen Zündspule (9), wo­ bei der Zündspule (9) ein deren Schallsignale potentialfrei er­ fassender Schwingungsaufnehmer (10) in Form eines mechanisch- elektrischen Wandlers zugeordnet ist, über den durch mechani­ sche Kopplung mit der Zündkerze (2) zusätzlich die Schalldruck­ signale der Verbrennung erfassbar sind.
2. Zündeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer (10) im Übergang zur Zündspule (9) zwischen dieser und der Zündkerze (2) liegt.
3. Zündeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer in der Zündspule angeordnet ist.
4. Zündeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer auf der von der Zündkerze abge­ wandten Seite der Zündspule angeordnet ist.
5. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer als Piezoelement (10) ausgebildet ist.
6. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer durch ein piezoresistives Wider­ standselement gebildet ist.
7. Zündeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer durch ein DMS-System (Dehnmeßstreifen-System) gebildet ist.
8. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (2) mit ihrer dem Brennraum zugeordneten, ge­ genüber dem Kerzengehäuse (3) isolierten Elektrode (7) einen Druckaufnehmer bildet.
9. Zündeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kerzengehäuse (3) isolierte Elektrode (7) über ei­ nen Anschlußbolzen (8) gegen den Schwingungsaufnehmer (Piezoelement 10) abgestützt ist.
10. Zündeinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Brennraum zugeordnete Druckaufnehmer (Elektrode 7) mit Vorspannung gegen den Schwingungsaufnehmer (Piezoelement 10) abgestützt ist.
11. Zündeinheit nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer in den Anschlußbolzen integriert ist.
12. Zündeinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer zumindest teilweise den Anschluß­ bolzen bildet.
13. Zündeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem brennraumseitigen Ende der Zündkerze und dem Schwingungsaufnehmer ein die vom Brennraum der Brennkraftma­ schine ausgehenden Druckwellen dämpfendes Element angeordnet ist.
14. Zündeinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das die Druckwelle dämpfende Element durch die Massenelek­ trode der Zündkerze gebildet ist.
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