DE3234629C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 30 31 569 ist ein Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen be­ kannt. Verwendet wird ein Ionenstromsensor mit wenigstens einer stift­ förmigen Elektrode, die in einem Isolierstoff angeordnet ist. Die Ionenstrom-Meßstrecke wird zwischen der stiftförmigen Elek­ trode und der Brennraumwandung durch ein Stromversorgungsgerät herge­ stellt, wobei die Elektrode als Anode bezüglich der Brennraumwandung geschaltet ist.

Der Ionenstromsensor macht von der Tatsache Gebrauch, daß während ei­ ner Verbrennung von Kohlenwasserstoff elektrisch geladene Moleküle und Atome, d. h. Ionen, sowie freie Elektronen entstehen. Wird nun an eine im Brennraum befindliche Anordnung mit zwei Elektroden eine Meßspannung gelegt, fließt ein Ionenstrom, der von der Ionenkonzentration abhängig ist. Dieser Ionenstrom wird vom Sensor erfaßt und ist ein Maß für den im Brennraum ablaufenden Verbrennungsvorgang.

Aus der DE-OS 30 06 665 ist die Verwendung einer Zündkerze als Ionen­ stromsonde bekannt. Die Mittelelektrode der Zündkerze ist stets als Kathode geschaltet, während zum Betrieb der Ionenmeßsonde entweder eine positive oder eine negative Meßspannung aus den Zündimpulsen gewonnen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine wesentliche Erhöhung der Signalausbeute im Meßkreis für den Ionenstrom sowie eine bessere Signalinterpretation und damit auch eine sicherere Erkennung von Klopfen möglich sind. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.

Insbesondere können entsprechend einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel die wesentlichen Gegebenheiten der Zünd­ anlage eines Kraftfahrzeuges in der heute üblichen Form belassen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2 zeitliche Verläufe des Brennraumdrucks und einer Signal­ spannung zur Erläuterung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer wei­ teren Ausführungsform.

Wie eingangs bereits erwähnt, entstehen bei einem Ver­ brennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine im Brenn­ raum Ionen, d. h. elektrisch geladene Teilchen, sowie freie Elektronen. Die Anzahl der positiven und negativen freien Ladungsträger ist dabei gleich. Die Ruhmasse eines freien Elektrons ist jedoch etwa 30 000mal kleiner als z. B. die des bei derartigen Verbrennungsvorgängen häufigen positiven Ions H₃O⁺, d. h. die negativen Ladungsträger sind wesentlich leichter. Der Anteil der freien Elek­ tronen an den negativen Ladungsträgern ist weit über­ wiegend und beträgt bis zu 99%. Insgesamt sind damit die im wesentlichen auftretenden negativen Ladungs­ träger erheblich leichter als die im wesentlichen auftretenden positiven Ladungsträger.

Verwendet man nun eine Zündkerze als Ionenstromsonde im Brennraum, ist die Konfiguration üblicherweise so, daß die Mittelelektrode der Zündkerze wesent­ lich kleiner ist als die Masseelektrode. Wird nun die bei üblichen Zündeinrichtungen verwendete Polarität der Spannungen verwendet, d. h. eine negative Zünd- und damit auch Ionenmeßspannung, ist die kleine Mittelelektrode negativ und die große Masseelektrode positiv geladen. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Er­ kenntnis zugrunde, daß die bekannten Polaritäten und Größenverhältnisse an der Zündkerze den obenerwähnten Gewichtsverhältnissen der auftretenden Ladungsträger nicht entsprechen.

Daher wird eine Elektrodenkonfiguration bzw. eine Polarität verwendet, bei der die kleinere Elektrode positiv und die größere Elektrode negativ vorgespannt ist.

Die leichteren negativen Ladungsträger erfahren nämlich bei gleichem Absolutbetrag der Ladung in einem elektri­ schen Feld eine größere Beschleunigung und können somit eine größere Wegstrecke pro Zeiteinheit zurücklegen. Daher wird bei der erfindungsgemäß gewählten Elektroden­ konfiguration bzw. Polarität der Elektroden erreicht, daß pro Zeiteinheit ebenso viele negative Ladungsträger die Elektrode mit kleinerer Fläche erreichen wie posi­ tive Ionen die Elektrode mit größerer Fläche. Demzu­ folge wird erfindungsgemäß ein wesentlich höherer Ionen­ strom und damit eine wesentlich höhere Signalausbeute erzielt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist eine Zündkerze 10 mit einer kleinen Mittelelektrode 11 und einer größeren Masseelektrode 12 ausgestattet. Eine Fahrzeugbatterie 13 der Spannung U _B ist mit ihrem positiven Pol an Masse und mit ihrem negativen Pol über einen Betriebsschalter 14 an eine Primärspule 15 einer Zündspule angeschlossen. Das andere Ende der Primärspule 15 ist einmal mit einem Ende der Sekundärspule 16 und zum anderen über einen Unter­ brecherkontakt 17 an Masse angeschlossen. Der Unter­ brecherkontakt 17 wird in an sich bekannter Weise von einer Zündeinrichtung 18 betätigt. Am anderen Ende der Sekundärspule 16 ist auf einer Zündleitung 19 eine positive Zündspannung abnehmbar, die der Mittelelektrode 11 über eine Diode 24 und einen Zündverteiler 25 zuge­ führt wird. Der ebenfalls an die Mittelelektrode 11 an­ geschlossene Meßkreis besteht aus der Reihenschaltung einer Diode 20, einer Meßspannungsquelle 21 sowie eines an Masse angeschlossenen Meßwiderstandes 22. Die Meß­ spannungsquelle 21 mit der Meßspannung U _M weist mit ihrem positiven Pol zur Mittelelektrode 11 und ist an die Anode der Diode 20 angeschlossen. Am Meßwiderstand 22 ist eine Signalspannung U _s abgreifbar, die einer Klopfregeleinheit 23 zugeführt wird. Die Klopfregel­ einheit 23 wiederum steht in an sich bekannter Weise mit der Zündeinrichtung 18 in Wirkverbindung.

Der aus den Elementen 13 bis 18, 24, 25 bestehende Zünd­ kreis sorgt über die Zündkerze 10 für einen Verbrennungs­ vorgang in der üblichen Weise, wobei lediglich im Gegen­ satz zu den bekannten Einrichtungen eine positive Zünd­ spannung verwendet wird. Bei einer normalen Verbrennung stellt sich dann ein zeitlicher Verlauf des Brennraum­ druckes p ein, wie er in Fig. 2 gestrichelt gezeichnet ist. Der in Fig. 2 dargestellte Druckverlauf verläuft im wesentlichen nach Abschluß des Zündvorganges, so daß die Ionenstrommessung, die außerhalb des Zündvorganges statt­ finden muß, den wesentlichen Teil des Druckverlaufes er­ fassen kann. Hierzu wird die Meßspannung U _M über die Elek­ troden 11, 12 gelegt und verursacht das Fließen eines Ionenstromes I _I , der über den Meßwiderstand 22 die Si­ gnalspannung U _s erzeugt, die in Fig. 2 unten aufgetragen ist, wobei wiederum der normale Verbrennungsvorgang ge­ strichelt eingetragen ist. Die Diode 24 bewirkt dabei eine Entkopplung des Meßkreises vom Zündkreis, da sie die am Ende der Schließzeit bzw. Ende der Offenzeit des Unter­ brecherkontaktes 17 auftretende Durchbruchspannung bzw. Abrißspannung abblockt, so daß kontinuierliche Messungen möglich sind.

Tritt nun eine klopfende Verbrennung auf, wie sie Fig. 2 oben im Druckverlauf mit p′ bezeichnet, ergibt sich eben­ falls eine Schwingung im Verlaufe des Ionenstromes bzw. des Meßsignales. Dies drückt sich in Fig. 2 unten in einer gefilterten Signalspannung U _s ′ aus, wobei dieses Signal dann in der Klopfregeleinheit 23 entsprechend ver­ arbeitet wird. Durch die erfindungsgemäß gewählte Pola­ rität der Spannungen fließen dabei die negativen Ladungs­ träger zur Elektrode 11 und die positiven Ladungsträger zur größeren Elektrode 12, wobei sich aus den oben ge­ schilderten physikalischen Gegebenheiten eine gegen­ über den bekannten Einrichtungen erhöhte Signalausbeute in der Meßspannung U _s ergibt.

Zwar ist es möglich, auch bei dieser Art der Polarität statt der Diode 20 einen hochohmigen Widerstand zu ver­ wenden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, der Ionenstrom I _I wird dadurch jedoch stark begrenzt. Dadurch wird nur der ohm'sche Bereich der Ionenstromdichte erfaßt, in dem die Stromdichte lediglich von der Feldstärke, d. h. dem Quotienten von Spannung und Elektrodenabstand abhän­ gig ist. Zur Messung der hier allein interessierenden Ionendichte ist jedoch ein Erreichen des nichtohm'schen Bereiches erforderlich, wozu jedoch höhere Stromdichten erforderlich sind. Aus diesem Grunde ist es allgemein zweckmäßiger, statt eines hochohmigen Widerstandes ledig­ lich eine Diode 20 zu verwenden, die einerseits für eine Entkopplung des Meßkreises vom Zündkreis sorgt, anderer­ seits jedoch den Ionenstrom nicht begrenzt.

Das weitere Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 macht im wesentlichen von den gleichen Komponenten wie das Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 Gebrauch; entsprechend sind gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt hier jedoch die Batterie 12 - wie heute allgemein üblich - mit dem negativen Pol an Masse. Die positive Zündspannung wird dann durch Umpolen der Sekundärspule 16 gegenüber der üblichen Anordnung - wie in Fig. 1 - erreicht.

Ein weiterer Unterschied besteht bei diesem Ausführungs­ beispiel darin, daß zur Erzeugung der Meßspannung U _M keine separate Batterie (21 in Fig. 1) verwendet wird, sondern ein Kondensator 27, der über eine Diode 26 von der Primär­ seite 15 der Zündspule aufgeladen wird. Damit können bei diesem Ausführungsbeispiel weitgehend die heute in Kraft­ fahrzeugen üblichen Gegebenheiten belassen werden.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Erfassen von Druckschwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Zündkerze, zwischen deren Mittel­ elektrode (11) und Masseelektrode (12) eine Meßspannung (U _M ) in ei­ nem über eine Diode (20) oder einen Widerstand vom Zündkreis entkop­ pelten Meßkreis anlegbar ist, wobei der sich nach Ende des Zündvorgan­ ges infolge der Meßspannung (U _M ) über die Elektroden (11, 12) ein­ stellende Ionenstrom (I _I ) erfaßt wird und der Meßkreis der Mittelelektrode (11) eine gegenüber der Masseelektrode (12) positive Meßspannung zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündkreis der Mittelelektrode (11) eine gegenüber der Masseelektrode (12) positive Zündspannung zuführt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U _M ) von einer Batterie (21) erzeugt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U _M ) von einem, über eine Diode (26) von dem Zündkreis aufladbaren Kondensator (27) erzeugt wird.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugbatterie (13) mit ihrem negativen Pol an Fahrzeugmasse liegt und ihr positiver Pol mit zwei in Wicklungsrichtung nebeneinander­ liegenden Endpunkten von Primär- und Sekundärspule (15, 16) verbunden ist, wobei die Zündspannung am entgegen­ gesetzten Endpunkt der Sekundärspule (16) abgenommen wird.