DE3828518A1

DE3828518A1 - Spark plug with integrated ion current sensor

Info

Publication number: DE3828518A1
Application number: DE19883828518
Authority: DE
Inventors: Erasmus Dipl Phys Dr Schulte
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1988-08-23
Filing date: 1988-08-23
Publication date: 1990-03-01

Abstract

It is already known to detect the combustion process of an internal-combustion engine with the aid of the ion current by the use of ion-current probes. Arranging a plurality of sensors in the combustion chamber of an internal-combustion engine is, however, extremely difficult to carry out on grounds of space and because of demanding contact conditions, and, in addition, many probes are dear. With the new spark plug, a less expensive and space-saving article is achieved which is simultaneously capable of detecting the working of the ion currents. The new spark plug is characterised in that the earth electrode is formed as the middle electrode and the trigger electrode and at least two ion-current electrodes are made in annular form and are arranged concentrically to the earth electrode. Contacting occurs, for the trigger electrode, through a central pin led out from the spark-plug shaft and, for the ion-current electrodes, through ring contacts offset axially on the spark-plug shaft. Such spark plugs find an application in motor construction, especially in motor vehicle construction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit integriertem Ionenstrom sensor.The invention relates to a spark plug with an integrated ion current sensor.

Infolge verschärfter Abgas-Bestimmungen wird nach Lösungen gesucht, bei denen Brennkraftmaschinen in einem Betriebsbereich betrieben wer den können, in dem die schädlichen Anteile des Abgases auf ein Minimum reduziert werden können und/oder in dem der verbrauchte Kraftstoff ein Minimum ist. Um einer derartigen Forderung zu genügen, bietet es sich auf den ersten Blick an, die Brennkraftmaschine mit einem möglichst mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch zu betreiben, d.h. an der sogenannten mageren Laufgrenze der Brennkraftmaschine zu fahren. In diesem Betriebs bereich ist mit einem relativ schadstoffarmen Abgas und einem geringen Kraftstoffverbrauch zu rechnen. Als kennzeichnende Größe für die magere Laufgrenze bietet sich dabei zunächst die Schwankung des Druckverlaufs in den Zylindern einer Brennkraftmaschine an. Bei genauerer Betrachtung des geschilderten Problems stellt sich jedoch heraus, daß die einzelnen Druckverläufe von nicht kontrollierbaren Betriebsparametern der Brenn kraftmaschine bestimmt werden, beispielsweise von Luftzahl-, Füllungs- und Turbulenzschwankungen.As a result of stricter exhaust gas regulations, solutions are sought where internal combustion engines are operated in an operating area that can, in which the harmful portions of the exhaust gas are kept to a minimum can be reduced and / or in which the fuel used Minimum is. In order to meet such a requirement, it offers itself at first glance, the internal combustion engine with one if possible operate lean fuel-air mixture, i.e. at the so-called to drive lean running limit of the internal combustion engine. In this operating area is with a relatively low-pollution exhaust gas and a low one Fuel consumption. As a characteristic size for the lean The running limit is initially the fluctuation in the pressure curve in the cylinders of an internal combustion engine. In further consideration The problem described turns out, however, that the individual Pressure curves of non-controllable operating parameters of the burner engine are determined, for example, by air ratio, filling and fluctuations in turbulence.

Eine andere Methode zur Steuerung der Brennkraftmaschine ist durch den Einsatz von Ionenstromsensoren bekannt.Another method of controlling the internal combustion engine is through the Use of ion current sensors known.

Dieser Ionenstromsensor macht von der Tatsache Gebrauch, daß während einer 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. This ion current sensor makes use of the fact that during combustion of hydrocarbon electrically charged molecules and Atoms, i.e. Ions and free electrons are created. Will now be at one arrangement in the combustion chamber with two electrodes a measuring voltage an ion current flows depending on the ion concentration is. This ion current is detected by the sensor and is a measure of the im Combustion chamber ongoing combustion process.

Eine zur Messung des Ionenstromes verwendete Ionenstromsonde ist, wie in der OE-OS 24 43 413 beschrieben, in einem gewissen Abstand zu einer Zündkerze im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeord net oder in die Zündkerze direkt integriert.An ion current probe used to measure the ion current is as described in OE-OS 24 43 413, at a certain distance arranged to a spark plug in the cylinder head of an internal combustion engine net or integrated directly into the spark plug.

Aus der Veröffentlichung der MTZ 39 (1978) 7/8 Seite 333-338 "Die Entflammungsdauer und ihre Auswirkung auf den Verlauf der Energie umsetzung beim Ottomotor", ist es bekannt, mehrere in unterschied lichem Abstand zur Zündkerze im Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnete Ionenstromsonden einzusetzen, so daß aus deren Spannungs signalen eine Aussage über die Zündverzugszeit und die Flammenaus breitungszeit möglich wird.From the publication of MTZ 39 (1978) 7/8 page 333-338 "Die Inflammation time and its effect on the course of the energy implementation in the gasoline engine ", it is known to differentiate several Lich distance to the spark plug in the combustion chamber of an internal combustion engine arranged ion current probes to use, so that from their voltage signals a statement about the ignition delay time and the flame out spreading time becomes possible.

Die Anordnung mehrerer Sensoren im Brennraum einer Brennkraftmaschine ist jedoch aus Platzgründen und wegen aufwendiger Kontaktierung äußerst schwierig zu realisieren, und darüber hinaus sind mehrere Sensoren teuer.The arrangement of several sensors in the combustion chamber of an internal combustion engine is however extremely due to space reasons and because of complex contacting difficult to implement, and moreover, several sensors are expensive.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zünd kerze derart zu gestalten, daß mit ihr gleichzeitig die beschriebenen Ionenströme erfaßt werden.Proceeding from this, the object of the invention is an ignition to design candle in such a way that with it the described Ion currents are detected.

Diese Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen genannt.This task is with those mentioned in the characterizing part of patent claim 1 Features resolved. Advantageous further developments are in the subclaims called.

Bei der Beurteilung der Gesamtverzugszeit ab Auslösung des Zündfunkens bis zur Ankunft der Flammenfront (Ionenwolke) am Sensor erhält man die Summe aus Zündverzugszeit und Flammenausbreitungszeit. Zündverzugszeit und Flammenausbreitungszeit treten zeitlich nacheinander auf. Daher können sich die Randbedingungen für die Flammenausbreitung nach erfolgter Ent flammung von denen für die Zündung und die Zündverzugszeit unterscheiden. Mit dem erfindungsgemäßen Ionenstromsensor können beide Größen unabhängig von einander bestimmt werden und die gewonnenen Signale können über eine Auswerteschaltung zu einer Regeleinrichtung geführt werden, die Parameter, beispielsweise Zündzeitpunkt und Gemischzusammensetzung beeinflußt.When assessing the total delay from triggering the spark until the flame front (ion cloud) arrives at the sensor, the Sum of ignition delay time and flame propagation time. Ignition delay time and flame propagation time occur sequentially. Therefore can the boundary conditions for flame propagation after Ent distinguish flame from those for the ignition and the ignition delay time. With the ion current sensor according to the invention, both variables can be independent can be determined by each other and the signals obtained can be via a Evaluation circuit are led to a control device that Parameters such as ignition timing and mixture composition influenced.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und wird nachfolgend beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing represents and is described below.

Die Zeichnung zeigt eine Zündkerze 1, bei der eine Masseelektrode 2 als Mittelelektrode und deren oberer Abschnitt 3 teller- oder T-för mig ausgebildet ist. Eine zu der Masseelektrode hingebogene Zünd elektrode 4 und zwei Ionenstromelektroden 5, 6 sind ringförmig ausge bildet und konzentrisch zur Masseelektrode 2 in der genannten Reihen folge von innen nach außen angeordnet. Dabei überragt der obere Ab schnitt 3 die Elektroden 4, 5, 6, wobei die Elektrode 4 einen kleineren Abstand zum Abschnitt 3 der Masseelektrode aufweist als die Elektroden 5, 6. Alle Elektroden 2, 4, 5, 6 werden von einem keramischen Isolierkör per 7 getragen. Die Zündelektrode 4 wird als üblicher Mittelanschluß zapfen 8 aus einem Zündkerzenschaft 9 des Isolierkörpers 7 herausge führt, während die Elektrode 5 mit einem Ringkontakt 10 und die Elektro de 6 mit einem Ringkontakt 11 verbunden sind, die in das untere Ende des Zündkerzenschaftes 9 axial versetzt eingelassen sind.The drawing shows a spark plug 1 , in which a ground electrode 2 is formed as a central electrode and its upper portion 3 plate or T-shaped. A bent towards the ground electrode ignition electrode 4 and two ion current electrodes 5 , 6 are formed out in a ring and are arranged concentrically to the ground electrode 2 in the order mentioned from the inside to the outside. The upper From 5 6 surmounted section 3, the electrodes 4, wherein the electrode 4 has a smaller distance to the section 3 having the ground electrode as the electrodes 5. 6 All electrodes 2 , 4 , 5 , 6 are worn by a ceramic insulating body by 7 . The ignition electrode 4 is a conventional center connection tap 8 leads out of a spark plug shaft 9 of the insulating body 7 , while the electrode 5 is connected to a ring contact 10 and the electrical de 6 are connected to a ring contact 11 which are axially offset in the lower end of the spark plug shaft 9 are.

Alternativ zu dieser Ausführung kann der Abstand der Zündelektrode 4 sowie der Ionenstromelektroden 5, 6 zum teller- oder T-förmigen Abschnitt 3 auch gleich groß sein.As an alternative to this embodiment, the distance between the ignition electrode 4 and the ion current electrodes 5 , 6 from the plate-shaped or T-shaped section 3 can also be the same.

Die dargestellte Ausführung ist durch einen zeichnerisch nicht darge stellten Kerzenstecker mit Gegenkontakten für den Mittelanschlußzapfen 8 und die Ringkontakte 18, 11 der Ionenstromelektroden 5, 6 und ein drei adriges Anschlußkabel elektrisch angeschlossen.The version shown is electrically connected by a non-illustrated plug connector with mating contacts for the center connection pin 8 and the ring contacts 18 , 11 of the ion current electrodes 5 , 6 and a three-core connecting cable.

Die Zündspannung wird an den Mittelanschlußzapfen 8 und damit an die Zündelektrode 4 gelegt. Durch einen Zündfunken zwischen Masseelektrode 2 und Zündelektrode 4 wird das Gemisch entflammt. Bei ausreichend kurzem Abstand zwischen Elektrode 4 und Elektrode 5 erreicht die Ionenwolke nach einer Zündverzugszeit t₀ die Elektrode 5 und bil det eine niederohmige Verbindung zwischen Masseelektrode 2 und Ionenstromelektrode 5. Nach einer Zeit t ₁ erreicht die Flammenfront (Ionenwolke) die Elektrode 6 und bildet eine niederohmige Verbindung zwischen Elektrode 2 und Elektrode 6. Die Zeit t ₁ ist ein Maß für den Reziprokwert der integralen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit.The ignition voltage is applied to the center connection pin 8 and thus to the ignition electrode 4 . The mixture is ignited by an ignition spark between ground electrode 2 and ignition electrode 4 . At sufficiently short distance between electrode 4 and electrode 5, the ion cloud achieved after an ignition delay time t ₀ the electrode 5 and bil det a low impedance connection between the earth electrode 2 and electrode ion current. 5 After a time t ₁ , the flame front (ion cloud) reaches electrode 6 and forms a low-resistance connection between electrode 2 and electrode 6 . The time t ₁ is a measure of the reciprocal of the integral flame propagation rate.

Claims

1. Spark plug with center and ground electrode, characterized in that the ground electrode ( 2 ) is plate-shaped or T-shaped as the center electrode and that the ignition electrode ( 4 ) and at least two ion current electrodes ( 5 , 6 ) are ring-shaped and concentric with the ground electrode ( 2 ) are arranged, the plate-shaped or T-shaped section ( 3 ) of the ground electrode ( 2 ) at least protruding from the outer electrode ( 6 ) and the electrodes ( 4 , 5 , 6 ) in the order mentioned from the inside are arranged to the outside.

2. Spark plug according to claim 1, characterized in that the Zündelek electrode ( 4 ) as a conventional center connection pin ( 8 ) from the spark plug shaft ( 9 ) is led out and that the ion current electrodes ( 5 , 6 ) arranged as axially offset in the spark plug shaft ( 9 ) Ring contacts ( 10 , 11 ) are led out.

3. Spark plug according to claim 1 or claim 2, characterized in that the ignition and ion current electrodes ( 4 , 5 , 6 ) to the plate or T-shaped portion ( 3 ) of the ground electrode ( 2 ) have the same distance.

4. Spark plug according to claim 1 or claim 2, characterized in that the ignition electrode ( 4 ) to the plate or T-shaped portion ( 3 ) of the ground electrode ( 2 ) has a smaller distance than the ion current electrodes ( 5 , 6 ).

5. Spark plug according to claim 2, characterized in that the spark plug tap through a plug connector with mating contacts for the center connection ( 8 ) and the ring contacts ( 10 , 11 ) of the ion current electrodes ( 5 , 6 ) and a three-core connection cable is electrically connected.