DE69817134T2 - Gerät zur Messung des Ionisationsstromes einer Brennkammer - Google Patents

Gerät zur Messung des Ionisationsstromes einer Brennkammer Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer.
  • Es ist bekannt, die Qualität der in den Verbrennungskammern eines Verbrennungsmotors stattfindenden Verbrennungen durch die Messung des sogenannten Ionisationsstromes zu charakterisieren. Die chemische Kinetik der Verbrennung eines Kraftstoffgemisches aus Luft und Benzin erzeugt nämlich hauptsächlich elektrisch neutrale Radikale. Daneben erzeugt sie eine geringe Anzahl von Ionen, wie zum Beispiel OH Ionen. Diese Arten von durch die Verbrennung entstehenden Ionen weisen eine Lebensdauer auf, die ausreicht, um die Verbrennungsgase in den leitenden Zustand zu versetzen. Auf Grund der in die Verbrennungskammer ragenden Elektroden, die mit verschiedenen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden, ist es möglich, einen sogenannten Ionisationsstrom zu messen, der zwischen den Elektroden fließt.
  • Vorrichtungen zur Messung des Ionisationsstromes wurden bereits in den Veröffentlichungen JP 129534/93 und JP 129796/93 beschrieben. Diese Veröffentlichungen offenbaren Beispiele für den Aufbau eines Detektors, geben jedoch nicht genau an, auf welche Weise die Messung durchgeführt werden muss um die bestmögliche Qualität zu erhalten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, eine Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes zu schaffen, die die Leistungsfähigkeit der derzeit bekannten Vorrichtungen verbessert indem sie eine besonders hohe Messempfindlichkeit bietet und die Störeinflüsse, die von den Zündfunken ausgehen, verringert.
  • Die Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors mit gesteuerter Zündung gemäss der Erfindung weist eine Zündkerze mit einer Mittenelektrode auf, die mit einer Anordnung zur elektrischen Versorgung versehen ist und die unter Zwischenschaltung eines Isolators in ein Kerzengehäuse eingesetzt ist, sowie mit wenigstens einer Antenne, die in der Nähe der Kerze in der Verbrennungskammer mündet, wobei diese Antenne mit einer Anordnung zur Messung und einer Anordnung zu Polarisierung zusammenwirkt.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Polarisierung der Antenne dergestalt ausgelegt ist, dass sie die Antenne mit einem angepassten positiven elektrischen Potential beaufschlagt um dadurch den durch die negativen ionisierten Teilchen erzeugten Strom aufzufangen, die in der Verbrennungskammer anwesend sind und die durch die Verbrennung des Kraftstoffgemisches entstanden sind während des Auftretens einer elektrischen Bogenentladung zwischen der Mittenelektrode und dem Kerzengehäuse.
  • Gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach der Erfindung, ist die Anordnung zur elektrischen Versorgung der Mittenelektrode der Kerze derart ausgelegt, dass diese Mittenelektrode negativ polarisiert wird.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal des ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in der Verbrennungskammer nach der Erfindung ist die Anordnung zur Polarisierung der Antenne derart ausgelegt, dass diese mit einem positiven elektrischen Potential von einigen zehn Volt beaufschlagt wird.
  • Gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in der Verbrennungskammer nach der Erfindung ist die Anordnung zur elektrischen Versorgung der Mittenelektrode der Kerze derart ausgelegt, dass diese Mittenelektrode positiv polarisiert wird.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal der Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach der Erfindung ist die Vorrichtung zur Polarisierung der Antenne derart ausgelegt, dass die Antenne mit einem positiven elektrischen Potential polarisiert wird, das größer ist als das im wesentlichen stabile Potential der Mittenelektrode der Kerze nach dem Peak der Zündung des elektrischen Bogens.
  • Gemäss einem anderen Merkmal der Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach der Erfindung ist die Anordnung zur elektrischen Versorgung der Mittenelektrode der Kerze derart ausgelegt, dass die Polarisierung der Elektrode nach dem Erlöschen des elektrischen Bogens beibehalten wird.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal der Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach der Erfindung ist die Anordnung zur elektrischen Versorgung der Mittenelektrode der Kerze derart ausgelegt, dass die Dauer des elektrischen Bogens einstellbar ist.
  • Die Ziele, Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor, die sämtlichst der Erläuterung und nicht der Beschränkung dienen, im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung; darin zeigen:
  • 1 einen Axialschnitt durch eine in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingesetzte Zündkerze nach der Erfindung,
  • 2 einen Axialschnitt durch eine Einzelheit in der Nähe des Zündpunktes der in 1 dargestellten Kerze mit genauer Verteilung der elektrischen Ladungen bei Anwesenheit eines Zündfunkens;
  • 3 eine Ansicht ähnlich derjenigen in 2 mit genauer Darstellung der Verteilung der elektrischen Ladungen nach dem Erlöschen des Zündfunkens;
  • 4a ein Diagramm über die Zeit der Entwicklung der Potentiale in den verschiedenen Bauteilen der Vorrichtung im Fall einer negativen Polarisierung der Kerze;
  • 4b eine ähnliche Ansicht wie 4a mit einer Darstellung der Entwicklung der Potentiale in den verschiedenen Bauteilen der Vorrichtung im Fall einer positiven Polarisierung der Kerze;
  • 5 in schematischer Weise einen elektrischen Kreis zur Steuerung der Kerze gemäss einer Variante der Vorrichtung nach der Erfindung;
  • 6a und 6b ähnliche Ansichten wie die 4a und 4b im Fall des Einsatzes der Variante entsprechend 5.
  • In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile dargestellt. Zu Erleichterung des Verständnisses sind außerdem in den verschiedenen Figuren gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In den 1 bis 3 ist eine Zündkerze 1 in ihrer Einbaustellung im Zylinderkopf 7 eines Verbrennungsmotors dargestellt, die in die Verbrennungskammer 3 ragt.
  • Die Kerze besteht in herkömmlicher Weise aus einem Kerzengehäuse 2, einem elektrischen Isolator 5 und einer Mittenelektrode 4. Die Mittenelektrode 4 ist mit einer Anordnung 23 zur Erzeugung einer elektrischen Bogenentladung 17 zwischen der Mittenelektrode und einer Stelle des Kerzengehäuses 2, zum Beispiel einen Leiter 16, zu einem gegebenen Zeitpunkt verbunden.
  • Eine Antenne 12 aus einem elektrisch leitenden Material ist in das Kerzengehäuse 2 eingesetzt und mit einer Messanordnung 15 über ein Kabel 14 verbunden. Eine Spannungsquelle 22 sorgt für die Polarisierung der Antenne 12 bezüglich des Kerzengehäuses 2 und des Zylinderkopfes 7. Eine isolierende Muffe 13 aus Keramik auf der Basis von Aluminiumoxyd sorgt für die elektrische Isolation der Antenne 12 von ihrer Umgebung mit Ausnahme der Verbrennungskammer 3, der Messanordnung 15 und der Anordnung 22 zur Polarisierung.
  • Zum Zeitpunkt der Zündung weist der von der Anordnung 23 erzeugte Potentialunterschied zwischen der Mittenelektrode 4 und dem Kerzengehäuse 2 einen Peak auf, dessen Absolutwert sehr hoch ist (und in der Größenordnung von zehntausend Volt liegt) und zwar während eines kurzen Zeitraumes, der erforderlich ist für die Ausbildung des elektrischen Bogens 17, wonach er auf einen geringeren Wert (mit einem Absolutwert von einigen Hundert Volt) abfällt, auf dem er sich während der Restdauer des Bogens 17 stabilisiert. Nach dem Erlösche des Bogens 17 bricht die Spannung zwischen den Anschlüssen der Kerze zusammen und fällt rasch auf den Wert 0 V ab.
  • Nach der Zündung breitet sich das brennbare Gemisch in der Kammer 3 entlang einer Flammenfront 18 aus, die einen Bereich 19 aus verbrannten Gasen umgibt. Diese enthalten, in unmittelbarer Nähe der Flammenfront, zahlreiche Zwischenprodukte aus der chemischen Reaktion der Verbrennung, insbesondere positiv geladene Teilchen 20 und negativ geladene Teilchen 21.
  • Da ein Potentialunterschied besteht zwischen der mittels der Anordnung 22 polarisierten Antenne 12 und den Verbrennungsgasen 19 fängt die Antenne 12 eine der beiden Teilchenarten ein; damit entsteht ein Ionisationsstrom, dessen Eigenschaften von der Art der Verbrennungsgase und damit auch von der Qualität der Verbrennung abhängt.
  • Erfindungsgemäß wird die Antenne 12 mit einem positiven Potential beaufschlagt, das größer ist als diejenigen des Kerzengehäuses 2 und des Zylinderkopfes 7, sodass sie die negativ geladenen Teilchen 21 einfängt, die beweglicher sind als die positiv geladenen Teilchen 20 und damit einfacher einzufangen sind, wodurch eine ausgezeichnete Messempfindlichkeit erzielt wird.
  • In 4 sind die Entwicklungen über die Zeit der Polarisationsspannung 26 der Antenne 12 und der Spannung 25 an den Anschlüssen der Elektroden der Kerze 1 dargestellt im Fall einer negativ polarisierten Mittenelektrode durch den Versorgungskreis 23 bezüglich des Kerzengehäuses 2 und des Zylinderkopfes 7.
  • In diesem Fall genügt die einfache Tatsache, dass die Antenne 12 positiv polarisiert ist um die negativ geladenen Teilchen ab Berührung der Antenne mit den Verbrennungsgasen anzuziehen und zwar während der gesamten Dauer der Verbrennung, da die Antenne 12 das einzige positiv polarisierte Bauteil ist.
  • Das Potential der Polarisierung kann damit auf einem frei wählbaren Wert gehalten werden, zum Beispiel einige Volt oder einige zehn Volt um den erwünschten Effekt des Einfangens der negativ geladenen Ionen zu erzielen ab Einsetzen der Verbrennung. Es ist auch denkbar, die Antenne 12 nicht mittels einer äußeren Anordnung zu polarisieren, sondern auf dem herrschen veränderbaren Potential zu belassen.
  • Das geringe Niveau des an die Antenne 12 angelegten Potentials ermöglicht eine besonders einfache Montage.
  • In 4b ist die Entwicklung einerseits der Polarisationsspannung 26 und andererseits der Spannung 25 an den Anschlüssen der Elektroden der Kerze 1 dargestellt für den Fall, in dem der Versorgungskreis 23 für die Kerze 1 deren Mittenelektrode 4 positiv relativ zum Kerzengehäuse 2 und zum Zylinderkopf polarisiert.
  • In diesem Fall muss, um die negativ geladenen Teilchen 21 sehr bald nach Beginn des Einsetzens der Verbrennung anzuziehen und sogar noch vor dem Erlöschen des Bogens 17 das Potential der Polarisierung 22 der Antenne 12 größer als das Potential der Mittenelektrode 4 nach dem Auslösepeak für den Bogen 17 gewählt werden. Diese Ausgestaltung gewährleistet, dass die Antenne 12 die negativ geladenen Teilchen 21 vorzugsweise von der Mittenelektrode 4 abzieht.
  • Das Potential der Polarisierung 26 der Antenne 12 wird damit auf einen frei wählbaren positiven Wert von ungefähr einigen Hundert Volt eingestellt, wodurch allerdings die Montage erheblich komplizierter ausfällt als bei der in 4a dargestellten Lösung, da das erforderliche Spannungsniveau erheblich höher ist.
  • Eine Variante des Ausführungsbeispiels im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Messung des Polarisationsstromes besteht darin, die Zeitdauer des Bogens 17 zu begrenzen und zwar auf einen Wert, der erforderlich ist um eine gute Einleitung der Verbrennung zu gewährleisten. Sowie nämlich der Bogen 17 sich zwischen den beiden Elektroden der Kerze ausgebildet hat, ist die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen nach dem Auftreten des Auslösepeaks nicht mehr vollständig stabil, sodass Sekundärpeaks auftreten können, die die Messung in dem Fall beeinträchtigen können, in dem die Mittenelektrode 4 positiv polarisiert ist. Um dies zu erreichen, genügt es, die Zünddauer in geeigneter Weise zu steuern.
  • Bei einer anderen Variante eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung, die ebenfalls im Hinblick auf eine Verbesserung der Messung des Polarisationsstromes vorgeschlagen wird, wird insbesondere im Fall einer negativen Polarisierung der Mittenelektrode 4 nach dem Erlöschen des Bogens 17 die Entwicklung der Spannung an den Anschlüssen der Elektroden der Kerze 1 gesteuert.
  • Tatsächlich hängt die Qualität der Messung des Ionisationsstromes vom Potentialunterschied zwischen der Antenne 12 und den Verbrennungsgasen ab, die durch die Mittenelektrode 4 polarisiert werden, das heißt, je langsamer das Potential der Elektrode 4 sich dem Wert 0 V annähert, desto eher ist es möglich, die Messung des Ionisationsstromes zeitlich zu verlängern ohne Einsatz eines höheren Polarisierungspotentials der Antenne 12, gegebenenfalls auch ohne jegliche Polarisierung der Antenne, die auf dem herrschenden veränderbaren Potential verbleiben kann.
  • Diese Variante ist im einzelnen in 5 erläutert. In dieser Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 23 zur Erzeugung eines elektrischen Zündbogens in der Kerze 1 dargestellt sowie eine Anordnung 36 zur Aufrechterhaltung einer gegebenen Polarisierung der Mittenelektrode 4 nach Beendigung des Bogens 17.
  • Der Bogen 17 in der Kerze 1 tritt also auf, wenn der Transistor 34 bei Erhalt des Steuersignals 29 den Primärkreis 27 der Spule schließt, wodurch in Strom unter Hochspannung in der Sekundärwicklung 28 der Spule erzeugt wird. Zugleich wird das Steuersignal 27, bestehend aus einen positiven rechteckigen Spannungsimpuls, einem Verzögerungsglied 30 zugeführt, dessen Verzögerungszeit gleich der Dauer des Steuersignals 29 ist, zuzüglich der gewünschten Dauer des Bogens 17.
  • Der Wert dieser Verzögerung führt dazu, dass unmittelbar bevor das Verzögerungsglied 30 das Steuersignal 29 dem Feldeffekt-Transistor 32 zuführt, der Primärkreis 27 der Spule offen ist, wobei der Widerstand 33 dazu dient, die Anschlüsse des Transistors 32 auf benachbarten Potentialen zu halten. Sowie nun das Verzögerungsglied 30 das Steuersignal 29 überträgt, schließt der Transistor, dem eine Schutzdiode 35 zugeordnet ist, den Primärkreis 27 der Spule.
  • Der Kondensator 31 dient zum Anlegen der Potentiale des Steuersignals 29 und zur Speisung der Primärwicklung 27 der Spule sowie zum Anheben des Potentials der Gateelektrode des Transistors 32 auf diesen Wert. Der Transistor schließt die Primärwicklung der Spule kurz mit einem Potential in der Größenordnung eines Volts an den Anschlüssen, wodurch eine Potentialdifferenz in der Sekundärwicklung der Spule von ungefähr 100 Volt hervorgerufen wird, die kleiner ist als diejenige, die zur Ausbildung des Bogens 17 erforderlich ist, mit anschließender Polarisierung der Mittenelektrode 4 mit einem Potential, das sich zunehmend in Richtung 0 V entwickelt, bis die gesamte elektrische Energie im Primärkreis in den Transistor 32 übergegangen ist (siehe 6a und 6b).
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den in der Verbrennungskammer während der Verbrennung des Kraftstoffgemisches entstehenden Inisationsstrom mittels einer in die Zündkerze integrierten Antenne zu messen, sowie die Flamme die Antenne erreicht und dies sogar während des Vorhandenseins des elektrischen Zündbogens.
  • Es sei betont, dass die Erfindung nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, das nur der Erläuterung dient.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch mit einer Vielzahl von Antennen verwirklicht werden. Es kann sogar vorteilhaft sein, mehrere Antennen zu verwenden um den Ablauf der Verbrennung genauer erfassen zu können.
  • Es ist ferner auch möglich, die für die Messung des Ionisationsstromes verwendete Antenne oder die verwendeten Antennen nicht in das Kerzengehäuse zu integrieren, sondern zum Beispiel direkt in den Zylinderkopf einzubauen.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer (3) eines Verbrennungsmotors mit gesteuerter Zündung, der eine Zündkerze (1) aufweist mit einer Mittenelektrode (4), die mit einer elektrischen Versorgungsanordnung (23) verbunden ist und unter Zwischenanordnung eines Isolators (5) in ein Kerzengehäuse (2) eingesetzt ist und der wenigstens eine Antenne (12) aufweist, die in der Kammer (3) in der Nähe der Kerze (1) mündet, wobei die Antenne (12) mit einer Anordnung (15) zur Messung und mit einer Anordnung (22) zur Polarisierung zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (22) zur Polarisierung derart ausgelegt ist, dass die Antenne (12) mit einem geeigneten positiven elektrischen Potential (26) derart polarisiert wird, dass sie den Strom aufnimmt, der durch negativ ionisierte Teilchen (21) entsteht, die in der Verbrennungskammer (3) anwesend sind auf Grund der Verbrennung des Kraftstoffgemisches, wobei diese ausgelöst wird durch die Erzeugung eines elektrischen Bogens (17) zwischen den Elektroden der Kerze 1.
  2. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungsanordnung (23) für die Mittenelektrode (4) der Kerze (1) derart ausgelegt ist, dass die Mittenelektrode (4) negativ polarisiert wird.
  3. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (22) zur Polarisierung der Antenne (12) derart ausgelegt ist, dass die Antenne (12) mit einem positiven elektrischen Potential von einigen zehn Volt beaufschlagt wird.
  4. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungsanordnung (23) für die Mittenelektrode (4) der Kerze (1) derart ausgelegt ist, dass die Mittenelektrode (4) positiv polarisiert wird.
  5. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (22) zur Polarisierung der Antenne (12) derart ausgelegt ist, dass die Antenne (12) mit einem positiven elektrischen Potential (26) beaufschlagt wird, das größer ist als das im wesentlichen stabile der Mittenelektrode (4) der Kerze (1), das dem Zündungspeak für den elektrischen Bogen (7) folgt.
  6. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungsanordnung (23) für die Mittenelektrode (4) der Kerze (1) derart ausgelegt ist, dass die Polarisierung der Elektrode (4) nach Beendigung des elektrischen Bogens (17) beibehalten wird.
  7. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgungsanordnung (23) für die Mittenelektrode (4) der Kerze (1) derart ausgelegt ist, dass die Dauer des elektrischen Bogens (17) einstellbar ist.
  8. Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (12) nicht durch eine äußere Quelle polarisiert wird, sondern auf dem herrschenden veränderbaren Potential verbleibt.
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