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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Messung des Ionisationsstromes in einer Verbrennungskammer.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 einen
Axialschnitt durch eine in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors
eingesetzte Zündkerze
nach der Erfindung,
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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;
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3 eine
Ansicht ähnlich
derjenigen in 2 mit
genauer Darstellung der Verteilung der elektrischen Ladungen nach
dem Erlöschen
des Zündfunkens;
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4a ein
Diagramm über
die Zeit der Entwicklung der Potentiale in den verschiedenen Bauteilen
der Vorrichtung im Fall einer negativen Polarisierung der Kerze;
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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;
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5 in
schematischer Weise einen elektrischen Kreis zur Steuerung der Kerze
gemäss
einer Variante der Vorrichtung nach der Erfindung;
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6a und 6b ähnliche Ansichten wie die 4a und 4b im Fall des Einsatzes der Variante
entsprechend 5.
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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.
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In den 1 bis 3 ist eine Zündkerze 1 in
ihrer Einbaustellung im Zylinderkopf 7 eines Verbrennungsmotors
dargestellt, die in die Verbrennungskammer 3 ragt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das geringe Niveau des an die Antenne 12 angelegten
Potentials ermöglicht
eine besonders einfache Montage.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Es sei betont, dass die Erfindung
nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist,
das nur der Erläuterung
dient.
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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.
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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.