EP0987418A2 - System zum Glühen und Ionenstrom-Messen und Ionenstrom-Glühkerzen für dieses System - Google Patents

System zum Glühen und Ionenstrom-Messen und Ionenstrom-Glühkerzen für dieses System Download PDF

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EP0987418A2
EP0987418A2 EP99115591A EP99115591A EP0987418A2 EP 0987418 A2 EP0987418 A2 EP 0987418A2 EP 99115591 A EP99115591 A EP 99115591A EP 99115591 A EP99115591 A EP 99115591A EP 0987418 A2 EP0987418 A2 EP 0987418A2
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EP
European Patent Office
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glow
connection
glow plug
voltage
semiconductor switch
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EP0987418B1 (de
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Günter Uhl
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Beru AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/028—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs the glow plug being combined with or used as a sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/021—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs characterised by power delivery controls
    • F02P19/023—Individual control of the glow plugs

Definitions

  • the ion current measurement in the combustion chamber of a cylinder provides various information about the course of the combustion. In an engine with several cylinders, this ion current measurement can be carried out in one, in several or in all cylinders.
  • a system for glow and ion current measurement requires special glow plugs and a special control unit that not only controls the glow process as before but also provides an auxiliary voltage U H that can be applied to the glow plugs and carries out the ion current measurement.
  • the glow plugs must be designed so that at least in the area of the glow plug tip they represent a measuring electrode to which an auxiliary voltage U H can be applied. This voltage then lies between the electrode and the inner wall of the cylinder. If ions are now generated by the combustion process, a current flows. Its course allows conclusions to be drawn about the combustion process in the cylinder.
  • the glow plug is preferably designed such that parts of the heater protruding into the cylinder can also be used as an electrode. This means that the heater and electrode are electrically coupled to one another.
  • a known system ( Figure 1) consists of a number N Z of glow plugs (1) and a control unit (10); N Z is the number of cylinders in the respective engine.
  • N Z is the number of cylinders in the respective engine.
  • special ion current measuring glow plugs are required, in which the electrode (2) and the heater (3) are electrically insulated from the plug body (4).
  • Such glow plugs have two electrical connections (6) with which the glow plugs are connected to a control unit (10).
  • the control device (10) contains a control unit (15) which controls all functions; a microprocessor will preferably be used here.
  • N Z glow plugs (1) can be connected to the control unit (10).
  • Each glow plug (1) also used for ion current measurement is connected to the two switching stages (16) and (17) via two connections (13) and (14).
  • Each switching stage is controlled by a control signal for the "glow” function (18) or control signal for the "ion current measurement” function (19).
  • the "glow" function is inactive during the ion current measurement.
  • the switching stage (16) electrically isolates the glow plug (1) from the supply voltage connection (11) and the ground connection (12); at the same time, an auxiliary voltage U H for the ion current measurement is applied to the glow plug (1) connected as the measuring electrode via the switching stage (17) and the ion current measurement is carried out.
  • the system consists of a control unit (10) and a number of N Z glow plugs; N Z is the number of cylinders in the respective engine.
  • One, some or all of the glow plugs are special ion current measuring glow plugs (1) with an integrated electronic switch, which are only connected to the control unit (10) with one pole.
  • the electronic switch can also be contained in a module which is plugged onto the glow plug.
  • glow plugs (1) The design of the corresponding glow plugs (1) according to the invention is described in detail below; in principle, these special ion current measuring glow plugs (1) are constructed in such a way that the electrode (2) and the heater (3) are electrically insulated from the plug body (4). They also contain a semiconductor switch (7) and a voltage evaluation circuit (8). These glow plugs have only one electrical connection (6) for connection to the control unit (10).
  • the voltage evaluation circuit (8) evaluates changes in the voltage U GK at the connection (6) with regard to amplitude or with respect to the change over time (for example rising or falling edge) and controls the semiconductor switch (7) accordingly.
  • the control device (10) contains a control unit (15) which controls all functions; a microprocessor will preferably be used here.
  • N Z glow plugs (1) can be connected to the control unit (10).
  • Each of the glow plugs (1) also used for ion current measurement is connected to the two switching stages (16) and (17) via a connection (13).
  • Each switching stage is controlled by a control signal for the "glow” function (18) or control signal for the "ion current measurement" function (19).
  • a glow plug is also to be used for ion current measurement, an additional measuring electrode is required in the area of the glow plug tip, to which an auxiliary voltage U H is applied.
  • This voltage can be a DC or an AC voltage.
  • the voltage U H then lies between the electrode and the inner wall of the cylinder. If ions are now generated by the combustion process, a current flows. Its course allows conclusions to be drawn about the combustion process in the cylinder.
  • the glow plug is preferably designed such that parts of the heater protruding into the cylinder can also be used as an electrode. This means that the heater and electrode are electrically coupled to one another.
  • the ion current measuring glow plug must be connected to an associated control unit with two lines become.
  • the operating current of the glow plug flows over both lines. Because this stream is very high, typical values are in the range between 30 and 40 A, the lines and associated connecting devices are designed accordingly massive and thus expensive.
  • a semiconductor switch is inserted into the glow plug or into a plug on the glow plug Module, integrated, so that the operating current of the glow plug is only via one line flows; it is even possible, as with conventional glow plugs, only a single line for connection to use the glow plug.
  • the voltage U H can be a DC or an AC voltage.
  • the semiconductor switch (8) is preceded by a voltage evaluation circuit (9), which contains a threshold value detector (comparator) with the switching threshold U S , which depends on the voltage at the connection (6) or (16) and the plug body (4).
  • applied voltage U GK switches through the semiconductor switch (8): U GK ⁇ U B , or blocks: U GK ⁇ U H. If U H is an AC voltage, the amplitude or the RMS value of the voltage will preferably be evaluated.
  • the switching threshold U S will be chosen so that it is larger than U B and smaller than U H :
  • the voltage U H can be a DC or an AC voltage.
  • the semiconductor switch (8) is preceded by a voltage evaluation circuit (9), the voltage changes of U GK rated These switches in response to changes in applied to the terminal (6) or to (16) and the plug body (4) voltage U GK the semiconductor switch ( 8) by. If U H is an AC voltage, the amplitude or the RMS value of the voltage will preferably be evaluated. If U GK changes from the higher voltage U H to the voltage U B , the semiconductor switch (8) is switched through, see FIG. 10.
  • U GK is at the level of U B and then U GK is reduced by a voltage value ⁇ U, e.g. ⁇ U ⁇ 0.5 V, the semiconductor switch (8) is blocked. In response, the voltage U GK then increases again to the value U H.
  • ⁇ U e.g. ⁇ U ⁇ 0.5 V
  • the voltage U B can be a direct or an alternating voltage.
  • the voltage U B can either be switched via the switch (12) with a low resistance or via the switch (13) and the resistor (14) to the connection (6) or (16) of the glow plug, see Figure 11.
  • the semiconductor switch (8 ) A voltage evaluation circuit (9) is connected upstream, which contains a threshold value detector (comparator) with the switching threshold U S , a resistor (10) and a further semiconductor switch (11). If the semiconductor switch (11) is conductive, the resistor (10) is connected between ground and the connection (6) or (16).
  • the semiconductor switch (11) is initially conductive. If the switch (12) is switched on, the voltage U GK at the connection (6) or at (16) is equal to the voltage U B. If, on the other hand, the switch (13) is switched on, the resistors (10) and (14) form a voltage divider and the voltage U GK at the connection (6) or at (16) is less than the voltage U B. If, for example, the same values are selected for resistors (10) and (14), the voltage at connection (6) or at (16) is:
  • the switching threshold U S is selected such that it lies between the voltage determined by the voltage divider consisting of the resistors (10) and (14) and the voltage U B.
  • resistor (10) equal to resistor (14) one becomes for Choose U S :
  • the voltage evaluation circuit (9) evaluates the voltage U GK shortly after applying a voltage to connection (6) or (16) and controls the semiconductor switches (8) and (11) accordingly, see FIG. 12:

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Abstract

Ionenstrom-Meßglühkerze mit elektrischem Anschluß für den Glühstrom eines Heizelements, das in einem Glührohr brennraumseitig angeordnet ist, wobei das Glührohr in einem Kerzengehäuse, gegenüber diesem isoliert, angeordnet ist, und wobei das Kerzengehäuse mit dem Motorblock in elektrischer Verbindung steht, wobei im anschlußseitigen Bereich der Kerze ein Halbleiterschalter 8 integriert oder modular angeordnet ist, der von einem Steuersignal angesteuert wird und den zweiten Anschluß des Heizelements 3 über das Kerzengehäuse 4 an den Motorblock Masse schaltet. <IMAGE>

Description

Die Ionenstrom-Messung im Brennraum eines Zylinders liefert verschiedene Informationen über den Verlauf der Verbrennung. In einem Motor mit mehreren Zylinders kann man in einem, in mehreren oder in allen Zylindern diese Ionenstrom-Messung durchführen. Ein System zum Glühen und Ionenstrom-Messen benötigt spezielle Glühkerzen und ein spezielles Steuergerät, das nicht nur wie bisher den Glühvorgang steuert sondern auch eine Hilfsspannung UH zur Verfügung stellt die an die Glühkerzen angelegt werden kann, und die Ionenstrom-Messung durchführt. Die Glühkerzen müssen so gestaltet sein, daß sie zumindest im Bereich der Glühkerzenspitze eine Meßelektrode darstellen, an die eine Hilfsspannung UH angelegt werden kann. Diese Spannung liegt dann zwischen der Elektrode und der Zylinderinnenwand. Werden nun durch den Verbrennungsvorgang Ionen erzeugt, kommt es zu einem Stromfluß. Dessen Verlauf läßt Rückschlüsse auf den Verbrennungsvorgang im Zylinder zu. Vorzugsweise bildet man die Glühkerze so aus, daß Teile des in den Zylinder hineinragenden Heizers auch als Elektrode benutzt werden können. D.h. Heizer und Elektrode sind elektrisch miteinander verkoppelt.
Zur Erläuterung werden im folgenden ein System aus dem Stand der Technik und das erfindungsgemäße System anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, wobei die Bezugszeichen folgende Bedeutung besitzen:
  • (1) Glühkerze mit elektrisch isoliertem Heizer
  • (2) Elektrode für Ionenstrom-Messung, kann als geschlossenes Rohr ausgebildet sein und den Heizer (3) enthalten
  • (3) Heizer, einseitig an einer beliebigen Stelle elektrisch mit der Elektrode (2) verbunden
  • (4) Kerzenkörper, elektrisch gegen Elektrode (2) isoliert
  • (5) elektrische Isolierung
  • (6) elektrischer Anschluß, Hochstromkontakt
  • (7) Halbleiterschalter, z.B. n-Kanal MOS-FET-Transistor
  • (8) Spannungs-Auswerteschaltung
  • (9) Masseverbindung des Kerzenkörpers (4) zum Motorblock
  • (10) Steuergerät
  • (11) Versorgungsspannungsanschluß UB, Stromzufuhr
  • (12) Masseanschluß, Stromabfuhr
  • (13) Glühkerzenanschluß, Strom zur Glühkerze
  • (14) Glühkerzenanschluß, Stromrückfluß von Glühkerze
  • (15) Steuereinheit
  • (16) Schaltstufe für Glühstrom IGK
  • (17) Schaltstufe für Ionenstrom-Messung
  • (18) Steuersignal für Funktion "Glühen"
  • (19) Steuersignal für Funktion "Ionenstrom-Messen"
  • (20) Hilfsspannungserzeugung UH
    • Ein vorbekanntes übliches System (Figur 1) besteht aus einer Anzahl NZ von Glühkerzen (1) und einem Steuergerät (10); NZ ist die Anzahl der Zylinder des jeweiligen Motors. Um eine, mehrere oder alle NZ Glühkerzen (1) zur Ionenstrom-Messung einsetzen zu können, werden spezielle Ionenstrom-Meßglühkerzen benötigt, bei denen die Elektrode (2) und der Heizer (3) elektrisch gegen den Kerzenkörper (4) isoliert sind. Derartige Glühkerzen weisen zwei elektrische Anschlüsse (6) auf mit denen die Glühkerzen mit einem Steuergerät (10) verbunden werden.
    Das Steuergerät (10) enthält eine Steuereinheit (15), die alle Funktionen steuert; vorzugsweise wird hier ein Mikroprozessor zum Einsatz kommen. An das Steuergerät (10) können NZ Glühkerzen (1) angeschlossen werden. Für jede Glühkerze (1) ist eine Schaltstufe für den Glühstrom IGK (16) und zusätzlich, wenn mit der Glühkerze auch Ionenstrom-Messung durchgeführt werden soll, eine Schaltstufe für die Ionenstrom-Messung (17) vorgesehen. Jede auch zur Ionenstrom-Messung eingesetzte Glühkerze (1) wird über zwei Anschlüsse (13) und (14) an die beiden Schaltstufen (16) und (17) angeschlossen. Jede Schaltstufe wird durch ein Steuersignal für Funktion "Glühen" (18) bzw. Steuersignal für Funktion "Ionenstrom-Messen" (19) angesteuert. Während der Ionenstrom-Messung ist die Funktion "Glühen" inaktiv. Die Schaltstufe (16) trennt die Glühkerze (1) galvanisch von dem Versorgungsspannungsanschluß (11) und dem Masseanschluß (12); gleichzeitig wird über die Schaltstufe (17) eine Hilfsspannung UH für die Ionenstrom-Messung an die als Meßelektrode geschaltete Glühkerze (1) angelegt und die Ionenstrom-Messung durchgeführt.
    Während des Glühvorganges fließt durch jede Schaltstufe (16) und jede Glühkerze (1) der Strom IGK. Für die in Figur 1 dargestellte Schaltung ergibt sich beispielhaft der folgende Strompfad:
       (11) → (16) → (13) → (6) → (3) → (2) → (6) → (14) → (16) → (12)
    Vor allem, wenn alle Glühkerzen (1) auch zur Ionenstrom-Messung eingesetzt werden, bedeutet dies, daß über den Versorgungsspannungsanschluß (11) und den Masseanschluß (12) ein Vielfaches des Stromes IGK fließt, nämlich ein um den Faktor NZ, Anzahl der Zylinder, erhöhter Strom NZ * IGK. Daraus resultiert eine sehr hohe Strombelastung dieser beiden Anschlüsse. Z.B. ergibt sich für eine 8-Zylinder-Motor bei einem Glühkerzenstrom IGK = 30 A ein Gesamtstrom von 240 A durch die beiden Anschlüsse (11) und (12).
    Der oben beschriebene konventionelle Systemaufbau für Glühen und Ionenstrom-Messung weist mehrere gravierende Mängel auf:
    • Die zur Ionenstrom-Messung verwendeten Glühkerzen müssen zweipolig angeschlossen werden; an der Glühkerze wird ein neues Stecksystem erforderlich. Ein entsprechender Steckverbinder muß zwei Hochstromkontakte ausweisen und ist damit deutlich teurer als die einpolige Ausführung.
    • Das Aufstecken eines zweipoligen Gegensteckers auf die im Motorblock montierte Glühkerze ist aufwendiger als das Stecken eines rotationssymmetrischen Steckers.
    • Die Rückführung des Glühkerzenstromes zum Steuergerät erfordert eine zweite Hochstromleitung mit großem Kabelquerschnitt mit einem entsprechenden Steckanschluß am Steuergerät: Mehrkosten im Steuergerät und durch die zusätzlichen Kabel.
    • Die zweite Hochstromleitung erhöht zusammen mit den sich ergebenden zusätzlichen Kontaktstellen die unerwünschten Übergangswiderstände und reduziert so die Spannung an der Glühkerze.
    • Im Steuergerät ist zusätzlich zu dem schon immer vorhandenen Hochstromanschluß in der Plus-Leitung (Strombelastung: Summe aller Glühkerzen-Ströme), der meist als Schraubanschluß ausgeführt ist, ein weiterer Hochstromanschluß in der Minus-Leitung erforderlich: Mehrkosten und Mehraufwand bei der Montage.
    Diese Nachteile werden durch den im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Systemaufbau überwunden; es wird anhand der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 beschrieben.
    Das System besteht aus einem Steuergerät (10) und einer Anzahl NZ Glühkerzen; NZ ist die Anzahl der Zylinder des jeweiligen Motors. Eine, manche oder alle Glühkerzen sind spezielle Ionenstrom-Meßglühkerzen (1) mit integriertem elektronischem Schalter, die nur einpolig mit dem Steuergerät (10) verbunden werden. Der elektronische Schalter kann auch in einem Modul enthalten sein, das auf die Glühkerze aufgesteckt wird.
    Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der entsprechenden Glühkerzen (1) wird im einzelnen weiter unten beschrieben; im Prinzip sind diese speziellen Ionenstrom-Meßglühkerzen (1) so aufgebaut, daß die Elektrode (2) und der Heizer (3) elektrisch gegen den Kerzenkörper (4) isoliert sind. Weiterhin enthalten sie einen Halbleiterschalter (7) und eine Spannungs-Auswerteschaltung (8). Diese Glühkerzen weisen nur einen elektrischen Anschluß (6) zur Verbindung mit dem Steuergerät (10) auf. Die Spannungs-Auswerteschaltung (8) wertet Veränderungen der Spannung UGK am Anschluß (6) hinsichtlich Amplitude bzw. hinsichtlich der zeitlichen Änderung (z.B. steigende oder fallende Flanke) aus und steuert entsprechend den Halbleiterschalter (7) an.
    Das Steuergerät (10) enthält eine Steuereinheit (15), die alle Funktionen steuert; vorzugsweise wird hier ein Mikroprozessor zum Einsatz kommen. An das Steuergerät (10) können NZ Glühkerzen (1) angeschlossen werden. Für jede Glühkerze (1) ist eine Schaltstufe für Glühstrom IGK (16) und zusätzlich, wenn mit der Glühkerze auch Ionenstrom-Messung durchgeführt werden soll, eine Schaltstufe für Ionenstrom-Messung (17) vorgesehen. Jede der auch zur Ionenstrom-Messung verwendeten Glühkerze (1) wird über einen Anschluß (13) an die beiden Schaltstufen (16) und (17) angeschlossen. Jede Schaltstufe wird durch ein Steuersignal für Funktion "Glühen" (18) bzw. Steuersignal für Funktion "Ionenstrom-Messen" (19) angesteuert. Beim Umschalten von der einen in die andere Funktion werden am Glühkerzenanschluß (13) Veränderungen der Spannung UGK hinsichtlich Amplitude bzw. hinsichtlich der zeitlichen Änderung (z.B. steigende oder fallende Flanke) hervorgerufen, die dann von der Spannungs-Auswerteschaltung (8) der Glühkerze (1) ausgewertet werden. Für die Ionenstrom-Messung werden Elektrode (2) und Heizer (3) durch den Halbleiterschalter (7) galvanisch von dem Masseanschluß (9) und durch die Schaltstufe (16) vom Versorgungsspannungsanschluß (11) getrennt. Gleichzeitig wird über die Schaltstufe (17) eine Hilfsspannung UH für die Ionenstrom-Messung an die als Meßelektrode geschaltete Glühkerze (1) angelegt und die Ionenstrom-Messung durchgeführt.
    Während des Glühvorganges fließt durch jede Schaltstufe (16) der Strom IGK zu den einzelnen Glühkerzen (1) und von dort weiter zu dem auf Massepotential liegenden Motorblock. Für die in Figur 2 dargestellte Schaltung ergibt sich beispielhaft der folgende Strompfad:
       (11) → (16) → (13) → (6) → (2) → (3) → (7) → (4) → (9)
    Das bedeutet, daß im Steuergerät (10) nur über den Versorgungsspannungsanschluß (11) ein Vielfaches des Stromes IGK fließt, nämlich ein um den Faktor NZ, Anzahl der Zylinder, erhöhter Strom NZ * IGK. Daraus resultiert die hohe Strombelastung für diesen Anschluß. Z.B. ergibt sich für eine 8-Zylinder-Motor bei einem Glühkerzenstrom IGK = 30 A ein Gesamtstrom von 240 A durch den Anschluß (11). Der Anschluß (12) wird nicht mit diesem Strom belastet.
    Im folgenden werden Glühkerzen zur Ionenstrommessung beschrieben, die in dem zuvor beschriebenen System einsetzbar sind, und solche, die in Kombination mit einem entsprechend angepaßten Steuergerät des beschriebenen Stystems zu gleichen Zwecken verwendbar sind. Hierzu werden zur Erläuterung die Fig. 3 bis 12 verwendet, in denen den Bezugszeichen folgende Bedeutung zukommt:
  • (1) Glühkerze mit elektrisch isoliertem Heizer
  • (2) Elektrode für Ionenstrom-Messung, kann als geschlossenes Rohr ausgebildet sein und den Heizer (3) enthalten
  • (3) Heizer, einseitig an einer beliebigen Stelle elektrisch mit der Elektrode (2) verbunden
  • (4) Kerzenkörper, elektrisch gegen Elektrode (2) isoliert
  • (5) elektrische Isolierung
  • (6) elektrischer Anschluß, Stromzufuhr
  • (7) elektrischer Anschluß, Steuersignal
  • (8) Halbleiterschalter, z.B. n-Kanal MOS-FET-Transistor
  • (9) Spannungs-Auswerteschaltung
  • (10) Widerstand
  • (11) Halbleiterschalter
  • (12) Schalter
  • (13) Schalter
  • (14) Widerstand
  • (15) Schaltmodul mit Halbleiterschalter (8)
  • (16) Leitung für Stromzufuhr
  • (17) Leitung für Steuersignal
    • Soll eine Glühkerze auch zur Ionenstrom-Messung eingesetzt werden, so benötigt man im Bereich der Glühkerzenspitze zusätzlich eine Meßelektrode, an die eine Hilfsspannung UH angelegt wird. Diese Spannung kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Die Spannung UH liegt dann zwischen der Elektrode und der Zylinderinnenwand. Werden nun durch den Verbrennungsvorgang Ionen erzeugt, kommt es zu einem Stromfluß. Dessen Verlauf läßt Rückschlüsse auf den Verbrennungsvorgang im Zylinder zu. Vorzugsweise bildet man die Glühkerze so aus, daß Teile des in den Zylinder hineinragenden Heizers auch als Elektrode benutzt werden können. D.h. Heizer und Elektrode sind elektrisch miteinander verkoppelt.
    Die Ionenstrom-Meßglühkerze muß mit zwei Leitungen an ein zugehöriges Steuergerät angeschlossen werden. Über beide Leitungen fließt der Betriebsstrom der Glühkerze. Da dieser Strom sehr hoch ist, typische Werte liegen im Bereich zwischen 30 und 40 A, müssen die Leitungen und zugehörige Verbindungseinrichtungen entsprechend massiv und damit teuer ausgelegt werden.
    Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterschalter in die Glühkerze oder in ein auf die Glühkerze aufgestecktes Modul, integriert, so daß nur noch über eine Leitung der Betriebsstrom der Glühkerze fließt; es ist sogar möglich, wie bei konventionellen Glühkerzen nur eine einzige Leitung zum Anschluß der Glühkerze zu verwenden.
    Eine vorbekannte 2-polige Ionenstrom-Meßglühkerze weist gemäß Figur 3 folgende Merkmale auf:
    • Glühkerze mit 2 elektrischen Anschlüssen (6)
    • Elektrode (2) und Heizer (3) sind elektrisch durch den Kerzenkörper (4), der ein Isolierelement (5) enthält gegenüber dem Motorblock isoliert
    • die Elektrode (2) ist an einer beliebigen Stelle mit einem der beiden Anschlüsse des Heizers (3) verbunden
    • über beide elektrische Anschlüsse (6) fließt der Glühstrom
    • Zur Ionenstrom-Messung wird an einen der beiden Anschlüsse (6) die Hilfsspannung UH angelegt, der andere Anschluß bleibt unbeschaltet.
    Demgegenüber ist gemäß Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer 2-poligen Ionenstrom-Meßglühkerze mit integriertem elektronischem Schalter durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
  • Glühkerze (1) mit 2 elektrischen Anschlüssen (6) und (7)
    • Elektrode (2) und Heizer (3) sind elektrisch durch den Kerzenkörper (4), der ein Isolierelement (5) enthält, gegenüber dem Motorblock isoliert
  • die Elektrode (2) ist an einer beliebigen Stelle mit einem der beiden Anschlüsse des Heizers (3) verbunden
  • nur über einen elektrischen Anschluß (6) fließt der Glühstrom
  • der zweite elektrische Anschluß (7) führt nur ein Steuersignal, mit dem ein Halbleiterschalter (8) angesteuert wird, der den zweiten Anschluß des Heizers (3) über den Kerzenkörper (4) an den Motorblock (= Masse) schaltet
    • Eine andere Ausführungform der erfindungsgemäßen 2-polige Ionenstrom-Meßglühkerze mit aufgestecktem elektronischen Schalter weist gemäß Figur 5 folgende Merkmale auf: Glühkerze (1) mit 3 elektrischen Anschlüssen (6)
  • auf die Glühkerze (1) aufgesteckbares Schaltmodul (15) mit einem elektronischen Schalter (8) mit zwei Leitungen für Stromzuführ (16) und für ein Steuersignal (17) und Gegensteckern (18) zu den Anschlüssen (6)
    • Elektrode (2) und Heizer (3) sind elektrisch durch den Kerzenkörper (4), der ein Isolierelement (5) enthält, gegenüber dem Motorblock isoliert
  • die Elektrode (2) ist an einer beliebigen Stelle mit einem der beiden Anschlüsse des Heizers (3) verbunden
  • nur über einen elektrischen Leitung (16) fließt der Glühstrom
  • der zweite elektrische Leitung (17) führt nur ein Steuersignal, mit dem ein Halbleiterschalter (8) angesteuert wird, der den zweiten Anschluß des Heizers (3) über den Kerzenkörper (4) an den Motorblock (= Masse) schaltet.
    • Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 1-poligen Ionenstrom-Meßglühkerze mit integriertem elektronischen Schalter weist gemäß Figur 6 folgende Merkmale auf:
  • Glühkerze mit einem elektrischen Anschluß (6)
    • Elektrode (2) und Heizer (3) sind elektrisch durch den Kerzenkörper (4), der ein Isolierelement (5) enthält gegenüber dem Motorblock isoliert
  • die Elektrode (2) ist an einer beliebigen Stelle mit einem der beiden Anschlüsse des Heizers (3) verbunden
  • die Spannung am elektrischen Anschluß (6) wird ausgewertet und ein Halbleiterschalter (8) angesteuert wird, der den zweiten Anschluß des Heizers über den Kerzenkörper (4) an den Motorblock (= Masse) schaltet.
    • Eine weitere Ausfürhungsform einer erfindungsgemäßen 1-poligen Ionenstrom-Meßglühkerze mit aufgestecktem elektronischen Schalter ist gemäß Figur 7 durch folgende Merkmale charakterisiert:
  • Glühkerze (1) mit 3 elektrischen Anschlüssen (6)
  • auf die Glühkerze (1) aufgesteckbares Schaltmodul (15) mit einem elektronischen Schalter (8) mit einer Leitung für Stromzufuhr (16) und Gegensteckern (18) zu den Anschlüssen (6)
    • Elektrode (2) und Heizer (3) sind elektrisch durch den Kerzenkörper (4), der ein Isolierelement (5) enthalt gegenüber dem Motorblock isoliert
  • die Elektrode (2) ist an einer beliebigen Stelle mit einem der beiden Anschlüsse des Heizers (3) verbunden
  • die Spannung am elektrischen Anschluß (16) wird ausgewertet und ein Halbleiterschalter (8) angesteuert wird, der den zweiten Anschluß des Heizers über den Kerzenkörper (4) an den Motorblock (= Masse) schaltet.
    • Im folgenden wird anhand der Fig. 8 das elektrische Verhalten einer erfindungsgemäßen 2-poligen Ionenstrom-Meßglühkerze mit elektronischem Schalter beschrieben:
    Wird an den Anschluß (7) bzw. (17) eine Spannung USt angelegt, die ausreicht den Halbleiterschalter (8) durchzusteuern (z.B. USt = 5 ... 10 V), so kann, wenn am Anschluß (6) bzw. (16) eine Spannung UGK = UB anliegt, ein Strom von Anschluß (6) bzw. (16) durch Elektrode (2) und Heizer (3), den Halbleiterschalter (8) zu dem auf Masse liegenden Kerzenkörper (4) fließen, Figur 8. Ist der Halbleiterschalter (8) gesperrt, so kann zur Ionenstrom-Messung an den Anschluß (6) bzw. (16) eine Spannung UGK = UH , z.B. mit UH > UB, angelegt werden. Die Spannung UH kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein D.h. immer dann, wenn nicht geglüht wird, ist eine Ionenstrom-Messung möglich.
    Im folgenden wird anhand der Fig. 9 das elektrische Verhalten einer erfindungsgemäßen 1-poligen Ionenstrom-Meßglühkerze
    beschrieben:
    Variante 1: UH > U B
    Zur Ionenstrom-Messung wird eine Hilfsspannung UH benutzt, die deutlich größer ist als die Bordnetzspannung UB, z.B. UB = 14 V, UH = 40 V. Die Spannung UH kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Dem Halbleiterschalter (8) ist eine Spannungsauswerteschaltung (9), die einen Schwellwert-Detektor (Komparator) mit der Schaltschwelle US beinhaltet vorgeschaltet, die in Abhängigkeit von der am Anschluß (6) bzw. an (16) und dem Kerzenkörper (4) anliegenden Spannung UGK den Halbleiterschalter (8) durchschaltet: UGK ≈ UB , oder sperrt: UGK ≈ UH . Ist UH eine Wechselspannung, so wird man vorzugsweise die Amplitude oder den Effektivwert der Spannung auswerten. Die Schaltschwelle US wird man so wählen, daß sie größer als UB und kleiner als UH ist:
    Figure 00050001
    Für UGK < US wird der Halbleiterschalter (8) durchgeschaltet und es kann ein Strom von Anschluß (6) bzw. von (16) durch Elektrode (2) und Heizer (3), den Halbleiterschalter (8) zum auf Masse liegenden Kerzenkörper (4) fließen, Figur 9. Ist der Halbleiterschalter (8) gesperrt, UGK = UH , so liegt zur Ionenstrom-Messung die Spannung UH an dem Anschluß (6) bzw. (16) an. D.h. immer dann, wenn nicht geglüht wird, ist eine Ionenstrom-Messung möglich.
    Variante 2: UH > UB
    Zur Ionenstrom-Messung wird eine Hilfsspannung UH benutzt, die deutlich größer ist als die Bordnetzspannung UB, z.B. UB = 14 V, UH = 40 V. Die Spannung UH kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Dem Halbleiterschalter (8) ist eine Spannungsauswerteschaltung (9) vorgeschaltet, die Spannungsänderungen von UGK bewertet Diese schaltet in Abhängigkeit von Veränderungen der am Anschluß (6) bzw. an (16) und dem Kerzenkörper (4) anliegenden Spannung UGK den Halbleiterschalter (8) durch. Ist UH eine Wechselspannung, so wird man vorzugsweise die Amplitude oder den Effektivwert der Spannung auswerten. Ändert sich UGK von der höheren Spannung UH nach der Spannung UB, so wird der Halbleiterschalter (8) durchgeschaltet, sieheFigur 10. Befindet sich UGK auf dem Niveau von UB und reduziert sich dann UGK um einen Spannungswert ΔU, z.B. ΔU ≈ 0,5 V, so wird der Halbleiterschalter (8) gesperrt. Als Reaktion erhöht sich die Spannung UGK anschließend wieder auf den Wert UH.
    Ist der Halbleiterschalter (8) durchgeschaltet, so kann ein Strom von Anschluß (6) bzw. (16) durch Elektrode (2) und Heizer (3), den Halbleiterschalter (8) zum auf Masse liegenden Kerzenkörper (4) fließen. Ist der Halbleiterschalter (8) gesperrt, UGK = UH , so liegt zur Ionenstrom-Messung die Spannung UH an dem Anschluß (6) bzw. (16) an. D.h. immer dann, wenn nicht geglüht wird, ist eine Ionenstrom-Messung möglich.
    Figure 00060001
    Zur Ionenstrom-Messung wird keine höhere Hilfsspannung UH benötigt, es kann die Bordnetzspannung UB verwendet werden, UH = UB . Die Spannung UB kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Die Spannung UB kann entweder über den Schalter (12) niederohmig oder über den Schalter (13) und den Widerstand (14) an den Anschluß (6) bzw. (16) der Glühkerze geschaltet werden, siehe Figur 11. Dem Halbleiterschalter (8) ist eine Spannungsauswerteschaltung (9) vorgeschaltet, die einen Schwellwert-Detektor (Komparator) mit der Schaltschwelle US, einen Widerstand (10) und einen weiteren Halbleiterschalter (11) beinhaltet. Ist der Halbleiterschalter (11) leitend, so ist der Widerstand (10) zwischen Masse und den Anschluß (6) bzw. (16) geschaltet.
    Wird über die Schalter (12) bzw. (13) die Spannung UB an den Anschluß (6) bzw. (16) der Glühkerze (1) geschaltet, so ist zunächst der Halbleiterschalter (11) leitend. Ist der Schalter (12) eingeschaltet, so ist die Spannung UGK am Anschluß (6) bzw. an (16) gleich der Spannung UB. Ist dagegen der Schalter (13) eingeschaltet, so bilden die Widerstände (10) und (14) einen Spannungsteiler und die Spannung UGK am Anschluß (6) bzw. an (16) ist kleiner als die Spannung UB. Wählt man für die Widerstände (10) und (14) z.B. gleiche Werte, so ergibt sich für die Spannung an Anschluß (6) bzw. an (16):
    Figure 00060002
    Die Schaltschwelle US wird so gewählt, daß sie zwischen der durch den Spannungsteiler aus den Widerständen (10) und (14) bestimmten Spannung und der Spannung UB liegt Für die beispielhafte Auslegung mit Widerstand (10) gleich Widerstand (14) wird man für US vorzugsweise wählen:
    Figure 00060003
    Die Spannungsauswerteschaltung (9) wertet die Spannung UGK kurz nach dem Anlegen einer Spannung an Anschluß (6) bzw. an (16) aus und steuert die Halbleiterschalter (8) und (11) entsprechend an, siehe Figur 12:
    Figure 00060004
    Für UGK = UB > US wird der Halbleiterschalter (8) durchgeschaltet und es kann ein Strom von Anschluß (6) bzw. von (16) durch Elektrode (2) und Heizer (3), den Halbleiterschalter (8) zum auf Masse liegenden Kerzenkörper (4) fließen, siehe auch Bild 2. Der durch den Widerstand (10) fließende Strom kann gegenüber dem durch den Heizer (3) fließenden Strom IGK vernachlässigt werden.

    Claims (7)

    1. Ionenstrom-Meßglühkerze mit elektrischem Anschluß für den Glühstrom eines Heizelements, das in einem Glührohr brennraumseitig angeordnet ist, wobei das Glührohr in einem Kerzengehäuse, gegenüber diesem isoliert, angeordnet ist und wobei das Kerzengehäuse mit dem Motorblock in elektrischer Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im anschlußseitigen Bereich der Kerze ein Halbleiterschalter (8) integriert oder modular angeordnet ist, der von einem Steuersignal angesteuert wird und den zweiten Anschluß des Heizelements (3) über das Kerzengehäuse (4) an den Motorblock (Masse) schaltet.
    2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sie zwei elektrische Anschlüsse (6) und (7) aufweist wobei über den elektrischen Anschluß (6) der Glühstrom für das Heizelement (3) zugeführt wird, während der zweite elektrische Anschluß (7) nur ein Steuersignal führt, mit dem der Halbleiterschalter (8), der den zweiten Anschluß des Heizelements (3) über den Kerzenkörper (4) an den Motorblock (Masse) schaltet, angesteuert wird.
    3. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der elektronische Schalter (8) in einem auf die Glühkerze aufsteckbaren Schaltmodul (15) mit einem elektrischen Anschluß (6') für den Glühstrom und einem elektrischen Anschluß (7') für das Steuersignal und Gegensteckern (18) zur Verbindung mit den Anschlüssen (6) der Kerze angeordnet ist.
    4. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein elektrischer Anschluß zur Stromzufuhr vorgesehen ist, wobei dieser mit einer Spannungsauswertungsschaltung (9) verbunden ist über die der Halbleiterschalter (8) angesteuert wird.
    5. Glühkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Halbleiterschalter (8) und die Spannungsauswertungsschaltung (9) sowie ein elektrischer Anschluß (6'') in einem auf die Glühkerze aufsteckbaren Schaltmodul (15) mit Gegensteckern (18) zur Verbindung mit den Anschlüssen (6) angeordnet sind.
    6. Steuergerät zum Ansteuern mindestens einer der Glühkerzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gemäß Beschreibung.
    7. Anordnung zum Glühen und/oder Ionenstrommessen , dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und ein Steuergerät gemäß Anspruch 6 umfaßt.
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