NL9101257A - Vonkbrugelektroden meet-en bewakingsinrichting. - Google Patents

Description

Vonkbrugelektroden meet- en bewakingsinrichting

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het tijdens bedrijf verschaffen van een signaal indicatief voor de afstand tussen de elektroden van een, via een aansluitleiding op een inrichting voor het opwekken van elektrische hoogspanning aangesloten elektrische vonkbrug, in het bijzonder een bougie van een verbrandingsmotor.

Elektrische vonkbruggen worden in de praktijk meestal toegepast voor het ontsteken of inleiden van de ontsteking van een verbrandingsproces, bijvoorbeeld het ontsteken van gasgestookte boilers of verwar-mingskachels of het verbrandingsproces van de zogenaamde vonkontste-kingsmotoren (benzine- en gasmotoren volgens het Otto-principe). Vonkbruggen voor toepassing in verbrandingsmotoren zijn algemeen bekend onder de naam bougie.

Iedere vonk veroorzaakt een slijtage van de elektroden, waardoor de afstand of spleet tussen de elektroden toeneemt. Omdat in praktische stelsels de opgewekte elektrische hoogspanning in amplitude begrensd is, zal boven een bepaalde afstand of spleetgrootte tussen de elektroden geen vonkoverslag meer kunnen optreden. Bijstelling van de elektrodenafstand of vervanging van de vonkbrug, c.q. bougie is dan noodzakelijk. Om redenen van een ongestoord en effeciënt verbrandingsproces is het eveneens noodzakelijk om de spleetgrootte binnen bepaalde grenzen te houden.

Het vaststellen van het moment dat een bougie moet worden vervangen of bijgesteld, gebeurt in de praktijk tot nu toe ofwel periodiek, eventueel gecombineerd met een inspectie, of op basis van het constateren van uitval, bijvoorbeeld cilinderuitval in een verbrandingsmotor. Een periodieke inspectie is tijdrovend en bijgevolg duur. Door vervuiling van de elektroden is het bovendien moeilijk om bijvoorbeeld optisch vast te stellen in welke mate een bougie versleten is. Een zeer bezwaarlijk nadeel is het feit dat voor de genoemde inspectie het door de vonkbrug of bougie gestuurde proces moet worden gestopt en de bougies moeten worden gedemonteerd. Dit geldt in het bijzonder voor continu of stationair werkzame verbrandingsmotoren, bijvoorbeeld voor het aandrijven van elektrische generatoren, waarbij het stoppen van het door de motoren gestuurde proces, dus het onderbreken van de energieopwekking, economisch zeer nadelig kan zijn.

Aan de uitvinding ligt nu de opgave ten grondslag een inrichting te verschaffen, waarmee het mogelijk is om tijdens bedrijf de afstand tussen de elektroden van een vonkbrug, in het bijzonder een bougie van een verbrandingsmotor, te bepalen.

Het is bekend dat de benodigde elektrische spanning om doorslag tussen de elektroden van een vonkbrug te verkrijgen, een maat is voor de elektrode-afstand of spleetgrootte. In de praktijk bekende, elektrisch geleidend, met de aansluitleiding van de vonkbrug te verbinden opnemers zijn ruim van omvang, mede als gevolg van de vereiste elektrische isolatie voor de toegepaste hoogspanning, en daardoor duur en in wezen alleen geschikt voor laboratoriumdoeleinden. Capacitieve opnemers zijn gevoelig voor interferentie en leveren te lage signalen af (kleine signaal-ruisverhouding). De toepassing van weerstandsbruggen als span-ningsdeler is eveneens duur als gevolg van de vereiste hoogspannings-weerstanden.

De inrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt door een inductief met de aansluitleiding van de vonkbrug gekoppelde elektrische opnemer, aangesloten op een elektrische verwerkingsschakeling, voor het omzetten van het door de opnemer afgegeven elektrische signaal in een signaal indicatief voor de afstand tussen de elektroden van de elektrische vonkbrug.

In plaats van een elektrisch geleidende koppeling voor het meten van de doorslagspanning, voorziet de inrichting volgens de uitvinding in een elektrische opnemer welke inductief met de aansluitleiding van de vonkbrug is gekoppeld. Het toepassen van een inductieve koppeling berust op het inzicht dat ook de momentane piekstroom bij doorslag tussen de elektroden een maat is voor de grootte van de afstand of spleet hiertussen.

De relatie tussen de piekwaarde van de stroom en de doorslagspanning kan als volgt worden ingezien. Naarmate de afstand tussen de elektroden toeneemt, ontstaat doorslag bij een hogere spanning, aangenomen dat de omgevingscondities (druk, temperatuur) gelijk blijven. De weerstand tussen de elektroden bij volledige doorslag is nagenoeg onafhankelijk van de elektrode-afstand, zodat ook de grootte van de momentane piekstroom bij doorslag nagenoeg evenredig is aan de doorslagspanning. De in de aansluitleiding van de vonkbrug optredende stromen worden in de inrichting volgens de uitvinding langs inductieve weg gedetecteerd en verder verwerkt tot een voor de afstand tussen de elektroden representatief signaal. Hierdoor kan worden volstaan met een elektrische opnemer zonder speciale eisen voor wat betreft elektrische isolatie tegen hoogspanning en dus zonder de hiermee gepaard gaande nadelige invloed op de fysieke omvang en kosten van de betreffende opnemer.

In de voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uit- vinding, bestaat de opnemer uit een rond de aansluitleiding aangebrachte elektrische spoel- De in een dergelijke spoel opgewekte piekspanning is in theorie recht evenredig met de piekwaarde van de stroomvariatie per tijdseenheid in de aansluitleiding. Doordat een spoel naast een zekere zelfinductie ook een elektrische weerstand en capaciteit heeft, zullen snelle stroomveranderingen, zoals zij optreden bij doorslag van een vonkbrug, niet resulteren in een even snelle stijging, c.q. daling van de in de spoel opgewekte spanning. Gebleken is echter, dat dit geen invloed heeft op het feit dat de piekwaarde van de in de spoel opgewekte spanning een maat is voor de afstand tussen de elektroden.

Naast het voordeel van de galvanische scheiding tussen het hoog-spanningsgedeelte en het meetgedeelte, dat wil zeggen de elektrische verwerkingsschakeling, kan gebruik worden gemaakt van in de handel verkrijgbare elektrische inductiespoelen, hetgeen een zeer gunstige invloed heeft op de kosten van de inrichting.

In een verdere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is de verwerkingsschakeling voorzien van een ingangstrap, welke een piekwaarde-detector omvat en een integratorschakeling voor het verschaffen van een met de gemiddelde momentane piekwaarde van het signaal van de opnemer corresponderend uitgangssignaal. Voor het bepalen van de afstand tussen de elektroden van de vonkbrug is de gemiddelde momentane piekwaarde van de doorslagspanning, in casu de stroom, van belang. De snelheid waarmee bijvoorbeeld de elektroden van een bougie slijten is dermate langzaam, dat een responsietijd in de orde-grootte van enkele tientallen seconden voldoende is om een signaal te krijgen dat representatief is voor de heersende elektrode-afstand. Naast het feit dat door dit laagfrequente gedrag kan worden volstaan met een verwerkingsschakeling opgebouwd uit relatief goedkope elektrische componenten, hebben kort durende storingspulsen, mede veroorzaakt door het stochastische ontstekingsproces, geen invloed op het meetresultaat.

Het zal duidelijk zijn dat het met het signaal van de opnemer corresponderende uitgangssignaal van de verwerkingsschakeling op vele manieren en voor vele doeleinden kan worden benut.

In een weer verdere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, is de verwerkingsschakeling zodanig ingericht, dat het door de integratorschakeling afgegeven uitgangssignaal een met de afstand tussen de elektroden corresponderende elektrische spanning is, en voorzien van een voltmeter voor het aan de hand van dit uitgangssignaal verschaffen van een met de elektrode-afstand evenredige aanwijzing.

Door geschikte ijking van de voltmeter wordt een directe aanwijzing van de elektrode-afstand van de vonkbrug, c.q. bougie verkregen.

Een voor bewakingsdoeleinden zeer geschikte uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is die waarin de voltmeter is ingericht voor het verschaffen van een lineaire aanwijzing. Een dergelijke aanwijzing, bijvoorbeeld in de vorm van een kolom waarvan de hoogte evenredig met de afstand tussen de elektroden varieert levert een voortreffelijke optische indicatie, in het bijzonder voor het bewaken van meerdere bougies van meerdere continu werkende verbrandingsmotoren. Voltmeters van deze soort zijn op zichzelf in de praktijk bekend, of kunnen door middel van bijvoorbeeld LED-displays of LCD-displays worden gerealiseerd.

In het bijzonder voor bewakingsdoeleinden is het voordelig wanneer de inrichting, overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de uitvinding, voorzien is van een bewakingsschakeling voor het afgeven van een signaal wanneer het uitgangssignaal van de integratorschakeling één of meer voorafbepaalde waarden over- of onderschrijdt. Het door de bewakingsschakeling afgegeven signaal kan bijvoorbeeld voor het in werking stellen van een alarmering of zelfs het direct afschakelen van bijvoorbeeld een verbrandingsmotor worden toegepast, teneinde schade aan de motor te voorkomen.

Voor analyse-doeleinden is het voordelig om de verwerkingsschake-ling, overeenkomstig de uitvoeringsvorm van de uitvinding, te voorzien van middelen voor het verschaffen van een analoog-elektrisch signaal voor toevoer aan een registratie-inrichting. Hiervoor geschikte middelen zijn in de praktijk bekend, bijvoorbeeld een instrumentatieverster-ker.

Teneinde bewaking op afstand mogelijk te maken en/of verwerking door middel van een computer, is het voordelig om de verwerkingsschake-ling te voorzien van middelen voor het verschaffen van een digitaal uitgangssignaal. Door middel van bijvoorbeeld een modem kan informatie worden doorgegeven naar een op afstand gelegen bewaking- of stuursta-tion, of kunnen op afstand schakelfuncties worden verricht. De middelen voor het verschaffen van het digitale uitgangssignaal kunnen bestaan uit op zichzelf bekende A/D-omzetters.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een elektronische verwer-kingschakeling, een samenstel van een dergelijke verwerkingsschakeling en een inductief koppelbaar elektrische opnemer zoals een spoel, alsmede een werkwijze voor het verschaffen van een signaal representatief voor de afstand tussen de elektroden van een elektrische vonkbrug middels het meten van de stroom in de aansluitleiding naar de vonkbrug.

Toepassing van de inrichting volgens de uitvinding voor het meten en/of bewaken van de slijtage van de elektroden van één of meer bougies in een stationair werkende verbrandingsmotor is in het bijzonder van belang.

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van een blokschema van een uitvoeringsvorm van de verwerkingschakeling, en enkele in grafische vorm weergegeven meetresultaten.

Figuur 1 toont het blokschema van een uitvoeringsvorm van een ver-werkingsschakeling volgens de uitvinding, toegepast bij een bougie voor een verbrandingsmotor, en

Figuur 2-6 tonen grafische meetresulaten.

In het, in figuur 1 getoonde blokschema is een vonkbrug in de vorm van een bougie 1 van een verbrandingsmotor weergegeven, omvattende een eerste elektrode 2 en een tweede elektrode 3» waartussen een zekere elektrode-afstand of spleet d bestaat. De eerste elektrode 2 is via een elektrisch geïsoleerde eendraadsleiding 4 op een hoogspanningsbron 5 aangesloten. In de praktijk toegepaste hoogspanningsbronnen bestaan meestal uit een bobine welke via een onderbreker op een gelijkspan-ningsbron, zoals een accu, is aangesloten. De vereiste hoge spanning wordt verkregen door het onderbreken van de bekrachtiging van de bobine, hetgeen een hoge inductiespanning daarin veroorzaakt. Andere hoogspanningsbronnen omvatten een condensator welke via een thyristor en een hoogspanningstransformator tot een hoge spanning wordt opgeladen.

De tweede elektrode 3 is met de massa-aansluiting 6 van de bougie verbonden, welke tijdens bedrijf met de massa-aansluiting 7 van de hoogspanningsbron 5 is verbonden. Bij het aanleggen van een geschikte hoge spanning zal tussen de eerste en tweede elektroden 2, 3 doorslag ontstaan, hetgeen een vonk tot gevolg heeft waarmee een verbrandingsproces kan worden ontstoken. Vonkbruggen of bougies voor dit doel zijn op zich in de praktijk algemeen bekend.

De verwerkingsschakeling omvat een opnemer in de vorm van een cilindrische spoel 8, welke op de ingang van een piekwaarde-detector 9 is aangesloten. De spoel 8 omringt de aansluitleiding 4 van de hoogspanningsbron 5 naar de bougie 1, respectievelijk de eerste elektrode 2.

Het signaal van de piekwaarde-detector 9 wordt aan een integratorscha-keling 10 toegevoerd, gevolgd door een versterkerschakeling 11, bij voorkeur een versterkerschakeling waarvan de versterking kan worden ingesteld voor het opvangen van tolerantieverschillen in de opnemers, respectievelijk de spoel 8, voor het aansluiten van opnemers met verschillende eigenschappen, of voor aanpassing aan de eigenschappen van het betreffende ontstekingsstelsel c.q. de hoogspanningsbron 5 en de vonkbrug of bougie 1.

Het uitgangssignaal van de versterkerschakeling 11 wordt aan een voltmeter of LED-display 12 toegevoerd. Verder is een analoog elektrisch uitgangssignaal voor toevoer aan een registratie-inrichting, zoals een penschrijver, voorzien, bijvoorbeeld via een instrumentatie-versterker 13· De versterker 13 dient voldoende energie te leveren voor het sturen van één of meer registratie-inrichtingen.

Op de uitgang van de versterkerschakeling 11 is verder een bewa-kingsschakeling 14 aangesloten, bijvoorbeeld in de vorm van één of meer comparatoren, voor het met één of meer voorafbepaalde referentieniveaus vergelijken van het uitgangssignaal van de versterkerschakeling 11.

Deze referentieniveaus zijn afhankelijk van een betreffende elektrode-afstand d ingesteld, zodanig dat het over- of onderschrijden van deze afstand kan worden gesignaleerd door middel van een alarmeringssignaal 15, bijvoorbeeld in de vorm van een optisch of akoestisch signaal. Verder is op de uitgang van de bewakingsschakeling l4 een stuurschakeling 16 aangesloten, voor het bijvoorbeeld afgeven van stuurcommando's aan de installatie waarin de bougie 1 wordt gebruikt. Hierbij kan gedacht worden aan afschakelcommando's voor een verbrandingsmotor in geval van uitval van de bougie 1. Middels een modem 17 kunnen de stuursignalen of alarmeringssignalen bijvoorbeeld via een telefoonlijn worden verzonden. Voor toevoer aan een digitale verwerkingseenheid, zoals een computer, kan verder een analoog/digitaal-omzetter 18 zijn verschaft, aangesloten op de versterkerschakeling 11.

Het zal duidelijk zijn dat de schakelingen 13 t/m 18 optioneel zijn, afhankelijk van het doel waarvoor de inrichting volgens de uitvinding wordt toegepast. Voor bewakingsdoeleinden is het voordelig om de voltmeter 12 als staafvoltmeter uit te voeren, waarbij de hoogte van de staaf een maat is voor de momentane elektrode-afstand d van de bougie 1. In een praktische uitvoeringsvorm van de verwerkingschakeling volgens de uitvinding wordt hiertoe gebruik gemaakt van een zestien elements LED-array, gestuurd door middel van een geïntegreerde schakeling van het type UAA170, fabrikant Siemens A.G.. Uiteraard kan ook een gebruikelijke analoge of digitale voltmeter worden toegepast. De bewakingsschakeling 14 is gerealiseerd met behulp van comparatoren van het type LM339, fabrikant National Semiconductor Corp., waarbij een onderste en bovenste grens voor de elektrode-afstand d is ingesteld. De bewakingsschakeling 14 omvat een latch voor het aansturen van een optisch of akoestische element 15 (bijvoorbeeld een lamp en/of een zoemer). Het uitgangssignaal van de latch dient daarbij tevens voor het aansturen van de stuurschakeling 16, bijvoorbeeld in de vorm van een transistor. Voor het modem 17, de A/D-omzetter 18 en bijvoorbeeld de instumentatie-versterker 13 kunnen op zich in de praktijk bekende schakelingen of inrichtingen worden toegepast.

In een praktische uitvoeringsvorm is de piekwaarde-detector 9 als een gelijkrichtschakeling rond een operationele versterker van het type TL062, fabrikant Texas Instruments Ine. gerealiseerd. De integrator-schakeling 10 en de versterkerschakeling 11 zijn daarbij gecombineerd rond een eveneens operationele versterkerschakeling van het type TL062. De responsietijd van de integratorschakeling ligt in de orde-grootte van 0,1 s. De spoel 8 is daarbij een in de handel verkrijgbare spoel met een inductantie van ongeveer 25 pH en een weerstand van 100 mOhm.

Zoals in de inleiding reeds besproken, is de in spoel 8 geïnduceerde spanning een maat voor de piekstroom in de aansluitleiding 4 van de hoogspanningsbron 5 naar de bougie 1, welke geïnduceerde spanning via de piekwaarde detectorschakeling 9 en de integratorschakeling 10 tot een gemiddelde waarde van de momentane piekspanning bij doorslag tussen de elektroden 2, 3 wordt omgezet.

Figuur 2 toont grafisch het verband tussen de spanning U in kV (in abscisrichting) en de elektrode-afstand d in mm (ordinaatrichting) voor een testcilinder voorzien van stikstofgas onder een druk van 5 bar. Zoals uit deze grafiek duidelijk te zien is, bestaat er een nagenoeg lineair verband (correlatie 0,99) tussen de veranderingen in de elektrode-af stand d en de doorslagspanning U.

Figuur 3 toont een soortgelijk verband als figuur 2, voor een vier-cilinderverbrandingsmotor van het type Ford 22741. Ook hier is een nagenoeg lineair verband tussen de elektrode-afstand d en de doorslagspanning U te zien. De meetresultaten zijn verkregen met behulp van een hoogspanningsprobe van het type P6OI5, fabrikant Tektronix.

Figuur 4 toont het gemeten verband tussen de piekstroom I in A (abscisrichting) en de doorslagspanning U in kV (ordinaatrichting) voor de testcilinder gevuld met stikstof. Uit deze grafiek blijkt een direct lineair verband (correlatie 0,99) tussen de piekstroom en de doorslagspanning.

Figuur 5. 6 tonen het met de inrichting volgens de uitvinding, overeenkomstig de uitvoeringsvorm zoals getoond in het blokschema van figuur 1, gemeten verband tussen de geïnduceerde spanning Uc in de spoel 8, in V (abscisrichting) en de doorslagspanning U, in kV (ordinaatrichting) voor de testcilinder met stikstof voor een druk van 1 bar (figuur 5) en 10 bar (figuur 6). De grafieken tonen een duidelijk lineair verband (correlatie 0,99) tussen de in de spoel 8 opgewekte spanning Uc en de spanning U waarbij doorslag tussen de elektroden van een vonkbrug of bougie optreedt.

Door het combineren van de figuren 5, 6 en 2 kan duidelijk worden gezien dat de in de spoel 8 opgewekte spanning een directe, lineaire maat is voor de afstand d tussen de elektroden van een vonkbrug of bougie.

Uit het voorgaande is het duidelijk dat door het inductief meten van de stroom in de aansluitleiding naar een vonkbrug en het geschikt verwerken van deze meetresultaten, een nauwkeurige maat voor de elek-trode-afstand kan worden verkregen. Als opnemer kan worden volstaan met een in de handel verkrijgbare spoel, terwijl de verwerkingselektronica uit relatief goedkope componenten kan worden vervaardigd. De verwer-kingsschakeling is uiteraard niet beperkt tot het weergegeven en besproken uitvoeringsvoorbeeld, maar kan volgens verschillende, binnen het bereik van een vakman liggende alternatieve uitvoeringsvormen worden gerealiseerd. Door middel van een bijvoorbeeld handbediende mechanische of elektronisch gestuurde schakelaar kunnen met één verwerkings-schakeling meerdere bougies van bijvoorbeeld een verbrandingsmotor periodiek worden bewaakt.

Claims (12)

1. Inrichting voor het tijdens bedrijf verschaffen van een signaal indicatief voor de afstand tussen de elektroden van een, via een aan-sluitleiding op een inrichting voor het opwekken van elektrische hoogspanning aangesloten elektrische vonkbrug, in het bijzonder een bougie van een verbrandingsmotor, gekenmerkt door een inductief met de aansluit leiding van de vonkbrug gekoppelde elektrische opnemer, aangesloten op een elektrische verwerkingsschakeling, voor het omzetten van het door de opnemer afgegeven elektrische signaal in een signaal indicatief voor de afstand tussen de elektroden van de elektrische vonkbrug.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarin de opnemer bestaat uit een rond de aansluitleiding aangebrachte elektrische spoel.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarin de verwerkingsschakeling als ingangstrap een piekwaardedetector omvat en een integrator-schakeling voor het verschaffen van een met de gemiddelde momentane piekwaarde van het signaal van de opnemer corresponderend uitgangssignaal.

4. Inrichting volgens conclusie 3, waarin het door de integratorscha-keling afgegeven uitgangssignaal een met de afstand tussen de elektroden corresponderende elektrische spanning is, en met een voltmeter voor het aan de hand van dit uitgangssignaal verschaffen van een met de elektrode-afstand evenredige aanwijzing.

5. Inrichting volgens conclusie 4, waarin de voltmeter is ingericht voor het verschaffen van een lineaire aanwijzing.

6. Inrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de verwerkingsschakeling is voorzien van een bewakingsschakeling, voor het afgeven van een signaal wanneer het uitgangssignaal van de integratorschakeling één of meer voorafbepaalde waarden over- of onderschrijdt.

7. Inrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de verwerkingsschakeling is voorzien van middelen voor het verschaffen van een analoog elektrisch signaal voor toevoer aan een registratie- inrichting .

8. Inrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de verwerkingsschakeling is voorzien van middelen voor het verschaffen van een digitaal uitgangssignaal.

9. Verwerkingsschakeling volgens één of meer van de voorgaande conclusies, voor het tijdens bedrijf verschaffen van een signaal indica tief voor de afstand tussen elektroden van een elektrische vonkbrug, in het bijzonder een bougie in een verbrandingsmotor.

10. Samenstel van een verwerkingsschakeling en een inductief koppel-bare elektrische opnemer volgens één of meer van de voorgaande conclusies, voor het verschaffen van een signaal indicatief voor de afstand tussen elektroden van een elektrische vonkbrug, in het bijzonder een bougie in een verbrandingsmotor.

11. Toepassing van een inrichting volgens één of meer van de conclusies 1 t/m 7 voor het meten en/of bewaken van de slijtage van de elektroden van althans één bougie in een stationair werkende verbrandingsmotor.

12. Werkwijze voor het verschaffen van een signaal indicatief voor de afstand tussen de elektroden van een, via een aansluitleiding op een inrichting voor het opwekken van elektrische hoogspanning aangesloten elektrische vonkbrug, in het bijzonder een bougie van een verbrandingsmotor, gekenmerkt door: het detecteren van de piekwaarde van de stroom in de aansluitleiding bij doorslag van de vonkbrug, en het verschaffen van een met de gemiddelde momentane piekwaarde van de stroom corresponderend elektrisch signaal indicatief voor de afstand tussen de elektroden.