Ionenstrommessglühkerze und Verfahren und Schaltung zu ihrer Ansteuerung

Abstract

 Ionenstrommeßglühkerze 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 (Masse) in elektrischer Verbindung steht, wobei im anschlußseitigen Bereich der Kerze eine Diode (15) zwischen den Glühkerzenkörper (4) und Serienschaltung aus Glührohr und Heizelement integriert oder modular angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Ionenstrommeßglühkerze und Verfahren und Schaltung zu ihrer Ansteuerung.

[0002] Gattungsgemäße Glühkerzen weisen ein Glührohr oder ein äquivaltentes Bauteil auf, in dem ein Heizelement angeordnet ist, wobei das Glührohr gegenüber dem Kerzengehäuse isoliert ist, und das Kerzengehäuse mit dem Motorblock (Masse) in elektrischer Verbindung steht.

[0003] Eine zum Glühen und Messen des Ionenstroms ausgelegte Glühkerze muß so gestaltet sein, daß sie zumindest im Bereich der Glühkerzenspitze eine Meßelektrode darstellt, an die eine Hilfsspannung U_H 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.

[0004] Vorzugsweise bildet man die Glühkerze so aus, die Glührohrspitze als Elektrode benutzt werden kann; in diesem Fall sind Heizelement und Elektrode miteinander elektrisch verkuppelt; gleichzeitig sind Elektrode und Heizelement elektrisch gegen den Glühkerzenkörper isoliert. Derartige Glühkerzen weisen üblicherweise zwei elektrische Anschlüsse auf, mit denen die Glühkerze mit einem Steuergerät verbunden wird. Das vorbeschriebene konventionelle System für Glühen und Ionenstrommessung weist mehrere grafierende Mängel auf:

• Die zur Ionenstrommessung verwendeten Glühkerzen müssen zweipolig angeschlossen werden; an der Glühkerze wird ein neues Stecksystem erforderlich. Ein entsprechender Steckverbinder muß zwei Hochstromkontakte aufweisen und ist damit deutlich teurer als die einpolige Ausführung.
• Das Aufstecken eines zweipoligen Gegensteckers auf die motorblock-montierte Glühkerze ist aufwendiger als das Stecken eines rotationssymmetrischen Steckers.
• Die Rückführung des Glühkerzenstroms zum Steuergerät erfordert eine zweite Hochstromleitung mit großem Kabelquerschnitt mit einem entsprechenden Steckanschluß am Steuergerät: Hierdurch treten Mehrkosten im Steuergerät und durch zusätzliche Kabel auf.
• Die zweite Hochstromleitung erhöht zusammen mit den sich ergebenden zusätzlichen Kontaktstellen unerwünschte Übergangswiderstände, wodurch die Spannung an der Glühkerze reduziert wird.
• Im Steuergerät ist zusätzlich zu dem schon immer vorhandenen Hochstromanschluß in der Plus-Leitung (Strombelastung: Summe aller Glühkerzenströme), der meist als Schraubanschluß ausgeführt ist, ein weiterer Hochstromanschluß in der Minus-Leitung erforderlich; hierbei treten Mehrkosten und Mehraufwand bei der Montage auf.

[0005] Zur Überwindung der geschilderten Nachteile besteht die erfindungsgemäße Aufgabe darin, neue Glühkerzen zum Glühen und zum Messen des Ionenstroms, sowie neue Glühkerzensteuergeräte und neue Glühkerzensteuergerätschaltungen zum funktionsgemäßen Betreiben von Glühkerzen mit Ionenstrommeßfuntion zur Verfügung zu stellen.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die Glühkerzen, die Glühkerzensteuergeräte und -schaltungen gemäß Ansprüchen 1 bis 7 gelöst.

[0007] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

Hierbei ist Figur 1 ein schematischer Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Stabglühker mit integrierter Diode;

Figur 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine andere Ansführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 3 ist eine schematische Wiedergabe einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Glühkerzensteuerschaltung und Glühkerze mit integrierte Diode;

Figur 4 ist eine schematische Wiedergabe einer Glühkerzensteuerschaltung und Glühkerze mit in diese integriertem MOSFET-Transistor als Halbleiterschalter 7 mit zugehöriger Spannungsauswerteschaltung 8.

[0008] Die erfindungsgemäße Glühkerze 1 gemäß Figur 1 weist ein Glührohr 2 mit zugehörigem Kerzenkörper 4 auf, wobei dieser gegenüber dem Glührohr 2 durch die elektrische Isolierung 5 isoliert ist, und wobei im brennraumseitigen Bereich des Glührohrs 2 das Heizelement 3 angeordnet ist.

[0009] Im anschlußseitigen Bereich der Glühkerze 1 ist eine Diode 15 integriert. Die Glühkerze ist einpolig mit einem elektrischen Anschluß 6 ausgebildet, wobei die Spannung U_GK zwischen Wand des Glührohres 2 und Glühkerzenkörper 4 anliegt, so daß die Spannung U_GK an der Reihenschaltung aus Heizelements 3 und Diode 15 anliegt, und wobei Glührohr 2 an beliebiger Stelle mit einem der beiden Anschlüsse des Heizelements 3 verbunden ist; der Fluß des Glühstroms I_GK ist ebenfalls schematisch angegeben.

[0010] In der Betriebsart "Glühen" ist das im Glührohr 2 angeordnete und mit dem Glührohr elektrisch verbundene Heizelement 3 mit seinem einen Anschluß mit der in die Glühkerze integrierten Diode 15 verbunden. Diese wiederum ist über den Kerzenkörper 4 und über den Motorblock (allgemeine Fahrzeugmasse) mit dem Minuspol der Bordnetzspannung U_B verbunden. Der andere Anschluß des Heizelements 3 wird über den elektrischen Anschlußkontakt 6 der Glühkerze 1 und über einen weiteren Schalter im zugehörigen Glühkerzensteuergerät an den Pluspol der Bordnetzspannung U_B geschaltet. Damit ist der Glühstromkreis geschlossen.

[0011] In der Betriebsart Messen ist die integrierte elektronische Diode 15 gesperrt, so daß das Glührohr 2 bzw. das Heizelement 3 keine Verbindung zum Motorblock und damit zum Minuspol haben. Über den elektrischen Anschlußkontakt 6 der Glühkerze 1 kann nun eine Hilfsspannung U_H an das Glührohr 2 gelegt werden. Dadurch baut sich ein elektrisches Feld zwischen dem Glührohr 2 der Glühkerze 1 und der auf Masse-Potential liegenden Zylinderinnenwand auf. Treten durch die Verbrennung im Zylinder ionisierte Gase auf, so kommt es zu einem Stromfluß. Dieser Ionenstrom ist abhängig von der Anzahl der erzeugten Ionen und liefert Informationen über den Verbrennungsverlauf im Zylinder.

[0012] Die Steuerung der Glühkerze gemäß Figur 1 wird in Figur 3 schematisch wiedergegeben.

[0013] Die zum Glühen erforderliche Bordnetzspannung U_B wird über einen elektronischen Schalter 9 in "normaler" Betriebsart an die Glühkerze 1 geschaltet. Die Hilfsspannung U_H wird dagegen mit umgekehrter Polarität, das heißt negativ gegenüber Masse und damit auch gegenüber der Bordnetzspannung U_B über eine Widerstand R_M an die Glühkerze 1 geschaltet. Über diesen Widerstand R_M 11 kann für die Auswertung des Ionenstromsignals eine dem Ionenstrom proportionale Spannung U_M abgegriffen werden. In der Betriebsart "Messen" muß das Glührohr und das damit verbundene Heizelement 19 der Glühkerze elektrisch gegenüber dem Glühkerzenkörper 4 und dem Motorblock isoliert sein. Dieses läßt sich auf den beiden folgenden Wegen erreichen:

(1) Um Glührohr und Heizelement vom Glühkerzenkörper 4 zu entkoppeln, ist durch die Diode 15 zwischen Glühkerzenkörper 4 und Serienschaltung aus Heizelement und Glührohr ein direkter Stromfluß nach Masse nur bei Spannung U_GK > 0 V, also in der Betriebsart "Glühen" möglich, wenn der elektronische Schalter 9 durchgeschaltet ist. Da der Meßwiderstand R_M 11 viel größer ist als der Widerstand von in Serie geschaltetem Glührohr 2 und Heizelement 3, kann der sich der im Meßkreis einstellende Stromfluß vernachlässigt werden.

(2) Gemäß Figuren 2/4 is es ebenfalls möglich, die Diode 15 durch einen Halbleiterschalter 7 zu ersetzen, der mit Hilfe einer Spannungsauswerteschaltung 8 nur durchgesteuert wird, wenn U_GK > 0 V ist; wird dessen Einschaltwiderstand entsprechend niedrig gewählt, so ist der Spannungsabfall über dem elektronischen Schalter 7 in leitendem Zustand sehr gering; die zugehörige Glühkerze ist schematisch in Figur 2 abgebildet, wobei die Bezugszeichen die zuvor gegebene Bedeutung besitzen.

[0014] Weitere bevorzugte Möglichkeiten bestehen darin, die zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 derart abzuändern, daß die Spannungen U_B und U_H umgekehrte Polarität aufweisen; daß heißt, daß die Dioden umgedreht bzw. die bevorzugt eingesetzten n-Kanal-MOSFET-Schalter durch p-Kanal-MOSFET-Schalter ersetzt werden.

[0015] Für diese Lösungen ist entscheidend, daß die beiden Spannungen U_B und U_H umgekehrte Polarität aufweisen, nämlich

oder

[0016] Die benötigten Halbleiterbauelemente für die geschilderten Verwendungszwecke stehen zur Verfügung oder können mit nur geringem Aufwand realisiert werden; die Anforderung an die Halbleiterbauelemente für die Funktionen "Glühen und Messen" sind gegenüber der bisherigen Funktion nur "Glühen":

• High-Side-Schalter 10 mit erhöhter Sperrspannung
  
  
• Diode 15 in Glühkerze: geringer Leckstrom (< 1µA) in gesperrtem Zustand
• Halbleiterschalter 7 in Glühkerze: Sperrspannung U_sperr > U_H und geringer Leckstrom (< 1 µA) in gesperrtem Zustand

Ansprüche

1. Ionenstrommeßglühkerze 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 (Masse) in elektrischer Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im anschlußseitigen Bereich der Kerze eine Diode (15) zwischen den Glühkerzenkörper (4) und Serienschaltung aus Glührohr und Heizelement integriert oder modular angeordnet ist.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Diode (15) ein Halbleiterschalter (7) mit Spannungsauswerteschaltung (8) im anschlußseitigen Bereich der Kerze integriert oder modular angeordnet ist, wobei der Schalter (7) mit Hilfe der Spannungsauswerteschaltung (8) nur durchgesteuert wird, wenn die Glühkerzenspannung U_GK > 0 V ist.

3. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter (7) ein n-Kanal-MOSFET-Schalter integriert ist.

4. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bordnetzspannung U_B und die Hilfsspannung U_H mit umgekehrter Polarität angelegt sind, wobei U_B > 0 V / U_H < 0 V bzw. U_B < 0 V / U_H > 0 V sind.

5. Glühkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Glühkerze nach Anspruch 1 die Diode (15) umgedreht bzw. in der Glühkerze nach den Ansprüchen 2 oder 3 der n-Kanal-MOSFET-Schalter durch einen p-Kanal-MOSFET-Schalter ersetzt sind.

6. Steuergerät zum Ansteuern mindestens einer der Glühkerzen der Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Spannung U_B und U_H umgekehrte Polarität aufweisen, und wobei die genannten Spannungen den Bedingungen U_B > 0 V / U_H < 0 V bzw. U_B < 0 V / U_H > 0 V genügen müssen.

7. Anordnung zum Glühen und/oder Ionenstrommessen, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und ein Steuergerät nach Anspruch 6 umfaßt.

Zeichnung