DE102004043196B4

DE102004043196B4 - Verfahren zur Signalbearbeitung mit einem Schaltkreis zur Abtastung und Aufbereitung eines Ionenstromsignals in der Verbrennungskammer eines internen Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004043196B4
Application number: DE102004043196.5A
Authority: DE
Inventors: Guoming G. Zhu; Kevin D. Moran
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2024-09-04
Also published as: US20050050948A1; DE102004043196A1; GB2405667A; FR2859506A1; US7197913B2; GB0418620D0

Abstract

Ein Verfahren zur Signalbearbeitung, das folgende Schritte aufweist: a) Erfassung eines Ionisierungssignals; und b) Aufbereitung des Ionisierungssignals, wobei der Schritt der Aufbereitung des Ionisierungssignals folgende Schritte aufweist: – das Zurücksetzen eines Peakdetektors (450) und eines Ionisierungsstromintegrators (460) vor einer Zündphase (220), – das Erfassen eines Peakionisierungsspannungssignals VPEAK (455) des Peakdetektors (450) für die Zündphase (220) sowie das Erzeugen eines integrierten Ionisierungsstromsignal IINT (465) mittels des Ionisierungsstromintegrators (460) für die Zündphase (220), – die Ausgabe des Peakionisierungsspannungssignals VPEAK (455) für die Zündphase (220) und des Ionisierungsstromsignals IINT (465) für die Zündphase (220), – das Zurücksetzen des Peakdetektors (450) und des Ionisierungsstromintegrators (460); – das Erfassen des Peakionisierungsspannungssignals VPEAK (455) des Peakdetektors (450) für eine Nachzündphase (230) sowie Erzeugen eines integrierten Ionisierungsstromsignal IINT (465) mittels des Ionisierungsstromintegrators (460) für die Nachzündphase (230), und – die Ausgabe des Peakionisierungsspannungssignals VPEAK (455) für die Nachzündphase (230) und des Ionisierungsstromsignals IINT (465) für die Nachzündphase (230).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalbearbeitung gemäß Anspruch 1 auf dem Gebiet der Motordiagnose und -steuerung bei internen Verbrennungsmotoren. Im speziellen betrifft sie einen kostengünstigen Schaltkreis für interne Verbrennungsmotoren, wobei ein Ionisierungssignal verwendet wird.
Aus der DE 44 10 063 C2 ist ein Verfahren zur Signalbearbeitung bekannt, das folgende Schritte aufweist:

a) Erfassung eines Ionisierungssignals; und
b) Aufbereitung des Ionisierungssignals, wobei der Schritt der Aufbereitung des Ionisierungssignals folgende Schritte aufweist: – das Erfassen des Höchstwertes des Ionisierungssignals. Das Ionisierungssignal wird zudem einem Komparator zugeleitet, dessen Ausgangssignal in einer Integrationsstufe integriert wird.

Aus DE 199 17 708 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, bei diesem Verfahren erfasst eine im Brennraum angeordnete Ionenstromsonde ein Ionenstromsignal, dessen Verlauf gemessen wird. Dabei werden die Amplituden eines ersten lokalen Maximums und eines zweiten lokalen Maximums des Ionenstromsignals verglichen und aus dem Verhältnis Schlüsse gezogen. DE 197 81 523 C2 lehrt eine Integration des bandpassgefilterten Ionenstromsignals einschließlich Zurücksetzen des Integrators. Die vorwendete Vorrichtung hat einen Prozessor mit A/D-Wandler.
Bei der Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Verbrennungskammer eines internen Verbrennungsmotors (IC-Motors) werden Ionen freigesetzt, deren Vorhandensein erfasst werden kann. Wenn über den Spalt einer Zündkerze eine Spannung angelegt wird, werden diese Ionen angezogen und erzeugen einen Strom. Dieser Strom wiederum ruft ein Signal hervor, das Ionisierungsstromsignal I_ION genannt wird und erfasst werden kann. Nachdem das Ionisierungsstromsignal erfasst wurde, kann es weiterverarbeitet und an eine Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) geleitet werden, in der die Motordiagnose und ein Verbrennungsregelkreis implementiert sind. Es sind viele Verfahren zur Anwendung gekommen, um das Ionisierungsstromsignal I_ION, das in der Verbrennungskammer eines internen Verbrennungsmotors entsteht, zu erfassen und weiterzuverarbeiten.
Unter Berücksichtigung der vorangehenden Ausführungen ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Abtastung und Aufbereitung eines Ionenstromsignals in der Verbrennungskammer eines internen Verbrennungsmotors anzugeben, dabei soll die anfallende Datenmenge gering gehalten werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren der Signalaufbereitung zur Verfügung, das die Schritte des Erfassens und des Weiterverarbeitens des Ionisierungssignals einschließt.
Beschrieben wird das Zurücksetzen (Reset) eines Peakdetektors (Höchstwertdetektors) und eines Integrators, das Abtasten des Ionisierungssignals nach seinem Höchstwert sowie das Integrieren desselben, und das Ausgeben eines Ionisierungshöchstwertes sowie eines integrierten Ionisierungswertes.
Weitere Anwendungsbereiche er vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, der Ansprüche, sowie der Zeichnungen deutlich werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Ausführungsbeispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben, allein dem Zwecke der Illustration dienen, da dem Fachmann verschiedene Abwandlungen und Veränderungen innerhalb des Geistes und Geltungsbereiches der Erfindung einfallen mögen.
Die vorliegende Erfindung wird umfassender anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, der anliegenden Ansprüche, sowie der beiliegenden Zeichnung verstanden werden, die Zeichnung zeigt in
1 eine Anordnung zum Nachweis eines Ionisierungsstroms;
2 einen Graphen eines Ionisierungsspannungssignals;
3 ein alternatives Motordiagnosesystem;
4 ein Ionisierungssignalaufbereitungssystem;
5 einen Ionisierungssignalaufbereitungsschaltkreis;
6 eine elektrotechnische Schemadarstellung eines Schaltkreises für ein Ionisierungssignalaufbereitungssystem;
7 einen Graphen eines Ionisierungssensorsignals, eines Ein/Aus-Steuerungssignals, eines Reset-Steuerungssignals, und eines Ladesignals der Zündung;
8 eine Tabelle, in der die Beziehungen zwischen dem Ein/Aus-Steuerungssignal und dem Reset-Steuerungssignal aus 7 dargestellt sind;
9 Graphen von Peak-Ionisierungssigalen und integrierten Ionisierungssignalen, sowie von Ionisierungsstrom- und Steuerungsignalen im Falle einer normalen Verbrennung;
10 Graphen von Peak-Ionisierungssigalen und integrierten Ionisierungssignalen, sowie von Ionisierungsstrom- und Steuerungssignalen für den Fall, daß nur ein Zündfunke auf tritt; und
11 ein Motordiagnosesystem.
Die vorliegende Erfindung erfasst ein Ionisierungssignal, das in der Verbrennungskammer eines internen Verbrennungsmotors (IC) entsteht, und bereitet es in einem analogen Schaltkreis auf, um Ionisierungssignalwerte zu generieren, die in einer Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) bei Motordiagnose- und Motoregelkreisroutinen ausgewertet werden können.
Diese detaillierte Beschreibung enthält einige neuartige Bestandteile, die sich im Allgemeinen auf das Erfassen und/oder das Verwenden bzw. Bearbeiten eines Ionisierungssignals beziehen. Diese Bestandteile können einzeln oder in Kombination mit anderen beschriebenen Bestandteilen eingesetzt werden. Obwohl ein oder mehrere Bestandteile Gegenstand der beiliegenden Ansprüche sind, können andere Bestandteile, die nicht von den beiliegenden Ansprüchen abgedeckt sind, durch die Ansprüche in einer oder mehreren separaten Anwendungen abgedeckt sein, die durch oder Namens des Anmelders der vorliegenden Anwendung eingereicht wurden.
In einem Ottomotor (SI) erstreckt sich die Zündkerze ins Innere der Verbrennungskammer des Motors und kann als Detektor verwendet werden. Die Verwendung der Zündkerze als Detektor beseitigt die Notwendigkeit, einen getrennten Sensor in der Verbrennungskammer einzusetzen, um die Verhältnisse in ihrem Innern aufzuzeichnen bzw. zu beobachten.
Während der Verbrennung produzieren chemische Reaktionen an der Flammwand eine Vielzahl Ionen im Plasma. Diese Ionen, die H₃O⁺, C₃H₃ ⁺, and CHO⁺-Ionen einschließen, haben eine Lebensdauer bzw. Erregerzeit, die ausreichend lang für ihre Erfassung ist. Durch das Anlegen einer Spannung am Spalt der Zündkerze können diese freien Ionen in die Umgebung dieses Spalts gezogen werden, wo sie ein Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n hervorrufen.
Wie in 1 zu sehen ist, weist ein Ionisierungsstrom-Detektoraufbau 180 eine Spule-Stecker-Anordnung auf, wobei jede Spule eine Vorrichtung zur Aufbringung einer Vorspannung auf den Spalt der Zündkerze (das bedeutet die Spitze der Zündkerze) beherbergt. Der am Spalt der Zündkerze erzeugte Ionisierungsstrom wird isoliert und verstärkt, bevor er gemessen wird. Spulen 181 (mit Ionenerfassung) sind an einem Modul 182 (mit Ionenaufbereitung) angebracht.
Ein Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n an der Zündkerze gibt die lokale Leitfähigkeit am Spalt der Zündkerze wieder, wenn eine Zündung und Verbrennung im Zylinder stattfindet. Änderungen im Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n gegenüber dem Maschinenkurbelwinkel eines Zylinders können mit verschiedenen Stufen des Verbrennungsprozesses in Verbindung gebracht werden. Das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n weist üblicherweise zwei Phasen auf: Eine Funken- oder Zündphase 220 und eine Verbrennungs- oder Nachzündphase 230. In der Zündphase 220 wird die Zündspule geladen und später das Luft-/Kraftstoffgemisch entzündet. In der Nachzündphase 230 erfolgt die Verbrennung. Die Nachzündphase 230 selbst weist normalerweise ebenfalls zwei Phasen auf: eine Flammwand- und eine Nachflammphase. Während der Flammwandphase entwickelt sich eine Verbrennungsflamme (Flammwandbewegung während der Flammkernbildung) im Zylinder. Unter idealen Umständen besteht die Flammwandphase aus einem einzelnen Peak bzw. lokalem Maximum. Wie gezeigt wurde, besteht eine enge Verbindung zwischen dem Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n, das während der Flammwandphase entsteht, und dem Luft-/Treibstoffverhältnis. Die Nachflammphase bzw. deren Verlauf hängt von den Temperaturen und Drücken ab, die sich im Zylinder entwickeln. Die Nachflammphase bringt das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n hervor, dessen Peak gut mit dem Peak des Zylinderdrucks korreliert, worauf an späterer Stelle detaillierter eingegangen werden wird.
2 zeigt einen Graphen eines Ionisierungsspannungssignals V_ION 205, das Ergebnis eines Ionisierungsstroms ist, der während der Zündphase 220 und der Phase nach Zündung bzw. Nachzündphase 230 über den Spalt einer Zündkerze fließt. Es sei darauf hingewiesen, dass das mit der Positionsnummer 205 gekennzeichnete Signal eine Ionisierungsspannung V_ION wiedergibt, die sich proportional zum erfassten Ionisierungsstrom I_ION 100a–100n verhält, welcher während und nach der Zündung über den Spalt der Zündkerze fließt. Über den Spalt der Zündkerze wird während einer Vorzündphase 210, der Zündphase 220 und der Nachzündphase 230 eine Vorspannung V_BIAS angelegt. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Vorspannung V_BIAS bei etwa 80 V. Es wird jedoch von einem Fachmann erkannt werden, dass die Höhe der Vorspannung V_BIAS größer oder kleiner sein kann und von den Betriebsbedingungen des Motors abhängt.
2 zeigt die Zündphase 220 und die Nachzündphase 230 des Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n bzw. den Verlauf des Ionisierungsstroms I_ION 100a–100n während der Zündphase 220 und der Nachzündphase 230. Während der Zündphase 220 gibt das Ionisierungssignal den kombinierten Zündstrom und das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n bzw. die Kombination aus dem Zündstrom und dem Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n wieder. Nach der Zündphase 220 zieht die Vorspannung V_BIAS die während der Verbrennung des Luft-/Treibstoffgemisches entstandenen bzw. freigesetzten Ionen an. Da die Ionen, die üblicherweise H₃O⁺, C₃H₃ ⁺ und CHO⁺-Ionen einschließen, von der Vorspannung V_BIAS in den Bereich des Spalts der Zündkerze gezogen werden, fließt ein Ionisierungsstrom über den Spalt oder die Spitze der Zündkerze. Dieser Ionisierungsstrom wird in 2 vom Ionisierungsspannungssignal V_ION 205 wiedergegeben.
3 zeigt ein Ionisierungssignalbearbeitungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das dazu dient, Ionisierungssignale weiterzuverarbeiten. Das System tastet das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n direkt ab, wobei es sich hier um einen Diskretisierungsprozeß handelt, beispielsweise durch die Verwendung eines A/D-Konverters 130 (Analog-Digitalkonverter). Daraufhin wird das abgetastete Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n in einem Mikroprozessor 110 weiterverarbeitet. Dieser Schaltkreis tastet das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n mit einem Raster von einem Kurbelgrad über die Kompressions- und Expansionshübe ab. Das abgetastete Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n wird im Mikroprozessor 110 weiterverarbeitet, um die Datenabtastfrequenz des A/D-Konverters 130 anzugleichen bzw. aufzunehmen. Der Mikroprozessor 110 verarbeitet das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n und führt verschiedene Motordiagnose- und Steuerungsroutinen aus, denen das verarbeitete Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n zugrunde liegt.
4 zeigt ein Ionisierungssignalbearbeitungssystem 300 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n werden von einer Zündspule und Ionenerfassungseinheit bzw. einem Ionisierungssensor 305a–305n eines jeden Motorzylinders an einen Analogschaltkreis 310 zur Signalweiterbearbeitung und -aufbereitung übertragen. Vom Analogschaltkreis 310 aus werden die bearbeiteten Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n zum A/D-Konverter 320 gesendet. Der A/D-Konverter 320 wiederum überträgt die digitalisierten Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n an einen Hauptprozessor 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350. Die Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350 verwendet die aufbereiteten und digitalisierten Signale dazu, verschiedene Motordiagnose- und Steuerungsroutinen 335 durchzuführen. Diese Routinen schließen folgendes ein: Zylinderidentifikation, Breitbanderkennung von Fehlzündungen bzw. unvollständiger Verbrennung, die Erkennung einer defekten Spule bzw. Ionenerfassung, Erkennung eines Eingangskurzschlusses, Erkennung eines offenen Sekundärkreises, Banksensor/Eingangskurzschluss an der Batterie, und ähnliche Routinen. Diese Anordnung erlaubt eine Kalibrierung (Neueinstellung) des Analogschaltkreises 310 und der Motordiagnoseroutinen 335 des Hauptprozessors 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350. Die Kalibrierung des Ionisierungssignalbearbeitungssystems 300 erlaubt eine Bearbeitung des Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n über ein breites Spektrum von Verbrennungsmotoren und in ihnen auftretenden Verbrennungsparametern/-bedingungen.
Der Analogschaltkreis 310 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in 5 dargestellt. Der Analogschaltkreis 310 weist einen Signalisolator 410, einen Verstärker 420, eine Ein-/Aussteuerung 430, eine Resetsteuerung 440, einen Peakdetektor 450, sowie einen Ionisierungsstromintegrator 460 auf.
Zwei Arten von Signalen werden in den Analogschaltkreis 310 eingespeist. Der Analogschaltkreis 310 empfängt Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n des Ionisierungssensors 305a–305n eines Verbrennungsmotors. Er empfängt des weiteren Ein/Aus-Steuerungssignale 480 und Resetsteuerungssignale 475 eines Zeitprozessors bzw. Zeitgebers, beispielsweise einer Zeitprozesseinheit (TPU) 470 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350.
Die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n, welche von den Ionisierungssensoren 305a–305n abgegeben werden, stellen Stromquellen dar. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei den Verbrennungen in den Motorzylindern um sequentielle Abläufe handelt, können die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n kombiniert oder gebündelt werden, ohne dass es zu Signalverlusten oder -verzerrungen kommen würde. Daher können die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n als ein einziges Eingangssignal für den Signalisolator 410 des Analogschaltkreises 310 zusammengefasst werden. Ein Grund dafür, dass die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n auf einen einzigen Anschluss gelegt werden können, liegt daran, dass die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n nur während der folgenden Perioden aktiv sind: Aufladen der Primärwicklung, Zündung, und Verbrennung. Diese drei Perioden, die zusammengefasst als die aktive Periode des Zylinders bezeichnet werden, decken weniger als 180° Kurbelwellenwinkel ab. Ein weiterer Grund liegt darin, dass die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n Stromquellensignale sind, daher können sie in einem einzigen Signal, das alle einzelnen Ionisierungsstromsignale der einzelnen Zylinder 100a, 100b, ..., 100n zusammenfasst werden, ohne dass ein signifikanter Verlust an Ionisierungssignalinformation auftreten würde.
Der Signalisolator 410 isoliert das gefundene Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n und zieht von diesem die Vorspannungsstrom I_BIAS ab. Der Vorspannungsstrom I_BIAS wird vom Ionisierungsdetektorschaltkreis zu Diagnosezwecken erzeugt. Der Signalisolator 410 entfernt diesen Vorspannungsstrom I_BIAS vom Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n um ein isoliertes Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n zu reproduzieren, dass im weiteren Verlauf durch den Analogschaltkreises 310 weiterverarbeitet wird.
Die Ein/Aus-Steuerung 430 empfängt die Ein/Aus-Steuerungssignale 480 von der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350. Die Ein/Aus-Steuerung 430 bearbeitet die Ein/Aus-Steuerungssignale 480 und sendet Steuerungssignale an den Verstärker 420, um diesen ein- bzw. auszuschalten, was die Peakerfassung und Integration des Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n ermöglicht.
Der Verstärker 420 verstärkt das isolierte Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n und empfängt die Steuerungssignale 480 von der Ein/Aus-Steuerung 430. Die Steuerungssignale 480 der Ein/Aus-Steuerung 430 schalten den Verstärker 420 ein beziehungsweise aus. Wenn der Verstärker 420 von der Ein-/Aussteuerung 430 eingeschaltet ist, überträgt er ein verstärktes isoliertes Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n an den Peakdetektor 450 und den Ionisierungsstromintegrator 460 zur Peakabtastung beziehungsweise Integration.
Die Resetsteuerung 440 empfängt die Resetsteuerungssignale 475 von der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350. Die Resetsteuerung 440 bereitet diese Signale auf und sendet Steuerungssignale an den Peakdetektor 450 und den Ionisierungsstromintegrator 460. Die Steuerungssignale der Resetsteuerung 440 setzen den Peakdetektor 450 und den Ionisierungsstromintegrator 460 zwischen jedem Verbrennungsereignis auf ihre jeweiligen Ausgangswerte zurück. Nachdem der Peakdetektor 450 von der Resetsteuerung 440 zurückgesetzt wurde, bearbeitet er das vom Verstärker 420 kommende, verstärkte Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n und erzeugt ein Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 für ein Verbrennungsereignis. Nachdem der Ionisierungsstromintegrator 460 von der Resetsteuerung 440 zurückgesetzt wurde, integriert er das vom Verstärker 420 kommende, verstärkte Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n und erzeugt ein integriertes Ionisierungsstromsignal I_INT 465 für ein Verbrennungsereignis.
Das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 und das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 können über den A/D-Konverter 320 vom Hauptprozessor 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350 abgetastet werden. Es kann auch ein ähnlicher Motordiagnose- und Steuerungsprozessor eingesetzt werden.
Der Peakdetektor 450 empfängt das verstärkte Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n vom Verstärker 420. Der Peakdetektor 450 bereitet dieses Signal auf und erzeugt ein Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455. Das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 gibt den Höchstwert der Ionisierungsspannung wieder, die seit dem letzten Reset des Peakdetektors 450 während der Periode, in welcher der Verstärker 420 von der Ein/Aus-Steuerung 430 eingeschaltet wurde, gemessen wurde. In einigen Ausführungsformen der Erfindung gibt das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 das Produkt aus dem Höchstwert des Ionisierungssignals und einem Schaltkreiswiderstand R12 wieder. Der Peakdetektor 450 erzeugt zwei Peakionisierungsspannungssignale V_PEAK 455, ein erstes Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 für die Zündphase 220, und ein zweites Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 für die Nachzündphase 230.
Der Ionisierungsstromintegrator 460 empfängt das verstärkte Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n vom Verstärker 420. Nachdem er zurückgesetzt wurde, integriert der Ionisierungsstromintegrator 460 das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n, um das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 zu erzeugen. Der Ionisierungsstromintegrator 460 erzeugt das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465, wenn der Verstärker 420 durch die Ein/Aus-Steuerung 430 eingeschaltet wird. Das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n wird zweimal integriert, einmal für die Zündphase 220 und einmal für die Nachzündphase 230.
In 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Analogschaltkreises 310 eines Analogsignalaufbereitungssytems dargestellt. Der Analogschalkreis 310 weist elf Transistoren und zwei Dioden sowie verschiedene Widerstände und Kondensatoren auf. Bei den dargestellten Transistoren handelt es sich um bipolare Flächentransistoren (BJT). Es können jedoch auch Feldeffekttransistoren (FET), Feldefekttransistoren mit MOSFET-Technik, und andere Arten von Verstärkerelementen zum Einsatz kommen. Ein Fachmann wird selbstverständlich feststellen, dass verschiedene Ab- und Veränderungen an dieser bevorzugten Ausführungsform im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung liegen, und dass die Erfindung nicht auf die einzelnen Komponenten oder den Schaltkreisaufbau, der in 6 dargestellt ist, beschränkt ist.
Der Signalisolator 410 ist in 6 mit gestrichelten Linien dargestellt. Der Signalisolator 410 schließt einen ersten Widerstand R1, einen zweiten Widerstand R2, einen sechsten Widerstand R6, und einen siebten Widerstand R7, sowie einen ersten Transistor Q1, einen zweiten Transistor Q2, einen sechsten Transistor Q6, des weiteren eine erste Zenerdiode D1, sowie einen ersten Kondensator C1 ein. Der sechste Transistor Q6 weist eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter auf. Der sechste Widerstand R6 ist funktionsmäßig zwischen den sechsten Transistor Q6 und einer Spannungsquelle V_PWR geschaltet. Der siebte Widerstand ist funktionsmäßig zwischen den sechsten Transistor Q6 und die Masse geschaltet. Die erste Diode D1 ist funktionsmäßig zwischen der Basis des sechsten Transistors Q6 und der Energiequelle V_PWR geschaltet. Der Kollektor des sechsten Transistors Q6 ist funktionsmäßig mit einem Stromspiegelungsschaltkreis 415 des Signalisolator 410 verbunden.
Der Stromspiegelungsschaltkreis 415 ist in 6 mit Strichpunktlinien dargestellt. Der Stromspiegelungsschaltkreis 415 weist einen ersten Transistor Q1, einen zweiten Transistor Q2, einen ersten Widerstand R1, einen zweiten Widerstand R2, sowie einen ersten Kondensator C1 auf. Der erste Transistor Q1 und der zweite Transistor Q2 weisen jeweils eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter auf. Die Basis des ersten Transistors Q1 und des zweiten Transistors Q2, sowie der Kollektor des ersten Transistor Q1 sind funktionsmäßig mit den Ionisierungssensoren 305a–305n verbunden, um die Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n von den Ionisierungssensoren 305a–305n zu empfangen. Der erste Widerstand R1 ist funktionsmäßig zwischen den Emitter des ersten Transistor Q1 und die Erde geschaltet. Der zweite Widerstand R2 ist funktionsmäßig zwischen den Emitter des zweiten Transistors Q2 und die Erde geschaltet. Der erste Widerstand R1 ist funktionsmäßig zwischen den Emitter des ersten Transistors Q1 und die Erde geschaltet. Der erste Kondensator C1 ist funktionsmäßig zwischen die Sockel des ersten Transistors Q1 beziehungsweise des zweiten Transistors Q2 und die Erde geschaltet. Der Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist funktionsmäßig mit dem Verstärker 420 verbunden.
Vom Stromspiegelungsschaltkreis 415 fließt ein Strom I_CQ2 zum Kollektor des zweiten Transistors Q2, der gleich dem Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n, multipliziert mit dem Quotienten R1/R2, abzüglich des Vorspannungsstroms I_BIAS ist, wobei letzterer durch den sechsten Transistor Q6, die Zenerdiode D1, sowie den sechsten Widerstand R1 und den siebten Widerstand R7 erzeugt wird: I_CQ2 = I_ION × (R1/R2) – I_BIAS wobei: I_BIAS = (V_D1 – 0.7 V_PWR) ÷ R6
Der Verstärker 420 ist in 6 mit Strich-Punkt-Linien mit doppeltem Strich dargestellt. Der Verstärker 420 schließt einen dritten Transistor Q3, einen vierten Transistor Q4, einen fünften Transistor Q5, einen dritten Widerstand R3, einen vierten Widerstand R4, einen fünften Widerstand R5, sowie einen zweiten Kondensator C2 ein. Die Basis des dritten Transistors Q3, des vierten Transistors Q4, sowie des fünften Transistors Q5 sind funktionsmäßig mit den Kollektoren des zweiten Transistors Q2 und des dritten Transistors Q3 verbunden. Der dritte Widerstand R3, der vierte Widerstand R4, sowie der fünfte Widerstand R5 sind funktionsmäßig jeweils zwischen die Energiequelle V_PWR und die Emitter des dritten Transistors Q3, des vierten Transistors Q4, und des fünften Transistors Q5 geschaltet. Der zweite Kondensator C2 ist funktionsmäßig zwischen die Energiequelle V_PWR und die Emitter des dritten Transistors Q3, des vierten Transistors Q4, und des fünften Transistors Q5 geschaltet. Der Verstärker 420 bildet einen dualen Stromspiegel. Ein (erster) Stromspiegel erzeugt am Kollektor des vierten Transistors Q4 einen Strom I_CQ4 zur Integration des Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n. Der andere Stromspiegel erzeugt am Kollektor des fünften Transistors Q5 einen Strom I_CQ5 zur Peakerfassung des Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n.
Die Ein/Aus-Steuerung 430 ist in 6 durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Ein/Aus-Steuerung 430 weist einen siebten Transistor Q7 und einen achten Transistors Q8 ein. Die Basis des achten Transistors Q8 ist funktionsmäßig mit einem zweitem Ausgang der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 verbunden, um das Ein/Aus-Steuerungssignal 480 zu empfangen. Der Emitter des achten Transistors Q8 ist funktionsmäßig mit Masse (Nullpotential) verbunden, und der Kollektor des achten Transistors Q8 ist funktionsmäßig mit dem Sockel des siebten Transistors Q7 verbunden. Der achte Widerstand R8 ist funktionsmäßig mit dem ersten Ausgang der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 und der Basis des achten Transistors Q8 geschaltet. Der neunte Widerstand R9 ist funktionsmäßig zwischen den Kollektor des achten Transistors Q8 und der Basis des siebten Transistors Q7 geschaltet. Der zehnte Widerstand R10 ist funktionsmäßig zwischen der Basis des siebten Transistors Q7 und die Energiequelle V_PWR geschaltet.
Die Ein/Aus-Steuerung 430 steuert den Betrieb des Verstärkers 420, wie im Folgenden beschrieben wird: Die Ein/Aus-Steuerung 430 empfängt an der Basis des achten Transistors Q8 das Ein/Aus-Steuerungssignal 480 vom ersten Ausgang der Zeitprozesseinheit (TPU) 470. Wenn das Ein/Aus-Steuerungssignal 480 stark ist, wird die Ein/Aus-Steuerung 430 ausgeschaltet. Das rührt daher, dass der achte Transistor Q8 in der Sättigung ist, was wiederum dazu führt, dass der siebte Transistor Q7 gesättigt, und der Verstärker 420 ausgeschaltet wird. Wenn das an der Ein/Aus-Steuerung 430 eingehende Ein/Aus-Steuerungssignal 480 schwach ist, wird die Ein/Aus-Steuerung 430 eingeschaltet. Das rührt daher, dass der siebte Transistor Q7 und der achte Transistor Q8 ausgeschaltet sind. Daher wird der Verstärker 420 ausgeschaltet.
Wenn die Ein/Aus-Steuerung 430 eingeschaltet ist, ist der Strom I_CQ4 am Kollektor des vierten Transistors Q4 wie folgt definiert: I_CQ4 = (I_ION × (R1/R2) – I_BIAS) × R3/R4, während der Strom I_CQ5 am Kollektor des fünften Transistors Q5 wie folgt definiert ist: I_CQ5 = (I_ION × (R1/R2) – I_BIAS) × R3/R5.
Wenn die Ein/Aus-Steuerung 430 ausgeschaltet ist, sind der Strom I_CQ4 am Kollektor des vierten Transistors Q4 sowie der Strom I_CQ5 am Kollektor des fünften Transistors Q5 gleich Null.
Der Peakdetektor 450 ist in 6 durch eine Strich-Punkt-Linie dargestellt. Der Peakdetektor 450 weist einen neunten Transistor Q9, einen zwölften Widerstand R12, einen dreizehnten Widerstand R13, eine zweite Diode D2, sowie einen vierten Kondensator C4 auf. Die Basis des neunten Transistors Q9 ist funktionsmäßig mit dem Kollektor des fünften Transistors Q5 verbunden, um zur Peakdetektion einen Spiegelstrom vom Verstärker 420 zu empfangen. Der Emitter des neunten Transistors Q9 ist funktionsmäßig mit dem Kollektor des zehnten Transistors Q10 verbunden. Der zwölfte Widerstand R12 ist funktionsmäßig mit dem Kollektor des fünften Transistors Q5 und der Baisi des neunten Transistors Q9 verbunden. Die zweite Diode D2 ist funktionsmäßig zwischen den zwölften Widerstand R12 und Masse geschaltet. Der dreizehnte Widerstand R13 ist funktionsmäßig zwischen den Kollektor des neunten Transistors Q9 und die Energiequelle V_PWR geschaltet. Der vierte Kondensator C4 ist funktionsmäßig zwischen den Emitter des neunten Transistors Q9 und Masse geschaltet. Wenn eine bestimmte Zeitkonstante, beispielsweise R13 × C4, klein genug ist, ist die Spannung des vierten Kondensators Q4 gleich der Peakspannung des zwölften Widerstands R12 bei eingeschalteter Ein/Aus-Steuerung 430. Diese Spannung kann als das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 ausgegeben werden. Wenn die Ein/Aus-Steuerung 430 ausgeschaltet ist, ist die Spannung V_C4 am vierten Kondensator C4 gleich Null.
Der Ionisierungsstromintegrator 460 ist in 6 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Der Ionisierungsstromintegrator 460 hat einen dritten Kondensator C3, der als Energiespeichervorrichtung dient und funktionsmäßig zwischen den Kollektor des vierten Transistors Q4 und die Erde (Masse) geschaltet ist, und den anderen (zweiten) Spiegelstrom empfängt, der durch den Verstärker 420 gebildet wird. Der Strom I_CQ4 am Kollektor des vierten Transistors Q4 lädt den dritten Kondensator C3 auf. Die Spannung, die am dritten Kondensator C3 gespeichert wird, kann als Funktion dieses Kollektorstroms I_CQ4 wie folgt berechnet werden: V_C3 = 1/C3 × ∫I_CQ4dt
Daher stellt die Spannung V_C3, die am dritten Kondensator C3 gespeichert ist, das integral über die Zeit des Kollektorstroms I_CQ4 des vierten Transistors Q4 dar, multipliziert mit der Inversen der Kapazität des dritten Kondensators C3. Diese Spannung V_C3 kann als Maß des integrierten Wertes des Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n verwendet werden. Diese Spannung V_C3 kann aufgrund der im Ohmschen Gesetz dargelegten Beziehung zwischen Spannung und Strom als integriertes Ionisierungsstromsignal I_INT 465 ausgegeben werden.
Die Resetsteuerung 440 ist in 6 durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Resetsteuerung 440 schließt einen zehnten Transistor Q10, einen elften Transistor Q11, sowie einen elften Widerstand R11 und einen vierzehnten Widerstand R14 ein. Die Basen des zehnten Transistors Q10 sowie des elften Transistors Q11 sind funktionsmäßig über den elften Widerstand R11 sowie den vierzehnten Widerstand R14 mit einem zweitem Ausgang der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 verbunden. Die Emitter des zehnten Transistors Q10 und des elften Transistors Q11 sind funktionsmäßig mit der Erde verbunden. Der Kollektor des zehnten Transistors Q10 ist funktionsmäßig mit dem vierten Kondensator C4, und der Kollektor des elften Transistors Q11 mit dem dritten Kondensator C3 verbunden. Der elfte Widerstand R11 sowie der vierzehnte Widerstand R14 sind jeweils funktionsmäßig zwischen die Basen des zehnten Transistors Q10 bzw. des elften Transistors Q11 und den zweiten Ausgang der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 geschaltet. Die Resetsteuerung 440 empfängt an den Sockeln des zehnten Transistors Q10 und des elften Transistors Q11 ein Resetsteuerungssignal 475 vom zweiten Ausgang der Zeitprozesseinheit (TPU) 470. Wenn das Eingangssignal an der Resetsteuerung 440 stark ist, entladen der dritte Kondensator C3 und der vierte Kondensator C4 ihre Kapazität, indem ein Strom durch den zehnten Transistors Q10 bzw. den elften Transistors Q11 bewirkt wird. Dieser Entladevorgang setzt die Spannungen V_C3 bzw. V_C4 des dritten Kondensator C3 und des vierte Kondensators C4 auf ungefähr 0,3 V zurück. Der dritte Kondensator C3 und der vierte Kondensators C4 können bei Bedarf auch als Rauschunterdrücker arbeiten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Kennwerte der Widerstände und Kondensatoren Größenordnungen haben, die der folgenden Tabelle entnommen werden können:

R1	180 Ω	R10	1 Ω
R2	180 Ω	R11	33 Ω
R3	100 Ω	R12	1 KΩ
R4	680 Ω	R13	39 Ω
R5	560 Ω	R14	33 Ω
R6	820 Ω	C1	100 pF
R7	470 Ω	C2	1000 pF
R8	3.3 KΩ	C3	1 μF
R9	2.0 kΩ	C4	0.22 1 μF

Dennoch wird einem Fachmann auffallen, dass für die Widerstände und Kondensatoren viele Werte in Frage kommen, ohne dass der Geltungsbereich der Erfindung verlassen würde.
7 zeigt einen typischen Verlauf eines von einem Analogschaltkreis 310 aufbereiteten Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n in Zusammenhang mit zwei weiteren Signalen, dem Ein/Aus-Steuerungssignal 480 und dem Resetsteuerungssignal 475, die beide von der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 an den Analogschaltkreises 310 übertragen werden. In diesen Beispielen sind das Ein/Aus-Steuerungssignal 480 und das Resetsteuerungssignal 475 der Zeitprozesseinheit (TPU) 470 Fehlzündungsschaltkreiskontrollsignale Pa, Pb. Das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n erscheint als die oberste Kurve des Diagrams und zeigt das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n vor, während, und nach der Zündung. Das Ein/Aus-Steuerungssignal 480 wird in der Graphik von der zweitobersten Kurve dargestellt. Das Resetsteuerungssignal 475 wird in der Graphik von der drittobersten Kurve dargestellt. Ein Zündlastsignal 640 ist als untere Kurve des Diagramms dargestellt. Das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 sowie das Resetsteuerungssignal Pb 475 sind Impulsfolgen LL0 und LL1 stehen für Logikniveaus (Logic Level) 0 beziehungsweise 1 der Impulsfolgeschaltkreissteuerungssignale Pa 480 und Pb 475.
Das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 sowie das Resetsteuerungssignal Pb 475 können in Zusammenhang mit den folgenden Regionen beschrieben werden. Anfangs, zum Zeitpunkt t = 0 ms, sind sowohl das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 als auch das Resetsteuerungssignal Pb 475 in ihrer ”Aus”-Stellung. Diese ”Aus”-Stellung wird als LL1 (aktiv hoch) für das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 und LL0 (aktiv tief) für das Resetsteuerungssignal Pb 475 angegeben. In Region a wird das Resetsteuerungssignal Pb 475 ein- und ausgeschaltet, um vor der Zündphase 220 den Ionisierungsstromintegrator 460 und den Peakdetektor 450 des Analogschaltkreises 310 zurückzusetzen. Dieses Zurücksetzen macht es möglich, dass der Peakdetektor 450 ein Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 für die Zündphase 220 generiert, und der Ionisierungsstromintegrator 460 ein integriertes Ionisierungsstromsignal I_INT 465.
In Region b ist das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 eingeschaltet. Die Ein/Aus-Steuerung 430 schaltet den Verstärker 420 ein, so dass der Peakdetektor 450 ein verstärktes Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n empfängt und ein Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 für die Zündphase 220 erzeugt. Der Ionisierungsstromintegrator 460 empfängt ein verstärktes Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n und erzeugt ein integriertes Ionisierungsstromsignal I_INT 465 für die Zündphase 220. Das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 kann in den Routinen der offene Sekundärspulen-Erfassung und der Zylindererkennung der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350 verwendet werden.
Im Bereich zwischen der Region b und der Region c ist Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass der Verstärker 420 ausgeschaltet und jegliche weitere Arbeit des Peakdetektors 450 und des Ionisierungsstromintegrators 460 unterbunden wird. Das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 kann mit einem Grenzwert verglichen werden, um festzustellen, ob eine saubere Zündungsladung an den Zylinder übertragen, das heißt ob ein Zündfunke gebildet wurde. Wenn das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 des Zündfensters, das bedeutet der Zündphase 220, einen Grenzwert überschreitet, wird festgestellt, das ein Zündfunke aufgetreten ist. Sollte das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 unter diesem Grenzwert bleiben, kann festgestellt werden, dass kein Zündfunke auftrat. Es sei drauf hingewiesen, dass das Zündfenster der Region b in 7 ungefähr 500 Mikrosekunden abdeckt. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors und des Zündsystems kann auch ein Zündfenster größerer oder kleinerer Dauer gewählt werden. Das Zündfenster kann beispielsweise eine Dauer haben, die irgendwo zwischen 300 Mikrosekunden und drei Millisekunden liegt, wobei es hier auf die besondere Zündfunkendauer des gegebenen Zündsystems ankommt.
In der Region c wird das Resetsteuerungssignal Pb 475 ein- und ausgeschaltet. Dieser Steuerungsvorgang setzt den Ionisierungsstromintegrator 460 und den Peakdetektors 450 auf ihre Ausgangswerte zurück. Daraufhin können die Höchstwertfindung sowie die Integration für das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n, das während der Nachzündphase 230 entsteht, durchgeführt werden.
In der Region d verbleibt das Resetsteuerungssignal Pb 475 ausgeschaltet, und das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 wird während der Nachzündphase 230 an- und ausgeschaltet. Dieser Steuerungsvorgang ermöglicht es, dass der Peakdetektor 450 und der Ionisierungsstromintegrators 460 das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 bzw. das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 erfassen, was dazu dient, Fehlzündungen während der Nachzündphase 230 festzustellen. Beim Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 kommt Impulsdauermodulation (PWM) zum Einsatz, um das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n zu adjustieren. Die Impulsdauermodulation stellt sicher, dass das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 und das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 bei verschiedenen Motordrehzahlen (U/min) für die Nachzündphase 230 berechnet werden können, ohne das ein Überlauf auftritt. Die Frequenz ist bei 10 kHz festgelegt. Es kann jedoch ein höhere oder niedrigere Frequenz verwendet werden, dies ist von den Betriebsbedingungen des Motors abhängig.
Das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 variiert den Impulsdauerarbeitszyklus während des ”Ein”-Zyklus in Abhängigkeit von der Motorumdrehung wie folgt:

U/min < 1500 20% Arbeitszyklus

1500 ≤ U/min < 3000 40% Arbeitszyklus

3000 ≤ U/min < 4500 60% Arbeitszyklus

4500 ≤ U/min < 6000 80% Arbeitszyklus

6000 ≤ U/min 100% Arbeitszyklus
Nach der Region d wird das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 ausgeschaltet, und das Resetsteuerungssignal Pb 475 verbleibt ausgeschaltet. Die Ausgaben des Ionisierungsstromintegrators 460 und des Peakdetektors 450 werden ausgelesen, um für die Nachzündphase 230 das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 und das Peakionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 zu erhalten.
8 zeigt eine Tabelle, in der weitere Beziehungen zwischen dem Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 und dem Resetsteuerungssignal Pb 475 dargestellt sind. Eine Analog-Digital (A/D) Abtastauflösung ist im Bereich der Bodenzeile der Tabelle angegeben. Die Kalibrierungsparameter P1 und P2 sind Koeffizienten, die in Abhängigkeit von verschiedenen Motorbetriebsbedingungen angepasst werden können. Die typischen Werte der Kalibrierungsparameter P1 und P2 sind 200 Mikrosekunden (μs) bzw. 60° Grad Kurbelwinkel. Die Kalibrierungsparameter P1 und P2 können jedoch Werte aufweisen, die größer oder kleiner als die genannten Werte sind, dies hängt von den Motorbetriebsbedingungen und Betriebsrandbedingung ab.
Wie der Tabelle in 8 entnommen werden kann, verbleibt das Ein/Aus-Steuerungssignal Pa 480 in der Region a sowie zwischen den Regionen a und b in der „Aus”-Stellung. Es befindet sich in der Region b in der „Ein”-Stellung, dann bis Region d, bei der der Arbeitszyklus der Impuldauermodulation (PWM) beginnt, in der „Aus”-Stellung. Das Reset-Steuerungssignal Pb 475 befindet sich in der „Ein”-Stellung in den Regionen a und c, und in der „Aus”-Stellung während der Restdauer des Verbrennungszyklus des Motors. Die nominelle Dauer, die für die einzelnen Regionen angegeben ist, kann verändert werden.
Der Arbeitszyklus des Impulsdauermodulationssignals (PWM) ist, wie oben beschrieben wurde, eine Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit (U/min) des Motors. Die Impulsdauermodulation (PWM) kommt im Bereich der Region d vor allem zur Anwendung, um einen Integrationsüberlauf zu vermeiden, und ein gutes Verhältnis zwischen Signal und Störgeräusch zu schaffen. Das Integrationsfenster bzw. der Integrationsbereich der Region d hängt vom Kurbelgradmaß des Motorzyklus ab. Das Integrationsfenster erstreckt sich üblicherweise über 60 Kurbelwellengrad. Selbstverständlich kann ein Integrationsfenster verwendet werden, das mehr oder weniger als 60 Kurbelgrad umfasst. Bei einer Motordrehzahl von 600 U/min hat ein Integrationsfenster von 60 Kurbelgrad eine zeitliche Dauer von schätzungsweise 16,67 ms. Bei einer Motordrehzahl von 6000 U/min hat ein Integrationsfenster von 60 Kurbelgrad eine zeitliche Dauer von schätzungsweise 1,667 ms. Daher wächst die zeitbezogene Integration eines Ionisierungsstromsignals I_ION 100a–100n über ein festgelegtes Kurbelgradmaß bei 600 U/min um den Faktor 10 im Vergleich zur gleichen Größe, wenn sie bei einer Motordrehzahl von 6000 U/min ermittelt wird. Eine konventionelle Maßnahme zur Vermeidung eines Überlaufs ist in diesem Falle die Verwendung eines variablen Integrationszuwachses bzw. variable integration gain. Diese Maßnahme ist jedoch hinsichtlich ihrer Implementierung relativ teuer, besonders bei analogen Schaltkreisen. Erfindungsgemäß kann ein Impulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) zur Anwendung kommen, um den Verstärker 420 ein- beziehungsweise auszuschalten, so dass die Integration bei hohen Motordrehzahlen kontinuierlich ist, diskontinuierlich dagegen bei bestimmten Arbeitszyklen, wenn die Motordrehzahl unter einen bestimmten Grenzwert sinkt. Diese Vorgehensweise verhindert einen Integrationsüberlauf, wobei eine gute Auflösung des ausgegebenen Signals erhalten bleibt.
Die 9 und 10 zeigen das Peakionisierungsspannungssignal V_peak 455 und das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465, die vom Analogschaltkreis 310 im Falle der normalen Verbrennung (9) beziehungsweise eines einzelnen Zündfunkens (10) ausgegeben werden. Wie 9 zu entnehmen ist, werden zwei Datenabtastfenster 810 beziehungsweise 820 herangezogen, um den Wert des integrierten Ionisierungsstromsignals I_INT 465 und den Wert des Peakionisierungsspannungssignals V_peak 455 zu bestimmen. Das erste Datenabtastfenster 810 wird während der Zündphase 220 betrachtet. Das zweite Datenabtastfenster 820 wird während der Nachzündphase 230 betrachtet. Der Analogschaltkreis 310 verarbeitet die Daten dieser beiden Abtastungen, um das Peakionisierungsspannungssignal V_peak 455 und das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 für die Zündphase 220 und die Nachzündphase 230 zu erstellen. Der Analogschaltkreis 310 kann diese Werte an den Hauptprozessor 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) weitergeben. Daher tastet der Analogschaltkreis 310 der vorliegenden Erfindung das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n während der Zündphase 220 und während der Nachzündphase 230 ab, und erzeugt dann zwei Peakionisierungsspannungssignale V_peak 455 sowie zwei integrierte Ionisierungsstromsignale I_INT 465 für jeden Verbrennungszyklus des Motors. Diese vier Parameter werden an den Hauptprozessor 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) gesendet, um Zylindererkennung, Motordiagnosen, und Diagnosen von Fehlzündung beziehungsweise unvollständiger Verbrennung in einem Verbrennungszyklus durchzuführen. Ein Fachmann wird erkennen, daß erfindungsgemäß und in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Motordiagnose, der Betriebsbedingungen, und ähnlicher Parameter eine beliebige Anzahl an Fenstern zur Datenabtastung verwendet werden kann.
Die Verwendung des Analogschaltkreises 310 der vorliegenden Erfindung reduziert in signifikantem Maße die Datenabtastfrequenz. Das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n eines jeden Zylinders wird zweimal pro Verbrennungsereignis (Zündphase 220, Nachzündphase 230) abgetastet. Diese Abtastrate ist wesentlich kleiner als die mehrere hundert Abtastungen pro Verbrennungsereignis umfassende Abtastrate, die in Motordiagnosesystemen zum Einsatz kommt, die einen Mikroprozessor verwenden, um das Ionisierungsstromsignal direkt abzutasten. In diesen Systemen muss das Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n mindestens jedes Kurbelgrad oder aber mehrere Hundert mal pro Zyklus abgetastet werden. Durch die Reduzierung der Datenabtastrate auf zweimal pro Verbrennungsereignis reduziert die vorliegende Erfindung die Datenabtastrate um einen Faktor, der größer als 100 ist, wodurch beträchtliche Einsparungen und Steigerungen in der Effizienz erreicht werden.
Der Analogschaltkreis 310 der vorliegenden Erfindung kann in die Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) integriert werden, beispielsweise kann es Teil der der gleichen Schaltkreisplatine sein, wie in 4 gezeigt wird. Diese Anordnung minimiert die Herstellungskosten, während es die Flexibilität des Systems steigert. Ein Speicher 340 der Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) muss nicht erweitert werden, um einer höheren Datenabtastrate Rechnung zu tragen, da der Analogschaltkreis 310 (nur) zwei Datenabtastungen pro Verbrennungsereignis ausgibt. Der Einsatz einer Impulsdauermodulation macht es möglich, daß der Analogschaltkreis 310 über ein breites Spektrum von Motorbetriebsbedingungen hinweg zwei Peakionisierungsspannungssignale V_peak 455 sowie zwei Ionisierungsstromsignale I_INT 465 bearbeitet und ausgibt. Auch können die Motordiagnoseroutinen 335 der Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) für verschiedene Betriebsbedingungen variiert werden. Diese Flexibilität erlaubt es, dass der Hauptprozessor 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) über ein breites Spektrum von Betriebsbedingungen hinweg aufbereitete Signale, die vom Analogschaltkreis 310 übertragen werden, weiterverarbeitet. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Analog-Digitalkonverter 320 Teil des Hauptprozessors 330 sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Analogschaltkreis 310 getrennt von der Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) sein.
Ein Motordiagnosesystem kann ein oder mehrere Analogschaltkreise 310 einschließen, die ein Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n verarbeiten und aufbereiten. In 11 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der ein Motordiagnosesystem zwei Analogschaltkreise 1010, 1020 einschließt. In dieser Ausführungsform können die Zylinder des Verbrennungsmotors in zwei Zylinderbänke aufgeteilt werden: Bank #1 und Bank #2. Wie in 11 dargestellt, ist jede der beiden Zylinderbänke Bank #1, Bank #2 mit einem der Analogschaltkreise 1010, 1020 verbunden. In einer Anwendung für einen vierzylindrigen internen Verbrennungsmotor mit der Zündreihenfolge 1, 3, 4, 2 kann Bank #1 die Zylinder 1 und 3, Bank #2 die Zylinder 2 und 4 einschließen. Bei einem V-Motor können die Zylinder des Verbrennungsmotors zwischen Bank #1 und Bank #2 aufgeteilt werden. Eine Aufteilung der Zylinder auf Bank #1 und Bank #2 macht eine paarweise Zuteilung der Zylinder in sich ausgleichende Kompressions-/Expansionshübe und Ausstoß-/Ansaughübe möglich. Diese Anordnung verbessert die Zylindererkennung und vermeidet Interferenzen zwischen den Ionisierungssignalen, besonders bei steigender Zylinderanzahl. Die Analogschaltkreise 1010, 1020 können gemäß der in den 5 und 6 dargelegten und beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut sein.
Bei zwei Datenabtastfenstern für ein Verbrennungsereignis verarbeitet jeder Analogschaltkreis 1010, 1020 zwei Ionisierungssignalabtastungen, um vier Werte zu erzeugen – zwei Werte integrierter Ionisierungsstromsignale I_INT 465, und zwei Werte von Peakionisierungsspannungssignalen V_peak 455. Zusammen bereiten die Analogschaltkreise 1010, 1020 vier Ionisierungssignalabtastungen auf und erzeugen acht Werte pro Verbrennungszyklus. Die Analogschaltkreise 1010, 1020 übertragen diese Werte an die Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) zur Zylindererkennung, zur Erfassung von Fehlzündungen beziehungsweise unvollständiger Verbrennungen, und verschiedener Zünddiagnoseroutinen.
Daher bietet der Analogschaltkreis, das Verfahren, und das System gemäß der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren, System, und einen verbesserten Schaltkreis, um Ionisierungsstromsignal I_ION 100a–100n zu er kennen und aufzubereiten. Das Verfahren, System, und der Schaltkreis bieten eine kostengünstige und angemessene Anordnung, um Ionisierungsstromsignale I_ION 100a–100n zu erfassen und zu aufzubereiten, so dass diese Signale im weiteren Verlauf von einer Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) für Motordiagnosezwecke und Motorregelkreise weiterverarbeitet werden können. Die vorliegende Erfindung bietet nicht nur ein kostengünstiges und angemessenes Mittel zur Erfassung und Aufbereitung eines Ionisierungsstromsignals, es reduziert zudem wesentlich die Datenabtastrate, so dass die vom Analogschaltkreis 310 der vorliegenden Erfindung aufbereiteten Signale von einer Antriebsstrangsteuerungseinheit 350 (PCM) verarbeitet werden können, ohne dass es eines größeren Speichers oder eines schnelleren Mikroprozessors bedürfte, wie es in Verbindung mit den höheren Datendurchsätzen bekannter Systeme und Verfahren, die eine wesentlich höhere Abtastrate verwenden, einhergeht. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Analogsignalbearbeitungssysteme mehr als zwei getrennte Analogschaltkreise 310 umfassen können, und dass die Datenabtastrate höher als zweimal pro Verbrennungsereignis liegen kann, um so einen oder mehrere Peakionisierungsstromsignale beziehungsweise integrierte Ionisierungsstromsignale zu erzeugen. Letztgenannte stehen für ein weites Spektrum an Motordiagnoseroutinen zur Verfügung, von denen einige im Folgenden erläutert werden.
Das Verfahren, der Schaltkreis, und das System können zur Zylindererkennung verwendet werden. Der Analogschaltkreis 310 der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um das Ionisierungssignal über das Zündfunkenfenster (das heißt über die Dauer des Zündfunkens während der Zündphase 220) für jeden Zylinder zu integrieren. Dieser integrierte Wert kann verwendet werden, um zu bestimmen, welcher Zylinder sich gerade in der Kompressionsphase befindet.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Analogbearbeitungsschaltkreis, das System und das Verfahren dazu verwendet werden, Motorfehlzündungen und unvollständige Verbrennungen zu diagnostizieren. Vorrichtungen zur Diagnose von Fehlzündungen und unvollständigen Verbrennungen verwenden größtenteils integrierte Ionisierungsstromsignale I_INT 465 und Peakionisierungsspannungssignale V_peak 455 im Bereich der Region d der Nachzündphase 230. Wenn das Ionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 und das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 über bestimmten jeweiligen Grenzwerten liegen, wird eine reguläre Verbrennung konstatiert. Wenn sowohl das Ionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 als auch das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 ihre jeweiligen Grenzwerte (ggfs. stark) übersteigen, wird eine unvollständige Verbrennung festgestellt. Wenn sowohl das Ionisierungsspannungssignal V_PEAK 455 als auch das integrierte Ionisierungsstromsignal I_INT 465 kleiner als ihre jeweiligen Grenzwerte sind, wird eine Fehlzündung konstatiert.
Der Analogsignalbearbeitungsschaltkreis, das System, und das Verfahren können auch in anderen Motordiagnosesystemen Anwendung finden, etwa der Diagnose einer offenen Sekundärspule (open-secondary winding detection), der Diagnose einer defekten Spule, der Diagnose eines defekten Ionensensoraufbaus, der Diagnose eines Eingangskurzschlusses, der Diagnose eines Banksensorkurzschlusses, und der Diagnose eines Eingangs-Batterie-Kurzschlusses.
Das Verfahren, der Schaltkreis, und das System sind in Herstellung und Handhabung kostengünstiger als herkömmliche Schaltkreise und Systeme, die Ionisierungssignale direkt abtasten. Ein separater Prozessor ist für den Abtastvorgang nicht vonnöten, da die kleinere Datenabtastrate einen kleineren Speicher sowie eine geringere Betriebsgeschwindigkeit des Hauptprozessors 330 der Antriebsstrangsteuerungseinheit (PCM) 350 erfordert. Ein Fachmann wird feststellen, dass weitere Schaltkreise und Variationen des Schaltkreises 310 der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um Ionisierungssignale aufzubereiten, und dass solche Schaltkreise sowie ihre Verfahren innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.
Die vorstehende Darlegung erläutert und beschreibt eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Darlegung sowie der anliegenden Zeichnungen und Ansprüche leicht feststellen, dass hierin verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von Geist oder Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert wird, abgewichen würde.

Claims

Ein Verfahren zur Signalbearbeitung, das folgende Schritte aufweist: a) Erfassung eines Ionisierungssignals; und b) Aufbereitung des Ionisierungssignals, wobei der Schritt der Aufbereitung des Ionisierungssignals folgende Schritte aufweist: – das Zurücksetzen eines Peakdetektors (450) und eines Ionisierungsstromintegrators (460) vor einer Zündphase (220), – das Erfassen eines Peakionisierungsspannungssignals V_PEAK (455) des Peakdetektors (450) für die Zündphase (220) sowie das Erzeugen eines integrierten Ionisierungsstromsignal I_INT (465) mittels des Ionisierungsstromintegrators (460) für die Zündphase (220), – die Ausgabe des Peakionisierungsspannungssignals V_PEAK (455) für die Zündphase (220) und des Ionisierungsstromsignals I_INT (465) für die Zündphase (220), – das Zurücksetzen des Peakdetektors (450) und des Ionisierungsstromintegrators (460); – das Erfassen des Peakionisierungsspannungssignals V_PEAK (455) des Peakdetektors (450) für eine Nachzündphase (230) sowie Erzeugen eines integrierten Ionisierungsstromsignal I_INT (465) mittels des Ionisierungsstromintegrators (460) für die Nachzündphase (230), und – die Ausgabe des Peakionisierungsspannungssignals V_PEAK (455) für die Nachzündphase (230) und des Ionisierungsstromsignals I_INT (465) für die Nachzündphase (230).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: es den weiteren den Schritt aufweist, die Zylinder eines internen Verbrennungsmotors in mindestens zwei Bänke einzuteilen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es desweiteren für jede Zylinderbank folgende Schritte aufweist: – ein Zurücksetzen des Peakdetektors (450) und des Ionisierungsstromintegrators (460) vor einem Zündfunkenereignis; – das Erfassen des Höchstwertes des Ionisierungssignals sowie die Integration desselben im Bereich des Zündfunkenereignisses; – das Zurücksetzen des Peakdetektors (450) und des Ionisierungsstromintegrators (460) vor einem Verbrennungsereignis; und – das Erfassen des Höchstwertes des Ionisierungssignals sowie die Integration desselben im Bereich des Verbrennungsereignisses.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Integrierens des Ionisierungssignals eine Impulsweitenmodulierung des Ionisierungsintegralwertes aufweist, wodurch ein Integrationsüberlauf verhindert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Impulsweitenmodulierung eine veränderliche Signalimpulsdauer einschließt, die von der Umdrehungszahl des Motors abhängt.