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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI) und insbesondere Schaltungen zum Regeln des Betriebs von HCCI-Motoren.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Bei einem HCCI-Motor werden Kraftstoff und Oxidator ähnlich wie bei einem Vergasermotor (Ottomotor) vermischt. Im Gegensatz zum Motor mit homogener Kompressionszündung, der eine elektrische Entladung verwendet, um einen Teil der Kraftstoff/Oxidator-Mischung zu entzünden, beruht ein HCCI-Motor auf einer spontanen Reaktion, wenn Dichte und Temperatur der Mischung durch Kompression angehoben werden, bis die gesamte Mischung spontan reagiert. Dies ist ähnlich wie ein Schichtladungsmotor (Dieselmotor), der auch auf einem sich aus der Kompression ergebenden Anstieg von Temperatur und Dichte beruht. Statt jedoch wie beim HCCI-Motor spontan zu sein, erfolgt die Verbrennung bei einem Dieselmotor an der Grenze der Kraftstoff/Luft-Mischung und wird durch ein Einspritzereignis hervorgerufen; es ist die Einführung von Kraftstoff in den bereits verdichteten Oxidator, welche die Verbrennung auslöst.
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Sowohl bei Motoren mit homogener Ladungsfremdentzündung als auch bei Motoren mit Schichtladung (HCSI) beginnt die Verbrennung an einer (oder eventuell einigen) Stellen und breitet sich durch die Kraftstoff/Luft-Mischung aus. Beim Ottomotor beginnt die Flamme an einem elektrischen Entladungspunkt und breitet sich durch eine vorgemischte homogene Ladung aus Luft und Kraftstoff aus. Beim Diesel-(SCCI)Motor beginnt die Flamme in der Nähe eines oder mehrerer Einspritzpunkte über eine Selbstzündung und verbreitet sich durch eine heterogene Mischung an der beweglichen Grenze der Kraftstoff/Luft-Mischung. Unter HCCI-Bedingungen wird eine homogene Mischung aus Kraftstoff, Luft und Restgasen aus vorhergehenden Zyklen verdichtet, bis es zu einer Selbstentzündung kommt. Die Verbrennung beginnt im Wesentlichen gleichzeitig an mehreren Stellen in der ganzen Verbrennungskammer und es gibt keine erkennbare Flammenausbreitung.
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HCCI-Motoren haben mehrere Vorteile: Kohlenwasserstoff- und CO-Emissionen wie bei Ottomotoren, Leistungsvermögen wie bei Dieselmotoren und Stickstoffoxid-(NOx)Emissionen, die wesentlich besser sind als bei Otto- oder Dieselmotoren. HCCI-Motoren produzieren keine Rußpartikel und können mit Benzin, Diesel-Kraftstoff und vielen alternativen Kraftstoffen funktionieren.
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Ein herausragender Aspekt der HCCI-Motoren ist, dass die Kraftstoff/Luft-Mischung nahezu gleichzeitig verbrennt, weil die Zündung an mehreren Stellen im Zylinder auf einmal beginnt. Ohne direkten Verbrennungsauslöser ist der HCCI-Vorgang definitionsgemäß nicht leicht zu regeln. Um einen dynamischen Betrieb in einem HCCI-Motor zu ermöglichen, ändert das Regelsystem die Voraussetzungen, die zur Verbrennung führen. Somit gehören zu den wichtigen Parametern, die der Motor zu regeln hat, folgende: Verdichtungsverhältnis, Temperatur des eingeführten Gases, Druck des eingeführten Gases, Kraftstoff/Luft-Verhältnis, Menge der zurückgehaltenen oder wiedereingeführten Abgase und Mischung der Kraftstoffarten.
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Ein weiterer herausragender Aspekt der HCCI-Motoren ist, dass sie einen schmalen Leistungsbereich aufweisen, weil die spontane Zündung ungefähr an einen einzigen bestimmten Arbeitspunkt erfolgt. Ein Motor mit einem einzigen Arbeitspunkt ist in einem Hybridfahrzeug sicherlich von Nutzen. Andererseits benötigen die meisten Anwendungen, dass ein Motor seine Leistungsabgabe modulieren kann, um Schwankungen der Nachfrage durch einen Bediener gerecht zu werden. Im Hochlastbetrieb kann der Motor umgeschaltet werden, um in einer Vergaser-(SI)Betriebsart zu funktionieren, wobei der HCCI-Betrieb für einen Mittellastbetrieb belassen wird.
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Aufgrund der verschiedenen Eigenschaften der HCCI- und SI-Verbrennungen sind die innermotorischen Ionisationssignale recht unterschiedlich, sowohl in Amplitude als auch in Form. Die Amplituden des Ionisationssignals während der HCCI-Verbrennung ist aufgrund der verschiedenen Verbrennungseigenschaften (oben zusammengefasst) typischerweise um mehr als zehnmal geringer als während der SI-Verbrennung. Daher ist es sehr schwierig (nahezu unmöglich), einen Ionisationsstrom während der HCCI-Verbrennungsbetriebsart unter Verwendung einer Ionisationserfassungsschaltung, die ursprünglich nur für ein Umfeld mit SI-Verbrennung ausgelegt wurde, zu erfassen.
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Aus der
DE 602 06 205 T2 ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Ionenstroms in einem Verbrennungsmotor bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode im Brennraum des Verbrennungsmotors angeordnet sind, sowie einen erfassenden Stromkreis, wobei der erfassende Stromkreis mit einem steuerbaren Mittel zur Einstellung seiner Empfindlichkeit verbunden ist. Weiterhin ist offenbart, dass eine Einstellung der Empfindlichkeit der Ionenerfassungsvorrichtung vorgesehen ist, wenn das gemessene Signal für eine wirksame Analyse zu schwach wird. Für den Fall, dass der Motor mit magerer Verbrennung betrieben wird, kann die Empfindlichkeit erhöht werden, so dass die Amplitude des Messsignals größer wird. Zur Realisierung der Einstellung der Empfindlichkeit ist ein das Ionenstromsignal analysierender Stromkreis vorgesehen, welcher basierend auf einer Amplitude des Messsignals ein logisches Signal erzeugt.
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Aus der Aus der
DE 10 2004 057 282 A1 ist ein Verfahren für eine Motordiagnose unter Verwendung eines Ionisationssignals bekannt. Vorgesehen ist es, dass gemessene Ionisationsstromsignal I
ION zum Zweck der Motordiagnose und der Verbrennungsregelung in einem Motorsteuerungsmodul (MSM) zu verarbeiten. Die im Brennraum eines Verbrennungsmotors erzeugten Ionisationsstromsignale können mit verschiedenen Verfahren gemessen und verarbeitet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur wirksamen Erfassung von Ionisationssignalen in einem Motor anzugeben, der sowohl in einer HCCI-Betriebsart als auch in einer SI-Betriebsart funktioniert.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung eine Verstärkerschaltung mit zwei wählbaren Verstärkungsfaktoren und eine Vorspannungsversorgungschaltung mit zwei wählbaren Ionisationsvorspannungen bereit, um ein Ionisationssignal zu erfassen unter Verwendung der Nennverstärkung und der Nennvorspannung, wenn der Motor in der SI-Verbrennungsbetriebsart betrieben wird, und unter Verwendung einer hohen Verstärkung und Vorspannung für die HCCI-Verbrennungsbetriebsart.
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Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein erfasstes Ionisationssignal mit einer wählbaren Verstärkung verstärkt, die durch einen Regelungseingang geregelt wird.
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Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Ionisationserfassungsvorspannung auf der Basis eines Regelungseingangs wählbar, um die Erfassbarkeit der Ionisation während des HCCI-Betriebs eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
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Nach noch einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung reagiert eine einzelne Schaltung zum Betreiben eines Ionisationsdetektors auf einen Regelungseingang, um ihre Vorspannung und ihre Verstärkung zu ändern, um wahlweise eine wirksame Erfassung der Ionisation für zwei unterschiedliche Betriebsarten eines Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
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Nach den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfasst eine Verstärkerschaltung mit zwei wählbaren Verstärkungsfaktoren ein Ionisationssignal unter Verwendung einer Nennverstärkung, wenn der Motor in der SI-Verbrennungsbetriebsart funktioniert, und unter Verwendung einer hohen Verstärkung für die HCCI-Verbrennungsbetriebsart. Ein Vorteil dieser Ionisationssignal-Erfassungsschaltung ist es, dass sie für die Erfassung eines Ionisationssignals sowohl in der HCCI- als auch in der SI-Betriebsart ohne zusätzliche Erkennungselemente nützlich ist.
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervorgehen. Die Zeichnungen, welche der ausführlichen Beschreibung beiliegen, werden nachstehend beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 ein typisches Ionisationssignal und sein entsprechendes innermotorisches Drucksignal in einer SI-Verbrennungsbetriebsart.
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2 ein typisches Ionisationssignal zusammen mit seinem entsprechenden innermotorischen Drucksignal und einer Wärmeabgaberate in einer HCCI-Verbrennungsbetriebsart.
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3 Arbeitsbereiche für SI- und HCCI-Verbrennung als Zylinderdruck gegenüber der Drehfrequenz.
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4 eine herkömmliche Systemarchitektur zur Ionisationserfassung.
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5 drei Bereiche einer typischen Ionisationssignal-Wellenform.
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6 eine Systemarchitektur zur Ionisationserfassung mit variabler Verstärkung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 eine Vorspannungsversorgung, die zum Praxiseinsatz gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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8 eine Schaltungsausführung eines Verstärkers mit zwei wählbaren Verstärkungsfaktoren zur Verwendung bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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9 eine Systemarchitektur zur Ionisationserfassung mit variabler Verstärkung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein Ionisationserfassungssystem verwendet eine Zündkerze als Sensor, um einen innermotorischen Verbrennungsvorgang zu beobachten. Zwischen dem Mittelpunkt der Zündkerze und den Masseelektroden wird eine Vorspannung angelegt und die Stromführung über den Elektrodenabstand steigt monoton mit dem im Zylinder vorliegenden Ionisationsbetrag an. Wenn der Motor in der SI-Betriebsart betrieben wird, beginnt die Flamme am Elektrodenabstand und entfernt sich nach und nach, und das Ionisationssignal kann ausführlichere Informationen über die innermotorische Verbrennung aufweisen als ein innermotorisches Drucksignal. Wenn die Last des SI-Motors hoch genug ist, ist das Ionisationssignal nützlich, um die innermotorische Druckspitze zu finden.
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Mit Bezug auf 1 wird ein typisches Ionisationssignal 110 für einen Zwei-Liter-Vier-Zylinder-SI-Motor, der bei 1500 U/min mit einem BMEP von 2,62 bar läuft, zusammen mit dem entsprechenden innermotorischen Drucksignal 120 gezeigt. Ein typisches Ionisationssignal für den Motor, der in der SI-Verbrennungsbetriebsart läuft, hat zwei Spitzen. Die erste Spitze 112 ist auf die ursprüngliche Flammenkernentwicklung direkt nach dem Zündfunken zurückzuführen. Wenn die Flammenfront die Zündkerze verlässt, reduziert sich die Amplitude des Ionisationssignals. Da der Druck in dem Zylinder schnell ansteigt, wird die verbrannte Mischung um den Elektrodenabstand herum wegen der hohen Temperatur, die sich aus der Verbrennung ergibt, wieder ionisiert, was die zweite Spitze 114 erzeugt.
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Anders als bei einem herkömmlichen SI- oder Diesel-Motor findet die HCCI-Verbrennung spontan und homogen ohne Flammenausbreitung statt. Wenn der Motor in einer HCCI-Verbrennungsbetriebsart betrieben wird, stellt das durch den Elektrodenabstand erfasste Ionisationssignal lokale Verbrennungsinformationen im Bereich der Elektroden bereit.
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Mit Bezug auf 2 wird ein typisches Ionisationssignal 210 zusammen mit seinem entsprechenden innermotorischen Drucksignal 220 und der Wärmeabgaberate 230 in einer HCCI-Verbrennungsbetriebsart gezeigt. Das Ionisationssignal 210 für den in der HCCI-Betriebsart laufenden Motor hat nur eine Spitze 212. Diese Signalspitze 212 ist auf die spontane und homogene HCCI-Verbrennung zurückzuführen. Die Eigenschaften des Ionisationssignals liegen sehr nahe an der Kurve der Wärmeabgaberate 230, die aus einem innermotorischen Drucksignal 220 berechnet wird. In der Tat sind die Spitzenpositionen 212, 232 sowohl der Ionisation als auch der Wärmeabgaberate fast gleich. Aufgrund des mageren Betriebs der HCCI-Verbrennung ist die Amplitude des HCCI-Ionisationssignals (in der Größenordnung von ein paar Dutzend Mikroampere) im Vergleich zum SI-Signal (in der Größenordnung von mehreren Hundert Mikroampere) relativ klein.
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Aufgrund des geringen Verdichtungsverhältnisses (CR) erzielen benzinbetriebene HCCI-Motoren dadurch Vorteile, dass sie die Flexibilität aufweisen, bei Hochlast auf eine SI-Betriebsart umzuschalten. Diese Möglichkeit, auf eine SI-Betriebsart zurückzugehen, hebt die HCCI-Einschränkung eines schmalen Arbeitsbereichs auf. Somit erweist sich ein Verbrennungsmotor mit zweifacher HCCI/SI-Betriebsart als sehr praktisch.
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Mit Bezug auf 3 zeigt eine Grafik des Zylinderdrucks gegenüber der Drehfrequenz die typischen Arbeitsbereiche der verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten in einem Ottomotor mit kombinierter HCCI/SI-Verbrennung. Während des Kaltstartbetriebs sollte sich eine geschichtete lokale fette Kraftstoff/Luft-Mischung in der Nähe der Zündkerze während des Verdichtungstakts bilden und dann durch den Zündfunken entzündet werden. Nach dem Warmlaufen geht der Motor in den HCCI-Verbrennungsbereich von geringer zu mittlerer Last über, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad und eine sehr niedrige NOx-Emission am Motorausgang aufzuweisen. Von der mittleren zur hohen Last läuft der Motor mit einer SI-Verbrennung für hohe Leistungsabgabe. Ein Ionisationserfassungssystem für diesen Motor sollte die Möglichkeit haben, ein Ionisationssignal sowohl für die SI- als auch für die HCCI-Verbrennungsbetriebsart zu erfassen. Wenn man die breite Varianz der Ionisationssignalgröße zwischen diesen beiden Betriebsarten in Betracht zieht, passt sich das Erfassungssystem dynamisch an, um ein Ionisationssignal auf verschiedenen Signalpegeln mit beständigem Störabstand zu erfassen. Dieses Erfassungssystem verwendet eine variable Vorspannung und variable Verstärkungen, um ein Ionisationssignal für einen HCCI-Motor zu erfassen, der alternativ in den SI- und HCCI-Verbrennungsbetriebsarten betrieben wird.
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Mit Bezug auf 4 wird ein herkömmliches Ionisationserfassungssystem gezeigt, das eine Zündspule L, einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) Q, der die Zündspule L an- und ausschaltet, eine Zündkerze SP, eine Zener-Diode D, deren Durchschlagspannung höher als die Ionisationsvorspannung ist, und einen Schließstrom-Rückkopplungswiderstand R aufweist. Die Funkenregelungsschaltung 410 regelt den IGBT Q basierend auf einem Zündregelungseingangssignal 412 auf sanft einschaltende Art und Weise. Die über den Schließstrom-Rückkopplungswiderstand R entwickelte Spannung ist zum tatsächlichen Schließstrom proportional.
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Mit Bezug auf 5 zeigt ein Wellenformdiagramm drei Bereiche eines typischen Ionisationssignals 510 als Ausgang gemäß einem Erfassungssystem, wie es in 4 gezeigt wird. Nach der absteigenden Flanke des Zündregelungseingangs 412 steigt die Spannung über den Elektrodenabstand SP plötzlich an, löst die Luft/Kraftstoff-Mischung auf und erzeugt einen Zündstrom I2, der gegen Masse fließt. Daher ist die Spannung über die Zener-Diode D während dieses Zeitraums negativ und der Ionisationsstromspiegel 420 stellt aufgrund der an die Zener-Diode D angelegten Vorspannung einen gesättigten Strom bereit. Nachdem der Zündfunken-(bzw. Zünd-)Strom abgenommen hat, stellt die Stromspiegelschaltung 420 das Verbrennungsionisationssignal bereit. Das Ionisationssignal 510 ist in drei Bereiche unterteilt, wobei der erste Bereich 512 das Schließstromsignal ist, das von dem Stromrückkopplungswiderstand R bereitgestellt wird, der zweite Bereich 514 das Funkendauersignal ist, das von der Stromspiegelschaltung während des Funkenzeitraums bereitgestellt wird, und der dritte Bereich 516 das Verbrennungsionisationssignal ist, das von der Stromspiegelschaltung 420 bereitgestellt wird. Eine Signalmischungsschaltung 430 schaltet den Ionisationsausgang auf das Schließstromsignal um, wenn die Zündregelung aktiv ist, und schaltet auf das Zündfunken- und Ionisationssignal zurück, das von der Stromspiegelschaltung 420 bereitgestellt wird.
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Mit Bezug auf 6 wird eine Systemarchitektur einer Ionisationserfassung mit variabler Verstärkung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Um ein innermotorisches Ionisationssignal sowohl während der SI- als auch der HCCI-Verbrennungsvorgänge zu erfassen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, verschiedene Ionisationsvorspannungen und Verstärkungen in verschiedenen Betriebsarten zu verwenden. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Ionisationserfassungsschaltung, die in 4 gezeigt wird, die eine Vorspannungsversorgung 610 aufweist, die auf einer Rücklaufspannung basiert, ist die Systemarchitektur aus 6 in der Lage, eine zwei wählbare Ionisationsvorspannungen bereitzustellen, die von einem externen Regelungseingang 620 geregelt wird. Die Systemarchitektur aus 6 umfasst auch einen Verstärker 630 mit zwei wählbaren Verstärkungsfaktoren, der den dritten Bereich 516 allein des Ionisationssignals verstärkt. Die Verstärkung wird von demselben externen Regelungseingang 620 geregelt wie derjenige, der die Auswahl der Vorspannungsversorgung 610 regelt. Dieser Regelungseingang 620 kann von einem Antriebsstrang-Steuerungsmodul (PCM) oder von gleichwertigen Regelungsschaltungen erzeugt und empfangen werden. Z.B. ist der Verstärkungsregelungseingang 620 während der SI-Verbrennung hoch und während der HCCI-Verbrennung tief.
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Mit Bezug auf 7 wird ein Schema einer Versorgungsschaltung 700 mit zwei wählbaren Ionisationsvorspannungen gezeigt, die zum Praxiseinsatz der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Für die Versorgungsschaltung 700 mit zwei wählbaren Ionisationsvorspannungen wird eine DC/DC-Ladepumpenschaltung 710 verwendet, um unter Verwendung einer durch eine Batterie zugeführten Spannung Vbat, die größer ist als die Summe der Durchschlagspannungen von zwei in Reihe geschalteten Zener-Dioden D1, D2, eine Vorspannung bereitzustellen. Der Ausgang der Ladepumpe 710 lädt den Kondensator C2 durch den Widerstand R1 auf und der Ionisationsvorspannungsausgang wird gemäß der Durchschlagspannung der Zener-Dioden D1, D2 bestimmt. Wenn der Verstärkungsregelungseingang tief ist (d.h. während der HCCI-Verbrennung), wird ein Schalttransistor Q1 ausgeschaltet und der Vorspannungsausgang ist gleich der Summe der Durchschlagspannungen der Zener-Dioden D1, D2. Zum Beispiel beträgt die Summe der Durchschlagspannungen der Zener-Dioden D1, D2 150 Volt. Alternativ ist, wenn der Verstärkungsregelungseingang hoch ist, der Schalttransistor Q1 angeschaltet und der Vorspannungsausgang ist gleich der Durchschlagspannung nur einer der Zener-Dioden D1, wobei der Kollektor-Emitter-Spannungsabfall über den leitfähigen Transistor Q1 im Vergleich zur Durchschlagspannung unerheblich klein ist. Zum Beispiel beträgt die Durchschlagspannung der Zener-Diode D1 100 Volt.
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Die Ionisationserfassungselektronik ist optional in der Zündspule integriert, sowohl bei Stab- als auch bei Steckzündspulen, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu maximieren. Ein guter Grund dafür ist die Tatsache, dass ein Ionisationssignal eine Amplitude in einer Größenordnung von mehreren Hundert Mikroampere aufweist, und ein langer Kabelbaum zwischen Zündkerze und Erfassungsschaltung aufgrund der umgebenden elektrischen und magnetischen Felder zusätzliches elektrisches Rauschen in das erfasste Ionisationssignal einbringen würde. Bei einer derartigen Integration ist ein Verbindungsstück mit (mindestens) fünf Stiften für die Ionisationserfassungsspule geeignet. Die fünf Leitungen sind folgende: Batteriespannung, Masse, Zündregelungseingang, Ionisationssignalausgang und Verstärkungsregelungseingang.
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Wie zuvor beschrieben, ist die Amplitude des Ionisationssignals während der SI- und HCCI-Verbrennungsbetriebsarten recht unterschiedlich. In vielen Situationen geht man davon aus, dass der Unterschied bis zum Zehnfachen reicht. Daraus ergibt sich ein Maßeinteilungsproblem für das PCM (Leistungssteuerungsmodul) beim Einlesen des Ionisationssignals in den Mikroprozessor. Eine Verstärkung des Ionisationssignals im PCM würde auch das zusätzliche Rauschen verstärken, das durch den Motorkabelbaum zwischen PCM und Zündspule eingeführt wird. Daher stellt die Verstärkung des Ionisationssignals mit der Ionisationserfassungselektronik gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis bereit.
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In 8 wird ein Schaltschema für einen Verstärker mit zwei wählbaren Verstärkungsfaktoren gezeigt, der konfiguriert ist, um sowohl den Anforderungen Spannung ein/Spannung aus als auch Spannung ein/Strom aus gerecht zu werden.
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Der Verstärker verfügt über einen Operationsverstärker OP-AMP, einen Schalter SW und einen Transistor Q2. Der Transistor Q2 ist wahlweise entweder ein bipolarer Transistor oder ein MOSFET; zum Zwecke der Erläuterung wird ein bipolarer Transistor gezeigt. Der Schalter SW kann eine mechanische Vorrichtung, eine bewegliche Drahtbrücke oder ein niederohmiger elektronischer Schalter, wie etwa ein MOSFET, sein. Die Emitterwiderstände R4, R5 sind viel größer als der Ballastwiderstand RB.
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Die Eingangsspannung Vion ist eine Spannung, die von dem Ionisationssignal Iion und einem Widerstand Rion abgeleitet wird. Wenn der Schalter SW offen ist, wird der negative Knoten des OP-AMP vom Emitter des Transistors Q2 durch den Emitterwiderstand R4 hindurch abgeleitet, so dass die Ausgangsspannung Vout Vion entspricht. Dies ist der Fall bei einer einfachen Verstärkung. Wenn der Ausgang das zum Eingang proportionale Stromsignal sein soll, dann wird der Ballastwiderstand RB gewählt, um gleich Rion zu sein.
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Wenn eine höhere Verstärkung erforderlich ist, wird der Schalter SW geschlossen. Die Ausgangsspannung Vout wird durch den Spannungsteiler herabgesetzt, der durch die Emitterwiderstände R4, R5 gebildet wird, und das Verhältnis Vout/Vion (bzw. die Verstärkung) ergibt sich aus (R4 + R5)/R5. Der verstärkte Stromausgang Iout ist gleich Vout/Rem, wobei Rem die parallele Kombination von (R4 + R5) und dem Eingangswiderstand RB ist. Somit kann man Iout folgendermaßen schreiben: Vout/Vion =
(R4 + R5)/R5 Iout =
Vout/Rem Iout = Vion × [(R4 + R5)/R5]/[(R4 + R5) × RB/(R4 + R5 + RB)], nach einer Vereinfachung, woraus sich folgendes ergibt: Iout = Vion × (R4 + R5 + RB)/(R5 + RB) oder Iout ≈ (Vion/R5) × [(R4 + R5)/RB], wenn RB << R4 + R5.
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Die Stromverstärkung (GI) ergibt sich daher aus: GI = [Vion × (R4 + R5)/R5/RB]/[Vion/RB] = (R4 + R5)/R5.
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Es ist zu beachten, dass durch das Hinzufügen von weiteren Schaltern und Spannungsteilern zur Emitterlast des Transistors Q2 die Verstärkung der Ionisationssensorschaltung wahlweise drei oder mehrere wählbare Verstärkungseinstellungen haben kann.
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Mit Bezug auf 9 wird eine andere Durchführungsarchitektur einer Ionisationserfassungsschaltung mit variabler Vorspannung und Verstärkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Fall bleibt die Vorspannungsversorgung 910 unverändert, anders als in 6, und die Verstärkung des Ionisationssignals wird von einer getrennten Schaltung in die Spiegelstromschaltung zur Ionisationserfassung 920 verlegt.
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Die Regeleingänge des Verstärkers mit zwei wählbaren Verstärkungsfaktoren sind ein Regelungseingang und ein Verstärkungsregelungseingang. Um eine einfache Verstärkung während des Schließzeitraums beizubehalten, ist der Schalter SW geöffnet, ganz gleich welcher Verstärkungsregelungseingang vorliegt. Der Schalter SW wird nur geschlossen, wenn der Verstärkungsregelungseingang hoch (aktiv) und der Regelungseingang tief (inaktiv) ist.
