DE19581041C2

DE19581041C2 - Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19581041C2
Application number: DE19581041T
Authority: DE
Inventors: Hans Johansson; Jan Nytomt
Original assignee: Mecel AB
Current assignee: Hoerbiger Kompressortechnik Holding GmbH
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: SE9402686D0; SE9402686L; DE19581041T1; SE503171C2; WO1996005427A1; US5676113A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das im Oberbegriff von Anspruch 1 näher beschrieben ist.

STAND DER TECHNIK

Die Konzeption von Verbrennungsmotoren strebt die maximal erzielbare Arbeit aus jeder zugeführten Kraftstoffmenge an. Bei Kolbenmotoren sollte der Beginn der Verbrennung in dem Zeitpunkt liegen, in dem der Verbrennungsdruck hinsichtlich Amplitude und Kurbelwellenstellung optimiert ist, so daß der Verbrennungsmotor ein maximales positives Drehmoment liefert. Aus der US,A,4417556 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit Hilfe eines Ionisationssensors im Brennraum die Spitzenposition des Verbrennungsdrucks erfaßt wird. Es wird angenommen, daß die Spitzenposition des Ionisationsstroms mit der Spitzenposition des Verbrennungsdrucks zusammen fällt. Durch die Steuerung der Kurbelwellenstellung des Verbrennungsmotors und die Bestimmung, wann sich das Vor zeichen der ersten Ableitung des Ionisationsstroms ändert, wird die Spitzenposition des Drucks bestimmt, und wenn die bestimmte Spitzenposition des Drucks von einem vorgegebenen Zielwert abweicht, wird der Zündzeitpunkt korrigiert.

Die US,A,4535738 beschreibt eine Weiterentwicklung des in der US,A,4417556 beschriebenen Verfahrens, bei dem außerdem eine schwache diagnostische Entladung der normalen Zünd kerze vor der Erzeugung der normalen Zündentladung verwen det wird, wobei die schwächere diagnostische Entladung dazu dient, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront vorherzusagen und in Abhängigkeit von der vorhergesagten Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Korrektur des Zündzeitpunktes vorzunehmen.

Bei den in der US 4 535 738 und der US 4 417 556 beschriebenen Lösungen ergeben sich Probleme bei der Anwendung auf Serienmo toren, da die Betriebsbedingungen dieser Motoren aufgrund der unterschiedlichen Kraftstoffe Änderungen unterworfen sind. Das durch den Ionisationsstrom gebildete Signal ist unter tatsäch lichen Betriebsbedingungen, insbesondere bei niedriger Last und im Leerlauf, ein sehr instabiles Signal mit mehreren lokalen Minimal- und Maximalwerten, so daß sich das Vorzeichen der ersten Ableitung mehrmals ändert. Starke Schwankungen zwischen aufeinanderfolgenden Verbrennungsvorgängen, die sogar in ein und demselben Zylinder bei konstanter Lastdrehzahl und konstan ter Menge des zugeführten Kraftstoffs eintreten, und harte Verbrennungen führen zu einer Auslenkung der Spitzenposition des Ionisationsstroms von bis zu 10° Kurbelwellenwinkel gegen über der Spitzenposition des Verbrennungsdrucks.

Gemäß der DE 32 10 810 A1 und der DE 32 49 614 C2 erfolgt die Steuerung des Zündzeitpunktes eines Verbrennungsmotors, indem die Stellung eines Kolbens in einem Verbrennungsraum des Ver brennungsmotors zu dem Zeitpunkt erfaßt wird, an dem eine Flammenfront an einem bestimmten Punkt in dem Brennraum an kommt. Dies wird mittels eines Flammenfrontfühlers festge stellt. Befindet sich zu diesem Zeitpunkt der Kolben außerhalb eines vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereichs, wird der Zünd zeitpunkt solange verstellt, bis die Ankunft der Flammenfront an dem bestimmten Punkt zumindest ungefähr in den Zeitraum fällt, in dem sich der Kolben in dem vorbestimmten Bereich befindet. Ausgenutzt wird die Tatsache, daß zum Zeitpunkt der Ankunft der Flammenfront an dem bestimmten Punkt ein von der Flammenfront verursachter Ionisationstrom ansteigt. Wenn der Ionisationstrom einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird ein elektrischer Impuls erzeugt. Die Zündzeitpunkt verstellung erfolgt nun derart, daß das zeitliche Auftreten des Impulses in den Zeitraum fällt, in dem die Stellung des Kolbens in dem vorbestimmten Bereich liegt. Schwankungen des Verlaufs der Ionisationsströme werden bei diesem Vorgehen nicht berück sichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes eines Verbrennungsmotors anzugeben, mit dem sich die im Verbrennungsmotor ablaufenden Verbrennungs vorgänge feinfühliger, effektiver und nicht zuletzt zuverlässi ger steuern lassen. Wie bei den eingangs genannten, bekannten Verfahren soll dabei ein in einem Meßspalt, der in einem Ver brennungsraum des Verbrennungsmotors angeordnet ist, gebildeter Ionisationsstrom als Meßgröße herangezogen werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, daß die im Patentanspruch 1 angegebenen Schritte aufweist.

Durch die Verwendung eines integrierten Wertes des für den Ionisationsstrom repräsentativen Parameters wird ein für eine große Anzahl von Betriebsfällen anwendbares Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes bereitgestellt.

Der auf der Integration basierende Wert reagiert deutlich weniger empfindlich auf kurze Schwankungen des durch den Ioni sationsstrom gebildeten Signals, die oft bei niedrigen Drehzah len und niedriger Last auftreten, wo die Verbrennung ziemlich instabil ist.

Der Ionisationsstrom kann also bei Fahrzeugmotoren, die großen Schwankungen von Drehzahl und Last unterliegen, mit einem höheren Grad an Zuverlässigkeit und einem größeren Regelbereich innerhalb des Betriebsbereichs des Verbrennungsmotors zum Steuern des Zündzeitpunktes herangezogen werden.

Bei einem ersten alternativen Verfahren entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 2 wird das aus dem Integral be rechnete Massenzentrum als Basis zum Steuern des Zündzeitpunktes verwendet. Das Massenzentrum aus dem In tegral entspricht für eine hohe Anzahl von Drehzahl- und Lastbereichen der Spitzenposition des Verbrennungsdrucks.

Bei einem zweiten alternativen Verfahren entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 4 verwendet man eine Integration, bei der auch die Mechanik des Verbrennungsmotors ein Faktor ist, um einen repräsentativen integrierten Wert des an die Kurbelwelle übertragenen Drehmoments zu erhalten. Die Opti mierung dieses Wertes führt zu einer entsprechenden Opti mierung des erhaltenen Drehmoments.

Andere wesentliche Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Kennzeichen der anderen Ansprüche und der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, wobei sich die Beschreibung auf die nachfolgend aufgelisteten Figuren bezieht.

FIGUREN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Zünd systems des kapazitiven Typs mit der erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 zeigt die Geometrie des Verbrennungsmotors, die in einem alternativen Ausführungsbeispiel verwendet wird, um das an die Kurbelwelle übertragene Drehmoment in Abhän gigkeit von der Mechanik zu optimieren;

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer zweiten Optimierungs-Steuerschaltung; und

Fig. 4 zeigt eine idealisierte Darstellung der Beziehung zwischen dem Ionisationsstrom und dem Zylinderdruck.

BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Zündsystem ist vom selben kapazitiven Typ wie das in der EP,B,188180 und in der SE,C,457831 beschriebene und ist für einen Mehrzylin dermotor des Otto-Typs vorgesehen, obwohl nur zwei Zünd kerzen 2, 3 für die Zylinder des Motors dargestellt sind. Das System enthält eine Ladeschaltung 4, die ihre Versor gungsspannung von einer Niederspannungsquelle 5, z. B. einer 12-V-Batterie erhält. Nach dem Hochtransformieren liefert die Ladeschaltung 4 eine Spannung von ca. 400 V an eine Leitung 10, an der außerdem ein Kabel 11 zu einem Ladekon densator 15 angeschlossen ist, der seinerseits an Masse liegt. Dieser Kondensator ist also auf ca. 400 V geladen und steht über die Leitung 10 mit parallel geschalteten Primärwicklungen 12, 13 von Zündspulen in Verbindung, deren Anzahl der Anzahl der Zylinder des Motors entspricht. Jede Primärwicklung 12, 13 ist mit einer Leitung 20 bzw. 21 ver bunden, die wiederum über einen Thyristor 22 bzw. 23 mit Masse in Verbindung steht. Über Signale auf Leitungen 24 bzw. 25 können die Thyristoren 22, 23 die Verbindung der Primärwicklung 12 bzw. 13 nach Masse durchschalten, wobei die Leitungen 24, 25 von einer Zündzeitpunkt-Verstellein heit 6 kommen, die im folgenden als Verstelleinheit be zeichnet wird. Diese erhält über Leitungen 7, 8, 9, 64 Ein gangssignale hinsichtlich der Motordrehzahlen, Last, Win kelstellung der Kurbelwelle und der Motortemperatur und erzeugt nach der Verarbeitung der Signale in einem mikro prozessorgestützten System, das in der Verstelleinheit ent halten ist, Ausgangssignale als Antwort auf diese Eingangs signale. Wenn die Verbindung der Primärwicklungen 12, 13 als Folge eines an den Thyristor 12 bzw. 13 geschickten Verstellsignals nach Masse durchgeschaltet wird, wird der Kondensator über die Leitung 20 bzw. 21 nach Masse entla den. Die entsprechende Primärwicklung indiziert dann eine hohe Zündspannung (ca. 40 kV) in ihrer entsprechenden Se kundärwicklung 30 bzw. 31. Die Sekundärwicklung ist in einem Zündstromkreis 32 bzw. 33 enthalten, die eine Span nung an die Zündkerze 2 bzw. 3 liefert, um das in den je weiligen Brennraum eingespeiste Kraftstoff-/Luftgemisch zu zünden.

Das negative Ende der Sekundärwicklung 30 bzw. 31 steht mit der Mittelelektrode der Zündkerze 2 bzw. 3 in Verbindung, so daß diese Elektrode einen ersten negativen Zündimpuls zur Bildung eines zur Masseelektrode der Zündkerze über springenen Funkens erhält. Das andere positive Ende 34 bzw. 35 der Sekundärwicklung 30 bzw. 31 ist über eine Leitung 36, die ein Meßgerät 29 enthält, geerdet.

Mit dem zuletzt genannten Gerät ist u. a. ein Meßkondensator 40 verbunden, der mit drei parallelen Leitungen 37, 38, 39 in Reihe geschaltet ist, wobei jede der Leitungen die Mas severbindung herstellt und außerdem, wie nachstehend erläu tert, mit einer ersten Detektoreinheit 50 und einer zweiten Detektoreinheit 70, die in dem Meßgerät 29 enthalten sind, zusammenwirkt.

In der Ladeschaltung 4 wird eine Spannung zum Laden des Kondensators erzeugt. Diese Spannung wird in einem Span nungsteiler mit zwei zwischen der Ladeschaltung 4 und Masse in Reihe geschalteten Widerständen 60, 61 verwendet. Der Widerstandswert der Widerstände 60, 61 ist so gewählt, daß eine vorgegebene konstante Spannung im Bereich zwischen 70 und 400 V an einem Verbindungspunkt 62 zwischen den Wider ständen erhalten wird. Der Verbindungspunkt 62 ist über eine Leitung 14 und eine angeschlossene Diode 16 mit einer Leitung 36 zur Spannungsversorgung des Meßkondensators 40 verbunden. Der Verbindungspunkt 62 ist außerdem über einen Transistor 63, dessen Basis mit der Verstelleinheit 6 ver bunden ist, mit Masse verbunden.

Von den nach Masse führenden und mit dem Kondensator 40 verbundenen Leitungen 37, 38, 39 enthält die Leitung 37 eine Schottky-Diode 27, deren Kathode mit einem Spannungs stabilisator 46 verbunden ist, der als Niederspannungs quelle dient und über eine Leitung 44 mit Masse verbunden ist. Dieser Spannungsstabilisator ist außerdem über eine Leitung 47 mit der Niederspannungsquelle 5 verbunden, die außerdem die Ladeschaltung 4 versorgt.

Zwischen Widerständen 41, 42 mündet eine Leitung 49 vom Spannungsstabilisator, und zwischen Widerständen 42, 43 wird eine Spannung über eine Leitung 51 an die erste Detek toreinheit 50 übertragen. Die Leitung 51 überträgt eine Re ferenzspannung an die erste Detektoreinheit 50, während eine Leitung 52 die Spannung zwischen dem Kondensator 40 und dem Widerstand 41 als tatsächlichen Wert an die erste Detektoreinheit 50 und die zweite Detektoreinheit 70 über trägt.

Zwischen dem Referenzwert auf der Leitung 51 und dem tat sächlichen Wert auf der Leitung 52 findet in einem in der ersten Detektoreinheit enthaltenen Komparator (nicht dar gestellt) ein Vergleich statt.

Ein Signal von einer Meßfenstereinheit 17 wird über eine Leitung 53 ebenfalls an die erste Detektoreinheit ge schickt. Die Meßfenstereinheit erhält über eine Leitung 18 von der Verstelleinheit 6 ein Eingangssignal bezüglich des Zeitpunkts für das Auslösen des Zündimpulses und über eine Leitung 19 ein Eingangssignal bezüglich der vorliegenden Winkelstellung der Kurbelwelle. Das Ausgangssignal der Ein heit 17 auf der Leitung 53 repräsentiert diejenigen Berei che des Kurbelwellenwinkels, die sog. Meßfenster, mitels derer die erste Detektoreinheit 50 entscheidet, ob in den Zündstromkreisen 32, 33 ein Ionisationsstrom fließt oder nicht.

Die erste Detektoreinheit 50 schickt also über Leitungen 54, 55 Ausgangssignale, die entweder den "erkannten" oder den "nicht erkannten" Ionisationsstrom während verschie dener Meßfenster repräsentieren, womit z. B. auf der Leitung 54 Vorzünden und auf der Leitung 55 Verbrennungsklopfen signalisiert wird, wobei das Verbrennungsklopfen während der späteren Phase des Ionisationsstroms, d. h. während der sog. Nachionisationsphase, auftritt.

Die zweite Detektoreinheit 70 ist parallel zur ersten De tektoreinheit 50 in der Leitung 52 geschaltet, auf der der momentane tatsächliche den Parameter des Ionisationsstroms repräsentierende Wert vorliegt, in diesem Fall ein verrin gertes Spannungspotential, wobei die Spannungsverringerung proportional zum Anstieg des Ionisationsstroms ist. In der zweiten Detektoreinheit 70 wird das Ionisationsstromsignal verarbeitet, was eine Korrektur des Zündzeitpunkts gestat tet, um die optimale Leistung aufrechtzuerhalten. Im ersten Teil 71 der zweiten Detektoreinheit ist ein Integrator vor gesehen, der eine Integration des tatsächlichen Wertes aus führt, wenn ein Signal auf der Leitung 80 von der Meßfen stereinheit 17 meldet, daß die zweite Detektoreinheit mit der Integration beginnen soll, d. h., daß der korrekte Be reich des Kurbelwellenwinkels vorliegt. Danach wird das Massenzentrum aus dem Integral berechnet, das bei einem ersten Ausführungsbeispiel dem Kurbelwellenwinkel entspre chen könnte, wobei Anteile des integrierten Wertes auf bei den Seiten des Massenzentrums einander entsprechende Werte haben. Zur Bestimmung der relativen Position jedes inkre mental integrierten Wertes des Ionisationsstroms bezogen auf den aktuellen Kurbelwellenwinkel erhält die Schaltung 70 ein Eingangssignal über eine Leitung 87.

Nach der Bestimmung des Massenzentrums durch die Schaltung 70 wird ein Signal entsprechend der aktuellen Position des Massenzentrums über eine Leitung 81 an einen Komparator 72 abgesetzt. In dem Komparator wird die aktuelle Position des Massenzentrums mit einem Zielwert verglichen, wobei der Zielwert über eine Leitung 82 von einer Schaltung 74 erhal ten wird, die einen Speicher mit einer Karte vorgespeicher ter optimaler Zielwerte für die Kurbelwellenwinkelposition des Massenzentrums in Abhängigkeit von verschiedenen Motor parametern, bei denen es sich vorzugsweise um empirisch be stimmte Zielwerte für den jeweiligen Motortyp handelt, ent hält. Der Zielwert ändert sich in Abhängigkeit von minde stens der aktuellen Motordrehzahl und Motorlast, wobei die se Parameter von der Schaltung 74 an den Eingangsanschlüs sen 85, 86 erfaßt werden. Auch andere Motorparameter, wie beispielsweise Motortemperatur, aktuelle Drosselklappen stellung, Kaltstartbedingungen (inaktiver katalytischer Reaktor) und Kickdown-Stellung des Gaspedals könnten den Zielwert beeinflussen. Der Komparator überträgt über eine Leitung 83 ein Signal, das proportional zur erkannten Dif ferenz zwischen der aktuellen Position des Massenzentrums und dem Zielwert für den verwendeten Motortyp ist, wobei der Zielwert von der Schaltung 74 erhalten wird.

Der Korrekturbetrag des Zündzeitpunkts, der in Abhängigkeit von dem Signal auf der Leitung 83 eingestellt werden soll te, wird danach in der Schaltung 73 bestimmt. Die Schaltung könnte "intelligente" Einrichtungen für die Korrektur ent halten, in denen z. B. eine Mittelwertbestimmung der Diffe renz zwischen dem aktuellen Wert und dem Zielwert über eine vorgegebene Anzahl von Zyklen erfolgt, wodurch sich eine allmähliche und weiche Regelung ergibt.

In Abhängigkeit von der vorliegenden Differenz zwischen den aktuellen Wert und dem Zielwert setzt die Schaltung 73 über eine Leitung 84 ein Korrektursignal für den Zündzeitpunkt an die Verstelleinheit 6 ab. Die Karte mit den Zündzeit punkten könnte entweder von dem Korrektursignal für den Zündzeitpunkt aktualisiert werden, was vorzuziehen ist, wenn sich das System den allmählichen Änderungen des Motors und seiner Hilfssystem anpassen soll, oder wahlweise wird das Korrektursignal für den Zündzeitpunkt bis zum Abschal ten des Motors, wonach der Motor möglichst unter neuen Be dingungen, wie ein Wechsel des Kraftstoffs oder neue bzw. nachgestellte Zündkerzen neu gestartet werden sollte, als anpaßbarer Korrekturwert für den Zündzeitpunkt, der den die Zeitpunkte der nachfolgenden Zündungen aus der Basiskarte für die Zündzeitpunkte beeinflussenden Änderungen unter liegt, vorübergehend gespeichert.

Fig. 2 zeigt die Geometrie des Verbrennungsmotors, die in einem alternativen Ausführungsbeispiel vorteilhaft ist, um das auf die Kurbelwelle in Abhängigkeit von der Mechanik übertragene Drehmoment zu optimieren. Dieses alternative Ausführungsbeispiel verwendet nicht die Funktion des Ziel wertes des Massenzentrums, wobei dieser Zielwert in einer empirisch ermittelten Karte in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung 74 gespeichert ist.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem in einem Brennraum angeordneten Kolben mit einer daran be festigten Kolbenstange (L), einem Kurbelwellenwinkel (θ) und einer Kurbellänge (R). Der im Brennraum herrschende Druck P beaufschlagt die Oberfläche A des Kolbens, woraus sich folgendes ergibt:

auf den Kolben wirkende Kraft F_k = P . A;
Kraft entlang der Kolbenstange F_s = F_k/cos(θ);
Hebelarm m = R . sin(θ + ϕ);
aus der Verbrennung auf die Kurbelwelle übertragenes Drehmoment M = F_s . m = P . R . A . cos(θ) . sin(θ + ϕ);
und durch Verwendung trigonometrischer Beziehungen:

Daraus folgt, daß das Drehmoment M nur vom Kurbelwellenwin kel ϕ abhängt, d. h.

Der Ionisationsstrom wird wie zuvor erwähnt durch Anlegen einer konstanten Vorspannung zwischen 70 und 400 V über einen im Brennraum angeordneten Meßspalt, vorzugsweise den Elektrodenspalt der Zündkerzen, gemessen. In Abhängigkeit u. a. von der Temperatur- und Druckschwankung im Brennraum während des Verbrennungsprozesses ergibt sich eine varie rende Leitfähigkeit für einen Strom über den Meßspalt. Die ser Strom wird als Ionisationsstrom bezeichnet. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß von 0° (Kurbelwellenwinkel), d. h. wenn der Kolben die obere Totpunktstellung einnimmt, und darüber eine sehr gute Übereinstimmung mit der Druckkurve P vor liegt. Dies ist eine idealisierte Verbrennung im Teillast bereich, in dem ein stabiler Ionisationsstrom J mit einem ziemlich deutlich ausgeprägtem Maximum nach der oberen Tot punktstellung bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° vorliegt. Der Ionisationsstrom, der sich hier ebenso wie in Zusammen hang mit Fig. 1 beschrieben als Spannungsverringerung dar stellt, weist bei einer Kurbelwellenstellung von -30° auf grund der Aktivierung eines Transistors eine Auslenkung auf.

Bei einer Kurbelwellenstellung von -23° wird der Funken ausgelöst und eine Flamme im Elektrodenspalt der Zündkerze gebildet, die kurz danach bei einer Kurbelwellenstellung von -10° eine sehr starke Ionisation verursacht. Bis zu einer Kurbelwellenstellung von 0° unterliegt der Ionisa tionsstrom neben der Ionisierung durch die Flamme, d. h. dem tatsächlichen Funken, der Überlagerung durch den Druck, und die Flamme zwischen den Elektroden der Zündkerze ionisiert das Kraftstoff-/Luftgemisch und erhöht die Leitfähigkeit im Meßspalt und damit auch den Ionisationsstrom.

Diese oft unerwünschten "Störungen" des Ionisationsstroms können jedoch durch numerische Methoden oder durch die Nä herung des Ionisationsstroms an die obere Totpunktstellung beseitigt werden. Bei einer Alternative könnten zur Berech nung des Drucks vor der Stellung im Zündzeitpunkt verwendet werden. Dieser Druck hängt von der Auslegung des Motors, d. h. dem Verdichtungsverhältnis und dem Kurbelwellenwinkel ϕ, ab. Wenn mit verschwindender Ionisation durch die Flamme der Druck im Ionisationsstrom den Vorrang übernimmt, was während der Spätphase der Bildung des Ionisationsstroms, d. h. während der Nachionisationsphase, eintritt, weisen die Kennwerte des Ionisationsstroms eine gute Übereinstimmung mit dem aktuellen Druck P im Zylinder auf, der nach der oberen Totpunktstellung bei einer Kurbelwellenstellung von 0° vorliegt. Man erhält den Ausgangspunkt, ab dem der Ioni sationsstrom mit dem Druck übereinstimmt, indem man fest stellt, wann sich das Vorzeichen der ersten Ableitung des Ionisationsstroms ändert. Um vor dem Ausgangspunkt eine Übereinstimmung zwischen Ionisationsstrom und Druck zu er halten, wird ein korrigierter Ionisationsstrom in Abhängig keit von der Auslegung des Motors, d. h. dem Verdichtungs verhältnis und dem Kurbelwellenwinkel ϕ, numerisch berech net und eine Näherung an die Amplitude des Ionisations stroms im Ausgangspunkt vorgenommen.

Die Kurve des Ionisationsstroms kann wahlweise bis hin zur oberen Totpunktstellung angenähert werden, indem das Ioni sationsstromsignal zeitlich rückwärts ab einem Punkt kurz nach der oberen Totpunktstellung bis zum Zündzeitpunkt, in dem ein Nullwert des Ionisationsstroms angenommen werden kann, interpoliert wird.

Zur weiteren Berechnung wird entweder der numerisch berech nete oder der angenäherte Ionisationsstrom in dem Bereich der Kurbelwellenstellungen zwischen dem Zündzeitpunkt und der oberen Totpunktstellung verwendet.

Nach der oberen Totpunktstellung wird das tatsächlich er faßte Ionisationsstromsignal verwendet.

Der Anteil des numerisch berechneten oder angenäherten Ionisationsstroms vor der oberen Totpunktstellung ist weni ger wichtig, da dieser Anteil nach dem Ausfiltern der Stö rungen verglichen mit der Amplitude des Ionisationsstroms nach der oberen Totpunktstellung eine erheblich niedrigere Amplitude hat, so daß der numerisch berechnete oder ange näherte Ionisationsstrom vor der oberen Totpunktstellung einen annehmbaren Näherungswert darstellt.

Das an die Kurbelwelle übertragene Drehmoment ergibt sich wie zuvor ausgedrückt zu:

J(ϕ) kann jedoch P(ϕ) ungefähr entsprechen, d. h. der Ioni sationsstrom als Funktion des Kurbelwellenwinkels kann den Druck als Funktion des Kurbelwellenwinkels ersetzen, so daß das Drehmoment M anstelle des Drucks P vom Ionisationsstrom J abhängt, wodurch:

oder das Drehmoment kann zwischen zwei Winkeln ϕ₁ und ϕ₂ integriert werden, d. h. das vorliegende Meßfenster wird ausgedrückt als:

Bei der zuvor beschriebenen numerischen Berechnung oder Näherung des Ionisationsstroms im Bereich der Kurbelwel lenstellung zwischen ϕ₁ und 0°, wobei ϕ₁ eine Kurbelwel lenstellung zwischen 40° und 60° vor der oberen Totpunkt stellung ist, kann das vorliegende Meßfenster ϕ₁-ϕ₂ in Wirklichkeit einem Bereich der Kurbelwellenstellungen von 0° bis ϕ₂ entsprechen, wobei ϕ₂ einer Kurbelwellenstellung zwischen 30° und 90° nach der oberen Totpunktstellung ent spricht.

Die Steuerung des Zündzeitpunkts ist so vorzunehmen, daß der Wert des Integrals maximiert wird:

so daß das optimale Drehmoment vom Motor erhalten wird. Es könnten natürlich einige einschränkenden Bedingungen imple mentiert sein, um die auf den Motor wirkende Last zu ver ringern, wodurch die Lebendauer verlängert und das Verbren nungsgeräusch verringert wird. Diese einschränkenden Bedin gungen könnten Grenzen für die Vorverlegung des Zündzeit punktes setzen, d. h. der maximal und minimal zulässigen Vorverlegung des Zündzeitpunktes, wobei die einschränkenden Bedingungen von Motorparameter, z. B. der Drehzahl, Last und Temperatur des des Motors abhängen können.

Fig. 3 zeigt eine alternative Lösung für die zweite Detek toreinheit 70, die hier mit 70a gekennzeichnet ist, und die darstellt, wie die Lösung zur Maximierung von

grundsätzlich implementiert werden könnte. Ein Schaltung 90 ist auf dieselbe Weise wie in Fig. 1 gezeigt mit der Lei tung 52 verbunden, auf der der vorliegende tatsächliche Wert des Ionisationsstroms hier in Form einer verringerten Vorspannung liegt, wobei sich die Verringerung proportional zum Anstieg des Ionisationsstroms verhält. Bei dieser al ternativen Detektoreinheit 70a beeinflußt der Ionisations strom die Korrektur des Zündzeitpunktes in gleich großen Inkrementen ΔIgnP und in derselben Richtung der Schritte, so lange wie das Integral

eine ansteigende Tendenz hat, d. h. der tatsächliche Wert des Integrals höher ist als die Werte aus vorangegangenen Zündereignissen. In einem ersten Teil 90 der alternativen Detektoreinheit 70a wird das Integral

berechnet, wenn ein auf der Leitung 80 vom Meßfenster 17 erscheinendes Signal anzeigt, daß die Detektoreinheit 70a mit der Integration beginnen soll, d. h., daß der interes sierende Bereich der Kurbelwellenwinkel vorliegt. Die Schaltung 90 erhält außerdem Informationen hinsichtlich der aktuellen Kurbelwellenstellung über eine Leitung 87, um diese Berechnung ausführen zu können.

Nach der Berechnung des tatsächlichen Wertes wird dieser in einem Speicher 91 gespeichert, in dem eine spezielle Spei cheradresse den neuesten integrierten Wert enthält, und andere Speicheradressen Werte aus einer Anzahl n, entspre chend 5 bis 30 der unmittelbar vorangegangenen Zündereig nisse, vorhergegangener Zündereignisse enthalten. Soll der neueste Wert gespeichert werden, so wird jeder Wert der Speicheradressen in zeitlicher Reihenfolge versetzt, wo durch der älteste Wert verschwindet.

Wenn der Integrator 90 einen neuen Wert berechnet und dann im Speicher 91 gespeichert hat, wird ein Signal für einen Komparator 92 auf einer Leitung 95 erzeugt, worauf der Kom parator dann den neuesten berechneten Wert mit den im Spei cher 91 aus vorangegangenen Zündereignissen gespeicherten Werten vergleicht. In einem alternativen Ausführungsbei spiel könnten die Werte aus vorangegangenen Zündereignis sen, anstatt unter individuellen Speicheradressen gespei chert zu werden, einen Mittelwert bilden, der unter einer einzigen Speicheradresse gespeichert wird. Hat der inte grierte Wert eine ansteigende Tendenz, so wird ein Signal an eine Verstelleinheit 93 für den Zündzeitpunkt geschickt, das anzeigt, daß die durchgeführte Korrektur ΔIgnP des Zündzeitpunktes bezüglich der Richtung (zunehmende oder abnehmende Vorverlagerung der Zündzeitpunktes) und evtl. auch bezüglich der Schrittgröße beibehalten werden soll. Hat der integrierte Wert dagegen eine abnehmende Tendenz, dann wird das Signal an die Verstelleinheit 93 für den Zündzeitpunkt geschickt, was bedeutet, daß die Korrektur ΔIgnP des Zündzeitpunktes bezüglich der Richtung geändert werden soll, d. h., wenn die zuvor durchgeführte Korrektur des Zündzeitpunktes in Vorwärtsrichtung erfolgte, was einer Zunahme der Vorverlagerung des Zündzeitpunktes entspricht, dann wird die Korrektur des Zündzeitpunktes geändert, so daß statt dessen die Vorverlegung des Zündzeitpunktes ver ringert wird.

Die Korrektur ΔIgnP des Zündzeitpunktes erfolgt vorzugswei se in inkrementalen Schritten in der Größenordnung einiger Vielfacher von 10 oder Teilen davon der Kurbelwellenwinkel. Die Optimierung des Zündzeitpunktes auf eine Kurbelwellen stellung mit maximal erzielbarem Drehmoment erfolgt dann relativ langsam und wird nicht in nennenswertem Umfang be einflußt, wenn gelegentliche ungleichmäßige Verbrennungen auftreten. Wird die Korrektur des Zündzeitpunktes bei spielsweise in Schritten von 0,01° Kurbelwellenwinkel vor genommen, werden mehr als 100 Verbrennungsvorgänge benö tigt, um eine Gesamtkorrektur des Zündzeitpunktes entspre chend 1° Kurbelwellenwinkel zu erreichen, vorausgesetzt, daß das Integral während dieser Verbrennungsvorgänge kon tinuierlich und aufgrund der eingeleiteten Korrektur des Zündzeitpunktes zunimmt. Läuft ein Vierzylinder-Viertakt motor mit 6000 U/min. so werden bei Korrekturschritten von je ΔIgnP = 0,01° pro Verbrennungsvorgand und bei einer Kor rektur des Zündzeitpunktes für jeden Zylinder zwei Sekunden vergehen, bevor eine Korrektur des Zündzeitpunktes von 1° Kurbelwellenwinkel ausgeführt worden ist. Auf diese Weise wird eine nachlaufende Regelung vermieden, wie sie bei grö ßeren Schritten vorkommt, wenn bei den Verbrennungsvorgän gen gelegentliche Störungen eintreten. Eine relativ schnel le Anpassung des optimalen Zündzeitpunktes wird erzielt, wenn der Motor Verschleiß oder anderen externen Einflüssen ausgesetzt ist, die die Verbrennungsbedingungen im Zylinder ändern, oder wenn auf einen anderen Kraftstofftyp gewech selt worden ist als der, für den die grundlegende Karte der Zündzeitpunkte optimiert worden war.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen kapa zitiven Typ Zündsystem und legt dar, wie der Ionisations strom erfaßt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Anwendung bei kapazitiven Zünd systemen beschränkt und kann auch bei induktiven Zündsyste men eingesetzt werden, wo die gesamte Spannungserhöhung in einem Schritt von 12 V ausgehend bis zu 30-40.000 V mit tels Schalteinrichtungen des IGBT-Typs (Insulated Gate Bipolar Transistor - Isolierschicht-Bipolartransistor) zur Abwicklung der Stromregelung erfolgt, wobei diese Schalt einrichtungen den induktiven Zündsystemen auftretenden hohen Strömen mit entsprechend schneller Anstiegszeit der Zündspannung standhalten können.

Eine schnelle Anstiegszeit der Zündspannung ist eine Vor aussetzung für einen nichtkonfigurierbaren Funken, d. h. einen Funken mit konstanter Funkenenergie, der den Ioni sationsstrom nach der oberen Totpunktstellung auch bei hohen Drehzahlen nicht beeinflußt. Wahlweise könnte ein konfigurierbarer Funke verwendet werden, der bei niedri geren Drehzahlen eine längere Standzeit evtl. durch wie derholtes Auslösen von Funken erhält.

Die in Fig. 1 und 3 dargestellten Schaltungen sind der Übersichtlichkeit halber als getrennte Module dargestellt, könnten jedoch auch als analoge oder digitale Schaltungen implementiert werden, die speziell für die entsprechende erforderliche Funktion ausgelegt sind. Die integrierte Schaltung könnte z. B. aus diskreten Komponenten bestehen, wobei die Integration in einer Schaltung auf Kondensator basis verwirklicht ist und die kontinuierlich gespeicherte Energie dem aus der Integration aufaddierten Wert ent spricht. Bei einer realen Implementierung sind alle Funk tionen vorzugsweise in einer mikrocomputergestützten Ein heit integriert, wobei der Computer die Werte kontinuier lich evtl. unter Steuerung von Interrupt-Routinen, die im Moment der Aktivierung der Meßfenster angesteuert werden, integriert und speichert.

Die obenbeschriebenen Verfahren bedienen sich des erfaßten tatsächlichen Kurbelwellenwinkels als Basis für die Inte gration und Korrektur. Bei einem äquivalenten Regelungs verfahren könnte statt dessen die Zeit als Basis verwendet werden, während beispielsweise der Zündzeitpunkt oder ande re Synchronisierungsimpulse vom Kurbelwellensensor als Re ferenz zum Auslösen des Beginns der Integration oder Kor rektur verwendet werden könnten. Bei jeder erfaßten Dreh zahl stellt dann die Zeit einen für den Kurbelwellenwinkel repräsentativen Wert in derselben Weise wie für einen tat sächlich erfaßten Kurbelwellenwinkel dar.

Claims

1. Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes eines Verbren nungsmotors, bei dem die Ionisierung in mindestens einem Brenn raum des Verbrennungsmotors mit Hilfe eines in dem Brennraum angeordneten Meßspalts bestimmt wird, an den eine Vorspannung gelegt ist, so daß ein Ionisationsstrom in dem Meßspalt gebil det wird, dadurch gekennzeichnet, daß

1. das Ausmaß der Ionisierung mittels der Amplitude des im Laufe eines Verbrennungsvorgangs erreichten Ionisationsstroms gemes sen und während dieses Verbrennungsvorgangs eine Funktion, die mindestens von einem für den Ionisationsstrom repräsentativen Parameter abhängt, über einen vorgegebenen Winkelbereich der Kurbelwellenstellung integriert wird,
2. ein aus dieser Integration erhaltener, tatsächlicher Wert mit einem Zielwert verglichen wird; und
3. eine Korrektur des Zündwinkels/-zeitpunktes in vorgegebenen Inkrementen ΔIgnP für nachfolgende Verbrennungsvorgänge gemäß ΔIgnP_nachher = IgnP_vorher + ΔIgnP in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs vorgenommen wird, wobei ΔIgnP durch den tat sächlichen, den Zielwert unter- oder überschreitenden Wert in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Funktion in Rückwärts- oder Vorwärtsrichtung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der tatsächliche Wert das Massezentrum des Integrals ist, dem für Winkelstellungen der Kurbelwelle repräsentative Werte zuge wiesen werden,
2. das auf der Integration basierende, ermittelte Massezentrum mit einem Zielwert für die zugehörige Winkelstellung der Kur belwelle verglichen wird; und
3. die Korrektur des Zündwinkels/-zeitpunktes entsprechend einer vorgegebenen Funktion in der Weise erfolgt, daß bei Blick in Drehrichtung des Verbrennungsmotors in Rückwärtsrichtung ver stellt wird, wenn der tatsächliche Wert den Zielwert über schreitet, und in Vorwärtsrichtung verstellt wird, wenn der tatsächliche Wert den Zielwert unterschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zielwert für die Winkelstellung der Kurbelwelle durch eine empirisch ermittelte Funktion für den verwendeten Typ des Verbrennungsmotors bestimmt ist, wobei der Zielwert mindestens von Drehzahl und Last des Verbrennungs motors abhängt und vorzugsweise dauerhaft in einer Karte ge speichert ist, die die Zielwerte für eine Anzahl verschiedener Drehzahl- und Lastfälle enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der auf der Integration basierende, tatsächliche Wert eine Funktion in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel ϕ ist und als Parameter J(ϕ)den Ionisationsstrom J und das auf die Kurbelwel le übertragene Drehmoment M(ϕ, R, L) hat, wobei R und L durch die Motorauslegung bestimmte Konstanten sind, die dem Kurbelradius bzw. der Länge der Pleuelstange entsprechen,
2. das auf die Kurbelwelle übertragene Drehmoment durch Maximie ren des integrierten Wertes des Produktes aus einem für die Amplitude des Ionisationsstroms repräsentativen Parameter und des auf die Kurbelwelle aufgrund der Verbrennung wirkenden He belmoments M(ϕ, R, L), das durch die mechanischen Verhältnisse bestimmt ist, optimiert wird, indem durch eine adaptive Korrek tur des Zündzeitpunkts das Produkt aus der Amplitude des Ioni sationsstroms und dem aufgrund des Verbrennungsdrucks auf die Kurbelwelle wirkenden Hebelmoment maximiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der integrierte tatsächliche Wert aus dem Produkt des für die Amplitude des Ionisationsstroms repräsentativen Parameters J(ϕ) und dem aufgrund des Verbrennungsdrucks auf die Kurbelwelle wirkenden Hebelmoment M(ϕ, R, L) mit einem entsprechenden, aus vorangegangenen Verbrennungsvorgängen im Brennraum erhaltenen integrierten Wert verglichen wird, und die Korrektur des Zünd winkels/-zeitpunktes entsprechend einer vorgegebenen und konti nuierlich wirksamen Funktion in der Weise erfolgt, daß die Korrektur nachfolgender Zündereignisse mit einem vorgegebenen Inkrement ΔIgnP und in derselben Richtung entweder vorwärts oder rückwärts beaufschlagt wird, solange der integrierte Wert aus dem Produkt des für die Amplitude des Ionisationsstroms re präsentativen Parameters J(ϕ) und dem aufgrund des Verbren nungsdrucks auf die Kurbelwelle wirkenden Hebelmoment M(ϕ, R, L) eine ansteigende Tendenz bezogen auf den gespeicherten inte grierten Wert aus vorangegangenen Verbrennungsvorgängen im Brennraum hat, bei absteigender Tendenz jedoch die Richtung der Korrektur des Zündwinkels/-zeitpunktes um das Inkrement ΔIgnP von rückwärts nach vorwärts und umgekehrt geändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der entsprechende gespeicherte integrierte Wert aus den vor angegangenen Verbrennungsvorgängen im Brennraum einen Mittel wert der integrierten Werte aus mehreren, vorzugsweise mehr als fünf, unmittelbar vorangegangenen Verbrennungsvorgängen in dem interessierenden Brennraum darstellt.

7. Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Brennräumen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Ionisierung für je den einzelnen Zylinder bestimmt wird und die Korrektur des Zündwinkels/-zeitpunktes für jeden einzelnen Zylinder in Abhän gigkeit von dem in seinem Brennraum bestimmten Ergebnis er folgt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration für einen Bereich ϕ₁-ϕ₂ des Kurbelwellenwinkels erfolgt, wobei ϕ₁ der Bereich zwischen 90° und 40° vor der oberen Totpunktstellung des Kol bens in der letzten Phase des Verdichtungshubes und ϕ₂ der Be reich zwischen 30° und 90° nach der oberen Totpunktstellung des Kolbens in der letzten Phase des Verdichtungshubes ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des Kurbelwellenwin kels von ϕ₁ aufwärts bis zur oberen Totpunktstellung, d. h. ei nem Kurbelwellenwinkel 0°, der für den Ionisationsstrom repräsentative Parameter mittels einer numerischen Berechnung oder durch eine Näherung festgelegt wird, wobei die Näherung vorzugsweise durch Interpolation eines für den Ionisationsstrom repräsentativen Parameters kurz nach der oberen Totpunktstel lung zu Beginn der sog. Nachionisationsphase und zeitlich rück wärts zu einem Moment unmittelbar vor der Zündung erfolgt, wobei in dem Moment der Zündung der für den Ionisationsstrom repräsentative Parameter einem nicht ausgebildeten Ionisati onsstrom entspricht.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturinkrement ΔIgnP in Rückwärts- oder Vorwärtsrichtung in der Weise begrenzt ist, daß IgnP_nachher vorgegebene einschränkende Bedingungen nicht über schreitet.