DE19601353A1

DE19601353A1 - Verbrennungszustandsdetektor für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung

Info

Publication number: DE19601353A1
Application number: DE19601353A
Authority: DE
Inventors: Yukio Yasuda; Wataru Fukui; Yasuhiro Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: JP3477923B2; DE19601353C2; JPH0915101A; US5675072A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungszustandsdetektor zur Erfassung des Verbrennungszustands einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung durch Ermittlung von Ionenströmen, die durch die Verbrennung der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung erzeugt werden.

Bei einer derartigen Brennkraftmaschine wird eine Gasmischung, die aus Luft und einem Brennstoff besteht, und in eine Brennkammer eingeleitet wird (nachstehend als "Zylinder" bezeichnet), unter Verwendung eines Kolbens zusammengedrückt, und dann über einen elektrischen Funken gezündet, der durch Anlegen einer Hochspannung an eine Zündspule erzeugt wird, die für diesen Zylinder vorgesehen ist. Auf diese Weise gibt die Brennkraftmaschine Leistung ab.

Wenn die Verbrennung der Gasmischung in dem Zylinder erfolgt, werden in dem Zylinder vorhandene Moleküle ionisiert. Wenn eine Hochspannung an eine Ionenstromerfassungselektrode angelegt wird, die in dem Zylinder vorgesehen ist, in einem Ionisationszustand, so kann infolge von Ionen, die elektrische Ladungen aufweisen, ein Strom fließen. Dieser Strom wird als Ionenstrom bezeichnet. Da ein derartiger Ionenstrom empfindlich auf die Änderung des Verbrennungszustands innerhalb eines Zylinders reagiert, können dadurch die Verbrennungsbedingungen erfaßt werden, daß der Zustand des Ionenstroms erfaßt wird. Die japanische Veröffentlichung eines ungeprüften Patents Nr. 2-104978 (1990) beschreibt ein derartiges System, bei welchem die Zündkerze als die Ionenstromerfassungselektrode verwendet wird. Dieses System kann erfassen, daß kein normaler Verbrennungsvorgang vorhanden ist (beispielsweise infolge einer Fehlzündung), infolge der Stärke des Ionenstroms, unmittelbar nach dem Zündvorgang.

Als weitere, konventionelle, wohlbekannte Erfassungsverfahren zur Erfassung des Verbrennungszustands einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung werden Schwingungsdetektoren, die am Zylinderblock der Brennkraftmaschine angebracht sind, dazu verwendet, nicht normale Schwingungen zu erfassen, die mechanisch infolge einer anomalen Verbrennung der Brennkraftmaschine hervorgerufen werden (beispielsweise Klopfen und dergleichen).

Wenn das voranstehend geschilderte, konventionelle Verbrennungszustands-Erfassungsverfahren mit dem Schwingungsdetektor bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern eingesetzt wird, müssen mehrere derartige Schwingungsdetektoren auf jedem der Zylinder angebracht werden, damit die mechanischen Schwingungen unter besseren Bedingungen gleichmäßig erfaßt werden können, die durch Klopfeffekte hervorgerufen werden, die in den mehreren Zylindern auftreten. Dies kann zu höheren Kosten für die Schwingungssensoren führen. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß infolge der Tatsache, daß auch die Schwingungen von dem mechanischen System der Brennkraftmaschine erfaßt werden (Schwingungen der Auslaßventile), keine klare Unterscheidung zwischen den Schwingungen des mechanischen Systems und den Klopfschwingungen getroffen werden kann.

Wenn man sich einen Ionenstrom im Moment des Auftretens des Klopfphänomens überlegt, so kann man zu dem Schluß kommen, daß die Signalform dieses Ionenstroms in Schwingungen versetzt wird, wenn die Verbrennungsschwingungen durch das Klopfphänomen hervorgerufen werden. Wenn daher der Ionenstrom unter Berücksichtigung des Phänomens erfaßt wird, um auf diese Weise das Klopfphänomen zu erfassen, dann können die Verbrennungszustände in dem Zylinder direkt erfaßt werden, verglichen mit dem Verfahren zur Erfassung der Schwingungen durch den Schwingungsdetektor. Daher kann eine Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ausgebildet werden, die sehr genau und kostengünstig ist.

Bei der Verwirklichung einer derartigen Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine stellt sich allerdings heraus, daß wie in Fig. 1 gezeigt ein gepulstes Rauschen dem in eine Spannung umgewandelten Ionenstromsignal überlagert ist, wenn der Primärstrom der Zündspule zugeführt und unterbrochen wird. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dieses gepulste Rauschen deutlich von den Schwingungssignalformen infolge des Klopfphänomens zu unterscheiden, was zu Fehlmessungen führt.

Weiterhin läßt sich überlegen, daß es infolge der Tatsache, daß sich die Größe des Ionenstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine wesentlich ändert, sehr schwierig ist, die Verbrennungs-Schwingungssignale im gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine abzuleiten, die durch den Klopfeffekt hervorgerufen werden.

Da bei einer konventionellen Verbrennungszustands- Erfassungsschaltung die Umwandlungsrate des Ionenstroms in eine Spannung fest ist, wird die Amplitude des in eine Spannung umgewandelten Ionenstroms bei einer niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine klein, wie durch "S1" in Fig. 2 dargestellt ist (S11 zeigt den durch den Klopfeffekt hervorgerufenen Schwingungssignalanteil). Im Gegensatz hierzu wird die Amplitude des in ein Spannungssignal umgewandelten Ionenstroms bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine groß, wie bei "S2" in Fig. 2 gezeigt ist (S21 zeigt den durch den Klopfeffekt hervorgerufenen Schwingungssignalanteil). Wie bei "S2′" gezeigt ist, ist es nicht möglich, einen aus der Umwandlung des Ionenstroms in eine Spannung resultierenden Signalwert zu erhalten, der höher ist als die Spannung der Schaltung während hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine, so daß der Klopfeffekt während derartiger hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine nicht erfaßt werden kann. Wenn die Umwandlungsrate des Ionenstroms in eine Spannung so eingestellt ist, daß der Klopfeffekt während hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine festgestellt werden kann, wird der Umwandlungswert des Ionenstroms in eine Spannung während niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine sehr klein. Dann entsteht eine weitere Schwierigkeit in der Hinsicht, daß eine Erfassung des Klopfeffektes während niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine schwierig wird.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der voranstehend geschilderten Schwierigkeiten entwickelt, und daher besteht ihr Ziel in der Bereitstellung einer kostengünstigen Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, welche auf der Grundlage des Ionenstroms den Klopfeffekt erfassen kann, und zwar mit hoher Genauigkeit.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, welche den Klopfeffekt über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine erfassen kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, welche den Klopfeffekt mit einer einfachen und kostengünstigen Anordnung auch bei einer Mehrzylinder- Brennkraftmaschine erfassen kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, welche - ohne kompliziert aufgebaut zu sein - sowohl eine Klopferfassungsfunktion als auch eine Fehlzündungserfassungsfunktion aufweist.

Eine Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Vorspannungserzeugungsschaltung zum Anlegen einer Vorspannung an eine Zündkerze, die in einem Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist; eine Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung zur Umwandlung eines in Reaktion auf die Vorspannung erzeugten Ionenstroms in eine Spannung entsprechend dem Ionenstrom; eine Filterschaltung zur Verringerung oder Entfernung eines pulsierenden Signals nach Empfang des Spannungssignals, welches von der Ionenstrom/Spannungswandlersbhaltung ausgegeben wird; eine Meßzeitraum-Einstellschaltung zur Festlegung eines vorbestimmten Verbrennungszustands-Meßzeitraums auf der Grundlage eines Filtersignals, welches von der Filterschaltung ausgegeben wird; und eine Wechselstromanteils-Erfassungsschaltung eines Wechselstromanteils in einem bestimmten Frequenzbereich während des Meßzeitraums aus dem Spannungssignal, welches von der Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung stammt.

Darüber hinaus kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Ionenstrom/ Spannungswandlerschaltung zumindest die Verstärkung des Spannungssignals ändern, welches der Wechselstromanteils-Erfassungsschaltung zugeführt wird, in Reaktion auf den Wert einer niederfrequenten Komponente des Ionenstroms.

Bei der Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind mehrere Ionenstrom/Spannungswandlerschaltungen vorgesehen, entweder entsprechend zu unterschiedlichen Zylindern, oder entsprechend Zylindergruppen.

Bei der Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung legt die Meßzeitraum-Einstellschaltung einen Verbrennungszustands-Meßzeitraum dadurch fest, daß ein Zeitraum festgestellt wird, in welchem das Ausgangssignal von der Filterschaltung größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, und gibt darüber hinaus ein Fehlzündungsbestimmungssignal auf der Grundlage der Tatsache aus, ob das Ausgangssignal von der Filterschaltung größer oder gleich dem vorbestimmten Wert ist oder nicht.

Bei der Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Verbrennungszustand nur innerhalb eines vorbestimmten Meßzeitraums nach der Verbrennung erfaßt, auf der Grundlage des Ionenstrom/Spannungsumwandlungssignals, von welchem das gepulste Rauschsignal durch die Filterschaltung entfernt wurde.

Weiterhin ist bei dieser Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung zumindest die Verstärkung für das der Wechselstromanteils-Erfassungsschaltung zugeführte Ausgangssignal variabel, in Reaktion auf die niederfrequente Komponente des Ionenstroms, und dann können die Ionenstrom/Spannungswandlersignal formen innerhalb des Spannungsbereichs der Schaltung durchgehend von hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bis zu niedrigen Drehzahlen erhalten werden.

Weiterhin kann bei dieser Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Verbrennungszustand auch für mehrere Zylinder dadurch erfaßt werden, daß eine einzige Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung verwendet wird.

Die Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Fehlzündungserfassungssignal in Reaktion zum Ausgangssignal der Filterschaltung ausgeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Signalformdiagramm zur Darstellung der Relativbeziehung zwischen einem Primärstrom und einem Ionenstrom;

Fig. 2 ein Signalformdiagramm zur Darstellung des Ausgangssignals der konventionellen Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Vorspannungserzeugungsschaltung bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 5 ein Schaltbild einer Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 6 ein Schaltbild einer Meßzeitraum- Einstellschaltung bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 7 ein Schaltbild einer Maskierungsschaltung bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 8 ein Schaltbild einer Wechselstromanteils- Erfassungsschaltung bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild einer Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 10 ein Schaltbild einer Vorspannungserzeugungsschaltung bei der zweiten Ausführungsform;

Fig. 11 ein Schaltbild einer Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung bei der zweiten Ausführungsform;

Fig. 12 ein Schaltbild einer Meßzeitraum- Einstellschaltung bei der zweiten Ausführungsform;

Fig. 13 ein Schaltbild einer Vorspannungserzeugungsschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Verbrennungszustands-Erfassungsschaltungs- Anschlußverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Verbrennungszustands-Erfassungsschaltungs- Anschlußverfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Verbrennungszustands-Erfassungsschaltungs- Anschlußuverfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform;

Fig. 17 ein Schaltbild einer Vorspannungserzeugungsschaltung bei der sechsten Ausführungsform; und

Fig. 18 ein Signalformdiagramm mit einer Darstellung von Ausgangssignalen der Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 3 ist ein schematisches Blockschaltbild mit einer Darstellung einer Vorrichtung zur Messung oder Erfassung des Verbrennungszustands einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Batterie, 2a bezeichnet eine Primärwicklung einer Zündspule, 2b bezeichnet eine Sekundärwicklung der Zündspule, und 3 bezeichnet einen Transistor zum Schalten eines Spulenprimärstroms. Der Transistor 3 liefert und unterbricht einen Strom mit mehreren Ampere für die Primärwicklung 2a der Zündspule. Eine Konstantspannungsdiode zur Begrenzung einer Kollektorspannung wird bei dem Transistor 3 eingesetzt und begrenzt den Spannungsanstieg an einem Punkt "2d", der durch die elektromotorische Kraft in Rückwärtsrichtung hervorgerufen wird, die entsteht, wenn der Spulenprimärstrom unterbrochen wird (im allgemeinen in einer Größenordnung von etwa 300 Volt). Die Konstantspannungsdiode ist an den Kollektor des Transistors 3 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 3 ist mit einer Klemme "P2" einer Verbrennungszustands- Erfassungsschaltung 7 verbunden.

Die Hochspannungsseite 2f der Sekundärwicklung 2b ist an eine Zündkerze 5 und eine Kathode einer Hochspannungsdiode D6 angeschlossen. Die Zündkerze 5 dient dazu, eine in einem Zylinder 4 vorhandene Gasmischung zu zünden, und dient darüber hinaus als Elektrode zur Erfassung eines Ionenstroms (wie nachstehend noch genauer erläutert wird).

Die Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung 7 wird durch eine Vorspannungserzeugungsschaltung 8, eine Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9, eine Meßzeitraum- Einstellschaltung 10, eine Maskierungsschaltung 11 und eine Wechselstromanteilserfassungsschaltung 12 gebildet. Die Vorspannungserzeugungsschaltung 8 ist an den Kollektor des Transistors 3 über P2 angeschlossen, an die Anode der Hochspannungsdiode D6 über P1, und an die Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9 über P3. Weiterhin ist die Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9 mit der Meßzeitraum-Einstellschaltung 10 über P4 verbunden, mit der Maskierungsschaltung 11 über PS, und diese Maskierungsschaltung 11 ist über P7 mit der Meßzeitraum- Einstellschaltung 10 verbunden. Weiterhin ist die Maskierungsschaltung 11 an die Wechselstromanteils- Erfassungsschaltung 12 über P9 angeschlossen. Die Meßzeitraum-Einstellschaltung und die Wechselstromanteils- Erfassungsschaltung 12 geben Signale über P6 bzw. P10 aus.

Es wird darauf hingewiesen, daß bei dieser Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform die Polaritäten der Zündspulen miteinander übereinstimmen, infolge dem Ausbildung der Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung, und zwar so, daß die während der Zündung auftretenden Spannung, die an der Zündkerze 5 auftritt, positiv ist, und daß die Gegenspannungsfestigkeit der Hochspannungsdiode D6 in Bezug auf die während der Zündung erzeugte Hochspannung der mehr als einige 1000 Volt betragen muß.

Fig. 4 zeigt die konkrete interne Ausbildung der voranstehend erwähnten Vorspannungserzeugungsschaltung 8, die in Fig. 3 gezeigt ist. In Fig. 4 sind ein Widerstand Rl und ein Widerstand R2 an P2 angeschlossen, während Anoden von Zenerdioden ZD2, ZD2 sowie ein Kondensator C2 an P3 angeschlossen sind. Weiterhin ist ein Widerstand R4 an P1 angeschlossen.

Das andere Ende des voranstehend erwähnten Widerstands R1 ist mit einem Ende eines Kondensators C1 zusammen mit der Kathode der Zenerdiode ZD1 verbunden, und das andere Ende dieses Kondensators C1 liegt an Masse. Eine Anode einer Diode ist an das andere Ende des Widerstands R2 angeschlossen, und deren Kathode ist mit dem anderen Ende des Kondensators C2 verbunden, sowie mit der Kathode der Zenerdiode ZD2 und dem anderen Ende des Widerstands R4.

Die Vorspannungserzeugungsschaltung 8 mit dem voranstehend geschilderten Aufbau lädt den Kondensator C2 unter Verwendung einer hohen Spannung (annähernd 300 Volt) auf, die an P2 erzeugt wird, wenn die Stromversorgung der Primärwicklung 2a durch den Transistor 3 unterbrochen wird. Dann wird eine Spannung mit positiver Polarität an die Zündkerze 5 über einen Schaltungspfad von P1 über die Hochspannungsdiode D6 zur Zündkerze 6 angelegt, unter Verwendung der elektrischen Ladung, die in dem Kondensator C2 während des Ladevorgangs gespeichert wurde. Es wird darauf hingewiesen, daß die Haltespannung des Kondensators C2 durch die Zenerspannung festgelegt wird, die an der Zenerdiode ZD2 auftritt, welche diesem Kondensator C2 parallel geschaltet ist. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, wenn eine andere elektrische Schaltung statt der Zenerdiode ZD2 verwendet wird, etwa eine Spannungsbegrenzerschaltung. Da die hohe Spannung als die Spannung an P2 während des Zeitraums festgehalten wird, in welchem die entgegengesetzte elektromotorische Kraft auftritt, jedoch die Spannung an P2 während der übrigen Zeit gleich der Batteriespannung ist, wird eine Diode D2 dazu eingesetzt zu verhindern, daß der Kondensator C2 entladen wird. Die Diode D1 muß eine ausreichend hohe Gegenspannungsfestigkeit in Bezug auf die am Kondensator C2 anliegende Spannung aufweisen. Der Widerstand R2 wird dazu verwendet, den sich ändernden Strom zu begrenzen, wenn an P2 die hohe Spannung erzeugt und der Kondensator C2 geladen wird.

Die Schaltung, die aus dem Widerstand R1, dem Kondensator C1 und der Zenerdiode ZD1 besteht, ist eine Schaltung zum Ausschalten des Rauschstroms, der durch die Spannungsschwankungen der Zündkerze hervorgerufen wird, wenn an der Sekundärwicklungsseite der Zündspule der Zündvorgang durchgeführt wird. Da eine Spannung mit 10 Volt oder mehr an der Primärwicklungsseite infolge der Spannung an der Sekundärwicklungsseite während des Zündvorgangs erzeugt wird, wenn die Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 10 Volt oder mehr beträgt, kann ein Strom durch den Widerstand R1 und die Zenerdiode ZD1 nach P3 fließen. Da der Ionenstrom einem Strom entspricht, der von P3 nach P1 fließt, kann dieser dadurch ausgeglichen werden, daß ein Strom geliefert wird, der höher als der Rauschstrom ist, der auf die voranstehend geschilderte Weise in derselben Richtung von P2 aus fließt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Kondensator C1 zusammen mit dem Widerstand R1 ein Hochfrequenzkomponenten- Abschneidefilter bildet, um die in der Spannung an P2 enthaltene Rauschkomponente zu verringern.

Fig. 5 zeigt die konkrete innere Anordnung der in Fig. 3 gezeigten Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9. In Fig. 5 sind an P3 eine Kathode einer Diode D2, eine Anode einer Diode D3, ein Kollektor eines PNP-Transistors T1, ein Kondensator C3, und ein invertierender Eingang eines Operationsverstärkers OP1 angeschlossen. Der nicht invertierende Eingang dieses Operationsverstärker OP1 ist mit Masse verbunden. An P4 sind ein Widerstand R6 und ein Kollektor eines PNP-Transistors T2 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers OP2 und ein Widerstand R8 sind mit PS verbunden. Die Anode bzw. Kathode der Diode D2 bzw. D3 ist an Masse angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers OPI ist mit dem Kondensator C3 und dem Widerstand R5 verbunden, und der Widerstand R5 ist an die Emitter der PNP- Transistoren T1, T2 und T3 angeschlossen. Beide Basen der Transistoren T1 und T2 sind verbunden mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3, dem Kondensator C4, der Diode D4, und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP4. Die Basis des Transistors T3 ist an eine Konstantspannungs- Versorgungseinrichtung VF1 und die nicht invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP4 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T3 ist mit dem Widerstand R7 und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden, und der Widerstand R8 und der Kondensator C4 sind an die nicht invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP3 angeschlossen.

Die Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9 dient dazu, den von dieser Wandlerschaltung 9 durch P3 fließenden Strom in eine entsprechende Spannung umzuwandeln. In der Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9 bilden die Dioden D2 und D3 einen Schaltungspfad für einen zu hohen Strom, der nach bzw. Von P3 fließt, und bilden daher Schaltungsbauteile, die nicht in Betrieb sind, wenn ein Ionenstrom mit einem Wert innerhalb eines ordnungsgemäßen Stromwertbereiches fließt. Die Transistoren T1, T2 und T3 bilden eine Schaltung zum Trennen des von P3 aus fließenden Ionenstroms. Der Transistor T1 stellt ein Schaltungsbauteil zur Erzeugung eines Bezugsstroms für die Ionenstrom-Abtrennungsschaltung (Ionenstromdiskriminatorschaltung) dar. Der Transistor T1 dient als Bezugseinrichtung zur Erzeugung eines Signals infolge des Ionenstroms von den Transistoren T2 und T3. Bei dieser ersten Ausführungsform gibt es zwei Ausgangsreihen der Transistoren T2 und T3. Ein weiteres Signal, welches durch einen hohen Ionenstrom hervorgerufen wird, kann dadurch erhalten werden, daß ein entsprechendes Bauteil zusätzlich an diese Transistoren angeschlossen wird. Es wird darauf hingewiesen, daß in einem Bereich, in welchem das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 nicht gesättigt ist, der von P3 aus fließende Ionenstrom gleich dem Kollektorstrom des Transistors T1 wird, infolge der negativen Rückkopplung des Operationsverstärkers. In diesem Fall ist der Kollektorstrom des Transistors T2, dessen Emitter und Kollektor mit Emitter und Kollektor des Transistors T1 verbunden sind, proportional zum Kollektorstrom des Transistors T1. Das Verhältnis dieser Kollektorströme wird auf der Grundlage des Chipabmessungsverhältnisses der Transistoren T1 und T2 festgelegt, so daß dann, wenn die Chipabmessungen des Transistors T1 gleich jenen des Transistors T2 sind, derselbe Strom wie jener, der von P3 aus fließt, vom Kollektor des Transistors T2 erhalten werden kann. Dann erzeugt der Widerstand R6 eine Spannung, die durch diesen Strom und den Widerstandswert festgelegt ist. Wie voranstehend geschildert wird der durch den Kollektor des Transistors T3 fließende Strom durch die Differenzspannung zwischen den Basisspannungen der Transistoren T1 und T3 bestimmt, während der Strom des Transistors T1 als Bezugswert dient. Nimmt man nunmehr an, daß das Chipabmessungsverhältnis der Transistoren T1 und T3 zu 1:n gewählt wird, daß die entsprechenden Kollektorströme I_C1,I_C2 betragen, und daß der durch die Basisströme hervorgerufene Fehler vernachlässigbar ist, so ergibt sich auf der Grundlage der Shockley-Gleichung folgende Beziehung:

V_T · ln(I_C1/I_S) - V_Tln(I_CS/(n · I_S)) = ΔV
ΔV = V_T · ln(n · I_C1/I_CS)

Wie aus der voranstehenden Gleichung deutlich wird, wird dann, wenn ΔV konstant ist, das Verhältnis von I_C1 zu I_C3 konstant, da V_T und "n" konstant sind. Bei der Ionenstrom/Spannungswandlerschaltung 9 gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Kollektorstrom des Transistors T3 auf der Grundlage des Spannungsabfalls am Widerstand R7 erfaßt, und wird das Basispotential des Transistors T1 so geändert, daß diese Spannung konstant wird. Wenn eine Integrierschaltung mit dem Operationsverstärker OP3 bei dieser Spannungsregelschaltung verwendet wird, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Spannungsregelschaltung des Widerstands R7 zu verzögern, also so eingestellt ist, daß sie auf die niederfrequente Komponente des Ionenstroms reagiert, kann schließlich ein derartiges Spannungssignal von dem Widerstand R3 erhalten werden, daß das Hochfrequenzsignal, welches durch Klopfen hervorgerufen wird, dem niederfrequenten Signalanteil innerhalb eines im wesentlichen konstanten Spannungsbereiches überlagert ist. Es wird darauf hingewiesen, daß der Operationsverstärker OP2 dazu verwendet wird, die Spannungsimpedanz des Widerstands R7 zu verringern. Allgemein wird, da das Klopfsignal das Signal mit Frequenzkomponenten von einigen Kiloherz bis zu einigen 10 Kiloherz enthält, der Frequenzbereich, in welchem die Integrierschaltung den Integriervorgang durchführt, so eingestellt, daß ein Signal mit einem derartigen Frequenzbereich erhalten wird. Wie aus Fig. 18 hervorgeht ist es möglich, eine Ionenstrom/Spannungswandlungssignalform S10 während niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu erfassen, und ebenfalls möglich, eine weitere Ionenstrom/Spannungswandlersignalform S20 während hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu erhalten, jeweils mit geeigneter Größe. Es wird darauf hingewiesen, daß die voranstehend geschilderte Verstärkungsregelung so durchgeführt werden sollte, daß eine Änderung der niederfrequenten Bestandteile der Ionenstrom/Spannungswandlersignalform verringert wird (also sich einem konstanten Wert annähert), wogegen Änderungen der hochfrequenten Komponenten S101, S201, die durch den Klopfeffekt hervorgerufen werden, nicht verringert werden, wobei die Änderungen so gewählt sind, daß sie gleich Werten entsprechend dem tatsächlich aufgetretenen Klopfeffekt sind, unabhängig von einer hohen oder niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine. Obwohl die vorliegende Ausführungsform auf einen großen Brennkraftmaschinen-Drehzahlbereich bis zu hohen Drehzahlen reagieren kann, infolge der Verstärkungsregelung, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Wenn beispielsweise der Verbrennungszustand nur im Bereich hoher Drehzahlen erfaßt wird, in welchem leicht Klopfen auftreten kann, kann die geregelte Verstärkung nur im Bereich hoher Drehzahlen auf einen festen Wert eingestellt werden.

Dann entspricht die durch den Operationsverstärker OP4 und die Diode D4 gebildete Schaltung einer Spannungsklemmschaltung, welche eine Basisspannungsdifferenz zwischen den Transistoren T1 und T3 auf einen konstanten Bereich begrenzt. Diese Klemmschaltung kann auch, abhängig von der Verwendung der Schaltung, weggelassen werden. Es kann auch eine andere Schaltung als die Spannungsklemmschaltung verwendet werden, durch welche die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP3 nicht über einen konstanten Bereich in Bezug auf die Basisspannung des Transistors T3 hinaus erhöht wird. Die Konstantspannungs-Versorgungsquellen VF1 und VF2, die in der Schaltung verwendet werden, werden zur Vereinfachung durch Konstantspannungsquellen realisiert, und können alternativ hierzu durch eine Schaltung mit relativ hoher Impedanz verwirklicht werden, beispielsweise eine Widerstands-Spannungsteilerschaltung.

Fig. 6 zeigt nunmehr die konkrete interne Ausbildung der Meßzeitraumeinstellschaltung 10. In Fig. 6 ist ein nicht invertierender Eingang eines Komparators CP1 an P4 angeschlossen, und dessen invertierender Eingang ist mit einer Konstantspannungsquelle VF3 verbunden, und dessen Ausgang ist über einen Widerstand R9 an einen Komparator C5 angeschlossen, eine Konstantstromquelle CC1, und einen Komparator CP2. Die anderen Enden der Konstantstromquelle C1 und des Kondensators C5 sind jeweils an Masse angeschlossen. Ein nicht invertierender Eingang des Komparators CP2 ist an einen Konstantspannungsquelle VF4 angeschlossen, und sein Ausgang ist an die Basis NPN-Transistors T4 und an eine Inverterschaltung 13 angeschlossen. Der Ausgang der Inverterschaltung 13 ist mit Basis eines NPN-Transistors T5 verbunden, die Emitter der Transistoren T4 und T5 sind jeweils an Masse angeschlossen, und ihre Kollektoren sind mit P7 bzw. P6 verbunden. Die Seiten der Konstantspannungsquellen VF3 und VF4 mit niedrigem Potential sind an Masse angeschlossen.

In der Meßzeitraumeinstellschaltung 10 wird das von der Ionenstrom-/Spannungswandlerschaltung 9 umgewandelte Spannungssignal mit einem vorbestimmten Pegel verglichen. Wenn das Spannungssignal diesen Pegel überschreitet, beurteilt die Meßzeitraumeinstellschaltung 10, daß die Gasmischung in dem Zylinder normal gezündet wird (keine Fehlzündungen), und gibt ein Zündungssignal über P6 an die externe Schaltung aus, und gibt darüberhinaus ein Freigabesignal aus, um die Erfassung des Klopfsignals zu verhindern, an P7, als Meßzeitraum für den Verbrennungszustand, während das Spannungssignal den vorbestimmten Pegel überschreitet. Hierbei bildet die Signalerfassungsschaltung mit dem Komparator CP1 eine Filtervorrichtung zur Verzögerung/Beschleunigung der Ionenstromerfassung auf der Grundlage der Zeitdifferenz zwischen den Lade-/Entladeoperationen des Kondensators C5, welche durch die Konstantstromquelle CC1 und den Widerstand R9 bestimmt werden. Diese Filtervorrichtung kann verhindern, daß der Meßzeitraum falsch eingestellt wird, was durch fehlerhafte Erfassung eines Rauschsignals mit kurzer Impulsform hervorgerufen wird, welches erzeugt wird, wenn der Primärstrom der Zündspule geliefert oder unterbrochen wird. Eine derartige Rauschabschneidefiltervorrichtung kann auch anders als die voranstehend geschilderte Filtervorrichtung ausgebildet sein. In Bezug auf die Einstellung des Meßzeitraums lassen sich verschiedene Abänderungen denken, so daß beispielsweise dann, nachdem das Spannungssignal einen vorbestimmten Pegel überschreitet, ein vorbestimmter Zeitraum eingestellt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Zündsignal ein Ausgangssignal mit offenem Kollektor unter Verwendung des NPN-Transistors, und wird das Zündsignal mit einem Pegel "LOW" (niedrig) während des Zündvorgangs dadurch ausgegeben, daß extern das Spannungssignal durch einen Widerstand oder dergleichen hochgezogen wird. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß die Konstantspannungsquellen VF3 und VF4 zur Vereinfachung der Beschreibung als Konstantspannungsquellen dargestellt sind, und auch durch eine Schaltung mit relativ hoher Impedanz wie eine Widerstands-Spannungsteilerschaltung verwirklicht werden können.

Fig. 7 zeigt den konkreten internen Aufbau der Maskierungsschaltung 11. In Fig. 7 ist PS an einen Kondensator C6 angeschlossen, der Kondensator C6 ist mit einem Widerstand R10 und einem Widerstand R11 verbunden, und der Widerstand R11 ist an einen Kondensator C7, an P7, und eine nicht invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers OP5 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP5 ist mit einem Widerstand R12 und einem Widerstand R13 verbunden, der Widerstand R13 ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP5 und an P9 angeschlossen, und die anderen Enden des Widerstands R12 und des Kondensators C7 sind an Masse angeschlossen.

In der Maskierungsschaltung 11 wird das Signal an PS, das von der Ionenstrom-/Spännungswandlerschaltung 9 erfaßt wird, verstärkt, und das verstärkte Signal wird in einer Filterschaltung verarbeitet, die in einer späteren Stufe vorgesehen ist, damit es eine ausreichend hohe Amplitude erhält. Die Maskierungsschaltung 11 dient dazu, eine Maskierungssteuerung des Signals an P5 in Reaktion auf das Ausgangssignal der Meßzeitraumeinstellschaltung 10 vorzunehmen. Anders ausgedrückt kann ursprünglich eine fehlerhafte Messung infolge des überlagerten Rauschens verhindert werden, das erzeugt wird, wenn der Primärstrom geliefert und unterbrochen wird, durch Messung des Verbrennungszustands nur während eines vorbestimmten Zeitraums nach der Verbrennung, in welchem der Klopfeffekt auftritt. Der Grund dafür, daß die Filtervorrichtung, die bei der voranstehend geschilderten Meßzeitraumeinstellschaltung verwendet wird, nicht dazu verwendet wird, eine derartige fehlerhafte Messung zu verhindern, besteht darin, daß der Fehler bei der Erfassung des Ionenstroms durch die Filtervorrichtung verringert wird, und der aktuelle Ionenstrom durchgehend erfaßt werden kann.

Der Kondensator C6, der Widerstand R10, und der Widerstand R11 und der Kondensator C7 bilden ein Niederfrequenzsignal- Abschneidefilter und ein Hochfrequenzsignal-Abschneidefilter, die nur durch passive Bauelemente gebildet werden. Diese Filterschaltung kann die Erfassung des Klopfsignals über P7 unterbrechen (dies wird nachstehend als "Maskierungsvorgang" bezeichnet), und kann auch ein Signal mit einer Hochfrequenzkomponente entfernen, welche durch die Antwortcharakteristik der Schaltung nicht entfernt werden könnte. Die Verstärkerschaltung mit dem Operationsverstärker OP5 wird unter Verwendung der allgemeinen, nicht invertierenden Verstärkerschaltung gebildet. Der Maskierungsvorgang wird in Reaktion auf das Ausgangssignal von der voranstehend geschilderten Meßzeitraumerfassungsschaltung gesteuert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Maskierungsvorgang freigegeben, wenn die Meßzeitraumeinstellschaltung feststellt, daß ein vorbestimmter Betrag an Ionenstrom gemessen wird.

Fig. 8 ist ein Schaltbild der Wechselstromkomponentenerfassungsschaltung 12. In Fig. 8 ist P9 an einen Widerstand R14 angeschlossen, der Widerstand R14 ist mit einem Widerstand R15 und Kondensatoren C8, C9 verbunden, und das andere Ende des Widerstands R15 ist an Masse angeschlossen. Ein invertierender Eingang eines Operationsverstärkers OP6 ist an den Kondensator C9 und an den Widerstand R16 angeschlossen, sein Ausgang ist mit dem Widerstand R16 verbunden, einem Kondensator C8 und dem invertierenden Eingang des Komparators CP3, und sein nicht invertierender Eingang ist mit eine Konstantspannungsquelle VF5 verbunden.

Die Wechselstromkomponentenerfassungsschaltung 12 dient dazu, nur das Klopfsignal zu erhalten, das in dem Hochfrequenzsignal enthalten ist, welches von der Verstärkerschaltung verstärkt wird, die in der vorigen Stufe vorgesehen ist, und auch zur Bearbeitung dieses Klopfsignals, wodurch das bearbeitete Klopfsignal nach außen ausgegeben wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird als Filterschaltung die aktive Bandpaßfilterschaltung unter Verwendung des Operationsverstärkers verwendet. Der Komparator CP3 führt eine Signalformung des Signals, welches nur das Klopfsignal enthält, mit Hilfe des Filters durch. Als Verfahren zur Ausgabe des Klopfsignals lassen sich verschiedene Verfahren denken, beispielsweise ein Verfahren zur Signalformung des auszugebenden Klopfsignals, oder ein Verfahren zum Integrieren des Klopfsignals zur Ausgabe an die Schnittstelle eines Computers zum Steuern des Klopfvorgangs. Sowohl das Signalübertragungsverfahren als auch das Signalverarbeitungsverfahren wurden als eine Möglichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung für die Signale in der Klopfsignalerfassungsschaltung und der Regelvorrichtung unter Verwendung des Klopfsignals verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Verfahren beschränkt. Die Konstantspannungsversorgungsschaltungen VF5 und VF6 verwenden zur Vereinfachung die Stromversorgungsschaltungen und können daher unter Verwendung einer Schaltung realisiert werden, die eine relativ hohe Impedanz aufweist, beispielsweise durch eine Widerstands- Spannungsteilerschaltung.

Gemäß der voranstehend geschilderten ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Ionenstromerfassungsspannung durch Empfang der Signale von dem Primär- und Sekundärspulenwicklungen der Zündspule erzeugt. Sowohl das Klopfsignal als auch das Fehlzündungserfassungssignal können gleichzeitig erhalten werden, ohne daß Fehlererfassungsverhinderungssignal von dem Motorsteuersystem zu empfangen. Darüberhinaus können diese Signale über einen weiten Bereich von Brennkraftmaschinendrehzahlen mit hoher Genauigkeit und bei geringem Kostenaufwand erhalten werden.

ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 9 ist ein Schaltbild einer Verbrennungszustandserfassungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorherigen Ausführungsform war die Verbrennungszustandserfassungsschaltung so ausgebildet, daß die Polarität der Zündkerzenspannung auf positive Polarität während der Zündung eingestellt wurde, um eine Spannung mit positiver Polarität an die Zündkerze 5 anzulegen, wodurch der Ionenstrom erfaßt wurde. Da jedoch auch negative Zündkerzenspannungen häufig für die Zündung verwendet werden, ist eine bestimmte Messung erforderlich, wenn eine Zündung mit negativer Spannung verwendet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Zündung mit negativer Polarität realisiert.

Die grundlegende Schaltungsausbildung dieser Verbrennungszustandserfassungsschaltung von Fig. 9 ist ebenso wie in Fig. 3. Bei der Verbrennungszustandserfassungsschaltung von Fig. 9 ist allerdings die Anode der Hochspannungsdiode D6 an 2f der Sekundärwicklungen 2b der Zündspule und die Zündkerze 5 angeschlossen, und 2e der Sekundärwicklung 2b ist mit der Batterie verbunden (die Polarität der Zündspule ist daher entgegengesetzt wie bei der ersten Ausführungsform). Die Kathode der Hochspannungsdiode D6 ist über P1 an eine Vorspannungserzeugungsschaltung 14 angeschlossen, und P2 der Vorspannungserzeugungsschaltung 14 mit 2d der Primärwicklung 2a sowie dem Kollektor des Transistors 3 verbunden. Weiterhin ist eine Ionenstrom-/Spannungswandlerschaltung 15 an die Vorspannungserzeugungsschaltung 14 und P3 angeschlossen, eine Maskierungsschaltung 11 ist mit P5 verbunden, eine Meßzeitraumeinstellschaltung 16 ist an P4 angeschlossen, und sowohl die Meßzeitraumeinstellschaltung 16 als auch die Maskierungsschaltung 11 sind mit P7 verbunden.

Bei dieser Schaltung ist die während der Zündung erzeugte Spannung eine Spannung mit negativer Polarität, und entsprechend hat eine Vorspannung eine negative Polarität, wenn ein Ionenstrom erfaßt wird. Im vorliegenden Fall ist die Flußrichtung des Ionenstroms jene Richtung, in welcher der Ionenstrom von der Zündkerze 5 über die Hochspannungsdiode D6 zur Verbrennungszustandsmeßschaltung 7 fließt.

Fig. 10 zeigt das Schaltbild der Vorspannungserzeugungsschaltung 14 bei dieser Ausführungsform. In Fig. 10 ist P2 an den Widerstand R1 angeschlossen, das andere Ende des Widerstands R1 ist mit einem Kondensator C10 verbunden, das andere Ende des Kondensators C10 ist an die Anode der Diode D5 sowie an die Kathode der Diode D6 angeschlossen. Die Kathode der Diode D5 ist mit Masse verbunden, die Anode der Diode D6 ist an den Kondensator C2 und den Widerstand R4 angeschlossen, und darüberhinaus sind die Anode der Zenerdiode ZD2, die Kathode der Zenerdiode ZD2 und das andere Ende des Kondensators C2 an P3 angeschlossen, und ist das andere Ende des Widerstands R4 an P1 angeschlossen.

Wenn die Zufuhr des Primärstroms zur Zündspule durch den Transistor 3 unterbrochen wird, wird in der Spule eine entgegengesetzte elektromotorische Kraft hervorgerufen, der Strom fließt dann von dem Widerstand R1 über den Kondensator C10 und die Diode D5 nach Masse, und dann wird der Kondensator C10 auf eine Spannung (annähernd 300 V) aufgeladen, die durch die Klemmspannung des Transistors 3 festgelegt wird. Da die entgegengesetzte elektromotorische Kraft der Spule plötzlich verringert wird, wird das Potential an P2 allmählich gleich der Batteriespannung. Wenn das Potential an der Hochpotentialseite des Kondensators C10 auf die Batteriespannung verringert wird, wird das Potential an dessen Niedrigpotentialseite (S1) nur durch die gehaltene Spannung verringert. Die Verringerung des Potentials an dieser Seite S1 führt dazu, daß das Kathodenpotential der Diode D6 verringert wird, so daß von P3 über den Kondensator C2 zur Diode D6 ein Strom fließen kann, und dann wird die Spannung über dem Kondensator C2 auf die Zenerspannung der Zenerdiode ZD2 aufgeladen. Dies führt dazu, daß Elektronenladungen mit einer entgegengesetzten Polarität im Vergleich zur vorherigen Ausführungsform in dem Kondensator C2 gespeichert werden, und daher wird eine Ionenstromerfassungsvorspannungsquelle mit negativer Polarität erhalten.

Fig. 11 ist ein Schaltbild, welches die Ionenstrom- /Spannungswandlerschaltung bei der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In Fig. 11 ist P3 an eine Kathode einer Diode D7 und eine Anode einer Diode D8 angeschlossen, und weiterhin an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPI und einen Kollektor eines NPN- Transistors T6. P4 ist mit einem Kollektor eines NPN- Transistors T7 und mit einem Widerstand 17 verbunden, und PS ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP2 und einen Widerstand R8 angeschlossen. Die Anode der Diode D7 ist an Masse angeschlossen, und die Kathode der Diode D8 ist mit einer Konstantspannungsquelle VF8 und einem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 ist an den Kondensator C3 und den Widerstand R5 angeschlossen, und der Widerstand R5 ist mit den Emittern der NPN-Transistoren T6, T7 und T8 verbunden. Der Kollektor des Transistors T8 ist an den Widerstand R16 und den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 angeschlossen. Die Widerstände R16 und R17 sind an eine Konstantspannungsquelle VF7 angeschlossen, die Basis des Transistors T8 ist mit der Konstantspannungsquelle VF1 und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP4 verbunden, und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP3 ist an den Widerstand R8 und an den Kondensator C4 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP4 ist mit der Kathode der Diode D4 verbunden, mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3, und mit dem Kondensator C4. Die Anode der Diode D4 ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP4 angeschlossen.

Der grundsätzliche Betriebsablauf dieser Ionenstrom-/Spannungswandlerschaltung 15 wurde im Zusammenhang mit der voranstehend geschilderten Ausführungsform beschrieben. Obwohl die Schaltung der Ionenstrom-/Spannungswandlerschaltung 15 ebenso wie in Fig. 5 aufgebaut ist, ist infolge der Tatsache, daß die Ionenstromflußrichtung von der Klemme P3 in die Ionenstrom-/Spannungswandlerschaltung geht, der konventionelle Ionenstromtrenntransistor, der durch einen PNP-Transistor gebildet wird, durch den NPN-Transistor ersetzt.

Fig. 12 zeigt ein Schaltbild der Meßzeitraumeinstellschaltung 16 gemäß dieser Ausführungsform. Anders als bei der Meßzeitraumeinstellschaltung gemäß der ersten Ausführungsform, die in Fig. 6 gezeigt ist, ist in Fig. 12 die Verbindung zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators CP1 und dessen nicht invertierenden Eingang umgekehrt.

Wie voranstehend geschildert ist bei der Meßzeitraumeinstellschaltung die Eingangsphase des Komparators CP1 umgedreht, um so die umgekehrte Phase der umgewandelten Ausgangsspannung auszugleichen, die von der Ionenstrom-/Spannungswandlerschaltung stammt, so daß der gleiche Schaltungsbetrieb wie bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform erhalten werden kann.

Wie voranstehend geschildert kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Entlandungsspannungspolarität während der Zündung auf die negative Spannung eingestellt werden, und kann auch die Ionenstromerfassungs-Vorspannung auf negative Polarität eingestellt werden, ohne die Gesamtanzahl an Bauteilen und den grundsätzlichen Schaltungsbetrieb zu ändern. Es ist allgemein bekannt, daß dann, wenn die Entladungsspannungspolarität während der Zündung geändert wird, um eine Entladung mit negativer Polarität durchzuführen, der Absolutwert der Entladungsspannung während des Entladungsvorgangs ansteigt. Es kann daher ein Zündvorgang mit hoher Energie durchgeführt werden. Allerdings ist ebenfalls bekannt, daß der Ionenstrom selbst im Zustand mit einer Vorspannung mit negativer Polarität niedrig wird, verglichen mit jenem in einem Zustand unter Vorspannung mit positiver Polarität.

DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 13 ist ein Schaltbild einer Vorspannungserzeugungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 13 ersetzen Zenerdioden ZD31 bis ZD3n die Diode D6, die bei der Vorspannungserzeugungsschaltung gemäß der voranstehend geschilderten Ausführungsform verwendet wird. Selbst wenn die Diode D6 durch diese Zenerdioden ZD31 bis ZD3n ersetzt wird, werden dann, wenn eine Spannung von nxVz (wobei die Zenerspannung gleich Vz[V] ist) ausreichend höher ist als die Zenerspannung der Zenerdiode ZD2 zur Festlegung der Haltespannung des Kondensators C2, Spannungsabfälle in Vorwärtsrichtung, die in der Diode D6 und den Zenerdioden ZD31 bis ZD3n während des Ladevorgangs des Kondensators C2 erzeugt werden, nur anders als bei der vorherigen Ausführungsform. Wird der Wert für "n" so gewählt, daß er 10 oder mehr beträgt, so ist der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung vernachlässigbar im Vergleich zur Haltespannung des Kondensators C2.

Da wie voranstehend geschildert die Diode D6 durch die Zenerdioden ZD31 bis ZD3n ersetzt wird, können die aktiven Schaltungsbauteile zur Ausbildung der Vorspannungserzeugungsschaltung, nämlich die Diode D5, die Zenerdioden ZD31 bis ZD3n, und die Zenerdiode ZD2 auf einer monolithisch integrierten Schaltung ausgebildet werden. Daher kann die Vorspannungserzeugungsschaltung kompakt und kostengünstig ausgebildet werden, verglichen mit dem konventionellen Verfahren, bei welchem die aktiven Bauteile getrennt bereitgestellt werden.

Da die Klemmenspannungen, nämlich das Anodenpotential und das Kathodenpotential der Diode D6, in Richtung auf negatives Potential verringert sind, wird als Diodenelement, welches auf einer bipolaren, monolithisch integrierten Schaltung realisiert werden kann, nur ein Emitter-Basisübergang eines NPN-Transistors verwendet. Im allgemeinen kann die Diode D6 nicht durch ein Element ersetzt werden, da die Rückwärts- Durchbruchsspannung des Emitter-Basisübergangs niedrig ist, nur einige Volt. Daher werden, wie in Fig. 13 gezeigt ist, mehrere derartige Elemente miteinander in Reihe geschaltet, so daß eine ausreichend hohe Durchbruchsspannung erzielt werden kann.

VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 14 zeigt ein Verbindungsverfahren für die Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 14 bezeichnen die Bezugszeichen 41 bis 44 die Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, die Bezugszeichen S1 bis 54 Zündkerzen des jeweiligen Zylinders, und mit D61 bis D64 sind Hochspannungsdioden bezeichnet. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Verteiler. Die Klemmen 18a bis 18d des Verteilers 18 sind an die Zündkerze des jeweiligen Zylinders angeschlossen, und seine eine Klemme 18e ist mit der Sekundärwicklung der Zündspule verbunden.

Das Schaltbild von Fig. 14 zeigt das Anschlußverfahren (System) für die Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung 7 von Fig. 3. Das Verbindungssystem von Fig. 14 betrifft ein Hochspannungsverteilungssystem zur mechanischen Verteilung von Zündenergie an die jeweiligen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung. Daher werden Zündspannungen an Zündkerzen angelegt, die in den mehreren Zylindern vorgesehen sind, unter Verwendung einer einzigen Zündspule, eines einzigen Transistors zum Schalten eines einzigen Spulenstroms, und eines Verteilers zum Verteilen der Zündspannungen.

Als Verfahren zur Erfassung der Ionenströme, die in den jeweiligen Zylindern der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine auftreten, kann ein solches Verfahren überlegt werden, daß mehrere Ionenstrom-Erfassungsschaltungen vorgesehen werden, in gleicher Anzahl wie jener der Zylinder. Dieses Verfahren erfordert jedoch komplizierte Anordnungen und höhere Kosten. Daher wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein derartiges Verfahren vorgeschlagen, bei welchem unter Verwendung einer einzigen Ionenstrom-Erfassungsvorrichtung die Ionenströme erfaßt werden, welche in den mehreren Zylindern auftreten.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine solche Anordnung getroffen, daß die Spannung an dem Verbindungspunkt 18e zwischen der Zündspule und dem Verteiler eine hohe Spannung (einige 1000 Volt) mit positiver Polarität während der Zündung wird, und ebenfalls eine Spannung (einige 10 bis einige 100 Volt) mit positiver Polarität, wenn der Ionenstrom erfaßt wird. Die Hochspannungsdioden D61 bis D64 unterbrechen die Zufuhr von Strömen zur Ionenstrom-Erfassungsschaltung, die durch die Hochspannung hervorgerufen werden, die während der Zündung in jedem der Zylinder erzeugt wird, und legen gleichzeitig die Ionenstromerfassungs-Vorspannungen an jeden dieser Zylinder an, wenn die Ionenströme der jeweiligen Zylinder erfaßt werden. Da der Ionenstrom nur einige Millisekunden lang unmittelbar nach dem Zündvorgang erzeugt wird, kann derselbe Effekt entweder dann erzielt werden, wenn die Ionenströme sämtlicher verbundener Zylinder gleichzeitig erfaßt werden, oder nur der in dem Zylinder auftretende Ionenstrom erfaßt wird.

Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine Beschreibung des Verfahrens zur Messung der Ionenströme mit einer einzigen Ionenstrom-Erfassungsschaltung unter der Annahme, daß eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern verwendet wird. Dieses Anschlußverfahren läßt sich auch bei anderen Arten von Brennkraftmaschinen mit mehr als vier Zylindern einsetzen, wenn die Gesamtanzahl an Hochspannungsdioden so erhöht wird, daß sie der Anzahl an Zylindern entspricht. Es wird darauf hingewiesen, daß infolge der Tatsache, daß die Ionenströme zur selben Zeit bei diesem Anschlußverfahren erfaßt werden, bei einer Erhöhung der Anzahl an Zylindern gewisse Möglichkeiten bestehen, daß die Verbrennungsperioden sich mit den Ionenstromerzeugungsperioden zu Zeiten überlappen, wenn die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl läuft. In diesem Fall kann die Gesamtanzahl an Ionenstrom- Erfassungsschaltungen erhöht werden, und kann dann die Anzahl an Zylindern, die gleichzeitig von einer einzigen Ionenstrom- Erfassungsschaltung gemessen werden, verringert werden. Unter Berücksichtigung des Verbrennungszeitraums, des Zeitraums des Auftretens eines Ionenstroms, und der Motordrehzahl kann eine einzige Ionenstrom-Erfassungsschaltung ordnungsgemäß den Ionenstrom erfassen, der durch vier Zylinder oder weniger fließt.

Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Verbrennungszustände der mehreren Zylinder mit einer kostengünstigen Schaltungsanordnung gemessen werden.

FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 15 zeigt ein weiteres Anschlußverfahren für eine Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 15 sind zwar die Schaltungsbauteile 41 bis 44, 51 bis 54, D61 bis D64 sowie 18 gleich jenen bei der vorherigen Ausführungsform, jedoch sind die Verbindungsrichtungen der Hochspannungsdioden D61 bis D64 entgegengesetzt jenen bei der fünften Ausführungsform. Diese Verbrennungszustands Erfassungsschaltung verwendet die Meßschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform, und Zündspulen mit entgegengesetzter Polarität zu jener der vierten Ausführungsform, bei welcher die Schaltung gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.

Das Schaltbild von Fig. 15 entspricht einem anderen Zündsystem, bei welchem die Verbrennungszustands- Erfassungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird, die in Fig. 9 gezeigt ist. Das Anschlußsystem von Fig. 15 wird als "Hochspannungs- Entladungssystem" bezeichnet, welches in dem Zündsystem der Brennkraftmaschine verwendet wird. Das Bezugszeichen 17 in Fig. 15 bezeichnet eine Verbrennungszustands Erfassungsschaltung gemäß der Verbrennungszustands Erfassungsschaltung 7 von Fig. 9. Der grundsätzliche Betrieb dieser Schaltung ist gleich jenem bei der vierten Ausführungsform, jedoch mit einem Unterschied. Die Polarität der während der Zündung an der Zündkerze erzeugten Hochspannung ist negativ, und die Vorspannung, die an den Ionenstromerfassungszylinder angelegt wird, wird mit einer Spannung mit negativer Polarität erzeugt.

Beim Einsatz des Schaltungsanschlusses gemäß der vorliegenden Ausführungsform in dem Zündsystem, bei welchem die Zündspannung hoch ist und der Zündvorgang mit der Spannung mit negativer Polarität mit höherem Zündwirkungsgrad durchgeführt wird, können die Ionenströme, die durch die mehreren Zylinder fließen, von einer einzigen Ionenstrom- Erfassungsschaltung erfaßt werden, selbst bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine.

Zwar wurde diese Ausführungsform beispielhaft bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine eingesetzt, jedoch lassen sich insoweit Abänderungen durchführen. Beispielsweise im Falle einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit weniger als vier Zylindern wird die Anzahl an Hochspannungsdioden verringert. Im Gegensatz hierzu können bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit mehr als vier Zylindern mehrere Ionenstrom-Erfassungsschaltungen verwendet werden, um den Ionenstrom zu erfassen, ähnlich dem Verfahren gemäß der vierten Ausführungsform.

SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 16 zeigt ein Anschlußverfahren einer Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 16 bezeichnen die Bezugszeichen 41 bis 44 sowie 51 bis 54 Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bzw. Zündkerzen, ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform. Die Kathoden der Hochspannungsdioden D61 und D62 sind an die Zündkerzen 52 und 54 angeschlossen, während die Anoden der Hochspannungsdioden D61 und D62 über die Klemme P1 an die Verbrennungszustandsmeßschaltung 20 angeschlossen sind. Die Sekundärwicklungen 2h und 2j der Zündspule sind mit den Zündkerzen 51, 52 und 53, 54 verbunden. Die Primärwicklungen 2g und 2i dieser Zündspule sind mit einem Ende jeweils an die Batterie 1 angeschlossen, und an Spulenstromschalttransistoren 31 und 32 sowie an die Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung 20 über eine Klemme P11 angeschlossen.

Das in Fig. 16 gezeigte Zündsystem wird als "gleichzeitiges Zündsystem" in dem Zündsystem der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bezeichnet. Bei diesem Zündsystem ist eine einzige Zündspule sowohl einem Zylinder in einer Verdichtungsstufe als auch einem anderen Zylinder in einer Auslaßstufe als derselben Zylindergruppe zugeordnet, und werden Zündspulenspannungen an diese Zylinder zum selben Zündzeitpunkt angelegt. Hierbei wird in dem Zylinder im Verdichtungshub ein Gemisch aus Benzin und Luft verbrannt und tritt eine Explosion auf, wogegen in dem Zylinder in dem Ausstoßhub nur der Ausstoß erfolgt. Bei einem derartigen gleichzeitigen Zündsystem ist kein Verteiler mehr erforderlich, verglichen mit den Hochspannungs- Verteilungssystemen gemäß der vierten und fünften Ausführungsform. Darüber hinaus ist die Gesamtanzahl an Zündspulen auf die Hälfte der Anzahl an Zylindern verringert. Es wird darauf hingewiesen, daß bei einem derartigen gleichzeitigen Zündsystem zwei unterschiedliche Zündkerzen vorhanden sind, nämlich eine Zündkerze zur Durchführung einer Entladung mit positiver Polarität, und die andere Zündkerze zur Durchführung einer Entladung mit negativer Polarität.

Bei der in Fig. 16 dargestellten Schaltung unterscheiden sich die Ionenstrom-Erfassungspfade voneinander in Bezug auf die Zündkerzen. Beispielsweise bei der Zündkerze 52 wird der Ionenstrom in dem Pfad erfaßt, der von der Klemme P1 der Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung über die Hochspannungsdiode D61 zur Zündkerze 52 führt. Bei der Zündkerze 54 wird der Ionenstrom in dem Pfad erfaßt, der von der Klemme P1 der Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung 20 über die Hochspannungsdiode D2 zur Zündkerze 54 geht. Entsprechend wird der Ionenstrom im Pfad erfaßt, der von der Klemme P1 über die Hochspannungsdiode D61 und die Zündspule 2h zur Zündkerze 51 geht. In Bezug auf die Zündkerze 53 wird der Ionenstrom in dem Pfad erfaßt, der von der Klemme P1 über die Hochspannungsdiode D62 und die Zündspule 2j zur Zündkerze 53 geht. Der Ionenstrompfad der Zündkerze 52 unterscheidet sich von jenem der Zündkerze 54 über die Zündspule. Wenn der Ionenstrom über die Zündspule erfaßt wird, wird die hochfrequente Stromkomponente verringert, die in dem Ionenstrom enthalten ist, infolge der Drosselwirkung, da die Induktivität der Zündspule hoch ist. Da die hochfrequente Komponente in gewissem Anteil hindurchgeht, infolge der Kapazität zwischen den Spulenleitungen, kann in der Praxis das Klopfsignal erfaßt werden.

Fig. 17 ist ein Schaltbild einer Vorspannungs- Erzeugungsschaltung bei dieser sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 17 ist eine Klemme P11 an Widerstände R18 und R19 angeschlossen, eine weitere Klemme P12 ist an Widerstände R20 und R21 angeschlossen, eine andere Klemme P3 ist an die Anoden von Zenerdioden ZD4, ZD5, ZD2 und an den Kondensator C2 angeschlossen, und eine weitere Klemme P1 ist mit einem Widerstand R4 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode ZD4 ist mit dem Widerstand R18 und dem Kondensator C11 verbunden, die anderen Enden der Kondensatoren C11 und C12 sind an Masse angeschlossen, und die Kathode der Zenerdiode ZD ist mit dem Widerstand R20 und dem Kondensator C12 verbunden. Weiterhin sind die anderen Enden der Widerstände R19 und R20 an die Anoden der Dioden D7 und D8 angeschlossen, und die Kathoden der Dioden D7 und D8 sind mit dem Kondensator C2, der Kathode der Zenerdiode ZD2, und dem Widerstand R4 verbunden.

Die in Fig. 17 gezeigte Schaltung entspricht einer Schaltung zur Erzeugung einer Ionenstromerfassungs-Vorspannung in der Verbrennungszustands-Erfassungsschaltung 20 von Fig. 16. Die elektrischen Ladungen werden von dem Signalpfad der Klemmen P11 und P12 zur Primärwicklung der Zündspule geliefert, um den Kondensator C2 aufzuladen. Sowohl der Ladevorgang dieses Kondensators als auch der Vorgang der Verhinderung der fehlerhaften Erfassung von Räuschen sind so wie bei der ersten Ausführungsform.

Wie voranstehend im einzelnen geschildert kann bei der Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung der Klopfeffekt durch den Ionenstrom gemessen werden. Es gibt in der Hinsicht in der Praxis Vorteile, daß eine Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung mit hoher Genauigkeit kostengünstig erhalten werden kann, selbst mit einer Fähigkeit zur Messung des Klopfeffekts.

Weiterhin ist es bei der Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung möglich, eine derartige Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung zu erhalten, welche den Klopfeffekt über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine messen kann.

Weiterhin ist es bei der Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau zu erhalten, welche den Klopfeffekt selbst bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen messen kann.

Weiterhin ist es bei der Verbrennungszustands- Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung zu erhalten, die ohne einen komplizierten Aufbau sowohl die Klopfeffekt- Erfassungsfunktion als auch die Fehlzündungs- Beruteilungsfunktion aufweist.

Claims

1. Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, gekennzeichnet durch:
eine Vorspannungserzeugungsvorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an eine Zündkerze, die in einem Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist;
eine Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung zur Umwandlung eines Ionenstroms, der in Reaktion auf die Vorspannung erzeugt wird, in eine Spannung entsprechend dem Ionenstrom;
eine Filtervorrichtung zur Verringerung eines pulsierenden Signals nach Empfang des Spannungssignals, welches von der Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung ausgegeben wird;
eine Meßzeitraumeinstellvorrichtung zur Festlegung eines vorbestimmten Verbrennungszustand-Meßzeitraums auf der Grundlage eines von der Filtervorrichtung aus gegebenen Filtersignals; und
eine Wechselstromkomponenten-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Wechselstromkomponente in einem bestimmten Frequenzbereich während des Meßzeitraums aus dem Spannungssignal, welches von der Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung stammt.

2. Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung zumindest die Verstärkung des Spannungssignals ändert, welches der Wechselstromkomponenten-Erfassungsvorrichtung zugeführt wird, in Reaktion auf den Wert einer niederfrequenten Komponente des Ionenstroms.

3. Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtungen entsprechend voneinander unterschiedlichen Zylindern vorgesehen sind.

4. Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzeitraum-Einstellvorrichtung einen Verbrennungszustandsmeßzeitraum dadurch festlegt, daß ein Zeitraum erfaßt wird, in welchem das Ausgangssignal von der Filtervorrichtung einen Wert größer oder gleich einem vorbestimmten Wert aufweist, und ein Fehlzündungsbeurteilungssignal auf der Grundlage der Tatsache ausgibt, ob das Ausgangssignal von der Filtervorrichtung größer oder gleich dem vorbestimmten Wert wird oder nicht.