DE19605803A1 - Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus den Druckschriften DE-OS 30 06 665 und DE 195 02 402 A1 bekannt.

So wird bei der Schaltungsanordnung nach der DE-OS 30 06 665 zwischen der Hochspannungsquelle und der Zündkerze ein Element (Zenerdiode oder Va­ ristor) geschaltet, an dem eine konstante Spannung abfällt und dem ein Kondensator zugeordnet ist, an dem sich die an dem Element abfallende Spannung aufbaut, so daß diese Spannung als Meßspannungsquelle ver­ wendbar ist. Der Kondensator kann dabei parallel zur Zenerdiode bzw. dem Varistor über weitere in Laderichtung geschaltete Dioden verbunden wer­ den.

Diese bekannte Erzeugung der Meßspannung ist relativ einfach, erfordert je­ doch einen großen Speicherkondensator. Die Meßspannung ist besonders bei längeren Meßphasen, wie sie bei niedrigen Drehzahlen vorkommen, nicht konstant, da der Speicherkondensator durch den Meßstrom entladen wird. Dem Meßstrom ist daher ein Strom überlagert, der durch die Entla­ dung von Streukapazitäten in Zündkerze, Zündspule und Zuleitungen her­ vorgerufen wird. Weiterhin ist dem Meßstrom ein Leckstrom durch die zur Spannungsbegrenzung verwendete Zenerdiode überlagert. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Strommeßwiderstand in Reihe zum Speicherkondensator geschaltet ist. Die­ ses bewirkt eine Nichtlinearität, da die an der Ionenmeßstrecke anliegende Spannung eine Funktion des Meßwertes ist.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der DE 195 02 402 A1 wird eine Span­ nung positiver Polarität an die Zündkerze angelegt, um einen Ionenstrom mit negativer Polarität abzutasten, der durch die Verbrennung hervorgeru­ fen wird. Zur Erzeugung dieser Spannung wird ein Kondensator mit der Nie­ drigpotentialseite der Sekundärwicklung der Zündspule verbunden, der mittels eines über eine Diode zugeführten elektrischen Stromes von außen geladen wird, um die Spannung mit positiver Polarität zu halten. Eine Zener­ diode sorgt für die Spannungsbegrenzung an dem Kondensator. Der über eine weitere Diode abfließende Kondensatorstrom wird einer Strom/Span­ nungs-Wandlereinheit zugeführt, um den aus dem Kondensator fließenden Ionenstrom in eine Spannung umzuwandeln. Dabei tritt der o. g. Nachteil einer Nichtlinearität nicht auf, da bei dem Strom/Spannungs-Wandler der negative Anschluß des Kondensators auf einem virtuellen Massepotential gehalten wird.

Den beiden bekannten Schaltungsanordnungen ist der Nachteil gemeinsam, daß zur Messung des Ionenstromes eine Spannung zwischen 70 V und 400 V erforderlich ist, die an die Ionenmeßstrecke, d. h. an die Zündkerze einer Brennkraftmaschine anzulegen ist.

Ferner ist es auch bekannt, daß die Verwendung einer Meßspannung von ca. 400 V die Verrußungsgeschwindigkeit beim Kaltstart einer Brennkraftma­ schine erhöhen, wie dies beispielsweise in der EP 0 30 53 47 B1 beschrieben ist.

Schließlich ist aus der DE-OS 33 27 766 eine Schaltungsanordnung zur Ionen­ strommessung bekannt, bei der eine Meßspannung durch eine auf der Pri­ märseite der Zündspule angelegten Wechselspannung erzeugt wird. Dabei wird die auf der Primärseite angelegte Wechselspannung über die Zündspu­ le auf ein höheres Spannungsniveau transformiert, wobei Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz verwendet werden. Das Ionenstromsignal bewirkt eine Amplitudenmodulation des sekundärseitig entstehenden Wechselstromes. Nachteilig bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist einerseits die Verwendung von Filtern, die das Ionenstromsignal, dessen Nutzfrequenzbereich zwischen 100 Hz und 20 kHz beträgt, vom Trägersignal trennen und andererseits die bei Wechselstromanregung durch die Unsym­ metrie der Ionenstromkennlinie entstehenden nichtlinearen Verzerrungen. Diese Unsymmetrie ergibt sich aufgrund der höheren Beweglichkeit der ne­ gativen Ladungsträger gegenüber der positiven Ionen. Bei unsymmetri­ schen Elektroden, wie sie bei einer Zündkerze vorliegen, entsteht dann ein größerer Strom, wenn sich die unbeweglicheren positiven Ladungsträger auf die größere Elektrode hin bewegen.

Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die die o. g. Nach­ teile vermeidet, zu einer hohen Meßqualität des Ionenstromes im Brenn­ raum einer Brennkraftmaschine führt und mit geringem Aufwand realisier­ bar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruches 1 gelöst, wonach Schaltungsmittel vorgesehen sind, mit denen ei­ ne Meßspannung an den Sekundärkreis der Zündspule angelegt wird, die ei­ nen Spannungswert aufweist, die gleich oder kleiner als der Wert der Span­ nung des Bordnetzes ist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Meßspannung, deren Wert der Bordnetzspannung des Fahrzeuges bzw. kleiner als dieselbe ist, werden die bei Verwendung einer Meßspannung in der Größenordnung von 70 V bis 400 V auftretenden Nachteile vermieden. Außerdem ist der hierfür erforder­ liche Schaltungsaufwand sehr gering, obwohl gleichzeitig mit dieser erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung über die gesamte Meßphase eine kon­ stante Meßspannung geliefert wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erzeugen die Schal­ tungsmittel eine zeitlich konstante Meßspannung. Da die Größe des Ionen­ stromes direkt proportional zur angelegten Meßspannung ist und eine Sätti­ gung, wie dies z. B. vom Flammenionisationsdetektor her bekannt ist, we­ gen der hohen Ionenkonzentration und den geringen freien Weglängen der Ionen nicht auftritt, führt eine konstante Meßspannung zu dem Vorteil, daß deren Genauigkeit direkt in das Ionenstromsignal eingeht.

Schließlich führt die Verwendung einer niedrigen Meßspannung auch dazu, daß sich Nebenschlußwiderstände, wie sie beim Kaltstart durch Verrußung der Zündkerzen entstehen, nicht so stark auswirken, da der spezifische Leit­ wert von Ruß proportional mit der anliegenden Spannung ansteigt.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung werden die Meßstrecken der als Ionenstromsonden dienenden Zünd­ kerzen einer Brennkraftmaschine parallelgeschaltet, so daß hierdurch der Schaltungsaufwand äußerst gering bleibt.

Als bevorzugtes Schaltungsmittel zum Anlegen der Meßspannung an den Se­ kundärkreis der Zündspule ist ein Differenzverstärker vorgesehen. Dabei wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dessen einem Eingang eine Referenzspannung zugeführt, deren Wert der Meßspannung entspricht und der Differenzverstärker als invertierender Verstärker geschal­ tet, so daß am anderen Eingang die gewünschte Meßspannung anliegt. Da­ mit wird der Ionenstrom mit einfachsten Schaltungsmitteln in eine als Meß­ signal dienende Spannung umgewandelt, die anschließend einer Auswer­ tung zugeführt wird.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zu­ sammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Fig. 1 zeigt eine Transistorzündanlage, wobei der Einfachheit halber le­ diglich eine Zündendstufe mit einer Zündkerze Zk für eine Brennkraftma­ schine dargestellt ist.

Die Zündendstufe umfaßt eine Zündspule Tr mit Primär- und Sekundärkreis, bestehend aus einer Primär- und Sekundärwicklung, wobei an die Sekundär­ wicklung die schon genannte Zündkerze Zk angeschlossen ist. Die Primär­ wicklung ist mit ihrem einen Anschluß an eine von einer Bordbatterie gelie­ ferten Bordnetzspannung U_B von beispielsweise 12 V angeschlossen und mit ihrem anderen Anschluß mit einem Zündtransistor 1 verbunden. Dieser Zündtransistor 1 wird über dessen Steuerelektrode von einer Regelschal­ tung 2 angesteuert, indem über deren Verbindungsleitung Zündauslöseim­ pulse diesem Zündtransistor 1 zugeführt werden.

Die Sekundärwicklung ist mit ihrer Hochspannungsseite mit der Zündkerze Zk verbunden, während deren Niedrigpotentialseite auf den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 3 geführt ist. An den nicht-invertieren­ den Eingang dieses Differenzverstärkers 3 wird eine konstante Referenz­ spannung U_ref, vorzugsweise 5 V angelegt, wobei diese konstante Referenz­ spannung von einer Konstantspannungsquelle 6 erzeugt wird. Diese kon­ stante Referenzspannung U_ref wird über diesen Differenzverstärker 3 dem Sekundärkreis der Zündspule Zk zugeführt und gelangt über diese als Meß­ spannung U_meß an die als Ionenstromstrecke arbeitende Zündkerze Zk.

Der Differenzverstärker 3 ist als invertierender Verstärker aufgebaut, indem dessen invertierender Eingang über einen Widerstand R mit dessen Ausgang verbunden ist.

Um während des Zündvorganges an der Zündkerze Zk einen niederohmigen Pfad für den Sekundärstrom zur Verfügung zu stellen, sind Dioden D1 und D2 vorhanden, die den Zündstrom auf Masse bzw. Bordnetzpotential ablei­ ten. Hierzu ist die Diode D1 derart zwischen dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3 und dem Bordnetz U_B geschaltet, daß der Zünd­ strom auf das Bordnetz abfließen kann. Die zweite Diode D2 liegt dagegen mit ihrer Anode auf dem Massepotential und ist mit ihrer Kathode ebenfalls mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3 verbunden. Die Verwendung einer Diode zur Ableitung von positiven Spannungen auf das Bordnetzpotential hat gegenüber der Verwendung von Zenerdioden den Vorteil, daß die Leckströme von Dioden deutlich niedriger sind als diejeni­ gen der Zenerdioden.

Ferner kann ein Widerstand (in der Fig. 1 nicht dargestellt) in der Zuleitung zum Invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3 vorgesehen werden, der den in den Differenzverstärker 3 fließenden Strom zusätzlich begrenzt.

Der invertierende Differenzverstärker 3 wandelt den Ionenstrom in eine Spannung U_ion um, die als Meßsignal einer Auswerteeinheit 5 zugeführt wird. Die dem Sekundärkreis der Zündspule Tr zugeführte Meßspannung U_meß, hier vorzugsweise 5 V, ist während der gesamten Meßdauer konstant. Da der Io­ nenmeßstrom im µA-Bereich liegt, wird ein Differenzverstärker 3 mit einem niedrigen Eingangsstrom verwendet, der heutzutage kostengünstig ver­ fügbar ist. Durch die niederohmige Bereitstellung dieser Meßspannung U_meß entfallen Umladungen von, Streukapazitäten, wie sie in anderen bekannten Systemen bei Wechselstrombelastung, wie z. B. bei klopfender Ver­ brennung, auftreten können. Dieser Vorteil der Erfindung macht sich beson­ ders dann bemerkbar, wenn mehrere Ionenmeßstrecken parallel betrieben werden, wie dies weiter unten anhand von Fig. 2 erläutert wird, weil sich dabei die wirksame Streukapazität vervielfachen kann.

Die Fig. 1 zeigt ferner ein Steuergerät 4, das die Funktion eines Motorma­ nagements übernimmt und seinerseits die Regelschaltung 2 ansteuert. Hier­ zu werden dieser Steuereinheit 4 über einen Eingang E Motorparameter, wie Last, Drehzahl und Temperatur zugeführt. Entsprechende Aktuatoren werden über Ausgänge A gesteuert. Das von der Auswerteschaltung 5 er­ zeugte Ionenstromsignal wird gleichfalls dem Steuergerät 4 zugeführt.

Das Ionenstromsignal kann dazu verwendet werden, um das Klopfen der Brennkraftmaschine zu detektieren und über eine Steuerung des Zündzeit­ punktes eine entsprechende Klopfregelung aufzubauen.

Eine weitere Anwendung besteht darin, das Ionenstromsignal zur Erken­ nung von Entflammungsaussetzern zu verwenden.

Des weiteren ergibt sich auch die Möglichkeit, eine Erkennung der Nocken­ wellenstellung durchzuführen. Die Brennkraftmaschinen sind üblicherweise mit einem Drehzahlsensor ausgestattet, mit dem auch die Bestimmung der Kurbelwellenposition durchgeführt werden kann. Bei 4-Takt-Motoren mit gerader Zylinderzahl befinden sich jeweils zwei Zylinder mit gleicher Kurbel­ wellenposition in unterschiedlichen Takten, beispielsweise Zylinder 1 im Ver­ dichtungstakt und Zylinder 4 im Auspufftakt. Wird der Zündvorgang in die­ sen beiden Zylindern durchgeführt, entsteht nur in dem Zylinder, der sich gerade im Verdichtungstakt befindet, eine Entflammung des Gemisches, wodurch bei Auswertung des Ionenstromsignales die Position der Nocken­ welle erkannt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Transistorzündanlage einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine mit jeweils einem Zylinder zugeordneten Zündendstufen, wobei jede Zünd­ endstufe aus einer Zündspule Tr₁ . . . Tr₄, jeweils einem Zündtransistor 1a . . . 1d und zugehöriger Zündkerze, Zk₁ . . . Zk₄ aufgebaut ist.

Die Zündtransistoren 1a . . . 1d werden über deren Steuerelektroden von ei­ ner Schaltung 2a zur Zylinderselektion angesteuert, die ihrerseits mit einer Regelschaltung 2 verbunden ist, die die entsprechenden Zündauslöseimpul­ se für die einzelnen Zylinder dieser Schaltung 2a zuführt.

Gleichfalls wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein Steuergerät 4 vorgesehen, das die Regelschaltung 2 ansteuert.

Zur Messung des Ionenstromes ist jeweils die Niedrigpotentialseite des Se­ kundärkreises jeder Zündspule Tr₁ . . . Tr₄ auf einen Schaltungsknoten S ge­ führt, der mit dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 3 ver­ bunden ist. Dieser Differenzverstärker 3 ist ebenfalls als invertierender Ver­ stärker mittels eines den invertierenden Eingang mit dem Ausgang verbin­ denden Widerstandes R aufgebaut. Dem nicht-invertierenden Eingang die­ ses Differenzverstärkers 3 wird eine konstante Referenzspannung U_ref zuge­ führt, die von einer Konstantspannungsquelle 6 erzeugt wird. Diese konstan­ te Referenzspannung U_ref ist kleiner als die Bordnetzspannung und beträgt 5 V und führt zu der erwünschten Meßspannung U_meß am Schaltungsknoten S und somit auch an den parallelgeschalteten Ionenstromstrecken der Zünd­ kerzen Zk₁ . . . Zk₄.

Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, wo zwei Dioden D1 und D2 zur Ableitung des Zündstromes auf Masse bzw. Bordnetz vorgese­ hen sind, wird in Fig. 2 zwischen dem Schaltungsknoten S und Masse eine Zenerdiode Z geschaltet, um damit den Zündstrom auf Masse abzuleiten. Eine solche Zenerdiode ist dann zu verwenden, wenn aus Gründen der elek­ tromagnetischen Verträglichkeit der Zündstrom nicht auf das Bordnetzpo­ tential abgeleitet werden kann. Die Zenerspannung dieser Zenerdiode Z liegt unterhalb der Bordnetzspannung und deutlich oberhalb des Wertes der Meßspannung U_meß.

Das am Ausgang des Differenzverstärkers 3 erhaltene Meßsignal U_ion wird ei­ ner Auswerteschaltung 5 zugeführt, die ihrerseits von einem Steuergerät 4 angesteuert wird, dessen Funktion demjenigen Steuergerät aus Fig. 1 ent­ spricht.

Schließlich kann auch in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein zu­ sätzlicher Widerstand (ebenfalls nicht dargestellt) in der Zuleitung zum in­ vertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3 vorgesehen werden, der den in den Differenzverstärker 3 fließenden Strom zusätzlich begrenzt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung ist nicht nur bei Transistorzündanlagen, wie in den beiden Ausführungsbeispie­ len dargestellt, einsetzbar, sondern gleichfalls bei Wechselstromzündungen oder Hochspannungskondensatorzündungen.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum ei­ ner Brennkraftmaschine, bestehend aus:

• a) einer Zündspule (Tr, Tr₁ . . . Tr₄) mit Primär- und Sekundärkreis, die von einem eine Bordnetzspannung (U_B) liefern den Bordnetz gespeist wird,
• b) einer im Sekundärkreis angeordneten Zündkerze (Zk, Zk₁ . . . Zk₄), die gleichzeitig als Ionenstromsonde dient, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
• c) es sind Schaltungsmittel (3, R) vorgesehen, mit denen eine Meßspan­ nung (U_meß) an den Sekundärkreis der Zündspule (Tr, Tr₁ . . . Tr₄) ange­ legt wird, die einen Spannungswert aufweist, der gleich oder kleiner als der Wert der Bordnetzspannung (U_B) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel (3, R, 6) eine zeitlich konstante Meßspannung (U_meß) erzeu­ gen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U_meß) an die Niedrigpotentialseite des Sekundärkrei­ ses der Zündspule (Tr, Tr₁ . . . Tr₄) angelegt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei mehreren Zündspulen (Tr₁ . . . Tr₄) mit jeweils einer Zündkerze (Zk₁ . . . Zk₄) als Ionenstromsonde die von den Ionenstrom­ sonden gebildeten Meßstrecken parallelgeschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Schaltungsmittel (3, R) ein als invertierender Verstärker geschalteter Differenzverstärker vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Differenzverstärkers (3) mit der Niedrigpotentialseite des Sekundärkreises der Zündspule (Tr, Tr₁ . . . Tr₄) verbunden ist und dem ande­ ren Eingang eine Referenzspannung (U_ref) zugeführt wird, deren Wert der Meßspannung (U_meß) entspricht, und der Ausgang des Differenzverstärkers (3) über einen Widerstand (R) mit dem einen Eingang verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (U_ref) von einer Konstantspannungsquelle (6) erzeugt wird.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die am Eingang des Differenzverstärkers (3, R) anliegende Spannung mit Dioden (D1, D2, Z) begrenzt wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Eingangsspannung des Differenzverstärkers (3) eine Zener­ diode (Z) vorgesehen ist.