DE19614288C1 - Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine und zur Wechselstromzündung der Brennkraftmaschine - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine und zur Wechselstromzündung der BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung
und zur Wechselstromzündung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie sie aus der gattungsbildenden,
nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 195 24 539 C1 bekannt ist und die zur
Klopferkennung dient.
Als Klopfen werden bei einer Brennkraftmaschine unerwünschte Verbrennungs
prozesse bezeichnet, die in der Regel durch Selbstzündungen des Kraftstoffes
verursacht werden und ein klopfähnliches Motorgeräusch erzeugen. Neben einer
Leistungsreduzierung, einer Zunahme des Kraftstoffverbrauches und der Abgas
emissionen, können durch das Motorklopfen gravierende Motorschäden verur
sacht werden. Eine Möglichkeit Motorklopfen zu detektieren, ist das Durchführen
einer Ionenstrommessung im Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Eine Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Zusammenwirken mit
einer konventionellen Transistorzündung ist bereits aus der Druckschrift
DE 33 27 766 A1 bekannt. Dazu ist im Brennraum jedes Zylinders eine gleichzeitig
als Ionenstromsonde dienende Zündkerze angeordnet. Auf der Primärseite der
Zündspule wird von einem Erregungsspannungsgenerator eine impulsförmige
Wechselspannung erzeugt, die der Steuerelektrode des Zündtransistors zuge
führt, und sekundärseitig über die Zündkerze in den Brennraum eingekoppelt
wird.
Die impulsförmige Wechselspannung wird in Abhängigkeit des Brennraumdruckes
moduliert, sekundärseitig ausgekoppelt und in einer Auswerteschaltung
bearbeitet.
Der Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung besteht in der Verbindung
der Ionenstrommessung mit einer herkömmlichen Transistorzündung. Bei einer
Transistorzündung kann der Zündzeitpunkt und die Dauer des Zündfunkens nur
sehr begrenzt verändert werden. Bei einer Motordrehzahl von ca. 6000
Umdrehungen pro Minute beträgt die Brenndauer der Zündkerze etwa 1 ms,
wobei die Kurbelwelle sich um ca. 36 Grad weiter dreht (ca. 20% des
Verbrennungstaktes). Während dieser Zeitspanne kann die Ionenstrommessung
nicht durchgeführt werden, wodurch die Erkennung von unregelmäßigen
Druckverläufen stark beeinträchtigt wird.
Eine Verminderung dieses Problems kann durch die Verbindung der
Ionenstrommessung mit der Wechselstromzündung erreicht werden.
Ein Wechselstromzündung ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 39 28 726 A1
bekannt. Dieses Zündsystem weist eine selbstschwingende Zündendstufe und
eine Vorrichtung zur statischen und/oder dynamischen Erfassung des
Zündwinkels auf. Die Zündendstufe, die eine Zündspule mit Primär- und
Sekundärwicklung, einen Kondensator, einen steuerbaren Halbleiterschalter und
eine im Stromkreis der Sekundärwicklung angeordnete Zündkerze aufweist
erzeugt einen Wechselzündstrom, welcher der Zündkerze kontrollierbar
zugeführt wird. Das ermöglicht die freie Einstellung des Brennzeitpunktes und
der Brenndauer des Zündfunkens einer Zündkerze.
Eine Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung und zur Wechselstrom
zündung, wurde bereits in der oben genannten Druckschrift DE 195 24 539 C1
beschrieben. Dabei ist auf der Primärseite der Zündspule ein L/C Resonanzkreis
angeordnet, der während der Zündphase eine Wechselspannung mit einer für die
Zündung benötigten Frequenz generiert, die während der Meßphase mit einer
entsprechenden kleinen Amplitude für die Ionenstrommessung genutzt wird. Auf
der Basis einer Wechselstromzündung läßt sich die Brenndauer des Zündfunkens
so weit reduzieren, daß auch bei hohen Motordrehzahlen eine aussagekräftige
Ionenstrommessung durchgeführt werden kann.
Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung liegt in dem geringen Frequenzabstand
zwischen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und dem Frequenzspektrum
des Motorklopfens. Die Resonanzfrequenz ist an die Anforderungen der Zündung
angepaßt und beträgt ca. 20 kHz, während das Motorklopfen ein Frequenz
spektrum von 8-18 kHz aufweist. Eine Demodulierung dieser beiden Frequenzen
ist nur mit sehr großem Aufwand möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ionen
strommessung und zur Wechselstromzündung anzugeben, die die oben
genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach der Schwingkreis einer Schaltungs
anordnung, die entsprechend der Druckschrift DE 195 24 539 C1 zur Ionenstrom
messung und zur Wechselstromzündung genutzt wird, aus einem im Primärkreis
der Zündspule angeordneten ersten Kondensator sowie der Primärwicklung der
Zündspule besteht, mit einem die Frequenz des Schwingkreises verändernden
Schaltungsmittel erweitert wird. Das frequenzverändernde Schaltungsmittel,
welches während der Meßphase zugeschaltet ist, bewirkt eine Verschiebung der
Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wodurch eine zweite, für die Ionenstrom
messung benötigte Frequenz generiert wird.
Vorzugsweise ist das die Frequenz des Schwingkreises verändernde
Schaltungsmittel als zweiter Kondensator ausgebildet.
Der zweite Kondensator wird zur Verkleinerung der Gesamtkapazität des
Schwingkreises seriell zum im Primärkreis befindlichen ersten Kondensator
angeordnet. Das Schalten des zweiten Kondensators erfolgt über einen zu diesem
parallel angeordneten, elektrisch steuerbaren Schalter. Während des
Zündvorgangs ist dieser Schalter geschlossen, d. h. der zweite Kondensator liegt
beidseitig auf Masse, wobei der Schwingkreis die zur Wechselstromzündung
benötigte erste Frequenz generiert.
Bei geöffnetem Schalter addieren sich die Distanzen d₁ und d₂ der Kondensator
platten des ersten und des zweiten Kondensators, wodurch sich gemäß
die Gesamtkapazität Cges des Schwingkreises verringert und sich gemäß
die primärseitige Resonanzfrequenz ωpr des Schwingkreises erhöht.
Eine letzte vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt in der Umschaltung der
Schaltungsanordnung auf eine geringere Versorgungsspannung während der
Meßphase. Dadurch wird die Amplitude der Wechselspannung zur Erzeugung
eines Ionenstromes soweit reduziert, daß bei gegebener zweiter Frequenz keine
unerwünschten Überschläge entstehen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit den Figuren dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Ionenstrommessung,
Fig. 1a ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der in Fig. 1 gezeigten
Meßanordnung 4,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Zündspule mit den für die
Zündphase und Meßphase erforderlichen Wechselspannungen.
Fig. 3 ein Zeit-Spannungs-Diagramm mit den während der Meßphase
gebildeten, sekundärseitigen Wechselspannungen.
In den Fig. 1, 2 und 3 ist die dargestellte Schaltungsanordnung der
Einfachheit halber mit nur einer Zündendstufe Z und mit einer Zündkerze Zk
gezeichnet.
Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen besteht durch die sequentielle
Ansteuerung der Zündkerzen Zk die Möglichkeit, bestimmte Teile der Schaltungs
anordnung für aller Zylinder gemeinsam zu nutzen, während andere Teile für
jeden Zylinder separat vorhanden sein müssen.
Die Zündendstufe Z gemäß der Fig. 1 enthält eine Zündspule Tr mit Primär- und
Sekundärwicklung, wobei an die Sekundärwicklung die schon genannte
Zündkerze Zk angeschlossen ist. Die Primärwicklung ist mit ihrem einen Anschluß
mit einer Versorgungsspannung UV und mit ihrem anderen Anschluß mit einer
Reihenschaltung aus den Kondensatoren C1 und C2 zur Bildung eines
Schwingkreises verbunden. Der Kondensator C2 kann durch einen elektrisch
steuerbaren Schalter S überbrückt, bzw. kurzgeschlossen werden. Parallel zu der
Reihenschaltung aus den Kondensatoren C1 und C2 ist eine Energierückgewin
nungsdiode D₁ sowie eine Serienschaltung aus einem Zündtransistor T und einem
Stromshunt R₁ geschaltet. Der Zündtransistor T und der Schalter S erhalten
Steuersignale von einer Steuereinheit 1, die auch zur Erfassung des Ist-Wertes des
über diesen Zündtransistor T fließenden Stromes mit dem Shuntwiderstand R₁
verbunden ist.
Eine Regelschaltung 2 übernimmt die Funktion eines Motormanagements, und ist
mit der Steuereinheit 1 verbunden, um über diese Verbindung für eine korrekte
Zündverteilung zu sorgen. Hierzu werden dieser Regelschaltung 2 über einen
Eingang E Motorparameter, wie Last, Drehzahl und Temperatur zugeführt.
Entsprechende Aktuatoren werden über Ausgänge A gesteuert.
Die Zündendstufe Z arbeitet im stromkontrollierten Sperr- und Durchfluß
wandlerbetrieb. Für die Dauer des Einschaltvorganges des Zündtransistors T für
eine erste Zündphase fließt ein Kollektorstrom Ik der dem Primärspulenstrom Ip
entspricht. Dieser Kollektorstrom Ik wird durch die Steuereinheit 1 auf einen
bestimmten Wert Isoll begrenzt. Um eine kurze Ladezeit zu erreichen, wird die
Primärspule der Zündspule Tr mit einer von einem Schaltnetzteil 5 erzeugten
Versorgungsspannung UV=180 Volt gespeist. Das Schaltnetzteil seinerseits wird
von der Bordspannung UB versorgt. Hat der Kollektorstrom Ik den durch Isoll
vorgegebenen Wert erreicht, wird der Zündtransistor T abgeschaltet. Die in der
Primärspule enthaltene Energie regt die Sekundärseite der Zündspule Tr
(Sekundärinduktivität, Zündkerzenkapazität) zum Schwingen an. Aufgrund der
50%igen Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule der
Zündspule Tr wird ein Teil der Energie auf der Primärseite der Zündspule Tr in den
Kondensator C1 transferiert und der andere Teil auf der Sekundärseite der
Zündspule Tr in die Zündkerzenkapazität.
Der Kondensator C2 ist während der Zündphase über den elektrisch steuerbaren
Schalter S kurzgeschlossen bzw. auf Masse geschaltet. Die Spannung am
Kondensator C1 und die Zündspannung an der Zündkerze Zk steigen sinusförmig
an, bis keine Energie mehr in der Primärspule vorhanden ist. Nun wird die im
Kondensator C1 gespeicherte Energie wieder der Zündspule Tr auf der Primärseite
zugeführt, bis die Spannung am Kondensator C1 den Wert 0 erreicht. Diese
Schwingung bildet die primärseitige Wechselspannung mit der ersten Frequenz
für die Zündphase UprZP. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Zündspule Tr sekundär
seitig ihre vorhandene Energie in die Zündkerzenkapazität ab (Zündfunken).
Primärseitig ist dies analog für den Kondensator C1 nicht möglich, da die
Spannung am Kollektor des Zündtransistors T aufgrund der leitend gewordenen
Energierückgewinnungsdiode D₁ nicht negativ werden kann. Die in der
Primärinduktivität vorhandene Energie wird daher über diese Diode D₁ ins
Bordnetz zurückgeliefert. Sekundärseitig läuft die Schwingung aufgrund der nur
ca. 50%igen Kopplung zwischen Primär- und Sekundärinduktivität weiter, und
bildet die sekundärseitige Wechselspannung der Zündphase UsekZP. Während
dieses Zeitabschnittes wird der Zündtransistor T wieder eingeschaltet, da
nunmehr die gleichen Spannungsverhältnisse wie vor dem ersten Einschalten des
Zündtransistors T vorliegen. Durch die Stromkontrolle wird der Primärspule
immer die gleiche Energie zugeführt. Der Anteil der eingespeisten Energie, der
nicht im Funkenkanal benötigt wurde, wird wieder vollständig in das Bordnetz
zurückgespeist. Die Kopplung von ca. 50% verhindert bei einem Funkendurch
bruch eine totale Bedämpfung des Primärschwingkreises durch den stark
gedämpften Sekundärschwingkreis. Das Einschalten des Zündtransistors T durch
die Steuereinheit 1 erfolgt genau so oft bzw. so lange, bis die gewünschte
Funkenbrenndauer der Zündkerze Zk erreicht ist.
Unmittelbar nach der Beendigung einer Zündphase kann zur Durchführung der
Ionenstrommessung innerhalb der Meßphase der Zündtransistor T von der
Steuereinheit 1 derart angesteuert werden, daß auf der Primärseite der
Zündspule Tr ein Wechselspannung UprMP mit einer zweiten Frequenz erzeugt
wird. Dazu wird durch öffnen des elektrisch steuerbaren Schalters S durch die
Steuereinheit 1 der Kondensator C2 zu dem Kondensator C1 in Serie geschaltet.
Dadurch wird die Gesamtkapazität Cges vermindert bzw. die Frequenz des
primärseitigen Schwingkreises erhöht. Die Amplitude der sekundärseitigen
Wechselspannung UsekMP ist so ausgelegt, daß sie sekundärseitig keine Zünd
funken herbeizuführen kann, z. B. 1 kV (vgl. Fig. 2). Dazu kann beispielsweise die
Versorgungsspannung UV primärseitig auf 12 Volt oder eine andere verfügbare
Bordspannung UB umgeschaltet werden. Sekundärseitig bewirkt die Wechsel
spannung UsekMP mit der zweiten Frequenz einen Stromfluß über die ionisierte
Zündfunkenstrecke. Dabei bewirken Schwankungen im Brennraumdruckverlauf
Veränderungen des Ionenstromes, die wiederum eine Amplitudenmodulation des
sekundärseitigen Wechselspannung UsekMP zur Folge haben, die in der Fig. 2 als
UsekIon bezeichnet ist. Die Spannungsgrößen UprZP, UsekZP, UprZP, UsekMP sind zur
Veranschaulichung in Fig. 2 dargestellt. Die Spannungsgrößen UsekMP, UsekIon
und das eigentliche Ionenstromsignal UIon sind zur Verdeutlichung in dem Zeit-
Spannungs-Diagramm in der Fig. 3 dargestellt, wobei UIon der Einfachheit halber
sinusförmig gezeichnet ist.
Der Frequenzabstand zwischen der sekundärseitigen Wechselspannung UsekMP
mit der zweiten Frequenz und dem Frequenzspektrum des Ionenstromsignales
UIon sollte möglichst groß sein, da dies die Auskopplung des Ionenstromsignales
UIon von der amplitudenmodulierten, sekundärseitigen Wechselspannung UsekMP
erleichtert. Bei einem Klopfspektrum von üblicherweise 8-18 kHz sollte die
Frequenz der für die Meßphase erzeugten, sekundärseitigen Wechselspannung
UsekMP 50-100 kHz betragen. Diesen Fall zeigt Fig. 3, wo bei den niedrigen
Frequenzen des Ionenstromsignales UIon die Frequenz der sekundärseitigen
Wechselspannung UsekMP sehr viel höher liegt. Hierbei ist die Möglichkeit einer
einfachen Auskopplung des Ionenstromsignales UIon von der amplituden
modulierten, sekundärseitigen Wechselspannung UsekIon mittels eines Tiefpasses
gegeben.
Die amplitudenmodulierte Wechselspannung UsekIon wird mit Hilfe einer Meß
anordnung 4 am stromschwachen Ende der Sekundärwicklung der Zündspule Tr
abgegriffen. Die Auskopplung kann mittels eines hochohmigen Widerstandes,
einer Koppelspule, eines Kondensators, eines Halbleiterbauelementes oder einer
Kombination dieser Elemente erfolgen, wie dies in Fig. 1a mit einem Widerstand
R₂, einem Kondensator C3 und zwei in Reihe geschalteten Z-Dioden D₂ und D₃
gezeigt ist.
In der Auswerteschaltung 3 gemäß der Fig. 1 erfolgt die Aufbereitung der
amplitudenmodulierten Wechselspannung UsekIon um das eigentliche Ionen
stromsignal UIon zu erhalten. Die Aufbereitung erfolgt beispielsweise mit einem
Demodulator und einem oder mehreren Filtern. Das Ionenstromsignal UIon wird
sowohl der Steuereinheit 1 als auch der Regelschaltung 2 zugeführt. Die
Steuerung der Erfassung der Ionenstromsignale UIon in der Auswerteschaltung 3
erfolgt über eine Verbindungsleitung von der Steuereinheit 1 zur Auswerte
schaltung 3. Dabei werden Zündimpulse ausgeblendet, indem die Steuereinheit 1
die Information über die Dauer der Meßphase an die Auswerteschaltung 3
weiterleitet.
Aus dem der Steuereinheit 1 zugeführten Ionenstromsignal UIon können auch
Informationen über den Verbrennungsvorgang und das Motorverhalten
abgeleitet werden, um hieraus Regelgrößen zur Steuerung der Wechselstrom
zündung abzuleiten.
So kann eine Klopfsignalauswertung durchgeführt werden, die zu einer Regelung
des Zündzeitpunktes führt und keinen störgeräuschanfälligen Körpersensor erfor
dert. Weiterhin kann mit der Information über den Verbrennungsvorgang eine
Zündenergiesteuerung durchgeführt werden, insbesondere kann der Zylinder
druck bestimmt werden, der mit in die Lambda-Regelung und Einspritzsteuerung
eingeht. Weiterhin kann aus dem Ionenstromsignal UIon eine Zylinder-1-Erkennung
abgeleitet werden. Ferner lassen sich Zündaussetzer erkennen, die Schäden am
Katalysator verursachen können. Schließlich kann aus dem Ionenstromsignal UIon
eine Lasterkennung abgeleitet werden, um hieraus eine Laufruhenregelung der
Brennkraftmaschine durchzuführen.
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum einer
Brennkraftmaschine während einer Meßphase und zur Wechselstromzündung
der Brennkraftmaschine während einer Zündphase, bestehend aus einer
Steuereinheit (1), einem Zündtransistor in, einer Zündspule (Tr) mit einer
Primärwicklung im Primärkreis und einer Sekundärwicklung im Sekundärkreis,
einer im Sekundärkreis angeordneten Zündkerze (Zk), welche zusätzlich
während der Meßphase als Ionenstromsonde dient, einem im Primärkreis
angeordneten ersten Kondensator (C1), der zusammen mit der Primärwicklung
der Zündspule (Tr) einen Schwingkreis bildet, der während der Zündphase eine
Wechselspannung (UprZP) mit einer ersten, für die Wechselstromzündung
benötigten Frequenz generiert, und während der Meßphase eine Wechsel
spannung generiert, deren Amplitudenwert kleiner ist als die zur Zündung der
Zündkerze (Zk) erforderliche Zündspannung und die in Abhängigkeit des
Ionisationsgrades der Zündfunkenstrecke moduliert wird, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem im Primärkreis angeordneten ersten Kondensator (C1)
während der Meßphase ein frequenzveränderndes Schaltungsmittel
zugeschaltet ist, so daß der Schwingkreis für die Ionenstrommessung eine
Wechselspannung (UprMP) mit einer zweiten Frequenz generiert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
frequenzveränderndes Schaltungsmittel ein zweiter Kondensator (C2)
vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Verkleinerung der Gesamtkapazität des Schwingkreises der zweite Kondensator
(C2) seriell zu dem im Primärkreis befindlichen ersten Kondensator (C1)
angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Kondensator (C2) dadurch geschaltet wird, daß er während der
Zündphase auf Masse gelegt ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Versorgungsspannung (UV) der Schaltungsanordnung während der Meßphase
geringer ist als während der Zündphase.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996114288 DE19614288C1 (de) | 1996-04-11 | 1996-04-11 | Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine und zur Wechselstromzündung der Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996114288 DE19614288C1 (de) | 1996-04-11 | 1996-04-11 | Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine und zur Wechselstromzündung der Brennkraftmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19614288C1 true DE19614288C1 (de) | 1997-08-07 |
Family
ID=7790978
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1996114288 Expired - Lifetime DE19614288C1 (de) | 1996-04-11 | 1996-04-11 | Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine und zur Wechselstromzündung der Brennkraftmaschine |
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