DE19780111C2

DE19780111C2 - Meßschaltkreis zum Feststellen von Ionisation in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19780111C2
Application number: DE19780111T
Authority: DE
Inventors: Anders Goeras; Gunnar Bjoerquist
Original assignee: Mecel AB
Current assignee: SEM AB
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2017-01-22
Also published as: DE19780111T1; WO1997027400A1; SE9600271L; SE9600271D0; SE505874C2; US5907243A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meßschaltkreis zum Feststellen von Ionisation in einem Zylinder eines Verbren nungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem die Verbrennung durch eine Zündkerze initiiert wird.

STAND DER TECHNIK

In der US 4 648 367 ist ein Meßschaltkreis zum Feststellen von Ionisation in einem Ottomotor gezeigt. Durch Anlegen einer im wesentlichen konstanten Vorspannung an den mit Masse verbunde nen Anschluß der Sekundärwicklung der Zündspule kann die Ioni sation innerhalb der Brennkammer erfaßt werden. Die Erfassung geschieht mittels eines Meßwiderstandes, der in Reihe zwischen einen Kondensator und Masse geschaltet ist und der durch eine parallel geschaltete Diode geschützt ist. Die Diode leitet den Zündstrom vorbei und die Meßkapazität fördert einen Strom, d. h. den Ionisationsstrom, über den Spalt zwischen den Zündkerzen elektroden.

In der US 5 271 268 ist dasselbe Konzept patentiert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die in der Sekundärwick lung induzierte Spannung als Quelle benutzt, um den Meßkonden sator auf eine beträchtliche, konstante Meßspannung zu laden.

Bei diesen beiden Lösungen wird der Zündfunkenstrom zu einem Masseanschluß geleitet, der auch für den Meßwiderstand benutzt wird. Der Zündfunkenstrom liegt in der Größenordnung einiger 100 mA und der Ionisationsstrom erreicht nur eine Größenordnung einiger µA. Damit der Ionisationsstrom auf zuverlässige Art und Weise festgestellt werden kann, sollte die Erfassung so nahe wie möglich am Meßwiderstand stattfinden und die elektronische Schaltung sollte eine ausreichende Empfindlichkeit aufweisen, um die Schwankungen relativ geringer Größenordnung im Ionisati onsstrom zu erfassen. Wenn beispielsweise das Meßsignal an dem Ausgang 6 in der zuvor erwähnten US 5 271 268 einem zentralen Prozessor zugeführt werden soll, der an einem geschützten Ort im Motorraum angeordnet ist, etwa an der Spritzwand oder inner halb des Fahrgastraumes, dann besteht die Gefahr, daß das Signal Störungen unterliegt. Die Signalverarbeitung wird des halb normalerweise so nahe wie möglich am Meßwiderstand vorge nommen. Eine Integration der Signalverarbeitungsschaltkreise mit der Zündspule ist in der üblichen Weise vorgenommen worden mit Schutzdioden und einem Meßwiderstand, die auf derselben Leiterplatte integriert sind und einen gemeinsamen Massean schluß haben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der in der Primärwicklung der Zündspule entstehende Primärstrom in den meisten Fällen über das Motorgehäuse und ein Masseband zurück zur Batteriemasse geleitet wird, was zu einem ausgedehnten Primärstromkreis mit einer großen physischen Oberfläche führt. Der Primärschaltkreis wird dann extrem anfällig für elektroma gnetische Störungen von anderen Einheiten und wird selbst hochgradige Störungen aussenden. Die ausgesandten Störungen können dann andere Systeme beeinträchtigen und empfangene Störungen können die Ionisationsstrommessungen verzerren.

ZIEL DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Meßschaltkreise, die zum Feststellen von Ionisationsströmen benutzt werden, so auszugestalten, daß sie Zündfunkenströme derart steuern können, daß die zum Feststellen von Ionisationsströmen benutzten elek tronischen Schaltungen durch die Zündfunkenströme nicht beein trächtigt werden.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Teile der Zündanlage auf bequeme Art und Weise so gestalten zu können, daß die von der Zündanlage emittierten elektromagnetischen Störungen redu ziert werden können.

Bezüglich einer weiterentwickelten Ausführungsform besteht eine noch weitere Aufgabe darin, den Zündfunkenstromkreis und den Primärstromkreis in zwei physisch voneinander getrennte elek trische Schaltkreise aufzuteilen, die beide eine geringe physi sche Größe haben. Die elektrischen Schaltkreise können dann auf eine geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen hin konstruiert werden und werden selbst die ausgesandten Störungen reduzieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der erfindungsgemäße Meßschaltkreis ist durch den kennzeichnen den Teil des Anspruchs 1 charakterisiert.

Mittels des erfindungsgemäßen Meßschaltkreises wird der Zünd funkenstrom auf einen die elektronischen Schaltungen nicht umfassenden, klar umrissenen elektrischen Stromkreis begrenzt und der Zündfunkenstrom, der ein hohes Maß an Störungen (Interferenz) erzeugt, ist von empfindlichen Bauteilen der Schaltungen getrennt.

Andere Unterscheidungsmerkmale und Vorteile der Erfindung sind aus den kennzeichnenden Teilen weiterer Ansprüche und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich. Die Beschreibung von Ausführungsbeispielen erfolgt unter Bezugnahme auf die in der folgenden Aufzählung genannten Figuren. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Meßschaltkreis,

Fig. 2 einen alternativen Anschluß des Meßschaltkreises an Masse,

Fig. 3 wie ein Meßschaltkreis in eine Zündspule integriert werden kann, die direkt auf einer Zündkerze befestigt ist.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In Fig. 1 ist ein Meßschaltkreis zum Feststellen von Ionisati on innerhalb der Brennkammer eines Verbrennungsmotors darge stellt. Der Meßschaltkreis befindet sich in dem mit Masse verbundenen Anschluß der Sekundärwicklung 6 einer Zündspule 2. Die Zündspannung wird in der Sekundärwicklung 6 induziert, wenn der Strom durch die Primärwicklung 5 durch einen Halbleiter schalter 7 abgeschaltet wird. Wenn die in der Sekundärwicklung induzierte Zündspannung einen ausreichenden Wert erreicht, wird ein Zündfunke in dem Spalt 3 zwischen den Zündkerzenelektroden erzeugt. Der Zündzeitpunkt wird auf herkömmliche Weise in Abhängigkeit vorherrschender Motorparameter, wie beispielsweise zumindest Motorlast, Drehzahl und Temperatur, gesteuert.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Kondensator 13 von dem in der Sekundärwicklung 6 entwickelten Strom geladen. Eine parallel zu dem Kondensator 13 geschaltete Zenerdiode 12 (d. h. eine Avalanche-Diode) begrenzt das Laden des Kondensators auf einen bestimmten Spannungswert. Es sollte eine Zenerdiode 12 mit einer Zenerspannung, d. h. einer Durch bruchsspannung, im Bereich von 50-400 V, vorzugsweise 80 V, gewählt werden. Der Kondensator 13 wirkt als Quelle für eine an den Masseanschluß angelegte Meßspannung mit einem während des Verbrennungsvorgangs im wesentlichen konstanten Spannungswert. Der im wesentlichen konstante Spannungswert entspricht der Durchbruchsspannung der Zenerdiode. Ein Meßwiderstand 14 mit einem ohmschen Widerstand, vorzugsweise mit einem ohmschen Widerstand in der Größenordnung einiger 100 kΩ, ist in Reihe mit dem Kondensator 13 geschaltet. Um den Meßwiderstand vor einem relativ großen Zündfunkenstrom zu schützen, ist ein parallel geschalteter Gleichrichter 11, in diesem Ausführungs beispiel eine Zenerdiode, parallel zu dem Meßwiderstand 14 geschaltet. In manchen Anwendungen kann eine herkömmliche Diode als parallel geschalteter Gleichrichter gewählt werden. Eine Zenerdiode ist jedoch die bevorzugte Wahl, da eine Zenerdiode auch jegliche negativen Spannungen begrenzt, die über den Meßwiderstand 14 angelegt werden, und so die mit dem Meßwider stand verbundenen Meßschaltungen und die Meßlogik schützt. Wenn der parallel geschaltete Gleichrichter 11 eine Zenerdiode ist, dann wird das Maß der negativen Meßspannung auf die Durch bruchsspannung der Zenerdiode begrenzt. Die herkömmliche Zener diode zeigt in der normalen spannungsleitenden Richtung ein sehr geringes Maß von Spannungsabfall in der Größenordnung von einigen Zehntel Volt, typischerweise in der Größenordnung von 0,7 V. Wenn der Zündfunken in dem Spalt 3 der Zündkerze erzeugt wird, dann entsteht in einem geschlossenen Schaltkreis ein Zündfunkenstrom wie durch einen Pfeil SC angegeben. Der paral lel geschaltete Gleichrichter 11 stellt sicher, daß die in der Sekundärwicklung induzierte Energie zu dem Zündelektrodenspalt 3 geleitet wird. Der Zündfunkenstrom entsteht in einem ge schlossenen Schaltkreis von einem Ende der Sekundärwicklung 6 zum anderen Ende über die Zenerdioden 12 und 11, die Masselei tung GW3, die Motormasse EG und schließlich den Spalt 3 der Zündkerze.

Wenn der Zündfunke in dem Spalt 3 der Zündkerze erlischt, beaufschlagt der Kondensator den Zündelektrodenspalt mit einer Vorspannung, die eine gegenüber der Zündfunkenspannung entge gengesetzte Polarität hat. Der daraufhin entstehende Strom, der im folgenden als Ionisationsstrom bezeichnet wird, ist abhängig von der Anzahl ionisierter Partikel, die von dem Verbrennungs vorgang in dem Zündelektrodenspalt erzeugt werden. Der Ionisa tionsstrom wird durch die Meßspannungsquelle, d. h. den Kondensator 13, in einem geschlossenen Schaltkreis über die Sekundärwicklung 6, den Zündelektrodenspalt 3, die Masseschlei fe EG-GW1-GW2-IMG und den Meßwiderstand 14 geleitet. Das Maß des Ionisationsstroms wird durch eine elektronische Steuerein heit 8 erfaßt, die auch den Treiber A für den Halbleiterschal ter 7 enthalten kann.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Aufbau des Meßschaltkreises ist die Masseanschluß EG der Zenerdiode 11 von dem Massean schluß IMG des Meßwiderstandes 14 getrennt. Der Masseanschluß EG der Zenerdiode 11 ist vorzugsweise die Motormasse, was zu einem lokal auf den Motor begrenzten Stromkreis führt. Die von dem Stromkreis umschlossene Fläche, die physische Größe des Stromkreises, ist sehr klein, was einen Stromkreis ergibt, der zum einen weniger empfindlich für Störungen ist, die von exter nen Quellen ausgesandt werden, und zum anderen das Aussenden von Störungen unterdrückt. Der Masseanschluß des Meßschaltkrei ses kann eine gemeinsame Masseverbindung mit dem Masseanschluß IMG der Elektronik der Zündanlage sein. Auf diese Weise kann der relativ hochgradige Störungen erzeugende Zündstrom sicher über eine Masseverbindung geleitet werden, die nicht von der ziemlich empfindlichen Elektronik der Steuereinheit 8 benutzt wird.

Wenn eine Zündanlage in einem Chassis angeordnet ist, bei spielsweise in einem Kraftfahrzeug, dann wird auf herkömmliche Art eine Batterie 4 verwendet, die das Chassis als Systemmasse benutzt. Der Motor ist über ein Masseband GW1 mit der Chassis masse CG verbunden. Der Masseanschluß IMG der Zündungsschaltun gen kann dann über ein Erdungsband (oder Kabel) GW2 mit der Chassismasse an Masse angeschlossen werden.

Um die Größe des Primärstromkreises zu verringern, sollte die Spannungsquelle parallel zur Massebasis des Primärstromkreises geschaltet werden. Die Verbindung mit dem Pluspol der Batterie und die Rückführleitung an Masse sollten parallel oder in einer verdrillten Doppelleitung im selben Kabelbaum 32 angeordnet sein. Die physische Größe des elektrischen Primärstromkreises wird so verringert, was die Anfälligkeit gegenüber elektroma gnetischen Störungen aus äußeren Quellen und das Maß der von dem Stromkreis emittierten Störungen reduziert.

In Fig. 2 ist eine alternative Möglichkeit zum Anschließen des Meßschaltkreises an Masse dargestellt. In diesem Ausführungs beispiel ist der Masseanschluß IMG der Zündanlage mit einem Masseband GW2' geerdet, das von dem die Zenerdiode 11 erdenden Masseband GW3 getrennt ist. Darüber hinaus könnte in diesem Ausführungsbeispiel der Zündfunkenstrom SC in einem geschlosse nen Stromkreis geleitet werden, ohne über den Masseanschluß IMG der Zündanlage geleitet zu werden.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie ein Meßschaltkreis in eine Zündspu le integriert werden kann, die direkt auf einer Zündkerze 21 angebracht ist. Die Zündspule 2 ist vorzugsweise in einem zylindrischen Gehäuse 20 angeordnet, das auch einen herkömmli chen Zündkerzenstecker einschließt. Der Zündkerzenstecker ist vorzugsweise von einer ähnlichen Bauart wie der in dem europäi schen Patent EP-C-151 594 (= US-A-4 621 881) gezeigte. Ein die elektronischen Schaltkreise einschließlich der Elektronik des Meßschaltkreises 1 enthaltendes Gehäuse ist mit dem Zündspulen gehäuse integriert. Die einzelnen Bauteile 11 bis 14 des Meß schaltkreises sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte angebracht, sie haben jedoch getrennte Massen oder Masseanschlüsse für die Zenerdiode 11 und alle anderen Bautei le. Die integrierte Einheit 10, 20 ist mittels Befestigungs schrauben 30, 31 fest auf dem Zylinderkopf 23 des Motors angebracht. Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbei spiel wird zumindest eine der Befestigungsschrauben 30, 31 als Masseschraube GW3 benutzt, die die Masse der Zenerdiode 11 direkt mit der Motormasse EG verbindet. Alternativ könnte ein zusätzliches, kurzes Masseband 34 mit dem Motorgehäuse verbun den werden. Die Masse IMG der Zündanlage ist in diesem Ausfüh rungsbeispiel über den Kabelbaum 32 und weiter vorzugsweise an der Chassismasse geerdet.

In dem in Fig. 2 dargestellten, zweiten Ausführungsbeispiel kann ein der Befestigungsschrauben, beispielsweise die Schraube 30, als Masseschraube GW3 für die Zenerdiode 11 verwendet werden. Die andere Befestigungsschraube 31 kann als Masse schraube GW2' für die Masse IMG der Zündanlage benutzt werden. Alternativ könnte ein kurzes Masseband 33 als Masseanschluß GW2' verwendet werden. Wenn die physische Größe des Primär stromkreises begrenzt werden soll, dann sollte die Spannungszu führung in dem Kabelbaum parallel mit dem Masseanschluß GW1 des Motors installiert sein, wie bei dem Kabelbaum 32' in Fig. 2 gezeigt.

Die Erfindung kann innerhalb des Schutzbereiches der Ansprüche auf verschiedene Weise abgewandelt werden. In der bevorzugte sten Ausführungsform sind sowohl der Zündfunkenstromkreis als auch der Primärstromkreis in zwei unabhängige, voneinander separate Stromkreise unterteilt, die beide hinsichtlich ihrer physischen Größe begrenzt sind. Dadurch wird die elektronische Schaltung vor dem Hochfrequenzanteil der Zündfunkenströme geschützt. Durch die Verringerung der physischen Größe jedes Stromkreises wird darüber hinaus die Empfindlichkeit gegenüber Störungen, die von anderen innerhalb oder außerhalb des Fahr zeuges angeordneten elektrischen Systemen emittiert werden, verringert. Die Erfindung kann bei Zweitakt-, Viertakt-, Wan kelmotoren und allen anderen Motorenarten eingesetzt werden, die mit Zündspulen und Zündkerzen zur Verbrennungsauslösung ausgestattet sind.

Die für die Messungen verwendete Spannungsquelle kann innerhalb des Schutzbereiches des unabhängigen Anspruchs auch einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler einschließen, der die Batterie spannung auf den für die Messungen notwendigen Spannungswert umwandelt. Das Hauptmerkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Zündfunkenströme nicht über den Masseanschluß geleitet werden, der von der übrigen Elektronik benutzt wird. Der Mas seanschluß der übrigen Elektronik kann im weiteren an der Motormasse geerdet sein und bei bestimmten Anwendungen kann auch der Primärstrom durch die Motormasse geleitet werden. Im letzteren Fall sollte die Zufuhr des Primärstroms parallel mit der Referenzmasse installiert sein, wenn die vom Primärstrom kreis umschlossene Fläche unter Störungsgesichtspunkten mini miert sein soll.

Claims

1. Meßschaltkreis zum Feststellen von Ionisation in einer Brennkammer eines in einem Chassis angeordneten Verbrennungs motors, wobei der Motor aufweist

1. zumindest eine Brennkammer (22),
2. zumindest eine in jeder Brennkammer angeordnete Zündkerze (21), die eine erste und eine zweite Elektrode hat, wobei die zweite Elektrode mit Motormasse (EG) verbunden ist, und wobei die Elektroden zwischen sich einen Spalt (3) bilden,
3. zumindest eine Zündspule (2) mit einer Sekundärwicklung (6), deren erstes Ende während der Erzeugung eines Zündfunkens mit der ersten Elektrode zumindest einer Zündkerze verbunden ist, und deren zweites Ende mit Masse verbunden ist, wobei der Meßschaltkreis an der zweiten und geerdeten Verbindung der Sekundärwicklung angeschlossen ist, und wobei der Meßschalt kreis aufweist
- 1. einen Meßwiderstand (14) und ein parallel dazu geschalte tes Gleichrichterbauteil (11),
- 2. eine Spannungsquelle (13) für Messungen mit einem im wesentlichen konstanten Spannungspotential während eines Ver brennungsereignisses, wobei die Spannungsquelle in dem Meß schaltkreis in Reihe mit dem Meßwiderstand (14) angeordnet ist und die Spannungsquelle während eine Ionisation in dem Spalt (3) einen Strom durch den Meßwiderstand hervorruft, der dem in dem Spalt (3) entstehenden Strom entspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichrichterbauteil (11) in dem Meßschaltkreis über eine Masseleitung (GW3) direkt an der Motormasse (EG) geerdet ist, ohne die Masseebene (IMG) des Meßschaltkreises zu passieren, und daß der Meßwiderstand (14) an der Masseebene des Meßschaltkreises geerdet ist, wodurch der Zündfunkenstrom durch das Gleichrichterbauteil (11) geleitet werden kann, ohne die Masseebene (IMG) des Meßschaltkreises zu beeinflussen.

2. Meßschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseebene (IMG) des Meßschalt kreises über ein Masseband (GW2) an der Chassismasse (CG) geerdet ist und daß die Motormasse (EG) über ein Masseband (GW1) an der Chassismasse (CG) geerdet ist, wobei die Chassis masse (CG) auch mit dem Masseanschluß der Spannungsquelle (4) der Zündanlage verbunden ist.

3. Meßschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseebene (IMG) des Meßschalt kreises über ein Masseband (GW2') an der Motormasse (EG) geer det ist, das von dem Massekabel des Gleichrichterbauteils getrennt und parallel dazu installiert ist, und daß die Motor masse (EG) ihrerseits über ein Masseband (GW1) mit der Chassis masse (CG) verbunden ist.

4. Meßschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (5) der Zünd spule Teil eines Stromkreises (4-5-7-IMG-GW2-CG) ist, der vollständig von dem Zündfunkenstromkreis (6-3-EG-GW3-11-12) getrennt ist.

5. Meßschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (5) der Zündspu le Teil eines Stromkreises (4-5-7-IMG-GW2'-EG-GW1-CG) ist, der nur die Motormasse (EG) als einen gemeinsamen Leiter mit dem Zündfunkenstromkreis (6-3-EG-GW3-11-12) hat.

6. Meßschaltkreis nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Primärwicklung (5) entstehende Primärstrom zum und vom Motor über einen Kabelbaum (32, 32') geleitet wird, der sowohl einen Spannungsversorgungs leiter als auch einen Masserückflußleiter (GW1/GW2) zum ersten bzw. zweiten Anschluß der Spannungsquelle (4) der Zündanlage umfaßt, wobei der Zuführleiter und der Masserückflußleiter innerhalb des Kabelbaumes (32, 32') parallel zueinander ange ordnet sind.

7. Meßschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Messungen verwendete Spannungsquelle einen Kondensator (13) und einen Spannungsbe grenzer einschließt, vorzugsweise eine Zenerdiode (12), wobei der Spannungsbegrenzer parallel zu dem Kondensator geschaltet ist.

8. Meßschaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Messungen verwendete Spannungsquelle (13), der Meßwiderstand (14) und das Gleich richterbauteil (11) auf einer gemeinsamen Leiterplatte ange bracht sind, die mit zwei getrennten Masseanschlüssen versehen ist, wovon ein Masseanschluß (GW3) direkt mit der Motormasse und der andere Masseanschluß (GW2/GW2') mit der Masseebene des Meßschaltkreises verbunden ist.

9. Meßschaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte eine Einrichtung (8) zum Erfassen der über den Meßwiderstand (14) angelegten Spannung einschließt.