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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Erfassung ionalen Stroms für
eine Brennkraftmaschine, welches in einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge verwendet
wird, um eine magere Verbrennung zu steuern oder ein Klopfen zu
erfassen.
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Es wurden bereits verschiedenartige
Versuche unternommen, die Charakteristiken von in einer Verbrennungskammer
einer Brennkraftmaschine erzeugten ionalen Strömen bzw. Ionenströmen zu analysieren
und die Ergebnisses zur Einstellung von Betriebsabläufen der
Brennkraftmaschine zu verwenden. Beispielsweise bestimmt gemäß einer
vorgeschlagenen Idee die Erfassung einer dem ionalen Strom überlagerten
Klopfkomponente, ob ein Klopfen auftritt. Ein solches Verfahren
zum Erfassen von Klopfen, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 58-7536 beschrieben ist, beinhaltet das Anlegen einer Spannung
zwischen die Elektroden einer Zündkerze
der Brennkraftmaschine; Erfassen eines ionalen Stroms auf der Grundlage
der zwischen den Elektroden erzeugten Spannung; und Ermitteln, ob
Klopfen aufgetreten ist, aus der Amplitude und der Breite eines
dem ionalen Strom entsprechenden ionalen Signals. Da sich das ionale
Signal in Übereinstimmung
mit der Intensität
des Klopfens ändert,
sind die Amplitude und die Breite des ionalen Signals umso größer, je
höher die
Intensität
des Klopfens ist. Die Erfassung des ionalen Stroms ermöglicht es,
zu ermitteln, ob ein Klopfen aufgetreten ist, und die Intensität des Klopfens
zu erfassen. Das wie vorstehend beschriebene Verfahren zur Erfassung
von Klopfen wird häufig
in einer Zündzeitpunkt-Steuereinheit
in einem Brennkraftmaschinen-Steuersystem, welches den Zündzeitpunkt
einstellt, verwendet.
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Jedoch kann sich auch unter gegebenen identischen
Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine der Signalverlauf ionaler
Ströme
in Abhängigkeit
von den Umgebungsbedingungen der Brennkraftmaschine ändern. Beispielsweise
wirken sich die Lufttemperatur bzw. die Temperatur der Atmosphäre, die
Feuchtigkeit und der Luftdruck bzw. der Druck der Atmosphäre sämtlich auf
den Amplitudensignalverlauf aus. Bei dem Verfahren zum Erfassen
des Klopfens mit Schritten des Erfassens des ionalen Stroms und
Erfassens des Klopfens auf der Grundlage des ionalen Signals des
erfaßten
ionalen Stroms kann daher ein Klopfen mit hoher Intensität fälschlicherweise
erfaßt
werden, wenn der ionale Strom größer wird.
Ein solcher großer
ionaler Strom allein kann nicht zum Erfassen von Klopfen herangezogen
werden, solange das Verfahren zum Erfassen des Klopfens oder ein
Erfassungssystem nicht auch diese umgebungsbedingten Einflüsse berücksichtigt.
Umgekehrt kann ein Verfahren oder ein Erfassungssystem, welches
diese Einflüsse
nicht berücksichtigt,
auf der Grundlage eines schwachen ionalen Stroms fälschlicherweise
erfassen, daß kein
Klopfen aufgetreten ist. Das Einstellen des Zündzeitpunkts oder anderer Parameter
auf der Grundlage derartiger ungenauer Erfassungen kann die Leistung
und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verringern.
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Ein bekanntes Verfahren beinhaltet
das Extrahieren einer Klopfkomponente aus einem ionalen Strom mittels
einem Bandpaßfilter
und sodann Verwenden der Klopfkomponente zum Erfassen von Klopfen.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Klopfkomponenten manchmal
nicht korrekt extrahiert werden können, weil die Grenzwerte der
Erfassungsschaltung durch abnormale Schwankungen in ionalen Strömen aufgrund
von Änderungen
der Umgebung überschritten
werden können.
Auch hier kann daher die Einstellung des Zündzeitpunkts oder anderer Parameter
der Brennkraftmaschine auf der Grundlage derartiger falscher Angaben
gewünschte Eigenschaften
der Brennkraftmaschine verschlechtern.
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Die
DE 169 18 980 A1 offenbart eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung
für einen
Verbrennungsmotor. Die Vorrichtung weist eine Stromerfassungsschaltung
und eine Einrichtung zur Überwachung
einer Stromspitze auf. Weiterhin sind ein Vergleicher, eine ECU
sowie weitere Schaltungen zur Verarbeitung des Ionenstroms vorgesehen.
Mittels dieser Vorrichtung wird ein Klopfen dadurch erfasst, das
die Größe der Stromspitze
gemessen wird und daraus auf Eigenschaften des Ionenstroms geschlossen
wird, wie beispielsweise aus der Zusammenfassung hervorgeht.
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Die
DE 39 11 553 A1 offenbart eine Klopfsignalerfassungsvorrichtung,
die einen Klopfsensor verwendet, der die Klopfgeräusche eines
Verbrennungsmotors erfasst, wobei Spitzenwerte ausgewertet werden.
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Die
DE 44 10 063 A1 offenbart eine Verbrennungsmotorsteuervorrichtung,
bei der zwar der ionale Strom und dessen Spitzenwert erfasst wird.
Dabei wird ein Steuerungsparameter (beispielsweise Kraftstoffeinspritzmenge
oder Zündzeitverlauf)
derart geändert,
dass sowohl der Spitzenwert IP als auch die Impulsbreite innerhalb
eines bestimmten Bereichs liegen. Genauer werden diese Werte mit
vorbestimmten konstanten Werten α und β verglichen.
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Die
DE 40 15 992 A1 offenbart ein Verfahren zur
Erkennung und Messung des Klopfens von Brennkraftmaschinen. Genauer
werden Klopfinformationen durch Vergleich einer Kombination von charakteristischen
Signaleigenschaften mit einem oder mehreren Referenzwerten erhalten,
um fehlerhafte Erfassungsentscheidungen zu vermeiden.
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Die nachveröffentlichte
DE 196 45 572 A1 beschreibt
ein Klopfsteuersystem bei dem eine Klopfimpulskette erhalten werden
kann, indem ein Klopfsignal mit einem Referenzpegel vergleichen
werden, und ein Zählwert
der von Impulsen aus der Klopfimpulskette wird entsprechend einer
Drehzahl der Brennkraftmaschine korrigiert, um die Zuverlässigkeit
von Klopfen zu verbessern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Lösung
für die
vorstehend genannten Probleme bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung zur Erfassung ionalen Stroms in einer Brennkraftmaschine
gemäß Patentanspruch
1 und alternativ gemäß Patentanspruch
3 gelöst.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist
in dem Patentanspruch 2 angegeben.
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Die vorstehend genannten Einrichtungen dienen
der Minimierung von Einflüssen
aus der Umgebung auf die Schwankung des ionalen Stroms.
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Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht somit
die Korrektur eines ionalen Stroms auf der Grundlage seines Spitzenwerts
das konsistente Messen von Eigenschaften des ionalen Stroms, die
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine entsprechen. Dies wiederum
verhindert ungenaue Erfassungen von Klopfen auch dann, wenn sich
der ionale Strom aufgrund von Änderungen
der Umgebung ändert.
Infolgedessen wird dann, wenn dem ionalen Strom bei auftretendem
Klopfen überlagerte
Klopfsignale präzise
erfaßt
werden können,
die Genauigkeit der Messung bzw. Erfassung des Klopfens verbessert.
Ein System zur Erfassung ionalen Stroms wie beispielhaft in Übereinstimmung
mit der Erfindung beschrieben kann auch dazu herangezogen werden,
den Zündzeitpunkt
einzustellen, um Klopfen zu verhindern, da das System die Fähigkeit
besitzt, präzise Entscheidungen
in Hinblick auf das Auftreten von Klopfen zu treffen.
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In Bezug auf die Erfindung kann ein
ionaler Strom bzw. Ionenstrom einen eigentlichen ionalen Strom,
der in einer Verbrennungskammer unmittelbar nach der Zündung erzeugt
wird, und eine zu dem eigentlichen ionalen Strom hinzugefügte Klopfkomponente
beinhalten. Vorwiegend tritt der Spitzenwert des Stroms bzw. dessen
maximaler Scheitelwert auf, wenn der Verbrennungsdruck am höchsten ist.
Ein ionaler Strom ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, daß der Strom
für eine
Zeitdauer andauert, die gleich der Summe der Zeiten bzw. Häufigkeiten
ist, für
welche er einen vorbestimmten Wert übersteigt. Jedoch kann der
Strom auch dadurch gekennzeichnet sein, daß er von der Zündung bis
zum Ende einer Zeitdauer, während
der der Strom größer als
ein vorbestimmter Wert bleibt, andauert.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Ansicht einer Brennkraftmaschine in Übereinstimmung
mit einem ersten Ausführungsbeispiel
des Systems zur Erfassung ionalen Stroms;
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2 eine
vereinfachte Ansicht eines Hauptteils des ersten Ausführungsbeispiels;
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3 eine
vereinfachte Ansicht in Übereinstimmung
mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des
Systems zur Erfassung ionalen Stroms;
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4 ein
Ablaufdiagramm einer vereinfachten Steuerprozedur, die gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
für eine
Routine verwendet wird, welche Klopfen erfaßt;
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5 ein
Diagramm der Beziehung zwischen dem Korrekturkoeffizienten und Spitzenwertdaten
für unterschiedliche
Brennkraftmaschinen-Drehzahlwerte in dem zweiten Ausführungsbeispiel;
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6 ein
Ablaufdiagramm einer vereinfachten Steuerprozedur, die in einer
Klopferfassungsroutine gemäß einer
Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels
verwendet wird;
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7 ein
Diagramm der Beziehung zwischen dem Korrekturkoeffizienten und Spitzenwertdaten
für verschiedene
Brennkraftmaschinen-Drehzahlwerte gemäß einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels;
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8 ein
Ablaufdiagramm einer vereinfachten Steuerprozedur für ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Zündzeitpunkt
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems gesteuert wird;
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9 ein
Diagramm der Beziehung zwischen dem Einstellpunkt für die Klopfzeitverhalten-Steuerung
und der Brennkraftmaschinen-Drehzahl für das vorstehend genannte Ausführungsbeispiel;
und
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10 ein
Diagramm des Verlaufs ionalen Stroms für das Ausführungsbeispiel.
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Nachstehend wird unter Bezugnahme
auf 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
des Erfassungssystems für
ionalen Strom beschrieben.
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Eine Brennkraftmaschine 100 für Kraftfahrzeuge,
die in 1 vereinfacht
dargestellt ist, kann beispielsweise drei Zylinder haben, welchen
durch eine elektronische Kraftstoffeinspritzung Kraftstoff zugeführt wird.
Die Brennkraftmaschine 100 kann anstelle dessen jedoch
auch mit einem Vergasersystem ausgerüstet sein. In einem Einlaßsystem 1 ist
eine Drosselklappe 2, die sich in Antwort auf ein (nicht
gezeigtes) Fahrpedal öffnet
und schließt,
angeordnet. Ein Druckausgleichbehälter 3 ist stromab
der Drosselklappe 2 bereitgestellt. Ein Kraftstoffeinspritzventil 5,
welches nahe einem Ende des mit dem Druckausgleichbehälter 3 in
Verbindung stehenden Einlaßsystems
bereitgestellt ist, ist derart ausgelegt, daß es eine Steuerung durch eine
elektronische Steuereinrichtung 6 erlaubt. Es sind Vorkehrungen
getroffen derart, daß durch
das Kraftstoffeinspritzventil 5 eingespritzter Kraftstoff
durch ein Einlaßventil 19 in
eine Verbrennungskammer 10 strömt. Eine Zündkerze 18 ist oben
in der Verbrennungskammer 10 installiert. In einer Abgasanlage 20 ist
stromauf eines Dreiwege-Katalysators 22, angeordnet in
einem zu einem (nicht gezeigten) Schalldämpfer führenden Rohr, ein Sauerstoffsensor 21 zum
Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas installiert.
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Die elektronische Steuereinrichtung 6 besteht
im wesentlichen aus einem Mikrocomputersystem, welches eine zentrale
Verarbeitungseinheit 7, eine Speichereinheit 8,
eine Eingabeschnittstelle 9 und eine Ausgabeschnittstelle 11 umfaßt. Die
elektronische Steuereinrichtung 6, die ein Programm enthält, das
in der Hauptsache auf einem Einlaßdrucksignal a, das von einem Einlaßdrucksensor 13 ausgegeben
wird, und einem Brennkraftmaschinen-Drehzahlsignal b, das von einem Nockenpositionssensor 14 ausgegeben
wird, basiert, ermittelt die Kraftstoffeinspritzventil-Öffnungszeit
oder endgültige
Injektor-Erregungszeit T durch
Korrigieren von Basis-Einspritzzeiten
unter Verwendung verschiedener Korrekturkoeffizienten, die von Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine 100 abhängen und die das Kraftstoffeinspritzventil 5 auf
der Grundlage der endgültigen
Injektor-Erregungszeit so steuern, daß dieses in Übereinstimmung
mit der Last der Brennkraftmaschine 100 Kraftstoff in das
Einlaßsystem 1 einspritzt.
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Die elektronische Steuereinrichtung 6 ist
so programmiert, daß sie
nicht nur die Brennkraftmaschine 100 steuert, wie vorstehend
beschrieben, sondern auch durch Messen der jedesmal dann, wenn ein
Zündvorgang
auftritt, erzeugten ionalen Ströme
ermittelt, ob ein Klopfen aufgetreten ist. Das in der elektronischen
Steuereinrichtung 6 gespeicherte Programm legt einen Referenzwert
zum Ermitteln der Intensität
des erzeugten ionalen Stroms fest, um falsche Klopfentscheidungen
zu verhindern, erfaßt
den Spitzenwert des ionalen Stroms, verhindert das Anzeigen von
Klopfen, wenn der erfaßte
Spitzenwert größer ist
als der Referenzwert, und bestimmt den zündzeitpunkt, wenn Klopferfassungen
gesperrt bzw. gehemmt sind.
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Eine Signaleingabe in die Eingabeschnittstelle 9 beinhaltet
die folgenden Signale: das Einlaßdrucksignal a, das von dem Einlaßdrucksensor 13 ausgegeben
wird, um den Druck in dem Druckausgleichbehälter 3 zu erfassen;
ein Zylinderidentifikationsignal G1,
ein Kurbelwinkel-Referenzpositionsignal G2 und ein Brennkraftmaschinen-Drehzahlsignal b, das von einem Nockenpositionsensor 14 ausgegeben
wird, um Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu erfassen;
ein Fahrzeug-Geschwindigkeitsignal c,
das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitsensor 15 ausgegeben
wird, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu messen; ein IDL-Signal d (idle
signal, Leerlaufsignal), das von einem Leerlaufschalter 16 ausgegeben
wird, um zu ermitteln, ob die Drosselklappe 2 geöffnet oder
geschlossen ist; ein Wassertemperatursignal e, das von einem Wassertemperatursensor 17 ausgegeben
wird, um die Temperatur des Kühlwassers
der Brennkraftmaschine zu messen; und ein Stromsignal h, das von dem vorstehend genannten Sauerstoffsensor 21 ausgegeben
wird. Die Ausgabeschnittstelle 11 ist derart angeordnet, daß sie ein
Kraftstoffeinspritzsignal f an
das Kraftstoffeinspritzventil 5 und einen Zündimpuls g an einen Schalttransistor Tr ausgibt, um die Leistungszufuhr zu
einer Zündspule Igc und dadurch zu der Zündkerze 18 zu
steuern.
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Die Zündkerze 18 ist über eine
Hochspannungsdiode 23 mit einem Erfassungssystem für ionalen
Strom IDS zum Messen eines
ionalen Stroms verbunden. Das Erfassungssystem für ionalen Strom IDS weist eine Bias-Leistungsversorgung 25,
die eine Spannung an die Zündkerze 18 anlegt,
um ionale Ströme
in der Verbrennungskammer 10 zu erzeugen; und eine Meßschaltung
für ionalen
Strom 24 zum Erfassen der erzeugten ionalen Ströme auf.
Das Erfassungssystem für
ionalen Strom IDS ist so mit der
elektronischen Steuereinrichtung 6 gekoppelt, daß auf der
Grundlage der Intervalle, in welchen der Zündimpuls g erzeugt wird, eine Spannung in vorbestimmten
Zeitabständen
an die Zündkerze
angelegt werden kann, und so, daß die Erfassung einer Kennlinie
für ionalen
Strom (beispielsweise) dazu verwendet werden kann, ein Klopfen zu
erfassen. Dieses Ausführungsbeispiel
ist derart angeordnet, daß ionale
Ströme
für jeden
Zylinder erfaßt
werden können.
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Das Erfassungssystem für ionale
Ströme IDS, vereinfacht in 2 dargestellt, ist so angeordnet,
daß es
eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Klopfen umfaßt.
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Mit der elektronischen Steuereinrichtung 6 und
der Zündkerze 18 verbunden,
weist das Erfassungssystem für
ionalen Strom IDS einen Ladungsverstärker 241 mit
einem Verstärkungsbegrenzer,
der die Meßschaltung
für ionalen
Strom 24 bildet; die den Ladungsverstärker 241 mit der Zündkerze 18 verbindende
Hochspannungsdiode 23; eine Verarbeitungsschaltung für ionalen
Strom 242, die ein Bandpaßfilter, eine Integrierschaltung
und eine zentrale Verarbeitungseinheit umfaßt; und eine Bias-Leistungsversorgung 25,
die unmittelbar nach der Zündung
eine Vor- bzw. Biasspannung an die Zündkerze 18 anlegt, um
einen ionalen Strom zu erzeugen, auf. In 2 bezeichnet HVD eine
Hochspannungsdiode, die verhindert, daß eine Biasspannung an die
Zündspule Igc angelegt wird.
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Der Ladungsverstärker 241 weist einen
Verstärker
mit variabler Verstärkung 241a bzw.
eine Stromkorrektureinrichtung; eine Spitzenwert-Erfassungsschaltung 241b bzw.
eine Spitzenwert-Erfassungseinrichtung;
und eine Integrierschaltung 241c auf. Um zu verhindern,
daß sein
Ausgangssignal einen vorbestimmten Pegel übersteigt, stellt der Verstärker mit
variabler Verstärkung 241a durch
Einstellen der Verstärkung
den Stromsignalpegel entsprechend zu in der Verbrennungskammer 10 erzeugten ionalen
Strömen
ein. Falls der Spitzenwert eines zugeführten ionalen Stroms beträchtlich
höher ist
als ein während
normaler Verbrennung erreichter Spitzenwert, ist der durch die Spitzenwert-Erfassungsschaltung 241b erfaßte Spitzenwert
höher als
normal, wodurch die Ausgangsspannung der Integrierschaltung 241c erhöht wird.
In diesem Fall verringert der Verstärker mit variabler Verstärkung 241a die Verstärkung auf
einen Wert, der in Übereinstimmung mit
der Ausgangsspannung der Integrierschaltung 241c festgelegt
wird, um ein Signal entsprechend dem ionalen Strom einzustellen.
Dieses Signal wird dann durch den Verstärker mit variabler Verstärkung 241a ausgegeben,
so daß der
Signalpegel nicht abnormal hoch wird. Umgekehrt erhöht, falls
die durch die Integrierschaltung 241c ausgegebene Spannung zu
niedrig ist, der Verstärker
mit variabler Verstärkung 241a die
Verstärkung,
um das Signal entsprechend dem ionalen Strom einzustellen, wodurch
ein Fehler bei der Erfassung des ionalen Stroms aufgrund eines zu
niedrigen Stromsignalpegels vermieden wird.
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Die Verarbeitungsschaltung für ionalen Strom 242,
die eine Einrichtung zum Erfassen eines ionalen Stroms bildet, mißt ionale
Ströme
auf der Grundlage eines Signals, das von dem Verstärker mit variabler
Verstärkung 241a ausgegeben
wird. über die
Erfassung eines eigentlichen ionalen Stroms hinaus extrahiert die
Verarbeitungsschaltung für
ionalen Strom 242 eine Klopfkomponente, die dem eigentlichen
ionalen Strom überlagert
ist, unter Verwendung eines Bandpaßfilters aus dem eigentlichen
ionalen Strom, um zu ermitteln, ob ein Klopfen aufgetreten ist.
Die Charakteristiken oder Eigenschaften eines ionalen Stroms können beispielsweise
durch Messen der Stromdauer ermittelt werden. Im einzelnen können die
Charakteristiken eines ionalen Stroms auf der Grundlage der Dauer,
für die
der Wert eines zugeführten
ionalen Stroms kontinuierlich einen vorbestimmten Stromwert übersteigt,
ermittelt werden. Unter Verwendung dieser Charakteristik mißt das System
die Stabilität
der Kraftstoffverbrennung, um eine Magerverbrennungs-Steuergrenze,
d.h. diejenige Grenze, innerhalb der die Verbrennung stabil bleibt, zu
erfassen. Wenn ein Klopfsignal entsprechend einer aus dem ionalen
Strom extrahierten Klopfkomponente seinen Referenzwert, der festgelegt
wird, um zu ermitteln, ob ein Klopfen aufgetreten ist, übersteigt,
ermittelt das System, daß ein
Klopfen aufgetreten ist. Die Verarbeitungsschaltung für ionalen Strom 242 gibt
die aufgefundenen Ergebnisse an die elektronische Steuereinrichtung 6 aus.
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Wie vorstehend beschrieben, stellt
der Ladungsverstärker 241 den
Pegel des ionalen Stromsignals auf der Grundlage des Spitzenwerts
des ionalen Stroms ein. Falls ein großer ionaler Strom in den Ladungsverstärker 241 geleitet
wird, befindet sich das der Verarbeitungsschaltung für ionalen
Strom 242 zugeführte
Stromsignal auf einem geeigneten Pegel; die Spitzenwert-Erfassungsschaltung 241b erfaßt den Spitzenwert
eines großen,
dem Ladungsverstärker
zugeführten
ionalen Stroms, in Übereinstimmung
mit welchem Wert der Verstärker
mit variabler Verstärkung 241a die
Verstärkung
festlegt, um den durch den Verstärker
mit variabler Verstärkung 241a ausgegebenen
ionalen Strom derart einzustellen, daß der Strom einen geeigneten
Spitzenwert aufweist. Dies erlaubt eine korrekte Messung der Charakteristiken
eines eigentlichen ionalen Stroms. Falls eine dem eigentlichen ionalen
Strom überlagerte Klopfkomponenten
abnormal groß wird,
verhindert der Ladungsverstärker 241,
durch welchen die Klopfkomponente geleitet wird, daß die Klopfkomponente unverändert in
die Verarbeitungsschaltung für
ionalen Strom 242 geleitet wird, welches die korrekte Erfassung
des Klopfens ermöglicht.
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Nachstehend wird ein zweites Ausführungsbeispiel
des Erfassungssystems für
ionalen Strom unter Bezugnahme auf 3 bis 5 beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel ermittelt ein Erfassungssystem
für ionalen
Strom IDS2 den Spitzenwert
des ionalen Stroms aus einem Signal, das von einem gemeinen Ladungsverstärker 102 mit
konstanter Verstärkung
ausgegeben wird, unter Verwendung einer Scheitelwert-Meßschaltung 111,
und erfaßt
ein Klopfen durch Korrigieren einer Klopfkomponente, die auf der
Grundla ge des gemessenen Spitzenwerts extrahiert wurde, frei von
den Wirkungen eines dem Ladungsverstärker 102 zugeführten abnormalen
ionalen Stroms. Wie in 3 gezeigt,
umfaßt das
Erfassungssystem für
ionalen Strom IDS2 einen Ladungsverstärker 102;
eine Scheitelwert-Meßschaltung 111,
welche den Spitzenwert des ionalen Stroms auf der Grundlage eines
durch den Ladungsverstärker 102 ausgegebenen
Signals mißt;
eine Verarbeitungsschaltung für
ionalen Strom 104, die aus einem Bandpaßfilter 104a, welches
eine ionalen Strömen überlagerte
Klopfkomponente extrahiert, einer Integrierschaltung 104b und
einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 104c, welche
Klopfen durch Korrigieren der extrahierten Klopfkomponente auf der Grundlage
des Ausgangssignals der Scheitelwert-Meßschaltung 111 erfaßt, besteht;
und eine Hochspannungsdiode 123, die den Ladungsverstärker 102 mit
der Zündkerze 18 verbindet.
Wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel
ist ein Ausgang der Verarbeitungsschaltung für ionalen Strom 104 mit der
elektronischen Steuereinrichtung 6 verbunden, um eine Steuerung
der Brennkraftmaschine 100 zu ermöglichen.
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Die Scheitelwert-Meßschaltung 111 erfaßt den Spitzenwert
eines analogen Signals in einem durch den Ladungsverstärker 102 ausgegebenen
ionalen Strom, konvertiert den ermittelten Spitzenwert aus der analogen
Form in die digitale Form, und gibt die digitalen Spitzenwertdaten
(nachstehend in Kurzform als Spitzendaten bezeichnet) an die zentrale Verarbeitungseinheit 104c in
der Verarbeitungsschaltung für
ionalen Strom 104 aus. Die zentrale Verarbeitungseinheit 104c ist
so programmiert, daß sie eine über das
Bandpaßfilter 104a und
die Integrierschaltung 104b zugeführte Klopfkomponente aus der analogen
Form in die digitale Form konvertiert und durch Korrigieren der
Klopfkomponente auf der Grundlage der durch die Scheitelwert-Meßschaltung 111 zugeführten Spitzendaten
ermittelt, ob ein Klopfen aufgetreten ist.
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Nachstehend wird der Betriebsablauf
dieses Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. Die Scheitelwert-Meßschaltung 111 ermittelt
den Spitzenwert des ionalen Stroms in einem Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 102 (Schritt
S1). Die Messung wird in die Spitzendaten umgeformt und an die Verarbeitungsschaltung
für ionalen
Strom 104 ausgegeben. Zu dieser Zeit extrahieren das Bandpaßfilter 104a und
die Integrierschaltung 104b eine Klopfkomponente aus dem
ionalen Strom, falls die Klopfkomponente dem ionalen Strom überlagert
ist, und führen
die Klopfkomponente in Form eines Klopfsignals der zentralen Verarbeitungseinheit 104c zu.
Die zentrale Verarbeitungseinheit 104c berechnet einen
Korrekturkoeffizienten KKNKADJ aus
sowohl der Drehzahl der Brennkraftmaschine 100, wie zum
Zeitpunkt der Zufuhr der Klopfkomponente gemessen, als auch der
zugeführten
Spitzendaten (Schritt S2). Der Korrekturkoeffizient KKNKADJ wird unter Verwendung seiner typischen werte,
die derart tabelliert sind, daß der
Koeffizient mit zunehmendem Spitzenwert des ionalen Stroms und fallender
Drehzahl der Brennkraftmaschine kleiner wird, durch Interpolation
festgelegt. Unter Verwendung des Korrekturkoeffizienten KKNKADJ wird das zugeführte, aus der analogen in die
digitale Form konvertierte Klopfsignal korrigiert, um zu ermitteln,
ob Klopfen aufgetreten ist (Schritt S3).
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Die Korrektur des Klopfsignals auf
der Grundlage des Spitzenwerts des ionalen Stroms wie vorstehend
beschrieben ermöglicht
auch dann eine genaue Erfassung des Klopfens, wenn der ionale Strom
aufgrund von Einflüssen
aus der Umgebung einen extrem hohen Wert annimmt. Die Korrektur
eines Klopfsignals und eines Ausgangssignals aus dem Ladungsverstärker 102 ermöglicht es,
selbst eigentliche bzw. geeignete ionale Ströme zu erfassen, wie in dem
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In diesem Fall kann der Korrekturkoeffizient für ein Ausgangssignal des Ladungsverstärkers derselbe
sein wie der Korrekturkoeffizient KKNKADJ für ein Klopfsignal.
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Das vorstehend beschriebene zweite
Ausführungsbeispiel
ist derart angeordnet, daß der
Korrekturkoeffizient für
jeden der Spitzenwerte für
die einzelnen gemessenen ionalen Ströme festgelegt ist. Jedoch kann,
nachdem eine Datenverarbeitung, die eine Spitzenwert-Änderung
wie beispielsweise eine Glättung
oder eine Mittelwertbildung widerspiegelt, ausgeführt wurde,
ein Spitzenwert verwendet werden, um einen Korrekturkoeffizienten KKNKADJa zu berechnen. In
diesem Fall kann die Anordnung eines Erfassungssystems für ionalen
Strom so sein, wie es für
das vorstehende zweite Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde. Andererseits unterscheidet sich das Programm
zum Steuern der Verarbeitung ionalen Stroms, welches die Verarbeitungsschaltung
für ionalen
Strom 104 unter Verwendung von Spitzenwertdaten ausführt, von
dem des zweiten Ausführungsbeispiels,
da die Verarbeitungsschaltung für
ionalen Strom wie in 6 gezeigt
Spitzenwertdaten mittelt.
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Beispielsweise wird, bevor Spitzenwertdaten gemittelt
werden, der Spitzenwert des ionalen Stroms gemessen und von der
analogen Form in die digitale Form konvertiert, um Spitzendaten
zu erhalten (Schritt S11). Sodann werden die Spitzendaten gemittelt
(Schritt S12). Der Mittelwertbildungsvorgang kann ei nen verschieblichen
Mittelwert berechnen. Es werden zweiunddreißig Werte einschließlich des
neu gemessenen Spitzendatenwerts aus den bereits ermittelten Spitzendatenwerten
herausgegriffen und gemittelt. Der Korrekturkoeffizient KKNKADJa wird aus dem Mittelwert der 32
Spitzendatenwerten und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 berechnet
und festgelegt (Schritt S13). Die Klopfkomponente wird unter Verwendung
des Korrekturkoeffizienten KKNKADJa korrigiert,
um zu ermitteln, ob Klopfen aufgetreten ist (Schritt S14). Der Korrekturkoeffizient KKNKADJa wird so festgelegt,
daß er
kleiner wird, wenn der Spitzendatenwert ansteigt und die Drehzahl
der Brennkraftmaschine 100 fällt, wie in dem vorangehenden
Ausführungsbeispiel.
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Das Berechnen des Korrekturkoeffizienten KKNKADJa aus dem Mittelwert
von Spitzenwerten und Korrigieren einer Klopfkomponente unter Verwendung
des Korrekturkoeffizienten KKNKADJa verhindert
eine falsche Klopferkennung aufgrund von unerwartetem Rauschen bzw.
unerwarteten Geräuschen.
Falls der ionale Strom unerwartet schwankt, ermöglicht die Korrektur eines
Ausgangssignals des Ladungsverstärkers
unter Verwendung des Korrekturkoeffizienten KKNKADJa anstelle einer Klopfkomponente
eine genaue Messung des ionalen Stroms und der Verbrennungsschwankungsgrenze
bei der Steuerung der mageren Verbrennung.
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Wie vorstehend beschrieben, wird
der ionale Strom auf der Grundlage seines Spitzenwerts korrigiert.
Auf diese Art und weise können
auch dann, wenn Ströme
ionalen Stroms aufgrund von Umgebungsbedingungen abnormal groß sind,
deren Charakteristiken akkurat ermittelt werden. Diese wiederum
bedeutet, daß die
Charakteristiken eines eigentlichen ionalen Stroms verläßlich ermittelt
und falsche Klopfmeldungen vermieden werden können. Dies beseitigt die Abhängigkeit
von der Intensität
des ionalen Stroms und erhöht
dadurch die Genauigkeit und die Verläßlichkeit der Klopferfassung.
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Es besteht jedoch keine Beschränkung auf die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Wenn ein Klopfen erfaßt
wird, kann der Referenzpegel für
eine Klopfkomponente, d.h. der Pegel, der verwendet wird, um zu
ermitteln, ob ein Klopfen aufgetreten ist, auf der Grundlage der
gemessenen Spitzendaten geändert
werden. D.h., der Referenzpegel wird im Verhältnis zu dem Spitzenwert des
ionalen Stroms höher
festgelegt, da die Geräusch-
bzw. Rauschkomponente um so größer ist,
je höher
der Spitzenwert ist. Das Festlegen des Referenzpegels auf der Grundlage
des Spitzenwerts führt
zu derselben Wirkung wie der gemäß der vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Das nachstehend beschriebene Verfahren verwendet
das Erfassungssystem für
ionalen Strom IDS2, um den Zündzeitpunkt
für die
Brennkraftmaschine 100 auf der Grundlage des Spitzenwerts
des ionalen Stroms zu steuern, falls ein Klopfen auftritt. Das Zündzeitpunkt-Steuerverfahren
beinhaltet die folgenden Operationen zur Steuerung des Zündzeitpunkts
derart, daß sich
der Betriebszustand einer Brennkraftmaschine nicht verschlechtert,
falls ein Klopfen auftritt: Unterbinden der Extraktion einer Klopfkomponente
aus einem ionalen Strom, falls dessen Spitzenwert einen vorbestimmten
Wert übersteigt,
und Festlegen einer Zündzeitpunktkorrektur
in Übereinstimmung
mit der Brennkraftmaschinen-Drehzahl, um den Zündzeitpunkt spätzuverstellen.
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ein Ablaufdiagramm eines Programms zur Steuerung des Zündzeitpunkts
unter Verwendung eines ionalen Stroms.
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In Schritt S31 mißt die Scheitelwert-Meßschaltung 111 den
Spitzenwert des ionalen Stroms. Die elektronische Steuereinrichtung 6 verarbeitet
die Spitzendaten. Im allgemeinen kann ein Ausgangssignal aus beispielsweise
einer Spitzenwert-Halteschaltung zur Erfassung des Spitzenwerts
aus der analogen Form in die digitale Form konvertiert werden. In
Schritt S32 wird der erfaßte
Spitzenwert (die Spitzendaten) mit einem vorbestimmten Referenzwert KKNKFAIL verglichen. Der Referenzwert KKNKFAIL wird auf annähernd gleich
den oder geringfügig unter
den Sättigungspunkt
des ionalen Stroms, der durch Umgebungsfaktoren erzeugt wird, festgelegt. In
Schritt S33 wird die Klopferfassung verhindert. D.h., unabhängig davon,
ob ein Signal, aus dem eine einem ionalen Strom überlagerte Klopfkomponente extrahiert
wird, vorhanden ist oder nicht, findet keine Signalerfassung statt.
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Das Klopferfassungsverfahren ermittelt,
daß Klopfen
aufgetreten ist, falls der Pegel eines bestimmten, aus einem ionalen
Strom extrahierten Signals oder eines Klopfkomponentensignals als
einen vorbestimmten Wert übersteigend
angesehen wird. Das Verfahren schließt anstelle von Klopfen auf
Interferenzen bzw. Störeinflüsse wie
beispielsweise Rauschen oder Geräusche,
falls der Pegel unter den vorbestimmten Wert fällt. Um Interferenzen zu minimieren,
wenn eine Klopfkomponente extrahiert wird, werden Einstellungen
beispielsweise derart vorge nommen, daß Klopfen innerhalb eines Kurbelwellenwinkelbereichs
zwischen 10° und
60° nach
dem oberen Totpunkt, der einen "Klopf-Fensterbereich" bildet, erfaßt wird.
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In Schritt S34 wird eine Zündzeitpunktkorrektur
auf der Grundlage des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 100 zu
diesem Zeitpunkt festgelegt. Beispielsweise wird eine Zündzeitpunktkorrektur zur
Spätverstellung
des Zündzeitpunkts
verwendet. In dem Ausführungsbeispiel
wird die Zündzeitpunktkorrektur
auf der Grundlage der Brennkraftmaschinen-Drehzahl NE so festgelegt, daß die Korrektur mit zunehmender
Brennkraftmaschinen-Drehzahl NE kleiner
wird. In diesem Fall kann die Korrektur innerhalb des Klopf-Fensterbereichs
festgelegt werden.
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Bei der vorstehend beschriebenen
Anordnung wird eine Spannung aus der Bias-Leistungsversorgung 25 über die
Hochspannungsdiode 23 an die Zündkerze 18 angelegt,
um einen ionalen Strom in der Verbrennungskammer 10 zu
erzeugen. Der erzeugte ionale Strom wird durch die Meßschaltung
für ionalen
Strom 24 auf einen geeigneten Wert eingestellt und von
einer Klopfkomponente getrennt, um die Charakteristiken des ionalen
Stroms zu bestimmen. Parallel hierzu extrahiert die Meßschaltung
für ionalen
Strom 24 den Spitzenwert des zugeführten ionalen Stroms und gibt
diesen Wert an die elektronische Steuereinrichtung 6 aus.
Wie durch die ausgezogene Linie in 10 dargestellt,
erreicht der ionale Strom seinen Spitzenwert nahe dem oberen Totpunkt und
schwächt
sich dann ab, wenn Umgebungsbedingungen verhältnismäßig wenig Einfluß auf die
Verbrennung während
Klopfens haben. Oftmals ist eine Rauschkomponente dem ionalen Strom überlagert, nachdem
der obere Tot punkt erreicht ist. Falls der ionale Strom unter der
Einwirkung von umgebungsbedingten Faktoren abnormal groß wird, übersteigt
der erfaßte
ionale Strom den Referenzwert KKNKFAIL und
geht in die Sättigung,
bevor er einen Spitzenwert erreicht, wie durch eine durchbrochene
Linie in 10 gezeigt
ist.
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In diesem Fall schreitet die Steuerung
von Schritt S31 zu Schritt S32 fort. Da der Spitzenwert über dem
Referenzwert KKNKFAIL liegt,
schreitet die Steuerung von Schritt S32 zunächst zu Schritt S33 und dann
zu Schritt S34 fort. Durch diese Schritte führt das Zündsteuerverfahren die nachfolgenden Operationen
durch, um den Zündzeitpunkt
so zu steuern, daß sich
der Betriebszustand einer Brennkraftmaschine nicht verschlechtert,
falls Klopfen auftritt: Verhindern der Erfassung von Klopfen und
Festlegen einer Zündzeitpunktkorrektur
in Übereinstimmung
mit der Brennkraftmaschinen-Drehzahl NE,
um den Zündzeitpunkt
spätzuverstellen.
Falls kein Klopfen auftritt, schützt
die Festlegung einer Klopf-Zündzeitpunktkorrektur
bzw. einer Zündzeitpunkt-Spätverstellung
die Brennkraftmaschinen-Betriebsbedingungen vor drastischen Änderungen.
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Infolgedessen wird es dann, wenn
der ionale Strom aufgrund von Umgebungsbedingungen abnormal groß wird,
möglich,
eine fehlerhafte Steuerung des Zündzeitpunkts,
die auf einer ungenauen Klopferfassung beruht, zu erfassen. Falls
der ionale Strom abnormal groß wird
und dem Strom eine Geräuschkomponente
wie beispielsweise eine Klopfkomponente überlagert ist, können die
Schaltungen in einem Erfassungsssystem aufgrund deren großem Wert
falsche Erfassungen der Geräuschkomponente produzieren.
In diesem Fall besteht keine Möglichkeit einer
falschen Erfassung, da der Spitzenwert des ionalen Stroms einen
Referenzwert übersteigt.
Die Zündsteuerung
stellt ein System mit doppelter Sicherheit (ein ausfallsicheres
System) bereit, welches Klopfen abstellt, falls es auftritt.
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Andererseits schreitet die Steuerung
von Schritt 531 zu Schritt S32 fort, falls der Spitzenwert des ionalen
Stroms unter den Referenzwert KKNKFAIL fällt. In
diesem Fall erfaßt
das System eine Rausch- bzw. Geräuschkomponente
und stellt den Zündzeitpunkt
auf der Grundlage davon, ob der ionale Strom eine Geräuschkomponente
enthält
oder nicht, ein. Auf diese Art und Weise kann ein Nachteil schnell überwunden
werden, wenn das Klopfen auftritt.
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In dem Ausführungsbeispiel wird die Klopfzündkorrektur
in Übereinstimmung
mit der Brennkraftmaschinen-Drehzahl NE festgelegt. Sie kann jedoch
auch konstant festgelegt werden.
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Die Bias-Leistungsversorgung 25,
die Meßschaltung
für ionalen
Strom 24 und das Meßverfahren
für ionalen
Strom gemäß dem Ausführungsbeispiel
können
dieselben sein, wie sie in verschiedenen bekannten Verfahren bereits
verwendet werden. Beispielsweise kann die Meßschaltung für ionalen
Strom 24 einen Ladungsverstärker, der hilft, ionale Ströme zu erfassen,
und ein Bandpaßfilter
und eine Integrierschaltung, welche beide eine Klopfkomponente erfassen
können,
umfassen.
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Die Anordnungen anderer Teile sind
nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten beschränkt, sondern
können
modifiziert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht ein einen
ionalen Strom verwendendes Zündzeitpunkt-Steuerverfahren,
falsche Klopferfassungen zu vermeiden, indem auf der Grundlage des
Spitzenwerts des ionalen Stroms ermittelt wird, ob der Strom abnormal
ist oder nicht, und der Zündzeitpunkt
auf geeignete Art und Weise eingestellt wird. Falls ein ionaler
Strom einen abnormalen Wert annimmt, der einen Referenzwert übersteigt,
wird Klopfen wirksam verhindert, indem der Zündzeitpunkt unabhängig davon,
ob Klopfen auftritt oder nicht, ohne falsche Klopfangaben bzw. Klopfmeldungen
eingestellt wird.
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Hierzu umfaßt ein System zur Erfassung
ionalen Stroms für
eine Brennkraftmaschine eine Spitzenwert-Erfassungseinrichtung zum
Erfassen des Spitzenwerts eines in jedem Augenblick eines Zündvorgangs
in einer Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine erzeugten ionalen
Stroms, eine Stromkorrektureinrichtung zum Korrigieren des ionalen
Stroms auf der Grundlage des erfaßten Spitzenwerts, und eine
Einrichtung zum Erfassen eines ionalen Stroms zum Erfassen von zumindest
Eigenschaften des ionalen Stroms auf der Grundlage des korrigierten
ionalen Stroms.