DE19817447A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Phasenerkennung an einem 4-Takt Ottomotor mit Ionenstrommessung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Phasenerkennung an einem 4-Takt Ottomotor mit IonenstrommessungInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Phasenerkennung bei 4-Takt-Motoren vorgeschlagen. Dazu wird von einer elektronischen Kontrolleinheit (ECU) ein Funkenstrom als Meßsignal erfaßt und festgestellt, ob eine Zündung erfolgte oder nicht erfolgte. Es können so die Kompressionstakte der Zylinder ermittelt und so von der elektronischen Kontrolleinheit die Einspritzung phasenrichtig vorgenommen werden.
Description
Moderne Verbrennungsmotoren werden mittels einer ECU
(Electronic Control Unit) geregelt und gesteuert. Falls bei
Motoren die Einspritzventile elektrisch durch die ECU
bedient werden, dann ist es notwendig die Phasenlage beim
Start des Verbrennungsmotors zu bestimmen. Die
Phasenerkennung gibt bei einem 4-Takt Otto-Motor an, ob
sich der Kolben bei der Aufwärtsbewegung im
Verdichtungsstakt oder im Ausstoßtakt befindet.
Bei bekannten Systemen wird dies beispielsweise durch ein
zusätzliches Geberrad auf der Nockenwelle oder durch eine
Auslauferkennung gelöst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren,
das mit Hilfe eines Ionenstrommeßkreises eine
Phasenerkennung durchführt.
Fig. 1 Überblick über das Gesamtsystem
1: Zylinder
2: Zündsystem
3: Mittel zur Ionenstrommessung
4: Mittel zur Merkmalsbildung
5: ECU (= Electronic Control Unit)
1: Zylinder
2: Zündsystem
3: Mittel zur Ionenstrommessung
4: Mittel zur Merkmalsbildung
5: ECU (= Electronic Control Unit)
Fig. 2 Beispielhafte Ausführung
Fig. 3 Signalformen
Fig. 4 Ablaufdiagramm
Das vorliegende Verfahren wird anhand eines
Ausführungsbeispiels in Fig. 1 dargestellt. Es nutzt das
Mittel 3 der Ionenstrommessung, indem mit Hilfe dieses
Mittels die Zündung. Mittel 2, beobachtet wird. Mittel 2
dient gewöhnlich zum Start des Verbrennungsprozesses 1.
Entsteht an der Zündkerze ein Zündfunke und wird an dieser
Zündkerze während dieser Zeit Ionenstrom gemessen, dann
kann mit Hilfe des Mittel 3 der Funkenstrom nachgewiesen
werden. Der Nachweis eines Zündfunkens kann zur Ermittlung
der Phase genutzt werden.
Nach dem Paschengesetz ist bekannt, daß die Zündspannung um
so höher ist, je größer der Druck zwischen den Elektroden
ist. Wird der Motor vom Anlasser gedreht, dann wird das Gas
im Verbrennungsraum nach jeweils 720° KW verdichtet. Dieser
Druckanstieg im verdichteten Gas, in das noch keine
Einspritzung des Kraftstoffes erfolgte, führt zu einer
erhöhten Zündspannung.
Der Unterschied zwischen hoher und niedriger Zündspannung
kann durch die Zündenergie bestimmt werden. Wird dem System
nur soviel Energie zur Verfügung gestellt, daß es in den
Bereichen niedrigen Druckes zur Zündung ausreicht, in den
hohen Druckes aber nicht, dann kann durch die Analyse des
Funkenstroms ein Unterscheidungsmerkmal gebildet werden.
Ist kein Zündfunke übergesprungen, dann wird sich nur die
primär- und sekundärseitige Streukapazität aufladen und im
nächsten Schritt wird die Energie über die im Zünder oder
extern befindliche Freilaufdiode D ins Bordnetz
zurückgespeist. Man wird einen sehr kurzen Ionenstrom, der
durch den Funkenstrom vorgetäuscht wird, messen.
Noch bevor der Anlasser mit der Rotation beginnt, wird mit
einer Reihe von Zündfunken der mit ausreichendem
Störabstand versehene Abschaltstrom bestimmt, so daß eine
Zündung sicher erfolgt. Diese Anpassung kann unter
Umstaänden 10 Iterationen umfassen.
Es ist möglich, daß sich einige Zylinder gerade in
komprimiertem Zustand befinden. In diesem Falle wird das
notwendige Energieniveau falsch bestimmt. Mindestens die
Hälfte der Zylinder befindet sich aber in ausreichend
unkompremiertem Zustand, so daß auch in diesem Falle noch
ausreichend Redundanz vorhanden ist.
Die Phasenerfassung und Zündregelung erfolgt an allen
Zylindern mit Hilfe des Ionenstrommeßkreises
kontinuierlich. Nach ausgegebener Zündung wird der
ermittelte Merkmalswert von der ECU bei Bedarf erfaßt und
es wird in erfolgte Zündung oder nicht erfolgte Zündung
klassifiziert. Wird ein Zündaussetzter erkannt, können bei
ausreichender Zündwiederholfrequenz mehrere Zündungen im
Zeitraum des Überstreichen eines Kolbens des Verdichtungs-
OT ausgewertet werden, so daß sich eine stabile Aussage
bezüglich des 360° KW entfernten Zylinders ergibt. D.h. bei
einem Zylinder unterbleibt die Zündung und beim 360° KW
entfernten Zylinder bleibt der Zündfunke weiterhin
bestehen. Von nun an ist die Phase bekannt.
Spätestens nach einer Umdrehung, nach Vorbeilaufen der
Bezugsmarke auf dem Kurbelwellengeberrad, kann mit der
Einspritzung am richtigen Zylinder begonnen werden.
Von entscheidender Bedeutung ist hierbei daß der
Abschaltstrom (= die in die Spule eingebrachte Energie)
konstant gehalten wird. Gegebenenfalls muß die
Batteriespannung von der ECU erfaßt und die Schließzeit/
Schließwinkel korrigiert werden.
Die Ionenstrommeßeinrichtung kann auf jeden Fall einen Teil
des Funkenstromes erfassen, und wird in der Regel dadurch
voll ausgesteuert. Erfolgt nach angepaßten Energieniveaus
ein Versuch der Zündung, wird während der Dauer eines
Zündfunkens der Ionenstrom integriert, das Ergebnis wird
durch ein Sample erfaßt und der ECU zur Verfügung
gestellt.
Eine alternative Möglichkeit der Merkmalserfassung ist
dadurch zu realisieren, daß das gemessene Signal
tiefpaßgefiltert und mit einem Spitzenwerterfassung
beobachtet wird. Der ECU wird der Spitzenwert zugeführt,
dieser Spitzenwert wird anschließend mit einer Schwelle
verglichen.
In Fig. 3 sind beispielhaft, die am induktiven Zündsystem
auftretenden Signale aufgezeichnet. Unterschieden wird in
"nicht erfolgte Zündung" und "erfolgte Zündung".
Dargestellt sind: der Sekundärstrom, welcher in L2 zu
fließen kommt (siehe Fig. 2); der Ionenstrom, der mit der
Ionenstrommeßeinrichtung gemessen wird und beispielhaft das
Tiefpaßsignal des gemessenen Ionenstromes, das die
Merkmalsbildung aufzeigen soll.
Wie ein induktives Zündsystem funktioniert wird als
hinreichend bekannt vorausgesetzt. Zunächst wird in die
Zündspule die Zündenergie über die Primärseite eingebracht,
indem der Transistor geschlossen wird. Zum Zeitpunkt To wird
der Zündtransistor T hochohmig geschaltet und die Energie
in der Spule treibt nun einen Strom in der Primär- und
Sekundärwicklung. Der Strom in der Sekundärwicklung wird
als isec bezeichnet und ist im jeweils ersten Diagramm zu
sehen.
Reicht die Energie in der Zündspule nicht aus, so daß der
Zündfunke überspringt, dann verhält sich die gesamte
Anordnung wie ein LC-Schwingkreis mit jeweils einer Spule
im Primär- und Sekundärseite. Die Kapazitäten werden
jeweils durch Streu- und Bauelementekapazitäten gebildet.
Auf der Sekundärseite sind dies Spulenkapazität,
Kabelkapazität und Kerzenkapazität.
Ist die Hälfte der Schwingung vorbei, wird der Strom in
Primär- und Sekundärseite negativ. Nun beginnt auf der
Primärseite die Freilaufdiode D zu leiten und speist den
Rest der Energie in die Batterie zurück. Auch auf der
Sekundärseite wird so die Energie entzogen und der
Stromfluß kommt schnell zum erliegen. Da die Ionenströme
sehr klein sind wird der Signalpegel der Ionenstrommessung
iion sofort maximal ausgesteuert. Wird das Ionenstromsignal
iion tiefpaßgefiltert TP(iion), dann wird nur ein geringer
Signalpegel erreicht.
Springt der Funke über bevor noch die gesamte Energie auf
die Streukapazitäten geladen wurde, dann kommt der für eine
induktive Zündanlage typische dreieckförmige Funkenstrom in
der Sekundärseite zu fließen. Dieser reicht wiederum aus
den Pegel der Ionenstrommeßeinrichtung komplett
auszusteuern. Das tiefpaßgefilterte Ionenstromsignal TP(iion)
erreicht einen deutlich höheren Pegel, als das Signal bei
nicht erfolgter Zündung.
Die beiden Fälle sind von der ECU leicht zu unterscheiden.
Das in Fig. 4 beschriebene Ablaufdiagramm gilt für alle
oder entsprechend ausgewählte Zylinder, die für die
Phasenerkennung beobachtet werden sollen. Bei einem
hochzylindrigen Motor wird man wohl nicht alle Zylinder für
die Phasenerkennung benötigen.
Dieses beispielhafte Ablaufdiagramm soll einen schnellen
Überblick über das Verfahren geben.
Kern der Erfindung ist die Nutzung der Ionenstrommessung
zur Zündfunkenbeobachtung und die daraus abgeleitete
Phasenerkennung.
Ist eine Ionenstrommessung an einem Fahrzeug vorhanden,
kann durch geringen technische Mehraufwand eine
Phasenerkennung installiert werden.
Da sich das Verfahren auf schon vorhandene Ressourcen
abstützt ist es äußerst kostengünstig.
Claims (7)
1. Verfahren und Vorrichtung zur Phasenerkennung von 4-Takt
Brennkraftmaschinen bestehend aus einem Zündsystem,
gesteuert durch eine ECU, mit einer Spule/Übertrager
einem Zündtransistor/IGBT/FET T mit Freilaufdiode D und
einer Zündkerze Zk, ausgerüstet mit einer
Ionenstrommessung über die Zündkerze bzw. eines
beliebigen Mittels zur Erfassung eines Teiles oder des
gesamten Funkenstromes, welcher als Meßsignal gewertet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erfaßte Meßsignal
nach einer ausgegebenen Zündung zu einem Merkmal
aufbereitet wird, das der ECU zugeführt wird, derart, daß
in erfolgte und nicht erfolgte Zündung unterschieden
werden kann, weiterhin ein Regelalgorithmus in der ECU
vorgesehen ist, der das gerade noch zur Zündung
notwendige Energieniveau ermittelt, anschließend den
Anlasser von der ECU aus bedient und, mit Hilfe des nach
jeder Zündung gebildeten Merkmals, die Kompressionstakte
der Zylinder ermittelt, so daß von der ECU die
Einspritzung phasenrichtig vorgenommen werden kann.
2. Verfahren und Mittel nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß das Merkmal für die erfolgte Zündung
durch Integration aus dem Meßsignal während eines
möglichen Zündfunkens gewonnen wird.
3. Verfahren und Mittel nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß das Merkmal für die erfolgte Zündung
durch Tiefpaßfilterung und Spitzenwerterfassung aus dem
Meßsignal während eines möglichen Zündfunkens gewonnen
wird.
4. Verfahren und Mittel nach Anspruch 1 und 2 oder Anspruch
1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des
richtigen Energieniveaus durch Auswertung der gleichen
Merkmale, wie sie für die Ermittlung der
Kompressionstakte erforderlich ist.
5. Verfahren und Mittel nach Anspruch 1 und 2 oder Anspruch
1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der
Phase auf mehrere Zylinder, maximal alle, angewendet wird
so daß ausreichende Redundanz besteht.
6. Verfahren und Mittel nach Anspruch 1 und 2 oder Anspruch
1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des
Verfahrens zunächst eine Umdrehung erfolgt, um eventuell
noch verbrennungsfähiges Restgas aus dem Zylinder zu
befördern.
7. Verfahren und Mittel nach Anspruch 1 und 2 oder Anspruch
1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante
Ladeenergie der Spule durch Beobachtung der
Batteriespannung und gegebenenfalls einer Anpassung der
Schließzeit erreicht wird.
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |