DE19821722A1 - Ionenstromerfassungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine im Zusammenhang mit einer Zün­ dungsvorrichtung vorgesehene Ionenstromerfassungseinrich­ tung zur Erfassung des Verbrennungszustandes einer Brenn­ kraftmaschine auf der Grundlage eines Ionenstroms innerhalb einer Verbrennungskammer.

Bei einer Brennkraftmaschine muß zur Verhinderung von Fehl­ zündungen und anormalen Verbrennungsphänomenen wie Klopfen und Vorentflammungen (pre-ignition, Frühzündungen) eine Re­ gelung durchgeführt werden. Gemäß einem vorgeschlagenen Verfahren zur Erfassung des Verbrennungszustandes einer Brennkraftmaschine wird ein Ionenstrom innerhalb der Ver­ brennungskammer gemessen und der Verbrennungszustand auf der Grundlage des Ionenstroms erfaßt.

Genauer wird, wenn an der Zündkerze ein Funke erzeugt wird und das Luft/Treibstoffgemisch in der Verbrennungskammer brennt, das Luft/Treibstoffgemisch ionisiert. Wenn das Ge­ misch im ionisierten Zustand ist, fließt ein Ionenstrom, falls eine Spannung an die Zündkerze angelegt wird. Anorma­ les Auftreten wie Klopfen, Vorentflammungen und Fehlzündun­ gen können durch Erfassung und Analysieren dieses Ionen­ stroms erfaßt werden.

Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 8-200 195 offenbart beispielsweise eine derartige Ionenstromerfassungsvorrich­ tung. Bei dieser Vorrichtung wird ein Kondensator als Io­ nenstromerzeugungsquelle durch den Sekundärstrom, der bei Abschalten des Primärstroms in der Zündspule fließt, auf eine gegebene Spannung aufgeladen. Danach wird ein Strom, der durch einen aus dem Kondensator, der Sekundärwicklung der Zündspule, der Zündkerze und einem Ionenstromerfas­ sungswiderstand bestehenden geschlossenen Stromkreis fließt, nach einer Funkenentladung mittels einer Spannung über dem Ionenstromerfassungswiderstand gemessen.

Bei dieser Ionenstromerfassungsvorrichtung steigt die Io­ nenstromerfassungsspannung mit Ansteigen des Widerstands­ werts des Ionenstromerfassungswiderstands an. Dabei führt eine an die Ausgangsseite der Ionenstromerfassungsvorrich­ tung angeschlossene Verarbeitungsvorrichtung eine vorge­ schriebene Verarbeitung unter Verwendung der Ionenstromer­ fassungsspannung als Eingangsspannung durch. Da die Verar­ beitungsvorrichtung in einem Fahrzeug angebracht ist, wird eine Batteriespannung als Versorgungsspannung für die Ver­ arbeitungsvorrichtung verwendet. Daher überschreitet die Eingangsspannung, d. h. die Ionenstromerfassungsspannung die Versorgungsspannung, wenn ein Ionenstrom fließt, der größer als ein bestimmter Wert ist, und erreicht in der Verarbei­ tungsvorrichtung die Sättigung, falls der Widerstandswert des Ionenstromerfassungswiderstands übermäßig erhöht wird. Falls dies geschieht, wird nicht nur die Erfassung des in dem Ionenstrom enthaltenen hochfrequenten Klopfsignals un­ möglich, sonder werden Diskontinuitäten (Unterbrechungen) in dem Ionenstrom bei Sättigungspunkten verursacht, was ei­ ne große Störung in dem durch einen Filter gelangten Signal einführt.

Demgegenüber steigt bei Verringerung des Widerstandswerts des Ionenstromerfassungswiderstands die der Zündspule zuge­ hörige Störung an, was die Klopfenerfassungsfähigkeit ver­ schlechtert. Das heißt, daß nach dem Ende der Entladung bei der Zündkerze die Zündspule Restmagnetenergie enthält und eine Entladung dieser Energie versucht, was durch das Zu­ sammenwirken mit den Streukapazitäten auf der Hochspan­ nungsleitung eine LC-Resonanz verursacht. Diese LC-Resonanz verursacht eine Störung. Außerdem stößt bei Fließen des Io­ nenstroms die Zündspule dieser Stromfluß die Erzeugung ei­ ner sehr kleinen LC-Resonanz in der Zündspule an, was eben­ falls zu der Störung beiträgt. Die LC-Resonanzfrequenz der Zündspule beträgt im allgemeinen 4 bis 8 kHz, was sehr nahe an der Klopffrequenz (6 bis 8 kHz) liegt. Folglich ist es schwierig, falls einmal die LC-Resonanz auftritt, den Stö­ rungsanteil aus dem Klopfsignal unter Verwendung eines Klopfenerfassungsfilters zu trennen. Deshalb kann, falls der Widerstandswert des Ionenstromerfassungswiderstands zu klein ausgeführt ist, eine durch die LC-Resonanz verursach­ te Störung nicht gedämpft werden, was zu einer Verschlech­ terung der Genauigkeit zur Erfassung des Klopfens oder an­ derer anormaler Verbrennungsphänomene führt.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ionen­ stromerfassungsvorrichtung bereit zustellen, die zum Halten des Ionenstromausgangssignals innerhalb einer vorgeschrie­ benen Begrenzung ausgelegt ist, um einen korrekten Betrieb der an der Ausgangsseite der Ionenstromerfassungsvorrich­ tung angeschlossenen Verarbeitungsvorrichtung zu gewährlei­ sten, wobei gleichzeitig die Abfall zeit der der Zündspule zugehörigen LC-Resonanz verkürzt wird.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird erfindungsgemäß die nachstehend beschriebenen technischen Aufbauten verwen­ det, deren Grundkonzept die Trennung von Funktionen ist, indem ein Ionenstromerfassungswiderstand unabhängig von ei­ nem Lastwiderstand vorgesehen ist, der verwendet wird, um ein Abfallen der LC-Resonanz zu verursachen.

Genauer gesagt wird gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung eine Ionenstromerfassungsvorrichtung geschaffen, die durch eine mit einer Zündkerze und einer Sekundärwick­ lung einer Zündspule in Reihe geschaltete Diode zum Durch­ lassen von Strom lediglich in der Richtung eines Sekundär­ stroms, der bei Abschalten eines Primärstroms der Zündspule fließt, einen mit der Zündkerze, der Sekundärwicklung der Zündspule und der Diode in Reihe geschalteten Kondensator, der als Ionenstromerzeugungsquelle dient, eine parallel zu dem Kondensator geschaltete Spannungsstabilisatordiode zur Begrenzung einer Spannung, auf die der Kondensator durch den Sekundärstrom der Zündspule aufgeladen werden soll, auf einen bestimmten Wert, eine Reihenschaltung eines Erfas­ sungswiderstands und eines Lastwiderstands, die parallel mit der Diode geschaltet sind und zusammen mit dem Konden­ sator, der Sekundärwicklung der Zündspule und der Zündkerze einen Ionenstrompfad bilden, und eine mit einem Knoten zwi­ schen dem Erfassungswiderstand und dem Lastwiderstand ver­ bundene invertierende Schaltung gekennzeichnet ist.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird vor­ zugsweise die Beziehung R1 < R2 zwischen dem Widerstands­ wert R1 des Erfassungswiderstands und dem Widerstandswert R2 des Lastwiderstands eingestellt.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird vor­ zugsweise die Beziehung Vz × {R1/(R1 + R2)} < Vb zwischen dem Widerstandswert R1 des Erfassungswiderstands und dem Wider­ standswert R2 des Lastwiderstands die Beziehung einge­ stellt, wobei Vz die durch die Spannungsstabilisatordiode begrenzte Maximalspannung des Kondensators ist und Vb die Versorgungsspannung der Vorrichtung ist.

Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Ionenstromerfassungsvorrichtung geschaffen, die durch eine mit einer Zündkerze und einer Sekundärwicklung einer Zünd­ spule in Reihe geschaltete Diode zum Durchlassen von Strom lediglich in der Richtung eines Sekundärstroms, der bei Ab­ schalten eines Primärstroms der Zündspule fließt, einen mit der Zündkerze, der Sekundärwicklung der Zündspule und der Diode in Reihe geschalteten Kondensator, der als Ionen­ stromerzeugungsquelle dient, eine parallel zu dem Kondensa­ tor geschaltete Spannungsstabilisatordiode zur Begrenzung einer Spannung, auf die der Kondensator durch den Sekundär­ strom der Zündspule aufgeladen werden soll, auf einen be­ stimmten Wert, und eine invertierende Verstärkerschaltung gekennzeichnet ist, die mit einem Knoten zwischen dem Kon­ densator und der Diode verbunden ist, um einen an dem Kno­ ten zwischen dem Kondensator und der Diode auftretenden Spannungswert zu invertieren und zu verstärken, wobei die invertierende Verstärkerschaltung einen Ionenstrompfad zu­ sammen mit dem Kondensator, der Sekundärwicklung der Zünd­ spule und der Zündkerze bildet, sowie einen Operationsver­ stärker, einen an einen invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossenen Eingangswiderstand und einen zwischen einem Ausgangsanschluß des Operations­ verstärker und dem invertierenden Eingangsanschluß geschal­ teten Rückkopplungswiderstand aufweist.

Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung wird vor­ zugsweise die Beziehung Rf < Ra zwischen dem Widerstands­ wert Rf des Rückkopplungswiderstands und dem Widerstands­ wert Ra des Eingangswiderstands eingestellt.

Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung wird vor­ zugsweise die Beziehung Vz × (Rf/Ra) < Vb zwischen dem Wi­ derstandswert Rf des Rückkopplungswiderstands und dem Wi­ derstandswert Ra des Eingangswiderstands die Beziehung ein­ gestellt, wobei Vz die durch die Spannungsstabilisatordiode begrenzte Maximalspannung des Kondensators ist und Vb die Versorgungsspannung der Vorrichtung ist.

Bei der Ionenstromerfassungsvorrichtung gemäß der ersten oder der vierten Ausgestaltung der Erfindung wird die Io­ nenstromausgangsspannung innerhalb einer vorgeschriebenen Begrenzung gehalten, um einen korrekten Betrieb der an die Ausgangsseite der Vorrichtung angeschlossenen Verbindung zu gewährleisten, wobei gleichzeitig die Abfallzeitdauer der der Zündspule zugehörigen Resonanz verkürzt wird. Dies ver­ bessert die Genauigkeit der Ionenstromerfassung. Bei der Ionenstromerfassungsvorrichtung gemäß der zweiten oder der dritten Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die Io­ nenstromausgangsspannung stark zu begrenzen und die Abfall­ zeitdauer der LC-Resonanz deutlich zu verkürzen, was eine Ionenstromsignalunterscheidung erleichtert. Außerdem kann gemäß der dritten oder der sechsten Ausgestaltung der Er­ findung die Ionenstromausgangsspannung zuverlässig unter der Versorgungsspannung gehalten werden, was die korrekte Erfassung des Verbrennungszustandes auf der Grundlage des Ionenstromsignals unter allen Umständen gewährleistet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung nä­ her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ionenstromerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für eine Zündvor­ richtung,

Fig. 2 eine Darstellung zur Beschreibung des Flusses eines Entladestroms, wenn eine Funkenentladung an der Zündkerze auftritt,

Fig. 3 eine Darstellung zur Beschreibung des Flusses eines Ionenstrom nach der Funkenentladung,

Fig. 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H und 4I Diagramme zur Beschreibung eines Klopfenerfassungsverfahrens auf der Grundlage des Ionenstroms,

Fig. 5 ein Kennliniendiagramm, in dem experimentell erhal­ tene Ergebnisse aufgetragen sind, die das Verhältnis zwi­ schen dem Reihenwiderstandswert R1 + R2 eines Erfassungswi­ derstands und eines Lastwiderstands und dem Signal- Rauschabstand eines Klopfsignals darstellt,

Fig. 6 ein Diagramm, in dem der Widerstandswert R1 des Io­ nenerfassungswiderstands über den Widerstandswert R2 des Lastwiderstands aufgetragen sind, wodurch eine Bedingung definiert ist, die R1 und R2 erfüllen sollten, und

Fig. 7 eine Darstellung, die den Schaltungsaufbau einer Io­ nenstromerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel zusammen mit der Zündvorrichtung darstellt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Be­ zug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung, die den Schaltungsaufbau ei­ ner Ionenstromerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Aus­ führungsbeispiel zusammen mit einer Zündvorrichtung zeigt. Ein Ende der Primärwicklung 1a einer Zündspule 1 ist mit der positiven Elektrode einer Batterie 2 verbunden, wobei das andere Ende der Primärwicklung 1a mit einem Schalttran­ sistor 3 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 3 ist geerdet, wobei ein Zündsignal an dessen Basis angelegt wird. Ein ende der Sekundärwicklung 1b der Zündspule 1 ist mit der Mittelelektrode 4a einer Zündkerze 4 verbunden. Die Außenelektrode (Massenelektrode) 4b ist geerdet.

An dem anderen Ende der Sekundärwicklung 1b der Zündspule 1 ist eine Ionenstromerfassungsschaltung 10 vorgesehen. Ein Kondensator 11 als Ionenstromerzeugungsquelle ist mit der Sekundärwicklung 1b verbunden. Parallel zu diesem Kondensa­ tor 11 ist eine Spannungsstabilisatordiode (Zenerdiode) 12 geschaltet, durch die die Spannung, mit der der Kondensator 11 durch den Zündspulensekundärstrom geladen werden soll, auf einen bestimmten Wert begrenzt wird. Das andere Ende des Kondensators 11 ist über eine Diode 13, die Strom zur Masse (Erde) durchläßt, sowie über eine Reihenschaltung aus einem Lastwiderstand 14 und einem Ionenstromerfassungswi­ derstand 15 geerdet.

Der Knoten zwischen dem Lastwiderstand 14 und dem Ionen­ stromerfassungswiderstand 15 ist mit einer invertierenden Verstärkerschaltung 16 verbunden. Diese invertierende Ver­ stärkerschaltung 16 besteht aus einem Operationsverstärker 17, dessen nichtinvertierender Eingangsanschluß (positiver (+) Anschluß) geerdet ist, einem mit dem invertierenden Eingangsanschluß (negativer (-) Anschluß) des Operations­ verstärkers 17 verbundenen Eingangswiderstand 18 und einem zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Ein­ gangsanschluß des Operationsverstärkers 17 geschalteten Rückkopplungswiderstand 19. Bei Bezeichnung des Wider­ standswerts des Eingangswiderstands 18 mit Ra und desjeni­ gen des Rückkopplungswiderstands 19 mit Rf ist die Span­ nungsverstärkung wie allgemein bekannt durch -Rf/Ra gege­ ben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die invertierende Verstärkerschaltung 16 einfach nur eine Inverterschaltung, da Rf = Ra gilt. Das Ausgangssignal der invertierende Ver­ stärkerschaltung 16 wird einer Verarbeitungsschaltung 20 zugeführt, die eine Signalverarbeitung zur Klopfbestimmung usw. durchführt. Dabei sind Ra und Rf größer als R1 und R2 eingestellt.

Nachstehend ist der Betrieb der Ionenstromerfassungsschal­ tung 10 beschrieben. Zunächst fließt, wenn das Zündsignal aktiv wird und der Transistor 3 eingeschaltet ist, ein Strom durch die Primärwicklung 1a der Zündspule. Danach wird, wenn das Zündsignal inaktiv eingestellt und der Tran­ sistor 3 ausgeschaltet wird, der Primärstrom abgeschaltet, wobei eine Hochspannung in der Sekundärwicklung 1b indu­ ziert wird und somit das Auftretens eines Funkens an der Zündkerze 4 bewirkt wird. Das heißt, daß, wenn eine hohe negative Spannung an die Mittelelektrode 4a der Zündkerze 4 angelegt wird, ein elektrischer Bogen oder Funke zwischen der Mittelelektrode 4a und der Außenelektrode 4b erzeugt wird und ein Strom aus der Sekundärwicklung 1b der Zündspu­ le fließt, wobei der Strom über den Kondensator 11, der Spannungsstabilisatordiode 12, der Diode 13 und der Zündker­ ze 4 wie in Fig. 2 gezeigt zu der Sekundärwicklung 1b zu­ rückfließt. Während dieses Vorgangs wird der Kondensator 11 auf eine Spannung aufgeladen, die gleich der Zenerspannung (etwa 100 V) der Spannungsstabilisatordiode 12 ist.

Wenn das Luft/Treibstoffgemisch innerhalb der Verbrennungs­ kammer verbrannt wird, nachdem es durch den Funken an der Zündkerze 4 gezündet worden ist, wird das Luft/Treibstoffgemisch ionisiert. Wenn das Gemisch im ioni­ sierten Zustand ist, wird über die Lücke zwischen den zwei Elektroden der Zündkerze 4 eine Leitfähigkeit beibehalten. Weiterhin fließt ein Ionenstrom, da durch die geladene Spannung des Kondensator 11 eine Spannung zwischen den zwei Elektroden der Zündkerze 4 angelegt wird. Dieser Ionenstrom fließt von einem Ende des Kondensators 11 und zurück zu dessen anderen Ende, wobei er wie in Fig. 3 gezeigt durch die Sekundärwicklung 1b der Zündspule, die Zündkerze 4, den Ionenstromerfassungswiderstand 15 und den Lastwiderstand 14 gelangt. Dann tritt eine Spannung, die gleich -(Ionenstromwert) × Erfassungswiderstandwert ist, an dem Knoten zwischen dem Ionenstromerfassungswiderstand 15 und dem Lastwiderstand 14 auf, wobei diese Spannung durch die invertierende Verstärkerschaltung 16 invertiert wird. Schließlich wird das Ausgangssignal der invertierenden Ver­ stärkerschaltung 16 als Ionenstromausgangssignal der Verar­ beitungsschaltung 20 zugeführt.

Fig. 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H und 4I zeigen Diagramme zur Beschreibung eines Klopfenerfassungsverfahrens auf der Grundlage des Ionenstroms. Wie in Fig. 4A und 4B gezeigt tritt zu dem Zeitpunkt, an dem das Zündsignal ausgeschaltet wird, eine Funkenentladung an der Zündkerze 4 auf und fließt ein Entladestrom. Dann, nach der Funkenentladung, versucht die Zündspule die Restmagnetenergie zu entladen, wobei als Folge davon eine LC-Resonanz zwischen der Induk­ tivität L der Sekundärwicklung 1b der Zündspule und den in der Hochspannungsleitung ausgebildeten Streukapazitäten Cs (vergl. Fig. 1) auftritt und ein LC-Resonanzstrom fließt. Da der LC-Resonanzstrom durch den Ionenstromerfassungswi­ derstand erfaßt wird, tritt wie in Fig. 4C gezeigt nach dem Ende der Funkenentladung eine abrupte Veränderung in dem ionenstromsignalverlauf auf, jedoch tritt diese Veränderung nicht aufgrund des Ionenstroms auf. Nach Fließen des LC- Resonanzstroms aufgrund der Restmagnetenergie fließt der Ionenstrom wie in Fig. 4C gezeigt.

In der in Fig. 1 gezeigten Verarbeitungsschaltung 20 wird wie in Fig. 4D gezeigt eine Klopfenerfassungsperiode derart eingestellt, daß der LC-Resonanzstrom aufgrund der Restma­ gnetenergie vermieden wird. Indem das Ionenstromausgangs­ signal lediglich während dieser Periode durch ein Bandpaß­ filter durchgelassen wird, wird nur der für das Klopfen ei­ gentümliche Frequenzanteil gewonnen. Wenn kein Klopfen auf­ tritt, tritt kein Klopfsignal in dem durch den Bandpaß ge­ filterten Signalverlauf, d. h. dem Klopfenerfassungssignal­ verlauf wie in Fig. 4E gezeigt auf.

Demgegenüber erscheint bei Auftreten des Klopfens wie in Fig. 4F gezeigt ein dem Klopfen eigentümlicher hochfrequen­ ter Oszillationsanteil auf. In diesem Fall erscheint der hochfrequente Anteil wie in Fig. 4G gezeigt in dem durch den Bandpaßfilter gefilterten Klopfenerfassungssignalver­ lauf.

Weiterhin kann in einigen Fällen eine Situation auftreten, bei der, nachdem der abrupte LC-Resonanzstrom aufgrund der Restmagnetenergie in der Zündspule geflossen ist, ein stark variierender Ionenstrom durch die Zündspule fließt, was die Erzeugung einer sehr kleinen LC-Resonanz auslöst, wobei dieser sehr kleine LC-Resonanzstrom dem Ionenstromsignal wie in Fig. 4H gezeigt als Störung überlagert wird. Falls diese LC-Resonanzfrequenz nahe an der Klopffrequenz liegt, erscheint wie in Fig. 4I gezeigt in dem Klopfenerfassungs­ signalverlauf ein Signal, das das Auftreten eines Klopfens angibt.

Bei der Durchführung der Klopfenerfassung müssen die nach­ stehend aufgeführten Erfordernisse erfüllt sein.

Erfordernis 1: Die Ionenstromausgangsspannung darf nicht die Versorgungsspannung überschreiten (Dem Klopfen zugehö­ rige Schwingungen erscheinen in der Nähe der Spitze des Io­ nenstromsignals, falls das Ionenstromsignal die Versor­ gungsspannung überschreitet, wird die Verarbeitung in der Verarbeitungsschaltung unmöglich gemacht, weshalb der Schwingungsanteil abgeschnitten wird).

Erfordernis 2: Die durch die Zündspule hervorgerufene Stö­ rung (der LC-Resonanzstrom) muß schnell gedämpft und ver­ ringert werden.

Zunächst muß zur Erfüllung der Erfordernis 2 der Reihenwi­ derstandswert des Ionenstromerfassungswiderstands 15 und des Lastwiderstands 14 größer als ein vorbestimmter Wert ausgeführt werden. Das heißt, daß, wenn der Widerstandswert des Ionenstromerfassungswiderstands 15 mit R1 und der des Lastwiderstands 14 mit R2 bezeichnet wird, R1 + R2 größer als ein vorbestimmter Wert ausgeführt werden. In der Dar­ stellung gemäß Fig. 5 sind experimentell erhaltene Ergeb­ nisse aufgeführt, die das Verhältnis zwischen R1 + R2 und dem Signal-Störungsverhältnis bzw. Signal-Rauschverhältnis (S/N) des Klopfsignals zeigen. Das Signal-Störungsverhält­ nis muß gleich 1,5 oder höher ausgeführt werden, um eine Klopfregelung zu ermöglichen. In diesem Falle muß, wie aus der Darstellung gemäß Fig. 5 hervorgeht, die Beziehung

R1 + R2 < 100 kΩ (1)

erfüllt werden.

Zur Erfüllung der Erfordernis 1 muß die Beziehung

Vz × {R1/(R1 + R2)} < Vb (2)

erfüllt werden, wobei das Vz die Ladespannung des Kondensa­ tors 11 oder die Zenerspannung der 12 ist, sowie das Vb die Spannung der Batterie als Energieversorgung für die 20 ist. Dabei stellt Vz × {R1/(R1 + R2)} auf der linken Seite den Wert der über den Ionenstromerfassungswiderstand 15 liegen­ den Spannung dar, wenn der Widerstand zwischen den zwei Elektroden der Zündkerze 4 Null ist. Da die Ionenstromaus­ gangsspannung diesen Wert nicht überschreitet, wird die Er­ fordernis 1 erfüllt, falls eine Einstellung derart ausge­ führt wird, daß dieser Wert kleiner als die Batteriespan­ nung Vb wird.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das die Bedingung darstellt, die der Widerstandswert R1 des Ionenstromerfassungswiderstands 15 und der Widerstandswert R2 des Lastwiderstands 14 erfül­ len sollten. Der Bereich, der die Beziehung (1) erfüllt, ist der Bereich über der Linie L1, wobei der Bereich, der die Beziehung (2) erfüllt, der Bereich unterhalb der Linie L2 ist. Der Bereich, der beide Beziehungen gleichzeitig er­ füllt ist daher der schraffierte Bereich in der Darstel­ lung. Beispielsweise muß, wenn Vb = 12 V und Vz = 12 V sind, falls R1 + R2 = 1 MΩ aus der Beziehung (1) gilt, aus der Beziehung (2) R1 kleiner als 120 kΩ ausgeführt werden. Falls R1 + R2 = 500 kΩ sind, muß R1 kleiner als 60 kΩ ausge­ führt werden.

Auf diese Weise wird durch Vorsehen des Ionenstromerfas­ sungswiderstands unabhängig von dem des zur Dämpfung der LC-Resonanz verwendeten Lastwiderstands und durch Auswahl der Widerstandswerte der zwei Widerstände derart, daß sie die Erfordernisse 1 und 2 gleichzeitig erfüllen, eine star­ ke Verbesserung der Stromerfassungsgenauigkeit im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht, gemäß dem kein Lasttran­ sistor vorgesehen ist. Mit dem Stand der Technik ist es sehr schwierig, die Bedingungen 1 und 2 gleichzeitig zu er­ füllen.

Fig. 7 zeigt eine Darstellung gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel als Verbesserung des in Fig. 1 veranschau­ lichten ersten Ausführungsbeispiels. Bei der invertierende Verstärkerschaltung 16 der Schaltung gemäß Fig. 1 sind der Widerstandswert Ra des Eingangswiderstands 18 und der Wi­ derstandswert Rf des Rückkopplungswiderstands 19 derart ge­ wählt, daß Rf = Ra ist, jedoch wird es bei einer beliebigen Einstellung von Rf und Ra möglich, die Funktionen des Io­ nenstromerfassungswiderstands 15 und Lastwiderstands 14 in die invertierende Verstärkerschaltung 16 einzubauen. Ange­ sichts dessen entfallen in der Schaltung gemäß Fig. 7 der Ionenstromerfassungswiderstand 15 und der Lastwiderstand 14 gemäß Fig. 1, wobei ein Ende des Kondensators 11 direkt mit dem Eingangswiderstand 18 der invertierenden Verstärker­ schaltung 16 verbunden ist.

Im allgemeinen kann angenommen werden, daß zwischen den Differenz-Eingangsanschlüssen eines Operationsverstärkers kein Strom fließt und keine Potentialdifferenz auftritt, weshalb dessen Ausgangsspannung ungeachtet des Wertes der Last konstant ist. Das heißt, daß in der Schaltung gemäß Fig. 7 Ra als Ersatz für R1 + R2 gemäß Fig. 1 betrachtet wer­ den kann, da der invertierende Eingangsanschluß des Opera­ tionsverstärkers 17 praktisch als Masse angesehen werden kann. Weiterhin kann die durch R1/(R1 + R2) ausgedrückte Spannungsteilerfunktion und Invertierfunktion gemäß Fig. 1 gleichzeitig durch die Spannungsverstärkung -Rf/Ra bei der operationsverstärker gemäß Fig. 7 erreicht werden. Dement­ sprechend werden die vorstehend angegebenen Beziehungen (1) und (2) nun als

Ra < 100 kΩ
Vz × (Rf/Ra) < Vb

umgeschrieben. Entsprechend der Schaltung gemäß Fig. 7 kann die Anzahl der Widerstände verringert werden, was Verringe­ rungen bei den Kosten und der Größe der Vorrichtung bietet.

Wie vorstehend beschrieben erzielt die Ionenstromerfassungs­ vorrichtung zwei Ziele gleichzeitig, d. h., die Ionenstrom­ ausgangsspannung innerhalb eines vorgeschriebenen Wertes zu halten, um einen korrekten Betrieb der an der Ausgangsseite der Ionenstromerfassungsvorrichtung angeschlossenen Verar­ beitungsvorrichtung zu gewährleisten, und die Abfall zeit des der Zündspule zugehörigen LC-Resonanz zu verringern. Dies verbessert die Genauigkeit der Stromerfassung. Die Er­ findung trägt somit stark dazu bei, die Erfassungsgenauig­ keit bei der Erfassung von Klopfen, Vorentflammen, einer Fehlzündung usw. auf der Grundlage des Ionenstroms zu ver­ bessern, der den Verbrennungszustand einer Brennkraftma­ schine wiedergibt.

Vorstehend ist einen Ionenstromerfassungsvorrichtung offen­ bart worden, die dazu ausgelegt ist, eine Ionenstromaus­ gangsspannung innerhalb einer vorbestimmten Begrenzung zu halten, um einen korrekten Betrieb einer an der Ausgangs­ seite der Ionenstromerfassungsvorrichtung angeschlossenen Verarbeitungsvorrichtung zu gewährleisten, wobei gleichzei­ tig die Abfall zeit der einer Zündspule 1 zugehörigen LC- Resonanz verkürzt wird. Ein Ionenstrom fließt von einem An­ schluß eines Kondensators 11 zurück zu dem anderen Anschluß des Kondensators, wobei er durch eine Sekundärwicklung 1b der Zündspule, eine Zündkerze 4, einen Ionenstromerfas­ sungswiderstands 15 und einen Lastwiderstands 14 gelangt. Eine Spannung gleich -(Ionenstromwert) × Erfassungswider­ standswert erscheint an einem Knoten zwischen dem Ionen­ stromerfassungswiderstand und dem Lastwiderstand. Diese Spannung wird durch eine Inverterschaltung invertiert und als Ionenstromausgangssignal der Verarbeitungsvorrichtung zugeführt. Der Widerstandswert R1 des Ionenstromerfassungs­ widerstands und der Widerstandswert R2 des Lastwiderstands sind derart gewählt, daß zwei Erfordernisse erfüllt werden, das heißt, daß das Ionenstromausgangssignal innerhalb der Versorgungsspannung gehalten wird und daß die durch die Zündspule 1 verursachte Störung (LC-Resonanzstrom) schnell gedämpft und verringert wird.

Claims (6)

1. Ionenstromerfassungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine mit einer Zündkerze (4) und einer Sekundärwick­ lung (1b) einer Zündspule (1) in Reihe geschaltete Diode (13) zum Durchlassen von Strom lediglich in der Richtung eines Sekundärstroms, der bei Abschalten eines Primärstroms der Zündspule fließt,
einen mit der Zündkerze (4), der Sekundärwicklung der Zündspule und der Diode in Reihe geschalteten Kondensator (11), der als Ionenstromerzeugungsquelle dient,
eine parallel zu dem Kondensator (11) geschaltete Spannungsstabilisatordiode (12) zur Begrenzung einer Span­ nung, auf die der Kondensator durch den Sekundärstrom der Zündspule aufgeladen werden soll, auf einen bestimmten Wert,
eine Reihenschaltung eines Erfassungswiderstands (15) und eines Lastwiderstands (14), die parallel mit der Diode geschaltet sind und zusammen mit dem Kondensator, der Se­ kundärwicklung der Zündspule und der Zündkerze einen Ionen­ strompfad bilden, und
eine mit einem Knoten zwischen dem Erfassungswider­ stand und dem Lastwiderstand verbundene invertierende Schaltung (16).

2. Ionenstromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert R1 des Erfassungswiderstands und der Widerstandswert R2 des Lastwiderstands die Beziehung
R1 < R2
aufweisen.

3. Ionenstromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Widerstandswert R1 des Erfassungswiderstands und
der Widerstandswert R2 des Lastwiderstands die Beziehung
Vz × {R1/(R1 + R2)} < Vb
aufweisen, wobei Vz die durch die Spannungsstabilisatordiode (12) begrenzte Maximalspannung des Kondensators ist und Vb die Versorgungsspannung der Vorrichtung ist.

4. Ionenstromerfassungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine mit einer Zündkerze (4) und einer Sekundärwick­ lung (1b) einer Zündspule (1) in Reihe geschaltete Diode (13) zum Durchlassen von Strom lediglich in der Richtung eines Sekundärstroms, der bei Abschalten eines Primärstroms der Zündspule fließt,
einen mit der Zündkerze (4), der Sekundärwicklung der Zündspule und der Diode in Reihe geschalteten Kondensator (11), der als Ionenstromerzeugungsquelle dient,
eine parallel zu dem Kondensator (11) geschaltete Spannungsstabilisatordiode (12) zur Begrenzung einer Span­ nung, auf die der Kondensator durch den Sekundärstrom der Zündspule aufgeladen werden soll, auf einen bestimmten Wert, und
eine invertierende Verstärkerschaltung (16), die mit einem Knoten zwischen dem Kondensator und der Diode verbun­ den ist, um einen an dem Knoten zwischen dem Kondensator und der Diode auftretenden Spannungswert zu invertieren und zu verstärken, wobei die invertierende Verstärkerschaltung einen Ionenstrompfad zusammen mit dem Kondensator, der Se­ kundärwicklung der Zündspule und der Zündkerze bildet, so­ wie einen operationsverstärker (17), einen an einen inver­ tierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers ange­ schlossenen Eingangswiderstand (18) und einen zwischen ei­ nem Ausgangsanschluß des operationsverstärker (17) und dem invergierenden Eingangsanschluß geschalteten Rückkopplungs­ widerstand (19) aufweist.

5. Ionenstromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert Rf des Rückkopplungswiderstands (19) und der Widerstandswert Ra des Eingangswiderstands (18) die Beziehung
Rf < Ra
aufweisen.

6. Ionenstromerfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert Rf des Rückkopplungswiderstands (19) und der Widerstandswert Ra des Eingangswiderstands (18) die Beziehung
Vz × {R1/(R1 + R2)} < Vb
aufweisen, wobei Vz die durch die Spannungsstabilisatordiode (12) begrenzte Maximalspannung des Kondensators ist und Vb die Versorgungsspannung der Vorrichtung ist.