DE19824254C2

DE19824254C2 - Ionenstrom-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19824254C2
Application number: DE19824254A
Authority: DE
Inventors: Yukio Yasuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: US6075366A; JPH11159430A; DE19824254A1; KR19990044744A; KR100303223B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenstrom- Detektionsvorrichtung zur Bestimmung der Verbrennungsbedingungen in einem Verbrennungsmotor durch Bestimmen der Ionisierung eines aus der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor resultierenden Verbrennungsgases als Ionenstrom.

Fig. 10 zeigt den Schaltplan einer konventionellen Vorrichtung, die eine Ionenstrom-Detektionsvorrichtung 300 für die Zündvorrichtung 200 eines Verbrennungsmotors umfaßt. Die Zündvorrichtung 200 umfaßt eine Autobatterie oder eine andere elektrische Stromquelle 201, eine Zündspule 202, eine Zündungs- Steuerschaltung 203, und eine Zündkerze 204. Die Zündungs- Steuerschaltung 203 umfaßt einen Schaltkreis 210, einen Widerstand 211, und eine Steuerschaltung 212 zur Steuerung des Schaltkreises 210.

Der Schaltkreis 210 umfaßt npn-Leistungstransistoren 215 und 216 in Verbundschaltung, eine Zener-Diode 217, und die Widerstände 218 und 219.

Die Ionenstrom-Detektionsvorrichtung 300 umfaßt eine Ionenstrom-Detektionsschaltung 301 zur Bestimmung eines Ionenstromes, einen Kondensator 302, und eine Zener-Diode 303.

In der Zündvorrichtung 200 wird der Strom von der Stromquelle 201 zu einem Ende der Primärspule La der Zündspule 202 geliefert; das andere Ende der Primärspule La ist über die Zündungs-Steuerschaltung 203 geerdet. Ein Ende der Sekundärspule Lb der Zündspule 202 ist über die Zündkerze 204 geerdet, und das andere Ende ist mit der Ionenstrom- Detektionsvorrichtung 300 verbunden, d. h. mit der Kathode der Zener-Diode 303 und einer Seite des Kondensators 302. Die Anode der Zener-Diode 303 ist geerdet, und die andere Seite des Kondensators ist mit der Ionenstrom-Detektionsschaltung 301 verbunden. Es ist anzumerken, daß die Anode der Zener-Diode 303 in Fig. 10 geerdet dargestellt wird, alternativ aber auch mit der Ionenstrom-Detektionsschaltung 301 verbunden werden kann.

Die Kathode der Zener-Diode 217 ist mit dem Kollektor des Leistungstransistors 216 verbunden, und die Anode ist mit der Basis des Leistungstransistors 216 verbunden, um die Leistungstransistoren 215 und 216 vor einer Gegen-EMK von der Primärspule La der Zündspule 202 zu schützen. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 211 und dem Emitter des Leistungstransistors 215, und die geerdete Seite des Widerstands 211 sind mit der Steuerschaltung 212 verbunden. Ein Steuersignal von der Motorsteuerung (in der Figur nicht dargestellt) wird an die Steuerschaltung 212 zur Steuerung der Zündzeit auf der Basis verschiedener Motorbetriebsinformationen abgegeben. Die Steuerschaltung 212 steuert den Schaltvorgang der Leistungstransistoren 215 und 216 auf der Basis des gelieferten Steuersignals.

Wenn die Leistungstransistoren 215 und 216 durch ein Steuersignal von der Motorsteuerung (nachfolgend ECU) in dieser Konfiguration angeschaltet werden, fließt ein Strom von bis zu zwischen 10 und 20 Amp zur Primärspule La der Zündspule 202. Zwischen der Primärspule La und den Leistungstransistoren 215 und 216 tritt dann eine Gegen-EMK auf, wenn die Stromzufuhr von der Primärspule La als Ergebnis der Abschaltung der Leistungstransistoren 215 und 216 als Reaktion auf ein Steuersignal von der ECU während der Stromzufuhr zur Primärspule La während einer bestimmten Zeit plötzlich abgeschaltet wird. Die Zener-Diode 217 begrenzt normalerweise jedoch die Stromzufuhr zwischen dem Kollektor und der Basis des Leistungstransistors 216 auf ca. 300-400 V.

Wenn an der Primärspule La der Zündspule 202 eine Gegen-EMK auftritt, tritt an der Sekundärspule Lb eine Spannung auf, die proportional ist dem Wicklungsverhältnis zwischen der Primärspule La und der Sekundärspule Lb. Weil die Zahl der Wicklungen in der Sekundärspule Lb ungefähr 100-mal größer als die Zahl der Wicklungen in der Primärspule La ist, tritt an der Sekundärspule Lb z. B. eine Spannung von ca. 30 kV auf. Die Sekundärspule Lb ist so verbunden, daß an der Seite der Zündkerze 204 der Spule eine negative Spannung auftritt, und an der Seite, an die der Kondensator 302 und die Zener-Diode 303 verbunden sind, eine positive Spannung auftritt. Wenn die durch den Kondensator 302 gespeicherte Spannung geringer oder gleich ist der Zener-Spannung der Zener-Diode 303, wenn die Zündkerze 204 zündet, fließt zum Kondensator 302 ein Strom von mehreren 10 mA bis zu 100 und mehreren 10 mA; wenn die gespeicherte Spannung die Zener-Spannung übersteigt, fließt der Strom von der Kathode zur Anode der Zener-Diode 303.

Wie beschrieben, fällt, wenn die Gegen-EMK der Primärspule La der Zündspule 202 sich rasch abschwächt, die Spannung an beiden Enden der Sekundärspule Lb ebenfalls gleichzeitig rasch ab, und die Spannung an beiden Enden der Sekundärspule Lb fällt nach der Zündung schließlich auf 0. Die im Kondensator 302 gespeicherte Spannung wird dann zu dem Potential der Sekundärspule Lb addiert, wird während des Zündvorgangs ca. gleich der Zener-Spannung der Zener-Diode 303, und eine Spannung, die der Zener-Spannung der Zener-Diode 303 gleicht, wird an die Zündkerze 204 angelegt.

Wenn eine Spannung, die mit der gespeicherten Ladung des Kondensators 302 vergleichbar ist, an die Zündkerze 204 in einem Zylinder, der sofort nach der Zündung ionisierte Verbrennungsgase enthält, angelegt wird, fließt ein Ionenstrom. Weil der Kondensator 302 diesen Ionenstrom liefert, fließt auch ein Strom, der sich dem Ionenstrom angleicht, zur Ionenstrom- Detektionsschaltung 301, die mit dem Kondensator 302 verbunden ist. Dieser Strom wird bestimmt, und das in dem Ionenstrom enthaltene Signal wird verarbeitet.

Es ist bekannt, daß der Ionenstrom auf kleine Veränderungen der Temperatur und des Druckes innerhalb des Zylinders anspricht, und eine Vorrichtung, die durch Vergleich des absoluten Wertes dieses Ionenstromes feststellt, ob eine normale Verbrennung auftritt, wurde in der Japanischen offengelegten Patentanmeldung H7-217519 (1995-217519), die von einem Erfinder der vorliegenden Anmeldung angemeldet wurde, beschrieben. Die Japanische offengelegte Patentanmeldung H9-15101 (1997-15101), ebenfalls von einem Erfinder der vorliegenden Anmeldung angemeldet, beschreibt auch eine Schaltung zum Ausblenden einer Oszillationswellenkomponente, die diesem Ionenstrom überlagert ist, als Mittel zur Bestimmung von durch einen abnormalen Druck innerhalb des Zylinders verursachten Klopfen.

In einer konventionellen Ionenstrom-Detektionsvorrichtung ist jedoch ein spannungsbegrenzendes Element, wie z. B. eine Zener- Diode 303, zur Begrenzung der Spannung des Kondensators 302, der den Ionenstrom liefert, für jeden Kondensator 302 erforderlich, und aufgrund des Stromes von mehreren 10 mA bis zu 100 und mehreren 10 mA und der ca. 100 bis 400 V- Grenzspannung, der während der Zündung fließt, tritt ein beträchtlicher Leistungsverlust auf. Die Zener-Diode 303 oder ein anderes spannungsbegrenzendes Element muß mit einem Wärmeabstrahlungsstruktur ausgestaltet sein, die ausreicht, um einem solchen Leistungsverlust zu widerstehen, was erhöhte Kosten verursacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das in einer Ionenstrom-Detektionsvorrichtung, die in einer Zündvorrichtung eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, verwendete Zener- Dioden-spannungsbegrenzende Element zu vermeiden.

Spezifischer ausgedrückt verwendet die vorliegende Erfindung ein spannungsbegrenzendes Element, das in einer Zündsteuerschaltung als spannungsbegrenzendes Element einer Ionenstrom-Detektionsvorrichtung vorgesehen ist. Dies ist deshalb möglich, weil die Ionenstrom-Bestimmung während der Phase vor sich geht, in der der Leistungstransistor der Zündsteuerschaltung abgeschaltet ist. Als Ergebnis treten eine Spannungsbegrenzung der Gegen-EMK in der Primärspule und eine Spannungsbegrenzung des Kondensators in der Ionenstrom- Detektionsvorrichtung auch dann nicht gleichzeitig auf, wenn für beide Vorgänge ein gemeinsames Spannungsbegrenzungselement verwendet wird.

Um die obige Aufgabenstellung zu erzielen, umfaßt eine Ionenstrom-Detektionsvorrichtung zur Bestimmung eines Ionenstromes, der während der Verbrennung eines Verbrennungsmotors auftritt, wobei der Verbrennungsmotor eine Zündspule zur Abgabe einer hohen Spannung an ihre Sekundärspule mittels einer an ihre Primärspule applizierten Spannung umfaßt, und eine Zündkerze zur Zündung von Brennstoff innerhalb eines Motorzylinders als Ergebnis der in der Zündspule ausgebildeten hohen Spannung, eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung zur Begrenzung der Gegen-EMK der Primärspule für zur Steuerung der Stromzufuhr zur Primärspule verwendete Schaltelemente; einen Kondensator zum Anlegen einen Ionenstrom-Detektionsspannug an eine Zündkerze über eine Sekundärspule; Ionenstrom- Detektionsmittel zur Bestimmung eines Ionenstromes auf der Basis einer vom Kondensator an die Zündkerze angelegten Spannung; und Verbindungsmittel zur Verbindung des Kondensators mit der Spannungsbegrenzungsvorrichtung; wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung auch zur Begrenzung der Kondensatorspannung verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Kondensator wird vorzugsweise durch Strom geladen, der während der Funkenbildung der Zündkerze fließt, und entlädt die gespeicherte Spannung sofort nach der Zündung an die Zündkerze, und das Spannungsbegrenzungselement begrenzt die an den Kondensator während der Kondensatorladung gelieferte Spannung.

Das erfindungsgemäße Verbindungsmittel kann eine erste Diode zur Verbindung der Primärspule und des Schaltelements in Durchlaßrichtung umfassen, und eine zweite Diode zur Verbindung des Kondensators und des Spannungsbegrenzungselements in Durchlaßrichtung.

Bevorzugt ist das Spannungsbegrenzungselement der vorliegenden Erfindung eine Zener-Diode.

Andere Aufgabenstellungen und Merkmale und ein besseres Verständnis der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung und die Ansprüche im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen besser verständlich und erkennbar.

Fig. 1 ist ein Schaltschema einer Ionenstrom- Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 2 ist ein Schaltschema der beispielhaften Steuerschaltung 9 in Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Schaltschema einer beispielhaften Ionenstrom- Detektionsschaltung 21 in Fig. 1.

Fig. 4 ist ein Schaltschema einer weiteren beispielhaften Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 in Fig. 1.

Fig. 5 ist ein Schaltschema einer weiteren beispielhaften Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 in Fig. 1.

Fig. 6 ist ein Schaltschema einer weiteren beispielhaften Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 in Fig. 1.

Fig. 7 ist ein Schaltschema eines weiteren beispielhaften Schaltkreises 7 in Fig. 1.

Fig. 8 ist ein Schaltschema eines weiteren beispielhaften Schaltkreises 7 in Fig. 1.

Fig. 9 ist ein Schaltschema einer Ionenstrom- Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 10 ist ein Schaltschema einer Ionenstrom- Detektionsvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach dem Stand der Technik.

Unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ausführungsform 1

Fig. 1 ist ein Schaltschema einer Ionenstrom- Detektionsvorrichtung für Verbrennungsmotore gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Nach Fig. 1 ist eine Ionenstrom-Detektionsvorrichtung 20 mit einer unabhängig versorgten Zündvorrichtung 1 verbunden. Die Zündvorrichtung 1 umfaßt eine Autobatterie oder andere Stromquelle 2, eine Zündspule 3, eine Diode 4, eine Zündsteuerschaltung 5, und eine in einem Zylinder angebrachte Zündkerze 6. Die Zündungssteuerschaltung 5 umfaßt einen Schaltkreis 7, einen Widerstand 8 und eine Steuerschaltung 9 zur Steuerung des Schaltkreises 7.

Der Schaltkreis 7 umfaßt npn-Leistungstransistoren 11 und 12 in Verbundschaltung, die Zener-Diode 13, und die Widerstände 14 und 15.

Die Ionenstrom-Detektionsvorrichtung 20 umfaßt eine Ionenstrom- Detektionsschaltung 21 zur Bestimmung eines Ionenstromes, einen Kondensator 22 und eine Diode 23.

In der Zündvorrichtung 1 wird von der Stromquelle 2 zu einem Ende der Primärspule L1 der Zündspule 3 Strom geliefert; das andere Ende der Primärspule L1 ist über die Diode 4 und die Zündsteuerschaltung 5 geerdet. Ein Ende der Sekundärspule L2 der Zündspule 3 ist über die Zündkerze 6 geerdet, und das andere Ende ist mit der Ionenstrom-Detektionsvorrichtung 20 verbunden, d. h. mit einer Seite des Kondensators 22 und der Anode der Diode 23. Die Kathode der Diode 23 ist mit der Verbindung zwischen der Kathode der Diode 4 und der Kathode der Zener-Diode 13 und den Kollektoren der Leistungstransistoren 11 und 12 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 22 ist mit der Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 verbunden.

Es wird darauf hingewiesen, daß in dieser Zündsteuerschaltung 5 die Kollektoren der Leistungstransistoren 11 und 12 miteinander verbunden sind, und diese Verbindung mit den Kathoden der Diode 4 und 23 verbunden ist. Der Emitter des Leistungstransistors 12 ist mit der Basis des Leistungstransistors 11 verbunden, und der Emitter des Leistungstransistors 11 ist über den Widerstand 8 geerdet. Die Basis des Leistungstransistors 12 ist mit dem Output a der Steuerschaltung 9 verbunden. Der Widerstand 14 ist zwischen der Basis und dem Emitter des Leistungstransistors 11 angeschlossen, und der Widerstand 15 zwischen der Basis und dem Emitter des Leistungstransistors 12.

Die Kathode der Zenerdiode 13 ist mit dem Kollektor des Leistungstransistors 12 verbunden, und die Anode ist mit der Basis des Leistungstransistors 12 verbunden, um die Leistungstransistoren 11 und 12 vor der Gegen-EMK der Primärspule L1 der Zündspule 3 zu schützen. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 8 und dem Emitter des Leistungstransistors 11 ist mit dem Input b der Steuerschaltung 9 verbunden, und die geerdete Seite des Widerstandes 8 ist mit dem Input c der Steuerschaltung 9 verbunden. Ein Steuersignal von einer Motorsteuerung (in den Figuren nicht dargestellt) wird dem Input d der Steuerschaltung 9 zugeführt. Die Motorsteuerung kontrolliert die Zündzeit auf der Basis einer Information über den laufenden Motorbetriebszustand. Als Ergebnis steuert die Steuerschaltung 9 das Ein- und Abschalten der Leistungstransistoren 11 und 12 auf der Basis des von der Motorsteuerung gelieferten Steuersignals.

Fig. 2 ist ein Schaltschema einer beispielhaften Steuerschaltung 9. In Fig. 2 umfaßt die Steuerschaltung 9 einen Schalt-Steuerkreis 31, und eine Strombegrenzungsschaltung 32.

Der Schalt-Steuerkreis 31 umfaßt einen Komparator 33, die Bezugsspannungsquelle 34, eine Driverschaltung 35, und wird verwendet, um das Ein-/Abschalten der Leistungstransistoren 11 und 12 gemäß einem von der Motorsteuerung (nachfolgend ECU bezeichnet) abgegebenen Steuersignals zu steuern.

Die Strombegrenzungsschaltung 32 umfaßt einen Operationsverstärker (op-amp) 36, die Bezugsspannungsquelle 37, und den npn-Transistor 38. Die Strombegrenzungsschaltung 32 wird verwendet, um den Emitter-Strom des Leistungstransistors 11 gemäß einer vom Emitterstrom des Leistungstransistors 11 durch den Widerstand 8 konvertierten Spannung zu begrenzen.

Ein Input zum Komparator 33 des Schalt-Steuerkreises 31 ist Input d der Steuerschaltung 9, der deshalb mit der ECU verbunden ist. Zwischen dem anderen Input zum Komparator 33 und der Erdung ist die Bezugsspannungsquelle 34 angeschlossen. Der Output des Komparators 33 ist mit dem Input der Driverschaltung 35 verbunden. Der Output der Driverschaltung 35 ist Output a der Steuerschaltung 9, und ist deshalb mit der Basis des Leistungstransistors 12 verbunden.

Ein Input des op-amp 36 der Strombegrenzungsschaltung 32 ist Input b der Steuerschaltung 9, und ist deshalb an die Verbindung zwischen dem Widerstand 8 und dem Emitter des Leistungstransistors 11 angeschlossen. Die Bezugsspannungsquelle 37 ist zwischen dem anderen Input zum op- amp 36 und Input c der Steuerschaltung 9 angeschlossen. Der Output des op-amp 36 ist mit der Basis des npn-Transistors 38 verbunden; der Kollektor des npn-Transistors 38 ist mit dem Output a der Steuerschaltung 9 verbunden, und der Emitter des npn-Transistors 38 ist mit dem Input c der Steuerschaltung 9 verbunden.

Das Steuersignal von der ECU ist, auf der Basis eines Bezugsspannungs-Inputs von der Bezugsspannungsquelle 34 mittels eines Komparators 33 wellenförmig. Die Driverschaltung 35 liefert den erforderlichen Strom an die Schalt- Leistungstransistoren 11 und 12 an der Basis des Leistungstransistors 12 gemäß dem wellenförmigen Signal. Der Emitter-Strom des Leistungstransistors 11 wird in eine Spannung durch den Widerstand 8 konvertiert. Der op-amp 36 vergleicht diese konvertierte Spannung dann mit der von der Bezugsspannungsquelle 37 gelieferten Bezugsspannung. Wenn der Emitter-Strom des Leistungstransistors 11 einen bestimmten Wert übersteigt, wird der npn-Transistor 38 angeschaltet, wodurch der von der Driverschaltung 35 zum Leistungstransistor 12 gelieferte Basisstrom zur Erde geführt wird und den Emitter- Strom des Leistungstransistors 11 begrenzt.

Durch Anschalten der Schalt-Leistungstransistoren 11 und 12 auf der Basis eines Steuersignals von der ECU fließt ein Strom von mehreren Ampere bis zu mehr als 10 Ampere zur Primärspule L1 der Zündspule 3. Nachdem auf diese Weise Strom zur Primärspule L1 während einer bestimmten Zeit geliefert wird, und die Leistungstransistoren 11 und 12 dann als Antwort auf ein Steuersignal vom ECU abgeschaltet werden, wird die Stromzufuhr zur Primärspule L1 plötzlich unterbrochen, was das Auftreten einer Gegen-EMK an der Verbindung zwischen der Primärspule L1 und den Kollektoren der Leistungs-Transistoren 11 und 12 verursacht. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Zener- Diode 13 normalerweise die Spannungsversorgung zwischen dem Kollektor und der Basis des Leistungstransistors 12 auf ca. 300 bis 400 V begrenzt.

Wenn an der Primärspule L1 der Zündspule 3 eine Gegen-EMK auftritt, tritt an der Sekundärspule L2 eine Spannung auf, die proportional ist zum Wicklungsverhältnis zwischen der Primärspule L1 und der Sekundärspule L2. Weil die Zahl der Wicklungen in der Sekundärspule L2 ca. 100-mal größer ist als die Zahl der Wicklungen in der Primärspule L1, tritt an der Sekundärspule L2 z. B. eine Spannung von ca. 30 kV auf. Die Sekundärspule L2 ist so verbunden, daß an der Seite der Zündkerze der Spule eine negative Spannung auftritt, und an der Seite, an die der Kondensator angeschlossen ist, eine positive Spannung.

Wenn die durch den Kondensator 22 gespeicherte Spannung geringer oder gleich der Zener-Spannung der Zener-Diode 13 (genauer gesagt, weniger als oder gleich der Summe der Zener- Spannung und der Durchlaßspannung der Diode 23, aber die Durchlaßspannung der Diode 23 wird hier nicht in Betracht gezogen weil, sie im Vergleich zur Zener-Spannung der Zener- Diode 13 klein ist) ist, wenn die Zündkerze 16 Funken bildet, fließt ein Strom von mehreren 10 mA bis zu 100 und mehreren 10 mA zum Kondensator 22; wenn die gespeicherte Spannung die Zener-Spannung übersteigt, fließt der Strom von der Kathode zur Anode der Zener-Diode 13.

Als Ergebnis diese Ablaufs wird das Potential an einem Ende der Sekundärspule L2 der Zündspule 3 auf die Zener-Spannung der Zener-Diode 13 oder darunter beschränkt. Das Elektrodenpotential an der Sekundärspule L2 der Zündkerze 6 beträgt deshalb ca. -30 kV, und zwischen den Elektroden der Zündkerze 6 wird eine Spannung von 30 kV erzeugt, und damit ein elektrischer Funke erzeugt. Dieser elektrische Funke verursacht die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches im Inneren des Zylinders, und in der Hochtemperaturumgebung, die sich aus der Verbrennung innerhalb des Zylinders ergibt, werden Moleküle ionisiert. Wenn an dieses ionisierte Gas dann eine Spannung angelegt wird, fließt ein Ionenstrom. Geringe Veränderungen dieses Ionenstromes treten mit Änderungen im Verbrennungszustand innerhalb des Zylinders auf, und der Verbrennungszustand und andere Informationen können durch Bestimmung dieses Ionenstromes bestimmt werden.

Nachdem eine Funkenbildung und Zündung auftritt, schwächt sich die Gegen-EMK an der Seite der Spule L1 der Zündspule 3 rasch ab, und gleichzeitig tritt ein rascher Spannungsabfall an beiden Enden der Sekundärspule L2 auf, und die Spannung an beiden Enden der Sekundärspule L2 fällt schließlich auf 0. Die im Kondensator gespeicherte Spannung wird dann zum Potential der Sekundärspule L2 addiert, und wird als Ergebnis des Zündvorgangs ungefährt gleich der Zener-Spannung der Zener- Diode 13, und an die Zündkerze 6 wird eine Spannung angelegt, die gleich ist mit der Zener-Spannung der Zener-Diode 13.

Wenn eine mit der gespeicherten Ladung des Kondensators 22 vergleichbare Spannung an die Zündkerze 6 in einem Zylinder, der ionisierte Verbrennungsgase enthält, sofort nach der Zündung angelegt wird, fließt ein Ionenstrom. Weil der Kondensator 22 die den Ionenstrom erzeugende Ladung liefert, fließt zu der mit dem Kondensator 22 verbundenen Ionenstrom- Detektionsschaltung 21 auch ein sich dem Ionenstrom angleichender Strom. Die Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 bestimmt diesen Strom, und die im Ionenstrom enthaltene Information wird verarbeitet.

Fig. 3 ist ein Schaltschema einer beispielhaften Ionenstrom- Detektionsschaltung 21 der Fig. 1. Die Ionenstrom- Detektionsschaltung 21 umfaßt Dioden 41 und 42, die Ionenstrom- Spannung-Umwandlungsschaltung 43 zur Konvertierung des bestimmten Ionenstromes in eine Spannung, und eine Signalverarbeitungsschaltung 44 zur geeigneten Verarbeitung des Spannungs-konvertierten Signaloutputs durch die Ionenstrom- Spannungs-Umwandlungsschaltung 43. Die Ionenstrom-Spannung- Umwandlungsschaltung 43 umfaßt die pnp-Transistoren 51 bis 53, einen Widerstand 54, und eine Stromquelle 55.

Die pnp-Transistoren 51 bis 53 sind verbunden, um eine Stromspiegelschaltung auszubilden. Die Basen der pnp- Transistoren 51 und 52 sind miteinander verbunden, und diese Verbindung ist mit dem Emitter des pnp-Transistors 53 verbunden. Der Kollektor des pnp-Transistors 53 ist geerdet. Die Emitter der pnp-Transistoren 51 und 52 sind ebenfalls miteinander verbunden, und diese Verbindung ist mit der Stromquelle 55 verbunden. Der Kollektor des pnp-Transistors 51 ist mit der Basis des pnp-Transistors 53, mit der Kathode der Diode 41, und der Anode der Diode 42 verbunden, und diese Verbindung ist mit dem Kondensator 22 verbunden. Die Anode der Diode 41 und die Kathode der Diode 42 sind geerdet, der Kollektor des pnp-Transistors 52 ist über den Widerstand 54 geerdet, und die Verbindung zwischen dem Kollektor des pnp- Transistors 52 und dem Widerstand 54 ist mit der Signalverarbeitungsschaltung 44 verbunden.

Die Ionenstrom-Spannungs-Umwandlungsschaltung 43 bestimmt einen Ionenstrom, und wandelt den bestimmten Ionenstrom in eine Spannung um. Die Stromquelle 55 der Ionenstrom-Spannungs- Umwandlungsschaltung 43 liefert eine Spannung, z. B. eine Spannung von 1,4 V, was in der Verbindung zwischen dem Kollektor des pnp-Transistors 51 und der Basis des pnp- Transistors 53 0 V ergibt. Der Ionenstrom fließt deshalb vom Kollektor des pnp-Transistors 51 zum Kondensator 52, durch die Sekundärspule L2 der Zündspule 3, und zur Zündkerze 6, und ein dem Ionenstrom proportionaler Strom wird durch die Stromspiegelschaltung, die die pnp-Transistoren 51 bis 53 umfaßt, an den Widerstand 54 geliefert. Die Umwandlung des Ionenstromes erzeugt ein Signal, das Veränderungen im Spannungsabfall des Widerstandes 54 anzeigt, und die Signalverarbeitungsschaltung 44 verarbeitet das konvertierte Signal, das diese Veränderung im Spannungsabfall auf geeignete Weise repräsentiert.

Andere Variationen der Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 sind in Fig. 4 bis Fig. 6 dargestellt. Jedes dieser alternativen Schaltungsmuster ist aus der Literatur bekannt, und ihre Wirkungsweise wird deshalb nachfolgend nur kurz beschrieben.

Es ist darauf hinzuweisen, daß gleiche Teile in Fig. 4 bis Fig. 6 durch gleiche Bezugszeichen angezeigt werden, und eine nähere Beschreibung davon wird nachfolgend weggelassen.

Die in Fig. 4 dargestellte Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 umfaßt einen Widerstand 61 zur Bestimmung des Ionenstromes und Konvertierung des bestimmten Ionenstromes in eine Spannung; eine Verstärkungsschaltung 62 zur Verstärkung des Spannungsabfalls des durch den Ionenstrom verursachten Spannungsabfalls im Widerstand 61, und eine Signalverarbeitungsschaltung 44 zur spezifischen Verarbeitung des durch die Verstärkungsschaltung 62 verstärkten Signals. Die Verstärkungsschaltung 62 umfaßt einen Operationsverstärker (op- amp) 65, und die Widerstände 66 und 67.

Eine Seite des Widerstandes 61 ist mit dem Kondensator 22 verbunden, und die andere ist geerdet. Der op-amp 65 und die Widerstände 66 und 67 bilden eine nicht-invertierende Verstärkerschaltung. Der invertierende Input des op-amp 65 ist über den Widerstand 66 geerdet, und mit dem Output des op-amp 65 über den Widerstand 67 verbunden. Der nicht-invertierende Input des op-amp 65 ist an die Verbindung zwischen dem Kondensator 22 und dem Widerstand 61 angeschlossen.

In dieser Konfiguration ist der Ionenstrom der Strom, der fließt, wenn an die Zündkerze eine positive Spannung angelegt wird. Der Ionenstrom ist somit über den Widerstand 61 geerdet, was im Widerstand 61 einen positiven Spannungsabfall verursacht. Dieser Spannungsabfall wird durch die Verstärkerschaltung 62 verstärkt, und die Signalverarbeitungsschaltung 44 verarbeitet dann das Spannungssignal des verstärkten Ionenstrom auf spezifische Weise.

Eine weitere Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 umfaßt, wie in Fig. 5 dargestellt, im Vergleich mit dem in Fig. 4 dargestellten Schaltungsmuster, zusätzlich eine Diode 68, von der die Kathode an die Verbindung zwischen dem Kondensator 22 und dem Widerstand 61 angeschlossen ist, und die Anode geerdet ist, und eine Diode 69, von der die Anode an die Verbindung zwischen dem Kondensator 22 und dem Widerstand 61 angeschlossen ist, und die Kathode geerdet ist. Als Ergebnis kann der Spannungsabfall im Widerstand 61 durch die Durchlaßspannung der Diode 68 oder 69 unterdrückt werden. Der Spannungsabfall im Widerstand 61 kann deshalb verringert werden, wenn während der Ionenstrom-Signalverarbeitung ein übermäßiger Strom fließt, der Widerstand des Widerstandes 61 kann erhöht werden und der Aufbau der Verstärkerschaltung 62 und anderer Komponenten kann vereinfacht werden.

Eine weitere Ionenstrom-Detektionsschaltung 21 umfaßt, wie in Fig. 6 dargestellt, im Vergleich zu dem in Figur. 4 dargestellten Schaltungsmuster, zusätzlich eine Diode 71 für den Output eines Stromes aus dem Kondensator 22, eine Diode 72 zur Lieferung eines Stromes an den Kondensator 22, eine Verstärkerschaltung 73 und eine Signalverarbeitungsschaltung 44 zur spezifischen Verarbeitung des durch die Verstärkerschaltung 73 verstärkten Signals. Die Verstärkerschaltung 73 umfaßt einen Operationsverstärker (op-amp) 75, und Widerstände 76 und 77. Die Kathode der Diode 71 ist mit dem Kondensator 22 verbunden, und die Anode ist geerdet. Die Anode der Diode 72 ist mit dem Kondensator 22 verbunden, und die Kathode ist geerdet.

Der op-amp 75 und die Widerstände 76 und 77 bilden eine invertierende Verstärkerschaltung. Der nicht-invertierende Input des op-amp 75 ist geerdet. Der invertierende Input des op-amp 75 ist über den Widerstand 76 an die Verbindung zwischen dem Kondensator 22, der Kathode der Diode 71 und der Anode der Diode 72 angeschlossen, und ist außerdem über den Widerstand 77 mit dem Output des op-amp 75 verbunden. Dieses Schaltungsmuster wurde bereits in der Japanischen offengelegten Patentanmeldung H7-217519 (1995-217519) beschrieben. Der im Widerstand 77 einen Spannungsabfall verursachende Ionenstrom wird in ein Basis- Bezugssignal umgewandelt, und vom op-amp 75 wird eine dem Ionenstrom proportionale Spannung ausgegeben. Durch Verkürzung des Widerstandes 76 oder geeignete Verringerung seines Widerstandes kann das Strom/Spannungs-Umwandlungsverhältnis erhöht werden, während die Input-Impedanz der Ionenstrom- Detektionsschaltung 21 als Ergebnis eines imaginären Kurzschlußes im op-amp 75 gering ist. Als Ergebnis kann der Widerstand gegenüber den Auswirkungen der Streukapazität in z. B. der Leitung verbessert werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform die Leistungstransistoren 11 und 12 im Schaltkreis 7 der Zündungssteuerschaltung 5 verwendet werden, und an die Basis des Leistungstransistors 12 ein Strom von mehreren 10 mA angelegt werden muß, um den Schaltvorgang der Leistungstransistoren 11 und 12 zu bewirken. Als Ergebnis kann ein Leistungs-MOSFET anstelle der Leistungstransistoren 11 und 12 verwendet werden. Ein Schaltschema eines Schaltkreises 7, in dem ein Leistungs-MOSFET verwendet wird, ist in Fig. 7 dargestellt. Die Leistungstransistoren 11 und 12 des in Fig. 1 dargestellten Schaltkreises sind durch einen NMOS-Transistor 81 ersetzt. Als Ergebnis kann der vom Schaltkreis 7 erforderliche Treiberstrom verringert werden.

Anstelle der Leistungstransistoren 11 und 12 kann auch ein IGBT verwendet werden, und ein Schaltschema eines Schaltkreises 7, in dem ein IGBT verwendet wird, ist in Fig. 8 dargestellt. Die Leistungstransistoren 11 und 12 des in Fig. 1 dargestellten Schaltkreises 7 sind durch ein IGBT 85 ersetzt. So wie dies möglich ist, wenn die Leistungstransistoren 11 und 12 durch ein Leistungs-MOSFET ersetzt sind, kann auch der für den Schaltkreis 7 erforderliche Treiberstrom unter Verwendung eines IGBT verringert werden. Zusätzlich kann ein IGBT mehr Strom als sogar ein Leistungs-MOSFET führen, und deshalb kann ein kleines IGBT-Element verwendet werden. Als Ergebnis kann die Größe des Schaltkreises 7 gegenüber dem unter Verwendung eines Leistungs- MOSFET weiter verringert werden.

In der obigen ersten Ausführungsform wurde eine Zündvorrichtung mit Eigenversorgung nur als Beispiel verwendet, und die vorliegende Erfindung kann auch mit einer Zündvorrichtung, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist, verwendet werden.

Fig. 9 ist ein Schaltschema einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenstrom-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Diese Ionenstrom-Detektionsvorrichtung wird mit einer an eine Hochspannungsquelle für einen Vierzylindermotor verbundenen Zündvorrichtung verwendet, und ist die in Fig. 1 dargestellte Ionenstrom- Detektionsvorrichtung, die für diese Verwendung angepaßt ist. Gleiche Teile werden deshalb durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, und ihre nähere Beschreibung ist in der nachfolgenden Beschreibung, in der nur Unterschiede beschrieben werden, weggelassen.

Die in Fig. 9 dargestellt Vorrichtung unterscheidet sich von der der Fig. 1 dadurch, daß die Zündkerze in Fig. 1 durch die Dioden 91 bis 94, den Verteiler 95, und die Zündkerze 96 bis 99 ersetzt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Zündvorrichtung 1 wird deshalb in Fig. 9 als Zündvorrichtung 90 bezeichnet. Die in Fig. 9 dargestellte Zündvorrichtung 90 umfaßt somit eine Autobatterie oder andere Stromquelle 2, die Zündspule 3, die Diode 4, die Dioden 91 bis 94, die Zündsteuerschaltung 5, den Verteiler 95 und die Zündkerze 96 bis 99.

Ein Ende der Sekundärspule L2 der Zündspule 3 ist mit den Anoden der Dioden 91 bis 94 und dem Rotor des Verteilers 95 verbunden. Die Kathoden der Dioden 91 bis 94 sind mit entsprechenden Terminals des Verteilers 95 verbunden. Die Kathode der Diode 91 ist mit der Zündkerze 96 verbunden, die Kathode der Diode 92 mit der Zündkerze 97 verbunden, die Kathode der Diode 93 mit der Zündkerze 98, und die Kathode der Diode 94 mit der Zündkerze 99.

Die an der Sekundärspule L2 der Zündspule 3 auftretende hohe Spannung wird so durch den Verteiler 95 an die Zündkerze 96 bis 99 verteilt. Die Zündkerzen 96 bis 99 werden durch eine negative Spannung, wie vorstehend in der ersten Ausführungsform beschrieben, entladen, und nach Beendigung des Zündvorgangs wird eine Spannung von den Dioden 91 bis 94 an die entsprechenden Zündkerzen 96 bis 99 angelegt, um eine Ionenstrombestimmung, wie sie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, zu ermöglichen. Es ist deshalb erkennbar, daß, wie vorstehend beschrieben, eine erfindungsgemäße Ionstrom-Detektionsvorrichtung 20 in Verbindung mit einer Vielzahl verschiedener Zündvorrichtungen verwendet werden kann.

Außerdem kann eine Ionstrom-Detektionsvorrichtung für Verbrennungsmotoren gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform die Zener-Diode 13 verwenden, die die Schaltelemente des Schaltkreises 7 in der Zündsteuerschaltung 5 vor einer durch die Zündspule 3 erzeugten Gegen-EMK schützt, um die für die Ionenstromzufuhr verwendete Spannung des Kondensators 22 zu begrenzen. Als Ergebnis kann die Notwendigkeit einer Verwendung von Zener-Dioden, die wärmebeständig sind und eine Abstrahlungsstruktur besitzen, die ausreicht, um einem großen Energierverlust zu widerstehen, vermieden werden, und Kosten können gesenkt werden.

Wie vorstehend beschrieben kann zur Begrenzung der Spannung eines für die Ionenstromzufuhr verwendeten Kondensators ein Spannungsbegrenzungsmittel zur Begrenzung der Gegen-EMK einer Primärspule, die auf ein zur Stromzufuhr zur Primärspule verwendetes Schaltelement wirkt, verwendet werden. Als Ergebnis kann das für den Ionenstromzufuhrkondensator üblicherweise vorgesehene Spannungsbegrenzungsmittel vermieden und Kosten reduziert werden.

Das Spannungsbegrenzungsmittel kann die an dem Kondensator während der Ladung durch den für den Zündvorgang durch die Zündkerze gelieferten Strom angelegte Spannung begrenzen. Als Ergebnis kann die Notwendigkeit zur Verwendung von Zener- Dioden, die wärmebeständig sind und eine Abstrahlungsstruktur aufweisen, die ausreicht, um einem starken Energieverlust zu widerstehen, vermieden und Kosten reduziert werden.

Die Verbindungsmittel zum Anschließen des Kondensators an das Spannungsbegrenzungsmittel können spezifischerweise unter Verwendung von zwei Dioden ausgeführt werden, also unter Verwendung billiger Bauteile und eines einfachen Schaltungsmusters.

Durch die spezifische Verwendung einer Zener-Diode für das Spannungsbegrenzungsmittel kann außerdem die Notwendigkeit, eine Zener-Diode zu verwenden, die wärmebeständig ist und eine Strahlungsstruktur aufweist, die ausreicht, um einem großen Energieverlust zu widerstehen, vermieden und Kosten reduziert werden.

Nach der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ist es offensichtlich, daß diese auf viele verschiedene Arten variiert werden kann. Solche Variationen sind deshalb nicht als Abweichung vom Wesen und Rahmen der Erfindung zu betrachten, und alle Modifikationen, die für einen Fachmann erkennbar sind, fallen deshalb in den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Zündvorrichtung

2

Stromquelle

3

Zündspule

4

Diode

5

Zündungs-Steuerschaltung

6

Zündkerze

7

Schaltkreis

8

Widerstand

9

Steuerschaltung

11

npn-Leistungstransistor

12

npn-Leistungstransistor

13

Zener-Diode

14

Widerstand

15

Widerstand

20

Ionenstrom-Detektionsvorrichtung

21

Ionenstrom-Detektionsvorrichtung

22

Kondensator

23

Diode

31

Schalt-Steuerkreis

32

Strombegrenzungsschaltung

33

Komparator

34

Bezugsspannungsquelle

35

Driverschaltung

36

Operationsverstärker (op-amp)

37

Bezugsspannungsquelle

38

npn-Transistor

41

Diode

42

Diode

43

Ionenstrom-Spannung-Umwandlungsschaltung

44

Signalverarbeitungsschaltung

51

pnp-Transistor

52

pnp-Transistor

53

pnp-Transistor

54

Widerstand

55

Stromquelle

61

Widerstand

62

Verstärkungsschaltung

65

Operationsverstärker (op-amp)

66

Widerstand

67

Widerstand

68

Diode

69

Diode

71

Diode

72

Diode

73

Verstärkerschaltung

75

Operationsverstärker (op-amp)

76

Widerstand

77

Widerstand

81

NMOS-Transistor

85

IGBT

90

Zündvorrichtung

91

Diode

92

Diode

93

Diode

94

Diode

95

Verteiler

96

Zündkerze

97

Zündkerze

98

Zündkerze

99

Zündkerze

200

Zündvorrichtung

201

Stromquelle

202

Zündspule

203

Zündungs-Steuerschaltung

204

Zündkerze

210

Schaltkreis

211

Widerstand

212

Steuerschaltung

215

npn-Leistungstransistor

216

npn-Leistungstransistor

217

Zener-Diode

218

Widerstand

219

Widerstand

300

Ionenstrom-Detektionsvorrichtung

301

Ionenstrom-Detektionsschaltung

302

Kondensator

303

Zener-Diode

Claims

1. Ionenstrom-Detektionsvorrichtung (20) zur Bestimmung eines während der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor auftretenden Ionenstromes, wobei der Verbrennungsmotor eine Zündspule (3) zur Erzeugung einer hohen Spannung an einer Sekundärspule davon mittels einer an eine Primärspule davon angelegten Spannung umfaßt, und eine Zündkerze (6, 96, 97, 98, 99) zum Entzünden eines in einem Motorenzylinder vorhandenen Brennstoffes als Ergebnis der in der Zündspule (3) erzeugten hohen Spannung, umfassend:
eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung (13) zur Begrenzung der Gegen-EMK der Primärspule für Schaltelemente (11, 12), die die Stromzufuhr zur Primärspule steuern,
einen Kondensator (22) zur Anlegung einer Ionenstrom- Detektionsspannung an die Zündkerze (6, 96, 97, 98, 99) über die Sekundärspule;
ein Ionenstrom-Detektionsmittel (21) zur Bestimmung eines Ionenstroms auf der Basis der von dem Kondensator (22) an die Zündkerze (6, 96, 97, 98, 99) angelegten Spannung; und
ein Verbindungsmittel (4, 23) zur Verbindung des Kondensators (22) mit der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (13);
wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (13) zur Begrenzung der Kondensatorspannung verwendet wird.

2. Ionenstrom-Detektionsvorrichtung (20) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (22) durch einen Strom, der während des Zündvorgangs der Zündkerze fließt, aufgeladen wird, und die gespeicherte Spannung sofort nach Beendigung des Zündvorganges an die Zündkerze entlädt, und die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (13) eine an den Kondensator (22) während der Aufladung des Kondensators angelegte Spannung begrenzt.

3. Ionenstrom-Detektionsvorrichtung (20) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verbindungsmittel (4, 23) eine erste Diode (4) zur Verbindung der Primärspule und des Schaltelements (11, 12) in Durchlaßrichtung, und
eine zweite Diode (23) zur Verbindung des Kondensators (22) und der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (13) in Durchlaßrichtung umfaßt.

4. Ionenstrom-Detektionsvorrichtung (20) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (13) eine Zener-Diode ist.