DE19839868C1

DE19839868C1 - Verfahren und Schaltung zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE19839868C1
Application number: DE1998139868
Authority: DE
Inventors: Martin Herrs
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-09-03

Abstract

Bei einem Verfahren zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode wird zur Gewinnung eines Ionisationssignals an diese eine Meßspannung gelegt. Um die Erfaßbarkeit des Ionisationssignals zu verbessern, wird die im Anschluß an den Zündimpuls an der Zündelektrode auftretende Restspannung der Zündspannung unterdrückt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses (Lambdawert) einer Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, wobei zur Gewinnung eines Ionisationssignals an die Zündelektrode eine Meßspannung gelegt wird, die im Betrag kleiner als die Zündspannung ist, und die im Anschluß an den Zündimpuls an der Zündelektrode auftretende Restspannung der Zündspannung unterdrückt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist in der EP 0 801 226 A2 beschrieben. Um einen schadstoffarmen, kraftstoffsparenden Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Ottomotor, zu erreichen, wird mit einem überstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambdawert <1) gearbeitet. Dabei soll es jedoch nicht zum "Klopfen" kommen. Über die Ionisation des gezündeten Kraftstoff-Luftgemisches wird ein Ionisationssignal gewonnen, welches vom jeweiligen Gemischverhältnis (Lambdawert) abhängig ist. Mittels des Ionisationssignals werden nachfolgende Verbrennungsphasen gesteuert.

Folgend auf den Zündimpuls wird eine elektrische Meßspannung in Form eines Prüfimpulses an die Zündkerze gelegt. Aus der Beeinflussung des Prüfimpulses infolge der jeweiligen Ionisation wird ein Ionisationssignal abgeleitet, das zur Steuerung des Gemischverhältnisses der folgenden Verbrennungsphase und/oder der folgenden Verbrennungsphasen verwendet wird.

Der Zündimpuls hat keine ideale Rechteckform, sondern klingt in einem Restspannungsverlauf oder Nachschwingungen ab. Damit diese das gemessene Ionisationssignal nicht wesentlich beeinflussen, ist in der EP 0 801 226 A2 vorgeschlagen, den Prüfimpuls erst nach einer Zeitverzögerung beginnen zu lassen. Diese Zeitverzögerung muß im voraus festgelegt sein. Es hat sich gezeigt, daß dies nicht in allen Fällen zum gewünschten Ergebnis führt, daß also das Ionisationssignal trotz der Zeitverzögerung von der ausklingenden Zündspannung beeinflußt wird.

In der DE 196 49 278 A1 ist eine Meßeinrichtung zur Ermittlung des Ionenstromes an der Zündkerze eines jeden Zylinders beschrieben. Der Ionenstrom, der an jeder Zündkerze gemessen wird, fließt dabei durch die Sekundärwicklung der Zündspule. Damit die im magnetischen Kreis der Zündspule auftretende Restenergie das Meßergebnis nicht verfälscht, wird die Primärwicklung der Zündspule während der Dauer der Ionenstrom-Messung durch einen Schalter kurzgeschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Erfaßbarkeit des Ionisationssignals zu verbessern.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Durch die Anhebung des Potentials der Zündelektrode auf die Meßspannung nach dem Zündimpuls wird unabhängig von der jeweiligen Restspannung ein festes Bezugspotential geschaffen. Es werden damit nicht nur die störenden Einflüsse der Restspannung eines Zündspannungsgenerators, sondern auch die störenden Einflüsse parasitärer Leitungskapazitäten und hoher Impedanzen, die zu langen Zeitkonstanten führen, ausgeblendet.

Die Erfindung ist auch bei Gasmotoren, beispielsweise stationären Gasmotoren oder dem Fahrzeugantrieb dienenden Gasmotoren, einsetzbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Anspruch 5 ist eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens gekennzeichnet.

Messungen haben gezeigt, daß das Ionisationssignal, durch das das jeweilig Kraftstoff-Luft-Vethältnis erkannt wird, auch von anderen Betriebs-Parametern des Motors, insbesondere von der Drehzahl und dem Zündwinkel abhängt. Bei gleichem Kraftstoff-Luft-Verhältnis nimmt das Ionisationssignal bei größer werdender Motordrehzahl ab und steigt bei größer werdenden Zündwinkeln. Diese Einflüsse liegen bei den verschiedenen Motortypen fest und sollen kompensiert werden, damit das Ionisationssignal nicht durch diese Einflüsse verfälscht wird. Eine Lösung hierzu ist in den Ansprüchen 2, 3, 4, 11 gekennzeichnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Anschaltung einer Zündelektrode (Zündkerze) eines Ottomotors an einen Zündspannungsgenerator und an eine Ionisationsstromauswertung,

Fig. 2 ein Spannungs-Zeitdiagramm der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 Meßdiagramme im Schubbetrieb des Ottomotors ohne Kraftstoffzuführung,

a) ohne die erfindungsgemäße Schaltung,
b) mit der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 4 Meßdiagramme bei Leerlaufdrehzahl des Ottomotors,

Fig. 5 ein Fig. 1 ergänzendes Blockschaltbild,

Fig. 6 ein zu Fig. 5 gehörendes Zeitdiagramm.

Eine Zündkerze 1 eines Ottomotors die nicht nur als Zündelektrode, sondern auch als Ionisationselektrode dient, ist über spannungsabhängige Widerstände, speziell Varistoren VDR1 und VDR2 an einen Zündspannungsgenerator, speziell Zündeinheit 2, angeschlossen. Die Zündeinheit 2 weist in üblicher Weise sekundärseitig eine Zündspule 3 und eine Diode 4 auf, die zu einem negativen Zündimpuls (vgl. Fig. 2) führt. Primärseitig ist die Zündeinheit 2 mit einer Spule 5 mit parallelgeschalteter Diode 6 an einem in Reihe geschalteten Schalttransistor 6' ausgerüstet.

Dem Varistor VDR2 ist ein Kondensator C1 parallelgeschaltet, dessen Anschlüsse mit a und b bezeichnet sind. Beim zwischen den Varistoren VDR1, VDR2 liegenden Anschluß a ist ein ohmscher Widerstand R1 angeschlossen, der gegen Masse geschaltet ist.

Der Anschluß b des Kondensators C1 ist an einen Ionisationsstrom- Meßwiderstand R2 gelegt, der an einer Gleichspannungsquelle 7 liegt, und über den als Ionisationssignal eine Ionisationsspannung Ui erfaßt wird. Kontaktierungsstellen sind mit 9, 10, 11 bezeichnet.

Die Auswerteelektronik 8 hat einen Ausgang 12, über den sie an eine Motorregelelektronik 13 angeschlossen ist, die das dem Verbrennungsraum eines Zylinders 14, in dem die Zündkerze 1 angeordnet ist, zugeführte Kraftstoff-Luftgemisch steuert. Dies geschieht dadurch, daß eine Luft-Drosselklappe 15 und/oder die Kraftstoffzufuhr 16 gesteuert wird. Außerdem kann auch der Zündzeitpunkt des Transistors 6' der Zündeinheit 2 gesteuert werden.

Die Meßspannungsquelle 7 erzeugt eine Gleichspannung Um, beispielsweise +600 V. Das Anlegen einer konstanten Meßspannung ist günstig, weil es dabei nicht zu Umladevorgängen im Kondensator C1 kommt. Solche Umladevorgänge würden zu Zeitverzögerungen und zu Meß-Ungenauigkeiten führen.

Anstelle der Varistoren können auch andere Bauelemente verwendet werden, deren Kennlinie der von Varistoren entspricht, beispielsweise Zenerdioden in Reihenschaltung mit entgegengesetzter Polung oder Gasentladungsröhren.

Der Varistor VDR2 ist so ausgelegt, daß seine Durchbruchspannung ebenfalls bei etwa 600 V liegt, also etwa ebenso groß ist, wie die Meßspannung Um. Die Durchbruchspannung eines Varistors liegt in dem Spannungsbereich seiner Strom-Spannungskennlinie, bei der sich sein Widerstand schnell von einem hohen Widerstandswert zu einem kleinen Widerstandswert ändert, also die Strom-Spannungskennlinie einen Knick hat. Die Durchbruchspannung des Varistors VDR2 ist möglichst exakt an die Meßspannung Um angepaßt, damit möglichst sofort nach der Beendigung des Funkenüberschlags eine genaue Messung mit der Meßspannung erfolgen kann.

Der Varistor VDR1 ist für die Funktion der Schaltung günstig, da er Spannungen der Zündspule 3, die unter seiner Durchbruchspannung liegen, abblockt. Die Durchbruchspannung des Varistors VDR2 sollte um wenige Prozent größer sein als die Meßspannung Um, um eine gute Adaption zu gewährleisten.

Der Widerstand R1 ist so gewählt, daß seine Impedanz deutlich größer ist als der Innenwiderstand der Sekundärseite der Zündspule 3, damit die Zündspannung nicht allzu abgesenkt wird. Die Impedanz des Widerstands R1 ist deutlich kleiner als der Meßwiderstand R2, damit eine sichere Ausblendung des Zündimpulses erfolgt.

Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltung ist etwa folgende:

Sobald die Motorregelelektronik 13 den Transistor 6' leitend schaltet, generiert die Zündeinheit 2 eine negative Zündspannung mit Leerlaufwerten von mehreren kV, beispielsweise 20 kV. Über die Varistoren VDR1 und VDR2, die bei dieser sehr hohen Spannung gut leitend sind, gelangt diese Spannung zur Zündkerze 1. Nur in der Größenordnung ihrer Durchbruchspannungen (2 × 600 V = 1200 V) besteht ein Spannungsabfall, der jedoch wegen der hohen Zündspannung vernachlässigbar ist. Ist die Überschlagspannung Uü der Zündkerze 1 (vgl. Fig. 2, Zeitpunkt t0) erreicht, erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch den Zündimpuls I negativer Polarität. Wenn die Überschlagspannung Uü der isolierenden Luft zwischen den Elektroden der Zündkerze 1 erreicht ist, wird die Strecke niederohmig, wodurch sich die Spannung auf die Brennspannung UB reduziert. Es ist dann (vgl. Zeitpunkt t1) die Spannung an der Zündkerze 1 auf die Brennspannung UB verkleinert. Die Brennspannung UB ist diejenige Spannung, die zwischen den Elektroden der Zündkerze 1 anliegt, wenn der Funke überschlägt. Sie beträgt beispielsweise 0 bis 100 V.

Am Anschluß a hinter dem Varistor VDR1 ist die in Fig. 2 strichliert dargestellte Spannung Ua meßbar. Am Ausgang b ist die in Fig. 1 mit durchgezogener Linie gezeigte Spannung Ub meßbar. Der nun durch den Varistor VDR2 fließende Strom bewirkt an dem Varistor VDR2 einen Spannungsabfall in der Höhe der Durchbruchspannung, im Beispielsfalle etwa 600 V. Mit dieser Spannung bleibt der Kondensator C1 aufgeladen, der zuvor mit dem Anlegen bzw. Einschalten der Meßspannungsquelle 7 auf deren Meßspannung Um (etwa 600 V) aufgeladen wurde. Am Anschluß a stellt sich somit ein um die Durchbruchspannung des Varistors VDR2 negativeres Spannungspotential, beispielsweise etwa 600 V, ein, als am Anschluß b, an dem die Zündkerze 1 liegt (vgl. Fig. 2, Differenz zwischen dem strichlierten Spannungsverlauf Ua und dem nicht strichlierten Spannungsverlauf Ub).

Ist die Primärerregung der Zündspule 3 beendet, bricht der in die Zündkerze 1 fließende Strom ab (vgl. Zeitpunkt t2 in Fig. 2), die Varistoren VDR1, VDR2 werden hochohmig. Der Widerstand R1 zieht nun das bis dahin negative Potential am Anschluß a auf das Nullpotential. Infolge des aufgeladenen Kondensators C1 verschiebt sich dabei das Potential am Anschluß b entsprechend mit, so daß der Kondensator C1 als Spannungsquelle mit der Durchbruchspannung des Varistors VDR2 wirkt. Der Kondensator C1 bringt - nach Beendigung des Funkenüberschlags - das Potential am Punkt b schnell in die Nähe der Meßspannung Um, was durch den niedrigen Innenwiderstand der Reihenschaltung von R1 und C1 relativ begünstigt wird. Jedenfalls erreicht das Potential am Punkt b schneller die Meßspannung Um, als es alleine mit der Meßspannungsquelle 7 möglich wäre. Innerhalb weniger 0,1 ms - in Fig. 2 zum Zeitpunkt t3 - ist damit das Potential an der Zündkerze 1 auf die Höhe der Meßspannung Um verschoben. Nach dem Zeitpunkt t3, der beispielsweise 1 ms nach dem Zeitpunkt t0 des Beginns des Zündimpulses liegt, wird dann der über die Zündkerze 1 und den Meßwiderstand R2 fließende Strom, der Folge der Ionisierung des Kraftstoff-Luftgemisches ist, als Ionisationsspannung Ui gemessen und ausgewertet. Die Meßspannungsquelle 7 mit ihrer stabilen Meßspannung und mit dem definierten Meßwiderstand R2 führt zu einer exakten Messung.

Nach dem Ablauf einer definierten Zeitspanne beginnt die Auswerteelektronik 8 die Messung. Auf das Meßergebnis wirken sich aus der Zündeinheit 2 stammende Restspannungen kaum mehr aus. Das Potential am Kondensator C1 ändert sich nicht wesentlich. Es ändert sich geringfügig beim Zünden und bei der Ionisation.

Die Meßdiagramme der Fig. 3 zeigen den Betriebsfall, in dem zwar zum Zeitpunkt t0 der Zündimpuls von der Zündeinheit 2 ausgelöst wird, jedoch keine Kraftstoffzufuhr erfolgt (Schubbetrieb). Der Vergleich der Meßdiagramme der Fig. 3a und der Fig. 3b zeigen, daß der Zeitpunkt t1', bei dem die Spannung an der Zündkerze 1 auf Null zurückgegangen ist, ohne die erfindungsgemäße Schaltung (Fig. 3a) lang nach dem Zündzeitpunkt t0 liegt, wogegen der Zeitpunkt t1", bei dem die Spannung an der Zündkerze 1 Null ist, wesentlich schneller nach dem Zeitpunkt t0 auftritt. Der Zeitpunkt t1' liegt etwa 4 ms nach dem Zeitpunkt t0, wogegen der Zeitpunkt t1" etwa 2 ms nach dem Zeitpunkt t0 liegt. Dies zeigt, daß die erfindungsgemäße Schaltung das Abklingen der Zündspannung auf Null wesentlich beschleunigt.

Die Meßdiagramme der Fig. 4 zeigen den Fall, in dem der Ottomotor mit Leerlaufdrehzahl läuft, also eine Kraftstoffzuführung erfolgt und dementsprechend auch eine an der Zündkerze 1 auswertbare Ionisation des Kraftstoff-Luftgemisches auftritt. Der Vergleich des Diagramms nach Fig. 4a mit dem Diagramm nach Fig. 4b zeigt, daß ohne die erfindungsgemäße Schaltung (Fig. 4a) der Anstieg der Ionisation nach der Zündung nicht erkennbar ist, da er vom Abklingen der Zündrestspannung überlagert wird. Dagegen ist beim Meßdiagramm zur Fig. 4b, das mit der beschriebenen Schaltung aufgenommen ist, schon zum Zeitpunkt t3, beispielsweise nach 1 ms, eine definierbare Spannung erreicht, wobei sich nach dem Zeitpunkt t3 die Ionisationsspannung deutlich darstellt und damit auswertbar ist. Das Meßdiagramm der Fig. 4b gleicht dem Diagramm der Fig. 2, wobei bei dem Meßdiagramm nach Fig. 4b lediglich die Nullinie um 600 V gegenüber der Nullinie der Fig. 2 verschoben ist.

Auf die Ionisationsspannung Ui bzw. das Ionisationssignal, haben auch andere Betriebs-Parameter des Motors, insbesondere die jeweilige Drehzahl und der jeweilige Zündwinkel einen Einfluß. Trotz gleichen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses bei der Verbrennung sinkt das Integral der Ionisationsspannung Ui bei zunehmender Drehzahl und steigt bei größer werdendem Zündwinkel. Darüber hinaus beeinflußt auch die jeweilige Stellung der Drosselklappe das Ionisationssignal.

Durch die Schaltung nach Fig. 5 werden die genannten Einflüsse kompensiert.

Am Ausgang 12 der Auswerteelektronik 8 liegt ein Multiplizierer 17. Dieser erfaßt einerseits das nicht kompensierte Ionisationssignal Ui und andererseits ein Kompensationssignal Uk, das von einem Kompensationssignal-Generator 18 bzw. -Speicher erzeugt bzw. abgerufen wird.

Der Generator 18 erfaßt an einem Eingang 19, der mit dem Ausgang 12 verbunden ist, den jeweiligen Zeitpunkt t0 und/oder über einen Eingang 20, der an der Zündeinheit 2 liegt, die jeweilige Drehzahl und/oder über einen Eingang 21 den jeweiligen Zündwinkel und/oder über einen Eingang 22 die jeweilige Stellung der Drosselklappe 15.

Der Generator 18 gibt ein seinen Eingangsgrößen entsprechendes Kompensationssignal Uk an den Multiplizierer 17. Im Generator 18 sind die im voraus bekannten Abhängigkeiten des Ionisationssignals von den an seinen Eingängen erfaßten Parametern gespeichert, so daß er für jeden Wert des Ionisationssignals Ui einen entsprechenden Wert des Kompensationssignals Uk an den Multiplizierer 17 legt.

Im Endergebnis steht somit am Ausgang 23 des Multiplizierers 17 ein Ionisationssignal Ui' an, das im wesentlichen nur noch von dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis abhängt und in dem die dieses verfälschenden, vom jeweiligen Betriebszustand des Motors abhängigen Parameter kompensiert sind. Dieses Signal ist an die Motorregelelektronik 13 gelegt, die die weitere Auswertung vornimmt, wie beispielsweise in der DE-PS 196 14 388 beschrieben.

Der Verlauf des im Block 18 erzeugten Kompensationssignals Uk ist in Fig. 6 beispielshaft dargestellt. Bis zum oben genannten Zeitpunkt t3 ist das Kompensationssignal Null. Dadurch ist erreicht, daß die oben angegebene definierte Zeitspanne, bei der die Messung beginnt, auf einfache Weise verwirklichbar ist.

Die Fig. 6 zeigt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündzeitpunkten t0 und t0' das erzeugte, am Multiplizierer 17 anliegende Kompensationssignal Uk, wobei die beschriebene Kompensation im Bereich K erfolgt.

Die beschriebene Schaltung wird in der Praxis durch einen Mikrokontroller bzw. Mikroprozessor verwirklicht, der insbesondere die Blöcke 8, 13, 17, 18 beinhaltet.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhält nisses (Lambdawert) einer Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mittels einer mit einem Zündimpuls (I) beaufschlagten Zünd elektrode (1), wobei zur Gewinnung eines Ionisationssignals (Ui) an die Zündelektrode (1) eine Meßspannung (Um) gelegt wird, die im Betrag kleiner als die Zündspannung (Uü) ist, und die im Anschluß an den Zündimpuls (I) an der Zündelektrode (1) auftre tende Restspannung der Zündspannung (Uü) unterdrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Zündimpuls (I) das Potential der Zünd elektrode (1) auf die Meßspannung (Um) angehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionisationssignal (Ui) mit einem Kompensations signal (Uk) multipliziert wird, das betriebsbedingte, das Ionisationssignal trotz gleichen Kraftstoff-Luft-Verhält nisses beeinflussende Parameter beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter die jeweilige Drehzahl des Motors und/ oder die jeweilige Stellung der Drosselklappe des Motors sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationssignal (Uk) bis zu einer Verzögerungs zeit nachdem Zündzeitpunkt (t0) Null ist.

5. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen eine Zündeinheit (2) und die Zündelektrode(1) ein Bauelement (VDR2) gelegt ist, das bei der Zündspannung (Uü) einen kleinen Widerstandswert und bei der Meßspan nung (Um) einen hohen Widerstandswert hat, und daß ein Kondensator (C1) parallel zu dem Bauelement (VDR2) geschal tet ist und daß der Kondensator (C1) über einen Widerstand (R1) gegen Masse gelegt ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein Varistor (VDR2) ist.

7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement eine Zenerdiodenkombination oder eine Gasröhre mit definierter Durchbruchspannung ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung, in deren Bereich der Widerstandswert des Bauelements (VDR2) schnell von großen auf kleine Werte übergeht, etwa gleich der Meßspannung(Um) ist.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bauelement (VDR2) ein weiteres spannungsabhängiges Bauelement, insbesondere Varistor (VDR1), vorgeschaltet ist.

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspannung (Uü) entgegengesetzte Polarität auf weist wie die Meßspannung (Um).

11. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplizierer (17) vorgesehen ist, der das Ionisationssignal (Ui) mit dem Kompensationssignal (Uk) multipliziert und daß der von den Betriebs-Parametern abhängige Verlauf des Kompensationssignals (Uk) von einem Generator (18) erzeugt wird oder in einem Speicher abgelegt ist und aus diesem entsprechend dem jeweiligen Wert des Betriebs-Parameters abgerufen wird.