DE19924387B4

DE19924387B4 - Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19924387B4
Application number: DE19924387A
Authority: DE
Inventors: Shingo Morita; Koichi Okamura; Mituru Koiwa; Yutaka Ohashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: US6205844B1; DE19924387A1; JP2000205036A; JP3619040B2; FR2788566B1; FR2788566A1

Abstract

Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine umfassend
eine Spannungserzeugungsvorrichtung (6) zum Anlegen einer Spannung an eine Zündkerze (3), die in einem Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und
eine Ionenstromsignalverteilerschaltung (20) zur Bereitstellung von wenigstens zwei Strömen, mit einem Strom als Bezugsstrom, die dem Ionenstrom entsprechen, welcher in Reaktion auf die an die Zündkerze (3) angelegte Spannung erzeugt wird
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei Strom-Spannungswandlerschaltungen (21, 22) vorgesehen ist, um die wenigstens zwei Ströme, die von der Ionenstromsignalverteilerschaltung (20) erzeugt werden, in wenigstens zwei Ionensignale umzuwandeln,
wobei die wenigstens zwei Strom-Spannungswandlerschaltungen (21, 22) ausgebildet sind, Dynamikbereiche der wenigstens zwei Ionensignale individuell für jedes Ionensignal einzustellen, um eine getrennte Signalverarbeitung der Ionensignale zu ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung, welche den Verbrennungszustand einer Brennkraftmaschine dadurch feststellt, dass es eine Änderung der Menge an Ionen detektiert, die zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Brennkraftmaschine erzeugt werden, und betrifft insbesondere eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche dadurch Detektorfunktionen diversifizieren kann, dass mehrere Ströme entsprechend einem zu detektierenden Ionenstrom erzeugt werden.
Üblicherweise wird in einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine das Kraftstoff-Luftgemisch, welches aus Luft und Kraftstoff besteht, und den Brennkammern der Zylinder zugeführt wird, dadurch verdichtet, dass Kolben nach oben bewegt werden, werden dadurch elektrische Funken erzeugt, dass eine Zündhochspannung an Zündkerzen angelegt wird, die sich in den Brennkammern befinden, und die Explosionskraft, die zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoff- Luftgemisches entsteht, in eine Kraft umgewandelt wird, die den Kolben nach unten drückt, so dass die Kraft, welche die Kolben nach unten drückt, als Drehmoment der Brennkraftmaschine abgenommen werden kann.
Bekanntlich fließen in Folge der Tatsache, dass Moleküle in den Brennkammern ionisiert werden, wenn die Kraftstoff-Luftmischung in den Brennkammern verbrannt wird, elektrische Ladungen aufweisende Ionen zwischen den Zündkerzen als Ionenstrom, wenn eine Vorspannung angelegt wird, und zwar an Ionenstromdetektorelektroden, wobei gewöhnlich Zündkerzenelektroden verwendet werden, die sich innerhalb der Brennkammern befinden.
Weiterhin ist bekannt, dass der Verbrennungszustand der Brennkraftmaschine dadurch erfasst werden kann, dass ein Zustand detektiert wird, in welchem der Ionenstrom auftritt, da sich der Ionenstrom empfindlich in Abhängigkeit von dem Verbrennungszustand innerhalb der Brennkammern ändert.
Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Problematik wird ein Beispiel für eine herkömmliche Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine anhand der 6 bis 8 beschrieben.
6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine herkömmliche Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
In der Figur ist ein Ende einer Primärwicklung 1a einer Zündspule 1 an eine Stromversorgungsquelle VB angeschlossen, wogegen ihr anderes Ende über eine Leistungstransistor 2, dessen Emitter an Masse gelegt ist, mit Masse verbunden ist, wobei der Transistor als Schaltelement zur Unterbrechung der Zufuhr eines Primärstroms I1 dient.
Eine Sekundärwicklung 1b der Zündspule 1 bildet zusammen mit der Primärwicklung 1a einen Transformator, und die Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b ist mit einem Ende einer Zündkerze 3 verbunden, die jeweils für einen Zylinder (nicht dargestellt) vorgesehen ist, damit eine Hochspannung mit negativer Polarität zum Zeitpunkt der gesteuerten Zündung abgegeben wird.
Jede der Zündkerzen 3, die mit Gegenelektroden versehen sind, wird mit einer Zündhochspannung versorgt, um das Kraftstoff-Luftgemisch in jedem Zylinder zu zünden und auszustoßen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Zündspule 1 und die Zündkerze 3 parallel für jeden Zylinder vorgesehen sind, jedoch ist bei diesem Beispiel nur ein Paar aus einer Zündspule 1 und einer Zündkerze 3 dargestellt.
Die Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b ist an eine Vorspannungsschaltung 6 über einen Widerstand 4 und eine Diode 5 angeschlossen, die parallel geschaltet sind, und eine Strombegrenzungsvorrichtung bilden.
Der Widerstand 4 unterdrückt einen Entladungsstrom, der in die Zündkerze 3 über die Sekundärwicklung 1b von der Vorspannungsschaltung 6 fließt, und unterdrückt eine Spannung, die an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b auftritt, wenn mit der Stromzufuhr zur Primärwicklung 1a begonnen wird.
Die Diode 5 ist so geschaltet, dass die Richtung, in welcher der Sekundärstrom (Zündstrom) zum Zeitpunkt des Anlegens der Zündhochspannung fließt, die Vorwrärtsrichtung wird, und ist dazu vorgesehen, eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Widerstands 4 zum Zeitpunkt der gesteuerten Zündung zu unterdrücken.
Die Vorspannungsschaltung 6 legt eine Vorspannung mit einer Polarität, die zur Zündpolarität entgegengesetzt ist, also positiver Polarität, an die Zündkerze 3 über den Widerstand 4 und die Sekundärwicklung 1b an, um einen Ionenstrom zu detektieren, welcher der Menge an Ionen entspricht, die zum Zeitpunkt der Verbrennung erzeugt werden.
Die Vorspannungsschaltung 6 ist an eine Strom-Spannungswandlerschaltung 7 angeschlossen, und die Strom-Spannungswandlerschaltung 7 wandelt den Ionenstrom, der in Folge der Vorspannung fließen kann, in eine Spannung um, und legt die so umgewandelte Spannung an eine Spannungssignalverteilerschaltung 8 als Ionenstromdetektorsignal an.
Die Spannungssignalverteilerschaltung 8 verteilt das Ionenstromdetektorsignal (Ionensignal), welches in eine Spannung umgewandelt wurde, an eine Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9, welche aus dem Ionensignal ein Klopfsignal abgibt, so wie an eine Verbrennungs- und Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10, die ein Signal erzeugt, welches zur Beurteilung der Verbrennung beziehungsweise einer Fehlzündung entsprechend dem Ionensignal erzeugt.
Weiterhin werden Ausgangssignale von der Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 und der Verbrennungs-Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 einer ECU (Elektronische Steuereinheit) 11 zugeführt. Die ECU 11 beurteilt den Verbrennungszustand der Brennkraftmaschine auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Verbrennungs- Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10, und führt eine adaptive Steuerung oder Regelung durch, die daran angepasst ist, um keine Schwierigkeiten hervorzurufen, wenn eine Beeinträchtigung des Verbrennungszustands detektiert wird.
Weiterhin berechnet die ECU 11 arithmetisch einen Zündzeitpunkt und so weiter auf der Grundlage der Fahrzustände, die von verschiedenen (nicht dargestellten) Sensoren erhalten werden, beispielsweise der Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 oder einem Kurbelwinkelsensor 12, um nicht nur ein Zündsignal V1 an den Leistungstransistor 2 auszugeben, sondern auch ein Kraftstoffeinspritzsignal an einen Injektor (nicht gezeigt) für jeden der Zylinder, sowie Treibersignale an verschiedene Betätigungsglieder (eine Drosselklappe, ein ISC-Ventil, usw.).
7 zeigt schematisch ein Schaltbild mit einem Beispiel für eine bestimmte Schaltungsausbildung der Vorspannungsschaltung, der Strom-Spannungswandlerschalter, und der Spannungssignalverteilerschaltung, die in 6 dargestellt sind.
Hierbei weist die Vorspannungsschaltung 6 einen Kondensator 6a auf, der an die Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b über den Widerstand 4 und die Diode 5 angeschlossen ist, die parallel geschaltet sind, eine zwischen dem Kondensator 6a und Masse angeordnete Diode 6b, und eine Zenerdiode 6c zur Begrenzung der Vorspannung, die parallel zum Kondensator 6a geschaltet ist.
Eine Reihenschaltung aus dem Kondensator 6a der Diode 6b und der Zenerdiode 6c, die parallel zum Kondensator 6a geschaltet ist, ist zwischen der Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b und Masse über die Diode 5 angeordnet, um einen Ladeweg zum Aufladen des Kondensators 6a mit der Vorspannung auszubilden, zum Zeitpunkt der Erzeugung des Zündstroms.
Der Kondensator 6a wird mit dem durch ihn fließenden Sekundärstrom über die Zündkerze 3 aufgeladen, die entladen wird, wobei Hochspannung von der Sekundärwicklung 1b abgegeben wird, wenn der Leistungstransistor 2 ausgeschaltet wird (wenn die Stromzufuhr zur Primärwicklung 1a unterbrochen wird). Die Ladespannung ist auf eine vorbestimmte Vorspannung beschränkt (beispielsweise einige 100 Volt), nämlich in Folge der Zenerdiode 6c, und dient im Wesentlichen als Vorspannvorrichtung zum Detektieren des Ionenstroms, also als Stromversorgung.
Ein Widerstand 7a, der parallel zur Diode 6b geschaltet ist, und als die Strom-Spannungswandlerschaltung 7 dient, wandelt den infolge der Vorspannung fließenden Ionenstrom in eine Spannung um, und liefert die so umgewandelte Spannung an die Spannungsverteilerschaltung 8 als das Ionenstromdetektorsignal.
Die Spannungssignalverteilerschaltung 8 weist mehrere Puffer 8a und 8b auf, und die Ausgangsseite des Puffers 8a ist an die Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 angeschlossen, wogegen die Ausgangsseite des Puffers 8b an die Verbrennungs- Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 angeschlossen ist.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 8A bis 8F der Betriebsablauf der herkömmlichen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß 6 und 7 beschrieben.
Üblicherweise führt die ECU 11 arithmetische Operationen in Bezug auf den Zündzeitpunkt usw. durch, entsprechend den Fahrbedingungen, und liefert ein Zündsignal V1 ( 8A) an die Basis des Leistungstransistors 2 zu einem gewählten Steuerzeitpunkt, um die Ein/Aus-Operation des Leistungstransistors 2 zu steuern.
Daher unterbricht der Leistungstransistor 2 die Zufuhr des Primärstroms I1 (8B), der in der Primärwicklung 1a der Zündspule 1 fließt, um die Primärspannung zu erhöhen, und entwickelt die Zündhochspannung, also die Sekundärspannung V2 (8C), die beispielsweise einige 10 kV beträgt, an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b.
Die Sekundärspannung wird an die Zündkerze 3 in jedem Zylinder angelegt, und erzeugt einen Entladungsfunken innerhalb der Brennkammer des zündgesteuerten Zylinders, um das Kraftstoff-Luftgemisch zu verbrennen. Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn der Verbrennungszustand normal ist, eine erforderliche Menge an Ionen um die Zündkerze 3 herum und innerhalb der Brennkammer erzeugt. Wenn dann wie voranstehend geschildert der Leistungstransistor 2 in Reaktion auf das Zündsignal V1 eingeschaltet wird, beginnt die Stromzufuhr zur Primärwicklung 1a, so dass die Spannung mit positiver Polarität an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b erzeugt wird.
Da der Entladungsstrom von dem Kondensator 6a zur Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b durch den Widerstand 4 begrenzt wird, wird zu diesem Zeitpunkt die sich an der Sekundärwicklung 1b entwickelnde Spannung auf die Hochspannungsseite und die Niederspannungsseite aufgeteilt, ohne dass sie der Vorspannung überlagert wird.
Zum Zeitpunkts des Beginns der Stromzufuhr zur Primärwicklung 1a wird, selbst wenn die Spannung mit positiver Polarität an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b entsteht, da der Entladungsstrom von dem Kondensator 6a zur Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b wie voranstehend geschildert durch den Widerstand 4 begrenzt wird, die Spannung mit positiver Polarität, die an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b entwickelt wird, unterdrückt, so dass der Fall nicht auftritt, dass sich die Zündkerze 3 entlädt.
Daraufhin fließt zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Primärstroms, wenn sich die Zündhochspannung an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b entwickelt, so dass sich die Zündkerze 3 entlädt, der Sekundärstrom I2 (8D) auf den Weg über die Zündkerze 3, die Sekundärwicklung 1b, die Diode 5, der Kondensator 6a, die Diode 6b und Masse, in dieser Reihenfolge, so dass der Kondensator 6a mit einer vorbestimmten Spannung V3 aufgeladen wird (8E).
Wenn die Ladungsspannung des Kondensators 6a einen vorbestimmten Spannungswert der Zenerdiode 6c erreicht, fließt der Sekundärstrom in die Zenerdiode 6c, ohne dass er in den Kondensator 6a fließt, so dass die vorbestimmte Vorspannung beibehalten wird.
Nach Beendigung der Entladung der Zündkerze 3 wird die Ladespannung des Kondensators 6a an die Zündkerze 3 über einen Weg angelegt, der den Widerstand 4 und die Sekundärwicklung 1b in dieser Reihenfolge umfasst, so dass der Ionenstrom auf einem Weg über den Kondensator 6a, den Widerstand 4, die Sekundärwicklung 1b, die Zündkerze 3 (Ionen in dem Zündkerzenspalt), Masse, den Widerstand 7a und den Kondensator 6a fließt, und zwar in dieser Reihenfolge. Der Ionenstrom wird am Widerstand 7a in eine Spannung umgewandelt, um einen Ionensignal SI zu erzeugen (8F).
Das Ionensignal wird durch die Puffer 8a und 8b der Spannungssignalverteilerschaltung 8 verteilt. Das Ionensignal wird von dem Puffer 8a an die Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 angelegt, von welcher ein Klopfsignal erzeugt wird. Weiterhin wird das Ionensignal von dem Puffer 8b an die Verbrennungs-Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 angelegt, welche ein Verbrennungs-Fehlzündungssignal erzeugt.
Dann werden die Ausgangssignale von der Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 und der Verbrennungs- Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 an die ECU 11 angelegt. Die ECU 11 erzeugt verschiedene Steuersignale und gibt diese aus, beispielsweise das voranstehend erwähnte Zündsignal, sowie Treibersignale, auf der Grundlage des Detektorsignals aus diesen Ausgangssignalen, und der Detektorsignale von verschiedenen Sensoren (nicht gezeigt), beispielsweise dem Kurbelwinkelsensor 12.
Aus WO 98/22708 A1 ist eine Anordnung und ein Kommunikationsverfahren zwischen einem Zündungsmodul, welches auf einem Verbrennungsmotor angebracht ist, und einer Kontrolleinheit bekannt.
Das Zündungsmodul stellt Werte von Parametern fest, welche durch den Ionenstrom verursacht werden, der bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches entsteht. Das Zündungsmodul beinhaltet auch Signalverarbeitungseinheiten, welche eine Verarbeitung der festgestellten Parameterwerte durchführen. Das Zündungsmodul gibt diese Parameterwerte an die Kontrolleinheit weiter.
Aus US 5 781 012 A ist eine Ionenstromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms bekannt, welcher durch die Verbrennung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors verursacht worden ist.
Die Ionenstromerfassungsvorrichtung umfasst eine Ionenstrom-Erfassungsschaltung, eine Verstärkungseinstellschaltung, um die Größe der niederfrequenten Komponenten eines erfassten Ionenstroms auf einem konstanten Wert zu halten und einen Verstärker, um die hochfrequenten Komponenten eines erfassten Ionenstroms zu verstärken und um ein Signal der hochfrequenten Komponenten auszugeben.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Größenerfassungsschaltung, um die Größe des erfassten Ionenstroms festzustellen und um ein Ionenstromerfassungssignal abzugeben, wenn die erfasste Größe einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt und eine Vergleichsvorrichtung, um das Signal der hochfrequenten Komponenten mit einem verzögerten Ionenstromerfassungssignal zu vergleichen, um dann ein festgestelltes Klopfsignal anzuzeigen.
Aus DE 196 01 353 C2 ist eine Verbrennungszustands-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Spannungserzeugungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine in einem Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehene Zündkerze und eine Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung zur Umwandlung eines Ionenstroms umfasst, der in Reaktion auf die an die Zündkerze angelegte Spannung erzeugt wird, in eine Spannung entsprechend dem Ionenstrom. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Filtervorrichtung zur Verringerung eines pulsierenden Signals nach Empfang des Spannungssignals, welches von der Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung ausgegeben wird, eine Messzeitspanne-Einstellvorrichtung zur Feststellung eines vorbestimmten Verbrennungszustandsmesszeitraums auf der Grundlage eines von der Filtervorrichtung ausgegebenen Filtersignals und eine Wechselstromkomponenten-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Wechselstromkomponente in einem bestimmten Frequenzbereich während der Messzeitspanne aus dem Spannungssignal, welches von der Ionenstrom/Spannungswandlervorrichtung abgeleitet wird.
Bei der herkömmlichen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung ist der Widerstand in dem Stromkreis angeordnet, in welchem der Ionenstrom fließt, wodurch nur ein dynamischer Bereich für ein Ionensignal festgelegt wird. Da die Stärke des Ionenstroms in Abhängigkeit vom Zustand der Brennkraftmaschine jedoch stark variiert und der Spitzenwert des Ionenstroms innerhalb eines Bereichs liegt, der von einigen μA bis zu einigen Hundert μA reicht, ergibt sich dadurch die Verwendung von nur einem Ionenstrom zur Erfassung unterschiedlicher Parameter des Verbrennungszustands. Dadurch ergibt sich für die herkömmliche Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung der Nachteil, dass es sehr schwierig ist, eine Signalverarbeitung zum Detektieren des Klopfens, Detektieren der Verbrennung/Fehlzündung und zum Detektieren anderer Verbrennungszustände durchzuführen, und dass auch eine Signalverarbeitung in einer nachgeschalteten Stufe sehr kompliziert wird.
Die bekannten Vorrichtungen der WO 98/22708 A1, US 5 781 012 A und DE 196 01 353 C2 haben den gleichen Nachteil, wie die zuvor beschriebene Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung insofern auch hier die Erzeugung von Ionensignale nur eines Dynamikbereiches offenbart ist.
In der bekannte Vorrichtung nach der WO 98/22708 A1 wird nur ein Verbrennungsparameter pro Zylinder erfasst.
In den Vorrichtungen nach DE 196 01 353 C2 und US 5 781 012 A wird für Verbrennungszustände eine kompliziertere Signalverarbeitung verwendet. Zum Beispiel offenbart US 5 781 012 A die Verwendung von Verstärkungseinstell- und Größenentdeckungsschaltungen und DE 196 01 353 C2 offenbart die Verwendung von Filter- und Messzeit-Einstellvorrichtungen, um die Erfassung von Verbrennungszuständen zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung der eingangs genannten Art für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche eine verbesserte Erfassung von mehreren Verbrennungszuständen eines Zylinders einer solchen Brennkraftmaschine bei einfacher Signalverarbeitung ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung ist, dass eine verbesserte Erfassung mehrerer Verbrennungszustände pro Zylinder möglich ist. Dadurch verbessert die erfindungsgemäße Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung den Stand der Technik gemäß WO 98/22708, welcher sich auf die Erfassung von nur einem Verbrennungszustand pro Zylinder beschränkt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung ist, dass eine verbesserte Erfassung mehrerer Verbrennungszustände pro Zylinder möglich ist, ohne dass dafür die Verarbeitung der erzeugten Ionensignale verkompliziert werden muss. Dadurch verbessert die erfindungsgemäße Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung den Stand der Technik gemäß DE 196 01 353 C2 und US 5 781 012 A , welcher eine kompliziertere Signalverarbeitung offenbart.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung ist, dass durch die Anpassung der Dynamikbereiche an die zu erfassenden Verbrennungszustände die existierende Signalverarbeitung vereinfacht werden kann. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung eine vereinfachte Klopferfassung und eine vereinfachte Verbrennungs- und Fehlzündungserfassung.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 5.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 eine schematische- Darstellung eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schaltbild mit der Darstellung eines bestimmten Beispiels für Teile der in 1 gezeigten Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung;
3A bis 3G Diagramme zu Erläuterung des Betriebsablaufs der Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für einer Brennkraftmaschine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Schaltbild mit der Darstellung eines bestimmten Beispiels für Teile der in 4 gezeigten Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung;
6 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine;
7 ein schematisches Schaltbild mit der Darstellung eines bestimmten Beispiels für Teile der in 6 gezeigten Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung und
8A bis 8F Diagramme zur Erläuterung des Betriebsablaufs der herkömmlichen Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei entsprechende Teile wie in 6 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und derartige Teile nicht unbedingt erneut beschrieben werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Ionenstromsignalverteilerschaltung 20, die ein Ionenstromsignal verteilt, in einer der Vorspannungsschaltung 6 nachgeschalteten Stufe als Ionenstromdetektorspannungserzeugungsvorrichtung vorgesehen, so daß die Ionenstromsignale einer Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 und einer Verbrennungs/Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 zugeführt werden, über Strom- Spannungswandlerschaltungen 21 und 22, welche die Ionenstromsignale umwandeln, und zwar in Spannungen, die von der Ionenstromsignalverteilerschaltung 20 verteilt werden. Die Ionenstromsignalverteilerschaltung 20 und die Strom- Spannungswandlerschaltung 21 und 22 bilden eine Ionenstromdetektorvorrichtung. Im übrigen ist der Aufbau ebenso wie in 6.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines spezifischen Beispiels für die Ionenstromsignalverteilerschaltung und die Strom-Spannungswandlerschaltung, die in 1 dargestellt sind.
Hierbei besteht die Ionenstromsignalverteilerschaltung 20 aus einer Stromspiegelschaltung, welche Transistoren 20a bis 20d und Widerstände 20e bis 20g aufweist. Die jeweiligen Emitter der Transistoren 20a und 20b sind an eine Stromversorgungsklemme VB über den Widerstand 20e beziehungsweise 20f angeschlossen, und ihre jeweiligen Basen sind miteinander verbunden, und an den Emitter des Transistors 20c angeschlossen.
Der Kollektor des Transistors 20a ist mit der Basis des Transistors 20c verbunden, und an die Ausgangsseite der Vorspannungsschaltung 6 angeschlossen, also an einen Schaltungsknoten P eines Kondensators 6a und die jeweiligen Anoden einer Diode 6b, die als Gleichrichteelement dient, und einer Zenerdiode 6c, die als Spannungsbegrenzungselement dient, und der Kollektor des Transistors 20c liegt an Masse.
Der Kollektor des Transistors 20b ist einem Ende des Widerstands 22a in der Strom- Spannungswandlerschaltung 22 verbunden, und ein Schaltungsknoten dieser Bauteile ist mit einer Eingangsseite der Verbrennungs/Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 verbunden, und das andere Ende des Widerstands 22a liegt an Masse.
Der Emitter des Transistors 20d ist an eine Spannungsquelle V_R Über den Widerstand 20g angeschlossen, und seine Basis ist mit dem Emitter des Transistors 20c verbunden. Weiterhin ist der Kollektor des Transistors 20g mit einem Ende eines Widerstands 21a in der Strom- Spannungswandlerschaltung 21 verbunden, und ist ein Schaltungsknoten dieser Bauteile mit einer Eingangsseite der Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 verbunden, und das andere Ende des Widerstands 21a liegt an Masse.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 3A bis 3G der Betriebsablauf der Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung mit dem voranstehend geschilderten Aufbau beschrieben.
Im Allgemeinen führt eine ECU 11 arithmetische Operationen für den Zündzeitpunkt usw. entsprechend den Fahrzuständen durch, und liefert ein Zündsignal V1 (3A) an eine Basis eines Leistungstransistors 2 zu einem angestrebten Steuerzeitpunkt, um den Ein/Ausschaltbetrieb des Leistungstransistors 2 zu steuern.
Daher unterbricht der Leistungstransistor 2 die Zufuhr eines Primärstroms I1 (3B), der in der Primärwicklung 1a der Zündspule 1 fließt, um die Primärspannung zu erhöhen, und entwickelt eine Zündhochspannung, nämlich eine Sekundärspannung V2 von beispielsweise einigen 10 kV ( 3C) an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b.
Die Sekundärspannung wird an eine Zündkerze 3 für jeden der Zylinder angelegt, und erzeugt einen Entladungsfunken in der Brennkammer eines zündgesteuerten Zylinders, damit das Kraftstoff- Luftgemisch verbrannt wird. Wenn in dieser Situation der Verbrennungszustand normal ist, wird eine bestimmte Menge an Ionen um den Umfang der Zündkerze 3 und innerhalb der Brennkammer erzeugt.
Wenn dann wie voranstehend geschilderte Leistungstransistor 2 in Reaktion auf das Zündsignal V1 eingeschaltet wird, beginnt die Stromzufuhr in der Primärwicklung 1a, so daß eine Spannung mit positiver Polarität an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b auftritt.
Zu diesem Zeitpunkt wird, da der Entladestrom von dem Kondensator 6a zur Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b durch den Widerstand 4 begrenzt wird, die an der Sekundärwicklung 1b auftretende Spannung auf die Hochspannungsseite und die Niederspannungsseite aufgeteilt, ohne daß sie der Vorspannung überlagert wird.
Zum Zeitpunkt des Beginns der Stromzufuhr zur Primärwicklung 1a wird, selbst wenn die Spannung mit positiver Polarität an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b auftritt, da der Entladungsstrom von dem Kondensator 6a zur Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 1b durch den Widerstand begrenzt wird, wie dies voranstehend beschrieben wurde, die Spannung mit positiver Polarität, die an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b auftritt, unterdrückt, so daß der Fall nicht auftritt, daß sich die Zündkerze 3 entlädt.
Zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Primärstroms, wenn die Zündhochspannung an der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 1b entsteht, damit sich die Zündkerze 3 entlädt, fließt dann der Sekundärstrom I2 (3D), auf dem Weg über die Zündkerze 3, die Sekundärwicklung 1b, die Diode 5, der Kondensator 6a, die Diode 6b und Masse, in dieser Reihenfolge, so daß der Kondensator 6a auf eine bestimmte Spannung V3 aufgeladen wird (3E).
Wenn die Ladespannung des Kondensators 6a einen bestimmten Spannungswert der Zenerdiode 6c erreicht, fließt der Sekundärstrom nur in die Zenerdiode 6c, also nicht in den Kondensator 6a, so daß die vorbestimmte Vorspannung aufrechterhalten wird.
Nach Beendigung der Entladung durch die Zündkerze 3 fließt der Ionenstrom auf einem Weg über den Kollektor des Transistors 20a, den Kondensator 6a, den Widerstand 4 und die Sekundärwicklung 1b, in dieser Reihenfolge, zur Zündkerze 3.
Der Transistor 20a arbeitet im Wesentlichen als Bezugsstromgeneratorelement der Stromspielgelschaltung, und ein Strom entsprechend dem Strom, der aus dem Schaltungsknoten P herausfließt, fließt in den Transistor 20a. Dann fließt ein Strom in den Transistoren 20b und 20d, wobei der in dem Transistor 20a fließende Strom die Bezugsgröße bildet. Auf diese Weise können, mit einem Ionenstrom als Bezugsgröße, mehrere Ströme entsprechend dem Ionenstrom erzeugt werden.
Die Ströme, die in den Transistoren 20b und 20d fließen, werden in Spannungen durch den Widerstand 22a der Strom-Spannungswandlerschaltung 22 beziehungsweise dem Widerstand 21a der Strom- Spannungswandlerschaltung 21 umgewandelt, und dann als Ionensignale SI1 (2F) und SI2 (3G) abgezogen.
Dann wird das Ionensignal SI2 von dem Widerstand 21a der Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 zugeführt, in welcher ein Klopfsignal erzeugt wird. Weiterhin wird das Ionensignal SI1 von dem Widerstand 22a der Verbrennung/Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 zugeführt, in welcher ein Verbrennungs/Fehlzündungssignal erzeugt wird.
Weiterhin werden die Ausgangssignale von Klopfdetektorsignalgeneratorschaltung 9 und der Verbrennungs/Fehlzündungssignalgeneratorschaltung 10 an die ECU 11 geliefert, und erzeugt die ECU 11 verschiedene Steuersignale und gibt diese aus, beispielsweise das voranstehend geschilderte Zündsignal, so wie Treibersignale, auf der Grundlage der genannten Ausgangssignale, und der Detektorsignale von verschiedenen (nicht dargestellten) Sensoren, beispielsweise einem Kurbelwinkelsensor 12.
Die 3A bis 3G zeigen einen Fall, in welchem die Ionensignale SI1 und SI2, die von der Stromspiegelschaltung verteilt und ausgegeben werden, welche die Ionenstromsignalverteilerschaltung 20 bildet, einen von einander verschiedenen Pegel aufweisen, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß sie auch den selben Pegel aufweisen können.
Wie voranstehend geschildert kann bei der vorliegenden Ausführungsform mit einem Ionenstrom als Bezugsgröße die Erzeugung mehrerer Ströme entsprechend dem Ionenstrom erfolgen, und können verschiedene Verbrennungszustandsdetektorvorgänge unter Verwendung dieser mehreren Ströme durchgeführt werden. Da mehrere Ströme entsprechend dem Ionenstrom erzeugt werden können, kann eine Signalquelle erhalten werden, die mehrere Dynamikbereiche in Bezug auf ein Ionensignal aufweist, was dazu führt, daß die Signalverarbeitung zur Durchführung der Klopffeststellung, der Verbrennungs/Fehlzündungsfeststellung und der Feststellung anderer Verbrennungszustände erleichtert werden kann, und auch eine Signalverarbeitungsschaltung in einer nachgeschalteten Stufe vereinfacht werden kann.
(Zweite Ausführungsform)
Bei der voranstehend geschilderten ersten Ausführungsform fließt der Strom, der in den Transistoren 20b und 20d in der Stromspiegelschaltung fließt, welche die Ionenstromsignalverteilerschaltung 20 bildet, proportional zur Chipgröße, in Bezug auf den Strom, der in dem Transistor 20a fließt. Daher können mehrere Dynamikbereiche durch Änderung der Chipabmessungen der jeweiligen Transistoren eingestellt werden. Da die Strom- Spannungswandlung für jeden dieser Ströme einzeln durchgeführt wird, kann darüber hinaus der Dynamikbereich individuell selbst an einer Strom-Spannungswandlerstufe eingestellt werden.
Daher können Stromsignalformen, die sich wesentlich vom Pegel des Ionenstroms unterscheiden, erhalten werden, wie bei den Ionensignalen SI1 und SI2, die in den 3A bis 3G gezeigt sind, durch Änderung der Chipabmessungen des Transistors oder des Dynamikbereichs des Ionenstroms in der Strom- Spannungswandlerstufe.
Wie voranstehend geschildert können bei der vorliegenden Ausführungsform geeignete Dynamikbereiche für das jeweilige Detektieren des Verbrennungszustands eingestellt werden, mit einem Ionenstrom als Bezugsgröße, um hierdurch die Eigenschaften verschiedener Verbrennungszustandsdetektorvorgänge zu verbessern, beispielsweise die Eigenschaften der Klopffeststellung oder die Eigenschaften der Verbrennungs/Fehlzündungsfeststellung.
(Dritte Ausführungsform)
Bei der voranstehend geschilderten ersten Ausführungsform wird die Feststellung des Klopfens und die Feststellung der Verbrennung/Fehlzündung unter Verwendung der einzelnen Ionensignale durchgeführt, die von der Stromspiegelschaltung verteilt werden, welche die Ionenstromsignalverteilerschaltung 20 bildet. Um beispielsweise sicher die Verbrennungs/Fehlzündung zu beurteilen, da es erforderlich ist, selbst bemerkenswert kleine Ionenströme von einigen μA zu detektieren, wird der Dynamikbereich so eingestellt, daß der Pegel des Ionenstroms zunimmt.
Weiterhin wird zur Feststellung des Klopfens der Dynamikbereich so eingestellt, daß eine Ionenstromsignalform nicht in die Sättigung geht.
Für diese Einstellung kann der Dynamikbereich beispielsweise an der Strom- Spannungswandlerstufe eingestellt werden, wodurch eine Feineinstellung ermöglicht wird, also der Widerstandswert der Widerstände 21a und 22a eingestellt werden kann.
Wie voranstehend geschildert können bei der vorliegenden Ausführungsform geeignete Dynamikbereiche fein für den jeweiligen Verbrennungszustandsdetektionsvorgang eingestellt werden, um hier durch die Eigenschaften verschiedener Verbrennungszustandsdetektionsvorgänge weiter zu verbessern, beispielsweise die Eigenschaften der Klopffeststellung oder die Eigenschaften der Verbrennungs/Fehlzündungsfeststellung.
(Vierte Ausführungsform)
4 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei entsprechende Teile in 1 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und nachstehen nicht unbedingt erneut beschrieben werden.
In dieser Ausführungsform wird eine Spannungsregelschaltung 23 verwendet, die eine Spannung einer Niederspannungsseite, also der Ausgangsseite der Vorspannungsschaltung 6, geregelt auf 0 Volt rückkoppelt. Der übrige Aufbau ist ebenso wie bei 6.
Figur ist ein schematisches Schaltbild mit der Darstellung eines bestimmten Beispiels für Teile der in 1 dargestellten Spannungsregelschaltung.
Hierbei weist die Spannungsregelschaltung 23 einen Operationsverstärker 23a auf, einen Kondensator 23b, der an die invertierende Eingangsklemme und die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 23a angeschlossen ist, und einen Widerstand 23c, dessen eines Ende an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 23a angeschlossen ist. Die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 23a liegt an Masse, die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 23a ist an einen gemeinsamen Schaltungsknoten der Widerstände 20e bis 20g in der Stromspiegelschaltung angeschlossen, und das andere Ende des Widerstands 23c ist mit dem Schaltungsknoten P verbunden.
Als nächstes wird der Betriebsablauf der Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung mit dem voranstehend geschilderten Aufbau geschildert.
Wie voranstehend beschrieben fließt ein Strom entsprechend dem aus dem Schaltungsknoten P herausfließenden Strom in den Transistor 20a, was dazu führt, daß ein Strom in den Transistoren 20b und 20d fließt, wobei der in dem Transistor 20a fließende Strom die Bezugsgröße bildet. Auf diese Weise werden Ströme entsprechend einem Ionenstrom erzeugt, mit dem einem Ionenstrom als Bezugsgröße.
Die Spannungsregelschaltung 23 führt daher eine Rückkopplungsregelung durch, so daß die Spannung an der Niederspannungsseite des Kondensators 6a in der Vorspannungsschaltung 6, also am Schaltungsknoten P, immer auf 0 Volt gehalten wird. Im übrigen ist der Betriebsablauf ebenso wie bei der ersten Ausführungsform, und erfolgt daher insoweit keine erneute Beschreibung.
Wie voranstehend geschildert kann bei der vorliegenden Ausführungsform ein Strom entsprechend dem Ionenstrom exakt in den Stromspiegel fließen, und können die Eigenschaften verschiedener Verbrennungszustandsdetektionsvorgänge weiter verbessert werden, beispielsweise die Eigenschaften der Klopffeststellung oder die Eigenschaften der Verbrennungs/Fehlzündungsfeststellung.
(Fünfte Ausführungsform)
Es wird darauf hingewiesen, daß die voranstehend geschilderten Ausführungsformen Fälle betreffen, bei welchen die vorliegende Erfindung bei der Klopffeststellung oder der Verbrennungs/Fehlzündungsfeststellung eingesetzt wird.
Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Fällen eingesetzt werden, die eine entsprechende Signalverarbeitung erfordern, beispielsweise EGR-Steuerung (Auspuffgasrückführung), A/F-Steuerung oder dergleichen, bei welchen das Ausgangssignal der Verbrennungs/Fehlzündungssignalgeneratorschaltung der ECU zugeführt wird. Darüber hinaus ist die Vorgehensweise, die bei der zweiten und dritten Ausführungsform eingesetzt wird, auch bei der Schaltung gemäß der vierten Ausführungsform einsetzbar.
Die voranstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein, oder die Erfindung auf exakt die dargestellte Form beschränken, und es wird darauf hingewiesen, daß Abänderungen und Variationen angesichts der voranstehend geschilderten Lehre möglich sind, oder sich bei der Umsetzung der Erfindung in die Praxis ergeben. Die Ausführungsformen wurden zu dem Zweck ausgewählt und beschrieben, um die Grundlagen der vorliegenden Erfindung zu erläutern, und deren Einsetzbarkeit in der Praxis, damit ein Fachmann auf diesem Gebiet die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Abänderungen einsetzen kann, je nach dem Einsatzzweck. Der Umfang der Erfindung ergibt sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen und soll von dem beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein.

Claims

Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine umfassend eine Spannungserzeugungsvorrichtung (6) zum Anlegen einer Spannung an eine Zündkerze (3), die in einem Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und eine Ionenstromsignalverteilerschaltung (20) zur Bereitstellung von wenigstens zwei Strömen, mit einem Strom als Bezugsstrom, die dem Ionenstrom entsprechen, welcher in Reaktion auf die an die Zündkerze (3) angelegte Spannung erzeugt wird dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strom-Spannungswandlerschaltungen (21, 22) vorgesehen ist, um die wenigstens zwei Ströme, die von der Ionenstromsignalverteilerschaltung (20) erzeugt werden, in wenigstens zwei Ionensignale umzuwandeln, wobei die wenigstens zwei Strom-Spannungswandlerschaltungen (21, 22) ausgebildet sind, Dynamikbereiche der wenigstens zwei Ionensignale individuell für jedes Ionensignal einzustellen, um eine getrennte Signalverarbeitung der Ionensignale zu ermöglichen.
Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserzeugungsvorrichtung (6) aufweist: einen Kondensator (6a), der durch einen Strom von außen aufgeladen wird, um die Spannung zu halten; ein Spannungsbegrenzungselement (6c), welches die Ladespannung des Kondensators begrenzt; und ein Gleichrichterelement (6b), welches zwischen einer Elektrode des Kondensators an dessen Niederspannungs seite und Masse vorgesehen ist, damit der Strom von dem Kondensator abfließt, wobei die Ionenstramsignalverteilerschaltung (20) als Stromspiegelschaltung ausgebildet ist.
Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Dynamikbereiche bei den mehreren Strömen entsprechend dem Ionenstrom eingestellt werden, der von der Ionenstromsignalverteilerschaltung (20) und den wenigstens zwei Strom-Spannungswandlerschaltungen (21, 22) erzeugt wird.
Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einer der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Klopffeststellung und eine Verbrennungs- und Fehlzündungsfeststellung unter Verwendung der wenigstens zwei Ionensignale durchgeführt werden.
Verbrennungszustandsdetektorvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsregelschaltung (23) vorgesehen ist, um die Spannung an einer Niederspannungs seite der Spannungserzeugungsvorrichtung (6) geregelt auf 0 Volt rückzukoppeln.