DE19924680B4

DE19924680B4 - Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19924680B4
Application number: DE1999124680
Authority: DE
Inventors: Hartung Dipl.-Ing. Wilstermann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-05-29
Filing date: 1999-05-29
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2019-05-30
Also published as: DE19924680A1

Abstract

Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennnungsmotors, der aufweist:
eine Zündspule zum Erzeugen einer Hochspannung zum Zünden der Brennkraftmaschine;
einer Zündkerze (3) zum Entflammen eines Gasgemisches in der Brennkraftmaschine durch Anlegen der Hochspannung zum Erzeugen eines Funkens;
einer Ionenstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des über die Zündkerze (3) fließenden Ionenstroms (I),
dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Ionenstromsignal eine mathematisch-physikalische Parameterfunktion bestimmt wird, die alle physikalischen Merkmale des Ionenstromsignals aufweist und aus dieser Parameterfunktion die Kenngrößen ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals gemäß den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine gattungsbildende Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors ist beispielsweise aus der DE 4116272 C2 bekannt. Hier wird insbesondere eine Verbrennungsermittlung aufgrund von Kenngrößen beschrieben, wobei die Kenngrößen aus dem Ionensignal ermittelt werden. Bei einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, die durch mehrere Motorzylinder über eine Kurbelwelle angetrieben wird, wird ein Bezugspositionssignal, welches synchron zur Drehung des Motors erzeugt wird, dazu eingesetzt, verschiedene Taktvorgaben für die Motorbetriebssteuerungen zu ermitteln, beispielsweise den Zündzeitpunkt, den Brennstoffeinspritzzeitpunkt und dergleichen. Zu diesem Zweck ist ein Winkelpositionsdetektor zur Erzeugung eines Bezugspositionssignals auf der Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Motors in einer solchen Position angeordnet, daß das erzeugte Bezugspositionssignal eine vorbestimmte Bezugsposition anzeigt, welche einem vorbestimmten Kurbelwinkel entspricht. Nachdem Strom während einer vorbestimmten Zeitdauer durch die Primärwicklung der Zündspule geflossen ist, wird die Erzeugung des Zündsteuersignals unterbrochen. Der Leistungstransistor wird abgeschaltet. Infolgedessen wird an der Sekundärwicklung der Zündspule eine Hochspannung induziert, welche die Zündkerze zur Erzeugung eines Funkens veranlaßt. Dann wird die durch die Leistungsversorgungsquelle an die Zündspule angelegte Spannung unmittelbar nach der Entladung der Zündkerze unterbrochen. Sofort nach der Entladung der Zündkerze, welche die explosionsartige Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches in der Nähe der Zündkerze verursacht, entsteht eine große Anzahl positiver Ionen im begrenzten Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze und bildet in diesem Bereich den Ionenstrom. Nach Ausblendung des Zündfunkens folgen zwei Maxima in der Ionenstromkurve, die auf die chemische und thermische Ionisation zurückzuführen sind. Mit Hilfe des Ionenstromsignales ist sowohl Klopferkennung als auch Zündaussetzererkennung möglich. Mit dem Ionenstromsignal sollen aber weitere Kenngrößen der Verbrennung ermittelt werden. Ein wichtiges Merkmal des Ionenstromsignales ist die Lage und Höhe des 1.Maximums zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung.
In der DE 197 27 004 A1 wird ein Verfahren zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern beschrieben. Hierzu wird das Ionenstromsignal gemessen und mit einem aus den vorhergehenden Ionenstromsignalen ermittelten Korrekturfaktor gewichtet und gefiltert. Dieses gefilterte Ionenstromsignal wird zeitlich integriert und zur Erkennung von Zündaussetzern wird dieser Wert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen.
Bei dieser Art der Auswertungen des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors ist von Nachteil, daß das reine Meßsignal des Ionenstromes starken Turbulenz-, Rausch- und Störeinflüssen unterliegt, die das Meßsignal verrauschen. Auch die zur Verarbeitung vorgesehenen Filter filtern die Turbulenz-, Rausch- und Störeinflüsse nicht heraus. Dies erschwert die Auswertung des reinen Ionenstromsignals und führt zu Fehlern in der Motorregelung und/oder -steuerung.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Auswertung des Ionenstromsignals, das zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors benötigt wird, zu verbessern und damit die Motorsteuerung zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Er findungsgegenstandes sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, daß eine Auswertung der Parameterfunktion erheblich einfacher ist, als das reine Meßsignal des Ionenstromes, da nur noch das glatte störungsfreie Signal ausgewertet werden muß. Eine genauere Auswertung des Ionenstromsignals liefert bessere Kenn größen zur Motorsteuerung und eine genauere Bestimmung dieser Kenngrößen bringt den Vorteil einer genaueren Motorsteuerung und/oder Motorregelung.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt
1 ein Schaltbild einer Zündung, sowie
2 eine Meßkurve des Ionenstromsignals mit einer angefitteten Parameterfunktion und mit einzelnen Teilfunktionen.
In 1 ist ein Schaltbild einer Zündung gezeigt. Die Spannung wird auf der Sekundärseite 2 mit Hilfe des Transformators 4 auf die Durchbruchspannung der Zündkerze 3 hochtransformiert. Bei Erreichen der Durchbruchspannung bricht die Zündkerze 3 durch und es fließt der Zündstrom. Das kleine Schaubild zeigt ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild einer Zündkerze als Ionenstromdetektor im Brennraum eines Verbrennungsmotors. Rkerze ist der Entstörwiderstand der Zündkerze. Er reduziert elektrodenschädigende Spitzenströme beim Funkendurchbruch und verringert die elektromagnetische Störstrahlung während des Funkens. C_kerze ist die Kerzenkapazität, R_ion ist der durch die Flammenionisierung gebildete veränderliche Ionisationswiderstand zwischen den Elektroden. Die Diode D_ion symbolisiert die Diodenkennlinie der Ionisationsstrecke, R_neb stellt den Nebenschlußwiderstand der Zündkerze dar. Der Nebenschlußwiderstand wird beispielsweise durch Rußablagerungen auf dem Kerzenisolator oder bei kalten Kerzen durch Kondenswasser gebildet. Im Anschluß an die Entladung erfaßt diese Ionenstrommeßeinrichtung einen Ionenstrom I, der sich im Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze 3 unmittelbar nach der Entladung derselben bildet. Der Pegel des Ionenstromes I variiert entsprechend des Betriebszustands des Motors. So sind die Maxima stark abhängig vom Betriebspunkt des Motors. Der Betriebspunkt des Motors ist definiert über die Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Motors oder die Motorbelastung, die abhängig ist von der Öffnung des Drosselventils. Das von der Ionenstrommeßeinrichtung ermittelte Ionenstromsignal I wird zur Auswertung einer Auswerteeinheit zugeführt.
2 zeigt eine Meßkurve des Ionenstromsignals mit einer angefitteten Parameterfunktion und mit den die Ionenstrommaxima beschreibenden einzelnen Teilfunktionen. Es wird aus dem Ionenstromsignal eine mathematisch-physikalische Parameterfunktion bestimmt, die alle physikalischen Merkmale des Ionenstromsignals aufweist und aus dieser Parameterfunktion werden die Kenngrößen ermittelt. Die Parameterfunktion ermöglicht eine zyklusaufgelöste Auswertung einzelner Ionenstromsignale und die eindeutige Bestimmung der Ionenstrommerkmale auch bei starken Turbulenz-, Rausch- und Störeinflüssen.
Die folgende Gleichung beschreibt eine solche Parameterfunktion: f(x) = l1 (x-nl1)nl 2 e-nl 3 x + l2 e-(x-nl4)2/nl5 + l3
Die Parameterfunktion wird aus drei Termen gebildet, wobei der erste Term das 1. Ionenstrommaximum, der zweite Term das 2. Ionenstrommaximum beschreibt und der dritte Term berücksichtigt einen meßtechnischen Offset. Das 1.Ionenstrommaximum beschreibt die Generation, Rekombination und das Fortlaufen der Flamme und setzt sich daher aus einer Potenzfunktion mit einer abfallenden Exponentialfunktion zusammen. Das 2.Ionenstrommaximum wird aus einer glockenförmigen Gaußfunktion gebildet. Die Parameter nl₁, nl₂, nl₃ und l₁ bestimmen Lage und Amplitude des ersten Maximums. Das 2.Maximum liegt bei nl₄ und hat die Höhe l₂ + l₃. nl₅ legt die Breite des zweiten Maximums fest. Es gibt n Meßwertpaare (x,y). Das Schaubild zeigt die Anfittung an ein stark gestörtes Ionenstromsignal bei einer Drehzahl von 1000min^-1, 6bar effektivem Mitteldruck, stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Verhältnis und ohne externe Abgasrückführung. Im Vergleich zu gemittelten Signalen gibt die Parameterkurve die turbulenzbereinigte Lage und Höhe des ersten Maximums gut wieder. Auch im Bereich des zweiten Maximums wird das Ionenstromsignal gut angenähert. Die Anpassung der Parameterfunktion an das Ionenstromsignal kann betriebspunktabhängig gewählt werden. Beispielsweise kann bei schnellen Veränderungen des Betriebspunktes die Auswertung durch Anpassung einer Kurve erfolgen, während bei stationären Betriebspunkten das Meßsignal direkt oder das gemittelte Meßsignal ausgewertet werden kann. Die Auswertung des angepaßten Signals erfolgt entweder durch Bestimmung der Merkmale aus der Parameterfunktion direkt oder durch Auswertung der für die Anfittung veränderten Parametern direkt. Die für eine iterative Anfittung der Funktion notwendigen Startwerte können aus einem Drehzahl-/Last-abhängigen Kennfeld oder aus den Parametern der Anfittung des letzten Arbeitsspieles erfolgen. Durch die Verwendung aktueller Parameter und Adaption auf den letzten Betriebspunkt wird die Wahl der Startwerte verbessert. Eine andere Möglichkeit ist die betriebspunkt- und zündzeitpunktabhängige Festlegung der Startwerte in Kennfeldern. Hierzu benötigt man die vollständige Kenntnis des Betriebspunktes zum Zeitpunkt der Bestimmung der Parameterfunktion.

Claims

Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennnungsmotors, der aufweist: eine Zündspule zum Erzeugen einer Hochspannung zum Zünden der Brennkraftmaschine; einer Zündkerze (3) zum Entflammen eines Gasgemisches in der Brennkraftmaschine durch Anlegen der Hochspannung zum Erzeugen eines Funkens; einer Ionenstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des über die Zündkerze (3) fließenden Ionenstroms (I), dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ionenstromsignal eine mathematisch-physikalische Parameterfunktion bestimmt wird, die alle physikalischen Merkmale des Ionenstromsignals aufweist und aus dieser Parameterfunktion die Kenngrößen ermittelt werden.
Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameterfunktion iterativ an das Ionenstromsignal anpaßbar ist.
Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine iterative Anpassung der Funktion notwendigen Startwerte aus einem Drehzahl-/Last-abhängigen Kennfeld oder aus den Parametern der Anfittung des letzten Arbeitsspieles erfolgen.
Verfahren zur Auswertung des Ionenstromsignals nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameterfunktion einen ersten Term aufweist, der das 1. Ionenstrommaximum beschreibt und der sich aus einer ansteigenden Potenzfunktion mit einer abfallenden Exponentialfunktion zusammensetzt und einen zweiten Term aufweist, der das zweite Ionenstrommaximum beschreibt und durch eine symmetrische Gaußfunktion gebildet ist und einen dritten Term aufweist, der einen meßtechnisch bedingten Offsetanteil beschreibt.