DE19953710A1

DE19953710A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Meßfenster-Positionierung für die Ionenstrommessung

Info

Publication number: DE19953710A1
Application number: DE19953710A
Authority: DE
Inventors: Markus Ketterer; Achim Guenther; Juergen Foerster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-08
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2019-11-09
Also published as: CN1246582C; CN1387609A; DE19953710B4; EP1230477A1; CZ20021602A3; US6813933B1; JP2003514192A; WO2001034972A1

Abstract

Vorgestellt werden Verfahren zur zeitlichen Meßfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfaßt werden, bei einem Zündsystem mit Zündübertrager z. B. Wechselstromzündung oder bei einer Kondensatorzündanlage oder bei induktiver Transistorzündung oder induktiver Spulenzündung oder induktiver Spulenzündung mit begrenzter Funkendauer, wobei die Zündsysteme mit einer Meßeinrichtung für Ionenstrom an der masseseitigen Sekundärwicklung kombiniert sind und wobei jeder Zündkerze ein Zündübertrager zugeordnet ist und wobei die Erfassung des Funkenendes und die Öffnung des Meßfensters für das Ionenstromsignal in Abhängigkeit von dem Funkenende erfolgt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die zeitliche Meßfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfaßt werden.

Die Verwendung von aus dem gemessenen Ionenstromverlauf extrahierten Merkmalen zur Überwachung und Steuerung des Verbrennungsablaufes an Brennkraftmaschinen, z. B. an Ottomotoren, wird seit langem betrieben. Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern, die Klopfdetektion oder die Verbrennungslageregelung sind Beispiele hierfür.

Erfolgt die Ionenstrommessung an einer Brennkraftmaschine über die Elektrodenstrecke einer Zündkerze, ist das Meßfenster eingeschränkt. Die Einschränkung resultiert daraus, daß während des Zündvorganges infolge des überlagerten Funkenstroms kein Ionisationsstrom meßbar ist. Verfahren und Vorrichtungen zur Ionenstrommessung in Verbindung mit Zündsystemen bei Brennkraftmaschinen sind aus der DE 196 49 278 und der DE 197 00 179 bekannt. Wegen des überlagerten Funkenstroms ist das während des Zündvorganges resultierende Meßsignal für die Extraktion von Verbrennungsinformation ungeeignet. Zur Vermeidung von Fehlklassifikationen (z. B. bei der Aussetzererkennung) wird das Ionenstrom-Signal bei den meisten bekannten Systemen nur innerhalb von Meßfensterbereichen ausgewertet, die explizit den Zündungsvorgang nicht beinhalten, weil sie außerhalb der Zeit- oder Winkelbereiche liegen, in denen der Zündfunken brennt.

Für die Positionierung von Meßfenstern gibt es zwei bekannte Methoden, die z. B. in der Europäischen Patentschrift EP 0 188 180 B1 beschrieben sind:
Positionierung des Meßfensters bezüglich eines festgelegten Kurbelwinkelbereichs, der mit einer bestimmten Kolbenbewegung des betrachteten Zylinders übereinstimmt.
Positionierung des Meßfensters bezüglich des Zündzeitpunktes, wobei noch eine Verzögerung um eine applizierbare Zeitspanne stattfindet, um die Funkendauer und den Ausschwingvorgang zu berücksichtigen.

Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Meßfensterpositionierung rein gesteuert stattfindet. Die Funkendauer variiert in Abhängigkeit von physikalischen und motorischen Eigenschaften. Dies erfordert bei beiden Methoden zur Positionierung des Meßfensterbeginns eine aufwendige Applikation, die Betriebsparameter wie Drehzahl, Last, Gemischaufbereitung u. w. berücksichtigen muß. Aufgrund der Steuerung der Meßfensterpositionierung muß die Applikation im Sinne einer "worst case Abschätzung" erfolgen. Mit anderen Worten: Der Meßfensterbeginn wird sehr spät gelegt, um ein Abklingen der Zündungseinflüsse in jedem Fall sicherzustellen.

Eine "worst case Applikation" läuft jedoch den Anforderungen einer Ionenstrommessung entgegen, da ein möglichst früher Meßfensterbeginn anzustreben ist. Dies gilt im besonderen Maße für Betriebspunkte mit wenig Last und hoher Drehzahl, bzw. bei Motoren mit hoher Strömungsgeschwindigkeit der Gase im Zylinder, beispielsweise bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung, bei denen eine gezielte Ladungsbewegung durch Klappen oder Ventile zur Einstellung einer bestimmten inhomogenen Gemischverteilung im Zylinder erfolgt.

Vorteile der Erfindung

Kern der Erfindung ist die meßtechnische Erfassung der tatsächlichen Funkendauer und Verwendung dieser Information zur Positionierung des Meßfensters. Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, daß sämtliche motorischen und physikalischen Einflußfaktoren auf die Funkendauer bei der Applikation für die Meßfensterpositionierung nicht berücksichtigt werden müssen.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung in Verbindung mit einem Zündsystem mit Zündübertrager z. B. Wechselstromzündung nach DE 197 00 179 oder einer Kondensatorzündanlage oder einer induktiven Transistorzündung oder einer induktiven Spulenzündung oder einer induktiven Spulenzündung mit begrenzter Funkendauer, wie sie in der DE 196 49 278 A1 beschrieben wird, verwenden. Das Zündsystem für einen Verbrennungsmotor nach der letztgenannten Schrift ist mit einer Meßeinrichtung für Ionenstrom an der masseseitigen Sekundärwicklung kombiniert, wobei jeder Zündkerze ein Zündübertrager zugeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird das Funkenende zu erfasst und in Abhängigkeit des Funkenendes das Meßfenster für das Ionenstromsignal geöffnet. Besonders vorteilhaft zur Trennung von Zündfunkenstromeinflüssen und eigentlichem Ionenstromsignal ist eine Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes in getrennten Stromzweigen.

Zur Verringerung des apparativen Aufwandes ist aber auch Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes im gleichen Stromzweig möglich. Bei letzterem Ausführungsbeispiel erfolgt die Unterscheidung zwischen Ionenstrom und Funkenstrom anhand eines Schwellwertes zur Erkennung des Funkenendes. Bei Systemen mit alternierendem Funkenstrom ist es vorteilhaft, daß das Signal eine Gleichrichtung und eine Tiefpaßfilterung erfährt, bevor es mit der Funkenendeerkennungsschwelle verglichen wird. Vorteilhaft ist es ferner, ein Meßfenster für den Ionenstrom erst nach einer applizierbaren und vom Zündsystem abhängigen Verzugszeit bezüglich des erkannten Funkenendes zu öffnen. Diese Verzugszeit ist im wesentlichen systembedingt. Sie ist im Vergleich zu der Funkendauer nur geringen statistischen Schwankungen unterworfen. Somit gewährleistet das erfindungsgemäße Vorgehen stets einen maximal frühen Meßfensterbeginn. Die Umschaltung einer Verstärkerstufe nach Funkenende bewirkt vorteilhafterweise, daß wieder der volle Signalhub für die Ionenstrommessung zur Verfügung steht. Die Zeitdauer, in der das Signal die Schwelle für die Funkenstromerkennung überschreitet, erlaubt einen Rückschluß auf Fehler im Zündsystem. Bei induktiven Zündsystemen wird vorteilhafterweise die Information der Funkenbrenndauer dazu verwendet, die Zündenergie adaptiv dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Zur Verringerung des schaltungstechnischen Aufwandes ist es vorteilhaft, mehrere Zündspulen am masseseitigen Ende der Sekundärwicklung zusammenzuführen.

Benötigt wird das Verfahren bei Zündsystemen, deren Funkendauer nicht exakt festliegt. Dies ist hauptsächlich bei der induktiven Zündung der Fall. Aber auch bei Zündsystemen, deren Funkendauer variiert werden kann, kann die Information über das tatsächliche Funkenende interessant sein, da die notwendige Information vor Ort gebildet wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Dabei werden für die meßtechnische Erfassung des Funkenstroms im folgenden zwei Realisierungen vorgestellt, die eine Funkenendeerkennung ermöglichen. Die Erklärung erfolgt anhand der Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt ein induktives Zündsystem mit einer Auswertung in zwei Stromzweigen. In Fig. 2 ist ein Beispiel für den Verlauf eines Ionenstromsignals Si₁ dargestellt. Fig. 3 offenbart ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Auswertung in einem Stromzweig erfolgt.

Die Anzahl der Stromzweige, in denen Ionenstrom und Funkenstrom gemessen werden, dient als Unterscheidungsmerkmal für die unterschiedlichen Systeme. Existiert nur ein Stromzweig, wird der Ionenstrom und Funkenstrom am selben Ort gemessen. Existieren zwei Stromzweige dann können Ionenstrom und Funkenstrom getrennt voneinander in jeweils einem Stromzweig gemessen werden. Als Ausführungsbeispiel mit mehreren Stromzweigen wird ein induktives Zündsystem 5, wie in Fig. 1 dargestellt, betrachtet. Wie bei herkömmlichen induktiven Zündsystemen wird zunächst der Transistor T₁ durch das Steuersignal S₁ von der Motor-Steuereinheit 1 niederohmig geschaltet. Das magnetische Feld baut sich in der Primärspule L₁ auf und lädt so die Zündspule ZS₁ mit Energie. Wird der Transistor T₁ hochohmig geschaltet, wird der Stromfluß in der Primärseite der Zündspule L₁ unterbrochen. Das Feld treibt jedoch weiterhin einen Strom in der Primärseite und der Sekundärseite, welcher zum Spannungsangebot auf der Primärseite und der Sekundärseite entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Zündspule ZS₁ führt. Ist die Zündspannung erreicht, spring ein Zündfunke in der Zündkerze ZK₁ über. Es kommt zum Fluß des Funkenstroms i₁ über: Masse, R₁, D₁, ZS₁ und ZK₁, zurück zur Masse.

Die Ionenstrommessung findet beispielhaft in der Ionenstrom- Meßeinrichtung 3 statt. Bei der Vorrichtung mit getrennten Stromzweigen entsteht an V₁ bei positiver Stromrichtung nach dem Stromrichtungspfeil i₁ ein negatives Potential. Dieses Potential wird von der Funkenstrom-Meßeinrichtung 4 vorzugsweise so eingestellt, daß die Grenzen der Spannungsversorgung der Funkenende-Erkennungseinheit 2 nicht überschritten werden. Da die Zenerdiode D₂ die Spannung über R₁ entsprechend limitiert, kann diese Forderung leicht eingehalten werden. Bei negativen Funkenströmen, entgegen der Stromrichtung i₁, arbeitet das Verfahren entsprechend bezüglich der positiven Spannungsversorgung der Funkenende- Erkennungseinheit 2.

Wird das Funkenende von der Funkenende-Erkennungseinheit 2 daran erkannt, daß der Spannungspegel V₁ von einem Potential nahe der positiven oder negativen Spannungsversorgung zurück gegen Masse geht, wird diese Information (Funkenende) auf der Signalleitung S₂ weiter gegeben.

Der zweite Stromzweig Masse, U_m, R_m, L₂, ZK₁ zurück nach Masse dient zur Messung des Ionenstromes gemessen in Stromrichtung i₂.

Möchte man den Aufwand der getrennten Stromzweige nicht haben, dann kann man den Funkenstrom aus dem Ionenstromsignal selbst mit einer Vorrichtung mit nur einem Stromzweig ableiten.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für dieses Signal Ionenstromsignal Si₁ dargestellt. Hier ist die Richtung des Funkenstroms (positiv oder negativ) nicht von entscheidender Bedeutung. In Fig. 2 ist entsprechend Fig. 1 positive Stromrichtung dargestellt. Das Signal Si₁ wird an R_m abgegriffen. Dies bedeutet, daß in Fig. 1 die Funkenstrom- Meßeinrichtung 4 entfallen kann. D₁ wird direkt an Masse angeschlossen. Siehe Fig. 3. Nun wird auf demselben Stromzweig Ionenstrom und Funkenstrom gemessen.

Während des Funkens wird die Ionenstrom-Meßeinrichtung 3 durch den Funkenstrom stärker ausgesteuert, als dies bei Ionenströmen der Fall ist. Dieser Sachverhalt wird benutzt um die Funkendauer zu messen. Das Signal wird von der Funkenende-Erkennungseinheit 2 mit einem Schwellwert Th₁ verglichen, fällt das Signal unter den Schwellwert Th₁, dann ist der Funken zu Ende.

Man muß jedoch gewährleisten, daß die Signalverläufe der Ionenströme immer unter der Erkennungsschwelle Th₁ bleiben. Dies ist durch entsprechende Wahl der Verstärkung des Funkenstroms bzw. des Ionenstromes i₂ zu gewährleisten. Ein Nachteil dieser Methode ist, daß die Auflösung für das Ionenstromsignal etwas zurückgeht, da sich nun das Ionenstromsignal und das Signal für den Funkenstrom den maximalen Auswertespannungsbereich teilen müssen.

Meßfensterbildung

Nach Funkenende wird anhand des Signals S₂ der Meßfensteranfang erzeugt. Aufgrund von Schwingungen im Zündsystem ist es vorteilhaft, eine Verzugszeit abzuwarten, in der sich das Zündsystem beruhigt, so daß die Messung nicht gestört wird. Diese Zeit ist an das verwendete Zündsystem anzupassen.

Das Meßfenster wird in Winkel- oder Zeitabhängigkeit bzw. in Abhängigkeit vom Schließ- oder Zündzeitpunkt wieder geschlossen.

Weitere Anwendungen

Die Information über die Funkendauer läßt sich außer zur Meßfensterpositionierung auch noch für weitere Anwendungen vorteilhaft einsetzen:
Beispiel Energieregelung: Die Funkendauer, d. h. die Zeit während der Durchbruchs- und Glimmphase des Zündfunkens, ist maßgeblich für den Entstehungsfortschritt des Flammenkerns und damit für die Verbrennungsqualität verantwortlich. Zur Gewährleistung einer sicheren Entflammung ist die Bereitstellung einer Mindest-Funkendauer notwendig. Auf der anderen Seite führt eine zu lange Funkendauer zu einem unnötig hohen Energieverlust sowie zu einer Verringerung der Kerzenstandzeit.

Mit den vorgestellten Verfahren zur meßtechnischen Erfassung der Funkendauer ist es einfach möglich die (mittlere) Funkendauer durch Variation der Schließwinkeldauer (Energieregelung) auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Beispiel Zündspulendiagnose und Zündaussetzererkennung: Das Vorhandensein einer (Mindest-)Funkendauer gibt unmittelbar Aufschluß darüber, daß die Zündspulenspannung die Funkendurchbruchsspannung überschritten hat und ein Zündfunken abgesetzt wurde. Z. B. bei defekter Zündspule (z. B. Wicklungskurzschluß) erreicht die Sekundärspannung nicht den Funkenspannungsbedarf und es kommt zu keinem Funkenüberschlag. Somit eignet sich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfaßte Funkenstrom für eine Zündaussetzererkennung oder eine Diagnose der Zündspule.

Claims

1. Verfahren zur zeitlichen Meßfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfaßt werden, bei einem Zündsystem mit Zündübertrager z. B. Wechselstromzündung oder Kondensatorzündanlage oder induktive Transistorzündung oder induktive Spulenzündung oder induktive Spulenzündung mit begrenzter Funkendauer, kombiniert mit einer Meßeinrichtung für Ionenstrom an der masseseitigen Sekundärwicklung, wobei jeder Zündkerze ein Zündübertrager zugeordnet ist, gekennzeichnet durch die Erfassung des Funkenendes und die Öffnung des Meßfensters für das Ionenstromsignal in Abhängigkeit von dem Funkenende.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes in getrennten Stromzweigen erfolgt.

3. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes im gleichen Stromzweig erfolgt.

4. Zündsystem nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ionenstrom und Funkenstrom anhand eines Schwellwertes unterschieden wird.

5. Zündsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Systemen mit alternierendem Funkenstrom das Signal eine Gleichrichtung und eine Tiefpaßfilterung erfährt, bevor es mit der Funkenendeerkennungsschwelle verglichen wird.

6. Zündsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßfenster für den Ionenstrom erst nach einer applizierbaren und vom Zündsystem abhängigen Verzugszeit bezüglich des erkannten Funkenendes geöffnet wird.

7. Zündsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkerstufe nach Funkenende umgeschaltet wird, so daß wieder der volle Signalhub für die Ionenstrommessung zur Verfügung steht.

8. Zündsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Zeitdauer, die das Signal die Schwelle für die Funkenstromerkennung überschreitet, auf Fehler im Zündsystem geschlossen wird.

9. Zündsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche bei induktiven Zündsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Information der Funkenbrenndauer dazu verwendet wird, die Zündenergie adaptiv dem tatsächlichen Bedarf anzupassen.

10. Zündsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zündspulen am masseseitigen Ende der Sekundärwicklung zusammengeführt werden.