DE3445539A1 - Steuerkreis einer ionisationssonde - Google Patents

Steuerkreis einer ionisationssonde

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Description

Müller. Schupfner & Gauger Postfach 8013 69 D-8000 München
Müller Gerhard D. Schupfner Hans-Peter Gauger 3445539 Patentanwälte European Patent Attorneys Mandataires en brevets europeens
Dr.-Ing. Robert Poschenrieder
(1931 -1972) t
Dr.-ing. Elisabeth Boettner
(1963-1975)
Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Müller
Dipl.-Chem. Dr. Gerhard Schupfner" Dipl.-Ing. Hans-Peler Gauger
Postfach 80 13 69 Lucile-Grahn-Straße 38 D-8000 München 80
Telefon: (0 89) 4 70 60 55 Telex: 5 23016 Telegramm / cable: Zetapatent®. München
Ihr Zeichen / Your ref.
Unser Zeichen / Our ref.
GFK-2790
München/Munich,
13. Dezember 1984
Betrifft:/Ref.:
Anwaltsakte: GFK-2790
FORD-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT,
OTTOPLATZ 2, 5000 KÖLN-DEUTZ (DE)
Steuerkreis einer Ionisationssonde
"Büro/Office Karlstraße 5 2110 Buchholz Tolofnn· «MI 311 AA 57 Telex'
2189330
Konten Gauger:
Stadtsparkasse München: 29-16 73 50 (BLZ 701 500 00) Postscheck München: 27 66 88-808 (BLZ 700100 80)
Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis einer lonisationssonde der durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.
Die Verwendung einer Ionisationssonde zur Steuerung des Verbrennungsablaufes in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine ist seit längerem bekannt. Die Ionisationssonde wird dafür in der Brennkammer angeordnet, um beispielsweise Meßwerte für den Brennkammerdruck zu liefern, so daß mit einer Auswertung dieser Meßwerte beispielsweise für eine Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen eine Verstellung des Zündzeitpunktes und eine Korrektur anderer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mit einer geeigneten elektronischen Steuerung durchgeführt werden können. Beispiele der bisher bekannten Verwendung solcher Ionisationssonden sind in den US-PS'en 4 304 203 und 4 377 sowie in den GB-PS'en 1 512 213 und 2 060 062 beschrieben.
Aus der US-PS 4 345 154 ist daneben die Verwendung einer Ionisationssonde zur Erfassung des Schadstoffanteils von Auspuffgasen bekannt. Dabei ist für die Ionisationssonde die Versorgung mit einer Vorspannung vorgesehen, um damit eine Verfälschung der von ihr gelieferten Meßwerte als Folge einer unregelmäßigen Strömung der Auspuffgase zu verhindern.
Damit bei einem Steuerkreis der angegebenen Gattung die von der Ionisationssonde gelieferten Meßwerte möglichst genau an den elektronischen Steuermodul weitergeleitet werden, müssen die kapazitiven Einflußgrößen des für die Anschlußverbindung vorgesehenen Koaxialkabels möglichst
ausgeschaltet werden. In diesem Zusammenhang interessiert, daß eine Ionisationssonde meistens einen Metallkörper umfaßt, der mit einer elektrisch isolierten Anordnung durch ein Loch im Maschinenblock der Brennkraftmaschine in die Brennkammer eingeführt wird, so daß die bei der Zündung des Brenngemisches an der Flammenfront erzeugten freien Ionen einen Stromfluß durch die Ionisationssonde erzeugen können. Durch diesen Stromfluß wird der effektive Widerstand zwischen der Sonde und den Zylinderwänden verringert. Typische Werte für diese Änderung des Widerstandes reichen zwischen null und etwa 1 bis 2 Megohm für die Abwesenheit bzw. die Anwesenheit einer Verbrennung in der Brennkammer. Durch die Ionisationssonde wird folglich ein Meßwert für die Zeit geliefert, die zwischen der Zündung des Brenngemisches und der Ankunft der Flammenfront an der Meßzelle der Sonde verstreicht. Dieser Zeitwert wird dann für eine Bestimmung der Qualität des stattfindenden Verbrennungsablaufes ausgewertet .
Bei Verwendung eines Steuerkreises der angegebenen Gattung für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen ist zu berücksichtigen, daß derartige Ionisationssonden gewöhnlich einen sehr hohen Impedanzwert aufweisen und das Koaxialkabel für die Anschlußmöglichkeit an einen elektronischen Steuermodul eine größere Länge haben muß. Das Koaxialkabel muß dabei gegen Störgeräusche gut abgeschirmt werden, um eine Verfälschung der von der Sonde gelieferten Meßwerte beispielsweise durch Zündgeräusche zu verhindern. Unter Hinweis auf die Figur 1 der Zeichnung ist bekannt, ein Koaxialkabel einer hierbei zu berücksichtigenden Länge zwischen 2 und 4 Meter über einen Widerstand von beispielsweise 1 Megohm an die Schnittstelle mit einem elektronischen Steuermodul anzuschließen. Die Zwischenschaltung eines Widerstandes dieser relativ hohen Impedanz ergibt jedoch den Nachteil, daß damit unter Berücksichtigung der hohen Impedanz der Ionisationssonde und der Kapazität des mit einer Abschirmung versehenen Koaxialkabels eine
-/- 3U5539
verhältnismäßig lange Ansprechzeit für den Steuermodul erhalten wird, die beispielsweise bei einer Kapazität des Koaxialkabels von etwa 500 Picofarad in der Größenordnung von etwa 5 00 Mikrosekunden liegt. Dieser Zeit von 500 Mikorsekunden entspricht bei einer Brennkraftmaschine, die mit einer Drehzahl von 6000 U/min betrieben wird, ein Kurbelwinkel von 18°. Eine beispielsweise für eine Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen geeignete Steuerung der verschiedenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfordert demgegenüber jedoch die Berücksichtigung eines Kurbelwinkels von wenigstens ± 1 ° , so daß eine mit einem solchen Vorschaltwiderstand von beispielsweise 1 Megohm erhaltene Berücksichtigung eines Kurbelwinkels dieser Größenordnung von etwa 18° für eine Korrekturmöglichkeit des Verbrennungsablaufs in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine nicht akzeptabel ist.
Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, einen Steuerkreis einer Ionisationssonde der angegebenen Gattung so auszubilden, daß damit für den über das Koaxialkabel angeschlossenen Steuermodul eine kurze Ansprechzeit erhalten wird und die kapazitiven Einflußgrößen des Koaxialkabels bei der Weiterleitung der Meßwerte eine Verringerung erfahren.
Die mit dem erfindungsgemäßen Steuerkreis erhaltenen Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß mit der durch einen Funktionsverstärker erzeugten Vorspannung eine Konstanthaltung der Sondenspannung erzielt wird, was die kapazitiven Einflußgrößen des Koaxialkabels wesentlich verringert und damit relativ kurze Ansprechzeiten für den elektronischen Steuermodul ergibt. Der Funktionsverstärker hat also die Wirkung, daß er an der Ionisationssonde jeden Spannungswechsel unterdrückt, so daß durch das Koaxialkabel die Ansprechzeit überhaupt nicht kapazitiv beeinflußt werden kann und somit durch diesen Funktionsverstärker nur die Stromimpulse eine Verstärkung erfahren,
die von der Ionisationssonde bei einer Änderung des Widerstandes erzeugt werden. Diese Wirkung des bei einem Steuerkreis der angegebenen Gattung erfindungsgemäß vorgesehenen Funktionsverstärkers ist damit gegensätzlich zu der bekannten Ionisationssonde nach der US-PS 4 345 154, bei der die aufgedrückte Vorspannung einen Spannungswechsel an der Ionisationssonde erlauben soll.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerkreises ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm der bereits
beschriebenen bekannten Anschlußverbindung einer Ionisationssonde an einen elektronischen Steuermodul,
Fig. 2 ein Blockdiagramm des Steuerkreises
gemäß Erfindung,
Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen
Bauteile gemäß der bevorzugten Ausführungsform des bei dem erfindungsgemäßen Steuerkreis verwirklichten Funktionsverstärkers,
Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung der
von dem Stromdetektor des Funktions Verstärkers gemäß Fig.3 in Abhängig heit von dem Rückkoppelungswiderstand gelieferten Spannung und
Fig. 5 ein Schaubild zur Darstellung der
Zündspannung, der Ausgangsspannung des Stromdetektors und der Ausgangs spannung des Stufendetektors über der Zeit bei Verwendung eines Funktionsverstärkers der in Fig.3 darge stellten Ausbildung.
Gemäß dem Blockdiagramm in Figur 2 ist ein elektronischer Steuermodul 10 über ein Koaxialkabel 12 an eine lonisationssonde 11 angeschlossen, die zur überwachung des Verbrennungsablaufes in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. An die Schnittstelle des elektronischen Steuermoduls 10 ist ein Punktionsverstärker 13 angeschlossen, der einen mit dem Koaxialkabel 12 verbundenen Stromdetektor 15 und einen mit diesem verbundenen Stufendetektor 16 umfaßt und zur Versorgung der lonisationssonde 11 mit einer konstanten Vorspannung eingerichtet ist. Durch diesen Funktionsverstärker 13 wird damit eine Ausgangsspannung erzeugt, die abhängig ist von dem von der Ionisationssonde 11 bei einer Änderung ihres Widerstandes gelieferten Stromimpulses, der somit hauptsächlich "durch den Stufendetektor 16 eine Verstärkung erfährt und als Rechteckimpuls einem Mikroprozessor 14 des Steuermoduls 10 zugeleitet wird. Der Mikroprozessor 14 ist mit einer Software ausgerüstet, die in Abhängigkeit von diesen zugeleiteten Rechteckimpulsen beispielsweise den Zündzeitpunkt, eine Kreislaufführung der Auspuffgase und die Zusammensetzung des Brenngemisches der Brennkraftmaschine steuern läßt.
Gemäß der Figur 3 umfaßt der Stromdetektor 15 einen Funktionsverstärker 151, welcher dem Stufendetektor 16 als eine Vergleichseinrichtung vorgeschaltet ist. Ein positiver Eingang dieses Funktionsverstärkers 151 ist über einen Widerstand 153 an eine Spannungsquelle 152 und über einen weiteren Widerstand 154 an Erde angeschlossen. An die Spannungsquelle 152 ist auch ein negativer Eingang dieses Funktionsverstärkers 151 über einen Widerstand 155 angeschlossen. Ein Rückkoppelungswiderstand 156 verbindet den Ausgang des Funktionsverstärkers 151 mit seinem negativen Eingang. Parallel zu diesem Rückkoppelungswiderstand 156 ist noch eine Reihenschaltung eines Widerstandes 157 und einer Diode 158 geschaltet. Das Koaxialkabel 12 ist mit dem negativen Eingang des Funktionsverstärkers 151 verbunden.
Der Stufendetektor 16 umfaßt andererseits einen dem Mikroprozessor 14 als entsprechende Vergleichseinrichtung vorgeschalteten Funktionsverstärker 131, der mit einem positiven Eingang über einen Widerstand 132 an den Ausgang des Funktionsverstärkers 151 angeschlossen ist. An den negativen Eingang des Funktionsverstärkers 131 ist andererseits eine Schwellspannung 133 angelegt. Zwischen dem Ausgang und dem positiven Eingang des Funktionsverstärkers 131 ist noch ein Rückkoppelungswiderstand 134 geschaltet.
Der Funktionsverstärker 151 des Stromdetektors 15 erzeugt bei einer Änderung des Widerstandes der Ionisationssonde 11 eine Ausgangsspannung V 1. Wenn die Widerstände 155 und 156 gleich groß gewählt werden wie der Widerstand, den die Ionisationssonde bei der Verbrennung des Brenngemisches in der Brennkammer erfährt, und wenn weiterhin die Widerstände 153 und 154 so gewählt werden, daß diese Ausgangsspannung
V 1 des Funktionsverstärkers 151 positiv ist, damit sich dieser Funktionsverstärker in einem linearen Betriebsbereich befindet, dann hat eine Verringerung des Widerstandes der Ionisationssonde zur Folge, daß der durch das Koaxialkabel 12 fließende Strom eine Verstärkung erfährt. Die Ausgangsspannung V 1 des Funktionsverstärkers 151 wird daher eine entsprechende Vergrößerung erfahren, so daß dessen negative Eingangsspannung relativ niedrig gehalten wird und nur einige Mikrovolt der positiven Eingangsspannung des Funktionsverstärkers 151 beträgt. Die negative Eingangsspannung des Funktionsverstärkers 151 und damit die der Ionisationssonde 11 in bezug auf deren Erdschluß aufgedrückte Vorspannung erfährt daher kaum eine Änderung bei dieser Stromerhöhung. Die Ansprechempfindlichkeit der Ausgangsspannung
V 1 des Funktionsverstärkers 151 auf eine Änderung des Widerstandes Rg der Ionisationssonde 11 ist somit nur noch abhängig von dem Verhältnis dieses Widerstandes Rc zu dem Wert R des RückkoppelungswiderStandes 156. Wenn die bei-
Jc
den Widerstände R1., und R„ gleich sind und damit dieses Ver-
O -C
hältnis den Wert 1 annimmt, dann ist die Ausgangsspannung
/ο
V 1 des Funktionsverstärkers 151 etwa halb so groß wie die von der Spannungsquelle 152 gelieferte Spannung. Ist der Widerstand R0 größer als der Wert R„ des Rückkoppelungswiderstandes 156, dann fällt entsprechend der Darstellung in Figur 4 die Ausgangsspannung V 1 des Funktionsverstärkers 151 gegen 0 ab/ während sie umgekehrt auf einen Wert mehr als das Doppelte der von der Spannungsquelle 152 gelieferten Spannung ansteigt, wenn sich dieses Verhältnis Rn,/ R_ er-
b Γ
niedrigt. Die Erhöhung der Ausgangsspannung V 1 findet dabei eine Begrenzung durch die Sättigung des Funktionsverstärkers 151.
Durch den Widerstand 157 und die Diode 158 wird der dynamische Strombereich des Stromdetektors 15 erweitert. Wenn die Ausgangsspannung V 1 einen Wert größer als Vcc/2 annimmt, dann arbeitet der Widerstand 157 parallel zu dem Widerstand 156 als ein weiterer Rückkoppelungswiderstand. Wenn daher dieser Widerstand 157 einen Wert erhält, der beispielsweise ein Viertel des Wertes Rp des Rückkoppelungswiderstandes 156 beträgt, dann wird dadurch für Werte des Widerstandes R kleiner als der Wert R der Verstärkungsfaktor des Steuerkreises verkleinert und damit dessen dynamischer Arbeitsbereich entsprechend der in Figur 4 gestrichelt gezeichneten Steuerkurve vergrößert.
Die an den Funktionsverstärker 131 des Stufendetektors 16 angelegte Schwellspannung 133 wird auf einen Wert V^ etwas größer als die zum Öffnen des Steuerkreises erforderliche Ausgangsspannung V 1 des Funktionsverstärkers 151 eingestellt. An dem Ausgang des Funktionsverstärkers 131 wird daherimmer dann ein Spannungssignal erhalten, wenn bei einer Verringerung des Widerstandes der Ionisationssonde 11 eine Vergrößerung der Ausgangsspannung V 1 eintritt. In Figur 5A ist dargestellt, daß sich der Widerstand R der Ionisationssonde 11 von einer unendlichen Zahl auf etwa 1 bis 2 Megohm erniedrigen kann, wenn nach der Entzündung des Brenngemisches dessen Verbrennung in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine stattfindet. Diese
Erniedrigung des Widerstandes Rc erzeugt entsprechend der Darstellung in Figur 5B eine Ausgangsspannung V 1 bis maximal etwa 5 Volt an dem Funktionsverstärker 151 des Stromdetektors 15 und entsprechend der Darstellung in Figur 5C eine entsprechende Ausgangsspannung Vcc an dem Funktionsverstärker 131 des Stufendetektors 16, sofern dessen Schwellspannung V auf einen Wert kleiner als 5 Volt eingestellt ist. Die Ansprechzeit des Steuerkreises ist damit nur durch die Bandbreite begrenzt, mit der die beiden Funktionsverstärker des Stromdetektors 15 und des Stufendetektors 16 arbeiten. Wenn diese Bandbreite die für solche Funktionsverstärker typischen Werte zwischen etwa 500 kHz und etwa 1 mHz aufweist, dann wird damit eine Ansprechzeit des Steuerkreises von etwa 1 bis 2 Mikrosekunden erhalten, was bei einer Drehzahl von 6000 U/min der Brennkraftmaschine einem Kurbelwinkel von etwa 0,037 bis 0,074° entspricht. Diese Werte sind für eine Steuerung der verschiedenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine durch den Mikroprozessor 14 ohne weiteres akzeptabel, zumal damit eine Verbesserung um den Faktor 500 im Vergleich zu den bisher bekannten Ausfuhrungsformen eines solchen Steuerkreises erzielt wird.
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Claims (6)

Patentansprüche
1. Steuerkreis einer Ionisationssonde, die über ein Koaxialkabel an die Schnittstelle eines elektronischen Steuermoduls angeschlossen ist, mit dem von der Sonde erfaßte Meßwerte für den in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine stattfindenden Verbrennungsablauf für dessen Korrekturmöglichkeit ausgewertet werden, gekennzeichnet durch einen Funktionsverstärker (13), der zur Versorgung des Koaxialkabels (12) und der Ionisationssonde (11) mit einer konstanten Vorspannung vorgesehen ist.
2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß durch den Funktionsverstärker (13) eine bezüglich einem Erdschluß positive Vorspannung geliefert wird.
3. Steuerkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Funktionsverstärker (13) einen über das Koaxialkabel (12) an die Ionisationssonde (11) angeschlossenen Stromdetektor (15) und einen Stufendetektor (16) umfaßt, wobei der Stromdetektor (15) zur Erzeugung eines Spannungsimpulses in Abhängigkeit von einem von der lonisationssonde (11) erzeugten Stromimpuls und der Stufendetektor (16) zur Erzeugung eines Rechteckimpulses in Abhängigkeit von einem von dem Stromdetektor (15) erzeugten Spannungsimpuls eingerichtet sind.
4. Steuerkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß an den Stufendetektor (16) ein Mikroprozessor (14) angeschlossen ist, der in Abhängigkeit von den durch den Stufendetektor erzeugten Rechteckimpulsen verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine steuert.
5. Steuerkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Stromdetektor (15) einen dem Stufendetektor (16) als Vergleichseinrichtung vorgeschalteten ersten Funktionsverstärker (151) umfaßt, der mit einem negativen Eingang an das Koaxialkabel (12) und über einen ersten Widerstand (155) an eine Spannungsquelle (152) und der mit einem positiven Eingang über einen zweiten Widerstand (153) ebenfalls an die Spannungsquelle (152) angeschlossen sowie über einen dritten Widerstand (154) geerdet ist, und daß an den Ausgang dieses ersten Funktionsverstärkers (151) ein mit seinem positiven Eingang verbundener Rückkoppelungswiderstand (156) angeschlossen ist, zu dem ein mit einer Diode (158) in Reihe geschalteter vierter Widerstand (157) parallel geschaltet ist.
6. Steuerkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Stufendetektor (16) einen dem Mikroprozessor (14) als Vergleichseinrichtung vorgeschalteten zweiten Funktionsverstärker (131) umfaßt, der mit einem positiven Eingang über einen fünften Widerstand (132) an den Stromdetektor (15) angeschlossen, an dessen negativen Eingang eine Schwellenspannung angelegt und dessen Ausgang über einen sechsten Widerstand (134) mit seinem positiven Eingang verbunden ist.
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