DE4026723A1 - Zuendanlage fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündanlage nach der Gattung des Hauptanspruchs. Um den Forderungen der Umweltbehörden an die Abgas­ werte und speziell den strengen amerikanischen Forderungen gerecht zu werden, ist man bestrebt, Zündsteuerungen zu entwickeln, die einen möglichst minimalen Schadstoffausstoß bei Viertakt-Ottomotoren ge­ währleisten.

Eine dafür verwendbare Zündanlage nach der Gattung des Hauptan­ spruchs ist z. B. aus der JP 56-50 263 A bekannt.

Verfahren zur Funktionsüberwachung von Zündanlagen sind bereits be­ kannt. So wird beispielsweise in der DE-OS 36 34 587 ein Verfahren zur Gewinnung des Phasensignals mittels Hallsensors beschrieben.

Eine Zünd- und Explosionserkennung ist anhand eines Drucksensors oder optischen Sensors im Brennraum jedes Zylinders möglich.

Diese bekannten Zündsteuerungen haben den Nachteil, daß zur Funktionsüberwachung zusätzliche Sensoren in die Zündanlage einge­ baut werden müssen. Dadurch wird die notwendige Signalerkennung sehr kostenaufwendig, einerseits durch die Kosten der Sensoren selbst und andererseits durch Fertigungskosten, die bei dem Einbau der Sensoren in die Zylinder entstehen. Außerdem muß das einwandfreie Funktion­ ieren dieser zusätzlichen Sensoren überwacht werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Bekannten den Vorteil, daß die Funktionsüberwachung durch Erfassung und Auswertung der Primär-Zünd­ spannung erfolgt, d. h. es sind keine zusätzlichen Bauelemente im Motorraum, speziell Sensoren, erforderlich. Eine solche Lösung der Funktionsüberwachung, die ohne zusätzliche Bauelemente, wie Hall- oder Induktivsensor arbeitet, ist wesentlich kostengünstiger. Die notwendige Auswerteelektronik kann zusammen mit der Steuer­ elektronik in einem Gerät integriert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen primärseitigen Zündspannungsüberwachung möglich. Beson­ ders vorteilhaft ist die Gewinnung eines Phasensignals für die Er­ kennung des Kompressionstaktes an jedem Zylinder, welches die Vor­ aussetzung für eine zylinderindividuelle Einspritzung und/oder Zündung ist. Dieses ermöglicht eine Leistungsoptimierung des Motors bei gleichzeitig verringertem Verschleiß der Zündanlage sowie zylin­ deraktive Diagnosemaßnahmen.

Ein anderer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß durch die Er­ kennung von Zünd- beziehungsweise Explosionssignalen an jedem Zylin­ der ein fehlerhaftes Arbeiten an einem der Zylinder erkannt und dieser Zylinder mit einer entsprechenden Fehleranzeige abgeschaltet werden kann. D. h. es wird kein unverbranntes Kraftstoff-Luft-Ge­ misch ausgestoßen. Dadurch wird gleichzeitig ein Schutz des Kataly­ sators erreicht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipschaltbild einer Zündanlage mit Einzelfunkensteuerung und integrierter Auswertelogik,

Fig. 2 Verlauf der primärseitigen Zündspannung,

Fig. 3 Programmablauf des Vergleichs zweier aufeinanderfolgender Zündereignisse eines Zylinders zur Gewinnung des Phasen­ signals,

Fig. 4 Programmablauf zur Gewinnung des Zünd- und Explosionser­ kennungssignals.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild zeigt einen allge­ meinen Aufbau eines vierzylindrigen Viertakt-Ottomotors, in Ver­ bindung mit der erfindungsgemäßen primärseitigen Spannungserfas­ sungschaltung 1 für jeden Zylinder mit der anschließenden Auswerte­ logik 2 für die einzelnen Spannungsverläufe.

Dort sind vier Sekundärwicklungen 4 bis 7 von vier Zündspulen 8 bis 11 mit ihren Zündkerzen 12 bis 15 verbunden. Die Primärwicklungen 16 bis 19 dieser einzelnen Zündspulen 8 bis 11 sind jeweils über einen Zündtransistor 20 bis 23 an eine Spannungsversorgung UB, beispiels­ weise an die hier nicht dargestellte Batterie eines Kraftfahrzeuges angeschlossen. Die Zündtransistoren 20 bis 23 werden jeweils über eine ihnen zugehörige Steuerklemme 24 bis 27 von einer Steuerlogik 3 angesteuert. An den Primärwicklungen 16 bis 19 wird für jeden Zylin­ der ihr primärseitiger Spannungsverlauf Up in einer Schaltung 1 er­ faßt und der gemeinsamen Auswertelogik 2 zugeführt. Die in der Aus­ wertelogik ermittelten Ergebnisse werden der Steuerlogik 3 zugeführt und bilden zusammen mit weiteren Parametern wie Kurbelwellen­ stellung, Drehzahl, Ansaugdruck und dergleichen die Grundlage für die Ansteuerung der Zündendstufen.

Fig. 2 zeigt bei einer vorgegebenen Drehzahl den typischen Verlauf der primärseitigen Zündspannung Up bei ordnungsgemäßem Zündverlauf. Zum Zeitpunkt t0 beginnt das Zündsignal, wodurch zunächst ein Über­ schwingen der Primärspannung Up erfolgt. Da dieses Überschwingen für die Auswertung ohne Bedeutung ist, erfolgt der Beginn der Auswertung nach einer kurzen Zeitverzögerung erst zum Zeitpunkt t1. Das so ge­ öffnete Meßfenster 28 bleibt bis zu einem Zeitpunkt t2 effektiv. Während dieser Zeit wird primärseitig der Verlauf der Zündfun­ ken-Brennspannung an der Zündkerze erfaßt und daraus die mittlere primärseitige Zündspannung

berechnet. Über den Ver­ lauf der primärseitigen Brennspannung kann man eine eventuell not­ wendige Fehlerdiagnose führen. Das Meßfenster bleibt, obwohl es nur bis zum Zeitpunkt t2 effektiv ist, bis zum Zeitpunkt t4 geöffnet. Der Spannungsverlauf bzw. das Überschwingen der Primärspannung beim Funkenabriß zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist für die Be­ rechnung der mittleren Spannung Uz nicht von Bedeutung und wird des­ halb nicht erfaßt. Von Bedeutung ist aber die primärseitige Zünd­ spannung nach dem Funkenabriß zum Zeitpunkt t4. Ein Spannungs­ sprung ΔU zwischen Uz und der Spannung Up zum Zeitpunkt t4, der einen festgelegten Vergleichswert Us1 (beispielsweise mindestens 10 V) übersteigt, signalisiert das Funkenende und demzufolge das Vorliegen eines ordnungsgemäßen Zündfunkens.

Der in Fig. 3 dargestellte Schaltungs- und Programmablaufplan steht für den in der Steuerlogik 3 bei Arbeitsbeginn des Motors zu realisierenden Vergleich zweier aufeinanderfolgender Zündereignisse eines Zylinders, hier des Zylinders 1. Durch den Vergleich der auf­ einanderfolgenden Zündvorgänge, von denen der eine im Ausstoßtakt des Zylinders und der andere im Kompressionstakt auftritt, soll zunächst ein Phasensignal für die Erkennung des Kompressionstaktes ermittelt werden, um anschließend die Zündvorgänge im Ausstoßtakt abzustellen und eventuell eine Einspritzung für jeden Zylinder phasenrichtig zu steuern.

Eine umlaufende Kurbelwellenmarke 29 wirkt mit einem Sensor 30 zu­ sammen, welcher einerseits an einen Meßfenstergenerator 31 und andererseits über eine Zeitstufe 32 an einen Umschalter 33 ange­ schlossen ist. Der Umschalter 33 schaltet nach jedem Impuls zwischen zwei Klemmen 34 und 35 hin und her. Die Primärspannung Up liegt über einen Schalter 36, welcher von dem Meßfenstergenerator 31 gesteuert wird, und dem Umschalter 33 entweder über seine Ausgangs-Klemme 34 an einem ersten Signalspeicher 37 oder über seine Ausgangs-Klemme 35 an einem zweiten Signalspeicher 38 an. Ein mit den Ausgängen der Signalspeicher 37, 38 verbundener Zähler 39 steuert einen ersten Schalter 40 und einen zweiten Schalter 41. Die beiden Schalter 40 und 41 verbinden die Signalspeicher 37 und 38 über einen Komparator 42 mit einem Programmteil 43. Dieser Programmteil 43 ist über ein Frageglied 44 mit einem weiteren Frageglied 45 verbunden. Eine positive Antwort dieser Frageglieder 44 und 45 bedeutet - wie weiter unten erläutert - die Erkennung 46 eines Phasensignals für den Zylinder 1. In einer gestrichelten Umrandung 47 ist symbolhaft dar­ gestellt, daß diese Phasensignalerkennung 46 analog für alle Zylin­ der durchgeführt wird. Ein Frageglied 48 kontrolliert anschließend die Anzahl der Phasensignale. Bei mehreren Phasensignalen muß im Frageglied 50 die Plausibilität der Phasensignale zur vorgegebenen Zündfolge geprüft werden. Sind die erkannten Phasensignale plausibel zur Zündfolge, so wird dies zur Einzelfunkensteuerung an die Steuer­ logik 3 weitergegeben. Das bedeutet, daß nunmehr die Zündtran­ sistoren 20 bis 23 nur noch im Kompressionstakt der Zylinder ange­ steuert werden können und das die Einspritzung zylinderselektiv er­ folgen kann. Die "Nein"-Ausgänge der Frageglieder 44, 45, 48 und 50 führen zu dem Programmteil 49, der die Signalspeicher 37, 38 löscht und die Phasenerkennung erneut startet.

Das eben beschriebene Schaltungs- und Programmschema der Fig. 3 hat die im folgenden erläuterte Arbeitsweise. Die Kurbelwellenmarke 29 löst alle 360° einen Impuls im Sensor 30 aus. Dieser Impuls wird weitergegeben an den Meßfenstergenerator 31, der nun in Abhängigkeit von der Kurbelwellenumdrehung für jeden Zylinder drehwinkelversetzt alle 360° ein Meßfenster öffnet, d. h. der Schalter 36 wird ge­ schlossen und die Primärspannung Up liegt nun am Umschalter 33 an. Dieser Umschalter 33 schaltet nach jedem Impuls des Sensors 30 zeitverzögert, so daß der Schalter 36 dann geöffnet ist, von Klemme 34 auf 35 oder umgekehrt. Das bewirkt, daß die Signalverläufe der Primärspannung Up in einem Arbeitszylinder abwechselnd in den Signalspeichern 37 und 38 abgelegt werden. Der Kolben eines Zylin­ ders erreicht während eines Arbeitszyklus zweimal den oberen Totpunkt, nämlich zwischen Ausstoßtakt und Ansaugtakt bzw. zwischen Kompressionstakt und Arbeitstakt. D. h. in dem einen Signalspeicher werden die Signalverläufe der Primärspannung im Kompressionstakt und in dem anderen Signalspeicher die Signalverläufe im Ausstoßtakt abgelegt. Um ein sicheres Ergebnis zu garantieren, werden in den Signalspeichern eine bestimmte Anzahl n (z. B. n = 1-10) von Signal­ verläufen gespeichert. Sind beide Speicher 37 und 38 voll, so werden die Schalter 40 und 41 geschlossen und im Komparator 42 wird ein erster Vergleich durchgeführt. Hier wird entschieden, ob ein signi­ fikanter Unterschied vorliegt. Bei einer negativen Entscheidung werden im Programmteil 49 die Signalspeicher gelöscht und die Signalerkennung beginnt erneut. Konnte ein signifikanter Unterschied ermittelt werden, so wird in 43 dieser Unterschied und das Vor­ zeichen sign (Δn) nach der Formel Δn=(Up-Up+1) berechnet, d. h. es wird die Differenz und das Vorzeichen Δn zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalverläufen berechnet und zwischenge­ speichert. Jedesmal wenn in einem der Signalspeicher 37 und 38 ein neues Signal gespeichert wurde, wird in dem Programmteil 43 die Differenz n und das Vorzeichen sign (Δn) neu berechnet. Somit wird am Komparator 42 die Differenz Δn einmal zwischen dem alten Signal des Kompressionstaktes und dem neuen Signal des Ausstoßtaktes und beim nächstenmal ein Δ (n+1) zwischen dem Signal des nun folgenden Kompressionstaktes und dem bereits einmal verwendeten Signal des Ausstoßtaktes berechnet. In einer anschließenden Abfrage 44 wird kontrolliert, ob diese Differenz Δ n eine bestimmte Schwelle überschreitet, denkbar ist hierbei ein Mindestunterschied der Signalverläufe im Kompressions- beziehungsweise im Ausstoßtakt von mindestens 10%. Ist dieser Mindestunterschied vorhanden, so kann ein Phasensignal für diesen Zylinder ermittelt werden. In einer Abfrage 45 wird nun geprüft, ob das Vorzeichen von Δ n und Δ (n+1) verschieden ist. Ist dies nicht der Fall (sign Δ n - sign (Δn+1) = 0), so ist damit im Programmschritt 46 ein Phasensignal für die Kompressionstakt-Erkennung für den Zylinder 1 zu ermitteln, d. h. aus den unterschiedlichen Signalverläufen der in die Speicher 37, 38 eingelesenen Signale heraus erfolgt eine Zuordnung, ob die Zündung im Kompressionstakt oder im Ausstoßtakt erfolgte. Der beschriebene Programmablauf wird in allen Zylindern durchgeführt. Sollte bei den Fragegliedern 43, 45, 48 oder 50 eine negative Antwort vorliegen, so beginnt die Signalerkennung erneut.

Sobald im Frageglied 48 mindestens für zwei Zylinder ein Phasen­ signal auftritt, werden diese im Abfrageglied 50 auf Übereinstimmung mit der vorgegebenen Zündfolge hin geprüft. Stimmt die Phasensignal­ folge mit der Zündfolge überein, wird über die Steuerlogik 3 für jeden Zylinder das gewonnene Phasensignal beim weiteren Betrieb des Motors zur Ansteuerung der Zündendstufen für den Einzelfunkenbetrieb der Zündanlage im Kompressionstakt und zur Ansteuerung der Kraft­ stoffzufuhr für jeden Zylinder verwendet, d. h. die Zündfunken im Ausstoßtakt werden abgeschaltet.

In Fig. 4 ist der Programmablaufplan zur Erkennung des Zünd- und Explosionserkennungssignals (Zündereignisdiagnose) dargestellt, das bei korrektem Betrieb des Motors zur Ansteuerung der Zündendstufen bzw. bei Störungen an bestimmten Zylindern zur Abschaltung der Zündung und Kraftstoffzufuhr an diesen Zylindern verwendet werden kann.

Das Zündsignal Ts beginnt gemäß Fig. 2 zu einem Zeitpunkt t0. Nach einer kurzen Zeitverzögerung öffnet ein Meßfenstergenerator 51 zum Zeitpunkt t1, d. h. er schließt einen Schalter 52. Die Verzögerung ist notwendig, um das Überschwingen der Primarspannung zwischen t0 und t1 zu eliminieren. Der Schalter 52 öffnet wieder, wenn im Frage­ glied 53 festgestellt wird, daß

ist, oder falls dieser Fall nicht eintritt, nach einer Zeit Tmax (etwa 2 ms). Der Zeitpunkt, zu dem das Meßfenster geschlossen wird, ist der Zeitpunkt t4. Jedoch ist der effektive Nutzbereich des Meßfensters, wie zu Fig. 1 ausgeführt, um eine Zeitspanne T2 kürzer, um das Über­ schwingen am Funkenende zu eliminieren. Dieser Nutzbereich Tmax - T2 wird im Programmschritt 54 berechnet, wobei T2 die Zeitspanne um­ faßt, in der das Überschwingen auftritt. Nach dem Ermitteln des effektiven Meßfensterzeitabschnittes t2-t1 wird im Programmschritt 55 die mittlere primärseitige Zündspannung

während dieses Nutzbereiches berechnet. Parallel dazu werden im Schritt 56 Augenblickswerte der Spannung Up erfaßt und im Schritt 57 zwischen­ gespeichert.

Nach dem Ermitteln der mittleren Primärzündspannung Uz wird im Frageglied 58 untersucht, ob zum Zeitpunkt t4 ein Spannungssprung ΔU bezüglich der mittleren Zündspannung Uz vorliegt. Dabei sollte dieser Spannungssprung beim Auftreten eines Zündfunkens mindestens einen Wert Us1 von 5 V betragen. Solche Vergleichsspannungen Us1 bis Us5 (wie sie weiter unten noch erwähnt werden) sind von Motorzu­ standskriterien abhängige festgelegte Vergleichsspannungswerte, die in einem Speicher der Auswertelogik 2 abgelegt sind.

Konnte ein Zündfunke erkannt werden, so wird im Programmschritt 59 untersucht, ob der Zündfunke auch zu einer Gasexplosion geführt hat. Dazu werden im Frageglied 59 die Spannungswerte zu Beginn t1 und am Ende t2 des Zündfunkens verglichen. Ist die Differenz dieser beiden Spannungswerte größer als eine Vergleichsspannung Us2 (z. B. ca. 20 V), so erfolgte die Zündung in einer Verdichtung ohne Kraft­ stoffzufuhr, was bedeutet, daß im Programmschritt 60 erkannt wird, daß keine Gasexplosion erfolgte. Im anderen Fall wird im Programm­ schritt 61 ein ordnungsgemäßer Explosionsverlauf erkannt. Die In­ formation der fehlenden Gasexplosion - Programmschritt 60 - wird über eine Fehleranzeige 69 an die Steuerlogik 3 weitergegeben.

Konnte bei der Abfrage 58 kein Zündfunke erkannt werden, so wird in den Programmschritten 62, 63 und 64 nach der Fehlerursache gesucht. In der Abfrage 62 wird untersucht, ob die mittlere Zündspannung Uz kleiner als eine Vergleichsspannung Us3 (z. B. 2 V) war; sollte dies der Fall sein, so wird im Programmschritt 66 sekundärseitig eine Leitungsunterbrechung erkannt. Ist die primärseitige Zündspannung Uz dem Spannungswert zum ZeitPunkt t3 gleich (Uz = U(t3)), so handelt es sich um einen primärseitigen Kurzschluß, der im Programmschritt 67 angezeigt wird. Ein sekundärseitiger Kurzschluß liegt vor, wenn die Differenz der Zündspannung Uz und der Spannung U(t3) kleiner als ein Vergleichswert Us4 (z. B. 5 V) ist (Uz-U(t3) < Us4). Die Spannungswerte U(t1), U(t2) und U(t3), die im Speicher 57 abgelegt werden, werden im Programmschritt 56 durch Spannungsmessung zu den Zeiten t1, t2, t3 gewonnen und in der Ablauflogik bei Bedarf dem Speicher entnommen.

Die in den Programmschritten 60, 66, 67 und 68 erhaltenen Informa­ tionen über die Fehlerursache wird an die Fehleranzeige 69 weiter­ gegeben und führen in der Steuerlogik 3 zu den entsprechenden Maß­ nahmen, z. B. Abschalten des fehlerhaft arbeitenden Zylinders. Die oben erwähnten Vergleichsspannungen sind für jeden Fahrzeugtyp zu ermitteln und entsprechend in der Steuerlogik abzuspeichern. Für ein Fahrzeug wurden diese Vergleichswerte auf einem Prüfstand ermittelt, sie betragen z. B. Us1 = 10 V, Us2 = 20 V, Us3 = 2 V und Us4 = 5 V.

Diese Ablauflogik der Zündereignisdiagnose wird für alle Zylinder angewandt. Wenn in einem Zylinder ein Fehler ermittelt wurde, so wird eine Fehleranzeige betätigt und an dem entsprechenden Zylinder die Einspritzung und Zündung abgeschaltet, um einen unzulässigen Schadstoffausstoß zu vermeiden.

Bei der Erkennung eines fehlerhaften Zündsignals kann in perio­ dischen Abständen die Zündung ohne Einspritzung eingeschaltet wer­ den, um zu testen, ob die Zündung wieder funktioniert (z. B. durch Freibrennen der Zündkerze). Sollte dabei wieder ein ordnungsgemäßer Zündfunke aufgetreten sein, kann die Einspritzung wieder zuge­ schaltet werden.

Um eine sichere Signalgewinnung zu gewährleisten, kann das be­ schriebene Verfahren zu Fig. 4 auch mit anderen Verfahren und Systemen zur Zündereignisdiagnose (z. B. Laufunruheerkennung der Kurbelwelle) kombiniert werden. Dies ist insbesondere dann zweck­ mäßig, wenn die Erkennung einer fehlenden Gasexplosion nicht in allen Betriebspunkten eines Motors sicher möglich ist.

Claims (7)

1. Zündanlage eines Viertakt-Ottomotors mit ruhender Zündverteilung, bei der jedem Zylinder eine Zündkerze, eine Zündspule und eine End­ stufe einer Steuerschaltung der Zündanlage zum Einzelfunkenbetrieb zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funktionsüberwachung für jeden Zündvorgang der zeitliche Verlauf der Zündspannung (Up) primärseitig erfaßt und ausgewertet wird.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ar­ beitsbeginn des Motors durch den Vergleich zweier aufeinanderfolgen­ der Zündereignisse eines jeden Zylinders, d. h. jeweils einmal bei Zündung im Ausstoßtakt bzw. im Kompressionstakt, ein Phasensignal für die Kompressionstakt-Erkennung gewonnen wird.

3. Zündanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Zylinder das gewonnene Phasensignal beim weiteren Betrieb des Motors zur Ansteuerung seiner Endstufen für den Einzelfunkenbetrieb der Zündanlage und zur Ansteuerung der Kraftstoffzufuhr verwendet wird.

4. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Zylinder bei jedem Zündereignis ein Zünd- und Explosionserkennungs­ signal durch den Vergleich von momentan gemessenen Spannungswerten mit bei ordungsgemäßem Zünd- und Explosionsverlauf gemessenen und in einem Speicher abgelegten Spannungswerten, gewonnen wird.

5. Zündanlage nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem fehlerhaften Zünd- und Explosionserkennungssignal in der Steuerlogik der Fehler angezeigt und der betreffende Zylinder abge­ schaltet wird.

6. Zündanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschalten eines Zylinders periodisch Test-Zündfunken an den betref­ fenden Zylinder abgegeben werden und bei ordnungsgemäßem Zünder­ eignis der Zylinder wieder zugeschaltet wird.

7. Zündanlage nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funktionsüberwachung zusätzlich zur primärseitigen Erfassung und Auswertung der Zündspannung auch weitere Überwachungssysteme vorge­ sehen sind.