DE4133743A1 - Vorrichtung zum erfassen eines ionenstroms in einem brennkraftmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen eines Ionenstroms in einem Brennkraftmotor, die einen Ionenstrom, der zwischen den Elektroden einer Zündkerze während der Verbrennung eines Gemischs in einem Motorzylinder für einen ausgedehnten Zeitabschnitt beim Betrieb des Motors erzeugt wird, genau bestimmen kann.

Fig. 2 ist ein Schaltbild, das die allgemeine Anordnung einer Zündvorrichtung in einem Brennkraftmotor zeigt, der mit einer bekannten Ionenstromdetektiervorrichtung ausgerüstet ist. Die dargestellte Zündvorrichtung enthält eine Zündspule 1, die eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, die an eine computergestützte Motorsteuereinrichtung (ECU) 3 durch ein Schaltelement 2 in Form eines Leistungstransistors angeschlossen ist. Der Leistungstransistor 2 weist einen Kollektor auf, der an die Primärwicklung der Zündspule 1 angeschlossen ist, eine Basis, die an die ECU 3 angeschlossen ist, die den Zündzeitpunkt eines Motorzylinders 7 einstellt, und einen geerdeten Emitter. Die Primärwicklung der Zündspule 1 ist an eine Kathode einer Rücklaufstrom-Prüfdiode angeschlossen, deren Anode an eine Zündkerze 5 angeschlossen ist, die auf dem Motor-Zylinderkopf 7 befestigt ist, in dem ein Kolben 7a zur Auf- und Abwärtsbewegung aufgenommen ist. Die Elektroden 5a der Zündkerze 5 befinden sich in einer Brennkammer 6, die in dem Motorzylinder 7 zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs definiert ist. Ein Signalgenerator 8 fühlt den Kurbelwinkel oder die Umdrehungsstellung des Kolbens 7a oder einer damit verbundenen Kurbelwelle 18, und erzeugt ein entsprechendes Kurbelwinkelsignal in Synchronisation mit der Umdrehung der Kurbelwelle 18. Eine im allgemeinen durch die Bezugszahl 9 bezeichnete ionenstromfühlende Einrichtung ist an ihrem einen Eingangsanschluß durch eine Diode 16 an einen Knotenpunkt zwischen der Rücklaufstrom-Prüfdiode 4 und der Zündkerze 5 und an ihrem Ausgangsanschluß an die Steuereinheit 3 angeschlossen. Die ionenstromfühlende Einrichtung 9 enthält einen Signalprozessor 10, der an seinem Ausgang an den Ausgangsanschluß der Einrichtung 9 angeschlossen ist, die wiederum an die ECU 3 angeschlossen ist, und einen Vergleicher 11, der einen ersten Eingangsanschluß aufweist, der an einen Knotenpunkt A zwischen der Kathode der Diode 16 und an einen Anschluß eines ionenstromfühlenden Widerstands 15 angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß an einen negativen Anschluß einer Gleichspannungs-Energiequelle 14 angeschlossen ist, und einen zweiten Eingangsanschluß, auf den eine Bezugsspannung V1 eingeprägt ist, zum Vergleichen einer Spannung V2 über den Widerstand 15, die einem durch die Verbrennung des Gemischs in der Brennkammer 6 erzeugten Ionenstrom entspricht und dem Widerstand 15 durch die Diode 16 zugeführt wird, wie in Fig. 2 durch einen Pfeil 17 gezeigt, mit der Bezugsspannung V1. Der zweite Eingangsanschluß des Vergleichers 11 ist durch einen Widerstand 13 an einen Knotenpunkt B zwischen dem Widerstand 15 und der Gleichspannungs-Energiequelle 14 angeschlossen. Ein Widerstand 12 ist an seinem einen Anschluß an einen Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 13 und dem zweiten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 und an seinem anderen Anschluß an eine Energieversorgung angeschlossen. Wenn die an den ersten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 angelegte Spannung V2 über dem ionenstromfühlenden Widerstand 15 größer wird als die an seinem zweiten Eingangsanschluß angelegte Bezugsspannung V1, erzeugt der Vergleicher 11 ein Ausgangssignal, das dem Signalprozessor 10 zugeführt wird, der dann ein ionenstromfühlendes Signal 19 an der ECU 3 erzeugt. In diesem Zusammenhang wird die Bezugsspannung V1 folgendermaßen ausgedrückt:
V1=V0+(Vcc-V0)·R2/(R1+R2)
wobei V0 die Spannung an dem Knotenpunkt B, Vcc die Quellenspannung der an den Widerstand 12 angeschlossenen Energieversorgung, R1 der Widerstand des Widerstands 12 und R2 der Widerstand des Widerstands 13 ist.

Wenn der Leistungstransistor 2 im Betrieb durch ein Steuersignal von der ECU 3 ausgeschaltet wird, entwickelt sich eine hohe negative Spannung 20 über der Sekundärwicklung der Zündspule 1, die durch die Diode 4 der Zündkerze 5 zugeführt wird, wodurch ein Funken zwischen den Elektroden 5a der Zündkerze 5 erzeugt wird um ein Luft/Kraftstoffgemisch in der Brennkammer 6 in dem Zylinder 7 zu zünden. Nachdem die so über der Sekundärwicklung der Zündspule 1 erzeugte Hochspannung 20 negativ ist, wird sie bei dieser Gelegenheit durch die Diode 16 unterbrochen und wirkt sich nicht auf die ionenstromfühlende Vorrichtung 9 aus. Während der Verbrennung des Gemischs in der Brennkammer 6 wird ein Ionenstrom zwischen den Elektroden 5a der Zündkerze 5 erzeugt und durch die Diode 16 der ionenstromfühlenden Einheit 9 zugeführt, wie in Fig. 2 durch den Pfeil 17 gezeigt, nachdem durch die Gleichspannungs-Energiequelle 14 eine negative Vorspannung auf einen Eingangsanschluß (oder Knotenpunkt A) der Vorrichtung 9 angelegt wird. Als Folge davon entsteht über dem Widerstand 15 eine Spannung V2, die dem ersten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 zugeführt wird, wo sie mit der an dessen zweiten Eingangsanschluß angelegten Bezugsspannung V1 verglichen wird. Wenn die Spannung V2 größer wird als die Bezugsspannung V1, erzeugt der Vergleicher 11 ein Ausgangssignal, das dann dem Signalprozessor 10 zugeführt wird. Der Signalprozessor 10 verarbeitet das Ausgangssignal des Vergleichers 11 und erzeugt ein ionenstromfühlendes Signal 19 an der ECU 3. Aufgrund dieses Signals 19 sowie des Kurbelwinkelsignals des Signalgenerators 8 entscheidet die ECU 3, daß eine normale Verbrennung in dem Zylinder 7 stattgefunden hat.

Wenn sich Kohlenstoff, andere Verbrennungsprodukte und ähnliches auf den Oberflächen der Elektroden 5a der Zündkerze 5 während eines ausgedehnten Zeitabschnitts beim Betrieb des Motors abgelagert oder angesammelt haben, sind mit der bekannten ionenstromfühlenden Vorrichtung, wie oben beschrieben, die Elektroden immer einer negativen Vorspannung von der Gleichspannungs-Energiequelle 14 ausgesetzt, so daß ein begrenzter Leckstrom von dem positiven Anschluß der Gleichspannungs-Energiequelle 14 zu ihrem negativen Anschluß durch die Elektroden 5a der Zündkerze 5, die Diode 16 und den Widerstand 15 fließen kann. Als Folge davon entsteht über dem Widerstand 15 immer eine Spannung, so daß die Bedingung V2 < V1 immer eingehalten wird. Es folgt daraus, daß der Vergleicher 11 zum Erzeugen eines Ausgangssignals zu allen Zeiten falsch arbeitet, unabhängig vom Vorhandensein oder Fehlen eines Ionenstroms, und dadurch die Betriebszuverlässigkeit der ionenstromfühlenden Vorrichtung 9 beträchtlich verschlechtert. Dementsprechend zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, die oben erwähnten Probleme zu beseitigen, die in der bekannten ionenstromfühlenden Vorrichtung auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte ionenstromfühlende Vorrichtung für einen Brennkraftmotor zu schaffen, die einen zwischen den Elektroden einer Zündkerze während der Verbrennung eines Gemischs erzeugten Ionenstrom genau bestimmen kann, sogar dann, wenn die Elektroden durch Kohlenstoff und andere darauf abgelagerte und angesammelte Verbrennungsprodukte verschmiert worden sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung zum Erfassen eines Ionenstroms in einem Brennkraftmotor gelöst, der eine Zündkerze mit Elektroden aufweist, die sich in einer Brennkammer in einem Zylinder befinden. Die Vorrichtung enthält: eine Energiequelle, um eine Vorspannung an die Elektroden der Zündkerze anzulegen; eine ionenstromfühlende Einrichtung, die zwischen den Elektroden der Zündkerze und der Energiequelle angeschlossen ist, um einen Ionenstrom als Spannung zu fühlen, der zwischen den Elektroden der Zündkerze jedesmal erzeugt wird, wenn ein Gemisch in der Brennkammer verbrannt wird; eine Signalverarbeitungseinrichtung, um die Spannung, die dem durch die ionenstromfühlende Einrichtung gefühlten Ionenstrom entspricht, mit einer Bezugsspannung zu vergleichen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die dem Ionenstrom entsprechende Spannung größer ist als die Bezugsspannung; und ein zwischen der ionenstromfühlenden Einrichtung und der Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossenes Filter, um an die Signalverarbeitungseinrichtung nur Wechselkomponenten der dem Ionenstrom entsprechenden Spannung durchzulassen, während eine Gleichkomponente der durch die ionenstromfühlende Einrichtung gefühlten Spannung abgeblockt wird.

Die ionenstromfühlende Einrichtung enthält einen Widerstand, dessen einer Anschluß an die Elektroden der Zündkerze und dessen anderer Anschluß an die Energiequelle angeschlossen ist. Vorzugsweise enthält das Filter einen Kondensator, dessen einer Anschluß an einen Knotenpunkt zwischen den Elektroden der Zündkerze und dem Widerstand und dessen anderer Anschluß an die Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist, und einen Widerstand, dessen einer Anschluß mit Masse und dessen anderer Anschluß an einen Knotenpunkt zwischen dem Kondensator und der Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist.

Die oben beschriebenen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ionenstromfühlenden Vorrichtung für einen Brennkraftmotor entsprechend der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Ansicht, ähnlich wie die in Fig. 1, die aber eine bekannte ionenstromfühlende Vorrichtung zeigt.

In den Zeichnungen werden die gleichen und entsprechenden Teile durch die gleichen Symbole bezeichnet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine ionenstromfühlende Vorrichtung für einen Brennkraftmotor, die entsprechend den Grundideen der Erfindung ausgeführt ist. Die ionenstromfühlende Vorrichtung, die allgemein durch die Bezugszahl 9A bezeichnet wird, ist im wesentlichen ähnlich zu der durch die Bezugszahl 9 in Fig. 2 dargestellten, bis auf die folgenden Merkmale. Insbesondere enthält die ionenstromfühlende Vorrichtung 9A einen Signalprozessor 10, der derselbe ist, wie der aus Fig. 2, und der an seinem Ausgangsanschluß an eine Motorsteuervorrichtung 3 angeschlossen ist, und einen Vergleicher, der an seinem einen Ausgangsanschluß an einen Eingangsanschluß des Signalprozessors 10 angeschlossen ist. Der Vergleicher 11 weist einen ersten Eingangsanschluß auf, der durch ein Filter 21 an einen Knotenpunkt A angeschlossen ist, an den ein Anschluß einer ionenstromfühlenden Einrichtung 15 in Form eines Widerstands, dessen anderer Anschluß an einen negativen Anschluß einer Gleichspannungs-Energiequelle 14 angeschlossen ist, an die Elektroden 5a einer Zündkerze 5 durch eine Diode 16 angeschlossen ist, und einen zweiten Eingangsanschluß, auf den eine Bezugsspannung V1 eingeprägt ist. Der Signalprozessor 10 bildet zusammen mit dem Vergleicher 11 eine Signalverarbeitungseinrichtung, wie durch die Erfindung beansprucht. Das Filter 21 enthält einen Kondensator 22, der an seinem einen Anschluß an den Knotenpunkt A und an seinem anderen Anschluß an den ersten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 angeschlossen ist, und einen Widerstand 23, der an seinem einen Anschluß an Masse und an seinem anderen Anschluß an einen Knotenpunkt C zwischen dem Kondensator 22 und dem ersten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 angeschlossen ist. Somit läßt das Filter 21 nur hochfrequente Komponenten einer Spannung durch, die über dem Widerstand 15 an dem ersten Eingangsanschluß des Komparators 11 entsteht, während es eine Gleichkomponente und niedrigfrequente Komponenten, die in keiner Beziehung mit einem zwischen den Elektroden 5a der Zündkerze 5 während der Verbrennung eines Gemischs in einer Brennkammer 6 in einem Zylinder 7 erzeugten Ionenstrom stehen, davon abblockt oder entfernt.

Wenn der Leistungstransistor 2 durch ein Steuersignal von der ECU 3 im Betrieb ausgeschaltet wird, wird eine hohe negative Spannung 20 über der Sekundärwicklung der Zündspule 1 erzeugt und durch die Diode 4 der Zündkerze 5 zugeführt, wodurch ein Funken zwischen den Elektroden 5a der Zündkerze 5 erzeugt wird, um ein Luft/Kraftstoffgemisch in der Brennkammer 6 in dem Zylinder 7 zu zünden. Nachdem die so über der Sekundärwicklung der Zündspule 1 erzeugte Hochspannung 20 negativ ist, wird sie bei dieser Gelegenheit durch die Diode 16 unterbrochen und wirkt sich nicht auf die ionenstromfühlende Vorrichtung 9A aus. Jedesmal, wenn das Gemisch in der Brennkammer 6 verbrannt wird, wird ein Ionenstrom zwischen den Elektroden 5a der Zündkerze 5 erzeugt und der ionenstromfühlenden Vorrichtung 9A durch die Diode 16 zugeführt, sowie durch den Pfeil 17 in Fig. 1 gezeigt, weil durch die Gleichspannungs-Energiequelle 14 auf den Eingangsanschluß oder Knotenpunkt A der Vorrichtung 9A eine negative Vorspannung angelegt wird. So entsteht über dem Widerstand 15 eine hochfrequente Spannung V2, die durch das Filter 21, das den Kondensator 22 und den Widerstand 23 enthält, dem ersten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 zugeführt wird, wo sie mit der an dessen zweiten Eingangsanschluß angelegte Bezugsspannung V1 verglichen wird. Wenn die Spannung V2 größer wird als die Bezugsspannung V1, erzeugt der Vergleicher 11 ein Ausgangssignal, das dann dem Signalprozessor 10 zugeführt wird, der das Ausgangssignal des Vergleichers 11 weiterverarbeitet, und, wie in der oben erwähnten bekannten ionenstromfühlenden Vorrichtung aus Fig. 2, ein Ionenstromdetektiersignal 19 an der ECU 3 erzeugt. Aufgrund dieses Signals 19 sowie des Kurbelwinkelsignals des Signalgenerators 8 entscheidet die ECU 3, daß eine normale Verbrennung in dem Zylinder 7 stattgefunden hat.

Entsprechend der ionenstromfühlenden Vorrichtung 9A der vorliegenden Erfindung wird sogar wenn sich Kohlenstoff oder andere Verbrennungsprodukte auf den Oberflächen der Elektroden 5a der Zündkerze 5 ablagern, ermöglicht, daß ein Leck-Gleichstrom von dem positiven Anschluß der Gleichspannungs-Energiequelle 14 durch die Elektroden 5a der Zündkerze 5, die Diode 16 und den Widerstand 15 an ihren negativen Anschluß fließt, wohingegen eine Gleichspannung über dem Widerstand 15 erzeugt wird und sich die so erzeugte Gleichspannung durch den Kondensator 22 nicht auf den ersten Eingangsanschluß des Vergleichers 11 auswirkt. Als Folge davon kann die ionenstromfühlende Vorrichtung 9A der Erfindung einen Ionenstrom während eines ausgedehnten Zeitabschnitts beim Betrieb des Motors genau bestimmen, so daß die Zuverlässigkeit in der Vorrichtung erheblich verbessert wird.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Erfassen eines Ionenstroms in einem Brennkraftmotor, der eine Zündkerze (5) mit Elektroden aufweist, die sich in einer Brennkammer (6) in einem Zylinder (7) befinden, gekennzeicnet durch
eine Energiequelle (14), um eine Vorspannung an die Elektroden der Zündkerze (5) anzulegen;
eine ionenstromfühlende Einrichtung (15), die zwischen den Elektroden der Zündkerze (5) und der Energiequelle (14) angeschlossen ist, um einen Ionenstrom als eine Spannung zu fühlen, der zwischen den Elektroden der Zündkerze (5) jedesmal erzeugt wird, wenn ein Gemisch in der Brennkammer (6) verbrannt wird;
eine Signalverarbeitungseinrichtung (10, 11), um die Spannung, die dem durch die ionenstromfühlende Einrichtung (15) gefühlten Ionenstrom entspricht, mit einer Bezugsspannung (V1) zu vergleichen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die dem Ionenstrom entsprechende Spannung größer ist als die Bezugsspannung (V1); und
ein Filter (21), das zwischen der ionenstromfühlenden Einrichtung (15) und der Signalverarbeitungseinrichtung (10, 11) angeschlossen ist, um nur Wechselkomponenten der dem Ionenstrom entsprechenden Spannung an die Signalverarbeitungseinrichtung (10, 11) durchzulassen, und andererseits eine durch die ionenstromfühlende Einrichtung (15) gefühlte Gleichkomponente der Spannung, zu blockieren.

2. Vorrichtung zum Erfassen eines Ionenstroms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenstromfühlende Einrichtung (15) einen Widerstand enthält, dessen einer Anschluß an die Elektroden der Zündkerze (5) angeschlossen ist und dessen anderer Anschluß an die Energiequelle (14) angeschlossen ist, und ein Filter (21), das einen Kondensator (22) enthält, dessen einer Anschluß an einen Knotenpunkt (A) zwischen den Elektroden der Zündkerze (5) und dem Widerstand angeschlossen ist und dessen anderer Anschluß an die Signalverarbeitungseinrichtung (10, 11) angeschlossen ist, und einen Widerstand (23), dessen einer Anschluß an Masse angeschlossen ist und dessen anderer Anschluß an einen Knotenpunkt (C) zwischen dem Kondensator (22) und der Signalverarbeitungseinrichtung (10, 11) angeschlossen ist.