DE69615698T2 - Methode zur zündsteuerung in verbrennungsmotoren - Google Patents

Methode zur zündsteuerung in verbrennungsmotoren

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Zünd- und Ionisationsstrommessungen in einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff in Anspruch 1.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es ist bekannt, Ionenstromsensoren zu verwenden, um den Verbrennungsprozeß in Verbrennungsmotoren zu überwachen. Dieser Typ der Überwachungstechnik ist in Otto-Motoren unter Verwendung der bestehenden Zündkerze als Sensor ausgeführt worden. Wie in der EP-A-0 188 180 offenbart ist, ist eine Ionenstromerfassungsschaltung in der Masseverbindung der Primärwicklung der Zündspule unter Verwendung des Zündkerzenspaltes als dem Sensorelement angeordnet.
  • Bei dem oben erwähnten Ionenerfassungssystem wird die Zündkerze sowohl als ein Aktuator als auch als ein Sensor verwendet. Die Aktuatorfunktion wird bei Erzeugung des Funkens eingeleitet, und die Sensorfunktion wird kurz danach eingeleitet. Diese beiden Funktionen können nicht gleichzeitig eingeleitet werden, da sich die Zündfunkenentladung mit Ionisationsstrommessungen innerhalb des Brennraumes überlagert.
  • Es ist bekannt, zusätzliche in der Zündkerze integrierte Meßspalte zu verwenden. Wie in der U.S.-A-5,180,983 und JP-A-57202078 offenbart ist, ist die Zündkerze neben dem herkömmlichen Zündfunkenspalt mit einem zusätzlichen Meßspalt ausgerüstet. Dieser Typ einer Zündkerze ist in der Lage, den Ionisationsstrom ohne nachteilige Rauschwirkungen zu detektieren, die bei der Zündung erzeugt werden. Jedoch ist dieser Typ einer Zündkerze ziemlich teuer. Die Zündkerze ist ein wegwerfbarer Verbrauchsartikel, was die Betriebskosten erhöht.
  • Es ist ein anderes Konzept mit zusätzlichen Meßspalten bekannt, die mit einem Abstand von der Zündkerze angeordnet sind. Wie in der U.S.A 5,036,669; U.S.A 4,665,737; U.S.A 4,377,140; U.S.A 4,304,203; U.S.A 4,308,519 und DE-A 38 33 465 offenbart ist, kann ein zusätzlicher Meßspalt oder eine Anzahl von Meßspalten mit einem Abstand von der Zündkerze angeordnet sein. Diese Systemtypen erfordern zumindest ein zusätzliches Sensorelement, entweder eine zusätzliche Zündkerze, die nur als ein Sensor verwendet wird, oder zusätzliche Meßspalte, die in den Zylinderkopfdichtungen oder anderen Motorteilen integriert sind.
  • Es entsteht ein Konflikt, wenn bei hochverdünnten Luft-Kraftstoff- Mischungen beispielsweise bei hohen EGR-Verhältnissen und/oder einer Steuerung für arme Verbrennung bei Lambdawerten im Bereich von λ = 1.2-1.4 oder darüber der Zündkerzenspalt einer herkömmlichen Zündkerze als ein gemeinsamer Aktuator und Sensor verwendet wird. Um eine stabile Verbrennung bei hohen Verdünnungsverhältnissen beibehalten zu können, ist mehr Zündenergie erforderlich. Ein Konzept, das verwendet, wird, ist der sogenannte konfigurierbare Zündfunke mit einer konfigurierbaren Funkendauer. Eine Funkendauer von bis zu 3 ms ist nützlich für eine stabile Verbrennung bei hochverdünnten Luft-Kraftstoff- Verhältnissen. Jedoch sollte infolge der aufeinanderfolgend ablaufenden Beschaffenheit der Funktion zwischen der Aktuatorphase und der Erfassungsphase die Funkendauer auf nicht mehr als 0,5 ms bei hoher Motordrehzahl begrenzt sein. Die Funkenphase muß richtig abgeschwächt worden sein, bevor Ionenstrommessungen durchgeführt werden können. Eine Zündspule mit einer niedrigen Impedanz ist bevorzugt, bei der das Nachschwingen der Spule von kurzer Dauer ist und sich nicht den Ionenstrommessungen überlagert.
  • Die Funkendauergrenze für einen Motor, bei dem ein Klopfzustand durch Ionenstrommessungen an dem Zündkerzenspalt detektiert werden, könnte wie folgt sein. Wenn der Motor bei 6000 U/min mit einer Zündzeitpunktverstellung bei 20 Kurbelwellengrad (= CD) vor dem oberen Totpunkt (= TDC) arbeitet, und wobei eine Klopfverbrennung typischerweise bei 17- 20 CD nach dem TDC beginnt, dann sollte die Funkenphase eine Dauer von kürzer als 1,12 ms aufweisen. Bei niedrigeren Motordrehzahlen ist unter der Annahme derselben Bedingungen bezüglich Zündzeitpunktverstellung und Auftreten einer Klopfverbrennung eine sukzessiv längere Funkendauer zulässig. Bei 3000 U/min ist eine Funkendauer von bis zu 2,24 ms zulässig.
  • Während einiger Betriebszustände kann der Klopfzustand während einer langen Periode oder einem großen Kurbelwinkel von 17 CD bis zu 50 CD auftreten. In diesen Fällen kann die Lichtbogendauer weiter verlängert werden. Ein Betrieb des Motors bei hochverdünnten Luft-Kraftstoff- Verhältnissen ist erforderlich, um zukünftige Anforderungen an niedrige Emissionsniveaus und niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erfüllen.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung für Verbrennungsmotoren mit zumindest zwei Zündkerzen pro Brennraum besteht darin, die Möglichkeit zum Erhalten von Ionisationsmessungen über zumindest einen Zündkerzenspalt gleichzeitig damit zu kombinieren, daß aus Gründen einer stabilen Verbrennung bei hohen Verdünnungsverhältnissen des Luft-Kraftstoffgemisches ausreichend Zündenergie geliefert werden kann.
  • Eine andere Aufgabe für Verbrennungsmotoren mit zumindest zwei Zündkerzen pro Brennraum besteht darin, eine längere Funkendauer an beiden Zündkerzen bei kritischen Betriebsbedingungen mit hohen EGR-Raten zu ermöglichen, wobei der EGR-Modus nur bei bestimmten Teilen des Betriebsbereiches des Motors und insbesondere bei Teillastbereichen und Bereichen von niedriger zu mittlerer Drehzahl eingeleitet wird. EGR wird oftmals bei sogenannter konstanter Straßenlast während eines sogenannten Festzustandsbetriebs (konstanten Betriebs) eingeleitet, wenn die Last auf den Motor kleiner als 50% ist. Ein konstanter Betrieb entspricht einem Betriebsfall, wenn ein von dem Motor angetriebenes Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit mit einer Highwaygeschwindigkeitsgrenze von etwa 90 km/h und auf einer im wesentlichen horizontalen Straße fährt, wenn der Motor keinen wechselnden Last- oder Geschwindigkeitsbedingungen unterworfen ist.
  • Eine noch weitere Aufgabe besteht darin, richtige Messungen der Ionensignaleigenschaften an dem sehr frühen Teil der Ionenstrombahn für eine andere verbrennungsbezogene Rückkopplung während eines breiteren Betriebsbereiches des Motors zu ermöglichen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich durch den kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 1 gekennzeichnet. Durch Verwendung einer anderen und kürzeren Funkendauer an der Zündkerze, die als ein Sensor wirkt, kann eine Einleitung einer Zündung an mehreren Stellen in dem Brennraum bei einem breiten Betriebsbereich des Motors erhalten werden. Dies steigert eine erfolgreiche Einleitung der Verbrennung insbesondere bei hochverdünnten Luft-Kraftstoff-Mischungen, bei denen inhomogene Mischungen eine unterschiedliche Fähigkeit zum Zünden an verschiedenen Stellen in dem Brennraum zur Folge haben könnten.
  • Andere unterscheidende Merkmale der Erfindung werden aus dem kennzeichnenden Teil der anderen Ansprüche und der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung offensichtlich, in welcher:
  • Fig. 1 ein Diagramm zeigt, das veranschaulicht, wann eine Detektion von Ionisationsstrom für verschiedene Dauern des Zündfunken in Abhängigkeit von Zündfrühverstellung und Motordrehzahl gemacht werden könnte,
  • Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das die Sekundärspannung und den Ionenstrom als Funktion von Kurbelwellengrad zeigt,
  • Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines Zündsystems zeigt, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
  • Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Zündsystems zeigt, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.
  • BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die Zündspule ist für eine Funkendauer ausgebildet, die als notwendig erachtet wird, um den Motor bei hohen Verdünnungsverhältnissen mit einer stabilen Verbrennung zu betreiben. Typische Werte liegen zwischen 0,8 bis 3 ms abhängig von dem Brennraum, dem Einlaßsystem und der Zündkerzenkonstruktion. Diese Dauer überlagert sich nicht mit dem Ionenerfassungsprozeß bei niedriger Drehzahl und/oder großer Zündfrühverstellung der Zündzeitpunktverstellung.
  • Eine große Zündzeitpunktverstellung wird oftmals bei hohen Abgasrückführraten (EGR-Raten) eingeleitet. Das EGR wird dazu verwendet, Emissionsniveaus insbesondere von NOx wie auch den Kraftstoffverbrauch zu verringern und wird mit externer oder interner Rückführung ausgeführt. Es sei angemerkt, daß mit erhöhten EGR-Raten die Gefahr des Klopfens des Motors verringert ist.
  • Abhängig von der Funkendauer und der Verbrennungsrate der Verbrennung innerhalb des Brennraumes kann eine Schwelle abhängig von zumindest der Motordrehzahl bestimmt werden, wobei oberhalb dieser Schwelle der Ionenerfassungsprozeß wichtige Informationen von dem Ionenstromsignal verlieren könnte.
  • Fig. 1 zeigt ein Diagramm, das veranschaulicht, wann eine korrekte Detektion eines Klopfzustandes unter Verwendung des Ionisationsstromes für verschiedene Dauern des Zündfunken (tSPARK) in Abhängigkeit von der Zündfrühverstellung (αION) und der Motordrehzahl (n) durchgeführt werden kann. Wenn die Zündspule oder Steuerung eines konfigurierbaren Funkens eine Funkendauer von 2 ms zur Folge hat, dann beträgt die maximale Motordrehzahl, die zulässig ist, n&sub1;, wenn eine Zündfrühverstellung von α&sub1; vorhanden ist. Wenn ein Zündfrühverstellung von α&sub2; vorhanden ist und tSPARK = 2 ms ist, dann ist die maximal zulässige Motordrehzahl auf n&sub2; gesetzt.
  • Wenn die Zündspule oder Steuerung eines konfigurierbaren Funkens stattdessen eine Funkendauer von 1 ms zur Folge hat, dann erhöht sich die maximale zulässige Motordrehzahl auf n&sub1;&sub0;, wenn eine Zündfrühverstellung von α&sub1; vorhanden ist. Wenn eine Zündfrühverstellung von α&sub2; vorhanden ist und tSPARK = 1 ms ist, dann wird die maximale zulässige Motordrehzahl auf n&sub2;&sub0; gesetzt.
  • Die Betriebsgrenzen für jede Funkendauer tSPARK können für jeden Typ einer Motorkonstruktion unter Verwendung der folgenden Gleichung hergestellt werden:
  • αION = n * 360 * tSPARK - βION,
  • wobei
  • αION die minimale Zündfrühverstellung im Kurbelwellengrad vor dem oberen Totpunkt ist,
  • n die Motordrehzahl gemessen in Umdrehungen in Sekunden ist,
  • tSPARK die Funkendauer einschließlich des Nachschwingens der Spule. (d. h. der Abschwächungszeit) gemessen in Sekunden ist, und
  • βION die Kurbelwellenstellung ist, wenn die Ionisationsstromdetektion eingeleitet wird.
  • In Fig. 2 ist ein typisches Ionenstromsignal UION schematisch gezeigt, das mit einer Meßanordnung erhalten wird, die später detailliert beschrieben und in Fig. 3 gezeigt ist. Der Signalpegel UION gemessen in Volt ist an der Y-Achse gezeigt und das Ausgangssignal kann in dem Bereich von 0-2,5 Volt liegen. Die X-Achse ist im Kurbelwellengrad (CD) gezeigt, wobei 0º die Stellung des oberen Totpunkts angibt, wenn der Kolben seine oberste Stellung einnimmt.
  • Die Stellung SP, die hauptsächlich abhängig von der Motorlast und der Drehzahl ist, ist eine Stellung vor dem oberen Totpunkt, um den Spitzenverbrennungsdruck vorzugsweise 12-20 Kurbelwellengrad nach dem oberen Totpunkt anzuordnen. USEC.VOLT zeigt die Zündspannung gemessen an dem Zündkerzenspalt. Es sei angemerkt, daß die Spannungspegel von USEC.VOLT und UION nicht proportional zueinander sind, und sie sind in Fig. 2 nur gezeigt, um die zeitliche Abfolge des Auftretens zu zeigen, d. h. Kurbelwellengrad CD. Die Durchschlagspannung, die erforderlich ist, um den Funken zu bilden, die erste negative Spitze nach SP, liegt in der Größenordnung von einigen zehn kV, und nach der Durchschlagphase wird eine Zündspannung in der Größenordnung von 500-2000 Volt während der Glühphase beibehalten, in der die Systeme die verbleibende elektrische Energie, die in der Zündspule gespeichert ist, durch den Zündkerzenspalt in das Luft-Kraftstoffgemisch austragen. Zwischen der Durchschlagphase und der Glühphase ist auch eine Lichtbogenphase mit kurzer Dauer (nicht gezeigt) vorhanden, wobei während der Lichtbogenphase eine niedrigere Spannung entwickelt wird.
  • Der Funke wird während dieser Phasen gebildet und beibehalten, die mit SPARK DURATION in Fig. 2 bezeichnet ist. Wenn der Funke beendet ist, folgt eine Abschwächungsphase, die mit ATT.TIME in Fig. 2 gezeigt ist, bei der die Zündspule ihr Nachschwingen beginnt. Die Länge dieser Abschwächungsphase und die Frequenz des Nachschwingens der Spule ist abhängig von der Zündspulenkonstruktion.
  • Ein Nachschwingen der Spule tritt auf, wenn die verbleibende Energie der Spule unzureichend ist, um den Funken beizubehalten. Wenn der Funke ausgeht, d. h. wenn der Strom in der Sekundärwicklung unterbrochen wird, dann tritt eine induzierte Spannung in der Primärwicklung auf. Dieser Prozeß beginnt einen oszillierenden Prozeß zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, der endet, wenn die Restenergie in der Spule vollständig abgegeben ist.
  • Die Sammlung gemessener Werte wird vorzugsweise von einem Motorsteuermodul ECM in Fig. 3 derart gesteuert, daß das ECM den Signaleingang D1, D2, D3 oder D4 nur bei bestimmten Motorstellungen oder zu bestimmten Zeitpunkten abliest, d. h. in definierten Meßfenstern. Diese Meßfenster werden vorzugsweise abhängig von der Zündzeitpunktverstellung SP aktiviert, damit diese Meßfenster eine ausreichend lange Zeit geöffnet sein können, nachdem die Funkenentladung richtig abgeschwächt ist. Nach der Zünderzeugungsphase wird die Flammenionisierungsphase eingeleitet, wie in Fig. 2 mit FLAME ION bezeichnet ist, während der die Meßspannung durch die Bildung eines Verbrennungskernes der Luft- Kraftstoff-Mischung in oder in der Nähe des Zündkerzenspaltes beeinflußt wird.
  • Nach der Flammenionisationsphase wird die Nachionisationsphase eingeleitet, wie in Fig. 2 mit POST ION gezeigt ist, während der die Meßspannung durch die Verbrennung innerhalb des Brennraumes beeinflußt wird, wobei die Verbrennung einen Anstieg der Anzahl ionisierender Partikel bei ansteigender Temperatur und ansteigendem Verbrennungsdruck erzeugt. Das typische Verhalten ist, daß ein maximaler Wert, der in Fig. 2 als PP bezeichnet ist, während POST ION erreicht wird, wenn der Verbrennungsdruck seinen maximalen Wert erreicht hat und die Flammenfront die Wände des Brennraumes erreicht hat, was einen Druckanstieg zur Folge hat. Ein Klopfzustand kann nach PP an der negativen Steigung der Ionisationskurve auftreten und in einem Brennraum von 0,5 Litern eine überlagerte Frequenz im Bereich von 7 kHz zur Folge haben. Ein Klopfzustand ist durch den gestrichelten Teil von UION in Fig. 2 an der negativen Steigung nach PP gezeigt.
  • Um einen Klopfzustand oder ändere frühe verbrennungsbezogene Kurveneigenschaften zu detektieren, ist es wichtig, daß der Zündfunke richtig abgeschwächt ist. Das Nachschwingen der Spule sollte sich nicht mit dem Meßfenster zur Klopfdetektion überlagern. Dies ist insbesondere kritisch, wenn das Nachschwingen der Spule dieselbe Frequenz wie die Klopffrequenz hat.
  • Erste Ausführungsform
  • in Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform gezeigt, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. Der gezeigte Motor 1 ist eine Vierzylindermaschine mit Brennräumen 40, 41, 42 und 43. Jeder Brennraum weist zwei Zündkerzen 2/6, 3/7, 4/8 und 5/9 auf. Eine Zündkerze 2-5 ist in jedem Brennraum mit einem Ende einer doppelendigen Zündspule 10, 11 vom sogenannten Waste-Spark-Typ verbunden. Die doppelendige Zündspule ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Sekundärwicklung 16, 17 mit einer Zündkerze verbunden ist und das andere Ende mit einer anderen Zündkerze verbunden ist, die vorzugsweise in einem anderen Brennraum angeordnet ist. Dies hat zur Folge, daß die Zündspannungen in den Zündkerzenspalten, die mit gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung verbunden sind, umgekehrte Polaritäten aufweisen. Beide Funken werden im wesentlichen gleichzeitig erzeugt. In einem Vierzylindermotor führt dies dazu, daß ein Funke an dem Zündzeitpunktverstellungsereignis (SP) erzeugt wird, während der andere Funke zu einem Zeitpunkt in dem Betriebszyklus erzeugt wird, bei dem er nicht erforderlich ist, um eine Luft-Kraftstoff-Mischung zu zünden, und dies ist auch der Grund, warum dieses System als Waste-Spark-Typ bezeichnet ist.
  • Die Funkenerzeugung wird auf eine herkömmliche Art und Weise durch einen Schalter 12, 13, der durch das Motorsteuermodul ECM betrieben wird, abhängig von gegenwärtigen Betriebsparametern gesteuert, die durch zumindest einen Motordrehzahlsensor 30, einen Motortemperatursensor 31 und einen Motorlastsensor 32 detektiert werden. Das ECM steuert den leitfähigen Zustand der Schalter 12 und 13 über Steuersignale D bzw. C. Eine andere Zündkerze in jedem Brennraum ist mit einem Ionenerfassungszündmodul 20a, 20b, 20c und 20d verbunden.
  • Die Zündspannung in dem Ionenerfassungsmodul 20a, 20b, 20c oder 20d wird in einer Zündspule 22 mit einer Primärwicklung 23 und einer Sekundärwicklung 24 erzeugt. Ein Ende der Primärwicklung 23 ist mit einer Spannungsquelle +, vorzugsweise von einer Batterie (nicht gezeigt) verbunden, und das andere Ende ist über einen elektrisch gesteuerten Schalter 21 mit Masse verbunden.
  • Ein Strom beginnt durch die Primärwicklung 23 zu fließen, wenn das Steuersignal B1 von dem ECM den Schalter 21 in einen leitfähigen Zustand aktiviert. Wenn der Strom durch die Primärwicklung 23 unterbrochen wird, wird eine spannungserhöhende Transformation der Zündspannung in der Sekundärwicklung 24 der Zündspule 22 auf eine herkömmliche Art und Weise erhalten, und ein Zündfunke wird in dem Spalt der Zündkerze 9 erzeugt.
  • Ein Start und Stop des Stromflusses, eine sogenannte Aufladezeitsteuemng, wird abhängig von den gegenwärtigen Parametern des Motors und gemäß einem vorher abgespeicherten Zündplan in dem Speicher MEM des ECM gesteuert. Eine Aufladezeitsteuerung stellt sicher, daß der Primärstrom das erforderliche Niveau erreicht, und daß der Zündfunke an der Zündzeitpunktverstellung erzeugt wird, die für den vorliegenden Lastfall erforderlich ist.
  • Ein Ende der Sekundärwicklung 24 ist mit der Zündkerze 9 verbunden, und das andere Ende, das mit Masse verbunden ist, umfaßt eine Detektorschaltung, die den Ionisationsgrad innerhalb des Brennraumes detektiert. Die Detektorschaltung umfaßt einen Spannungsakkumulator hier in der Form eine aufladbaren Kondensators K, wobei dieser den Zündkerzenspalt der Zündkerze mit einer im wesentlichen konstanten Meßspannung unter Vorspannung setzt. Der Kondensator ist gleich der in der EP-A 0188180 gezeigten Ausführungsform, bei der der Spannungsakkumulator eine spannungserhöhend transformierte Spannung von der Ladeschaltung eines kapazitiven Typs eines Zündsystems ist. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird der Kondensator K, wenn der Zündimpuls erzeugt wird, auf einen Spannungspegel geladen, der durch die Durchschlagspannung der Zenerdiode Ze gegeben ist. Diese Durchschlagspannung könnte in dem Intervall zwischen 80-400 Volt liegen. Wenn die spannungserhöhte Zündspannung von etwa 30-40 kV in der Sekundärwicklung erzeugt wird, öffnet die Zenerdiode Ze, was sicherstellt, daß der Kondensator K auf keinen höheren Spannungspegel als die Durchschlagspannung der Zenerdiode Ze geladen wird. Parallel zu dem Meßwiderstand Rm ist eine Schutzdiode Zd mit umgekehrter Polarität geschaltet, die auf entsprechende Art und Weise gegenüber Spannungen umgekehrter Polarität schützt. Der Strom in der Schaltung 9-24-K/K-Rm-Masse kann an dem Meßwiderstand Rm detektiert werden, wobei der Strom von der Leitfähigkeit der Verbrennungsgase in dem Brennraum abhängig ist. Die Leitfähigkeit ist ihrerseits von dem Ionisationsgrad innerhalb des Brennraums abhängig.
  • Durch Messung des Widerstandes Rm, der im Bereich der Masse verbunden ist, ist nur eine Verbindung zu dem Meßpunkt M erforderlich, um das Ionisationssignal D1 zu erhalten. Das Ionisationssignal D1 ist charakteristisch für den Ionisationsgrad innerhalb des Brennraumes. Durch Analyse des Stromes, alternativ der Spannung, durch den Meßwiderstand Rm könnte unter anderem ein Klopfzustand oder eine Frühzündung detektiert werden. Wie in der U.S.-A 4,535,740 erwähnt ist, kann auch während bestimmter Betriebsfälle das gegenwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis dadurch detektiert werden, daß gemessen wird, wie lange sich der Ionisationsstrom oberhalb eines bestimmten Niveaus befindet.
  • Es ist nur ein Ionenerfassungszündmodul 20a detailliert gezeigt, und die anderen Ionenerfassungsmodule 20b, 20c und 20d sind identisch mit dem in 20a gezeigten Ionenerfassungsmodul. Diese anderen Ionenerfassungsmodule werden auf eine ähnliche Art und Weise mit individuellen Steuersignalen B2, B3 und B4 von dem ECM gesteuert, und es werden Ionisationssignale D2, D3 und D4 von jedem Brennraum erhalten.
  • Betrieb der ersten Ausführungsform, erster Betriebsmodus
  • Bei der gezeigten ersten Ausführungsform für den ersten Betriebsmodus sind die doppelendigen Spulen zur Lieferung der höchstmöglichen Zündenergie konstruiert und optimiert. Die Zünddauer, die von den doppelendigen Spulen 10, 11 erhalten wird, kann während des gesamten Betriebsbereiches des Motors vorzugsweise 1-3 ms betragen. Die Zünddauer, die von den Ionenerfassungsmodulen 20a-20d erhalten wird, kann vorzugsweise kleiner als 1,5 ms sein.
  • Das System, das bei der ersten Ausführungsform in dem ersten Betriebsmodus gezeigt ist, ist für eine nicht konfigurierbare Funkendauer konstruiert, bei der jede doppelendige Spule für den schlechtesten Betriebsfall konstruiert ist, d. h. für hochverdünnte Luft-Kraftstoff-Mischungen, während der Funke, der von den Ionenerfassungsmodulen erzeugt wird, derart ausgebildet ist, daß er sich mit dem Klopffenster während des gesamten Betriebsbereiches des Motors und insbesondere ins dem oberen Motordrehzahlbereich nicht überlagert. Das wesentliche Merkmal ist, daß die Funkendauer des Zündfunkens, der von den Ionenerfassungsmodulen erhalten wird, kleiner als 50% der Funkendauer des anderen Funkens ist, der von den doppelendigen Spulen erhalten wird.
  • Betrieb der ersten Ausführungsform, zweiter Betriebsmodus
  • Bei der gezeigten ersten Ausführungsform für den zweiten Betriebsmodus sind die doppelendigen Spulen zur Lieferung eines konfigurierbaren Funkens ausgebildet. Die von den doppelendigen Spulen 10, 11 erhaltene Funkendauer kann vorzugsweise während des gesamten Betriebsbereiches des Motors im Bereich von 0,5-3,0 ms konfigurierbar sein. Die von den Ionenerfassungsmodulen 20a-20d erhaltene Funkendauer kann vorzugsweise im wesentlichen konstant und kleiner als 1,5 ms sein.
  • Durch diese Betriebsweise kann zumindest eine Zündkerze stets die Menge an Zündenergie liefern, die für einen zuverlässigen Beginn einer Verbrennung, d. h. während hochverdünnte Luft-Kraftstoff-Mischungen erforderlich ist. Die Zündkerze, die als ein Ionisationssensor wirkt, unterstützt eine Lieferung von Zündenergie aber nur in dem Ausmaß, damit keine Überlagerung mit Ionisationsstrommessungen erfolgt.
  • Betrieb der ersten Ausführungsform, dritter Betriebsmodus
  • Bei der gezeigten ersten Ausführungsform für den dritten Betriebsmodus sind die doppelendigen Spulen für eine Lieferung einer höchstmöglichen Zündenergie konstruiert und optimiert. Die von den doppelendigen Spulen 10, 11 erhaltene Funkendauer kann während des gesamten Betriebsbereiches des Motors vorzugsweise in der Größenordnung von 1-2 ms liegen. Die von den Ionenerfassungsmodulen 20a-20d erhaltene Funkendauer kann vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 ms während eines Einzelfunkenbetriebes liegen, d. h. wenn beispielsweise der Schalter 21 nur einmal pro Arbeitszyklus zwischen einem leitfähigen und einem nicht leitfähigen Zustand geschaltet wird.
  • Jedes Ionenerfassungsmodul, das eine der Zündkerzen 6-9 in einem Brennraum 20a-20d bedient, ist für eine konfigurierbaren Funkenbetrieb modifiziert.
  • Ein konfigurierbarer Funke kann durch Modifikation des Ionenerfassungsmoduls auf dieselbe Art und Weise erhalten werden, wie in der SE-A 9600460-1 beschrieben ist, die durch Verwendung einer variablen Zenerspannung Ze mit höherer Durchbruchspannung in der Größenordnung von 1-2 kV während der Funkenphase einen fortwährenden Funken mit einer AC-Charakteristik durch wiederholtes Schalten des Schalters 21 zwischen einem leitfähigen und einem nicht leitfähigen Zustand erhält. Ein konfigurierbarer Funke kann alternativ dazu durch Modifikation des Ionenerfassungsmoduls auf dieselbe Art und Weise erhalten werden, wie in der SE-A-9403463-4 gezeigt ist.
  • Die Ionenerfassungsmodule 20a-20d mit konfigurierbarem Funken können dann so, daß die Funkendauer 2 ms beträgt, von dem Ionenerfassungsmodul, das einen Brennraum bedient, in dem Betriebsbereich betrieben werden, der in Fig. 1 auf der linken Seite der Betriebsgrenze definiert ist, die durch tSPARK = 2,0 ms gezeigt ist. Das Ionenerfassungsmodul für aufeinanderfolgend höhere Motordrehzahlen wird derart betrieben, daß die Funkendauer mit zumindest einem Anstieg der Motordrehzahl aber vorzugsweise auch mit einer Verringerung der Zündfrühverstellung αION abnimmt. Für den Betriebsbereich zwischen der Betriebsgrenze, die durch tSPARK = 2,0 ms angegeben ist, und der Betriebsgrenze, die durch tSPARK = 1,5 ms angegeben ist, kann eine konstante Funkendauer von 1,5 ms oder alternativ dazu eine proportionale Verringerung der Funkendauer bei Annäherung an die Grenze von tSPARK = 1,5 ms erhalten werden.
  • Die Betriebsgrenzen werden alle in dem Speicher des ECM gespeichert und abhängig von zumindest der gegenwärtigen Motordrehzahl n gesteuert, die von dem Motordrehzahlsensor 30 detektiert wird.
  • Zweite Ausführungsform
  • In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden kann. In Fig. 4 ist eine Vierzylindermaschine 1 mit Brennräumen 40, 41, 42 und 43 gezeigt, deren Module und Einzelheiten identisch mit denjenigen sind, die in Fig. 3 gezeigt sind, und denen dieselben Bezugszeichen gegeben sind. Die in Fig. 3 gezeigten doppelendigen Spulen sind bei dieser Ausführungsform durch Ionenerfassungmodule 20e, 20f, 20g und 20h ersetzt, die alle identisch mit dem Ionenerfassungsmodul 20a sind, das detailliert in Fig. 3 gezeigt ist.
  • Diese ersetzenden Ionenerfassungsmodule 20e, 20f, 20g und 20h werden auf dieselbe Art und Weise mit individuellen Steuersignalen b1, b2, b3 und b4 von dem ECM gesteuert, und es werden Ionisationssignale d1, d2, d3 und d4 von jedem Brennraum erhalten.
  • Betrieb der zweiten Ausführungsform, erster Betriebsmodus
  • Bei der zweiten gezeigten Ausführungsform für den ersten Betriebsmodus derselben ist jedes Ionenerfassungsmodul zur Lieferung eines Zündfunken mit kurzer Dauer vorzugsweise mit einer Zündspule mit niedriger Impedanz konstruiert. Die Funkendauer, die von einem Einzelfunkenmodus erhalten wird, kann vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 ms oder niedriger liegen. Jedes Modul 20a-20h oder nur diejenigen Module, die eine der Zündkerzen in einem Brennraum 20a-20d oder 20e-20h bedienen, kann für einen konfigurierbaren Funkenbetrieb modifiziert werden.
  • Ein konfigurierbarer Funke kann wie in dem oben beschriebenen Abschnitt "Betrieb der ersten Ausführungsform, zweiter Betriebsmodus" erhalten werden.
  • Die Ionenerfassungsmodule mit konfigurierbarem Funken können dann derart betrieben werden, daß die Funkendauer innerhalb der Betriebsbereiche, die in Fig. 1 definiert und in dem Abschnitt "Betrieb der ersten Ausführungsform, zweiter Betriebsmodus" oben beschrieben sind, gesteuert wird.
  • Betrieb der zweiten Ausführungsform, zweiter Betriebsmodus
  • Bei der zweiten gezeigten Ausführungsform für den zweiten Betriebsmodus ist jedes Ionenerfassungmodul zur Lieferung eines Zündfunkens mit einer relativ langen Dauer im Bereich zwischen 0,5-1,5 ms bei Betrieb im Einzelfunkenmodus konstruiert. Um eine Überlagerung mit dem Klopffenster in den oberen Motordrehzahlbereichen zu vermeiden, sollte das Ionenerfassungsmodul, das als eine Sensorschaltung arbeitet, als eine Funkenerzeugseinrichtung deaktiviert sein. Wenn eine Detektionsschaltung, wie in dem Ionenerfassungsmodul 20a in Fig. 3 gezeigt, verwendet wird, muß ein sequentielles Schalten zwischen deaktivierten Ionenerfassungsmodulen, die ein und denselben Brennraum bedienen, durch die ECM implementiert sein.
  • Beispielsweise muß, wenn das Ionenerfassungsmodul 20a bei der ersten Verbrennung in dem Brennraum 43 deaktiviert ist, dann das Ionenerfassungsmodul 20e, das der anderen Zündkerze in denselben Brennraum dient, für das zweite Verbrennungsereignis in diesem Brennraum deaktiviert sein. Eine Deaktivierung wird somit anschließend zwischen den Ionenerfassungsmodulen, die den fraglichen Brennraum bedienen, und zwischen jedem Verbrennungsereignis in diesem Brennraum verschoben. Dies ist erforderlich, um den Kondensator K durch den erzeugten Zündimpuls wieder aufzuladen. Wenn die Ladespannung des Kondensators K nicht beibehalten wird, dann kann infolge eines Mangels an ausreichender Vorspannung an dem Zündkerzenspalt kein Ionisationsstrom detektiert werden.
  • Weitere Modifikationen
  • Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen begrenzt. Die Zündspulen oder das Zündsystem, das einer Zündkerze dient, die nicht als Sensor verwendet wird, kann auf zahlreichen Wegen implementiert sein. Die doppelendigen Spulen 10, 11, die in Fig. 3 gezeigt sind, könnten durch eine einzelne Zündspule und eine herkömmliche Verteileranordnung ersetzt werden.
  • Wenn nur eine Zündkerze in jedem Brennraum als ein Sensor in dem System, wie in Fig. 4 gezeigt ist, verwendet wird, dann könnte die gesamte Detektionsschaltung K/Rm/Ze/Zd in den Zündmodulen, die nicht als Ionenerfassungsmodule dienen, weggelassen werden.
  • Wenn das Ionenerfassungsmodul bei den oberen Drehzahlbereichen vollständig deaktiviert wird und nur als ein stiller Fühler oder Sensor wirkt, und eine Detektionsschaltung, wie in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet wird, dann könnte eine Wiederaufladung des Kondensators K durch eine externe Quelle oder von der Zündspannung von der anderen Zündspule erhalten werden, die die Zündkerze bedient, die als ein Aktuator wirkt. Eine Lieferung von der anderen Spule würde durch eine Zenerdiodenanordnung realisiert, die den Sekundärteil der funkenerzeugenden Spule mit dem Kondensator verbindet. Der Kondensator K in der Detektionsschaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist, muß zwischen aufeinanderfolgenden Zündungen infolge seiner vollständigen oder zumindest teilweisen Entladung während der Ionisationsstrommessungen wieder aufgeladen werden.
  • In dem Einzelfunkenmodus, wenn eine Zündkerze als ein stiller Fühler verwendet wird, kann eine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von der Zündquelle zu der zweiten stillen Zündkerze gemessen werden, was weitere Rückkopplungsinformation von dem Verbrennungsprozeß liefert. Diese Information kann dann für einige zusätzliche Motorsteuerstrategien verwendet werden. Das Ionisationsstromsignal, das von der nicht zündenden Zündkerze geliefert wird, ist frei von Überlagerung oder Interferenz und bietet somit eine einfachere Signalverarbeitung, um zusätzliche Gemisch- /Verbrennungsparameter zu entnehmen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Zünd- und Ionisationsstrommessung in einem Verbrennungsmotor mit zumindest einer ersten und einer zweiten Zündkerze (6-9, 2-5) in jedem Brennraum (40-43), und wobei die erste und eine zweite Zündkerze in jedem Brennraum zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs des Motors beide mit Zündspannung von einer Zündspannungsquelle (20a-20d, 10- 11/20e-20h) beliefert werden,
    und wobei zumindest eine der Zündkerzen in einem Brennraum als Sensor unter Verwendung des Zündkerzenspaltes als Meßspalt für einen Ionisationsstrom innerhalb des Brennraumes verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündspannungsversorgung für die Zündkerze, die als ein Sensor für Ionisationsstrommessungen in dem Brennraum dient, derart gesteuert wird, daß während zumindest eines Teils des Betriebsbereiches des Motors die Dauer des Zündfunken kleiner als 50% der Zünddauer der anderen Zündkerze in dem Brennraum ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und eine zweite Zündkerze in jedem Brennraum mit Zündspannung von einer ersten bzw. einer zweiten Zündspule beliefert wird, und wobei zumindest eine der Zündspulen (22) eine Ionisationsstromdetektionsschaltung (K, Rm, Ze, Zd) umfaßt, wobei die Detektionsschaltung in die Masseverbindung der Sekundärwicklung (24) der Zündspule (22) geschaltet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündspannungsversorgung für die Zündkerze, die als ein Sensor in dem Brennraum wirkt, dadurch gesteuert wird, daß die Zündspule für einen Einzelfunkenentladungsbetrieb konfiguriert ist, wobei die Zündspule eine niedrige Impedanz aufweist, was in einer Funkendauer von kleiner als 0,5 ms über den gesamten Motorbetriebsbereich resultiert.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und eine zweite Zündkerze in jedem Brennraum mit Zündspannung von einer ersten bzw. einer zweiten Zündspule beliefert wird, und wobei zumindest eine der Zündspulen (22) eine Ionisationsstromdetektionsschaltung (K, Rm, Ze, Zd) umfaßt, wobei die Detektionsschaltung in die Masseverbindung der Sekundärwicklung (24) der Zündspule (22) geschaltet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß beide Zündkerzen unterhalb einer vorbestimmten Schwelle als Funkenerzeuger verwendet werden, wobei die Schwelle durch zumindest die Motordrehzahl und den optimierten Zündfunkenfortschritt bestimmt wird,
    daß die Zündkerze, die als ein Sensor wirkt, oberhalb der vorbestimmten Schwelle als ein Funkenerzeuger deaktiviert wird, wodurch eine richtige Messung des Ionisationsstromes in dem Brennraum oberhalb der vorbestimmten Schwelle ermöglicht wird, ohne daß sich die Funkendauer mit dem Meßfenster für Ionisationsstromdetektion überlagert.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und eine zweite Zündkerze (6-9 und 2-5) in jedem Brennraum (40-43) mit Zündspannung von einer ersten (20a-20d) bzw. einer zweiten Zündspule (10, 11 oder 20e-20h) beliefert wird, und
    wobei zumindest eine der Zündspulen eine Ionisationsstromdetektionsschaltung (K, Rm, Ze, Zd) umfaßt, wobei die Detektionsschaltung in die Masseverbindung der Sekundärwicklung (22) der Zündspule geschaltet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß beide Zündkerzen als Funkenerzeuger mit konfigurierbarem Funken, d. h. variabler Funkendauer mit im wesentlichen ähnlicher Dauer des Funkens unterhalb einer vorbestimmten Schwelle verwendet werden, wobei die Schwelle durch zumindest die Motordrehzahl bestimmt wird, und
    daß der Funke, der an der Zündkerze erzeugt wird, die als ein Sensor wirkt, derart gesteuert wird, daß die Dauer des Funkens zumindest abhängig von sich erhöhender Motordrehzahl abnimmt, wodurch eine richtige Messung des Ionisationsstromes in dem Brennraum oberhalb der vorbestimmten Schwelle ermöglicht wird, ohne daß sich die Funkendauer mit dem Meßfenster für eine Ionisationsstromdetektion überlagert.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die beiden ersten und zweiten Zündspulen eine Ionisationsstromdetektionsschaltung umfassen, wobei die Detektionsschaltung in die Masseverbindung der Sekundärwicklung der ersten Zündspule geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aufeinanderfolgenden Verdichtungshüben in jedem Brennraum die erste und zweite Zündkerze des Brennraumes abwechselnd als Funkenerzeuger deaktiviert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ionisationsstromdetektionsschaltung eine Spannungsquelle (K) umfaßt, die eine im wesentlichen konstante Vorspannung an den Zündkerzenspalt anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstrom, der in der Sekundärwicklung der Zündspule entwickelt wird, als ein Ladestrom für einen Meßkondensator (K) in der Ionisationsstromdetektionsschaltung der Zündspule verwendet wird, wobei der Meßkondensator hierdurch als die Vorspannungsquelle wirkt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zündspule, die keine Ionisationsstromdetektionsschaltung umfaßt, vom doppelendigen Typ (10, 11) ist, wobei die Enden der Sekundärwicklung mit Zündkerzen in verschiedenen Brennräumen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelendigen Spulen betrieben werden, um einen konfigurierbaren Funken variabler Dauer vorzugsweise durch wiederholten Betrieb eines Schaltungsunterbrechungselements (12, 13) in Serie mit der Primärwicklung (14, 15) der doppelendigen Zündspule zu erhalten.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Funke, der an der Zündkerze erzeugt wird, die als ein Sensor verwendet wird, derart gesteuert ist, daß die Dauer des Funkens abhängig von der Abnahme des Zündfortschrittes, d. h. der Zündzeitpunktverstellung legen den oberen Totpunkt des Kolbens abnimmt, wodurch eine richtige Messung des Ionisationsstromes in dem Brennraum möglich wird, ohne daß sich die Funkendauer mit dem Meßfenster zur Ionenstromdetektion überlagert.
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