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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Zünd-
und Ionisationsstrommessungen in einem Verbrennungsmotor gemäß
dem Oberbegriff in Anspruch 1.
STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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:
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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,
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Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das die Sekundärspannung und den
Ionenstrom als Funktion von Kurbelwellengrad zeigt,
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Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines Zündsystems zeigt, das gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Zündsystems zeigt, das gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Betriebsgrenzen für jede Funkendauer tSPARK können für jeden Typ
einer Motorkonstruktion unter Verwendung der folgenden Gleichung
hergestellt werden:
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αION = n * 360 * tSPARK - βION,
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wobei
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αION die minimale Zündfrühverstellung im Kurbelwellengrad vor dem
oberen Totpunkt ist,
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n die Motordrehzahl gemessen in Umdrehungen in Sekunden ist,
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tSPARK die Funkendauer einschließlich des Nachschwingens der Spule. (d.
h. der Abschwächungszeit) gemessen in Sekunden ist, und
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βION die Kurbelwellenstellung ist, wenn die Ionisationsstromdetektion
eingeleitet wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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Jedes Ionenerfassungsmodul, das eine der Zündkerzen 6-9 in einem
Brennraum 20a-20d bedient, ist für eine konfigurierbaren Funkenbetrieb
modifiziert.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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Ein konfigurierbarer Funke kann wie in dem oben beschriebenen
Abschnitt "Betrieb der ersten Ausführungsform, zweiter Betriebsmodus"
erhalten werden.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.