EP1073843B1

EP1073843B1 - Verfahren und vorrichtung zur phasenerkennung an einem 4-takt ottomotor mit ionenstrommessung

Info

Publication number: EP1073843B1
Application number: EP99926255A
Authority: EP
Inventors: Markus Ketterer; Klaus-Jürgen WALD; Achim GÜNTHER; Jüergen FOERSTER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2002-08-07
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: KR20010042831A; US6584955B1; EP1073843A1; DE19817447A1; WO1999054622A1; DE59902273D1; JP2002512343A

Description

Technische Aufgabe

Moderne Verbrennungsmotoren werden mittels einer ECU (Electronic Control Unit) geregelt und gesteuert. Falls bei Motoren die Einspritzventile elektrisch durch die ECU bedient werden, dann ist es notwendig die Phasenlage beim Start des Verbrennungsmotors zu bestimmen. Die Phasenerkennung gibt bei einem 4-Takt Otto-Motor an, ob sich der Kolben bei der Aufwärtsbewegung im Verdichtungsstakt oder im Ausstoßtakt befindet.

Stand der Technik

Bei bekannten Systemen wird dies beispielsweise durch ein zusätzliches Geberrad auf der Nockenwelle oder durch eine Auslauferkennung gelöst.

Aus der DE 196 08 526 A1 ist bereits ein Verfahren zur Regelung einer Mindestzündenergie bekannt, bei dem eine Ionenstrommessung verwendet wird. Anhand der Ionenstrommessung wird bestimmt, ob eine Zündung erfolgte oder nicht und so eine minimale Zündenergie eingestellt.

Aus der US 5 067 462 A ist ebenfalls eine Zündeinrichtung mit einer Ionenstrommessung bekannt. Anhand der Ionenstrommessung kann bestimmt werden, ob in einem Zylinder ein zündfähiges Gemisch vorlag oder nicht.

Aus der EP 9 33 525 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zylindererkennung in einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird das Erfolgen oder Ausbleiben einer Zündung primärseitig detektiert.

Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das mit Hilfe eines Ionenstrommeßkreises eine Phasenerkennung durchführt.

Figuren

Figur 1:: Überblick über das Gesamtsystem
1:: Zylinder
2:: Zündsystem
3:: Mittel zur Ionenstrommessung
4:: Mittel zur Merkmalsbildung
5:: ECU (= Electronic Control Unit)
Figur 2:: Beispielhafte Ausführung
Figur 3:: Signalformen
Figur 4:: Ablaufdiagramm

Gegenstand der Erfindung

Das vorliegende Verfahren wird anhand eines Ausfürungsbeispiels in Figur 1 dargestellt. Es nutzt das Mittel 3 der Ionenstrommessung, indem mit Hilfe dieses Mittels die Zündung, Mittel 2, beobachtet wird. Mittel 2 dient gewöhnlich zum Start des Verbrennungsprozesses 1.
Entsteht an der Zündkerze ein Zündfunke und wird an dieser Zündkerze während dieser Zeit Ionenstrom gemessen, dann kann mit Hilfe des Mittel 3 der Funkenstrom nachgewiesen werden. Der Nachweis eines Zündfunkens kann zur Ermittlung der Phase genutzt werden.
Nach dem Paschengesetz ist bekannt, daß die Zündspannung um so höher ist, je größer der Druck zwischen den Elektroden ist. Wird der Motor vom Anlasser gedreht, dann wird das Gas im Verbrennungsraum nach jeweils 720° KW verdichtet. Dieser Druckanstieg im verdichteten Gas, in das noch keine Einspritzung des Kraftstoffes erfolgte, führt zu einer erhöhten Zündspannung. Der Unterschied zwischen hoher und niedriger Zündspannung kann durch die Zündenergie bestimmt werden. Wird dem System nur soviel Energie zur Verfügung gestellt, daß es in den Bereichen niedrigen Druckes zur Zündung ausreicht, in den hohen Druckes aber nicht, dann kann durch die Analyse des Funkenstroms ein Unterscheidungsmerkmal gebildet werden.
Ist kein Zündfunke übergesprungen, dann wird sich nur die primär- und sekundärseitige Streukapazität aufladen und im nächsten Schritt wird die Energie über die im Zünder oder extern befindliche Freilaufdiode D ins Bordnetz zurückgespeist. Man wird einen sehr kurzen Ionenstrom ,der durch den Funkenstrom vorgetäuscht wird, messen.

Ermittlung des richtigen Energieniveaus

Noch bevor der Anlasser mit der Rotation beginnt, wird mit einer Reihe von Zündfunken der mit ausreichendem Störabstand versehene Abschaltstrom bestimmt, so daß eine Zündung sicher erfolgt. Diese Anpassung kann unter Umständen 10 Iterationen umfassen.
Es ist möglich, daß sich einige Zylinder gerade in komprimiertem Zustand befinden. In diesem Falle wird das notwendige Energieniveau falsch bestimmt. Mindestens die Hälfte der Zylinder befindet sich aber in ausreichend unkompremiertem Zustand, so daß auch in diesem Falle noch ausreichend Redundanz vorhanden ist.
Die Phasenerfassung und Zündregelung erfolgt an allen Zylindern mit Hilfe des Ionenstrommeßkreises kontinuierlich. Nach ausgegebener Zündung wird der ermittelte Merkmalswert von der ECU bei Bedarf erfaßt und es wird in erfolgte Zündung oder nicht erfolgte Zündung klassifiziert. Wird ein Zündaussetzter erkannt, können bei ausreichender Zündwiederholfrequenz mehrere Zündungen im Zeitraum des Überstreichen eines Kolbens des Verdichtungs-OT ausgewertet werden, so daß sich eine stabile Aussage bezüglich des 360° KW entfernten Zylinders ergibt. D.h. bei einem Zylinder unterbleibt die Zündung und beim 360° KW entfernten Zylinder bleibt der Zündfunke weiterhin bestehen. Von nun an ist die Phase bekannt.
Spätestens nach einer Umdrehung, nach Vorbeilaufen der Bezugsmarke auf dem Kurbelwellengeberrad, kann mit der Einspritzung am richtigen Zylinder begonnen werden.
Von entscheidender Bedeutung ist hierbei daß der Abschaltstrom (= die in die Spule eingebrachte Energie) konstant gehalten wird. Gegebenenfalls muß die Batteriespannung von der ECU erfaßt und die Schließzeit/ Schließwinkel korrigiert werden. Merkmalsbildung (als Beispiel am induktiven Zündsystem)
Die Ionenstrommeßeinrichtung kann auf jeden Fall einen Teil des Funkenstromes erfassen, und wird in der Regel dadurch voll ausgesteuert. Erfolgt nach angepaßten Energieniveaus ein Versuch der Zündung, wird während der Dauer eines Zündfunkens der Ionenstrom integriert, das Ergebnis wird durch ein Sample&Hold erfaßt und der ECU zur Verfügung gestellt.
Eine alternative Möglichkeit der Merkmalserfassung ist dadurch zu realisieren, daß das gemessene Signal tiefpaßgefiltert und mit einem Spitzenwerterfassung beobachtet wird. Der ECU wird der Spitzenwert zugeführt, dieser Spitzenwert wird anschließend mit einer Schwelle verglichen.

Signale

In Figur 3 sind beispielhaft, die am induktiven Zündsystem auftretenden Signale aufgezeichnet. Unterschieden wird in "nicht erfolgte Zündung" und "erfolgte Zündung". Dargestellt sind: der Sekundärstrom, welcher in L₂ zu fließen kommt (siehe Figur 2); der Ionenstrom, der mit der Ionenstrommeßeinrichtung gemessen wird und beispielhaft das Tiefpaßsignal des gemessenen Ionenstromes, das die Merkmalsbildung aufzeigen soll.

Wie ein induktives Zündsystem funktioniert wird als hinreichend bekannt vorausgesetzt. Zunächst wird in die Zündspule die Zündenergie über die Primärseite eingebracht, indem der Transistor geschlossen wird. Zum Zeitpunkt T_o wird der Zündtransistor T hochohmig geschaltet und die Energie in der Spule treibt nun einen Strom in der Primär- und Sekundärwicklung. Der Strom in der Sekundärwicklung wird als i_sec bezeichnet und ist im jeweils ersten Diagramm zu sehen.

Nicht erfolgte Zündung

Reicht die Energie in der Zündspule nicht aus, so daß der Zündfunke überspringt, dann verhält sich die gesamte Anordnung wie ein LC-Schwingkreis mit jeweils einer Spule im Primär- und Sekundärseite. Die Kapazitäten werden jeweils durch Streu- und Bauelementekapazitäten gebildet. Auf der Sekundärseite sind dies Spulenkapazität, Kabelkapazität und Kerzenkapazität.
Ist die Hälfte der Schwingung vorbei, wird der Strom in Primärund Sekundärseite negativ. Nun beginnt auf der Primärseite die Freilaufdiode D zu leiten und speist den Rest der Energie in die Batterie zurück. Auch auf der Sekundärseite wird so die Energie entzogen und der Stromfluß kommt schnell zum erliegen. Da die Ionenströme sehr klein sind wird der Signalpegel der Ionenstrommessung i_ion sofort maximal ausgesteuert. Wird das Ionenstromsignal i_ion tiefpaßgefiltert TP{i_ion}, dann wird nur ein geringer Signalpegel erreicht.

Erfolgte Zündung

Springt der Funke über bevor noch die gesamte Energie auf die Streukapazitäten geladen wurde, dann kommt der für eine induktive Zündanlage typische dreieckförmige Funkenstrom in der Sekundärseite zu fließen. Dieser reicht wiederum aus den Pegel der Ionenstrommeßeinrichtung komplett auszusteuern. Das tiefpaßgefilterte Ionenstromsignal TP{i_ion} erreicht einen deutlich höheren Pegel, als das Signal bei nicht erfolgter Zündung.
Die beiden Fälle sind von der ECU leicht zu unterscheiden.

Ablaufdiagramm

Das in Figur 4 beschriebene Ablaufdiagramm gilt für alle oder entsprechend ausgewählte Zylinder, die für die Phasenerkennung beobachtet werden sollen. Bei einem hochzylindrigen Motor wird man wohl nicht alle Zylinder für die Phasenerkennung benötigen. Dieses beispielhafte Ablaufdiagramm soll einen schnellen Überblick über das Verfahren geben.

Kern und Vorteile der Erfindung

Kern der Erfindung ist die Nutzung der Ionenstrommessung zur Zündfunkenbeobachtung und die daraus abgeleitete Phasenerkennung.
Ist eine Ionenstrommessung an einem Fahrzeug vorhanden, kann durch geringen technische Mehraufwand eine Phasenerkennung installiert werden.
Da sich das Verfahren auf schon vorhandene Ressourcen abstützt, ist es äußerst kostengünstig.

Claims

Vorrichtung zur Phasenerkennung für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern,
wobei jeder Zylinder mindestens eine Zündkerze aufweist, so daß Zündfunken auslösbar sind,
wobei eine Ionenstrommeßeinrichtung und eine Electronic Control Unit vorgesehen sind, wobei'durch die Electronic Control Unit anhand des Signals der Ionenstrommeßeinrichtung bestimmbar ist, ob in mindestens einem der Zylinder Zündfunken erfolgt oder ausgeblieben sind, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Mittel vorhanden sind, die die Energie des Zündfunkens in dem mindestens einen Zylinder so einstellen, daß bei niedrigem Innendruck in dem mindestens einen Zylinder ein Zündfunken erfolgt und bei hohem Innendruck in dem mindestens einen Zylinder ein Zündfunken ausbleibt, und daß dritte Mittel vorhanden sind, die die Bestimmung der Phasenlage in dem mindestens einen Zylinder anhand der Beobachtung mindestens eines erfolgten und mindestens eines ausgebliebenen Zündfunkens vornehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Ionenstrommeßeinrichtung ein Ionenstrom während der Dauer des Zündfunkens integrierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
mittels der Ionenstrommeßeinrichtung ein Spitzenwert eines tiefpaßgefilterten Teils des Funkenstroms erfaßbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Electronic Control Unit der Spitzenwert eines tiefpaßgefilterten Teils des Funkenstroms mit einer Schwelle vergleichbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß
anhand der dritten Mittel die Phasenlage mindestens eines der Zylinder anhand der Beobachtung mindestens eines erfolgten und mindestens eines zeitgleich ausgebliebenen Zündfunkens in zwei 360° KW entfernten Zylindern bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß
vierte Mittel vorhanden sind, sodaß eine Umdrehung durchführbar ist, um verbrennungsfähiges Restgas aus dem Zylinder zu befördern.
Verfahren zur Phasenerkennung für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Zündkerze aufweist, sodaß Zündfunken ausgelöst werden, wobei durch eine Electronic Control Unit anhand des Signals einer Ionenstrommeßeinrichtung bestimmt wird, ob in mindestens einem Zylinder Zündrunken erfolgt oder ausgeblieben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Zündfunkens so eingestellt wird, daß das Erfolgen des Zündfunkens vom Innendruck in dem mindestens einen Zylinder abhängig ist, und daß die Phasenlage des mindestens einen Zylinders anhand der Beobachtung mindestens eines erfolgten und mindestens eines ausgebliebenen Zündfunkens bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Ionenstrommeßeinrichtung ein Ionenstrom während der Dauer des Zündfunkens integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Ionenstrommeßeinrichtung ein Spitzenwert eines tiefpaßgefilterten Teils des Funkenstroms erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Electronic Control Unit der Spitzenwert eines tiefpaßgefilterten Teils des Funkenstroms mit einer Schwelle verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage mindestens eines der Zylinder anhand der Beobachtung mindestens eines erfolgten und mindestens eines zeitgleich ausgebliebenen Zündfunkens in zwei 360° KW entfernten Zylindern bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beginn der Phasenerkennung eine Umdrehung erfolgt, sodaß verbrennungsfähiges Restgas aus dem Zylinder befördert wird.