EP1230477A1 - Verfahren und vorrichtung zur messfenster-positionierung für die ionenstrommessung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messfenster-positionierung für die ionenstrommessungInfo
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- EP1230477A1 EP1230477A1 EP00979390A EP00979390A EP1230477A1 EP 1230477 A1 EP1230477 A1 EP 1230477A1 EP 00979390 A EP00979390 A EP 00979390A EP 00979390 A EP00979390 A EP 00979390A EP 1230477 A1 EP1230477 A1 EP 1230477A1
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- F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
- F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
Definitions
- Spark duration varies depending on physical and motor properties. With both methods of positioning the start of the measurement window, this requires a complex application that includes operating parameters such as speed, load, mixture preparation, etc. must take into account.
- the essence of the invention is the measurement of the actual spark duration and the use of this information for positioning the measurement window. This procedure offers the advantage that all motor and physical
- the invention can be used particularly advantageously in connection with a ignition system with ignition transmitter, e.g.
- the ignition system for an internal combustion engine according to the last-mentioned document is combined with a measuring device for ion current on the secondary winding on the ground side, with each ignition plug being assigned an ignition transmitter.
- the end of the spark is detected and, depending on the end of the spark, the measurement window for the ion current signal is opened.
- a detection of the spark current and the ion current in separate current branches is particularly advantageous for separating the ignition current influences and the actual ion current signal.
- detection of the spark current and the ion current in the same current branch is also possible. In the latter exemplary embodiment, a distinction is made between ion current and
- Spark current based on a threshold value to detect the end of the spark.
- the signal has a rectification and a Experience low pass filtering before comparing it to the spark end detection threshold. It is also advantageous to open a measuring window for the ion current only after a delay that can be applied and is dependent on the ignition system with respect to the detected spark end.
- the process is required for ignition systems whose spark duration is not precisely defined. This is mainly the case with inductive ignition. But also with ignition systems, whose spark duration can be varied, the information about the actual spark end can be interesting because the necessary information is formed on site.
- the ion current measurement takes place, for example, in the ion current measuring device 3.
- a negative potential arises at V x with a positive current direction according to the current direction arrow i x .
- This potential is preferably set by the spark current measuring device 4 such that the limits of the voltage supply to the spark end detection unit 2 are not exceeded. Since the Zener diode D ; limiting the voltage across R x accordingly, this requirement can easily be met. In the case of negative spark currents, counter to the current direction i lr , the method works accordingly with regard to the positive voltage supply of the spark end detection unit 2.
- spark end is recognized by the spark end detection unit 2 by the fact that the voltage level V x goes back to ground from a potential near the positive or negative voltage supply, this information (spark end) is passed on to the signal line S 2 .
- the second current branch mass, U m , R m , L 2 , ZK X back to mass is used to measure the ion current measured in the current direction i 2 .
- the start of the measuring window is generated on the basis of signal S 2 . Due to vibrations in the
- Ignition system it is advantageous to wait for a delay in which the ignition system calms down so that the measurement is not disturbed. This time must be adapted to the ignition system used.
- the measuring window is closed again depending on the angle or time or depending on the closing or ignition time.
- Example energy control the spark duration, i.e. the time during the breakthrough and glowing phase of the spark is largely responsible for the progress of the flame core and thus for the quality of the combustion. To ensure a safe ignition, the provision of a minimum spark duration is necessary. On the other hand, a spark duration that is too long leads to an unnecessarily high loss of energy and a reduction in the candle life.
- Example ignition coil diagnosis and misfiring detection The presence of a (minimum) spark duration provides immediate information that the ignition coil voltage has exceeded the spark breakdown voltage and an ignition spark has been generated. For example, if the ignition coil is defective (eg winding short circuit), the secondary voltage will reach not the spark voltage requirement and there is no sparkover.
- the spark current detected by the method according to the invention is therefore suitable for misfire detection or diagnosis of the ignition coil.
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Abstract
Vorgestellt werden Verfahren zur zeitlichen Messfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfasst werden, bei einem Zündsystem mit Zündübertrager z.B. Wechselstromzündung oder bei einer Kondensatorzündanlage oder bei induktiver Transistorzündung oder induktiver Spulenzündung oder induktiver Spulenzündung mit begrenzter Funkendauer, wobei die Zündsysteme mit einer Messeinrichtung für Ionenstrom an der masseseitigen Sekundärwicklung kombiniert sind und wobei jeder Zündkerze ein Zündübertrager zugeordnet ist und wobei die Erfassung des Funkenendes und die Öffnung des Messfensters für das Ionenstromsignal in Abhängigkeit von dem Funkenende erfolgt.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Meßfenster-Positionierung für die Ionenstrommessung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft die zeitliche
Meßfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfaßt werden.
Die Verwendung von aus dem gemessenen Ionenstromverlauf extrahierten Merkmalen zur Überwachung und Steuerung des Verbrennungsablaufes an Brennkraftmaschinen, z.B. an Ottomotoren, wird seit langem betrieben. Die Erkennung von Verbrennungsaussetzern, die Klopfdetektion oder die Verbrennungslageregelung sind Beispiele hierfür.
Erfolgt die Ionenstrommessung an einer Brennkraftmaschine über die Elektrodenstrecke einer Zündkerze, ist das Meßfenster eingeschränkt. Die Einschränkung resultiert daraus, daß wahrend des Zundvorganges infolge des überlagerten Funkenstroms kein Ionisationsstrom meßbar ist. Verfahren und Vorrichtungen zur Ionenstrommessung in Verbindung mit Zundsystemen bei Brennkraftmaschinen sind aus der DE 196 49 278 und der DE 197 00179 bekannt. Wegen des überlagerten Funkenstroms ist das wahrend des Zundvorganges resultierende Meßsignal für die Extraktion von Verbrennungsinformation ungeeignet. Zur Vermeidung von Fehlklassifikationen (z.B. bei der Aussetzererkennung) wird
das Ionenstrom-Signal bei den meisten bekannten Systemen nur innerhalb von Meßfensterbereichen ausgewertet, die explizit den Zundungsvorgang nicht beinhalten, weil sie außerhalb der Zeit- oder Winkelbereiche liegen, in denen der Zündfunken brennt.
Für die Positionierung von Meßfenstern gibt es zwei bekannte Methoden, die z.B. in der Europaischen Patentschrift EP 0 188 180 Bl beschrieben sind:
Positionierung des Meßfensters bezüglich eines festgelegten Kurbelwinkelbereichs, der mit einer bestimmten Kolbenbewegung des betrachteten Zylinders übereinstimmt.
Positionierung des Meßfensters bezüglich des Zündzeitpunktes, wobei noch eine Verzögerung um eine applizierbare Zeitspanne stattfindet, um die Funkendauer und den Ausschwingvorgang zu berücksichtigen.
Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Meßfensterpositionierung rein gesteuert stattfindet . Die
Funkendauer variiert in Abhängigkeit von physikalischen und motorischen Eigenschaften. Dies erfordert bei beiden Methoden zur Positionierung des Meßfensterbeginns eine aufwendige Applikation, die Betriebsparameter wie Drehzahl, Last, Gemischaufbereitung u.w. berücksichtigen muß.
Aufgrund der Steuerung der Meßfensterpositionierung muß die Applikation im Sinne einer "worst case Abschätzung" erfolgen. Mit anderen Worten: Der Meßfensterbeginn wird sehr spat gelegt, um ein Abklingen der Zundungseinflusse in jedem Fall sicherzustellen.
Eine "worst case Applikation" lauft jedoch den Anforderungen einer Ionenstrommessung entgegen, da ein möglichst früher Meßfensterbeginn anzustreben ist. Dies gilt im besonderen Maße für Betriebspunkte mit wenig Last und hoher Drehzahl, bzw. bei Motoren mit hoher Stromungsgeschwindigkeit der Gase im Zylinder, beispielsweise bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung, bei denen eine gezielte
Ladungsbewegung durch Klappen oder Ventile zur Einstellung einer bestimmten inhomogenen Gemischverteilung im Zylinder erfolgt .
Vorteile der Erfindung
Kern der Erfindung ist die meßtechnische Erfassung der tatsachlichen Funkendauer und Verwendung dieser Information zur Positionierung des Meßfensters. Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, daß samtliche motorischen und physikalischen
Einflußfaktoren auf die Funkendauer bei der Applikation für die Meßfensterpositionierung nicht berücksichtigt werden müssen.
Besonders vorteilhaft laßt sich die Erfindung in Verbindung mit einem Zundsystem mit Zundubertrager z.B.
Wechselstromzundung nach DE 197 00 179 oder einer Kondensatorzundanlage oder einer induktiven Transistorzundung oder einer induktiven Spulenzundung oder einer induktiven Spulenzundung mit begrenzter Funkendauer, wie sie in der DE 196 49 278 AI beschrieben wird, verwenden. Das Zundsystem für einen Verbrennungsmotor nach der letztgenannten Schrift ist mit einer Meßeinrichtung für Ionenstrom an der masseseitigen Sekundärwicklung kombiniert, wobei jeder Zündkerze ein Zundubertrager zugeordnet ist.
Erindungsgemaß wird das Funkenende zu erfasst und in Abhängigkeit des Funkenendes das Meßfenster für das lonenstromsignal geöffnet. Besonders vorteilhaft zur Trennung von Zundfunkenstromeinflussen und eigentlichem lonenstromsignal ist eine Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes in getrennten Stromzweigen. Zur Verringerung des apparativen Aufwandes ist aber auch Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes im gleichen Stromzweig möglich. Bei letzterem Ausfuhrungsbeispiel erfolgt die Unterscheidung zwischen Ionenstrom und
Funkenstrom anhand eines Schwellwertes zur Erkennung des Funkenendes. Bei Systemen mit alternierendem Funkenstrom ist es vorteilhaft, daß das Signal eine Gleichrichtung und eine
Tiefpaßfilterung erfahrt, bevor es mit der Funkenendeerkennungsschwelle verglichen wird. Vorteilhaft ist es ferner, ein Meßfenster für den Ionenstrom erst nach einer applizierbaren und vom Zundsystem abhangigen Verzugszeit bezuglich des erkannten Funkenendes zu offnen.
Diese Verzugszeit ist im wesentlichen systembedingt. Sie ist im Vergleich zu der Funkendauer nur geringen statistischen Schwankungen unterworfen. Somit gewahrleistet das erfindungsgemaße Vorgehen stets einen maximal frühen Meßfensterbeginn. Die Umschaltung einer Verstarkerstufe nach Funkenende bewirkt vorteilhafterweise, daß wieder der volle Signalhub für die Ionenstrommessung zur Verfugung steht. Die Zeitdauer, in der das Signal die Schwelle für die Funkenstromerkennung überschreitet, erlaubt einen Ruckschluß auf Fehler im Zundsystem. Bei induktiven Zundsystemen wird vorteilhafterweise die Information der Funkenbrenndauer dazu verwendet, die Zundenergie adaptiv dem tatsachlichen Bedarf anzupassen. Zur Verringerung des schaltungstechnischen Aufwandes ist es vorteilhaft, mehrere Zündspulen am masseseitigen Ende der Sekundärwicklung zusammenzufuhren.
Benotigt wird das Verfahren bei Zundsystemen, deren Funkendauer nicht exakt festliegt. Dies ist hauptsachlich bei der induktiven Zündung der Fall. Aber auch bei Zundsystemen, deren Funkendauer variiert werden kann, kann die Information über das tatsachliche Funkenende interessant sein, da die notwendige Information vor Ort gebildet wird.
Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Dabei werden für die meßtechnische Erfassung des Funkenstroms im folgenden zwei Realisierungen vorgestellt, die eine Funkenendeerkennung ermöglichen. Die Erklärung erfolgt anhand der Figuren 1 bis 3.
Fig. 1 zeigt ein induktives Zundsystem mit einer Auswertung in zwei Stromzweigen. In Figur 2 ist ein Beispiel für den Verlauf eines Ionenstromsignals Si_ dargestellt. Fig. 3
offenbart ein Ausfuhrungsbeispiel, bei dem die Auswertung in einem Stromzweig erfolgt.
Die Anzahl der Stromzweige, in denen Ionenstrom und Funkenstrom gemessen werden, dient als
Unterscheidungsmerkmal für die unterschiedlichen Systeme. Existiert nur ein Stromzweig, wird der Ionenstrom und Funkenstrom am selben Ort gemessen. Existieren zwei Stromzweige dann können Ionenstrom und Funkenstrom getrennt voneinander in jeweils einem Stromzweig gemessen werden.
Als Ausfuhrungsbeispiel mit mehreren Stromzweigen wird ein induktives Zundsystem 5, wie in Figur 1 dargestellt, betrachtet. Wie bei herkömmlichen induktiven Zundsystemen wird zunächst der Transistor i durch das Steursignal Si von der Motor-Steuereinheit 1 niederohmig geschaltet. Das magnetische Feld baut sich in der Primarspule Li auf und ladt so die Zündspule ZSi mit Energie. Wird der Transistor Tx hochohmig geschaltet, wird der Stromfluß in der Primarseite der Zündspule Li unterbrochen. Das Feld treibt jedoch weiterhin einen Strom in der Primarseite und der Sekundarseite, welcher zum Spannungsangebot auf der Primarseite und der Sekundarseite entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Zündspule ZSX fuhrt. Ist die Zündspannung erreicht, spring ein Zündfunke in der Zündkerze ZKi über. Es kommt zum Fluß des Funkenstroms i1 über: Masse, Ri, Di, ZSi und ZKlA zurück zur Masse.
Die Ionenstrommessung findet beispielhaft in der Ionenstrom- Meßeinrichtung 3 statt. Bei der Vorrichtung mit getrennten Stromzweigen entsteht an Vx bei positiver Stromrichtung nach dem Stromrichtungspfeil ix ein negatives Potential. Dieses Potential wird von der Funkenstrom-Meßeinrichtung 4 vorzugsweise so eingestellt, daß die Grenzen der Spannungsversorgung der Funkenende-Erkennungseinheit 2 nicht überschritten werden. Da die Zenerdiode D; die Spannung über Rx entsprechend limitiert, kann diese Forderung leicht eingehalten werden. Bei negativen Funkenstromen, entgegen der Stromrichtung il r arbeitet das Verfahren entsprechend
bezuglich der positiven Spannungsversorgung der Funkenende- Erkennungseinheit 2.
Wird das Funkenende von der Funkenende-Erkennungseinheit 2 daran erkannt, daß der Spannungspegel Vx von einem Potential nahe der positiven oder negativen Spannungsversorgung zurück gegen Masse geht, wird diese Information (Funkenende) auf der Signalleitung S2 weiter gegeben.
Der zweite Stromzweig Masse, Um, Rm, L2, ZKX zurück nach Masse dient zur Messung des Ionenstromes gemessen in Stromrichtung i2.
Mochte man den Aufwand der getrennten Stromzweige nicht haben, dann kann man den Funkenstrom aus dem lonenstromsignal selbst mit einer Vorrichtung mit nur einem Stromzweig ableiten. In Figur 2 ist ein Beispiel für dieses Signal lonenstromsignal Sii dargestellt. Hier ist die Richtung des Funkenstroms (positiv oder negativ) nicht von entscheidender Bedeutung. In Figur 2 ist entsprechend Figur 1 positive Stromrichtung dargestellt. Das Signal Sii wird an Rm abgegriffen. Dies bedeutet, daß in Figur 1 die Funkenstrom- Meßeinrichtung 4 entfallen kann. Di wird direkt an Masse angeschlossen. Siehe Figur 3. Nun wird auf demselben Stromzweig Ionenstrom und Funkenstrom gemessen. Wahrend des Funkens wird die Ionenstrom-Meßeinrichtung 3 durch den Funkenstrom starker ausgesteuert, als dies bei
Ionenstromen der Fall ist. Dieser Sachverhalt wird benutzt um die Funkendauer zu messen. Das Signal wird von der Funkenende-Erkennungseinheit 2 mit einem Schwellwert Thi verglichen, fallt das Signal unter den Schwellwert Thi, dann ist der Funken zu Ende.
Man muß jedoch gewahrleisten, daß die Signalverlaufe der Ionenstrome immer unter der Erkennungsschwelle Thi bleiben. Dies ist durch entsprechende Wahl der Verstärkung des Funkenstroms bzw. des Ionenstromes i2 zu gewahrleisten. Ein Nachteil dieser Methode ist, daß die Auflosung für das lonenstromsignal etwas zurückgeht, da sich nun das lonenstromsignal und das Signal für den Funkenstrom den maximalen Auswertespannungsbereich teilen müssen.
Meßfensterbildung
Nach Funkenende wird anhand des Signals S2 der Meßfensteranfang erzeugt. Aufgrund von Schwingungen im
Zundsystem ist es vorteilhaft, eine Verzugszeit abzuwarten, in der sich das Zundsystem beruhigt, so daß die Messung nicht gestört wird. Diese Zeit ist an das verwendete Zundsystem anzupassen. Das Meßfenster wird in Winkel- oder Zeitabhangigkeit bzw. in Abhängigkeit vom Schließ- oder Zundzeitpunkt wieder geschlossen.
Weitere Anwendungen:
Die Information über die Funkendauer laßt sich außer zur Meßfensterpositionierung auch noch für weitere Anwendungen vorteilhaft einsetzen:
Beispiel Energieregelung: Die Funkendauer, d.h. die Zeit wahrend der Durchbruchs- und Glimmphase des Zundfunkens, ist maßgeblich für den Entstehungsfortschritt des Flammenkerns und damit für die Verbrennungsqualitat verantwortlich. Zur Gewahrleistung einer sicheren Entflammung ist die Bereitstellung einer Mindest-Funkendauer notwendig. Auf der anderen Seite fuhrt eine zu lange Funkendauer zu einem unnötig hohen Energieverlust sowie zu einer Verringerung der Kerzenstandzeit .
Mit den vorgestellten Verfahren zur meßtechnischen Erfassung der Funkendauer ist es einfach möglich die (mittlere) Funkendauer durch Variation der Schließwinkeldauer (Energieregelung) auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Beispiel Zundspulendiagnose und Zundaussetzererkennung : Das Vorhandensein einer (Mindest-) Funkendauer gibt unmittelbar Aufschluß darüber, daß die Zundspulenspannung die Funkendurchbruchsspannung überschritten hat und ein Zündfunken abgesetzt wurde. Z.B. bei defekter Zündspule (z.B. Wicklungskurzschluß) erreicht die Sekundarspannung
nicht den Funkenspannungsbedarf und es kommt zu keinem Funkenuberschlag. Somit eignet sich der mit dem erfindungsgemaßen Verfahren erfaßte Funkenstrom für eine Zundaussetzererkennung oder eine Diagnose der Zündspule.
Claims
1. Verfahren zur zeitlichen Meßfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfaßt werden, bei einem Zundsystem mit Zundubertrager z.B. Wechselstromzundung oder Kondensatorzundanlage oder induktive Transistorzundung oder induktive Spulenzundung oder induktive Spulenzundung mit begrenzter Funkendauer, kombiniert mit einer Meßeinrichtung für Ionenstrom an der masseseitigen Sekundärwicklung, wobei jeder Zündkerze ein Zundubertrager zugeordnet ist, gekennzeichnet durch die Erfassung des Funkenendes und die Öffnung des Meßfensters für das lonenstromsignal in Abhängigkeit von dem Funkenende.
2. Zundsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes in getrennten
Stromzweigen erfolgt.
3. Zundsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Erfassung des Funkenstromes und des Ionenstromes im gleichen Stromzweig erfolgt.
4. Zundsystem nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet daß zwischen Ionenstrom und Funkenstrom anhand eines Schwellwertes unterschieden wird.
5. Zundsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß bei Systemen mit alternierendem Funkenstrom das Signal eine Gleichrichtung und eine Tiefpaßfilterung erfahrt, bevor es mit der Funkenendeerkennungsschwelle verglichen wird.
6. Zundsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß ein Meßfenster für den Ionenstrom erst nach einer applizierbaren und vom Zundsystem abhangigen Verzugszeit bezuglich des erkannten Funkenendes geöffnet wird.
7. Zundsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß eine Verstarkerstufe nach Funkenende umgeschaltet wird, so daß wieder der volle Signalhub für die Ionenstrommessung zur Verfugung steht.
8. Zundsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß anhand der Zeitdauer, die das Signal die
Schwelle für die Funkenstromerkennung überschreitet, auf Fehler im Zundsystem geschlossen wird.
9. Zundsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche bei induktiven Zundsystemen, dadurch gekennzeichnet daß die
Information der Funkenbrenndauer dazu verwendet wird, die Zundenergie adaptiv dem tatsachlichen Bedarf anzupassen.
10. Zundsystem nach einem der vorangestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß mehrere Zündspulen am masseseitigen Ende der
Sekundärwicklung zusammengeführt werden.
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