EP2265916A1 - Vorrichtung und verfahren zur erkennung klopfender verbrennung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erkennung klopfender verbrennung

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EP2265916A1
EP2265916A1 EP09716684A EP09716684A EP2265916A1 EP 2265916 A1 EP2265916 A1 EP 2265916A1 EP 09716684 A EP09716684 A EP 09716684A EP 09716684 A EP09716684 A EP 09716684A EP 2265916 A1 EP2265916 A1 EP 2265916A1
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EP
European Patent Office
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ion current
ignition
signal
internal combustion
ignition coil
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Withdrawn
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EP09716684A
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Inventor
Stefan Heinzelmann
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BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Original Assignee
BorgWarner Beru Systems GmbH
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Publication date
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    • G01L23/22—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines
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    • G01L23/225—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines circuit arrangements therefor
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • 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
    • F02P2017/125—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits
    • F02P2017/128—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits for knock detection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/15—Digital data processing
    • F02P5/152—Digital data processing dependent on pinking

Definitions

  • a Vorentflammung- and a glow ignition detection is so far by loading times of the ignition coil o.a. not possible.
  • the fuel-air mixture is already ignited during the compression stroke, before top dead center, due to the finite propagation velocity of the combustion.
  • the optimum ignition time is determined as a function of the crankshaft speed.
  • Knocking combustion is caused by premature ignitions in which too high pressure peaks lead to an increase in the temperature of the unburned fuel - air mixture and thus to local auto-ignition of the fuel-air mixture. These excessively high pressure peaks in the combustion chambers generally arise during full-load operation of the internal combustion engine.
  • the combustion chamber pressure profile is detected by means of the ion current measurement in all combustion chambers of the internal combustion engine. A method for ion current measurement is known for example from DE 33 27 766 A1.
  • Knocking combustion is recognizable by the occurrence of pressure peaks and vibrations in the combustion chamber pressure curve.
  • the spark plug serving simultaneously as an ion current probe is supplied with an alternating voltage via the ignition coil immediately after the ignition of the fuel - air mixture.
  • This alternating voltage is modulated by ions in the burning fuel - air mixture as a function of the combustion chamber pressure.
  • the modulated AC voltage, the ion current - raw signal is fed to an evaluation circuit.
  • the ion current measurement can not be performed.
  • DE 197 20 535 A1 describes a method in which the spark duration of the spark plug is reduced to a minimum in order to directly detect the combustion chamber pressure profile and possibly detect knocking combustion
  • Such intensity variations may cause low intensity measured ion current raw signals, which have large pressure peaks and oscillations caused by knocking, to give so low knock integral values that they remain below the knock integral threshold and thus the ignition timing will not go to top dead center is moved.
  • high intensity ion current raw signals which have small pressure peaks and oscillations caused by knocking, can give the knock integral values so high that they are above the threshold integral for the knock integral and thus the spark timing is shifted to the top dead center, causing the ignition timing to increase Internal combustion engine does not deploy their maximum power.
  • the knock detection in the ignition system This leads advantageously to saving the otherwise additionally required knock sensors.
  • the detection of pre-ignition is so far only partially possible via knock sensors.
  • the detection of glow ignition is not yet possible.
  • the data is transferred via an interface to the engine control unit.
  • the advantages of the invention lie in the saving of the knock sensors and the detection of pre-ignition is the detection of glow ignition.
  • the existing ignition coil is additionally equipped with an electronic circuit, which is designed for measuring the ion current and its filtering and evaluation.
  • the spark plug serves as an "electrode" for detecting the ion current in the cylinder.
  • the ion current signal is output via an interface (4). Conceivable here is a serial or an analog interface. It is also possible to provide the ion current information to the engine control unit via the drive line (e.g., KL.1).
  • the control electronics (5) of the ignition coil (includes switching transistor and possibly protective circuits and other diagnostic functions). This controls as before the ignition coil (6).
  • the ignition coil (6) has the positive output at KI.4.
  • the ion current adapter (7) passes positive poled ignition high voltage, and blocks the ion current auxiliary voltage. At the spark plug (8), either the ignition voltage is applied via the ion current adapter (7) (red path), or the ion current auxiliary voltage is applied via the ion current adapter (9) (blue path).
  • the spark plug (8) is equipped with double platinum electrodes or has a similar wear-resistant design, ion current adapter (9) which blocks the ignition high voltage, and lets pass the ion current auxiliary voltage includes a high voltage diode.
  • the ion current is measured by means of two different ion current adapters (7) and (9).
  • the additional filter for the measurement signal can also evaluate a knock detection.
  • the constantly applied auxiliary voltage which is superimposed only during the ignition of the ignition voltage, makes a signal evaluation during the entire cycle possible.
  • the integration of the measuring adapters in the ignition coil leads to improved combustion processes.
  • the raw signal of the ion current at the output of the ion current amplifier (2) forms with the abovementioned ignition coil integrated circuit as follows: These raw signals are filtered out in the filter (3) and evaluated. Thus, accurate statements can be made as to whether and what miscarriage is concerned. This can be communicated to the engine control unit. It would also be conceivable that the ignition coil independently corrects the ignition timing, and possibly reports this to the engine control unit, ie the ignition coil with its control provides self-regulation. All this is largely independent of the previously integrated in ignition coils electronics.
  • a measuring electronics consisting of the components (1) to (4) can be used for multiple spark plugs, since the signals in the engine control unit can be assigned to the individual cylinders. It can be provided for the measuring electronics and a separate input from the motor control, via the example signals to the operating state (speed, load, ...) to control the gain or a signal to determine the time for the measurement window start and / or the measurement window.

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Abstract

Vorrichtung zur Erkennung von Verbrennungsanomalien einer Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens eine Spannungsversorgung (1), wenigstens einen lonenstromverstärker (2), wenigstens einen Signalfilter (3), wenigstens einen lonenstromsignalausgang (4), wenigstens eine Zündspulenansteuerelektronik (5), wenigstens eine Zündspule (6), wenigstens einen lonenstromadapter (7) und wenigstens einen lonenstromsensor (8).

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERKENNUNG KLOPFENDER VERBRENNUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung klopfender Verbrennung beim Betrieb einer Brennkraftmaschine, bzw. ein Zündsystem zur Erfassung von Klopfen, Vorentflammung und Glühzündung mittels lonenstrom bei Verbrennungskraftmaschinen.
Mit Hilfe von lonenstrommessungen wird schon seit längerem versucht eine Klopferkennung zu realisieren. Jedoch können bisher Vorentflammung und Glühzündung nicht, oder nur bedingt detektiert werden.
Bei bisherigen Systemen wird der Frequenzgang, der für eine Klopferkennung erforderlich ist, durch bauteilbedingte parasitäre Induktivitäten und Kondensatoren zu weit eingeschränkt.
Eine Vorentflammung- und eine Glühzündungserkennung ist bisher durch Ladezeiten der Zündspule o.a. nicht möglich.
Bekannt ist es die Hilfsspannung für die lonenstrommessung über die Sekundärwicklung der Zündspule anzulegen. Dies hat den Nachteil, dass das lonenstromsignal über die Spule bedämpft wird und keine Messung während der Ladezeit der Zündspule möglich ist.
Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird das Kraftstoff - Luft - Gemisch bedingt durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Verbrennung bereits während des Verdichtungstaktes, vor dem oberen Totpunkt, gezündet. Der optimale Zündzeitpunkt wird dabei in abhängig der Kurbelwellendrehzahl bestimmt. Klopfende Verbrennung entsteht durch zu früh ausgeführte Zündungen, bei denen zu hohe Druckspitzen zu einer Erhöhung der Temperatur des unverbrannten Kraftstoff - Luft-Gemisches und damit zu lokalen Selbstentzündungen des Kraftstoff - Luft - Gemisches führen. Diese zu hohen Druckspitzen in den Brennräumen entstehen in der Regel während dem Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine. Zur Bestimmung klopfender Verbrennung wird in allen Brennräumen der Brennkraftmaschine der Brennraumdruckverlauf mittels der lonenstrommessung erfasst. Ein Verfahren zur lonenstrommessung ist beispielsweise aus der DE 33 27 766 A1 bekannt. Klopfende Verbrennung ist dabei am Auftreten von Druckspitzen und Schwingungen im Brennraumdruckverlauf erkennbar. Dazu wird der gleichzeitig als lonenstromsonde dienenden Zündkerze unmittelbar nach der Zündung des Kraftstoff - Luft - Gemisches über die Zündspule eine Wechselspannung zugeführt. Diese Wechselspannung wird von Ionen im verbrennenden Kraftstoff - Luft - Gemisch in Abhängigkeit des Brennraumdruckes moduliert. Die modulierte Wechselspannung, das lonenstrom - Rohsignal, wird einer Auswerteschaltung zugeführt. Während der Zündung des Kraftstoff - Luft - Gemisches durch die Zündkerze kann die lonenstrommessung nicht durchgeführt werden. In der DE 197 20 535 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Funkenbrenndauer der Zündkerze auf ein Minimum reduziert wird, um direkt anschließend den Brennraumdruckverlauf zu erfassen und möglicherweise klopfende Verbrennung zu erkennen
In der DE 197 20 532 C2 wird offenbart, dass zur Auswertung zuerst das lonenstrom- rohsignal durch einen Bandpass gefiltert wird. Anschließend wird der nicht durch Klopfen verursachte Teil des gefilterten Signals durch Fensterung ausgeblendet. Die verbleibenden Signalanteile werden gleichgerichtet und anschließend integriert. Der resultierende Wert des Klopfintegrals ist proportional zur Intensität der Druckspitzen des Brennraumdruckverlaufes.
Wird bei einer Brennkraftmaschine klopfende Verbrennung erkannt wird der Zündzeitpunkt für den kommenden Arbeitstakt innerhalb des Verdichtungstaktes näher an den oberen Totpunkt hin verschoben. Dabei entfalten Brennkraftmaschinen bei leichtem Klopfen ihre maximale Leistung, während bei starkem Klopfen die Gefahr besteht, dass an der Brennkraftmaschine mit der Zeit Schäden auftreten. Somit besteht die Notwendigkeit für den Wert des Klopfintegrals einen Schwellwert zu bestimmen, bis zu dem die Brennkraftmaschine mit leichtem Klopfen betrieben werden kann, und ab dem der Zündzeitpunkt in Richtung des oberen Totpunktes hin verschoben werden muss. Das Problem bei der Auswertung eines lonenstromsignal besteht in hohen Intensitätsschwankungen, die bei der Messung des lonenstromsignals von Arbeitstakt zu Arbeitstakt auftreten. Derartige Intensitätsschwankungen können bewirken, dass mit geringer Intensität gemessen lonenstrom - Rohsignale, die große durch Klopfen verursachte Druckspitzen und Schwingungen aufweisen, so geringe Werte für das Klopfintegral ergeben, dass sie unterhalb des Schwellwertes für das Klopfintegral bleiben und somit der Zündzeitpunkt nicht zum oberen Totpunkt hin verschoben wird. Ebenfalls könne mit hoher Intensität gemessene lonenstrom - Rohsignale, die geringe durch Klopfen verursachte Druckspitzen und Schwingungen aufweisen, so hohe Werte für das Klopfintegral ergeben, dass sie oberhalb des Schwellwertes für das Klopfintegral liegen und somit der Zündzeitpunkt zum oben Totpunkt hin verschoben wird, wodurch die Brennkraftmaschine ihre Maximalleistung nicht entfaltet.
In der DE 42 32 845 C2 wird zur Verbesserung der Beurteilung des Wertes der Klopfintegrals vorgeschlagen einen Mittelwert zu bilden, wobei Werte des Klopfintegrals summiert und durch ihre Anzahl dividiert werden. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Klopfintegralwerte zwar besser beurteilt werden können, die Intensitätsschwankungen des lonenstrom-Rohsignals aber im Mittelwert der Klopfintegralwerte noch enthalten sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung klopfender Verbrennung beim Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben, das eine zuverlässige Beurteilung des Wertes der Klopfintegrals gewährleistet und Schwankungen in der Intensität des lonenstrom - Rohsignals kompensiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Klopferkennung im Zündsystem. Dies führt Vorteilhafterweise zur Einsparung der sonst zusätzlich benötigten Klopfsensoren. Die Erkennung von Vorentflammung ist bisher über Klopfsensoren nur bedingt möglich. Die Erkennung von Glühzündung ist bisher nicht möglich. Die Übergabe der Daten erfolgt über eine Schnittstelle zum Motorsteuergerät. Die Vorteile der Erfindung liegen in der Einsparung der Klopfsensoren sowie der Erkennung von Vorentflammung wird der Erkennung von Glühzündung.
Diese Daten werden dem Motorsteuergerät zu Verfügung gestellt, welches dann geeignete Abhilfemaßnahmen einleiten kann. Dies ist derzeit nicht möglich, da insbesondere eine Glühzündung nicht über Klopfsensoren detektiert werden kann.
Die vorhandene Zündspule wird zusätzlich mit einer elektronischen Schaltung ausgerüstet, die zum Messen des lonenstroms und dessen Filterung und Auswertung ausgelegt ist.
Die Zündkerze dient als „Elektrode" zur Erfassung des lonenstroms im Zylinder.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktion der Erfindung anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Figur 1 das Prinzipschaltbild der Zündung mit lonenstromerfassung dargestellt.
Figur 2 die unterschiedlichen Verläufe der lonenstromsignale bei den 4 relevanten Motorbetriebszuständen
Um den lonenstrom abgreifen zu können wird eine Hilfsspannung aus einem DC DC Wandler (1 ) erzeugt. Der DC DC Wandler ist vorzugsweise kurzschlussfest und mit einer Strombegrenzung ausgerüstet. Im Gegensatz zu anderen Veröffentlichungen hat dies u.a. den Vorteil stets messfähig zu sein. Die Hilfsspannung kann zwischen 30 V und 500 V vorzugsweise zwischen 150 V und 300 V liegen. Der gemessene lonenstrom wird in einem Verstärker (2) verstärkt, begrenzt, und grob gefiltert. Der Verstärker (2) kann so ausgebildet sein, dass der Verstärkungsfaktor veränderlich ist. D.h. die Verstärkung kann an die jeweilige Situation angepasst werden. So kann z.B. die Verstärkung Drehzahl oder Lastabhängig nachgeführt werden. Das lonenstromsignal wird über weitere angepasste oder einstellbare Filter (3) weiter bereinigt, und dadurch eine Klopferkennung ermöglicht. Des weiteren kann in diesem Schaltungsblock das lonenstromrohsignal ausgewertet werden um dann über die Schnittstelle nur noch das Diagnoseergebnis an die Motorsteuerung auszugeben.
Über eine Schnittstelle (4) wird das lonenstromsignal ausgegeben. Denkbar ist hier eine Serielle- oder eine Analoge- Schnittstelle. Es ist ebenfalls möglich die lonenstrominformation über die Ansteuerleitung (z.B. KL.1 ) dem Motorsteuergerät zukommen zu lassen. Die Ansteuerelektronik (5) der Zündspule (beinhaltet Schalttransistor und evtl. Schutzschaltungen und weitere Diagnosefunktionen). Diese steuert wie bisher die Zündspule (6) an. Die Zündspule (6) hat den positive Ausgang an KI.4. Der lonenstromadapter (7), lässt positiv gepolte Zündhochspannung passieren, und blockt die lonenstrom Hilfsspannung ab. An der Zündkerze (8) liegt entweder die Zündspannung über den lonenstromadapter (7) an (roter Pfad), oder die lonenstrom Hilfsspannung über den lonenstromadapter (9) (blauer Pfad).
Da die Zündspannung bei diesem Zündsystem positiv ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zündkerze (8) mit Doppelplatinelektroden ausgerüstet ist oder eine ähnliche verschleißfeste Bauart aufweist, lonenstromadapter (9) welcher die Zündhochspannung blockiert, und die lonenstrom Hilfsspannung passieren lässt beinhaltet eine Hochspannungsdiode.
Die Messung des lonenstromes erfolgt über zwei unterschiedliche lonenstromadapter (7) und (9).
Der zusätzliche Filter für das Messsignal, kann auch eine Klopferkennung auswerten. Die ständig anliegende Hilfsspannung, die nur während dem Zündvorgang von der Zündspannung überlagert ist, macht eine Signalauswertung während des gesamten Arbeitsspiels möglich.
Die Messelektronik (1) bis (4) ist in einem separaten Gehäuse untergebracht ist, wobei hierin auch das Zündmodul (5) enthalten sein kann.
Die interne Signalauswertung und eine Ausgabe des Diagnoseergebnisses erfolgt an die Motorsteuerung.
Die Integration der Messadapter in der Zündspule führt zu verbesserten Verbrennungsprozessen.
Die Integration der lonenstromsignalverarbeitung in der Zündeinheit bzw. Zündspulenelektronik reduziert die Auswirkungen von Anomalien.
Die Integration der Hilfsspannungserzeugung in der Zündeinheit bzw. Zündspulenelektronik optimiert die Verbrennungsvorgänge.
Die Ausgabe eines lonenstromsignals an einer Schnittstelle der Zündspule sorgt für optimale Datenübertragungsergebnissen.
Der Einbau dieser gesamten Elektronik zusammen mit der Zündspule in einem Zündspulengehäuse revolutioniert die Verbrennungstechnik.
Das Rohsignal des lonenstroms am Ausgang des lonenstromverstärkers (2) bildet sich mit der o.g. zündspulenintegrierten Schaltung folgendermaßen ab: Diese Rohsignale werden in dem Filter (3) ausgefiltert und ausgewertet. So können genaue Aussagen getroffen werden, ob und um welche Fehlverbrennung es sich handelt. Dies kann dem Motorsteuergerät mitgeteilt werden. Auch wäre denkbar dass die Zündspule den Zündzeitpunkt selbständig korrigiert, und dies ggf. an das Motorsteuergerät meldet, d.h. die Zündspule mit Ihrer Ansteuerung bietet eine Selbstregelung. Dies alles ist weitestgehend unabhängig von der bisher in Zündspulen integrierten Elektronik.
Für Mehrfachzündspulen oder bei einer externen Unterbringung der Messelektronik, kann eine Messelektronik bestehend aus den Bauteilen (1 ) bis (4) für mehrere Zündkerzen verwendet werden, da die Signale im Motorsteuergerät den einzelnen Zylindern zugeordnet werden kann. Es kann für die Messelektronik auch ein separater Eingang von der Motorsteuerung vorgesehen sein, über den z.B. Signale zum Betriebszustand (Drehzahl, Last, ...) zur Regelung der Verstärkung oder ein Signal zur Bestimmung des Zeitpunktes für den Messfensterbeginn und/oder das Messfensterende.
Bezugszeichenliste
1. Hilfsspannungsversorgung
2. lonenstromverstärker
3. Signalfilter
4. lonenstromsignalausgang
5. Ansteuerelektronik der Zündspule
6. Zündspule
7. lonenstromadapter mit Niederspannungsdiode
8. Zündkerze
9. lonenstromadapter mit Hochspannungsdiode

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erkennung von Verbrennungsanomalien einer Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens eine Spannungsversorgung (1), wenigstens einen lonenstromverstärker (2), wenigstens einen Signalfilter (3), wenigstens einen lonenstromsignalausgang (4), wenigstens eine Zündspulenansteuerelektronik (5), wenigstens eine Zündspule (6), wenigstens einen lonenstromadapter (7) und wenigstens einen lonenstromsensor (8).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei lonenstromadapter (7, 9) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein lonenstromadapter (7) wenigstens eine Niederspannungsdiode umfasst.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein lonenstromadapter (9) wenigstens eine Hochspannungsdiode umfasst.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenstromsensor als Zündkerze (8) ausgeführt ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenstromsensor (8) mit Doppelplatinelektroden ausgestattet ist.
7. Verfahren zur Erkennung Verbrennungsanomalien beim Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei der eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt, wobei während dem Verbrennungstakt in den Verbrennungsräumen der Brennkraftmaschine mittels einer lonenstromsonde(δ) ein lonenstromsignal gemessen wird, dieses lonenstromsignal wird in Filter (3) ausgefiltert und ein Wert ausgewertet, der im Falle einer Fehlfunktion zu einer Korrekturregelung führt.
EP09716684A 2008-03-07 2009-02-23 Vorrichtung und verfahren zur erkennung klopfender verbrennung Withdrawn EP2265916A1 (de)

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