SE507394C2 - Arrangemang och förfarande för detektering av jonisering iförbränningsrummet i en flercylindrig förbränningsmotor - Google Patents

Description

507 394 2 30 alltid minst två signalbehandlingslcretsar erfordrats i fyrtaktsmotorer med åtminstone två parallellt löpande kolvar, i de tändsystem som klarar av cylinderidentifiering med jonströmdetekterlng.

UPPi-"ntNmGENs ÄNDAMÅL Uppfinningen har till ändamål att begränsa antalet signalbehandlingskretsar för joniseringsu-ömmar i fyrtakts förbränningsmotorer med åtminstone två kolvar som löper parallellt, där cylinderidentifiering kan erhållas via utvärdering av joniseiingströmmen i förbränningsrummet under förbränningen.

Ytterligare ett ändamål är att ersätta en relativt dyrbar signalbehandlingskrets med en enkel omkopplare, vilket ger en väsentlig kosmadsbesparing i tändsystemet.

KORT BESKRIVNING AV UPPFlNNlNGEN Det uppfinníngsenliga arrangemanget och förfarandet utmärks av den kännetecknande delen av patentkravet l respektive 7.

Genom det uppfinningsenliga arrangemanget och förfarandet kan cylinderidentifiering ske utan kamaxelgivare och med begränsning av antalet signalbehandlingskretsari en fyrtakts förbränningsmotorer med åtminstone två kolvar som löper parallellt. ga uppfinningen utmärkande särdrag och fördelar framgår av övriga patentkravs kännetecknande delar samt den efterföljande beskrivningen av ett utíörlngsexempel. Beskrivningen av utföríngsexempel sker med hänvisning till figurer angivna i följande figurförteckning.

HGURPÖRTECKNING Figur 1, visar en fórbränningsmotor med en motormomerad tändmodul och en styrenhet anordnad på avstånd från motorn; lfigur 2, visar en uppfiniiingsenlig tändmodul för en fyrcylindrig Otto-motor; Figur 3, visar anpassningskretsar, interface, för dubbelriktad kommunikation; Figur 4, visar ett signaltillståndsdiagram för triggsignal, förbränningskvalitetssignal samt lcnacksígnal i beroende av motorposition (vevaxelgiadenCD).

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXENIPEL Uppfiiiningen tillämpas vid förbränningsmotorer 20 av Otto-typ, se figur l, utrustade med åtminstone en motormonterad tändmodul, lCMOgnition Control Motiule), samt en styrenhet, ECM(Engine Control Module). Förbränningsmotoin i utföringsexemplet är en fyrcylindiig fytaktsmotor, där åtminstone två kolvpar löper parallellt. Styrenheten sitteri motorfordon 10 15 20 25 30 35 3 5 07 3 9 4 företrädesvis monterad på avstånd från motom, antingen på torpedväggen i motorrummet eller skyddat inne i fordonets kupé. Styrenheten kan dock i vissa applikationer i fordon sitta monterad på motorn men på avstånd från tändmodulen.

Förbränningsmotorn är utrustad med ett antal sensorer, exempelvis; -en lastgivare 12, anordnad i ínsugningsröret 21(alternativt en trottellägesgivare), -en motortemperaturgivare 13, samt -en motorpositionsgivare 14, anordnad vid motorns svänghjul 25, där ett antal knggar på svänghjulet på i sig känt sätt genererar pulser från givaren 14. Ett anta] kuggar är olikformiga , varigenom motorpositionen, dvs vevaxelns 26 rotationsläge och därigenom även dei motorns törbränningsrum 22 anordnade kolvarnas 23 läge kan bestämmas.

Sensorerna 12- 14 är kopplade till Styrenheten ECM, varigenom tändning men även bränsletilltörsel kan regleras i beroende av detekterad motorbelastning, motortemperatur samt motorposition och varvtal.

Styrenheten ECM styr, i beroende av detekterade motorparametrar, via triggsignalledníngar Tl-T4 när tändmodulen ICM skall generera en tändgnista. Triggsignalledningarna är i det visade utfiïäringsexemplet fyra individuella triggsignalledningar för varje tändspole. Tändspolarna är företrädesvis direktanslutna på respektive tändstift (se figur 2) i en fyrcylindrig motor. Tändmodulen erhåller även strömförsörjning via en tvåledare P,G anslutna till strömkaïllans båda poler. Även Styrenheten ECM erhåller strömförsörjning via en strömkälla, företrädesvis en batteri 10.

Kablaget L mellan styrenheten ECM samt tändmodulen ICM innehåller åtminstone två dubbelriktade kommunikationsledningar Km respektive KOQ.

I figur 2 visas uppbyggnaden av tändmodulen, ICM, för en fyrcylindrig Otto-motor. I den visade utforingsformen användes en detekteringskrets 39a till två stycken tändkretsar 32a-33a-34a-35 a, respektive 32b-33b-34b-35b. Dessa tändkretsar genererar tändgnista i tändstiften 24a samt 24b, anordnade i två olika cylindrar där kolvarna är fasförskjutna 180 vevaxel grader. Enheten 60a, med två tändlqetsar samt en gemensam detekteringshets 39a, är identisk med den andra enheten 60b vilken genererar tändgnista i tändstiften 244: samt 24d. _ Triggsignalerna Tl-T4 går via en processor CPU vidare till primärströmbrytare 35a samt 35b i enheten 60a och primärströmbrytare 35c samt 35d i enheten 60b, via signalledningarna tl-t4. I varje cylinder 22 är åtminstone ett 24a-24d anordnat. Funktionen beskrivs närmare med hänvisning till en tändgnistas generering i tändstiftet 24a Tändspänningen alstras i en tändspole 32a med en primärlindning 33a och en sekundärlindning 34a. Primärlindningen 33a är i sin ena ände ansluten till en spänningskälla, P, ochi dess jordanslutning är anordnad en elektriskt styrd brytare 35a. Genom att processorn på triggutgången tl gör brytaren 35a strömledande så börjar en ström flyta genom primärlindningen 33a, och när sedan strömmen bryts så induceras på sedvanligt sätt en 507 394 4 10 20 30 35 upptransformerad tändspänning i tändspolens 32a sektmdärlindning 34a och en tändgnista alstras i tändstiftsgapet. När strömmen skall släppas på och när strömmen skall brytas av brytaren 35a, sk dwell-time reglering, styrs i beroende av aktuella motorparameterar i enlighet med en i styrenhetens minne förlagt-ad tändvinkelmatris. Dwell-tíme regleringen säkerställer att erforderlig primärsu-öm hinner utvecklas samt att tändgnistan alstras vid den tändtidpunkt som erfordras för det aktuella lastfallet.

Sekundärens ena ände är ansluten till tändstiftet 24a och i dess andra jordanslutna ände finns en detekteringskrets 39a som detekterar joniseringsgraden i förbränningsmmmet. Detekteringslcretsen innefattar en spänníngsacloimulator , häri form av en uppladdningsbar kondensator 40, vilken spänningssätter tändstiftets gnistgap med en väsentligen konstant mätspänning. Kondensatorn motsvarar en ekvivalent lösning till den i EP,C,l 88180 visade utforingsformen där spänníngsackumulatorn är en törhöjd/upptransformerad spänning från uppladdningskretsen i ett kapacitivt tändsystem. I den i figuren visade uttöiingsformen så laddas kondensatorn 40 upp till en spänningsnivå given av zenerdiodens 41 genombrottspänning när tändspänningspulsen induceras i sekundärlindningen 34a. Denna genombrottspänning kan ligga någonstans mellan 80-400 Volt.

Zenerdioden öppnar då det genererats så mycket ström att kondensatorn laddats upp till en spänningsnivå motsvarande zenerdiodens genombrottsspänning. Parallellt med mätmotståndet 42 så är anordnat en andra motvänd skyddsdiod 43 som på motsvarande sätt skyddar för spämiíngar med omvänd polaritet Över mätmotståndet 42 så kan sedan den ström som går i kretsen 24a-34-40/40-42-jord detekteras, vilken ström är beroende av konduktiviteten på gaserna i förbränningsrummet, vilken konduktivitet är proportionell mot joniseringsgraden i forbränningsrummet.

Genom att mätmotståndet 42 är kopplat närmast jord så erfordras enbart en anslutning imätpunkten 45 till en signalbehandlingsenliet 44, vilken signalbehandlingsenhet mäter spänningen över motståndet 42 och i mätpunkten 45 relativt jord Genom att analysera strömmen, alternativt spänningen, genom mätmotståndet så kan bland annat knack och preignition detekteras, och såsom framställts i US,A, 4535740 så skulle vid vissa driftfall aktuellt blandningstörhållande luft-bränsle kunna detekteras genom att mäta hur lång tid joniseringströmmen ligger över en viss nivå Signalbehandlingsenheten 44 i den visade uttöringsformen tar fram en mot törbränningens kvalitet motsvarande signal, CQ/Combustíon Quality, samt en mot knackningens intensitet motsvarande signal, Kl/Knock intensity, i två parallella signalbehandlingssteg 52a,53a respektive 52b,53b.

Ett mot knackningen representativt värde erhålles i ett signalbehandlingssteg genom att filtrera ut det for ett knackningsförlopp typiska frekvensinnehållet. Detta görs i ett bandpass filter/BPF, 52b, där bandpassfiltrets centerfnekvens sätts till den for motorgeometrin beroende knackfrekvensen. För en 10 15 20 25 30 35 5 507 39-4 konventionell 2 liters fyrcylindrig Otto-motor kan centerfrekvensen typiskt ligga på drygt SkHertz.

Därefter lilnilctas och integreras den bandpassfiltrerade signalen i en integrator 53b. Den signal, ICIDATA, som erhålles från integratorn 53b kommer därför att bli proportionell mot knackningens intensitet.

Ett för törbränningskvaliten representativt värde erhålls på liknade sätt i ett andra si gnalbehandlingssteg, genom att filu-era bort högfiekvenskomponenter i jonsmömsignalen. Detta görs i ett lågpass filter 52a. Därefter integreras den lågpassfiltrerade signalen i en integrator 53a.

Den signal, CQDM-A, som erhålls från integratorn S3a kommer därför att bli proportionell mot törbränningens intensitet, vilket kan användas som mått på iörbränningens kvalitet.

När filtreringen i respektive filter 52b samt 52a skall initieras skickas en mätflñnstersignal CQW samt Klw till respektive filter 52a/52b från processorn. Mätfönstersignalerna aktiverar filtren i mättönster, vilka mätfönster kontrolleras av styrenheten, ECM, på ett sätt som närmare beskrivs i anslutning till figur 4.

Då signalbehandlingsenheten 44 innehåller relativt dyra komponenter användes i enlighet med uppfinningen en omkopplare 51 som i beroende av en signal på en ledning SW fiån en logikkrets växlar mellan detekteringskretsen 39a i enheten 60a och en motsvarande detekteringskrets 39b i enheten 60b. Ornkopplaren 51 äri figuren schematiskt återgiven som en relästyrd brytare, vilken med konventionella IC-kretsar kan realiseras med en MUX(multiplex)-krets, styrd av processorn CPU.

Detta sker i beroende av triggsignalerna från styrenheten ECM. När tändföljden bestämts börjar omkopplaren 51 att växla så att antingen signalen på ledning .ll eller 12 kopplas in till signalbehandlingsenheten 44 i beroende av i vilken cylinder förbränning sker. Med tändföljden 1-3-4- 2 står först omkopplaren i det i figuren visade läget när cylinder 1 tänder, varefter omkopplaren slår om under tiden cylinder 3 saint 4 tänder, för att sedan återgå till det visade läget när cylinder 4 tänder. Detta under förutsättning att tändstift 24a sitteri cylinder 1, 24b i cylinder 2, 24c i cylinder 3 samt 24d i cylinder 2.

Under cylinderidentifiering, dvs tändtöljdsbestämning, vid mototstart med jonströmdetektering, genereras tändning i båda cylindrama där kolvarna samtidigt når övre dödpunktläge, när en cylinder är i slutet av utblåsningsfasen och den andra cylindern är i slutfasen av komprimexingen av bränsle- luft blandningen. Joniseringssignalen blir betydligt högre ifrån den cylinder där förbränningen sker, vilket användes för att bestämma tändiöljden. För att vara säker på att tändfcåljden bestärns korrekt erfordras ett 10-tal sarnstämmiga bestämningar av tändföljden. Om en omkopplare 51 enligt figur 2 användes, måste omkopplaren ståi ett fast läge tills dess att tändföljden blivit bestämd. Detta leder till att fler förbränningari motorn måste aktiveras innan tändföljden entydigt bestäms, då endast förbränningar från två av motorns fyra cylindrar ger underlaget för tändfoljdsbestämningen. När väl 507 394 6 20 25 30 tändföljden blivit bestämd genereras endast gnista i den cylinder där kolven når slutet av kompressionslaget, och omkopplaren 51 börjar att ställa om sig efter de cylindrar som är i tändläge.

Processom innehåller A/D omvandlare, där de analoga signalerna KIDM-A samt CQDATA omvandlas till digitala signaler, företrädesvis pulsbreddmodulerade (PWM-moduladon).

Tändmodulens processor CPU skickar vidare den mot knackningens intensitet motsvarande signalen IGDATA via en anpassningskrets 50b, genom att på ledningen Pom-Um lägga ut en digital signal vars pulsbredd är proportionell mot det analoga integrerade värdet från integratorn 53b. På samma sätt skickar tändmochilens processor CPU vidare den mot förbränningens kvalitet motsvarande analoga signalen CQDATA via en anpassningskrets 50a, genom att på ledningen Pom-m lägga ut en digital signal vars pulsbredd är proportionell mot det integrerade värdet från integratorn 53a.

Anpassningskretsarna 50a/50b som ingår i tändmodulen framgår av figur 3, och denna typ av anpassningsenhet sitter i varje ände av kommunikationsledningen Km respektive Km, dvs anpassningsenheter 50c/50d i styrenheten samt anpassningsenlieter 50a/50b i tändmodulen.

Anpassningskretsen är av typen aktiv-låg, där signal föreligger när signalnivån på KOQ / Km ledningen är låg. KCQ/ Km är anslutna mot en matningsspänning/V CC via ett motstånd RZ. Med 5- voltslogik ligger VCC på en spänningsnivå om 5 volt. Om exempelvis tändmodulen i sin ände aktiverar sin utgång Pom; omställs Sl till ett ledande tillstånd, varpå KOQ/ Km kopplas mot jord och antar en låg/aktiv signal. Det låga tillståndet på KQQ / Km detekteras av styrenheten i andra änden av kommunikationsledningen KOQ/ Km via sin signalingång Pm.

En inverterare INV inverterar den aktivt låga signalen på KOQ/ Km till en för ECM samt CPU aktiv hög signal.

Funktionen på anpassningsenheten beskrivs närmare med hänvisning även till signaltíllstånds- diagrammet visat i figur 4. Vid tidpunkten A skickar styrenheten ECM ut en signal på ledningen Tl som via processorn CPU ställer om prlmärströmbrytaren 35a for cylinder 1 i ett ledande tillstånd med signal på ledningen tl. Denna signal initierar även processom i tändmodulen att skicka upp värdet i integratorcrna 53a respektive 53b erhållet från föregående förbränning, vilket i figur 4 motsvaras av pulsbredden CQcym samt Klcym , erhållet från förbränningen i cylinder 2. Föregående förbränning har skett i cylinder 2 i en fyrcylindrig motor med tändföljden 1-3-4-2. Pulsbredden på CQcym samt Klcym är företrädesvis proportionell mot CQDATA respektive IGDATA erhållet från de båda signal-behandlingsstegen 52a,53a respektive 52b,53b.

Vid tidpunkten B går triggsignalen på ledningen Tl låg vilket ställer om ptimärstömbrytaren i ett icke ledande tillstånd, varpå gnistan genereras, vilket normalt sker ett par vevaxlegrader CD före övre dödpunktläget. Övre dödpunlctläget för cylinder l motsvaras av 0 CD på x-axeln i figur 4. När förbränningen startar skall detekteringen av förbränningens kvalitet initieras, vilket sker vid 10 15 20 7 507 394 tidpunkten C styrt av styrenheten genom att aktivera mätiönstret, med signalen CQWW. Styr-enheten ECM aktiverar sin utgång Pom- vilket ställer om S1 till ett ledande tillstånd, varpå KOQ/ Km kopplas mot jord och antar ett låg/aktiv signal. Den låga signalen på kommunikationsledningen KCQ detekteras av tändmodulens processor CPU på ingången Pmm, varpå processorn aktiverar filtret 52a via signalledningen CQW.

De for lmackriingen typiska trycksvängningarna uppträder alltidi ett senare skede av förbränningen.

Styrningen av knackmätfönsuet sker på motsvarande sätt. När lmackningen kan förekomma skall detekteringen av lcnackningen initieras, vilket sker vid tidpunkten D styrt av styrenheten genom att aktivera mätfonstret, med signalen Klwyu. Styrenheten ECM aktiverar sin utgång Pom vilket ställer om S1 till ett ledande tillstånd., varpå kommunikationsledningen Km kopplas mot jord och antar ett låg/aktiv signal.

Den låga signalen på kommunikationsledningen Kn detekteras av tändmodulens processor CPU på ingången Puma, varpå processorn aktiverar filret 52b via signalledningen IClw.

Vid tidpunkten E stänger styrenheten ECM mätfiinstren för knackning respektive fórbränningskvalite, genom att respektive utgång Pom deaktiveras, varpå Kg; respektive KOQ antar en hög icke alttiv signal.

Uppfinningen kan modifieras på ett flertal sätt inom ramen för patentkraven. I en rak sexcylindri g motor med tre parallellt löpande kolvpar och endast en tändmodul, kan omkopplaren ansluta en signalbehandlingsltrets, motsvarande 4-4 i figur 2, sekventiellt till tre detekteringskretsar, motsvarande 39a-39b i figur 2, i tändmodulen.

I vissa motorer kan även fler än en tändmodul användas, exempelvis i V-motorer där en tändmodul är anordnad på respektive cylinderbank. Även i dessa motorer med tändmoduler for varje cylinderbank, kan en omkopplare finnas i varje tändmodul.

Claims (8)

507 394 10 15 20 30 35 8 PATENT KRAV

1. Arrangemang för detektering av jonisering i törbränningsrummet i en flercylindrig fyrtakts flšrbränningsmotor (20), vilken törbränningsmotor innefattar -åtminstone ett första och andra förbränningsrum där kolvarna löper parallellt men är fasförskjutna i Ürtaktscykelns arbetstakt, - ett mätgap (24a,24d) anordnati det första och andra förbränningsrurnmet, vilket mätgap är spänningsatt till en väsentligen konstant spänningsnivå via en för det första och andra förbränningsrummet individuell mätkrets (39a,39b), vilka mätlcretsar via signalledningar (I l,J 2) lämnar en mot joniseringsgraden proportionell signal k ä n n e t e c k n at a v att -en för detekteringslcretsarna (39a,39b) gemensam signalbehandlingssenhet (44) är ansluten till respektive detekteringslcrets (39a respektive 39b) via ett kopplíngsorgan (51) vilket kopplingsorgan momentant vid detektering av joniseringströmmarna endast ansluter en av signalledningarna (J l eller I 2) från detekteringslcretsarna (39a respektive 39b) till signalbehandlingsenheten (44).

2. Ett arrangemang enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at a v att kopplingsorganet är en tvåvägs omkopplare (51).

3. Ett arrangemang enligt patentlcrav 2 k ä n n e t e c k n at a v att omkopplaren (51) styrs av en logiklcrets , företrädesvis en processor (CPU), via en ledning (SW).

4. Ett arrangemang enligt patentkrav 3 k ä n n e t e c kn at a v att omkopplaren (51) är en digital multiplexlcnets, vilken multiplexkrets styrs av en processor (CPU) på digital 'ITL-nivå via en ledning (SW), vilken processor genererar tändgnista medelst till processorn anslutna strömbrytare (35a-35d) i förbränningsmotorns cylindrar (22) i en bestämd tändföljd given av externt erhållna triggsignaler (via Tl-T4) eller en i processorn förbestämd sekvens och där processorn ställer om omkopplaren (51) i beroende av och synkront med tändflñljden.

5. Ett arrangemang enligt något av föregående patentlcrav k ä n n e t e e k n at a v att signalbehandlingsenheten (44) innehåller åtminstone medel (53a) för att integrera den mot joniseringsgiaden proporfionella signalen under en Förbränning i förbränníngsrunnnet.

6. Ettarrangemangenligt patentkrav5 kännetecknat av att signalbehandlingsenheten (44) innehåller åtminstone två parallella signalbehandlingssteg (52a,53a och 52b,53b), vilka signalbehandlingssteg från den joniserirtgsgraden proportionella signalen detekterar två skilda och av förbränningen beroende parametrar. 10 15 9 5 Û 7 394

7. Ett förfarande för defekter-ing av jonisering i förbränningsrummet på en flercylindfig fyrtakts forbränningsrnotorüü), vilken förbränningsmotor innefattar -åtminstone ett första och andra fötbränningsrum där kolvarna löper parallellt men är fasförskjutna i fyrtalttscykelns arbetstakt, - ett mätgap (24a,24d) anordnat i det första och andra förbränningsmmmet, vilket mätgap är spänningsatt till en väsentligen konstant spänningsnivå via en för det första och andra förbränningsrummet individuell mätkrets (39a respektive 39b), vilka mätlcretsar via signalledningar (I1,J2) lämnar en mot joniseringsgraden proponionell signal k ä n n e te c k n at a v att -detekteringskretsarna kopplas individuellt växelvis till en gemensam signalbehandlingsslqets (44) i beroende av en genom cylinderidentifiering fastlagd tändfóljd.

8. Ett forfarande enligt patentkrav 8 k ä n n e t e c k n a t a v att cylindeiidentifieting utförs genom analys av joniseringeni et, där en väsentligen förhöjd joniseringsignal erhålles i det förbränningrum som äri expansionstakten under pågående förbränning, och att si gnalbehandlingsknetsen intill dess att cylinderidentifiering kontinuerligt är ansluten till endast en detekteringslmets (39a eller 39b).