WO1999007995A1

WO1999007995A1 - Mess- und diagnoseeinrichtung für ein zündsystem einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO1999007995A1
Application number: PCT/DE1998/002342
Authority: WO
Inventors: Alfons Fisch
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1997-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 1999-02-18
Also published as: EP1003967A1; EP1003967B1; KR100564083B1; KR20010022780A; DE59812578D1

Abstract

Der primärseitige Spannungsverlauf der Zündspannung Upr wird in einen analogen Strom I1 über eine erste Regelschaltung (4) gewandelt, deren Ausgangsspannung Vo in einem ersten Komparator (5) mit einer ersten Vergleichsspannung V1 verglichen wird; in einem zweiten Komparator (6) wird die Ausgangsspannung Vo mit einer zweiten Vergleichsspannung V2 verglichen. Am Ausgang des ersten Komparators (5) ist ein Diagnosesignal IGBT-Diag für den Zündschalter (3) und am Ausgang des zweiten Komparators (6) ein Meßsignal IGN-Diag für die Brenndauer abgreifbar.

Description

Beschreibung

Meß- und Diagnoseeinrichtung für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Meß- und Diagnoseeinrichtung für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus DE 4039356 Cl ist eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Brennspannung eines Zündsystems einer Brennkraftmaschine bekannt, welche die auf die Primärseite einer Zündspule transformierte Zündkerzen-Brennspannung mittels eines als Emitterfolger geschalteten Spannungswandlers auswertet.

Aus der DE 2759155 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Funkenbrenndauer in Zündeinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welcher der primärseitige Zündspannungsverlauf einer transistorgesteuerten Zündspule mit- tels einer Integratoreinrichtung und einer nachgeschalteten Triggereinrichtung mit vorgegebener Ansprechspannung aufweist, in einen Rechteckimpuls gewandelt, dessen Dauer der Funkenbrenndauer entspricht.

Aus US 4,331,922 ist eine Diagnoseeinrichtung für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine zur Überwachung der Batteriespannung, des Zündschalters und der FunkenkopfSpannung bekannt, welche mehrere Komparatoren zum Vergleichen der Primärspannung mit verschiedenen Referenzspannungen aufweist, wobei die Komparatorausgänge über Spitzenwertspeicher mit einer Logik verbunden sind, die Einrichtungen zum Anzeigen von Fehlbedingungen steuert.

Da die am Zündschalter liegende, primärseitige Zündspannung relativ hohe Spannungspegel aufweist, die oberhalb des Ein- gangsspannungsbereichs von Standard-Operationsverstärkern liegen, sind besonders komplizierte Klemmschaltungen erforderlich. Außerdem ist es mit den Komparatoren allein nicht getan, sondern es sind mehrere Spitzenwertspeicher erforder- lieh sowie eine Auswertelogik.

Bei der Entwicklung von Zündsystemen in Brennkraftmaschinen hat sich gezeigt, daß es erforderlich ist, den Zündschalter (Leistungsendstufen- Transistor) vor Zerstörung zu schützen, wenn beispielsweise die Primärwicklung der Zündspule einen

Kurzschluß zum Pluspol der Batteriespannungsquelle aufweist. Außerdem ist es für Diagnosezwecke hilfreich, die Funkenbrenndauer zu erfassen und geeignete Maßnahmen zu treffen, falls diese außerhalb eines vorgegebenen Sollwertbereichs liegt.

Ein charakteristisches Auswertesignal, aus dem die zuvor genannten zwei Phänomene meßbar und auswertbar sind, stellt der primärseitige Verlauf der Zündspannung dar.

Die primärseitige Zündspannung hat bei durchgeschalteter Lei- stungsendstufe einen Low-Pegel in der Größenordnung von ca. 2V und steigt nach dem Abschalten des Stromflusses durch die Primärwicklung im Zündzeitpunkt kurzzeitig auf ca. 300 bis 400 V (Funkenkopf) an, bis es sekundärseitig an den Zündkerzen zu einem Überschlag kommt. Danach pendelt sich die primärseitige Zündspannung auf einen Wert oberhalb der Batteriespannung Vbat ein, der von der Batteriespannung, der Brennspannung der Funkenstrecke und von dem Übersetzungsverhältnis der Zündspule abhängt. Sobald dann die in der Zündspule gespeicherte Energie abgebaut ist, schwingt die primärseitige Zündspannung auf einen der Batteriespannung Vbat entsprechenden Wert zurück. Die primärseitige Zündspannung Upr weist also relativ hohe Spannungspegel auf, die oberhalb des Eingangsspannungsbereichs integrierter Schaltkreise liegen und besondere Klemmschaltungen erforderlich machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für integrierte Schaltungen geeignete Meß- und Diagnoseeinrichtung für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche die relativ großen Pegelunter- schiede der primärseitigen Zündspannung im interessierenden Bereich durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen in einem weiten Temperaturbereich mit einer einzigen Referenzspannung sicher detektierbar und auswertbar macht und gleichzeitig neben der Erzeugung eines Signals zur Messung der Funken- brenndauer auch den Zündschalter überwacht und bei Erkennen eines Fehlers Signale erzeugt, bei deren Auftreten der Zündschalter bzw. die Brennkraftmaschine durch Abschalten vor Zerstörung geschützt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Schaltung der erfindungsgemäßen Meß- und Diagnoseeinrichtung besteht vorteilhafterweise aus relativ wenigen Bauele- menten, die sich gut für die Integration eignen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die nachstehend beschriebene, einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Meß- und Diagnoseeinrichtung für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine. An der Reihenschaltung einer Zündspule 1 und eines Zündschal- ters 3 liegt eine Batteriespannung Vbat (beispielsweise +12V) einer nicht dargestellten Bordspannungsquelle. Der Zündschalter 3 schaltet mittels ihm zugeführter Steuersignale Ust den Primärstrom Ipr durch die Primärwicklung 2 der Zündspule 1 periodisch ein und aus, wodurch sich der zuvor beschriebene Verlauf der am Zündschalter 3 liegenden Zündspannung Upr ergibt, der zu Meß- und Diagnosezwecken ausgewertet wird.

Vom Verbindungspunkt zwischen Primärspule 2 und Zündschalter 3 ist eine Reihenschaltung eines Schutzwiderstandes Rl und eines ersten Transistors Tl nach Masse (Minuspol der Bordspannungsquelle) geschaltet, wobei der Emitter des Transistors Tl mit Masse und sein Kollektor mit dem Schutzwiderstand Rl verbunden ist.

Transistor Tl ist Teil einer ersten Regelschaltung 4, welche aus einem als erster Linearverstärker 8 geschalteten Operationsverstärker besteht. Dessen nichtinvertierender Eingang "+" ist mit dem Verbindungspunkt Kl, dem Eingang der Regelschaltung - zwischen dem Kollektor von Tl und dem Schutzwiderstand Rl verbunden. Der invertierende Eingang "- ^v ist mit einer

Referenzspannung Uref (beispielsweise +3V) beaufschlagt, welche in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Hilfsspannung Vcc (beispielsweise +5V) über einen Spannungsteiler R4 , R5 gewonnen wird. Parallel zum Widerstand R5 ist ein Kondensator Cl geschaltet, um eventuelle Störspannungen auszublenden. Der Ausgang des ersten Linearverstärkers 8 ist mit der Basis des ersten Transistors Tl verbunden.

Der Ausgang der ersten Regelschaltung 4 ist auch mit dem nichtinvertierenden Eingang "+" eines ersten Komparators 5 verbunden, dessen invertierender Eingang "- " mit einer ersten Vergleichsspannung VI (beispielsweise +0.3V) beaufschlagt ist, welche beispielsweise aus der Hilfsspannung Vcc (+5V) über einen Spannungsteiler R8, R9 gewonnen wird. Am Ausgang des ersten Komparators 5 ist ein Diagnosesignal IGBT-Diag abgreifbar.

Des weiteren ist eine zweite Regelschaltung 7 mit identischem Aufbau wie die erste Regelschaltung 4 vorgesehen, die einen zweiten Transistor T2 und einen zweiten Linearverstärker 9 aufweist, wobei auch hier der invertierende Eingang "- " mit der Referenzspannung Uref (+3V) beaufschlagt ist, und wobei der Kollektor des zweiten Transistors T2 und der nichtinver- tierende Eingang "+" des zweiten Linearverstärker 9 über ei- nen Eingang K2 verbunden sind, welcher einerseits über einen Widerstand R2 mit derBatteriespannung Vbat und andererseits über einen Widerstand R3 mit der Hilfsspannung Vcc verbunden ist. Die Widerstände Rl, R2 und R3 können zur besseren Anpassung der Schaltung an unterschiedliche Bedürfnisse externe, nicht integrierte Widerstände sein.

Der Ausgang der zweiten Regelschaltung 7 ist mit dem nichtin- vertierenden Eingang "+" eines zweiten Komparators 6 verbunden, dessen invertierender Eingang "- " mit dem Ausgang der ersten Regelschaltung 4 verbunden ist. Am Ausgang des zweiten Komparators 6 ist ein Meßsignal IGN-Diag abgreifbar.

Die vorstehend beschriebene Schaltung arbeitet, wie folgt: über den Schutzwiderstand Rl wird der Regelschaltung 4 die Primärspannung Upr zugeführt. Die Regelschaltung arbeitet so, daß sie immer versucht, am Eingang Kl eine Spannung einzustellen, die gleich der Referenzspannung Uref ist, die vorzugsweise etwas größer als die maximale Sättigungsspannung des Zündschalters gewählt wird. Ist die Primärspannung Upr kleiner als die Referenzspannung Uref, so wird Transistor Tl vom Ausgangssignal Vo des Linearverstärkers 8 (Vo = 0V) gesperrt und es erfolgt kein Span- nungsabfall am Schutzwiderstand Rl . Dies ist bei Vorliegen eines Steuersignals Ust bei leitendem Zustand des intakten Zündschalters 3, der in diesem Ausführungsbeispiel als IGBT ausgeführt ist, der Fall (Upr « 2.3V < Uref = 3V) .

Ist hingegen die Primärspannung Upr größer als die Referenzspannung Uref, was im nichtleitenden Zustand des intakten Zündschalters 3 oder bei einem Kurzschluß nach Batteriespannung der Fall ist, so fällt am Schutzwiderstand Rl die Differenzspannung Upr - Uref ab, indem der Linearverstärker durch Erhöhung seines Ausgangssignals Vo > 0.7V den Transistor Tl soweit leitend steuert, daß am Eingang Kl die Spannung Uref anliegt. Das heißt, daß am Schutzwiderstand Rl eine Spannung Upr - Uref abfällt. Dann fließt durch den Schutzwiderstand Rl und durch den Transistor Tl ein erster Strom II = (Upr - Uref) /Rl.

Das Ausgangssignal Vo des ersten Linearverstärkers 4 wird im ersten Komparator 5 mit der ersten Vergleichsspannung VI =0.3V verglichen. Das Ausgangssignal des ersten Verglei- chers 5, das Diagnosesignal IGBT-Diag, ist

IGBT-Diag = L (Low) , wenn Upr < Uref;

IGBT-Diag = H (High), wenn Upr > Uref.

Das -Diagnosesignal IGBT-Diag kann mit dem Ansteuersignal Ust des Zündschalters 3 über eine diskrete Logikschaltung verknüpft sein. Alternativ dazu ist es möglich, das Ansteuersignal Ust mit dem Diagnosesignal IGBT-Diag in einem Microcontroller zu verarbeiten. Dadurch läßt sich ein digitales Fehlersignal F erzeugen, durch das der Zündschalter 3 abgeschal- tet und so vor Zerstörung geschützt werden kann, wenn bei- spielsweise die Primärwicklung 2 einen Kurzschluß zur Batteriespannung Vbat aufweist:

F = H, wenn Ust = H und gleichzeitig IGBT-Diag = H; F = H, wenn Ust = L und gleichzeitig IGBT-Diag = L.

In diesem Fall wird das Zündsystem sofort abgeschaltet.

Die zweite Regelschaltung 9 wird über den Widerstand R2, der gleich groß wie der Schutzwidersztand Rl ist, mit einem Strom IR2 aus der Bordspannungsquelle gespeist, der, wenn am Eingang K2 die Referenzspannung Uref anliegen soll, einen Wert IR2 = (Vbat - Uref) /R2 aufweist. Gleichzeitig wird der zweiten Regelschaltung 9 über den Widerstand R3 ein Strom IR3 aus der Hilfsspannungsquelle Vcc zugeführt, der unter den glei- chen Bedingungen einen Wert IR3 = (Vcc - Uref) /R3 aufweist.

Durch den zweiten Transistor T2 fließt demnach ein zweiter Strom 12 = IR2 + IR3, der in dem Fall, daß die Primärspannung Upr gleich der Batteriespannung Vbat ist, größer als der er- ste Strom II ist, der durch den ersten Transistor Tl fließt: (Vbat - Uref)/R2 ≡ (Vbat - Uref)/Rl, da Rl = R2.

Damit dieser größere zweite Strom durch den Transistor T2 fließen kann, muß dieser vom zweiten Linearverstärker 9 wei- ter aufgesteuert werden als Tl, d.h., das Ausgangssignal V2 der zweiten Regelschaltung 7 ist im Fall Upr = Vbat größer als das Ausgangssignal Vo der ersten Regelschaltung 4.

Die ^'Ausgangssignale Vo und V2 der beiden Regelschaltungen 4 und 7 werden im zweiten Komparator 6 miteinander verglichen, wobei im Fall Upr = Vbat das Ausgangssignal des zweiten Komparators 6, das Meßsignal IGN-Diag, ein High-Signal ist: IGN-Diag = H. Erst, wenn II > 12 wird, was bei etwa Upr = Vbat + 3V der Fall ist (wird bei intaktem Zündsystem nach dem Ausschalten des Zündschalters 3 während der Brenndauer des Zündfunkens in einer Zündkerze sicher überschritten) , wird Vo > V2 und damit das Meßsignal IGN-Diag = L. Die Dauer dieses Low-Zustandes des Meßsignals IGN-Diag entspricht der Brenndauer der jeweiligen Zündkerze. Diese Dauer kann digital ausgemessen und mit Schwellwerten verglichen werden.

Die Widerstände R2 und R3 werden demnach so bemessen, daß II < 12 bzw. Vo < V2, wenn Upr = Vbat, und II > 12 bzw. Vo > V2, wenn Upr = Brennspannung.

Mit dem Meßsignal IGN-Diag können folgende Zustände festge- stellt werden:

a) Brenndauer durch Auszählen der Dauer des Meßsignals IGN-Diag = L; b) Unterbrechung oder Kurzschluß nach Batteriespannung des Primärstromkreises: in diesem Fall bleibt nach Ende des

Steuersignals Ust das Meßsignal IGN-Diag = H; c) Unterbrechung in einem Zündkabel oder abgefallener Zündkabelstecker: in diesem Fall entsteht nach Ende des Steuersignals Ust eine sehr kurze Brenndauer (IGN-Diag = L) , sie ist kürzer als eine erste vorgegebene Dauer Dl; d) sekundärer Kurzschluß in einem Zündkabel oder einer Zündkerze oder verschmutzte Zündkerze: in diesem Fall ist nach Ende des Steuersignals Ust die Brenndauer (IGN-Diag = L) l-änger als eine zweite vorgegebene Dauer D2.

In den Fällen b, c und d können geeignete Maßnahmen (Abschalten des Zündschalters) zum Schutz des Zündsystems getroffen werden. Bei einer monolithischen Integration der Meß- und Diagnoseeinrichtung können die Ströme II und 12 als (analoge) Referenzströme dienen, wobei der Komparator 6 als Stromkomparator ausgebildet sein kann, welchem die Ströme II und 12 mittels Stromspiegelschaltungen (nicht dargestellt) zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Meß- und Diagnoseeinrichtung für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine, mit einer Zündspule (1), deren Primär- wicklung (2) an einer Batteriespannung (Vbat) liegt, und mit einem Zündschalter (3), welcher den Strom (Ipr) durch die Primärwicklung (2) der Zündspule (1) periodisch unterbricht,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

- daß eine erste Regelschaltung (4) vorgesehen ist, deren Eingang (Kl) über einen Schutzwiderstand (Rl) mit dem Verbindungspunkt zwischen Primärspule (2) und Zündschalter (3) verbunden ist,

- daß die erste Regelschaltung (4) einen Linearverstärker (8) aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang (+) mit dem Eingang (Kl) verbunden ist, an dessen invertierendem Eingang (-) eine Referenzspannung (Uref) liegt, und dessen Ausgang mit der Basis eines ersten Transistors (Tl) verbunden ist, dessen Kollektor mit dem Eingang (Kl) und dessen Emitter mit Masse verbunden ist,

- daß der Ausgang der ersten Regelschaltung (4), zugleich Ausgang des ersten Linearverstärkers (8), mit dem nichtinver- tierenden Eingang (+) eines ersten Komparators (5) verbunden ist, an dessen invertierenden Eingang (-) eine erste Vergleichsspannung (VI) liegt, und an dessen Ausgang ein Diagnosesignal (IGBT-Diag) abgreifbar ist,

- daß eine zweite, mit der ersten Regelschaltung (4) identische Regelschaltung (7) mit einem zweiten Linearverstärker (9) und einem zweiten Transistor (T2) vorgesehen ist, deren Eingang (K2) über einen ersten Widerstand (R2) mit Batterie- Spannung (Vbat) und über einen zweiten Widerstand (R3) mit einer Hilfsspannung {Vcc ) verbunden ist, und

- daß der Ausgang der zweiten Regelschaltung (4), zugleich Ausgang des zweiten Linearverstärkers (8), mit dem invertie- renden Eingang (-) eines zweiten Komparators (6) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang (+) mit dem Ausgang der ersten Regelschaltung (4) verbunden ist, und an dessen Ausgang ein Meßsignal (IGN-Diag) abgreifbar ist.

2. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzwiderstand (Rl) und der erste Widerstand (R2) gleiche Widerstandswerte aufweisen.

3. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Referenzspannung (Uref) größer als die maximale Sättigungsspannung des Zündschalters (3) ist.

4. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Linearverstärker (8) - den ersten Transistor (Tl) nichtleitend steuert (Vo = 0V) , wenn die Primärspannung (Upr) kleiner als die Referenzspannung (Uref) ist, und

- den ersten Transistor (Tl) leitend steuert (Vo > 0.7V), wenn die Primärspannung (Upr) größer als die Referenzspannung (Uref) ist.

5. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Linearver- stärier (8) den ersten Transistor (Tl) im Fall Upr > Uref so- weit aufsteuert, daß sich ein erster Strom II = (Upr -

Uref) /Rl durch den Schutzwiderstand (Rl) einstellt, der am Schutzwiderszand (Rl) einen Spannungsabfall Upr - Uref bewirkt.

6. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vergleichsspannung (VI) eine Wert 0V < VI < 0.7V aufweist.

7. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Widerstand (R2, R3) so bemessen sind, daß der der Summe der durch sie fließenden Ströme entsprechende zweite Strom (12) - größer als der erste Strom (II) durch den Schutzwiderstand (Rl) ist, wenn die Primärspannung (Upr) der Batteriespannung (Vbat) entspricht, und

- kleiner als der Strom (II) durch den Schutzwiderstand (Rl) ist, wenn die Primärspannung (Upr) der auf die Primärseite transformierten Brennspannung entspricht.

8. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (Ust) des Zündschalters (3) , das Diagnosesignal (IGBT Diag) und das Meßsignal

(IGN-Diag) derart miteinander verknüpft sind, daß Fehlersignale (F) abgegeben werden, wenn

Ust = H und gleichzeitig IGBT-Diag = H, Ust = L und gleichzeitig IGBT-Diag = L, Ust = L und gleichzeitig IGN-Diag = H,

Dauer IGN-Diag < Dl, Dauer IGN-Diag > D2.

9. Meß- und Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Komparator

(6) als Stromkomparator ausgebildet ist, dessen Eingängen der erste und der zweite Strom (II, 12) über Stromspiegelschaltungen zugeführt werden.