WO1999018350A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung des ionenstroms an brennkraftmaschinen - Google Patents
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Abstract
Vorgestellt wird ein Verfahren zur Verarbeitung der Ionenstromsignale von Brennkraftmaschinen durch Offsetkorrektur, Ausblendung und Multiplexing für Motorsteuerungsfunktionen, bei dem nach der Messung des Ionenstromsignals in jedem Zylinder zum Zwecke der Offsetkorrektur vor jedem Zündvorgang der Pegel des Meßsignals des Zylinders erfaßt, während des Ausblendvorganges das Meßsignal in einem 2. Signal, welches aus dem Meßsignal abgeleitet ist, durch den Pegelwert ersetzt sowie bis zum nächsten Zündvorgang vom 2. Signal subtrahiert wird und anschließend die zu multiplexenden Kanäle durch Addition der 2. Signale der betreffenden Zylinder zu einem 3. Signal zusammengefaßt werden.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Bei Verbrennungen kann durch chemische und physikalische Vorgänge eine Ionisierung der beteiligten Gase erfolgen. Wird an zwei voneinander isoliert in das Gas hineinragenden Elektroden eine Spannung angelegt, kann ein Strom gemessen werden. Dieser wird nachfolgend als Ionenstrom bezeichnet.
Dieses Phänomen ist auch an Brennkraftmaschinen, z.B. an Ottomotoren, zu beobachten. Seit langem wird versucht, den Ionenstrom für verschiedene otorsteuerungs- und Diagnosefunktionen einzusetzen, beispielsweise für Klopfdetektion, Aussetzererkennung, Phasenerkennung, Schätzung des Verbrennungsdruckes bzw. der Lage des Druckmaximums, Bestimmung der Gemischzusammensetzung und Erkennung der Magerlaufgrenze .
Als Meßsonde wird üblicherweise die Zündkerze verwendet. Nach Anlegen einer Spannung zwischen Mittelelektrode und Masse kann nach Abklingen des Zündfunkens der Ionenstrom gemessen werden.
Dabei treten folgende Probleme auf :
Aufgrund von Nebenschlußwiderständen außerhalb und innerhalb der Zündkerze (z.B. Verschmutzung des Zündkerzenisolators) kommt es zu einem Stromoffset, der eine exakte Erfassung des durch die Verbrennung erzeugten Ionenstromes stört . Dieser Stromoffset ist zu eliminieren.
Während der Brenndauer des Zündfunkens ist keine Ionenstrommessung möglich. Eine Ausblendung kann im Ionenstrommeßsignal zu SignalSprüngen führen, welche beispielsweise bei einer nachfolgenden Klopferkennung zu Fehldetektionen führt. Der Zündvorgang ist ohne Störung des Meßsignals auszublenden.
Zur Auswertung des lonenstromsignals kommen in Analogtechnik realisierte Verfahren und Komponenten, z.B. Kurzzeitintegratoren, oder in Digitaltechnik realisierte Verfahren und Komponenten zur Anwendung. Es ist üblich, die Meßsignale mehrere Zylinder nacheinander auf diese Resourcen zu schalten, um Kosten zu sparen (Multiplexing) . Das Multiplexing ist ohne Übersprechen zwischen den Zylinderkanälen auszuführen. Weiterhin ist zu verhindern, daß die nun kürzeren zylinderindividuellen Signalabschnitte zu einer Qualitätsminderung bei der Offsetkorrektur führen. Verbesserung der Sicherheit und Robustheit von Motorsteuerungs- und Diagnosefunktionen durch Nutzung dieser Signale mit verbessertem Störabstand zur Merkmalsbildung .
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens, das die genannten Probleme löst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungεgemäße Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an
Brennkraftmaschinen wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 erläutert .
Die Einbindung des Verfahrens und der Vorrichtung in das technische Umfeld wird in Figur 1 in Form einer Blockdarstellung verdeutlicht. Konkrete Ausgestaltungen der wesentlichen Signalverarbeitungsblöcke werden in Figur 2 bis Figur 4 unter Einbeziehung von Signalbeispielen näher erläutert .
Im einzelnen ist in Figur 1 die komplette
Signalverarbeitungskette dargestellt. Am Anfang dieser Kette steht der Verbrennungsprozeß (2) , der durch die Zündung (1) eingeleitet wird. Bei ordnungsgemäßer Gemischverbrennung findet im Brennraum eine Ionisation statt. Das Mittel (3) dient zur Erzeugung und Messung eines lonenstromsignals (sl) , welches Rückschlüsse auf den Ionisationsprozeß während der Gemischverbrennung zuläßt. Daran schließt sich ein Mittel (4) an, in welcher die erfindungsgemäße Maskierung und Offsetwertkorrektur des lonenstromsignals stattfindet. Mit Hilfe einer Multiplexereinrichtung (5) werden die Ionenstromsignale (s2) von unterschiedlichen Zylindern vorteilhafterweise zu einem Summensignal (s3) zusammengefaßt . Die erfindungsgemäße Aufbereitung des Signals (s3) ermöglicht die Nutzung desselben neben der Aussetzererkennung auch für weiterreichende Anwendungen (9), wie z.B. der Klopfdetektion.
Für die Signalauswertung bietet sich eine rechnergestützte Weiterverarbeitung an. Für die Umsetzung des zeit- und wertekontinuierlichen lonenstromsignals (s3) in eine digitale Signalfolge (s4) kann eine Einheit (6) aus Antialiasing-Filter (6.1) und Analog/Digital-Umsetzer (6.2)
verwendet werden. Aus der digitalen Signalfolge (s4) extrahiert ein Merkmalsbildner (7) zylinderindividuelle Merkmalsvektoren (s5) . Auf der Basis dieser Merkmalsvektoren (s5) findet im nachfolgenden Klassifikator (8) die Erkennung von Verbrennungsaussetzern statt .
Für die zeitliche Ansteuerung der Zündung (1) sowie des erfindungsgemäßen Mittels (4) zur Offsetkorrektur und Maskierung wird eine Steuereinheit (10) benötigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Offsetwertkorrektur und zur Zündfunkenmaskierung des mit Hilfe des Mittels (3) erzeugten lonenstromsignals (sl) wird in Figur 2 veranschaulicht. In einem ersten Schritt wird dazu aus dem Signal (sl) das Signal (sie) derart erzeugt, daß innerhalb eines definierten Meßfensterbereiches das Signal (sl) durchgeschleift wird und außerhalb dieses
Meßfensterbereiches auf einen konstanten Ersatzwert (slb) umgeschaltet wird. Insbesondere wird der Anteil des Zündfunkens im Ionenstrom (sl) mit diesem Ersatzwert (slb) maskiert. Der Ersatzwert (slb) soll dabei größenordnungsmäßig dem Restoffset des lonenstromsignals
(sl) entsprechen. Zu diesem Zweck wird der Ersatzwert (slb) zyklusindividuell kurz vor dem Zündvorgang mittels eines Abtasthalteschaltung (4.2) ermittelt. Vorteilhafterweise wird für die Ermittlung des Haltewertes (slb) nicht auf das Ionenstromsignal (sl) direkt zugegriffen, sondern auf ein störbereinigtes Signal (sla) . Die Störbereinigung des Signals (sl) kann beispielhaft mit einem angepaßten Filter
(4.1) erfolgen. Durch Subtraktion des Ersatzwertes (slb) von dem Hilfssignal (sie) entsteht schließlich das Ausgangssignal (s2) . Dieses Signal (s2) ist dadurch gekennzeichnet, daß es sprungfrei ist und von Zündeinflüssen
sowie von einem durch Nebenschlüssen verursachten Stromoffsets bereinigt ist.
In Figur 3 ist das anschließende Signalmultiplexing (5) dargestellt. Aufgrund der besonderen Eigenschaft der zylinderindividuellen Signale nach Art von (s2) können die Signale von mehreren Zylindern vorteilhafterweise in Form eines zeitlichen Multiplexings zu einem gemeinsamen Signal (s3) zusammengefaßt werden. Dabei ist aufgrund der in (4) erfolgten Meßfenstermaskierung eine gegenseitige Beeinflussung der gemultiplexten Signale ausgeschlossen.. Dadurch läßt sich der Ressourcenaufwand für die Signalübertragung und die anschließende Digitalisierung stark verringern.
Vor dem Analog/Digital-Umsetzer (6.2) kann vorteilhafterweise noch ein Antialiasing-Filter (6.1) in den Signalweg geschalten werden. Durch entsprechende Ausgestaltung dieses Filters besteht ferner die Möglichkeit das Signal (s3) speziell an niedere Abtastraten anzupassen. Am Ausgang des Analog/Digital-Umsetzers (6.2) steht eine diskrete Signalfolge (s4) zur Verfügung.
Mit Hilfe eines Merkmalsbildners (7) werden aus dem Signal (s4) zylinderindividuelle Merkmalsvektoren (s5) gebildet. In Figur 4 ist beispielhaft eine mögliche Realisierung des Merkmalsbildners (7) dargestellt.
Zuerst erfolgt mit Hilfe eines Mittels (7.1) die Aufspaltung des kontinuierlichen Datenstroms (s4) in die zylinderindividuellen Anteile. In einfachster Ausführung kann anschließend für jeden zylinderindividuellen Verbrennungszyklus ein zweidimensionaler Merkmalsvektor, bestehend aus dem Ionenstrommaximalwert und dem Kurzzeitintegral über das Ionenstrommeßfenster, gebildet werden.
Ein nachgeschalteter Klassifikator (8) kann anhand der Merkmalsvektoren (s5) durch Vergleich mit entsprechend berechneten Schwellwerten eine Unterscheidung von regulären Verbrennungen und Verbrennungsaussetzern vornehmen.
In Anlehnung an das vorgestellte Verfahren kann ein, alternatives Verfahren, das durch die Figuren 5 und 6 näher erläutert wird, genutzt werden.
Dieses alternative Verfahren ersetzt die in Figur 1 beschriebenen Mittel 3,4,5 und 10, benutzt das Signal aus dem Verbrennungsprozeß (2) und liefert ein Signal s8.3, das in gleicher Weise wie Signal s3 erfindungsgemäß verarbeitet wird.
In dem ersten erfindungsgemäßen Schritt wird in der Auswahleinheit (8.1) unter mehreren von unterschiedlichen Zylindern in vorteilhafter Weise ein Ionenstrom ausgewählt. Dieses Ionenstromsignal wird mit Mittel (8.2) gemessen, bevor es in Mittel (8.3) die erfindungsgemäße Offsetkorrektur und Maskierung des Zündfunkens erfährt . Die Maskierung des Zündfunkens und die Offsetkorrektur wird in Figur 6 veranschaulicht.
Bevor das Mittel (8.1) die Auswahl der Ionenströme verändert, wird mit Mittel (8.3.5) auf einen zuvor erfindungsgemäß festgelegten, konstanten Wert umgeschaltet, welcher keinen Sprung im Signal (s8.3) zuläßt. Während dieser Maskierung wird zunächst ein neuer Offsetwert mit den Mitteln (8.3.1) und (8.3.2) gebildet, der mit Mittel (8.3.4) von dem ursprünglichen Signal aus Mittel (8.2) abgezogen wird. Die Bestimmung des Offsetwertes ist erfindungsgemäß abgeschlossen, bevor im Ionenstromsignal der Zündfunke
sichtbar wird. Die Störbereinigung des Signals aus dem Verbrennungsprozeß (2) kann beispielhaft mit einem angepaßten Filter (8.3.1) erfolgen. Ist im Anschluß daran der Einfluß des Zündfunkens auf das Ionenstromsignal zu Ende, wird mit Mittel (8.3.5) auf den Ausgang des Mittels (8.3.4) zurückgeschalten. In der Abtasthalteschaltung (8.3.2) wird der ermittelte Wert aus Mittel (8.3.1) bis zum nächsten Umschalten der Mittel (8.3.5) und (8.1) gehalten, so daß nach Mittel (8.3.5) ein erfindungsgemäß offsetwertbereinigtes und störbereinigtes Signal (s8.3) zur weiteren Verarbeitung in Mittel (6) vorliegt. Für die zeitliche Ansteuerung der Mittel 1, 8.1, 8.2 und 8.3 wird eine Steuereinheit 8.4 benötigt.
Claims
1. Verfahren zur Verarbeitung der Ionenstromsignale von Brennkraftmaschinen durch Offsetkorrektur, Ausblendung und Multiplexing für Motorsteuerungsfunktionen, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Messung des lonenstromsignals in jedem Zylinder zum Zwecke der Offsetkorrektur vor jedem Zündvorgang der Pegel des Meßsignals des Zylinders erfaßt, während des Ausblendvorganges das Meßsignal in einem 2. Signal, welches aus dem Meßsignal abgeleitet ist, durch den Pegelwert ersetzt sowie bis zum nächsten Zündvorgang vom 2. Signal subtrahiert wird und anschließend die zu multiplexenden Kanäle durch Addition der 2. Signale der betreffenden Zylinder zu einem 3. Signal zusammengefaßt werden .
2. Verfahren zur Verarbeitung der Ionenstromsignale von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder zur Ionenstrommessung ausgewählt, dessen Offsetwert gebildet und vom ursprünglichen Ionenstromsignal abgezogen wird sowie eine Maskierung des Zündfunkens und der davor erfindungsgemäß stattfinden Umschaltung des Zylinders zur Ionenstrommessung und Offsetkorrektur mit einem zuvor festgelegten konstanten Wert erfolgt und dieses Signal als 3. Signal weiterverarbeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das so aufbereitete Signal mittels eines Verfahrens zur Klopferkennung weiterverarbeitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Pegelwerte, welche den Offsetstrom kennzeichnen, durch Vergleich mit festen oder betriebszustandsabhangigen Schwellwerten eine Diagnose des Zündsystems und des Kerzenzustandes (Kerzenverschmutzung) ermöglichen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch Kurzzeitintegration des 3. Signals innerhalb von den einzelnen Zylindern zugeordneten Meßfenstern ein 1. Merkmal entsteht, welches durch Vergleich mit festen oder betriebszustandsabhangigen Schwellwerten eine Aussetzererkennung ermöglicht
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch Maximalwertauswertung des 3. Signals innerhalb von den einzelnen Zylindern zugeordneten Meßfenstern ein 2. Merkmal entsteht, welches durch Vergleich mit festen oder betriebszustandsabhangigen Schwellwerten eine Aussetzererkennung ermöglicht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , 5 und 6 , dadurch gekennzeichnet, daß beide Merkmale in einem zweidimensionalen Merkmalsraum zur Erkennung von Aussetzern verwendet werden.
8. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das 3. Signal einer Tiefpaßfilterung und Analog-Digitalwandlung unterzogen wird und in einem geeigneten Mikrorechner als Grundlage weiterer Motorsteuerungsfunktionen verwendet wird.
9. Anspruch 1 oder 2 , 5 , 6 , 7 und 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Aussetzererkennung nach der Digialisierung im Mikrorechner durchgeführt wird.
10. Vorrichtung zur Verarbeitung der Ionenstromsignale von Brennkraftmaschinen durch Offsetkorrektur, Ausblendung und Multiplexing für Motorsteuerungsfunktionen, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Messung des lonenstromsignals in jedem Zylinder zum Zwecke der Offsetkorrektur vor jedem Zündvorgang der Pegel des Meßsignals des Zylinders erfaßt, während des Ausblendvorganges das Meßsignal in einem 2. Signal, welches aus dem Meßsignal abgeleitet ist, durch den Pegelwert ersetzt sowie bis zum nächsten Zündvorgang vom 2. Signal subtrahiert wird und anschließend die zu multiplexenden Kanäle durch Addition der 2. Signale der betreffenden Zylinder zu einem 3. Signal zusammengefaßt werden.
11. Vorrichtung zur Verarbeitung der Ionenstromsignale von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder zur lonenstrommessung ausgewählt, dessen Offsetwert gebildet und vom ursprünglichen Ionenstromsignal abgezogen wird sowie eine Maskierung des Zündfunkens und der davor erfindungsgemäß stattfinden Umschaltung des Zylinders zur lonenstrommessung und Offsetkorrektur mit einem zuvor festgelegten konstanten Wert erfolgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das so aufbereitete Signal mittels einer Vorrichtung zur Klopferkennung weiterverarbeitet wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Pegelwerte, welche den
Offsetstrom kennzeichnen, durch Vergleich mit festen oder betriebszustandsabhangigen Schwellwerten eine Diagnose des Zündsystems und des Kerzenzustandes (Kerzenverschmutzung) ermöglichen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, daß durch Kurzzeitintegration des 3. Signals innerhalb von den einzelnen Zylindern zugeordneten Meßfenstern ein 1. Merkmal entsteht, welches durch Vergleich mit festen oder betriebszustandsabhangigen Schwellwerten eine Aussetzererkennung ermöglicht
15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, daß durch Maximalwertauswertung des 3. Signals innerhalb von den einzelnen Zylindern zugeordneten Meßfenstern ein 2. Merkmal entsteht, welches durch Vergleich mit festen oder betriebszustandsabhangigen Schwellwerten eine Aussetzererkennung ermöglicht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß beide Merkmale in einem zweidimensionalen Merkmalsraum zur Erkennung von Aussetzern verwendet werden .
17. Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
3. Signal einer Tiefpaßfilterung und Analog-Digitalwandlung unterzogen wird und in einem geeigneten Mikrorechner als Grundlage weiterer Motorsteuerungsfunktionen verwendet wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussetzererkennung nach der Digitalisierung im Mikrorechner durchgeführt wird.
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