WO2009121433A1 - Verfahren und anordnung zur phasenerkennung eines zylinders in einem viertakt-ottomotor - Google Patents

Verfahren und anordnung zur phasenerkennung eines zylinders in einem viertakt-ottomotor Download PDF

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WO2009121433A1
WO2009121433A1 PCT/EP2008/066333 EP2008066333W WO2009121433A1 WO 2009121433 A1 WO2009121433 A1 WO 2009121433A1 EP 2008066333 W EP2008066333 W EP 2008066333W WO 2009121433 A1 WO2009121433 A1 WO 2009121433A1
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cylinder
coil
phase
cylinders
spark
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PCT/EP2008/066333
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Lothar Puettmann
Walter Gollin
Bernhard Eisele
Herbert Kolly
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/009—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents using means for generating position or synchronisation signals
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    • F02P2017/006—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines using a capacitive sensor
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    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/121—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current by measuring spark voltage
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    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/123—Generating additional sparks for diagnostics

Definitions

  • the invention relates to a method for phase detection of a cylinder in a four-stroke gasoline engine, wherein at least one secondary-side output signal of an ignition coil is detected and electrically evaluated in dependence on the position of a crankshaft of the four-stroke engine and an apparatus for performing the method.
  • phase detection is detected by a Segmentgeberrad on the camshaft of the gasoline engine and a phase encoder as a complement to an incremental encoder wheel on the crankshaft whose movements are detected by a speed sensor quickly and clearly.
  • a method for detecting the working stroke in a multi-cylinder four-stroke engine in which the position of the crankshaft is detected by means of a crankshaft sensor, wherein dispensed to a driven by the camshaft cylinder detection sensor.
  • a differential signal of an induction voltage is generated at every ignition.
  • a Zündprofilmesssignals and the signal of the primary winding of the ignition coil is determined which of the cylinders of the four-stroke engine has begun with the working stroke.
  • the invention has for its object to provide a method for ignition phase detection of a cylinder in a four-stroke gasoline engine, in which an accurate and reliable detection of the phase position of the cylinder of a gasoline engine is possible with little technical circuitry and evaluation.
  • the method according to the invention represents a simple evaluation method in which the application effort is also reduced.
  • the system costs are significantly reduced since, after detecting the position of the crankshaft, two parallel-running cylinders near a top dead center simultaneously initiate a spark, whereby the secondary output signals of the ignition coil caused by the ignition are measured and evaluated with regard to the phase of the two cylinders ,
  • top dead center is meant the highest point of the piston of the engine in the cylinder during its upward movement.
  • the relationship is used that the secondary output signal on the ignition coil is proportional to the pressure within a cylinder. Only components that already exist per se are used to determine the ignition phase of the cylinders.
  • the method is not only suitable for the current operation of the engine, but also for the start of an engine, where even before the first injection, the exact phase position of the cylinder is detected.
  • the secondary Output signals of the ignition coil compared with each other wherein the cylinder which has generated the secondary output signal with the higher absolute value compared to the other cylinder, operates in the compression phase. It is only determined which of the two cylinders has the higher voltage requirement. From this it is deduced which cylinder, depending on the firing order, enters the next stage of combustion.
  • Differential signal acquisition and evaluation increases the immunity to interference.
  • the signal quality of the secondary output signals is improved when they are combined into a sum voltage, whereby the sum voltage is evaluated. Extensive and time-consuming evaluations of thresholds, edges or time differences of the signals are eliminated.
  • the output signals of the coil are detected capacitively and the measurement signal thus formed is evaluated for detecting the phase.
  • the capacitive measuring signal for evaluation is only slightly preprocessed for evaluation in the coil.
  • Cost-effective phase detection is possible if the measurement signal detected in a defined time window is evaluated according to its polarity.
  • the polarity allows the measured value to be uniquely assigned to a cylinder of the cylinder pair.
  • Another simple evaluation option is that the detected in the defined time window measurement signal is compared with a threshold value, which is detected on the compression phase when the measurement signal exceeds the threshold. With this measure, interference voltages are removed from the measurement signal and achieved an accurate measurement result.
  • a further possibility for eliminating interference voltages of the measurement signal consists in integrating a plurality of measurement signals detected in the defined time window into an integral value and comparing the integral value with an integration threshold value, wherein compression is detected on the clock when the integral value exceeds the integration threshold value , - A -
  • a particularly convenient solution is the use of a double spark coil for the simultaneous generation of the spark for two cylinders.
  • Such a double spark coil works on pairs of cylinders. In a cylinder with a low ignition voltage requirement, it gives off a support spark in the vicinity of the top dead center, while in a second parallel cylinder it gives off a useful spark at a significantly higher ignition voltage requirement, likewise near top dead center.
  • the described state turns 360 ° crankshaft angle mirrored later.
  • a second coil of the double spark coil is used for a second pair of cylinders, wherein the secondary output signals of the second coil caused by the ignition are also evaluated with respect to the phase of the cylinders of the second pair of cylinders.
  • the electrical tap is arranged as a capacitive tap on the formed as a double spark coil ignition coil.
  • the use of a double spark coil allows a very robust construction of the measuring arrangement.
  • double spark coils work with pairs of cylinders, which is why, for example, in a four-cylinder four-stroke gasoline engine, only two ignition coils are required, which reduces the system outlay.
  • the capacitive tap is arranged approximately in the middle of a bobbin of the double spark coil.
  • a particularly accurate signal is obtained if a capacitive tap is arranged at each end of the coil core.
  • the capacitive tap is connected to a signal preprocessing device in the double-spark coil.
  • a signal preprocessing device in the double-spark coil.
  • at least a part of the evaluation unit is arranged in the double-spark coil, whereby connections between the sensor and the evaluation unit are shortened.
  • a fast analog-to-digital converter is part of the evaluation unit. Parts of the evaluation unit are integrated in the double-spark coil. A fast analog-to-digital converter is required because a very fast sampling of the measurement signal in ranges of about 2 MHz is necessary.
  • Figure 1 embodiments of an arrangement for Zündphasenerkennung on a cylinder
  • FIG. 2 Schematic diagram and structural design of the exemplary embodiments according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a cross-section of a double-spark coil
  • Figure 4 shows an embodiment of the inventive method for phase detection of a pair of cylinders
  • Figure 5 method for phase detection of Figure 4 on a four-cylinder four-stroke gasoline engine with intake manifold injection
  • FIG. 6 Evaluation of the voltages delivered by a double spark coil
  • FIG. 1 An arrangement 5 is shown, which contains two double spark coils, not shown. Double spark coils work on pairs of cylinders. Thus, the first double spark coil works with the cylinders 1 and 4, while the second double spark coil works with the cylinders 2 and 3. All subsequent explanations refer to a double spark coil with cylinders 1 and 4. However, they are equivalent to the twin spark coil with cylinders 2 and 3.
  • the arrangement 5 is connected to a control unit 7 via a plug 6, which is fixedly connected to the arrangement. The connection is made once via the supply line 8, via which the arrangement 5 is supplied with power.
  • the arrangement 5 is connected via two signal lines 9, 10 to the control unit 7. These signal lines 9,10 lead within the control unit 7 for the detection and processing of the signal directly to a fast analog-to-digital converter 11, which in turn is connected to an evaluation unit 12 for the evaluation of the signal.
  • two more control lines 13 and 14 are available.
  • a capacitive sensor system is integrated, which consists of a capacitive tap 15 for detecting the ignition voltages and a signal Vorvor- processing device 16 forivesvorander the capacitive measurement signal in the coil 18 1 .
  • FIG. 1 a shows that a capacitive tap 15 1 and 15 "are each arranged on a double-spark coil.
  • Each capacitive tap 16 'and 15" is assigned a signal preprocessing device 16.
  • the tap 15 1 is arranged so that it can accurately detect the secondary voltage signal of the cylinder 4, while the tap 15 "is arranged in order to detect the voltage associated with the cylinder 1 voltage signal well.
  • FIG. 1 b shows only one capacitive tap 15, which is coupled to a signal preprocessing device 16.
  • This capacitive tap 15 is arranged centrally above the coil 18 1 , so that it can reliably detect ignition voltages from both the cylinder 1 and the cylinder 4. Only one signal line 10 is required.
  • the signal preprocessing device 16 is connected to the ground 17 of the control unit 7. Also in this variant, the signal line 10 is connected to the fast analog-to-digital converter 11, which leads to the evaluation unit 12.
  • Figure 2 the electrical equivalent circuit diagram of the two different variants of the tap ( Figure 2a, b) is shown, which are the constructive structure of the double spark coil 18 ( Figure 2c, d) opposite.
  • 2a shows the secondary side of the double-spark coil 18, which leads to both spark plugs 19 1 , 19 ".
  • + Plus + and minus - indicates the polarity of the double-spark coil 18.
  • the tapping 15 opposite the double-spark coil 18 is arranged centrally 2c) is arranged at a distance above the center of a coil core 20 of the coil 18 1.
  • the tap 15 is designed as an electrically conductive plate which makes contact with the pins on the plug 6 of the double-spark coil 18 via the connection 21
  • the signal preprocessing device 16 for voltage division of the unprocessed measurement signal is likewise integrated in the plug 6 and is therefore not visible.
  • FIG. 2 b A similar structure can be represented in the second variant.
  • FIG. 2 b the secondary side of the double-spark coil 18 connected to the spark plugs 19 1 , 19 "is also shown, but now opposite the two taps 15 1 and 15", each tapping 15 1 and 15 "being connected to the signal pre-processing device 16
  • Each of the taps 15 1 and 15 1 is spaced above one end of the bobbin 20 of the double-filament coil 18.
  • thin platelets serve as taps, each contacting pins of the plug 6
  • the tap 15 1 is contacted via the connection 22 with the plug 6, while the contacting of the tap 15 "takes place via the connection 23 with the plug 6.
  • part of the evaluation unit 12 1 is a component of the double-spark coil 18 for a four-cylinder engine, to which the connection 21 of the capacitive tap 15 leads.
  • the connection to the engine mass takes place via the fastening element 24. After complete assembly, the double-spark coil 18 is cast.
  • both the pairs of cylinders 1 and 4 and the pairs of cylinders 2 and 3 run mechanically parallel via the crankshaft due to symmetrical firing intervals.
  • Is z. B. the cylinder 1 or 2 in the vicinity of the top dead center of the ignition (clock compression D), this means that in the cylinder 1 or 2, a high pressure is built up.
  • the cylinder 4 or 3 is in the top dead center for the charge cycle (cycle discharge B), which is equivalent to the fact that a low pressure in each cylinder exists.
  • cycle discharge B the charge cycle
  • the cylinder 1 is in tact ejection B, which means that only a slight pressure in the cylinder 1 is present, wherein the measured at the cylinder 1 secondary voltage SP 1 is low, which in FIG 4 is shown.
  • the pressure in the cylinder 4 is very high, since this cylinder 4 is in compression D clock.
  • the secondary voltage SP4 is correspondingly high.
  • the measured signal MKA taken off at the capacitive tap 15 is, after preprocessing, a sum signal from the secondary voltage SP1 of the cylinder 1 and the secondary voltage SP4 of the cylinder 4. With the aid of the polarity of the measuring signal MKA it can be distinguished whether the high cylinder pressure in the cylinder 1 or in the cylinder 4 is present. If the measuring signal MKA is negative, the high cylinder pressure in the cylinder 4 prevails. If the polarity of the measuring signal is positive, the higher cylinder pressure prevails in the cylinder 1.
  • the second double spark coil which monitors cylinders 2 and 3 can also be evaluated.
  • a direct detection of the ignition voltages of the second double spark coil can be dispensed with if the over-coupled signals of the second double spark coil are used on the first double spark coil.
  • the starter ST is activated.
  • the detection of the reference mark BM 0 of the crankshaft which is easy to implement as a gap in the crankshaft sensor wheel.
  • a test spark in the cylinder 1 and in the cylinder 4 is set, which are symbolized by the arrows TZ.
  • These test sparks do not cause combustion because fuel has not yet been injected into the engine.
  • the secondary voltages SP1 of the cylinder 1 and SP4 of the cylinder 4 are conducted in the form of the measurement signal MKA to the control unit 7 and evaluated there in the manner described.
  • the reference mark BM 1 is detected. It is again carried out a test ignition and evaluated the measurement signal of the capacitive tap. This evaluation serves to plausibilise the results of the first measurement. If the results of both surveys tions, it can be assumed that the phase angle of the cylinders was detected. This is indicated in the speed-time diagram with the range ZPE. Depending on this result, a cylinder-specific injection takes place, which is marked ON in FIG. In the adjoining area ZPB runs after the starter is meshed, the engine speed and thus the engine high. The engine starts its normal operation. A further evaluation can be carried out at any time for diagnostic reasons or during a reset of the engine control during operation.
  • Figure 6 shows once again the detection of the phases of the cylinders 1 and 4 by means of the secondary voltages during the range CR when starting the engine with the starter.
  • Cylinder 1 operates in cycle ejection B, where only a small secondary voltage sets.
  • the cylinder 4 provides a very large secondary voltage, since he works in cycles compress D, where the cylinder pressure is very high.
  • the sum of the two secondary voltages is further evaluated as the measurement signal MKA.
  • the integrated into the double spark coil 18 sensor is connected to an input circuit in the engine control unit with the fast analog-to-digital converter 11, which performs the signal detection and is arranged in the control unit 7.
  • the analog-to-digital converter 11 has a high sampling frequency in order to be able to detect the very high-frequency measurement signals MKA. This is followed by digital filtering of the unprocessed measurement signal MKA (raw signal) in order to remove high-frequency and low-frequency interference.
  • a measuring window is formed, as shown in FIG.
  • the measurement window is provided in the range of the crankshaft angle ⁇ in which the signal is expected.
  • the two secondary ignition voltages ZPL and ZP4 are also shown, from the sum of which the measurement signal MKA is formed.
  • the start of the measurement window is triggered by the signal "Disconnect primary current.”
  • the primary current PST is shown in FIGURE 7.
  • the measurement signal MKA is measured several times in the measurement window
  • the thus obtained measured values MW of the measurement signal MKA are converted into analog values, stored and stored in the evaluation unit 12 evaluated.
  • the evaluation is purely software-based.
  • the measured values MW are compared with the threshold value according to the magnitude of the voltage.
  • the threshold is exceeded in the form of an absolute value
  • the associated cylinder operates in the compression stroke.
  • a polarity query contributes to the exact phase detection. It is determined whether the threshold is exceeded in the positive or negative range.
  • the measured values are integrated. The integral value is also compared to a threshold value. Again, when the threshold value is exceeded, the compression stroke of the associated cylinder is closed. Subsequently, the measured values serve for the provision or calculation of suitable state variables for the synchronization of the control unit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertaktmotor, bei welchem mindestens ein sekundärseitiges Ausgangssignal einer Zündspule erfasst und in Abhängigkeit von der Stellung einer Kurbelwelle des Viertaktmotors elektrisch ausgewertet wird. Bei einem Verfahren zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt-Ottomotor, bei welchem mit nur geringen schaltungstechnischem und auswertetechnischem Aufwand eine genaue und zuverlässige Erkennung der Phasenstellung des Zylinders eines Ottomotors möglich ist, setzen nach Erfassung der Position der Kurbelwelle zwei parallel laufende Zylinder in der Nähe ihres oberen Totpunktes gleichzeitig einen Zündfunken ab, wobei die durch die Zündung hervorgerufenen sekundären Ausgangssignale der Zündspule gemessen und hinsichtlich der Phase der beiden Zylinder ausgewertet werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Anordnung zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt- Ottomotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt-Ottomotor, bei welchem mindestens ein sekundärseitiges Ausgangssignal einer Zündspule erfasst und in Abhängigkeit von der Stellung einer Kurbelwelle des Viertaktmotors elektrisch ausgewertet wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Viele Motorsteuerfunktionen einer Brennkraftmaschine wie beispielsweise die sequentielle Einspritzung oder die zylinderindividuelle Klopfregelung benötigen eine eindeutige Erkennung der Phase der Zylinder eines Verbrennungsmotors.
Üblicherweise wird die Phasenerkennung durch ein Segmentgeberrad an der Nockenwelle des Ottomotors und einem Phasengeber als Ergänzung zu einem Inkrement- Geberrad an der Kurbelwelle erkannt, deren Bewegungen von einem Drehzahlgeber schnell und eindeutig erfasst werden.
Aus der EP 0 602 803 Bl ist ein Verfahren zur Erkennung des Arbeitshubes in einem Mehrzylinder-Viertaktmotor bekannt, bei welchem die Stellung der Kurbelwelle mittels eines Kurbelwellensensors erfasst wird, wobei auf einen von der Nockenwelle betriebenen Zylindererkennungssensor verzichtet wird. Bei diesem Verfahren wird ein Diffe- renzsignal einer Induktionsspannung bei jedem Zündvorgang erzeugt. Durch eine Analyse des Differenzsignals, eines Zündprofilmesssignals und des Signals der Primärwicklung der Zündspule wird bestimmt, welcher von den Zylindern des Viertaktmotors mit dem Arbeitshub begonnen hat. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Zündphasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt- Ottomotor anzugeben, bei welchem mit nur geringem schaltungstechnischen und auswertetechnischen Aufwand eine genaue und zuverlässige Erkennung der Phasenstellung des Zylinders eines Ottomotors möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein einfaches Auswerteverfahren dar, bei welchem auch der Applikationsaufwand reduziert ist. Die Systemkosten werden deutlich verringert, da nach Erfassung der Position der Kurbelwelle zwei parallel laufende Zylinder in der Nähe eines oberen Totpunktes gleichzeitig einen Zündfunken absetzen, wo- bei die durch die Zündung hervorgerufenen sekundären Ausgangssignale der Zündspule gemessen und hinsichtlich der Phase der beiden Zylinder ausgewertet werden. Unter dem oberen Totpunkt wird dabei der höchste Punkt des Kolbens des Motors im Zylinder während seiner Aufwärtsbewegung verstanden. Es wird der Zusammenhang genutzt, dass sich das an der Zündspule einstellende sekundäre Ausgangssignal propor- tional zum Druck innerhalb eines Zylinders ist. Es werden nur schon an sich vorhandene Bauteile zur Bestimmung der Zündphase der Zylinder herangezogen.
Durch eine Auswertung der Zündsignale einer Zündspule bereits vor der ersten Einspritzung ist eine eindeutige und sichere Erkennung der Phasenlage der Zylinder des Viertakt-Ottomotors möglich. Dabei wird vor einer Zuführung von Brennkraftstoff zu dem Viertaktmotor ein Testfunke abgesetzt, wobei die infolge des Testfunkens erzeugten sekundären Ausgangssignale der Zündspule gemessen werden und die sekundären Ausgangssignale hinsichtlich der Phase der beiden Zylinder ausgewertet werden.
Somit eignet sich das Verfahren nicht nur für den laufenden Betrieb des Motors, sondern auch für den Start eines Motors, wo noch vor der ersten Einspritzung die genaue Phasenlage der Zylinder erkannt wird.
Durch den Testfunken, durch welchen noch keine Verbrennung erfolgt, da kein Kraft- stoff zur Verfügung steht, wird es einfach möglich, sofort nach dem Starten des Viertaktmotors in Abhängigkeit von der Auswertung der sekundären Ausgangsignale eine zylinderindividuelle Ausgabe des Brennkraftstoffes zu realisieren.
In einem besonders einfachen Verfahren werden die sekundären Ausgangssignale der Zündspule miteinander verglichen, wobei der Zylinder, welcher das sekundäre Ausgangssignal mit dem höheren Absolutwert im Vergleich zum anderen Zylinder erzeugt hat, in der Phase Verdichten arbeitet. Es wird lediglich festgestellt, welcher der beiden Zylinder den höheren Spannungsbedarf hat. Daraus wird abgeleitet, welcher Zylinder abhängig von der Zündreihenfolge als nächster in die Phase Verbrennen gelangt.
Durch eine differentielle Signalerfassung und -auswertung erhöht sich die Störsicherheit. Die Signalqualität der sekundären Ausgangssignale wird verbessert, wenn sie zu einer Summenspannung zusammengeführt werden, wobei die Summenspannung ausgewertet wird. Umfangreiche und zeitaufwändige Auswertungen von Schwellen, Flanken oder Zeitdifferenzen der Signale entfallen.
In einer Weiterbildung werden die Ausgangssignale der Spule kapazitiv erfasst und das so gebildete Messsignal zur Erkennung der Phase ausgewertet. Das zur Auswertung stehende kapazitive Messsignal wird zur Auswertung in der Spule lediglich geringfügig vorverarbeitet.
Eine kostengünstige Phasenerkennung ist möglich, wenn das in einem definierten Zeit- fenster detektierte Messsignal nach seiner Polarität ausgewertet wird. Über die Polarität kann der Messwert eindeutig einem Zylinder des Zylinderpaares zugeordnet werden.
Eine andere einfache Auswertemöglichkeit besteht darin, dass das in dem definierten Zeitfenster detektierte Messsignal mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei auf die Phase Verdichten erkannt wird, wenn das Messsignal den Schwellwert überschreitet. Mit dieser Maßnahme werden Störspannungen aus dem Messsignal beseitigt und ein genaues Messergebnis erzielt.
Eine weitere Möglichkeit, Störspannungen des Messsignals zu eliminieren, besteht darin, dass mehrere in dem definierten Zeitfenster detektierte Messsignale zu einem Integralwert auf integriert werden und der Integralwert mit einem Integrationsschwellwert verglichen wird, wobei auf den Takt Verdichten erkannt wird, wenn der Integralwert den Integrationsschwellwert überschreitet. - A -
Eine besonders komfortable Lösung ist die Verwendung einer Doppelfunkenspule zur gleichzeitige Erzeugung der Zündfunken für zwei Zylinder. Eine solche Doppelfunkenspule arbeitet auf Zylinderpaaren. Sie gibt in einem Zylinder bei niedrigem Zündspannungsbedarf einen Stützfunken in der Nähe des oberen Totpunktes ab, während sie in einem zweiten parallel laufenden Zylinder einen Nutzfunken bei einem deutlich höheren Zündspannungbedarf ebenfalls in der Nähe des oberen Totpunktes abgibt. Der beschriebene Zustand stellt sich 360° Kurbelwellenwinkel später spiegelverkehrt ein.
Um ein hochgenaues Ergebnis über die Phasenlage der Zylinder zu erhalten, wird eine zweite Spule der Doppelfunkenspule für ein zweites Zylinderpaar verwendet, wobei die durch die Zündung hervorgerufenen sekundären Ausgangssignale der zweiten Spule ebenfalls hinsichtlich der Phase der Zylinder des zweiten Zylinderpaares ausgewertet werden.
In einer Weiterbildung besteht eine Vorrichtung zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt-Ottomotor aus einer am Viertakt-Ottomotor angeordneten Zündspule mit einer Zündkerze, wobei sich an der Sekundärseite der Zündspule ein sekundäres Spannungssignal erfassender elektrischer Abgriff befindet, welcher mit einer Auswerteschaltung verbunden ist. Bei einer Anordnung, bei welcher mit nur geringem schal- tungstechnischen und auswertetechnischen Aufwand eine genaue und zuverlässige Erkennung der Phasenstellung eines Zylinders eines Ottomotors möglicht ist, ist der elektrische Abgriff als kapazitiver Abgriff an der als Doppelfunkenspule ausgebildeten Zündspule angeordnet. Die Verwendung einer Doppelfunkenspule ermöglicht einen sehr robusten Aufbau der Messanordnung. Darüber hinaus arbeiten Doppelfunkenspu- len mit Zylinderpaaren, weshalb zum Beispiel bei einem Vierzylinder-Viertakt-Ottomotor nur zwei Zündspulen benötigt werden, was den Systemaufwand verringert.
Je nach der gewünschten Genauigkeit des Messergebnisses ist der kapazitive Abgriff annähernd in der Mitte eines Spulenkerns der Doppelfunkenspule angeordnet. Ein be- sonders genaues Signal erhält man, wenn an beiden Enden des Spulenkernes jeweils ein kapazitiver Abgriff angeordnet ist.
Zur Spannungsteilung des unbearbeiteten Messsignals am kapazitiven Abgriff ist der kapazitive Abgriff mit einer Signalvorverarbeitungseinrichtung in der Doppelfunkenspule verbunden. Um Störeinflüsse auf das Messsignal zu minimieren, ist mindestens ein Teil der Auswerteeinheit in der Doppelfunkenspule angeordnet, wodurch Verbindungen zwischen Sensorik und Auswerteeinheit verkürzt werden.
In einer Weiterbildung ist ein schneller Analog- Digital-Wandler Bestandteil der Auswerteeinheit. Teile der Auswerteeinheit sind in der Doppelfunkenspule integriert. Ein schneller Analog- Digital-Wandler ist erforderlich, da eine sehr schnelle Abtastung des Messsignals in Bereichen von ca. 2 MHz notwendig ist.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 Ausführungsbeispiele für eine Anordnung zur Zündphasenerkennung an einem Zylinder
Figur 2 Schaltbild und konstruktive Gestaltung der Ausführungsbeispiele nach Figur 1
Figur 3 Querschnitt einer Doppelfunkenspule
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Phasenerkennung eines Zylinderpaares
Figur 5 Verfahren zur Phasenerkennung nach Figur 4 an einem Vierzylinder-Viertakt- Ottomotor mit Saugrohreinspritzung
Figur 6 Auswertung der von einer Doppelfunkenspule gelieferten Spannungen
Figur 7 Signalaufbereitung während einer Messung
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In Figur 1 ist eine Anordnung 5 dargestellt, welche zwei nicht weiter dargestellte Doppelfunkenspulen enthält. Doppelfunkenspulen arbeiten auf Zylinderpaaren. So arbeitet die erste Doppelfunkenspule mit den Zylindern 1 und 4, während die zweite Doppelfunkenspule mit den Zylindern 2 und 3 arbeitet. Alle sich anschließenden Erklärungen be- ziehen sich auf eine Doppelfunkenspule mit den Zylindern 1 und 4. Sie gelten aber ä- quivalent für die Doppelfunkenspule mit den Zylindern 2 und 3.
Die Anordnung 5 ist über einen Stecker 6, welcher fest mit der Anordnung verbunden ist, mit einem Steuergerät 7 verbunden. Die Verbindung erfolgt einmal über die Versor- gungsleitung 8, über welche die Anordnung 5 mit Strom versorgt wird. Andererseits ist die Anordnung 5 über zwei Signalleitungen 9, 10 mit dem Steuergerät 7 verbunden. Diese Signalleitungen 9,10 führen innerhalb des Steuergerätes 7 zur Erfassung und Aufbereitung des Signals direkt an einen schnellen Analog- Digital-Wandler 11, der wiederum mit einer Auswerteeinheit 12 zur Auswertung des Signals verbunden ist. Darüber hinaus sind noch zwei weitere Ansteuerleitungen 13 und 14 vorhanden.
In jeder Spule der Anordnung 5 ist eine kapazitive Sensorik integriert, welche aus einem kapazitiven Abgriff 15 zur Erfassung der Zündspannungen und einer Signalvorve- rarbeitungseinrichtung 16 zur Spannungsvorteilung des kapazitiven Messsignals in der Spule 181 besteht.
Dabei sind in der Figur 1 zwei Varianten dargestellt. Figur Ia) zeigt, dass je ein kapazitiver Abgriff 151 und 15" an einer Doppelfunkenspule angeordnet sind. Jedem kapazitiven Abgriff lδ' und 15" ist eine Signalvorverarbeitungseinrichtung 16 zugeordnet. Dabei ist der Abgriff 151 so angeordnet, dass er das sekundäre Spannungssignal des Zylinders 4 genau erfassen kann, während der Abgriff 15" angeordnet ist, um das mit dem Zylinder 1 zusammenhängende Spannungssignal gut detektieren zu können.
Figur Ib) zeigt nur einen kapazitiven Abgriff 15, welcher mit einer Signalvorverarbei- tungseinrichtung 16 gekoppelt ist. Dieser eine kapazitive Abgriff 15 ist mittig über der Spule 181 angeordnet, damit er Zündspannungen sowohl vom Zylinder 1 als auch vom Zylinder 4 sicher erfassen kann. Dabei ist nur eine Signalleitung 10 erforderlich. Die Signalvorverarbeitungseinrichtung 16 ist mit der Masse 17 des Steuergerätes 7 verbunden. Auch bei dieser Variante ist die Signalleitung 10 mit dem schnellen Analog- Digital-Wandler 11 verbunden, der an die Auswerteeinheit 12 führt. In Figur 2 ist das elektrische Ersatzschaltbild der zwei verschiedenen Varianten des Abgriffes (Figur 2a, b) dargestellt, welche dem konstruktiven Aufbau der Doppelfunkenspule 18 (Figur 2c, d) gegenüber gestellt sind.
In Figur 2a) ist die Sekundärseite der Doppelfunkenspule 18 dargestellt, welche an beide Zündkerzen 191, 19" führt. Mit Plus + und Minus - ist die Polarität der Doppelfunkenspule 18 gekennzeichnet. Der der Doppelfunkenspule 18 gegenüberliegende Abgriff 15 ist mittig angeordnet. D.h. dass er bei der konstruktiven Gestaltung in der Abbildung 2c) mit Abstand über der Mitte eines Spulenkerns 20 der Spule 181 angeordnet ist. Der Abgriff 15 ist als elektrisch leitendes Plättchen ausgeführt, welches über die Verbindung 21 mit den Pins am Stecker 6 der Doppelfunkenspule 18 kontaktiert ist. Die Signalvor- verarbeitungseinrichtung 16 zur Spannungsteilung des unbearbeiteten Messsignals ist ebenfalls im Stecker 6 integriert und daher nicht sichtbar.
Ein ähnlicher Aufbau lässt sich bei der zweiten Variante darstellen. In Figur 2b) ist e- benfalls die mit den Zündkerzen 191, 19" verbundene Sekundärseite der Doppelfunkenspule 18 dargestellt, der nun aber die beiden Abgriffe 151 und 15" gegenüberliegen, wobei jeder Abgriff 151 und 15" mit der Signalvorverarbeitungseinrichtung 16 verbunden ist. Jeder der Abgriffe 151 und 151 ist mit Abstand über einem Ende des Spulenkerns 20 der Doppelfunkenspule 18 angeordnet. Wie aus Figur 2d) ersichtlich ist, dienen auch in diesem Fall dünne Plättchen als Abgriff, die jeweils mit Pins des Steckers 6 kontaktiert sind. Der Abgriff 151 ist über die Verbindung 22 mit dem Stecker 6 kontaktiert, während die Kontaktierung des Abgriffes 15" über die Verbindung 23 mit dem Stecker 6 erfolgt.
Wie in Figur 3 dargestellt, ist ein Teil der Auswerteeinheit 121 Bestandteil der Doppelfunkenspule 18 für einen Vierzylindermotor, an welche die Verbindung 21 des kapazitiven Abgriffes 15 führt. Die Anbindung an die Motorsmasse erfolgt über das Befestigungselement 24. Nach der vollständigen Montage wird die Doppelfunkenspule 18 ver- gössen.
Mit Hilfe von Figur 4 soll das Auswerteprinzip näher erläutert werden. Dieses Auswerteprinzip gilt für beide im Vorfeld erläuterte Varianten zur Anordnung der Abgriffe 15, 151 und 15" an der Doppelfunkenspule 18. Bei einem den weiteren Betrachtungen zugrunde liegenden 4-Zylinder-Ottomotor weist jeder Zylinder vier Takte auf. Diese Takte sollen im Weiteren wie folgt benannt werden: Verbrennen A; Ausstoßen B; Ansaugen C; Verdichten D.
Im Vier- Takt-Ottomotor laufen sowohl die Zylinderpaare 1 und 4 als auch die Zylinderpaare 2 und 3 aufgrund von symmetrischen Zündabständen mechanisch über die Kurbelwelle parallel. Befindet sich z. B. der Zylinder 1 oder 2 in der Nähe des oberen Totpunktes der Zündung (Takt Verdichten D), heißt dies, dass im Zylinder 1 oder 2 ein hoher Druck aufgebaut ist. Zum selben Zeitpunkt befinden sich der Zylinder 4 oder 3 im oberen Totpunkt zum Ladungswechsel (Takt Ausstoßen B), was gleichbedeutend damit ist, dass ein geringer Druck im jeweiligen Zylinder existiert. Somit gibt es zum selben Zeitpunkt immer zwei Zylinder, die sich bei der Bewegung ihres Kolbens im oberen Totpunkt befinden.
Mit Hilfe des Kurbelwellenwinkels kann eine eindeutige Zylinderzuordnung erfolgen, weshalb der Winkel θ der Kurbelwelle auch in Figur 4 dargestellt ist. Um die Kurbelwellenposition besser nachvollziehen zu können, sind alle 360° Marken BM 0 und BM 1 dargestellt.
360° Kurbelwellenwinkel später ist die Zuordnung des Totpunkts der Zündung und des Totpunkts des Ladungswechsels genau spiegelverkehrt, was auch aus dem Signalverlauf an der Sekundärseite der Zündspule ersichtlich ist.
Befindet man sich bei der Marke BM 0 des Kurbelwellenwinkels θ, ist der Zylinder 1 im Takt Ausstoßen B, was bedeutet, das nur ein geringer Druck im Zylinder 1 vorhanden ist, wobei die am Zylinder 1 gemessene Sekundärspannung SP 1 gering ist, was in Figur 4 dargestellt ist. Dagegen ist der Druck im Zylinder 4 sehr hoch, da sich dieser Zylinder 4 im Takt Verdichten D befindet. Entsprechend hoch ist die Sekundärspannung SP4.
Weitere 360° des Kurbelwellenwinkels θ später bei der Bezugsmarke BM 1 hat der Zylinder 1 den Takt Verdichten D erreicht, wonach eine hohe Sekundärspannung SPl an der Spule 181 der Doppelfunkenspule 18 abgegriffen wird. Der Zylinder 4 dagegen befindet sich zum selben Zeitpunkt im Takt Ausstoßen B, was nur eine sehr geringe Sekundärspannung SP4 nach sich zieht. Das am kapazitiven Abgriff 15 abgenommene Messsignal MKA ist nach der Vorverarbeitung ein Summensignal aus der Sekundärspannung SPl des Zylinders 1 und der Sekundärspannung SP4 des Zylinders 4. Mit Hilfe der Polarität des Messsignals MKA kann unterschieden werden, ob der hohe Zylinderdruck im Zylinder 1 oder im Zylinder 4 anliegt. Ist das Messsignal MKA negativ, herrscht der hohe Zylinderdruck im Zylinder 4. Ist die Polarität des Messsignals positiv, steht der höhere Zylinderdruck im Zylinder 1 an.
Zur schnelleren Erfassung bei 4 - Zylinder- Anwendungen kann auch die zweite Doppelfunkenspule, welche die Zylinder 2 und 3 überwacht, zusätzlich ausgewertet werden. Auf eine direkte Erfassung der Zündspannungen der zweiten Doppelfunkenspule kann verzichtet werden, wenn die übergekoppelten Signale der zweiten Doppelfunkenspule auf die erste Doppelfunkenspule genutzt werden.
In Figur 5 sind über dem jeweiligen Winkel θ der Kurbelwelle die Takte aller vier Zylinder des 4-Takt-Ottomotors aufgetragen. Darüber ist für alle 4 Zylinder aufgetragen, ob das Einlassventil EV oder das Auslassventil AV am jeweiligen Zylinder offen ist. Das darüber liegende Diagramm zeigt den Drehzahlverlauf n des Motors über der Zeit t im Start.
Es wird davon ausgegangen, dass sich der Motor im Stillstand befindet und nun gestartet werden soll. Der Starter ST wird betätigt. Zunächst erfolgt die Erkennung der Bezugsmarke BM 0 der Kurbelwelle, welche einfach als Lücke im Kurbelwellen-Geberrad zu realisieren ist. Anschließend wird ein Testfunken im Zylinder 1 und im Zylinder 4 gesetzt, die durch die Pfeile TZ symbolisiert sind. Durch diese Testfunken erfolgt keine Verbrennung, da noch kein Kraftstoff in den Motor eingespritzt wurde. In Auswertung der Testfunken werden die Sekundärspannungen SPl des Zylinders 1 und SP4 des Zylinders 4 in Form des Messsignales MKA an das Steuergerät 7 geführt und dort in der beschriebenen Art und Weise ausgewertet.
Nachdem der Kurbelwellenwinkel θ noch einmal 360° zurückgelegt hat, wird die Bezugsmarke BM 1 erfasst. Es wird nochmals eine Testzündung durchgeführt und das Messsignal des kapazitiven Abgriffes ausgewertet. Diese Auswertung dient zur Plausi- bilisierung der Ergebnisse der ersten Messung. Stimmen die Ergebnisse beider Mes- sungen überein, kann davon ausgegangen werden, dass die Phasenlage der Zylinder erkannt wurde. Dies ist in dem Drehzahl-Zeit- Diagramm mit dem Bereich ZPE gekennzeichnet. In Abhängigkeit dieses Ergebnisses erfolgt eine zylinderindividuelle Einspritzung, welche in Figur 5 mit EIN gekennzeichnet ist. Im sich anschließenden Bereich ZPB läuft, nachdem der Starter eingespurt ist, die Motordrehzahl und somit der Motor hoch. Der Motor nimmt seine normale Arbeitsweise auf. Eine weitere Auswertung kann aus Diagnosegründen oder bei einem Reset der Motorsteuerung im Betrieb jederzeit ausgeführt werden.
Zur Verdeutlichung zeigt Figur 6 noch einmal die Erfassung der Phasen der Zylinder 1 und 4 mittels der Sekundärspannungen während des Bereiches CR beim Starten des Motors mit dem Anlasser. Zylinder 1 arbeitet im Takt Ausstoßen B, wo sich nur eine kleine Sekundärspannung einstellt. Der Zylinder 4 hingegen liefert eine sehr große Sekundärspannung, da er im Takt Verdichten D arbeitet, wo der Zylinderdruck sehr hoch ist. Die Summe der beiden Sekundärspannungen wird als Messsignal MKA weiter ausgewertet.
Die in die Doppelfunkenspule 18 integrierte Sensorik ist mit einer Eingangsbeschaltung im Motorsteuergerät mit dem schnellen Analog- Digital-Wandler 11 verbunden, welcher die Signalerfassung durchführt und im Steuergerät 7 angeordnet ist. Der Analog- Digital- Wandler 11 weist dabei eine hohe Abtastfrequenz auf, um die sehr hochfrequenten Messsignale MKA erfassen zu können. Anschließend erfolgt eine digitale Filterung des unbearbeiteten Messsignals MKA (Rohsignal), um hoch- und tieffrequente Störungen zu entfernen.
Es wird ein Messfenster gebildet, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Das Messfenster wird in dem Bereich des Kurbelwellenwinkels θ bereitgestellt, in welchem das Signal erwartet wird. Neben dem Messsignal MKA sind auch die beiden sekundären Zündspannungen ZPl und ZP4 dargestellt, aus deren Summe das Messsignal MKA gebildet wird. Der Start des Messfensters wird durch das Signal „Primärstrom abschalten" ausgelöst. Der Primärstrom PST ist in der Figur 7 aufgezeigt. Das Messsignal MKA wird im Messfenster mehrfach gemessen. Die so erhaltenen Messwerte MW des Messsignals MKA werden in analoge Werte umgewandelt, abgespeichert und in der Auswerteeinheit 12 ausgewertet. Die Auswertung erfolgt rein softwaremäßig. Die Messwerte MW werden nach der Höhe der Spannung mit einem Schwellwert verglichen. Wird der Schwellwert in Form eines Absolutwertes überstiegen, arbeitet der zugehörige Zylinder im Verdichtungstakt. Eine Polaritätsabfrage trägt dabei zur genauen Phasenerkennung bei. Dabei wird fest- gestellt, ob der Schwellwert im positiven oder negativen Bereich überschritten wird. In einer anderen Ausgestaltung werden die Messwerte auf integriert. Der Intergralwert wird ebenfalls mit einem Schwellwert verglichen. Auch hier wird bei einer Überschreitung des Schwellwertes auf den Verdichtungstakt des zugehörigen Zylinders geschlossen. Anschließend dienen die Messwerte für die Bereitstellung bzw. Berechnung von geeigneten Zustandsgrößen für die Synchronisation des Steuergerätes.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt-Ottomotor, bei welchem mindestens ein sekundärseitiges Ausgangssignal einer Zündspule erfasst und in Abhängigkeit von der Stellung einer Kurbelwelle des Viertakt-Ottomotors e- lektrisch ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erfassung der Position der Kurbelwelle zwei parallel laufende Zylinder in der Nähe ihres oberen Totpunktes gleichzeitig einen Zündfunken absetzen, wobei die durch die Zündung hervorgerufenen sekundären Ausgangssignale der Zündspule gemessen und hinsichtlich der Phase der beiden Zylinder ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Zuführung von Brennkraftstoff zu dem Viertakt-Ottomotor ein Testfunke in den beiden Zylindern abgesetzt wird, wobei die durch den Testfunken hervorgerufenen sekundären Ausgangssignale der Zündspule gemessen werden und die sekundären Ausgangssigna- Ie hinsichtlich der Phase der beiden Zylinder ausgewertet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Ausgangssignale der Zündspule miteinander verglichen werden, wobei der Zylinder, welcher das sekundäre Ausgangssignal mit dem höheren Absolutwert im Vergleich zum anderen Zylinder erzeugt hat, in der Phase Verdichten arbeitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Ausgangssignale zu einem Summensignal zusammengeführt werden und das Summensignal ausgewertet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Ausgangssignale der Zündspule kapazitiv erfasst werden und das Messsignal zur Erkennung der Phase der Zylinder ausgewertet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das in einem definierten Zeitfenster detektierte Messsignal nach seiner Polarität ausgewertet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das in dem definierten Zeitfenster detektierte Messsignal mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei auf die Phase Verdichten erkannt wird, wenn das Messsignal den Schwellwert überschreitet.
8. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in dem defi- nierten Zeitfenster detektierte Messsignale zu einem Integralwert auf integriert werden und der Integralwert mit einem Integrationsschwellwert verglichen wird, wobei auf die Phase Verdichten erkannt wird, wenn der Intergralwert den Integrationsschwellwert überschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Zündungen in den beiden Zylindern eine Doppelfunkenspule verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Spule in der Doppelfunkenspule für ein zweites Zylinderpaar verwendet wird, wobei die durch die Zündung hervorgerufenen sekundären Ausgangssignale der zweiten
Spule winkelversetzt zum ersten Spulenpaar gemessen werden und die sekundären Ausgangssignale hinsichtlich der Phase der Zylinder des zweiten Zylinderpaares ausgewertet werden.
11. Vorrichtung zur Phasenerkennung eines Zylinders in einem Viertakt-Ottomotor, an welchem eine Zündspule mit einer Zündkerze angeordnet ist, wobei sich an der Sekundärseite der Zündspule ein, ein sekundäres Ausgangssignal erfassender e- lektrischer Abgriff befindet, welcher mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Abgriff als kapazitiver Abgriff (15, 151, 15") an der als Doppelfunkenspule (18) ausgebildeten Zündspule angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass über beiden Enden eines Spulenkerns (20) der Doppelfunkenspule (18) jeweils ein kapazitiver Abgriff (151, 15" ) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Abgriff (15) annähernd über der Mitte des Spulenkernes (20) der Doppelfunkenspule (18) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Abgriff (15, 151, 15") mit einer Signalvorverar- beitungseinrichtung (16, 161, 16") in der Doppelfunkenspule (18) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13 dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Auswerteschaltung (121) in der Doppelfunkenspule (18) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass ein schneller Ana- log/Digital-Wandler (11) Bestandteil der Auswerteschaltung (12, 121) ist.
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