DE19744163A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an Brennkraftmaschinen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an BrennkraftmaschinenInfo
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Description
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 Motorsteuerungs- 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.
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 Ionenstromsignals 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 erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstroms an
Brennkraftmaschinen wird im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4
erläutert.
Die Einbindung des Verfahrens und der Vorrichtung in das
technische Umfeld wird in Fig. 1 in Form einer
Blockdarstellung verdeutlicht. Konkrete Ausgestaltungen der
wesentlichen Signalverarbeitungsblöcke werden in Fig. 2 bis
Fig. 4 unter Einbeziehung von Signalbeispielen näher
erläutert.
Im einzelnen ist in Fig. 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 Ionenstromsignals
(s1), welches Rückschlüsse auf den Ionisationsprozeß während
der Gemischverbrennung zuläßt. Daran schließt sich ein
Mittel (4) an, in welcher die erfindungsgemäße Maskierung
und Offsetwertkorrektur des Ionenstromsignals 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 Ionenstromsignals (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 Ionenstromsignals (s1) wird in Fig. 2
veranschaulicht. In einem ersten Schritt wird dazu aus dem
Signal (s1) das Signal (s1c) derart erzeugt, daß innerhalb
eines definierten Meßfensterbereiches das Signal (s1)
durchgeschleift wird und außerhalb dieses
Meßfensterbereiches auf einen konstanten Ersatzwert (s1b)
umgeschaltet wird. Insbesondere wird der Anteil des
Zündfunkens im Ionenstrom (s1) mit diesem Ersatzwert (s1b)
maskiert. Der Ersatzwert (s1b) soll dabei
größenordnungsmäßig dem Restoffset des Ionenstromsignals
(s1) entsprechen. Zu diesem Zweck wird der Ersatzwert (s1b)
zyklusindividuell kurz vor dem Zündvorgang mittels eines
Abtasthalteschaltung (4.2) ermittelt. Vorteilhafterweise
wird für die Ermittlung des Haltewertes (s1b) nicht auf das
Ionenstromsignal (s1) direkt zugegriffen, sondern auf ein
störbereinigtes Signal (s1a). Die Störbereinigung des
Signals (s1) kann beispielhaft mit einem angepaßten Filter
(4.1) erfolgen. Durch Subtraktion des Ersatzwertes (s1b) von
dem Hilfssignal (s1c) 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 Fig. 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
Fig. 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 Fig. 5 und 6 näher
erläutert wird, genutzt werden.
Dieses alternative Verfahren ersetzt die in Fig. 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
Fig. 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 (18)
1. Verfahren zur Verarbeitung der Ionenstromsignale von
Brennkraftmaschinen durch Offsetkorrektur, Ausblendung und
Multiplexing für Motorsteuerungsfunktionen, dadurch
gekennzeichnet, daß 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.
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
betriebszustandsabhängigen 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 betriebszustandsabhängigen
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 betriebszustandsabhängigen
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
Digitalisierung 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 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.
11. Vorrichtung 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.
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
betriebszustandsabhängigen 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 betriebszustandsabhängigen
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 betriebszustandsabhängigen 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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