DE19920518C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennungsermittlung für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündspule zum Erzeugen einer Hochspannung zum Zünden der Brennkraftmaschine; DOLLAR A einer Zündkerze zum Entflammen eines Gasgemisches in der Brennkraftmaschine durch Anlegen der Hochspannung zum Erzeugen eines Funkens; DOLLAR A einer Ionenstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des über die Zündkerze fließenden Ionenstroms, wobei der Ionenstrom mit dem Kurbelwinkel erfaßt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß DOLLAR A - eine vorbestimmte Anzahl N größter Werte des Ionenstromes um das zu bestimmende Maximum bestimmt werden, DOLLAR A - zu diesen größten Werten die zugehörigen Kurbelwinkel als Lagen bestimmt werden, DOLLAR A - aus dem arithmetischen Mittelwert der größten Werte und dem arithmetischen Mittelwert der Lagen das gesuchte Maximum gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Rege­ lung eines Verbrennungsmotors gemäß den gattungsbildenden Merk­ malen der Ansprüche 1 und 3.

Eine gattungsbildende Auswertung des Ionenstromsignals zur Steuerung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors ist bei­ spielsweise aus der DE 41 16 272 C2 bekannt. Hier wird insbeson­ dere eine Verbrennungsermittlung aufgrund von Kenngrößen be­ schrieben, wobei die Kenngrößen aus dem Ionensignal ermittelt werden. Bei einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, die durch mehrere Motorzylinder über eine Kurbelwelle angetrie­ ben wird, wird ein Bezugspositionssignal, welches synchron zur Drehung des Motors erzeugt wird, dazu eingesetzt, verschiedene Taktvorgaben für die Motorbetriebssteuerungen zu ermitteln, beispielsweise den Zündzeitpunkt, den Brennstoffeinspritzzeit­ punkt und dergleichen. Zu diesem Zweck ist ein Winkelpositions­ detektor zur Erzeugung eines Bezugspositionssignals auf der Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Motors in einer solchen Position angeordnet, daß das erzeugte Bezugspositionssignal ei­ ne vorbestimmte Bezugsposition anzeigt, welche einem vorbe­ stimmten Kurbelwinkel entspricht. Nachdem Strom während einer vorbestimmten Zeitdauer durch die Primärwicklung der Zündspule geflossen ist, wird die Erzeugung des Zündsteuersignals unter­ brochen. Der Leistungstransistor wird abgeschaltet. Infolgedes­ sen wird an der Sekundärwicklung der Zündspule eine Hochspan­ nung induziert, welche die Zündkerze zur Erzeugung eines Fun­ kens veranlaßt. Dann wird die durch die Leistungsversorgungs­ quelle an die Zündspule angelegte Spannung unmittelbar nach der Entladung der Zündkerze unterbrochen. Sofort nach der Entladung der Zündkerze, welche die explosionsartige Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches in der Nähe der Zündkerze verursacht, entsteht eine große Anzahl positiver Ionen im begrenzten Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze und bildet in diesem Be­ reich den Ionenstrom. Nach Ausblendung des Zündfunkens folgen zwei Maxima in der Ionenstromkurve, die auf die chemische und thermische Ionisation zurückzuführen sind. Mit Hilfe des Ionen­ stromsignales ist sowohl Klopferkennung als auch Zündausset­ zererkennung möglich. Mit dem Ionenstromsignal sollen aber wei­ tere Kenngrößen der Verbrennung ermittelt werden. Ein wichtiges Merkmal des Ionenstromsignales ist die Lage und Höhe des 1. Maximums zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung. Es ist allgemein üblich zur Überwachung der Verbrennung den Ionenstrom zu messen und auszuwerten. Auch in der DE 196 18 980 A1 wird eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung vorgeschlagen, die zur Überwachung der Verbrennung einen Maximalwert des Ionen­ stromes bestimmt, wobei dieser Maximalwert mit einem Sollwert verglichen wird. Bei Unterschreitung des Maximalwertes vom Sollwert ist eine Fehlzündung aufgetreten, bei Überschreiten tritt Verbrennungsklopfen auf. Außerdem wird die Änderung des Ionenstromes bestimmt, um die Anzahl von Zeitspitzen der Klopf­ vibrationskomponente, die eine gegebene Amplitude überschrei­ tet, zu zählen. Ist die Anzahl von gezählten Zeitpunkten größer als eine gegebene Anzahl, tritt Verbrennungsklopfen auf.

Bei dieser Art der Auswertung des Ionenstromsignals zur Steue­ rung und/oder Regelung eines Verbrennungsmotors ist von Nach­ teil, daß starke Zyklenschwankungen bei der Verbrennung zu ei­ ner starken Variation bei der Bestimmung der Lage und Höhe des 1. Maximums führen. Bei der Detektion des 1. und 2. Maximums des Ionenstromes ergeben sich hohe Varianzen. Dies erschwert in er­ heblichen Maße insbesondere die Ermittlung der Lagen. Die Maxi­ ma können folglich nicht sehr genau bestimmt werden. Eine opti­ male Motorsteuerung ist somit nicht gewährleistet.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Ermittlung von Kenngrößen, die zur Motorsteuerung benötigt werden, zu verbessern und damit die Motorsteuerung zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprü­ che 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind durch die Merkmale der Unteransprü­ che gekennzeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, daß Kenngrößen aus dem Ionenstromsignal genauer ermittelt wer­ den können. Diese Kenngrößen werden zur Motorsteuerung benötigt und eine genauere Bestimmung dieser Kenngrößen bringt den Vor­ teil einer exakteren Motorsteuerung.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Ver­ bindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Zündung;

Fig. 2 eine Meßkurve des Ionenstromsignals und des Zylinder­ druckverlaufs;

Fig. 3 Schaubilder eines einfach auswertbaren Ionenstromsig­ nals, sowie

Fig. 4 Schaubilder eines schwierig auswertbaren Ionenstromsig­ nals.

In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Zündung gezeigt. Die Span­ nung wird auf der Sekundärseite 2 mit Hilfe des Transformators 4 auf die Durchbruchspannung der Zündkerze 3 hochtransformiert. Bei Erreichen der Durchbruchspannung bricht die Zündkerze 3 durch und es fließt der Zündstrom. Das kleine Schaubild zeigt ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild einer Zündkerze als Io­ nenstromdetektor im Brennraum eines Verbrennungsmotors. R_kerze ist der Entstörwiderstand der Zündkerze. Er reduziert elektro­ denschädigende Spitzenströme beim Funkendurchbruch und verrin­ gert die elektromagnetische Störstrahlung während des Funkens. C_kerze ist die Kerzenkapazität, R_ion ist der durch die Flammenio­ nisierung gebildete veränderliche Ionisationswiderstand zwi­ schen den Elektroden. Die Diode D_ion symbolisiert die Dioden­ kennlinie der Ionisationsstrecke, R_neb stellt den Nebenschlußwi­ derstand der Zündkerze dar. Der Nebenschlußwiderstand wird bei­ spielsweise durch Rußablagerungen auf dem Kerzenisolator oder bei kalten Kerzen durch Kondenswasser gebildet. Im Anschluß an die Entladung erfaßt diese Ionenstrommeßeinrichtung einen Io­ nenstrom I, der sich im Raum zwischen den Elektroden der Zünd­ kerze 3 unmittelbar nach der Entladung derselben bildet. Der Segel des Ionenstromes I variiert entsprechend des Betriebszu­ stands des Motors. So sind die Maxima stark abhängig vom Be­ triebspunkt des Motors. Der Betriebspunkt des Motors ist defi­ niert über die Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Motors oder die Motorbelastung, die abhängig ist von der Öffnung des Drosselventils. Das von der Ionenstrommeßeinrichtung ermittelte Ionenstromsignal I wird zur Auswertung einer Auswerteeinheit zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine Meßkurve eines Ionenstromsignals und des Zy­ linderdruckverlaufs. Zur Auswertung des Signals wird der Ionen­ strom über Grad Kurbelwinkel aufgetragen. Bei einer Brennkraft­ maschine mit innerer Verbrennung, die durch mehrere Motorzylin­ der über eine Kurbelwelle angetrieben wird, wird ein Bezugspo­ sitionssignal, welches synchron zur Drehung des Motors erzeugt wird, dazu eingesetzt, verschiedene Taktvorgaben für die Motor­ betriebssteuerungen zu ermitteln, beispielsweise den Zündzeit­ punkt, den Brennstoffeinspritzzeitpunkt und dergleichen. Zu diesem Zweck ist ein Winkelpositionsdetektor zur Erzeugung ei­ nes Bezugspositionssignals auf der Kurbelwelle oder einer Noc­ kenwelle des Motors in einer solchen Position angeordnet, daß das erzeugte Bezugspositionssignal eine vorbestimmte Bezugspo­ sition anzeigt, welche einem vorbestimmten Kurbelwinkel ent­ spricht. Der Ionenstrom I wird zum entsprechenden Kurbelwinkel KW ermittlet. Das Ionenstromsignal weist nach dem Zündfunken ein 1. Maximum und ein 2. Maximum auf. Das 1. Maximum resultiert aus der chemischen Ionisation der sich zwischen den Elektroden befindlichen Moleküle. Das 2. Maximum resultiert aus der thermi­ schen Ionisation der zwischen den Elektroden befindlichen Mole­ külen. Dieses Ionenstromsignal weist hierbei eindeutige Maxima auf, deren Wert und Lage eindeutig bestimmbar ist. Solch ein­ deutige Ionenstromsignale sind aber nicht immer der Fall.

In Fig. 3 ist ein Ionenstromsignal gezeigt, dessen 1. Maximum nicht eindeutig bestimmbar sind. Wie im unteren Schaubild ein­ gezeichnet werden zur Bestimmung des Wertes und der Lage des 1. Maximums um dieses 1. Maximum eine vorbestimmte Anzahl N größ­ ter Werte des Ionenstromes bestimmt. Zu diesen größten Werten werden die zugehörigen Kurbelwinkel als Lagen bestimmt. Aus dem arithmetischen Mittelwert der größten Werte und dem arithmeti­ schen Mittelwert der Lagen wird das gesuchte Maximum gebildet. Das resultierende Maximum ist hierbei symmetrisch bezüglich der Flanken des gemessenen Ionenstromsignals. Damit man keine Werte des 2. Maximums in die Bestimmung des 1. Maximums mit einbezieht, wird über den Betriebspunkt des Motors die ungefähre Lage der Maxima im Vorfeld ermittelt. Die vorbestimmte Anzahl N größter Werte wird aus der gemessenen Anzahl A diskreter Werte des Io­ nenstromgesamtsignals ermittelt. Je nach Auflösung ist die vor­ bestimmte Anzahl N von einer Größenordnung zwischen 10 und 20.

Fig. 4 zeigt zum besseren Verständnis ein Ionenstromsignal, dessen Flanken nicht eindeutig bestimmbar sind. Es sind mehrer Bezugsflanken möglich. Eine Bestimmung der Lage des 1. Maximums wird dadurch erschwert. Wie in Fig. 3 werden zur Bestimmung des Wertes und der Lage des 1. Maximums um dieses 1. Maximum eine vorbestimmte Anzahl N größter Werte des Ionenstromes bestimmt. Zu diesen größten Werten werden die zugehörigen Kurbelwinkel als Lagen bestimmt. Aus dem arithmetischen Mittelwert der größ­ ten Werte und dem arithmetischen Mittelwert der Lagen wird die Höhe und die Lage des gesuchten Maximum gebildet.

Claims (3)

1. Verfahren zur Kenngrößenermittlung für eine Brennkraftma­ schine mit einer Zündspule zum Erzeugen einer Hochspannung zum Zünden der Brennkraftmaschine;
einer Zündkerze (3) zum Entflammen eines Gasgemisches in der Brennkraftmaschine durch Anlegen der Hochspannung zum Erzeugen eines Funkens;
einer Ionenstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des über die Zündkerze (3) fließenden Ionenstroms (I), wobei der Ionenstrom (I) mit dem Kurbelwinkel (KW) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine vorbestimmte Anzahl N größter Werte des Ionenstromes (I) um das zu bestimmende Maximum bestimmt werden,
• - daß zu diesen größten Werten die zugehörigen Kurbelwinkel (KW) als Lagen bestimmt werden,
• - daß aus dem arithmetischen Mittelwert der größten Werte und dem arithmetischen Mittelwert der Lagen das gesuchte Maximum gebildet wird.

2. Verfahren zur Kenngrößenermittlung bei einer Ionenstrommes­ sung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Anzahl N proportional zur gemessenen An­ zahl A diskreter Werte des Ionenstromgesamtsignals (I) ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die das von der Ionen­ strommeßeinrichtung ermittelte Ionenstromsignal (I) auswertet.