DE19647138A1 - Verbrennungszustand-Detektorgerät für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
Verbrennungszustand-Detektorgerät für einen VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Detektieren
des Verbrennungszustands bzw. -qualität in einem
Verbrennungsmotor auf der Basis einer Veränderung eines
Ionenstroms, der bei der Verbrennung eines
Luftkraftstoffgemisches in dem Motor erzeugt wird.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verbrennungszustands-Detektorgerät für einen
Verbrennungsmotor, das mit einer Vorrichtung versehen ist,
mit der sich vermeiden läßt, daß eine einer Elektrode einer
Zündkerze zum Detektieren des Ionenstroms zugeführte
Vorspannung absinkt, um hierdurch eine hohe Zuverlässigkeit
bei der Detektion des Ionenstroms und somit des
Verbrennungszustands des Motors zu sichern.
Allgemein wird bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren
Zylindern ein Luft-Kraftstoffgemisch einer Verbrennungskammer
zugeführt, die innerhalb jedes der Motorzylinder festgelegt
ist, um anschließend während eines Kompressionshubs durch
einen sich hin- und herbewegenden Kolben in dem Zylinder
komprimiert zu werden. Anschließend wird eine Hochspannung
einer Zündkerze des Zylinders zugeführt, wodurch ein Funken
zwischen Elektroden der Zündkerze aufgrund einer elektrischen
Entladung erzeugt wird. Hierdurch wird die Verbrennung der
komprimierten Luft-Kraftstoffmischung getriggert. Die
Explosionsenergie aufgrund der Verbrennung wird dann in eine
Bewegung des Kolbens in einer umgekehrt zu der Bewegung des
Kompressionshubs verlaufenden Richtung umgesetzt, und die
Bewegung wird in ein Drehmoment übersetzt, das von dem
Verbrennungsmotor über eine Kurbelwelle ausgegeben wird.
Während der Verbrennung des komprimierten Luft-
Kraftstoffgemisches in dem Motorzylinder werden innerhalb der
Verbrennungskammer vorliegende Moleküle ionisiert. Somit
fließt durch Zuführen einer Vorspannung zu einer Ionenstrom-
Detektionselektrode (die üblicherweise durch eine Elektrode
der Zündkerze gebildet wird und so befestigt ist, daß sie zu
der Innenseite der Verbrennungskammer hin freiliegt) ein
Umfang von Ionen mit elektrischen Ladungen zwischen den
Elektroden der Zündkerze. Demnach wird ein Ionenstrom
erzeugt.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, variiert die Größe
des Ionenstroms mit großer Sensitivität in Abhängigkeit des
Verbrennungszustands oder der Verbrennungsqualität innerhalb
der Verbrennungskammer. Durch vorteilhaftes Ausnützen dieses
Phänomens läßt sich der Verbrennungszustand in dem
Motorzylinder selektiv identifizieren oder bestimmen, indem
die Verhaltensweisen oder Eigenschaften des Ionenstroms
detektiert werden, beispielsweise eines Spitzenwerts hiervon
und dgl.
Das Verbrennungszustands-Detektorgerät für den
Verbrennungsmotor vom obenerwähnten Typ ist beispielsweise in
der japanischen, nichtgeprüften Patentanmeldungs-
Veröffentlichung Nr. 104978/1990 (JP-A-2-104978) offenbart.
Insbesondere ist in dieser Veröffentlichung ein Gerät
offenbart, das zum Detektieren einer Anomalität des
Motorbetriebs dient, wie sie durch das Auftreten der
Fehlzündung festgelegt ist, auf der Basis des Ionenstroms,
der unmittelbar nach der Verbrennung detektiert wird, und
zwar unter Einsatz der Elektroden der Zündkerze als
Elektroden zum Detektieren des Ionenstroms.
Die Vorspannung zum Detektieren des Ionenstroms ist der
Zündkerze mit der gleichen Polarität wie eine Hochspannung
zum Zünden (d. h. eine Spannung zum Zünden des Luft-
Kraftstoffgemisches) zuzuführen, und zwar über eine Diode,
die einer Hochspannung widerstehen kann. In diesem
Zusammenhang ist jedoch zu erwähnen, daß die Zündkerze mit
den Ausgangsanschlüssen der Sekundärwicklung einer Zündspule
verbunden ist, die zum Zuführen der Hochspannung zu der
Zündkerze eingesetzt wird.
Für die mit dem Stand der Technik Vertrauten ist ersichtlich,
daß beim Starten einer Stromzufuhr zu einer Primärwicklung
(beim Starten der Erregung der Primärwicklung) der Zündspule
in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert wird, deren
Polarität umgekehrt zu derjenigen der Sekundärspannung ist,
die bei Unterbrechung des Primärstroms induziert wird.
Demnach kann eine solche, nicht gewünschte Situation
auftreten, daß die Vorspannung abgesenkt wird, da ein
Entladungsstrom dann zu der Zündspule fließen wird.
Ein solches Absenken der Vorspannung kann ebenso dann
stattfinden, wenn ein Hochspannungs-Verteilungssystem so
ausgebildet ist, daß eine Zündungs-Hochspannung der Zündspule
über einen Verteiler zugeführt wird, da die Möglichkeit
besteht, daß eine Entladung ausgehend von den Außenelektroden
zu der Mittenelektrode des Verteilers auftritt.
Wie sich aus dem Obigen ergibt, liegt bei dem üblichen
Verbrennungszustand-Detektorgerät für den Verbrennungsmotor,
das bisher bekannt ist, ein Problem dahingehend auf, daß wenn
die Ionenstrom-Detektoreinheit mit der Sekundärwicklung der
Zündspule verbunden ist, an den Randelektroden des Verteilers
eine Spannung mit einer Polarität generiert wird, die
umgekehrt zu derjenigen der Zündspannung ist, und zwar beim
Starten der elektrischen Erregung der Zündspule. Demnach läßt
sich ein Absenken der Vorspannung aufgrund der Entladung der
Vorspannung bei der Zündspule nicht vermeiden, was natürlich
nachteilig im Hinblick auf die Empfindlichkeit und die
Zuverlässigkeit der Ionenstromdetektion ist, und somit ist
die Verbrennungszustands-Unterscheidung hierdurch
verschlechtert.
Im Hinblick auf den oben beschriebenen Stand der Technik
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der
Schaffung eines Verbrennungszustands-Detektorgeräts für einen
Verbrennungsmotor, derart, daß sich mit dem Gerät eine
ausreichende Ionenstrom-Detektorempfindlichkeit und
-zuverlässigkeit gewährleisten läßt, durch Vermeiden oder
Unterdrücken einer Entladung der Vorspannung zu der
Zündspule, um hierdurch die Vorspannung gegenüber einem
Absenken zu schützen.
Im Hinblick auf die obigen und weiteren Aufgaben, die sich
anhand der nachfolgenden Beschreibung ergeben, wird gemäß
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein
Verbrennungszustand-Detektorgerät für einen Verbrennungsmotor
geschaffen, derart, daß das Gerät eine Zündspuleneinheit zum
Erzeugen einer Zündhochspannung enthält (d. h. eine
Hochspannung zum Triggern der Verbrennung eines Luft-
Kraftstoffgemisches), sowie zumindest eine Zündkerze, der die
Zündhochspannung über eine Spannungszuführschaltung zugeführt
wird, die mit einem Ausgangsanschluß der Zündspuleneinheit
verbunden ist, eine Vorspannvorrichtung, die mit der
Hochspannungs-Zuführschaltung zum Zuführen einer Hochspannung
zu der Zündkerze (den Zündkerzen) verbunden ist, eine
Hochspannungs-Schutzvorrichtung, die zwischen dem
Ausgangsanschluß der Zündspule und der Vorspannvorrichtung
eingefügt ist, eine Ionenstrom-Detektorvorrichtung zum
Detektieren von Ionen, die infolge der Entladung der
Zündkerze (den Zündkerzen) bei Zuführen der Zündspannung als
Ionenstrom generiert werden, der durch die Zündkerze
(Zündkerzen) bei Zuführung der Vorspannung hierzu fließt, und
eine elektronische Steuereinheit zum Detektieren des
Verbrennungszustands oder der Verbrennungsqualität in einem
Motorzylinder, der mit der Zündkerze versehen ist, auf der
Basis des detektierten Werts des Ionenstroms, wobei die
Vorspannungs-Schutzvorrichtung ein Absenken der Vorspannung
verhindert, um hierdurch die Gleichmäßigkeit und
Zuverlässigkeit des Ionenstrom-Detektionssignals zu
gewährleisten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform zum Realisieren des
Verbrennungszustands-Detektorgeräts für einen
Verbrennungsmotor enthält dieses mehrere, jeweils mit
Zündkerzen versehene Zylinder, und die Zündspuleneinheit
besteht aus einer Primärwicklung, von der ein Ende mit einer
Stromversorgungsquelle verbunden ist, einer Sekundärwicklung,
die elektromagnetisch mit der Primärwicklung gekoppelt ist,
und einem Leistungstransistor, der mit der Primärwicklung zum
Anschalten/Abschalten eines Primärstroms verbunden ist, der
durch die Primärwicklung in Ansprechen auf ein Zündsignal
fließt, und die Zündhochspannung wird in der Sekundärwicklung
bei Unterbrechung des durch die Primärwicklung fließenden
Primärstroms induziert. Die Hochspannungs-Zuführschaltung
enthält einen Verteiler mit einer Mittenelektrode, der mit
einem Ende der Sekundärwicklung verbunden ist, von dem die
Zündhochspannung ausgegeben wird, sowie mehreren
Randelektroden, die um die Mittenelektrode angeordnet sind,
jeweils mit einem Abstand gegenüber desselben, und mehrere
Zündkerzen sind jeweils mit den Randelektroden verbunden. Die
Vorspannvorrichtung kann mehrere Hochspannungsdioden
enthalten, die jeweils mit den Zündkerzen verbunden sind,
derart, daß die Vorspannung jeder der Zündkerzen mit gleicher
Polarität zugeführt wird wie diejenige der Zündspannung,
sowie eine elektrisch mit einem Ende der Primärwicklung der
Zündspule verbundene Kapazität zum Laden eines Primärstroms
in dieser, der von der Primärwicklung bei Unterbrechung des
Primärstroms zugeführt wird, um somit als Vorspannquelle zu
dienen. Die Ionenstrom-Detektorvorrichtung kann so entworfen
sein, daß sie einen Ionenstrom in jeder der Zündkerzen
dadurch detektiert, daß sie die Vorspannung über die jeweils
zugeordnete Hochspannungsdiode zuführt. Die elektronische
Steuereinheit generiert ein Zündsignal auf Basis einer
Betriebszustandsinformation des Verbrennungsmotors, und sie
detektiert den Verbrennungszustand in jedem der Motorzylinder
auf der Basis des relevanten Ionenstrom-Detektorsignals. Die
Vorspannungs-Schutzvorrichtung kann eine Vorspannungs-
Schutzdiode enthalten, die zwischen der Sekundärwicklung der
Zündspule der Mittenelektrode des Verteilers eingefügt ist,
um zu vermeiden, daß die Kapazität in Richtung zu der
Zündspule hin entladen wird.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform zum Realisieren
des Verbrennungszustands-Detektorgeräts für den
Verbrennungsmotor mit mehreren Motorzylindern, die jeweils
mit Zündkerzen ausgestattet sind, sind die Motorzylinder in
mehrere Zylindergruppen klassifiziert. Die Zündspuleneinheit
enthält mehrere Untereinheiten, die jeweils den
Zylindergruppen entsprechen, und jede der
Zündspulenuntereinheit enthält eine Primärwicklung, von der
ein Ende mit einer stromversorgungsquelle verbunden ist, und
eine Sekundärwicklung, die elektromagnetisch mit der
Primärwicklung gekoppelt ist, sowie einen mit dem einen Ende
der Primärwicklung der Zündspule verbundenen
Leistungstransistor zum Anschalten/Abschalten eines
Primärstroms, der über die Primärwicklung in Ansprechen auf
ein Zündsignal fließt. Die Zündspannung wird in der
Sekundärwicklung bei Unterbrechung des durch die
Primärwicklung fließenden Primärstroms induziert. Die
Zündkerzen sind in mehrere Paare entsprechend der
Zylindergruppen gruppiert, und in jedem Paar jeweils mit
beiden Enden der Sekundärwicklung verbunden. Die
Vorspannvorrichtung kann mehrere Hochspannungsdioden
enthalten, die mit den Zündkerzen verbunden sind, die jeweils
zu den Zylindergruppen gehören, damit jeder der Zündkerzen
die Vorspannung mit gleicher Polarität zugeführt wird, wie
sie derjenigen der Zündspannung im Hinblick auf eine in jedem
Paar der Zündkerzen entspricht, sowie jeweils den
Kapazitäten, die elektrisch mit einem Ende der Primärwicklung
bei jeder der Zündspuleneinheiten verbunden sind, um in
diesen die durch die Primärwicklung zugeführten Spannungen
auf zuladen, und zwar jeweils als Vorspannungen bei
Unterbrechung des Primärstroms. Die Ionenstrom-
Detektorvorrichtung kann so entworfen sein, daß sie das
Fließen von Ionenströmen in den Zündkerzen der
Zylindergruppen detektiert, indem die Vorspannung über die
Hochspannungsdioden hierzu zugeführt wird. Die elektronische
Steuereinheit ist so ausgebildet, daß sie das Zündsignal auf
Basis der Betriebszustandsinformation des Verbrennungsmotors
erzeugt und den Verbrennungszustand oder die
Verbrennungsqualität in jedem der Motorzylinder auf Basis der
relevanten Ionenstrom-Detektorsignale erfaßt. Die
Vorspannungs-Schutzvorrichtung kann Vorspannungs-
Schutzwiderstände enthalten, die zwischen den
Sekundärwicklungen der Zündspule und den Hochspannungsdioden
eingefügt sind, jeweils parallel zu den Hochspannungs-
Schutzwiderständen, damit sich die Kapazität nicht in
Richtung zu der Zündspule hin entlädt.
Mit den oben beschriebenen Aufbauten des
Verbrennungszustands-Detektorgeräts für den Verbrennungsmotor
läßt sich ein Absenken der Vorspannung wirksam vermeiden,
wodurch sich eine verbesserte Empfindlichkeit für die
Detektion des Ionenstroms gewährleisten läßt, was wiederum
bedeutet, daß sich der Verbrennungszustand oder die
Verbrennungsqualität des Verbrennungsmotors mit hoher
Zuverlässigkeit detektieren läßt.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und zugeordnete
Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich einfacher
anhand der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen erkennen, die lediglich beispielhaft
erfolgt, im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
Im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung erfolgt ein Bezug
auf die Zeichnungen; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines
allgemeinen Aufbaus eines Verbrennungszustands-
Detektorgeräts für einen Verbrennungsmotor gemäß
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm zum Darstellen eines
allgemeinen Schaltungsaufbaus des
Verbrennungszustands-Detektorgeräts gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Nun wird die vorliegende Erfindung detailliert im Zusammenhang
mit dem beschrieben, was momentan als bevorzugte und typische
Ausführungsformen hiervon betrachtet wird, und zwar in Bezug
auf die Zeichnungen. In der folgenden Beschreibung
kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende
Teile bei sämtlichen Ansichten.
Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild zum Darstellen eines
allgemeinen Aufbaus eines Verbrennungszustands-Detektorgeräts
für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Bei der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung wird davon ausgegangen, daß
eine Hochspannung jeweils durch einen Verteiler an Kerzen
oder Zündkerzen der einzelnen Motorzylinder verteilt wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine Anode einer Onboard-Batterie
1, die eine Stromversorgungsquelle bildet, mit einem
Niederspannungsanschluß einer Zündspule 2 verbunden, an dem
eine Primärwicklung 2a und eine Sekundärwicklung 2b hiervon
gemeinsam angeschlossen sind. Im folgenden wird dieser
Anschluß als gemeinsamer Anschluß bezeichnet. Das andere Ende
oder der andere Anschluß der Primärwicklung 2a ist mit dem
Erdpotential über einen Leistungstransistor 3 verbunden, der
zum Anschalten/Abschalten des Primärstroms dient.
Andererseits ist das andere Ende (Hochspannungsseite) der
Sekundärwicklung 2b, das als Ausgangsanschluß für eine von
der Zündspule 2 ausgegebene Zündhochspannung (d. h. eine
Spannung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches) dient,
mit einer Rauschunterdrückungs-Reihenschaltung verbunden, die
aus einem Widerstand 4 und einer Diode 5 besteht, und ferner
mit einer Mittenelektrode 6 eines Verteilers 7, der
Randelektroden 7a, . . . , 7d jeweils gemäß den mehreren
Zylindern (in dem dargestellten Fall vier Zylinder) enthält.
Die Vorspannungs-Schutzdiode 5 dient zum Vermeiden einer
Entladung eine Vorspannung zum Detektieren eines Ionenstroms
zu der Zündspule 2 hin, wie konkreter nachfolgend beschrieben
wird. In anderen Worten dient die Diode 5 als Vorspannungs-
Schutzdiode.
Die Mittenelektrode 6 ist so positioniert, daß sie jeweils
infolge den Randelektroden 7a, . . . , 7d mit Lücke
gegenüberliegt, wenn sich eine Ausgangswelle des
Verbrennungsmotors dreht. Mit den Randelektroden 7a, . . . , 7d
sind jeweils Zündkerzen 8a, . . . , 8d verbunden, die jeweils in
Zuordnung zu den einzelnen Motorzylindern vorgesehen sind,
und Hochspannungsdioden 9a, . . . , 9d (d. h. Dioden, die in der
Lage sind, einer Hochspannung zu widerstehen) sind jeweils
mit den Zündkerzen 8a, . . . , 8d zum Zuführen einer Vorspannung
einer gleichen Polarität wie derjenigen der Zündspannung
verbunden.
Ein Paar der Hochspannungsdioden 9a und 9c der
Hochspannungsdioden 9a bis 9d weist zugeordnete Anoden auf,
die mit einer Ionenstrom-Detektoreinheit 10a verbunden sind,
während die Anoden der anderen Hochspannungsdioden 9a und 9d
als Paar mit einer anderen Ionenstrom-Detektoreinheit 10b
verbunden sind, die mit demselben Aufbau wie die Ionenstrom-
Detektoreinheit 10a realisiert ist. Am Rande sei bemerkt, daß
in Fig. 2 lediglich der Schaltungsaufbau der Ionenstrom-
Detektoreinheit 10a repräsentativ für denjenigen der anderen
Einheit 10b gezeigt ist.
Wie sich anhand von Fig. 1 erkennen läßt, enthält die
Ionenstrom-Detektoreinheit 10a eine Gleichrichterdiode D1,
die mit dem anderen Ende der Primärwicklung 2a verbunden ist,
sowie einen Strombegrenzungswiderstand R1, der in Serie zu
der Gleichrichterdiode D1 geschaltet ist, eine
Spannungsbegrenzungs-Zenerdiode DZ, die in Serie mit dem
Widerstand R1 angeschlossen ist, eine Gleichrichterdiode D2,
die zwischen der Zenerdiode DZ und Masse eingefügt ist, eine
parallel zu der Zenerdiode DZ angeschlossene Kapazität C und
einen Ausgangswiderstand R2, der parallel zu der
Gleichrichterdiode D2 angeschlossen ist. Es versteht sich von
selbst, daß die Ionenstrom-Detektoreinheit 10b im
wesentlichen mit demselben Aufbau wie die Ionenstrom-
Detektoreinheit 10a realisiert ist.
Die aus der Gleichrichterdiode D1, dem Widerstand R1, der
Kapazität c und der Gleichrichterdiode D2 bestehende
Reihenschaltung wird zwischen dem einen Ende der
Primärwicklung 2a der Zündspule 2 und Masse eingefügt, und
die obenerwähnte Reihenschaltung bildet einen
Aufladestrompfad, über den ein Ladestrom zu der Kapazität C
führt.
In dem Zustand, in dem sich der Leistungstransistor 30 im
nichtleitenden oder abgeschalteten Zustand befindet, wird der
Kapazität C eine Spannung, ausgehend von der Batterie 1 über
die Primärwicklung 2a der Zündspule 2 zugeführt, um so auf
eine festgelegte Vorspannung (mehrere 100 V) unter
Spannungsbegrenzungsfunktion der Zenerdiode DZ aufgeladen zu
werden. Auf diese Weise dient die Kapazität C als
Energiequelle (Vorspannvorrichtung) zum Detektieren eines
Ionenstroms i.
Der jeweils in beiden Ionenstrom-Detektoreinheiten 10a und
10b enthaltene Aufgangswiderstand R2 dient zum Umsetzen des
Ionenstroms i in einen entsprechenden Spannungswert, der bei
der elektronischen Steuerung der Einheit 20 als Ionenstrom-
Detektionssignal Ei eingegeben wird.
Die elektronische Steuereinheit 20, die durch einen
Mikrocomputer gebildet werden kann, bestimmt den
Verbrennungszustand oder die Verbrennungsqualität des
Verbrennungsmotors auf Basis des Ionenstroms-Detektorsignals
Ei. Wird ein nicht zufriedenstellender Verbrennungszustand
oder eine nicht zufriedenstellende Verbrennungsqualität
detektiert, so führt die elektronische Steuerungseinheit 20
eine geeignete Steuerung durch, um eine solche schlechte
Verbrennungsqualität zu vermeiden, und somit die hierdurch
bedingten Unannehmlichkeiten.
Ferner ist die elektronische Steuerungseinheit 20 so
programmiert, daß sie arithmetisch einen Zündzeitpunkt sowie
andere Größen bestimmt, und zwar auf Basis der
Motorbetriebszustands-Informationssignale, die über
zahlreiche (nicht gezeigte) Sensoren erhalten werden, und sie
generiert nicht nur ein Zündsignal P, das dem
Schaltsteueranschluß (Gate) des Leistungstransistors 3
zugeführt wird, sondern auch ein Brennstoffeinspritzsignal,
das jedem der (nicht gezeigten) Brennstoffeinspritzer
zugeführt wird, die jeweils in Zuordnung zu den einzelnen
Motorzylindern vorgesehen werden, sowie Treibersignale, die
zahlreichen Stellgliedern zugeführt werden, die jeweils für
eine Drosselklappe, ein ISC-Ventil (ISC valve) und andere
Einheiten vorgesehen sind.
Nun wird unter Bezug auf die Fig. 1 der Betrieb des
Verbrennungszustands-Detektorgeräts gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Üblicherweise bestimmt die elektronische Steuerungseinheit 20
arithmetisch den Zündzeitpunkt und andere Größen in
Übereinstimmung mit dem Motorbetriebszustand, um das
Zündsignal P dem Leistungstransistor 3 in einem gewünschten
Steuerzeitpunkt zuzuführen, um hierdurch den
Anschalt/Abschaltbetrieb des Leistungstransistors 3 zu
steuern. Insbesondere wird der Leistungstransistor 3 in
Ansprechen auf das Zündsignal P abgeschaltet, wodurch der
durch eine Primärwicklung 2a der Zündspule 2 bei leitendem
oder angeschalteten Transistor 3 fließende Primärstrom
unterbrochen wird. Als Ergebnis hiervon steigt eine parallel
zu der Primärwicklung 2a auftretende Primärspannung stark an,
wodurch eine Sekundärspannung mit einem Hochspannungspegel
(mehrere 10 kV) bei der Sekundärwicklung 2b der Zündspule 2
induziert wird.
Die Sekundärspannung wird ausgehend von der Mittenelektrode 6
des Verteilers 7 über die Randelektroden 7a, . . . , 7d jeweils
an die Zündkerzen 8a, . . . , 8d der einzelnen Motorzylinder
verteilt, was zu der Funkenentladung in der
Verbrennungskammer des Zylinders führt, für den die
Zündsteuerung erfolgt, wodurch die Verbrennung des Luft-
Kraftstoffgemisches getriggert wird. In diesem Fall wird
dann, wenn der Verbrennungszustand normal ist, ein
festgelegter Umfang von Ionen um die Zündkerze in der
Verbrennungskammer herum erzeugt.
Andererseits wird die Vorspannung, die in der Kapazität C
dann erzeugt wird, wenn bei Zündsteuerung der
Leistungstransistor 3 abgeschaltet ist, der relevanten
Zündkerze der Zündkerzen 8a, . . . , 8d über die zugeordnete
Diode der Hochspannungsdioden 9a, . . . , 9d während dem
Ionenstrom-Detektormodus zugeführt, der unmittelbar auf die
Zündsteuerung (Unterbrechung des Primärstroms) der Zündspule
2 folgt.
In anderen Worten ausgedrückt, wird die Kapazität C entladen,
um eine Migration oder Bewegung der Ionen zwischen den
Elektroden der Zündkerzen unmittelbar nach dem
Verbrennungs/Explosionshub zu bewirken, damit ein Ionenstrom
i fließen kann.
Unter Einwirkung der von der Kapazität C zugeführten
Vorspannung fließt der Ionenstrom i über einen Strompfad, der
sich von dem Massepotential zu der Hochspannungsdiode 9a oder
9d über den Ausgangswiderstand R2 und die Kapazität C
erstreckt. In diesem Zeitpunkt wird das Ionenstrom-
Detektorsignal Ei, das sich durch die Spannungsumsetzung des
Ionenstroms i mit Hilfe des Ausgangswiderstands R2 ergibt,
bei der elektronischen Steuereinheit 20 eingegeben, damit es
für die Bestimmung des Verbrennungszustands oder der
Verbrennungsqualität eingesetzt wird.
Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, daß durch Einfügen
der Vorspannungs-Schutzdiode 5 zwischen dem Ausgangsanschluß
der Sekundärwicklung 2b und der Mittenelektrode 6 des
Verteilers 7 die Entladung der Vorspannung von der Kapazität
zu der Zündspule 2 selbst dann vermieden werden kann, wenn
die Spannung mit einer im Vergleich zu derjenigen der
Zündspannung (negative Spannung in diesem Fall) umgekehrten
Polarität bei dem Ausgangsanschluß der Sekundärwicklung 2b
der Zündspule 2 beim Starten des Primärstromflusses durch die
Zündspule 2 erzeugt wird (d. h., dem Start in der Erregung der
Primärwicklung 2a hiervon). Somit ist die Vorspannung
gegenüber einem Absenken geschützt, wodurch sich das
Ionenstrom-Detektorsignal Ei mit hoher Genauigkeit erhalten
läßt, was wiederum bedeutet, daß sich der Verbrennungszustand
oder die Verbrennungsqualität mit hoher Zuverlässigkeit
bestimmen läßt.
Obwohl bei der vorhergehenden Beschreibung davon ausgegangen
wurde, daß sowohl die Zündspannung (d. h. die
Sekundärspannung), die von der Sekundärwicklung 2b der
Zündspule 2 zugeführt wird, als auch die Vorspannung, die von
der Kapazität c zugeführt wird, eine positive (oder Plus-)
Polarität aufweisen, läßt sich einfach erkennen, daß durch
Verbinden der Hochspannungsdiode 9a, . . . , 9d und der
Vorspannungs-Schutzdiode 5 mit umgekehrter Polarität die
Zündspannung und die Vorspannung eine negative Polarität
annehmen können.
Ferner erfolgt die vorhergehende Beschreibung unter der
Annahme, daß der Verbrennungsmotor ein Vierzylindermotor ist,
und die einander gegenüberliegend angeordneten Motorzylinder
sind in zwei Gruppen klassifiziert (d. h., eine
Zylindergruppe, die jeweils mit den Zündkerzen 8a und 8c
vorgesehen ist, und die andere Zylindergruppe, die jeweils
die Zündkerzen 8b und 8d aufweist), und der Ionenstrom i wird
jeweils durch Einsatz der zwei Ionenstrom-Detektoreinheiten
10a und 10b detektiert. Jedoch ist die Erfindung niemals auf
den Vierzylindermotor begrenzt, und es ist auch möglich, die
Zahl der Ionenstrom-Detektoreinheiten in Übereinstimmung mit
der Zahl der Motorzylinder zu erhöhen oder abzusenken. Anders
ausgedrückt ist die Zahl der Zylinder, die sich durch eine
Ionenstrom-Detektoreinheit überwachen läßt, niemals auf zwei
begrenzt, sondern sie kann in Abhängigkeit von der Zahl der
Zylinder des betrachteten Verbrennungsmotors variieren.
Im Falle des Verbrennungszustands-Detektorgeräts gemäß der
ersten Ausführungsform der Erfindung wurde ein Hochspannungs-
Verteilungssystem eingesetzt, bei der eine Hochspannung
jeweils einer der mehreren Zündkerzen 8a, . . . , 8d mit Hilfe
des Verteilers 7 zugeführt wird. Es sollte jedoch erwähnt
werden, daß ein Niederspannungs-Verteilungssystem oder ein
gruppenweises Verteilungssystem ebenfalls eingesetzt werden
können.
Die Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm zum allgemeinen
Darstellen eines Schaltungsaufbaus des Verbrennungszustands-
Detektorgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung, bei der ein gruppenweises
Spannungsverteilungsschema angewendet wird. In der Figur
stimmen die Komponenten, die anhand der Bezugszeichen 1, 3,
8a, . . . , 8d, 9A, 9B und 10 gekennzeichnet sind, im
wesentlichen mit den zuvor unter Bezug auf die Fig. 1
beschriebenen überein. Am Rande sei bemerkt, daß davon
ausgegangen wird, daß die Vorspannung von der Ionenstrom-
Detektoreinheit 10 mit positiver oder Plus-Polarität
zugeführt wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind in Nebeneinanderstellung ein
Paar aus einer ersten und zweiten Zündspule 2 und 2A
vorgesehen, jeweils in Zuordnung zu einem ersten Paar von
Zündkerzen 8a und 8c und einem zweiten Paar von Zündkerzen 8b
und 8d, und das erste Paar von Zündkerzen 8a und 8c ist
jeweils mit beiden Enden der Sekundärwicklung 2b der ersten
Zündspule 2 verbunden, während das zweite Paar der Zündkerzen
8b und 8d mit beiden Enden der Sekundärwicklung 2Ab der
zweiten Zündspule 2A verbunden ist.
Andererseits ist die Hochspannungsdiode 9 mit einer Elektrode
der Zündkerze 8c verbunden, und die Hochspannungsdiode 9A ist
mit einer Elektrode der Zündkerze 8d verbunden, so daß sich
die Vorspannungen den Zündkerzen 8c und 8d mit gleicher
Polarität wie diejenige der Zündspannung zuführen lassen. Es
ist ferner hinzuzufügen, daß die Ionenstrom-Detektoreinheit
10 aus zwei Ionenstrom-Detektoreinheiten 10a und 10b
(Untereinheiten) besteht, wie im Fall der ersten
Ausführungsform, obgleich die Darstellung weggelassen ist.
Bei den Sekundärwicklungen 2b und 2Ab der Zündspulen 2 und 2A
sind die Enden mit negativer (Minus-)Polarität jeweils direkt
mit den Zündkerzen 8a und 8b verbunden, während die anderen
Enden (mit positiver (Plus-)Polarität) der Sekundärwicklungen
2b und 2Ab jeweils mit den Zündkerzen 8c und 8d über die
Vorspannungs-Schutzwiderstände 14 und 14A verbunden sind, und
die Zünddioden 15 und 15A sind jeweils parallel an die
Vorspannungs-Schutzwiderstände 14 und 14A angeschlossen, in
Vorwärtsrichtung betrachtet aus der Richtung, in der der
Sekundärstrom der Zündspule fließt.
Ferner weist die Hochspannungsdiode 9 eine Kathode auf, die
mit einer Verbindungsstelle zwischen der Zündkerze 8c und der
Parallelverbindung des Vorspannungs-Schutzwiderstands 14 und
der Zünddiode verbunden ist. Andererseits ist die Kathode der
Hochspannungsdiode 9A mit einer Verbindungsstelle zwischen
der Zündkerze 8d und der Parallelverbindung des Vorspannungs-
Schutzwiderstands 14A und der Zünddiode 15A verbunden.
Demnach werden bei Detektion des Ionenstroms die Zündkerzen
8c und 8d direkt mit der Vorspannung beaufschlagt, ausgehend
von jeweils einem Ende der Hochspannungsdiode 9 und 9A,
wohingehend die Zündkerzen 8a und 8b mit den Vorspannungen
jeweils über die Vorspannungs-Schutzwiderstände 14 und 14A
und die Sekundärwicklungen 2b und 2Ab beaufschlagt werden.
Nun erfolgt eine Beschreibung des Betriebs des in Fig. 2
gezeigten Verbrennungszustands-Detektorgeräts, wobei die
Aufmerksamkeit jeweils auf das Paar der Zündkerzen 8a und 8c
gelenkt wird. Während des normalen Zündsteuerungsbetriebs
fließt der Sekundärstrom der Zündspule 2 entlang einem
Strompfad, der sich von der Zündkerze 8a zu der Zündkerze 8c
erstreckt, über die Sekundärwicklung 2b und die Zünddiode 5,
wodurch die Zündkerzen 8a und 8c jeweils mit den
Zündspannungen beaufschlagt werden, deren Polaritäten
umgekehrt zueinander sind.
Andererseits kann während des Ionenstrom-Detektorbetriebs,
der unmittelbar auf die Zündsteuerung folgt, der Ionenstrom i
lediglich über die Zündkerze des Zylinders fließen, in dem
der Explosionshub tatsächlich stattfindet. In diesem Fall
wird aufgrund der Tatsache, daß die Vorspannungs-
Schutzwiderstände 14 zwischen der Hochspannungsdiode 9 und
dem einen Ende der Sekundärwicklung 2b eingefügt sind, das
Entladen der Vorspannung zu der Zündspule 2 beim Starten der
Erregung der Primärwicklung 2a der Zündspule 2 vermieden.
Demnach läßt sich der Ionenstrom i mit hoher Genauigkeit
detektieren, was natürlich bedeutet, daß der
Verbrennungszustand oder die Verbrennungsqualität der
Verbrennungsmotors mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt oder
identifiziert werden können.
Obgleich die vorhergehende Beschreibung des
Verbrennungszustands-Detektorgeräts gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung mit der Annahme erfolgte, daß
die Vorspannung mit positiver Polarität zugeführt wird, und
die Parallelschaltung jeweils des Vorspannungs-
Schutzwiderstands 14 und der Zünddiode 15 sowie des
Vorspannungs-Schutzwiderstands 14A und der Zünddiode 15A
zwischen den einen Enden der Sekundärwicklungen 2B und 2Ab
und jeweils den einen Elektroden der Zündkerzen 8c und 8d
angeschlossen sind, ist zu erkennen, daß sich der
Schaltungsaufbau auch zum Zuführen der Vorspannung mit
negativer Polarität ebenso anpassen läßt. In diesem Fall
können jeweils die Vorspannungs-Schutzwiderstände 14 und 14A
und die Zünddiode 15 und 15A zwischen den einen Enden der
Sekundärwicklungen 2b und 2Ab und Zündkerzen 8a und 8b
angeschlossen sein, und die Vorwärtsrichtungen der
Hochspannungsdiode 9 und 9A sowie diejenigen der Zünddiode 15
und 15A sind umgekehrt.
Ferner versteht es sich unabhängig davon, daß die
Beschreibung unter der Annahme erfolgte, daß der
Verbrennungsmotor ein Vierzylindermotor ist, und daß ein paar
von Ionenstrom-Detektoreinheiten 10 jeweils für die zwei
Paare der Zylinder vorgesehen ist, von selbst, daß sich die
Zahl der Ionenstrom-Detektoreinheiten 10 zum Detektieren der
Ionenströme in Übereinstimmung mit der Zahl der Motorzylinder
erhöhen oder verringern läßt.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden
Erfindung sind im Licht der zuvor beschriebenen Techniken
möglich. Es ist demnach zu erkennen, daß sich innerhalb des
Schutzbereichs der angefügten Patentansprüche die Erfindung
anders als hier spezifisch beschrieben praktisch umsetzen
läßt.
Claims (3)
1. Verbrennungszustands-Detektorgerät für einen
Verbrennungsmotor, enthaltend:
- - eine Zündspuleneinheit (2, 3) zum Erzeugen einer Zündspannung;
- - zumindest eine Zündkerze (8a, . . . , 8d), der die Zündspannung über eine Hochspannungs- Zuführschaltung (7) zugeführt wird, die mit einem Ausgangsanschluß der Zündspuleneinheit (2, 3) verbunden ist;
- - eine Vorspannungs-Vorrichtung (9), die mit der Hochspannungs-Zuführschaltung (7, 2b; 2Ab) zum Zuführen einer Vorspannung zu der Zündkerze (den Zündkerzen) (8a, . . . , 8d) verbunden ist;
- - eine Vorspannungs-Schutzvorrichtung (4, 5; 14, 15), die zwischen dem Ausgangsanschluß der Zündspule (2; 2A) und der Vorspannungs-Vorrichtung (9) eingefügt ist;
- - eine Ionenstrom-Detektorvorrichtung (10; 10a, 10b) zum Detektieren von Ionen, die nach der Entladung der Zündkerze (den Zündkerzen) (8a, . . . , 8d) bei Zuführen der Zündspannung als Ionenstrom (i) erzeugt werden, der über die Zündkerze (die Zündkerzen) (8a, . . . , 8d) bei Zuführung der Vorspannung zu der Zündkerze (den Zündkerzen) (8a, . . . , 8d) fließt; und
- - eine elektronische Steuerungseinheit (20; 20A) zum Detektieren des Verbrennungszustands in einem Motorzylinder, der mit der Zündkerze ausgestattet ist, auf Basis des Detektionswerts des Ionenstroms (i); derart
- - daß die Vorspannungs-Schutzvorrichtung (4, 5; 14, 15) ein Absenken der Vorspannung zum Gewährleisten der Zuverlässigkeit des Ionenstrom-Detektorsignals (Ei) verhindert.
2. Verbrennungszustands-Detektorgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Verbrennungsmotor mehrere Zylinder, jeweils mit
Zündkerzen (8a bis 8d) versehen, enthält, derart,
- - daß die Zündspuleneinheit (2) enthält:
- - eine Primärwicklung (2a), von der ein Ende mit einer Stromversorgungsquelle (1) verbunden ist, sowie eine Sekundärwicklung (2b), die elektromagnetisch mit der Primärwicklung (2a) gekoppelt ist; und
- - einen mit der Primärwicklung (2a) der Zündspule (2) verbundenen Leistungstransistor (3) zum Anschalten/Abschalten eines über die Primärwicklung (2a) fließenden Primärstroms in Ansprechen auf ein Zündsignal (P); derart
- - daß die Zündspannung in der Sekundärwicklung (2b) bei Unterbrechung des über die Primärwicklung (2a) fließenden Primärstroms induziert wird;
- - die Hochspannungs-Zuführschaltung einen Verteiler (7) mit einer Mittenelektrode (6) enthält, die mit einem Ende der Sekundärwicklung (2b) verbunden ist, von der die Zündspannung ausgegeben wird, sowie mit mehreren Randelektroden (7a bis 7d), die um die Mittenelektrode (6) jeweils mit einem Zwischenabstand hierzu angeordnet sind;
- - die mehreren Zündkerzen (8a, . . . , 8d) mit den mehreren Elektroden (7a bis 7d) jeweils in Zuordnung zu den Zylindern verbunden sind;
- - die Vorspannvorrichtung enthält:
- - mehrere Hochspannungsdioden (9a bis 9d), die jeweils mit den Zündkerzen (8a bis 8d) derart verbunden sind, daß sie die Vorspannung jeder der Zündkerzen (8a, . . . , 8d) mit gleicher Polarität wie die Zündspannung zuführen; und
- - eine elektrisch mit einem Ende der Primärwicklung (2a) der Zündspule (2) verbundene Kapazität (C) zum Laden einer Spannung in derselben, die von der Primärwicklung (2a) als Vorspannung bei Unterbrechung des Primärstroms zugeführt wird; und derart, daß
- - die Ionenstrom-Detektorvorrichtung einen Ionenstrom in jeder der Zündkerzen durch Zuführen der Vorspannung zu diesen über zugeordnete Hochspannungsdioden (9a bis 9d) detektiert;
- - die elektronische Steuerungseinheit (20) ein Zündsignal (P) auf Basis von Betriebszustandsinformation für den Verbrennungsmotor erzeugt und den Verbrennungszustand in jedem der Motorzylinder auf der Basis des relevanten Ionenstrom-Detektorsignals (Ei) detektiert;
- - die Vorspannungs-Schutzvorrichtung eine Vorspannungs-Schutzdiode (5) enthält, die zwischen der Sekundärwicklung (2b) der Zündspule (2) und der Mittenelektrode (6) des Verteilers (7) eingefügt ist, damit die Kapazität (7) nicht in Richtung zu der Zündspule (2) hin entladen wird.
3. Verbrennungszustands-Detektorgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß:
- - der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder enthält, die jeweils mit mehreren Zündkerzen (8a bis 8d) versehen sind, und daß die Zylinder in mehrere Zylindergruppen klassifiziert sind, derart,
- - daß die Zündspuleneinheit mehrere Zündspulenuntereinheiten (2, 2A) jeweils dementsprechend zu den Zylindergruppen enthält, und jeder der Zylinderspulenuntereinheiten enthält:
- - eine Primärwicklung (2a; 2Aa), von der ein Ende mit der Stromversorgungsquelle (1) verbunden ist, sowie eine Sekundärwicklung (2b; 2Ab), die elektromagnetisch mit der Primärwicklung (2a; 2Aa) gekoppelt ist; und
- - eine mit einem Ende der Primärwicklung (2a; 2Aa) der Zündspule (2; 2A) verbundenen Leistungstransistor (3,; 3A) zum Anschalten/Abschalten eines Primärstroms, der über die Primärwicklung (2a; 2Aa) in Ansprechen auf ein Zündsignal (P) fließt;
- - die Zündspannung in der Sekundärwicklung (2b; 2Ab) bei Unterbrechung des über die Primärwicklung (2a; 2Aa) fließenden Primärstroms induziert und von der Sekundärwicklung (2b; 2Ab) abgeleitet wird; und
- - die Zündkerzen (8a, 8c; 8b, 8d) in mehrere Paare gruppiert sind, entsprechend der Zylindergruppen, und in jedem Paar jeweils mit beiden Enden der Sekundärwicklung (2b; 2Ab) verbunden sind; und
- - die Vorspannvorrichtung enthält:
- - mehrere Hochspannungsdioden (9; 9A), die mit den Zündkerzen (8a, 8c; 8b, 8d) verbunden sind, die jeweils den einzelnen Zylindergruppen zugehören, derart, daß die Vorspannung jeder der Zündkerzen (8a, 8c; 8b, 8d) mit derselben Polarität wie derjenigen der Zündspannung zugeführt wird, und zwar im Hinblick auf eines der Paare der Zündkerzen (8c; 8d); und
- - Kapazitäten (C) jeweils elektrisch dem einen Ende der Primärwicklungen (2a; 2Aa) der Zündspulen (2; 2A) verbunden sind, damit in diesen eine von den Primärwicklungen (2a; 2Aa) zugeführte Spannung aufgeladen wird, jeweils als Vorspannungen bei Unterbrechung der Primärströme; und
- - die Ionenstrom-Detektorvorrichtung (10; 10A, 10B) Ionenströme in den Zündkerzen der Zylindergruppen detektiert, indem die Vorspannungen zu diesen über die Hochspannungsdioden (9; 9A) zugeführt werden;
- - die elektronische Steuerungseinheit (20A) ein Zündsignal (P) auf Basis von Betriebszustandsinformation des Verbrennungsmotors erzeugt, und den Verbrennungszustand in jedem der Motorzylinder auf Basis des relevanten Ionenstrom- Detektorsignals (Ei) detektiert;
- - die Vorspannungs-Schutzvorrichtung Vorspannungs- Schutzwiderstände (14; 14A) enthält, die zwischen den Sekundärwicklungen (2b; 2Ab) der Zündspule (2; 2A) und den Hochspannungsdioden (9; 9A) eingefügt sind, sowie Zünddioden (15; 15A), die parallel zu den Vorspannungs-Schutzwiderständen (14; 14A) angeschlossen sind, damit ein Entladen der Kapazitäten (C) in Richtung zu den Zündspulen (2, 2A) vermieden wird.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
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