EP0953109A1 - Zündvorrichtung mit ionenstrom-messeinrichtung - Google Patents

Zündvorrichtung mit ionenstrom-messeinrichtung

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EP0953109A1
EP0953109A1 EP97910226A EP97910226A EP0953109A1 EP 0953109 A1 EP0953109 A1 EP 0953109A1 EP 97910226 A EP97910226 A EP 97910226A EP 97910226 A EP97910226 A EP 97910226A EP 0953109 A1 EP0953109 A1 EP 0953109A1
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ion current
ignition
switch
primary winding
spark plug
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Markus Ketterer
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P2017/125—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits

Definitions

  • the invention relates to an inductive ignition device for an internal combustion engine with a measuring device for determining the ion current at the spark plug of each cylinder and with an ignition coil device per spark plug which forms the high ignition voltage and works according to the transformer principle and has a primary winding and a secondary winding Ion current flows.
  • the ion current measurement is based on the principle that ions are formed during the combustion of the fuel-air mixture. This ionization is based on different mechanisms that characterize the typical course of the ion current and therefore allow a statement about certain parameters of the combustion etc. If a voltage is applied to the electrodes of the spark plug for ion current measurement, the electrons and ions present in the combustion chamber are moved in the corresponding direction of the electrical field, so that a current is formed which is carried by these charge carriers. This current represents the ion current mentioned above.
  • the ion current measuring method known per se is used in an inductive ignition device which has a ignition coil device which operates according to the transformer principle and has a primary winding and a secondary winding, there is the disadvantage due to the relatively large secondary inductance a poorly controllable spark duration of the spark plug, which can lead to the measurement being obstructed. Moreover Due to the relatively large secondary inductance in the ion current signal path, only relatively low frequencies can be transmitted, which are not sufficient, for example, for reliable knock detection.
  • the ignition device with the features mentioned in the main claim has the advantage that a switch that short-circuits the primary winding of the ignition coil device during the duration of the ion current measurement dissipates the residual energy in the magnetic circuit of the ignition coil on the primary side, that is, converts it into thermal energy and insofar as the ignition spark is no longer operated, so that it extinguishes very quickly and reproducibly at the desired time.
  • the cut-off frequency of the second side of the ignition coil is also pushed up significantly, so that possible knocking vibrations of the internal combustion engine can be observed undamped as an undesired operating state, since the knocking vibrations have significant ion current profiles entail.
  • the switching path of the switch is very low-resistance in the closed state.
  • the primary circuit of the ignition coil device is thus clearly lower-resistance than the secondary circuit, so that the ignition spark goes out quickly.
  • the switch can be designed as a field effect transistor (FET), which has a low-impedance switching path at low forward voltages.
  • the measuring device has a control device which preferably closes the switch periodically at the desired spark end, at least for the duration of the entire ion current measurement. In the case of a field effect transistor, this is done by driving it accordingly.
  • Figure 1 is a circuit diagram of an inductive ignition device with ion current measuring device according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an inductive ignition device with a measuring device for determining the ion current.
  • FIG. 1 shows an inductive ignition device for an internal combustion engine, not shown.
  • the ignition device has a ignition coil device 1, which comprises a primary winding L1 and a secondary winding L2, which are magnetically coupled to one another.
  • One winding end 2 of the Primary winding L1 is connected to the operating voltage, that is, the battery voltage O of a motor vehicle, not shown, in which the internal combustion engine is installed.
  • the other winding end 3 of the primary winding L1 leads to the switching path of a transistor Tl, which is controlled by a control device (not shown) in accordance with the desired ignition time.
  • the winding end 3 can thus be applied to ground M in the conductive state of the transistor Tl (negative pole of the battery emitting the voltage U ⁇ ).
  • a spark plug ZK which belongs to the internal combustion engine (not shown), is connected to ground M with one of its electrodes 4.
  • the other electrode 5 of the spark plug ZK is connected to a winding end 6 of the secondary winding L2 of the ignition coil device 1.
  • the other winding end 7 of the ignition coil device 1 leads to a measuring device 8, which is used to measure an ion current I. Furthermore, the measuring device 8 is connected to ground M.
  • One winding end 2 of the primary winding L1 of the ignition coil device 1 is connected to a pole of a switch S1.
  • the other pole of the switch S1 leads to the other winding end 3 of the primary winding L1.
  • the switch S1 is preferably designed as a field effect transistor (FET), the gate 9 of which can be controlled by means of a control device (not shown, indicated only by an arrow 10) in order to short-circuit the primary winding L1 during the desired time intervals can.
  • FET field effect transistor
  • the cut-off frequency of the secondary side of the ignition coil device is shifted significantly upward, so that the measurement can be carried out very precisely in the relevant range of knocking vibrations, i.e. it is a particularly critical, undesirable operating state of the internal combustion engine due to the measurement of the ion current sensible. Because of the procedure according to the invention, namely the short-circuiting of the primary winding during the entire duration of the ion current measurement, such a precise and short spark duration is triggered the spark plug is implemented so that the effects of ignition spark do not under any circumstances hinder the subsequent measurement evaluation or "overlap" the measurement period.
  • the short circuiting according to the invention also prevents the ignition system from swinging out, that is to say the measurement of the ion current cannot be influenced by swinging out, which can lead to misinterpretations.
  • the clear band limitation present in conventional systems is overcome, which up to now has sensitively disturbed the detection of undesired operating states, for example knocking vibrations (3 to 20 kHz).
  • the invention thus improves the previously poor signal transmission properties of the secondary winding through which the ion current flows.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of an inductive ignition device with a measuring device for determining an ion current, identical parts having the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the same statements apply to the exemplary embodiment in FIG. 2 as to the exemplary embodiment in FIG. 1, so that only the differences between these two exemplary embodiments will be discussed below.
  • the evaluation device 8 for measuring the ion current in the exemplary embodiment of FIG. 1 is arranged in the secondary circuit of the ignition coil device 1, it is in the exemplary embodiment 2 in the primary circuit, namely the positive pole of the battery voltage U b is connected to the measuring device 8 and leads from there to the one winding end 2 of the primary winding L1.
  • the other winding end 3 of the primary winding L1 is connected to the collector of the transistor T1, the emitter of which leads to ground M (negative pole of the battery voltage U b ).
  • the electrode 4 of the spark plug ZK is connected to ground M.
  • the other electrode 5 of the spark plug ZK is connected to the winding end 7 of the secondary winding L2 of the ignition coil device 1 and the other winding end 6 of the secondary winding L2 is connected to the winding end 2 of the primary winding L1.
  • the switch S1 which is also preferably in the form of a field effect transistor (FET), is connected in parallel with the primary winding L1, that is to say the one pole of the switching path of the switch S1 is connected to the winding end 2 and the other pole of the switch S1 is connected to the winding end 3 of the primary winding Ll Ignition coil device 1 connected.
  • FET field effect transistor

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung des Ionenstroms an der Zündkerze jedes Zylinders, und mit einer die Zündspannung bildenden, nach dem Transformatorprinzip arbeitenden, eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Zündspuleneinrichtung pro Zündkerze, durch deren Sekundärwicklung der Ionenstrom fließt. Erfindungsgemäß ist ein die Primärwicklung (L1) während der Dauer der Ionenstrommessung kurzschließender Schalter (S1) vorgesehen.

Description

Zündvorrichtung mit Ionenstrom-Meßeinrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine induktive Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung des Ionenstroms an der Zündkerze jedes Zylinders und mit einer die Zündhochspannung bildenden, nach dem Transformator- prinzip arbeitenden, eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweisenden Zündspuleneinrichtung pro Zündkerze, durch deren Sekundärwicklung der Ionenstrom fließt.
Um Verbrennungsmotoren bei hohem Wirkungsgrad zu betreiben und um die hohen Anforderungen im Bereich der On-Board-Diagnose zu erfüllen, werden genaue Diagnosesysteme benötigt, die Aussagen über den Verbrennungsvorgang ermöglichen. Diese Diagnosesysteme sollen ferner vorzugsweise kostengünstig sein. Es ist bekannt, wichtige Informationen über den Verlauf der Verbrennung direkt aus dem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors (Brennkraftmaschine) zu entnehmen. Hierzu wird die sogenannte Ionenstrommessung eingesetzt, bei dem die Zündkerze wahrend eines Verbrennungszyklus ' zunächst ihre eigentliche Aufgabe wahrnimmt, nämlich das Verbrennungsgemisch zu zünden und anschließend wird sie f r eine weitere Funktion eingesetzt, indem sie als Sensor verwendet wird, mittels dem der Ionenstrom gemessen wird. Dies ist ein Vorteil, da kein Platz im Brennraum für zusatzliche Sensoren benotigt wird. Die Ionenstrom essung beruht auf dem Prinzip, daß wahrend der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches Ionen entstehen. Dieser Ionisierung liegen unterschiedliche Mechanismen zugrunde, die den typischen Verlauf des lonenstroms prägen und daher eine Aussage über bestimmte Parameter der Verbrennung usw. gestatten. Wird zur Ionenstrommessung eine Spannung an die Elektroden der Zündkerze ge- legt, so werden die im Brennraum vorhandenen Elektronen und Ionen in die entsprechende Richtung des elektrischen Feldes bewegt, so daß sich ein Strom ausbildet, der durch diese Ladungsträger getragen wird. Dieser Strom stellt den vorstehend erwähnten Ionenstrom dar. Wird das an sich bekannte Ionenstrom-Meßverfahren bei einer induktiven Zündvorrichtung eingesetzt, die eine nach dem Transformatorprinzip arbeitende, eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisende Zundspulenein- richtung aufweist, so besteht aufgrund der relativ großen Sekundarinduktivitat der Nachteil einer schlecht steuerbaren Funkendauer der Zündkerze, die zur Behinderung der Messung fuhren kann. Außerdem konnen durch die relativ große Sekundarinduktivitat im Ionenstromsignalweg nur relativ niedere Frequenzen übertragen werden, welche z.B. für eine sichere Klopferkennung nicht ausreichen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemaße Z ndvorrichtung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat den Vorteil, daß durch einen die Primärwicklung der Zundspulen- einrichtung wahrend der Dauer der Ionenstrommessung kurzschließenden Schalter die Restenergie im magnetischen Kreis der Zündspule auf der Primarseite dissipiert, das heißt, in Wärmeenergie umgewandelt wird und insofern den Zündfunken nicht weiter be- treibt, so daß dieser sehr schnell und reproduzierbar zum gew nschten Zeitpunkt erlischt. Durch das Kurzschließen der Primarseite der Zundspulenein- richtung wird ferner die Grenzfrequenz der Sekun- darseite der Zündspule deutlich nach oben gescho- ben, so daß möglicherweise auftretende Klopfschwin- gungen des Verbrennungsmotors als unerwünschter Betriebszustand ungedämpft beobachtet werden können, da die Klopfschwingungen signifikante Ionenstrom- verlaufe mit sich bringen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schaltweg des Schalters im geschlossenen Zustand sehr nie- derohmig ist. Damit ist der Primarkreis der Zund- spuleneinrichtung deutlich niederohmiger als der Sekundarkreis, so daß der Zündfunke schnell er- lischt. Insbesondere kann der Schalter als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildet sein, der einen niederoh- migen Schaltweg bei kleinen Flußspannungen besitzt.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die Meßein- richtung eine Steuereinrichtung aufweist, die den Schalter vorzugsweise periodisch zum gewünschten Funkenende, zumindest für die Dauer der gesamten Ionenstrommessung schließt. Dies erfolgt im Falle eines Feldeffekttransistors durch dessen entspre- chende Ansteuerung.
Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild einer induktiven Zündvorrichtung mit Ionenstrom-Meßeinrichtung nach einem ersten Ausfuhrungsbeispiel und
Figur 2 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel einer induktiven Zündvorrichtung mit Meßeinrich- tung zur Ermittlung des lonenstroms.
Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt eine induktive Zündvorrichtung f r einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor. Die Zündvorrichtung weist eine Zundspuleneinrich- tung 1 auf, die eine Primärwicklung Ll und eine Sekundärwicklung L2 umfaßt, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Das eine Wicklungsende 2 der Primarwicklung Ll ist an die Betriebsspannung, das heißt, die Batteriespannung O eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs angeschlossen, in das der Verbrennungsmotor eingebaut ist. Das andere Wick- lungsende 3 der Primärwicklung Ll fuhrt zu der Schaltstrecke eines Transistors Tl, der -entsprechend dem gewünschten Zundzeitpunkt- von einem nicht dargestellten Steuergerat angesteuert wird. Über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tl kann somit das Wicklungsende 3 im leitenden Zustand des Transistors Tl an Masse M angelegt werden (Minuspol der die Spannung U^ abgebenden Batterie) . Eine Zündkerze ZK, die dem nicht dargestellten Verbrennungsmotor angehört, ist mit einer ihrer Elek- troden 4 an Masse M angeschlossen. Die andere Elektrode 5 der Zündkerze ZK ist an ein Wicklungsende 6 der Sekundärwicklung L2 der Zundspuleneinrichtung 1 angeschlossen. Das andere Wicklungsende 7 der Zundspuleneinrichtung 1 fuhrt zu einer Meßeinrichtung 8, die der Messung eines lonenstroms I dient. Ferner ist die Meßeinrichtung 8 mit Masse M verbunden. Das eine Wicklungsende 2 der Primärwicklung Ll der Zundspuleneinrichtung 1 ist mit einem Pol eines Schalters Sl verbunden. Der andere Pol des Schal- ters Sl fuhrt zum anderen Wicklungsende 3 der Primärwicklung Ll. Insofern ist es möglich, bei geschlossenem Schalter Sl die Primärwicklung Ll der Zundspuleneinrichtung 1 kurzzuschließen. Der Schalter Sl ist vorzugsweise als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildet, dessen Gate 9 mittels einer nicht dargestellten, nur mittels eines Pfeiles 10 angedeuteten Steuereinrichtung ansteuerbar ist, um das erwähnte Kurzschließen der Primärwicklung Ll wahrend gewünschter Zeitintervalle vornehmen zu können. Durch entsprechende Ansteuerung des Schalters Sl ist es somit möglich, die Primärwicklung Ll des Übertrags kurzzuschließen.
Es ergibt sich folgende Funktionsweise: Durch ge- wählte Ansteuerung der Basis des Transistors Tl wird ein Stromfluß in der Primärwicklung Ll der Zundspuleneinrichtung ausgelöst, der auf der Sekundärseite, also in der Sekundärwicklung L2 zur Ausbildung einer Hochspannung fuhrt, die die Auslosung eines Zündfunkens an der Zündkerze ZK bewirkt. Ist der Verbrennungsvorgang eingeleitet, so soll nachfolgend mittels der als Sensor wirkenden Zündkerze ZK der Ionenstrom im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors ermittelt werden, um Rückschlüsse auf gewünschte Parameter ziehen zu können. Hierzu wird der Schalter Sl geschlossen, wodurch die Primärwicklung der Zundspuleneinrichtung elektrisch kurzgeschlossen wird. Die Folge ist, daß die sich im magnetischen Kreis befindliche Restenergie dissi- piert, also in Wärmeenergie umgesetzt wird. Hierdurch erlischt der Zündfunke definiert und sehr schnell. Gleichzeitig wird durch das Kurzschließen der Primärwicklung die Grenzfrequenz der Sekundärseite der Zundspuleneinrichtung deutlich nach oben verschoben, so daß die Messung sehr genau in dem relevanten Bereich von Klopfschwingungen durchgeführt werden kann, das heißt, es ist ein besonders kritischer, unerwünschter Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch die Messung des lonenstroms sensierbar. Aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens, nämlich des Kurzschiießens der Primärwicklung während der gesamten Dauer der Ionenstrommessung wird eine derart präzise und kurze Funkendauer an der Zündkerze realisiert, so daß Zundfunkenauswir- kungen unter keinen Umstanden die nachfolgende Meßauswertung behindern beziehungsweise die Meßperiode "überdecken". Durch das erfindungsgemaße Kurz- schließen ist auch ein Ausschwingen des Zundsystems verhindert, das heißt, die Messung des lonenstroms kann nicht durch Ausschwinger beeinflußt werden, was zu Fehlinterpretationen fuhren kann. Wie bereits erwähnt, wird durch Anheben der Grenzfrequenz aufgrund des Kurzschließens der Primärwicklung die bei herkömmlichen Systemen vorliegende deutliche Bandbegrenzung überwunden, die bisher bei der Erkennung von unerwünschten Betriebszustanden, beispielsweise KlopfSchwingungen (3 bis 20 kHz) emp- findlich gestört haben. Durch die Erfindung werden somit die bisher schlechten Signalubertragungsei- genschaften der Sekundärwicklung, durch die der Ionenstrom hindurchfließt, verbessert.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer induktiven Zündvorrichtung mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung eines lonenstroms, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen worden sind. Es gelten beim Ausfuhrungsbeispiel der Figur 2 die gleichen Aussagen wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel der Figur 1, so daß nachstehend nur noch auf die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausfuhrungsbeispielen eingegangen werden soll.
Wahrend die Auswerteeinrichtung 8 zur Messung des lonenstroms im Ausfuhrungsbeispiel der Figur 1 im Sekundarkreis der Zundspuleneinrichtung 1 angeordnet ist, befindet sie sich im Ausfuhrungsbeispiel der Figur 2 im Primarkreiε, und zwar ist der positive Pol der Batteriespannung Ub an die Meßeinrichtung 8 angeschlossen und fuhrt von dort zu dem einen Wicklungsende 2 der Primärwicklung Ll . Das andere Wicklungsende 3 der Primärwicklung Ll ist an den Kollektor des Transistors Tl angeschlossen, dessen Emitter zur Masse M (Minuspol der Batteriespannung Ub) fuhrt. Ferner ist die Elektrode 4 der Zündkerze ZK mit Masse M verbunden. Die andere Elektrode 5 der Zündkerze ZK ist mit dem Wicklungsende 7 der Sekundärwicklung L2 der Zundspuleneinrichtung 1 verbunden und das andere Wicklungsende 6 der Sekundärwicklung L2 ist an das Wicklungsende 2 der Primärwicklung Ll angeschlossen. Insofern liegt hier eine Spartransformatorausbildung bei der Zundspuleneinrichtung 1 vor. Der ebenfalls vorzugsweise als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildete Schalter Sl ist parallel zur Primärwicklung Ll geschaltet, das heißt, der eine Pol des Schaltweges des Schalters Sl ist mit dem Wicklungsende 2 und der andere Pol des Schalters Sl ist mit dem Wicklungsende 3 der Primärwicklung Ll der Zundspuleneinrichtung 1 verbunden.
Es ergibt sich folgende Funktionsweise: Durch An- Steuerung des Transistors Tl in seinen leitenden Zustand fließt durch die Primärwicklung Ll der Zundspuleneinrichtung 1 ein Strom, der auf der Se- kundarseite, also in der Sekundärwicklung L2 eine Hochspannung erzeugt, die einen Zündfunken in der Zündkerze ZK auslost. Nach erfolgter Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum des nicht dargestellten Verbrennungsmotors wird von der Steuereinrichtung (Pfeil 10) der Schalter Sl ge- schlössen, das heißt, es wird die Primärwicklung Ll der Zundspuleneinrichtung 1 kurzgeschlossen. Hierdurch treten die bereits zum Ausfuhrungsbeispiel der Figur 1 genannten Vorteile auf, so daß eine optimale Ionenstrommessung mittels der Meßeinrichtung 8 durchgeführt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Induktive Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung des lonenstroms an der Zündkerze jedes Zylinders, und mit einer die Zündspannung bildenden, nach dem Transformatorprinzip arbeitenden, eine Primärwick- lung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Zundspuleneinrichtung pro Zündkerze, durch deren Sekundärwicklung der Ionenstrom fließt, gekennzeichnet durch einen die Primärwicklung (Ll) während der Dauer der Ionenstrommessung kurzschließenden Schal- ter (Sl) .
2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltweg des Schalters (Sl) im geschlossenen Zustand sehr niederoh ig ist und geringe Flußspannung aufweist.
3. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (Sl) ein Feldeffekttransistor (FET) ist.
4. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8) eine Steuereinrichtung (Pfeil 10) aufweist, die den Schalter (Sl) vorzugsweise periodisch, zumindest während der Dauer der Ionenstrommessung schließt.
EP97910226A 1996-11-28 1997-09-26 Zündvorrichtung mit ionenstrom-messeinrichtung Expired - Lifetime EP0953109B1 (de)

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