EP1054154B1 - Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstromes für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• In einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung findet während der Verbrennung eine Ionisation verschiedener Moleküle statt. Wird ein elektrisches Feld in einem Bereich des Brennraumes angelegt, so kann eine Ionenbewegung erzeugt werden, die wiederum als Strom gemessen werden kann. Dieser Ionenstrom weist eine Korrelation zum Druckverlauf im Brennraum auf und kann somit zur Verbrennungskontrolle eingesetzt werden.
• Zur Erfassung des Ionenstroms ist es allgemein bekannt, ein ungefiltertes spannungskontinuierliches Analogsignal an eine Auswerteeinrichtung weiterzuleiten. So ist es aus der US 4,359,893 und der DE 33 39 569 A1 bekannt, zur Felderzeugung eine Kondensator-Zener-Dioden-Kombination zu verwenden. Diese kann während oder vor (vgl. DE 197 33 356 A1 ) der Zündphase geladen werden. Die DE 41 38 823 C2 sowie die JP 11 037 028 A zeigen, daß man den entstehenden Ionenstrom auch mit einem Shunt-Widerstand in ein Spannungssignal umwandeln kann. In der DE 41 38 823 C2 wird vorgeschlagen, die Meßanordnung in Verbindung mit einem Leistungsschalter auf einer Zündkerze anzuordnen und das ungefilterte Spannungssignal an eine Verbrennungsregeleinheit (im folgenden ECU genannt) weiterzuleiten. Es wird darüber hinaus auch angeregt, alternativ eine Meßanordnung für alle Zylinder zu verwenden. In der DE 197 33 356 A1 ist eine Erweiterung des letzten Vorschlags für Zylindergruppen und Einzelzündspulen beschrieben.
• Allen vorgenannten Anordnungen ist gemein, daß sie nur bedingt in einer Fahrzeugumgebung einsetzbar sind, da das Ionenstromsignal im µA-Bereich liegt.
• Einen anderen Ansatz verfolgen die Ausführungsformen in der DE 197 34 039 A1 , DE 197 33 869 A1 und DE 197 30 362 A1 . Gemäß diesen Veröffentlichungen wird ein spannungskontinuierliches Analogsignal in eine spannungsdiskrete Impulsfolge umgewandelt und zur weiteren Auswertung an die Verbrennungsregeleinheit übermitteilt. Die DE 197 30 362 A1 verwendet hierzu eine Komperatorschaltung, deren Schwellwert von der Verbrennungsregeleinheit über eine Spannungsschnittstelle einstellbar ist. Die DE 197 33 869 A1 verwendet Maskierungsschaltungen und einen Bandpaß, um das Ionenstromsignal in ein Impuls-Klopfsignal umzuwandeln, das zur weiteren Auswertung an die Verbrennungsregeleinheit geschickt wird. Die Verbrennungsregeleinheit hat hierbei keine Eingriffsmöglichkeit auf die Schwellwerte zur Klopfsignalerfassung, was zu Nachteilen während der Applikationsphase eines solchen Systems führen kann. Die DE 197 34 039 A1 verwendet eine Pulserzeugungsvorrichtung zur Verbrennungsaussetzererkennung. Die DE 197 34 039 A1 und die DE 197 33 869 A1 verwenden zusätzlich auch das ungefilterte Spannungssignal über den Meßwiderstand. Alle vorgenannten Vorgehensweisen führen zum einen zu einem erhöhten Verdrahtungsaufwand. Zum anderen verbleiben die Rausch- und Rückwirkungsprobleme bei der Auswertung dieses spannungskontinuierlichen Analogsignals.
• Im übrigen führt die Verwendung eines Meßwiderstandes gegen Masse am Meßpunkt zu einem negativen Spannungssignal gegenüber der Bezugsmasse. Dies erzwingt eine zusätzliche negative Spannungsversorgung und einen Umkehrverstärker für die Signalauswertung. Zur Rauschunterdrückung ist es daher sinnvoll, in diese Verstärkerstufe eine Bandbegrenzung einzuführen. Dies erfordert jedoch beim Umkehrverstärker abgeglichene Kondensatoren. Die Verwendung eines Meß-Shunts erhöht folglich die Schaltkomplexität und -kosten. Im übrigen bildet ein Meß-Shunt außerdem einen Spannungsteiler mit dem Meßkanal im Brennraum, d. h. die Wahl dieses Widerstands verringert die Größe des sowieso schon kleinen lonenstroms.
• Aus der US 5,675,072 A ist eine lonenstromerfassungseinrichtung bekannt, bei der der positive Eingang des Operationsverstärkers eines Messkonverters auf Massepotential liegt und bei der über eine nachgeschaltete Schaltungsanordnung die Wechselanteile des Messkonvertersignals separiert werden. Diese Vorrichtung erlaubt allerdings ebenfalls nur eine sehr eingeschränkte Diagnose des Verbrennungsvorgangs.
• Aus der EP 0 615 067 A2 ist eine Fehlzündungseinrichtung und ein Verfahren zur Feststellung einer Fehlzündung bekannt, bei dem bzw. bei der ein Zündstrom in einem Zündsystem gemessen wird. Gemäß einer Ausführungsform wird hierzu eine Strom-/Spannungswandlereinheit für ein Zylinderpaar verwendet. Der, den Operationsverstärker enthaltene Schaltkreis umfaßt ferner Widerstände und einen Kondensator, wobei ein Widerstand und ein Kondensator zu einem Transistor parallel geschaltet sind, der in den leitenden Zustand übergeht, wenn ein Hochpegel-ResetSignal an dessen Eingang angelegt wird.
• Aus der DE 195 02 402 A1 ist eine Zündaussetzer-Abtastschaltung für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit der Zündaussetzer auf der Basis der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Ionenstromes erfasst werden können. Der Ionenstrom wird durch eine Verbrennung hervorgerufen, indem man eine Spannung an Zündkerzen der Brennkraftmaschine anlegt. Die Zündaussetzer-Abtastschaltung umfasst eine Strom-/Spannungs-Wandlereinheit, die wiederum einen Operationsverstärker aufweist, dessen invertierender Eingang mit einer Elektrode eines Kondensators auf der Niedrigpotentialseite und dessen nicht invertierender Eingang mit Masse verbunden ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine selbstdiagnosefähige Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und ein fahrzeuggerecht aufbereitetes lonenstrom-Meßsignal auf einfache Art und Weise liefert.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Gemäß dem Anspruch 1 wird als Meßsignalkonverter ein Strom-/Spannungskonverter verwendet, der aus einem Operationsverstärker besteht. Der negative Eingang des Operationsverstärkers ist mit der Meßspannungserzeugungseinrichtung, dem Zündstrombypass und über einen Widerstand mit dessen Ausgang, welcher das Meßsignal liefert, verbunden. Der positive Eingang des Operationsverstärkers liegt auf einem leicht erhöhten Potential. Zwar ist ein solcher Stromspannungskonverter in Form eines Schnittstellenkonverters, beispielsweise aus Tietze, Schenck, 9. Aufl., Seite 366, bekannt. Doch wird diese Schaltung normalerweise zur Anpasnung einer Stromschnittstelle mit regelbarem eingeprägten Strom an eine Spannungsschnittstelle verwendet. In diesem Fall wirkt die Schaltung als Stromsenke. Vorliegend wird die Schaltung jedoch in Verbindung mit einer eingeprägten Konstantspannungsquelle, nämlich der lonenmeßspannungserzeugungseinrichtung, verwendet und fungiert daher als Stromquelle für den Ionenstrom. Solange der Operationsverstärker nicht in seiner Sättigung arbeitet, besteht ein lineares Verhältnis zwischen dem Brennraum-Meßstreckenleitwert und dem Ausgang des Operationsverstärkers, der direkt die Meßspannung darstellt.
• Der Vorteil gegenüber einer Lösung mit einem Meßwiderstand ist eine fortwährend positive Spannung. Darüber hinaus liegt der Meßknoten, also der negative Eingang des Operationsverstärkers, virtuell auf Masse, d. h. die gesamte Kondensatorspannung liegt über der Brennraum-Meßstrecke an, so daß die Messung nicht den zu messenden Leitwert verfälscht.
• Weitere Vorteile und Merkmale sind in den Unteransprüchen definiert.
• Eine besondere Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei soll das Ausführungsbeispiel nur zum Verständnis der Erfindung dienen und in keiner Weise schutzbegrenzend wirken.
• Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1

eine schematische Übersicht einer Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2

eine erste Ausführungsform einer an sich bekannten Strommeßspannungserzeugungseinrichtung,

Fig. 3

eine zweite Ausführungsform einer an sich bekannten Ionenmeßspannungserzeugungseinrichtung,

Fig. 4

eine mögliche Ausführungsform eines Zündstrombypasses sowie einer Schutzschaltung, welche ebenfalls an sich bekannt sind,

Fig. 5

eine mögliche Ausführungsform eines Strom-/Spannungskonverters,

Fig. 6

eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strom-/Span-nungskonverters mit Diagnoseschaltung und optionaler Bandbegrenzung und,

Fig. 7

eine erste Ausführungsform einer an sich bekannten Filterstufe,

Fig. 8

eine zweite Ausführungsform einer aktiven Filterstufe,

Fig. 9

eine erste Ausführungsform eines Ausgangstreibers und

Fig. 10

eine zweite Ausführungsform eines Ausgangstreibers in Form einer Stromschnittstelle.

• In Fig. 1 ist eine schematische Übersicht über eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstroms dargestellt. Diese Vorrichtung umfaßt eine Ionenstrommeßspannungserzeugungseinrichtung 1, einen Zündstrombypass 2, der zu einer Schutzschaltung 3 und einem Strom-/Spannungskonverter 4 parallelgeschaltet ist. Der Strom-/Spannungskonverter 4 wiederum ist in Reihe mit einer Filterstufe 5 und einem optionalen zusätzlichen Ausgangstreiber 6 geschaltet.
• Die lonenstrom-Meßspannungserzeugungseinrichtung 1 ist über eine Schnittstelle Schn_Z mit einem Zündsystem verbunden, welches nicht näher dargestellt ist. Auf der anderen Seite ist die Meßspannungserzeugungseinrichtung 1 über eine Schnittstelle 1a mit dem Zündstrombypass 2, der Schutzschaltung 3 und dem Strom-/Spannungskonverter 4 verbunden. Die Schnittstellen 4-5, 5-6 und ECU definieren die Verbindungen zwischen den entsprechenden Vorrichtungsteilen dar.
• Die einzelnen Vorrichtungsteile, nämlich die Meßspannungserzeugungseinrichtung 1, den Zündstrombypass 2, die Schutzschaltung 3, der Strom-/Spannungskonverter 4, die Filterstufe 5 und der optionale Ausgangstreiber 6 sind nachfolgend in den Fig. 2 bis 10 anhand von Schaltdiagrammen näher dargestellt.
• In Fig. 2 ist eine an sich bekannte Ausführungsform einer Meßspannungserzeugungseinrichtung 1 dargestellt. Diese besteht im wesentlichen aus einer Zündvorrichtung, die eine Zündspule L1, ein Steuergerät, hier in Form eines Transistors T1, und eine Zündkerze X1 umfaßt. Die Zündkerze X1 sowie der Transistor T1 sind auf Masse gelegt. Der Transistor ist kollektorseitig mit der Primärwindung der Spule L1 verbunden, welche wiederum an eine Versorgungsspannung Ub angelegt ist. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, können mehrere dieser Zündanordnungen in Reihe geschaltet sein. Die Sekundärwicklung der Spule L1 ist zum einen mit der Zündkerze X1, zum anderen mit der sekundärseitigen Masserückführung 4a verbunden, die eine Parallelschaltung eines Speicherkondensators Cs und einer oder mehrerer Zenerdioden Dz bewirkt. Mit Z_S ist dabei die Schnittstelle zum Zündsystem bezeichnet. Mit 1a ist die bereits aus Fig. 1 bekannte Schnittstelle bezeichnet.
• Die Größen L2, T2, X2 bezeichnen die Teile einer zweiten, parallelen Zündanordnung.
• In Fig. 3 ist eine andere Ausgestaltung einer an sich bekannten Meßspannungserzeugungseinrichtung 1 dargestellt, wobei die mit Fig. 2 übereinstimmenden Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen. Diese zweite Ausführungsform einer Meßspannungserzeugungseinrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einer primärseitigen Ladeschaltung mit mindestens einer Niederspannungsdiode DL und einem damit in Reihe geschalteten Widerstand RL, der einen gemeinsamen Knoten mit mindestens einer Hochspannungsdiode Dh zur Hochspannungsseite mindestens einer Zündkerze X1, Xx aufweist. Ferner ist eine Parallelschaltung eines Speicherkondensators Cs und einer oder mehrerer Zenerdioden Dz vorgesehen. Die Kathoden der Hochspannungsdioden Dh bilden je einen gemeinsamen Knoten mit der Hochspannungsseite UH1 ...... UHX der zugehörigen Zündspule, L1 .... Lx.
• Die Anoden der Niederspannungsdioden DL bilden je einen gemeinsamen Knoten, mit dem masseseitigen Anschluß UL1 ...... ULX der Primärseite der zugehärigen Zündspule L1........Lx.
• In Fig. 4 ist eine an sich bekannte Ausführungsform eines Zündstrombypasses (Bezugszeichen 2 in Fig. 1) und einer Schutzschaltung (Bezugszeichen 3 in Fig. 1) dargestellt. Die gesamten Anordnung besteht vorliegend aus einer Zünddiode Dzs und mindestens einer invers dazu verschaltenden Zünddiode Ds. Vorliegend sind zwei in Reihe geschaltete Schutzdioden Ds vorgesehen. Der Zündstrombypass ist vor allem in der ersten Zündphase von Bedeutung.
• In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines Strom-/Spannungskonverters 4 dargestellt. Der Strom-/Spannungskonverter 4 umfaßt einen Operationsverstärker OP, welcher mit seinem negativen Eingang mit der Meßspannungserzeugungseinrichtung 1 und dem Zündstrombypass 2 verbunden ist. Ferner ist der negative Eingang des Operationsverstärkers über einen Widerstand Rq mit dessen Ausgang, der im wesentlichen das Meßsignal liefert, verbunden. Der positive Eingang des Operationsverstärkers liegt vorliegend auf Masse. Alternativ kann er auch auf einem leicht erhöhten Potential liegen.
• In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist ein erfindungsgemäßer Strom-/Spannungskonverter dargestellt, der (gegenüber demjenigen in Fig. 5) optional einen zu dem Widerstand Rq parallelgeschalteten Kondensator Ctp aufweist, welche eine frühe Bandbegrenzung bewirkt. Im übrigen ist eine Diagnose-Offset-Schaltung in Form von mindestens einem Vorwiderstand Rv und einer SchottkyDiode Do vorgesehen. Der zur SchottkyDiode Do parallelgeschaltete Kondensator Co verbessert vorliegend die Stabilität der Offset-Spannung, ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Offset-Schaltung kann alternativ auch durch einen Spannungsteiler eine Zener-Spannung oder eine Referenz-Spannungsquelle erzeugt werden.
• Die vorliegende Verwendung des Strom-Spannungskonverters 4 stellt sicher, daß die gemessene Spannung immer positiv ist. Im übrigen liegt der negative Eingang des Operationsverstärkers virtuell auf Masse, so daß die gesamte Kondensatorspannung über der Brennraum-Meßstrecke anliegt und die Messung des Gleitwertes nicht verfälscht wird. Die vorliegende Schaltung gemäß der Fig. 5 und 6 wirkt als Stromquelle für den Ionenstrom unter Verwendung der lonenstrom-Meßspannungserzeugungsvorrichtung als Konstantstromquelle. Über den Rückkoppelwiderstand Rq wird das Strom-/Meßspannungsübersetzungsverhältnis eingestellt. Solange also der Operationsverstärker nicht in seiner Sättigung arbeitet, besteht ein lineares Verhältnis zwischen dem Brennraum-Meßstreckenleitwert und dem Ausgang des Operationsverstärkers, der direkt die Meßspannung darstellt.
• In Fig. 7 ist eine erste an sich bekannte Ausführungsform der Filterstufe 5 dargestellt. Eine solche Filterstufe sollte vorzugsweise mit einem Ausgangstreiber 6 zur Entkoppelung verwendet werden. Ein entsprechender Ausgangstreiber ist in Fig. 9 dargestellt. Durch die Entkopplung wird eine Störeinstrahlungsfestigkeit sichergestellt.
• Alternativ kann jedoch eine aktive Filterstufe, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist, verwendet werden. Diese Filterstufe bildet einen Tiefpaß R5, C5 zweiter bis dritter Ordnung (vgl. Tietze, Schenck, 9. Aufl., Seite 419) und kann gleichzeitig als Anti-Aliasing-Filter für eine digitale Signalverarbeitung in der Verbrennungsregeleinheit (ECU) dienen. Eine aktive Filterstufe, wie sie in Fig. 8 verwendet ist, bietet in Kombination mit einer Strom-Spannungskonvertierungseinrichtung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, eine kostengünstige Realisierung der Erfindung, die ein großes Maß an Flexibilität für die Applikation bietet.
• Natürlich ist alternativ auch eine Bandpaßlösung vorstellbar, wenn es um eine reine Klopferkennung geht und dann evtl. die gleichen Anteile des Meßsignals irrelevant werden.
• In Fig. 9 ist eine optionale Treiberstufe in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
• Bevorzugt sollte jedoch eine Stromschnittstelle, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, eingesetzt werden (vgl. dazu auch Tietze, Schenck, 9. Aufl., Seite 369). Eine Stromschnittstelle bietet nämlich den Vorteil, daß mögliche Potentialversätze zwischen dem brennraumnahen Steuergerät und der Verbrennungsregeleinheit einen geringeren Einfluß auf die Signalübertragung haben.
• Eine Anordnung der Gesamtschaltung ist vorzugsweise in Brennraum- und Zündspulennähe aus Störaussendungsgründen anzustreben. Andernfalls müßten die Massen der Hochspannungsseite über längere Strecken im Motorraum geführt werden. Idealerweise integriert man die kompakte Schaltung allein oder in Verbindung mit der oder den zugehörigen Zündspulen auf der Zündspule oder in einem zu einer Zylindergruppe gehörenden Anbausteuergerät in Brennraum- und Zündspulnähe.
• Die vorliegende Erfindung bietet eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung eines fahrzeuggerecht aufbereiteten lonenstrom-Meßsignals.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erfassung eines Ionenstromes für eine Brennkraftmaschine, umfassend:

   eine Meßspannungserzeugungseinrichtung (1),

   einen mit der Meßspannungserzeugungseinrichtung (1) verbundenen Zündstrombypass (2) und

   einen mit der Meßspannungserzeugungseinrichtung (1) und dem Zündstrombypass (2) verbundenen Meßsignalkonverter (4),

   wobei als Meßsignalkonverter (4) ein Strom-/Spannungskonverter verwendet wird, der aus einem Operationsverstärker besteht, dessen negativer Eingang mit der Meßspannungserzeugungseinrichtung (1), dem Zündstrombypass (2) und über einen Widerstand mit dessen Ausgang, welcher das Meßsignal liefert, verbunden ist,
   dadurch gekennzeichnet, daß
   der positive Eingang des Operationsverstärkers auf einem leicht erhöhten Potential liegt, so dass ein Potentialversatz am positiven Eingang des Operationsverstärkers vorgesehen ist, der zur Diagnose der Schaltung verwendet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Strom-/Spannungskonverters mit einer Filterstufe (5), insbesondere einer aktiven Filterstufe, verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangstreiber (6) vorgesehen ist, der mit dem Ausgang der Filterstufe (5) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstreiber (6) als Stromschnittstelle ausgebildet ist.

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