VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERKENNUNG KLOPFENDER VERBRENNUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung klopfender Verbrennung beim Betrieb einer Brennkraftmaschine, bzw. ein Zündsystem zur Erfassung von Klopfen, Vorentflammung und Glühzündung mittels lonenstrom bei Verbrennungskraftmaschinen.

Mit Hilfe von lonenstrommessungen wird schon seit längerem versucht eine Klopferkennung zu realisieren. Jedoch können bisher Vorentflammung und Glühzündung nicht, oder nur bedingt detektiert werden.

Bei bisherigen Systemen wird der Frequenzgang, der für eine Klopferkennung erforderlich ist, durch bauteilbedingte parasitäre Induktivitäten und Kondensatoren zu weit eingeschränkt.

Eine Vorentflammung- und eine Glühzündungserkennung ist bisher durch Ladezeiten der Zündspule o.a. nicht möglich.

Bekannt ist es die Hilfsspannung für die lonenstrommessung über die Sekundärwicklung der Zündspule anzulegen. Dies hat den Nachteil, dass das lonenstromsignal über die Spule bedämpft wird und keine Messung während der Ladezeit der Zündspule möglich ist.

Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird das Kraftstoff - Luft - Gemisch bedingt durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Verbrennung bereits während des Verdichtungstaktes, vor dem oberen Totpunkt, gezündet. Der optimale Zündzeitpunkt wird dabei in abhängig der Kurbelwellendrehzahl bestimmt. Klopfende Verbrennung entsteht durch zu früh ausgeführte Zündungen, bei denen zu hohe Druckspitzen zu einer Erhöhung der Temperatur des unverbrannten Kraftstoff - Luft-Gemisches und damit zu lokalen Selbstentzündungen des Kraftstoff - Luft - Gemisches führen. Diese zu hohen Druckspitzen in den Brennräumen entstehen in der Regel während dem Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine.

Zur Bestimmung klopfender Verbrennung wird in allen Brennräumen der Brennkraftmaschine der Brennraumdruckverlauf mittels der lonenstrommessung erfasst. Ein Verfahren zur lonenstrommessung ist beispielsweise aus der DE 33 27 766 A1 bekannt. Klopfende Verbrennung ist dabei am Auftreten von Druckspitzen und Schwingungen im Brennraumdruckverlauf erkennbar. Dazu wird der gleichzeitig als lonenstromsonde dienenden Zündkerze unmittelbar nach der Zündung des Kraftstoff - Luft - Gemisches über die Zündspule eine Wechselspannung zugeführt. Diese Wechselspannung wird von Ionen im verbrennenden Kraftstoff - Luft - Gemisch in Abhängigkeit des Brennraumdruckes moduliert. Die modulierte Wechselspannung, das lonenstrom - Rohsignal, wird einer Auswerteschaltung zugeführt. Während der Zündung des Kraftstoff - Luft - Gemisches durch die Zündkerze kann die lonenstrommessung nicht durchgeführt werden. In der DE 197 20 535 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Funkenbrenndauer der Zündkerze auf ein Minimum reduziert wird, um direkt anschließend den Brennraumdruckverlauf zu erfassen und möglicherweise klopfende Verbrennung zu erkennen

In der DE 197 20 532 C2 wird offenbart, dass zur Auswertung zuerst das lonenstrom- rohsignal durch einen Bandpass gefiltert wird. Anschließend wird der nicht durch Klopfen verursachte Teil des gefilterten Signals durch Fensterung ausgeblendet. Die verbleibenden Signalanteile werden gleichgerichtet und anschließend integriert. Der resultierende Wert des Klopfintegrals ist proportional zur Intensität der Druckspitzen des Brennraumdruckverlaufes.

Wird bei einer Brennkraftmaschine klopfende Verbrennung erkannt wird der Zündzeitpunkt für den kommenden Arbeitstakt innerhalb des Verdichtungstaktes näher an den oberen Totpunkt hin verschoben. Dabei entfalten Brennkraftmaschinen bei leichtem Klopfen ihre maximale Leistung, während bei starkem Klopfen die Gefahr besteht, dass an der Brennkraftmaschine mit der Zeit Schäden auftreten. Somit besteht die Notwendigkeit für den Wert des Klopfintegrals einen Schwellwert zu bestimmen, bis zu dem die Brennkraftmaschine mit leichtem Klopfen betrieben werden kann, und ab dem der Zündzeitpunkt in Richtung des oberen Totpunktes hin verschoben werden muss.

Das Problem bei der Auswertung eines lonenstromsignal besteht in hohen Intensitätsschwankungen, die bei der Messung des lonenstromsignals von Arbeitstakt zu Arbeitstakt auftreten. Derartige Intensitätsschwankungen können bewirken, dass mit geringer Intensität gemessen lonenstrom - Rohsignale, die große durch Klopfen verursachte Druckspitzen und Schwingungen aufweisen, so geringe Werte für das Klopfintegral ergeben, dass sie unterhalb des Schwellwertes für das Klopfintegral bleiben und somit der Zündzeitpunkt nicht zum oberen Totpunkt hin verschoben wird. Ebenfalls könne mit hoher Intensität gemessene lonenstrom - Rohsignale, die geringe durch Klopfen verursachte Druckspitzen und Schwingungen aufweisen, so hohe Werte für das Klopfintegral ergeben, dass sie oberhalb des Schwellwertes für das Klopfintegral liegen und somit der Zündzeitpunkt zum oben Totpunkt hin verschoben wird, wodurch die Brennkraftmaschine ihre Maximalleistung nicht entfaltet.

In der DE 42 32 845 C2 wird zur Verbesserung der Beurteilung des Wertes der Klopfintegrals vorgeschlagen einen Mittelwert zu bilden, wobei Werte des Klopfintegrals summiert und durch ihre Anzahl dividiert werden. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Klopfintegralwerte zwar besser beurteilt werden können, die Intensitätsschwankungen des lonenstrom-Rohsignals aber im Mittelwert der Klopfintegralwerte noch enthalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung klopfender Verbrennung beim Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben, das eine zuverlässige Beurteilung des Wertes der Klopfintegrals gewährleistet und Schwankungen in der Intensität des lonenstrom - Rohsignals kompensiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Klopferkennung im Zündsystem. Dies führt Vorteilhafterweise zur Einsparung der sonst zusätzlich benötigten Klopfsensoren. Die Erkennung von Vorentflammung ist bisher über Klopfsensoren nur bedingt möglich. Die Erkennung von Glühzündung ist bisher nicht möglich. Die übergabe der Daten erfolgt über eine Schnittstelle zum Motorsteuergerät.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der Einsparung der Klopfsensoren sowie der Erkennung von Vorentflammung wird der Erkennung von Glühzündung.

Diese Daten werden dem Motorsteuergerät zu Verfügung gestellt, welches dann geeignete Abhilfemaßnahmen einleiten kann. Dies ist derzeit nicht möglich, da insbesondere eine Glühzündung nicht über Klopfsensoren detektiert werden kann.

Die vorhandene Zündspule wird zusätzlich mit einer elektronischen Schaltung ausgerüstet, die zum Messen des lonenstroms und dessen Filterung und Auswertung ausgelegt ist.

Die Zündkerze dient als „Elektrode" zur Erfassung des lonenstroms im Zylinder.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktion der Erfindung anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Prinzipschaltbild der Zündung mit lonenstromerfassung dargestellt.

Figur 2 die unterschiedlichen Verläufe der lonenstromsignale bei den 4 relevanten Motorbetriebszuständen

Um den lonenstrom abgreifen zu können wird eine Hilfsspannung aus einem DC DC Wandler (1 ) erzeugt. Der DC DC Wandler ist vorzugsweise kurzschlussfest und mit einer Strombegrenzung ausgerüstet. Im Gegensatz zu anderen Veröffentlichungen hat dies u.a. den Vorteil stets messfähig zu sein. Die Hilfsspannung kann zwischen 30 V und 500 V vorzugsweise zwischen 150 V und 300 V liegen.

Der gemessene lonenstrom wird in einem Verstärker (2) verstärkt, begrenzt, und grob gefiltert. Der Verstärker (2) kann so ausgebildet sein, dass der Verstärkungsfaktor veränderlich ist. D.h. die Verstärkung kann an die jeweilige Situation angepasst werden. So kann z.B. die Verstärkung Drehzahl oder Lastabhängig nachgeführt werden. Das lonenstromsignal wird über weitere angepasste oder einstellbare Filter (3) weiter bereinigt, und dadurch eine Klopferkennung ermöglicht. Des weiteren kann in diesem Schaltungsblock das lonenstromrohsignal ausgewertet werden um dann über die Schnittstelle nur noch das Diagnoseergebnis an die Motorsteuerung auszugeben.

über eine Schnittstelle (4) wird das lonenstromsignal ausgegeben. Denkbar ist hier eine Serielle- oder eine Analoge- Schnittstelle. Es ist ebenfalls möglich die lonenstrominformation über die Ansteuerleitung (z.B. KL.1 ) dem Motorsteuergerät zukommen zu lassen. Die Ansteuerelektronik (5) der Zündspule (beinhaltet Schalttransistor und evtl. Schutzschaltungen und weitere Diagnosefunktionen). Diese steuert wie bisher die Zündspule (6) an. Die Zündspule (6) hat den positive Ausgang an KI.4. Der lonenstromadapter (7), lässt positiv gepolte Zündhochspannung passieren, und blockt die lonenstrom Hilfsspannung ab. An der Zündkerze (8) liegt entweder die Zündspannung über den lonenstromadapter (7) an (roter Pfad), oder die lonenstrom Hilfsspannung über den lonenstromadapter (9) (blauer Pfad).

Da die Zündspannung bei diesem Zündsystem positiv ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zündkerze (8) mit Doppelplatinelektroden ausgerüstet ist oder eine ähnliche verschleißfeste Bauart aufweist, lonenstromadapter (9) welcher die Zündhochspannung blockiert, und die lonenstrom Hilfsspannung passieren lässt beinhaltet eine Hochspannungsdiode.

Die Messung des lonenstromes erfolgt über zwei unterschiedliche lonenstromadapter (7) und (9).

Der zusätzliche Filter für das Messsignal, kann auch eine Klopferkennung auswerten.

Die ständig anliegende Hilfsspannung, die nur während dem Zündvorgang von der Zündspannung überlagert ist, macht eine Signalauswertung während des gesamten Arbeitsspiels möglich.

Die Messelektronik (1) bis (4) ist in einem separaten Gehäuse untergebracht ist, wobei hierin auch das Zündmodul (5) enthalten sein kann.

Die interne Signalauswertung und eine Ausgabe des Diagnoseergebnisses erfolgt an die Motorsteuerung.

Die Integration der Messadapter in der Zündspule führt zu verbesserten Verbrennungsprozessen.

Die Integration der lonenstromsignalverarbeitung in der Zündeinheit bzw. Zündspulenelektronik reduziert die Auswirkungen von Anomalien.

Die Integration der Hilfsspannungserzeugung in der Zündeinheit bzw. Zündspulenelektronik optimiert die Verbrennungsvorgänge.

Die Ausgabe eines lonenstromsignals an einer Schnittstelle der Zündspule sorgt für optimale Datenübertragungsergebnissen.

Der Einbau dieser gesamten Elektronik zusammen mit der Zündspule in einem Zündspulengehäuse revolutioniert die Verbrennungstechnik.

Das Rohsignal des lonenstroms am Ausgang des lonenstromverstärkers (2) bildet sich mit der o.g. zündspulenintegrierten Schaltung folgendermaßen ab:

Diese Rohsignale werden in dem Filter (3) ausgefiltert und ausgewertet. So können genaue Aussagen getroffen werden, ob und um welche Fehlverbrennung es sich handelt. Dies kann dem Motorsteuergerät mitgeteilt werden. Auch wäre denkbar dass die Zündspule den Zündzeitpunkt selbständig korrigiert, und dies ggf. an das Motorsteuergerät meldet, d.h. die Zündspule mit Ihrer Ansteuerung bietet eine Selbstregelung. Dies alles ist weitestgehend unabhängig von der bisher in Zündspulen integrierten Elektronik.

Für Mehrfachzündspulen oder bei einer externen Unterbringung der Messelektronik, kann eine Messelektronik bestehend aus den Bauteilen (1 ) bis (4) für mehrere Zündkerzen verwendet werden, da die Signale im Motorsteuergerät den einzelnen Zylindern zugeordnet werden kann. Es kann für die Messelektronik auch ein separater Eingang von der Motorsteuerung vorgesehen sein, über den z.B. Signale zum Betriebszustand (Drehzahl, Last, ...) zur Regelung der Verstärkung oder ein Signal zur Bestimmung des Zeitpunktes für den Messfensterbeginn und/oder das Messfensterende.

Bezugszeichenliste

1. Hilfsspannungsversorgung

2. lonenstromverstärker

3. Signalfilter

4. lonenstromsignalausgang

5. Ansteuerelektronik der Zündspule

6. Zündspule

7. lonenstromadapter mit Niederspannungsdiode

8. Zündkerze

9. lonenstromadapter mit Hochspannungsdiode