Bei Verbrennungen erfolgt durch chemische und physikalische Vorgänge eine Ionisierung der beteiligten Gase. Wird an zwei voneinander isoliert in das Gas hineinragenden Elektroden eine Spannung angelegt, kann ein Strom gemessen werden, der von den Ionen im Gasraum getragen wird. Dieser wird nachfolgend als Ionenstrom bezeichnet.

Bei Verbrennungsvorgangen in Brennkraftmaschinen, z. B. in Ottomotoren wird seit langem versucht, den Ionenstrom für verschiedene Motorsteuerungs-und Diagnosefunktionen einzusetzen, beispielsweise für Klopfdetektion, Aussetzererkennung, Schätzung des Verbrennungsdruckes bzw. der Lage des Druckmaximums, Bestimmung der Gemischzusammensetzung und Erkennung der Magerlaufgrenze.

Als Meßsonde wird üblicherweise die Zündkerze verwendet. Nach Anlegen einer Spannung zwischen Mittelelektrode und Masse kann nach Abklingen des Zündfunkens der Ionenstrom gemessen werden.

Apparative Möglichkeiten der Erfassung von Ionenstromsignalen in diesem Umfeld sind bspw. aus der US 5 220 821 bekannt. Das Ionenstromsignal kann sowohl im Hochspannungskreis als auch im Niederspannungskreis der Zündanlage erfaßt werden.

Die Erfindung betrifft sowohl Verfahrens-als auch Vorrichtungsaspekte in Verbindung mit einer Extraktion von Merkmalen aus dem Ionenstromsignal zur Beurteilung der Verbrennung.

Im Vordergrund steht dabei die Erkennung von Verbrennungsaussetzern.

Ein übliches Verfahren für die Detektion von Verbrennungsaussetzern ist die Aufintegration des Ionenstromsignals über einen vorgegebenen Meßfensterbereich. Der bei Meßfensterende erreichte Integrationswert wird als Merkmal zur Klassifikation zwischen Verbrennungen und Aussetzern herangezogen.

Sind dem gemessenen Ionenstromsignal Störanteile überlagert, so verschlechtert sich der Störabstand mit zunehmender Länge des Integrationsfensters. Um in Betriebspunkten mit schwachen lonenstromsignalen noch eine Klassifikation zu ermöglichen, können die Störungen gewissermaßen durch eine Begrenzung der Länge des Integrationsfensters ausgegrenzt werden.

Die Möglichkeit der genannten Begrenzung wird jedoch durch einen anderen Effekt eingeschränkt : Der Bereich, in dem ein Ionenstromsignal meßbar ist, kann sich in Abhängigkeit der Betriebsparameter (z. B. Drehzahl, Luft-/Kraftstoffverhältnis u. a.) wesentlich verschieben. Lange Integrationsfenster können so gelegt werden, daß sie auch die verschobenen Bereiche sicher

umfassen. Die genannte Begrenzung der Integrationsfenster führt jedoch zu dem Problem, da$ die verkürzten Fenster u. U. die genannten Bereiche nicht mehr sicher umfassen oder daß die Lage der verkürzten Integrationsfenster relativ zu Bezugswinkelpositionen der Kurbel-und/oder Nockenwelle mit hohem Aufwand an die Verhältnisse individueller Brennkraftmaschinentypen anzupassen sind.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Auswertung des Ionenstromsignals mit weiter gesteigerter Zuverlässigkeit der Beurteilung der Qualität von Verbrennungsvorgängen ohne gesteigerten Anpassungsaufwand.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung stellt das Ersetzen eines langen Integrationsbereiches durch einen kürzeren Integrationsbereich dar, der in seiner Lage so verschoben wird, daß er in Verbindung mit der Verschiebung den langen Integrationsbereich abdeckt.

Während der Verschiebung wird wiederholt kurzzeitig integriert und der Wert des Integrators wird vor jeder neuen Integration auf einen Ausgangswert zurückgesetzt. Der Maximalwert der so erhaltenen verschiedenen Ergebnisse der Kurzzeitintegration wird für die Beurteilung der Verbrennungsqualitat, bspw. für die Erkennung von Verbrennungsaussetzern verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich einerseits dadurch aus, daß die eigentliche Integration jeweils auf einen kurzen

Zeitraum beschränkt werden kann. Aufgrund der Kürze kann sich der Rauschanteil nur beschränkt aufsummieren. Dadurch wird das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber Rauschanteilen robust, das heißt unempfindlich.

Andererseits ermöglicht die gleitende Verschiebung des Kurzzeitintegrationsbereiches über den ganzen interessierenden Beobachtungszeitraum eine Anpassung der Lage des Integrationsbereiches an die Rahmenbedingungen eines individuellen Brennkraftmaschinentyps mit vorteilhaft geringem Aufwand.

Aus dem Rauschen aufragende Nutzsignalanteile werden in einer der Kurzeitintegrationen erfaßt und können durch eine nachfolgende Maximalwertauswahl identifiziert werden. Daher liefert die Erfindung überdies den Vorteil einer hohen Zuverlässigkeit bei der Beurteilung der Verbrennungsqualität, insbesondere bei der Erkennung von Verbrennungsaussetzern.

Speziell bei vorhandenem Signalrauschen (Grundrauschen) liefert dieses Verfahren eine deutliche Verbesserung des Signal-zu Rauschabstandes.

Untersuchungen haben aber auch gezeigt, daß es im Ionenstromsignal neben dem Grundrauschen Störanteile mit großen Amplituden gibt, die das Verfahren stark stören.

Die großen Amplituden dieser Störanteile erschweren eine zuverlässige Unterscheidung zwischen regulären Verbrennungen und Verbrennungsaussetzern, da diese Störungen bei der Aufintegration ähnliche Werte ergeben wie Verbrennungen.

Parallel auftretende Verbrennungsaussetzer werden dann möglicherweise nicht mehr zuverlässig erkannt. Dlesikonnte insbesondere im Leerlauf des Verbrennungsmotors beobachtet werden.

Aufgrund gesetzgeberischer Forderungen müssen Aussetzer auch im Leerlaufbereich sicher erkannt werden. Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung gelingt dies durch eine Ausblendung kurzer Störimpulse in der Verarbeitung der Ionenstromsignale.

Abwandlungen der Erfindung können alternativ oder ergänzend zur Aussetzererkennung auch zur Extraktion weiterer Merkmale für das Erkennen der Laufgrenze bei Gemischabmagerung verwendet werden.

Die Laufgrenze zeichnet sich durch eine Zunahme von verschleppten Verbrennungen aus.

Zeichnungen Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Abbildungen erläutert.

Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Abbildungen 2 und 3 offenbaren zeitliche Verläufe von Ionenstromsignalen für reguläre Verbrennungen und Verbrennungsaussetzer.

Die Abb. 4 und 5 zeigen Verläufe des zeitlichen Integrals des zeitdiskreten Ionenstromsignals für eine reguläre Verbrennung und für einen Verbrennungsaussetzer.

Abbildung 6 stellt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.

Abbildung 7 a zeigt weitere typische Störanteile im Ionenstromsignal, die zusätzlich zum Rauschen auftreten ; Fig 7 b-d stellt Signale dar, die in Verbindung mit einer Weiterbildung der Erfindung auftretene.

Abbildung 8 stellt eine Weiterbildung der in Form eines Blockschaltbildes dar.

In Abbildung 9 ist das Verfahren nochmals an einem regulären Ionenstromsignal (Verbrennung) illustriert.

Im einzelnen zeigt Abbildung 1 einen Ionenstromsensor 1, der ein zeitkontinuierliches Ionenstromsignal liefert. Dieses Signal kann sowohl aus dem Sekundärkreis wie auch dem Primärkreis der Zündanlage für einen Ottomotor ausgekoppelt werden. In beiden Fällen stellt die Zündkerze selbst mit ihren Elektroden sowie den Mitteln zur Signalauskopplung einen Ionenstromsensor dar.

Die Ziffer 2 repräsentiert ein Abtast/Halte-Glied, bei dem das Signal Ta die Periodendauer der Abtastung vorgibt. Der Analog/Digitalwandler 3 stellt ein digitalisiertes Ergebnis der Abtastung als Signal Ilion (n) bereit. Dabei numeriert n die Taktfolge der Abtastungen, so daß gilt : l ; on (n) = i ; an (n Tp) [TQ = Abtastperiodendauer] (1.1)

Das abgetastete Ionenstromsignal Ii.,, (n) wird danach einem Kurzzeitintegrator 4 zugeführt.

Diese Integration findet erfindungsgemäß nur in einen verhältnismäßig schmalen Zeitbereich von bspw. 5 ms statt, wird aber mit gleitend weitergeschobenen Integrationsbeginn fortlaufend wiederholt. Die Dauer des Kurzzeitintegrationsfensters sollte sich nach der Dauer des Ionenstromsignals im Leerlaufpunkt richten Der Start einzelner Integrationsphasen durch Freigabe des Kurzzeitintegrators während aktiver Meßfensterphasen sowie die Auslösung der Löschung interner Zustandsspeicher am Kurzzeitintegrator und am Maximalwertbildner zu Beginn der aktiven Meßfensterphasen (Reset) erfolgt durch die Steuereinheit 5. Diese erhält entsprechende Signale von dem Motorsteuergerät 6. Beispiele solcher Signale sind Zündzeitpunkte und Kurbelwellenwinkelpositionssignale.

Anschließend wird das Ausgangssignal des Kurzzeitintegrators 4 einem Maximalwertbildner 7 zugeführt.

Aus der Vielzahl der durch die fortlaufende Wiederholung gebildeten Integrationsergebnisse wählt der Maximalwertbildner erfindungsgemäß das betragsmäßige Maximum aus und stellt dies als Signal M2 dem Motorsteuergerät 6 zur Verfügung.

Bei einem Verbrennungsaussetzer fehlt der Signalanteil des Ionenstroms einer regulären Verbrennung, so daß ein Aussetzer durch einen vergleichsweise zu niedrigen Wert des Maximums M2 detektierbar ist.

In Abtastsysteme mit fester Abtastfrequenz wird eine Integration für gewöhnlich durch die Rechenvorschrift (1.2) nachgebildet.

Das Ergebnis der Integration des Ionenstromsignals im Block 4 wird im folgenden mit dem Zeichen M1 (Merkmal 1) bezeichnet.

Mi(M-1) +7../) (1.2) In den Abbildungen 2 und 3 sind entsprechend abgetastete Ionenstromsignale dargestellt. Dabei signalisiert der keulenförmige Verlauf im Signal der Fig. 2 eine reguläre Verbrennung während das Fehlen dieser Keule im Verlauf des Ionenstromsignals der Abbildung 3 einen Verbrennungsaussetzer charakterisiert. Beiden Signalen ist ein deutlich sichtbarer Rauschanteil überlagert.

In den Abbildungen 4 und 5 ist das Merkmal M1 für die beiden Eingangssignale nach Abbildung 2 und 3 mit punktiertem Verlauf dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, wie der Rauschanteil den Integrationswert verfälscht : Wie ein Vergleich der Figur 4 mit der Figur 2 zeigt, wird der Zuwachs des Integrationswertes für Zeiten größer als etwa 20 ms allein durch den Rauschanteil verursacht. Im Falle der Verbrennung (Abbildung 4) trägt das Signalrauschen zu ca. 40% des Merkmalsendwertes bei.

Dieser Nachteil wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Merkmalsbildung (siehe Beziehung (1.3)) dadurch vermieden, daß das Integrationsfenster zeitlich auf eine Dauer D = N*Ta begrenzt wird. Der Wert für N kann bspw. 20 betragen, Ta kann bspw. 250 Mikrosekunden betragebn. Um dennoch im gesamten Meßfensterbereich eine gute Ionenstromdetektion sicherzustellen, wird das Integrationsfenster erfindungsgemäß gleitend uber das Meßfenster verschoben. Die im Rechentakt n anfallenden

Ergebnisse der Teilintegrale, das heißt der Einzelsummen in der folgenden Gleichung 1.3, werden anschließend einem Maximalwertbildner F,,.. zugeführt. Am Ende des Meßfensters enthält der Maximalwertbildner das erfindungsgemäße Merkmal M2.

Kj=Ta(1.3) Der in Beziehung (1.3) enthaltene Maximalwertoperator F.. gehorcht der Beziehung (1. 4). <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> f (n) = f (n-T) wenn s (n) < f (n-1) (1. 4)<BR> <BR> <BR> f(n) = s (n) sonst In den Abbildungen 4 und 5 sind neben den fortlaufend integrierten Signalen aus den Fig. 2 und 3 auch die Verläufe der erfindungsgemäß gebildeten Merkmalswerte M2 dargestellt (durchgezogene Linien). Es ist deutlich erkennbar, daß der Störabstand M2 nur durch die Integrationsdauer D nicht aber durch die Länge des Meßfensters (Beobachtungszeitdauer) beeinflußt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Merkmal M2 liegt der Signal-zu Rauschabstand (Verhaltnis der durchgezogenen Maximalwert Linien von Fig. 4 zu Fig. 5) zwischen Verbrennungen und Aussetzern bei 18.5 (Quotient) Wert. Demgegenüber liegt der Signal-zu Rauschabstand beim Merkmal M1 (Endwerte der gestrichelten Ionenstromverläufe) nur bei 4.9.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Faktoren Ki nach Beziehung der Beziehung (1.5) bestimmt. Dann entspricht der gebildete Kurzzeit-Integrationswert der Integrationsapproximation nach der Sehnen-Trapez-Regel. T°/fib i E {O, D} , =/2 (1.5) Ta sons Die Aufteilung des gesamten Meßfensters in viele Teilintegrale liefert Informationen über das zeitliche Verhalten des Ionenstromsignals. So steckt in der Nummer des Teilintegrals, bei dem die Differenz zum vorigen Teilintegralwert erstmals aber einer bestimmten Schwelle liegt, die Information über den vorhandenen Zündverzug. Denn das Teilintegral, bei dem das zugehörige Integrationsfenster erstmals die ansteigende Flanke der Ionenstromkeule erfaßt, weist einen deutlich größeren Wert als das vorhergehende Teilintegral auf. Aus der Nummer des Teilintegrals geht die zeitliche Lage des Integrationsfensters und damit der Beginn der Entflammung eindeutig hervor.

Fig. 6 stellt eine erweiterte Variante der Erfindung dar. Darin kann die Steuereinheit 5 die Aufnahme des Ausgangswertes des Kurzzeitintegrators 4 zu ausgesuchten Zeitpunkten (oder Ereignissen) in einen Speicher 8 veranlassen. Diese weiteren Merkmale Mp werden am Meßfensterende, das heißt nach Abschluß der letzten Teilintegration eines Beobachtungsfensters ebenfalls dem Motorsteuergerät 6 zugeführt. Diese Merkmale enthalten Informationen über den zeitlichen Verlauf des Ionenstromsignals und sind geeignet, Abweichungen im Brennverhalten wie bspw. verschleppte Verbrennungen zu detektieren. Bei einer

verschleppten Verbrennung wird zwar ein Flammkern erzeugt, die anschließende Flammenfront erfaßt jedoch nicht den gesamten Brennraum. Es bleiben Bereiche mit unverbrannten Kraftstoff/Luftgemisch zurück, die zu einem späteren Zeitpunkt -gewissermaßen zeitlich verschleppt-nachverbrennen können.

Der Grund für verschleppte Verbrennungen kann z. B. ein zu mageres Gemisch sein.

So liefert beispielsweise die Nummer des Teilintegrals, bei dem der Teilintegrationswert letztmalig einen bestimmten Prozentsatz des Maximalwertes M2 überschreitet, die Information, ob eine verschleppte Verbrennung stattgefunden hat.

In einem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren bei zeitdiskreter Signalverarbeitung angewendet.

Speziell bei vorhandenem Signalrauschen (Grundrauschen) liefert dieses Verfahren eine deutliche Verbesserung des Signal-zu Rauschabstandes.

Die Untersuchungen haben aber auch gezeigt, daß es im Ionenstromsignal weitere typische Störanteile gibt, die das Verfahren stark stören. Ein solcher Fall ist in Abbildung 7 dargestellt. In dem Ionenstromsignal (Verbrennungsaussetzer) sind 3 Störanteile enthalten [am Signalbeginn, bei t = 7ms und bei t = 13.5ms].

Aufgrund der großen Amplituden dieser Störanteile könnte der erfindungsgemäße Merkmalswert M2 [in der Abbildung 7 d mit introhgekennzeichnet] stark verfälscht werden. Eine zuverlässige Unterscheidung zwischen regulären Verbrennungen und Verbrennungsaussetzern wird dadurch erschwert, da diese

Störungen bei der Aufintegration ähnliche Werte ergeben wie Verbrennungen. Das hat zur Folge, daß parallel auftretende Verbrennungsaussetzer nicht mehr zuverlässig erkannt werden.

Diese Beeinträchtigung der Erkennungszuverlässigkeit konnte insbesondere im Leerlauf des Verbrennungsmotors beobachtet werden.

Aufgrund gesetzgeberischer Forderungen müssen Aussetzer auch im Leerlaufbereich sicher erkannt werden. Im Rahmen der Erfindung gelingt dies durch eine Ausblendung kurzer Störimpulse in der Verarbeitung der Ionenstromsignale.

Kennzeichnend für die beobachteten Störanteilen, die z. B. durch Zündungen in anderen Zylindern verursacht werden, ist die im Verhältnis zu einem regulären Ionenstromsignal kurze Signaldauer.

Die Ergänzung des Verfahrens sieht daher vor, diese Information bei der Bildung des Merkmalswertes zusätzlich zu nutzen. In Abbildung 8 ist das seitherige Verfahren mitsamt der Ergänzung in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Hierbei sind die funktionalen Blöcke der Ergänzung in der oberen Zeile angeordnet.

Das im Zeitraster Ta abgetastete Ionenstromsignal IiOn (n) wird gemäß Beziehung 1.6 im Kurzzeitintegrator 8.1 einer gleitenden Summation unterzogen :

intk (n) entspricht damit im wesentlichen den Teilintegralen, bzw. den Einzelsummanden aus der oben angegeben Gleichung 1.3.

Block 8.1 entspricht damit dem Kurzzeitintegrator 4 aus Fig. 1.

Die Weiterentwicklung des Verfahrens liegt nun darin, daß das Kurzzeitsummationssignal intk (n) nicht automatisch einem Maximalwertbildner 8.4 zugeführt wird. In der Fig. 8 wird dies durch den offen dargestellten Schalter 8.2 zwischen dem Kurzzeitintegrator 8.1 und dem Maximalwertbildner 8.4 dargestellt.

Statt dessen wird parallel dazu eine Freigabebedingung b-ir berechnet. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist [b-ir = 1] wird der Schalter 8.2 geschlossen und das Kurzzeitsummationssignal dem Maximalwertbildner zugeführt.

Für die Berechnung der Freigabebedingung wird das Ionenstromsignal Ii.,, (n) im Block 8.3 mit einem vom Block 8.5 zur Verfügung gestellten Schwellwert SWINT verglichen. In jedem Zeitschritt Ta, in dem das Ionenstromsignal diese Schwelle nicht übersteigt, wird einem Zähler 8.6 der Wert INTLEN aus Block 8.7 zugewiesen. In Zeitschritten Ta, bei denen das Ionenstromsignal die Schwelle übersteigt wird der Zähler um 1 dekrementiert, wobei Null der kleinste mögliche Zählerwert ist.

In diesen Zeitschritten Ta, in denen der Zählerwert swcnt (n) identisch Null ist, wird die Freigabebedingung gesetzt [b_ir = 1]. Die Identität zwischen dem Zählerwert swcnt (n) und dem Wert Null wird durch Block 8.8 erkannt ; der Wert Null wird aus dem Block 8.9 zugeführt.

Mit anderen Worten : Die Verarbeitung des Ionenstromsignals wird nur dann freigegeben, wenn das Ionenstromsignal längerfristig oberhalb eines Schwellenwertes bleibt. In diesem Fall bildet Block 8.3 das Maximum introh (n) des Ionenstromsignals bspw. nach der Beziehung introh(n)=max[introh(n-l),intk(n)=max[introh(n-l),intk (n)], für b ir = 1 = introh (n-l), für bir = 0 introh (n) entspricht damit dem Maximum der betrachteten Ergebnisse der Kurzzeitintegration.

In der Abbildung 7 (a-d) wird die Wirkungsweise des erweiterten Verfahrens anhand von Signalverläufen illustriert.

In dem konkreten Beispiel ist SWINT = 3yA und INTLEN = 3.

Bei allen Störanteilen 7.1,7.2 liegen die abgetasteten Ionenstromwerte über dem Schwellwert 7.3. Dementsprechend wird der Wert des Zählers swcnt dekrementiert.

Jedoch reicht die Dauer der einzelnen Störanteile nicht aus, um den Zähler bis auf Null zu dekrementieren. Aus diesem Grund ist die Freigabebedingung niemals erfüllt, d. h., b-ir bessitzt dauernd den Wert Null. Siehe dazu die Fig. 7 c, unten.

Der Merkmalsendwert introh gleich M2 besitzt in diesem Fall exakt den Wert Null (Fig. 7 d).

In. Abbildung 9 ist das Verfahren nochmals an einem regulären Ionenstromsignal (Verbrennung) illustriert.

Die in der Skalierung der Fig. 9 a breits erscheinende Ionenstromkeule 9.1 entspricht einer regulären Verbrennung. In diesem Fall liegen mehrere aufeinanderfolgende abgetastete Ionenstromwerte deutlich über der Schwelle.

Der Zähler swcnt in Fig. 9 c erreicht innerhalb von INTLEN Zeitrastern den Wert Null, woraufhin die Freigabebedingung erfüllt ist (swcnt=0, bir = 1) und der Maximalwert in Fig. 9 d entsprechend aktualisiert wird.

Da in dem Kurzzeitintegrator noch alle Werte des Ionenstromsignals enthalten sind (Summationsfenster ist länger als Verzögerungszeit für Integrationsfreigabe) wird durch diese Erweiterung des Verfahrens der Merkmalswert bei Verbrennungen nicht verändert.

Bei Motoren mit entsprechend starkem Ionenstromsignal ist das Verfahren nach Anspruch 1 auch ohne diese anhand der Figuren 7, 8 und 9 beschriebenen Erweiterung anwendbar.