DE19720532C2 - Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Zündkerze in den Verbrennungsräumen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Zündkerze in den Verbrennungsräumen einer Brennkraftmaschine mit einer Wechselstromzündung und einer Vorrichtung zur Ionenstrommessung gemäß des Patentanspruchs 1.

Heute gebräuchliche Zündkerzen bestehen - vereinfacht betrachtet - aus einer Mittele­ lektrode, über die der Zündstrom in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine geleitet wird, einem Isolator, der die Mittelelektrode umgibt, und einem leitfähigen Ge­ häuse, welches den Isolator umgibt und in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingeschraubt wird. An der dem Verbrennungsraum zugewandten Seite ist an dem leitfähigen Gehäuse die Masseelektrode in einem definierten Abstand von der aus dem Isolator hervorstehenden Mittelelektrode angebracht. Dabei sind die Mittelelektrode, der Isolator und die Masseelektrode so angeordnet, daß sich bei der Zündung der Zündker­ ze der aus der elektrischen Entladung resultierende Zündfunken genau zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode ausbildet. Die bei der Zündung frei werdende Energie ist von dem zu zündenden Gasgemisch, dem Abstand zwischen der Masseelek­ trode und der Mittelelektrode sowie der Formgebung beider Elektroden abhängig. Dementsprechend kann eine Zündkerze bei ihrer Herstellung ihrem Verwendungszweck genau angepaßt werden.

Während dem Betrieb der Brennkraftmaschine kommt es jedoch an der Zündkerze im Verbrennungsraum zu unvermeidlichen Verschmutzungen durch Ablagerung von Ver­ brennungsrückständen. Dabei scheiden sich beispielsweise Schwefel - und Kohlen­ stoffverbindungen auf dem Isolator der Zündkerze ab, die unerwünschte Kriechentla­ dungen des Zündstroms bewirken. Dadurch wird die zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode frei werdende Energie vermindert, die Zündfähigkeit der Zündkerze vermindert und es besteht die Gefahr von Zündaussetzern.

Sich derartig verhaltende Abscheidungen auf dem Isolator von Zündkerzen bewirken einen Widerstand parallel zur Zündkerze und werden als Nebenschluß bezeichnet.

Brennkraftmaschinen, die mit einer Wechselstromzündung und einer Vorrichtung zur Ionenstrommessung ausgestattet sind, wird im Anschluß an die Zündung an die Zünd­ kerze eine Wechselspannung angelegt, die zur Zündung der als Ionenstromsonde die­ nenden Zündkerze nicht ausreicht. Durch die im Verbrennungsraum ablaufenden Ver­ brennungsprozesse, bei denen ionisierte Verbrennungsgase entstehen, wird die an der Zündkerze anliegende Wechselspannung in Abhängigkeit des Brennraumdruckes mo­ duliert. Das resultierende Ionenstromsignal kann einer Auswerteschaltung zugeführt werden und beispielsweise zur Erkennung von Frühzündungen oder Zündaussetzern genutzt werden. Derartige Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung sind bei­ spielsweise aus der DE 196 14 288 C1 bekannt ist.

Ein Nachteil beim Betrieb derartiger Schaltungsanordnungen ist, daß die unvermeidli­ chen Nebenschlüsse der Zündkerzen beim Durchführen einer Ionenstrommessung mit einer Wechselstromzündung eine Offset-Spannung verursachen, die das Ionenstrom­ signal verfälscht und eine korrekte Auswertung erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Neben­ schlusses von Zündkerzen in den Verbrennungsräumen einer Brennkraftmaschine mit einer Wechselstromzündung und einer Vorrichtung zur Ionenstrommessung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst, wobei die Zündkerze im Sekundärkreis einer Zündspule in Se­ rie mit einem Meßwiderstand angeordnet ist und für die Ionenstrommessung als Meß­ sonde dient. Zur Bestimmung eines Nebenschlusses wird auf der Sekundärseite der Zündspule eine Spannung eingekoppelt, die selbst zur Zündung der Zündkerze nicht ausreicht. Aus der am Meßwiderstand abfallenden Spannung wird eine zum Neben­ schluß der Zündkerze proportionale Spannung gewonnen, mittels der die Offset- Spannung des Ionenstromsignals kompensiert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Frequenz der in den Sekundär­ kreis der Zündspule eingekoppelten Wechselspannung wesentlich höher als die Fre­ quenzen des Ionenstromsignals gewählt wird.

Das Ionenstromsignal wird mittels einem parallel zum Meßwiderstand angeordneten Tiefpaß gefiltert.

Die zum Nebenschluß der Zündkerze proportionale Spannung wird mittels einem paral­ lel zum Meßwiderstand angeordneten Bandpaß gefiltert.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer mehrzylin­ drigen Brennkraftmaschine der Meßwiderstand im Sekundärkreis der Zündspule für alle Zylinder gemeinsam genutzt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die zum Nebenschluß der Zünd­ kerze proportionale Spannung als Eingangsinformation für eine Wartungsintervallanzei­ ge des Kraftfahrzeuges zu nutzen.

Eine letzte vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die zum Nebenschluß der Zündkerzen proportionale Spannung zur Steuerung der Stromstärke des Zündstroms zu nutzen, um die Stromverluste durch die Nebenschlüsse der Zündkerzen zu kompensie­ ren.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel im Zusammen­ hang mit zwei Figuren dargestellt und erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Sekundärkreises einer Zündspule mit den für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Komponenten bei einer Kombination der Bestimmung des Zustandes der Zündkerzen mit einer Ionenstrommessung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Frequenzbandes, aufgetragen über der relativen Intensität der Signale, zur Veranschaulichung der Wir­ kungsweise des Tiefpasses und des Bandpasses.

In der Fig. 1 ist die dargestellte Schaltungsanordnung der Einfachheit halber mit nur einer Zündendstufe Z und mit einer Zündkerze Zk gezeichnet.

Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen besteht durch die sequentielle Ansteuerung der Zündkerzen Zk die Möglichkeit, bestimmte Teile für alle Zylinder gemeinsam zu nutzen. So kann insbesondere der Meßwiderstand R_meß für alle Zylinder gemeinsam ge­ nutzt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der zum Nebenschluß der Zündkerze Zk proportionalen Spannung ist die Brennkraftmaschine mit einer Wechselstromzün­ dung und mit einer Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung kombiniert. Dabei ist auf der Primärseite der Zündspule Zs ein L/C Resonanzkreis angeordnet, der während der Zündphase eine Wechselspannung mit einer ersten, für die Wechselstromzündung angepaßte Frequenz generiert, und während der Meßphase eine Wechselspannung mit einer zweiten, für die Ionenstrommessung angepaßte Frequenz f_meß generiert. Die Anpassung der Frequenz der Wechselspannung zur Ionenstrommessung dient der vereinfachten Trennung des Ionenstromsignals von der Wechselspannung mit der zwei­ ten Frequenz f_meß.

Die Kombination der Ionenstrommessung mit einer Wechselstromzündung ist darin begründet, daß sich bei einer Wechselstromzündung die Brenndauer des Zündfunkens zu Gunsten der Meßdauer der Ionenstrommessung so weit reduzieren läßt, daß auch bei hohen Motordrehzahlen ein aussagekräftiges Ionenstromsignal ausgewertet werden kann.

In der Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild zur Bestimmung der zum Nebenschluß einer Zündkerze (Zk) proportionalen Spannung in Verbindung mit einer Ionenstrommessung und einer Wechselstromzündung wiedergegeben, wobei lediglich die Sekundärseite einer Zündspule Zs dargestellt ist, in die eine Wechselspannung mit der zweiten Fre­ quenz f_meß eingekoppelt wird. Auf der Sekundärseite der Zündspule Zs ist die schon ge­ nannte Zündkerze Zk angeschlossen. Der Zustand der Zündkerze Zk kann näherungs­ weise durch den Nebenschlußwiderstand R_Ruβ parallel zur Zündkerze Zk dargestellt wer­ den.

In Serie zur Zündkerze Zk ist der Meßwiderstand R_meß angeordnet. Parallel zum Meßwi­ derstand R_meß sind der Tiefpaß Tp zur Auskopplung des Ionenstromsignals sowie even­ tueller Klopfsignale sowie der Bandpaß Bp zur Auskopplung der zum Nebenschluß der Zündkerze Zk proportionalen Spannung angeordnet.

Die Möglichkeit der Verwendung der vom Ionenstrom modulierten Wechselspannung mit der zweiten Frequenz f_meß zur Bestimmung des Zustandes der Zündkerze Zk basiert auf folgendem Prinzip. Die Kennlinie einer Zündkerze Zk als Ionenstromsonde ist nicht­ linear. Sie weist bei der negativen Polung der Wechselspannung an der Zündkerze Zk eine wesentlich geringe Intensität auf als bei der positiven Polung der Wechselspan­ nung. Dadurch moduliert der Ionenstrom die an der Zündkerze Zk angelegte Wechsels­ pannung mit der zweiten Frequenz f_meß. Das zustandsabhängige ohmsche Verhalten der Zündkerze Zk hingegen ist von der Polung der Wechselspannung unabhängig. Dadurch wird die angelegte Wechselspannung nicht moduliert, es werden keine neuen Frequen­ zen erzeugt.

In der Fig. 2 ist schematisch das Frequenzband f über der relativen Intensität der Si­ gnale aufgetragen, um die Wirkung des Tiefpasses Tp und des Bandpasses Bp darzu­ stellen. Der Tiefpaß Tp filtert aus der modulierten Wechselspannung mit der zweiten Frequenz f_meß das Ionenstromsignal, welches das Abbild des Brennraum - Druckverlaufes des jeweiligen Zylinders widerspiegelt. Von dem Tiefpaß Tp werden zudem die Klopfsi­ gnale gefiltert. Der Bandpaß Bp erfaßt die vom Nebenschluß einer Zündkerze Zk resul­ tierenden Signalanteile, die nach der Gleichrichtung die zum Nebenschluß der Zünd­ kerze proportionale Spannung ergeben.

Die zum Nebenschluß der Zündkerzen Zk proportionale Spannung kann zur einer War­ tungsanzeige des Kraftfahrzeuges genutzt werden. Dabei wird die nächste Wartung des Kraftfahrzeuges nicht statisch nach Betriebsstunden oder gefahren Kilometern vorge­ schrieben, sondern dynamisch entsprechend dem Zustand der Zündkerzen Zk oder weiteren Kenngrößen des Kraftfahrzeuges ermittelt und dem Kraftfahrer angezeigt.

Geringfügige Nebenschlüsse an Zündkerzen Zk können zylinderselektiv durch eine ent­ sprechende Erhöhung des Zündstromes auf Basis der zum Nebenschluß der Zündker­ zen Zk proportionalen Spannung kompensiert werden.

Durch den Nebenschluß der Zündkerzen Zk wird bei der Modulation der Wechselspan­ nung mit der zweiten Frequenz durch den Ionenstrom eine Offset-Spannung bewirkt. Die ermittelte, zum Nebenschluß der Zündkerzen proportionale Spannung kann zur Kompensation dieser Offset-Spannung bei der Ionenstrommessung genutzt werden.

Die Bestimmung des Zustandes der Zündkerzen einer Brennkraftmaschine durch die Messung der zum Nebenschluß der Zündkerzen Zk proportionale Spannung bildet in Verbindung mit der Ionenstrommessung eine Funktionseinheit, bei der durch die Io­ nenstrommessung weitgehend die erforderlichen Baugruppen bereitgestellt werden, und die Bestimmung des Zustandes der Zündkerzen Zk einen Fehler bei der Ionen­ strommessung korrigiert, wodurch für den Betrieb eines Kraftfahrzeuges weitere nützli­ che Funktionen, wie die Wartungskontrolle, ermöglicht werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Zündkerze (Zk) in den Ver­ brennungsräumen einer Brennkraftmaschine mit einer Wechselstromzün­ dung und einer Vorrichtung zur Ionenstrommessung,
wobei die Zündkerze (Zk) im Sekundärkreis einer Zündspule (Zs) in Serie mit einem Meßwiderstand (R_meß) angeordnet ist und für die Ionenstrommessung als Meßsonde dient,
wobei zur Bestimmung des Nebenschlusses der Zündkerze (Zk) eine Wech­ selspannung in den Sekundärkreis der Zündspule (Zs) eingekoppelt wird, die zur Zündung der Zündkerze (Zk) nicht ausreicht,
und wobei aus der am Meßwiderstand (R_meß) abfallenden Spannung eine zum Nebenschluß der Zündkerze (Zk) proportionale Spannung gewonnen wird, mittels der die Offset-Spannung des Ionenstromsignals kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der in den Sekundärkreis der Zündspule (Zs) eingekoppelten Wechselspannung wesentlich höher als die Frequenzen des Ionenstromsignals gewählt wird,
daß das Ionenstromsignal mittels einem parallel zum Meßwiderstand (R_meß) angeordneten Tiefpaß (Tp) gefiltert wird,
und daß die zum Nebenschluß der Zündkerze (Zk) proportionale Spannung mittels einem parallel zum Meßwiderstand (R_meß) angeordneten Bandpaß (Bp) gefiltert wird.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine der Meßwider­ stand (R_meß) im Sekundärkreis der Zündspule (Zs) für alle Zylinder gemeinsam genutzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zum Nebenschluß der Zündkerze (Zk) proportionale Span­ nung als Eingangsinformation für eine Wartungsintervallanzeige des Kraft­ fahrzeuges verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zum Nebenschluß der Zündkerze (Zk) proportionale Span­ nung zur Steuerung oder Regelung der Zündenergie verwendet wird.