DE3338271A1 - Schaltung zur klopferkennung fuer ottomotoren - Google Patents

Description

• Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren
• Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren, bei denen der Brennraum jedes Zylinders eine an die Sekundärspule eines Ziindtransformators angeschlossene Zündkerze aufweist.
• Bei nichtklopfender Verbrennung verbrennt das zündfhige Gasgemisch nach Anlegen des Zindfunkens im wesentlichen gleichmaßig. Der Druck innerhalb des Brennraumes erreicht kurz nach dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle ein Maximun und sinkt dann gleichmäßig ab. Im Brennraum treten infolge von Turbolenzen geringe Druckschwankungen auf, die niederfrequent sind und kleine Amplituden aufweisen.
• Eine klopfende Verbrennung tritt auf, wenn das Kraftstoffgemisch nach der Zündung durch den Zündfunken nicht gleichm0Big verbrennt.
• Insbesondere treten lokale unkontrollierte Verbrennungen auf. Diese führen zu Stoßwellen und regen Schwingungen in dem Brennraum an. Derartige klopfende Verbrennungszustande sind zu vermeiden.
• Zur Erfassung des Klopfens ist es bekannt, wShrend des Verbrennungsvorganges besondere Hilfszundfunken an die Zündkerze anzulegen.
• Damit läßt sich zwar für einen einzelnen Motor der Klopfzustand Uber den Druckverlauf befriedigend erfassen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß innerhalb der Exemplare einer Motorserie erhebliche Schwankungen des Druckverlaufs auftreten, so daß eine solche Anordnung für einen serienmaßigen Einsatz nicht brauchbar ist.
• Die US-PS 32 86 164 beschreibt eine Anordnung, bei der die Zündkerze als Ionenstromsonde benutzt wird. Jedoch ist dort nicht die Einkopplung einer besonderen Meßspannung vorgesehen.
• Aus der DE-OS 30 06 665 ist eine Schaltung bekannt, die mit einer positiven Meßspannung an der Hoch spannungselekt rode der Zündker-Ze arbeitet und Schwankungen des lonenstromes mißt. Zwar liefert eine positive Meßspannung ein hohes Nutzsignal. Jedoch kann die positive Meßspannung auf der Hochspannungsseite nicht unmittelbar in den Zündstromkreis eingekoppelt werden. Vielmehr sind hochohmige Widerstände erforerlich, die den nutzbaren Signalpegel wieder herabsetzen.
• Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung der Schaltung, daß ohne besondere Maßnahmen eine positive Meßspannung anwendbar ist und daß eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet wird.
• Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die die positive Spannung des Ziindimpulses fÜhrende Seite der SekundErspule über eine Vorfunkenstrecke mit der Hoclispannungselektrode der Zündkerze verbunden ist, daß ein Hochspannungsgenerator zur Erzeugung einer positiven Cleichhochspannung, die wesentlich kleiner als die Zündspannung ist, über eine Meßleitung mit einem Meßwiderstand und einer Hochspannungsdiode an mindestens eine Zündkerze angeschlossen ist, daß an die Meßleitung ein auf die akustische Eigenfrequenz des betreffenden Brennraumes abgestimmtes Bandpaßfilter angeschlossen ist und daß dem Bandpaßfilter eine Gleichrichterschaltung sowie eine Schwellenwertschaltung, die ein Klopfsignal abgibt, nachgeschaltet sind.
• Die Erfindung unterscheidet sich dadurch in nicht naheliegender Weise vom Stand der Technik, daß sowohl eine positive Zündspannung als auch eine positive Gleichhochspannung als Meßspannung an die spannungführende Elektrode der Zündkerze angelegt werden. Die positive Gleichhochspannung ist wesentlich kleiner als die Zündspannung; dieses bedeutet, daß die Gleichhochspannung nicht zur Zündung der Funkenstrecke im Zylinder oder der Vorfunkenstrecke ausreicht. }Ur den Zündvorgang selbst treten keine Schwierigkeiten auf, da die Zündspannung von dem Meßstromkreis abgetrennt werden kann. Da die Neßspannung nicht auf der Hochspannungsseite zugeführt wird, sind keine Hochspannungwiderstände erforderlich. Die Meßspannung ergibt infolge der Geometrie der Zündkerze ein etwa zehnmal größeres Nutzsignal gegenüber einer negativen Meßspannung. Dieses hÖhere Nutzsignal läßt sich an einem angepaßten Widerstand leicht in ein Nutzsignal ausreichender Größe umwandeln. Insbesondere ist der Störabstand größer. Dieses ist besonders an einem Motorprüfstand sowie in Testfahrzeugen von Nutzen, da dort oft ein besonders hoher Störpegel vorhanden ist.
• Die durch klopfende Verbrennung bedingten Druckschwankungen bedingen entsprechende Schwankungen der Ionisation des Verbrennungsgases innerhalb des Brennraumes, so daß der durch das Gemisch fließende Ionisationsstrom entsprechende Schwingungen oder Schwankungen aufweist. Die Schaltung nach der Erfindung legt über die Zündkerze eine positive Gleichspannung an das Gasgemisch in dem Brennraum an, so daß entsprechend der Ionisation ein Strom fließt. Wenn die Ionisation aufgrund von klopfender Verbrennung schwankt, ao ist der lonisationsstrom entsprechend moduliert. Diese Modulation wird an dem Meßwiderstand abgenommen und in einem Bandpaßfilter ausgefiltert. Da an dem Meßwiderstand keine Hochspannung anliegt, kann derselbe niederohmig sein. Änderungen des Ionisationsstromes bewirken daher ein hohes Nutzsignal.
• Die Erfindung erfaßt die Klopfachwingungen also unmittelbar im Brennraum, indem durch die Klopfachwingungen verursachte physikalische Verdnderungen im Brennraum durch Anlegen einer positiven Neßspannung erfaßt werden.
• Die akustischen Eigenfrequenzen der Brennraum von Verbrennungsmotoren liegen bekanntlich zwischen 6,5 und 15 kHz. Der genaue Wert hängt selbstverständlich von den Konstruktionsdaten des betreffenden Motors ab. Nach der Erfindung ist das Bandpaßfilter auf die akustische Eigenfrequenz des jeweiligen Motors abgestimmt. Es hat sich gezeigt, daß die einzelnen Motoren einer Motorserie keine merklichen Abweichungen der akustischen Eigenfrequenz zeigen, so daß das Bandpaßfilter auf die Eigenfrequenz eines Prototyps einer Motorserie abgestimmt werden kann. Es ist also nicht erforderlich, das Bandpaßfilter jeweils an den einzelnen Motor anzupassen. Die akustischen Eigenschwingungen des Brennraumes hängen im wesentlichen von Druck, Temperatur und Brennraumvolumen ab. Im interessierenden Bereich in der Nähe des oberen Totpunkt ändert sich das Brennraumvolumen kaum, so daß auch in dieser Hinsicht eine feste Abstimmung des Bandpaßfilters möglich ist.
• In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hochspannungsgenerator eine Spannung zwischen 100 und 500 V abgibt. Mit dieser Spannung erhält man IQnisationsströme, die ohne weiteres eine Messung erlauben.
• Da der ZUndfunke selbst auch die akustischen Eigenschwingungen des Brennraumes anregt, muß man dafür Sorge tragen, daß diese Schwingungen unterdrückt werden. Deshalb sieht die Erfindung vor, daß dem Bandpaßfiiter ein von dem Zündimpuls ausgelöster Zeitfensterkreis vorgeschaltet ist. Das Zeitfenster wird so gelegt, daß die Messung der Klopffrequenzen erst nach Abklingen des eigentlichen Zündstromes etwa im Bereich des oberen Druckpunktes beginnt.
• Da Störimpulse eine Drebzahlabhhngigkeit oder eine Abhängigkeit von anderen Parametern wie Temperatur oder dergleichen aufweisen können, sieht die Erfindung vor, daß die Schwellenspannung der Schwellenwertschaltung drehzahl- und/oder parameterabhängig verstellbar ist.
• Eine Ausfuhrungsform der Erfindung wird em folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen: Fig. 1 eine Schaltung nach der Erfindung im Blockschaltbild, Fig. 2 einen Kurvenverlauf für nichtklopfende Verbrennung und Fig. 3 einen Kurvenverlauf für klopfende Verbrennung.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine Zündstrecke 1 einer Zündkerze 2 eines Verbrennungsmotors. Die Zündstrecke 1 befindet sich innerhalb eines nichtdargestellten Brennraumes eines Zylinders. Der Zündimpuls wird in bekannter Weise über eine Sekundarspule 31 eines Zündtansformators 3 und eine Vorfunkenstrecke 4 zugefUhrt. Die Polung der Sekundärspule 31 ist so vorgenommen, daß die die negative Spannung des Zündimpulses fiihrende Seite mit Masse verbunden ist. Die positive Spannung des Zündimpulses beaufschlagt aleo die spannungfiihrende Elektrode der Zündkerze 2. Die PrimErspule 32 des Zündtransformators 3 wird über einen Zündstromkrets 5 geschaltet, der in der Zeichnung schematisch durch einen Schalter dargestellt ist. Der Zündimpuls des Zündstromkreises 5 liegt auch an einer Eingangssleitung 6 eines Zeitfensterkreises 7 an, was noch im einzelnen erläutert wird.
• Ein liochspannungsgenerator 8 erzeugt aus dem Bordnetz 9 eine positive Gleichhochspannung von etwa 100 bis 500 V, die also wesentlich kleiner als die Zündspannung ist und zur Zündung der Vorfunkenstrecke oder der Ziindstrecke nicht ausreicht. Die Vorfunkenstrecke sperrt diese als Meßspannung dienende Gleichhochspannung ab, so daß dieselbe voll in der Funkenstrecke zur Messung des Ionisationsstromes wirksam ist. Die Gleichhochspannung liegt über einem Meßwiderstand 10 einer Meßleitung 20 und eine Mochspannungsdiode 11 an der Zündkerze 2 an, so daß diese Gleichhochspannung durch die leitende Zündstrecke 1 bzw. den Brennraum einen Ionisatiosnstrom bewirkt, der von dem Ionisationsgrad der Zündstrecke 1 bzw. des Verbrennungsgases abhängt. Dieser Strom erzeugt in dem Meßwiderstand 1Q einen Spannungsabfall, der über einen Trennkondensator 12 abgegriffen wird. Die Spannung auf der Ausgangsseite der Trennkondensators 12 gelangt über den Zeitfensterkries 7, dessen Funktion noch im einzelnon erltert wird, in ein Bandpaßlllter 13. Dieses Bandpaßfflter ist auf die akustische Eigenfrequenz des Brebbraumes abgestimmt.- Diese aknstische Eigenfrequenz liegt erfabrungsgemäß zwischen 6,5 und 15 khz. Die Ausgungsspannung des Banopaßilters wird in einem Glelchrichter 14 gleichgerichtet und beaufschlagt eine Schwellenwertschaltung 15, deren Schwellenwert von der Spannung auf der Eingangsleitung 16 abbängt. Wenn das Gleichspannungssignal am Ausgangsglelchrichter 14 die Schwellenwertspannung übersteigt. erscheint am Ausgang det Schwellenwertschaltung ein Klopfsignal 17, das in einer Regelschaltung oder Rechenschaltung weiterverarbeitel werden kann.
• Das Signal auf der Eingargsleitung 16 wird von einem Frequenzspannungswandler 18 bereitgestellt, an dessen Eingang auf der Leitung 19 ein Drehzahlsingnal anliegt. Das Signal auf der Fingaugsleitung 16 kann auch in Abhängigkeit von anderen Paramete wie Temperatur oder Ansaugdruck verändert werch n. was im einzelnen nicht dargestellt ist.
• Fig. 2 zeigt für einen Verbrennungstakt eines Zylinders den Verlauf des gasdrucks p im Zylinder und des Spannugsverlaufs am Ausgang des Bandpaßfilters 13. Der Druck tnnerhalb des Brennraumes wird mit einer rblichen Drucksonde gemessen, die über einen Verbindungskanel an den brennsaum angeschlossen ist. Die Zeitshale beginnt mit dem zündfunden. Man erkennt den üblichen Verlauf des Zöndltnkens. Durch die Verbrennung steigt der Druck bis über den oberen Tolpunkt hinaus an und föllt dann ab. Die Spannungskurve zeigt nach Ablsui der Zöndfunkens in Zeilpunkt L1 kaum noch Schwankungen,so daß die Ausgangsspannung des Gleichrichlets 14 unbeachtlich ist. Der Zeitfensterkreis 7 wird durch das Zündssignal auf der Eingangsleitung 6 angestlfen und läßt die Zeßsspannung des Trennkondensators 12 zwischon dem Zeitpunkcen t1 und t2 durch, so daß die entsprechenden linien das Meßienster bezeichnen.
• Fig. 3 zeigt ein Beisspiel einer kloplenden Verbronnung. Der Druckverlsuf im Brenoraum zeigt Druckschwankungen, die einerseits auf den Eigenschalten des Druckmeßsystems den sog.pfetfenschwingungen beruhen, denen jedoch anderer seits auch die Frequenzen egtsprechend den akustischen Figenschwingnngen des Breneraumes überlageil sind. Durch ungleichmäßige Verbrennung, durch bruckspitzen und durch Stoßwellen werden diese akustischen Eigenschwingungen angeregt. Innerhalb des M ßlenstets zwischen t1 end t2 treten Schwingen mit erheblicher. Amplitude auf der akustischen Eigentrequenz des Brennraumms auf. Diese änderungen der lonisatlon ergeben bei Anlegen einer positiven Feßspannnung eit eiwn zchmml höheres Nutzsignnl als bei Aulegen einer negativen Medspannung. Vermutlich bernht dies auf der Geomelrie der Zändkerze. Mese Nutzspannungen geben am Ausgang des Gleichrichters 14 ein Signal oberbals Bes Schwelfenwerts der Schwellenwortschaltwns 15 at, so daß am Ausgang der Schwellenwertschaltung 15 ein Kloplsfgnal 17 erzeugt wird, das weltere Stenmr- bzw. Regelovorgörende Restimpulse Die Schwellonwertschaltund 15 unlerdrdckt störende Restimpulse.
• Da solche hestimpulso nnter Cmsthnden drehzahlabhängig oder abhängig von anderon Betriebsparametern sien können, ist der Frenquenz- Spannungswandler 18 vorgeschen, der auf der Eingaogsleitung 16 ein Grehzahlabhängiges Stellsignal zur Knderung der Schwelle der Schwellonwertspannung 15 abgibt. Man kann den Schwellenwert auch in Abhängigkeit von anderen Detriebsparjamelern wie Ausaugdruck und dergleichen Kndern.
• Es hat sich gezeigt, daß bei einor Gleichhochspannung von elwa 160 V und einem M ßwider stand 10 von etwa 10 Fohm ein mittleter Spannungsabfall vot etwa 6 V durch den lonisationsstrom enzengt wird. Man hat also gige hohe Megemplindlichkeit. Biesem Spannungsabfall sind im klopfzustand Spannungsschwankungen von 50 lOU bei der Klopffrquen überlagert, verglelche Fig. 3.
• Die Schaltung uach der Erffinddung ermöglicht die Auswertung dieser Klopfspannungen. Die Schaltung ermöglicht einen elektrischen Abgriff an der Zöndkerze. so daß keine besonderen Maßnahmen oder Meßfühler innerhalb der Brennraumes. erfotderlich sind. Das Anlegen einer possitiven Meßgleichspannung ist ehenialls in einfacher keise und mit geringem schalsungstechnischem Aufwand auf der Miederspannungsseite möglich. Die Es findung erlaubt übei die Hesssung des lonisationsstromes eine sichere Ertassung des Klorfzustandes. Man ist von zeitlichen Znderungen des Klopfens während des Verbrennungstaktes und von efwaigen Druckschwankungun unabblngig. Die Erlindung mißt relative Schwankongen des Ionisationsgrades. Diese Schwankingen des lonisationsgrades sind unmittelbar mit den Klopfschwlingungen bei der akustlschen Eigenfrequenz des Bronnraumes lorreliert.Die Absolutwerte des Druckes, die eine erbebliche Exemplarstrenung lnnerhalb der Motoren einer Serie aufweisen können, spielon für die klopfmessung nach der Erfindung keine Roile.

Claims (5)

1. Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren Ansprüche 1 Schaltung zur Klopferkennung fiir Ottomotoren, bei denen der Brennraum Jedes Zylinders eine an die Sekundärspole eines Zündtransformators angeschlossene Zündkerze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die die positive Spannung des Zt'ndimpulses führende Seite der Sekundarspule (31) iiber eine Vorfunkenstrecke (4) mit der Hochspannungselektrode der %iindkerze (2) verbunden ist, daß ein Tlochspannungsgenerator (8) zur Erzeugung einer positiven Gleichhochspannung, die wesentlich kleiner als die Zündspannung ist, iiber eine Meßleitung (20) mit einem Meßwiderstand (10) und einer Hochspannungsdlode (11) an mindestens eine Zündkerze (2) angeschlossen Ist, daß an dic Meßleitung (20) ein auf die akustische Eigenfrequenz des betreffenden Brennraumes abgestimmtes Bandpaßfilter (13) angeschlossen ist und daß dem Bandpaßfilter (13) eine Gleichrichterschaltung (14) sowie eine Schwellenwertschaltung (15), die ein Klopfsignal (17) abgibt, nachgeschaltet sind.
2. 2. Schaltung nach Anspruch ], dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator (8) eine Spannung zwischen 1()0 und 50 V abgibt.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeeichnet, daß das Bandpaßfilter (13) auf eine Frequenz zwischen 6,5 und 15 kllz abgestimmt ist.
4. 4. Schaltung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaßiilter (13) ein von dem Zündimpuls ausgeloster Zeitfensterkreis (7) vorgeschalteL ist.
5. 5. Schalter nach einem der Anspriiche 1. bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwel zu Schwellenspannting der Schwellenwertschaltung (15) drehzahl- und/oder parameterabtl.ingig vt:rstellbar ist.