DE69206414T2

DE69206414T2 - Verfahren und vorrichtung für die erkennung einer fehlzündung in einem brennkraftmaschinenzylinder.

Info

Publication number: DE69206414T2
Application number: DE69206414T
Authority: DE
Inventors: Alain Atanasyan; Serge Guipaud
Original assignee: Siemens Automotive SA
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1992-05-05
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-05-06
Also published as: FR2676506B1; WO1992020912A1; EP0584130B1; ES2080498T3; US5495757A; EP0584130A1; FR2676506A1; DE69206414D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlzündungen einer Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Anwendung eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung mit dem Ziel, den Qualitätsabfall eines Katalysators für die Auspuffgase des Motors zu vermeiden.
Fehlzündungen bei Brennkraftmaschinen sind auf verschiedene Fehler zurückzuführen, die entweder Einrichtungen beeinflussen, die für die Zündung des Brennstoff-Luftgemisches vorhanden sind (Spule, Zündkerze, Kurzschluß der Zuführkabel usw.) oder Einrichtungen zur Gemischbildung (Vergaser, Einspritzdüse). Mittel zum Erfassen solcher Fehler dienen dazu, diese Fehler durch Reinigen, Nachstellen oder Ersetzen fehlerhafter Teile zu korrigieren.
Ständig steigende Anforderungen hinsichtlich Luftverschmutzung führen außerdem zum Einbau solcher Einrichtungen auch für andere Zwecke. So sind die zum Oxidieren bzw. zur Schadstoffverringerung der Motorauspuffgase benutzten Katalysatoren selbst gütemäßig anfällig auf die Zufuhr von unverbranntem Kraftstoff. Bei einer Fehlzündung in einem Motorzylinder gelangt dann der Kraftstoff des in den Zylinder eingeführten Gemisches direkt zur Katalysator, ohne verbrannt worden zu sein. Diese Mengen verringern beträchtlich die Leistungsfähigkeit des Katalysators bei der Schadstoffverringerung von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffoxiden, Stickstoffoxiden usw.. Es ist deshalb wünschenswert, den Katalysator vor solchem unverbrauchten Brennstoff zu schützen, indem beispielsweise die Kraftstoffzufuhr zu einer Einspritzdüse abgeschaltet wird, wenn Fehlzündungen in einem Motorzylinder erkannt worden sind.
Um solche Fehlzündungen zu erkennen, kann man einen Sensor benutzen, der auf den Druck im Zylinder anspricht. Bei einer Fehlzündung wird der Sensor nicht den hohen Druck messen, der normalerweise bei der Explosion des Brennstoff- Luftgemisches auftritt. Die gegenwärtig zum Messen des Druckes in Motorzylindern benutzten Sensoren besitzen jedoch insbesondere infolge der erschwerten Umgebungsbedingungen keine ausreichende Robustheit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit und sind sehr temperaturempfindlich. Sie sind außerdem zu teuer, um in Motoren weitverbreiteter Fahrzeuge installiert zu werden.
Die Explosion des Brennstoff/Luftgemisches, das normalerweise auf die Erzeugung des Zündfunkens folgt, bringt Temperatur- und Druckbedingungen in einem Motorzylinder mit sich, die zur Ionisation der Gase im Zylinder führen. Die Abwesenheit einer solchen Ionisation signalisiert daher, daß eine Fehlzündung vorher aufgetreten war (s. DE-A-39 34 310). Im französischen Patent FR-A-26 75 206, Anmeldetag: 10. April 1991, ist ein Verfahren zum Erkennen einer Fehlzündung geschildert, wonach nach dem Verlöschen eines Zündfunkens das Vorhandensein oder die Abwesenheit der Ionisation der im Zylinder vorhandenen Gase dadurch erkannt wird, daß der Zündkerze zum Zünden des Gemisches eine vorbestimmte elektrische Spannung zugeführt wird und dann der mögliche Stromdurchgang durch die Zündkerze festgestellt wird. Die Zündkerze dient dann als Ionisationssonde, so daß die Durchführung dieses Erkennungsverfahrens besonders billig wird.
Zur Durchführung ist in der vorgenannten FR-Patentschrift eine Vorrichtung mit einem Verteiler vorgeschlagen, der durch zusätzliche Dioden modifiziert ist, um den Durchgang des "Ionisationsstromes" durch die Zündkerze zu ermöglichen. Die Dioden müssen während der Zündung des Funkens in den Zündkerzen eine sehr hohe inverse Spannung aushalten und sind deshalb ziemlich teuer. Im Fall einer zufälligen Unterbrechung einer Zündkerze verhält sich außerdem die zugehörige Diode als Kondensator und dies kann zur Zerstörung bei sehr hoher Spannung führen.
Somit zielt die Erfindung daraufhin ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlzündungen in einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die im Betrieb zuverlässig arbeiten und so billig wie möglich sind. Das Ziel der Erfindung sowie andere Ziele, die sich beim Lesen der folgenden Beschreibung ergeben, werden mit einem Verfahren erreicht, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Mit Vorteil werden die ersten und zweiten Funken nacheinander an der gleichen Zündkerze ausgelöst, wobei der zweite Funke ausgelassen wird, wenn das Kraftstoff-/Luftgemisch nach dem Auslösen des ersten Funkens bei der Verbrennung ionisiert worden ist. Es ist tatsächlich ersichtlich, daß die während des Durchbruchs des zweiten Funkens an der Zündkerze gemessene Überspannung infolge der ionisierenden Verbrennung deutlich kleiner ist als die, die bei Abwesenheit einer vorhergehenden Gemischverbrennung zu beobachten ist, die von einer Fehlzündung herrührt.
Zur Durchführung des Verfahrens bietet die Erfindung eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Die Einrichtung zur Erkennung beinhaltet einen an eine Speiseschaltung für die Zündkerze angeschlossenen Kondensator und Mittel zum Verhindern des Aufladens des Kondensators außerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls, indem die zweite Funkenüberspannung auftreten muß.
Andere Eigenschaften und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Erkennung von Fehlzündungen gemäß der Erfindung für die Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine;
Fig. 2 das zeitliche Verhalten mehrerer Signale zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zündkerze 1 in einem Zylinder des Motors und einer Zündspule 2 mit einer Primärwicklung 2a und einer Sekundärwicklung 2b. Die Spule 2 erhält Strom in der Primärwicklung 2a, worauf die Stromzufuhr plötzlich unterbrochen wird, um eine Übertragung elektrischer Energie mit sehr hoher Spannung (in der Größenordnung von 20 bis 40 kV) in die Sekundärwicklung herbeizuführen. Diese an die Elektroden der Zündkerze 1 von einem Verteiler 3 geführte sehr hohe Spannung führt zum Durchbruch eines Funkens zwischen den Elektroden der Zündkerze und so zur Verbrennung eines Luft-/Kraftstoff-Gemisches, das vorher in den Zylinder der betreffenden Zündkerze eingeführt worden ist.
Bei einer modernen Zündung wird der Anschluß der Primärwicklung an eine Spannungsquelle V (Batteriespannung von beispielsweise + 12 V) von einer Spulensteuerung 4 gesteuert, die wiederum von einem Computer 5 mit einem Mikroprozessor 6 angesteuert wird, der so programmiert ist, daß die Einspeisung in die Spule wie auch der Zeitpunkt des Zünddurchbruchs in der Zündkerze gesteuert wird. Dieser Zeitpunkt wird in bekannter Weise von einem "Zündvoreilwinkel" definiert, der mit Hilfe einer Winkelmarkierung des Motorzyklus (noch nicht dargestellt) und numerischer Tabellen in einem Speicher bestimmt wird und der Wert dieses Winkels als Funktionen von Betriebsparametern des Motors angegeben wird, wie des Lufteinlaßdruckes und der Motordrehzahl zum Beispiel. Der Mikroprozessor 6 liefert an seinem Ausgang 7 ein Steuersignal für die Spulensteuerung 4, nachdem dieses Signal in einer Adapterstufe 8 verarbeitet worden ist.
In Fig. 2 der Zeichnung ist mit "A" das Steuersignal für die Spulensteuerung 4 dargestellt, wie es am Ausgang 7 des Mikroprozessors 6 ausgegeben wird, "B" ist der in der Primärwicklung der Spule fließende Strom, "C" ist die am Punkt 6 auf der Sekundärseite der Zündeinrichtung zwischen der Sekundärwicklung 2b und dem Verteiler 3 auftretende Spannung. In bekannter Weise wird die Zufuhr zur Primärwicklung 2a zum Zeitpunkt T0 eingeschaltet, der Strom (Fig. 2B) in der Wicklung steigt bis zum Zeitpunkt T&sub1; an, an dem der Mikroprozessor 6 die angelegte Spannung abschaltet, um damit die Energieübertragung in die Sekundärwicklung 2b und das Zünden eines Funkens in der Zündkerze 1 zu veranlassen, um das Luft-/Kraftstoffgemisch zu zünden. Wie Fig. 2 bei C zeigt, ist die bei 9 auftretende Spannung dann für die Auslösung des Zündfunkens von einer sehr hohen anfänglichen Überspannung Vl gekennzeichnet, worauf die Spannung laufend absinkt.
Die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches, die von dem Funken ausgelöst wird, führt zu einer starken Ionisierung der chemischen Komponenten im Zylinder, wobei diese Ionisierung die Anfangs- oder Durchbruchsspannung des Funkens in der Zündkerze verkleinert.
Erfindungsgemäß wird diese Eigenschaft in vorteilhafter Weise benutzt, um eine mögliche Fehlzündung zum Zeitpunkt T&sub1; zu erkennen. Zu diesem Zweck wird nach dem Zeitpunkt T&sub1;, in dem der Zündfunken ausgelöst wird, ein zweiter Funken (im Zeitpunkt T&sub3;) ausgelöst, die anfängliche Überspannung des zweiten Funkens wird erfaßt und diese Überspannung wird mit einer vorbestimmten Schwellwertspannung verglichen und das Auftreten oder Fehlen einer Fehlzündung des Gemisches zum Zeitpunkt T&sub1; wird davon abgeleitet, ob die erfaßte Überspannung größer oder kleiner ist als die vorbestimmte Schwellwertspannung.
Um die Zündung des zweiten Funkens herbeizuführen, muß die Primärwicklung 2a nochmals während eines Zeitintervalls T&sub2; an Spannung gelegt werden, wobei T&sub2; gegenüber dem Zeitpunkt des Durchbruchs t1 des ersten Funkens mit einem Zeitintervall T&sub1; verschoben ist. Dieses Intervall T&sub1; wird so gewählt, daß die gesamte vom ersten Funken verbrauchte Energie eine vollständige Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches im Zylinder ermöglicht. Das Wiederanlegen der Primärwicklung schneidet den ersten Funken ab und die Wiederaufladezeit T&sub2; der Spule hängt von der in der Sekundärwicklung wiedergewonnenen und beim Auslösen des ersten Funkens induzierten Energie ab.
Es ergibt sich ein bemerkenswerter Unterschied für die Anfangsspannungen des zweiten Funkens, ob nämlich der erste Funken zu einer Zündung des Gemisches geführt hat oder nicht.
So ist es bei einer experimentellen Ausführung der Erfindung möglich gewesen, daß am Punkt 9 während des Auslösens des zweiten Funkens eine Überspannung V2 gleich etwa 900 V gemessen wird, wenn vorher die Zündung des Gemisches erfolgte, und eine Überspannung V3 gleich etwa 1.500 V, wenn während des ersten Funkens eine Fehlzündung aufgetreten ist. Der Abfall der Spannung im mechanischen Verteiler 3 ist somit auf etwa 500 V ausgewertet worden, womit es möglich ist, die Zündüberspannung des zweiten Funkens der Zündkerze 1 bei etwa 400 V in Anwesenheit von Komponenten auszuwerten, die von der Verbrennung des Gemisches ionisiert sind und bei mindestens 900 bis 1000 V Überspannung nötig zur Zündung des zweiten Funkens, wenn vorher eine Fehlzündung erfolgte.
So sind in Fig. 2 die Spannungen am Punkt 9 der Sekundärseite für die beiden Funken dargestellt, nämlich bei Zündung des Gemisches während des ersten Funkens (Graph C) und im Fall einer Fehlzündung (Graph D), wobei die Achse E die Zeitskala darstellt. Erfindungsgemäß werden beide Situationen dadurch unterschieden, daß man die Anfangsspannung des zweiten Funkens mit einem Schwellwert vergleicht, der etwas über der mittleren Anfangsspannung V2 für eine vorhergehende Zündung liegt (900 V bei der vorher beschriebenen experimentellen Ausführungsform). Um dies festzustellen, bedient sich die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zur Erkennung der Amplitude der Anfangsüberspannung des zweiten Funkens und Mittel zum Vergleich dieser Überspannung mit einem bestimmten Schwellwert. In Fig. 1 sollen die Mittel zum Erkennen eine Spitzenspannungs-Meßschaltung 10 aufweisen, die mit einem Spannungsteiler 11 versehen ist, der an den Punkt 9 der Sekundärseite angeschlossen ist, wobei ein Kondensator 12 an den Abgriff des Spannungsteilers über eine Schutzdiode 13 gelegt ist und ein Transistor 14 zum Zurücksetzen der Ladung auf Null an dem Kondensator 12 und eine Inverterstufe 15 angeschlossen ist, um die Spannung an den Polen des Kondensators umzuformen, so daß ein Analogsignal ansteht, das diese Spannung an den Mikroprozessor 6 führt.
Der Mikroprozessor 6 steuert normalerweise die Masseseite des Kondensators 12, wenn er den Transistor 14 durchsteuert, wobei das Steuersignal am Ausgang 16 des Mikroprozessor ansteht.
Der Mikroprozessor steuert dann nacheinander das Auslösen des ersten und zweiten Funkens. Beim Auslösen des letzteren steuert er auch zeitweise das Sperren des Transistors 14 während einer Zeitdauer T3 (s. Fig. 2C), um den Kondensator 12 auf die Zündüberspannung des zweiten Funkens auf zuladen. Diese in der Stufe 15 geformte Überspannung wird im Mikroprozessor mit einem bestimmten Schwellwert verglichen. Wenn die Überspannung größer als der Schwellwert ist, so wird daraus geschlossen, daß beim ersten Funken ein Zündfehler auftrat.
Der Mikroprozessor kann dann passend programmiert werden, um aufeinanderfolgende Werte dieser Anfangsspannung zu programmieren, die während aufeinanderfolgender Betriebszyklen des Motors erfaßt wurden. Bei einer Mehrzylindermaschine wird die Verarbeitung für jeden Zylinder vorgenommen. Um die Anordnung selbst adaptiv zu machen, wenn die gemessenen Überspannungen infolge von Ablagerungen oder Anderungen des Zündfunken-Elektrodenabstandes sowie bei Beseitigung von parasitären Signalen auswandern, kann die Verarbeitung eine digitale Filterung, beispielsweise erster Ordnung, der gemessenen Überspannungen einschließen. Ein Algorithmus zur Auswertung einer mittleren Überspannung Vmean(i) lautet wie folgt:
Vmean(i) = Vmean(i-1) + k(Vi-Vmean(i-1))
wobei Vi die momentane Überspannung ist, die während des i- ten Motorzyklus gemessen wird und k eine Konstante ist.
Wenn (V1-Vmean(i)) /Vmean(i) ≥ der vorbestimmten Schwellwertspannung ist, stellt der Mikroprozessor eine vorherige Fehlzündung fest und signalisiert diese. Der Schwellwert kann eine Funktion der Drehzahl oder der Belastung des Motors sein. In diesem Fall werden die zu berücksichtigenden Schwellwertspannungen vom Mikroprozessor aus einer digitalen Tabelle in einem Speicher ausgelesen.
Der zweite Funken muß offensichtlich erfolgen, wenn ionisierte Gase im Zylinder vorhanden sind, d.h. bevor diese ausgestoßen werden. Vorzugsweise wird der zweite Funken nahe dem Druckmaximum im Zylinder ausgelöst, der von der Verbrennung herrührt, d.h. in dem Zeitintervall, das verstreicht, bis der Druck im Zylinder sein Maximum hat nahe dem oberen Totpunkt TDC (s. Fig. 2E).
In der Praxis gelten für die Zeitintervalle T&sub1; und T&sub2; folgende Angaben:
1000 Upm, T&sub1; + T&sub2; = 3 ms
6000 Upm, T&sub1; + T&sub2; = 1,5 ms
T&sub2; liegt in der Größenordnung von etwa 0,7 ms. Die Dauer des Hauptfunkens wird wie folgt abgeleitet: 2,3 ms bei 1000 Upm, 0,8 ms bei 6000 Upm, was akzeptabel ist. Die Dauer T&sub2; des Aufladens der Wicklung zum Erzeugen des zweiten Funkens wird derart bestimmt, daß eine Funkenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze sicher erzielt wird, und die Dauer T&sub1; des ersten Funkens wird so eingestellt, daß das Luft/Brennstoffgemisch im Zylinder sicher gezündet wird, wie bereits erläutert worden ist. Die zweite Funkenüberspannung wird nur während einer Zeit T&sub3; = T&sub2; + 200 µs aufgezeichnet (beispielsweise s. Fig. 2C) und von dem Mikroprozessor (Ausgang 16) gesteuert, um zu vermeiden, daß parasitäre Impulse berücksichtigt werden.
Nutzlos zu sagen, daß die beschriebene und dargestellte Ausführungsform nur ein Ausführungsbeispiel ist. So kann die Spule auch zum Erzeugen des zweiten Funkens mit einer Energiemenge versehen werden, die berechnet ist, daß die Erzeugung eines Funkens nur bei einer vorhergehenden Zündung des Gemisches durch den ersten Funken möglich ist. Dieses Verfahren ist aber nicht verläßlich infolge der Tatsache, daß der Zwischenelektrodenwiderstand im Laufe der Zeit abfallen kann (Verluste infolge Kohlenstoffablagerung) oder ansteigen kann (Vergrößerung des Luftspaltes). Darüber hinaus ist die Erfindung auch auf andere als induktive und kapazitive Zündeinrichtungen anwendbar und auch für "statische" Zündsysteme, bei denen die Zündkerzen von Leistungstransistoren und nicht von einem mechanischen Verteiler angesteuert werden.

Claims

1. Verfahren zum Erkennen von Fehlzündungen in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, in den ein Luft-/Kraftstoffgemisch eingeführt und ein Funken elektrisch erzeugt wird, um das Gemisch zu zünden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auslösen des Funkens ein zweiter Funken ausgelöst wird, die Durchbruchs-Überspannung des zweiten Funkens erfaßt wird, diese Überspannung mit einer vorbestimmten Schwellwertspannung verglichen wird und das Auftreten oder Nichtauftreten einer Fehlzündung des Gemisches zeitlich vor dem zweiten Funken damit erkannt wird, ob die erfaßte Überspannung größer oder kleiner als die vorbestimmte Schwellwertspannung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Funke nacheinander mit der gleichen Zündkerze (1) ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Funke vor dem Zeitpunkt ausgelöst wird, in dem der Druck im Zylinder ein Maximum erreicht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennung der Fehlzündungen für jeden Zylinder ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Funkenüberspannung, die im Laufe aufeinanderfolgender Motorzyklen erfaßt wird, abgetastet wird, ein laufender Mittelwert der Überspannung mit Hilfe einer Filterung erster Ordnung berechnet wird und die gemessene momentane Überspannung mit dem Mittelwert verglichen wird, um eine mögliche Fehlzündung zu erkennen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertspannung eine Funktion der Drehzahl und/oder der Belastung des Motors ist.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: a) Mittel (2,4,6) zum Auslösen eines zweiten Funkens in einer Zündkerze (1) eines Zylinders eines Motors nach dem Auslösen eines ersten Funkens an der Zündkerze zum Zünden des Luft-/Kraftstoffgemisches, b) Mittel (10) zum Erkennen der Amplitude der Durchbruchsüberspannung des zweiten Funkens und c) Mittel (6) zum Vergleichen dieser Überspannung mit einem vorbestimmten Schwellwert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erkennen einen Kondensator (12) aufweisen, der an eine Speiseschaltung für die Zündkerze (1) angeschlossen ist, und Mittel (14) zum Sperren des Aufladens des Kondensators außerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls, indem die zweite Funkenüberspannung auftreten muß.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (6) zum Steuern der Auslösung des ersten und zweiten Funkens und der Mittel zum Sperren (14) vorgesehen ist, wobei die Mittel zum Vergleich in dem Mikroprozessor eingebaut sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (6) Mittel zum Abtasten der Überspannung des zweiten Funkens und Mittel zum digitalen Filtern dieser Überspannung aufweist.

11. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 auf die Steuerung zum Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu einem Zylinder einer Brennkraftmaschine nach Erkennen mindestens einer Fehlzündung.