JP2000515219A - 交流電圧点火装置を有する内燃機関におけるノッキング燃焼を認識する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、交流電圧点火装置を有する内燃機関におけるノッキング燃焼を認識する方法に関し、それにより点火火花の火花燃焼期間の長さ、及び点火プラグによる燃料空気混合気の点火の間の点火エネルギーが、負荷状態及び別の機関から得られる特性値に相応して制御される。

Description

【発明の詳細な説明】 交流電圧点火装置を有する内燃機関におけるノッキング燃焼を認識する方法 本発明は、刊行物、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０９７４９号明細書 から公知のような、内燃機関におけるノッキング燃焼を認識する方法に関する。 ノッキング燃焼は、内燃機関の燃焼室内における高すぎる最大圧力によって生 じ、これらの最大圧力は、燃焼しない燃料空気混合気の温度の上昇、したがって 燃料空気混合気の自己点火を引起こす。燃焼室内におけるこれらの高すぎる最大 圧力は、内燃機関の全負荷運転においてもっとも頻繁に達成される。 ノッキング燃焼を判定するために、内燃機関のすべての燃焼室内においてイオ ン電流測定によって燃焼室圧力経過が検出される。イオン電流測定の方法は、例 えば刊行物、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３３２７７６６号明細書から公知 である。その際、ノッキング燃焼は、圧力尖頭値の発生及び燃焼室圧力経過の振 動において認識することができる。そのために同時にイオン電流センサとして使 われる点火プラグに、点火コイルを介して燃料空気混合気の点火の直後に交流電 圧が供給される。この交流電圧は、燃焼する燃料空気混合気内のイオンによって 燃焼室圧力に依存して変調される。変調された交流電圧は、評価回路に供給され る。 点火プラグによる燃料空気混合気の点火の間に、イオン電流測定は行なうこと ができない。それ故に直接続いて燃焼室圧力経過を検出し、かつ起こり得るノッ キング燃焼を認識するために、点火プラグの火花燃焼期間を最小値に減少するこ とは不可欠である。 点火プラグにおける短い火花燃焼期間の要求は、内燃機関の全負荷運転の際に 、燃料空気混合気の容易な点火可能性によって援助される。加 えて燃焼室内に残った前の作業サイクルの残留ガス率は、内燃機関の全負荷運転 の際にわずかであり、この残留ガス率は、燃料空気混合気の容易な点火可能性に 抗することがある。 部分負荷範囲において内燃機関の出力送出は、絞り弁を介して制御される。絞 り弁が閉じると、燃焼室にわずかな燃料空気混合気が供給され、それにより内燃 機関の出力送出は減少する。さらにわずかな燃料量によって燃焼室圧力経過は、 作業サイクルの間に明らかにさらに低い最大圧力を有する。加えて前の作業サイ クルによってシリンダ内に残る残留ガス率は増加する。追加的に外部排気ガス帰 還導管を介して内燃機関の絞り解除のために燃料空気混合気に燃焼した排気ガス 混合気が供給されると、確実な点火のために燃焼室内における燃料空気混合気は 、大きな点火エネルギー及び長い火花燃焼期間を必要とする。 部分負荷運転における長い火花燃焼期間の要求には、燃焼室圧力経過における 最大圧力が、内燃機関の全負荷運転におけるものよりもはっきりと低いというこ とが協力する。それ故に下方の部分負荷運転における検出されるノッキング燃焼 のためのイオン電流測定の実行は省略することかできる。点火プラグの火花燃焼 期間は、場合によっては全作業サイクルにわたって延びていてもよい。 部分負荷運転における点火プラグの必要な火花燃焼期間及び全負荷運転におけ るイオン電流測定の必要性が、作業サイクルの間の利用できる期間の分配の際に 積極的に補うという特性は、すでに前に挙げた類概念を形成する刊行物、ドイツ 連邦共和国特許出願公開第４４０９７４９号明細書に記載されている。その際、 イオン電流検出装置を高電圧トランジスタコイル点火装置に組合わせるという提 案がされており、それにより点火プラグのとくに長い火花燃焼期間を実現する可 能性が生じ、これらの火花燃焼期間は、例えば点火コイルの二次回路の短絡によ って制限することができる。 この方法の欠点は、点火コイルが、それぞれの作業サイクルのために 点火プラグの長い火花燃焼期間のためのエネルギーを詰込まれ、かつ火花燃焼期 間の制限の際にエネルギーの多くの割合を消滅させ、それにより高電圧トランジ スタコイル点火装置を、不必要に大きく設計しなければならないという点にある 。 本発明の課題は、作業サイクルの間に利用できる期間を、部分負荷運転におい て点火プラグの火花燃焼期間のために、かつ全負荷運転においてイオン電流測定 のために利用し、かつその際に負荷に依存して正確に燃料空気混合気の確実な点 火のために必要な程度のエネルギーを点火コイルを介して点火プラグに供給する 、イオン電流測定装置と点火装置を有する、内燃機関におけるノッキング燃焼を 認識する方法を提供することにある。 本発明によれば、この課題は、次のようにして解決される。すなわち交流電圧 点火装量として構成された点火装置によって、点火プラグの点火火花の火花燃焼 期間の長さ及び点火エネルギーが、内燃機関の負荷状態及び点火過程の間の別の 機関から得られる特性値に相応して制御される。最適な点火エネルギー及び点火 期間の判定は、制御装置において行なわれる。点火プラグの点火火花の点火エネ ルギーは、点火プラグの点火過程のために交流電圧点火装置の制御入力端子に制 御装置からあらかじめ与えられる基準電圧を、測定抵抗において降下する電圧と 一致について比較することによって、制御される。 交流電圧点火装置の制御入力端子における基準電圧の値が高いほど、測定抵抗 において降下する電圧が基準電圧に等しくなるまで、交流点火装置のトランジス タは長い間導通しており、点火コイルは長い間詰込まれ、かつ一次コイル電流は 大きく成長する。点火プラグの点火火花の火花燃焼期間の長さは、点火コイルの 二次側に点火プラグに点火火花を発生するために十分な点火電圧を発生するため に、最小必要なものよりも大きな基準電圧が交流電圧点火装置の制御入力端子に 加わっている期間の長さによって制御される。 本発明の有利な変形において、燃焼の失敗を認識するためにイオン電流の測定 が行なわれ、その際、火花燃焼期間の終了後に、燃料空気混合気の失敗した点火 の際にイオン電流信号は検出されない。 本発明の別の有利な変形において、交流電圧点火装置の周波数は、それぞれ燃 料空気混合気の点火及びイオン電流測定の要求に合わされる。イオン電流を測定 しかつ内燃機関の交流点火を行なうこのような回路装量は、前もって公開されて いない刊行物、ドイツ連邦共和国特許第１９６１４２８７号明細書及び同第１９ ６１４２８８号明細書に記載されている。 交流電圧点火装置を有する内燃機関におけるノッキング燃焼を認識する方法に おいて、常に点火コイルの二次側における交流点火電流の次の半分の振幅にわた って点火プラグの点火火花を維持するために必要な程度のエネルギーだけが、点 火装置の電源部分から点火コイルに詰込まれる。その際、短い燃焼期間を有する 点火火花の際、エネルギーは不必要に熱に変換されない。 次に点火装置を有する内燃機関におけるノッキング燃焼を認識する本発明によ る方法を、３つの図に関連して実施例により示しかつ説明する。 ここでは： 図１は、イオン電流測定装量を有する交漬電圧点火装置の基本回路図を示し、 図２ａは、内燃機関の下方の部分負荷運転において、交流電圧点火装置の制御 入力端子における電圧経過及びその結果生じる一次コイル電流及び点火トランジ スタにおけるコレクタ電圧の概略的な表示を示し、 図２ｂは、内燃機関の下方の部分負荷運転における火花燃焼期間及び計算され たイオン電流信号の概略的な表示を示し、 図３ａは、内燃機関の全負荷運転において、交流点火装置の制御入力端子にお ける電圧経過及びその結果生じる一次コイル電流及び点火トランジスタにおける コレクタ電圧の概略的な表示を示し、 図３ｂは、内燃機関の全負荷運転における火花燃焼期間及び測定されたイオン 電流信号の概略的な表示を示している。 図１に、イオン電流測定装置を有する交流電圧点火装置の基本回路図が示され ており、その際、簡単化のため点火プラグＺＫを有する点火段だけが再現されて いる。多シリンダ内燃機関において点火プラグＺＫの順次の制御によって、図示 した交流電圧点火装置の所定の部分をすべてのシリンダに対して共通に利用する 可能性が存在する。このようにしてとくに測定抵抗ＭＷは、すべてのシリンダに 対して共通に利用することができる。 交流電圧点火装置の制御入力端子ＳＥにおける基準電圧Ｕ２は、機関から得ら れる特性値に基付いて制御装置ＳＧから発生され、かつ準備される。これは、主 として内燃機関の負荷状態、回転速度及び排気ガス帰還率である。 内燃機関の負荷状態は、空気吸入サイクルにおいて絞り弁（一般的に：内燃機 関の絞り作用を有する構成部分）の位置によってあらかじめ与えられる。内燃機 関の下方の部分負荷運転において、絞り弁はわずかしか開かれておらず、中間の 部分負荷運転において、これは半分まで開かれており、かつ上方の部分負荷運転 において、これはほぼ２／３開かれている。全負荷運転とは、絞り弁が完全に開 かれた内燃機関の負荷状態を表わす。その際、負荷交代の際の負荷に関する効果 の移行はもちろん流動的である。 内燃機関の下方部分負荷運転において、燃焼室は、部分的に閉じた絞り弁を介 して可能な燃料空気混合気量のわずかな部分によって満たされる。部分的に満た された燃焼室の結果生じる燃焼室圧力経過は、全負荷運転とは相違してはっきり と低い最高圧力を有する。それにより圧縮サイクルの間の圧縮の際に燃料空気混 合気はそれほど強力に加熱されないので、ノッキング燃焼は生じない。したがっ て下方部分負荷範囲において、ノッキング燃焼を検出するためのイオン電流測定 の実行は省略する ことができ、それにより点火プラグＺＫによる燃料空気混合気のために、作業サ イクルの間に利用できる全期間が利用することができる。 下方及び中間の部分負荷運転における燃焼過程は、吸入サイクルの後の燃焼室 の全ガス量が燃焼室内に残った前の作業サイクルの残留ガス率の多くの割合を有 することによって影響を受け、このことは、燃料空気混合気の容易な点火可能性 を妨げる。加えて内燃機関は、高い排気ガス帰還率で動作し、その際、吸入通路 における燃料空気混合気は、追加的に燃焼不可能な排気ガス混合気を多量に含む 。それにより吸入通路における絞り弁は、さらに開くことができ、かつ吸入され た燃料空気混合気にさらにわずかな抵抗をなす。それにより燃料混合気の確実な 点火のために、火花破裂のために大きな一次コイル電流及び長い火花燃焼期間を 準備するという必要性が存在する。 そのために交流電圧点火装置の比較器ＫがＵ１とＵ２の一致を確認し、かつ点 火トランジスタＺＴが閉じられる前に、測定抵抗ＭＷにおいて降下する電圧Ｕ１ が上昇しなければならない高い基準電圧Ｕ２１によって、制御装置ＳＧにより交 流電圧点火装置の制御入力端子ＳＥが制御される。その際、点火コイルＺＳを通 って大きな一次コイル電流Ｉｐｒが流れ、かつその二次回路にほぼ３００００ボ ルトの高い二次コイル電圧を誘起し、それにより点火プラグＺＫに高エネルギー の点火火花が生じる。火花破裂が行なわれた後に、同じ点火過程の次の振幅にお いて点火火花を維持するために点火エネルギーは減少することができる。そのた めに交流電圧点火装置の制御入力端子ＳＥは、それよりわずかな第２の基準電圧 Ｕ２２によって制御される。それにより測定抵抗ＭＷにおいて降下する電圧Ｕ１ が第２の基準電圧Ｕ２２に達し、かつ点火トランジスタＺＴが閉じるまでの期間 は短縮される。それに相応して点火コイルＺＳを通ってさらに小さな一次コイル 電流が流れ、かつその二次回路にほぼ１００００ボルトのさらに低い二次コイル 電圧を誘起し、それにより点火火花の点火エネルギーは、相応してさらにわずか になる。 図２ａに、下方部分負荷運転の間の点火プラグＺＫにおける個々の点火過程の ための交流点火装置の制御入力端子ＳＥにおける基準電圧Ｕ２又は両方の基準電 圧Ｕ２１及びＵ２２の時間経過が、概略的に記入されている。その下に、一次コ イル電流Ｉｐｒのそれに所属の時間経過、及び点火トランジスタＺＴのコレクタ 電圧ＵＫが記入されている。 その際、点火プラグＺＫにおける点火過程が正確に再現されており、その際、 点火火花は、１６の個々の電流尖頭値から形成されている。高い第１の基準電圧 Ｕ２１が大きな一次コイル電流Ｉｐｒ及び高いコレクタ電圧ＵＫに通じ、かつそ れより低い第２の基準電圧Ｕ２２がそれより小さな一次コイル電流Ｉｐｒ及びそ れより低いコレクタ電圧ＵＫに通じることが認められる。交流電圧点火装置の交 流電圧の周波数が一次コイル電流Ｉｐｒ又は基準電圧Ｕ２に比例していることも 認められる。 一次コイル電流Ｉｐｒか大きくなるほど、交流電圧の周波数は低くなる。この 関連の補償は、例えば一次側のコンデンサＣ１の容量の整合によって行なわれ、 その際、容量の切換えは、交流電圧点火装置の制御入力端子ＳＥにおける基準電 圧Ｕ２の変化と同時に行なわれ、その間に交流電圧点火装置のトランジスタＺＴ は遮断されている。 図２ｂに、下方部分負荷範囲における火花燃焼期間及びその結果生じる（計算 された）イオン電流信号が、クランク軸回転角に関して記入されている。その際 、必要な火花燃焼期間の際に、ノッキング燃焼を認識するための表現力のあるイ オン電流測定を行なうことができないことが認められる。 しかしながら火花燃焼期間の終了後に、なおイオン電流測定は、点火の失敗を 認識するために有効に利用される。火花燃焼期間の終了後に燃料空気混合気の点 火が成功した際、なおイオン電流信号の減衰が検出できるが、一方燃料空気混合 気の点火が行なわれなかった際、イオン電流は検出することができない。 内燃機関の中間及び上方の部分負荷運転において、かつ全負荷運転に おいて、燃焼室が可能な燃料空気混合気量の多くの割合によって満たされるほど 広く、絞り弁が開かれる。その際、燃焼室圧力経過は、高い最大圧力を有する。 加えて燃料空気混合気は、すでに圧縮サイクルの間の圧縮の際にきわめて強力に 加熱され、その際、ノッキング燃焼が生じることがある。ノッキング燃焼を検出 するために、イオン電流測定が行なわれる。そのために作業サイクルの間に、火 花燃焼期間は、ノッキング燃焼を検出するために表現力のあるイオン電流測定を 行なうことができるように、点火プラグＺＫによる燃料空気混合気の確実な点火 のための最小値に減少しなければならない。上方の部分負荷運転及び全負荷運転 における燃焼過程は、吸入サイクルの後の燃焼室の総合ガス量が燃焼室内に残っ た前の作業サイクルの残留ガス率のわずかだけの割合を有することによって影響 を受ける。 それにより燃料混合気の確実な点火のために、短い強力な点火パルスを準備す れば十分である。そのために交流電圧点火装置制御入力端子ＳＥは、交流電圧点 火装置の比較器ＫがＵ１とＵ２の一致を確認し、かつ点火トランジスタＺＴが閉 じられる前に、測定抵抗ＭＷにおいて降下する電圧Ｕ１が上昇しなければならな い高い基準電圧Ｕ２によって、制御装置ＳＧから制御される。その際、点火コイ ルＺＳを通って大きな一次コイル電流が流れ、かつその二次回路にほぼ３０００ ０ボルトの高い二次コイル電圧を誘起し、それにより点火プラグＺＫの点火火花 の点火エネルギーは大きい。すでに振幅の後に交流電圧点火装置の制御入力端子 ＳＥは、ゼロボルトの基準電圧Ｕ２１によって制御される。それにより点火プラ グＺＫにおける点火火花は消滅する。点火過程の終了の直後に、点火コイルＺＳ の一次側におけるイオン電流測定のために、イオン電流の測定のために整合した 周波数を有する交流電圧が発生される。 例えば一次側振動回路の周波数は、交流点火装置の振動回路の容量の減少によ って高くなる。二次側の交流電圧の振幅は、二次側に点火火花を引起こさないよ うに、例えば１ｋＶに構成されている。そのために例 えば給電電圧ＵＶは、一次側において１２ボルトに、又は利用可能な別の車載電 圧ＵＢに切換えることができる。二次側において交流電圧は、イオン化された点 火火花区間を介して電流流通を引起こす。その際、燃焼室圧力経過における変動 は、イオン電流の変化を引起こし、これらの変化は、結果として、再び二次側の 交流電圧の振幅変調を生じる。 イオン電流測定のために発生される交流電圧とイオン電流信号の周波数スペク トルとの間の周波数の間隔は、できるだけ大きくするようにする。なぜならこの ことが、振幅変調された交流電圧からのイオン電流信号の分離を容易にするから である。通常８−１８ｋＨｚのノッキングスペクトルの際に、イオン電流測定の ために発生される交流電圧の周波数は、５０−１００ｋＨｚであるようにする。 その際、ローパスフィルタによるイオン電流測定のために発生される交流電圧か らのイオン電流信号の簡単な分離の可能性が得られる。 図３ａに、全負荷の際の点火プラグＺＫにおける個々の点火過程のための交流 点火装置の制御入力端子ＳＥにおける基準電圧Ｕ２の時間経過が、概略的に記入 されている。その下に、一次コイル電流Ｉｐｒのそれに所属の時間経過及び点火 トランジスタＺＴのコレクタ電圧ＵＫが記入されている。 その際、点火プラグＺＫにおける点火過程が正確に再現されており、その際、 点火火花は、２つの個々の電流尖頭値から形成される。 図３ｂに、全負荷の際の火花燃焼期間及び測定されたイオン電流信号が、クラ ンク軸回転角に関して記入されており、このことは、まず燃料空気混合気の成功 した点火、点火失敗の認識を証明している。加えて短い火花破裂の終了後に、表 現力のあるイオン電流測定を行なうことができることが認められる。最大の燃焼 室圧力の以後に、燃焼室圧力経過に圧力尖頭値と振動が現われ、これらは、ノッ キング燃焼を表わしている。このようなノッキング燃焼の反作用として、通常燃 料空気混合気の点火の時点は、上死点の方向にシフトされる。 交流電圧点火装置の制御入力端子ＳＥにおける基準電圧Ｕ２の変化による一次 コイル電流Ｉｐｒの最終値の制御は、燃焼過程の要求への点火火花の点火エネル ギーの整合を可能にし、その際、場合によっては燃料空気混合気の点火のために 交流電圧点火装置から発生される交流電圧のそれぞれの半波に対して、異なった 基準電圧Ｕ２を設けることができ、かつそれにより全体として必要な点火エネル ギーの減少が達成される。この減少の利点は、燃料の同じく良好な点火能力の際 に、交流電圧点火装置の一層わずかな電流吸収にある。加えて交流電圧点火装置 の電源部分の負荷が減少し、それにより電源部分は、相応して小さくかつ望まし いコストに設計することができる。さらに長い火花期間の際に増加する点火プラ グＺＫの浸食が最小になる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．点火プラグ（ＺＫ）の点火火花の火花燃焼期間の長さが内燃機関の負荷状 態に依存して変更される点火装置を有し、かつ火花燃焼期間の終了後に内燃機関 の燃焼室内における圧力経過を検出するイオン電流測定装置を有する、内燃機関 におけるノッキング燃焼を認識する方法において、交流電圧点火装置として構成 された点火装置によって、点火火花を形成するために点火プラグ（ＺＫ）に伝送 される交流電圧の振幅の数をあらかじめ与えることによって、点火プラグ（ＺＫ ）の点火火花の火花燃焼期間の長さが、損失なく制御され、かつ点火プラグ（Ｚ Ｋ）の点火火花の点火エネルギーが、内燃機関の負荷状態及び別の機関から得ら れる特性値に相応して変更されることを特徴とする、内燃機関におけるノッキン グ燃焼を認識する方法。 2 点火プラグ（ＺＫ）の点火過程のために交流電圧点火装置が、測定抵抗（ ＭＷ）において降下する電圧を、交流電圧点火装置の制御入力端子（ＳＥ）にお ける制御装置（ＳＧ）によってあらかじめ与えられる基準電圧（Ｕ２）と一致に ついて比較することによって、点火プラグ（ＺＫ）の点火火花の点火エネルギー が制御されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３．火花燃焼期間の終了後に、イオン電流測定装置によって燃焼の失敗の認識 が行なわれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。 ４．交流電圧点火装置の周波数が、燃料空気混合気の点火及びイオン電流測定 の要求に合わされることを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の方法。