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EP0790408B1 - Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung in Zündvorrichtungen für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung in Zündvorrichtungen für Brennkraftmaschinen Download PDF

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Publication number
EP0790408B1
EP0790408B1 EP97101842A EP97101842A EP0790408B1 EP 0790408 B1 EP0790408 B1 EP 0790408B1 EP 97101842 A EP97101842 A EP 97101842A EP 97101842 A EP97101842 A EP 97101842A EP 0790408 B1 EP0790408 B1 EP 0790408B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ignition
circuit arrangement
accordance
circuit
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97101842A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0790408A3 (de
EP0790408A2 (de
Inventor
Ulrich Dr. Bahr
Michael Daetz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG, Volkswagen AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP0790408A2 publication Critical patent/EP0790408A2/de
Publication of EP0790408A3 publication Critical patent/EP0790408A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0790408B1 publication Critical patent/EP0790408B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/10—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having continuous electric sparks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/045—Layout of circuits for control of the dwell or anti dwell time
    • F02P3/0453—Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices
    • F02P3/0456—Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices using digital techniques
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/125—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for ion current measurement according to the preamble of claim 1.
  • Such an ion current measuring circuit is known from US 5483818, which a differential amplifier connected as an inverting amplifier has, for this is the low potential side of the secondary winding Ignition coil through a resistor with the inverting input of the Differential amplifier connected while at its non-inverting Input voltage of approx. 40 V is applied.
  • To achieve the inverting amplifier property is the output through a resistor fed back to the inverting input and at the same time the Output signal for evaluating the ion current of a threshold circuit fed.
  • the further inverting amplifier is corresponding how the amplifier connected directly to the secondary winding is constructed, its output via a resistor with the inverting Input of the further amplifier is connected and its non-inverting The same bias voltage is fed to the input.
  • the object of the present invention is therefore a circuit arrangement for ion current measurement of the type mentioned at the beginning specify that avoids this disadvantage.
  • Another advantage that can be achieved with the present invention lies in one Lowering the value of the measuring voltage below that in the prior art specified voltage value of 40 V.
  • an ignition current measuring resistor connected in series.
  • the at this ignition current measuring resistor The voltage drop that occurs during the burning period of the Spark plug in an advantageous manner as a measurement signal for the amount of ignition current serve.
  • This ignition current measurement signal can be used to to control the ignition sequence for a secondary ignition.
  • the second diverting circuit branch can be via a Output of the inverting amplifier controllable semiconductor switch, in particular a transistor with the ground potential of the circuit arrangement get connected. This allows the Increase the current carrying capacity of the differential amplifier.
  • a Switched differential amplifier provided as an inverting amplifier.
  • the one input of such a differential amplifier connected to the low potential side of the secondary winding of the ignition coil, while a reference voltage is supplied to the other input, whose value corresponds to the measuring voltage and at which the output over a measuring resistor is connected to the one input.
  • the ion current is thus converted into an as simple as possible Measuring signal serving voltage converted, which then a Evaluation is fed.
  • the reference voltage supplied to such a differential amplifier becomes generated in the simplest way with a constant voltage source.
  • the use of a multi-cylinder internal combustion engine Measuring paths of the spark plugs serving as ion current probes in parallel are switched, so that the advantage of low circuit complexity preserved.
  • the measuring sections should be used as an ion current probe serving spark plugs are measured completely independently, but the circuits can also be present several times, the Output signals are then time-multiplexed in a suitable form.
  • the Invention a parallel circuit from a dissipation resistor and at least one Zener diode connected in series to the secondary winding to the energy that is left after the spark has been torn off located in the ignition coil or the secondary capacitances quickly dissipate so that the ion current measurement can then be carried out without great delay is feasible.
  • a parallel circuit from a dissipation resistor and at least one Zener diode connected in series to the secondary winding to the energy that is left after the spark has been torn off located in the ignition coil or the secondary capacitances quickly dissipate so that the ion current measurement can then be carried out without great delay is feasible.
  • two antiserially connected zener diodes instead of just one Zener diode used to be compared to use only to achieve a decay behavior of a single Zener diode, the Duration is shorter and also symmetrical.
  • FIG. 1 shows a transistor ignition system of a 4-cylinder internal combustion engine, each with an ignition output stage assigned to a cylinder, each ignition output stage comprising an ignition coil Tr 1 ,..., Tr 4 , a primary winding P 1 ,..., P 4 and a secondary winding S 1 , ..., S 4 comprises, and an ignition transistor 1a, ..., 1d connected to the primary winding P 1 , ..., P 4 with associated spark plug Zk 1 , ..., Zk 4 is constructed.
  • the primary windings P 1 ,..., P 4 are connected with one connection to an on-board battery voltage U B of 12 V, for example, provided by an on-board battery, while the other connection is connected to the associated ignition transistor 1a,..., 1d.
  • the ignition transistors 1a, ..., 1d are controlled by their control electrodes controlled a circuit 2a for cylinder selection, which in turn with a Control circuit 2 is connected, the corresponding ignition trigger for the individual cylinders of this circuit 2a supplies.
  • control unit 4 the function of an engine management takes over and in turn controls the control circuit 2.
  • this control unit 4 receives motor parameters via an input E, such as load, speed and temperature.
  • Corresponding actuators are controlled via outputs A.
  • the secondary windings S 1 , ..., S 4 are each connected with their high voltage side to the associated spark plug Zk 1 , ..., Zk 4 , while their low potential side are combined in a circuit node S via a dissipation resistor R 3 .
  • This circuit node S is connected to the input of a differential amplifier 3 connected as a non-inverting amplifier, in that this circuit node S is connected to the inverting input of this differential amplifier 3.
  • a constant reference voltage U ref preferably 20 V
  • This constant reference voltage U ref is fed to the secondary windings S 1 , ..., S 4 via this differential amplifier 3 by means of a measuring resistor R1 fed back to the inverting input and thus reaches the spark plugs Zk 1 , ... working as ion measuring current paths as the test voltage U test . , Mark 4 .
  • the circuit according to the figure has a first and second diverting circuit branches A1 and A2.
  • the first discharge circuit branch A1 connects the circuit node S to the ground potential of the circuit via a semiconductor diode D 2
  • the second discharge circuit branch A2 consists of a series connection of an ignition current discharge resistor R 2 , a further semiconductor diode D 1 and a pnp transistor T
  • the ignition current measurement resistor R 2 is connected to the circuit node S and the collector electrode of the transistor T is at the ground potential of the circuit.
  • the base electrode of this transistor T is driven by the output of the differential amplifier 3.
  • the first diverting circuit branch A1 serves to derive negative voltage peaks occurring in one of the spark plugs Zk 1 ,... Zk 4 at the moment of a high voltage breakdown.
  • the actual ignition current is derived via the second derivation switching branch A 2 , which can also be constructed without the transistor T, which only serves to increase the current carrying capacity of the differential amplifier 3. If such a transistor T is dispensed with, the cathode of the semiconductor diode D 1 is connected directly to the output of the differential amplifier 3, so that the diverting branch A 2 is connected in parallel with the ion measuring resistor R 1 .
  • the generation of an ignition pulse by the control circuit 2 leads to the activation of the corresponding ignition transistor 1a, ..., 1d.
  • the ignition spark generated in this way on the associated spark plug Zk 1 ,..., Zk 4 leads to a certain burning duration, which is accompanied by an ignition current.
  • This ignition current flows through the low-resistance leakage circuit branch A 2 to a part via the differential amplifier 3 and to another part in accordance with the set operating point of the transistor T to ground potential.
  • This operating point of the transistor T is determined by the output signal U ion of the differential amplifier 3, which, by means of the feedback via the ion measuring resistor R 1, regulates its potential at the inverting input to the U ref potential, which represents the measuring voltage for the subsequent ion current measurement. An overload of the differential amplifier 3 by the ignition current is thus avoided by using such a transistor T.
  • the output signal U ion of the differential amplifier 3 indicates the level of the ignition current flowing through the ignition current measuring resistor R 2 and can therefore be used as a measurement signal of the ignition current after evaluation for charging and burning time control of the internal combustion engine.
  • the value of the ignition current measuring resistor R 2 is chosen so that its voltage drop U R2 with the value R 2 • I ignition is in the range of a few volts. Such a value for the resistor R 2 would be 15 ⁇ , for example.
  • the measuring voltage for the level of the ignition current could also be tapped at the emitter of the transistor T or with high resistance at the anode of the diode D 1 .
  • the tolerances of the base-emitter voltage of the transistor T or the diode forward voltage of the diode D 1 would then not be included in the measurement.
  • Another possibility for generating a measuring voltage for the ignition current is given in FIG. 2 explained below.
  • the residual energy still remaining in the corresponding secondary winding S 1 ,... S 4 or in the secondary capacitances must be rapidly dissipated.
  • the already mentioned dissipation resistor R 3 to which two antiserially connected Zener diodes Z 1 and Z 2 are connected in parallel.
  • the value of the dissipation resistance R 3 is preferably chosen so that it corresponds to the value (L sek / C sek ) 1/2 , the quantities L sek and C sek representing the coil inductance or coil and stray capacitances effective on the secondary side.
  • the value of this dissipation resistance R 2 will usually be in the range between 10 k ⁇ and 100 k ⁇ and thus causes the energy to dissipate rapidly.
  • the two Zener diodes Z 1 and Z 2 are necessary to limit the voltage drop occurring across the dissipation resistor R 3 , which would otherwise result in a considerable reduction in the ignition energy.
  • an ignition current of 100 mA at a resistor of 50 k ⁇ would cause a voltage drop of 5000 V.
  • the Zener voltages of the Zener diodes Z 1 and Z 2 are therefore chosen so that there is only a slight reduction in the ignition energy, for example in the amount of 50 V.
  • Zener diode Z 2 instead of using two Zener diodes Z 1 and Z 2 , it is also possible to provide only the Zener diode Z 2 and to dispense with the Zener diode Z 1 . However, this would cause the swing-out behavior to be asymmetrical and the swing-out duration to be extended somewhat. On the other hand, it would be advantageous that the voltage loss in ignition mode would be less than 1 V.
  • Zener diodes are in series with the secondary winding of the ignition coils Tr 1 ,... Tr 4 and the ion current measuring resistor R 1 , their leakage currents have no negative effect in the subsequent ion current measurement.
  • the reference voltage U ref serving as measurement voltage U test is applied by the inverting differential amplifier 3 to the secondary windings S 1 ,... S 4 , which then generates an ion current at the corresponding spark plug.
  • the inverting differential amplifier 3 converts this ion current into a voltage signal U ion , which is now fed to the evaluation unit 5 as a measurement signal of the ion current, the evaluation result of which is then forwarded to the control unit 4.
  • the measuring voltage U test supplied to the secondary windings S 1 , ..., S 4 of the ignition coils Tr 1 , ..., Tr 4 which can be between 5 and 30 V, preferably 20 V, is constant during the entire ion current measurement period. Since the ion current is in the ⁇ A range, a differential amplifier 3 with a low input current is used, which is available inexpensively today.
  • this measuring voltage U test means that there is no need to recharge stray capacitances, as can occur in other known systems when exposed to alternating current, such as, for example, with knocking combustion. This advantage is particularly noticeable when several ion measuring sections are operated in parallel, as shown in the figure, since effective stray capacities can then be multiplied.
  • another resistor in the supply line to its inverting input (not shown in the figure) can be provided.
  • FIG. 2 shows a detail of the circuit diagram of Figure 1 with the inverting amplifier connected as a differential amplifier 3 and the associated two Ableitscenszweigen A 1 and A2.
  • the difference from FIG. 1 lies in the wiring of the ignition current measuring resistor R 2 , which is now arranged on the ground side, namely between the collector of the transistor T and the ground potential.
  • the measurement voltage U Zünd which is proportional to the ignition current, is therefore ground-related, which is advantageous for the further use of this measurement signal.
  • the ion current signal can be used to knock the Detect internal combustion engine and control the ignition timing to set up a corresponding knock control.
  • Another application is to use the ion current signal both for Detection of ignition misfires as well as for the detection of Use camshaft position.
  • the circuit arrangement according to the invention for ion current measurement is not only in transistor ignition systems, as shown in the exemplary embodiment, usable, but also for alternating current ignitions or High voltage capacitor ignitions.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine solche lonenstrommeßschaltung ist aus der US 5483818 bekannt, die einen als invertierenden Verstärker geschalteten Differenzverstärker aufweist, hierzu ist die Niedrigpotentialseite der Sekundärwicklung der Zündspule über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers verbunden, während an dessen nichtinvertierenden Eingang eine Vorspannung von ca. 40 V angelegt wird. Zur Erzielung der invertierenden Verstärkereigenschaft wird der Ausgang über einen Widerstand auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt und gleichzeitig das Ausgangssignal zur Auswertung des lonenstromes einer Schwellwertschaltung zugeführt. Ebenfalls an die Niedrigpotentialseite der Sekundärwicklung sind zwei in Reihe geschaltete Zenerdioden angeschlossen, deren Verbindungsknoten von einem weiteren invertierenden Verstärker derart angesteuert wird, daß die während einer lonenstrommessung auftretenden Leckströme vermieden werden, um damit unverfälschte lonenstromsignale zu erzeugen. Der weitere invertierende Verstärker ist entsprechender Weise wie der direkt an die Sekundärwicklung angeschlossene Verstärker aufgebaut, wobei dessen Ausgang über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des weiteren Verstärkers verbunden ist und dessen nichtinvertierenden Eingang die gleiche Vorspannung zugeführt wird.
zur Vermeidung der durch die verwendeten Zenerdioden erzeugten Leckströme bedarf es bei dieser bekannten lonenstrommeßschaltung in nachteiliger Weise eines hohen Schaltungsaufwandes.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Schaltungsanordnung zur Ionenstrommessung der eingangs genannten Art anzugeben, die diesen Nachteil vermeidet.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruches 1 gegeben. Hiernach sind zur Ableitung des während der Brenndauer der Zündkerze fließenden Zündstromes ein erster und zweiter Ableitschaltungszweig vorgesehen, die jeweils eine Halbleiterdiode aufweisen und der zweite Ableitschaltungszweig parallel zum invertierenden Verstärker angeordnet ist. Der wesentlichste Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung liegt in der Verwendung von normalen Halbleiterdioden, so daß das Problem von hohen Leckströmen nicht auftritt und daher eine wie im Stand der Technik vorgeschlagene aufwendige Schaltung entfallen kann.
Ein weiterer mit der vorliegenden Erfindung erzielbarer Vorteil liegt in einer Absenkung des Wertes der Meßspannung unter den im Stand der Technik angegebenen Spannungswert von 40 V.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur weiteren Halbleiterdiode, die den zweiten Ableitschaltungszweig bildet, ein Zündstrommeßwiderstand in Reihe geschaltet. Der an diesem Zündstrommeßwiderstand auftretende Spannungsabfall kann während der Brenndauer der Zündkerze in vorteilhafter Weise als Meßsignal für die Höhe des Zündstromes dienen. Dieses Zündstrommeßsignal kann dazu verwendet werden, den Zündablauf bei einer Folgezündung zu steuern.
Vorzugsweise kann der zweite Ableitschaltungszweig über einen vom Ausgang des invertierenden Verstärkers steuerbaren Halbleiterschalter, insbesondere eines Transistors mit dem Massepotential der Schaltungsanordnung verbunden werden. Damit läßt sich in vorteilhafter Weise die Strombelastbarkeit des Differenzverstärkers erhöhen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein als invertierender Verstärker geschalteter Differenzverstärker vorgesehen.
Vorzugsweise ist dabei der eine Eingang eines solchen Differenzverstärkers mit der Niedrigpotentialseite der Sekundärwicklung der Zündspule verbunden, während am anderen Eingang eine Referenzspannung zugeführt wird, deren Wert der Meßspannung entspricht und bei dem der Ausgang über einen Meßwiderstand mit dem einen Eingang verbunden ist.
Damit wird der lonenstrom mit einfachsten Schaltungsmitteln in eine als Meßsignal dienende Spannung umgewandelt, die anschließend einer Auswertung zugeführt wird.
Die einem solchen Differenzverstärker zugeführte Referenzspannung wird in einfachster Weise mit einer Konstantspannungsquelle erzeugt.
Weiterhin können bei Einsatz einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine die Meßstrecken der als lonenstromsonde dienenden Zündkerzen parallel geschaltet werden, so daß der Vorteil eines geringen Schaltungsaufwandes erhalten bleibt. Sollen dagegen die Meßstrecken der als lonenstromsonde dienenden Zündkerzen völlig unabhängig voneinander gemessen werden, können aber auch die Schaltungen mehrfach vorhanden sein, deren Ausgangssignale dann in geeigneter Form zeitlich gemultiplext werden.
Schließlich kann bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Parallelschaltung aus einem Dissipationswiderstand und wenigstens einer Zenerdiode in Reihe zur Sekundärwicklung geschaltet werden, um die Energie, die sich nach dem Abreißen des Zündfunkens noch in der Zündspule oder den Sekundärkapazitäten befindet, schnell zu dissipieren, damit ohne große Zeitverzögerung anschließend die lonenstrommessung durchführbar ist. In vorteilhafter Weise können vorzugsweise zwei antiseriell verbundene Zenerdioden anstelle nur einer einzigen Zenerdiode verwendet werden, um damit gegenüber der Verwendung nur einer einzigen Zenerdiode ein Ausschwingverhalten zu erzielen, dessen Dauer kürzer und außerdem symmetrisch ist.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Figur dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1
ein Schaltbild eines elektronischen Zündsystems gemäß der Erfindung und
Figur 2
einen Schaltungsausschnitt des Schaltbildes nach Figur 1 mit einem alternativen zweiten Ableitschaltungszweig A2.
Die Figur 1 zeigt eine Transistorzündanlage einer 4-Zylinder-Brennkaftmaschine mit jeweils einem Zylinder zugeordneten Zündendstufe, wobei jede Zündendstufe aus einer Zündspule Tr1, ..., Tr4, die eine Primärwicklung P1, ..., P4 und eine Sekundärwicklung S1, ..., S4 umfaßt, und einem mit der Primärwicklung P1, ..., P4 verbundenen Zündtransistor 1a, ...., 1d mit zugehöriger Zündkerze Zk1, ..., Zk4 aufgebaut ist. Die Primärwicklungen P1, ..., P4 sind mit ihrem einen Anschluß an eine von einer Bordbatterie gelieferten Bordnetzspannung UB von beispielsweise 12 V angeschlossen, während der andere Anschluß mit dem zugehörigen Zündtransistor 1a, ..., 1d verbunden ist.
Die Zündtransistoren 1a, ..., 1d werden über deren Steuerelektroden von einer Schaltung 2a zur Zylinderselektion angesteuert, die ihrerseits mit einer Regelschaltung 2 verbunden ist, die die entsprechenden Zündauslöseimpulse für die einzelnen Zylinder dieser Schaltung 2a zuführt.
Die Figur zeigt ferner ein Steuergerät 4, das die Funktion eines Motormanagements übernimmt und seinerseits die Regelschaltung 2 ansteuert. Hierzu werden dieser Steuereinheit 4 über einen Eingang E Motorparameter, wie Last, Drehzahl und Temperatur zugeführt. Entsprechende Aktuatoren werden über Ausgänge A gesteuert.
Die Sekundärwicklungen S1, ..., S4 sind jeweils mit ihrer Hochspannungsseite mit der zugehörigen Zündkerze Zk1, ..., Zk4 verbunden, während deren Niedrigpotentialseite über jeweils einen Dissipationswiderstand R3 in einem Schaltungsknoten S zusammengeführt sind.
Dieser Schaltungsknoten S ist auf den Eingang eines als nicht invertierenden Verstärkers geschalteten Differenzverstärkers 3 geführt, indem dieser Schaltungsknoten S an den invertierenden Eingang dieses Differenzverstärkers 3 angeschlossen ist. An den nichtinvertierenden Eingang dieses Differenzverstärkers 3 wird dagegen eine konstante Referenzspannung Uref, vorzugsweise 20 V angelegt, wobei diese konstante Referenzspannung von einer Konstantspannungsquelle 6 erzeugt wird. Diese konstante Referenzspannung Uref wird über diesen Differenzverstärker 3 mittels eines auf den invertierenden Eingang rückgekoppelten Meßwiderstandes R1 den Sekundärwicklungen S1, ..., S4 zugeführt und gelangt somit als Meßspannung Utest an die als lonenmeßstromstrecken arbeitenden Zündkerzen Zk1, ..., Zk4.
Um den während der Brenndauer aufgrund des Zündvorganges entstehenden Zündstrom abzuleiten, weist die Schaltung gemäß der Figur einen ersten und zweiten Ableitschaltungszweig A1 und A2 auf. Der erste Ableitschaltungszweig A1 verbindet den Schaltungsknoten S über eine Halbleiterdiode D2 mit dem Massepotential der Schaltung, während der zweite Ableitschaltungszweig A2 aus einer Serienschaltung eines Zündstromableitwiderstandes R2, einer weiteren Halbleiterdiode D1 und eines pnp-Transistors T besteht, wobei der Zündstrommeßwiderstand R2 mit dem Schaltungsknoten S verbunden ist und die Kollektorelektrode des Transistors T auf dem Massepotential der Schaltung liegt. Die Basiselektrode dieses Transistors T wird vom Ausgang des Differenzverstärkers 3 angesteuert.
Der erste Ableitschaltungszweig A1 dient dazu, im Augenblick eines Hochspannungsdurchbruches in einer der Zündkerzen Zk1,..., Zk4 entstehende negative Spannungsspitzen abzuleiten.
Der eigentliche Zündstrom wird über den zweiten Ableitungsschaltzweig A2 abgeleitet, der auch ohne den Transistor T aufgebaut werden kann, der lediglich zur Erhöhung der Strombelastbarkeit des Differenzverstärkers 3 dient. Wird auf einen solchen Transistor T verzichtet, ist die Kathode der Halbleiterdiode D1 direkt mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 3 verbunden, so daß der Ableitschaltungszweig A2 parallel zum lonenmeßwiderstand R1 geschaltet ist.
Im folgenden soll die Funktion der Schaltung gemäß der Figur 1 erläutert werden:
Die Generierung eines Zündimpulses durch die Regelschaltung 2 führt zur Ansteuerung des entsprechenden Zündtransistors 1a, ..., 1d. Der hierdurch erzeugte Zündfunken an der zugehörigen Zündkerze Zk1, ..., Zk4 führt zu einer bestimmten Brenndauer, die von einem Zündstrom begleitet wird. Dieser Zündstrom fließt über den niederohmigen Ableitschaltungszweig A2 zu einem Teil über den Differenzverstärker 3 und zu einem anderen Teil entsprechend dem eingestellten Arbeitspunkt des Transistors T auf Massepotential ab. Dieser Arbeitspunkt des Transistors T wird durch das Ausgangssignal Uion des Differenzverstärkers 3 bestimmt, das durch die Rückkopplung über den lonenmeßwiderstand R1 auf den invertierenden Eingang dessen Potential auf das Uref-Potential einregelt, das die Meßspannung für die nachfolgende lonenstrommessung darstellt. Damit wird durch den Einsatz eines solchen Transistors T eine überbelastung des Differenzverstärkers 3 durch den Zündstrom vermieden.
Während der Brenndauer zeigt das Ausgangssignal Uion des Differenzverstärkers 3 die Höhe des durch den Zündstrommeßwiderstand R2 fließenden Zündstromes an und kann daher als Meßsignal des Zündstromes nach Auswertung zur Lade- und Brenndauerregelung der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Der Wert des Zündstrommeßwiderstandes R2 wird so gewählt, daß dessen Spannungsabfall UR2 mit dem Wert R2 • Izünd im Bereich einiger Volt liegt. Ein solcher Wert für den Widerstand R2 wäre beispielweise 15 Ω. Am Ausgang des Differenzverstärkers 3 liegt dann eine Spannung Uion mit einem Wert von Uref - Izünd • R2 -UD1 -UBE an, wobei UD1 bzw. UBE die Diodenflußspannung bzw. die Basis-Emitterspannung darstellt.
Die Meßspannung für die Höhe des Zündstromes könnte auch am Emitter des Transistors T oder hochohmig an der Anode der Diode D1 abgegriffen werden. Die Toleranzen der Basis-Emitterspannung des Transistors T bzw. die Diodenflußspannung der Diode D1 würden dann nicht in die Messung eingehen. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Meßspannung für den Zündstrom ist mit der weiter unten erläuterten Figur 2 gegeben.
Nach dem Abreißen des Zündfunkes, also am Ende der Brenndauer, muß die noch in der entsprechenden Sekundärwicklung S1, ..., S4 oder in den Sekundärkapazitäten verbleibende Restenergie schnell abgebaut werden. Hierzu dient der schon erwähnte Dissipationswiderstand R3, dem zwei antiseriell verbundene Zenerdioden Z1 und Z2 parallel geschaltet sind.
Durch eine solche Parallelschaltung wird die Dauer des Ausschwingens nach dem Abreißen des Zündfunkens wesentlich verkürzt, so daß unmittelbar danach eine durch das Ausschwingverhalten nicht beeinträchtigte lonenstrommessung durchführbar ist.
Eine solche beschleunigte Energiedissipation ist besonders bei hohen Motordrehzahlen wichtig. Der Wert des Dissipationswiderstandes R3 wird vorzugsweise so gewählt, daß er dem Wert (Lsek/Csek)1/2 entspricht, wobei die Größen Lsek und Csek, die sekundärseitig wirksame Spuleninduktivität bzw. Spulen- und Streukapazitäten darstellen. Der Wert dieses Dissipationswiderstandes R2 wird üblicherweise im Bereich zwischen 10 kΩ und 100 kΩ liegen und bewirkt damit ein schnelles Dissipieren der Energie.
Die beiden Zenerdioden Z1 und Z2 sind zur Begrenzung des über dem Dissipationswiderstand R3 entstehenden Spannungsabfalles notwendig, was ansonsten eine erhebliche Verminderung der Zündenergie zur Folge hätte. So würde ein Zündstrom von beispielsweise 100 mA an einem Widerstand von beispielsweise 50 kΩ einen Spannungsabfall von 5000 V bewirken. Die Zenerspannungen der Zenerdioden Z1 und Z2 werden daher so gewählt, daß nur eine geringe Verminderung der Zündenergie eintritt, beispielsweise in Höhe von 50 V.
Anstelle der Verwendung von zwei Zenerdioden Z1 und Z2 ist es auch möglich, lediglich die Zenerdiode Z2 vorzusehen und auf die Zenerdiode Z1 zu verzichten. Damit würde allerdings das Ausschwingverhalten unsymmetrisch und die Ausschwingdauer etwas verlängert werden. Vorteilhaft wäre dagegen, daß der Spannungsverlust im Zündbetrieb kleiner als 1 V wäre.
Da in beidgenannten Fällen die Zenerdioden in Reihe zur Sekundärwicklung der Zündspulen Tr1,...Tr4 und zum lonenstrommeßwiderstand R1 liegen, haben deren Leckströme bei der nachfolgenden Ionenstrommessung keine negative Auswirkung.
Nach dem Abklingen des Zündstromes wird die als Meßspannung Utest dienende Referenzspannung Uref von dem invertierenden Differenzverstärker 3 an die Sekundärwicklungen S1, ..., S4 angelegt, die dann an der entsprechenden Zündkerze einen lonenstrom erzeugt.
Der invertierende Differenzverstärker 3 wandelt diesen lonenstrom in ein Spannungssignal Uion um, das nun als Meßsignal des lonenstroms der Auswerteeinheit 5 zugeführt wird, deren Auswerteergebnis anschließend an das Steuergerät 4 weitergeleitet wird. Die den Sekundärwicklungen S1, ..., S4 der Zündspulen Tr1, ..., Tr4 zugeführte Meßspannung Utest, die zwischen 5 und 30 V, vorzugsweise 20 V liegen kann, ist während der gesamten Ionenstrommeßdauer konstant. Da der lonenstrom im µA-Bereich liegt, wird ein Differenzverstärker 3 mit einem niedrigen Eingangsstrom verwendet, der heutzutage kostengünstig verfügbar ist. Durch die niederohmige Bereitstellung dieser Meßspannung Utest entfallen Umladungen von Streukapazitäten, wie sie in anderen bekannten Systemen bei Wechselstrombelastung, wie zum Beispiel bei klopfender Verbrennung, auftreten können. Dieser Vorteil macht sich besonders dann bemerkbar, wenn mehrere lonenmeßstrecken parallel betrieben werden, wie dies in der Figur dargestellt ist, da sich dann wirksame Streukapazitäten vervielfachen können.
Um den in den Differenzverstärker 3 fließenden Strom zu begrenzen, kann in der Zuleitung zu dessen invertierenden Eingang ein weiterer Widerstand (in der Figur nicht dargestellt) vorgesehen werden.
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des Schaltbildes nach Figur 1 mit dem als invertierenden Verstärker geschalteten Differenzverstärker 3 und den zugehörigen beiden Ableitschaltungszweigen A1 und A2.
Der Unterschied zu Figur 1 liegt in der Beschaltung des Zündstrommeßwiderstandes R2, der nun masseseitig, nämlich zwischen dem Kollektor des Transistors T und Massepotential angeordnet ist. Die zum Zündstrom proportionale Meßspannung UZünd liegt daher massebezogen vor, was für die Weiterverwendung dieses Meßsignals vorteilhaft ist.
Die zusätzliche Verwendung eines zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 3 und der Basis des Transistors T geschalteten Widerstandes R4 begrenzt den durch einen Basisstrom entstehenden Meßfehler auf kleine Werte.
Das lonenstromsignal kann dazu verwendet werden, um das Klopfen der Brennkraftmaschine zu detektieren und über eine Steuerung des Zündzeitpunktes eine entsprechende Klopfregelung aufzubauen.
Eine weitere Anwendung besteht darin, das lonenstromsignal sowohl zur Erkennung von Entflammungsaussetzern als auch zur Erkennung der Nockenwellenstellung zu verwenden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur lonenstrommessung ist nicht nur bei Transistorzündanlagen, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, einsetzbar, sondern gleichfalls bei Wechselstromzündungen oder Hochspannungskondensatorzündungen.

Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung zur lonenstrommessung im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine, bestehend aus:
    a) einer Zündspule (Tr1,...,Tr4) mit Primär- und Sekundärwicklung (P1,...,P4, S1,...,S4),
    b) einer mit der Sekundärwicklung (S1,...,S4) verbundenen Zündkerze (Zk1,...,Zk4), die gleichzeitig als lonenstromsonde dient,
    c) einen an die Niedrigpotentialseite der Sekundärwicklung (S1,...,S4) der Zündspule (Tr1,...,Tr4) angeschlossenen invertierenden Verstärker (3, R1) zur Erzeugung einer konstanten Meßspannung (UM) zur lonenstrommessung,
    gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
    d) zur Ableitung des während der Zündung der Zündkerze fließenden Zündstromes auf das Massepotential der Schaltungsanordnung ist
    d1) ein erster Ableitschaltungszweig (A1) mit einer Halbleiterdiode (D2) vorgesehen und
    d2) ein zweiter, parallel zum invertierenden Verstärker (3, R1) geschalteter Ableitschaltungszweig (A2) mit einer weiteren Halbleiterdiode (D1)
    vorgesehen.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ableitschaltungszweig (A2) einen in Reihe zur weiteren Halbleiterdiode (D1) geschalteten Zündstrommeßwiderstand (R2) aufweist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ableitschaltungszweig in (A2) über einen vom Ausgang des invertierenden Verstärkers (3, R1) steuerbaren Halbleiterschalter m, insbesondere eines Transistors mit dem Massepotential verbunden ist.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstrommeßwiderstand (R2) im Emitterzweig des Transistors (T) angeordnet ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstrommeßwiderstand (R2) im Kollektorzweig des Transistors (T) angeordnet ist.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker 3 als invertierender Verstärker vorgesehen ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Differenzverstärkers (3) mit der Niedrigpotentialseite der Sekundärwicklung (S1, ..., S4) der Zündspule (Tr1, ..., Tr4) verbunden ist und dem anderen Eingang eine Referenzspannung (Uref) zugeführt wird, deren Wert der Meßspannung (Utest) entspricht, und der Ausgang des Differenzverstärkers (3) über einen lonenstrommeßwiderstand (R1) mit dem einen Eingang verbunden ist.
  8. Schaltungsanoranung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Sekundärwicklung (S1...S4) eine Parallelschaltung aus einem Dissipationswiderstand (R3) und wenigstens einer Zenerdiode (Z1, Z2) geschaltet ist.
  9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Dissipationswiderstand (R2) zwei antiseriell geschaltete Zenerdioden (Z1, Z2) liegen.
  10. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 für eine Zündstrommessung, indem der an dem Zündstrommeßwiderstand (R2) auftretende Spannungsabfall als Meßsignal für die Höhe des Zündstromes dient.
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