Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Phase eines 4-Takt-Ottomotors.
Bei Motoren, deren Einspritzventile elektronisch durch eine ECU (electronic control unit) gesteuert werden, ist es notwendig, die Phasenlage beim Start des Verbrennungsmotors zu bestimmen. Da sich ein Verbrennungszyklus über zwei 360°-Umdrehungen der Kurbelwelle erstreckt, wird erst durch die Phasenlage festgelegt, ob sich der Kolben bei der Aufwärtsbewegung im Verdichtungstakt oder im Ausstoßtakt befindet.
Hierzu sind verschiedene Systeme bekannt. Zum einen kann auf der Nockenwelle ein zusätzliches Geberrad vorgesehen sein oder eine Auslauferkennung vorgenommen werden. Derartige Systeme erfordern aufwendige zusätzliche Mittel.
Bei Motoren mit Saugrohreinspritzung kann weiterhin eine Bestimmung der Phase in einem sogenannten Doppelzündungsverfahren durch Brennstoffeinspritzung und Zündung in den aufeinanderfolgenden oberen Totpunkten erfolgen.
Jede zweite Zündung findet hierbei ein zündfähiges Brennstoffgemisch vor. Je nach Phasenlage erfolgt die Einspritzung als Vorlagerung vor das geschlossene Einlaßventil oder bei offenem Einlaßventil im Ansaugtakt. Bei Motoren mit Saugrohreinspritzung wird jedoch niemals unverbranntes Gemisch in den Katalysator geschoben. Nach erfolgtem Motorstart kann anschließend mit anderen OT-Erkennungsverfahren auf die Einzelzündung im Z-OT umgeschaltet werden.
Ein derartiges Doppelzündungsverfahren mit Zündung und Einspritzung bei jeder Kurbelwellenumdrehung kann jedoch nicht bei einem Motor mit Benzin-Direkt-Einspritzung (BDE) vorgenommen werden, da bei diesen Motoren die Einspritzung genau in dem Ansaugtakt oder dem Anfangsbereich des Verdichtungstaktes erfolgen muß, eine Einspritzung im Ausstoßtakt hingegen nicht erlaubt ist, da ansonsten unverbrannter Brennstoff in den Katalysator ausgeschoben werden kann.
Die
Das Verfahren und die Vorrichtung der
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 bieten demgegenüber den Vorteil, daß sie mit relativ geringem Aufwand verwirklicht werden können, eine genaue Erkennung der Phase ermöglichen und insbesondere auch bei einem Benzin-Direkt-Einspritzungs-Motor verwendet werden können. Hierbei kann vorteilhafterweise im Anschluß an die Phasenerkennung bei sich bereits drehender Kurbelwelle der Motor durch phasenrichtige Einspritzung und Zündung gestartet werden.
Erfindungsgemäß wird somit - anders als bei den oben genannten Doppelzündungsverfahren - der Motor mit Zündung und ohne Einspritzung gedreht. Anders als in der
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Unterscheidung des Z-OT von dem LW-OT auch bei Durchführung einer Zündung in beiden oberen Totpunkten möglich ist, da das Zündverhalten in beiden Stellungen unterschiedlich ist. Im Z-OT ist aufgrund des hohen Druckes die Zündspannung hoch und die Brenndauer kurz; im LW-OT ist hingegen die Zündspannung klein und die Brenndauer lang. Eine Unterscheidung zwischen den beiden Stellungen kann somit bei erfolgten Zündungen durch einen Vergleich der Brenndauern, des Zündstroms oder der an der Zündkerze anliegenden Zündspannung erfolgen..
Gemäß einer Ausführungsform kann der Sekundärstrom gemessen werden, z. B. als Spannungsabfall über einen mit der Sekundärwicklung der Zündspule und der Zündkerze in Reihe geschalteten Meßwiderstandes gegenüber Masse. In diesem Fall wird die Meßeinrichtung auf einfache Weise durch den Meßwiderstand im Sekundärstromkreis gebildet. Die am Meßwiderstand abfallende Spannung wird als Meßsignal von einer Auswerteeinrichtung aufgenommen.
Eine Messung im Primärstromkreis kann insbesondere über die an den Primärwicklungsklemmen der Zündspule abgenommene Primärspannung erfolgen. Als Meßeinrichtung kann in diesem Fall eine geeignete Meßschaltung mit einem Operationsverstärker oder Komparator dienen, wobei die Primärspannung z. B. über eine Spannungsteilerschaltung einem Eingang des Operationsverstärkers zum Vergleich mit einer Referenzspannung am anderen Eingang des Operationsverstärkers zugeführt werden kann. Der Operationsverstärker gibt wiederum ein Meßsignal an eine Auswerteeinrichtung ab.
Die Auswerteeinrichtung kann in beiden Ausführungsformen vorteilhafterweise zusätzlich zu dem jeweiligen Meßsignal das Ansteuersignal des Zündtransistors aufnehmen, um für die Auswertung des Meßsignals den Zündzeitpunkt bestimmen zu können.
Die Auswerteeinrichtung gibt ein Brenndauersignal an eine Vergleichseinrichtung aus, die die Brenndauersignale miteinander oder mit vorgespeicherten Werten vergleicht und hierbei eine kürzere Brenndauer der Zündung im Z-OT zuordnet.
Die erfindungsgemäße Phasenerkennung kann an einem oder mehreren Kolben gleichzeitig durchgeführt werden. Nach erfolgter Phasenerkennung kann die Drehung der Kurbelwelle bereits für den Startvorgang ausgenutzt werden, indem phasenrichtig im nächsten Z-OT Einspritzung und Zündung erfolgen.
Erfindungsgemäß sind somit - anders als bei z. B. Phasenerkennungen über Auslauferkennung oder ein zusätzliches Geberrad auf der Nockenwelle - keine zusätzlichen Sensoren, sondern lediglich ein relativ geringer Schaltungsaufwand erforderlich. Hierdurch wird ein Motorstart auch mit defektem Phasengeber möglich. Die Erfindung kann vorteilhafterweise insbesondere bei Benzin-Direkt-Einspritzungs-Motoren verwendet werden, da während der Phasenerkennung eine Einspritzung ganz vermieden wird und somit kein Brennstoff zum Katalysator gelangen kann. Sie kann weiterhin auch bei Motoren mit Saugrohr-Einspritzung angewendet werden; eine derartige Verwendung ist insbesondere bei Saugrohr-Einspritz-Motoren vorteilhaft, bei denen das herkömmlich verwendete Doppelzündungsverfahren unter Zündung und Einspritzung bei jedem oberen Totpunkt problematisch ist.
Die erfindungsgemäß verwendete Meßeinrichtung und Auswerteeinrichtung kann integriert ausgebildet werden. Insbesondere bei einer Messung der an der Primärwicklung induzierten Primärspannung liegt keine weitere Beeinflussung des Primär- und Sekundärstromkreises vor, so daß eine kostengünstige Lösung mit sicherer Phasenerkennung ohne weitere Beeinflussung des Zündvorganges möglich ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Gemäß Fig. 1 ist in einem Primärstromkreis 4 zwischen einem Batterieanschluß der Bordspannung UB und Masse eine Primärwicklung einer Zündspule 2 und ein Zündtransistor 3 vorgesehen. Der Zündtransistor 3 wird von einem Ansteuersignal a angesteuert und läßt in seinem niederohmigen Zustand - bei hohem Spannungspegel des Ansteuersignals a - einen Primärstrom in dem Primärstromkreis 4 zu, durch den in der Zündspule 2 ein Magnetfeld aufgebaut wird. Beim nachfolgenden Sperren des Zündtransistors 3 in seinem hochohmigen Zustand - bei niedrigem Spannungspegel des Ansteuersignals a - induziert das zusammenbrechende Magnetfeld der Zündspule 2 in deren Sekundärwicklung einen Spannungsstoß, der zu einer Funkenentladung an einer Zündkerze 8 führt. Hierbei fällt an dem in Reihe geschalteten Meßwiderstand RM entsprechend dem jeweiligen Sekundärstrom eine Spannung U2 gegenüber dem auf Masse gelegten Anschluß der Zündspule 8 ab.
Erfindungsgemäß ist die gezeigte Zündanlage mit Zündspule 2, Bordspannung UB und Ansteuersignal a so gewählt, daß die in der Zündspule 2 gespeicherte Zündenergie vor dem Ausschalten des Primärstroms für eine Zündung eines Gases sowohl im Ladungswechsel-Oberen-Totpunkt (LW-OT) als auch im Zündungs-Oberen-Totpunkt (Z-OT) für den Aufbau einer hinreichend hohen Zündspannung an der Zündkerze 8 ausreicht.
Die am Kollektor des Zündtransistors 3 bzw. dem entsprechenden Anschluß der Primärwicklung der Zündspule 2 anliegende Spannung U1 wird von einer Spannungsteilerschaltung mit Widerständen R1, R2 abgenommen. Ein Eingang eines Operationsverstärkers 12 oder Komparators ist mit der Spannungsteilerschaltung zwischen den Widerständen R1 und R2 verbunden und nimmt somit eine Primärvergleichsspannung UR1 = R1/(R1 + R2)U1 auf. Zur Spannungsbegrenzung kann die gezeigte Zener-Diode ZD parallel zu R1 geschaltet sein. Hierbei werden die Widerstände R1, R2 derartig hoch gewählt, daß sie den Primärstrom nicht nennenswert beeinflussen und insbesondere im hochohmigen Zustand des Zündtransistors 3 kein nennenswerter, für das magnetische Feld der Zündspule 2 relevanter Primärstrom durch sie fließt. Indem nicht U1, sondern die Primärvergleichsspannung UR1 dem Operationsverstärker 12 zugeführt wird, liegt zum Zündzeitpunkt anstelle des hohen Spannungswertes von U1 ein begrenzter Spannungswert an. Hierbei kann z. B. R2 = 100 kOhm und R1 = 11 kOhm gewählt werden, so daß durch R2 ein Strom von ca. 2 mA fließt, die Brennspannung von U1 zwischen 20 V und 40 V und die Brennspannung von UR1 zwischen 2 V und 4 V liegt.
Der andere Eingang des Operationsverstärkers 12 ist über eine zweite Spannungsteilerschaltung 13 bzw. eine andere geeignete Einrichtung zur Einstellung einer Referenzspannung URef an die Bordspannung UB angeschlossen. Durch Verwendung der Spannungsteilerschaltung 13 wird eine von der Bordspannung UB abhängige Referenzspannung URef erzeugt, so daß eine vorteilhafte automatische Anpassung an Änderungen von UB (z. B. bei Betätigung des Anlassers) erfolgt. In Abhängigkeit von U1 liefert der Operationsverstärker 12 ein hohes oder niedriges Ausgangssignal. Hierbei sind URef und R1, R2 so gewählt, daß eine durch den Sekundärstrom bei einer Zündung induzierte Primärspannung erfaßt und von einem zündstromfreien Zustand unterscheiden werden kann. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 wird einer ersten Auswerteeinrichtung 16 zugeführt, die weiterhin das Ansteuersignal a aufnimmt und ein Brenndauersignal t-BR1 ausgibt.
Die von der ersten Auswerteeinrichtung 16 und zweiten Auswerteeinrichtung 18 ausgegebenen Brenndauersignale können anschließend mit entsprechenden Signalen der beim nachfolgenden oberen Totpunkt erfolgten Messung in einer nicht gezeigten Vergleichseinrichtung verglichen werden.
Erfindungsgemäß kann alternativ die erste Meßeinrichtung im Primärstromkreis oder die zweite Meßeinrichtung im Sekundärstromkreis verwendet werden; es ist jedoch grundsätzlich auch die Verwendung beider Meß- und Auswerteeinrichtungen möglich.
Bei den Zündungen in den um 360° versetzten oberen Totpunkten wird jeweils das gleiche Ansteuersignal a an den Zündtransistor ausgegeben, so daß dem Magnetfeld der Zündspule 2 die gleiche Zündenergie zugeführt wird. Nach dem Paschengesetz erfolgt nach der Zündung jedoch ein unterschiedliches Brennverhalten bei dem Z-OT mit komprimiertem Gas hohen Druckes zwischen den Elektroden der Zündkerze 8 und dem LW-OT mit Gas niedrigen Druckes zwischen den Elektroden der Zündkerze 8, so daß sich unterschiedliche Verläufe der Spannungen UR1 und U2 ergeben, wie aus Fig. 2a, b ersichtlich ist:
Bei Messung und Auswertung am Primärstromkreis 4 der Zündspule 2 wird in beiden Stellungen der Kurbelwelle vor der Zündung - d. h. bei niederohmigem Zustand des Zündtransistors 3 - zunächst ein niedriger Spannungswert U1 und somit auch UR1 vorliegen. Die anschließender Zündung mit einem Zündspannungsstoß SP erfolgt beim Ladungswechsel-OT bei einer niedrigeren Zündspannung, wodurch die Spannung U1 im Primärstromkreis einen niedrigeren Wert einnimmt und somit auch UR1 gemäß der Kurve LW einen niedrigeren Wert einnimmt als beim Zündungs-OT gemäß der Kurve Z. Der jeweilige Brennvorgang erfolgt mit unterschiedlichen Brenndauern t-BR-Z-OT und t-BR-LW-OT. Die jeweils gemessene Spannung UR1 ist proportional zu der aus dem sich abbauenden Magnetfeld der Zündspule 2 induzierten Spannung U1. Im Zündungs-OT baut sich das Magnetfeld der Zündspule 2 mit einem größeren Sekundärstrom im Sekundärstromkreis 6 schneller ab, so daß eine größere Spannung U1 im Primärstromkreis mit kürzerer zeitlicher Erstreckung induziert wird. Im Ladungswechsel-OT der Kurve LW baut sich das Magnetfeld der Zündspule 2 langsamer ab unter Bildung eines geringeren Sekundärstroms, so daß die im Primärstromkreis induzierte Spannung U1 und folglich auch UR1 geringer ist und sich über die längere Brenndauer t-Br-LW-OT erstreckt. Eine Referenzspannung URef1 liegt zwischen dem Wert von UR1 während der längeren Brenndauer t-Br-LW-OT und einem Ruhewert UN nach den Brenndauern t-Br-Z-OT und t-Br-LW-OT. Durch einen Vergleich von UR1 mit der Referenzspannung URef1 in dem Operationsverstärker 12 kann somit die Brenndauer ermittelt werden, wobei das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 oder Komparators nach der jeweiligen Brenndauer den Wert ändert. Dieses Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 wird an die Auswerteeinrichtung 16 ausgegeben, die weiterhin das Ansteuersignal a zur Festlegung des Zündzeitpunktes aufnimmt und ein Brenndauersignal t-BR1 ausgibt.
Bei hierzu alternativer Verwendung der zweiten Meß- und Auswerteeinrichtung wird gemäß Kurve 2b eine dem induzierten Sekundärstrom proportionale Spannung U2 direkt von der zweiten Auswerteeinrichtung 18 aufgenommen. Die in Fig. 2b gezeigten Meßkurven Z des Zündungs-OT und LW des Ladungswechsel-OT sind hierbei nicht unbedingt streng linear. Der in der Sekundärwicklung der Zündspule 2 induzierte Sekundärstrom fällt von einem hohen Anfangswert innerhalb der Brenndauer t-BR-Z-OT relativ schnell auf Null ab. Der beim Ladungswechsel-OT induzierte Sekundärstrom fällt von einem kleineren Wert über die längere Brenndauer t-BR-LW-OT auf Null ab. Diese Meßkurven können z. B. unterschieden werden, indem die gezeigten Spannungen U2 mit der gestrichelt eingezeichneten Referenzspannung URef2 in z. B. einem Operationsverstärker oder Komparator der Auswerteeinrichtung 18 verglichen wird. Hierbei ist URef2 hinreichend niedrig anzusetzen, um einen deutlichen Unterschied der Meßkurven zu erhalten.
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