Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch ein Schaltbild zur Erzeugung und Auswertung eines Ionisationssignals,

2 in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Verlauf des Ionisationssignals infolge eines Prüf- oder Spannungsimpulses während eines den Arbeitstakt eines Verbrennungsmotors charakterisierenden Verbrennungsvorgangs,

3 in einem Diagramm gemäß 1 unterschiedliche Kurvenverläufe von Ionisationssignalen bei verschieden hohen Abgasrezirkulationsraten, und

4 in einem Diagramm gemäß 2 einen aktuellen Ionisationsverlauf und einen zugehörigen Referenzverlauf.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß 1 weist ein Verbrennungsmotor 1 mindestens einen nachfolgend als Brennraum 2 bezeichneten Zylinder mit darin beweglichem Kolben 3 und mit einer Zündkerze 4 auf. Eine Zündspuleneinheit 5 mit einer Primärwicklung 5a und einer Sekundärwicklung 5b wird primärseitig von einem Unterbrecherkontakt 6 geschaltet. Während einer nachfolgend als Verbrennungsvorgang bezeichneten Verbrennungsphase wird an der Zündkerze 4 zunächst von der Zündspuleneinheit 5 ein Zündimpuls Z und diesem gegenüber zeitverzögert von einem Impulsgenerator 7 ein Prüf- oder Spannungsimpuls P erzeugt.

2 zeigt in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Zündimpuls Z und den zeitlich diesem nachfolgenden, vorzugsweise rechteckförmigen, strichliniert dargestellten Spannungsimpuls P. Während die Zündspannung des Zündimpulses Z zum Zeitpunkt t₀ etwa 15kV beträgt, liegt die Amplitude U₀ des rechteckförmigen Spannungsimpulses P zwischen 100V und 1000V. Diese Spannung oder Spannungsamplitude U₀ wird mittels des Impulsgenerators 7 vor einem Messwiderstand R_m während einer Impulsdauer t₂ – t₁ = &Dgr;t auf einem konstanten Wert von vorzugsweise U₀ = 600 V gehalten.

Der dem Impulsgenerator 7 nachgeschaltete Messwiderstand R_m ist über eine Messleitung 8 an eine Kontaktstelle 9 mit einer zur Zündkerze 4 führenden Zündleitung 10 geführt. Infolge der während der Verbrennung der Brenngase im Brennraum 2 auftretenden Ionisation fließt über den Messwiderstand R_m ein Ionisationsstrom I_m, der nach dem Ohm'schen Gesetz zu einem entsprechenden Spannungsabfall am Messwiderstand R_m führt (U_m = R_m·I_m). Die in Stromflussrichtung hinter dem Messwiderstand R_m abgreifbare Messspannung-U_m, deren in 2 gezeigter Verlauf nachfolgend als Ionisationssignals I_s bezeichnet wird, ist proportional zum Ionisationsstrom I_m. Der sich abhängig von der jeweiligen Zusammensetzung des Luft-Brennstoff-Gemisches (A/F) im Brennraum 2 über die Dauer des Spannungsimpulses P im Zeitintervall &Dgr;t ergebende zeitabhängige Verlauf der Messspannung U_m wird über den Messwiderstand R_m in einer Auswerteschaltung 11 erfasst. Gleichzeitig ist der zwischen dem Impulsgenerator 7 und dem Messwiderstand R_m abgegriffene rechteckförmige Spannungsimpuls P ebenfalls an die Auswerteschaltung 11 geführt.

Zur Erfassung des Zündzeitpunkts t₀ ist der Impulsgenerator 7 über eine Signalleitung 12 an den Unterbrecherkontakt 6 oder an die Zündspuleneinheit 5 geführt. Zur Entkopplung der Sekundärwicklung 5b der Zündspuleneinheit 5 vom Spannungsimpuls P sind in die die Sekundärwicklung 5b mit der Zündkerze 4 verbindende Zündleitung 10 im Ausführungsbeispiel zwei spannungsabhängige Widerstände R_S geschaltet. Dadurch ist gewährleistet, dass einerseits der Zündimpuls Z an die Zündkerze 4 und andererseits der Prüfimpuls P zeitlich nach dem Zündimpuls Z zur Zündkerze 4 gelangt. Die Auswerteschaltung 11 erhält zudem einen elektrischen Sollwert S_L. Dieser entspricht einem für den Motorbetrieb gewünschten Lambda-Sollwert mit &lgr; = 0,8 bis &lgr; = 1,3, beispielsweise &lgr; = 1.

Die Spannungshöhe oder -amplitude U₀ des Spannungsimpulses P ist an den strichliniert angedeuteten elektrischen Widerstand R_I der innerhalb des Brennraums 2 gebildeten Ionisationsstrecke angepasst. Dabei ist die Spannungsamplitude U₀ des Spannungsimpulses P derart gewählt, dass in allen Motor- oder Betriebszuständen eine Messung des Ionisationsstroms I_m bzw. der Ionisationsspannung U_m und damit des Ionisationssignals I_S im linearen Bereich des sich aus der Strom-Spannungs-Abhängigkeit ergebenden Funktionsverlaufs erfolgt.

Der sich durch diese Ionisationsmessung ergebende zeitliche Verlauf des Ionisationssignals I_S ist in 2 für einen Lambda-Wert von &lgr; ≅ 1 gezeigt. Der zugehörige Ionisationsstrom I_m ergibt sich dann gemäß der Beziehung I_m = U_m·L, wobei L der dem reziproken elektrischen Widerstand R_I entsprechende Leitwert des ionisierten Brenngases ist (L = R_I^–1).

Bei einer aktuellen Ionisationsmessung während des Zeitintervalls &Dgr;t ergibt sich dieser funktionale Zusammenhang aus dem von der Auswerteschaltung 11 erfassten zeitlichen Verlauf des am Messwiderstand R_m bewirkten Spannungsabfall infolge des über die Ionisationsstrecke fließenden Ionisationsstroms I_m. Die Ionisationsstrecke ist dabei durch die Reihenschaltung aus dem Messwiderstand R_m und der Zündkerze 4 sowie dem elektrischen Widerstand R_I des im Brennraum 2 ionisierten Brennstoffs gebildet. An diese Ionisationsstrecke ist der Spannungsimpuls P gelegt.

Die Auswerteschaltung oder -einrichtung 11 vergleicht den jeweiligen Ist-Wert des Ionisationsssignals I_S mit dem voreingestellten elektrischen Sollwert S_L und berechnet für den folgenden Zündvorgang eine Anzahl von Stellgrößen S_1...n. Beispielsweise wird eine Stellgröße S₁ für eine die Zufuhr von Luft A in den Brennraum 2 einstellende Drosselklappe 13, eine Stellgröße S₂ für ein die Zufuhr von Brennstoff F in den Brennraum 2 einstellendes Einspritzsystem 14 und/oder eine weitere Stellgröße S₃ ermittelt, die über eine Signalleitung 15 zur Verstellung des Zündzeitpunkts an den Unterbrecherkontakt 6 geführt ist. Mittels eines Zündverteilers 16 werden die Zündimpulse Z und die Spannungsimpulse P zeitlich nacheinander an weitere vorhandene Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 gelegt.

3 veranschaulicht die Abhängigkeit des Verlaufs des Ionisationssignals I_S vom Vorhandensein einer Abgasrezirkulation (AGR). Dabei repräsentiert der zeitliche Verlauf des Ionisationssignals I_S einen ungestörten Verbrennungszyklus ohne Abgasrezirkulation. Das Ionisationssignal I_Sm repräsentiert den zeitlichen Verlauf bei einer mittleren Abgasrezirkulationsrate, während das Ionisationssignal I_Sh den typischen Verlauf bei einer hohen Abgasrezirkulationrate darstellt. Erkennbar ist, dass sich mit steigender Abgasrezirkulation der zeitliche Verlauf der Ionisationssignale I_S dergestalt verändert, dass am Ende eines Verbrennungszyklus, d. h. zum Zeitpunkt t_e nach Ablauf der Verbrennungsdauer eine mit steigender Abgasrückführungsrate zunehmende Restionisation meßbar ist, die auch schwanken kann. Die gestrichelten Linien in 3 stellen Mittelwerte M_S = M_R, M_Sm und M_Sh der typischen Ionisationsverläufe I_S, I_Sm bzw. I_Sh dar.

Zur Bestimmung der Abgasrezirkulationsrate im jeweils betrachteten Brennraum 2 ist in 4 beispielhaft der eine vergleichsweise hohe Abgasrezirkulation repräsentierende Verlauf des Ionisationssignals I_Sh herangezogen. Dieses Ionisationssignal I_Sh ist der aktuelle Verlauf der zunächst während der Verbrennung zyklisch gemessenen Ionisation über die Verbrennungsdauer t. Anschließend wird der Maximalwert U_m der Ionisation bzw. des Ionisationssignals I_Sh detektiert. Durch diesen Maximalwert U_m wird eine Referenzkurve I_R gelegt, deren Verlauf dem zweckmäßigerweise idealisierten Ionisationssignal I_S ohne Abgasrezirkulation entspricht oder diesem angenähert ist.

Ab dem Zeitpunkt t₁, ab dem der nachfolgend aktuell gemessene Ionisationswert U_a des Ionisationssignals I_Sh größer ist als der Referenzwert U_R des Referenzverlaufs I_R, wird der Flächeninhalt b im Zeitintervall dt = t_n – t_n–1 durch Bildung der Differenz zwischen dem Flächeninhalt oder Flächenanteil unter dem Kurvenverlauf des Ionisationssignals I_Sh und dem Flächeninhalt bzw. Flächenanteil unter der Kurve des Referenzverlaufs I_R ermittelt. Dabei gilt als Voraussetzung oder Einschränkung, dass der Wert U_a des Ionisationssignals I_Sh größer ist als der Wert U_R des Referenzverlaufs I_R zu demselben Zeitpunkt t₀ (U_a(t_n) > U_R(t_n)).

Die auf diese Weise ermittelten Flächenanteile b innerhalb folgender Zeitintervalle dt = t_n+1 – t_n werden zum Flächeninhalt B zwischen dem Kurvenverlauf des gemessenen Ionisationssignals I_Sh und dem Referenzverlauf I_R aufsummiert. Anschließend werden der Flächeninhalt A unter der Referenzkurve oder dem Reverenzverlauf I_R und der ermittelte Flächeninhalt B zwischen dem Verlauf des gemessenen Ionisationssignals I_Sh und dem Reverenzverlauf I_R zueinander ins Verhältnis gesetzt. Mit steigender Abgasrezirkulationsrate erhöht oder vergrößert sich der Flächeninhalt oder Flächenanteil B im Vergleich zum Flächeninhalt bzw. Flächenanteil A. Das Verhältnis der Flächeninhalte oder -anteile A/B ist somit ein Maß für die Abgasrezirkulationsrate in diesem Brennraum 2.

Der Anstieg des Flächenanteils B mit steigender Abgasrezirkulationsrate wird deutlich bei Betrachtung der unterschiedlichen Verläufe des Ionisationssignals I_Sm bei mittlerer Abgasrezirkulation im Vergleich zum Ionisationssignal I_Sh einer hohen Abgasrezirkulation. Erkennbar ist hierbei, dass der Flächeninhalt zwischen dem Verlauf des Ionisationssignals I_s ohne Abgasrezirkulation und dem Verlauf des Ionisationssignals I_Sm kleiner ist als der Flächeninhalt zwischen dem Verlauf des Ionisationssignals I_S und dem Verlauf des Ionisationssignals I_Sh mit hoher Abgasrezirkulation.

Der Vergleich der Kurvenverläufe des aktuell gemessenen Ionisationssignals I_Sh oder I_Sm mit dem Referenzverlauf I_R unter Berücksichtigung des jeweils gleichen Maximalwertes U_m erfolgt zweckmäßigerweise in der Auswerteschaltung oder Auswerteeinrichtung 11. Diese weist hierzu vorzugsweise einen entsprechenden Prozessor oder &mgr;-Controller auf, der die beschriebenen Kurvenvergleiche, Auswertungen und Berechnungen nach einem entsprechenden Algorithmus ausführt.

Um den hierfür erforderlichen Rechen- und Speicheraufwand zu verringern, kann auch ein alternatives Verfahren durchgeführt werden. Hierzu wird zunächst wiederum der aktuelle Verlauf des Ionisationssignals I_Sh oder I_Sm bei einer Abgasrezirkulation gemessen. Auch wird wiederum der Maximalwert U_m dieses Signals I_Sh bzw. I_Sm ermittelt. Zudem wird der Zeitpunkt t_m dieses Maximalwertes U_m erfasst. Ab diesem Zeitpunkt t_m wird der Mittelwert M_Sh bzw. M_Sm ermittelt.

Wie aus 3 ersichtlich ist, verschiebt sich dieser Mittelwert M_S, M_Sm, M_Sh mit zunehmender Abgasrezirkulationsrate hin zu höheren Werten. So ist der Mittelwert Ms des Ionisationssignals I_S ohne Abgasrezirkulation – oder auch der Mittelwert M_R eines entsprechenden Referenzsignals I_R – kleiner als der Mittelwert M_Sm einer mittleren Abgasrezirkulationsrate. Dieser Mittelwert M_Sm ist wiederum kleiner als der Mittelwert M_Sh eines aktuell gemessenen Ionisationssignals I_Sh bei vergleichsweiser hoher Abgasrezirkulation. Das Verhältnis M_Sm/U_m oder M_Sh/U_m dieses Mittelwertes M_Sm bzw. M_Sh zum jeweiligen Maximalwert U_m ist wiederum ein Maß für die Abgasrezirkulationsrate.