Nachfolgend wird 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,

3a, 3b schematisch unterschiedliche Brennraumgeometrieen eines Kolbenzylinders am oberen bzw. am unteren Totpunkt,

4a, 4b in einem Leitwert-Winkel-Diagramm Funktionsverläufe des flächenspezifischer Leitwerte bzw. ein zum normierten Gesamtverlauf inverser Funktionsverlauf, und

5 schematisch ein Signalflußverlauf mit Funktionsbausteinen zur Bestimmung aktueller Verbrennungsregelgrößen anhand eines korrigierten Ionisationssignals.

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 dargestellte elektrische Prüfspannung P. Diese kann eine impulsartige Spannung in Form eines Spannungsimpulses oder ein zeitlich vergleichsweise lange andauerndes Spannungssignal. Während die Zündspannung des Zündimpulses Z zum Zeitpunkt t₀ etwa 15kV beträgt, liegt die Amplitude U₀ der rechteckförmigen Prüfspannung P zwischen 100V und 1000V. Diese Spannung oder Spannungsamplitude U₀ wird mittels des Impulsgenerators 7 vor einem Messwiderstand R_m während einer Impulsdauer t_2–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 der Prüfspannung oder des Prüfimpulses 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 die zwischen dem Impulsgenerator 7 und dem Messwiderstand R_m abgegriffene rechteckförmige Prüfspannungs 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 bzw. die Prüfspannung 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 der Prüfspannung P ist an den strichliniert angedeuteten elektrischen Widerstand R_I der innerhalb des Brennraums 2 gebildeten Ionisationsstrecke angepasst. Dabei ist die Spannungsamplitude U₀ der Prüfspannung 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 die Prüfspannung P gelegt.

Die Auswerteschaltung 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 Prüfspannung P zeitlich nacheinander an weitere vorhandene Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 gelegt.

Um bei der Auswertung des Ionisationssignals I_S die dessen Verlauf beeinflussende dynamische Änderung der Brennraumgeometrie zu berücksichtigen, erfolgt eine Korrektur des aktuell erfassten Ionsisationssignals I_S. Hierzu wird zunächst ein für den vorliegenden Brennraum 2 charakteristischer Werteverlauf ermittelt. Dieser charakterisiert oder beschreibt die für diesen Brennraum 2 spezifische Brennraumgeometrie und deren dynamische Änderung während des Motorbetriebs. Hierzu werden die erkanntermaßen bestehenden physikalischen Abhängigkeiten zur Auswertung der Luftzahl &lgr; einer Verbrennung mittels der vorbeschriebenen Ionisationsmessung genutzt.

So ergibt sich aus dem Mischungsverhältnis von Verbrennungsluft A zu Kraft- oder Brennstoff F und somit aus dem Luft-Brennstoff-Verhältnis A/F die Luftzahl &lgr; der Verbrennung. Aus dieser wiederum ergibt sich die zugehörige Verbrennungstemperatur, deren Proportionalität zur Ionisation des Gemischen A/F durch die Richardson-Gleichung mathematisch beschreibbar ist. Die Ionisation wiederum bestimmt den Leitwert L = R_I^–1 des Verbrennungsplasmas. Dieser Leitwert L lässt sich aus über die aktuelle Messspannung U_m aus dem Ionisationsstrom I_m und damit aus dem Ionisationssignal I_S nach der oben genannten Beziehung mathematischen bestimmten. Somit ist durch die Ionisationsmessung jeder der vorgenannten Verbrennungsgrößen, insbesondere auch die Luftzahl &lgr;, bestimmbar. Diese wiederum repräsentiert – je nach Abweichung vom Wert &lgr; = 1 – in Richtung zu niedrigeren Lambda-Werten ein überstöchiometrisches und in Richtung zu größeren Lambda-Werten ein unterstöchiometrisches Gemischverhältnis.

Einfluss hierauf hat jedoch auch die geometrische Anordnung der Elektroden für die Erzeugung des Zündimpulses Z im Brennraum 2. Bei deren Spannungsbeaufschlagung mit der Prüfspannung P und die zeitfolgerichtige Messung des Ionisationsationsstroms I_m kann der Leitwert L des Plasmas und damit die Ionisation quantifiziert werden. Zur Berücksichtung dieser geometrischen Anordnung der Elektroden und deren dynamische Änderung infolge der sich betriebsbedingt ändernden Brennraumgeometrie wird zur Bestimmung des Leitwertes L der ionisierten Verbrennungswolke im Brennraum 2 zusätzlich zur Messung des Ionisationsstroms I_M aus der Messung des Spannungsverlaufs der über den Messwiderstand R_m erfassten Messspannung U_M auch die Geometrie des Brennraums 2 zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls &Dgr;t = t₂ – t₁ einbezogen.

Mit Bezug auf die 3a und 3b kann hierzu als Anode beim Verbrennungsmotor 1 die Mittelelektrode Z_A der Zündkerze 4 verwendet werden. Als Kathode ist dann die gesamte Massefläche des Brennraums 2 anzusehen. Hierzu gehört auch der Kolben 3, dessen Abstand zur Anode Z_A sich zyklisch verändert. Dabei beeinflusst die Kolbenbewegung die Größe der als Kathode zur Verfügung stehenden Zylinder- oder Brennraumwand des Brennraums 2. Diese betriebsbedingte Änderung der Brennraumgeometrie und die sich daraus ergebenden Unterschiede für die Ionisationsmessung sind in den 3a und 3b verdeutlicht durch den oberen Totpunkt bzw. den unteren Totpunkt des Kolbens 3 innerhalb des Zylinders oder Brennraums 2.

Unter Berücksichtigung der Annahme, dass sich die ionisierten Gase im Brennraum 2 nach erfolgter Zündung gleichmäßig verteilen, ist der Stromfluss von der Anode Z_A zur durch die gesamte Massefläche des Brennraums 2 gebildeten Kathode sowohl vom Leitwert L der ionisierten Gase als auch vom Abstand der einzelnen von der Anode Z_A und der Kathode gebildeten Flächensegmente oder -elemente sowie von derer Größe dieser Flächenelemente abhängig. Zur Berechnung des Gesamtstromflusses können die Stromflüsse zu den einzelnen Flächenelementen überlagert werden. Diese wiederum können in ortsfeste und ortsveränderliche unterteilt werden. So sind die Anode Z_A und der Zylinderdeckel Z_D ortsfeste und sich im dynamischen Motorbetrieb in deren Größe nicht verändernde Flächenelemente. Demgegenüber ist der Kolbenboden Z_B ein ortsveränderliches Flächenelement, das sich jedoch in dessen Größe nicht verändert. Demgegenüber bilden die Zylinderwände Z_W sowohl ortsveränderliche als auch in deren Größe veränderliche Flächenelemente.

Die 4a zeigt die Abhängigkeit der Leitwerte L dieser einzelnen Flächenelemente F_Z, mit Z = Z_B, Z_D oder Z_W, vom Kurbelwinkel K_W der den Kolben 3 innerhalb des Zylinders oder Brennraums 2 zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt bewegenden Kolbenstange 17 (3). In der unteren Hälfte des Diagramms nach 4a dargestellt ist der Verlauf des Leitwertes L(Z_D) des Zylinderdeckel-Flächenelements Z_D vom Kurbelwinkel K_W. Dieser Verlauf ist konstant und spiegelt die Ortsfestigkeit sowie das in deren Größe unveränderte Zylinderdeckel-Flächenelement Z_D wider. Eine erhebliche periodische Abhängigkeit des Leitwertes L(Z_B) des durch den Kolbenboden repräsentierten, sowohl ortsveränderlichen als auch in der Größe veränderlichen Flächenelementes Z_B vom Kurbelwinkel K_W zeigt der mittlere Kurvenverlauf in der unteren Diagrammhälfte 4a. Demgegenüber ist die Abhängigkeit des Leitwertes L(Z_W) des die Zylinderwand repräsentierenden ortsveränderlichen, aber in dessen Größe nicht veränderlichen Flächenelementes Z_W vom Kurbelwellenwinkel K_W vergleichsweise gering. Dabei ist ein periodisch mit dem Kolbenwinkel K_W zu- und abnehmender Zylinderwand-Leitwert L(Z_W) erkennbar, während der Leitwert L(Z_B) des Kolbenboden-Flächenelementes Z_B periodisch mit zunehmendem Kolbenwinkel K_W zunächst abnimmt, um dann ab einem bestimmten Kolbenwinkel K_W wieder zuzunehmen.

Durch Summation dieser Kurvenverläufe ergibt sich der in der oberen Hälfte des Diagramms nach 4a dargestellte Gesamtleitwert L_G in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel K_W. Der als Summe der Einzelleitwerte L(F_Z) dargestellte und bei der Ionisationsmessung erfasste Gesamtleitwert L_G = L(K_W)·L_spez – mit dem spezifischen Leitwert L_spez des ionisierten Brenngases – weist eine Abhängigkeit F(K_W) vom Kurbelwellenwinkel K_W auf und bildet somit nicht ausschließlich den von der Luftzahl &lgr; abhängigen spezifischen Leitwert L_spez der Verbrennungsgase ab.

Diese Abhängigkeit L(K_W) des Gesamtleitwertes L_G vom Kurbelwellenwinkel K_W – und damit der sich zeitabhängig mit der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie verändernde Gesamtleitwert L_G – ist in 4b auf den Wert &lgr; = 1 normiert. Der zu diesem Funktionsverlauf des Gesamtleitwertes L_G inverse Funktionsverlauf bildet den zum für den spezifischen Brennraum 2 erfassten Werteverlauf L_G inversen Werteverlauf L'_G. Dieser wird zur Korrektur des aktuell erfassten Ionisationssignals I_S herangezogen, um den Einfluss der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Der Werteverlauf L_G und/oder der hierzu inverse Werteverlauf L'_G wird in einem Korrekturregister KR der Auswerteschaltung 11 hinterlegt (5).

Das Korrekturregister KR der Auswerteschaltung 11 gemäß 5 enthält nach Art einer Funktionsmatrix eine Vielzahl von brennraumspezifischen Werteverläufen L_Gn, L'_Gn,. Diese charakterisieren die unterschiedlichen Brennraumgeometrien F_Z der verschiedenen Brennräume 2. Die Bestimmung der oder jeder Verbrennungsgröße des in den einzelnen Brennräumen 2 stattfindenden Verbrennungsvorgangs erfolgt dann nah dem in 5 dargestellten Signalfluss.

Durch Anlegen der Prüfspannung P an die Zündkerze 4 fließt nach erfolgter Zündung, d.h. zeitlich versetzt zum Zündimpuls Z der das Ionisationssignal I_S charakterisierende Ionisationsstrom Im zwischen der Anode Z_A und der anhand der

3a und 3b beschriebenen Brennraummasse. In einem Funktionsbaustein IO wird das zum Ionisationsstrom I_m proportionale elektrische Ionisationssignal I_S generiert. Parallel hierzu wird der Kurbelwinkel K_W erfasst und davon abhängig ein im Korrekturregister KR als Korrekturfunktion hinterlegter Werteverlauf L'_Gn zur Berücksichtigung der dynamischen Änderung der Brennraumgeometrie abgerufen.

In einem Funktions- oder Verrechnungsbaustein VG wird das aktuelle Ionisationssignal I_S zeit- oder winkelsynchronen mit dem Korrektursignal oder Werteverlauf L'_Gn verrechnet und somit das aktuelle Ionisationssignal I_S korrigiert. Im Verrechnungsbaustein VG erfolgt die Berechnung des korrigierten Ionisationssignals I'_S gemäß der Beziehung I'_S = I_S·L'_Gn, wobei n = 1,..., m und m die Anzahl der Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 ist.

Das bezüglich der Einflüsse der Veränderung der Brennraumgeometrie korrigierte Ionisationssignal I'_S wird anschließend im Hinblick auf die gewünschten Verbrennungsgrößen in einem Funktions- oder Auswertebaustein AW ausgewertet. Dieser liefert die für die Verbrennungsregelung erforderlichen Stellgrößen S_n.