DE10127362C2 - Zündanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für eine Brennkraftma­ schine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei nicht-selbstzündenden Brennkraftmaschinen erfolgt die Zündung des Kraftstoffgemischs in den Brennräumen der Brenn­ kraftmaschine üblicherweise durch eine Zündkerze, über die sich eine Zündspule entlädt.

Wichtig ist hierbei, dass vor dem Zündvorgang eine hinrei­ chend große Energiemenge in der Zündspule gespeichert ist, um einen Zündfunken auslösen zu können, was einen entsprechend großen elektrischen Strom durch die Zündspule voraussetzt.

Andererseits sollte die in der Zündspule gespeicherte elekt­ rische Energie auch nicht zu groß sein, da dies zu einer er­ höhten thermischen Belastung von Zündspule und Zündendstufe führt und darüber hinaus den Verschleiß der Zündkerze erhöht.

Vor jedem Zündvorgang sollte also die in der Zündspule ge­ speicherte elektrische Energie innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen, um bei minimaler thermischer Belastung von Zündspule und Zündendstufe und möglichst geringem Verschleiß der Zündkerze eine sichere Auslösung eines Zündfunkens zu er­ möglichen.

Es sind deshalb Zündendstufen basierend auf Darlington- Transistoren bekannt, die eine Strombegrenzung ermöglichen, wodurch die Energie in der Zündspule begrenzt wird.

Nachteilig an derartigen strombegrenzenden Zündendstufen ist jedoch die Tatsache, dass aufgrund der Strombegrenzung in der Zündendstufe eine große Verlustleistung umgesetzt wird.

Aus DE 43 31 994 A1 ist eine Zündanlage bekannt, bei der die Zündendstufe über eine bidirektionale Steuerleitung angesteu­ ert wird, wobei die Zündendstufe den aktuellen Wert des Zünd­ spulenstroms über die bidirektionale Steuerleitung zurückmel­ det. Ähnliche Zündanlagen sind auch aus DE 38 00 932 A1, WO 92/17702, DE 27 34 164 A1 und DE 28 21 062 A1 bekannt.

Schließlich ist aus EP 0 555 851 A2 eine Zündanlage bekannt, bei der die Zündendstufe die Zündspannung mißt und über eine separate Leitung zurückmeldet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Zündan­ lage für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine mög­ lichst genaue Einstellung der Zündenergie bzw. des Zündstroms ermöglicht, ohne dass eine große Verlustleistung auftritt. Hierbei soll mit möglichst wenig Verbindungsleitungen die Möglichkeit einer Prüfung geschaffen werden, ob die Zündener­ gie ausgereicht hat, um einen Zündfunken auszulösen.

Die Erfindung wird, ausgehend von einer bekannten Zündanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, an­ stelle einer Strombegrenzung die Ladezeit für die Zündspule zu regeln, wobei die Regelung der Ladezeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom am Ende der Ladezeit erfogt.

Die erfindungsgemäße Zündanlage weist deshalb einen Zeitgeber auf, der die Dauer der Ladezeit und damit den Energiegehalt der Zündspule vor dem nächsten Zündvorgang festlegt.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Zündanlage eine Messeinheit zur Erfassung des Ladezustands des Energiespei­ chers auf, wobei die Messeinheit in einer Rückkopplungs­ schleife mit dem Zeitgeber verbunden ist, um die Ladezeit in Abhängigkeit von dem am Ende der Ladezeit sich einstellenden Ladezustand zu variieren.

Falls der Energiegehalt der Zündspule am Ende der Ladezeit zu gering ist, um einen Zündfunken auszulösen, so wird die Lade­ zeit durch die Rückkopplungsschleife hochgeregelt, so dass der Energiegehalt der Zündspule beim nächsten Ladevorgang größer wird. Hierzu wird der Einschaltzeitpunkt des mit der Zündspule verbundenen Schaltelementes nach vorne verlegt, wo­ hingegen der Abschaltzeitpunkt und damit das Ende des Lade­ vorgangs beibehalten wird, da dieser Zeitpunkt durch den Zündzeitpunkt entsprechend der jeweiligen Kurbelwellenstel­ lung vorgegeben ist.

Falls die Messeinheit dagegen erkennt, dass der Energiegehalt der Zündspule am Ende der Ladezeit größer als nötig ist, so wird die Ladezeit durch die Rückkopplungsschleife herunterge­ regelt, indem der Einschaltzeitpunkt des mit dem Energiespei­ cher verbundenen Schaltelements nach hinten verschoben wird, wodurch sich die Ladezeit verringert. Auch hierbei wird je­ doch der Abschaltzeitpunkt und damit das Ende der Ladezeit beibehalten, da dieser Zeitpunkt durch den vorgegebenen Zünd­ zeitpunkt festgelegt ist.

Vorzugsweise weist die Messeinheit zur Messung des Ladezu­ standes einen Messwiderstand auf, der mit dem Energiespeicher bzw. der Zündspule in Reihe geschaltet ist, so dass die über dem Messwiderstand abfallende elektrische Spannung eine Be­ stimmung des Energiegehaltes der Zündspule ermöglicht.

Vorzugsweise ist in der Rückkopplungsschleife zwischen der Messeinheit und dem Zeitgeber ein Schwellenwertglied angeord­ net, das den gemessenen Ladezustand des Energiespeichers mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und in Abhängig­ keit von dem Vergleich ein Steuersignal für den Zeitgeber er­ zeugt. Bei dieser Ausführungsform wird also über die Rückkopplungsschleife nur ein digitales Signal übertragen, das angibt, ob die Ladezeit zu groß oder zu klein ist.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Datenübertragung zwischen dem Zeitgeber einerseits und der Messeinheit und dem steuerbaren Schaltelement andererseits ü­ ber eine bidirektionale Steuerleitung. Die Datenübertragung von der Messeinheit zu dem Zeitgeber erfolgt hierbei vorzugs­ weise dadurch, dass die Messeinheit eine steuerbare Stromsen­ ke oder eine steuerbare Stromquelle ansteuert, um auf der bi­ direktionalen Steuerleitung ein Stromsignal zur Rückmeldung an den Zeitgeber einzuprägen.

Darüber hinaus ist eine Spannungsmesseinheit mit dem Energie­ speicher verbunden, welche die Zündspannung überwacht, wobei die Spannungsmesseinheit ausgangsseitig über eine steuerbare Stromquelle oder eine steuerbare Stromsenke mit der bidirek­ tionalen Steuerleitung verbunden ist, um auf der Steuerlei­ tung ein Stromsignal entsprechend der gemessenen Spannung einzuprägen. Auf diese Weise kann dem Zeitgeber auch eine In­ formation über die Dauer des Zündfunkens übermittelt werden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Zündanlage,

Fig. 2 Impulsdiagramme zur Verdeutlichung der Datenüber­ tragung zwischen dem Steuergerät und der Zündvor­ richtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Zündanlage besteht aus einem Steuergerät 1 und einer Zündvorrichtung 2 mit einer integ­ rierten Zündspule 3 und einer ebenfalls integrierten Zündendstufe 4, wobei das Steuergerät 1 über eine bidirektionale Steuerleitung 5 mit der Zündvorrichtung 2 verbunden ist.

Die Steuerleitung 5 ermöglicht zum einen die Steuerung des Ladevorgangs der Zündspule 3 und erlaubt zum anderen eine Rückmeldung von der Zündvorrichtung 2 zu dem Steuergerät 1 ü­ ber den Ladezustand der Zündspule 3 und die Funkenbrenndauer, wie noch detailliert beschrieben wird.

Im folgenden wird zunächst der strukturelle Aufbau der Zünd­ vorrichtung 2 und des Steuergeräts 1 beschrieben, um an­ schließend auf deren Funktionsweise eingehen zu können.

Die Zündspule 3 ist mit der aus einem IGBT bestehenden Zünd­ endstufe 4 und einem Messwiderstand 6 in Reihe zwischen Bat­ teriespannung U_BAT und Masse geschaltet, so dass die Zündspule 3 mit dem Messwiderstand 6 beim Durchschalten der Zündendstu­ fe 4 ein RL-Glied bildet.

Das Gate der Zündendstufe 4 ist über einen Treiber 7 mit dem Steuereingang der Zündvorrichtung 2 verbunden, über den die Zündvorrichtung 2 durch die bidirektionale Steuerleitung 5 mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Das Steuergerät 1 kann also über die bidirektionale Steuerleitung 5 die Zündendstufe 4 durchschalten, woraufhin der elektrische Strom durch die Zündspule 3 weitgehend linear ansteigt, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist.

Ausgangsseitig ist die Zündspule 3 über eine Diode 8 mit ei­ ner Zündkerze 9 verbunden, so dass sich die Zündspule 3 beim Sperren der Zündendstufe 4 über die Zündkerze 9 entladen kann, wobei ein Zündfunken erzeugt wird.

Zwischen der Zündendstufe 4 und dem Messwiderstand 6 ist ein Abgriff zur Spannungsmessung vorgesehen, der mit einem Mess­ eingang eines Komparators 10 verbunden ist. Der andere Ein­ gang des Komparators ist mit einem Mittenabgriff eines Spannungsteilers verbunden, der aus zwei Widerständen 11, 12 be­ steht, wobei die Größe des Widerstands 12 einen Referenz­ stromwert für die Aufladung der Zündspule 3 definiert.

Ausgangsseitig ist der Komparator 10 mit der Basis eines Transistors 13 verbunden, der den Steuereingang der Zündvor­ richtung über einen Widerstand 14 mit Masse verbindet und ei­ ne steuerbare Stromsenke bildet. Beim Durchschalten des Tran­ sistors 13 wird der Steuereingang der Zündvorrichtung 2 näm­ lich über den Widerstand 14 auf Masse gezogen, so dass die Zündvorrichtung 2 über die bidirektionale Verbindungsleitung einen zusätzlichen Strom von dem Steuergerät zieht, was von diesem erkannt werden kann. Das Durchschalten des Transistors 13 erfolgt dann, wenn der Komparator 10 erkennt, dass der durch die Zündspule 3 fließende elektrische Strom den vorge­ gebenen Referenzstromwert überschreitet.

Darüber hinaus weist die Zündvorrichtung 2 eine weitere steu­ erbare Stromsenke auf, die aus einem Transistor 15 und einem mit Masse verbundenen Widerstand 16 besteht, wobei die An­ steuerung des Transistors 15 durch eine nur schematisch dar­ gestellte Diagnoseschaltung 17 erfolgt.

Schließlich ermöglicht die Zündvorrichtung 2 auch noch die Ü­ bertragung der Funkenbrenndauer. Hierzu ist der masseseitige Anschluss der Zündspule 3 über einen Widerstand 18 mit einem Eingang eines Komparators 19 verbunden, wobei der andere Ein­ gang des Komparators 19 mit Batteriespannung U_BAT verbunden ist. Der Komparator 19 vergleicht also die über der Zündspule 3 abfallende elektrische Spannung mit einem vorgegebenen Re­ ferenzspannungswert, um ermitteln zu können, ob ein Zündfunke abgegeben wird.

Ausgangsseitig ist der Komparator mit einer steuerbaren Stromquelle verbunden, die aus einem Transistor 20 und einem Widerstand 21 besteht, wobei der Transistor 20 den Steuerein­ gang der Zündvorrichtung 2 beim Durchschalten über den Widerstand 21 mit Batteriespannung U_BAT verbindet, so dass die Stromquelle einen Strom über die bidirektionale Steuerleitung treibt, was zu einer Herabsetzung des von der Zündvorrichtung 2 über die bidirektionale Steuerleitung von dem Steuergerät 1 gezogenen elektrischen Stroms führt, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist.

Im folgenden wird nun der strukturelle Aufbau des Steuerge­ räts 1 beschrieben.

Zur Einleitung des Ladevorgangs für die Zündspule 3 weist das Steuergerät einen Anschluss 22 auf, der beispielsweise von einem nicht dargestellten Mikroprozessor angesteuert werden kann, wobei der Mikroprozessor als Zeitgeber dient und die Ladezeit für die Zündspule 3 festlegt. Der Anschluss 22 ist low-aktiv und über einen Treiber 23 mit der Basis von zwei Transistoren 24, 25 verbunden, wobei der Treiber 23 der Pegelanpassung zwischen der bidirektionalen Steuerleitung 5 und dem Anschluss 22 zur Verbindung mit einem Mikroprozessor dient. Bei einem logischen Low-Pegel an dem Anschluss 22 schaltet also der Transistor 24 durch, wohingegen der Tran­ sistor 25 bei einem logisch High-Pegel durchschaltet.

Der Transistor 25 ist hierbei masseseitig über einen Messwi­ derstand 26 mit Masse verbunden und dient im Rahmen der Zünd­ diagnose zur Bestimmung der von der Zündvorrichtung 2 über die bidirektionale Steuerleitung 5 übertragenen Funkenbrenn­ dauer. Hierzu ist der Messwiderstand 26 mit den beiden Ein­ gängen eines Komparators 27 verbunden, der somit den durch den Messwiderstand 26 fließenden Strom mit einem vorgegebenen Referenzwert vergleicht.

Ausgangsseitig ist der Komparator 27 mit der Basis eines Transistors 28 verbunden, der beim Durchschalten einen An­ schluss 28 auf Masse zieht. Das digitale Signal an dem An­ schluss 29 gibt also den Strom durch den Messwiderstand wie­ der und ist während der Funkenbrenndauer auf Low.

Der Transistor 24 ist über einen Messwiderstand 30 mit Batte­ riespannung U_BAT verbunden, wobei der Messwiderstand 30 wie­ derum mit den beiden Eingängen eines Komparators 31 verbunden ist, der somit den durch den Messwiderstand 30 fließenden e­ lektrischen Strom mit einem vorgegebenen Referenzwert ver­ gleicht.

Ausgangsseitig ist der Komparator 31 mit der Basis eines Transistors 32 verbunden, der beim Durchschalten einen An­ schluss 33 auf Masse zieht, so dass der Anschluss 33 einen Low-Pegel annimmt, wenn der Strom durch den Messwiderstand 30 den vorgegebenen Referenzwert übersteigt.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 dargestellten Signalverläufe die Funktionsweise der vorste­ hend beschriebenen Anordnung erläutert.

An dem Anschluss 22 des Steuergeräts 1 liegt ein Signal 34 an, das von einem nicht dargestellten Mikroprozessor erzeugt wird, wobei das Signal 34 während der Low-Phase den Transis­ tor 24 und während der High-Phase den Transistor 25 durch­ schaltet, so dass die bidirektionale Steuerleitung 5 einen vorgegebenen Signalverlauf 35 mit einem bestimmten elektri­ schen Potential annimmt.

Das Durchschalten des Transistors 24 führt wiederum dazu, dass auch die Zündendstufe 4 in der Zündvorrichtung 2 durch­ schaltet, so dass durch die Reihenschaltung aus der Zündspule 3, der Zündendstufe 4 und dem Messwiderstand 6 ein annähernd linear zunehmender Strom mit einem vorgegebenen Signalverlauf 36 fließt. Die Linearität des Stromverlaufs 36 folgt aus der Tatsache, dass die Induktivität der Zündspule 3 nicht kon­ stant ist.

Die Zunahme des elektrischen Stroms durch die Zündspule 3 und den Messwiderstand 6 führt zu einer zunehmenden Spannungsdif­ ferenz an den Eingängen des Komparators, so dass der Komparator 10 den Transistor 13 durchschaltet, wenn der Strom durch die Zündspule 3 einen vorgegebenen Schwellenwert I_th er­ reicht. Das Durchschalten des Transistors 13 führt dann dazu, dass die bidirektionale Steuerleitung 5 in der Zündvorrich­ tung 2 über den Widerstand 14 auf Masse gezogen wird, so dass ein größerer Strom über die bidirektionale Steuerleitung 5 fließt, wie aus dem Signalverlauf 37 ersichtlich ist. Der größere Stromfluss über den Widerstand 30 und die bidirektio­ nale Steuerleitung 5 führt dazu, dass der Komparator 31 den Transistor 32 durchschaltet, so dass der Anschluss 33 auf Masse gezogen wird, wie anhand des Signalverlaufs 38 darge­ stellt ist.

Die Low-Phase des Signalverlaufs 38 wird von einem Zähler in dem nicht dargestellten Mikroprozessor ausgewertet. Nach Ab­ lauf einer vorgegebenen Zeit setzt der als Zeitgeber dienende Mikroprozessor den Anschluss 22 wieder auf logisch High, so dass der Transistor 24 sperrt und der Transistor 25 durch­ schaltet, wobei das elektrische Potential auf der bidirektio­ nalen Steuerleitung auf logisch Low gezogen wird, wie an dem Signalverlauf 35 erkennbar ist. Darüber hinaus führt das Sperren des Transistors 24 auch zu einem Sperren der Zündend­ stufe 4, woraufhin der Strom durch die Zündspule 3 schlagar­ tig einbricht, wie aus dem Signalverlauf 36 entnehmbar ist.

Da sich der Strom durch die Zündspule 3 aufgrund der Indukti­ vität der Zündspule 3 nicht schlagartig ändern kann entlädt sich die Zündspule 3 über die Zündkerze 9, so dass ein Zünd­ funken abgegeben wird. Hierbei wird in der Zündspule 3 pri­ märseitig eine Spannung induziert, wie an dem Signalverlauf 39 erkennbar ist. Die primärseitige Induktion der Spannung in der Zündspule während des Zündvorgangs führt dazu, dass der Komparator 19 den Transistor 20 der steuerbaren Stromquelle durchschaltet, so dass die Zündvorrichtung 2 einen Strom über die bidirektionale Steuerleitung 5 in Richtung des Steuerge­ räts 1 treibt, wie anhand des Signalverlaufs 37 erkennbar ist. Während des Zündvorgangs ändert sich also die Polarität des über die bidirektionale Steuerleitung 5 fließenden Stroms. Der auf diese Weise von der Zündvorrichtung getriebe­ ne Strom fließt über den Transistor 25 und den Messwiderstand 26 gegen Masse, so dass der Komparator 27 den Transistor 28 durchschaltet, woraufhin der Anschluss 29 auf Masse gezogen wird, wie an dem Signalverlauf 40 erkennbar ist. Der Low- Pegel an dem Anschluss 29 signalisiert also die Dauer des Zündfunkens. Auf diese Weise kann der an dem Anschluss 29 an­ geschlossene nicht dargestellte Mikroprozessor erkennen, ob die in der Zündspule 3 vor dem eigentlichen Zündvorgang ge­ speicherte elektrische Energie ausgereicht hat, um einen Zündfunken auszulösen.

Der an den Anschlüssen 22, 29 und 33 angeschlossene Mikropro­ zessor regelt hierbei den Einschaltzeitpunkt für die Zündend­ stufe 4 in Abhängigkeit von der Rückmeldung über den Ladezu­ stand.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die ebenfalls von dem Er­ findungsgedanken Gebrauch machen und in den Schutzbereich fallen.

Claims (6)

1. Zündanlage (1, 2) für eine Brennkraftmaschine, mit
einem Ausgang zur elektrischen Aktivierung eines Zündelements (9) für einen Brennraum der Brennkraftmaschine,
einem mit dem Ausgang verbundenen elektrischen Energiespei­ cher (3) zur Speicherung der zur Aktivierung des Zündele­ ments (9) erforderlichen elektrischen Energie,
einem mit dem Energiespeicher (3) verbundenen steuerbaren Schaltelement (4) zur Aufladung des Energiespeichers (3) während einer vorgegebenen Ladezeit,
einer Messeinheit (6, 10-12) zur Erfassung des Ladezustands des Energiespeichers (3),
wobei zur Festlegung der Ladezeit für den Energiespeicher (3) ein ausgangsseitig mit dem Schaltelement (4) verbundener Zeitgeber (22, 29, 33) vorgesehen ist,
während die Messeinheit (6, 10-12) in einer Rückkopplungs­ schleife mit dem Zeitgeber (22, 29, 33) verbunden ist, so dass der Zeitgeber (22, 29, 33) die Ladezeit in Abhängig­ keit von dem gemessenen Ladezustand des Energiespeichers (3) regelt, und
wobei die Messeinheit (6, 10-12) und das Schaltelement (4) einerseits und der Zeitgeber (22, 29, 33) andererseits ü­ ber eine bidirektionale Steuerleitung (5) miteinander ver­ bunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Energiespeicher (3) mit einer Spannungsmesseinheit (18, 19) verbunden ist, welche die Zündspannung überwacht, wobei die Spannungsmesseinheit (18, 19) ausgangsseitig über eine steuerbare Stromquelle (20, 21) oder eine steuerbare Stromsenke mit der Steuerleitung verbunden ist, um auf der Steuerleitung ein Stromsignal (37) entsprechend der gemes­ senen Spannung einzuprägen.

2. Zündanlage (1, 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (6, 10-12) einen Messwiderstand (6) auf­ weist, der mit dem Energiespeicher in Reihe geschaltet ist.

3. Zündanlage (1, 2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückkopplungsschleife zwischen der Messeinheit (6, 10-12) und dem Zeitgeber (22, 29, 33) ein Schwellenwert­ glied (10) angeordnet ist, das den gemessenen Ladezustand des Energiespeichers (3) mit einem vorgegeben Schwellenwert ver­ gleicht und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Steuersig­ nal für den Zeitgeber (22, 29, 33) erzeugt.

4. Zündanlage (1, 2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (6, 10-12) über eine steuerbaren Stromsenke (13, 14) und/oder ei­ ne steuerbare Stromquelle (20, 21) mit der Steuerleitung ver­ bunden ist, um auf der Steuerleitung ein Stromsignal (37) zur Rückmeldung an den Zeitgeber einzuprägen.

5. Zündanlage (1, 2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessein­ heit (18, 19) einen Komparator (19) mit zwei Eingängen auf­ weist, zwischen denen der Energiespeicher (3) geschaltet ist, wobei der Komparator (19) die steuerbare Stromquelle (20, 21) bzw. die steuerbare Stromsenke beim Überschreiten eines vor­ gegebenen Referenzspannungswerts aktiviert.

6. Zündanlage (1, 2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) über einen Schutzwiderstand (18) mit dem Komparator verbunden ist.