DE102005030481B4

DE102005030481B4 - Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luftgemisches

Info

Publication number: DE102005030481B4
Application number: DE200510030481
Authority: DE
Inventors: Hubert Nolte; Martin Herrs
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: DE102005030481A1

Abstract

Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luftgemisches während eines Verbrennungszyklus in einer Verbrennungskraftmaschine, enthaltend die Verfahrensschritte Erzeugen wenigstens eines ersten Zündimpulses durch ein Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und einer Zündkerze, Ionisationsmessen durch eine Ionisationsmessschaltung, Vergleichen gemessener Ionisationssignale mit Ionisationssollwerten und Auslösen keines oder wenigstens eines weiteren Zündimpulses in Abhängigkeit des Vergleiches, Auswerten der Ionisationsmesswerte im Hinblick auf eine Entflammung des Gemisches in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, wobei erneut gezündet und dem Brennraum wiederum eine definierte Zündenergie zugeführt wird, wenn die Entflammung des Gemisches ausbleibt oder nicht vollständig stattfindet und wobei kein weiterer Zündimpuls erfolgt, wenn als Ergebnis des Vergleichs eine Entflammung des Gemisches detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Zünden von Verbrennungen in Verbrennungskraftmaschinen.
Ein Verfahren zum Erfassen der Verbrennung des Gemisches in einem Zylinder der Brennkraftmaschine ist aus DE 42 33 224 C2 bekannt. Eine Zündvorrichtung ist hierbei mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Verbrennung des Gemisches verbunden. Mit einer Ionenstromerfassungseinrichtung wir der Ionenstrom im Brennraum erfasst. Eine Maskiervorrichtung wird dabei von der Zündsteuervorrichtung angesteuert und das Ausgangssignal für eine vorbestimmte Dauer gesperrt.
Aus DE 696 15 698 T2 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Zünd- und Ionisationsstrommessung in einem Verbrennungsmotor bekannt. Im Brennraum eines Zylinders sind zwei Zündkerzen angeordnet, wobei eine Zündkerze als Ionenstromsensor vorgesehen ist. Die Zündspannungsversorgung für die Zündkerze wird derart gesteuert, dass während zumindest eines Teils des Betriebsbereichs des Motors die Dauer der Zündfunken kleiner ist als 50% der Zünddauer der anderen Zündkerze im Brennraum.
Aus DE 199 53710 A1 ist ein Verfahren zur zeitlichen Messfensterpositionierung für die Auswertung von Ionenstromsignalen, die an Brennkraftmaschinen über die Elektroden einer Zündkerze erfasst werden, bekannt. Die Zündsysteme, mit einer Messeinrichtung für Ionenstrom, sind mit der masseseitigen Sekundärwicklung kombiniert. Jeder Zündkerze ist ein Zündübertrager zugeordnet und die Erfassung des Funkenendes und die Öffnung des Messfensters für das Ionenstromsignal erfolgt in Abhängigkeit von dem Funkenende.
Eine Zündeinrichtung aus US 2003/0164164 A1 weist eine Ionenstromsensorik auf. Mit einem Verfahren werden eine Vielzahl von Zündeinrichtungen in einem Mehrzylindermotor angesteuert, in dem zunächst die Verbrennung in einem ersten Zylinder durch eine erste Zündeinrichtung initiiert wird. Danach wird das Level der Ionisation in dem ersten Zylinder in einem Verbrennungsfenster detektiert. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Stromsignal generiert wenn der Primärstrom durch eine zweite Zündeinrichtung erfolgt und wenn vorgegebene Kriterien erreicht sind. Weiterhin wird das Verbrennungsfenster geschlossen, wenn das Stromsignal erzeugt ist.
Mit den bekannten Verfahren ist eine Erfassung des Ionenstroms während einer Verbrennung möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, in allen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine eine sichere Zündung zu gewährleisten und einen Brennbeginn zu erfassen.
Gelöst ist die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Mit einer Einrichtung, einem Verfahren, einer Zündspuleneinrichtung oder einer Motorsteuerung wird eine definierte Zündenergie durch eine vorgegebene erste Brenndauer eines Zündfunkens vorgegeben. Nach dem Brennende des ersten Zündfunkens erfolgt eine Messung einer Ionisation im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zur Ermittlung von Ionisationsmesswerten. Diese werden mit vorgegebenen Werten verglichen und im Falle einer zu geringen Ionisation, die einem noch nicht entzündeten Brennstoff-Luftgemisch entspricht, eine zweite Zündspannung an die Zündkerze gelegt. Nach dem Brennende des zweiten Zündfunkens wird erneut die Ionisation gemessen und durch Vergleich ermittelt, ob eine Zündung im Brennraum erfolgt ist. Nach Brennende eines Zündfunkens wird somit überwacht, ob schon eine Zündung erfolgt ist und das Gemisch brennt. Der Zyklus des Erzeugens eines Zündfunkens und der Ionisationsmessung mit Vergleich erfolgt so lange, bis ein Ionisationswert gemessen wird, der einem entzündeten Gemisch entspricht.
Mittels einer getakteten Zündung wird die dem Brennraum zugeführte Zündenergie in definierten Intervallen zugeführt. In vorteilhafter Weise ist die Zündenergie zeitgesteuert, d. h. der Zündfunke brennt für einen vorgegebenen Zeitraum und wird dann unterbrochen. Nach dem Ende des Brennens des Zündfunkens wird sofort mittels einer Ionisations-Messschaltung gemessen, ob das Gemisch entflammt ist. Hierzu werden Ionisationsmesswerte mit Ionisations-Sollwerten verglichen, und abhängig von der Differenz wird entschieden und erkannt, ob eine Verbrennung stattfindet. Findet eine Verbrennung statt, wird die Ionisation in vorteilhafter Weise weiter gemessen, um das Brennen des Gemisches weiter zu verfolgen und weitere verbrennungsrelevante Parameter, wie Klopfen und Lambda-Wert zu ermitteln. Bleibt die Entflammung des Gemisches aus oder findet sie nicht vollständig statt, wird erneut gezündet und dem Brennraum wiederum eine definierte Zündenergie zugeführt, was in vorteilhafter Weise zeitgesteuert erfolgt, so dass der Zündfunke für einen vorgegebenen Zeitraum erneut brennt. Hiernach erfolgt wiederum eine Ionisationsmessung, um zu ermitteln, ob das Gemisch brennt oder nicht. Der Zyklus des Zündens mit einer abwechselnden Ionisationsmessung erfolgt so lange, bis das Gemisch entzündet ist oder der Verbrennungszyklus beendet ist. Hierbei dient die Zündkerze als Zündelektrode sowie als Messsensor.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird kein weiterer Zündfunke nach einer erfolgten sicheren Verbrennung erzeugt und die Ionisation im Brennraum weiter gemessen, um weitere Motorparameter, wie Klopfen und Lambda-Wert, zu erfassen. Sollte die Ionisation einen unzulässigen Verlauf aufweisen und zusammenbrechen oder sollten beim Vergleich mit vorgegebenen Werten Abweichungen auftreten, was auf ein vorzeitiges Verlöschen der Flamme deutet, wird wieder eine Zündspannung angelegt, um das Gemisch nochmals zu zünden.
Hiermit wird zur Zündung des Gemisches die erforderliche Energie nach Bedarf bereitgestellt und mittels Ionisationssignal überprüft, ob eine Zündung erfolgt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Brenndauer als Parameter für die Zündenergie gesteuert und die Brenndauer minimiert. In vorteilhafter Weise wird dazu ermittelt, wie lange der erste Zündfunke brennen muss, um unter verschiedenen Betriebsbedingungen eines Motors eine sichere Zündung zu erreichen. Dies erfolgt mit selbst adaptiven Verfahren und in vorteilhafter Weise in einem Microprozessor.
Weiterhin ist durch das Verfahren und die Einrichtung eine Zündspule mit einem geringeren Arbeitsspeichervermögen verwendbar, da der erste Zündfunke nicht für alle Zündungen über den gesamten Arbeitsbereich der Maschine ausgelegt ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, den Zündfunken sofort nach erfolgter Zündung zu beenden, um mittels der folgenden Ionisationsmessung schnell Signale über den Brennverlauf, wie Lambda-Wert, Klopfen und verschleppte Verbrennung, zu erhalten. Nach dem letzten Zündimpuls wird das Ionisationssignal hierzu weiter gemessen.
Ein Mittel zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes ist an eine Ionisationsmessschaltung mit einer Ionisationsauswerteeinheit und an ein Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung angeschlossen.
1 zeigt ein Blockschaltbild der Einrichtung zum Zünden von Verbrennungen.
Zum Auslösen einer Zündung wird über eine Signalleitung (12) zur Auslösung einer Zündung eine Zündauslöseanforderung an ein Mittel 5 zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes gegeben. Über die Signalleitung 13 wird vom Mittel 5 zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes ein Steuersignal zum Schalten eines Halbleiterschalters 7 im Mittel 4 zum Erzeugen der Zündspannung gegeben. Beim Durchschalten des Halbleiterschalters 7 wird an eine Primärwicklung 6a eines Zündtransformators 6 eine Zündspannungsversorgung 8 angeschaltet. Sperrt der Halbleiterschalter 7 – gesteuert durch das Steuersignal – wieder, wird in einer Sekundärwicklung 6b des Zündtrafos 6 die Zündspannung induziert. Die Zündspannung passiert einen Ionisationsdetektor 2 und gelangt über eine Verbindung 9 zur Zündkerze 1, wo ein Funkenüberschlag zum Zünden des Gemisches im Brennraum entsteht. Nach Beendigung des Funkenüberschlages misst der Ionisationsdetektor 2 die durch Flammenbildung erfolgende Ionisation im Brennraum. Das Messsignal gelangt über eine Leitung 10 zur Auswerteeinheit 3 für Ionisationsmesswerte. Hier wird bewertet, ob eine Entflammung des Gemisches im Brennraum stattgefunden hat. Bewertungsgrundlage ist der Vergleich des gemessenen Ionisationssignals nach Beendung des Funkenüberschlages an der Zündkerze 1 mit Ionisationssollwerten. Das Ergebnis der Bewertung wird über eine Leitung 11 an die Mittel 5 zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes weitergeleitet. Hat keine Entflammung stattgefunden, wird durch das Mittel 5 zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes eine weitere Zündung im selben Arbeitstakt ausgelöst. Hat eine Entflammung stattgefunden, wird durch das Mittel 5 zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes keine weitere Zündung im selben Arbeitstakt ausgelöst.

Claims

Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luftgemisches während eines Verbrennungszyklus in einer Verbrennungskraftmaschine, enthaltend die Verfahrensschritte Erzeugen wenigstens eines ersten Zündimpulses durch ein Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und einer Zündkerze, Ionisationsmessen durch eine Ionisationsmessschaltung, Vergleichen gemessener Ionisationssignale mit Ionisationssollwerten und Auslösen keines oder wenigstens eines weiteren Zündimpulses in Abhängigkeit des Vergleiches, Auswerten der Ionisationsmesswerte im Hinblick auf eine Entflammung des Gemisches in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, wobei erneut gezündet und dem Brennraum wiederum eine definierte Zündenergie zugeführt wird, wenn die Entflammung des Gemisches ausbleibt oder nicht vollständig stattfindet und wobei kein weiterer Zündimpuls erfolgt, wenn als Ergebnis des Vergleichs eine Entflammung des Gemisches detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entflammung des Brennstoff-Luftgemisches detektiert wird, wenn in einem parametrierten Zeitabstand im Anschluss an die Beendigung des Zündspannungsimpulses der Ionisationsmesswert einen parametrierten Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zündimpuls in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsverlauf in Abhängigkeit der Ionisationsmesswerte des aktuellen Verbrennungszyklus gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsverlauf in Abhängigkeit der Ionisationsmesswerte wenigstens eines vorhergehenden Verbrennungszyklus erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspannungsverlauf in Abhängigkeit der Ionisationsmesswerte der aktuellen und vorhergehenden Verbrennungszyklen gesteuert oder geregelt wird.
Einrichtung zum Zünden von Verbrennungen in Verbrennungskraftmaschinen nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 mit Mitteln zum Erzeugen einer Zündspannung, einer Zündkerze zum Zünden der Verbrennung und als Sensor für die durch die Verbrennung hervorgerufene Ionisation, einer Ionisationsmessschaltung (2) zur Messung einer Ionisation im Brennraum, einer Ionisationsauswerteeinheit (3) zum Auswerten der Ionisationsmesswerte gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes, welche an die Ionisationsauswerteeinheit (3) angeschaltet sind, wobei der Zündspannungsverlauf in Abhängigkeit der Ionisationsmesswerte wenigstens eines Teils wenigstens eines Verbrennungszyklus gesteuert oder geregelt wird, wobei die Ionisationsauswerteeinheit (3) an die Ionisationsmessschaltung (2) geschaltet ist und die Ionisationsmesswerte im Hinblick auf Entflammung des Gemisches im Brennraum auswertet.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zum Erzeugen der Zündspannung mindestens einen Zündtransformator (6) mit einer Primärwicklung (6a) und einer Sekundärwicklung (6b), einen an die Primärwicklung (6a) angeschalteten Halbleiterschalter (7) und eine Versorgungsspannungsquelle (8) beinhalten, wobei der Halbleiterschalter (7) von den Mitteln (5) zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes angesteuert wird und eine Versorgungsspannungsquelle (8) an die Primärwicklung (6a) des Zündtransformators (6) schaltet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Steuerung des Zündspannungsverlaufs (5) zur Beendigung des Zündimpulses auf der Sekundärwicklung (6b) des Zündtransformators (6) den Halbleiterschalter (7) so ansteuert, dass die Versorgungsspannungsquelle (8) an die Primärwicklung (6a) des Zündtransformators (6) gelegt wird.
Zündspuleneinheit mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung in der eine Hochspannung zur Zündung des Gemisches nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine Zündkerze zum Zünden der Verbrennung, eine Ionisationsmessschaltung (2), wobei die Ionisationsmessschaltung direkt mit der Zündkerze gekoppelt ist, eine Ionisationsauswerteeinheit (3) für die Ionisationsmesswerte, wobei die Ionisationsmessschaltung (2) über die Ionisationsauswerteeinheit (3) mit einem Mittel (5) zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes angeschaltet ist und der Zündspannungsverlauf in Abhängigkeit der Ionisationsmesswerte wenigstens eines Teils wenigstens eines Verbrennungszyklus gesteuert oder geregelt wird, wobei die Ionisationsauswerteeinheit (3) an die Ionisationsmessschaltung (2) geschaltet ist und die Ionisationsmesswerte im Hinblick auf Entflammung des Gemisches im Brennraum auswertet.
Zündspuleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) für die Ionisationsmesswerte in die Zündspuleneinheit integriert ist.
Zündspuleneinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5) zur Steuerung des Zündspannungsverlaufs in die Zündspuleneinheit integriert sind.
Zündspuleneinheit nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterschalter (7) in die Zündspuleneinheit integriert ist und der Halbleiterschalter (7) die Primärwicklung (6a) eines Zündtransformators (6) in Abhängigkeit der ausgewerteten Signale der Auswerteeinheit (3) für Ionisationsmesswerte an die Versorgungsspannung schaltet.
Motorsteuerung zum Zünden von Verbrennungen in Verbrennungskraftmaschinen und zum Erfassen von Ionisationssignalen, mit einer Zündkerze zum Zünden der Verbrennung, einer Ionisationsmessschaltung (2) zur Messung einer Ionisation im Brennraum, einer Ionisationsauswerteeinheit (3) für die Ionisationsmesswerte und Mitteln (4) zum Erzeugen einer Zündspannung und Mittel (5) zur Steuerung des Zündspannungsverlaufes, welches an die Ionisationsauswerteeinheit (3) angeschaltet ist und wobei der Zündspannungsverlauf in Abhängigkeit der Ionisationsmesswerte wenigstens eines Teils wenigstens eines Verbrennungszyklus gesteuert oder geregelt wird, wobei die Ionisationsauswerteeinheit (3) an die Ionisationsmessschaltung (2) geschaltet ist und die Ionisationsmesswerte im Hinblick auf Entflammung des Gemisches im Brennraum auswertet wobei erneut gezündet und dem Brennraum wiederum eine definierte Zündenergie zugeführt wird, wenn die Entflammung des Gemisches ausbleibt oder nicht vollständig stattfindet und wobei kein weiterer Zündimpuls erfolgt, wenn als Ergebnis des Vergleichs eine Entflammung des Gemisches detektiert wird.