DE102008039729B4

DE102008039729B4 - Vorrichtung zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008039729B4
Application number: DE102008039729.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fischer Juergen; Josef Holzmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: DE102008039729A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer (3) einer Brennkraftmaschine umfassend- eine Messvorrichtung, um wenigstens ein Zündspulensignal einer Zündspule (2) zu messen,- eine Auswertungseinheit, welche ausgebildet ist, um aus dem Zündspulensignal eine Brennbedingung in der Brennkammer (3) zu erkennen, ausgebildet ist, um aus einem Gradienten des Zündspulensignals die Brennbedingung zu erkennen und ausgebildet ist, um bei einem steilen Gradienten einen fetten Betriebspunkt und/oder bei einem flachen Gradienten einen mageren Betriebspunkt zu erkennen, und- eine Steuerungseinheit (4), welche ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von der Brennbedingung eine Zündung (5) in der Brennkammer (3) und/oder eine Gemischzufuhr (7) zur Brennkammer (3) zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkt einspritzenden Otto-Motors.
Die bisher eingesetzten Induktiv-Zündsysteme haben eine betriebspunktabhängige, feste Steuerung des Zündvorgangs und somit auch eine feste Steuerung der Entladung des Energiespeichers in der Zündspule. Die Entladung wird zu einem im Steuergerät berechneten Zeitpunkt gestartet (= Zündzeitpunkt). Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Energie verbraucht ist.
Eine sogenannte „Mehrfach-Zündung“ stellt eine Alternative zu dem oben genannten Basissystem dar. Hierbei wird der Sekundärstrom vom Zündsystem detektiert und ab einer gewissen Stromschwelle die Zündung unterbrochen, die Spule neu geladen und zeit- oder stromschwellenbasiert wieder entladen (gezündet). Dadurch wird eine Mehrfach-Zündung erreicht, welche jedoch nach streng vorgegebenem festem Muster abläuft.
Die oben genannte Zündstrategie hat den Nachteil, dass dieses Vorgehen nicht oder nur unzureichend auf die Bedingungen im Brennraum des individuellen Zyklus reagieren kann und die Zündstrategie nicht auf den jeweiligen Zyklus anpassbar ist. Lediglich die Mehrfach-Zündung zündet nach einem starren Muster, wobei die zeitliche Folge der Zündpulse von den jeweiligen Bedingungen im Brennraum abhängig ist. Eine gezielte, zylinderindividuelle und zyklusinterne Reaktion auf schlechte Entflammungsbedingungen erfolgt hierbei jedoch nicht.
Aus der DE 10 2008 015 849 A1 ist eine Verbrennungszustandserfassungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, welche ein Konvexitätserfassungsmittel zum Erfassen der Domäne innerhalb des Erfassungsintervalls, worin die Änderungsform des Ionenstroms aufwärts konvex ist, auf der Basis der Ionenstromdaten, die durch ein Datenextraktionsmittel extrahiert werden, und ein Vorzündungsentscheidungsmittel, das enthält ein Vergleichseinstellungsmittel zum Einstellen eines Vergleichswertes, mit dem die aufwärts konvexe Domäne verglichen wird, und funktioniert, das Auftreten der Vorzündung oder der warnenden Erscheinung davon zu entscheiden, wenn die aufwärts konvexe Domäne in einer Zeitsteuerung früher als der Vergleichswert liegt, wobei das Konvexitätserfassungsmittel enthält ein Kriechstrom-Beurteilungsmittel zum Beurteilen des Erscheinens eines Kriechstroms über Elektroden und es ermöglicht die Erfassung der aufwärts konvexen Domäne, wenn das Erscheinen des Kriechstroms beurteilt wurde.
Die DE 102 55 583 A1 beschreibt eine Fehlzündungsdetektionsvorrichtung für einen Explosionsmotor, welche in der Lage ist, das Auftreten von Verbrennung oder Fehlzündung in jedem Zylinder der Maschine exakt festzustellen, selbst wenn ein Ionenstrom, der einem Leckstrom überlagert ist, monoton sinkt, und somit keine Periode oder keinen Bereich zur Verfügung stellt, wo der Ionenstrom steigt. Ein Ionenstromdetektor detektiert ein Ionenstromsignal, das einem Ionenstrom entspricht, der erzeugt wird, wenn ein Luft-Kraftstoffgemisch in jeder Verbrennungskammer der Maschine verbrennt. Ein Gradientendetektor detektiert nach Zündung des Luft-Kraftstoffgemischs einen ersten Gradienten des Ionenstromsignals in ersten Detektionsintervallen und einen zweiten Gradienten des Ionenstromsignals in zweiten Detektionsintervallen, die länger sind als die ersten Detektionsintervalle. Eine Feststellung bezüglich Verbrennung oder Fehlzündung in jeder Verbrennungskammer wird, basierend auf den ersten und zweiten Gradienten, gemacht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche bei einfachem und kostengünstigem Aufbau den Zündvorgang effektiv steuert bzw. regelt.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der beiden unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weitergestaltungen der Erfindung auf.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkt einspritzenden Otto-Motors, umfassend eine Messvorrichtung, um wenigstens ein Zündspulensignal einer Zündspule zu messen, eine Auswertungseinheit, welche ausgebildet ist, um aus dem Zündspulensignal eine Brennbedingung, insbesondere einen fetten oder mageren Betriebspunkt, in der Brennkammer zu erkennen und eine Steuerungseinheit, welche ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von der Brennbedingung eine Zündung in der Brennkammer und/oder eine Gemischzufuhr zur Brennkammer zu steuern. Zudem ist die Auswertungseinheit ausgebildet, aus dem Gradienten des Zündspulensignals die Brennbedingung zu erkennen. Des Weiteren ist die Auswertungseinheit ausgebildet, bei einem steilen Gradienten des Zündspulensignals einen fetten Betriebspunkt und bei einem flachen Gradienten einen mageren Betriebspunkt zu erkennen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Zündspulensignal eine primärseitige und/oder sekundärseitige Spulenspannung und/oder einen sekundärseitigen Spulenstrom und/oder einen mit der primärseitigen und/oder sekundärseitigen Spulenspannung und/oder mit dem sekundärseitigen Spulenstrom korrelierenden Parameter umfasst.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die Auswertungseinheit mehrmals pro Verbrennungs- und/oder Zündzyklus die Brennbedingung erkennt. Somit kann die Steuerung mehrmals pro Verbrennungszyklus die Zündung in der Brennkammer und/oder die Gemischzufuhr zur Brennkammer steuern.
Ferner von Vorteil ist es, die zeitliche Abfolge der Zündpulse in Abhängigkeit von den erkannten Brennbedingungen zu steuern.
Weiterhin bevorzugt ist es, bei einem fetten Betriebspunkt und/oder magerem Betriebspunkt eine Entladung der Zündspule kurzzeitig zu unterbrechen, insbesondere um die Zündspule nachzuladen, und die Zündung im selben Verbrennungszyklus erneut zu zünden. Selbstverständlich kann dieses Unterbrechen und Neuzünden auch mehrmals pro Zyklus vorgenommen werden.
Weiter vorteilhaft ist es, bei einem mageren Betriebspunkt bei unterbrochener Entladung der Zündspule eine kurze Einspritzung der Gemischzufuhr abzusetzen und insbesondere das erneute Zünden bis zur Ankunft des Gemisches an einer Zündkerze zu verzögern. Auch diese Strategie kann innerhalb eines Verbrennungszyklus mehrmals wiederholt werden.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkteinspritzenden Ottomotors, mit den folgenden Schritten:

Erstens, messen wenigstens eines Zündspulensignals einer Zündspule. Zweitens, erkennen einer Brennbedingung, insbesondere eines fetten oder mageren Betriebspunkts, in der Brennkammer aus dem Zündspulensignal. Drittens, steuern einer Zündung in der Brennkammer und/oder einer Gemischzufuhr zur Brennkammer in Abhängigkeit von der Brennbedingung. Zudem ist vorgesehen, dass aus einem Gradienten des Zündspulensignals die Brennbedingung erkannt wird und bei einem steilen Gradienten ein fetter Betriebspunkt und/oder bei einem flachen Gradienten ein magerer Betriebspunkt erkannt wird.
Selbstverständlich gelten die vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch sinngemäß für das erfindungsgemäße Verfahren.
Somit ist es Ziel der Erfindung, anhand der erfindungsgemäßen zeitlichaufgelösten Detektion von Sekundärstrom, Sekundärspannung oder Primärspannung während des Zündvorgangs bereits in der ersten Phase der Entladung (10-300 µs nach Durchbruch) zu erkennen, ob schlechte Brennbedingungen, wie z.B. Gleitfunken, zu mageres oder zu fettes Gemisch, im Zylinder vorherrschen. In Abhängigkeit dieser Erkennung wird die weitere Zünd- oder Entladestrategie angepasst.

Bei fetten Randbedingungen ist eine mögliche Strategie, die Entladung zu unterbrechen, die Spule für kurze Zeit (50-100 µs) nachzuladen und anschließend wieder zu zünden. Diese fette Randbedingung wird beispielsweise durch einen großen bzw. steilen Gradienten im Sekundärstrom und/oder durch ein hohes Brennspannungsniveau erkannt. Die Abhängigkeit von Sekundärstrom und Primär- als auch Sekundärspannung ist physikalisch begründet und somit können Spannung und/oder Strom zum Detektieren der Brennbedingungen verwendet werden. Durch diese soeben beschriebene Zündstrategie wird vermieden, dass die Spulenenergie unnötig in die Mischbereiche entladen wird, welche außerhalb des Entflammungsbereichs liegen. Diese kurze Pause bzw. die Unterbrechung zum Nachladen der Zündspule führt zum Abriss des Zündfunkens und zum Transport von frischem Gemisch an die Zündstelle. Dieses kann dann im Weiteren entflammt werden, wobei der kurze Zeitverzug keine gravierenden Auswirkungen auf die zeitliche Gemischumsetzung und somit auf die Laufruhe des Motors hat.
Bei zu magerem Gemisch kann der Gemischzustand ebenfalls erkannt werden. Hierbei erfolgt die Erkennung anhand eines geringen bzw. eher flachen Gradienten im Sekundärstrom und/oder durch ein geringes Brennspannungsniveau ohne großem Gradienten. Wie oben schon beschrieben, kann der Betriebspunkt auch analog anhand von Primär- oder Sekundärspannung erkannt werden. Die Zündstrategie bei erkannten mageren Gemischen entspricht im Wesentlichen der Strategie für fette Bedingungen. Abweichend hierzu kann aber auch für diesen individuellen Zyklus eine weitere, kurze Einspritzung abgesetzt werden und die Spulenentladung bis zur Ankunft des Gemisches an der Zündstelle verzögert werden.
Im weiteren Verlauf dieser Zyklen können diese Strategien bei weiterem Abweichen der Brennbedingungen mehrmals pro Zyklus angewandt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung genauer beschrieben. Die einzige Figur (1) der beigefügten Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Zündspule bzw. Zündkerze.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Steuerung eines Zündvorgangs in einem Zylinder 3 eines direkt einspritzenden Otto-Motors. Innerhalb dieses Zylinders 3 ist eine Zündkerze 5 mit zwei Elektroden 5a und 5b angeordnet. Des Weiteren ist ein Einspritzventil 7 vorgesehen.
Ferner zeigt die Figur eine Zündspule 2 mit einer Primärspule 2a und einer Sekundärspule 2b. Diese Primärspule 2a wird durch den Transistor 6 geschalten. Die Steuerung des Einspritzventils 7 und der gesamten Zündvorrichtung ist zusammengefasst in der Steuerungseinheit 4 dargestellt. Selbstverständlich muss die Steuerung für das Einspritzventil 7 und für die Zündvorrichtung nicht in einer Einheit zusammengefasst werden.
In der Figur ist gut zu erkennen, an welchen Stellen eine primärseitige und/oder sekundärseitige Spulenspannung Uprim, Usec und/oder ein sekundärseitiger Spulenstrom I_sec abzunehmen ist. Alternativ kann natürlich auch ein Zündspulensignal an einer anderen Stelle der Vorrichtung 1 abgenommen werden, wie es z.B. mit der Spannung U_R an dem Widerstand R angezeigt ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt eindeutig in der Vermeidung bzw. Reduzierung von Verbrennungsaussetzern und verschleppten Verbrennungen. Dies führt zur spürbaren Verbesserung der Laufruhe des Motors. Auch ermöglicht diese adaptive Zündstrategie eine Erweiterung des Applikationsfensters und eine weitere Optimierung bezüglich Verbrauch und Emission. Ferner liegt ein Vorteil in der Erkennung und Reaktion auf laufzeitabhängige Effekte, wie z.B. Gleitfunkenneigung durch verschmutzte Zündkerzen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Zündspule
2a: Primärspule
2b: Sekundärspule
3: Brennkammer bzw. Zylinder
4: Steuerungseinheit
5: Zündkerze
5a, 5b: Elektroden
6: Transistor
7: Einspritzdüse

Claims

Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer (3) einer Brennkraftmaschine umfassend - eine Messvorrichtung, um wenigstens ein Zündspulensignal einer Zündspule (2) zu messen, - eine Auswertungseinheit, welche ausgebildet ist, um aus dem Zündspulensignal eine Brennbedingung in der Brennkammer (3) zu erkennen, ausgebildet ist, um aus einem Gradienten des Zündspulensignals die Brennbedingung zu erkennen und ausgebildet ist, um bei einem steilen Gradienten einen fetten Betriebspunkt und/oder bei einem flachen Gradienten einen mageren Betriebspunkt zu erkennen, und - eine Steuerungseinheit (4), welche ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von der Brennbedingung eine Zündung (5) in der Brennkammer (3) und/oder eine Gemischzufuhr (7) zur Brennkammer (3) zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündspulensignal eine primärseitige und/oder sekundärseitige Spulenspannung (U_Prim; U_sek) und/oder einen sekundärseitigen Spulenstrom (I_sek) und/oder einen mit der primärseitigen und/oder sekundärseitigen Spulenspannung (U_Prim; U_sek) und/oder mit dem sekundärseitigen Spulenstrom (I_sek) korrelierenden Parameter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist um mehrmals pro Zündzyklus und/oder Verbrennungszyklus die Brennbedingung zu erkennen, und dass die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, um mehrmals pro Verbrennungszyklus die Zündung (5) in der Brennkammer (3) und/oder die Gemischzufuhr (7) zur Brennkammer (3) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, um bei einem fetten Betriebspunkt und/oder mageren Betriebspunkt eine Entladung der Zündspule (2) kurzzeitig zu unterbrechen, insbesondere um die Zündspule (2) nachzuladen, und die Zündung (5) im selben Verbrennungszyklus erneut zu zünden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) ausgebildet ist, um beim mageren Betriebspunkt bei unterbrochener Entladung der Zündspule (2) eine kurze Einspritzung der Gemischzufuhr (7) abzusetzen und insbesondere das erneute Zünden bis zur Ankunft des Gemisches an einer Zündkerze zu verzögern.
Verfahren zur Steuerung eines Zündvorgangs in einer Brennkammer (3) einer Brennkraftmaschine umfassend die Schritte: - Messen wenigstens eines Zündspulensignals einer Zündspule (2), - Erkennen einer Brennbedingung in der Brennkammer (3) aus dem Zündspulensignal, und - Steuern einer Zündung (5) in der Brennkammer (3) und/oder einer Gemischzufuhr (7) zur Brennkammer (3) in Abhängigkeit von der Brennbedingung, wobei aus einem Gradienten des Zündspulensignals die Brennbedingung erkannt wird und bei einem steilen Gradienten ein fetter Betriebspunkt und/oder bei einem flachen Gradienten ein magerer Betriebspunkt erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündspulensignal eine primärseitige und/oder sekundärseitige Spulenspannung (U_Prim; U_sek) und/oder einen sekundärseitigen Spulenstroms (I_sek) und/oder einen mit der primärseitigen und/oder sekundärseitigen Spulenspannung (U_Prim; U_sek) und/oder mit dem sekundärseitigen Spulenstrom (I_sek) korrelierenden Parameter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrmals pro Verbrennungs- und/oder Zündzyklus die Brennbedingung erkannt wird, und dass mehrmals pro Verbrennungszyklus die Zündung (5) in der Brennkammer (3) und/oder die Gemischzufuhr (7) zur Brennkammer (3) gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem fetten Betriebspunkt und/oder mageren Betriebspunkt eine Entladung der Zündspule (2) kurzzeitig unterbrochen wird, insbesondere um die Zündspule (2) nachzuladen, und die Zündung (5) im selben Verbrennungszyklus erneut gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim mageren Betriebspunkt bei unterbrochener Entladung der Zündspule (2) eine kurze Einspritzung der Gemischzufuhr (7) abgesetzt wird und insbesondere das erneute Zünden bis zur Ankunft des Gemisches an einer Zündkerze verzögert wird.