DE102009013877A1

DE102009013877A1 - Verfahren und System zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches einer Verbrennungskammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor durch Erzeugen einer Korona-Entladung

Info

Publication number: DE102009013877A1
Application number: DE102009013877A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Toedter; Helmut Müller; Gerd Bräuchle
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-23
Also published as: WO2010105784A1; US20110305998A1; US8800539B2; DE112010001255A5; CN102356232A

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, in welchem ein elektrischer Schwingkreis (7) erregt wird, in welchem eine elektrisch isoliert durch eine der die Brennkammer (1) begrenzenden Wände (2, 3, 4) hindurchgeführte und in die Brennkammer (1) ragende Zündelektrode (5) im Zusammenwirken mit den auf Massepotential liegenden Wänden (2, 3, 4) der Brennkammer (1) eine Kapazität darstellt, und in welchem die Erregung des Schwingkreises (7) in der Weise gesteuert wird, dass in der Brennkammer (1) an der Zündelektrode (5) eine das Brennstoff-Luft-Gemisch zündende Korona-Entladung (22) erzeugt wird. Die Stärke des im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstroms, die den Schwingkreis (7) erregende Wechselspannung und/oder die Impedanz des Schwingkreises (7) werden beobachtet und aus den Beobachtungen oder aus einer oder mehreren von ihnen abgeleiteten Messgrößen und/oder aus deren zeitlichem Verlauf werden den Zustand der Brennkammer (1) und/oder den Zustand des in der Brennkammer (1) vorliegenden Stoffgemisches charakterisierende Kennwerte gewonnen und zur Weiterverarbeitung bereitgehalten.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen und von einem System mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 17 angegebenen Merkmalen. Ein derartiges Verfahren und ein derartiges System sind aus der WO 2004/063560 A1 bekannt.
Die WO 2004/063560 A1 offenbart, wie ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte Korona-Entladung gezündet werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Zündelektrode elektrisch isolierend durch eine der auf Massepotential liegenden Wände der Brennkammern hindurchgeführt und ragt in die Brennkammer hinein, vorzugsweise einem in der Brennkammer vorgesehenen Hubkolben gegenüberliegend. Die Zündelektrode bildet zusammen mit den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer als Gegenelektrode eine Kapazität. Als Dielektrikum wirkt der Brennraum mit seinem Inhalt. In ihm befindet sich je nach dem Takt, in welchem sich der Kolben befindet, Luft oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch oder ein Abgas.
Die Kapazität ist Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises, welcher mit einer hochfrequenten Spannung erregt wird, die mit Hilfe eines Transformators mit Mittenabgriff erzeugt wird. Der Transformator arbeitet mit einem Schaltgerät zusammen, welches eine vorgebbare Gleichspannung abwechselnd an die beiden durch den Mittenabgriff getrennten Primärwicklungen des Transformators legt. Die Sekundärwicklung des Transformators speist einen Reihenschwingkreis, in welchem die aus der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer gebildete Kapazität liegt. Die Frequenz der den Schwingkreis erregenden, vom Transformator gelieferten Wechselspannung wird so geregelt, dass sie möglichst nahe bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Es kommt dadurch zu einer Spannungsüberhöhung zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer, in welcher die Zündelektrode angeordnet ist. Die Resonanzfrequenz liegt typisch zwischen 30 Kilohertz und 3 Megahertz und die Wechselspannung erreicht an der Zündelektrode Werte von z. B. 50 kV bis 500 kV.
Damit kann in der Brennkammer eine Korona-Entladung erzeugt werden. Die Korona-Entladung soll nicht in eine Bogenentladung oder Funkenentladung durchschlagen. Deshalb wird dafür gesorgt, dass die Spannung zwischen der Zündelektrode und Masse unterhalb der vollständigen Durchbruchsspannung bleibt. Zu diesem Zweck werden am Ausgang des Transformator die mittlere Spannung und die mittlere Stromstärke gemessen und die Impedanz des Schwingkreises als Quotient aus der mittleren Spannung und der mittleren Stromstärke berechnet. Die berechnete Impedanz wird mit einem Sollwert für die Impedanz verglichen, welcher so gewählt ist, dass die Korona-Entladung aufrechterhalten werden kann, ohne dass es zu einem vollständigen Spannungsdurchbruch kommt. Durch einen Regler wird die Stromversorgung des Transformators so gesteuert, z. B. durch Impulsbreitenmodulation, dass die Impedanz des Schwingkreises möglichst nahe bei ihrem Sollwert liegt.
Die WO 2004/063560 offenbart weiterhin, die Hochfrequenzzündeinrichtung auf ihre Funktionsfähigkeit zu überwachen und eine zu niedrige Spannung oder eine zu hohe Spannung für das Versorgen des Schwingkreises und eine ausbleibende Zündung an ein Motorsteuergerät zu melden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Verfahrens zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsmotor mittels einer das Gemisch zündenden Korona-Entladung.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ein System zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, welcher das erfindungsgemäße Verfahren anwendet, ist Gegenstand des Anspruchs 17. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches besonders in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kolbenmotor, mit einer oder mehreren Brennkammern, welche durch Wände begrenzt sind, die auf Massepotential liegen. Das Verfahren eignet sich besonders für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen. In diesem Fall sind die Wände der Brennkammer mit dem Massepol eines im Fahrzeug vorgesehenen Akkumulators verbunden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein elektrischer Schwingkreis erregt, in welchem eine Kapazität liegt, die durch das Zusammenwirken einer elektrisch isoliert durch eine der die Brennkammer begrenzenden Wände hindurchgeführt und in die Brennkammer ragende Zündelektrode den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer gebildet ist. Bei einem Hubkolbenmotor liegt die Zündelektrode vorzugsweise dem jeweiligen Kolben gegenüber. Die Erregung des Schwingkreises wird in der Weise gesteuert, dass in der Brennkammer zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer eine das Brennstoff-Luft-Gemisch zündende Korona-Entladung erzeugt und gleichzeitig verhindert wird, dass zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer eine Funkenentladung als Folge eines vollständigen Spannungsdurchbruchs vermieden wird.
Erfindungsgemäß werden die Stärke des im Schwingkreis fließenden Wechselstroms, die den Schwingkreis erregende Wechselspannung und/oder die Impedanz des Schwingkreises beobachtet. Aus den Beobachtungen oder aus einer oder mehreren von den Beobachtungen abgeleiteten Messgrößen und/oder aus deren zeitlichem Verlauf werden Kennwerte gewonnen, die den Zustand der Brennkammer und/oder den Zustand des in der Brennkammer vorliegenden Stoffgemisches charakterisieren. Diese Kennwerte werden vorzugsweise einem Diagnosegerät und/oder einem Steuergerät, insbesondere einem Motorsteuergerät als Eingangsgrößen zugeführt.
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:

• Die Erfindung macht es möglich, aus dem Verhalten des Schwingkreises Rückschlüsse zu ziehen auf den Zustand der Brennkammer und auf den Zustand des in der Brennkammer vorliegenden Stoffgemisches. Die Kapazität, welche durch das Zusammenwirken der Zündelektrode und der Wände der Brennkammer gebildet wird, hängt nämlich von der Geometrie und von der Größe der Brennkammer und damit von der aktuellen Stellung des Kolbens in der Brennkammer ab. Die Kapazität hängt weiterhin davon ab, welches Medium sich in der Brennkammer befindet und in welchem Zustand es sich befindet. Insbesondere hängt die Kapazität von der Zusammensetzung des Mediums, von seiner Temperatur, von seiner Dichte und damit von seinem Druck und von der Anzahl, Art und Anordnung der in ihm vorhandenen Ladungsträger ab. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn – wie im vorliegenden Fall – das Brennstoff-Luft-Gemisch durch eine Korona-Entladung gezündet werden soll.
• Bei einem taktweise arbeitenden Kolbenmotor verändern sich die vorstehend genannten Parameter, die die Kapazität beeinflussen, im Verlaufe eines Arbeitstaktes in charakteristischer Weise. Deshalb kann man aus der Beobachtung des zeitlichen Verlaufes des Verhaltens des Schwingkreises Aufschluss gewinnen über die Kolbenbewegung und über den Ablauf des Verbrennungsvorganges, des Ansaug- oder Ladevorganges und des Abgas-Ausstoßvorganges.
• Die veränderliche Kapazität gibt unmittelbar Aufschluss über sich verändernde Zustände, die in der Brennkammer herrschen und kann deshalb herangezogen werden, um die Arbeitsweise des Motors, insbesondere den Verbrennungsvorgang, durch die Beobachtung des veränderlichen Verhaltens des Schwingkreises zu überwachen und zu optimieren. Dazu können aus der Beobachtung der Stärke des im Schwingkreis fließenden Wechselstroms, durch Beobachtung der den Schwingkreis erregenden Wechselspannung und/oder durch die Beobachtung der Impedanz des Schwingkreises den Zustand der Brennkammer und/oder den Zustand des in der Brennkammer vorliegenden Stoffgemisches charakterisierende Kennwerte gewonnen und z. B. einem Motorsteuergerät als Eingangsgrößen zugeführt werden, welches in Abhängigkeit davon den Motor steuern oder regeln kann.
• Für Diagnosezwecke können Grenzwerte von Zuständen überwacht und das Überschreiten oder Unterschreiten von Grenzwerten festgehalten und/oder angezeigt werden.
• Die Erfindung erlaubt es, unmittelbar in der Brennkammer Zustände zu erfassen, die im Motor sonst nicht oder nur mit höherem Aufwand und mit Hilfe von zusätzlichen Sensoren erfasst werden könnten, die nicht oder nur schwierig in der Brennkammer untergebracht werden können.
• Dadurch, dass erfindungsgemäß Zustände des in der Brennkammer vorliegenden Stoffgemisches unmittelbar in der Brennkammer erfasst werden können, lassen sie sich verzögerungsfrei erfassen und erlauben damit sehr schnelle Reaktionen eines Steuergerätes, insbesondere eines Motorsteuergerätes. Dadurch werden eine Optimierung der Zündung und des Verbrennungsvorganges im Motor erleichtert.
• Die Zündelektrode, welche für das Erfassen der Zustände in der Brennkammer herangezogen wird, unterliegt allenfalls einem geringen Verschleiß und ist nicht anfällig für Störungen.
• Die Erfindung eignet sich für jedes Hochfrequenz-Zündungssystem, das mit einem Schwingkreis die für eine Korona-Entladung erforderliche hohe elektrische Feldstärke an der Spitze einer Zündelektrode erzeugt, die in die Brennkammer hineinragt. Insbesondere eignet sich die Erfindung für ein Zündungssystem der Art, wie es in der WO 2004/063560 A1 offenbart ist, mit Frequenzen von typisch 300 KHz bis 3 MHz, insbesondere von 50 KHz bis 500 KHz arbeitet, einen Serienschwingkreis aufweist, von welchem die Zündelektrode ein Element ist, den Serienschwingkreis mit einer Wechselspannung von 1 kV bis 5 kV erregt und im Serienschwingkreis durch Spannungsüberhöhung eine Wechselspannung von 50 kV bis 500 kV erreicht. Wegen der Arbeitsweise eines solchen Zündsystems wird ausdrücklich auf die Offenbarung in der WO 2004/063560 A1 Bezug genommen.

Selbstverständlich enthält der Schwingkreis außer der in der Brennkammer gebildeten Kapazität auch noch wenigstens eine Induktivität und er kann außerhalb der Brennkammer ggf. eine weitere Kapazität enthalten. Über seine Induktivität (Wicklung) kann der Schwingkreis an den Ausgang eines Transformators angeschlossen werden, welcher die hochfrequente Wechselspannung für das Erregen des Schwingkreises liefert. Der Schwingkreis wird vorzugsweise mit seiner Resonanzfrequenz oder mit einer Frequenz erregt, welche seiner Resonanzfrequenz angenähert ist. Schwingt der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz, dann ist die im Schwingkreis auftretende Spannungserhöhung am größten.
Zur Ermittlung der Resonanzfrequenz der Schwingkreise wird vorzugsweise die Phasenverschiebung zwischen dem im Schwingkreis fließenden Wechselstrom und der erregenden Wechselspannung beobachtet. Ist der Schwingkreis ein Reihenschwingkreis, was erfindungsgemäß bevorzugt ist, dann wird die Frequenz der ihn erregenden Spannung so geregelt, dass der Phasenunterschied zwischen dem im Schwingkreis fließenden Wechselstrom und der erregenden Spannung minimiert wird. Phasenregelkreise, die das können, sind Stand der Technik; sie heißen im englischen Sprachgebrauch „phase locked loop” (PLL). Mit einem solchen Phasenregelkreis lässt sich der Schwingkreis so regeln, dass der Phasenunterschied zwischen dem im Schwingkreis fließenden Wechselstrom und der erregenden Wechselspannung minimiert wird.
Die Impedanz des Schwingkreises kann, wie es schon in der WO 2004/063560 A1 offenbart ist, aus dem Mittelwert der Stromstärke des im Schwingkreis fließenden Wechselstroms und aus dem Mittelwert der ihn erregenden Wechselspannung berechnet werden, wobei beide Mittelwerte für dieselbe vorgegebene Zeitspanne bestimmt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Impedanz aus der Phasenverschiebung zwischen der den Schwingkreis erregenden Wechselspannung und dem im Schwingkreis fließenden Wechselstrom zu bestimmen. Die Impedanz gibt nämlich die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in dem Schwingkreis an. Diese Vorgehensweise ist bevorzugt.
Zweckmäßigerweise wird die Impedanz des Schwingkreises auf einen Sollwert geregelt, welcher so gewählt ist, dass in der Brennkammer eine Korona-Entladung entsteht und aufrechterhalten werden kann, ohne in eine Funkenentladung oder Bogenentladung überzugehen. Anstelle der Impedanz kann auch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auf einen Sollwert geregelt werden.
Hochfrequenzzündeinrichtungen, die in eine Funkenentladung übergehen, sind an sich bekannt. Mit Übergang der Korona-Entladung in eine Funkenentladung entsteht ein Plasma, in welchem der elektrische Strom bei stark eingebrochener Spannung unter Ausbildung eines Lichtbogen vergleichsweise ungehindert fließt. In einem solchen Fall ist kann es noch möglich Aufschlüsse über den Zustand des Gemisches und des Verbrennungsvorganges in der Brennkammer zu gewinnen, wenn man einmal von der Feststellung des Zündzeitpunktes und der Durchbruchsspannung absieht. Erfindungsgemäß wird deshalb angestrebt, einen vollständigen Spannungsdurchbruch zu vermeiden, sondern eine Korona-Entladung aufrechtzuerhalten, bei welcher sich im Bereich um die Spitze der Zündelektrode herum eine Ladungswolke ausbilden kann, welche vorwiegend aus Elektronen besteht, die in einem Raumgebiet mit ausreichend hoher elektrischer Feldstärken durch Feldemission aus der Zündelektrode freigesetzt werden.
Bei einem Verbrennungsmotor mit Hubkolben oder Drehkolben ist es bevorzugt, den Schwingkreis diskontinuierlich in einem vorgegebenen Takt zu erregen, der von der Kolbenbewegung abhängt und vom Motorsteuergerät vorgegeben werden kann. Durch das Takten des Schwingkreises lässt sich der Zündzeitpunkt festlegen. In anderen Fällen, z. B. bei einer Antriebsturbine oder bei einem Gasbrenner, kann der Schwingkreis aber auch kontinuierlich angeregt und die Korona-Entladung entsprechend kontinuierlich aufrechterhalten werden.
Weiter oben wurde bereits erläutert, dass im Brennraum mehrere Einflussfaktoren auftreten, welche über die Veränderung der Kapazität zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer das Verhalten des Schwingkreises beeinflussen. Diese Einflussfaktoren können, soweit sie sich in charakteristischer Weise auf das Verhalten des Schwingkreises auswirken, erkannt werden, wenn man den im Schwingkreis fließenden Wechselstrom, die ihn erregende Wechselspannung und/oder die Impedanz des Schwingkreises und/oder deren zeitlichen Verlauf auf entsprechende charakteristische Merkmale oder Muster untersucht. Das kann z. B. mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzwerkes geschehen, weil man das Erkennen solcher charakteristischer Merkmale oder Muster erlernen kann. Lernfähig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den zeitlichen Verlauf der Impedanz des Schwingkreises einer Wavelet-Transformation zu unterwerfen und im transformierten Raum auf charakteristische Merkmale oder Muster zu untersuchen. Werden diese gefunden, können sie nach der Häufigkeit oder Intensität ihres Auftretens zahlenmäßig bewertet und die so gewonnenen Zahlenwerte einem Diagnosegerät und/oder einem Steuergerät als Eingangsgrößen zugeführt werden. Das Diagnosegerät kann die ihm zugeführten Zahlenwerte mit Grenzwerten vergleichen und Überschreiten oder Unterschreiten der Grenzwerte festhalten und/oder zur Anzeige bringen. Ein Steuergerät kann die ihm zugeführten Eingangsgrößen benutzen, um Einfluss auf die Steuerung des Schwingkreises oder auf andere Stellglieder, die für den Motorbetrieb vorgesehen sind zu verwenden. Das Diagnosegerät und das Steuergerät können zusammen mit sonstigen Einrichtungen für das Zündsystem in ein gemeinsames Gerät integriert sein, sie können aber auch gesondert davon verwirklicht sein oder in ein ohnehin vorhandenes Motorsteuergerät integriert sein.
Die Erfindung erlaubt es, einen oder mehrere Kennwerte aus der nachstehenden Gruppe von Kennwerten zu gewinnen, welche den Zustand der Brennkammer und/oder den Zustand des in der Brennkammer vorliegenden Stoffgemisches charakterisieren, weil sie die elektrische Kapazität, welche durch das Zusammenwirken der Zündelektrode mit den Wänden der Brennkammer gebildet wird, und damit das Verhalten des Schwingkreises und seine Eigenfrequenz beeinflussen:

– Die Kraftstoffart und -qualität, z. B. ein Benzin mit einer bestimmten Oktanzahl.
– Das Mischungsverhältnis von Kraftstoff zu Luft. Die Abhängigkeit der Kapazität von diesem Mischungsverhältnis ist günstig für das Steuern schadstoffarmer Magermotoren.
– Der Verbrennungsdruck und sein zeitlicher Verlauf. Sie geben Aufschluss über die Dynamik des Verbrennungsvorgangs.
– Die Verbrennungslage.
– Ein evtl. Klopfen der Verbrennung, welches einen ungleichmäßigen Verlauf des Verbrennungsvorganges anzeigt.
– Die Kolbenstellung, weil sie unmittelbar die Größe der Verbrennungskammer angibt, deren Geometrie und Inhalt mit seinen dielektrischen Eigenschaften und mit den in ihm enthaltenen Ladungsträgern die Kapazität mitbestimmt.
– Die Synchronisation des Zündzeitpunktes mit der Kolbenbewegung.
– Die Temperatur der Verbrennungsluft und der Druck in der Verbrennungsluft, weil sie die dielektrischen Eigenschaften des Inhalts der Brennkammer mitbestimmen.
– Die Funktion von Stellgliedern im Weg der zugeführten Verbrennungsluft, namentlich eine Drosselklappe und/oder ein Turbolader und/oder eine Abgasrückführungseinrichtung, die über eine Änderung des Mischungsverhältnisses und des Drucks in der Brennkammer Einfluss auf die Kapazität nehmen.

Ein System zum Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer ist Gegenstand des Anspruchs 16. Es besteht im wesentlichen aus einer Spannungsquelle, z. B. aus einer Batterie oder aus einem Akkumulator, aus welchem mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, die einen elektrischen Schwingkreis erregt, in welchem eine Kapazität liegt, die durch das Zusammenwirken einer Zündelektrode mit den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer gebildet ist. Eine Steuereinrichtung steuert die Erregung des Schwingkreises so, dass in der Brennkammer unter Vermeidung einer Funkenentladung im Umfeld der Zündelektrode eine Korona-Entladung erzeugt wird. Erfindungsgemäß hat das System Mittel zum Beobachten des im Schwingkreis fließenden Wechselstroms, Mittel zum Beobachten der den Schwingkreis erregenden Wechselspannung und/oder Mittel zum Beobachten der Impedanz des Schwingkreises. Ferner hat das System eine Auswerteschaltung, welche aus den Beobachtungen und/oder aus einer oder mehreren von ihnen abgeleiteten Messgrößen und/oder aus deren zeitlichem Verlauf den Zustand der Brennkammer und/oder den Zustand des in der Brennkammer vorliegenden Stoffgemi sches charakterisierende Kennwerte gewinnt. Diese Kennwerte werden an einer Schnittstelle zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Sie können über die Schnittstelle in eine Steuereinrichtung des Zündsystems übertragen werden, wo sie herangezogen werden, um den Zündvorgang selbst zu steuern. Sie können über die Schnittstelle aber auch an ein Diagnosegerät übertragen werden in welchem sie dazu herangezogen werden, um eine Diagnose des Zündsystems durchzuführen. Dabei werden gewisse Kennwerte auf das Einhalten von Grenzwerten überwacht und das Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes wird gespeichert und/oder angezeigt. Gespeicherte Grenzwerte können in einer Werkstatt mit einem dort vorhandenen Diagnosecomputer ausgelesen werden. Weiterhin kann an die Schnittstelle ein externes Steuergerät angeschlossen werden, insbesondere ein Motorsteuergerät, welchem die Kennwerte als Eingangsgrößen zugeführt werden, um für Zwecke der Motorsteuerung zu dienen. Zum Beispiel können auf diese Weise die Zusammensetzung des zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine ermittelte Kraftstoffart, der Zündzeitpunkt und die Dauer der Koronaentladung je Motorzyklus mit Hilfe von Eingangsgrößen gewonnen werden, die aus der Beobachtung des Verhaltens des Schwingkreises gewonnen wurden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Zündsystems für einen Fahrzeugmotor, und
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotor, welcher mit dem in 1 dargestellten Zündsystem verknüpft ist.
1 zeigt eine Brennkammer 1, welche von Wänden 2, 3 und 4 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 1 ragt von oben eine Zündelektrode 5 hinein, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben ist, mit welchem sie elektrisch isoliert durch die obere Wand 2 hindurch in die Brennkammer 1 geführt ist. Die Zündelektrode 5 und die Wände 2 bis 4 der Brennkammer 1 sind Bestandteil eines Reihenschwingkreises 7, zu welchem noch ein Kondensator 8 und eine Induktivität 9 gehören. Selbstverständlich kann der Reihenschwingkreis 7 weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Reihenschaltkreisen bekannt sind.
Zur Erregung des Schwingkreises 7 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 vorgesehen, welcher eine Gleichspannungsquelle 11 und einen Transformator 12 mit einem Mittenabgriff 13 auf seiner Primärseite hat, wodurch am Mittenabgriff 13 zwei Primärwicklungen 14 und 15 zusammentreffen. Mittels eines Hochfrequenzumschalters 16 werden die vom Mittenabgriff 13 entfernten Enden der Primärwicklungen 14 und 15 abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz des Hochfrequenzumschalters 16 bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis 7 erregt wird und ist veränderbar. Die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 speist den Reihenschwingkreis 7 am Punkt A. Der Hochfrequenzumschalter 16 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Regelkreises so gesteuert, dass der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Dann ist die zwischen der Spitze der Zündelektrode 5 und den auf Massepotential liegenden Wänden 2 bis 4 am größten.
Die Impedanz des Reihenschwingkreises 7 bestimmt die Natur der an der Zündelektrode auftretenden elektrischen Entladung. Die Impedanz wird mit einem nicht dargestellten Regler auf einen Sollwert geregelt, der zwar erreicht werden soll, damit eine Koronaentladung auftritt und für eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten werden kann, um eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer 1 zu erreichen, die aber nicht überschritten werden soll, damit es in der Brennkammer 1 nicht zu einem Spannungsdurchbruch und in der weiteren Folge zu einer Funkenentladung oder Bogenentladung kommt. Um die Impedanz des Schwingkreises 7 auf ihren Sollwert regeln zu können, muss ihr Istwert ermittelt werden. Der Istwert der Impedanz wird vorzugsweise aus der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Schwingkreis 7 ermittelt, die am Punkt B gemessen werden kann.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, der mit der in 1 schematisch dargestellten Zündeinrichtung ausgerüstet ist. Die Brennkammer 1 ist begrenzt durch eine als Zylinderkopf ausgebildete obere Wand 2, durch eine zylindrische Umfangswand 3 und durch die Oberseite 4 eines in dem Zylinder hin und her beweglichen Kolbens 18, welcher mit Kolbenringen 19 versehen ist.
Im Zylinderkopf 2 befindet sich ein Durchgang 20, durch welchen die Zündelektrode 5 elektrisch isoliert und abgedichtet hindurchgeführt ist. die Zündelektrode 5 ist auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben, der aus einer gesinterten Keramik bestehen kann, z. B. aus einer Aluminiumoxidkeramik. Die Zündelektrode 5 ragt mit ihrer Spitze bis in die Brennkammer 1 hinein und steht etws über den Isolator 6 vor, könnte mit diesem aber auch bündig abschließen.
Auf der Oberseite des Kolbens 18 sind in der Umgebung der Spitze der Zündelektrode 5 einige scharfkantige Vorsprünge 21 vorgesehen, welche zur lokalen Erhöhung der elektrischen Feldstärke zwischen der Zündelektrode 5 und dem ihr gegenüberliegenden Kolben 18 dienen. Vor allem im Gebiet zwischen der Zündelektrode 5 und und der von den Vorsprüngen 21 umgebenen Fläche des Kolbens 18 bildet sich beim Erregen des Schwingkreises 7 eine Korona-Entladung aus die von einer mehr oder weniger intensiven Ladungsträgerwolke 22 begleitet sein kann.
An die Aussenseite des Zylinderkopfes 2 ist ein Gehäuse 23 angesetzt. In einem ersten Abteil 24 des Gehäuses 23 befinden sich die Primärwicklungen 14 und 15 des Transformators 12 und der damit zusammenarbeitende Hochfrequenzschalter 16. In einem zweiten Abteil 25 des Gehäuses 23 befinden sich die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 und die restlichen Bestandteile des Reihenschwingkreises 7 sowie Mittel zum Beobachten des Verhaltens des Schwingkreises 7, welche die Ergebnisse ihrer Beobachtungen an eine Auswerteschaltung im zweiten Abteil 25 übermittelt. Diese ermittelt daraus Kennwerte, welche den Zustand der Brennkammer 1 und/oder des in der Brennkammer vorhandenen gasförmigen Stoffgemisches charakterisieren und stellt sie an einer Schnittstelle 26 zur Verfügung, über welche sie z. B. zu einem Diagnosegerät oder zu einem Motorsteuergerät gelangen können, welches sie zum Zwecke der Motorsteuerung als Einganggrößen für Steuer- und Regelaufgaben verwendet und seinerseits Zeitsteuersignale an einen Eingang 27 und andere Steuersignale, z. B. Sollwertvorgaben für die Impedanz des Schwingkreises 7, an einen Eingang 28 der Zündeinrichtung übermittelt.

Anlage: WO 2004/063560 A1

1: Brennkammer
2: Wand der Brennkammer
3: Wand der Brennkammer
4: Wand der Brennkammer, Oberseite des Kolbens 18
5: Zündelektrode
6: Isolator
7: Schwingkreis, Reihenschwingkreis
8: Kondensator
9: Induktivität
10: Hochfrequenzgenerator
11: Gleichspannungsquelle
12: Transformator
13: Mittenabgriff
14: Primärwicklung
15: Primärwicklung
16: Hochfrequenzumschalter
17: Sekundärwicklung
18: Kolben
19: Kolbenringe
20: Durchgang
21: Vorsprünge
22: Ladungsträgerwolke
23: Gehäuse
24: erstes Abteil von 23
25: zweites Abteil von 23
26: Schnittstelle
27: Eingang
28: Eingang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/063560 A1 [0001, 0002, 0011, 0011, 0014, 0031]
- WO 2004/063560 [0005]

Claims

Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, in welchem ein elektrischer Schwingkreis (7) erregt wird, in welchem eine elektrisch isoliert durch eine der die Brennkammer (1) begrenzenden Wände (2, 3, 4) hindurchgeführte und in die Brennkammer (1) ragende Zündelektrode (5) im Zusammenwirken mit den auf Massepotential liegenden Wänden (2, 3, 4) der Brennkammer (1) eine Kapazität darstellt, und in welchem die Erregung des Schwingkreises (7) in der Weise gesteuert wird, dass in der Brennkammer (1) an der Zündelektrode (5) eine das Brennstoff-Luft-Gemisch zündende Korona-Entladung (22) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstroms, die den Schwingkreis (7) erregende Wechselspannung und/oder die Impedanz des Schwingkreises (7) beobachtet werden und aus den Beobachtungen oder aus einer oder mehreren von ihnen abgeleiteten Messgrößen und/oder aus deren zeitlichem Verlauf den Zustand der Brennkammer (1) und/oder den Zustand des in der Brennkammer (1) vorliegenden Stoffgemisches charakterisierende Kennwerte gewonnen und zur Weiterverarbeitung bereitgehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kolbenmotor, mit einer oder mehreren Brennkammern (1) angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Kennwerte einem Diagnosegerät und/oder einem Motorsteuergerät als Eingangsgrößen zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (7) mit seiner Resonanzfrequenz oder mit einer Frequenz erregt wird, welche seiner Resonanzfrequenz angenähert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (7) die Phasenverschiebung zwischen dem im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstrom und der erregenden Wechselspannung beobachtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der den Schwingkreis (7) erregenden Wechselspannung so geregelt wird, dass der Phasenunterschied zwischen Strom und Spannung im Schwingkreis (7) einen Sollwert annimmt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (7) ein Reihenschwingkreis ist und die Frequenz der ihn erregenden Wechselspannung so geregelt wird, dass der Phasenunterschied zwischen dem im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstrom und der erregenden Spannung minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Schwingkreises (7) aus dem Mittelwert der Stromstärke des im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstroms und aus dem Mittelwert der ihn erregenden Wechselspannung berechnet wird, wobei beide Mittelwerte für dieselbe vorgegebene Zeitspanne bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Schwingkreises (7) aus der Phasenverschiebung zwischen dem im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstrom und der den Schwingkreis (7) erregenden Wechselspannung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Schwingkreises (7) auf einen Sollwert geregelt wird, welcher so gewählt ist, dass in der Brennkammer (1) eine Koronaentladung (22) entsteht und aufrechterhalten werden kann, ohne in eine Funkenentladung überzugehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (7) diskontinuierlich in einem vorgegebenen Takt erregt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt von einem Motorsteuergerät vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schwingkreis (7) fließende Wechselstrom, die ihn erregende Wechselspannung und/oder die Impedanz des Schwingkreises (7) und/oder deren zeitlicher Verlauf auf charakteristische Merkmale oder Muster untersucht wird bzw. werden, dass aufgefundene charakteristische Merkmale oder Muster zahlenmäßig bewertet und die so gewonnenen Zahlenwerte einem Diagnosegerät und/oder einem Steuergerät, insbesondere einem Motorsteuergerät, als Eingangsgrößen zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchen auf charakteristische Merkmale und Muster mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerkes und/oder mittels einer Wavelet-Transformation erfolgt, welche auf den zeitlichen Verlauf der Impedanz des Schwingkreises (7) angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Kennwerte aus der nachstehenden Gruppe von Kennwerten gewonnen werden, welche den Zustand der Brennkammer (1) und/oder den Zustand des in der Brennkammer (1) vorliegenden Stoffgemisches charakterisieren: – die Kraftstoffart und -qualität, – das Mischungsverhältnis von Kraftstoff zu Luft, – der Verbrennungsdruck und sein zeitlicher Verlauf, – die Verbrennungslage, – ein eventuelles Klopfen der Verbrennung, – die Kolbenstellung, – die Synchronisation des Zündzeitpunktes mit der Kolbenbewegung, – die Temperatur der Verbrennungsluft, – der Druck in der Verbrennungsluft, – die Funktion von Stellgliedern im Weg der zugeführten Verbrennungsluft (Drosselklappe, Turbolader, Abgasrückführung).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Kennwerte für Zwecke der Motordiagnose und/oder der Motorsteuerung verwendet werden.
System zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kolbenmotor, gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (1) begrenzt sind, in welchem mit einem elektrischen Hochfrequenzgenerator (10) ein elektrischer Schwingkreis (7) erregt wird, in welchem eine elektrisch isoliert durch eine der Wände (2) der Brennkammer (7) hindurchgeführte und in die Brennkammer (1) ragende Zündelektrode (5) im Zusammenwirken mit den auf Massepotential liegenden Wänden (2, 3, 4) der Brennkammer (1) eine Kapazität darstellt, und in welchem eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die Erregung des Schwingkreises (7) in der Weise steuert, dass in der Brennkammer (1) unter Vermeidung einer Funkenentladung zwischen der Zündelektrode (5) und den Wänden (2, 3, 4) der Brennkammer (1) eine das Brennstoff-Luft-Gemisch zündende Korona-Entladung (22) erzeugt wird, gekennzeichnet durch Mittel zum Beobachten des im Schwingkreis (7) fließenden Wechselstroms, Mittel zum Beobachten der den Schwingkreis (7) erregenden Wechselspannung und/oder Mittel zum Beobachten der Impedanz des Schwingkreises (7), und eine Auswerteschaltung, welche aus den Beobachtungen und/oder aus einer oder mehreren von ihnen abgeleiteten Messgrößen und/oder aus deren zeitlichem Verlauf den Zustand der Brennkammer (1) und/oder den Zustand des in der Brennkammer (1) vorliegenden Stoffgemisches charakterisierende Kennwerte gewinnt und für eine weitere Bearbeitung an einer Schnittstelle (26) bereithält.
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an die Schnittstelle (26) ein Diagnosegerät und/oder ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, angeschlossen ist, welchem bzw. welchen die Kennwerte von der Auswerteschaltung als Eingangsgrößen zugeführt werden.
System nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung ein künstliches neuronales Netzwerk umfasst.
System nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung auf den zeitlichen Verlauf der Impedanz des Schwingkreises (7) eine Wavelet-Transformation anwendet.