DE102010015998A1

DE102010015998A1 - Zündverfahren und Zündanlage dafür

Info

Publication number: DE102010015998A1
Application number: DE102010015998A
Authority: DE
Inventors: Andre Brandes; Rainer Völz
Original assignee: Motortech GmbH
Current assignee: Motortech GmbH
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-22
Also published as: EP2547897B1; EP2547897A1; US20120325190A1; PL2547897T3; WO2011113431A1; US8893692B2; ES2599409T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zündverfahren für Brennkraftmaschinen mit einer Zündspule (3) mit Primärstromkreis (P) und Sekundärstromkreis (S) sowie einer im Sekundärstromkreis (S) angeordneten Zündkerze (5), wobei der Zündstrom ein Pulssignal ist, das durch Pulsweitenmodulation im Primärstromkreis (P) gesteuert wird, wobei der momentan im Primärstromkreislauf (P) fließende Primärstrom gemessen wird, der gemessene Primärstrom mit einem vorgegebenen Sollzündstrom verglichen wird und die Pulsweitenmodulation und/oder eine Frequenzmodulation des Pulssignals im Primärstromkreis (P) entsprechend dem Vergleichsergebnis zum Erreichen des Sollstroms nachgeregelt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen mit einer Steuereinheit (1) zur Vorgabe eines Ansteuersignals, einer Brenndauer und eines Zündstromes, einem elektronischen Schalter (2) zur Erzeugung eines Pulssignales, einer Zündspule (3) mit Primär- (31) und Sekundärwicklung (32), wobei die Primärwicklung (31) über den elektronischen Schalter (2) an einer Spannungsquelle (4) anliegt und die Sekundärwicklung (31) eine Zündkerze (5) versorgt, wobei ein erstes Strommessmittel (61) zur Bestimmung des über die Primärwicklung (31) fließenden Primärstromes vorgesehen ist, dem ein Komparator (8) zum Vergleich mit dem von der Steuereinheit (1) vorgegebenen Sollzündstrom nachgeordnet ist, der Wirkmittel auf den elektronischen Schalter (2) zur Pulsweiten- und/oder Frequenzmodulation des Primärstromes und damit der Zündstromstärke hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zündverfahren für Brennkraftmaschinen mit einer Zündspule mit Primärstromkreis und Sekundärstromkreis sowie einer im Sekundärstromkreis angeordneten Zündkerze, wobei der Zündstrom ein Pulssignal ist, das durch Pulsweitenmodulation im Primärstromkreis gesteuert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen mit einer Steuereinheit zur Vorgabe eines Ansteuersignals, einer Brenndauer und eines Zündstromes, einem elektronischen Schalter zur Erzeugung eines Pulssignales, einer Zündspule mit Primär- und Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung über den elektronischen Schalter an einer Spannungsquelle anliegt und die Sekundärwicklung eine Zündkerze versorgt.
Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist ein Zündsystem zum Entflammen des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum mittels eines Zündfunkens erforderlich. Dabei wird bei modernen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen meist eine elektronische Zündanlage mit einer Zündspule als Energiespeicher eingesetzt. Um ein optimales Zündergebnis zu erreichen und gleichzeitig weder die Zündspule noch die Zündkerze zu überanspruchen, ist eine situationsgerechte Einstellung der für jeden Zündvorgang erforderlichen Zündenergie von entscheidender Bedeutung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden zur Steuerung der Zündenergie bekannt. Bei einer pulsweitenmodulierten Zündsteuerung wird der Zündstrom bzw. die Zündenergie von der in einer CPU abgelegten Software gesteuert. Dabei wird die Zündspule mit Impulsen variabler Breite angesteuert. Aus der EP 1 103 720 B1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur Stromregelung einer Zündanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem elektrische Energie in einem Magnetfeld, das durch einen Primärstrom aufgebaut worden ist, gespeichert und durch ein Unterbrechen des Primärstromes das Magnetfeld zusammenbricht und durch Induktion eine Hochspannung erzeugt, die zur Zündung verwendet wird, wobei ein Steuersignal einen Sollwert für den Primärstrom angibt und mit einer Stromregelung der Primärstrom auf diesen Sollwert begrenzt wird, wobei zur Stromregelung nach Erreichen des Sollwertes des Primärstroms der Stromfluss von der Batterie zu einer Primärwicklung an- und abgeschaltet wird.
Entsprechend wird bei den bekannten pulsweitenmodulierten Zündsteuergeräten eine Pulskette verwendet, um die Brenndauer des Zündfunkens einstellen zu können. Die Erzeugung der Schaltimpulse durch die CPU hat jedoch den Nachteil einer relativ niedrigen Schaltfrequenz, wodurch ein hoher Ripplestrom entsteht. Durch die fehlende Rückmeldung über den Ist-Zustand des Stromes kann eine Kontrolle über die optimale Funktion der Zündung nicht erfolgen. Beispielsweise wird ein Funkenabriss nicht erkannt, womit auch keine Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Um Funkenabrisse möglichst zu vermeiden, wird im Stand der Technik eine höhere Zündenergie, als eigentlich nötig, zur Verfügung gestellt, was zu einem erhöhten Abbrand der Zündkerzenelektroden führt.
Als weitere Zündungssteuerung ist die Pulszugzündung bekannt, die der pulsweitenmodulierten Zündsteuerung ähnelt, jedoch bewusst einen Funkenabriss erzeugt. Die Zündspule wird dazu zwischen den Impulsen entmagnetisiert, was zu einem definierten Funkenabriss führt. Bei dem nächsten Impuls wird der Zündfunke dann wieder aufgebaut. Diese Betriebsart eignet sich insbesondere für Gemische, die eine relativ niedrige Zündenergie benötigen. Ein zwischen einer Pulszugzündung und einer Einzelpulszündung schaltbares Zündverfahren ist aus der EP 1 299 630 B1 bekannt.
Ferner ist als drittes elektronisches Zündsystem eine Wechselspannungszündung bekannt, bei der der Primärkreis der Zündspule mit einer Wechselspannung versorgt wird. Dazu wird ein aus Zündspule und Kondensator gebildeter Resonanzkreis angesteuert, womit am Ausgang eine Hochspannung mit wechselnder Polarität vorliegt und entsprechend darauf abgestimmte Zündkerzen eingesetzt werden müssen.
Das Problem der ausreichenden Energiezufuhr und/oder Zünddauer sind beispielhaft in den Druckschriften EP 0 489 264 B1 und DE 101 55 972 A1 beschrieben. Eine Regelung des Zündstromes ist daraus jedoch nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündanlage bzw. ein Zündverfahren anzugeben, mit dem eine sichere Auslösung eines Zündfunkens mit Kontrolle des Zündvorgangs über die gesamte Zünddauer zur Verfügung gestellt wird, wobei eine übermäßige Beanspruchung der Zündspule und Zündkerze zu vermeiden ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Zündverfahren gemäß Anspruch 1 und einer Zündanlage gemäß Anspruch 5.
Erfindungsgemäß liegt der Grundgedanke darin, die Zündspule als Stromübertrager einzusetzen. Durch die Erfassung des Primärstromes und Auswertung im Regelkreis kann der Zustand des Sekundärstromkreises zuverlässig erkannt werden. Im Falle einer Störung, beispielsweise bei stark abgebrannter Zündkerze, wird über den Regelkreis der Zündstrom sofort nachgeregelt, um einen Funkenabriss zu vermeiden. Diese Zündstromregelung reagiert somit automatisch auf Fehlerquellen auf der Sekundärstromseite. Jedem Zylinder bzw. jeder Zündkerze wird somit der individuell optimale Zündstrom zugeführt. Durch die Strommessung wird der Zustand der Zündkerzen stets überwacht und im Fehlerfall wird gegengeregelt. Die Anpassung des Zündstromes an den Sollstrom erfolgt durch Pulsweitenmodulation oder Frequenzmodulation oder Pulsweiten- und Frequenzmodulation. Bei einer Frequenzmodulation können besondere Charakteristiken der jeweiligen Zündspule sowie andere Parameter des Regelverhaltens berücksichtigt werden.
Dadurch, dass ein momentan in der Zündspule induzierter Freilaufstrom gemessen wird und der momentane Primärstrom und der momentane Freilaufstrom zu einem Gesamtstrom addiert werden und der Gesamtstrom mit dem vorgegebenen Sollzündstrom verglichen wird, kann durch Erfassung des Freilaufstromes der Regelkreis auch für mehrere Zündspul-/Zündkerzensysteme für mehrzylinderige Brennkraftmaschinen verwendet werden. Dabei erfolgt eine Primärstrommessung vor der Verteilung des Primärstromes auf die jeweiligen den Zylindern bzw. Zündkerzen zugeordneten Zündspulen, also vor den elektronischen Schaltern, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Strommessung erfolgt dabei sequentiell zunächst für den jeweils geschalteten Primärstrom und unmittelbar nachfolgend für den jeweils fließenden, in der zugeordneten Zündspule induzierten Freilaufstrom. Der Freilaufstrom wird über die in einem Knoten zusammengeschalteten Freilaufdioden mit dem zweiten Strommessmittel gemessen. Durch Erfassung und Aufaddierung des jeweiligen Primärstromes und des zugeordneten Freilaufstromes liegt dann eine verlässliche Vergleichsbasis für den vorgegebenen Sollzündstrom vor, die im Komparator verglichen werden kann und zur Regelung des Primärstromes über eine Pulsweitenmodulation und/oder eine Frequenzmodulation ausgenutzt werden kann.
Wenn durch Integration des Gesamtstromes die der Zündspule zugeführte Energie ermittelt und bei Erreichen einer Maximalenergie die Stromzufuhr zur Zündspule unterbrochen wird, wird bei auftretenden Fehlern eine Überlastung der Zündspule und/oder Zündkerze vermieden. Dabei kann die Maximalenergie so gewählt werden, dass übliche Verschleisserscheinungen, insbesondere an der Zündkerze innerhalb eines Toleranzbereichs, der durch die Maximalenergie vorgegeben wird, abgedeckt sind. Wenn jedoch wesentliche Fehler im Sekundärstromkreis, etwa in der Zündspule oder an der Zündkerze entstehen und somit die Maximalenergie bei einem Zündvorgang überschritten wird, wird die Zündung zur Vermeidung einer Überbeanspruchung der Komponenten unterbrochen. Vorrichtungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein Integrator vorgesehen ist, an dem das Signal des Gesamtstroms vom Addierer anliegt und zu einer Zündenergie integriert wird, wobei beim Erreichen einer der Zündspule zugeführten Maximalenergie der elektronische Schalter öffnet.
Wenn der Anfangszündstrom bis zum Zündüberschlag nicht geregelt wird, wird der Ladevorgang der Zündspule mit einem fest vorgegebenen Ladestrom durchgeführt, wonach die Zündstromregelung erst nach Zündüberschlag erfolgt.
Wenn das Pulssignal eine feste oder geregelte Schaltfrequenz von 50 kHz und höher, insbesondere 50 kHz bis 100 kHz hat, kann trotz der Regelung ein sehr gradliniger Zündstromverlauf erreicht werden, der Stromspitzen vermeidet. Insbesondere wird der bei pulsweitenmodulierter Zündsteuerung bekannte Ripplestrom vermieden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Figuren beschrieben:
Darin zeigt:
1 ein Schaltprinzip der erfindungsgemäßen Zündanlage,
2 in zwei Graphen den Verlauf von Steuer- und Stromsignalen in der erfindungsgemäßen Zündanlage und
3 ein Schaltprinzip einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist eine Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Zündanlage wiedergegeben. Die Schaltung weist eine Steuereinheit 1 auf, die beispielsweise eine CPU ist, in der die Parameter für den Betrieb der Zündanlage und deren Software abgespeichert ist. Als wesentliche Parameter sind dies die Vorgabe eines Ansteuersignals, die Vorgabe einer Brenndauer sowie die Vorgabe des Zündstroms. Ferner wird über die Steuereinheit 1 der Anfangszündstrom mit Aufladdauer, also somit das Hochspannungsangebot, vorgegeben.
Ferner weist die Schaltung einen elektronischen Schalter 2 in einem von einer Spannungsquelle 4 versorgten Primärstromkreis P auf. Der Primärstromkreis P führt über eine Primärwicklung 31 der Zündspule 3. Ferner ist im Primärstromkreis P eine parallel zur Primärwicklung 31 der Zündspule 3 geschaltete Freilaufdiode 33 angeordnet. Im Primärkreislauf P ist ein erstes Strommessmittel 61 zur Ermittlung des momentan fließenden Primärstroms vorgesehen. Ferner ist in der zur Primärwicklung 31 parallelen Leitung mit der Freilaufdiode 33 ein zweites Strommessmittel 62 zum Messen des Freilaufstromes angeordnet.
Die Zündspule 3 weist neben der Primärwicklung 31 eine Sekundärwicklung 32 (Hochspannungsteil) auf, die zusammen mit einer Zündkerze 5 ein Sekundärstromkreis S bildet.
Die beiden Messsignale des ersten Strommessmittels 61 und des zweiten Strommessmittels 62 sind auf einen Addierer 7 gelegt, in dem aus den beiden Signalen der Gesamtstrom ermittelt wird. Der Gesamtstrom ist an einen Komparator 8 gelegt, der den Gesamtstrom mit dem aus der Steuereinheit 1 vorgegebenen Zündstrom vergleicht. Entsprechend des Vergleichs im Komparator 8 wird der elektronische Schalter 2 so geregelt, dass der in der Steuereinheit 1 hinterlegte Sollzündstrom erreicht wird. Dabei wird die Stromstärke im Primärkreislauf P durch Pulsweitenmodulation und/oder Frequenzmodulation verändert.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Signal des Gesamtstromes aus dem Addierer 7 auch auf einen Integrator 9 gelegt, der den jeweils gemessenen Gesamtstrom über einen Zündvorgang integriert und somit die Zündenergie ermittelt. Übersteigt die Zündenergie eine in der Steuereinheit 1 ebenfalls vorgegebene Maximalenergie, wird der elektronische Schalter 2 geöffnet, also die Zündung unterbrochen. So wird eine Überbeanspruchung der Komponenten, insbesondere der Zündspule 3 und der Zündkerze 5 vermieden.
In 2 sind zwei Graphen wiedergegeben. Der obere Graph zeigt die in der Steuereinheit 1 vorgegebenen Steuersignale, insbesondere Brenndauer ΔT, Zündstrom I_Zv und Hochspannungsangebot E_H über der Zeit t. Im unteren Graphen ist der entsprechend der Steuerung der Steuereinheit 1 an der Zündspule 3 anliegende Zündstrom I_Zm, über der Zeit t angegeben.
Aus 2 ist damit ersichtlich, dass über die gewünschte Brenndauer ΔT ein variierbarer, aber für eine Zündanlagenkonstellation fest vorgegebener Zündstrom I_Zv beispielsweise 100 mA (mittlere Linie) über die Regelung sehr genau in Form des momentanen Zündstromes I_Zm gehalten werden kann. Zum Beginn der Brenndauer ΔT (Anstieg des Signals) wird das Hochspannungsangebot E_H in der Zündspule 3 durch die fest vorgegebene Ladeenergie bis zur absteigenden Flanke des Hochspannungsangebots E_H aufgebaut. In diesem Zeitfenster erfolgt die Ionisierung der Funkenstrecke und der Durchbruch (Zündüberschlag). Mit Beendigung des Hochspannungsangebotes E_H (absteigende Flanke) beginnt die Regelung und der Zündstrom wird über den aus Addierer 7, Komparator 8, Steuereinheit 1 und elektronischen Schalter 2 aufgebauten Regelkreis auf die vorgegebenen 100 mA eingeregelt. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz des Pulssignals von beispielsweise 50 kHz bis 100 kHz wird ein stetiger und sehr gradliniger Zündstromverlauf bis zum Ende der Brenndauer ΔT (absteigende Flanke) erreicht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist insbesondere für Brennkraftmaschinen mit mehreren Zündkerzen (mehrere Zylinder) vorteilhaft, da nur ein Regelkreis erforderlich ist, wenn die zu jeder Zündkerze zugeordneten Zündspulen parallel zueinander über jeweils zugeordnete elektronische Schalter 2 nach dem ersten Strommessmittel 61 angeschlossen sind. Also ist es für diese Schaltung zwingend erforderlich, dass das erste Strommessmittel vor der Verzweigung zu den elektronischen Schaltern 2 angeordnet ist. Entsprechend sind auch die der jeweiligen Zündspule zugeordneten Freilaufdioden 33 in einem Knoten an ihrer Basis zusammengefasst, an der dann mit einem zweiten Strommessmittel 62 der zugeordnete Freilaufstrom sequentiell gemessen wird.
In 3 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel als Schaltprinzip wiedergegeben. Dabei wird lediglich der Primärstrom mit einem ersten Strommessmittel 61 gemessen und über einen Komparator 8 mit einem von einer Steuereinheit 1 vorgegebenen Sollzündstrom verglichen, so dass der Zündstrom entsprechend geregelt wird. Bei dieser Schaltung, die einen Regelkreis je Zündspule-/Zündkerzen-Einheit aufweist, ist eine Freilaufstrommessung nicht erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Steuereinheit
2: elektronischer Schalter
3: Zündspule
31: Primärwicklung
32: Sekundärwicklung
33: Freilaufdiode
4: Spannungsquelle
5: Zündkerze
61: erstes Strommessmittel
62: zweites Strommessmittel
7: Addierer
8: Komparator; Regelung
9: Integrator
P: Primärstromkreis
S: Sekundärstromkreis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1103720 B1 [0003]
EP 1299630 B1 [0005]
EP 0489264 B1 [0007]
DE 10155972 A1 [0007]

Claims

Zündverfahren für Brennkraftmaschinen mit – einer Zündspule (3) mit Primärstromkreis (P) und Sekundärstromkreis (S) sowie – einer im Sekundärstromkreis (S) angeordneten Zündkerze (5), wobei der Zündstrom ein Pulssignal ist, das durch Pulsweitenmodulation im Primärstromkreis (P) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der momentan im Primärstromkreislauf (P) fließende Primärstrom gemessen wird, – der gemessene Primärstrom mit einem vorgegebenen Sollzündstrom verglichen wird und, – die Pulsweitenmodulation und/oder eine Frequenzmodulation des Pulssignals im Primärstromkreis (P) entsprechend dem Vergleichsergebnis zum Erreichen des Sollstroms nachgeregelt wird.
Zündverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein momentan in der Zündspule (3) induzierter Freilaufstrom gemessen wird und der momentane Primärstrom und der momentane Freilaufstrom zu einem Gesamtstrom addiert werden und der Gesamtstrom mit dem vorgegebenen Sollzündstrom verglichen wird.
Zündverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Integration des Gesamtstromes die der Zündspule (3) zugeführte Energie ermittelt und bei Erreichen einer Maximalenergie die Stromzufuhr zur Zündspule (3) unterbrochen wird.
Zündverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangszündstrom bis zum Zündüberschlag nicht geregelt wird.
Zündanlage für Brennkraftmaschinen, mit – einer Steuereinheit (1) zur Vorgabe eines Ansteuersignals, einer Brenndauer und eines Zündstromes, – einem elektronischen Schalter (2) zur Erzeugung eines Pulssignales, – einer Zündspule (3) mit Primär (31)- und Sekundärwicklung (32), wobei die Primärwicklung (31) über den elektronischen Schalter (2) an einer Spannungsquelle (4) anliegt und die Sekundärwicklung (32) eine Zündkerze (5) versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Strommessmittel (61) zur Bestimmung des über die Primärwicklung (31) fließenden Primärstromes vorgesehen ist, dem ein Komparator (8) zum Vergleich mit dem von der Steuereinheit (1) vorgegebenen Sollzündstrom nachgeordnet ist, der Wirkmittel auf den elektronischen Schalter (2) zur Pulsweiten- und/oder Frequenzmodulation des Primärstromes und damit der Zündstromstärke hat.
Zündanlage für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Strommessmittel (62) zur Bestimmung des in der Primärwicklung (31) induzierten Freilaufstromes sowie ein Addierer (7) zur Addition der mit beiden Strommessmitteln (61), (62) gemessenen Ströme zum Gesamtstrom vorgesehen sind, wobei der Gesamtstrom an den Komparator (8) gelegt ist.
Zündanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integrator (9) vorgesehen ist, an dem das Signal des Gesamtstroms vom Addierer (7) anliegt und zu einer Zündenergie integriert wird, wobei beim Erreichen einer der Zündspule (3) zugeführten Maximalenergie der elektronische Schalter (2) öffnet.
Zündanlage nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulssignal eine feste oder geregelte Schaltfrequenz von 50 kHz und höher, insbesondere 50 kHz bis 100 kHz hat.