DE102010024396B4

DE102010024396B4 - Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches einer Verbrennungskammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor durch Erzeugen einer Korona-Entladung

Info

Publication number: DE102010024396B4
Application number: DE102010024396A
Authority: DE
Inventors: Torsten SCHREMMER
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-06-19
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2030-06-20
Also published as: DE102010024396A1; CN102235292A; CN102235292B

Abstract

Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem taktweise arbeitenden Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, in welchem Verfahren mittels eines elektrischen Transformators (12) ein elektrischer Schwingkreis (7) erregt wird, der mit einer Sekundärwicklung (17) des Transformators (12) verbunden ist und 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 vor jedem Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors die an eine Primärwicklung (14, 15) des Transformators (12) angelegte elektrische Spannung (U) – nachfolgend als Primärspannung bezeichnet...

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiges Verfahren und ein derartiges System sind aus der WO 2010/011838 A1 bekannt.
Aus der DE 100 50 756 A1 ein Zündsystem bekannt, bei dem mit optischer Strahlung die Durchbruchspannung eines Brennstoff-Luft-Gemisches herabgesetzt und so die Ausbildung eines Plasmas unterstützt wird.
Aus der EP 1 192 354 B1 ist ein Zündsystem bekannt, bei dem mit einem Transformator eine Hochspannung erzeugt wird, die dann zum Zünden einer Bogenentladung an eine Zündelektrode angelegt wird.
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 isoliert durch eine der auf Massepotential liegenden Wände der Brennkammer 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 Spannung für einen vollständigen Durchbruch bleibt. Zu diesem Zweck ist es aus der WO 2004/063560 A1 bekannt, am Eingang des Transformators die Spannung und die Stromstärke zu messen und daraus die Impedanz als Quotient aus der Spannung und der Stromstärke zu berechnen. Die berechnete Impedanz wird mit einem festen Sollwert für die Impedanz verglichen, welcher so gewählt ist, dass die Korona-Entladung aufrechterhalten werden kann, ohne dass es zu einem vollständigen Spannungsdurchbruch kommt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Ausbildung der Korona nicht optimal ist und insbesondere nicht immer eine optimale Größe der Korona erreicht wird. Die Korona wird nämlich umso größer, je näher der Schwingkreis an der Durchbruchsspannung betrieben wird. Damit das Erreichen der Durchbruchsspannung unter allen Umständen vermieden wird, muss der Sollwert der Impedanz, der nicht überschritten werden darf, so niedrig liegen, dass ein Spannungsdurchbruch und damit ein Funkenüberschlag auf jeden Fall vermieden wird. Bei der Festlegung des Sollwertes der Impedanz muss berücksichtigt werden, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie der den Transformator treibenden Schaltung, welche nachfolgend auch als Zünder bezeichnet wird, fertigungsbedingten Schwankungen unterliegt. Bei konstruktiven oder fertigungstechnischen Änderungen an Zündern, die zu einer Änderung der Spannung-Strom-Kennlinie führen, kann es erforderlich sein, den Sollwert der Impedanz durch Versuche neu festzulegen, um zu vermeiden, dass eine zu kleine Korona oder schlimmstenfalls gar keine Korona mehr ausgebildet wird.
Aus der WO 2010/011838 A1 ist es bekannt, den Transformator auf seiner Primärseite durch Vorgabe einer Soll-Impedanz zu regeln, indem zunächst bei niedriger Spannung eine so genannte Baseline-Impedanz am Eingang des Transformators ermittelt wird. Ausgehend von einer niedrigen Spannung zeigt die Spannung-Strom-Kennlinie am Eingang des Transformators zunächst einen linearen Verlauf, was eine gleich bleibende Impedanz anzeigt: Die Stromstärke steigt zunächst proportional zur Spannung an. Die Baseline-Impedanz ist charakteristisch für den jeweiligen Zünder. Wird eine bestimmte Spannung überschritten, steigt die Impedanz an, was dadurch angezeigt wird, dass die Stärke des auf der Primärseite des Transformators gemessenen Stroms der Spannung nicht mehr proportional ist, sondern mit fortschreitender Erhöhung der Spannung immer langsamer zunimmt, bis es zum Spannungsdurchbruch kommt. Die Soll-Impedanz wird bei dem aus der WO 2010/011838 A1 bekannten Verfahren nun so festgelegt, dass sie die Summe aus der Baseline-Impedanz und einer zusätzlichen Impedanz ist. Die zusätzliche Impedanz wird durch Erhöhen der Spannung so lange in kleinen Schritten erhöht, bis es zu einer Funkenentladung kommt. Sobald eine Funkenentladung erkannt wurde, wird die zusätzliche Impedanz um einen etwas größeren Schritt als den vorhergehenden Schritt reduziert, um nachfolgend weitere Funkenentladungen zu vermeiden und den Schwingkreis in Resonanz zu halten. Damit ist es möglich, Stromstärke und Spannung am Eingang des Transformators unterhalb des Betrages zu halten, bei welchem eine Funkenentladung auftreten kann, also auf einen Betrag zu begrenzen, bei welchem die Korona eine maximale Größe erreicht.
Nachteilig bei der aus der WO 2010/011838 A1 bekannten Vorgehensweise ist es, dass das Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches durch eine Koronaentladung nicht möglich ist, ohne dass von Zeit zu Zeit Funkenentladungen auftreten, denn das Beobachten des Auftretens von Funkenentladungen ist die Voraussetzung für die Festlegung des Sollwertes der Impedanz. Eine Funkenentladung kann aber, auch wenn sie nur sporadisch auftritt, zu einer nicht-idealen Verbrennung bis hin zu Zündaussetzern sowie zum Abbrand der Zündelektroden führen.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer oder mehreren Brennkammern mittels Koronaentladung zum Ziel, welches eine optimale Ausbildung der Korona erlaubt und die eingangs beschriebenen Nachteile möglichst weitgehend vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine auf demselben Erfindungsgedanken beruhende Alternativlösung ist Gegenstand des Patentanspruchs 4. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem taktweise arbeitenden Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern, welche durch auf Massepotential hegende Wände begrenzt sind, wird mittels eines Zünders mit einem elektrischen Transformator, der auf seiner Primärseite eine für das gewählte Zündsystem charakteristische Baseline-Impedanz Z_Baseline aufweist, ein elektrischer Schwingkreis erregt, der mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist und in welchem eine elektrisch isoliert durch eine der die Brennkammer begrenzenden Wände hindurchgeführte und in die Brennkammer ragende Zündelektrode im Zusammenwirken mit den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer eine Kapazität darstellt. Die Erregung des Schwingkreises wird in der Weise gesteuert, dass in der Brennkammer an der Zündelektrode eine das Brennstoff-Luft-Gemisch zündende Korona-Entladung erzeugt wird. Zu diesem Zweck wird vor jedem Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors die an eine Primärwicklung des Transformators angelegte elektrische Spannung, welche nachfolgend als Primärspannung bezeichnet wird, schrittweise erhöht und die Stärke des als Folge der Primärspannung in der Primärwicklung fließenden elektrischen Stromes – nachfolgend als Primärstrom bezeichnet – bei der gleichen Primärspannung wiederholt gemessen, die Streuung der Messwerte des zugehörigen Primärstroms bestimmt und die schrittweise Erhöhung der Primärspannung bei einem Wert abgebrochen, bei welchem die zugehörige Streuung der Primärstromstärke einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Der Grenzwert kann durch Vorversuche ermittelt werden und sollte so gewählt werden, dass sich die Primärspannung der Durchbruchsspannung möglichst weit annähert, ohne sie zu erreichen. Unter der Durchbruchsspannung wird hier jene Primärspannung verstanden, mit deren Überschreiten die Koronaentladung in eine Funkenentladung oder Bogenentladung übergeht. Das Zündsystem umfasst die für die Zündung mittels Korona-Entladung erforderlichen Komponenten, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:

• Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Primärspannung an die Durchbruchsspannung angenähert und dadurch eine optimale Koronaentladung erreicht werden, ohne dass es nötig wäre, von Zeit zu Zeit die Durchbruchsspannung zu überschreiten und ihre Größe zu bestimmen.
• Durch das schrittweise Erhöhen der Spannung und durch das Bestimmen der sich daraus ergebenden Erhöhung der Stärke des Primärstroms sowie aus der Streuung der Primärstromstärke kann ermittelt werden, auf welchem Punkt der U/I-Kennlinie der Abhängigkeit des Primärstroms von der Primärspannung man sich nach jedem Erhöhungsschritt befindet. Die Kennlinie hat einen typischen Verlauf, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Impedanz bei niedrigen Primärspannungen konstant ist, d. h., die Stärke des Primärstroms ist zunächst der Primärspannung proportional. Die Kennlinie, welche die Abhängigkeit des Primärstroms von der Primärspannung darstellt, ist eine Gerade, deren Steigung die Impedanz Z = U/I ist. Oberhalb einer gewissen Spannung U_A steigt die Impedanz jedoch an, die Steigung der Kennlinie U/I nimmt bis zum Erreichen der Durchbruchsspannung U_D zu und bricht dann ab. Mit fortschreitender Annäherung der Primärspannung an die Durchbruchsspannung U_D wird die Zunahme des Primärstroms immer kleiner, die Streuung der Messwerte der Primärstromstärke aber fortschreitend größer. Diesen Umstand macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu nutze, indem es daraus ein Kriterium ableitet, nach welchem die Erhöhung der Primärspannung zuverlässig kurz vor Erreichen der Durchbruchsspannung U_D beendet werden kann.
• Wegen des charakteristischen Verlaufs der U/I-Kennlinie kann das erfindungsgemäße Verfahren die Primärspannung der Durchbruchsspannung U_D auch dann bis auf einen vorgegebenen Abstand annähern, wenn die absolute Höhe der Durchbruchsspannung U_D unbekannt ist. Änderungen der Impedanz, insbesondere der Baseline-Impedanz, die es im Stand der Technik erforderlich machen, die Durchbruchsspannung U_D und die kurz vor Erreichen der Durchbruchsspannung U_D vorliegende Impedanz zu bestimmen, um nachfolgend Abstand von der Durchbruchsspannung U_D halten zu können, erfordern bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine besonderen Anpassungen. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt weder einen festen Impedanz-Schwellenwert noch einen festen Schwellenwert für die Primärspannung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielmehr selbst-adaptiv, es ist in der Lage, Änderungen der U/I-Kennlinie infolge von Alterungsprozessen, infolge von Fertigungstoleranzen, infolge von konstruktiven oder fertigungstechnischen Änderungen am Zünder, infolge von Verschmutzung der Zündelektrode, infolge von Temperaturunterschieden und infolge der Verwendung unterschiedlicher Steuergeräte selbsttätig auszugleichen.
• Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Betrieb der Korona-Zündung praktisch keine Funkenentladungen oder Bogenentladungen mehr auftreten, wodurch der Abbrand der Zündelektroden verringert wird.
• Die erfindungsgemäß mögliche Annäherung an die Durchbruchsspannung führt zu einer optimal großen Korona, welche optimale Bedingungen für die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches bietet und für eine rasche Ausdehnung der Flammenfront sorgt.

Um den Schwingkreis mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu erregen, wird zweckmäßigerweise ein Transformator verwendet, welcher auf seiner Primärseite einen Mittenabgriff hat, an welchem zwei Primärwicklungen zusammentreffen. Diese können abwechselnd gegensinnig mit einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, so dass die beiden Primärwicklungen abwechselnd gegensinnig erregt werden, wodurch in der Sekundärwicklung des Transformators eine Wechselspannung induziert wird, deren Frequenz durch die Frequenz bestimmt wird, mit welcher die beiden Primärwicklungen abwechselnd mit der Gleichspannungsquelle verbunden werden. Diese Frequenz ist zweckmäßiger Weise veränderlich, so dass der Schwingkreis auf der Sekundärseite des Transformators mit seiner Resonanzfrequenz erregt werden kann. Es ist bekannt, zu diesem Zweck auf der Primärseite des Transformators einen Hochfrequenzumschalter vorzusehen, welcher die beiden Primärwicklungen abwechselnd gegensinnig mit der vorgesehenen Gleichspannungsquelle verbindet. Näheres dazu offenbaren die WO 2004/063560 A1 und die WO 2010/011838 A1 . Die Erregung des Schwingkreises erfolgt zweckmäßigerweise diskontinuierlich in einem vorgegebenen Takt, welcher von einem Steuergerät vorgegeben wird, welches an das erfindungsgemäße Verfahren angepasst ist.
In einem Verbrennungsmotor muss das Brennstoff-Luft-Gemisch in jedem Zylinder in jedem Motorzyklus gezündet werden, wobei der Zündzeitpunkt von der Motorsteuerung vorgegeben werden kann. Es ist aber auch möglich, in jedem Zylinder in jedem Motorzyklus mehr als einen Zündvorgang durch Korona-Entladung herbeizuführen. Das hat den Vorteil, dass z. B. der Brennstoff durch eine Nachverbrennung vollständiger verbrannt bzw. ein Abgas mit weniger schädlichen Bestandteilen erzielt werden kann.
Für die praktische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt es mehrere Möglichkeiten. Die Streuung der Primärstromstärke wird zweckmäßigerweise aus wenigstens 10 aufeinander folgenden Messungen der Primärstromstärke bei derselben Primärspannung ermittelt. Je mehr Messungen für die Bestimmung der Streuung der Primärstromstärke berücksichtigt werden, desto aussagekräftiger und zuverlässiger kann die Streuung der Primärstromstärke bestimmt werden und umso dichter kann man sich der Durchbruchsspannung annähern, ohne sie zu überschreiten. Vorzugsweise wird die Streuung der Primärstromstärke aus 10 bis 150 aufeinander folgenden Messungen der Primärstromstärke bei derselben Primärspannung ermittelt, insbesondere aus 50 bis 100 Messungen. Diese Messungen müssen nicht in ein und demselben Motorzyklus durchgeführt werden, sondern können aus verschiedenen Motorzyklen stammen. Besonders vorteilhaft ist es, für die Bestimmung der Streuung der Messwerte der Primärstromstärke Messungen aus mehreren aufeinander folgenden Zyklen des Verbrennungsmotors zu verwenden, z. B. für jede Spannungsstufe pro Motorzyklus drei Messungen der Primärstromstärke vorzunehmen und die Messungen aus 30 aufeinander folgenden Zyklen zur Bestimmung der Streuung der Primärstromstärke heranzuziehen und zu diesem Zweck in einem Steuergerät zu speichern. Wenn bereits Messungen aus 30 Motorzyklen gespeichert sind, werden die Messwerte aus dem ältesten der beispielsweise 30 Zyklen gelöscht, wenn in einem folgenden Zyklus weitere Messwerte gewonnen und gespeichert werden. Zu diesem Zweck kann ein Speicher verwendet werden, welcher nach Art eines Schieberegisters aufgebaut ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der Zeitaufwand für die Ermittlung der Streuung in jedem einzelnen Motorzyklus klein gehalten werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die Berücksichtigung von Messwerten, die aus aufeinander folgenden Motorzyklen stammen, zu gut brauchbaren Ergebnissen führt.
Um sich der Durchbruchsspannung anzunähern, kann die Primärspannung in gleich großen Schritten erhöht werden. Vorzugsweise werden die Schritte zur Erhöhung der Primärspannung jedoch mit fortschreitender Annäherung der Streuung an den vorgegebenen Grenzwert der Streuung der Primärstromstärke verkleinert. Das erleichtert es, den Grenzwert der Streuung so zu wählen, dass sich die Primärspannung der Durchbruchsspannung besonders dicht annähern kann, ohne sie zu erreichen.
Die Streuung kann im erfindungsgemäßen Verfahren auf unterschiedliche Weise bestimmt und ausgewertet werden. Vorzugsweise wird die Streuung auf einen Mittelwert der Messwerte bezogen, insbesondere auf das arithmetische Mittel.
Am einfachsten ist es, als Maß für die Streuung die Streubreite zu bestimmen, nämlich die Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Messwert. Aussagekräftigere und besser reproduzierbare Werte für die Streuung erreicht man dann, wenn man als Maß für die Streuung die mittlere Abweichung oder die relative mittlere Abweichung der Messwerte von ihrem Mittelwert bestimmt. Die mittlere Abweichung wird bestimmt, indem die Differenz der einzelnen Messwerte zum Mittelwert der Messwerte gebildet wird und die Absolutbeträge der Differenzen – also ohne Berücksichtigung des Vorzeichens der einzelnen Differenzen – zu addieren und die erhaltene Summe durch die Anzahl der Messungen zu dividieren. Die mittlere Abweichung hat dann dieselbe Dimension wie der Messwert, die mittlere Abweichung der Primärstromstärke also die Dimension einer Stromstärke.
Statt der (absoluten) mittleren Abweichung kann man die relative mittlere Abweichung zur Festlegung eines Grenzwertes benutzen. Die relative mittlere Abweichung erhält man, indem man die mittlere Abweichung auf den Mittelwert der Messwerte bezieht. Die relative mittlere Abweichung ist demnach dimensionslos und kann z. B. in Prozenten angegeben werden.
Die Lösung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 4 unterscheidet sich von der Lösung gemäß dem Patentanspruch 1 nur darin, dass die in der Primärwicklung des Transformators fließende Primärstromstärke in vorgegebenen Schritten erhöht wird und die Spannung, die bei der jeweiligen Primärstromstärke an der Primärwicklung abfällt, gemessen wird, und für mehrere bei der gleichen Primärstromstärke gemessene Primärspannungen deren Streuung gemessen und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. In diesem Fall wird die Primärstromstärke nicht weiter erhöht, wenn die bei dieser Primärstromstärke auftretende Streuung der Werte der Primärspannung den vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Auch in diesem Fall kann als Maß für die Streuung die Streubreite, die mittlere Abweichung vom Mittelwert der Streuung oder die relative mittlere Abweichung vom Mittelwert der Primärspannung verwendet werden.
Von den beiden Möglichkeiten, entweder die Streuung der Primärstromstärke oder die Streuung der Primärspannung auszuwerten, wird die Auswertung der Primärstromstärke bevorzugt.
Der Grenzwert der Streuung, gleichgültig ob sie als Streubreite oder als mittlere Streuung bestimmt werden soll, kann für einen bestimmten Motor und eine für ihn vorgesehene Korona-Zündeinrichtung durch Vorversuche bestimmt und dann für die gesamte Serie baugleicher Motoren in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
In einem Kolbenmotor hängt die Durchbruchsspannung U_D vom Abstand zwischen der Zündelektrode und dem Kolben ab bzw. – anders ausgedrückt – von der Stellung der Kurbelwelle bzw. – anders ausgedrückt – vom Zündwinkel. Da die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches bei einer bestimmten Kolbenstellung bzw. bei einem bestimmten Zündwinkel erfolgen soll und dieser von der Motorsteuerung verändert werden kann, ist es zweckmäßig, den Grenzwert der Streuung für unterschiedliche Kolbenstellungen bzw. Zündwinkel unterschiedlich festzulegen und die festgelegten Werte des Grenzwertes der Streuung in Abhängigkeit eines der drei Parameter „Kolbenstellung”, „Stellung der Kurbelwelle” bzw. „Zündwinkel” in einem Steuergerät zu speichern, z. B. in einem ohnehin vorhandenen Motorsteuergerät oder in einem für die Steuerung des erfindungsgemäßen Zündverfahrens gesondert vorgesehenen Zündsteuergeräts, und abhängig von dem gewählten Parameter zu verwenden, um den Anstieg der Primärspannung auf einen Wert dicht unterhalb der Durchbruchsspannung U_D bzw. um den Anstieg des Primärstroms auf einen Wert unterhalb des Durchbruchstroms I_D zu begrenzen. Unter dem Durchbruchstrom I_D wird das Maximum der Primärstromstärke verstanden, welches auftritt, ehe der Spannungsdurchbruch erfolgt. Solange der Wert des gewählten Parameters gleich bleibt, soll auch der Grenzwert der Streuung gleich bleiben.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Zündsystems für einen Fahrzeugmotor,
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, welcher mit dem in 1 dargestellten Zündsystem verknüpft ist,
3 zeigt die U/I-Kennlinie am Eingang des Transformators und dient der Erläuterung der Annäherung an die Durchbruchsspannung durch Auswerten der Streuung der gemessenen Primärstromstärke,
4 zeigt eine U/I-Kennlinie am Eingang des Transformators 12 mit einem festen Impedanz-Schwellwert als Sollwert für eine Regelung gemäß dem in der WO 2004/063560 A1 offenbarten Verfahren, welches Stand der Technik ist, und
5 zeigt eine U/I-Kennlinie am Eingang des Transformators 12 mit einem festen Impedanz-Schwellwert für die Erkennung einer Funkenentladung nach einem aus der WO 2010/011838 A1 bekannten Verfahren.
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 Spannung zwischen der Spitze der Zündelektrode 5 und den auf Massepotential liegenden Wänden 2 bis 4 am größten.
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 etwas über den Isolator 6 vor, könnte mit diesem aber auch bündig abschließen.
Auf der Oberseite des Kolbens 18 können in der Umgebung der Spitze der Zündelektrode 5 einige scharfkantige Vorsprünge 21 vorgesehen sein, 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 den wahlweise vorhandenen Vorsprüngen 21 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 ggfs. Mittel zum Beobachten des Verhaltens des Schwingkreises 7. Über eine Schnittstelle 26 ist z. B. eine Verbindung zu einem Diagnosegerät 29 und/oder zu einem Motorsteuergerät 30 möglich.
3 zeigt eine U/I-Kennlinie am Eingang des Transformators 12 zum Auffinden und Erreichen eines Endwertes U_B der Primärspannung, welcher dicht unterhalb der Durchbruchsspannung U_D liegt.
Um diesen Endwert U_B zu erreichen, wird die Primärspannung schrittweise erhöht. Im nichtlinearen Teil der U/I-Kennlinie kommt es mit fortschreitender Erhöhung der Primärspannung zu einer Vergrößerung der Streubreite bzw. der mittleren Streuung der auf den einzelnen Spannungsstufen gemessenen Primärstromstärke. Die zunehmende Streubreite bzw. die zunehmende mittlere Streuung der Primärstromstärke ist in 3 idealisiert dargestellt. Wenn die Streubreite bzw. die mittlere Abweichung der Primärstromstärke von ihrem Mittelwert bei einer bestimmten Primärspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, der in 3 in Höhe des Punktes B auf der U/I-Kennlinie der Zündeinrichtung durch einen Doppelpfeil angegeben ist, dann wird die Primärspannung nicht weiter erhöht, sondern auf den Wert U_B begrenzt.
Der Grenzwert der Streuung wird durch Vorversuche so festgelegt, dass er bei einer Primärspannung U_B erreicht wird, die knapp unterhalb der Durchbruchsspannung U_D liegt und die Korona ihre optimale Größe erreicht.
Der Grenzwert der Streuung lässt sich durch Vorversuche in Abhängigkeit vom Abstand der Spitze der Zündelektrode vom Kolben bzw. von der Stellung der Kurbelwelle bzw.
vom Zündwinkel ermitteln. In Abhängigkeit von einem dieser Parameter werden in einem Steuergerät die Grenzwerte der Streuung abgespeichert und können von diesem für Zwecke der Motorsteuerung verwendet werden. Die Werte können in einem ohnehin vorhandenen Motorsteuergerät gespeichert werden, vorzuziehen ist aber die Speicherung in einem gesonderten Zündsteuergerät.
Beim Befolgen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Betrieb des Motors ein Erreichen und Überschreiten der Durchbruchsspannung U_D vermieden, im Gegensatz zu den Verfahren im Stand der Technik: Sobald bei dem in der WO 2004/063560 A1 bekannten Verfahren die gemessene Impedanz einen festen Schwellwert Z_fix überschreitet, wird die Primärspannung nicht weiter erhöht, um sicher keine Funkenentladung zu erhalten. Der Impedanz-Schwellwert Z_fix muss für verschiedene Zünder eine Korona ohne Funkenüberschlag sicherstellen. Da dies auch für Zünder gelten muss, deren U/I-Kennlinie aufgrund von konstruktiven oder fertigungstechnischen Änderungen einen anderen Verlauf zeigen, muss Z_fix relativ niedrig gewählt werden. Deshalb schneidet die Gerade, die den Wert Z_fix darstellt, die U/I-Kennlinie in einem Punkt D weit unterhalb der Durchbruchsspannung U_D siehe 4. Die Korona kann deshalb ihre maximale Größe in den meisten Fällen nicht erreichen.
Beim Verfahren gemäß der WO 2010/011838 A1 ist vorgesehen, dass zunächst die Baseline-Impedanz im linearen Teil der Kennlinie bestimmt wird. Danach wird die Impedanz schrittweise erhöht, bis eine Funkenentladung erkannt wurde. Eine Funkenentladung wird erkannt, indem die gemessene Impedanz einen Schwellwert Z_Arc überschreitet, siehe 5. Nach dem Erkennen einer Funkenentladung wird die Impedanz um einen größeren Schritt reduziert, so dass in den folgenden Motorzyklen wieder eine Korona ohne Funkenentladung entstehen kann. Die vorliegende Erfindung vermeidet jedoch die Notwendigkeit, eine Funkenentladung zu erzeugen, um bei darauf folgenden Zündungen eine Korona-Entladung ohne Funkenentladung zu erzielen.
Bezugszeichenliste

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
29: Diagnosegerät
30: Motorsteuergerät

Claims

Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem taktweise arbeitenden Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, in welchem Verfahren mittels eines elektrischen Transformators (12) ein elektrischer Schwingkreis (7) erregt wird, der mit einer Sekundärwicklung (17) des Transformators (12) verbunden ist und 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 vor jedem Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors die an eine Primärwicklung (14, 15) des Transformators (12) angelegte elektrische Spannung (U) – nachfolgend als Primärspannung bezeichnet – schrittweise erhöht und die Stärke des als Folge der Primärspannung (U) in der Primärwicklung (14, 15) fließenden elektrischen Stromes (I) – nachfolgend als Primärstrom bezeichnet – bei der gleichen Primärspannung wiederholt gemessen, die Streuung der Messwerte des zugehörigen Primärstromes bestimmt und die schrittweise Erhöhung der Primärspannung bei einem Wert der Primärspannung abgebrochen wird, bei welchem die zugehörige Streuung der Primärstromstärke einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung der Primärstromstärke aus wenigstens 10 aufeinanderfolgenden Messungen der Primärstromstärke bei derselben Primärspannung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung der Primärstromsstärke aus 10 bis 150 aufeinanderfolgenden Messungen der Primärstromstärke bei derselben Primärspannung ermittelt wird, insbesondere aus 50 bis 100 Messungen.
Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem taktweise arbeitenden Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, in welchem Verfahren mittels eines elektrischen Transformators (12) ein elektrischer Schwingkreis (7) erregt wird, der mit einer Sekundärwicklung (17) des Transformators (12) verbunden ist und 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 vor jedem Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors die Stärke des in einer Primärwicklung (14, 15) des Transformators (12) fließenden elektrischen Stroms (I) – nachfolgend als Primärstrom bezeichnet – schrittweise erhöht und die Stärke der dabei an der Primärwicklung (14, 15) abfallenden elektrischen Spannung (U) – nachfolgend als Primärspannung bezeichnet – bei der gleichen Stärke des Primärstroms wiederholt gemessen, die Streuung der Messwerte der Primärspannung bestimmt und die schrittweise Erhöhung der Stärke des Primärstroms bei einem Wert der Primärstromstärke abgebrochen wird, bei welchem die zugehörige Streuung der Primärspannung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung der Primärspannung aus wenigstens 10 aufeinanderfolgenden Messungen der Primärspannung bei derselben Primärstromstärke ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung der Primärspannung aus 10 bis 150 aufeinanderfolgenden Messungen der Primärspannung bei derselben Primärstromstärke ermittelt wird, insbesondere aus 50 bis 100 Messungen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte zur Erhöhung der Primärspannung bzw. der Primärstromstärke mit fortschreitender Annäherung der Streuung an den vorgegebenen Grenzwert der Streuung verkleinert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung auf einen Mittelwert der Messwerte bezogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Streuung die Streubreite bestimmt wird, nämlich die Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Messwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Streuung die mittlere Abweichung oder die relative mittlere Abweichung der Messwerte von ihrem Mittelwert bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Streuung vorab durch Versuche an einer Zündeinrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 4 ermittelt und dann für Zündeinrichtungen des gleichen Typs verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Versuche an einem bestimmten Motor durchgeführt und der bzw. die dabei ermittelten Grenzwerte dann für eine Serie baugleicher Motoren verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Kolbenmotor der Grenzwert der Streuung in Abhängigkeit vom Abstand des Kolbens (18) von der Spitze der Zündelektrode (5) bzw. von der Stellung einer Kurbelwelle bzw. vom Zündwinkel ermittelt, gespeichert und bei typgleichen Zündeinrichtungen und baugleichen Motoren in Abhängigkeit vom Wert eines dieser drei Parameter verwendet wird, wobei sich der Grenzwert nur mit dem Wert des gewählten Parameters ändert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Streuung Messungen aus mehreren aufeinander folgenden Zyklen des Verbrennungsmotors verwendet werden.