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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Brennstoffluftgemisches in einer Brennkammer eines taktweise arbeitenden Verbrennungsmotors mittels einer Korona-Entladung.
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Aus der
EP 2 199 597 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zum Zünden eines Brennstoffluftgemisches in einer Brennkammer eines taktweise arbeitenden Verbrennungsmotors eine Zündelektrode verwendet wird, die mittels eines Isolators elektrisch isoliert durch eine die Brennkammer begrenzende Wand hindurchgeführt ist und im Zusammenwirken mit der auf Massepotential liegenden Wand der Brennkammer eine Kapazität darstellt. Mittels einer an eine Primärseite eines elektrischen DC/AC-Wandlers angelegten Primärspannung wird ein elektrischer Schwingkreis erregt, der mit der Sekundärseite des DC/AC-Wandlers und der Zündelektrode verbunden ist. Die Erregung des Schwingkreises wird dabei in der Weise gesteuert, dass in der Brennkammer an der Zündelektrode eine das Brennstoffluftgemisch zündende Korona-Entladung erzeugt wird. Um Störeinflüsse zu berücksichtigen wird die Spannung auf der Sekundärseite auf einen Sollwert nachgeregelt, der in Abhängigkeit von Motorparametern ermittelt wird.
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Die
DE 10 2008 061 785 A1 schlägt vor, bei einem Korona-Zündsystem die Primärspannung oder die Sekundärspannung zur Diagnose des Verbrennungsstarts, des Verbrennungsschwerpunkts und der Verbrennungsgeschwindigkeit auszuwerten.
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Die
WO 2010/011838 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.
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Die Kapazität ist Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises, welcher mit einer hochfrequenten Spannung erregt wird, die mit Hilfe eines elektrischen DC/AC-Wandlers, beispielsweise 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.
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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 2010/011838 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.
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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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem Verfahren zum Zünden eines Brennstoffgemisches eine größere Koronaentladung erzeugt und Spannungsüberschläge weitgehend vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Primärspannung auf einen Sollwert geregelt wird, der während der Brenndauer der Koronaentladung geändert wird und sowohl von dem Kurbelwellenwinkel als auch von der Kenngröße des Brennstoff-Luft-Gemisches abhängt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Primärspannung während einer Koronaentladung an Änderungen der Durchbruchspannung, bei der sich eine Bogenentladung bildet, angepasst. Die Durchbruchsspannung hängt von den im Brennraum herrschenden Bedingungen ab. Neben dem Kurbelwellenwinkel, durch den der Abstand zwischen der Zündelektrode und dem Kolben festgelegt wird, ist insbesondere das Brennstoff-Luft-Gemisch selbst für die Höhe der Durchbruchspannung bedeutsam. Indem der Sollwert der Primärspannung während der Brenndauer der Koronaentladung in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel und einer Kenngröße des Brennstoff-Luft-Gemisches, beispielsweise dessen Dichte, geändert wird, kann die Primärspannung Änderungen der Durchbruchsspannung nachvollziehen. Während der gesamten Brenndauer kann deshalb ein optimaler Abstand der Primärspannung von der Durchbruchsspannung eingehalten werden. Die Primärspannung kann erfindungsgemäß also näher an die Durchbruchspannung angenährt werden, ohne dass sich die Gefahr eines Spannungsdurchbruchs erhöht.
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Vorteilhaft lässt sich mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine bei einem gegebenen Betriebspunkt weitgehend konstante Koronagröße erreichen. Motorhersteller geben in der Regel durch Kennfelder vor, wann eine Zündung otimaler Weise erfolgen sollte. Davon abweichende Zündzeitpunkte oder Koronaentladungen mit unterschiedlichen Spannungen führen in der Regel zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Erfindungsgemäß lässt sich eine für den jeweiligen Motorbetriebszustand optimale Koronaentladung erzeugen. Die Laufruhe des Motors kann so verbessert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
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Der Sollwert wird bevorzugt von einem Kennfeld vorgegeben. In einem Kennfeld können für verschiedene Werte des Kurbelwellenwinkels und einer Kenngröße des Brennstoff-Gemisches, beispielsweise dessen Dichte oder Temperatur, jeweils Werte für den Sollwert eingetragen sein. Das Kennfeld kann als eine Matrix vorliegen, wenn neben dem Kurbelwellenwinkel nur eine Kenngröße des Brennstoff-Gemisches berücksichtigt werden soll. Das Kennfeld kann aber auch eine höhere Dimension haben und mehrere Kenngrößen des Brennstoff-Luft-Gemisches berücksichtigen. Insbesondere kann das Kennfeld auch den Motorbetriebszustand berücksichtigen und beispielsweise den Sollwert auch in Abhängigkeit von Motordaten wie der Motordrehzahl oder der Motortemperatur angeben. Vorteilhaft kann so auch bei Betriebspunktwechseln des Motors die Primärspannung an geänderte Bedingungen rasch angepasst werden.
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Ein Kennfeld, das den Sollwert der Primärspannung vorgibt, kann vorteilhaft in einem Steuergerät gespeichert werden. Bei dem Steuergerät kann es sich beispielsweise um das Motorsteuergerät oder um ein separates Steuergerät handeln, das mit dem Motorsteuergerät kommuniziert. Das Kennfeld kann vom Hersteller in dem Speicher des Steuergeräts abgelegt werden. Falls sich im Betrieb Spannungsüberschläge einstellen, kann der Sollwert reduziert und das Kennfeld mit geringem Aufwand angepasst werden.
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Zum Erstellen eines Kennfelds genügt es, die Durchbruchspannung in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel und der oder den zu berücksichtigenden Kenngrößen des Brennstoff-Luft-Gemisches zu bestimmen. Dies kann im Betrieb des Motors erfolgen, indem die Primärspannung schrittweise erhöht wird, bis es zu einem Spannungsüberschlag kommt, oder indem die Primärspannung schrittweise gesenkt wird, bis sich kein Spannungsüberschlag mehr bildet. Vorteilhaft ist insbesondere, dass das Kennfeld an sich nur einmal bestimmt werden muss und deshalb an einem Prüfstand automatisiert erfolgen kann. Störende Überschläge beim späteren Motorbetrieb können so weitgehend vermieden werden.
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Ein Spannungsüberschlag zeigt sich als sprunghafter Anstieg des Stroms und kann somit durch eine Strom- und Spannungsmessung bzw. Impedanzmessung leicht festgestellt werden. Bevorzugt kann ein Erneuern des Kennfelds auch erzwungen werden, beispielsweise nach Ablauf einer definierten Anzahl von Motorbetriebsstunden, einer vorgegebenen Anzahl von Korona-Entladungen oder durch einen entsprechenden Befehl, beispielsweise des Motorsteuergeräts. Erneuern des Kennfeldes bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die durch Kennfeld vorgegebenen Sollwerte neu als Funktion des Kurbelwellenwinkels und wenigstens einer Kenngröße des Brennstoffluftgemisches ermittelt und gespeichert werden.
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Bei der Erstellung des Kennfeldes kann mit entsprechenden Berechnungsformeln auch die Motorgeometrie, beispielsweise Hub, Bohrung und/oder Pleuellänge, berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Einfluss der Kolbenposition und die Abhängigkeit vom Brennstoff-Luftgemisch auch rechnerisch mittels einer Kennlinie erfasst werden.
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Die zur Regelung der Primärspannung verwendete Kenngröße des Brennstoffluftgemisches, mit welcher der Sollwert festlegt wird, kann direkt gemessen werden oder aus Betriebsdaten des Motors ermittelt werden. Beispielsweise kann die Dichte des Brennstoffluftgemisches aus dem Ladedruck, der Drosselklappenstellung, der Luftmasse, der Kraftstoffmasse, der Ansaugtemperatur, und/oder dem Verdichtungsverhältnis zumindest näherungsweise berechnet wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Zündsystems für einen Fahrzeugmotor;
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2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, welcher mit dem in 1 dargestellten Zündsystem verknüpft ist; und
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3 zeigt schematisch den Verlauf des Zylinderdrucks sowie der Durchbruchsspannung in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel.
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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.
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Zur Erregung des Schwingkreises 7 ist DC/AC Wandler vorgesehen, der bei dem dargestellten Beispiel von einem Hochfrequenzgenerator 10, welcher eine Gleichspannungsquelle 11 und einen Transformator 12 gebildet ist, der einen Mittenabgriff 13 auf seiner Primärseite hat, wodurch am Mittenabgriff 13 zwei Primärwicklungen 14 und 15 zusammentreffen. Zum Erzeugen einer Korona-Entladung wird eine Primärspannung an den DC/AC Wandler angelegt, nämlich an den Mittenabgriff 13. Die Primärspannung kann aus der Spannung der Gleichspannungsquelle 11 beispielsweise durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation erzeugt werden und so auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
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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.
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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.
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Im Zylinderkopf 2 befindet sich ein Durchgang 20, durch welchen die Zündelektrode 5 elektrisch isoliert und abgedichtet hindurchgeführt ist. Die Zündelektrode 5 ist zumindest 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 oder sogar mit einer dünnen Schicht Isolatormaterial bedeckt sein.
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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.
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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 Zündsteuergerät 29 und/oder zu einem Motorsteuergerät 30 möglich.
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3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Verlauf des Zylinderdrucks p (durchgezogene Linie) sowie der beispielhaft vier Werte der Durchbruchsspannung in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel. In 1 gibt die linke Ordinate den Zylinderdruck in willkürlichen Einheiten und die rechte Ordinate die Spannung in willkürlichen Einheiten an.
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Vor dem oberen Totpunkt, das heißt, dem Kurbelwellenwinkel 0, steigt die Durchbruchsspannung in einem frühen Bereich zwischen einem Kurbelwellenwinkel α1 und einem Kurbelwellenwinkel α2 zunächst an und erreicht deutlich vor dem oberen Totpunkt ein Maximum. Ausgehend von diesem Maximalwert fällt die Durchbruchsspannung dann ab. Die maximal zulässige Primärspannung, die ohne Erzeugen eines Spannungsdurchbruchs zum Erzeugen einer Korona-Entladung an die Primärseite des DC/AC Wandlers angelegt werden kann, hat naturgemäß denselben Verlauf wie die Durchbruchspannung.
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Die Durchbruchsspannung und somit die zum Erzeugen einer Koronaentladung maximal zulässige Primarspannung hängt aber nicht nur vom Kurbelwellenwinkel, sondern auch von dem Brennstoff-Luft-Gemisch selbst ab, insbesondere von dessen Dichte. Der Verlauf der Durchbruchsspannung in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel kann für eine oder mehrere Kenngrößen des Brennstoff-Luft-Gemisches ermittelt und als Kennfeld gespeichert werden. Anstelle der Durchbruchsspannung kann in einem solchen Kennfeld auch jeweils die maximal zulässige Primärspannung eingetragen werden, die zum Zünden einer Koronaentladung ohne Spannungsüberschläge führt und somit vorteilhaft als Sollwert zum Regeln der Primärspannung verwendet werden kann. Um Spannungsüberschläge möglichst weitgehend zu vermeiden, wird als Sollwert bevorzugt ein Wert verwendet, der die maximal zulässige Primärspannung unterschreitet, beispielsweise um einen vorgegebenen absoluten oder relativen Wert. Der absolute Wert kann beispielsweise in mV, relative Wert beispielsweise in % angegeben werden.
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Mit einem solchen Kennfeld kann die Primärspannung während der Brenndauer einer Koronaentladung auf einen Sollwert geregelt werden, der sowohl von dem Kurbelwellenwinkel als auch von wenigstens einer Kenngröße des Brennstoff-Luft-Gemisches, beispielsweise dessen Dichte, abhängt. Der Sollwert kann dabei als der Maximalwert der Primärspannung gewählt werden, bei dem es noch nicht zum Zünden einer Probenentladung kommt, oder als ein Spannungswert, der einen vorgegebenen Abstand von der Durchbruchspannung hat.
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Je nach Zündzeitpunkt in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel wird mit dem beschriebenen Verfahren die Primärspannung während der Dauer der Korona-Entladung erhöht, beispielsweise zwischen dem Kurbelwinkelwinkel α1 und α2, oder gesenkt, beispielsweise nach dem Kurbelwellenwinkel α2. Auf diese Weise kann ein Spannungsüberschlag und somit das Zünden einer Bogenentladung vermieden und eine maximale Koronaentladung erzeugt werden.
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Die zur Ermittlung des Sollwerts verwendete Kenngröße kann beispielsweise aus dem Ladedruck, der Drosselklappenstellung, der Luftmasse, der Kraftstoffmasse, der Ansaugtemperatur, dem Verdichtungsverhältnis oder einem anderen Motorbetriebsparameter berechnet werden. Bevorzugt wird der Sollwert zudem in Abhängigkeit von Motorbetriebsdaten, bevorzugt der Drehzahl und/oder der Motortemperatur, vorgegeben.
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Insbesondere bei höherdimensionalen Kennfeldern kann es vorteilhaft sein, die Änderung des Sollwerts während der Brenndauer einer Korona-Entladung aus weniger Größen zu ermitteln als zur Festlegung des Sollwerts zum Zünden der Korona-Entladung verwendet werden. Beispielsweise können die Sollwerte zum Zünden der Korona-Entladung in einem Kennfeld als Funktion mehrer Größen eingetragen sein und die Änderungen des Sollwerts während der Brenndauer der Koronaentladung aus einer reduzierten Anzahl von Größen berechnet werden. Im einfachsten Fall wird die Änderung des Sollwerts während der Brenndauer der Korona-Entladung nur aus dem Kurbelwellenwinkel berechnet.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- Zündsteuergerät
- 30
- Motorsteuergerät
