-
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiges Verfahren ist aus der
WO 2010/011838 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 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 beispielsweise 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 verbundenen 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 500 Kilohertz und 6 Megahertz und die Wechselspannung erreicht an der Zündelektrode Werte von z. B. 50 kV bis 100 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 Sollwert für die Impedanz verglichen, welcher so gewählt ist, dass die Korona-Entladung aufrechterhalten werden kann, ohne dass es zu einem vollständigen Spannungsdurchbruch kommt.
-
Aus der
WO 2010/011838 A1 ist es bekannt, den Transformator auf seiner Primärseite durch Vorgabe einer Sollimpedanz zu regeln, indem bei einer Spannung, welche so niedrig ist, dass noch keine Koronaentladung stattfindet, zunächst eine so genannte Baseline-Impedanz am Eingang des Transformators ermittelt wird. Ausgehend von einer niedrigen Spannung zeigt die Strom-Spannungs-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 zwischen der Zündelektrode und einer der die Brennkammer begrenzenden Wände zum Spannungsdurchbruch kommt. Die Sollimpedanz 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, und auf einen Betrag zu begrenzen, bei welchem die Korona eine maximale Größe erreicht und deshalb eine zuverlässige Zündung von Brennstoff-Luft Gemisch bewirkt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie das Zündverhalten einer Korona Zündeinrichtung weiter verbessert und die Verbrennung optimiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Eine Korona Zündeinrichtung zündet in einem taktweise arbeitenden Verbrennungsmotor ein Brennstoff-Luft-Gemisch mittels einer von einer Zündelektrode ausgehenden Korona-Entladung, indem mittels einer an eine Primärseite eines DC/AC-Wandlers angelegten Primärspannung ein elektrischer Schwingkreis angeregt wird, der mit der Zündelektrode verbunden ist. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Impedanz auf der Primärseite des DC-AC-Wandlers fortlaufend gemessen und durch Auswertung der Impedanzmessungen ein Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung ermittelt. Dieser Zeitpunkt wird mit einem Sollwert verglichen und die Ansteuerung der Primärseite des DC/AC-Wandlers bei einem späteren Arbeitszyklus des Motors in Abhängigkeit von einem Ergebnis dieses Vergleichs geändert.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann zum Zünden einer Koronaentladung die Impedanz auf einen Sollwert geregelt werden, bei dem eine vorteilhaft große Koronaentladung brennt. Anstatt einfach davon auszugehen, dass der Zeitpunkt des Beginns der Koronaentladung mit dem Zeitpunkt übereinstimmt, zu dem der Sollwert der Impedanz erreicht ist, wird erfindungsgemäß berücksichtigt, dass eine Koronaentladung häufig schon wesentlich früher zündet.
-
Der Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung ist für das Zündverhalten und auch die Verbrennung von erheblicher Bedeutung, auch wenn der Beginn einer Koronaentladung oft gar nicht mit dem Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoff-Luft Gemisches im Brennraum zusammenfällt. Die Verbrennung lässt sich optimieren, indem ein Sollwert für den Beginn der Koronaentladung vorgegeben wird. Weicht der Zeitpunkt des Beginns der Koronaentladung von einem vorgegebenen Sollwert ab, wird korrigierend eingegriffen, indem die Ansteuerung der Primärseite des DC/AC-Wandlers geändert wird.
-
Dabei ist es möglich, dass eine Abweichung des Beginns der Koronaentladung von einem Sollwert bereits im laufenden Arbeitszyklus des Motors berücksichtigt wird, beispielsweise indem bei einem zu frühen Beginn der Koronaentladung der Anstieg der Primärspannung oder des Primärstroms verlangsamt wird oder bei einem zu späten Beginn der Anstieg der Primärspannung oder des Primärstroms beschleunigt wird. Der Zündzeitpunkt eines Kraftstoff-Luft Gemisches hängt nämlich unter anderem von der durch die Koronaentladung abgegebenen Energiemenge ab. Der Zündzeitpunkt lässt sich deshalb auf einen optimalen Wert einstellen, indem der Beginn der Koronaentladung berücksichtigt wird.
-
Möglich ist es auch, dass eine Abweichung des Beginns der Koronaentladung von einem Sollwert in einem späteren Arbeitszyklus des Motors berücksichtigt wird. Durch eine korrigierte Ansteuerung der Primärseite des DC/AC-Wandlers lässt sich erreichen, dass in dem späteren Arbeitszyklus die Abweichung des Beginns der Koronaentladung von dem Sollwert kleiner ist oder sogar ganz verschwindet.
-
Der DC/AC-Wandler kann über den Primärstrom oder über die Primärspannung gesteuert werden. Beide Möglichkeiten sind in der Regel gleichwertig. Die Ansteuerung der Primärseite des DC/AC-Wandlers kann also geändert werden, indem als Stellgröße die Primärspannung oder der Primärstrom geändert wird.
-
Der Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung kann beispielsweise ermittelt werden, indem durch Auswertung der Impedanzmessungen ein Streuungswert ermittelt wird, der angibt, wie stark aufeinanderfolgende Ergebnisse von Impedanzmessungen streuen. Der Streuungswert wird dann mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und aus einem Überschreiten des Schwellenwerts auf den Beginn einer Korona-Entladung geschlossen.
-
Eine weitere Möglichkeit den Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung zu ermitteln besteht darin, dass ein Schwellenwert für die Impedanz vorgegeben wird und aus einem Überschreiten des Schwellenwerts auf den Beginn einer Koronaentladung geschlossen wird. Dieser Schwellenwert kann aus einem Basisimpedanzwert abgeleitet werden, beispielsweise indem der Basisimpedanzwert mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert oder zu dem Basisimpedanzwert ein vorgegebene Wert addiert wird. Der Basisimpedanzwert wird oft als Baseline-Impedanz bezeichnet und lässt sich anschaulich als Steigung der Strom-Spannungskennlinie der Primärseite des DC-AC-Wandlers der Korona Zündeinrichtung verstehen.
-
Wie bereits erwähnt, kann eine gute Koronaentladung erzeugt werden, indem die Impedanz auf einen Sollwert geregelt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Sollwert für eine Streuung von aufeinander folgenden Messwerten der Impedanz vorzugeben. Einzelheiten zu einem entsprechenden Verfahren sind in der
deutschen Patentanmeldung 10 2010 045 044.8 beschrieben. Ein solches Verfahren basiert darauf, dass die Impedanz umso größeren Schwankungen unterliegt, je größer die Ausdehnung der Koronaentladung ist. Einzelheiten zu alternativen Verfahren, mit denen eine Korona Zündeinrichtung so gesteuert wird, dass die Koronaentladung knapp unterhalb der Durchbruchspannung erzeugt wird, sind in der
deutschen Patentanmeldung 10 2010 015 344.3 und der
deutschen Patentanmeldung 10 2010 020 469.2 beschrieben.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zeitpunkt des Beginns einer Korona-Entladung an ein Motorsteuergerät gemeldet wird. Zusätzlich können an das Motorsteuergerät auch der Zeitpunkt des Endes der Koronaentladung oder die Dauer der Koronaentladung gemeldet werden. Das Motorsteuergerät kann diese Informationen für eine Optimierung künftiger Zündungen oder der Verbrennung nutzen. Beispielsweise kann der Einspritzzeitpunkt auf den erwarteten Zeitpunkt des Beginns der Korona Entladung abgestimmt werden.
-
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 DC/AC-Wandlers mit einem Impedanzschwellenwert, dessen Überschreiten den Beginn einer Koronaentladung anzeigt, und
-
4 zeigt die U/I-Kennlinie am Eingang des DC/AC-Wandlers und veranschaulicht die Schwankung der Impedanz nach Entstehen einer Koronaentladung.
-
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 kann in der Brennkammer 1 aus dem Isolator 6 herausragen oder von einer dünnen Isolatorschicht bedeckt sein. 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 als DC/AC-Wandler 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.
-
Anstelle eines Transformators mit Mittenabgriff kann auch ein Transformator verwendet werden, dem ein Schwingkreis vorgelagert ist, der durch Schalten eines Transistors mit der Zielfrequenz einen Spannungsverlauf am Eingang des Transformators erzeugt, der zwar nicht unbedingt sinusförmig ist, aber doch einen zyklischen Verlauf mit eben dieser Zielfrequenz hat.
-
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 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.
-
Zwischen der Zündelektrode 5 und dem Kolben 18 bildet sich beim Erregen des Schwingkreises 7 eine Korona-Entladung aus, die von einer mehr oder weniger intensiven Ladungsträgerwolke 22 begleitet ist.
-
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. Der Transformator 12 muss aber keineswegs in einem an den Zylinderkopf 2 angebrachten Gehäuse untergebracht sein, sondern kann sich zusammen mit den Hochfrequenzschaltern 16 in einem gesonderten Zündsteuergerät befinden, welches seinerseits mit dem Motorsteuergerät 30 verbunden sein kann. Die restlichen Teile des Reihenschwingkreises können sich in einem den Isolator 6 umgebenden Gehäuse befinden.
-
3 zeigt mit der durchgezogenen Linie die U/I-Kennlinie am Eingang des Transformators 12. Die Baseline-Impedanz ZBaseline kann durch Anlegen einer Spannung UA an einer Primärwicklung des Transformators ermittelt zu ZBaseline = UA/IA
-
Die Primärspannung UA wird zur Messung der Baseline-Impedanz so gewählt, dass normalerweise weder eine Korona noch eine Funkenentladung auftreten, d. h., der Punkt A liegt noch auf dem geraden Abschnitt der Kennlinie. Die Spannung UA ist wesentlich niedriger als die Primärspannung UD, bei welcher zwischen der Zündelektrode 5 und einer Wand der Brennkammer 1 ein Spannungsdurchbruch auftreten würde.
-
Die Baseline-Impedanz ZBaseline ist ein Basisimpedanzwert, mit dem ein Schwellenwert ZCorona festgelegt werden kann, dessen Überschreiten eine Koronaentladung anzeigt. Der Schwellenwert ZCorona kann beispielsweise durch Multiplikation des Basisimpedanzwerts ZBaseline mit einem vorgegebenen Faktor oder durch Addition eines vorgegebenen Impedanzwerts zu dem Basisimpedanzwert ZBaseline festgelegt werden. In 3 ist dieser Schwellenwert ZCorona als eine gestrichelte Linie eingezeichnet.
-
Um den Beginn einer Koronaentladung zu ermitteln, kann die Impedanz auf der Primärseite des DC/AC-Wandlers fortlaufend gemessen werden, indem jeweils Primärstrom und Primärspannung gemessen werden. Je kürzer die Zeitabstände zwischen Impedanzmessungen sind, desto präziser lässt sich der Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung ermitteln. Die Impedanz kann beispielsweise in Zeitabständen von nicht mehr als 20 μs, vorzugsweise höchstens 10 μs, insbesondere 5 μs oder weniger, gemessen werden. Durch Auswertung der Impedanzmessungen kann der Zeitpunkt des Beginns der Koronaentladung ermittelt werden, indem die gemessenen Impedanzwerte jeweils mit dem vorgegebenen Schwellenwert ZCorona verglichen werden. Wird dabei ein Überschreiten des Schwellenwerts festgestellt, kann daraus auf den Beginn einer Koronaentladung geschlossen werden. Wenn nach einer Reihe von Messwerten der Impedanz, die kleiner als der Schwellenwert ZCorona sind, ein Impedanzwert gemessen wird, der den Schwellenwert ZCorona übersteigt, kann der Zeitpunkt dieses Impedanzwerts als Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung angesehen werden.
-
Der für den Beginn der Korona-Entladung ermittelte Zeitpunkt kann dann mit einem Sollwert verglichen werden und die Ansteuerung der Primärseite des DC/AC-Wandlers in Abhängigkeit von einem Ergebnis dieses Vergleichs geändert werden. Eine korrigierende Änderung der Ansteuerung der Primärseite des DC/AC-Wandlers kann im laufenden Arbeitszyklus des Motors oder auch in einem späteren Arbeitszyklus erfolgen.
-
Eine alternative Möglichkeit, den Zeitpunkt des Beginns einer Koronaentladung zu erfassen, ist schematisch in 4 dargestellt. 4 zeigt ebenso wie 3 die U/I-Kennlinie am Eingang des DC/AC-Wandlers. Sobald eine Koronaentladung entsteht, unterliegt die Impedanz großen Schwankungen. Dies ist in 4 für den Bereich der Kennlinie rechts von dem Punkt A angedeutet. Das Vorliegen einer Korona-Entladung kann deshalb auch durch eine Auswertung der Streuung von Impedanzmessungen festgestellt werden. Dazu wird zunächst durch Auswertung der Impedanzmessungen ein Streuungswert ermittelt, wie stark aufeinanderfolgende Ergebnisse von Impedanzmessungen streuen. Der Streuungswert wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und aus einem Überschreiten des Schwellenwertes auf den Beginn einer Koronaentladung geschlossen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennkammer
- 2
- Wand
- 3
- Wand
- 4
- Wand (Oberseite)
- 5
- Zündelektrode
- 6
- Isolator
- 7
- Schwingkreis
- 8
- Kondensator
- 9
- Induktivität
- 10
- Hochfrequenzgenerator
- 11
- Gleichspannungsquelle
- 12
- DC/AC Wandler
- 13
- Mittenabgriff
- 14
- Primärwicklung
- 15
- Primärwicklung
- 16
- Hochfrequenzumschalter
- 17
- Sekundärwicklung
- 18
- Kolben
- 19
- Kolbenring
- 20
- Durchgang
- 22
- Ladungsträgerwolke
- 23
- Gehäuse
- 24
- Abteil
- 25
- Abteil
- 26
- Schnittstelle
- 29
- Diagnosegerät
- 30
- Motorsteuergerät
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2010/011838 A1 [0001, 0005, 0005]
- WO 2004/063560 A1 [0002, 0004]
- DE 102010045044 [0016]
- DE 102010015344 [0016]
- DE 102010020469 [0016]
