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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 und aus der
WO 2004/063560 A1 bekannt.
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Die beiden Veröffentlichungen offenbaren, wie ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte HF-Korona-Entladung gezündet werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Zündelektrode eines Zünders 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 gemäß dem Stand der Technik 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, der hauptsächlich aus ohmschen Widerständen und der Induktivität der Sekundärwicklung sowie aus der Kapazität besteht, welche aus der Zündelektrode, dem Isolator, dem Außenleiter des Zünders und den Wänden der Brennkammer gebildet ist. 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 der Zünder 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 Hochfrequenz-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.
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Die
WO 2010/011838 A1 offenbart, dass die Frequenz des Schwingkreises geregelt wird, indem an den Speisepunkten des Schwingkreises die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung gemessen und mittels einer Phasenregelschleife auf den Wert Null geregelt wird, denn in einem Reihenschwingkreis sind Strom und Spannung im Resonanzfall in Phase (Phasenverschiebung = Null). Der Phasenregelkreis steuert die Schaltfrequenz eines Schaltgerätes, mit welchem eine vorgegebenen Spannung abwechselnd an die eine Primärwicklung und an die andere Primärwicklung des Transformators gelegt wird, so, dass auf der Sekundärseite des Transformators, an den Speisepunkten des Reihenschwingkreises, Strom und Spannung miteinander in Phase sind.
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Im Stand der Technik ist die Verschiebung der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises, welcher den HF-Zünder enthält, ein großes Problem. Dafür gibt es verschiedene Ursachen. Eine Ursache der Verschiebung der Resonanzfrequenz sind Laständerungen in der Brennkammer des Verbrennungsmotors, zum Beispiel durch Änderungen der Temperatur, des Drucks, der Feuchtigkeit, der Verschmutzung der Spitze bzw. Spitzen der Zündelektrode des HF-Zünders und durch die Änderung von weiteren Parametern, welche mit dem Betrieb des Verbrennungsmotors zusammenhängen. Auch die Umstände der Koronabildung können die Resonanzfrequenz verschieben. Ein Nachführen der Resonanzfrequenz durch eine Phasenregelschleife, wie in der
WO 2010/011838 A1 offenbart, löst das Problem nur teilweise. Mit der Phasenregelschleife wird die Abweichung der Frequenz von der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises nachgeregelt, es kommt zu Regelabweichungen und es kann auch zu Überschwingungen kommen. Geringere Regelabweichungen und kürzere Regelzeiten wären wünschenswert. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik liegt darin, dass die Phasenregelung anfällig ist gegen eine Temperaturdrift der Bauelemente der Phasenregelschleife und gegen ein Spannungsrauschen. Hinzu kommt, dass es bei hohen Frequenzen zu großen Schaltverlusten der im Schaltgerät auf der Primärseite des Transformators verwendeten Leistungsschalter kommen kann, wenn die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung größer wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dessen Ausführung die vorstehend genannten Nachteile weniger gravierend sind als im Stand der Technik.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren befasst sich mit der Erregung eines HF-Schwingkreises, welcher als Bestandteil einen Zünder zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer Hochfrequenz-Korona-Entladung enthält, wobei der Zünder eine Zündelektrode und einen die Zündelektrode umgebenden Isolator aufweist, so dass die Zündelektrode gegenüber den Brennkammerwänden isoliert in die Brennkammer eingeführt werden kann. Der Isolator kann noch von einem metallischen Außenleiter umgeben sein. Ein solcher HF-Schwingkreis wird gemäß Anspruch 1 mittels eines DC/AC-Wandlers erregt, welcher auf seiner Gleichstromseite durch eine vorzugsweise digital arbeitende Steuerschaltung angesteuert und mit einem elektrischen GleichStromimpuls angeregt wird. Der als Antwort auf den Stromimpuls im HF-Schwingkreis auftretende Wechselstrom wird beobachtet. Zum Erzeugen bzw. Beenden eines Stromimpulses wird ein Schalter betätigt, wenn ein Momentanwert des im HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms eine erste Schaltschwelle unterschreitet, und der Schalter erneut betätigt, wenn der Momentanwert des im HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms eine zweite Schaltschwelle überschreitet.
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Die beiden Schaltschwellen können im einfachsten Fall denselben Wert haben. Beispielsweise kann für beide Schaltschwellen der Wert Null verwendet werden, so dass der Schalter bei jedem Nulldurchgang des Wechselstroms betätigt wird. Bevorzugt sind die beiden Schaltschwellen aber verschieden, beispielsweise indem die beiden Schaltschwellen unterschiedliches Vorzeichen haben. In der Zeit, die dann zwischen dem Erreichen einer Schaltschwelle und einem anschließenden Nulldurchgang verstreicht, kann der Schaltvorgang des Schalters durchgeführt werden, so dass Beginn und Ende eines Stromimpulses mit hoher Präzision mit einem Nulldurchgang zusammenfallen. Die Schaltschwellen werden bevorzugt so gewählt, dass die Schaltzeit um weniger als einen Faktor 2 von der Zeit abweicht, die zwischen dem Auslösen eines Schaltvorgangs und einem anschließenden Nulldurchgang des Wechselstroms verstreicht, bevorzugt mit dieser Zeit übereinstimmt.
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Durch das Betätigen des Schalters kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Auftreten eines jeden Nulldurchgangs der Stromstärke des Wechselstroms im HF-Schwingkreis die Polarität des Stromimpulses auf der Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers umgekehrt werden. Der HF-Schwingkreis wird dann während jeder Halbwelle des Wechselstroms angeregt. Es genügt jedoch, wenn der HF-Schwingkreis nur während jeder zweiten Halbwelle angeregt wird, also zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromimpulsen ein zeitlicher Abstand ist, der dem Abstand zwischen zwei Nulldurchgängen entspricht. Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können deshalb auch alle Stromimpulse dieselbe Polarität haben.
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Die Stromimpulse zur Anregung des DC/AC-Wandlers können durch an seine Gleichstromseite angelegte Gleichspannungsimpulse, vorzugsweise Rechteckpulse, erzeugt werden. Auf der Wechselstromseite des DC/AC-Wandlers kann der Momentanwert des Wechselstroms direkt beobachtet werden oder der Momentanwert der Wechselspannung. Ein DC/AC-Wandler wird auch als Wechselrichter bezeichnet.
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In der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung werden deren Vorteile und Weiterbildungen nur anhand einer Überwachung des in dem HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms erläutert. Die Vorteile und Weiterbildungen treffen jedoch in entsprechender Weise auch auf die Überwachung der Wechselspannung zu.
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Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Durch die vorgegebenen Schaltschwellen kann eine Steuerschaltung direkt auf die angeregte Schwingung im HF-Schwingkreis reagieren. Beispielsweise kann beim Auftreten eines jeden Nulldurchgangs der Stromstärke des Wechselstroms im HF-Schwingkreis die Ansteuerung des DC/AC-Wandlers geändert werden, nämlich die Polarität des Pulses auf der Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers umgekehrt werden oder – bei Pulsen gleicher Polarität – ein Pulse begonnen oder beendet werden. Die Steuerschaltung kann also direkt auf die Nulldurchgänge der Schwingungen im HF-Schwingkreis reagieren.
- • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reagiert die Steuerschaltung schneller als ein herkömmlicher Phasenregelkreis. Die Resonanzfrequenz im HF-Schwingkreis wird schneller erreicht und mit geringeren Abweichungen gehalten als im Stand der Technik.
- • Die Steuerschaltung reagiert nach einer jeden Laständerung bereits in der nächsten Periode nach der Laständerung mit einer Anpassung der Resonanzfrequenz im HF-Schwingkreis.
- • Die Erfindung vermeidet einen Phasenregelkreis und dessen Nachteile.
- • Regelabweichungen, die im Stand der Technik durch das Nachregeln in einem Phasenregelkreis auftreten und zu Überschwingungen führen können, lassen sich erfindungsgemäß vermeiden.
- • Durch die Vermeidung eines Phasenregelkreises kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem im Vergleich zum Stand der Technik vereinfachten elektrischen Schaltungsaufbau verwirklicht werden, wodurch Herstellungskosten gespart werden.
- • Leistungsschalter, mit welchen eine vorgebbare Gleichspannung mit abwechselnder Polarität auf der Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers zur Verfügung gestellt wird, haben weniger Schaltverluste als bei dem im Stand der Technik praktizierten Verfahren, weil die Polarität der Gleichspannung auf der Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers immer beim Nulldurchgang der Stromstärke im HF-Schwingkreis umgeschaltet wird.
- • Anders als im Stand der Technik wird die Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises ausschließlich durch Beobachten des elektrischen Signals und seines Nulldurchgangs im HF-Schwingkreis erkannt.
- • Die Steuerung der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises erfolgt auf der Gleichstromseite (Primärseite) des DC/AC-Wandlers ausschließlich aufgrund von Beobachtungen des elektrischen Signals und seiner Nulldurchgänge im HF-Schwingkreis.
- • Der Strom durch den HF-Schwingkreis ist lastabhängig. Laständerungen des Zünders und damit verbundene Änderungen der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises können durch Beobachten der Änderungen des Stromsignals und seines Nulldurchgangs im HF-Schwingkreis erkannt und durch direkte Steuerung der Resonanzfrequenz kompensiert werden.
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Die Stromimpulse, die dem DC/AC-Wandler auf seiner Primärseite zugeführt werden, werden zweckmäßigerweise als Rechteckimpulse oder näherungsweise als Rechteckimpulse ausgebildet. Damit lässt sich der HF-Schwingkreis, welcher vorzugsweise als Reihenschwingkreis ausgebildet ist, gut anregen und auf seine Resonanzfrequenz einstellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Es nutzt das Verhalten eines HF-Schwingkreises, insbesondere eines HF-Reihenschwingkreises, beim Einschaltvorgang aus. Das Einschwingverhalten des HF-Schwingkreises ist durch die Nullstellen seiner Übertragungsfunktion charakterisiert. Eine Übertragungsfunktion beschreibt die Abhängigkeit des Ausgangssignals des HF-Schwingkreises von dessen Eingangssignal, also Stromimpulsen bzw. Stromimpulsen erzeugenden Spannungsimpulsen. Ein HF-Schwingkreis, welcher als Bestandteil einen Zünder zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer HF-Koronaentladung enthält, reagiert aufgrund der konjugierten komplexen Nullstellen seiner Übertragungsfunktion beim Einschalten üblicherweise mit einem periodischen Ausgangssignal. Die Nullstellen des Strom- bzw. Spannungssignals, welches durch die Erregung des HF-Schwingkreises in diesem entsteht, liegen umso näher an der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises, je höher die Güte des HF-Schwingkreises ist.
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Zum Erregen des HF-Schwingkreises kann man so vorgehen, dass der erste Puls, mit welchem der DC/AC-Wandler gespeist wird, für eine Dauer geplant wird, die länger ist als die halbe Periodendauer bei einer angenommenen Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises. Die Frequenz, welche als Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises angenommen wird, kann als Erfahrungswert gewonnen werden. Dabei kann man zunächst einmal die unter den vorgegebenen Randbedingungen kleinstmögliche Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises abschätzen und den ersten Puls für die Erregung des DC/AC-Wandlers und damit des HF-Schwingkreises für eine Dauer planen, die länger ist als die halbe Periodendauer bei dieser als kleinstmöglich angenommenen Resonanzfrequenz. Der Puls regt dann über den DC/AC-Wandler den HF-Schwingkreis zu Schwingungen an. Erfindungsgemäß wird der Verlauf des Wechselstroms, der im HF-Schwingkreis fließt, beobachtet und mit dem Auftreten des ersten Nulldurchgangs des Wechselstroms wird der erregende Puls beendet. Je nach Variante der Erfindung kann auf den Puls eine Pause bis zum nächsten Nulldurchgang folgen oder unmittelbar danach der DC/AC-Wandler mit einem Puls von umgekehrter Polarität gespeist werden, der seinerseits bis zum nächsten Nulldurchgang des Stroms im HF-Schwingkreis dauert, woraufhin ein weiteres Mal ein Gleichspannungsimpuls, erneut mit umgekehrter Polarität, zur Speisung des DC/AC-Wandlers erzeugt wird. Bei beiden Varianten ist sichergestellt, dass die Pulse, welche zur Speisung des DC/AC-Wandlers und damit zum Erregen des HF-Schwingkreises gebildet werden, unmittelbar mit einer Frequenz erzeugt werden, mit welcher das Stromsignal im HF-Schwingkreis auftritt. Dieser Vorgang, mit welchem der HF-Schwingkreis erregt wird, setzt sich automatisch fort. Aus der Beobachtung der Frequenz des Stromsignals im HF-Schwingkreis kann ein Erfahrungswert abgeleitet werden, welche Frequenz bei nachfolgenden Anregungsvorgängen des HF-Schwingkreises als Resonanzfrequenz angenommen werden kann. Bei fehlender Nulldurchgangserfassung kann dieser Erfahrungsweit als Sollfrequenz angenommen werden, bis wieder ein Nulldurchgang detektiert wird.
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Es ist aber auch möglich, jedes Mal, wenn eine Zündung erfolgen soll, den ersten Gleichspannungsimpuls für eine Dauer zu erzeugen, die kürzer ist als die halbe Periodendauer bei einer angenommenen Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises. In diesem Fall wird der erste Nulldurchgang des Stromsignals im HF-Schwingkreis früher auftreten als im zuvor besprochenen Fall, weil durch den kürzer gewählten Gleichspannungsimpuls, mit welchem der DC/AC-Wandler gespeist wird, der Einschwingvorgang des HF-Schwingkreises verkürzt wird. Wenn man jedoch auch in diesem Fall mit dem Auftreten des ersten Nulldurchgangs im Stromsignal des HF-Schwingkreises den Puls beendet, wird der HF-Schwingkreis ab dem zweiten Nulldurchgang des Stromsignals mit der richtigen Frequenz angeregt, nämlich mit der Resonanzfrequenz oder mit einer nahe bei der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises liegenden Frequenz. Auch dabei kann auf den ersten Puls eine Pause bis zum nächsten Nulldurchgang folgen oder ein Puls mit umgekehrter Polarität für den DC/AC-Wandler erzeugt werden, den man bis zum Auftreten des nächsten Nulldurchgangs des Stromsignals im HF-Schwingkreis anstehen lässt.
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Alternativ kann man die erregenden Pulse durchweg für eine unbestimmte Dauer planen und ihre Polarität am Eingang des DC/AC-Wandlers mit dem Auftreten eines jeden Nulldurchgangs der Stromstärke im HF-Schwingkreis umkehren. Auch auf diese Weise erreicht man, dass der HF-Schwingkreis stets mit einer Frequenz angeregt wird, welche seine Resonanzfrequenz ist oder nahe bei seiner Resonanzfrequenz liegt.
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Es sind Fälle denkbar, in welchen der Nulldurchgang der Stromstärke des Stromsignals im HF-Schwingkreis nicht gemessen werden kann, weil die dafür vorgesehene Messeinrichtung, durch welche der Verlauf der Stromstärke im HF-Schwingkreis beobachtet wird, ausgefallen ist oder eine Störung aufweist oder weil das von der Strommesseinrichtung übermittelte Signal nicht an der Steuerschaltung ankommt, welche die Speisung des DC/AC-Wandlers mit Gleichspannungsimpulsen steuert. Damit auch in einem solchen Fall im HF-Schwingkreis eine Schwingung erzeugt werden kann, kann man vorsehen, dass jedenfalls nach einer fest vorgegebenen Dauer, welche in der Steuerschaltung gespeichert sein kann und welche länger ist als die halbe Periode der im HF-Schwingkreis auftretenden Schwingungen, ein Schaltvorgang stattfindet, also der Puls beendet wird. Auf den beendeten Puls kann ein Puls mit umgekehrter Polarität folgen oder eine Pause. Die Summe aus den beiden Pulsen umgekehrter Polarität bzw. die Summe aus dem ersten Puls und der anschließenden stromfreien Pause ist eine Periode, deren Dauer vorzugsweise fest vorgegeben wird und vorzugsweise dem Minimum der unter den gegebenen Randbedingungen des HF-Schwingkreises möglichen Resonanzfrequenz entspricht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch im Falle einer Störung der Detektion von Nulldurchgängen des Stromsignals in dem HF-Schwingkreis der HF-Zünder immer noch zünden kann, wenn auch nicht mehr unter optimalen Bedingungen.
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Die Nulldurchgänge der Stromstärke des Stromsignals im HF-Schwingkreis können auf unterschiedliche Weise festgestellt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Nulldurchgang mittels eines Detektors, der den Vorzeichenwechsel der Polarität erfasst, exakt zu bestimmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in der Nähe des Nulldurchgangs eine positive Schwelle der Stromstärke und eine negative Schwelle der Stromstärke festzulegen und zu beobachten, wann die Stromstärke im HF-Schwingkreis die beiden Schwellen der Stromstärke überquert. Beim Annähern an den Nulldurchgang der Stromstärke wird der in den DC/AC-Wandler eingespeiste Puls beendet und der nächste in den DC/AC-Wandler einzuspeisende Puls wird beim Nulldurchgang oder beim Überqueren der anderen Schwelle gestartet. Somit gibt es insbesondere im zuerst genannten Fall eine nur kleine Schaltlücke zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen, welche dem DC/AC-Wandler mit unterschiedlicher Polarität eingespeist werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die festgelegten Schwellen der Stromstärke im HF-Schwingkreis so zu nutzen, dass ein jeder Puls, welcher in den DC/AC-Wandler eingespeist wird, entweder beim Überschreiten einer unmittelbar auf einen Nulldurchgang folgenden Schwelle gestartet und beim nächsten Nulldurchgang beendet oder bei einem Nulldurchgang gestartet und beim Überqueren der unmittelbar vor dem nächsten Nulldurchgang liegenden Schwelle beendet wird.
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Bei der ersten Schaltschwelle kann es sich um eine Einschaltschwelle und bei der zweiten Schaltschwelle um eine Ausschaltschwelle handeln. Möglich ist es aber auch, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die erste Schaltschwelle eine Ausschaltschwelle und die zweite Schaltschwelle eine Einschaltschwelle ist.
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Beispielsweise kann ein an die Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers angelegter Stromimpuls beendet werden, wenn ein Momentanwert des im HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms unter einen vorgegeben Ausschaltschwellenwert sinkt, und danach an die Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers ein weiterer Stromimpuls angelegt wird, wenn ein Momentanwert des Wechselstroms einen vorgegeben Einschaltschwellenwert überschreitet. Ebenso gut ist es möglich, dass ein an die Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers angelegter Spannungsimpuls beendet wird, wenn ein Momentanwert des im HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms einen vorgegeben Ausschaltschwellenwert überschreitet, und danach an die Gleichstromseite des DC/AC-Wandlers ein weiterer Spannungsimpuls angelegt wird, wenn ein Momentanwert des Wechselstroms unter einen vorgegeben Einschaltschwellenwert sinkt.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als DC/AC-Wandler vorzugsweise ein Transformator verwendet und die Pulse werden einer Primärwicklung des Transformators eingespeist. Hat der Transformator nur eine einzige Primärwicklung, dann können dieser die Pulse abwechselnd mit unterschiedlicher Polarität oder – bei einer anderen Variante des Verfahrens – stets mit derselben Polarität eingespeist werden. Der Transformator kann auch zwei durch einen Mittenabgriff getrennte Primärwicklungen haben, denen die Pulse abwechselnd zugeführt werden. Der Mittenabgriff kann dabei auf gleichbleibendem Potential liegen, zum Beispiel auf Massepotential. Die beiden Primärwicklungen werden dann von GleichStromimpulsen abwechselnd in unterschiedlicher Richtung durchflossen, was einer abwechselnden Polarität der Gleichspannungsimpulse entspricht.
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Die gewünschte hochfrequente Hochspannung muss nicht mit einem Transformator erzeugt werden. Sie kann auch mit einem DC/AC-Wandler erzeugt werden, der auf seiner Eingangsseite – hier auch als Primärseite bezeichnet – mit einer Gleichspannung gespeist wird, aus welcher auf direktem Wege mit dem Fachmann bekannten Halbleiterschaltungen, z. B. mit einer H-Brückenschaltung, in deren vier Zweigen jeweils ein Hochfrequenzschalter auf Halbleiterbasis liegt, eine hochfrequente Hochspannung erzeugt wird, die auf der Ausgangsseite – hier auch als Sekundärseite bezeichnet – des DC/AC-Wandlers abgegriffen werden kann.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind in den Figuren mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines ersten HF-Zündsystems für einen Fahrzeugmotor,
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1a zeigt als Detail die prinzipiellen Bestandteile des eines HF-Zünders, der zugleich der wesentliche Bestandteil eines HF-Schwingkreises ist,
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines zweiten HF-Zündsystems für einen Fahrzeugmotor,
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3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines ersten Verfahrens gemäß der Erfindung,
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4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines zweiten Verfahrens gemäß der Erfindung,
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5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines dritten Verfahrens gemäß der Erfindung,
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6 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines vierten Verfahrens gemäß der Erfindung,
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7 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines fünften Verfahrens gemäß der Erfindung; und
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8 zeigt schematisch den Aufbau eines weiteren HF-Zündsystems für einen Fahrzeugmotor;
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9 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines sechsten Verfahrens gemäß der Erfindung;
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10 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines siebten Verfahrens gemäß der Erfindung.
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1 zeigt eine Brennkammer 20, welche von Wänden 21 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 20 ragt ein HF-Zünder 1 hinein, welcher eine Zündelektrode 1a aufweist, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 1b umgeben ist. Der Isolator 1b ist von einem metallischen Außenleiter 1c umgeben, mit welchem die Zündelektrode 1a elektrisch isoliert durch die Wand 21 hindurch in die Brennkammer 20 geführt ist. Wenn der Zünder 1 keinen gesonderten Außenleiter hat, kann auch die Brennkammerwand 21 als Außenleiter dienen, in welcher der Zünder 1 steckt. Der Zünder 1 und die Wände 21 der Brennkammer 20 sind Bestandteil eines Reihenschwingkreises, zu welchem noch eine Kapazität 4, eine Induktivität 3 und ein ohmscher Widerstand 2 gehören. Selbstverständlich kann der Reihenschwingkreis weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Reihenschwingkreisen bekannt sind.
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Zur Erregung des HF-Schwingkreises ist ein Hochfrequenzgenerator vorgesehen, welcher eine Gleichspannungsquelle und als DC/AC-Wandler 6 einen Transformator mit einem Mittenabgriff 6d auf seiner Primärseite hat. Am Mittenabgriff 6d treffen zwei Primärwicklungen 6a und 6b zusammen. Mittels einer Hochfrequenzumschalteinrichtung, welche zwei Leistungsschalter 7 und 8 aufweist, werden die vom Mittenabgriff 6d entfernten Enden der Primärwicklungen 6a und 6b abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz der Hochfrequenzumschalteinrichtung bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis (1a) erregt wird und ist mit Hilfe einer Steuerschaltung 11 veränderbar. Die Sekundärwicklung 6c des Transformators 6 speist den Reihenschwingkreis an einer Schnittstelle 22. Die Hochfrequenzumschalteinrichtung mit den Leistungsschaltern 7, 8 wird mit Hilfe der Steuerschaltung 11 so gesteuert, dass der an die Schnittstelle 22 angeschlossene HF-Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz oder annähernd mit seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Dann ist die Spannung zwischen der Spitze der Zündelektrode 1a und den auf Massepotential liegenden Wänden 21 am größten.
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Zwischen dem HF-Schwingkreis und der Sekundärwicklung 6c des Transformators 6 ist eine Detektorschaltung 5 vorgesehen, welche dazu dient, den Nulldurchgang der Stromstärke des Stromsignals im HF-Schwingkreis festzustellen.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Mittenabgriff 6d des Transformators 6 mit einer Spannungsquelle verbunden, welche die Gleichspannung Vcc liefert. Die anderen beiden Anschlüsse der Primärwicklungen 6a und 6b des Transformators 6 sind über die Leistungsschalter 7 und 8 gegen Masse geschaltet. Es wäre aber auch möglich, den Mittenabgriff 6d mit Masse zu verbinden und die beiden anderen Anschlüsse der Primärwicklungen 6a und 6b über die Leistungsschalter 7 und 8 mit der Spannungsquelle zu verbinden, welche die Gleichspannung Vcc liefert.
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Die Steuerschaltung 11 steuert, wann und für welche Dauer die Leistungsschalter 7 und 8 geschlossen werden. Zu diesem Zweck meldet die Detektorschaltung 5 über eine zur Steuerschaltung 11 führende Leitung 12 jeden Nulldurchgang der Stromstärke des im HF-Schwingkreis fließenden Stromsignals, woraufhin die Steuerschaltung 11 abwechselnd impulsförmige Steuersignale für das Schließen des Leistungsschalters 7 und das Öffnen des Leistungsschalters 8 bzw. für das Schließen des Leistungsschalters 8 und das Öffnen des Leistungsschalters 7 erzeugt, wobei diese Steuersignale noch durch Verstärker 9 und 10 verstärkt werden können.
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Die Steuerschaltung 11 kann unterschiedlich aufgebaut sein. Sie kann zum Beispiel ein Mikrocontroller sein, sie kann auch ein Field Programmable Gate Array (kurz: FPGA) sein, das ist ein integrierter Schaltkreis der Digitaltechnik, in den eine logische Schaltung programmiert werden kann. Das Steuergerät 11 kann auch ein Complex Programmable Logic Device (CPLD) oder ein ASIC, das ist ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis, oder eine andere Logikschaltung sein.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass der Transformator 6 nur eine einzige Primärwicklung 6a hat, deren eines Ende auf Massepotential liegt und deren anderes Ende durch die Leistungsschalter 7 und 8 abwechselnd mit einem gegenüber dem Massepotential positiven Spannungspol mit dem Potential Vcc und mit einem Spannungspol mit dem negativen Potential –Vcc verbunden wird.
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In beiden Fällen, sowohl im Beispiel der 1 als auch im Beispiel der 2, wird in dem Transformator 6 ein Wechselfeld erzeugt, das auf der Sekundärseite des Transformators zu einer hohen Spannung führt und den an den Transformator 6 angeschlossenen HF-Schwingkreis erregt, und zwar mit einer Frequenz, die mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises übereinstimmt oder nahe bei der Resonanzfrequenz liegt.
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Die 3 bis 6 zeigen jeweils
im Diagramm (a) den Beginn und das Ende eines eventuellen Anregungsimpulses für das Schließen und Öffnen des Leistungsschalters 7,
im Diagramm (b) den Beginn und das Ende eines eventuellen Anregungsimpulses für das Schließen und Öffnen des Leistungsschalters 8,
im Diagramm (c) den Verlauf der Stromstärke eines im HF-Schwingkreises erregten Stromsignals,
im Diagramm (d) den Beginn und das Ende eines Steuerimpulses, welcher den Leistungsschalter 7 tatsächlich schließt und wieder öffnet, und
im Diagramm (e) den Beginn und das Ende eines Steuerimpulses, welcher den Leistungsschalter 8 tatsächlich schließt und danach wieder öffnet.
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3 illustriert ein Verfahren, bei dem in der Steuerschaltung 11 planmäßig die Abgabe eines Anregungsimpulses 13a für den Leistungsschalter 7 vorgesehen ist, der eine deutlich größere Einschaltdauer als die halbe Periode der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises hat. Für den Leistungsschalter 8 muss die Abgabe eines solchen Anregungsimpulses nicht vorgesehen sein. Wenn der Leistungsschalter 7 den Anregungsimpuls 13a empfängt, dann wird bereits mit dessen ansteigender Flanke der Leistungsschalter 7 geschlossen und die Primärseite des Transformators 6 mit einer Gleichspannung versorgt, wodurch im HF-Schwingkreis auf der Sekundärseite des Transformators 6 ein Einschwingvorgang gestartet wird. Der erste Nulldurchgang 1A– der Stromstärke im HF-Schwingkreis am Ende der ersten Halbwelle wird von der Detektorschaltung 5 erfasst und über die Leitung 12 an Steuerschaltung 11 gemeldet, welche daraufhin den Leistungsschalter 7 öffnet und gleichzeitig den Leistungsschalter 8 schließt, so dass der Leistungsschalter 7 tatsächlich einen Steuerimpuls 16 erhalten hat, dargestellt im Diagramm (d) der 3, der kürzer ist als die zunächst geplante, im Diagramm (a) von 3 dargestellte Dauer des Anregungsimpulses 13a. Der Leistungsschalter 8 bleibt nun geschlossen, bis die Detektorschaltung 5 den nächsten Nulldurchgang A+ des Stromsignals 15 feststellt, was dazu führt, dass der Leistungsschalter 8 geöffnet und gleichzeitig der Leistungsschalter 7 wieder geschlossen wird. Das Wechselspiel der Leistungsschalter 7 und 8 wiederholt sich nun, wie in den Diagrammen (d) und (e) von 3 dargestellt. Die Steuerimpulse 16 und 17 für den Leistungsschalter 7 bzw. für den Leistungsschalter 8 erscheinen abwechselnd mit der Frequenz, mit welcher das Stromsignal 15 im HF-Schwingkreis schwingt.
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Nach dem anfänglichen Anregungsimpuls 13a ist kein weiterer Anregungsimpuls erforderlich. Die Steuerimpulse 16 und 17 für die Leistungsschalter 7 und 8 werden durch das Auftreten der weiteren Nulldurchgänge A+ und A– erzeugt, so dass sich der Ansteuervorgang für den HF-Schwingkreis automatisch fortsetzt, bis er durch Abschalten der Spannungsversorgung oder der Steuerschaltung beendet wird.
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Das in 4 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Verfahren darin, dass der anfängliche Anregungsimpuls 13b eine deutlich kleinere Einschaltdauer als die halbe Periode der Schwingung im HF-Schwingkreis bei der Resonanzfrequenz hat. Wegen der kürzeren Einschaltdauer wird der Einschwingvorgang vorzeitig abgebrochen, so dass die halbe Periode der Schwingung des Stromsignals 15 bis zum ersten Nulldurchgang 1A– noch nicht der tatsächlichen Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises entspricht. Mit dem ersten Nulldurchgang 1A– wird jedoch wie im ersten Ausführungsbeispiel der Leistungsschalter 8 geschlossen und bleibt solange geschlossen, bis die Detektorschaltung 5 nun ohne zeitliche Vorgabe durch die Steuerschaltung 11 den nächsten Nulldurchgang A+ des Stromsignals 15 erfasst, wodurch der Leistungsschalter 8 geöffnet und der Leistungsschalter 7 wieder geschlossen wird. Die Anregung des HF-Schwingkreises läuft nun mit der Resonanzfrequenz des HF-Schwingkreises automatisch weiter wie im Ausführungsbeispiel der 3.
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Das in 5 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von den in den 3 und 4 dargestellten Verfahren darin, dass in der Steuerschaltung 11 kein Anregungsimpuls von geplanter Dauer gebildet wird, um den Einschwingvorgang für den HF-Schwingkreis zu starten. Vielmehr wird der Leistungsschalter 7 (oder alternativ der Leistungsschalter 8) für eine Dauer geschlossen, die zunächst unbestimmt ist, und wird dann wieder geöffnet, wenn die Detektorschaltung 5 den ersten Nulldurchgang A– meldet, woraufhin wie in den Beispielen gemäß 3 und 4 der Leistungsschalter 7 geöffnet und der Leistungsschalter 8 geschlossen wird und die weitere Ansteuerung des HF-Schwingkreises durch die Nulldurchgänge der Stromstärke im HF-Schwingkreis gesteuert automatisch abläuft.
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Das in 6 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten Verfahren darin, dass in der Steuerschaltung 11 zusätzlich Anregungsimpulse 13c und 14 für die Leistungsschalter 7 und 8 (Diagramme (a) und (b) von 6) gebildet werden, welche mit der Frequenz des Stromsignals 15 im HF-Schwingkreis abwechselnd auftreten und jeweils mit einem Nulldurchgang A– oder A+ der Stromstärke beginnen und eine maximale Dauer haben, die etwas länger ist als die halbe Periode der Schwingung der Stromstärke 15 im HF-Schwingkreis. Ein mit dem Nulldurchgang A+ beginnender Anregungsimpuls 13c für den Leistungsschalter 7 wird mit dem nächsten Nulldurchgang A– beendet. Sollte dieser jedoch ausfallen oder aus einem sonstigen Grund nicht detektiert werden, dann dauert der Anregungsimpuls 13c bis zu dem Auftreten der abfallenden Flanke 13d, welche durch die vorgegebene maximale Dauer des Anregungsimpulses 13c bestimmt ist. Bei den kürzeren Anregungsimpulsen 13c, welche durch einen Nulldurchgang A+ oder A– beendet werden, ist die maximal mögliche Dauer der Anregungsimpulse 13c in 6 gestrichelt dargestellt.
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Ein mit dem Nulldurchgang A– beginnender Anregungsimpuls 14 für den Leistungsschalter 8 wird mit dem Auftreten des nächsten Nulldurchgangs A+ beendet. Sollte der jedoch ausfallen, wird auch der Anregungsimpuls 14 analog dem Anregungsimpuls 13c verlängert, maximal bis zu dem vorgegebenen Zeitpunkt, an welchem die abfallende Flanke 14d spätestens auftritt.
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Bei normalem, störungsfreiem Betrieb werden die tatsächlichen Ansteuerimpulse 16 und 17 wie in den 3 bis 5 beschrieben durch die Stromnulldurchgänge 1A–, A+ und A– erzeugt. Zusätzlich wird in der Steuerschaltung 11 überprüft, ob während der Dauer der Anregungsimpulse 13c und 14, also bis zum Erreichen der abfallenden Flanke der Anregungsimpulse 13c und 14, ein Nulldurchgang A+ bzw. A– der Stromstärke detektiert und an die Steuerschaltung 11 gemeldet wurde. Ist das nicht der Fall, dann wird auf jeden Fall durch die an einem vorgegebenen späteren Zeitpunkt abfallende Flanke des Anregungsimpulses 13c bzw. 14 der Umschaltvorgang zwischen den Leistungsschaltern 7 und 8 bewirkt, so dass der HF-Schwingkreis weiterhin angesteuert wird und der Zünder 1 seine Zündaufgabe – wenn auch verschlechtert – erfüllen kann. Eine Störung in der Detektierung des Nulldurchgangs der Stromstärke des Stromsignals 15 führt deshalb nicht zum Ausfall der Zündung, sondern allenfalls zu einer Verschlechterung der Zündung. Wird jedoch während der Dauer der Anregungsimpulse 13c und 14 ein Nulldurchgang A– bzw. A+ der Stromstärke 14 detektiert, dann werden die Anregungsimpulse 13c und 14 auf die halbe Periodendauer von A– bis A+ bzw. von A+ bis A– verkürzt.
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Die Anregungsimpulse 13c und 14 können an einem Nulldurchgang der Stromstärke 15 im HF-Schwingkreis beginnen.
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Die Nulldurchgänge des Stromstärkesignals 15 im HF-Schwingkreis müssen nicht exakt bestimmt werden. Es genügt auch, eine positive Stromschwelle oberhalb der Nulldurchgänge und eine negative Stromschwelle unterhalb der Nulldurchgänge vorzusehen, siehe 7. Vorzugsweise liegen die Stromschwellen nahe bei den Nulldurchgängen A– und A+. Die Stärke des Stromsignals 15 wird dann mit den beiden Stromschwellen verglichen und anstelle der Nulldurchgänge oder zusätzlich zu den Nulldurchgängen werden die Stromdurchgänge B+ und B– durch die positive Stromschwelle und die Stromdurchgänge C+ und C– durch die negative Stromschwelle bestimmt. Der Steuerimpuls 16 für den Leistungsschalter 7 kann dann durch die aufeinanderfolgenden Stromdurchgänge B+ und B– durch die positive Stromschwelle begrenzt werden, wohingegen die Steuerimpulse 17 für den Leistungsschalter 8 durch die Stromdurchgänge C– und C+ durch die negative Stromschwelle begrenzt werden, wie in 7 dargestellt. Zwischen den aufeinanderfolgenden Steuerimpulsen 16, 17 bestehen dann die in 7 dargestellten Lücken, was jedoch nichts daran ändert, dass die Steuerimpulse 16 ebenso wie die Steuerimpulse 17 mit einer Frequenz auftreten, welche mit der Frequenz des Stromsignals 15 im HF-Schwingkreis übereinstimmt, so dass es nach wie vor zur gewünschten Anregung des HF-Schwingkreises mit hoher Güte kommt.
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Es ist aber auch möglich, die Stromdurchgänge durch die positive und negative Stromschwelle zu kombinieren mit den Nulldurchgängen der Stromstärke, um Steuersignale für die Leistungsschalter 7 und 8 zu gewinnen. Eine Möglichkeit besteht darin, den Steuerimpuls 16 zum Zeitpunkt des Stromdurchgangs B– zu deaktivieren und zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs A+ wieder zu aktivieren und das Steuersignal 17 zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs A– zu aktivieren und zum Zeitpunkt des Stromdurchgangs C+ wieder zu deaktivieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Steuerimpuls 16 zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs A– deaktiviert und zum Zeitpunkt des Stromdurchgangs B+ wieder aktiviert wird, wohingegen der Steuerimpuls 17 zum Zeitpunkt des Stromdurchgangs C– aktiviert und zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs A+ wieder deaktiviert wird.
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8 zeigt schematisch den Aufbau eines weiteren HF-Zündsystems für ein Fahrzeugmotor. Dieses HF-Zündsystem unterscheidet sich von den in den 1 und 2 dargestellten Systemen im Wesentlichen nur dadurch, dass in die Primärseite des DC/AC-Wandlers nur Pulse einer Polarität eingespeist werden können. Dieses Zündsystem hat deshalb den Vorteil eines einfacheren Aufbaus. Insbesondere wird nur ein einziger Schalter 7 benötigt, um den DC/AC-Wandler 6 anzusteuern. Gegenüber den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 werden somit ein Schalter und ein dazugehörender Verstärker eingespart, so dass sich sowohl der Materialaufwand als auch der Steuerungsaufwand reduziert.
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9 zeigt schematisch ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erregen des HF-Zündsystem mit dem in 8 enthaltenen HF-Schwingkreises. Das Diagramm (a) zeigt schematisch den Verlauf des im HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms i in Abhängigkeit von der Zeit t. Das Diagramm (b) zeigt die zum Anregen dieses Wechselstroms in den DC/AC-Wandler 6 eingespeisten Pulse.
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Die Steuerschaltung 11 überwacht den angeregten Wechselstrom i(t) mittels zwei Schaltschwellen B– und B+. Wenn der Momentanwert des im HF-Schwingkreis angeregten Wechselstroms i(t) die erste Schaltschwelle B– unterschreitet, wird der Schalter 7 betätigt und so ein in den DC/AC-Wandler 6 eingespeister Puls beendet. Wenn der Momentanwert des Wechselstroms i(t) die zweite Schaltschwelle B+ überschreitet, wird der Schalter 7 erneut betätigt. Der Schalter 7 wird dadurch wieder in seinen leitenden Zustand versetzt, so dass ein Spannungs- bzw. Stromimpuls beginnt.
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Zwischen dem Auslösen eines Schaltvorgangs durch Unterschreiten der Schaltschwelle B– bzw. Überschreiten der zweiten Schaltschwelle B+ und dem Erreichen des geänderten Schaltzustandes des Schalters 7 vergeht eine Schaltzeit Δt, die in 9 angedeutet ist. Wenn die beiden Schaltschwellen B– und B+ übereinstimmen, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von 9 der Fall ist, kann die Schaltzeit Δt nur bei einer Schaltschwelle, im dargestellten Ausführungsbeispiel des Schaltschwelle B–, dazu führen, dass sich der Übergang zwischen Schaltzuständen des Schalters 7 näher zum Nulldurchgang des Wechselstroms bzw. der Wechselspannung hin verschiebt. Bei der zweiten Schaltschwelle, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltschwelle B+, führt die Schaltzeit Δt dagegen dazu, dass der Schalter 7 seinen Schaltzustand erst in einem etwas größeren Abstand vom Nulldurchgang ändert.
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Um Schaltverluste möglichst gering zu halten, ist es erstrebenswert, dass der Schalter 7, üblicherweise ein Feldeffekttransistor, seinen Schaltzustand jeweils im oder möglichst nahe am Nulldurchgang ändert.
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Um dies zu erreichen kann gemäß dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel eine zweite Schaltschwelle C+ verwendet werden, die von der ersten Schaltschwelle B– verschieden ist. Die beiden Schaltschwelle B– und C+ haben unterschiedliches Vorzeichen und bevorzugt gleichen Betrag. Indem die Schaltzeit Δt des Schalters 7 der Zeit entspricht, die zwischen dem Auslösen eines Schaltvorgangs, d. h. dem Über- bzw. Unterschreiten eines Schaltschwelle, und einem anschließenden Nulldurchgang des Wechselstroms oder der Wechselspannung verstreicht, lassen sich Schaltverluste minimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- HF-Zünder
- 1a
- Zündelektrode
- 1b
- Isolator
- 1c
- Außenleiter
- 2
- ohmscher Widerstand
- 3
- Induktivität
- 4
- Kapazität
- 5
- Detektorschaltung
- 6
- DC/AC-Wandler, Transformator
- 6a
- Primärwicklung
- 6b
- Primärwicklung
- 6c
- Sekundärwicklung
- 6d
- Mittenabgriff
- 7
- Leistungsschalter
- 8
- Leistungsschalter
- 9
- Verstärker
- 10
- Verstärker
- 11
- Steuerschaltung
- 12
- Leitung
- 13a
- Anregungsimpuls
- 13b
- Anregungsimpuls
- 13c
- Anregungsimpuls
- 14
- Anregungsimpuls
- 15
- Stromsignal
- 16
- Ansteuerimpuls
- 17
- Ansteuerimpuls
- 18
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- 19
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- 20
- Brennkammer
- 21
- Wände von 20
- 22
- Schnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/011838 A1 [0001, 0005, 0006]
- WO 2004/063560 A1 [0001]
