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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Brennraums eines taktweise arbeitenden Verbrennungsmotors, in welchem ein Brennstoffluftgemisch von einer Koronaentladung entzündet wird. Ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der
DE 10 2009 013 877 A1 bekannt.
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Zündeinrichtungen, mit denen ein Brennstoffluftgemisch durch eine Koronaentladung gezündet wird, enthalten einen elektrisch Schwingkreis, in welchem eine elektrisch gegenüber Brennraumwänden isolierte Zündelektrode zusammen mit den Brennraumwänden eine Kapazität darstellt. Durch Erregen des Schwingkreises kann an der Zündelektrode eine Koronaentladung erzeugt werden, die dann das in dem Brennraum enthaltene Brennstoffluftgemisch zündet. Eine solche Koronazündeinrichtung ist beispielsweise in der
WO 2010/011838 beschrieben. Der Inhalt des Brennraums ist das Dielektrikum der von der Zündelektrode und den Brennraumwänden gebildeten Kapazität. Durch Auswertung elektrischer Größen dieses Schwingkreises, beispielsweise seiner Resonanzfrequenz, seiner Impedanz oder der Phasenlage zwischen Strom und Spannung, lässt sich der Zustand des Brennraums charakterisieren und beispielsweise die Verbrennungslage ermitteln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie sich mit einer Koronazündeinrichtung noch besser Informationen über den Zustand des Brennrauminhalts gewinnen lassen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schwingkreis nach dem Beginn der Verbrennung mit einer reduzierten Spannung angeregt. Auch bei einer Anregung mit einer reduzierten Spannung kann durch Auswerten des Verlaufs elektrischer Kenngrößen des Schwingkreises, beispielsweise seiner Resonanzfrequenz, seiner Impedanz oder der Phasenlage zwischen Strom und Spannung, eine Information über den Brennraum gewonnen werden, beispielsweise ein Kennwert, der den Zustand des Brennraums und/oder den Zustand des in der Brennkammer enthaltenen Stoffgemisches charakterisiert. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Brennraum deshalb während eines größeren Zeitraums überwacht werden, ohne dass dadurch die Elektronik der Koronazündeinrichtung übermäßig beansprucht oder die Verbrennung beeinträchtigt wird.
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Während bei herkömmlichen Verfahren die Koronazündeinrichtung nach dem Beginn der Verbrennung einfach abgeschaltet wird, also der Schwingkreis bis zum erneuten Zünden einer Koronaentladung nicht mehr angeregt wird, wird der Schwingkreis bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin angeregt, allerdings mit einer kleineren Spannung, die beispielsweise weniger als halb so groß wie die Spannung bei Beginn der Verbrennung ist.
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Die reduzierte Spannung kann ausreichend groß sein, um die Koronaentladung mit einer reduzierten Größe aufrecht zu erhalten. Bevorzugt ist die Spannung aber zu klein zum Erzeugen bzw. Aufrecherhalten einer Koronaentladung. Bevorzugt wird der Schwingkreis also bei erloschener Koronaentladung mit einer reduzierten Spannung angeregt.
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Da es schwierig sein kann, den Verbrennungsbeginn exakt festzustellen, werden Koronaentladungen üblicher Weise für eine mehr oder weniger kurze Zeit über den Verbrennungsbeginn hinaus unverändert aufrecht erhalten. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann deshalb zwischen dem Beginn der Verbrennung und dem Absenken der Spannung, mit welcher der Schwingkreis angeregt wird, eine mehr oder weniger lange Zeitspanne vergehen. Bevorzugt wird die Spannung aber noch in der Arbeitsphase abgesenkt.
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Eine kleine Verbesserung lässt sich naturgemäß schon dadurch erzielen, dass der Schwingkreis mit reduzierter Spannung etwas über den Zeitpunkt hinaus angeregt wird, bei dem herkömmliche Verfahren die Koronaentladung erlöschen lassen. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Schwingkreis mit reduzierter Spannung mindestens während eines Zeitintervalls betrieben wird, in dem sich der Kurbelwellenwinkel um wenigstens 60° ändert.
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Für die Motorsteuerung sind Brennraumdaten während des Arbeitstaktes von besonderem Interesse. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht deshalb vor, dass der Schwingkreis während mehr als der Hälfte eines Arbeitstaktes angeregt wird. Die Anregung des Schwingkreises kann während eines Teils dieser Zeit mit der höheren Spannung erfolgen, mit welcher der Schwingkreis auch bei Verbrennungsbeginn angeregt wird. Während eine anderen Teils der Zeit kann der Schwingkreis mit der reduzierten Spannung angeregt werden. Bevorzugt wird der Schwingkreis während mehr als zwei Dritteln des Arbeitstaktes mit einer reduzierten Spannung angeregt, beispielsweise während mehr als drei Vierteln oder während der gesamten Dauer eines Arbeitstakts.
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Das Verfahren wird bevorzugt bei einem Viertaktmotor angewandt, kann an sich aber auch bei einem Zweitaktmotor verwendet werden. Bei einem Viertaktmotor unterscheidet man Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausstoßtakt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schwingkreis einer Koronazündeinrichtung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren während wenigstens zwei Dritten, besonders bevorzugt während wenigstens drei Vierteln, beispielsweise während des gesamten Verdichtungstaktes angeregt wird. Neben dem Arbeitstakt ist nämlich insbesondere der Verdichtungstakt für eine optimale Verbrennung von Bedeutung. Indem auch während des größten Teils des Verdichtungstaktes, insbesondere während des gesamten Verdichtungstaktes der Brennraum überwacht wird, beispielsweise der Verlauf des Brennraumdrucks erfasst wird, kann deshalb die Motorsteuerung verbessert werden. Der Schwingkreis der Koronazündeinrichtung kann auch während des gesamten Arbeitszyklus des Motors angeregt werden, so dass eine lückenlose Überwachung des Brennraums möglich ist.
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Koronazündeinrichtungen enthalten in der Regel einen Spannungswandler, der aus einer Primärspannung eine höhere Sekundärspannung erzeugt, mit der dann der Schwingkreis angeregt wird. Die Spannung, mit welcher der Schwingkreis angeregt wird, stimmt in der Regel mit der Spannung, die an der Zündelektrode anliegt überein. Um eine Koronaentladung zum Zünden von Brennstoffluftgemisch zu erzeugen, wird in der Regel die volle Bordnetzspannung oder sogar eine höhere Spannung von einigen zehn Volt benötigt, die beispielsweise mittels Kondensatoren oder einer Vorstufe eines Spannungswandlers erzeugt wird. Zum Erzeugen der reduzierten Wechselspannung genügt dagegen eine wesentlich kleinere Primärspannung, die weniger als die Hälfte, üblicher Weise sogar weniger als ein Viertel beträgt, beispielsweise 5 V bis 10 V.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Erregen des Schwingkreises an der Zündelektrode eine Wechselspannung erzeugt werden, die in einem ersten Zeitintervall zum Zünden der Koronaentladung einen Mindestwert übersteigt und in einem zweiten Zeitintervall zum Überwachen des Brennraums weniger als die Hälfte dieses Mindestwerts beträgt. Mit anderen Worten ist dann die Wechselspannung an der Zündelektrode in dem zweiten Intervall, in dem der Schwingkreis nur zum Überwachen des Brennraums angeregt wird und nicht unbedingt eine Koronaentladung brennt, also weniger als halb so groß wie in dem ersten Intervall, in dem die Koronaentladung zum Zünden des Brennstoffluftgemisches brennt.
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Bevorzugt beträgt die an der Zündelektrode anliegende Wechselspannung weniger als ein Viertel dieses Mindestwerts, besonders bevorzugt weniger als ein Achtel dieses Mindestwerts.
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Der Mindestwert, den die an der Zündelektrode anliegende Wechselspannung in dem ersten Intervall übersteigt, kann vorteilhaft in Bezug auf die Durchbruchspannung festgelegt werden. Als Durchbruchspannung wird die Spannung bezeichnet, bei welcher eine Koronaentladung in eine Bogenentladung übergeht. Bevorzugt beträgt der Mindestwert wenigstens zwei Drittel der Durchbruchspannung. In dem ersten Intervall hat die an der Zündelektrode anliegende Wechselspannung dann also einen Wert zwischen zwei Dritteln der Durchbruchspannung und der Durchbruchspannung. Auf diese Weise wird zum Zünden des Brennstoffluftgemisches im Brennraum eine große Koronaentladung erzeugt und somit in einem großen Volumen Energie in das Brennstoffluftgemisch eingebracht. Besonders bevorzugt beträgt der Mindestwert wenigstens drei Viertel, beispielsweise wenigstens vier Fünftel der Durchbruchspannung. Die Durchbruchspannung kann sich während des Arbeitszyklus des Motors ändern. Falls diese Änderung wesentlich ist, kann der Mindestwert in Bezug auf den minimalen Wert der Durchbruchspannung festgelegt werden, beispielsweise mit den genannten Faktoren.
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Die Wechselspannung, die in dem ersten Intervall zum Zünden des Brennstoffluftgemisches an der Zündelektrode anliegt, kann beispielsweise mit dem in der
DE 10 2010 024 396 A1 beschriebenen Verfahren festgelegt werden.
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Die Zeitdauer des zweiten Intervalls ist bevorzugt wenigstens so groß wie die Zeitdauer des ersten Intervalls. Da sich die Wechselspannung, mit welcher der Schwingkreis angeregt wird, und damit auch die Wechselspannung an der Zündelektrode nicht instantan ändern kann, kann zwischen dem ersten und dem zweiten Intervall eine mehr oder weniger lange Zeit sein, während der die Wechselspannung an Zündelektrode einen Wert zwischen der Untergrenze des ersten Intervalls und der Obergrenze des zweiten Intervalls hat. Besonders bevorzugt ist die Zeitdauer des zweiten Intervalls wenigstens doppelt so groß, wie die Zeitdauer des ersten Intervalls.
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Zum Zünden von Brennstoffluftgemisch muss eine Koronaentladung eine erhebliche Energie in den Brennraum einbringen. Dieser Energieeintrag erfolgt bei herkömmlichen Koronazündeinrichtungen in der Regel in einem Kurbelwellenwinkelbereich von 60° vor dem oberen Totpunkt der Zündung bis 20° nach dem oberen Totpunkt der Zündung. Bevorzugt umfasst das erste Intervall diesen Bereich. Beispielsweise sollte das erste Intervall frühestens bei einem Kurbelwellenwinkel von 90°, vorzugsweise frühestens einem Kurbelwellenwinkel von 60° vor dem oberen Totpunkt der Zündung beginnen. Zudem sollte das erste Intervall spätestens bei einem Kurbelwellenwinkel von 30°, vorzugsweise spätestens 40° vor dem oberen Totpunkt der Zündung beginnen. Bevorzugt endet das erste Intervall frühestens bei dem oberen Totpunkt der Zündung, besonders bevorzugt frühestens bei einem Kurbelwellenwinkel von 10° nach dem oberen Totpunkt der Zündung. Das erste Intervall endet bevorzugt spätestens bei einem Kurbelwellenwinkel von 60°, besonders bevorzugt spätestens bei einem Kurbelwellenwinkel von 40° nach dem oberen Totpunkt der Zündung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Schwingkreis ein Phasenregelkreis ist, der einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, und die Spannung dieses Oszillators die elektrische Größe ist, die ausgewertet wird, um eine Information über den Brennraum zu gewinnen. Die Spannung dieses Oszillators ist ein Maß für die Frequenz und lässt sich sehr einfach abgreifen, so dass man mit minimalem Aufwand eine elektrische Kenngröße des Schwingkreises erhält, die eine Überwachung des Brennraums ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Koronazündeinrichtung; und
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Fig. ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Koronazündeinrichtung.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer phasengeregelten Koronazündeinrichtung. In einem Hochfrequenzgenerator 1 wird eine Wechselspannung erzeugt, mit der ein nicht dargestellter Schwingkreis der Koronazündeinrichtung angeregt wird. Diese Wechselspannung liegt über Leitung a an einer Zündelektrode an. Messwerte dieser Wechselspannung und des dazugehörenden Wechselstroms werden über die Signalleitung b einer Filtereinheit 2 zugeführt. In der Filtereinheit 2 können die Strom- und Spannungswerte von Rauschen und Störungen gefiltert werden, bevor sie über Leitungen c einem Gleichrichter 3, einem Phasenregelkreis 7 und zur Überwachung des Brennraums einem Analog-Digital Wandler 6 zugeführt werden.
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Die Filtereinheit 2 kann ein Tiefpassfilter sein. Wenn über die Signalleitung b hochfrequente Rohsignale übertragen werden, kann ein Schwellenwert des Tiefpassfilters von beispielsweise 20 MHz angebracht sein. Wenn über die Signalleitung b Effektivwerte überträgt, kann ein Schwellenwert des Tiefpassfilters von beispielsweise 500 kHz angebracht sein
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Von dem Gleichrichter 3 werden die Signale über Leitung d an einen Divisor 4 weitergeleitet, der aus den aufbereiteten Strom- und Spannungssignalen die Impedanz des Schwingkreises berechnet. Impedanzwerte werden dann über eine Leitung e an eine Steuerungseinheit 5, beispielsweise einen Mikroprozessor, weitergeleitet. Der Steuereinheit 5 werden über Leitung d zusätzlich auch die Strom- und Spannungswerte zur Verfügung gestellt. Die Steuerungseinheit 5 kann daraus Regelabweichungen berechnen und über Leitung g dem Hochfrequenzgenerator 1 Rechenergebnisse für die Regelung zur Verfügung stellen. Über die Ein- und Ausgabeschnittstelle f kann die Steuerungseinheit mit einem Motorsteuergerät kommunizieren und beispielsweise Steuerungsbefehle oder Sollwerte erhalten.
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Die Sollfrequenz des Hochfrequenzgenerators 1 wird von dem Phasenregelkreis 7 bestimmt. Die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 1 wird so geregelt, dass der Phasenunterschied zwischen dem Wechselstrom in dem Schwingkreis und der den Schwingkreis anregenden Wechselspannung minimal ist. Derartige Phasenregelkreise heißen im englischen Sprachgebrauch „phase locked loop” (PLL). Der Phasenregelkreis 7 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator („voltage controlled oszillator” VCO). Die Spannung dieses Oszillators ist der Frequenz proportional und wird über eine Leitung k dem Analog-Digital Wandler 6 zur Verfügung gestellt. Der Analog-Digital Wandler 6 erhält über Leitung h auch die von dem Divisor 4 berechnete Impedanz.
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Der Analog-Digital Wandler 6 kann somit an der Ausgabeschnittstelle i verschiedene elektrische Kenngrößen des Schwingkreises zur Verfügung stellen, nämlich die Impedanz des Schwingkreises, die Frequenz des Schwingkreise sowie Wechselstrom und Wechselspannung einschließlich deren Phasenlage. An sich genügt zur Brennraumüberwachung eine einzige Größe. Durch Auswertung mehrerer Größen lässt sich die Überwachung aber verbessern und durch Redundanz die Zuverlässigkeit erhöhen. Wichtige Informationen lassen sich nicht nur den jeweiligen Absolutwerten der elektrischen Größen, sondern bereits deren Verlauf entnehmen. Zur Auswertung kann es deshalb vorteilhaft sein, deren zeitliche Ableitung oder Integral zu berechnen.
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Alternativ können diese Größen auch analog an einer Ausgabeschnittstelle zur Verfügung gestellt werden.
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Aus diesen elektrischen Größen bzw. deren zeitlichem Verlauf können Kennwerte gewonnen werden, die den Zustand des Brennraums, beispielsweise den Brennraumdruck, oder den Zustand des im Brennraum enthaltenen Stoffgemisches charakterisieren. Das dargestellte Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Auswertung der elektrischen Größen zur Brennraumüberwachung außerhalb, beispielsweise in einem Motorsteuergerät stattfindet. Die Auswertung kann aber beispielsweise auch von der Koronazündeinrichtung selbst, beispielsweise der Steuereinheit 5 vorgenommen werden, so dass einem Motorsteuergerät Kennwerte des Brennraums zur Verfügung gestellt werden können.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer phasengesteuerten Koronazündeinrichtung. Dieses Blockschaltbild stimmt weitgehend mit dem Blockschaltbild überein, weshalb im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Die phasengesteuerte Koronazündeinrichtung der 2 enthält keinen Phasenregelkreis 7. Der Hochfrequenzgenerator 1 wird deshalb von der Steuereinheit 5 gesteuert, beispielsweise indem diese über die Leitung g einen Sollwert der Impedanz oder ein Fehlersignal, das durch Vergleich von Sollwert und Istwert der Impedanz erzeugt wird, vorgibt.
