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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Korona-Zündeinrichtung. Ein Verfahren zum Steuern einer Korona-Zündeinrichtung eines zyklisch arbeitenden Verbrennungsmotors ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 061 784 A1 und der
EP 2 065 592 A1 bekannt.
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Die
WO 2004/063560 A1 beschreibt eine Korona-Zündeinrichtung, mit der ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors durch eine in dem Brennraum erzeugte Korona-Entladung gezündet werden kann. Die Korona-Zündeinrichtung hat eine Zündelektrode, gegenüber den auf Massepotential liegenden Wänden des Brennraums elektrisch isoliert ist und durch eine Brennraumwand hindurch in den Brennraum hineinragt. Die Zündelektrode bildet zusammen mit den auf Massepotential liegenden Wänden des Brennraums als Gegenelektrode eine Kapazität. Als Dielektrikum wirkt der Inhalt des Brennraums. Je nach dem Takt, in welchem sich der Kolben befindet, ist in dem Brennraum 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 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 des Brennraums 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 des Brennraums, in dem 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. 30 kV bis 100 kV.
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Mit einer solchen Korona-Zündeinrichtung kann in dem Brennraum 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.
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In der
DE 10 2009 054 177 A1 und der
US 7 770 551 B2 wird eine Mikrowellen-Zündung beschrieben, bei welcher der Brennraum durch Einstrahlen von Mikrowellen in etwa gleichmäßig erwärmt wird, so dass sich eine Raumzündung und damit eine vorteilhafte Verbrennung ergibt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie das Zündverhalten einer Korona Zündeinrichtung weiter verbessert und die Verbrennung in einem zyklisch arbeitenden Verbrennungsmotor, insbesondere einem Viertaktmotor, optimiert werden kann.
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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 kaltem Motor verdunstet in einen Brennraum eines Motors eingespritzter Brennstoff relativ schlecht. Für die Zündung steht dann in der Regel nur ein Teil der eingespritzten Brennstoffmenge zur Verfügung, nämlich der verdunstete Teil. Um trotzdem ein gut zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch zu erhalten, wird deshalb üblicher Weise in der Kaltlaufphase des Motors mehr Brennstoff eingespritzt, um nicht verdunstete Anteile zu kompensieren. Dies wird häufig als Anfetten bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird in einem Arbeitszyklus des Motors während der Kaltlaufphase durch eine oder mehrere Koronaentladungen eine größere elektrische Leistung in einem Brennraum des Motors umgesetzt als in einem Arbeitszyklus der Warmlaufphase. Die schlechtere Zündfähigkeit eines Brennstoff-Luftgemisches in einem kalten Motor wird also kompensiert, indem eine größere elektrische Leistung in den Brennraum eingespeist wird. Vorteilhaft können so Emissionen und der Brennstoffverbrauch in der Kaltlaufphase reduziert werden. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann in der Kaltlaufphase eine bessere Verbrennung erreicht und das Anfetten reduziert oder sogar ganz vermieden werden.
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Bevorzugt wird in einem Arbeitszyklus des Motors während der Kaltlaufphase durch eine oder mehrere Koronaentladungen eine wenigstens doppelt so große elektrische Leistung in einem Brennraum des Motors umgesetzt wie in einem Arbeitszyklus der Warmlaufphase; besonders bevorzugt wird in einem Arbeitszyklus während der Kaltlaufphase durch eine oder mehrere Koronaentladungen mindestens die dreifache Leistung in einem Brennraum des Motors umgesetzt wie in einem Arbeitszyklus der Warmlaufphase, beispielsweise die vierfache Leistung oder mehr.
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Eine größere elektrische Leistung lässt sich in einen Brennraum am einfachsten einbringen, indem die Brenndauer der Koronaentladung erhöht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass während der Kaltlaufphase eine Koronaentladung in dem Verdichtungstakt des Motors zu einem entsprechend früheren Zeitpunkt gezündet und bevorzugt eine längere Zeit aufrechterhalten wird. Auf diese Weise wird dann in dem Verdichtungstakt während der Kaltlaufphase durch eine Koronaentladung in dem Brennraum eine größere elektrische Leistung umgesetzt als in der Warmlaufphase des Motors.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während der Kaltlaufphase schon im Ansaugtakt mittels einer oder mehrerer Koronaentladungen eine größere elektrische Leistung in dem Brennraum umgesetzt wird als in einem Ansaugtakt während der Warmlaufphase. Beispielsweise kann zum Aufbereiten des Brennrauminhalts eine Koronaentladung in dem Ansaugtakt gezündet werden, die noch während des Ansaugtaktes oder in dem Verdichtungstakt wieder gelöscht wird. Während des Verdichtungstaktes wird die Koronaentladung dann erneut gezündet und das Brennstoff-Luftgemisch dadurch entzündet. Eine Koronaentladung während des Ansaugtaktes ist in der Warmlaufphase nicht erforderlich.
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Bevorzugt wird in der Kaltlaufphase des Motors eine Koronaentladung während des Ansaugtaktes schon vor dem Einspritzen von Brennstoff gezündet. Die Koronaentladung kann vor dem Einspritzen von Brennstoff wieder gelöscht werden oder während des Beginns des Einspritzvorgangs oder auch des gesamten Einspritzvorgangs aufrechterhalten werden. Eine Koronaentladung während des Ansaugtaktes führt zu einer erhöhten lonisierung des Brennrauminhalts. Insbesondere bei stark polarisierbaren Brennstoffen, beispielsweise Brennstoffen mit hohem Ethanolanteil, bewirkt eine höhere lonisierung nicht nur eine bessere Entflammbarkeit des Brennstoff-Luftgemisches, sondern fördert auch die Verdunstung des Brennstoffs.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Aufrechterhalten einer Koronaentladung die Korona-Zündeinrichtung in der Warmlaufphase anders angesteuert wird als in der Kaltlaufphase. Beispielsweise kann in der Warmlaufphase die Impedanz eines Schwingkreises der Korona-Zündeinrichtung auf einen Sollwert geregelt bzw. Strom oder Spannung in einem Schwingkreis der Korona-Zündeinrichtung während der Aufrechterhaltung einer Koronaentladung in Abhängigkeit von einer elektrischen Messgröße, beispielsweise der Impedanz oder der Resonanzfrequenz des Schwingkreises eingestellt werden, um eine möglichst große Koronaentladung zu erreichen. Geeignete Verfahren sind in der
DE 10 20010 015 344 A1 , der
DE 10 2010 024 396 A1 und der
DE 10 2010 055 568 beschrieben. In der Kaltlaufphase ist es dagegen vorteilhaft, einen Sollwert für Strom oder Spannung in dem Schwingkreis fest vorzugeben. Dies bedeutet, dass der Sollwert nicht in Abhängigkeit von Ergebnissen der Messung irgendwelcher elektrischer Größen des Schwingkreises geändert wird.
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Bei warmer Motor kann nämlich durch eine Regelung der Impedanz des Schwingkreises und durch gleichzeitige Regelung der Frequenz zur Beibehaltung der Resonanzfrequenz dafür gesorgt werden, dass die Koronaentladung möglichst groß ist. Bei kaltem Motor kann die Impedanz aber dadurch erhöht sein, dass die Zündelektrode mit Brennstoff benetzt ist. Wenn die Impedanz dann auf einen Sollwert, der nach denselben Kriterien wie in der Warmlaufphase festgelegt ist, geregelt wird, bildet sich nur eine kleine Koronaentladung aus, mit der nur eine reduzierte Leistung in den Brennraum eingebracht werden kann. Es ist deshalb besser, wenn in der Kaltlaufphase ein Sollwert einer anderen elektrischen Größe als in der Warmlaufphase vorgegeben wird. Gut geeignet sind der Strom oder die Spannung in dem Schwingkreis der Koronaentladung. Besonders vorteilhaft ist, in der Kaltlaufphase den Strom in dem Schwingkreis der Korona-Zündeinrichtung auf einen Sollwert zu regeln, beispielsweise kann ein Sollwert des Stroms fest vorgegeben werden. Sobald dabei die Zündelektrode trocknet und folglich die Impedanz sinkt, reduziert sich auch die Spannung. Bei der Stromregelung können Überschläge bewusst in Kauf genommen werden, um das Trocken der Zündelektrode zu beschleunigen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während der Kaltlaufphase in dem Arbeitstakt mittels einer oder mehrerer Koronaentladungen eine größere elektrische Leistung in dem Brennraum umgesetzt wird als in einem Arbeitstakt während der Warmlaufphase. Indem die Koronaentladung während des Arbeitaktes länger aufrecht erhalten oder in einem späteren Teil der Arbeitsphase erneut gezündet wird, können eventuell vorhandene Brennstoffreste verbrannt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während der Kaltlaufphase Strom oder Spannung in dem Schwingkreis der Koronazündeinrichtung während der Brenndauer einer Koronaentladung in Abhängigkeit von wenigstens einer elektrischen Messgröße, vorzugsweise der Impedanz oder der Resonanzfrequenz geändert wird, beispielsweise auf einen Sollwert geregelt wird.
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Für Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die Kaltlaufphase dadurch definiert werden, dass dem Motor in der Kaltlaufphase ein fetteres Brennstoff-Luftgemisch zugeführt wird als in der Warmlaufphase. In diesem Fall betrifft die Erfindung also ein Verfahren zum Steuern einer Korona-Zündeinrichtung eines zyklisch arbeitenden Verbrennungsmotors, dem in einer Kaltlaufphase ein fetteres Brennstoff-Luftgemisch zugeführt wird als in einer an die Kaltlaufphase anschließenden Warmlaufphase.
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Wenn eine Motorsteuerung verwendet wird, die kein Anfetten vorsieht, kann das Ende der Kaltlaufphase auch durch einen Wert der Motortemperatur oder der Kühlwassertemperatur definiert werden. Sobald dann der vorgegebene Temperaturwert erreicht ist, endet die Kaltlaufphase und die Warmlaufphase beginnt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Schwellenwert der Drehzahl, beispielsweise 500 Umdrehungen pro Minute, vorzugeben. Sobald dieser Schwellenwert erreicht ist, endet dann die Kaltlaufphase.
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Man kann die Kaltlaufphase auch über die Resonanzfrequenz oder die Impedanz definieren. Im Warmlaufbetrieb haben die Impedanz und die Resonanzfrequenz nämlich andere Werte als bei kaltem Motor. Beispielsweise können Schwellenwerte für die über einen Arbeitszyklus gemittelte Impedanz oder Resonanzfrequenz oder Schwellenwerte für Impedanz oder Resonanzfrequenz zu definierten Zeitpunkten eines Arbeitstaktes vorgegeben werden, um die Kaltlaufphase zu definieren.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die befügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 Beispiele für das Einspritzen einer erhöhten Brennstoffmenge bei kaltem Motor;
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2 Beispiele für Koronaentladungen während der Kaltlaufphase eines Viertaktmotors; und
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3 eine schematische Darstellung einer Koronaentladung vor der Verbrennung; und
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4 eine schematische Darstellung einer Koronaentladung während der Verbrennung.
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Beim Motorstart und einer daran anschließenden Kaltlaufphase wird in die Brennräume von Ottomotoren mehr Brennstoff eingespritzt, als für einen stöchiometrischen Betrieb nötig ist. Das Einspritzen von an sich überschüssigem Brennstoff wird häufig als Anfetten bezeichnet. In 1 sind schematisch drei gebräuchliche Verfahren zum Anfetten des Brennstoff-Luftgemisches im Brennraum eines kalten Motors dargestellt. Zusätzlich zu der regulären Brennstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes kann eine zusätzliche Brennstoffeinspritzung während des Verdichtungstaktes (siehe 1a und c) und/oder bei der Zündung während des Arbeitstaktes (siehe 1a und b).
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Bei kaltem Motor verdunstet eingespritzter Brennstoff nur teilweise, sodass auch nur ein Teil der eingespritzten Brennstoffmenge für eine Zündung zur Verfügung steht. Indem man in einem Arbeitszyklus des Motors während der Kaltlaufphase durch ein oder mehrere Koronaentladungen eine größere elektrische Leistung in einen Brennraum des Motors einspeist als in einem Arbeitszyklus während der Warmlaufphase, kann die Zündfähigkeit bei kaltem Motor verbessert und insbesondere das Anfetten reduziert sowie die Emission des Motors verringert werden.
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In 2 sind schematisch verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie während der Kaltlaufphase eines Motors zusätzliche elektrische Leistung mittels einer oder mehrerer Koronaentladungen in einen Brennraum angebracht werden können. Neben der Möglichkeit, die Brenndauer einer Koronaentladung in der Kaltlaufphase im Vergleich zur Warmlaufphase zu verlängern, also die Koronaentladung entsprechend früher zu zünden, besteht die Möglichkeit, währen der Kaltlaufphase in einem Arbeitszyklus des Motors öfter eine Koronaentladung zu zünden als in einem Arbeitszyklus während der Warmlaufphase. Durch ein oder mehrere zusätzliche Koronaentladungen wird dann der Energieeintrag in den Brennraum des Motors erhöht.
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In 2a sind schematisch Beginn und Ende einer Koronaentladung dargestellt, die in der Warmlaufphase eines Motors zum Zünden eines Brennstoff-Luftgemischs eingesetzt wird. Diese Koronaentladung beginnt und endet nahe an dem oberen Totpunkt, bei dem die Zündung erfolgt.
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Während der Kaltlaufphase kann zusätzliche Energie in den Brennraum des Motors beispielsweise dadurch eingebracht werden, dass während der Ansaugphase eine zusätzliche Koronaentladung gezündet wird. Dies ist schematisch in 2e dargestellt. Die zusätzliche Koronaentladung kann vor dem unteren Totpunkt (UT) wieder erlöschen, insbesondere kann diese zusätzliche Koronaentladung auch vor dem Einspritzen von Brennstoff erlöschen. Die Koronaentladung 7 in 2e erhöht den Ionisierungsgrad der Luft im Brennraum. Dies führt insbesondere bei gut polarisierbaren Brennstoffen, beispielsweise Brennstoffe mit hohem Ethanolanteil, zu einer höheren Verdunstung und verbessert so die Zündfähigkeit des Brennstoff-Luftgemisches.
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Alternativ oder zusätzlich können Zündfähigkeit oder Verbrennung auch verbessert werden, indem während der Kaltlaufphase eine oder mehrere zusätzliche Koronaentladungen in dem Verdichtungstakt des Arbeitszyklus gezündet werden. In 2d sind schematisch mehrere kurze Koronaentladungen während des Verdichtungstakts eingezeichnet. Um eine zu frühe Entzündung des Brennstoff-Luftgemisches zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, diese zusätzlichen Koronaentladungen mit einer kleineren elektrischen Leistung zu betreiben, als eine spätere Koronaentladung mit der das Brennstoffluft-Gemisch dann gezündet werden soll. Statt mehrer kurzer Koronaentladungen kann auch eine entsprechend längere Koronaentladung in dem Verdichtungstakt gezündet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann in einem Arbeitszyklus der Kaltlaufphase eines Motors auch dadurch zusätzlich Energie in den Brennraum eingespeist werden, indem während des Arbeitstaktes zusätzliche Koronaentladungen gezündet werden oder die Koronaentladung, die auch in der Warmlaufphase benötigt wird, verlängert wird. Dies ist in 2b und 2c dargestellt. Auf diese Weise lässt sich insbesondere auch eine vollständigere Verbrennung von eventuellen Brennstoffresten erreichen.
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In 3 ist schematisch eine Zündelektrode 1 einer Korona Zündeinrichtung dargestellt. Die Zündelektrode 1 ragt üblicherweise aus einem keramischen Isolator 2 heraus, kann aber auch von einer dünnen Keramikschicht bedeckt sein. Von der Zündelektrode 1 geht eine Koronaentladung 3 aus, die sich in den Brennraum 4 hineinerstreckt.
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4 zeigt schematisch die entsprechenden Verhältnisse während der Verbrennung. Brennendes Brennstoff-Luftgemisch bildet eine elektrisch leitfähige Zone 5. Die Koronaentladung 3 geht dann von der elektrisch leitfähigen, stark ionisierten Zone 5 aus, in der momentan eine Verbrennung stattfindet. Durch Koronaentladungen während der Arbeitsphase, wie dies in 2b und 2c dargestellt ist, kann deshalb die Verbrennung gefördert bzw. länger aufrecht erhalten werden, um eine vollständigere Verbrennung zu erzielen.
