DE102013010685A1 - Method for controlling the ignition energy - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Regelung der Zündenergie, wobei das Verfahren zur Ausführung mit einem Zündsystem (1) einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung vorgesehen ist, welches Zündsystem (1) eine Zündspule (3) mit einem Primärkreis (5) und einem Sekundärkreis (7) sowie eine im Sekundärkreis (7) an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnete Zündkerze (11) aufweist, wobei für ein aktuelles Arbeitsspiel (i + 1) der Brennkraftmaschine eine Stellvorgabe (EZS,i+1 = f(IZS,i+1, tZS,i+1)) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruchspannung (UZ,i) je des vorhergehenden Arbeitsspiels (i) ermittelt und für die Regelung der Zündenergie (EZ) im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt wird.A method for regulating the ignition energy, the method being implemented with an ignition system (1) of an internal combustion engine with external ignition, which ignition system (1) has an ignition coil (3) with a primary circuit (5) and a secondary circuit (7) and one in the secondary circuit (7) has a spark plug (11) arranged on a combustion chamber of the internal combustion engine, with a setting specification (EZS, i + 1 = f (IZS, i + 1, tZS, i + 1) for a current work cycle (i + 1) of the internal combustion engine ) is determined as a function of a determined breakdown voltage (UZ, i) for each of the previous work cycle (i) and is made available for regulating the ignition energy (EZ) in the current work cycle.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Zündenergie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a method for controlling the ignition energy according to the preamble of
Im Stand der Technik sind aus der Druckschrift
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere mit einer Vorkammerzündkerze ausführbares Verfahren bereitzustellen, welches eine verbessert energieoptimierte und damit verschleißoptimierte Regelung von Zündvorgängen ermöglicht.Proceeding from this, the present invention has the object to provide an executable in particular with a pre-chamber spark plug method, which allows an improved energy-optimized and thus wear-optimized control of ignition.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.Advantageous developments and embodiments of the invention are specified in the further claims.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Regelung der Zündenergie, wobei das Verfahren zur Ausführung mit einem Zündsystem einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung vorgesehen ist. Bevorzugt ist die fremdgezündete Brennkraftmaschine z. B. ein Gasmotor. Das mit dem Verfahren verwendbare Zündsystem weist eine Zündspule mit einem Primär(strom)kreis und einem Sekundär(strom)kreis sowie eine im Sekundärkreis an einem Brennraum (Zylinder) der Brennkraftmaschine angeordnete Zündkerze auf, insbesondere bevorzugt eine Vorkammerzündkerze.According to the invention, a method is proposed for regulating the ignition energy, wherein the method is provided for execution with an ignition system of an internal combustion engine with spark ignition. Preferably, the spark-ignition internal combustion engine z. B. a gas engine. The ignition system which can be used with the method has an ignition coil with a primary (current) circuit and a secondary (current) circuit and a spark plug arranged in the secondary circuit on a combustion chamber (cylinder) of the internal combustion engine, particularly preferably a pre-chamber spark plug.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für ein aktuelles Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine eine Steilvorgabe (EZS,i+1) = f(IZS,i+1, tZS,i+1)) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruchspannung, insbesondere auch einer Ist-Zündenergie, je des vorhergehenden Arbeitsspiels ermittelt wird und für die Regelung der Zündenergie (im aktuellen Arbeitsspiel) bereitgestellt wird. Bevorzugt ist die Stellvorgabe zur Einstellung einer Mindestzündenergie im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt.The inventive method is characterized in that for a current working cycle of the internal combustion engine, a steep default (E ZS, i + 1 ) = f (I ZS, i + 1 , t ZS, i + 1 )) in response to a detected breakdown voltage, in particular an actual ignition energy, depending on the previous work cycle is determined and is provided for the control of the ignition energy (in the current work cycle). The setting for setting a minimum ignition energy in the current working cycle is preferably provided.
Insbesondere durch die erfindungsgemäße Arbeitsspielauflösung kann über den Betrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft eine stets optimierte, insbesondere minimale Zündenergie bereitgestellt werden, so dass der Verschleiß der Zündkerze deutlich vermindert und somit die Standzeit erhöht ist, woneben Durchbruchspannung und Ist-Zündenergie auf vorteilhaft einfache Weise ermittelbar sind, zum Beispiel von handelsüblichen Zündsteuergeräten an einem Ausgang als abgreifbare Information bereits bereitgestellt werden.In particular, by the Arbeitstpielauflösung invention can be provided over the operation of the internal combustion engine advantageously always optimized, especially minimal ignition energy, so that the wear of the spark plug significantly reduced and thus the service life is increased, woneben breakdown voltage and actual ignition energy can be determined in an advantageous simple manner, For example, be provided by commercially available ignition control devices at an output as tappable information already.
Im Rahmen des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin bevorzugt, die aufzuwendende Zündenergie bzw. die Stellvorgabe für das aktuelle Arbeitsspiel weiterhin in Abhängigkeit einer Molekülkonzentration bzw. Dichte (des Gemisches) im Brennraum und dem Elektrodenabstand der Zündkerze und/oder wenigstens einer Motorbetriebsgröße aus Last, Heizwert, Brenngeschwindigkeit und Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere je des vorhergehenden Arbeitsspiels, zu ermitteln.In the context of the present inventive method is further preferred, the expended ignition energy or the control target for the current cycle further depending on a molecular concentration or density (of the mixture) in the combustion chamber and the electrode gap of the spark plug and / or at least one engine operating variable load, calorific value , Burning rate and combustion air ratio, in particular each of the previous cycle to determine.
O. a. angegebene (Motorbetriebs-)Größen (Dichte, Elektrodenabstand, Last, Heizwert, Brenngeschwindigkeit und Verbrennungsluftverhältnis), welche zum Beispiel Messgrößen sind oder berechnet werden, können für die Bereitstellung der Stellvorgabe in einer jeweiligen Regelschleife zum Beispiel mit einem Kennfeld korreliert werden (welches z. B. am Prüfstand generiert wurde).O. a. specified (engine operating) variables (density, electrode spacing, load, calorific value, burning rate and combustion air ratio), which are, for example, measured variables or calculated, can be correlated for the provision of the control input in a respective control loop, for example, with a map (which z. B. was generated at the test bench).
Erfindungsgemäß wurde im Zusammenhang hiermit erkannt, dass gerade die Brenngeschwindigkeit (Funktion von Druck, Temperatur, Brennstoffkonzentration) und der Elektrodenabstand für die Ermittlung der jeweiligen Stellvorgabe(n) maßgebliche Größen darstellen und bevorzugt berücksichtigt werden. Insbesondere die Berücksichtigung des tatsächlichen Elektrodenabstands ermöglicht, auf die Mindestenergie im jeweiligen Arbeitsspiel hin regeln zu können. Es wurde festgestellt, dass je höher die Durchbruchsspannung liegt, desto geringer wird der Funkendauerbedarf, d. h. der Zeitbedarf für die Glimmphase (die durch einen Vorgabewert für tZS,i bzw. die Funkendauer wesentlich bestimmt wird).According to the invention, it has been recognized in connection herewith that it is precisely the burning rate (function of pressure, temperature, fuel concentration) and the electrode spacing for the determination of the respective setting value (s) that represent significant quantities and are preferably taken into account. In particular, the consideration of the actual electrode spacing makes it possible to regulate the minimum energy in the respective working cycle. It has been found that the higher the breakdown voltage, the lower the spark duration requirement, ie the time required for the glow phase (which is essentially determined by a default value for t ZS, i or the spark duration).
Auf vorteilhaft besonders einfache Weise kann die Durchbruchspannung berechnet werden, zum Beispiel aus dem Verlauf des Primärstromes oder der Primärspannung (je im Primärkreis). Der Primärstrom kann hierzu zum Beispiel gemessen werden.In a particularly simple manner, the breakdown voltage can be calculated, for example, from the course of the primary current or the primary voltage (each in the primary circuit). The primary current can be measured for this purpose, for example.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass über die Stellvorgabe (EZS,i+1) = f(IZS,i+1, tZS,i+1)) für das aktuelle Arbeitsspiel eine Funkendauer und/oder ein Strom (im Sekundärkreis) im aktuellen Arbeitsspiel eingestellt werden, das heißt die Stellvorgabe je einen Vorgabewert für die Funkendauer und/oder den (im Sekundärkreis einzustellenden) Strom umfasst. Mittels des Vorgabewerts für den Strom kann bevorzugt die mittlere Sekundärstromhöhe vorgegeben werden. Eine Stellvorgabe bzw. Vorgabewerte für Strom oder Funkendauer kann bzw. können hierbei kennfeldbasiert ermittelt werden.Within the scope of the proposed method, it is provided that a spark duration and / or a current (for the current operating cycle) can be set via the setting input (E ZS, i + 1 ) = f (I ZS, i + 1 , t ZS, i + 1 )). in the secondary circuit) are set in the current working cycle, that is, the default setting each includes a default value for the spark duration and / or the (to be set in the secondary circuit) current. By means of the default value for the current, the mean secondary current level can preferably be predetermined. An adjustment or default values for current or spark duration can or can be determined based on a map.
Allgemein ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren iterativ durchgeführt wird. Für den Anlauf des Verfahrens kann ein Startparametersatz bereitgestellt werden, welcher zum Beispiel durch den Motorparametersatz vorgegeben ist. Ein Parametersatz, welcher eine Startvorgabe enthält, kann zum Beispiel am (Motor)Prüfstand ermittelt werden. Generally, it is provided according to the invention that the method is carried out iteratively. For the start of the method, a start parameter set can be provided, which is predetermined by the motor parameter set, for example. A parameter set which contains a start specification can be determined, for example, at the (engine) test bench.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Zündsystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Bevorzugt weist das Zündsystem einen Zündenergieregler auf, welcher weiterhin bevorzugt in Form des Motorreglers (ECU) bereitgestellt sein kann. Daneben kann ein Zündsteuergerät vorgesehen sein, welches mit dem Zündenergieregler zusammenwirkt. Alternativ kann der Zündenergieregler auch die erfindungsgemäße Funktionalität des Steuergeräts aufweisen.The invention also proposes an ignition system for carrying out the method described above. The ignition system preferably has an ignition energy regulator, which may furthermore preferably be provided in the form of the engine controller (ECU). In addition, an ignition control device may be provided, which cooperates with the ignition energy regulator. Alternatively, the ignition energy regulator may also have the functionality of the control unit according to the invention.
Zum Beispiel kann das Steuergerät dem Zündenergieregler die Information über die Sekundärspannung bzw. die Durchbruchspannung für die Regelung bereitstellen, insbesondere auch für die aufgewendete Zündenergie. Der Zündenergieregler wiederum kann die darauf basierend ermittelte Stellgröße für das aktuelle Arbeitsspiel an das Zündsteuergerät für die Bereitstellung der Zündenergie durch dasselbe übermitteln.For example, the controller may provide the ignition controller with information about the secondary voltage or breakdown voltage for the control, and in particular also the ignition energy used. The ignition energy regulator in turn can transmit the control variable determined therefor for the current working cycle to the ignition control device for the provision of the ignition energy by the same.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere mit einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine derart durchgeführt werden, dass die Zündenergie zylinderindividuell geregelt wird. Hierzu kann für jeden Zylinder für ein jeweiliges Arbeitsspiel eine Stellvorgabe ermittelt werden. Eine solche Stellvorgabe umfasst insbesondere eine zylinderindividuelle Vorgabe für die Funkendauer, insbesondere auch den Strom, zum Beispiel – wie vorstehend beschrieben – für die mittlere Sekundärstromhöhe.The method proposed according to the invention can be carried out in particular with a multi-cylinder internal combustion engine such that the ignition energy is regulated individually for each cylinder. For this purpose, a setpoint can be determined for each cylinder for a respective working cycle. Such a setting specification comprises in particular a cylinder-individual specification for the spark duration, in particular also the current, for example - as described above - for the mean secondary current level.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawings, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion gleichen Bezugszeichen.In the following description and the drawings elements of the same or comparable function correspond to the same reference numerals.
Die Primärseite
Die induktionsbasiert erzeugte Hochspannung auf der Sekundärseite
Mit dem Zündsteuergerät
Bei dem Verfahren wird für ein aktuelles Arbeitsspiel i + 1 der Brennkraftmaschine eine Stellvorgabe EZS,i+1 = f(IZS,i+1, tZS,i+1) = f(UZ,i, HU,i, λi, Pi, vB,i) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruchspannung UZ, insbesondere auch einer Ist-Zündenergie EZI, je des vorhergehenden Arbeitsspiels i ermittelt und für die Regelung der Zündenergie EZ im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt, i. e. an das Steuergerät
Anhand der Höhe der (zylinderindividuellen) Durchbruchspannung UZ kann im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens die neue Funkendauer tZS,i+1 festgelegt werden, wobei gilt, dass die neue bzw. aktuelle Funkendauer tZS,i+1 umso geringer eingestellt wird, je höher die Durchbruchspannung UZ im vorangegangenen Arbeitsspiel ist. Des Weiteren wird die Höhe des (Speise)Stromes IZS mit dem Zündzeitpunkt (ZZP) und der aus Heizwert, Lambda, Druck und Temperatur im Brennraum abschätzbaren Brenngeschwindigkeit korreliert. Hierbei gilt, dass der (Speise)Strom IZ mit steigender Brenngeschwindigkeit und späterem ZZP reduziert werden kann bzw. wird. Die Verstellgrenzen für die Parameter Funkendauer tZ und Speisestrom IZ werden nach oben durch das Leistungsvermögen des Zündsteuergerätes
Die Durchbruchspannung UZ als auch die Ist-Zündenergie EZI, i. e. die des jeweiligen Arbeitsspiels, wird bevorzugt von dem Zündsteuergerät
Für das erste Arbeitsspiel, indiziert i = 0 in
Im Rahmen des Regelverfahrens wird die aufzuwendende Zündenergie EZ für das aktuelle Arbeitsspiel (i + 1) weiterhin bevorzugt in Abhängigkeit einer Dichte im Brennraum und dem Elektrodenabstand der Zündkerze
Darauf wird nachfolgend, insbesondere in Zusammenschau mit
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass aus einer Vielzahl chemischer und physikalischer Einflussfaktoren, welche im Rahmen der Zündenergieaufbringung zu berücksichtigen sein könnten, der Elektrodenabstand EA an der Zündkerze
Allgemein gilt für die aufzubringende Mindestenergie eines jeweiligen Zündvorgangs (Verbrennungsgeschwindigkeit vB = f(P, λ, HU)):
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass für die Zündenergie gilt:
Auf den Gesetzmäßigkeiten (1) und (2) basierend kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens je Arbeitsspiel eine Stellvorgabe (EZS,i+1 in
Hierbei wurden folgende Zusammenhänge als wesentlich identifiziert und der Regelung für die Ermittlung der Stellvorgabe EZS eines jeweiligen Arbeitsspiels zu Grunde gelegt:
Ersichtlich sind die Brenngeschwindigkeit vB des verdichteten Gemischs und die Durchbruchsspannung UZ signifikant. Im Rahmen von Versuchsreihen wurde erkannt, dass der Einfluss des Heizwerts HU bei einem Gasmotor und der Verwendung von Brennstoff in Form von Erdgas relativ gering ist. Ebenso wurde herausgefunden, dass das Luftverhältnis λ bei Erdgasanwendungen nicht signifikant ist, jedoch bei Sondergasanwendungen, wie zum Beispiel bei Biogas oder Wasserstoff, relevant sein könnte.It can be seen that the burning speed v B of the compressed mixture and the breakdown voltage U Z are significant. In the course of test series, it was recognized that the influence of the calorific value H U in a gas engine and the use of fuel in the form of natural gas is relatively low. It has also been found that the air ratio λ is not significant in natural gas applications, but could be relevant to off-gas applications such as biogas or hydrogen.
Weiterhin wird für die Ermittlung einer jeweiligen Stellvorgabe EZS im Rahmen des Verfahrens berücksichtigt, dass gelten darf
- UZ
- Durchbruchsspannung [V]
- c
- Proportionalitätskonstante [Vm2/kg]
- ρZ(ZZP)
- Dichte des Gemisches im Zylinder zum Zündzeitpunkt [kg/m3]
- EA
- Elektrodenabstand der Zündkerze [m]
- U Z
- Breakdown voltage [V]
- c
- Proportionality constant [Vm 2 / kg]
- ρ Z (ZZP)
- Density of the mixture in the cylinder at the ignition point [kg / m 3 ]
- EA
- Electrode distance of the spark plug [m]
Unter Kenntnis von UZ und ρZ(ZZP) kann erfindungsgemäß somit sowohl der Elektrodenabstand EA als auch die für die aufzuwendende Zündenergie EZS bzw. einzustellende Funkendauer tZS und der mittlere Sekundärstrom IZS abgeschätzt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Regelverfahrens wird zur Einstellung der Funkendauer tZ und des Stroms IZ (Primär- oder Sekundärstrom) bzw. der aufzuwendenden Zündenergie EZ bevorzugt auch die Brenngeschwindigkeit in Abhängigkeit von Druck, Temperatur, Heizwert und Lambda des Gemisches im Brennraum berücksichtigt, insoweit als bei einem bestimmten
Bei der verfahrensgemäßen Regelung der Zündenergie EZ wird (a) die Sekundärspannung bzw. Durchbruchspannung UZ,i über die Schnittstelle
In der Folge wird (e) EZS,i+1 = f(IZS,i+1,tZS,i+1) im Steuergerät
Mittels des Verfahrens wird der Zündkerze
Des Weiteren können mit diesem Verfahren sehr kleine Zündkerzen-Elektrodenabstände betrieben werden, ohne die dafür notwendig überproportional hohen Zündenergien über die ganze Standzeit einer Zündkerze
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zündsystemignition system
- 33
- Zündspuleignition coil
- 55
- Primärkreisprimary circuit
- 77
- Sekundärkreissecondary circuit
- 99
- ZündsteuergerätIgnition control unit
- 1111
- Zündkerzespark plug
- 11a, b11a, b
- Elektrodeelectrode
- 1313
- ZündenergiereglerZündenergieregler
- 1515
- Schnittstelleinterface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |