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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie es aus der
US 2011/0114071 A1 bekannt ist.
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Die
US 2011/0114071 A1 offenbart eine Koronazündeinrichtung, mit der ein Brennstoffluftgemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte Koronaentladung gezündet werden kann. Diese Koronazündeinrichtung weist eine Zündelektrode auf, die in einem Isolator steckt. Die Zündelektrode bildet zusammen mit dem Isolator und einer den Isolator umgebenden Hülse eine elektrische Kapazität. Diese Kapazität ist Teil eines elektrischen Schwingkreises der Koronazündeinrichtung, der mit einer hochfrequenten Wechselspannung, von beispielsweise 30 kHz bis 50 MHz, angeregt wird. Dadurch kommt es zu einer Spannungsüberhöhung an der Zündelektrode, sodass sich an dieser eine Koronaentladung bildet.
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Für einen effizienten Betrieb ist wichtig, dass die Anregungsfrequenz des Schwingkreises möglichst nahe an seiner Resonanzfrequenz liegt.
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Die
US 2011/0114071 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. In einem Reihenschwingkreis sind nämlich Strom und Spannung im Resonanzfall in Phase (Phasenverschiebung = Null). Der Phasenregelkreis steuert die Schaltfrequenz eines Schaltgerätes, mit welchem eine vorgegebene Spannung abwechselnd an die eine Primärwicklung und an die andere Primärwicklung des Transformators gelegt wird, so, dass auf der Sekundärseite des Transformators, also 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 Änderungen der Temperatur, der Feuchtigkeit, eine Verschmutzung der Spitze bzw. Spitzen der Zündelektrode des HF-Zünders sowie Änderungen von Parametern, welche mit dem Betrieb des Verbrennungsmotors zusammenhängen. Ein Nachführen der Anregungsfrequenz an die Resonanzfrequenz durch eine Phasenregelschleife, wie in der
US 2011/0114071 A1 offenbart, ist allerdings aufwändig und löst das Problem nur teilweise. Die Phasenregelung ist nämlich anfällig gegen eine Temperaturdrift der Bauelemente der Phasenregelschleife und gegen ein Spannungsrauschen.
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Um die Nachteile einer Phasenregelschleife zu vermeiden ist es aus der
DE 10 2011 052 096 A1 bekannt, die Momentanwerte von Strom oder Spannung des Schwingkreises zu überwachen und den Hochfrequenzgenerator mit Primärspannungspulsen anzuregen, die jeweils begonnen oder beendet werden, wenn der Momentanwert von Strom oder Spannung eine vorgegebene Schaltschwelle unter- bzw. überschreitet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, messtechnisch sehr aufwändig zu sein.
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Aus der
US 2012/0249006 A1 und der
US 2013/0208393 A1 sind Koronazündeinrichtungen bekannt, deren Schwingkreis durch Rückkopplung mit seiner momentanen Schwingfrequenz angeregt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Koronazündeinrichtung mit relativ geringem Aufwand in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei herkömmlichen Koronazündeinrichtungen mit einer Phasenregelschleife wird die Phasenlage zwischen dem im Schwingkreisfließenden Strom und der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Spannung auf Null geregelt. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine solche Phasenlage in der Regel nicht optimal ist. Der Schwingkreis einer Koronazündeinrichtung enthält nämlich erhebliche parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Der Imaginärteil der Impedanz des Schwingkreises ist deshalb am Speisepunkt, d. h. am Ende einer vom Hochfrequenzgenerator zum Schwingkreis führenden Leistung, bei Resonanz ungleich Null. Um den Schwingkreis optimal anzuregen, ist deshalb eine definierte Phasenverschiebung notwendig.
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Ist der Schwingkreis über ein Kabel an den HF-Generator angeschlossen ist, ergibt sich in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung des Schwingkreises eine sich ändernde Anpassung zwischen dem Wellenwiderstand des Kabels und dem Schwingkreis. Damit die vom Hochfrequenzgenerator zur Verfügung gestellte Leistung vollständig in den Schwingkreis eingespeist werden kann, muss diese leistungsabhängige Fehlanpassung durch eine zusätzliche Phasenverschiebung kompensiert werden. Hinzu kommt, dass parasitäre Kapazitäten des Schwingkreises temperaturabhängig sind und sich deshalb die optimale Phasenlage mit der Betriebstemperatur des Motors ändert.
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Insgesamt führen die obengenannten Effekte dazu, dass die optimale Phasenlage von Motorbetriebsparametern, insbesondere der Temperatur und der elektrischen Leistung der Koronazündeinrichtung, abhängt. Erfindungsgemäß wird deshalb der Sollwert der Phasenlage im laufenden Betrieb geändert, beispielsweise in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung des Schwingkreises. Der Sollwert der Phasenlage kann bei einer typischen Koronazündeinrichtung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors beispielsweise in einem Bereich schwanken, dessen obere und untere Grenze sich um 30° unterscheiden.
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Der Sollwert der Phasenlage kann beispielsweise mittels einer Tabelle, oder Kennlinien ermittelt werden, die für eine gegebene Koronazündeinrichtung erstellt wurden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Phasenlage zwischen einem Steuersignal des Hochfrequenzgenerators und dem im Schwingkreis fließenden Strom auf einen Sollwert geregelt wird. Die Erfassung der Spannung in dem Schwingkreis, beispielsweise der Nulldurchgänge, ist nämlich messtechnisch aufwändig, während das Steuersignal genau bekannt ist und ohne messtechnischen Aufwand zur Verfügung steht.
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Die Wechselspannung im Schwingkreis folgt dem Steuersignal mit einem konstanten Phasenversatz. Die Größe dieses Versatzes hängt von den Schalt- und Reaktionszeiten der Komponenten des Hochfrequenzgenerators ab und kann somit für eine gegebene Koronazündeinrichtung jeweils bestimmt werden. Die Größe dieses Phasenversatzes hat für eine gegebene Koronazündeinrichtung jeweils einen konstanten Wert. Wenn der Phasenversatz zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom genau diesen Wert hat, wird der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz angeregt. In diesem Fall sind nämlich Strom und Spannung des Schwingkreises in Phase, so dass zwischen dem Steuersignal und dem Strom des Schwingkreises derselbe Phasenversatz wie zwischen dem Steuersignal und der Spannung des Schwingkreises ist.
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Indem der Phasenversatz zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom auf einen Sollwert geregelt wird, lässt sich deshalb erreichen, dass der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung ist die Frequenz des Steuersignals dann also die Stellgröße eines Regelkreises, mit dem der Phasenversatz zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom auf einen Sollwert geregelt wird.
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Indem das Steuersignal des Hochfrequenzgenerators zur Phasenregelung verwendet wird, lässt sich auch bei einer Regelung auf einen konstanten Sollwert eine erhebliche Verbesserung, nämlich eine kostengünstigere Fertigung erzielen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung, die eine Zündelektrode, an der eine Koronaentladung erzeugt wird, einen Schwingkreis, der die Zündelektrode enthält, und einen an den Schwingkreis angeschlossenen Hochfrequenzgenerator aufweist, wobei der Schwingkreis mit einer von dem Hochfrequenzgenerator erzeugten Wechselspannung angeregt wird, deren Frequenz durch ein an den Hochfrequenzgenerator angelegtes Steuersignal vorgegeben wird, und die Frequenz des Steuersignals als Stellgröße eines Regelkreises geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Regelkreis die Phasenlage zwischen dem im Schwingkreis fließenden Strom und dem Steuersignal gemessen und auf einen Sollwert geregelt wird.
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Ein Regelkreis wird von einem Regler und einer Regelstrecke gebildet. Die Regelstrecke beinhaltet im vorliegenden Fall den Hochfrequenzgenerator und den Schwingkreis der Koronazündanlage, liefert also die zu regelnde physikalische Größe, nämlich den Phasenversatz zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom. Der Begriff des Regelkreises wird in der vorliegenden Anmeldung also gemäß seiner üblichen Bedeutung verwendet.
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Der für die vorliegende Erfindung verwendete Regler kann beispielsweise ein Proportional-Regler sein. Der Proportional-Regler kann ein reiner Proportional-Regler ohne Integral- und Differentialteil (P-Regler) oder ein Proportional-Regler mit Integral- und/oder Differentialteil (PID-Regler, PI-Regler, PD-Regler) sein. Der Regler kann aber auch ein einfacherer Regler sein, beispielsweise ein Regler, der auf eine Abweichung des Phasenversatzes zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom von dem Sollwert stets mit einer Änderung der Frequenz des Steuersignal um einen konstanten Betrag reagiert. Die Frequenz des Steuersignals wird also um einen konstanten Betrag erhöht oder reduziert, je nachdem in welche Richtung der Phasenversatz zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom von dem Sollwert abweicht.
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Die Phasenlage zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom kann auf unterschiedliche Art und Weise gemessen werden. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, den Strom zu überwachen und ein gepulstes Rechtecksignal zu erzeugen, dessen Tastverhältnis linear von der Phasenlage zwischen dem Steuersignal und dem im Schwingkreis fließenden Strom abhängt. Die Dauer der Pulse eines solchen Rechtecksignals oder die Dauer der Pausen zwischen den Pulsen kann dann mit einem Sollwert verglichen werden.
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Beispielsweise kann das gepulste Rechtecksignal erzeugt werden, indem bei jedem steigenden Nulldurchgang des Stroms ein Rechteckpuls begonnen wird und bei jedem steigenden Nulldurchgang des Steuersignals ein Rechteckpuls beendet wird. Ebenso gut kann das Rechtecksignal erzeugt werden, indem bei jedem steigenden Nulldurchgang des Stroms ein Rechteckpuls beendet wird und bei jedem steigenden Nulldurchgang des Steuersignals ein Rechteckpuls begonnen wird.
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Anstelle steigender Nulldurchgänge kann eine Änderung auch durch fallende Nulldurchgänge ausgelöst werden, also beispielsweise das Rechtecksignal erzeugt werden, indem bei jedem fallenden Nulldurchgang des Stroms ein Rechteckpuls begonnen wird und bei jedem fallenden Nulldurchgang des Steuersignals ein Rechteckpuls beendet wird. Ebenso gut kann das Rechtecksignal erzeugt werden, indem bei jedem fallenden Nulldurchgang des Stroms ein Rechteckpuls beendet wird und bei jedem fallenden Nulldurchgang des Steuersignals ein Rechteckpuls begonnen wird.
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Unter dem Nulldurchgang eines Signals ist dabei der Durchgang durch den Mittelwert zwischen Maximum und Minimum zu verstehen. Bei dem sinusförmigen Verlauf des im Schwingkreis fließenden Stroms sind die Nulldurchgänge also mit den Nullstellen der Sinusfunktion identisch. Wenn das Steuersignal ein Rechtecksignal ist, liegen dessen Nulldurchgänge in seinen steigenden und seinen fallenden Flanken.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Koronazündeinrichtung;
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2 eine weitere schematische Darstellung der Koronazündeinrichtung;
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3 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf des Steuersignals Ud, der Spannung im Schwingkreis Ui, des im Schwingkreis fließenden Stroms Ii und des Phasensignals im Fall eines resonant angeregten Schwingkreises;
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4 eine Darstellung gemäß 3 für den Fall, dass die Anregungsfrequenz des Schwingkreises kleiner als seine Resonanzfrequenz ist;
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5 eine Darstellung gemäß 3 für den Fall, dass die Anregungsfrequenz des Schwingkreises größer als seine Resonanzfrequenz ist.
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1 zeigt eine Brennkammer 1, welche von Wänden 2, 3 und 4 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 1 ragt von oben eine Zündelektrode 5 hinein, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben ist, mit welchem sie elektrisch isoliert durch die obere Wand 2 hindurch in die Brennkammer 1 geführt ist. Die Zündelektrode 5 und die Wände 2 bis 4 der Brennkammer 1 sind Bestandteil eines Reihenschwingkreises 7, zu welchem noch ein Kondensator 8 und eine Induktivität 9 gehören. Selbstverständlich kann der Reihenschwingkreis 7 weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Reihenschwingkreisen bekannt sind.
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Zur Erregung des Schwingkreises 7 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 vorgesehen, welcher eine Gleichspannungsquelle 11 und einen Transformator 12 mit einem Mittenabgriff 13 auf seiner Primärseite hat, wodurch am Mittenabgriff 13 zwei Primärwicklungen 14 und 15 zusammentreffen. Mittels eines Hochfrequenzumschalters 16 werden die vom Mittenabgriff 13 entfernten Enden der Primärwicklungen 14 und 15 abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz des Hochfrequenzumschalters 16 bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis 7 erregt wird und ist veränderbar. Die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 speist den Reihenschwingkreis 7 am Punkt A. Der Hochfrequenzumschalter 16 wird von einer Steuereinheit 31 gesteuert. Die Steuereinheit 31 gibt dadurch die Frequenz der Wechselspannung vor, die von dem Hochfrequenzgenerator als Sekundärspannung erzeugt wird und mit welcher der Schwingkreis 7 angeregt wird.
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Ein solcher Schwingkreis 7 mit einer Zündelektrode 5 ist für jede Brennkammer eines Motors vorgesehen. Ein Hochfrequenzgenerator 10 kann mehrere Schwingkreise 7 versorgen. Möglich ist aber auch, dass jeder Schwingkreis an einen eigenen Hochfrequenzgenerator 10 angeschlossen ist. In beiden Fällen genügt eine einzige Steuereinheit 31
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2 zeigt schematisch den Hochfrequenzgenerator 10 mit dem daran angeschlossenen Schwingkreis 7 und Komponenten der Steuereinheit 31, beispielsweise einem Prozessor. Die Steuereinheit 31 steuert den Hochfrequenzgenerator 10 über einen Treiber 33 mit dem die Steuereinheit 31 ein Steuersignal Ud erzeugt, das die Frequenz der vom Hochfrequenzgenerator 10 erzeugten Wechselspannung Ui vorgibt und schematisch in den 3 bis 5 gezeigt ist. Das Steuersignal bestimmt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Schaltfrequenz des Hochfrequenzumschalters 16, der in 2 in Form von zwei Feldeffekttransistoren dargestellt ist.
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Der im Schwingkreis fließende Strom Ii wird mit einem Messtransformator und einem angeschlossenen Sensor 34 überwacht. Der Sensor 34 kann beispielsweise ein Schalter sein, der auf einen Nulldurchgang des Stroms Ii anspricht. Das von dem Sensor 34 erzeugte Signal wird ebenso wie das Steuersignal einer Signalverarbeitungseinheit 35 zu geführt, die Teil der Steuereinheit 31 sein kann, aber in 2 zur Veranschaulichung als eine separate Komponente dargestellt ist.
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Das Steuersignal ist eine symmetrische Rechteckspannung. Sowohl ansteigende als auch absteigende Flanken dieses Rechtecksignals bewirken einen Umschaltvorgang des Hochfrequenzumschalters 16. Die Spannung Ui in dem Schwingkreis 7 und das Steuersignal Ud haben die gleiche Frequenz und sind zueinander um einen konstanten Winkel φ phasenverschoben, der in der Regel von Null verschieden ist.
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In 3 sind der Verlauf der Spannung Ui und des Stroms Ii in dem Schwingkreis 7 schematisch für den Fall dargestellt, dass die Frequenz der Spannung Ui mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 7 übereinstimmt. Spannung Ui und Strom Ii sind in diesem Fall in Phase. 4 zeigt den Verlauf der Spannung Ui und des Stroms Ii in dem Schwingkreis 7 schematisch für den Fall, dass die Frequenz der Spannung Ui kleiner als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 7 ist. 5 zeigt den Verlauf der Spannung Ui und des Stroms Ii in dem Schwingkreis 7 schematisch für den Fall, dass die Frequenz der Spannung Ui größer als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 7 ist.
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Die Steuereinheit 31 regelt den Phasenversatz zwischen dem Steuersignal Ud und dem im Schwingkreis 7 fließenden Strom Ii auf einen Sollwert, bei dem der Schwingkreis 7 resonant angeregt wird. Dieser Sollwert ist der Phasenversatz um den Winkel φ, der zwischen der Spannung Ui in dem Schwingkreis 7 und dem Steuersignal Ud auftritt. Dieser Phasenversatz um den Winkel φ entspricht einer Zeitspanne t, die zwischen einem steigenden Nulldurchgang des Steuersignals Ud und einem steigende Nulldurchgang der Spannung Ui vergeht. Diese Zeitspanne ist in den 3 bis 5 mit tphtarget angedeutet und liegt typischer Weise zwischen 0 und 200 ns.
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Um die Phasenlage zu regeln, erzeugt die Steuereinheit 31 ein Phasensignal Uph, das in den 3 bis 5 dargestellt ist. Das Phasensignal Uph ist ein Rechtecksignal, das bei dem gezeigten Beispiel jeweils gesetzt wird, wenn eine ansteigende Flanke des Steuersignals Ud auftritt. Mit anderen Worten beginnt ein Spannungspuls des Phasensignal Uph immer dann, wenn ein Spannungspuls des Steuersignals Ud beginnt. Das Phasensignal Uph wird bei dem gezeigten Beispiel jeweils zurückgesetzt, wenn ein steigender Nulldurchgang des im Schwingkreis 7 fließenden Stroms Ii auftritt. Die Spannungspulse des Phasensignals Uph werden bei einem steigenden Nulldurchgang des im Schwingkreis 7 fließenden Stroms Ii beendet. Die Länge der Spannungspulse des Phasensignals Uph entspricht also dem Phasenversatz zwischen der Spannung Ui in dem Schwingkreis 7 und dem Steuersignal Ud.
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Die Steuereinheit 31 regelt die Länge der Spannungspulse des Phasensignals Uph auf einen Wert, bei dem der Schwingkreis 7 resonant angeregt wird. Der dabei von der Steuereinheit verwendete Regelalgorithmus kann an sich frei gewählt werden und beispielsweise ein Proportionalregler sein. Der Regelalgorithmus kann in einem Speicher 32 der Steuereinheit 31 gespeichert sein.
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Eine einfache Möglichkeit für einen Regler besteht darin, die Frequenz des Steuersignals Ud stets um einen konstanten Betrag zu ändern, wenn die Länge der Spannungspulse des Phasensignals Uph von dem Sollwert abweicht. Wenn die Frequenz des Steuersignals Ud also kleiner als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 7 ist, wie bei dem in 4 dargestellten Fall, wird die Frequenz des Steuersignals Ud also um den konstanten Betrag erhöht. Wenn die Frequenz des Steuersignals Ud größer als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 7 ist, wie bei dem in 5 dargestellten Fall, wird die Frequenz des Steuersignals Ud dann um den konstanten Betrag reduziert.
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Anstatt die Pulse des Phasensignals Uph jeweils bei einer ansteigenden Flanke des Steuersignals Ud zu starten und bei einem steigenden Nulldurchgang des im Schwingkreis 7 fließenden Stroms Ii zu beenden, kann man die Pulse des Phasensignals Uph beispielsweise auch jeweils bei einer fallenden Flanke des Steuersignals Ud starten und bei einem fallenden Nulldurchgang des im Schwingkreis 7 fließenden Stroms Ii beenden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Pulse des Phasensignals Uph jeweils bei einem steigenden Nulldurchgang des im Schwingkreis 7 fließenden Stroms Ii zu starten und bei einer ansteigenden Flanke des Steuersignals Ud zu beenden. Ebenso gut ist es möglich, die Pulse des Phasensignals Uph jeweils bei einem fallenden Nulldurchgang des im Schwingkreis 7 fließenden Stroms Ii zu starten und bei einer fallenden Flanke des Steuersignals Ud zu beenden.
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Der Sollwert, auf den die Steuereinheit 31 den Phasenversatz regelt, wird im laufenden Betrieb der Koronazündeinrichtung in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung geändert. Zur Festlegung des Sollwertes kann dabei eine in einem Speicher der Steuereinheit 31 gespeicherte Kennlinie verwendet werden. Die in den Schwingkreis 7 einzuspeisende Leistung und somit die von der Koronaentladung umgesetzte Leistung wird typischer Weise von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern vorgegeben. Alternativ oder zusätzlich zu der Leistung kann der Sollwert auch in Abhängigkeit von anderen Betriebsparametern geändert werden, beispielsweise der Temperatur.
