DE102013112039A1

DE102013112039A1 - Korona-Zündsystem für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Steuerung eines Korona-Zündsystems

Info

Publication number: DE102013112039A1
Application number: DE201310112039
Authority: DE
Inventors: Markus KERNWEIN
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: US9695793B2; US20150114371A1; CN104696136A; DE102013112039B4; BR102014024618A2; CN104696136B

Abstract

Beschrieben wird ein Korona-Zündsystem zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einem Schwingkreis (5b), der eine Zündelektrode (5a) enthält, einem an den Schwingkreis (5b) angeschlossenen Hochfrequenzgenerator (4), um eine Wechselspannung zum Anregen des Schwingkreises (5b) zu erzeugen, einem Wandler (3), um aus einer Bordnetzspannung eine Eingangsspannung für den Hochfrequenzgenerator (4) zu erzeugen, einem Spannungsregler (3a) zum Stabilisieren der von dem Wandler (3) für den Hochfrequenzgenerator (4) erzeugten Eingangsspannung, einer Steuereinheit (2) zum Steuern des Hochfrequenzgenerators (4), wobei die Steuereinheit (2) dem Spannungsregler (3a) eine bevorstehende Laständerung des Wandlers (3) mitteilt, bevor die Laständerung durch Aktivieren oder Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators (4) erfolgt. Zudem wird ein Verfahren zum Steuern eines Korona-Zündsystems beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Korona-Zündsystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Korona-Zündsystems.
Die US 2011/0114071 A1 offenbart ein Korona-Zündsystem, mit dem ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors durch eine in dem Brennraum erzeugte Koronaentladung gezündet werden kann. Dieses Korona-Zündsystem 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.
Die hochfrequente Wechselspannung wird von einem Hochfrequenzgenerator erzeugt, dessen Eingangspannung von einem Wandler aus der Bordnetzspannung des Fahrzeugs erzeugt wird. Die Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators liegt bei bekannten Korona-Zündsystemen in der Regel im Bereich von 100 V bis 400 V.
Eine Koronaentladung bildet in einem Brennstoff-Luft Gemisch im Brennraum eines Motors Ionen und Radikale. Wenn eine kritische Konzentration an Ionen und Radikalen erreicht ist, entzündet sich das Brennstoff-Luft Gemisch. Die Rate, mit welcher Ionen und Radikale erzeugt werden, hängt von der Größe der Koronaentladung und ihrer elektrischen Leistung ab. Größe und Leistung einer Koronaentladung lassen sich nur bis zu einer kritischen Grenze erhöhen. Wird diese Grenze überschritten geht die Koronaentladung in eine Bogenentladung oder Funkenentladung über.
Korona-Zündsysteme werden deshalb so gesteuert, dass die Koronaentladung möglichst groß ist, so dass Brennstoff-Luft Gemisch möglichst rasch entzündet werden kann und somit der Zündzeitpunkt möglichst präzise vorgegebenen werden kann, aber ein Durchschlagen der Koronaentladung in eine Bogen- oder Funkenentladung vermieden wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie dieses Ziel noch besser erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Korona-Zündsystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird die von einer Koronaentladung in den Brennraum eingebrachte Leistung mit einer höheren Präzision vorgegeben, indem die Ausgangsspannung des Wandlers mit einem Regler auf einen Sollwert geregelt wird und dem Regler eine bevorstehende Laständerung des Wandlers mitgeteilt wird, bevor die Laständerung durch Aktivieren oder Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators erfolgt. Das Aktivieren des Hochfrequenzgenerators führt wegen des damit verbundenen Lastsprungs nämlich zu einem vorübergehenden Spannungseinbruch. Dieser Spannungseinbruch kann reduziert werden, indem der Sollwert der Ausgangsspannung in Erwartung des Spannungseinbruchs erhöht wird. Das Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators führt zu einer vorübergehenden Spannungsüberhöhung, die reduziert werden kann, indem der Sollwert der Ausgangsspannung in Erwartung der Spannungsüberhöhung reduziert wird.
Spannungsschwankungen der Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators führen zu entsprechenden Schwanken seiner Ausgangsspannung und damit auch zu Schwankungen in der Leistung des Schwingkreises und somit der Koronaentladung. Wird die Ausgangsspannung des Wandlers und somit die Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators stabilisiert, lassen sich deshalb die Leistung der Koronaentladung und der Zündzeitpunkt mit einer höheren Präzision steuern.
Der Sollwert kann bei einer bevorstehenden Laständerung stets um einen konstanten, lastunabhängigen Betrag geändert werden. Eine derartige Steuerung lässt sich mit geringem Aufwand implementieren und kann lastbedingte Spannungsschwankungen bereits zu einem erheblichen Teil kompensieren, insbesondere wenn die zu erwartenden Laständerungen stets eine im Wesentlichen gleiche Größe haben. Der Sollwert kann bei einer bevorstehenden Laständerung aber auch um einen Betrag geändert werden, den die Steuereinheit des Korona-Zündsystems jeweils in Abhängigkeit von der Größe der erwarteten Laständerung individuell festlegt.
Eine bevorstehende Laständerung kann dem Regler von der Steuereinheit beispielsweise 2 bis 200 Mikrosekunden vor dem Aktivieren oder Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators mitgeteilt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Spannungsregler auf eine Mitteilung der Steuereinheit über eine bevorstehende Laständerung dadurch reagiert, dass eine Sollwertvorgabe schrittweise geändert wird. Eine größere Änderung des Sollwerts kann auf diese Weise in mehrere kleine, aufeinander folgende Änderungen zerlegt werden. Die einzelnen Schritte können so klein sein, dass die Sollwertvorgabe beispielsweise rampenförmig geändert wird. Durch eine schrittweise Änderung des Sollwerts lassen sich Einschwingeffekte abmildern.
Bevorzugt werden bei einer Änderung des Sollwerts wenigstens ein Schritt vor und wenigstens ein Schritt nach dem Zünden der Koronaentladung durchgeführt. Beispielsweise kann die Koronaentladung gezündet werden, während der Sollwert rampenförmig geändert wird. Auf diese Weise kann ein Optimum zwischen einem möglichst hohem Energieeintrag ab Beginn einer Koronaentladung mit einem möglichst geringen Überschwingen kombiniert werden.
Erfindungsgemäß kann auf eine zu erwartende Lasterhöhung und auf eine zu erwartende Lastabsenkung gleicher Größe symmetrisch reagiert werden, d. h. der momentane Sollwert um denselben Berag erhöht oder reduziert werden. Es ist aber auch möglich, auf Lastenerhöhungen mit einer stärkeren oder einer schwächeren Änderung des Sollwerts zu reagieren als auf Lastabsenkungen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Korona-Zündsystems; und
2 eine schematische Darstellung des Verlaufs von Last, Lastsignal und dem Sollwert des Spannungsreglers.
Das in 1 schematisch dargestellte Korona-Zündsystem besteht aus einer Zentraleinheit 1 und mehreren an die Zentraleinheit 1 angeschlossenen Zündern 5, die jeweils einen Schwingkreis 5b mit einer Zündelektrode 5a enthalten. Jeder dieser Zünder 5 ist einem Brennraum des Motors zugeordnet und erzeugt an seiner Zündelektrode 5a eine Koronaentladung.
Die Zentraleinheit 1 enthält einen Wandler 3, mehrere an ihn angeschlossenen Hochfrequenzgeneratoren 4, die an die einzelnen Zünder 5 angeschlossen sind, eine Steuereinheit 2 und einen Spannungsregler 3a. Der Wandler 3, beispielsweise ein DC/DC Wandler, erzeugt aus einer Bordnetzspannung des Fahrzeugs eine Eingangsspannung, die den Hochfrequenzgeneratoren 4 zur Verfügung gestellt wird. Die von dem Wandler 3 erzeugte Spannung wird von einem Spannungsregler 3a auf einen Sollwert geregelt, der in den Wandler 3 integriert sein kann.
Die Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators 4 ist üblicher Weise größer als die Bordnetzspannung. Der Wandler 3 erzeugt also aus einer Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung. Der Wandler 3 kann mehrere Stufen aufweisen. Dabei ist möglich, dass alle Stufen als Aufwärtswandler ausgebildet sind, also aus einer Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung erzeugen. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere Stufen, beispielsweise die letzte Stufe des Wandlers, als Abwärtswandler ausgebildet sind.
Die Hochfrequenzgeneratoren 4 werden von einer Steuereinheit 2 gesteuert. Die Steuereinheit 2 aktiviert die Hochfrequenzgeneratoren 5, wenn in dem betreffenden Brennraum des Motors eine Koronaentladung erzeugt werden soll. Durch das im Motorzyklus wechselnde Aktivieren und Deaktivieren der Hochfrequenzgeneratoren 4 ergeben sich Lastwechsel des Wandlers 3. In 2a) ist schematisch der Verlauf der Belastung des Wandlers 3 dargestellt, der sich durch eine Aktivierung und spätere Deaktivierung eines Hochfrequenzgenerators 4 ergibt.
Diese Belastung ist der Steuereinheit 2 im Voraus bekannt, da die Hochfrequenzgeneratoren 4 zu vorgegebenen Zeiten im Motorzyklus aktiviert und deaktiviert werden. Die Steuereinheit 2 teilt dem Spannungsregler 3a eine bevorstehende Laständerung des Wandlers 3 mit, bevor die Laständerung durch Aktivieren oder Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators 4 erfolgt. In 2b) ist dies durch ein Lastsignal dargestellt, das der in 2a) veranschaulichten Last voraus läuft, beispielesweise um 2 bis 400 Mikrosekunden, bevorzugt 2 bis 200 Mikrosekunden. Der Spannungsregler 3a reagiert auf eine bevorstehende Laständerung mit einer schrittweisen Änderung des Sollwerts, auf den die von dem Wandler 3 erzeugte Spannung geregelt wird. Die Schritte können dabei so klein gewählt sein, dass sich eine rampenförmige Änderung des Sollwerts ergibt, wie dies in 2c) schematisch dargestellt ist.
Der Spannungsregler 3a regiert auf das in 2b) gezeigte Lastsignal mit der in 2c) skizzierten Änderung Sollwerts. Eine bevorstehende Erhöhung der Last veranlasst den Spannungsregler zu einer schrittweisen Erhöhung des Sollwerts. Eine bevorstehende Lastabsenkung wegen einer Deaktivierung eines Hochfrequenzgenerators 4 veranlasst den Spannungsregler 3a zu einer schrittweisen Verringerung des Sollwerts, auf den die von dem Wandler 3 erzeugte Spannung geregelt wird.
Eine sprunghafte Laständerung, wie sie beim Aktivieren und Deaktivieren eines Hochfrequenzgenerators 4 auftritt, führt nämlich zu einem vorübergehenden Spannungseinbruch bzw. einer Spannungsüberhöhung. Dies kann durch eine voraus laufende Änderung des Sollwerts kompensiert werden. Eine Erhöhung der Last führt nämlich zu einer erhöhten Stromstärke, die zu einer Aufladung von Induktivitäten führt. Die zur Aufladung der Induktivitäten erforderliche Leistung steht der Last, d. h. dem Hochfrequenzgenerator, nicht zur Verfügung. Indem der Sollwert der Spannung erhöht wird, bevor der Hochfrequenzgenerator 4 aktiviert wird, können sich die Induktivitäten zumindest teilweise aufladen, bevor dieser den Wandler 3 belastet.
In entsprechender Weise führt eine Lastabsenkung zu einem Entladen von Induktivitäten, die eine Spannungserhöhung bewirken kann. Indem der Sollwert der Spannung vor einem Deaktivieren eine Hochfrequenzgenerators 4 reduziert wird, kann, kann eine Spannungsüberhöhung reduziert werden.
Die Zündung einer Koronaentladung erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel während einer rampenförmigen Änderung des Sollwerts. Mit anderen Worten erfolgen also einige Schritte der Änderung des Sollwerts vor und einige Schritte der Änderung des Sollwerts nach dem Zünden der Koronaentladung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0114071 A1 [0002]

Claims

Korona-Zündsystem zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einem Schwingkreis (5b), der eine Zündelektrode (5a) enthält, einem an den Schwingkreis (5b) angeschlossenen Hochfrequenzgenerator (4), um eine Wechselspannung zum Anregen des Schwingkreises (5b) zu erzeugen, einem Wandler (3), um eine Eingangsspannung für den Hochfrequenzgenerator (4) zu erzeugen, einem Spannungsregler (3a) zum Stabilisieren der von dem Wandler (3) für den Hochfrequenzgenerator (4) erzeugten Eingangsspannung, und einer Steuereinheit (2) zum Steuern des Hochfrequenzgenerators (4), wobei die Steuereinheit (2) dem Spannungsregler (3a) eine bevorstehende Laständerung des Wandlers (3) mitteilt, bevor die Laständerung durch Aktivieren oder Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators (4) erfolgt.
Korona-Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) dem Spannungsregler (3a) die bevorstehende Laständerung zwei Mikrosekunden bis zweihundert Mikrosekunden vor dem Aktivieren oder Deaktivieren des Hochfrequenzgenerators (4) mitteilt.
Korona-Zündsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (3a) auf eine Mitteilung der Steuereinheit (2) über eine bevorstehende Laständerung dadurch reagiert, dass eine Sollwertvorgabe geändert wird.
Korona-Zündsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (3a) auf eine Mitteilung der Steuereinheit (2) über eine bevorstehende Laständerung dadurch reagiert, dass eine Sollwertvorgabe schrittweise geändert wird.
Korona-Zündsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertvorgabe rampenförmig während eines Zeitraums von 2 Mikrosekunden bis 400 Mikrosekunden geändert wird.
Verfahren zum Steuern eines Korona-Zündsystems, wobei an einer Zündelektrode eine Koronaentladung erzeugt wird, mit einem Wandler (3) eine Eingangsspannung eines Hochfrequenzgenerators (4) erzeugt wird und mit einer Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators (4) ein Schwingkreis (5b) angeregt wird, der eine Zündelektrode (5a) enthält, wobei die Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators (4) mit einem Spannungsregler (3a) auf einen Sollwert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spannungsregler (3a) eine bevorstehende Laständerung mitgeteilt wird, bevor der Hochfrequenzgenerator (4) aktiviert oder deaktiviert wird, um Spannungseinbrüche bei einer Aktivierung des Hochfrequenzgenerators (4) und Spannungsüberhöhungen bei einer Deaktivierung des Hochfrequenzgenerators (4) abzumildern.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (3a) auf eine Mitteilung der Steuereinheit (2) über eine bevorstehende Laständerung dadurch reagiert, dass eine Sollwertvorgabe geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertvorgabe um einen Betrag geändert wird, der in Abhängigkeit von der Größe der bevorstehenden Laständerung festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (3a) auf eine Mitteilung der Steuereinheit (2) über eine bevorstehende Laständerung dadurch reagiert, dass eine Sollwertvorgabe in mehreren Schritten geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Schritte vor dem Zünden der Koronaentladung und wenigstens einer der Schritte nach dem Zünden der Koronaentladung durchgeführt wird.