DE102014015486A1

DE102014015486A1 - Betriebsarten- und kennfeldabhängig umschaltbare Funkenbandzündung

Info

Publication number: DE102014015486A1
Application number: DE201410015486
Authority: DE
Inventors: Dietmar Bertsch; Michael Lehmann; Harald Ott; Dietmar Rommel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-10-18
Filing date: 2014-10-18
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor soll ein betriebsarten- und kennfeldabhängig umschaltbares, aber kostengünstiges Zündverfahren geschaffen werden. Das Zündverfahren soll dabei eine Vielfach-Funkenzündung ermöglichen. Erfindungsgemäß können durch eine Funktionalität im Motorsteuergerät, abhängig von der Betriebsart unterschiedliche Parametersätze direkt an die Zündspule ausgegeben werden, die den Entladevorgang der Zündspule in ein oder mehreren Stufen steuern. Durch die direkte An- bzw. Vorsteuerung der Spule, ohne Zündsteuergerät und teurer Elektronik auf der Zündspule kann eine kostengünstige Alternative zu bekannten vollflexiblen Vielfach-Funkenzündungen geschaffen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff sowie ein Zündsystem sind beispielsweise bereits aus der DE 10 2009 024 629 A1 zu entnehmen. Das darin beschriebene Zündsystem umfasst dabei einen Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an der Primärseite eine Bordnetzspannung V eines Kraftfahrzeugs angelegt ist. Die Primärseite kann dazu beispielsweise über das Zündungsplus (Klemme 15) mit einer Fahrzeugbatterie gekoppelt sein. Das Zündsystem umfasst ein Zündsteuergerät, durch das über ein zugeordnetes elektrisches Steuerelement ein Primärstrom durch die Primärspule des Zündtransformators steuerbar ist. Das Zündsteuergerät ist mit einer Stromerfassungseinrichtung gekoppelt, mittels welcher der Primärstrom durch die Primärspule und ein Sekundärstrom durch die Sekundärspule abgegriffen und an das Zündsteuergerät übermittelt werden. Die Sekundärspule ist ihrerseits über eine Diode mit einer Zündkerze zum Erzeugen von Zündfunken gekoppelt.
Die Zündsteuereinheit ist zum Empfangen eines Steuersignals mit einem Motorsteuergerät des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Dabei ist die Zündsteuereinheit dazu ausgebildet, den elektrischen Schalter in Abhängigkeit von dem Steuersignal und damit den Zündfunken zu erzeugen. Das Steuersignal S kann beispielsweise ein Spannungssignal sein. Das Zündsystem kann ferner sehr kompakt ausgebildet und beispielsweise in eine Zündspule integriert sein.
Zum Zünden eines bestimmten Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs mittels eines Zündsystems wie es zuvor beschrieben wurde, kann dabei vorgesehen sein, nicht nur einen Zündfunken zu Beginn eines Fensters, sondern zum Nachzünden des Gemisches weitere Zündfunken während des Zündzeitfensters zu erzeugen. Ein Verfahren bezüglich einer solchen Mehrfachzündung oder Vielfach-Funkenzündung ist beispielsweise in der DE 10 2009 024 629 A1 beschrieben. Bei diesen Verfahren wird ein Primärstrom zum Erzeugen eines Funkens durch Schließen des Schalters in der Primärspule zunächst ermöglicht und anschließend, wenn der Primärstrom einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, der Schalter wieder geöffnet. Dies induziert in der Sekundärspule einen Sekundärstrom und damit einen Zündfunken zwischen den Elektroden und der Zündkerze.
Sobald der Sekundärstrom einen ebenfalls vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, wird der Schalter wieder geschlossen. Dadurch klingt zum einen der Sekundärstrom schnell gegen Null ab und zum anderen setzt der Primärstrom wieder ein. Sobald der Primärstrom dann wieder auf einen vorgegebenen Schwellenwert angestiegen ist, wird durch Öffnen des Schalters ein weiterer Zündfunken erzeugt u. s. w.. Durch Wiederholen dieses Vorgangs kann somit eine Folge von Zündfunken zum Zünden und Nachzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugt werden.
Eine Variation der Schwellwerte von Primär- und Sekundärstrom ermöglicht es somit auch jeden der einzelnen Zündfunken variieren zu können. Dadurch kann die Folge von Zündfunken optimal an unterschiedliche Kraftstoff-Luft-Gemische dermaßen angepasst werden, dass das jeweilige Gemisch besonders effektiv verbrannt wird.
Welches Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder des Verbrennungsmotors erzeugt wird, wird durch die Motorsteuereinheit bestimmt. Entsprechend kann auch nur durch die Motorsteuereinheit ermittelt werden, welche Werte für die Schwellenwerte und weitere Parameter der Zündsteuereinheit eine optimale Zündung des Gemisches ergeben. Dazu sind in der Zündsteuereinheit Parameterwerte gespeichert, von denen mindestens einer durch ein Steuersignal der Motorsteuereinheit ausgewählt wird. Ein solches System mit einer vollflexiblen Regelung durch Elektronik in der Zündspule ist jedoch aufgrund der benötigten Elektronik zum Messen der Primär- und Sekundärströme, sowie der benötigten Zündsteuereinheit aufwändig und teuer.
Eine Funkenbandzündung von Bosch gemäß DE 26 16 693 C3 zeigt eine Mehrfachansteuerung der Transistor-Spulenzündung. Die Ansteuerung der Transistor-Spulenzündung erfolgt dabei unmittelbar über ein Kurbelwellengeberrad, ohne Zwischenschaltung eines Steuergeräts. Sie besitzt jedoch keine betriebsarten- und kennfeldabhängige Vorsteuerung und Variation der Zündungsparameter.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Zündsystem für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eine kostengünstige Alternative zur vollflexiblen Vielfach-Funkenzündungen zu schaffen, welche dennoch betriebsarten- und kennfeldabhängig umschaltbar ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines fremdzündbaren Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs zeichnet sich durch eine erweiterte Flexibilität der Basis-Transistor-Spulenzündung aus. In der Basiszündung wird die Zündspule innerhalb eines Zündzeitfensters lediglich einmal beladen und nach Abschalten des Primärstromes auf der Sekundärseite über einen Zündfunken entladen. Als Erweiterung hin zu einer Vielfach-Funkenzündung wird bei der Basiszündung eine Unterbrechung der Entladung durch eine oder mehrere direkt durch das Motorsteuergerät vorgesteuerten Nachladungen nach einer definierten Zeit innerhalb eines Zündzeitfensters eingeleitet. Durch diese Nachladungen wird die Entladung der Spule in zwei oder mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Funken aufgeteilt und somit anstelle eines Zündfunkens in rascher zeitlicher Folge eine Impulsfunkengruppe (Funkenband) erzeugt.
Erfindungsgemäß können durch eine Funktionalität im Motorsteuergerät, abhängig von der Betriebsart, unterschiedliche Parametersätze direkt an die Zündspule ausgegeben werden, die den Entladungsvorgang der Zündspule in ein oder mehreren Stufen steuern. Dadurch können konventionelle Zündspulen verwendet werden, wodurch ein Großteil der Elektronik entfällt, welche für Zündspulen einer vollflexiblen Vielfach-Funkenzündung benötigt wird. Beispielsweise kann auf eine Stromerfassungseinrichtung, mittels welcher der Primärstrom durch die Primärspule und ein Sekundärstrom durch die Sekundärspule abgegriffen werden, verzichtet werden. Durch die direkte Vorsteuerung der Zündspule durch das Motorsteuergerät ist weiterhin auch keine zusätzliche Zündsteuereinheit nötig.
Vorteilhaft weitergebildet wird das Verfahren, wenn Zündspulen mit schnellen Lade- und Entladezeiten verwendet werden, wodurch eine möglichst große Anzahl an Zündungen im Funkenband realisiert werden können
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Zuordnung der Parametersätze zu den Betriebsarten in der Entwicklungsphase des Motors hinsichtlich einer Optimierung der Entflammungsstabilität des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Erfindungsseitig können die Zündungsparameter abhängig von der Last, der Motordrehzahl, der Batteriespannung, der Ansaugtemperatur, des Ansaugdrucks und der Motortemperatur sowie weiteren motorisch relevanten Größen vorgegeben werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines Zündsystems für ein Kraftfahrzeug
2 Diagramme von Verläufen mehrerer physikalischer Größen, wie sie sich gemäß einer Basis-Transistor-Spulenzündung ergeben
3 Diagramme von Verläufen mehrerer physikalischer Größen, wie sie sich gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben.
Das an sich bekannte und in 1 dargestellte Zündsystem ist in einem fremdzündbaren Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs eingebaut und weist dabei ein speziell zum Durchführen des Verfahrens ausgebildetes Motorsteuergerät 26 auf. Weiterhin umfasst das Zündsystem einen Zündtransformator 10 mit einer Primärspule 12 sowie einer Sekundärspule 14, wobei an die Primärspule 12 eine Bordnetzspannung V einer Fahrzeugbatterie angelegt ist. Die Primärspule kann dazu beispielsweise über das Zündungsplus (Klemme 15) mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt sein.
Das Zündsystem umfasst weiterhin einen wahlweise in die Zündspule integrierten elektrischen Schalter 18, mittels welchem ein Primärstrom i_prim durch die Primärspule 12 des Zündtransformators 10 steuerbar ist. Der elektrische Schalter 18 ist zum Empfangen eines Steuerungssignals S weiterhin mit dem Motorsteuergerät 26 verbunden. Das Steuersignal S kann beispielsweise ein Spannungssignal sein. Die Sekundärspule 14 ist selbst nur über eine Diode 21 mit einer Zündkerze 22 zum Erzeugen von Zündfunken 24 gekoppelt.
2 zeigt ein an sich bekanntes Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß der Basis-Transistor-Spulenzündung. Dabei sind von oben nach unten der zeitliche Verlauf des Steuerungssignals S, der zeitliche Verlauf des Primärstroms i_prim sowie der zeitliche Verlauf des Sekundärstroms i_sek aufgetragen.
Zunächst schaltet das Motorsteuergerät 26 durch Einsetzen des Steuerungssignals S den elektrischen Schalter 18 ein. Als Folge baut sich der Primärstrom i_prim an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 auf. Nach beenden des Steuerungssignals wird durch öffnen des elektrischen Schalters 18 der Primärstrom i_prim abgeschaltet, wodurch sich durch Selbstinduktion auf der Sekundärseite 14 eine Hochspannung an in 1 gezeigten Elektroden 23a, b der Zündkerze 22 aufbaut und einen Zündfunken 24 erzeugt. Während der Zündfunke 24 innerhalb der Zeitdauer t_ent brennt, nimmt der Sekundärstrom i_sek ausgehend vom Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators abhängigen Maximalwert des Sekundärstroms bis zur vollständigen Entladung des Zündtransformators 10 bzw. der Sekundärseite 14 kontinuierlich ab.
Auf diesem aufbauend zeigt 3 ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches sich durch eine erweiterte Flexibilität der in 1 beschriebenen Basis-Transistor-Spulenzündung auszeichnet. Dabei sind in 3 von oben nach unten der zeitliche Verlauf des Steuerungssignals S des Motorsteuergeräts, der zeitliche Verlauf des Primärstroms i_prim sowie der zeitliche Verlauf des Sekundärstroms i_sek aufgetragen.
Wie bei der Basis-Transistor-Spulenzündung in 2 wird bei der 3 zugrundeliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst durch Einsetzen des Steuerungssignals S der elektrische Schalter 18 eingeschaltet, woraufhin sich der Primärstrom i_prim an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 aufbaut. Nach dem vorgesteuerten vorzeitigen Beenden des Steuerungssignals wird durch Öffnen des elektrischen Schalters 18 der Primärstrom i_prim abgeschaltet, wodurch sich durch Selbstinduktion auf der Sekundärseite 14 eine Hochspannung an in 1 gezeigten Elektroden 23a, b der Zündkerze 22 aufbaut und einen Zündfunken 24 erzeugt. Während der Zündfunke 24 innerhalb der Zeitdauer t_ent1 brennt, nimmt der Sekundärstrom i_sek ausgehend vom Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators abhängigen Maximalwert des Sekundärstroms kontinuierlich ab.
Noch im selben Zündzeitfenster Z wird durch ein vorgesteuertes Wiedereinsetzen des Steuersignals S nach einer definierten Zeit erneut der Primärstrom i_prim durch Anschalten des elektrischen Schalters 18 an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 aufgebaut. Dadurch wird die Entladung der Sekundärseite 14 und somit der Zündfunke 24a und der Sekundärstrom i_sek unterbrochen.
Wird nun erneut durch Beenden des Steuerungssignals S der elektrischen Schalters 18 ausgeschaltet und somit der Primärstrom i_prim abgeschaltet, kommt es erneut zur bereits erläuterten Selbstinduktion auf der Sekundärseite 14, wodurch eine Hochspannung an in 1 gezeigten Elektroden 23a, b der Zündkerze 22 aufgebaut und ein zweiter Zündfunke 24b innerhalb des gleichen Zündzeitfensters Z erzeugt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt nach dem zweiten Zündfunken 24b keine weitere Ansteuerung des Schalters 18 durch das Steuersignal S des Motorsteuergeräts 26. Wie am zeitlichen Verlauf des Sekundärstroms i_sek erkennbar, brennt der Zündfunke 24b anschließend in der Zeit t_ent2 bis zur vollständigen Entladung des Zündtransformators 10 bzw. der Sekundärseite 14. Damit lässt sich mit einem an sich bekannten Zündsystem eine betriebs- und kennfeldabhängig umschaltbare Funkenbandzündung umsetzen, die den Vorteil besitzt, dass kein Zündsteuergerät und keine besonderen Zündspulen wie ansonsten u. a. bei Vielfach-Funkenzündungen aus DE 10 2009 024 629 A1 benötigt werden, was zu einer Kostenreduktion führt.
Es ist zu betonen, dass erfindungsgemäß durch eine Funktionalität im Motorsteuergerät abhängig von der Betriebsart unterschiedliche Parametersätze durch das vorgesteuerte Steuerungssignal S an die Zündspule ausgegeben werden können. Das bedeutet, dass je nach Betriebsart bzw. bei kritischen Betriebsbedingungen wie beispielsweise Start, Kaltstart, Katheizen, Warmlauf, Camtronic-Betrieb, oder weiteren Betriebsbedingungen unterschiedliche Funkenband-Charakteristiken möglich sind. Dabei sind analog 3 auch mehr als zwei Ansteuerungen durch das Motorsteuergerät und somit mehr als zwei Funkenentladungen innerhalb eines Zündzeitfensters Z möglich. Darüber hinaus kann auch die definierte Zeit t_zw zwischen den einzelnen Funkenentladungen des Funkenbandes variiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009024629 A1 [0002, 0004, 0027]
DE 2616693 C3 [0008]

Claims

Zündverfahren für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte: – Aufladen einer Zündspule, – Entladen der Zündspule zur Erzielung eines Funkendurchbruchs – Unterbrechung der Entladung durch Nachladen der Zündspule und erneutem Entladen der Zündspule zur Erzielung eines weiteren Funkendurchbruchs dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Steuergerät Aufladen, Entladen, Nachladen der Zündspule steuert und Aufladen, Entladen und Nachladen jeweils im selben Zündzeitfenster erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine bestimmte Anzahl X von Schaltpulsen innerhalb eines Zündzeitfensters zu (X-1) Unterbrechungen der Impulsfunkengruppe und somit zu X Zündfunken innerhalb Zündzeitfensters führt, wodurch unterschiedliche Funkenband-Charakteristiken entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenband-Charakteristiken ebenfalls durch die Zeit t_xw zwischen den jeweiligen Schaltpulsen, in der die Zündspule nachgeladen wird, variiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Betriebsart bzw. bei kritischen Betriebsbedingungen wie beispielsweise Start, Kaltstart, Katheizen, Warmlauf, Camtronic-Betrieb, oder weiteren Betriebsbedingungen unterschiedliche Funkenband-Charakteristiken direkt durch das Steuergerät durch unterschiedliche Parametersätze vorgesteuert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät das Motorsteuergerät ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuersignale für das Zündverfahren vom Motorsteuergerät erzeugt und vorgesteuert werden.