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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem sowie ein Verfahren zum Verhindern einer Funkenentladung während des Einschaltvorgangs einer Versorgungsspannung in dem Zündsystem.
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Im Stand der Technik sind Zündsysteme für Brennkraftmaschinen bekannt, mittels welchen zündfähiges Gemisch in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine entzündet wird. Um die erforderliche Hochspannung zum Durchschlagen der Funkenstrecke zu erzeugen, wird im Stand der Technik ein Übertrager bzw. Zündtransformator („Zündtrafo“) primärseitig mit einem Strom beaufschlagt, durch welchen sich ein Magnetfeld aufbaut. Um den Funkendurchschlag zu provozieren, wird der primärseitige Strom abgeschaltet, im Ansprechen worauf die Energie des Magnetfeldes eine Spannung in der Sekundärspule des Zündtrafos induziert, welche die Funkenstrecke durchschlägt. Hierbei wird das im Bereich der Funkenstrecke vorhandene Gemisch entzündet.
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Bekanntermaßen wird auch beim primärseitigen Einschalten des Zündtrafos eine starke Flussänderung des magnetischen Feldes erzeugt, welche bereits im Einschaltmoment derart hohe Spannungen erzeugen kann, dass die Funkenstrecke bereits vor dem gewünschten Zündzeitpunkt von einem Zündfunken durchschlagen wird. Zur Unterdrückung eines unerwünschten Einschaltfunkens werden im Stand der Technik sekundärseitige Dioden („Einschaltfunkenunterdrückungsdioden, EFU-Dioden“) verwendet, welche jedoch zusätzliche Kosten (Bauteil- und Montagekosten), Bauraum und die Gefahr eines Funktionsausfalls mit sich bringen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik auszuräumen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verhindern einer Funkenentladung während eines Einschaltvorgangs einer Versorgungsspannung in einem Zündsystem gelöst. Erfindungsgemäß wird ein Effektivwert einer primärseitigen Zündspulenspannung gegenüber einer Versorgungsspannung des Zündsystems im Einschaltmoment abgesenkt. Die Effektivwertabsenkung kann dabei entweder durch eine generelle Absenkung der primärseitigen Zündspulenspannung und/oder durch ein hochfrequentes Pulsen (durch intermittierendes Einschalten) der Versorgungsspannung erfolgen. Indem die Versorgungsspannung sozusagen allmählich auf die Primärseite der Zündspule gegeben wird, fällt die mittlere Flußänderung pro Zeiteinheit geringer aus, wodurch auch die im Einschaltvorgang entstehenden sekundärseitigen Spannungen an der Funkenstrecke geringer ausfallen. Im Ergebnis kann die im Stand der Technik üblicherweise verwendete Einschaltfunkenunterdrückungsdiode entfallen, ohne dass die mitunter kundenseitig vorgegebenen Maximalspannungen im Einschaltvorgang (z.B. 1000 V) überschritten werden. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Ausgestaltung eines Zündsystems, während zeitgleich die Parameter „Bauraum“ und „Bauteilanzahl“ verringert werden. Insbesondere ist zu erwähnen, dass im Stand der Technik bekannte Zündsysteme mitunter allein durch eine erfindungsgemäße Ansteuerung hinsichtlich ihrer Einschaltspannungen optimiert werden können.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Nachdem während des Einschaltvorgangs die erfindungsgemäße Absenkung des Effektivwertes der primärseitigen Zündspulenspannung die sekundärseitige Spannung in einen sicheren Bereich gebracht hat, kann der Effektivwert der primärseitigen Zündspulenspannung allmählich an die Versorgungsspannung angenähert werden. Da mit zunehmendem Zeitverlauf die Änderungen des magnetischen Flusses geringer ausfallen, sich die elektrischen Einschwingvorgänge zum Teil bereits vollzogen haben, und sich das Magnetfeld des Zündtrafos bereits teilweise aufgebaut hat, kann die Zündspule durch ein Erhöhen des Effektivwertes der primärseitigen Zündspulenspannung rascher geladen werden, um die zum Zünden erforderliche Sekundärspannung bereitzustellen.
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Eine Möglichkeit zur Absenkung des Effektivwertes besteht darin, die Versorgungsspannung intermittierend auf die Primärseite der Zündspule zu geben. Dies kann beispielsweise mittels eines IGBT (englisch: „insulated gate bipolar transistor“) erfolgen. Das intermittierende Einschalten der Versorgungsspannung führt zwar seinerseits zu erheblichen Änderungen im Spulenstrom. Bei einer geeigneten Wahl der Tastrate kann jedoch die elektrische bzw. magnetische Trägheit der Zündspule genutzt werden, durch welche die Stromstöße ausgemittelt werden. Ein Vorteil des intermittierenden Einschaltens besteht in sehr geringen elektrischen Verlusten sowie darin, dass robuste digitale Schaltsignale verwendet werden können.
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Bevorzugt kann das intermittierende Einschalten pulsweitenmoduliert erfolgen, so dass zu Beginn des Einschaltvorgangs ein geringeres Tastverhältnis für eine stärkere Absenkung des Effektivwertes der primärseitigen Zündspulenspannung führt. Im Laufe des Einschaltvorgangs kann dann das Pulsweitenverhältnis zugunsten der „Ein“-Zeiten verändert werden, so dass der Effektivwert der primärseitigen Zündspulenspannung allmählich an die Versorgungsspannung des Zündsystems angenähert wird. Auf diese Weise kann die Gefahr eines Zündfunkens zu einem unerwünschten Zeitpunkt verringert werden, während andererseits die Zündungsbereitschaft des Zündsystems so rasch wie möglich hergestellt wird.
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Eine alternative oder zusätzliche zum intermittierenden Einschalten der Versorgungsspannung erfindungsgemäß vorgeschlagene Möglichkeit besteht darin, dass der Effektivwert der Versorgungsspannung durch einen regelbaren und/oder steuerbaren Widerstand abgesenkt wird. Hierbei wird beispielsweise durch ein analoges Steuersignal eine allmählich veränderliche Spannung auf das Gate des IGBT gegeben, wodurch sich der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter in Abhängigkeit der Gate-Spannung verändert. Auf diese Weise fällt ein bevorzugt über der Zeit abnehmender Anteil der Versorgungsspannung über dem IGBT ab, während der an der Primärseite der Zündspule abfallende Anteil der Versorgungsspannung über der Zeit zunimmt. Alternativ oder zusätzlich kann das intermittierende Einschalten, insbesondere eine Bemessung dessen Taktrate, abhängig von der Versorgungsspannung (U3) und/oder einem Spannungsabfall an einem zum intermittierenden Einschalten der Versorgungsspannung (U3) verwendeten IGBT vorgenommen werden. Alternativ können auch andere Schalter als der IGBT verwendet werden, beispielswiese ein MOSFET oder Thyristor, insbesondere ein GTO. Auf diese Weise können unzulässige Änderungen im primärseitigen Stromfluss durch die Zündspule verhindert und der maximale Wert der sekundärseitigen Einschaltspannung verringert werden.
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Die Änderung des Effektivwertes der primärseitigen Zündspulenspannung kann an unterschiedliche Parameter angepasst werden, um das Zündsystem betriebszustandsoptimiert zu betreiben. Beispielsweise kann die aktuelle Versorgungsspannung detektiert werden und die Absenkung des Effektivwertes an den aktuellen Wert der Versorgungsspannung angepasst werden. Zudem können Alterungseffekte im Zündsystem, welche sich beispielsweise auf ohmsche Übergangswiderstände auswirken, bei der Effektivwertanpassung der Zündspulenspannung berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Zeitsteuerung festgelegt werden, ohne dass Eingangsgrößen ermittelt und berücksichtigt werden. Mit anderen Worten erfolgt eine Parametrierung der Änderung des Effektivwertes in Abhängigkeit von relevanten Parametern des Fahrzeugtyps, wodurch die Ermittlung von Betriebsparametern sich erübrigt und der Aufbau des erfindungsgemäßen Zündsystems sich vereinfacht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zündsystem für eine fremd gezündete Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche eine Funkenstrecke, einen Anschluss zum Einspeisen einer Versorgungsspannung (z.B. eine Bordnetzspannung eines Fortbewegungsmittels) und einen regelbaren und/oder steuerbaren Widerstand umfasst. Die Funkenstrecke ist eingerichtet, in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet zu werden. Der regelbare und/oder steuerbare Widerstand kann als Schalter und/oder als steuerbarer, im Wesentlichen ohm’sch funktionierender elektrischer Widerstand ausgestaltet sein. Über den regelbaren und/oder steuerbaren Widerstand kann eine Funkenentladung während eines Einschaltvorgangs der Versorgungsspannung verhindert werden, indem der Effektivwert einer primärseitigen Zündspulenspannung gegenüber der Versorgungsspannung abgesenkt wird. Der regelbare und/oder steuerbare Widerstand kann beispielsweise auch als IGBT ausgeführt sein, wie es im Stand der Technik häufig der Fall ist. Die Ansteuerung bzw. der Betrieb des erfindungsgemäßen Zündsystems können entsprechend dem erstgenannten Erfindungsaspekt durchgeführt werden, wodurch sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend ergeben, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine fremdgezündete Brennkraftmaschine und ein erfindungsgemäßes Zündsystem umfasst. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise als PKW, Transporter, LKW, Luft- und/oder Wasserfahrzeug ausgestaltet sein. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise eine Zweitakt- und/oder Viertaktmaschine (z.B. ein Otto-Motor) sein. Es ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und die mit diesen verbundenen Vorteile entsprechend den obigen Ausführungen.
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Allen erfindungsgemäßen Aspekten ist gemeinsam, dass eine hinsichtlich des Zündsystems nicht beeinflussbare (und ggf. zu hohe) Versorgungsspannung verwendet wird, um einen Effektivwert einer Eingangsgröße des Zündtrafos über der Zeit zu modifizieren. Eine Sekundärspannung Ua bzw. eine Spannung über der Primärinduktivität Ue, bei welcher ein Einschaltfunken in dem Zündsystem zumindest ohne EFU-Diode entstehen kann, wird somit erfindungsgemäß vermieden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
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2 Zeitdiagramme zu elektrischen Größen beim Betrieb eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
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3 Zeitdiagramme zu elektrischen Größen beim Betrieb eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems; und
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4 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems 1, bei welchem eine Versorgungsspannung U3 an zwei elektrischen Anschlüssen 3, 4 angelegt ist. Eine primärseitige Masche des Zündsystems schließt sich über eine Primärwicklung 5 einer Zündspule 56 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines IGBT 7 als steuerbarer Widerstand. Hierbei fallen über der primärseitigen Spule 5 eine Spannung Ue und über dem IGBT 7 eine Spannung Usw ab. Das Gate 8 des IGBT 7 wird durch eine pulsweitenmodulierte Gatespannung U8 angesteuert, welche in einer Ansteuereinheit 10 erzeugt wird. Für eine betriebszustandsabhängige Erzeugung der Gatespannung U8 erhält die Ansteuereinheit 10 drei Betriebskenngrößen 11, 12, 13, welche von der Versorgungsspannung U3, einem Alterungszustand des Zündsystems 1 und anderen Parametern abhängen können. Die Sekundärspule 6 der Zündspule 56 induziert eine Spannung Ua in einer sekundärseitigen Masche des Zündsystems 1, welche sich über eine Einschaltfunkenunterdrückungsdiode 9 und eine Zündfunkenstrecke 2 schließt. Die Einschaltfunkenunterdrückungsdiode 9 ist als erfindungsgemäß abkömmliches Element des Standes der Technik lediglich gestrichelt dargestellt.
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2 zeigt drei Teildiagramme (a) zur sekundärseitigen Spannung Ua, (b) zur Gatespannung U8 und (c) zum Strom I1 durch die primärseitige Masche des Zündsystems. In Teildiagramm (a) ist die häufig kundenseitig vorgegebene ausgangsseitige Maximalspannung Ua max gekennzeichnet. Diese liegt bei ca. 1 kV. Zudem ist ein ungünstiger Verlauf einer sekundärseitigen Ausgangsspannung Ua1 gemäß dem Stand der Technik eingezeichnet, welche in einem Zeitbereich zwischen 10 und 25 µs die ausgangsseitige Maximalspannung Ua max überschreitet. Die zugehörige Gatespannung U81 ist in Teildiagramm (b) in Form einer horizontalen Linie dargestellt. Es ergibt sich der primärseitige Strom I11. Durch eine intermittierende Ansteuerung des Gates durch eine Gatespannung U82 ergibt sich der in Teildiagramm (a) dargestellte Verlauf der Spannung Ua2. Dieser nähert sich ohne ein Überschreiten asymptotisch der ausgangsseitigen Maximalspannung Ua max an. Es ergibt sich der in Teildiagramm (c) dargestellte Verlauf des Stromes I12 durch die primäre Masche des Zündsystems.
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3 zeigt der 2 entsprechende Verläufe von elektrischen Größen beim Betrieb eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems. In Teildiagramm (a) ist ein bei ca. 1,5 kV liegender maximaler Sekundärspannungswert Ua max eingezeichnet. Dieser wird gemäß dem Stand der Technik und entsprechend dem Graphen für die sekundärseitige Spannung Ua1 kurz nach dem Einschalten des Zündsystems ohne EFU-Diode überschritten. Die zugehörige Gatespannung U81 ist als horizontale Linie im Teildiagramm (b) erkennbar. Der zugehörige Stromverlauf I11 ist im Teildiagramm (c) dargestellt. Bis ca. 500 ms nach dem Einschalten des Zündsystems steigt der Strom I11 im Wesentlichen linear von 0 A auf 2 A. Zur Verhinderung des Überschwingens der sekundärseitigen Spannung wird die in Teildiagramm (b) dargestellte Gate-Spannung U82 angelegt, welche in einem Zeitbereich von 0 bis 1 ms nach dem Einschalten des Zündsystems im Wesentlichen linear von 0 V auf 5 V ansteigt. Es ergibt sich der in Teildiagramm (a) dargestellte Verlauf der sekundärseitigen Spannung Ua2, welcher während des gesamten Einschaltvorgangs unterhalb des kritischen Spannungswertes Ua max verbleibt.
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4 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses dient dem Verhindern einer Funkenentladung während des Einschaltvorgangs einer Versorgungsspannung in einem Zündsystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine. In Schritt 100 wird ein Effektivwert einer primärseitigen Zündspulenspannung gegenüber einer Versorgungsspannung abgesenkt. Dies erfolgt bevorzugt durch ein intermittierendes Einschalten der Versorgungsspannung, indem ein pulsweitenmoduliertes Gatesignal auf einem IGBT des Zündsystems gegeben wird. Der Schalter kann alternativ auch als bipolarer Transistor (MOSFET etc.) oder Thyristor (GTO etc.) ausgeführt sein. In Schritt 200 wird der Effektivwert der primärseitigen Zündspulenspannung an die Versorgungsspannung angenähert, um eine möglichst rasche Aufladung der Zündspule zu gewährleisten. In Schritt 300 wird der primärseitige Strom durch die Zündspule abrupt abgeschaltet (z.B. durch Ausschalten der Gate-Spannung des IGBT, wodurch sich eine Funkenentladung zu gewünschten Zündzeitpunkt über einer Funkenstrecke des Zündsystems ergibt.
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Während zur Erzeugung mehrfacher Zündfunken während eines Zündvorgangs ein mehrfaches Ein-/Abschalten eines Stromflusses durch eine Zündspule bereits bekannt ist, ist ein solcher Vorgang zum Vermeiden einer unerwünschten Funkenentladung bereits vor dem Zündzeitpunkt nicht bekannt. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung einen Verzicht auf eine Einschaltfunkenunterdrückungsdiode, welche im Stand der Technik in einer sekundärseitigen Masche des Zündsystems zur Unterdrücken eines Einschaltfunkens vorgesehen wird. Die Fertigung, die Bauteilkosten, der Bauraum, die Masse sowie die Ausfallsicherheit eines erfindungsgemäßen Zündsystems können auf diese Weise gegenüber dem Stand der Technik optimiert werden. Das erfindungsgemäße Steuersignal zur Absenkung des Effektivwertes einer primärseitigen Zündspulenspannung gegenüber einer Versorgungsspannung kann in einem Motorsteuergerät und/oder im Zündsystem selbst (bzw. in einem ASIC desselben) erzeugt werden. Grundsätzlich ist daher sogar eine softwaretechnische Implementierung der vorliegenden Erfindung in bereits im Betrieb befindliche Brennkraftmaschinen möglich.
