DE102014216010A1

DE102014216010A1 - Zündsystem und Verfahren zur Beschränkung eines Abschaltstromes eines Hochsetzstellers in einem Zündsystem

Info

Publication number: DE102014216010A1
Application number: DE102014216010.3A
Authority: DE
Inventors: Tim Skowronek; Thomas Pawlak; Wolfgang Sinz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2015-05-21
Also published as: WO2015071056A1

Abstract

Es werden ein Zündsystem sowie ein Verfahren zur Beschränkung eines Abschaltstromes (IHSS) bei einer Inbetriebnahme eines Hochsetzstellers in einem Zündsystem für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Erfindungsgemäß werden dabei die folgenden Schritte durchgeführt: Betreiben (100) des Hochsetzstellers (7) mit einem ersten Tastverhältnis (TV1) in einem ersten Betriebszustand, Betreiben (100) des Hochsetzstellers (7) mit einem zweiten Tastverhältnis (TV2) in einem zweiten Betriebszustand. Das erste Tastverhältnis (TV1) führt erfindungsgemäß gegenüber dem zweiten Tastverhältnis (TV2) zu einer geringeren mittleren Leistungsaufnahme in dem Hochsetzsteller (7).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem sowie ein Verfahren zur Beschränkung eines Abschaltstromes bei einer Inbetriebnahme eines Hochsetzstellers in einem Zündsystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung den Schutz elektronischer Bauteile in einem solchen Zündsystem.
Im Stand der Technik sind Zündsysteme bekannt, mittels welchen brennfähiges Gemisch in fremdgezündeten Brennkraftmaschinen entzündet wird, indem über ein induktives System elektrische Energie für einen Hochspannungsdurchschlag an eine Funkenstrecke innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine geführt wird. Die Zündfunkenentladung entflammt das innerhalb der Brennkammer befindliche Gemisch. Bekannt sind insbesondere induktive Zündsysteme, bei welchen der Übertrager im Wesentlichen zwei Funktionen vereint. Einerseits wird eine Hochspannung bereitgestellt, um den Hochspannungsdurchschlag der Funkenstrecke zu ermöglichen, und andererseits Energie an den entstandenen Funken zur fortwährenden Gemischentflammung abzugeben. Hierzu wird häufig ein gescherter ferromagnetischer Eisenkreis mit Primär- und Sekundärwicklung verwendet. In einer früheren Anmeldung der Anmelderin wurden zwei Hauptfunktionen des Zündsystems durch unterschiedliche Baugruppen übernommen, bei welchen der Übertrager als Primärspannungserzeuger um einen Bypass erweitert wird, der die Aufgabe hat, den entstandenen Zündfunken mit elektrischer Energie zu versorgen. Bei der Aufteilung der oben genannten Funktionen auf den Primärspannungserzeuger und den Bypass können die Bauteile des Übertragers deutlich kleiner dimensioniert werden, da die vom Übertrager zu speichernde Energie deutlich geringer ausfällt. Der Bypass kann einen Hochsetzsteller umfassen bzw. im Wesentlichen durch einen Hochsetzsteller gebildet werden. In der Literatur wird hinsichtlich des Hochsetzstellerbetriebs lediglich auf den stationären Betrieb Bezug genommen. Auf das Einschalten und etwaige Probleme in diesem Betriebszustand wird im Stand der Technik nicht eingegangen. Im Gegenteil wird lediglich auf den stationären Betrieb verwiesen und die Inbetriebnahme des Hochsetzstellers mit seinem stationären Betrieb gleichgesetzt. Die Erfinder der vorliegenden Vorrichtung haben herausgefunden, dass kritische Betriebszustände bei der Inbetriebnahme eines Hochsetzstellers in einem Zündsystem entstehen können bzw. bestehendes Optimierungspotenzial bislang nicht ausgeschöpft wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie ein Zündsystem gelöst. Mittels der vorliegenden Erfindung wird eine Stromüberhöhung im Übertrager des Hochsetzstellers sowie in dessen Peripheriebauteilen verhindert. Im Zuge dessen wird auch eine elektrische Überlastung elektronischer Bauteile im Zündsystem verhindert. Hierzu wird ein Verfahren vorgeschlagen, mittels welchem der Abschaltstrom des primärseitigen Stroms bei einer Inbetriebnahme eines Hochsetzstellers in einem Zündsystem für eine Brennkraftmaschine beschränkt werden kann. Der Abschaltstrom tritt insbesondere in dem Moment auf, in welchem ein eingangsseitiger Stromfluss in den Hochsetzsteller unterbrochen wird. Die gespeicherte Energie des Hochsetzstellers wird über ausgangsseitige Dioden der Funkenstrecke bzw. den Ausgangskapazitäten zugeführt. Das nach dem primärseitigen Abschalten des Hochsetzstellers zusammenfallende elektromagnetische Feld treibt in diesem Moment einen sekundärseitigen Stromfluss, der zum Laden der Kapazität verwendet wird. Unzulässig hohe Ströme würden bei dieser Verfahrensweise Gefahr für die Funktionssicherheit des Zündsystems und seine Bauelemente bedeuten. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den Hochsetzsteller mit einem ersten Tastverhältnis in einem ersten Betriebszustand zu betreiben, den Hochsetzsteller mit einem zweiten Tastverhältnis in einem zweiten Betriebszustand zu betreiben, wobei das erste Tastverhältnis gegenüber dem zweiten Tastverhältnis zu einer geringeren mittleren Leistungsaufnahme in dem Hochsetzsteller führt. Unter einem "Tastverhältnis" sei im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Quotient aus Einschaltdauer gegenüber einem gesamten Bilanzierungszeitraum von Einschaltdauer und Ausschaltdauer verstanden. Mit anderen Worten wird die mittlere Einschaltdauer des Hochsetzstellers angepasst, um den Abschaltstrom zu beschränken. Da ein Hochsetzsteller mehrere Ein-/Ausschaltzyklen benötigt, bis die Spannung an dem Ausgangskondensator einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat, fließen bis zum Erreichen des eingeschwungenen Zustands in Abhängigkeit der Betriebsweise des Hochsetzstellers mitunter unzulässig hohe Ströme. Eine schnellstmögliche Aufladung des ausgangsseitigen Kondensators ist indes wichtig für die Funktion des Zündsystems. Dies wird durch einen maximal hohen Duty-Cycle (Puls-Pause-Verhältnis oder Tastverhältnis) erreicht. Bei jedem Ein-/Ausschaltzyklus wird die in der Induktivität gespeicherte Energie in den Kondensator umgeladen. Die Induktivität wird durch einen ferromagnetischen Magnetkreis dargestellt. Für den stationären Betrieb wird das maximale Tastverhältnis so gewählt, dass das Material unterhalb der magnetischen Sättigung ausgesteuert wird. Hierzu wird erfindungsgemäß das Tastverhältnis im Verlaufe der Zeit während der Inbetriebnahme des Hochsetzstellers angepasst. Während der Inbetriebnahme des Hochsetzstellers ist die Hochspannungskapazität noch entladen. Bei maximalem Tastverhältnis (für den stationären Betrieb) kann die gesamte Energie der Induktivität nicht vollständig umgeladen werden. Die Restenergie führt dabei dazu, dass beim nächsten Ladezyklus der Abschaltstrom einen höheren Wert annimmt und somit die magnetische Sättigung bzw. der maximal zulässige Abschaltstrom überschritten würde, sofern nicht von der erfindungsgemäßen Betriebsweise Gebrauch gemacht wird. Auf diese Weise können Stromüberhöhungen verhindert und eine schnelle Aufladung der Ausgangskondensatoren gewährleistet werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt liegt der zweite Betriebszustand in einem im Wesentlichen eingeschwungenen Betriebsbereich des Hochsetzstellers. Mit anderen Worten liegt der erste Betriebszustand einer Inbetriebnahme des Hochsetzstellers zeitlich näher als der zweite Betriebszustand. Die im ersten Betriebszustand erfindungsgemäß geringere Leistungsaufnahme gewährleistet eine stabile Inbetriebnahme und eine Beschränkung des Abschaltstromes.
Bevorzugt weisen das erste Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis denselben Takt auf. Mit anderen Worten wird die Schaltfrequenz nicht verändert, wenn zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand das Tastverhältnis geändert wird. Dies ermöglicht eine einfache Ansteuerung mit vorgegebenem Takt und kostengünstiger Realisierung des Taktgebers.
Alternativ kann das Tastverhältnis konstant gehalten werden und die Inbetriebnahme des Hochsetzstellers über die Änderung des Taktes (Frequenz) erfolgen. Dabei wird die Frequenz in geeigneten Schritten bis zum zweiten Betriebszustand reduziert.
Zur Anpassung der mittleren Leistungsaufnahme kann das erste Tastverhältnis eine kürzere mittlere "Ein"-Dauer aufweisen, als das zweite Tastverhältnis. dies kann beispielsweise durch eine im ersten Betriebszustand gegenüber dem zweiten Betriebszustand spätere steigende Flanke und/oder eine frühere fallende Flanke des Steuersignals für den Hochsetzsteller realisiert werden. Eine stufenlose Anpassung des Tastverhältnisses ermöglicht dabei eine besonders exakte Dosierung der Leistungsaufnahme des Hochsetzstellers, was zu einer schnellstmöglichen Betriebsbereitschaft bei maximaler Betriebssicherheit des Hochsetzstellers führt.
Der Takt zur Ansteuerung des Hochsetzstellers kann beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 40 kHz und 60 kHz, liegen. Im vorgenannten Frequenzbereich ist eine geeignete Dimensionierung der Bauelemente des Hochsetzstellers möglich, ohne dass die Schaltverluste zu stark ansteigen.
Selbstverständlich können mehrere Betriebszustände nacheinander realisiert werden, bis der Hochsetzsteller von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand überführt wird. Beispielsweise kann dabei der erste Betriebszustand in einem Zeitbereich zwischen 0 µs bis 50 µs nach der Inbetriebnahme währen und in ihm ein Tastverhältnis zwischen 40% und 70%, insbesondere zwischen 55% und 65%, realisiert werden. Ein sich an den ersten Betriebszustand anschließender dritter Betriebszustand kann beispielsweise von 50 µs bis 100 µs nach der Inbetriebnahme des Hochsetzstellers währen und ein Tastverhältnis zwischen 50% und 80%, insbesondere zwischen 65% und 75%, realisieren. Ein sich an den dritten Betriebszustand anschließender vierter Betriebszustand kann beispielsweise von 100 µs bis 150 µs nach der Inbetriebnahme währen und ein Tastverhältnis zwischen 60% und 90%, insbesondere zwischen 75% und 85%, aufweisen. Der zweite Betriebszustand kann sich beispielsweise an den vierten Betriebszustand anschließen und von 150 µs bis 200 µs nach der Inbetriebnahme währen. Erfindungsgemäß weist er das höchste Tastverhältnis auf, welches beispielsweise zwischen 70% und 100%, insbesondere zwischen 80% und 90%, liegt. Die vorstehend genannte Einteilung in vier unterschiedliche Betriebszustände ist lediglich beispielhaft zu verstehen und eine stufenlose Anpassung des Tastverhältnisses wäre ebenfalls möglich. Eine alternative Möglichkeit, das Tastverhältnis in einem zweiten Betriebszustand festzulegen, besteht darin, zunächst den Abschaltstrom des Hochsetzstellers zu ermitteln und in Abhängigkeit des Ergebnisses ein geeignetes zweites Tastverhältnis zu bestimmen. Die Ermittlung kann beispielsweise ein Messen des Stromes oder ein Empfangen einer Größe umfassen, welche Rückschlüsse auf einen aktuellen Abschaltstrom zulässt. Auf diese Weise kann eine situationsgerechte Anpassung des Tastverhältnisses erfolgen, ohne auf gespeicherte Referenzwerte zurückgreifen zu müssen. Mit anderen Worten kann Speicherplatz durch eine aktuelle Ermittlung eingespart werden.
Vorteilhaft ist, wenn das Tastverhältnis ausgehend vom ersten Tastverhältnis über mehrere Schaltzyklen des Schalters hinweg stufenförmig bis zum Erreichen des zweiten Tastverhältnisses erhöht wird, da auf diese Weise die Leistungsaufnahme des Hochsetzstellers allmählich erhöht wird, so dass keine anfänglichen Überhöhungen des Abschaltstromes auftreten und der Abschaltstrom I_HSS auf einen zulässigen Bereich beschränkt wird. Dabei ist jedem Betriebszustand oder jedem vorbestimmten Zeitintervall ein vorbestimmtes Tastverhältnis zugeordnet, das in einem Speicher der Steuerung abgelegt ist.
Das Zündsystem für eine Brennkraftmaschine, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen, umfasst eine Funkenstrecke zur Führung eines Zündfunkens. Weiter ist ein Hochsetzsteller zur Versorgung eines Zündfunkens in der Funkenstrecke mit elektrischer Energie vorgesehen, welcher beispielsweise einen Primärspannungserzeuger zur Erzeugung des Zündfunkens ergänzen kann. Schließlich ist eine Verarbeitungseinheit vorgesehen, durch welche das Zündsystem eingerichtet ist, ein Verfahren auszuführen, wie es in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt eingehend beschrieben worden ist. Zusätzlich kann ein Speichermittel vorgesehen sein, in welchem Referenzwerte für Tastverhältnisse in unterschiedlichen Betriebszuständen abgespeichert sind. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Speichermittel eine Vielzahl von Grenzwerten für ermittelte Abschaltströme gespeichert sein, welchen jeweilige Tastverhältnisse zugeordnet sind. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Weiter bevorzugt kann das erfindungsgemäße Zündsystem Mittel zum Ermitteln eines Abschaltstromes des Hochsetzstellers umfassen. Mit anderen Worten können Messmittel oder Anschlüsse an eine Signalinfrastruktur vorhanden sein, durch welche das erfindungsgemäße Zündsystem Informationen über einen aktuellen Abschaltstrom erhalten und verwenden kann. Die erhaltenen Informationen können beispielsweise die Verarbeitungseinheit veranlassen, ein erstes Tastverhältnis im Ansprechen auf einen vordefinierten Abschaltstrom in ein zweites Tastverhältnis zu ändern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
2 Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen, wie sie beim Betrieb des in 1 dargestellten Zündsystems auftreten können;
3 eine stark vereinfachte Schaltung eines Ausführungsbeispiels eines Hochsetzstellers;
4 Zeitdiagramme elektrischer Größen innerhalb der in 3 dargestellten Schaltung;
5 eine alternative Darstellung der elektrischen Größen innerhalb der in 3 dargestellten Schaltung;
6 eine Detailansicht eines Zeitdiagramms zweier erster Schaltvorgänge eines Hochsetzstellers und sich im Ansprechen darauf ergebende elektrische Größen der Schaltung nach 3;
7 ein Zeitdiagramm eines erfindungsgemäß variierten Tastverhältnisses eines Ansteuersignals und ein resultierender Strom eines Hochsetzstellers; und
8 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Schaltung eines Zündsystems 1, welches einen Aufwärtstransformator 2 mit einer Primärspule 8 und einer Sekundärspule 9 als Hochspannungserzeuger umfasst, dessen Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Am Eingang der Schaltung, mit anderen Worten also am Anschluss zur elektrischen Energiequelle 5, ist eine Sicherung 26 vorgesehen. Zur Stabilisierung der Eingangsspannung ist darüber hinaus eine Kapazität 17 parallel zum Eingang der Schaltung bzw. parallel zur elektrischen Energiequelle 5 vorgesehen. Die Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 wird über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 mit elektrischer Energie versorgt und weist eine aus dem Stand der Technik bekannte Diode 23 zur Einschaltfunkenunterdrückung auf, wobei diese Diode alternativ durch die Diode 21 ersetzt werden kann. In einer Masche mit der Sekundärspule 9 und der Diode 23 ist eine Funkenstrecke 6 gegen eine elektrische Masse 14 vorgesehen, über welche der Zündstrom i₂ das brennfähige Gasgemisch entflammen soll.
Zusätzlich ist ein Bypass mit einem Hochsetzsteller 7 zwischen der elektrischen Energiequelle 5 und der Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 vorgesehen. Der Hochsetzsteller 7 umfasst eine Induktivität 15, einen Schalter 27, eine Kapazität 10 und eine Diode 16. In dem Hochsetzsteller 7 ist die Induktivität 15 in Form eines Transformators mit einer Primärseite 15_1 und einer Sekundärseite 15_2 vorgesehen. Die Induktivität 15 dient hierbei als Energiespeicher, um einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Zwei erste Anschlüsse der Primärseite 15_1 und der Sekundärseite 15_2 des Transformators sind jeweils mit der elektrischen Energiequelle 5 bzw. der Sicherung 26 verbunden. Dabei ist ein zweiter Anschluss der Primärseite 15_1 über einen Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Sekundärseite 15_2 des Transformators ist ohne Schalter direkt mit einer Diode 16 verbunden, die wiederum über einen Knotenpunkt mit einem Anschluss einer Kapazität 10 verbunden ist. Dieser Anschluss der Kapazität 10 ist mit der Sekundärspule 9 und ein anderer Anschluss der Kapazität 10 ist mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Die Ausgangsleistung des Hochsetzstellers wird über den Knotenpunkt an der Diode 16 in das Zündsystem eingespeist und der Funkenstrecke 6 zur Verfügung gestellt.
Die Diode 16 ist in Richtung der Kapazität 10 leitfähig orientiert. Aufgrund des Übertragungsverhältnisses wirkt ein Schaltvorgang durch den Schalter 27 im Zweig der Primärseite 15_1 auch auf der Sekundärseite 15_2. Da jedoch Strom und Spannung gemäß dem Übersetzungsverhältnis auf der einen Seite höher bzw. niedriger als auf der anderen Seite des Transformators sind, lassen sich für Schaltvorgänge günstigere Dimensionierungen für den Schalter 27 finden. Beispielsweise können geringere Schaltspannungen realisiert werden, wodurch die Dimensionierung des Schalters 27 einfacher und kostengünstiger möglich ist. Gesteuert wird der Schalter 27 über eine Ansteuerung 24, welche über einen Treiber 25 mit dem Schalter 27 verbunden ist. Zwischen der Kapazität 10 und der Sekundärspule 9 ist ein Shunt 19 als Strommessmittel oder Spannungsmessmittel vorgesehen, dessen Messsignal dem Schalter 27 zugeführt wird. Auf diese Weise ist der Schalter 27 eingerichtet, auf einen definierten Bereich der Stromstärke i₂ durch die Sekundärspule 9 zu reagieren. Zur Absicherung der Kapazität 10 ist eine Zenerdiode 21 in Sperrrichtung parallel zur Kapazität 10 geschaltet. Überdies erhält die Ansteuerung 24 ein Steuersignal S_HSS. Über dieses kann die Einspeisung von Energie über den Hochsetzsteller 7 in die Sekundärseite ein- und ausgeschaltet werden. Dabei kann auch die Leistung der durch den Hochsetzsteller bzw. in die Funkenstrecke eingebrachten elektrischen Größe, insbesondere über die Frequenz und/oder das Puls-Pause-Verhältnis über ein geeignetes Steuersignal S_HSS gesteuert werden. Des Weiteren ist ein Schaltsignal 32 angedeutet, mittels dessen der Schalter 27 über den Treiber 25 angesteuert werden kann. Bei geschlossenem Schalter 27 wird die Induktivität 15 über die elektrische Energiequelle 5 mit einem Strom versorgt, welcher bei geschlossenem Schalter 27 unmittelbar in die elektrische Masse 14 fließt. Bei offenem Schalter 27 wird der Strom durch die Induktivität 15 über die Diode 16 auf den Kondensator 10 geleitet. Die sich im Ansprechen auf den Strom im Kondensator 10 einstellende Spannung addiert sich zu der über der Sekundärspule 9 des Aufwärtstransformators 2 abfallenden Spannung, wodurch der Lichtbogen an der Funkenstrecke 6 gestützt wird. Dabei entlädt sich jedoch der Kondensator 10, so dass durch Schließen des Schalters 27 Energie in das magnetische Feld der Induktivität 15 gebracht werden kann, um bei einem erneuten Öffnen des Schalters 27 diese Energie wieder auf den Kondensator 10 zu laden. Erkennbar wird die Ansteuerung 31 des in der Primärseite 3 vorgesehenen Schalters 30 deutlich kürzer gehalten, als dies durch das Schaltsignal 32 für den Schalter 27 der Fall ist. Optional kann ein nichtlinearer Zweipol, durch eine gestrichelt dargestellte Hochspannungsdiode 33 symbolisiert, der sekundärseitigen Spule 9 des Hochsetzstellers parallel geschaltet werden. Diese Hochspannungsdiode 33 überbrückt den Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den Hochsetzsteller 7 gelieferte Energie direkt an die Funkenstrecke 6 geführt wird, ohne durch die Sekundärspule 9 des Hochspannungserzeugers 2 geführt zu werden. Somit entstehen keine Verluste über der Sekundärspule 9 und der Wirkungsgrad steigt. Eine erfindungsgemäße Beschränkung des Abschaltstromes bei der Inbetriebnahme des Hochsetzstellers ist im dargestellten Beispiel durch eine informationstechnische Anbindung der elektronischen Steuereinheit 42 möglich. Die elektronische Steuereinheit 42 ist weiter an einen Speicher 41 angebunden, aus welchem Referenzen in Form von Zeitfenstern gemessen ab einer Inbetriebnahme des Hochsetzstellers entsprechend zu verwendenden Tastverhältnissen ausgelesen werden können. Die elektronische Steuereinheit 42 ist zur Beeinflussung der Leistungsaufnahme des Hochsetzstellers eingerichtet, die Ansteuerung 24 mit einem bedarfsgemäß modifizierten Steuersignal S_HSS zu versorgen, im Ansprechen auf welches der Treiber 25 den Schalter 27 mit einem geänderten Schaltsignal 32 versorgt. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 42 den Hochsetzsteller im Ansprechen auf den Erhalt des geänderten Schaltsignals 32 in einem ersten Betriebszustand zu einer verringerten Leistungsaufnahme und in einem zweiten, auf den ersten Betriebszustand folgenden Betriebszustand, zu einer erhöhten Leistungsaufnahme veranlassen.
Die Kapazität 10 des Zündsystems wird mittels der Induktivität 15 des Hochsetzstellers 7 in mehreren Schaltzyklen durch pulsförmige Ansteuerung des Schalters 27 des Hochsetzstellers 7 elektrisch geladen. Die Schaltzyklen innerhalb der einzelnen Betriebszustände weisen jeweils ein vorbestimmtes Tastverhältnis TV1, TV2, TV3, TV4 auf, wobei ein Betriebszustand beispielsweise jeweils einem vorbestimmten Zeitintervall entspricht, das jeweils auf einen Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers 7 rückbezogen ist. Jedem Betriebszustand oder vorbestimmten Zeitintervallen ist also jeweils ein vorbestimmtes, in einem Speicher abgelegtes Tastverhältnis TV1, TV2, TV3, TV4 zugeordnet.
Der Schalter 27 des Hochsetzstellers 7 wird in einem Schaltzyklus jeweils einmal ein- und ausgeschaltet, wobei während einer Einschaltdauer des Schalters 27 Energie im magnetischen Feld der Induktivität 15 gespeichert wird und diese gespeicherte Energie während einer Ausschaltdauer des Schalters 27 auf die Kapazität 10 geladen wird. Dabei entspricht in einem Schaltzyklus das Verhältnis von Einschaltdauer zu der Summe von Einschaltdauer und Ausschaltdauer dem Tastverhältnis TV1, TV2, TV3, TV4.
2 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom i_ZS, b) den zugehörigen Bypassstrom durch den Hochsetzsteller i_HSS, c) die ausgangsseitige Spannung über der Funkenstrecke 6, d) den Sekundärspulenstrom i₂ für das in 1 dargestellte Zündsystem ohne (501) und mit (502) Verwendung des Hochsetzstellers 7, e) das Schaltsignal 31 des Schalters 30 und f) das Schaltsignal 32 des Schalters 27. Im Detail: Diagramm a) zeigt einen kurzen und steilen Anstieg des Primärspulenstroms i_ZS, welcher sich während derjenigen Zeit einstellt, in welcher sich der Schalter 30 im leitenden Zustand („ON“, siehe Diagramm 3e) befindet. Mit Ausschalten des Schalters 30 fällt auch der Primärspulenstrom i_ZS auf 0 A ab. Diagramm b) veranschaulicht überdies die Stromaufnahme des Hochsetzstellers 7, welche durch eine pulsförmige Ansteuerung des Schalters 27 zustande kommt. In der Praxis haben sich als Schaltfrequenz Taktraten im Bereich mehrerer zehn kHz bewährt, um einerseits entsprechende Spannungen und andererseits akzeptable Wirkungsgrade zu realisieren. Beispielhaft seien die ganzzahligen Vielfachen von 10000 Hz im Bereich zwischen 10 und 100 kHz als mögliche Bereichsgrenzen genannt. Zur Regelung der vom Hochsetzsteller aufgenommenen elektrischen Leistung empfiehlt sich dabei eine, insbesondere stufenlose, Regelung des Puls-Pause-Verhältnisses des Signals 32. Diagramm c) zeigt den Verlauf 34 der sich beim erfindungsgemäßen Betrieb an der Funkenstrecke 6 einstellenden Spannung. Diagramm d) zeigt die Verläufe des Sekundärspulenstroms i₂. Sobald sich der Primärspulenstrom i_ZS aufgrund eines Öffnens des Schalters 30 zu 0 A ergibt und sich damit die im Aufwärtstransformator gespeicherte magnetische Energie in Form eines Lichtbogens über der Funkenstrecke 6 entlädt, stellt sich ein Sekundärspulenstrom i₂ ein, der ohne Hochsetzsteller (501) rasch gegen 0 abfällt. Im Gegensatz hierzu wird durch eine pulsförmige Ansteuerung (siehe Diagramm f, Schaltsignal 32) des Schalters 27 ein im Wesentlichen konstanter Sekundärspulenstrom i₂ (502) über die Funkenstrecke 6 getrieben, wobei der Sekundärstrom i₂ von der Brennspannung an der Funkenstrecke 6 abhängt und hier der Einfachheit halber von einer konstanten Brennspannung ausgegangen wird. Erst nach Öffnen des Schalters 27 fällt nun auch der Sekundärspulenstrom i₂ gegen 0 A ab. Aus Diagramm d) ist erkennbar, dass die abfallende Flanke durch die Verwendung des Hochsetzstellers 7 verzögert wird. Die gesamte Zeitdauer, während welcher der Hochsetzsteller 7 verwendet wird, ist als t_HSS und die Zeitdauer, während welcher Energie primärseitig in den Aufwärtstransformator 2 gegeben wird, als t_i gekennzeichnet. Der Startzeitpunkt von t_HSS gegenüber t_i kann während dieser Zeitdauer ebenso wie das Tastverhältnis des Schalters 27 variabel gewählt werden. Zudem ist es auch möglich, durch einen (nicht-dargestellten) zusätzlichen DC-DC-Wandler die von der elektrischen Energiequelle gelieferte Spannung zu erhöhen, bevor diese im Hochsetzsteller 7 weiter verarbeitet wird. Es sei zur Kenntnis genommen, dass konkrete Auslegungen von vielen schaltungsinhärenten und externen Randbedingungen abhängen. Es stellt den befassten Fachmann vor keine unzumutbaren Probleme, die für seinen Zweck und die von ihm zu berücksichtigenden Randbedingungen geeigneten Dimensionierungen selbst vorzunehmen.
3 zeigt ein Schaltbild eines stark vereinfachten Ausführungsbeispiels eines Hochsetzstellers 7, welcher einen Übertrager 15 mit einer ersten Induktivität 15_1 und einer zweiten Induktivität 15_2 umfasst. Die erste Induktivität 15_1 ist in einer Masche mit einem Schalter 27 angeordnet, welcher durch ein Schaltsignal 32 angesteuert wird. Bei geschlossenem Schalter 27 fließt aufgrund einer Spannung U ein Strom I_HSS. Der Strom I_HSS führt zu einer im Magnetfeld des Übertragers 15 gespeicherten Energie, welche sich beim Öffnen des Schalters 27 sekundärseitig durch ein Laden einer ausgangsseitigen Kapazität 10 äußert. Ein Entladen der Kapazität 10 über die sekundärseitige Induktivität 15_2 wird durch eine Diode 16 zwischen der Kapazität 10 und der sekundärseitigen Induktivität 15_2 verhindert. Über der Kapazität 10 fällt eine ausgangsseitige Spannung U_C ab, welche mit der Anzahl erfolgter Schaltvorgänge des Schalters 27 nach der Inbetriebnahme des Hochsetzstellers 7 ansteigt. Zwischen der Diode 16 bzw. der Kapazität 10 und der elektrischen Masse 14 ist eine Funkenstrecke 6 angeordnet.
4 zeigt ein Zeitdiagramm des Schaltsignals 32 des Schalters 27, des Hochsetzstellerstromes I_HSS sowie der ausgangsseitigen Spannung U_C über der ausgangsseitigen Kapazität 10 des Hochsetzstellers 7 (siehe 3). Das Schaltsignal 32 ist als Rechtecksignal zwischen 0 V und ca. 12 V mit einem Tastverhältnis von ca. 80% dargestellt. Eine Strichpunktmarkierung definiert den maximalen Wert I_max für den Hochsetzstellerstrom I_HSS, der bereits nach einem ersten Schaltzyklus I in einem zweiten Schaltzyklus II den Maximalwert I_max um ca. 17 A übersteigt. In einem dritten Schaltzyklus III übersteigt der Hochsetzstellerstrom I_HSS den Maximalwert I_max sogar um ca. 19 A. Erst in späteren Betriebszuständen (nicht separat bezeichnet) ist die Spannung U_C der Kapazität 10 so weit angestiegen, dass der Strom des Hochsetzstellers I_HSS abklingende Spitzenwerte annimmt und ab einem sechsten Schaltzyklus den Wert I_max einhält. Die Spannung U_C steigt indes (immer langsamer) weiter. Gegen Ende des dargestellten Zeitintervalls erreicht sie Werte bis ca. 575 V.
5 zeigt ein alternatives Zeitdiagramm der elektrischen Größen des Schaltsignals 32 sowie des eingangsseitigen (primärseitigen) Stromes I_HSS durch den Hochsetzsteller 7. Die Gatespannung U_G stellt die Ansteuerspannung für den Schalter 27 des Hochsetzstellers 7 dar. Während in einem ersten Schaltvorgang I der Strom I_HSS den Spitzenwert im eingeschwungenen Zustand nicht einmal erreicht, übersteigt der Wert des Stromes I_HSS im zweiten und dritten Betriebszustand II, III ganz erheblich. Dieses Phänomen ist auf ein konstantes Tastverhältnis des Schaltsignals 32 gemäß dem Stand der Technik zurückzuführen.
6 zeigt ein Zeitdiagramm der zwei ersten Schaltvorgänge I, II des Schaltsignals 32 in einer Detailansicht, aus welcher der Einfluss eines bereits fließenden Stromes I_HSS zu Beginn des zweiten Schaltvorgangs II ersichtlich wird. Der Strom steigt nach dem Einschalten unabhängig von der Spannung U_c am Kondensator entsprechend der Ladefunktion der Induktivität (Spannung, Widerstand, stromabhängige Induktivität) an, wobei der Offset des Stromwertes zum Einschaltzeitpunkt mit der gespeicherten Energie korreliert, die aufgrund der zu geringen Umladungszeit beim vorherigen Schaltzyklus nicht von der Induktivität zu der Kapazität übertragen werden konnte. Im Ergebnis übersteigt er einen (nicht dargestellten Maximalstrom I_max) so erheblich, dass die primärseitige Isolation des Übertragers 15 sowie die Funktionsfestigkeit des Schalters 27 erheblich gefährdet werden. Beim Übertrager 15 kann eine in Mitleidenschaft gezogene Isolation der primärseitigen Wicklungen zu Kurzschlüssen führen. Hotspots innerhalb eines als IGBT ausgeführten Schalters 27 können zu einer dauerhaften Leitfähigkeit unter Verlust der Schaltfähigkeit des Schalters 27 führen. Der Bereich, in welchem die Überlagerung eines Stromanfangswertes, der mit der gespeicherten Energie des vorhergegangenen Schaltzyklus korreliert, und eines neuen zweiten Schaltvorgangs II besonders gut erkennbar ist, ist als vierter Bereich IV umrandet hervorgehoben.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Anpassung des Tastverhältnisses in unterschiedlichen Betriebszuständen eines erfindungsgemäßen Hochsetzstellers 7. Hierzu wird in einem ersten Zeitbereich ein erstes Tastverhältnis TV1 für das Schaltsignal 32 gewählt. In einem auf den ersten Betriebszustand folgenden dritten Betriebszustand wird ein drittes Tastverhältnis TV3 für das Schaltsignal 32 gewählt, welches größer als das erste Tastverhältnis ist. Im Anschluss an den dritten Betriebszustand wird das dritte Tastverhältnis TV3 auf ein viertes Tastverhältnis TV4 erhöht. Im Anschluss an den vierten Betriebszustand wird das vierte Tastverhältnis TV4 auf ein zweites Tastverhältnis TV2 erhöht. Dieses weist ungefähr eine 90%-ige "Ein"-Dauer auf. Im unteren Bereich des Diagramms ist ein moderat und ohne unzulässige Stromspitzen ansteigender primärseitiger Strom I_HSS erkennbar. Im Wesentlichen bei Erreichen des zweiten Betriebszustandes mit einem zweiten Tastverhältnis TV2 ist der Strom I_HSS eingeschwungen. Primärseitige Beschädigungen des Hochsetzstellers bzw. seiner Komponenten können so effektiv vermieden werden.
8 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 wird der Hochsetzsteller eines Zündsystems mit einem ersten Tastverhältnis in einem ersten Betriebszustand nach seiner Inbetriebnahme betrieben. Anschließend wird in Schritt 200 der Hochsetzsteller mit einem zweiten Tastverhältnis in einem zweiten Betriebszustand betrieben. Da das erste Tastverhältnis eine geringere "Ein"-Dauer aufweist als das zweite Tastverhältnis, wird die Leistungsaufnahme des Hochsetzstellers allmählich erhöht, so dass keine anfänglichen Überhöhungen des Abschaltstromes auftreten und der Abschaltstrom I_HSS auf einen zulässigen Bereich beschränkt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Tastverhältnis TV1, TV2, TV3, TV4 in dem Schritt 200 ausgehend von dem ersten Tastverhältnis TV1 über mehrere Schaltzyklen hinweg stufenförmig bis zum Erreichen des zweiten Tastverhältnisses TV2 erhöht. Das erste Tastverhältnis TV1 ist also kleiner als das zweite Tastverhältnis TV2 und weist auch eine kürzere mittlere Einschaltdauer als dieses auf.
Es kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, das dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Dabei ist das Computerprogramm auf einem Speichermedium gespeichert. Alternativ zu dem Computerprogramm kann das erfindungsgemäße Verfahren von einem im Zündsystem vorgesehenen elektrischen Schaltkreis, einer analogen Schaltung, einem ASIC oder einem Mikrocontroller gesteuert werden, der dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zur Beschränkung eines Abschaltstromes (I_HSS) bei einer Inbetriebnahme eines Hochsetzstellers (7) in einem Zündsystem für eine Brennkraftmaschine umfassend die Schritte: – Betreiben (100) des Hochsetzstellers (7) mit einem ersten Tastverhältnis (TV1) in einem ersten Betriebszustand, – Betreiben (100) des Hochsetzstellers (7) mit einem zweiten Tastverhältnis (TV2) in einem zweiten Betriebszustand, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Tastverhältnis (TV1) gegenüber dem zweiten Tastverhältnis (TV2) zu einer geringeren mittleren Leistungsaufnahme in dem Hochsetzsteller (7) führt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Betriebszustand (II) in einem im Wesentlichen eingeschwungenen Betriebszustand des Hochsetzstellers (7) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Tastverhältnis (TV1) und das zweite Tastverhältnis (TV2) denselben Takt aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich eine Arbeitsfrequenz des Hochsetzstellers zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Tastverhältnis (TV1) eine kürzere mittlere „Ein“-Dauer aufweist als das zweite Tastverhältnis (TV2).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Tastverhältnis (TV1) durch eine gegenüber dem zweiten Tastverhältnis (TV2) – spätere steigende Flanke und/oder – frühere fallende Flanke realisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Takt zur Ansteuerung des Hochsetzstellers (7) mit dem ersten Tastverhältnis (TV1) oder dem zweiten Tastverhältnis (TV2) in einem Bereich zwischen 20 kHz und 100 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60kHz, liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – in dem ersten Betriebszustand von 0 µs bis 50 µs nach der Inbetriebnahme ein Tastverhältnis (TV1) zwischen 40 % und 70 %, insbesondere zwischen 55% und 65%, und/oder – in einem dritten Betriebszustand von 50 µs bis 100 µs nach der Inbetriebnahme ein Tastverhältnis (TV3) zwischen 50 % und 80 %, insbesondere zwischen 65% und 75%, und/oder – in einem vierten Betriebszustand von 100 µs bis 150 µs nach der Inbetriebnahme ein Tastverhältnis (TV4) zwischen 60 % und 90 %, insbesondere zwischen 75% und 85%, und/oder – in dem zweiten Betriebszustand von 150 µs bis 200 µs nach der Inbetriebnahme ein Tastverhältnis (TV2) zwischen 70 % und 100 %, insbesondere zwischen 80% und 90% gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abschaltstrom des Hochsetzstellers (7) ermittelt wird und in Abhängigkeit des Ergebnisses der Ermittlung das zweite Tastverhältnis (TV2) des zweiten Betriebszustandes festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Kapazität (10) des Zündsystems mittels einer Induktivität (15) des Hochsetzstellers (7) in mehreren Schaltzyklen durch pulsförmige Ansteuerung eines Schalters (27) des Hochsetzstellers (7) elektrisch geladen wird, wobei die Schaltzyklen in den einzelnen Betriebszuständen jeweils ein vorbestimmtes Tastverhältnis (TV1, TV2, TV3, TV4) aufweisen, wobei ein Betriebszustand jeweils einem vorbestimmten, auf einen Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers bezogenen Zeitintervall entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schalter (27) des Hochsetzstellers (7) in einem Schaltzyklus jeweils einmal ein- und ausgeschaltet wird, wobei während einer Einschaltdauer des Schalters (27) Energie im magnetischen Feld der Induktivität (15) gespeichert und diese gespeicherte Energie während einer Ausschaltdauer des Schalters (27) auf die Kapazität (10) geladen wird, wobei in einem Schaltzyklus das Verhältnis von Einschaltdauer zu der Summe von Einschaltdauer und Ausschaltdauer dem Tastverhältnis (TV1, TV2, TV3, TV4) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Tastverhältnis (TV1) im ersten Betriebszustand kleiner ist als das zweite Tastverhältnis (TV2) im zweiten Betriebszustand.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Tastverhältnis (TV1, TV2, TV3, TV4) ausgehend vom ersten Tastverhältnis (TV1) stufenförmig über mehrere Schaltzyklen bis zum Erreichen des zweiten Tastverhältnisses (TV2) erhöht wird.
Computerprogramm, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
Zündsystem, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.