DE102014216013A1

DE102014216013A1 - Zündsystem und Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems

Info

Publication number: DE102014216013A1
Application number: DE102014216013.8A
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: US20160348633A1; WO2015071062A1; BR112016010939A2; CN105705777A; EP3069010A1; US9850875B2; CN105705777B

Abstract

Es werden ein Zündsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine umfassend einen Primärspannungserzeuger und einen Hochsetzsteller zum Erzeugen eines Zündfunkens vorgeschlagen. Erfindungsgemäß folgt einem Ermitteln eines Spannungsbedarfes für den Zündfunken ein Verändern eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers relativ zu einem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen ersten Spannungserzeuger („Primärspannungserzeuger“) und einen Hochsetzsteller. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Zündsystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Anpassung des Hochspannungsangebotes zur Erzeugung eines Zündfunkens mittels des Hochsetzstellers.
Zündsysteme werden im Stand der Technik verwendet, um zündfähiges Gemisch in einer Brennkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu entzünden. Hierzu wird eine Zündfunkenstrecke mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischer Spannung beaufschlagt, im Ansprechen worauf der sich ausbildende Zündfunke das brennfähige Gemisch im Brennraum entzündet. Die Hauptanforderungen an moderne Zündsysteme ergeben sich indirekt aus notwendigen Emissions- und Kraftstoffreduzierungen. Aus entsprechenden motorischen Lösungsansätzen, wie Hochaufladung und Mager-/Schichtbetrieb (strahlgeführte Direkteinspritzung) in Kombination mit erhöhten Abgasrückführraten (AGR), leiten sich Anforderungen an die Zündsysteme ab. Die Darstellung erhöhter Zündspannungs- und Energiebedarfe bei erhöhten Temperaturanforderungen sind notwendig. Bei konventionellen induktiven Zündsystemen muss die gesamte zur Entflammung notwendige Energie in der Zündspule zwischengespeichert werden. Bei den hohen Anforderungen bezüglich der Zündfunkenenergie ergibt sich eine große Bauform der Zündspule. Dies steht mit den Anforderungen an geringe Bauräume heutiger Motorenkonzepte („Downsizing“) in Konflikt. In einer früheren Anmeldung der Anmelderin wurden zwei Hauptfunktionen des Zündsystems durch unterschiedliche Baugruppen übernommen. Ein Hochspannungserzeuger generiert die für den Hochspannungsdurchschlag an der Zündkerze erforderliche Hochspannung. Ein Bypass, z.B. in Form eines Hochsetzstellers, stellt Energie zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens zur fortgeführten Gemischentflammung bereit. Auf diese Weise können hohe Funkenenergien bei optimiertem Funkenstromverlauf trotz einer reduzierten Bauform des Zündsystems bereitgestellt werden.
Moderne und zukünftige motorische Brennverfahren profitieren von stark erhöhten Zündspannungen. Insbesondere hochaufgeladene Motorenkonzepte sind auf die Bereitstellung erhöhter Zündspannungsangebote angewiesen. Der Gestaltung des Zündspannungsangebotes sind durch aktuelle Zündsysteme jedoch enge Grenzen gesetzt, da ein und derselbe Primärspannungserzeuger für die Bereitstellung der zur Zündung erforderlichen Hochspannung wie auch zur Speicherung der für den weiteren Aufrechterhalt des Zündvorgangs erforderlichen Energie dient. Würden die erforderlichen Zündspannungsverläufe allein durch herkömmliche Primärspannungserzeuger bereitgestellt, würde sich für diese zudem eine Bauform ergeben, welche dem Trend zur Verkleinerung der Aggregate („Downsizing“) entgegenstünde.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorgenannten Zielkonflikt aufzulösen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorstehend genannte Bedarf wird erfindungsgemäß durch ein Zündsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems gestillt. Beide zeichnen sich dadurch aus, dass ein Hauptbeitrag für die Bereitstellung einer Zündfunkenspannung durch einen ersten Spannungserzeuger („Primärspannungserzeuger“), beispielsweise in Form eines Zündtrafos, bereitgestellt wird, welcher abhängig von einem Hochspannungsbedarf an der Zündkerze durch einen Hochsetzsteller überlagert wird. Erfindungsgemäß kann der Hochsetzsteller bereits vor dem Zünden (im Zuge des Abschaltens des Primärspannungserzeugers) eine Spannung erzeugen, welche der Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers überlagert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems ist für eine benzinbetriebene Brennkraftmaschine besonders geeignet, da beispielsweise auf betriebsbedingte Ablagerungen auf den Zündkerzen, welche einen elektrischen Nebenschluss darstellen und das vom Zündsystem bereitgestellte Spannungsangebot somit verringern, reagiert werden kann. Zudem ist eine besonders geeignete Anwendung bei hochaufgeladenen Brennverfahren (Turboaufladung) möglich, da die hohen Ladedrücke eine hohe Zündspannung erforderlich machen. Das Zündsystem umfasst einen Primärspannungserzeuger und einen Hochsetzsteller, wobei der Hochsetzsteller in erster Linie zum Aufrechterhalten eines mittels des Primärspannungserzeugers erzeugten Funkens eingerichtet ist. Darüber hinaus kann über den Hochsetzsteller Bordnetzenergie auf ein geeignetes Spannungsniveau gebracht und der Funkenstrecke zugeführt werden. Diese Spannung überlagert sich somit während des Spannungsaufbaus des Zündtrafos und leitet somit den Funkendurchbruch an der Funkenstrecke ein. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch ein Ermitteln eines Spannungsbedarfes für einen mittels des Hochsetzstellers und mittels des Primärspannungserzeugers zu erzeugenden Zündfunken aus. Mit anderen Worten kann in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes das Spannungsangebot für die Erzeugung des Zündfunkens variieren. Im Ansprechen darauf wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers verändert, um das Spannungsangebot bedarfsgerecht zu dosieren. Auf diese Weise kann mit einem kleineren Primärspannungserzeuger eine noch hinreichende Bereitstellung elektrischer Energie zum Zündzeitpunkt erfolgen. Beispielsweise allein aus der Variation der Betriebszustände des Primärspannungserzeugers einerseits und des Hochsetzstellers andererseits kann die an der Zündfunkenstrecke zur Verfügung stehende Energie erfindungsgemäß angepasst werden. Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen Bauteile beider vorgenannter Komponenten geringer ausfallen und Isolationsaufwände geringer ausfallen können, was eine kostengünstigere Produktion ermöglicht.
Insbesondere kann somit der Bauraum des Zündtrafos reduziert werden.
Durch den Betrieb des Hochsetzstellers ergibt sich somit der Vorteil eines höheren Spannungsangebotes, durch welches der Primärspannungserzeuger (z.B. der Zündtrafo) unterstützt wird. Auf diese Weise kann der Primärspannungserzeuger selbst einerseits bei gleichem Spannungsangebot kleiner dimensioniert werden oder andererseits bei gleicher Dimensionierung an einem höheren Spannungsangebot des Zündsystems teilhaben. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Hochsetzstellerbetriebes erhöht sich darüber hinaus aufgrund des höheren Innenwiderstandes des Hochsetzstellers die Nebenschlussfestigkeit des Zündsystems.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt umfasst das Ermitteln des Spannungsbedarfes ein Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung. Dies kann beispielsweise durch einen Shunt erfolgen. Die Spannungsermittlung kann beispielsweise mit Hilfe einer elektronischen Schaltung, mit Hilfe eines analogen elektrischen Schaltkreises, mit Hilfe eines Field Programmable Gate Array (FPGA) oder mit Hilfe eines ASIC innerhalb des Zündsystems erfolgen. Auf diese Weise ist ein geringer bzw. kein zusätzlicher Hardware-Aufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich.
Weiter bevorzugt umfasst das Ermitteln des Spannungsbedarfes ein Vergleichen einer gemessenen elektrischen Kenngröße einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung oder eines von einem elektronischen Steuergerät empfangenen Signals mit einer zugeordneten Referenz. Mit anderen Worten kann entweder eine tatsächlich vorliegende elektrische Größe ermittelt oder eine erwartete Kenngröße für einen ermittelten Betriebszustand angenommen werden, ohne die Kenngröße selbst erneut zu ermitteln. Letztere Verfahrensweise wird häufig auch als „Parametrieren“ der Kenngröße bezeichnet. Die Referenz kann beispielsweise einem Speichermittel entnommen werden. Diese kennzeichnet beispielsweise Schwellenwerte beim Überschreiten welcher die Zündspannung gesenkt werden sollte und beim Unterschreiten welcher die Zündspannung erhöht werden sollte. Beispielsweise kann in einem ersten Zündzyklus ein Spannungsbedarf ermittelt werden und in einem darauffolgenden, insbesondere unmittelbar darauffolgenden, Zündzyklus der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers modifiziert werden. Beispielsweise können Schwellenwerte in Form von Zündspannungsbedarfen als elektrische Kenngrößen abgespeichert und mit ermittelten Kenngrößen verglichen werden. Als das elektronische Steuergerät kann beispielsweise ein Motorsteuergerät oder ein Zündsteuergerät verwendet werden, dessen Auswerteelektronik Signale für die Steuerung des Betriebes der Brennkraftmaschine ermittelt und bereitstellt. Der Vergleich von Messwerten oder Steuersignalen mit einzelnen Referenzen bzw. Schwellenwerten stellt eine einfache mathematische Operation dar, die schaltungstechnisch kostengünstig und platzsparend zu implementieren ist.
Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt eines Klassifizierens der elektrischen Kenngröße, indem ein Messwert für die elektrische Kenngröße einem vordefinierten Kenngrößenintervall z.B. innerhalb eines Speichermittels des Zündsystems zugeordnet wird. Dabei kann das Zündsystem eingerichtet sein, jeweiligen Kenngrößenklassen geeignete Einschaltzeitpunkte für den Hochsetzsteller zuzuordnen. Die Einschaltzeitpunkte können beispielsweise innerhalb eines Speichermittels des Zündsystems der jeweiligen Kenngrößenklasse zugeordnet sein und im Ansprechen auf ein Klassifizieren bei einer Bestimmung des Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers angewendet werden. Auch diese Operation ist eine wenig aufwendige und schaltungstechnisch einfach und schnell realisierbare Möglichkeit zur Implementierung der vorliegenden Erfindung.
Weiter bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Kenngröße innerhalb einer elektronischen Schaltung, innerhalb eines analogen Schaltkreises, innerhalb eines Mikrocontrollers, innerhalb eines Field Programmable Gate Array (FPGA) und/oder eines ASICs des Zündsystems. Die vorgenannten elektronischen Bauelemente sind mitunter im Bereich eines jeden Zündsystems zur Steuerung des Zündvorgangs angeordnet. Daher ist eine Implementierung der vorliegenden Erfindung auf diese Weise ohne zusätzlichen Hardwareaufwand möglich.
Weiter bevorzugt erfolgt das Verändern des Einschaltzeitpunktes im Ansprechen auf einen verminderten Spannungsbedarf für eine erfolgreiche Zündung. Wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers gegenüber dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers verzögert, wird die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers zum Ausschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers verringert, was zu einer Verringerung der entsprechenden elektrischen Größe an der Funkenstrecke führt. Im umgekehrten Fall führt im Ansprechen auf einen erhöhten Spannungsbedarf ein gegenüber dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers zeitlich vorgezogenes Einschalten des Hochsetzstellers zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung des Hochsetzstellers. Auf diese Weise kann das bereitgestellte Zündspannungsangebot in geeigneter Weise angepasst werden.
Vorteilhaft ist, wenn der Spannungsbedarf ermittelt wird durch Ermitteln eines vorbestimmten Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine, wobei dem vorbestimmten Betriebszustand ein vorbestimmter Einschaltzeitpunkt oder alternativ ein vorbestimmter Spannungsbedarf zugeordnet ist. Die erste Alternative hat den Vorteil, dass sich der Einschaltzeitpunkt unmittelbar aus dem Betriebszustand ableitet und dass dadurch der Aufwand innerhalb des Zündsystems reduziert wird, da die Steuerung in einem externen Steuergerät, beispielweise einem Motorsteuergerät, vorgesehen ist. Die zweite Alternative hat den Vorteil, dass der Einschaltzeitpunkt mittels einer Regelung eingestellt und so der Spannungsbedarf optimaler einstellbar ist, wobei diese Regelung in einem internen Elektronikbaustein des Zündsystems vorgesehen ist.
Das Zündsystem, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, umfasst einen Hochsetzsteller zum Erhöhen eines Hochspannungsangebotes für eine mittels eines Primärspannungserzeugers zu erzeugenden Hochspannung. Das Zündsystem kennzeichnet sich durch Mittel zum Ermitteln eines Spannungsbedarfes für das mittels des Zündsystems zu erzeugenden Spannungsangebotes aus. Mit anderen Worten, können die Mittel eine Betriebszustandsveränderung des Zündsystems bzw. der Brennkraftmaschine ermitteln, im Ansprechen auf welche die Zündkerze mit einem veränderten Spannungsangebot zu versorgen ist, um zuverlässig einen Funkenüberschlag zu erzeugen. Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Zündsystem Mittel zum Verändern eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers im Ansprechen auf eine ermittelte Spannungsbedarfsänderung. Diese Mittel sind eingerichtet, entsprechend dem Spannungsbedarf den Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers beispielsweise gegenüber dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine oder dem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers zu justieren, um der Funkenstrecke eine bedarfsgerechte Hochspannung zur Erzeugung des Zündfunkenüberschlages zuzuführen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich daraus ergebenden Vorteile entsprechen im Wesentlichen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Bevorzugt umfasst das Zündsystem einen Shunt, mittels welchem es eingerichtet ist, eine Spannungsmessung durchzuführen, um einen Spannungsbedarf zu ermitteln. Die Messung kann in einem ersten Zündzyklus und die Veränderung des Einschaltzeitpunktes kann bezüglich eines darauffolgenden Zündzyklus vorgenommen werden. Die Spannungsmessung über dem Shunt kann beispielsweise über eine elektronische Schaltung, einen analogen Schaltkreis, einen Mikrocontroller, einen FPGA und/oder einen ASIC des Zündsystems erfolgen. Als zu ermittelnde elektrische Kenngröße kommen Spannungen in Frage. Da aktuelle Zündsysteme die vorgenannten Komponenten einzeln oder in Kombination an einer jeden Brennkammer oder an jeder Zündkerze, umfassen, kann die Realisierung des erfindungsgemäßen Zündsystems mit minimalem oder gänzlich ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand realisiert werden.
Bevorzugt weist das Zündsystem zusätzlich Speichermittel auf, mittels welcher es eingerichtet ist, den aktuellen Spannungsbedarf zur Erzeugung eines Zündfunkens zu klassifizieren. Mit anderen Worten kann der im aktuellen Betriebszustand gemessene Spannungsbedarf mit Spannungsbedarfsklassen innerhalb der Speichermittel verglichen werden. Die Speichermittel können zudem vordefinierte Einschaltzeitpunkte für den Hochsetzsteller bereithalten, welche sich als geeignet für die jeweiligen Spannungsbedarfsklassen herausgestellt haben. Auf diese Weise ist eine einfache und schaltungstechnisch kostengünstige Realisierung eines erfindungsgemäßen Zündsystems möglich.
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 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
2 Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen wie sie beim Betrieb des in 1 dargestellten Zündsystems auftreten können;
3a, 3b Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen, wie sie beim erfindungsgemäßen Betrieb des in 1 dargestellten Zündsystems auftreten können;
3c, 3d Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen, wie sie beim Betrieb des in 1 dargestellten Zündsystems auftreten können; und
4 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Schaltung eines Zündsystems 1, welches einen Aufwärtstransformator 2 als Hochspannungserzeuger umfasst, dessen Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Der Aufwärtstransformator 2 bestehend aus einer Primärspule 8 und einer Sekundärspule 9 kann auch als erster Spannungserzeuger oder Primärspannungserzeuger bezeichnet werden. 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. Ein Hochsetzsteller 7 ist zwischen der elektrischen Energiequelle 5 und der Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 vorgesehen und weist eine Induktivität 15, einen Schalter 27, eine Kapazität 10 und eine Diode 16 auf. 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 den Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Sekundärseite 15_2 des Transformators ist ohne Schalter direkt mit der Diode 16 verbunden, die wiederum über einen Knotenpunkt mit einem Anschluss der 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, beispielsweise über die Frequenz und/oder das Puls-Pause-Verhältnis über ein geeignetes Steuersignal S_HSS gesteuert werden. Zudem kann über das Steuersignal S_HSS erfindungsgemäß ein Einschaltzeitpunkt verschoben werden, wenn sich der Energiebedarf der Zündfunkenstrecke ändert. 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 7 parallel geschaltet werden. Diese Hochspannungsdiode 33 überbrückt den Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den Hochsetzsteller 7 gelieferte Energie über einen weiteren Knotenpunkt 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.
In 1 ist zwischen der Funkenstrecke 6 und dem weiteren Knotenpunkt eine Ausgangsklemme eingezeichnet, an der die Ausgangsspannung des Zündsystems bzw. die über der Funkenstrecke anliegende Ausgangsspannung messbar ist. Die an der Ausgangsklemme anliegende Ausgangsspannung entspricht dem Spannungsangebot des Zündsystems.
Eine erfindungsgemäße Ermittlung eines Spannungsbedarfes für die Erzeugung eines Zündfunkens ist durch eine informationstechnische Anbindung des Motorsteuergerätes (MSG) 40 möglich, welches ein erstes Signal S₄₀ zur Einstellung eines Betriebspunktes einer Brennkraftmaschine erhält und ein korrespondierendes zweites Signal S₄₀' an einen Mikrocontroller 42 ausgibt. Der Mikrocontroller 42 ist weiter an einen Speicher 41 angebunden, aus welchem Referenzen in Form von Grenzwerten für Klassen von Spannungsangeboten für die aktuell oder zukünftig erforderliche elektrische Spannung zur Erzeugung des Zündfunkens ausgelesen werden können. Der Mikrocontroller 42 ist zur Beeinflussung des Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers 7 eingerichtet, die Ansteuerung 24 mit einem bedarfsgemäß modifizierten bzw. zeitlich verschobenen Steuersignal S_HSS zu versorgen, im Ansprechen auf welches der Treiber 25 den Schalter 27 mit einem geänderten bzw. verschobenen Schaltsignal 32 versorgt. Beispielsweise kann der Hochsetzsteller 7 im Ansprechen auf den Erhalt des geänderten Schaltsignals 32 früher oder später eingeschaltet werden, so dass die elektrische Spannung über der Kapazität 10 zum Abschaltzeitpunkt des Schalters 30 niedriger oder höher ist, so dass die Erzeugung des Zündfunkens sicherer oder verschleißärmer durchgeführt werden kann.
2 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom i_ZS, b) den zugehörigen Hochsetzstellerstrom 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 erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen 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 an die Funkenstrecke abgegebenen Leistung während eines bestehenden Zündfunkens empfiehlt sich dabei eine, insbesondere stufenlose, Regelung des Puls-Pause-Verhältnisses des Signals 32 zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals. 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 Unterbrechung des Hochsetzstellers 7 durch 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 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 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 erfindungsgemäßen 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.
Die 3a bis 3d zeigen Zeitdiagramme elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in 1 gezeigten Zündsystem auftreten können, wobei ausgangsseitig keine Funkenstrecke 6, sondern eine ohmsch-kapazitive Last eingesetzt ist. Es ergibt sich somit kein Funkendurchbruch. Für die folgenden Signalverläufe ist insbesondere der Maximalwert der Ausgangsspannung – das Hochspannungsangebot – entscheidend.
3a zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Im dargestellten Zeitdiagramm sind der Abschaltzeitpunkt t_a des Primärspannungserzeugers und der Einschaltzeitpunkt t_e des Hochsetzstellers zeitgleich gelegen. Mit anderen Worten wird der Hochsetzsteller eingeschaltet, wenn der primärseitige Stromfluss durch den Primärspannungserzeuger unterbrochen wird. Es ergibt sich die Ausgangsspannung U_a2 des erfindungsgemäßen Zündsystems, welcher die Ausgangsspannung U_a1 beim Betrieb ohne den Hochsetzsteller gegenübergestellt ist. Die Maximalspannung U_a2 entspricht in etwa U_a1.
3b zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. 3b zeigt einen zeitlichen Ausschnitt des in 3a gezeigten Signalverlaufes der Ausgangsspannung U_a2 nach dem Abschaltzeitpunkt t_a des primärseitigen Stroms durch den Primärspannungserzeuger.
3c zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Gegenüber den 3a und 3b wurde in 3c der Einschaltzeitpunkt t_e des Hochsetzstellers gegenüber dem Abschaltzeitpunkt t_a des primärseitigen Stromes durch den Primärspannungserzeuger zeitlich vorgezogen. Entsprechend steigt bereits vor dem Abschaltzeitpunkt t_a die Ausgangsspannung U_a2 zwischen den Zeitpunkten 1,0 ms bis 1,5 ms an, so dass bereits zum Abschaltzeitpunkt t_a die Ausgangsspannung U_a2 gegenüber dem Verlauf der Ausgangsspannung U_a1 ohne Hochsetzstellerbetrieb angestiegen ist. Mit anderen Worten steht bereits zum Abschaltzeitpunkt t_a eine erhöhte Ausgangsspannung zur Verfügung. Dies gilt auch für den weiteren Zeitverlauf der Ausgangsspannung U_a2, wie ein Vergleich mit der 3a erkennen lässt.
3d zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Dabei zeigt die 3d einen Ausschnitt des in 3c dargestellten Zeitbereiches. Aus dieser Darstellung wird noch deutlicher, wie sich der vorgezogene Einschaltzeitpunkt t_e des Hochsetzstellers auf das Spannungsangebot zum Abschaltzeitpunkt t_a des primärseitigen Stroms des Primärspannungserzeugers auswirkt. Durch diese Betriebsart erhöht sich somit das Hochspannungsangebot des Zündsystems.
4 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird in Schritt 100 ein Spannungsbedarf für einen vom Zündsystem mittels des Hochsetzstellers und des Primärspannungserzeugers zu erzeugenden Zündfunken ermittelt. Im Zuge dessen wird eine Messung einer elektrischen Betriebsgröße des Zündsystems während eines ersten Zündzyklus‘ durchgeführt und der ermittelte Wert in Schritt 200 mit einer abgespeicherten Referenz verglichen. Zu der Referenz, welche beispielsweise als den Messwerten zugeordnete Betriebsgrößenklasse abgespeichert sein kann, wird ein zugehöriger Betriebsparameter ausgelesen und in Schritt 300 der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers bezüglich eines zweiten Zündzyklus‘ entsprechend verändert. Beispielsweise kann der Einschaltzeitpunkt früher oder später als zuvor liegen und gegenüber einem Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine oder gegenüber dem Ausschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers definiert werden. Durch den veränderten Einschaltzeitpunkt wird eine durch den Hochsetzsteller angepasste Hochspannung an die Funkenstrecke geliefert, so dass ein Spannungsangebot, welches entsprechend über dem Zündspannungsbedarf der Funkenstrecke liegt, einen sicheren Funkenüberschlag an der Funkenstrecke gewährleistet.
Im Schritt 100 kann der Spannungsbedarf des Zündsystems ermittelt werden, indem der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wobei dem vorbestimmten Betriebszustand ein vorbestimmter Einschaltzeitpunkt oder ein vorbestimmter Spannungsbedarf zugeordnet ist. Der Betriebszustand ist beispielsweise definiert durch einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise Art der Gemischbildung, aktuelles Brennverfahren, Aufladungszustand, Drehmoment, Leistung, Drehzahl, Abgasrückführungskonzept oder Abgasrückführungsparameter. Alternativ kann der Spannungsbedarf im Schritt 100 ermittelt werden durch Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer korrespondierenden Spannung, wobei der Maximalwert der in einem vorbestimmten Zeitraum gemessenen Ausgangsspannung dem Spannungsbedarf entspricht. Der vorbestimmte Zeitraum ist insbesondere der Zeitraum vor einem Durchbruch des Zündfunkens. Eine mit der Ausgangsspannung korrespondierende Spannung kann beispielsweise auf der Primärseite 3 des Aufwärtstransformators 2 oder am Shunt 19 gemessen werden.
Im Schritt 200 wird ein zu ermittelndes Spannungsangebot für den Zündfunken mit dem ermittelten Spannungsbedarf verglichen. Hierbei wird ermittelt, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem geprüft wird, ob der Betrag des Spannungsangebotes den Betrag des Spannungsbedarfes mindestens um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz überschreitet. Beim Vergleichen des ermittelten Spannungsangebots mit dem ermittelten Spannungsbedarf im Schritt 200 wird ermittelt, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem geprüft wird, ob das ermittelte Spannungsangebot den ermittelten Spannungsbedarf mindestens um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz überschreitet. Die vorbestimmte Spannungsdifferenz liegt beispielsweise im Bereich zwischen 2 und 10 kV, insbesondere bei 5 kV.
Wenn die Überschreitungsbedingung erfüllt ist, wird der Einschaltzeitpunkt te im Schritt 300 zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers 2 späteren Zeitpunkt verändert. Wenn die Überschreitungsbedingung dagegen nicht erfüllt ist, wird der Einschaltzeitpunkt te im Schritt 300 zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers 2 früheren Zeitpunkt verändert, um zuverlässig einen Funkenüberschlag zu erzeugen.
Im Schritt 300 wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers 7 also abhängig vom ermittelten Spannungsbedarf und/oder abhängig vom ermittelten Spannungsangebot zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt t_a des Primärspannungserzeugers 2 früheren oder späteren Zeitpunkt verändert. Bei Betriebszuständen mit hohem Spannungsbedarf wird der Einschaltzeitpunkt t_e zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt t_a des Primärspannungserzeuger 2 früheren Zeitpunkt verändert.
Das Verändern des Einschaltzeitpunktes t_e wird dabei in vorbestimmten Stufen durchgeführt. Der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers 7 wird jeweils durch den Zeitpunkt bestimmt, an dem der Schalter 27 des Hochsetzstellers 7 beginnt taktend zu schalten.
Das Spannungsangebot kann durch Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden korrespondierenden Spannung ermittelt werden. Dabei kann der Gradient des gemessenen Ausgangsspannung über den zeitlichen Verlauf gesehen, insbesondere zum Zeitpunkt des Zündens, ausgewertet werden. Das Spannungsangebot kann aus der gemessenen Ausgangsspannung und/oder dem Gradienten der Ausgangsspannung quantitativ abgeleitet werden. Bei der Auswertung des Gradienten der gemessenen Ausgangsspannung über den zeitlichen Verlauf kann beispielsweise geprüft werden, ob der Betrag des Gradienten der gemessenen Ausgangsspannung einen vorbestimmten Mindestwert unterschreitet.
Alternativ kann das Spannungsangebot durch Bestimmen von geeigneten Einflussgrößen des Zündsystems ermittelt werden, beispielsweise indem die Temperatur einer Primärwicklung des Primärspannungserzeugers und/oder der durch die Primärwicklung fließende Primärstrom ermittelt wird. Das Spannungsangebot kann mittels der Einflussgrößen beispielsweise über ein Modell, eine Lookup-Table oder über Formeln oder Algorithmen bestimmt werden. Die Temperatur der Primärwicklung kann unmittelbar durch einen Temperatursensor, beispielsweise an der Primärwicklung, gemessen oder indirekt bestimmt werden, beispielsweise aus einer Kühlwassertemperatur einer Brennkraftmaschine.
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 ASIC oder 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 zum Anpassen eines Hochspannungsangebotes für einen mittels eines Primärspannungserzeugers (2) zu erzeugenden Zündfunken in einem Zündsystem (1) umfassend den Primärspannungserzeuger (2) und einen Hochsetzsteller (7) für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch – Ermitteln (100) eines Spannungsbedarfes für einen zu erzeugenden Zündfunkenüberschlag, und im Ansprechen darauf – Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) relativ zu einem Abschaltzeitpunkt (t_a) des Primärspannungserzeugers (2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln (100) des Spannungsbedarfes – ein Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung umfasst, und/oder – ein Empfangen eines Signals von einem elektronischen Steuergerät (40), insbesondere einem Motorsteuergerät umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln (100) des Spannungsbedarfes ein Vergleichen (200) einer gemessenen elektrischen Kenngröße, insbesondere einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung oder eines von einem elektronischen Steuergerät (40) empfangenen Signals, mit einer zugeordneten Referenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend – Klassifizieren (200) des Ergebnisses des Vergleichens (200), und – Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) in Abhängigkeit eines der Klasse zugeordneten Parameters.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei – das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes im Ansprechen auf einen verminderten Spannungsbedarf zu einem Einschalten des Hochsetzstellers (7) zu einem späteren Zeitpunkt führt, und/oder – im Ansprechen auf einen erhöhten Spannungsbedarf zu einem früheren Einschalten des Hochsetzstellers (7) führt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (t_e) gegenüber einem Kurbelwellenwinkel einer mit dem Zündsystem (1) versehenen Brennkraftmaschine oder gegenüber einem Abschaltzeitpunkt (t_a) des Primärspannungserzeugers (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei – das Ermitteln (100) eines Spannungsbedarfes im Zuge eines ersten Zündvorgangs erfolgt, und – das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes im Zuge eines zweiten, darauffolgenden Zündvorgangs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (100) des Spannungsbedarfes den folgenden Schritt umfasst: – Ermitteln eines vorbestimmten Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine, wobei dem vorbestimmten Betriebszustand ein vorbestimmter Spannungsbedarf oder ein vorbestimmter Einschaltzeitpunkt zugeordnet ist, oder – Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer korrespondierenden Spannung, wobei ein Maximalwert der in einem vorbestimmten Zeitraum gemessenen Ausgangsspannung dem Spannungsbedarf entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) die folgenden Schritte umfasst: – Vergleichen (200) eines Spannungsangebots für den Zündfunken mit dem ermittelten Spannungsbedarf, – Ermitteln, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem geprüft wird, ob das Spannungsangebot den Spannungsbedarf mindestens um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz überschreitet, – Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) späteren Zeitpunkt, wenn die Überschreitungsbedingung erfüllt ist, oder Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) früheren Zeitpunkt, wenn die Überschreitungsbedingung nicht erfüllt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spannungsangebot ermittelt wird durch die folgenden Schritte: – Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer korrespondierenden Spannung, – Auswerten eines Gradienten der gemessenen Ausgangsspannung, insbesondere zum Zeitpunkt des Zündens, und – Ableiten des Spannungsangebotes aus der Ausgangsspannung und/oder dem Gradienten der Ausgangsspannung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spannungsangebot ermittelt wird durch die folgenden Schritte: – Bestimmung von Einflussgrößen des Zündsystems, insbesondere der Temperatur einer Primärwicklung des Primärspannungserzeugers und dem durch die Primärwicklung fließenden Primärstrom, – Ableiten des Spannungsangebotes aus den Einflussgrößen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (t_e) in vorgebbaren Stufen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einschaltzeitpunkt (t_e) des Hochsetzstellers (7) bestimmt wird durch den Zeitpunkt, an dem ein Schalter (27) des Hochsetzstellers (7) eingeschaltet und taktend geschaltet wird.
Computerprogramm, welches 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.