DE102014216040A1 - Zündsystem und Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems - Google Patents

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Tim Skowronek
Thomas Pawlak
Wolfgang Sinz
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems (1) für eine Brennkraftmaschine umfassend einen Primärspannungserzeuger (2) und einen Hochsetzsteller (7) zum Aufrechterhalten eines mittels des Primärspannungserzeugers (2) erzeugten Zündfunkens vorgeschlagen. Erfindungsgemäß folgt einem Ermitteln (100) eines veränderten Energiebedarfes für einen mittels des Hochsetzstellers (7) aufrecht zu erhaltenden Zündfunken ein Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) relativ zu einem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers (2).

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen ersten Spannungserzeuger (auch „Primärspannungserzeuger“) und einen Hochsetzsteller. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vermeidung eines unerwünschten Funkenabrisses während des Betriebs.
  • 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 bzw. 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.
  • Hohe Funkenströme sind zwar gegenüber turbulenter Strömung im Brennraum robuster, führen jedoch bekanntermaßen zu starker Erosion der Zündkerzenelektroden. Kleine Funkenströme hingegen können bei turbulenter Strömung im Brennraum zu einem Funkenabriss führen, falls die Zündfunkenenergie bzw. der Funkenstrom eine definierte Grenze unterschreitet. Die vorbekannten Systeme schöpfen das Potential zur Funkenstabilisierung in Zündsystemen nicht zufriedenstellend aus.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der vorstehend genannte Bedarf wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems gestillt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine bedarfsgerechte Bereitstellung von Funkenenergie aus, so dass der Funkenstrom auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann ein Kompromiss zwischen Elektrodenerosion und Neigung zu Funkenabriss in geeigneter Weise realisiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems ist für eine benzinbetriebene Brennkraftmaschine besonders geeignet, wobei besondere Vorteile bei strahlgeführten Direkteinspritzungen und per Turbo aufgeladenen Hochlast-AGR Triebwerken erzielt werden. Das Zündsystem, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, umfasst einen Primärspannungserzeuger und einen Hochsetzsteller, wobei der Hochsetzsteller zum Aufrechterhalten eines mittels des Primärspannungserzeugers erzeugten Funkens eingerichtet ist. Über den Hochsetzsteller kann Bordnetzenergie auf ein geeignetes Spannungsniveau gebracht und der Funkenstrecke zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch ein Ermitteln eines veränderten Energiebedarfes für einen mittels des Hochsetzstellers aufrecht zu erhaltenden Zündfunken aus. Mit anderen Worten kann in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes der Energiebedarf für den Zündfunken variieren und eine solche Variation erfindungsgemäß ermittelt werden. Im Ansprechen darauf wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers, also der Zeitpunkt, an dem der Hochsetzsteller eingeschaltet wird, verändert, um die Zündfunkenenergie bzw. Zündfunkenstrom- und Spannung bedarfsgerecht zu dosieren. Auf diese Weise wird der Zündkerzenverschleiß durch Vermeidung von hohen Funkenströmen reduziert. Ein besonders starker Elektrodenverschleiß an handelsüblichen Zündkerzen stellt sich beispielsweise bei Funkenströmen größer 100 mA ein. Andererseits wird ein Funkenabriss durch eine Steigerung der Ausgangsleistung des Hochsetzstellers vermieden, indem bei Unterschreitung eines unteren Funkenstromschwellwertes der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers vorgezogen und der Einschwingvorgang des Hochsetzstellers in Richtung „früher“, insbesondere vor den Zündzeitpunkt, verschoben wird. Da die durch einen Hochsetzsteller erzeugte elektrische Spannung nach dem Einschalten über mehrere Betriebszyklen des Hochsetzstellers ansteigt, kann der Hochsetzsteller somit beim Entflammen des Gemisches eine höhere elektrische Energie bereitstellen. Auch die Reduktion von Verlustwärme im Hochsetzsteller durch bedarfsgerechte Wahl seines Einschaltzeitpunktes ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung. Die Belastung der elektrischen Bauteile (z.B. eines Hochspannungskondensators zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie) wird verringert. Daher können die elektrischen Bauelemente bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Zündsystems kostengünstiger gewählt werden. Auch in der elektrischen (Steuer-)Schaltung des Hochsetzstellers wird bei der Anpassung der Arbeitsweise des Hochsetzstellers an einen veränderten Energiebedarf weniger Verlustwärme erzeugt. Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine geringere Energieaufnahme sowie die zuverlässige Entflammung des Gemisches bei anspruchsvollen Brennverfahren des Zündsystems aus dem Bordnetz (z.B. eines Kraftfahrzeugs (KFZ) oder eines PKW), wodurch Kabelquerschnitte kleiner dimensioniert und Verbrauchsvorteile erzielt werden können. Zudem bedeuten geringere Ströme innerhalb des Zündsystems eine Verringerung elektromagnetischer Emissionen. Mit anderen Worten wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt umfasst das Ermitteln des veränderten Energiebedarfes ein Messen eines Zündfunkenstromes oder einer Zündfunkenspannung. Dies kann beispielsweise durch einen Shunt erfolgen, über welchen ein Strom durch die Zündfunkenstrecke des Zündsystems ermittelt wird. Die Spannungsermittlung kann beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Schaltkreises, einer analogen Schaltung oder eines Mikrocontrollers, oder durch einen 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 veränderten Energiebedarfes ein Vergleichen einer gemessenen elektrischen Kenngröße eines Zündfunkens oder eines von einem elektronischen Steuergerät empfangenen Signals mit einer zugeordneten Referenz. Die Referenz kann beispielsweise einem Speichermittel entnommen werden. Diese kennzeichnet beispielsweise Schwellwerte beim Überschreiten welcher die Zündfunkenenergie zur Vermeidung von Erosion gesenkt werden sollte und beim Unterschreiten welcher die Zündfunkenenergie zur Vermeidung eines unerwünschten Funkenabrisses erhöht werden sollte. Beispielsweise können Schwellwerte in Form von Zündfunkenströmen und/oder Zündfunkenspannungen 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. Schwellwerten 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. Darüber hinaus kann der Einschaltzeitpunkt vom Steuergerät vorgegeben werden, indem die Anforderungen des Brennverfahrens Berücksichtigung finden. Zum Beispiel können Motorbetriebszustände ermittelt und berücksichtigt werden. Ein Beispiel für einen solchen ist eine Abgasrückführung im Teillastbetrieb, welcher zu einem relativ homogenen Gemischzustand innerhalb der Brennkammer führt. In einem solchen ist es nicht erforderlich, dass der Hochsetzsteller vor dem Ausschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers (Zündzeitpunkt) liegt. In einem Betriebspunkt mit Abgasrückführung in Hochlastbetrieb ist eine Überschneidung zwischen dem Betrieb des Hochsetzstellers und dem Ausschaltzeitpunkt (Zündzeitpunkt) des Primärspannungserzeugers empfehlenswert. In einem Betriebszustand, in welchem der Katalysator aufgeheizt werden soll, ist wiederum eine Überschneidung zwischen dem Betrieb des Hochsetzstellers und dem Ausschaltzeitpunkt (Zündzeitpunkt) des Primärspannungserzeugers nicht erforderlich. In einem Schichtbetrieb wiederum herrscht eine inhomogene Gemischzusammensetzung innerhalb der Brennkammer, bei welchem eine Überschneidung zwischen dem Betrieb des Hochsetzstellers und dem Ausschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers vorteilhaft ist. 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 eines FPGA und/oder eines ASICs des Zündsystems. Die vorgenannten elektronischen Bauelemente sind z.B. innerhalb des Zündsystems insbesondere im Bereich einer jeden Zündkerze zur Steuerung des Zündvorgangs angeordnet, wobei über die Kontaktierung mit der Zündkerze die Steuerung des Zünd- und Entflammungsvorgangs erfolgen kann. 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 Energiebedarf des Zündsystems für eine erfolgreiche Zündung. Wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers gegenüber dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers verzögert (so dass er z.B. mit dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers zusammenfällt), wird der Ausgangsstrom und/oder die Ausgangsspannung und/oder die Ausgangsleistung 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 Energiebedarf ein gegenüber dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers vorgezogenes Einschalten des Hochsetzstellers zu einer Erhöhung von dem Ausgangsstrom und/oder der Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsleistung des Hochsetzstellers. Auf diese Weise kann sowohl eine Funkenerosion als auch ein Abreißen des Zündfunkens wirksam vermieden bzw. verringert werden.
  • Sehr vorteilhaft ist, wenn der Einschaltzeitpunkt abhängig von dem Betriebszustand und/oder abhängig von dem ermittelten Energiebedarf verändert wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Einschaltzeitpunkt in einem ersten Zündvorgang abhängig von dem Betriebszustand vorgegeben und für die nachfolgenden Zündvorgänge abhängig vom ermittelten Energiebedarf bestimmt. Auf diese Weise wird bedarfsgerecht Funkenenergie bereitgestellt.
  • Außerdem vorteilhaft ist, wenn das Ermitteln des veränderten Energiebedarfes in einem ersten Schritt das Ermitteln einer elektrischen Kenngröße und/oder einer Änderung dieser Kenngröße und/oder einer Änderungsgeschwindigkeit dieser Kenngröße umfasst, wobei die elektrische Kenngröße insbesondere ein Strom des Zündfunkens und/oder eine eine Spannung des Zündfunkens charakterisierende Spannung sein kann. In einem zweiten Schritt wird geprüft, ob eine Überschreitungsbedingung und/oder eine Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob eine Vergleichsgröße einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet. Die Vergleichsgröße ist beispielsweise die ermittelte Kenngröße oder die Änderung dieser ermittelten Kenngröße oder die Änderungsgeschwindigkeit dieser ermittelten Kenngröße. Das Verändern des Einschaltzeitpunktes erfolgt, indem der Einschaltzeitpunkt zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers späteren Zeitpunkt verschoben wird, wenn die Überschreitungsbedingung erfüllt ist, oder indem der Einschaltzeitpunkt zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers früheren Zeitpunkt verschoben wird, wenn die Unterschreitungsbedingung erfüllt ist. Auf diese Weise wird der Funkenstrom auf einen Wert geregelt, so dass weder ein Funkenabriss droht noch eine starke Erosion der Zündkerzenelektrode auftritt.
  • Das für eine Brennkraftmaschine ausgebildete Zündsystem, mittels dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, weist einen Hochsetzsteller zum Aufrechterhalten eines mittels eines Primärspannungserzeugers erzeugten Funkens auf. Das Zündsystem kennzeichnet sich durch Mittel zum Ermitteln eines veränderten Energiebedarfes für einen mittels des Hochsetzstellers aufrecht zu erhaltenden Zündfunken. Mit anderen Worten, können die Mittel eine Betriebszustandsveränderung des Zündsystems bzw. der Brennkraftmaschine ermitteln, im Ansprechen auf welche die Zündkerze mit einer veränderten elektrischen Energie bzw. einer veränderten elektrischen Leistung zu versorgen ist, um einerseits einen Funkenabriss und andererseits einen übermäßigen Verschleiß des Zündsystems zu vermeiden. Darüber hinaus kann die Stellgröße über das Steuergerät in Abhängigkeit des Brennverfahrens vorgegeben werden. Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Zündsystem Mittel zum Verändern eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers im Ansprechen auf eine ermittelte Energiebedarfsänderung. Diese Mittel sind eingerichtet, entsprechend dem veränderten Energiebedarf den Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers beispielsweise gegenüber dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine einer drehzahlabhängigen Größe oder dem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers zu justieren, um der Funkenstrecke eine modifizierte Leistung 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.
  • Beispielsweise umfasst das Zündsystem einen Shunt, mittels welchem es eingerichtet ist, eine Zündfunkenstrommessung durchzuführen, um einen veränderten Energiebedarf zu ermitteln. Alternativ kann über eine Spannungsmessung ein Rückschluss auf die Höhe des Funkenstromes erfolgen. Durch den Betrieb des Hochsetzstellers wird eine definierte Leistung abgegeben. Somit stehen Strom und Spannung in einer festen Beziehung zueinander. Die Spannungsmessung über dem Shunt kann beispielsweise über einen FPGA und/oder einen ASIC des Zündsystems erfolgen. Zusätzlich kann auch eine ohne Verwendung eines Shunts ermittelte Zündfunkenspannung durch die vorgenannten integrierten Schaltungen zur Ermittlung eines geänderten Energiebedarfes der Zündfunkenstrecke verwendet werden. Als zu ermittelnde elektrische Kenngröße kommen auch hier Ströme, Spannungen und/oder Leistungen in Frage. Da aktuelle Zündsysteme mitunter einen ASIC an einer jeden Brennkammer oder an jeder Zündkerze, umfassen, kann die Realisierung des Zündsystems mit minimalem oder gänzlich ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand realisiert werden.
  • Das Zündsystem weist zusätzlich beispielsweise Speichermittel auf, mittels welcher es eingerichtet ist, den aktuellen Energiebedarf zu klassifizieren. Mit anderen Worten kann der im aktuellen Betriebszustand gemessene Energiebedarf mit Energiebedarfsklassen innerhalb der Speichermittel verglichen werden. Die Speichermittel können zudem vordefinierte Einschaltzeitpunkte für den Hochsetzsteller bereithalten, welche sich als geeignet für die jeweiligen Energiebedarfsklassen herausgestellt haben. Auf diese Weise ist eine einfache und schaltungstechnisch kostengünstige Realisierung des 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 Zündsystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden kann;
  • 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; und
  • 4 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels des 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. 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 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 einer Kapazität 10 verbunden ist. Dieser Anschluss der Kapazität 10 ist beispielsweise über einen Shunt 19 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 SHSS. 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 SHSS gesteuert werden. Zudem kann über das Steuersignal SHSS 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 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 Ermittlung eines veränderten Energiebedarfes für den Zündfunken 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 ein ASIC 42 ausgibt. Das ASIC 42 ist weiter an einen Speicher 41 angebunden, aus welchem Referenzen in Form von Grenzwerten für Klassen von Energie für die aktuell oder zukünftig erforderliche elektrische Energie zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens ausgelesen werden können. Das ASIC 42 ist zur Beeinflussung des Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers 7 eingerichtet, die Ansteuerung 24 mit einem bedarfsgemäß modifizierten bzw. zeitlich verschobenen Steuersignal SHSS zu versorgen, im Ansprechen auf welches der Treiber 25 den Schalter 27 mit einem geänderten bzw. zeitlich 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 Diode 10 zum Abschaltzeitpunkt des Schalters 30 niedriger oder höher ist.
  • 2 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom iZS, b) den zugehörigen Hochsetzstellerstrom iHSS, 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 iZS, 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 iZS auf 0 A ab. Diagramm b) veranschaulicht überdies die Stromaufnahme des Hochsetzstellers 7, welche durch eine pulsförmige oder getaktete 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 iZS 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 tHSS und die Zeitdauer, während welcher Energie primärseitig in den Aufwärtstransformator 2 gegeben wird, als ti gekennzeichnet. Der Startzeitpunkt von tHSS gegenüber ti 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 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.
  • 3a zeigt stark vereinfachte Zeitdiagramme zur Veranschaulichung elektrischer Größen, aus welchen der Einfluss eines veränderten Einschaltzeitpunktes te des Hochsetzstellers 7 auf die Energie an der Funkenstrecke 6 in Form eines sekundärseitigen Stromes I2 erkennbar wird. Das obere Teildiagramm a) zeigt den Fall, dass der Ausschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers 2 identisch dem Einschaltzeitpunkt te des Hochsetzstellers 7 ist. Zum Ausschaltzeitpunkt ta sinkt die Stromstärke des Stroms I2 stark ab und unterschreitet den Minimalwert Imin, welcher zur Sicherstellung eines stabilen Zündfunkens erforderlich ist. Mit anderen Worten unterschreitet der Strom I2 einen Schwellwert, der sich als minimaler Zündfunkenstrom Imin beschreiben lässt und von der Spannung an der Funkenstrecke abhängt. Die Spannung an der Funkenstrecke 6 hängt dabei insbesondere von den Vorgängen innerhalb der Brennkammer der Brennkraftmaschine ab. Da der Hochsetzsteller 7 zum Zeitpunkt seines Einschaltens te noch nicht seine maximale Leistungsfähigkeit erreicht hat, fängt er den abfallenden Strom I2 zu spät ab, der auf diese Weise ca. 0,75 ms unterhalb des Grenzwertes Imin verweilt. Erst ca. eine Millisekunde nach dem Ausschalten des Primärspannungserzeugers 2 ist der Strom I2 stabil und verläuft im Wesentlichen horizontal, bis das Ansteuersignal 32 den Hochsetzsteller 7 abschaltet.
  • 3b zeigt den Einfluss einer erfindungsgemäß vorgezogenen Ansteuerung 32 für den Hochsetzsteller 7. Zum Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers 2 hat der Hochsetzsteller 7 nun eine deutlich erhöhte Leistungsfähigkeit erreicht, so dass der Strom I2 nach dem Abschaltzeitpunkt ta deutlich ansteigt, bis er aufgrund abfallender Energiereserven innerhalb des Primärspannungserzeugers 2 das auch in 3a erkennbare horizontale Niveau erreicht. Aufgrund der erhöhten Leistungsfähigkeit des Hochsetzstellers 7 unterschreitet der Strom I2 den für eine korrespondierende Minimalleistung erforderlichen Schwellwert nicht, so dass ein andauernd hinreichender Energieeintrag in die Funkenstrecke 6 erfolgt. Erst nach Abschalten des Ansteuersignals 32 für den Hochsetzsteller 7 fällt der Strom I2 stark ab und der Zündfunke erlischt. Somit kann erfindungsgemäß durch Variation des Einschaltzeitpunktes te des Hochsetzstellers 7 erheblicher Einfluss auf die der Funkenstrecke 6 zur Verfügung gestellte Energie genommen werden. Auf diese Weise kann ein unerwünschtes Abreißen des Zündfunkens ebenso wie unnötige Funkenerosion an den Elektroden der Zündfunkenstrecke 6 wirksam vermieden werden.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird in Schritt 100 ein veränderter Energiebedarf für einen mittels des Hochsetzstellers aufrecht zu erhaltenden Zündfunken ermittelt. Im Zuge dessen wird eine Messung einer elektrischen Betriebsgröße des Zündsystems (insbesondere der Zündfunkenstrecke) 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 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 Abreißen des Funkens bzw. eine unnötig hohe Elektrodenerosion vermieden werden können.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Einschaltzeitpunkt te im Schritt 300 abhängig von dem ermittelten Betriebszustand und/oder abhängig von dem ermittelten Energiebedarf verändert. Insbesondere kann der Einschaltzeitpunkt te in einem ersten Zündvorgang abhängig von dem Betriebszustand vorgegeben und für die nachfolgenden Zündvorgänge abhängig vom ermittelten Energiebedarf bestimmt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Ermitteln des veränderten Energiebedarfes drei Schritte, wobei im Schritt 100 das Ermitteln einer elektrischen Kenngröße und/oder einer Änderung dieser Kenngröße und/oder einer Änderungsgeschwindigkeit dieser Kenngröße erfolgt. Die elektrische Kenngröße kann insbesondere ein Strom des Zündfunkens und/oder eine eine Spannung des Zündfunkens charakterisierende Spannung sein. Im Schritt 200 wird geprüft, ob eine Überschreitungsbedingung und/oder eine Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob eine Vergleichsgröße einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet. Die Überschreitungsbedingung ist erfüllt, wenn die Vergleichsgröße den vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet. Die Unterschreitungsbedingung ist erfüllt, wenn die Vergleichsgröße den vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet. Die Vergleichsgröße ist beispielsweise die ermittelte Kenngröße oder die Änderung dieser ermittelten Kenngröße oder die Änderungsgeschwindigkeit dieser ermittelten Kenngröße. Das Verändern des Einschaltzeitpunktes te im Schritt 300 erfolgt beispielsweise, indem der Einschaltzeitpunkt te zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers 2 späteren Zeitpunkt verschoben wird, wenn die Überschreitungsbedingung erfüllt ist, oder indem der Einschaltzeitpunkt te zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers 2 früheren Zeitpunkt verschoben wird, wenn die Unterschreitungsbedingung erfüllt ist. Auf diese Weise wird der Funkenstrom auf einen Wert geregelt, so dass weder ein Funkenabriss droht noch eine starke Erosion der Zündkerzenelektrode auftritt. Das erfindungsgemäße Verschieben des Einschaltzeitpunktes te im Schritt 300 kann in vorgebbaren Stufen oder kontinuierlich erfolgen.
  • 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 (17)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems (1) für eine Brennkraftmaschine umfassend einen Primärspannungserzeuger (2) und einen Hochsetzsteller (7) zum Aufrechterhalten eines mittels des Primärspannungserzeugers (2) erzeugten Zündfunkens, gekennzeichnet durch – Ermitteln (100) eines veränderten Energiebedarfes für einen mittels des Hochsetzstellers (7) aufrecht zu erhaltenden Zündfunken, und im Ansprechen darauf – Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes (te) des Hochsetzstellers (7) relativ zu einem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) oder relativ zu einem Kurbelwellenwinkel einer mit dem Zündsystem (1) versehenen Brennkraftmaschine.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln (100) des veränderten Energiebedarfes ein Messen eines Zündfunkenstromes (i2) und/oder einer Zündfunkenspannung und/oder einer der Zündfunkenspannung entsprechenden Messspannung umfasst.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (100) des veränderten Energiebedarfes ein Ermitteln eines Betriebszustands umfasst, insbesondere durch Empfangen eines Signals von einem elektronischen Steuergerät (40), insbesondere einem Motorsteuergerät.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei – wobei das Verändern des Einschaltzeitpunktes ein Auslesen eines dem ermittelten Betriebszustand zugeordneten Einschaltzeitpunktes umfasst, und/oder – wobei das Verändern des Einschaltzeitpunktes ein Klassifizieren des Betriebszustandes und ein Anwenden eines der ermittelten Klasse zugeordneten Einschaltzeitpunktes erfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln (100) des veränderten Energiebedarfes ein Vergleichen (200) einer gemessenen elektrischen Kenngröße eines Zündfunkens oder eines von einem elektronischen Steuergerät (40) generierten Signals (S‘40) mit einer zugeordneten Referenz umfasst.
  6. 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.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes im Ansprechen auf einen verminderten Energiebedarf zu einem Einschalten des Hochsetzstellers (7) zu einem späteren Zeitpunkt führt, und/oder im Ansprechen auf einen erhöhten Energiebedarf zu einem früheren Einschalten des Hochsetzstellers (7) führt.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei – das Ermitteln (100) eines veränderten Energiebedarfes im Zuge eines ersten Zündvorgangs erfolgt, und – das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes im Zuge eines zweiten, darauffolgenden Zündvorgangs erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einschaltzeitpunkt (te) abhängig von dem ermittelten Betriebszustand und/oder abhängig von dem ermittelten Energiebedarf verändert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einschaltzeitpunkt (te) in einem ersten Zündvorgang abhängig von dem Betriebszustand vorgegeben und für die nachfolgenden Zündvorgänge abhängig vom ermittelten Energiebedarf bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (100) des veränderten Energiebedarfes die Schritte umfasst: – Ermitteln einer elektrischen Kenngröße und/oder einer Änderung der Kenngröße und/oder einer Änderungsgeschwindigkeit der Kenngröße, wobei die elektrische Kenngröße insbesondere ein Strom des Zündfunkens und/oder eine eine Spannung des Zündfunkens charakterisierende Spannung ist, – Ermitteln, ob eine Überschreitungsbedingung und/oder Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob eine Vergleichsgröße einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet, wobei die Vergleichsgröße die ermittelte Kenngröße oder die Änderung der ermittelten Kenngröße oder die Änderungsgeschwindigkeit der ermittelten Kenngröße ist,
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) den folgenden Schritt umfasst: – Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) späteren Zeitpunkt, wenn die Überschreitungsbedingung erfüllt ist, oder – Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) früheren Zeitpunkt, wenn die Unterschreitungsbedingung erfüllt ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) in vorgebbaren Stufen oder kontinuierlich erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochsetzsteller (7) mittels eines Schalters (27) eingeschaltet wird.
  15. Computerprogramm, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
  16. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 15 gespeichert ist.
  17. Zündsystem, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
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