DE102014224250A1

DE102014224250A1 - Steuergerät für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014224250A1
Application number: DE102014224250.9A
Authority: DE
Inventors: Masataka c/o DENSO CORPORATION Deguchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-05-28
Also published as: JP2015102080A; JP5907149B2; US20150144101A1; US9797363B2

Abstract

Ein Steuergerät, das für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze, die eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode hat, die so angeordnet sind, dass sie zwischen sich einen Funkenentladungsspalt bilden, vorgesehen ist, hat einen Spannungsanlegebereich zum Anlegen einer Spannung an den Funkenentladungsspalt, einen Konstantspannungsweg einschließlich eines Konstantspannungselements, das parallel zu dem Funkenentladungsspalt der Zündkerze verbunden ist, um zu verhindern, dass an dem Funkenentladungsspalt eine Spannung angelegt wird, die höher als eine festgelegte Spannung ist, und einen Betriebssteuerkreis zum Steuern eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine. Der Betriebssteuerkreis ist so konfiguriert, dass er eine Stromfließzeit misst, während der ein Strom durch den Konstantspannungsweg fließt, wenn eine Spannung, die höher als die festgelegte Spannung ist, an dem Konstantspannungsweg angelegt wird, und dass er den Betriebszustand der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit der gemessenen Stromfließzeit ändert.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-245932 , die am 28. November 2013 eingereicht wurde und deren gesamten Inhalte hiermit durch Bezugnahme eingegliedert sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Eine Zündkerze, die als ein Zündungsmittel für eine Brennkraftmaschine verwendet wird, hat einen Isolator, der eine in ihn eingesetzte Mittelelektrode hält, ein Gehäuse, das einen distalen Endabschnitt des darin eingesetzten Isolators hält, und eine Masseelektrode, die an das Gehäuse gefügt ist, sodass sie einen Funkenentladungsspalt mit der Mittelelektrode bildet. Die Isolierung des Funkenentladungsspalts ist unterbrochen, um einen Entladungsfunken zwischen der Mittelelektrode und der Massenelektrode zu erzeugen, wenn von einer Zündspule eine hohe Spannung angelegt wird.
Die japanische geprüfte Patentoffenlegungsschrift Nr. H6-80313 beschreibt eine solche Zündkerze. Die in dieser Patentdruckschrift beschriebene Zündkerze hat ein Konstantspannungselement, das in den Isolator eingebaut ist. Wenn eine an dem Konstantspannungselement anliegende Spannung niedriger als eine Sollspannung ist, dann wird verhindert, dass ein Strom durch das Konstantspannungselement fließt. Wenn andererseits die an dem Konstantspannungselement anliegende Spannung höher als oder gleich wie die Sollspannung ist, dann wird der Widerstand des Konstantspannungselements ausreichend verringert, um einem Strom das Hindurchtreten zu ermöglichen. Das Bereitstellen des Konstantspannungselements in parallel verbundener Weise zu dem Funkenentladungsspalt macht es möglich, zu verhindern, dass an dem Funkenentladungsspalt eine Spannung angelegt wird, die höher als die Sollspannung ist, um dadurch die Variation der Entladungsspannung zu verringern.
Jedoch birgt die in der obigen Patentdruckschrift beschriebene Zündkerze das nachstehend beschriebene Problem. Die Anzahl von Brennkraftmaschinen mit einem Vorverdichter kleiner Abmessung nimmt zu, um der Nachfrage nach einer Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und der Verringerung der Herstellungskosten nachzukommen. Bei diesen Brennkraftmaschinen ist das Verdichtungsverhältnis höher festgelegt, was den Zylinderdruck höher werden lässt und die Entladungsspannung der Zündkerze höher werden lässt.
Außerdem nutzen die Mittelelektrode und die Masseelektrode wegen einer Erhöhung der Temperatur der Brennkammer, einer Erhöhung der Materialoxidation in einer Oxidationsatmosphäre, der Volumenverringerung infolge eines Funkensprühens und dergleichen ab. Da der Funkenentladungsspalt zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode größer wird, wird als ein Ergebnis die Abgabespannung der Zündkerze noch größer.
Folglich gibt es bei der Zündkerze, die mit dem Konstantspannungselement versehen ist, um zu verhindern, dass an dem Funkenentladungsspalt eine Spannung angelegt wird, die höher als die Sollspannung ist, bedenken, dass es eine lange Zeitspanne dauern kann, bevor ein Entladungsfunken erzeugt wird, oder es kann sein, dass kein Entladungsfunken erzeugt wird, wodurch eine Fehlzündung der Brennkraftmaschine hervorgerufen wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform sieht ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze vor, die eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode hat, die so angeordnet sind, dass sie einen Funkenentladungsspalt zwischen sich ausbilden, mit:
einem Spannungsanlegebereich zum Anlegen einer Spannung an dem Funkenentladungsspalt;
einem Konstantspannungsweg einschließlich eines Konstantspannungselements, das zu dem Funkenentladungsspalt der Zündkerze parallel verbunden ist, um zu verhindern, dass an dem Funkenentladungsspalt eine Spannung angelegt wird, die höher als eine Sollspannung ist; und
einem Betriebssteuerkreis zum Steuern eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine;
wobei der Betriebssteuerkreis dazu konfiguriert ist, eine Stromfließzeit zu messen, während ein Strom durch den Konstantspannungsweg strömt, wenn eine Spannung an dem Konstantspannungsweg angelegt wird, die höher als die Sollspannung ist, und den Betriebszustand der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit der gemessenen Stromfließzeit zu ändern.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, das in der Lage ist, eine Zündleistung eines Zündsystems einschließlich einer Zündkerze und eines Konstantspannungselements beizubehalten, um zu verhindern, dass an der Zündkerze eine Spannung angelegt wird, die höher als eine Sollspannung ist, und zwar sogar nachdem sich die Zündkerze infolge von Alterung verschlechtert hat.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beiliegenden Zeichnungen ist:
1 ein Schaubild zum Erläutern des Aufbaus einer Brennkraftmaschine, die durch ein Steuergerät gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gesteuert wird;
2 ein Schaubild, das den Aufbau des Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 ein Graph, der zeitliche Änderungen eines Zündsignals, einer an einer Zündkerze anliegenden Spannung und eines Stroms zeigt, der einen Stromerfassungswiderstand passiert, der in dem Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung enthalten ist;
4 ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Spannungsabweichung und einer Stromfließzeit in dem Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Entladungsspannung und dem Zylinderdruck einer Brennkraftmaschine zeigt, die durch das Steuergerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gesteuert wird;
6 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Stromfließzeit und dem Zylinderdruck der Brennkraftmaschine zeigt, die durch das Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung gesteuert wird;
7 ein Graph, der zeitliche Änderungen eines Zündsignals, einer an einer Zündkerze anliegenden Spannung und eines Stroms zeigt, der einen Stromerfassungswiderstand passiert, der in einem Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung enthalten ist; und
8 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Entladungsspannung und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Brennkraftmaschine zeigt, die durch ein Steuergerät gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gesteuert wird.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Erste Ausführungsform
Ein Steuergerät 1 für eine Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben. Das Steuergerät 1 dient dem Steuern einer Brennkraftmaschine 10 mit zumindest einer Zündkerze 2, die einen Funkenentladungsspalt zwischen ihrer Mittelelektrode 21 und ihrer Masseelektrode 22 hat. Das Steuergerät 1 hat einen Verbindungsweg 31 zum elektrischen Verbinden der Zündkerze 2 mit einer Zündspule 301 als Spannungsanlegemittel zum Anlegen einer Spannung an der Zündkerze 2, einen Konstantspannungsweg 32 zum Verhindern des Anlegens einer Spannung an dem Funkenentladungsspalt, die höher als eine Sollspannung V_Z ist, und einen Betriebssteuerkreis 4 zum Steuern eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10. Der Konstantspannungsweg 32 ist mit einem Konstantspannungselement 131 versehen, das von dem Verbindungsweg 31 abzweigt, und mit der Zündkerze 2 parallel verbunden ist.
Der Betriebssteuerkreis 4 ist so konfiguriert, dass er in der Lage ist, eine Stromfließzeit t, während den ein Strom durch den Konstantspannungsweg 32 strömt, zu messen, wenn an dem Verbindungskreis 31 eine Spannung angelegt wird, die höher als die Sollspannung V_Z ist, und den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit der gemessenen Stromfließzeit t zu ändern.
Der Aufbau des Steuergeräts 1 wird nachstehend ausführlich beschrieben. Das Steuergerät 1 dient dem Steuern der Brennkraftmaschine, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Dieselkraftmaschine ist. Die Brennkraftmaschine 10 hat eine Brennkammer 11, in der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, einen Einlassdurchlass 12 zum Zuführen des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu der Brennkammer 11 und einen Auslassdurchlass 13 zum Abgeben von Abgas in der Brennkammer 11.
Die Brennkammer 11 hat einen säulenartigen Kolben 111 und einen Zylinder 113, wobei der Kolben 111 in dem Zylinder 113 in seiner Achsrichtung bewegbar enthalten ist. Der Kolben 111 ist mit einer Verbindungsstange 112 und einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle verbunden, um die Linearbewegung des Kolbens 111 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle umzuwandeln. Die Kurbelwelle ist mit einem Winkelsensor (nicht gezeigt) versehen, um deren Rotationswinkel zu erfassen. Die Zündkerze 2 ist derart an dem Zylinder 113 montiert, dass die Mittelelektrode 21 und die Masseelektrode 22 zu der Innenseite der Brennkammer 11 freiliegen. Wenn an der Mittelelektrode 21 eine Spannung angelegt wird, dann wird in dem Funkenentladungsspalt zwischen der Mittelelektrode 21 und der Masseelektrode 22 ein Entladungsfunken erzeugt.
Der Einlassdurchlass 12, der mit der Brennkammer 11 in Verbindung ist, ist mit einem Einlasskompressor 141 eines Vorverdichters, einem Drosselventil 121, einem Einlassdrucksensor 122 und einem Kraftstoffeinspritzventil 123 versehen. Das Drosselventil 121 ist ein elektronisch gesteuertes Ventil. Durch Einstellen des Öffnungsgrads des Drosselventils 121 kann der Durchsatz der zu der Brennkammer 11 der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Luft eingestellt werden. Das Kraftstoffeinspitzventil 123 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil. Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch wird ausgebildet, indem von dem Kraftstoffeinspritzventil 123 eingespritzter Kraftstoff mit Luft in dem Einlassdurchlass 12 kombiniert wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch Öffnen eines in der Brennkammer 11 vorgesehenen Einlassventils der Brennkammer 11 zugeführt.
Der Auslassdurchlass 13, der mit der Brennkammer 11 in Verbindung ist, ist mit einer Abgasturbine 142 des Vorverdichters und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 131 versehen. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 131 erfasst Konzentrationen von Sauerstoff und unverbrannten Komponenten (CO, HC, H₂ usw.) in dem Abgas und gibt ein elektrisches Signal aus, das die Erfassungsergebnisse wiedergibt.
Wie in 1 gezeigt ist, hat der Vorverdichter der Brennkraftmaschine 10 den Einlasskompressor 141, der in dem Einlassdurchlass 12 vorgesehen ist, die Abgasturbine 142, die in dem Auslassdurchlass 13 vorgesehen ist, und eine (nicht gezeigte) Rotationswelle, die mit dem Einlasskompressor 141 und der Abgasturbine 142 verbunden ist. Die Rotationsenergie der Abgasturbine 142, die durch das durch den Auslassdurchlass 13 strömende Abgas gedreht wird, wird durch die Rotationswelle zu dem Einlasskompressor 141 übertragen, wodurch der Kompressor 141 dazu gebracht wird, die Einlassluft zu komprimieren oder aufzuladen. Bei dieser Ausführungsform ist der Vorverdichter so konfiguriert, dass er in der Lage ist, den Vorverdichtungsdruck bzw. Ladedruck einzustellen. beispielsweise kann der Öffnungsgrad der Flügel des Vorverdichters einstellbar sein.
Wie zuvor beschrieben wurde, hat das Steuergerät 1 den Verbindungsweg 31 zum elektrischen Verbinden der Zündkerze 2 mit der Zündspule 310, den Konstantspannungsweg 32 zum Verhindern des Aufbringens einer Spannung, die höher als die Sollspannung V_Z ist, auf den Funkenentladungsspalt, und den Betriebssteuerkreis 4 zum Steuern des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10.
Der Verbindungsweg 31 macht eine elektrische Verbindung zwischen der Mittelelektrode 21 der Zündkerze 2 und der Zündspule 310. Die Zündspule 310 hat eine Primärspule 311 und eine Sekundärspule 312, die magnetisch miteinander verbunden sind. Sowohl die Primärspule 311 als auch die Sekundärspule 312 sind durch Wickeln eines Drahts mit einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Ende der Primärspule 311 mit der Positivelektrode einer an dem Fahrzeug montierten Batterie 5 verbunden, und das andere Ende der Primärspule 311 ist mit einem Schaltweg 33 verbunden. Der Schaltweg 33 hat ein elektronisch gesteuertes Schaltelement 331. Das Schaltelement 331 ist an seinem einen Ende mit der Primärspule 311 verbunden, und ist an seinem anderen Ende geerdet. Bei dieser Ausführungsform ist das Schaltelement 331 ein N-Kanal-MOSFET.
Die Sekundärspule 311 ist über einen Niederspannungsweg 34 an ihrem einen Ende mit der Positivelektrode der Batterie 5 verbunden, und ist an ihrem anderen Ende über den Verbindungsweg 31 mit der Mittelelektrode 21 der Zündkerze 2 verbunden. Die Negativelektrode der Batterie 5 ist geerdet. Bei dieser Ausführungsform ist die Batterie 5 eine 12V-Bleisäurespeicherbatterie und das Erdungspotential beträgt 0V.
Wie in 2 gezeigt ist, ist der Verbindungsweg 31 mit dem Konstantspannungsweg 32 verbunden, der an seinem einen Ende geerdet ist. Der Konstantspannungsweg 32 ist mit einer ZENER-Diode als das Konstantspannungselement 321 und einem Stromerfassungswiderstand 322, die in dieser Reihenfolge von der Seite des Verbindungswegs 31 angeordnet sind, versehen. Das Konstantspannungselement 321 ist mit dem Verbindungsweg 31 an seiner Anode verbunden und mit einem Ende des Widerstands 322 verbunden, dessen anderes Ende geerdet ist.
Der Betriebssteuerkreis 4, der als eine ECU ausgebildet ist, die hauptsächlich aus einem Mikrocomputer gebildet ist, speichert in sich Beziehungsausdrücke F1 und F2 zwischen einer später erläuterten Spannungsabweichung V_Y und der Stromfließzeit t. Der Betriebssteuerkreis 4 ist so konfiguriert, dass er in der Lage ist, die Stromfließzeit t zu messen, während der ein Strom durch den Konstantspannungsweg 32 fließt, die Spannungsabweichung V_Y von der Stromfließzeit t unter Verwendung der später erläuterten Beziehungsausdrücke F1 und F2 abzuleiten, und den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 in Übereinstimmung mit der Spannungsabweichung V_Y zu steuern. Obwohl die Spannungsabweichung V_Y unter Verwendung der Beziehungsausdrücke F1 und F2 bei dieser Ausführungsform abgeleitet wird, kann sie unter Verwendung einer Umwandlungstabelle oder Kennfelddaten abgeleitet werden. Der Betriebssteuerkreis 4 ist in der Lage, zudem eine Zündsteuerung zum Ausgeben eines Zündsignals IGt zu dem Steueranschluss (gate) 332 des in dem Schaltweg 33 vorgesehenen Schaltelements durchzuführen.
Die Beziehungsausdrücke F1 und F2 werden von Beziehungsdaten abgeleitet, die eine Beziehung zwischen der Spannungsabweichung V_Y und der Stromfließzeit t wiedergeben. Die Spannungsabweichung V_Y ist die Differenz zwischen der Sollspannung V_Z und einer erhöhten Entladungsspannung V_X, die in Folge der Verschlechterung der Zündkerze 2 von der Sollspannung V_Z erhöht ist. Die Beziehungsdaten werden durch Messungen im Vorfeld ermittelt. Genauer gesagt werden die Beziehungsdaten durch Messen von Abweichungen einer Entladungsspannung V und der Stromfließzeit t ermittelt, wenn der Zylinderdruck wie in 5 und 6 gezeigt, variiert wird.
In dem Graph aus 5 gibt die Vertikalachse die Entladungsspannung V (kV) an und die Horizontalachse gibt den Zylinderdruck (MPa) an. Die durchgezogene Linie L1 zeigt, wie die Entladungsspannung V der Zündkerze 2 mit der Zunahme des Zylinderdrucks variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 vorgesehen ist. Die gestrichelte Linie B1 zeigt, wie die Entladungsspannung V der Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Zylinderdrucks variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 nicht vorgesehen ist. In dem Graph von 6 gibt die Vertikalachse die Stromfließzeit t (µs) wieder und die Horizontalachse gibt den Zylinderdruck (MPa) wieder. Die durchgezogene Linie L2 zeigt, wie die Stromfließzeit t der Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Zylinderdrucks variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 vorgesehen ist. Die gestrichelte Linie B2 zeigt, wie die Stromfließzeit t der Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Zylinderdrucks variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 nicht vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform werden die Beziehungsdaten durch Messen der Variationen der Entladungsspannung und der Stromfließzeit ermittelt, wenn der Zylinderdruck variiert. Jedoch können die Beziehungsdaten ermittelt werden, indem die Variationen der Abgabespannung und die Stromfließzeit gemessen werden, wenn der Funkenentladungsspalt oder das Kraftstoff-Luft-Verhältnis variiert werden.
Die Beziehungsausdrücke F1 und F2 werden auf Grundlage der jeweils in 5 und 6 gezeigten Beziehungsdaten abgeleitet. 4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Stromfließzeit t (µs in der Horizontalachse) und der Spannungsabweichung V_Y (kV in der Vertikalachse) zeigt. Es wurde herausgefunden, dass der Ausdruck "V = at" erfüllt ist, wenn der Beziehungsausdruck F1 in dem Bereich von 0 < t ≤ 25 µs liegt, und dass der Ausdruck "V = bln(t) + c" erfüllt ist, wenn die der Beziehungsausdruck F2 in dem Bereich von 25 < t ≤ 150 µs liegt, wobei a, b und c Konstanten sind, die von der Bauart jeweils der Zündkerze 2 und der Brennkraftmaschine 10 abhängig sind.
Der Betriebssteuerkreis 4 kann einen Prozess zum Verringern der Entladungsspannung V der Zündkerze 2 durch Ändern einer gesteuerten Variable eines Stellglieds für die Verbrennungssteuerung der Brennkraftmaschine 10 durchführen. Der Prozess zum Verringern der Entladungsspannung V kann ein Prozess zum Verstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Richtung der kraftstofffetten Seite, ein Prozess zum Verringern des Vorverdichtungsdrucks oder ein Prozess zum Vorrücken der Zündzeitgebung sein.
Der Prozess zum Verringern des Vorverdichtungsdrucks dient dem Verringern des Zylinderdrucks der Brennkraftmaschine 10, um dadurch die Entladungsspannung V der Zündkerze 2 zu verringern. Der Prozess zum Vorrücken der Zündzeitgebung dient dem Vorrücken der Zeitgebung, zu der ein Entladungsfunken in dem Funkenentladungsspalt erzeugt wird, von dem oberen Verdichtungstotpunkt. Durch Vorrücken der Zündzeitgebung kann die Entladungsspannung V verringert werden, da der Zylinderdruck verringert wird. Der Prozess zum Verstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Richtung der kraftstofffetten Seite wird durch Erhöhen der Menge der Kraftstoffeinspritzung von dem Kraftstoffeinspritzventil 123 getätigt. Die Entladungsspannung V der Zündkerze 2 kann durch Verringern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verringert werden.
Als Nächstes wird eine Zündsteuerung der Zündkerze 2 und eine Betriebssteuerung der Brennkraftmaschine 10 erläutert. Wie in (a) von 3 gezeigt ist, legt der Betriebssteuerkreis 4 ein EIN-Signal als das Zündsignal IGt an dem Schaltelement 31 an. Wie in (b) von 3 gezeigt ist, wird als ein Ergebnis ein Strom von der Batterie 5 zu der Primärspule 311 zugeführt, um in der Zündspule 310 eine magnetische Energie zu speichern. Bei dieser Ausführungsform wird ein Ende der Sekundärspule 312 an der mit der Mittelelektrode 21 verbundenen Seite positiv und das andere Ende wird negativ, wenn die Primärspule 311 mit einem Strom versorgt wird.
Daraufhin legt der Betriebssteuerkreis 4 zum Zeitpunkt t1 ein AUS-Signal als das Zündsignal IGt an dem Schaltelement 331 an, wie dies in (a) von 3 gezeigt ist. Da das Schaltelement 331 ausgeschaltet wird, wird als ein Ergebnis der zu der Primärspule 311 zugeführte Strom gestoppt und die Ausgabepolarität der Sekundärspule 312 wird umgekehrt, wobei eine hohe Spannung über beide Enden der Sekundärspule 312 induziert wird. Die induzierte hohe Spannung wird durch den Verbindungsweg 31 an dem Funkenentladungsspalt der Zündkerze 2 angelegt, wie dies in (b) von 3 gezeigt ist.
Wenn die angelegte Spannung (die an dem Funkenentladungsspalt der Zündkerze 2 angelegte Spannung) die Sollspannung V_Z des Konstantspannungselements 321 überschreitet, da das Konstantspannungselement 321 leitfähig wird und ein Spannungsabfall auftritt, wird die angelegte Spannung bei der Sollspannung V_Z beibehalten. In diesem Zustand tritt in dem Funkenentladungsspalt ein Isolierungszusammenbruch auf, sodass ein Entladungsfunken erzeugt wird. Die angelegte Spannung des Konstantspannungselements 321 wird höher als die Entladungsspannung V der fabrikneuen Zündkerze 2 und niedriger als der zulässige obere Grenzwert der Entladungsspannung V der Zündkerze 2 festgelegt. Der zulässige obere Grenzwert ist ein oberer Grenzwert des Bereichs der Entladungsspannung V, in dem der Zündbetrieb zuverlässig durchgeführt werden kann. Der zulässige obere Grenzwert wird durch einen Versuch bestimmt, in dem die Brennkraftmaschine 10 unter verschiedenen Umständen betrieben wird.
Wenn die Zündkerze 2 fabrikneu ist, wie dies in (b) von 3 gezeigt ist, tritt in dem Funkenentladungsspalt ein Isolierungszusammenbruch auf, sodass ein Entladungsfunken zu einem Zeitpunkt t2 erzeugt wird, bevor die angelegte Spannung die Sollspannung V_Z erreicht. Mit zunehmender Zeitspanne, mit der die Zündkerze 2 verwendet wurde, wird der Funkenentladungsspalt größer und die Abnutzung der Mittelelektrode 21 nimmt zu, wodurch eine Zunahme der Entladungsspannung V verursacht wird. Als ein Ergebnis wird der Zeitpunkt, zu dem ein Entladungsfunken erzeugt wird, von dem Zeitpunkt t2 verspätet (beispielsweise auf den Zeitpunkt t3 oder t5), wie dies in 3 gezeigt ist.
Falls Zeitpunkt t4 erreicht wird, bevor eine Funkenentladung erzeugt wird, erreicht die Entladungsspannung V eine erhöhte Spannung V_X, die höher als die Sollspannung V_Z des Konstantspannungselements 321 ist, wie dies in (b) von 3 gezeigt ist. Als ein Ergebnis wird das Konstantspannungselement 321 leitfähig und ein Strom fließt durch den Konstantspannungsweg 32, wodurch ein Spannungsabfall hervorgerufen wird. Zu diesem Zeitpunkt misst der Betriebssteuerkreis 4 die Stromfließzeit t, während der ein Strom durch den Widerstand 322 strömt. Daraufhin berechnet der Betriebssteuerkreis 4 die Spannungsabweichung V_Y auf Grundlage der gemessenen Stromfließzeit t unter Verwendung der Beziehungsausdrücke F1 und F2 und führt den Prozess zum Verringern der Abgabespannung V der Zündkerze 2 durch Ändern der gesteuerte variable des Stellglieds für die Verbrennungssteuerung der Brennkraftmaschine 10 in Übereinstimmung mit der berechneten Spannungsabweichung V_Y durch. Wie dies zuvor beschrieben wurde, kann der Prozess zum Verringern der Entladungsspannung V der Prozess zum Verstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs in Richtung der kraftstofffetten Seite, der Prozess zum Verringern des Vorverdichtungsdrucks oder der Prozess zum Vorrücken der Zündzeitgebung sein.
Das zuvor beschriebene Brennkraftmaschinensteuergerät 1 bietet die folgenden Vorteile. Das Steuergerät 1 ist in der Lage, den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit der Stromfließzeit t zu ändern. Da die Stromfließzeit t in Abhängigkeit des Grads der Verschlechterung der Zündkerze 2 variiert, ist es möglich, den Grad der Verschlechterung der Zündkerze 2 durch Messen der Stromfließzeit t zu schätzen. Es ist möglich, die Verschlechterung der Zündleistung infolge der Verschlechterung der Zündkerze 2 durch Ändern des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10 in Übereinstimmung mit dem Grad der Verschlechterung der Zündkerze 2 so zu unterdrücken, dass die Zündleistung trotz Verschlechterung der Zündkerze bei einem ausreichend hohen Niveau beibehalten werden kann.
Der Betriebssteuerkreis 4 speichert die Beziehung zwischen der Stromfließzeit t und der Spannungsabweichung V_Y zwischen der Sollspannung V_Z und der erhöhten Entladungsspannung V_X, die von der Sollspannung V_X infolge der Verschlechterung der Zündkerze 2 erhöht ist, und ändert den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 in Übereinstimmung mit der Spannungsabweichung V_Y, die von der gemessenen Stromfließzeit t abgeleitet wird. Das heißt, die Spannungsabweichung V_Y kann ohne direktes Überwachen der Entladungsspannung der Zündkerze 2 ermittelt werden. Herkömmlicherweise wird der Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch direktes Überwachen der Entladungsspannung der an der Kraftmaschine montierten Zündkerze gesteuert. Falls die Kraftmaschine eine kleine Abmessung hat, ist es jedoch schwierig, die Entladungsspannung der Zündkerze direkt zu überwachen. Gemäß dem zuvor beschriebenen Brennkraftmaschinensteuergerät 1 ist es möglich, den Betriebszustand einer Brennkraftmaschine durch Messen der Stromfließzeit t zu steuern, selbst wenn die Kraftmaschine eine kleine Größe hat.
Der Betriebssteuerkreis 4 speichert die Beziehungsausdrücke F1 und F2, die von den Beziehungsdaten abgeleitet werden, und ermittelt die Spannungsabweichung V_Y von der Stromfließzeit t unter Verwendung der Beziehungsausdrücke F1 und F2. Dementsprechend kann die Menge der in dem Betriebssteuerkreis 4 gespeicherten Daten klein sein. Da die Beziehungsausdrücke F1 und F2 ferner die Beziehung zwischen der Stromfließzeit t und der Spannungsabweichung V_Y in einer kontinuierlichen Weise wiedergeben können, kann die Spannungsabweichung V_Y mit hoher Genauigkeit in Übereinstimmung mit der gemessenen Stromfließzeit t abgeleitet werden.
Der Betriebssteuerkreis 4 führt den Prozess zum Verringern der Entladungsspannung V der Zündkerze 2 durch Ändern der gesteuerten Variable des Stellglieds für die Verbrennungssteuerung der Brennkraftmaschine so durch, dass die Zündkerze 2 einen Entladungsfunken auf einfache Weise erzeugen kann, um dadurch eine Fehlzündung in der Brennkraftmaschine 10 zu verhindern.
Wie zuvor beschrieben wurde, ist es gemäß dem Brennkraftmaschinensteuergerät 1 möglich, eine Brennkraftmaschine stabil bzw. stetig zu betreiben, selbst wenn eine an der Kraftmaschine montierte Zündkerze sich verschlechtert hat.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in einem Teil des Aufbaus des Betriebssteuerkreises 4. In der zweiten Ausführungsform ist der Betriebssteuerkreis 4 so konfiguriert, dass er die der Primärspule 311 zuzuführende Energie erhöht. Wie in (a) von 7 gezeigt ist, wird die Zeitgebung, zu der die Leistungszufuhr zu der Primärspule 311 gestartet wird, von dem für die fabrikneue Zündkerze 2 festgelegten Zeitpunkt t0 auf den Zeitpunkt ts geändert, der um Δt (µs) früher als der Zeitpunkt t0 liegt, um die Leistungszufuhrzeitspanne zu verlängern. Alternativ kann zum Erhöhen der zu der Primärspule 311 zugeführten Energie eine Vorrichtung zum schrittweisen Erhöhen der Batteriespannung in dem Verbindungsweg zwischen der Batterie 5 und der Primärspule 311 angeordnet sein, sodass der Betrag des zu der Primärspule 311 fließenden Stroms für die gleiche Leistungszuführzeitspanne erhöht wird, um dadurch die in der Zündspule 310 angesammelte elektrische Energie zu erhöhen. Die Vorrichtung zum schrittweisen Erhöhen der Batteriespannung kann ein DC-DC-Wandler sein. Das zweite Ausführungsbeispiel bietet die gleichen Vorteile wie das erste Ausführungsbeispiel.
Dritte Ausführungsform
Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Das Brennkraftmaschinensteuergerät gemäß der dritten Ausführungsform speichert Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten, die eine Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Spannungsabweichung zeigen, und eine Grenzentladungsspannung V_L. 8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Entladungsspannung V der Zündkerze 2 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine 10 zeigt. Die Vertikalachse und die Horizontalachse dieses Graphs geben jeweils die Entladungsspannung V und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) wieder. Die durchgezogene Linie L3 zeigt, wie die Entladungsspannung V der fabrikneuen Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 vorgesehen ist. Die gestrichelte Linie B3 zeigt, wie die Entladungsspannung V der fabrikneuen Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 nicht vorgesehen ist. Die durchgezogene Linie L4 zeigt, wie die Entladungsspannung V der verschlechterten Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 vorgesehen ist. Die gestrichelte Linie B4 zeigt, wie die Entladungsspannung V der verschlechterten Zündkerze 2 mit der Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses variiert, wenn das Konstantspannungselement 321 nicht vorgesehen ist.
Die Grenzentladungsspannung V_L ist eine Spannung, über der eine wirkungsvolle Entladung zu einem geeigneten Zeitpunkt selbst dann nicht auftritt, nachdem die Sollspannung V_Z erreicht wurde. Das heißt, falls die Entladungsspannung V die Grenzentladungsspannung V_L überschreitet, kann es passieren, dass in der Zündkerze 2 keine Entladung erzeugt wird, oder die Zündzeitgebung verspätet ist, wodurch eine Ausgabeanormalität der Kraftmaschine hervorgerufen wird. Die Grenzentladungsspannung V_L kann aus dem Beziehungsausdruck F2 berechnet werden oder kann im Vorfeld durch Versuch bestimmt werden. Wenn die Grenzentladungsspannung V_L aus dem Beziehungsausdruck F2 berechnet wird, dann wird der Konvergenzwert der Entladungsspannung V als die Grenzentladungsspannung V_L bestimmt. Damit die Zündkerze 2 ein Zünden bei der geeigneten Zeitgebung durchführt, ist die Spannungsabweichung V_Y zwischen der Grenzentladungsspannung V_L und der Sollspannung V_Z vorzugsweise kleiner als 10 kV festgelegt. Es ist noch weiter vorzuziehen, dass sie kleiner als 5 kV festgelegt ist.
Bei dieser Ausführungsform speichert der Betriebssteuerkreis 4 die Beziehungsausdrücke F1 und F2, die von den in 4 gezeigten Beziehungsdaten abgeleitet werden, und speichert Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten, die eine zuvor ermittelte Beziehung zwischen der Entladungsspannung V und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigen, wie in 8 dargestellt ist. Wie durch die durchgezogene Linie L3 und die gestrichelte Linie B3 in 8 gezeigt ist, nimmt die Entladungsspannung V linear zu, wenn das Verhältnis aus Luft zu Kraftstoff zunimmt, das heißt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der mageren Seite verstellt wird. Falls das Konstantspannungselement 321 in dem Verbindungskreis 31 nicht vorgesehen ist, wird an der Zündkerze 2 eine Spannung angelegt, die höher als die Sollspannung V_Z ist, wenn die Entladungsspannung V die erhöhte Spannung V_X erreicht, die höher als die Sollspannung V_Z ist.
Wie durch die durchgezogene Linie L4 und die gestrichelte Linie B4 in 8 gezeigt ist, nimmt die Entladungsspannung V dann, wenn der Funkentladungsspalt infolge einer Verschlechterung der Zündkerze 2 größer wird, verglichen mit dann, wenn sie fabrikneu ist, zu. Im Übrigen wurde herausgefunden, dass die proportionale Beziehung zwischen der Entladungsspannung V und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis dann, wenn sich die Zündkerze 2 verschlechtert hat, gleich wie dann ist, wenn sie fabrikneu ist.
Als Nächstes wird ein Vorgang zum Ermitteln der verschlechterten Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten (die durchgezogene Linie L4 und die gestrichelte Linie B4) unter Verwendung der Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten (die durchgezogene Linie L3 und die gestrichelte Linie B3) erläutert. Der Betriebssteuerkreis 4 startet mit dem Messen der Stromfließzeit t zu dem Zeitpunkt, zu dem die Entladungsspannung V der Zündkerze 2 die erhöhte Entladungsspannung V_X erreicht und ein Strom anfängt, durch den Konstantspannungsweg 32 zu fließen. In 8 entspricht die Zeitgebung, zu der die Entladungsspannung V die erhöhte Entladungsspannung V_X erreicht, dem Zeitpunkt t4 in 3.
Daraufhin ermittelt der Betriebssteuerkreis 4 die Spannungsabweichung V_Y von der gemessenen Stromfließzeit t unter Verwendung der Beziehungsausdrücke F1 und F2. Gleichzeitig ermittelt der Betriebssteuerkreis 4 Daten, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine 10 zeigen, wenn die Stromfließzeit t gemessen wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann auf Grundlage der Ausgabe de Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 131 bestimmt werden. Hier ist das erhaltene Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit At bezeichnet.
Als ein Ergebnis wird ein Punkt Pt ermittelt, an dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu At wird und die Spannungsabweichung zu V_yt wird. Durch Zeichnen einer geraden Linie, die diesen Punkt Pt passiert und die parallel zu der durchgezogenen Linie L3 und der gestrichelten Linie B3, die die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Daten der fabrikneuen Zündkerze 2 wiedergeben, verläuft, werden die durchgezogene Linie L4 und die gestrichelte Linie B4 erhalten, die die verschlechterten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Daten der verschlechterten Zündkerze 2 wiedergeben.
Ferner ermittelt der Betriebssteuerkreis 4 einen Grenzwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der verschlechterten Zündkerze 2 unter Verwendung der verschlechterten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Daten (die durchgezogene Linie L4 und die gestrichelte Linie B4) und der Grenzentladungsspannung V_L. Der Grenzwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist ein Wert, bei dem die Entladungsspannung V gleich zu der Grenzentladungsspannung V_L wird. Dementsprechend ist der Grenzwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der verschlechterten Zündkerze 2 gleich At_max. Dementsprechend steuert der Betriebssteuerkreis 4 die Menge des von dem Kraftstoffeinspritzventil 123 eingespritzten Kraftstoffs so, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als der Grenzwert At_max beibehalten wird, wie dies in 8 gezeigt ist. Übrigens beträgt ein Grenzwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der fabrikneuen Zündkerze An_max.
Wie zuvor beschrieben wurde, verwendet bei dieser Ausführungsform der Betriebssteuerkreis 4 sowohl die Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten als auch die Beziehungsdaten zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Übereinstimmung mit dem Verschlechterungsgrad der Zündkerze 2. Daher kann das Brennkraftmaschinensteuergerät 1 dieser Ausführungsform die Zündleistung der Zündkerze 2 beibehalten, sodass selbst dann eine optimale Verbrennungsumgebung erreicht wird, wenn die Brennkraftmaschine 10 eine mager verbrennende Kraftmaschine mit Vorverdichtung ist.
Falls das Brennkraftmaschinensteuergerät 1 übrigens eine Tabelle, Kennfelddaten oder Beziehungsausdrücke für die Umwandlung zwischen der Entladungsspannung und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis speichert, kann die zuvor beschriebene Steuerung schneller durchgeführt werden. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind so konfiguriert, dass sie die Brennkraftmaschine 10 unter Verwendung der Luft-Kraftstoffverhältnisdaten steuert. Jedoch können die zuvor beschriebenen Ausführungsformen so modifiziert werden, dass sie die Brennkraftmaschine 10 unter Verwendung von Daten steuert, die die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 oder den Öffnungsgrad der Drossel wiedergeben. Die obigen Ausführungsbeispiele können mit einer Funktion des Erfassens des Verschlechterungsgrads der Zündkerze auf Grundlage der Stromfließzeit t oder der Spannungsabweichung versehen sein und den Anwender dazu veranlassen, die Zündkerze auszutauschen, wenn dies erforderlich ist.
Die zuvor erläuterten, bevorzugten Ausführungsbeispiele sind Beispiele der Erfindung der vorliegenden Anmeldung, die ausschließlich durch die nachstehend beiliegenden Ansprüche beschrieben ist. Es ist so zu verstehen, dass Modifikationen der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die dem Fachmann ersichtlich sind, angefertigt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013-245932 [0001]
JP 6-80313 [0004]

Claims

Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze, die eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode hat, die so angeordnet sind, dass sie zwischen sich einen Funkenentladungsspalt bilden, mit: einem Spannungsanlegebereich zum Anlegen einer Spannung an den Funkenentladungsspalt; einem Konstantspannungsweg einschließlich eines Konstantspannungselements, das parallel zu dem Funkenentladungsspalt der Zündkerze verbunden ist, um zu verhindern, dass an dem Funkenentladungsspalt eine Spannung angelegt wird, die höher als eine festgelegte Spannung ist; und einem Betriebssteuerkreis zum Steuern eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine; wobei der Betriebssteuerkreis so konfiguriert ist, dass er eine Stromfließzeit misst, während der ein Strom durch den Konstantspannungsweg fließt, wenn eine Spannung, die höher als die festgelegte Spannung ist, an dem Konstantspannungsweg angelegt wird, und dass er den Betriebszustand der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit der gemessenen Stromfließzeit ändert.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Betriebssteuerkreis im Vorfeld ermittelte Beziehungsdaten speichert, die eine Beziehung zwischen der Stromfließzeit und einer Spannungsabweichung zwischen der festgelegten Spannung und einer erhöhten Entladungsspannung zeigen, die infolge der Verschlechterung der Zündkerze von der festgelegten Spannung erhöht ist, und so konfiguriert ist, dass er die Spannungsabweichung von der gemessenen Stromfließzeit ermittelt und den Betriebszustand der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit der ermittelten Spannungsabweichung ändert.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei der Betriebssteuerkreis zumindest einen Beziehungsausdruck speichert, der von den Beziehungsdaten abgeleitet wird, und die Spannungsabweichung unter Verwendung des Beziehungsausdrucks aus der gemessenen Stromfließzeit berechnet.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei der Betriebssteuerkreis Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten speichert, die eine im Vorfeld ermittelte Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoffverhältnis der Brennkraftmaschine und einer Entladungsspannung der Zündkerze zeigen, eine Grenzentladungsspannung in Abhängigkeit eines Verschlechterungsgrads der Zündkerze aus der Spannungsabweichung und den Luft-Kraftstoff-Verhältnisdaten berechnet, auf Grundlage der berechneten Grenzentladungsspannung einen Grenzwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bestimmt, über welchem eine Fehlzündung in der Zündkerze auftritt, und die Brennkraftmaschine derart steuert, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als der Grenzwert beibehalten wird.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Spannungsanlegebereich eine Zündspule beinhaltet, die magnetisch miteinander gekoppelte Primär- und Sekundärspulen aufweist, der Betriebssteuerkreis so konfiguriert ist, dass er in der Lage ist, einen Prozess zum Erhöhen der zu der Primärspule zuzuführenden elektrischen Energie durchzuführen.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Betriebssteuerkreis so konfiguriert ist, dass er in der Lage ist, einen Prozess zum Verringern einer Entladungsspannung der Zündkerze durch Ändern einer gesteuerten Variable eines Stellglieds für die Verbrennungssteuerung der Brennkraftmaschine durchzuführen.