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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie es beispielsweise aus der
US 2011/0114071 A1 bekannt ist.
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Koronazündeinrichtungen enthalten einen Schwingkreis, der mit einer von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten Wechselspannung angeregt wird. Diese Anregung ist umso effizienter, je näher die Anregungsfrequenz, also die Frequenz der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Wechselspannung, an der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Da sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren, insbesondere dem Inhalt des Brennraums des Motors, ändert, wird die Anregungsfrequenz bei bekannten Koronazündeinrichtungen auf die Resonanzfrequenz geregelt.
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Im Stand der Technik sind diesbezüglich eine Reihe von Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung bekannt, bei denen die Anregungsfrequenz des Schwingkreises auf seine Resonanzfrequenz geregelt wird.
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Um die Anregungsfrequenz des Schwingkreises zu regeln, kann die Phasenlage zwischen Strom und Spannung im Schwingkreis genutzt werden, da diese Phasenlage ein Maß dafür ist, wie nahe die momentane Frequenz des Schwingkreises an seiner Resonanzfrequenz liegt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise
DE 10 2013 111 806 B3 bekannt. Ein ähnliches Verfahren ist aus der
US 2011/0114071 A1 bekannt, bei dem die Phasenlage zwischen Strom und Spannung des Schwingkreises mittels einer Phasenregelschleife auf den Wert 0 geregelt wird. In einem Reihenschwingkreis sind Strom und Spannung im Resonanzfall in Phase (Phasenverschiebung = 0).
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In manchen Motorzuständen, insbesondere einem Kaltstart bei Temperaturen unter 0°C, ist eine präzise Ermittlung der Resonanzfrequenz und damit auch eine Regelung der Resonanzfrequenz schwierig.
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Das Wort „regeln” wird hierbei gemäß dem technischen Sprachgebrauch dahingehend verwendet, dass bei einer Regelung die zu beeinflussende Größe (Regelgröße) gemessen und fortlaufend mit einem Sollwert verglichen wird, wobei eine Abweichung zwischen einem gemessen Ist-Wert und dem Sollwert ermittelt und entsprechend der festgestellten Abweichung auf das zu regelnde System eingewirkt wird, nämlich durch Änderung einer Stellgröße.
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Das „Regeln” einer Größe ist sorgfältig von dem „Steuern” einer Größe zu unterscheiden. Beim Regeln einer Größe auf einen Sollwert findet nämlich durch eine Messung eine Rückkopplung statt, während bei einem „Steuern” der Größe eine Rückkopplung unterbleibt also kein Vergleich eines Ist-Wertes mit einem Sollwert vorgenommen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie mit geringem Aufwand der Schwingkreis einer Koronazündeinrichtung auch bei einem Kaltstart mit Temperaturen unter 0°C so angeregt werden kann, dass zuverlässig eine Korona gebildet bzw. aufrechterhalten wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Frequenz der Wechselspannung, mit welcher der Schwingkreis der Koronazündeinrichtung angeregt wird, in einem ersten Betriebszustand des Motors auf einen Sollwert geregelt, beispielsweise auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. In einem zweiten Betriebszustand des Motors, beispielsweise bei einem Kaltstart, wird die Resonanzfrequenz dagegen nicht geregelt, sondern gesteuert und dabei für eine vorgegebene Zeitspanne in einem vorgegebenen Frequenzintervall variiert, also so geändert, dass die Frequenz der Wechselspannung das Frequenzintervall überstreicht und folglich während eines Bruchteils der vorgegebenen Zeitspanne ausreichend nahe an der Resonanzfrequenz liegt, um eine Koronaentladung zu erzeugen.
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In dem ersten Betriebszustand, etwa bei einem Motor, der eine stabile Betriebstemperatur in einem für den Dauerbetrieb günstigen Bereich hat, werden die Vorteile eines Regelungsverfahrens genutzt, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2013 111 806 B3 bekannt ist. In einem zweiten Betriebszustand, in dem sich die für eine Regelung erforderlichen Messungen nicht oder nur mit sehr großem Aufwand mit einer ausreichenden Genauigkeit durchführen oder auswerten lassen, wird die Anregungsfrequenz dagegen gesteuert.
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Für die Steuerung der Frequenz wird zunächst ein Frequenzintervall festgelegt, in dem die Resonanzfrequenz liegt. Dieses Frequenzintervall kann beispielsweise aus gespeicherten Messwerten bei vorangegangenem Motorbetrieb, etwa früheren Motorstarts ermittelt werden. Dabei können Messwerte von früheren Motorstarts bei Temperaturen über 0°C auf tiefere Temperaturen extrapoliert werden. Bei der Steuerung wird dann die Frequenz während einer vorgegebenen Zeitspanne in dem vorgegebenen Frequenzintervall geändert, so dass die Frequenz das Frequenzintervall überstreicht. Die Anregungsfrequenz nimmt dabei nacheinander eine Reihe von Werten an, die in dem Frequenzintervall verteilt sind. Da die Resonanzfrequenz in dem Frequenzintervall liegt, liegt die Anregungsfrequenz also für kurze Zeit an oder sehr nahe an der Resonanzfrequenz, so dass dabei ausreichend elektrische Leistung in den Schwingkreis eingekoppelt werden kann, um eine Koronaentladung zu erzeugen.
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Um das Frequenzintervall zu überstreichen, kann die Frequenz kontinuierlich von einem Anfangswert auf einen Endwert geändert werden, z. B. von einer Intervallgrenze bis zur anderen Intervallgrenze. Die Frequenz kann dabei auch mehrfach von einer Intervallgrenze zur anderen Intervallgrenze hin und her geändert werden, beispielsweise von einer unteren Intervallgrenze kontinuierlich bis zu einer oberen Intervallgrenze erhöht und bei Erreichen der oberen Intervallgrenze wieder bis zu der unteren Intervallgrenze abgesenkt werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Frequenz diskontinuierlich zu ändern, beispielsweise in Schritten. Die Schrittweite ist dabei im Vergleich zu der Intervallgröße klein, beträgt beispielsweise nicht mehr als ein Zehntel der Intervallgröße. In welcher Reihenfolge die Anregungsfrequenz die durch die Schrittweite definierten Werte annimmt, spielt für das Verfahren keine Rolle, da es nur darum geht innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne eine für das Erzeugen einer Koronaentladung ausreichende Leistung in den Schwingkreis einzukoppeln.
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Anstatt die Frequenz schrittweise von der unteren Intervallgrenze bis zu der oberen Intervallgrenze zu erhöhen oder von der oberen Intervallgrenze bis zu der unteren Intervallgrenze schrittweise abzusenken, kann die Anregungsfrequenz die durch die Schrittweite definierten Frequenzwerte auch in einer beliebigen anderen Reihenfolge annehmen. Unabhängig von der Reihenfolge der Frequenzwerte ist die Anregungsfrequenz nämlich gleich lang bei der Resonanzfrequenz oder sehr nahe an der Resonanzfrequenz, so dass unabhängig von der Reihenfolge stets dieselbe Energie in den Schwingkreis eingekoppelt wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Obergrenze des Intervalls höchstens 5% größer als die Untergrenze des Intervalls ist. Vorzugsweise ist die Obergrenze des Intervalls höchstens 3% größer als die Untergrenze des Intervalls. Besonders bevorzugt ist die Obergrenze des Intervalls höchstens 1% größer als die Untergrenze des Intervalls. Das Intervall sollte einerseits so groß gewählt werden, dass man zuverlässig davon ausgehen kann, dass die Resonanzfrequenz in dem Intervall liegt, beispielsweise indem die obere Intervallgrenze wenigstens 1‰ größer als die untere Intervallgrenze ist, bevorzugt wenigstens 2‰ größer ist. Andererseits sollte das Intervall möglichst klein sein, damit die Anregungsfrequenz beim Überstreichen des Intervalls möglichst lange Zeit in der Nähe der Resonanzfrequenz liegt und somit möglichst viel elektrische Leistung in den Schwingkreis eingekoppelt werden kann. Auf der Basis von historischen Messungen bei früherem Motorbetrieb, insbesondere früheren Motorstarts, lassen sich die Intervallgrenzen mit der oben angegebenen Präzision in der Regel gut festlegen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem zweiten Motorzustand, beispielsweise einem Kaltstart, der Aufwand einer Regelung der Anregungsfrequenz des Schwingkreises vollständig vermieden und stattdessen in jedem Motorzyklus die Frequenz in einem vorgegebenen Intervall von einem Anfangswert auf einen Endwert unabhängig von Messwerten der Resonanzfrequenz oder elektrischer Größen, aus denen sich die Resonanzfrequenz oder eine momentane Abweichung der Anregungsfrequenz von der Resonanzfrequenz ermitteln ließe, geändert. Bevorzugt sind sowohl der Anfangswert als auch der Endwert bereits zu Beginn des jeweiligen Motorzyklus fest vorgegeben und der Steuereinheit bekannt. Der Anfangswert und der Endwert können beispielsweise durch die Intervallgrenzen definiert sein. Es ist aber auch möglich den Anfangswert irgendwo in dem festgelegten Intervall zu wählen, solange das Intervall durch die Änderungen der Frequenz überstrichen wird, beispielsweise indem die Frequenz zunächst bis zu der oberen Intervallgrenze erhöht, danach bis zu der unteren Intervallgrenze reduziert und schließlich wieder bis auf den Anfangswert erhöht. Dieses Beispiel zeigt auch, dass Anfangswert und Endwert übereinstimmen können.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Frequenz monoton von dem Anfangswert auf den Endwert geändert wird, beispielsweise streng monoton. Eine monotone Änderung der Frequenz lässt sich mit geringem Aufwand durchführen. Beispielsweise kann die Frequenz linear von dem Anfangswert auf den Endwert geändert werden. Es ist aber auch möglich, dass die Anregungsfrequenz in jedem Motorzyklus ein vorgegebenes Frequenzintervall mehrmals überstreicht, also beispielsweise periodisch zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert geändert wird. In diesem Fall können Anfangs- und Endwert übereinstimmen, beispielsweise indem die Anregungsfrequenz von einem Anfangswert aus zunächst auf einen vorgegebenen Minimalwert abgesenkt und dann wieder auf den Anfangswert erhöht wird. An sich ist es sogar möglich, die Anregungsfrequenz in dem vorgegebenen Intervall zufällig oder quasi-zufällig zu ändern, ähnlich einem Frequency-hopping-Verfahren, um den mit einer Regelung verbundenen Aufwand zu vermeiden.
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Die Änderung der Frequenz der Wechselspannung kann in jedem Motorzyklus unabhängig von aktuellen Messungen elektrischer Größen des Schwingkreises erfolgen. Unter einer aktuellen Messung ist dabei eine Messung zu verstehen, die während des momentanen Motorzyklus durchgeführt wurde. Derartige Messungen werden für die Steuerung nicht benötigt, können aber für die Festlegung des Intervalls herangezogen werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Koronazündeinrichtung; und
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2 eine schematische Darstellung der Änderung der Resonanzfrequenz und der Anregungsfrequenz bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Brennkammer 1, welche von Wänden 2, 3 und 4 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 1 ragt von oben eine Zündelektrode 5 hinein, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben ist, mit welchem sie elektrisch isoliert durch die obere Wand 2 hindurch in die Brennkammer 1 geführt ist. Die Zündelektrode 5 und die Wände 2 bis 4 der Brennkammer 1 sind Bestandteil eines Reihenschwingkreises 7, zu welchem noch ein Kapazität 8 und eine Induktivität 9 gehören. Selbstverständlich kann der Reihenschwingkreis 7 weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Reihenschwingkreisen bekannt sind.
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Zur Erregung des Schwingkreises 7 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 vorgesehen, welcher beispielsweise eine Gleichspannungsquelle 11 und einen Transformator 12 mit einem Mittenabgriff 13 auf seiner Primärseite haben kann, wodurch am Mittenabgriff 13 zwei Primärwicklungen 14 und 15 zusammentreffen. Mittels eines Hochfrequenzumschalters 16 werden die vom Mittenabgriff 13 entfernten Enden der Primärwicklungen 14 und 15 abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz des Hochfrequenzumschalters 16 bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis 7 erregt wird und ist veränderbar. Die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 speist den Reihenschwingkreis 7 am Punkt A. Der Hochfrequenzumschalter 16 wird von einer Steuereinheit 31 gesteuert. Die Steuereinheit 31 gibt dadurch die Frequenz der Wechselspannung vor, die von dem Hochfrequenzgenerator als Sekundärspannung erzeugt wird und mit welcher der Schwingkreis 7 angeregt wird.
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Ein solcher Schwingkreis 7 mit einer Zündelektrode 5 ist für jede Brennkammer eines Motors vorgesehen. Ein Hochfrequenzgenerator 10 kann mehrere Schwingkreise 7 versorgen. Möglich ist aber auch, dass jeder Schwingkreis an einen eigenen Hochfrequenzgenerator 10 angeschlossen ist. In beiden Fällen genügt eine einzige Steuereinheit 31.
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In 2 ist die Frequenz f in Megahertz über der Zeit t in Mikrosekunden für ein Beispiel der Resonanzfrequenz A des Schwingkreises einer Koronazündeinrichtung sowie für ein mögliches Beispiel der Anregungsfrequenz B dieses Schwingkreises aufgetragen. Wie man in 2 deutlich sieht, nimmt die Resonanzfrequenz A des Schwingkreises bei Zündung einer Koronaentladung zunächst rasch ab und reduziert sich im weiteren Verlauf nur noch langsam. Eine optimale Anregung des Schwingkreises ließe sich erreichen, wenn die Anregungsfrequenz B des Schwingkreises genau dem Verlauf der Resonanzfrequenz A folgt. Technisch ist dies jedoch schwer zu realisieren, zumal sich die Anregungsfrequenz in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand rasch ändern kann. Eine ausreichend gute Anregung lässt sich aber schon dadurch erzielen, dass die Anregungsfrequenz B linear zwischen einem fest vorgegebenen Anfangswert und einem Endwert geändert wird. Die in 2 dargestellte Anregungsfrequenz B weicht zwar fast immer etwas von der Resonanzfrequenz A ab, jedoch sind diese Abweichungen insgesamt so gering, dass eine ausreichend starke Anregung des Schwingkreises und somit das Zünden und Aufrechterhalten einer Koronaentladung möglich sind.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 nur darin unterscheidet, dass die Anregungsfrequenz B des Schwingkreises nicht linear variiert wird, sondern zunächst einige Zeit lang abgesenkt wird, dann etwas erhöht, und schließlich wieder abgesenkt wird. Auch auf diese Weise lässt sich eine ausreichend gute Anregung des Schwingkreises realisieren.
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Eine Regelung der Anregungsfrequenz auf die Resonanzfrequenz ist bei einem normalen Motorbetrieb, beispielsweise einem störungsfreien Betrieb mit einer stabilen Betriebstemperatur, problemlos möglich, etwa mit dem aus der
DE 10 2013 111 806 B3 bekannten Regelungsverfahren, so dass die Koronazündeinrichtung sehr effizient arbeiten kann. In einem ersten Motorzustand ist es deshalb vorteilhaft, die Anregungsfrequenz zu regeln. Bei einem Kaltstart des Motors, insbesondere bei Temperaturen unter 0°C, ist eine Regelung der Anregungsfrequenz aber oft nur bedingt oder nur mit großem Aufwand möglich, da präzise Messungen der Resonanzfrequenz oder deren Auswertung problematisch sind, beispielsweise weil der Schwingkreis durch Kondensation an der Zündelektrode beeinträchtigt sein kann. In einem zweiten Motorzustand, etwa einem Kaltstart, lassen sich deshalb bessere Ergebnisse erzielen, wenn auf eine Regelung verzichtet und die Anregungsfrequenz stattdessen gesteuert wird, indem die Anregungsfrequenz während einer vorgegebenen Zeitspanne in einem vorgegebenen Intervall variiert wird, in dem die Resonanzfrequenz liegt.
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Typischer Weise erreicht ein Motor bei einem Kaltstart schon nach etwa 100 Arbeitszyklen einen Betriebszustand, in dem eine Regelung der Anregungsfrequenz vorteilhaft vorgenommen werden kann, also einen ersten Betriebszustand. In der Regel wird spätestens eine Minute nach einem Motorstart ein Betriebszustand erreicht, in dem eine Regelung der Anregungsfrequenz vorteilhaft ist, also ein erster Betriebszustand.
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Die vorgegebene Zeitspanne, während welcher die Anregungsfrequenz in dem vorgegebenen Intervall variiert wird, ist ein Bruchteil eines Arbeitszyklus des Motors, nämlich die Zeitspanne, in der zum Zünden von Brennstoff eine Koronaentladung erzeugt werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkammer
- 2
- Wand der Brennkammer
- 3
- Wand der Brennkammer
- 4
- Wand der Brennkammer
- 5
- Zündelektrode
- 6
- Isolator
- 7
- Reihenschwingkreis
- 8
- Kapazität
- 9
- Induktivität
- 10
- Hochfrequenzgenerator
- 11
- Gleichspannungsquelle
- 12
- Transformator
- 13
- Mittenabgriff
- 14
- Primärwicklung
- 15
- Primärwicklung
- 16
- Hochfrequenzumschalter
- 17
- Sekundärwicklung
- 31
- Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0114071 A1 [0001, 0004]
- DE 102013111806 B3 [0004, 0011, 0028]
