DE10248216B4

DE10248216B4 - Betriebsverfahren für eine Zündanlage

Info

Publication number: DE10248216B4
Application number: DE10248216A
Authority: DE
Inventors: Sven Norberg; Thilo Wiese
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2022-10-17
Also published as: DE10248216A1

Abstract

Betriebsverfahren für eine Zündanlage einer Brennkraftmaschine mit den folgenden Schritten:
– Elektrische Aufladung eines Energiespeichers während einer vorgegebenen Schließzeit,
– Elektrische Entladung des Energiespeichers nach Ablauf der Schließzeit zur Erzeugung eines Zündfunkens,
– Einstellung der Schließzeit unterhalb eines vorgegebenen stationären Maximalwerts, der die Schließzeit ist, die im stationären Betrieb der Zündanlage unter Berücksichtigung einer ausreichenden Sicherheitsmarge dauerhaft eingestellt werden kann, ohne dass eine Überhitzung auftritt,
wobei die Schließzeit bei einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schließzeit
– beim Übergang von einem Schichtladebetrieb zu einem Homogenbetrieb und/oder
– bei einer Zündwinkelspätverstellung und/oder
– bei einer Androsselung
über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Zündanlage einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Ottomotoren wird ein Benzin-Luft-Gemisch in einem Brennraum durch einen Zündfunken entflammt, der zwischen den Kontakten einer Zündkerze brennt und von einer Zündanlage erzeugt wird. Herkömmliche Zündanlagen weisen hierzu eine Zündspule mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung auf, wobei die Zündspule während einer vorgegebenen Schließzeit primärseitig elektrische Energie aus dem Bordnetz aufnimmt, im Magnetfeld speichert und im Zündzeitpunkt sekundärseitig als Hochspannungszündimpuls an die Zündkerze abgibt.
Bei herkömmlichen Spulenzündanlagen wird die Schließzeit und damit die in der Zündspule gespeicherte Zündenergie durch einen Unterbrecher festgelegt, der von der Nockenwelle des Ottomotors angetrieben wird, so dass die Zündenergie mit der Drehzahl des Ottomotors abnimmt. Die Zündanlage ist deshalb so ausgelegt, dass die Zündenergie auch bei der maximalen Drehzahl des Ottomotors und entsprechend minimaler Schließzeit ausreicht, um das Luft-Benzin-Gemisch sicher zu entflammen.
Weiterhin sind elektronische Zündanlagen bekannt, bei denen die Schließzeit geregelt oder in Abhängigkeit von der Batteriespannung und der Drehzahl durch ein Kennlinienfeld flexibel gesteuert wird.
Zündanlagen der vorstehend beschriebenen Typen sind beispielsweise aus DE 31 29 184 A1 , DE 28 12 291 A1 und DE 100 31 874 A1 bekannt.
Darüber hinaus ist aus DE 28 25 830 A1 eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens ein Serienwiderstand im Primärstromkreis der Zündspule überbrückt werden kann, um den Primärstrom zu erhöhen.
Bei den bekannten Zündanlagen wird die Schließzeit jedoch nach oben auf einen Maximalwert begrenzt, der zur Vermeidung einer Überhitzung nicht überschritten werden darf.
Schließlich ist aus DE 31 14 625 A1 eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Schließzeit der Zündspule bei sogenannten instabilen Betriebszuständen der Brennkaftmaschine bedarfsgerecht über den stationär zulässigen Maximalwert angehoben wird, um eine sichere Zündung zu gewährleisten. Die Verlängerung der Schließzeit über den stationären Maximalwert erfolgt hierbei jedoch nur dann, wenn die Brennkraftmaschine in einen instabilen Betrieb übergegangen ist, in dem keine ordnungsgemäße Zündung mehr erfolgt. Diese bekannte Zündanlage kann also nur ein fehlerhaftes Zündverhalten nachträglich beheben, jedoch ist diese Zündanlage nicht in der Lage, einem fehlerhaften Zündverhalten vorzubeugen.
Nachteilig an den bekannten Zündanlagen ist die Tatsache, dass bei Ottomotoren mit temperaturkritischen Einzelfunkenzündspulen gelegentlich eine verschleppte Verbrennung oder gar Verbrennungsaussetzer auftreten, sofern die Schließzeit lediglich von den Parametern Last, Drehzahl und Batteriespannung abhängig ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannten Zündanlagen so zu verbessern, dass beim Betrieb von Ottomotoren keine verschleppte Verbrennung und keine Verbrennungsaussetzer auftreten.
Die Aufgabe wird, ausgehend von den eingangs beschriebenen bekannten Zündanlagen, durch ein Betriebsverfahren für eine Zündanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der neuen technischen Erkenntnis aus, dass die verschleppte Verbrennung und die Verbrennungsaussetzer beim Betrieb der bekannten Zündanlagen mit Ottomotoren daher rühren, dass die in der Zündspule gespeicherte Zündenergie aufgrund der nach oben begrenzten Schließzeit bei bestimmten instationären Betriebszuständen nicht mehr ausreicht, um das Luft-Benzin-Gemisch sicher zu entflammen und eine verschleppte Verbrennung oder gar Verbrennungsaussetzer zu vermeiden.
Dementsprechend umfasst die Erfindung die allgemeine technische Lehre, die Schließzeit für die Aufladung der Zündspule bei instationären Betriebszuständen über den im stationären Betrieb zulässigen Maximalwert hinaus anzuheben, um eine bessere Aufladung der Zündspule und eine entsprechend größere Zündenergie zu erreichen.
Der Maximalwert der Schließzeit ist in der Regel die Schließzeit, die im stationären Betrieb der Zündanlage unter Berücksichtigung einer ausreichenden Sicherheitsmarge dauerhaft eingestellt werden kann, ohne dass eine Überhitzung auftritt.
Beispielsweise kann die Schließzeit bei schichtladefähigen Ottomotoren über den stationären Maximalwert hinaus angehoben werden, wenn der Ottomotor vom Schichtbetrieb in den Homogenbetrieb übergeht oder umgekehrt. Ein derartiger instationärer Zustand des Ottomotors kann beispielsweise an einem Zustandssignal der Motorelektronik erkannt werden.
Das Ausmaß der Schließzeitverlängerung kann hierbei beispielsweise allein in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine festgelegt werden, wobei die Schließzeitverlängerung vorzugsweise mit der Drehzahl abnimmt.
Die Festlegung der Schließzeitverlängerung in Abhängigkeit von der Drehzahl kann beispielsweise durch ein Kennlinienglied erfolgen, in dem die Abhängigkeit der Schließzeitverlängerung von der Drehzahl für den Übergang vom Schichtladebetrieb zum Homogenbetrieb abgespeichert ist.
Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Schließzeitverlängerung in Abhängigkeit von der Drehzahl entsprechend einer vorgegebenen Formel rechnerisch festzulegen.
Darüber hinaus kann die Schließzeit auch dann über den stationären Maximalwert hinaus angehoben werden, wenn die Motorelektronik den Zündwinkel kurzfristig nach spät verstellt, um eine Momentenreduktion zu erreichen. Auch dieser instationäre Zustand kann durch Auswertung ohnehin vorhandener Zustandssignale der Motorelektronik einfach erkannt werden.
Das Ausmaß der Schließzeitverlängerung kann dann in Abhängigkeit von der durch die Motorelektronik vorgegebenen Zündwinkelverstellung und/oder der Drehzahl flexibel festgelegt werden. Falls der Zündwinkel beispielsweise mit dem Basis-Zündwinkel übereinstimmt und somit keine Zündwinkelspätverstellung vorliegt, so erfolgt vorzugsweise auch keine Anhebung der Schließzeit über den stationären Maximalwert hinaus.
Falls der Zündwinkel dagegen bis auf den minimalen Zündwinkel zurückgestellt wird, so erfolgt entsprechend eine maximale Verlängerung der Schließzeit. Die Schließzeitverlängerung nimmt also vorzugsweise mit der Zündwinkelspätverstellung zu, während die Schließzeitverlängerung vorzugsweise mit der Drehzahl abnimmt.
Die Festlegung der Schließzeitverlängerung in Abhängigkeit von der Zündwinkelverstellung und/oder der Drehzahl kann beispielsweise durch ein Kennlinienglied erfolgen, in dem die Abhängigkeit der Schließzeitverlängerung von der Zündwinkelverstellung und/oder Drehzahl abgespeichert ist.
Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Schließzeitverlängerung in Abhängigkeit von der Zündwinkelverstellung und/oder der Drehzahl entsprechend einer vorgegebenen Formel rechnerisch festzulegen.
Weiterhin kann die Schließzeit dann über den stationären Maximalwert hinaus angehoben werden, wenn im Schichtbetrieb des Ottomotors im Rahmen eines instationären Betriebszustands Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Luftmassendurchsatz und dem optimalen oder als Sollwert vorgegebenen Luftmassendurchsatz auftreten. Auch dieser instationäre Zustand kann durch Auswertung ohnehin vorhandener Zustandssignale der Motorelektronik einfach erkannt werden.
Das Ausmaß der Schließzeitverlängerung kann hierbei. wiederum in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem tatsächlichen Luftmassendurchsatz und dem optimalen Luftmassendurchsatz und/oder der Drehzahl flexibel festgelegt werden. Falls der tatsächliche Luftmassendurchsatz beispielsweise mit dem optimalen Luftmassendurchsatz übereinstimmt und somit keine Abweichung vorliegt, so erfolgt vorzugsweise auch keine Anhebung der Schließzeit über den stationären Maximalwert hinaus. Falls der tatsächliche Luftmassendurchsatz dagegen bis auf den minimalen Luftmassendurchsatz zurückgegangen ist, so er folgt entsprechend eine maximale Verlängerung der Schließzeit. Die Schließzeitverlängerung nimmt also vorzugsweise mit der Abweichung zwischen dem tatsächlichen Luftmassendurchsatz und dem optimalen Luftmassendurchsatz zu, während die Schließzeitverlängerung vorzugsweise mit der Drehzahl abnimmt.
Die Festlegung der Schließzeitverlängerung in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen tatsächlichem und optimalem Luftmassendurchsatz und/oder der Drehzahl kann beispielsweise durch ein Kennlinienglied erfolgen, in dem die Abhängigkeit der Schließzeitverlängerung von der Abweichung abgespeichert ist.
Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Schließzeitverlängerung in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen tatsächlichem und optimalem Luftmassendurchsatz und/oder der Drehzahl entsprechend einer vorgegebenen Formel rechnerisch festzulegen.
Die vorstehende Aufzählung von drei instationären Betriebszuständen des Ottomotors (Übergang vom Schichtlade- zum Homogenbetrieb, Zündwinkelspätverstellung, Abweichung zwischen tatsächlichem und optimalen Luftmassendurchsatz im Schichtladebetrieb) als Auslöser für eine Verlängerung der Schließzeit über den stationären Maximalwert hinaus ist nicht abschließend. Vielmehr sind auch andere instationäre Betriebszustände einer Brennkraftmaschine denkbar, in denen die Schließzeit kurzfristig über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird.
Die erfindungsgemäße Anhebung der Schließzeit über den stationären Maximalwert führt nicht zu einer Überhitzung, da die Anhebung nur kurzfristig während instationärer Betriebszustände erfolgt. Zur Verhinderung einer Überhitzung ist es auch möglich, die zeitliche Dauer der Anhebung der Schließ zeit nach oben zu begrenzen, um unabhängig von der Dauer der instationären Betriebszustände eine Überhitzung zu vermeiden.
Die Erfindung ist nicht auf die eingangs erwähnten herkömmlichen Zündanlagen mit einer Zündspule beschränkt. Vielmehr ist es grundsätzlich auch möglich, die erfindungsgemäße technische Lehre einer Anhebung der Ladezeit für einen Energiespeicher auf andere Typen von Zündanlagen zu übertragen.
Schließlich ist die Erfindung auch nicht auf Zündanlagen von Viertakt-Ottomotoren beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren auch bei Zündanlagen von Zweitaktmotoren oder bei anderen Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren jedoch bei Zündanlagen für schichtladungsfähige Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüche enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine Zündanlage als Flussdiagramm.
Das Flussdiagramm in 1 zeigt ein Betriebsverfahren einer weitgehend herkömmlichen Zündanlage für einen Ottomotor.
Derartige Zündanlagen sind beispielsweise aus "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch" (Vieweg-Verlag) sowie aus "Ottomotor-Management" (Vieweg-Verlag) bekannt, deren Inhalt der vorliegenden Patentschrift hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus von Zündanlagen zuzurechnen ist, so dass im folgenden auf eine detaillierte Beschreibung derartiger Zündanlagen verzichtet wird.
Es ist jedoch zu erwähnen, dass die Zündenergie für die Gemischentflammung in herkömmlicher Weise in einer Zündspule mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung gespeichert wird. Die Primärwicklung wird hierbei über einen Unterbrecher während vorgegebener Schließzeiten mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz aufgeladen, wobei elektromagnetische Energie in der Primärwicklung gespeichert wird, was beim Trennen des Unterbrechers am Ende der Schließzeit zur Induktion eines Hochspannungsimpulses in der Sekundärwicklung der Zündspule führt. Der Hochspannungsimpuls wird dann einer Zündkerze zugeführt und erzeugt dort einen Zündfunken, der ein Benzin-Luft-Gemisch in dem Brennraum des Ottomotors entflammt.
Die Schließzeit kann hierbei entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand des Ottomotors flexibel eingestellt werden, wobei jedoch grundsätzlich zu beachten ist, dass die Schließzeit im stationären Betrieb einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreiten darf, um eine Überschreitung der maximal zulässigen Bauteiltemperatur zu vermeiden. Diese Begrenzung der maximal zulässigen Schließzeit kann jedoch bei herkömmlichen Zündanlagen dazu führen, dass die Zündspule bei bestimmten instationären Betriebszuständen während der Schließzeit nicht weit genug aufgeladen wird, um eine sichere Entflammung durch die gespeicherte Zündenergie sicherzustellen. Dieses Problem stellt sich insbesondere bei schichtladefähigen Ottomotoren mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung und temperaturkritischen Einzelfunkenzündspulen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ermöglicht deshalb während instationärer Betriebszustände des Ottomotors eine Anhebung der Schließzeit um einen vorgegebenen Korrekturwert Δt, um eine ausreichende Zündenergie sicherzustellen.
Hierzu wird in einem ersten Schritt zunächst die Drehzahl n des Ottomotors gemessen, wobei die Drehzahl in der Regel be reits in digitalisierter Form in der Motorelektronik als Messwert zur Verfügung steht.
Weiterhin wird ein relativer Luftmassenwert CQ_S (Combustion Quality Stratified) berechnet, der Werte zwischen Null und Eins annehmen kann. Hierzu wird der aktuelle Luftmassendurchsatz gemessen und auf einen vorgegebenen Soll-Luftmassendurchsatz sowie auf einen vorgegebenen minimalen Luftmassendurchsatz bezogen. Der relative Luftmassenwert CQ_S ist deshalb gleich Null, wenn der tatsächlich gemessene Luftmassendurchsatz gleich dem vorgegebenen minimalen Luftmassendurchsatz ist, wohingegen der relative Luftmassenwert CQ_S gleich Eins ist, wenn der tatsächlich gemessene Luftmassendurchsatz exakt dem Soll-Luftmassendurchsatz entspricht.
Darüber hinaus wird ein relativer Zündwinkelwert CQ_HOM (Combustion Quality Homogeneous) berechnet, der ebenfalls Werte zwischen Null und Eins annehmen kann. Hierzu wird der aktuelle Zündwinkel gemessen und auf den Basis-Zündwinkel sowie einen vorgegebenen Minimal-Zündwinkel bezogen. Der relative Zündwinkelwert CQ_HOM nimmt also den Wert Null an, wenn der gemessene Zündwinkel gleich dem vorgegebenen Minimal-Zündwinkel ist, wohingegen der relative Zündwinkelwert CQ_HOM gleich Eins ist, wenn der tatsächlich gemessene Zündwinkel exakt dem Basis-Zündwinkel entspricht.
In Abhängigkeit von der gemessenen Drehzahl n und dem relativen Zündwinkelwert CQ_HOM wird dann aus einem Kennlinienglied entsprechend einer vorgegebenen Funktion f₁ ein möglicher Auswahlwert Δt₁ für die Anhebung der Schließzeit ausgelesen. Dieser Auswahlwert ist für instationäre Zustände im Homogenbetrieb vorgesehen, wenn der gemessene Zündwinkel vom Basis-Zündwinkel abweicht.
Darüber hinaus wird ein zweiter Auswahlwert Δt₂ für die Anhebung der Schließzeit für den Fall ermittelt, dass im Schichtladebetrieb des Ottomotors vorübergehend eine Abweichung zwi schen der gemessenen Luftmasse und der optimalen Soll-Luftmasse auftritt. Der zweite Auswahlwert Δt₂ wird in Abhängigkeit von der gemessenen Drehzahl n und dem Luftmassenwert CQ_S aus einem Kennlinienglied ausgelesen.
Für den Fall des Übergangs vom Schichtbetrieb zum Homogenbetrieb wird schließlich ein dritter Auswahlwert Δt₃ ermittelt, indem der dritte Auswahlwert Δt₃ in Abhängigkeit von der Drehzahl n aus einem Kennlinienglied ausgelesen wird.
Die Auswahl eines der drei Auswahlwerte Δt₁, Δt₂ oder Δt₃ erfolgt dann in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße STATE_CMB_CTL (State Combustion Controller), die Werte zwischen Null und Sieben annehmen kann und in der Motorelektronik in herkömmlicher Weise erzeugt wird.
Im stöchiometrischen Homogenbetrieb des Ottomotors bei λ = 1 nimmt die Zustandsgröße STRTE_CMB_CTL beispielsweise den Wert 0 an, während die Zustandsgröße STATE CMB CTL im homogenen Magerbetrieb gleich 2 ist. Falls die Zustandsgröße STATE_CMB_CTL den Wert 0 oder 2 annimmt, so wird entsprechend der Auswahlwert Δt₁ ausgewählt, da sich der Ottomotor im Homogenbetrieb befindet. Die Schließzeitverlängerung wird dann entsprechend dem gespeicherten Kennlinienfeld von der Drehzahl und dem relativen Zündwinkelwert CQ_HOM bestimmt. Bei einer kurzfristigen großen Zündwinkelspätverstellung wird dann ein entsprechender großer Wert Δt₁ aus dem Kennlinienglied ausgelesen, so dass die Schließzeit stärker verlängert wird.
Im Schichtbetrieb des Ottomotors nimmt die Zustandsgröße STATE_CMB_CTL dagegen den Wert 6 an, so dass der Auswahlwert Δt₂ für die Schließzeitverlängerung ausgewählt wird. Hierbei erfolgt also eine Schließzeitverlängerung, wenn der gemessene Luftmassendurchsatz von dem optimalen Luftmassendurchsatz abweicht, was sich in dem relativen Luftmassenwert CQ_S widerspiegelt.
Bei einem Übergang des Ottomotors vom Schichtbetrieb zum Homogenbetrieb nimmt die Zustandsgröße STATE_CMB_CTL dagegen Zwischenwerte an, so dass der Auswahlwert Δt₃ ausgewählt wird. Die Schließzeitverlängerung erfolgt dann unabhängig von dem Luftmassendurchsatz und dem Zündwinkel ausschließlich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Ottomotors.
Hierbei ist zu erwähnen, dass die verlängerte Schließzeit nicht auf den im stationären Betrieb dauerhaft zulässigen Wert begrenzt ist. Vielmehr kann die verlängerte Schließzeit bei den drei vorstehend beschriebenen instationären Betriebszuständen des Ottomotors kurzfristig über den stationären Maximalwert ansteigen, ohne dass die Zündspule überhitzt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

Betriebsverfahren für eine Zündanlage einer Brennkraftmaschine mit den folgenden Schritten: – Elektrische Aufladung eines Energiespeichers während einer vorgegebenen Schließzeit, – Elektrische Entladung des Energiespeichers nach Ablauf der Schließzeit zur Erzeugung eines Zündfunkens, – Einstellung der Schließzeit unterhalb eines vorgegebenen stationären Maximalwerts, der die Schließzeit ist, die im stationären Betrieb der Zündanlage unter Berücksichtigung einer ausreichenden Sicherheitsmarge dauerhaft eingestellt werden kann, ohne dass eine Überhitzung auftritt, wobei die Schließzeit bei einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit – beim Übergang von einem Schichtladebetrieb zu einem Homogenbetrieb und/oder – bei einer Zündwinkelspätverstellung und/oder – bei einer Androsselung über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit bei einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine für eine vorgegebene Zeitspanne über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird.
Betriebsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel ermittelt und die Schließzeit in Abhängigkeit von dem Zündwinkel über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird
Betriebsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassendurchsatz gemessen und die Schließzeit in Abhängigkeit von dem gemessenen Luftmassendurchsatz über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird.
Betriebsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt und die Schließzeit in Abhängigkeit von der Drehzahl über den stationären Maximalwert hinaus angehoben wird.
Betriebsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Zündspule ist.
Betriebsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein Ottomotor ist.