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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Zündspule und eine intelligente Zündspule, die solch eine Vorrichtung einschließt.
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Hintergrund
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Zündsysteme in Motoren werden üblicherweise durch mechanische oder elektronische Elemente gesteuert. In beiden Fällen wird die Zündung durch eine plötzliche Unterbrechung des Stromflusses in der ersten Transformatorwicklung einer Zündspule erreicht, die wiederum zu einem schnell zusammenbrechenden Magnetfeld führt. Die Veränderung in dem Magnetfeld induziert eine hohe Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule. Bei mechanischen Lösungen werden Unterbrecher verwendet, um den Stromkreis zu unterbrechen, während bei elektronischen Lösungen z. B, ein Transistor oder Thyristor zum Schalten des Stroms der Transformatorspule verwendet wird. Die hohe Spannung bzw. Hochspannung in der zweiten Spule kann ebenfalls über einen Verteiler an verschiedene Zündkerzen eines Motors verteilt werden.
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Die Zündzeiten sind bzw. der Zündzeitpunkt ist entscheidend für die Leistung eines Motors. Eine schlechte Zeiteinstellung der Zündfunken kann die Motorleistung beeinträchtigen oder sogar Teile des Motors beschädigen. Winkelsensoren wie Hall-Trigger bzw. Hallsensoren werden üblicherweise verwendet, um die Ventilzyklen und die Zündzeitpunkte zu synchronisieren. Zusätzliche Schaltungselemente können in einem elektronischen Zündsystem angewendet werden, um ein bestimmtes Verhalten des Zündzeitpunkts, beispielsweise wie gewünscht eine voreilende oder nacheilende Zeiteinstellung zu erreichen.
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In einem Beispiel können Rampengeneratoren bzw. Zägezahn-Generatoren verwendet werden, um ein Spannungssignal einer gewünschten Stärke und Pulslänge in Bezug auf eine Motorgeschwindigkeit bereitzustellen.
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Alle diese Merkmale eines Zündsystems erfordern jedoch ein gesondertes Schaltungselement, das nur für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt bzw. angepasst ist. Ein Optimieren des Zündsystems eines Motors erfordert es dann motorspezifische, anwendungsspezifische Hardwarekomponenten bereitzustellen. Veränderungen an einem eingerichteten System sind komplex und umständlich. Es besteht daher ein Bedarf nach einer flexiblen, preisgünstigen Zündspulen-Steuerung bzw. einem flexiblen, preisgünstigen Zündspulen-Controller, das bzw. der es gestattet eine einzige Hardware-Lösung in einer großen Vielfalt verschiedener Einrichtungen bzw. Aufbauten bzw. Einstellungen und Anforderungen zu verwenden. Eine solche Lösung wird durch die Vorrichtung des Anspruchs 1 und das Verfahren von Anspruch 6 bereitgestellt, und bevorzugte Ausführungen werden detailliert in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung detaillierter beschrieben, wobei
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1 einen schematischen Schaltplan eines Zündsystems zeigt, der eine Ausführung der Erfindung einsetzt, und
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2 ein funktionales Blockdiagramm für ein erfindungsgemäßes Zündsystem zeigt.
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Besprechung von Ausführungsformen der Erfindung
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1 ist eine schematische Ansicht von Elementen in einer Ausführungsform der Erfindung. Es wird eine Zündspule 2 gezeigt, die dazu verwendet wird, um in einem Motoraufbau einer Zündkerze 1 eine Hochspannung bereitzustellen.
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Eine Spule dieses Typs kann für jede Zündkerze in einem Motor zur Verfügung stehen, kann jedoch ebenfalls gleichzeitig für zwei oder mehrere Zündkerzen verwendet werden, beispielsweise in einem „wasted spark”- bzw. „verschwendetem Funken”-Aufbau. Die Spule 2 kann entfernt von der oder direkt auf der Zündkerze 1 angebracht sein, und die Spule 2 kann in einigen Ausführungsformen ebenfalls in einer Spulenpackung bzw. in einem Spulenbündel mit den Zylindern eingeschlossen sein. Wie bei allgemeinen Zündsystemen wird die Zündspule durch ein Spannungssignal angesteuert, und transformiert bzw. wandelt dieses Signal in ein Hochspannungssignal für die Zündkerze 1 um, um den Funken zu zünden.
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Die Steuerung bzw. der Controller 3, die bzw. der in 1 gezeigt ist, stellt den Hauptteil einer intelligenten erfindungsgemäßen Zündspule. Dieser Controller 3 kann bevorzugt in der Spulenpackung bzw. dem Spulengehäuse platziert sein oder zumindest mit der Zündspule 2 in Verbindung stehen. Wenn der Mikrocontroller 3 direkt auf der Spule 2 angebracht ist, wird eine Ein-Gerätelösung bereitgestellt, die ein Minimum an Raum und Aufwand für einen Einbau an der Zündkerze erfordert.
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Mit einem programmierbaren Mikrocontroller oder Mikroprozessor 3 kann ein Zündsystem flexibel auf verschiedene Betriebsbedingungen, verschiedene Motorhardware, Fehler und irgendwelche andere gewünschte Parameter eingestellt werden, die für die Zündung wichtig sind. Der Mikrocontroller 3 kann eine Anwendungssoftware ausführen, die es gestattet Befehlszeileneingaben und/oder Motorparameter vor und während des Betriebs einzugeben. Wenn die Eigenschaften des Zündsystems eine Veränderung erfordern, ist es nicht notwendig Hardwareveränderungen an dem Design bzw. der Auslegung des Zündsystems oder einer anderen Hardware vorzunehmen; vielmehr kann die Firmware des Mikrocontrollers so aktualisiert werden, wie es notwendig ist, oder Parameter, die dem Mikrocontroller zugeführt werden, können extern verändert werden. In dem ein fest zugeordneter Spulen-Controller 3 in einem Motor mit jeder Zündspule 2 bereitgestellt wird, kann mit einer Minimalanzahl von einzelnen bzw. separaten Komponenten eine Fein-Zündeinstellung bzw. ein feines Zünd-Management getrennt für jeden Zylinder erreicht werden. Da für die Zündspule kein Bedarf nach irgendwelchen zusätzlichen Schaltungskomponenten besteht, erfordert ein Spulensystem mit einer integrierten Steuerungslogik bzw. Controllerlogik weniger Platz und Aufwand bei einem Einbau, und die Spulen können einfach an verschiedene Bedingungen und Motoren angepasst werden.
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Parameter, die durch die Anwendungssoftware des Mikrocontrollers in Betracht gezogen werden können, können direkt über Befehle eingegeben werden, können von einem anderen Controller, wie einer Motorsteuereinheit (MSE) gesendet werden, die dafür verantwortlich ist, um das gesamte Motorverhalten zu steuern, oder können von geeigneten Sensoren empfangen werden, die mit dem Mikrocontroller verbunden sind.
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Der Controller 3 kann mit Eingängen für ein oder mehrere dieser Datensignale versehen sein und die Eingänge können wahlweise einen Analog-/Digitalwandler einschließen, um analoge Daten abzutasten. Beispielsweise können die Motortemperatur- und die Batteriespannungs-Parameter direkt an dem Mikrocontroller 3 empfangen werden. Diese Werte können von einzelnen oder kombinierten Sensoren 7 empfangen werden, die angepasst sind, die Parameter zu messen und die Parameter regelmäßig oder andauernd zu senden. Die Parameter können entweder von den Sensoren an ein oder mehrere Controller gesendet werden, beispielsweise an sowohl die (nicht gezeigte) Motorsteuerungseinheit als auch an den Spulen-Mikrocontroller 3, oder sie können an einen einzelnen zentralen Controller gesendet werden, der die Parameterwerte, so wie es notwendig ist, an andere Vorrichtungen weitergibt. Ein Eingangsfilter kann wahlweise an beliebigen Eingängen des Mikrocontrollers eingesetzt werden.
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Es wird klar, dass die Parameter, die den Ausgang bzw. die Ausgabe des Mikrocontrollers beeinflussen nicht auf die Temperatur und die Batteriespannung beschränkt sind. Jeder Parameter, der überhaupt für die Zündsteuerung wichtig ist, kann in der entsprechenden Anwendungssoftware des Mikrocontrollers verwendet werden. Weitere Beispiele sind Verbrennungsparameter, die Funkendauer, die Funkenfrequenz, Fehlzündungserfassung, Oktanzahl, Klopfverhalten und andere.
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Zwischen der Spule und dem Mikrocontroller ist eine Leistungsstufe 4 zwischengeschaltet. Die Leistungsstufe kann wie ein primärer Trennschalter bzw. Unterbrecher arbeiten. Diese Leistungsstufe kann so ausgelegt sein, wie es allgemein in der Technik bekannt ist, und kann als solche beispielsweise einen Leistungstransistor einschließen. Die Leistungsstufe kann durch eine Ausgangs-Ansteuerungsstufe 5 angesteuert werden, die einen Digital-/Analogwandler (DAW) anwendet, der das Digitalsignal von dem Ausgang des Mikrocontrollers 3 empfängt. Die Ausgangs-Ansteuerungsstufe 5 kann ein RC-Filterelement einschließen, das durch das pulsweitenmodulierte (PWM) Signal von dem Ausgang des Mikrocontrollers gespeist wird. Das RC-Element kann das PWM-Signal tiefpassfiltern, um die Durchschnittsspannung zum Ansteuern des primären Unterbrechers zu gewinnen. Auf diese Weise bilden die pulsweitenmodulierte Ausgabe und der RC-Filter zusammen einen D/A-Wandler, um eine Spannungsrampe bzw. einen Spannungsanstieg für die Leistungsstufe 4 zu erzeugen, die als ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate IGBT angewendet werden kann. In diesem Fall wird der Spannungsanstieg dem Gate-Anschluss des IGBT zugeführt, um den Kollektorstrom zu modulieren. Der Mikrocontroller 3 kann einen Widerstand mit besonders ausgelegtem Wert verwenden, um eine schnelle Entladung des Kondensators zu erreichen und den Funken zu erzeugen. Alternativ wäre es möglich ein Paar von Bipolartransistoren zu verwenden, um den Kondensator schnell zu laden/entladen. Der Mikrocontroller kann ebenfalls einen vollständigen Digital-/Analogwandler anstelle der pulsweitenmodulierten Ausgabe zusammen mit dem RC-Filterelement einschließen. In beiden Fallen wird der primäre Unterbrecher oder die Leistungsstufe mit einer analogen Signalspannung gespeist, die durch den Mikrocontroller berechnet wird.
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Unter Verwendung geeigneter Steueralgorithmen mit dem Mikrocontroller 3, kann es möglich sein jedes Spannungsniveau und jede Neigung bzw. jeden Abfall zu erzeugen, die bzw. der benötigt wird, um den Primärstrom der Spule und die sekundäre Hochspannungserzeugung einzustellen. In 1 ist gezeigt, dass eine pulsweitenmodulierte Signalausgabe von dem Mikrocontroller 3 in ein Ausgabe-Ansteuerungs- und Filterelement 5 gespeist wird, das dann das gewandelte analoge Spannungssignal der Leistungsstufe 4 bereitstellt. Die Leistungsstufe 4 ist mit der Spule 2 verbunden. Es wird klar, dass in einer kombinierten Spulen-/Mikrocontrollerpackung, die Leistungsstufe 4 und die Ausgabe-Ansteuerungsstufe 5 bevorzugt ebenfalls auf der Spule 2 angebracht werden. Diese und andere elektrische oder elektronische Elemente können in der Form von Durchsteckmontagetechnologie-Elementen auf gedruckten Platinen, von SMD-Elementen oder irgendeiner gewünschten Kombination dieser bereitgestellt werden. SMD-Elemente würden sogar eine noch kleinere Packungsauslegung der Steuerelemente auf der Spule gestatten.
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Obwohl die Spule 2, die Zündkerze 1, der Mikrocontroller 3 und andere Elemente in der Figur als getrennte Elemente dargestellt sind, sollte dies lediglich als eine schematische Ansicht von Schaltungsverbindungen verstanden werden. In praktischen Anwendungen können der Mikrocontroller und die weiteren elektronischen Komponenten wie die Leistungsstufe und der Filter direkt auf der Spule zusammengefügt werden und wahlweise mit der Zündkerze in einer einzelnen Vorrichtung kombiniert werden. Eine derartige Ausführungsform würde eine einzelne Hardwarelösung bereitstellen, die in der Lage ist, zu vielen verschiedenen Anforderungen, wie verschiedenen Motoren und verschiedenen Betriebszuständen zu passen. Die erfindungsgemäße Ausführungsform gestattet es die Steuerungsaufgaben, die die Zündung betreffen, von der Motorsteuerungseinheit oder von statischen elektronischen Auslegungen auf die speziell dafür vorgesehene Zündsteuerung zu übertragen, die somit eine „intelligente Zündspule” für verschiedene Motor-Aufbauten bzw. Einstellungen darstellt.
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Die softwarebasierte Steuerung von Zündeigenschaften kann ebenfalls eine direkte Fehlersteuerung bzw. Fehlerkontrolle für den Zündprozess bereitstellen, die entweder auf einer Rückkopplungsschliefe basiert, die Messwerte des laufenden Motors für eine Rückkopplung nutzen kann, oder über externe Befehle und Parametereingaben funktioniert, wenn Fehler z. B. durch eine andere Steuervorrichtung erfasst werden. Es sind für eine optimale Abstimmung eines Motors oder für besondere Anforderungen, die ebenfalls lediglich zeitweise Einstellungen betreffen können und die zurückgenommen werden können, wenn sich die Bedingungen verändern, keine Hardwareveränderungen notwendig.
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Alle Elemente des Controllers und der verbundenen Vorrichtungen können geeignet geerdet und mit Stromversorgungen, Filtern und, wo notwendig, mit Verbindungen versehen sein. Diese Elemente sind in der Technik gut bekannt und werden nicht im Detail beschrieben, obwohl Beispiele in den Figuren gezeigt sein können. Beispielsweise kann ein elektromagnetischer Störfilter (EMS) zwischen einer Stromversorgung und der Spule verwendet werden, und ein Eingabefilter kann an dem Eingang der Befehlsleitung des Mikrocontrollers eingesetzt sein. Ein Regler kann eingesetzt werden, um dem Mikrocontroller die benötigte Spannung, z. B. 5 V bereitzustellen. Weitere übliche Elemente eines Motorzündsystems wie Zündkerzen-, Zylinder- und Ventilelemente, oder Stromversorgungen für Sensoren und Steuerungen sind in der Technik wohlbekannt und werden hier nicht im Detail besprochen, können jedoch natürlich in einer geeigneten Weise mit der Lehre dieser Erfindung kombiniert werden.
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Die Anwendungssoftware in dem Controller von 1 stellt das Ausgabe- bzw. Ausgangssignal für die Ausgangsansteuerung bereit. Dieses Ausgabesignal kann durch die Verwendung voreingestellter Algorithmen mit vorbestimmten Parameter erhalten werden. Die Algorithmen und Parameter können in einem Speichermodul gespeichert werden, das in dem Mikrocontroller enthalten oder mit ihm verbunden ist. Andernfalls kann mindestens ein Teil der Parameter, die in dem Algorithmus (den Algorithmen) verwendet wird (werden), von einer anderen Instanz bzw. Funktionseinheit bei dem Mikrocontroller empfangen werden. Wahlweise können Algorithmen verändert und/oder durch Befehle ersetzt werden, die an dem Mikrocontroller empfangen werden, d. h, in Form einer Firmwareaktualisierung. Auf diese Weise kann die Spulensteuerung einfach an besondere Motordetails, an gewünschte Betriebs-Eigenschaften bzw. -Kennlinien oder besondere Bedingungen angepasst werden.
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Die Anwendungssoftware kann im Fall von mindestens teilweise softwarebasierten Funktionen in mehrere Module aufgeteilt werden. Wiederum können diese Module über Parameter, Firmwareaktualisierungen und/oder Befehle austauschbar sein und maßgefertigt werden, sowohl vor als auch während des Betriebs. Sie können ebenfalls mit einigen hardwarebasierten Funktionsmodulen kombiniert werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Teil der Softwaremodule, der mit der Zündsteuerung in Verbindung steht in dem lokalen, speziell dafür vorgesehenen Spulencontroller 3 lokalisiert sein, während die verbleibenden Algorithmen an gesonderten Steuer-Funktionseinheiten so wie der Motorsteuereinheit MSE ausgeführt werden. Ergebnisse und Werte, die von der MSE erhalten werden, können dann an dem Spulencontroller weiterverarbeitet werden und Daten können ebenfalls zurück zur MSE gesendet werden. In anderen Ausführungsformen, können jegliche Softwareanwendungsmodule, die mit der Zündung in Verbindung stehen innerhalb des Spulen-Controllers 3 angewendet bzw. eingesetzt werden. Wahlweise kann die Anwendungssoftware des Mikrocontrollers in einer einzigen Anwendung vorliegen.
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Die Module können verschiedene Elemente einschließen, die im Stand der Technik üblicherweise über Hardware-Schaltungslösungen angewendet bzw. umgesetzt werden. Beispielsweise können erhaltene Sensorwerte mit gespeicherten Werten verglichen werden, um zu bestimmen, ob vorbestimmte Schwellenwerte während des Betriebs eingehalten bzw. aufrechterhalten werden. Ein funkenfreier Betrieb kann zu bestimmten Zeiten wünschenswert sein, beispielsweise in Hybridfahrzeugen, die sich neben dem Verbrennungsmotor auf andere Energiequellen stützen, oder die Start/Stopp-Systeme einsetzen und es kann notwendig sein, das richtige deaktivieren und aktivieren des Zündsystems, zu steuern. Weitere Elemente, die durch Softwaremodule in dem Mikrocontroller direkt auf der Spule umgesetzt werden können sind Sägezahngeneratoren, zum Erzeugen eines pulsweitenmodulierten Signals mit ansteigenden oder abfallenden Taktzeiten, um die Neigung bzw. die Flanke des Primärstroms zu steuern und die Sekundärspannung zu begrenzen, Schließzeit-Messungen, die mit der Dauer des Aktivierungssignals in Verbindung stehen, das durch die Haupt-Motorsteuerungseinheit bereitgestellt wird; oder Mehrfunkengeneratoren, um über die Anzahl von Funken, die während eines Zyklus gezündet werden und über ihre Zeiteinstellung zu entscheiden. Jedes dieser Module kann Eingangssignale, die von anderen Modulen empfangen wurden, Signale, die von Schaltungsblöcken oder Sensoren erzeugt werden und/oder die anderen Module und Teile des Steuersystems, so wie einen Primärschaltungs- bzw. Primärkreis-Unterbrechertransistor ansteuern, verwenden. Alle diese Module sind lediglich Beispiele von allgemeinen Modulen zur Zündsteuerung und sie können durch zusätzliche Module ergänzt oder ersetzt werden, die hier nicht erwähnt sind.
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2 zeigt ein funktionales Blockdiagramm der Systemarchitektur einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Figur zeigt mehrere funktionale Blöcke, wobei jeder der Blöcke wie gewünscht als ein Hardwareblock und/oder Softwareblock umgesetzt werden kann. Wie vorher beschrieben, kann die Anwendungssoftware 10 des Mikrocontrollers 3 mehrere funktionale Blöcke aufweisen. In diesem Beispiel sind das Schließzeit-Messmodul 12, das Sägezahngeneratormodul 14, das Ausschaltverzögerungsmodul 16 und das Mehrfunken-Generatormodul 15 schematisch dargestellt, die Eingaben an ander Elemente bereitstellen oder Ausgaben von anderen Elementen empfangen können. In Abhängigkeit von der tatsächlichen Steuerungsauslegung müssen nicht alle diese Module in verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen vorliegen. Die funktionalen Verbindungen und Details der Ausgabe-Ansteuerungsstufe 5, der Leistungsstufe 4 und der Spule 2 sind so, wie es vorher für die 1 beschrieben wurde. Sensoren können vorhanden sein oder nicht, wobei deren Messwerte dann in die Anwendungssoftware oder in einzelne funktionale Module eingespeist werden können. In dem Beispiel wird eine Temperatur und Batteriespannungserfassung 20 gezeigt, es können jedoch auch andere Sensoren oder Parameter verwendet werden. Es kann ebenfalls eine Eingangsleitung bereitgestellt werden, die es gestattet Signale von der Motor-Hauptsteuerungseinheit oder von anderen externen Steuereinheiten an der intelligenten Zündspule einzugeben. Die Eingangsleitung kann durch geeignete Filter 6 wie ein Schmitttrigger 22 gegen Signalstörungen geschützt sein. Es ist klar, dass die beschriebenen Details von Ausführungsformen nur beispielhaft gegeben wurden. Elemente können zwischen den beispielhaften Ausführungsformen ausgetauscht und kombiniert werden, ohne die allgemeine Lösung der Erfindung zu verlassen, die auf einer lokalen Zündspulensteuerung über einen speziell dafür vorgesehenen Controller basiert, der vorzugsweise auf der Spule angebracht ist. Insbesondere ist dem Fachmann klar, dass die im Detail bei einer spezifischen Ausführungsform beschriebenen Elemente in gleicher Weise mit anderen Ausführungen auf gleiche Weise angewendet werden können, bei denen diese Details nicht explizit erwähnt wurden, solange die technischen Merkmale miteinander verträglich sind.
