DE19849258A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieregelung an Zündsystemen mit primärseitigem Kurzschlußschalter - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Energieregelung an Zündsystemen mit primärseitigem KurzschlußschalterInfo
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Abstract
Vorgestellt wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieregelung an einer Zündanlage für einen Verbrennungsmotor mit einer der Zündspannung bildenden, eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweisenden Zündspule oder Zündtransformator, deren Primärwicklung mittels eines Schalters kurzgeschlossen werden kann, Kurzschlußschalter genannt, und durch deren Sekundärwicklung mittels einer oder mehrerer Zündkerzen ein Ionenstrom gemessen werden kann, wobei der Primärstrom in der Kurzschlußphase des Kurzschlußschalters mit einem geeigneten Mittel meßtechnisch erfaßt und an die Steuereinheit übertragen, die Meßgröße nach Betätigen des Kurzschlußschalters in Form einer Funktion oder Filterung in der Steuereinheit zu einem Merkmal verarbeitet und mit dem gewonnenen Merkmal eine Energieregelung über Schließzeit- oder Schließwinkel aufgebaut wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Zündsystem für
Verbrennungsmotoren mit primärseitigem Kurzschlußschalter,
der die Primärseite der Zündspule kurzschließt. Es können
sowohl sogenannte Einzelfunkenspulen, wobei jeweils eine
Zündkerze eine Zündspule zugeordnet isr, als auch
Doppelfunkenspulen, bei der jeweils zwei Zündkerzen einer
Zündspule zugeordnet sind, verwendet werden. Es sind auch
andere Zündsysteme denkbar, die über einen primärseitigen
Kurzschlußschalter verfügen. Im folgenden wird nur noch die
Einzelfunkenspule betrachtet, da das Verfahren bei
Doppelfunkenspulen analog angewendet werden kann.
Durch die Einrichtung eines primärseitigen
Kurzschlußschalters wird das Funkenende gesteuert
einleitet. Somit basiert das Verfahren auf dem Zündsystem
mit verkürzter Funkendauer, wie es aus der DE 196 49 278
bekannt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei
anderen Zündsystemen Anwendung finden, welche mit anderen
Mitteln, z. B. npn-Transistoren oder Thyristoren, den
Zündfunken über einen primärseitigen Kurzschluß verkürzen.
Mit dem Zündsystem kann, wie bspw. aus der DE 38 83 009 T2
bekannt ist, eine Ionenstrommessung gekoppelt sein, die den
Ionenstrom im Brennraum über die Sekundärseite der
Zündspule bzw. des Zündtransformators mittels der Zündkerze
mißt.
Der Vorgang des Abschaltens des Zündfunkens benötigt selbst
eine gewisse Zeitdauer, die unter Umständen für die
Ionenstrommessung störend sein kann, und darüber hinaus
wird die Zündspule bzw. der Zündtransformator und der
Kurzschlußschalter durch die Restenergie unnötig erwärmt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung
darin,
- - Störungen durch den Abschaltstrom auf die Ionenstrommessung zu minimieren,
- - die Abwärme im Kurzschlußschalter und dem Zündtransformator zu verringern,
- - den Elektrodenverschleiß klein zu halten und
- - ein sicheres und schnelles Abschalten des Funkens zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung muß nicht zwangsläufig mit einer Erfassung
des Tonenstromes verbunden sein, sie bietet jedoch in
Verbindung mit einer Ionenstrommessung viele Vorteile.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung der oben genannten
Probleme wird ein serientaugliches Verfahren vorgestellt,
das unter anderem die Realisierbarkeit der
Ionenstrommessung erleichtert.
Die erfindungsgemäße Lösung überwindet die genannten Nachteile.
Durch die Ermittlung eines restenergieproportionalen Merkmals
steht eine Regelgröße zur Energieregelung über die Schließzeit
oder den Schließwinkel zur Verfügung.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezug auf die Figuren erläutert. Fig. 1 offenbart
ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Zündsystems mit
Energieregelung. Die Fig. 2 enthält Signalbilder des
Stromes IS in der Primärwicklung der Zündspule in zeitlicher
Korrelation mit einem Schließwinkelsignal und einem Signal
zur Ansteuerung eines Funkenendeschalters.
Das Zündsystem besteht beispielsweise aus bisher bekannten,
dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten: Zündspule
1, Zündtransistor 2 und Zündkerze 5, wobei es unerheblich
ist, ob sich eine Einschaltfunkenunterdrückungsdiode D in
Reihe mit der Sekundärwicklung L2 der Zündspule 1 befindet
oder nicht.
In Reihe zur Zündspule kann an dem niederspannungsseitigen
Ende der Sekundärwicklung L2 ein Mittel 4 zur
Ionenstrommessung angebracht sein, das mit der Zündspule 1
den Schaltungsknoten 3 bildet.
Über den Kurzschlußschalter 4 kann die Primärseite der
Zündspule 1 kurzgeschlossen werden. Der Kurzschlußschalter
4 wird vorteilhafterweise als Feldeffekttransistor
ausgeführt. Er bildet mit dem Zündtransistor 2 und der
Zündspule 1 den Schaltungsknoten 5.
In den Kurzschlußkreis Is ist weiterhin ein Mittel zur
Messung des Kurzschlußstromes eingebaut, das im Beispiel
der Fig. 1 als Meßwiderstand 7 ausgeführt ist. Der
Meßwiderstand 7 bildet mit dem Kurzschlußschalter 4 den
Schaltungsknoten 6 und mit der Zündspule 1 den
Schaltungsknoten 8.
Die Einspeisung der Batteriespannung Ubat für die Versorgung
der Zündspulen kann entweder am Schaltungsknoten 6 oder am
Schaltungsknoten 8 vorgenommen werden.
Als weitere einfach zu realisierende technische Variante
ist die Möglichkeit zu sehen, den Bahnwiderstand des
Kurzschlußschalters als Meßwiderstand zu verwenden. Als
Folge fallen die Schaltungsknoten 8 und 6 zusammen.
Vom Meßmittel wird über die Signalleitung 9 das Signal des
Kurzschlußstromes an die Steuereinheit 10 weitergeleitet.
In der Steuereinheit 10 wird über eine Funktion oder
Merkmalsbildung ein Merkmal gewonnen. In Abhängigkeit von
diesem Merkmal wird die Schließzeit des Zündtransistors
variiert. Die neue Wahl der Schließzeit wird über die
Signalleitung 11 dem Zündtransistor 2 zur Verfügung
gestellt. Der Kurzschlußschalter 4 wird über die
Signalleitung 12 von der Steuereinheit 10 bedient.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf verschiedener Signale.
Zunächst arbeitet das System mit großer Schließzeit des
Zündtransistors 2. Die Schließzeit t1 wird von der
Steuereinheit ausgegeben. Nach der Ablauf der Zeit t1 wird
der Zündtransistor 2 hochohmig geschaltet und der Zündfunke
kommt zustande. Zum gewünschten Funkenende wird der
Kurzschlußschalter 4 geschlossen und das Funkenende wird
eingeleitet. Der Primärstrom steigt sehr schnell auf seinen
maximalen Wert an und klingt dann exponentiell in der Zeit
t2 ab. Die Energie, welche noch zum Funkenende vorhanden
ist, dissipiert in den Widerständen des Primärstromkreises.
Die Primärstrombeobachtung liefert über die Signalleitung 9
den aktuellen Kurzschlußstrom. Das Maximum des
Kurzschlußstromes kann nach der Formel
L1 Induktivität der Primärwicklung der Zündspule
Is Kurzschlußstrom (siehe Fig. 1)
Is Maximum des Kurzschlußstromes
in die entsprechende überschüssige Restenergie umgerechnet werden.
Is Kurzschlußstrom (siehe Fig. 1)
Is Maximum des Kurzschlußstromes
in die entsprechende überschüssige Restenergie umgerechnet werden.
Die Energiebilanz des Systems setzt sich wie folgt zusammen:
Eprim = EFunkenkopf + EFunkenbrennen + ERest
Eprim primärseitig eingebrachte Energie
EFunkenkopf Energie die im Funkenkopf verloren geht
EFunkenbrennen Energie die für das Funkenbrennen benötigt wird
ERest Energie die beim Schließen des Kurzschlußschalters noch zur Verfügung steht und in Wärmeenergie umgesetzt wird.
EFunkenkopf Energie die im Funkenkopf verloren geht
EFunkenbrennen Energie die für das Funkenbrennen benötigt wird
ERest Energie die beim Schließen des Kurzschlußschalters noch zur Verfügung steht und in Wärmeenergie umgesetzt wird.
Die primärseitig eingebrachte Energie wird wie folgt verbraucht:
Zunächst entlädt sich ein, je nach Zündspannungsbedarf,
unterschiedlicher Energieanteil im Funkenkopf. Im Anschluß daran
wird ein, je nach Brennspannungsbedarf, unterschiedlicher
Energieanteil während des Funkenbrennens benötigt. Während
dieses Ablaufes entstehen zusätzliche Verluste in den Wicklungen
und Eisenkreisen der Zündspule. Die Energie im Funkenkopf ist
stark last- und zündwinkelabhängig, hingegen die Energie für das
Funkenbrennen ist von der Last und zusätzlich von den
Turbulenzen im Brennraum abhängig. Insgesamt gesehen ist der
Energiebedarf für den Zündfunken last-, zündwinkel- und
drehzahlabhängig. Zusätzlich ist der Energiebedarf mit
statistischen Schwankungen beaufschlagt, so daß für die Regelung
nur ein gefilterters Merkmal auf Basis des Kurzschlußstromes
herangezogen werden kann.
Grundlage der Regelung ist die Erfassung der Restenergie kurz
nach Erreichen des geforderten Funkenendes und die Umwandlung
durch die Steuereinheit 6 in ein restenergieproportionales
Merkmal. Ist noch ausreichend Restenergie vorhanden, dann wird
der Schließwinkel oder die Schließzeit im gleichen Betriebspunkt
verkürzt werden. Dies kann nicht unmittelbar geschehen, so daß
mit den erfaßten Werten beispielsweise eine Tiefpaßfilterung
oder eine Mittelwertbildung innerhalb der Steuereinheit
durchgeführt wird. Ist umgekehrt die mindestens geforderte
Restenergie nicht mehr vorhanden, dann wird die Schließzeit oder
der Schließwinkel vergrößert.
Der Widerstand zur Primärstrombeobachtung wird
vorteilhafterweise in einen Zweig des Stromkreises gelegt, der
mit dem Schaltungsknoten 2 keine Verbindung hat, um ihn vor
unnötig hohen Spannungen zu schützen.
Eine weitere Variante besteht darin, den Bahnwiderstand des
Kurzschlußschalters, der als Feldeffekttransistor (FET)
ausgeführt ist, als Meßwiderstand zu nutzen.
Claims (18)
1. Verfahren zur Energieregelung an einer Zündanlage für einen
Verbrennungsmotor mit einer der Zündspannung bildenden, eine
Primär- und eine Sekundärwicklung aufweisenden Zündspule oder
Zündtransformator, deren Primärwicklung mittels eines Schalters
kurzgeschlossen werden kann, Kurzschlußschalter genannt, und
durch deren Sekundärwicklung mittels einer oder mehrerer
Zündkerzen ein Ionenstrom gemessen werden kann, dadurch
gekennzeichnet, daß der Primärstrom in der Kurzschlußphase des
Kurzschlußschalters mit einem geeigneten. Mittel meßtechnisch
erfaßt und an die Steuereinheit übertragen, die Meßgröße nach
Betätigen des Kurzschlußschalters in Form einer Funktion oder
Filterung in der Steuereinheit zu einem Merkmal verarbeitet und
mit dem gewonnenen Merkmal eine Energieregelung über
Schließzeit- oder Schließwinkel aufgebaut wird.
2. Verfahren nach dem Hauptanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schließzeit oder der Schließwinkel verkürzt wird, falls
das Merkmal eine zu große Restenergie anzeigt oder daß die
Schließzeit oder der Schließwinkel verlängert wird, falls das
Merkmal eine zu geringe Restenergie anzeigt.
3. Verfahren nach dem Hauptanspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Maximum des Primärstromes unmittelbar
nach Erreichen des Funkenendes als restenergieproportionales
Merkmal zur Energieregelung über Schließzeit oder Schließwinkel
benutzt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel zur Messung des Primärstromes der
Drain-Source-Widerstand des Kurzschlußschalters ist, der als
Feldeffekttransistor ausgeführt ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel zur Messung des Primärstromes Is
ein Widerstand im Kurzschlußkreis ist.
6. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelung der Energie über Schließzeit
oder Schließwinkel in instationären Betriebspunkten ausgeblendet
werden kann.
7. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelung der Energie über Schließzeit
oder Schließwinkel nur in einem bestimmten Zeitfenster oder
Winkelfenster variiert werden kann, das durch eine untere und
obere Schranke begrenzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Grenzen der Schließzeit- oder des Schließwinkels
kennfeldgesteuert werden, das mindestens von Last oder Drehzahl
abhängt und beispielsweise in der Steuereinheit abgelegt ist.
9. Verfahren einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Beherrschung dynamischer Vorgänge das
Kennfeld in Kennfeldbereiche unterteilt wird und bei Verlassen
eines Kennfeldbereiches die aktuellen Schließzeit- oder
Schließwinkelwerte gespeichert und bei Wiedereintritt in die
Kennfeldbereiche die adaptierten Werte als Anfangswerte der
Regelung Verwendung finden.
10. Vorrichtung zur Energieregelung an einer Zündanlage für
einen Verbrennungsmotor mit einer der Zündspannung bildenden,
eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweisenden Zündspule
oder Zündtransformator, deren Primärwicklung mittels eines
Schalters kurzgeschlossen werden kann, Kurzschlußschalter
genannt, und durch deren Sekundärwicklung mittels einer oder
mehrerer Zündkerzen ein Ionenstrom gemessen werden kann, dadurch
gekennzeichnet, daß der Primärstrom in der Kurzschlußphase des
Kurzschlußschalters mit einem geeigneten Mittel meßtechnisch
erfaßt und an die Steuereinheit übertragen, die Meßgröße nach
Betätigen des Kurzschlußschalters in Form einer Funktion oder
Filterung in der Steuereinheit zu einem Merkmal verarbeitet und
mit dem gewonnenen Merkmal eine Energieregelung über
Schließzeit- oder Schließwinkel aufgebaut wird.
11. Vorrichtung nach dem Hauptanspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schließzeit oder der Schließwinkel
verkürzt wird, falls das Merkmal eine zu große Restenergie
anzeigt oder daß die Schließzeit oder der Schließwinkel
verlängert wird, falls das Merkmal eine zu geringe Restenergie
anzeigt.
12. Vorrichtung nach dem Hauptanspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Maximum des Primärstromes unmittelbar
nach Erreichen des Funkenendes als restenergieproportionales
Merkmal zur Energieregelung über Schließzeit oder Schließwinkel
benutzt wird.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel zur Messung des Primärstromes der
Drain-Source-Widerstand des Kurzschlußschalters ist, der als
Feldeffekttransistor ausgeführt ist.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel zur Messung des Primärstromes Is
ein Widerstand im Kurzschlußkreis ist.
15. Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelung der Energie über Schließzeit
oder Schließwinkel in instationären Betriebspunkten ausgeblendet
werden kann.
16. Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelung der Energie über Schließzeit
oder Schließwinkel nur in einem bestimmten Zeitfenster oder
Winkelfenster variiert werden kann, das durch eine untere und
obere Schranke begrenzt wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Grenzen der Schließzeit- oder des Schließwinkels
kennfeldgesteuert werden, das mindestens von Last oder Drehzahl
abhängt und beispielsweise in der Steuereinheit abgelegt ist.
18. Vorrichtung einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Beherrschung dynamischer Vorgänge das
Kennfeld in Kennfeldbereiche unterteilt wird und bei Verlassen
eines Kennfeldbereiches die aktuellen Schließzeit- oder
Schließwinkelwerte gespeichert und bei Wiedereintritt in die
Kennfeldbereiche die adaptierten Werte als Anfangswerte der
Regelung Verwendung finden.
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