DE19849258A1

DE19849258A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieregelung an Zündsystemen mit primärseitigem Kurzschlußschalter

Info

Publication number: DE19849258A1
Application number: DE19849258A
Authority: DE
Inventors: Markus Ketterer; Klaus-Juergen Wald; Achim Guenther; Juergen Foerter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-04-27
Also published as: KR20010033597A; DE59908952D1; JP2002528675A; WO2000025021A1; US6298837B1; EP1045985A1; EP1045985B1

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

Stand der Technik

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 I_s 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 U_bat 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 t₂ab. 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
I_s Kurzschlußstrom (siehe Fig. 1)
I_s Maximum des Kurzschlußstromes
in die entsprechende überschüssige Restenergie umgerechnet werden.

Die Energiebilanz des Systems setzt sich wie folgt zusammen:

E_prim = E_Funkenkopf + E_{Funkenbrennen} + E_Rest

E_prim primärseitig eingebrachte Energie
E_Funkenkopf Energie die im Funkenkopf verloren geht
E_{Funkenbrennen} Energie die für das Funkenbrennen benötigt wird
E_Rest 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

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 I_s 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 I_s 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.