DE4020986C2 - Elektronisches Zündsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Elektronisches Zündsystem für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zündsystem für eine Brennkraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiges elek­ tronisches Zündsystem ist aus der US 4,454,560 bekannt.
In elektronischen Zündsystemen werden über einen Geber und ein Steuer­ gerät mittels Schalttransistoren Zündspulen angesteuert, die die Zündspan­ nung bzw. den Zündstrom erzeugen. Ältere Zündsysteme mit Einfachzün­ dung verwenden einen Verteiler, um die Zündspannung mechanisch auf die einzelnen Zylinder zu verteilen. Bei modernen Zündsystemen werden abhängig von der Zylinderzahl Mehrfachzündspulen eingesetzt, beispiels­ weise Doppelfunkenspulen für jeweils zwei Zylinder, wobei die Zylinder - ohne mechanischen Verteiler - direkt angesteuert werden.
Oftmals ist es erforderlich und wünschenswert, die Zündvorgänge bzw. den Zündverlauf des elektronischen Zündsystems während des Betriebs des Kraftfahrzeugs zu überwachen oder zu analysieren. Beispielsweise müssen fehlerhafte oder fehlende Zündungen erkannt werden, die beispielsweise bei Defekten im Zündsystem - beispielsweise das Ablösen von Kerzen­ steckern oder schadhafte Endstufen oder Spulenzweige - auftreten können. Diese Mängel führen zu einer Beeinträchtigung des Fahrverhaltens bzw. zu kostspieligen Folgeschäden; beispielsweise kann bei Kraftfahrzeugen mit Katalysator infolge eines fehlerhaften Zündsystems unverbrannter Treib­ stoff in die Auspuffanlage gelangen und dort zu einer starken Aufheizung und zur Zerstörung des Katalysators führen.
Es ist daher wichtig, daß Fehler im Zündsystem rechtzeitig festgestellt, gemeldet bzw. angezeigt werden, um gegebenenfalls geeignete Maß­ nahmen einleiten zu können.
Des weiteren ist es für eine optimale Einstellung der Zündung oft erforder­ lich, mittels einer Regelung in den Zündvorgang einzugreifen.
Aus der DE 36 29 824 A1 ist eine elektronische Schaltung zur Erkennung von Zündaussetzern bei Brennkraftmaschinen bekannt, die unter Verwendung der Änderungsgeschwindigkeit der Zündspannung am Unterbrecherele­ ment Zündvorgänge und Zündaussetzer ermittelt; jedoch wird bei dieser Druckschrift keine Bestimmung der Brenndauer der Zündkerzen bzw. der Echtzeit des Brennvorgangs vorgenommen.
Beim elektronischen Zündsystem der gattungsbildenden US 4,454,560 wird das Erscheinen des auf der Primärseite der Zündspule aufgrund von Induk­ tion auftretenden Spannungsanstiegs (die Rückschlagspannung) abgefragt, jedoch ebenfalls nicht die Brenndauer der Zündkerzen bestimmt.
Schließlich wird in der US 4, 918, 389 ein Zündsystem für Brennkraft­ maschinen beschrieben, die eine Auswerteschaltung mit Komparatoren aufweist, mit der aber keine Zeiten gemessen bzw. Brenndauern bestimmt sondern Signale miteinander verglichen werden.
Die Brenndauer oder Brennzeit der Zündkerzen - während dieser Zeit wird ein Lichtbogen zwischen den Zündkerzenelektroden aufrechterhalten - kann aufschlußreiche Informationen über charakteristische Eigenschaften des Zündsystems, beispielsweise über den Zündverlauf liefern.
Es ist bekannt, Zündvorgänge bzw. Verbrennungsvorgänge, beispielsweise die Brenndauer der Zündkerzen, anhand des Hochspannungsverlaufs auf der Sekundärseite der Zündspule zu überwachen. Diese Methoden sind aber wegen der sekundärseitig auftretenden Hochspannung von beispielsweise 30 kV sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden und daher zur Rou­ tineüberwachung eines Zündsystems nicht im Rahmen einer Großserie ein­ setzbar.
Aus der DE 27 59 155 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Funkendauer für Regel- oder Schaltsteuerungen bekannt, deren Meßschal­ tung eine Integrator- und Triggereinrichtung aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Zündsystem anzugeben, das eine einfache Bestimmung und Kontrolle der Brenndauer der Zündkerzen ermöglicht und das kostengünstig und in großen Stück­ zahlen hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Zündsystem nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die an der Sekundärseite der Zündspule entstehende Brennspannung bzw. der dort auftretende Brennstrom aufgrund der Transformations-Eigenschaften der Zündspule auf deren Primärseite übertragen wird und sich dort der Betriebsspannung bzw. Batteriespannung überlagert. Der zeitliche Verlauf der Brennspannung (insbesondere die Brenndauer) kann somit dadurch ermittelt werden, daß der durch die Addition der beiden Spannungen entstehende Spannungs­ verlauf auf der Primärseite der Zündspule mittels einer Auswerteschaltung erfaßt und analysiert wird.
In der Auswerteschaltung wird dazu die Kollektorspannung am Zündtran­ sistor bzw. Schalttransistor - dies ist die Spannung an der Klemme 1 auf der Primärseite der Zündspule - mit einer Komparatorspannung verglichen und in Abhängigkeit dieses Vergleichs ein entsprechendes Ausgangssignal abge­ geben. Die Komparatorspannung ist jedoch keine feste Schwellenspannung, sondern hängt von der Betriebsspannung des Kraftfahrzeugs ab, die beispielsweise zwischen 6 und 16 V schwanken kann. Die Brenndauer kann also - in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsbedingungen des Kraftfahr­ zeugs - anhand des charakteristischen Signalverlaufs am Schaltungsausgang bestimmt und mit einem Sollwert verglichen werden. Beispielsweise wird bei einem Defekt im elektronischen Zündsystem oder bei unkorrekter Zündung keine Induktionsspannung auf der Primärseite der Zündspule induziert und demnach das Ausgangssignal der Auswerteschaltung einen anderen zeitlichen Verlauf als bei einer korrekten Zündung aufweisen.
Beim erfindungsgemäßen elektronischen Zündsystem ist demnach eine Bestimmung der Brenndauer der Zündkerzen und damit eine Analyse des Zündvorgangs bei einer großen Funktionsbreite des Kraftfahrzeuges möglich. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob das elektronische Zündsystem in Ordnung oder fehlerhaft ist; im Bedarfsfall können aufgrund von Rückmeldungen geeignete Maßnahmen eingeleitet werden.
Des weiteren kann bei Kenntnis der Brenndauer der Zündkerzen eine Zündenergieregelung realisiert werden - beispielsweise mittels einer Regelung des Zündspulenstroms - und somit in den Verbrennungsvorgang eingegriffen werden - beispielsweise zur Optimierung der Zündkerzen­ lebensdauer.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines elektronischen Zündsystems mit zwei Doppelfunkenspulen für vier Zylinder,
Fig. 2 ein Detailschaltbild der Schaltungskomponenten der Auswerteschaltung mit zwei Ausführungsbeispielen in Fig. 2a und Fig. 2b,
Fig. 3 die zeitlichen Spannungsverläufe bei einer korrekten Zündung,
Fig. 4 die zeitlichen Spannungsverläufe bei einer fehlerhaften Zündung.
In der Fig. 1 ist das schematische Blockschaltbild eines elektronischen Zündsystems für ein Kraftfahrzeug mit 4 Zylindern dargestellt, wobei zwei Doppelfunkenspulen jeweils für zwei Zylinder eingesetzt werden.
Das Steuergerät steuert den zeitlichen Verlauf der Zündung bzw. der Zünd­ zeitpunkte tZ1 bis tZ4 für die Zylinder 1 bis 4 durch Vorgabe der Schaftflanken für die Schalttransistoren T1, T2 und analysiert das Signal am Ausgang A der Auswerteschaltung bzw. die Ausgangsspannung U3 (Logiksignal).
Die Endstufe beinhaltet die Schalttransistoren T1, T2 zur Ansteuerung der Zündspulen und erfaßt mittels einer Auswerteschaltung die auf der Primär­ seite der Zündspulen auftretenden Spannungen.
Die Doppelfunken-Zündspulen Sp1, Sp2 werden jeweils von den Schalttran­ sistoren T1 bzw. T2 geschaltet; auf der Sekundärseite sind der Doppelfunken- Zündspule Sp1 die Zylinder 1 und 4 und der Doppelfunken-Zündspule Sp2 die Zylinder 2 und 3 zugeordnet. Auf der Primärseite sind die Doppelfunken- Zündspulen Sp1, Sp2 über die Klemme 15 an die Betriebsspannung UB angeschlossen, an den Klemmen 1 liegt jeweils die Kollektorspannung U1 der Schalttransistoren T1, T2 an.
Durch die im Steuergerät erzeugten Schaltflanken wird jeweils ein Schalt­ transistor T1 bzw. T2 abgeschaltet, wodurch der Stromfluß durch die mit diesem Schalttranistor verbundene Doppelfunken-Zündspule Sp1 bzw. Sp2 unterbrochen und eine Induktionsspannung auf der Primärseite dieser Doppelfunken-Zündspule Sp1 bzw. Sp2 induziert wird. Dieser Spannungsan­ stieg auf der Primärseite der Doppelfunken-Zündspule Sp1, Sp2 - die soge­ nannte Rückschlagspannung, die beispielsweise 380 bis 400 V beträgt - wird tragen. Ist dort die Induktionsspannung auf einen bestimmten Wert, bei­ spielsweise auf 20 kV, angestiegen, erfolgt durch einen Funkenüberschlag zwischen den Zündkerzenelektroden die Zündung; infolgedessen fällt die Spannung auf der Sekundärseite der Doppelfunken-Zündspule Sp1, Sp2 von 20 kV auf ca. 400 V ab - dies ist die sogenannte Brennspannung. Der Lichtbo­ gen zwischen den Zündkerzenelektroden bzw. die Brennspannung steht so lange an, bis die in der Doppelfunken-Zündspule Sp1, Sp2 gespeicherte Energie verbraucht ist. Auf der Primärseite der Doppelfunken-Zündspule Sp1, SP2 geht die Rückschlagspannung nach der Zündung von ihrem Maxi­ malwert (380-400 V) auf die Betriebsspannung UB, beispielsweise 10 V, zu­ rück.
Der Signalverlauf der Spannung auf der Primärseite der Doppelfunken-Zünd­ spulen Sp1, Sp2 - der Verlauf der Kollektorspannung U1 der Schafttransi­ storen T1, T2 bzw. der Spannung an den Klemmen 1 - wird von der Auswerte­ schaltung erfaßt. Dazu wird die Kollektorspannung U1 der Schalttransistoren T1, T2 über einen Spannungsteiler (Teller 1 bzw. Teiler 2) auf ein Filter und von dort auf den ersten Eingang E1 eines Komparators gegeben; am zweiten Eingang E2 des Komparators liegt eine Schwellenspannung an, die über ei­ nen weiteren Spannungsteiler (UB-Teiler) von der Betriebsspannung UB abge­ leitet wird.
Die Teiler 1 und 2 sind wegen der hohen Werte der Rückschlagspannung (ca. 400 V) erforderlich; das Filter wird eingesetzt, damit der Komparator auf den anfänglichen Schwingungsverlauf der Kollektorspannung U1 nach dem Zündzeitpunkt tZ (vergleiche die Kurven von U1 in den Fig. 3 und 4) nicht anspricht. Durch den UB-Teiler wird die Schaltschwelle des Komparators di­ rekt in Abhängigkeit der Betriebsspannung UB variiert, da diese je nach Be­ triebszustand des Kraftfahrzeugs - beispielsweise zwischen 6 und 16 V - schwanken kann.
Ist die Spannung am ersten Eingang E1 des Komparators, die von der Kollek­ torspannung U1 abhängt, größer als die Spannung am zweiten Eingang E2 des Komparators, die von der jeweiligen Betriebsspannung UB abhängt, hat sich - wie in Fig. 3 dargestellt - an der Klemme 1 während der Brenndauer tBr der Zündkerzen der Betriebsspannung UB die Induktionsspannung ΔU überlagert. Das Ausgangssignal des Komparators bzw. die Ausgangsspan­ nung U3 gibt also Aufschluß über die Brenndauern tBr1 - tBr4 der Zylinder 1-4 und ist ein charakteristisches Maß für den Zündungsverlauf.
In der Fig. 2 ist das Detailschaltbild der Auswerteschaltung dargestellt, wobei in den Fig. 2a und 2b zwei unterschiedliche Versionen zur Reali­ sierung des Spannungsteilers dargestellt sind. Gemäß der Fig. 2a ist für beide Doppelfunken-Zündspulen jeweils ein Spannungsteiler an den Kollektor der Schalttransistoren T1, T2 angeschlosssen. Durch entsprechende Wahl der Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 von Teiler 1 bzw. Teiler 2 wird die Kollektorspannung U1 in einem bestimmten Verhältnis - beispiels­ weise im Verhältnis 4 : 1 - geteilt; die beiden Spannungsteiler Teiler 1 und Teiler 2 werden über die Dioden D1 und D2 zusammengeführt. In der Fig. 2b ist für beide Doppelfunken-Zündspulen nur ein einziger gemeinsamer Spannungsteiler vorgesehen, der die an den Dioden D1 und D2 anliegende Kollektor-Spannung in einem - durch die Wahl der Widerstände R1' bzw. R2' vorgegebenen - bestimmten Verhältnis teilt. Der UB-Teiler mit den Widerständen R5 und R6 teilt die Betriebsspannung UB in einen bestimmten Wert, beispielsweise im Verhältnis 3 : 1.
Die Teilerverhältnisse der Spannungsteiler werden dabei so gewählt, daß einerseits die Dioden D1, D2 und der Komparator nicht durch zu hohe Spannungen überlastet werden, andererseits aber eine gute Auflösung der Auswerteschaltung erzielt werden kann.
Das Filter ist beispielsweise ein RC-Filter mit dem Widerstand R7 und dem Kondensator C1 sowie den beiden Dioden D3 und D4, die zum Ablocken von hohen Spannungen dienen und somit den Komparator-Eingang schützen.
Die Spannung am Ausgang A des Komparators bildet die Eingangsspannung U3 des Steuergeräts (das Logiksignal).
Fakultativ kann ein Tiefpaß (Kondensator C2 und Widerstand R8) vorgesehen werden, der als Schutzvorrichtung zum Abfangen von externen Störungen dient. Zum gleichen Zweck dienen die Bauelemente C3, Z1, R9 und D5, die zum Abblocken von Störungen auf der Betriebsspannungs-Verbindungslei­ tung eingesetzt werden können.
Die gesamte Auswerteschaltung - einschließlich des Steuergeräts, das beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet ist - kann in einem integrierten Schaltkreis (IC) integriert werden.
Anhand der Fig. 3 und 4 wird erläutert, wie durch den zeitlichen Verlauf der Spannung am Ausgang der Auswerteschaltung bzw. der Eingangsspan­ nung des Steuergeräts die Brennzeiten tBr abgeleitet und damit Rück­ schlüsse auf den Verbrennungsvorgang bzw. den Zündvorgang gezogen werden können.
Die Kurve U1 gibt dabei den zeitlichen Verlauf der Kollektorspannung der Schalttransistoren T1 und T2 bzw. der Spannung an der Klemme 1 an, die Kurve U2 zeigt die an der Doppelfunken-Zündspule Sp1 (Sp2) auftretende Se­ kundärspannung, die Kurve U3 stellt das Signal am Ausgang der Auswerte­ schaltung dar; die einzelnen Kurven U1 bis U3 wurden zur Verdeutlichung mit einem unterschiedlichen Maßstab der Spannungs-Ordinate gezeichnet.
Gemäß der Fig. 3 fällt die Kollektorspannung U1 der Schalttransistoren T1, T2 nach erfolgter Zündung (Zeitpunkt tZ) nach einer Einschwingphase wäh­ rend der Brennzeit bzw. Brenndauer tBr langsam ab; da die Klemme 15 der Doppelfunken-Zündspulen an die Betriebsspannung UB, beispielsweise die Batteriespannung, angeschlossen ist, nimmt das Potential der Klemme 1 nach Ende der Brennzeit tBr, ebenfalls den Wert UB an. Die Sekundärspan­ nung U2 sinkt während der Brenndauer tBr um die Brennspannung ab, die beispielsweise - 450 V beträgt. Die Ausgangsspannung U3 am Schaltungsaus­ gang geht - nachdem die Kollektorspannung U1 kurze Zeit nach erfolgter Zündung (tZ) die Schaltschwelle Ukomp des Komparators überschritten hat - während der gesamten Brenndauer tBr von einem vorher definierten Logik­ pegel zum komplementären Logikpegel über; in der Fig. 3 ist dies bei­ spielsweise für den Übergang vom High-Pegel (H) zum Low-Pegel (L) gezeigt. Nach Ende der Brenndauer tBr wird wieder der ursprüngliche Logikpegel - in Fig. 3 der High-Pegel (H) - angenommen.
Das Steuergerät - beispielsweise ein Mikroprozessor - bestimmt die Zeitdau­ er zwischen den beiden Schaltflanken der Ausgangsspannung U3 - dies ist die gemessene (tatsächliche) Brenndauer tBr - und vergleicht sie mit einem Brenndauer-Sollwert t2:
  • - ist die gemessene Brenndauer tBr gleich groß wie der Brenndauer- Sollwert t2, der durch das Steuergerät abhängig von den Betriebsbe­ dingungen des Kraftfahrzeugs vorgegeben wird, ist das Zündsystem in Ordnung (Fig. 3).
  • - ist die gemessene Brenndauer tBr wesentlich kleiner als der Brenn­ dauer-Sollwert t2 (gemäß Fig. 4 ist dies für die Zeit t1 dargestellt), aber ungleich Null, hat auf der Primärseite der Zündspule ein induk­ tionsvorgang stattgefunden. Daraus kann geschlossen werden, daß die Schalttransistoren und die Doppelfunken-Zündspulen auf der Primärseite prinzipiell funktionsfähig sind; es kann dann beispiels­ weise ein Defekt im Sekundärkreis der Doppelfunken-Zündspule (Kurzschluß oder Leerlauf) vorliegen.
  • - ist die gemessene Brenndauer tBr dagegen Null, hat auf der Primär­ seite der Zündspule kein induktionsvorgang stattgefunden. Dies deutet darauf hin, daß der Primärkreis oder die Auswerteschaltung defekt sind.
  • - ist die gemessene Brenndauer tBr wesentlich größer als der Brenn­ dauer-Sollwert t2 (gemäß Fig. 4 ist dies für die Zeit t3 dargestellt), muß ein Defekt in der Auswerteschaltung vorliegen.
Anstatt die Brenndauer tBr analog zu bestimmen und mit einem Brenn­ dauer-Sollwert t2 zu vergleichen, können alternativ digitale Abfragen des Logikpegels der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangssignals, beispielsweise zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3, vorgenommen und anhand dieser Abfrage Rückschlüsse auf die Brenndauer tBr bzw. den Zündverlauf gezogen werden.
Durch die Erfassung und Auswertung der Brenndauer mit Hilfe der Auswerteschaltung und des Steuergeräts kann auf den Zustand des elektronischen Zündsystems geschlossen und gegebenenfalls in den Zünd­ vorgang eingegriffen werden und somit eine gewisse Diagnosefähigkeit erreicht werden.
Insbesondere kann unterschieden werden, ob eine Zündung erfolgt ist und/oder ob die Schaltung bzw. Schaltungsteile/Schaltungszweige defekt sind; mit Hilfe des Steuergeräts können die Defekte den einzelnen Zylindern bzw. Zylinderpaaren zugeordnet werden. Im Fehlerfall kann beispielsweise beim zugeordneten Zylinder bzw. Zylinderpaar durch Abschaltung des jeweiligen Einspritzventils die Kraftstoffzufuhr unterbrochen werden und/oder der Fehler - beispielsweise mittels einer Warnlampe - angezeigt werden und/oder für spätere Diagnosezwecke abgespeichert werden.
Des weiteren ist es denkbar, die Brenndauer mit Hilfe einer Energiesteue­ rung zu beeinflussen; dazu wird in Abhängigkeit des Motor-Arbeitspunktes eine optimale Brenndauer als Sollwert vorgegeben, mit dem momentanen Istwert verglichen und dieser Istwert bei einer Abweichung vom Sollwert entsprechend eingeregelt.

Claims (1)

1. Elektronisches Zündsystem für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, mit
  • a) einem Steuergerät, das die Zündzeitpunkte der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgibt und ein Logiksignal (U3) verarbeitet, das die Funktion der Zündkerzen bestimmt,
  • b) einer Zündspule mit Primärseite und Sekundärseite,
  • c) einer mit der Primärseite der Zündspule verbundenen Endstufe, die einen Schalttransistor (T1, T2) zur Ansteuerung der Zündspule und eine Auswerteschaltung mit einem Komparator aufweist, wobei die Auswerteschaltung den zeitlichen Verlauf der Spannung auf der Primärseite der Zündspule erfaßt, indem der Komparator die an seinem ersten Eingang (E1) mittels eines Spannungsteilers und eines Filters zugeführte Kollektorspannung (U1) des Schalttransistors (T1, T2) mit einer an seinem zweiten Eingang (E2) zugeführten Schwellen­ spannung vergleicht, und an seinem Ausgang (A) in Abhängigkeit dieses Vergleichs das Logiksignal (U3) ausgibt,
gekennzeichnet dadurch,
  • a) daß der zweite Eingang (E2) des Komparators der Auswerteschaltung zur Bildung einer sich mit der Betriebsspannung (UB) des Kraftfahr­ zeugs verändernden Schwellenspannung über einen Spannungsteiler an die Betriebsspannung (UB) angeschlossen ist,
  • b) und daß das mit der Endstufe verbundene Steuergerät die zeitliche Änderung des Logikpegels des Logiksignals (U3) erfaßt und hieraus die Brenndauer (tBr) der auf der Sekundärseite der Zündspule angeschlos­ senen Zündkerzen als Indikator für Zündungsdefekte und zur Zündenergieregelung bestimmt, ohne daß eine direkte Verbindung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite der Zündspule vorgesehen ist.
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