DE4418230A1 - Zweikreiszündung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Durchführung dieses Verfahrens zur Zündung eines Luft-Kraftstoff- Gemisches in Motoren, insbesondere in Kraftfahrzeugmotoren.

Es ist bekannt, eine Zündanlage mit einem Stromkreis zu versehen, der eine Zündspule, die Funkenentladungsstrecke und zusätzliche Steuerelemente, wie Unterbrecher und Zündverteiler, enthält. Bei dieser Form der Zündanlage wird durch die Zündspule neben der Steuerung des Durchschlagszeitpunktes der Funkenentladungsstrecke auch die Energiebereitstellung für die Zündung durch den Funken gesteuert.

Für eine optimale Zündung ist ein zeitlich exakter Zündzeitpunkt und ein hoher Energieübertrag in einem exakt definierten Zeitintervall entscheidend, da bei einem zu frühen oder zu späten Zünden des Luft- Kraftstoff-Gemisches nur eine unvollständige Verbrennung des Gemisches bewirkt wird und bei zu kurzem oder zu langem Zünden aufgrund von Gemischturbulenzen eine unsaubere Verbrennung resultiert. Durch die Gestaltung der Zündspule wird Einfluß auf den Durchschlagszeitpunkt der Funkenstrecke, d. h. den Zündzeitpunkt, und die Form der Energieübertragung durch den Zündfunken auf das Luft- Kraftstoff-Gemisch genommen. Während einerseits für eine optimale Zündung ein hoher Energieübertrag von der Zündspule über den Zündfunken auf das Luft-Kraftstoff-Gemisch angestrebt wird, verhindert gerade eine solche Auslegung der Zündspule auf maximalen Energieübertrag eine hohe Flankensteilheit der Energieübertragung und damit einen exakten Zündzeitpunkt und eine exakte Dauer des Zündintervalls.

Die Zündspule stellt also das qualitätsbestimmende Glied der Zündanlage dar, welche eine optimale Zündung aufgrund der widerstreitenden Ansprüche an sie verhindert. Dies führt zu einer erhöhten Emission von Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Kohlenmonoxid bei der Verbrennung, sowie zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch und zur Klopfneigung des Motors.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zündung zu optimieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe das Verfahren zur Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches so gewählt, daß die Zündspule ihrer Funktion nach nur noch den Durchschlagszeitpunkt der Funkenstrecke festlegt, während der Energieübertrag auf den Zündfunken durch eine zweite Energiequelle weitgehend unabhängig von der Zündspule gewährleistet wird. Die Zündspule sichert in ihrer erfindungsgemäßen Funktion eine "Triggerung" des eigentlichen Energiepulses durch die zweite Energiequelle für die Zündung.

Durch die erfindungsgemäße Trennung kann diese zweite Energiequelle auf einen optimalen Energieübertrag in einem optimales Zündintervall ausgelegt werden, während die Zündspule auf eine optimalen Zündzeitpunkt ausgelegt werden kann. Dadurch kann die Zündung dahingehend optimiert werden, daß geringere Schadstoffmengen bei der Verbrennung entstehen und daß der Kraftstoffverbrauch des Motors sinkt. Weiterhin gelingt es, die Zündspule einfacher, kleiner und damit kostengünstiger zu gestalten, da sie nun erfindungsgemäß nicht mehr die während des gesamten Zündvorgangs übertragene Energiemenge in sich speichern muß. Weiterhin gelingt es aufgrund der erfindungsgemäßen Trennung, die Energieimpulse auf hohe Flankensteilheit oder auf hohe Zündspannungen auszulegen, so daß ohne Anstieg der Gefahr von unerwünschten Nebenschlüssen der Einsatz der Zündanlage auch in Motoren mit extrem mageren oder extrem fetten Luft-Kraftstoff-Gemischen möglich wird.

Vorzugsweise wird die zweite Energiequelle so ausgestaltet, daß sie ein pulsformendes Netzwerk PFN enthält, das den Energiepuls für die Zündung nach Zeitdauer, Leistungsanstieg und Leistungsabfall, sowie dem Leistungsmaximum dem Motortyp und dem jeweils aktuellen Motorzustand anpaßt. Während sich der Motortyp im eingebauten Zustand nicht ändert, kann sich der aktuelle Motorzustand durch den jeweiligen Lastzustand, den Luftdruck, die Motortemperatur und die Lufttemperatur, sowie die Luftfeuchtigkeit ändern. Der Motorzustand bildet damit eine veränderliche Grundlage für die Anpassung des Energiepulses nach zeitlichem Verlauf und Energieübertrag zur Optimierung des Zündvorgangs. Diese Veränderung des Energiepulses kann durch ein pulsformendes Netzwerk PFN erreicht werden, das vorzugsweise die optimalen Zündsteuerdaten entsprechend den Zustandsgrößen aus einem Speicher abruft und in den dementsprechend optimierten Energiepuls für die Zündung umsetzt. Dieser Speicher kann Teil des gesamten Motormanagements sein. Bei einem derartigen Verfahren werden die Zustandsgrößen durch geeignete Sensoren ermittelt und entweder direkt oder indirekt über das Motormanagement an das pulsformende Netzwerk PFN weitergeleitet. Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine zu jedem Betriebszeitpunkt optimierte Zündung sicher, was zu einem noch besseren Verbrennungsvorgang im Motor und zu einer höheren Lebensdauer der Zündkerzen führt, da erfindungsgemäß nur noch die benötigte Zündenergie und nicht mehr, wie beim Stand der Technik, die Maximalenergie auf das Luft-Kraftstoff-Gemisch übertragen wird.

Vorteilhafterweise wird die zweite Energiequelle durch einen einfachen Kondensator realisiert, welcher entweder durch die Batterie oder die Lichtmaschine des Motors aufgeladen wird. Durch diese Aufladung ist eine sehr kostengünstige, sichere und wenig störungsanfällige Energiespeicherung gegeben, was den Einsatz in Serienfahrzeugen ermöglicht, ohne die Qualität der optimierten Zündung zu reduzieren.

Insbesondere bei hohen Spannungen hat sich als besonders geeignet erwiesen, die zweite Energiequelle als ein abgeschirmtes Hochspannungskabel auszubilden. Dadurch kann aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften das pulsformende Netzwerk PFN einfacher ausgelegt werden, da seine besonderen eigenen elektrischen Eigenschaften berücksichtigt werden können.

Zur Aufladung der zweiten Energiequelle wird vorzugsweise ein Hochspannungsladegerät verwendet, das so gesteuert ist, daß die Ladezeit der zweiten Energiequelle ausreichend kurz für eine optimierte Zündung ist. Diese Ladezeitoptimierung kann mit Hilfe eines PID- Reglers oder unter Verwendung einer fuzzylogikgesteuerten Schaltung erfolgen. Durch diese Regelung wird eine lange Lebenszeit (Anzahl der Ladezyklen) der zweiten Energiequelle sichergestellt, da die Aufladung sowohl an die Zeit, als auch an den Typ der zweiten Energiequelle angepaßt ist.

Als besonders einfaches und kostengünstiges Hochspannungsladegerät kann die Lichtmaschine dienen. Eine solche kann jedoch ebenso wie die Batterie des Motors einen elektronischen Umformer für Hochspannung mit Energie versorgen, der dann den Kern des Hochspannungsladegerätes darstellt. In diesem Fall wird die Lichtmaschine so ausgebildet, daß sie zumindest 300 Volt Ausgangsspannung liefern kann, um damit eine ausreichende Spannungsversorgung für die zweite Energiequelle, z. B. einen Kondensator im zweiten Stromkreis sicherzustellen und dadurch eine ausreichende Spannung für die Aufrechterhaltung des Zündfunkens bereitzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Vorrichtung mit einem ersten Stromkreis, der die Zündspule und eine dazu in Reihe geschaltete Funkenentladungsstrecke aufweist, und einem zweiten Stromkreis, der parallel zur Funkenstrecke an den ersten Stromkreis angekoppelt ist und eine zweite Energiequelle aufweist, angewendet. Diese zweite Energiequelle wird durch einen Kondensator gebildet, der über ein Hochspannungsladegerät aufgeladen wird. Zusätzlich weist die zweite Energiequelle ein pulsformendes Netzwerk PFN auf, das die Form des Energiepulses, d. h. den Anstieg, die Zeitdauer, die Amplitude und den Abfall des Energiepulses steuert.

Wird durch die Zündspule eine Spannung an der Funkenentladungsstrecke erreicht, die größer ist als die Durchbruchsspannung der Funkenentladungsstrecke, so entsteht ein Zündfunke und die Funkenentladungsstrecke wird niederohmig. Der durch das Hochspannungsladegerät aufgeladene Kondensator wird nun über die niederohmige Funkenstrecke entladen. Dabei wird der Entladevorgang so durch das pulsformende Netzwerk PFN gesteuert, daß ein optimierter Energiepuls von dem Kondensator an die Funkenentladungsstrecke abgegeben wird, wodurch eine optimale Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und damit ein optimierter Verbrennungsvorgang im Motor erreicht werden kann.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, den zweiten Stromkreis mit einer L-C-R-Anordnung als pulsformendes Netzwerk PFN zu versehen, denn durch diese Anordnung kann auf einfache und sehr kostengünstige Weise eine optimierte Steuerung des Energiepulses nach Zeit und Verlauf erreicht werden. Darüberhinaus zeigen auch R-C -, C-L- und L-R-Anordnungen diese Vorteile.

Als besonders geeignet hat sich erwiesen, die vom Hochspannungsladegerät über einen steuerbaren Halbleiter, z. B. einen Transistor, Thyristor, TRIAC oder entsprechendes, und über die Funkenstrecke auf das Luft-Kraftstoff-Gemisch übertragene Energie des Energiepulses zu regeln. Die für die Regelung notwendigen Steuerdaten werden vorzugsweise durch das elektronische Motormanagement zur Verfügung gestellt. Eine derartige Anordnung sichert ein Höchstmaß an Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichsten Zündbedingungen, wodurch eine stets optimierte Zündung gewährleistet ist.

Vorzugsweise wird der Stromkreis der Zündspule und der Stromkreis der zweiten Energiequelle elektrisch entkoppelt, so daß eine Beeinflussung oder Zerstörung von Bauelementen des einen Stromkreises durch den anderen Stromkreis ausgeschlossen ist. In einer bevorzugten Bauform werden als Entkopplungsmittel Dioden verwendet, welche so gepolt sind, daß ein Stromfluß in den anderen Stromkreis ausgeschlossen ist. Neben Dioden können aber auch Widerstände, Kondensatoren oder Spulen oder Kombinationen daraus als Entkopplungsmittel in dem Stromkreis der Zündspule verwendet werden. Als einfachste und besonders geeignete Anordnung hat sich erwiesen, die Zündspule so auszubilden, daß der Widerstand XL ihrer Eigeninduktivität zur Entkopplung ausreicht. In diesem Fall kann auf weitere Bauteile in dem Stromkreis der Zündspule verzichtet werden, welche aufgrund der notwendigen Impulsstabilität kostenintensiv sind.

Vorzugsweise wird die Zündspule, welche aufgrund der erfindungsgemäßen Begrenzung ihrer Aufgaben auf das erstmalige Zünden und nicht mehr das Bereitstellen der gesamten Energie für den Gesamtzündvorgang nun wesentlich kleiner dimensioniert ist, in dem oder an dem Verbindungselement zwischen dem Stromkreis der Zündspule und der Funkenstrecke angeordnet. Dieses Verbindungselement wird regelmäßig als Zündkerzenstecker bezeichnet. Durch diese Anordnung gelingt es nun, aufgrund des geringen Abstandes von der Zündspule zur Funkenstrecke die elektromagnetischen Störimpulse auf die Umgebung zu verringern, welche insbesondere die Funktionsfähigkeit von Funk- oder Rundfunkgeräten stark beeinträchtigen. Zudem gelingt es, die Anzahl der Bauteile und damit den Organisationsaufwand für den Automobilhersteller zu senken. Diese vorteilhaften Wirkungen können noch verstärkt werden, indem erfindungsgemäß neben der Zündspule die Entkopplungsmittel und/oder das pulsformende Netzwerk PFN in das Verbindungselement eingebracht sind.

Als besonders geeignet hat sich erwiesen, die Zündspule, das pulsformende Netzwerk PFN und die Entkopplungsmittel, soweit vorhanden, in einer zentralen Einheit zusammenzufassen. Diese zentrale Einheit kann dem Motormanagement zugeordnet sein oder als eigenständige Einheit im Motorraum gut zugänglich angeordnet sein, wodurch die Wartung der Zündanlage wesentlich vereinfacht wird. Es ist sogar möglich, mit Hilfe eines einzigen zweiten Stromkreises, der eine einzige zweite Energiequelle enthält, mehrere Zylinder zu betreiben, denn es wird immer nur ein Zylinder gezündet, während sich die anderen in einem anderen Takt befinden. Eine solche Anordnung erfordert lediglich eine ausreichend schnelle Aufladung dieser zweiten Energiequelle und eine sichere Zündungsauslösung durch den ersten Stromkreis für jeden Zylinder. Durch diese Anordnung wird bei optimierten Zündbedingungen der Fertigungsaufwand verringert.

Eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiterhin geeignet, in einer Lichtbogenschweißanlage zur Zündung der offenen Funkenstrecke oder zur Zündung eines Lichtbogens für Hochstrom- Kontaktwerkstoff-Untersuchungen verwendet zu werden. Weiterhin erweist sich die Verwendung einer derartigen Vorrichtung bei Hochleistungslasern mit einer triggerbaren Funkenstrecke, wie z. B. einem 2-Elektroden-Spark-Gap-Laser, als besonders vorteilhaft, da auch bei diesen Verwendungen eine optimierte Zündung der Funkenstrecke von großer Bedeutung ist.

Ein Ausführungsbeispiel ist in dem Schaltbild dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Zündspule wird auf ihrer Primärseite durch die Batterie bzw. durch die Lichtmaschine aufgeladen. Über ihre Sekundärseite bildet sie mit einer Diode DZ und der Funkenentladungsstrecke in Reihenschaltung den ersten Stromkreis. Parallel zur Funkenentladungsstrecke ist ein zweiter Stromkreis angeordnet, der ein pulsformendes Netzwerk PFN, einen Kondensator C1 und eine Diode D enthält.

Der Kondensator C1 wird über ein Hochspannungsladegerät, insbesondere durch eine Hochspannungslichtmaschine aufgeladen. Steigt die Spannung auf der Sekundärseite der Zündspule an, so wird an der Funkenentladungsstrecke die Durchschlagspannung erreicht. Die Funkenstrecke wird durch einen Zündfunken durchbrochen und dadurch niederohmig.

Über die Diode D wird der durch das Ladegerät aufgeladene Kondensator C1 zur nun niederohmigen Funkenentladungsstrecke entladen. Dieser Entladevorgang wird durch das pulsformende Netzwerk PFN so gesteuert, daß der Energiepuls die Länge und Form besitzt, der eine optimale Zündung gewährleistet. Das pulsformende Netzwerk PFN kann mit Hilfe entsprechender Elektronik jede beliebige Pulsform erzeugen.

Die Dioden DZ und D stellen Entkopplungsdioden dar, die einen Stromfluß von einem Stromkreis in den anderen Stromkreis verhindern. Zur besseren Entkopplung können noch zusätzliche R-, C- oder L- Glieder zu den Dioden hinzutreten.

Claims (20)

1. Verfahren zum Zünden eines Gasgemisches, insbesondere eines Luft- Kraftstoff-Gemisches mit einer Zündspule, einer Funkenstrecke und einer zweiten Energiequelle,
bei dem durch die Zündspule die Funkenstrecke zum Durchschlagen und damit zum Zünden des Gasgemisches angeregt wird,
und bei dem dann die nun niederohmige Funkenstrecke durch die zweite Energiequelle mit einem definierten Energiepuls beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Energiequelle ein pulsformendes Netzwerk PFN enthält, durch das der Energiepuls nach Zeitdauer, Leistungsanstieg, Maximalleistung und Leistungsabfall dem Motortyp bzw. dem Motorzustand angepaßt bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem mittels Sensoren für den Zünd- bzw. den Brennvorgang relevante Daten gemessen werden und bei dem dann anhand dieser Meßdaten über das pulsformende Netzwerk PFN die optimalen Zündbedingungen eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem aus einem Speicher die Motorkenndaten entnommen werden und zur optimierten Energiepulssteuerung verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Energiequelle einen Kondensator als Energiespeicher enthält, der über die Lichtmaschine bzw. die Batterie des Motors mit Energie aufgeladen wird, um sie dann an die Funkenstrecke abzugeben.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Stromkreis der Zündspule gegen den Stromkreis der zweiten Energiequelle durch Entkopplungsmittel elektrisch entkoppelt ist.

7. Vorrichtung für ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei der in einem ersten Stromkreis die Zündspule und die Funkenentladestrecke in Reihe geschaltet sind, und bei der sich in einem zweiten Stromkreis, welcher parallel zur Funkenstrecke an den ersten Stromkreis angekoppelt ist, eine Energiequelle und ein pulsformendes Netzwerk PFN zur Steuerung des Energiepulses befinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Energiequelle durch einen Kondensator C1 und ein damit verbundenes Hochspannungsladegerät zu dessen Aufladung gebildet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Energiequelle durch einen steuerbaren Halbleiter, wie einen Transistor, Thyristor oder TRIAC, sowie ein damit verbundenes Hochspannungsladegerät gebildet werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Energiequelle durch ein Hochspannungskabel mit einem damit verbundenen Hochspannungsladegerät zu dessen Aufladung gebildet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei der das Hochspannungsladegerät durch die Lichtmaschine bzw. die Batterie des Motors mit Energie versorgt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der eine Schaltung vorgesehen ist, durch die die Energiequelle mittels eines ladezeitoptimierten Ladealgorithmus aufgeladen wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der das pulsformende Netzwerk PFN durch eine L-C-R-, L-R-, C-R- oder L-C- Anordnung gebildet wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der in den Stromkreisen zur gegenseitigen Entkopplung als Entkopplungsmittel Dioden DZ, D angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der zur Entkopplung des ersten Stromkreises ein Widerstand R, ein Kondensator C, eine Spule L oder eine Kombination daraus vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Zündspule so ausgelegt ist, daß der Widerstand XL ihrer Eigeninduktivität zur Entkopplung genügt.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 16, insbesondere Anspruch 16, bei der die Zündspule in einem oder an einem Verbindungselement zwischen der Leitung des/der Stromkreise und der Funkenstrecke angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14, 15, 17, bei der die Entkopplungsmittel in dem Verbindungselement angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, bei der das pulsformende Netzwerk PFN in dem Verbindungselement zwischen den Leitungen der Stromkreise und der Funkenstrecke angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, bei der die Zündspule, das pulsformende Netzwerk PFN und gegebenenfalls die Entkopplungsmittel in einer zentralen Einheit zusammengefaßt sind.