EP0640761A2 - Controllable ignition system - Google Patents
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- EP0640761A2 EP0640761A2 EP94112180A EP94112180A EP0640761A2 EP 0640761 A2 EP0640761 A2 EP 0640761A2 EP 94112180 A EP94112180 A EP 94112180A EP 94112180 A EP94112180 A EP 94112180A EP 0640761 A2 EP0640761 A2 EP 0640761A2
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Definitions
- the invention relates to a method for controlling an ignition system for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
- a generic ignition system is known from DE-OS 39 28 726, which has the advantage over conventional ignition systems, for example so-called transistor ignitions with static high voltage distribution, that small and thus inexpensive ignition coils can be used. Furthermore, according to the above. The optimal ignition is ensured by the fact that it remains switched on for the entire burning time, regardless of the speed. Such an ignition system is referred to as an AC ignition system because it generates a bipolar spark current.
- the object of the present invention is to provide a method for controlling an ignition system according to the type mentioned at the outset, so that the spark plug change intervals are at least 100,000 km.
- the engine load, speed and engine parameters are used to control the ignition current and also its burning time.
- characteristic maps stored in the control unit are preferably used.
- a base value for the ignition current value or for the combustion duration are preferably taken for the engine load and the speed from an ignition current map or a combustion duration map.
- these basic values for the ignition current value and the burning duration are corrected in accordance with the current operating state of the internal combustion engine. Temperature compensation is carried out if the motor temperature has not yet reached a certain threshold. This improves the cold start property of the engine. Furthermore, the base value for the ignition current value in the event of a dynamic change in the state of the Motor is loaded with a dynamic factor that is proportional to the change in load value and decreases with time. After a certain delay, the dynamic factor has reached zero, the corrected base value assuming the base value for the new load condition.
- the method according to the invention can advantageously be used to control AC or high-voltage capacitor ignitions.
- FIG. 1 shows a block diagram of an alternating current ignition for carrying out the method according to the invention for a 4-cylinder machine.
- an ignition output stage Z1-Z4 is provided for each spark plug ZK1.
- These ignition output stages are connected via a circuit 9 for cylinder selection to a control unit 1, which generates an ignition signal 1 to 4 for each ignition output stage and simultaneously outputs a modulation voltage U Mod for all ignition output stages, which is processed by a current control circuit 10.
- This modulation voltage sets a target value of the ignition current I is intended to represent and is by means of a comparator with an on a shunt resistor R (see FIG. 2) of the primary circuit of the ignition actual value I generated is compared. The result of the comparison is fed to the cylinder selection circuit 9.
- control unit 1 is equipped with sensors 4, 5 and 6 for detecting the speed n, the load L and the engine temperature T and with a device 7 for cylinder 1 detection and via lines 1a for controlling the electronic injection with an injection system 11, which contains the corresponding actuators.
- a switching power supply 3 generates the supply voltages (18 V / 180 V) for the ignition output stages Z1-Z4, which is fed by an on-board battery 2.
- FIG. 2 An embodiment of an ignition output stage for controlling a single ignition coil according to FIG. 1 is shown in FIG. 2 and essentially consists of a transistor T, in the form of an IGBT transistor (isolated gate bipolar transistor), an energy recovery diode D, a primary resonant circuit capacitor C. , an ignition coil Tr constructed from a primary and secondary winding with a coupling of approximately 50%, a spark plug ZK and a simple control circuit 10 which corresponds to the current control circuit 10 according to FIG. 1, however additionally contains a gate of the cylinder selection circuit 9.
- This control circuit 10 is therefore supplied with the control signals prepared by the control unit 1, namely the ignition signal 1 and the modulation voltage U Mod .
- the first-mentioned control signal sets the ignition point and the burning time t B
- the second-mentioned control signal U Mod determines the value of the primary current I p and subsequently the ignition voltage U k , that is to say the value of the spark current i B.
- the ignition output stage according to FIG. 2 operates in the current-controlled flyback and forward converter mode.
- a collector current I k flows , which corresponds to the primary coil current I p according to FIG. 3.
- This collector current I k is intended by the control circuit 10 to a particular modulation of the voltage U Mod value I limited.
- the ignition output stage is supplied with a voltage of 180 V using a switching power supply unit which has already been explained in connection with FIG. If the collector current I k has reached the value specified by I soll , the transistor T is switched off. The energy contained in the storage coil stimulates the output circuit (secondary inductance, spark plug capacity) to vibrate.
- the capacitively stored energy is fed back to the primary coil inductance until the voltage U c at the capacitor C reaches the value zero (see FIG. 3).
- the primary side voltage U c cannot become negative through the diode D.
- the oscillation continues due to the only approx. 50% strong coupling between primary and secondary inductance.
- the transistor T is switched on again, because the same voltage conditions are now present as before the transistor was first switched on.
- the current control always guarantees the same supply of energy to the primary coil.
- the portion of the energy that was not used in the spark channel is completely fed back into the vehicle electrical system.
- the coupling of approx. 50% prevents total damping of the primary resonant circuit (primary coil, capacitor C) due to the strongly damped secondary resonant circuit in the event of a spark breakdown.
- the duration of the complete cycle (charging the primary coil, decay process until the voltage U c at capacitor C crosses zero) is approximately 80 ⁇ s.
- the loading time of the coil can be neglected.
- a closing angle control is therefore not necessary.
- the burning time t B per ignition process can be changed as desired by varying the number of switching cycles.
- the spark combustion current i B is modulated by changing the energy fed in on the primary side. Parallel to the spark current, the secondary-side high-voltage supply U k on the spark plug ZK also changes in certain areas due to the non-ideal power source character of the output stage. When reducing the spark current i B must therefore in each case the decrease in the maximum high voltage must also be observed.
- This technology of the self-oscillating ignition output stage allows a considerable reduction in the volume of the ignition coil because, in contrast to transistor coil ignition, not all of the energy for an ignition process has to be stored in the coil, but is supplied in several small units. Therefore, only a reduced coil volume is required to store the smaller amount of energy.
- Another advantage for the construction of the ignition coil is the coupling required of only approx. 50%, since this can be achieved with a simple rod core.
- the control unit 1 represents a ⁇ -controller system, for example based on a Motorola module MC68HC811E2, which is an 8-bit controller with an internal EEPROM program memory.
- the voltage supply of this control unit 1 comes from the on-board electrical system fed by the battery 2.
- the control device 1 needs a signal about the cylinder sequence (cylinder 1 detection 7 according to FIG. 1).
- a magnet can be attached to the toothed disk of the camshaft, for example, which is queried by a Hall sensor. This delivers a signal every 360 ° of the camshaft or every 720 ° of the crankshaft: the cylinder 1 mark.
- the AC ignition system according to FIG. 1 becomes an ignition system which makes it possible to control the ignition energy with the aid of two parameters.
- the first parameter is the modulation voltage U Mod , with the aid of which the primary current I p (cf. FIG. 2) of the ignition coil is regulated.
- This Current I p influences the high voltage U k of the secondary coil or the spark current i B with which the spark burns.
- This is a higher-frequency PWM signal which is smoothed by an RC filter in the ignition output stage and which is output together for all 4 cylinders, as shown in FIG. 1.
- control unit 1 has a PWM output.
- the individual cylinders are ignited with the ignition signals 1 to 4.
- the burning time t B of the ignition process represents the second parameter and is also determined by the control unit 1 and implemented via the pulse width of the respective ignition signal.
- the control program stored in the control unit 1 for the ignition output stages ensures, on the one hand, the correct ignition distribution and, on the other hand, the calculation of the optimal ignition parameters, namely in the form of the modulation voltage U Mod and the burning time t B and their output.
- the control device 1 Before the control of the ignition output stages can begin, the control device 1 must be synchronized, ie it waits for the first signal of the cylinder 1 detection of the device 7 (cf. FIG. 1). This is followed by an endless loop in which all calculations are carried out and which is repeated with each ignition process. An analog-to-digital conversion is carried out in this loop in order to detect the motor parameters, such as load and temperature, generated by the sensors 5 and 6. The speed is determined by evaluating the time interval between successive pulses of the speed sensor.
- the new ignition parameters are calculated with the aid of the engine load L (which is determined either by the position of the throttle valve potentiometer or by recording the amount of air in the intake manifold),
- the associated basic values U Basis and t Basis of the modulation voltage U Mod and the burning time t B are taken from two characteristic maps stored in the memory of the control unit 1. These two maps are shown in FIGS. 4 and 5, namely the combustion current map and the ignition duration map. The design of these maps is based on the ignition energy requirement.
- the characteristic diagram for the spark combustion current i B according to FIG. 4 takes into account the current offered with a safety factor of 1.2. The highest current at idle speed is required regardless of the load.
- T 70 ° C is a certain threshold temperature, for example 70 ° C
- T is the current engine temperature
- k T is a proportional factor.
- the temperature correction is a proportional correction, ie if the engine temperature falls below a certain threshold value, e.g. B. 70 ° C
- a factor U Temp is calculated by which the modulation voltage U Mod is increased. This factor U Temp is proportional to the difference between the engine temperature and the temperature threshold. This correction is not carried out when the engine is warm.
- T 70 ° C represents a certain threshold value, for example 70 ° C and T is the current engine temperature
- k Tt is a proportionality factor as in the corresponding temperature correction of the modulation voltage U Temp .
- the electrode erosion of these spark plugs was 3.9 times smaller than that of the spark plugs operated with the series ignition.
- the AC ignition By controlling the ignition according to the invention via a map, the AC ignition also meets the increased requirements placed on future ignition systems. Optimized combustion, in particular, is expected to improve the exhaust gas values. It is also conceivable to use the method according to the invention in future lean burn engines over an extended combustion time.
- an ignition system is available which is optimally adapted to the different ignition energy requirements of the engine, without having to forego operational reliability.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Zündanlage für Verbrennungskraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for controlling an ignition system for internal combustion engines according to the preamble of
Eine gattungsbildende Zündanlage ist aus der DE-OS 39 28 726 bekannt, die gegenüber herkömmlichen Zündanlagen, beispielsweise sogenannten Transistor-Zündungen mit ruhender Hochspannungsverteilung, den Vorteil hat, daß kleine und somit kostengünstige Zündspulen einsetzbar sind. Ferner wird gemäß der o. g. Druckschrift die optimale Zündung dadurch sichergestellt, daß sie für die gesamte Brenndauer, unabhängig von der Drehzahl, eingeschaltet bleibt. Eine solche Zündanlage wird als Wechselstrom-Zündanlage bezeichnet, da sie einen bipolaren Funkenbrennstrom erzeugt.A generic ignition system is known from DE-OS 39 28 726, which has the advantage over conventional ignition systems, for example so-called transistor ignitions with static high voltage distribution, that small and thus inexpensive ignition coils can be used. Furthermore, according to the above. The optimal ignition is ensured by the fact that it remains switched on for the entire burning time, regardless of the speed. Such an ignition system is referred to as an AC ignition system because it generates a bipolar spark current.
Bei den bisher bekannten Zündungskonzepten standen folgende Forderungen im Vordergrund: Einen sicheren Kaltstart zu gewährleisten und auch bei verrußten Zündkerzen das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder sicher zu zünden. Um diese Forderung zu erfüllen, wurde eine entsprechend große Zündenergie bereitgestellt. Diese für den maximalen Bedarf des Motors ausgelegte Zündenergie wird für den normalen Betrieb (warmer Motor) nicht benötigt. Daraus leitet sich ein unnötig hoher Elektrodenabbrand der Zündkerzen ab, der seinerseits die Lebensdauer der Zündkerzen herabsetzt und ein häufiges Wechseln der Kerzen nach sich zieht.In the ignition concepts known to date, the following requirements were in the foreground: to ensure a safe cold start and to reliably ignite the fuel / air mixture in the cylinder even with sooty spark plugs. A correspondingly large ignition energy was provided to meet this requirement. This ignition energy, designed for the maximum demand of the engine, is not required for normal operation (warm engine). This leads to an unnecessarily high electrode erosion of the spark plugs, which in turn increases the service life the spark plugs will lower and the candles will have to be changed frequently.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Steuerung einer Zündanlage gemäß der eingangs genannten Art anzugeben, so daß die Zündkerzenwechselintervalle wenigstens 100.000 km betragen.The object of the present invention is to provide a method for controlling an ignition system according to the type mentioned at the outset, so that the spark plug change intervals are at least 100,000 km.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Hiernach wird der Wert des Funkenbrennstromes sowie dessen Brenndauer in Abhängigkeit von Motorparametern gesteuert. Eine solche Zündung mit gesteuerten Parametern verursacht einen deutlich geringeren Abbrand an den Zündkerzen als eine übliche Serienzündung. Damit werden die Zündkerzenwechselintervalle wesentlich verlängert.This object is achieved by the characterizing features of
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Motorlast, Drehzahl und Motorparameter zur Steuerung des Zündstroms als auch dessen Brenndauer verwendet. Hierzu werden bevorzugt in dem Steuergerät gespeicherte Kennfelder herangezogen. Vorzugsweise werden für die Motorlast und die Drehzahl aus einem Zündstrom-Kennfeld bzw. einem Brenndauer-Kennfeld ein Basiswert für den Zündstromwert bzw. für die Brenndauer entnommen.In an advantageous development of the method according to the invention, the engine load, speed and engine parameters are used to control the ignition current and also its burning time. For this purpose, characteristic maps stored in the control unit are preferably used. A base value for the ignition current value or for the combustion duration are preferably taken for the engine load and the speed from an ignition current map or a combustion duration map.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden diese Basiswerte für den Zündstromwert und die Brenndauer entsprechend dem momentanen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine korrigiert. So wird eine Temperaturkompensation durchgeführt, falls die Motortemperatur einen bestimmten Schwellwert noch nicht erreicht hat. Hierdurch wird die Kaltstarteigenschaft des Motors verbessert. Ferner wird der Basiswert für den Zündstromwert bei einer dynamischen Zustandsänderung des Motors mit einem dynamischen Faktor beaufschlagt, der proportional der Lastwertänderung ist und mit der Zeit abnimmt. Nach einer bestimmten Verzögerungszeit hat der dynamische Faktor den Wert Null erreicht, wobei der korrigierte Basiswert den Basiswert für den neuen Lastzustand annimmt.According to a further preferred embodiment, these basic values for the ignition current value and the burning duration are corrected in accordance with the current operating state of the internal combustion engine. Temperature compensation is carried out if the motor temperature has not yet reached a certain threshold. This improves the cold start property of the engine. Furthermore, the base value for the ignition current value in the event of a dynamic change in the state of the Motor is loaded with a dynamic factor that is proportional to the change in load value and decreases with time. After a certain delay, the dynamic factor has reached zero, the corrected base value assuming the base value for the new load condition.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil zur Steuerung von Wechselstrom- oder Hochspannungskondensatorzündungen eingesetzt werden.The method according to the invention can advantageously be used to control AC or high-voltage capacitor ignitions.
Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand einer Wechselstrom-Zündanlage dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1- ein Blockschaltbild einer Wechselstrom-Zündanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2- ein detailliertes Schaltbild einer Zündendstufe einer Wechselstrom-Zündanlage gemäß
Figur 1, Figur 3- Strom- und Spannungszeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Wechselstromzündung,
Figur 4- ein Brennstrom-Kennfeld gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 5- ein Zünddauer-Kennfeld gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 6- ein Diagramm zur Darstellung des Elektrodenabbrandes als Funktion der zurückgelegten Fahrstrecke.
- Figure 1
- 2 shows a block diagram of an AC ignition system for carrying out the method according to the invention,
- Figure 2
- 2 shows a detailed circuit diagram of an ignition output stage of an AC ignition system according to FIG. 1,
- Figure 3
- Current and voltage time diagrams to explain how the AC ignition works,
- Figure 4
- a combustion current map according to the inventive method,
- Figure 5
- an ignition duration map according to the inventive method and
- Figure 6
- a diagram showing the electrode erosion as a function of the distance traveled.
Die Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Wechselstromzündung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine 4-Zylinder-Maschine. Hierbei ist für jede Zündkerze ZK1 jeweils eine Zündendstufe Z1 - Z4 vorgesehen. Diese Zündendstufen sind über eine Schaltung 9 zur Zylinderselektion mit einem Steuergerät 1 verbunden, das für jede Zündendstufe ein Zündsignal 1 bis 4 erzeugt und gleichzeitig für alle Zündendstufen eine Modulationsspannung UMod ausgibt, die von einer Stromregelschaltung 10 verarbeitet wird. Diese Modulationsspannung stellt einen Sollwert Isoll des Zündstromes dar und wird mittels eines Komparators mit einem an einem Shunt-Widerstand R (vgl. Figur 2) des Primärstromkreises der Zündendstufe erzeugten Istwert Iist verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird der Zylinderselektionsschaltung 9 zugeführt. Weiterhin ist das Steuergerät 1 mit Sensoren 4, 5 und 6 zur Detektierung der Drehzahl n, der Last L und der Motortemperatur T sowie mit einer Vorrichtung 7 zur Zylinder-1-Erkennung und über Leitungen 1a zur Steuerung der elektronischen Einspritzung mit einer Einspritzanlage 11, die die entsprechenden Aktuatoren enthält, verbunden. Schließlich erzeugt ein Schaltnetzteil 3 die Versorgungsspannungen (18 V/180 V) für die Zündendstufen Z1 - Z4, das von einer Bordbatterie 2 gespeist wird.FIG. 1 shows a block diagram of an alternating current ignition for carrying out the method according to the invention for a 4-cylinder machine. In this case, an ignition output stage Z1-Z4 is provided for each spark plug ZK1. These ignition output stages are connected via a
Ein Ausführungsbeispiel einer Zündendstufe zur Ansteuerung einer einzigen Zündspule nach Figur 1 ist in Figur 2 dargestellt und besteht im wesentlichen aus einem Transistor T, in der Ausführung eines IGBT-Transistors (Isolated-Gate-Bipolar-Transistor), einer Energierückgewinnungsdiode D, einem Primärschwingkreiskondensator C, einer aus einer Primär- und Sekundärwicklung aufgebauten Zündspule Tr mit einer Kopplung von ca. 50 %, einer Zündkerze ZK sowie einer einfachen Regelschaltung 10, die der Stromregelschaltung 10 nach Figur 1 entspricht, jedoch zusätzlich ein Gatter der Zylinderselektionsschaltung 9 enthält. Dieser Regelschaltung 10 werden daher die von dem Steuergerät 1 aufbereiteten Steuersignale zugeführt, nämlich das Zündsignal 1 sowie die Modulationsspannung UMod. Das erstgenannte Steuersignal setzt den Zündzeitpunkt sowie die Brenndauer tB fest, während das zweitgenannte Steuersignal UMod den Wert des Primärstromes Ip und in dessen Folge die Zündspannung Uk, also den Wert des Funkenbrennstromes iB festlegt. Die erfindungsgemäße Erzeugung dieser beiden Steuersignale Zündsignal 1 und UMod wird weiter unten erläutert.An embodiment of an ignition output stage for controlling a single ignition coil according to FIG. 1 is shown in FIG. 2 and essentially consists of a transistor T, in the form of an IGBT transistor (isolated gate bipolar transistor), an energy recovery diode D, a primary resonant circuit capacitor C. , an ignition coil Tr constructed from a primary and secondary winding with a coupling of approximately 50%, a spark plug ZK and a
Die Zündendstufe gemäß der Figur 2 arbeitet im stromkontrollierten Sperr- und Durchflußwandlerbetrieb. Für die Dauer des Einschaltvorganges des Transistors T fließt ein Kollektorstrom Ik, der dem Primärspulenstrom Ip gemäß Figur 3 entspricht. Dieser Kollektorstrom Ik wird durch die Regelschaltung 10 auf einen von der Modulationsspannung UMod bestimmten Wert Isoll begrenzt. Um eine kurze Ladezeit zu erhalten, wird die Zündendstufe mit einem schon im Zusammenhang mit der Figur 1 erläuterten Schaltnetzteil mit einer Spannung von 180 V versorgt. Hat der Kollektorstrom Ik den durch Isoll vorgegebenen Wert erreicht, wird der Transistor T abgeschaltet. Die in der Speicherspule enthaltene Energie regt den Ausgangskreis (Sekundärinduktivität, Zündkerzenkapazität) zum Schwingen an. Ein Teil der Energie transferiert in den Kondensator C und der andere Teil in die Zündkerzenkapazität. Die Spannungen Uc am Kondensator C und die Zündspannung UB an der Zündkerze ZK steigen - wie es Figur 3 zeigt - sinusförmig an, bis keine Energie mehr in der Speicherspule, also der Primärspule vorhanden ist.The ignition output stage according to FIG. 2 operates in the current-controlled flyback and forward converter mode. For the duration of the switching on of the transistor T, a collector current I k flows , which corresponds to the primary coil current I p according to FIG. 3. This collector current I k is intended by the
Im anschließenden Zeitabschnitt wird die kapazitiv gespeicherte Energie wieder der Primärspuleninduktivität zugeführt, bis die Spannung Uc am Kondensator C den Wert Null erreicht (vgl. Figur 3). Die primärseitige Spannung Uc kann durch die Diode D nicht negativ werden. Sekundärseitig läuft die Schwingung aufgrund der nur ca. 50 % starken Kopplung zwischen Primär- und Sekundärinduktivität weiter. Während dieses Zeitabschnittes wird der Transistor T wieder eingeschaltet, denn nun liegen die gleichen Spannungsverhältnisse wie vor dem ersten Einschalten des Transistors vor. Durch die Stromkontrolle wird immer die gleiche Energiezufuhr in die Primärspule garantiert. Der Anteil der eingespeisten Energie, der nicht im Funkenkanal benötigt wurde, wird wieder vollständig in das Bordnetz zurückgespeist. Die Kopplung von ca. 50 % verhindert bei einem Funkendurchbruch eine totale Bedämpfung des Primärschwingkreises (Primärspule, Kondensator C) durch den stark gedämpften Sekundärschwingkreis.In the subsequent period, the capacitively stored energy is fed back to the primary coil inductance until the voltage U c at the capacitor C reaches the value zero (see FIG. 3). The primary side voltage U c cannot become negative through the diode D. On the secondary side, the oscillation continues due to the only approx. 50% strong coupling between primary and secondary inductance. During this time period, the transistor T is switched on again, because the same voltage conditions are now present as before the transistor was first switched on. The current control always guarantees the same supply of energy to the primary coil. The portion of the energy that was not used in the spark channel is completely fed back into the vehicle electrical system. The coupling of approx. 50% prevents total damping of the primary resonant circuit (primary coil, capacitor C) due to the strongly damped secondary resonant circuit in the event of a spark breakdown.
Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, liegt die Dauer des kompletten Zyklus (Laden der Primärspule, Ausschwingvorgang bis zum Nulldurchgang der Spannung Uc am Kondensator C) bei ca. 80 µs. Somit kann die Ladezeit der Spule vernachlässigt werden. Daher ist, im Gegensatz zur Transistor-Spulenzündung eine Schließwinkelregelung nicht erforderlich. Zum anderen läßt sich die Brenndauer tB pro Zündvorgang durch die Variation der Anzahl der Schaltzyklen beliebig verändern. Die Modulation des Funkenbrennstromes iB erfolgt über die Veränderung der primärseitig eingespeisten Energie. Parallel zum Funkenbrennstrom verändert sich - aufgrund des nicht-idealen Stromquellencharakters der Endstufe - allerdings auch das sekundärseitige Hochspannungsangebot Uk an der Zündkerze ZK in gewissen Bereichen. Bei der Reduzierung des Funkenbrennstromes iB muß somit jeweils auch die Abnahme der maximalen Hochspannung beachtet werden.As can be seen from FIG. 3, the duration of the complete cycle (charging the primary coil, decay process until the voltage U c at capacitor C crosses zero) is approximately 80 μs. Thus the loading time of the coil can be neglected. In contrast to transistor coil ignition, a closing angle control is therefore not necessary. On the other hand, the burning time t B per ignition process can be changed as desired by varying the number of switching cycles. The spark combustion current i B is modulated by changing the energy fed in on the primary side. Parallel to the spark current, the secondary-side high-voltage supply U k on the spark plug ZK also changes in certain areas due to the non-ideal power source character of the output stage. When reducing the spark current i B must therefore in each case the decrease in the maximum high voltage must also be observed.
Diese Technik der selbstschwingenden Zündendstufe läßt eine erhebliche Reduzierung des Volumens der Zündspule zu, weil im Gegensatz zur Transistor-Spulenzündung nicht die gesamte Energie für einen Zündvorgang in der Spule gespeichert sein muß, sondern in mehreren kleinen Einheiten nachgeliefert wird. Für die Speicherung der kleineren Energiemenge wird deshalb nur ein reduziertes Spulenvolumen benötigt. Ein weiterer Vorteil für den Aufbau der Zündspule ist die benötigte Kopplung von nur ca. 50 %, da sich dies mit einem einfachen Stabkern verwirklichen läßt.This technology of the self-oscillating ignition output stage allows a considerable reduction in the volume of the ignition coil because, in contrast to transistor coil ignition, not all of the energy for an ignition process has to be stored in the coil, but is supplied in several small units. Therefore, only a reduced coil volume is required to store the smaller amount of energy. Another advantage for the construction of the ignition coil is the coupling required of only approx. 50%, since this can be achieved with a simple rod core.
Das Steuergerät 1 stellt ein µ-Controller-System, beispielsweise auf der Basis eines Motorola-Bausteins MC68HC811E2 dar, wobei es sich um einen 8-Bit-Controller mit internem EEPROM-Programmspeicher handelt. Die Spannungsversorgung dieses Steuergerätes 1 erfolgt aus dem von der Batterie 2 gespeisten Bordnetz. Um die Wechselstrom-Zündanlage korrekt anzusteuern, benötigt das Steuergerät 1 ein Signal über die Zylinderfolge (Zylinder-1-Erkennung 7 gemäß Figur 1). Für diesen Zweck kann beispielsweise an der Zahnscheibe der Nockenwelle ein Magnet angebracht werden, der von einem Hallsensor abgefragt wird. Dieser liefert alle 360° der Nockenwelle bzw. alle 720° der Kurbelwelle ein Signal: die Zylinder-1-Marke.The
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wechselstrom-Zündanlage gemäß Figur 1 zu einer Zündanlage, die es möglich macht, die Zündenergie mit Hilfe von zwei Parametern zu steuern. Der erste Parameter ist die Modulationsspannung UMod, mit deren Hilfe der Primärstrom Ip (vgl. Figur 2) der Zündspule geregelt wird. Mit diesem Strom Ip wird die Hochspannung Uk der Sekundärspule bzw. der Funkenbrennstrom iB, mit dem der Funke brennt, beeinflußt. Dabei handelt es sich um ein höherfrequentes PWM-Signal, das über ein RC-Filter in der Zündendstufe geglättet wird und das für alle 4 Zylinder gemeinsam ausgegeben wird, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Hierzu verfügt das Steuergerät 1 über einen PWM-Ausgang. Gemäß Figur 1 werden mit den Zündsignalen 1 bis 4 die einzelnen Zylinder gezündet. Die Brenndauer tB des Zündvorganges stellt den zweiten Parameter dar und wird ebenfalls von dem Steuergerät 1 bestimmt und über die Pulsweite des jeweiligen Zündsignales realisiert.With the method according to the invention, the AC ignition system according to FIG. 1 becomes an ignition system which makes it possible to control the ignition energy with the aid of two parameters. The first parameter is the modulation voltage U Mod , with the aid of which the primary current I p (cf. FIG. 2) of the ignition coil is regulated. With this Current I p influences the high voltage U k of the secondary coil or the spark current i B with which the spark burns. This is a higher-frequency PWM signal which is smoothed by an RC filter in the ignition output stage and which is output together for all 4 cylinders, as shown in FIG. 1. For this purpose,
Das in dem Steuergerät 1 für die Zündendstufen abgelegte Ansteuerprogramm sorgt einerseits für die korrekte Zündverteilung und andererseits für die Berechnung der optimalen Zündparameter, nämlich in Form der Modulationsspannung UMod sowie der Brenndauer tB und deren Ausgabe. Bevor die Ansteuerung der Zündendstufen beginnen kann, muß das Steuergerät 1 synchronisiert werden, d. h., es wartet das erste Signal der Zylinder-1-Erkennung der Vorrichtung 7 (vgl. Figur 1) ab. Darauf folgt eine Endlosschleife, in der sämtliche Berechnungen durchgeführt werden und die bei jedem Zündvorgang wiederholt wird. In dieser Schleife wird eine Analog-Digital-Wandlung durchgeführt, um die von den Sensoren 5 und 6 erzeugten Motorparameter, wie Last und Temperatur zu erfassen. Die Drehzahl wird ermittelt, indem der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Drehzahlsensors ausgewertet wird.The control program stored in the
Mit Hilfe der Motorlast L (die entweder über die Stellung des Drosselklappenpotentiometers oder über die Erfassung der Luftmenge im Ansaugrohr bestimmt wird) und Drehzahl n werden die neuen Zündparameter berechnet, wobei hierfür aus zwei in dem Speicher des Steuergerätes 1 abgelegten Kennfeldern die zugehörigen Basiswerte UBasis und tBasis der Modulationsspannung UMod und der Brenndauer tB entnommen werden. Diese beiden Kennfelder sind in den Figuren 4 und 5 dargestellt, nämlich das Brennstrom-Kennfeld und das Zünddauer-Kennfeld. Die Auslegung dieser Kennfelder richtet sich nach dem Zündenergiebedarf. Das Kennfeld für den Funkenbrennstrom iB nach Figur 4 berücksichtigt den angebotenen Strom mit einem Sicherheitsfaktor von 1,2. Dabei wird der höchste Strom bei Leerlaufdrehzahl unabhängig von der Last benötigt. Im Vollastbetrieb geht der erforderliche Funkenbrennstrom mit der Drehzahl sukzessiv zurück, wogegen im Teillast- und Nullastbetrieb der Wert rascher zurückgeht und schon bei mittleren Drehzahlen das Minimum von 40 mA erreicht. Im Kennfeld für die Brenndauer wurde die Mindestbrenndauer auf einem Prüfstand ermittelt. Im gesamten Teil- und Vollastbereich stellten sich 120 µs Zünddauer (entspricht einem Zündimpuls) als ausreichend heraus. Dagegen muß im Nullastbereich, speziell bei mittleren Drehzahlen die Brenndauer erheblich verlängert werden. Alle mit den beiden Kennfeldern gemäß den Figuren 4 und 5 dargestellten Betriebspunkte entsprechen einem stationär laufenden Motor. Die Temperatur und das dynamische Verhalten des Motors werden wie im folgenden dargestellt wird, vom Steuergerät 1 zusätzlich berücksichtigt.The new ignition parameters are calculated with the aid of the engine load L (which is determined either by the position of the throttle valve potentiometer or by recording the amount of air in the intake manifold), For this purpose, the associated basic values U Basis and t Basis of the modulation voltage U Mod and the burning time t B are taken from two characteristic maps stored in the memory of the
Die oben beschriebenen Basiswerte UBasis und tBasis für die Modulationsspannung UMod bzw. die Brenndauer tB werden entsprechend dem momentanen Betriebszustand des Motors in folgender Weise korrigiert:
UMod = UBasis + UTemp + UDyn,
wobei UBasis der aus dem Last-Drehzahl-Kennfeld ermittelte Basiswert, UTemp der Temperaturkorrekturwert und UDyn der dynamische Korrekturwert ist.The basic values U Basis and t Basis described above for the modulation voltage U Mod and the burning time t B are corrected in accordance with the current operating state of the engine in the following way:
U Mod = U Basis + U Temp + U Dyn ,
where U Basis is the base value determined from the load-speed map, U Temp is the temperature correction value and U Dyn is the dynamic correction value.
Der Temperaturkorrekturwert ergibt sich aus folgender Formel:
UTemp = (T70°C - Tist) · kT,
wobei T70°C eine bestimmte Schwellwerttemperatur, beispielsweise 70 °C, Tist die aktuelle Motortemperatur und kT ein Proportionalfaktor ist. Somit handelt es sich bei der Temperaturkorrektur um eine Proportionalkorrektur, d. h., unterschreitet die Motortemperatur einen bestimmten Schwellwert, also z. B. 70 °C, so wird ein Faktor UTemp berechnet, um den die Modulationsspannung UMod erhöht wird. Dieser Faktor UTemp ist proportional der Differenz zwischen Motortemperatur und dem Temperaturschwellwert. Im warmem Zustand des Motors wird diese Korrektur nicht durchgeführt.The temperature correction value results from the following formula:
U Temp = (T 70 ° C - T ist ) · k T ,
where T 70 ° C is a certain threshold temperature, for example 70 ° C, T is the current engine temperature and k T is a proportional factor. Thus, the temperature correction is a proportional correction, ie if the engine temperature falls below a certain threshold value, e.g. B. 70 ° C, a factor U Temp is calculated by which the modulation voltage U Mod is increased. This factor U Temp is proportional to the difference between the engine temperature and the temperature threshold. This correction is not carried out when the engine is warm.
Bei einer dynamischen Anderung des Betriebszustandes des Motors wird kurzzeitig eine erhöhte Hochspannung, nämlich um den Faktor der dynamischen Korrektur UDyn angeboten. Dieser Faktor UDyn ergibt sich nach folgender Formel:
UDyn = (List - Lalt) · kB + UDyn,alt · kB-1,
wobei List bzw. Lalt der aktuelle Lastwert bzw. der Lastwert vor der Änderung des Betriebszustandes ist. kB und kB-1 sind Proportionalfaktoren, die durch praktische Fahrversuche bestimmt werden. Nach einer Laständerung steigt die Modulationsspannung UMod um diesen dynamischen Faktor UDyn an, der proportional der Änderung des Lastsignals ist und mit der Zeit abnimmt. Nach einer Verzögerungszeit von beispielsweise 2s ist dieser Faktor UDyn auf den Wert Null abgesunken, womit die Modulationsspannung UMod den neuen statischen Basiswert für den neuen Lastzustand erreicht.In the event of a dynamic change in the operating state of the engine, an increased high voltage is offered for a short time, namely by the factor of the dynamic correction U Dyn . This factor U Dyn results from the following formula:
U Dyn = (L ist - L alt ) · k B + U Dyn, alt · k B-1 ,
where L is or L old is the current load value or the load value before the change in the operating state. k B and k B-1 are proportional factors that are determined by practical driving tests. After a change in load, the modulation voltage U Mod increases by this dynamic factor U Dyn , which is proportional to the change in the load signal and decreases over time. After a Delay time of 2 s, for example, this factor U Dyn has dropped to zero, whereby the modulation voltage U Mod reaches the new static basic value for the new load state.
Bei der Berechnung der Brenndauer tB wird auf ähnliche Weise vorgegangen. Ausgehend von dem oben schon beschriebenen Basiswert tBasis wird lediglich eine Temperaturkorrektur gemäß der folgenden Formel vorgenommen:
tB = tBasis + tTemp,
wobei tBasis der aus dem Last-Drehzahl-Kennfeld ermittelte Brenndauer-Basiswert ist und der Temperaturkorrekturwert tTemp mit folgender Formel berechnet wird:
tTemp = (T70°C - Tist) · kTt,
wobei T70°C ein bestimmter Schwellwert, beispielsweise 70 °C und Tist die aktuelle Motortemperatur darstellt, während kTt wie bei der entsprechenden Temperaturkorrektur der Modulationsspannung UTemp ein Proportionalitätsfaktor ist. Auch bei der Berechnung der Brenndauer tB wird lediglich dann die Temperatur berücksichtigt, wenn die Motortemperatur Tist unter der Schwellwerttemperatur, also beispielsweise von 70 °C liegt.A similar procedure is used to calculate the burning time t B. Starting from the base value t base already described above, only a temperature correction is carried out according to the following formula:
t B = t base + t temp ,
where t basis is the basic burn duration determined from the load-speed map and the temperature correction value t temp is calculated using the following formula:
t temp = (T 70 ° C - T ist ) · k Tt ,
where T 70 ° C represents a certain threshold value, for example 70 ° C and T is the current engine temperature, while k Tt is a proportionality factor as in the corresponding temperature correction of the modulation voltage U Temp . Even when calculating the burning time t B , the temperature is only taken into account when the engine temperature T is below the threshold temperature, for example 70 ° C.
Bei einem Testlauf der oben beschriebenen Wechselstromzündung in einem Versuchsfahrzeug ergaben sich nach 15.000 km Fahrleistung ein Elektrodenabbrand an den Zündkerzen von 0,03 mm gegenüber 0,09 mm bei Zündkerzen mit einer üblichen Serienzündung. Entsprechend stiegen die Ansprechspannungen der Zündkerzen in einer Druckkammer lediglich um 3,7 kV bzw. 2,7 kV gegenüber 5,5 kV bzw. 4,5 kV bei Zündkerzen mit einer Serienzündung. Die mehr als dreifachen Lebensdauer der Zündkerzen zu rechnen ist.In a test run of the above-described alternating current ignition in a test vehicle, electrode wear on the spark plugs of 0.03 mm was found after driving 15,000 km, compared to 0.09 mm for spark plugs with a conventional series ignition. Accordingly, the response voltages of the spark plugs in a pressure chamber only increased by 3.7 kV or 2.7 kV compared to 5.5 kV or 4.5 kV for spark plugs with a series ignition. The more than three times the life of the spark plugs can be expected.
Schließlich zeigte auch ein Dauerlauftest entsprechende gute Ergebnisse, die die Figur 6 zeigt, wonach am Ende des Dauerversuchs die Kilometerleistung den Wert 120.000 km für die mit der oben beschriebenen Wechselstromzündung betriebenen Zündkerzen (gestrichelter Linie dargestellt) erreichte. Über den gleichen Zeitraum mußten die mit einer üblichen Serienzündung betriebenen Zündkerzen (mit durchgezogener Linie dargestellt) 4x getauscht werden, da sie jeweils die Verschleißgrenze, d. h. es waren bei Laständerungen einzelne Zündaussetzer zu erkennen, erreichten. Die Zündkerzen mit der Wechselstromzündung hätten bei fortgesetztem Versuch weiter eingesetzt werden können.Finally, a long-term test also showed corresponding good results, which is shown in FIG. 6, according to which, at the end of the endurance test, the mileage reached the value of 120,000 km for the spark plugs operated with the AC ignition described above (dashed line). Over the same period of time, the spark plugs operated with a conventional series ignition (shown with a solid line) had to be replaced 4x, since they each have the wear limit, i. H. Individual misfires could be recognized when the load changed. The spark plugs with AC ignition could have been used if the experiment was continued.
Der Elektrodenabbrand dieser Zündkerzen war um einen Faktor von 3,9 kleiner als derjenige bei den mit der Serienzündung betriebenen Zündkerzen.The electrode erosion of these spark plugs was 3.9 times smaller than that of the spark plugs operated with the series ignition.
Durch die erfindungsgemäße Steuerung der Zündung über ein Kennfeld wird die Wechselstromzündung auch erhöhten Anforderungen, die an zukünftige Zündanlagen gestellt werden, gerecht. Insbesondere ist durch eine optimierte Verbrennung eine Verbesserung der Abgaswerte zu erwarten. Denkbar ist auch der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in zukünftigen Magermotoren über eine verlängerte Brennzeit.By controlling the ignition according to the invention via a map, the AC ignition also meets the increased requirements placed on future ignition systems. Optimized combustion, in particular, is expected to improve the exhaust gas values. It is also conceivable to use the method according to the invention in future lean burn engines over an extended combustion time.
Mit der erfindungsgemäßen Wechselstromzündung steht ein Zündsystem zur Verfügung, das optimal dem unterschiedlichen Zündenergiebedarf des Motors angepaßt ist, ohne daß auf die Betriebssicherheit verzichtet werden muß.With the AC ignition according to the invention, an ignition system is available which is optimally adapted to the different ignition energy requirements of the engine, without having to forego operational reliability.
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