EP0640761B2 - Controllable ignition system - Google Patents
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- EP0640761B2 EP0640761B2 EP94112180A EP94112180A EP0640761B2 EP 0640761 B2 EP0640761 B2 EP 0640761B2 EP 94112180 A EP94112180 A EP 94112180A EP 94112180 A EP94112180 A EP 94112180A EP 0640761 B2 EP0640761 B2 EP 0640761B2
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- F02P3/0869—Closing the discharge circuit of the storage capacitor with semiconductor devices using digital techniques
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 from the DE-OS 39 28 726 known, compared to conventional Ignition systems, for example so-called transistor ignitions with static high-voltage distribution, has the advantage that small and therefore cost-effective Ignition coils are used. Furthermore, according to the o. G. Document ensuring the optimal ignition thereby that they are independent for the entire burning time from the speed, remains on. Such Ignition system is referred to as AC ignition system, because it generates a bipolar spark current.
- a likewise a bipolar ignition current generating Ignition system describes the DE-OS 24 44 242, after which after generation of a spark the spark plug with a relatively small Voltage of the sparking current for a certain period of time is maintained. This is done by means of a Multivibrators a transistor during each ignition period so clocked that thereby in the secondary winding the ignition transformer is a relatively constant Voltage of, for example, 3 kV is induced, the sufficient, at the spark plug a voltage of more as to generate 800 V, which is required to spark current uphold if this before was built.
- the spark burning time can be this way be chosen, as is the requirements of the internal combustion engine equivalent.
- the object of the present invention is therein, a method for controlling an ignition system specify according to the type mentioned, so that the spark plug replacement intervals at least 100,000 km.
- This task is characterized by the characterizing Characteristics of claim 1 solved.
- hereafter is the value of the spark current and its Burning time depending on the motor parameters Motor load and speed controlled.
- Ignition current map stored in a control unit a base value for the value of spark spark current and from one also in the controller stored burn duration map a base value for the burning time taken.
- Such ignition with controlled parameters causes a much lower Burning on the spark plugs as a common one Series ignition. This will change the spark plug replacement intervals significantly extended.
- these basic values for the Zündstromwert and the Burning time according to the current operating state the internal combustion engine corrected. So a temperature compensation is performed if the engine temperature is a certain threshold has not reached yet. This will cause the cold start feature of the engine improved.
- the underlying asset for the Zündstromwert at a dynamic Change of state of the motor with a dynamic Factor applied proportional to the load value change is and decreases with time. After a certain Delay time has the dynamic factor Value zero is reached, with the corrected base value the Underlying for the new load state.
- the process according to the invention can be advantageous for controlling AC or high voltage capacitor firings be used.
- FIG. 1 shows a block diagram of an AC ignition for carrying out the method according to the invention for a 4-cylinder engine.
- 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 with 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 supplied to the cylinder selecting circuit 9.
- control unit 1 with sensors 4, 5 and 6 for detecting the rotational 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 connected.
- a switching power supply 3 generates the supply voltages (18 V / 180 V) for the ignition output stages Z1-Z4, which is supplied by an on-board battery 2.
- FIG. 2 An embodiment of an ignition output stage for driving a single ignition coil of Figure 1 is shown in Figure 2 and consists essentially of a transistor T, in the embodiment of an IGBT transistor (insulated gate bipolar transistor), an energy recovery diode D, a primary resonant circuit capacitor C. , One composed of a primary and secondary winding coil Tr with a coupling of about 50%, a spark plug ZK and a simple control circuit 10, which corresponds to the current control circuit 10 of Figure 1, but additionally includes a gate of the cylinder selection circuit 9.
- This control circuit 10 are therefore supplied to the prepared by the control unit 1 control signals, namely the ignition signal 1 and the modulation voltage U Mod .
- the first-mentioned control signal sets the ignition time and the burning time t B
- the second-mentioned control signal U Mod defines the value of the primary current I p and, as a result, the ignition voltage U k , ie the value of the spark current i B.
- the generation according to the invention of these two control signals ignition signal 1 and U mod will be explained below.
- the ignition output according to the figure 2 operates in current-controlled blocking and fürflußwandler horr.
- a collector current I k flows , which corresponds to the primary coil current I p according to FIG.
- This collector current I k is limited by the control circuit 10 to a value determined by the modulation voltage U mod I soll .
- the ignition output stage is supplied with a already explained in connection with the figure 1 switching power supply with a voltage of 180 V. If the collector current I k has reached the value predetermined by I soll , the transistor T is switched off. The energy contained in the storage coil excites the output circuit (secondary inductance, spark plug capacitance) to oscillate.
- the capacitively stored energy is again fed to the primary coil inductance until the voltage U c at the capacitor C reaches zero (see FIG. 3).
- the primary-side voltage U c can not be negative by the diode D.
- the oscillation continues because of the only approx. 50% strong coupling between primary and secondary inductance.
- the transistor T is turned on again, because now there are the same voltage conditions as before the first turn on of the transistor. Power control always guarantees the same energy input into the primary coil. The portion of the injected energy that was not needed in the spark channel is completely fed back into the electrical system.
- the coupling of approx. 50% prevents total attenuation of the primary resonant circuit (primary coil, capacitor C) due to the strongly attenuated secondary resonant circuit in the event of a spark break.
- the duration of the complete cycle (charging of the primary coil, decay operation up to the zero crossing of the voltage U c across the capacitor C) is about 80 ⁇ s.
- the charging time of the coil can be neglected. Therefore, in contrast to the transistor coil ignition, a closing angle control is not required.
- the burning time t B per ignition process can be changed as desired by the variation of the number of switching cycles.
- the modulation of the spark-burning current i B takes place via the change in the primary-side fed energy.
- the secondary-side high-voltage supply U k at the spark plug ZK also changes in certain areas in parallel to the spark-burning current. In the reduction of the spark current i B thus also the decrease of the maximum high voltage must be considered in each case.
- This technique of self-oscillating ignition output leaves a significant reduction in volume the ignition coil, because in contrast to the transistor coil ignition not all the energy for one Ignition must be stored in the coil, but replenished in several small units. For storing the smaller amount of energy is therefore only a reduced coil volume needed.
- Another advantage for the structure of the ignition coil is the needed coupling of only about 50%, since this with a simple rod core can be realized.
- the control unit 1 represents a ⁇ -controller system, for example, based on a Motorola device MC68HC811E2, which is an 8-bit controller with internal EEPROM program memory.
- the power supply of this control unit 1 takes place from the electrical system powered by the battery 2.
- the control unit 1 requires a signal about the cylinder sequence (Cylinder 1 detection 7 according to Figure 1).
- Cylinder 1 detection 7 For this purpose, for example, on the toothed wheel to attach a magnet to the camshaft, which is queried by a Hall sensor. This delivers all 360 ° of the camshaft or every 720 ° of the crankshaft a signal: 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 , by means of which the primary current I p (see FIG. 2) of the ignition coil is regulated. With this current I p , the high voltage U k of the secondary coil or the spark current i B , with which the spark burns, influenced.
- This is a higher-frequency PWM signal, which is smoothed via an RC filter in the ignition output stage and which is output jointly for all 4 cylinders, as shown in FIG.
- the 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 realized over 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 optimum ignition parameters, namely in the form of the modulation voltage U Mod and the burning time t B and their output.
- the control unit 1 Before the triggering of the ignition output stages can begin, the control unit 1 must be synchronized, ie, it waits for the first signal of the cylinder 1 detection of the device 7 (see FIG. This is followed by an infinite loop in which all calculations are performed and repeated at each ignition. In this loop, an analog-to-digital conversion is performed to detect the engine parameters generated by the sensors 5 and 6, such as load and temperature. The speed is determined by evaluating the time interval between successive pulses of the speed sensor.
- the new ignition parameters are calculated, for which purpose from two stored in the memory of the control unit 1 maps the corresponding base values U base and t basis of the modulation voltage U Mod and the burning time t B are taken. These two maps are shown in Figures 4 and 5, namely the fuel flow map and the ignition duration map. The interpretation of these maps depends on the ignition energy requirements.
- the characteristic diagram for the spark-burning current i B according to FIG. 4 takes into account the offered current with a safety factor of 1.2. The highest current at idle speed is required regardless of the load.
- U Mod U Base + U Temp + U dyn .
- U base is the base value determined from the load-speed map
- U Temp is the temperature correction value
- U Dyn is the dynamic correction value.
- 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, that is, the motor temperature falls below a certain threshold, ie z. 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 motor temperature and the temperature threshold. When the engine is warm, this correction is not performed.
- t B t Base + t Temp .
- t basis is the combustion duration base value determined from the load-speed characteristic map
- T is 70 ° C a certain threshold, for example 70 ° C and T is the current engine temperature, while k Tt as in the corresponding temperature correction of the modulation voltage U Temp is a proportionality factor.
- the temperature is taken into account only when the engine temperature T is below the threshold temperature, that is, for example, of 70 ° C.
- the electrode burn of these spark plugs was over a factor of 3.9 smaller than the one with the the series ignition operated spark plugs.
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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 from the DE-OS 39 28 726 known, compared to conventional Ignition systems, for example so-called transistor ignitions with static high-voltage distribution, has the advantage that small and therefore cost-effective Ignition coils are used. Furthermore, according to the o. G. Document ensuring the optimal ignition thereby that they are independent for the entire burning time from the speed, remains on. Such Ignition system is referred to as AC ignition system, because it generates a bipolar spark current.
Eine weitere gattungsbildende Zündanlage, die ebenfalls einen bipolaren Funkenbrennstrom erzeugt, ist aus der US 4,998,526 bekannt. Diese bekannte Zündanlage stellt an der Zündkerze einen Funkenbrennstrom zur Verfügung, dessen Höhe und Länge in gewünschter Weise einstellbar sind. Dabei wird der bipolare Funkenbrennstrom mittels eines DC/AC-Inverters erzeugt, der einen Transformator mit einer primärseitigen Mittelanzapfung aufweist. Zur Erzeugung eines Zündfunkens wird ein vorher aufgeladener Kondensator über diese Mittelanzapfung entladen, wobei der dabei erzeugte Funkenbrennstrom dadurch aufrechterhalten wird, daß wechselweise über die primären Teilwindungen Energie zugeführt wird. Die Einstellungen der Brenndauer des Funkenbrennstromes als auch die Einstellung dessen Wertes erfolgt mittels einstellbarer Spannungsteiler.Another generic ignition system, the also generates a bipolar spark current, is known from US 4,998,526. This known Ignition system provides a spark current at the spark plug available, its height and length in are desirably adjustable. This is the bipolar Spark-burning current by means of a DC / AC inverter generates a transformer with a primary-side Center tap has. To generate a Spark becomes a previously charged capacitor unloaded about this center tap, while the case maintained spark current thereby maintained is that alternately over the primary Teilwindungen Energy is supplied. The settings of Burning time of the sparking current as well as the setting its value takes place by means of adjustable Voltage divider.
Weiterhin wird eine vollelektronische Zündanlage in der DE 39 24 985 A1 beschrieben, bei der eine programmierbare Transistorzündung mit einer Hochspannungskondensator-Zündeinrichtung kombiniert wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß die eigentliche Zündenergie mit relativ begrenzter Zeitgenauigkeit durch die programmierbare Transistorzündung zur Verfügung gestellt wird, während die Hochspannungskondensator-Zündanlage eine hohe Zeitgenauigkeit bzgl. aer Hochspannungsbeaufschlagung der einzelnen Zündspulen aufweist. Bei dieser bekannten Zündanlage wird jedoch kein kontinuierlicher Funkenbrennstrom erzeugt, sondern die Brenndauer besteht aus einer Folge aus Einzelimpulsen, von denen jeder Impuls zu einem Zündfunken führt. Dabei kann die Stromamplitude jedes Impulses ebenso wie die Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von Maschinenparametern frei gewählt werden.Furthermore, a fully electronic ignition system in DE 39 24 985 A1, in which a programmable Transistor ignition with a high voltage capacitor ignition device combined. Of the The reason for this is that the actual ignition energy with relatively limited time accuracy by the programmable transistor ignition provided is while the high voltage capacitor ignition system a high time accuracy with respect to aer high voltage application the individual ignition coils having. In this known ignition system, however does not produce a continuous spark spark current, but instead the burning time consists of a sequence of individual pulses, each impulse to a spark leads. In this case, the current amplitude of each pulse as well as the pulse repetition frequency in dependence be freely selected by machine parameters.
Eine ebenfalls einen bipolaren Zündstrom erzeugende Zündanlage beschreibt die DE-OS 24 44 242, wonach nach einer Erzeugung eines Zündfunkens an der Zündkerze mit einer verhältnismäßig geringen Spannung der Funkenbrennstrom eine bestimmte Zeitdauer aufrechterhalten wird. Hierzu wird mittels eines Multivibrators ein Transistor während jeder Zündperiode derart getaktet, daß hierdurch in der Sekundärwicklung des Zündtrafos eine verhältnismäßig konstante Spannung von beispielsweise 3 kV induziert wird, die ausreicht, an der Zündkerze eine Spannung von mehr als 800 V zu erzeugen, die erforderlich ist, um den Funkenbrennstrom aufrechtzuerhalten, wenn dieser zuvor aufgebaut wurde. Dabei kann die Funkenbrenndauer so gewählt werden, wie es den Erfordernissen der Brennkraftmaschine entspricht.A likewise a bipolar ignition current generating Ignition system describes the DE-OS 24 44 242, after which after generation of a spark the spark plug with a relatively small Voltage of the sparking current for a certain period of time is maintained. This is done by means of a Multivibrators a transistor during each ignition period so clocked that thereby in the secondary winding the ignition transformer is a relatively constant Voltage of, for example, 3 kV is induced, the sufficient, at the spark plug a voltage of more as to generate 800 V, which is required to spark current uphold if this before was built. The spark burning time can be this way be chosen, as is the requirements of the internal combustion engine equivalent.
Schließlich sei der Vollständigkeit halber noch erwähnt, daß in der US 4,230,078 eine übliche Zündanlage mit einer Schließzeitregelung beschrieben ist, deren Schließzeit in Abhängigkeit der Drehzahl und des Drukkes im Ansaugrohr bestimmt wird. Zur Ableitung einer Zeitgröße für die Schließzeit wird in einem ROM ein Drehzahl-Kennfeld bzw. ein Drehzahl/Druck-Kennfeld gespeichert.Finally, for the sake of completeness, that in US 4,230,078 a conventional ignition system is described with a closing time control whose Closing time depending on the speed and the pressure in the intake pipe is determined. To derive a Time for the closing time is entered in a ROM Speed map or a speed / pressure map saved.
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 previously known Zündungskonzepten the following demands were in the foreground: one ensure safe cold start and even with sooty Spark plugs the fuel / air mixture in the cylinder sure to ignite. To fulfill this requirement, a correspondingly large ignition energy was provided. This for the maximum need of the engine designed ignition energy is used for normal operation (warm engine) not needed. This leads to an unnecessary high electrode burn off the spark plugs, the in turn, reduces the life of the spark plugs and a frequent change of candles after draws.
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 therein, a method for controlling an ignition system specify according to the type mentioned, so that the spark plug replacement intervals 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 der Motorparameter Motorlast
und Drehzahl gesteuert. Hierzu wird aus einem mittels
in einem Steuergerät gespeicherten Zündstrom-Kennfeld
ein Basiswert für den Wert des Funkenbrennstromes
und aus einem ebenfalls in dem Steuergerät
gespeicherten Brenndauer-Kennfeld ein Basiswert für
die Brenndauer entnommen. 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 task is characterized by the characterizing
Characteristics of
Gemäß einer 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 preferred embodiment these basic values for the Zündstromwert and the Burning time according to the current operating state the internal combustion engine corrected. So a temperature compensation is performed if the engine temperature is a certain threshold has not reached yet. This will cause the cold start feature of the engine improved. Furthermore, the underlying asset for the Zündstromwert at a dynamic Change of state of the motor with a dynamic Factor applied proportional to the load value change is and decreases with time. After a certain Delay time has the dynamic factor Value zero is reached, with the corrected base value the Underlying for the new load state.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil zur Steuerung von Wechselstrom- oder Hochspannungskondensatorzündungen eingesetzt werden.The process according to the invention can be advantageous for controlling AC or high voltage capacitor firings be used.
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.
- FIG. 1
- a block diagram of an AC ignition system for carrying out the method according to the invention,
- FIG. 2
- 1 is a detailed circuit diagram of an ignition output stage of an AC ignition system according to FIG. 1,
- FIG. 3
- Current and voltage time diagrams to explain the operation of the AC ignition,
- FIG. 4
- a fuel flow characteristic diagram according to the method according to the invention,
- FIG. 5
- an ignition duration map according to the inventive method and
- FIG. 6
- a diagram showing the electrode burn 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.1 shows a block diagram of an AC ignition for carrying out the method according to the invention for a 4-cylinder engine. 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 driving a single ignition coil of Figure 1 is shown in Figure 2 and consists essentially of a transistor T, in the embodiment of an IGBT transistor (insulated gate bipolar transistor), an energy recovery diode D, a primary resonant circuit capacitor C. , One composed of a primary and secondary winding coil Tr with a coupling of about 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 according to the figure 2 operates in current-controlled blocking and Durchflußwandlerbetrieb. For the duration of the turn-on of the transistor T, a collector current I k flows , which corresponds to the primary coil current I p according to FIG. This collector current I k is limited 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 of time, the capacitively stored energy is again fed to the primary coil inductance until the voltage U c at the capacitor C reaches zero (see FIG. 3). The primary-side voltage U c can not be negative by the diode D. On the secondary side, the oscillation continues because of the only approx. 50% strong coupling between primary and secondary inductance. During this period, the transistor T is turned on again, because now there are the same voltage conditions as before the first turn on of the transistor. Power control always guarantees the same energy input into the primary coil. The portion of the injected energy that was not needed in the spark channel is completely fed back into the electrical system. The coupling of approx. 50% prevents total attenuation of the primary resonant circuit (primary coil, capacitor C) due to the strongly attenuated secondary resonant circuit in the event of a spark break.
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 of the primary coil, decay operation up to the zero crossing of the voltage U c across the capacitor C) is about 80 μs. Thus, the charging time of the coil can be neglected. Therefore, in contrast to the transistor coil ignition, a closing angle control is not required. On the other hand, the burning time t B per ignition process can be changed as desired by the variation of the number of switching cycles. The modulation of the spark-burning current i B takes place via the change in the primary-side fed energy. However, due to the non-ideal current source character of the output stage, the secondary-side high-voltage supply U k at the spark plug ZK also changes in certain areas in parallel to the spark-burning current. In the reduction of the spark current i B thus also the decrease of the maximum high voltage must be considered in each case.
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 technique of self-oscillating ignition output leaves a significant reduction in volume the ignition coil, because in contrast to the transistor coil ignition not all the energy for one Ignition must be stored in the coil, but replenished in several small units. For storing the smaller amount of energy is therefore only a reduced coil volume needed. Another advantage for the structure of the ignition coil is the needed coupling of only about 50%, since this with a simple rod core can be realized.
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 , by means of which the primary current I p (see FIG. 2) of the ignition coil is regulated. With this current I p , the high voltage U k of the secondary coil or the spark current i B , with which the spark burns, influenced. This is a higher-frequency PWM signal, which is smoothed via an RC filter in the ignition output stage and which is output jointly for all 4 cylinders, as shown in FIG. For this purpose, the
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.With the help of the engine load L (which is determined either by the position of the throttle potentiometer or the detection of the amount of air in the intake manifold) and speed n, the new ignition parameters are calculated, for which purpose from two 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:
Der Temperaturkorrekturwert ergibt sich aus folgender
Formel:
Bei einer dynamischen Änderung 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:
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:
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 AC ignition in a test vehicle after 15,000 km driving an electrode burn at the spark plugs of 0.03 mm versus 0.09 mm for spark plugs with a standard series ignition. Accordingly, the operating voltages of the Spark plugs in a pressure chamber only by 3.7 kV or 2.7 kV vs. 5.5 kV or 4.5 kV for spark plugs with a serial ignition. The more than triple Life of the spark plugs is to 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, an endurance test also showed that good results, which shows the figure 6, after which at the end of the endurance test the mileage the Value 120,000 km for those with the above AC ignition operated spark plugs (dashed Line shown) reached. About the same Period had the with a usual serial ignition operated spark plugs (with a solid line shown) are exchanged 4x, since they each have the wear limit, d. H. there were individual load changes Misfire detected reached. The Spark plugs with the AC ignition would be included continued trial can continue to be used.
Der Elektrodenabbrand dieser Zündkerzen war um einen Faktor von 3,9 kleiner als derjenige bei den mit der Serienzündung betriebenen Zündkerzen.The electrode burn of these spark plugs was over a factor of 3.9 smaller than the one with the the series ignition operated spark plugs.
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 the inventive control of the ignition via a map is the AC ignition also increased demands on future ignition systems be fair, just. In particular an improvement through optimized combustion the exhaust emissions expected. The use is also conceivable of the method according to the invention in future Lean-burn engines over a prolonged burning 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 that is optimal the different ignition energy requirements of the engine adapted, without sacrificing the reliability must become.
Claims (8)
- A method of controlling an ignition system for internal-combustion engines, comprising of at least one ignition output stage (Z1 ... Z4) for actuating at least one ignition coil (Tr) which generates a spark-burning current (IB), where the value of the spark-burning current (IB) and its burning time (tB) are adjustable, characterised in that as a function of the engine parameters engine load (L) and engine speed (N), a basic value (UBasis) for the spark-burning current (IB) is taken from an ignition current characteristic map stored in a control unit (1) and a basic value (tBasis) for the burning time (tB) is taken from a burning time characteristic map likewise stored in the control unit (1), whereby these characteristic maps are configured to reflect the energy required for sparking.
- A method according to Claim 1, characterised in that the base values (UBasis, tBasis) are corrected in accordance with the instantaneous operating state of the internal-combustion engine.
- A method according to Claim 2, characterised in that a temperature correction (UTemp, tTemp) is carried out as a function of the instantaneous engine temperature (Tist).
- A method according to Claim 2 or 3, characterised in that the base value (UBasis) for the value of the spark burning current (iB) is subjected to a dynamic correction in the event of a dynamic change in the operating state of the internal-combustion engine.
- A method according to Claim 4, characterised in that following a change in load, the base value (UBasis) increases by a dynamic factor (UDyn) which is proportional to the change in the load value (List - Lalt) and reduces with time.
- A method according to Claim 5, characterised in that after a specified delay time the dynamic factor (UDyn) reaches the value zero, where the corrected base value assumes the base value for the new load state.
- A method according to one of the preceding claims for controlling an a.c. ignition system.
- A method according to one of Claims 1 to 6 for controlling a high-voltage capacitor ignition system.
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