EP0790406A2

EP0790406A2 - Elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP0790406A2
Application number: EP97101844A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Dr. Bahr; Michael Daetz
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: ES2166479T3; DE19605803A1; EP0790409A3; DE59705316D1; EP0790406B1; EP0790408A3; DE59710592D1; US5914604A; EP0790409A2; EP0790406A3; EP0790409B1; DE59710359D1; US5758629A; EP0790408A2; US6043660A; EP0790408B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zündsystem, bei dem der aufgrund eines Zündfunkens an der Zündkerze ausgelöste Zündstrom auf der Sekundärseite der Zündspule ausgewertet wird, um ggf. eine Nachladung der Primärspule einzuleiten, so daß weitere Zündimpulse erzeugt werden. Die gesamte Brenndauer an der Zündkerze besteht somit aus einer Folge von Einzelimpulsen, von denen jeder zu einem Zündfunken führt. Erfindungsgemäß erfolgt die Detektion des Zündstromes mit einer mit der Sekundärspule verbundenen und ein Zündstromsignal erzeugenden Zündstrommeßeinheit, wobei dieses Zündstromsignal einer Auswerteschaltung zugeführt wird, die in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses ein Nachladesignal erzeugt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Zündsystems für Brennkraftmaschinen.
In elektronischen Zündsystemen mit ruhender bzw. statischer Hochspannungsverteilung erfolgt die Hochspannungsverteilung auf die einzelnen Zylinder nicht über mechanische Verteilungssysteme, sondern über die jedem Zylinder zugeordnete Zündspule mit zugehöriger Endstufe. Darüber hinaus werden auch Zweifunkenspulen (Doppelfunkenspule) oder Vierfunkenspulen eingesetzt, die jeweils zwei bzw. vier Zylinder gleichzeitig mit Zündfunken versorgen. Die jeder Zündspule zugeordnete Endstufe enthält eine Leistungsschaltstufe, beispielsweise einen Darlington-Transistor, der über eine Steuerschaltung ein Steuerimpuls zur Steuerung oder Regelung des Schlißwinkels sowie zur Regelung des Endstufenstromes zugeführt wird, um Zündspannung, Zündenergie und Funkenbrenndauer einzustellen.
Besondere Bedeutung kommt dabei dem Wert der dem Motor zur Verfügung zu stellenden Zündenergie zu, der für jeden Betriebspunkt optimal sein sollte. So muß beispielsweise eine große Zündenergie bereitgestellt werden, um einen sicheren Kaltstart zu gewährleisten oder auch bei verrußten Zündkerzen das Kraftstoff/Luftgemisch im Zylinder sicher zur Entzündung zu bringen. Für den normalen Betrieb dagegen, wird wesentlich weniger Zündenergie benötigt.
Um die für jeden Betriebspunkt erforderliche optimale Zündenergie an der Zündkerze sicherzustellen, sind verschiedene Systeme vorgeschlagen worden.
So ist aus der DE 39 24 985 A1 eine elektronische Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der zur Zuführung von für jeden Betriebspunkt optimierter Zündenergie während eines Zündzykluses eine Folge von Einzelimpulsen erzeugt werden, von denen jeder Impuls zu einem Zündfunken führt, wobei gleichzeitig eine Hochspannungskondensator-Zündvorrichtung die Aufgabe der zeitlich präzisen Hochspannungsbeaufschlagung der einzelnen Zündspulen übernimmt. Dabei kann die Stromamplitude jedes einzelnen Impulses ebenso wie die Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von Maschinenparametern, wie beispielsweise Motordrehzahl, Kraftstoff-Luft-Verhältnis, Last und Klopfen gesteuert bzw. geregelt werden.
Diese bekannte Zündeinrichtung, die die Vorteile einer sogenannten programmierbaren Transistorzündung, daß nämlich deren Zündenergie in Abhängigkeit von Betriebs- und Umweltparametern regel- bzw. steuerbar ist und die Vorteile der Hochspannungskondensatorzündung, nämlich der zeitlich präzisen Hochspannungsbeaufschlagung, vereinigt, erfordert einen hohen Aufwand an Bauteilen mit der Folge hoher Herstellungskosten einer solchen Zündung.
In der DE-OS 24 44 242 wird ein Zündsystem mit einem mechanischen Zündverteilungssystem beschrieben, bei dem der Halbleiterleistungsschalter der Endstufe mit einer vorgegebenen Schaltimpulsfolgefrequenz angesteuert wird, so daß der Halbleiterschalter während eines Zündzykluses bis zu sieben Mal ein- und ausgeschaltet wird. Dabei wird nach dem ersten Schalten des Halbleiterschalters eine Zündspannung von beispielsweise 3 kV erzeugt, die zur Zündung ausreicht. Anschließend wird an der Zündkerze eine Spannung von etwa 800 V erzeugt, die erforderlich ist, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Dabei kann die Frequenz als auch die Einschaltzeit des den Halbschalter steuernden Signales entsprechend den Erfordernissen der Brennkraftmaschinen, d. h. beispielsweise in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, vom Umgebungsdruck, von der Maschinentemperatur oder von der Drehzahl eingestellt werden.
Mit diesem bekannten Zündsystem läßt sich der Zündspulenkern und somit auch die Gesamtgröße der Zündspule reduzieren.
Nachteilig bei diesem bekannten Zündsystem ist die Wahl der Parameter zur Einstellung des Puls/Dauer-Verhältnisses des den Halbleiterschalter steuernden Signals. Diese Parameter werden in Abhängigkeit von den Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bzw. in Abhängigkeit von externen Bedingungen eingestellt und hängen nicht von den Strom- und Spannungszuständen an der Zündspule ab, so daß letztendlich eine wirklich optimale Zündenergie - im Sinne von gerade noch ausreichender Zündenergie zur Entzündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches - bei diesem bekannten Zündsystem nicht realisierbar ist. So muß beispielsweise bei diesem bekannten Zündsystem die Einschaltdauer so gewählt werden, daß auch im Falle eines zuvor erloschenen Zündfunkens eine erneute Zündung sichergestellt ist, jedoch andererseits bei nicht erloschenem Zündfunken mit einer geringeren Ladezeit an der Primärspule auszukommen wäre. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Zündsystems betrifft die Verwendung eines mechanischen Zündverteilungssystems.
Schließlich beschreibt die EP 0 281 528 A1 ein elektronisches Zündsystem mit ruhender Hochspannungsverteilung, bei dem der Halbleiterschalter einer Endstufe von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von Maschinenparametern als auch in Abhängigkeit des Primärstromes gesteuert wird. Hierzu enthält der Primärstromkreis einen in Reihe zu dem Halbleiterschalter liegenden Lastwiderstand, wobei der an diesem Lastwiderstand entstehende Spannungsabfall aufgrund des Primärstromflusses einem Komparator zugeführt wird, der diesen wert mit einem Referenzwert vergleicht. Die Steuereinheit erhält ein entsprechendes Signal, wenn der an diesem Lastwiderstand erzeugte Spannungsabfall den eingestellten Referenzwert übersteigt. Damit wird der Ladevorgang in der Primärspule abgebrochen, wenn der Wert des Primärstromes einen bestimmten Wert übersteigt.
Weiterhin sieht dieses bekannte Zündsystem einen Sensor im Sekundärkreis der Zündspule vor, der einen die Qualität des Zündfunkens anzeigendes Signal für die Steuereinheit bereitstellt. Hier kann beispielsweise ein Spannungsteiler eingesetzt werden, um ein zur erzeugten Zündspannung proportionales Signal zu erzeugen. In Abhängigkeit dieses Wertes kann der für den Primärstrom vorgesehene Endwert reduziert oder erhöht werden.
Mit diesem bekannten Zündsystem läßt sich die an der Zündkerze zur Verfügung gestellte Zündenergie optimieren, nicht nur in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Maschine, sondern auch in Abhängigkeit von Zuständen am Zündsystem.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Zündsystems für Brennkraftmaschinen vorzustellen, mit dem ebenfalls im Hinblick auf die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als auch hinsichtlich des Betriebszustandes des eigentlichen Zündsystems die an der Zündkerze zur Verfügung gestellte Zündenergie optimiert wird. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens angegeben werden, die kostengünstig hergestellt werden kann.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Hiernach werden während eines Zündzykluses mehrere aufeinanderfolgende Zündfunken erzeugt, indem zur Einleitung des Zündzykluses ein Zündimpuls der Endstufe zugeführt wird, wodurch die Ladung der Primärspule eingeleitet und bei überschreiten eines bestimmten Wertes des Primärstromes diese wieder beendet wird und anschließend über die verbleibende Zeitspanne des Zündzykluses weitere Ladevorgänge eingeleitet werden, nachdem der nach einer Zündung fließende Zündstrom abgebrochen ist. Dabei werden die Nachladungen ebenfalls dann beendet, wenn der jeweilige Primärstrom einen bestimmten Wert erreicht hat.
Bei dieser Erfindung werden also die während eines Zündzykluses der Zündkerze zugeführten Zündenergiepakete hinsichtlich ihres Energiewertes durch die Detektion und Auswertung des Primärstromes und hinsichtlich ihrer zeitlichen Abfolge durch die Detektion und Auswertung des Sekundärstromes bestimmt, so daß die an der Zündkerze bereitgestellte Zündenergie hinsichtlich des Betriebszustandes der Zündspule optimiert ist. Die Dauer eines Zündzykluses wird von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von Betriebsparametern vorgegeben. Hierdurch ergibt sich ein einfaches verfahren, da nun die Steuereinheit die Zeitpunkte für die einzelnen Zündimpulse als auch die Zeitdauern für die Ladevorgänge nicht mehr vorgeben muß.
Da nunmehr die Zündspule nicht mehr für die für einen Zündzyklus erforderlichen Gesamtenergie ausgelegt sein muß, sondern nur noch entsprechend des Wertes eines Energiepaketes, kann diese Zündspule mit geringerem Volumen gebaut werden.
Damit sind gleichzeitig große Anstiegszeiten (di/dt) für den Primärstrom möglich, so daß Ladezeiten von ca. 200 µs realisierbar sind.
Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben, wird durch die Merkmale des Patentanspruches 2 gelöst. Hiernach wird zur Detektion des Zündstromes ein Ableitschaltungszweig vorgeschlagen, der aus einer Reihenschaltung, einer Halbleiterdiode und einem Ableitwiderstand aufgebaut ist. Der an dem Ableitwiderstand auftretende Spannungsabfall wird als Zündstromsignal einer Zündstromauswerteeinheit zugeführt. Dabei ist diese Zündstromauswerteeinheit vorzugsweise als Schwellwertschaltung aufgebaut, die nach dem Abbruch des Zündstromes ein erstes Nachladesignal erzeugt.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft die Detektion des Primärstromes mittels eines von diesem Primärstrom durchflossenen Meßwiderstandes, dessen Spannungsabfall einer Primärstromauswerteeinheit als Primärstromsignal zugeführt wird. Vorzugsweise besteht auch diese Primärstromauswerteeinheit aus einer Schwellwertschaltung, die den Ladevorgang beendet, wenn der Wert des Primärstroms einen bestimmten Wert überschreitet und zeitverzögert ein zweites Nachladesignal erzeugt, wenn der Primärstrom den bestimmten Wert wieder unterschritten hat.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden das erste und zweite Nachladesignal einer UND-Schaltung zugeführt, die ein Steuersignal für die Endstufe erzeugt, so daß hierdurch die Ladevorgänge beendet bzw. Nachladungen eingeleitet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Zeitdauer eines Zündzykluses mittels eines von der Steuereinheit erzeugten Zyklussignals vorgegeben und der UND-Schaltung zugeführt.
Schließlich wird bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels eines zum Ableitschaltungszweig parallelgeschalteten Differenzverstärkers, der als invertierender Verstärker aufgebaut ist, ein Ionenstromsignal erzeugt, wobei dem einen Eingang des Komparators eine als Ionenmeßspannung dienende Referenzspannung zugeführt wird. Vorzugsweise wird das Ionenstromsignal einer Ionenstromauswerteschaltung zugeführt, die ihrerseits mit der Steuereinheit verbunden ist.
Im folgenden soll die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1: ein Schaltbild eines elektronischen Zündsystems gemäß der Erfindung,
Figur 2: Spannungs- bzw. Strom-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1,
Figur 3: ein Kreisdiagramm zur Darstellung der Lade- und Brennzeiten des erfindungsgemäßen elektronischen Zündsystems im Vergleich zu einem Zündsystem gemäß dem Stand der Technik, und
Figur 4: einen Schaltungsausschnitt des Schaltbildes nach Figur 1 mit einem alternativen Ableitschaltungszweig.

Figur 1 zeigt eine elektronische Transistorzündanlage für eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine mit jeweils einer zylinderzugeordneten Zündendstufe, wobei der Einfachheit halber lediglich zwei Zündendstufen mit jeweils einer Zündkerze Zk₁ und Zk₄ dargestellt sind.
Jede Zündendstufe umfaßt eine Zündspule Tr₁ ... Tr₄ mit einer Primär- und Sekundärwicklung P₁ ... P₄ bzw. S₁ ... S₄, und einer Zündkerze Zk₁ ... Zk₄ sowie einer mit der Primärwicklung verbundenen Endstufe E₁ ... E₄, aufgebaut als Halbleiterleistungsschalter.
Jede Primärwicklung P₁ ... P₄ ist mit ihrem einen Anschluß an eine von der Bordbatterie gelieferten Bordnetzspannung U_B von beispielsweise 12 V angeschlossen und mit ihrem anderen Anschluß mit dem Halbleiterleistungsschalter E₁ ... E₄, der auch als Zündtransistor bezeichnet wird, verbunden. Die von einer Regelschaltung 2 generierten und auf die Endstufen verteilten Zündimpulse U_E1 ... U_E4 werden jeweils über eine Steuerleitung der Steuerelektrode dieser Zündtransistoren zugeführt. Schließlich wird der im eingeschalteten Zustand dieser Zündtransistoren E₁ ... E₄ geführte Primärstrom I_prim über einen Meßwiderstand R₄ auf Massepotential abgeleitet.
Die Niedrigpotentialseiten der Sekundärwicklungen S₁ ... S₄ sind auf einen gemeinsamen schaltungsknoten S geführt, der einmal zur Erzeugung eines Ionenstromsignales mit einem invertierenden Verstärker, bestehend aus einem Differenzverstärker 4 mit einem auf den invertierenden Eingang rückgekoppelten Ionenstrommeßwiderstand R₁, verbunden ist und andererseits zur Ableitung des nach einer Zündung an einer Zündkerze entstehenden Zündstromes I_sek über einen Ableitschaltungszweig, aufgebaut aus einer Reihenschaltung eines Zündstrommeßwiderstandes R₂, einer Halbleiterdiode D₁ und der Emitter-Kollektor-Strecke eine pnp-Transistors T auf Massepotential. Dabei wird die Basiselektrode dieses Transistors T vom Ausgang des Differenzverstärkers 4 angesteuert. Gleichzeitig steht an diesem Ausgang des Differenzverstärkers 4 sowohl ein Zündstromsignal U_I,Zünd als auch ein Ionenstromsignal U_I,Ion zur Verfügung. Zur Erzeugung einer Ionenmeßspannung für die als Ionenstromstrecke arbeitenden Zündkerzen Z_k1 ... Z_k4 wird an den nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 4 eine konstante Referenzspannung U_ref2, vorzugsweise 5 V angelegt, wobei diese konstante Referenzspannung U_ref2 von einer Konstantspannungsquelle erzeugt wird. Diese konstante Referenzspannung U_ref2 wird über diesen Differenzverstärker 4 den Sekundärwicklungen S₁ ... S₄ der Zündspulen T_r1 ... T_r4 zugeführt und gelangt somit an die Zündkerzen Z_k1 ... Z_k4.
Schließlich ist ein weiterer aus einer Halbleiterdiode D₂ bestehenden Ableitschaltungszweig vorgesehen, der im Augenblick eines Hochspannungsdurchbruches an einer der Zündkerzen Zk₁ ... Zk₄ die dabei entstehenden negativen Spannungsspitzen über den Schaltungsknoten S auf Massepotential ableitet.
Der eigentliche Zündstrom wird, wie oben schon erwähnt, über die aus dem Zündstrommeßwiderstand R₂ der Halbleiterdiode D₁ und dem Transistor T bestehenden Reihenschaltung abgeleitet, die auch ohne diesen Transistor T aufgebaut werden kann, der lediglich zur Erhöhung der Strombelastbarkeit des Differenzverstärkers 4 dient. Wird auf einen solchen Transistor T verzichtet, ist die Kathode der Halbleiterdiode D₁ direkt mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 4 verbunden, so daß der Ableitschaltungszweig parallel zum Ionenmeßwiderstand R₁ geschaltet ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines Zündstromsignales ist in Figur 4 gezeigt, wo der Zündstrommeßwiderstand R₂ nicht im Emitterzweig des Transistors T, sondern in dessen Kollektorzweig angeordnet ist, so daß das Meßsignal U_I,Zünd gegen Massepotential abgreifbar ist, was für die weitere Verarbeitung dieses Meßsignals von Vorteil ist. Ein Widerstand R₄ in der Zuleitung zur Basis des Transistors T beschränkt den durch einen Basisstrom entstehenden Meßfehler auf kleine Werte.
Zur Detektion des Primärstromes I_pr ist der schon erwähnte Meßwiderstand R₄ vorgesehen, dessen als Primärstromsignal U_i,pr dem invertierenden Eingang eines Komparators 9 zugeführt wird, während an dessen nicht-invertierenden Eingang eine Referenzspannung U_ref1 angelegt wird. Der Wert dieser Referenzspannung U_ref1 ist so gewählt, daß am Ausgang des Komparators 9 ein High-Signal anliegt, solange der Wert des Primärstromes I_pr kleiner als 30 A ist. Das am Ausgang dieses Komparators 9 anliegende Signal U_30A wird einer UND-Schaltung 3 zugeführt, deren Ausgang mit der Regelschaltung 2 verbunden ist.
Das am Ausgang des Differenzverstärkers 4 zur Verfügung stehende Zündstromsignal U_I,Zünd wird von einer Schwellwertschaltung 5, die als Zündstromauswerteeinheit dient, ausgewertet und ein erstes Ladesignal U_I,sek als High-Signal erzeugt, wenn der Wert des Sekundärstromes I_sek größer als -10 mA ist, also nahezu den Wert Null aufweist. Dieses Zündstromsignal U_I,Zünd wird ebenfalls der UND-Schaltung 3 zugeführt.
Die Auswertung des von dem als invertierender Verstärker geschalteten Differenzverstärker erzeugten Ionenstromsignals U_I,Ion erfolgt im Anschluß an eine Zündphase, indem dieses Ionenstromsignal U_I,Ion einer Ionenstromauswerteschaltung 11 zugeführt wird. Dort wird dieses Signal U_I,Ion zunächst von einem Tiefpaßfilter 6 bearbeitet, das als Ionenstromrohsignal U_Ion,TP direkt einer Steuereinheit 1 zugeführt wird, um anhand dieses Signales festzustellen, ob eine Verbrennung überhaupt stattgefunden hat. Daneben wird dieses Ionenstromrohsignal U_Ion,TP mittels eines Integrators 7, der vor der Messung zurückgesetzt wird, aufintegriert und als Ionenstromintegralsignal U_Ion,int ebenfalls der Steuereinheit 1 zur Detektion von Zündaussetzern zugeführt. Gleichzeitig wird dieses Ionenstromrohsignal auch einem Hochpaßfilter 8 mit einer Grenzfrequenz von 5 kHz zugeführt, das dieses hochpaßgefilterte Ionenstromsignal U_Ion,HP zur Klopferkennung ebenfalls der Steuereinheit 1 zuführt.
Diese Steuereinheit 1 übernimmt die Funktion eines Motormanagements, indem über vier Leitungen 1a Zündsignale für die einzelnen Zylinder der Regelschaltung 2 zugeführt werden, die ihrerseits zusammen mit den über die UND-Schaltung 3 und einer dieser nachgeschalteten Negatorschaltung 10 erhaltenen Steuersignalen U_B/nL Zündimpulse U_E1 ... U_E4 zur Ansteuerung der Endstufen E₁ ... E₁. ableiten. Zur Erzeugung dieser Zündsignale werden dieser Steuereinheit 1 über einen Eingang E Motorparameter, wie Last, Drehzahl und Temperatur zugeführt. Entsprechende Aktuatoren werden über Ausgänge A gesteuert.
Aus diesen Steuersignalen leitet eine mit den Leitungen 1a verbundene ODER-Schaltung 12 ein Zündzyklussignal U_st ab, das über die UND-Schaltung 3 die Zeitdauer jedes Zündzykluses festlegt.
Im folgenden soll die Funktionsweise dieser Zündschaltung gemäß Figur 1 im Zusammenhang mit den Diagrammen gemäß den Figuren 2 und 3 erläutert werden.
Während der durch das Zündzyklussignal U_st gemäß Figur 2a vorgegebenen Zündzyklusdauer wird eine Folge von mehreren Einzelimpulsen erzeugt, von denen jeder Impuls zu einem Zündfunken führt. Eine solche Abfolge von Lade- und Brennzyklen während eines Zündzykluses ist mit dem impulsförmigen Kurvenzug 2 in dem Kreisdiagramm nach Figur 3 dargestellt. Diese Darstellung entspricht einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl von 2000 1/min bei einem Zündzeitpunkt von 30° vor dem oberen Totpunkt OT. Dabei entspricht dem kleinen Radius dieses Kurvenzuges 2 einem Ladezyklus und dem großen Radius dieses Kurvenzuges 2 eine Brennphase. Zum Vergleich ist mit dem Kurvenzug 1a und 1b die Lade- und Brennphase einer üblichen Transistorzündung dargestellt, wobei dort die Ladephase gemäß des Kurvenzuges 1a ungefähr bei 90° vor dem oberen Totpunkt OT und die Brennphase gemäß des Kurvenzuges 1b bei 30° vor dem oberen Totpunkt OT beginnt. Dabei ist jedoch die Brennphase schon 20° vor dem oberen Totpunkt OT beendet, während bei der erfindungsgemäßen Zündung bis zum oberen Totpunkt OT die Lade- und Brennzyklen fortgeführt werden.
Gemäß Figur 2 beginnt zum Zeitpunkt t₁ ein Zündzyklus mit einem ersten Ladevorgang an der Primärspule (vergleiche Figur 2b). Der weitere Verlauf wird durch die Pegel des Primärstromsignales U_30A und des ersten Nachladesignales U_-10mA bestimmt, die von der UND-Schaltung und der dieser nachgeschalteten Negatorschaltung 12 zu einem Signal U_B/nL- verarbeitet werden, wie dies in Figur 2f dargestellt ist.
Steigt der Wert des Primärstromes I_pr auf einen wert von über 30 A an, senkt der Komparator 9 das High-Signal U_30A auf den Low-Pegel (vgl. Figur 2C), so daß hierdurch über die UND-Schaltung 3 die Regelschaltung 2 veranlaßt wird, den Ladevorgang an der jeweiligen Endstufe E_i (i = 1 ... 4) zu beenden. Mit der abfallenden Flanke des Primärstromes I_pr wird gemäß Figur 2d ein Sekundärstrom I_sek erzeugt, der als Zündstrom vom Schaltungsknoten S ausgesehen in die Sekundärspule fließt. Da nun der Wert dieses Zündstromes kleiner als -10 mA ist, wird an dem Ausgang der Schwellwertschaltung 5 das erste Ladesignal U_-10mA auf den Low-Pegel zurückgesetzt (vgl. Figur 2e). Da der Primärstrom I_pr unter den Wert von 30 A liegt, nimmt das Primärstromsignal U_30A mit einer Zeitverzögerung von einigen µs wieder seinen High-Pegel an (vgl. Figur 2C). Im weiteren Verlauf der Zündphase klingt der Zündstrom ab, erreicht also einen Wert, der über -10 mA liegt. Mit Überschreiten dieses Wertes nimmt das zweite Ladesignal wiederum seinen High-Pegel ein, so daß alle die am Eingang der UND-Schaltung 3 anliegenden Eingangspegel auf High liegen, womit zum Zeitpunkt t₂ ein weiterer Ladevorgang beginnt (siehe Figur 2b), der wiederum abgebrochen wird, falls der Primärstrom I_pr den Wert von 30 A überschritten hat. Während der sich anschließenden Brennphase wird der Zeitpunkt t₃ überschritten, wodurch das Zündzyklussignal U_st auf den Low-Pegel zurückgesetzt wird, so daß keine weitere Ladephase eingeleitet werden kann.
Die Figur 2g zeigt den Verlauf des Zündsignal U_E4 der zugehörigen Endstufe E₄, dessen ansteigende und abfallende Flanke vom Pegel des Ausgangssignales U_B/nL an der Negatorschaltung 12 bestimmt wird. So wird die ansteigende Flanke entweder von der ansteigenden Flanke des Zündzyklussignals U_st oder durch das erste Ladesignal U_-10mA bestimmt, während die abfallende Flanke durch die abfallende Flanke des Primärstromsignales U_30A bestimmt wird.
Aufgrund der der Steuereinheit 1 vorliegenden Betriebsparameter sowie der aufgrund der Auswertung des Ionenstromsignals vorliegenden Verbrennungszustände in der Brennkammer eines Zylinders wird die Zeitdauer eines Zündzykluses vorgegeben, dessen Dauer zwischen 0,2 ms und beliebiger Zeitdauer einstellbar ist, wodurch die den Zündkerzen zuzuführende Zündenergie nicht nur hinsichtlich der aktuellen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, sondern auch hinsichtlich der direkt an den Zündspulen vorliegenden Betriebszustände optimiert werden. Da diese Betriebsparameter an den Zündspulen sowohl den Primärstrom als auch den Sekundärstrom erfassen, kann von einer energiegesteuerten Zündung gesprochen werden.
Die zur Ionenstrom- und Sekundärstrommessung verwendete Schaltung weist den Vorteil auf, daß eine Meßspannung von weniger als 40 V erforderlich ist. Daher kann die Meßspannungserzeugung und Ionenstromauswertung mit kostengünstigen Niederspannungsbauelementen auf einfache Weise durchgeführt werden. Aufgrund der Schaltungstopologie können zum Ableiten der Zündströme normale Halbleiterdioden eingesetzt werden, die deutlich geringere Leckströme als die üblicherweise verwendeten Zenerdioden aufweisen.
Schließlich sei noch auf einen Dissipationswiderstand R₃ hingewiesen, der zwischen dem Schaltungsknoten S und der Niedrigpotentialseite jeder Sekundärspule S₁ ... S₄ eingefügt ist. Diesem Dissipationswiderstand R₃ werden zwei antiseriell verbundene Zenerdioden Z₁ und Z₂ parallelgeschaltet. Diese Bauteile dienen dazu, nach dem Abreißen des Zündfunkens, also am Ende der Brenndauer die noch in der Sekundärwicklung oder in den Sekundärkapazitäten verbleibende Restenergie schnell abzubauen. Durch eine solche Parallelschaltung wird die Dauer des Ausschwingens nach dem Abreißen des Zündfunkens wesentlich verkürzt, so daß unmittelbar danach eine durch das Ausschwingverhalten nicht beeinträchtigte Ionenstrommessung durchführbar ist. Der Wert dieses Dissipationswiderstandes R₃ wird üblicherweise im Bereich zwischen 10 kΩ und 100 kΩ liegen und bewirkt damit ein schnelles Dissipieren der Energie.
Die beiden Zenerdioden Z₁ und Z₂ sind zur Begrenzung des über dem Dissipationswiderstand R₃ entstehenden Spannungsabfalles notwendig, das ansonsten eine erhebliche verminderung der Zündenergie zur Folge hätte. So würde ein Zündstrom von beispielsweise 100 mA an einem Widerstand von beispielsweise 50 kΩ einen Spannungsabfall von 5000 V bewirken. Die Zenerspannungen der Zenerdioden Z₁ und Z₂ werden daher so gewählt, daß nur eine geringe verminderung der Zündenergie eintritt, beispielsweise in Höhe von 50 V.
Anstelle der Verwendung von zwei Zenerdioden Z₁ und Z₂ ist es auch möglich, lediglich die Zenerdiode Z₂ vorzusehen und auf die Zenerdiode Z₁ zu verzichten. Damit würde allerdings das Ausschwingverhalten unsymmetrisch und die Ausschwingdauer etwas verlängert werden. Vorteilhaft wäre dagegen, daß der Spannungsverlust im Zündbetrieb kleiner als 1 V wäre.
Da in beidgenannten Fällen die Zenerdioden in Reihe zur Sekundärwicklung Zündspulen Tr₁ ... Tr₄ und zum Ionenmeßwiderstand R₁ liegen, haben deren Leckströme bei der nachfolgenden Ionenmessung keine negative Auswirkung.
Nach dem Abklingen des Zündstromes wird die als Meßspannung U_Meß dienende Referenzspannung U_ref2 von dem invertierenden Differenzverstärker 4 an die Sekundärwicklungen S₁ ... S₄ angelegt, die dann an der entsprechenden Zündkerze einen Ionenstrom erzeugt.
Der invertierende Differenzverstärker 4 wandelt diesen Ionenstrom in das schon erwähnte Ionenstromsignal U_I,Ion um, das als Meßsignal des Ionenstroms der schon erwähnten Ionenstromauswerteeinheit 6 zugeführt wird. Die den Sekundärwicklung S₁ ... S₄ der Zündspulen Tr₁ ... Tr₄ zugeführte Meßspannung U_Meß, die zwischen 5 und 30 V, vorzugsweise bei 20 V liegen kann, ist während der gesamten Ionenstrommeßdauer konstant. Da der Ionenstrom im µA-Bereich liegt, wird ein Differenzverstärker 4 mit einem niedrigen Eingangsstrom verwendet, der heutzutage kostengünstig verfügbar ist. Durch die niederohmige Bereitstellung dieser Meßspannung U_Meß entfallen Umladungen von Streukapazitäten, wie sie in anderen Systemen bei Wechselstrombelastung, wie z. B. bei klopfender verbrennung, auftreten können. Dieser vorteil macht sich besonders dann bemerkbar, wenn mehrere Ionenmeßstrecken parallel betrieben werden, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, da sich dann wirksame Streukapazitäten vervielfachen können.
Um den in den Differenzverstärker 4 fließenden Strom weiter zu begrenzen, kann in der Zuleitung zu dessen invertierenden Eingang ein weiterer Widerstand (in der Figur nicht dargestellt) vorgesehen werden.
Die Aufteilung der Funktionen zwischen der Steuereinheit 1 und den angrenzenden Schaltungsteilen kann auch anders realisiert werden. So ist es auch möglich, daß die Steuereinheit 1 weitere Funktionen, wie z. B. die Integration des Ionenstromsignals (anstelle des Integrators 7), die Funktion der Komparatoren 5 und 9, die UND-Funktion der UND-Schaltung 3 oder anstelle der Regelschaltung 2 die Ansteuerung der Endstufen E₁ bis E₄ übernimmt.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Zündsystems für Brennkraftmaschinen, bei dem während eines von einer Steuereinheit (1) vorgegebenen Zündzykluses mittels einer eine Zündspule (Tr₁ ... Tr₄) ansteuernde Endstufe (E₁ ... E₄) mehrere Zündfunken an einer der Zündspule (Tr₁ ... Tr₄) zugeordneten Zündkerze (Zk₁ ... Zk₄) erzeugt werden, und zur Einleitung des Zündzykluses ein Zündimpuls der Endstufe (E₁ ... E₄) zugeführt wird, wodurch die Ladung der Primärspule (P₁ ... P₄) der Zündspule (Tr₁ ... Tr₄) eingeleitet wird und bei Überschreiten eines bestimmten Wertes des Primärstromes (I_pr) die Ladung der Primärspule (P₁ ... P₄) beendet wird, und anschließend über die verbleibende Zeitdauer des Zündzykluses mehrere aufeinanderfolgende Ladevorgänge eingeleitet werden, nachdem der nach einer Zündung fließende Zündstrom (I_sek) abgebrochen ist, wobei die Nachladungen ebenfalls dann beendet werden, wenn der Primärstrom (I_pr) jeweils einen bestimmten Wert erreicht hat.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der zur Detektion des Zündstromes (I_sek) dieser über eine aus einer Halbleiterdiode (D₁) und einem Meßwiderstand (R₂) aufgebauten Reihenschaltung auf Massepotential abgeleitet wird und eine Zündstromauswerteeinheit (5) vorgesehen ist, welcher der an dem Meßwiderstand (R₂) auftretenden Spannungsabfall als Zündstromsignal (U_IZ) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der als Zündstromauswerteeinheit (5) eine Schwellwertschaltung vorgesehen ist, die nach dem Abbruch des Zündstroms (I_sek) ein erstes Nachladesignal (U_-10mA) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der zur Detektion des Primärstromes (I_pr) ein von diesem Primärstrom (I_pr) durchflossener Meßwiderstand (R₄) vorgesehen ist und der an diesem Meßwiderstand (R₄) erzeugte Spannungsabfall als Primärstromsignal (U_Ipr) einer Primärstromauswerteeinheit (9) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der als Primärstromauswerteeinheit (9) eine Schwellwertschaltung vorgesehen ist, die den Ladevorgang beendet, falls der Primärstrom (I_pr) einen bestimmten Wert übersteigt und zeitverzögert ein zweites Nachladesignal erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der eine UND-Schaltung (3) vorgesehen ist, der das erste und zweite Nachladesignal zugeführt wird und deren Ausgang mit einer Regelschaltung (2) zur Erzeugung eines Steuersignales für die Endstufen (E₁ ... E₄) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Zeitdauer eines Zündzykluses mittels eines von der Steuereinheit (1) erzeugten Zündzyklussignals (U_st) der UND-Schaltung (3) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der zur Erzeugung des Ionenstromsignals (U_I,Ion) parallel zur Reihenschaltung aus der Halbleiterdiode (D₁) und dem Meßwiderstand (R₂) ein als invertierender verstärker aufgebauter Differenzverstärker (4) geschaltet ist, dessen einem Eingang eine als Ionenmeßspannung dienende Referenzspannung (U_ref2) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung (D₁, R₂) über einen vom Ausgang des Differenzverstärkers (4) steuerbaren Halbleiterschalters (T), insbesondere eines Transistors mit dem Massepotential verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (R₂) im Emitterzweig des Transistors (T) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (R₂) im Kollektorzweig des Transistors (T) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der das Ionenstromsignal (U_I,Ion) einer Ionenstromauswerteschaltung (11) zugeführt wird, die mit der Steuereinheit (1) verbunden ist.