EP1854998A2 - Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1854998A2
EP1854998A2 EP07006779A EP07006779A EP1854998A2 EP 1854998 A2 EP1854998 A2 EP 1854998A2 EP 07006779 A EP07006779 A EP 07006779A EP 07006779 A EP07006779 A EP 07006779A EP 1854998 A2 EP1854998 A2 EP 1854998A2
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EP
European Patent Office
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ignition
primary
voltage
current
ignition coil
Prior art date
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EP07006779A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1854998B1 (de
EP1854998A3 (de
Inventor
Markus Kraus
Markus Kröll
Arno Gschirr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Publication date
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Publication of EP1854998A3 publication Critical patent/EP1854998A3/de
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Publication of EP1854998B1 publication Critical patent/EP1854998B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/05—Layout of circuits for control of the magnitude of the current in the ignition coil
    • F02P3/051—Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices
    • F02P3/053—Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices using digital techniques

Definitions

  • the present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine, in particular for a gas engine, with an ignition coil which can be fed by a voltage source on its primary side and with a secondary current measuring device for measuring the course of the secondary current and with a control device for at least temporary control of the primary-side voltage and / or the primary-side current as a function of the measured course of the secondary-side current.
  • Object of the present invention is to improve generic ignition devices to the effect that after premature extinction the most effective reconstruction of the spark is possible.
  • the control device following an interruption of the primary side voltage and / or power supply of the ignition coil during an ignition or subsequent to the fall of the primary side voltage and / or the primary side current through the ignition coil below a predetermined threshold during the Ignition, the primary-side voltage and / or power supply of the ignition coil only turns on again or above the threshold, if the secondary current induced thereby in the direction of, preferably immediately, previously determined course of the secondary-side current acts.
  • control device activates the primary side of the ignition coil in such a way that the current induced on the secondary side is tuned in terms of time and direction to the current still flowing on the secondary side through the preceding ignition process, that a positive or additive superimposition takes place.
  • the spark can thereby be rebuilt quickly and energetically effective, so that the intended total burning time of an ignition is achieved.
  • the control device switches on the primary-side voltage and / or power supply of the ignition coil at or after a polarity change or zero crossing of the secondary-side current or regulates the pre-determinable threshold.
  • the reclosing or over the predetermined threshold rules can be provided directly at the polarity change or zero crossing of the secondary current. It is more favorable, however, to provide a predefinable time offset following the polarity change or zero crossing, and to switch the primary-side voltage and / or current supply back on again after this time offset or to regulate it via the threshold value that can be determined beforehand.
  • the predefinable time offset essentially corresponds to a quarter of the natural period, preferably the secondary side of the ignition device, wherein the natural period is the reciprocal of the natural frequency.
  • the control principle described below can be used to control a modulated high-voltage capacitor ignition (HCC).
  • the modulated HKZ is based on the idea of gradually feeding the ignition energy of the capacitor to the ignition coil.
  • This can basically be controlled or regulated.
  • the controlled variant is realized and described below.
  • the primary side of the ignition coil is switched to the supply voltage depending on the condition of the spark on the secondary side.
  • An advantage of this system lies in the time extension of the spark while at the same time Control of the spark characteristic. Burning times, preferably up to 5,000 microseconds can be achieved easily with this system. Especially in gas engines, a high voltage supply up to 40 kV (kilovolts) is often required.
  • the burn time is typically set by the controller between 100 and 1200 microseconds.
  • the spark is characterized by an adjustable specification of the combustion current setpoint I rated (see FIG. 2).
  • the control device must control the primary-side voltage supply of the ignition coil so that the predetermined characteristic of the spark or the desired course of the secondary-side current I rated is achieved as well as possible.
  • Combustion concepts and internal combustion engines with high efficiency also have very high turbulence in the combustion chamber. Due to these turbulences, the spark of a secondary side triggered by an ignition spark plug is spatially extended and it can lead to premature extinction. To prevent a misfire in the combustion chamber due to insufficient burning time, the spark must be restored in the shortest possible time. The necessary ignition voltage can be quite close to the high voltage supply of the ignition coil. In order to generate a new spark as quickly as possible, it should be taken into account that residual energy is still present in the resonant circuit of the high-voltage circuit, ie on the secondary side of the ignition coil when the ignition spark goes out. To restore the spark, therefore, a time must be chosen that positively uses the existing energy in the system.
  • the control device. 12 following an interruption of the primary-side voltage and / or power supply of the ignition coil during an ignition or subsequent to the fall of the primary-side voltage and / or the primary-side current I pri by the ignition coil 3 below a predetermined threshold during the ignition, the primary-side voltage will switch on and / or power supply of the ignition coil 3 or adjusts it above the threshold value when the secondary-side current induced thereby acts in the direction of the preferably immediately previously determined course of the secondary-side current I sek I sek -.
  • Fig. 1 shows schematically a control principle for an inventively modulated ignition device, here in the form of a high voltage capacitor ignition.
  • the ignition coil 3 is a well-known transformer, on its primary side 15th a power supply is provided and on the secondary side 16, the spark plug 5 is supplied to generate a spark with high voltage.
  • the primary side is a DC voltage source, which here consists of the DC-DC converter 1 and a capacitor 2 connected in parallel thereto.
  • the control 13 switch 4 is provided on the primary side of the controlled by the control device 12 via the control 13 switch 4. This can be designed as a semiconductor switch.
  • the switch 4 has at least a first switching state, in which the voltage of the voltage source is applied to the ignition coil 3, and at least a second switching state, in which the voltage of the voltage source is not applied to the ignition coil 3, on.
  • a freewheeling diode 18 is connected in parallel to the primary-side winding of the ignition coil 3. This is used for de-energizing the primary side 15 described below in the switched-off state of the voltage source when the switch 4 is open.
  • an additional ohmic resistor 19 can also be connected in series with the freewheeling diode 18. This means a loss of energy.
  • the resistor 19 and the achieved attenuation of the primary side 15 in the de-energizing faster reconnection after the extinction of a spark is possible.
  • the switching on and off of the voltage source 1, 2 takes place in this embodiment so only through the switch 4.
  • This value I pri is forwarded to the control device 12.
  • a shunt 6 for the current in the spark in series On the secondary side 16 is connected to the corresponding winding of the ignition coil 3, a shunt 6 for the current in the spark in series.
  • a secondary current measuring device 7 and a secondary voltage measuring device 8 are provided.
  • the secondary-side current I sec measured by means of the secondary current measuring device 7 is evaluated in this exemplary embodiment by means of the polarity evaluating device 9 with respect to its polarity and by means of the current intensity evaluating device 10 with respect to its amplitude or current intensity. It is in the illustrated embodiment provided that the evaluation of the amount, ie the current strength of the secondary-side current I sec limited to whether this is greater than or equal to a predetermined minimum value or not. This will be explained further below with reference to FIG. 2 in detail. As a rule, the nominal fuel flow rate I rated will be used as a predefinable minimum value.
  • the values determined by the polarity evaluating device 9 and the current intensity evaluating device 10 in any case reproduce not singular single values but the profile of the secondary-side current I sec and forward this to the regulating device 12.
  • the same can also apply to the secondary-side voltage U sec measured by means of the secondary voltage measuring device 8. This is evaluated with the high-voltage evaluation device 11, which in turn forwards the voltage information to the control device 12.
  • the control device 12 activates the primary-side switch 4 and thus regulates the current and voltage supply of the primary side 15 of the ignition coil 3.
  • a course of an ignition process is shown based on various parameters, during which the spark breaks off and is rebuilt.
  • the operation of the control device will be explained in more detail below with reference to the individual phases of this ignition process.
  • the control passes through the phases of ionization Ph1, current control Ph2, de-energization Ph3 and synchronization. The latter is realized at the transition between Ph3 and subsequent Ph1.
  • U sec shows the secondary voltage curve.
  • I sec shows the course of the measured secondary current.
  • I rated shows the setpoint course of the secondary-side current and thus preferably also the course of the minimum value on the basis of which the Strombynausute worn 10 decides whether the measured secondary side current I sec reaches or exceeds the target current value or below.
  • FB1 shows the evaluation result of the current intensity evaluation device 10.
  • FB1 assumes the value 1 if I sec is greater than or equal to I rated . In the other cases, FB1 assumes the value 0.
  • FB2 shows the result of the polarity evaluation device 9. If the measured secondary side current I sec is in the positive range, FB2 assumes the value 1. If the secondary-side current is negative, FB2 assumes the value 0.
  • T Switch shows the course of the control signal of the control device 12 to the switch 4. If this 1, then the switch 4 is closed and the voltage or power supply is applied to the primary side of the ignition coil 3. If the drive signal is equal to 0, the switch 4 is opened, whereby the voltage and power supply of the Primary side 15 of the ignition coil 3 is disconnected.
  • the graph I pri shows the course of the primary-side current during the ignition process. All graphs thus represent the time course of the parameters.
  • the current setpoint of the secondary-side current I rated is adjustable via the control device 12 and is supplied to the current intensity evaluation device 10 in this exemplary embodiment for the determination of FB1.
  • the Strombutnauslus pain 10 may be designed for this purpose as a comparator.
  • the setpoint course of the secondary-side current I rated can preferably be set by the control device 12 to different values both with regard to the burning time and with regard to the current intensity.
  • the control device 12 is first switched to the ionization phase Ph1.
  • This is a turn-on interval ⁇ t an1 in which the high voltage is built up, which is needed for the generation of the spark.
  • .DELTA.t an1 it is preferably provided that, when the switch 4 is closed, the voltage of the voltage source 1, 2 is permanently applied to the primary side 15 of the ignition coil 3 in full height and at least for the predefinable time duration .DELTA.t an1 .
  • the ignition coil 3 is thus connected on the primary side to the supply voltage on the primary side during the entire ionization phase or during the entire on-time interval.
  • the ionization phase for a fixed set time, which is necessary to generate the high voltage and thus the secondary side spark is connected.
  • the ionization phase can optionally also be switched off when the high voltage output by the ignition coil is exceeded in comparison with a limit value.
  • the control device 12 monitors the secondary-side current I sec via the secondary current measuring device 7 and / or the secondary side of the ignition coil 3 output voltage U sec via the secondary voltage measuring device 8 and the primary-side voltage supply of the ignition coil 3 during the Anschaltzeitintervall .DELTA.t interrupts when the secondary-side current I sec and / or the voltage U sec output by the ignition coil on the secondary side exceeds (exceeds) a specifiable limit value (e). This option protects the system from destruction if the spark plug, spark plug plug, or other malfunction is defective.
  • the spark is spatially extended, which increases the voltage at the spark plug and requires more energy to be supplied to the spark plug.
  • the current setpoint I rated can no longer be achieved and the spark must be deliberately extinguished by initiating the phase of de-energization Ph3.
  • the requirements of the internal combustion engine can be met especially well if the rated fuel input I rated during the spark can be changed.
  • the phasing phase Ph3 is needed in two cases. On the one hand, this can be the case if the spark unintentionally breaks off during the planned ignition process and has to be rebuilt. On the other hand, deenergizing may be necessary if the magnetism level or the magnetic induction B on the primary side 15 of the ignition coil 12 becomes too large.
  • FIG. This shows the relationship between the current strength of the primary-side current I pri and the amount of magnetic induction B on the primary side 15 of the ignition coil 3.
  • the amount of magnetic induction B with increasing current I pri in reaches the area of saturation.
  • the control device 12 which on the primary side 15 of the ignition coil 12th applied voltage interrupts or reduced when the amount of the magnetic induction B on the primary side 15 of the ignition coil 12 exceeds a predetermined maximum value B max .
  • the predefinable maximum value B max of the amount of the magnetic induction B is the upper limit of a working range 17 in which there is an at least approximately linear relationship between the amount of the magnetic induction B and the primary-side current I pri .
  • the predefinable maximum value B max is favorably arranged far below the saturated region of the ignition coil 3.
  • two current changes ⁇ I 1 and ⁇ I 2 of the primary-side current are shown in Fig. 3, which are required to cause the same change in the amount of magnetic induction B (amount of ⁇ B 1 is equal to ⁇ B 2 ).
  • the comparatively small current change ⁇ I 1 is sufficient due to the more or less linear relationship between the primary current I pri and the amount of the magnetic induction B.
  • a considerably larger current change ⁇ I 2 must be used.
  • the magnetism level or the magnetic induction B is an image of the height of the primary-side current I pri .
  • a limitation of the amount of the magnetic induction B thus avoids destruction of the primary-side components through high currents. Therefore, it is preferably provided that when the maximum value B max is exceeded, the ignition coil 3 is de-energized in order to reduce the magnetism level or the amount of the magnetic induction B.
  • the magnetism level can be determined by evaluating the switch-on and switch-off times of the switch 3.
  • the control device 12 determines the amount of the magnetic induction B on the primary side 15 of the ignition coil 3 indirectly via an evaluation of a duration of switch-on time (s) and switch-off time (s), wherein during the switch-on time (s) voltage the voltage source is applied to the primary side 15 of the ignition coil 3 and during the off-time (s) the voltage of the voltage source is not applied to the primary side 15 of the ignition coil 3.
  • a useful variant provides that the maximum value is a predefinable period of time and the control device this Period of time with the sum of the turn-on, preferably from the beginning of an ignition, minus the sum of the turn-off, preferably from the beginning of the ignition process compares.
  • the ignition device has a primary current measuring device 14 and the controller 12 determines the amount of magnetic induction B on the primary side 15 of the ignition coil 3 indirectly via a rating of the primary-side current I pri .
  • the maximum value B max is substituted by a predefinable maximum current value, wherein the control device 12 compares this with the magnitude of the primary-side current I pri .
  • the primary-side voltage supply is switched off by opening the switch 4 until the magnetism level has been lowered to an acceptable value.
  • the control device 12 following an interruption or a reduction of the voltage applied to the primary side 15 of the ignition coil 12, the control device 12 only permits or restarts the voltage again when the amount of the magnetic induction B on the Primary side 15 of the ignition coil 12 below the predetermined maximum value B max or corresponding maximum values of the above-mentioned replacement parameters or a predetermined reclosing setpoint value.
  • the restart setpoint value can also be selected to be lower than the maximum value used for the evaluation depending on the variant embodiment.
  • the course of the primary-side current I pri is shown as the lowest graph. This shows the general tendency of the increase of the primary-side current, while in the phase of the de-excitation Ph3 a decrease of the primary-side current I pri can be seen.
  • the control device 12 after an interruption of the primary side voltage and / or power supply of the ignition coil 3 during an ignition or subsequent to the fall of the primary-side voltage and / or the primary-side current I pri by the ignition coil 3 under a predeterminable threshold value during the ignition process will switch on the primary-side voltage and / or current supply of the ignition coil 3 or adjusts it above the threshold value if the thus induced secondary-side current acts in the direction of the preferably immediately previously determined course of the secondary-side current I sek I sek , The switch 4 should therefore not be turned on when the secondary current I sec is negative.
  • Switching is advantageously carried out only in or after the time t n , in which the polarity of the secondary current changes and thus the secondary side induced current via the connection of the primary-side voltage supply acts in the direction of the predetermined course of the secondary-side current I sec .
  • the start of the now following ionization phase Ph1 or of the on-time interval ⁇ t an2 is thus synchronized with the secondary-side profile of the current.
  • the switch 4 remains closed until the desired high voltage supply is reached.
  • the starting time t n of the ionization phase is determined from the monitoring of the polarity of the secondary-side current I sec (see also FB2 from FIG. 2). Since the natural frequency of the ignition device is determined by its components, this is known. Conveniently, it can therefore be provided that the control device 12, the primary-side voltage and / or power supply of the ignition coil 3, preferably Immediately, after a predetermined time offset following a polarity change or zero crossing of the secondary current I sec reconnects or regulates the pre-determinable threshold, preferably the predetermined time offset substantially a quarter of the natural period, preferably the secondary side 16, the ignition corresponds. Accordingly, the ionization phase begins with a delay of one quarter of the natural period of the system after the secondary current I sec enters the positive region.
  • the ionization phase is prevented from being interrupted by the maximum value of the amount of magnetic induction B being reached. It is provided that the ionization phase can only be started when the magnetization level or the amount of magnetic induction B on the primary side 15 of the ignition coil is low enough at the beginning. If this is not the case, the system must be de-energized (phase Ph3) until the required low magnetization level is reached.
  • the ionization phase for the reconstruction of the spark can thus be started preferably only when the magnetization level and the synchronization condition in the resonant circuits are met.
  • switch-on times of the switch 4 are summed during the given burning time. If the summed on time of the switch 4 exceeds a predetermined limit value, the ignition process is aborted. This monitoring is conveniently independent of the magnetization level.
  • the quality of the ignition process is usually assessed based on the actual spark duration of the spark.
  • the burning time is measured between the attainment of the predetermined nominal fuel flow value I rated up to the zero value of the secondary current I sec . If the spark extinguishes during the given burning time and this is rebuilt, the measurement is restarted when the preset current set point is reached and stopped again at the zero value of the secondary current I sec .
  • the measured values of the individual measuring processes are summed up.
  • the combustion duration measurement is stopped and the measured value is evaluated.
  • the combustion duration measurement is reset when the measurement from reaching the Brennstromsollwerts to the zero value of the secondary side current I sec shorter than the ionization phase. In this case, no spark has been generated in the first ionization phase. This circumstance is considered a mistake or a dropout.
  • a capacitive current can build up in the secondary circuit due to the capacitive loading of the high voltage cabling and the spark plug. This current flows independently whether a spark is generated at the spark plug 5 or not.
  • the nominal fuel burn value I rated in the ionization phase is chosen so that the value must be reliably exceeded. The reaching of the combustion current setpoint is queried shortly before the end of the ionization phase. If the secondary current I sec is not high enough at this time, then there is a hardware error in the system.

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Abstract

Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Gasmotor, mit einer Zündspule (3), die auf ihrer Primärseite (15) von einer Spannungsquelle speisbar ist und mit einer Sekundärstrommesseinrichtung (7) zur Messung des Verlaufs des sekundärseitigen Stromes Isek und mit einer Regeleinrichtung (12) zur zumindest zeitweiligen Regelung der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes Ipri in Abhängigkeit des gemessenen Verlaufs des sekundärseitigen Stromes Isek, wobei die Regeleinrichtung (12) im Anschluss an eine Unterbrechung der primärseitigen Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule während eines Zündvorgangs oder im Anschluss an das Abfallen der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes Ipri durch die Zündspule (3) unter einen vorgebbaren Schwellwert während des Zündvorgangs die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule (3) erst dann wieder einschaltet oder über den Schwellwert regelt, wenn der dadurch induzierte sekundärseitige Strom lsek in Richtung des, vorzugsweise unmittelbar, vorab bestimmten Verlaufs des sekundärseitigen Stromes Isek wirkt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Gasmotor, mit einer Zündspule, die auf ihrer Primärseite von einer Spannungsquelle speisbar ist und mit einer Sekundärstrommesseinrichtung zur Messung des Verlaufs des sekundärseitigen Stromes und mit einer Regeleinrichtung zur zumindest zeitweiligen Regelung der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes in Abhängigkeit des gemessenen Verlaufs des sekundärseitigen Stromes.
  • Solche Zündeinrichtungen sind beim Stand der Technik bereits bekannt. Durch die primärseitige Regelung in Abhängigkeit des sekundärseitigen Stromverlaufes wird beim Stand der Technik sowohl der Beginn als auch der Verlauf des Zündvorgangs kontrolliert. Dabei kommt es im realen Betrieb immer wieder zum vorzeitigen Erlöschen des Zündfunkens, der auf der Sekundärseite der Zündspule angeordneten Zündkerze. Um die vorgesehene Brenndauer des Zündfunkens zu erreichen, ist es dann notwendig, diesen wieder zu zünden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, gattungsgemäße Zündeinrichtungen dahingehend zu verbessern, dass nach vorzeitigem Erlöschen ein möglichst effektiver Wiederaufbau des Zündfunkens möglich ist.
  • Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die Regeleinrichtung im Anschluss an eine Unterbrechung der primärseitigen Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule während eines Zündvorgangs oder im Anschluss an das Abfallen der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes durch die Zündspule unter einen vorgebbaren Schwellwert während des Zündvorgangs die primärseitige Spannungsund/oder Stromversorgung der Zündspule erst dann wieder einschaltet oder über den Schwellwert regelt, wenn der dadurch induzierte sekundärseitige Strom in Richtung des, vorzugsweise unmittelbar, vorab bestimmten Verlaufs des sekundärseitigen Stromes wirkt.
  • Es ist erfindungsgemäß somit vorgesehen, dass die Regeleinrichtung die Primärseite der Zündspule in der Weise ansteuert, dass der sekundärseitig dadurch induzierte Strom zeitlich und richtungsmäßig so auf den durch den vorhergehenden Zündvorgang noch auf der Sekundärseite fließenden Strom abgestimmt ist, dass eine positive bzw. additive Überlagerung stattfindet. Hierdurch wird verhindert, dass der induzierte und der noch auf der Sekundärseite vorhandene Strom gegeneinander wirken, was sowohl einen Zeitverlust beim Wiederaufbau des Zündfunkens als auch einen Energieverlust bedeuten würde. Der Zündfunke kann dadurch rasch und energetisch effektiv wieder aufgebaut werden, sodass die vorgesehene Gesamtbrenndauer eines Zündvorgangs erreicht wird.
  • Günstigerweise ist dabei vorgesehen, dass die Regeleinrichtung die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule bei oder nach einem Polaritätswechsel bzw. Nulldurchgang des sekundärseitigen Stromes wieder einschaltet oder über den vorab bestimmbaren Schwellwert regelt. Das Wiedereinschalten bzw. über den vorab bestimmten Schwellwert Regeln kann dabei unmittelbar beim Polaritätswechsel bzw. Nulldurchgang des sekundärseitigen Stromes vorgesehen sein. Günstiger ist es aber, einen vorgebbaren Zeitversatz im Anschluss an den Polaritätswechsel bzw. Nulldurchgang vorzusehen und erst nach diesem Zeitversatz die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung wieder einzuschalten bzw. über den vorab bestimmbaren Schwellwert zu regeln. Um den Zeitversatz an die Eigenfrequenz der Zündeinrichtung anzupassen, ist es dabei günstig, dass der vorgebbare Zeitversatz im Wesentlichen ein Viertel der Eigenperiode, vorzugsweise der Sekundärseite, der Zündeinrichtung entspricht, wobei die Eigenperiode der Kehrwert der Eigenfrequenz ist.
  • Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Schaltplan zu einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung,
    Fig. 2
    den Verlauf verschiedener Parameter zur Darstellung eines Zündvorgangs und
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung zum Zusammenhang zwischen Primärstrom und magnetischer Induktion auf der Primärseite der Zündspule.
  • Das nachstehend beschriebene Regelprinzip kann zur Ansteuerung einer modulierten Hochspannungskondensatorzündung (HKZ) verwendet werden. Die modulierte HKZ basiert auf der Idee, die Zündenergie des Kondensators schrittweise der Zündspule zuzuführen. Dies kann grundsätzlich gesteuert oder geregelt erfolgen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die geregelte Variante realisiert und im Folgenden beschrieben. In der geregelten Version wir die primäre Seite der Zündspule in Abhängigkeit vom Zustand des Zündfunkens auf der Sekundärseite an die Versorgungsspannung geschaltet. Ein Vorteil dieses Systems liegt in der zeitlichen Verlängerung des Zündfunkens bei gleichzeitiger Steuerung der Zündfunkencharakteristik. Brenndauern, vorzugsweise bis 5.000 Mikrosekunden sind mit diesem System problemlos zu erreichen. Insbesondere bei Gasmotoren wird häufig ein Hochspannungsangebot bis 40 kV (Kilovolt) benötigt. Dies kann beim Erregen eines erfindungsgemäßen Systems in weniger als 100 Mikrosekunden erreicht werden. Die Brenndauer wird von der Regeleinrichtung typischerweise zwischen 100 und 1.200 Mikrosekunden vorgegeben. Während dieser Zeit wird der Zündfunke durch eine verstellbare Vorgabe des Brennstromsollwertes Irated (siehe Fig. 2) charakterisiert. Die Regeleinrichtung muss dabei die primärseitige Spannungsversorgung der Zündspule so ansteuern, dass die vorgegebene Charakteristik des Zündfunkens bzw. der Sollverlauf des sekundärseitigen Stromes Irated möglichst gut erreicht wird.
  • Verbrennungskonzepte bzw. Brennkraftmaschinen mit hohem Wirkungsgrad weisen auch sehr hohe Turbulenzen im Verbrennungsraum auf. Durch diese Turbulenzen wird der Zündfunken einer sekundärseitig von einer Zündeinrichtung angesteuerten Zündkerze räumlich verlängert und es kann zum vorzeitigen Erlöschen kommen. Um einen Verbrennungsaussetzer im Brennraum aufgrund von zu geringer Brenndauer zu verhindern, muss der Zündfunken in möglichst kurzer Zeit wieder hergestellt werden. Die notwendige Zündspannung kann dabei durchaus nahe dem Hochspannungsangebot der Zündspule liegen. Um möglichst schnell einen neuen Zündfunken zu erzeugen, sollte berücksichtigt werden, dass beim Erlöschen des Zündfunkens noch Restenergie im Schwingkreis des Hochspannungskreises, also auf der Sekundärseite der Zündspule vorhanden ist. Zum Wiederherstellen des Zündfunkens muss daher ein Zeitpunkt gewählt werden, der die vorhandene Energie im System positiv nutzt. Dies wird erreicht, indem die Regeleinrichtung. 12 im Anschluss an eine Unterbrechung der primärseitigen Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule während eines Zündvorgangs oder im Anschluss an das Abfallen der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes Ipri durch die Zündspule 3 unter einen vorgebbaren Schwellwert während des Zündvorgangs die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule 3 erst dann wieder einschaltet oder über den Schwellwert regelt, wenn der dadurch induzierte sekundärseitige Strom Isek in Richtung des, vorzugsweise unmittelbar, vorab bestimmten Verlaufs des sekundärseitigen Stromes Isek wirkt.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Regelungsprinzip für eine erfindungsgemäß modulierte Zündeinrichtung, hier in Form einer Hochspannungskondensatorzündung. Bei der Zündspule 3 handelt es sich um einen allgemein bekannten Transformator, auf dessen Primärseite 15 eine Spannungsversorgung vorgesehen ist und auf dessen Sekundärseite 16 die Zündkerze 5 zur Erzeugung eines Zündfunkens mit Hochspannung versorgt wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich primärseitig um eine Gleichstromspannungsquelle, die hier aus dem DC-DC-Konverter 1 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 2 besteht. Darüber hinaus ist auf der Primärseite der von der Regeleinrichtung 12 über die Ansteuerung 13 angesteuerte Schalter 4 vorgesehen. Dieser kann als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Der Schalter 4 weist zumindest einen ersten Schaltzustand, bei dem die Spannung der Spannungsquelle an der Zündspule 3 anliegt, und zumindest einen zweiten Schaltzustand, bei dem die Spannung der Spannungsquelle nicht an der Zündspule 3 anliegt, auf. Darüber hinaus ist zur primärseitigen Wicklung der Zündspule 3 eine Freilaufdiode 18 parallel geschaltet. Diese dient der weiter unten beschriebenen Entregung der Primärseite 15 im abgeschalteten Zustand der Spannungsquelle bei geöffnetem Schalter 4. Durch die Verwendung der Freilaufdiode 18 wird bei der Entregung die Energie maximal im primärseitigen Kreis gehalten. Optional kann in Reihe zur Freilaufdiode 18 aber auch ein zusätzlicher ohmscher Widerstand 19 geschaltet werden. Dieser bedeutet zwar einen Energieverlust. Durch den Widerstand 19 und die dadurch erreichte Dämpfung der Primärseite 15 bei der Entregung ist aber andererseits ein schnelleres Wiedereinschalten nach dem Erlöschen eines Zündfunkens möglich.
  • Das An- und Abschalten der Spannungsquelle 1, 2 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel also ausschließlich über den Schalter 4. Auf der Primärseite 15 gestrichelt dargestellt, ist eine im bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehene Primärstrommesseinrichtung 14, die zur Bestimmung des im Primärkreis fließenden Stromes Ipri dient. Dieser Wert Ipri wird an die Regeleinrichtung 12 weitergegeben. Darüber hinaus kann optional, anstelle und/oder zusätzlich primärseitig auch noch eine Spannungsmesseinrichtung vorgesehen sein. Diese ist hier aber explizit nicht dargestellt. Ist sie vorhanden, so gibt sie den an der Primärseite der Zündspule 3 gemessenen Spannungswert ebenfalls an die Regeleinrichtung 12 weiter.
  • Auf der Sekundärseite 16 ist mit der entsprechenden Wicklung der Zündspule 3 ein Shunt 6 für den Strom im Zündfunken in Reihe geschaltet. Darüber hinaus ist eine Sekundärstrommesseinrichtung 7 sowie eine Sekundärspannungsmesseinrichtung 8 vorgesehen. Der mittels der Sekundärstrommesseinrichtung 7 gemessene sekundärseitige Strom Isek wird in diesem Ausführungsbeispiel mittels der Polaritätsauswerteeinrichtung 9 bezüglich seiner Polarität und mittels der Stromstärkenauswerteeinrichtung 10 bezüglich seiner Amplitude bzw. Stromstärke ausgewertet. Dabei ist im gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass sich die Auswertung des Betrages, also der Stromstärke des sekundärseitigen Stromes Isek darauf beschränkt, ob dieser größer oder gleich eines vorgebbaren Mindestwertes ist oder nicht. Dies wird weiter unten anhand von Fig. 2 im Detail weiter erläutert. Als vorgebbarer Mindestwert wird dabei in der Regel der Brennstromsollwertverlauf Irated herangezogen werden.
  • Die von der Polaritätsauswerteeinrichtung 9 und der Stromstärkenauswerteeinrichtung 10 bestimmten Werte geben jedenfalls nicht singuläre Einzelwerte sondern den Verlauf des sekundärseitigen Stromes Isek wieder und diesen an die Regeleinrichtung 12 weiter. Das gleiche kann auch für die mittels der Sekundärspannungsmesseinrichtung 8 gemessene sekundärseitige Spannung Usek gelten. Diese wird mit der Hochspannungsauswerteeinrichtung 11 ausgewertet, wobei diese die Spannungsinformation wiederum an die Regeleinrichtung 12 weitergibt. In Abhängigkeit der genannten Eingabeparameter steuert die Regeleinrichtung 12 den primärseitigen Schalter 4 an und regelt damit die Strom- und Spannungsversorgung der Primärseite 15 der Zündspule 3.
  • In Fig. 2 ist anhand von verschiedenen Parametern ein Verlauf eines Zündvorgangs dargestellt, währenddessen der Zündfunke abreißt und wieder aufgebaut wird. Die Funktionsweise der Regeleinrichtung wird anhand der einzelnen Phasen dieses Zündvorgangs im folgenden dann näher erläutert. Die Regelung durchläuft dabei die Phasen Ionisation Ph1, Stromregelung Ph2, Entregung Ph3 und Synchronisation. Letztere ist am Übergang zwischen Ph3 und nachfolgender Ph1 realisiert. Usek zeigt den sekundärseitigen Spannungsverlauf. Isek zeigt den Verlauf des gemessenen sekundärseitigen Stromes. Irated zeigt den Sollwertverlauf des sekundärseitigen Stromes und bevorzugt damit auch den Verlauf des Mindestwertes anhand dessen die Stromstärkenauswerteeinrichtung 10 entscheidet, ob der gemessene sekundärseitige Strom Isek den Sollstromwert erreicht bzw. überschreitet oder darunter liegt. FB1 zeigt dabei das Auswerteergebnis der Stromstärkenauswerteeinrichtung 10. FB1 nimmt den Wert 1 an, wenn Isek größer oder gleich Irated ist. In den anderen Fällen nimmt FB1 den Wert 0 an. FB2 zeigt das Ergebnis der Polaritätsauswerteeinrichtung 9. Liegt der gemessene sekundärseitige Strom Isek im positiven Bereich, so nimmt FB2 den Wert 1 an. Ist der sekundärseitige Strom negativ, so nimmt FB2 den Wert 0 an. TSwitch zeigt den Verlauf des Ansteuersignals der Regeleinrichtung 12 an den Schalter 4. Ist dieses 1, so ist der Schalter 4 geschlossen und die Spannungs- bzw. Stromversorgung liegt an der Primärseite der Zündspule 3 an. Ist das Ansteuersignal gleich 0, so ist der Schalter 4 geöffnet, womit die Spannungs- und Stromversorgung von der Primärseite 15 der Zündspule 3 getrennt ist. Der Graph Ipri zeigt den Verlauf des primärseitigen Stromes während des Zündvorgangs. Alle Graphen stellen somit den zeitlichen Verlauf der Parameter dar.
  • Der Stromsollwert des sekundärseitigen Stromes Irated ist über die Regeleinrichtung 12 einstellbar und wird der Stromstärkenauswerteeinrichtung 10 in diesem Ausführungsbeispiel zur Bestimmung von FB1 zugeführt. Die Stromstärkenauswerteeinrichtung 10 kann hierfür als Komparator ausgebildet sein. Der Sollwertverlauf des sekundärseitigen Stromes Irated kann von der Regeleinrichtung 12 bevorzugt sowohl bezüglich der Brenndauer als auch bezüglich der Stromstärke auf verschiedene Werte eingestellt werden. Optional ist es auch möglich, die Spannung an der Zündkerze zu messen und dieses Signal in die Regelung einzubinden.
  • Zu Beginn des Zündvorgangs zum Zündzeitpunkt t0 wird die Regeleinrichtung 12 zunächst in die Ionisationsphase Ph1 geschaltet. Diese ist ein Anschaltintervall Δtan1 in der die Hochspannung aufgebaut wird, die für die Erzeugung des Zündfunkens benötigt wird. Während des gesamten Anschaltintervalls Δtan1 ist bevorzugt vorgesehen, dass bei geschlossenem Schalter 4 auf der Primärseite 15 der Zündspule 3 die Spannung der Spannungsquelle 1, 2 in voller Höhe und zumindest für die vorgebbare Zeitdauer Δtan1 permanent anliegt. Die Zündspule 3 ist primärseitig somit während der gesamten Ionisationsphase bzw. während des gesamten Anschaltzeitintervalls primärseitig an die Versorgungsspannung geschaltet. Im einfachsten Fall wird die Ionisationsphase für eine fix eingestellte Zeit, welche zur Erzeugung der Hochspannung und damit des sekundärseitigen Zündfunkens notwendig ist, angeschlossen. Um Beschädigungen des Systems durch zu hohe Spannungen zu vermeiden, kann die Ionisationsphase optional auch beim Überschreiten der von der Zündspule ausgegebenen Hochspannung im Vergleich mit einem Grenzwert abgeschaltet werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung 12 während des Anschaltzeitintervalls Δtan1, Δtan2 den sekundärseitigen Strom Isek über die Sekundärstrommesseinrichtung 7 und/oder die sekundärseitig von der Zündspule 3 abgegebene Spannung Usek über die Sekundärspannungsmesseinrichtung 8 überwacht und die primärseitige Spannungsversorgung der Zündspule 3 unterbricht, wenn der sekundärseitige Strom Isek und/oder die sekundärseitig von der Zündspule abgegebene Spannung Usek (einen) vorgebbare(n) Grenzwert(e) überschreitet (überschreiten). Diese Option schützt das System bei einer schadhaften Zündkerze, fehlendem Zündkerzenstecker oder einer anderen Fehlfunktion vor Zerstörung. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist also vorgesehen, dass während des Ionisationsphase Ph1 bzw. dem Anschaltzeitintervall Δtan1 keine Regelung in Abhängigkeit des sekundärseitigen Stromes vorgenommen wird. Diese setzt bei dieser Variante erst nach Abschluss der Ionisationsphase Ph1 und bei Eintritt in die Stromregelungsphase Ph2 ein. In dieser Phase Ph2 wird der sekundärseitige Strom Isek (im Zündfunken) mittels des Komparators der Stromstärkenauswerteeinrichtung 10 mit dem Verlauf des Sollwertes Irated verglichen. Aus diesem Vergleich ergibt sich - wie bereits geschildert - das Signal FB1. Nimmt dieses den Wert 1 an und ist damit der Istwert des sekundärseitigen Stromes Isek höher als oder gleich dem Sollwert Irated wird die Energiezufuhr auf der Primärseite 15 der Zündspule 3 durch Öffnen des Schalters 4 unterbrochen. Im ungekehrten Fall wird die Zündspule 3 an die Spannungsversorgung 1, 2 geschaltet. Mit dieser Regelung kann der Strom im Zündfunken eingestellt werden und im Idealfall kann die Phase Ph2 der Brennstromregelung bis zum Ende der eingestellten Brenndauer beibehalten werden.
  • Durch die Turbulenzen im Brennraum wird in der Praxis der Funken jedoch räumlich verlängert, wodurch die Spannung an der Zündkerze steigt und der Zündkerze mehr Energie zugeführt werden muss. In diesem Fall kann der Stromsollwert Irated nicht mehr erreicht werden und der Zündfunken muss bewusst zum Erlöschen gebracht werden, indem die Phase der Entregung Ph3 eingeleitet wird. Die Anforderungen der Brennkraftmaschine können besonders gut dann erfüllt werden, wenn die Brennstromvorgabe Irated während des Zündfunkens verändert werden kann.
  • Die Phase der Entregung Ph3 wird in zwei Fällen benötigt. Zum einen kann dies sein, wenn während des vorgesehenen Zündvorgangs unbeabsichtigt der Zündfunke abreißt und neu aufgebaut werden muss. Zum anderen kann eine Entregung notwendig werden, wenn der Magnetismuslevel bzw. die magnetische Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 12 zu groß wird. Zur Erläuterung des zuletzt genannten Ereignisses wird auf Fig. 3 verwiesen. Diese zeigt den Zusammenhang zwischen der Stromstärke des primärseitigen Stromes Ipri und dem Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 3. Hier ist zu sehen, dass - wie allgemein bekannt - der Betrag der magnetischen Induktion B mit zunehmendem Strom Ipri in den Bereich einer Sättigung gelangt. In diesem Bereich müssen sehr große Änderungen der Stromstärke Ipri vorgenommen werden, um vergleichsweise geringe Änderungen der magnetischen Induktion B zu bewirken. Dies ist bei Zündsystemen mit Zündspule 3 nicht wünschenswert. Um dies zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung 12, die an der Primärseite 15 der Zündspule 12 angelegte Spannung unterbricht oder reduziert, wenn der Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 12 einen vorgebbaren Maximalwert Bmax überschreitet. Dabei ist günstigerweise vorgesehen, dass der vorgebbare Maximalwert Bmax des Betrages der magnetischen Induktion B die Obergrenze eines Arbeitsbereiches 17 ist, in dem ein zumindest annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Betrag der magnetischen Induktion B und dem primärseitigen Strom Ipri vorliegt. Der vorgebbare Maximalwert Bmax ist dabei günstigerweise weit unterhalb des gesättigten Bereiches der Zündspule 3 angeordnet. Zum Vergleich sind zwei Stromänderungen ΔI1 und ΔI2 des primärseitigen Stromes in Fig. 3 eingezeichnet, die dazu benötigt werden dieselbe Änderung des Betrages der magnetischen Induktion B (Betrag von ΔB1 ist gleich Betrag von ΔB2) hervorzurufen. Innerhalb des Arbeitsbereiches 17 reicht aufgrund des mehr oder weniger linearen Zusammenhangs zwischen Primärstrom Ipri und dem Betrag der magnetischen Induktion B die vergleichsweise geringe Stromänderung ΔI1. Oberhalb des Arbeitsbereiches 17 muss, um dieselbe Änderung des Betrages der magnetischen Induktion B hervorzurufen, eine wesentlich größere Stromänderung ΔI2 aufgewendet werden.
  • Aufgrund des geschilderten und in Fig. 3 dargestellten Zusammenhangs ist es also sinnvoll, den Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 12 im Arbeitsbereich 17 zu halten. Dabei ergibt sich aus Fig. 3, dass der Magnetismuslevel bzw. die magnetische Induktion B ein Abbild der Höhe des primärseitigen Stromes Ipri ist. Umso höher der Magnetismuslevel bzw. der Betrag der magnetischen Induktion B ist, desto höher ist auch der primärseitige Strom Ipri durch die Zündspule 3 und den Schalter 4. Eine Begrenzung des Betrages der magnetischen Induktion B vermeidet somit auch eine Zerstörung der primärseitigen Bauteile durch zu hohe Stromstärken. Daher ist vorzugsweise vorgesehen, dass beim Überschreiten des Maximalwertes Bmax die Zündspule 3 entregt wird, um den Magnetismuslevel bzw. den Betrag der magnetischen Induktion B zu verringern.
  • Der Magnetismuslevel kann über die Bewertung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters 3 ermittelt werden. In dieser Variante ist somit vorgesehen, dass die Regeleinrichtung 12 den Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 3 indirekt über eine Bewertung einer Dauer von Einschaltzeit(en) und Ausschaltzeit(en) bestimmt, wobei während der Einschaltzeit(en) Spannung der Spannungsquelle an der Primärseite 15 der Zündspule 3 anliegt und während der Ausschaltzeit(en) die Spannung der Spannungsquelle nicht an der Primärseite 15 der Zündspule 3 anliegt. Eine sinnvolle Variante sieht dabei vor, dass der Maximalwert eine vorgebbare Zeitspanne ist und die Regeleinrichtung diese Zeitspanne mit der Summe der Einschaltzeiten, vorzugsweise ab Beginn eines Zündvorgangs, abzüglich der Summe der Ausschaltzeiten, vorzugsweise ab Beginn des Zündvorgangs, vergleicht.
  • Als Alternative zur Bewertung der Ein- und Ausschaltzeiten kann aber auch vorgesehen sein, dass die Zündeinrichtung eine Primärstrommesseinrichtung 14 aufweist und die Regeleinrichtung 12 den Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 3 indirekt über eine Bewertung des primärseitigen Stromes Ipri bestimmt. Hierbei wird der Maximalwert Bmax durch einen vorgebbaren maximalen Stromwert substituiert, wobei die Regeleinrichtung 12 diesen mit dem Betrag des primärseitigen Stromes Ipri vergleicht.
  • Sowohl bei der Bewertung der Ein- und Ausschaltzeiten, als auch bei der Bewertung des primärseitigen Stromes handelt es sich somit um indirekte Vorgehensweisen, um den Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 12 zu überwachen. In weiteren Varianten ist es aber auch möglich, den Betrag der magnetischen Induktion B direkt oder indirekt über andere - an sich bekannte Methoden - zu bestimmen.
  • Ist der ermittelte Wert des Magnetismuslevel bzw. des Betrages der magnetischen Induktion B zu hoch, so wird die primärseitige Spannungsversorgung durch Öffnen des Schalters 4 solange abgeschaltet, bis der Magnetismuslevel auf einem akzeptablen Wert abgesenkt wurde. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung 12 im Anschluss an eine Unterbrechung oder eine Reduktion der an der Primärseite 15 der Zündspule 12 angelegten Spannung ein Wiedereinschalten bzw. Erhöhen der Spannung erst dann wieder zulässt oder einleitet, wenn der Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule 12 den vorgebbaren Maximalwert Bmax bzw. entsprechende Maximalwerte der oben genannten Ersatzparameter oder einen vorgebbaren Wiedereinschaltsollwert unterschreitet. Der Wiedereinschaltsollwert kann also zum Beispiel auch niedriger als der je nach Ausführungsvariante zur Bewertung verwendete Maximalwert gewählt werden.
  • Während der Zeit der Entregung wird die Polarität des sekundärseitigen Stromes Isek beobachtet. Wird die Polarität negativ, so ist der Zündfunken erloschen und muss wieder aufgebaut werden. Günstigerweise ist dabei vorgesehen, dass die Regeleinrichtung 12 im Anschluss an eine Unterbrechung oder Reduktion der an der Primärseite 15 der Zündspule 12 angelegten Spannung ein Wiederanschalten bzw. Erhöhen der primärseitigen Spannung erst dann wieder zulässt, wenn eine Polarität des sekundärseitigen Stromes Isek wechselt. In Fig. 2 ist am beispielhaften Verlauf des sekundärseitigen Stromes Isek eine Phase der Entregung Ph3 gezeichnet, in der der sekundärseitige Strom zunächst stark abfällt, woraufhin die Polarität des sekundärseitigen Stromes negativ wird und anschließend zum Zeitpunkt tn bei einem Nulldurchgang wieder in den positiven Bereich wechselt. Als unterster Graph ist dabei der Verlauf des primärseitigen Stromes Ipri dargestellt. Dieser zeigt die generelle Tendenz der Zunahme des primärseitigen Stromes, während in der Phase der Entregung Ph3 eine Abnahme des primärseitigen Stromes Ipri zu sehen ist.
  • Erlischt der Zündfunken während der geforderten Brenndauer, muss dieser wieder in möglichst kurzer Zeit hergestellt werden. Hierzu kann eine Spannung, welche nahe des Hochspannungsangebotes des Systems liegt, notwendig sein. Um diese Anforderung zu erreichen, sollten die Energieverhältnisse im System berücksichtigt werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung 12 im Anschluss an eine Unterbrechung der primärseitigen Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule 3 während eines Zündvorgangs oder im Anschluss an das Abfallen der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes Ipri durch die Zündspule 3 unter einen vorgebbaren Schwellwert während des Zündvorgangs die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule 3 erst dann wieder einschaltet oder über den Schwellwert regelt, wenn der dadurch induzierte sekundärseitige Strom Isek in Richtung des, vorzugsweise unmittelbar, vorab bestimmten Verlaufs des sekundärseitigen Stromes Isek wirkt. Der Schalter 4 sollte also nicht eingeschaltet werden, wenn der sekundäre Strom Isek negativ ist. Ein Einschalten erfolgt günstigerweise erst im oder nach dem Zeitpunkt tn, bei dem die Polarität des sekundärseitigen Stromes wechselt und damit der über das Anschalten der primärseitigen Spannungsversorgung sekundärseitig induzierte Strom in Richtung des vorab bestimmten Verlaufes des sekundärseitigen Stromes Isek wirkt. Der Start der nun folgenden Ionisierungsphase Ph1 bzw. des Anschaltzeitintervalls Δtan2 wird somit mit dem sekundärseitigen Verlauf des Stromes synchronisiert. In der nun folgenden Ionisierungsphase bleibt der Schalter 4 solange geschlossen, bis das gewünschte Hochspannungsangebot erreicht wird. Es herrschen ähnliche Verhältnisse zum ersten Anschaltzeitintervall Δtan1, wenn die sekundäre Spannung Usek aus der positiven Halbwelle durch den Nulldurchgang geht. Der Startzeitpunkt tn der Ionisierungsphase wird aus der Überwachung der Polarität des sekundärseitigen Stromes Isek bestimmt (siehe auch FB2 aus Fig. 2). Da die Eigenfrequenz der Zündeinrichtung durch ihre Komponenten bestimmt wird, ist diese bekannt. Günstigerweise kann daher vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung 12 die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule 3, vorzugsweise unmittelbar, nach einem vorgebbaren Zeitversatz im Anschluss an einen Polaritätswechsel bzw. Nulldurchgang des sekundärseitigen Stromes Isek wiedereinschaltet oder über den vorab bestimmbaren Schwellwert regelt, wobei vorzugsweise der vorgebbare Zeitversatz im Wesentlichen ein Viertel der Eigenperiode, vorzugsweise der Sekundärseite 16, der Zündeinrichtung entspricht. Die Ionisierungsphase beginnt demnach mit einer Verzögerung um ein Viertel der Eigenperiode des Systems, nachdem der sekundäre Strom Isek in den positiven Bereich kommt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform wird verhindert, dass die Ionisierungsphase durch das Erreichen des Maximalwertes des Betrages der magnetischen Induktion B unterbrochen wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Ionisierungsphase nur dann gestartet werden kann, wenn der Magnetisierungslevel bzw. der Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite 15 der Zündspule zu Beginn gering genug ist. Ist dies nicht der Fall, muss das System solange entregt werden (Phase Ph3), bis der benötigte niedrige Magnetisierungslevel erreicht ist. Die Ionisierungsphase zum Wiederaufbau des Zündfunkens kann also bevorzugt nur dann gestartet werden, wenn der Magnetisierungslevel und die Synchronisationsbedingung im Schwingkreise erfüllt sind.
  • Darüber hinaus können weitere Überwachungen des Systems bezüglich negativer Beeinträchtigungen oder Zerstörungen vorgesehen sein. Um die Spannungsversorgung nicht zu überlasten, werden die Einschaltzeiten des Schalters 4 während der vorgegebenen Brenndauer summiert. Überschreitet die summierte Einschaltzeit des Schalters 4 einen vorgegebenen Grenzwert, wird der Zündvorgang abgebrochen. Diese Überwachung erfolgt günstigerweise unabhängig vom Magnetisierungslevel.
  • Die Qualität des Zündvorgangs wird in der Regel auf Grundlage der tatsächlichen Brenndauer des Zündfunkens beurteilt. Die Brenndauer wird zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Brennstromsollwertes Irated bis zum Nullwert des sekundären Stroms Isek gemessen. Erlischt der Zündfunke während der vorgegebenen Brenndauer und wird dieser wieder aufgebaut, so wird die Messung mit dem Erreichen des vorgegebenen Stromsollwertes wieder gestartet und beim Nullwert des sekundären Stroms Isek wieder gestoppt. Die Messwerte der einzelnen Messvorgänge werden summiert. Nach Abschluss des Zündvorgangs wird die Brenndauermessung gestoppt und der gemessene Wert ausgewertet. Zur Messung bzw. Erkennung von Zündaussetzern wird die Brenndauermessung zurückgesetzt, wenn die Messung vom Erreichen des Brennstromsollwerts bis zum Nullwert des sekundärseitigen Stroms Isek kürzer als die Ionisationsphase ist. In diesem Fall ist in der ersten Ionisationsphase kein Zündfunke entstanden. Dieser Umstand wird als Fehler bzw. als Aussetzer gewertet.
  • Durch Hardwareprobleme kann sich im sekundärseitigen Kreis durch die kapazitive Belastung der Hochspannungsverkabelung und der Zündkerze ein kapazitiver Strom aufbauen. Dieser Strom fließt unabhängig ob ein Zündfunke an der Zündkerze 5 entsteht oder nicht. Um dies zu erkennen, wird der Brennstromsollwert Irated in der Ionisationsphase so gewählt, dass der Wert sicher überschritten werden muss. Das Erreichen des Brennstromsollwertes wird kurz vor Ende der Ionisationsphase abgefragt. Ist der sekundäre Strom Isek zu diesem Zeitpunkt nicht hoch genug, dann liegt ein Hardwarefehler im System vor.

Claims (20)

  1. Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Gasmotor, mit einer Zündspule, die auf ihrer Primärseite von einer Spannungsquelle speisbar ist und mit einer Sekundärstrommesseinrichtung zur Messung des Verlaufs des sekundärseitigen Stromes und mit einer Regeleinrichtung zur zumindest zeitweiligen Regelung der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes in Abhängigkeit des gemessenen Verlaufs des sekundärseitigen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) im Anschluss an eine Unterbrechung der primärseitigen Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule (3) während eines Zündvorgangs oder im Anschluss an das Abfallen der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes (Ipri) durch die Zündspule (3) unter einen vorgebbaren Schwellwert während des Zündvorgangs die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule (3) erst dann wieder einschaltet oder über den Schwellwert regelt, wenn der dadurch induzierte sekundärseitige Strom (Isek) in Richtung des, vorzugsweise unmittelbar, vorab bestimmten Verlaufs des sekundärseitigen Stromes (Isek) wirkt.
  2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule (3) bei oder nach einem Polaritätswechsel bzw. Nulldurchgang des sekundärseitigen Stromes (Isek) wieder einschaltet oder über den vorab bestimmbaren Schwellwert regelt.
  3. Zündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) die primärseitige Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule (3), vorzugsweise unmittelbar, nach einem vorgebbaren Zeitversatz im Anschluss an einem Polaritätswechsel bzw. Nulldurchgang des sekundärseitigen Stromes (Isek) wiedereinschaltet oder über den vorab bestimmbaren Schwellwert regelt.
  4. Zündeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Zeitversatz im Wesentlichen ein Viertel der Eigenperiode, vorzugsweise der Sekundärseite (16), der Zündeinrichtung entspricht.
  5. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) beim Einschalten der Zündeinrichtung zu Beginn eines Zündvorgangs und/oder im Anschluss an eine Unterbrechung der primärseitigen Spannungs- und/oder Stromversorgung der Zündspule (3) oder im Anschluss an das Abfallen der primärseitigen Spannung und/oder des primärseitigen Stromes (Ipri) durch die Zündspule (3) unter den vorab vorgebbaren Schwellwert während eines Zündvorgangs ein Anschaltzeitintervall (Δtan1, Δtan2) vorsieht, während dessen auf der Primärseite (15) der Zündspule (3) die Spannung der Spannungsquelle in voller Höhe und/oder für eine vorgebbare Zeitdauer permanent anliegt.
  6. Zündeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) während des Anschaltzeitintervalls (Δtan1, Δtan2) den sekundärseitigen Strom (Isek) über die Sekundärstrommesseinrichtung (7) und/oder eine sekundärseitige von der Zündspule (3) abgegebene Spannung (Usek) über eine Sekundärspannungsmesseinrichtung (8) überwacht und die primärseitige Spannungsversorgung der Zündspule (3) unterbricht, wenn der sekundärseitige Strom (Isek) und/oder die sekundärseitig von der Zündspule abgegebene Spannung (Usek) (einen) vorgebbare(n) Grenzwert(e) überschreitet (überschreiten).
  7. Zündeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) die primärseitige Spannung und/oder den primärseitigen Strom (Ipri) erst im Anschluss an das Anschaltzeitintervall (Δtan1, Δtan2) in Abhängigkeit des Verlaufs des sekundärseitigen Stromes (Isek) regelt.
  8. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle zumindest eine Gleichstromspannungsquelle, vorzugsweise einen DC-DC-Konverter (1), und zumindest einen dazu parallel geschalteten Kondensator (2) aufweist.
  9. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Primärseite (15) der Zündspule (3) ein von der Regeleinrichtung (12) angesteuerter Schalter (4) vorgesehen ist, der zumindest einen ersten Schaltzustand, bei dem die Spannung der Spannungsquelle an der Zündspule (3) anliegt, und zumindest einen zweiten Schaltzustand, bei dem die Spannung der Spannungsquelle nicht an der Zündspule (3) anliegt, aufweist.
  10. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung mit Hilfe der Sekundärstrommesseinrichtung (7) den Verlauf des sekundärseitigen Stromes (Isek) hinsichtlich seiner Polarität und/oder seines Betrages auswertet.
  11. Zündeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) mit Hilfe der Sekundärstrommesseinrichtung (7) auswertet, ob der Betrag des sekundärseitigen Stromes (Isex) größer oder gleich eines vorgebbaren Mindestwertes ist oder nicht.
  12. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) dazu vorgesehen ist, die an der Primärseite (15) der Zündspule (12) angelegte Spannung zu unterbrechen oder zu reduzieren, wenn ein Betrag einer magnetischen Induktion B auf der Primärseite (15) der Zündspule (3) einen vorgebbaren Maximalwert überschreitet.
  13. Zündeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Maximalwert (Bmax) des Betrages der magnetischen Induktion B eine Obergrenze eines Arbeitsbereiches (17) ist, in dem ein zumindest annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Betrag der magnetischen Induktion B und einem primärseitigen Stromes (Ipri) besteht.
  14. Zündeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Maximalwert (Bmax) des Betrages der magnetischen Induktion B unterhalb des gesättigten Bereiches der Zündspule (3) liegt.
  15. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) den Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite (15) der Zündspule (3) indirekt über eine Bewertung einer Dauer von Einschaltzeit(en) und Ausschaltzeit(en) bestimmt, wobei während der Einschaltzeit(en) Spannungen der Spannungsquelle an der Primärseite (15) der Zündspule (3) anliegt und während der Ausschaltzeit(en) die Spannung der Spannungsquelle nicht an der Primärseite (15) der Zündspule (3) anliegt.
  16. Zündeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert eine vorgebbare Zeitspanne ist und die Regeleinrichtung diese Zeitspanne mit der Summe der Einschaltzeiten, vorzugsweise ab Beginn eines Zündvorgangs, abzüglich der Summe der Ausschaltzeiten, vorzugsweise ab Beginn des Zündvorgangs, vergleicht.
  17. Zündeinrichtung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung eine Primärstrommesseinrichtung (14) aufweist und die Regeleinrichtung (12) den Betrag der magnetischen Induktion B auf der Primärseite (15) der Zündspule (3) indirekt über eine Bewertung des primärseitigen Stromes (Ipri) bestimmt.
  18. Zündeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert ein vorgebbarer maximaler Stromwert ist und die Regeleinrichtung (12) diesen mit dem Betrag des primärseitigen Stromes (Ipri) vergleicht.
  19. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) im Anschluss an eine Unterbrechung oder eine Reduktion der an der Primärseite (15) der Zündspule (12) angelegten Spannung ein Wiedereinschalten bzw. Erhöhen der Spannung erst dann wieder zulässt oder einleitet, wenn der Betrag der magnetischen Induktion (B) auf der Primärseite (15) der Zündspule (12) den vorgebbaren Maximalwert (Bmax) oder einen vorgebbaren Wiedereinschaltsollwert unterschreitet.
  20. Zündeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (12) im Anschluss an eine Unterbrechung oder Reduktion der an der Primärseite (15) der Zündspule (12) angelegten Spannung ein Wiederanschalten bzw. Erhöhen der primärseitigen Spannung erst dann wieder zulässt, wenn eine Polarität des sekundärseitigen Stromes (Isek) wechselt.
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