EP3069010A1 - Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems - Google Patents

Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems

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Publication number
EP3069010A1
EP3069010A1 EP14786936.6A EP14786936A EP3069010A1 EP 3069010 A1 EP3069010 A1 EP 3069010A1 EP 14786936 A EP14786936 A EP 14786936A EP 3069010 A1 EP3069010 A1 EP 3069010A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
time
switch
boost converter
primary
Prior art date
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Pending
Application number
EP14786936.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Skowronek
Thomas Pawlak
Wolfgang Sinz
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3069010A1 publication Critical patent/EP3069010A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/15—Digital data processing
    • F02P5/1502—Digital data processing using one central computing unit
    • F02P5/1516—Digital data processing using one central computing unit with means relating to exhaust gas recirculation, e.g. turbo
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
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    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
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    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/121—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current by measuring spark voltage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Ignition system for an internal combustion engine comprising a first
  • the present invention relates to a corresponding ignition system.
  • the present invention relates to an adaptation of the
  • Ignition systems are used in the prior art to ignite an ignitable mixture in a combustion chamber of a spark-ignition internal combustion engine. For this purpose, a spark gap is acted upon by electrical energy or electrical voltage, in response to which ignited the sparking flammable mixture in the combustion chamber.
  • the main requirements of modern ignition systems arise indirectly from necessary emission and fuel reductions.
  • Appropriate engine solutions such as supercharging and lean / stratified operation (spray-guided direct injection) in combination with increased exhaust gas recirculation rates (EGR), are used to derive requirements for the ignition systems.
  • EGR exhaust gas recirculation rates
  • a high voltage generator generates the high voltage required for the high voltage breakdown at the spark plug.
  • a bypass eg in the form of a boost converter, provides energy to maintain the spark for continued mixture ignition. In this way, high spark energies can be optimized
  • Funkenstromverlauf be provided despite a reduced design of the ignition system.
  • an ignition system and a method for operating an ignition system. Both are characterized by being a major contributor to the delivery of a
  • the boost converter can already generate a voltage (in the course of switching off the primary voltage generator) before ignition (in the course of switching off the primary voltage generator) of the
  • Output voltage of the primary voltage generator is superimposed.
  • the inventive method for operating an ignition system is particularly suitable for a gasoline-powered internal combustion engine, since, for example, on Operational deposits on the spark plugs which constitute an electrical shunt and that provided by the ignition system
  • the ignition system comprises a primary voltage generator and a boost converter, wherein the boost converter primarily for
  • the method according to the invention is characterized by determining a voltage requirement for a device to be generated by means of the boost converter and by means of the primary voltage generator
  • the voltage supply for the generation of the spark may vary depending on a current operating state.
  • the on-time of the boost converter is changed to meter the voltage supply as needed. In this way, with a smaller primary voltage generator, a sufficient supply of electrical energy at the time of ignition can take place. For example, only from the variation of the operating conditions of
  • Isolation costs may be lower, which allows a more cost-effective production.
  • the installation space of the ignition transformer can thus be reduced.
  • the operation of the boost converter thus provides the advantage of a higher voltage supply by which the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (e.g., the ignition transformer) is assisted. In this way, the primary voltage generator (
  • the determination of the voltage requirement preferably comprises measuring an output voltage or a corresponding measurement voltage applied across the spark gap. This can be done for example by a shunt.
  • the voltage determination can, for example, by means of an electronic
  • determining the voltage requirement comprises comparing a measured electrical parameter of an output voltage applied across the spark gap or a corresponding measurement voltage or a signal received from an electronic control unit with an associated reference.
  • a measured electrical parameter of an output voltage applied across the spark gap or a corresponding measurement voltage or a signal received from an electronic control unit with an associated reference.
  • an actual electrical quantity can be determined or an expected characteristic variable can be assumed for a determined operating state without again determining the characteristic itself.
  • the latter procedure is often referred to as
  • the reference can for example be taken from a memory means which for example identifies threshold values at which the ignition voltage should be lowered and below which the ignition voltage should be increased a subsequent, especially immediate
  • ignition cycle of the switch-on of the boost converter to be modified.
  • the transmitter determines signals for the control of the operation of the internal combustion engine and provides.
  • the comparison of measured values or Control signals with individual references or threshold values represents a simple mathematical operation which is cost-effective and space-saving to implement in terms of circuitry.
  • the method comprises the step of classifying the electrical parameter by assigning a measured value for the electrical characteristic to a predefined characteristic interval, for example within a memory means of the ignition system.
  • the ignition system can be set up to associate appropriate characteristic-value classes with suitable switch-on times for the boost converter. The switch-on times can, for example, within a storage means of the ignition system of the respective
  • Characteristic class be assigned and applied in response to a classification in a determination of the switch-on of the boost converter. Again this operation is a little elaborate and
  • the determination of the parameter takes place within an electronic circuit, within an analog circuit, within a microcontroller, within a field programmable gate array (FPGA) and / or an ASIC of the ignition system.
  • the aforementioned electronic components are sometimes arranged in the region of each ignition system for controlling the ignition process. Therefore, an implementation of the present invention is possible in this way without additional hardware.
  • the change of the switch-on takes place in response to a reduced voltage requirement for a successful ignition. If the switch-on of the boost converter against the time of switching off the primary voltage generator is delayed, the
  • the voltage requirement is determined by determining a predetermined operating state of an internal combustion engine, wherein the predetermined operating state is assigned a predetermined switch-on or alternatively a predetermined voltage requirement.
  • the second alternative has the advantage that the switch-on time is adjusted by means of a control and thus the voltage requirement is more optimally adjustable, this control being provided in an internal electronic component of the ignition system.
  • the ignition system with which the method according to the invention is carried out comprises a step-up converter for increasing a high-voltage supply for a high voltage to be generated by means of a primary voltage generator.
  • the ignition system is characterized by means for determining a
  • the funds can be one
  • the ignition system comprises means for varying a switch-on time of the boost converter in response to a determined change in voltage demand. These means are set up according to the voltage requirement the switch-on time of
  • Boost converter for example, compared to the crank angle of
  • the ignition system comprises a shunt, by means of which it is arranged to perform a voltage measurement in order to obtain a voltage requirement determine.
  • the measurement may be made in a first ignition cycle and the change of the switch-on time may be made with respect to a subsequent ignition cycle.
  • the voltage measurement across the shunt can be made, for example, via an electronic circuit, an analog circuit, a microcontroller, an FPGA and / or an ASIC of the ignition system.
  • electrical characteristic voltages come into question. Since current ignition systems include the aforementioned components individually or in combination on each combustion chamber or on each spark plug, the realization of the ignition system according to the invention can be implemented with minimal or entirely no additional hardware outlay.
  • the ignition system additionally has storage means, by means of which it is set up, the current voltage requirement for generating a
  • the voltage requirement measured in the current operating state can be compared with voltage requirement classes within the storage means.
  • the storage means may also provide predefined switch-on times for the boost converter, which are suitable for the respective voltage requirement classes
  • Figure 1 is a circuit diagram of an embodiment of a
  • Figures 3a, 3b are timing diagrams of electrical characteristics, as in the
  • FIGS. 3c, 3d show timing diagrams of electrical characteristics that may occur during operation of the ignition system shown in FIG. 1; and
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating steps of a
  • FIG. 1 shows a circuit of an ignition system 1, which has a
  • Step-up transformer 2 comprises as a high voltage generator whose
  • Primary side 3 can be supplied from an electrical energy source 5 via a first switch 30 with electrical energy.
  • the step-up transformer 2 consisting of a primary coil 8 and a secondary coil 9 may also be referred to as the first voltage generator or primary voltage generator.
  • a fuse 26 is provided.
  • a capacitance 17 is provided parallel to the input of the circuit or parallel to the electrical energy source 5.
  • the secondary side 4 of the step-up transformer 2 is powered by an inductive coupling of the primary coil 8 and the secondary coil 9 with electrical energy and has a known from the prior art diode 23 for Einschaltfunkenunterd Wegung, which diode may alternatively be replaced by the diode 21.
  • a spark gap 6 is provided against an electrical ground 14, via which the ignition current i 2 should ignite the combustible gas mixture.
  • a boost converter 7 is between the electric power source 5 and the
  • Secondary side 4 of the step-up transformer 2 is provided and has an inductance 15, a switch 27, a capacitor 10 and a diode 16.
  • the inductance 15 is provided in the form of a transformer having a primary side 15 1 and a secondary side 15_2.
  • Inductance 15 serves as an energy store in order to maintain a current flow.
  • Connection of the secondary side 15 2 of the transformer is direct without switch connected to the diode 16, which in turn is connected via a node to a terminal of the capacitor 10.
  • This terminal of the capacitor 10 is connected to the secondary coil 9 and another terminal of the capacitor 10 is connected to the electrical ground 14.
  • the output power of the boost converter is fed via the node on the diode 16 in the ignition system and the spark gap 6 is provided.
  • the diode 16 is oriented in the direction of the capacitance 10 conductive. Due to the transmission ratio, a switching operation by the switch 27 in the branch of the primary side 15_1 also acts on the secondary side 15_2. However, since current and voltage according to the gear ratio on one side are higher or lower than on the other side of the transformer, can be found for switching operations more favorable dimensions for the switch 27.
  • the switch 27 is controlled via a drive 24, which is connected via a driver 25 to the switch 27.
  • a shunt 19 as current measuring means or
  • the measuring signal is supplied to the switch 27.
  • the switch 27 is configured to respond to a defined range of the current i 2 through the secondary coil 9.
  • a Zener diode 21 is connected in the reverse direction parallel to the capacitor 10.
  • the control 24 receives a control signal S H ss- About this, the supply of energy via the boost converter 7 in the secondary side and are turned off. It can also the
  • Power of the introduced by the boost converter or in the spark gap electrical quantity for example via the frequency and / or the pulse-pause ratio can be controlled via a suitable control signal S H ss.
  • a switch-on time can be shifted via the control signal S H ss when the energy requirement of the spark gap changes.
  • a switching signal 32 is indicated, by means of which the switch 27 can be controlled via the driver 25.
  • the switch 27 When the switch 27 is closed, the inductance 15 is supplied via the electrical energy source 5 with a current which flows directly into the electrical ground 14 when the switch 27 is closed. With open switch 27, the current through the inductor 15 via the
  • Diode 16 is passed to the capacitor 10.
  • the voltage in response to the current in the capacitor 10 adjusting voltage adds to the above Secondary coil 9 of the step-up transformer 2 dropping voltage, whereby the arc is supported on the spark gap 6.
  • the capacitor 10 discharges, so that 27 energy can be brought into the magnetic field of the inductor 15 by closing the switch to 27 to recharge this energy to the capacitor 10 at a reopening of the switch.
  • the control 31 of the provided in the primary side 3 switch 30 is kept significantly shorter than this by the
  • Switching signal 32 for the switch 27 is the case.
  • Upshooter 7 supplied energy is passed through a further node directly to the spark gap 6, without passing through the secondary coil 9 of the
  • the output voltage applied to the output terminal corresponds to the voltage supply of the ignition system.
  • An inventive determination of a voltage requirement for the generation of a spark is by an information technology connection of the
  • Motor control unit (MSG) 40 possible, which receives a first signal S 4o for setting an operating point of an internal combustion engine and outputs a corresponding second signal S 40 'to a microcontroller 42.
  • the microcontroller 42 is further connected to a memory 41, from which references in the form of limit values for classes of voltage offers for the current or future required electrical voltage for generating the spark can be read out.
  • the microcontroller 42 is set up to influence the switch-on time of the boost converter 7, the driver 24 is modified as needed or time-wise
  • Switching signal 32 powered.
  • the boost converter 7 in Sooner or later responses to the receipt of the changed switching signal 32 are turned on, so that the voltage across the capacitor 10 at the turn-off time of the switch 30 is lower or higher, so that the generation of the spark can be made safer or less wear.
  • FIG. 2 shows time diagrams for a) the ignition coil current i zs , b) the associated boost converter current i H ss, c) the output voltage over the
  • Switching signal 32 of switch 27 In detail: Diagram a) shows a short and steep rise of the primary coil current i zs , which occurs during the time in which the switch 30 is in the on state ("ON", see diagram 3e). With turning off the switch 30 also falls
  • Diagram b) also illustrates the current consumption of the boost converter 7 according to the invention, which comes about through a pulse-shaped actuation of the switch 27.
  • clock rates in the range of several tens of kHz have proved to be suitable as switching frequencies, in order to achieve appropriate voltages on the one hand and acceptable ones on the other hand
  • Diagram c) shows the course 34 of the voltage setting in the spark gap 6 during operation according to the invention.
  • Diagram d) shows the courses of the
  • Step-up transformer stored magnetic energy in the form of a
  • Switch 27 is now also the secondary coil current ⁇ 2 against 0 A from. It can be seen from diagram d) that the falling edge is delayed by the use of the boost converter 7.
  • the total time period during which the boost converter is used is indicated as t H ss and the time duration during which power is given to the upstream side of the step-up transformer 2 is t.
  • the starting time of t H ss opposite t can be chosen variable.
  • an additional DC-DC converter (not shown) that supplied by the electrical energy source
  • FIGS. 3a to 3d show timing diagrams of electrical variables which may occur during operation of the ignition system shown in FIG. 1, with no spark gap 6 being used on the output side, but an ohmic-capacitive load. There is thus no spark break.
  • the maximum value of the output voltage - the high-voltage supply - is decisive for the following signal curves.
  • FIG. 3 a shows a time diagram of electrical quantities as used in the operation of the in
  • Figure 1 can occur ignition system.
  • FIG. 3 b shows a time diagram of electrical quantities as they are used in the operation of the in
  • FIG. 3b shows a temporal section of the signal curve of the output voltage U a2 shown in FIG. 3a after the switch-off time t a of the primary-side current through the
  • FIG. 3 c shows a time diagram of electrical variables which may occur during operation of the ignition system shown in FIG.
  • the switch-t e of the boost converter with respect to the switch-off time t a of the primary-side current by the primary voltage generating brought forward. Accordingly, the output voltage U a 2 increases between the times 1, 0 ms to 1, 5 ms even before the switch-off time t a , so that already at the switch-off time t a the
  • FIG. 3d shows a time diagram of electrical variables which may occur during operation of the ignition system shown in FIG.
  • FIG. 3d shows a section of the time range shown in FIG. 3c. From this representation, it becomes even clearer how the advanced switch-on time t e of the
  • FIG. 4 shows a flowchart illustrating steps of a
  • step 100 a voltage requirement for one of the ignition system by means of
  • a measurement of an electrical operating variable of the ignition system during a first ignition cycle is performed and the determined value is compared in step 200 with a stored reference.
  • the reference which can be stored, for example, as an operating parameter class assigned to the measured values, is entered
  • Switching time of the boost converter with respect to a second ignition cycle 'changed accordingly may be earlier or later than before and compared to a crankshaft angle of the Internal combustion engine or against the switch-off of the
  • Primary voltage generator can be defined. By the changed
  • the voltage requirement of the ignition system can be determined by the current operating condition of the internal combustion engine is determined, wherein the predetermined operating state is assigned a predetermined switch-on or a predetermined voltage requirement.
  • the operating state is defined, for example, by one or more operating parameters of the internal combustion engine, for example, type of mixture formation, current
  • Combustion process Charging state, torque, power, speed,
  • the voltage requirement in step 100 can be determined by measuring an output voltage applied across the spark gap or a corresponding voltage, the maximum value of the output voltage measured in a predetermined time period being equal to the output voltage
  • the predetermined period is in particular the
  • Output voltage corresponding voltage can be measured for example on the primary side 3 of the step-up transformer 2 or the shunt 19.
  • step 200 a voltage supply for the spark to be determined is compared with the determined voltage requirement. In this case, it is determined whether an excess condition is satisfied by checking whether the amount of the voltage supply exceeds the amount of the voltage requirement by at least a predetermined voltage difference.
  • comparing the determined voltage supply with the determined voltage requirement in step 200 it is determined whether an excess condition is satisfied by checking whether the determined voltage supply exceeds the determined voltage requirement by at least a predetermined voltage difference.
  • the predetermined voltage difference is, for example, in the range between 2 and 10 kV, in particular 5 kV.
  • the turn-on time te in step 300 becomes a relative to the turn-off time point ta of FIG
  • Primary voltage generator 2 earlier time changed to reliably generate a sparkover.
  • step 300 the switch-on time of the boost converter 7 is thus dependent on the determined voltage requirement and / or depending on the determined
  • Primary voltage generator 2 earlier or later changed.
  • the switch-on time t e is changed to an earlier time relative to the switch-off time t a of the primary voltage generator 2.
  • the changing of the switch-on time t e is carried out in predetermined stages.
  • the switch-on of the boost converter 7 is determined in each case by the time at which the switch 27 of the boost converter 7 begins to switch clocking.
  • the voltage supply can be determined by measuring an output voltage applied across the spark gap or a corresponding corresponding voltage. The gradient of the measured
  • the voltage supply can be calculated from the measured output voltage and / or the gradient of the
  • Output voltage can be derived quantitatively.
  • the voltage supply can be determined by determining suitable influencing variables of the ignition system, for example by determining the temperature of a primary winding of the primary voltage generator and / or the primary current flowing through the primary winding.
  • Voltage offer can by means of the influencing variables over a Model, a lookup table or via formulas or algorithms.
  • the temperature of the primary winding can be measured directly or indirectly by a temperature sensor, for example on the primary winding, for example, from a cooling water temperature of an internal combustion engine.
  • a computer program may be provided which is set up to carry out all described steps of the method according to the invention.
  • the computer program is stored on a storage medium.
  • the method according to the invention can be controlled by an ASIC or microcontroller provided in the ignition system, which is set up to carry out all the described steps of the method according to the invention.

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Abstract

Es werden ein Zündsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine umfassend einen Primärspannungserzeuger und einen Hochsetzsteller zum Erzeugen eines Zündfunkens vorgeschlagen. Erfindungsgemäß folgt einem Ermitteln eines Spannungsbedarfes für den Zündfunken ein Verändern eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers relativ zu einem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers.

Description

Beschreibung
Titel
Zündsvstem und Verfahren zum Betreiben eines Zündsvstems Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Zündsystems für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen ersten
Spannungserzeuger („Primärspannungserzeuger") und einen Hochsetzsteller. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Zündsystem.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Anpassung des
Hochspannungsangebotes zur Erzeugung eines Zündfunkens mittels des Hochsetzstellers. Zündsysteme werden im Stand der Technik verwendet, um zündfähiges Gemisch in einer Brennkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu entzünden. Hierzu wird eine Zündfunkenstrecke mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischer Spannung beaufschlagt, im Ansprechen worauf der sich ausbildende Zündfunke das brennfähige Gemisch im Brennraum entzündet. Die Hauptanforderungen an moderne Zündsysteme ergeben sich indirekt aus notwendigen Emissions- und Kraftstoffreduzierungen. Aus entsprechenden motorischen Lösungsansätzen, wie Hochaufladung und Mager- /Schichtbetrieb (strahlgeführte Direkteinspritzung) in Kombination mit erhöhten Abgasrückführraten (AGR), leiten sich Anforderungen an die Zündsysteme ab. Die Darstellung erhöhter Zündspannungs- und Energiebedarfe bei erhöhten
Temperaturanforderungen sind notwendig. Bei konventionellen induktiven Zündsystemen muss die gesamte zur Entflammung notwendige Energie in der Zündspule zwischengespeichert werden. Bei den hohen Anforderungen bezüglich der Zündfunkenenergie ergibt sich eine große Bauform der Zündspule. Dies steht mit den Anforderungen an geringe Bauräume heutiger
Motorenkonzepte („Downsizing") in Konflikt. In einer früheren Anmeldung der Anmelderin wurden zwei Hauptfunktionen des Zündsystems durch unterschiedliche Baugruppen übernommen. Ein Hochspannungserzeuger generiert die für den Hochspannungsdurchschlag an der Zündkerze erforderliche Hochspannung. Ein Bypass, z.B. in Form eines Hochsetzstellers, stellt Energie zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens zur fortgeführten Gemischentflammung bereit. Auf diese Weise können hohe Funkenenergien bei optimiertem
Funkenstromverlauf trotz einer reduzierten Bauform des Zündsystems bereitgestellt werden.
Moderne und zukünftige motorische Brenn verfahren profitieren von stark erhöhten Zündspannungen. Insbesondere hochaufgeladene Motorenkonzepte sind auf die Bereitstellung erhöhter Zündspannungsangebote angewiesen. Der Gestaltung des Zündspannungsangebotes sind durch aktuelle Zündsysteme jedoch enge Grenzen gesetzt, da ein und derselbe Primärspannungserzeuger für die Bereitstellung der zur Zündung erforderlichen Hochspannung wie auch zur Speicherung der für den weiteren Aufrechterhalt des Zündvorgangs
erforderlichen Energie dient. Würden die erforderlichen Zündspannungsverläufe allein durch herkömmliche Primärspannungserzeuger bereitgestellt, würde sich für diese zudem eine Bauform ergeben, welche dem Trend zur Verkleinerung der Aggregate („Downsizing") entgegenstünde.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorgenannten Zielkonflikt aufzulösen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorstehend genannte Bedarf wird erfindungsgemäß durch ein Zündsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems gestillt. Beide zeichnen sich dadurch aus, dass ein Hauptbeitrag für die Bereitstellung einer
Zündfunkenspannung durch einen ersten Spannungserzeuger
(„Primärspannungserzeuger"), beispielsweise in Form eines Zündtrafos, bereitgestellt wird, welcher abhängig von einem Hochspannungsbedarf an der Zündkerze durch einen Hochsetzsteller überlagert wird. Erfindungsgemäß kann der Hochsetzsteller bereits vor dem Zünden (im Zuge des Abschaltens des Primärspannungserzeugers) eine Spannung erzeugen, welche der
Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers überlagert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems ist für eine benzinbetriebene Brennkraftmaschine besonders geeignet, da beispielsweise auf betriebsbedingte Ablagerungen auf den Zündkerzen, welche einen elektrischen Nebenschluss darstellen und das vom Zündsystem bereitgestellte
Spannungsangebot somit verringern, reagiert werden kann. Zudem ist eine besonders geeignete Anwendung bei hochaufgeladenen Brennverfahren (Turboaufladung) möglich, da die hohen Ladedrücke eine hohe Zündspannung erforderlich machen. Das Zündsystem umfasst einen Primärspannungserzeuger und einen Hochsetzsteller, wobei der Hochsetzsteller in erster Linie zum
Aufrechterhalten eines mittels des Primärspannungserzeugers erzeugten Funkens eingerichtet ist. Darüber hinaus kann über den Hochsetzsteller
Bordnetzenergie auf ein geeignetes Spannungsniveau gebracht und der
Funkenstrecke zugeführt werden. Diese Spannung überlagert sich somit während des Spannungsaufbaus des Zündtrafos und leitet somit den
Funkendurchbruch an der Funkenstrecke ein. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch ein Ermitteln eines Spannungsbedarfes für einen mittels des Hochsetzstellers und mittels des Primärspannungserzeugers zu erzeugenden
Zündfunken aus. Mit anderen Worten kann in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes das Spannungsangebot für die Erzeugung des Zündfunkens variieren. Im Ansprechen darauf wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers verändert, um das Spannungsangebot bedarfsgerecht zu dosieren. Auf diese Weise kann mit einem kleineren Primärspannungserzeuger eine noch hinreichende Bereitstellung elektrischer Energie zum Zündzeitpunkt erfolgen. Beispielsweise allein aus der Variation der Betriebszustände des
Primärspannungserzeugers einerseits und des Hochsetzstellers andererseits kann die an der Zündfunkenstrecke zur Verfügung stehende Energie
erfindungsgemäß angepasst werden. Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen
Bauteile beider vorgenannter Komponenten geringer ausfallen und
Isolationsaufwände geringer ausfallen können, was eine kostengünstigere Produktion ermöglicht. Insbesondere kann somit der Bauraum des Zündtrafos reduziert werden.
Durch den Betrieb des Hochsetzstellers ergibt sich somit der Vorteil eines höheren Spannungsangebotes, durch welches der Primärspannungserzeuger (z.B. der Zündtrafo) unterstützt wird. Auf diese Weise kann der
Primärspannungserzeuger selbst einerseits bei gleichem Spannungsangebot kleiner dimensioniert werden oder andererseits bei gleicher Dimensionierung an einem höheren Spannungsangebot des Zündsystems teilhaben. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Hochsetzstellerbetriebes erhöht sich darüber hinaus aufgrund des höheren Innenwiderstandes des Hochsetzstellers die Nebenschlussfestigkeit des Zündsystems. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt umfasst das Ermitteln des Spannungsbedarfes ein Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung. Dies kann beispielsweise durch einen Shunt erfolgen. Die Spannungsermittlung kann beispielsweise mit Hilfe einer elektronischen
Schaltung, mit Hilfe eines analogen elektrischen Schaltkreises, mit Hilfe eines Field Programmable Gate Array (FPGA) oder mit Hilfe eines ASIC innerhalb des Zündsystems erfolgen. Auf diese Weise ist ein geringer bzw. kein zusätzlicher Hardware-Aufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich.
Weiter bevorzugt umfasst das Ermitteln des Spannungsbedarfes ein Vergleichen einer gemessenen elektrischen Kenngröße einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung oder eines von einem elektronischen Steuergerät empfangenen Signals mit einer zugeordneten Referenz. Mit anderen Worten kann entweder eine tatsächlich vorliegende elektrische Größe ermittelt oder eine erwartete Kenngröße für einen ermittelten Betriebszustand angenommen werden, ohne die Kenngröße selbst erneut zu ermitteln. Letztere Verfahrensweise wird häufig auch als
„Parametrieren" der Kenngröße bezeichnet. Die Referenz kann beispielsweise einem Speichermittel entnommen werden. Diese kennzeichnet beispielsweise Schwellenwerte beim Überschreiten welcher die Zündspannung gesenkt werden sollte und beim Unterschreiten welcher die Zündspannung erhöht werden sollte. Beispielsweise kann in einem ersten Zündzyklus ein Spannungsbedarf ermittelt werden und in einem darauffolgenden, insbesondere unmittelbar
darauffolgenden, Zündzyklus der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers modifiziert werden. Beispielsweise können Schwellenwerte in Form von
Zündspannungsbedarfen als elektrische Kenngrößen abgespeichert und mit ermittelten Kenngrößen verglichen werden. Als das elektronische Steuergerät kann beispielsweise ein Motorsteuergerät oder ein Zündsteuergerät verwendet werden, dessen Auswerteelektronik Signale für die Steuerung des Betriebes der Brennkraftmaschine ermittelt und bereitstellt. Der Vergleich von Messwerten oder Steuersignalen mit einzelnen Referenzen bzw. Schwellenwerten stellt eine einfache mathematische Operation dar, die schaltungstechnisch kostengünstig und platzsparend zu implementieren ist. Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt eines Klassifizierens der elektrischen Kenngröße, indem ein Messwert für die elektrische Kenngröße einem vordefinierten Kenngrößenintervall z.B. innerhalb eines Speichermittels des Zündsystems zugeordnet wird. Dabei kann das Zündsystem eingerichtet sein, jeweiligen Kenngrößenklassen geeignete Einschaltzeitpunkte für den Hochsetzsteller zuzuordnen. Die Einschaltzeitpunkte können beispielsweise innerhalb eines Speichermittels des Zündsystems der jeweiligen
Kenngrößenklasse zugeordnet sein und im Ansprechen auf ein Klassifizieren bei einer Bestimmung des Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers angewendet werden. Auch diese Operation ist eine wenig aufwendige und
schaltungstechnisch einfach und schnell realisierbare Möglichkeit zur
Implementierung der vorliegenden Erfindung.
Weiter bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Kenngröße innerhalb einer elektronischen Schaltung, innerhalb eines analogen Schaltkreises, innerhalb eines MikroControllers, innerhalb eines Field Programmable Gate Array (FPGA) und/oder eines ASICs des Zündsystems. Die vorgenannten elektronischen Bauelemente sind mitunter im Bereich eines jeden Zündsystems zur Steuerung des Zündvorgangs angeordnet. Daher ist eine Implementierung der vorliegenden Erfindung auf diese Weise ohne zusätzlichen Hardwareaufwand möglich.
Weiter bevorzugt erfolgt das Verändern des Einschaltzeitpunktes im Ansprechen auf einen verminderten Spannungsbedarf für eine erfolgreiche Zündung. Wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers gegenüber dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers verzögert, wird die
Ausgangsspannung des Hochsetzstellers zum Ausschaltzeitpunkt des
Primärspannungserzeugers verringert, was zu einer Verringerung der entsprechenden elektrischen Größe an der Funkenstrecke führt. Im umgekehrten Fall führt im Ansprechen auf einen erhöhten Spannungsbedarf ein gegenüber dem Zeitpunkt eines Abschaltens des Primärspannungserzeugers zeitlich vorgezogenes Einschalten des Hochsetzstellers zu einer Erhöhung der
Ausgangsspannung des Hochsetzstellers. Auf diese Weise kann das
bereitgestellte Zündspannungsangebot in geeigneter Weise angepasst werden. Vorteilhaft ist, wenn der Spannungsbedarf ermittelt wird durch Ermitteln eines vorbestimmten Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine, wobei dem vorbestimmten Betriebszustand ein vorbestimmter Einschaltzeitpunkt oder alternativ ein vorbestimmter Spannungsbedarf zugeordnet ist. Die erste
Alternative hat den Vorteil, dass sich der Einschaltzeitpunkt unmittelbar aus dem Betriebszustand ableitet und dass dadurch der Aufwand innerhalb des
Zündsystems reduziert wird, da die Steuerung in einem externen Steuergerät, beispielweise einem Motorsteuergerät, vorgesehen ist. Die zweite Alternative hat den Vorteil, dass der Einschaltzeitpunkt mittels einer Regelung eingestellt und so der Spannungsbedarf optimaler einstellbar ist, wobei diese Regelung in einem internen Elektronikbaustein des Zündsystems vorgesehen ist.
Das Zündsystem, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, umfasst einen Hochsetzsteller zum Erhöhen eines Hochspannungsangebotes für eine mittels eines Primärspannungserzeugers zu erzeugenden Hochspannung. Das Zündsystem kennzeichnet sich durch Mittel zum Ermitteln eines
Spannungsbedarfes für das mittels des Zündsystems zu erzeugenden
Spannungsangebotes aus. Mit anderen Worten, können die Mittel eine
Betriebszustandsveränderung des Zündsystems bzw. der Brennkraftmaschine ermitteln, im Ansprechen auf welche die Zündkerze mit einem veränderten Spannungsangebot zu versorgen ist, um zuverlässig einen Funkenüberschlag zu erzeugen. Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Zündsystem Mittel zum Verändern eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers im Ansprechen auf eine ermittelte Spannungsbedarfsänderung. Diese Mittel sind eingerichtet, entsprechend dem Spannungsbedarf den Einschaltzeitpunkt des
Hochsetzstellers beispielsweise gegenüber dem Kurbelwinkel der
Brennkraftmaschine oder dem Abschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers zu justieren, um der Funkenstrecke eine bedarfsgerechte Hochspannung zur Erzeugung des Zündfunkenüberschlages zuzuführen. Die Merkmale,
Merkmalskombinationen und die sich daraus ergebenden Vorteile entsprechen im Wesentlichen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Bevorzugt umfasst das Zündsystem einen Shunt, mittels welchem es eingerichtet ist, eine Spannungsmessung durchzuführen, um einen Spannungsbedarf zu ermitteln. Die Messung kann in einem ersten Zündzyklus und die Veränderung des Einschaltzeitpunktes kann bezüglich eines darauffolgenden Zündzyklus vorgenommen werden. Die Spannungsmessung über dem Shunt kann beispielsweise über eine elektronische Schaltung, einen analogen Schaltkreis, einen MikroController, einen FPGA und/oder einen ASIC des Zündsystems erfolgen. Als zu ermittelnde elektrische Kenngröße kommen Spannungen in Frage. Da aktuelle Zündsysteme die vorgenannten Komponenten einzeln oder in Kombination an einer jeden Brennkammer oder an jeder Zündkerze, umfassen, kann die Realisierung des erfindungsgemäßen Zündsystems mit minimalem oder gänzlich ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand realisiert werden.
Bevorzugt weist das Zündsystem zusätzlich Speichermittel auf, mittels welcher es eingerichtet ist, den aktuellen Spannungsbedarf zur Erzeugung eines
Zündfunkens zu klassifizieren. Mit anderen Worten kann der im aktuellen Betriebszustand gemessene Spannungsbedarf mit Spannungsbedarfsklassen innerhalb der Speichermittel verglichen werden. Die Speichermittel können zudem vordefinierte Einschaltzeitpunkte für den Hochsetzsteller bereithalten, welche sich als geeignet für die jeweiligen Spannungsbedarfsklassen
herausgestellt haben. Auf diese Weise ist eine einfache und schaltungstechnisch kostengünstige Realisierung eines erfindungsgemäßen Zündsystems möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Zündsystems;
Figur 2 Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen wie sie beim
Betrieb des in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können;
Figuren 3a, 3b Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen, wie sie beim
erfindungsgemäßen Betrieb des in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können; Figuren 3c, 3d Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen, wie sie beim Betrieb des in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können; und Figur 4 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt eine Schaltung eines Zündsystems 1 , welches einen
Aufwärtstransformator 2 als Hochspannungserzeuger umfasst, dessen
Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Der Aufwärtstransformator 2 bestehend aus einer Primärspule 8 und einer Sekundärspule 9 kann auch als erster Spannungserzeuger oder Primärspannungserzeuger bezeichnet werden.
Am Eingang der Schaltung, mit anderen Worten also am Anschluss zur elektrischen Energiequelle 5, ist eine Sicherung 26 vorgesehen. Zur
Stabilisierung der Eingangsspannung ist darüber hinaus eine Kapazität 17 parallel zum Eingang der Schaltung bzw. parallel zur elektrischen Energiequelle 5 vorgesehen. Die Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 wird über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 mit elektrischer Energie versorgt und weist eine aus dem Stand der Technik bekannte Diode 23 zur Einschaltfunkenunterdrückung auf, wobei diese Diode alternativ durch die Diode 21 ersetzt werden kann. In einer Masche mit der Sekundärspule 9 und der Diode 23 ist eine Funkenstrecke 6 gegen eine elektrische Masse 14 vorgesehen, über welche der Zündstrom i2 das brennfähige Gasgemisch entflammen soll. Ein Hochsetzsteller 7 ist zwischen der elektrischen Energiequelle 5 und der
Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 vorgesehen und weist eine Induktivität 15, einen Schalter 27, eine Kapazität 10 und eine Diode 16 auf. In dem Hochsetzsteller 7 ist die Induktivität 15 in Form eines Transformators mit einer Primärseite 15 1 und einer Sekundärseite 15_2 vorgesehen. Die
Induktivität 15 dient hierbei als Energiespeicher, um einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Zwei erste Anschlüsse der Primärseite 15 1 und der Sekundärseite
15_2 des Transformators sind jeweils mit der elektrischen Energiequelle 5 bzw. der Sicherung 26 verbunden. Dabei ist ein zweiter Anschluss der Primärseite
15 1 über den Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Ein zweiter
Anschluss der Sekundärseite 15 2 des Transformators ist ohne Schalter direkt mit der Diode 16 verbunden, die wiederum über einen Knotenpunkt mit einem Anschluss der Kapazität 10 verbunden ist. Dieser Anschluss der Kapazität 10 ist mit der Sekundärspule 9 und ein anderer Anschluss der Kapazität 10 ist mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Die Ausgangsleistung des Hochsetzstellers wird über den Knotenpunkt an der Diode 16 in das Zündsystem eingespeist und der Funkenstrecke 6 zur Verfügung gestellt.
Die Diode 16 ist in Richtung der Kapazität 10 leitfähig orientiert. Aufgrund des Übertragungsverhältnisses wirkt ein Schaltvorgang durch den Schalter 27 im Zweig der Primärseite 15_1 auch auf der Sekundärseite 15_2. Da jedoch Strom und Spannung gemäß dem Übersetzungsverhältnis auf der einen Seite höher bzw. niedriger als auf der anderen Seite des Transformators sind, lassen sich für Schaltvorgänge günstigere Dimensionierungen für den Schalter 27 finden.
Beispielsweise können geringere Schaltspannungen realisiert werden, wodurch die Dimensionierung des Schalters 27 einfacher und kostengünstiger möglich ist.
Gesteuert wird der Schalter 27 über eine Ansteuerung 24, welche über einen Treiber 25 mit dem Schalter 27 verbunden ist. Zwischen der Kapazität 10 und der Sekundärspule 9 ist ein Shunt 19 als Strommessmittel oder
Spannungsmessmittel vorgesehen, dessen Messsignal dem Schalter 27 zugeführt wird. Auf diese Weise ist der Schalter 27 eingerichtet, auf einen definierten Bereich der Stromstärke i2 durch die Sekundärspule 9 zu reagieren. Zur Absicherung der Kapazität 10 ist eine Zenerdiode 21 in Sperrrichtung parallel zur Kapazität 10 geschaltet. Überdies erhält die Ansteuerung 24 ein Steuersignal SHss- Über dieses kann die Einspeisung von Energie über den Hochsetzsteller 7 in die Sekundärseite ein- und ausgeschaltet werden. Dabei kann auch die
Leistung der durch den Hochsetzsteller bzw. in die Funkenstrecke eingebrachten elektrischen Größe, beispielsweise über die Frequenz und/oder das Puls-Pause- Verhältnis über ein geeignetes Steuersignal SHss gesteuert werden. Zudem kann über das Steuersignal SHss erfindungsgemäß ein Einschaltzeitpunkt verschoben werden, wenn sich der Energiebedarf der Zündfunkenstrecke ändert. Des
Weiteren ist ein Schaltsignal 32 angedeutet, mittels dessen der Schalter 27 über den Treiber 25 angesteuert werden kann. Bei geschlossenem Schalter 27 wird die Induktivität 15 über die elektrische Energiequelle 5 mit einem Strom versorgt, welcher bei geschlossenem Schalter 27 unmittelbar in die elektrische Masse 14 fließt. Bei offenem Schalter 27 wird der Strom durch die Induktivität 15 über die
Diode 16 auf den Kondensator 10 geleitet. Die sich im Ansprechen auf den Strom im Kondensator 10 einstellende Spannung addiert sich zu der über der Sekundärspule 9 des Aufwärtstransformators 2 abfallenden Spannung, wodurch der Lichtbogen an der Funkenstrecke 6 gestützt wird. Dabei entlädt sich jedoch der Kondensator 10, so dass durch Schließen des Schalters 27 Energie in das magnetische Feld der Induktivität 15 gebracht werden kann, um bei einem erneuten Öffnen des Schalters 27 diese Energie wieder auf den Kondensator 10 zu laden. Erkennbar wird die Ansteuerung 31 des in der Primärseite 3 vorgesehenen Schalters 30 deutlich kürzer gehalten, als dies durch das
Schaltsignal 32 für den Schalter 27 der Fall ist. Optional kann ein nichtlinearer Zweipol, durch eine gestrichelt dargestellte Hochspannungsdiode 33
symbolisiert, der sekundärseitigen Spule 9 des Hochsetzstellers 7 parallel geschaltet werden. Diese Hochspannungsdiode 33 überbrückt den
Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den
Hochsetzsteller 7 gelieferte Energie über einen weiteren Knotenpunkt direkt an die Funkenstrecke 6 geführt wird, ohne durch die Sekundärspule 9 des
Hochspannungserzeugers 2 geführt zu werden. Somit entstehen keine Verluste über der Sekundärspule 9 und der Wirkungsgrad steigt.
In Fig.1 ist zwischen der Funkenstrecke 6 und dem weiteren Knotenpunkt eine Ausgangsklemme eingezeichnet, an der die Ausgangsspannung des
Zündsystems bzw. die über der Funkenstrecke anliegende Ausgangsspannung messbar ist. Die an der Ausgangsklemme anliegende Ausgangsspannung entspricht dem Spannungsangebot des Zündsystems.
Eine erfindungsgemäße Ermittlung eines Spannungsbedarfes für die Erzeugung eines Zündfunkens ist durch eine informationstechnische Anbindung des
Motorsteuergerätes (MSG) 40 möglich, welches ein erstes Signal S 4o zur Einstellung eines Betriebspunktes einer Brennkraftmaschine erhält und ein korrespondierendes zweites Signal S40' an einen MikroController 42 ausgibt. Der MikroController 42 ist weiter an einen Speicher 41 angebunden, aus welchem Referenzen in Form von Grenzwerten für Klassen von Spannungsangeboten für die aktuell oder zukünftig erforderliche elektrische Spannung zur Erzeugung des Zündfunkens ausgelesen werden können. Der MikroController 42 ist zur Beeinflussung des Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers 7 eingerichtet, die Ansteuerung 24 mit einem bedarfsgemäß modifizierten bzw. zeitlich
verschobenen Steuersignal SHss zu versorgen, im Ansprechen auf welches der
Treiber 25 den Schalter 27 mit einem geänderten bzw. verschobenen
Schaltsignal 32 versorgt. Beispielsweise kann der Hochsetzsteller 7 im Ansprechen auf den Erhalt des geänderten Schaltsignals 32 früher oder später eingeschaltet werden, so dass die elektrische Spannung über der Kapazität 10 zum Abschaltzeitpunkt des Schalters 30 niedriger oder höher ist, so dass die Erzeugung des Zündfunkens sicherer oder verschleißärmer durchgeführt werden kann.
Figur 2 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom izs, b) den zugehörigen Hochsetzstellerstrom iHss , c) die ausgangsseitige Spannung über der
Funkenstrecke 6, d) den Sekundärspulenstrom i2 für das in Figur 1 dargestellte Zündsystem ohne (501 ) und mit (502) Verwendung des erfindungsgemäßen
Hochsetzstellers 7, e) das Schaltsignal 31 des Schalters 30 und f) das
Schaltsignal 32 des Schalters 27. Im Detail: Diagramm a) zeigt einen kurzen und steilen Anstieg des Primärspulenstroms izs, welcher sich während derjenigen Zeit einstellt, in welcher sich der Schalter 30 im leitenden Zustand („ON", siehe Diagramm 3e) befindet. Mit Ausschalten des Schalters 30 fällt auch der
Primärspulenstrom iZs auf 0 A ab. Diagramm b) veranschaulicht überdies die Stromaufnahme des erfindungsgemäßen Hochsetzstellers 7, welche durch eine pulsförmige Ansteuerung des Schalters 27 zustande kommt. In der Praxis haben sich als Schaltfrequenz Taktraten im Bereich mehrerer zehn kHz bewährt, um einerseits entsprechende Spannungen und andererseits akzeptable
Wirkungsgrade zu realisieren. Beispielhaft seien die ganzzahligen Vielfachen von 10000 Hz im Bereich zwischen 10 und 100 kHz als mögliche Bereichsgrenzen genannt. Zur Regelung der an die Funkenstrecke abgegebenen Leistung während eines bestehenden Zündfunkens empfiehlt sich dabei eine,
insbesondere stufenlose, Regelung des Puls-Pause-Verhältnisses des Signals
32 zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals. Diagramm c) zeigt den Verlauf 34 der sich beim erfindungsgemäßen Betrieb an der Funkenstrecke 6 einstellenden Spannung. Diagramm d) zeigt die Verläufe des
Sekundärspulenstroms i2. Sobald sich der Primärspulenstrom iZs aufgrund eines Öffnens des Schalters 30 zu 0 A ergibt und sich damit die im
Aufwärtstransformator gespeicherte magnetische Energie in Form eines
Lichtbogens über der Funkenstrecke 6 entlädt, stellt sich ein
Sekundärspulenstrom i2 ein, der ohne Hochsetzsteller (501 ) rasch gegen 0 abfällt. Im Gegensatz hierzu wird durch eine pulsförmige Ansteuerung (siehe Diagramm f, Schaltsignal 32) des Schalters 27 ein im Wesentlichen konstanter
Sekundärspulenstrom i2 (502) über die Funkenstrecke 6 getrieben, wobei der Sekundärstrom i2 von der Brennspannung an der Funkenstrecke 6 abhängt und hier der Einfachheit halber von einer konstanten Brennspannung ausgegangen wird. Erst nach Unterbrechung des Hochsetzstellers 7 durch Öffnen des
Schalters 27 fällt nun auch der Sekundärspulenstrom \2 gegen 0 A ab. Aus Diagramm d) ist erkennbar, dass die abfallende Flanke durch die Verwendung des Hochsetzstellers 7 verzögert wird. Die gesamte Zeitdauer, während welcher der Hochsetzsteller verwendet wird, ist als tHss und die Zeitdauer, während welcher Energie primärseitig in den Aufwärtstransformator 2 gegeben wird, als t, gekennzeichnet. Der Startzeitpunkt von tHss gegenüber t, kann variabel gewählt werden. Zudem ist es auch möglich, durch einen (nicht- dargestellten) zusätzlichen DC-DC-Wandler die von der elektrischen Energiequelle gelieferte
Spannung zu erhöhen, bevor diese im erfindungsgemäßen Hochsetzsteller 7 weiter verarbeitet wird. Es sei zur Kenntnis genommen, dass konkrete
Auslegungen von vielen schaltungsinhärenten und externen Randbedingungen abhängen. Es stellt den befassten Fachmann vor keine unzumutbaren Probleme, die für seinen Zweck und die von ihm zu berücksichtigenden Randbedingungen geeigneten Dimensionierungen selbst vorzunehmen.
Die Figuren 3a bis 3d zeigen Zeitdiagramme elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in Figur 1 gezeigten Zündsystem auftreten können, wobei ausgangsseitig keine Funkenstrecke 6, sondern eine ohmsch-kapazitive Last eingesetzt ist. Es ergibt sich somit kein Funkendurchbruch. Für die folgenden Signalverläufe ist insbesondere der Maximalwert der Ausgangsspannung - das Hochspannungsangebot - entscheidend. Figur 3a zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in
Figur 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Im dargestellten Zeitdiagramm sind der Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeugers und der
Einschaltzeitpunkt te des Hochsetzstellers zeitgleich gelegen. Mit anderen Worten wird der Hochsetzsteller eingeschaltet, wenn der primärseitige Stromfluss durch den Primärspannungserzeuger unterbrochen wird. Es ergibt sich die
Ausgangsspannung Ua2 des erfindungsgemäßen Zündsystems, welcher die Ausgangsspannung Uai beim Betrieb ohne den Hochsetzsteller
gegenübergestellt ist. Die Maximalspannung Ua2 entspricht in etwa Uai . Figur 3b zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in
Figur 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Figur 3b zeigt einen zeitlichen Ausschnitt des in Figur 3a gezeigten Signalverlaufes der Ausgangsspannung Ua2 nach dem Abschaltzeitpunkt ta des primärseitigen Stroms durch den
Primärspannungserzeuger.
Figur 3c zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in Figur 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Gegenüber den Figuren 3a und 3b wurde in Figur 3c der Einschaltzeitpunkt te des Hochsetzstellers gegenüber dem Abschaltzeitpunkt ta des primärseitigen Stromes durch den Primärspannungserzeuger zeitlich vorgezogen. Entsprechend steigt bereits vor dem Abschaltzeitpunkt ta die Ausgangsspannung Ua2 zwischen den Zeitpunkten 1 ,0 ms bis 1 ,5 ms an, so dass bereits zum Abschaltzeitpunkt ta die
Ausgangsspannung Ua2 gegenüber dem Verlauf der Ausgangsspannung Uai ohne Hochsetzstellerbetrieb angestiegen ist. Mit anderen Worten steht bereits zum Abschaltzeitpunkt ta eine erhöhte Ausgangsspannung zur Verfügung. Dies gilt auch für den weiteren Zeitverlauf der Ausgangsspannung U Ά2 , wie ein Vergleich mit der Figur 3a erkennen lässt.
Figur 3d zeigt ein Zeitdiagramm elektrischer Größen, wie sie beim Betrieb des in Figur 1 gezeigten Zündsystems auftreten können. Dabei zeigt die Figur 3d einen Ausschnitt des in Figur 3c dargestellten Zeitbereiches. Aus dieser Darstellung wird noch deutlicher, wie sich der vorgezogene Einschaltzeitpunkt te des
Hochsetzstellers auf das Spannungsangebot zum Abschaltzeitpunkt ta des primärseitigen Stroms des Primärspannungserzeugers auswirkt. Durch diese Betriebsart erhöht sich somit das Hochspannungsangebot des Zündsystems. Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird in Schritt 100 ein Spannungsbedarf für einen vom Zündsystem mittels des
Hochsetzstellers und des Primärspannungserzeugers zu erzeugenden
Zündfunken ermittelt. Im Zuge dessen wird eine Messung einer elektrischen Betriebsgröße des Zündsystems während eines ersten Zündzyklus' durchgeführt und der ermittelte Wert in Schritt 200 mit einer abgespeicherten Referenz verglichen. Zu der Referenz, welche beispielsweise als den Messwerten zugeordnete Betriebsgrößenklasse abgespeichert sein kann, wird ein
zugehöriger Betriebsparameter ausgelesen und in Schritt 300 der
Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers bezüglich eines zweiten Zündzyklus' entsprechend verändert. Beispielsweise kann der Einschaltzeitpunkt früher oder später als zuvor liegen und gegenüber einem Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine oder gegenüber dem Ausschaltzeitpunkt des
Primärspannungserzeugers definiert werden. Durch den veränderten
Einschaltzeitpunkt wird eine durch den Hochsetzsteller angepasste
Hochspannung an die Funkenstrecke geliefert, so dass ein Spannungsangebot, welches entsprechend über dem Zündspannungsbedarf der Funkenstrecke liegt, einen sicheren Funkenüberschlag an der Funkenstrecke gewährleistet.
Im Schritt 100 kann der Spannungsbedarf des Zündsystems ermittelt werden, indem der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wobei dem vorbestimmten Betriebszustand ein vorbestimmter Einschaltzeitpunkt oder ein vorbestimmter Spannungsbedarf zugeordnet ist. Der Betriebszustand ist beispielsweise definiert durch einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise Art der Gemischbildung, aktuelles
Brennverfahren, Aufladungszustand, Drehmoment, Leistung, Drehzahl,
Abgasrückführungskonzept oder Abgasrückführungsparameter.
Alternativ kann der Spannungsbedarf im Schritt 100 ermittelt werden durch Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer korrespondierenden Spannung, wobei der Maximalwert der in einem vorbestimmten Zeitraum gemessenen Ausgangsspannung dem
Spannungsbedarf entspricht. Der vorbestimmte Zeitraum ist insbesondere der
Zeitraum vor einem Durchbruch des Zündfunkens. Eine mit der
Ausgangsspannung korrespondierende Spannung kann beispielsweise auf der Primärseite 3 des Aufwärtstransformators 2 oder am Shunt 19 gemessen werden.
Im Schritt 200 wird ein zu ermittelndes Spannungsangebot für den Zündfunken mit dem ermittelten Spannungsbedarf verglichen. Hierbei wird ermittelt, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem geprüft wird, ob der Betrag des Spannungsangebotes den Betrag des Spannungsbedarfes mindestens um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz überschreitet. Beim Vergleichen des ermittelten Spannungsangebots mit dem ermittelten Spannungsbedarf im Schritt 200 wird ermittelt, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem geprüft wird, ob das ermittelte Spannungsangebot den ermittelten Spannungsbedarf mindestens um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz überschreitet. Die vorbestimmte Spannungsdifferenz liegt beispielsweise im Bereich zwischen 2 und 10 kV, insbesondere bei 5 kV. Wenn die Uberschreitungsbedingung erfüllt ist, wird der Einschaltzeitpunkt te im Schritt 300 zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des
Primärspannungserzeugers 2 späteren Zeitpunkt verändert. Wenn die
Überschreitungsbedingung dagegen nicht erfüllt ist, wird der Einschaltzeitpunkt te im Schritt 300 zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des
Primärspannungserzeugers 2 früheren Zeitpunkt verändert, um zuverlässig einen Funkenüberschlag zu erzeugen.
Im Schritt 300 wird der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers 7 also abhängig vom ermittelten Spannungsbedarf und/oder abhängig vom ermittelten
Spannungsangebot zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des
Primärspannungserzeugers 2 früheren oder späteren Zeitpunkt verändert.
Bei Betriebszuständen mit hohem Spannungsbedarf wird der Einschaltzeitpunkt te zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt ta des Primärspannungserzeuger 2 früheren Zeitpunkt verändert.
Das Verändern des Einschaltzeitpunktes te wird dabei in vorbestimmten Stufen durchgeführt. Der Einschaltzeitpunkt des Hochsetzstellers 7 wird jeweils durch den Zeitpunkt bestimmt, an dem der Schalter 27 des Hochsetzstellers 7 beginnt taktend zu schalten.
Das Spannungsangebot kann durch Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden korrespondierenden Spannung ermittelt werden. Dabei kann der Gradient des gemessenen
Ausgangsspannung über den zeitlichen Verlauf gesehen, insbesondere zum
Zeitpunkt des Zündens, ausgewertet werden. Das Spannungsangebot kann aus der gemessenen Ausgangsspannung und/oder dem Gradienten der
Ausgangsspannung quantitativ abgeleitet werden. Bei der Auswertung des Gradienten der gemessenen Ausgangsspannung über den zeitlichen Verlauf kann beispielsweise geprüft werden, ob der Betrag des Gradienten der gemessenen Ausgangsspannung einen vorbestimmten Mindestwert
unterschreitet.
Alternativ kann das Spannungsangebot durch Bestimmen von geeigneten Einflussgrößen des Zündsystems ermittelt werden, beispielsweise indem die Temperatur einer Primärwicklung des Primärspannungserzeugers und/oder der durch die Primärwicklung fließende Primärstrom ermittelt wird. Das
Spannungsangebot kann mittels der Einflussgrößen beispielsweise über ein Modell, eine Lookup-Table oder über Formeln oder Algorithmen bestimmt werden. Die Temperatur der Primärwicklung kann unmittelbar durch einen Temperatursensor, beispielsweise an der Primärwicklung, gemessen oder indirekt bestimmt werden, beispielsweise aus einer Kühlwassertemperatur einer Brennkraftmaschine.
Es kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, das dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Dabei ist das Computerprogramm auf einem Speichermedium gespeichert. Alternativ zu dem Computerprogramm kann das erfindungsgemäße Verfahren von einem im Zündsystem vorgesehenen ASIC oder MikroController gesteuert werden, der dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften
Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Anpassen eines Hochspannungsangebotes für einen mittels eines Primärspannungserzeugers (2) zu erzeugenden Zündfunken in einem Zündsystem (1 ) umfassend den Primärspannungserzeuger (2) und einen Hochsetzsteller (7) für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch
Ermitteln (100) eines Spannungsbedarfes für einen zu erzeugenden Zündfunkenüberschlag, und im Ansprechen darauf
Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) relativ zu einem Abschaltzeitpunkt (ta) des
Primärspannungserzeugers (2).
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Ermitteln (100) des
Spannungsbedarfes
ein Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden
Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung umfasst, und/oder
ein Empfangen eines Signals von einem elektronischen Steuergerät (40), insbesondere einem Motorsteuergerät umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln (100) des
Spannungsbedarfes ein Vergleichen (200) einer gemessenen elektrischen Kenngröße, insbesondere einer über der Funkenstrecke anliegenden Ausgangsspannung oder einer entsprechenden Messspannung oder eines von einem elektronischen Steuergerät (40) empfangenen Signals, mit einer zugeordneten Referenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend
Klassifizieren (200) des Ergebnisses des Vergleichens (200), und Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) in Abhängigkeit eines der Klasse zugeordneten Parameters. Verfahren nach Anspruch 4, wobei
das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes im Ansprechen auf einen verminderten Spannungsbedarf zu einem Einschalten des Hochsetzstellers (7) zu einem späteren Zeitpunkt führt, und/oder im Ansprechen auf einen erhöhten Spannungsbedarf zu einem früheren Einschalten des Hochsetzstellers (7) führt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) gegenüber einem Kurbelwellenwinkel einer mit dem Zündsystem (1 ) versehenen Brennkraftmaschine oder gegenüber einem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei
das Ermitteln (100) eines Spannungsbedarfes im Zuge eines ersten Zündvorgangs erfolgt, und
das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes im Zuge eines zweiten, darauffolgenden Zündvorgangs erfolgt. 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln
(100) des Spannungsbedarfes den folgenden Schritt umfasst:
- Ermitteln eines vorbestimmten Betriebszustandes einer
Brennkraftmaschine, wobei dem vorbestimmten Betriebszustand ein vorbestimmter Spannungsbedarf oder ein vorbestimmter Einschaltzeitpunkt zugeordnet ist, oder
- Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden
Ausgangsspannung oder einer korrespondierenden Spannung, wobei ein Maximalwert der in einem vorbestimmten Zeitraum gemessenen Ausgangsspannung dem Spannungsbedarf entspricht.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verändern (300) eines Einschaltzeitpunktes des Hochsetzstellers (7) die folgenden Schritte umfasst:
- Vergleichen (200) eines Spannungsangebots für den Zündfunken mit dem ermittelten Spannungsbedarf,
- Ermitteln, ob eine Überschreitungsbedingung erfüllt ist, indem
geprüft wird, ob das Spannungsangebot den Spannungsbedarf mindestens um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz überschreitet,
- Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) späteren Zeitpunkt, wenn die Überschreitungsbedingung erfüllt ist, oder Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) zu einem relativ zu dem Abschaltzeitpunkt (ta) des Primärspannungserzeugers (2) früheren Zeitpunkt, wenn die Überschreitungsbedingung nicht erfüllt ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Spannungsangebot ermittelt wird durch die folgenden Schritte:
- Messen einer über der Funkenstrecke anliegenden
Ausgangsspannung oder einer korrespondierenden Spannung,
- Auswerten eines Gradienten der gemessenen Ausgangsspannung, insbesondere zum Zeitpunkt des Zündens, und
- Ableiten des Spannungsangebotes aus der Ausgangsspannung und/oder dem Gradienten der Ausgangsspannung.
1 1 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Spannungsangebot ermittelt wird durch die folgenden Schritte:
- Bestimmung von Einflussgrößen des Zündsystems, insbesondere der Temperatur einer Primärwicklung des
Primärspannungserzeugers und dem durch die Primärwicklung fließenden Primärstrom,
- Ableiten des Spannungsangebotes aus den Einflussgrößen.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verändern (300) des Einschaltzeitpunktes (te) in vorgebbaren Stufen erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der
Einschaltzeitpunkt (te) des Hochsetzstellers (7) bestimmt wird durch den Zeitpunkt, an dem ein Schalter (27) des Hochsetzstellers (7) eingeschaltet und taktend geschaltet wird.
14. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
15. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
16. Zündsystem, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
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