WO2002090767A1 - Zündsystem für verbrennungsmotoren - Google Patents

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WO2002090767A1
WO2002090767A1 PCT/EP2002/004017 EP0204017W WO02090767A1 WO 2002090767 A1 WO2002090767 A1 WO 2002090767A1 EP 0204017 W EP0204017 W EP 0204017W WO 02090767 A1 WO02090767 A1 WO 02090767A1
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ignition
transformer
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PCT/EP2002/004017
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Inventor
Wilfried Schmolla
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Daimlerchrysler Ag
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    • 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
    • F02P3/055—Layout of circuits with protective means to prevent damage to the circuit, e.g. semiconductor devices or the ignition coil
    • F02P3/0552—Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices
    • 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
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/10—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having continuous electric sparks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • 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
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    • F02P7/00—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices
    • F02P7/02—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices of distributors

Definitions

  • the invention relates to a hybrid ignition system for internal combustion engines with 14V or 42V on-board voltage with a time- and current-controlled ignition output stage with two operating phases.
  • a self-induction voltage for the spark breakdown is generated from the energy stored in the magnetic field of the ignition transformer.
  • the ignition system In the second phase, the ignition system generates an alternating voltage for the ignition spark with a timing control of the ignition output stage and superimposed current limitation, so that the ignition spark burns without interruption even when there is an increased fuel voltage requirement due to gas flow at the spark location.
  • the hybrid ignition system does not require an intermediate power supply.
  • the invention is based on an ignition system as described in DE 197 00 179 C2 from Bosch.
  • Such AC ignition systems work on the principle of the resonance converter.
  • a typical construction contains an intermediate power supply unit, with which the on-board electrical system voltage of the on-board electrical system generator is transformed up to values in the order of magnitude of 200 V on the primary side of the ignition transformer designed as a resonance converter.
  • a semiconductor power output stage is controlled with a regulating and control device and the current on the primary side of the ignition transformer is interrupted when a predefined, variable cut-off current is reached.
  • the current on the secondary side of the ignition transformer corresponds to the spark current and results from the transformation ratio of the ignition transformer, namely essentially from the primary current, the coupling factor of the ignition transformer and the quadrature root from the ratio of the inductances on the primary side and the secondary side.
  • AC ignition systems have the advantage over capacitive or purely inductive ignition systems that the ignition energy from the intermediate power supply is continuously transmitted to the ignition sparks.
  • the maximum burning time of the spark is determined by the maximum power of the intermediate power supply of the ignition system.
  • the combination of spark ignition and ion current measurement technology results in closed control loops that enable the entire ignition process including spark plug and spark to be fend to monitor and operate with the lowest possible spark current and thus the lowest possible candle burn.
  • the above-described AC ignition systems have the disadvantage of requiring a power supply unit for generating an intermediate voltage of approximately 200 V and a resonance converter as the ignition stage.
  • the power supply and the resonance converter cause additional costs due to manufacture and installation. It is therefore the aim and the object of this invention to provide a suitable ignition system without an intermediate power supply unit and without a resonance converter, without losing the advantages of AC ignition systems.
  • the solution is achieved by an ignition system for a 14 V or 42 V vehicle electrical system voltage, which is applied directly to the ignition output stage without an intermediate power supply.
  • the semiconductor power stage is switched on by an ignition control.
  • a current builds up on the primary side of the ignition transformer.
  • the primary side of the ignition transformer is switched off for a predetermined period of time. During this period, a high voltage for spark breakdown builds up on the electrodes of the spark plug connected to the ignition transformer on the secondary side according to the principle of self-induction.
  • the primary side of the ignition transformer is time-controlled and current-controlled until the end of the ignition process, which is specified by the higher-level engine control unit.
  • the time control works with selected, predetermined time intervals in which the semiconductor power stage is alternately switched on and off.
  • the switch-on time is chosen so short that if the conductivity of the ignition plasma decreases due to the limited supply of voltage from the product of the vehicle electrical system voltage and the transformation ratio of the ignition transformer, after a short time again a higher self-induction voltage is offered during the switch-off time.
  • the switch-on time is chosen so long that the stored energy is intermittently built up in the case of low stored energy.
  • the switch-off time is also chosen to be as short as possible so that the decrease in the energy stored in the ignition transformer is small during the switch-off time. Typical values for the switch-on time are 10-200 ⁇ s and for the switch-off time 5-50 ⁇ s.
  • a current limitation is superimposed on the time control, which switches off the primary side of the ignition transformer whenever the primary current reaches the predetermined maximum value.
  • the maximum current limit protects the components of the ignition system and the on-board electrical system against overload.
  • the ignition current is advantageously limited by the maximum current limitation during the switch-on time.
  • the ignition transformer has a transmission ratio ü which is greater than 100 for an on-board electrical system voltage of 14 V and greater than 50 for an on-board electrical system voltage of 42 V.
  • the large transformation ratio of the ignition transformer enables the vehicle electrical system voltage to be connected directly to the ignition output stage. This advantageously eliminates the need for the intermediate power supply unit that is common in AC ignitions, with which the on-board power supply voltage is transformed up to 200 V.
  • the timing of the spark after the spark breakthrough with repeated switching on and off of the primary side and a coupling factor of the ignition transformer> 0.7 eliminates the resonance resonant circuit that is otherwise necessary for AC ignitions.
  • the switch-on and switch-off processes result in an alternating voltage based on the forward converter and self-induction or flyback converter principle in the ignition stage and thus also on the spark plug.
  • energy is repeatedly supplied from the vehicle electrical system to the ignition transformer.
  • the total energy required to ignite the fuel mixture does not have to be stored as an entire energy package in the ignition coil or in an intermediate power supply. It is sufficient to store small amounts of energy in the ignition transformer in order to maintain the ignition spark.
  • the burning time in the invention is determined by the timing of the engine control unit and not, as in the prior art, by the energy content in the ignition transformer or by the intermediate power supply unit, the burning time in the invention can be made variable.
  • the relatively low energy content of the ignition transformer also results in a short burnout time for the ignition spark at the end of the burn time, which in turn has a positive effect on ion current measurement.
  • a long afterburn time falsifies the results of an ion current measurement, since the measurement results are superimposed on those of the actual ion current measurement due to the afterburn time.
  • the ignition system When the ignition spark is blown on by gas flow in the cylinder, the ignition system according to the invention has the ability to deliver a correspondingly high operating voltage and to restart the ignition spark with the required breakdown voltage near the electrodes at very high operating voltages. Once the spark breakdown has occurred and the fuel mixture is already ionized, a significantly lower breakdown voltage is sufficient for the new spark breakdown. This breakdown voltage is reached again in the invention after each switching off of the primary current by the time control, so that it can be re-ignited over the entire burning time, should the ignition spark flow strongly.
  • This post-ignition reserve is advantageously built up when a portion of the primary current is used to maintain the ignition spark and a portion of the primary current is used to build up a magnetic field in the ignition transformer during the on-time.
  • the ignition system optionally has the ability to reignite the ignition spark.
  • the connection of the semiconductor power output stage to the primary winding L1 of the ignition transformer is designed with an optional reverse blocking diode Dl.
  • the diode has the effect that when the ignition spark is extinguished, the self-induction voltage at Ll at the connection to D1 can oscillate from positive voltages to negative voltages and back with the natural frequency of the ignition transformer. Energy is thus stored back into the ignition transformer during the switch-off time.
  • the ignition transformer receives a post-ignition reserve. Additional energy is stored in the ignition transformer during the switch-on time. With the stored energy, a high voltage for a new spark breakdown is built up on the secondary side of the ignition transformer at L2 for the spark plug during the switch-off time. The process continues until a new spark breakdown.
  • FIG. 2 shows schematic voltage and current-time diagrams in relation to the control signals for an ignition system according to the invention
  • Fig. 3 shows a preferred embodiment of the invention with a plurality of pencil ignition transformers, in each of which the time control and the current control for the ignition spark are integrated.
  • I shows a schematic representation of the invention.
  • the on-board network voltage generated by an on-board network generator 2 with an integrated rectifier bridge 3 and an on-board network battery 4 is applied to a transformer, which is designed as an ignition transformer 1 with a primary winding L1 and a secondary winding L2, via a semiconductor power stage 6 and an optional diode D1.
  • the secondary side L2 of the ignition transformer is connected to the electrodes of a spark plug 5.
  • Spark plug and ignition transformer are shown in the illustrated embodiment as an integrated pencil ignition transformer. This is an advantageous variant of the invention.
  • the ignition transformer and the spark plug can also be designed as separate components which are connected to one another via electrical lines.
  • the primary side L1 of the ignition transformer is connected with its one side to the positive voltage rail of the vehicle electrical system voltage and is connected on its second side with a semiconductor power stage 6 and a current sensor, which is designed here as a measuring resistor R, to the ground line of the vehicle electrical system voltage.
  • the semiconductor power stage 6 is controlled by an ignition control unit 7.
  • the ignition control unit, the semiconductor power stage and the current sensor are an exemplary embodiment of the ignition electronics.
  • the ignition electronics are not limited to this embodiment.
  • a current clamp, with which the current in the primary coil is measured, can also be used as the current sensor.
  • the power level does not necessarily have to be designed as a semiconductor power level.
  • the division between the ignition control unit and the engine control unit is of a more intellectual nature and is based on practical circumstances.
  • the ignition control device and engine control device can be designed as a unit. However, preference is given to integrated ignition electronics which are integrated as an integrated circuit in a pencil ignition transformer.
  • the ignition control device receives a control signal ZI from a higher-level engine control unit or from a crankshaft and camshaft sensor, which specifies a time window within which the ignition spark burns and ignition can take place in the combustion chamber of an engine cylinder.
  • a control signal ZI from a higher-level engine control unit or from a crankshaft and camshaft sensor, which specifies a time window within which the ignition spark burns and ignition can take place in the combustion chamber of an engine cylinder.
  • the control signal ZI After the control signal ZI has been applied to the ignition control unit 7, it switches on the semiconductor power stage 6.
  • the semiconductor power stage is formed from a suitable amplifier circuit 8 for driving the final stage Q1.
  • the output stage is advantageously formed from a MOSFET or IGBT, the gate of which is driven by the amplifier circuit 8.
  • the primary side L1 of the ignition transformer is conductively connected to the two voltage levels of the vehicle electrical system.
  • a primary current Ip builds up in the ignition transformer.
  • This primary current is detected by a current sensor and detected by the ignition control device 7.
  • the current sensor is formed from a voltage tap across a measuring resistor R 1 in the ground line of the primary side L 1. The voltage tap is connected to the ignition control unit. If the primary current reaches a preset limit value Ip + m stored in the ignition control unit, the ignition control unit 7 switches off the output stage Q1 for a predetermined time thousand.
  • This pure time control of the primary current on the basis of predetermined time intervals is superimposed on a maximum current limitation for the entire duration of the control signal ZI present, which always switches off the primary current independently of the time control when the primary current exceeds the predetermined maximum value Ip + m.
  • the maximum current Limitation protects the components of the ignition system and the vehicle electrical system against overload.
  • the maximum spark limitation advantageously also limits the ignition spark current during the switch-on time.
  • the time window for the maximum burning time also changes with the speed of the crankshaft.
  • the maximum burning time together with the charging time tL for the first spark breakdown form the length of the control signal ZI.
  • the burning time of the spark plug is kept variable and adapted to the respective engine speed.
  • An ignition transformer suitable for the invention has a coupling factor k in the range from 0.7 to 0.99, a transmission ratio ü greater than or equal to 100 for vehicle electrical system nominal voltages from 12V to 14 V, a transmission ratio ü greater than or equal to 50 for vehicle electrical system nominal voltages of 42 V.
  • the transmission ratio of Transformer is defined as the product of the coupling factor k with the square root of the ratio of the inductances of the secondary side L2 to the primary side Ll:
  • the specified time parameters tL, tau, tein, tau2 depend on the operating conditions in the combustion chamber of the internal combustion engine and on the design of the ignition transformer. The values are fixed for the respective current operating conditions of the engine, but can change e.g. by changing the engine speed, the engine load or the engine temperature, assume different values. With a current limitation of 20-30 A on the primary side, a parameter range for the charging time tL of 200 ⁇ s to 500 ⁇ s results for a 14 V on-board network and a charging time tL of 50 ⁇ s to 200 ⁇ s for a 42 V on-board network. For the switch-on time tein, there is a parameter range of 10 ⁇ s to 200 ⁇ s for both vehicle electrical system voltages. For the two switch-off times thousand and thousand2, there is also a parameter range of 5 ⁇ s to 50 ⁇ s for both vehicle electrical system voltages.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the invention.
  • Several integrated stick ignition transformers are supplied with the on-board electrical system voltage from an on-board electrical system, and each stick ignition transformer with integrated ignition electronics is controlled by an engine control unit as described in connection with FIG. 2 with a control signal as a time window for the maximum burning time.
  • the IC takes over the current limitation and time control in the same way as described in connection with FIGS. 1 and 2.
  • the number of integrated pencil-type ignition transformers that are supplied with voltage by the vehicle electrical system depends on the number of combustion chambers in the engine and the number of spark plugs provided per cylinder.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zündsystem für eine 14 V oder 42 V Bordnetzspannung, die ohne Zwischennetzteil direkt über die Halbleiterleistungsendstufe an den Zündtransformator angelegt ist. Nach einem Eingangssignal von einem übergeordneten Motorsteuergerät wird die Halbleiterleistungsstufe von einer Zündregelung eingeschaltet. Hierdurch baut sich an der Primärseite des Zündstransformators ein Strom auf. Nach dem erstmaligen Erreichen eine vorgegebenen Maximalstromwertes wird die Primärseite des Zündtransformators für eine vordefinierte Zeitspanne abgeschaltet. In dieser Zeitspanne baut sich nach dem Prinzip der Selbstinduktion an den Elektroden der Zündkerze eine Hochspannung für den Funkendurchbruch auf. Nach dem Funkendurchbruch wird die Primäseite des Zündtransformators bis zum Ende des Zündvorgangs, der durch das übergeordnete Motorsteuergerät vorgegeben ist, zeitgesteuert und strombegrenzt. Die Zeitsteurung arbeitet mit ausgewählten, vorgegebenen Zeitintervallen mit denen die Halbleiterleistungsstufe abwechselnd ein und ausgeschaltet wird. Dieser Zeitsteuerung ist eine Strombegrenzung überlagert, die immer dann die Primärseite des Zündtransformators abschaltet, wenn der Primärstrom den vorgegebenen Maximalwert erreicht.

Description

Zündsystem für Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft ein Hybridzündsystem für Verbrennungsmotoren mit 14V oder 42V Bordnelzspannung mit einer zeit- und stromgesteuerten Zündendstufe mit zwei Betriebsphasen. In der ersten Phase wird aus der im Magnetfeld des Zündtransformators gespeicherten Energie eine Selbstinduktionsspannung für den Funkendurchbruch erzeugt. In der zweiten Phase erzeugt das Zündsystem mit einer Zeitsteuerung der Zündendstufe und überlagerter Strombegrenzung eine Wechselspannung für den Zündfunken, so daß der Zündfunken auch bei erhöhtem Brennspannungsbedarf durch Gasströmung am Funkenort unterbrechungsfrei brennt. Das Hybridzündsystem benötigt kein Zwischennetzteil.
Die Erfindung geht aus von einem Zündsystem, wie es in der DE 197 00 179 C2 der Firma Bosch beschrieben ist. Derartige Wechselstromzündsysteme arbeiten nach dem Prinzip des Resonanzwandlers. Ein typischer Aufbau enthält ein Zwischennetzteil, mit dem die Bordnetzspannung des Bordnetzgenerators auf Werte in der Größenordnung von 200V auf der Primärseite des als Resonanzwandlers ausgebildeten Zundtransformators hochtransformiert wird. Mit einem Regel- und Steuergerät wird eine Halbleiterleistungsendstufe angesteuert und der Strom auf der Primärseite des Zündtransformators bei Erreichen eines vorgegebenen veränderbaren Abschaltstromes unterbrochen. Der Strom auf der Sekundärseite des Zundtransformators entspricht dem Funkenstrom und ergibt sich aus dem Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators, nämlich im wesentlichen aus dem Primärstrom, dem Kopplungs- faktor des Zundtransformators und der Quadartwurzel aus dem Verhältnis der Induktivitäten auf der Primärseite und der Sekundärseite.
Wechselstromzündsysteme haben gegenüber kapazitiv oder rein induktiv arbeitenden Zündsystemen den Vorteil, daß die Zündenergie aus dem Zwischennetzteil kontinuierlich an den Zündfunken übertragen wird. Die maximale Brenndauer des Zündfunkens wird durch die maximale Leistung des Zwischennetzteil des Zündsystems bestimmt. Durch die Kombination von Funkenzündung und Ionenstrommeßtechnik ergeben sich geschlossene Regelkreise, die es ermöglichen das gesamte Zündverfahren einschließlich Zündkerze und Zündfunken lau- fend zu überwachen und mit möglichst geringem Funkenstrom und damit möglichst geringem Kerzenabbrand zu betreiben.
Vorbeschriebene Wechselstromzündssteme haben den Nachteil, ein Netzteil zur Erzeugung einer Zwischenspannung von ca. 200V und einen Resonanzwandler als Zündenstufe zu be- nötigen. Das Netzteil und der Resonanzwandler verursachen zusätzliche Kosten durch Herstellung und Einbau. Es ist deshalb das Ziel und die Aufgabe dieser Erfindung ein geeignetes Zündsystem ohne Zwischennetzteil und ohne Resonanzwandler anzugeben, ohne die Vorteile von Wechselstromzündsystemen zu verlieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen An- spruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Lösung gelingt durch ein Zündsystem für eine 14 V oder 42 V Bordnetzspannung, die ohne Zwischennetzteil direkt an die Zündendstufe angelegt ist. Nach einem Eingangssignal von einem übergeordneten Motorsteuergerät wird die Halbleiterleistungsstufe von einer Zündregelung eingeschaltet. Hierdurch baut sich an der Primärseite des Zündtransformators ein Strom auf. Nach dem erstmaligen Erreichen eines vorgegebenen Maximalstromwertes wird die Primärseite des Zündtransformators für eine vorgegebene Zeitspanne abgeschaltet. In dieser Zeitspanne baut sich nach dem Prinzip der Selbstinduktion an den Elektroden der an den Zündtransformator sekundärseitig angeschlossenen Zündkerze eine Hochspannung für den Funkendurchbruch auf. Nach dem Funkendurchbruch wird die Primärseite des Zündtransformators bis zum Ende des Zündvorgangs, der durch das übergeordnete Motorsteuergerät vorgegeben ist, zeitgesteuert und stromgesteuert. Die Zeitsteuerung arbeitet mit ausgewählten, vorgegebenen Zeitintervallen, in denen die Halbleiterleistungsstufe abwechselnd ein und ausgeschaltet wird. Die Einschaltzeit wird so kurz gewählt, daß bei einer Abnahme der Leitfähigkeit des Zündplasmas wegen des begrenzten Spannungsangebotes aus dem Produkt von Bordnetzspannung und Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators nach kurzer Zeit wieder eine höhere Selbstinduktionsspannung während der Ausschaltzeit angeboten wird. Die Einschaltzeit wird aber so lang gewählt, daß ein intermittierender Aufbau der gespeicherten Energie im Fall geringer gespeicherter Energie erfolgt. Für den Hochspannungsaufbau für den ersten Funkendurchbruch wird viel Energie gebraucht, so daß wieder Energie nachgeladen werden muß. Die Ausschaltzeit wird ebenfalls möglichst kurz gewählt, damit die Abnahme der im Zündtransformator gespeicherten Energie während der Auschaltzeit klein ist. Typische Werte für die Einschaltzeit sind 10-200μs und für die Ausschaltzeit 5-50μs. Der Zeitsteuerung ist eine Strombegrenzung überlagert, die immer dann die Primärseite des Zündtransformators abschaltet, wenn der Primärstrom den vorgegebenen Maximalwert erreicht.
Die Maximalstrombegrenzung schützt die Bauteile des Zündsystems und das Bordnetz vor einer Überlastung. In Verbindung mit einem hohen Kopplungsfaktor des Zündtransformators wird durch die Maximalstrombegrenzung auch der Zündfunkenstrom während der Einschaltzeit vorteilhaft begrenzt.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Der Zündtransformator hat ein Übersetzungsverhältnis ü, das für eine Bordnetzspannung von 14 V größer als 100 und für eine Bordnetzspannung von 42 V größer als 50 ist. Das große Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators ermöglicht den direkten Anschluß der Bordnetzspannung an die Zündendstufe. Dadurch entfällt mit Vorteil das bei Wechselstromzündungen übliche Zwischennetzteil, mit dem die Bordnetzspannung auf 200 V hochtransfor- miert wird.
Durch die Zeitsteuerung des Zündfunkens nach dem Funkendurchbruch mit wiederholtem Ein- und Ausschalten der Primärseite und einem Kopplungsfaktor des Zündtransformators >0,7 entfällt der ansonsten bei Wechselstromzündungen notwendige Resonanzschwingkreis. Die Ein- und Ausschaltvorgänge bewirken nach dem Durchflußwandler und Selbstindukti- ons- bzw. Sperrwandlerprinzip in der Zündenstufe und damit auch an der Zündkerze eine Wechselspannung. Durch wiederholtes Einschalten des Primärstromes wird immer wieder Energie aus dem Bordnetz in den Zündtransformator nachgeliefert. Die für die Entflammung des Brennstoffgemisches notwendige Gesamtenergie muß also nicht als gesamtes Energiepaket in der Zündspule oder in einem Zwischennetzteil gespeichert werden. Es genügt die Speicherung gerin- ger Energiemengen im Zündtransformator, um den Zündfunken aufrecht zu erhalten. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zündtransformators und ermöglicht den Einsatz von Stabzündtransformatoren, die z. B. in den Patentanmeldungen der DaimlerChrysler AG mit dem Aktenzeichen DE 198 40 765 AI und der nachveröffenllichten DE 199 62 368 beschrieben sind.
Da die Brenndauer bei der Erfindung durch die Zeitsteuerung vom Motorsteuergerät bestimmt wird und nicht wie im Stand der Technik durch den Energieinhalt im Zündtransformator oder vom Zwischennetzteil, läßt sich die Brenndauer bei der Erfindung variabel gestalten. Der relativ geringe Energieinhalt des Zündtransformators hat zudem eine kurze Ausbrennzeit des Zündfunkens am Ende der Brenndauer zur Folge, was wiederum eine positive Auswirkung auf eine Ionenstrommessung hat. Eine lange Nachbrenndauer verfälscht die Ergebnisse einer lonenstrommessung, da sich die Meßergebnisse durch die Nachbrenndauer denen der eigentlichen Ionenstrommessung überlagern.
Bei einem Anblasen des Zündfunkens durch Gasströmung im Zylinder besitzt das erfindungsgemäße Zündsystem die Fähigkeit, eine entsprechend hohe Brennspannung zu liefern und bei sehr hohen Brennspannungen den Zündfunken in Elektrodennähe mit der erforderlichen Durchbruchspannung neu zu starten. Wenn der Funkendurchbruch einmal erfolgt ist, und das Brennstoffgemisch bereits ionisiert ist, genügt für den erneuten Funkendurchbruch eine wesentlich kleinere Durchbruchsspannung. Diese Durchbruchspannung wird aber bei der Erfindung nach jedem Abschalten des Primärstromes durch die Zeitsteuerung wieder erreicht, so daß über die ganze Brenndauer immer wieder nachgezündet werden kann, sollte der Zündfunken stark angeströmt werden. Diese Nachzündreserve wird mit Vorteil dann aufgebaut, wenn während der Brenndauer in der Einschaltzeit ein Anteil des Primärstromes zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens und ein Anteil des Primärstromes zum Aufbau eines Magnetfeldes im Zündtransformator benutzt wird.
Bei einem ungewollten Erlöschen des Zündfunkens besitzt das erfindungsgemäße Zündsystem optional die Fähigkeit zur Nachzündung des Zündfunkens. Hierzu ist die Verbindung der Halbleiterleistungsendstufe mit der Primärwicklung Ll des Zündtransformators mit einer optionalen Rückwärtssperrdiode Dl ausgebildet. Die Diode bewirkt, daß bei einem erlöschten Zündfunken die Selbstinduktionsspannung an Ll am Anschluß zu Dl von positiven Spannungen zu negativen Spannungen und zurück mit der Eigenfrequenz des Zündtransformators schwingen kann. Damit wird während der Ausschaltzeit Energie in den Zündtransformator zurückgespeichert. Der Zündtransformator erhält eine Nachzündreserve. Während der Einschaltzeit wird zusätzliche Energie im Zündtransformator gespeichert. Mit der gespeicherten Energie wird auf der Sekundärseite des Zundtransformators an L2 für die Zündkerze während der Ausschaltzeit eine hohe Spannung für einen erneuten Funkendurchbruch aufgebaut. Der Vorgang setzt sich bis zu einem erneuten Funkendurchbruch fort.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Zündsystems,
Fig. 2 schematische Spannungs- und Strom-Zeitdiagramme in Relation zu den Ansteuersig- nalen für ein erfindungsgemäßes Zündsystem, Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Stabzündtransformatoren, in die die Zeitsteuerung und die Stromsteuerung für den Zündfunken jeweils integriert ist.
Fig. I zeigt eine schematische Darstellung der Erfindung. An einen Transformator, der als Zündtransformator 1 mit einer Primärwicklung Ll und einer Sekundärwicklung L2 ausgebildet ist, ist die von einem Bordnetzgenerator 2 mit integrierter Gleichrichterbrücke 3 und einer Bordnetzbatterie 4 erzeugte Bordnetzspannung über eine Halbleiterleistungsstufe 6 und eine optionale Diode Dl angelegt. Die Sekundärseite L2 des Zündtransformators ist mit den Elektroden einer Zündkerze 5 verbunden. Zündkerze und Zündtransformator sind in dem darge- stellten Ausführungsbeispiel als integrierter Stabzündtransformator gezeigt. Dies ist eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung. In einer weniger vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können der Zündtransformator und die Zündkerze auch als voneinander getrennte Bauteile ausgeführt sein, die über elektrische Leitungen miteinander verbunden sind. Die Primärseite Ll des Zündtransformators ist mit ihrer einen Seite an die positive Spannungsschiene der Bordnetzspannung angeschlossen und wird an ihrer zweiten Seite mit einer Halbleiterleistungsstufe 6 und einem Stromsensor, der hier als Meßwiderstand R ausgebildet ist, auf die Masseleitung der Bordnetzspannung geschaltet. Die Ansteuerung der Halbleiterleistungsstufe 6 erfolgt durch ein Zündsteuergerät 7. Das Zündsteuergerät, die Halbleiterleistungsstufe und der Stromsensor sind ein Ausfuhrungsbeispiel für die Zündelektronik. Die Zündelektronik ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Als Stromsensor kann auch eine Stromzange, mit dem der Strom in der Primärspule gemessen wird, eingesetzt werden. Die Leistungsstufe muß nicht unbedingt als Halbleiterleistungsstufe ausgebildet sein. Die Aufteilung zwischen Zündsteuergerät und Motorsteuergerät ist mehr gedanklicher Art und orientiert sich in der Anwendung an praktischen Gegegebenheiten. Insbesondere können Zündsteuergerät und Motorsteuergerät als Einheit ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch eine integrierte Zündelektronik die als integrierter Schaltkreis in einen Stabzündtransformator integriert ist.
Der Signalverlauf und die mit dem Signalverlauf bewirkten Strom-Spannungs- Zeitdiagramme an den Elektroden der Zündkerze sind in Fig. 2 dargestellt. Das Zündsteuer- gerät erhält von einem übergeordneten Motorsteuergerät oder von einem Kurbel- und Nockenwellensensor ein Ansteuersignal ZI, das ein Zeitfenster vorgibt, innerhalb dessen der Zündfunke brennt und eine Entflammung im Verbrennungsraum eines Motorzylinders erfolgen kann. Nach Anliegen des Ansteuersignais ZI am Zündsteuergerät 7 schaltet dieses die Halbleiterleistungsstufe 6 ein. Die Halbleiterleistungsstufe ist gebildet aus einer geeigneten Verstärkerschaltung 8, zur Ansteuerung der Endstufe Ql. Die Endstufe ist vorteilhaft aus einem MOSFET oder IGBT gebildet, dessen Gate von der Verstärkerschaltung 8 angesteuert wird.
Nach Einschalten der Endstufe Ql durch Ansteuern des Gates des MOSFE s ist die Primär- seite Ll des Zündtransformators leitend mit den beiden Spannungsebenen des Bordnetztes verbunden. Hierdurch baut sich im Zündtransformator ein Primärstrom Ip auf. Dieser Primärstrom wird mit einem Stromsensor detektiert und von dem Zündsteuergerät 7 erfaßt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Stromsensor aus einem Spannungsabgriff über einem Meßwiderstand Rl in der Masseleitung der Primärseite Ll gebildet. Der Spannungsabgriff ist mit dem Zündsteuergerät verbunden. Erreicht der Primärstrom einen voreingestellten und im Zündsteuergerät gespeicherten Grenzwert Ip+m schaltet das Zündsteuergerät 7 die Endstufe Ql für eine vorgegebene Zeit taus ab. Hierdurch baut sich durch Selbstinduktion auf der Sekundärseite L2 des Zündtransformators eine Hochspannung für den Funkendurchbruch an den Elektroden der Zündkerze auf. Nach der Zeitspanne taus wird der Strom an der Primär- seite wieder für eine ebenfalls vorgegebene Zeit tein wieder eingeschaltet, um nach der Zeitspanne tein wieder für eine weitere vorgegebene Zeitspanne taus2 ausgeschaltet zu werden. Die Ein- und Auschaltvorgänge des Primärstromes wiederholen sich zyklisch bis zum Ende der durch das Ansteuersignal ZI vorgegebenen maximalen Brenndauer. Hierdurch entsteht an den Elektroden der Zündkerze eine Wechselspannung bis zum Ende des anliegenden Ansteu- ersignals Zl.
Dieser reinen Zeitsteuerung des Primärstromes aufgrund von vorgegebenen Zeitintervallen, ist für die ganze Dauer des anliegenden Ansteuersignais ZI eine Maximalstrombegrenzung überlagert, die immer dann unabhängig von der Zeitsteuerung den Primärstrom ausschaltet, wenn der Primärstrom den vorgegebenen Maximalwert Ip+m übersteigt. Die Maximalstrom- begrenzung schützt die Bauteile des Zündsystems und das Bordnetz vor einer Überlastung. In Verbindung mit einem hohen Kopplungsfaktor des Zündtransformators wird durch die Ma- ximalstiOinbegrenzung auch der Zündfunkenstrom während der Einschaltzeit vorteilhaft begrenzt.
Da die maximale Brenndauer in Abhängigkeit der Kurbelwellendrehzahl variiert, verändert sich mit der Drehzahl der Kurbelwelle auch das Zeitfensler für die maximale Brenndauer.
Die maximale Brenndauer bildet zusammen mit der Ladezeit tL für den erstmaligen Funken- durchbruch die Länge des Ansteuersignais ZI. Hierdurch wird die Brenndauer der Zündkerze variabel gehalten und an die jeweilige Motordrehzahl angepaßt. Mit dem Ende des Ansteuer- signals ZI wird die Zeitsteuerung und die Strombegrenzung in dem Zündsteuergerät bis zum nächsten Anliegen eines neuen Ansteuersignais unterbrochen. Hierdurch wird die Endstufe Ql ebenfalls ausgeschaltet, so daß ein kontrolliertes Abschalten des Zündfunkens am Ende des Ansteuersignais ZI erfolgt.
Um eine möglichst gute Ausnutzung des Primärstromes zu erreichen, wird ein hoher Kopp- lungsfaktor angestrebt. Durch Veränderung des primärseitigen Abschaltstromes ist es möglich den Funkenstrom in der Zündkerze zu steuern und somit an verschiedene Brennraumbedingungen im Zylinder anzupassen. Ein für die Erfindung geeigneter Zündtransformator hat einen Kopplungsfaktor k im Bereich von 0,7 bis 0,99, ein Übersetzungsverhältnis ü größer gleich 100 für Bordnetznennspannungen von 12V bis 14 V, ein Übersetzungsverhältnis ü größer gleich 50 für Bordnetznennspannungen von 42 V. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators ist definiert als das Produkt des Kopplungsfaktors k mit der Quadratwurzel aus dem Verhältnis der Induktivitäten der Sekundärseite L2 zu der Primärseite Ll:
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Durch die für Zündendstufen relativ hohen Übersetzungsverhältnisse und durch das ständige Nachliefern von Zündenergie durch die Zeitsteuerung des Primärstromes, kann auf ein Zwischennetzteil und auf einen Resonanzschwingkreis verzichtet werden.
Die vorgegebenen Zeitparameter tL, taus, tein, taus2 hängen von den Betriebsbedingungen im Brennraum des Verbrennungsmotors und von der Auslegung des Zündtransformators ab. Die Werte sind zwar für die jeweiligen aktuellen Betriebsbedingungen des Motors fest, können aber bei einer Änderung der Betriebsbedingungen z.B. durch eine Änderung der Motordrehzahl der Motorlast oder der Motortemperatur durchaus andere Werte annehmen. Bei einer primärseitigen Stro begrenzung von 20-30 A ergeben sich für ein 14V- Bordnetz ein Para- meterbereich für die Ladedauer tL von 200 μs bis 500 μs und bei einem 42 V Bordnetz eine Ladedauer tL von 50 μs bis 200 μs. Für die Einschaltzeit tein ergibt sich für beide Bordnetzspannungen ein Parameterbereich von 10 μs bis 200 μs. Für die beiden Ausschaltzeiten taus und taus2 ergibt sich ebenfalls für beide Bordnetzspannungen jeweils ein Parameterbereich von 5 μs bis 50 μs. Der Kopplungsfaktor des Zündtransformators beträgt vorzugsweise k=0,95.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung. Mehrere integrierte Stabzündtransformatoren werden von einem Bordnetz mit der Bordnetzspannung versorgt und jeder Stabzündtransformator mit integrierter Zündelektronik wird von einem Motorsteuergerät wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben mit einem Ansteuersignal als Zeitfenster für die maximale Brenndauer angesteuert. Die im Zusammenhang mit Fig. 1 bescliriebene Zündelektronik, bestehend aus Zündsteuergerät 1, Halbleiterleistungsstufe 6 sowie dem für die Primärstrommessung notwendigen Stromsensor, ist in Form eines integrierten Schaltkreises IC jeweils in jeden Stabzündtransformator integriert. Der IC übernimmt die Strombegrenzung und Zeitsteuerung in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrie- ben. Die Anzahl der integrierten Stabzündtransformatoren, die vom Bordnetz mit Spannung versorgt werden, richtet sich nach der Anzahl der Verbrennungsräume im Motor und nach der Anzahl der pro Zylinder vorgesehenen Zündkerzen.

Claims

Patentansprüche
1. Zündsystem für einen Verbrennungsmotor umfassend:
- eine Bordnetzspannung, mindestens eine Zündelektronik (IC,6,7), mindestens ein Zündtransformator (1) und mindestens eine Zündkerze (5), dadurch gekennzeichnet, daß
- die Bordnetzspannung an die Primärseite (Ll) des Zündtransformators (1) angelegt ist,
- während eines durch ein Ansteuersignal (ZI) vorgegebenen Zeitfensters von der Zündelektronik (6,7,R1,IC) für den Primärstrom (Ip) im Zündtransformator (1) eine Zeitsteue- rung mit überlagerter Maximalstrombegrenzung durchgeführt wird, derart daß
- zu Beginn des Zeitfensters der Funkendurchbruch an der Zündkerze (5) erzielt wird, indem der Primärstrom (Ip) nach Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes (Ip+m) für ein vorgegebenes erstes Zeitintervall (taus) ausgeschaltet wird
- und danach der Primärstrom (Ip) bis zum Ende des Zeitfensters durch eine Zeitsteue- rung mit überlagerter Maximalstrombegrenzung abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird.
2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Funkendurch- bruch bei eingeschaltetem Primärstrom ein Anteil des Primärstromes zur Aufrechterhaltung des Funkenstromes benutzt wird und ein Anteil des Primärstromes zum Aufbau ei- ner Nachzündreserve in Form von im Zündtransformator (1) gespeicherter magnetischer
Energie benutzt wird.
3. Zündsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zündtransformator (1) und Zündelektronik (IC, 6,7) eine Rückwärtssperrdiode (Dl) geschaltet ist
4. Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (5) und der Zündtransformator ( 1 ) als Stabzündtransformator ausgebildet sind.
5. Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektronik (IC), der Zündtransformator (1) und die Zündkerze (5) in einer Zündeinheit integriert sind.
6. Zündsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektronik (6,7,R1) vom Stabzündtransformator getrennt ausgebildet sind.
7. Zündsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektronik (6,7,R1) ein Zündsteuergerät (7), eine Halbleiterleistungsstufe (6) und einen Stromsensor (Rl) enthält.
8. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnet, daß die Rückwärtssperrdiode (Dl) zwischen dem Drainanschluß der Endstufe (Q 1 ) der Halbleiterleistungsstufe (6) und der
Primärwicklung (Ll) des Zündtransformators (1) geschaltet ist.
9. Zündsystem nach Anspnich 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektronik (IC) als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
10. Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit- Steuerung mit ausgewählten, vorgegebenen Zeitintervallen (tein,taus2) arbeitet.
11. Zündsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Zeitintervalle (tein, taus2) entsprechend den im Verbrennungsmotor herrschenden Betriebsbedingungen ausgewählt werden.
12. Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünd- transformator ( 1 ) ein Übersetzungsverhältnis ü größer als 50 hat.
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