WO2006056329A1 - Schnelle vielfachfunkenzündung - Google Patents

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WO2006056329A1
WO2006056329A1 PCT/EP2005/012144 EP2005012144W WO2006056329A1 WO 2006056329 A1 WO2006056329 A1 WO 2006056329A1 EP 2005012144 W EP2005012144 W EP 2005012144W WO 2006056329 A1 WO2006056329 A1 WO 2006056329A1
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WO
WIPO (PCT)
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ignition
transformer
spark
timing
control logic
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/012144
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Bertsch
Wilfried Schmolla
Harald Winter
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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 Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
Priority to JP2007541759A priority Critical patent/JP2008522066A/ja
Priority to EP05803688A priority patent/EP1815131A1/de
Priority to US11/791,536 priority patent/US20080121214A1/en
Publication of WO2006056329A1 publication Critical patent/WO2006056329A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • 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
    • F02P15/08—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 multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils

Definitions

  • the invention relates to a method and an ignition system for generating a plurality of sparking openings on a spark plug.
  • the radio breakthroughs are generated several times in succession within an ignition time window.
  • the control for generating the spark break-through works here with a complex measuring sensor, with which the secondary current is measured and monitored. Falls after the 44
  • the monitored threshold value is a function of the engine speed and the ambient temperature.
  • the secondary current threshold already mentioned in DE 100 34 725 B4 is defined as a function of the energy which has already been taken from the secondary coil of the ignition coil.
  • the solution succeeds with a rapid multiple ignition, in which the maximum breakdown voltage for the spark gap during a Zündzeithui novels is several times available.
  • the ignition system uses a DC-DC converter, which boosts the vehicle electrical system voltage and allows its minimized ignition coils to be quickly recharged with bar ignition transformers.
  • the ignition electronics operate with a power output stage which charges the bar ignition transformer by switching a circuit breaker in the ground path of the primary winding.
  • the triggering of the output stage power switch takes place with a time controller which clocks the circuit breaker for charging the rod ignition transformer and switches the primary side of the ignition transformer for a predetermined period of time to ground in order to achieve spark breakdown after the ignition transformer has been charged.
  • the Zeitsteue ⁇ tion can be implemented in a separate ignition control device, which takes over the control of the power output stage ofkulturerschal ⁇ device for charging the ignition transformer.
  • the ignition controller is from a parent T / EP2005 / 012144
  • the ignition control can be implemented in an already present in the motor vehicle control unit.
  • the Motor Tavern ⁇ device offers here. If the ignition control is implemented in the engine control unit, not only can a separate ignition control unit be dispensed with, but also the signals for the ignition timing window and for the control of the power output stage can be combined and unified. This considerably simplifies signal processing.
  • the adapted small coils of the rod ignition transformers together with the DC-DC converter allow rapid recharging.
  • the DC-DC converter which sets the vehicle electrical system voltage for the purpose of ignition as a boost converter, provides an input voltage on the primary side of the Stabzünd ⁇ transformer well above the usual board voltage of nominally 14 V. Has proven to be a primary-side input voltage of at least 28 volts. Basically, the higher the primary-side input voltage, the faster the recharge of the ignition coils.
  • the circuit breaker with associated An horrintro ⁇ technology for firing the spark plug integrated in a Stabzünd transformer in addition to the ignition transformer and the ignition electronics, i.
  • the functions of the ignition electronics are combined in an integrated circuit.
  • the motor electronics can then address this integrated circuit with a deterministic bus system.
  • Existing engine electronics then do not need to be revised and, as before, can only transmit the ignition timing window to the ignition electronics.
  • the advantages achieved by the invention lie in the improved ignitability of hardly ignitable fuel injections.
  • the possible operating points of direct injection gasoline engines can be extended to lower speeds and to previously unachieved low load ranges. Misfires are reliably avoided in these hitherto largely inaccessible operating points of gasoline direct injection.
  • Fig. 2 an ignition system according to the invention
  • Fig. 3 shows a first time diagram for an embodiment of the ignition method according to the invention
  • Fig. 4 shows a second time diagram for an exemplary embodiment of the ignition method according to the invention.
  • Fig. 5 A preferred ignition system based on integrated rod ignition transformers according to the invention.
  • the aforementioned engine types introduce the fuel 2 via an injection valve 1 under high pressure into the combustion chamber 3 of the engine.
  • the ignition of the fuel is tuned to the position of the piston 4 in the Zylinderboh ⁇ tion and to the respective power stroke, in which the engine is currently tor.
  • the ignition point is to be able to be determined as much as possible and takes place with an auxiliary ignition energy which is introduced into the internal combustion engine by a spark of a spark plug 5.
  • a spark plug extends between a central anode 6 and one or more ground straps 7, which are connected to the cathode. It has now been found that the position of the ground yoke in critical operating points of the internal combustion engine becomes decisive for the successful ignition of the injected fuel. Especially when a spark plug has been installed such that one of its Mas ⁇ sebügel shields the anode against the injected fuel, it comes at low engine speeds and in Nied ⁇ riglast Jardin the internal combustion engine to misfiring. Die ⁇ se misfires could not be reliably prevented with the previously known multiple ignition systems. At this point, the invention begins.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the invention.
  • a transformer which is designed as an ignition transformer 8 having a primary winding Ll and a secondary winding L2
  • the vehicle electrical system voltage of nominally 14 volts generated by an electrical system generator 9 with integrated rectifier bridge 10 and an on-board battery 11, which in turn with ei ⁇ nem DC voltage converter 12 to a Voltage is raised over 14 v, applied via a semiconductor power stage 13 and a diode Dl to ground.
  • the secondary side L2 of the ignition transformer is connected to the electrodes of a spark plug 5 via a switch-on suppression diode D2. Spark plug and ignition transformer are shown in the illustratedariessbei ⁇ play as integrated Stabzündtransformator. This is an advantageous embodiment of the invention.
  • the ignition transformer and the spark plug can also be designed as von ⁇ separate components, which are connected via elec ⁇ cal lines.
  • the primary side Ll 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 Halbleiterleis ⁇ processing stage and a current sensor, which is here as Messwider ⁇ stand R, connected to the ground line of Bordnetz ⁇ voltage.
  • the control of the Halbleit Vietnameses- stage 13 is carried out by an ignition controller 14.
  • the separate training of ignition controller, semiconductor power stage and current sensor are a possible embodiment of the invention. The invention is not limited to this embodiment.
  • As a current sensor a current clamp, with the current in the primary coil 'is measured, are used.
  • the power stage does not necessarily have to be designed as a semiconductor power stage.
  • the division between the ignition control unit and the engine control unit ME is of more conceptual nature and is based on practical applications.
  • ignition control unit and engine control unit can be designed as a unit.
  • a signal Zl is sent as an identifier for the Zündzeittician possess to the control unit 14 of Zünd ⁇ electronics.
  • the charging of the ignition transformers 8 is triggered.
  • the charging takes place according to the flyback converter principle via the primary coil Ll and the diode Dl by means of a clocked by the control unit of the ignition circuit power switch Ql in the power output stage 13.
  • the clock signal in Fig. 4 is also denoted by Ql net.
  • the power switch is preferably a semiconductor switch, in particular a MOSFET or an IGBT. In its switched-through position (on), the primary coil Ll T / EP2005 / 012144
  • the primary current Ip rises up to a maximum value Ipmax. Once the maximum primary current has been reached, no further energy can be stored in the ignition transformer.
  • the ignition transformer must be matched with its two coils and their transmission ratio and their coupling factor to the electrode pair of the connected spark plug. Energy content of Zünd ⁇ transformer and transmission ratio of the two coils must each be sufficient to reach the breakdown voltage for the spark break and a sufficient burning time of the spark. In the case of a known supply voltage through the DC-DC converter 12 and with known coil constants of the ignition transformer, it is possible in principle to calculate after which time the maximum primary current is reached. Incidentally, you can also determine the charging time experimentally by measurements.
  • the time span taus is therefore chosen to be sufficiently small, so that there is no reason to fear that the spark will go out due to insufficient ignition voltage.
  • the WegZeit ⁇ points for the timing of the circuit breaker Ql can be optimized.
  • the reloading process can be optimized.
  • Sparks consumed energy and the energy consumed depends on the conditions, such as temperature, pressure, humidity, in the combustion chamber. In particular, the energy consumed depends crucially on whether it came to a spark break at all on the first attempt. If only a small amount of energy has been removed from the ignition transformer, the recharging process will not take as long as a full charge. With a pure time control to achieve the radio breakthrough, however, it is not possible to determine for the recharging process from which earliest point in time the primary current has again reached its maximum value, from which it can be ignited again. It is therefore advantageous to add an additional maximum current monitoring for the primary current and to trigger the time for switching off the circuit breaker and thus the ignition timing to the time for reaching the maximum primary current.
  • the recharge processes can thus be optimally adapted to the residual energy content of the ignition transformer, which shortens the recharging times and thus allows more after-ignition within the ignition timing window.
  • a secondary current determination or an ion current measurement can additionally take place at the electrodes of the spark plug, so that it can also be determined whether the ignition spark is still burning. If it has prematurely extinguished, this can be detected by the secondary current determination and immediately, before the time period has elapsed from the time control started with the recharging of the ignition transformer.
  • the voltage curve is applied to the electrodes of the spark plug by way of example, as it results in the control of the ignition electronics.
  • the maximum ignition voltage Umax for the achievement of the radio breakthrough. This maximum ignition voltage Umax is achieved multiple times within one ignition-timing window. In the case of the embodiment shown in FIG. 2, 3 times.
  • FIG. 5 shows a more highly integrated embodiment of an ignition system according to the invention.
  • the vehicle electrical system voltage is raised with a step-up converter to a voltage level well above 14 volts and thus fed to the rod ignition transformers primary side.
  • the distribution of the functions for the ignition control are, however, integrated higher than in the exemplary embodiment of FIG. 2.
  • the functions for charging the bar ignition transformers and the functions for achieving the spark breakdown are combined on an integrated circuit IC and into the housing of the rod ignition transformers integrated. These are mainly the power output stage with the power switch Ql and the Sperr ⁇ converter diode Dl and the control logic of bathend ⁇ stage.
  • the control of the integrated circuits is signaled via data lines of a bus system or via serial data lines. About these data lines, the integrated circuits of the ignition electronics with the engine control unit ME in communication.
  • both the inte ⁇ grated circuits and the engine control unit have their own intelligence in the form of application programs, each in executable form in a microprocessor of the Integrated circuits are implemented and certainly in the Motor Kunststoff ⁇ device. This makes it possible, via the application programs, to optimally adapt the distribution of the control functions and thus the distribution of the method steps for achieving a successful ignition via the programming of the application programs to the given hardware requirements.
  • the ignition system according to FIG. 5 both an ignition method as already discussed in connection with FIG. 4 can be implemented and an ignition method as discussed in connection with FIG. 3 can be implemented.
  • the ignition method according to the timing diagram of FIG. 3 differs from the ignition method of FIG. 4 nch ⁇ neuter by the combination of the two signals Zl for the Zündzeittician coin and Ql for the timing of the circuit breaker in the output of the power output stage.
  • the signal Zl according to the method of FIG. 3 contains both the information about the Zündzeittician novel as the information for ignition of the spark plug and recharging the ignition transformer.
  • the control signal is applied, for example, to the power switch of the integrated circuit IC, with which the ground current path of the primary winding of the bar ignition transformer is connected.
  • the signal itself is preferably generated in the integrated circuit.
  • the information on the structure of the signal such as the beginning and end of the Zündzeitpunk seedss and location of Aus ⁇ switching times taus to generate the spark breaks after charging the ignition transformer are preferably determined in the engine control unit and in coded form via the data line between the engine control unit and integrated circuit to this for further Processing transmitted.
  • the summary of the signals to the ignition window, Charging the ignition coil and ignition of the spark break in a signal reduces the otherwise necessary coordination effort of the individual signals to each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine schnelle Mehrfachzündung, bei der die maximale Durchbruchsspannung für den Funkendurchbruch während eines Zündzeitpunktfensters mehrfach zur Verfügung steht. Das Zündsystem arbeitet mit einem Gleichspannungswandler, mit dem die Bordnetzspannung angehoben wird und mit Stabzündtransformatoren deren minimierte Zündspulen ein schnelles Nachladen erlauben. Die Zündelektronik arbeitet mit einer Leistungsendstufe, die den Stabzündtransformator durch Schalten eines Leistungsschalters im Massepfad der Primärwicklung auflädt. Die Ansteuerung des Endstufen-Leistungsschalters erfolgt mit einer Zeitsteuerung, die für die Aufladung des Stabzündtransformators den Leistungsschalter taktet und zur Erzielung des Funkendurchbruchs nach Aufladung des Zündtransformator die Primärseite des Zündtransformators für eine vorgegebene Zeitspanne lang leitend gegen Masse schaltet.

Description

DaimlerChrysler AG
Schnelle Vielfachfunkenzündung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Zündsystem zur Erzeugung mehrerer Funkendurchbrüche an einer Zündkerze. Die Funkendurchbrüche werden hierbei innerhalb eines Zündzeit- fensters mehrfach hintereinander erzeugt.
Es hat in der Zündungstechnik viele Untersuchungen gegeben, die auf Systeme zur Erzeugung eines mehrfachen Funkendurch¬ bruchs an einer Zündkerze gerichtet waren. Solche Zündsysteme und Zündverfahren waren beispielsweise als „Mehrfachlade¬ systeme" oder als Mehrfachfunkenzündung bezeichnet. Dementsprechend gibt es eine ganze Anzahl von gattungsbil¬ denden Patentveröffentlichungen, von denen die wichtigsten in der Folge kurz abgehandelt werden.
Aus der DE 10034 725 B4 ist ein Zündverfahren und ein Zünd¬ system zum Steuern der Zündung in einem Verbrennungsmotor bekannt, welches durch mehrfaches Unterbrechen des Primär¬ stromes einer Zündspule auf der Sekundärseite der Zündspule einen Spannungspuls und damit an den Elektroden der nach geschalteten Zündkerze einen Funkendurchbruch erzeugt.
Die Steuerung zur Erzeugung des Funkendurchbruchs arbeitet hierbei mit einer aufwendigen Meßsensorik, mit der der Sekundärstrom gemessen und überwacht wird. Fällt nach dem 44
erstmaligen Funkendurchbruch der Sekundärstrom innerhalb des Zündzeitfensters unter einen überwachten Schwellwert, wird die Zündspule nachgeladen und ein neuer Funkendurchbruch initiiert. Der überwachte Aschwellwert ist hierbei eine Funktion der Motordrehzahl und der Umgebungstemperatur.
Mehrfachladesysteme der gleichen Gattung sind auch aus den amerikanischen Patentdokumenten US 6,378,513 Bl und US 6,367,318 Bl bekannt.
Im Falle der US 6,378,513 Bl wird hierbei die in der DE 100 34 725 B4 schon genannte Sekundärstromschwelle als Funktion der Energie definiert, die bereits der Sekundärspule der Zündspule entnommen wurde. Hierdurch können die Zeitinter¬ valle für die MehrfachZündungen variable gehalten werden und es wird verhindert, dass durch die Mehrfachzündung ein zu hoher Energieeintrag in die Verbrennungszylinder erfolgt.
Im Falle der US 6,367,318 Bl wird eine andere Strategie ver¬ folgt, um einen unnötigen Energieeintrag durch die Mehrfach¬ zündung zu verhindern. Mittels einer Ionenstrommessung, die den über die Elektroden der Zündkerze geflossenen Sekundär¬ strom misst, wird mittels einer Steuerungslogik und einer Schwellwertbetrachtung des Ionenstromes entschieden, ob das Kraftstoffgemisch bereits gezündet wurde. Ergibt diese Ent¬ scheidung, dass das Kraftstoffgemisch bereits gezündet ist, wird das Mehrfachladeverfahren abgebrochen.
Auch bekannt ist eine Wechselstromzündungen, mit der es möglich ist die Funkendauer innerhalb eines Zündzeitfensters zu steuern. In der DE 10121993 Al wird hierbei mittels einer Zeitsteuerung und einer überlagerten MaximalStrombegrenzung des Primärstromes der Primärstrom mehrfach unterbrochen und damit mittels Rückwärtssperrdiode im Primärstrompfad nach dem 5 012144
Sperrwandlerprinzip auf der Sekundärseite der Zündspule eine Wechselspannung erzeugt. Mit einer durch Auslegung der Zünd¬ spule inhärenten Nachzündreserve wird Sorge getragen, dass bei einem Erlöschen des Zündfunkens eine Nachzündung erfolgen kann.
Die vorgenannten Zündsysteme haben alle ihre spezifischen Vorteile, stoßen aber natürlich auch an ihre spezifischen Grenzen.
Nicht geeignet sind die vorgenannten Zündsysteme und Zündver¬ fahren im Niedriglastbetrieb von Verbrennungsmotoren, die mit hohem Sauerstoffüberschuss gefahren werden, also so genannte Magermotoren oder so genannte Schichtladeverfahren (Fuel Stratified Injection) für Verbrennungsmotoren. Bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last machen sich bei diesen Motoren Zündaussetzer sehr stark bemerkbar. Die Gefahr der Zündaus¬ setzer nimmt hierbei zu je weniger Kraftstoff eingebracht wird. Im Niedriglastbereich wird die Zündfähigkeit des Gemisches äußerst kritisch. Dann hat selbst die Einbaulage des Massebügels der Zündkerze einen entscheidenden Einfluss darauf, ob die Schichtladung noch zuverlässig gezündet werden kann oder nicht. Kommt es zu Fehlzündungen, so macht sich das bei den niedrigen Drehzahlen im Leerlauf oder im Niedriglast- bereich durch äußerst unruhigen Motorlauf sehr stark bemerk¬ bar. Da man bisher keine überzeugenden Zündungsverfahren hatte, hat man deshalb die Magermotoren im Niedriglastbereich quasi überfettet gefahren. Damit gingen aber ein Großteil der erhofften Kraftstoffeinsparungen wieder verloren. Dieses Teillastproblem der Magermotoren ist um so größer je größer die Leistungsklasse des Verbrennungsmotors ist.
Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung ein Zündverfahren und ein Zündsystem anzugeben, mit dem die tolerierbaren Betriebspunkte des Magerbetriebs von Verbrennungsmotoren weiter in den Niedriglastbereich und weiter zu niedrigen Motordrehzahlen verschoben werden können.
Dieses Ziel wird erreicht mit einem Verfahren und einem Zündsystem nach den nebengeordneten Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung sowie in den Ausführungsbeispielen offenbart.
Die Lösung gelingt mit einer schnellen Mehrfachzündung, bei der die maximale DurchbruchsSpannung für den Funkendurchbruch während eines Zündzeitpunktfensters mehrfach zur Verfügung steht. Das Zündsystem arbeitet mit einem Gleichspannungs- wandler, mit dem die Bordnetzspannung angehoben wird und mit Stabzündtransformatoren deren minimierte Zündspulen ein schnelles Nachladen erlauben. Die Zündelektronik arbeitet mit einer Leistungsendstufe, die den Stabzündtransformator durch Schalten eines Leistungsschalters im Massepfad der Primär¬ wicklung auflädt. Die Ansteuerung des Endstufen-Leistungs¬ schalters erfolgt mit einer ZeitSteuerung, die für die Auf¬ ladung des Stabzündtransformators den Leistungsschalter taktet und zur Erzielung des Funkendurchbruchs nach Aufladung des Zündtransformator die Primärseite des Zündtransformators für eine vorgegebene Zeitspanne lang leitend gegen Masse schaltet.
Für die Implementierung der Zeitsteuerung gibt es mehrere Möglichkeiten. In einer Ausführungsform kann die Zeitsteue¬ rung in einem separaten Zündsteuergerät implementiert sein, das die Ansteuerung der Leistungsendstufe der Treiberschal¬ tung für die Aufladung des Zündtransformators übernimmt. In diesem Fall wird dem Zündsteuergerät von einem übergeordneten T/EP2005/012144
Motorsteuergerät ein Zündzeitpunktfenster Anfang und Ende der schnellen Mehrfachzündung vorgegeben.
Vorteilhafter Weise kann die Zündsteuerung aber in einem ohnehin im Kraftfahrzeug vorhandenen Steuergerät implemen¬ tiert sein. Hier bietet sich insbesondere das Motorsteuer¬ gerät an. Ist die Zündsteuerung im Motorsteuergerät implemen¬ tiert, kann nicht nur ein separates Zündsteuergerät entfal¬ len, es können auch die Signale für das Zündzeitpunktfenster und für die Ansteuerung der Leistungsendstufe zusammengefasst und vereinheitlich werden. Das vereinfacht die Signalverar- beitung erheblich.
Die angepassten kleinen Spulen der Stabzündtransformatoren erlauben zusammen mit dem Gleichspannungswandler ein schnelles Nachladen. Der Gleichspannungswandler, der als Hochsetzsteller die Bordnetzspannung für die Zwecke der Zündung hoch setzt, liefert an der Primärseite des Stabzünd¬ transformators eine EingangsSpannung deutlich oberhalb der üblichen Bordnetzspannung von nominell 14 V. Bewährt hat sich eine primärseitige EingangsSpannung von mindestens 28 Volt. Grundsätzlich gilt, je höher die primärseitige Eingangs- Spannung desto schneller die Nachladung der Zündspulen.
Die Ansteuerung und die Dimensionierung der Leistungselek¬ tronik und des Stabzündtransformator erfolgt derart, dass innerhalb des Zündzeitpunktfensters des betreffenden Ver¬ brennungsmotors mindestens 3-mal die maximale Durchbruchs¬ spannung für einen Funkendurchbruch an der Zündkerze erreicht wird. Besser und bewährt hat sich eine Auslegung, bei der innerhalb des Zündzeitpunkfensters 10 bis 12 Mal die maximale DurchbruchsSpannung für den Funkendurchbruch anliegt. Besonders bewährt sich eine Ansteuerung und eine Dimensio¬ nierung, derart, dass in der Zeit, die der Kraftstoff braucht, um von dem Einspritzventil bis zu den Elektroden der Zündkerze zu gelangen, mindestens dreimal mit voller Durch¬ spannung gezündet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zündsystems und des erfindungsgemäßen Zündverfahrens ist neben dem Zündtransformator auch die Zündelektronik, d.h. vor allem der Leistungsschalter mit zugehöriger Ansteuerelektro¬ nik zum Feuern der Zündkerze in einem Stabzündtransformator integriert . In diesem Fall werden die Funktionen der Zünd¬ elektronik in einem Integrierten Schaltkreis zusammengefasst. Von der Motorelektronik kann dann dieser integrierte Schalt¬ kreis mit einem deterministischen Bussystem angesprochen werden. Bestehende Motorelektroniken müssen dann nicht überarbeitet werden und können wie bisher auch lediglich das Zündzeitpunktfenster an die Zündelektronik übermitteln.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile liegen in der verbesserten Zündfähigkeit von schwer zündbaren Kraft- stoffinjektionen. Damit können die möglichen Betriebspunkte von direkt einspritzenden Benzinmotoren hin zu niedrigeren Drehzahlen und hin zu bisher nicht erreichten Niedriglast- bereichen ausgedehnt werden. Zündaussetzer werden in diesen bisher weitgehend unzugänglichen Betriebspunkten der Benzin Direkteinspritzer zuverlässig vermieden. Letztlich ergibt sich neben einem verbesserten Rundlauf der Motoren auch ein bessere Kraftstoffausnutzung, da auf eine bisher praktizierte Überfettung in Niedrigdrehzahlbereichen verzichtet werden kann.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Frage einer erfolgreichen Zündung des injizierten Kraftstoffs nicht mehr T/EP2005/012144
so stark von der Einbaulage des Massebügels der verwendeten Zündkerze abhängt. Es kann somit auf Maßnahmen verzichtet werden, wie z.B. definierte Gewindeanschnitte, die dafür sorgen, dass der Massebügel der Zündkerze immer mit gleicher Drehlage relativ zum Kraftstoffinjektor eingebaut wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von graphischen Darstellungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 Die konstruktiven Verhältnisse Brennraum eines Verbrennungsmotors aus dem Stand der Technik,
Fig . 2 ein erfindungsgemäßes Zündsystem,
Fig . 3 ein erstes Zeitschema für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zündverfahren,
Fig . 4 ein zweites Zeitschema für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zündverfahrens.
Fig . 5 Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Zündsystem auf der Basis von integrierten Stabzündtransformatoren.
Anhand der Darstellung in Fig. 1 wird im Folgenden kurz auf die Ursachen der Probleme eingegangen, die sich bei Motoren mit Benzin Direkteinspritzung, mit Magermotoren oder mit Schichtladeverfahren bei bekannten Zündsystemen ergeben ha¬ ben. Die vorgenannten Motortypen bringen den Kraftstoff 2 ü- ber ein Einspritzventil 1 unter hohem Druck in den Verbren¬ nungsraum 3 des Motors ein. Die Zündung des Kraftstoffs wird abgestimmt auf die Stellung des Kolbens 4 in der Zylinderboh¬ rung und auf den jeweiligen Arbeitstakt, in dem sich der Mo¬ tor gerade befindet. Der Zündzeitpunkt soll hierbei so kon¬ trolliert wird möglich bestimmbar sein und erfolgt mit einer Zündhilfsenergie, die durch einen Funken einer Zündkerze 5 in den Verbrennungsmotor eingebracht wird. Die Funkenstrecke einer Zündkerze verläuft hierbei zwischen einer zentralen A- node 6 und einem oder mehreren Massebügeln 7, die al Kathode geschaltet sind. Es hat sich nun herausgestellt, dass die Stellung des Massebügels in kritischen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors für die erfolgreiche Zündung des einge¬ spritzten Kraftstoffs entscheidend wird. Besonders dann, wenn eine Zündkerze derart eingebaut wurde, dass einer ihrer Mas¬ sebügel die Anode gegen den eingespritzten Kraftstoff ab¬ schirmt, kommt es bei niedrigen Motordrehzahlen und im Nied¬ riglastbereich des Verbrennungsmotors zu Zündaussetzern. Die¬ se Zündaussetzer konnten mit den bisher bekannten Mehrfach- Zündsystemen nicht zuverlässig verhindert werden. An diesem Punkt setzt die Erfindung an.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Erfindung. An einen Transformator, der als Zündtransformator 8 mit einer Primärwicklung Ll und einer Sekundärwicklung L2 ausgebildet ist, ist die von einem Bordnetzgenerator 9 mit integrierter Gleichrichterbrücke 10 und einer Bordnetzbatterie 11 erzeugte Bordnetzspannung von nominell 14 Volt, die ihrerseits mit ei¬ nem Gleichspannungswandler 12 auf eine Spannung über 14 v an¬ gehoben wird, über eine Halbleiterleistungsstufe 13 und eine Diode Dl gegen Masse angelegt. Die Sekundärseite L2 des Zünd¬ transformators ist über eine Einschaltunterdrückungsdiode D2 mit den Elektroden einer Zündkerze 5 verbunden. Zündkerze und Zündtransformator sind in dem dargestellten Ausführungsbei¬ spiel 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 von¬ einander getrennte Bauteile ausgeführt sein, die über elekt¬ rische 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 Halbleiterleis¬ tungsstufe und einem Stromsensor, der hier als Messwider¬ stand R ausgebildet ist, auf die Masseleitung der Bordnetz¬ spannung geschaltet. Die Ansteuerung der Halbleiterleistungs- stufe 13 erfolgt durch ein Zündsteuergerät 14. Die getrennte Ausbildung von Zündsteuergerät, Halbleiterleistungsstufe und Stromsensor sind ein mögliches Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Erfindung 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 Halblei¬ terleistungsstufe ausgebildet sein. Die Aufteilung zwischen Zündsteuergerät und Motorsteuergerät ME ist mehr gedanklicher Art und orientiert sich in der Anwendung an praktischen Gege¬ benheiten. Insbesondere können Zündsteuergerät und Motorsteu¬ ergerät als Einheit ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch eine integrierte Zündelektronik die als integrierter Schalt¬ kreis in einen Stabzündtransformator integriert ist, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 noch erläutert wird.
Die Funktion und die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Zünd¬ systems nach Fig. 2 wird im Folgenden im Zusammenhang mit den Zeitdiagrammen aus Fig. 4 näher erläutert. Von dem überge¬ ordneten Motorsteuergerät ME wird ein Signal Zl als Kennung für das Zündzeitpunktfenster an das Steuergerät 14 der Zünd¬ elektronik gesandt. Mit dem Signal Zl für das Zündzeitpunkt- fenster wird die Aufladung der Zündtransformatoren 8 ge- triggert. Die Aufladung erfolgt nach dem Sperrwandlerprinzip über die Primärspule Ll und die Diode Dl mittels eines von dem Steuergerät der Zündelektronik getakteten Leistungs- schalters Ql in der Leistungsendstufe 13. Der Einfachheit wegen ist das Taktsignal in Fig. 4 ebenfalls mit Ql bezeich¬ net. Der Leistungsschalter ist vorzugsweise ein Halbleiter¬ schalter, insbesondere ein MOSFET oder ein IGBT. In seiner durchgeschalteten Stellung (ein) wird die Primärspule Ll T/EP2005/012144
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leitend mit Masse verbunden. Der Primärstrom Ip steigt bis auf einen Maximalwert Ipmax an. Ist der maximale Primärstrom erreicht, lässt sich keine weitere Energie mehr im Zünd¬ transformator speichern. Der Zündtransformator muss mit seinen beiden Spulen und deren Übersetzungsverhältnis sowie deren Kopplungsfaktor auf das Elektrodenpaar der angeschlos¬ senen Zündkerze abgestimmt sein. Energieinhalt des Zünd¬ transformators und Übersetzungsverhältnis der beiden Spulen müssen jeweils ausreichen um die Durchbruchspannung für den Funkendurchbruch und eine hinreichende Brenndauer des Funken zu erreichen. Bei bekannter Versorgungsspannung durch den Gleichspannungswandler 12 und bei bekannten Spulenkonstanten des Zündtransformators, lässt sich prinzipiell errechnen nach welcher Zeit der maximale Primärstrom erreicht wird. Im übrigen kann man die Aufladezeit auch experimentell durch Messungen bestimmen. Das heißt man kann mit einer reinen Zeitsteuerung durch Takten des Leistungsschalters Ql, jeweils nach einer Einschaltzeit tein für das Erreichen des maximalen Primärstromes Ipmax durch Ausschalten des Leistungsschalters für eine vorgegebene Zeitspanne taus einen Funkendurchbruch an den Elektroden der Zündkerze erzielen.
Während der Zeitspanne taus wird der Strom Is in der Sekundärspule des Zündtransformators absinken. Die Zeitspanne taus wird deshalb hinreichend klein gewählt, derart dass nicht zu befürchten ist, dass der Funken mangels zu geringer Zündspannung erlischt.
In einer aufwendigeren Ansteuerung können die SchaltZeit¬ punkte für die Taktung des Leistungsschalters Ql optimiert werden. Hierzu kann z.B. mit einer Primärstrommessung der Nachladeprozess optimiert werden. Für den Nachladeprozess ist nämlich entscheidend, wie viel Energie noch in der Primär¬ spule gespeichert ist. Dies wiederum hängt von der durch den 5 012144
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Funken verbrauchten Energie ab, und die verbrauchte Energie hängt von den Bedingungen, wie Temperatur, Druck, Feuchtig¬ keit, im Brennraum ab. Insbesondere hängt die verbrauchte Energie entscheidend davon ab, ob es überhaupt beim ersten Versuch zu einem Funkendurchbruch gekommen ist. Wurde nur wenig Energie aus dem Zündtransformator entnommen, dauert der Nachladevorgang nicht solange, wie ein vollständiges Aufladen. Mit einer reinen Zeitsteuerung zur Erzielung des Funkendurchbruchs lässt sich aber für den Nachladevorgang nicht bestimmen ab welchem frühesten Zeitpunkt der Primär¬ strom wieder seinen Maximalwert erreicht hat, ab dem wieder gezündet werden kann. Es ist deshalb von Vorteil eine zusätzliche Maximalstromüberwachung für den Primärstrom hinzuzunehmen und den Zeitpunkt für das Ausschalten des Leistungsschalters und damit den Zündzeitpunkt auf den Zeitpunkt für das Erreichen des maximalen Primärstromes zu triggern. Die Nachladevorgänge können damit optimal auf den Restenergieinhalt des Zündtransformators angepasst werden, was die Nachladezeiten verkürzt und damit mehr Nachzündungen innerhalb des Zündzeitpunktfensters ermöglicht.
In der komfortabelsten Ausführungsform kann zusätzlich eine SekundärStrombestimmung oder eine Ionenstrommessung an den Elektroden der Zündkerze erfolgen, so dass auch festgestellt werden kann, ob der Zündfunke noch brennt. Ist er vorzeitig erloschen, kann dies durch die Sekundärstrombestimmung detektiert werden und sofort, noch bevor die Zeitspanne taus der Zeitsteuerung angelaufen ist, mit dem Nachladen des Zündtransformators begonnen werden.
In dem untersten Zeitdiagramm der Fig. 4 ist der Vollständig¬ keit halber exemplarisch der Spannungsverlauf an den Elektroden der Zündkerze aufgetragen, wie er sich die Ansteuerung seitens der Zündelektronik ergibt. Immer beim Ausschalten des Leistungsschalters Ql steht durch den dann wirksam Induktionspuls die maximale Zündspannung Umax für die Erzielung des Funkendurchbruchs zur Verfügung. Diese maximale Zündspannung Umax wird hierbei innerhalb eines Zündzeit- punkfensters mehrfach erreicht. Im Fall des in Figur 2 aufge¬ zeigten Ausführungsbeispiel 3-mal.
Wie bereits bei der Diskussion zu Fig. 2 erwähnt, gibt es für die Realisierung der Erfindung mehrere Ausprägungen. Fig. 5 zeigt eine höher integrierte Ausführungsform eines erfin¬ dungsgemäßen Zündsystems. Weiterhin wird die Bordnetzspannung mit einem Hochsetzsteller auf einen Spannungslevel deutlich über 14 Volt angehoben und damit die Stabzündtransformatoren primärseitig gespeist. Die Verteilung der Funktionen für die Zündsteuerung sind jedoch höher integriert als im Ausfüh¬ rungsbeispiel der Fig. 2. Vorzugsweise sind die Funktionen zur Aufladung der Stabzündtransformatoren und die Funktionen zur Erzielung des Funkendurchbruchs auf einem Integrierten Schaltkreis IC zusammengefasst und in das Gehäuse der Stab¬ zündtransformatoren integriert. Dies sind hauptsächlich die Leistungsendstufe mit dem Leistungsschalter Ql und die Sperr¬ wandlerdiode Dl sowie die Ansteuerungslogik der Leistungsend¬ stufe. Die Ansteuerung der Integrierten Schaltkreise erfolgt signaltechnisch über Datenleitungen eines Bus-Systems oder über serielle Datenleitungen. Über diese Datenleitungen sind die integrierten Schaltkreise der Zündelektronik mit dem Motorsteuergerät ME in Kommunikationsverbindung.
Dies ermöglicht was das Verfahren zur Ansteuerung der Zündung angeht eine weitgehend flexible Handhabung. Sowohl die inte¬ grierten Schaltkreise als auch das MotorSteuergerät verfügen über eigene Intelligenz in Form von Anwendungsprogrammen, die jeweils in ablauffähiger Form in einem Mikroprozessor der integrierten Schaltkreise und erst recht in dem Motorsteuer¬ gerät implementiert sind. Dies ermöglicht es, über die Anwendungsprogramme die Verteilung der Steuerungsfunktionen und damit die Verteilung der Verfahrensschritte zur Erzielung einer erfolgreichen Zündung über die Programmierung der Anwendungsprogramme optimal an die jeweils gegebenen Hardwarevoraussetzungen anzupassen. Damit kann mit dem Zündsystem nach Fig. 5 sowohl ein Zündverfahren wie es bereits im Zusammenhang mit der Figur 4 erörtert wurde implementiert werden als auch ein Zündverfahren wie es noch im Zusammenhang mit der Figur 3 erörtert wird implementiert werden.
Das Zündverfahren nach dem zeitlichen AblaufSchema der Fig. 3 unterscheidet sich von dem Zündverfahren nach Fi. 4 haupt¬ sächlich durch die Zusammenfassung der beiden Signale Zl für das Zündzeitpunktfenster und Ql für die Taktung der Leistungsschalter im Ausgang der Leistungsendstufe. Damit enthält das Signal Zl nach dem Verfahren nach Fig. 3 sowohl die Information über das Zündzeitpunktfenster als die Information zur Zündung der Zündkerze und Nachladung des Zündtransformators. Das Steuerungssignal wird hierbei beispielsweise an den Leistungsschalter des Integrierten Schaltkreises IC, mit dem der Massestrompfad der Primär¬ wicklung des Stabzündtransformators geschaltet wird angelegt. Das Signal selbst wird vorzugsweise im integrierten Schalt¬ kreis erzeugt. Die Informationen zum Aufbau des Signals, wie Beginn und Ende des Zündzeitpunkfensters und Lage der Aus¬ schaltzeiten taus zur Erzeugung der Funkendurchbrüche nach Aufladung des Zündtransformators werden vorzugsweise in dem Motorsteuergerät ermittelt und in codierter Form über die Datenleitung zwischen Motorsteuergerät und integriertem Schaltkreis an diesen zur weiteren Verarbeitung übermittelt. Die Zusammenfassung der Signale zu Zündzeitpunktfenster, Aufladung der Zündspule und Zündung des Funkendurchbruchs in ein Signal verringert den ansonsten notwendigen Koordinationsaufwand der einzelnen Signale zueinander.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Zündsystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einer Spannungsversorgung, mindestens einem Zündtransformator (8) , mindestens einer Zündkerze (5) und mindestens einer Steuerungslogik (ME, 13), wobei mit der Steuerungslogik ein Leistungsschalter (Ql) im Massepfad der Primärwicklung (Ll) des Zündtransformators geschaltet wird, wodurch der Zündtransformator innerhalb eines Zündzeitpunkfensters mehrfach geladen und entladen wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass die AusgangsSpannung der Spannungsversorgung mit einem Gleichstromwandler (12) hoch gesetzt wird und an die Primärwicklung des Zündtransformators angelegt ist,
- und dass mit einer in der Steuerungslogik (ME,13) implementierten Seitsteuerung innerhalb eines Zündzeitpunktfensters der Leistungsschalter mehrfach ein und aus geschaltet wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungslogik aus einem separaten Zündsteuergerät und einem übergeordneten Motorsteuergerät besteht.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, die Zeitsteuerung im Zündsteuergerät (13,IC) implementiert ist.
4. System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungslogik mit dem Motorsteuergerät einheitlich ausgebildet ist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung im Motorsteuergerät implementiert ist.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspule ein Stabzündtransformator ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Steuerungslogik (13,ME) und der Leistungsschalter (Ql) in einem integrierten Schaltkreis (IC) zusammengefasst und im Gehäuse des Stabzündtransformators integriert sind.
8. Zündverfahren für einen Verbrennungsmotor, bei dem:
- eine Zündspule mit einer Spannungsversorgung aufgeladen wird, indem ein Primärstrom (Ip) durch eine Primärwicklung (Ll) einer Zündspule (8) geschaltet wird,
- ein erster Funkendurchbruch an einer Zündkerze (5) er¬ zeugt wird, indem der Primärstrom (Ip) unterbrochen wird,
- die Zündspule nach dem ersten Funkendurchbruch wieder aufgeladen wird, indem der Primärstrom (Ip) wieder hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung mit einem Gleichstromwandler auf einen Spannungspegel höher als 14 Volt hoch gesetzt wird,
- und dass der Funkendurchbruch mit einer Zeitsteuerung mit vorgegebenen Unterbrechungszeiten (taus) für den Primärstrom (Ip) erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitsteuerung eine MaximalStromüberwachung für den Primärstrom (Ipmax) überlagert ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitsteuerung eine Sekundärstromüberwachung überlagert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, die Zeitsteuerung mit zwei Signalen, - einem Signal (Zl) für das Zündzeitpunktfenster und einem Signal (Ql) für das Schalten des Leistungsschalters-, arbeitet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen zum Zündzeitpunktfenster und die Informationen zum Schalten des Leistungsschalters in einem Signal enthalten sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, innerhalb eines Zündzeitpunktfenster mindestens 3 Funkendurchbrüche erzeugt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, innerhalb eines Zündzeitpunktfensters 10 bis 12 Funkendurchbrüche erzeugt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zeitspanne, die der injizierte Kraftstoff braucht, um von der Einspritzdüse bis zu den Elektroden der Zündkerze zu gelangen, mindestens 3 Funkendurchbrüche erzeugt werden.
16. Verwendung des Zündsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Verbrennungsmotor mit Benzin- Direkteinspritzung.
17. Verwendung des Zündverfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 15 in einem Verbrennungsmotor mit Benzin- Direkteinspritzung.
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