WO2014206541A1 - Verfahren zur regelung der zündenergie - Google Patents

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WO2014206541A1
WO2014206541A1 PCT/EP2014/001662 EP2014001662W WO2014206541A1 WO 2014206541 A1 WO2014206541 A1 WO 2014206541A1 EP 2014001662 W EP2014001662 W EP 2014001662W WO 2014206541 A1 WO2014206541 A1 WO 2014206541A1
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tzs
internal combustion
ignition system
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PCT/EP2014/001662
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Stephan BRENDLER
Markus Raindl
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MTU Friedrichshafen GmbH
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    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
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    • F02P2017/121—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current by measuring spark voltage
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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 controlling the ignition energy according to the preamble of claim 1.
  • the present invention has the object to provide an executable in particular with a pre-chamber spark plug method, which allows an improved energy-optimized and thus wear-optimized control of ignition.
  • a method for regulating the ignition energy, wherein the method is provided for execution with an ignition system of an internal combustion engine with spark ignition.
  • the spark-ignition internal combustion engine is e.g. a gas engine.
  • the ignition system which can be used with the method has an ignition coil with a primary (current) circuit and a secondary (current) circuit and a spark plug arranged in the secondary circuit on a combustion chamber (cylinder) of the internal combustion engine, particularly preferably a prechamber spark plug.
  • the setting for setting a minimum ignition energy in the current working cycle is preferably provided.
  • the Hätpielaufaims invention can be provided over the operation of the internal combustion engine advantageously always optimized, especially minimal ignition energy, so that the wear of the spark plug significantly reduced and thus the service life is increased, woneben breakdown voltage and actual ignition energy can be determined in an advantageous simple manner, For example, be provided by commercially available ignition control devices at an output as tappable information already.
  • the expended ignition energy or the control target for the current cycle further depending on a molecular concentration or density (of the mixture) in the combustion chamber and the electrode gap of the spark plug and / or at least one engine operating variable load, calorific value , Burning rate and combustion air ratio, in particular each of the previous cycle to determine.
  • O.A. specified (engine operating) variables (density, electrode spacing, load, calorific value, burning rate and combustion air ratio), which are, for example, measured variables or can be correlated for the provision of the control input in a respective control loop, for example, with a map (which eg Test stand was generated).
  • the burning rate function of pressure, temperature, fuel concentration
  • the electrode spacing for the determination of the respective setting parameter (s) that represent significant quantities and are preferably taken into account.
  • the consideration of the actual electrode spacing makes it possible to regulate the minimum energy in the respective working cycle. It has been found that the higher the breakdown voltage, the lower the spark duration requirement, ie the time required for the glow phase (which is essentially determined by a default value for tzs.i or the spark duration).
  • the breakdown voltage can be calculated, for example, from the course of the primary current or the primary voltage (each in the primary circuit).
  • the primary current can be measured for this purpose, for example.
  • the mean secondary current level can preferably be predetermined.
  • An adjustment or default values for current or spark duration can or can be determined based on a map.
  • a start parameter set can be provided, which is predetermined by the motor parameter set, for example.
  • a parameter set which contains a start specification can be determined, for example, at the (engine) test bench.
  • the invention also proposes an ignition system for carrying out the method described above.
  • the ignition system preferably has an ignition energy regulator, which may furthermore preferably be provided in the form of the engine controller (ECU).
  • an ignition control device may be provided, which cooperates with the ignition energy regulator.
  • the ignition energy regulator may also have the functionality of the control unit according to the invention.
  • the controller may provide the ignition controller with information about the secondary voltage or breakdown voltage for the control, and in particular also the ignition energy used.
  • the ignition energy regulator in turn can transmit the control variable determined therefor for the current working cycle to the ignition control device for the provision of the ignition energy by the same.
  • the method proposed according to the invention can be carried out in particular with a multi-cylinder internal combustion engine such that the ignition energy is regulated individually for each cylinder.
  • a setpoint can be determined for each cylinder for a respective working cycle.
  • Such a setting specification comprises in particular a cylinder-individual specification for the spark duration, in particular also the current, for example - as described above - for the mean secondary current level.
  • FIG. 1 shows an example and schematically an ignition system of an internal combustion engine for carrying out the method according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows by way of example and schematically a diagram for illustrating the method sequence according to a possible embodiment of the invention.
  • the ignition system 1 which is provided for an internal combustion engine (not shown), has an ignition coil 3 with a primary (current) circuit 5 and a secondary där (current) circuit 7, wherein the ignition coil 3 acts as an energy storage and transformer.
  • the primary side 5 of the ignition coil 3 can be supplied via an ignition controller 9 with a current or primary current, which primary current for generating a high voltage on the secondary side 7 is suitably interrupted, for example via a switch of the primary side 5 (not shown).
  • the switch is, for example, an IGBT or generally a transistorized switch, which may be part of the control unit 9 in particular.
  • the induction-based generated high voltage on the secondary side 7 is intended to generate at a secondary circuit 7 to a combustion chamber or cylinder of the internal combustion engine (not shown) arranged spark plug 11, in particular in the form of a Vorschfflekerze, a spark, ie. between the electrodes 11a, 11b.
  • a spark ie. between the electrodes 11a, 11b.
  • an ignition energy regulator 13 cooperates, which is preferably formed by an engine controller (ECU) of the internal combustion engine is.
  • the ignition regulator 13 is e.g. connected to one or more sensors (not shown), which provide provided for the method engine operating information to the controller 13.
  • FIG. 2 illustrates by way of example the method according to the invention for regulating the ignition energy, which can be carried out with the above-described ignition system 1 of an internal combustion engine.
  • the control unit 9 accordingly sets current lzs, i + i and spark duration tzs, i + i at the spark plug 11 via ignition coil 3 according to lzs, i + i and tzs, i +
  • the new spark duration tzs, i + i can be determined in the proposed method, wherein the new or current spark duration tzs, i + i is set the lower, the higher the breakdown voltage Uz in the previous work game is. Furthermore, the height of the (feed) current Izs is correlated with the ignition time (ZZP) and the burn rate estimable from the calorific value, lambda, pressure and temperature in the combustion chamber. In this case, the (feed) current Iz can be reduced with increasing burning speed and later ZZP.
  • the adjustment limits for the parameters spark duration t z and supply current l z are given upwards by the performance of the ignition control unit 9 and down, for example, from the requirement for engine running rest.
  • the breakdown voltage Uz and the actual ignition energy Ezi, ie that of the respective working cycle, is preferably reported by the ignition controller 9 to the controller 13, s. Feedback path or interface 15 in Figs. 1 and 2.
  • the breakdown voltage Uz of the respective working cycle is estimated, in particular advantageously calculated inexpensively from a primary current profile of the working cycle.
  • the control unit 9 can be suitably designed for this purpose.
  • the breakdown voltage Uz may be measured, for example.
  • the starting values can be stored in the controller 13.
  • the ignition energy E z to be expended for the current working cycle (i + 1) is furthermore preferably dependent on a density in the combustion chamber and the electrode spacing of the spark plug 11 and / or at least one engine operating variable from load P, calorific value H u and combustion air ratio ⁇ je 2, according to which the setting input (s) E Z s, i + i or -zs, tzs) i + i is / are determined as a function of H u , ⁇ , P and Uz.
  • the electrode spacing EA at the spark plug 11 in particular also the calorific value Hu, the combustion air ratio ⁇ and the instantaneous power output P (all influencing variables of the combustion speed) are determined from a multiplicity of chemical and physical influencing factors which could be considered in the context of the ignition energy application ), are considered as essential. Their influence can be compensated in the context of the method according to the invention for optimized ignition energy supply or is corrected.
  • Ez ⁇ U (t) z l (t) dt (2)
  • an adjustment (Ezs, i + i in Fig. 2) for the energy Ez, in particular for a corresponding adjustment of the current lz and / or the Spark duration tz can be determined.
  • the disturbances P, ⁇ , Hu, EA are to be regarded as differentiated with regard to their effect as such.
  • E Z s is taken into account in the context of the method for the determination of a respective setting input, which may apply
  • EA electrode gap of the spark plug [m] wherein the density pz (ZZP) can be determined, for example, based on the engine operating point.
  • both the electrode spacing EA and the spark duration tzs to be set for the ignition energy E Z s or the mean secondary current Izs to be set can be estimated.
  • proposed control method is to adjust the spark duration t z, and the current I z (primary or secondary current) or of the expended ignition energy E z preferably also the burning rate as a function of pressure, temperature, heating value and lambda of the mixture in the combustion chamber taken into account as far as than at a certain
  • the secondary voltage or breakdown voltage Uzj is fed back via the interface 15 from the ignition control unit 9 to the ignition energy regulator 13. Together with further variables such as P ,, H Uii and ⁇ , (b) the transmitted breakdown voltage Uzj is used to recalculate E Z s, i + i in the controller 13. After (c) calculation of E Z s, i + i, this determined setting is reported back to the ignition controller 9 via the communication interface 15 (d).
  • the spark plug 1 is supplied with energy as required as a function of power, calorific value, emission of the engine and the state of wear of the spark plug 11.
  • the Kerzenverschl constituent is significantly reduced and thus achieved a significant operating cost reduction for the engine operator.
  • spark plug electrode distances can be operated with this method, without having to drive the disproportionately high ignition energies over the entire service life of a spark plug 11, since the wear state of the plug 11 can be estimated at any time via the secondary voltage.
  • a service or replacement recommendation can be issued to the engine operator via the engine controller 13 and a connected alarm communication interface, whereby the wear can also be optimized application-related - this applies individually for each cylinder, each operating load of the engine and any chemical stress from the main combustion chamber, all of which determine the wear of the spark plug 11.

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Abstract

Verfahren zur Regelung der Zündenergie, wobei das Verfahren zur Ausführung mit einem Zündsystem (1) einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung vorgesehen ist, welches Zündsystem (1) eine Zündspule (3) mit einem Primärkreis (5) und einem Sekundärkreis (7) sowie eine im Sekundärkreis (7) an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnete Zündkerze (11) aufweist, wobei für ein aktuelles Arbeitsspiel (i+1) der Brennkraftmaschine eine Stellvorgabe (EZS,i+1 = f(lZS,i+1, tZS,i+1)) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruchspannung (UZ, i) je des vorhergehenden Arbeitsspiels (i) ermittelt und für die Regelung der Zündenergie (EZ) im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt wird.

Description

Verfahren zur Regelung der Zündenergie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Zündenergie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Im Stand der Technik sind aus der Druckschrift DE 10 2010 015 998 A1 ein gattungsgemäßes elektronisches Zündverfahren sowie ein Zündsystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, welche im Fehlerfall die Zündenergie gegenregeln, d.h. auf einen Wert, bei dem Fehler, wie z.B. Zündaussetzer, wirksam vermieden sind.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere mit einer Vorkammerzündkerze ausführbares Verfahren bereitzustellen, welches eine verbessert energieoptimierte und damit verschleißoptimierte Regelung von Zündvorgängen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Regelung der Zündenergie, wobei das Verfahren zur Ausführung mit einem Zündsystem einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung vorgesehen ist. Bevorzugt ist die fremdgezündete Brennkraftmaschine z.B. ein Gasmotor. Das mit dem Verfahren verwendbare Zündsystem weist eine Zündspule mit einem Pri- mär(strom)kreis und einem Sekundär(strom)kreis sowie eine im Sekundärkreis an einem Brennraum (Zylinder) der Brennkraftmaschine angeordnete Zündkerze auf, insbesondere bevorzugt eine Vorkammerzündkerze.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für ein aktuelles Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine eine Stellvorgabe (Ezs,i+i ) = f(lzs,i+i >tzs,i+i )) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruchspannung, insbe- sondere auch einer Ist-Zündenergie, je des vorhergehenden Arbeitsspiels ermittelt wird und für die Regelung der Zündenergie (im aktuellen Arbeitsspiel) bereitgestellt wird. Bevorzugt ist die Stellvorgabe zur Einstellung einer Mindest- zündenergie im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt.
Insbesondere durch die erfindungsgemäße Arbeitsspielauflösung kann über den Betrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft eine stets optimierte, insbesondere minimale Zündenergie bereitgestellt werden, so dass der Verschleiß der Zündkerze deutlich vermindert und somit die Standzeit erhöht ist, woneben Durchbruchspannung und Ist-Zündenergie auf vorteilhaft einfache Weise ermittelbar sind, zum Beispiel von handelsüblichen Zündsteuergeräten an einem Ausgang als abgreifbare Information bereits bereitgestellt werden.
Im Rahmen des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin bevorzugt, die aufzuwendende Zündenergie bzw. die Stellvorgabe für das aktuelle Arbeitsspiel weiterhin in Abhängigkeit einer Molekülkonzentration bzw. Dichte (des Gemisches) im Brennraum und dem Elektrodenabstand der Zündkerze und/oder wenigstens einer Motorbetriebsgröße aus Last, Heizwert, Brenngeschwindigkeit und Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere je des vorhergehenden Arbeitsspiels, zu ermitteln.
O.a. angegebene (Motorbetriebs-)Größen (Dichte, Elektrodenabstand, Last, Heizwert, Brenngeschwindigkeit und Verbrennungsluftverhältnis), welche zum Beispiel Messgrößen sind oder berechnet werden, können für die Bereitstellung der Stellvorgabe in einer jeweiligen Regelschleife zum Beispiel mit einem Kennfeld korreliert werden (welches z.B. am Prüfstand generiert wurde).
Erfindungsgemäß wurde im Zusammenhang hiermit erkannt, dass gerade die Brenngeschwindigkeit (Funktion von Druck, Temperatur, Brennstoffkonzentration) und der Elektrodenabstand für die Ermittlung der jeweiligen Stellvorga- be(n) maßgebliche Größen darstellen und bevorzugt berücksichtigt werden. Insbesondere die Berücksichtigung des tatsächlichen Elektrodenabstands ermöglicht, auf die Mindestenergie im jeweiligen Arbeitsspiel hin regeln zu können. Es wurde festgestellt, dass je höher die Durchbruchsspannung liegt, desto geringer wird der Funkendauerbedarf, d.h. der Zeitbedarf für die Glimmphase (die durch einen Vorgabewert für tzs.i bzw. die Funkendauer wesentlich bestimmt wird).
Auf vorteilhaft besonders einfache Weise kann die Durchbruchspannung berechnet werden, zum Beispiel aus dem Verlauf des Primärstromes oder der Primärspannung (je im Primärkreis). Der Primärstrom kann hierzu zum Beispiel gemessen werden.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens ist vorgesehen, dass über die Stellvorgabe (Ezs,i+i) = f(lzs,i+i,tzs,i+i )) für das aktuelle Arbeitsspiel eine Funkendauer und/oder ein Strom (im Sekundärkreis) im aktuellen Arbeitsspiel eingestellt werden, das heißt die Stellvorgabe je einen Vorgabewert für die Funkendauer und/oder den (im Sekundärkreis einzustellenden) Strom umfasst. Mittels des Vorgabewerts für den Strom kann bevorzugt die mittlere Sekundärstromhöhe vorgegeben werden. Eine Stellvorgabe bzw. Vorgabewerte für Strom oder Funkendauer kann bzw. können hierbei kennfeldbasiert ermittelt werden.
Allgemein ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren iterativ durchgeführt wird. Für den Anlauf des Verfahrens kann ein Startparametersatz bereitgestellt werden, welcher zum Beispiel durch den Motorparametersatz vorgegeben ist. Ein Parametersatz, welcher eine Startvorgabe enthält, kann zum Beispiel am (Motor)Prüfstand ermittelt werden.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Zündsystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Bevorzugt weist das Zündsystem einen Zündenergieregler auf, welcher weiterhin bevorzugt in Form des Motorreglers (ECU) bereitgestellt sein kann. Daneben kann ein Zündsteuergerät vorgesehen sein, welches mit dem Zündenergieregler zusammenwirkt.
Alternativ kann der Zündenergieregler auch die erfindungsgemäße Funktionalität des Steuergeräts aufweisen. Zum Beispiel kann das Steuergerät dem Zündenergieregler die Information über die Sekundärspannung bzw. die Durchbruchspannung für die Regelung bereitstellen, insbesondere auch für die aufgewendete Zündenergie. Der Zündenergieregler wiederum kann die darauf basierend ermittelte Stellgröße für das aktuelle Arbeitsspiel an das Zündsteuergerät für die Bereitstellung der Zündenergie durch dasselbe übermitteln.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere mit einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine derart durchgeführt werden, dass die Zündenergie zylinderindividuell geregelt wird. Hierzu kann für jeden Zylinder für ein jeweiliges Arbeitsspiel eine Stellvorgabe ermittelt werden. Eine solche Stellvorgabe umfasst insbesondere eine zylinderindividuelle Vorgabe für die Funkendauer, insbesondere auch den Strom, zum Beispiel - wie vorstehend beschrieben - für die mittlere Sekundärstromhöhe.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 exemplarisch und schematisch ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 exemplarisch und schematisch ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrensablaufs gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion gleichen Bezugszeichen. Fig. 1 veranschaulicht exemplarisch und stark vereinfacht ein Zündsystem 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Zündsystem 1 , welches für eine Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) bereitgestellt ist, weist eine Zündspule 3 mit einem Primär(strom)kreis 5 und einem Sekun- där(strom)kreis 7 auf, wobei die Zündspule 3 als Energiespeicher und Transformator wirkt.
Die Primärseite 5 der Zündspule 3 ist über ein Zündsteuergerät 9 mit einem Strom bzw. Primärstrom versorgbar, welcher Primärstrom zur Erzeugung einer Hochspannung auf der Sekundärseite 7 geeignet unterbrechbar ist, zum Beispiel via einen Schalter der Primärseite 5 (nicht dargestellt). Der Schalter ist zum Beispiel ein IGBT oder allgemein ein transistorisierter Schalter, welcher insbesondere Bestandteil des Steuergeräts 9 sein kann.
Die induktionsbasiert erzeugte Hochspannung auf der Sekundärseite 7 ist dazu vorgesehen, an einer im Sekundärkreis 7 an einem Brennraum bzw. Zylinder der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angeordneten Zündkerze 11 , insbesondere in Form einer Vorkammerzündkerze, einen Zündfunken zu generieren, i.e. zwischen deren Elektroden 11a, 11 b. Zu einer erfolgreichen Energieübertragung vom Zündfunken auf das zu zündende Brennstoff-Luft- Gemisch ist eine Mindestzündenergie erforderlich.
Mit dem Zünd Steuergerät 9, welches eine Einstellmöglichkeit für die Funkendauer und bevorzugt auch des Stromangebots bereitstellt, zum Beispiel in Form einer PWM-Ausgabemöglichkeit (PWM Pulsweitenmodulation), wirkt weiterhin ein Zündenergieregler 13 zusammen, welcher bevorzugt durch einen Motorregler (ECU) der Brennkraftmaschine gebildet ist. Der Zündenergieregler 13 ist z.B. mit einem oder mehreren Sensoren verbunden (nicht dargestellt), welche für das Verfahren vorgesehene Motorbetriebsinformationen an den Regler 13 zur Verfügung stellen.
Fig. 2 veranschaulicht beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Zündenergie, welches mit vorstehend beschriebenem Zündsystem 1 einer Brennkraftmaschine ausführbar ist. Bei dem Verfahren wird für ein aktuelles Arbeitsspiel i+1 der Brennkraftmaschine eine Stellvorgabe Ezs,i+i = f(lzs,i+i,tzs,i+i) = f(Uz,i, Hu, i, λ,, Ρ,, vBj) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruchspannung Uz, insbesondere auch einer Ist-Zündenergie EZi, je des vorhergehenden Arbeitsspiels i ermittelt und für die Regelung der Zündenergie Ez im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt, i.e. an das Steuergerät 9 übergeben. Das Steuergerät 9 stellt demgemäß Strom lzs,i+i und Funkendauer tzs,i+i an der Zündkerze 11 via Zündspule 3 gemäß lzs,i+i und tzs,i+i ein (angemerkt sei hierbei, dass die Indizierung I einen Istwert, die Indizierung S einen Sollwert bzw. eine Vorgabe, und Z einen Zündvorgang bezeichnen soll).
Anhand der Höhe der (zylinderindividuellen) Durchbruchspannung Uz kann im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens die neue Funkendauer tzs,i+i festgelegt werden, wobei gilt, dass die neue bzw. aktuelle Funkendauer tzs,i+i umso geringer eingestellt wird, je höher die Durchbruchspannung Uz im vorangegangenen Arbeitsspiel ist. Des Weiteren wird die Höhe des (Speise)Stromes Izs mit dem Zündzeitpunkt (ZZP) und der aus Heizwert, Lambda, Druck und Temperatur im Brennraum abschätzbaren Brenngeschwindigkeit korreliert. Hierbei gilt, dass der (Speise)Strom Iz mit steigender Brenngeschwindigkeit und späterem ZZP reduziert werden kann bzw. wird. Die Verstellgrenzen für die Parameter Funkendauer tz und Speisestrom lz werden nach oben durch das Leistungsvermögen des Zündsteuergerätes 9 und nach unten zum Beispiel aus dem Anspruch an die Motorlaufruhe vorgegeben.
Die Durchbruchspannung Uz als auch die Ist-Zündenergie Ezi, i.e. die des jeweiligen Arbeitsspiels, wird bevorzugt von dem Zünd Steuergerät 9 an den Regler 13 gemeldet, s. Rückkopplungspfad bzw. Schnittstelle 15 in Figs. 1 und 2. Bevorzugt wird die Durchbruchspannung Uz des jeweiligen Arbeitsspiels abgeschätzt, insbesondere aus einem Primärstromverlauf des Arbeitsspiels vorteilhaft unaufwändig berechnet. Das Steuergerät 9 kann hierzu geeignet ausgebildet sein. Alternativ kann die Durchbruchspannung Uz zum Beispiel gemessen werden. Für das erste Arbeitsspiel, indiziert i=0 in Fig. 2, wird ein am Motorprüfstand ermittelter Parametersatz mit Startvorgaben für die anfängliche Funkendauer tzs,i=o und den einzustellenden Strom im Sekundärkreis lzs,i=oals Stellvorgabe für Ez verwendet, s. Fig. 2. Die Startwerte können im Regler 13 hinterlegt sein.
Im Rahmen des Regelverfahrens wird die aufzuwendende Zündenergie Ez für das aktuelle Arbeitsspiel (i+1 ) weiterhin bevorzugt in Abhängigkeit einer Dichte im Brennraum und dem Elektrodenabstand der Zündkerze 11 und/oder wenigstens einer Motorbetriebsgröße aus Last P, Heizwert Hu und Verbrennungsluftverhältnis λ je des vorhergehenden Arbeitsspiels ermittelt, s. z.B. Fig. 2, wonach die Stellvorgabe(n) EZs,i+i bzw- zs, tzs)i+i als Funktion von Hu, λ, P und Uz ermittelt wird bzw. werden.
Darauf wird nachfolgend, insbesondere in Zusammenschau mit Fig. 2 noch näher eingegangen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass aus einer Vielzahl chemischer und physikalischer Einflussfaktoren, welche im Rahmen der Zündenergieaufbringung zu berücksichtigen sein könnten, der Elektrodenabstand EA an der Zündkerze 11 , insbesondere auch der Heizwert Hu, das Verbrennungsluftverhältnis λ und die momentane Leistungsabgabe P (alles Einflussgrößen der Verbrennungsgeschwindigkeit), als wesentlich zu berücksichtigen sind. Deren Einfluss kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine optimierte Zündenergiebereitstellung ausgeregelt werden bzw. wird ausgeregelt.
Allgemein gilt für die aufzubringende Mindestenergie eines jeweiligen Zündvorgangs (Verbrennungsgeschwindigkeit VB = f(P, λ, Hu)):
EZ,Min = f(P, λ, Hu, EA) (1 )
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass für die Zündenergie gilt:
Ez = ί U(t)lz(t)dt (2) Auf den Gesetzmäßigkeiten (1 ) und (2) basierend kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens je Arbeitsspiel eine Stellvorgabe (Ezs,i+i in Fig. 2) für die aufzuwendende Energie Ez, insbesondere für eine korrespondierende Einstellung des Stromes lz und/oder der Funkendauer tz ermittelt werden. In Abhängigkeit der jeweiligen Motorbetriebssituation sind die Störgrößen P, λ, Hu, EA im Hinblick auf ihre Wirkung als solche jedoch differenziert zu betrachten.
Hierbei wurden folgende Zusammenhänge als wesentlich identifiziert und der Regelung für die Ermittlung der Stellvorgabe Ezs eines jeweiligen Arbeitsspiels zu Grunde gelegt:
P† dann UZT†, Izll und tz|| = f(Uz)
A† dann Uz†, lz† und tz† = f(vB)
Hut dann Uzi, Izi und tz| = f(vB)
EA† dann UZ†T, Iz und tz|| = f(Uz)
Ersichtlich sind die Brenngeschwindigkeit vB des verdichteten Gemischs und die Durchbruchsspannung Uz signifikant. Im Rahmen von Versuchsreihen wurde erkannt, dass der Einfluss des Heizwerts Hu bei einem Gasmotor und der Verwendung von Brennstoff in Form von Erdgas relativ gering ist. Ebenso wurde herausgefunden, dass das Luftverhältnis λ bei Erdgasanwendungen nicht signifikant ist, jedoch bei Sondergasanwendungen, wie zum Beispiel bei Biogas oder Wasserstoff, relevant sein könnte.
Weiterhin wird für die Ermittlung einer jeweiligen Stellvorgabe EZs im Rahmen des Verfahrens berücksichtigt, dass gelten darf
Uz = c * pz(ZZP) * EA (3) mit
Uz Durchbruchsspannung [V]
c Proportionalitätskonstante [Vm2/kg]
Pz(ZZP) Dichte des Gemisches im Zylinder zum Zündzeitpunkt [kg/m3]
EA Elektrodenabstand der Zündkerze [m] wobei die Dichte pz(ZZP) zum Beispiel anhand des Motorbetriebspunkts ermittelbar ist.
Unter Kenntnis von Uz und pz(ZZP) kann erfindungsgemäß somit sowohl der Elektrodenabstand EA als auch die für die aufzuwendende Zündenergie EZs bzw. einzustellende Funkendauer tzs und der mittlere Sekundärstrom Izs abgeschätzt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Regelverfahrens wird zur Einstellung der Funkendauer tz und des Stroms lz (Primäroder Sekundärstrom) bzw. der aufzuwendenden Zündenergie Ez bevorzugt auch die Brenngeschwindigkeit in Abhängigkeit von Druck, Temperatur, Heizwert und Lambda des Gemisches im Brennraum berücksichtigt, insoweit als bei einem bestimmten
Uz/EA (4) ein bestimmter mittlerer Sekundärstrom lz bzw. eine bestimmte Funkendauer tz (lz und tz = f(Ez,min)) für eine erfolgreiche Zündung benötigt wird. Über eine versuchstechnische Untersuchung lässt sich letzterer Zusammenhang empirisch ermitteln, kann aber auch aufgrund einer Schätzung von Brenngeschwindigkeit und Funkenvolumen korreliert werden.
Bei der verfahrensgemäßen Regelung der Zündenergie Ez wird (a) die Sekundärspannung bzw. Durchbruchspannung Uzj über die Schnittstelle 15 vom Zündsteuergerät 9 an den Zündenergieregler 13 zurückgemeldet. Zusammen mit weiteren Größen wie P,, HUii und λ, wird (b) die übermittelte Durchbruchspannung Uzjzur Neuberechnung von EZs,i+i in den Regler 13 eingesetzt. Nach (c) Berechnung von EZs,i+i wird diese ermittelte Stellvorgabe über die Kommunikationsschnittstelle 15 (d) an das Zündsteuergerät 9 zurückgemeldet.
In der Folge wird (e) EZs,i+i = f(lzs,i+i,tzs +i ) im Steuergerät 9 umgesetzt und ab sofort (f) in den Primärkreis 5 bzw. über die Zündspule 3 in den Sekun- därkreis 7 gespeist, womit die Zündkerze 11 einen geänderten Sekundärstrom lz sowie eine geänderte Zündfunkendauer tz erhält. Nachfolgend werden die Schritte (a) bis (f) im Rahmen der iterativen Verfahrensausführung wiederholt.
Mittels des Verfahrens wird der Zündkerze 1 bedarfsgerecht Energie in Abhängigkeit von Leistung, Heizwert, Emission des Motors und dem Verschleißzustand der Zündkerze 11 zugeführt. Gegenüber einer z.B. konstanten Zündparametereinstellung wird dadurch der Kerzenverschleiß signifikant reduziert und somit für den Motorbetreiber eine deutliche Betriebskostenreduktion erreicht.
Des Weiteren können mit diesem Verfahren sehr kleine Zündkerzen- Elektrodenabstände betrieben werden, ohne die dafür notwendig überproportional hohen Zündenergien über die ganze Standzeit einer Zündkerze 11 fahren zu müssen, da über die Sekundärspannung jederzeit der Verschleißzustand der Kerze 11 abgeschätzt werden kann. Weiterhin kann eine Service- bzw. Austauschempfehlung an den Motorbetreiber über den Motorregler 13 und eine angebundene Alarmkommunikationsschnittstelle ausgegeben werden, wodurch der Verschleiß ebenfalls anwendungsbezogen optimiert werden kann - dies gilt individuell für jeden Zylinder, jede Betriebslast des Motors und jede chemische Beanspruchung aus dem Hauptbrennraum, die alle den Verschleiß der Zündkerze 11 mitbestimmen.
Bezuqszeichen
I Zündsystem
3 Zündspule
5 Primärkreis
7 Sekundärkreis
9 Zündsteuergerät
I I Zündkerze
11a, b Elektrode
13 Zündenergieregler
15 Schnittstelle

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung der Zündenergie, wobei das Verfahren zur Ausführung mit einem Zündsystem (1 ) einer Brennkraftmaschine mit
Fremdzündung vorgesehen ist, welches Zündsystem (1 ) eine Zündspule (3) mit einem Primärkreis (5) und einem Sekundärkreis (7) sowie eine im Sekundärkreis (7) an einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnete Zündkerze (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für ein aktuelles Arbeitsspiel (i+1 ) der Brennkraftmaschine eine Stellvorgabe (Ezs,i+1 = f(lzs,i+i>tzs,i+i )) in Abhängigkeit einer ermittelten Durchbruch- spannung (Uz, ,) je des vorhergehenden Arbeitsspiels (i) ermittelt und für die Regelung der Zündenergie (Ez) im aktuellen Arbeitsspiel bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorgabe (EZs,i+i ) für das aktuelle Arbeitsspiel (i+1 ) weiterhin in Abhängigkeit einer Dichte (pZ(ZZP)) im Brennraum und dem Elektrodenabstand (EA) der Zündkerze (11 ) und/oder wenigstens einer Motorbetriebsgröße aus Last (P), Heizwert (Hu), Brenngeschwindigkeit (vB) und Verbrennungsluftverhältnis (λ) je des vorhergehenden Arbeitsspiels (i) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchspannung (Uz) berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchspannung (Uz) aus dem Verlauf des Primärstromes (lz) und oder der Primärspannung berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Stellvorgabe (Ezs,i+1 = f(lzs,i+i,tzs,i+i )) ein Strom (Izs) und/oder eine Funkendauer (tzs) im aktuellen Arbeitsspiel (i+1 ) eingestellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stellvorgabe (EZs,i+i = f(lzs,i+i,tzs,i+i)) kenn- feldbasiert ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren iterativ durchgeführt wird.
8. Zündsystem (1 ) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Zündsystem (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsystem (1 ) einen Zündenergieregler (13) sowie ein Zündsteuergerät (9) aufweist, wobei die Stellvorgabe (EZs +i = f(lzs,i+i,tzs,i+i)) von dem Zündenergieregler (13) an das Zündsteuergerät (9) bereitgestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder Zündsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze eine Vorkammerzündkerze und/oder die Brennkraftmaschine ein Gasmotor ist.
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