WO2015071046A1 - Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems - Google Patents

Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems Download PDF

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WO2015071046A1
WO2015071046A1 PCT/EP2014/072215 EP2014072215W WO2015071046A1 WO 2015071046 A1 WO2015071046 A1 WO 2015071046A1 EP 2014072215 W EP2014072215 W EP 2014072215W WO 2015071046 A1 WO2015071046 A1 WO 2015071046A1
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voltage
boost converter
voltage generator
primary
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Tim Skowronek
Thomas Pawlak
Wolfgang Sinz
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
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    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/0407—Opening or closing the primary coil circuit with electronic switching means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/121—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current by measuring spark voltage
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    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/15—Digital data processing
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    • F02P5/1516—Digital data processing using one central computing unit with means relating to exhaust gas recirculation, e.g. turbo
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Ignition system for an internal combustion engine comprising a first
  • Ignition systems are used in the prior art to ignite an ignitable mixture in a combustion chamber of a spark-ignition internal combustion engine. For this purpose, a spark gap is acted upon by electrical energy, in response to which the forming spark ignited the combustible mixture in the combustion chamber.
  • the main requirements of modern ignition systems arise indirectly from necessary emission and fuel reductions. From appropriate motor solutions, such as
  • a high voltage generator as the first voltage generator generates the for the high voltage breakdown required at the spark plug high voltage.
  • a bypass eg in the form of a boost converter, provides energy to maintain the spark for continued mixture ignition. In this way, high spark energies can be provided with optimized spark current profile despite a reduced design of the ignition system.
  • a primary voltage generator eg in the form of a
  • Switch-off voltages above 1000V are usually not accepted by engine manufacturers to avoid an aforementioned process.
  • EFU turn - on spark suppression
  • the aforementioned need is satisfied according to the invention by a method for operating an ignition system.
  • the method according to the invention therefore serves to suppress a spark on a spark gap when a primary voltage generator is switched on in an ignition system for a spark gap
  • the ignition system includes a primary voltage generator (eg in the form of a transformer) and a boost converter.
  • boost converter may supply a spark generated by the primary voltage generator with additional electrical energy to sustain it.
  • the output voltage across the spark gap is reduced by one of the output voltage of the primary voltage generator oppositely oriented voltage is generated by the boost converter.
  • switching on a primary voltage generator in the context of the present invention is meant causing a storage of electrical energy (for example in the magnetic field of a transformer coil) in the primary voltage generator, which at a later time for generating the
  • the voltage which is to be reduced when the primary voltage generator is switched on is opposite to that of the desired starting voltage when the primary voltage generator is switched off, then the voltage is also opposite.
  • a voltage generated by the boost converter when the primary voltage generator is turned off will sustain the spark while reducing the power provided when the primary voltage generator is turned on. In this way, the voltage at the spark gap can be reduced at the moment of the primary voltage generator, whereby unwanted ignitions and by this possible damage to the
  • Internal combustion engine can be prevented.
  • a gas engine in particular a spark-ignited gasoline-powered internal combustion engine in question.
  • the primary voltage generator preferably comprises a transformer in which a primary-side coil and a secondary-side coil are magnetically coupled to one another via an iron core.
  • the transformer may include in a primary-side mesh a switch for turning on and off a primary-side current flow. When the switch is closed, it will According to the invention, a voltage increase on the secondary side is reduced by means of the boost converter.
  • Transformers have proven themselves in ignition systems for decades and are also referred to as "ignition coils.” More preferably, the production of the oppositely oriented ones takes place
  • the voltage of the boost converter can be turned off before the
  • Primary voltage generator is turned off. In this way, unwanted ignition can be suppressed too early.
  • the voltage generated by the boost converter can also until well after switching off the
  • Primary voltage generator are maintained, which are superimposed during the ignition and then the energy supplied to the spark gap energies. Such a case is always given near the ignition, if already a high compression and thus a higher ignition voltage required. This generates a particularly stable ignition spark and a particularly high ignition voltage supply in the ignition torque. It is further preferred to generate the electrical voltage generated by the boost converter in a time range which begins before the primary voltage generator is switched on and is reduced in front of a secondary-side second local maximum of the output voltage of the primary voltage generator within one ignition cycle. Since at the time of switching on the greatest discontinuity of the magnetic flux within the
  • Energy consumption of the ignition system according to the invention can be reduced. In particular, it is therefore advisable to switch off the boost converter as soon as the output voltage of the primary voltage generator has assumed acceptable values.
  • Another possibility of using the method according to the invention is to perform a repeated switching on and off of the boost converter.
  • Switching time of the primary voltage generator are turned on, so that the switch-on time of the upper limit of the output voltage is generated by the boost converter.
  • the boost converter is switched off, as a result of which the output voltage drops in a strongly negative range.
  • the boost converter is turned on a second time before the voltage has reached a lower safe operating range limit. If necessary, the boost converter can now be switched off again.
  • the boost converter can now be switched off again.
  • Output voltage of an ignition system according to the invention an inadmissible exceeding the output voltage can be avoided before the desired ignition within wide limits.
  • an operating parameter of the boost converter may be changed in response to a changed operating parameter of the internal combustion engine.
  • the switch-on time and / or the switch-off time (for example above the crank angle) can be shifted. This may be necessary, for example, when the ignition point has changed due to a changed speed state of the internal combustion engine. In this way, by a corresponding change in the operating behavior of the boost converter, the use of electrical energy can be metered exactly and at the (instant in.
  • the operating parameters of the internal combustion engine different parameters in question. For example, the combustion process, speed, load condition, pressure (detected or assumed) within the combustion chamber, turbulence of a mixture within the combustion chamber, or the like may be used to define appropriate operation for the boost converter.
  • an altered energy requirement at the spark gap can be taken as an opportunity to change the operating parameters of the boost converter. If an already high energy requirement is determined, which does not cause a risk of misfiring by the sole switching on of the primary voltage generator, the suppression of the spark according to the invention can be suspended by means of the boost converter in order to save electrical energy. If, on the other hand, a reduced energy requirement (eg due to a reduced turbulence or a lower pressure of a mixture within the combustion chamber) is determined, the invention can be used to prevent misfiring
  • Output voltage can be performed with a stored reference, in
  • the switching on / off of the boost converter can be regulated.
  • the turn-on voltage is proportional to the voltage across the primary side.
  • the required for the operation of the boost converter electrical energy can be used particularly well dosed.
  • the means of the boost converter at the time of turning on the boost converter is the means of the boost converter at the time of turning on the boost converter
  • Primary voltage generator generated voltage may range between 100 V and 1500 V, preferably in the range between 500 V and 1200 V.
  • the aforementioned voltages are reliable by means of a boost converter
  • the aforementioned voltages can be used to significantly reduce the voltage when a primary voltage generator of an ignition system is switched on.
  • Operating range of the internal combustion engine can be changed to meter the use of electrical energy in a suitable manner.
  • the ignition system is intended for an internal combustion engine and comprises a primary voltage generator, a spark gap and a boost converter.
  • the boost converter is set up, for example, an output side by the
  • the step-up converter can be set up to provide a voltage even before the primary voltage generator is switched off in order to reduce the voltage requirement to be quenched by means of the primary voltage generator.
  • the ignition system is set up, one by one
  • the boost converter may be arranged on the output side in a mesh, in which also the
  • Spark gap and an output of the primary voltage generator are located.
  • the ignition system may be preferably configured to generate the voltage in response to a changed operating condition of the internal combustion engine at an altered first time or in response to a changed operating state of the internal combustion engine, the voltage of
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of an ignition system, in which the inventive method can be used;
  • FIG. 6 shows time diagrams relating to electrical characteristic quantities as used in the
  • inventive operation of one shown in Figure 1 Ignition system may occur when the operation of the
  • Figure 7 is a flow chart illustrating steps of a
  • FIG. 1 shows a circuit of an ignition system 1, which has a
  • Step-up transformer 2 comprises as a high voltage generator whose
  • Primary side 3 can be supplied from an electrical energy source 5 via a first switch 30 with electrical energy.
  • the step-up transformer 2 consisting of a primary coil 8 and a secondary coil 9 may also be referred to as the first voltage generator or primary voltage generator.
  • a fuse 26 is provided at the entrance of the circuit, in other words at the connection to the electrical energy source 5, a fuse 26 is provided.
  • a capacitance 17 is provided parallel to the input of the circuit or parallel to the electrical energy source 5.
  • the secondary side 4 of the step-up transformer 2 is connected via an inductive coupling of the primary coil 8 and the secondary coil 9 with electrical
  • Spark gap 6 is provided against an electrical ground 14, via which the
  • Ignition current i 2 should ignite the combustible gas mixture.
  • Step-up transformer 2 a boost converter 7 is provided.
  • Step-up converter 7 comprises an inductor 15, a switch 27, a capacitor 10 and a diode 16.
  • the inductance 15 is provided in the form of a transformer having a primary side 15 1 and a secondary side 15_2.
  • the inductor 15 serves as an energy storage to a
  • a second connection of the secondary side 15 2 of Transformer is connected without switch directly to the diode 16, which in turn is connected via a node to a terminal of a capacitor 10.
  • This connection of the capacitor 10 is connected to the secondary coil 9 via a shunt 19, for example, and another connection of the capacitor 10 is connected to the electrical ground 14.
  • Step-up converter is fed via the node on the diode 16 in the ignition system and the spark gap 6 is provided.
  • the diode 16 is oriented in the direction of the capacitance 10 conductive. Due to the transmission ratio, a switching operation by the switch 27 acts in
  • Branch of the primary side 15_1 also on the secondary side 15_2. However, since current and voltage according to the gear ratio on one side are higher or lower than on the other side of the transformer, can be found for switching operations more favorable dimensions for the switch 27.
  • the switch 27 is controlled via a drive 24, which is connected via a driver 25 to the switch 27.
  • a shunt 19 as current measuring means or
  • the measuring signal is supplied to the switch 27.
  • the switch 27 is configured to respond to a defined range of the current i 2 through the secondary coil 9.
  • a Zener diode 21 is connected in the reverse direction parallel to the capacitor 10.
  • the control 24 receives a control signal S H ss- About this, the supply of energy via the boost converter 7 in the secondary side and are turned off.
  • the power of the electrical variable introduced by the step-up converter or into the spark gap for example via the frequency and / or the pulse-pause ratio, can also be controlled via a suitable control signal S H ss.
  • a switch-on time can be shifted via the control signal S H ss when the energy requirement of the spark gap changes. Furthermore, one is
  • Switching signal indicated 32 by means of which the switch 27 can be controlled via the driver 25.
  • the switch 27 When the switch 27 is closed, the inductance 15 is supplied via the electrical energy source 5 with a current which flows directly into the electrical ground 14 when the switch 27 is closed. With open switch 27, the current is conducted through the inductance 15 via the diode 16 to the capacitor 10. In response to the current in the Capacitor 1 0 setting voltage is added to the above
  • Switching signal 32 for the switch 27 is the case.
  • Upverter 7 supplied energy is passed directly to the spark gap 6, without being passed through the secondary coil 9 of the high voltage generator 2. Thus, no losses on the secondary coil 9 and the efficiency increases. A reduction of the invention
  • Output voltage 34 across the spark gap 6 can be done by the illustrated circuit, for example, such that the boost converter 7 is put into operation before the switch 30 of the primary voltage generator 2 is closed. In this way, the electrical voltages U ZS and U HSS add in opposite directions when the primary voltage generator 2 by
  • the microcontroller 42 Receives internal combustion engine and a corresponding second signal S 40 'to a microcontroller 42 outputs.
  • the microcontroller 42 is further connected to a memory 41, which holds references in the form of limits for the requirement of electrical energy to penetrate the spark gap 6. In this way, the microcontroller 42 for influencing a
  • the microcontroller 42 inputs In response to which the driver 25 supplies the switch 27 with a changed or shifted switching signal 32, the control signal S H ss to the control 24 is modified as required or shifted in time. For example, in response to receiving the changed switching signal 32, the boost converter 7 may be turned on sooner or later, or sooner or later turned off, so that the electric voltage U HSS becomes
  • Switch-on time t e or switch-off time t a of the switch 30 is higher or lower or exists or does not exist. In this way, generation of an unwanted spark without EFU diode 23 can be safely and space-saving avoided.
  • FIG. 2 shows time diagrams for a) the ignition coil current i zs , b) the associated boost converter current i H ss, c) the output voltage over the
  • Diagram c) shows the course 34 of the voltage setting in the spark gap 6 during operation according to the invention.
  • Diagram d) shows the characteristics of the secondary coil current i 2 .
  • Step-up transformer stored magnetic energy in the form of a
  • Switch 27 is now also the secondary coil current i 2 against 0 A from. It can be seen from diagram d) that the falling edge is delayed by the use of the boost converter 7.
  • the total time period during which the boost converter is used is indicated as t H ss and the time duration during which power is given to the upstream side of the step-up transformer 2 is t.
  • the starting time of t H ss opposite t can be chosen variable.
  • FIG. 3 shows time diagrams of electrical variables during operation of a circuit according to FIG. 1, wherein the switch-on time t H ss of the boost converter 7 equals the switch-off time t a .
  • no measure according to the invention for spark suppression takes place, so that the amount of the output-side voltage U zs is approximately 2200 V shortly after the switch-on time t e .
  • Primary voltage generator has a first local maximum 44 and a second local maximum 45 shortly after the switch-on time t e .
  • FIG. 4 shows a detailed view of the electrical variables shown in FIG. The graphs and ordinates are staggered to better illustrate the dependencies of the electrical quantities. The electrical processes and temporal relationships were, however, identical to FIG. 3 maintained. At the switch-on time t e , the current I zs of the
  • Output side voltage U zs of the primary voltage generator 2 drops sharply.
  • a local minimum of the voltage U zs is about -2200 V.
  • the following oscillations of the current I zs are strongly attenuated compared to the first local maximum 44, so that the magnetic flux and in response thereto the output-side voltage U zs of the primary voltage generator. 2 has more damped oscillations.
  • FIG. 5 shows time diagrams of electrical quantities as used in the
  • Output signal U zs of the primary voltage generator 2 from about 2200V to 950V fallen.
  • the (not shown) output voltage U H ss of the boost converter 7 leads to an offset which reduces the (extreme) values of the voltage U zs . In this way, the risk of misfires when switching the primary voltage generator 2 decreases.
  • FIG. 6 shows the situation shown in FIG. 5 when the operation of the
  • FIG. 7 shows a flowchart illustrating steps of a
  • step 100 the primary voltage generator 2 is turned on, whereby a strong discontinuity of the magnetic flux causes a high output voltage U zs .
  • reducing the output voltage as step 200 comprises turning on the boost converter at a turn-on time t H ss
  • step 300 a changed energy requirement for generating a spark-through is determined. This can be done for example by measuring a voltage at the spark gap 6 and then comparing the result with an associated reference.
  • step 400 the output voltage U zs of
  • Primary voltage generator 2 determined. Both values are appropriate
  • step 400 a
  • Output voltage of the primary voltage generator 2 compared with stored reference values. According to the embodiment, it is checked in step 500 whether a
  • Exceeding condition and / or underrun condition is satisfied by determining whether the output voltage is a predetermined upper limit
  • Threshold exceeds and / or falls below a predetermined lower threshold.
  • the overrun condition is met when the
  • Underrun condition is met when the output voltage falls below the predetermined lower threshold.
  • step 600 a change in the operating parameters of the boost converter 7 is made or not in step 600.
  • the control of the boost converter 7 for Einschaltfunkenunterdrückung according to the present invention via a corresponding control by an ignition controller and / or by a
  • Engine control unit as well as be adapted by an internal control of the ignition system.
  • Control unit (eg depending on the vehicle electrical system voltage or Battery voltage) by fixed values independent of the actual electrical states of the ignition system. In other words, reducing the output voltage across the spark gap of the ignition system in response to a detected vehicle electrical system voltage may be to reduce the
  • the internal control for example, by means of an electrical circuit, an analog
  • Ignition cycle 'repeatedly performed.
  • the switch-on time of the primary voltage generator it may be turned on so that at this time the upper limit of e.g. +1000 V from
  • Boost converter is generated. Subsequently, at the switch-on time t e, the step-up converter is switched off, in response to which the voltage 34 across the
  • the turn-on voltage is so great that a single on and off of the boost converter 7 does not allow compliance with the constraints imposed by the engine manufacturers
  • a computer program may be provided which is set up to carry out all described steps of the method according to the invention.
  • the computer program is stored on a storage medium.
  • the method according to the invention can be provided by an electrical circuit provided in the ignition system, an analogous one

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Unterdrücken eines Zündfunkens an einer Funkenstrecke beim Einschalten eines Primärspannungserzeugers in einem Zündsystem für eine Brennkraftmaschine umfassend den Primärspannungserzeuger und einen Hochsetzsteller vorgeschlagen. Erfindungsgemäß werden dabei die folgenden Schritte Einschalten des Primärspannungserzeugers, und Verringern einer Ausgangsspannung (34) über der Funkenstrecke durch Erzeugen einer Spannung mittels des Hochsetzstellers durchgeführt.

Description

Beschreibung
Titel
Zündsvstem und Verfahren zum Betreiben eines Zündsvstems Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Zündsystems für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen ersten
Spannungserzeuger („Primärspannungserzeuger") und einen Hochsetzsteller. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung bzw.
Vereinfachung bei der Absicherung des Betriebs des Zündsystems mittels des Hochsetzstellers.
Zündsysteme werden im Stand der Technik verwendet, um zündfähiges Gemisch in einer Brennkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu entzünden. Hierzu wird eine Zündfunkenstrecke mit elektrischer Energie beaufschlagt, im Ansprechen worauf der sich ausbildende Zündfunke das brennfähige Gemisch im Brennraum entzündet. Die Hauptanforderungen an moderne Zündsysteme ergeben sich indirekt aus notwendigen Emissions- und Kraftstoffreduzierungen. Aus entsprechenden motorischen Lösungsansätzen, wie
Hochaufladung und Mager-/Schichtbetrieb (strahlgeführte Direkteinspritzung) in Kombination mit erhöhten Abgasrückführraten (AGR), leiten sich Anforderungen an die Zündsysteme ab. Die Darstellung erhöhter Zündspannungs- und
Energiebedarfe bei erhöhten Temperaturanforderungen sind notwendig. Bei konventionellen induktiven Zündsystemen muss die gesamte zur Entflammung notwendige Energie in der Zündspule zwischengespeichert werden. Bei den hohen Anforderungen bezüglich der Zündfunkenenergie ergibt sich eine große Bauform der Zündspule. Dies steht mit den Anforderungen an geringe Bauräume heutiger Motorenkonzepte („Downsizing") in Konflikt. In einer früheren
Anmeldung der Anmelderin wurden zwei Hauptfunktionen des Zündsystems durch unterschiedliche Baugruppen übernommen. Ein Hochspannungserzeuger als erster Spannungserzeuger generiert die für den Hochspannungsdurchschlag an der Zündkerze erforderliche Hochspannung. Ein Bypass, z.B. in Form eines Hochsetzstellers, stellt Energie zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens zur fortgeführten Gemischentflammung bereit. Auf diese Weise können hohe Funkenenergien bei optimiertem Funkenstromverlauf trotz einer reduzierten Bauform des Zündsystems bereitgestellt werden.
Beim Einschalten eines Primärspannungserzeugers (z. B. in Form eines
Transformators) können aufgrund der anfänglich hohen Unstetigkeit des magnetischen Flusses hohe sekundärseitige Spannungen erzeugt werden. Diese Spannungen liegen über der Ausgangsseite des Primärspannungserzeugers und somit über der Funkenstrecke an. Ohne zusätzliche Maßnahme können somit diese unzulässig hohen Spannungen eine unerwünschte Funkenbildung verursachen. Der Funke kann - sofern ungünstige Betriebsparameter herrschen (z. B. geringer Druck und geringe Strömungsgeschwindigkeit im Brennraum) - zu für den Einlasstrakt schädlichen Entflammungen/Fehlzündungen führen. Zur
Vermeidung eines vorgenannten Vorgangs werden Einschaltspannungen oberhalb von 1000V von Motorenherstellern üblicherweise nicht akzeptiert. Als im Stand der Technik bekannte Maßnahme zur Unterdrückung des
Einschaltfunkens werden in der Regel Einschaltfunkenunterdrückungs(EFU)- Dioden in Reihe zur Sekundärseite der Zündspule eingesetzt, welche die
Ausgangsspannung auf vordefinierte Werte reduzieren. Dieses zusätzliche Bauteil erfordert jedoch Bauraum, der dem vorherrschenden Trend des „Downsizings" im Motorenbau entgegensteht. Zudem bedeuten die
herkömmlichen Konzepte erhöhte Kosten, zusätzliche Anforderungen an die elektrische Kontaktierung, die Realisierung der erforderlichen Bauteilrobustheit und die Dauerhaltbarkeit. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige, robuste und platzsparende Möglichkeit zur
Einschaltfunkenunterdrückung bereitzustellen. Offenbarung der Erfindung
Der vorstehend genannte Bedarf wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems gestillt. Das erfindungsgemäße Verfahren dient daher dem Unterdrücken eines Zündfunkens an einer Funkenstrecke beim Einschalten eines Primärspannungserzeugers in einem Zündsystem für eine
Brennkraftmaschine. Das Zündsystem umfasst einen Primärspannungserzeuger (z. B. in Form eines Transformators) und einen Hochsetzsteller. Mittels des Hochsetzstellers kann beispielsweise ein durch den Primärspannungserzeuger erzeugter Zündfunke mit zusätzlicher elektrischer Energie versorgt werden, um denselben aufrecht zu erhalten. Beim Einschalten des
Primärspannungserzeugers wird die Ausgangsspannung über der Funkenstrecke verringert, indem eine der Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers entgegengesetzt orientierte Spannung mittels des Hochsetzstellers erzeugt wird. Unter einem„Einschalten eines Primärspannungserzeugers" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Veranlassen eines Speicherns elektrischer Energie (z.B. im Magnetfeld einer Transformatorspule) in dem Primärspannungserzeuger verstanden, welche zu einem späteren Zeitpunkt zur Erzeugung des
Zündfunkens Verwendung finden soll. Bei der Verwendung von Transformatoren wird eine primärseitige Masche des Transformators geöffnet, im Ansprechen worauf der Stromfluss zum Erliegen kommt und das in sich zusammenfallende Magnetfeld eine sekundärseitige Funkenentladung zur Folge hat. Da die
Magnetfeldänderung beim Einschalten des Primärspannungserzeugers gegenüber dem Ausschaltvorgang des Primärspannungserzeugers
entgegengesetzt erfolgt, ist auch die Spannung, welche es beim Einschalten des Primärspannungserzeugers zu verringern gilt, der erwünschten Zündspannung beim Ausschalten des Primärspannungserzeugers gegensinnig orientiert. Mit anderen Worten stützt eine mittels des Hochsetzstellers erzeugte Spannung beim Ausschalten des Primärspannungserzeugers den Zündfunken, während sie beim Einschalten des Primärspannungserzeugers die bereitgestellte Energie verringert. Auf diese Weise kann die Spannung an der Zündfunkenstrecke im Einschaltmoment des Primärspannungserzeugers verringert werden, wodurch unerwünschte Zündungen und durch diese mögliche Beschädigungen an der
Brennkraftmaschine verhindert werden. Als Brennkraftmaschine kommt für die Verwendung der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein Gasmotor, insbesondere eine fremdgezündete benzinbetriebene Brennkraftmaschine in Frage.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt umfasst der Primärspannungserzeuger einen Transformator, bei welchem eine primärseitige Spule und eine sekundärseitige Spule über einen Eisenkern magnetisch miteinander gekoppelt sind. Der Transformator kann in einer primärseitigen Masche einen Schalter zum Ein- und Ausschalten eines primärseitigen Stromflusses umfassen. Wird der Schalter geschlossen, wird erfindungsgemäß eine sekundärseitig mögliche Spannungsüberhöhung mittels des Hochsetzstellers verringert. Transformatoren haben sich in Zündsystemen jahrzehntelang bewährt und werden auch als„Zündspulen" bezeichnet. Weiter bevorzugt erfolgt das Erzeugen der entgegengesetzt orientierten
Spannung mittels des Hochsetzstellers in einem Zeitbereich, der vor dem Einschalten des Primärspannungserzeugers beginnt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nicht die volle, beim Einschalten des
Primärspannungserzeugers mögliche sekundärseitige Spannung über der Zündfunkenstrecke anliegt. Bevorzugt kann zur Verringerung des Energiebedarfs die Spannung des Hochsetzstellers abgeschaltet werden, bevor der
Primärspannungserzeuger ausgeschaltet wird. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Zündung zu einem zu frühen Zeitpunkt unterdrückt werden.
Sofern im Zündmoment eine besonders hohe elektrische Spannung an der Zündfunkenstrecke erforderlich ist oder eine maximale Zündfunkenenergie im weiteren Brennverlauf wünschenswert ist, kann die mittels des Hochsetzstellers erzeugte Spannung auch bis weit nach dem Ausschalten des
Primärspannungserzeugers aufrecht erhalten werden, wodurch sich während des Zündzeitpunktes und danach die der Funkenstrecke bereitgestellten Energien überlagern. Ein solcher Fall ist stets nahe dem Zündzeitpunkt gegeben, wenn bereits eine hohe Verdichtung und damit ein höherer Zündspannungsbedarf bestehen. Dies erzeugt einen besonders stabilen Zündfunken und ein besonders hohes Zündspannungsangebot im Zündmoment. Weiterbevorzugt erfolgt das Erzeugen der mittels des Hochsetzstellers erzeugten elektrischen Spannung in einem Zeitbereich, der vor dem Einschalten des Primärspannungserzeugers beginnt und vor einem sekundärseitigen zweiten lokalen Maximum der Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers innerhalb eines Zündzyklus' reduziert wird. Da im Zeitpunkt des Einschaltens die größte Unstetigkeit des magnetischen Flusses innerhalb des
Primärspannungserzeugers besteht, wird in Abhängigkeit der Zeitkonstante des Schwingkreises nach einer Verzögerungszeit auch die höchste ausgangsseitige Spannung erwartet. Bereits bei Erreichen des zweiten lokalen Maximums ist dieser kritische Spannungswert mit Sicherheit überstanden, so dass eine Analyse der ausgangsseitigen Spannung einen guten Indikator für einen zum
Abschalten des Hochsetzstellers geeigneten Zeitpunkt darstellt.
Selbstverständlich könnten auch andere Punkte (z.B. das erste Maximum) innerhalb des Ausgangsstromverlaufes erkannt und zum Erzeugen eines Abschaltsignals für den Hochsetzsteller verwendet werden. Durch die Reduktion der Ausgangsspannung des Hochsetzstellers kann die elektrische
Energieaufnahme des erfindungsgemäßen Zündsystems verringert werden. Insbesondere bietet sich daher ein Abschalten des Hochsetzstellers an, sobald die Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers verträgliche Werte angenommen hat.
Eine weitere Möglichkeit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, ein mehrmaliges Ein- und Ausschalten des Hochsetzstellers vorzunehmen. Beispielsweise kann der Hochsetzsteller vor dem
Einschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers eingeschaltet werden, so dass zum Einschaltzeitpunkt der obere Grenzwert der Ausgangsspannung vom Hochsetzsteller generiert wird. Anschließend wird zum Einschaltzeitpunkt der Hochsetzsteller abgeschaltet, wodurch die Ausgangsspannung in einem stark negativen Bereich abfällt. Anschließend wird der Hochsetzsteller ein zweites Mal eingeschaltet, bevor die Spannung einen unteren Grenzwert für einen sicheren Betriebsbereich erreicht hat. Gegebenenfalls kann nun der Hochsetzsteller erneut abgeschaltet werden. Je nach Batteriespannung und
Übersetzungsverhältnis des Primärspannungserzeugers (Zündtransformators) ist die Einschaltspannung so groß, dass ein einmaliges Ein- und Ausschalten des Hochsetzstellers nicht die Einhaltung der Anforderung der Motorenhersteller ermöglicht. Durch ein mehrmaliges Ein- und Ausschalten des Hochsetzstellers in Abhängigkeit von einem oberen und einem unteren Grenzwert der
Ausgangsspannung eines erfindungsgemäßen Zündsystems kann ein unzulässiges Überschreiten der Ausgangsspannung vor dem angestrebten Zündzeitpunkt in weiten Grenzen vermieden werden.
Bevorzugt kann ein Betriebsparameter des Hochsetzstellers im Ansprechen auf einen geänderten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geändert werden.
Beispielsweise kann der Einschaltzeitpunkt und/oder der Ausschaltzeitpunkt (beispielsweise über dem Kurbelwinkel) verschoben werden. Dies kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn sich der Zündzeitpunkt aufgrund eines geänderten Drehzahlzustandes der Brennkraftmaschine geändert hat. Auf diese Weise kann durch eine entsprechende Änderung des Betriebsverhaltens des Hochsetzstellers der Einsatz elektrischer Energie exakt und auf den (Zeitpunkt dosiert werden. Als Betriebsparameter der Brennkraftmaschine kommen unterschiedliche Kenngrößen in Frage. Beispielsweise kann das Brennverfahren, die Drehzahl, der Lastzustand, der (ermittelte oder angenommene) Druck innerhalb der Brennkammer, die Turbulenz eines Gemisches innerhalb der Brennkammer o. ä. verwendet werden, um eine geeignete Betriebsweise für den Hochsetzsteller zu definieren.
Beispielsweise kann auch ein veränderter Energiebedarf an der Funkenstrecke zum Anlass genommen werden, den Betriebsparameter des Hochsetzstellers zu verändern. Wird ein ohnehin hoher Energiebedarf ermittelt, welcher durch das alleinige Einschalten des Primärspannungserzeugers keine Fehlzündungsgefahr birgt, kann das erfindungsgemäße Unterdrücken des Zündfunkens mittels des Hochsetzstellers ausgesetzt werden, um elektrische Energie zu sparen. Wird hingegen ein verringerte Energiebedarf (z. B. durch eine verringerte Turbulenz oder einen geringeren Druck eines Gemisches innerhalb des Brennraumes) ermittelt, kann zur Vermeidung von Fehlzündungen das erfindungsgemäße
Verfahren ausgeführt werden, um mittels des Hochsetzstellers eine
unerwünschten Zündfunken beim Einschalten des Primärspannungserzeugers zu unterdrücken. Auch kann eine Ausgangsspannung des
Primärspannungserzeugers ermittelt und ein Vergleich der ermittelten
Ausgangsspannung mit einer abgespeicherten Referenz durchgeführt werden, im
Ansprechen worauf der Betriebsparameter des Hochsetzstellers geändert wird. Alternativ kann ohne Messung der Ausgangsspannung über die Messung der Hochsetzstellerspannung und der Vorgabe eines Schwellenwertes/Referenz (Beispielsweise in Abhängigkeit der Batteriespannung) das Ein/Ausschalten des Hochsetzstellers geregelt werden. Hierbei ist die Einschaltspannung proportional zur Spannung über der Primärseite. Insbesondere kann in einem ersten
Zündvorgang die Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers beim Einschalten des Primärspannungserzeugers ermittelt und ausgewertet werden, um in einem zweiten (darauf folgenden) Zündvorgang geänderte
Betriebsparameter für den Betrieb des Hochsetzstellers zu verwenden. Auf diese
Weise kann die zum Betrieb des Hochsetzstellers erforderliche elektrische Energie besonders wohl dosiert eingesetzt werden.
Die mittels des Hochsetzstellers im Zeitpunkt des Einschaltens des
Primärspannungserzeugers erzeugte Spannung kann im Bereich zwischen 100 V und 1500 V, bevorzugt im Bereich zwischen 500 V und 1200 V liegen. Einerseits sind die vorgenannten Spannungen mittels eines Hochsetzstellers zuverlässig erzeugbar, andererseits können die vorgenannten Spannungen dazu verwendet werden, die Spannung beim Einschalten eines Primärspannungserzeugers eines Zündsystems signifikant zu verringern. Selbstverständlich kann auch die
Spannung des Hochsetzstellers im Ansprechen auf einen veränderten
Betriebsbereich der Brenn kraftmaschine verändert werden, um den Einsatz elektrischer Energie in geeigneter Weise zu dosieren.
Das Zündsystem ist für eine Brennkraftmaschine vorgesehen und umfasst einen Primärspannungserzeuger, eine Funkenstrecke und einen Hochsetzsteller. Der Hochsetzsteller ist eingerichtet, beispielsweise einen ausgangsseitig durch den
Primärspannungserzeuger erzeugten Zündfunken an der Funkenstrecke mit elektrischer Energie zu versorgen. Zudem kann der Hochsetzsteller eingerichtet sein, bereits vor dem Abschalten des Primärspannungserzeugers eine Spannung bereitzustellen, um den mittels des Primärspannungserzeugers zu stillenden Spannungsbedarf zu verringern. Das Zündsystem ist eingerichtet, eine durch ein
Einschalten des Primärspannungserzeugers erzeugte Ausgangsspannung über der Funkenstrecke durch Erzeugen einer der Ausgangsspannung des
Primärspannungserzeugers entgegengesetzt orientierten Spannung mittels des Hochsetzstellers zu verringern. Beispielsweise kann der Hochsetzsteller ausgangsseitig in einer Masche angeordnet sein, in welcher sich auch die
Funkenstrecke und ein Ausgang des Primärspannungserzeugers befinden. Bei geeigneter Orientierung bzw. Betriebsweise des Primärspannungserzeugers und des Hochsetzstellers kann die Spannung des Hochsetzstellers die
ausgangsseitige Spannung des Zündsystems über der Funkenstrecke beim Einschalten desselben verringern, während der Hochsetzsteller beim
Ausschalten des Primärspannungserzeugers dessen sekundärseitige Spannung bezüglich der Funkenstrecke verstärkt. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenen Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt beschriebenen derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Das Zündsystem kann bevorzugt eingerichtet sein, die Spannung im Ansprechen auf einen veränderten Betriebszustand der Brenn kraftmaschine zu einem veränderten ersten Zeitpunkt zu erzeugen bzw. im Ansprechen auf einen veränderten Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Spannung des
Hochsetzstellers zu einem veränderten zweiten Zeitpunkt nicht weiter zu erhöhen. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung erforderliche elektrische Energie exakt dosiert eingesetzt werden, was die Spannungsversorgung zum Betreiben des Zündsystems entlastet. Bevorzugt kann das Zündsystem selbst eingerichtet sein, einen veränderten
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu ermitteln und im Ansprechen darauf den Zeitpunkt zum Einschalten der Spannung des Hochsetzstellers bzw. den Zeitpunkt zum Abschalten der Spannung des Hochsetzstellers zu verändern. Dies macht das Zündsystem bei der betriebszustandsabhängigen Ansteuerung des Hochsetzstellers unabhängig von ansonsten ggf. erforderlicher Peripherie.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Zündsystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann;
Figur 2 Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrößen wie sie beim
Betrieb des in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können;
Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrö ßen wie sie beim Betrieb eines in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können; eine Detailansicht der Zeitdiagramme aus Figur 3;
Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrö ßen wie sie beim erfindungsgemäßen Betrieb eines in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können;
Figur 6 Zeitdiagramme zu elektrischen Kenngrö ßen, wie sie beim
erfindungsgemäßen Betrieb eines in Figur 1 dargestellten Zündsystems auftreten können, wenn der Betrieb des
Hochsetzstellers im Einschaltzeitpunkt te abgeschaltet wird, und
Figur 7 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Schaltung eines Zündsystems 1 , welches einen
Aufwärtstransformator 2 als Hochspannungserzeuger umfasst, dessen
Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Der Aufwärtstransformator 2 bestehend aus einer Primärspule 8 und einer Sekundärspule 9 kann auch als erster Spannungserzeuger oder Primärspannungserzeuger bezeichnet werden. Am Eingang der Schaltung, mit anderen Worten also am Anschluss zur elektrischen Energiequelle 5, ist eine Sicherung 26 vorgesehen. Zur
Stabilisierung der Eingangsspannung ist darüber hinaus eine Kapazität 17 parallel zum Eingang der Schaltung bzw. parallel zur elektrischen Energiequelle 5 vorgesehen. Die Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 wird über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 mit elektrischer
Energie versorgt und weist eine aus dem Stand der Technik bekannte Diode 23 zur Einschaltfunkenunterdrückung auf, wobei diese Diode alternativ durch eine Diode 21 ersetzt werden kann. In einer Masche mit der Sekundärspule 9, über welcher im Betrieb die Spannung Uzs anliegt, und der Diode 23 ist eine
Funkenstrecke 6 gegen eine elektrische Masse 14 vorgesehen, über welche der
Zündstrom i2 das brennfähige Gasgemisch entflammen soll.
Zwischen der elektrischen Energiequelle 5 und der Sekundärseite 4 des
Aufwärtstransformators 2 ist ein Hochsetzsteller 7 vorgesehen. Der
Hochsetzsteller 7 umfasst eine Induktivität 15, einen Schalter 27, eine Kapazität 10 und eine Diode 16. In dem Hochsetzsteller 7 ist die Induktivität 15 in Form eines Transformators mit einer Primärseite 15 1 und einer Sekundärseite 15_2 vorgesehen. Die Induktivität 15 dient hierbei als Energiespeicher, um einen
Stromfluss aufrecht zu erhalten. Zwei erste Anschlüsse der Primärseite 15 1 und der Sekundärseite 15_2 des Transformators sind jeweils mit der elektrischen Energiequelle 5 bzw. der Sicherung 26 verbunden. Dabei ist ein zweiter
Anschluss der Primärseite 15 1 über den Schalter 27 mit der elektrischen Masse
14 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Sekundärseite 15 2 des Transformators ist ohne Schalter direkt mit der Diode 16 verbunden, die wiederum über einen Knotenpunkt mit einem Anschluss einer Kapazität 10 verbunden ist. Dieser Anschluss der Kapazität 10 ist beispielsweise über einen Shunt 19 mit der Sekundärspule 9 und ein anderer Anschluss der Kapazität 10 ist mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Die Ausgangsleistung des
Hochsetzstellers wird über den Knotenpunkt an der Diode 16 in das Zündsystem eingespeist und der Funkenstrecke 6 zur Verfügung gestellt.
Die Diode 16 ist in Richtung der Kapazität 10 leitfähig orientiert. Aufgrund des Übertragungsverhältnisses wirkt ein Schaltvorgang durch den Schalter 27 im
Zweig der Primärseite 15_1 auch auf der Sekundärseite 15_2. Da jedoch Strom und Spannung gemäß dem Übersetzungsverhältnis auf der einen Seite höher bzw. niedriger als auf der anderen Seite des Transformators sind, lassen sich für Schaltvorgänge günstigere Dimensionierungen für den Schalter 27 finden.
Beispielsweise können geringere Schaltspannungen realisiert werden, wodurch die Dimensionierung des Schalters 27 einfacher und kostengünstiger möglich ist. Gesteuert wird der Schalter 27 über eine Ansteuerung 24, welche über einen Treiber 25 mit dem Schalter 27 verbunden ist. Zwischen der Kapazität 10 und der Sekundärspule 9 ist ein Shunt 19 als Strommessmittel oder
Spannungsmessmittel vorgesehen, dessen Messsignal dem Schalter 27 zugeführt wird. Auf diese Weise ist der Schalter 27 eingerichtet, auf einen definierten Bereich der Stromstärke i2 durch die Sekundärspule 9 zu reagieren. Zur Absicherung der Kapazität 10 ist eine Zenerdiode 21 in Sperrrichtung parallel zur Kapazität 10 geschaltet. Überdies erhält die Ansteuerung 24 ein Steuersignal SHss- Über dieses kann die Einspeisung von Energie über den Hochsetzsteller 7 in die Sekundärseite ein- und ausgeschaltet werden. Dabei kann auch die Leistung der durch den Hochsetzsteller bzw. in die Funkenstrecke eingebrachten elektrischen Größe, beispielsweise über die Frequenz und/oder das Puls-Pause- Verhältnis über ein geeignetes Steuersignal SHss gesteuert werden. Zudem kann über das Steuersignal SHss ein Einschaltzeitpunkt verschoben werden, wenn sich der Energiebedarf der Zündfunkenstrecke ändert. Des Weiteren ist ein
Schaltsignal 32 angedeutet, mittels dessen der Schalter 27 über den Treiber 25 angesteuert werden kann. Bei geschlossenem Schalter 27 wird die Induktivität 15 über die elektrische Energiequelle 5 mit einem Strom versorgt, welcher bei geschlossenem Schalter 27 unmittelbar in die elektrische Masse 14 fließt. Bei offenem Schalter 27 wird der Strom durch die Induktivität 15 über die Diode 16 auf den Kondensator 10 geleitet. Die sich im Ansprechen auf den Strom im Kondensator 1 0 einstellende Spannung addiert sich zu der über der
Sekundärspule 9 des Aufwärtstransformators 2 abfallenden Spannung, wodurch der Lichtbogen an der Funkenstrecke 6 gestützt wird. Dabei entlädt sich jedoch der Kondensator 1 0, so dass durch Schließen des Schalters 27 Energie in das magnetische Feld der Induktivität 1 5 gebracht werden kann, um bei einem erneuten Öffnen des Schalters 27 diese Energie wieder auf den Kondensator 1 0 zu laden. Erkennbar wird die Ansteuerung 31 des in der Primärseite 3
vorgesehenen Schalters 30 deutlich kürzer gehalten, als dies durch das
Schaltsignal 32 für den Schalter 27 der Fall ist. Optional kann ein nichtlinearer Zweipol, durch eine gestrichelt dargestellte Hochspannungsdiode 33
symbolisiert, der sekundärseitigen Spule 9 des Hochsetzstellers 7 parallel geschaltet werden. Diese Hochspannungsdiode 33 überbrückt den
Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den
Hochsetzsteller 7 gelieferte Energie direkt an die Funkenstrecke 6 geführt wird, ohne durch die Sekundärspule 9 des Hochspannungserzeugers 2 geführt zu werden. Somit entstehen keine Verluste über der Sekundärspule 9 und der Wirkungsgrad steigt. Eine erfindungsgemäße Verringerung der
Ausgangsspannung 34 über der Funkenstrecke 6 kann durch die dargestellte Schaltung beispielsweise derart erfolgen, dass der Hochsetzsteller 7 in Betrieb genommen wird, bevor der Schalter 30 des Primärspannungserzeugers 2 geschlossen wird. Auf diese Weise addieren sich die elektrischen Spannungen UZS und U HSS gegensinnig, wenn der Primärspannungserzeuger 2 durch
Schließen des Schalters 30 eingeschaltet wird. Im Ansprechen darauf liegt über der Funkenstrecke 6 eine verringerte Spannung 34 an, was die Gefahr unerwünschter Fehlzündungen verringert.
Eine Anpassung an den Betriebszustand einer (nicht dargestellten)
Brennkraftmaschine des Zündsystems 1 , erfolgt beispielsweise durch eine informationstechnische Anbindung des Motorsteuergerätes (MSG) 40, welches ein erstes Signal S40 zur Einstellung eines Betriebspunktes der
Brennkraftmaschine erhält und ein korrespondierendes zweites Signal S40' an einen MikroController 42 ausgibt. Der MikroController 42 ist weiter an einen Speicher 41 angebunden, welcher Referenzen in Form von Grenzwerten für den Bedarf elektrischer Energie zum Durchschlagen der Funkenstrecke 6 vorhält. Auf diese Weise ist der MikroController 42 zur Beeinflussung eines
Einschaltzeitpunktes tHss und eines Ausschaltzeitpunktes tHssa des
Hochsetzstellers 7 eingerichtet. Hierzu gibt der MikroController 42 ein bedarfsgerecht modifiziertes bzw. zeitlich verschobenes Steuersignal SHss an die Ansteuerung 24 aus, im Ansprechen worauf der Treiber 25 den Schalter 27 mit einem geänderten bzw. verschobenen Schaltsignal 32 versorgt. Beispielsweise kann der Hochsetzsteller 7 im Ansprechen auf den Erhalt des geänderten Schaltsignals 32 früher oder später eingeschaltet werden bzw. früher oder später ausgeschaltet werden, sodass die elektrische Spannung U HSS zum
Einschaltzeitpunkt te bzw. Abschaltzeitpunkt ta des Schalters 30 höher oder niedriger ist bzw. besteht oder noch nicht besteht. Auf diese Weise kann eine Erzeugung eines unerwünschten Zündfunkens auch ohne EFU-Diode 23 sicher und bauraumsparend vermieden werden.
Figur 2 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom izs, b) den zugehörigen Hochsetzstellerstrom iHss , c) die ausgangsseitige Spannung über der
Funkenstrecke 6, d) den Sekundärspulenstrom \2 für das in Figur 1 dargestellte Zündsystem ohne (501 ) und mit (502) Verwendung des Hochsetzstellers 7, e) das Schaltsignal 31 des Schalters 30 und f) das Schaltsignal 32 des Schalters 27. Im Detail: Diagramm a) zeigt einen kurzen und steilen Anstieg des
Primärspulenstroms izs, welcher sich während derjenigen Zeit einstellt, in welcher sich der Schalter 30 im leitenden Zustand („ON", siehe Diagramm 3e) befindet. Mit Ausschalten des Schalters 30 fällt auch der Primärspulenstrom izs auf 0 A ab. Diagramm b) veranschaulicht überdies die Stromaufnahme des Hochsetzstellers 7, welche durch eine pulsförmige Ansteuerung des Schalters 27 zustande kommt. In der Praxis haben sich als Schaltfrequenz Taktraten im Bereich mehrerer zehn kHz bewährt, um einerseits entsprechende Spannungen und andererseits akzeptable Wirkungsgrade zu realisieren. Beispielhaft seien die ganzzahligen Vielfachen von 10000 Hz im Bereich zwischen 10 und 100 kHz als mögliche Bereichsgrenzen genannt. Zur Regelung der an die Funkenstrecke abgegebenen Leistung während eines bestehenden Zündfunkens empfiehlt sich dabei eine, insbesondere stufenlose, Regelung des Puls-Pause-Verhältnisses des Signals 32 zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals.
Diagramm c) zeigt den Verlauf 34 der sich beim erfindungsgemäßen Betrieb an der Funkenstrecke 6 einstellenden Spannung. Diagramm d) zeigt die Verläufe des Sekundärspulenstroms i2. Sobald sich der Primärspulenstrom iZs aufgrund eines Öffnens des Schalters 30 zu 0 A ergibt und sich damit die im
Aufwärtstransformator gespeicherte magnetische Energie in Form eines
Lichtbogens über der Funkenstrecke 6 entlädt, stellt sich ein
Sekundärspulenstrom i2 ein, der ohne Hochsetzsteller (501 ) rasch gegen 0 abfällt. Im Gegensatz hierzu wird durch eine pulsförmige Ansteuerung (siehe Diagramm f, Schaltsignal 32) des Schalters 27 ein im Wesentlichen konstanter Sekundärspulenstrom i2 (502) über die Funkenstrecke 6 getrieben, wobei der Sekundärstrom i2 von der Brennspannung an der Funkenstrecke 6 abhängt und hier der Einfachheit halber von einer konstanten Brennspannung ausgegangen wird. Erst nach Unterbrechung des Hochsetzstellers 7 durch Öffnen des
Schalters 27 fällt nun auch der Sekundärspulenstrom i2 gegen 0 A ab. Aus Diagramm d) ist erkennbar, dass die abfallende Flanke durch die Verwendung des Hochsetzstellers 7 verzögert wird. Die gesamte Zeitdauer, während welcher der Hochsetzsteller verwendet wird, ist als tHss und die Zeitdauer, während welcher Energie primärseitig in den Aufwärtstransformator 2 gegeben wird, als t, gekennzeichnet. Der Startzeitpunkt von tHss gegenüber t, kann variabel gewählt werden. Zudem ist es auch möglich, durch einen (nicht- dargestellten) zusätzlichen DC-DC-Wandler die von der elektrischen Energiequelle gelieferte Spannung zu erhöhen, bevor diese im Hochsetzsteller 7 weiter verarbeitet wird.
Es sei zur Kenntnis genommen, dass konkrete Auslegungen von vielen schaltungsinhärenten und externen Randbedingungen abhängen. Es stellt den befassten Fachmann vor keine unzumutbaren Probleme, die für seinen Zweck und die von ihm zu berücksichtigenden Randbedingungen geeigneten
Dimensionierungen selbst vorzunehmen.
Figur 3 zeigt Zeitdiagramme elektrischer Größen beim Betrieb einer Schaltung gemäß Fig. 1 , wobei der Einschaltzeitpunkt tHss des Hochsetzstellers 7 dem Ausschaltzeitpunkt ta gleicht. Mit anderen Worten erfolgt hierbei keine erfindungsgemäße Maßnahme zur Funkenunterdrückung, sodass der Betrag der ausgangsseitigen Spannung Uzs kurz nach dem Einschaltzeitpunkt te bei ungefähr 2200 V liegt. Der im Mittel linear ansteigende Strom lzs des
Primärspannungserzeugers weist kurz nach dem Einschaltzeitpunkt te ein erstes lokales Maximum 44 und ein zweites lokales Maximum 45 auf. Beide
korrespondieren zu phasenverschobenen lokalen Minima des Verlaufes der
Spannung Uzs- Diese anfänglichen Schwingungen sind auf das Vorhandensein einer parasitären Kapazität innerhalb des Primärspannungserzeugers 2 zurückzuführen, welcher durch die benachbarten Windungen der Spulen 8, 9 entsteht. Erst im Zeitpunkt ta schaltet das Signal 32 den Hochsetzsteller 7 ein. Zu diesem Zeitpunkt kann eine Unterdrückung eines Zündfunkens nicht mehr erfolgen. Dieser kann bei ungünstigen Bedingungen im Brennraum bereits zum Einschaltzeitpunkt te stattgefunden haben. Figur 4 zeigt eine Detailansicht der in Fig. 3 dargestellten elektrischen Größen. Die Graphen und Ordinaten sind versetzt zueinander angeordnet, um die Abhängigkeiten der elektrischen Größen besser zu veranschaulichen. Die elektrischen Vorgänge und zeitlichen Zusammenhänge wurden jedoch identisch Fig. 3 beibehalten. Im Einschaltzeitpunkt te weist der Strom lzs des
Primärspannungserzeugers 2 einen steilen Anstieg auf, wodurch die
ausgangsseitige Spannung Uzs des Primärspannungserzeugers 2 stark abfällt. Ein lokales Minimum der Spannung Uzs liegt bei ca. -2200 V. Die nachfolgenden Schwingungen des Stromes lzs sind gegenüber dem ersten lokalen Maximum 44 stark gedämpft, so dass auch der magnetische Fluss und im Ansprechen darauf die ausgangsseitige Spannung Uzs des Primärspannungserzeugers 2 stärker gedämpfter Schwingungen aufweist.
Figur 5 zeigt Zeitdiagramme elektrischer Größen, wie sie beim
erfindungsgemäßen Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltung auftreten können. Erkennbar ist der Einschaltzeitpunkt tHss des Hochsetzstellers 7 gegenüber dem Einschaltzeitpunkt te des Primärspannungserzeugers 2 vorgezogen worden. Der Betrag des lokalen Minimums des Spannungssignals 34 an der Zündfunkenstrecke 6 ist gegenüber dem sekundärseitigen
Ausgangssignal Uzs des Primärspannungserzeugers 2 von ca. 2200V auf 950V gefallen. Die (nicht dargestellte) Ausgangsspannung UHss des Hochsetzstellers 7 führt zu einem Versatz, welcher die (Extrem-) Werte der Spannung Uzs verringert. Auf diese Weise sinkt die Gefahr von Fehlzündungen beim Einschalten des Primärspannungserzeugers 2.
Figur 6 zeigt die in Fig. 5 dargestellte Situation, wenn der Betrieb des
Hochsetzstellers im Einschaltzeitpunkt te abgeschaltet wird. Mit anderen Worten gleicht der Abschaltzeitpunkt tHssa dem Einschaltzeitpunkt te. Entsprechend der in Figur 5 dargestellten Situation wird die Ausgangsspannung 34 durch die Hochsetzstellerspannung UHss von 2200 V auf 950 V begrenzt. Ein
fortwährender Betrieb des Hochsetzstellers 7 nach dem Einschaltzeitpunkt te ist daher nicht erforderlich. Ein dem Einschaltzeitpunkt te des
Primärspannungserzeugers 2 vorauseilender Betrieb des Hochsetzstellers 7 (zwischen den Zeitpunkten tHss und tHssa) führt nämlich bereits zu einer ausgangsseitigen Spannung UHss des Hochsetzstellers 7, durch welche die Spannung 34 an der Funkenstrecke 6 die Vorgabe einer betragsmäßigen Einschaltspannung < 1000V einhält.
Figur 7 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Hierbei wird in Schritt 100 der Primärspannungserzeuger 2 eingeschaltet, wodurch eine starke Unstetigkeit des magnetischen Flusses eine hohe ausgangsseitige Spannung Uzs bewirkt.
Zur Verringerung der Ausgangsspannung 34 wird in Schritt 200 die
Ausgangsspannung UHss des Hochsetzstellers 7 derart überlagert, dass der Betrag der Spannung 34 an der Zündfunkstrecke < 1000V bleibt. Hierzu kann der Hochsetzsteller 7 bereits vor dem Einschalten des Primärspannungserzeugers 2 eingeschaltet werden. Die entgegengesetzt orientierte Spannung UHss wird dabei durch taktendes Ein- und Ausschalten des Schalters 27 des Hochsetzstellers 7 erzeugt. Der Schalter 27 des Hochsetzstellers 7 beginnt zu einem
Einschaltzeitpunkt tHss taktend ein- und auszuschalten, wobei der
Einschaltzeitpunkt tHss um eine vorbestimmte Zeit vor dem Einschaltzeitpunkt te des Primärspannungserzeugers 2 liegt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst das Verringern der Ausgangsspannung als Schritt 200 das Einschalten des Hochsetzstellers zu einem Einschaltzeitpunkt tHss-
Anschließend wird in Schritt 300 ein veränderter Energiebedarf zur Erzeugung eines Funkendurchschlags ermittelt. Dies kann beispielsweise durch Messung einer Spannung an der Zündfunkenstrecke 6 und anschließendes Vergleichen des Ergebnisses mit einer zugeordneten Referenz erfolgen.
Zusätzlich wird in Schritt 400 die Ausgangsspannung Uzs des
Primärspannungserzeugers 2 ermittelt. Beide Werte stellen geeignete
Eingangsgrößen für eine bedarfs- und betriebssituationsgemäße Anpassung des Betriebes des Hochsetzstellers 7 dar. In dem Schritt 400 wird eine
Ausgangsspannung UZs des Primärspannungserzeugers 2 oder eine die
Ausgangsspannung charakterisierende Spannung des
Primärspannungserzeugers 2 ermittelt. Anschließend wird in Schritt 500 der veränderte Energiebedarf und die
Ausgangsspannung des Primärspannungserzeugers 2 mit abgespeicherten Referenzwerten verglichen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird in Schritt 500 geprüft, ob eine
Überschreitungsbedingung und/oder Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob die Ausgangsspannung einen vorbestimmten oberen
Schwellwert überschreitet und/oder einen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet. Die Überschreitungsbedingung ist erfüllt, wenn die
Ausgangsspannung den vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet. Die
Unterschreitungsbedingung ist erfüllt, wenn die Ausgangsspannung den vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet. Nach dem Ausschalten des Hochsetzstellers zu einem Ausschaltzeitpunkt (tHssa) und bei Erfüllung der Überschreitungsbedingung oder der Unterschreitungsbedingung wird der Einschaltzeitpunkt tHss und/oder der Ausschaltzeitpunkt tHssa für den nächsten
Zyklus verändert. Dabei kann das Verändern des Einschaltzeitpunktes tHss und/oder des Ausschaltzeitpunktes tHssa für den nächsten Zyklus in vorgebbaren Stufen oder kontinuierlich erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterdrückung eines Zündfunkens wird durchgeführt vor einem Zündvorgang oder zwischen zwei Zündvorgängen.
Je nachdem, welche Betriebsparameter den ermittelten Größen am nächsten kommenden Referenzen zugeordnet sind, wird in Schritt 600 eine Veränderung der Betriebsparameter des Hochsetzstellers 7 vorgenommen oder nicht. Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte Anpassung der Betriebsweise des Hochsetzstellers 7 erfolgen, wodurch unnötiger Energieaufwand vermieden werden kann. Grundsätzlich kann die Ansteuerung des Hochsetzstellers 7 zur Einschaltfunkenunterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung über eine entsprechende Ansteuerung durch ein Zündsteuergerät und/oder durch ein
Motorsteuergerät wie auch durch eine interne Ansteuerung des Zündsystems angepasst werden.
Zusätzlich zu einer tatsächlichen Messung bzw. Signalisierung einer aktuellen elektrischen Größe an der Zündfunkenstrecke ist es auch Teil der Erfindung, die
Vorgabe des Hochsetzstellerbetriebes durch Parametrierung eines
Steuergerätes (z.B. in Abhängigkeit der Bordnetzspannung bzw. Batteriespannung) durch feste Werte unabhängig von den aktuellen elektrischen Zuständen des Zündsystems zu ermitteln. Mit anderen Worten kann das Verringern der Ausgangsspannung über der Funkenstrecke des Zündsystems im Ansprechen auf eine ermittelte Bordnetzspannung erfolgen, um den
unerwünschten Zündfunken zu unterdrücken. Die interne Ansteuerung kann beispielsweise mittels eines elektrischen Schaltkreises, einer analogen
Schaltung, eines Mikrocontrollers oder eines ASIC erfolgen. Solche Bauteile sind in vielen Zündsystemen einer jeden Zündkerze zugeordnet, sodass vorhandene Hardware zur Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch innerhalb eines
Zündzyklus' mehrmalig durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann vor dem Einschaltzeitpunkt des Primärspannungserzeugers so eingeschaltet werden, dass zu diesem Zeitpunkt der obere Grenzwert von z.B. +1000 V vom
Hochsetzsteller generiert wird. Anschließend wird zum Einschaltzeitpunkt te der Hochsetzsteller abgeschaltet, im Ansprechen worauf die Spannung 34 über der
Zündfunkenstrecke stark abfällt und der Hochsetzsteller anschließend für kurze Zeit ein zweites Mal eingeschaltet wird, bevor die Spannung 34 den unteren Grenzwert von z.B. -1000 V erreicht. Sofern erforderlich, kann dieser Vorgang einfach oder mehrfach wiederholt werden. Dieses Steuerungskonzept könnte als „mehrmaliges Ein- und Ausschalten des Hochsetzstellers in Abhängigkeit von einem oberen und einem unteren Grenzwert der Zündfunkenspannung" bezeichnet werden. Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung besteht darin, dass je nach Batteriespannung und Übersetzungsverhältnis des
Primärspannungserzeugers die Einschaltspannung so groß ist, dass ein einmaliges Ein- und Ausschalten des Hochsetzstellers 7 nicht die Einhaltung der von den Motorenherstellern vorgegebenen Randbedingungen ermöglicht
Es kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, das dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Dabei ist das Computerprogramm auf einem Speichermedium gespeichert. Alternativ zu dem Computerprogramm kann das erfindungsgemäße Verfahren von einem im Zündsystem vorgesehenen elektrischen Schaltkreis, einer analogen
Schaltung, einem ASIC oder einem MikroController gesteuert werden, der dazu eingerichtet ist, alle beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften
Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems, das eine Funkenstrecke (6), einen Primärspannungserzeuger (2) und einen Hochsetzsteller (7) umfasst, gekennzeichnet durch
Einschalten (100) des Primärspannungserzeugers (2), und
Verringern einer Ausgangsspannung (34) über der Funkenstrecke (6) durch Erzeugen (200) einer Spannung (uHss) mittels des
Hochsetzstellers (7).
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
der Primärspannungserzeuger (2) einen Transformator umfasst, und/oder
das Einschalten (100) ein Schließen eines primärseitigen Schalters (30) des Primärspannungserzeugers (2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erzeugen (200) der entgegengesetzt orientierten Spannung (uHss) in einem Zeitbereich erfolgt, der vor dem Einschalten (100) des Primärspannungserzeugers (2) beginnt und insbesondere vor oder nach dem Ausschalten des
Primärspannungserzeugers (2) endet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen (200) der entgegengesetzt orientierten Spannung (u Hss) in einem
Zeitbereich erfolgt, der vor dem Einschalten (100) des
Primärspannungserzeugers (2) beginnt und vor einem zweiten lokalen Maximum (45) des primärseitigen Stromes (izs) des
Primärspannungserzeugers (2) innerhalb eines Zündzyklus' reduziert, insbesondere beendet, wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannung (U HSS) des Hochsetzstellers (7) im Zeitpunkt des Einschaltens des Primärspannungserzeugers (2) einen Betrag im Bereich von 100 V bis 1500 V, insbesondere im Bereich von 500 V bis 1200 V aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der
Hochsetzsteller (7) im Zuge eines Zündzyklus' mehrfach ein- und ausgeschaltet wird, wobei das Ein- und/oder Ausschalten des
Hochsetzstellers (7) insbesondere in Abhängigkeit eines oberen und/oder unteren Grenzwertes einer Spannung, insbesondere einer
Bordnetzspannung eines Fortbewegungsmittels, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei die entgegengesetzt orientierte Spannung (uHss) durch taktendes Ein- und Ausschalten eines Schalters (27) des Hochsetzstellers (7) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Schalten des Schalters (27) des Hochsetzstellers (7) zu einem Startzeitpunkt (tHss) beginnt, der um eine vorbestimmte Zeit vor dem Einschaltzeitpunkt (te) des
Primärspannungserzeugers (2) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verringern der Ausgangsspannung die Schritte umfasst:
Einschalten des Hochsetzstellers (7) zu einem Startzeitpunkt (tHss), Ermitteln der Ausgangsspannung (34) über der Funkenstrecke (6) oder einer die Ausgangsspannung (34) charakterisierenden
Spannung,
Ermitteln, ob eine Überschreitungsbedingung und/oder eine
Unterschreitungsbedingung erfüllt ist, indem ermittelt wird, ob die Ausgangsspannung (34) einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet.
Ausschalten des Hochsetzstellers (7) zu einem Ausschaltzeitpunkt
(tlHSSa)
Verändern des Startzeitpunktes (tHss) und/oder des
Ausschaltzeitpunktes (tHssa) für den nächsten Zyklus bei Erfüllung der Überschreitungsbedingung oder bei Erfüllung der
Unterschreitungsbedingung.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verändern des Startzeitpunktes (tHss) und/oder des Ausschaltzeitpunktes (tHssa) für den nächsten Zyklus in vorgebbaren Stufen oder kontinuierlich erfolgt.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Verfahren durchgeführt wird vor einem Zündvorgang oder zwischen zwei Zündvorgängen.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, wobei die im Hochsetzsteller erzeugte elektrische Spannung (uHss) zu der im Primärspannungserzeuger erzeugten Spannung (UZs) entgegengesetzt orientiert ist.
13. Computerprogramm, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
15. Zündsystem, das eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
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