DE102007034390B4

DE102007034390B4 - Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs und Zündsystem

Info

Publication number: DE102007034390B4
Application number: DE102007034390.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bertsch Dietmar; Dr. Schaub Reiner; Dipl.-Ing. Schaupp Uwe; Dr.-Ing. Schmolla Wilfried; Dipl.-Ing. Winter Harald
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2027-07-25
Also published as: DE102007034390A1; WO2009012836A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit:- einem Zündtransformator (10) mit einer Primärseite (12) und einer Sekundärseite (14), wobei an der Primärseite (12) eine Bordnetzspannung (V) des Kraftfahrzeugs anliegt;- einem Zündsteuergerät (16), mittels welchem ein Primärstrom (iprim) durch die Primärseite (12) des Zündtransformators (10) steuerbar ist;- einer Stromerfassungseinrichtung (20), welche mit dem Zündsteuergerät (16) gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom (iprim) und ein Sekundärstrom (i) durch die Sekundärseite (14) erfassbar und an das Zündsteuergerät (16) übermittelbar sind; und- einer Zündkerze (22), welche zum Erzeugen von Zündfunken (24) mit der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10) gekoppelt ist, folgende Schritte umfassend:a) Aufbauen des Primärstroms (iprim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) mittels des Zündsteuergeräts (16), bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert (i) erreicht wird;b) Abschalten des Primärstroms (iprim) zum Erzeugen eines Sekundärstroms (i) an der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10);c) Warten für eine Zeitdauer (t), bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert (i) an der Sekundärseite (14) unterschritten wird;d) Aufbauen des Primärstroms (iprim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) mittels des Zündsteuergeräts (16), bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert (i) erreicht wird; unde) Abschalten des Primärstroms (iprim) mittels des Zündsteuergeräts (16) zum Erzeugen des Sekundärstroms (i) an der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10) .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sowie ein Zündsystem für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
Ein derartiges Verfahren sowie ein derartiges Zündsystem sind dabei beispielsweise bereits aus der DE 101 21 993 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Zündsystem ist dabei als sogenanntes Hybridzündsystem ausgebildet und umfasst einen Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an der Primärseite eine 14V oder 42V Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs anliegt. Nach einem Steuersignal eines Motorsteuergeräts wird ein Zündsteuergerät aktiviert und baut einen Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators auf. Nach dem Erreichen eines Primärstrommaximalwertes wird die Primärseite für eine vorbestimmte Zeitspanne abgeschaltet, wodurch sich in der Sekundärseite des Zündtransformators eine Hochspannung aufbaut. Die Hochspannung entlädt sich über einen Zündfunken an der mit der Sekundärseite gekoppelten Zündkerze, wodurch ein in einem zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors befindliches Kraftstoffgemisch entzündet wird. Nach dem Funkendurchbruch wird dieser Vorgang in Abhängigkeit des Steuersignals des Motorsteuergeräts gegebenenfalls mehrfach zeitgesteuert mit ausgewählten Zeitintervallen wiederholt, um eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffgemischs zu erzielen.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2007 000 052 A1 eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einer Zündkerze.
Der US 2004/0040535 A1 ist ein Zündungssteuergerät als bekannt zu entnehmen.
Darüber hinaus offenbart die US 2003/0164164 A1 ein Verfahren zum Betreiben mehrerer Zündspulen in einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern.
Aus der DE 198 41 483 A1 ist ein Zündsteuersystem für einen Motor bekannt.
Des Weiteren offenbart die US 6 283 104 B1 ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor.
Ferner offenbart die JP S57-28 871 A eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sowie ein Zündsystem zu schaffen, welche ein zuverlässigeres Entzünden eines Kraftstoffgemischs und damit ein sichereres Entzündungsverhalten des Verbrennungsmotors über einen größeren Applikationsbereich ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Zündsystem gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens - soweit anwendbar - als vorteilhafte Ausgestaltungen des Zündsystems und umgekehrt anzusehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an der Primärseite eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs anliegt, mit einem Zündsteuergerät, mittels welchem ein Primärstrom durch die Primärseite des Zündtransformators steuerbar ist, mit einer Stromerfassungseinrichtung, welche mit dem Zündsteuergerät gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom und ein Sekundärstrom durch die Sekundärseite erfassbar und an das Zündsteuergerät übermittelbar sind und mit einer Zündkerze, welche zum Erzeugen von Zündfunken mit der Sekundärseite des Zündtransformators gekoppelt ist, umfasst dabei die Schritte a) Aufbauen des Primärstroms an der Primärseite des Zündtransformators mittels des Zündsteuergeräts, bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert erreicht wird, b) Abschalten des Primärstroms zum Erzeugen eines Sekundärstroms an der Sekundärseite des Zündtransformators, c) Warten für eine Zeitdauer, bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert an der Sekundärseite unterschritten wird, d) Aufbauen des Primärstroms an der Primärseite des Zündtransformators mittels des Zündsteuergeräts, bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert erreicht wird und e) Abschalten des Primärstroms mittels des Zündsteuergeräts zum Erzeugen des Sekundärstroms an der Sekundärseite des Zündtransformators. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit anderen Worten im Gegensatz zum Stand der Technik eine gezielte Einstellung eines Energiegehalts der in den Schritten b) und e) erzeugten Zündfunken des multifunkenfähigen Zündsystems, wodurch ein zuverlässigeres Entzünden eines fremdzündbaren Kraftstoffgemischs und damit ein aussetzerfreier Betrieb des Verbrennungsmotors über einen größeren Applikationsbereich gewährleistet wird. Die Zuverlässigkeit der Entzündung wird auch dadurch gesteigert, dass im Falle eines ungewollten Erlöschens des ersten Zündfunkens - beispielsweise aufgrund von Zündkerzenbenetzung, zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder dergleichen - ein weiterer Zündfunke mit einstellbarem Energiegehalt erzeugt und somit die Entzündungswahrscheinlichkeit des Kraftstoffgemischs signifikant erhöht wird. Durch die Verbesserung des Entzündungsverhaltens wird gleichzeitig ein entsprechender Verbrauchsvorteil sowie eine Verbesserung des Emissionsverhaltens, insbesondere der HC- und der NO_x-Rohemissionen, des Verbrennungsmotors erzielt.
Eine weitere Verbesserung des Entzündungsverhaltens ist dadurch gegeben, dass zumindest die Schritte c) bis e) mehrfach durchgeführt werden. Dies ermöglicht neben der bereits genannten Anpassbarkeit des Energieinhaltes der Zündfunken eine zusätzliche Erhöhung ihrer Anzahl, wodurch ein besonders zuverlässiges Entzünden des Kraftstoffgemischs und somit ein aussetzerfreier Betrieb des Verbrennungsmotors über einen besonders weiten Betriebsbereich gewährleistet ist. Durch geeignetes Einstellen des ersten und/oder des zweiten Primärstrommaximalwertes bzw. des Sekundärstromminimalwertes kann zudem die zeitliche Abfolge der Zündfunken optimal eingestellt werden.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass die Schritte a) bis e) unter Berücksichtigung eines Steuersignals eines zugeordneten Motorsteuergeräts durchgeführt werden. Durch die Berücksichtigung eines derartigen Steuersignals kann dem mit dem Motorsteuergerät gekoppelten Zündsystem ein optimales Zeitfenster zum Durchführen des Verfahrens und somit zum Entzündung des Kraftstoffgemisches vorgegeben werden. Weiterhin können für die Entzündung wichtige Parameterwerte wie beispielsweise die momentane Drehzahl bzw. Motorlast des Verbrennungsmotors, eine Winkelstellung einer Kurbel- oder Nockenwelle, Funktionsgrößen einer Klopfregelung oder einer Abgasreinigungsfunktion berücksichtigt und beispielsweise der erste bzw. der zweite Primärstrommaximalwert und/oder der Sekundärstromminimalwert entsprechend eingestellt werden. Die Einstellung kann beispielsweise mit Hilfe eines vorbestimmten Kennfeldes vorgenommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Primärstrommaximalwert in einem Bereich zwischen 8 A und 35 A, bevorzugt zwischen 15 A und 21 A, insbesondere 19 A, und/oder bevorzugt zwischen 25 A und 35 A, eingestellt wird. Durch Einstellung des ersten Primärstrommaximalwerts innerhalb des genannten Bereichs wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Entzündung des Kraftstoffgemischs durch den ausgelösten Zündfunken gewährleistet. Dabei kann der erste Primärstrommaximalwert in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands des Verbrennungsmotors in einem Bereich zwischen 15 A und 21 A, insbesondere 19 A, eingestellt werden, um einen möglichst hohen Energieeintrag durch den Zündfunken sicherzustellen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der erste Primärstrommaximalwert in einem bevorzugten Bereich zwischen 25 A und 35 A eingestellt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Primärstrommaximalwert in einem Bereich bis zu 30% über oder bis zu 30% unter, und insbesondere gleich, dem ersten Primärstrommaximalwert eingestellt wird. Dies ermöglicht es, den zweiten Primärstrommaximalwert in Abhängigkeit der durch den ersten Zündfunken ausgelösten Entzündung des Kraftstoffgemischs einzustellen. So kann der zweite Primärstrommaximalwert beispielsweise in einem Bereich bis zu 30% über dem ersten Primärstrommaximalwert eingestellt werden, falls das Kraftstoffgemisch nicht oder nicht ausreichend entzündet wurde, um eine zuverlässige Entzündung des Kraftstoffgemischs zu erzielen. Andererseits kann der zweite Primärstrommaximalwert beispielsweise in einem Bereich bis zu 30% unter dem ersten Primärstrommaximalwert eingestellt werden, falls das Kraftstoffgemisch durch den vorherigen Zündfunken entzündet wurde und sich im Bereich der Zündkerze bereits ein Ionenkanal ausgebildet hat. Zusätzlich wird dadurch eine Verkürzung der zum Aufbauen des Primärstroms gemäß Schritt d) benötigen Nachladezeit ermöglicht. Im einfachsten Fall werden erster und zweiter Primärstrommaximalwert gleich eingestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sekundärstromminimalwert in einem Bereich zwischen 10% und 90%, insbesondere 80%, eines mit dem ersten und/oder dem zweiten Primärstrommaximalwert korrespondierenden Wertes des Sekundärstroms eingestellt wird. Da der Sekundärstrom, welcher u.a. vom Übersetzungsverhältnis des Zündtransformators abhängt, sowohl Einfluss auf die Zeitdauer gemäß Schritt c), innerhalb welcher der Zündfunken brennt, als auch auf die zum Aufbauen des Primärstroms gemäß Schritt d) erforderliche Nachladezeit besitzt, kann der Sekundärstromminimalwert somit optimal in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft gezeigt, dass der Sekundärstromminimalwert auf etwa 80% (±2%) des mit dem ersten und/oder dem zweiten Primärstrommaximalwert korrespondierenden Wertes des Sekundärstroms eingestellt wird, um ein Optimum zwischen der Zeitdauer gemäß Schritt c) und der zum Aufbauen des Primärstroms gemäß Schritt d) erforderlichen Nachladezeit zu erzielen.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, dass ein Wert des Sekundärstroms in einem Bereich zwischen 50 mA und 150 mA, insbesondere zwischen 80mA und 100 mA, eingestellt wird. Innerhalb dieses Bereichs wird sowohl ein ausreichender Energieeintrag durch die erzeugten Zündfunken als auch eine ausreichend lange Brenndauer der Zündfunken sichergestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt c) für eine Zeitdauer in einem Bereich zwischen 150 µs und 750 µs, vorzugsweise 200 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder 550 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder 700 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, gewartet wird. Innerhalb dieses Bereichs wird eine besonders zuverlässige Entzündung des Kraftstoffgemischs über alle Applikationsbereiche des Verbrennungsmotors sichergestellt. Die Zeitdauer kann dabei in Abhängigkeit der Eigenschaften des Zündtransformators, der jeweiligen Bordnetzspannung, der gewünschten Anzahl an Zündfunken etc. durch geeignetes Einstellen des ersten bzw. des zweiten Primärstrommaximalwertes eingestellt werden.
Da der durch Schritt b) bzw. e) erzeugte Zündfunke während des erneuten Aufbauens des Primärstroms gemäß Schritt d) ohne Unterstützung durch den Zündtransformator brennen muss, hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass der Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators gemäß Schritt d) in einem zeitlichen Bereich zwischen 80 µs und 400 µs, vorzugsweise innerhalb von 100 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder innerhalb von 220 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder innerhalb von 350 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, aufgebaut wird. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit, das Verfahren unter Berücksichtigung des jeweiligen Betriebszustands des Verbrennungsmotors optimal einzusetzen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass zumindest die Schritte b) bis e) so oft durchgeführt werden, dass sich eine Brenndauer der gemäß Schritt b) bis Schritt e) erzeugten Zündfunken von bis zu 5 ms, und vorzugsweise zwischen 1,0 ms und 3,0 ms, ergibt. In Abhängigkeit der Eigenschaften des Zündsystems, der Bordnetzspannung, des fremdzuzündenden Kraftstoffgemischs etc. kann durch entsprechende Anpassung des Energieinhaltes, der Anzahl und des zeitlichen Abstands der erzeugten Zündfunken eine energiebedarfsoptimierte und zuverlässige Entzündung innerhalb des gesamten Applikationsbereichs des Verbrennungsmotors sichergestellt werden.
Dabei kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Brenndauer der Zündfunken unter Berücksichtigung eines Steuersignals eines zugeordneten Entflammungsdetektors des Verbrennungsmotors überprüft wird. Eine derartige Entflammungserkennung ermöglicht eine einfache Kontrolle des Zündvorgangs und erlaubt eine gezielte Regelung der Durchführung des Verfahrens.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Zündsystem für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zündtransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei an die Primärseite eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs anlegbar ist, mit einem Zündsteuergerät, mittels welchem ein Primärstrom durch die Primärseite des Zündtransformators steuerbar ist, mit einer Stromerfassungseinrichtung, welche mit dem Zündsteuergerät gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom und ein Sekundärstrom durch die Sekundärseite erfassbar und an das Zündsteuergerät übermittelbar sind und mit einer Zündkerze, welche zum Erzeugen von Zündfunken mit der Sekundärseite des Zündtransformators gekoppelt ist, wobei das Zündsteuergerät ausgelegt ist, den Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators aufzubauen, bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert erreicht wird, den Primärstrom abzuschalten, um einen Sekundärstrom an der Sekundärseite des Zündtransformators zu erzeugen, für eine Zeitdauer zu warten, bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert an der Sekundärseite unterschritten wird, den Primärstrom an der Primärseite des Zündtransformators aufzubauen, bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert erreicht wird und den Primärstrom zum Erzeugen des Sekundärstroms an der Sekundärseite des Zündtransformators abzuschalten. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein multifunkenfähiges Zündsystem vorgesehen, welches eine gezielte Steuerung des Energiegehalts der zu erzeugenden Zündfunken und damit eine zuverlässigere Entzündung eines fremdzündbaren Kraftstoffgemischs innerhalb einer zugeordneten Brennkammer des Verbrennungsmotors ermöglicht. Weitere Vorteile des Zündsystems sind den vorhergehenden Vorteilsbeschreibungen zu entnehmen.
Eine besonders zuverlässige Entzündung des Kraftstoffgemisches ist dadurch gegeben, dass das Zündsteuergerät mit einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors koppelbar ist und ausgelegt ist, den Primärstrom in Abhängigkeit eines Steuersignals des Motorsteuergeräts aufzubauen und/oder abzuschalten. Durch Kopplung des Zündsteuergeräts mit dem Motorsteuergerät ist es möglich, alle für den Betrieb des Verbrennungsmotors relevanten Parameter zu berücksichtigen und das Zündsystem in Abhängigkeit eines diese Parameter charakterisierenden Steuersignals entsprechend zu betreiben. Dabei kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das Zündsteuergerät als Teil des Motorsteuergeräts ausgebildet ist.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass das Zündsteuergerät zum Ermitteln einer Brenndauer eines Zündfunkens mit einem Entflammungsdetektor des Verbrennungsmotors koppelbar ist. Dies erlaubt eine unmittelbare Rückmeldung über den Verlauf des Verbrennungsprozesses und ermöglicht eine sofortige Anpassung der verschiedenen Betriebsparameterwerte des Zündsystems an die momentane Situation.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat es sich schließlich als vorteilhaft gezeigt, dass das Zündsystem in einen insbesondere strahlgeführten Verbrennungsmotor eingebaut ist. Da besonders beim Schichtladebetrieb eines strahlgeführten Ottomotors mit Direkteinspritzung hohe Anforderungen an das Zündsystem gestellt sind, um eine zuverlässige Entzündung des häufig stark inhomogenen Kraftstoffgemischs sicherstellen zu können, wird durch den Einbau des erfindungsgemäßen Zündsystems in einen derartigen Verbrennungsmotor eine besonders hohe Robustheit des Verbrennungsprozesses sichergestellt, die Verbrennung optimiert und die HC- und NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors gesenkt. Grundsätzlich kann das Zündsystem jedoch in alle Verbrennungsmotoren - beispielsweise Hubkolben- oder Wankelmotoren - eingebaut werden, in welchen fremdzündbare Kraftstoffe bzw. Kraftstoffgemische - beispielsweise Benzin, Erdgas, Ethanol, Wasserstoff oder Kombinationen davon -entzündet und verbrannt werden sollen.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass das Zündsteuergerät ausgelegt ist, den ersten und/oder den zweiten Primärstrommaximalwert und/oder den Sekundärstromminimalwert in Abhängigkeit einer vorgegebenen Brenndauer eines Zündfunkens und/oder einer vorgegebenen Schließzeit und/oder einer vorgegebenen Anzahl an Zündfunken einzustellen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Einstellung der Anzahl bzw. des Energiegehalts der zu erzeugenden Zündfunken.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Zündsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Diagramm zeitlicher Stromverläufe beim Betreiben des in 1 gezeigten Zündsystems;
3 ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
4 ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
5 ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zündsystems, welches in einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor (nicht abgebildet) eines Kraftfahrzeugs eingebaut ist. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als strahlgeführter Direkteinspritzungs-Ottomotor ausgebildet sein, wobei grundsätzlich alle fremdgezündeten Motortypen mittels des Zündsystems betreibbar sind. Das Zündsystem umfasst dabei einen an sich bekannten Zündtransformator 10 mit einer Primärseite 12 und einer Sekundärseite 14, wobei an die Primärseite 12 eine Bordnetzspannung V eines Kraftfahrzeugs (nicht abgebildet) angelegt ist. Die Primärseite 12 kann dazu beispielsweise über das Zündungsplus (Klemme 15) mit einer Fahrzeugbatterie gekoppelt sein. Das Zündsystem umfasst weiterhin ein Zündsteuergerät 16, mittels welchem über ein zugeordnetes elektrisches Steuerelement 18 ein Primärstrom i_prim durch die Primärseite 12 des Zündtransformators 10 steuerbar ist. Das Zündsteuergerät 16 ist mit einer Stromerfassungseinrichtung 20 gekoppelt, mittels welcher der Primärstrom i_prim durch die Primärseite 12 und ein Sekundärstrom i_sek durch die Sekundärseite 14 abgegriffen und an das Zündsteuergerät 16 übermittelt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Zündsteuergerät 16 und die Stromerfassungseinrichtung 20 einteilig ausgebildet sind. Die Sekundärseite 14 schließlich ist ihrerseits über eine Einschaltfunkenunterdrückungsdiode 21 mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze 22 zum Erzeugen von Zündfunken 24 gekoppelt. Die elektrischen Widerstände R₁ , R₂ der Stromerfassungseinrichtung 20 sowie die Zündkerze 22 sind mit einem Bezugspotential V_Bez , beispielsweise der Masse des Kraftfahrzeugs, verbunden. Das Zündsteuergerät 16 ist zum Empfangen von Steuersignalen S (s. 2) mit einem Motorsteuergerät 26 des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das gezeigte Zündsystem kann sehr kompakt ausgebildet und beispielsweise in eine Zündspule integriert werden.
Das Verfahren zum Betreiben des in 1 gezeigten Zündsystems wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. 2 zeigt dazu ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Primärstroms i_prim und des Sekundärstroms i_sek beim Betreiben des Zündsystems. Unter Berücksichtigung des vom Motorsteuergerät 26 gesendeten Steuersignals S, welches ein Zeitfenster vorgibt, innerhalb welchem der Zündfunke 24 brennen und eine Entzündung des Kraftstoffgemischs auslösen soll, schaltet das Zündsteuergerät 16 zum Zeitpunkt to das Steuerelement 18 ein, wodurch an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 der Primärstrom i_prim aufgebaut wird. Mittels der Stromerfassungseinrichtung 20 wird der Primärstrom i_prim erfasst und an das Zündsteuergerät 16 übermittelt. Die zum Aufladen benötigte Schließzeit t_sz entspricht definitionsgemäß einer Division des sog. Schließwinkels durch die momentane Drehzahl des Verbrennungsmotors.
Sobald ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert i_maxp1 erreicht wird, wird durch Ausschalten des Steuerelements 18 mittels des Zündsteuergeräts 16 der Primärstrom i_prim abgeschaltet, wodurch sich durch Selbstinduktion auf der Sekundärseite 14 eine Hochspannung an in 1 gezeigten Elektroden 23a, b der Zündkerze 22 aufbaut und einen Zündfunken 24a erzeugt. Während der Zündfunke 24a innerhalb der Zeitdauer t_e brennt, nimmt der Sekundärstrom i_sek ausgehend von dem mit dem ersten Primärstrommaximalwert i_maxp1 korrespondierenden Sekundärstrommaximalwert i_maxs1 stetig ab. Die Erfassung des Sekundärstroms i_sek erfolgt auch hier mittels der Stromerfassungseinrichtung 20 im Zündsteuergerät 16. Sobald der Sekundärstrom i_sek einen einstellbaren Sekundärstromminimalwert i_min unterschreitet, wird erneut der Primärstrom i_prim durch Anschalten des Steuerelements 18 an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 aufgebaut, bis ein zweiter Primärstrommaximalwert i_maxp2 erreicht wird. Der Sekundärstromminimalwert i_min liegt dabei im vorliegenden Beispiel 20±2% niedriger als der mit dem ersten Primärstrommaximalwert i_maxp1 korrespondierende Sekundärstromwert i_maxs1 . Auch der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 20±2% niedriger eingestellt als der erste Primärstrommaximalwert i_maxp1 . Bei einem aufgrund einer erfolgreichen Zündung bereits gebildeten Ionenkanal kann dadurch die Nachladezeit t_n , innerhalb welcher der Zündfunke 24a ohne Energiezufuhr brennen muss, entsprechend verkürzt werden. Grundsätzlich können jedoch der erste und der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp1 , i_maxp2 unabhängig voneinander eingestellt werden, so dass der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp2 auch gleich oder höher als der erste Primärstrommaximalwert i_maxp1 eingestellt werden kann, falls die erste Zündung nicht funktioniert hat. Theoretisch können der erste und der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp1 , i_maxp2 in Abhängigkeit der Eigenschaften des Zündsystems bzw. der Bordnetzspannung so aneinander angepasst werden, dass die Nachladezeit t_n beliebig kurz wird und der Zündfunke 24 innerhalb des Zeitfensters quasi permanent brennt. Durch Abschalten des Primärstroms i_prim mittels des Zündsteuergeräts 16 wird ein weiterer Zündfunke 24b erzeugt, wodurch der Sekundärstrom i_sek an der Sekundärseite 14 des Zündtransformators 10 fließt. Dabei ist es in Abhängigkeit der jeweiligen Reaktionsbedingungen während des Verbrennens des Kraftstoffgemischs auch möglich, dass der erste Zündfunke 24a beim Erzeugen des zweiten Zündfunkens 24b noch brennt bzw. noch nicht abgerissen ist, so dass ein kontinuierlich brennender Zündfunke 24 erhalten wird.
Die zuvor beschriebenen Schritte werden zum Erzeugen der weiteren Zündfunken 24c, 24d entsprechend wiederholt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der zweite Primärstrommaximalwert i_max2 wie gezeigt auf einen konstanten Wert eingestellt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp2 bei jedem Zündvorgang auf einen abweichenden Wert eingestellt wird. Entsprechendes gilt auch für die Einstellung des Sekundärstromminimalwerts i_min . Wie aus 2 erkennbar ist, wird das Steuersignal S mittels des Motorsteuergeräts 26 zum Zeitpunkt t_end abgeschaltet und markiert das Ende des Zündvorgangs. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch das zum Zeitpunkt t_end bereits begonnene Aufbauen des Primärstroms i_prim unverändert bis zum Erreichen des zweiten Primärstrommaximalwerts i_maxp2 durchgeführt und der letzte Zündfunke 24d durch Abschalten des Primärstroms i_prim in zuvor beschriebener Weise erzeugt. Wie am zeitlichen Verlauf des Sekundärstroms i_sek erkennbar, brennt der Zündfunke 24d anschließend bis zur vollständigen Entladung des Zündtransformators 10 bzw. der Sekundärseite 14. Wie bereits erwähnt, ist es dabei grundsätzlich möglich, einen kontinuierlich brennenden Zündfunken 24 zu erzeugen. Die Brenndauer aller Zündfunken 24a-d beträgt formal (t₂ -t₁ ) ms und liegt in der Praxis vorzugsweise unter 5 ms und insbesondere zwischen 1,0 ms und 3,0 ms. Es ist dabei zu betonen, dass das beschriebene Verfahren grundsätzlich zum Betreiben aller regelbarer Zündsysteme mit den Eigenschaften des in 1 gezeigten Zündsystems geeignet und demnach nicht auf das in 1 gezeigte Zündsystem beschränkt ist.
3 zeigt ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei sind von oben nach unten der zeitliche Verlauf der an den Elektroden 23a, b der Zündkerze 22 anliegenden Sekundärspannung U_sek , der zeitliche Verlauf des Primärstroms i_prim sowie der zeitliche Verlauf der Sekundärstroms i_sek aufgetragen.
Zunächst wird der Primärstrom i_prim an der Primärseite 12 des Zündtransformators 10 aufgebaut, bis ein erster Primärstrommaximalwert i_maxp1 von 19 A erreicht wird. Das Aufbauen des Primärstroms i_prim erfolgt innerhalb einer Schließzeit t_sz von 0,6 ms. Nach dem Abschalten des Primärstroms i_prim brennt der Zündfunke 24a für eine Zeitdauer t_e von ca. 700 µs. Sobald der Sekundärstrom i_sek den Sekundärstromminimalwert i_min unterschreitet, wird der Primärstrom i_prim erneut bis zum Erreichen des zweiten Primärstrommaximalwerts i_maxp2 aufgebaut. Der erste und der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp1 , i_maxp2 sind dabei vorliegend identisch eingestellt. Die zum Aufbauen benötigte Zeitdauer t_n beträgt dabei ca. 350 µs, so dass der zweite Zündfunke 24b beim Abschalten des Primärstroms i_prim ca. 1050 µs nach dem ersten Zündfunken 24a erzeugt wird. Die genannten Schritte werden in einem weiteren Verfahrensdurchlauf zum Erzeugen des dritten Zündfunkens 24c angewendet.
4 zeigt ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die grundlegenden Schritte und Parameter bereits aus der vorherigen Beschreibung zu 3 bekannt sind. Im Unterschied zum in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der erste Primärstrommaximalwert i_maxp1 und der Sekundärstromminimalwert i_min so aufeinander abgestimmt, dass der Zündfunke 24a im vorliegenden Beispiels für eine Zeitdauer t_e von ca. 550 µs brennt. Weiterhin ist der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp2 niedriger eingestellt als der erste Primärstrommaximalwert i_maxp1 , wodurch die zum erneuten Aufbauen des Primärstroms i_prim benötigte Zeitdauer t_n lediglich ca. 220 µs beträgt. Der zweite Zündfunke 24b wird daher beim Abschalten des Primärstroms i_prim ca. 770 µs nach dem ersten Zündfunken 24a erzeugt. Insgesamt werden in diesem Ausführungsbeispiel vier Zündfunken 24a-d erzeugt.
5 zeigt ein Diagramm zeitlicher Spannungs- und Stromverläufe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die grundlegenden Schritte und Parameter bereits aus den vorherigen Beschreibung zu 3 und 4 bekannt sind. Im Unterschied zum den vorherigen Ausführungsbeispielen sind der erste Primärstrommaximalwert i_maxp1 und der Sekundärstromminimalwert i_min so aufeinander abgestimmt, dass der Zündfunke 24a im vorliegenden Beispiels für eine Zeitdauer t_e von ca. 200 µs brennt. Weiterhin ist der erste und der zweite Primärstrommaximalwert i_maxp1 , i_maxp2 wieder identisch eingestellt, wodurch die zum erneuten Aufbauen des Primärstroms i_prim benötigte Zeitdauer t_n auf 100 µs verkürzt wird. Der zweite Zündfunke 24b wird daher beim Abschalten des Primärstroms i_prim ca. 300 µs nach dem ersten Zündfunken 24a erzeugt. Insgesamt werden in diesem Ausführungsbeispiel 17 Zündfunken 24a-q erzeugt. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass dem Zündsteuergerät 16 die Anzahl der gewünschten Zündfunken 24 innerhalb des beispielsweise durch das Steuersignal S vorgegebenen Zeitfensters vorgegeben wird und dieses die entsprechenden Stromgrenzwerte i_maxp1 , i_maxp2 , i_min in Abhängigkeit der Eigenschaften des Zündsystems ermittelt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit: - einem Zündtransformator (10) mit einer Primärseite (12) und einer Sekundärseite (14), wobei an der Primärseite (12) eine Bordnetzspannung (V) des Kraftfahrzeugs anliegt; - einem Zündsteuergerät (16), mittels welchem ein Primärstrom (iprim) durch die Primärseite (12) des Zündtransformators (10) steuerbar ist; - einer Stromerfassungseinrichtung (20), welche mit dem Zündsteuergerät (16) gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom (iprim) und ein Sekundärstrom (i_sek) durch die Sekundärseite (14) erfassbar und an das Zündsteuergerät (16) übermittelbar sind; und - einer Zündkerze (22), welche zum Erzeugen von Zündfunken (24) mit der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10) gekoppelt ist, folgende Schritte umfassend: a) Aufbauen des Primärstroms (iprim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) mittels des Zündsteuergeräts (16), bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert (i_maxp1) erreicht wird; b) Abschalten des Primärstroms (iprim) zum Erzeugen eines Sekundärstroms (i_sek) an der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10); c) Warten für eine Zeitdauer (t_e), bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert (i_min) an der Sekundärseite (14) unterschritten wird; d) Aufbauen des Primärstroms (iprim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) mittels des Zündsteuergeräts (16), bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert (i_maxp2) erreicht wird; und e) Abschalten des Primärstroms (iprim) mittels des Zündsteuergeräts (16) zum Erzeugen des Sekundärstroms (i_sek) an der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10) .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schritte c) bis e) mehrfach durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis e) unter Berücksichtigung eines Steuersignals (S) eines zugeordneten Motorsteuergeräts (26) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Primärstrommaximalwert (i_maxp1) in einem Bereich zwischen 8 A und 35 A, bevorzugt zwischen 15 A und 21 A, insbesondere 19 A, und/oder bevorzugt zwischen 25 A und 35 A, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Primärstrommaximalwert (i_maxp2) in einem Bereich bis zu 30% über oder bis zu 30% unter, und insbesondere gleich, dem ersten Primärstrommaximalwert (i_maxp1) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärstromminimalwert (i_min) in einem Bereich zwischen 10% und 90%, insbesondere 80%, eines mit dem ersten und/oder dem zweiten Primärstrommaximalwert (i_max1, i_max2) korrespondierenden Wertes des Sekundärstroms (i_sek) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert des Sekundärstroms (i_sek) in einem Bereich zwischen 50 mA und 150 mA, insbesondere 80mA bis 100 mA, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) für eine Zeitdauer (t_e) in einem Bereich zwischen 150 µs und 750 µs, vorzugsweise 200 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder 550 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder 700 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, gewartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstrom (iprim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) gemäß Schritt d) in einem zeitlichen Bereich (t_n) zwischen 80 µs und 400 µs, vorzugsweise innerhalb von 100 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder innerhalb von 200 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, und/oder innerhalb von 350 µs ± 20%, insbesondere ± 10%, aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schritte b) bis e) so durchgeführt werden, dass sich eine Brenndauer (t₂-t₁) der gemäß Schritt b) und Schritt e) erzeugten Zündfunken (24) von bis zu 5 ms, und vorzugsweise zwischen 1,0 ms und 3,0 ms, ergibt.
Verfahren nach Ansprüch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndauer (t₂-t₁) der Zündfunken (24) unter Berücksichtigung eines Steuersignals eines zugeordneten Entflammungsdetektors des Verbrennungsmotors überprüft wird.
Zündsystem für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - einen Zündtransformator (10) mit einer Primärseite (12) und einer Sekundärseite (14), wobei an die Primärseite (12) eine Bordnetzspannung (V) des Kraftfahrzeugs anlegbar ist; - ein Zündsteuergerät (16), mittels welchem ein Primärstrom (iprim) durch die Primärseite (12) des Zündtransformators (10) steuerbar ist; - eine Stromerfassungseinrichtung (20), welche mit dem Zündsteuergerät (16) gekoppelt ist und mittels welcher der Primärstrom (iprim) und ein Sekundärstrom (i_sek) durch die Sekundärseite (14) erfassbar und an das Zündsteuergerät (16) übermittelbar sind; und - eine Zündkerze (22), welche zum Erzeugen von Zündfunken (24) mit der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10) gekoppelt ist, wobei das Zündsteuergerät (16) ausgelegt ist: - den Primärstrom (i_prim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) aufzubauen, bis ein einstellbarer erster Primärstrommaximalwert (i_maxp1) erreicht wird; - den Primärstrom (iprim) abzuschalten, um einen Sekundärstrom (i_sek) an der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (10) zu erzeugen; - für eine Zeitdauer (t_e) zu warten, bis ein einstellbarer Sekundärstromminimalwert (i_min) an der Sekundärseite (14) unterschritten wird; - den Primärstrom (iprim) an der Primärseite (12) des Zündtransformators (10) aufzubauen, bis ein einstellbarer zweiter Primärstrommaximalwert (i_maxp2) erreicht wird; und - den Primärstrom (i_prim) zum Erzeugen des Sekundärstroms (i_sek) an der Sekundärseite (14) des Zündtransformators (16) abzuschalten.
Zündsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät mit einem Motorsteuergerät (26) des Verbrennungsmotors koppelbar ist und ausgelegt ist, den Primärstrom (iprim) in Abhängigkeit eines Steuersignals (S) des Motorsteuergeräts (26) aufzubauen und/oder abzuschalten.
Zündsystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät (16) zum Ermitteln einer Brenndauer (t₂-t₁) eines Zündfunkens (24) mit einem Entflammungsdetektor des Verbrennungsmotors koppelbar ist.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsystem insbesondere in einen Verbrennungsmotor mit strahlgeführtem Brennverfahren eingebaut ist.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsystem insbesondere in einen Verbrennungsmotor mit Schichtladebetrieb eingebaut ist.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsystem insbesondere in einen Verbrennungsmotor mit Magerbetrieb eingebaut ist.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät (16) ausgelegt ist, den ersten und/oder den zweiten Primärstrommaximalwert (i_maxp1, i_maxp2) und/oder den Sekundärstromminimalwert (i_min) in Abhängigkeit einer vorgegebenen Brenndauer (t₂-t₁) eines Zündfunkens (24) und/oder einer vorgegebenen Schließzeit (t_sz) und/oder einer vorgegebenen Anzahl an Zündfunken (24) einzustellen.