DE102011085957B4

DE102011085957B4 - Ignition system with secondary-connected ignition coils

Info

Publication number: DE102011085957B4
Application number: DE102011085957.8A
Authority: DE
Inventors: Franz Zellinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2025-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: DE102011085957A1

Abstract

Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend
- eine Zündkerze (7),
- einen Zündspannungsgenerator zum Erzeugen einer Zündspannung für die Zündkerze (7), welcher umfasst
- eine erste Zündspule (3a) mit einer Primärwicklung (4a) und einer Sekundärwicklung (5a) und
- eine mindestens zweite Zündspule (3b) mit einer Primärwicklung (4b) und einer Sekundärwicklung (5b), wobei die Sekundärwicklung (5a) der ersten Zündspule und die Sekundärwicklung (5b) der zweiten Spule parallel geschaltet sind und miteinander ohne eine Diode dazwischen verbunden sind,
- ein erstes Schaltmittel (9a) zum wahlweisen Betreiben der ersten Zündspule im Ladezustand und Entladezustand und
- ein zweites Schaltmittel (9a) zum wahlweisen Betreiben der zweiten Zündspule im Ladezustand und Entladezustand, wobei die Schaltmittel (9a, 9b) Schalttransistoren sind, die mittels einer Soft-Turn-On-Ansteuerung angesteuert werden und der jeweilige Schalttransistor zum Versetzen einer Zündspule in den Ladezustand eingeschaltet wird, und wobei die Zündanlage derart eingerichtet ist, dass
- zum Zünden eines Zündfunkens die erste Zündspule (3a) und die mindestens zweite Zündspule (3b) im Wesentlichen gleichzeitig in den Entladezustand versetzt werden und
- danach die Zündspulen (3a, 3b) zeitlich zueinander verschoben in den Entladezustand versetzt werden.

Ignition system for an internal combustion engine, comprising
- a spark plug (7),
- an ignition voltage generator for generating an ignition voltage for the spark plug (7), which comprises
- a first ignition coil (3a) with a primary winding (4a) and a secondary winding (5a) and
- at least a second ignition coil (3b) having a primary winding (4b) and a secondary winding (5b), wherein the secondary winding (5a) of the first ignition coil and the secondary winding (5b) of the second coil are connected in parallel and are connected to one another without a diode in between,
- a first switching means (9a) for selectively operating the first ignition coil in the charging state and the discharging state and
- a second switching means (9a) for selectively operating the second ignition coil in the charging state and the discharging state, wherein the switching means (9a, 9b) are switching transistors which are controlled by means of a soft-turn-on control and the respective switching transistor is switched on to put an ignition coil into the charging state, and wherein the ignition system is designed such that
- to ignite an ignition spark, the first ignition coil (3a) and the at least second ignition coil (3b) are set into the discharge state essentially simultaneously and
- the ignition coils (3a, 3b) are then shifted in time to one another and put into the discharge state.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage mit mehreren Zündspulen, die sekundärseitig miteinander gekoppelt sind.The invention relates to an ignition system with several ignition coils which are coupled to each other on the secondary side.

Bei einer gewöhnlichen Zündanlage mit mindestens einer Zündspule und typischerweise einer Zündkerze pro Zylinder des Verbrennungsmotors wird die von der Batterie gelieferte elektrische Energie während des Ladezustands in der Zündspule gespeichert. Zum Umschalten in den Entladezustand wird typischerweise der Stromfluss im Primärkreis der Zündspule durch ein Schaltmittel unterbrochen, so dass sekundärseitig eine so große Spannung entsteht, dass die Luftverbindung zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze niederohmig wird und ein heißer Luftfunke an den Funkenstrecke zwischen beiden Elektroden entsteht. Der Luftfunke entzündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das sich zwischen den Elektroden befindet.In a conventional ignition system with at least one ignition coil and typically one spark plug per cylinder of the internal combustion engine, the electrical energy supplied by the battery is stored in the ignition coil during the charged state. To switch to the discharged state, the current flow in the primary circuit of the ignition coil is typically interrupted by a switching device, creating a voltage on the secondary side so high that the air connection between the two electrodes of the spark plug becomes low-resistance, and a hot air spark is created at the spark gap between the two electrodes. The air spark ignites the fuel-air mixture located between the electrodes.

In den aktuell verwendeten Brennverfahren werden vor allem Zündsysteme verwendet, die einen Zündfunken unter Verwendung einer einzigen Zündspule erzeugen (gleichwohl können mehrere Zündspulen in der Zündanlage vorgesehen sein). Die Zündspule kann pro Zündvorgang jeweils einen einzelnen Funken absetzen oder jeweils mehrere Funken. Die Erzeugung mehrerer Funken pro Zündvorgang wird auch als Multi Spark Ignition (MSI) bezeichnet.Current combustion processes primarily utilize ignition systems that generate an ignition spark using a single ignition coil (although multiple ignition coils may be incorporated into the ignition system). The ignition coil can produce a single spark per ignition event or multiple sparks. The generation of multiple sparks per ignition event is also referred to as Multi-Spark Ignition (MSI).

Ferner ist es bekannt, zwei Spulen sekundärseitig miteinander zu koppeln und mit der gleichen Zündkerze zu verbinden. Durch mehrmaliges Nachladen und Entladen der Zündspulen während des Zündvorgangs kann ein lang anhaltender Zündfunke unter Verwendung beider Zündspulen erzeugt werden. Die Zündung mittels eines lang anhaltenden Zündfunkens wird auch als Continuous Spark Ignition bezeichnet.It is also known to couple two coils together on the secondary side and connect them to the same spark plug. By repeatedly charging and discharging the ignition coils during the ignition process, a long-lasting ignition spark can be generated using both ignition coils. Ignition using a long-lasting ignition spark is also known as continuous spark ignition.

Die Zündspulen werden sekundärseitig mit zwei Hochspannungssperrdioden entkoppelt, so dass beim Entladen der einen Zündspule der Strom in die Zündkerze und nicht in die die andere Zündspule fließt. Bei hohem Motordruck, insbesondere bei hochaufgeladenen Brennverfahren, muss zum Zünden ein ausreichend hohes Zündspannungsangebot von den Zündspulen bereitgestellt werden (beispielsweise 35 bis 50 kV). Problematisch ist die Verfügbarkeit von passenden Hochspannungssperrdioden für ein derartig hohes Zündspannungsangebot, da mit Zunahme des Zündspannungsangebots die notwendige Diodenlänge zunimmt, um eine ausreichende Entkopplung der Diodenanschlüsse bei Sperrbetrieb zu gewährleisten.The ignition coils are decoupled on the secondary side with two high-voltage blocking diodes, so that when one ignition coil discharges, the current flows into the spark plug and not into the other. At high engine pressures, especially with highly charged combustion processes, a sufficiently high ignition voltage (e.g., 35 to 50 kV) must be provided by the ignition coils for ignition. The availability of suitable high-voltage blocking diodes for such a high ignition voltage is problematic, since with increasing ignition voltage, the required diode length increases to ensure sufficient decoupling of the diode terminals during blocking operation.

Aus den Patentdokumenten DE 600 12 073 T2 und DE 100 21 170 A1 sind jeweils weitere Zündanlagen bekannt.From the patent documents DE 600 12 073 T2 and DE 100 21 170 A1 Further ignition systems are known.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zündanlage mit mindestens zwei sekundärseitig miteinander gekoppelten Zündspulen und ein entsprechendes Zündverfahren anzugeben, wobei auf die Verwendung entsprechender Hochspannungssperrdioden verzichtet werden kann.The object of the invention is to provide an ignition system with at least two ignition coils coupled to one another on the secondary side and a corresponding ignition method, wherein the use of corresponding high-voltage blocking diodes can be dispensed with.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by the features of the independent patent claims. Advantageous embodiments are described in the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, welche zumindest eine Zündkerze und einen Zündspannungsgenerator zum Erzeugen einer Zündspannung für die Zündkerze umfasst. Der Zündspannungsgenerator umfasst eine erste Zündspule mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung sowie mindestens noch eine zweite Zündspule mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklung der ersten Zündspule und die Sekundärwicklung der zweiten Spule sind parallel geschaltet und miteinander ohne Verwendung einer Diode verbunden, insbesondere sind die Sekundärwicklungen kurzgeschlossen. Ferner sind ein erstes Schaltmittel zum wahlweisen Betreiben der ersten Zündspule im Ladezustand und Entladezustand sowie ein zweites Schaltmittel zum wahlweisen Betreiben der zweiten Zündspule im Ladezustand und Entladezustand vorgesehen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein in Serie zur jeweiligen Primärwicklung geschaltetes Schaltmittel, das zum Laden der Spule geschlossen wird und zum Entladen der Spule geöffnet wird. Alternativ können aber auch parallel zur jeweiligen Primärwicklung geschaltete Schaltmittel vorgesehen werden:

Die Steuerung in der Zündanlage ist derart, dass die erste Zündspule und die mindestens zweite Zündspule im Wesentlichen gleichzeitig vom Ladezustand in den Entladezustand versetzt werden, so dass ein Zündfunke gezündet wird. Danach werden die Zündspulen zeitlich zueinander verschoben und vorzugsweise abwechselnd in den Entladezustand versetzt. Dies ermöglicht es, den Zündfunke für eine lange Brenndauer (beispielsweise 2 bis 12 ms) im Wesentlichen kontinuierlich aufrechtzuhalten, wobei der Zündfunke im Wesentlichen nicht abreißt. Hierzu können beispielsweise nach Zünden des Zündfunkens die Zündspulen zusammen betrachtet in einer Größenordnung von 4- bis 30-mal in den Entladezustand versetzt werden. Grundsätzlich kann eine beliebig lange Brenndauer erzielt werden.

A first aspect of the invention relates to an ignition system for an internal combustion engine, which comprises at least one spark plug and an ignition voltage generator for generating an ignition voltage for the spark plug. The ignition voltage generator comprises a first ignition coil with a primary winding and a secondary winding, as well as at least one second ignition coil with a primary winding and a secondary winding. The secondary winding of the first ignition coil and the secondary winding of the second coil are connected in parallel and interconnected without the use of a diode; in particular, the secondary windings are short-circuited. Furthermore, a first switching means for selectively operating the first ignition coil in the charged and discharged states, as well as a second switching means for selectively operating the second ignition coil in the charged and discharged states, are provided. This is, for example, a switching means connected in series with the respective primary winding, which is closed to charge the coil and opened to discharge the coil. Alternatively, switching means connected in parallel with the respective primary winding can also be provided:

The control in the ignition system is such that the first ignition coil and the at least second ignition coil are switched from the charged state to the discharged state essentially simultaneously, so that an ignition spark is ignited. The ignition coils are then shifted in time relative to one another and preferably alternately switched to the discharged state. This makes it possible to maintain the ignition spark essentially continuously for a long combustion duration (for example, 2 to 12 ms), with the ignition spark essentially not interrupting. For this purpose, for example, after the ignition spark has been ignited, the ignition coils together can be switched to the discharged state on the order of 4 to 30 times. In principle, any desired combustion duration can be achieved.

Eine lange Brenndauer verbessert typischerweise die Entflammungssicherheit und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Zündaussetzern.A long burning time typically improves ignition reliability and reduces the likelihood of misfiring.

Indem der erste Ladevorgang beider Spulen gleichzeitig beendet wird und die Zündspulen gleichzeitig in den Entladezustand versetzt werden, stellen beide Zündspulen beim Ausbilden des Funkens im Wesentlichen zwei symmetrische Spannungsquellen dar, die die gleiche Spannung zur Verfügung stellen und deren Energie sich addiert. Damit steht zum Ausbilden des Funkens das volle Zündspannungsangebot (beispielsweise 40 kV) einer Zündspule zur Verfügung, ohne dass die bereitgestellte Spannung einer Zündspule durch die Belastung mit der anderen Zündspule herabgesetzt wird. Es wird vermieden, dass sich die Zündspulen beim Ausbilden des ersten Funkens gegenseitig belasten. Somit kann auf die Nutzung von Hochspannungssperrdioden zur Entkopplung der Zündspule auf der Sekundärseite verzichtet werden.By simultaneously ending the initial charging process of both coils and simultaneously discharging the ignition coils, both ignition coils essentially represent two symmetrical voltage sources when the spark is generated, providing the same voltage and summing their energy. This means that the full ignition voltage range (e.g., 40 kV) of one ignition coil is available to generate the spark, without the voltage supplied by one ignition coil being reduced by the load from the other ignition coil. This prevents the ignition coils from placing mutual strain on each other when the initial spark is generated. This eliminates the need for high-voltage blocking diodes to decouple the ignition coil on the secondary side.

Nach Ausbilden des Zündfunkens werden die Zündspulen zeitlich versetzt und vorzugsweise abwechselnd in den Entladezustand versetzt, so dass der Zündfunke aufrecht erhalten werden kann. Beim Umschalten in den Entladezustand einer Zündspule wird diese durch die jeweils andere Spule belastet und die dabei angebotene Sekundärspannung ist deutlich geringer als beim Zünden des Zündfunkens (beispielsweise 20 kV im Vergleich zu 40 kV vorher). Dieses Sekundärspannungsangebot reicht jedoch vollkommen aus, um die notwendige Brennspannung (beispielsweise 1 kV - 2 kV) zum Aufrechterhalten des Zündfunken bereitzustellen. Sollte der Zündfunke beispielsweise aufgrund eines Kraftstofftropfens ausgehen, wird der Zündfunke aufgrund einer nachfolgenden Zündspulen-Entladung während der versetzten Entladung der Spulen wieder entzündet.After the ignition spark has been generated, the ignition coils are staggered and preferably alternately placed into the discharge state so that the ignition spark can be maintained. When one ignition coil switches to the discharge state, it is loaded by the other coil, and the secondary voltage offered is significantly lower than when the ignition spark is ignited (for example, 20 kV compared to 40 kV previously). However, this secondary voltage is more than sufficient to provide the necessary operating voltage (for example, 1 kV - 2 kV) to maintain the ignition spark. If the ignition spark is extinguished, for example due to a fuel droplet, the ignition spark is re-ignited due to a subsequent ignition coil discharge during the staggered discharge of the coils.

Es können zur Spannungsversorgung der Zündkerze zwei oder auch mehr Zündspulen verwendet werden, beispielsweise drei oder vier Zündspulen wobei zum Zünden des Zündfunkens die drei bzw. vier Zündspulen gleichzeitig in den Entladezustand versetzt werden und danach die drei bzw. vier Zündspulen zeitlich zueinander verschoben und insbesondere abwechselnd in den Entladezustand versetzt werden.Two or more ignition coils can be used to supply voltage to the spark plug, for example three or four ignition coils, whereby to ignite the ignition spark the three or four ignition coils are simultaneously put into the discharge state and then the three or four ignition coils are shifted in time relative to one another and in particular alternately put into the discharge state.

Es ist von Vorteil, wenn der Zündspannungsgenerator in der Weise gesteuert wird, dass sich eine der beiden Zündspulen im Ladezustand befindet, während sich die andere Zündspule im Entladezustand befindet. In entsprechender Weise befindet sich die andere der beiden Zündspulen im Ladezustand, während sich die eine der beiden Zündspulen im Entladezustand befindet. Während eine Spule geladen wird, wird die jeweils andere Spule also entladen. Beim Laden der Spule wird der einen Spule wieder neue Energie für einen nachfolgenden Entladeprozess zugeführt.It is advantageous if the ignition voltage generator is controlled in such a way that one of the two ignition coils is in the charging state while the other is in the discharging state. Similarly, the other of the two ignition coils is in the charging state while one of the two ignition coils is in the discharging state. Thus, while one coil is charging, the other coil is discharging. When the coil is charging, new energy is supplied to one coil for a subsequent discharging process.

Es ist von Vorteil, wenn die Zündanlage derart eingerichtet ist, dass nach Ausbilden des Zündfunkens eine der beiden Zündspulen erst vom Entladezustand in den Ladezustand versetzt wird, nachdem die andere der beiden Zündspulen bereits in den Entladezustand versetzt wurde. Der Entladezustand beider Spulen überlappt also zeitlich. Durch die Überlappung kann vermieden werden, dass der Zündfunke abreißt. Ursächlich hierfür ist, dass nach Beenden des Entladezustands einer Spule und Umschalten in den Ladezustand die andere Spule sich im Entladezustand befindet und Energie in den Zündfunken nachliefern kann, so dass dieser im Allgemeinen nicht abreißt.It is advantageous if the ignition system is configured such that, after the ignition spark is generated, one of the two ignition coils is only switched from the discharged state to the charged state after the other of the two ignition coils has already been switched to the discharged state. The discharge states of both coils therefore overlap in time. This overlap prevents the ignition spark from being interrupted. The reason for this is that after one coil has ended its discharged state and switched to the charged state, the other coil is in the discharged state and can supply energy to the ignition spark, so that it generally does not interrupt.

Erfindungsgemäß werden für die Schaltmittel jeweils Schalttransistoren verwendet (beispielsweise jeweils ein IGBT - insulated gate bipolar transistor), wobei der jeweilige Schalttransistor bei Versetzen einer Zündspule in den Ladezustand eingeschaltet wird. Hierbei wird vorzugsweise eine Soft-Turn-On-Ansteuerung vorgesehen. Bei einer Soft-Turn-On-Ansteuerung wird die Ansteuerspannung beim Umschalten einer Zündspule in den Ladezustand langsamer umgeschaltet, so dass die Gegeninduktionsspannung beim Schalten einer Zündspule in den Ladezustand verringert wird. Der durch die Gegeninduktionsspannung hervorgerufener Einbruch des Stroms über die Funkenstrecke wird hierbei verringert, so dass der Funke möglichst nicht abreißt. Damit kann auch ohne Verwendung von EFU-Dioden (EFU - Einschaltfunkenunterdrückung) ein Einbruch des Stroms über die Funkenstrecke bei Umschalten einer Zündspule in den Ladezustand verringert werden. Solche EFU-Dioden sind nämlich typischerweise nicht auf den Betrieb mit hohen Spannungen (z. B. 20 kV) in Sperrrichtung ausgelegt und könnten sonst bei Dauerbetrieb zerstört werden.According to the invention, switching transistors are used for the switching means (for example an IGBT - insulated gate bipolar transistor), wherein the respective switching transistor is switched on when an ignition coil is placed in the charged state. In this case, a soft-turn-on control is preferably provided. With a soft-turn-on control, the control voltage is switched more slowly when an ignition coil is switched to the charged state, so that the mutual induction voltage is reduced when an ignition coil is switched to the charged state. The drop in current across the spark gap caused by the mutual induction voltage is thereby reduced, so that the spark is not interrupted as far as possible. In this way, a drop in current across the spark gap when an ignition coil is switched to the charged state can be reduced even without the use of EFU diodes (EFU - turn-on spark suppression). Such EFU diodes are typically not designed for operation with high voltages (e.g. 20 kV) in reverse direction and could otherwise be destroyed during continuous operation.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Zündverfahren für eine Zündanlage eines Verbrennungsmotors. Die Zündanlage umfasst eine Zündkerze und einen vorstehend beschriebenen Zündspannungsgenerator mit mindestens zwei Zündspulen. Bei dem Zündverfahren werden zum Zünden eines Zündfunkens die erste Zündspule und die zweite Zündspule im Wesentlichen gleichzeitig vom Ladezustand in den Entladezustand versetzt. Danach werden die erste Zündspule und die zweite Zündspule zeitlich zueinander verschoben und insbesondere abwechselnd in den Entladezustand versetzt.A further aspect of the invention relates to an ignition method for an ignition system of an internal combustion engine. The ignition system comprises a spark plug and an ignition voltage generator as described above with at least two ignition coils. In the ignition method, to ignite an ignition spark, the first ignition coil and the second ignition coil are shifted from the charged state to the discharged state essentially simultaneously. The first ignition coil and the second ignition coil are then shifted in time relative to one another and, in particular, alternately shifted to the discharged state.

Die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Zündanlage nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für das erfindungsgemäße Zündverfahren nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Zündanlage.The above statements regarding the ignition system according to the invention according to the first aspect of the invention apply accordingly This also applies to the ignition method according to the invention according to the second aspect of the invention. Advantageous embodiments of the method according to the invention correspond to the described advantageous embodiments of the ignition system according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:

1 ein Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündanlage;
2 beispielhafte zeitliche Verläufe für die Schaltsignale 31a, 31b; und
3 beispielhafte gemessene zeitliche Verläufe für die Schaltsignale 31a, 31b und den Funkenstrom.

The invention is described below with reference to an exemplary embodiment with the aid of the accompanying drawings. In these drawings:

1 a circuit diagram for an embodiment of the ignition system according to the invention;
2 exemplary time courses for the switching signals 31a, 31b; and
3 exemplary measured time courses for the switching signals 31a, 31b and the spark current.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, dargestellt. Die Zündanlage umfasst zwei Zündendstufen 9a, 9b in Form zweier Schaltmittel 9a, 9b, die zwei Zündspulen 3a, 3b betreiben, welche hochspannungsseitig mit einer Zündkerze 7 gekoppelt sind. Die Zündanlage wird von einer Batterie 1, beispielsweise einer 12V-Batterie gespeist. Der Pluspol der Batterie 1 ist über einen Zündschalter 2 mit einer ersten Zündspule 3a und einer zweiten Zündspule 3b verbunden. Die Zündspulen 3a, 3b umfassen jeweils eine Primärwicklung 4a, 4b und eine Sekundärwicklung 5a, 5b. Die Zündspulen 3a, 3b dienen der Erzeugung einer Zündhochspannung für eine Zündkerze und sind direkt mit einer Zündkerze 7 oder über einen Zündverteiler 6 mit mehreren Zündkerzen verbunden. Jede Zündspule 3a, 3b umfasst jeweils vier Klemmen: Kl 15, Kl 1, Kl 4a, Kl 4b. Der Pluspol der Batterie 1 kann - wie in 1 dargestellt - mit Kl 15 verbunden sein. Zur Ansteuerung der Zündkerze mit einer negativen Spannung wird der Pluspol der Batterie mit Kl 15 der Zündspulen 3a, 3b verbunden und die Zündkerze 7 mit Kl 4b der Zündspulen 3a, 3b. Zur Ansteuerung der Zündkerze 7 mit einer positiven Spannung kann beispielsweise der Pluspol der Batterie stattdessen mit Kl 1 der Zündspulen oder die Zündkerze 7 mit Kl 4a der Zündspulen 3a, 3b verbunden werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Zündkerze 7 mit einer negativen Spannung angesteuert wird, das nachfolgend beschriebene Konzept lässt sich jedoch in analoger Weise auch bei einer positiven Ansteuerung der Zündkerze anwenden.In 1 An exemplary embodiment of an ignition system according to the invention for an internal combustion engine, for example of a motor vehicle, is shown. The ignition system comprises two ignition output stages 9a, 9b in the form of two switching means 9a, 9b, which operate two ignition coils 3a, 3b, which are coupled on the high-voltage side to a spark plug 7. The ignition system is powered by a battery 1, for example a 12V battery. The positive pole of the battery 1 is connected via an ignition switch 2 to a first ignition coil 3a and a second ignition coil 3b. The ignition coils 3a, 3b each comprise a primary winding 4a, 4b and a secondary winding 5a, 5b. The ignition coils 3a, 3b serve to generate a high ignition voltage for a spark plug and are connected directly to a spark plug 7 or via an ignition distributor 6 to several spark plugs. Each ignition coil 3a, 3b comprises four terminals: Terminal 15, Terminal 1, Terminal 4a, Terminal 4b. The positive terminal of battery 1 can be connected - as shown in 1 shown - be connected to terminal 15. To control the spark plug with a negative voltage, the positive pole of the battery is connected to terminal 15 of the ignition coils 3a, 3b and the spark plug 7 to terminal 4b of the ignition coils 3a, 3b. To control the spark plug 7 with a positive voltage, for example, the positive pole of the battery can instead be connected to terminal 1 of the ignition coils or the spark plug 7 to terminal 4a of the ignition coils 3a, 3b. In the following, it is assumed that the spark plug 7 is controlled with a negative voltage, but the concept described below can also be applied in an analogous manner for a positive control of the spark plug.

Ferner ist ein erstes Schaltmittel 9a zum wahlweisen Betreiben der Zündspule 3a im Ladezustand oder Entladezustand vorgesehen. In entsprechender Weise ist ein zweites Schaltmittel 9b zum wahlweisen Betreiben der Zündspule 3a im Ladezustand oder Entladezustand vorhanden. Die Schaltmittel 9a, 9b sind jeweils in Serie zur jeweiligen Primärwicklung 3a, 3b geschaltet, wobei zum Laden der jeweiligen Spule 3a, 3b das entsprechende Schaltmittel 9a, 9b geschlossen wird und zum Entladen der Spule geöffnet wird. Die Schaltmittel 9a, 9b umfassen typischerweise jeweils einen IGBT. Die Schaltmittel 9a, 9b können beispielsweise in einem Steuergerät 8 oder in der Zündspule 7 integriert sein. Zum Steuern der Schaltmittel 9a, 9b werden diese jeweils mit einem Schaltsignal 31a, 31b angesteuert. Die Schaltsignale 31a, 31b werden von einer Treiberschaltung 30a, 30b generiert, die beispielsweise in dem Steuergerät 8 integriert sein kann. Vorzugsweise wird zur Erzeugung die Schaltsignal 31a, 31b eine Soft-Turn-On-Ansteuerung verwendet. Eine beispielhafte Treiberschaltung mit Soft-Turn-On-Funktion ist der Treiberbaustein ELMOS E910.89.Furthermore, a first switching means 9a is provided for selectively operating the ignition coil 3a in the charged or discharged state. A second switching means 9b is provided correspondingly for selectively operating the ignition coil 3a in the charged or discharged state. The switching means 9a, 9b are each connected in series with the respective primary winding 3a, 3b, wherein the corresponding switching means 9a, 9b is closed to charge the respective coil 3a, 3b and opened to discharge the coil. The switching means 9a, 9b typically each comprise an IGBT. The switching means 9a, 9b can be integrated, for example, in a control unit 8 or in the ignition coil 7. To control the switching means 9a, 9b, they are each controlled by a switching signal 31a, 31b. The switching signals 31a, 31b are generated by a driver circuit 30a, 30b, which can be integrated, for example, in the control unit 8. A soft-turn-on control is preferably used to generate the switching signals 31a, 31b. An example driver circuit with a soft-turn-on function is the ELMOS E910.89 driver module.

In 2 sind ein beispielhafter zeitlicher Verlauf 32a für das Schaltsignal 31a und ein beispielhafter zeitlicher Verlauf 32b für das Schaltsignal 31b dargestellt. Anhand dieser in 2 dargestellten Verläufe 32a, 32b wird der Erzeugung eines Zündfunkens über der Funkenstrecke der Zündkerze 7 beispielhaft erläutert wird. Die Schaltsignale 31a, 31b sind vereinfacht mit unendlich steilen Schaltflanken dargestellt, vorzugsweise wird zum Einschalten eines Schaltmittels aber jeweils ein Soft-Turn-On-Ansteuerung verwendet. Ein hoher Spannungswert (High-Pegel) entspricht einem geschlossenen Schaltmittel 9a, 9b, so dass sich die jeweilige Zündspule 3a, 3b im Ladezustand befindet. Ein niedriger Spannungswert (Low-Pegel) entspricht einem geöffneten Schaltmittel 9a, 9b, so dass sich die jeweilige Zündspule 3a, 3b im Endladezustand befindet. Alternativ kann auch eine genau inverse Schaltlogik verwendet werden.In 2 An exemplary time profile 32a for the switching signal 31a and an exemplary time profile 32b for the switching signal 31b are shown. Based on these 2 The curves 32a, 32b shown are used to explain the generation of an ignition spark across the spark gap of the spark plug 7 by way of example. The switching signals 31a, 31b are shown in a simplified manner with infinitely steep switching edges; however, a soft turn-on control is preferably used to switch on a switching device. A high voltage value (high level) corresponds to a closed switching device 9a, 9b, so that the respective ignition coil 3a, 3b is in the charging state. A low voltage value (low level) corresponds to an open switching device 9a, 9b, so that the respective ignition coil 3a, 3b is in the discharge state. Alternatively, an exactly inverse switching logic can also be used.

Zur Erzeugung der Zündhochspannung für die Zündkerze 7 schaltet das Steuergerät 8 die Schaltmittel 9a, 9b ab dem Zeitpunkt t₁ für eine gewisse Schließzeit durch Umschalten der Schaltsignale 31a, 31b auf einen hohen Spannungswert ein, so dass die Schaltmittel 9a, 9b geschlossen werden. Die Zündspulenspulen 3a, 3b befinden sich bei geschlossenen Schaltmitteln 9a, 9b in einem Ladezustand, bei dem die Zündspulen mit Energie geladen werden. Während der Schließzeit ist der Primärstromkreis der Primärwicklungen 4a, 4b geschlossen und der Betrag des Primärstroms in der Primärwicklung 4a, 4b steigt gegen die Gegeninduktionsspannung auf einen bestimmten Stromwert an, wobei ein Magnetfeld in den Zündspulen 3a, 3b aufgebaut wird. Durch Aufbau des Magnetfelds wird in dem Magnetfeld Energie gespeichert, deren Höhe von der erreichten Größe des Primärstroms und der Induktivität der Primärwicklung 4a, 4b abhängt.To generate the high ignition voltage for the spark plug 7, the control unit 8 switches the switching means 9a, 9b on for a certain closing time starting at time _t1 by switching the switching signals 31a, 31b to a high voltage value, so that the switching means 9a, 9b are closed. When the switching means 9a, 9b are closed, the ignition coil coils 3a, 3b are in a charging state in which the ignition coils are charged with energy. During the closing time, the primary circuit of the primary windings 4a, 4b is closed, and the magnitude of the primary current in the primary winding 4a, 4b increases against the mutual induction voltage to a certain current value, whereby a magnetic field is built up in the ignition coils 3a, 3b. By building up the magnetic field, energy is stored in the magnetic field, the magnitude of which depends on the achieved magnitude of the primary current and the inductance of the primary winding 4a, 4b.

Zum Zeitpunkt t₂ öffnet das Steuergerät 8 gleichzeitig die Schaltmittel 9a, 9b durch Umschalten der Schaltsignale 31a, 31b auf einen niedrigen Spannungswert, so dass die Schaltmittel 9a, 9b die beiden Primärstromkreise der Zündspulen 3a, 3b und damit den Stromfluss in den Primärstromkreisen unterbrechen. Das Magnetfeld bricht dabei zusammen, so dass in den Sekundärwicklungen 5a, 5b der Zündspulen jeweils ein großer Spannungswert induziert wird. Zum Zeitpunkt t₂ werden die Zündspulen 3a, 3b also gleichzeitig vom Ladezustand in den Entladezustand versetzt.At time t _{2 ,} control unit 8 simultaneously opens switching means 9a, 9b by switching switching signals 31a, 31b to a low voltage value, so that switching means 9a, 9b interrupt the two primary circuits of ignition coils 3a, 3b and thus the current flow in the primary circuits. The magnetic field collapses, so that a high voltage value is induced in the secondary windings 5a, 5b of each of the ignition coils. At time t ₂ , ignition coils 3a, 3b are thus simultaneously switched from the charged state to the discharged state.

Die maximal mögliche Spannung auf der Sekundärseite (d. h. das sogenannte Zündspannungsangebot) ist abhängig vom Übersetzungsverhältnis der einzelnen Spulen und der Größe des Magnetfelds und damit typischerweise abhängig von dem erreichten Primärstrom beim Öffnen des Primärkreises. Für einen Luftfunkendurchbruch zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode in der Zündkerze 7 muss das Zündspannungsangebot vom Betrag her mindestens so groß wie der sogenannte Zündspannungsbedarf (d. h. die für den Durchbruch notwendige Spannung) sein. Der Zündspannungsbedarf hängt von dem Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt ab. Wenn das Zündspannungsangebot ausreicht, entsteht kurz nach dem Zeitpunkt t₂ ein Zündfunke.The maximum possible voltage on the secondary side (i.e. the so-called ignition voltage supply) depends on the transformation ratio of the individual coils and the size of the magnetic field and is therefore typically dependent on the primary current achieved when the primary circuit is opened. For an air spark breakdown between the center electrode and the ground electrode in spark plug 7, the ignition voltage supply must be at least as great as the so-called ignition voltage requirement (i.e. the voltage necessary for breakdown). The ignition voltage requirement depends on the cylinder pressure at the time of ignition. If the ignition voltage supply is sufficient, an ignition spark occurs shortly after time t ₂ .

Durch das gleichzeitige Beenden des ersten Ladevorgangs beider Spulen 3a, 3b wird eine symmetrische Ansteuerung der Zündkerze 7 ermöglicht, wodurch im Wesentlichen das gleiche Zündspannungsangebot wie bei einer einzelnen Zündspule erzielt wird. Es wird verhindert, dass sich die beiden Spulen 3a, 3b in der Weise gegenseitig negativ beeinflussen, dass das Zündspannungsangebot deutlich gegenüber dem Zündspannungsangebot bei nur einer Zündspule zurückfällt.By simultaneously completing the first charging process of both coils 3a, 3b, a symmetrical control of the spark plug 7 is enabled, thereby achieving essentially the same ignition voltage supply as with a single ignition coil. This prevents the two coils 3a, 3b from negatively influencing each other in such a way that the ignition voltage supply drops significantly below the ignition voltage supply with only one ignition coil.

Je nach gewählter Zeitdauer des Entladezustands kann die in der jeweiligen Zündspule 3a, 3b gespeicherte Energie teilweise oder auch im Wesentlichen vollständig abgerufen werden.Depending on the selected duration of the discharge state, the energy stored in the respective ignition coil 3a, 3b can be partially or essentially completely retrieved.

Danach werden die Zündspule 3a und die Zündspule 3b zeitlich versetzt geladen und entladen und abwechselnd in den Entladezustand versetzt.Thereafter, the ignition coil 3a and the ignition coil 3b are charged and discharged at different times and alternately put into the discharge state.

Dazu wird zunächst zum Zeitpunkt t₃ durch Umschalten des Schaltsignals 31a das Schaltmittel 9a geschlossen. Während die Spule 3a nun wieder in den Ladezustand versetzt wird, befindet sich die Spule 3b weiterhin im Entladezustand.To this end, the switching means 9a is first closed at time _t3 by switching the switching signal 31a. While the coil 3a is now returned to the charging state, the coil 3b remains in the discharging state.

Zum Zeitpunkt t₄ wird die Zündspule 3a durch Öffnen des Schaltmittels 9a wieder in den Entladezustand umgeschaltet, so dass während des Ladezustands gespeicherte Energie in den Zündfunken gespeist wird und dieser möglichst nicht abreißt. Sollte der Zündfunken kurzzeitig abgerissen sein, so wird der Zündfunke damit neu entfacht.At time _t4, the ignition coil 3a is switched back to the discharge state by opening the switching means 9a, so that energy stored during the charge state is fed into the ignition spark, preventing it from breaking off. Should the ignition spark be temporarily lost, the ignition spark is re-ignited.

Vorzugsweise erst nachdem die erste Zündspule 9a bereits in den Entladezustand versetzt wurde, wird die zweite Zündspule 9b zum Zeitpunkt t₅ durch Schließen des Schaltmittels 9b in den Ladezustand versetzt. Der Entladezustand beider Spulen 3a, 3b überlappt also zeitlich. Durch die in 2 dargestellte zeitliche Überlappung Ü kann vermieden werden, dass der Zündfunke abreißt.Preferably, only after the first ignition coil 9a has already been set to the discharge state, the second ignition coil 9b is set to the charge state at time t ₅ by closing the switching means 9b. The discharge state of both coils 3a, 3b thus overlaps in time. 2 The temporal overlap Ü shown can prevent the ignition spark from breaking off.

Zum Zeitpunkt t₆ wird die Zündspule 3b durch Öffnen des Schaltmittels 9b wieder in den Entladezustand umgeschaltet, so dass während des Ladezustands gespeicherte Energie in den Zündfunken gespeist wird. Erst nachdem die zweite Zündspule 9b bereits in den Entladezustand versetzt wurde, wird die erste Zündspule 9a zum Zeitpunkt t₇ durch Schließen des Schaltmittels 9a wieder in den Ladezustand versetzt (s. Überlappung Ü).At time _t6, the ignition coil 3b is switched back to the discharge state by opening the switching means 9b, so that energy stored during the charging state is fed into the ignition spark. Only after the second ignition coil 9b has already been switched to the discharge state is the first ignition coil 9a switched back to the charging state at time _t7 by closing the switching means 9a (see overlap Ü).

Nachfolgend werden die Zündspulen 3a, 3b in ähnlicher Weise für eine bestimmte Anzahl abwechselnd in den Entladezustand umgeschaltet, wobei die jeweilige Zündspule 3a, 3b vor dem Umschalten in den Entladezustand für eine gewisse Zeitdauer geladen wird. Durch die weitere Energiezufuhr während der einzelnen Entladezustände kann der Zündfunke kontinuierlich während einer langen Brenndauer BD aufrecht erhalten werden, beispielsweise für eine Brenndauer BD von 4 ms oder mehr. Während eines Entladezustands kann die in der jeweiligen Zündspule gespeicherte Energie in Abhängigkeit der Zeitdauer des Entladezustands teilweise oder auch im Wesentlichen vollständig abgerufen werden.Subsequently, the ignition coils 3a, 3b are alternately switched to the discharge state for a specific number of times in a similar manner, with the respective ignition coil 3a, 3b being charged for a certain period of time before switching to the discharge state. By supplying additional energy during the individual discharge states, the ignition spark can be continuously maintained for a long combustion duration BD, for example, for a combustion duration BD of 4 ms or more. During a discharge state, the energy stored in the respective ignition coil can be partially or essentially completely utilized, depending on the duration of the discharge state.

In 3 sind ein beispielhafter gemessener zeitlicher Verlauf 33a für das Schaltsignal 31a und ein beispielhafter gemessener zeitlicher Verlauf 33b für das Schaltsignal 31b dargestellt. Ferner ist der zeitliche Verlauf 34 des Funkenstroms durch die Zündkerze dargestellt, wobei in 3 der Nullwert des Stroms mit dem Low-Pegel des Schaltsignals 31b zusammenfällt. Die in 3 dargestellten zeitlichen Einbrüche des Stroms bei Schließen eines Schaltmittels 9a, 9b könnten durch eine Soft-Turn-On-Ansteuerung verringert werden (bei der Messung zu 3 wurde keine Soft-Turn-On-Ansteuerung verwendet). Wie aus 3 ersichtlich, ist im Wesentlichen während der dargestellten Brenndauer BD der Funkenstrom größer Null, so dass während der Brenndauer BD im Wesentlichen kontinuierlich ein Zündfunke vorliegt. In 3 An exemplary measured time profile 33a for the switching signal 31a and an exemplary measured time profile 33b for the switching signal 31b are shown. Furthermore, the time profile 34 of the spark current through the spark plug is shown, wherein in 3 the zero value of the current coincides with the low level of the switching signal 31b. 3 The temporal current drops shown when closing a switching device 9a, 9b could be reduced by a soft turn-on control (when measuring 3 no soft-turn-on control was used). As can be seen from 3 As can be seen, the spark current is essentially greater than zero during the illustrated burning time BD, so that an ignition spark is essentially continuously present during the burning time BD.

Bei dem Beispiel in 3 dauert ein einziger Entladezustand und ein einziger Ladezustand nach dem Zünden des Funkens ungefähr 0,5 ms (der erste Entladezustand der Zündspule 3a nach Zünden dauert ungefähr 1 ms). Die Brenndauer BD liegt bei ungefähr 4,2 ms.In the example in 3 a single discharge state and a single charge state after the ignition of the spark lasts approximately 0.5 ms (the The first discharge state of the ignition coil 3a after ignition lasts approximately 1 ms). The burning time BD is approximately 4.2 ms.

Die erfindungsgemäße Zündanlage ermöglicht grundsätzlich eine nahezu beliebig lange Funkenbrenndauer bei hohem Zündspannungsangebot zum Zündzeitpunkt, ohne dass Hochspannungsdioden zur Entkopplung der Zündspulen nötig sind. Hierdurch wird die Entflammungssicherheit erhöht, insbesondere wird die Entflammung beim Kaltstart verbessert. Außerdem wird die Restgasverträglichkeit im gesamten Motorkennfeld verbessert. Die parallel geschalteten Spulen können eine nahezu beliebige Energie zur Verfügung stellen.The ignition system according to the invention fundamentally enables a virtually unlimited spark duration with a high ignition voltage available at the ignition point, without the need for high-voltage diodes to decouple the ignition coils. This increases ignition reliability, particularly during cold starts. Furthermore, residual gas tolerance is improved across the entire engine map. The coils connected in parallel can provide virtually any desired energy.

Claims

Ignition system for an internal combustion engine, comprising - a spark plug (7), - an ignition voltage generator for generating an ignition voltage for the spark plug (7), which comprises - a first ignition coil (3a) with a primary winding (4a) and a secondary winding (5a), and - at least a second ignition coil (3b) with a primary winding (4b) and a secondary winding (5b), wherein the secondary winding (5a) of the first ignition coil and the secondary winding (5b) of the second coil are connected in parallel and connected to one another without a diode in between, - a first switching means (9a) for selectively operating the first ignition coil in the charged state and the discharged state, and - a second switching means (9a) for selectively operating the second ignition coil in the charged state and the discharged state, wherein the switching means (9a, 9b) are switching transistors that are controlled by means of a soft-turn-on control, and the respective switching transistor is switched on to place an ignition coil in the charged state, and wherein the The ignition system is configured such that - to ignite an ignition spark, the first ignition coil (3a) and the at least second ignition coil (3b) are placed into the discharge state substantially simultaneously, and - the ignition coils (3a, 3b) are then placed into the discharge state at a time-shifted interval relative to one another.

Ignition system according to Claim 1 , wherein the ignition system is arranged such that after the essentially simultaneous setting of both ignition coils (3a, 3b) into the discharge state, the ignition coils (3a, 3b) are alternately set into the discharge state.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the ignition system is set up in such a way that after the essentially simultaneous setting of both ignition coils (3a, 3b) into the discharge state, one of the two ignition coils (3a, 3b) is only set from the discharge state to the charge state after the other of the two ignition coils has already been set into the discharge state.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the ignition system is configured such that after the substantially simultaneous setting of both ignition coils (3a, 3b) into the discharge state, - one of the two ignition coils is in the charge state while the other ignition coil is in the discharge state, and - the other of the two ignition coils is in the charge state while one of the two ignition coils is in the discharge state.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the high voltage generator provides an ignition voltage supply of 35 kV or more.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein a substantially continuous ignition spark with a combustion duration (BD) of 2 to 12 ms is generated.

Ignition method for an ignition system of an internal combustion engine, wherein the ignition system comprises - a spark plug (7), - an ignition voltage generator for generating an ignition voltage for the spark plug (7), which comprises - a first ignition coil (3a) with a primary winding (4a) and a secondary winding (4b) and - a second ignition coil (3b) with a primary winding (4b) and a secondary winding (4b), wherein the secondary winding of the first ignition coil and the secondary winding of the second coil are connected in parallel and connected to one another without a diode in between, - a first switching means (9a) for selectively operating the first ignition coil in the charged state and the discharged state and - a second switching means (9b) for selectively operating the second ignition coil in the charged state and the discharged state, wherein the switching means (9a, 9b) are switching transistors which are controlled by means of a soft-turn-on control and the respective switching transistor is switched on to put an ignition coil into the charged state, and wherein the ignition method provides that - for Ignition of an ignition spark, the first ignition coil and the second ignition coil are brought into the discharge state essentially simultaneously and - thereafter, the first ignition coil and the second ignition coil can be shifted into the discharge state at a later time.