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Serien-Zündanlagen in heutigen als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen arbeiten seit vielen Jahrzehnten nach dem einfachen und zuverlässigen Prinzip der Spulenentladung, d. h. eine entsprechend als Transformator ausgelegte Zündspule wird auf der Primärseite entsprechend ihrer Induktivität aus der Bordnetzspannung teilweise bis in ihren Sättigungsbereich geladen. Zum Zündzeitpunkt wird mittels einer elektronischen Schaltung, z. B. durch einen Zündungs-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), die Aufladung unterbrochen. Auf der Sekundärseite baut sich dadurch eine Spannung von z. B. 5 kV bis 35 kV auf, die im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine im Funkenspalt der Zündkerze zu einem Überschlag führt. Anschließend baut sich die in der Spule gespeicherte Energie im Zündplasma ab.
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Im Zuge der voranschreitenden Motorenentwicklung müssen Verbrauchseinsparungen und Emissionen realisiert werden, die in den letzten Jahren konsequent zu einer steigenden Mehrbelastung des Zündsystems geführt haben und künftig noch weiter führen werden. Beispiele hierfür sind z. B. die Schichtverbrennung, bei der flüssige Kraftstoffbestandteile mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Funkenentladung behindern und zahlreiche Funkenneubildungen erzwingen. Auch steigende Brennraumdrücke zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades erhöhen den Durchbruchswiderstand im Funkenspalt und erzwingen einen Anstieg der Durchbruchsspannung, die auch Einfluss auf den Zündkerzenverschleiß besitzt. Letzteres wird bei künftigen hoch aufgeladenen Motorgenerationen zu sekundärseitigen Spannungsanstiegen weit jenseits der 35 kV führen. Sowohl die steigenden Durchbruchsspannungen als auch die intensiver werdenden Strömungszustände an der Zündkerze verkürzen tendenziell die Brenndauer des Funkens, da immer größere Anteile der in der Spule gespeicherten Energie zum Funkenaufbau und -erhalt bereit gestellt werden müssen. Ein viel versprechender Trend in der Entwicklung neuer Brennverfahren ist der Einsatz von Mehrfachfunken, wobei die Spulenenergie in kurzen Intervallen effizient an das Gemisch übertragen wird, was die Entflammungssicherheit erhöht.
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Bei sich derzeit im Einsatz befindenden Zündvorrichtungen wird eine als Transformator mit magnetischer Speicherfähigkeit ausgebildete Zündspule zunächst primärseitig aus der 12 V Bordnetzversorgung bis zu einem Strom von ca. 8 A geladen. Eine sekundärseitig angebrachte Sperrdiode verhindert dabei eine ungewollte Funkenbildung während der Ladephase. Zum Zündzeitpunkt wird mittels eines elektronischen Schalters – z. B. eines IGBT – der Stromfluss unterbrochen.
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Der Zusammenbruch des magnetischen Feldes der Zündspule induziert nun primär- und sekundärseitig einen Spannungsanstieg. Bedingt durch die verwendete Halbleitertechnologie des IGBT wird die Primärspannung dabei auf typisch 400 V begrenzt. Sekundärseitig erreicht die Spannung jedoch einen wesentlich höheren Wert, der zunächst durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators bestimmt ist. Bei einem gebräuchlichen Übersetzungsverhältnis von 1:80 ergibt sich somit eine maximale Sekundärspannung von 32 kV. Diese Spannung wird jedoch in der Praxis nicht erreicht, da bereits vorher ein Spannungsdurchbruch zwischen den Elektroden der Zündkerze mit anschließendem Lichtbogen erfolgt, woraufhin die Sekundärspannung abrupt auf den Wert der Bogenbrennspannung abfällt. Typische Werte für die Durchbruchspannung liegen bei 5 kV bis 35 kV und hängen stark vom Elektrodenabstand, dem Brennraumdruck und der Gastemperatur ab. Die Brennspannung des Lichtbogens liegt im Bereich von wenigen kV.
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Zum Erreichen der Durchbruchspannung müssen zunächst die sekundärseitigen Kapazitäten – verursacht durch die Zündkerze und den Aufbau der Sekundärwicklung – aufgeladen werden. Für eine gegebene Durchbruchspannung Uz gilt dabei: Ec = Csec·Uz2/2 {1}
- Ec
- ist die zum Erreichen der Durchbruchspannung erforderliche Energie,
- Csec
- ist die sekundär wirksame Kapazität.
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Diese Energie wird beim gebräuchlichen Zündsystem von der Hauptinduktivität Lh des Zündtransformators geliefert, die zuvor entsprechend aufgeladen wurde. El = Lh·I2/2 {2}
- El
- ist die gespeicherte Energie
- Lh
- ist der Hauptinduktivität des Transformators
- I
- ist der Ladestrom
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Bei gebräuchlichen als Zündtransformatoren ausgebildeten Zündspulen beträgt die maximale gespeicherte Energie 50 mJ bis 130 mJ. Die nach dem Durchbruch verfügbare Restenergie wird in der anschließenden Bogenphase im Lichtbogen umgesetzt, wobei der Sekundärstrom stetig fällt. Die Brenndauer des Bogens von typisch 0,5 ms bis 1,5 ms wird im Wesentlichen durch diese Restenergie bestimmt.
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Der Forderung nach längerer Brenndauer – und damit erhöhter Zündenergie – bei schwierigen Entflammungssituationen kann durch Erhöhung der maximalen gespeicherten Energie entsprochen werden. Dies bedingt allerdings eine Vergrößerung des Magnetkerns, was zu einer unerwünschten Vergrößerung der Zündspule führt. Besonders bei sogenannten ”Pencil Coils”, die direkt im Kerzenschacht verbaut sind, ist eine Vergrößerung nicht möglich. Ein weiterer Nachteil einer einfachen Erhöhung der Zündenergie ist der damit einhergehende überproportionale Verschleiß der Zündkerze, weshalb die gewünschte Lebensdauer nicht mehr erreichbar ist. Heutige Zündsysteme haben diese Grenze zum Teil bereits erreicht, so dass die einfache Erhöhung der Zündenergie kein technisch sinnvoller Ansatz ist.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein Betrieb der Zündkerze mit Wechselstrom eine zwei- bis dreifach längere Lebensdauer ermöglicht. Entsprechend wurden Wechselspannungszündsysteme für Kfz entwickelt. Hierbei ist die Zündspule als reiner Transformator mit nur geringer Speicherfähigkeit ausgebildet. Bei technisch sinnvollen Übersetzungsverhältnissen von z. B. 1:100 wird zum Erreichen einer Durchbruchsspannung von z. B. 20 kV eine Primärspannung von 200 V benötigt, was wiederum einen aufwändigen und teueren Spannungswandler erforderlich macht. Auch reduziert das große Übersetzungsverhältnis – von 12 V Bordnetzspannung zu 200 V Zündungsversorgung – den Wirkungsgrad des Spannungswandlers, was wiederum den Gesamtwirkungsgrad des Zündsystems reduziert.
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Die Verwendung solch einer Wechselspannungszündung kann das verbrennungstechnische Problem zwar lösen, ist aber aus Kostengründen nur für Fahrzeuge der Oberklasse geeignet. Also musste bisher der mit steigender Funkenenergie einhergehende Zündkerzenverschleiß akzeptiert werden bzw. entflammungskritische Betriebszustände konnten am Serienmotor nicht realisiert werden.
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Die
EP 1 854 997 A2 beschreibt eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Steuerung bzw. Regelung des Sekundärstromes erfolgt, jedoch wird dort gemäß
2 mit zugehöriger Beschreibung in der ersten Durchbruchphase (Ph2) nicht die Primärspannung auf Unterschreiten eines Schwellwertes überwacht, um ggf. den Primärstrom wieder einzuschalten, sondern während der gesamten Phase Ph2 wird der Sekundärstrom mit einem vorgegebenen Verlauf verglichen und durch ständiges Ein- und Ausschalten des Primärstroms der Sekundärstrom auf diesen vorgegebenen Verlauf geregelt. Das Ziel ist es, dort im Idealfall über die gesamte Zündphase einen vorgegebenen Sekundärstrom gleicher Polarität aufrechtzuerhalten.
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Die
DE 101 21 993 A1 lehrt ein Zündsystem für Verbrennungsmotoren, bei dem die Dauer des Zündfunkens variabel eingestellt werden können soll. Dabei ist zwar der Sekundärstrom als Wechselstrom ausgebildet, jedoch wird die dortige Steuerung vorzugsweise als reine Zeitsteuerung ausgebildet, der eine Begrenzung des Primärstroms auf einen Maximalwert lediglich überlagert ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist eine wesentliche Verbesserung des Zündverhaltens bei gleichzeitig wesentlich erhöhter Lebensdauer der Zündkerze. Auch sollen die Komponenten eines gebräuchlichen Zündsystems möglichst ohne zusätzlichen Aufwand genutzt werden können.
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Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 durch ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einer als Transformator ausgebildeten Zündspule, einer mit der Sekundärwicklung der Zündspule verbundenen Zündkerze, einem in Serie zur Primärwicklung der Zündspule geschalteten ansteuerbaren Schaltelement und einer mit der Primärwicklung der Zündspule und dem Steuereingang des Schaltelements verbundenen Steuereinheit gebildet ist, gelöst. Erfindungsgemäß stellt die Steuereinheit eine einstellbare Versorgungsspannung für die Zündspule und ein Ansteuersignal für das Schaltelement abhängig von den Strömen durch die Primär- und die Sekundärwicklung der Zündspule und der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung der Zündspule mit dem Schaltelement und dem negativen Anschluss der Versorgungsspannung bereit. Das Verfahren hat dabei folgenden Ablauf:
in einer ersten Phase (Aufladung) wird das Schaltelement durch das Ansteuersignal zu einem ersten Einschaltzeitpunkt leitend und zum vorgegebenen Zündzeitpunkt wieder nicht-leitend geschaltet,
in einer sich anschließenden zweiten Phase (Durchbruch) wird die Primärspannung oder eine davon abgeleitete Spannung mit einem ersten Schwellwert verglichen und bei Unterschreiten des ersten Schwellwerts durch diese Spannung das Schaltelement zu einem zweiten Einschaltzeitpunkt wieder leitend geschaltet,
in einer sich daran anschließenden dritten Phase (Bogen) wird die Versorgungsspannung derart geregelt, dass der Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule etwa einem vorgegebenen Strom entspricht und der Strom durch die Primärwicklung der Zündspule wird mit einem vorgegebenem zweiten Schwellwert verglichen und bei Überschreiten des zweiten Schwellwerts durch diesen Strom das Schaltelement zu einem ersten Abschaltzeitpunkt wieder nicht-leitend geschaltet,
in einer sich daran anschließenden vierten Phase (Durchbruch) wird der Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule mit einem dritten Schwellwert verglichen und bei Unterschreiten des dritten Schwellwerts durch diesen Strom wird das Schaltelement zu einem dritten Einschaltzeitpunkt wieder leitend geschaltet,
daran anschließend werden die dritte und die vierte Phase gegebenenfalls wiederholt, bis eine vorgegebene Brenndauer zu einem Zeitpunkt erreicht ist, zu dem das Schaltelement endgültig nicht-leitend geschaltet wird.
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Die Aufgabe wird außerdem durch eine Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In erfindungsgemäßer Weise wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass der Kerzenverschleiß beim gebräuchlichen Zündsystem ganz wesentlich durch die Höhe des maximalen Stromwertes während der Brennphase des Lichtbogens beeinflusst wird. Ein etwa konstanter Gleichstrom verursacht bei gleichem Effektivwert deutlich weniger Verschleiß als der gebräuchliche dreieckförmige Sekundärstrom mit hohem Spitzenwert. Wird während der Brennphase die Polarität des Stromflusses einmal oder mehrmals umgekehrt, so verringert sich der Verschleiß weiter.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Zündvorrichtung haben dabei folgende besonderen Merkmale:
Die als Transformator ausgebildete Zündspule wird bis zum ersten Durchbruch des Funkens konventionell betrieben. Nach dem Durchbruch wird der Zündfunke im Wesentlichen von der Primärseite des Transformators gespeist. Dabei wird eine variable Versorgungsspannung dergestalt verwendet, dass der sekundärseitige Strom einen gewünschten zeitlichen Verlauf hat. Es erfolgt ein Nachladen der Hauptinduktivität, um beim Erlöschen des Funkens schnell neu zünden zu können. Aufgrund des Betriebs des Transformators mit veränderbarer Versorgungsspannung wird eine vorzeitige Funkenbildung (Einschaltfunken) vermieden. Der Ladezustand des Transformators kann während der Brenndauer eingestellt werden. Es kann eine Entkopplung von Ladezeit und Ladeenergie dargestellt werden, indem die Versorgungsspannung bei Erreichen des Sollstroms auf Konstantstrom geregelt wird. Es kann eine kostenoptimierte Zündspule (Transformator) verwendet werden, die nur die für den Durchbruch nötige Spannung/Energie darstellen kann. Es erfolgt ein Wechselspannungsbetrieb, indem wechselweise die Versorgung des Funkens aus der primärseitigen Versorgungsspannung und der im Zündtransformator gespeicherten Energie erfolgt. Hierdurch kehren sich jedes Mal die Polarität von Strom und Spannung an der Zündkerze um. Die Brenndauer des Funkens kann nahezu frei gestaltet werden. Es sind Mehrfachfunken durch schnelles Laden mit der verfügbaren hohen Spannung unter Berücksichtigung der Restenergie der Spule möglich. Der Funken kann aktiv ausgeschaltet werden durch Verringerung der Versorgungsspannung unter die rücktransformierte Bogenspannung bei gleichzeitig eingeschaltetem IGBT. Die Kombination aus verringertem sekundärem Spitzenstrom und Polaritätswechsel erlaubt es nun, den Lichtbogen wesentlich länger aufrecht zu erhalten, ohne die Lebensdauer der Zündkerze einzuschränken. Die längere Brenndauer des Lichtbogens verbessert das Entflammungsverhalten ganz wesentlich.
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Zudem erlaubt die gewählte Ausführung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein spontanes Nachzünden, sollte der Lichtbogen durch extrem hohe Turbulenzen verblasen werden und verlöschen. Dies wiederum erhöht die Zündsicherheit ganz wesentlich.
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Auch ist die Erzeugung mehrerer, rasch aufeinander folgender Zündfunken möglich.
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Das erfindungsgemäße Konzept nutzt die Komponenten eines bestehenden Zündsystems vollständig, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Ansteuerung in vorteilhafter Weise die Sperrdiode in der Zündspule entfällt.
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Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt auch eine wesentliche Verkleinerung der Zündspule, was für ”Pencil Coils” wegen des beengten Bauraumes im Kerzenschacht von besonderem Vorteil ist. Die Verkleinerung der Zündspule reduziert ihre Herstellungskosten ganz wesentlich.
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Die erfindungsgemäße Formung der Funkenenergie mittels Regelung ermöglicht eine weitgehend frei wählbare Funkendauer und frei wählbaren Funkenstromverlauf. Zugleich wird die in der Zündspule zu speichernde Energie auf einen Wert verringert, mit dem noch ein sicherer Aufbau der jeweilig maximal zu erwartenden Durchbruchsspannung gewährleistet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
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2 eine detaillierte Schaltung einer Steuereinheit und
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3 ein Ablaufdiagramm, das die zeitlichen Zusammenhänge verdeutlicht.
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Die erfindungsgemäße Zündvorrichtung gemäß 1 beinhaltet eine steuerbare, als Spannungswandler ausgebildete Versorgunsspannungsquelle DC/DC zur Versorgung einer oder mehrerer Zündspulen ZS mit einer veränderbaren Versorgungsspannung Vsupply. Sie wird aus der Bordnetzspannung V_bat von derzeit etwa 12 V versorgt. Sie versorgt eine oder mehrere Zündspulen ZS, wobei in vorteilhafter Weise keine Sperrdiode mehr nötig ist. Es können gebräuchliche Zündkerzen ZK verwendet werden, die mit der Sekundärwicklung der Zündspule ZS verbunden werden. Die Primärwicklung der Zündspule ZS ist mit einem meist als IGBT ausgebildeten Schaltelement zum Schalten der Zündspule ZS in Serie geschaltet. Es sind Vorrichtungen zum Erfassen der Primärspannung und des Primär- sowie des Sekundärstroms vorgesehen.
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Eine Steuereinheit SE erzeugt abhängig von den erfassten Betriebsgrößen mittels des Spannungswandlers DC/DC die veränderbare Versorgungsspannung Vsupply sowie das Ansteuersignal IGBT_Control für das Schaltelement IGBT.
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Die Steuereinheit SE wird wiederum von einem (nicht dargestellten) Mikrokontroller gesteuert, welcher über gesonderte Timing-Eingänge in Echtzeit den Zündzeitpunkt je Zündspule vorgibt. Über eine weitere Schnittstelle – etwa das gebräuchliche SPI (Serial Peripheral Interface) – können Daten zwischen dem Mikrokontroller und der Steuereinheit SE ausgetauscht werden.
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Der Spannungswandler DC/DC erzeugt aus der 12 V Bordnetzversorgung V_bat eine Versorgungsspannung Vsupply. Der Wert dieser Versorgungsspannung Vsupply ist mittels des Steuersignals V_Control am Steuereingang Ctrl des Spannungswandlers DC/DC in einem Bereich von beispielsweise 2 bis 30 V hoch dynamisch steuerbar. Der Spannungswandler DC/DC kann dabei den erforderlichen Ladestrom für die jeweils aktivierte Zündspule ZS liefern.
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Als Zündspule ZS kann ein gebräuchlicher Typ mit einem Übersetzungsverhältnis von z. B. 1:80 dienen, wobei jedoch auf die bei heute gebräuchlichen notwendige Sperrdiode verzichtet werden kann. Abhängig von der Anzahl der Zylinder des verwendeten Ottomotors sind z. B. 3 bis 8 Zündspulen erforderlich. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch möglich, eine Zündspule mit wesentlich geringerer maximaler Speicherenergie zu verwenden.
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Als Zündkerze ZK kann ein gebräuchlicher Typ dienen. Ihre genaue Ausgestaltung wird vom Einsatz im Motor bestimmt.
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Als Schaltelement IGBT kann ebenfalls ein gebräuchlicher Typ mit einer internen Spannungsbegrenzung von beispielsweise 400 V verwendet werden. Abhängig vom benötigten Ladestrom kann seine erforderliche Stromtragfähigkeit jedoch verringert werden.
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Das Signal V_Prim bildet die mittels eines Spannungsteilers aus Widerständen R1 und R2 untersetzte Primärspannung der Zündspule ZS von bis zu 400 V auf einen für die Steuereinheit SE nutzbaren Wertebereich von z. B. 5 V ab. Der Wert der Spannungsteilung beträgt im genannten Beispiel 1:80. Der Spannungsteiler R1, R2 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung der Zündspule ZS und dem Schaltelement IGBT und dem Masseanschluss 0 angeordnet. Der Masseanschluss 0 ist mit dem negativen Potential GND der Versorgungsspannung Vsupply verbunden.
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Zur Messung des Stromes durch die Primärwicklung des Zündspule ZS ist ein Widerstand R3 in Serie mit der Primärwicklung und dem Schaltelement IGBT geschaltet. Der durch den Widerstand R3 fließende Ladestrom erzeugt eine den Strom repräsentierende Spannung I_Prim.
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In gleicher Weise ist mit der Sekundärwicklung der Zündspule ZS ein Widerstand R4 in Reihe geschaltet. Der durch diesen Widerstand R4 fließende Sekundärstrom erzeugt die am Widerstand R4 abfallende Spannung I_Sec.
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Die Steuereinheit SE umfasst den Spannungswandler DC/DC und eine Steuerschaltung Control. Diese erfasst die Signale V_Prim, I_Prim und I_Sec und vergleicht sie mittels Spannungsvergleichern Comp1 ... Comp4 gemäß 2 mit Schwell- bzw. Sollwerten V1 ... V5.
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Zu einem Zeitpunkt, der durch das Eingangssignal Timing vom Mikrokontroller vorgegeben wird, löst die Steuereinheit SE einen Zündvorgang aus, wobei Brenndauer und Bogenstrom geregelt werden. Dazu wird erfindungsgemäß über das Steuersignal V_Control die Versorgungsspannung Vsupply gesteuert, bzw. über das Ansteuersignal IGBT_Control das Schaltelement IGBT ein- und ausgeschaltet. Das Steuersignal V_Control liegt am Ausgang eines von der Ablaufsteuerung ALS steuerbaren Schaltmittels SM an und wird abhängig von der Ansteuerung entweder von einer Reglerschaltung Regler1 oder der Ablaufsteuerung ALS gebildet.
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Bei Ottomotoren mit mehreren Zylindern sind entsprechend mehrere Timing-Eingänge und mehrere IGBT_Control Ausgänge vorzusehen.
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Des Weiteren ist die Steuerschaltung Control über eine SPI-Schnittstelle mit dem Mikrokontroller verbunden. Hiermit kann der Mikrokontroller Vorgaben für Ladestrom, Brenndauer, Brennstrom übertragen; aber auch Vorgaben für die Ausgestaltung einer Mehrfachfunkenzündung. In Gegenrichtung kann die Steuerung Status- und Diagnoseinformationen an den Mikrokontroller übertragen.
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Die in der Steuerschaltung Control ausgebildete Ablaufsteuerung ALS kann sowohl durch einen Mikrokontroller mit darin enthaltener Software, als auch durch eine – aus Standard Logik Bausteinen bestehende – Hardware Ablaufsteuerung (State Machine) gebildet sein.
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Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der 3 näher erläutert werden. Das Verfahren umfasst dabei mehrere aufeinanderfolge Phasen.
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1. Aufladung der Spuleninduktivität
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Zu Beginn der Zündung wird – wie auch bisher üblich – die Hauptinduktivität der Zündspule ZS aufgeladen. Dazu wird über das Ansteuersignal IGBT_Control von der Steuereinheit SE das Schaltelement IGBT zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet. Der Ladestrom wird dabei als Signal I_Prim erfasst. Da keine sekundärseitige Sperrdiode verwendet wird, muss während des Ladevorganges die Versorgungsspannung Vsupply zeitlich so verändert werden, dass die dabei sekundärseitig induzierte Spannung sicher unter der momentanen Durchbruchspannung bleibt. Deren Wert ist im Wesentlichen durch den momentanen Brennraumdruck gegeben, welcher sich während des Kompressionstaktes stetig verändert. Wichtig ist hierbei, dass der Ladestromwert, welcher der gewünschten Speicherenergie entspricht, spätestens zum Zündzeitpunkt t2 erreicht ist. Ein etwas früheres Erreichen des Ladestromwertes ist dabei unerheblich, da durch Absenken der Versorgungsspannung Vsupply der Strom konstant gehalten werden kann. Die Versorgungsspannung Vsupply wird dabei auf einen Wert geregelt, der durch den Innenwiderstand der Primärwicklung und den Ladestrom gegeben ist. Zusätzlich sind noch die Spannungsverluste am Schaltelement IGBT und am Strommesswiderstand R3 berücksichtigt. Der Wert der zu speichernden Energie kann – basierend auf der Beobachtung vorangegangener Zündvorgänge bzw. über SPI vorgegeben – bei jeder Ladephase unterschiedlich sein und entsprechend adaptiert werden.
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2. Durchbruch
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Zum vorgegebenen Zündzeitpunkt t2 wird – wie auch bisher üblich – das Schaltelement IGBT über das Ansteuersignal IGBT_Control ausgeschaltet. Getrieben durch den Zusammenbruch des magnetischen Feldes steigen nun die Primär- und Sekundärspannung der Zündspule ZS rasch an. Im Detail zeigt die Primärspannung – beobachtbar als Signal V_Prim – zunächst einen sehr schnellen Anstieg bis zum Einsatz der Spannungsbegrenzung durch das Schaltelement IGBT bei ca. 400 V. Ursache hierfür ist die Entladung der primären Streuinduktivität. Anschließend sinkt die primärseitige Spannung wiederum, bis sie abermals ansteigt – nun mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf. Dieser Spannungsverlauf ist begründet in der rücktransformierten Sekundärspannung. Hierbei wird die sekundäre Kapazität, die durch die Sekundärwicklung und die Elektroden der Zündkerze ZK gebildet wird, mit einem resonanten Umschwingvorgang aus der Hauptinduktivität und der sekundärseitigen Streuinduktivität der Zündspule ZS aufgeladen. (Bei der Betrachtung ist der zwischengeschaltete ideale Transformator zu berücksichtigen.) Bei Erreichen der Durchbruchspannung wird der sinusförmige Umschwingvorgang abrupt beendet und die Primärspannung fällt auf einen Wert von 10 V bis 50 V. Dieser Wert wiederum setzt sich zusammen aus der Versorgungsspannung Vsupply und der rücktransformierten sekundärseitigen Bogenspannung. Diese Details sind in der 3 nicht dargestellt.
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Die Versorgungsspannung Vsupply wird mit Beginn der Durchbruchsphase mittels des Steuersignals V_Control schnell auf ihren Maximalwert von z. B. 30 V gestellt, was in 3 ebenfalls nicht im Detail zu erkennen ist.
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3. Brennphase (Bogen)
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Der Beginn der Brennphase wird erkannt, sobald die Primärspannung zum Zeitpunkt t3 unter einen vorgegebenen Wert von z. B. 40 V absinkt. Das davon mittels des Spannungsteilers R1, R2 abgeleitete Signal V_Prim hat dann einen Wert von z. B. 0,5 V und kann mit einem ersten Spannungsvergleicher Comp1 gegen einen ersten Schwellwert V1 verglichen werden. Der Ausgang des ersten Spannungsvergleichers Comp1 wechselt bei Unterschreiten des Sollwertes V1 seinen logischen Zustand. Dieser Wechsel dient dazu, das Schaltelement IGBT zum Zeitpunkt t3 abermals einzuschalten. Da nun die Versorgungsspannung Vsupply wieder hoch eingestellt wird (30 V), wird diese über die Zündspule ZS sekundärseitig als hohe, negative Spannung von z. B. –2,4 kV übertragen. Da zu diesem Zeitpunkt wegen des Lichtbogens ionisiertes Gas zwischen den Elektroden der Zündkerze ZK existiert, erfolgt ein erneuter Durchbruch ungefähr bei der Bogenspannung von ca. –1 kV.
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Als Folge der Spannungsdifferenz zwischen der Brennspannung und der transformierten Primärspannung baut sich sehr schnell ein negativer Bogenstrom auf. Der Anstieg ist dabei im Wesentlichen durch die primären und sekundären Streuinduktivitäten und die Spannungsabfälle an den Wicklungswiderständen bestimmt. Der Bogenstrom wird dabei durch das Signal I_Sec mittels des Widerstands R4 erfasst.
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Soll der Bogenstrom nun konstant gehalten werden, so wird er in einer Reglerschaltung Regler1 mit einem ersten Sollwert V2 verglichen. Das Ausgangssignal der Reglerschaltung Regler1 wird über das entsprechend von der Ablaufsteuerung angesteuerte Schaltmittel SM als Steuersignal V_Control dem Spannungswandler DC/DC zugeführt und steuert nun die Versorgungsspannung Vsupply dergestalt, dass der Sekundärstrom I_Sec dem Sollwert V2 entspricht. Die Versorgungsspannung Vsupply wird dabei anfangs einen Wert von z. B. 20 V annehmen, der mit fortdauernder Brenndauer stetig steigt.
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Da zugleich zur Stromübertragung auf die Sekundärseite auch die Hauptinduktivität der Zündspule ZS geladen wird, steigt deren Stromfluss stetig an. Er wird über das Signal I_Prim am Widerstand R3 erfasst und durch einen zweiten Spannungsvergleicher Comp2 mit einem zweiten Sollwert V3 verglichen. Steigt das Signal I_Prim infolge des Stromanstieges über den zweiten Sollwert V3, so wird über das Ansteuersignal IGBT_Control das Schaltelement IGBT zum Zeitpunkt t4 erneut ausgeschaltet.
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Die Versorgungsspannung Vsupply wird wiederum mittels des Steuersignals V_Control schnell auf ihren Maximalwert von z. B. 30 V gestellt.
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Wie unter 2. Durchbruch beschrieben, treibt der Zusammenbruch des Magnetfeldes nun die Sekundärspannung in positive Richtung, bis – bei einer Spannung von ca. +1 kV ein erneuter Durchbruch mit anschließender Bogenphase erfolgt. Diese erneute Bogenphase wird nun durch die zuvor in der Hauptinduktivität gespeicherte Energie gespeist, wobei der (nun positive) sekundärseitige Bogenstrom stetig abnimmt. Da der erneute Durchbruch bei wesentlich geringerer Spannung erfolgt ist, ist hierbei auch wesentlich weniger Energie zur Aufladung der Sekundärkapazität erforderlich und die verbleibende Restenergie entspricht im Wesentlichen der zuvor gespeicherten Energie.
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Über das Signal I_Sec wird nun der sekundärseitige Bogenstrom mit einem dritten Spannungsvergleicher Comp3 gegen einen dritten Schwellwert V4 verglichen. Sinkt der Wert von I_Sec unter den dritten Schwellwert V4, so wechselt der Ausgangszustand des dritten Spannungsvergleichers Comp3 und das Schaltelement IGBT wird zum Zeitpunkt t5 erneut eingeschaltet. Dadurch erfolgt eine erneute Bogenphase mit negativem Bogenstrom, wie oben beschrieben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Schwellwert V1 dynamisch gestaltet werden, wodurch ein veränderliches Brennstromprofil erzeugt werden kann. Beispielsweise kann mit steigender Brenndauer der Bogenstrom steigen, was die Entflammsicherheit erhöht, ohne den Kerzenverschleiß negativ zu beeinflussen.
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4. Ende der Brennphase
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Dieser zyklische Wechsel von negativem und positivem Brennstrom kann beliebig oft wiederholt werden und wird erst durch die vorgegebene Brenndauer von z. B. 1 ms beendet. Nun wird das Schaltelement IGBT endgültig ausgeschaltet. Die zu diesem Zeitpunkt t6 in der Zündspule ZS gespeicherte Energie baut sich noch im Bogen ab, woraufhin dieser verlischt. Der Zündvorgang ist beendet.
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5. Nachzünden bei Zündaussetzern
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Während der Brennphase kann der Lichtbogen verlöschen, z. B. verursacht durch Verblasen wegen erhöhter Turbulenzen im Elektrodenbereich oder durch Benetzung der Elektroden mit Kraftstofftröpfchen. Geschieht dies in einer Bogenphase bei eingeschaltetem Schaltelement IGBT, so fällt der Sekundärstrom spontan auf Null und kann durch Beobachtung des Signals I_Sec erkannt werden. Zu diesem Zwecke wird das Signal I_Sec durch einen vierten Spannungsvergleicher Comp4 mit einem vierten Schwellwert V5 verglichen und bei Überschreiten dieses Schwellwerts V5 durch das Signal I_Sec das Schaltelement IGBT ausgeschaltet, woraufhin ein erneuter Durchbruch erfolgt. Anschließend erfolgt der oben beschriebenen Ablauf der Bogenphase.
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Geschieht dies während der Entladephase der Hauptinduktivität bei ausgeschaltetem Schaltelement IGBT, so treibt diese die Sekundärspannung, bis ein abermaliger Durchbruch stattfindet. Fällt der Bogenstrom in Folge des Energieverlustes unter den dritten Schwellwert V4, so wird das Schaltelement IGBT abermals eingeschaltet und der Ablauf der Bogenphase setzt – wie oben beschrieben – erneut ein.
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Somit ist sichergestellt, dass im Falle eines Verlöschens des Lichtbogens eine sofortige Nachzündung erfolgt. Zündaussetzer finden mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr statt.
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6. Mehrfachfunkenzündung
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Der Ablauf einer Mehrfachzündung entspricht im Wesentlichen den oben beschriebenen Betriebsphasen. Im Gegensatz dazu ist aber die Brennphase stark verkürzt, etwa 0,1 ms im Vergleich zu üblichen 0,5 ms bis 1,5 ms. Jedoch wird der Zündvorgang in rascher Folge mehrmals wiederholt.
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Nach erfolgter Aufladung und erfolgtem Überschlag wird die folgende Brennphase (bei eingeschaltetem Schaltelement IGBT) zum gewünschten Zeitpunkt durch Absenken der Versorgungsspannung Vsupply unterbrochen. Diese wird dabei rasch auf einen Wert abgesenkt, der zum Erhalt des Ladestromes erforderlich ist und sicher unterhalb der rücktransformierten Brennspannung des Lichtbogens liegt. Der Funke verlischt also spontan und die Spule bleibt geladen. Zum vorgegebenen Zeitpunkt wird nun das Schaltelement IGBT wiederum ausgeschaltet und es erfolgt ein erneuter Durchbruch mit anschließender Bogenphase. Dieser Vorgang kann nun entsprechend der Voreinstellung mehrmals wiederholt werden.
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Mit dem hier beschriebenen Verfahren und der Zündvorrichtung werden sämtliche eingangs gestellten Anforderungen vollständig erfüllt. Wegen der Weiterverwendung der gebräuchlichen Zündungskomponenten und der vergleichsweise einfach gehaltenen Zusatzelektronik entstehen nur geringe Mehrkosten, die durch die nun mögliche Verkleinerung der Zündspulen sicher aufgefangen werden. Von besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren bei schwierigen Entflammungslagen wie etwa beim Kaltstart von Motoren, die mit Ethanol betrieben werden.