DE102017130562A1

DE102017130562A1 - Zündungssystem mit erfassung der verbrennungsauslösung

Info

Publication number: DE102017130562A1
Application number: DE102017130562.9A
Authority: DE
Inventors: Scott B. Fiveland
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2018-06-21
Also published as: CN108223236A; US20180171962A1; CN108223236B; US10731621B2

Abstract

Ein Zündungssystem für einen Motor wird offenbart. Das Zündungssystem kann eine Zündvorrichtung, die so angeschlossen ist, dass sie selektiv ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Motors zündet, zumindest einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, betriebliche Informationen des Motors zu erfassen und entsprechende Signale zu erzeugen, sowie ein Steuergerät in Kommunikation mit der Zündvorrichtung und dem zumindest einen Sensor aufweisen. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, einen ersten Zündvorgang der Zündvorrichtung zu verursachen, um das Kraftstoff-Gemisch zu zünden, eine Bestimmung vorzunehmen, ob das Kraftstoff-Gemisch durch die Zündvorrichtung auf der Grundlage der Signale gezündet wurde, und selektiv den Zündvorgang der Zündvorrichtung auf der Grundlage der Bestimmung auszusetzen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Zündungssystem, und insbesondere ein Zündungssystem mit Erfassung der Verbrennungsauslösung.
Hintergrund
Motoren, darunter Dieselmotoren, Benzinmotoren, mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Motoren, und andere im Stand der Technik bekannte Motoren zünden ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch, um Wärme zu erzeugen. In einem Beispiel wird ein in eine Verbrennungskammer des Motors eingespritzter Kraftstoff mittels einer Zündkerze gezündet. Im Besonderen wird ein Hochspannungsstrom durch eine Elektrode, die sich im Zentrum der Zündkerze befindet, von einem Anschlussende an ein distales freies Ende geleitet. Das distale freie Ende ist in einem bestimmten Abstand von einem an Masse liegenden Abschnitt der Zündkerze angeordnet, so dass ein den Abstand überspannender Lichtbogen erzeugt wird. Dieser Bogen hat eine ausreichende Spannung, um durchzuschlagen und dadurch ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Verbrennungskammer zu zünden.
Obwohl sie die Verbrennung erfolgreich auslösen kann, kann eine Zündkerze unter einer geringen Lebensdauer leiden. Die Lebensdauer der Zündkerze hängt in der Regel von einer Menge und/oder einer Dauer der an die Zündkerze gelieferten Energie ab. Zum Beispiel kann die hohe Durchbruchspannungsanforderung des Bogens der Zündkerze den an Masse liegenden Abschnitt der Zündkerze beschädigen. Darüber hinaus wird während eines herkömmlichen Zündungsverfahrens die Zündkerze in der Regel mit Energie für eine festgelegte Dauer versorgt, ungeachtet dessen, ob die Verbrennung bereits ausgelöst wurde. Das heißt, die Zündkerze wird immer wieder erregt (d. h., nach einem sich wiederholenden Profil mit einem Strom versorgt), bis die fixierte Zeitdauer abgelaufen ist, unabhängig davon, ob die Verbrennung bereits ausgelöst wurde. Daher wird in Situationen, in denen die Verbrennung bereits ausgelöst wurde, durch zusätzliche und unnötige Erregungen der Zündkerze nicht nur Energie verschwendet, sondern auch die Lebensdauer der Zündkerze negativ beeinflusst. Dies kann zu einer verringerten Zuverlässigkeit der Zündkerze und/oder zu einem vorzeitigen Wechsel der Zündkerze führen, um einen kontinuierlichen Betrieb des Motors sicherzustellen.
Ein Versuch, die Lebensdauer einer Zündkerze zu verlängern, wird in dem US-Patent Nr. 8,078,384 (dem '384-Patent) beschrieben, das am 13. Dezember 2011 an Glugla et al. erteilt wurde. Das '384-Patent offenbart Systeme und Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, umfassend das Bestimmen des Vorliegens einer Ladungsverdünnung, und das Auswählen eines Wiederzündungsmodus, um mehrere Funkenereignisse während eines einzelnen Verbrennungszyklus bereitzustellen. Die Ladungsverdünnung wird auf der Grundlage eines befohlenen Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses und der Abgasrückführung bestimmt. Mehrere Funkenereignisse werden unter Verwendung einer zeitbasierten Wiederzündung oder einer strombasierten Wiederzündung in Ansprechen auf die Ladungsverdünnung gesteuert, wodurch die Zündungsqualität verbessert wird, um die Lebensdauer der Zündkerze zu verlängern.
Obwohl das System und Verfahren des '384-Patents die Zündungsqualität der Zündkerze verbessern können, können sie dennoch suboptimal sein. Zum Beispiel können immer noch zusätzliche und unnötige Zündungen ausgeführt werden, nachdem die Verbrennung bereits ausgelöst wurde. Dies kann zu einem vorzeitigen Verschleiß der Zündkerze führen und die Zündkerze unzuverlässig arbeiten lassen.
Das offenbarte Zündungssteuersystem zielt darauf ab, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Zündungssystem für einen Motor. Das Zündungssystem kann umfassen: eine Zündungsvorrichtung, die so angeschlossen ist, dass sie selektiv ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Motors zündet, zumindest einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, betriebliche Informationen des Motors zu erfassen und entsprechende Signale zu erzeugen, sowie ein Steuergerät in Kommunikation mit der Zündungsvorrichtung und dem zumindest einen Sensor. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, einen ersten Zündvorgang der Zündungsvorrichtung zu verursachen, um das Kraftstoff-Gemisch zu zünden, eine Bestimmung vorzunehmen, ob das Kraftstoff-Gemisch durch die Zündungsvorrichtung auf der Grundlage der Signale gezündet wurde, und selektiv den Zündvorgang der Zündvorrichtung auf der Grundlage der Bestimmung auszusetzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Auslösen der Verbrennung in einem Motor. Das Verfahren kann umfassen: Auslösen eines ersten Zündvorgangs einer Zündvorrichtung, um ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Motors zu zünden, Erfassen der Verbrennungsauslösung des Kraftstoff-Gemischs, und selektives Aussetzen des Zündvorgangs der Zündvorrichtung auf der Grundlage der Erfassung der Verbrennungsauslösung.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung einen Motor. Der Motor kann umfassen: einen Motorblock, der zumindest zum Teil einen Zylinder definiert, einen Kolben, der oszillierend innerhalb des Zylinders angeordnet ist, um eine Verbrennungskammer zu bilden, eine Zündvorrichtung, die angeordnet ist, um ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Verbrennungskammer lokal zu erwärmen, zumindest einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, betriebliche Informationen des Motors zu erfassen und entsprechende Signale zu erzeugen, sowie ein Steuergerät in Kommunikation mit der Zündvorrichtung und dem zumindest einen Sensor. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, einen ersten Zündvorgang der Zündvorrichtung zu verursachen, um das Kraftstoff-Gemisch zu zünden, eine Bestimmung vorzunehmen, ob das Kraftstoff-Gemisch durch die Zündvorrichtung auf der Grundlage von Signalen gezündet wurde, und selektiv den Zündvorgang der Zündvorrichtung auf der Grundlage der Bestimmung auszusetzen. Das Steuergerät kann eine Zündprofilbibliothek umfassen, die ein einem Speicher gespeichert ist, und der erste Zündvorgang kann auf der Grundlage eines ersten Zündprofils bestimmt werden, das aus der Zündprofilbibliothek abgerufen wird. Das Steuergerät kann ferner dazu ausgestaltet sein, ein zweites Zündprofil aus der Zündprofilbibliothek abzurufen, und die Zündvorrichtung unter Verwendung des zweiten Zündprofils zu betätigen, nachdem eine angegebene Anzahl von Zündvorgängen unter Verwendung des ersten Zündprofils das Kraftstoff-Gemisch nicht zünden konnte.
Figurenliste

1 ist eine diagrammatische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Motors; und
2 ist ein Flussdiagramm und veranschaulicht ein beispielhaftes offenbartes Verfahren, das von dem Motorsystem von 1 ausgeführt werden kann.

Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht einen beispielhaften Verbrennungsmotor 10. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird der Motor 10 als mit gasförmigen Kraftstoffen betriebener Viertakt-Motor abgebildet und beschrieben, zum Beispiel als Erdgas-Motor. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Motor 10 auch jeder andere Typ von Verbrennungsmotor sein, beispielsweise etwa ein Benzin- oder Dieselmotor. Der Motor 10 kann einen Motorblock 12 umfassen, der zumindest zum Teil einen oder mehrere Zylinder 14 definiert (in 1 nur einer dargestellt). Ein Kolben 16 kann gleitend innerhalb jedes Zylinders 14 angeordnet sein, um sich zwischen einer oberen Totpunkt- bzw. OT-Stellung und einer unteren Totpunkt- bzw. UT-Stellung hin und her zu bewegen, und ein Zylinderkopf 18 kann jedem Zylinder 14 zugeordnet sein. Der Zylinder 14, der Kolben 16 und der Zylinderkopf 18 können zusammen eine Verbrennungskammer 20 definieren. Es wird in Betracht gezogen, dass der Motor 10 eine beliebige Anzahl von Verbrennungskammern 20 umfassen kann, und dass die Verbrennungskammern 20 in einer „Reihen“-Konfiguration, einer „V“-Konfiguration oder in einer beliebigen anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
Der Motor 10 kann auch eine Kurbelwelle 22 umfassen, die drehbar innerhalb des Motorblocks 12 angeordnet ist. Eine Pleuelstange 24 kann jeden Kolben 16 mit der Kurbelwelle 22 verbinden, so dass eine Gleitbewegung des Kolbens 16 zwischen der OT- und der UT-Stellung innerhalb eines jeden jeweiligen Zylinders 14 zu einer Drehung der Kurbelwelle 22 führt. In ähnlicher Weise kann eine Drehung der Kurbelwelle 22 zu einer Gleitbewegung des Kolbens 16 zwischen der OT- und der UT-Stellung führen. In einem Viertakt-Motor kann der Kolben 16 zwischen der OT- und der UT-Stellung durch einen Einlasshub, einen Verdichtungshub, einen Verbrennungs- oder Leistungshub und einen Auslasshub oszillieren. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass der Motor 10 alternativ ein Zweitaktmotor sein könnte, wobei ein kompletter Zyklus einen Kompressions-/Auslasshub (UT bis OT) und einen Leistungs-/Auslass-/Einlasshub (OT bis UT) umfasst.
Der Zylinderkopf 18 kann ein Einlassdurchgang 26 und einen Auslassdurchgang 28 definieren. Der Einlassdurchgang 26 kann Druckluft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch von einer Einlasssammelleitung 30 durch eine Einlassöffnung 32 und in die Verbrennungskammer 20 leiten. Der Auslassdurchgang 28 kann in ähnlicher Weise Abgase von der Verbrennungskammer 20 durch eine Auslassöffnung 34 und in eine Abgassammelleitung 36 leiten.
Ein Einlassventil 38 mit einem Ventilelement 40 kann innerhalb der Einlassöffnung 32 angeordnet sein und dazu ausgestaltet sein, selektiv in einen Sitz 42 einzugreifen. Das Ventilelement 40 kann zwischen einer ersten Stellung, in der das Ventilelement 40 in den Sitz 42 eingreift, um eine Fluidströmung relativ zu der Einlassöffnung 32 zu blockieren, und einer zweiten Stellung, in der das Ventilelement 40 von dem Sitz 42 entfernt ist, um die Fluidströmung zu erlauben, beweglich sein.
Ein Auslassventil 44 mit einem Ventilelement 46 kann in ähnlicher Weise innerhalb der Auslassöffnung 34 angeordnet sein und dazu ausgestaltet sein, selektiv in einen Sitz 48 einzugreifen. Das Ventilelement 46 kann zwischen einer ersten Stellung, in der das Ventilelement 46 in den Sitz 48 eingreift, um eine Fluidströmung relativ zu der Auslassöffnung 34 zu blockieren, und einer zweiten Stellung, in der das Ventilelement 46 von dem Sitz 48 entfernt ist, um die Fluidströmung zu erlauben, beweglich sein.
Eine Reihe von Ventilbetätigungsanordnungen (nicht dargestellt) kann wirkmäßig dem Motor 10 zugeordnet sein, um die Ventilelemente 40 und 46 zwischen der ersten und zweiten Stellung zu bewegen. Es ist anzumerken, dass jeder Zylinderkopf 18 auch mehrere Einlassöffnungen 32 und mehrere Auslassöffnungen 34 umfassen könnte. Jede derartige Öffnung wäre jeweils entweder einem Einlassventilelement 40 oder einem Auslassventilelement 46 zugeordnet. Der Motor 10 kann eine Ventilbetätigungsanordnung für jeden Zylinderkopf 18 umfassen, die dazu ausgebildet ist, alle Einlassventile 38 oder alle Auslassventile 44 dieses Zylinderkopfs 18 zu betätigen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass eine einzelne Ventilbetätigungsanordnung die Einlassventile 38 oder Auslassventile 44, die mehreren Zylinderköpfen 18 zugeordnet sind, betätigen könnte, wenn dies gewünscht wird. Die Ventilbetätigungsanordnungen können zum Beispiel eine Nocken-/Pleuelstangen-/Kipphebelanordnung, ein Elektromagnetstellglied, ein Hydraulikstellglied oder ein beliebiges anderes, im Stand der Technik bekanntes Betätigungsmittel sein.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 kann dem Motor 10 zugeordnet sein, um unter Druck stehenden Kraftstoff in die Verbrennungskammer 20 einzuleiten. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 kann zum Beispiel ein elektronisches Ventil sein, das in Kommunikation mit dem Einlassdurchgang 26 angeordnet ist. Es wird in Betracht gezogen, dass die Einspritzvorrichtung 50 alternativ eine hydraulisch, mechanisch oder pneumatisch betätigte Einspritzvorrichtung sein kann, die über den Einlassdurchgang 26 oder auf andere Weise (z. B. direkt) selektiv Kraftstoff druckbeaufschlagt oder bereits unter Druck stehenden Kraftstoff in die Verbrennungskammer 20 einlässt. Der Kraftstoff kann einen komprimierten gasförmigen Kraftstoff wie beispielsweise etwa Erdgas, Propan, Biogas, Deponiegas oder Wasserstoff umfassen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Kraftstoff verflüssigt sein kann, zum Beispiel Benzin, Diesel, Methanol, Ethanol oder ein beliebiger flüssiger Kraftstoff, und dass eine Bordpumpe (nicht dargestellt) erforderlich sein kann, um den Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen.
Die Menge an Kraftstoff, die in den Einlassdurchgang 26 durch die Einspritzvorrichtung 50 eingelassen wird, kann einem Verhältnis von Kraftstoff und Luft zugeordnet sein, das in die Verbrennungskammer 20 eingeleitet wird. Insbesondere dann, wenn gewünscht wird, ein mageres Gemisch aus Kraftstoff und Luft (z. B. ein Gemisch mit einer relativ geringen Menge an Kraftstoff im Vergleich zur Menge an Luft) in die Verbrennungskammer 20 einzuleiten, kann die Einspritzvorrichtung 50 für eine kürzere Zeitperiode in einer Einspritzstellung bleiben (oder auf andere Weise gesteuert werden, um weniger Kraftstoff für jeden gegebenen Zyklus einzuspritzen), als dann, wenn ein fetteres Gemisch aus Kraftstoff und Luft (Gemisch mit einer relativ großen Menge an Kraftstoff im Vergleich zur Menge an Luft) gewünscht wird. In ähnlicher Weise kann, wenn ein fettes Gemisch aus Kraftstoff und Luft gewünscht wird, die Einspritzvorrichtung 50 für eine längere Zeitperiode in der Einspritzstellung bleiben (oder auf andere Weise gesteuert werden, um mehr Kraftstoff für jeden gegebenen Zyklus einzuspritzen), als dann, wenn ein magereres Gemisch gewünscht wird.
Ein Zündungssystem 52 kann dem Motor 10 zugeordnet sein, um die Verbrennung des Kraftstoff-/Luft-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammer 20 regeln zu helfen. Das Zündungssystem 52 kann eine Zündvorrichtung 54 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 58 umfassen. Die ECU 58 kann dazu ausgestaltet, den Betrieb der Zündvorrichtung 54 in Ansprechen auf einen Eingang, der von einem oder mehreren Sensoren 60 kommend empfangen wird, zu regeln.
Die Zündvorrichtung 54 kann die Zündung des Kraftstoff-/Luft-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammer 20 erleichtern. Um die Verbrennung des Kraftstoff-/Luft-Gemischs auszulösen, kann die Zündvorrichtung 54 erregt werden, um lokal das Gemisch zu erwärmen, wodurch eine Flamme erzeugt wird, die sich innerhalb der Verbrennungskammer 20 ausbreitet. In einer Ausführungsform ist die Zündvorrichtung 54 eine Zündkerze. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Zündvorrichtung 54 alternativ eine Glühkerze, eine RF-Zündvorrichtung, eine Laser-Zündvorrichtung oder eine beliebige andere, im Stand der Technik bekannte Art von Zündvorrichtung verkörpern kann.
Die ECU 58 kann einen einzelnen oder mehrere Mikroprozessoren, feldprogrammierbare Gatteranordnungen (FPGAs), digitale Signalverarbeitungseinheiten (DSPs), etc. verkörpern, die ein Mittel zur Steuerung eines Betriebs des Motors 10 in Ansprechen auf Signale, die von dem Sensor 60 kommend empfangen werden, umfassen. Zahlreiche kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können dazu ausgebildet sein, die Funktionen der ECU 58 auszuführen. Es sollte klar sein, dass die ECU 58 einfach einen allgemeinen Motor-Mikroprozessor verkörpern könnte, der in der Lage ist, zahlreiche Funktionen und Betriebsmodi des Systems zu steuern. Verschiedene andere bekannte Schaltungen können der ECU 58 zugeordnet sein, darunter Leistungsversorgungsschaltungen, Signalaufbereitungsschaltungen, Stellglied-Ansteuerschaltungen (d. h., Schaltkreise, die Elektromagnete, Motoren oder Piezostellglieder versorgen), Kommunikationsschaltungen, und beliebige andere geeignete Schaltungen.
Der Sensor 60 kann dazu ausgestaltet sein, ein Signal zu erzeugen, das auf eine betriebliche Information des Motors 10 hinweist. Zum Beispiel kann der Sensor 60 in der Nähe der Kurbelwelle 22 angeordnet und dazu ausgestaltet sein, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf eine momentane Winkelstellung der Kurbelwelle 22 hinweist. Auf der Grundlage dieser Stellung kann eine Drehzahl des Motors 10 abgeleitet und dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde. In einem weiteren Beispiel kann der Sensor 60 ein Temperatursensor sein, der dazu ausgestaltet ist, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf eine Temperatur (z. B. eine Gastemperatur in der Abgassammelleitung, und/oder eine Lufttemperatur in der Einlasssammelleitung) des Motors 10 hinweist und verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde. In noch einem weiteren Beispiel kann der Sensor 60 ein Verstärkungsgas-Drucksensor sein, der dazu ausgestaltet ist, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf einen Gasdruck des Motors 10 hinweist und verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde.
Alternativ kann der Sensor 60 ein Einlasssammelleitungs-Luftdrucksensor sein, der dazu ausgestaltet ist, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf einen Gasdruck des Motors 10 hinweist und verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde. In einigen Ausführungsformen kann der Sensor 60 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor sein, der dazu ausgestaltet ist, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors 10 hinweist und verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde. In einigen Ausführungsformen kann der Sensor 60 ein elektrischer Spannungssensor sein, der dazu ausgestaltet ist, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf die Durchbruchspannung eines Gases innerhalb eines Zündspalts der Zündvorrichtung 54 hinweist. Die Durchbruchspannung kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde. Zusätzlich kann der Sensor 60 ein elektrischer Impedanzsensor (z. B. Widerstandssensor) sein, der dazu ausgestaltet ist, eine Messung vorzunehmen und ein Signal zu erzeugen, das auf einen Zündspaltwiderstand des Zündspalts der Zündvorrichtung 54 hinweist. Die Impedanz kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Verbrennung ausgelöst wurde. Es ist anzumerken, dass auch weitere ähnliche Sensoren in Betracht gezogen werden.
In einigen Ausführungsformen kann die ECU 58 einen Speicher umfassen, in dem eine der Zündvorrichtung 54 zugeordnete Zündprofilbibliothek gespeichert werden kann. Die Zündprofilbibliothek kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Zündprofilen umfassen. Jedes Zündprofil kann einer unterschiedlichen betrieblichen Information entsprechen, die von den Sensoren 60 erhalten wird. Die Vielzahl von unterschiedlichen Zündprofilen unterscheidet sich in zumindest einem der Faktoren Form, Größenordnung und Dauer. Zum Beispiel kann jedes Zündprofil in der Bibliothek eine unterschiedliche elektrische Stromwellenform aufweisen, zum Beispiel eine Sinuswellenform, eine Rechteckwellenform, eine Dreieckwellenform oder eine Sägezahnwellenform, oder auch unterschiedliche Größenordnungen und/oder Dauern. Wie oben beschrieben kann die betriebliche Information umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: eine Methanzahl des zugeführten Kraftstoffs, ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, eine Einlasssammelleitungs-Lufttemperatur, einen Einlasssammelleitungs-Luftdruck, eine Motordrehzahl, eine Abgassammelleitungs-Temperatur, eine Motorlast, etc.
2 ist ein Flussdiagramm 200, das ein beispielhaftes offenbartes Verfahren zur Steuerung des Zündvorgangs der Zündvorrichtung 54 veranschaulicht, das von dem Motorsystem von 1 ausgeführt werden kann. 2 wird im Folgenden in größerem Detail beschrieben, um die Konzepte dieser Offenbarung weiter zu veranschaulichen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das offenbarte Zündungssystem kann auf einen beliebigen Verbrennungsmotor angewendet werden, bei dem eine verlängerte Lebensdauer der Zündvorrichtung gewünscht wird. Das offenbarte System kann insbesondere für einen Motor geeignet sein, der durch eine Zündkerze gezündet wird. Das offenbarte Zündungssystem kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Zündkerze verbessern, indem unnötige Zündvorgänge der Zündkerze beseitigt werden, und sie kann ferner die Verbrennungsauslösung durch dynamische Einstellung des Zündvorgangs verbessern. Der Betrieb der Zündvorrichtung 54 wird nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
Während eines Einlasshubs des Motors 10, während sich der Kolben 16 innerhalb der Verbrennungskammer 20 zwischen der OT-Stellung und der UT-Stellung bewegt, kann sich das Einlassventil 38 wie in 1 dargestellt in der ersten Stellung befinden. Während des Einlasshubs kann die Abwärtsbewegung des Kolbens 16 zu der UT-Stellung hin einen Unterdruckzustand innerhalb der Verbrennungskammer 20 erzeugen. Der Unterdruckzustand kann bewirken, dass Kraftstoff und Luft von dem Einlassdurchgang 26 über die Einlassöffnung 32 in die Verbrennungskammer 20 eingezogen werden. Wie oben beschrieben kann alternativ ein Turbolader verwendet werden, um Druckluft und Kraftstoff in die Verbrennungskammer 20 zu drücken. Der Kraftstoff kann in den Luftstrom entweder stromaufwärts oder stromabwärts des Turboladers eingeleitet werden, oder kann alternativ direkt in die Verbrennungskammer 20 eingespritzt werden. Es wird in Betracht gezogen, dass der Kraftstoff alternativ oder zusätzlich während eines Abschnitts des Verdichtungshubs in die Verbrennungskammer 20 eingeleitet werden kann, wenn dies gewünscht wird.
Auf den Einlasshub folgend können sich das Einlassventil 38 und das Auslassventil 44 beide in der zweiten Stellung befinden, in der das Kraftstoff-/Luft-Gemisch daran gehindert wird, während des folgenden aufwärts gerichteten Verdichtungshubs des Kolbens 16 aus der Verbrennungskammer 20 auszutreten. Während sich der Kolben 16 während des Verdichtungshubs aus der UT-Stellung zu der OT-Stellung hin nach oben bewegt, können der Kraftstoff und die Luft innerhalb der Verbrennungskammer 20 gemischt und verdichtet werden. Zu einem Zeitpunkt während des Verdichtungshubs (z. B. an einem konkreten Kurbelwinkel vor dem OT) oder alternativ genau nach Abschluss des Verdichtungshubs (z. B. an einem konkreten Kurbelwinkel nach dem OT) kann die Verbrennung des verdichteten Gemischs ausgelöst werden.
Um die Verbrennung des verdichteten Gemischs auszulösen, kann die ECU 58 ein erstes Zündprofil aus der im Speicher gespeicherten Zündprofilbibliothek auswählen (Schritt 202). Das erste Zündprofil kann auf der Grundlage der betrieblichen Information des Motors 10 ausgewählt werden. Die betriebliche Information kann zum Beispiel eine Methanzahl des zugeführten Kraftstoffs, ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, ein Einlasssammelleitungs-Luftdruck und/oder eine Einlasssammelleitungs-Lufttemperatur sein. Zum Beispiel kann eine höhere Methanzahl des zugeführten Kraftstoffs, die durch den Sensor 60 erfasst wird, darauf hinweisen, dass ein Zündprofil mit höherer Leistung (z. B. ein Zündprofil mit einer größeren Größenordnung oder mit einer unterschiedlichen Form) nötig ist, da die Zündtemperatur des verdichteten Gemischs umso höher ist, je höher die Methanzahl ist, und damit das verdichtete Gemisch auch umso schwieriger gezündet werden kann. Diese betriebliche Information kann der ECU 58 beim Start des Motors 10 (z. B. durch die Sensoren 60) bereitgestellt werden.
Die ECU 58 kann dann einen Zündvorgang der Zündvorrichtung 54 auslösen, indem sie einen Strom mit dem ersten Zündprofil an die Zündvorrichtung 54 leitet (Schritt 203). Der Zündvorgang der Zündvorrichtung 54 kann das nun verdichtete Kraftstoff-/Luft-Gemisch lokal erwärmen. Diese lokale Erwärmung kann zu einer Flamme führen, die sich innerhalb der Verbrennungskammer 20 ausbreitet und damit das verbleibende Kraftstoff-/Luft-Gemisch zündet.
Die ECU 58 kann dann verschiedene Eingänge von den Sensoren 60 empfangen (Schritt 204). Die verschiedenen Eingänge können ohne Einschränkung u.a. umfassen: einen Verstärkungsdruck, wenn ein Turbolader eingesetzt wird, einen Einlasssammelleitungs-Luftdruck, eine Abgassammelleitungs-Temperatur, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eine Motordrehzahl, ein Zeitsteuerungsfenster und/oder beliebige andere Informationen oder Betriebsparameter, die auf die Motorlast hinweisen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann auf der Grundlage einer Luftströmungsrate und einer Kraftstoffeinspritzmenge gemessen werden. Das Zeitsteuerungsfenster kann auf einen Kurbelwinkelbereich vor und nach dem OT hinweisen, in dem der Zündvorgang der Zündvorrichtung 54 auftritt. Das Zeitsteuerungsfenster kann auch oder alternativ auf einen Beginn und ein Ende der Kraftstoffeinspritzung oder des Öffnens und/oder Schließens des Einlassventils 38 und/oder Auslassventils 44 hinweisen. Die Sensoreingänge können ferner Drehmomentinformationen umfassen, wie sie von einem an der Kurbelwelle 22 angeordneten Sensor erfasst werden.
Zusätzlich können die Sensoreingänge eine Durchbruchspannung eines Gases innerhalb des Zündspalts der Zündvorrichtung 54 umfassen. Wenn die Verbrennung des verdichteten Gemischs ausgelöst wurde, kann das Gas innerhalb des Zündspalts sich zum Beispiel in der Dichte und/oder Temperatur verändern, was eine Veränderung in der Durchbruchspannung des Gases bewirken kann. Ferner können die Sensoreingänge auch eine Impedanz des Zündspalts der Zündvorrichtung 54 umfassen, die sich in Bezug auf das Gas innerhalb des Zündspalts verändern kann; zum Beispiel unterscheidet sich der elektrische Widerstand eines unverbrannten Gasgemischs von dem elektrischen Widerstand eines verbrannten Gasgemischs.
Die Sensoreingänge können von einem Softwareprogramm (z. B. einem Berechnungsmodell), das in einem Speicher gespeichert ist, oder einer Firmware der ECU 58 empfangen werden. Das Softwareprogramm kann von einer externen Quelle in einen Speicher der ECU 58 heruntergeladen werden und kann ein Berechnungsmodell (z. B. ein empirisches Modell) mit einem geeigneten Algorithmus umfassen. Alternativ können Funktionen des Softwareprogramms zum Teil durch Hardware der ECU 58 implementiert sein. Nachdem alle Sensoreingänge in dem Berechnungsmodell empfangen wurden, beginnt das Berechnungsmodell zu laufen und berechnet auf der auf der Grundlage der Sensoreingänge einen Ausgang (Schritt 206). Der Ausgang kann darauf hinweisen, ob die Verbrennung des verdichteten Gemischs durch den Zündvorgang der Zündvorrichtung 54 ausgelöst wurde (Schritt 208). Der Ausgang kann unter Verwendung von Gleichungen, Kennfeldern, Graphen etc. präsentiert werden
Wenn der Ausgang darauf hinweist, dass die Zündvorrichtung 54 die Verbrennung des verdichteten Gemischs erfolgreich ausgelöst hat, kann die ECU 58 die weiteren Zündvorgänge der Zündvorrichtung 54 steuern und aussetzen (Schritt 210). Im Gegensatz zum herkömmlichen Betrieb der Zündvorrichtung 54 kann die Beendigung der folgenden Wiederzündungen der Zündvorrichtung 54 die Lebensdauer der Zündvorrichtung 54 effektiv verlängern, indem unnötige Zündvorgänge verringert werden, indem die Menge an Energie und/oder die Dauer der Energie durch die Zündvorrichtung 54 verringert wird.
Wenn der Ausgang des Berechnungsmodells darauf hinweist, dass die Verbrennung des verdichteten Gemischs nicht erfolgreich gestartet wurde (d. h., NEIN in Schritt 208), können weitere Wiederzündungen der Zündvorrichtung 54 nötig sein. In diesen Situationen kann die Wiederzündung der Zündvorrichtung 54 falls notwendig unter Verwendung desselben Zündprofils (d. h., des ersten Zündprofil) für eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen erfolgen (d. h., so lange die Verbrennung des verdichteten Gemischs durch einen unmittelbar vorausgehenden Zündvorgang der Zündvorrichtung 54 nicht erfolgreich gestartet wurde). Vor jeder Wiederzündung der Zündvorrichtung 54 kann die ECU 58 bestimmen, ob die vorgegebene Anzahl an Zündvorgängen erreicht wurde (Schritt 212). Wurde die vorgegebene Anzahl von Zündvorgängen noch nicht erreicht, wird die Wiederzündung der Zündvorrichtung 54 unter Verwendung des ersten Zündprofils durchgeführt. Dann können die Schritte 203-212 wiederholt werden.
Wenn in Schritt 212 bestimmt wird, dass die vorgegebene Anzahl von Zündvorgängen erreicht wurde, kann die ECU 58 ein zweites Zündprofil aus der Zündprofilbibliothek auswählen (Schritt 214). Die ECU 58 kann dann einen entsprechenden Strom in Übereinstimmung mit dem zweiten Zündprofil an die Zündvorrichtung 54 leiten, um die Wiederzündung durchzuführen (Schritt 203). Dann können die Schritte 203-214 wiederholt werden.
Das offenbarte Zündungssystem kann mehrere Vorteile aufweisen. Erstens können durch Einbeziehung verschiedener Sensoreingänge in ein Softwareprogramm zur Erfassung der Verbrennungsauslösung unnötige Zündvorgänge und/oder Wiederzündungen beseitigt werden, um die Lebensdauer der Zündkerze zu verlängern, da die Lebensdauer der Zündkerze umgekehrt proportional zu der Anzahl der Zündvorgänge ist. Zweitens können Energieverluste verringert werden, was die Betriebskosten verringert und die Leistung des Motors 10 verbessert. Drittens ist u.U. keine zusätzliche Hardware erforderlich, um das offenbarte Zündungssystem einzusetzen, da bereits bestehende Zündungsschaltungen und Motorsensoren gut mit dem offenbarten Zündungssystem arbeiten können.
Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Varianten an dem offenbarten Zündungssystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsformen werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des offenbarten Zündungssystems deutlich werden. Die Beschreibung und die Beispiele sollen als rein beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8078384 [0004]

Claims

Zündungssystem für einen Motor, umfassend: eine Zündvorrichtung, die angeschlossen ist, um selektiv ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Motors zu zünden; zumindest einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, betriebliche Informationen des Motors zu erfassen und entsprechende Signale zu erzeugen; und ein Steuergerät in Kommunikation mit der Zündvorrichtung und dem zumindest einen Sensor, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist: eine Zündprofilbibliothek zu umfassen, die in einem Speicher gespeichert ist; auf der Grundlage der betrieblichen Information ein erstes Zündprofil aus der Zündprofilbibliothek abzurufen; einen ersten Zündvorgang der Zündvorrichtung unter Verwendung des ersten Zündprofils zu verursachen, um das Kraftstoff-Gemisch zu zünden; auf der Grundlage der Signale eine Bestimmung vorzunehmen, ob das Kraftstoff-Gemisch durch die Zündvorrichtung gezündet wurde; und auf der Grundlage der Bestimmung selektiv den Zündvorgang der Zündvorrichtung auszusetzen.
Zündungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät ein in einem Speicher gespeichertes Berechnungsmodell umfasst, wobei das Berechnungsmodell dazu ausgestaltet ist, die Bestimmung auf der Grundlage der betrieblichen Information vorzunehmen.
Zündungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät ferner dazu ausgestaltet ist, selektiv eine Wiederzündung der Zündvorrichtung zu veranlassen, wenn der erste Zündvorgang der Zündvorrichtung das Kraftstoff-Gemisch nicht gezündet hat.
Zündungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät ferner dazu ausgestaltet ist, selektiv ein zweites Zündprofil aus der Zündprofilbibliothek auszuwählen, und einen zweiten Zündvorgang der Zündvorrichtung unter Verwendung des zweiten Zündprofils zu veranlassen, nachdem eine vorgegebene Anzahl von Zündvorgängen unter Verwendung des ersten Zündprofils das Kraftstoff-Gemisch nicht zünden konnte.
Zündungssystem nach Anspruch 1, wobei die Zündprofilbibliothek eine Vielzahl von unterschiedlichen Zündprofilen umfasst, die jeweils einer unterschiedlichen betrieblichen Information entsprechen.
Zündungssystem nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von unterschiedlichen Zündprofilen sich in zumindest einem der Faktoren Form, Größenordnung und Dauer unterscheidet.
Zündungssystem nach Anspruch 1, wobei die betriebliche Information des Motors zumindest eine der folgenden umfasst: einen Verstärkungs-Gasdruck, einen Einlasssammelleitungs-Luftdruck, eine Abgassammelleitungs-Gastemperatur, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eine Motordrehzahl, ein Drehmoment, eine Einlasssammelleitungs-Lufttemperatur, eine Durchbruchspannung oder eine Zündspaltimpedanz.
Verfahren zur Auslösung der Verbrennung innerhalb eines Motors, wobei das Verfahren umfasst: Abrufen eines ersten Zündprofils aus einer Zündprofilbibliothek; Auslösen eines ersten Zündvorgangs einer Zündvorrichtung unter Verwendung des ersten Zündprofils, um ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Motors zu zünden; Erfassen der Verbrennungsauslösung des Kraftstoff-Gemischs; und selektives Aussetzen des Zündvorgangs der Zündvorrichtung auf der Grundlage der Erfassung der Verbrennungsauslösung.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend das Auslösen einer Wiederzündung der Zündvorrichtung nur dann, wenn der erste Zündvorgang der Zündvorrichtung das Kraftstoff-Gemisch nicht gezündet hat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste Zündvorgang und die Wiederzündung dasselbe Zündprofil aufweisen, das an die Zündvorrichtung geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste Zündvorgang und die Wiederzündung unterschiedliche erste und zweite Stromprofile aufweisen, die aus der in einem Speicher gespeicherten Zündprofilbibliothek abgerufen wurden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Stromprofil des ersten Zündvorgangs und das zweite Stromprofil der Wiederzündung aus der in einem Speicher gespeicherten Zündprofilbibliothek abgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Auslösen der Wiederzündung das Zünden der Zündvorrichtung unter Verwendung des zweiten Stromprofils umfasst, nachdem eine vorgegebene Anzahl an Zündvorgängen unter Verwendung des ersten Stromprofils des ersten Zündprofils das Kraftstoff-Gemisch nicht zünden konnte.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zündprofilbibliothek eine Vielzahl von unterschiedlichen Zündprofilen umfasst, die jeweils einer unterschiedlichen betrieblichen Information entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von unterschiedlichen Zündprofilen sich in zumindest einem der Faktoren Form, Größenordnung und Dauer unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Empfangen von betrieblichen Informationen des Motors, wobei das Erfassen der Verbrennungsauslösung des Kraftstoff-Gemischs durch ein Berechnungsmodell auf der Grundlage der betrieblichen Informationen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die betriebliche Information des Motors zumindest eine der folgenden umfasst: einen Verstärkungs-Gasdruck, einen Einlasssammelleitungs-Luftdruck, eine Abgassammelleitungs-Gastemperatur, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eine Motordrehzahl, ein Drehmoment, eine Einlasssammelleitungs-Lufttemperatur, eine Durchbruchspannung oder eine Zündspaltimpedanz.
Motor, der Folgendes umfasst: einen Motorblock, der zumindest zum Teil einen Zylinder definiert; einen Kolben, der oszillierend innerhalb des Zylinders angeordnet ist, um eine Verbrennungskammer zu bilden; eine Zündvorrichtung, die angeordnet ist, um lokal ein Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Verbrennungskammer zu erwärmen; zumindest einen Sensor, der dazu ausgestaltet ist, betriebliche Informationen des Motors zu erfassen und entsprechende Signale zu erzeugen; und ein Steuergerät in Kommunikation mit der Zündvorrichtung und dem zumindest einen Sensor, wobei das Steuergerät dazu ausgestaltet ist: einen ersten Zündvorgang der Zündvorrichtung zu veranlassen, um das Kraftstoff-Gemisch zu zünden; auf der Grundlage von Signalen eine Bestimmung vorzunehmen, ob das Kraftstoff-Gemisch durch die Zündvorrichtung gezündet wurde; und auf der Grundlage der Bestimmung selektiv den Zündvorgang der Zündvorrichtung auszusetzen, wobei das Steuergerät eine Zündprofilbibliothek umfasst, die in einem Speicher gespeichert ist, und der erste Zündvorgang auf der Grundlage eines ersten Zündprofils bestimmt wird, das aus der Zündprofilbibliothek abgerufen wird; und wobei das Steuergerät ferner dazu ausgestaltet ist, ein zweites Zündprofil aus der Zündprofilbibliothek auszuwählen, und die Zündvorrichtung unter Verwendung des zweiten Zündprofils zu zünden, nachdem eine vorgegebene Anzahl von Zündvorgängen unter Verwendung des ersten Zündprofils das Kraftstoff-Gemisch nicht zünden konnte.
Motor nach Anspruch 18, wobei die betriebliche Information des Motors zumindest eine der folgenden umfasst: einen Verstärkungs-Gasdruck, einen Einlasssammelleitungs-Luftdruck, eine Abgassammelleitungs-Gastemperatur, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eine Motordrehzahl, ein Drehmoment, eine Einlasssammelleitungs-Lufttemperatur, eine Durchbruchspannung oder eine Zündspaltimpedanz.
Motor nach Anspruch 18, wobei das Steuergerät ferner ein in einem Speicher gespeichertes Berechnungsmodell umfasst, wobei das Berechnungsmodell dazu ausgestaltet ist, die Bestimmung auf der Grundlage der betrieblichen Information vorzunehmen.