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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 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 Zundungs-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 Durchbruchwiderstand im Funkenspalt und erzwingen einen Anstieg der Durchbruchspannung, 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 Durchbruchspannungen 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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In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2009 057 925.7 ist ein innovatives Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine und eine innovative Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Danach ist eine Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine 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. Die Steuereinheit stellt 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 zum Betreiben dieser Vorrichtung 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 nichtleitend 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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Eine entsprechende Vorrichtung ist in 1 und der zeitliche Verlauf der wesentlichen Spannungen und Ströme ist in 2 dargestellt.
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Grundlagenuntersuchungen an Verbrennungsmotoren haben gezeigt, dass die Interaktion der Zylinderinnenströmung mit einem Funken der Zündkerze einen erheblichen Einfluss auf den Funken selbst sowie in Folge auf die Qualität der Zündung und Entflammung verschiedener Gemischzustände besitzt. Schon bei schwachen Strömungszuständen weit unterhalb von 5 m/s zeigt sich eine Auslenkung des Funkens im Funkenspalt, die sich kontinuierlich mit der Dauer der Einwirkung vergrößert.
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Moderate Strömungsgeschwindigkeiten haben trotz Verkürzung der Funkendauer eine positive Auswirkung auf den Lauf des Motors, da sie tendenziell das Funkenvolumen erhöhen und den Wärmeübertrag an das umgebende Gemisch verbessern. Zündtechnisch stellt sich gerade der Nahbereich wenige Millimeter um die Zündkerze als problematisch dar, da sowohl die Zündhaken als auch der Zündkerzenkörper selbst erhebliche Wärmesenken darstellen und große Anteile der im Plasma befindlichen Wärme in Form von Strahlung, Konvektion oder schlicht Wärmeleitung absorbiert werden und für die Aufheizung des Gemisches verloren gehen. Selbst nach erfolgreicher Zündung hemmen diese Wärmesenken das anfängliche Flammenwachstum und verzögern den anfänglich so kritischen Verbrennungsverlauf.
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Die Einführung von Mehrfach- oder Serienfunken verbessert die Situation indem eine intermittierende Energiezufuhr bei gleichzeitiger zeitlicher Streckung die Zündwahrscheinlichkeit bei mangelnder Gemischhomogenisierung geringfügig erhöht. Durch die zeitliche Streckung werden zwar die Zündzeitpunkte leicht unscharf aber im Gegenzug bei hinreichend hoher Funkenfrequenz und -energieinhalt eine größere Plasmaausdehnung begünstigt. Auch höhere Funkenenergien können die Entflammbarkeit zu Lasten eines erhöhten Zündkerzenverschleißes verbessern.
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Unberücksichtigt bleibt jedoch bis heute die in Abhängigkeit von Brennraumdruck und Strömung (Turbulenz) erreichbare maximale Plasmaausdehung, die für den jeweiligen Betriebszustand des Motors spezifisch ist und den entflammungstechnisch effizientesten ”Fernbereich” der Zündkerze definiert.
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Die
DE 10 2007 034 399 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Schwellwert für einen maximalen Primärstrom, bei dem der Primärkreis des Zündtransformators unterbrochen werden soll, abhängig von für den Betrieb des Verbrennungsmotors relevanter Parameter über ein entsprechendes Kennfeld eingestellt werden kann. Außerdem soll der Schwellwert für einen minimalen Sekundärstrom, bei dessen Erreichen der Primärkreis des Zündtransformators wieder geschlossen werden soll, in einem vorgegebenen Verhältnis zum Schwellwert für den maximalen Primärstrom eingestellt werden. Damit lassen sich jedoch Gleitfunken nicht optimal vermeiden.
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In der
DE 10 2007 034 390 A1 sind für ein ähnliches Verfahren die Verhältnisse der Schwellwerte und die relevanten Parameter näher ausgeführt.
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Die der Erfindung Zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine auf das Zündintervall bezogene optimierte Energiezufuhrverteilung zu erreichen.
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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.
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Die Steuereinheit stellt dabei eine 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, wobei durch abwechselndes leitend und nicht-leitend Schalten des Schaltelements abhängig vom Unter- bzw. Überschreiten von Schwellwerten für die Primärspannung oder eine davon abgeleitete Spannung, den Strom durch die Primärwicklung der Zündspule und den Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule Energie in den Zündfunken der Zündkerze transportiert wird, wobei zumindest einer dieser Schwellwerte abhängig von Motorzustandsdaten ermittelt wird, wobei während der Phasen, in denen das Schaltelement nicht-leitend geschaltet ist, die in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierte Spannung mittels des Stroms durch die Sekundärwicklung der Zündspule oder mittels der durch die Zündspule rücktransformierten Spannung an der Primärwicklung der Zündspule gemessen wird und wobei die Funktion nach der der zumindest eine Schwellwert von den Motorzustandsdaten abhängig ist, abhängig von diesem gemessenen Strom durch die Sekundärwicklung oder der gemessenen Spannung an der Primärwicklung verändert wird.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Amplitude der an der Sekundärwicklung der Zündspule anliegenden Spannung ein Maß für den Zustand des Funkenplasmas ist. Die Amplitude lässt dabei erkennen, ob es sich um eine Funkenneubildung, einen Teildurchbruch (d. h. eine Verkürzung vorionisierter Plasmastrecken) oder um Folgefunken im Sinne einer fortgesetzten Plasmaausdehnung (d. h. eine Nutzung existierender Plasmastrecken) handelt. Der Erkennung des Teildurchbruchs kommt hierbei die größte Bedeutung zu, da dieser den Zeitpunkt der maximalen Plasmaausdehnung im jeweiligen Betriebszustand definiert. Basierend auf dieser Information kann durch Steuerung der Energiezufuhr im Zündzeitintervall eine optimale Energiezufuhrverteilung gewährleistet werden.
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Dies erfolgt erfindungsgemäß durch eine Veränderung von zumindest einem der Schwellwerte, deren Unter- bzw. Überschreiten durch die gemessenen Spannungen und Ströme für das Ein- und Ausschalten des Schaltelements herangezogen werden. Hierdurch kann beispielsweise ein früheres Schalten des Schaltelements herbeigeführt werden, so dass sich die Schaltfrequenz erhöht und mehr Energie im Zündzeitintervall in den Zündfunken eingebracht werden kann.
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Bei Kenntnis der Zeitdauer ab Funkendurchbruch bis zur maximalen Plasmaausdehnung, kann eine Zündstrategie so ausgelegt werden, dass ein Großteil der gesamten Spulenenergie vorzugsweise im letzten Drittel der Funkenstrecke eingebracht wird, um so einen hohen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung vom Funken an das Gemisch zu gewährleisten.
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Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung, deren direkte Messung aufgrund der Werte im kV-Bereich in der Serienproduktion aufwändig und kostenintensiv ist, lässt sich erfindungsgemäß vorteilhaft durch Messung des Stromes durch die Sekundärwicklung oder der durch die Zündspule rücktransformierten Spannung an der Primärwicklung messen.
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In vorteilhafter Weise ist die Funktion nach der der zumindest eine Schwellwert von den Motorzustandsdaten abhängig ist, durch ein Kenndatenfeld definiert.
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Dabei ist es in einer Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, wenn die Motorzustandsdaten zumindest den Zündzeitpunkt und/oder die Drehzahl umfassen.
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Es kann also ein geschlossener Regelkreis gebildet werden, wobei euch eine Vorsteuerung möglich ist, bei dem die Kennfelddaten zyklisch aktualisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Funkenenergie bei gleicher Entflammungsleistung herabgesetzt werden kann. Dies erhöht die Lebensdauer der Zündkerze.
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Die Messung des Stroms durch die Sekundärwicklung der Zündspule oder der Spannung an der Primärwicklung als rücktransformierte Spannung an der Sekundärwicklung der Zündspule kann kontinuierlich erfolgen, es ist gemäß einer Ausbildung der Erfindung jedoch von Vorteil, lediglich eine Bestimmung aufgrund diskreter Durchbruchschwellwerte durchzuführen.
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Aufgrund der Messung des Stroms durch die Sekundärwicklung oder der Spannung an der Primärwicklung als rücktransformierte Spannung an der Sekundärwicklung der Zündspule kann der Zeitpunkt des Funkenabrisses erkannt werden und anhand der Zeitdauer bis zu diesem Funkenabriss auf die vorherrschende Geschwindigkeit der Innenzylinderströmung geschlossen werden. Mit Hilfe dieser Daten können weitere motorische Stellgrößen wie z. B. die Drosselklappenstellung oder der Ventilhub beeinflusst werden.
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Bei Kenntnis des Durchbruchstromes im jeweiligen Betriebspunkt kann auch der Grad des Verschleißes an der Zündkerze ermittelt werden und gegebenenfalls als Fehler in der Steuereinheit eingetragen und/oder als Meldung an den Fahrer ausgegeben werden.
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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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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 ein Ablaufdiagramm, das die zeitlichen Zusammenhänge in Verbindung mit den Schwellwerten verdeutlicht und
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3 eine Prinzipdarstellung einer Steuerschaltung.
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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 gegebenenfalls 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 Zündsystemen 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 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 über das Steuersignal V_Control die Versorgungsspannung Vsupply gesteuert, bzw. über das Ansteuersignal IGBT_Control das Schaltelement IGBT ein- und ausgeschaltet. 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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Im Folgenden soll das Verfahren zum Betreiben der Zündvorrichtung anhand der 2 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 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 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.
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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 2 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 gegen einen ersten Schwellwert V1 verglichen werden. Der Ausgang des ersten Spannungsvergleichers 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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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 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 gegen einen dritten Schwellwert V4 verglichen. Sinkt der Wert von I_Sec unter den dritten Schwellwert V4, so wechselt der Ausgangszustand des dritten Spannungsvergleichers 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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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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In erfindungsgemäßer Weise ist zumindest einer der Schwellwerte V1, V3 und V4 für die Primärspannung V_Prim, den Primärstrom I_Prim und den Sekundärstrom I_Sec veränderbar derart, dass er einerseits als Funktion von Motorzustandsdaten wie insbesondere der Drehzahl oder dem Zündzeitpunkt und andererseits von der Amplitude der Spannung an der Sekundärwicklung der Zündspule abhängt. Die Spannung an der Sekundärwicklung der Zündspule wird dabei durch den einfacher messbaren Strom durch die Sekundärwicklung I_Sec oder die durch die Zündspule ZS rücktransformierte Spannung an der Primärwicklung der Zündspule ZS abgebildet. Dabei kann die Abhängigkeit von den Motorzustandsdaten in vorteilhafter Weise durch ein Kenndatenfeld gebildet werden, das in erfindungsgemäßer Weise zyklisch aufgrund der ermittelten Amplitude des Sekundärstroms I_Sec oder der Primärspannung V_Prim aktualisiert wird. Alternativ kann aus einem von mehreren Kenndatenfeldern eines ausgewählt werden. Die Ermittlung der Amplitude des Sekundärstroms I_Sec oder der Primärspannung V_Prim kann dabei kontinuierlich aber auch aufgrund von vorgegebenen charakteristischen Durchbruchschwellwerten S1, S2, ..., Sn bzw. S1', S2', ...; Sn' erfolgen.
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Dies ist schematisch in 3 dargestellt. Eine in der Steuerschaltung Control der 1 ausgebildete Ermittlungseinheit EE beinhaltet Kenndatenfelder KD1, KD2, ..., KDn, von denen eines aufgrund eines Signals, das anzeigt, welche der ebenfalls der Ermittlungseinheit zugeführten oder darin abgespeicherten Schwellwerte S1 ... Sn oder S1' ... Sn' durch den Sekundärstrom I_Sec bzw. die Primärspannung V_Prim überschritten sind, ausgewählt wird. Alternativ kann – wie oben ausgeführt – auch nur ein Kenndatenfeld vorgesehen sein, dessen Inhalt aufgrund des Signals angepasst wird.
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Aufgrund dieser Anpassung von zumindest einem der Schwellwerte V1, V3 und V4 für die Primärspannung V_Prim, den Primärstrom I_Prim und den Sekundärstrom I_Sec ist eine gezielte Zufuhr von Energie in den Zündfunken während des Zündzeitintervalls zu bestimmten Zeitpunkten möglich, da der Beginn der Bogen- und Durchbruchphasen durch die Einstellung der Schwellwerte V1, V3 und V4 gezielt beeinflusst werden kann.
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Die Ermittlungseinheit EE kann sowohl durch einen Mikrokontroller mit darin enthaltener Software, als auch durch eine – aus Standard Logik Bausteinen bestehende – Hardware Ablaufsteuerung (State Machine) gebildet sein.
