DE102012106207B3

DE102012106207B3 - Verfahren zum Ansteuern einer Funkenstrecke, insbesondere einer Zündkerze

Info

Publication number: DE102012106207B3
Application number: DE102012106207A
Authority: DE
Inventors: Ganghua Ruan
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: US9531165B2; CN103306878A; DE102013102529A8; US20130241429A1; CN103306878B; DE102013102529B4; US10190564B2; US20170067434A1; DE102013102529A1

Abstract

Verfahren zum Ansteuern einer Zündkerze 1 in einem Verbrennungsmotor, in welchem der Zündkerze 1 eine erste Zündspule 42 und eine zweite Zündspule 43 zugeordnet sind. Ausgelöst durch ein Startsignal 24 wird die Primärwicklung 6 der ersten Zündspule 42 und mit einer Verzögerung D, für welche 0 ≤ D gilt, die Primärwicklung 7 der zweiten Zündspule 43 durch Zuführen von Gleichstrom aufgeladen, wobei während des Aufladens einer jeden Primärwicklung 6, 7 die zu ihr gehörende Sekundärwicklung 4, 5 gesperrt ist; es wird der den Primärwicklungen 6, 7 zugeführte Primärstrom gemessen; nach einer Dauer T wird die Primärwicklung 6 der ersten Zündspule 42 und mit der Verzögerung D die Primärwicklung 7 der zweiten Zündspule 43 entladen; es wird der durch die Zündkerze 1 fließende Sekundärstrom gemessen; nachfolgend werden das Aufladen der Primärwicklung 6 der ersten und der zweiten Zündspule 42 abwechselnd gestartet, wenn der Sekundärstrom eine Schwelle unterschreitet; die Primärwicklungen 6, 7 werden abwechselnd entladen, wenn der Primärstrom eine obere Schwelle erreicht; die vorstehenden Schritte werden so oft wiederholt, bis die Dauer der Entladung zwischen zwei Elektroden 1a, 1b der Zündkerze 1 einen vorgegebenen Wert Z erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Ansteuern einer Funkenstrecke in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einer Zündkerze.
Die EP 2 325 476 A1 offenbart eine Steuerung für eine Zündkerze in einem Verbrennungsmotor, welche eine Verlängerung der Dauer des Zündfunkens ermöglicht. Für diesen Zweck sind der Zündkerze zwei Zündspulen zugeordnet, welche – durch ein Steuergerät gesteuert – zeitlich versetzt arbeiten. Das Verfahren beginnt damit, dass für die Zündung der Zündkerze ein Startsignal von einer Motorsteuerung kommt, woraufhin beide Primärspulen mit der Fahrzeugbatterie bzw. mit der Lichtmaschine des Fahrzeugs verbunden und aufgeladen werden. Dies geschieht, solange das von der Motorsteuerung kommende Startsignal ansteht. Wenn dieses abfällt, werden die beiden Primärwicklungen entladen, indem Halbleiterschalter geöffnet werden, welche im Stromkreis der Primärwicklungen liegen. Die Folge davon ist, dass in den Sekundärwicklungen jeweils eine Hochspannung induziert wird, welche eine Entladung zwischen zwei Elektroden der Zündkerze nach sich zieht. In weiterer Folge werden die beiden Halbleiterschalter im Wechsel geöffnet und geschlossen, so dass immer eine der beiden Zündspulen magnetische Energie speichert, während die andere die gespeicherte Energie an die Zündkerze abgibt. Übersteigt der Primärstrom einen vorgegebenen Grenzwert, wird er durch Öffnen eines Bypasses begrenzt, so dass die Zündspulen nicht in die magnetische Sättigung gelangen. Der Bypass wird fortwährend geöffnet und geschlossen, um dadurch die in den Zündspulen gespeicherte Energie konstant zu halten. Das Umschalten der Halbleiterschalter erfolgt immer dann, wenn die Stromstärke des Sekundärstroms ein vorgegebenes Minimum unterschreitet. Dieses Minimum wird in jedem Zyklus als Funktion des maximal aufgetretenen Primärstroms neu bestimmt. Im Stromkreis jeder Sekundärwicklung liegt eine Diode, welche während des Aufladens der Primärwicklung sperrt und während des Entladens der Primärwicklung den Sekundärstrom durchlässt. Um die Diode vor einer Überlastung zu schützen, wird der zeitliche Gradient des Sekundärstroms, welcher ein Maß für die Höhe der Sekundärspannung ist, überwacht und bei Überschreiten eines bestimmten Spannungsniveaus der Zündvorgang abgebrochen. Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, dass es trotz erheblichen Steuerungsaufwands schwierig ist, an der Zündkerze stabile Verhältnisse für eine Entladung zu schaffen, die eine vorgegebene Zeitdauer anhält.
Die EP 2 479 420 A2 offenbart einen nachveröffentlichten Stand der Technik.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Zündsystem der eingangs genannten Art mit weniger Aufwand an der Funkenstrecke, insbesondere an einer Zündkerze, stabile Verhältnisse für die Erzeugung einer Entladung von vorgegebener Dauer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern einer Funkenstrecke in einem Verbrennungsmotor, in welchem der Funkenstrecke eine erste Zündspule und eine zweite Zündspule zugeordnet sind, von denen jede eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, welche induktiv miteinander gekoppelt sind, weist gemäß Anspruch 1 folgende Schritte auf:

(a) Ausgelöst durch ein Startsignal wird die Primärwicklung der ersten Zündspule und mit einer Verzögerung D, für welche 0 ≤ D gilt, die Primärwicklung der zweiten Zündspule durch Zuführen von Gleichstrom aufgeladen, wobei während des Aufladens einer jeden Primärwicklung die zu ihr gehörende Sekundärwicklung gesperrt ist. Das Startsignal wird abhängig vom gewünschten Zündzeitpunkt gegeben.
(b) Der gesamte in den Primärwicklungen fließende Primärstrom wird vorzugsweise andauernd gemessen.
(c) Nach einer Dauer T nach dem Startsignal, deren Ablauf den Zündzeitpunkt markiert, wird die Primärwicklung der ersten Zündspule schlagartig entladen und mit der Verzögerung D wird die Primärwicklung der zweiten Zündspule schlagartig entladen. Dadurch werden in den zugehörigen Sekundärwicklungen Sekundärströme induziert, welche zu einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden der Funkenstrecke führen.
(d) Der gesamte durch die Funkenstrecke fließende Sekundärstrom wird vorzugsweise andauernd gemessen.
(e) Nachfolgend werden das Aufladen der Primärwicklung der ersten Zündspule und das Aufladen der Primärwicklung der zweiten Zündspule abwechselnd immer dann gestartet, wenn der gesamte Sekundärstrom eine obere Schwelle unterschreitet; die Ladevorgänge der Primärwicklung der ersten und der zweiten Zündspule werden abgebrochen, bevor sie in die Sättigung gelangen.
(f) Die Primärwicklungen werden abwechselnd immer dann schlagartig entladen, wenn der gesamte Sekundärstrom eine untere Schwelle erreicht oder wenn der gesamte Primärstrom eine obere Schwelle erreicht.
(g) Die Schritte (e) und (f) werden so oft wiederholt, bis die Dauer der Entladung zwischen zwei Elektroden der Funkenstrecke einen vorgegebenen Wert Z erreicht.
(h) Danach bleiben beide Primärwicklungen von der Versorgung mit Gleichstrom getrennt, bis ein weiteres Startsignal auftritt und die vorstehende Schrittfolge erneut mit dem Schritt (a) beginnt.

Als Funkenstrecke kommt insbesondere eine Zündkerze in Frage. Anstelle einer Zündkerze können aber auch andere Zündvorrichtungen verwendet, werden, mit welchen in einem Verbrennungsmotor Zündfunken erzeugt werden können, z. B. eine elektrisch isoliert durch den Zylinderkopf eines Motors hindurchgeführte Elektrode, welche mit einer Zylinderwand als Masseelektrode zusammenwirkt, um eine Funkenstrecke zu bilden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zündkerzen beschrieben. Die Beschreibung gilt für andere Funkenstrecken entsprechend.
Das Startsignal, welches die erfindungsgemäße Schrittfolge auslöst, bestimmt den Zündzeitpunkt für die Zündkerze und kann zum Beispiel von einem Motorsteuergerät oder von einem Sensor ausgegeben werden, welcher auf die Stellung einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors anspricht. Ausgelöst durch das Startsignal wird die Primärwicklung der ersten Zündspule durch Zuführen von Gleichstrom aufgeladen. Damit während dieses Vorgangs in der zugehörigen Sekundärwicklung kein Sekundärstrom fließt, ist die Sekundärwicklung während des Aufladens der zugehörigen Primärwicklung gesperrt, vorzugsweise durch eine im Stromkreis der Sekundärwicklung liegende Diode. Anstelle einer Diode könnte zum Sperren der Sekundärwicklungen auch ein in deren Stromkreis liegender Halbleiterschalter verwendet werden, welcher vom Primärstrom gesteuert ist, so dass der Halbleiterschalter sperrt, solange der Primärstrom fließt.
Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Primärwicklung der zweiten Zündspule gegenüber der Primärwicklung der ersten Zündspule mit einer Verzögerung D aufgeladen, für welche 0 ≤ D gilt. Je stärker sich der erste Ladevorgang der ersten Zündspule und der erste Ladevorgang der zweiten Zündspule überlappen, desto höher wird die Stärke des gesamten Primärstroms, welcher durch Addition der durch die beiden Primärwicklungen fließenden Ströme entsteht. Vorzugsweise ist die Verzögerung D ≠ 0, das heißt, dass sich die beiden ersten Ladevorgänge nicht vollständig überlappen, sondern nur teilweise. Die Verzögerung soll aber nicht so groß gewählt werden, dass sich die beiden ersten am Beginn der erfindungsgemäßen Verfahrens ablaufenden Ladevorgänge überhaupt nicht mehr überlappen, vielmehr soll die Überlappung zu einer Erhöhung der Stärke des ersten Impulses des gesamten Primärstroms führen.
Erfindungsgemäß wird der gesamte den Primärwicklungen zugeführte Primärstrom gemessen. Das geschieht zweckmäßigerweise in der von der Gleichstromquelle kommenden Leitung an einer Stelle, bevor sich diese Leitung zu den beiden Primärwicklungen verzweigt. Wenn der Verbrennungsmotor – wie bevorzugt – ein Fahrzeug antreibt, kommen als Gleichstromquelle vor allem eine Fahrzeugbatterie oder ein Gleichstromgenerator, z. B. die Lichtmaschine des Fahrzeugs, in Frage. Die Messung der Stromstärke erfolgt zum Beispiel so, dass in der von der Gleichstromquelle kommenden Leitung ein Widerstand liegt, an welchem der vom Gleichstrom verursachte Spannungsabfall gemessen wird.
Die Primärwicklungen werden dadurch aufgeladen, dass der Strom vom positiven Pol einer Gleichstromquelle durch die Einrichtung zur Messung der Stärke des Primärstroms einerseits durch die erste Primärwicklung zum Massepol der Gleichstromquelle und andererseits durch die zweite Primärwicklung zum Massepol der Gleichstromquelle fließt. Die Stromrichtung „vom positiven Pol der Gleichstromquelle zum Massepol” ist im üblichen technischen Sprachgebrauch zu verstehen; die Elektronen fließen in die entgegengesetzte Richtung. Die Ladevorgänge der Primärwicklung der ersten und der Primärwicklung der der zweiten Zündspule werden abgebrochen, bevor die Zündspule in eine Sättigung gelangt. Vom Sättigungszustand sollte deutlich Abstand gehalten werden. Es empfiehlt sich, die Ladevorgänge spätestens dann abzubrechen, wenn 95% der Sättigungsstromstärke in den Primärwicklungen erreicht sind. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Ladevorgänge abgebrochen, solange die Stromstärke in den Primärwicklungen noch annähernd linear ansteigt. Durch die Aufladung der Primärwicklungen muss aber jedenfalls eine Energiemenge gespeichert werden, die ausreicht, um durch die nachfolgende Entladung der Zündspule zwischen zwei Elektroden der Zündkerze einen Funken zu erzeugen und die so gezündete Entladung aufrechtzuerhalten.
In der Leitung von den Primärwicklungen zum Massepol liegt vorzugsweise jeweils ein Halbleiterschalter, welcher von einem Steuergerät gesteuert wird. Während des Aufladens einer Primärwicklung ist der zugehörige Halbleiterschalter geschlossen. Der durch die Primärwicklung fließende Primärstrom, dessen Anstieg durch Selbstinduktion verlangsamt wird, führt zu einem Anwachsen der im Magnetkreis der Zündspule gespeicherten Energie, die freigesetzt wird, wenn der Primärstrom durch Öffnen des Halbleiterschalters unterbrochen und dadurch der Ladevorgang beendet wird. Aufgrund der schlagartigen Stromänderung in der Primärwicklung wird in der zugehörigen Sekundärwicklung eine hohe Sekundärspannung induziert, welche einen Sekundärstrom nach sich zieht und die gewollte elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden der Zündkerze verursacht, nämlich zwischen einer Mittelelektrode und einer in Abstand zu ihr angeordneten Masseelektrode.
Wenn T die Dauer des ersten Ladevorgangs der Primärwicklungen ist, dann soll der zeitliche Versatz D zwischen ihnen 0 < D < T sein. Vorzugsweise ist D ungefähr halb so lang wie T.
Die beiden Zündspulen werden durch die erfindungsgemäße, von den Stromstärken abhängige Steuerung zeitlich versetzt entladen. Das hat zur Folge, dass dementsprechend die Sekundärströme in den beiden Sekundärwicklungen zeitlich versetzt auftreten. Der zeitliche Versatz soll so gewählt sein, dass sich die beiden in unterschiedlichen Sekundärwicklungen auftretenden Sekundärströme einander nicht nur bei der ersten nach einem Startsignal auftretenden Entladung der beiden Primärwicklungen zeitlich überlappen, sondern auch bei den folgenden Entladevorgängen, damit in dem der Zündkerze zugeführten gesamten Sekundärstrom keine Lücke auftritt. Unter dem „gesamten Sekundärstrom” wird die durch Überlagern der Sekundärströme gebildete Summe der Sekundärströme verstanden, welche in den beiden einzelnen Sekundärwicklungen fließen. Der gesamte Sekundärstrom soll aber nicht unter eine untere Schwelle absinken, welche so hoch zu wählen ist, dass die zwischen den Elektroden der Zündkerze brennende Entladung noch nicht abreißt, wenn der gesamte Sekundärstrom diese untere Schwelle erreicht. Spätestens mit Erreichen dieser unteren Schwelle des gesamten Sekundärstroms wird deshalb auf der Primärseite jener Zündspule, deren Primärwicklung gerade aufgeladen wird, von Aufladen auf Entladen umgeschaltet und dadurch der gesamte Sekundärstrom schlagartig wieder erhöht.
Damit der gesamte Sekundärstrom überwacht werden kann, muss er gemessen werden. Zweckmäßigerweise wird er dadurch gemessen, dass in einer Leitung, welche sowohl die Sekundärwicklung der ersten Zündspule als auch die Sekundärwicklung der zweiten Zündspule mit einem Massepol verbindet, eine Strommesseinrichtung liegt, insbesondere ein Widerstand, an welchem der Spannungsabfall als Maß für die Stromstärke des gesamten Sekundärstroms gemessen wird. Der gemessene gesamte Primärstrom und der gemessene gesamte Sekundärstrom werden zweckmäßigerweise einem Steuergerät mitgeteilt, welches für beide Zündspulen die Zeitpunkte für das Umschalten von Aufladen zu Entladen und von Entladen zu Aufladen der Primärwicklung steuert.
Nachdem durch das erstmalige Aufladen und Entladen der Primärwicklung der ersten Zündspule und durch das erstmalige Aufladen und Entladen der Primärwicklung der zweiten Zündspule eine Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerze gestartet wurde, werden nachfolgend das Aufladen der Primärwicklung der ersten Zündspule und das Aufladen der Primärwicklung der zweiten Zündspule abwechselnd immer dann gestartet, wenn der gesamte Sekundärstrom eine obere Schwelle unterschreitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass während der laufenden Entladung einer jeden der beiden Primärwicklungen genügend Zeit vorhanden ist, die andere Primärwicklung so weit aufzuladen, dass die zwischen den Elektroden der Zündkerze brennende Entladung ohne Unterbrechung fortgesetzt werden kann. Das Aufladen der Primärwicklungen endet jedes Mal dann, wenn der Primärstrom eine obere Schwelle erreicht, die so gewählt ist, dass bis dahin in der betreffenden Zündspule genügend magnetische Energie gespeichert worden ist, um beim Entladen der Zündspule die zwischen den Elektroden der Zündkerze brennende Entladung unterbrechungslos fortzuführen. Das Aufladen der Primärwicklungen wird spätestens jedes Mal dann beendet, wenn der gesamte Sekundärstrom von oben her kommend eine untere Schwelle erreicht, die so gewählt ist, dass die Stromstärke des gesamten Sekundärstroms noch ausreicht, um die zwischen den Elektroden der Zündkerze brennende Entladung aufrechtzuerhalten. Spätestens beim Erreichen dieser unteren Schwelle des gesamten Sekundärstroms wird die gerade aufgeladene Primärwicklung von Aufladen auf Entladen umgeschaltet, wodurch der gesamte Sekundärstrom sprunghaft wieder bis über seine obere vorgegebene Schwelle ansteigt.
Das beschriebene Wechselspiel zwischen den beiden Zündspulen wird fortgesetzt, bis eine vorgewählte Dauer, während welcher die Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerze brennen soll, abgelaufen ist. Diese Dauer wird hier als Zünddauer bezeichnet Die beiden Zündspulen werden dann von der Gleichstromversorgung getrennt, so dass die zwischen den Elektroden der Zündkerze brennende Entladung erlischt. Mit dem Auftreten des nächsten Startsignals, das von einer Motorsteuerung kommen kann, beginnt erneut ein Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In jedem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors gibt es für jede Zündkerze einen vollständigen Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Arbeitszyklus besteht bei einem Viertaktmotor aus vier, bei einem Zweitaktmotor aus zwei aufeinanderfolgenden Takten.
Die Schwellenwerte für den Primärstrom und für den Sekundärstrom können für jeden Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gleich bleiben oder verändert werden. Die untere Schwelle des Sekundärstroms kann für jeden Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gleich bleiben; das ist bevorzugt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist die obere Schwelle für den Primärstrom veränderlich. Sie kann in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch ein Motorsteuergerät veränderlich vorgegeben werden. Dadurch lassen sich z. B. abhängig von der Motorlast und/oder von der Motordrehzahl und/oder von der Kühlwassertemperatur und/oder von der Zusammensetzung des Abgases, für welche das Ausgangssignal einer Lambda-Sonde im Abgasstrang ein brauchbarer Parameter ist, der Brennstoffverbrauch des Motors und der Schadstoffausstoß des Motors optimieren.
Die obere Schwelle des gesamten Primärstroms kann innerhalb eines Durchlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens, solange eine Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerze brennt, stufenweise oder stufenlos verändert werden; wenn eine Veränderung der oberen Schwelle des gesamten Primärstroms erfolgen soll, wird die Schwelle vorzugsweise zwischen zwei aufeinander folgenden Durchläufen des erfindungsgemäßen Verfahrens verändert.
Die obere Schwelle des gesamten Sekundärstroms kann zur Optimierung des Brennstoffverbrauchs und des Schadstoffausstoßes des Motors in entsprechender Weise wie die obere Schwelle des Primärstroms verändert werden.
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:

• Es genügt, für das Steuern des Zündvorgangs lediglich Schwellenwerte für den gesamten Primärstrom und für den gesamten Sekundärstrom festzulegen und die Zeitpunkte für das Aufladen und Entladen der Primärwicklungen allein durch das Erreichen von zwei Schwellenwerten festzulegen, nämlich durch das Erreichen einer oberen Schwelle des gesamten Primärstroms und durch das Erreichen einer oberen Schwelle des gesamten Sekundärstroms von oben her. Das Erreichen der unteren Schwelle des gesamten Sekundärstroms ist lediglich eine vorteilhafte Option, um sicherzustellen, daß in der zwischen den Elektroden der Zündkerze brennenden Entladung innerhalb der gewünschten Zünddauer keine Lücke auftritt.
• Die Steuerung des Zündvorgangs gestaltet sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenso einfach wie eine Zweipunktregelung.
• Es ist keine Überwachung der Sekundärspannung erforderlich.
• Es müssen keine Zeitintervalle vorgegeben werden.
• Abgesehen vom ersten Aufladebeginn der beiden Zündspulen erfolgt deren Steuerung während der gewünschten Zünddauer auf der Grundlage einer Stromüberwachung. Auf diese Weise wird unabhängig von etwaigen Spannungsschwankungen und ungleichen Stromanstiegs- und Stromabfallgeschwindigkeiten während der gewünschten Zünddauer ein kontinuierlicher und stabiler Funke erreicht. Durch Anwendung der Erfindung wird ein Selbstregeleffekt erzielt.
• Trotz eines geringeren Steueraufwands als im Stand der Technik werden stabilere Verhältnisse für eine zwischen den Elektroden der Zündkerze brennende Entladung erreicht, die für eine vorgebbare Dauer aufrechterhalten werden kann.
• Durch Verändern der oberen Schwellenwerte für den gesamten Primärstrom und/oder für den gesamten Sekundärstrom lässt sich die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors abhängig vom Motorzustand insbesondere hinsichtlich Brennstoffverbrauch, Schadstoffausstoß und Leistungsabgabe optimieren.
• Durch die Wahl der Schwellenwerte lässt sich nicht nur der über die Zündkerze fließende maximale Zündstrom einstellen, sondern auch der effektive, gemittelte Zündstrom. Das erlaubt es, die Lebensdauer der Zündkerze zu optimieren.
• Durch die Wahl der Schwellenwerte lässt sich die Energie einstellen, welche durch die zwischen den Elektroden der Zündkerze ablaufende Entladung freigesetzt wird. Das liefert einen Beitrag zur Optimierung der Zündung des Luft-Brennstoffgemisches, des Brennstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen.
• Die Zünddauer ist weitgehend beliebig einstellbar.

Das Verfahren gemäß dem Anspruch 2 unterscheidet sich vom Verfahren nach Anspruch 1 lediglich darin, dass anstelle des gesamten Primärstroms und des gesamten Sekundärstroms dessen Bestandteile, nämlich die in den beiden einzelnen Primärwicklungen und in den beiden einzelnen Sekundärwicklungen fließenden Ströme auf das Erreichen von Schwellenwerten überwacht und mit deren Hilfe die Zündvorgänge gesteuert werden. Man erhält praktisch den gleichen Zündstromverlauf und nahezu die gleichen Vorteile wie im Falle des Anspruchs 1.
Es ist auch möglich, die beiden Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2 miteinander zu kombinieren, indem entweder der gesamte Primärstrom und die einzelnen Sekundärströme oder die einzelnen Primärströme und der gesamte Sekundärstrom überwacht werden.
Die Erfindung lässt sich übertragen auf das abgestimmte Arbeiten mit mehr als zwei Zündspulen pro Zündkerze, welche zyklisch vertauscht ihren Beitrag zu einem Zündstrom liefern, welcher während der gewünschten Zünddauer lückenlos fließt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung steuern zwei Zündspulen nicht nur eine, sondern zwei Zündkerzen an und bringen sie gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig zum Zünden. Die zwei Zündkerzen werden so ausgewählt, dass sie einem Paar von zwei Zylindern eines Ottomotors mit einer geraden Anzahl von Zylindern angehören. Die Zylinder des Otto-Motors werden paarweise einem paar Zündspulen so zugeordnet, dass sich von den zwei Zylindern eines Paares stets ein Zylinder im Ausstoßtakt befindet, wenn sich der andere Zylinder des Paares gerade in seinem Verdichtungstakt befindet. Die beiden Zündkerzen werden parallel geschaltet. Wenn die eine Zündkerze im Verdichtungstakt zündet, dann zündet die andere Zündkerze im Ausstoßtakt, und im nächsten Motorzyklus ist es umgekehrt.
Diese Weiterbildung der Erfindung eignet sich besonders für Viertaktmotoren. Sie hat den Vorteil, dass sie mit der halben Anzahl von Zündspulen auskommt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Zündkerzen als Funkenstrecken werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin ist
1 eine erste Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Satz von Diagrammen, in welchen in der Schaltungsanordnung gemäß 1 auftretende Stromverläufe in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind,
3 ein Ablaufdiagramm der in der Schaltungsanordnung gemäß 1 ablaufenden Verfahrensschritte,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 ein Satz von Diagrammen, in welchen in der Schaltungsanordnung gemäß 4 auftretende Stromverläufe in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind,
6 ein Ablaufdiagramm der in der Schaltungsanordnung gemäß 4 ablaufenden Verfahrensschritte, und
7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Für andere Funkenstrecken als Zündkerzen gilt die folgende Beschreibung entsprechend.
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat eine Funkenstrecke 1, z. B eine Zündkerze, mit einer Mittelelektrode 1a und einer Masseelektrode 1b. Zur Versorgung der Zündkerze 1 mit der erforderlichen Hochspannung sind zwei Zündspulen 42 und 43 vorgesehen. Die Zündspule 42 hat eine Primärwicklung 6 und eine mit ihr induktiv gekoppelte Sekundärwicklung 4. Die Zündspule 43 hat eine Primärwicklung 7 und eine induktiv mit ihr gekoppelte Sekundärwicklung 5. Ein Magnetkern, welcher die Primärwicklung 6 und die Sekundärwicklung 4 miteinander koppelt, sowie ein Magnetkern, welcher die Primärwicklung 7 mit der Sekundärwicklung 5 koppelt, sind aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt. Die Sekundärwicklung 4 liegt zusammen mit der Zündkerze 1 in einem ersten Sekundärstromkreis. Die Sekundärwicklung 5 liegt zusammen mit der Zündkerze 1 in einem zweiten Sekundärstromskreis. Die beiden Sekundärstromkreise sind parallel geschaltet und enthalten beide eine Diode 2, welche den Stromfluss in Richtung von der Mittelelektrode 1a über die Sekundärwicklung 4 bzw. 5 zu einem Massepol sperrt. Zur Messung der Stromstärke des gesamten Sekundärstroms, der in den beiden Sekundärstromkreisen zusammengenommen fließt, ist eine Messeinrichtung 3 vorgesehen, welche über eine Leitung 14 mit einem Steuergerät 15 verbunden ist. Das Steuergerät kann als wesentliches Bauelement einen Mikrocontroller, ein CPLD (= Complex Programmable Logic Device), ein FPGA (= Field Programmable Gate Array) oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) enthalten. Über die Leitung 14 wird ein Messsignal, welches ein Maß für die Stärke des gemessenen gesamten Sekundärstroms ist, dem Steuergerät 15 zugeführt.
Die beiden Primärwicklungen 6 und 7 sind in Parallelschaltung mit einer Gleichstromquelle Vcc verbunden. In der Zuleitung, welche die Gleichstromquelle Vcc mit beiden Primärwicklungen 6 und 7 verbindet, liegt eine Einrichtung 10 zur Messung der Stärke des gesamten Primärstroms, das ist die Stärke des Stroms, der zusammengenommen durch die beiden Primärwicklungen 6 und 7 fließt. Die Messeinrichtung 10 ist über eine Leitung 13 mit dem Steuergerät 15 verbunden. Über die Leitung 13 wird ein Messsignal an das Steuergerät 15 übermittelt, welches ein Maß für die Stärke des gesamten Primärstroms ist.
In jedem der beiden parallel geschalteten Primärstromkreise liegt ein steuerbarer Schalter, insbesondere ein Halbleiterschalter 8 und ein Halbleiterschalter 9. Der Halbleiterschalter 8 ist durch eine Steuerleitung 11 mit dem Steuergerät 15 verbunden. Der Halbleiterschalter 9 ist durch eine Steuerleitung 12 mit dem Steuergerät 15 verbunden.
Am Beginn des Verfahrens werden die Primärwicklungen 6 und 7 bei geschlossenen Halbleiterschaltern 8 und 9 mit Gleichstrom aus der Gleichstromquelle Vcc aufgeladen. Die Dioden 2 sind so geschaltet, dass die Sekundärwicklungen 4 und 5 beim Aufladen der Primärwicklungen 6 und 7 gesperrt sind. Wird der Halbleiterschalter 8 geöffnet, entsteht aufgrund einer schlagartigen Stromänderung in der Primärwicklung 6 eine sehr hohe Spannung in der Sekundärwicklung 4, die einen sekundären Gleichstrom nach sich zieht, der in Durchlassrichtung der Diode 2 im Sekundärstromkreis fließt. Sobald die hohe Spannung die Durchschlagsfestigkeit des Luft-Brennstoff-Gemisches zwischen den Zündkerzenelektroden 1a und 1b überschreitet, findet zwischen diesen eine Entladung statt. Damit nicht nur kurzzeitig ein Funken zwischen den Elektroden 1a und 1b überschlägt, werden die beiden Zündspulen 42 und 43 so gesteuert, dass sie im Gegentakt arbeiten. Bevor die durch Öffnen des Halbleiterschalters 8 verursachte Entladung zwischen den Elektroden 1a und 1b abreißt, wird der Halbleiterschalter 9 geöffnet und der Halbleiterschalter 8 geschlossen, so dass die Zündkerze mit weiterer Energie aus der Zündspule 43 versorgt wird, während gleichzeitig in der Zündspule 42 ein weiterer Aufladevorgang stattfindet. Dieses Wechselspiel wird fortgesetzt, bis die Entladung zwischen den Elektroden 1a Öffnen beider Halbleiterschalter 8 und 9 beendet.
Das dabei ablaufende Verfahren wird anhand der 2 und 3 detailliert beschrieben:
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einem Startsignal 24 gestartet. Bei dem Startsignal 24 kann es sich um einen Rechteckimpuls der Dauer T handeln, dessen ansteigende Flanke das Steuergerät 15 veranlasst, den Halbleiterschalter 8 zu schließen, siehe in 2 das erste Diagramm. Die Folge davon ist, dass durch die Primärwicklung 6 ein Strom 26 mit ansteigender Stromstärke fließt, wie es im zweiten Diagramm der 2 dargestellt ist. Der Strom 26 durch die Primärwicklung 6 steigt annähernd linear an und wird mit Ablauf der Zeitspanne T durch Öffnen des Halbleiterschalters 8 unterbrochen, bevor die Primärwicklung 6 in die Sättigung gelangt.
Mit einer Zeitverzögerung D nach dem Schließen des Halbleiterschalters 8, welche vorzugsweise ungefähr der halben Zeitspanne T entspricht, wird der Halbleiterschalter 9 geschlossen, so dass in der Primärwicklung 7 ein Strom 27 mit ansteigender Stromstärke zu fließen beginnt, wie es im dritten Diagramm der 2 dargestellt ist.
Die durch die beiden Primärwicklungen 6 und 7 fließenden Primärströme 26 und 27 addieren sich in der Zuleitung, in welcher die Strommesseinrichtung 10 liegt, zu einem gesamten Primärstrom 28, dessen Verlauf in dem vierten Diagramm von 2 dargestellt ist. Während der mit dem Startsignal 24 beginnende Primärstrom 26 in der Primärwicklung 6 für eine vorgegebene Dauer T fließt, bis der Halbleiterschalter 8 geöffnet wird, fließt der Strom 27 in der Primärwicklung 7 höchstens so lange, bis er eine vorgegebene obere Schwelle 34 erreicht oder bis der gesamte Sekundärstrom 31 die untere Schwelle 36 unterschreitet, siehe das vierte Diagramm in 2. Mit Erreichen der oberen Schwelle 34 des gesamten Primärstroms 28 oder Unterschreiten der unteren Schwelle 36 des gesamten Sekundärstroms 31 wird der Halbleiterschalter 9 geöffnet, so dass sich der Stromfluss durch die Primärwicklung 7 schlagartig ändert und eine hohe Spannung in der Sekundärwicklung 5 induziert. Der in der Sekundärwicklung 4 nach Unterbrechen des Primärstroms 26 fließende Sekundärstrom 29 ist im fünften Diagramm von 2 dargestellt. Der Sekundärstrom 30, welcher nach Unterbrechen des Primärstroms 27 in der Sekundärwicklung 5 fließt, ist im sechsten Diagramm von 2 dargestellt. Man sieht, dass sich die durch die beiden Sekundärwicklungen 4 und 5 fließenden Sekundärströme 29 und 30 im Stromkreis der Zündkerze überlagern und so überlappen, dass sich ein lückenloser Stromfluss 31 ergibt, wie er im letzten Diagramm von 2 dargestellt ist. Das ist eine Voraussetzung dafür, dass zwischen den Elektroden 1a und 1b der Zündkerze eine Entladung brennt, die so lange andauert, wie der gesamte Sekundärstrom 31 lückenlos fließt. Es ist eine weitere Voraussetzung für eine nicht unterbrochene Entladung zwischen den Elektroden 1a und 1b, dass der gesamte sekundäre Stromfluss 31 nicht unter eine untere Schwelle 36 absinkt. Die untere Schwelle 36 wird so gelegt, dass die Entladung zwischen den Elektroden 1a und 1b der Zündkerze weiterbrennt, solange die Stromstärke die untere Schwelle 36 nicht unterschreitet. Bei Erreichen der unteren Schwelle 36 wird durch Schließen des Halbleiterschalters 9 die zweite Zündspule 43 entladen. Sollte der die zweite Zündspule 43 ladende Primärstrom 27 die obere Schwelle 34 schon vorher erreichen, wird bereits dann die Entladung der zweiten Zündspule 43 ausgelöst.
Wird die obere Schwelle 34 des gesamten Primärstroms 28 nach Ablauf der Zeitspanne T erstmals erreicht, wird vom Steuergerät 15 ein Steuersignal an den Halbleiterschalter 9 übermittelt, welches diesen öffnet, woraufhin in der Sekundärwicklung 5 eine hohe Spannung induziert wird, die den gesamten Sekundärstrom 31 bis über eine vorgegebene obere Schwelle 35 ansteigen lässt, siehe das untere Diagramm in 2. Der gesamte Sekundärstrom 31 fällt danach annähernd linear ab und erreicht von oben her die obere Schwelle 35, woraufhin das Steuergerät 15 den Halbleiterschalter 8 schließt. Das führt dazu, dass der Sekundärstrom 29 durch die Sekundärwicklung 4 schlagartig auf den Wert Null abfällt und statt dessen die Primärwicklung 6 aufgeladen wird, was an dem ansteigenden Primärstrom 26, siehe den zweiten Primärstromimpuls im zweiten Diagramm von 2, abzulesen ist. Der Anstieg des Primärstroms 26 beginnt jetzt nicht bei Null, sondern bei einem Sockelwert, weil der Halbleiterschalter 8 geschlossen wurde, bevor der Entladevorgang an der Zündspule 31 beendet war. Während die Primärwicklung 6 ein zweites Mal aufgeladen wird, findet an der Primärwicklung 7 kein Aufladevorgang statt. Der gesamte Primärstrom 28 ist jetzt der durch die Primärwicklung 6 fließende Strom. Sobald dieser seine obere Schwelle 34 erreicht, wird der Halbleiterschalter 8 wieder geöffnet, wodurch in der Sekundärwicklung 4 ein weiteres Mal ein Sekundärstrom 29 entsteht, siehe das Diagramm 5 von 2, was zu einem erneuten steilen Anstieg des gesamten Sekundärstroms 31 bis über die obere Schwelle 35 hinaus führt, siehe das letzte Diagramm in 2. Wenn danach die Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 von oben her die obere Schwelle 35 erreicht, wird der Halbleiterschalter 9 geschlossen mit der Folge, dass nun die teilentladene Primärwicklung 7 ein weiteres Mal aufgeladen wird, bis die Stärke des Primärstroms 27 die obere Schwelle 34 erreicht und der Halbleiterschalter 9 wieder geöffnet wird, was durch Induktion zu einem Sekundärstrom 30 in der Sekundärwicklung 5 und damit zu einem weiteren steilen Anstieg der Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 bis über die obere Schwelle 35 hinaus führt. Dieses Wechselspiel setzt sich fort: Jedes Mal, wenn die Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 von oben her die obere Schwelle 35 erreicht, wird abwechselnd der Halbleiterschalter 8 geschlossen oder der Halbleiterschalter 9 geschlossen, und wenn danach die Stärke des gesamten Primärstroms 28 ihre obere Schwelle 34 erreicht, wird derselbe Halbleiterschalter wieder geöffnet.
Sollte aus irgendeinem Grund die Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 die untere Schwelle 36 erreichen, bevor die Stärke des gesamten Primärstroms 28 die obere Schwelle 34 erreicht hat, wird auf jeden Fall der vorher geschlossene Halbleiterschalter geöffnet und dadurch die Zündkerze mit einem weiteren Stromstoß versorgt, damit die zwischen den Elektroden 1a und 1b brennende Entladung nicht abreißt.
Das Wechselspiel wird so lange fortgeführt, bis die zwischen den Elektroden 1a und 1b brennende Entladung eine vorgegebene Dauer, die Zünddauer Z, erreicht hat. Ist das der Fall, werden durch das Steuergerät 15 beide Halbleiterschalter 8 und 9 offengehalten, so dass sich die beiden Zündspulen 42 und 43 vollständig entladen können und die Entladung zwischen den beiden Zündkerzenelektroden 1a und 1b abreißt.
Der beschriebene Verfahrensablauf wird in jedem Zyklus des Verbrennungsmotors einmal durchlaufen, nachdem er durch ein Startsignal 24 gestartet wurde, welches üblicherweise von einem Motorsteuergerät geliefert wird und den Zündzeitpunkt für die Zündkerze 1 festlegt.
3 zeigt das anhand der 2 beschriebene Verfahren in einem Ablaufdiagramm. Es beginnt mit einer Initialisierung, z. B. durch das Umdrehen des Zündschlüssels im Fahrzeug zum Einschalten der Zündung. Das Steuergerät 15 wartet dann auf ein Startsignal 24. Wurde die positive Flanke des Startsignals 24 erkannt, wird die Primärwicklung 6 aufgeladen. Danach wartet das Steuergerät 15 auf den Ablauf der Zeitverzögerung D. Ist die Zeit D abgelaufen, veranlasst das Steuergerät 15 das Schließen des Halbleiterschalters 9. Danach wird auf den Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne T gewartet, die im Beispiel der 2 durch die abfallende Flanke des Startsignals 24 vorgegeben ist. Wurde die abfallende (negative) Flanke des Startsignals 24 erkannt, wird die Primärwicklung 6 entladen, bis die Stärke des gesamten Primärstroms 28 ihre obere Schwelle 34 erreicht hat, spätestens aber bis die Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 ihre untere Schwelle 36 erreicht hat. Ist eines von beiden der Fall, öffnet das Steuergerät 15 den Halbleiterschalter 9, so dass sich die Primärwicklung 7 bzw. die Zündspule 43 teilweise entladen kann. Der Entladevorgang wird anhand des gesamten Sekundärstroms 31 überwacht und, sobald dessen Stärke die obere Schwelle 35 unterschreitet, wird der Halbleiterschalter 8 geschlossen und die Primärwicklung 6 aufgeladen, bis die Stärke des gesamten Primärstroms 28 ihre obere Schwelle 34 erreicht, höchstens aber bis die Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 ihre untere Schwelle 36 erreicht. Dann wird der Halbleiterschalter 8 wieder geöffnet und die Primärwicklung 6 bzw. die Zündspule 31 teilweise entladen, bis der gesamte Sekundärstrom 31 von oben her seine obere Schwelle 35 erreicht. Dann wird der Halbleiterschalter 9 wieder geschlossen, um die Primärwicklung 7 aufzuladen, bis die Stärke des gesamten Primärstroms 28 wieder ihre obere Schwelle 34 erreicht, spätestens bis die Stärke des gesamten Sekundärstroms 31 von oben her ihre untere Schwelle 36 erreicht.
Die im rechten Kasten von 3 zusammengefasste Schrittfolge wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Zünddauer Z erreicht ist, das ist die Dauer, für die die Entladung zwischen den beiden Zündkerzenelektroden 1a und 1b brennt. Ist diese Zünddauer Z erreicht, hält das Steuergerät 15 die beiden Halbleiterschalter 8 und 9 offen, bis z. B. von einem Motorsteuergerät ein weiteres Startsignal 24 übermittelt wird. Dann beginnt das erfindungsgemäße Verfahren einen weiteren Durchlauf. Das Startsignal 24 ist, wie in 2 dargestellt, vorzugsweise ein TTL-Impuls, kann aber auch z. B. eine Nachricht sein, welche eine Information über den Aufladebeginn, den Entladebeginn und die Aufladedauer der jeweiligen Zündspule enthält.
Während im Ausführungsbeispiel gemäß 1 den beiden Zündspulen 42 und 43 eine gemeinsame Messeinrichtung 10 für das Messen des gesamten Primärstroms 28 und eine gemeinsame Messeinrichtung 3 für das Messen des gesamten Sekundärstroms 31 zugeordnet ist, ist im Ausführungsbeispiel gemäß 4 jeder der beiden Zündspulen 42 und 43 eine eigene Messeinrichtung 16 bzw. 18 für das Messen ihres Primärstroms 26 bzw. 27 und eine eigene Messeinrichtung 17 bzw. 19 für das Messen ihres Sekundärstroms 29 bzw. 30 zugeordnet. Alle vier Messeinrichtungen 16 bis 19 sind mit einer eigenen Leitung 20, 21, 22 bzw. 23 für die Strommesssignale mit dem Steuergerät 15 verbunden. Da in diesem Fall vier Strommesswerte gewonnen werden, werden diese getrennt mit Schwellenwerten verglichen, wie es in 5 dargestellt ist, nämlich der Primärstrom 26 durch die Primärwicklung 6 wird mit einer oberen Schwelle 38 verglichen und der Primärstrom 27 durch die Primärwicklung 7 wird mit einer oberen Schwelle 39 verglichen. Die beiden Schwellen 38 und 39 sind zweckmäßigerweise gleich gewählt. Der Sekundärstrom 29 durch die Sekundärwicklung 4 wird mit einer Schwelle 40 verglichen, welche an die Stelle der oberen Schwelle 35 des gesamten Sekundärstroms 31 in 2 tritt. Der Sekundärstrom 30 durch die Sekundärwicklung 5 wird mit einer Schwelle 41 verglichen, welche ebenfalls an die Stelle der oberen Schwelle 35 in 2 tritt.
Das abgewandelte Verfahren führt zum gleichen Ergebnis wie das Verfahren im ersten Ausführungsbeispiel, was man am unteren Diagramm der 5 sieht, welches den Verlauf des gesamten Sekundärstroms 31 darstellt. Diese Darstellung in 5 stimmt mit dem unteren Diagramm in 2 überein.
Das in der Schaltungsanordnung gemäß 4 ablaufende Verfahren wird nachfolgend anhand des in 6 dargestellten Ablaufdiagramms erläutert: Vergleicht man die 3 und 6, stellt man fest, dass die Schritte in der linken Spalte von 6 mit den Schritten in der linken Spalte von 3 praktisch übereinstimmen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass beim Entladen der Primärwicklungen 6 und 7 bzw. der Zündspulen 42 und 43 keine untere Schwelle 36 des gesamten Sekundärstroms 31 überwacht werden muss. Die untere Schwelle 36 des gesamten Sekundärstroms wird vorzugsweise benutzt, um einen lückenlosen gesamten Sekundärstrom 31 sicherzustellen. In der in 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jeweils noch eine zusätzliche Schwelle für die beiden einzelnen Sekundärströme 29 und 39 (Sekundärströme 1 und 2) festgelegt werden, welche zweckmäßig oberhalb der unteren Schwellen 40 und 41 der Sekundärströme 29 und 30 liegen. An die Stelle der Überwachung der oberen Schwelle 34 der Stärke des gesamten Primärstroms 28 in 3 tritt in 6 die Überwachung der oberen Schwelle 39 für die Stärke des durch die Primärwicklung 7 fließenden Primärstroms 27. Sobald diese Schwelle 39 erreicht wird, wird die Primärwicklung 7 bzw. die Zündspule 43 durch Öffnen des Halbleiterschalters 8 teilweise entladen. Währenddessen wird überwacht, ob die Stärke des Sekundärstroms 29 durch die Sekundärwicklung 4 ihre Schwelle 40 erreicht. Ist das der Fall, wird der Halbleiterschalter 8 geschlossen und dadurch die Entladung der Zündspule 42 beendet und deren erneute Aufladung gestartet. Erreicht die Stärke des durch die Primärwicklung 6 fließende Primärstroms 26 ihre obere Schwelle 38, wird die Zündspule 42 und mit ihr die Primärwicklung 6 durch Öffnen des Halbleiterschalters 8 teilweise entladen. Währenddessen wird der durch die Sekundärwicklung 5 fließende Sekundärstrom 30 daraufhin überwacht, ob seine Stärke die untere Schwelle 41 erreicht. Ist das der Fall, wird der Halbleiterschalter 9 wieder geschlossen, dadurch die Entladung der Zündspule 43 beendet und statt dessen ihre erneute Aufladung begonnen. Hat die Stärke des durch die Primärwicklung 7 der zweiten Zündspule 43 fließenden Primärstroms 27 ihre obere Schwelle 39 erreicht, wird ein weiteres Mal der Halbleiterschalter 9 geöffnet und die teilweise Entladung der zweiten Zündspule 43 begonnen. Dieses Wechselspiel der Schritte, die in der rechten Spalte der 6 dargestellt sind, wird so lange fortgesetzt, bis die zwischen den Elektroden 1a und 1b der Zündkerze 1 brennende Entladung die gewünschte Zünddauer Z erreicht hat. Ist das der Fall, hält das Steuergerät 7 beide Halbleiterschalter 8 und 9 offen, so dass sich beide Zündspulen 42 und 43 entladen können. Das Steuergerät 15 wartet nun auf das Auftreten eines nächsten Startsignals 24, um das erfindungsgemäße Verfahren erneut zu beginnen.
Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass die Schaltungsanordnung nicht nur eine Zündkerze, sondern zwei Zündkerzen 1 und 25 ansteuert und zündet. Zu diesem Zweck sind die beiden Zündkerzen 1 und 25 parallel geschaltet.
Mit der in 7 dargestellten Schaltungsanordnung wird wie folgt gearbeitet:
Zunächst werden die Primärwicklungen 6 und 7 bei geschlossenen Schaltern 8 und 9 mit Gleichstrom aus der Gleichstromquelle Vcc aufgeladen. Die Dioden 2 sind so geschaltet, dass die Sekundärwicklungen 4 und 5 beim Aufladen der Primärwicklungen 6 und 7 sperren. Wenn dann der Schalter 8 geöffnet wird, entsteht aufgrund einer in der Primärwicklung 6 schlagartig auftretenden Stromänderung in der Sekundärwicklung 4 eine sehr hohe Spannung, die einen sekundären Gleichstrom nach sich zieht, der im Sekundärkreis der Zündspule 42 in Durchlassrichtung der Diode 2 fließt.
7 zeigt, dass im Sekundärkreis der Zündspule 42 nicht nur die Zündkerze 1 liegt, sondern auch die Zündkerze 25, welche in Reihe mit der Zündkerze 1 geschaltet ist. Sobald die durch das Entladen der Zündspule 42 erzeugte hohe Spannung im Sekundärkreis die Durchschlagsfestigkeit des Gasgemisches zwischen den Zündkerzenelektroden 1a und 1b sowie zwischen den Zündkerzenelektroden 25a und 25b überschreitet, findet zwischen diesen eine Entladung statt. Damit nicht nur kurzzeitig ein Funken zwischen den Elektroden 1a und 1b bzw. zwischen den Elektroden 25a und 25b überschlägt, sind die beiden Zündspulen 42 und 43 so gesteuert, dass sie im Gegentakt arbeiten: Bevor die durch Öffnen des Schalters 11 verursachte Entladung zwischen den Zündkerzenelektroden 1a und 1b bzw. 25a und 25b abreißt, werden der Schalter 9 geöffnet und der Schalter 8 geschlossen, so dass die Zündkerzen 1 und 25 nun aus der Zündspule 43 mit weiterer Energie versorgt werden, während gleichzeitig die Zündspule 42 ein weiteres Mal aufgeladen wird. Dieses Wechselspiel wird fortgesetzt, bis die Entladung zwischen den Elektroden 1a und 1b der Zündkerze 1 bzw. zwischen den Elektroden 25a und 25b der Zündkerze 25 eine vorgegebene Dauer erreicht hat, und wird dann durch Öffnen der beiden Schalter 8 und 9 beendet.
Da die beiden Zylinder des Otto-Motors, in denen sich die Zündkerzen 1 und 25 befinden, so ausgewählt sind, dass dann, wenn sich der eine Zylinder im Verdichtungstakt befindet, der andere Zylinder sich gerade im Ausstoßtakt befindet, dient von den beiden Entladungsvorgängen, die gleichzeitig an den beiden Zündkerzen 1 und 25 ablaufen, nur ein Entladungsvorgang zur Zündung eines verdichteten Brennstoff-/Luft-Gemisches.
Während im Zylinder mit der Zündkerze 1 im Verdichtungstakt eine Funkenentladung stattfindet, die zur Zündung des Brennstoff-/Luft-Gemisches führt, befindet sich der andere Zylinder mit der Zündkerze 25 in seinem Ausstoßtakt; das beim Ausstoßtakt im Zylinder mit der Zündkerze 25 vorhandene Abgas steht unter einem viel niedrigeren Druck als das Brennstoff-Luft-Gemisch im Verdichtungstakt. Da die Zündspannung druckabhängig ist, fällt an der Zündkerze, an welcher im Ausstoßtakt eine Entladung stattfindet, eine wesentlich geringere Zündspannung ab als an der Zündkerze in jenem Zylinder, der sich gerade in seinem Verdichtungstakt befindet. Infolge dessen wird für den im Abgas zündenden Zündfunken wesentlich weniger Energie verbraucht als für den im verdichteten, noch unverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisch entstehenden Zündfunken. Deshalb steht für die Zündung des noch unverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisches der überwiegende Teil der von den zwei Zündspulen 42 und 43 eines Zylinderpaares gelieferten Zündenergie zur Verfügung, und das ist ein Vorteil.
Obwohl in der erfindungsgemäßen Zündanlage gemäß 7 zwischen den Elektroden der Zündkerzen doppelt so häufig ein Zündfunke auftritt wie im Ausführungsbeispiel der 1, wirkt sich das nicht nachteilig oder nur unwesentlich auf die Lebensdauer der Zündkerzen aus, weil die für den Abbrand der Zündelektroden verantwortliche Energie des Zündfunkens bei jeder zweiten Entladung, nämlich bei den im Ausstoßtakt auftretenden Funken, sehr viel kleiner ist als bei einem im Verdichtungstakt auftretenden Zündfunken.
Durch das abwechselnde Entladen der beiden Zündspulen 42 und 43 wird in dem anhand der 1 erläuterten Verfahren an den Zündkerzen 1 und 25 ein kontinuierlicher Zündfunke erzeugt, der so lange andauert, bis die Ansteuerung der Zündspulen 42 und 43, d. h. das abwechselnde Verbinden ihrer Primärwicklungen 6 und 7 mit der Gleichstromquelle Vcc, beendet wird. Die Schalter 8 und 9 sind so gesteuert, dass in der Überlagerung der Folge der in den Sekundärwicklungen 4 und 5 erzeugten sekundären Stromimpulse keine Lücke auftritt. Das heißt, dass die abwechselnd in der einen Sekundärwicklung 4 und in der anderen Sekundärwicklung 5 auftretenden sekundären Stromimpulse lückenlos aneinander anschließen oder einander überlappen. Das Verfahren kann aber auch so abgewandelt werden, dass in der Überlagerung der in den Sekundärwicklungen 4 und 5 erzeugten sekundären Stromimpulse Lücken auftreten. Anstelle eines verlängerten Zündimpulses erhält man dann in jedem Motorzyklus in jedem Zylinder eine Folge von Zündimpulsen, welche gemeinsam für eine erhöhte Zündenergie und damit für eine verbesserte Zündung sorgen.
Bezugszeichenliste

1: Zündkerze, Funkenstrecke
1a: Mittelelektrode
1b: Masseelektrode
2: Diode
3: Einrichtung zur Messung des gesamten Sekundärstroms
4: Sekundärwicklung
5: Sekundärwicklung
6: Primärwicklung
7: Primärwicklung
8: Halbleiterschalter für Primärwicklung 6
9: Halbleiterschalter für Primärwicklung 7
10: Einrichtung zur Messung des gesamten Primärstroms
11: Steuerleitung für Halbleiterschalter 8
12: Steuerleitung für Halbleiterschalter 9
13: Messsignal des gesamten Primärstroms
14: Messsignal des gesamten Sekundärstroms
15: Steuergerät
16: Einrichtung zur Messung des Primärstroms in der Primärwicklung 6
17: Einrichtung zur Messung des Sekundärstroms in der Sekundärwicklung 4
18: Einrichtung zur Messung des Primärstroms in der Primärwicklung 7
19: Einrichtung zur Messung des Sekundärstroms in der Sekundärwicklung 5
20: Leitung für Messsignal des Primärstroms gemäß Ziffer 16
21: Leitung für Messsignal des Sekundärstroms gemäß Ziffer 17
22: Leitung für Messsignal des Primärstroms gemäß Ziffer 18
23: Leitung für Messsignal des Sekundärstroms gemäß Ziffer 19
24: Startsignal
25: Zündkerze, Funkenstrecke
25a: Mittelelektrode der Zündkerze 25
25b: Masseelektrode der Zündkerze 25
26: Strom durch die Primärwicklung 6, Primärstrom 1
27: Strom durch die Primärwicklung 7, Primärstrom 2
28: gesamter Primärstrom (Primärstrom 1 + Primärstrom 2)
29: Strom durch die Sekundärwicklung 4, Sekundärstrom 1
30: Strom durch die Sekundärwicklung 5, Sekundärstrom 2
31: gesamter Sekundärstrom (Sekundärstrom 1 + Sekundärstrom 2)
33: Maximaler Wert der Stärke des gesamten Primärstroms
34: Obere Schwelle der Stärke des gesamten Primärstroms
35: Obere Schwelle der Stärke des gesamten Sekundärstroms
36: Untere Schwelle der Stärke des gesamten Sekundärstroms
37: Maximaler Primärstrom in der Primärwicklung 6
38: Obere Schwelle der Stärke des Primärstroms in der Primärwicklung 6
39: Obere Schwelle der Stärke des Primärstroms in der Primärwicklung 7
40: Untere Schwelle der Stärke des Sekundärstroms in der Sekundärwicklung 4
41: Untere Schwelle der Stärke des Sekundärstroms in der Sekundärwicklung 5
42: erste Zündspule
43: zweite Zündspule
D: Verzögerung
T: Zeitspanne
Vcc: Gleichstromquelle
Z: Zünddauer

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer Funkenstrecke (1, 25) in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einer Zündkerze, in welchem der Funkenstrecke (1, 25) eine erste Zündspule (42) und eine zweite Zündspule (43) zugeordnet sind, von denen jede eine Primärwicklung (6, 7) und eine Sekundärwicklung (4, 5) aufweist, welche induktiv miteinander gekoppelt sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte: (a) Ausgelöst durch ein Startsignal (24) wird die Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) und mit einer Verzögerung D, für welche 0 ≤ D gilt, die Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) durch Zuführen von Gleichstrom aufgeladen, wobei während des Aufladens einer jeden Primärwicklung (6, 7) die zu ihr gehörende Sekundärwicklung (4, 5) gesperrt ist; (b) es wird die Stärke des gesamten den Primärwicklungen (6, 7) zugeführten Primärstroms (28) gemessen; (c) nach einer Dauer T wird die Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) schlagartig entladen und mit der Verzögerung D wird die Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) schlagartig entladen, wodurch in den zugehörigen Sekundärwicklungen (4, 5) Sekundärströme induziert werden, welche zu einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden (1a, 1b; 25a, 25b) der Funkenstrecke (1,25) führen; (d) es wird die Stärke des gesamten durch die Funkenstrecke (1,25) fließenden Sekundärstroms (31) gemessen; (e) nachfolgend werden das Aufladen der Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) und das Aufladen der Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) abwechselnd immer dann gestartet, wenn die Stärke des gesamten Sekundärstroms (31) eine obere Schwelle (35) unterschreitet, und die Ladevorgänge der Primärwicklung (6, 7) der ersten und der zweiten Zündspule (42, 43) werden abgebrochen, bevor die Ladevorgänge in die Sättigung gelangen; (f) die Primärwicklungen (6, 7) werden abwechselnd immer dann schlagartig entladen, wenn die Stärke des gesamten Sekundärstroms (31) eine untere Schwelle (36) erreicht oder wenn die Stärke des gesamten Primärstroms (28) eine obere Schwelle (34) erreicht; (g) die Schritte (e) und (f) werden so oft wiederholt, bis die Dauer der Entladung zwischen zwei Elektroden (1a, 1b; 25a, 25b) der Funkenstrecke (1, 25) einen vorgegebenen Wert Z erreicht; (h) danach bleiben beide Primärwicklungen (6, 7) von der Versorgung mit Gleichstrom getrennt, bis ein weiteres Startsignal (24) auftritt und die vorstehende Schrittfolge erneut mit dem Schritt (a) beginnt.
Verfahren zum Ansteuern einer Funkenstrecke (1, 25) in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einer Zündkerze, in welchem der Funkenstrecke (1,25) eine erste Zündspule (42) und eine zweite Zündspule (43) zugeordnet sind, von denen jede eine Primärwicklung (6, 7) und eine Sekundärwicklung (4, 5) aufweist, welche induktiv miteinander gekoppelt sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte: (a) Ausgelöst durch ein Startsignal (24) wird die Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) und mit einer Verzögerung D, für welche 0 ≤ D gilt, die Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) durch Zuführen von Gleichstrom aufgeladen, wobei während des Aufladens einer jeden Primärwicklung (6, 7) die zu ihr gehörende Sekundärwicklung (4, 5) gesperrt ist; (b) es wird die Stärke des den Primärwicklungen (6, 7) zugeführten Primärstroms (26, 27) gemessen; (c) nach einer Dauer T wird die Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) schlagartig entladen und mit der Verzögerung D wird die Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) schlagartig entladen, wodurch in den zugehörigen Sekundärwicklungen (4, 5) Sekundärströme (29, 30) induziert werden, welche zu einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden (1a, 1b; 25a, 25b) der Funkenstrecke (1, 25) führen; (d) es wird der durch die Zündspulen (42, 43) fließende Sekundärstrom (29, 30) gemessen; (e) nachfolgend werden das Aufladen der Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) und das Aufladen der Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) abwechselnd immer dann gestartet, wenn die Stärke des durch die erste bzw. zweite Zündspule (42 bzw. 43) fließenden Sekundärstroms (29, 30) eine Schwelle (40, 41) unterschreitet, und die Ladevorgänge der Primärwicklung (6, 7) der ersten und der zweiten Zündspule (42, 43) werden abgebrochen, bevor die Ladevorgänge in die Sättigung gelangen; (f) die Primärwicklungen (6, 7) werden abwechselnd immer dann schlagartig entladen, wenn die Stärke des Primärstroms (26,27) eine obere Schwelle (38, 39) erreicht; (g) die Schritte (e) und (f) werden so oft wiederholt, bis die Dauer der Entladung zwischen zwei Elektroden (1a, 1b; 25a, 25b) der Funkenstrecke (1, 25) einen vorgegebenen Wert Z erreicht; (h) danach bleiben beide Primärwicklungen (6,7) von der Versorgung mit Gleichstrom getrennt, bis ein weiteres Startsignal 24 auftritt und die vorstehende Schrittfolge erneut mit dem Schritt (a) beginnt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklungen (4, 5) während des Aufladens ihrer zugehörigen Primärwicklung (6, 7) gesperrt werden, insbesondere durch eine im Stromkreis der jeweiligen Sekundärwicklung (4, 5) liegende Diode (2).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass D > 0 gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung D so gewählt wird, dass sich der erste Ladevorgang der Primärwicklung (6) der ersten Zündspule (42) und der erste Ladevorgang der Primärwicklung (7) der zweiten Zündspule (43) zeitlich überlappen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorgänge spätestens dann abgebrochen werden, wenn in den Primärwicklungen (6, 7) 95% der Sättigungsstromstärke erreicht sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorgänge abgebrochen werden, solange die Stromstärke in den Primärwicklungen (6, 7) noch linear ansteigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 0,4 T < D < 0,7 T gewählt wird, insbesondere 0,5 T < D < 0,7 T.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung D so gewählt wird, dass sich jeder Entladevorgang bzw. der mit ihm verknüpfte Sekundärstrom (30) in der zweiten Zündspule (43) mit dem unmittelbar vorhergehenden Entladevorgang bzw. dem mit ihm verknüpften Sekundärstrom (29) in der ersten Zündspule (42) zeitlich überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schwelle (34) der Stärke des gesamten Primärstroms (28) und/oder die obere Schwelle (35) der Stärke des gesamten Sekundärstroms (31) nach dem Schritt (g) eines Verfahrensdurchlaufs und vor dem Schritt (a) des nächsten Verfahrensdurchlaufs verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schwelle (38, 39) der Stärke des Primärstroms (26, 27) und/oder die untere Schwelle (40, 41) der Stärke des Sekundärstroms (29, 30) nach dem Schritt (g) eines Verfahrensdurchlaufs und vor dem Schritt (a) des nächsten Verfahrensdurchlaufs verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellen (34 bis 36 und 38 bis 41) gemäß Vorgaben aus einem Motorsteuergerät verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellen (34 bis 36 und 38 bis 41) innerhalb eines Verfahrensdurchlaufs von Schritt (a) bis Schritt (g) unverändert bleiben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zündspulen (42, 43) zwei parallel geschaltete Funkenstrecken (1, 25) ansteuern und zünden, welche in zwei verschiedenen Zylindern eines Otto-Motors mit einer geraden Anzahl von Zylindern und Funkenstrecken (1, 25) angeordnet sind, wobei die zwei Funkenstrecken (1, 25) so ausgewählt sind, dass die Zylinder, in welchen sie angeordnet sind, ein Paar aus einem ersten Zylinder und aus einem zweiten Zylinder bilden, deren Kolben so miteinander synchronisiert sind, dass sich im Verdichtungstakt des einen Zylinders der andere Zylinder des Paares in einem Ausstoßtakt befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 zum Ansteuern einer oder mehrerer Funkenstrecken (1, 25) in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einer oder mehrerer Zündkerzen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – ausgehend von einem gewünschten Zündzeitpunkt wird in der davorliegenden Zeitspanne (T) die erste Zündspule (42) aufgeladen und mit einem zeitlichen Versatz D > 0 das Aufladen der zweiten Zündspule (43) gestartet; – nach dem Entladebeginn der ersten Zündspule (42) werden die folgenden Entladebeginne und Aufladebeginne der beiden Zündspulen (42, 43) abwechselnd so gesteuert, dass ein kontinuierlicher Entladestrom an der Funkenstrecke (1, 25) einen ununterbrochenen verlängerten Funken bewirkt und die Steuerung der Zündspulen (42, 43) nur auf der Grundlage einer Überwachung von Stromstärkeschwellen (34 bis 36 und 38 bis 41) der einzelnen Sekundärströme (29, 30) oder eines gesamten Sekundärstromes (31) und des gesamten Primärstromes (28) erfolgt.