DE102014109974B4 - Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors und Zündsteuergerät für ein solches Verfahren - Google Patents

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors und Zündsteuergerät für ein solches Verfahren Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei ein Zündsteuergerät (2) durch Steuersignale eines Motorsteuergeräts (1) zum Betätigen einer Zündeinrichtung (3) veranlasst wird, mit der eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkt wird, das Motorsteuergerät (1) dem Zündsteuergerät (2) einen Soll-Zündwinkel oder eine Information über einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors mitteilt und das Zündsteuergerät (2) einen Betriebsparameter der Zündeinrichtung (3) in Abhängigkeit von dem Soll-Zündwinkel oder der Information über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter der Zündeinrichtung (3) eine Primärspannung der Zündeinrichtung (3) ist, die der Zündeinrichtung (3) von einem Spannungswandler zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei ein Zündsteuergerät durch Steuersignale eines Motorsteuergeräts zum Betätigen einer Zündeinrichtung veranlasst wird, mit der eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkt wird. Ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der DE 10 2009 024 629 A1 bekannt.
  • Fremd gezündete Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Ottomotoren werden von einem Motorsteuergerät gesteuert, das durch Steuersignale ein Zündsteuergerät veranlasst, den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors zugeordnete Zündeinrichtungen zu betätigen und so eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemischs zu bewirken. Als Zündeinrichtungen können beispielsweise Zündkerzen verwendet werden, die für eine Zündung eine Bogenentladung erzeugen, oder Koronazünder, die für eine Zündung eine Koronaentladung erzeugen.
  • Bei herkömmlichen Verfahren zur Motorsteuerung veranlasst eine erste Flanke eines Steuersignals das Zündsteuergerät, die betreffende Zündeinrichtung einzuschalten und eine zweite Flanke des Steuersignals die Zündeinrichtung abzuschalten. Als Steuersignal wird bei derartigen Verfahren also ein Puls verwendet, dessen Dauer des Pulses vorgibt, wie lange die Zündeinrichtung betätigt werden soll, also beispielsweise ein Lichtbogen oder eine Koronaentladung erzeugt werden soll.
  • Leistung und Verbrauch eines Motors werden durch die Zündzeitpunkte der einzelnen Zylinder wesentlich beeinflusst. Ziel jeder Zündsteuerung eines Motors ist es deshalb, eine Zündung des Brennstoff-Luft Gemisches jeweils möglichst nahe an dem optimalen Zeitpunkt zu bewirken.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie dies besser erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren teilt das Motorsteuergerät dem Zündsteuergerät einen Soll-Zündwinkel oder eine Information über den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit. Das Zündsteuergerät stellt dann einen Betriebsparameter der Zündeinrichtung in Abhängigkeit von dem Soll-Zündwinkel oder der Information über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors ein und betätigt danach die Zündeinrichtung.
  • Bevorzugt werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Steuersignale in einem Motorzyklus jeweils als eine Pulsfolge aus wenigstens zwei Pulsen pro Zylinder übertragen. Mit anderen Worten erhält das Zündsteuergerät von dem Motorsteuergerät also in jedem Motorzyklus für jeden Zylinder jeweils eine Pulsfolge aus zwei oder mehr Pulsen. Das Zündsteuergerät stellt in Abhängigkeit von einem ersten Teil der Pulsfolge einen Betriebsparameter der Zündeinrichtung ein, beispielsweise deren Eingangsspannung, und ermittelt aus einem weiteren Teil der Pulsfolge den Zeitpunkt der Betätigung der Zündeinrichtung. Die Erfindung betrifft dann also ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei ein Zündsteuergerät durch Steuersignale eines Motorsteuergeräts zum Betätigen einer Zündeinrichtung veranlasst wird, mit der eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale in einem Motorzyklus jeweils als eine Pulsfolge aus wenigstens zwei Pulsen übertragen werden. Dabei kann das Zündsteuergerät in Abhängigkeit von einem Teil der Pulsfolge einen Betriebsparameter der Zündeinrichtung einstellen und aus einem weiteren Teil der Pulsfolge den Zeitpunkt der Betätigung der Zündeinrichtung ermitteln.
  • Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Präzision der Steuerung des Zündzeitpunkts wesentlich verbessern. Die Entflammbarkeit eines Brennstof-Luft-Gemisches hängt nämlich von dem aktuellen Motorbetriebszustand und auch von dem aktuellen Kurbelwellenwinkel ab. Je nachdem ob ein früher oder ein später Zündzeitpunkt angestrebt wird, muss deshalb eine mehr oder weniger große Energiemenge von der Zündeinrichtung freigesetzt werden, um eine Zündung zu bewirken. Dabei hängt beispielsweise die Durchbruchspannung, bei der sich in dem Brennstoff-Luft-Gemisch eine Bogenentladung bildet, von dem momentanen Kurbelwellenwinkel ab. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung der Spannung an der Zündelektrode eines Koronazünders oder einer Zündkerze berücksichtigt werden und so der Zündzeitpunkt präziser gesteuert und/oder der Elektrodenabbrand reduziert werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Motorsteuergerät dem Zündsteuergerät beispielsweise mit einem ersten Teil der Pulsfolge den aktuellen Motorbetriebszustand oder einen Kurbelwellenwinkel, bei dem die Zündung des Brennstoffluftgemisches erfolgen soll, mitteilen. Dieser Kurbelwellenwinkel wird im Folgenden als Soll-Zündwinkel bezeichnet. Auf der Grundlage des Motorbetriebszustands oder des Soll-Zündwinkel kann das Zündsteuergerät dann einen oder mehrere Betriebsparameter der Zündeinrichtung einstellen, beispielsweise mittels einer Kennlinie oder einem Kennfeld.
  • An einem zweiten Teil der Pulsfolge kann das Steuergerät dann den richtigen Zeitpunkt für die Betätigung der Zündeinrichtung ermitteln. Dieser Zeitpunkt kann dem Zündsteuergerät beispielsweise durch eine bestimmte Flanke der Pulsfolge mitgeteilt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Zündsteuergerät jeweils bei der festgelegten Flanke bzw. mit einem konstanten Zeitversatz nach der betreffenden Flanke die Zündeinrichtung betätigt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Zündsteuergerät den Zeitpunkt, zu dem die Zündeinrichtung betätigt werden soll, selbst durch Auswertung der Pulsfolge ermittelt. Falls beispielsweise durch den ersten Teil der Pulsfolge ein Soll-Zündwinkel vorgegeben wird, kann mit einem zweiten Teil der Pulsfolge das Zündsteuergerät die Information über den aktuellen Kurbelwellenwinkel erhalten, die ihm eine Berechnung des Zeitpunkts für die Betätigung der Zündeinrichtung ermöglicht.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Motorsteuergerät dem Zündsteuergerät vorgeben, wann die Zündeinrichtung betätigt werden soll. Möglich ist aber auch, dass das Motorsteuergerät durch die Steuersignale dem Zündsteuergerät lediglich mitteilt, wann das Brennstoff-Luft-Gemisch in dem jeweiligen Zylinder gezündet werden soll. Das Zündsteuergerät ermittelt dann, wann die Zündeinrichtung betätigt werden muss, um diesen Zündzeitpunkt zu erreichen. Beispielsweise kann das Zündsteuergerät in Abhängigkeit von dem Soll-Zündwinkel oder dem Motorbetriebszustand ermitteln, wann die Zündeinrichtung betätigt werden muss, um den vom Motorsteuergerät vorgegebenen Zündzeitpunkt zu erreichen. Das Zündsteuergerät kann beispielsweise mittels einer Kennlinie oder einem Kennfeld ermitteln, wann die Zündeinrichtung betätigt werden soll.
  • Im einfachsten Fall kann eine Signalflanke jeweils bei einem definierten Kurbelwellenwinkel erzeugt werden, beispielsweise kann jeweils 100° vor dem oberen Totpunkt der Zündung die zweite Flanke der Steuersignale erzeugt werden. Die Nummer der jeweiligen Flanke sowie die Gradzahl des Kurbelwellenwinkels können für eine gegebene Implementierung des Verfahrens beliebig gewählt werden. Mittels der Steuersignale kann dem Zündsteuergerät in jedem Motorzyklus auch eine Information über die aktuelle Drehzahl des Motors mitgeteilt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Zündsteuergerät die Drehzahl aus Steuersignalen verschiedener Zylinder ermittelt, beispielsweise indem der Zeitversatz zwischen Flanken ausgewertet wird, die für die verschiedenen Zylinder jeweils einen definiert vorgegebenen Kurbelwellenwinkel markieren. Aus der Drehzahl und einem Zeitpunkt, zu dem der Kurbelwellenwinkel einen definierten Wert hat, kann das Zündsteuergerät dann berechnen, wann der Soll-Zündwinkel erreicht ist.
  • Falls die Steuersignale Pulsfolgen sind, liegt der erste Teil der Pulsfolge, in Abhängigkeit von welchem das Zündsteuergerät einen oder mehrere Betriebsparameter der Zündeinrichtung einstellt, zeitlich üblicherweise vor dem zweiten Teil der Pulsfolge, um dem Zündsteuergerät möglichst viel Zeit zum Einstellen von einem oder mehreren Betriebsparametern der Zündeinrichtung zu geben. Es ist aber auch möglich, dass der zweite Teil der Pulsfolge vor dem ersten Teil der Pulsfolge übertragen wird, insbesondere wenn der zweite Teil der Pulsfolge dem Zündsteuergerät eine Information über den aktuellen Kurbelwellenwinkel gibt, also beispielsweise mitteilt, dass der Kurbelwellenwinkel momentan einen vorgegebenen Wert hat. So kann beispielsweise die erste Flanke der Pulsfolge jeweils einen definierten Wert des Kurbelwellenwinkels, etwa 200° vor dem oberen Totpunkt der Zündung markieren.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Betriebsparameter der Zündeinrichtung, der von dem Zündsteuergerät eingestellt wird, eine Primärspannung der Zündeinrichtung ist, die der Zündeinrichtung von einem Spannungswandler zugeführt wird. Die Zündeinrichtung kann beispielsweise ein Koronazünder sein, für den mit einem Spannungswandler aus einer Bordnetzspannung des Fahrzeugs eine Primärspannung erzeugt wird. Diese Primärspannung wird der Zündeinrichtung als Eingangsspannung zugeführt, die daraus eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, welche an einer Zündspitze der Koronazündeinrichtung eine Koronaentladung erzeugt. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist ein Beispiel für einen weiteren Betriebsparameter, den das Zündsteuergerät einstellen kann.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems eines Verbrennungsmotors; und
  • 2 eine Folge von Steuersignalen für verschiedene Zylinder eines Verbrennungsmotors.
  • In 1 ist schematisch ein System zum Steuern der Zündtätigkeit eines Verbrennungsmotors, der beispielsweise ein Otto-Motor sein kann, dargestellt. Dieses System hat ein Motorsteuergerät 1, ein Zündsteuergerät 2 und für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eine Zündeinrichtung 3. Das Motorsteuergerät 1 sendet an das Zündsteuergerät 2 Steuersignale, durch die das Zündsteuergerät 2 zum Betätigen der Zündeinrichtungen 3 veranlasst wird.
  • Bei einem solchen System kann für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eine separate Leitung 4 von dem Motorsteuergerät 1 zu dem Zündsteuergerät 2 vorhanden sein, wie dies in 1 dargestellt ist. Jede der Leitungen 4 zwischen dem Motorsteuergerät 1 und dem Zündsteuergerät 2 überträgt dann nur Steuersignale für einen einzigen, der betreffenden Leitung 4 zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors.
  • In 2 ist ein Beispiel für Steuersignale auf den einzelnen Leitungen 4 zwischen dem Motorsteuergerät 1 und dem Zündsteuergerät 2 dargestellt. 2 zeigt dabei jeweils in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors den an den einzelnen Leitungen 4 anliegenden Spannungspegel. Über die Leitungen 4 wird dabei ein binäres Signal übertragen, sodass nur zwischen hohem und niedrigem Spannungspegel unterschieden wird. Die Zündreihenfolge des gezeigten Beispiels ist 1-5-3-6-2-4, wobei die sechs dargestellten Signalverläufe von oben nach unten fortlaufend zu dem ersten bis sechsten Zylinder gehören.
  • Wie 2 zeigt handelt es sich bei den auf den Leitungen 4 übertragenen Steuersignalen um Pulsfolgen, die jeweils aus mehreren Pulsen bestehen. Bei dem gezeigten Beispiel besteht jede Pulsfolge aus zwei Pulsen. Es können aber auch Pulsfolgen mit mehr als zwei Pulsen als Steuersignale verwendet werden.
  • Das Zündsteuergerät 2 stellt in Abhängigkeit von einem Teil der Pulsfolge einen Betriebsparameter der Zündeinrichtung und ermittelt aus einem weiteren Teil der Pulsfolge den Zeitpunkt der Betätigung der Zündeinrichtung 3.
  • Bei dem in 4 gezeigten Beispiel liegt die erste Flanke der Signalfolge jeweils bei einem Kurbelwellenwinkel von 100° vor dem oberen Totpunkt der Zündung. Das Zündsteuergerät 2 kann somit durch Auswertung der Lage der ersten Flanke der Steuersignale für die verschiedenen Zylinder die momentane Drehzahl des Motors ausrechnen, beispielsweise aus dem zeitlichen Abstand der ersten Flanken von Steuersignalen für zwei Zylinder, die in der Zündreihenfolge des Motors unmittelbar aufeinander folgen. Statt der ersten Flanke kann auch irgendeine andere Flanke des Steuersignals verwendet werden, um einen konstanten Kurbelwellenwinkel zu markieren.
  • Die zweite oder eine nachfolgende Flanke der Pulsfolge gibt an, zu welchem Zündwinkel eine Zündung erfolgen soll, teilt dem Zündsteuergerät 2 also einen Soll-Zündwinkel mit. Das Zündsteuergerät 2 stellt dann einen oder mehrere Betriebsparameter der betreffenden Zündeinrichtung 3 in Abhängigkeit von dem Soll-Zündwinkel ein, beispielsweise mit Hilfe einer Kennlinie oder eines Kennfeldes. Das Zündsteuergerät 2 kann beispielsweise eine Primärspannung der Zündeinrichtung 3 einstellen, die der Zündeinrichtung 3 zugeführt wird. Die Primärspannung einer Zündeinrichtung 3, beispielsweise einer Koronazündeinrichtung, kann beispielsweise mit einem Spannungswandler aus einer Bordnetzspannung des Fahrzeugs erzeugt werden. Weitere Betriebsparameter einer Koronazündeinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Soll-Zündwinkel eingestellt werden können sind beispielsweise die Frequenz oder die Impedanz.
  • Die dritte Flanke der Signalfolge kann beispielsweise angeben, wie lange die Zündeinrichtung betätigt werden soll, also beispielsweise wie lange mit einer Koronazündeinrichtung eine Koronaentladung bzw. mit einer herkömmlichen Zündkerze eine Bogenentladung erzeugt werden soll. Die vierte Flanke der Signalfolge kann verwendet werden, um eine Betätigung der Zündereinrichtung 3 auszulösen.
  • Das Zündsteuergerät 2 kann mit dem Motorsteuergerät 1 zusätzlich über eine Datenleitung 5, beispielsweise einen CAN-Bus, verbunden sein. Über diese Datenleitung 5 kann das Motorsteuergerät 1 dem Zündsteuergerät 2 ebenfalls Daten über den aktuellen Motorbetriebszustand mitteilen. Eine Aktualisierung über einen CAN-Bus ist allerdings nur in relativ großen Zeitabständen möglich, so dass bei hohen Drehzahlen über die Datenleitung 5 übertragen Motorbetriebsdaten nicht immer aktuell sind und deshalb eine Übertragung über die Leitungen 4 vorteilhaft ist. Wenn das Zündsteuergerät Daten aus zwei Übertragungswegen erhält, ist vorteilhaft eine Fehlerkontrolle möglich. Zudem kann das Zündsteuergerät 2 dem Motorsteuergerät 1 über die Datenleitung 5 eventuell auftretende Störungen der Zündeinrichtungen 3 melden. Das Motorsteuergerät 1 kann in einem solchen Fall bestimmte Motorbetriebszustände vermeiden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei ein Zündsteuergerät (2) durch Steuersignale eines Motorsteuergeräts (1) zum Betätigen einer Zündeinrichtung (3) veranlasst wird, mit der eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder des Verbrennungsmotors bewirkt wird, das Motorsteuergerät (1) dem Zündsteuergerät (2) einen Soll-Zündwinkel oder eine Information über einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors mitteilt und das Zündsteuergerät (2) einen Betriebsparameter der Zündeinrichtung (3) in Abhängigkeit von dem Soll-Zündwinkel oder der Information über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter der Zündeinrichtung (3) eine Primärspannung der Zündeinrichtung (3) ist, die der Zündeinrichtung (3) von einem Spannungswandler zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter mittels einer Kennlinie oder einem Kennfeld eingestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät (1) in aufeinanderfolgenden Motorzyklen jeweils bei gleichem Kurbelwellenwinkel eine Flanke eines Pulses der Steuersignale erzeugt und durch diese Flanke dem Zündsteuergerät (2) der momentane Kurbelwellenwinkel mitgeteilt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale in einem Motorzyklus jeweils als eine Pulsfolge aus wenigstens zwei Pulsen übertragen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Pulsfolge, in Abhängigkeit von welchem das Zündsteuergerät (2) den Betriebsparameter der Zündeinrichtung (3) einstellt, einen Soll-Zündwinkel der Kurbelwelle oder eine Information über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors angibt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät (2) aus einem Teil der Pulsfolge den aktuellen Kurbelwellenwinkel ermittelt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät (2) aus Steuersignalen für verschiedene Zylinder des Verbrennungsmotors eine Drehzahl des Motors ermittelt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch von der Zündeinrichtung (3) mittels einer Koronaentladung entzündet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündsteuergerät (2) für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors einen eigenen Eingang hat und über diesen Eingang Steuersignale für den betreffenden Zylinder empfängt.
  10. Zündsteuergerät mit einem elektronischen Speicher und einer Auswerteeinheit zum Auswerten von Steuersignalen eines Motorsteuergeräts (1), wobei das Zündsteuergerät (2) im Betrieb ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchführt.
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