DE19608526A1 - Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie - Google Patents

Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie, die einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung über ein Zündsystem mit Zündmitteln, insbesondere Zündkerzen, zugeführt wird, mittels einer für die Auswirkungen der Zündung auf die Verbrennung in der Brennkraftmaschine charakteristischen Meßgröße.
Der Verschleiß einer Zündkerze, der durch erosive Materialabtragungen an den Elektroden erzeugt wird, wird bei vom Motorbetriebspunkt vorgegebenen Elektrodentemperaturen vor allem durch die der Zündkerze zugeführten elektrischen Energie bestimmt. Da die jeweils zur Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum benötigte Mindestzündenergie sehr vom Betriebspunkt des Motors abhängig ist, bietet sich eine betriebspunktabhängige Steuerung der Zündenergie an.
Dazu wurde für eine Wechselstromzündanlage eine von der Motordrehzahl und der Motorlast abhängige Kennfeldsteuerung vorgeschlagen, wobei die Werte für den Funkenbrennstrom und die Funkenbrenndauer getrennt einstellbar sind (DE 43 28 524).
Bei einem solchen Verfahren muß die Zündenergie so gesteuert werden, daß unter allen Betriebsbedingungen ein ausreichender Sicherheitsabstand zu einer Zündgrenze erhalten bleibt, bei der der Fahrer eines Fahrzeugs noch keine Verschlechterung des Fahrverhaltens bemerkt.
Zur Vermeidung dieses Sicherheitsabstandes, der z. B. durch den Elektrodenverschleiß, durch Ablagerungen an der Zündkerze und durch Änderungen der Umweltbedingungen erzeugt wird, bietet es sich an, den Sicherheitsabstand mit einer die Güte der Zündung kennzeichnenden Meßgröße zu regeln.
Einen ersten Hinweis auf ein solches Verfahren liefert DE-OS 42 18 404, in der vorgeschlagen wird, bei der Diagnose eines stationär betriebenen Motors dessen Laufunruhe zu messen und beim Überschreiten eines Schwellwertes als Folge des Zündkerzenverschleißes, die Energie der Zündanlage bei Inbetriebsetzung oder nach einer Wartung des Motors so einzustellen, daß der Motor ruhig läuft.
Bei diesem Vorschlag wird aber nicht berücksichtigt, daß auch andere Größen, wie schwankende Umweltbedingungen eine solche Meßgröße beeinflussen. Zudem werden Meßgrößen für die Laufunruhe, wie die Winkelgeschwindigkeitsänderungen an der Kurbelwelle oder Temperaturschwankungen im Motorbrennraum als Maß für die Laufunruhe vorgeschlagen, die nur indirekt im Zusammenhang mit der Zündung bzw. Entflammung des Gemischs im Motorbrennraum stehen.
An anderer Stelle wurde vorgeschlagen (DE-OS 41 14 087), bei einer Vielfach-Zündanlage den einzelnen Zündvorgang mit einem zusätzlichen Sensor (Drucksensor, Schwingungssensor) zu überwachen und jeweils die Zündenergie beim vermessenen Einzelzyklus auf ein notwendiges Maß zu begrenzen.
Wie bei einem weiterführenden Vorschlag mit einer Wechselstromzündung (DE-OS 42 37 271) wird hierbei neben einem oder mehreren aufwendigen Sensoren ein teures Zündverfahren notwendig, mit dem noch während des einzelnen Zündvorgangs, d. h., in extrem kurzer Zeit, eine Abschaltung der zugeführten Energie möglich ist. Zudem wird vorausgesetzt, daß es vor Ablauf eines Zündvorganges möglich ist, eine qualifizierte Aussage über die Güte eines Zündvorganges zu machen. Die Erfahrungen zeigen aber daß dieses nur in sehr unbefriedigender Weise möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist eine verbesserte Regelung der Zündenergie zur Verminderung des Zündkerzenverschleißes mit Meßgrößen, die ohne Verwendung zusätzlicher Sensoren in der Zündspule gemessen werden können und eine verbesserte Aussage über den Zündvorgang liefern.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Regelverfahren mit Einrichtungen vorgeschlagen, bei dem elektrische Meßgrößen verwendet werden, die auf der Primär- oder Sekundärseite der Zündanlage auf einfache Weise meßbar sind, wobei die statischen Streuungen dieser Größe insbesondere in Form der Unterschiede von Merkmalen bei aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen zur Regelung verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird die Regeleinheit in die Zündspule oder in ein die Zündspulen für mehrere Zylinder zusammenfassendes Zündmodul integriert.
Die Regelung der Zündenergie erfolgt im Bereich von stationären bzw. quasistationären Betriebszuständen. Bei schnelleren Änderungen wird auf einen für den aktuellen Betriebspunkt charakteristischen gesteuerten Maximalwert für die Zündenergie umgeschaltet.
Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind schematisch in Zeichnungen dargestellt. Sie werden in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für die Zündenergieregelung mit einer zentralen Zündsteuereinheit,
Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Zündenergieregelung mit einer in eine Zündspule bzw. in ein Zündmodul integrierten Regeleinheit,
Fig. 3 den schematischen zeitlichen Verlauf der auf der Primärseite einer Zündspule gemessenen Brems­ spannung Ub und die Ermittlung von Schwankungen der Brenndauer,
Fig. 4 den schematischen zeitlichen Verlauf des Ionenstroms I und die Ermittlung der Schwankungen der Maximalwerte und der Kurbelwinkellage der Maximalwerte sowie
Fig. 5 den schematischen zeitlichen Verlauf der mit kapazitivem Hochspannungsabgriff auf der Sekundär­ seite der Zündspule gemessenen Spannung Us und die Ermittlung der Schwankungen der Spannungsdauer.
Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild für die Zündenergieregelung mit einer zentralen Zündsteuereinheit (1), in der aus den Motormeßdaten (2) der Zündwinkel ZW und ein Vorsteuerwert für die Zündenergie Eo ermittelt, und mit einer nachgeschalteten Regelung ein Zündenergiewert E bestimmt wird.
Aus diesen Werten wird in der Leistungssteuerung (3) die Zündenergie für eine einzelne Zündspule (4) b zw. die einzelnen Zündspulen eines Zündmoduls ermittelt und dieser bzw. diesen zugeführt.
Die Erfassung der Meßgröße erfolgt auf der Primärseite (5) oder Sekundärseite (6) der Zündspulen. Die Auswertung der Meßsignale wird in einer Signalauswerteeinrichtung (7) durchgeführt und die dabei gewonnenen Signale nachfolgend zur Zündenergie-Regelung in der Zündsteuereinheit (1) verwendet.
Die Trennung von Zündsteuereinheit und Zündmodul ist durch die gestrichelte Hilfslinie (8) gekennzeichnet.
Fig. 2 zeigt in enger Anlehnung an Fig. 1 eine Anordnung, bei der die Zündenergieregelung (9) in das Zündmodul integriert ist und vorzugsweise mit der Leistungssteuerung und der Signalauswertung in einem gemeinsamen Steuergehäuse (10) untergebracht ist (durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet).
Wie sich leicht zeigen läßt, liefert eine Regelung der Zündenergie nach Fig. 2, die sich allein auf im Primärkreis oder Sekundärkreis der Zündanlage gemessene elektrischen Größen und deren Signalabstände (Maß für die Motordrehzahl) abstützt bei geringeren Kosten und besonders niedriger Störanfälligkeit nur unbedeutende Funktionsnachteile gegenüber einer Regelung nach Fig. 1, bei der ein von den verschiedensten Motorsteuergrößen abhängiger Sollwert zur Regelung verwendet werden kann.
Der Hauptgrund dafür ist, daß die Verschleißeigenschaften der Zündkerzenelektroden bei geregelter minimaler Zündenergie nahezu ausschließlich von den Elektrodentemperaturen bestimmt werden. Damit ist es ausreichend, die Zündenergie nur bei mittleren und hohen Elektrodentemperaturen, d. h. mittleren und hohen Motorlasten und Motordrehzahlen zu regeln. Für eine solche Regelung kann erfahrungsgemäß ein fester oder allenfalls noch von der Motordrehzahl abhängiger Sollwert für die Regelung verwendet werden. Damit wird eine Integration der Regelung in ein Zündmodul möglich.
Bei kleinen Motorlasten und Motordrehzahlen ergeben sich erfahrungsgemäß besonders große Schwankungen der verwendeten Meßgrößen und damit automatisch Istwerte für Regelung, die immer größer sind als ein für den Bereich mittlerer und hoher Motordrehzahlen und Lasten gültiger Sollwert, so daß hier bei der Regelung immer eine vergleichsweise große Zündenergie entsprechend dem Vorsteuerwert eingestellt wird.
Fig. 3 bis 5 zeigen schematisch den zeitlichen Verlauf von drei in der Zündspule bzw. im Zündmodul gemessenen elektrischen Größen, deren zeitliche Schwankungen ein Maß für die Güte der Entflammung und damit der Zündung sind.
In allen Fällen wird davon ausgegangen, daß eine nur von der Motordrehzahl abhängige Zündfunkendauer (Vorsteuerwert) so lange zu kleineren Werten hin verändert wird, bis die Regelgröße ihren Sollwert erreicht. Die Motordrehzahl wird dabei jeweils aus den Signalabständen ermittelt, die sich bei der Messung an einem Zylinder des Motors ergeben (Kurbelwinkelabstand 720 Grad). Die Regelung wird entweder zylinderselektiv oder in Abhängigkeit vom Signal des Zylinders mit der größten Schwankung der Meßgröße durchgeführt.
Als eine erste Größe zur Kennzeichnung der Güte der Entflammung werden die zeitlichen Schwankungen der auf der Primärseite gemessenen Brenndauer verwendet. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Brennspannung Ub, aus dem unter Verwendung einer Komparatorspannung Ukomp die Brenndauer ermittelt wird. Bei der Regelung wird vorzugsweise der aktuelle Istwert für den Betrag der relativen Differenz aufeinanderfolgender Werte für die Brenndauer tb, d. h. der Wert für den Ausdruck
R ist = /(tb n - tb n-1)/tb n/
mit einem vorgegebenen Sollwert R soll verglichen.
Als eine weitere vorteilhafte Meßgröße dient der auf der Sekundärseite der Zündspule mit geringem Zusatzaufwand meßbare zeitliche Verlauf des Ionenstroms (Fig. 4). In Analogie zum Fall bei Fig. 3 wird hier als Regelgröße der Betrag der relativen Schwankungen der Maximalwerte des nach Einleitung der Zündung gemessenen Ionenstromes Hn verwendet, d. h. es gilt für den Istwert der Regelgröße R ist:
R ist = /(H n - H n-1)/H n/.
Als weitere Regelgröße kann erfahrungsgemäß auch der Betrag der relativen zeitlichen Schwankungen der Lage der Maximalwerte verwendet werden. Diese wird sinnvoll durch eine Zeitmessung bestimmt, wobei zur Bildung einer relativen Größe für die Schwankungen die Differenz zweier Zeiten t n und t n-1 nach Fig. 4 auf die Laufzeit für zwei Kurbelwinkelumdrehungen T 720 grad "normiert" wird. Es gilt:
R ist = /(t n - t n-1)/T 720 Grad/.
Bei Verwendung eines kapazitiven oder induktiven Hochspannungsabgriffs kann auf der Sekundärseite einer Zündspule ein Spannungsverlauf Us(t) gewonnen werden, der ebenfalls zur Regelung der Zündenergie geeignet ist (Fig. 5). Das Meßsignal ist dabei ähnlich dem auf der Primärseite gemessenem Brennspannungsverlauf (Fig. 3). Dementsprechend bietet es sich an, zur Regelung auch hier den Betrag der relativen Schwankungen der Spannungsdauer zu verwenden, d. h. es gilt für den Istwert der Regelgröße in Verbindung mit Fig. 5:
R ist = /(ts n - ts n-1)ts n/.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (22)

1. Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie, die einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung über ein Zündsystem mit Zündmitteln, insbesondere Zündkerzen, zugeführt wird, mittels einer für die Auswirkungen der Zündung auf die Verbrennung in der Brennkraft­ maschine charakteristischen Meßgröße, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als charakteristische Meßgröße eine Meßgröße verwendet wird, die im Zündsystem (Primär- oder Sekundärkreis) gemessen wird, und mittels die­ ser die Gleichmäßigkeit der Gemischentflammung be­ stimmt wird und/oder auch die mögliche Nichtent­ flammung des Gemisches bei nicht ausreichender Zünd­ energie erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Gleichmäßigkeit der Gemischentflammung eine bei aufeinanderfolgenden Zyklen eines Zylinders der Brennkraftmaschine gemessene elektrische Meßgröße verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz aufeinander­ folgender Werte für die elektrische Meßgröße verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Differenz aufeinanderfolgender Werte für die elektrische Meßgröße verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der relativen Differenz aufeinanderfolgender Werte für die elektrische Meßgröße verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergieregelung mit einer in die Zündspule oder in ein Zündmodul integrierten Regeleinheit durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Primärseite des Zündsystems, insbesondere der Zündspule, gemessene zeitliche Verlauf der Brennspannung als elektrische Meßgröße verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der relativen Differenz aufeinanderfolgender Werte für die auf der Primärseite gemessene Brenndauer als Regelgröße verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Sekundärseite des Zündsystems, insbesondere der Zündspule, gemessene zeitliche Verlauf des Ionenstroms als Meßgröße verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der relativen Schwankungen der Maximalwerte des Ionenstroms als Regelgröße verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der relativen Schwankungen der zeitlichen Lage des Maximalwertes des Ionenstroms als Regelgröße verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit kapazitivem oder induktivem Hochspannungsabgriff auf der Sekundärseite des Zündsystems gemessene zeitliche Verlauf einer Spannung und/oder deren Schwankungen als Regelgröße verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der relativen Schwankungen der Spannungsdauer als Regelgröße ver­ wendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integralregler zur Regelung der Zündenergie verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Regelung in Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen­ meßgrößen, wie Drehzahl und/oder Last, verändert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorlast und/oder die Motordrehzahl aus einer auf der Primär- oder Sekundärseite des Zündsystems gemessenen elektrischen Größe bestimmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei schnellen Änderungen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine, insbesondere bei schnellen Änderungen von Motorlast und/oder Motordrehzahl von einer Regelung auf eine Steuerung der Zündenergie umgeschaltet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile: Meßeinheit, Signalauswertung, Zündenergieregelung und Leistungssteuerung in eine Zündspule oder ein Zündmodul des Zündsystems integriert werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie mittels Eingriffes durch Veränderung von Höhe und/oder Dauer des Primärstromes und/oder der Primärspannung geregelt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie bei einer Wechselstrom-Zündanlage durch Veränderung der Anzahl der Perioden geregelt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie durch Veränderung der Zahl der Funkendurchbrüche bei einer Vielfachzündung, zum Beispiel bei einer Hochspannungskondensatorzündung, geregelt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündenergie mit einer Hochspannungs-Schalteinrichtung im Sekundär­ kreis des Zündsystems, insbesondere der Zündspule, geregelt wird.
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