DE19608526C2 - Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie bei einer BrennkraftmaschineInfo
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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
Messgröße, die im Zündsystem (Primär- oder Sekundärkreis)
gemessen wird und eine Aussage über die Gleichmäßigkeit
der Gemischentflammung liefert.
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-Gemisches 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 A1).
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 Fahrzeuges 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 Zündkerze kennzeichnenden
Messgröße zu regeln.
Einen ersten Hinweis auf ein solches Verfahren liefert
DE 42 18 404 A1, 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 Winkelgeschwindig
keitsänderungen an der Kurbelwelle oder Temperatur
schwankungen im Motorbrennraum als Maß für die Laufunruhe
vorgeschlagen, die nur indirekt im Zusammenhang mit der
Zündung bzw. Entflammung des Gemisches im Motorbrennraum
stehen.
An anderer Stelle wurde vorgeschlagen (DE 41 14 087 A1),
bei einer Vielfach-Zündanlage den einzelnen Zündvorgang
mit einem zusätzlichen Sensor (Drucksensor,
Schwingungssensor) zu überwachen und jeweils die
Zündenergie bei vermessenen Einzelzyklus auf ein
notwendiges Maß zu begrenzen.
Wie bei einem weiterführenden Vorschlag mit einer
Wechselstromzündung (DE 42 37 271 A1) wird hierbei neben
einem oder mehreren aufwändigen Sensoren ein teures
Zündverfahren notwendig, mit dem noch während des
einzelnen Zündvorganges, 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 im Patentanspruch 1
angegeben.
Beim Gegenstand der Erfindung handelt es sich im
Gegensatz zum Stand der Technik um eine Regelung und
nicht um eine Steuerung. Die sich hieraus für den Stand
der Technik ergebenden Nachteile bestehen insbesondere
darin, dass keine Kompensation der Streuungen, der
Eigenschaften von Zündspule und Motor erfolgt, keine
Kompensation der Streuungen der Eigenschaften einzelner
Zylinder erfolgt, keine Kompensation von
Alterungseinflüssen erfolgt und keine Minimierung des
Verschleißes der Zündelektroden erfolgt, da bei
gesteuerten Systemen ein Sicherheitsabstand eingehalten
werden muss.
Die erfindungsgemäße Lehre macht sich folgende
Funktionsprinzipien und deren Vorteile zunutze.
Die Minimierung des Zündkerzenverschleißes durch
Überwachung/laufende Messung der Güte der Entflammung
(Zuführung von nur soviel Energie wie notwendig).
Die Erkenntnis, dass die Güte der Entflammung mit der
Gleichmäßigkeit der Entflammung korreliert und dass die
Gleichmäßigkeit der Entflammung mit der durch die
Zündspule zugeführten Zündenergie korreliert sowie dass
sich die Gleichmäßigkeit der Entflammung aus Schwankungen
aus an der Zündkerze/Zündspule gemessen in elektrischen
Größen bestimmen lässt. Die Gleichmäßigkeit wird dabei
statistisch bestimmt, da eine übliche Statistikrechnung
aber den schnellen Änderungen des Motorbetriebes nicht
befriedigend folgen kann und zudem im Steuergerät
zusätzlich Speicherplatz und Rechenzeit erforderlich
wäre, schlägt die Erfindung vor, nur aufeinander folgende
Werte zu betrachten, woraus sich erstaunlicherweise keine
Nachteile ergeben.
Die Änderungen der aufeinander folgenden Werte sind eine
empfindlichere Messgröße als absolute Werte. Da die
Vorzeichen von Änderungen wechseln können, ist es
besonders vorteilhaft, die "Beträge" von Änderungen zu
verwenden, da sich die absolute Größe der Messgrößen im
Motorbetriebsbereich ändern, ist es vorteilhaft, nur auf
den Messwert bezogene, d. h. relative Änderungen zu
verwenden.
Weiterhin ergeben sich aus der erfindungsgemäßen Lehre
wesentliche Vorteile.
Der Ionenstrom ist besonders aussagekräftig, weil er die
Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sehr gut
beschreibt. Mit dem Verlauf unmittelbar nach Abschluss
der Funkenentladung werden die Eigenschaften des
"Flammkerns" beschrieben. Ein hoher Ionenstrom bedeutet
viele freie Ionen, also eine hohe spezifisch freigesetzte
chemische Energie. Liegt kein Ionenstrom vor, ist auch
keine Verbrennung erfolgt.
Es wird eine einfache Messung durch Anlegen einer
Messspannung nach Abschluss der Funkenentladung möglich.
Eine schwankende Entflammung bedeutet schwankenden
Ladungszustand im Bereich der Zündstelle (im Spalt
zwischen den Zündkerzenelektroden), d. h. Schwankungen des
Ionenstroms. Bei Schwankungen des Ionenstroms ändern sich
insbesondere die Höhe und die Lage des Maximalwertes. Es
ist daraus eine besonders einfache Messung mit so
genanntem elektronischem Schleppzeiger ermöglicht. Der
Ionenstrom ist auch im Zusammenhang mit anderen
Motorregelungen (Klopfregelung, Laufruheregelung,
Gemischregelung) von besonderem Interesse.
Aus der DE 42 32 845 A1 wird eine Verbesserung der
Erkennung von Fehlzündungen mit Ionenstrommessung an
Zündkerzen vorgeschlagen. Die Messung des Ionenstroms
erfolgt in mehreren Zeitintervallen (Kurbelwellen-
Winkelbereichen). Ein Zeitintervall im Bereich des
maximalen Zylinderdrucks. Vergleich der Werte in
Intervallen mit in einem Speicher abgelegten Werten.
Hier wird nur mit einem speziellen Messverfahren gemessen
und nicht geregelt. Im Gegensatz dazu schlägt die
Erfindung gerade die Regelung vor, die gemäß
Erfindungsvorschlag besonders einfach und besonders
effektiv erreicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in
Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für die
Zündungsenergieregelung 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 des
Ionenstroms I und die Ermittlung der
Schwankungen der Maximalwerte und der
Kurbelwinkellage der Maximalwerte.
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) bzw. die
einzelnen Zündspulen eines Zündmoduls ermittelt und
dieser bzw. diesen zugeführt.
Die Erfassung der Messgröße erfolgt auf der Primärseite
(5) oder der 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
höhen 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 kleineren Motorlasten und Motordrehzahlen ergeben
sich erfahrungsgemäß besonders große Schwankungen der
verwendeten Messgrößen und damit automatisch Istwerte für
Regelungen, 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.
Es wird bei der nachfolgenden Betrachtung 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 Messgröße dient der auf der Sekundärseite der
Zündspule mit geringerem Zusatzaufwand messbare zeitliche
Verlauf des Ionenstroms (Fig. 3). Hierbei wird 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 = /(Hn - Hn - 1)/Hn/
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 tn und tn - 1 nach Fig. 3 auf die Laufzeit für zwei
Kurbelwinkelumdrehungen T 720 Grad "normiert" wird.
Es gilt:
R ist = /(tn - tn - 1)/T 720 Grad/
Claims (5)
1. Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie, die
einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung über ein
Zündsystem mit Zündmitteln, insbesondere Zündkerzen,
zugeführt wird, mittels einer Messgröße, die im
Zündsystem (Primär- oder Sekundärkreis) gemessen wird
und eine Aussage über die Gleichmäßigkeit der
Gemischentflammung liefert, dadurch gekennzeichnet,
dass der auf der Sekundärseite des Zündsystems
gemessene zeitliche Verlauf des Ionenstroms als
Messgröße verwendet wird, indem der Betrag der
relativen Schwankungen des Maximalwertes des
Ionenstroms bei aufeinander folgenden Zyklen eines
Zylinders der Brennkraftmaschine und/oder der Betrag
der relativen Schwankungen der zeitlichen Lage des
Maximalwertes des Ionenstroms als Regelgröße verwendet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Integralregler zur Regelung der Zündenergie
verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sollwert für die Regelung in
Abhängigkeit von den Brennkraftmaschinenmessgrößen,
wie Drehzahl und/oder Last verändert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bestandteile: Messeinheit,
Signalauswertung, Zündenergieregelung und
Leistungssteuerung in eine Zündspule oder ein
Zündmodul des Zündsystems integriert werden.
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