DE4322014C2 - Verfahren zum Ansteuern einer Zündspule einer Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Ansteuern einer Zündspule einer Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen und Schaltungsanordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Zündspule nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Schaltung zur Durchführung des
Verfahrens.
Elektronische Zündsysteme bestehen im allgemeinen aus einem Steuergerät,
einer Zündendstufe und der Zündspule mit Zündkerze. Das Steuergerät
übermittelt der Zündendstufe, ob sie die Zündspule beladen oder zünden
soll. Die Zündendstufe belädt die Zündspule bis zu einem vorgegebenen
Zündstrom und hält ihn bis zur Zündanforderung konstant, danach entlädt
sich die Zündspule über die Zündkerze. Zur Verbesserung des
Kaltstartverhaltens sind Zündstrom und Brenndauer (Zündenergie) sehr groß
gewählt. Da eine so große Zündenergie beim warmgelaufenen Motor nicht
notwendig ist, verringert sich die Lebensdauer von Zündkerzen.
Zur Verlängerung der Lebensdauer von Zündkerzen ist es notwendig, die
Zündenergie steuern zu können. Dies kann z. B. durch einen variablen
Zündstrom, oder definiertes "Löschen" des Zündfunkens geschehen. Ein
Verfahren zum Beeinflussen der Brenndauer ist aus der DE 40 38 440 A1
bekannt. Die Ansteuerung der für einen variablen Zündstrom benötigten
Zündendstufe erfolgt üblicherweise über eine Spannungskodierung des
Steuersignals. Die Spannungskodierung hat den Nachteil, daß die
Information bei einem Spannungsabfall zwischen Steuergerät und
Zündendstufe falsch ausgewertet wird. Außerdem muß das Steuergerät
aufwendiger (mit analogem Ausgang) aufgebaut werden.
Aus der DE 28 10 665 A1 ist ein Zündsystem bekannt, durch das ein durch ein
Gebersystem erzeugter Grundschließwinkel bei Erreichen eines Grenzwertes
wenigstens eines Betriebsparameters eines Verbrennungsmotors sprunghaft
verändert wird. In einere Schwellwertstufe der Zündanlage wird dabei ein
weiteres Schließwinkelsignal erzeugt, das zusammen mit dem Grundschließwinkelsignal
einer logischen Schaltstufe zugeführt wird. Diese Schaltstufe kann die
Signale addieren oder subtrahieren. Bei höherer Drehzahl wird an einem
Komparator ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, welches ein zusätzliches
Schließwinkelsignal darstellt, das dem Grundschließwinkelsignal angefügt wird.
Das Grundschließwinkelsignal und das weitere Schließwinkelsignal werden einem
elektrischen oder elektronischen Schalter im Primärstromkreis einer Zündspule
zugeführt.
Da der Zusatzimpuls unmittelbar an den normalen Zündimpuls angefügt ist, um
eine Fehlfunktion zu vermeiden, kann über die Verlängerung des Schließwinkels
hinaus keine weitere Information an den Schalter im Primärkreis der Zündspule
bzw. der Zündendstufe übertragen werden.
Auch bei der Schaltung, welche der JP 61-31661 (A) zugrunde
liegt, wird eine Verlängerung des Zündsignals auf elektronischem Wege
ermöglicht. Die Form der dabei übertragenen Zündimpulse entspricht der Form
normaler Zündimpulse, sie sind lediglich etwas länger. Ein Impuls gibt dabei die
Verlängerung vor und wird zur Steuerelektronik übertragen. Auch hier werden
die Impulse nicht zur Zündspule übertragen, sondern bereits in der Motorelektronik
ausgewertet. Die Zündspule empfängt einen klassischen Zündimpuls, der
keine zusätzliche Information enthält. Auch hier wird der Schließwinkel auf
elektronischem Wege eingestellt und die Übermittlung einer weiteren Information
zwischen Motorelektronik und Zündstufe ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern
einer Zündspule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß
die Ansteuersignale ohne zusätzlichen Aufwand an Leitungen sicher
übertragen werden und die Zündenergie nach Maßgabe des Steuersignals
einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1
angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung, die mit rein digitalen Pegeln funktioniert, nutzt die
Tatsache, daß die Signale, die den normalen Zündablauf betreffen (laden
und zünden), bestimmte Zeitbereiche nicht unterschreiten. So liegt z. B. die
minimale Beladezeit für Zündspulen bei hohen Drehzahlen bei ca. 3 ms.
Um eine größere Zündenergie anzufordern, wird gleich zu Beginn der
Beladezeit der Zündspule das Steuersignal im Steuergerät durch einen
weiteren Impuls ergänzt. Es entsteht außer dem Normsignal N ein kurzes
Extrasignal E, welches die Information "Zündstrom erhöhen" übermitteln
soll. Die Zündendstufe kann diesen Impuls registrieren und bei
Vorhandensein die entsprechende Zündenergie bereitstellen. Für die
Funktion "Zünden" wird die fallende Flanke des Impulses E unterdrückt, da
E mit einer Dauer von ca. 0,1 ms für sich allein keine Zündanforderung
darstellt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 das Steuergerät mit Zündendstufe, Zündspule und Zündkerze;
Fig. 2 drei Zündzyklen mit zugehörigen Steuersignalen;
Fig. 3 die Signale für die Beladung der Spule;
Fig. 4 das Signal für die Erhöhung des Zündstroms;
Fig. 5 den Stromverlauf in der Zündspule;
Fig. 6 die Erzeugung der Signale "Spule beladen" und "Zündstrom erhöhen"
und
Fig. 7 das Schaltbild Ansteuerung der Zündspule.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine größere Zündenergie, wie
sie beispielsweise für den Kaltstart benötigt wird, in Form einer
Zündstromerhöhung bereitgestellt.
In Fig. 2 sind drei Zündzyklen mit ihren Steuersignalen N1, N2, E und N3
dargestellt. Die ersten beiden Steuersignale N1 und N2 fordern einen
normalen Zündstrom an, im dritten Zyklus soll der Zündstrom erhöht
werden.
Eine Zündstromerhöhung wird der Zündendstufe 2 mitgeteilt, indem das
Steuersignal St zu Beginn des Beladevorgangs analysiert wird (Fig. 2,
dritter Zyklus). Die Zündendstufe begrenzt darauf für einen Zyklus den
Zündstrom erst ab einer höher liegenden Schwelle, dem erhöhten
Zündstrom. Ab diesem Maximum wird der Spulenstrom begrenzt.
Aus dem Steuersignal St werden in der Zündendstufe 2 zwei Signale
generiert:
- a) Zum Beladen und Zünden der Spule wird der Austastimpuls herausgefil tert, so daß sich die Form eines konventionellen Steuersignals N3′ ergibt (Fig. 3).
- b) Hat das Steuergerät 1 die Forderung E nach einer Zündstromerhöhung abgesandt, kann die Zündendstufe 2 dies an dem kurzen Impuls E im Steuersignal (s. Fig. 2) erkennen. In diesem Fall wird das Signal ZE "Zündstrom erhöhen" generiert (Fig. 4).
Fig. 5 zeigt den Strom durch die Zündspule. Mit Beginn jedes Zyklus steigt
der Strom an, bis der gewünschte Zündstrom erreicht ist. Die
Zündendstufe hält dann den Strom konstant, bis die Zündung erfolgt.
Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit, wie sich die beiden Signale aus dem
Steuersignal St gewinnen lassen. Das Monoflop 5 überdeckt zusammen mit
der Oder-Schaltung 6 den Impuls E und bildet somit das Signal SL "Spule
beladen". Tritt innerhalb der 0,7 ms des Monoflops ein Impuls E im
Steuersignal St auf (Und-Schaltung 7), wird das Flip-Flop 8 für die
Ladezeit gesetzt und zeigt an seinem Ausgang an, daß der Zündstrom
erhöht werden soll. Rückgesetzt wird das Flipflop 8 nach der Zündung
("Spule beladen" wird "low").
Fig. 7 zeigt eine mögliche Realisierung der Zündspulenansteuerung in
Abhängigkeit vom Steuersignal. Der Leistungstransistor TR, der die
Zündspule 3 ansteuert, ist in diesem Fall als "Sense-FET" realisiert.
Dadurch kann an seinem zusätzlichen Ausgang ein dem Zündspulenstrom
proportionaler kleiner Sensorstrom abgegriffen werden. Dieser Sensorstrom
wird über die Widerstände R1 und OP1 mit einem Referenzstrom Iref
verglichen, um zu erkennen, ob der Zündstrom bereits erreicht ist. Über
einen Halbleiterschalter S1 kann der Referenzstrom "Iref klein" (Iref1) oder
"Iref groß" (Iref1 + Iref2) geschaltet werden. S1 wird von dem Flip-Flop in
Fig. 6 angesteuert. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird der Zündstrom
erhöht.
R2, C und OP2 bilden einen invertierenden Integrator. Die
Ausgangsspannung von OP2 wird langsam erniedrigt oder erhöht, je
nachdem der Komparator OP1 ein Über- oder Unterschreiten des
gewünschten Zündstroms anzeigt. Soll die Zündspule beladen werden,
befindet sich der Schalter S2 in der gezeigten Position: Der Ausgang des
Integrators OP2 wird über den Spannungsfolger OP3 auf den
Leistungstransistor geschaltet.
Zum Zünden wird der Eingang des Spannungsfolgers über den Schalter S2
auf Masse gezogen (das Oder-Gatter aus Fig. 6 steuert den
Halbleiterschalter S2). Der Leistungstransistor unterbricht daraufhin den
primärseitigen Zündspulenstrom und auf der Sekundärseite der Zündspule
wird in der Zündkerze ein Funke ausgelöst.
Das bisherige Beispiel bezog sich auf eine einstufige diskrete Erhöhung der
Zündenergie durch eine Erhöhung des Spulenstroms um einen konstanten
Betrag. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann
der maximale Spulenstrom und damit die Zündenergie je nach Anforderung
durch die Belastung und Temperatur des Motors auch in mehreren kleineren
Stufen gesteuert werden. Dazu wird im Steuergerät 1 beispielsweise ein
variables Voreilen des zusätzlichen Steuerimpulses E gegenüber dem
normalen Zündimpuls N3 erzeugt und von der Zündendstufe 2 aus dem
Steuersignal St zurückgewonnen und decodiert. Beispielsweise wird durch
einen Taktgeber der zeitliche Abstand der beiden Signale E, N3 dadurch
gemessen, daß die von ihm erzeugten Impulse über eine Torschaltung auf
einen Zähler gelangen.
Der Zählerinhalt ist dann proportional zur Erhöhung des Spulenstroms St.
Das Signal "Zündstrom erhöhen" ZE besteht dann nicht aus einem einzigen
Impuls, sondern aus einer der Folge der von der Torschaltung
durchgelassenen Zählimpulse.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann aus diesem Signal auch
ein dazu proportionales Zeitsignal gewonnen werden, wodurch schließlich
die Brenndauer der Zündkerze entsprechend der benötigten Zündenergie
gesteuert wird. Dies geschieht durch Kurzschließen der Primärseite der
Zündspule 3, wobei die in der Zündspule gespeicherte Energie über eine
Freilaufdiode in einem Widerstand dissipiert wird.
Außer durch die Voreilzeit des zusätzlichen Steuerimpulses E gegenüber
dem normalen Zündimpuls kann die Brenndauer und/oder die maximale
Größe des Zündstroms auch durch die Breite des zusätzlichen
Steuerimpulses E bestimmt werden. Die Bestimmung der Breite des
übermittelten Impulses geschieht in der Zündendstufe wieder analog zu dem
oben behandelten Vorgehen. Es ist also auch daran gedacht, bei erhöhter
Zündenergie die Brenndauer der Kerze mit der maximalen Größe des
Zündstroms gemeinsam zu steigern.
Claims (8)
1. Verfahren zum Ansteuern einer Zündspule, einer Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Übermittlung zusätzlicher Informationen zur Steuerung der von der Zündspule bereitgestellten
Zündenergie zwischen Steuergerät (1) und Zündendstufe (2) in einem
Zeitbereich, der für die Zündung keine Bedeutung hat, zwischen zwei
Zündimpulsen (N2, N3) mit zeitlichem Abstand zu den beiden Zündimpulsen (N2, N3) ein zusätzlicher Steuerimpuls (E) übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündendstufe (2) den zusätzlichen Steuerimpuls (E) und den
zugehörigen Zündimpuls (N3) zu einem einheitlichen Impuls (N3′)
umformt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Übermittlung des zusätzlichen Steuerimpulses (E) die
Brenndauer und/oder die Größe des Zündstroms beeinflußt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die maximale Größe des Zündstroms und/oder die Brenndauer durch
die Voreilzeit der ansteigenden Flanke des zusätzlichen Steuerimpulses
(E) gegenüber dem normalen Zündimpuls (N3) bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brenndauer und/oder die Größe des Zündstroms durch die
Breite des zusätzlichen Steuerimpulses (E) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß aufgrund der Kürze des zusätzlichen Steuerimpulses (E) mit dem
Impuls eines Monoflops (5) festgestellt wird, daß der kein normaler
Zündimpuls ist, und infolgedessen kein Zündvorgang ausgelöst wird.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Ansteuern
einer Zündspule einer Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen, bei der zur Übermittlung zusätzlicher Informationen
zwischen Steuerelektronik und Zündendstufe in einem Zeitbereich, der
für die Zündung keine Bedeutung hat, ein kurzer zusätzlicher
Steuerimpuls übertragen wird, nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Steuergerät (1), welches Motorkennziffern wie Temperatur und
Winkellage der Kurbelwelle als Eingangsgröße erhält, ein davon
abgeleitetes, zusätzliches Steuersignal (E) auf eine Zündendstufe (2)
gibt, dessen ansteigende Flanke ein Monoflop (5) anstößt, dessen
Impuls zusammen mit dem Steuersignal sowohl auf ein UND-Glied (7)
als auch auf ein ODER-Glied (6) gegeben wird, dessen Ausgang als
Signal zum Beladen der Spule dient und zum Rücksetzen eines
Flipflops (8), welches durch das UND-Glied (7) gesetzt, das Signal zum
Erhöhen des Zündstroms gibt.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Signal "Zündstrom erhöhen" mittels eines Schalters (S1) zur
Erhöhung der Eingangsspannung eines ersten Operationsverstärkers
(OP1) dient, welcher über einen weiteren Operationsverstärker (OP2),
welcher als Integrator geschaltet ist, den Zündstrom in der Zündspule
(3) dadurch erhöht, daß über einen Spannungsfolger und einen
Leistungstransistor (TR) der Strom in der Primärwicklung der
Zündspule (3) ansteigt, und daß der Ausgang der ODER-Stufe (6)
"Spule beladen" an einen Halbleiterschalter (S2) am Eingang des dritten
Operationsverstärkers (OP3) so lange geschlossen ist, so lange die
Zündspule (3) zu laden ist.
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