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Dokumentenidentifikation DE19608526C2 15.05.2003
Titel Verfahren zur Regelung der Mindestzündenergie bei einer Brennkraftmaschine
Anmelder BREMI Auto-Elektrik Bremicker GmbH + Co, 58566 Kierspe, DE
Vertreter Köchling und Kollegen, 58097 Hagen
DE-Anmeldedatum 06.03.1996
DE-Aktenzeichen 19608526
Offenlegungstag 11.09.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse F02P 3/04
IPC-Nebenklasse F02P 9/00   F02P 17/00   

Beschreibung[de]

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 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 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/


Anspruch[de]
  1. 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. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integralregler zur Regelung der Zündenergie verwendet wird.
  3. 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. 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. 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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