DE19524499A1

DE19524499A1 - Zündanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19524499A1
Application number: DE19524499A
Authority: DE
Inventors: Lothar Puettmann; Walter Dipl Ing Gollin; Frank Dipl Ing Hacklaender; Juergen Dr Ing Dr Foerster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2015-07-06
Also published as: FR2736398A1; CN1060553C; KR970006875A; JPH0921381A; US5821754A; JP3927619B2; KR100424214B1; FR2736398B1; DE19524499B4; CN1145983A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündanlage nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits eine Zündanlage aus der US-PS 4 918 389 bzw. der entsprechenden EP 0 344 349 bekannt, bei der die Überwachung der Zündanlage anhand der primärseitigen Überwachung der Funkendauer erfolgt. Hierzu wird die auf die Primärseite transformierte Brennspannung erfaßt und entsprechend mit vorgebbaren Schwellwerten verglichen, so daß bei einer Abweichung von diesen Schwellwerten auf eine fehlerhafte Verbrennung geschlossen wird.

Weitere bekannte Verfahren zur Überwachung der Funktion von Zündanlagen sind z. B. die Überwachung der Katalysatortemperatur, das Erfassen der Laufunruhe und beispielsweise das Erfassen des Lamdasondensignals.

Vorteile der Erfindung

Die Zündanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß Fehler auf der Sekundärseite der Zündspule wie Nebenschlüsse an der Zündkerze bereits vor dem Aussetzen der Zündung erkannt werden. Hierbei werden die Ausgleichsvorgänge der Restenergie in der Zündspule nach der Funkenlöschung erfaßt und ausgewertet. Die Ausgleichsvorgänge der Restenergie in der Zündspule führen zu oszillierenden Schwingungen auf der Primär- und der Sekundärseite der Zündspule, welche durch mögliche Nebenschlußwiderstände an den Zündkerzen mehr oder weniger stark gedämpft werden. Diese Dämpfung bildet somit ein Maß für vorhandene Nebenflußwiderstände im Sekundärkreis. Damit ist beispielsweise auch eine genaue Aussage über den Zustand der Zündkerze möglich ohne daß die Zündkerze selbst ausgebaut werden muß. Letztendlich wird durch die Analyse dieser Nachprozesse nach dem Funkenende die Auswertung unabhängig von den Bedingungen der Gasentladung und damit von anderen Einflüssen vorgenommen. Es wirken lediglich die elektrischen Parameter der Zündanlage.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündanlage möglich. So kann beispielsweise die Erfassung der Dämpfung nach dem Funkenende auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Letztendlich kann die Auswerteeinheit zur Erfassung der Dämpfung im Steuergerät selbst integriert sein und so unmittelbar bei der Bestimmung der Steuergrößen berücksichtigt werden. So ist es beispielsweise möglich, daß eine starke Dämpfung durch Nebenschlußwiderstände zu einer Erhöhung der Zündenergie und damit unter Umständen zu einem Freibrennen der Zündkerze führt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Zündanlage zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 Primär- und Sekundärspannung einer Zündanlage mit einem Nebenschlußwiderstand von 100 MΩ,

Fig. 3a die Ausschwingvorgänge der Primär- und Sekundärspannung bei einem Zündsystem mit Diode und mit einem Nebenschlußwiderstand von 1 MΩ,

Fig. 3b die Ausschwingvorgänge der Primär- und Sekundärspannung bei einem Zündsystem mit Diode und mit einem Nebenschlußwiderstand von 10 MΩ,

Fig. 4a die Ausschwingvorgänge der Primär- und Sekundärspannung einer Zündanlage ohne Diode zur Verhinderung des Einschaltfunkens und mit einem Nebenschlußwiderstand von 1 MΩ,

Fig. 4b die Ausschwingvorgänge der Primär- und Sekundärspannung einer Zündanlage ohne Diode zur Verhinderung des Einschaltfunkens und mit einem Nebenschlußwiderstand von 10 MΩ,

Fig. 5 ein erstes Beispiel einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Signaldämpfung,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung und

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Zündanlage. Eine Zündspule 10 besteht hierbei aus Primärwicklung 11 und Sekundärwicklung 12. Die Primärwicklung 11 ist einerseits mit der Versorgungsspannung U_B beispielsweise der nicht dargestellten Batterie einer Brennkraftmaschine verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung 11 ist über eine Zündendstufe 13 mit Masse verbunden. Die nicht dargestellten Sensoren einer Brennkraftmaschine erfassen die Betriebsparameter wie Drehzahl (n), Kurbelwellenwinkel (KW), Temperatur (T). Die erfaßten Signale der Sensoren sind als Eingangsgrößen 15 an eine Steuereinheit 14 geführt. Diese Steuereinheit 14 bestimmt aufgrund der erfaßten Betriebsparameter und abgespeicherter Kennfelder die verschiedenen Steuergrößen. So wird die Schließzeit und der Zündzeitpunkt für die Zündanlage bestimmt und entsprechend als Ausgangssignal an den Steuereingang der Zündendstufe 13 ausgegeben. Weiterhin sind auf der Primärseite Mittel vorgesehen, mit denen die auf die Primärseite transformierten Sekundärspannung erfaßt werden kann. Schaltungsanordnungen zur Erfassung der Primärspannung sind bereits beispielsweise aus der US-PS 4 918 389 bekannt und sollen somit hier nicht im Detail erläutert werden. Prinzipiell besteht jedoch die Möglichkeit, die auf die Primärseite transformierte Sekundärspannung entweder durch den Spannungsabfall U_L über die Primärwicklung 11 mit den Mitteln M1 zu erfassen oder den Spannungsabfall zwischen dem Ausgang der Primärwicklung und Masse also über die Endstufe 13 U₁₂ mit den Mitteln M2 zu erfassen. Die Ausgangssignale dieser Mittel M1, M2 zur Erfassung der auf die Primärseite transformierten Sekundärspannung wird an eine Auswerteeinrichtung 16, welche in Fig. 1 in der Steuereinheit 14 integriert ist geführt. Selbstverständlich kann diese Auswerteeinheit 16 auch separat angeordnet werden, wobei dann das Ausgangssignal dieser Auswerteeinrichtung 16 der Steuereinheit 14 zugeführt werden muß. Die Sekundärspule 12 der Zündspule 10 ist mit einer Zündkerze 17 verbunden, so daß bei einer entsprechenden Hochspannung an der Zündkerze ein Funkenüberschlag erfolgt. Zwischen einem Ende der Sekundärwicklung 12 der Zündspule 10 und der Zündkerze 17 ist eine Diode 18 vorgesehen, die eine Einschaltfunkenunterdrückung realisiert. Diese Diode 18 kann jedoch auch entfallen. Auf der Sekundärseite sind als Ersatzbauelemente ein Kondensator 19, welcher die Sekundärkapazität innerhalb der Zündspule verdeutlicht, ein Kondensator 20, welcher die Sekundärkapazität außerhalb der Zündspule beispielsweise der Leitungskapazität des Zündgeschirrs verdeutlicht, und ein Widerstand 21, welcher den Nebenschlußwiderstand verdeutlicht, dargestellt. Diese, als Ersatzschaltbild dargestellten Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände bilden einen Schwingkreis, wobei die Dämpfung des Schwingkreises von der Größe des Nebenschlußwiderstandes 21 abhängt, da der Nebenschlußwiderstand die einzige Größe ist, die sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine beispielsweise durch Abbrand und Verschmutzung ändert.

Fig. 2 zeigt die Primär- und Sekundärspannung wie sie in der Zündanlage gemäß Fig. 1 mit der Diode 18 zur Einschaltfunkenunterdrückung auftreten. Zu einem hier nicht dargestellten Zeitpunkt beginnt ein Ladestrom in der Primärwicklung 11 der Zündspule 10 zu fließen und wird zum Zeitpunkt t₁, welches beispielsweise der berechnete Zündzeitpunkt ist, unterbrochen. Damit wird auf der Sekundärseite einer Hochspannung induziert, die zum Funkenüberschlag an der Zündkerze 17 führt und dann in dem typischen, dargestellten Brennspannungsverlauf bis zum Zeitpunkt t₂, welcher das Funkenende darstellt ausbrennt. Die Kurve 22 zeigt dabei den sekundärseitigen Spannungsverlauf U_2(t). Die Kurve 23 zeigt den auf die Primärseite transformierten Spannungsverlauf, welcher beispielsweise anhand des Erfassungsmittels M2 erfaßt und einer Auswerteeinrichtung 16 zugeführt wird. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 mit Einschaltfunkenunterdrückungsdiode 18, wird beim Absinken der Sekundärspannung der Sekundärkreis durch die eingebaute Diode abgetrennt. Die verbleibende Sekundärkapazität 20 kann nur durch den Ionenstrom, der zu vernachlässigen ist, und den Strom durch den Nebenschlußwiderstand 21 entladen werden. Eine typische Zeitkonstante beträgt τ = 4,1 ms. Die Kurve 23 zeigt die auf der Primärseite transformierte Sekundärspannung und somit auch das Verhalten des Restschwingkreises. Die Spannungsverläufe in Fig. 2 sind die erwartete Idealform für den Fall, daß der Nebenschlußwiderstand R_N vernachlässigbar klein ist.

Ändert sich nun der Nebenschlußwiderstand an der Zündkerze 17 so ändert sich auch das Schwing- und Dämpfungsverhalten des Sekundärkreises. Eine Auswertung des Schwingverhaltens nach dem Funkenende also nach dem Zeitpunkt t₂ kann somit Aufschlüsse über den Zustand des Sekundärkreises geben. Somit kann beispielsweise einem möglichen Nebenschlußwiderstand durch ein Anheben der Zündspannung im darauffolgenden Zündzyklus begegnet werden ohne daß es erst zu einem Zündaussetzer kommt. Aufgrund der Auswertung der elektrischen Eigenschaften ist damit ein sehr schnelles Eingreifen in die Funktion der Zündanlage möglich.

Die Fig. 3a und 3b zeigen die Spannungsverläufe eines Zündkreises auf der Sekundärseite (U_2(t)) und auf der Primärseite (U_12(t)) mit einer Diode zur Einsschaltfunkenunterdrückung und mit einem Nebenschlußwiderstand, wobei der Nebenschlußwiderstand bei den Spannungsverläufen in Fig. 3a 1 MΩ und in Fig. 3b 10 MΩ beträgt. Die Kurven 24a bzw. 24b zeigen den Spannungsverlauf auf der Sekundärseite. Es ist zu erkennen, daß bei einer Belastung des Sekundärkreises mit einem Nebenschlußwiderstand die Dämpfung eine wesentlich geringere Zeitkonstante τ aufweist. Bei Fig. 3a beträgt die Zeitkonstante τ=0,06 ms und bei der Fig. 3b ist τ=0,45 ms. Die in den Kurven 25a bzw. 25b stellen den Spannungsverlauf der auf die Primärseite transformierten Sekundärspannung nach dem Funkenende t₂ dar. Bei der Entladung der Kapazität des Zündgeschirrs durch eine kleinen Nebenschlußwiderstand wird, wenn die in der Sekundärwicklung induzierten Spannungsspitzen größer sind als die Restspannung, die Diode leitend und entzieht dem Schwingkreis Energie. Dies ist in einer zunehmenden Dämpfung des Schwingungsspitzen auf der Primärseite Kurve 25a zu erkennen. Bei einem Nebenschlußwiderstand von 10 MΩ besitzt die Primärspannung neben der ersten Spannungsspitze noch vier weitere Spannungsmaxima. Bei Verringerung des Nebenschlußwiderstandes auf 1 MΩ wie in Fig. 3a ist nur ein weiteres, stark gedämpftes Spannungsmaximum zu erkennen. Je größer der Nebenschlußwiderstand ist um so stärker wird das Schwingungsverhalten sein.

Die Fig. 4a und 4b zeigen ebenfalls die Spannungsverläufe in der Zündanlage gemäß Fig. 1 jedoch ohne die Diode 18 zur Einschaltfunkenunterdrückung, wobei der Nebenschlußwiderstand bei den Messungen in Fig. 4a 1 MΩ und bei den Messungen in Fig. 4b 10 MΩ beträgt. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 ohne Einschaltfunkenunterdrückung entfällt die Abtrennung des Sekundärkreises außerhalb der Zündspule. Bei einem Nebenschlußwiderstand von 10 MΩ wie in Fig. 4b sind sich die Schwingungen der Primär- und Sekundärspannung ähnlich. Die Kurve 26b der Fig. 4b zeigt den Sekundärspannungsverlauf U_2(t) bei 10 MΩ Nebenschlußwiderstand und die Kurve 27b zeigt den auf die Primärseite transformierten Spannungsverlauf U_12(t). Die Fig. 4a zeigt die Meßkurven 26a und 27a bei einem Nebenschlußwiderstand von 1 MΩ und es ist zu erkennen, daß beide Spannungen gemeinsam gedämpft werden.

Die theoretische Grundlage für die Auswertung der auf die Primärseite erfaßten Sekundärspannung nach dem Funkenende t₂ ergibt sich folgendermaßen. Ein Modell für den Verlauf der Primärspannung ist

τ_p - Zeitkonstante
ω - Eigenfrequenz
u_1x - -Synonym für u₁₁ bzw. u₁₂

Diese Formel läßt sich nach der Hilberttransformation auch folgendermaßen

û_1x (t) - Analytisches Spannungssignal
darstellen. Das Merkmal zur Kennzeichnung der Dämpfung ist demzufolge die Größe τ. Verschiedene modellgestützte Verfahren für eine genaue Bestimmung von τ sind möglich.

Ein weiteres Merkmal für den Einfluß des Nebenschlußwiderstandes wird als das Verhältnis der zweiten zur ersten positiven Spannungsspitze definiert und lautet wie folgt

û^1,2 -erste/zweite positive Spannungsspitze von u_1x

Wie weiter oben beschrieben kann es bei sehr kleinen Nebenschlußwiderständen zur Strukturumwandlung auf der Sekundärseite kommen, so daß die oszillierende Entladung der Zündspule in einer aperiodische Schwingung übergeht (vergleiche Fig. 2, U_2(t)). Hier entfällt das zweite Maximum der Primärspannung. Eine Alternative besteht darin, den Spitzenwert u²_1x im festen Abstand zum ersten Maximum zu bilden. Dieser fest Abstand T_p ist die Periodendauer der oszillierenden Schwingung und lautet folgendermaßen:

t_max - Zeitpunkt des 1. Maximums
T_p - Periodendauer

Fig. 5 zeigt eine mögliche Gestaltung der Auswerteeinheit 16. Dieser Auswerteeinrichtung 16 ist ein anhand der Mittel M1 oder M2 erfaßtes Primärspannungssignal U₁₁ oder U₁₂ zugeführt. Gleichzeitig wird dieses Signal einer Einrichtung 30 zugeführt, die das Funkenende t₂ bestimmt und ein entsprechendes Triggersignal an die Auswerteeinrichtung 16 weiterleitet. In der Auswerteeinrichtung 16 wird dann mittels der Einrichtung 31 ein Zeitfenster geöffnet, in welchem mit der Einrichtung 32 die Dämpfung der Signale U11 oder U12 bestimmt wird. Ein Maß für die Dämpfung ist der Wert τ, der anschließend in einem Summator 33 mit einem konstanten, kennfeldabhängigen oder zeitabhängigen Referenzwert, welcher beispielsweise in der Applikation bestimmt und in einem Speicher 40 abgelegt wird, zusammengefaßt wird. Dabei liegt der konstante kennfeldabhängige Referenzwert als Negativwert vor, so daß anschließend in einem Komparator 34 die Differenz dieser beiden Werte ausgewertet und darauf basierend ein Korrektursignal für die Steuereinheit 14 bestimmt wird.

Fig. 6 zeigt eine zweite Möglichkeit des Aufbaus der Auswerteeinrichtung 16. Dieser Auswerteeinheit 16 ist ein anhand der Mittel M1 oder M2 erfaßtes Primärspannungssignal U₁₁ oder U₁₂ zugeführt. Gleichzeitig wird dieses Signal einer Einrichtung 30 zugeführt, die das Funkenende t₂ bestimmt und ein entsprechendes Triggersingal an die Auswerteeinheit 16 weiterleitet. In der Auswerteeinrichtung 16 wird mittels der Einrichtung 31 ein erstes Zeitfenster erzeugt, in welchem mit der Einrichtung 35 ein erster Spitzenwert gebildet wird. In der Auswerteeinrichtung 16 wird mittels der Einrichtung 31 ein zweites Zeitfenster erzeugt, in welchem mit der Einrichtung 36 ein zweiter Singalspitzenwert gebildet wird. In der Einrichtung 37 wird nun durch Division der Spitzenwerte ein Wert berechnet, der ein Maß für die Dämpfung darstellt. Dieser Wert wird mit einem konstanten, kennfeldabhängigen oder zeitabhängigen Referenzwert aus dem Speicher 40 verglichen und im Komparator 39 wird ein Korrektursingal für die Steuereinheit 14 bestimmt.

Fig. 7 zeigt eine dritte Variante des Aufbaus der Auswerteeinrichtung 16 und zwar durch ein digitales System z. B. einen Signalprozessor. Dieser Auswerteeinrichtung 16 ist ebenfalls wie bei den Fig. 5 und 6 ein anhand der Mittel M1 oder M2 erfaßtes Primärspannungssignal jedoch nach einer Tiefpaßfilterung mittels Tiefpaß 41 und Analog-Digitalwandlung mittels A/D-Wandler 40 zugeführt. Das digitalisierte Signal wird einer Einrichtung 30 zugeführt, welche das Funkenende bestimmt und mit dem Funkenende ein Zeitfenster öffnet. Während das Zeitfenster geöffnet ist, wird in einem Speicher 43 das digitalisierte Signal gespeichert. In der Einrichtung 44 wird aus dem gespeicherten digitalisierten Signal ein Maß für die Dämpfung der Singale U₁₁ oder U₁₂ bestimmt. Dieser Wert wird mit einem konstanten, kennfeldabhängigen oder zeitabhängigen Referenzwert verglichen und ein Korrektursingal für die Steuereinheit 14 bestimmt.

Claims

1. Zündanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinheit zur Bestimmung von Steuergrößen aufgrund mittels Sensoren erfaßter Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Mittel zur Erfassung der auf die Primärseite einer Zündspule transformierten Sekundärspannung und mit einer Auswerteeinrichtung, an welche die erfaßte Primärspannung von dem mindestens einen Mittel geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (16) als Maß für die Funktion der Zündanlage die Dämpfung der Sekundärspannung nach dem Funkenende erfaßt.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung ein Maß für die Größe des Nebenschlußwiderstandes auf der Sekundärseite darstellt.

3. Zündanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis der Auswerteinrichtung (16) zur Festlegung der Steuergröße für den darauffolgenden Zündzyklus der Steuereinheit (14) zugeführt ist.

4. Zündanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Sekundärspannung in einem Meßfenster, welches am Funkenende aktivierbar ist, erfolgt.

5. Zündanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Dämpfung der Quotient aus dem ersten Spitzenwert (û₁) und dem zweiten Spitzenwert (û₂) der Sekundärspannung nach dem Funkenende festlegbar ist.