Vorrichtung und Verfahren zum Zünden einer Zündkerze eines Kraftfahrzeugs

Zur Verringerung des Kraftstoff erbrauchs werden moderne

Kfz-Ottomotoren mit hohem Ladedruck von 2 bis 3 Bar betrieben. Man macht sich dabei den besseren Wirkungsgrad bei höherer Druckdifferenz beim Otto-Prozess zunutze. Da nun ein Zusammenhang zwischen dem Druck in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors und der Durchbruchspannung der Zündkerze besteht ( Paschen-Gesetz ) , erfordert dies eine wesentliche Erhöhung der Zündspannung von heutzutage gebräuchlichen 15 bis 25kV auf nunmehr 30 bis 45kV.

Gebräuchliche magnetische Zündsysteme erzeugen diese hohe Durchbruchspannung, indem ein speziell dafür ausgelegter Transformator, der häufig als Zündspule bezeichnet wird, aus der 12V Bordnetzspannung magnetisch aufgeladen wird. Wird nun die Verbindung zum Bordnetz - etwa mit Hilfe eines als IGBT ausgebildeten Schaltmittels- unterbrochen, so wird das zusammenbrechende Magnetfeld die Spannung solange steigern, bis sich ein erneuter Stromfluss einstellt. Bedingt durch das Über ^¬ setzungsverhältnis des Transformators (z.B. 1:100) entsteht an seinem sekundärseitigen Ausgang eine sehr hohe Spannung, die der Zündkerze zugeleitet wird. Übersteigt diese Spannung die Isolationsspannung der Zündkerze, erfolgt der gewünschte Durchbruch zwischen den Elektroden, wobei die Spannung von ca. 15 bis 25kV sehr schnell auf ca. 1 bis 3kV zusammenbricht. Die im magnetischen Feld des Transformators gespeicherte Energie entlädt sich nun in dem entstehenden Lichtbogen in etwa 1ms. Dies führt dann zur Entflammung des Gemisches im Brennraum (Zündung) .

Wichtig ist dabei, dass nicht die gesamte, ursprünglich ge ^¬ speicherte Energie zur Speisung des Lichtbogens verfügbar ist, sondern bereits ein Teil zum Aufbau der Durchbruchspannung verloren geht. Dies ist darin begründet, dass Sekundärwicklung, Zuleitungen und Zündkerze einen parasitären, sekundärseitigen Kondensator bilden, zu dessen Aufladung auf die Durchbruch- spannung Energie benötigt wird:

E = 1/2* Csec * Usec ² .

Bei einer gebräuchlichen sekundären parasitären Kapazität Csec von 50pF und einer Durchbruchspannung von 20kV beträgt die für den Durchbruch benötigte Energie lOmJ. Bei einer gebräuchlichen Abgabeenergie der Zündspule von 70 bis lOOmJ spielt dies keine besondere Rolle.

Steigt nun jedoch die Durchbruchspannung auf 40kV, so wird die für den Durchbruch erforderliche Energie entsprechend auf 40mJ anwachsen, was dann aber ein erheblicher Teil der Abgabeenergie ist. Zwar geht die im Kondensator gespeicherte Energie nicht verloren, wegen der Kürze der Entladedauer von etwa Ins bis 5ns trägt sie aber wenig zur Erhitzung des Plasmas im Lichtbogen bei.

Die erhöhte Entladeenergie führt zu der Forderung nach erhöhter Abgabeenergie der Zündspule und das bei gleichzeitiger Erhöhung der Isolationsanforderungen (45kV) . Zugleich soll die Zündspule möglichst klein und kompakt gebaut sein, da sie typischerweise im oder oberhalb des Kerzenschachtes am Motor verbaut ist und somit die Gesamthöhe des Motors mitbestimmt.

Üblicherweise wird - bei stöchiometrischem Brennverfahren - zur Steuerung der Abgabeleistung die angesaugte Luftmenge verändert. Dies geschieht etwa durch Veränderung der Drosselklappenposition oder der Steuerzeiten der Einlassventile. Da nur der Sauerstoffanteil der angesaugten Luft zur Verbrennung beiträgt, kann auch ein Teil des verbrannten, sauerstoffarmen Abgases in den Brennraum zurückgeführt werden, was dann hilft, die ver- brauchsschädlichen Drosselungsverluste des Motors zu verrin ^¬ gern. Zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs soll der Motor nun auch bei Teillast sowohl mit hohem Ladedruck als auch hoher Abgas-Rückführ-Rate (EGR, Exhaust Gas Recirculation) betrieben werden. Im Rahmen von Untersuchungen an Motoren hat sich gezeigt, dass hierzu neben einer längeren Brenndauer (2ms - 5ms) des Lichtbogens auch eine wesentliche Erhöhung des Brennstromes auf ca. 200mA erforderlich ist.

Aus der DE 691 08 094 T2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei der ein Zündkondensator mittels eines

DC/DC-Wandlers auf eine hohe Spannung aufgeladen wird, die beim Anlegen an die Primärwicklung des Zündtransformators ein Aufschwingen der Spannung am aus der Induktivität und der

Kapazität der Sekundärwicklung des Zündtransformators sowie der parasitären Kapazität der Zündkerze gebildeten sekundären Serienschwingkreises zur Folge hat und nach Erreichen einer Durchbruchspannung einen Durchbruch an der Zündkerze bewirkt. Anschließend dient der DC/DC-Wandler zur Speisung der Primärwicklung, wobei durch ein zeitgesteuertes Umpolen der angelegten Spannung mittels einer Vollbrückenschaltung ein se- kundärseitiger Wechselstrom erzeugt wird, dessen Amplitude mittels einer Regelung des Stromes im DC/DC-Wandler einen konstanten Betrag aufweist.

Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Durchbruch der Funkenstrecke sicher erreicht und erkannt werden. Die bei der Entladung der parasitären Sekundärkreiskapazität im Lichtbogen freigesetzte Energie reicht jedoch für eine sichere Entflammung des Gemisches möglicherweise nicht aus; besonders wenn dieses zwar noch brennbar, jedoch schwer entflammbar ist. Solche Bedingungen treten beispielsweise auf, wenn der Sauerstoffgehalt des Ge ^¬ misches durch Beimischung von Abgas (Abgasrückführung) stark verringert ist. Hier ist - nach erfolgtem Durchbruch - ein kontinuierliches Brennen des Lichtbogens für eine vorgebbare Zeitdauer von bis zu einigen Millisekunden erforderlich. Der dabei fließende Brennstrom muss in diesem Zeitraum relativ hoch sein, um die benötigte Entflammungsenergie bereitzustellen. Die Bogenspannung liegt dabei im Bereich von etwa lkV bis 3kV.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine sichere Entflammung bei einer zu Vorrichtung zum Zünden einer Zündkerze eines Kraft- fahrzeugs zu ermöglichen, ohne einen großen und damit teuren Zündtransformator bereitstellen zu müssen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Zünden einer Zündkerze eines Kraftfahrzeugs mit einem Zündtransformator, an dessen Sekundärwicklung die Zündkerze anschließbar ist, einer mit der Primärwicklung des Zündtransformators verbundenen Ansteuerschaltung mit Schaltmitteln, und einer Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, durch Ansteuerung der

Schaltmittel einen Durchbruch bei einer angeschlossenen

Zündkerze und anschließend einen sekundärseitigen Wechselstrom mit betragsmäßig konstanter Amplitude zu bewirken, wobei zwischen der Ansteuerschaltung und der Primärwicklung des Zündtransformators ein Kondensator verschaltet ist, und die Steuereinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern der

Schaltmittel eine primärseitige Schwingung des durch die In ^¬ duktivität der Primärwicklung des Zündtransformators und den Kondensator gebildeten Serienschwingkreises anzuregen und aufrechtzuerhalten .

Da der Zündtransformator bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund des energiespeichernden Serienkondensators im Ge ^¬ gensatz zu gebräuchlichen induktiven Zündsystemen keine Energie speichern muss, sondern hauptsächlich als Transformator be- trieben wird, kann sein Eisenkreis sehr klein werden. Dies spart in erheblichem Maße Herstellkosten.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung mit einer ersten Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schaltmittel, deren

Verbindungspunkt einen ersten Mittenabgriff bildet und die zwischen einem ersten Versorgungspotential und einem Bezugs ^¬ potential verschaltet ist, sowie einer zweiten Serienschaltung aus einem dritten und einem vierten steuerbaren Schaltmittel, deren Verbindungspunkt einen zweiten Mittenabgriff bildet und die zwischen einem zweiten Versorgungspotential und dem Be ^¬ zugspotential verschaltet ist, gebildet, wobei der erste Mittenabgriff (1) über den Kondensator mit dem ersten Anschluss und der zweite Mittenabgriff mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators verbunden ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, bei eingeschaltetem vierten und ausgeschaltetem dritten Schaltmittel das erste und das zweite Schaltmittel abwechselnd ein -und auszuschalten.

Hierdurch wird eine einfache Ansteuerschaltung für den im Primärkreis implementierten Schwingkreis realisiert, um diesen periodisch anzuregen. Die Brenndauer des Zündfunkens ist somit durch die Dauer der Ansteuerung der Schaltmittel bestimmt und kann frei an den momentanen Zündenergiebedarf des Motors an- gepasst werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, bei eingeschaltetem vierten und ausgeschaltetem dritten Schaltmittel das erste und das zweite Schaltmittel mit einer Frequenz, die höher als die durch die Primärwicklung des Zündtransformators und den Kondensator vorgegebene Serienresonanzfrequenz ist, ein -und auszuschalten.

Da der nach dem Durchbruch brennende Lichtbogen eine niederohmige Last darstellt, wird der erfindungsgemäße Primärschwingkreis relativ stark bedämpft, so dass eine Anregungsfrequenz deutlich oberhalb seiner Eigenschwingfrequenz sinnvoll ist.

Durch die periodische Anregung des Schwingkreises entsteht sekundärseitig eine Wechselspannung, welche einen periodischen Wechsel der Stromrichtung im Lichtbogen zur Folge hat. Wichtig ist hierbei, dass die Umschwingdauer - also die Zeit mit re ^¬ duziertem/fehlendem Brennstrom - hinreichend kurz ist, um ein zu starkes Abkühlen des Plasmas zu vermeiden, was wiederum ein Verlöschen des Lichtbogens zur Folge hätte. Hierdurch ist es einerseits möglich, nach dem Durchbruch einen für den Durchbruch vorgesehenen Zündkondensator vom Zündtransformator zu trennen und andererseits kann der Strom durch die Primärwicklung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt werden. _r

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 5 und 6. Die Erfindung soll nachfolgend mit Hilfe eines Ausführungs ^¬ beispiels anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen

Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Figur 2 den zeitlichen Ablauf von Strömen und Spannungen der

Vorrichtung der Figur 1 und

Figur 3 eine erweiterte erfindungsgemäße Vorrichtung mit mehreren Zündkreisen.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Zündtransformator Tr sowie den mit der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbundenen Serienschaltungen aus dem ersten Tl und dem zweiten T2 Schaltmittel einerseits und dem dritten T3 und dem vierten T4 Schaltmittel andererseits sowie einer an die Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr angeschlossenen Zündkerze Zk dargestellt. Eine Steuereinrichtung SE ist lediglich schematisch dargestellt. Ihr werden die den Primär- und den Sekundärstrom repräsentierenden Signale Iprim und Isec, die an Strommesswiderständen Rshuntl, Rshunt2, die im Primär- bzw. Sekundärkreis verschaltet sind, gemessen werden, zugeführt und sie stellt Steuersignale für das erste bis vierte Schaltmittel Tl bis T4 an ihren Ausgängen bereit. Die Serienschaltungen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem ersten, als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten Schaltmittel Tl und einem dazu in Serie geschalteten, ebenfalls als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten, zweiten Schaltmittel T2 sowie einem dritten, als IGBT ausgebildeten Schaltmittel T3 und einem dazu in Serie geschalteten vierten, ebenfalls als IGBT ausgebildeten Schaltmittel T4 gebildet. Die erste Serien ^¬ schaltungen aus dem ersten und dem zweiten Schaltmittel Tl, T2 ist zwischen einem ersten Versorgungspotential Vsupl, das im dargestellten Ausführungsbeispiel 60 Volt betragen soll, und einem Bezugspotential GND verschaltet, während die zweite Serienschaltung aus dem dritten und dem vierten Schaltmittel T3, T4 zwischen einem zweiten Versorgungspotential, das im dar- gestellten Ausführungsbeispiel 300 Volt betragen soll, und dem Bezugspotential GND verschaltet.

Der Verbindungspunkt des ersten Schaltmittels Tl und des zweiten Schaltmittels T2 bildet einen ersten Mittenabgriff 1 und ist mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr über einen erfindungsgemäßen Kondensator Cl verbunden. In gleicher Weise bildet der Verbindungspunkt des dritten

Schaltmittels T3 mit dem vierten Schaltmittel T4 einen zweiten Mittenabgriff 2, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbunden ist.

Um bei eingeschaltetem dritten Schaltmittel T3 den durch die Primärwicklung fließenden Primärstrom erfassen zu können, ist zwischen dem vierten Schaltmittel T4 und dem Bezugspotential GND ein erster Strommesswiderstand Rshuntl verschaltet. Die an diesem Strommesswiderstand Rshuntl abfallende Spannung kann erfasst werden und ist proportional einem Primärstrom Iprim. Diese Spannung soll im Folgenden als Primärstromsignal Iprim bezeichnet werden.

Zur Erfassung des Stromes im Sekundärkreis ist der nicht mit der Zündkerze Zk verbundene Anschluss der Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr über einen zweiten Strommesswiderstand Rshunt2 mit dem Bezugspotential GND verbunden. An diesem zweiten Strommesswiderstand Rshunt2 kann eine dem Sekundärstrom Isec proportionale Spannung abgegriffen werden. Auch diese Spannung soll im Folgenden als Sekundärstromsignal Isec bezeichnet werden . Sowohl das Primärstromsignal Iprim als auch das Sekundär ^¬ stromsignal Isec werden in Form der an den Strommesswiderständen Rshuntl, Rshunt2 abfallenden Spannungen der Steuereinrichtung SE zugeführt. Diese ermittelt daraus die Schaltsignale für das erste bis vierte Schaltmittel Tl bis T4, was in der Figur 1 schematisch dargestellt ist.

Zum Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen, in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung sind in der Figur 2 die zeitlichen Verläufe der Spannung Vprim am zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr bzw. am zweiten Mittenabgriff 2, der Sekundärspannung Vsec sowie des Stromes Isec durch die Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr dargestellt.

Zunächst werden das zweite Schaltmittel T2 und das dritte Schaltmittel T3 eingeschaltet, wobei der erfindungsgemäße primärseitige Serienkondensator Cl entladen sein soll. An der Primärwicklung des Zündtransformators Tr liegt nun die zweite Versorgungsspannung Vsup2 von 300V an. Die Sekundärspannung Vsec - Spannung an der Funkenstrecke der Zündkerze Zk - steigt aufgrund eines resonanten Schwingvorganges - hervorgerufen durch einen sekundärseitigen Serienresonanzkreis aus der Streuinduktivität des Zündtransformators Zr und parasitären sekundärseitigen Kapazitäten - bis zum Durchbruch an. Die Sekundärspannung Vsec kann dabei einen Wert von bis zu 50kV erreichen. Beim Durchbruch wird die sekundärseitige parasitäre Kapazität innerhalb sehr kurzer Zeit bis auf ca. lkV entladen. Der Wert des primären Serienkondensators Cl ist so gewählt, das der während dieser Phase fließende Primärstrom Iprim keine nennenswerte Aufladung bewirkt .

Nach Erkennen des Durchbruchs - beispielsweise durch Beobachtung von primär- oder sekundärseitigem Strom (Spannungsabfall an Rshuntl, bzw. Rshunt2) - werden das zweite Schaltmittel T2 und das dritte Schaltmittel T3 ausgeschaltet und das erste

Schaltmittel Tl und das vierte Schaltmittel T4 eingeschaltet. Die primär- und sekundärseitigen Spannungen drehen sich nun um und es erfolgt ein - stark gedämpfter - Umschwingvorgang zwischen dem primärseitigen Serienkondensator Cl und der Hauptinduktivität des Zündtransformators Tr. Der sekundäre Strom ist dabei als Spannungsabfall am zweiten Strommesswiderstand Rshunt2 er ^¬ fassbar . Nach einer vorgegebenen Zeit, welche kürzer ist als die

Umschwingdauer des aus dem primärseitigen Serienkondensator Cl und der Hauptinduktivität des Zündtransformators Zr gebildeten Schwingkreises, wird das erste Schaltmittel Tl aus- und das zweite Schaltmittel T2 eingeschaltet. Dadurch kehrt sich die Polarität von primär- und sekundärseitiger Spannung abermals um und der Umschwingvorgang am Schwingkreis erfolgt in umgekehrter Richtung. Durch periodisches Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltmittel Tl, T2 entsteht so ein Wechselspan- nungssignal und im Lichtbogen der Zündkerze Zk fließt ein Wechselstrom.

Eine vorteilhafte Erweiterung der Erfindung ist in der Figur 3 dargestellt, die einen Ausbau auf zwei oder mehr Zündkreise zum Betrieb eines Motors mit mehreren Zylindern zeigt. In vor ^¬ teilhafter Weise können dabei wesentliche Teile der Zündanlage gemeinsam genutzt werden, was die technische Umsetzung vereinfacht und die Herstellkosten senkt, da in der Regel nur ein Zylinder zu einem Zeitpunkt gezündet wird. Gemeinsame Kompo- nenten sind dabei die erste Versorgungsspannung Vsupl von +60V, die zweite Versorgungsspannung Vsup2 von +300V, das erste Schaltmittel Tl, das zweite Schaltmittel T2, der primärseitige Serienkondensator Cl, sowie der erste und der zweite Strommesswiderstand Rshuntl, Rshunt2. Die in der Figur 3 bezeichneten Anschlusspunkte A und A', sowie B und B' sind miteinander verbunden; die Erfassung von Primär- und Sekundärstrom erfolgt für alle Zündkreise gemeinsam.

Das vorgeschlagene Zündsystem erfüllt sämtliche Anforderungen, welche durch die besonderen Betriebsbedingungen moderner Motoren an die Gemischentflammung gestellt werden. Der Betrieb erfordert keine besonderen regelungstechnischen Maßnahmen und ist mit einer Ablaufsteuerung oder einem - in einem Mikroprozessor ablaufenden - Programm einfach durchzuführen. Die Schaltung ist mit handelsüblichen Standardbauteilen kostengünstig herstellbar .