Beschreibung Zündvorrichtung, Steuergerät und Zündanlage für eine Brenn- kraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für eine Brenn- kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Steuergerät für eine derartige Zündvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 sowie eine Zündanlage gemäß An- spruch 7.

Bei nicht-selbstzündenden Brennkraftmaschinen erfolgt die Zündung des Kraftstoffgemischs in den Brennräumen der Brenn- kraftmaschine üblicherweise durch eine Zündkerze, über die sich eine Zündspule entlädt.

Wichtig ist hierbei, dass vor dem Zündvorgang eine hinrei- chend große Energiemenge in der Zündspule gespeichert ist, um einen Zündfunken auslösen zu können, was einen entsprechend großen elektrischen Strom durch die Zündspule voraussetzt.

Andererseits sollte die in der Zündspule gespeicherte elek- trische Energie auch nicht zu groß sein, da dies zu einer er- höhten thermischen Belastung von Zündspule und Zündendstufe führt und darüber hinaus den Verschleiß der Zündkerze erhöht.

Vor jedem Zündvorgang sollte also die in der Zündspule ge- speicherte elektrische Energie innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen, um bei minimaler thermischer Belastung von Zündspule und Zündendstufe und möglichst geringem Verschleiß der Zündkerze eine sichere Auslösung eines Zündfunkens zu er- möglichen.

Zur Ansteuerung der Zündkerze sind Zündendstufen bekannt, die in die elektronische Motorsteuerung (ECU-Electronic Control Unit) integriert sind. Dies bietet den Vorteil, dass die elektronische Motorsteuerung den Strom durch die Zündspule

erfassen kann, um beim Erreichen der gewünschten Energiemenge in der Zündspule einen weiteren Stromanstieg zu verhindern.

Es kann jedoch wünschenswert sein, die Zündendstufe als sepa- rates Bauteil getrennt von der elektronischen Motorsteuerung auszubilden, wobei die elektronische Motorsteuerung die Zünd- signale über eine Steuerleitung an die Zündendstufe über- trägt.

Nachteilig an einer derartigen getrennten Ausbildung von elektronischer Motorsteuerung und Zündendstufe ist die Tat- sache, dass die elektronische Motorsteuerung nicht in der Lage ist, die in der Zündspule gespeicherte elektrische Ener- gie zu überprüfen. Demzufolge sind bei der Bestromung der Zündspule vor den Zündvorgängen erhebliche Sicherheitsreser- ven vorzusehen, so dass die in der Zündspule gespeicherte elektrische Energie meist größer als notwendig ist, was zu einer erhöhten thermischen Belastung von Zündspule und Zündendstufe führt und darüber hinaus den Verschleiß der Zündkerze erhöht.

Aus RODENHEBER, R. : Neue Treibergeneration für Kfz-Zünd- systeme, Elektronik 19/1991 ist es bekannt, den aktuellen Zündspulenstrom von der Zündendstufe über eine bidirektionale Steuerleitung zu dem Steuergerät zu übertragen, wobei digitale Pegel auf der Steuerleitung verwendet werden.

Weiterhin ist es aus DE 38 00 932 A1 bekannt, zur Rückmeldung des Zündspulenstroms von der Zündendstufe zu dem Steuergerät eine steuerbare Stromquelle einzusetzen, die in Abhängigkeit von dem Zündspulenstrom einen vorgegebenen Strom auf der Steuerleitung einprägt.

Eine ähnliche bidirektionale Datenübertragung für einen KFZ- Datenbus ist auch aus US 4 736 367 bekannt.

Nachteilig an den bekannten Anordnungen ist jedoch, dass nur der Zündspulenstrom übertragen wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einer ge- trennten Anordnung von Zündendstufe und elektronischer Motor- steuerung die Möglichkeit zu schaffen, dass über eine einzige bidirektionale Steuerleitung eine Rückmeldung mehrerer verschiedener Informationen von der Zündendstufe zu der Motorsteuerung erfolgt.

Die Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät für eine derartige Zündvorrichtung gemäß An- spruch 5 sowie eine Zündanlage gemäß Anspruch 7 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, bei einer getrennten Ausbildung von Zündendstufe bzw. Zündvor- richtung einerseits und elektronischer Motorsteuerung bzw.

Steuergerät andererseits eine bidirektionale Datenübertragung zwischen dem Steuergerät und der Zündvorrichtung zu ermögli- chen, damit die Zündvorrichtung beispielsweise den Ladezu- stand der Zündspule an das Steuergerät zurückmelden kann.

Anstelle oder zusätzlich zu dem Ladezustand der Zündspule be- steht jedoch auch die Möglichkeit, andere Informationen von der Zündvorrichtung zu dem Steuergerät zu übertragen, wie beispielsweise die Funkenbrenndauer oder den aktuellen Schwellenwert des Abschaltstroms der Zündspule.

Erfindungsgemäß erfolgt die Informationsübertragung von der Zündvorrichtung zu dem Steuergerät, indem die Zündvorrichtung auf der Verbindungsleitung zwischen dem Steuergerät und der Zündvorrichtung ein Stromsignal einprägt. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Zündvorrichtung den im Normalbetrieb über die Verbindungsleitung von dem Steuergerät gezogenen elektrischen Strom um einen vorgegebenen Stromhub herauf-oder herabsetzt.

Erfindungsgemäß weist die Zündvorrichtung hierbei eine steuerbare Stromsenke und eine steuerbare Stromquelle auf, die mit dem Steuereingang verbunden ist. Bei einer Aktivierung der steuerbaren Stromsenke wird der von dem Steuergerät gezogene elektrische Strom heraufgesetzt, wohingegen der von dem Steuergerät gezogene elektrische Strom bei einer Aktivierung der steuerbaren Stromquelle in der Zündvorrichtung herabgesetzt wird, was jeweils von dem Steuergerät erkannt werden kann.

Hierzu weist das Steuergerät vorzugsweise mindestens eine Strommesseinheit auf, die den von der Zündvorrichtung gezoge- nen elektrischen Strom erfasst und dadurch die Aktivierung der steuerbaren Stromquelle bzw. der steuerbaren Stromsenke in der Zündvorrichtung erkennen kann.

Es wurde bereits vorstehend ausgeführt, dass es wünschenswert ist, dass die Zündvorrichtung dem separaten Steuergerät den Ladezustand der Zündspule mitteilt, damit der Ladevorgang der Zündspule bzw. das Hochfahren des elektrischen Stroms durch die Zündspule rechtzeitig begonnen wird. Erfindungsgemäß ist deshalb eine Strommesseinheit vorgesehen, die den durch die Zündspule fließenden elektrischen Strom misst und ausgangsseitig mit der steuerbaren Stromquelle oder der steuerbaren Stromsenke verbunden ist, um beim Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes des durch die Zündspule fließenden elektrischen Stroms ein ent- sprechendes Signal an das Steuergerät zu geben. Vorzugsweise erfolgt die Messung des durch die Zündspule fließenden Stroms hierbei durch einen mit der Zündspule in Reihe geschalteten Messwiderstand, der mit einem Eingang eines Komparators ver- bunden ist, wobei der Komparator die über dem Messwiderstand abfallende abfallende Spannung misst, die proportional dem durch die Zündspule fließenden elektrischen Strom ist. Hier- bei vergleicht der Komparator den ermittelten Stromwert mit einem vorgegebenen Referenzstromwert und aktiviert die steu-

erbare Stromquelle bzw. die steuerbare Stromsenke bei einem Überschreiten des Referenzstromwerts.

Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung auch die Mög- lichkeit, dass die Zündvorrichtung dem Steuergerät die Fun- kenbrenndauer mitteilt. Erfindungsgemäß ist deshalb eine mit der Zündspule verbundene Spannungsmesseinheit vorgesehen, welche die Zündspannung überwacht, wobei die Spannungsmesseinheit ausgangsseitig mit der steuerbaren Stromquelle oder der steuerbaren Stromsenke verbunden ist, um dem Steuergerät ein von der Zündspannung abhängiges Signal zu liefern. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsmesseinheit ausgangsseitig mit einem Komparator verbunden, der die gemessene Zündspannung mit einem vorgegebenen Referenzspannungswert vergleicht und die steuerbare Stromquelle bzw. die steuerbare Stromsenke beim Über-oder Unterschreiten des vorgegebenen Referenzspannungswerts aktiviert.

Die Auswertung der von der Zündvorrichtung übertragenen Signale erfolgt in dem Steuergerät vorzugsweise durch eine Strommesseinheit, die den von der Zündvorrichtung über die Verbindungsleitung gezogenen elektrischen Strom erfasst. Die Strommesseinheit weist hierbei vorzugsweise einen Komparator auf, die den gemessenen Stromwert mit einem vorgegebenen Re- ferenzstromwert vergleicht und dementsprechend ein digitales Ausgangssignal erzeugt.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü- chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine erfindungsgemäße Zündanlage sowie

Figur 2 Impulsdiagramme zur Verdeutlichung der Datenüber- tragung zwischen dem Steuergerät und der Zündvor- richtung.

Die in Figur 1 dargestellte Zündanlage besteht aus einem Steuergerät 1 und einer Zündvorrichtung 2 mit einer inte- grierten Zündspule 3 und einer ebenfalls integrierten Zündendstufe 4, wobei das Steuergerät 1 über eine bidirektio- nale Steuerleitung 5 mit der Zündvorrichtung 2 verbunden ist.

Die Steuerleitung 5 ermöglicht zum einen die Steuerung des Ladevorgangs der Zündspule 3 und erlaubt zum anderen eine Rückmeldung von der Zündvorrichtung 2 zu dem Steuergerät 1 über den Ladezustand der Zündspule 3 und die Funkenbrenndauer, wie noch detailliert beschrieben wird.

Im folgenden wird zunächst der strukturelle Aufbau der Zünd- vorrichtung 2 und des Steuergeräts 1 beschrieben, um an- schließend auf deren Funktionsweise eingehen zu können.

Die Zündspule 3 ist mit der aus einem IGBT bestehenden Zündendstufe 4 und einem Messwiderstand 6 in Reihe zwischen.

Batteriespannung UBAT und Masse geschaltet, so dass die Zünd- spule 3 mit dem Messwiderstand 6 beim Durchschalten der Zündendstufe 4 ein RL-Glied bildet.

Das Gate der Zündendstufe 4 ist über einen Treiber 7 mit dem Steuereingang der Zündvorrichtung 2 verbunden, über den die Zündvorrichtung 2 durch die bidirektionale Steuerleitung 5 mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Das Steuergerät 1 kann also über die bidirektionale Steuerleitung 5 die Zündendstufe 4 durchschalten, woraufhin der elektrische Strom durch die Zündspule 3 weitgehend linear ansteigt, wie in Figur 2 darge- stellt ist.

Ausgangsseitig ist die Zündspule 3 über eine Diode 8 mit ei- ner Zündkerze 9 verbunden, so dass sich die Zündspule 3 beim

Sperren der Zündendstufe 4 über die Zündkerze 9 entladen kann, wobei ein Zündfunken erzeugt wird.

Zwischen der Zündendstufe 4 und dem Messwiderstand 6 ist ein Abgriff zur Spannungsmessung vorgesehen, der mit einem Mess- eingang eines Komparators 10 verbunden ist. Der andere Ein- gang des Komparators ist mit einem Mittenabgriff eines Span- nungsteilers verbunden, der aus zwei Widerständen 11,12 be- steht, wobei die Größe des Widerstands 12 einen Referenz- stromwert für die Aufladung der Zündspule 3 definiert.

Ausgangsseitig ist der Komparator 10 mit der Basis eines Transistors 13 verbunden, der den Steuereingang der Zündvor- richtung über einen Widerstand 14 mit Masse verbindet und eine steuerbare Stromsenke bildet. Beim Durchschalten des Transistors 13 wird der Steuereingang der Zündvorrichtung 2 nämlich über den Widerstand 14 auf Masse gezogen, so dass die Zündvorrichtung 2 über die bidirektionale Verbindungsleitung einen zusätzlichen Strom von dem Steuergerät zieht, was von diesem erkannt werden kann. Das Durchschalten des Transistors 13 erfolgt dann, wenn der Komparator 10 erkennt, dass der durch die Zündspule 3 fließende elektrische Strom den vorge- gebenen Referenzstromwert überschreitet.

Darüber hinaus weist die Zündvorrichtung 2 eine weitere steu- erbare Stromsenke auf, die aus einem Transistor 15 und einem mit Masse verbundenen Widerstand 16 besteht, wobei die An- steuerung des Transistors 15 durch eine nur schematisch dar- gestellte Diagnoseschaltung 17 erfolgt.

Schließlich ermöglicht die Zündvorrichtung 2 auch noch die Übertragung der Funkenbrenndauer. Hierzu ist der masseseitige Anschluss der Zündspule 3 über einen Widerstand 18 mit einem Eingang eines Komparators 19 verbunden, wobei der andere Ein- gang des Komparators 19 mit Batteriespannung UBAT verbunden ist. Der Komparator 19 vergleicht also die über der Zündspule 3 abfallende elektrische Spannung mit einem vorgegebenen Re-

ferenzspannungswert, um ermitteln zu können, ob ein Zündfunke abgegeben wird.

Ausgangsseitig ist der Komparator mit einer steuerbaren Stromquelle verbunden, die aus einem Transistor 20 und einem Widerstand 21 besteht, wobei der Transistor 20 den Steuerein- gang der Zündvorrichtung 2 beim Durchschalten über den Wider- stand 21 mit Batteriespannung UBAT verbindet, so dass die Stromquelle einen Strom über die bidirektionale Steuerleitung treibt, was zu einer Herabsetzung des von der Zündvorrichtung 2 über die bidirektionale Steuerleitung von dem Steuergerät 1 gezogenen elektrischen Stroms führt, wie in Figur 2 darge- stellt ist.

Im folgenden wird nun der strukturelle Aufbau des Steuerge- räts 1 beschrieben.

Zur Einleitung des Ladevorgangs für die Zündspule 3 weist das Steuergerät einen Anschluss 22 auf, der beispielsweise von einem nicht dargestellten Mikroprozessor angesteuert werden kann. Der Anschluss 22 ist low-aktiv und über einen Treiber 23 mit der Basis von zwei Transistoren 24,25 verbunden, wo- bei der Treiber 23 der Pegelanpassung zwischen der bidirek- tionalen Steuerleitung 5 und dem Anschluss 22 zur Verbindung mit einem Mikroprozessor dient. Bei einem logischen Low-Pegel an dem Anschluss 22 schaltet also der Transistor 24 durch, wohingegen der Transistor 25 bei einem logisch High-Pegel durchschaltet.

Der Transistor 25 ist hierbei masseseitig über einen Messwi- derstand 26 mit Masse verbunden und dient im Rahmen der Zünd- diagnose zur Bestimmung der von der Zündvorrichtung 2 über die bidirektionale Steuerleitung 5 übertragenen Funkenbrenn- dauer. Hierzu ist der Messwiderstand 26 mit den beiden Ein- gängen eines Komparators 27 verbunden, der somit den durch den Messwiderstand 26 fließenden Strom mit einem vorgegebenen Referenzwert vergleicht.

Ausgangsseitig ist der Komparator 27 mit der Basis eines Transistors 28 verbunden, der beim Durchschalten einen An- schluss 28 auf Masse zieht. Das digitale Signal an dem An- schluss 29 gibt also den Strom durch den Messwiderstand wie- der und ist während der Funkenbrenndauer auf Low.

Der Transistor 24 ist über einen Messwiderstand 30 mit Batte- riespannung UBAT verbunden, wobei der Messwiderstand 30 wie- derum mit den beiden Eingängen eines Komparators 31 verbunden ist, der somit den durch den Messwiderstand 30 fließenden elektrischen Strom mit einem vorgegebenen Referenzwert ver- gleicht.

Ausgangsseitig ist der Komparator 31 mit der Basis eines Transistors 32 verbunden, der beim Durchschalten einen An- schluss 33 auf Masse zieht, so dass der Anschluss 33 einen Low-Pegel annimmt, wenn der Strom durch den Messwiderstand 30 den vorgegebenen Referenzwert übersteigt.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die in Figur 2 dargestellten Signalverläufe die Funktionsweise der vorste- hend beschriebenen Anordnung erläutert.

An dem Anschluss 22 des Steuergeräts 1 liegt ein Signal 34 an, das von einem nicht dargestellten Mikroprozessor erzeugt wird, wobei das Signal 34 während der Low-Phase den Transistor 24 und während der High-Phase den Transistor 25 durchschaltet, so dass die bidirektionale Steuerleitung 5 einen vorgegebenen Signalverlauf 35 mit einem bestimmten elektrischen Potential annimmt.

Das Durchschalten des Transistors 24 führt wiederum dazu, dass auch die Zündendstufe 4 in der Zündvorrichtung 2 durchschaltet, so dass durch die Reihenschaltung aus der Zündspule 3, der Zündendstufe 4 und dem Messwiderstand 6 ein annähernd linear zunehmender Strom mit einem vorgegebenen

Signalverlauf 36 fließt. Die Linearität des Stromverlaufs 36 folgt aus der Tatsache, dass die Induktivität der Zündspule 3 nicht konstant ist.

Die Zunahme des elektrischen Stroms durch die Zündspule 3 und den Messwiderstand 6 führt zu einer zunehmenden Spannungsdif- ferenz an den Eingängen des Komparators, so dass der Kompara- tor 10 den Transistor 13 durchschaltet, wenn der Strom durch die Zündspule 3 einen vorgegebenen Schwellenwert Ith er- reicht. Das Durchschalten des Transistors 3 führt dann dazu, dass die bidirektionale Steuerleitung 5 in der Zündvorrich- tung 2 über den Widerstand 14 auf Masse gezogen wird, so dass ein größerer Strom über die bidirektionale Steuerleitung 5 fließt, wie aus dem Signalverlauf 37 ersichtlich ist. Der größere Stromfluss über den Widerstand 30 und die bidirektio- nale Steuerleitung 5 führt dazu, dass der Komparator 31 den Transistor 32 durchschaltet, so dass der Anschluss 33 auf Masse gezogen wird, wie anhand des Signalverlaufs 38 darge- stellt ist.

Die Low-Phase des Signalverlaufs 38 wird von einem Zähler in dem nicht dargestellten Mikroprozessor ausgewertet. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit setzt der Mikropropzessor den Anschluss 22 wieder auf logisch High, so dass der Transistor 24 sperrt und der Transistor 25 durchschaltet, wobei das elektrische Potential auf der bidirektionalen Steuerleitung auf logisch Low gezogen wird, wie an dem Signalverlauf 35 erkennbar ist. Darüber hinaus führt das Sperren des Transistors 24 auch zu einem Sperren der Zündendstufe 4, woraufhin der Strom durch die Zündspule 3 schlagartig einbricht, wie aus dem Signalverlauf 36 entnehmbar ist.

Da sich der Strom durch die Zündspule 3 aufgrund der Indukti- vität der Zündspule 3 nicht schlagartig ändern kann entlädt sich die Zündspule 3 über die Zündkerze 9, so dass ein Zünd- funken abgegeben wird. Hierbei wird in der Zündspule 3 pri- märseitig eine Spannung induziert, wie an dem Signalverlauf

39 erkennbar ist. Die primärseitige Induktion der Spannung in der Zündspule während des Zündvorgangs führt dazu, dass der Komparator 19 den Transistor 20 der steuerbaren Stromquelle durchschaltet, so dass die Zündvorrichtung 2 einen Strom über die bidirektionale Steuerleitung 5 in Richtung des Steuerge- räts 1 treibt, wie anhand des Signalverlaufs 37 erkennbar ist. Während des Zündvorgangs ändert sich also die Polarität des über die bidirektionale Steuerleitung 5 fließenden Stroms. Der auf diese Weise von der Zündvorrichtung getrie- bene Strom fließt über den Transistor 25 und den Messwider- stand 26 gegen Masse, so dass der Komparator 27 den Transi- stor 28 durchschaltet, woraufhin der Anschluss 29 auf Masse gezogen wird, wie an dem Signalverlauf 40 erkennbar ist. Der Low-Pegel an dem Anschluss 29 signalisiert also die Dauer des Zündfunkens. Auf diese Weise kann der an dem Anschluss 29 an- geschlossene nicht dargestellte Mikroprozessor erkennen, ob die in der Zündspule 3 vor dem eigentlichen Zündvorgang ge- speicherte elektrische Energie ausgereicht hat, um einen Zündfunken auszulösen.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus- führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die ebenfalls von dem Er- findungsgedanken Gebrauch machen und in den Schutzbereich fallen.