Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät für die Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bei bekannten Verfahren zur Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine bzw. bei bekannten Zündsteuergeräten werden die einzelnen Zündkerzen über einen Verteiler angesteuert. Wenn die Brennkraftmaschine viele Zylinder aufweist, und bei hohen Drehzahlen reicht der Schließwinkel häufig nicht mehr aus, die Spule ausreichend zu laden.
Daher wurde versucht, mit einer sogenannten ruhenden Verteilung, die ohne einen rotierenden Verteilerfinger auskommt, die Schließwinkel auch bei hohen Drehzahlen zu verlängern. Dabei wurden Einzelfunkenspulen verwendet, die jweils einer Zündkerze zugeordnet waren. Bei einer derartigen Steuerung ist es jedoch problematisch, wenn gleichzeitig mehr als eine Spule geladen werden soll. Es bedarf eines großen Steueraufwands, einen derartigen Betriebsfall zu ermöglichen. Zündsteuergeräte, die übelappende Schießwinkel zulassen, müssen mit ebenso vielen Zählern versehen werden, wie Zündspulen angesteuert werden sollen. Dies hat den Nachteil, daß die Steuergeräte nicht nur sehr groß, sondern auch sehr teuer werden. Überdies wird die Rechenzeit für Steuerprogramme, die bei derartigen Steuergeräten vorgesehen werden müssen, sehr lang. Dadurch werden andere Funktionen, die das Gerät ebenfalls übernehmen muß, beeinträchtigt.
Aus der US-A-265 211 ist eine Brennkraftmaschine mit ruhender Hochspannungsverteilung bekannt, wobei die Zündung an einer Zündspule durch die Verwendung eines Zählers, dessen Inhalt in Abhängigkeit eines winkelabhängigen Taktsignals verändert wird, realisiert wird. Zur Realisierung des Ladebeginns an den einzelnen Zündspulen werden mehrere Zähler und Register benötigt, so daß dies Schaltung relativ komplex ist.
Das Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß mit einem relativ einfach aufgebauten Steuergerät insbesondere auch Brennkraftmaschinen mit mehr als 6 Zylindern auch bei sehr hohen Drehzahlen problemlos angesteuert werden können. Besonders vorteilhaft ist es, daß für alle Zündspulen lediglich ein erstes Zählmittel bzw.erster Zähler für den Zündzeitpunkt und ein zweites Zählmittel bzw.ein zweiter Zähler für den Beginn des Ladevorgangs der Zündspulen erforderlich sind. Obwohl nicht jeder einzelnen Zündspule ein eigener Zähler zugeordnet ist, kann ohne weiteres eine Schließwinkelüberlappung realisiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Zählerstand des zweiten Zählers in Abhängigkeit von einem winkelabhängigen Taktsignal schrittweise reduziert. Dem zweiten Zähler wird jeweils ein der nächsten zu ladenden Zündspule entsprechender Anfangswert eingegeben. Der Ladevorgang dieser Spule wird eingeleitet, sobald der Zählerstand des zweiten Zählers den Wert NULL annimmt. Je höher der eingegebene Anfangswert ist, desto später wird der Ladevorgang der nächsten Spule begonnen. Durch die Wahl des Anfangswerts kann also der Beginn des Ladevorgangs gesteuert werden. Dabei zeigt sich auch, daß diese Art der Steuerung besonders einfach durchführbar ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der einer Spule zugehörige Anfangswert eine oder mehrere, vorzugsweise zwei Kurbelwellenumdrehungen im voraus berechnet wird aus der Gleichung
Mit A1 wird der Abstand bis zum Beginn des Ladevorgangs der Spule 1, mit αs1 der Schließwinkel der Spule 1, mit A2R der Rest-Abstandswert, der für die zweite Spule im zweiten Zähler gespeichert ist, während der Zündzeitpunkt der ersten Spule erreicht ist. Entsprechend werden mit A3, A4 und An die Abstandwerte der Spulen 3, 4 und n bezeichnet. Aus der Gleichung ist ersichtlich, daß der Aufwand zur Bestimmung des nächsten Abstandswerts einer Spule relativ gering ist, daß also das Steuerverfahren sehr einfach ist.
Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Steuergerät für die Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine mit den in Anspruch 6 aufgeführten Merkmalen hat gegenüber bekannten Zündsteuergeräten den Vorteil, daß es bei einer beliebigen Zahl der ansteuerbaren Zylinder lediglich zwei Zähler aufweist. Der erste Zähler dient der Auslösung des Zündvorgangs und der zweite Zähler der Einleitung eines Ladevorgangs einer Spule.
Weitere Ausgestaltungen des Zündsteuergeräts ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Steuerdiagramm für eine Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern;
- Figur 2
- ein Blockschaltbild einer Zündsteuerung und
- Figur 3
- ein Flußdiagramm für das Steuerverfahren.
In Figur 1 ist über dem Kurbelwellenwinkel α der Spannungsverlauf an sechs Einzelfunkenspulen eines Zündsteuergeräts für eine Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern dargestellt. Dabei ist der Spannungsverlauf an der Spule des sechsten Zylinders in Figur 1 an unterster Stelle angeordnet. Es ist deutlich erkennbar, wie die Spannung an den einzelnen Spulen ansteigt und schlagartig abfällt, wenn eine zugehörige Zündkerze angesteuert wird.
Das Diagramm in Figur 1 soll keinen realistischen Betriebsfall darstellen, vielmehr soll hier eine Schließwinkelüberlappung dargestellt werden, das heißt, der Betriebsfall, in dem mehrere Zündspulen gleichzeitig geladen werden. Von links nach rechts gesehen, ergibt sich eine Schließwinkelüberlappung zwischen der zweiten und dritten Spule und dann wieder zwischen der fünften und sechsten Spule. Im späteren Verlauf des Diagramms ergibt sich eine einfache Schließwinkelüberlappung zwischen der Spule 2 und 3 sowie zwischen der Spule 3 und 4. Später ergibt sich eine Mehrfachüberlappung des Schließwinkels bei der Spule 3,4 und 5, dann für die Spulen 4,5 und 6. Im weiteren Verlauf des Kurbelwinkels α ergibt sich eine weitere, einfache Schließwinkelüberlappung zwischen der ersten und sechsten Spule.
Um eine optimale Ladung der Spulen Vor dem Zünden einer Zündkerze zu erreichen, muß für eine bestimmte Zeit der Ladevorgang aufrechterhalten werden. Diese Zeit ist im wesentlichen immer konstant. Für die über dem Kurbelwellenwinkel α dargestellten Spannungsverläufe an den Zündspulen ergibt sich, daß sich bei hohen Drehzahlen der Ladevorgang über einen größeren Winkelbereich erstreckt als bei niedrigeren Drehzahlen.
Dadurch erstrecken sich die in Figur 1 dargestellten Ladevorgänge über verschieden große Winkelbereiche.
Der Winkelbereich, während dessen eine Spule geladen wird, wird als Schließwinkel αs bezeichnet. Er ist hier beispielshaft in den Spannungsverlauf der Spule 1 eingezeichnet.
Die Steuerung der Zündspulen wird hier folgendermaßen durchgeführt:
Der Zündzeitpunkt wird durch einen ersten Zähler ausgelöst, der bei einer winkelsynchronen Bezugsmarke mit einem vorgegebenen Wert geladen wird. Dieser Wert wird durch ein winkelsynchrones Taktsignal schrittweise erniedrigt, bis der Wert NULL erreicht ist. Sobald dies der Fall ist, wird die Zündung der zugehörigen Zündkerze über eine geeignete Endstufe veranlaßt. Das Taktsignal kann hier beispielsweise mit Hilfe eines Geberrads erzeugt werden, welches mit sechzig Zähnen versehen ist. Die Zähne werden durch einen geeigneten Sensor abgetastet. Bei jeder negativen Flanke wird ein Impuls, ein Taktsignal, an den Zähler abgegeben und dessen Zählerstand um eine Stufe erniedrigt.
Um jeweils den korrekten Zeitpunkt für den Ladebeginn einer Spule bestimmen zu können, muß definiert und berechnet werden, in welchem Winkelabstand bei einer gegebenen Lage die nächste Spule geladen werden soll. Ausgangspunkt der Berechnung kann eine kurbelwellensynchrone Marke aber auch der Zündzeitpunkt einer Spule sein. Im folgenden soll beispielshaft die Berechnung zum Zündzeitpunkt der Spule 1 erfolgen.
Zur Bestimmung des Abstandes bis zum nächsten Betriebszustand "Spule laden" wird ein zweiter Zähler verwendet, dem immer dann, wenn ein Ladevorgang einer Spule eingeleitet wird, ein neuer Anfangswert für die nächste zu ladende Spule eingegeben wird. Der Zählerstand wird durch ein Winkelinkrement, also durch ein winkelsynchrones Taktsignal getaktet. Dadurch wird sein Zählerstand schrittweise reduziert. Das Taktsignal wird auch hier beispielsweise durch ein Geberrad erzeugt, dessen negative Flanken zur Taktung des Zählers herangezogen werden.
Wenn also dem zweiten Zähler ein hoher Anfangswert eingegeben wird, so dauert es länger, bis er durch das Taktsignal auf den Wert NULL heruntergezählt hat. Der Kurbelwinkelbereich bis zum Laden der nächsten Spule nach dem Zünden der vorangehenden Spule ist also größer, wenn ein hoher Anfangswert in den zweiten Zähler eingegeben wird. Dadurch verkürzt sich der Winkelbereich für den Ladevorgang dieser Spule.
Dies soll nun anhand von Figur 1 näher erläutert werden.
Der zweite Zähler wird zu beginn eines Zyklusses mit einem Anfangswert A1 geladen. Der Zählerstand wird durch das Taktsignal sukzessive reduziert, bis der Wert NULL erreicht ist. In diesem Moment wird der Ladevorgang der Spule 1 eingeleitet. In Figur 1 wird also die Spannung in der ersten Spule erhöht.
Sobald der zweite Zähler den Wert NULL erreicht hat, wird als nächster Anfangswert der Wert A2 geladen. Nachdem der zweite Zähler von diesem Anfangswert auf NULL heruntergetaktet wurde, wird der Ladevorgang der zweiten Spule eingeleitet. Der Spannungsanstieg in der zweiten Spule ist aus Figur 1 deutlich ersichtlich. Sobald der zweite Zähler den Wert NULL erreicht hat, wird als nächster Anfangswert A3 eingegeben. Dieser Wert entspricht dem Winkelabstand bis zum Beginn des Ladevorgangs der Spule 3. Sobald der zweite Zähler von dem Anfangswert A3 auf NULL heruntergezählt hat, wird der Ladevorgang der dritten Spule eingeleitet. Es ist aus Figur 1 deutliche ersichtlich, daß die Spannung in der dritten Spule ansteigt, während die zweite Spule noch geladen wird. Es liegt hier also eine Schließwinkelüberlappung vor.
Anschließend wird in den zweiten Zähler der Anfangswert A4, dann A5 und schließlich A6 eingegeben.
Die verschiedene Anfangswerte A1 bis A6 werden in einen geeigneten Speicher, beispielsweise in einem RAM abgelegt.
Die Anfangswerte, aus denen also ersichtlich ist, in welchem Winkelabstand bei Beginn des Ladevorgangs einer Spule der Ladevorgang der nächsten Spule eingeleitet wird, werden im voraus berechnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Berechnung der Anfangswerte A1 bis A6 720° im voraus. Dabei entsprechen 720° einem Zyklus.
Wenn die Berechnung der einzelnen Anfangswerte einen vollen Zyklus im voraus erfolgt, können maximal n-1 Schließwinkelüberlappungen auftreten, wobei n der Zahl der Zylinder entspricht. Um eine bessere Dynamik des Verfahrens zu erreichen, kann die Berechnung der Anfangswerte auch zu einem anderen Zeitpunkt, etwa nur 360° im voraus erfolgen. Dadurch wird jedoch die Zahl der möglichen Schließwinkelüberlappungen reduziert.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel waren die Anfangswerte A1,A2, ..., A6 schon berechnet und in einem Speicher abgelegt worden. Es geht nun also darum, die neuen Anfangsabstände A1 bis A6 für die folgenden Zündvorgänge zu berechnen. Dies soll im folgenden anhand des Anfangswerts A1 für die Spule 1 geschehen:
Die Berechnung des neuen Anfangswerts A1 erfolgt nach folgender Gleichung
Wie oben gesagt, wird bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, daß der Anfangswert A1 bei dem Zündvorgang der Spule 1 bestimmt wird. Ähnlich wird der Anfangswert A2 bei dem Zündvorgang der Spule 2 berechnet und so weiter.
Aus der Darstellung in Figur 1 ist ersichtlich, daß mit Beginn des Ladevorgangs der Spule 1 der Anfangswert A2 in den zweiten Zähler eingegeben wird. Der Zähler wird durch das winkelsynchrone Taktsignal herruntergezählt. Er hat im Moment der Zündung der Spule 1 einen Restzählerstand A2R erreicht.
In Figur 1 sind die Anfangsabstände A1 bis A6 oberhalb von den Spannungsverläufen an den Spulen 1 bis 6 dargestellt. Von dem ersten Zündvorgang links im Diagramm der Spule 1 bis zum darauffolgenden Zündvorgang finden zwei Kurbelwellenumläufe statt. Auf der horizontal verlaufenden Winkelachse hat also eine Verschiebung um einen Zyklus, also um 720° stattgefunden. Es ist nun ersichtlich, daß der nächstfolgende Anfangswert A1 der Spule 1 dadurch errechnet werden kann, daß von der vollen Periode der Restlaufwert der zweiten Spule A2R, der Anfangswert A3, sowie die Anfangswerte A4, A5 und A6 abgezogen werden. Schließlich wird noch der Schließwinkel der ersten Spule αs1 subtrahiert.
Der neu berechnete Anfangswert A1 für die Spule 1 wird in den Speicher für die Anfangswerte abgelegt.
Auf ähnliche Weise kann nun der Anfangswert A2 für die Zweite Spule berechnet werden. Allerdings ist aus Figur 1 ersichtlich, daß der Anfangswert A3 schon ganz abgelaufen ist, während der Zündvorgang der zweiten Spule eingeleitet wird. Es ist hier daher die Restlaufzeit A4R der vierten Spule in der Gleichung zu berücksichtigen, die folgendermaßen lautet:
Die Schließwinkel αs der einzelnen Spulen sind ebenfalls in einem geeigneten Speicher abgelegt. Diese Werte können dann ohne weiteres für die Berechnung der verschiedenen Anfangswerte abgerufen werden.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß Fehler bei der Berechnung eines Anfangswertes sich nur innerhalb einer Periode auswirken. Zu Beginn der nächsten Periode werden die Anfangswerte A1 bis A6 neu berechnet, vorangegangene Fehler wirken sich damit nicht mehr aus. Es zeigt sich also, daß dieses Verfahren bzw. ein nach diesem Verfahren arbeitendes Zündsteuergerät sehr unanfällig gegen Störungen ist. Eine Überwachung der Berechnung kann daher entfallen.
Es zeigt sich auch, daß der zweite Zähler, der bei diesem Ausführungsbeipiel ausgehend von einem vorgegebenen Anfangswert abwärts zählt auch aufwärtszählend ausgelegt werden kann. Der Ladebeginn einer Spule muß jeweils dann ausgelöst werden, wenn der zugehörige Anfangswert der entsprechenden Spule erreicht ist. Auf jeden Fall sind Komparatoren nötig, die feststellen, ob der zweite Zähler den Wert NULL oder den vorgegebenen Anfangswert erreicht hat. Wenn dies der Fall ist, wird der entsprechende Ladevorgang ausgelöst.
Aus der Darstellung in Figur 1 ist auch ersichtlich, daß das Verfahren nicht auf Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern beschränkt ist. Die Zahl der Zylinder ist also beliebig. Überdies kann das hier beschriebene Verfahren nicht nur auf ruhende Zündverteilung sondern auch auf sogenannte Zweikreisverteilungen bzw. Verteiler mit rotierenden Systemen übertragen werden. Es ist auch bei Doppelfunkenspulen verwendbar.
Ein nach diesem Verfahren arbeitendes Zündsteuergerät wird nunmehr anhand von Figur 2 erläutert, die ein Blockdiagramm einer derartigen Steuerung wiedergibt.
Beispielsweise mit einem winkelsynchron umlaufenden Geberrad 1 wird ein Winkelinterrupt-Signal bzw. ein Winkelinkrement erzeugt, daß an einem ersten Zähler 3 sowie an einen zweiten Zähler 5 weitergeleitet wird. Es wurde oben dargelegt, daß der Zündzeitpunkt mit Hilfe des ersten Zählers 3 festgelegt wird. Er wird mit einem Anfangswert geladen, der bei Erreichen einer winkelfesten Bezugsmarke schrittweise auf NULL reduziert wird. Sobald der Wert NULL erreicht ist, wird der Zündvorgang ausgelöst, indem ein Signal an einen ersten Pointer 7 abgegeben wird, der ein Ausgangssignal an eine Endstufe 9 abgibt, die die zugehörige Zündkerze zündet. Gleichzeitig gibt der erste Pointer 7 ein Signal x an ein dem zweiten Zähler 5 zugeordnetes Register 11 ab. Dieses Signal stellt sicher, daß ein in dem Addierer 13 berechneter Wert in der richtigen Speicherzelle abgelegt wird.
Nach dem oben Gesagten wird auch deutlich, daß der zweite Zähler 5 mit Hilfe der Signale des Geberrads ausgehend von einem Anfangswert schrittweise abwärts gezählt wird, bis der Wert NULL erreicht ist.
Im Register 11 sind die Adressen für die Anfangswerte A1 bis A6 angedeutet.
Der Addierer 13 dient der Berechnung der Anfangswerte nach der oben angegebenen Gleichung. Die Berechnung findet immer dann statt, wenn der erste Zähler 3 den Wert NULL erreicht und einen Zündvorgang ausgelöst hat. Wenn also in Figur 1 die Spule 1 einen Zündvorgang ausgelöst hat, wird der nächste Anfangswert A1 berechnet und in dem Register 11 an der Stelle abgelegt, der für den Aufruf des nächsten Wertes A1 zuständig ist. Die Speicherung an der richtigen Adresse wird durch das Ausgangssignal x des ersten Pointers 7 sichergestellt.
Sobald der zweite Zähler 5 aufgrund der Taktsignale des Geberrads 1 ausgehend von einem Anfangswert A den Wert NULL erreicht hat, wird der nächste Ausgangswert in den zweiten Zähler 5 geladen. Durch ein Ausgangssignal y des zweiten Zählers 5 an einen zweiten Pointer 15 wird sichergestellt, daß der richtige Ausgangswert in den zweiten Zähler geladen wird. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal y des zweiten Pointers 15 an die Endstufenansteuerung 9 des Steuergeräts abgegeben, damit die richtige Spule mit dem Ladevorgang beginnt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das Zündsteuergerät zur Ausführung dieses Verfahrens werden anhand von Figur 3 nochmals erläutert. Um das Verständnis zu erleichtern, sind gleiche Teile in Figur 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Aus dem Flußdiagramm in dieser Figur ergibt sich, daß ein Winkelinterrupt-Signal 1 einem ersten Zähler 3 zugeleitet wird.
Durch das Winkelinterrupt-Signal des Geberrads 1 wird in einem ersten Schritt a der Zählerstand des ersten Zählers 3 um eine Stufe erniedrigt. In einem nächsten Schritt b wird abgefragt, ob der Zählerstand den Wert NULL erreicht hat. Wenn dies der Fall ist, wird in einem Schritt der nächste Anfangswert Ax nach der anhand von Figur 1 erläuterten Gleichung berechnet. Dieser Wert wird in dem zweiten Zähler 5 gespeichert. Gleichzeitig wird die zugehörige Zündkerze gezündet. Anschließend wird in einem Schritt d der erste Pointer 7 um eine Stufe also von x auf x + 1 verschoben.
In einem nächsten Schritt e wird der Zählerstand des zweiten Zählers 5 um eine Stufe erniedrigt. Dies wird unmittelbar ausgeführt, wenn in Schritt b festgestellt wurde, daß der auch als Zündungszähler bezeichnete erste Zähler 3 den Wert NULL angenommen hat.
Anschließend wird in einem Schritt f abgefragt, ob der zweite Zähler 5 den Wert NULL angenommen hat. Wenn dies der Fall ist, wird in einem nächsten Schritt g die zugehörige Spule gemäß dem zweiten Pointer 15 eingeschaltet und deren Ladevorgang begonnen.
In einem weiteren Schritt h wird der Inhalt der entsprechenden Speicherzelle im Register 11 in den zweiten Zähler 5 eingegeben.
Schließlich wird in Schritt i der zweite Pointer 15 um eine Stufe verschoben.
Nunmehr wird das Flußdiagramm von neuem durchlaufen. Wenn sich bei der Abfrage in Schritt f ergibt, daß der Zählerstand des zweiten Zählers den Wert NULL angenommen hat, wird unmittelbar das Flußdiagramm von vorne durchlaufen.
Nach allem ist ersichtlich, daß mit dem dargestellten Verfahren zur Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine und mit dem beschriebenen Zündsteuergerät eine einfache Lösung zur Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine auch bei überlappenden Schließwinkeln gefunden wurde. Das Zündsteuergerät zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß lediglich zwei Zähler für das Ein- und Ausschalten der Einzelfunkenspulen des Zündgeräts erforderlich sind. Dies bedeutet eine wesentliche Vereinfachung der Hardware und damit eine Verminderung der Störanfälligkeit des Geräts. Außerdem wurden die Kosten für ein derartiges Gerät deutlich gesenkt, da bei bekannten Geräten für jede Spule ein separater Zähler vorgesehen werden mußte.
Nach dem oben Gesagten ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Zählmittel bzw. Zähler nicht nur durch Hardware sondern auch durch geeignete Soft-ware realisierbar sind.