DE102015112217B3

DE102015112217B3 - Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung

Info

Publication number: DE102015112217B3
Application number: DE102015112217.0A
Authority: DE
Inventors: Steffen BOHNE; Alexander Schenk
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: CN106401836A; US20170030323A1; US9957945B2; CN106401836B; BR102016015188A2

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung eines Verbrennungsmotors, wobei durch Anlegen einer Spannung an die Koronazündeinrichtung eine Koronaentladung erzeugt wird, die Brennstoff in einem Brennraum des Motors zündet, ein für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert mit einem Sollwert verglichen wird, und wenn der Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem Sollwert abweicht und der Istwert größer als der Sollwert ist, nach dem Vergleich die Spannung reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung.
Koronazündeinrichtungen erzeugen im Betrieb eine Koronaentladung, mit der Brennstoff im Brennraum eines Motors gezündet wird. Koronazündeinrichtungen sind somit eine Alternative zu herkömmlichen Zündkerzen, die Brennstoff mittels einer Bogenentladung zünden.
Koronazündeinrichtungen ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen ein wesentlich größeres Zündvolumen, was im Verbrennungsmotor zu deutlich besser Toleranz gegen Ladungsverdünnung sowie einer besseren Verbrennungsstatistik führt. Koronazündeinrichtungen haben deshalb das Potential, einen wesentlich effizienteren Motorbetrieb zu ermöglichen. Koronazündeinrichtungen haben gegenüber Zündkerzen aber nicht nur Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch, sondern können auch stärker abgemagerte Gemische zünden und deshalb Stickstoffoxidemissionen deutlich reduzieren.
Eine Koronazündeinrichtung ist beispielsweise in der DE 10 2010 055 568 B3 beschrieben. Diese Koronazündeinrichtung weist eine Zündelektrode auf, die in einem Isolator steckt und zusammen mit einem den Isolator radial umgebenden Gehäuse eine Kapazität bildet, die Teil eines Schwingkreises ist. Dieser Schwingkreis wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung von beispielsweise 30 kHz bis 50 MHz oder mehr resonant angeregt. An der Zündelektrode lässt sich auf diese Weise eine Koronaentladung erzeugen. Die hochfrequente Wechselspannung wird mit einem Spannungswandler aus einer Primärspannung erzeugt.
Die Koronaentladung an der Zündelektrode einer Koronazündeinrichtung ist umso größer, je größer die angelegt Spannung ist, d. h. je größer die hochfrequente Wechselspannung bzw. die Primärspannung sind. Allerdings darf an die Koronazündeinrichtung keine zu große Spannung angelegt werden, da die Koronaentladung bei einer kritischen Durchbruchspannung in eine Bogenentladung übergeht. Bei bekannten Verfahren zur Steuerung von Koronazündeinrichtungen wird deshalb versucht, eine Spannung zu wählen, die stets möglichst nahe an der Durchbruchsspannung liegt, damit einerseits eine möglichst große Koronaentladung ausgebildet werden kann und andererseits ein Übergang der Koronaentladung in eine Bogenentladung zuverlässig vermieden werden kann.
Aus der WO 2014/072040 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation von Liefergradabweichungen in einem gemischtaufgeladenen Gasmotor bekannt, wobei als Parameter Abgastemperatur, Stickoxid-Emission und Zylinderdruck erfasst werden.
Aus der DE 100 04 330 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Stickoxid-Konzentration erfasst wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist einen Weg aufzuzeigen, wie die Steuerung einer Koronazündeinrichtung weiter verbessert und dadurch der Motorbetrieb optimiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegeben Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass sich durch die Steuerung einer Koronazündeinrichtung Stickstoffoxidemissionen kontrollieren lassen, so dass diese auch bei sich gegebenenfalls rasch ändernden Betriebsbedingungen des Motors stets unter vorgegebenen Grenzwerten bleiben, beispielsweise unter 500 mg NO_x/m³ nach der Vorgabe TA-Luft, z. B. für Erdgasmotoren und stationäre Gasmotoren. Wenn die Stickstoffoxidkonzentration im Abgas des Motors zu weit ansteigt, kann dem durch eine Verringerung der an die Koronazündeinrichtung angelegten Spannung entgegengewirkt werden. Dies wird darauf zurückgeführt, dass eine kleinere Spannung eine kleinere Koronaentladung zur Folge hat und dies wiederum eine langsamere Verbrennung mit einem weniger steilen Druckanstieg, niedrigerem Spitzendruck und geringerer Verbrennungstemperatur bewirkt.
Allerdings ist es in der Regel nicht sinnvoll, die Stickstoffoxidemissionen strikt zu minimieren, da dies zu Einschränkungen bei Wirkungsgrad und Leistung des Motors führen würden. Beim Motorbetrieb besteht nämlich häufig ein Zielkonflikt zwischen Leistung und Wirkungsgrad einerseits und Stickstoffoxidemissionen andererseits. Deshalb wird typischer Weise ein Kompromiss zwischen Stickstoffoxidemissionen einerseits sowie Wirkungsgrad und Leistung andererseits angestrebt. Dabei müssen für Stickstoffoxidemissionen zunehmend strenge gesetzliche Vorgaben eingehalten werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, derartige Vorgaben ohne eine aufwändige Abgasnachbehandlung einzuhalten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann sich darauf beschränken, einen zulässigen Grenzwert für die Stickstoffoxidemission einzuhalten, also nur die an die Koronazündeinrichtung angelegte Spannung abzusenken, wenn ein Grenzwert erreicht wird. Solange die Stickstoffoxidkonzentration unterhalb von dem Grenzwert liegt, kann die an die Koronazündeinrichtung angelegte Spannung nach beliebigen anderen Gesichtspunkten optimiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Stickstoffoxidkonzentration auf einen Sollwert zu regeln. Dieser Sollwert kann beispielsweise mit einem Kennfeld für verschiedene Motorzustände vorgegeben sein und einem optimalen Kompromiss zwischen Leistung, Wirkungsgrad und Stickstoffoxidemissionen entsprechen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert mit einem Sollwert verglichen. Wenn der Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem Sollwert abweicht, wird nach dem Vergleich die an die Koronazündeinrichtung angelegt Spannung reduziert, falls der Istwert größer als der Sollwert ist. Abweichungen des Istwerts von dem Sollwert, die unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegen sind insignifikant, so dass keine Änderung der Spannung erforderlich ist. Wenn der Istwert von dem Sollwert um weniger als den vorgegebenen Schwellenwert abweicht, braucht die an die Koronazündeinrichtung angelegte Spannung also nicht geändert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nach dem Vergleich zwischen Istwert und Sollwert die Spannung erhöht wird, falls der Istwert kleiner als der Sollwert ist und die Abweichung des Istwerts von dem Sollwert den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Im Rahmen dieser Weiterbildung kann der für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristische Istwert auf den Sollwert geregelt werden.
Die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases kann einem Steuergerät der Koronazündeinrichtung durch einen Sensor zur Verfügung gestellt werden, der die Stickstoffoxidkonzentration im Abgas misst. Eine direkte Messung der Stickstoffoxidkonzentration ist aber auf eine Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich, da die Stickstoffoxidemissionen durch Betriebsparameter des Motors weitestgehend bestimmt sind. Die Stickstoffoxidemissionen können deshalb auch aus Motorbetriebsparametern wie beispielsweise der Verbrennungstemperatur oder dem Brennverzug berechnet werden oder aus einem Kennfeld ermittelt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Maximalwert der Spannung vorgegeben wird, der unabhängig von dem für die Stickstoffoxidkonzentration charakteristischen Istwert nicht überschritten wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Koronaentladung nicht in eine Bogenentladung übergeht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der für die Stickstoffoxidkonzentration charakteristische Istwert auf einen Sollwert geregelt werden soll. Bevorzugt wird der Maximalwert der an die Koronazündeinrichtung angelegten Spannung durch Auswertung von elektrischen Kenngrößen eines in der Koronazündeinrichtung enthaltenen Schwingkreises ermittelt. Beispielsweise können die Impedanz oder die Resonanzfrequenz des Schwingkreises erfasst und ausgewertet werden. Diese und andere elektrische Größen des Schwingkreises sind von der Größe der erzeugten Koronaentladung abhängig und können deshalb genutzt werden, die Ausbildung einer zu großen Koronaentladung rechtzeitig zu erkennen und somit einen Maximalwert der Spannung zu ermitteln, bei dem ein Übergang in eine Koronaentladung noch ausgeschlossen ist. Details dazu, wie durch Auswertung elektrischer Größen des Schwingkreises der Koronaentladung ein Maximalwert für die an Spannung ermittelt werden kann, sind beispielsweise aus der WO 2004/063560 A1 bekannt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die an die Koronazündeinrichtung angelegte Spannung in Schritten geändert werden, deren Größe konstant vorgegeben ist. Eine Änderung der Spannung in stets gleich großen Schritten lässt sich mit vorteilhaft geringem Aufwand implementieren. Möglich ist es aber auch, die Schrittweite in Abhängigkeit von der Abweichung des Istwerts von dem Sollwert dynamisch zu bestimmen. Auf diese Weise kann insbesondere bei starken Änderungen von Betriebsparametern des Motors besonders schnell eine Anpassung der Spannung erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Koronazündeinrichtung jedes einzelnen Motorzylinders mit einer individuell für den betreffenden Zylinder angepassten Spannung betrieben werden, wenn der für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert jeweils individuell für jeden Zylinder ermittelt wird, beispielsweise indem die maximale Brennraumtemperatur oder der maximale Brennraumdruck für jeden Zylinder gemessen wird. Durch den maximalen Brennraumdruck oder die maximalen Brennraumtemperatur ist nämlich die Stickstoffoxidemission des betreffenden Zylinders bei bekanntem Mischungsverhältnis im Wesentlichen bestimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alternativ auch die Spannungen an den Koronazündeinrichtungen von allen Motorzylindern gemeinsam geändert werden. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann angebracht, wenn auf eine individuelle Bestimmung der Stickstoffoxidkonzentration verzichtet werden soll, beispielsweise weil die Stickstoffoxidkonzentration mit einem Sensor im Abgasstrang des Motors gemessen wird. In diesem Fall kann beispielsweise die Spannung, die an den einzelnen Koronazündeinrichtungen anliegt, für alle Zylinder um denselben Betrag reduziert werden, wenn der Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert größer als der Sollwert ist. Dabei können an den einzelnen Koronazündeinrichtungen durchaus unterschiedliche Spannungen anliegen, beispielsweise um unterschiedliche Alterungszustände oder Verschmutzungen der verschiedenen Koronazündeinrichtungen auszugleichen.
Die an die Koronazündeinrichtung angelegte Spannung, welche erfindungsgemäß in Abhängigkeit von dem Ergebnis eines Vergleichs zwischen einem für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert und einem Sollwert geändert wird, kann eine hochfrequente Wechselspannung sein, mit der ein Schwingkreis angeregt wird, der die Zündelektrode enthält. Möglich ist es auch einen Effektivwert einer Primärspannung, aus der mit einem Spannungswandler die hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, als die Spannung anzusehen, die an die Koronazündeinrichtung angelegt und erfindungsgemäß in Abhängigkeit von dem Ergebnis eines Vergleichs zwischen einem für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert und einem Sollwert geändert wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Zündsystems für einen Verbrennungsmotor.
1 zeigt eine Brennkammer 1, welche von Wänden 2, 3 und 4 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 1 ragt von oben eine Zündelektrode 5 hinein, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben ist, mit welchem sie elektrisch isoliert durch die obere Wand 2 hindurch in die Brennkammer 1 geführt ist. Die Zündelektrode 5 und die Wände 2 bis 4 der Brennkammer 1 sind Bestandteil eines Schwingkreises 7, zu welchem noch ein Kondensator 8 und eine Induktivität 9 gehören. Selbstverständlich kann der Schwingkreis 7 weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Schwingkreisen bekannt sind.
Zur Erregung des Schwingkreises 7 ist DC/AC Wandler vorgesehen, der bei dem dargestellten Beispiel von einem Hochfrequenzgenerator 10, welcher eine Gleichspannungsquelle 11 und einen Transformator 12 gebildet ist, der einen Mittenabgriff 13 auf seiner Primärseite hat, wodurch am Mittenabgriff 13 zwei Primärwicklungen 14 und 15 zusammentreffen. Zum Erzeugen einer Korona-Entladung wird eine Primärspannung an den DC/AC Wandler angelegt, nämlich an den Mittenabgriff 13. Die Primärspannung kann aus der Spannung der Gleichspannungsquelle 11 beispielsweise durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation erzeugt werden und so auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Der Effektivwert dieser Primärspannung kann als die Spannung angesehen werden, die erfindungsgemäß an die Koronazündeinrichtung angelegt und reduziert wird, wenn ein für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von einem Sollwert abweicht und der Istwert größer als der Sollwert ist. Möglich ist es auch, dass die Primärspannung mit einem weiteren Spannungswandler erzeugt wird, der mit einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung, die bei einem stationären Motor beispielsweise aus dem allgemeinen Stromnetz stammen kann, gespeist wird. Wenn man den Spannungswandler nicht als Teil der Koronazündeinrichtung ansieht, kann man auch die hochfrequente Wechselspannung, mit welcher der Schwingkreis angeregt wird, als die Spannung ansehen, die erfindungsgemäß an die Koronazündeinrichtung angelegt und reduziert wird, wenn ein für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von einem Sollwert abweicht und der Istwert größer als der Sollwert ist.
Mittels eines Hochfrequenzumschalters 16 werden die vom Mittenabgriff 13 entfernten Enden der Primärwicklungen 14 und 15 abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz des Hochfrequenzumschalters 16 bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis 7 erregt wird und ist veränderbar. Die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 speist den Reihenschwingkreis 7 am Punkt A. Der Hochfrequenzumschalter 16 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Regelkreises so gesteuert, dass der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Dann ist die Spannung zwischen der Spitze der Zündelektrode 5 und den auf Massepotential liegenden Wänden 2 bis 4 am größten.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Wand der Brennkammer
3: Wand der Brennkammer
4: Wand der Brennkammer, Oberseite des Kolbens 18
5: Zündelektrode
6: Isolator
7: Schwingkreis, Reihenschwingkreis
8: Kondensator
9: Induktivität
10: Hochfrequenzgenerator
11: Gleichspannungsquelle
12: Transformator
13: Mittenabgriff
14: Primärwicklung
15: Primärwicklung
16: Hochfrequenzumschalter
17: Sekundärwicklung

Claims

Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung eines Verbrennungsmotors, wobei durch Anlegen einer Spannung an die Koronazündeinrichtung eine Koronaentladung erzeugt wird, die Brennstoff in einem Brennraum des Motors zündet, ein für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert mit einem Sollwert verglichen wird, und wenn der Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem Sollwert abweicht und der Istwert größer als der Sollwert ist, nach dem Vergleich die Spannung reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Istwert um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem Sollwert abweicht und der Istwert kleiner als der Sollwert ist, nach dem Vergleich die Spannung erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Stickstoffoxidkonzentration des Abgases charakteristischer Istwert mit einem Sensor gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Stickoxidkonzentration charakteristische Istwert aus Motorbetriebsdaten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Stickoxidkonzentration charakteristische Istwert aus der Verbrennungstemperatur oder dem Brennverzug berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert der Spannung vorgegeben wird, der unabhängig von dem für die Stickstoffoxidkonzentration charakteristischen Istwert nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert dynamisch durch Auswertung von elektrischen Kenngrößen eines in der Koronazündeinrichtung enthaltenen Schwingkreises (7) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung als Folge des Vergleichs von Istwert und Sollwert in Schritten geändert wird, deren Größe von dem Ausmaß der Abweichung des Istwerts von dem Sollwert unabhängig ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Koronazündeinrichtung angelegte Spannung eine hochfrequente Wechselspannung ist, die mit einem Spannungswandler aus einer Primärspannung erzeugt wird.