Untersuchung eines Koronazündsystems im Motorbetrieb

Abstract

Die verschiedenen Ansätze zur innermotorischen Wirkungsgradsteigerung, sei es durch erhöhtes Downsizing, die Ausweitung des Schichtladebetriebs, AGR-Konzepte oder die Verwendung alternativer Kraftstoffe, benötigen zu ihrer Umsetzung und den zuverlässigen Betrieb neue Technologien in der Gemischaufbereitung, aber auch der Gemischzündung. Aus diesem Grund wurde in letzter Zeit vermehrt das Augenmerk auf verschiedene alternative Zündsysteme gerichtet. Eines der vielversprechenden Konzepte stellt hierbei das Koronazündsystem des Automobilzulieferers BorgWarner BERU Systems dar. Die Koronazündung hat das Potenzial alle genannten Kriterien zu erfüllen und darüber hinaus rechtzeitig vor dem Wirksamwerden der EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen, welche vorsieht, bis 2020 den CO2-Ausstoß von Pkw-Neufahrzeugen auf durchschnittlich 95 g/km zu limitieren, in Serienanwendungen einzumünden. Im Gegensatz zur Transistorspulenzündung entsteht bei einer Koronazündung das Plasma nicht zwischen Mittel- und Masseelektrode, sondern zwischen Zündkerzenspitze und der als Masse wirkenden Kolben- oder Brennraumwandoberfläche. Die Koronaspannung wird über eine Resonanztransformation erzeugt, wobei die Zündkerze mit integrierter Resonanzspule den Resonanzschwingkreis bildet. Zusätzlich tragen allerdings auch das Zündspulengehäuse, die Zündleitung und der Brennraum aufgrund ihres minimalen kapazitiven und resistiven Effekts einen kleinen Teil zum Schwingkreis bei. Die Anregung erfolgt bei etwa 1 MHz über ein separates Steuergerät. Das Zündsystem ist daher auch als Hochfrequenzzündung bekannt.

Ein Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden Vorteile des Hochfrequenzzündsystems (HFZ) gegenüber der konventionellen Transistorspulenzündung (TSZ) im Motorbetrieb herauszuarbeiten. Zur Durchführung des Vergleichs wurden die Zündsysteme an einen Einzylinder-Forschungsmotor mit Direkteinspritzung und variabler Ventilsteuerung adaptiert. Die thermodynamische Analyse zeigte, dass der Vorteil der Koronazündung vor allem auf der erhöhten Zündstabilität basiert. Durch die im Vergleich zur Transistorspulenzündung erheblich beschleunigte Verbrennung des Gemisches im Bereich vor Erreichen des 1% Massenumsatzpunktes kann eine sehr viel präzisere Entflammung erfolgen. Der Brennverzug ist je nach Betriebspunkt um 5 bis 15 °KW verkürzt. Der Vorteil macht sich besonders bei schlecht entflammbaren Gemischen bemerkbar, da aufgrund der im Gegensatz zur Spulenzündung weiterhin guten Laufruhe bzw. den geringen Zyklenschwankungen ein optimales Einstellen der Schwerpunktlage möglich ist. Die Zündstabilität kann in der Folge zum Beispiel zur weiteren Entdrosselung durch Abgasrückführung und somit zur Verbrauchssenkung beitragen. Auch im Magerbetrieb oder an der Klopfgrenze punktet die Koronazündung durch den präziseren Brennbeginn.

Eine weitere Aufgabe der Untersuchung war die Analyse von elektrischen Signalen und Regelgrößen des Koronazündsystems mit dem Ziel, Störungen oder Beeinflussungen im Motorbetrieb zu identifizieren. Neben den Spannungs- und Stromsignalen zählt hierzu vor allem die Resonanzfrequenz des Hochfrequenzschwingkreises. Mittels einer Sensitivitätsanalyse stellte sich heraus, dass die Resonanzfrequenz vor allem Temperaturdrifts oder Frequenzänderungen durch die Korona- und Verbrennungsionisation unterliegt. Eine Analyse der Spannungssignale stellte darüber hinaus mögliche Verbesserungspotentiale bezüglich der softwaretechnischen Spannungsregelung dar. Der grundlegende Regelungsalgorithmus des Zündsystems stellte sich allerdings als robust und als im gesamten Kennfeld anwendbar heraus.

Da der Brennraum einen kleinen Teil des Koronaschwingkreises darstellt, sollte zudem untersucht werden, inwieweit mögliche Störungen der Resonanz dahingehend analysiert und genutzt werden können, um Aussagen über die Verbrennung treffen zu können. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die HF-Signale grundsätzlich zur Verbrennungsdiagnose herangezogen werden können. So wurden zum einen die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse erneut aufgegriffen, um anhand der Frequenzänderungen während der Zünddauer eine Brennbeginndetektion auszuarbeiten. Der ermittelte Brennbeginn kann durchschnittlich 6 °KW früher erkannt werden, als dies durch eine Analyse des Druckverlaufs möglich ist. Eine Verifizierung zeigte, dass hierbei eine Genauigkeit von ±2 °KW gewährleistet werden konnte. Eine weitere Diagnosemöglichkeit stellt die ausgearbeitete Klopferkennung dar. In der Volllast wurden die HF-Signale analysiert, um die den Klopfschwingungen vorausgehende abnormale Verbrennung bzw. Detonation von der normalen Verbrennung zu unterscheiden und anhand der Höhe der Frequenzverschiebung auf die Intensität des Klopfens zu schließen. Ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen Frequenzverschiebung und Klopfspitze wurde erkannt, wodurch die Eignung zur Diagnosefunktion bestätigt werden konnte.

The various approaches to optimize the efficiency of the combustion process realized due to higher downsizing, expanding the stratified injection operation, adapt high EGR or using alternative fuels all assume the existence of new technologies for mixture formation and ignition. Until now the conventional coil ignition was able to achieve these requirements but in the future the coil ignition will reach the limit to initiate a secure and stable combustion. Based on that issue in the last view years more and more new alternative ignition systems were examined. One of the most promising concepts is the corona ignition system developed by BorgWarner BERU Systems. The corona ignition has the ability to achieve all the requirements and thereby could come into the market before the new EU CO2 regulation (which intends to lower the CO2 limitation for new passenger cars in 2020 to 95 g/km) becomes effective. In contrast to the coil ignition system (CIS) the plasma of a corona ignition system isn’t generated between the centre and the mass electrode but between the centre electrode and the piston or cylinder head which act as a mass electrode in this case. The corona voltage is generated by a resonant transformer where the spark plug and its integrated resonant coil represent a resonant oscillating circuit. In addition the spark plug housing, the ignition wires and the combustion chamber are also part of the resonant circuit because of their minimum capacitive and resistive effect. The electric circuit is stimulated at about 1 MHz by an external ignition control box. Therefore the corona ignition system is also known as high frequency ignition (HFI).

One aim of the project was to point out the key benefits of the HFI during the engine tests facing the CIS. Therefore the ignition systems were adapted on a single cylinder engine with direct injection and full variable valve train. The thermodynamic analysis showed that the main advantage of the corona ignition especially lies in the higher ignition stability. Compared to the coil ignition the corona system leads to a significantly accelerated combustion of the air fuel mixture in the time periode before the 1%-mass-reaction occurred. The effect is a very precise ignition and combustion timing. Depending on the engine operation point the ignition delay is about 5 to 15 °CA shorter than with coil ignition. The effect is especially visible at highly diluted mixtures and therefore at badly flammable conditions because there it can still be reached a smooth running and less cycle-to-cycle fluctuations while the CIS loses its ignitability. As a result the HFI-System enables to keep the 50% mass fraction burnt point in optimum. The ignition stability could for example be used to better de-throttle with EGR and therefore help to improve fuel consumption. Also under lean conditions or at full load the corona system scores due to the precise ignition.

A further aim of the project was to analyze the electric signals and control values of the system in order to uncover and identify control issues or engine influences. Besides the voltage and current signal the most important value is the resonant frequency of the resonant circuit. A sensitivity analysis was undertaken to point out that the resonant frequency mainly is influenced by temperatur drift or the drift due to the corona or combustion ionization. An additional analysis of the voltage signal exposed that the efficiency and stability of the system could be improved by modifying the software control algorithm. Though the essential corona control algorithm was tested and the function appeared to be robust and applicable in the whole engine map.

Because the combustion chamber plays a small role in the electrical resonant circuit a final aim of the project was to find out if the interferences on the resonant frequency through the combustion ionization could be used for combustion diagnosis. The analysis pointed out that the high frequency signals generally burrow some useful information about the inflammation and the combustion process. One diagnosis that is based on the HFI-signals reused the results of the sensitivity analysis to build up a start of combustion detection. The calculated starting point in average lies about 6 °CA in front of the starting point calculated out of the pressure signals over a heat release rate. The verification on the engine test bench showed an accuracy of about ±2 °CA. Another diagnosis is a knock detection algorithm. Therefore the HFI-signals were measured under full load and analyzed to find the combustion or detonation that precedes a knocking combustion cycle. The height of the frequency drift was used to calculate the intensity of the knocking. Finally a mostly linear relation between frequency drift and knock peak was discovered so that the applicability for a diagnosis function was proven.