Hochspannungskondensatorzündanlage für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungs- kondensatorzündanlage für Brennkraftmaschinen mit ei nem Speicherkondensator, der vor jedem Zündvorgang über wenigstens einen Ladegleichrichter aus der mit vie len Windungen ausgerüsteten Sekundärwicklung eines Ladetransformators aufgeladen wird,
dessen wenige Win dungen aufweisende Primärwicklung über einen im Takt der Umdrehungen der Brennkraftmaschine betätigten Unterbrecher an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist und der im Zündaugenblick über die Primärwicklung einer Zündspule und über einen eine Zündelektrode ent haltenden elektronischen Schalter entladen wird, wobei die Zündelektrode mit einer Steuerimpulse liefernden, synchron zum Unterbrecher arbeitenden, jedoch diesem nacheilenden Steuereinrichtung verbunden ist.
Zündanlage dieser Art eignen sich besonders gut für solche Brennkraftmaschinen, bei welchen die Zündker zen einer starken Verschmutzung ausgesetzt sind und daher bei jedem Zündvorgang eine grosse Funkenener- gie brauchen, mit der die sich ansetzenden Verschmut zungsbrücken jeweils wieder weggebrannt werden kön nen.
Diese hohe Zündenergie muss ausserdem bei ei ner sehr raschen Zündfolge aufgebracht werden so dass es notwendig ist, einen Speicherkondensator mit niedri gen Kapazität, aber hoher zulässiger Ladespannung zu verwenden.
Die Ladespannung beträgt bei bekannten Kondensatorzündanlagen etwa 1000 V und wird durch Hochtransformieren in dem primärseitig aus einer Fahr zeugbatterie von 6,3 V oder 12,6 V betriebenen Lade transformator gewonnen. Wenn jedoch die gespeicher te Energie dem Kondensator beispielsweise wegen eines abgefallenen Kerzensteckers oder eines gebrochenen Zündkabels nicht entnommen wird, steigt die Span nung am Speicherkondensator bei jedem Ladevorgang zusätzlich an, so dass nicht nur die Ladegleichrichter einer erheblichen Überspannung ausgesetzt sind,
son dern auch die Selbstzündungspannung des elektroni schen Schalters überschritten werden kann und dann un- gesteuerte Entladevorgänge über diesen Schalter erfol- gen.
Dies könnte vor allem bei Mehrzylinder-Brennkraft- maschinen zu erheblichen Betriebsstörungen führen, weil der durch einen ungesteuerten Entladevorgang hervor gerufene Zündfunke über den Verteiler auf einen im Ansaughub oder Kompressionsvorgang befindlichen Zy- linder überspringen kann.
Diese Nachteile sind bei einer Zündanlage der ein gangs beschriebenen Art vermieden, bei welcher erfin- dungsgemäss an den Verbindungspunkt des Unterbre chers mit einem der beiden, Wicklungsenden der Primär- wicklung des Ladetransformators eine Zenerdiode an geschlossen ist,
die beim Öffnen des Unterbrechers in ihrer Sperr-Richtung beansprucht wird und die Lade spannung des Speicherkondensators bei fehlender Kon- densatorentladung auf einen unter der Selbstzün- dungsspannung des elektronischen Schalters liegenden Wert begrenzt. Der Speicherkondensator kann sich bei dieser Anordnung höchstens auf einen Spannungswert aufladen, der dem Produkt aus der Durchbruchsspan nung (Zenerspannung) der Zenerdiode und dem über- setzungsverhältnis des Ladetransformators entspricht.
Wenn diese Spannung unter der Selbstzündspannung des elektronischen Schalters gewählt wird, können Entla dungen des Speicherkondensators nur dann erfolgen, wenn an der Zündelektrode des elektronischen Schal ters ein Steuerimpuls der richtigen Polarität auftritt.
Weitere Einzelheiten sind nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles, einer in der Zeichnung im Schaltbild dargestellten Hochspannungskondensatorzünd- anlage näher beschrieben.
Die Hochspannungskondensatorzündanlage nach der Zeichnung ist zum Betrieb eines schnellaufenden, als Antrieb für ein Kraftfahrzeug dienenden Kreiskol- benbrennmaschine bestimmt, die mehrere, während je des Umlaufs bei genau festgelegten Drehwinkeln zu zün dende Brennkammern hat, von denen jede mit einer an einen Verteiler V angeschlossenen Zündkerze Z aus gerüstet ist.
Die Zündanlage enthält als wichtigste Bauteile einen Ladetransformator 10 mit einer wenige Windungen auf- weisenden Primärwicklung 11 und - einer etwa acht mal soviele Windungen umfassenden Sekundärwicklung 12, einen Ladegleichrichter 13 sowie einen Speicher kondensator 14, dessen Entladungskreis von der Pri märwicklung 15 einer Zündspule 16 und der Anoden (A)-Kathoden (K)
-Strecke eines Kaltkathoden-Thyra- trons 17 gebildet wird. Dieses als elektronischer Schalter wirkende Thyratron 17 enthält ausserdem eine Hilfsan ode H, die über einen etwa<I>4 M</I> S2 grossen Widerstand 18 mit der Anode A verbunden ist, und eine Zündelektrode S.
Diese ist über einen Schutzwiderstand 19 von 10 Ohm an eine die Zündzeitpunkte der Zündanlage bestimmen de Steuereinrichtung angeschlossen, die im. wesentlichen aus einem Steuertransformator 20 mit einer Primärwick lung 21 und einer Sekundärwicklung 22 und aus ei nem Steuerunterbrecher 23 besteht. Dieser ist in Rei he mit der Primärwicklung 21 angeordnet, die zusam men mit der Primärwicklung 11 des Ladetransformators 10 an dem Pluspol der Fahrzeugbatterie B liegt.
Der Steuerunterbrecher 23 wird jeweils im Zünd zeitpunkt durch den Nocken 24 entgegen Federkraft in die Offenstellung gebracht. Der Nocken 24 sitzt zu sammen mit der Verteilerelektrode 25 auf .einer mit der Treibwelle der Brennkraftmaschine gekuppelten Antriebswelle 26, die ausserdem einen zweiten, in der Antriebsdrehrichtung gegenüber dem Nocken 24 des Steuerunterbrechers 23 vorversetzten Nocken 28 trägt,
der mit einem zur Primärwicklung 11 des Ladetrans formators 10 in Reihe geschalteten Ladekontakt 29 zu- sammenarbeitet. Zu dem Ladekontakt 29 ist ein Kon densator 30, zum Steuerunterbrecher 23 ein Konden sator 31 parallelgeschaltet.
Sobald der Ladekontakt 29 in seine Offenstellung gelangt und dabei den über die Primärwicklung 11 des Ladetransformators 10 fliessenden- Magnetisierungs- strom unterbricht, wird in der Sekundärwicklung 12 ei ne Ladespannung induziert.
Diese bewirkt einen über den Ladegleichrichter 13 dem Speicherkondensator 14 zufliessenden Ladestromstoss, der so gross ist, dass der eine Kapazität von etwa 0,15 ,uF aufweisende, vorher ungeladene oder annähernd entladene Speicherkonden sator 14 sich auf etwa 1000 V aufladen kann. Diese Spannung liegt dann auch an der Anode A des Thyra- trons 17, vermag aber die Anoden-Kathodenstrecke, deren Selbstzündungsspannung bei etwa 2000 V liegt,
nicht stromleitend zu machen, solange die Zündelektro- de S des Thyratrons 17 auf dem gleichen oder einem wenigstens annähernd gleichen Potential liegt wie die Kathode K.
Der Zündvorgang setzt jeweils dann ein, wenn der Unterbrechernocken 24 den Unterbrecher 23 öffnet, dabei den aus der Batterie B dem Steuertransfor mator 20 zufliessenden Strom unterbricht und in der Se- kundärwicklung 22 eine positive Spannung von etwa 30 V erzeugt, welche das Thyratron 17 stromleitend macht.
Der hierbei einsetzende Enfladestrom des Speicherkon- densators 14 induziert in der Sekundärwicklung 35 der Zündspule 16, die ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1:37 hat, eine hohe Zündspannung die über die um- laufende Verteilerelektrode 25 an eine der Zündkerze Z gelangt.
Da die Anoden-Kathodenstrecke des Thyra- trons 17 im gezündeten Zustand solange stromleitend bleibt, bis der Speicher-Kondensator 14 praktisch voll ständig entladen ist, erfolgt der nächste Aufladungsvor- gang jeweils bei einer nur geringen Anfangsladung des Speicherkondensators 14, wodurch sichergestellt wird, dass bei der Entladung im gewünschten Zeitpunkt stets eine gleiche elektrische Energie zur Verfügung steht.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass für das Thyra- tron 17 gefährliche Betriebszustände eintreten können, wenn z. B. infolge eines abgefallenen Zündkerzen kabels die Entladung des Speicherkondensators 14 nur unvollständig erfolgt und daher am Anfang des näch sten Aufladevorgangs bereits eine erhebliche Ladung im Speicherkondensator 14 vorhanden ist.
In diesem Fall könnte sich der Kondensator 14 über die bei un gestörtem Betrieb und daher vorausgegangener voll ständiger Entladung erreichten Spannungswerte hinaus soweit aufladen, dass seine Spannung die Selbstzün- dungsspannung des Thyratrons 17 überschreitet, bei welcher trotz fehlender positiver Steuerspannung an der Zündelektrode S die Anoden-Kathodenstrecke des Thyratrons 17 leitend wird und im falschen Augenblick einen Zündfunken hervorrufen würde.
Um eine solche Überladung des Speicherkondensa- tors 14 mit Sicherheit auszuschliessen, ist an die Pri märwicklung 11 des Ladetransformators 10 eine Zener- diode 40 so angeschlossen, dass beim Ladevorgang an der Primärwicklung 11 keine höheren induktiven Span nungswerte als 50 V auftreten können und daher von dem ein Übersetzungsverhältnis von 1:
8 aufweisenden Ladetransformator 10 der Speicherkondensator 14 auf höchstens 1200 V aufgeladen werden kann. Ausser die ser Begrenzung der Kondensatorspannung auf einen un ter der Selbstzündungsspannung liegenden Wert kann man mit dieser Anordnung in ungestörtem Betrieb gleichzeitig erreichen, dass trotz stark schwankender Batteriespannung diese oberste Grenze der Kondensa- torspannung nicht überschritten wird.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Beschädigung der überschlagelek- troden im Verteiler der Isolierung der Kerzenkabel und sonstige, in Verbindung mit zu grosser Funkenenergie auftretende Nachteile zu vermeiden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ausser- dem in den Entladungskreis des Speicherkondensators 14 ein Gleichrichter 41 eingeschaltet, der verhindert, dass im Anschluss an den Entladungsvorgang ein perio discher Energietransport in entgegengesetzter Richtung stattfinden kann, bei welchem an der Anode A des Thy- ratrons 17 eine negative Spannungshalbwelle entstehen würde,
bevor der Ionisierungszustand der Anoden-Ka- thodenstrecke abgeklungen ist. Das Thyratron 17 wäre infolge dieses inversen Betriebes der Gefahr rascher Zerstörung ausgesetzt. Der Gleichrichter 41 ist zu die sem Zweck zum Speicherkondensator 14 parallel ge schaltet und so gepolt, dass er während des Auflade vorgangs in seiner Sperr-Richtung beansprucht wird.
Der Gleichrichter hat neben dieser Schutzwirkung für das Thyratron 17 noch den Vorteil, dass die gesamte, im Kondensator 14 gespeicherte Energie im Zündfun ken verbraucht werden muss, weil ein periodischer Energieaustausch zwischen dem Kondensator 14 und der Induktivität der Zündspule 16 nicht möglich ist.
Anstelle der in der Zeichnung mit ausgezogenen Li nien dargestellten Parallelschaltung des Gleichrichters 41 zum Speicherkondensator 14 kann man die mit un terbrochenen Linien angedeutete Schutzschaltung vor sehen, bei welcher ein Gleichrichter 42 antiparallel zur Anoden-Kathodenstrecke des Thyratrons 17RTI ID="0002.0197" WI="8" HE="4" LX="1877" LY="2546"> liegt. In diesem Fall ist der Schutz gegen inversen Betrieb noch wirkungsvoller.
Auf den gleichen Überlegungen beruht die im Steuerkreis des Thyratrons 17 vorgesehene Schutzmass- nahme, zu der Zündelektrode S und der Kathode K des Thyratrons 17 entweder direkt oder mittelbar über den Schutzwiderstand 19 einen Gleichrichter 43 parallel zu schalten. Dieser Gleichrichter ist so gepolt, dass beim öffnen des Steuerunterbrechers 23 nur positive Steuer impulse an der Zündelektrode S auftreten können. Ne gative Steuerimpulse, die einen inversen Betrieb be günstigen könnten, werden jedoch unterdrückt.
Es wird selbstverständlich als im Rahmen der Er findung liegend betrachtet, anstatt nur einer Zenerdio- de 40 bzw. nur eines Gleichrichters 41, 42 bzw. 43 eine durch Zusammenschalten mehrerer Einzelelemen te gebildete Strecke anzuwenden und zwecks richtiger Bemessung des diese Strecke enthaltenden Stromzweiges einen bzw. mehrere Widerstände in Serie bzw, im Ne- benschluss zuzuschalten.
High-voltage capacitor ignition system for internal combustion engines The invention relates to a high-voltage capacitor ignition system for internal combustion engines with a storage capacitor which is charged before each ignition process via at least one charging rectifier from the secondary winding of a charging transformer equipped with many windings.
whose primary winding, which has a few turns, is connected to a direct current source via an interrupter operated at the rate of the revolutions of the internal combustion engine and which is discharged at the moment of ignition via the primary winding of an ignition coil and via an electronic switch containing an ignition electrode, the ignition electrode delivering control pulses, working synchronously with the interrupter, but this lagging control device is connected.
Ignition systems of this type are particularly suitable for those internal combustion engines in which the spark plugs are exposed to heavy contamination and therefore need a large amount of spark energy with each ignition process, with which the accumulating contamination bridges can be burned away again.
This high ignition energy must also be applied with a very rapid ignition sequence, so that it is necessary to use a storage capacitor with a low capacity but a high permissible charging voltage.
The charging voltage in known capacitor ignition systems is around 1000 V and is obtained by stepping up the charging transformer, which is operated on the primary side from a vehicle battery of 6.3 V or 12.6 V. However, if the stored energy is not taken from the capacitor, for example because of a fallen plug connector or a broken ignition cable, the voltage on the storage capacitor increases with each charging process, so that not only the charging rectifiers are exposed to a considerable overvoltage,
but also the auto-ignition voltage of the electronic switch can be exceeded and uncontrolled discharging processes then take place via this switch.
In multi-cylinder internal combustion engines in particular, this could lead to considerable operational malfunctions because the ignition spark caused by an uncontrolled discharge process can jump over the distributor to a cylinder in the intake stroke or compression process.
These disadvantages are avoided in an ignition system of the type described at the beginning, in which, according to the invention, a Zener diode is connected to the connection point of the interrupter with one of the two winding ends of the primary winding of the charging transformer,
which is loaded in its reverse direction when the interrupter is opened and limits the charging voltage of the storage capacitor to a value below the self-ignition voltage of the electronic switch if the capacitor is not discharged. With this arrangement, the storage capacitor can be charged at most to a voltage value which corresponds to the product of the breakdown voltage (Zener voltage) of the Zener diode and the transmission ratio of the charging transformer.
If this voltage is selected below the self-ignition voltage of the electronic switch, discharges of the storage capacitor can only take place if a control pulse of the correct polarity occurs on the ignition electrode of the electronic switch.
Further details are described in more detail below using an exemplary embodiment, a high-voltage capacitor ignition system shown in the drawing in the circuit diagram.
The high-voltage capacitor ignition system according to the drawing is intended for the operation of a high-speed rotary piston internal combustion engine which is used as a drive for a motor vehicle and which has several combustion chambers that can be ignited during each cycle at precisely defined angles of rotation, each of which has a spark plug connected to a distributor V. Z is equipped.
The ignition system contains as the most important components a charging transformer 10 with a few turns having primary winding 11 and - a secondary winding 12 comprising about eight times as many turns, a charging rectifier 13 and a storage capacitor 14, the discharge circuit of which is from the primary winding 15 of an ignition coil 16 and the anode (A) - cathode (K)
-Section of a cold cathode thyra- tron 17 is formed. This thyratron 17, which acts as an electronic switch, also contains an auxiliary anode H, which is connected to the anode A via a resistor 18 of about <I> 4 M </I> S2, and an ignition electrode S.
This is connected via a protective resistor 19 of 10 ohms to a de control device which determines the ignition timing of the ignition system, which in the. essentially consists of a control transformer 20 with a primary winding 21 and a secondary winding 22 and a control breaker 23. This is arranged in Rei he with the primary winding 21, the men together with the primary winding 11 of the charging transformer 10 at the positive pole of the vehicle battery B.
The control interrupter 23 is brought into the open position by the cam 24 against spring force at the ignition point. The cam 24 sits together with the distributor electrode 25 on a drive shaft 26 which is coupled to the drive shaft of the internal combustion engine and which also carries a second cam 28 which is offset in the drive direction of rotation with respect to the cam 24 of the control interrupter 23,
which cooperates with a charging contact 29 connected in series with the primary winding 11 of the charging transformer 10. To the charging contact 29 is a Kon capacitor 30, to the control breaker 23, a capacitor 31 is connected in parallel.
As soon as the charging contact 29 reaches its open position and thereby interrupts the magnetizing current flowing through the primary winding 11 of the charging transformer 10, a charging voltage is induced in the secondary winding 12.
This causes a charging current surge flowing through the charging rectifier 13 to the storage capacitor 14, which is so large that the previously uncharged or nearly discharged storage capacitor 14, which has a capacity of about 0.15 uF, can charge to about 1000 V. This voltage is then also at the anode A of the thyrtron 17, but the anode-cathode path, whose self-ignition voltage is around 2000 V, is capable of
not to be made conductive as long as the ignition electrode S of the thyratron 17 is at the same or at least approximately the same potential as the cathode K.
The ignition process begins when the interrupter cam 24 opens the interrupter 23, interrupting the current flowing from the battery B to the control transformer 20 and generating a positive voltage of about 30 V in the secondary winding 22, which conducts the thyratron 17 power.
The discharging current of the storage capacitor 14 which starts here induces a high ignition voltage in the secondary winding 35 of the ignition coil 16, which has a transmission ratio of about 1:37, which reaches one of the spark plugs Z via the circulating distributor electrode 25.
Since the anode-cathode path of the thyrtron 17 remains conductive in the ignited state until the storage capacitor 14 is practically completely discharged, the next charging process takes place with only a slight initial charge of the storage capacitor 14, which ensures that The same electrical energy is always available during the discharge at the desired point in time.
However, it has been shown that dangerous operating states can occur for the Thyra- tron 17 if z. B. as a result of a dropped spark plug cable, the discharge of the storage capacitor 14 is incomplete and therefore a significant charge in the storage capacitor 14 is already present at the beginning of the next charging process.
In this case, the capacitor 14 could be charged beyond the voltage values reached during undisturbed operation and therefore previous complete discharge that its voltage exceeds the self-ignition voltage of the thyratron 17, at which the anodes, despite the lack of a positive control voltage on the ignition electrode S -Cathode path of the thyratron 17 becomes conductive and would cause an ignition spark at the wrong moment.
In order to rule out such overcharging of the storage capacitor 14 with certainty, a Zener diode 40 is connected to the primary winding 11 of the charging transformer 10 in such a way that during the charging process on the primary winding 11 no higher inductive voltage values than 50 V can occur and therefore of which has a transmission ratio of 1:
8 having charging transformer 10, the storage capacitor 14 can be charged to a maximum of 1200V. Apart from this limitation of the capacitor voltage to a value below the self-ignition voltage, this arrangement can also be used in undisturbed operation to ensure that this upper limit of the capacitor voltage is not exceeded in spite of the strongly fluctuating battery voltage.
In this way it is possible to avoid damage to the flashover electrodes in the distributor of the insulation of the plug cables and other disadvantages that occur in connection with excessive spark energy.
In the exemplary embodiment shown, a rectifier 41 is also switched into the discharge circuit of the storage capacitor 14, which prevents a periodic energy transport in the opposite direction after the discharge process, in which a negative one at the anode A of the thyratron 17 Voltage half-wave would arise,
before the ionization state of the anode-cathode path has subsided. The thyratron 17 would be exposed to the risk of rapid destruction as a result of this inverse operation. The rectifier 41 is connected in parallel to the storage capacitor 14 for this purpose and is polarized so that it is claimed in its reverse direction during the charging process.
In addition to this protective effect for the thyratron 17, the rectifier has the advantage that all of the energy stored in the capacitor 14 has to be consumed in the ignition spark because a periodic exchange of energy between the capacitor 14 and the inductance of the ignition coil 16 is not possible.
Instead of the parallel connection of the rectifier 41 to the storage capacitor 14 shown in the drawing with solid lines, the protective circuit indicated by broken lines can be seen in which a rectifier 42 is antiparallel to the anode-cathode path of the thyratron 17RTI ID = "0002.0197" WI = " 8 "HE =" 4 "LX =" 1877 "LY =" 2546 ">. In this case, the protection against inverse operation is even more effective.
The protective measure provided in the control circuit of the thyratron 17 to connect a rectifier 43 in parallel to the ignition electrode S and the cathode K of the thyratron 17 either directly or indirectly via the protective resistor 19 is based on the same considerations. This rectifier is polarized so that when the control breaker 23 is opened, only positive control pulses can occur at the ignition electrode S. Negative control pulses that could be beneficial for inverse operation are, however, suppressed.
It is of course considered to be within the scope of the invention, instead of just one Zener diode 40 or just one rectifier 41, 42 or 43, a line formed by interconnecting several individual elements and a line or one for the purpose of correct dimensioning of the branch containing this line . to connect several resistors in series or in shunt.