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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen
amerikanischen Patentanmeldung 60/897,565 vom 26. Januar 2007. Der gesamte
Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende
Anmeldung eingearbeitet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Zündmodule, genauer
gesagt Zündmodule, die mit Zündsystemen mit kapazitiver
Entladung (CDI), wie sie bei Garten-, Rasen- und anderen Geräten
für den Außenbereich Verwendung finden, verwendet
werden.
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Zündsysteme
mit kapazitiver Entladung (CDI) finden manchmal in Verbindung mit
kleinen Brennkraftmaschinen, wie Brennkraftmaschinen mit geringer
Beanspruchung, Verwendung, wie sie beispielsweise in Garten-, Rasen-
und anderen Geräten für den Außenbereich
eingesetzt werden. Um während Einsatzbereichen mit geringer
Drehzahl ausreichende Zündspannungen zur Verfügung
zu stellen, benutzen einige CDI-Systeme Auf ladespulen mit höheren
Induktanz- und Widerstandseigenschaften. Obwohl eine derartige Anordnung
günstig sein kann, um hohe Spannungen bei niedrigeren Drehzahlen der
Brennkraftmaschine zu erzeugen, kann sie die Fähigkeit
des CDI-Systems behindern, elektrische Vorrichtungen bei höheren
Drehzahlen der Brennkraftmaschine anzutreiben.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Zündmodul für ein
Zündsystem mit kapazitiver Entladung (CDI) zur Verfügung
gestellt. Der Zündmodul umfasst: eine Aufladespule, einen
Zündkondensator, eine erste Schaltvorrichtung, eine zweite
Schaltvorrichtung und eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung,
die an die erste und zweite Schaltvorrichtung angeschlossen ist.
Durch die Aktivierung der ersten Schaltvorrichtung wird ein Pfad
mit geringer Impedanz zwischen der Aufladespule und Erde erzeugt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Zündmoduls
zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren umfasst die folgenden
Schritte: (a) Induzieren von elektrischer Energie in einer Aufladespule,
(b) Kurzschließen der Aufladespule während eines
ersten Stadiums eines Aufladezyklus, (c) Unterbrechen des Kurzschließens
während eines zweiten Stadiums des Aufladezyklus und (d)
Aufladen des Zündkondensators gemäß einer Rücklauf(Flyback)aufladetechnik.
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Bevorzugte
beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hiernach
in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. In diesen bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Von den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
abgeschnittene Ansicht von Abschnitten eines beispielhaften Systems
mit kapazitiver Entladung (CDI), das bei einer Brennkraftmaschine
für geringe Beanspruchung verwendet werden kann;
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2 einen
schematischen Schaltplan eines beispielhaften Zündmoduls,
der bei dem Zündsystem der 1 Verwendung
finden kann;
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3 ein
Ablaufdiagramm, das einige der Schritte eines beispielhaften Verfahrens
zeigt, das von dem Zündmodul der 2 ausgeführt
werden kann;
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4A–E
Zeitdiagramme von verschiedenen beispielhaften Signalen, die während
des in 3 beschriebenen Verfahrens benutzt werden können;
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5 einen
schematischen Schaltplan eines anderen beispielhaften Zündmoduls,
der bei dem Zündsystem der 1 Verwendung
finden kann, wobei diese Ausführungsform des weiteren Stromabtastfeedbackmerkmale
umfasst;
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6 einen
schematischen Schaltplan eines anderen beispielhaften Zündmoduls,
der bei dem Zündsystem der 1 Verwendung
finden kann, wobei diese Ausführungsform des weiteren zusätzliche elektrische
Vorrichtungen aufweist, die ebenfalls von der Aufladespule angetrieben
werden können; und
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7 ein
Diagramm, das ein Hochspannungsfunkenzündungsausgangssignal über
einen breiten Bereich von Motordrehzahlen zeigt, wobei im Diagramm
eine Brennkraftmaschine mit geringer Beanspruchung, die mit einer
Ausführungsform des hier beschriebenen Zündmoduls
versehen ist, mit einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einem
herkömmlichen Zündmodul verglichen ist.
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Bei
dem hier beschriebenen beispielhaften Zündsystem handelt
es sich um ein Zündsystem mit kapazitiver Entladung (CDI),
das bei einer Vielzahl von Brennkraftmaschinen mit geringer Beanspruchung
Verwendung finden kann, einschließlich solchen, die typischerweise
bei Garten-, Rasen- und anderen Geräten für den
Außenbereich verwendet werden. Gemäß einer
Ausführungsform benutzt das Zündsystem einen Zündmodul
und eine Rückhol(Flyback)aufladetechnik in einer Art und
Weise, die eine Reihe von positiven Merkmalen liefern kann. Beispielsweise
kann das Zündsystem einen Zündkondensator und
zusätzliche elektrische Vorrichtungen mit einer einzigen
Aufladespule aufladen, eine Aufladung über ein breites
Spektrum von Drehzahlen der Brennkraftmaschine durchführen,
Vorrichtungen sowohl mit hoher Spannung als auch mit hoher Stromstärke
versorgen und eine reduzierte Anzahl von Teilen, ein reduziertes
Gewicht aufweisen und mit einem reduzierten Aufwand verbunden sein,
um nur einige Möglichkeiten zu nennen.
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Zündsystem
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In 1 ist
eine abgeschnittene Ansicht eines beispielhaften Zündsystems 10 mit
kapazitiver Entladung (CDI) dargestellt, das mit einem Schwungrad 12 zusammenwirkt
und generell einen Zündmodul 14, eine Zündleitung 16 zum
elektrischen Verbinden des Zündmoduls mit einer Zündkerze
(nicht gezeigt) und elektrische Verbindungen 18 zum Verbinden
des Zündmoduls mit einer oder mehreren zusätzlichen
elektrischen Vorrichtungen, wie einem Solenoid zur Kraftstoffsteuerung,
aufweist. Bei dem Schwungrad 12 handelt es sich um eine
scheibenförmige Gewichtskomponente, die mit einer Kurbelwelle 30 verbunden
ist und somit durch den Antrieb der Brennkraftmaschine rotiert.
Durch Ausnutzung seiner Rotationsträgheit moderiert das
Schwungrad Schwankungen in der Drehzahl der Brennkraftmaschine,
um für eine konstantere und gleichmäßigere Ausgangsleistung
zu sorgen. Das hier gezeigte Schwungrad 12 besitzt ein
Paar von Magnetpolen oder Elementen 32, die in Richtung
auf den Außenumfang des Schwungrades angeordnet sind. Wenn sich
das Schwungrad 12 dreht, drehen sich die magnetischen Elemente 32 vorbei
und wirken elektromagnetisch mit den verschiedenen Wicklungen im Zündmodul 14 zusammen,
wie es bekannt ist.
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Der
Zündmodul 14 kann die elektrische Energie erzeugen,
speichern und nutzen, die von den rotierenden magnetischen Elementen 32 induziert wird,
um eine Vielzahl von Funktio nen auszuführen. Bei einer
Ausführungsform besitzt der Zündmodul 14 einen
Laminatstapel 40, eine Aufladespule 42, eine Auslöserspule 44,
eine Zündschaltung 46, einen Aufwärtstransformator 48 und
ein Zündmodulgehäuse 50. Bei dem Laminatstapel 40 handelt
es sich vorzugsweise um ein ferromagnetisches Teil, das einen Stapel
von flachen, magnetisch permeablen Laminatteilen aufweist, die typischerweise
aus Stahl oder Eisen hergestellt sind. Der Laminatstapel kann die Konzentration
oder Fokussierung des sich ändernden Magnetflusses, der
von den rotierenden magnetischen Elementen 32 auf dem Schwungrad
erzeugt wird, unterstützen. Bei der hier gezeigten Ausführungsform
besitzt der Laminatstapel 40 eine generell U-förmige
Konfiguration, die ein Paar von Schenkeln 60 und 62 aufweist.
Der Schenkel 60 ist entlang der Mittelachse der Aufladespule 42 ausgerichtet,
während der Schenkel 62 entlang den Mittelachsen
der Auslöserspule 44 und des Transformators 48 ausgerichtet
ist. Wenn die Schenkel 60 und 62 zu den magnetischen
Elementen 32 ausgerichtet sind, was in einer speziellen
Rotationsposition des Schwungrades 12 passiert, wird eine
Flussbahn in Form einer geschlossenen Schleife erzeugt, die den
Laminatstapel 40 und die magnetischen Elemente 32 umfasst. Die
magnetischen Elemente 32 können als Teil des gleichen
Magneten oder als separate magnetische Komponenten, die miteinander
verbunden sind, um eine einzige Flussbahn durch das Schwungrad 12 vorzusehen,
verwirklicht sein, um zwei Möglichkeiten zu nennen. Zusätzliche
magnetische Elemente können zum Schwungrad 12 an
anderen Stellen um dessen Umfang herum hinzugefügt sein,
um für eine zusätzliche elektromagnetische Wechselwirkung
mit dem Zündmodul 14 zu sorgen.
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Die
Aufladespule 42 erzeugt elektrische Energie, die vom Zündmodul 14 für
eine Reihe von unterschiedlichen Zwecken verwendet werde kann, einschließlich
der Aufladung eines Zündkondensators und der Stromversorgung
einer elektronischen Verarbeitungsvorrichtung, um zwei Beispiele
zu nennen. Die Aufladespule 42 besitzt einen Wicklungsträger 64 und
eine Wicklung 66 und ist bei einer Ausführungsform
so ausgebildet, dass sie eine relativ niedrige Induktanz von etwa
2–10 mH und einen relativ niedrigen Widerstand von etwa
10–50 Ω besitzt. Um diese elektrischen Eigenschaften
zu erreichen, kann die Wicklung 66 aus 500–1.500
Windungen eines Kupferdrahtes mit einem Durchmesser von 30–34 bestehen.
Beispielweise bestehen einige Wicklungen des Standes der Technik
aus etwa 3.000 Windungen eines Drahtes mit einem Durchmesser von 38,
wobei eine Induktanz von etwa 30–100 mH und ein Widerstand
von etwa 150–400 Ω erzielt werden. Die elektrischen
Eigenschaften einer speziellen Wicklung sind üblicherweise
auf ihren speziellen Anwendungsfall abgestimmt. Beispielsweise besitzt
eine Aufladespule, von der erwartet wird, dass sie eine hohe Spannung
erzeugt, oft mehr Windungen aus feinerem Draht (so dass eine höhere
Induktanz und ein höherer Widerstand erreicht werden),
so dass sie eine ausreichende Spannung während des Startens oder
anderer Perioden mit niedriger Drehzahl der Brenn kraftmaschine
erzeugen kann. Umgekehrt dazu besitzt eine Aufladespule, die eine
hohe Stromstärke zur Verfügung stellen soll, typischerweise
weniger Windungen aus dickerem Draht (mit einer entsprechend niedrigeren
Induktanz und einem niedrigeren Widerstand), da sie auf diese Weise
effizienter eine hohe Stromstärke erzeugen kann, wenn die Brennkraftmaschine
mit einer weit offenen Drosselklappe o der während anderen
Bedingungen mit hoher Drehzahl läuft. Wie nachfolgend in
größeren Einzelheiten beschrieben, findet die
Aufladespule 42 als eine Art Universalspule Verwendung,
die in ausreichender Weise sowohl eine hohe Spannung als auch eine
hohe Stromstärke erzeugt und in der Lage ist, dieses über
einen breiten Bereich von Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu tun.
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Die
Auslöserspule 44 versorgt den Zündmodul 14 mit
einem Eingangssignal der Brennkraftmaschine, das generell repräsentativ
für die Position und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine
ist. Gemäß der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist
die Auslöserspule 44 in Richtung auf das Ende des
Laminatstapelschenkels 62 und benachbart zum Transformator 48 angeordnet.
Sie kann jedoch auch an einer anderen Stelle auf dem Laminatstapel
angeordnet sein. Beispielsweise ist es möglich, sowohl
die Auslöserspule als auch die Aufladespule auf einem einzigen
Schenkel des Laminatstapels anzuordnen, was im Gegensatz zu der
hier gezeigten Anordnung steht. Es ist ferner möglich,
die Auslöserspule 44 wegzulassen und zu bewirken,
dass der Zündmodul 14 ein Eingangssignal der Brennkraftmaschine
von der Aufladespule 42 oder irgendeiner anderen Vorrichtung
empfängt.
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Der
Transformator 48 benutzt ein Paar von eng miteinander verbundenen
Wicklungen 68 und 70, um Hochspannungszündimpulse
zu erzeugen, die über die Zündleitung 16 einer
Zündkerze zugeführt werden. Wie die vorstehend
beschriebene Aufladespule und Auslöserspule umgeben die
Primär- und Sekundärwicklung des Transformators 48 einen der
Schenkel des Laminatstapels 40, in diesem Fall den Schenkel 62.
Wie bei jedem Aufwärtstransformator besitzt die Primärwicklung 68 weniger
Drahtwindungen als die Sekundärwicklung 70, die
mehr Windungen eines feineren Drahtes aufweist. Das Windungsverhältnis
zwischen der Primär- und Sekundärwicklung sowie
andere Eigenschaften des Transformators beeinflussen die Hochspannung
und sind typischerweise auf der Basis des speziellen Anwendungsfalles,
für den der Transformator verwendet wird, ausgewählt,
wie dem Fachmann bekannt.
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Das
Zündmodulgehäuse 50 ist vorzugsweise aus
einem steifen Kunststoff, Metall oder irgendeinem anderen Material
hergestellt und so ausgebildet, dass es die Komponenten des Zündmoduls 14 umgibt
und schützt. Das Zündmodulgehäuse besitzt
diverse Öffnungen, so dass die Laminatstapelschenkel 60 und 62,
die Zündleitung 16 und die elektrischen Verbindungen 18 vorstehen
können, wobei die Öffnungen vorzugsweise so abgedichtet
sind, dass Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen den Zündmodul
nicht beschädigen können. Es versteht sich, dass
es sich bei dem Zündsystem 10 um ein Beispiel
eines Zündsystems mit kapazitiver Entladung (CDI) handelt,
das den Zündmodul 14 benutzen kann, und dass auch
zahlreiche andere Zündsysteme und Komponenten zusätzlich
zu den hier gezeigten verwendet werden können.
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Zündmodul
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In 2 ist
ein schematischer Schaltplan dargestellt, der einige der Komponenten
eines beispielhaften Zündmoduls 14 zeigt, einschließlich
einer Aufladespule 42, einer Auslöserspule 44,
einer Zündschaltung 46 und eines Transforma tors 48.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen, einschließlich
der Hinzufügung, Weglassung und/oder Substitution von diversen
elektrischen. Komponenten, an diesem Schaltplan vorgenommen werden
können, da dieser lediglich eine generelle Übersicht über
eine mögliche Verwirklichung zeigen soll. Die Zündschaltung 46 kann
auf einer Printplatte (PCB) oder einem anderen Schaltungsmedium,
das dem Fachmann bekannt ist, verwirklicht sein und ist vorzugsweise
eingegossen oder sonst wie hermetisch im Gehäuse 50 abgedichtet.
Die Zündschaltung 46 kann eine Reihe von unterschiedlichen
elektrischen Komponenten benutzen, einschließlich einer
elektronischen Verarbeitungsvorrichtung 80, einer ersten
Schaltvorrichtung 82, einer zweiten Schaltvorrichtung 84 und
eines Zündkondensators 86, bei dieser Ausführungsform. Wie
nachfolgend weiter erläutert, kann eine erste Schaltvorrichtung 82 als
Aufladespulenklemmenschalter verwendet werden, um eine Rückhol(Flyback)aufladetechnik
mit dem Zündkondensator 86 zu verwirklichen, während
die zweite Schaltvorrichtung 84 als Entladungszündkondensator 86 zur
Funkenerzeugung verwendet wird.
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Die
elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 führt
diverse elektronische Befehle aus, die sich auf eine Vielzahl von
Aufgaben beziehen, wie die Steuerung des Zündtimings, und
kann als Mikrocontroller, Mikroprozessor, anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC) oder als irgendein anderer geeigneter
Typ einer bekannten analogen oder digitalen Verarbeitungsvorrichtung
ausgebildet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 ein Mikrocontroller,
wie ein von der Firma Texas Instruments hergestellter Mikrocontroller
der Reihe MSP430, der mit 16 MHz mit 8 Kb Speicherkapazität
läuft, um Informationen, wie elektrische Befehle und Variablen,
zu speichern. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung wird generell
von der Aufladespule 42 über verschiedene elektronische
Komponenten, einschließlich des Kondensators 98,
betrieben, die die in der Aufladespule induzierte Energie glätten
oder auf sonstige Weise regulieren. Gemäß der
hier gezeigten Ausführungsform besitzt die elektronische
Verarbeitungsvorrichtung 80 die nachfolgende beispielhafte
Eingangs/Ausgangsanordnung: einen Stromeingang 90 von der
Aufladespule 42, einen Signalausgang 92 zum Leiten
eines Aufladesteuersignals an eine erste Schaltvorrichtung 82,
einen Signalausgang 94 zum Leiten eines Entladungssteuersignals
an eine zweite Schaltvorrichtung 84 und einen Signaleingang 96 zum
Empfangen eines Brennkraftmaschineneingangssignals von der Auslöserspule 44 über
eine Reihe von Signalkonditionierungsschaltungskomponenten. Es versteht
sich, dass auch zahlreiche andere Schaltungsanordnungen, die andere
Anordnungen als die hier gezeigte beispielhafte Anordnung einschließen,
dazu eingesetzt werden können, um die hier verwendeten
Signale zu verarbeiten, zu konditionieren oder deren Qualität
auf sonstige Weise zu verbessern. Obwohl das Brennkraftmaschineneingangssignal
auf dem Eingang hier schematisch in serieller Weise auf einem einzigen
Eingang dargestellt ist, können stattdessen dieses Signal
und andere Signale auch auf mehreren Eingängen oder in
irgendeiner anderen bekannten Anordnung vorgesehen sein. Ein optionaler
Abstellschalter 88 zur manuellen Betätigung zum
Abstellen der Brennkraftmaschine kann auch an die elektronische
Verarbeitungsvorrichtung 80 angeschlossen sein.
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Die
erste Schaltvorrichtung 82 ist vorzugsweise eine Hochspannungsfestkörperschaltvorrichtung,
die die Aufladespule 42 an Erde anschließt und von
dem Aufladesteuersignal am Ausgang 92 gesteuert wird. Bei
der hier dargestellten Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung 82 als
einzelner bipolarer Transistor gezeigt. Es können jedoch
auch andere Schaltvorrichtungen Verwendung finden. Beispielsweise
kann die erste Schaltvorrichtung 82 stattdessen einen einzelnen
MOSFET oder ein Paar von Transistoren, die in Darlington-Anordnung
geschaltet sind, umfassen. Diese sind im Handel auch als einzelne
IC-Transistorpackung erhältlich. Bei einer Ausführungsform
ist die erste Schaltvorrichtung 82 so ausgebildet, dass
sie eine Spannung von mindestens 300 V und einen Strom von mindestens
A handhabt. Wenn das Aufladesteuersignal die erste Schaltvorrichtung 82 einschaltet,
so dass diese leitend wird, wird die Aufladespule 42 an
Erde kurzgeschlossen. Wenn umgekehrt das Aufladesteuersignal die
erste Schaltvorrichtung 82 ausschaltet, wird der Kurzschluss
aufgehoben, so dass die Aufladespule 42 den Zündkondensator 86 frei
aufladen kann. Bei einer Ausführungsform funktioniert die
erste Schaltvorrichtung 82 als ein Klemmenschalter mit
einer minimalen Spannung von 300 V-350 V und einem minimalen Strom
von etwa 1 A, wobei der Zündkondensator 86 eine
entsprechende Spannung und eine Kapazität von etwa 0,47 μF
besitzt. Wie nachfolgend in größeren Einzelheiten
beschrieben, steuert die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 das
Aufladen des Zündkondensators 86, indem sie die
erste Schaltvorrichtung 82 so steuert, dass während
dieses Aufladungszyklus ein Rücksprungeffekt (Flyback-Effekt)
erzeugt wird.
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Bei
der zweiten Schaltvorrichtung 84 handelt es sich vorzugsweise
um eine für hohe Stromstärken geeignete Festkörperschaltvorrichtung,
wie beispielsweise einen siliciumgesteuerten Gleichrichter (SCR)
oder irgendeinen anderen Thyristortyp, wobei die Schaltvorrichtung
so ausgebildet ist, dass sie den Zündkondensator 86 entlädt,
um einen Zündfunken an der Zündkerze zu erzeugen.
Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Schaltvorrichtung 84 Teil
eines Energieentladungspfades, der ferner die Primärwicklung 68,
den Zündkondensator 86 und Erde umfasst. Die zweite
Schaltvorrichtung 84 wird an ihrem Gate durch das am Ausgang 94 anstehende
Entladungssteuersignal gesteuert und ist vorzugsweise so ausgebildet,
dass sie mindestens 30 A eines Stromes begrenzter Dauer während
der Entladung des Zündkondensators 86 aufnimmt.
Während normaler Aufladebedingungen ist die zweite Schaltvorrichtung 84 ausgeschaltet,
so dass die in der Aufladespule 42 induzierte elektrische
Energie den Zündkondensator 86 aufladen kann.
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Funktionsweise
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Die 3–4E zeigen
ein Ablaufdiagramm und einige Zeitdiagramme zur Unterstützung der
generellen Erläuterung eines Verfahrens 100 zum
Aufladen des Zündkondensators 86, d. h. des Aufladezyklus.
In Schritt 102 überwacht die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 das
Eingangssignal der Brennkraftmaschine am Eingang 96 (4A),
um einen Wert über die Position und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine
zu erhalten. Das Eingangssignal der Brennkraftma schine ist als Impulszug
dargestellt und kann in der Auslösespule 44 induziert
werden, wenn sich die magnetischen Elemente 32 am Laminatstapel 40 vorbei
drehen. An einem vorgegebenen Punkt, wie beispielsweise dem Zeitpunkt
t0, sendet die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 ein
Aufladesteuersignal (4B) an die erste Schaltvorrichtung 82,
das diese in Schritt 104 einschaltet. Es versteht sich,
dass der Zeitpunkt t0 auf eine Vielzahl
von Wegen detektiert werden kann, einschließlich des Berechnens
desselben als bestimmte Zeitdauer nach dem vorhergehenden Impulszug
des Eingangssignals der Brennkraftmaschine. Wenn die erste Schaltvorrichtung 82 eingeschaltet
wird, sieht sie für die Aufladespule 42 einen
Erdungsweg mit niedriger Impedanz vor. Auf diese Weise wird die
Aufladespule effektiv kurzgeschlossen, so dass der in der Spule
induzierte Strom durch die geschlossene Schaltvorrichtung 82 zu
Erde fließen kann. Dies ist in 4C gezeigt,
in der dargestellt ist, wie der Strom der Aufladespule während
der Zeit nach dem Schließen der ersten Schaltvorrichtung 82 rapide
ansteigt. Durch das Kurzschließen der Aufladespule 42 lädt
die Aufladespule während dieses Anfangsstadiums des Aufladezyklus
den Zündkondensator 86 nicht auf.
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Die
elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 überwacht
weiterhin das Eingangssignal (4A) der
Brennkraftmaschine oder irgendeinen anderen geeignete Indikator,
so dass zum Zeitpunkt t1 die elektronische
Verarbeitungsvorrichtung 80 in Schritt 106 die
erste Schaltvorrichtung 82 ausschaltet. Zu Darstellungszwecken
wird die Zeitdauer zwischen t0 und t1 als erstes Stadium des Aufladezyklus bezeichnet,
obwohl frühere Aufladezyklusstadien existieren können.
Bei einer Ausführungsform wird das Eingangssignal der Brennkraftmaschine
für einen Ausschaltpunkt analysiert. Wenn es einmal ertastet
wurde, schaltet die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 80 die
erste Schaltvorrichtung 82 mit dem Aufladesteuersignal
aus. Es gibt zahlreiche Wege zum Detektieren eines derartigen Ausschaltpunktes.
Beispielsweise kann ein Ausschaltpunkt 120 einfach einem
vorgegebenen Signalpegel y0 auf dem Eingangssignal
der Brennkraftmaschine entsprechen. Der Ausschaltpunkt kann auch
einem Punkt 122 entsprechen, bei dem es sich um einen vorgegebenen Prozentsatz
des Spitzensignalpegels des Eingangssignals der Brennkraftmaschine
handeln kann (d. h. 70% des Spitzensignalpegels). In diesem Fall
tritt der Ausschaltpunkt 122 nach dem Spitzensignalpegel auf.
Alternativ dazu kann der Ausschaltpunkt 124 auch einem
Punkt auf dem Eingangssignal der Brennkraftmaschine entsprechen,
der eine bestimmte Zeitdauer x0 nach einem
bekannten Referenzpunkt, wie dem Spitzensignalpegel, auftritt (d.
h. 1 ms nach dem Spitzensignalpegel), und zwar unabhängig vom
Pegel des Eingangssignals der Brennkraftmaschine. Es versteht sich
natürlich, dass die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele
nur einige Möglichkeiten zum Ermitteln eines Ausschaltpunktes bilden.
Andere Verfahren können ebenfalls Anwendung finden.
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Zum
Zeitpunkt, zu dem die erste Schaltvorrichtung 82 ausgeschaltet
wird, liegt ein hoher Pegel des Stromes vor, der von der Aufladespule 42 durch die
Schaltvorrichtung 82 zur Erde fließt. Die abrupte Veränderung
oder Unterbrechung des Stromflusses durch die Aufladespule 42 bewirkt
ein Rücksprungereignis (Flyback) im Zündmodul 14.
Anders ausge drückt, wenn die erste Schaltvorrichtung 82 ausgeschaltet
wird (offener Kreis), wird der durch die Aufladespule 42 fließende
Strom unterbrochen (4C), was zu einem zusammenbrechenden
Magnetfeld führt. Das zusammenbrechende Magnetfeld erzeugt wiederum
ein hohes Spannungssignal, das gemäß einer Rücksprung(Flyback)aufladetechnik
zurückgeführt und an den Zündkondensator 86 gelegt
wird. Dies ist evident in 4D, gemäß der
der Zündkondensator 86 rasch auf ein erhöhtes
Spannungsniveau 130 aufgeladen wird.
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Aufgrund
dieser Anordnung kann eine einzige Aufladespule 42 sowohl
einen ausreichenden Strom bei höheren Motordrehzahlen (dies
ist auf die relativ niedrige Induktanz und den niedrigen Widerstand
der Aufladespule 42 zurückzuführen) erzeugen als
auch den Kondensator 86 mit einer ausreichenden Spannung
bei niedrigeren Drehzahlen der Brennkraftmaschine versorgen (dies
ist primär auf die während des Rücksprungereignisses
(Flyback-Ereignisses) erzeugte hohe Spannung zurückzuführen).
Bei einigen Zündmodulen des Standes der Technik wird der
Bedarf nach einer hohen Spannung bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
dadurch erfüllt, dass einfach die Anzahl der Wicklungen
oder Windungen in der Spule erhöht wird. Durch das Hinzufügen
von Windungen werden jedoch üblicherweise die Induktanz
und der Widerstand der Aufladespule erhöht. Dies macht
die Erzeugung von Strom bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
weniger effektiv. Anders ausgedrückt, der hier beschriebene
Zündmodul löst Aufladeprobleme bei niedrigen Drehzahlen
der Brennkraftmaschine, ohne hierfür die Performance der
Aufladespule bei hoher Drehzahl zu beeinträchtigen. Über
den Rest des Aufladezyklus werden beide Schaltvorrichtungen 82 und 84 in
einem „Aus-Zustand" gehalten, so dass der Zündkondensator 86 vollständig
aufgeladen werden kann. Zu Darstellungszwecken wird die Zeitdauer
zwischen t1 und t2 als
zweites Stadium des Aufladezyklus bezeichnet, obwohl es möglich
ist, dass zusätzliche Zwischenstadien zwischen diesem Stadium
und dem ersten Stadium existieren können.
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Wenn
der Zündkondensator
86 aufgeladen wird, benutzt
die elektronische Verarbeitungsvorrichtung
80 ein oder
mehrere Eingangssignale, wie das Eingangssignal der Brennkraftmaschine,
um in Schritt
108 ein gewünschtes Zündtiming
festzulegen. Wie der Fachmann weiß, kann in Schritt
108 eines/eine
aus einer Reihe von unterschiedlichen Verfahren und Techniken zur
Festlegung des Zündtimings Anwendung finden, einschließlich
derjenigen, die in der
US-PS
7 000 595 beschrieben sind, deren gesamter Inhalt hiermit
durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingearbeitet wird.
Das spezielle Verfahren oder die spezielle Technik, die zum Berechnen des
Zündtimings benutzt wird, ist nicht zwingend. Wenn einmal
das Zündtiming berechnet worden ist, sendet die elektronische
Verarbeitungsvorrichtung
80 ein Entladungssteuersignal
an eine zweite Schaltvorrichtung
84 gemäß dem
berechneten Timing in Schritt
110 (dies berücksichtigt üblicherweise
eine bestimmte Zeitdauer vor oder nach der oberen Totpunktposition
des Kolbens). Das Entladungssteuersignal (
4E) schaltet
die zweite Schaltvorrichtung
84 zu einem Zeitpunkt t
2 ein oder löst diese aus, so dass
der Zündkondensator
86 durch die Primärwicklung
68,
die einen Hochspannungszündimpuls in der Sekundärwicklung
70 induziert,
rasch entladen wird. Der Zündimpuls wird einer Zündkerze
zugeführt und wirkt über einen Zündspalt,
so dass auf diese Weise ein Luft/Kraftstoff-Gemisch gezündet
und der Verbrennungsprozess initiiert wird. Wenn zu irgendeinem
Zeitpunkt während der Funktionsweise der Schaltung der
Stilllegeschalter
88 aktiviert wird, verhindert die elektronische
Verarbeitungsvorrichtung
80 generell, dass der Zündimpuls
zur Zündkerze geführt wird.
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Die
vorstehende Beschreibung ist lediglich eine Wiedergabe einer möglichen
Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens 100.
Zahlreiche Variationen dieses beispielhaften Verfahrens sind möglich
und können stattdessen Verwendung finden. Beispielsweise
ist die erste Schaltvorrichtung 82 besonders nützlich,
wenn sie während Perioden niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine
als Stromklemmenschalter verwendet wird. Während niedriger Drehzahlperioden
des Aufladezyklus kann die Aufladespule 42 sonst nicht
in der Lage sein, eine adäquate Aufladespannung für
den Zündkondensator 86 zu erzeugen. Somit kann
das Verfahren 100 modifiziert werden, um zu überprüfen
und zu erkennen, wann die Brennkraftmaschine eine vorgegebene Drehzahl, beispielsweise
6.000 UpM, überschreitet, zu welchem Zeitpunkt ein normaler
nichtunterbrochener Aufladezyklus (kein Flyback) eingesetzt werden kann.
Wenn die Brennkraftmaschine mit Drehzahlen arbeitet, die größer
sind als die vorgegebene Drehzahl, ist es üblicherweise
nicht erforderlich, den vorstehend beschriebenen Rücksprung-
bzw. Flyback-Effekt zu erzeugen, da die Aufladespule normalerweise
selbst Spannung erzeugt.
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In 5 ist
ein anderer Zündmodul 214 dargestellt, der zusammen
mit dem Zündsystem der 1 verwendet
werden kann. Diese Ausführungsform umfasst jedoch des weiteren
ei ne Zündschaltung 246 mit Stromabtastfeedbackmerkmalen,
um festzustellen, wann die erste Schaltvorrichtung 282 auszuschalten
ist. Wie vorher kann die erste Schaltvorrichtung 282 als
bipolarer Transistor in einer Darlington-Anordnung oder als irgendein
anderer Typ eines bekannten Schalters vorgesehen sein. Aufgrund von Ähnlichkeiten
mit der Zündschaltung 46 bezieht sich die nachfolgende
Beschreibung in erster Linie auf bestimmte relevante Abschnitte
der Zündschaltung 246. Auf eine nochmalige Diskussion
der gemeinsamen Komponenten wird verzichtet. Zu Beginn des Aufladezyklus
wird die erste Schaltvorrichtung 282 so eingeschaltet,
dass die Aufladespule 42 über die Schaltvorrichtung
kurzgeschlossen werden kann, wie vorstehend beschrieben. Ein Stromabtasteingang 278 ist
zwischen ein stromführendes Terminal der ersten Schaltvorrichtung 282 und
einen geerdeten Widerstand 276 geschaltet und versieht
die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 280 mit einem Stromfeedbacksignal,
das für den kurzgeschlossenen Strom, der durch die Aufladespule 42 fließt,
repräsentativ ist.
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Wie
der Fachmann erkennt, wirkt die in 5 gezeigte
Anordnung als eine Art Spannungsteiler, so dass der Stromabtasteingang 278 die
elektronische Verarbeitungsvorrichtung 280 mit einem Stromfeedbacksignal
versorgen kann, das für den durch den Widerstand 276 fließenden
Strom repräsentativ ist, der wiederum den durch die Aufladespule 42 fließenden
Strom kennzeichnet. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 280 benutzt
dieses Stromfeedbacksignal anstelle des vorstehend beschriebenen
Brennkraftmaschineneingangssignals, um festzustellen, wann die erste
Schaltvorrichtung 282 abzuschalten ist, und um das Rücksprung-
bzw. Flyback- Ereignis zu initiieren. Wenn die Schaltvorrichtung 282 abgeschaltet
ist und das entsprechende Magnetfeld in der Aufladespule 42 zusammenbricht, wird
der Zündkondensator 286 durch den Flyback-Effekt
mit seiner Hochspannungsaufladung beaufschlagt und setzt die Aufladesequenz
fort, wie vorstehend beschrieben. Die speziellen Techniken, die
zum Analysieren des Stromfeedbacksignals und zum Bestimmen des Abschaltpunktes
verwendet werden, können die vorstehend erwähnten
Techniken umfassen (d. h. vorgegebener Signalpegel, Prozentsatz des
Spitzensignalpegels, Zeit nach einem Bezugspunkt etc.) sowie andere
bekannte Verfahren. Es können auch andere Feedbackverfahren,
einschließlich eines Feedbacks, das den Stromfluss durch
andere Komponenten des Zündmoduls 214 repräsentiert,
eingesetzt werden.
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6 zeigt
einen anderen beispielhaften Zündmodul 314. Bei
dieser Ausführungsform finden jedoch eine oder mehrere
zusätzliche elektrische Vorrichtungen 320 Verwendung,
die ebenfalls von der Aufladespule 42 betrieben und von
der elektronischen Verarbeitungsvorrichtung 380 gesteuert
werden. Die obere Hälfte des Zündmoduls 314 einschließlich
der ersten Schaltvorrichtung 382, der zweiten Schaltvorrichtung 384,
des Zündkondensators 386 etc. kann der der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen entsprechen. Zusätzlich
kann der Zündmodul 314 auch eine Schaltung zum
Betreiben der zusätzlichen elektrischen Vorrichtung 320 aufweisen,
bei der es sich in diesem Fall um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersolenoid
handelt. Es versteht sich jedoch, dass auch andere elektrische Vorrichtungen
zusätzlich zu diesem Solenoid oder anstelle desselben verwendet
werden können. Beispiele hiervon umfassen zusätzliche
elektroni sche Verarbeitungsvorrichtungen, elektronische Motorsteuereinheiten,
elektrische Betätigungsvorrichtungen, elektrische Drosselklappensteuervorrichtungen etc.
Darüber hinaus können diese zusätzlichen
elektrischen Vorrichtungen in Bezug auf die Schaltung 346 intern
oder extern sein.
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Es
wird nunmehr wieder auf
4C Bezug genommen.
Die den Aufladespulenstrom kennzeichnende Welle besitzt negative
Abschnitte, wo die Polarität in der Aufladespule
42 umgekehrt
ist. Der Zündmodul
314 kann diese Perioden umgekehrter Polarität
benutzen, um eine Energiespeichervorrichtung
322 aufzuladen,
bei der es sich beispielsweise um einen elektrolytischen Kondensator
oder eine Batterie handeln kann. Wenn die Energiespeichervorrichtung
322 richtig
aufgeladen ist, kann sie Energie für die zusätzliche
elektrische Vorrichtung
320 zur Verfügung stellen.
Einige elektrische Vorrichtungen, wie das Solenoid, können
höhere Energiemengen (typischerweise im Bereich von 0,5
W) benötigen als normalerweise vom Zündkondensator
386 gefordert. Wie
vorstehend erläutert, benutzt die Aufladespule
42 eine
Konstruktion mit niedriger Impedanz/niedrigem Widerstand, die so
ausgebildet ist, dass sie diesem höheren Strom- und/oder
Energiebedarf gerecht wird. Weitere Informationen in Bezug auf die
Steuerung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Solenoids können
der vorstehend genannten
US-PS
7 000 595 entnommen werden.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass die hier offenbarten Zündsysteme, Module
und Verfahren in signifikanter Weise die Funkenzündungsspannung
bei niedrigeren Drehzahlen der Brennkraftmaschine und die Stromabgabe
bei höheren Drehzah len steigern oder auf sonstige Weise
verbessern können. Es wird davon ausgegangen, dass eine
Zweitakt-Einzylinder-Brennkraftmaschine mit Funkenzündung,
bei der der erfindungsgemäße Zündmodul
Verwendung findet, eine wesentlich verbesserte Stromabgabe im unteren
Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine von etwa 300 UpM bis 3.500
UpM, genauer in einem Bereich von etwa 300 UpM bis 2.500 UpM, besitzt.
Der gleiche Zündmodul liefert des weiteren eine verbesserte
Stromabgabe bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine in einem
Bereich von 8.000 UpM und mehr, genauer gesagt in einem Bereich
von etwa 8.000 UpM bis 11.000 UpM. Einige dieser Ergebnisse sind
in 7 gezeigt. Dieses Diagramm zeigt die Beziehung
zwischen der Drehzahl, (UpM) der Brennkraftmaschine auf der x-Achse
und der Zündfunkenspannung (KV) auf der y-Achse für
die vorstehend erwähnte Zweitakt-Einzylinder-Brennkraftmaschine.
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Gemäß 7 weist
der vorliegende Zündmodul diverse Vorteile gegenüber
Zündsystemen des Standes der Technik mit kapazitiver Entladung auf.
Als erstes erzeugt der vorliegende Zündmodul einen Zündfunken
mit einer wesentlich höheren Spannung in einem niedrigeren
Drehzahlbereich, der sich von etwa 300 UpM bis 2.500 UpM erstreckt
(diese Drehzahlbereiche betreffen einen Zweitaktmotor). Als zweites
erzeugt der vorstehend beschriebene Zündmodul einen Zündfunken
mit wesentlich höheren Spannungen in einem höheren
Drehzahlbereich, der sich von etwa 8.000 UpM bis 11.000 UpM erstreckt.
Als drittes sorgt der Zündmodul für einen verbesserten
Zündfunken über einen größeren
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, der sich von etwa 400 UpM
bis 11.000 UpM erstreckt. Als viertes ist der vorstehend beschriebene Zündmodul
in der Lage, ausreichend Strom für zusätzliche
elektrische Vorrichtungen, wie Solenoide, von der gleichen Aufladespule,
die den verbesserten Zündfunken erzeugt, zu liefern. Dies
sind natürlich nur einige der wünschenswerten
Eigenschaften des vorstehend beschriebenen Zündmoduls.
Zahlreiche andere Vorteile sind vorhanden.
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Es
versteht sich und ist für den Fachmann verständlich,
dass eine Viertakt-Einzylinder-Brennkraftmaschine mit dem vorstehend
beschriebenen Zündmodul ebenfalls eine wesentlich höhere
Stromabgabe und eine wesentlich höhere Spannung in vergleichbarem
Ausmaß besitzt. Dies ist insbesondere der Fall über
einen Drehzahlbereich, in dem ein Viertaktmotor arbeitet, der bei
etwa 150 UpM bis 5.000 UpM liegt. Dieser Viertaktmotor weist entsprechend erhöhte
Strom- und Spannungswerte sowohl im niedrigen bis moderaten Drehzahlbereich
von etwa 150 UpM bis 2.000 UpM als auch im hohen Drehzahlbereich
von etwa 4.000 UpM bis 5.000 UpM auf.
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Es
versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition
der Erfindung ist, sondern eine oder mehrere bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung beschreibt. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen
speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern
wird lediglich durch die Patentansprüche festgelegt. Die
in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Ausführungen
betreffen spezielle Ausführungsformen und sind nicht als
Beschränkungen des Umfanges der Erfindung oder als Definitionen
der in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe aufzufassen,
mit Ausnahme einer ausdrücklichen Definition eines derartigen Begriffes.
Verschiedene andere Ausführungsformen und Änderungen
und Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen sind
für den Fachmann ersichtlich. Alle diese anderen Ausführungsformen, Änderungen
und Modifikationen sind durch den Umfang der Patentansprüche
abgedeckt.
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Die
in der Beschreibung und den Patentansprüchen verwendeten
Begriffe „beispielsweise" und „wie" sowie die
Verben „umfassen", „haben", „einschließen"
und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung
von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Gegenständen verwendet
werden, sind so aufzufassen, dass sie andere zusätzliche
Komponenten oder Gegenstände nicht ausschließen.
Andere Begriffe sind im Sinne ihrer breitest möglichen
Bedeutung zu verstehen, wenn nicht der Zusammenhang eine andere
Interpretation erfordert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7000595 [0029, 0034]