DE102010045174A1 - Schaltungsanordnung für eine HF-Zündung von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird die Verwendung nur eines einzigen Transformators (TR3) mit wenigstens einer Primärwicklung (11, 12) und mit einer Sekundärwicklung (13) zum Erzeugen von Koronaentladungen in zwei Brennkammern eines Verbrennungsmotors, in welche jeweils ein Hochfrequenz-Zünder (HFZ3, HFZ4) hineinragt, welcher Bestandteil eines Hochfrequenz-Schwingkreises ist, der an die Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR3, TR4) angeschlossen ist und mit dem durch die Sekundärwicklung (13) fließenden hochfrequenten Wechselstrom gespeist wird.

Description

• Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Transformators mit wenigstens einer Primärwicklung und mit einer Sekundärwicklung zum Erzeugen von Koronaentladungen in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, in welche ein Hochfrequenz-Zünder hineinragt, welcher Bestandteil eines Hochfrequenz-Schwingkreises ist, der an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist und mit dem durch die Sekundärwicklung fließenden hochfrequenten Wechselstrom gespeist wird.
• Die WO 2010/011838 A1 und die WO 2004/063560 A1 offenbaren, wie ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte Korona-Entladung gezündet werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Zündelektrode eines Zünders elektrisch isoliert durch eine der auf Massepotential liegenden Wände der Brennkammer hindurchgeführt und ragt in die Brennkammer hinein, vorzugsweise einem in der Brennkammer vorgesehenen Hubkolben gegenüberliegend. Die Zündelektrode bildet zusammen mit den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer als Gegenelektrode eine Kapazität. Als Dielektrikum wirkt der Brennraum mit seinem Inhalt. In ihm befindet sich je nach dem Takt, in welchem sich der Kolben befindet, Luft oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch oder ein Abgas.
• Die Kapazität ist Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises, welcher mit einer hochfrequenten Spannung erregt wird, die gemäß dem Stand der Technik mit Hilfe eines Transformators mit Mittelabgriff (auch als Mittelanzapfung bezeichnet) erzeugt wird. Der Transformator arbeitet mit einem Schaltgerät zusammen, welches eine vorgebbare Gleichspannung an die beiden durch den Mittelabgriff verbundenen Primärwicklungen des Transformators legt. Der Mittelabgriff liegt ständig auf einem vom Massepotential verschiedenen elektrischen Potential, während die vom Mittelabgriff entfernten Enden der beiden Primärwicklungen abwechselnd auf Masse geschaltet werden. Die Sekundärwicklung des Transformators speist einen Reihenschwingkreis, in welchem die aus der Zündelektrode, dem Isolator, gegebenenfalls einem Außenleiter, welcher den Isolator umgibt, und aus den Wänden der Brennkammer gebildete Kapazität liegt. In Reihe mit der Kapazität können in dem Schwingkreis noch Induktivitäten und ohmsche Widerstände enthalten sein. Die Frequenz der den Schwingkreis erregenden, vom Transformator gelieferten Wechselspannung wird so im Stand der Technik geregelt, dass sie möglichst nahe bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Es kommt dadurch zu einer Spannungsüberhöhung zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer, in welcher der Zünder angeordnet ist. Die Resonanzfrequenz liegt typisch zwischen 30 Kilohertz und 3 Megahertz und die Wechselspannung erreicht an der Zündelektrode Werte von z. B. 50 kV bis 500 kV.
• Damit kann in der Brennkammer eine Korona-Entladung erzeugt werden. Die Korona-Entladung soll nicht in eine Bogenentladung oder Funkenentladung durchschlagen. Deshalb wird dafür gesorgt, dass die Spannung zwischen der Zündelektrode und Masse unterhalb der Spannung für einen vollständigen Durchbruch bleibt.
• Für jede Brennkammer eines Verbrennungsmotors wird ein eigener Zünder benötigt, der zu einem individuell wählbaren Zündzeitpunkt eine Koronaentladung erzeugt und zu diesem Zweck mittels eines eigenen Transformators erregt wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den apparativen Aufwand zu senken, der zum Verwirklichen eines derartigen HF-Zündsystems für einen Verbrennungsmotor erforderlich ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß wird zum Erzeugen von Koronaentladungen für je zwei Brennkammern eines Verbrennungsmotors,
  in welche jeweils ein Hochfrequenz-Zünder hineinragt, welcher im allgemeinen eine Zündelektrode und einen die Zündelektrode umgebenden elektrischen Isolator aufweist, der die Zündelektrode gegenüber den Wänden der jeweiligen Brennkammer isoliert, und welcher Bestandteil eines Hochfrequenz-Schwingkreises ist, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist und mit dem durch die Sekundärwicklung fließenden hochfrequenten Wechselstrom gespeist wird,
  nur ein einziger Transformator mit wenigstens einer Primärwicklung und mit einer Sekundärwicklung verwendet.
• Das hat wesentliche Vorteile:
• • Für je zwei Brennkammern oder Zylinder eines Verbrennungsmotors wird ein Transformator komplett eingespart.
• • Zusammen mit jedem eingesparten Transformator werden auch die Schaltungsteile, die den Transformator auf seiner Primärseite ansteuern und mit Gleichspannungssignalen speisen, eingespart.
• • Trotz der genannten Einsparungen bleibt die Funktionalität, die im Stand der Technik mit der Verwendung je eines Transformators für jede Brennkammer bzw. für jeden Zylinder eines Verbrennungsmotors erreicht wurde, vollständig erhalten.
• • Die vorstehend genannten Einsparungen führen zu einer entsprechenden Reduzierung der Kosten für das HF-Zündsystem eines Verbrennungsmotors.
• • Die vorstehend genannten Einsparungen führen zu einer Reduzierung des Platzbedarfs für das Zündsystem. Das ist ein wichtiger Vorteil, weil die Platzverhältnisse im Motorraum eines Fahrzeugs ohnehin meist sehr beengt sind.
• • Die vorstehend genannten Einsparungen führen auch zu einer Reduzierung des Gewichtes.
• • Der Mehraufwand, der benötigt wird, um die Sekundärwicklung eines Transformators abwechselnd mit zwei verschiedenen Hochfrequenzzündern zu verbinden, ist vergleichsweise gering.
• • Obwohl der Transformator erfindungsgemäß abwechselnd für zwei verschiedene Zünder verwendet wird, muss sich das nicht in einer wesentlichen Verteuerung des Transformators niederschlagen. Zwar darf der Kern des Transformators nur bis zu einem bestimmten Grenzwert mit einem magnetischen Kraftfluss durchflutet werden, damit das Kernmaterial nicht in die magnetische Sättigung gelangt, und die bei der zu erwartenden Spitzenleistung auftretende Durchflutung des Kernmaterials muss deshalb kleiner sein als der zulässige Grenzwert für das Kernmaterial. Da aber die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in den verschiedenen Brennkammern eines Verbrennungsmotors in der Regel nicht gleichzeitig erfolgt, kann ein jeder Transformator immer zwei solchen Zündern zugeordnet werden, die nie gleichzeitig zünden müssen. Der Kern des Transformators muss deshalb nicht an eine höhere Spitzenleistung angepasst werden, wenn der Transformator nicht nur einen, sondern zwei Zünder bedient. Lediglich bei den Wicklungen des Transformators kann eine Anpassung an die erhöhte Belastung erforderlich sein, die beim Betreiben von zwei HF-Zündern mit einem einzigen Transformator in diesem auftritt, denn in den Wicklungen fällt die zweifache Verlustleistung an.
• Vorzugsweise wird ein Transformator verwendet, welcher auf seiner Primärseite mit Gleichstromimpulsen gespeist wird, die zur Erzeugung des in der Sekundärwicklung fließenden hochfrequenten Wechselstroms abwechselnd positive und negative Polarität haben. Es wird angestrebt, dass die Gleichstromimpulse ein und derselben Polarität mit einer Frequenz erzeugt werden, welche mit der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Schwingkreises auf der Sekundärseite des Transformators übereinstimmt oder nahe bei der Resonanzfrequenz liegt. Das führt zu einer maximalen Resonanzüberhöhung der Sekundärspannung und schafft beste Voraussetzungen für die Zündung mittels einer Hochfrequenz-Korona-Entladung.
• Vorzugsweise wird ein Transformator verwendet, welcher zwei Primärwicklungen hat, die an einem ihrer beiden Ende durch eine gemeinsame Mittelanzapfung mit einernander verbunden sind, welche ständig mit einem von zwei Polen einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, wohingegen die beiden anderen Enden der Primärwicklungen abwechselnd mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden werden, wozu zwischen der Gleichspannungsquelle und den beiden anderen Enden der Primärwicklungen ein Hochfrequenzumschalter vorgesehen ist, bei welchem es sich um einen Leistungsschalter auf Halbleiterbasis handeln kann. Die beiden Primärwicklungen werden dann von dem Gleichstrom, der ihnen aus der Gleichspannungsquelle zugeführt wird, in entgegengesetzten Richtungen durchflossen, wodurch in die Sekundärwicklung des Transformators die gewünschte Wechselspannung induziert wird.
• Es ist aber auch möglich, einen Transformator mit nur einer Primärwicklung zu verwenden und die Gleichspannungsquelle mit abwechselnder Polarität mit den Enden dieser einzigen Primärwicklung zu verbinden, z. B. mit Hilfe einer H-Brückenschaltung.
• Die Sekundärwicklung des Transformators wird abwechselnd mit dem einen und mit dem anderen von zwei Zündern verbunden, so dass diese abwechselnd einen Zündvorgang mit Hilfe von Koronaentladungen herbeiführen. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, die beiden Zünder, die einem gemeinsamen Transformator zugeordnet werden und von diesem mit der erforderlichen hochfrequenten Wechselspannung versorgt werden, so auszuwählen, dass ihre Zündzeitpunkte in dem Verbrennungsmotor in möglichst großen zeitlichen Abständen auftreten. Der zeitliche Abstand wird zweckmäßigerweise als Drehwinkeldifferenz einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angegeben, weil diese Angabe unabhängig von der Drehzahl des Motors ist. Da Fahrzeugmotoren üblicherweise eine gerade Anzahl von Zylindern haben, werden stets je zwei Zylinder bzw. die in den Zylindern vorgesehenen HF-Zünder mit einer hinreichend großen Winkeldifferenz der Kurbelwelle zu einem Paar zusammengefasst und einem gemeinsamen Transformator zugeordnet werden können.
• Der weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten Figuren.
• 1 zeigt, wie im Stand der Technik zwei einzelne Hochfrequenzzünder von je einem Transformator gespeist werden,
• 2 zeigt, wie zwei Hochfrequenzzünder durch einen gemeinsamen Transformator gespeist werden können, und
• 3 zeigt, wie ein Hochfrequenzzünder von einem Transformator gespeist werden kann, der primärseitig nur eine Wicklung besitzt und über eine H-Brücke angesteuert wird.
• Das in 1 dargestellte Schaltbild zeigt einen ersten Hochfrequenzzünder HFZ1 und einen zweiten Hochfrequenzzünder HFZ2. Der erste Hochfrequenzzünder HFZ1 ist über Anschlüsse 4 und 5 mit der Sekundärwicklung 13 eines ersten Transformators TR1 verbunden. Der Transformator TR1 hat zwei Primärwicklungen 11 und 12 mit einer gemeinsamen Mittelanzapfung 2, welche ständig mit ein und demselben Pol einer Spannungsquelle U1 verbunden ist. Die beiden anderen Enden 1 und 3 der Primärwicklungen 11 und 12 können durch Hochfrequenzschalter S1 und S2 abwechselnd mit Masse verbunden werden.
• In entsprechender Weise ist der Hochfrequenzzünder HFZ2 an einen zweiten Transformator TR2 angeschlossen, der ebenfalls zwei Primärwicklungen 11 und 12 mit einer Mittelanzapfung 2 hat, welche ständig mit ein und demselben Pol einer Spannungsquelle U2 verbunden ist, während die beiden anderen Enden der Primärwicklungen 11 und 12 durch Hochfrequenzschalter S3 und S4 abwechselnd mit Masse verbunden werden. Durch die Hochfrequenzschalter S1 und S2 bzw. S3 und S4 werden die Hochfrequenzzünder HFZ1 und HFZ2 unabhängig voneinander angesteuert.
• Das in 2 dargestellte Schaltbild unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Schaltbild darin, dass die Sekundärwicklung mit ihren Anschlüssen 4 und 5 mit zwei Hochfrequenzzündern HFZ3 und HFZ4 verbunden ist und durch Schalter S7 und S8 mit Masse verbunden werden kann. Die Schalter S7 und S8 schalten abhängig davon, welcher Zünder angesteuert werden soll. Soll der Hochfrequenzzünder HFZ3 angesteuert werden, wird der Anschluss 5 der Sekundärwicklung 13 über den Schalter S7 mit Masse verbunden. Soll der Hochfrequenzzünder HFZ4 angesteuert werden, wird der Anschluss 4 der Sekundärwicklung 13 über den Schalter 38 mit Masse verbunden. Auf der Primärseite des Transformators TR3 gibt es wie im Beispiel der 1 zwei Primärwicklungen 11 und 12, deren Mittelanzapfung 2 ständig mit demselben Pol einer Spannungsquelle U3 verbunden ist, wohingegen die beiden anderen Enden 1 und 2 der Primärwicklungen 11 und 12 abwechselnd durch Hochfrequenzschalter S5 und S6 mit Masse verbunden werden.
• Das in 3 dargestellte Schaltbild zeigt beispielhaft die Ansteuerung eines Hochfrequenzzünders HFZ1 mittels eines Transformators TR4, der nur über eine einzige Primärwicklung 11 verfügt und über eine H-Brückenschaltung, welche vier Hochfrequenz-Leistungsschalter S1 bis S4 aufweist, angesteuert wird. Der Strom fließt in der Primärwicklung 11 abwechselnd in der einen oder in der anderen Richtung. Zu diesem Zweck werden entweder die Leistungsschalter S1 und S4 oder die Leistungsschalter S2 und S3 geschlossen, und zwar paarweise abwechselnd. An die Sekundärwicklung 13 des Transformators TR4 sind wie im Schaltbild der 2 zwei Hochfrequenzzünder HFZ3 und HFZ4 angeschlossen.
• Die Hochfrequenzschalter S1 bis S6 können übereinstimmend ausgebildet sein und die Spannungsquellen U1, U2 und U3 liefern zweckmäßigerweise dieselbe Gleichspannung.
• Bezugszeichenliste

1

Ende einer Primärwicklung

2

Mittelanzapfung

3

Ende einer Primärwicklung

4

Anschluss der Sekundärwicklung

5

Anschluss der Sekundärwicklung

11

Primärwicklung

12

Primärwicklung

13

Sekundärwicklung

TR1 bis TR4

Transformatoren

HFZ1 bis HFZ4

Hochfrequenzzünder

S1 bis S6

Hochfrequenzschalter auf der Primärseite der Transformatoren

S7, S8

Hochfrequenzschalter auf der Sekundärseite des Transformators TR3

U1 bis U3

Spannungsquelle

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2010/011838 A1 [0002]
• WO 2004/063560 A1 [0002]

Claims (5)

1. Die Verwendung nur eines einzigen Transformators (TR4) mit wenigstens einer Primärwicklung (11, 12) und mit einer Sekundärwicklung (13) zum Erzeugen von Koronaentladungen in zwei Brennkammern eines Verbrennungsmotors, in welche jeweils ein Hochfrequenz-Zünder (HFZ3, HFZ4) hineinragt, welcher Bestandteil eines Hochfrequenz-Schwingkreises ist, der an die Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR3, TR4) angeschlossen ist und mit dem durch die Sekundärwicklung (13) fließenden hochfrequenten Wechselstrom gespeist wird.
2. Die Verwendung eines Transformators (TR3, TR4) nach Anspruch 1, welcher auf seiner Primärseite mit Gleichstromimpulsen gespeist wird, die zur Erzeugung des in der Sekundärwicklung (13) fließenden hochfrequenten Wechselstroms abwechselnd positive und negative Polarität haben.
3. Die Verwendung eines Transformators (TR3) nach Anspruch 1 oder 2, welcher zwei Primärwicklungen (11, 12) hat, die an einem ihrer beiden Enden durch einen gemeinsamen Mittelabgriff (2) miteinander verbunden sind, welcher ständig mit einem von zwei Polen einer Gleichspannungsquelle (U3) verbunden ist, wohingegen die beiden anderen Enden (1, 3) der Primärwicklungen (11, 13) abwechselnd mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle (U3) verbunden werden.
4. Die Verwendung eines Transformators (TR3, TR4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher mit seiner Sekundärwicklung (13) mit den zwei Hochfrequenz-Zündern (HFZ3, HFZ4) verbunden ist und die beiden Hochfrequenz-Zünder (HFZ3, HFZ4) abwechselnd mit dem durch die Sekundärwicklung (13) fließenden hochfrequenten Wechselstrom speist.
5. Die Verwendung eines Transformators (TR3, TR4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Transformator (TR3) zugeordneten Zünder (HFZ3, HFZ4) so ausgewählt werden, dass sie separat betrieben werden können.

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