DE102011006268A1

DE102011006268A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verlängerung der Brenndauer eines von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011006268A1
Application number: DE102011006268A
Authority: DE
Inventors: Horst Meinders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-04
Also published as: WO2012130649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Brenndauer eines von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor, wobei eine Zündungsendstufe (4) zur Steuerung eines Stromes einer Primärwicklung (2) einer Zündspule (1) impulsförmig angesteuert wird, wodurch Energie in der Primärwicklung (2) gespeichert wird, wobei die Unterbrechung der Stromzufuhr in der Primärwicklung (2) zur Entstehung einer Hochspannung in einer Sekundärwicklung (3) der Zündspule (1) führt, wodurch ein Funke an den Elektroden einer Zündkerze (5) entsteht. Um thermische Effekte an der Zündspule bzw. der Zündungsendstufe zu unterbinden, aber trotzdem eine lange Brenndauer des Funkens zu ermöglichen, wird nach der Abschaltung der Stromzufuhr durch die Zündungsendstufe (4, 5) die Primärwicklung (2) mittels eines Nachladestromes nachgeladen, dessen Energiegehalt von der Primärwicklung (2) auf die Sekundärwicklung (3) während der Brenndauer des Funkens übertragen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Brenndauer eines von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor, wobei eine Zündungsendstufe zur Steuerung eines Stromes einer Primärwicklung einer Zündspule impulsförmig angesteuert wird, wodurch Energie in der Primärwicklung gespeichert wird, wobei die Unterbrechung der Stromzufuhr in der Primärwicklung zur Entstehung einer Hochspannung in einer Sekundärwicklung der Zündspule führt, wodurch ein Funke an den Elektroden einer Zündkerze entsteht sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zündsysteme für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind in eine Motorsteuerung integriert. Ein induktives Zündsystem umfasst dabei eine Zündspule mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, eine Zündungsendstufe zur Steuerung des Stromes durch die Primärwicklung der Zündspule und eine Zündkerze. Die Sekundärwicklung der Zündspule ist dabei mit dem Hochspannungsanschluss der Zündkerze verbunden. Die Zündungsendstufe schaltet einen Strom aus dem Bordnetz durch die Primärwicklung der Zündspule ein. Während der Primärstromkreis geschlossen ist, wird in der Primärwicklung ein Magnetfeld aufgebaut. Im Zündzeitpunkt wird der Strom durch die Primärwicklung unterbrochen, wobei sich die Energie des Magnetfeldes über die magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung entlädt. Dabei entsteht in der Sekundärwicklung eine hohe Spannung, die den Funken an der Zündkerze erzeugt. Der Funke muss, nachdem er gezündet hat, möglichst lange brennen, um eine lange Brenndauer im Brennraum des Zylinders des Verbrennungsmotors zu erreichen, damit das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum des Verbrennungsmotors möglichst vollständig verbrennt. Die Länge der Brennspannung, auf welche die Funkenspannung nach der Zündung der Zündkerze einbricht, hängt vom Energiegehalt der Sekundärwicklung der Zündspule ab. Je größer der Energiegehalt umso länger kann der Funke brennen. Deswegen wird die Primärwicklung der Zündspule mit hohen Strömen versorgt, damit der Energieinhalt in der Primärwicklung und damit auch der Energieinhalt in der Sekundäwicklung möglichst hoch ist, um die gewünschte lange Brenndauer zu erhalten. Die Verlängerung der Brenndauer durch die Anwendung hoher Ströme ist darauf gerichtet, unverbrannte Reste des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgas zu verbrennen.
Die Nutzung hoher Ströme hat aber den Nachteil, dass in der Zündungsendstufe sowie in der Zündspule Leistung verloren geht. Diese Verlustleistung steigt überproportional mit dem primären Ladestrom an und heizt die Zündspule und auch die Zündungsendstufe auf, was zu einem Hitzestau führt. Da Zündspule und Zündungsendstufe auf engstem Raum verbaut sind, kann es schnell zu einem thermischen Ausfall der Zündungsendstufe und/oder der Zündspule kommen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verlängerung der Brenndauer eines an den Kontakten einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor anzugeben, ohne dass thermische Effekte zur Zerstörung der Zündspule bzw. der Zündungsendstufe führen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass nach der Abschaltung der Stromzufuhr durch die Zündungsendstufe die Primärwicklung mittels eines Nachladestromes nachgeladen wird, dessen Energiegehalt von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung während der Brenndauer des Funkens übertragen wird. Dies hat den Vorteil, dass der Ladestrom, welcher in der Primärwicklung der Zündspule fließt, in seiner Stromstärke gesenkt werden kann und trotzdem lange Brenndauern in dem Verbrennungsmotor erzielt werden können. Durch diese Stromreduktion werden Zündspule und Zündungsendstufe thermisch entlastet, so dass die Wahrscheinlichkeit für thermische Ausfälle von Zündspule und/oder Zündungsendstufe deutlich gesenkt wird.
In einer Ausgestaltung fließt der Nachladestrom, insbesondere unter Umgehung der Zündungsendstufe, periodisch in die Primärwicklung. Durch das periodische Ein- und Ausschalten des Nachladestromes wird mit der in der Primärwicklung enthaltenen Abschaltenergie die Brenndauer des Zündfunkens auf der Sekundärseite der Zündspule verlängert. Die Abschaltenergie wird von der Primärwicklung in die Sekundärwicklung der Zündspule transformiert und führt dort zur Verlängerung des Funkenbrennens.
Insbesondere fließt der periodische Nachladestrom nach dem Abschalten eines primären Ladestromes und Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches. Somit fließt der Nachladestrom während der Brennphase des Funkens.
Vorteilhafterweise besteht der periodische Nachladestrom aus Nachladeimpulsen, deren Anzahl variabel ist. Nach jedem Nachladeimpuls des periodisch angelegten Nachladestromes wird die Abschaltenergie aus der Nachladeschaltung von der Primärwicklung in die Sekundärwicklung übertragen und führt dort zur Verlängerung der Brenndauer des Zündfunkens mit jedem Nachladeimpuls. Je mehr Nachladeimpulse an der Primärwicklung der Zündspule anliegen, umso länger brennt der Zündfunken. Mit der Zahl der Nachladeimpulse steigt die Brenndauer des Zündfunkens, die sich somit durch die Anzahl der Nachladeimpulse des Nachladestromes einfach steuern lässt.
In einer Weiterbildung wird die Anzahl der Nachladeimpulse des Nachladestromes in Abhängigkeit eines Zündungskennfeldes eingestellt. Die Brenndauer des Funkens kann somit je nach Erfordernissen des Kennfeldes mal kürzer oder mal länger und somit flexibel eingestellt werden.
In einer werteren Ausführungsform wird eine Zündspule verwendet, an deren Primärseite zwei Wicklungen mit je einem Anschluss an die Plusversorgung der Versorgungsspannung führen, wobei die Primärwicklung mit der Zündendstufe ein- und ausgeschaltet wird, während die Nachladespule als Nachladekreis mit einem Nachladetransistor in der Brennphase des Funkens periodisch ein- und ausgeschaltet wird und die Nachladespule mit demselben Eisenkern wie die Primärwicklung und die Sekundärwicklung der Zündspule verkoppelt ist. Somit kann der Strom aus dem Nachladekreis ohne Verwendung von Entkopplungsmaßnahmen in die Sekundärwicklung der Zündspule eingespeist werden.
In einer Variante wird die Nachladung durch den Nachladestrom gestartet, wenn ein Brennstrom des Funkens fast auf Null abgeklungen ist. Die Nachladeimpulse werden somit erst zu einem Zeitpunkt eingeschaltet, wenn die in der Sekundärwicklung vorhandene Restenergie sehr gering ist, so dass die Verlustleistung bei der Rücktransformation dieser Restenergie von der Sekundärwicklung auf die Primärwicklung sehr gering ist.
In einer speziellen Ausgestaltung weist die Primärwicklung eine Induktivität von ungefähr 0.5–1 mH auf, wodurch Ströme von annäherbd 10–20 Ampere in einer Zeit von 1–2 ms geladen werden, während die Nachladespule eine Induktivität von ungefähr 50 μH aufweist, durch welche Strörne von annähernd 5 Ampere in einer Zeit von etwa 60 μs geladen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlängerung der Brenndauer eines, von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor, wobei eine Zündungsendstufe zur Steuerung eines Stromes an eine Primärwicklung einer Zündspule geführt ist, welche induktiv mit einer Sekundärwicklung der Zündspule verbunden ist, wobei die Sekundärwicklung der Zündspule mit der, einen Zündfunken erzeugenden Zündkerze gekoppelt ist. Um die Brenndauer des Zündfunkens zu verlängern, ohne dass thermische Effekte zu einem Ausfall von Zündspule bzw. Zündungsendstufe führen, ist eine Nachladeschaltung mit der Primärwicklung der Zündspule verbunden. Dies hat den Vorteil, dass trotz Senkung der Stromstärke des Primärstromes in der Zündspule lange Brenndauern des Zündfunkens im Brennraum des Verbrennungsmotors erzielt werden. Dadurch wird die Emission unverbrannter Komponenten des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgas des Verbrennungsmotors zuverlässig reduziert.
Vorteilhafterweise weist die Nachladeschaltung einen Nachladetransistor auf, welcher in Reihe mit einer Nachladespule geschaltet ist. Mit diesem Nachladetransistor wird die Nachladeinduktivität nach dem Abschalten der Zündungsendstufe während der Brennphase des Zündfunkens periodisch ein- und ausgeschaltet. Bei jedem Ausschalten der Nachladeschaltung wird die in der Primärwicklung zusätzlich gespeicherte Energie induktiv auf die Sekundärwicklung übertragen und somit eine Verlängerung des Brennprozesses des Funkens erzielt.
In einer Variante ist der Nachladetransistor mit dem Anschluss der Primärwicklung verbunden, an welchem die Zündungsendstufe angeschlossen ist. Da die Nachladeschaltung nur bei abgeschalteter Zündungsendstufe aktiv ist, können dieselben elektrischen Verbindungen zur Versorgung der Primärwicklung der Zündspule mit einem Ladestrom genutzt werden, was den Schaltungsaufbau minimiert und Herstellungskosten reduziert.
In einer Weiterbildung ist zwischen dem Drainanschluss des Nachladetransistors und dem Drainanschluss der Zündungsendstufe eine Diode als Entkopplungsvorrichtung angeordnet, welche eine Sperrspannung aufweist, die größer ist als eine Primärspannungsbegrenzung der Zündungsendstufe. Dadurch wird der Nachladetransistor von der Primärwicklung entkoppelt und vor den hohen Primärspannungen beim Abschalten der Zündungsendstufe geschützt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Nachladespule über eine Sperreinrichtung mit dem Anschluss der Primärwicklung verbunden, an welchem die Zündungsendstufe angeschlossen ist, wobei eine Sperrspannung der Sperreinrichtung größer als eine Versorgungsspannung aber kleiner als eine Durchbruchspannung einer ersten Zenerdiode ist, welche in die Verbindung zwischen Nachladetransistor und Nachladespule eingreift. Damit wird sichergestellt, dass bei eingeschalteter Zündungsendstufe und bei ausgeschaltetem Nachladetransistor kein Strom von der Nachladespule in die Primärwicklung der Zündspule fließen kann.
Die Sperreinrichtung kann einfach als Transistor oder Diode ausgebildet sein, welche als Schalter wirken, je nachdem welche Spannung an ihnen anliegt.
Vorteilhafterweise weist bei der als Transistor ausgebildeten Sperreinrichtung ein Gate-Anschluss des Transistors ein höheres Potential als dessen Source-Anschluss auf. Damit wird sichergestellt, dass die als Transistor ausgebildete Sperreinrichtung auch tatsächlich eingeschaltet wird.
Vorteilhafterweise überbrückt eine zweite Zenerdiode einen, mit dem Ansteuersignal des Nachladetransistors geschalteten Schalter, wobei die zweite Zenerdiode eine Durchbruchsspannung aufweist, welche das Potential des Gate-Anschlusses der als Transistor ausgebildeten Sperreinrichtung gegenüber dem Source-Anschluss erhöht. Die zweite Zenerdiode erhöht somit mit ihrer Durchbruchsspannung das Potential des Gate-Anschlusses des Transistors.
Ferner ist dem Transistor ein Kondensator nachgeordnet. Dieser Kondensator vergrößert die Gate-Source-Kapazität der als Transistor ausgebildeten Sperreinrichtung und verlängert somit dessen Einschaltzeit.
In einer Weiterbildung stellt eine Nachladeschaltung den Nachladestrom für mindestens zwei Zündspulen bereit, wobei zwischen der Nachladeschaltung und der Primärwicklung jeder Zündspule eine separate Sperreinrichtung geschaltet ist. Diese Anordnung eignet sich für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, wobei jedem Zylinder eine Zündungsendstufe und die jeweils für einen Zündungsstrang erforderliche Sperreinrichtung zugeordnet sind. Alle für die Nachladeschaltung notwendigen Komponenten können dann in einem Steuergerät angeordnet werden. Die Verwendung nur einer Nachladeschaltung für mehrere Zündstränge senkt den Aufwand an Schaltungselementen und reduziert die Kosten für die Schaltung. Bei einer solchen Nachladeschaltung wird die Stromstärke der Zündungsendstufen deutlich im Vergleich zu einer Multispark-Schaltung reduziert.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Mehrere davon sollen anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Zündschaltung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Nachladeschaltung
2: Zündschaltung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Nachladeschaltung
3: Anordnung von Zündschaltungen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel für einen 4-Zylinder-Motor
4: Diagramm zum Vergleich des zeitlichen Verlaufes des Brennstromes eines Zündfunkens mit und ohne Nachladeschaltung
5: zeitliche Folge von drei zueinander versetzten Nachladeschaltungen A, B, C.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist eine Zündschaltung dargestellt, welche ein erstes Ausführungsbeispiel einer Nachladeschaltung enthält. Dabei umfasst die Zündspule 1 eine Primärwicklung 2 sowie eine Sekundärwicklung 3. Die Primärwicklung 2 ist mit einer Batteriespannung U_batt verbunden, die in einem Personenkraftwagen üblicherweise 14 Volt beträgt. Mit dem anderen Anschluss führt die Primärwicklung 2 an eine Zündungsendstufe 4 und einen Shuntwiderstand 4a. Der Shuntwiderstand 4a ist niederohmig (100 mΩ). An ihm wird der Spannungsabfall (R × I) als Stromsignal abgegriffen. Der Shuntwiderstand 4a dient somit als Strommesswiderstand eines Steuergerätes 14 und ist zwischen den Sourceanschluss der Zündungsendstufe 4 und Masse geschaltet. Die Sekundärwicklung 3 ist mit einem Entstörwiderstand 15 (bspw. 2 kΩ) mit dem Hochspannungsanschluss der Zündkerze 5 verbunden. Der andere Anschluss der Zündkerze 5 liegt an Masse. Der zweite Anschluss der Sekundärwicklung 3 ist über eine Diode 6 mit Masse verbunden. Mit dieser Diode 6 wird der beim Beginn des Stromladens auftretende Einschaltfunken unterdrückt.
Die Nachladeschaltung wird dabei von einem Nachladetransistor 7 gebildet, welcher mit seinem Sourceanschluss an Masse liegt, während der Drainanschluss des Nachladetransistors 7 mit einer Nachladespule 8 verbunden ist, die ebenfalls an der Batteriespannung U_batt anliegt. Das Gate des Transistors 7 führt einmal über einen Widerstand 12 an Masse und ist des Weiteren über eine Zenerdiode 13 ebenfalls an Masse geschaltet. Die Zenerdiode 13 schützt den Gateanschluss des Nachladetransistors 7 gegen mögliche Überspannungen. Der Widerstand 12 ist mit einer weiteren Zenerdiode 11 verbunden, die auf einen Verbindungspunkt zwischen dem Nachladetransistor 7 und der Nachladespule 8 geschaltet ist. An diesen Verbindungspunkt schließt eine weitere Zenerdiode 10 an, die über eine Diode 9 an einen Punkt zwischen der Zündungsendstufe 4 und der Primärwicklung 2 der Zündspule 1 angeschlossen ist. Die Nachladeschaltung ist außerhalb der Zündspule 1 in einem Steuergerät 14 angeordnet.
Die Zündungsendstufe 4 wird bei einem langen Impuls I (typisch 1–3 ms) ein- und ausgeschaltet. Bei diesem langen Impuls wird an der Primärwicklung 2 ein Primärstrom abhängig von der Einschaltzeit auf Werte von 10 bis 25 Ampere geladen. Beim Abschalten des Stromes (negative Flanke des Impulses) entsteht am Drainanschluss der Zündungsendstufe 4 ein kurzer, hoher Spannungsimpuls (typisch 400 Volt), der auf die Sekundärwicklung 3 der Zündspule übertragen wird und dort mit dem Übersetzungsverhältnis der Zündspule 1 einen Sekundärspannungsimpuls von typisch 15 bis 20 kV erzeugt, mit dem das brennfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum des Zylinders gezündet wird. Weiterhin wird die Energie, die in der Primärwicklung 2 der Zündspule 1 geladen wurde, auf die Sekundärwicklung 3 der Zündspule 1 übertragen und bewirkt dort das Funkenbrennen. Der Brennstrom des gezündeten Funkens klingt linear mit der Zeit ab. Dieser startet typisch bei 100–150 mA und ist typisch nach 0,5 ms auf Null abgeklungen. Diese Abklingzeit des Brennstromes ist abhängig von der Induktivität der Sekundärwicklung 2, welche typischerweise 10 H beträgt.
Zeitlich versetzt zum Einschaltimpuls I an der Zündungsendstufe 4 wird nach dem Ende des Einschaltimpulses I der Nachladetransistor 7 mit einer Folge von mehreren kurzen Impulsen II ein- und ausgeschaltet. Die Induktivität der Primärwicklung 2 der Zündspule beträgt 0,5–1 mH, während die Induktivität der Nachladespule 8 typischerweise 50 μH beträgt. Entsprechend kann die Nachladespule 8 auch mit kürzeren Impulsen ein- und ausgeschaltet werden (Beispiel: Einschaltzeiten 35 μs, Ausschaltzeiten 17 μs).
Bei ausgeschalteter Zündungsendstufe 4 trägt die Nachladeschaltung 7, 8 zur Versorgung der Primärwicklung 2 mit Energie bei. Während der Einschaltung der Nachladeschaltung 7, 8 bei ausgeschalteter Zündungsendstufe 4 wird während der Einschaltphase der Nachladeschaltung 7, 8 ein Strom weiterhin in die Primärwicklung 2 geführt, welcher eine Energie aufbaut, die beim Ausschalten der Nachladeschaltung 7, 8 ebenfalls induktiv in die Sekundärwicklung 3 der Zündspule 1 eingekoppelt wird. Somit steht während der Brenndauer des Zündfunkens der Zündkerze 5 immer ausreichend Energie zur Verfügung, um die Brenndauer des Zündfunkens zu verlängern.

Im Einzelnen speist das Komponentenpaar, bestehend aus dem Nachladetransistor 7 und der Nachladespule 8, zur Nachladung während der Brennphase des Zündfunkens Strom in den Verbindungspunkt zwischen Primärwicklung 2 und den Drainanschluss des Transistors 4 ein. Während dieser Nachladephase wird der Nachladetransistor 7 mittels eines periodischen Signals (Impulsfolge II) ständig ein- und ausgeschaltet. Die verschiedenen Schaltzustände zwischen dem Transistor 4 der Zündungsendstufe 4 und dem Nachladetransistor 7 sind in nachfolgender Tabelle dargestellt.

	Transistor 4 aus	Transistor 4 ein	Transistor 4 im Sperrbetrieb	Transistor 4 beim Funkenbrennen
Nachladetransistor 7 aus	Diode 9, Diode 10 stromlos	Diode 10 sperrt	Diode 9 sperrt	Diode 9 speit
Nachladetransistor 7 ein	Diode 9 sperrt	Diode 10 sperrt	Diode 9 sperrt	Diode 9 sperrt
Nachladetransistor 7 im Sperrbetrieb	Dioden 9, Diode 10 öffnen	Diode 9, 10 öffnen	Diode 9 sperrt	Diode 9, Diode 10 öffnen

Die Zahl der notwendigen Nachladeimpulse der Impulsfolge II, mit welchen der Nachladetransistor 7 angesteuert wird, hängt von der im Kennfeld der Zündung jeweils geforderten Brenndauer ab, d. h. die Brenndauer kann flexibel je nach Erfordernis des Kennfeldes mal kürzer oder länger durch die entsprechende Anzahl der Nachladeimpulse eingestellt werden.
Zur Entkopplung und zum Schutz des Nachladetransistors 7 vor der hohen Spannung, die beim Abschalten der Zündungsendstufe 4 auftritt (typisch 400 V), ist die Entkopplungsdiode 9 vorgesehen, welche eine höhere Sperrspannung aufweist, als die Abschaltspannung des Transistors 4. Damit beim eingeschalteten Transistor 4 der Zündungsendstufe 4 und ausgeschaltetem Nachladetransistor 7 kein Strom von der Nachladespule 8 in den primärseitigen Verbindungspunkt zwischen Zündungsendstufe 4 und Primärwicklung 2 fließen kann, wird die Zenerdiode 10 verwendet, deren Zenerspannung größer ist als die Batteriespannung U_batt, aber kleiner sein muss als die Zenerspannung der Zenerdiode 11.
2 zeigt eine Zündschaltung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Nachladeschaltung. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Primärwicklung 2 der Zündspule 1 mit einem Anschluss mit der Batteriespannung Unverbunden. Der andere Anschluss führt auf den Drainanschluss der Zündungsendstufe 4, wobei der Sourceanschluss der Zündungsendstufe 4 mit dem Shuntwiderstand 4a verbunden ist und ein Anschluss des Shuntwiderstandes 4a direkt an Masse liegt. Die Beschaltung der Sekundärwicklung 3 der Zündspule 1 ist ebenfalls identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Nachladeschaltung, welche im Steuergerät 14 angeordnet ist, ist komplexer aufgebaut. Diese weist die bereits dargestellten Elemente auf, wie den Nachladetransistor 7, welcher mit der Nachladespule 8 verbunden ist, und einer zwischen dem Nachladetransistor 7 und der Nachladespule 8 angeordneten Zenerdiode 11, die auf den Gateanschluss des Nachladetransistors 7 führt, wo das Ansteuersignal in Form der Impulsfolge II anliegt. Darüber hinaus umfasst die Nachladeschaltung einen weiteren Transistor 17, welcher in Serie mit einer weiteren Induktionsspule 18 und einem Widerstand 19 geschaltet ist und an die Batteriespannung U_batt führt. Die Abschaltspannung des Transistors 17 wird dabei mit einer Zenerdiode 20 begrenzt, welche mit ihrer Kathode mit dem Drainanschluss des Transistors 17 und mit ihrer Anode mit dessen Gateanschluss verbunden ist. Der Drainanschluss des Transistors 17 ist zusätzlich mit einem Anschluss der Induktionsspule 18 verbunden. Des Weiteren ist die Kathode der Zenerdiode 20 mit der Anode der Diode 21 verbunden, deren Kathode mit dem Gateanschluss eines weiteren Transistors 16, einem Kondensator 22 und einem Widerstand 23 verbunden ist.
Der dritte Transistor 16 übernimmt die Funktion der Zenerdiode 10 aus 1 und ist mit seinem Drainanschluss an den Verbindungspunkt zwischen dem Drainanschluss des Nachladetransistors 7 und der Nachladespule 8 geschaltet und mit der Kathode der Zenerdiode 11 verbunden. Der Sourceanschluss des Transistors 16 ist mit der Anode der Entkoppeldiode 9 verbunden, welche mit ihrer Kathode an den Verbindungspunkt zwischen Primärwicklung 2 und Transistor 4 der Zündungsendstufe 4 der Zündspule 1 führt.
Mit dem, mit der Impulsfolge II angesteuerten Nachladetransistor 7 wird die Nachladespule 8 nach dem Abschalten des Transistors 4 der Zündungsendstufe während der Brennphase des Zündfunkens periodisch ein- und ausgeschaltet. Um mit dieser Abschaltenergie die Brenndauer zu verlängern, fließt in der Abschaltphase des Transistors 4 der Zündungsendstufe 4 dessen Abschaltstrom nicht über den Abschalttransistor 7, sondern über den dritten Transistor 16 sowie die Diode 9 in die Primärwicklung 2 und werter in die Sekundärwicklung 3 der Zündspule 1 und führt dort zu einem verlängerten Funkenbrennen. Die Dauer des Funkenbrennens wird ebenfalls durch Wahl der Zahl der Ein- und Ausschaltvorgänge (Impulsfolge II) des Nachladetransistors 7 in Abhängigkeit vom Kennfeld der Zündschaltung auf den gewünschten Wert eingestellt.
Zum Einschalten des dritten Transistors 16 muss dessen Gateanschluss ein 5 Volt höheres Potential als dessen Sourceanschluss haben. Deswegen wird mit demselben Ansteuersignal (Impulsfolge II), mit dem der Nachladetransistor 7 ein- und ausgeschaltet wird, der weitere, als Schalter arbeitende Transistor 17, die Induktionsspule 18 und der Strombegrenzungswiderstand 19 geschaltet. Der Transistor 17 wird mit der Zenerdiode 20 mit einer so hohen Durchbruchspannung versorgt, dass der Gateanschluss des Transistors 16 mindestens ein um 5 Volt höheres Potential als der Sourceanschluss des Transistors 16 aufweist. Dadurch wird der Transistor 16 leitend geschaltet. Die Diode 21 verhindert, dass die Ladung vom Gateanschluss des dritten Transistors 16 nach Abschalten des Transistors 17 wieder abfließen kann. Der Kondensator 22 vergrößert die Gate-Source-Kapazität des dritten Transistors 16 und verlängert somit dessen Einschaltzeit. Als Schalter für die Querverbindung zwischen dem Anschluss der Primärwicklung 2 zur Nachladespule 8 lässt sich der dritte Transistor 16 besonders günstig als IGBT (isolated gated bipolar transistor) ausführen. Die Diode 9 hat eine Sperrspannung, die höher als die Abschaltspannung beim Abschalten des Transistors 4 der Zündungsendstufe 4 ist, und koppelt somit die Spannungen des Transistors 4 von der Nachladeschaltung ab. Die Gate-Source-Spannung vom dritten Transistor 16 muss mindestens 5 Volt betragen, um den dritten Transistor 16 sicher einzuschalten. Diese Spannung wird mit Hilfe der Schaltungskomponenten 17, 18, 19, 22, 23 erzeugt.
In einem Beispiel hat der dritte Transistor 16 einen internen Gate-Source-Widerstand 23 von R = 20 kΩ. Der Kondensator 22 weist eine Gate-Source-Kapazität C₁ von 1 nF auf. Zur Erhöhung dieses Wertes kann eine zusätzliche Kapazität parallel geschaltet sein. Damit der dritte Transistor 16 eingeschaltet wird, wird die Gate-Source-Spannung U_C1 durch Aufladung des Kondensators 22 auf über 5 Volt angehoben. Der Kondensator 22 wird mit Q_C1 = C1 × U_C1 = I dt aufgeladen. Entsprechend entsteht die Gate-Source-Spannung U_C1 am dritten Transistor 16. Die RC-Zeit mit dem Widerstand R = 20 kΩ und der Kapazität = 2 nF beträgt 40 μs. In dieser Zeit sinkt die Gate-Source-Spannung U_C1 um 1/e = 0,368 ab. Beim Abschalten des Transistors 17 fließt Ladung von der Induktionsspule 18, welche eine Induktivität 118 aufweist, in den Kondensator 22, die wegen der Diode 21 nicht zurückfließen kann. Im Mittel ergibt sich die Durchbruchspannung des Transistors 17 mit der um den Faktor (1 – 1/e) = 0,632 verminderten Spannung U_C1max. U_C1max(1 – 1/e) × C₁ = Q = I_L18dt U_C1max = e/C₁ × (e – 1)I_L18dt
Dabei fließt der Abfallstrom (U_batt – U_ds17)/R1 in der Zeit dt in den Kondensator 22. Im zeitlichen Mittel fließt wegen dem linearen Abfall der halbe Strom I₁₈ = (U_batt – U_ds17)/2R₁ dt = L₁₈ × (U_batt – U_ds17)/R × U_C1max).
Daraus ergibt sich U_C1max = (U_batt – U_ds17)/R₁ × [e(e – 1) × L₁₈/2C₁]^1/2.
In konkreten Zahlen ergibt sich bei C, = 2 nF; L₁₈ = 10 μH, U_batt – U_ds17 = 13 V, R₁ = 50 Ω U_C1max =1 6,35 V U_C1max/e = 6,015 V (nach 40 μs).
Daraus ergibt sich, dass in der Abschaltphase des Nachladetransistors 7 die Gate-Source-Spannung U_C1 am Transistor 16 größer 5 Volt ist und der Transistor 16 somit nur in dieser Zeit eingeschaltet ist.
3 zeigt eine Verteilung der Komponenten der Zündschaltung entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel auf das Steuergerät 14 und auf vier Zündspulen 1 ₁ bis 1 ₄ für eine Zündanlage mit vier Zylindern. Während sich in den Zündspulen 1 ₁ bis 1 ₄ die Komponenten Primärwicklung 2 ₁ bis 2 ₄, Sekundärwicklung 3 ₁ bis 3 ₄ und Zündungsendstufe 4 ₁ bis 4 ₄ befinden, werden alle anderen Komponenten der Nachladeschaltung in das Steuergerät 14 ausgelagert. Im Steuergerät 14 wird somit die Ansteuerung der jeweiligen Zündungsendstufe 4 ₁ bis 4 ₄ über die Verteilung 24 und die Ansteuerung der jeweiligen Nachladezweige über die Verteilung 25 organisiert. Somit wird die Nachladeschaltung mit dem erforderlichen Nachladetransistor 7 und Nachladespule 8 nur einmal benötigt. Die jeweils für einen Zündungsstrang erforderlichen Transistoren 16 ₁ bis 16 ₄ mit den Entkoppeldioden 9 ₁ bis 9 ₄ sind für jede Zündspule 1 ₁ bis 1 ₄ separat ausgebildet.
Zur allgemeinen Verdeutlichung der Erfindung ist in 4 der Brennstrom I, welcher durch die Zündspule 1 fließt, über der Brenndauer t des Zündfunkens der Zündkerze 5 einmal mit Nachladeschaltung und einmal ohne Nachladeschaltung dargestellt. Die gestrichelte Linie D verdeutlicht dabei den Verlauf ohne Nachladeschaltung, während die durchgängige Linie E den Verlauf des Brennstromes I über der Brenndauer t mit Nachladeschaltung darstellt. Wird der Nachladetransistor 7 leitend, klingt der Strom I, welcher durch die Primärwicklung 2 fließt, linear ab. Wie aus 4 ersichtlich, ist die Brenndauer t umso größer je größer der Brennstrom I ist. Die durch die Kurve E dargestellte Verlängerung der Brenndauer t kann durch die Nachladeschaltung auch bei geringen Ladeströmen durch die Primärwicklung 2 der Zündspule 1 erreicht werden. Hierdurch sind somit thermische Probleme in der Zündspule 1 und in der Zündendstufe vermeidbar. Des Weiteren wird eine Reduktion der in der Zündspule 1 auftretenden Verlustenergien erreicht. Auch ist eine Reduktion der Kerzenerosion durch eine Verkleinerung der Energie an dem Funkenkopf der Zündkerze 5 möglich. Darüber hinaus ist die Brenndauer t des Zündfunkens durch die Anzahl der Nachladeimpulse, welche an der Primärwicklung 2 der Zündspule 1 anstehen, einstellbar. Im Multispark-Betrieb wird eine Verlängerung der Brenndauer dadurch erreicht, dass nach Beendigung des Zündvorganges die Zündungsendstufe 4 erneut angesteuert und somit die Primärwicklung 2 der Zündspule 1 erneut bestromt und durch erneutes Abschalten ein zweiter Funke generiert wird. Dieser Vorgang kann bis zu dreimal wiederholt werden.
Zur Vergrößerung des Nachladestromes können jeweils drei Schaltungen A, B, C, die gemäß 1 bzw. 2 ausgestaltet sind, im Gegentakt betrieben werden (5). Der Nachladetransistor 7 wird in der Schaltung A angeschaltet und befindet sich in Schaltung B in der Sperrphase. Bei der Verwendung von drei Schaltungen A, B, C folgen die aufgrund der Sperrspannungen auftretenden Ströme H unmittelbar aufeinander. Damit ist der effektiv in die Primärwicklung 2 eingespeiste Ladestrom G wegen dem linearen Abfall gleich dem halben Strom am Nachladetransistor 7. Bei dem Ladestrom G von 10 Ampere fließen in der Sperrphase somit 5 Ampere in die Primärwicklung 2. Mit dem Transformationsfaktor 140 fließen 35 mA Brennstrom 1 in die Sekundärwicklung 3. Durch dieses unmittelbare Aufeinanderfolgen der Ströme H infolge der Durchbruchspannung des Nachladetransistors 7 erfolgt eine kontinuierliche Einspeisung des Ladestromes G der Nachladeschaltung in die Primärwicklung 2 und somit auch in die Sekundärwicklung 3. Dadurch wird ein ununterbrochenes Versorgen des Zündfunkens mit Energie während des Betriebes der Nachladeschaltung gewährleistet.

Claims

Verfahren zur Verlängerung der Brenndauer eines von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor, wobei eine Zündungsendstufe (4) zur Steuerung eines Stromes einer Primärwicklung (2) einer Zündspule (1) impulsförmig angesteuert wird, wodurch Energie in der Primärwicklung (2) gespeichert wird, wobei die Unterbrechung der Stromzufuhr in der Primärwicklung (2) zur Entstehung einer Hochspannung in einer Sekundärwicklung (3) der Zündspule (1) führt, wodurch ein Funke an den Elektroden einer Zündkerze (5) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Abschaltung der Stromzufuhr durch die Zündungsendstufe (4) die Primärwicklung (2) mittels eines Nachladestromes nachgeladen wird, dessen Energiegehalt von der Primärwicklung (2) auf die Sekundärwicklung (3) während der Brenndauer des Funkens übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachladestrom, insbesondere unter Umgehung der Zündungsendstufe (4), periodisch in die Primärwicklung (2) der Zündspule (1) fließt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der periodische Nachladestrom nach dem Abschalten eines primären Ladestromes und Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches fließt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der periodische Nachladestrom aus Nachladeimpulsen besteht, deren Anzahl variabel ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nachladeimpulse des Nachladestromes in Abhängigkeit eines Zündungskennfeldes eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündspule (1) verwendet wird, an deren Primärseite zwei Wicklungen (2, 8) mit je einem Anschluss an die Plusversorgung der Versorgungsspannung (U_batt) führen, wobei die Primärwicklung (2) mit der Zündungsendstufe (4) ein- und ausgeschaltet wird, während die Nachladespule (8) als Nachladekreis mit einem Nachladetransistor (7) in der Brennphase des Funkens periodisch ein- und ausgeschaltet wird und die Nachladespule (8) mit demselben Eisenkern (27) wie die Primärwicklung (2) und die Sekundärwicklung (3) der Zündspule (1) verkoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Nachladung durch den Nachladestrom gestartet wird, wenn ein Brennstrom des Funkens fast auf Null abgeklungen ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (2) eine Induktivität von ungefähr 0.5–1 mH aufweist und somit Strörne von annähernd 10–20 Ampere in einer Zeit von 1–2 ms geladen werden, während die Nachladespule (8) eine Induktivität von ungefähr 50 μH aufweist, durch welche Ströme von annähernd 5 Ampere in einer Zeit von etwa 60 μs geladen werden.
Vorrichtung zur Verlängerung der Brenndauer eines von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor, wobei eine Zündungsendstufe (4) zur Steuerung eines Stromes an eine Primärwicklung (2) einer Zündspule (1) geführt ist, welche induktiv mit einer Sekundärwicklung (3) der Zündspule (1) gekoppelt ist, wobei die Sekundärwicklung (3) der Zündspule (1) mit der, einen Zündfunken erzeugenden Zündkerze (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachladeschaltung (7, 8) mit der Primärwicklung (2) während der Brenndauer des Funkens verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachladeschaltung einen Nachladetransistor (7) aufweist, welcher in Reihe mit einer Nachladespule (8) geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachladetransistor (7) mit dem Anschluss der Primärwicklung (2) verbunden ist, an welchem die Zündungsendstufe (4) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drainanschluss des Nachladetransistors (7) und dem Drainanschluss der Zündungsendstufe (4) eine Diode (9) als Entkopplungsvorrichtung angeordnet ist, welche eine Sperrspannung aufweist, die größer ist als eine Primärspannungsbegrenzung der Zündungsendstufe (4).
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachladespule (8) über eine Sperreinrichtung (10, 16) mit dem Anschluss der Primärwicklung (2) verbunden ist, an welchem die Zündungsendstufe (4) angeschlossen ist, wobei eine Sperrspannung der Sperreinrichtung (10, 16) größer als eine Versorgungsspannung (U_batt) aber kleiner als eine Durchbruchspannung einer ersten Zenerdiode (11) ist, welche in die Verbindung zwischen Nachladetransistor (7) und Nachladespule (8) eingreift.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung als Transistor (16) oder Diode (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der als Transistor (16) ausgebildeten Sperreinrichtung ein Gate-Anschluss des Transistors (16) ein höheres Potential als dessen Source-Anschluss aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zenerdiode (20) einen, mit dem Ansteuersignal des Nachladetransistors (7) geschalteten Schalter (17) überbrückt, wobei die zweite Zenerdiode (20) eine Durchbruchspannung aufweist, welche das Potential des Gate-Anschlusses der als Transistor (16) ausgebildeten Sperreinrichtung gegenüber dem Source-Anschluss erhöht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Transistor (16) ein Kondensator (22) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachladeschaltung (7, 8) den Nachladestrom für mindestens zwei Zündspulen (1 ₁ bis 1 ₄) bereitstellt, wobei zwischen der Nachladeschaltung (7, 8) und der Primärwicklung (2 ₁ bis 2 ₄) jeder Zündspule (1 ₁ bis 1 ₄) eine separate Sperreinrichtung (16 ₁ bis 16 ₄) geschaltet ist.