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Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Auslösen eines Zündfunkens an einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors, insbesondere für einen Zweitaktmotor in einem handgeführten Arbeitsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2005 038 198 A1 ist eine Zündvorrichtung bekannt, die ein mit der Kurbelwelle umlaufendes Polrad und ein diesem zugeordnetes ortsfestes Joch mit Spulen umfasst. Das Polrad trägt zwei einander diametral gegenüberliegende Permanentmagnete, die über einen Umlauf den magnetischen Kreis des Jochs zweimal schließen. Auf dem einen Schenkel des U-förmigen Jochs ist eine Ladespule zum Aufladen des Zündkondensators gewickelt, während auf dem anderen Schenkel die aus Primärspule und Sekundärspule bestehende Zündspule gewickelt ist. Die Anordnung von zwei Magneten ermöglicht einen starken, lang brennenden Zündfunken, der eine sichere Zündung des Gemischs gewährleistet, sowie eine ausreichende Energieversorgung von Steuereinheiten, Aktoren oder Sensoren ermöglicht.
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In ungünstigen Betriebszuständen erfolgt über mehrere Umdrehungen des Verbrennungsmotors keine Zündung – z. B. aufgrund von Zündungsunterdrückung zur Begrenzung der Höchstdrehzahl –, so dass – bedingt durch das Spülprinzip des Zweitaktmotors – der Brennraum auch im unteren Totpunkt des Kolbens mit Gemisch gefüllt ist. Bei atmosphärischem Druck im Brennraum sind deutlich niedrigere Spannungen an der Zündkerze ausreichend, um einen Zündfunken auszulösen als bei einem im Brennraum komprimierten Gemisch, also unter Überdruck. Bedingt durch die Bauart des Polrades und der Zündvorrichtung wird durch den zweiten Permanentmagneten im Bereich des unteren Totpunkts in den Spulen eine Spannung induziert, die in der Sekundärspule zu einer Hochspannung von 2 kV bis 3 kV führt. Dies kann bei dem im Bereich des unteren Totpunkts herrschenden atmosphärischen Druck im Brennraum zu einem Zündfunken an der Zündkerze führen. Ist der Brennraum aufgrund fehlender Verbrennung mit brennfähigem Gemisch gefüllt, kann dies zu einem Entzünden des Gemischs im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens führen. Dies führt zu unkontrollierten Verbrennungen und damit zu einem unruhigen Lauf des Motors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, dass ein Zünden des Gemischs im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens sicher verhindert ist. Die Aufgabe wird nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Vorrichtung zur Absenkung der an der Zündkerze anliegenden Spannung ist zumindest in dem zweiten Drehwinkelbereich aktiv, innerhalb dem im Brennraum etwa atmosphärischer Druck herrscht und aufgrund der Bauart eine niedrige Hochspannung von z. B. 2 kV bis 3 kV zu einem Zündfunken an der Zündkerze führen kann. Zweckmäßig ist in dem übrigen, ersten Drehwinkelbereich die Vorrichtung inaktiv, so dass die Zündvorrichtung zuverlässig in bekannter Weise arbeitet. Im ersten Drehwinkelbereich liegt der obere Totpunkt des Kolbens; im zweiten Drehwinkelbereich liegt der untere Totpunkt des Kolbens.
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Die Vorrichtung zur Absenkung der an der Zündkerze anliegenden Spannung ist bevorzugt ein Schaltelement, das von einer Steuereinheit in Abhängigkeit des Drehwinkels des Polrades angesteuert ist. Dabei kann die Steuereinheit von der Zündsteuereinheit gebildet sein.
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In bevorzugter Ausführungsform ist das Schaltelement parallel zur Primärspule angeordnet, d. h., die Primärspule wird über das Schaltelement mit oder ohne Last kurzgeschlossen. Dadurch erfolgt eine Dämpfung der im unteren Totpunkt induzierten Spannung mit dem Effekt, dass die sich in der Sekundärspule aufbauende Hochspannung um Faktoren geringer ist, so dass ein Zündfunken an der Zündkerze auch bei atmosphärischem Druck in der Brennkammer ausgeschlossen werden kann.
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Es kann vorteilhaft sein, das Schaltelement in Reihe mit der Zündkerze anzuordnen und somit den Spannungszweig der Zündkerze im vorgegebenen zweiten Drehwinkelbereich zu unterbrechen. Liegt das Schaltelement parallel mit der Zündkerze, wird die Sekundärspule kurzgeschlossen, was zu einer entsprechenden Dämpfung führt.
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Die Schaltelemente zur Absenkung der an der Zündkerze anliegenden Spannung sind vorteilhaft elektronische Schaltelemente wie Thyristoren, MOSFET's oder andere Transistoren.
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In einer alternativen Ausführungsform kann es ausreichend sein, als Vorrichtung eine zwischen der Sekundärspule und der Zündkerze angeordnete Vorfunkenstrecke vorzusehen, die Spannungen von z. B. weniger als 3 kV abblockt. Erst bei Spannungen über 3 kV wird die Vorfunkenstrecke leitend, so dass an der Zündkerze nur Hochspannungen von mehr als 3 kV anliegen können.
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In gleicher Weise kann die Vorrichtung eine zwischen der Sekundärspule und der Zündkerze liegende Sperrdiode sein, die in Sperrrichtung die unerwünschte induzierte Hochspannung von z. B. 3 kV sperrt.
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Die Vorfunkenstrecke und die Sperrdiode arbeiten ohne aktive Ansteuerung durch eine Steuereinheit in Abhängigkeit der in der Sekundärspule erzeugten Hochspannung. Spannungen über 3 kV werden zur Zündkerze durchgelassen, während kleinere Hochspannungen geblockt werden.
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Eine abgesenkte Spannung auf Seiten der Sekundärspule kann auch dadurch erreicht werden, dass eine Schwächung des im Joch auftretenden magnetischen Flusses innerhalb des zweiten Drehwinkelbereichs ausgebildet ist. Dabei kann die Vorrichtung zur Absenkung der an der Zündkerze anliegenden Spannung durch einen größeren Luftspalt zwischen dem zweiten Permanentmagneten und dem Joch ausgebildet sein.
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Eine Schwächung des magnetischen Flusses ist auch durch eine schwächere Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten möglich, wobei zum Ausgleich der reduzierten Energiegewinnung über den Umfang des Polrades zwei Permanentmagnete vorgesehen sein können.
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Die Vorrichtung kann auch durch einen Permanentmagneten mit veränderter Geometrie gebildet werden; liegen die Pole des Permanentmagneten mit größerer Entfernung zueinander als die Öffnung des zu schließenden Joches, so kann sich ein nur geringer magnetischer Fluss ausbilden. Dies führt zu einer entsprechenden Absenkung der induzierten Spannung in der Sekundärspule und damit an der Zündkerze.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im Einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Arbeitsgerätes am Beispiel einer Motorkettensäge,
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2 in vergrößerter Darstellung die Anordnung von rotierendem Polrad und stehendem Joch,
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3 ein schematisches Schaltbild der Zündvorrichtung,
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4 ein Schaubild der über eine Polradumdrehung in der Sekundärspule induzierten Spannungen.
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Das in 1 dargestellte Arbeitsgerät ist ein tragbares, handgeführtes Arbeitsgerät 1 mit einem im Gehäuse 2 angeordneten Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor ist insbesondere ein Zweitaktmotor, vorzugsweise ein Einzylinder-Zweitaktmotor mit einem Zylinder 3, in dem ein Kolben 4 angeordnet ist. Der zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT hin und her gehende Kolben 4 treibt über ein Pleuel 5 eine Kurbelwelle 6 an. Der Kolben 4 begrenzt einen Brennraum 7, in den nach dem an sich bekannten Zweitaktverfahren Gemisch gefördert wird. In den Brennraum ragt eine Zündkerze 8, die im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 4 einen gesteuerten Zündfunken abgibt, um das im Brennraum 7 verdichtete Gemisch zu entzünden. Im unteren Totpunkt des Kolbens ist der Brennraum 7 über einen Auslass mit der Atmosphäre verbunden, so dass die Verbrennungsgase einer vorausgegangenen Verbrennung abströmen können.
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Die Zündkerze 8 wird von einer Zündvorrichtung 10 angesteuert, die in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last des Verbrennungsmotors einen Zündfunken 11 an der Zündkerze 8 (3) auslöst. Hierzu ist eine Zündsteuereinheit 33 vorgesehen.
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Die Energie für die Zündung wird durch einen Zündgenerator 9 erzeugt, der aus einem Polrad 12 und einem dem Polrad ortsfest zugeordneten Joch 13 besteht, auf dessen Schenkeln 14 und 15 Spulen 16, 17 und 18 angeordnet sind. Die Spulen 16 bis 18 können zusammen mit dem Joch 13 zu einer Baueinheit 19 mit kleinem Bauraum vergossen sein. Ferner ist durch diese kompakte Bauart Gewicht eingespart.
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Das Polrad 12, das im Ausführungsbeispiel vorteilhaft das Lüfterrad des luftgekühlten Zweitaktmotors ist, trägt z. B. zwei Permanentmagnete 20 und 22. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 20 und 22 bezogen auf die Drehachse 21 des Polrades 12 einander diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei die Magnete 20 und 22 gegensinnig magnetisiert sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Permanentmagnete 20 und 22 somit in Umfangsrichtung des Polrades 12 mit einem Abstand 23 von 180°KW zueinander. Andere Abstände zwischen den Permanentmagneten können vorteilhaft sein. Es kann auch zweckmäßig sein, über den Umfang des Polrades 12 mehr als zwei Permanentmagnete 20, 22.1, 22.2 vorzusehen (2), z. B. drei oder mehr Magnete.
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Das Polrad 12 ist im Ausführungsbeispiel von der drehenden Kurbelwelle 6 des Verbrennungsmotors rotierend angetrieben; bevorzugt ist das Polrad 12 auf dem Ende der Kurbelwelle 6 aufgeflanscht und dreht mit diesem. Der Abstand 23 der Permanentmagnete 20 und 22 entspricht daher 180° Kurbelwellenwinkel, wobei der Permanentmagnet 20 im oberen Totpunkt OT des Kolbens 4 das Joch 13 magnetisch schlieft und der Permanentmagnet 22 im unteren Totpunkt UT das Joch 13 magnetisch schließt.
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Das Joch 13, vorzugsweise der eine Schenkel 14 des Jochs 13 trägt die Ladespule 16, die zum Laden eines Zündkondensators 30 dient. Auf dem Joch 13 ist ferner, vorzugsweise auf dem anderen Schenkel 15 des Jochs 13, die Primärspule 17 und die Sekundärspule 18 der Zündspule 31 angeordnet, wobei die Sekundärspule 18 auf der Primärspule 17 liegt, die ihrerseits auf dem Schenkel 15 gewickelt ist.
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Das Joch 13 wird über die Permanentmagneten 20 und 22 magnetisch geschlossen, so dass sich über den Permanentmagneten ein magnetischer Fluss im Joch 13 ausbildet. Dieser Fluss ist am größten, wenn der Permanentmagnet die freien Enden des Jochs 13 magnetisch schließt; dies entspricht einer maximalen Induktionsspannung. Mit Öffnen des Jochs 13 bricht die Induktionsspannung wieder zusammen.
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Während der Permanentmagnet 20 zu einem positiven Spannungsimpuls 26 in der Sekundärspule 18 fährt, wird beim Vorbeilaufen des gegenpolig magnetisierten Permanentmagneten 22 am Joch 13 ein negativer Spannungsimpuls 28 gleicher Größe generiert (4), sofern ein Permanentmagnet gleicher Stärke verwendet ist.
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Wie das Schaltbild der Zündvorrichtung 10 nach 3 zeigt, wird der Zündkondensator 30 über die Diode 32 und die Primärspule 17 geladen. Die sich aufgrund der induzierten Spannung in der Zündspule 31 auf der Sekundärseite ergebende Spannung ist in 4 dargestellt. Die durch die Induktion auf der Sekundärspule 18 der Zündspule 31 auftretende Spannung liegt im Bereich von etwa 2 kV bis 3 kV, die auch an den Elektroden der Zündkerze 8 anliegt. Dem maximalen Spannungsimpuls 26 bzw. 28 geht eine kleine Spannungswelle voraus, die bei der Annäherung des Permanentmagneten an das Joch auftritt. Ist das Joch 13 über den Permanentmagneten magnetisch geschlossen, ergibt sich der dargestellte maximale Spannungsimpuls 26 bzw. 28 (4); entfernt sich der Permanentmagnet wieder vom Joch, tritt eine abklingende Spannungswelle auf. Der Spannungsimpuls 26 bzw. 28 ist somit immer von einer voraus liegenden und einer nachfolgenden Spannungswelle umgeben.
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Im Bereich des oberen Totpunkts OT (4) ist das Gemisch im Brennraum stark komprimiert, so dass die durch die Induktion auf der Sekundärseite der Zündspule 31 sich ergebende Spannung von 2 kV bis 3 kV nicht zur Ausbildung eines Zündfunkens 11 ausreicht. Daher wird von der Zündsteuereinheit 33 zum gewünschten Zündzeitpunkt ein Schaltelement 34, im Ausführungsbeispiel ein Thyristor, durchgeschaltet, der einen aus Zündkondensator 30 und Primärspule 17 gebildeten Stromkreis schließt; der Zündkondensator 30 kann sich über die Primärspule 17 entladen. Die Entladung führt auf der Sekundärseite der Zündspule zu einer Zündspannung 50 von über 20 kV, was zur Auslösung eines Zündfunkens 11 und einer sicheren Zündung des komprimierten Gemischs im Brennraum 7 ausreichend ist. Dabei erfolgt die Zündung etwa in OT, wird also auf den durch die Induktion des Permanentmagneten 20 ausgelöste Hochspannungsimpuls von ca. 2 kV bis 3 kV als Spannungspeak aufgesetzt.
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Die Zündsteuereinheit 33 ist mit einer Steuereinheit 35 versehen, die der Steuerung weiterer Schaltelemente 36, 37 und/oder 38 dient. Vorteilhaft ist die Steuereinheit 35 in die Zündsteuereinheit 33 integriert, so dass nur eine Steuereinheit vorgehalten werden muss.
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Die Steuereinheit 35 steuert eine Vorrichtung 40 zur Absenkung der an der Zündkerze 8 anliegenden Spannung in vorgegebenen Drehwinkelbereichen. Die Vorrichtung 40 wird immer dann aktiv geschaltet, wenn die auf einen Zündimpuls folgende Magnetgruppe, also z. B. der Permanentmagnet 22, am Joch 13 vorbeiläuft. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist – aufgrund der diametralen Anordnung der Permanentmagnete 20 und 22 relativ zur Drehachse 21 des Polrades 12 – die induzierte Spannung im unteren Totpunkt (UT) am größten. Die induzierte Spannung führt – wie bei dem ersten Permanentmagneten 20 – in der Sekundärspule 18 der Zündspule 31 zu einer Spannungsspitze von ca. 2 kV bis 3 kV.
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Da im unteren Totpunkt UT der Brennraum 7 zur Atmosphäre offen ist – der Auslass ist zum Abführen der Verbrennungsgase aus dem Brennraum geöffnet –, herrscht im Brennraum 7 im Wesentlichen Atmosphärendruck. Unter diesen Druckbedingungen kann eine an der Zündkerze 8 anliegende Spannung von 2 kV bis 3 kV zu einem Zündfunken 11 führen. Dies ist dann ohne Folgen, wenn im Brennraum 7 kein brennfähiges Gemisch vorhanden ist. Läuft der Zweitaktmotor z. B. mit hoher Drehzahl und werden zur Steuerung der Drehzahl eine oder mehrere Zündungen unterdrückt, so ergeben sich mehrere Takte ohne Verbrennung, weshalb auch bei geöffnetem Auslass im Brennraum 7 brennfähiges Gemisch unter Atmosphärendruck vorliegen kann. Unter diesen Bedingungen kann aber ein im Drehwinkelbereich um UT sich ergebender Zündfunke zu einer Zündung führen, was unerwünscht ist. Daher ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinheit 35 zur Absenkung der an der Zündkerze 8 anliegenden Spannung ein Schaltelement 36 in Form eines Thyristors durchschaltet, der die Primärspule 17 kurzschließt. Dadurch ist die Primärspule bedampft, so dass die sich auf der Sekundärseite noch ergebende Sekundärspannung 28 deutlich reduziert ist, wie anhand der punktierten Linie 41 in 4 dargestellt ist. Die Steuereinheit 35 betätigt das Schaltelement 36 zumindest immer dann, wenn der zweite Permanentmagnet 22 am Joch 13 vorbeiläuft. Dadurch kann sich auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen in UT kein Zündfunken an der Zündkerze 8 ausbilden.
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Eine Vorrichtung 40 zur Absenkung der an der Zündkerze 8 anliegenden Spannung ist auch dadurch gebildet, dass im Spannungszweig 42 der Zündkerze 8 ein Schaltelement 37 angeordnet ist, welches den Spannungszweig 42 öffnet. Immer dann, wenn im Bereich des unteren Totpunkts der Permanentmagnet 22 am Joch 13 vorbeiläuft, wird der Spannungszweig 42 geöffnet, so dass die Zündkerze 8 spannungsfrei ist. Das als Thyristor ausgebildete Schaltelement 37 wird erst dann wieder geschlossen, wenn das Gemisch im Brennraum 7 komprimiert wird, da mit steigender Verdichtung des Gemisches die für einen Zündfunken 11 an der Zündkerze 8 notwendige Spannung ansteigt.
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In einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung 40 kann im Spannungszweig 42, vorteilhaft zwischen der Sekundärspule 18 und der Zündkerze 8, eine Vorfunkenstrecke 43 ausgebildet sein, die z. B. Spannungen bis zu 3 kV blockt. Erst wenn die Spannung größer als 3 kV ist, kann die Vorfunkenstrecke 43 überbrückt werden und damit die Hochspannung an der Zündkerze 8 anliegen.
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In gleicher Weise kann als Vorrichtung 40 eine Hochspannungsdiode 44 vorgesehen sein, die in Sperrrichtung in den Spannungszweig 42 eingesetzt ist. Die Hochspannungsdiode 44 wirkt in Sperrrichtung ähnlich wie die Vorfunkenstrecke 43; erst wenn die Durchbruchspannung von z. B. 2 kV bis 3 kV überwunden ist, kann an der Zündkerze 8 eine Hochspannung anliegen.
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Eine Bedämpfung der Spulen im unteren Totpunkt des Kolbens 4 kann auch durch eine Vorrichtung 40 erreicht werden, durch die die Ladespule 16 mittels eines Schaltelementes 38, im Ausführungsbeispiel ein Thyristor, belastet wird, vorzugsweise kurzgeschlossen wird. Auch hierdurch wird eine Absenkung der in UT in der Sekundärspule 18 auftretenden Spannung erzielt.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn die Vorrichtung 40 in dem ersten Drehwinkelbereich 25, in dem der OT des Kolbens 4 liegt, inaktiv ist und in dem zweiten Drehwinkelbereich 27, in dem der UT des Kolbens 4 liegt, aktiv geschaltet ist. In vorteilhafter Weiterbildung ist vorgesehen, die Vorrichtung 40 innerhalb eines ersten erweiterten Drehwinkelbereichs 45 inaktiv zu schalten, wobei der erste Drehwinkelbereich 25 im ersten erweiterten Drehwinkelbereich 45 liegt; der erste erweiterte Drehwinkelbereich umfasst etwa 90° Kurbelwellenwinkel und erstreckt sich insbesondere von etwa 70° Kurbelwellenwinkel vor OT bis zu etwa 20° Kurbelwellenwinkel nach OT.
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In entsprechender Weise ist vorteilhaft ein zweiter erweiterter Drehwinkelbereich 47 vorgesehen, der den zweiten Drehwinkelbereich 27 umfasst. Der zweite erweiterte Drehwinkelbereich 47 kann sich über einen Bereich von etwa 90° Kurbelwellenwinkel erstrecken. Vorteilhaft bildet der zweite erweiterte Drehwinkelbereich 47 etwa den Ergänzungswinkel zum ersten erweiterten Drehwinkelbereich 45 und erstreckt sich somit über einen Bereich von etwa 20° Kurbelwellenwinkel nach OT bis zu etwa 70° Kurbelwellenwinkel vor OT. Der zweite erweiterte Drehwinkelbereich 47 ist somit größer, vorzugsweise etwa um den Faktor 3 größer als der erste erweiterte Drehwinkelbereich 45.
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Entsprechend ist die Steuereinheit 35 so ausgelegt, dass in einem ersten erweiterten Drehwinkelbereich 45 von etwa 70° vor OT bis 20° nach OT die Vorrichtung 40 zur Absenkung der Spannung inaktiv geschaltet ist und im übrigen erweiterten Drehwinkelbereich von 20° nach OT bis 70° vor OT die Vorrichtung 40 zur Absenkung der Spannung aktiv ist. Der erste erweiterte Drehwinkelbereich 45 erstreckt sich somit über etwa 90° Kurbelwellenwinkel, während sich der zweite erweiterte Drehwinkelbereich 47 über etwa 270° Kurbelwellenwinkel erstreckt.
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Zur Absenkung der in der Sekundärspule im zweiten Drehwinkelbereich auftretenden Spannung kann die Vorrichtung auch dadurch gebildet werden, dass der im Joch 13 auftretende magnetische Fluss geschwächt wird. Dies ist z. B. in einfacher Weise dadurch möglich, dass der Luftspalt 24 zwischen den freien Enden der Jochschenkel 14 und 15 und dem Permanentmagneten 22 größer ausgebildet ist als der Luftspalt zwischen den freien Schenkeln des Jochs 13 und dem ersten Permanentmagneten 20.
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Eine Schwächung des magnetischen Flusses im Joch 13 kann auch dadurch erzielt werden, dass der zweite Permanentmagnet schwächer magnetisiert ist, als der erste Permanentmagnet 20. Zum Ausgleich der durch die schwächere Magnetisierung reduzierten Energiegewinnung kann es zweckmäßig sein, über den Umfang des Polrades 12 mehrere zweite, schwächer magnetisierte Permanentmagnete 22.1 und 22.2 vorzusehen.
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Die Vorrichtung zur Absenkung der an der Zündkerze anliegenden Spannung im zweiten Drehwinkelbereich kann auch dadurch gebildet werden, dass die Geometrie des zweiten Permanentmagneten 22' gegenüber der Geometrie des ersten Permanentmagneten 20 verändert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der zweite Permanentmagnet 22' über einen Umfangswinkel v, der größer ist als der in Umfangsrichtung des Polrades 12 gemessene Umfangswinkel u der offenen Enden des Jochs 13. Aufgrund der größeren Erstreckung des Permanentmagneten 22' kann das Joch 13 nicht optimal geschlossen werden, so dass das Maximum des magnetischen Flusses geringer ausfällt als bei dem ersten Permanentmagneten 20, der das magnetische Joch 13 über seine magnetischen Pole passgenau schließt.
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Ist eine höhere Energieausbeute gefordert, können über den Umfang des Polrades 12 auch mehrere Permanentmagnete 20, 22.1, 22.2 angeordnet werden, wobei immer dann die Vorrichtung 40 zur Absenkung der Spannung an der Zündkerze im zweiten Drehwinkelbereich aktiv ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005038198 A1 [0002]
