DE102012203797A1

DE102012203797A1 - Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE102012203797A1
Application number: DE102012203797A
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Tanaya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: DE102012203797B4; JP5255682B2; JP2013087666A; US8807124B2; US20130093342A1

Abstract

Wenn der erste Schalter (113) an ist, wird der Zündkondensator (112) auf einen Spannungswert aufgeladen, dessen Absolutwert größer als ein Ausgangsspannungswert einer Gleichstromquelle (110) ist, durch eine von einer Resonanzspule (111) und dem Zündkondensator (112) verursachte Resonanz; wenn der zweite Schalter (105) an ist, liefert der Zündkondensator Energie an die Zündspulenvorrichtung, und wenn der zweite Schalter (105) aus ist, wird die Energie freigegeben, und eine Hochspannung wird über den Elektroden einer Zündkerze (101) angelegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Steuern der Zündung eines Verbrennungsmotors, der/die hauptsächlich in einem Fahrzeug genutzt wird.
Beschreibung der verwandten Technik
In den vergangenen Jahren sind Belange, so wie die Bewahrung der Umwelt und die Abreicherung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches, aufgeworfen worden; Maßnahmen für diese Belange sind auch in der Automobilindustrie dringend erforderlich. Die Maßnahmen enthalten als ein Beispiel einen Ultramagerverbrennung-(manchmal als eine geschichtete Magerverbrennung bezeichnet)Betrieb eines Verbrennungsmotors, der ein geschichtetes Luft-Kraftstoff-Gemisch nutzt. Bei der geschichteten Mageverbrennung kann jedoch die Verteilung von zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischen variieren; deshalb ist eine zum Absorbieren dieser Variation fähige Zündvorrichtung erforderlich. Um die Variation in der Verteilung der zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemische bei der geschichteten Magerverbrennung zu reduzieren, sind demgemäß Zündvorrichtungen vorgeschlagen worden, die in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart sind.
In einer im Patentdokument 1 offenbarten Zündvorrichtung wird mittels Verwendung eines kapazitiven Entladungsverfahrens ein dielektrischer Durchschlag zwischen den Elektroden einer Zündkerze produziert, und nach dem dielektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden durch das kapazitive Entladungsverfahren wird eine Wechselspannungs-Funkenentladung kontinuierlich zwischen den Elektroden der Zündkerze durch ein induktives Entladungsverfahren produziert. Das induktive Entladungsverfahren ist ein Entladungsverfahren, bei dem Energie dauernd von einer Spule, in der die Energie vorläufig akkumuliert wird, an die Primärspule einer Zündspulenvorrichtung geliefert wird, so dass eine Wechselspannungs-Funkenentladung kontinuierlich zwischen den Elektroden einer Zündkerze produziert wird. Es wird behauptet, dass, weil die derart konfigurierte konventionelle Zündvorrichtung es möglich macht, eine Funkenentladung für eine lange Periode fortzusetzen, eine große Anzahl temporärer Zündungsgelegenheiten bereitgestellt werden kann, und somit die Variation in der Verteilung zündfähiger Kraftstoff-Luft-Gemische absorbiert werden kann.
Eine im Patentdokument 2 offenbarte konventionelle Zündvorrichtung ist versehen mit einer Zündkerze, die eine Funkenentladung in einem Brennraum produziert, und einer Mikrowellenerzeugungsvorrichtung, die Energie an die in der Zündkerze produzierte Funkenentladung liefert. Es wird behauptet, dass, weil die konventionelle Zündvorrichtung es möglich macht, ein größeres Entladungsplasma zu bilden, eine große Anzahl räumlicher Zündungsgelegenheiten bereitgestellt werden kann, und somit die Variation in der Verteilung zündfähiger Kraftstoff-Luft-Gemische absorbiert werden kann.
[Verweis auf den Stand der Technik]
[Patentdokument]

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 4497027
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-96128

In der im Patentdokument 1 offenbarten konventionellen Zündvorrichtung ist es wahr, dass durch Realisieren einer Langzeitentladung temporäre Zündungsgelegenheiten zunehmen und somit ein Effekt hinsichtlich der Auslöschungsvermeidung demonstriert wird; jedoch kann die Variation der Zündungszeitpunkte nicht unterdrückt werden, wodurch Probleme hinsichtlich der Verbesserung der abgegebenen Leistung, der Verbesserung der Variation des zu produzierenden Drehmoments, der Verbesserung des Fahrverhaltens und dergleichen verbleiben. Um diese Probleme zu lösen, ist es erforderlich, die räumlichen Zündungsgelegenheiten weiter zu erhöhen. Obwohl die im Patentdokument 1 offenbarte konventionelle Zündvorrichtung das Entladungsplasma größer machen kann, weil sie eine Wechselstromentladung durchführt, nimmt es eine beträchtliche Zeit in Anspruch, Energie in einer Energieakkumulierungsspule zu akkumulieren; deshalb ist es schwierig, eine Kurzzeit-Wechselstromentladung durchzuführen, und um eine große Energie zu liefern, ist es erforderlich, die Größe der Energieakkumulierungsspule drastisch zu vergrößern; deshalb wird zum Beispiel ein Problem aufgeworfen, dass die Wärmeerzeugung zunimmt.
Im Gegensatz dazu kann die im Patentdokument 2 offenbarte konventionelle Zündvorrichtung eine Auslöschung verhindern und kann die Variation in dem zu produzierenden Drehmoment unterdrücken, weil sie ein großes Entladungsplasma bilden kann; weil jedoch ein Pfad zum Einleiten einer Mikrowelle zusätzlich zu einer Zündkerze erforderlich ist, ist es schwierig, die im Patentdokument 2 offenbarte Zündvorrichtung für einen existierenden Verbrennungsmotor anzuwenden. Weil ein Kolben hin- und herpendelt, und somit eine große Druckänderung immer wiederkehrend verursacht wird, und weil ein durch eine Entladung und eine Verbrennung produziertes Plasma abwechselnd eine Erzeugung und Auslöschung wiederholt, ist das Innere eines Verbrennungsmotors extrem instabil; somit ist es hinsichtlich der Impedanzanpassung technisch schwierig und hinsichtlich der Anpassung zwischen individuellen Produkten ist es extrem schwierig, eine Hochfrequenzenergie, so wie eine Mikrowelle, dem instabilen Brennraum des Verbrennungsmotors zu liefern.
INHALTSANGABE DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist realisiert worden, um die vorhergehenden Probleme in konventionellen Zündvorrichtungen zu lösen; es ist ihre Aufgabe, eine Zündvorrichtung bereitzustellen, die eine geschichtete Magerverbrennung (Engl.: stratified lean combustion) oder dergleichen eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches stabil produzieren kann.
Eine Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist versehen mit einer Zündkerze, die versehen ist mit einem Paar von Elektroden, die sich durch einen Spalt gegenüberstehen, und die eine Funkenentladung in dem Spalt produziert, wenn eine vorbestimmte Hochspannung über dem Paar von Elektroden angelegt wird, so dass ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb eines Brennraums eines Verbrennungsmotors gezündet wird; einer Zündspulenvorrichtung, die die vorbestimmten Hochspannung erzeugt durch Akkumulieren von Energie und Freigeben der akkumulierten Energie, und die die erzeugte vorbestimmte Hochspannung über den Elektroden anlegt; einer Energieversorgungsvorrichtung, die versehen ist mit einem Zündkondensator, der durch eine Resonanzspule von einer Gleichstromquelle zu laden ist, und einem ersten Schalter, der zwischen dem Zündkondensator und einem Messepotential angeschlossen ist, und die die Energie an die Zündspulenvorrichtung von dem Zündkondensator liefern kann; einem zweiten Schalter, der zwischen der Zündspulenvorrichtung und der Energieversorgungsvorrichtung angeschlossen ist; und einer Steuervorrichtung, die ein erstes Steuersignal zum Steuern einer Schaltoperation durch den ersten Schalter und ein zweites Steuersignal zum Steuern einer Schaltoperation durch den zweiten Schalter ausgibt. Die Zündvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuersignal einen Zeitaugenblick, wenn der erste Schalter von Aus zu An geschaltet wird, und eine Zeit steuert, während der der erste Schalter an beibehalten wird; das zweite Steuersignal einen Zeitaugenblick, wenn der zweite Schalter von Aus zu An geschaltet wird, und eine Zeit steuert, während der der zweite Schalter an beibehalten wird; das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal jeweilige Schaltoperationen der entsprechenden Schalter derart steuern, dass, wenn der erste Schalter an ist, der zweite Schalter aus wird, und wenn der erste Schalter aus ist, der zweiten Schalter an wird; wenn der erste Schalter an ist, die Energieversorgungsvorrichtung den Zündkondensator auf einen Spannungswert lädt, dessen Absolutwert größer als ein Ausgangsspannungswert der Gleichstromquelle ist, durch eine von der Resonanzspule und dem Zündkondensator verursachte Resonanz; und wenn der zweite Schalter an ist, die Zündspulenvorrichtung die Energie von dem geladenen Zündkondensator empfängt und die Energie akkumuliert, und wenn der zweite Schalter aus ist, die Zündspulenvorrichtung die akkumulierte Energie freigibt, um die Hochspannung zu erzeugen.
Eine Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung macht es möglich, einen Wechselstromentladungsstrom über Elektroden einer Zündkerze in einem kurzen Zyklus zu liefern; deshalb wird es möglich gemacht, dass ein Entladungsplasma einfach und leicht gebildet wird und eine Verbrennung, so wie eine geschichtete Magerverbrennung, stabil produziert wird. Weil ein für den Betrieb eines Verbrennungsmotors genutztes zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch drastisch reduziert werden kann, kann die persönliche CO₂-Bilanz überaus verbessert werden, wodurch die Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu der Bewahrung der Umwelt beitragen kann.
Die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Schaltkreisausgestaltungsdiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Zeitverlaufsdiagramm zum Erläutern der Operation einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Hier wird im Nachfolgenden eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung im Detail mit Verweis auf die Zeichnungen erläutert werden. 1 ist ein Blockdiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In 1 ist eine Zündvorrichtung 1 eines (nicht veranschaulichten) Verbrennungsmotors, in einem Fahrzeug oder dergleichen angebracht, mit einer Zündkerze 101, einer Zündspulenvorrichtung 102, einer Energieversorgungsvorrichtung 104 und einer Steuervorrichtung 103 ausgestattet. Bezugszeichen 107 bezeichnet ein GND-Pegel-Teilstück (hier im Nachfolgenden als GND bezeichnet) des Verbrennungsmotors.
Die Energieversorgungsvorrichtung 104 ist ausgestattet mit einer Gleichstromquelle 110, die die Ausgangsspannung einer Batterie 106 anhebt und speichert, einer Resonanzspule 111, die die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 110 weiter anhebt, einem Zündkondensator 112, der geladen wird auf Grundlage der durch die Resonanzspule 111 angehobenen Spannung, und einem ersten Schalter 113, der durch die Steuervorrichtung 103 gesteuert wird und den Ladezeitablauf für den Zündkondensator 112 steuert.
Die Zündkerze 101 ist in dem (nicht-veranschaulichten) Verbrennungsmotor angebracht und produziert ein Entladungsplasma zum Zünden eines in das Innere eines Brennraums des Verbrennungsmotors gelieferten zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Zündspulenvorrichtung 102 beliefert die Zündkerze mit einer Spannung und einem Strom, die eine Energie zum Produzieren eines Entladungsplasmas zwischen einem Paar von Elektroden der Zündkerze 101 sind.
Auf Grundlage der Ausgabe der in einem Fahrzeug angebrachten Batterie 106 produziert die Energieversorgungsvorrichtung 104 eine Energie, die erforderlich ist zum Produzieren einer Energie, die an die Zündkerze 101 zu liefern ist, durch die Zündspulenvorrichtung 102. In Ansprechen auf ein Steuersignal von der Steuervorrichtung 103 steuert ein zweiter Schalter 105 eine Energielieferung von der Energieversorgungsvorrichtung 104 an die Zündspulenvorrichtung 102.
Als Nächstes wird die spezifische Ausgestaltung der Zündvorrichtung 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert werden. 2 ist ein Schaltkreisausgestaltungsdiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung; die Bestandteilelemente, die denen in 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In 2 ist die Gleichstromquelle 110 mit einem Gleichspannungswandler 203 und einem Tankkondensator 201 ausgestattet, der mit der Ausgabe des Gleichspannungswandlers 203 geladen wird.
Der Gleichspannungswandler 203 ist versehen mit einem Spannungserhöhungstransformator (Engl.: voltage boosting transformer) 301, der ausgestattet ist mit einer Primärspule 301a, die mit dem Ausgangsanschluss der Batterie 106 verbunden ist, und einer zweiten Spule 301b, die magnetisch mit der Primärspule 301a gekoppelt ist, einer Schaltvorrichtung 302, die in Reihe mit der Primärspule 301a des Spannungserhöhungstransformators 301 geschaltet ist, einem Oszillationsschaltkreis 303, der eine mit einer vorbestimmten Frequenz oszillierende Spannung an die Basis der Schaltvorrichtung 302 liefert, und einer Diode 304, die die Ausgabe der Sekundärspule 301b des Spannungserhöhungstransformators 301 gleichrichtet. Es ist wünschenswert, dass der Gleichspannungswandler 203 derart ausgestaltet ist, eine Fähigkeit zum Erzeugen der Ausgabe von ungefähr 30 W oder größer zu haben, so dass er den Tankkondensator 201 rasch laden kann.
Ein Spannungsbegrenzungsschaltkreis 204 ist versehen mit einer Schaltvorrichtung 210, deren Kollektor und Emitter zwischen dem Ausgangsanschluss des Oszillationsschaltkreises 303 und GND angeschlossen sind, Widerständen 211 und 212, die in Reihe zwischen dem Ausgangsanschluss positiver Polarität des Gleichspannungswandlers 203 und GND angeschlossen sind, und einer Zenerdiode 207, die zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 211 und dem Widerstand 212 und der Basis der Schaltvorrichtung 210 angeschlossen ist. Wenn die durch die Widerstände 211 und 212 geteilte Spannung die Durchschlagspannung der Zenerdiode 207 erreicht, bringt der Spannungsbegrenzungsschaltkreis 204 die Schaltvorrichtung 210 zum Anschalten und die Schaltvorrichtung 302 zum Ausschalten, um die Ausgabe des Spannungsverstärkungstransformators 301 zu stoppen und um das Laden des Tankkondensators 201 zu stoppen, so dass die Spannung über dem Tankkondensator 201 begrenzt wird.
Ein Ende des Tankkondensators 201 der Gleichstromquelle 110 ist mit einem Ende der Resonanzspule 111 verbunden, und das andere Ende davon ist mit GND verbunden. Ein Ende des Zündkondensators 112 ist mit dem anderen Ende der Resonanzspule 111 verbunden. Der erste Schalter 113 ist aus einem IGBT gebildet, der eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist; dessen Emitter ist mit dem anderen Ende des Tankkondensators 201 verbunden, und dessen Kollektor ist mit dem anderen Ende des Zündkondensators 112 verbunden. Die Resonanzspule 111 ist aus einer Luftkernspule mit einer Induktivität zwischen 0 μH und 100 μH gebildet.
Der zweite Schalter 105 ist aus einem IGBT gebildet, der eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist; dessen Emitter ist mit dem anderen Ende des Zündkondensators 112 verbunden. Die Zündspulenvorrichtung 102 ist versehen mit der Primärspule 102a und der Sekundärspule 102b, die magnetisch miteinander gekoppelt sind durch die Zwischenschaltung des Eisenkerns 102c; ein Ende der Primärspule 102a ist mit dem einen Ende des Zündkondensators 112 verbunden, und das andere Ende davon ist mit dem Kollektor des zweiten Schalters 105 verbunden. Ein Ende der Sekundärspule 102b ist mit der Mittelelektrode verbunden, die eine der Elektroden der Zündkerze 101 ist, und das andere Ende davon ist mit GND verbunden. Die Mittelelektrode der Zündkerze 101 und die GND-Elektrode, die mit GND verbunden ist, stehen einander mit einem vorbestimmten Spalt gegenüber.
Wenn ein erste Steuersignal Sc von der Steuervorrichtung 103 an die Basis des ersten Schalters 113 gegeben wird, schaltet der erste Schalter 113 an, und dann wird der Ladeübergang von dem Tankkondensator 201 zu dem Zündkondensator 112 gestartet; dann wird das Laden des Zündkondensators 112 gestartet. In dieser Situation ist die Resonanzspule 111 zwischen dem Tankkondensator 201 und dem Zündkondensator 112 bereitgestellt; aufgrund des durch die Resonanzspule 111 und den Zündkondensator 112 verursachten Resonanzphänomens wird deshalb der Zündkondensator 112 auf eine Spannung aufgeladen, die ungefähr doppelt so hoch ist wie die Spannung über den Zündkondensator 201 in einer Zeit, die ungefähr ein Viertel des Resonanzzyklus ist. Zu dieser Zeit ist der zweite Schalter 105 aus; deshalb sind der Zündkondensator 112 und die Primärspule 102a der Zündspulenvorrichtung 102 voneinander elektrisch abgeschaltet bzw. getrennt. Wie später beschrieben, schaltet der zweite Schalter 105 an, wenn ein zweites Steuersignal Si von der Steuervorrichtung 103 an die Basis davon gegeben wird.
Weil sein Emitter nicht geerdet ist, ist der zweite Schalter 105 im sogenannten potentialfreien Zustand (Engl.: floating). Um den zweiten Schalter 105 stabil zu betreiben, ist demgemäß eine Halbbrücken-Treibervorrichtung 202 bereitgestellt, die als ein Treiberschaltkreis dient. Das heißt, dass die Halbbrücken-Treibervorrichtung 202 dafür da ist, um ein stabiles elektrisches Potential zum Treiben des zweiten Schalters 105 zu erzeugen; die Halbbrücken-Treibervorrichtung 202 ist versehen mit einem inneren Kondensator 205 und einem ersten inneren Schalter SW1 und einem zweiten inneren Schalter SW2, die mit dem einen Ende bzw. dem anderen Ende des inneren Kondensators 205 verbunden sind.
In Ansprechen auf das erste Steuersignal Sc oder das zweite Steuersignal Si von der Steuervorrichtung 103 konfigurieren der erste innere Schalter SW1 und der zweite innere Schalter SW2 einen Ladeschaltkreis oder bilden einen Entladeschaltkreis für den inneren Kondensator 205. Das heißt, dass in Ansprechen auf das erste Steuersignal Sc die beweglichen Kontakte des ersten inneren Schalters SW1 und des zweiten inneren Schalters SW2 mit den jeweiligen unteren festen Kontakten in 2 verbunden sind; somit wird der Ladeschaltkreis für den inneren Kondensator 205 durch den Pfad gebildet, der aus der Batterie 106, dem zweiten inneren Schalter SW2, dem inneren Kondensator 205, dem ersten inneren Schalter SW1 und GND in dieser Reihenfolge besteht.
In Ansprechen auf das zweite Steuersignal Si werden die beweglichen Kontakte des ersten inneren Schalters SW1 und des zweiten inneren Schalters SW2 mit den jeweiligen oberen festen Kontakten in 2 verbunden; somit wird der Entladeschaltkreis für den inneren Kondensator 205 gebildet durch den Pfad, der aus dem inneren Kondensator 205, dem zweiten inneren Schalter SW2, der Basis des zweiten Schalters 105, dem ersten inneren Schalter SW1 und dem inneren Kondensator 205 in dieser Reihenfolge besteht.
Außerdem sind in 2 als der ersten innere Schalter SW1 und der zweiten innere Schalter SW2 mechanische Schalter veranschaulicht; jedoch können diese aus einem Halbleiter gebildete Schalter, mit Software konfigurierte Schalter oder mit der Kombination davon gebildete Schalter sein, solange wie sie mit Funktionen versehen sind, die den vorhergehenden beweglichen und festen Kontakten entsprechen. Die Energieversorgungsvorrichtung 104 und die Steuervorrichtung 103 können in ein und derselben Baugruppe angeordnet sein.
Als Nächstes wird der Betrieb der Zündvorrichtung, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, erläutert werden, die wie oben beschrieben konfiguriert ist. 3 ist ein Zeitverlaufsdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und ist eine Menge von Wellenformen, die jeweilige zeitliche Übergänge darstellen von (a) dem ersten Steuersignal Sc, (b) dem zweiten Steuersignal Si, (c) einem Ladestrom ic für den Zündkondensator 112, (d1) einem elektrischen Potential Vt des Tankkondensators 201, (d2) einem elektrischen Potential Vi des Zündkondensators 112, (e) einem Primärstrom I1, der in der Primärspule 102a der Zündspulenvorrichtung 102 fließt, (f) einem Sekundärstrom I2, der in der Sekundärspule 102b der Zündspulenvorrichtung 102 fließt, und (g) einer Sekundärspannung V2, die eine über der Sekundärspule 102b erzeugte Induktionsspannung ist, das heißt eine Spannung, die an die Mittelelektrode der Zündkerze 101 angelegt wird.
Hier wird der Grundbetrieb der Zündvorrichtung erläutert werden. Wenn in 2 und 3 bei dem Zeitpunkt T2 die Steuervorrichtung 103 das zweite Steuersignal Si erzeugt, sind die beweglichen Kontakte des ersten inneren Schalters SW1 und des zweiten inneren Schalters SW2 der Halbbrücken-Treibervorrichtung 202 mit den jeweiligen oberen festen Kontakten verbunden; elektrische Ladungen auf dem inneren Kondensator 205 werden durch die Basis und den Emitter des zweiten Schalters 105 entladen; dann schaltet der zweite Schalter 105 an. Als ein Ergebnis fließen die elektrischen Ladungen, die in dem Zündkondensator 112 gespeichert worden sind, zu der Seite der niedrigeren Spannung des Zündkondensators 112 durch die Primärspule 102a der Zündspulenvorrichtung 102 und den zweiten Schalter 105.
Der Fluss der elektrischen Ladungen von dem Zündkondensator 112 zu der Primärspule 102a ist der Primärstrom I1, der in der Primärspule 102a fließt; der Primärstrom I1 startet mit dem Fließen von dem Zeitpunkt T2, als die in 3(e) dargestellte Wellenform. Das elektrische Potential V1 des Zündkondensators 112 verringert sich schrittweise mit der Zeit von dem Zeitpunkt T2, wie in 3(d2) dargestellt. Wenn der Primärstrom I1 in der Primärspule 102a fliegt, wird eine elektromotorische Induktionskraft über der Sekundärspule 102b erzeugt, die magnetisch mit der Primärspule 102a gekoppelt ist, wie in 3(g) dargestellt. Weil das eine Ende der Sekundärspule 102b mit der Mittelelektrode der Zündkerze 101 verbunden ist, wird die über der Sekundärspule 102b erzeugte elektromotorische Induktionskraft an die Mittelelektrode der Zündkerze 101 transferiert.
Wenn der Primärstrom I1 in der Primärspule 102a fließt, wird gleichzeitig der Eisenkern 102c der Zündspulenvorrichtung 102 magnetisiert, das heißt es wird eine magnetische Energie gespeichert. Wenn wie später beschrieben der Fluss des Primärstroms I1, der in der Primärspule 102a fließt, bei dem Zeitpunkt T3 abgeschaltet wird, startet die Freigabe der in dem Eisenkern 102c gespeicherten magnetischen Energie; eine elektromotorische Induktionskraft mit einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung der elektromotorischen Induktionskraft, die erzeugt wird, wenn der Primärstrom I1 fließt, wird über der Sekundärspule 102b erzeugt; dann wird diese elektromotorische Induktionskraft auch an die Mittelelektrode der Zündkerze 101 transferiert.
Durch wie oben beschriebenes Wiederholen der Erregung und des Abschaltens des Primärstroms I1, der in der Primärspule 102a fließt, werden elektromotorische Induktionskräfte, deren Richtung entgegengesetzt zueinander sind, über der Sekundärspule 102b erzeugt, wie in 3(g) dargestellt; diese Wechselspannung wird an die Mittelelektrode der Zündkerze 101 angelegt. Demgemäß wird ein Wechselstrommagnetfeld zwischen den Elektroden der Zündkerze 101 erzeugt. Bisher ist der Grundbetrieb der Zündvorrichtung erläutert worden.
Als Nächstes werden mit Aufteilen des Blickpunktes in den Blickpunkt der Energieversorgungsvorrichtung 104 und den Blickpunkt der Zündspulenvorrichtung 102 mit Verweis auf 2 und 3 die Operation der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Auswählen von Parametern, später beschrieben, zum Produzieren eines Plasmas (hier im Nachfolgenden als Volumenplasma bezeichnet) zwischen den Elektroden der Zündkerze 101, das einen großen Querschnitt und eine weite Ausdehnung hat, im Vergleich zu dem in gewöhnlichen Fällen produzierten Plasma, erläutert werden.
Zuerst wird mit Blick auf die Energieversorgungsvorrichtung 104 die Erzeugung des Volumenplasmas erläutert werden. Wie oben beschrieben, ist die Energieversorgungsvorrichtung 104 ausgestaltet mit der Gleichstromquelle 110, der Resonanzspule 111, dem Zündkondensator 112 und dem ersten Schalter 113. Hier sind die zum Erzeugen des Volumenplasmas erforderlichen Bedingungen, dass die Höhe der Schwankung pro Einheitszeit des Wechselstrommagnetfeldes zwischen den Elektroden der Zündkerze 101 groß ist, und dass ein Langzeitplasma erzeugt werden kann. Die vorhergehenden zwei Bedingungen können umschrieben werden durch die Ausdrücke, dass, im Vergleich zu der normalen Zeit, die Frequenz zum Bereitstellen des Wechselstrommagnetfeldes hoch ist, und dass der Entladestrom groß ist.
Der Vorbetrieb vor der Erzeugung des Entladeplasmas wird von dem in 3 dargestellten Zeitpunkt T1 gestartet. Wie in 3(a) und 3(b) dargestellt, schaltet mit anderen Worten bei dem Zeitpunkt T1 die Steuervorrichtung 103 den Pegel des ersten Steuersignals Sc auf einen hohen Pegel (hier im Nachfolgenden als H-Pegel bezeichnet) und den Pegel des zweiten Steuersignals Si auf einen niedrigen Pegel (hier im Nachfolgenden als L-Pegel bezeichnet). Wenn der Pegel des ersten Steuersignals Sc der H-Pegel wird, schaltet der erste Schalter 113 an; der in 3(c) dargestellte Ladestrom Ic fließt von dem Tankkondensator 201 zu dem Zündkondensator 112 über die Resonanzspule 111; dann wird der Zündkondensator 112 geladen.
In dieser Situation ist bei einer Anfangszeit des Zündbetriebs, das heißt wenn die Zündvorrichtung aktiviert wird, der innere Kondensator 205 der Halbbrücken-Treibervorrichtung 202 nicht geladen worden, oder die Ladungsmenge ist reduziert worden; weil kein stabiles elektrisches Potential zum Treiben des zweiten Schalters 105 geliefert werden kann, ist es deshalb erforderlich, den inneren Kondensator 205 auf ein vorbestimmtes elektrisches Potential zu laden. Demgemäß wird die H-Pegel-Periode (T1 bis T2) des ersten Steuersignals Sc, die der Anfangsladeperiode für den inneren Kondensator 205 entspricht, länger gemacht als irgendeine der Ladeperioden danach und einschließlich der zweiten H-Pegel-Periode (T3 bis T4), so dass der innere Kondensator 205 auf das vorbestimmte elektrische Potential geladen wird.
Beispielsweise wird die Periode von dem Zeitpunkt T1 bis zu dem Zeitpunkt T2 auf ungefähr 3 ms gesetzt.
Dann, wenn der Pegel des ersten Steuersignals Sc zu dem H-Pegel bei dem Zeitpunkt T1 geschaltet wird, werden die beweglichen Kontakte des ersten inneren Schalters SW1 und des zweiten inneren Schalters SW2 der Halbbrücken-Treibervorrichtung 202 mit den jeweiligen unteren festen Kontakten verbunden, so dass die Batterie 106 den inneren Kondensator 205 auf das vorbestimmte elektrische Potential in der Periode von dem Zeitpunkt T1 bis zu dem Zeitpunkt T2 lädt.
Die Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerze 101 startet die Erzeugung eine Volumenplasmas auf solch eine Weise wie unten beschrieben. Das heißt, wenn bei dem Zeitpunkt T2 das erste Steuersignal Sc und das zweite Steuersignal Si zu dem L-Pegel bzw. dem H-Pegel geschaltet werden, der erste Schalter 113 ausschaltet und der zweite Schalter 105 anschaltet, so dass die Ladungen auf dem Zündkondensator 112, der in der Periode von dem Zeitpunkt T1 bis zu dem Zeitpunkt T2 geladen worden ist, zu der Primärspule 102a der Zündspulenvorrichtung 102 fließen. Der Fluss der Ladungen ist der in 3(e) dargestellte Primärstrom I1. Wenn der Primärstrom I1 in der Primärspule 102a fließt, wird die Akkumulierung der magnetischen Energie in dem Eisenkern 102c der Zündspulenvorrichtung 102 gestartet; gleichzeitig wird die in 3(g) dargestellte Induktionsspannung negativer Polarität V2 über der Sekundärspule 102b erzeugt.
Die über der Sekundärspule 102b erzeugte Induktionsspannung V2 wird an die Mittelelektrode der Zündkerze 101 transferiert; dann, wenn ein dielektrischer Durchschlag (auch als ein Überschlag bezeichnet) zwischen der Mittelelektrode und der GND-Elektrode produziert wird, startet der Sekundärstrom negativer Polarität I2 zu fliegen. Der Sekundärstrom negativer Polarität I2 fließt in der Periode von dem Zeitpunkt T2 bis zu dem Zeitpunkt T3. In dieser Situation ist die Periode von dem Zeitpunkt T2 zu dem Zeitpunkt T3, in der der Sekundärstrom negativen Polarität I2 fließt, derart gesetzt, dass die magnetische Energie soweit wie möglich in der Zündspulenvorrichtung 102 gespeichert wird und die vorhergehende Periode so kurz wie möglich wird, so dass die Betriebseffizienz bzw. Funktionstüchtigkeit gesteigert werden kann. Somit wird der Zeitpunkt, unmittelbar bevor der Fluss des Primärstroms I1 stoppt, dazu gebracht, mit dem Zeitpunkt T3 übereinzustimmen. Beispielsweise wird die Periode von dem Zeitpunkt T2 bis zu dem Zeitpunkt T3 derart gesetzt, ungefähr 20 μs zu sein. In dieser Hinsicht ist jedoch die Periode von dem Zeitpunkt T2 bis zu dem Zeitpunkt T3 ein Wert, der gemäß den Eigenschaften der anzuschließenden Zündspulenvorrichtung 102 bestimmt worden ist, und wird daher gemäß den Eigenschaften der Zündspulenvorrichtung 102 eingestellt.
Als Nächstes werden bei dem Zeitpunkt T3 die Pegel des ersten Steuersignals Sc und des zweiten Steuersignals Si auf den H-Pegel bzw. L-Pegel geschaltet. Als ein Ergebnis schaltet der erste Schalter 113 an und der zweite Schalter 105 schaltet aus; der Primärstrom I1, der in die Primärspule 102a geflossen ist, wird abgeschaltet bzw. abgetrennt; dann beginnt die Freigabe der magnetischen Energie, die in dem Eisenkern 102c der Zündspulenvorrichtung 102 akkumuliert worden ist. In diesem Fall wird im Gegensatz zu der Periode (T2 bis T3) die Induktionsspannung positiver Polarität V2 über der Sekundärspule 102b erzeugt, wie in 3(g) dargestellt; dann startet, wie in 3(f) dargestellt, der Sekundärstrom I2, zwischen den Elektroden der Zündkerze 101 zu fließen.
Es ist wünschenswert, dass, wie es der Fall mit der Periode von dem Zeitpunkt T2 bis zu dem Zeitpunkt T3 ist, die Periode von dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 gesetzt wird, so kurz wie möglich zu sein; weil jedoch der Zündkondensator 112 in der Periode von dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 geladen wird, wird die Effizienz am besten, wenn die Periode von dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 derart gesetzt wird, dass sie mit einer Zeit entsprechend der Ladezeit für den Zündkondensator 112 zusammenfällt; zum Beispiel wird die Periode von dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 derart gesetzt, dass sie ungefähr 20 μs ist. In diesem Fall können die Kapazitäten des Tankkondensators 201 und des Zündkondensators 112 ungefähr 100 μF bzw. 2 μF sein.
Bisher ist ein Fall erläutert worden, wo nach dem Zeitpunkt T2 die L-Pegel-Periode des ersten Steuersignals Sc (die H-Pegel-Periode des zweiten Steuersignals Si) und die H-Pegel-Periode des ersten Steuersignals Sc (die L-Pegel-Periode des zweiten Steuersignals Si) derart gesetzt sind, gleich zueinander zu sein, beispielsweise werden die jeweiligen Perioden auf 20 μs gesetzt; jedoch ist es nicht erforderlich, die Perioden gleich zueinander zu machen. Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, dass diese Perioden so kurz wie möglich sind. Je kürzer diese Perioden sind, desto schwieriger wird es jedoch, die Spitze des Sekundärstroms I2 zu erhalten; somit sollten diese Perioden gemäß der Umgebung optimiert werden, wo die Zündvorrichtung benutzt wird. Eine Verlängerung dieser Perioden legt der Vorrichtungskonfiguration kein Problem auf, aber macht es schwieriger, ein Volumenplasma zu produzieren; anhand der bisher ausgeführten Untersuchungen ist es vorstellbar, dass der praktische Bereich jeder Periode von 5 μs bis 50 μs ist.
Es ist vorstellbar, dass ein Volumenplasma ein Phänomen ist, bei dem es durch Produzieren von neuem Plasma, bevor das produzierte vorhandene Plasma verschwindet, es so aussieht, dass die Gesamtmenge des Plasmas zunimmt; jedoch hat die existierende (Fort)dauer einen Bezug zu dem Strompegel einer Entladung zwischen den Elektroden, d. h. der Höhe der an das Plasma gelieferten Energie. Das Ergebnis des Experimentes von dem Erfinder und dergleichen bestätigte, dass in dem Fall, wo die Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 ausgestaltet ist, wenn nach dem Zeitpunkt T2 die L-Pegel-Periode des ersten Steuersignals Sc (die H-Pegel-Periode des zweiten Steuersignals Si) und die H-Pegel-Periode des ersten Steuersignals Sc (die L-Pegel-Periode des zweiten Steuersignals Si) jeweils in einem Bereich von ungefähr 5 μs bis ungefähr 50 μs gesetzt sind, Plasma fortgesetzt existieren kann.
Demgemäß werden das erste Steuersignal Sc und das zweite Steuersignal Si von der Steuervorrichtung 103 abwechselnd und fortgesetzt für den Zweck des Schaltens des ersten Schalters 113 und des zweiten Schalters 105 in einem Zyklus von 5 μs bis ungefähr 50 μs ausgegeben, so dass das Volumenplasma zwischen den Elektroden der Zündkerze produziert werden kann.
Theoretisch kann der minimale Wert der vorhergehenden Schaltperiode gesetzt werden, noch kleiner zu sein, und kann auf einen optimalen Wert gesetzt werden unter Berücksichtigung der durch die Länge der Verdrahtungsleitung in einem Fahrzeug bestimmten Impedanzanpassung; somit ist der minimale Wert nicht auf 5 μs beschränkt. Demgemäß kann theoretisch das Intervall des Schaltens zwischen dem ersten Schalter 113 und dem zweiten Schalter 105 5 μs bis 50 μs sein.
Als Nächstes werden mit Blick auf die Zündspulenvorrichtung 102 mit Verweis auf 2 und 3 der Betrieb der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Auswählen von Parametern zum Produzieren von Volumenplasma zwischen den Elektroden der Zündkerze 101 erläutert werden.
Es ist eine Grundidee, dass Volumenplasma derart produziert wird, dass Plasma zwischen den Elektroden der Zündkerze 101 produziert wird, und gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ein durch den Sekundärstrom I2 erzeugtes Wechselstrommagnetfeld auf das produzierte Plasma angewendet wird, so dass das Plasma erhöht wird. Demgemäß ist es wünschenswert, dass das Plasma zwischen den Elektroden der Zündkerze 101, produziert durch den Sekundärstrom I2, ein Hochenergieplasma ist, das seine Existenz aufrecht erhalten kann bis zu dem Zeitpunkt, wenn es durch das Wechselstrommagnetfeld geschwungen wird (oszilliert), oder während es geschwungen wird. Die Spule, die magnetische Energie in einer kurzen Zeit akkumulieren kann und dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zum Ausgeben eines großen Sekundärstroms I2 fähig ist, ist mit anderen Worten eine für eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung geeignete Spule.
Demgemäß werden zum Beispiel der Primärstrom I1 und der Sekundärstrom I2 erhöht durch Dickermachen des Drahtdurchmessers der Spule der Zündspulenvorrichtung 102 und Verringern des Widerstandswertes der Spule; für den Zweck des Speicherns eines großen Teils magnetischer Energie mittels Verwendung eines kleinen Primärstroms I1 wird die Anzahl der Windungen der Primärspule 102a erhöht; oder der Sekundärstrom I2 wird erhöht durch Verringern der Anzahl von Windungen der Sekundärspule 102b, wodurch der Widerstandswert der Spule reduziert wird. Alternativ wird die Querschnittsfläche des Eisenkerns 102c reduziert, so dass die magnetische Energie rasch akkumuliert oder freigegeben werden kann. Solch eine Ausgestaltung der Zündspulenvorrichtung 102 macht es möglich, eine Zündspule zu erhalten, deren Entladungszeit 50 μs ist, wie oben beschrieben, und deren Spitzenwert des Sekundärstroms I2 derselbe wie oder größer als 200 mA ist; somit kann die für eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung geeignete Zündspulenvorrichtung 102 erhalten werden.
Der Zyklus des durch die Kombination dieser Teile erzeugten Wechselstrommagnetfeldes wird derselbe oder höher als 10 kHz, wodurch das Problem der Impedanzanpassung oder dergleichen nicht auftritt oder nahezu vernachlässigbar ist. Außerdem wird nur die Zündkerze in dem Brennraum eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, und es ist nicht erforderlich, eine Vorrichtung, so wie eine Antenne, bereitzustellen; deshalb kann ein Volumenplasma durch eine einfache Ausgestaltung produziert werden.
Weil der Betrieb nach dem Zeitpunkt T4 die Wiederholung des Betriebs während der Periode von dem Zeitpunkt T2 bis zu dem Zeitpunkt T4 ist, wird eine detaillierte Erläuterung davon weggelassen werden; wie oben beschrieben, kann durch wiederholtes Anwenden eines Wechselstrommagnetfeldes auf ein Entladeplasma ein Volumenplasma produziert werden.
Eine Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einem Automobil, einem Motorrad, einem Außenbordmotor, einer Zusatzmaschine oder dergleichen, das einen Verbrennungsmotor nutzt, angebracht und ist fähig zum sicheren Zünden eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches; deshalb macht es die Zündvorrichtung möglich, den Verbrennungsmotor effizient zu betreiben, und trägt somit zu der Umwelterhaltung und der Lösung des Problems einer Abreicherung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches bei.
Vielfältige Modifizierungen und Abänderungen dieser Erfindung werden dem Fachmann ersichtlich sein, ohne von dem Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen, und es sollte verstanden werden, dass diese nicht auf die hierin bekannt gemachten veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4497027 [0005]
JP 2010-96128 [0005]

Claims

Zündvorrichtung mit: einer Zündkerze (101), die versehen ist mit einem Paar von Elektroden, die einander mit einem Spalt gegenüber stehen, und die eine Funkenentladung in dem Spalt produziert, wenn eine vorbestimmte Hochspannung über dem Paar von Elektroden angelegt wird, so dass ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb eines Brennraums eines Verbrennungsmotors gezündet wird; einer Zündspulenvorrichtung (102), die die vorbestimmte Hochspannung erzeugt durch Akkumulieren von Energie und Freigeben der akkumulierten Energie, und die die erzeugte vorbestimmte Hochspannung über den Elektroden anlegt; einer Energieversorgungsvorrichtung (104), die versehen ist mit einem Zündkondensator (112), der durch eine Resonanzspule (111) von einer Gleichstromquelle (110) zu laden ist, und einem ersten Schalter (113), der zwischen dem Zündkondensator (112) und einem Massepotential angeschlossen ist, und die die Energie an die Zündspulenvorrichtung (102) von dem Zündkondensator (112) liefern kann; einem zweiten Schalter (105), der zwischen der Zündspulenvorrichtung (102) und der Energieversorgungsvorrichtung (104) angeschlossen ist; und einer Steuervorrichtung (103), die ein erstes Steuersignal zum Steuern einer Schaltoperation durch den ersten Schalter (113) und ein zweites Steuersignal zum Steuern einer Schaltoperation durch den zweiten Schalter (105) ausgibt, wobei das erste Steuersignal einen Zeitaugenblick, wenn der erste Schalter (113) von Aus zu An geschaltet wird, und eine Zeit steuert, während der der erste Schalter (113) an beibehalten wird; das zweite Steuersignal einen Zeitaugenblick, wenn der zweite Schalter (105) von Aus zu An geschaltet wird, und eine Zeit steuert, während der der zweite Schalter (105) an beibehalten wird; das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal jeweilige Schaltoperationen der entsprechenden Schalter derart steuern, dass, wenn der erste Schalter (113) an ist, der zweite Schalter (105) aus wird, und wenn der erste Schalter (113) aus ist, der zweite Schalter (105) an wird; wenn der erste Schalter (113) an ist, die Energieversorgungsvorrichtung den Zündkondensator (112) auf einen Spannungswert lädt, dessen Absolutwert größer als ein Ausgangsspannungswert der Gleichstromquelle (110), durch eine von der Resonanzspule (111) und dem Zündkondensator (112) verursachte Resonanz; und wenn der zweite Schalter (105) an ist, die Zündspulenvorrichtung (102) die Energie von dem geladenen Zündkondensator (112) empfängt und die Energie akkumuliert, und wenn der zweite Schalter (105) aus ist, die Zündspulenvorrichtung (102) die akkumulierte Energie freigibt, um die Hochspannung zu erzeugen.
Zündvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Zeit, während der der erste Schalter (113) an beibehalten wird, und die Zeit, während der der zweite Schalter (105) an beibehalten wird, jeweils gesetzt sind, in einem Bereich zu sein, der 50 μs oder weniger aber mehr als 0 μs ist.
Zündvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, mit ferner einem Treiberschaltkreis (202), der eine innere Spannung in Synchronisation mit der Schaltoperation durch den ersten Schalter (113) erzeugt, wobei der zweite Schalter (105) eine Schaltoperation in Ansprechen auf die durch den Treiberschaltkreis (202) erzeugte innere Spannung durchführt, die an den zweiten Schalter (105) geliefert wird, oder abgeschaltet wird, auf Grundlage des zweiten Steuersignals.
Zündvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung (103) den ersten Schalter (113) derart steuert, dass die Zeit, während der der erste Schalter (113) bei einem Aktivierungszeitpunkt an beibehalten wird, länger ist als die Zeit, während der der erste Schalter (113) danach an beibehalten wird.
Zündvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Resonanzspule (111) gebildet ist aus einer Luftkernspule mit einer Induktivität, die 100 μH oder weniger aber mehr als 0 μH ist.
Zündvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zündspulenvorrichtung (102) gekennzeichnet ist durch Produzieren der Funkenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze (101) für eine Zeit, die 50 μs oder weniger aber mehr als 0 μs ist.
Zündvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (104) und die Steuervorrichtung (103) in ein und derselben Baugruppe angeordnet sind.