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Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs werden moderne Kfz-Ottomotoren mit hohem Ladedruck von 2 bis 3 Bar betrieben. Man macht sich dabei den besseren Wirkungsgrad bei höherer Druckdifferenz beim Otto-Prozess zunutze. Da nun ein Zusammenhang zwischen dem Druck in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors und der Durchbruchspannung der Zündkerze besteht (Paschen-Gesetz), erfordert dies eine wesentliche Erhöhung der Zündspannung von heutzutage gebräuchlichen 15 bis 25 kV auf nunmehr 30 bis 45 kV.
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Gebräuchliche magnetische Zündsysteme erzeugen diese hohe Durchbruchspannung, indem ein speziell dafür ausgelegter Transformator, der häufig als Zündspule bezeichnet wird, aus der 12 V Bordnetzspannung magnetisch aufgeladen wird. Wird nun die Verbindung zum Bordnetz – etwa mit Hilfe eines als IGBT ausgebildeten Schaltmittels-unterbrochen, so wird das zusammenbrechende Magnetfeld die Spannung solange steigern, bis sich ein erneuter Stromfluss einstellt. Bedingt durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators (z. B. 1:100) entsteht an seinem sekundärseitigen Ausgang eine sehr hohe Spannung, die der Zündkerze zugeleitet wird. Übersteigt diese Spannung die Isolationsspannung der Zündkerze, erfolgt der gewünschte Durchbruch zwischen den Elektroden, wobei die Spannung von ca. 15 bis 25 kV sehr schnell auf ca. 1 bis 3 kV zusammenbricht. Die im magnetischen Feld des Transformators gespeicherte Energie entlädt sich nun in dem entstehenden Lichtbogen in etwa 1 ms. Dies führt dann zur Entflammung des Gemisches im Brennraum (Zündung).
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Wichtig ist dabei, dass nicht die gesamte, ursprünglich gespeicherte Energie zur Speisung des Lichtbogens verfügbar ist, sondern bereits ein Teil zum Aufbau der Durchbruchspannung verloren geht. Dies ist darin begründet, dass Sekundärwicklung, Zuleitungen und Zündkerze einen parasitären, sekundärseitigen Kondensator bilden, zu dessen Aufladung auf die Durchbruchspannung Energie benötigt wird: E = 1/2·Csec·Usec2.
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Bei einer gebräuchlichen sekundären parasitären Kapazität Csec von 50 pF und einer Durchbruchspannung von 20 kV beträgt die für den Durchbruch benötigte Energie 10 mJ. Bei einer gebräuchlichen Abgabeenergie der Zündspule von 70 bis 100 mJ spielt dies keine besondere Rolle.
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Steigt nun jedoch die Durchbruchspannung auf 40 kV, so wird die für den Durchbruch erforderliche Energie entsprechend auf 40 mJ anwachsen, was dann aber ein erheblicher Teil der Abgabeenergie ist. Zwar geht die im Kondensator gespeicherte Energie nicht verloren, wegen der Kürze der Entladedauer von etwa 1 ns bis 5 ns trägt sie aber wenig zur Erhitzung des Plasmas im Lichtbogen bei.
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Die erhöhte Entladeenergie führt zu der Forderung nach erhöhter Abgabeenergie der Zündspule und das bei gleichzeitiger Erhöhung der Isolationsanforderungen (45 kV). Zugleich soll die Zündspule möglichst klein und kompakt gebaut sein, da sie typischerweise im oder oberhalb des Kerzenschachtes am Motor verbaut ist und somit die Gesamthöhe des Motors mitbestimmt.
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Üblicherweise wird – bei stöchiometrischem Brennverfahren – zur Steuerung der Abgabeleistung die angesaugte Luftmenge verändert. Dies geschieht etwa durch Veränderung der Drosselklappenposition oder der Steuerzeiten der Einlassventile. Da nur der Sauerstoffanteil der angesaugten Luft zur Verbrennung beiträgt, kann auch ein Teil des verbrannten, sauerstoffarmen Abgases in den Brennraum zurückgeführt werden, was dann hilft, die verbrauchsschädlichen Drosselungsverluste des Motors zu verringern. Zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs soll der Motor nun auch bei Teillast sowohl mit hohem Ladedruck als auch hoher Abgas-Rückführ-Rate (EGR, Exhaust Gas Recirculation) betrieben werden. Im Rahmen von Untersuchungen an Motoren hat sich gezeigt, dass hierzu neben einer längeren Brenndauer (2 ms–5 ms) des Lichtbogens auch eine wesentliche Erhöhung des Brennstromes auf ca. 200 mA erforderlich ist.
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Aus der
DE 691 08 094 T2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei der ein Zündkondensator mittels eines DC/DC-Wandlers auf eine hohe Spannung aufgeladen wird, die beim Anlegen an die Primärwicklung des Zündtransformators ein Aufschwingen der Spannung am aus der Induktivität und der Kapazität der Sekundärwicklung des Zündtransformators sowie der parasitären Kapazität der Zündkerze gebildeten sekundären Serienschwingkreises zur Folge hat und nach Erreichen einer Durchbruchspannung einen Durchbruch an der Zündkerze bewirkt. Anschließend dient der DC/DC-Wandler zur Speisung der Primärwicklung, wobei durch ein zeitgesteuertes Umpolen der angelegten Spannung mittels einer Vollbrückenschaltung ein sekundärseitiger Wechselstrom erzeugt wird, dessen Amplitude mittels einer Regelung des Stromes im DC/DC-Wandler einen konstanten Betrag aufweist.
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Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Durchbruch der Funkenstrecke sicher erreicht und erkannt werden. Die bei der Entladung der parasitären Sekundärkreiskapazität im Lichtbogen freigesetzte Energie reicht jedoch für eine sichere Entflammung des Gemisches möglicherweise nicht aus; besonders wenn dieses zwar noch brennbar, jedoch schwer entflammbar ist. Solche Bedingungen treten beispielsweise auf, wenn der Sauerstoffgehalt des Gemisches durch Beimischung von Abgas (Abgasrückführung) stark verringert ist. Hier ist – nach erfolgtem Durchbruch – ein kontinuierliches Brennen des Lichtbogens für eine vorgebbare Zeitdauer von bis zu einigen Millisekunden erforderlich. Der dabei fließende Brennstrom muss in diesem Zeitraum relativ hoch sein, um die benötigte Entflammungsenergie bereitzustellen. Die Bogenspannung liegt dabei im Bereich von etwa 1 kV bis 3 kV.
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Die
US 2011/0255208 A1 und die
AT 507 748 A1 offenbaren die Ansteuerung der Primärwicklung eines Zündtransformators mit einer Vollbrückenschaltung. Das Zündsystem ist dabei als rein induktives System augebildet.
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Die
US 7,586,759 B2 zeigt Transformatoren mit resonanten Primärkreisen. Die dortigen Kondensatoren sollen durch geeignete Ansteuerung dazu führen, dass der Glättungskondensator, der ansonsten im Sekundärkreis erforderlich wäre, weggelassen werden kann, da die in den Primärkreisen erzeugen Sinusschwingungen bei geeigneter Überlagerung zu einem geglätteten Ausgangssignal führen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine sichere Entflammung bei einer zu Vorrichtung zum Zünden einer Zündkerze eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen, ohne einen großen und damit teuren Zündtransformator bereitstellen zu müssen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Zünden einer Zündkerze eines Kraftfahrzeugs mit einem Zündtransformator, an dessen Sekundärwicklung die Zündkerze anschließbar ist, einer mit der Primärwicklung des Zündtransformators verbundenen Ansteuerschaltung mit Schaltmitteln, und einer Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, durch Ansteuerung der Schaltmittel einen Durchbruch bei einer angeschlossenen Zündkerze und anschließend einen sekundärseitigen Wechselstrom mit betragsmäßig konstanter Amplitude zu bewirken, wobei zwischen der Ansteuerschaltung und der Primärwicklung des Zündtransformators ein Kondensator verschaltet ist, und die Steuereinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern der Schaltmittel eine primärseitige Schwingung des durch die Induktivität der Primärwicklung des Zündtransformators und den Kondensator gebildeten Serienschwingkreises anzuregen und aufrechtzuerhalten.
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Da der Zündtransformator bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund des energiespeichernden Serienkondensators im Gegensatz zu gebräuchlichen induktiven Zündsystemen keine Energie speichern muss, sondern hauptsächlich als Transformator betrieben wird, kann sein Eisenkreis sehr klein werden. Dies spart in erheblichem Maße Herstellkosten.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung mit einer ersten Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schaltmittel, deren Verbindungspunkt einen ersten Mittenabgriff bildet und die zwischen einem ersten Versorgungspotential und einem Bezugspotential verschaltet ist, sowie einer zweiten Serienschaltung aus einem dritten und einem vierten steuerbaren Schaltmittel, deren Verbindungspunkt einen zweiten Mittenabgriff bildet und die zwischen einem zweiten Versorgungspotential und dem Bezugspotential verschaltet ist, gebildet, wobei der erste Mittenabgriff über den Kondensator mit dem ersten Anschluss und der zweite Mittenabgriff mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, bei eingeschaltetem vierten und ausgeschaltetem dritten Schaltmittel das erste und das zweite Schaltmittel abwechselnd ein- und auszuschalten.
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Hierdurch wird eine einfache Ansteuerschaltung für den im Primärkreis implementierten Schwingkreis realisiert, um diesen periodisch anzuregen. Die Brenndauer des Zündfunkens ist somit durch die Dauer der Ansteuerung der Schaltmittel bestimmt und kann frei an den momentanen Zündenergiebedarf des Motors angepasst werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, bei eingeschaltetem vierten und ausgeschaltetem dritten Schaltmittel das erste und das zweite Schaltmittel mit einer Frequenz, die höher als die durch die Primärwicklung des Zündtransformators und den Kondensator vorgegebene Serienresonanzfrequenz ist, ein- und auszuschalten.
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Da der nach dem Durchbruch brennende Lichtbogen eine niederohmige Last darstellt, wird der erfindungsgemäße Primärschwingkreis relativ stark bedämpft, so dass eine Anregungsfrequenz deutlich oberhalb seiner Eigenschwingfrequenz sinnvoll ist.
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Durch die periodische Anregung des Schwingkreises entsteht sekundärseitig eine Wechselspannung, welche einen periodischen Wechsel der Stromrichtung im Lichtbogen zur Folge hat. Wichtig ist hierbei, dass die Umschwingdauer – also die Zeit mit reduziertem/fehlendem Brennstrom – hinreichend kurz ist, um ein zu starkes Abkühlen des Plasmas zu vermeiden, was wiederum ein Verlöschen des Lichtbogens zur Folge hätte. Hierdurch ist es einerseits möglich, nach dem Durchbruch einen für den Durchbruch vorgesehenen Zündkondensator vom Zündtransformator zu trennen und andererseits kann der Strom durch die Primärwicklung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 5 und 6.
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Die Erfindung soll nachfolgend mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2 den zeitlichen Ablauf von Strömen und Spannungen der Vorrichtung der 1 und
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3 eine erweiterte erfindungsgemäße Vorrichtung mit mehreren Zündkreisen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Zündtransformator Tr sowie den mit der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbundenen Serienschaltungen aus dem ersten T1 und dem zweiten T2 Schaltmittel einerseits und dem dritten T3 und dem vierten T4 Schaltmittel andererseits sowie einer an die Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr angeschlossenen Zündkerze Zk dargestellt. Eine Steuereinrichtung SE ist lediglich schematisch dargestellt. Ihr werden die den Primär- und den Sekundärstrom repräsentierenden Signale Iprim und Isec, die an Strommesswiderständen Rshunt1, Rshunt2, die im Primär- bzw. Sekundärkreis verschaltet sind, gemessen werden, zugeführt und sie stellt Steuersignale für das erste bis vierte Schaltmittel T1 bis T4 an ihren Ausgängen bereit.
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Die Serienschaltungen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem ersten, als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten Schaltmittel T1 und einem dazu in Serie geschalteten, ebenfalls als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildeten, zweiten Schaltmittel T2 sowie einem dritten, als IGBT ausgebildeten Schaltmittel T3 und einem dazu in Serie geschalteten vierten, ebenfalls als IGBT ausgebildeten Schaltmittel T4 gebildet. Die erste Serienschaltungen aus dem ersten und dem zweiten Schaltmittel T1, T2 ist zwischen einem ersten Versorgungspotential Vsup1, das im dargestellten Ausführungsbeispiel 60 Volt betragen soll, und einem Bezugspotential GND verschaltet, während die zweite Serienschaltung aus dem dritten und dem vierten Schaltmittel T3, T4 zwischen einem zweiten Versorgungspotential, das im dargestellten Ausführungsbeispiel 300 Volt betragen soll, und dem Bezugspotential GND verschaltet.
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Der Verbindungspunkt des ersten Schaltmittels T1 und des zweiten Schaltmittels T2 bildet einen ersten Mittenabgriff 1 und ist mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr über einen erfindungsgemäßen Kondensator C1 verbunden. In gleicher Weise bildet der Verbindungspunkt des dritten Schaltmittels T3 mit dem vierten Schaltmittel T4 einen zweiten Mittenabgriff 2, der mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr verbunden ist.
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Um bei eingeschaltetem dritten Schaltmittel T3 den durch die Primärwicklung fließenden Primärstrom erfassen zu können, ist zwischen dem vierten Schaltmittel T4 und dem Bezugspotential GND ein erster Strommesswiderstand Rshunt1 verschaltet. Die an diesem Strommesswiderstand Rshunt1 abfallende Spannung kann erfasst werden und ist proportional einem Primärstrom Iprim. Diese Spannung soll im Folgenden als Primärstromsignal Iprim bezeichnet werden.
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Zur Erfassung des Stromes im Sekundärkreis ist der nicht mit der Zündkerze Zk verbundene Anschluss der Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr über einen zweiten Strommesswiderstand Rshunt1 mit dem Bezugspotential GND verbunden. An diesem zweiten Strommesswiderstand Rshunt1 kann eine dem Sekundärstrom Isec proportionale Spannung abgegriffen werden. Auch diese Spannung soll im Folgenden als Sekundärstromsignal Isec bezeichnet werden.
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Sowohl das Primärstromsignal Iprim als auch das Sekundärstromsignal Isec werden in Form der an den Strommesswiderständen Rshunt1, Rshunt1 abfallenden Spannungen der Steuereinrichtung SE zugeführt. Diese ermittelt daraus die Schaltsignale für das erste bis vierte Schaltmittel T1 bis T4, was in der 1 schematisch dargestellt ist.
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Zum Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen, in der 1 dargestellten Vorrichtung sind in der 2 die zeitlichen Verläufe der Spannung Vprim am zweiten Anschluss der Primärwicklung des Zündtransformators Tr bzw. am zweiten Mittenabgriff 2, der Sekundärspannung Vsec sowie des Stromes Isec durch die Sekundärwicklung des Zündtransformators Tr dargestellt.
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Zunächst werden das zweite Schaltmittel T2 und das dritte Schaltmittel T3 eingeschaltet, wobei der erfindungsgemäße primärseitige Serienkondensator C1 entladen sein soll. An der Primärwicklung des Zündtransformators Tr liegt nun die zweite Versorgungsspannung Vsup2 von 300 V an. Die Sekundärspannung Vsec – Spannung an der Funkenstrecke der Zündkerze Zk – steigt aufgrund eines resonanten Schwingvorganges – hervorgerufen durch einen sekundärseitigen Serienresonanzkreis aus der Streuinduktivität des Zündtransformators Tr und parasitären sekundärseitigen Kapazitäten – bis zum Durchbruch an. Die Sekundärspannung Vsec kann dabei einen Wert von bis zu 50 kV erreichen. Beim Durchbruch wird die sekundärseitige parasitäre Kapazität innerhalb sehr kurzer Zeit bis auf ca. 1 kV entladen. Der Wert des primären Serienkondensators C1 ist so gewählt, das der während dieser Phase fließende Primärstrom Iprim keine nennenswerte Aufladung bewirkt.
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Nach Erkennen des Durchbruchs – beispielsweise durch Beobachtung von primär- oder sekundärseitigem Strom (Spannungsabfall an Rshunt1, bzw. Rshunt2) – werden das zweite Schaltmittel T2 und das dritte Schaltmittel T3 ausgeschaltet und das erste Schaltmittel T1 und das vierte Schaltmittel T4 eingeschaltet. Die primär- und sekundärseitigen Spannungen drehen sich nun um und es erfolgt ein – stark gedämpfter – Umschwingvorgang zwischen dem primärseitigen Serienkondensator C1 und der Hauptinduktivität des Zündtransformators Tr. Der sekundäre Strom ist dabei als Spannungsabfall am zweiten Strommesswiderstand Rshunt2 erfassbar.
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Nach einer vorgegebenen Zeit, welche kürzer ist als die Umschwingdauer des aus dem primärseitigen Serienkondensator C1 und der Hauptinduktivität des Zündtransformators Tr gebildeten Schwingkreises, wird das erste Schaltmittel T1 aus- und das zweite Schaltmittel T2 eingeschaltet. Dadurch kehrt sich die Polarität von primär- und sekundärseitiger Spannung abermals um und der Umschwingvorgang am Schwingkreis erfolgt in umgekehrter Richtung. Durch periodisches Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltmittel T1, T2 entsteht so ein Wechselspannungssignal und im Lichtbogen der Zündkerze Zk fließt ein Wechselstrom.
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Eine vorteilhafte Erweiterung der Erfindung ist in der 3 dargestellt, die einen Ausbau auf zwei oder mehr Zündkreise zum Betrieb eines Motors mit mehreren Zylindern zeigt. In vorteilhafter Weise können dabei wesentliche Teile der Zündanlage gemeinsam genutzt werden, was die technische Umsetzung vereinfacht und die Herstellkosten senkt, da in der Regel nur ein Zylinder zu einem Zeitpunkt gezündet wird. Gemeinsame Komponenten sind dabei die erste Versorgungsspannung Vsup1 von +60 V, die zweite Versorgungsspannung Vsup2 von +300 V, das erste Schaltmittel T1, das zweite Schaltmittel T2, der primärseitige Serienkondensator C1, sowie der erste und der zweite Strommesswiderstand Rshunt1, Rshunt2. Die in der 3 bezeichneten Anschlusspunkte A und A', sowie B und B' sind miteinander verbunden; die Erfassung von Primär- und Sekundärstrom erfolgt für alle Zündkreise gemeinsam.
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Das vorgeschlagene Zündsystem erfüllt sämtliche Anforderungen, welche durch die besonderen Betriebsbedingungen moderner Motoren an die Gemischentflammung gestellt werden. Der Betrieb erfordert keine besonderen regelungstechnischen Maßnahmen und ist mit einer Ablaufsteuerung oder einem – in einem Mikroprozessor ablaufenden – Programm einfach durchzuführen. Die Schaltung ist mit handelsüblichen Standardbauteilen kostengünstig herstellbar.
