DE102013202016A1

DE102013202016A1 - Zündsystem

Info

Publication number: DE102013202016A1
Application number: DE102013202016A
Authority: DE
Inventors: Masamichi Shibata; Atsuya Mizutani; Koichi Hattori; Yasuomi Imanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US9488151B2; US20130199510A1; JP5754448B2; JP2014077432A

Abstract

Ein Zündsystem ist bereitgestellt, in dem eine Zener-Diode (18) parallel zu einer Zündkerze (10) geschaltet ist, um zu verhindern, dass eine Drehmomentvariation in einer Maschine größer wird, wenn eine Verschlechterung der Zündkerze (10) fortgeschritten ist. Insbesondere weist das Zündsystem eine Sekundärspule (12b) auf, von der ein Ende mit einer Mittelelektrode (10a) der Zündkerze (10) über einen Verbindungspfad (L2) verbunden ist. Der Verbindungspfad (L2) ist mit einem Konstantspannungspfad (L3, L3a) verbunden, der ein geerdetes Ende aufweist und die Zener-Diode (18, 18a) darin aufweist. Die Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem ein Zündsignal ausgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Zündzeitpunkt auftritt, wird mehrfach gemessen. Die Differenz zwischen einem maximalen Wert und einen minimalen Wert unter der Vielzahl der Messungen wird als ein Variationsbereich definiert. Eine Durchbruchsspannung der Zener-Diode (18, 18a) wird auf der Grundlage von Anforderungen justiert, wie beispielsweise dass der Variationsbereich eine vorbestimmte Zeit oder kleiner wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem, das eine Zündspule mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, die magnetisch miteinander verbunden sind, eine Zündkerze, die eine in eine Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine vorspringende Mittelelektrode sowie eine Masseelektrode aufweist, und eine Zündsteuerungseinrichtung zum Anlegen einer Hochspannung an einen Spalt zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode mit einer Stormzufuhr zu der Primärspule um mit einem darauf folgenden Abschneiden der Stromzufuhr zur Erzeugung von Funkenentladungen in der Lücke aufweist.
Stand der Technik
Aufgrund des aktuellen Trends zur Verkleinerung einer Zündfunken-Brennkraftmaschine (Benzinmaschine bzw. Benzinmotor) zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und zur Kostenreduktion gibt es eine Tendenz, ein Verdichtungsverhältnis in der Maschine durch Verwendung von bspw. einem Lader zu erhöhen. Ein hohes Verdichtungsverhältnis erhöht einen Zylinderinnendruck, während Entladungsfunken in einem Spalt zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode einer Zündkerze erzeugt werden. Somit wird die Zündkerze eine hohe Entladungsspannung haben. Wenn die Entladungsspannung unter den Bedingungen, in denen der Verschleiß der Elektroden in der Zündkerze aufgrund eines Ansteigens einer Fahrleistung oder dergleichen fortgeschritten ist, hoch wird, kann die Entladespannung an die Isolationsdurchbruchsgrenzspannung eines Kerzenisolators zu einen frühen Stadium überschreiten, was die Zuverlässigkeit der Zündkerze beeinträchtigt. Als ein Ergebnis würden keine Entladungsfunken mehr erzeugt, was zu dem Auftreten eines unbeabsichtigten Feuers in der Brennkraftmaschine führen kann.
Als eine Maßnahme dagegen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Technik berücksichtigt, wie sie in der JP-B-H06-080313 offenbart ist. Diese Technik verwendet ein Konstantspannungselement wie eine Zener-Diode oder einen Varistor, um die Entladespannung einer Zündkerze auf innerhalb einer vorbestimmten Spannung zu beschränken. Insbesondere weist die Zündspule sekundärseitige Enden auf, von denen eines mit der Mittelelektrode der Zündkerze und einem Konstantspannungselement verbunden ist, das ein Fließen Strom dadurch erlaubt, wenn eine Spannung über dessen Anschlüsse gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung wird. Ein Ende des Konstantspannungselements, das Ende, das nicht mit der Mittelelektrode der Zündkerze verbunden ist, ist geerdet.
Gemäß dieser Konfiguration wird, wenn eine an den Spalt der Zündkerze angelegte Spannung dabei ist, die vorbestimmte Spannung zu überschreiten, die angelegte Spannung durch die vorbestimmte Spannung beschränkt und abgeflacht. Somit werden die Bedingungen des Gases in dem Spalt in einer Zeitdauer, wenn die angelegte Spannung auf die vorbestimmte Spannung beibehalten wird, für die Entladung geeignet gemacht, wodurch ein Auftreten von Entladefunken in dem Spalt ermöglicht wird. Mit dieser Konfiguration wird verhindert, dass die Entladespannung der Zündkerze übermäßig hoch wird, und wird somit eine Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit der Zündkerze vermieden.
Die Entladespannung eine Zündkerze tendiert dazu, nicht nur durch den Zylinderinnendruck höher zu werden, sondern ebenfalls durch alterbezogene Verschlechterung der Zündkerze. Eine übermäßig hohe Entladespannung aufgrund einer altersbezogenen Verschlechterung kann die Zuverlässigkeit der Zündkerze beeinträchtigen und somit nicht weiter erlauben, dass Zündfunken in den Spalt erzeugt werden. Um ein derartiges Problem zu eliminieren, wurde nach einer Technik gesucht, die in der Lage ist, einen Anstieg der Entladespannung aufgrund der altersbezogenen Verschlechterung einer Zündkerze zu verhindern.
Insbesondere wurde bei einem Zündsystem, das ein Konstantspannungselement aufweist, gewünscht, eine Konfiguration zu erzielen, die hilft, die Zuverlässigkeit der Zündkerze aufgrund der Erhöhung der Zündspannung unter den Bedingungen beizubehalten, in denen eine Verschlechterung der Zündkerze fortschreiten würde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird als ein typisches Beispiel ein Zündsystem bereitgestellt, wobei das Zündsystem aufweist: eine Zündspule (12) mit einer Primärspule (12a) und einer Sekundärspule (12b), die magnetisch miteinander verbunden sind; eine Zündkerze (10) mit einer Mittelelektrode (10a), die in eine Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine vorspringt, und einer Masseelektrode (10b); und eine Zündsteuerungseinrichtung, die Entladungsfunken in einem Spalt zwischen der Mittelelektrode (10a) und der Masseelektrode (10b) durch Leiten einer Stromzufuhr zu der Primärspule (12a) gefolgt durch Anlegen einer Hochspannung an den Spalt durch Abschneiden der Stromzufuhr zu der Primärspule (12a) erzeugt.
In dem Zündsystem ist ein Ende der Sekundärspule (12b) über einen niedrigspannungsseitigen Pfad (L1) mit einem Teil (14) verbunden, das ein Referenzpotenzial aufweist, und das ist andere Ende über einen Verbindungspfad (12) mit der Mittelelektrode (10a) verbunden. Ein Ende des Verbindungspfads (L2) ist mit der Sekundärspule (12b) des niedrigspannungsseitigen Pfads (L1) oder mit einem Konstantspannungspfad (L3, L3a) verbunden, der geerdet ist. Der Konstantspannungspfad (L3) ist mit einen Konstantspannungselement (18; 18a) versehen, das, wenn Strom der Primärspule (12a) zugeführt wird, eine Stromzufuhr zu dem Konstantspannungspfad (L3, L3a) in einer spezifizierten Richtung erlaubt, in der die Polarität einer in der Sekundärspule (12b) verursachten Induktionsspannung von negativ auf positiv wechselt, und, wenn die Stromzufuhr zu der Primärspule (12a) abgeschaltet wird und eine Spannung über dessen Anschlüsse gleich oder größer als eine spezifizierte Spannung wird, eine Stromzufuhr zu dem Konstantspannungspfad (L3, L3a) in einer Richtung erlaubt, die entgegengesetzt zu der spezifizierten Richtung ist, während ein Spannungsabfall entsprechend der spezifizierten Spannung verursacht wird. Die spezifizierte Spannung ist auf eine Spannung justiert ist, die höher als eine Entladespannung zu dem Zeitpunkt der anfänglichen Verwendung der Zündkerze (10) ist (erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung).
In dem typischen Beispiel wird die spezifizierte Spannung auf eine Spannung justiert, die höher als eine Entladespannung zu der Zeit einer anfänglichen Verwendung der Zündkerze (wenn die Zündkerze fabrikneu ist) ist. Dementsprechend wird, wenn die Verschlechterung der Zündkerze fortgeschritten ist, so dass die Entladespannung der Zündkerze angehoben wird, die an den Spalt angelegte Spannung auf die Spannung beschränkt, die höher als eine Entladespannung zu der Zeit der anfänglichen Verwendung der Zündkerze ist (die nachstehend als "spezifizierte Spannung" bezeichnet ist). Somit wird verhindert, dass die Entladespannung der Zündkerze übermäßig hoch wird, und somit wird die Zuverlässigkeit der Zündkerze kaum beeinträchtigt. In dem typischen Beispiel kann das Konstantspannungselement aus einer Diode aufgebaut sein, die einen Zener-Durchbruch oder einen Lawinendurchbruch verursacht, wenn die Spannung über den Anschlüssen des Konstantspannungselements die spezifizierte Spannung erreicht (zweite Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung).
Das Zündsystem kann vorzugsweise derart konfiguriert sein, dass die Zeit von dem Zeitpunkt zu dem die Stromzufuhr zu der Primärspule abgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem Entladefunken in dem Spalt erzeugt werden, vorab mehrfach gemessen wird, und eine Differenz (einen Variationsbereich) zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert der Vielzahl der Messungen auf gleich oder kleiner als eine Zeit eingestellt wird, die niedriger als der Maximalwert und größer als der Minimalwert ist (was nachstehend als "vorbestimmte Zeit" bezeichnet ist). Dies ist eine dritte Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung.
Üblicherweise werden ein Stromzufuhrstartzeitpunkt und ein Stromzufuhrabschaltzeitpunkt in Bezug auf die Primärspule vorab eingestellt, wobei diese mit den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine korreliert sind, so dass gewünschte Verbrennungsbedingungen in der Brennkraftmaschine erzielt werden. Wenn eine Verschlechterung in der Zündkerze fortgeschritten ist, benötigt es tendenziell eine lange Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem die Stromzufuhr zu der Primärspule abgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem Entladefunken in dem Spalt erzeugt werden. Wenn diese Zeit länger wird, wird einer Verzögerungszeit des tatsächlichen Zeitpunkts der Erzeugung von Entladefunken länger in Bezug auf den vorab eingestellten Stromabschaltzeitpunkt werden. Dementsprechend können die Verbrennungsbedingungen der Brennkraftmaschine verschlechtert werden. Beispielsweise kann es Bedenken geben, dass das Drehmoment der Brennkraftmaschine drastisch variiert wird. Die Bedenken können beseitigt werden, indem ein Variationsbereich gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit gemacht wird. Genauer ist es vorzuziehen, dass gewährleistet wird, dass die spezifizierte Spannung des Konstantspannungselements auf eine Spannung justiert wird, mit der der Variationsbereich gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit wird, in dem Fall, in dem eine Zündkerze, deren Lebensdauer verstrichen ist, in dem Zündsystem eingebaut wird (vierte Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung).
Somit wird, wenn die Verschlechterung der Zündkerze fortgeschritten ist, verhindert, dass der tatsächliche Zeitpunkt der Erzeugung von Entladefunken sich übermäßig gegenüber einem geeigneten Zeitpunkt der Erzeugung der Entladefunken verzögert.
In dem Fall, in dem ein Druck in einer Verbrennungskammer, falls eine Brennkraftmaschine verwendet wird, auf einen maximalen Wert eingestellt wird, kann gewährleistet werden, dass die spezifizierte Spannung auf eine Spannung justiert wird, die den Variationsbereich erzielt, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist (fünfte Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung).
Vorzugsweise kann bzw. können in dem Fall, in dem eine Zündkerze mit verstrichener Lebensdauer in dem Zündsystem eingebaut ist, die Anzahl der Windungen der Primärspule und/oder eine Streukapazität der Zündkerze derart konfiguriert werden, dass der Variationsbereich erzielt wird, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist (sechste Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung).
Insbesondere wird zumindest entweder die Anzahl der Windungen der Primärspule oder die Streukapazität der Zündkerze derart konfiguriert, dass, unter den Bedingungen, unter denen sich die an den Spalt angelegte Spannung nach Abschalten der Stromzufuhr zu der Primärspule erhöht, um einen Variationsbereich zu erzielen, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist, die Zeit (Anstiegszeit) von dem Zeitpunkt, zu dem die an den Spalt angelegte Spannung eine erste vorbestimmte Spannung erreicht, bis zu dem Zeitpunkt verkürzt wird, zu dem sie eine zweite vorbestimmte Spannung erreicht, die höher als die erste vorbestimmte Spannung ist. Mit dieser Justierung wird, wenn die Verschlechterung der Zündkerze fortgeschritten ist, verhindert, dass der tatsächliche Zeitpunkt der Erzeugung von Entladefunken gegenüber einem geeigneten Zeitpunkt der Erzeugung von Entladefunken übermäßig verzögert wird.
Gemäß den vorstehend beschriebenen vierten bis sechsten Ausgestaltungen kann verhindert werden, dass der Zeitpunkt der Erzeugung von Entladefunken übermäßig gegenüber einem geeigneten Zeitpunkt der Erzeugung von Entladefunken unter den Bedingungen verzögert wird, wenn die Verschlechterung der Zündkerze fortgeschritten ist. Weiterhin werden die Verbrennungsbedingungen in der Brennkraftmaschine kaum verschlechtert.
Weiterhin kann in dem Fall, in dem ein Druck in der Verbrennungskammer, falls eine Brennkraftmaschine verwendet wird, auf einen maximalen Wert eingestellt ist, entweder die Anzahl der Windungen der Primärspule oder die Streukapazität der Zündkerzen konfiguriert sein, den Variationsbereich zu erzielen, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist (siebte Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung).
Die Brennkraftmaschine ist eine in einem Fahrzeug eingebaute Brennkraftmaschine. Somit kann die vorbestimmte Zeit vorzugsweise auf eine Zeit eingestellt werden, die eine Drehmomentvariation der Brennkraftmaschine erzielt, die gleich oder kleiner als ein spezifizierter Wert ist, in dem Fall, in dem eine Drehzahl der Brennkraftmaschine maximal die potentielle Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem Zustand ist, in dem das Fahrzeug fährt (achte Ausgestaltung des Zündsystems der vorliegenden Erfindung).
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung, die allgemein ein Zündsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
2 eine Darstellung, die einen Übergang einer Sekundärspannung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
3 eine Darstellung, die ein Definition eines Variationsbereichs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt,
4 eine Darstellung, die eine Maschinendrehzahl in Bezug auf eine Verzögerungszeit veranschaulicht,
5A und 5B Darstellungen, die Messungen einer maximalen Entladespannung und eines Variationsbereichs jeweils in Bezug auf den Druck in einer Verbrennungskammer zu einem Zündzeitpunkt veranschaulichen, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
6A bis 6E Darstellungen, die Einflüsse einer Gasströmung auf die Bedingungen des Gases in einem Spalt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulichen,
7 eine Darstellung, die Anstiegszeiten in Bezug auf einen Übergang der Sekundärspannung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulichen,
8 eine Darstellung, die Anstiegszeiten in Bezug auf einen Übergang der Sekundärspannung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulichen,
9 eine Darstellung, die einer Anstiegszeit in Bezug auf den Übergang der Sekundärspannung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
10 eine Darstellung, die einer Anstiegszeit in Bezug auf eine Haltezeit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, und
11 eine schematische Darstellung, die ein Zündsystem gemäß einer Modifikation der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen sind nachstehend einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 sowie 5A und 5B ist zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, gemäß dem ein Zündsystem gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer in einem Fahrzeug eingebauten Funkenzündungs-Brennkraftmaschine (Ottomotor) angewendet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung, die allgemein das Zündsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Wie es in 1 gezeigt ist, weist das Zündsystem eine Zündkerze 10 und eine Funkenspule (Zündspule) 12 auf. Die Zündkerze 10 ist aus einer Mittelelektrode 10a und einer Masseelektrode 10b aufgebaut und weist eine Funktion zur Erzeugung von Entladefunken in einer Verbrennungskammer einer nicht gezeigten Maschine auf.
Die Zündspule 12 ist aus einer Primärspule 12a und einer magnetisch mit der Primärspule 12a verbundenen Sekundärspule 12b zusammengesetzt. Die Sekundärspule 12b weist Enden auf, von denen eines mit einer positiven Seite (entsprechend einem Teil mit einem Referenzpotential) einer Batterie 14 über einen niedrigspannungsseitigen Pfad L1 verbunden ist. Das andere der Enden ist mit der Mittelelektrode 10a über einen Verbindungspfad L2 verbunden. Die Batterie 14 weist eine negative Seite auf, die geerdet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Batterie 14 einer Bleibatterie mit einer Anschlussspannung Vb von 12 V. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das elektrische Massepotential 0 V.
Die Primärspule 12a weist Enden auf, von denen eines mit einer positiven Seite der Batterie 14 verbunden ist. Das andere der Enden der Primärspule 12a ist über einen Eingangs-/Ausgangsanschluss eines Schaltelements 16 geerdet, das eine elektronisch gesteuerte Öffnungs-/Schließeinrichtung ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 16 ein N-Kanal-MOS-FET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) mit einem Öffnungs-/Schließsteuerungsanschluss (Gate).
Der Verbindungspfad L2 ist mit einem Konstantspannungspfad L3 verbunden, der ein geerdetes Ende aufweist. Der Konstantspannungspfad L3 ist mit einer Zener-Diode versehen, die als ein Konstantspannungselement dient. Insbesondere weist die Zener-Diode 18 eine mit dem Verbindungspfad L2 verbundene Anode und eine mit einem Erdungsabschnitt verbundene Katode auf.
Eine elektronische Steuerungseinheit (die nachstehend als ECU 20 bezeichnet ist) ist hauptsächlich durch einen Mikrocomputer zur Steuerung des Zündsystems aufgebaut. Die ECU 20 gibt ein Zündsignal IGt zu dem Öffnungs-/Schließsteuerungsanschluss (Gate) des Schaltelements 16 aus um zu veranlassen, dass die Zündkerze 10 Entladungsfunken erzeugt.
Die ECU 20 führt eine Zündsteuerung aus. Insbesondere gibt die ECU 20 ein Zündsignal IGt, das ein EIN-Signal ist, aus, um das Schaltelement 16 in einen eingeschalteten Zustand bzw. EIN-Zustand zu versetzen (nachstehend ist dieses Signal als "EIN-Zündsignal IGt" bezeichnet). Das EIN-Zündsignal IGt wird dem Gate des Schaltelements 16 zugeführt. Dies beginnt die Stromzufuhr aus der Batterie 14 zu der Primärspule 12a, das heißt, beginnt ein Speichern magnetischer Energie in der Zündspule 12. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wenn Strom der Primärspule 12a zugeführt wird, die Polarität an demjenigen der Enden der Sekundärspule 12b, das sich an der Mittelelektrode 10a befindet, negativ, wohingegen Polarität an dem anderen der Enden, das sich in dem niedrigspannungsseitigen Pfad L1 befindet, positiv ist.
Nach Beginn der Stromzufuhr zu der Primärspule 12a gibt die ECU 20 ein Zündsignal IGt aus, das ein AUS-Signal ist, um das Schaltelement 16 in einen ausgeschalteten Zustand bzw. AUS-Zustand zu versetzen (nachstehend ist dieses Signal als "AUS-Zündsignal IGt" bezeichnet). Dann sind die Polaritäten an den Enden der Sekundärspule 12b umgekehrt, und gleichzeitig wird eine Hochspannung zu der Sekundärspule 12b induziert. Somit wird eine Hochspannung an den Spalt zwischen der Mittelelektrode 10a und der Massenelektrode 10b der Zündkerze 10 angelegt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Konstantspannungspfad L3 mit der Zener-Diode 18 versehen. Daher fällt, wenn die an den Spalt der Zündkerze angelegte Spannung (Sekundärspannung V2) dabei ist, eine Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode 18 zu überschreiten, eine Spannung entsprechend der Durchbruchsspannung Vz an der Zener-Diode 18 ab. Somit wird die Sekundärspannung V2 durch die Durchbruchsspannung Vz beschränkt. Insbesondere wird, wie es durch eine durchgezogene Linie in 2 angegeben ist, die Sekundärspannung V2 auf den Pegel der Durchbruchsspannung Vz in einer Zeitdauer (Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t2) festgehalten, wenn die Sekundärspannung V2 dabei ist, die Durchbruchsspannung Vz zu überschreiten.
Nachstehend wird die Zeitdauer (Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t2), wenn die Sekundärspannung V2 auf den Pegel der Durchbruchsspannung Vz festgehalten wird als eine Konstantspannungsdauer Tc bezeichnet. Anders ausgedrückt entspricht die Konstantspannungsdauer Tc der Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem die Sekundärspannung die Durchbruchsspannung von Vz erreicht (Zeitpunkt t1), bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Entladungsfunken erzeugt werden (Zeitpunkt t2).
Wenn die Bedingungen des Gases in dem Spalt für die Entladung in der Zeitdauer geeignet werden, wenn die Sekundärspannung V2 auf den Pegel der Durchbruchsspannung Vz festgehalten wird, werden Entladefunken in dem Spalt erzeugt. Gleichzeitig fließt ein Entladestrom Is von der Masseelektrode 10b zu der Mittelelektrode 10a. Mit dieser Konfiguration wird verhindert, dass die Entladespannung der Zündkerze 10 übermäßig hoch wird, im Gegensatz zu der Entladespannung (die durch eine strichpunktierte Linie in 2 angegeben ist) eines Zündsystems, das weder die Zener-Diode 18 noch den Konstantspannungspfad L3 aufweist.
Nachstehend ist ein Prozess zur Justierung der Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Durchbruchsspannung Vz derart justiert, dass die nachfolgenden Anforderungen (A) bis (C) erfüllt werden.

(A) Die Durchbruchsspannung Vz sollte höher als die Entladespannung einer fabrikneuen Zündkerze 10 sein: Diese Anforderung ist vorgesehen, um zu verhindern, dass die Entladespannung der Zündkerze 10 aufgrund einer alterungsbezogenen Verschlechterung der Zündkerze 10 übermäßig hoch wird. Insbesondere ist die Entladespannung der Zündkerze 10 in einer Anfangszeitdauer der Verwendung niedrig. Wenn jedoch die Zündkerze 10 für eine längere Zeitdauer verwendet wird, so dass beispielsweise der Abstand über den Spalt sich vergrößert, ist die Verschlechterung der Zündkerze 10 weiter fortgeschritten und erhöht dadurch die Entladespannung.
(B) Die Durchbruchsspannung Vz sollte nicht größer als eine obere Grenzwiderstandsentladespannung (beispielsweise 42 kV) der Zündkerze 10 sein: Die obere Grenzwiderstandsentladespannung wird im Hinblick auf die Beibehaltung der Zuverlässigkeit des Zündsystems und des Vermeidens, dass die Größe des Zündsystems übermäßig groß wird, bestimmt. Insbesondere wird die Entladespannung umso höher, je höher die induzierte Durchbruchsspannung Vz wird. Daher tendiert die Größe des Zündsystems dazu, dementsprechend größer zu werden, um eine Isolierung zwischen Komponenten des Systems zu gewährleisten.
(C) Die Durchbruchsspannung Vz sollte einen Variationsbereich entsprechend einer vorbestimmten Zeit Tlimit oder kleiner aufweisen: Der Variationsbereich ist wie nachfolgend beschrieben definiert. Wie es in 3 gezeigt ist, wird die Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das EIN-Zündsignal IGt zu dem AUS-Zündsignal IGt umgeschaltet wird (das heißt, das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird), bis zu dem Zeitpunkt, wenn Entladungsfunken erzeugt werden, (was nachstehend als Zündzeitpunkt bezeichnet ist), mehrfach gemessen. Aus dieser Vielzahl der gemessenen Zeiten werden eine minimale Zeit Tmin und eine maximale Zeit Tmax herausgenommen, um eine Differenz dazwischen zu erhalten, wobei diese Differenz als der Variationsbereich definiert ist. Diese Anforderung ist vorgesehen, um zu vermeiden, dass eine Drehmomentvariation der Maschine unter den Bedingungen, in denen eine Verschlechterung der Zündkerze 10 fortgeschritten ist, groß wird.

Insbesondere beginnt, wenn die Verschlechterung der Zündkerze 10 fortgeschritten ist, die Entladespannung dazu, durch die Durchbruchsspannung Vz beschränkt zu werden. Danach, wenn die Verschlechterung der Zündkerze 10 weiter fortgeschritten ist, benötigt es tendenziell eine längere Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Zündsignal IGt ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Zündzeitpunkt auftritt. Üblicherweise wird der Zeitpunkt, zu dem das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird, vorab justiert, wobei er mit den Betriebsbedingungen der Maschine derart korreliert wird, dass gewünschte Verbrennungsbedingungen der Maschine erzielt werden (beispielsweise derart, dass das Ausgangsdrehmoment der Maschine maximiert wird). Daher wird, wenn es eine längere Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird, bis zu dem Zeitsignal, zu dem der Zündzeitpunkt auftritt, benötigt, eine Verzögerungszeit des tatsächlichen Zündzeitpunkts ebenfalls länger in Bezug auf den Zündzeitpunkt zu der Zeit der Justierung des Zündsignals IGt. Als ein Ergebnis wird eine Drehmomentvariation der Maschine ebenfalls groß. Die Anforderung (C) ist gegeben, um zu vermeiden, dass die Drehmomentvariation groß wird.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die vorbestimmte Zeit Tlimit etwa 30 µsek. Dies beruht auf einer Idee des Reduzierens einer Drehmomentvariation ∆Tr einer Maschine auf einen spezifizierten Wert ∆Ttgt oder kleiner bei einer angenommenen maximalen Maschinendrehzahl während der normalen Fahrt des Fahrzeugs (was nachstehend als angenommene Maschinendrehzahl Nlimit bezeichnet ist). Insbesondere wird die Verzögerungszeit des tatsächlichen Zündzeitpunkts in Bezug auf den Zündzeitpunkt bei der Zeit der Justierung des Zündsignals IGt auf einen Rotationswinkel der Kurbelwelle der Maschine umgewandelt, und wird der umgewandelte Wert als ein Zündversatzwinkel ∆Kurbel definiert. Wie es in 4 gezeigt ist, tendiert die Drehmomentvariation ∆Tr dazu, größer zu werden, wenn der Zündversatzwinkel ∆Kurbel größer wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Zündversatzwinkel ∆Kurbel darauf gebracht, etwa 1°KW zu sein, so dass die Drehmomentvariation nicht größer als der spezifizierte Wert ∆Ttgt, wenn die angenommene Maschinendrehzahl Nlimit 600 U/min beträgt. Somit ist die vorbestimmte Zeit Tlimit gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 30 µsek.
Beispielsweise kann die angenommene Maschinendrehzahl Nlimit eine maximale Drehzahl (Maschinendrehzahl, wenn die Maschine mit maximaler Ausgangsleistung in Betrieb ist) oder eine Drehzahl sein, die etwas geringer als die maximale Drehzahl ist.
Der spezifizierte Wert ∆Ttgt ist eine zulässige obere Grenze der Drehmomentvariation, die im Hinblick darauf bestimmt wird, eine Verringerung der Fahrbarkeit zu verhindern. Beispielsweise bezieht sich die Verringerung der Fahrbarkeit darauf, dass bei dem Verwender des Fahrzeugs ein unangenehmes Gefühl durch die Erhöhung von Vibration aufgrund der Drehmomentvariation oder der Erhöhung von Geräuschen aufgrund der Vibration verursacht wird.
Eine obere Grenze, die als die vorbestimmte Zeit Tlimit eingestellt werden kann, wird kleiner, wenn die Durchbruchspannung Vz höher wird. Dies liegt daran, dass die in der Zündspule gespeicherte magnetische Energie endlich ist, während die magnetische Energie verbraucht wird, wenn Strom durch die Zener-Diode 28 aufgrund des Anlegens einer Spannung an den Spalt gelangt.
Unter Bezugnahme auf 5A und 5B ist nachstehend spezifisch die Justierung der Durchbruchsspannung Vz beschrieben, um die vorstehend beschriebene Anforderung (C) zu erfüllen. 5A und 5B zeigen jeweils die Messungen einer maximalen Endladespannung und eines Variationsbereichs in dem Zündsystem in Bezug auf den Druck in der Verbrennungskammer (der nachstehend als Zylinderinnendruck bezeichnet ist) zu dem Zündzeitpunkt. Die Messungen wurden für die Fälle ausgeführt, in denen die Durchbruchspannung Vz verschiedene Werte aufwies (Vz = 27,5kV, 31kV und 33Kv), und in denen das Zündsystem weder den Konstantspannungspfad noch die Zener-Diode aufwies.
Ein für die Messungen durchgeführten Experiment ist zunächst beschrieben. Das Experiment wurde unter den Bedingungen durchgeführt, dass eine allgemein bekannte Regelung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Verbrennungskammer zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches durchgeführt wurde. Unter der Regelung wurde das Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart gesteuert, dass es ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Unter diesen Bedingungen wurde die Öffnung der Drosselklappe in einem Einlasskanal, der mit der Verbrennungskammer verbunden ist, erhöht, um ein Einlassvolumen zu erhöhen, um dadurch den Zylinderinnendruck zu erhöhen. Weiterhin wurde der Zündzeitpunkt dazu gebracht, angenähert der obere Verdichtungstotpunkt zu sein.
Weiterhin wurde eine Zündkerze, die eine Zündkerze imitiert, deren Lebensdauer verstrichen ist (was nachstehend als verschlissene Kerze bezeichnet ist) in das Zündsystem eingebaut. Der Grund für die Verwendung einer derartigen verschlissenen Kerze war, den Variationsbereich unter den Bedingungen zu messen, in denen eine Verschlechterung der Zündkerze fortgeschritten war. Beispielsweise umfasst die Zündkerze, deren Lebensdauer verstrichen ist, auf: eine Zündkerze eines Fahrzeugs, dessen Fahrleistung eine vorab eingestellte Wartungsdistanz erreicht hat (beispielsweise 100.000km), oder eine Zündkerze, deren Elektrodenverbrauch (beispielsweise ein Durchschnittselektrodenverbrauch der Zündkerzen von Fahrzeugen, dessen Fahrleistung eine Wartungsdistanz erreicht) gleich oder größer als eine spezifische Größe geworden ist, und somit der Spaltabstand gleich oder größer als ein vorbestimmter Abstand geworden ist (eine Zündkerze mit einem Spaltabstand, der um die spezifizierte Größe oder mehr größer als derjenige einer fabrikneuen Zündkerze ist). Die Wartungsdistanz bezieht sich auf eine Distanz, die angibt, dass die Zeit zum Wechseln der Zündkerze gekommen ist, um das Fahrverhalten des Fahrzeugs beizubehalten.
Die Messungen sind nachstehend beschrieben.
Wie es in 5A und 5B gezeigt ist, führte ein höherer Zylinderinnendruck zu dem Zündzeitpunkt zu einer höheren maximalen Entladespannung der Zündkerze und zu einem größeren Variationsbereich. Dies liegt daran, dass ein höherer Zylinderinnendruck dazu tendiert, eine längere Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Anlegen der Hochspannung an den Spalt gestartet wird, bis zu dem Zeitpunkt zu benötigen, zu dem die Bedingungen des Gases in dem Spalt für die Endladung geeignet werden.
In dem Fall, zu dem ein Zylinderinnendruck zu dem Zündzeitpunkt gleich einem maximalen Zylinderinnendruck (3,8 MPa) war, der mit der Verwendung einer Maschine erreicht wurde, wurde der Variationsbereich kleiner, wenn die Durchbruchsspannung Vz höher wurde.
Als ein Ergebnis der Messungen wurde die Durchbruchsspannung Vz auf 31kV justiert, die die niedrigste unter der Vielzahl der eingestellten Durchbruchsspannungen Vz gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel war. Die Durchbruchsspannung Vz von 31kV entspricht einer Spannung, die den Variationsbereich erzielt, der gleich oder kleiner als die spezifizierte Tlimit ist, wenn der Zylinderinnendruck der maximale Wert ist. Der Grund dafür, warum die niedrigste Spannung ausgewählt wurde, war, eine Erhöhung in der Größe des Zündsystems soweit wie möglich zu unterdrücken.
Wenn die Durchbruchsspannung Vz auf 31kV gebracht wurde, war die maximale Entladespannung in einem Zündsystem mit einer Zener-Diode um etwa 18% im Vergleich zu der maximalen Entladespannung in einem Zündsystem reduziert, das weder eine Zener-Diode noch einen Konstantspannungspfad aufweist.
Somit wurde gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode 18 in einer vorstehend beschriebenen Weise justiert. Auf diese Weise kann unter den Bedingungen, in denen eine Verschlechterung der Zündkerze 10 vorangeschritten ist, die Erhöhung einer Drehmomentvariation der Maschine aufgrund der Verzögerung des Zündzeitpunkts vorzugsweise unterdrückt werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf 6A bis 6E und 7 bis 10 ist nachstehend ein Zündsystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel fokussiert sind. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind den Komponenten, die identisch oder ähnlich zu denjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, dieselben Bezugszeichen zugeordnet, um unnötige Erläuterungen zu vermeiden.
Das Zündsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in der Konfiguration zum Erzielen des Variationsbereichs, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit Tlimit ist. Insbesondere ist das Zündsystem konfiguriert, eine Anstiegszeit derart zu verkürzen, dass der Variationsbereich auf die vorbestimmte Zeit Tlimit oder kleiner gebracht wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bezieht sich die Anstiegszeit auf eine Zeit von einem Zeitpunkt, zu dem die Sekundärspannung V2 eine erste vorbestimmte Spannung Vf1 erreicht hat, bis zu dem Zeitpunkt, wenn diese eine zweite vorbestimmte Spannung Vf2 erreicht, unter den Bedingungen, in denen das EIN-Zündsignal IGt auf das AUS-Zündsignal IGt umgeschaltet wird, um die Sekundärspannung V2 zu erhöhen. Nachstehend ist beschrieben wie und warum die vorstehend beschriebene Konfiguration gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angewandt worden ist.
6A bis 6E zeigen einen Übergang der Bedingungen des Gases in dem Spalt. Insbesondere zeigt 6A die Bedingungen des Gases in dem Spalt, bevor eine Hochspannung angelegt wird. 6B bis 6E zeigen die Bedingungen des Gases in dem Spalt bei Anlegen einer Hochspannung.
Wie es in 6A gezeigt ist, sind freie Elektroden in dem Spalt vorhanden. Bei Anlegen einer Hochspannung an den Spalt werden die freien Elektroden in dem Spalt durch elektrische Felde beschleunigt, wie es in 6B gezeigt ist, um mit Gasmolekülen zu kollidieren. Dementsprechend werden, wie es in 6C gezeigt ist, freie Elektroden aus den Gasmolekülen emittiert, um positive Ionen zu bilden (α-Aktion). Die auf diese Weise gebildeten positiven Ionen kollidieren mit der Mittelelektrode 10a, was erlaubt, dass die Mittelelektrode 10a freie Elektroden emittiert (γ-Aktion).
In der Struktur einer allgemein verwendeten Zündkerze fungiert die Mittelelektrode 10a als eine Nadelelektrode und fungiert die Masseelektroden 10b als eine Plattenelektrode. Daher sind elektrische Felder in einem Raum nahe der Mittelelektrode 10a konzentriert. Somit werden, wie es in 6D gezeigt ist, die freien Elektroden beschleunigt und bewegen sich zu der Masseelektrode 10b. Gleichzeitig wird die Dichte der positiven Ionen nahe der Mittelelektrode 10a hoch. Die hohe Dichte der positiven Ionen nahe der Mittelelektrode 10a intensiviert die elektrischen Felder nahe der Mittelelektrode 10a. Als Ergebnis wird die α-Aktion beschleunigt, um dadurch Entladefunken in dem Spalt zu erzeugen.
Wie es in 6E gezeigt ist, wird eine Strömung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches (das nachstehend als Gasströmung bezeichnet ist) in einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem eine Hochspannung an den Spalt angelegt wird, bis zu dem Zeitpunkt bewirkt, zu dem die Entladefunken erzeugt werden. Wenn diese Gasströmung bewegt wird, werden die positiven Ionen nahe der Mittelelektrode 10a aus dem Raum in der Nähe des Spaltes herausgeströmt. Mit der Strömung der positiven Ionen werden die elektrischen Felder nahe der Mittelelektrode 10a abgeschwächt, wobei in Betracht gezogen wird, dass dieses Schwächen den Variationsbereich erhöht. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Zündsystem derart konfiguriert, dass es die Zener-Diode 18 aufweist, um zu verhindern, dass die Entladespannung übermäßig hoch wird. Aus diesem Grund könnte die Zeit von dem Zeitpunkt an, zu dem eine Spannung an den Spalt angelegt wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem Entladefunken erzeugt werden, erheblich verlängert werden. Dementsprechend werden die positiven Ionen nahe der Mittelelektrode 10a leicht durch die Gasströmung gesteuert, und kann somit der Variationsbereich deutlich vergrößert werden. Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist es wahrscheinlich, dass ein hoher Variationsbereich eine Drehmomentvariation der Maschine beschleunigt.
Um Maßnahmen gegen dieses Problem zu unternehmen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Forschung und Experimente durchgeführt, um nach einer Technik zur Verringerung der Einflüsse der Gasströmung auf den Variationsbereich zu suchen. Als Ergebnis der Forschung und des Experiments haben die Erfinder gefunden, dass, falls die Gasströmung in dem Spalt verursacht wird, deren Einflüsse auf den Variationsbereich verringert werden, indem eine große Menge positiver Ionen erzeugt werden, bevor positive Ionen durch die Gasströmung gestört werden. Somit haben die Erfinder ein Ergebnis erhalten, dass eine verkürzte Anstiegszeit eine große Menge positiver Ionen erzeugen kann.
Somit haben bei der Konfiguration des Zündsystems gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Erfinder eine Technik angewandt, bei der die Anstiegszeit verkürzt wird, um den Variationsbereich zu erzielen, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit Tlimit ist.
Unter Bezugnahme auf 7 bis 9 sind nachstehend weiter die Einflüsse der Anstiegszeit auf den Variationsbereich beschrieben. Insbesondere zeigen 7 und 8 jeweils einen Übergang der Sekundärspannung V2 in Bezug auf drei Anstiegszeiten. 8 zeigt eine vergrößerte Ansicht von 7 in Bezug auf die Zeitskala. Es sei bemerkt, dass 7 und 8 Messungen in dem Fall zeigen, in dem die Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode 18 auf 18kV eingestellt ist. Weiterhin ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste vorbestimmte Spannung Vf1 auf 5kV eingestellt, während die zweite vorbestimmte Spannung Vf2 auf 15kV eingestellt ist. Zusätzlich wird die Anstiegszeit gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verkürzt, indem mit der Änderung der Anschlussspannung der Batterie 14 ein durch die Primärspule 12a fließender Strom erhöht wird.
Wie es in 7 und 8 gezeigt ist, gibt es eine Tendenz, dass eine kürzere Anstiegszeit die Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Zündzeitpunkt auftritt, stärker verkürzen kann. Als Ergebnis tendiert der Variationsbereich dazu, kleiner zu werden. 8 zeigt die drei Anstiegszeiten, die mit T1, T2 und T3 bezeichnet sind (T1 < T2 < T3).
Unter Bezugnahme auf 9 sind nachstehend die Gründe beschrieben, warum der Variationsbereich klein wird, wenn die Anstiegszeit verkürzt wird. In 9 gibt das Bezugszeichen Vd eine Entladespannung an, wenn eine Gleichspannung an den Spalt angelegt wird (die nachstehend als Gleichspannungsentladespannung bezeichnet ist).
Ein Bereich, der durch die Sekundärspannung V2 von nicht weniger als die Gleichspannungsentladespannung Vd und der Gleichspannungsentladespannung Vd eingeschlossen ist, korreliert mit der Energie, die zur Erzeugung der Entladefunken erforderlich ist. Der Bereich ist ungeachtet der Anstiegszeit im Wesentlichen konstant. Dementsprechend führt eine kürzere Anstiegszeit zu einem früheren Zeitpunkt, zu dem die Sekundärspannung die Gleichspannungsentladespannung Vd überschreitet. Somit wird die erforderliche Energie zu einem früheren Stadium an der Sekundärspule 12b erzeugt. Auf diese Weise wird eine große Menge positiver Ionen nahe der Mittelelektrode 10a zu einem frühen Stadium nach Ausschalten des Zündsignals IGt erzeugt, wodurch Entladefunken in einer stabilen Weise erzeugt werden. Dies resultiert dazu, dass die Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Zündzeitpunkt auftritt, verkürzt wird, und somit der Variationsbereich klein wird.
Die vorstehend erwähnte erforderliche Energie ist ungeachtet der Anstiegszeit im Wesentlichen konstant. Daher sind die in 9 schraffierten Bereiche bzw. Flächen S1 und S2 gleich zueinander.
10 zeigt Messungen einer Haltezeit in Bezug auf eine variierende Anstiegszeit. Die Haltezeit bezieht sich hier auf eine Zeit von dem Zeitpunkt an, zu dem die Sekundärspannung V2 die Durchbruchsspannung Vz erreicht hat, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Zündzeitpunkt auftritt. 10 zeigt Messungen in dem Fall, in dem die Durchbruchsspannung Vz auf 18kV eingestellt ist. 10 zeigt sowohl eine Maximalwertlinie als auch eine Minimalwertlinie. Die Maximalwertlinie beruht auf Maximalwerten (die durch ein Symbol ◊ in der Figur angegeben sind) von mehreren Haltezeiten. Die Minimalwertlinie beruht auf Minimalwerten (die durch ein Symbol ο in der Figur angegeben sind) mehrerer Haltezeiten. Die Differenz zwischen diesen Linien entspricht dem Variationsbereich.
Wie es in 10 gezeigt ist, tendiert die Haltezeit dazu, größer zu werden, wenn die Anstiegszeit kürzer wird, was dazu führt, dass der Variationsbereich kleiner wird.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel beruht auf der Voraussetzung, dass die Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode 18 unter Erfüllung der Anforderungen (A) und (B), die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert worden sind, justiert wird. Unter dieser Voraussetzung wurden die Anzahl der Windungen N1 der Primärspule 12a und eine Streukapazität Cp der Zündkerze 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel derart justiert, dass der Variationsbereich gleich der vorbestimmten Zeit Tlimit oder kleiner wird.
Insbesondere wurde die Anzahl der Windungen N1 der Primärspule 12a im Vergleich zu der Anzahl der Windungen in einem Zündsystem gemäß dem Stand der Technik reduziert. Wenn die Anzahl der Windungen N1 der Primärspule 12a reduziert wird, wird die Induktivität der Primärspule 12a reduziert, um dadurch den Primärstrom in einer Zeitdauer zu erhöhen, in der das EIN-Zündsignal IGt ausgegeben wird. Dementsprechend wird die in der Zündspule 12 gespeicherte magnetische Energie erhöht und wird die Anstiegszeit verkürzt.
Weiterhin wurde zugelassen, dass ein Isolator eine Dicke aufweist, die größer als ein Zündsystem gemäß dem Stand der Technik ist. Der Isolator ist ein Teil, das die Zündkerze 10 konfiguriert und das Gehäuse und die Mittelelektrode 10a voneinander isoliert, die beide ebenfalls die Zündkerze konfigurieren. Es wurde gewährleistet, dass die Streukapazität Cp mit dieser Konfiguration reduziert wird. Wenn die Streukapazität Cp der Zündkerze 10 reduziert wird, wird eine Hochspannung schneller an den Spalt angelegt, um dadurch die Anstiegszeit zu verkürzen.
Bei der Justierung der Anzahl der Windungen N1 der Primärspule 12a und der Streukapazität Cp der Zündkerze 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden die experimentellen Bedingungen wie nachstehend beschrieben eingestellt. Insbesondere wurde das Zündsystem mit einer verschlissenen Kerze ausgerüstet. Außerdem wurde ein Zylinderinnendruck P zu dem Zündzeitpunkt auf einen maximalen Zylinderinnendruck Pmax (3,8 MPa) eingestellt, der ausgeübt werden konnte, wenn die Maschine verwendet wird.
Die Anstiegszeit zum Erzielen des Variationsbereichs, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit Tlimit ist, hängt von der für die Zener-Diode 18 eingestellten Durchbruchsspannung Vz ab. Dementsprechend werden die Anzahl der Windungen N1 und die Streukapazität Cp entsprechend der Durchbruchsspannung Vz justiert.
Gemäß 10 wird, wenn die Anstiegszeit asymptotisch Null wird, nicht notwendigerweise in Betracht gezogen, dass die Haltezeit Null wird, sondern dass sie auf einen vorbestimmten Wert größer als Null (beispielsweise etwa 3 µsek) konvergiert. Dies liegt daran, dass bei der Durchführung der Entladung es eine Zeit gibt, die für die Erzeugung von freien Elektroden in dem Spalt erforderlich ist (statistische Verzögerungszeit).
Mit dem vorstehend beschriebenen Justierungsprozess wird ebenfalls eine Erhöhung der Drehmomentvariation einer Maschine aufgrund der Verzögerung des Zündzeitpunkts vorzugsweise unterdrückt.
(Modifikationen)
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können mit den nachstehend beschriebenen Modifikationen implementiert werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Schaltungskonfiguration des Zündsystems nicht auf diejenige gemäß 1 begrenzt. Beispielsweise können die zwei Enden des niedrigspannungsseitigen Pfads L1, das der sekundären Spule 12b entgegengesetzte Ende mit dem Erdungsabschnitt (entsprechend einem Teil mit einem Referenzpotenzial) verbunden werden (geerdet werden), um die Schaltungskonfiguration bereitzustellen.
Alternativ dazu kann die Sekundärspule 12b des niedrigspannungsseitigen Pfads L1 mit dem Verbindungspfad L2 über einen Konstantspannungspfad L3a mit einer in dem Konstantspannungspfad L3a angeordneten Zener-Diode verbunden werden, wie es in 11 gezeigt ist. Insbesondere ist in diesem Fall die Anode der Zener-Diode 18a mit dem Verbindungspfad L2 verbunden, wohingegen deren Kathode mit dem niedrigspannungsseitigen Pfad L1 verbunden ist.
In der vorstehend beschriebenen Schaltungskonfiguration wird, wenn das EIN-Zündsignal IGt auf das AUS-Zündsignal IGt umgeschaltet wird und wenn eine Induktionsspannung der Sekundärspule 12b dabei ist, die Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode 18a zu überschreiten, die Induktionsspannung durch die Durchbruchsspannung Vz beschränkt. Anders als ausgedrückt, wird die an den Spalt angelegte Spannung auf den Pegel der Durchbruchsspannung Vz festgehalten.
In der Schaltungskonfiguration des Zündsystems gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dient die Mittelelektrode der Zündkerze als eine negative Elektrode, und dient deren Masseelektrode als eine positive Elektrode. Diese Schaltungskonfiguration gewährleistet das Auftreten von dem, was als "negative Entladung" bezeichnet wird, bei der ein Entladestrom von der Masseelektrode zu der Mittelelektrode fließt, wenn das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird. Jedoch ist die Schaltungskonfiguration nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann die Schaltungskonfiguration derart sein, dass die Mittelelektrode als eine positive Elektrode dient und die Masseelektrode als eine negative Elektrode dient. Mit dieser Konfiguration kann gewährleistet werden, dass das, was als "positive Entladung" bezeichnet wird, auftritt, bei der ein Entladestrom von der Mittelelektrode zu der Masseelektrode fließt, wenn das AUS-Zündsignal IGt ausgegeben wird.
Der Prozess der Einstellung der vorbestimmten Zeit Tlimit ist nicht auf den begrenzt, der in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen als Beispiel dargelegt worden ist. Es ist wahrscheinlich, dass eine lange Verzögerungszeit des tatsächlichen Zündzeitpunkts in Bezug auf den Zündzeitpunkt bei der Justierung die Emission von Rauch aus der Verbrennungskammer in einen Abgaspfad erhöht. Daher kann beispielsweise die vorbestimmte Zeit Tlimit auf eine Zeit (Periode) eingestellt werden, mit der die Menge der Erhöhung von Rauch in Bezug auf den Zeitpunkt der Justierung nicht größer als eine spezifizierte Menge wird. Außerdem ist es, wenn die Verzögerungszeit lang wird, wahrscheinlich, dass das Ausgangsdrehmoment der Maschine sich verringert. Daher kann beispielsweise die vorbestimmte Zeit Tlimit auf eine Zeit (Periode) eingestellt werden, mit der die Größe der Verringerung des Ausgangsdrehmoments der Maschine in Bezug auf den Zeitpunkt der Justierung nicht mehr als ein spezifiziertes Drehmoment sein wird.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wurden die Anforderungen (A) bis (C) als Anforderungen zur Justierung der Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode angegeben. Zusätzlich zu diesen Anforderungen (A) bis (C) kann eine andere Anforderung hinzugefügt werden, die der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs (Maschine) zugeordnet ist. Wenn die Umgebungstemperatur sich verringert, tendiert die Konstantspannungsdauer dazu, lang zu werden. Somit kann gemäß dieser zusätzlichen Anforderung die Durchbruchsspannung Vz der Zener-Diode auf einen größeren Wert eingestellt werden, wenn die Umgebungstemperatur auf einen kleineren Wert eingestellt wird, um eine übermäßige Verzögerung des Zündzeitpunkts zu vermeiden.
Alternativ dazu kann die Anforderung (A) als alleinige Anforderung zur Justierung der Durchbruchsspannung Vz ausgewählt werden. In diesem Fall wird ebenfalls verhindert, dass die Entladespannung der Zündkerze 10 übermäßig hoch aufgrund der altersbezogenen Verschlechterung der Zündkerze 10 wird.
Von den Komponenten des Zündsystems sind Objekte, die zu justieren sind, um den Variationsbereich zu erzielen, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit Tlimit ist, nicht auf diejenigen (der Primärspule 12a und der Zündkerze 10) begrenzt, wie sie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel als Beispiel dargelegt worden sind. Beispielsweise kann das zu justierende Objekt entweder die Primärspule 12a oder die Zündkerze 10 sein. Wenn das zu justierende Objekt lediglich die Zündkerze 10 ist, wird der Variationsbereich entsprechend der vorbestimmten Zeit Tlimit oder kleiner durch Justieren der Streukapazität Cp der Zündkerze 10 erzielt. Auf diese Weise wird beispielsweise erwartet, dass Beschränkungen, die auf die Auslegung eines Zündsystems ausgeübt werden, drastisch verringert sind.
Weiterhin sind Komponenten, die der Justierung unterzogen werden, nicht auf die Primärspule 12a und die Zündkerze 10 begrenzt. Beispielsweise kann die Zener-Diode 18 die der Justierung unterzogene Komponente sein. In diesem Fall wird zur Erzielung des Variationsbereichs entsprechend der vorbestimmten Zeit Tlimit oder kleiner die Streukapazität der Zener-Diode 18 im Vergleich zu der Streukapazität in einem Zündsystem gemäß dem
Stand der Technik verringert. Insbesondere kann beispielsweise die Streukapazität verringert werden, indem die Zener-Diode 18 derart angeordnet wird, dass deren Hochspannungsanschluss (Anode) gut von dem Erdungsabschnitt beabstandet ist. Weiterhin kann beispielsweise die Streukapazität verringert werden, indem die Zener-Diode 18 mit einem Isolierteil versehen wird, der eine niedrige spezifische Permittivität hat, um die Zener-Diode 18 gegenüber der Umgebung zu isolieren, oder indem eine Fläche in der Oberfläche des Chips der Zener-Diode 18 verringert wird, wobei diese Fläche den Masseabschnitt zugewandt ist.
Beispielsweise kann die spezifische Permittivität (spezifische Dielektrizitätszahl) durch Ändern des für das Isolationsteil verwendeten Materials verringert werden. Die Materialien mit einer niedrigen Permittivität umfassen Siliziumharze (spezifische Permittivität: 3,5 bis 5), Siliziumgummis (spezifische Permittivität: 3 bis 3,5), Epoxydharze (spezifische Permittivität: 4 bis 5) und Fluorharze (spezifische Permittivität: 4 bis 8).
Weiterhin kann die der Justierung unterzogene Komponente der Verbindungspfad L2 sein. In diesem Fall kann die Streukapazität, die zwischen dem Verbindungspfad L2 und dem Erdungsabschnitt liegt, im Vergleich zu der Streukapazität in einem Zündsystem gemäß dem Stand der Technik verringert werden. Insbesondere kann beispielsweise die Streukapazität durch Anordnen des Verbindungspfads L2 derart verringert werden, dass er gut von dem Erdungsabschnitt ohne Einschlüsse dazwischen beabstandet wird, oder in dem die Länge des Verbindungspfads L2 verringert wird. Beispielsweise kann die Streukapazität verringert werden, indem eine Isolierschicht in dem Verbindungspfad L2 zur Isolierung des Verbindungspfads L2 von der Umgebung angeordnet wird. Insbesondere wird in diesem Fall die Streukapazität verringert, indem die Dicke der Isolierschicht erhöht wird oder die spezifische Permittivität der Isolierschicht verringert wird. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann die spezifische Permittivität verringert werden, indem beispielsweise das Material der Isolierschicht geändert wird.
Die Anstiegszeit muss nicht notwendigerweise in einer Weise definiert werden, wie sie als Beispiel im zweiten Ausführungsbeispiel dargelegt ist. Die ersten und zweiten vorbestimmen Spannungen Vf1 und Vf2 können auf beliebige Pegel eingestellt werden, die innerhalb eines Bereichs von "0 V" einschließlich der Durchbruchsspannung Vz einschließlich der Zener-Diode 18 fallen.
Das Konstantspannungselement ist nicht auf das begrenzt, dass in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen als Beispiel dargelegt ist. Beispielsweise kann das Konstantspannungselement einen Lawinendiode sein, die einen Lawinendurchbruch verursacht, wenn die Spannung über deren Anschlüssen gleich einer Spannung wird, die höher als eine Entladespannung zu der Zeit der anfänglichen Verwendung der Zündkerze wird. Alternativ dazu kann das Konstantspannungselement ein anderes Element als die Zener-Diode oder die Lawinendiode sein, falls dieses Element Funktionen aufweist, die ähnlich zu diesen Dioden sind.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird ein Zündsystem bereitgestellt, in dem eine Zener-Diode (18) parallel zu einer Zündkerze (10) geschaltet ist, um zu verhindern, dass eine Drehmomentvariation in einer Maschine größer wird, wenn eine Verschlechterung der Zündkerze (10) fortgeschritten ist. Insbesondere weist das Zündsystem eine Sekundärspule (12b) auf, von der ein Ende mit einer Mittelelektrode (10a) der Zündkerze (10) über einen Verbindungspfad (L2) verbunden ist. Der Verbindungspfad (L2) ist mit einem Konstantspannungspfad (L3, L3a) verbunden, der ein geerdetes Ende aufweist und die Zener-Diode (18, 18a) darin aufweist. Die Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem ein Zündsignal ausgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Zündzeitpunkt auftritt, wird mehrfach gemessen. Die Differenz zwischen einem maximalen Wert und einen minimalen Wert unter der Vielzahl der Messungen wird als ein Variationsbereich definiert. Eine Durchbruchsspannung der Zener-Diode (18, 18a) wird auf der Grundlage von Anforderungen justiert, wie beispielsweise dass der Variationsbereich eine vorbestimmte Zeit oder kleiner wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 06-080313 B [0003]

Claims

Zündsystem, wobei das Zündsystem aufweist: eine Zündspule (12) mit einer Primärspule (12a) und einer Sekundärspule (12b), die magnetisch miteinander verbunden sind; eine Zündkerze (10) mit einer Mittelelektrode (10a), die in eine Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine vorspringt, und einer Masseelektrode (10b); und eine Zündsteuerungseinrichtung, die Entladungsfunken in einem Spalt zwischen der Mittelelektrode (10a) und der Masseelektrode (10b) durch Leiten einer Stromzufuhr zu der Primärspule (12a) gefolgt durch Anlegen einer Hochspannung an den Spalt durch Abschneiden der Stromzufuhr zu der Primärspule (12a) erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Sekundärspule (12b) über einen niedrigspannungsseitigen Pfad (L1) mit einem Teil (14) verbunden ist, das ein Referenzpotenzial aufweist, und das andere Ende über einen Verbindungspfad (12) mit der Mittelelektrode (10a) verbunden ist; wobei ein Ende des Verbindungspfads (L2) mit der Sekundärspule (12b) des niedrigspannungsseitigen Pfads (L1) oder mit einem Konstantspannungspfad (L3, L3a) verbunden ist, der geerdet ist; der Konstantspannungspfad (L3) mit einen Konstantspannungselement (18; 18a) versehen ist, das, wenn Strom der Primärspule (12a) zugeführt wird, eine Stromzufuhr zu dem Konstantspannungspfad (L3, L3a) in einer spezifizierten Richtung erlaubt, in der die Polarität einer in der Sekundärspule (12b) verursachten Induktionsspannung von negativ auf positiv wechselt, und, wenn die Stromzufuhr zu der Primärspule (12a) abgeschaltet wird und eine Spannung über dessen Anschlüsse gleich oder größer als eine spezifizierte Spannung wird, eine Stromzufuhr zu dem Konstantspannungspfad (L3, L3a) in einer Richtung erlaubt, die entgegengesetzt zu der spezifizierten Richtung ist, während ein Spannungsabfall entsprechend der spezifizierten Spannung verursacht wird; und die spezifizierte Spannung auf eine Spannung justiert ist, die höher als eine Entladespannung zu dem Zeitpunkt der anfänglichen Verwendung der Zündkerze (10) ist.
Zündsystem nach Anspruch 1, wobei das Konstantspannungselement (18, 18a) aus einer Diode aufgebaut sein kann, die einen Zener-Durchbruch oder einen Lawinendurchbruch verursacht, wenn die Spannung über den Anschlüssen des Konstantspannungselements die spezifizierte Spannung erreicht.
Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeit von dem Zeitpunkt an, zu dem die Stromzufuhr zu der Primärspule abgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Entladefunken in dem Spalt erzeugt werden, vorab mehrfach gemessen wird, und eine Differenz (Variationsbereich) zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert der Vielzahl der Messungen derart eingestellt wird, dass sie gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Zeit ist, die niedriger als der maximale Wert und größer als der minimale Wert ist.
Zündsystem nach Anspruch 3, wobei gewährleistet wird, dass die spezifizierte Spannung des Konstantspannungselements (18, 18a) auf eine Spannung justiert wird, mit der der Variationsbereich gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit in dem Fall wird, in dem eine Zündkerze (18) mit abgelaufener Lebensdauer in dem Zündsystem eingebaut wird.
Zündsystem nach Anspruch 4, wobei gewährleistet wird, dass die spezifizierte Spannung auf eine Spannung justiert wird, die den Variationsbereich, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist, in dem Fall erzielt, in dem ein Druck in einer Verbrennungskammer auf einen maximalen Wert eingestellt ist.
Zündsystem nach Anspruch 3, wobei eine Anzahl von Windungen der Primärspule (12a) und/oder eine Streukapazität der Zündkerze (18) konfiguriert ist, um den Variationsbereich zu erzielen, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist, in dem Fall, in dem eine Zündkerze (18) mit abgelaufener Lebensdauer in dem Zündsystem eingebaut ist.
Zündsystem nach Anspruch 6, wobei die Anzahl der Windungen der Primärspule (12a) oder die Streukapazität der Zündkerze (18) konfiguriert wird, um den Variationsbereich zu erzielen, der gleich oder kleiner als die vorbestimmte Zeit ist, in dem Fall, in dem ein Druck in der Verbrennungskammer auf einen maximalen Wert eingestellt ist.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Brennkraftmaschine eine in einem Fahrzeug eingebaute Brennkraftmaschine ist und die vorbestimmte Zeit auf eine Zeit eingestellt ist, die eine Drehmomentvariation der Brennkraftmaschine erzielt, die gleich oder kleiner als ein spezifizierter Wert in dem Fall ist, in dem eine Drehzahl der Brennkraftmaschine eine maximale potenzielle Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem Zustand ist, in dem das Fahrzeug fährt.