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Die Erfindung betrifft ein Korona-Zündsystem zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors.
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Die
US 2011/0114071 A1 offenbart ein Korona-Zündsystem, mit dem ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors durch eine in dem Brennraum erzeugte Koronaentladung gezündet werden kann. Dieses Korona-Zündsystem weist eine Zündelektrode auf, die in einem Isolator steckt. Die Zündelektrode bildet zusammen mit dem Isolator und einer den Isolator umgebenden Hülse eine elektrische Kapazität. Diese Kapazität ist Teil eines elektrischen Schwingkreises der Koronazündeinrichtung, der mit einer hochfrequenten Wechselspannung, von beispielsweise 30 kHz bis 50 MHz, angeregt wird. Dadurch kommt es zu einer Spannungsüberhöhung an der Zündelektrode, sodass sich an dieser eine Koronaentladung bildet.
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Die hochfrequente Wechselspannung wird von einem Hochfrequenzgenerator erzeugt, dessen Eingangspannung von einem Wandler aus der Bordnetzspannung des Fahrzeugs erzeugt wird.
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Eine Koronaentladung bildet in einem Brennstoff-Luft Gemisch im Brennraum eines Motors Ionen und Radikale. Wenn eine kritische Konzentration an Ionen und Radikalen erreicht ist, entzündet sich das Brennstoff-Luft Gemisch. Die Rate, mit welcher Ionen und Radikale erzeugt werden, hängt von der Größe der Koronaentladung und ihrer elektrischen Leistung ab. Größe und Leistung einer Koronaentladung lassen sich nur bis zu einer kritischen Grenze erhöhen. Wird diese Grenze überschritten geht die Koronaentladung in eine Bogenentladung oder Funkenentladung über.
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Korona-Zündsysteme werden in der Regel so gesteuert, dass die Koronaentladung möglichst groß ist, so dass Brennstoff-Luft Gemisch möglichst rasch entzündet werden kann und somit der Zündzeitpunkt möglichst präzise vorgegebenen werden kann, aber ein Durchschlagen der Koronaentladung in eine Bogen- oder Funkenentladung vermieden wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie dieses Ziel noch besser erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Korona-Zündsystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Schwingkreise von Korona-Zündsystemen haben eine sehr hohe Güte und erzeugen deshalb beim Einschwingen eine hohe Blindleistung. Dies hat zur Fehlanpassungen zur Folge, so dass die vom Hochfrequenzgenerator während des Einschwingvorgangs bereitgestellte Leistung nur zu einem geringen Teil vom Schwingkreis aufgenommen werden kann. Aus diesem Grund ist die ideale Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators während des Einschwingvorgangs geringer als im eingeschwungenen Zustand. Dieser Effekt kann bei Korona-Zündsystemen durch eine Steuerung ausgeglichen werden, welche die Gleichspannungsquelle des Hochfrequenzgenerators veranlasst beim Einschwingen des Schwingkreises, d. h. beim Zünden einer Koronaentladung, eine geringere Spannung zu liefern als bei einer stabil brennenden Koronaentladung. Der mit einer solchen Steuerung verbundene Aufwand lässt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme vermeiden, dass parallel zu der Gleichspannungsquelle, z. B. einem Wandler, an den Hochfrequenzgenerator ein Kondensator angeschlossen ist, der beim Einschwingen des Schwingkreises Fehlanpassungen zwischen Schwingkreis und Gleichspannungsquelle kompensiert.
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Wenn ein erfindungsgemäßes Korona-Zündsystem in Betrieb genommen wird, lädt sich der parallel zur Gleichspannungsquelle an den Hochfrequenzgenerator angeschlossene Kondensator auf, während der Schwingkreis einschwingt. Die Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators nimmt deshalb während des Einschwingvorgangs des Schwingkreises mit der Zeit zu, wodurch Fehlanpassungen des Systems kompensiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Korona-Zündsystem werden durch den parallel zur Gleichspannungsquelle an den Hochfrequenzgenerator angeschlossenen Kondensator somit beim Ein- oder Ausschalten in dem Hochfrequenzgenerator auftretende Überanspannungen mit geringem Aufwand reduziert.
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Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise ein DC/DC Wandler sein. Mit einem Wandler kann die Eingangsspannung für den Hochfrequenzgenerator beispielsweise aus der Bordnetzspannung des Fahrzeugs erzeugt werden. Dies kann direkt, also mit einem einstufigen Wandler, oder in mehreren Schritten erfolgen. Die von dem Wandler erzeugte Spannung kann beispielsweise 50 V bis 400 V betragen. Je nach Auslegung des Hochfrequenzgenerators können aber auch höhere oder niedrigere Eingangsspannungen verwendet werden.
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Die optimale Kapazität des Kondensators hängt von den Gegebenheiten des Hochfrequenzgenerators, des Schwingkreises und auch der Gleichspannungsquelle ab, welche die Eingangsspannung für den Hochfrequenzgenerator liefert und kann deshalb nicht allgemeingültig angegeben werden. In der Regel lassen sich mit Kondensatoren, deren Kapazität zwischen 20 μF und 100 μF beträgt, gute Ergebnisse erzielen. Bei entsprechender Auslegung des Korona-Zündsystems kann aber auch ein Kondensator mit einer höheren oder einer kleineren Kapazität angebracht sein.
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Wenn der Hochfrequenzgenerator in Betrieb genommen wird, reduziert der Kondensator die an ihm anliegende Spannung beispielsweise um 10 V bis 75 V, wobei je nach Blindleistung des Schwingkreises auch andere Werte vorteilhaft sein können. Die Spannung steigt dann gemäß der Ladekurve des Kondensators an. Dieser Spannungsanstieg kann zu Beginn beispielsweise zwischen 0,5 V/μs und 5 V/μs oder auch zwischen 0,5 V/μs und 3 V/μs betragen.
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Der parallel zu der Spannungsquelle an den Hochfrequenzgenerator angeschlossenen Kondensator ist nicht nur während der Einschwingphase des Schwingkreise, also beim Zünden einer Koronaentladung, vorteilhaft, sondern auch beim Löschen einer Koronaentladung, also dem Abschalten des Korona-Zündsystems. In diesem Fall wird die Gleichspannungsquelle von dem Hochfrequenzgenerator getrennt, beispielsweise abgeschaltet. Der Hochfrequenzgenerator wird dann für kurze Zeit noch aus dem Kondensator gespeist, wobei sich der Kondensator entlädt und somit beim Erlöschen der Koronaentladung eventuelle auftretende Überspannungen aufnehmen kann.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind in den Figuren mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines ersten Korona-Zündsystems für einen Fahrzeugmotor, und
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1a zeigt als Detail die prinzipiellen Bestandteile des eines Koronazünders, der zugleich der wesentliche Bestandteil eines HF-Schwingkreises ist.
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1 zeigt eine Brennkammer 20, welche von Wänden 21 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 20 ragt ein Koronazünder 1 hinein, welcher eine Zündelektrode 1a aufweist, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 1b umgeben ist. Der Isolator 1b ist von einem metallischen Außenleiter 1c umgeben, mit welchem die Zündelektrode 1a elektrisch isoliert durch die Wand 21 hindurch in die Brennkammer 20 geführt ist. Wenn der Zünder 1 keinen gesonderten Außenleiter hat, kann auch die Brennkammerwand 21 als Außenleiter dienen, in welcher der Zünder 1 steckt. Der Zünder 1 und die Wände 21 der Brennkammer 20 sind Bestandteil eines Reihenschwingkreises, zu welchem noch eine Kapazität 4, eine Induktivität 3 und ein ohmscher Widerstand 2 gehören. Selbstverständlich kann der Reihenschwingkreis weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Reihenschwingkreisen bekannt sind.
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Zur Erregung des HF-Schwingkreises ist ein Hochfrequenzgenerator vorgesehen, welcher als DC/AC-Wandler 6 einen Transformator mit einem Mittenabgriff 6d auf seiner Primärseite hat. Der Hochfrequenzgenerator wird von einem DC/DC Wandler gespeist, der eine Eingangsspannung Vcc von beispielsweise 50 V bis 400 V aus einer Bordnetzspannung des Fahrzeugs erzeugt. Parallel zu dem DC/DC Wandler ist ein Kondensator 13 an den Mittenabgriff 6d des Hochfrequenzgenerators angeschlossen.
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Am Mittenabgriff 6d treffen zwei Primärwicklungen 6a und 6b zusammen. Mittels einer Hochfrequenzumschalteinrichtung, welche zwei Leistungsschalter 7 und 8 aufweist, werden die vom Mittenabgriff 6d entfernten Enden der Primärwicklungen 6a und 6b abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz der Hochfrequenzumschalteinrichtung bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis (1a) erregt wird und ist mit Hilfe einer Steuerschaltung 11 veränderbar. Die Sekundärwicklung 6c des Transformators 6 speist den Reihenschwingkreis an einer Schnittstelle 22. Die Hochfrequenzumschalteinrichtung mit den Leistungsschaltern 7, 8 wird mit Hilfe der Steuerschaltung 11 so gesteuert, dass der an die Schnittstelle 22 angeschlossene HF-Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz oder annähernd mit seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Dann ist die Spannung zwischen der Spitze der Zündelektrode 1a und den auf Massepotential liegenden Wänden 21 am größten.
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Zwischen dem HF-Schwingkreis und der Sekundärwicklung 6c des Transformators 6 kann eine Detektorschaltung 5 vorgesehen sein, um den Nulldurchgang der Stromstärke des Stromsignals im HF-Schwingkreis festzustellen.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Mittenabgriff 6d des Transformators 6 mit einem DC/DC Wandler verbunden, der die Eingangspannung Vcc für den Hochfrequenzgenerator liefert. Die anderen beiden Anschlüsse der Primärwicklungen 6a und 6b des Transformators 6 sind über die Leistungsschalter 7 und 8 gegen Masse geschaltet. Es wäre aber auch möglich, den Mittenabgriff 6d mit Masse zu verbinden und die beiden anderen Anschlüsse der Primärwicklungen 6a und 6b über die Leistungsschalter 7 und 8 mit der Spannungsquelle zu verbinden, welche die Spannung Vcc liefert.
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Die Steuerschaltung 11 steuert, wann und für welche Dauer die Leistungsschalter 7 und 8 geschlossen werden. Zu diesem Zweck meldet die Detektorschaltung 5 über eine zur Steuerschaltung 11 führende Leitung 12 jeden Nulldurchgang der Stromstärke des im HF-Schwingkreis fließenden Stromsignals, woraufhin die Steuerschaltung 11 abwechselnd impulsförmige Steuersignale für das Schließen des Leistungsschalters 7 und das Öffnen des Leistungsschalters 8 bzw. für das Schließen des Leistungsschalters 8 und das Öffnen des Leistungsschalters 7 erzeugt, wobei diese Steuersignale noch durch Verstärker 9 und 10 verstärkt werden können.
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Die Steuerschaltung 11 kann unterschiedlich aufgebaut sein. Sie kann zum Beispiel ein Mikrocontroller sein, sie kann auch ein Field Programmable Gate Array (kurz: FPGA) sein, das ist ein integrierter Schaltkreis der Digitaltechnik, in den eine logische Schaltung programmiert werden kann. Das Steuergerät 11 kann auch ein Complex Programmable Logic Device (CPLD) oder ein ASIC, das ist ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis, oder eine andere Logikschaltung sein.
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In dem Transformator 6 wird ein Wechselfeld erzeugt, das auf der Sekundärseite des Transformators zu einer hohen Spannung führt und den an den Transformator 6 angeschlossenen HF-Schwingkreis erregt, und zwar mit einer Frequenz, die mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises übereinstimmt oder nahe bei der Resonanzfrequenz liegt.
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Bei Einschwingen des HF-Schwingkreises bedingt dieser einen hohen Blindwiderstand. Während des Einschwingvorgangs ist die Leistungsaufnahme des HF-Schwingkreises deshalb erschwert und im Vergleich zur Leistungsaufnahme bei eingeschwungenem Schwingkreis reduziert. Zur Vermeidung von Überspannungen wird der Hochfrequenzgenerator deshalb zunächst mit einer reduzierten Eingangsspannung versorgt, die während des Einschwingvorgangs erhöht wird, bis am Ende des Einschwingvorgangs ein Endwert erreicht ist, der auf die Leistungsaufnahme des eingeschwungenen Schwingkreises abgestimmt ist.
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Die anfängliche Absenkung der Eingangsspannung des Hochfrequenzgenerators wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Kondensator 13 erreicht. Wenn der Hochfrequenzgenerator in Betrieb genommen wird, lädt sich der Kondensator 13 auf, so dass an dem Hochfrequenzgenerator nicht die volle vom DC/DC Wandler gelieferte Spannung Vcc anliegt, sondern nur eine reduzierte Spannung. Der Hochfrequenzgenerator nimmt somit zunächst nur eine entsprechend reduzierte elektrische Leistung auf. Während sich der Kondensator 13 auflädt, steigt die an dem Hochfrequenzgenerator anliegende Spannung entsprechend an, bis schließlich die volle vom DC/DC Wandler gelieferte Spannung Vcc an dem Hochfrequenzgenerator anliegt. Der Kondensator 13 reduziert so eine Fehlanpassung, die während des Einschwingvorgangs zwischen dem DC/DC Wandler bzw. der von ihm gelieferten Spannung Vcc und dem Schwingkreis vorliegt.
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Sowohl die zum Aufladen des Kondensators 13 erforderliche Zeit als auch das Ausmaß der durch den Kondensator bewirkten Absenkung der am Hochfrequenzgenerator anliegenden Spannung werden durch die Kapazität des Kondensators 13 bestimmt. Die Kapazität des Kondensators 13 ist in Abhängigkeit von den Anforderungen eines konkret gegebenen System passen zu wählen. In der Regel sind Kapazitäten zwischen 20 μF und 100 μF ausreichend, um Fehlanpassungen zwischen Schwingkreis und DC/DC Wandler weitgehend zu kompensieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- HF-Zünder
- 1a
- Zündelektrode
- 1b
- Isolator
- 1c
- Außenleiter
- 2
- ohmscher Widerstand
- 3
- Induktivität
- 4
- Kapazität
- 5
- Detektorschaltung
- 6
- DC/AC-Wandler, Transformator
- 6a
- Primärwicklung
- 6b
- Primärwicklung
- 6c
- Sekundärwicklung
- 6d
- Mittenabgriff
- 7
- Leistungsschalter
- 8
- Leistungsschalter
- 9
- Verstärker
- 10
- Verstärker
- 11
- Steuerschaltung
- 12
- Leitung
- 13
- Kondensator
- 20
- Brennkammer
- 21
- Brennkammerwand
- 22
- Schnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0114071 A1 [0002]
