DE102014204193A1

DE102014204193A1 - Zündvorrichtung mit einer Zündspule

Info

Publication number: DE102014204193A1
Application number: DE102014204193.7A
Authority: DE
Inventors: Naoto Hayashi; Kanechiyo Terada; Takashi Oono
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-11
Also published as: US9166381B2; US20140252976A1

Abstract

Eine Zündvorrichtung weist eine Zündspule mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, eine Zündkerze mit einer Mittenelektrode und einer Masseelektrode zum Entladen dazwischen und eine Spannungsbegrenzungsschaltung auf. Die Spannungsbegrenzungsschaltung begrenzt eine zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegte Spannung derart, dass die Spannung einen absoluten Wert aufweist, der innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbegrenzungswerts begrenzt ist. Der Spannungsbegrenzungswert ist in den ersten und zweiten Stufen unterschiedlich. Die erste Stufe ist als eine Zeitdauer definiert, in der eine anfängliche Entladespitze endet, wobei die anfängliche Entladespitze anfänglich durch elektrische Energie erzeugt wird. Die zweite Stufe ist als eine Zeitdauer nach dem Ende der anfänglichen Entladespitze definiert. Der Spannungsbegrenzungswert in der ersten Stufe ist niedriger als der Spannungsbegrenzungswert in der zweiten Stufe.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung, die eine Zündspule, die aus einer Primärspule und einer magnetisch mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule zusammengesetzt ist, und eine Zündkerze aufweist, die im Ansprechen auf eine in der Zündspule gespeicherte magnetische Energie Entladefunken zwischen einer Mittenelektrode und einer Masseelektrode bei Anlegen einer Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt.
[Stand der Technik]
In jüngster Zeit gibt es einen Trend, einen Lader oder dergleichen zum Anheben des Verdichtungsverhältnisses einer Benzinbrennkraftmaschine zu verwenden, um eine Verkleinerung zu erzielen und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu verbessern oder Kosten zu verringern. Ein hoher Verdichtungsgrad führt zu der Zeit, wenn Entladefunken in der Zündkerze erzeugt werden, zu einem hohen Zylinderinnendruck und führt dementsprechend zu einer hohen Entladespannung der Zündkerze. Die hohe Entladespannung führt zu einem frühen Überschreiten der Entladespannung über die kritische Isolierungsdurchbruchsspannung des Kerzenisolators, falls ein Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze aufgrund von beispielsweise der Erhöhung der Fahrtdistanz fortgeschritten ist. Dies kann die Zuverlässigkeit der Zündkerze beeinträchtigen, die Erzeugung der Entladefunken unwirksam machen und eine Fehlzündung in der Brennkraftmaschine verursachen.
Als eine Maßnahme gegen ein derartiges Problem haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Wichtigkeit einer Technik zur Begrenzung der Entladespannung einer Zündkerze auf eine vorbestimmte Spannung unter Verwendung von Konstantspannungselementen wie Zener-Dioden oder Varistoren erkannt, wie es in Patentdokument JP-B-H06-080313 offenbart ist. Diese Technik ist nachfolgend spezifisch beschrieben. Die Zündspule einer Zündkerze weist sekundärseitige Enden auf, von denen eines mit der Mittenelektrode der Zündkerze und mit einem Konstantspannungselement verbunden ist. Das Konstantspannungselement erlaubt den Durchfluss von elektrischem Strom, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen gleich oder größer als die vorbestimmte Spannung wird. Von den zwei Anschlüssen des Konstantspannungselements ist das eine, das dem mittenelektrodenseitigen Anschluss entgegengesetzt ist, geerdet.
Entsprechend einer derartigen Konfiguration wird, wenn die zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegte Spannung dabei ist, die vorbestimmte Spannung zu überschreiten, die Anlegungsspannung auf die vorbestimmte Spannung begrenzt und wird abgeflacht. Dann wird das Gas in einer Lücke in eine für ein Entladen geeignete Bedingung während der Zeitdauer gebracht, wenn die Anlegespannung auf der vorbestimmten Spannung beibehalten wird. Als Ergebnis werden Entladefunken zwischen den Elektroden erzeugt. Somit wird verhindert, dass die Entladespannung der Zündkerze übermäßig hoch wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Zuverlässigkeit der Zündkerze verschlechtert wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Wissen erlangt, wie es nachstehend beschrieben ist.
Gemäß dem Wissen kann die Verwendung der vorstehend beschriebenen Technik den übermäßigen Anstieg der Entladespannung der Zündkerze verhindern, jedoch werden die Funken wie durch die Strömung des unverbrannten Gases nach dem Start des Entladens geblasen, was verursacht, was als Wegblasen (blow-off) bezeichnet ist. Das Wegblasen kann wiederum einen Spannungsanstieg verursachen, falls die induzierte elektrische Leistung immer noch in der Sekundärspule verbleibt, und ein erneutes Entladen verursachen, das den Verbrauch der Kerzenelektroden beschleunigen kann. Entsprechend der Erkenntnis wird der Verbrauch der Kerzenelektroden aufgrund eines erneuten Entladens verringert, indem der Spannungswert zu der Zeit des Entladens verringert wird.
Insbesondere folgt unter der Bedingung, dass eine Strömung von Gas in der Nähe der Funkenentladelücke einer Zündkerze groß ist, dem anfänglichen Entladen ein erneutes Entladen nach, das einen Verbrauch in den Elektroden verursachen kann. Genauer wird das anfängliche Entladen durch die elektrische Energie verursacht, die aus der Zündspule der Zündkerze zugeführt wird, dem das Auftreten eines induktiven Entladens nachfolgt. Dann kann das induktive Entladen geströmt werden und durch die Strömung von Gas in der Verbrennungskammer weggeblasen werden. Jedoch kann die angelegte elektrische Energie, falls diese in der Zündkerze verbleibt, ein erneutes Entladen verursachen. Eine Wiederholung des erneuten Entladens kann die Elektroden verbrauchen. Üblicherweise ist die Spannung eines derartigen erneuten Entladens nicht so hoch wie die Spannung des anfänglichen Entladens. Jedoch ist eine Wiederholung eines erneuten Entladens mit einer etwas hohen Spannung im Hinblick auf eine Verbesserung des Verbrauchswiderstands der Elektroden nicht wünschenswert. Die Wiederholung des erneuten Entladens ist ebenfalls nicht wünschenswert, da ein kapazitives Entladen, das bei dem anfänglichen Anstieg des erneuten Entladens verursacht wird, den Verbrauch in den Elektroden weiter beschleunigen wird.
Demgegenüber ist es zur Erzeugung von Funkenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze durch die aus der Zündspule zugeführte elektrische Energie erforderlich, dass die Spannung zwischen den Elektroden zu einem gewissen Ausmaß erhöht wird.
Im Allgemeinen ist eine Brennkraftmaschine wie etwa eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug konfiguriert, eine Funkenentladung innerhalb einer Verbrennungskammer zu erzeugen, um dadurch ein Gas in der Verbrennungskammer zu zünden. Für eine derartige Brennkraftmaschine oder für eine Magergemischbrennkraftmaschine wurden insbesondere verschiedene Techniken zur Verbesserung der Verbrennbarkeit entwickelt, indem eine Strömung von Gas in der Verbrennungskammer erzeugt wird. In einer derartigen Brennkraftmaschine wird die Funkenentladung durch die Strömung von Gas verlängert, um dadurch die Zündbarkeit des Gases zu verbessern. Falls jedoch die Strömung des Gases stark ist, wird die Funkenentladung weggeblasen, wobei unmittelbar das Auftreten des erneuten Entladens nachfolgt. Nach dem Auftreten des erneuten Entladens kann die Funkenentladung erneut aufgrund der Strömung von Gas weggeblasen werden. Somit kann ein Phänomen des wiederholten Entladens auftreten oder, anders ausgedrückt, kann ein Wegblasen von Entladung, dem ein erneutes Entladen nachfolgt, wiederholt auftreten. Die Wiederholung des erneuten Entladens kann den Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze beschleunigen.
Als eine Maßnahme dagegen schlägt Patentdokument JP-A-2012-177310 ein Zündsteuerungsgerät für eine Brennkraftmaschine vor. Unter der Steuerung dieses Zündsteuerungsgeräts wird ein aufeinanderfolgendes Entladen unter vorbestimmten Bedingungen unterbunden.
Jedoch kann die Unterbindung des erneuten Entladens in dem Zündsteuerungsgerät für eine Brennkraftmaschine, wie es in Patentdokument JP-A-2012-177310 offenbart ist, die Zeitdauer des Entladens extrem verkürzen. Die extrem verkürzte Zeitdauer des Entladens kann zu Auftreten von Feuer führen.
In einer Zündkerze wird kapazitives Entladen durch zugeführte elektrische Energie verursacht, dem induktives Entladen nachfolgt. Während das induktive Entladen sich fortsetzt, treten Wegblasen und erneutes Entladen wiederholt auf. Während der Wiederholung wird das Gas in der Brennkraftmaschine durch die Entladefunken gezündet.
In dieser Hinsicht unterbindet das Zündsteuerungsgerät, das in dem Patentdokument JP-A-2012-177310 beschrieben ist, ein Entladen nach dem anfänglichen kapazitiven Entladen, das heißt das Entladen wird ohne Verwendung der elektrischen Energie beendet. Als Ergebnis wird die Zeitdauer des Entladens extrem verkürzt, und die verkürzte Zeitdauer des Entladens kann ein Grund für eine Fehlzündung werden.
Demgegenüber steht die Befürchtung, dass, wenn die Wiederholung des Wegblasens und des erneuten Entladens toleriert wird, der Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze beschleunigt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Somit ist es wünschenswert, eine Zündvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Zündbarkeit beizubehalten, jedoch effektiv den Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze minimiert.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technik ist eine Zündvorrichtung bereitgestellt mit: einer Zündspule, die mit einer Primärspule und einer Sekundärspule versehen ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind; einer Zündkerze, die mit einer Mittenelektrode und einer Masseelektrode versehen ist, wobei Funken zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode durch Anlegen einer Spannung zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode erzeugt werden, wobei die Spannung unter Verwendung von elektrischer Energie in Reaktion auf einer in der Zündspule gespeicherten magnetischen Energie angelegt wird; und einer Spannungsbegrenzungseinrichtung zur Begrenzung der zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegten Spannung derart, dass die Spannung einen absoluten Wert aufweist, der auf unterhalb eines vorbestimmten Spannungsbegrenzungswerts begrenzt wird, wobei der Spannungsbegrenzungswert in ersten und zweiten Stufen jeweils differenziert ist, wobei die erste Stufe als eine Zeitdauer definiert ist, in der eine anfängliche Entladespitze endet, wobei die anfängliche Entladespitze anfänglich durch die elektrische Energie erzeugt wird, die zweite Stufe als eine Zeitdauer nach dem Ende der anfängliche Entladespitze definiert ist, wobei der Spannungsbegrenzungswert in der ersten Stufe niedriger als der Spannungsbegrenzungswert in der zweiten Stufe ist.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtung ist derart konfiguriert, dass der absolute Wert der an die Zündkerze angelegten Spannung einen vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert nicht überschreiten werden wird. Insbesondere wird eine Spannung zwischen den Elektroden der Zündkerze durch die der Zündkerze aus der Zündspule zugeführten elektrischen Energie angelegt. In diesem Fall kann die angelegte Spannung gleich wie oder kleiner als der Spannungsbegrenzungswert gemacht werden. Der Spannungsbegrenzungswert unterscheidet sich zwischen den ersten und zweiten Stufen. Somit kann die Entladespannung der Zündkerze in den ersten und zweiten Stufen gut verringert werden.
Der Spannungsbegrenzungswert der zweiten Stufe ist kleiner als der Spannungsbegrenzungswert in der ersten Stufe gemacht. Das heißt, während der Spannungsbegrenzungswert der ersten Stufe auf einem etwas hohen Pegel beibehalten wird, kann der Spannungsbegrenzungswert der zweiten Stufe auf einen niedrigen Pegel eingestellt werden.
Somit wird in der ersten Stufe zugelassen, dass die Entladespannungsspitze, die anfänglich in der Zündkerze durch die der Zündkerze zugeführte elektrische Energie auftritt, mit einer etwas hohen Spannung auftritt. Dementsprechend wird eine Funkenentladung in der Funkenentladungslücke zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode erzeugt, ohne dass ein Isolierungsdurchbruch in anderen Abschnitten als der Funkenentladungslücke verursacht wird. Anders ausgedrückt wird das anfängliche Entladen zuverlässig erzeugt und wird dementsprechend verhindert, dass ein Feuer in der Brennkraftmaschine auftritt.
Demgegenüber kann in der zweiten Stufe die Spannung in einem erneuten Entladen verringert werden, das darauffolgend nach dem anfänglichen Entladen auftreten könnte. Dies kann den Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze aufgrund der Wiederholung des Entladens unterdrücken.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zündvorrichtung bereitgestellt, die in der Lage ist, eine Zündbarkeit zu gewährleisten, jedoch effektiv den Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze minimieren kann.
Beispielsweise kann die vorstehend beschriebene Zündvorrichtung in einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs verwendet werden.
Ein Gas, das ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft beispielsweise ist, wird der Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine zugeführt, in der die Zündkerze installiert ist. Es ist vorzuziehen, dass eine Strömung von Gas in der Verbrennungskammer erzeugt wird. Beispielsweise kann die Gasströmung eine Tumbelströmung (tumble flow), eine Drallströmung (swirl flow) oder eine Strömung sein, die eine Kombination dieser Strömungen ist.
Beispielsweise tritt ein kapazitives Entladen auf, wenn in einer internen elektrostatischen Kapazität der Zündspule gespeicherte elektrische Ladung entladen wird. Anders als das kapazitive Entladen weist die Funkenentladung in einer Zündkerze ebenfalls ein induktives Entladen auf. Das induktive Entladen tritt auf, wenn elektromagnetische Induktionsenergie in der Zündspule entladen wird.
Ein anfänglich auftretendes Entladen bezieht sich auf ein Entladen, das anfänglich mit einer einzelnen Zufuhr von Energie zu der Zündung aus der Zündspule auftritt. Insbesondere wird Energie wiederholt und intermittierend aus der Zündspule zu der Zündkerze zu einem vorbestimmten Zeitverlauf zugeführt. In diesem Fall entspricht das kapazitive Entladen, das anfänglich in der Funkenentladungslücke der Zündkerze mit jeder Energiezufuhr auftritt, dem vorstehend beschriebenen ”anfänglich auftretenden Entladen”. In der vorliegenden Beschreibung ist dies ebenfalls, wie erforderlich, als ”anfängliches Entladen” oder dergleichen ausgedrückt.
Beispielsweise kann der Spannungsbegrenzungswert der ersten oder zweiten Stufe in geeigneter Weise entsprechend der Spezifikation der Brennkraftmaschine, der Spezifikation der Zündkerze oder dergleichen eingestellt werden. Der Spannungsbegrenzungswert der ersten Stufe ist beispielsweise auf einen Pegel eingestellt, der das anfängliche Entladen gewährleisten, jedoch die Entladespannung verringern kann. Beispielsweise kann der Spannungsbegrenzungswert der ersten Stufe auf einen beliebigen Wert in einem Bereich von 20 bis 50 kV eingestellt werden. Insbesondere kann der Spannungsbegrenzungswert der ersten Stufe vorzugsweise etwa 38 kV sein, unter Berücksichtigung der individuellen Durchbruchsspannungsspezifikationen der Zündkerze und der Zündspulenkomponenten oder der Zündspannungscharakteristiken der Brennkraftmaschine.
Beispielsweise wird der Spannungsbegrenzungswert der zweiten Stufe auf einen Pegel eingestellt, der den Verbrauch in Elektroden der Zündkerze aufgrund der Wiederholung des Entladens gut minimieren kann, jedoch die Zündbarkeit gut gewährleisten kann, auf der Grundlage des dem anfänglichen Entladen nachfolgenden erneuten Entladens. Beispielsweise kann der Spannungsbegrenzungswert der zweiten Stufe ein beliebiger Wert in einem Bereich von 1 bis 20 kV sein.
Beispielsweise ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung derart konfiguriert, dass die Spannungsbegrenzungswerte in den ersten und zweiten Stufen austauschbar sind.
In diesem Fall kann der Spannungsbegrenzungswert der ersten Stufe und der Spannungsbegrenzungswert der zweiten Stufe, der kleiner als derjenige der ersten Stufe ist, leicht eingestellt werden.
Beispielsweise ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung eingerichtet, mit der Sekundärspule verbunden zu sein.
In diesem Fall kann der Spannungsbegrenzungswert der ersten oder zweiten Stufe korrekter eingestellt werden. Insbesondere kann, obwohl die Spannungsbegrenzungseinrichtung auf der Primärspulenseite vorgesehen werden kann, ein korrekterer Spannungsbegrenzungswert eingestellt werden, wenn die Spannungsbegrenzungseinrichtung auf der Sekundärspulenseite vorgesehen ist.
Beispielsweise ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung mit einem Schaltelement, das elektrisch und selektiv ein- und ausgeschaltet wird, und einer Vielzahl von Konstantspannungselementen versehen, die jeweils elektrisch angetrieben werden.
In diesem Fall können die Spannungsbegrenzungswerte leicht ausgetauscht und korrekt eingestellt werden. Weiterhin ermöglicht die Verwendung der Konstantspannungselemente eine Feineinstellung des Spannungsbegrenzungswerts. Beispielsweise weisen die Konstantspannungselemente Zener-Dioden, Lawinendioden, Varistoren oder dergleichen auf. Beispielsweise weist das Schaltelement einen MOSFET (Feldeffekttransistor der MOS-Bauart), IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder dergleichen auf.
Beispielsweise sind die Konstantspannungselemente elektrisch in Reihe miteinander geschaltet; ist das Schaltelement elektrisch mit einem Pfad verbunden, der zwei Konstantspannungselemente elektrisch miteinander verbindet, wobei die zwei Konstantspannungselemente in der Vielzahl der Konstantspannungselemente enthalten sind; und ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung elektrisch parallel zu der Zündkerze geschaltet.
In diesem Fall kann, da das Paar der Konstantspannungselemente in Reihe geschaltet ist, die in der Spannungsbegrenzungseinrichtung entladene elektrische Energie entladen werden, wobei sie in die Vielzahl der Konstantspannungselemente verteilt wird. Anders ausgedrückt kann die erzeugte Wärme, die die Emission der elektrischen Energie begleitet, auf die Vielzahl der Zener-Dioden verteilt werden. Somit kann eine Wärmediffusion in Abschnitten der Vorrichtung unterdrückt werden, wodurch eine Größenverringerung oder eine Beseitigung einer Wärmediffusionseinrichtung leicht ermöglicht werden kann. Zusätzlich können, da die Durchbruchsspannung der Konstantspannungselemente verringert wird, die Größe und Kosten der Vorrichtung leicht verringert werden.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Technik ist eine Zündvorrichtung bereitgestellt mit: einer Zündspule, die mit einer Primärspule und einer Sekundärspule versehen ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind; einer Zündkerze, die mit einer Mittenelektrode und einer Masseelektrode versehen ist, wobei Funken zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode durch Anlegen einer Spannung zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode erzeugt werden, wobei die Spannung unter Verwendung von elektrischer Energie in Reaktion auf einer in der Zündspule gespeicherten magnetischen Energie angelegt wird; und einer Spannungsbegrenzungseinrichtung zur Begrenzung der zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegten Spannung derart, dass das Entladen zwischen den Elektroden zugelassen wird, jedoch die zwischen den Elektroden nach einem Ende einer anfänglichen Entladespannungsspitze angelegte Spannung einen absoluten Wert aufweist, der auf unterhalb eines vorbestimmten Spannungsbegrenzungswerts begrenzt ist, wobei die anfängliche Entladespannungsspitze anfänglich durch die elektrische Energie erzeugt wird.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtung ist derart konfiguriert, dass ein Entladen nach Verstreichen der anfänglich auftretenden Entladespannungsspitze toleriert wird, jedoch derart, dass gewährleistet wird, dass der absolute Wert der an die Zündkerze angelegten Spannung den vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert nicht überschreitet. Somit wird die der Zündkerze zugeführte elektrische Energie vollständig nach Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze verwendet, wobei ebenfalls die Zündbarkeit von Gas gewährleistet wird, jedoch gleichzeitig der Verbrauch der Zündkerze minimiert wird. Anders ausgedrückt wird zugelassen, dass das Entladen aufeinanderfolgend ohne Unterbrechung nach dem Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze ebenfalls auftritt, wobei die Zündbarkeit unter vollständiger Verwendung der der Zündkerze zugeführten elektrischen Energie gewährleistet wird. Gleichzeitig kann der absolute Wert der Spannung des Entladens (erneuten Entladens), das aufeinanderfolgend nach dem Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze auftritt, gleich wie oder kleiner als der vorbestimmte Spannungsbegrenzungswert gemacht werden. Wenn somit der vorbestimmte Spannungsbegrenzungswert auf einen Wert eingestellt wird, der kaum einen Verbrauch der Zündkerze induziert, wird ein Verbrauch der Zündkerze minimiert, jedoch wird gleichzeitig die Zündbarkeit gewährleistet.
Weiterhin kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung in geeigneter Weise entsprechend beispielsweise der Spezifikation der Brennkraftmaschine oder der Spezifikation der Zündkerze eingestellt werden. Beispielsweise kann der Spannungsbegrenzungswert auf einen Pegel eingestellt werden, der ausreichend den Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze minimieren kann, der durch die Wiederholung des dem anfänglichen Entladen nachfolgenden erneuten Entladens verursacht wird, jedoch die Zündbarkeit auf der Grundlage des erneuten Entladens gewährleisten kann. Beispielsweise kann der Spannungsbegrenzungswert auf einen Pegel von 1 bis 20 kV eingestellt werden, der die induktive Entladespannung beibehalten kann.
Beispielsweise ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung mit einem Schaltelement, das elektrisch und selektiv ein- und ausgeschaltet wird, und einem Konstantspannungselement versehen, das elektrisch angetrieben wird.
In diesem Fall kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung zu einem gewünschten Zeitverlauf korrekt eingestellt werden. Weiterhin ermöglicht die Verwendung des Konstantspannungselements eine Feineinstellung des Spannungsbegrenzungswerts. Beispielsweise kann eine Zener-Diode, eine Lawinendiode, ein Varistor oder dergleichen als das Konstantspannungselement verwendet werden. Außerdem kann beispielsweise ein MOSFET (Feldeffekttransistor der MOS-Bauart), eine IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder dergleichen als das Schaltelement verwendet werden.
Weiterhin kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung derart eingerichtet sein, dass sie mit der Primärspule verbunden ist.
In diesem Fall kann die Durchbruchsspannung des Schaltelements oder des Konstantspannungselements klein gemacht werden, um leicht die Größe und die Kosten der Vorrichtung zu verringern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
2 eine Darstellung, die einen Betrieb einer Spannungsbegrenzungseinrichtung und eine Zeitvariation einer Sekundärspannung und eines elektrischen Stroms, der durch eine Zener-Diode nahe an eine Sekundärspule gelangt, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
3 ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
4 ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
5 eine Darstellung, die einen Betrieb einer Spannungsbegrenzungseinrichtung und eine Zeitvariation einer Sekundärspannung und eines Zener-Stroms gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, und
6 ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist nachstehend ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Wie es in 1 gezeigt ist, weist die Zündvorrichtung 1 eine Zündspule 5, eine Zündkerze 2 und eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (d. h. eine Spannungsbegrenzungsschaltung) 3 auf.
Die Zündspule 5 weist eine Primärspule 51 und eine Sekundärspule 52 auf, die magnetisch mit der Primärspule 51 gekoppelt ist. Die Zündkerze 2 erzeugt Entladefunken zwischen einer Mittenelektrode 21 und einer Masseelektrode 22 bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden auf der Grundlage der in der Zündspule 5 gespeicherten magnetischen Energie. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 (d. h. eine Spannungsbegrenzungsschaltung) begrenzt eine zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 angelegte Spannung V2 derart, dass der absolute Wert der Spannung V2 einen vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert nicht überschreiten wird.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist das Entladen eine erste Stufe S1 und eine zweite Stufe S2 auf. Die erste Stufe S1 dauert bis zu dem Ende einer Spitze der Entladespannung (Entladespannungsspitze) an, die anfänglich in der Zündkerze 2 durch die aus der Zündspule 5 zugeführte elektrische Energie auftritt. Die zweite Stufe S2 ist eine Zeitdauer, die der ersten Stufe S1 nachfolgt. Wie aus 2 hervorgeht, ist der Spannungsbegrenzungswert zwischen der ersten und der zweiten Stufe S1 und S2 unterschiedlich. Ein Spannungsbegrenzungswert Vh2 der zweiten Stufe S2 ist kleiner als ein Spannungsbegrenzungswert Vh1 der ersten Stufe S1.
Die Zündvorrichtung 1 weist ebenfalls eine Zündeinrichtung 6 auf, die Strom der Primärspule S1 zuführt oder den der Primärspule 51 zuzuführenden Strom unterbricht. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 ist konfiguriert, in der Lage zu sein, die zwei Spannungsbegrenzungswerte Vh1 und Vh2 auszutauschen, so dass jeder Wert eingestellt werden kann. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 ist auf der Seite der Sekundärspule 52 vorgesehen und weist ein einzelnes Schaltelement 31 und zwei Zener-Dioden 321 und 322 als Konstantspannungselemente auf. Die zwei Zener-Dioden 321 und 322 sind miteinander in Reihe geschaltet. Das Schaltelement 31 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Paar der in Reihe geschalteten Zener-Dioden 321 und 322 verbunden. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 ist parallel zu der Zündkerze 2 geschaltet.
Die Zündkerze 2 weist eine Mittenelektrode 21 und eine Masseelektrode 22 auf. Eine Funkenentladungslücke G ist zwischen der Mittenelektrode 21 und der Masseelektrode 22 geformt. Die Masseelektrode 22 ist geerdet. Die Mittenelektrode 21 ist konfiguriert, ein niedrigeres Potential als die Masseelektrode 22 aufzuweisen. Anders ausgedrückt ändert sich bei Anlegen einer Spannung zwischen der Mittenelektrode 21 und der Masseelektrode 22 durch die Zündspule 5 das Potential der Mittenelektrode 21 ins Negative.
Beispielsweise kann die Zündvorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs verwendet werden. Ein Gasgemisch von beispielsweise Kraftstoff und Luft wird der Verbrennungskammer zugeführt. Beispielsweise tritt eine Gasströmung in der Verbrennungskammer wie eine Tumbelströmung (tumble flow), eine Drallströmung (swirl flow) oder eine Strömung auf, die eine Kombination dieser Strömungen ist.
Die Zündvorrichtung 1 weist eine Leistungsquelle 4 als eine Gleichstromleistungsquelle mit einem positiven Anschluss auf, der mit der Primärspule 51 der Zündspule 5 verbunden ist. Die Primärspule 51 weist einen Anschluss auf, der mit der Zündeinrichtung 6 verbunden ist, wobei der Anschluss auf der entgegengesetzten Seite des Anschlusses davon ist, der mit der Leistungsquelle 4 verbunden ist. Die Zündeinrichtung 6 ist aus einem Schaltelement aufgebaut und ist konfiguriert, um unter der Steuerung eines Signals aus einer nicht gezeigten elektronischen Steuerungseinheit der Brennkraftmaschine ein-/ausgeschaltet zu werden.
Die Sekundärspule 52 der Zündspule 5 ist mit der Mittenelektrode 21 der Zündkerze 2 verbunden. Weiterhin ist die Sekundärspule 52 elektrisch mit der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 verbunden, die parallel zu der Zündkerze 2 ist. Insbesondere ist das Paar der in Reihe geschalteten Zener-Dioden 321 und 322 mit der Sekundärspule 52 auf einer Seite verbunden, an der die Sekundärspule 52 mit der Zündkerze 2 verbunden ist. Die Kathode der Zener-Diode 321 ist mit der Anode der Zener-Diode 322 derart verbunden, dass diese Dioden in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Anode der Zener-Diode 321 ist mit der Sekundärspule 52 verbunden, wohingegen die Kathode der Zener-Diode 322 geerdet ist.
Die Zener-Dioden 321 und 322 sind über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden. Das Schaltelement 31 ist zwischen diesem Verbindungspunkt und der Masse angeschlossen. Das Schaltelement 31 ist ebenfalls konfiguriert, um unter der Steuerung eines Signals aus der nicht gezeigten elektronischen Steuerungseinheit der Brennkraftmaschine ein-/ausgeschaltet zu werden. Wenn das Schaltelement 31 sich in einem eingeschalteten Zustand befindet, weist der absolute Wert der an die Zündkerze 2 angelegten Sekundärspannung V2 eine obere Grenze auf, die äquivalent zu einer Zener-Spannung Vz1 der Zener-Diode 321 ist. Wenn demgegenüber das Schaltelement 31 sich in einem ausgeschalteten Zustand befindet, weist der absolute Wert der Sekundärspannung V2 eine obere Grenze auf, die äquivalent zu der Summe der Zener-Spannung Vz1 der Zener-Diode 321 und einer Zener-Spannung Vz2 der Zener-Diode 322 ist, wie es durch Vz1 + Vz2 ausgedrückt ist.
Beispielsweise können die Zener-Spannungen Vz1 und Vz2 jeweils Vz1 = 10 kV und Vz2 = 25 kV sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein MOSFET (Feldeffekttransistor der MOS-Bauart) als das Schaltelement 31 der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 verwendet, und wird ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) als das Schaltelement verwendet, das die Zündeinrichtung 6 konfiguriert.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 derart konfiguriert, dass der absolute Wert der an die Zündkerze 2 angelegten Spannung V2 einen vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert nicht überschreiten wird. In diesem Fall wird gewährleistet, dass der Spannungsbegrenzungswert zwischen den ersten und zweiten Stufen S1 und S2 unterschiedlich ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Als ein spezifisches Mittel, um dieses zu erzielen, sind die Spannungsbegrenzungswerte Vh1 und Vh2 konfiguriert, um durch Ein-/Ausschalten des Schaltelements 31 ausgetauscht zu werden. Genauer wird in der ersten Stufe S1 das Schaltelement 31 ausgeschaltet, so dass der Spannungsbegrenzungswert Vh1 zu Vz1 + Vz2 wird. Außerdem wird in der zweiten Stufe S2 das Schaltelement 31 eingeschaltet, so dass der Spannungsbegrenzungswert Vh2 sich auf Vz1 ändert.
Unter Bezugnahme auf 2 ist nachstehend ein Betrieb der Zündvorrichtung 2 beschrieben, der die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 aufweist, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist. 2 zeigt eine Darstellung, die einen Betrieb der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 und eine Zeitvariation der Sekundärspannung V2 und des elektrischen Stroms veranschaulicht, der durch die Zener-Diode 321 in die Nähe der Sekundärspule 52 gelangt. In 2 sind vier Graphen vertikal nebeneinander angeordnet. In den Graphen gibt jede horizontale Achse eine Zeitachse an. Das Symbol auf der linken Seite der vertikalen Achse gibt einen Ein-/Aus-Zustand der Zündeinrichtung 6 in dem Graphen von IGt, einen Ein-/Aus-Zustand des Schaltelements 31 in dem Graphen von SW, eine Variation der Sekundärspannung V2 in dem Graphen von V2 und eine Variation in dem Wert des Stroms, der durch die Zener-Diode 321 bei der Sekundärspule 52 gelangt, in den Graphen von Iz an.
Zunächst gelangt, wenn das Schaltelement der Zündeinrichtung 6 eingeschaltet wird, Strom durch die Primärspule 51. Danach, wenn die Zündeinrichtung 6 ausgeschaltet wird, wird die Stromzufuhr zu der Primärspule 51 unterbrochen. Mit der Unterbrechung wird eine induzierte elektromotorische Kraft in der Sekundärspule 52 erzeugt und wird die Sekundärspannung V2 zwischen der Mittenelektrode 21 und der Masseelektrode 22 der Zündkerze 2 angelegt. Diese elektrische Energie verursacht ein anfängliches Entladen zwischen den Elektroden der Zündkerze 2. Der Abschnitt, der in dem Graphen von V2 in 2 durch P1 angegeben ist, entspricht einer anfänglichen Entladespannungsspitze.
Ein einzelner Ein-/Ausschaltvorgang der Zündeinrichtung 6 induziert elektrische Energie, die aus der Zündspule 5 der Zündkerze 2 zugeführt wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das kapazitive Entladen, das anfänglich in der Funkenentladungslücke G der Zündkerze 2 durch diese elektrische Energie auftritt, das anfängliche Entladen, das vorstehend beschrieben worden ist.
In der ersten Stufe S1, die bis zu dem Ende der anfänglichen Entladespannungsspitze anhält, befindet sich das Schaltelement 31 der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 in einem Aus-Zustand. Daher erlaubt, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 die obere Grenze von Vz1 + Vz2 für den absoluten Wert (Spannungsbegrenzungswert Vh1) der an die Zündkerze 2 angelegten Spannung V2. Dementsprechend weist das anfängliche Entladen eine etwas hohe Entladespannung auf. Daher kann das anfängliche Entladen zuverlässig bewirkt werden.
Nach Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze wird das Schaltelement 31 der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 eingeschaltet. Somit erlaubt die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3, wie es vorstehend beschrieben worden ist, in der zweiten Stufe S2 die obere Grenze von Vz1 für den absoluten Wert (Spannungsbegrenzungswert Vh2) der an die Zündkerze 2 angelegten Spannung V2. Die Spannung Vz1 ist kleiner als der Spannungsbegrenzungswert Vh1 (= Vz1 + Vz2) in der ersten Stufe S1. Daher kann in dem Entladen, das in der zweiten Stufe S2 auftritt, die Entladespannung verringert werden.
Insbesondere tritt in der zweiten Stufe S2 ein induktives Entladen zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 auf. Wenn jedoch das Entladen weggeblasen wird, wird das kapazitive Entladen oder induktive Entladen erneut auftreten. Das kapazitive Entladen (erneute Entladen) ist durch Punkt P2, P3 oder P4 in dem Graphen von V2 von 2 angegeben. Falls das anfängliche Entladen keine Zündung erzielt hat, kann das Gas durch das erneute Entladen in der Wiederholung von Wegblasen und erneutem Entladen gezündet werden. Jedoch wird die Spannung des erneuten Entladens auf nicht mehr als den Spannungsbegrenzungswert Vh2 unterdrückt. Somit wird, während der Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze 2 minimiert wird, eine Möglichkeit zur Zündung in der zweiten Stufe S2 gewährleistet.
Nachstehend sind vorteilhafte Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 ist derart konfiguriert, dass der absolute Wert der an die Zündkerze 2 angelegten Spannung einen Spannungsbegrenzungswert nicht überschreiten wird. Anders ausgedrückt wird eine Spannung zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 durch die aus der Zündspule 5 der Zündkerze 2 zugeführten elektrische Energie angelegt. In diesem Fall wird erzielt, dass diese angelegte Spannung nicht größer als der Spannungsbegrenzungswert wird. Der Spannungsbegrenzungswert unterscheidet sich zwischen den ersten und zweiten Stufen S1 und S2. Somit wird die Entladespannung der Zündkerze 2 in den ersten und zweiten Stufen S1 und S2 gut verringert.
Weiterhin ist der Spannungsbegrenzungswert Vh2 der zweiten Stufe S2 kleiner als der Spannungsbegrenzungswert Vh1 der ersten Stufe S1 gemacht. Anders ausgedrückt kann, während der Spannungsbegrenzungswert Vh1 der ersten Stufe S1 auf einem etwas hohen Pegel beibehalten wird, der Spannungsbegrenzungswert Vh2 der zweiten Stufe S2 klein gemacht werden.
Somit wird in der ersten Stufe S1 zugelassen, dass die anfängliche Entladespannungsspitze in der Zündkerze 2, die mit der Zufuhr der elektrischen Energie zu der Zündkerze 2 auftritt, mit einer etwas hohen Spannung auftritt. Dementsprechend wird zugelassen, dass das Funkenentladen in der Funkenentladungslücke G zwischen der Mittenelektrode 21 und der Masseelektrode 22 auftritt, ohne dass ein Isolierungsdurchbruch in anderen Abschnitten als der Funkenentladungslücke G verursacht wird. Anders ausgedrückt wird das anfängliche Entladen zuverlässig verursacht, und wird als Ergebnis verhindert, dass ein Feuer in der Brennkraftmaschine auftritt.
Demgegenüber kann in der zweiten Stufe S2 die Spannung in dem kapazitiven Entladen, d. h. dem erneuten Entladen, verringert werden, das nach dem anfänglichen Entladen darauffolgend auftreten könnte. Somit wird verhindert, dass die Elektroden der Zündkerze 2 durch die Wiederholung des erneuten Entladens verschlissen werden.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 ist derart konfiguriert, dass der Spannungsbegrenzungswert durch Austauschen der zwei unterschiedlichen Werte Vh1 und Vh2 eingestellt werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung des Spannungsbegrenzungswerts Vh1 der ersten Stufe S1 und des Spannungsbegrenzungswerts Vh2 der zweiten Stufe S2, wobei der letztere kleiner als der erstere ist. Da weiterhin die Spannungsbegrenzungseinrichtung auf der Seite der Sekundärspule 52 vorgesehen ist, können der Spannungsbegrenzungswert Vh1 der ersten Stufe S1 und der Spannungsbegrenzungswert Vh2 der zweiten Stufe S2 korrekter eingestellt werden.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 weist das Schaltelement 31 und die zwei Zener-Dioden 321 und 322 auf. Dies ermöglicht einen leichten Austausch zwischen den Spannungsbegrenzungswerten Vh1 und Vh2 und eine korrekte Einstellung des Werts Vh1 oder Vh2. Außerdem ermöglicht die Verwendung der Zener-Dioden 321 und 322 eine Feineinstellung des Spannungsbegrenzungswerts Vh1 oder Vh2.
Die zwei Zener-Dioden 321 und 322 sind miteinander in Reihe geschaltet, wobei ein Verbindungspunkt dazwischen mit dem Schaltelement 31 verbunden ist. Dementsprechend kann die in der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 emittierte elektrische Energie emittiert werden, wobei diese in die zwei Zener-Dioden 321 und 322 verteilt wird. Anders ausgedrückt kann die erzeugte Wärme, die die Emission der elektrischen Energie begleitet, auf die Vielzahl der Zener-Dioden verteilt werden. Somit kann eine Wärmediffusion in Abschnitten der Vorrichtung unterdrückt werden, wodurch leicht die Größe einer Wärmediffusionseinrichtung verringert werden kann oder leicht die Wärmediffusionseinrichtung weggelassen werden kann. Zusätzlich kann die Durchbruchsspannung der Zener-Diode 321 oder 322 verringert werden, um leicht eine Verringerung in der Größe und in den Kosten zu verwirklichen. Anders ausgedrückt kann im Vergleich zu einer Zündvorrichtung 10 gemäß einem nachstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel eine Größe- und Kostenreduktion der Vorrichtung leicht angestrebt werden.
Die zwei Zener-Dioden 321 und 322 können in eine gepackte Komponente integriert werden. In diesem Fall kann die gepackte Komponente mit drei Anschlüssen versehen sein, die mit der Sekundärspule 52, dem Schaltelement 31 und der Masse verbunden sind, um dadurch einen Teil der vorstehend beschriebenen Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 zu konfigurieren. Auch in diesem Fall kann die Größe der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 leichter verringert werden, und kann dementsprechend eine Größenverringerung der gesamten Zündvorrichtung 1 leichter verwirklicht werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Zündvorrichtung bereitstellen, die eine Zündbarkeit gewährleistet und effektiv einen Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze minimiert.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
sUnter Bezugnahme auf 3 ist nachstehend eine Zündvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem zweiten und den darauffolgenden Ausführungsbeispielen sind den Komponenten, die identisch oder ähnlich zu denjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, um unnötige Erläuterungen wegzulassen.
3 zeigt ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Wie es in 3 gezeigt ist, weist die Zündvorrichtung 10 eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 30 mit einer Konfiguration auf, die sich von derjenigen der Spannungsbegrenzungseinrichtung 3 der Zündvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet.
Insbesondere weist in der Zündvorrichtung 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Spannungsbegrenzungseinrichtung 30 zwei (erste und zweite) Schaltelemente 313 und 314 und zwei (erste und zweite) Zener-Dioden 323 und 324 auf. Genauer ist eine Reihenschaltung (Reihenverbindung) des ersten Schaltelements 313 und der ersten Zener-Diode 323 und eine Reihenverbindung (Reihenschaltung) des zweiten Schaltelements 314 und der zweiten Zener-Diode 324 parallel zu der Zündkerze 2 geschaltet, um dadurch die Spannungsbegrenzungseinrichtung 30 zu konfigurieren. Die ersten und zweiten Zener-Dioden 323 und 324 weisen jeweils Zener-Spannungen Vz3 und Vz4 auf, die unterschiedlich voneinander sind.
Beispielsweise ist die Zener-Spannung Vz4 der zweiten Zener-Diode 324 derart eingestellt, dass sie kleiner als die Zener-Spannung Vz3 der ersten Zener-Diode 323 ist. Dann wird in der ersten Stufe S1, die bis zu dem Ende der anfänglichen Entladespannungsspitze andauert, zugelassen, dass das erste Schaltelement 313 sich in einem Ein-Zustand befindet, und wird zugelassen, dass das zweite Schaltelement 314 in einem Aus-Zustand ist. Somit wird in der ersten Stufe S1 der Spannungsbegrenzungswert Vh1 gleich Vz3. Dann wird in der zweiten Stufe S2, die der anfänglichen Entladespannungsspitze nachfolgt, zugelassen, dass das erste Schaltelement 313 in einem Aus-Zustand ist, und wird zugelassen, dass das zweite Schaltelement 314 in einem Ein-Zustand ist. Somit wird in der zweiten Stufe S2 der Spannungsbegrenzungswert Vh2 gleich Vz4. Anders ausgedrückt kann der Spannungsbegrenzungswert Vh2 in der zweiten Stufe S2 kleiner als der Spannungsbegrenzungswert Vh1 in der ersten Stufe S1 gemacht werden. In diesem Fall kann das zweite Schaltelement 314 eingeschaltet werden, während das erste Schaltelement 313 sich in einem Ein-Zustand befindet, um zuverlässig das Umschalten durchzuführen.
Der Rest der Konfiguration ist ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ebenfalls, ähnlich wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, eine Zündvorrichtung bereitgestellt werden, die Zuverlässigkeit gewährleistet und effektiv einen Verbrauch der Elektroden der Zündkerze minimiert.
Die Zündvorrichtung kann verschiedene andere Konfigurationen als diejenigen gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen aufweisen. Beispielsweise kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung auf der Primärseite der Zündspule vorgesehen werden. In diesem Fall kann die obere Grenze der Primärspannung variabel gemacht werden, um den absoluten Wert der oberen Grenze der an die Zündkerze in den ersten und zweiten Stufen angelegten Spannung zu steuern. Weiterhin kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung in der Zündkerze vorgesehen werden.
Die Konstantspannungselemente in der Spannungsbegrenzungseinrichtung sind nicht auf Zener-Dioden begrenzt, die in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gezeigt sind. Beispielsweise können Lawinendioden, Varistoren oder dergleichen als die Konstantspannungselemente verwendet werden. Die Konfiguration der Spannungsbegrenzungseinrichtung ist nicht auf die Konfiguration begrenzt, die die Konstantspannungselemente und die Schaltelemente aufweist. Das Schaltelement in der Spannungsbegrenzungseinrichtung ist nicht auf ein MOSFET begrenzt, sondern kann beispielsweise ein IGBT sein. Das Schaltelement, das die Zündeinrichtung bildet, ist nicht auf ein IGBT begrenzt, sondern kann beispielsweise ein MOSFET oder dergleichen sein.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 ist nachstehend eine Zündvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung 100 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Wie es in 4 gezeigt ist, weist die Zündvorrichtung 100 die Zündspule 5, die Zündkerze 2 und eine Spannungsbegrenzungsschaltung 103 als eine Spannungsbegrenzungseinrichtung auf.
Die Zündspule 5 ist ähnlich wie die Zündspule 5 gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen aufgebaut.
5 zeigt eine Darstellung, die einen Betrieb der Spannungsbegrenzungsschaltung 103 und eine Zeitvariation der Sekundärspannung V2 und eines Zener-Stroms veranschaulicht. Wie es in 5 gezeigt ist, begrenzt die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 den absoluten Wert der Sekundärspannung V2 zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 nach dem Verstreichen einer Entladespannungsspitze, die anfänglich in der Zündkerze 2 mit Zufuhr der elektrischen Energie aus der Zündspule 5 auftritt. Insbesondere toleriert die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 nach Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze das Entladen zwischen den Elektroden, begrenzt jedoch den absoluten Wert der Sekundärspannung V2 derart, dass diese einen vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert Vh nicht überschreitet.
Wie es in 4 gezeigt ist, weist die Zündvorrichtung 100 die Zündeinrichtung 6 auf, die Strom der Primärspule 51 zuführt oder den der Primärspule 51 zuzuführenden Strom unterbricht. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 weist ein Schaltelement 131 und eine Zener-Diode 132 auf, die als ein Konstantspannungselement dient. Die Spannungsbegrenzungsschalter 103 ist auf der Seite der Primärspule 51 vorgesehen.
Die Zündkerze 2 ist ähnlich wie die Zündkerze 2 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen konfiguriert.
Beispielsweise kann die Zündvorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls für eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug verwendet werden.
Die Leistungsquelle 4 ist eine Gleichstromleistungsquelle und ist ähnlich wie die gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebene Leistungsquelle konfiguriert. Die Zündeinrichtung 6 ist aus einem Schaltelement aufgebaut und ist ebenfalls ähnlich wie diejenigen konfiguriert, die gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden sind.
Eine Parallelschaltung der Spannungsbegrenzungsschaltung 103 und der Zündeinrichtung 6 ist elektrisch mit der Primärspule 51 verbunden. Insbesondere ist eine Reihenschaltung des Schaltelements 131 und der Zener-Diode 132 elektrisch mit einem Pfad verbunden, der die Primärspule 51 und die Zündeinrichtung 6 verbindet. Die Zener-Diode 132 weist eine mit der Primärspule 51 verbundene Kathode und eine mit dem Schaltelement 131 verbundene Anode auf. In dem Schaltelement 131 ist die der Zener-Diode 132 entgegengesetzte Seite geerdet.
Die Sekundärspule 52 der Zündspule 5 ist mit der Mittenelektrode 21 der Zündkerze 2 verbunden.
Das Schaltelement 131 der Spannungsbegrenzungsschaltung 103 ist ebenfalls konfiguriert, um unter der Steuerung eines Signals ein-/ausgeschaltet zu werden, das aus einer nicht gezeigten elektronischen Steuerungseinheit der Brennkraftmaschine ausgegeben wird. Wenn die Zündeinrichtung 6 ausgeschaltet ist und das Schaltelement 131 eingeschaltet ist, wird gewährleistet, dass die Primärspannung die Zener-Spannung Vz1 nicht überschreitet. In Zusammenhang damit wird unterbunden, dass der absolute Wert der in der Sekundärspule 52 induzierten Sekundärspannung V2 den vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert Vh überschreitet. Der Spannungsbegrenzungswert Vh der Sekundärspannung V2 befindet sich in einer vorbestimmten Proportion zu der Zener-Spannung Vz1. Das heißt, dass der Spannungsbegrenzungswert Vh durch das Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen der Primärspule 51 und der Anzahl der Windungen der Sekundärspule 52 in der Zündspule 5 bestimmt ist. Beispielsweise kann die Zündspule ein Verhältnis der Anzahl der Windungen (die Anzahl der Windungen der Primärspule 51: die Anzahl der Windungen der Sekundärspule 52) aufweisen, wie es durch 1:100 ausgedrückt ist. In diesem Fall ist, wenn die Zener-Spannung Vz1 50 V ist, der Spannungsbegrenzungswert Vh der Sekundärspannung auf 5 kV eingestellt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein MOSFET (Feldeffekttransistor der MOS-Bauart) als das Schaltelement 131 der Spannungsbegrenzungsschaltung 103 verwendet, und wird ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) als das Schaltelement verwendet, das die Zündeinrichtung 6 bildet.
Unter Bezugnahme auf 5 ist nachstehend der Betrieb der Zündvorrichtung 100 beschrieben, die die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 aufweist, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist. In 5 sind vier Graphen vertikal übereinander angeordnet. In den Graphen gibt jede horizontale Achse eine Zeitachse an. Das Symbol auf der Linken der vertikalen Achse gibt einen Ein-/Aus-Zustand der Zündeinrichtung 6 in dem Graphen von IGt, einen Ein-/Aus-Zustand des Schaltelements 131 in dem Graphen von SW, eine Variation der Sekundärspannung V2 in dem Graphen von V2 und eine Variation in dem Wert des Stroms, der durch die Zener-Diode 132 gelangt, in dem Graphen von Iz an.
Zunächst gelangt, wenn das Schaltelement der Zündeinrichtung 6 eingeschaltet wird, Strom durch die Primärspule 51. Danach wird, wenn die Zündeinrichtung 6 ausgeschaltet wird, die Stromzufuhr zu der Primärspule 51 unterbrochen. Mit dieser Unterbrechung wird eine induzierte elektromotorische Kraft in der Sekundärspule 52 erzeugt und wird die Sekundärspannung V2 zwischen der Mittenelektrode 21 und der Masseelektrode 22 der Zündkerze 2 angelegt. Diese elektrische Energie erzeugt ein anfängliches Entladen zwischen den Elektroden der Zündkerze 2. Der durch P1 in dem Graphen von V2 in 5 angegebene Abschnitt entspricht einer anfänglichen Entladespannungsspitze.
Ein einzelner Ein-/Ausschaltvorgang der Zündeinrichtung 6 induziert elektrische Energie, die aus der Zündspule 5 der Zündkerze 2 zugeführt wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das kapazitive Entladen, das anfänglich in der Funkenentladungslücke G der Zündkerze 2 durch diese elektrische Energie auftritt, das vorstehend beschriebene anfängliche Entladen.
Unmittelbar nach dem Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze wird das Schaltelement 131 der Spannungsbegrenzungsschaltung 103 eingeschaltet. Dies führt zu der Bildung eines geschlossenen Schaltkreises, der eine Batterie 4, die Primärspule 51 und die Zener-Diode 132 aufweist. Somit gelangt, wenn die Primärspannung die Zener-Spannung Vz1 erreicht hat, der Zener-Strom Iz durch die Zener-Diode 132, und wird die elektrische Energie der Primärspule 51 freigegeben. Anders ausgedrückt wird verhindert, dass die Primärspannung die Zener-Spannung Vz1 überschreitet. Der Zeitverlauf des Einschaltens des Schaltelements 131 kann beispielsweise auf der Grundlage einer Verzögerungszeit von einem Zündstartsignal eingestellt werden. Alternativ dazu kann eine Erfassungseinrichtung vorgesehen werden, um das anfängliche kapazitive Entladen aus der Primärspannung oder der Sekundärspannung zu erfassen. Auf der Grundlage eines aus der Erfassungseinrichtung ausgegebenen Erfassungssignals der anfänglichen kapazitiven Spannung kann der Zeitverlauf des Einschaltens des Schaltelements 131 eingestellt werden.
Somit wird verhindert, dass der absolute Wert der in der Sekundärspule 52 induzierten Sekundärspannung V2 den Spannungsbegrenzungswert Vh überschreitet. Insbesondere wird verhindert, dass der absolute Wert der Spannung zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 den Spannungsbegrenzungswert Vh überschreitet. Genauer wird entsprechend der Konfiguration gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wenn die Anlegespannung zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 dabei ist, eine vorbestimmte Spannung zu überschreiten, die Anlegespannung auf die vorbestimmte Spannung begrenzt und abgeflacht. Dann wird das Gas in der Funkenentladungslücke G in einen zum Entladen geeigneten Zustand in einer Zeitdauer gebracht, wenn die Anlegespannung auf der vorbestimmten Spannung beibehalten wird. Als Ergebnis wird zugelassen, dass ein erneutes Entladen zwischen den Elektroden auftritt. Somit wird verhindert, dass die Spannung des erneuten Entladens der Zündkerze 2 übermäßig erhöht wird, und somit wird der Verbrauch der Zündkerze 2 minimiert.
Nach dem anfänglichen Entladen wird ein induktives Entladen in der Zündkerze 2 verursacht. Dem induktiven Entladen folgt, wenn es weggeblasen wird, erneut das kapazitive Entladen und das induktive Entladen nach. Das kapazitive Entladen (erneute Entladen) ist durch Punkt P2, P3 oder P4 in dem Graphen von V2 von 5 angegeben. In dem Fall, dass das anfängliche Entladen keine Zündung erzielt hat, kann das Gas durch das erneute Entladen während der Wiederholung von Wegblasen und erneutem Entladen gezündet werden. Jedoch wird die Spannung des erneuten Entladens auf nicht mehr als den Spannungsbegrenzungswert Vh unterdrückt. Somit wird, während der Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze 2 minimiert wird, die Zündbarkeit nach dem anfänglichen Entladen ebenso gewährleistet.
Vorteilhafte Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind nachstehend beschrieben.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 derart konfiguriert, dass ein Entladen nach dem Verstreichen der anfänglich auftretenden Entladespannungsspitze toleriert wird, jedoch derart, dass gewährleistet wird, dass der absolute Wert der an die Zündkerze 2 angelegten Spannung V2 den vorbestimmten Spannungsbegrenzungswert Vh nicht überschreitet. Somit wird nach Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze ebenfalls die Zündbarkeit des Gases unter vollständiger Verwendung der der Zündkerze 2 zugeführten elektrischen Energie gewährleistet, während der Verbrauch der Zündkerze 2 minimiert wird. Insbesondere wird nach dem Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze ebenso zugelassen, dass ein Entladen darauffolgend ohne Unterbrechung auftritt, wodurch die Zündbarkeit unter vollständiger Verwendung der der Zündkerze 2 zugeführten elektrischen Energie gewährleistet wird. Gleichzeitig kann der absolute Wert der Spannung des Entladens (erneuten Entladens), der nachfolgend nach dem Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze auftritt, gleich wie oder kleiner als der vorbestimmte Spannungsbegrenzungswert Vh gemacht werden. Somit wird, wenn der vorbestimmte Spannungsbegrenzungswert Vh auf einen Wert eingestellt ist, der kaum einen Verbrauch der Zündkerze 2 induzieren würde, der Verbrauch der Zündkerze 2 minimiert, und wird gleichzeitig die Zündbarkeit gewährleistet.
Da die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 aus dem Schaltelement 131 und der Zener-Diode 132 zusammengesetzt ist, kann der Spannungsbegrenzungswert Vh korrekt auf einen gewünschten Zeitverlauf eingestellt werden. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung der Zener-Diode 132 eine Feineinstellung des Spannungsbegrenzungswerts Vh.
Da weiterhin die Spannungsbegrenzungsschaltung 103 auf der Seite der Primärspule 51 vorgesehen ist, kann die Durchbruchsspannung des Schaltelements 131 oder der Zener-Diode 132 klein gemacht werden, und können somit die Größe und die Kosten der Vorrichtung leicht verringert werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist die Zündvorrichtung, die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bereitgestellt wird, eine gute Zündbarkeit auf, kann jedoch den Verbrauch der Zündkerze minimieren.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 zeigt ein schematisches Schaltbild, das eine Zündvorrichtung 110 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Wie es in 6 gezeigt ist, weist die Zündvorrichtung 110 eine Spannungsbegrenzungsschaltung 130 als eine Spannungsbegrenzungseinrichtung auf, die auf einer Hochspannungsseite der Sekundärspule 52 angeordnet ist.
Insbesondere ist in der Zündvorrichtung 110 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung (Reihenverbindung) des Schaltelements 131 und der Zener-Diode 132, die die Spannungsbegrenzungsschaltung 130 bilden, elektrisch mit einem Anschluss in der Sekundärspule 52 verbunden, wobei der Anschluss auf der Seite der Zündkerze 2 ist. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 130 ist elektrisch parallel zu der Zündkerze 2 geschaltet.
Insbesondere ist die Spannungsbegrenzungsschaltung 130 derart konfiguriert, dass die Anode der Zener-Diode 132 mit der Sekundärspule 52 verbunden ist, die Kathode der Zener-Diode 132 mit einem Ende des Schaltelements 131 verbunden ist, und das andere Ende des Schaltelements 131 geerdet ist.
Somit wird, wenn das Schaltelement 131 eingeschaltet wird, verhindert, dass die an die Zündkerze 2 angelegte Sekundärspannung V2 die Zener-Spannung Vz2 der Zener-Diode 132 überschreitet. Insbesondere wird nach Verstreichen der anfänglichen Entladespannungsspitze die Sekundärspannung V2 an die Zündkerze 2 angelegt. In diesem Fall wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gewährleistet, dass der Spannungsbegrenzungswert Vh, der eine obere Grenze des absoluten Werts der Sekundärspannung V2 ist, gleich der Zener-Spannung Vz2 der Zener-Diode 132 wird.
Der Rest der Konfiguration ist ähnlich wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Ähnlich wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann das vorliegende Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Zündvorrichtung bereitstellen, die in der Lage ist, Zündbarkeit zu gewährleisten, jedoch effektiv den Verbrauch in den Elektroden der Zündkerze minimieren kann.
Die Zündvorrichtung kann verschiedene andere Konfigurationen als diejenigen gemäß den dritten und vierten Ausführungsbeispielen aufweisen. Beispielsweise kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung in dem Körper der Zündspule oder in der Zündkerze vorgesehen werden.
Eine Zündvorrichtung weist eine Zündspule mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, eine Zündkerze mit einer Mittenelektrode und einer Masseelektrode zum Entladen dazwischen und eine Spannungsbegrenzungsschaltung auf. Die Spannungsbegrenzungsschaltung begrenzt eine zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegte Spannung derart, dass die Spannung einen absoluten Wert aufweist, der innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbegrenzungswerts begrenzt ist. Der Spannungsbegrenzungswert ist in den ersten und zweiten Stufen unterschiedlich. Die erste Stufe ist als eine Zeitdauer definiert, in der eine anfängliche Entladespitze endet, wobei die anfängliche Entladespitze anfänglich durch elektrische Energie erzeugt wird. Die zweite Stufe ist als eine Zeitdauer nach dem Ende der anfänglichen Entladespitze definiert. Der Spannungsbegrenzungswert in der ersten Stufe ist niedriger als der Spannungsbegrenzungswert in der zweiten Stufe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 06-080313 [0003]
JP 2012-177310 A [0010, 0011, 0013]

Claims

Zündvorrichtung (1, 10) mit: einer Zündspule (5), die mit einer Primärspule (51) und einer Sekundärspule (52) versehen ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, einer Zündkerze (2), die mit einer Mittenelektrode (21) und einer Masseelektrode (22) versehen ist, wobei Funken zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode durch Anlegen einer Spannung (V2) zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode erzeugt werden, wobei die Spannung unter Verwendung von elektrischer Energie in Reaktion auf einer in der Zündspule gespeicherten magnetischen Energie angelegt wird, und einer Spannungsbegrenzungseinrichtung (3, 30) zur Begrenzung der zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegten Spannung derart, dass die Spannung einen absoluten Wert aufweist, der auf unterhalb eines vorbestimmten Spannungsbegrenzungswerts begrenzt wird, wobei der Spannungsbegrenzungswert in ersten und zweiten Stufen (S1, S2) jeweils differenziert ist, wobei die erste Stufe (S1) als eine Zeitdauer definiert ist, in der eine anfängliche Entladespitze endet, wobei die anfängliche Entladespitze anfänglich durch die elektrische Energie erzeugt wird, die zweite Stufe (S2) als eine Zeitdauer nach dem Ende der anfängliche Entladespitze definiert ist, wobei der Spannungsbegrenzungswert (Vh1) in der ersten Stufe (S1) niedriger als der Spannungsbegrenzungswert (Vh2) in der zweiten Stufe (S2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung derart konfiguriert ist, dass die Spannungsbegrenzungswerte (Vh1, Vh2) in den ersten und zweiten Stufen austauschbar sind.
Zündvorrichtung (1, 10) mit: einer Zündspule (5), die mit einer Primärspule (51) und einer Sekundärspule (52) versehen ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, einer Zündkerze (2), die mit einer Mittenelektrode (21) und einer Masseelektrode (22) versehen ist, wobei Funken zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode durch Anlegen einer Spannung (V2) zwischen der Mittenelektrode und der Masseelektrode erzeugt werden, wobei die Spannung unter Verwendung von elektrischer Energie in Reaktion auf einer in der Zündspule gespeicherten magnetischen Energie angelegt wird, und einer Spannungsbegrenzungseinrichtung (3, 30) zur Begrenzung der zwischen den Elektroden der Zündkerze angelegten Spannung derart, dass das Entladen zwischen den Elektroden zugelassen wird, jedoch die zwischen den Elektroden nach einem Ende einer anfänglichen Entladespannungsspitze angelegte Spannung (V2) einen absoluten Wert aufweist, der auf unterhalb eines vorbestimmten Spannungsbegrenzungswerts (Vh) begrenzt ist, wobei die anfängliche Entladespannungsspitze anfänglich durch die elektrische Energie erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung eingerichtet ist, mit der Sekundärspule verbunden zu sein.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung mit einem Schaltelement (31), das elektrisch und selektiv ein- und ausgeschaltet wird, und einem Konstantspannungselement (32) versehen ist, das elektrisch angetrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Schaltelement und das Konstantspannungselement elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung eingerichtet ist, mit der Primärspule verbunden zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung mit einem Schaltelement, das elektrisch und selektiv ein- und ausgeschaltet wird, und einem Konstantspannungselement versehen ist, und das Schaltelement und das Konstantspannungselement elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtung mit einem Schaltelement (31, 313, 314), das elektrisch und selektiv ein- und ausgeschaltet wird, und einer Vielzahl von Konstantspannungselementen (321, 322, 323, 324) versehen ist, die elektrisch angetrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl der Konstantspannungselemente elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind; das Schaltelement elektrisch mit einem Pfad verbunden ist, der zwei Konstantspannungselemente (321, 322) verbindet, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die zwei Konstantspannungselemente in der Vielzahl der Konstantspannungselemente enthalten sind; und die Spannungsbegrenzungseinrichtung elektrisch parallel zu der Zündkerze geschaltet ist.