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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wechselspannungszündsystem zur Verwendung in verschiedenen Motoren, wobei es speziell in Anwendungen mit erschwerten Bedingungen zum Einsatz kommen soll, so dass ein Hochleistungszündsystem erforderlich ist, welches sowohl eine variable Zündenergie als auch eine lange Brenndauer aufweist.
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Ein Zündsystem für einen Motor beinhaltet im Wesentlichen ein System aus Zündspule und Zündkerze. Der Stand der Technik offenbart hauptsächlich Transistorzündsysteme, Hochspannungskondensatorzündsysteme und Mehrfachzündsysteme, wobei beim letzteren mehrere zeitlich nacheinander folgende Zündfunken erzeugt werden.
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Eine spezielle Form der Mehrfachzündung ist die Wechselstromzündung.
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So offenbart
DE 39 28 726 A1 ein System, bei dem der Zündstrom in Form eines Wechselstroms erzeugt wird. Ein statischer Sensor erfasst den Zündwinkel an der Nocken- bzw. Kurbelwelle, so dass einer Zündkerze der Wechselstrom kontrolliert zugeführt werden kann.
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DE 195 29 852 C1 offenbart eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Zündungserkennung für eine Zündanlage einer Brennkraftmaschine, wobei diese Vorrichtung und dieses Verfahren im Wesentlichen auf einer elektrischen Schaltung beruhen. Dieses System kommt bei Wechselspannungszündsystemen zum Einsatz und kommt ohne mechanische Komponenten zur Messung von Betriebsparametern des Motors aus.
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US 5 875 749 offenbart ein Wechselspannungszündsystem, welches auf einer Transistorschaltung beruht. Hierbei ist eine Diode zwischen dem Emitter und Kollektor des Transistors geschaltet. Ein Regelkreis kann ein Meßsignal empfangen, welches zum Potential des Kollektors proportional ist. Somit kann der Zündtransistor gesteuert werden, so dass dieser bei einer niedrigen Spannung zwischen Kollektor und Emitter aktiviert wird.
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WO 2012/045605 A1 offenbart eine Zündspule mit reduzierter Bauteilanzahl, umfassend insbesondere Spulenkörper und Kontaktelement, wobei der Spulenkörper eine Vielzahl von Spulenkammern umfasst. In jeder Spulenkammer ist eine Wicklung angeordnet. Der Spulenkörper umfasst zudem einen Kanal zur Aufnahme von Wicklungsdraht, wobei der Kanal unterhalb von wenigstens einer Spulenkammer verläuft.
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JP 2012-004238 A umfasst eine Zündvorrichtung mit zwei Zündspulen, welche nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet sind. Hierbei können Zündspannungen beider Spulen kombiniert werden und an einen Stecker abgegeben werden, wodurch Fehlzündungen vermieden werden können.
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Die regelungstechnische Umsetzung der Zündsteuerung im Stand der Technik beruht im Wesentlichen auf der Analogtechnik, was zu einem erheblichen Bauteilaufwand führt und steuerungstechnisch nicht variabel ist. Daher sind Funkenüberschlag und weitere Einflüsse auf Hochspannungsseite nicht konstant. Somit existiert eine Abhängigkeit im Ladeverhalten durch den vorangegangenen Ladevorgang.
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Ferner sind insbesondere bei Verwendung von speziellen Kraftstoffarten (z. B. Kerosin, Deponiegase, Klärgase), besonderen klimatischen Bedingungen (z. B. –30°C), oder einer speziellen Brennraumform (z. B. Brennraum in Form eines Wankelmotors) erhöhte Zündleistungsanforderungen vorhanden, speziell hinsichtlich der Brenndauer. Eine sichere Verbrennung, auch bei erhöhter Ladungsdichte, z. B. Turboaufladungen, muss in jedem Falle garantiert sein, da in diesem Fall durch Lastwechsel der Zündspannungsbedarf enorm ansteigt. Solche erschwerte Bedingungen sind zum Beispiel im Drohnenbereich (bei Kerosinbetrieb), bei Wankelmotoren im Ultraleichtbereich (z. B. für Ultraleichtflugzeuge und Drohnen), bei Blockheizkraftwerken mit speziellen Gasen (z. B. Deponiegase und Klärgase) und bei Blockheizkraftwerken im Magerbetriebsbereich (Lambda 1.6), notwendig.
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Unter erschwerten Bedingungen wird bisher eine Hochdruckeinspritzung (z. B. bei Dieseltechnik) vorgenommen, was auch beim Kerosinbetrieb grundsätzlich möglich wäre. Technisch ist eine Hochdruckeinspritzung in einigen Bereichen problematisch, zum Beispiel im Drohnenbereich, da hier schwere und aufwändige Komponenten erforderlich wären, welche bei Ultraleichtanwendungen nicht einsetzbar sind. Ein weiteres wichtiges Problem ist, dass bei der Hochdruckeinspritzung der Zündfunke wegen dem hohen Druck ausgeblasen werden kann. Ferner ist bei der Hochdruckeinspritzung von Kerosin auch das Problem der Glühzündungsgefahr (unkontrollierte Verbrennung) vorhanden. Aus diesen Gründen ist eine Hochdruckeinspritzung bei erschwerten Bedingungen bisher nicht möglich.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein parametrierbares Hochleistungs-Wechselspannungszündsystem für verschiedene Motoren, zum Beispiel zur Ermöglichung des Kerosinbetriebs, zur Verfügung zu stellen. Hauptaspekte der Erfindung sind die kompakte und leichte Bauweise, sowie Dauerlastfähigkeit und die Einsatzfähigkeit über einen großen Temperaturbereich.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wechselspannungszündsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Verwendung ist Inhalt der Ansprüche 13 bis 15. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beinhaltet ein Wechselspannungszündsystem, hauptsächlich bestehend aus einer Leistungselektronikeinheit, einem Mikrocontroller, einem Netzteil und einer Zündspule. Alle diese Komponenten sind in kompakter Bauweise in einem Gehäuse untergebracht. Das Wechselspannungszündsystem beinhaltet eine Anschlussvorrichtung, um mit Bauteilen eines Fahrzeugs außerhalb des Zündsystems zu kommunizieren, sowie einen Anschluss für eine Zündkerze. Die Vorgabe der relevanten Zündparameter, Brenndauer und Funkenstrom ist entweder über eine direkte Ansteuerung über die Anschlussvorrichtung oder über einen CAN-BUS einstellbar.
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Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, durch Verwendung des Mikrocontrollers den Funkenstrom über den Primärkreis zu regeln. Weiterhin wird eine Rückkopplung realisiert, mit deren Hilfe das Resonanzverhalten der Zündspule dauerhaft angeregt wird. Hierzu wird eine Resonanz des Schwingkreises aus Zündspule und einem Schwingkreiskondensator ausgenutzt.
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Durch die Wechselspannungszündung überwacht das Zündsystem in einem geschlossenen Regelkreis sowohl den Primär- als auch den Sekundärstrom der Zündspule und erlaubt daher Rückschlüsse auf die Entflammung des Zündvorgangs. Sollte der Sekundärstrom eine einstellbare Grenze unterschreiten, kann der Zündvorgang unterbrochen werden, um die Primärspule erneut mit Strom zu versorgen. Daraufhin kann mit vollständiger Spulenenergie eine erneute Zündung vorgenommen werden. Die Auswahl dieser Grenze legt die Funkenenergie und die Brenndauer fest, und ist von den thermodynamischen Bedingungen im Brennraum abhängig. Speziell kann die Aussetzerhäufigkeit im ”Fett-Bereich”, deutlich reduziert werden, aber auch eine Anwendung im geschichteten Magerbetrieb ist möglich. Durch die Optimierung des Zündverfahrens ist es ferner möglich, den Kraftstoffverbrauch und die NOx- und HC-Emissionen deutlich zu reduzieren.
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Ein weiteres Merkmal ist eine Funkenstrommodulation bei der Wechselspannungszündung im Steuerfrequenzbereich über den kompletten Funktionsbereich der Wechselstromzündung. Dies kann über die mikrokontrollergesteuerte Leistungselektronik realisiert werden.
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Auch daher kann ein zeitlich beliebig langer und vor allem kontinuierlicher Funken erzeugt werden. Ein weiterer großer Vorteil Erfindung ist die höhere Sicherheit gegen Nebenschluss, welche durch einen schnelleren Hochspannungsaufbau erzielt wird. Daher kann die Zündsicherheit zum Beispiel bei verschmutzten Zündkerzen oder im Kaltstart deutlich verbessert werden, und hebt sich daher von herkömmlichen Zündverfahren ab. Ebenfalls ein Vorteil ist die Aussetzererkennung, welche wie oben beschrieben im selben Arbeitstakt ein erneutes Zünden nach erfolglosem Erlöschen des ersten Zündfunkens einleiten kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft (speziell im Magerbetrieb), dass für jeden einzelnen Funken der Mehrfachzündung jeweils die Gesamtspulenenergie erneut zur Verfügung steht.
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In der vorliegenden Erfindung wird eine Wechselspannung in ein Stabzündspulensystem integriert.
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Die Erfindung ermöglicht einen hohen Funkenstrom bei gleichzeitig langer Brenndauer. Der Funkenstrom und die Brenndauer sind variabel einstellbar, wodurch eine höhere Sicherheit bezüglich der Verbrennung gewährt wird. Die Zündenergie ist ebenfalls einstellbar sein, um Verlustfaktoren auf dem Zündfunkweg zu kompensieren.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 ist eine Außenansicht eines Wechselspannungszündsystems gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. Ausführungsform.
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2 ist eine Querschnittsansicht der Zündspule.
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3 ist eine Explosionszeichnung der Zündspule.
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4 ist ein elektrischer Schaltplan, umfassend ein Netzteil, ein Leistungsteil und ein Prozessorteil sowie die Zündspule.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt ein in einem Gehäuse 12 integriertes Wechselspannungszündsystem 1. Hier wird ersichtlich, dass die Bauform des Zündsystems handelsüblichen Zündsystemen entspricht. Hier sei speziell das Gehäuse 12 sowie die Größe der gesamten Baugruppe erwähnt. Zur Kommunikation mit Steuereinheiten eines Motors ist an einem Abschnitt der Baugruppe eine Anschlussvorrichtung 10 vorgesehen, welche durch ein Kabel mit weiteren Steuereinheiten des Motors verbunden werden kann.
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2 beschreibt die Zündspule 4 des Wechselspannungszündsystems 1. Alle Teile der Zündspule 4 sind in einen Außenkörper 11 integriert. Im Inneren der Zündspule 4 befindet sich ein Kern 7, welcher hier aus ferritischen Materialien gefertigt ist. Auf ein Teil des Kerns 7 ist der Primärspulenkörper 5a aufgesteckt, wobei der Primärspulenkörper 5a zur Aufnahme des Kerns 7 hohl ausgebildet ist. Jener Primärspulenkörper 5a weist ferner auf der äußeren Umfangsseite eine oder mehrere, hier vier, Trennvorrichtungen 5c auf. So entstehen zwei oder mehrere, hier drei, Wickelkammern 5d zur Aufnahme eines Primärwickelkörpers 5b. Der Primärspulenkörper ist hier aus einem isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt.
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Der Primärspulenkörper 5a und ein weiterer Abschnitt des Kerns 7 werden von einem Sekundärspulenkörper 6a aufgenommen. Jener Sekundärspulenkörper 6a ist teilweise oder ganz zur Aufnahme von entweder dem Primärspulenkörper 5a oder aber dem Primärspulenkörper 5a und dem Kern 7 hohl ausgebildet. Die Form der inneren Aussparung wird demnach angepasst, welcher Teil (Kern 7 und/oder primärer Spulenkörper 5a) an welcher Stelle vom Sekundärspulenkörper 6a aufgenommen werden soll. Auf der äußeren Umfangsseite ist der Sekundärspulenkörper 6a mit einer oder mehreren, hier fünfzehn Trennvorrichtungen 6c ausgeführt, wodurch zwei oder mehrere Wickelkammern 6d zur Aufnahme des Sekundärwickelkörpers 6b ausgebildet werden. Der Sekundärspulenkörper 6a ist genau wie der Primärspulenkörper 5 aus vorzugsweise einem isolierenden Material, vorzugsweise Kunststoff, ausgebildet. In 2 weist der Primärspulenkörper 5a eine zylindrische Form auf, wobei auf diesen Zylinder scheibenförmige Trennvorrichtungen 5c angeordnet und diese mit dem Zylinder integral ausgebildet sind, genauer gesagt sind vier scheibenförmige Trennvorrichtungen 5c vorhanden. In der vorliegenden Ausführungsform besitzt der Primärspulenkörper 5a auf der oberen und unteren Seite jeweils eine scheibenförmige Trennvorrichtung 5c. In der vorliegenden Ausführungsform besitzt der Sekundärspulenkörper 6a eine doppelt-kegelstumpfförmige Form: Die beiden Abschnitte des Sekundärspulenkörpers ohne Berücksichtigung der Trennvorrichtungen 5c bzw. 6c weisen jeweils einen Kegelstumpf mit unterschiedlichem Durchmesserauf. Im unteren Abschnitt des Sekundärspulenkörpers 6a sind Wickelkammern 6d, welche durch die Anordnung der scheibenförmigen Trennvorrichtungen 6b entstehen, in ihrer Bauweise tiefer ausgebildet. Innerhalb des Sekundärspulenkörpers 6a ist an einer bestimmten Stelle eine Stufe vorgesehen, welche durch die Durchmesseränderung der beiden Abschnitte des Sekundärspulenkörpers entsteht, und die Tiefe der Trennvorrichtungen 6c wird geringer. An dieser Stufe ändert sich der Querschnitt des Sekundärspulenkörpers 6a durch Aufnahme des Primärspulenkörpers 5a im Inneren. Die innere hohle Aussparung für den Primärspulenkörper 5a ist vom Durchmesser her größer als die hohlförmige Aussparung für den Kern 7, welche am unteren Teil des Sekundärspulenkörpers 6a vorgesehen ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 2 dargestellt, der Kern 7 oben durch einen Abschluss 13, vorzugsweise aus ähnlichem Material gefertigt wie der Kern 7, abgeschlossen.
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Die spezielle Anordnung von Primärspule 5 und Sekundärspule 6 soll dazu führen, dass ein Koppelfaktor von im Wesentlichen zwischen 0,5 und 0,7 erhalten wird. Durch konstruktive Ausführungsformen ist ferner sichergestellt, dass der Schwingkreis aus Zündspule 4 und einem Schwingkreiskondensator 15 eine Resonanz mit einer bestimmten Schwingkreisfrequenz aufweist, mit der die Zündung durchgeführt wird.
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Bei dem vorliegenden Spulenaufbau ist es möglich, den Koppelfaktor der Zündspule 4 richtig zu dimensionieren, um den optimalen Betriebspunkt (hohe Zündspannung und hohe Leistungsdichte) zu erhalten. Durch die auf Primär- und Sekundärspule 5, 6 entstehenden Wickelkammern 5d und 6d, spezielle Wickelmaßnahmen wie zum Beispiel eine bestimmte Anzahl Wicklungen pro Wickelkammer 5d bzw. 6d, sowie dem oben beschriebenen Aufbau der Zündspule 4, kann eine Feinoptimierung des Koppelfaktors erfolgen.
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Wird der Koppelfaktor zu hoch gewählt, ist die Zündspannung sehr hoch, jedoch ist die Energiedichte zu gering, dass kein Zündvorgang erfolgen kann.
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Wird der Koppelfaktor dagegen zu niedrig gewählt, kann Leistung gut übertragen werden, jedoch ist kein Aufbau von einer erforderlichen Zündspannung möglich.
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3 stellt eine Explosionszeichnung der Zündspule 4 dar. Hier wird nochmals genauer gezeigt, wie Kern 7, Abschluss 13, Primärspulenkörper 5, Sekundärspulenkörper 6 und der Außenkörper 11 angeordnet sind. Ebenfalls ist hier die doppeltkegelstumpfförmige Form mit verschiedenen Querschnitten des Sekundärspulenkörpers 6 deutlich ersichtlich.
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4 zeigt einen Schaltplan, der die Verbindungen von Netzteil 9, Leistungselektronikeinheit 2 und Mikrocontroller 3 zeigt. Hier wird insbesondere deutlich, dass der Funkenstrom in der Leistungselektronikeinheit 2 gemessen wird und dessen Werte an den Mikrocontroller 3 weitergegeben werden. Einzustellende Werte, welchen durch den Mikrocontroller 3 bestimmt werden, können an die Leistungselektronikeinheit 2 weitergegeben werden, um dort die Versorgung der Zündspule mit Strom zu regulieren. Ferner wird der Schwingkreis, bestehend aus Zündspule 4 und Schwingkreiskondensator 15, verdeutlicht.
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Zweite Ausführungsform
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Primär- und Sekundärspulenkörper 5a, 6a sind nicht auf die Form der ersten Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können diese auch eine zylindrische Form, Pyramidenform, Prismaform oder ähnliches aufweisen. Auch können sie aus mehreren verschiedenen Formen zusammengesetzt sein.
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Weitere Ausführungsformen
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Der Stabkern kann mit einer oder mehreren Stufen ausgebildet sein.
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Anstatt eines Stabkerns können weitere Ausführungsformen einen E-Kern, einen EI-Kern oder einen Ringkern aufweisen. Die elektrischen Eigenschaften der Zündspule (Koppelfaktor, Induktivität, Widerstand) sollten dabei im Wesentlichen denen eines Stabkerns entsprechen.
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Ein Wechselspannungszündsystem 1 für einen Motor weist eine Leistungselektronikeinheit 2, einen Mikrocontroller 3 und eine Zündspule 4 auf. Die Zündspule ist aus einer Primärspule 5 mit einem Primärspulenkörper 5a und einem Primärwickelkörper 5b sowie aus einer Sekundärspule 6 mit einem Sekundärspulenkörper 6a und einem Sekundärwickelkörper 6b, und ferner einem Kern 7 aufgebaut. Der Primärspulenkörper 5a ist zur Aufnahme des Kerns 7 hohl ausgebildet und auf der äußeren Umfangsseite mit mindestens einer Trennvorrichtung 5c ausgeführt, wodurch zwei oder mehrere Wickelkammern 5d zur Aufnahme des Primärwickelkörpers 5b ausgebildet werden. Der Sekundärspulenkörper 6a ist teilweise oder ganz zur Aufnahme von entweder Primärspulenkörper 5a oder Primärspulenkörper 5a und Kern 7 hohl ausgebildet ist und auf der äußeren Umfangsseite mit mindestens einer Trennvorrichtung 6c ausgeführt, wodurch zwei oder mehrere Wickelkammern 6d zur Aufnahme des Sekundärwickelkörpers 6b ausgebildet werden. Besonderes Merkmal der Zündspule 4 ist, dass diese in Verbindung mit dem Schwingkreiskondensator 15 eine bestimmte Resonanz aufweist, so dass mit der Schwingfrequenz des Schwingkreises die Zündung durchgeführt werden kann. Der Mikrocontroller dient der Steuerung der Leistungselektronikeinheit der Zündspule, wobei diese Steuerung über eine direkte Ansteuerung über die Anschlussvorrichtung 10 oder über einen CAN-BUS 14 erfolgen kann.
